CN207741995U - 机器人自动砂样制备装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种机器人自动砂样制备装置。砂样制备装置装置具有基座，基座顶部设置有一旋转座，旋转座上设置有两块竖直方向的固定板；在固定板上设置有机械臂，在机械臂前端设置有激光测距仪和漏斗，漏斗底部开口设置有电磁阀；机械臂的运动由三台伺服电机联合控制完成。伺服电机、激光测距仪、电磁阀的终端分别与控制器相连。本实用新型将激光测距仪的测距结果实时反馈给控制器，并通过控制器操控电磁阀和伺服电机控制机械臂运动，完成砂样制备。根据本实用新型提供的装置和方法，人工劳动量少、技术要求低；获得的砂样密度可控、均匀度高，满足科研实验对砂样的要求。

Description

机器人自动砂样制备装置

技术领域

本实用新型涉及试验技术领域，尤其涉及一种具有激光测距功能的、由控制器控制、机械臂自动完成的砂样制备装置。

背景技术

目前关于土质材料的样本制备试验中，采用的砂样制备方法多为手工洒砂。制备试样时，试验者手中握漏斗，距离砂面一定高度，将砂子由漏斗释放，使其自由落体，掉入器皿中形成砂样。由于砂样制作者的技术熟练程度不同、且制作过程的劳动强度大，这种手工方法制备的砂样密度、均匀性都存在较大的误差，由此引起相关试验误差。

实用新型内容

本实用新型为了提高试验精度，优化砂样密度及均匀性便成为砂样制备的关键环节，所采用的技术方案为：

一种机器人自动砂样制备装置，所述砂样制备装置包含机械臂系统、基座、旋转座、固定板、若干个伺服电机、激光测距仪、漏斗、电磁阀、控制器，所述基座顶部设置有一旋转座，所述旋转座由基座内的第一伺服电机控制其转动，所述旋转座上设置有两块竖直方向的固定板；

在所述旋转座上设置有机械臂系统，所述机械臂系统包括：

第一后端粗臂、第一后端细臂，所述第一后端粗臂和所述第一后端细臂的底端铰接在两块固定板之间，所述第一后端粗臂设置在前端并且由安装在固定板之间的第二伺服电机驱动其转动；

第二前端粗臂和第二前端细臂，第二前端粗臂和第二前端细臂的前端分别铰接在一前端铰接板的两个铰接点上，所述第二前端粗臂的后端铰接在所述第一后端粗臂顶端，且在第一后端粗臂顶端内置有第三伺服电机以驱动所述第二前端粗臂以所述第一后端粗臂顶部为中心转动，所述第二前端细臂的后端与一三角形铰接板的其中一个铰接点铰接，且该三角形铰接板的其余两个铰接点分别与所述第一后端粗臂和所述第一后端细臂的顶端转动连接；

所述激光测距仪安装在所述前端铰接板下方；

所述漏斗通过夹持件安装在所述前端铰接板上；

所述电磁阀设置在漏斗底部开口部位；

所述控制器连接各个伺服电机、激光测距仪和电磁阀。

进一步的，所述控制器设置在所述机器人自动砂样制备装置的基座内，用于控制第一伺服电机、第二伺服电机、第三伺服电机、激光测距仪和电磁阀的运行。

进一步的，所述基座侧面设置有IO接口，外部控制终端通过数据线与该IO接口相连后与基座内的控制器相连。

进一步的，所述激光测距仪自身具有供电模块对其进行供电。

进一步的，所述激光测距仪以10次/秒的频率进行测距。

进一步的，激光测距仪的测距范围为10cm-10m，精度为±1mm。

进一步的，所述机械臂系统在运行中，其前端铰接板的底面始终处于水平状态。

本实用新型目前的改进主要体现在：

1)由机器人完成砂样制备过程，操作简便；只需人工向漏斗内添加砂即可，后续砂样制备全程由机器人完成，方便快捷。

2)机械人由机械臂、激光测距仪、控制器构成，能模仿人类的手、眼和大脑的功能，并由此获得密度可控、均匀度高的砂样。

3)机械臂在运行中，其前端铰接板的底面始终处于水平状态，能保证漏洞在砂样制备时不会倾斜溢砂、且激光测距仪测定的距离始终是竖直方向砂粒落距。

4)电磁阀可在制备开始和结束阶段分别开启和关闭漏砂操作，并且在人工添砂出错等紧急情况下通过(外部和/或内部)控制器及时停止漏砂，可以进一步提高砂样的精确度。

5)装置的制作简便、造价低，具有可行性。目前市面上的机械臂构件、激光测距仪、电磁阀、伺服电机、控制器等的加工/销售的价格低，装置的制作方便。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一实施例中，本实用新型提供的一种机器人自动砂样制备装置的示意图；

图2为一实施例中，前端铰接板的示意图；

图3为一实施例中，三角形铰接板的示意图。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本实用新型更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本实用新型可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本实用新型发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

为了彻底理解本实用新型，将在下列的描述中提出详细的步骤以及详细的结构，以便阐释本实用新型的技术方案。本实用新型的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本实用新型还可以具有其他实施方式。

本实用新型提供了一种机器人自动砂样制备装置，参照图1-3所示，该砂样制备装置包含机械臂系统、基座1、旋转座2、固定板3、若干个伺服电机、激光测距仪10、漏斗11、电磁阀12、控制器，基座1顶部设置有旋转座2，旋转座2由基座1内的第一伺服电机控制其转动，旋转座2上设置有两块竖直方向的固定板3；

在旋转座2上设置有机械臂系统，机械臂系统包括：

第一后端粗臂4、第一后端细臂5，第一后端粗臂4和第一后端细臂5的底端铰接在两块固定板3之间，第一后端粗臂4设置在前端并且由安装在固定板3之间的第二伺服电机驱动其转动；

第二前端粗臂8和第二前端细臂7，第二前端粗臂8和第二前端细臂7的前端分别铰接在一前端铰接板9的两个铰接点9a、9b上，第二前端粗臂8的后端铰接在第一后端粗臂4顶端，且在第一后端粗臂4顶端内置有第三伺服电机以驱动第二前端粗臂8以第一后端粗臂4顶部为中心转动，第二前端细臂7的后端与一三角形铰接板6的其中一个铰接点6c铰接，且该三角形铰接板的其余两个铰接点6a、6b分别与第一后端粗臂4和第一后端细臂5的顶端转动连接；

激光测距仪10安装在前端铰接板9下方；

漏斗11通过夹持件安装在前端铰接板9上，跟随机械臂系统各节点的转动可改变空间位置；

电磁阀12设置在漏斗11底部的开口部位；

控制器连接各个伺服电机、激光测距仪和电磁阀。

机械臂系统行动的原理为：首先第一后端粗臂4和第一后端细臂5底部可转动，第一后端粗臂4底部可由第一伺服电机驱动而转动，而第一后端粗臂4和第一后端细臂5顶端均铰接在一三角形铰接板6上，使得第一后端细臂5可以同步围绕其底部转动；其次，第一后端粗臂4顶部内置有第二伺服电机，可以拉动第二前端粗臂8，使第二前端粗臂8能够以第一后端粗臂4顶部为中心转动，实现在保证前端铰接板9底面始终水平的前提下，第一、第二伺服电机联合作用实现前端铰接板9的上下左右(“左右”方向指图1中的左右方向)移动。

控制器设置在基座1内，分别与第一伺服电机、第二伺服电机、第三伺服电机、电磁阀12和激光测距仪10相连。机械臂系统的前端臂和后端臂可自由转动，带动漏斗11前后(图1中的前后方向，即纸面的内外方向)移动，移动范围可根据机械臂长度调整。推荐机械臂的臂总长37cm以上，荷载能力满足能够负载漏斗及漏斗中盛放的砂即可，最好在500gf以上。

基座1侧面设置有IO接口，外部控制终端通过数据线与该IO接口相连后与本装置基座内的控制器相连，我们可以通控制终端来输入相应指令传达至控制器，进而控制机械臂系统以及激光测距仪和电磁阀的运行。

激光测距仪10能够以10次/秒的频率测量激光测距仪10与砂样表面的距离并实时反馈给控制器。可选的，激光测距仪10自身具有供电模块(例如干电池)对其进行供电。激光测距仪10的测距范围为10cm-10m，精度为±1mm。其中，无论机械臂系统如何转动，前端铰接板9的底面始终处于水平状态，使得激光测距仪10始终垂直于地面。

同时本实用新型还提供了一种采用上述的机器人自动砂样制备装置进行砂样制备的方法，包括如下步骤：

步骤S1、在漏斗正下方放置砂样制备器皿；

步骤S2、在漏斗中放置定量砂；

步骤S3、控制器控制旋转座和/或机械臂运作，使机械臂前端的漏斗位于砂样制备器皿正上方；

步骤S4、激光测距仪实时监测正下方砂样制备器皿的底面与激光测距仪之间的距离H，若在当前位置处距离H在预设区间以内(即：预设值H₀±容许误差ΔH)，控制器打开漏斗的电磁阀，使漏斗中的砂自然掉落至砂样制备器皿中；

步骤S5、控制器打开漏斗的电磁阀后，激光测距仪继续实时监测正下方砂样制备器皿中砂与激光测距仪之间的距离H，同时控制第一伺服电机驱动旋转座旋转、控制第二伺服电机驱动第一后端粗臂以底部为中心转动和/或控制第三伺服电机驱动第二前端粗臂以第一后端粗臂顶部为中心转动，使漏斗在左右和前后方向按照设定路线、设定的速度移动；同时通过控制第三伺服电机的驱动，使H始终在预设区间以内；

步骤S6、漏斗按照设定路线、完成一个撒砂循环后，继续重复进行步骤S5，每走一遍，砂厚度增加几个毫米(具体数值根据实际需要而定；设定的移动路线和设定的移动速度直接决定每走一遍砂厚度的增加量)，直至砂样制备器皿中各区域中的砂厚度略高于预定高度(例如高于预定高度10％)；控制器控制电磁阀关闭漏斗的开口，避免在移动过程中漏斗落砂。用工具(推荐使用小型收光刀)移除少量多余的砂，使器皿中各区域的砂厚度接近预定高度(例如15cm)，砂样制作完成，形成有机玻璃器皿内的长方体形状的砂体，推荐长度和宽度为20cm，高度为3-15cm。

其中，我们可以控制机械臂系统前端的前端铰接板以0.25m/s的速度走“之”字型路线匀速撒砂，完成砂样的制备。走“之”字型路线能够使得器皿中各区域中的砂厚度近似相等，同时尽可能对器皿每个区域进行撒土，降低了各区域砂样品的高度差，减少了后续人工的工作量。

以上对本实用新型的较佳实施例进行了描述。需要理解的是，本实用新型并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本实用新型技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，这并不影响本实用新型的实质内容。因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本实用新型技术方案保护的范围内。

Claims (7)

1.一种机器人自动砂样制备装置，其特征在于，所述砂样制备装置包含机械臂系统、基座、旋转座、固定板、若干个伺服电机、激光测距仪、漏斗、电磁阀、控制器，所述基座顶部设置有一旋转座，所述旋转座由基座内的第一伺服电机控制其转动，所述旋转座上设置有两块竖直方向的固定板；

在所述旋转座上设置有机械臂系统，所述机械臂系统包括：

第一后端粗臂、第一后端细臂，所述第一后端粗臂和所述第一后端细臂的底端铰接在两块固定板之间，所述第一后端粗臂设置在前端并且由安装在固定板之间的第二伺服电机驱动其转动；

第二前端粗臂和第二前端细臂，第二前端粗臂和第二前端细臂的前端分别铰接在一前端铰接板的两个铰接点上，所述第二前端粗臂的后端铰接在所述第一后端粗臂顶端，且在第一后端粗臂顶端内置有第三伺服电机以驱动所述第二前端粗臂以所述第一后端粗臂顶部为中心转动，所述第二前端细臂的后端与一三角形铰接板的其中一个铰接点铰接，且该三角形铰接板的其余两个铰接点分别与所述第一后端粗臂和所述第一后端细臂的顶端转动连接；

所述激光测距仪，安装在所述前端铰接板下方；

所述漏斗，通过夹持件安装在所述前端铰接板上；

所述电磁阀设置在漏斗底部开口部位；

所述控制器连接各个伺服电机、激光测距仪和电磁阀。

2.如权利要求1所述的机器人自动砂样制备装置，其特征在于，所述控制器设置在所述机器人自动砂样制备装置的基座内，用于控制第一伺服电机、第二伺服电机、第三伺服电机、激光测距仪和电磁阀的运行。

3.如权利要求2所述的机器人自动砂样制备装置，其特征在于，所述基座侧面设置有IO接口，外部控制终端通过数据线与该IO接口相连后与基座内的控制器相连。

4.如权利要求1所述的机器人自动砂样制备装置，其特征在于，所述激光测距仪自身具有供电模块对其进行供电。

5.如权利要求1所述的机器人自动砂样制备装置，其特征在于，所述激光测距仪以10次/秒的频率进行测距。

6.如权利要求1所述的机器人自动砂样制备装置，其特征在于，激光测距仪的测距范围为10cm-10m，精度为±1mm。

7.如权利要求1所述的机器人自动砂样制备装置，其特征在于，所述机械臂系统在运行中，其前端铰接板的底面始终处于水平状态。