CN109396138A - 智能矿石清扫机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种以电动机供动力、推土机工作方式为原理的智能矿石清扫机器人，其主要包括机械部分特征和电气控制部分特征。机械部分特征包括清扫机构和行走机构。清扫机构由主清扫部分、辅助清扫部分、直线模组部分、辅助滑轨部分以及对心曲柄摇杆部分组成。行走机构采用舵轮驱动方式，依照五点布局，舵轮放置在车体中心位置，在车身四个角配四个辅助万向轮，由两个舵轮相互配合并与万向轮组成的行走结构可实现全方位的转向。电气***控制部分特征包括***的硬件部分和软件部分，硬件部分包括六个模块，软件部分则是通过单片机的C语言程序代码对各个硬件部分进行控制。

Description

智能矿石清扫机器人

所属技术领域

本发明涉及一种矿石智能清扫机器人，尤其涉及一种以电动机提供动力、推土机工作方式为原理的矿石智能清扫机器人。

背景技术

矿石智能清扫机器人是一种通过传感器及配合控制***实现对铁路残留矿石的自动化清扫的机器人。此机器人分两个模块设计：机械***设计，包括移动结构设计和清扫机构设计；控制***设计，包括清扫机器人移动行走控制、清扫控制和路径规划控制。

近年来铁矿石粘附结底问题成为我国各大矿区一个有待解决的生产实际问题，从某铁厂现场调研的相关资料了解到，一节货车平车厢需要五个人同时进入车厢进行清扫，作业时间至少在15分钟以上，并且这一清扫工序用人工完成时，时常出现工作效率低、劳动强度稍大的问题。而当下市场上已经研发的自动清扫机主要是针对各大煤矿煤的粘附结底，对铁矿石的装卸与脱附自动清扫机械展开的***研究少之又少，特别是具体结合某炼钢厂铁矿石装卸作业而开展的智能清扫机器人的研究更鲜为少见,且投入使用的清扫机主要用于U型车厢煤矿的清扫，鲜有对平车厢铁矿石作业的清扫机。目前基于矿石粘附结底机理研发的机械方式破坏煤矿粘附结底的清扫机主要有龙门式、滚筒式等,而且大多数采用液压***进行动力控制，制造成本较高。

发明内容

为了克服背景技术所述的对于清扫铁路残留矿石技术中我国现存技术的不足以及还不具备的技术，本发明提供一种可以很好的通过传感器及配合控制***实现对铁路残留矿石的自动化清扫机器人。

本发明是通过以下技术方案实现的。

该机器人主要有机械***和电气控制***组成。机械***部分特征主要有两大机构构成：清扫机构和行走机构。电气***控制部分特征包括硬件部分和软件部分。

机械***部分特征中，清扫机构主要根据铁矿石的比重和清扫功能进行设计，在满足功能的要求下借鉴推土机的作业方式，采用递推的工作原理设计往复的工作模式。该清扫机构主要包括了主清扫部分、辅助清扫部分、直线模组部分、辅助滑轨部分以及对心曲柄滑块部分。主清扫部分是该智能机器人的基本清扫部分，其主要包括主清扫板[2]、支承连接杆[8]，支承连接杆通过安装螺栓固定联接在主清扫板背部的托板上。

所述的直线模组部分包括直线模组电机[23]、直线模组台[10]、直线模组滑台[20]、直线模组滑台端盖[11]，直线模组挡块[43]，直线模组台头部联接着直线模组电机，通过两个直线模组固定座[12]安装在呈凸台状的推板电机板[13]上，直线模组台上端中间有一条导轨，上面安装着直线模组滑台并用两个直线模组滑台端盖固定滑台两端，主清扫机构通过安装螺栓固定联接在支承连接座[9]上，支承连接座下端联接直线模组滑台。此外，辅助清扫机构中与辅助清扫前板[1]、辅助清扫后板[4]相联接的直线模组部分包括直线电机[31]、直线模组台[29]、直线模组滑台盖[26]、直线滑台[27]、直线模组固定座[30]、直线模组前端盖[28]、直线模组后端盖[41]。封闭式的直线模组主要起到为避免矿石不慎进入动力机构作为机构的驱动元的作用。

所述的辅助滑轨部分包括滑轨台[18]、滑轨[17]、滑块[19]，螺钉与滑轨紧固联接。两个辅助滑轨分别固定在推板电动机[13]的两侧平板上，滑台杆[16]一端通过螺钉与滑轨台相联接，另一端与清扫板相联接。

所述的对心曲柄滑块部分包括连杆[15]、曲柄滑块[25]、转动板[24]、曲柄[14]、曲柄支座[42]，曲柄与连杆的连接处采用开口销钉进行连接。转动板、曲柄和曲柄支座构成了辅助清扫机构连接件。

所述的辅助清扫部分中，辅助清扫前板[1]、辅助清扫后板[4]分别由螺栓与连接件固定，通过摇杆联接到放置在辅助机构中直线模组滑台上的曲柄滑块，

机械***部分特征中，行走机构采用舵轮驱动方式，按照五点布局，舵轮放置在车体中心位置，在车身前后四个角配以四个辅助万向轮。万向轮结构中主要包括万向轮连接板[45]、万向轮架[6]、万向车轮[7]，为减少万向轮磨损采用HD-WXDX型万向轮，通过螺栓与万向轮架相联接。

行走机构中间的舵轮结构主要起转向驱动作用，舵轮结构主要包括舵轮安装板[35]、舵轮大齿轮[32]、舵轮小齿轮[36]、舵轮齿座[37]、舵机座[33]、舵轮车轮[40]、舵轮后盖[34]、舵轮车轴[44]、舵轮电机1[39]、舵轮电机2[38]、舵轮装块，在行驶时,舵轮由自身内部的两台伺服电机驱动，通过跟车体做相对运动来控制小车的转向，实现前后和左右两个方向的行走，由两个舵轮相互配合并与万向轮组成的行走结构可实现全方位的转向。行走机构除了起到驱动和转向作用外，并为清扫机构起到支撑作用。

电气***控制部分特征则由***的硬件部分和***的软件部分组成。***的硬件部分由多个模块共同组成，每个模块实现不同的功能，这些模块分别是：电源模块、激光传感模块、ADC0832芯片模数转换模块、AT89C51芯片串行通信电路、伺服电机模块、信号预警模块。电源模块主要是为其他各个模块供电，保障***稳定运行。AT89C51芯片模块主要对“从设备”输送数据做出分析判断，并且向“从设备”发出相应执行指令。ADC0832型号的AD转换芯片，主要是将传入AD芯片的模拟量转换为数字量，并将数字量传输到单片机。激光传感器模块主要负责清扫机器人行走过程中位置的探测任务，并将收集到的信号传给模数芯片。伺服电机模块又可分为电机驱动部分和边缘控制部分，电机驱动部分主要是ULN2003A电机驱动芯片，负责将电脉冲信号输入伺服电机，使其能够完成正反转和停止的工作。伺服电机边缘控制部分主要是保障伺服电机电路的正常工作，经过单片机控制可实现分时段控制不同电机。信号预警电路主要由蜂鸣器和LED警示灯组成，智能清扫机器人完成所有清扫工作回到起始工位后，蜂鸣器发出嗡嗡声响和LED灯亮提示工作人员将机器人调离货车车厢底部。

***的软件部分是通过单片机的C语言程序代码对各个硬件部分进行控制，它的主要工作是在C语言程序设计软件中编写好程序代码，并生成单片机的执行文件。

附图说明

图1为智能清扫机器人整体示意图

图2为去车壳内部整体示意图

图3为安装舵轮部分侧视图

图4为舵轮部分主视图

图5为与辅助清扫机构相联接的直线模组示意图

图6为对心曲柄滑块部分示意图

图中标号分别为：1为辅助清扫前板、2为主清扫板、3为车架、4为辅助清扫后板、5为车壳、6为万向轮架、7为万向车轮、8为支承连接杆、9为支承连接座、10为直线模组台、11为直线模组滑台端盖、12为直线模组固定座、13为推板电机板、14为曲柄、15为连杆、16为滑台杆、17为滑轨、18为滑轨台、19为滑块、20为直线模组滑台、21为传感器、22为传感器、23为直线模组电机、24为转动板、25为曲柄滑块、26为直线滑台盖、27为直线滑台、28为直线模组前端盖、29为直线模组台、30为直线模组固定座、31为直线电机、32为舵轮大齿轮、33为舵机座、34为舵轮后盖、35为舵轮安装板、36为舵轮小齿轮、37为舵轮齿座、38为舵轮电机2、39为舵轮电机1、40为舵轮车轮、41为直线模组后端盖、42为曲柄支座、43为直线模组挡块、44为舵轮车轴、45为万向轮连接板等。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对发明进一步详细的说明：

铁矿石残渣是在货车车厢的底部，货车车厢进入智能清扫机器人的工位，清扫机器人从车箱顶部进入车厢底部中的预设起始工位位置，最优起始工位的坐标是距离车厢内壁外侧160cm，车厢内壁后侧200cm的点，这部分工作由人工操作完成。智能清扫机器人进入工位点后，根据预设的设计程序，它会自动向后移动，根据电机额定速率可算出机器人到达车厢内后壁的时间，等到达后壁之后机器人的L型辅助清扫后板[4]会打开，L型辅助清扫板主要是一个曲柄滑块机构，电机[31]驱动滑块[25]带动L型辅助清扫板进行伸出运动，辅助清扫板与连接机构配合后，在作业时与车厢底部和主清扫板[2]相贴。机器人沿着车厢外壁走，当传感器[21]测得机器人与车厢内壁外侧若达到所设计的值，机器人会停止向外侧行走，接下来机器人向前走。由于经过车厢旋转后，铁矿石只会堆积在车厢的一侧，而该侧的部分车厢外壁可直接被外力推开，并且这些可被推开的车厢外壁是等距分布的，在车厢可翻转的位置设置了电机行走中断程序，清扫机器人在向前的过程中走到可翻转的车厢部分的中间位置时，机器人的激光测距传感器探测到了此时机器人距离车厢内后壁的距离，经过单片机判断，距离信号达到触发阈值，单片机指示机器人停止行走，单片机随即又发出指令使主清扫板工作，清扫推板做出伸缩运动向车厢外推铁矿石残渣，实现铁矿石残渣的清扫。当清扫机构完后清扫后，机器人行走中断结束，又继续向前走，当再次遇到可翻转的车厢内壁时，控制***又会重复上述的循环过程，直至清扫至最后一个可翻转车厢内壁清扫口完成第一次清扫过程。在第一次清扫过程的最后一个清扫口，机器人不会原路返回，而是向车厢中心走，移除一段足够长度的距离将L型辅助清扫后板收起，L型辅助清扫前板[1]展开，然后机器人向前行驶到车厢前壁位置，再向外侧移动到一定距离，这时再按直线返回至起始工位，完成了第二次清扫过程，，这样的轨迹运动可以做到车厢底部残渣无死角的清扫。

此时，智能清扫机器人完成所有清扫工作处在起始工位上，蜂鸣器发出嗡嗡声响，同时LED灯亮起，提示工作人员将机器人调离货车车厢底部。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改造，或未经改进直接应用于其他场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种专门用于清扫铁路货车残余铁矿石的智能清扫机器人，其机械***部分包括清扫机构和行走机构，其特征在于：所述的清扫机构由主清扫部分、辅助清扫部分、直线模组部分、辅助滑轨部分以及对心曲柄摇杆部分组成，主清扫部分中，支承连接杆[8]通过安装螺栓固定联接在主清扫板[2]背部的托板上；直线模组部分包括直线模组电机[23]、直线模组台[10]、直线模组滑台[20]、直线模组滑台端盖[11]，直线模组挡块[43]，直线模组台头部联接着直线模组电机，通过两个直线模组固定座[12]安装在呈凸台状的推板电机板[13]上，直线模组台上端中间有一条导轨，上面安装着直线模组滑台并用两个直线模组滑台端盖固定滑台两端，主清扫部分通过安装螺栓固定联接在支承连接座[9]上，支承连接座下端联接直线模组滑台；此外，辅助清扫机构中与辅助清扫前板[1]、辅助清扫后板[4]相联接的直线模组部分包括直线电机[31]、直线模组台[29]、直线模组滑台盖[26]、直线滑台[27]、直线模组固定座[30]、直线模组前端盖[28]、直线模组后端盖[41]；辅助滑轨部分中两个辅助滑轨分别固定在推板电动机[13]的两侧平板上，滑台杆[16]一端通过螺钉与滑轨台相联接，另一端与清扫板相联接，随着滑块[19]在滑轨[17]上移动，主清扫板[2]做伸缩运动；对心曲柄摇杆部分中曲柄[14]与摇杆[15]的连接处采用开口销钉进行连接，形成转动副，转动板[24]、曲柄和曲柄支座[42]构成了辅助清扫机构连接件，联接了辅助清扫部分中的辅助清扫前板[1]和辅助清扫后板[4]；所述的行走机构包括舵轮结构和万向轮结构，舵轮结构由舵轮安装板[35]、舵轮大齿轮[32]、舵轮小齿轮[36]、舵轮齿座[37]、舵机座[33]、舵轮车轮[40]、舵轮后盖[34]、舵轮车轴[44]、舵轮电机1[39]、舵轮电机2[38]、舵轮装块组成，在行驶时,舵轮由自身内部的两台伺服电机驱动，通过跟车体做相对运动来控制小车的转向，实现前后和左右两个方向的行走；万向轮连接板[45]、万向轮架[6]、万向车轮[7]组成了万向轮结构。

2.如权利要求1所述的残留矿石智能清扫机器人，其特征在于其电气控制部分包括***的硬件部分和***的软件部分，硬件部分可分为：为其他各个模块供电，保障***稳定运行的电源模块、对“从设备”输送数据做出分析判断，并且向“从设备”发出相应执行指令的AT89C51芯片模块、负责清扫机器人行走过程中位置的探测任务，并将收集到的信号传给模数芯片的激光传感器模块、将传入AD芯片的模拟量转换为数字量，并将数字量传输到单片机的ADC0832芯片模数转换模块、包含负责将电脉冲信号输入伺服电机，使其能够完成正反转和停止的工作，主要是ULN2003A电机驱动芯片的电机驱动部分以及保障伺服电机电路的正常工作，经过单片机控制可实现分时段控制不同电机的伺服电机边缘控制部分的伺服电机模块、由蜂鸣器和LED警示灯组成的信号预警模块；***的软件部分主要工作是在C语言程序设计软件中编写好程序代码，并生成单片机的执行文件。

3.如权利要求1所述的残留矿石智能清扫机器人，辅助清扫装置有以下特点：第一，主清扫机构进行矿石清扫作业后，辅助清扫机构根据车厢工况，将一次清扫剩余矿石收集到指定清扫位置，并让主清扫机构进行再次递推清扫；第二，辅助清扫装置起到导向作用，使主清扫机构沿着导向将矿石扫至车外；第三，装置不工作时可通过曲柄摇杆机构旋转90度收起，使车身更加简便，方便从外部进入货车内作业。

4.如权利要求1所述的残留矿石智能清扫机器人，主清扫机构电机选择MSMD系列额定转矩为1.3N·m的伺服电机，辅助清扫机构选择MSMD系列额定转矩为0.16N·m的伺服电机。

5.如权利要求1所述的残留矿石智能清扫机器人，为了减少万向轮的磨损情况，选择HD-WXDX型万向轮，其轮内无轴承且单轮最大承载300kg。

6.如权利要求1所述的残留矿石智能清扫机器人，选择MRT20型驱动舵轮，舵轮的安装采用卧式布局方式。

7.如权利要求1所述的残留矿石智能清扫机器人,电源模块为单片机、ADC0832芯片、ULN2003A芯片、LED报警灯、蜂鸣器供5V电源，能够为伺服电机供220V电源。