CN116081233A - 一种运输轨道异物清除装置、控制方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种运输轨道异物清除装置、控制方法和应用。其装置包括，采集装置，用于采集轨道图像并分析该图像获得异物信息；执行机构，执行机构可沿轨道移动，执行机构用于抓取异物；控制装置，控制装置用于接收异物信息并控制执行机构完成异物的抓取工作。控制方法为S1采集装置持续采集轨道上方的图像信息，当异物经过时获得异物信息，并将异物信息传送至控制装置；S2控制装置接收异物信息后，控制执行机构沿轨道与异物移动方向同向做加速运动，直至与异物保持同速移动；S3执行机构与异物同速运动后，控制装置控制执行机构将异物从轨道上清除；S4控制执行机构归位。上述装置主要用于矿井皮带输送机上异物的自动清除。

Description

一种运输轨道异物清除装置、控制方法和应用

技术领域

本发明涉及机械设备技术领域，具体涉及一种从运输轨道上剔除运输物品中异物的装置、控制方法及其应用。

背景技术

皮带机是煤矿生产作业主要运输设备之一，皮带运输过程中，运输物料中存在的异物，如大块矸石、锚杆等，是皮带稳定运行的主要隐患，会影响皮带运输***的正常运行，严重甚至导致皮带***的损坏，因而皮带运输***需配备相关的装置和专门进行分拣的人员来保证皮带运输***的稳定运行。但是随着煤矿生产效率的提升，皮带运输的运行速度越来越快，常见井下主运皮带速度都达到了4m/s以上，现有设备和人员在皮带高速运行时对异物进行分拣，不仅不够彻底、效率低下，而且具有非常大的危险性。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种主要应用于井下煤矿运输皮带上异物自动清除的装置及其控制方法。

该清除装置，包括：采集装置，用于采集轨道图像并分析该图像获得异物信息；执行机构，所述执行机构可沿所述轨道移动，所述执行机构用于抓取异物；控制装置，所述控制装置用于接收异物信息并控制所述执行机构完成异物的抓取工作。

其中，所述轨道为皮带机；所述执行机构包括X轴移动模块、Y轴移动模块和Z轴移动模块；所述X轴移动模块可携带所述Y轴移动模块和所述Z轴移动模块沿所述皮带机长度方向移动；所述Y轴移动模块可带动所述Z轴移动模块沿所述皮带机宽度方向移动；所述Z轴移动模块包括升降机构、测距装置以及抓取装置。

其中，还包括异物收集箱，所述异物收集箱用于接收从轨道上清除的异物。

其控制方法，包括如下步骤：

S1采集装置持续采集轨道上方的图像信息，当异物经过时获得异物信息，并将异物信息传送至控制装置；

S2控制装置接收异物信息后，控制执行机构沿轨道与异物移动方向同向做加速运动，直至与异物保持同速移动；

S3执行机构与异物同速运动后，控制装置控制执行机构将异物从轨道上清除；

S4控制执行机构归位。

其中，所述异物信息包括异物的形状、尺寸、当前位置以及移动速度。

其中，采集装置设置于皮带边缘处；

执行机构设置于起始点处，起始点沿皮带运行方向与采集装置沿皮带运行方向的右边缘间隔预定距离，该距离大于或等于v*t1+0.5*v*t2，其中，v为皮带运行速度，t1为采集装置将采集的数据通信传输到控制装置并经控制装置处理的时间；t2为执行机构从静止加速到与皮带运行速度同速度所需时间；

异物运行至开始同步点时，执行机构开始加速移动，开始同步点沿皮带运行方向与采集装置沿皮带运行方向的右边缘间隔预定距离，该距离大于或等于v*t1；

开始同步点与起始点之间间隔距离为0.5*v*t2。

其中，控制装置控制执行机构将异物从轨道上清除的方法包括：

执行机构与异物同速运动后，控制执行机构的Y轴移动模块向异物方向移动，移动至离皮带边沿的距离为Y1时，Y轴移动模块停止运行，其中Y1为异物到皮带边缘的距离；

当异物与执行机构在X轴和Y轴方向均达到同一位置且同步运行时，Z轴移动模块的测距传感器实时采集抓取装置距离异物的高度h，控制装置控制Z轴移动模块的升降机构使抓取装置移动至异物高度位置后，控制抓取装置抓取异物。

本发明的有益效果是：该清除装置和控制方法能够代替分拣人员完成在高速运行的皮带面上进行异物的自动分拣工作，解决了高速运行的皮带面上大块、重异物搬取困难、抓取危险的问题。同时，该***执行效率高、安全可靠，在保证皮带机正常运输速度的前提下，实现异物分拣，适用于高效生产的煤矿运输皮带***。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明的工作原理示意图；

图2是本发明执行机构的结构图；

图3是本发明执行机构Z轴移动模块的示意图。

附图标记说明

1、X轴伺服电机驱动机构；

2、X轴横梁轨道：

3、X轴高速同步带；

4、拖链；

5、同步带涨紧机构；

6、Y轴横梁机构；

7、Z轴移动模块。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

本发明提供一种运输轨道异物清除装置及其控制方法，其主要应用于煤矿皮带机工作时其上方异物的清除。

一、运输轨道异物清除装置，

包括：

1.采集装置，设置于所述轨道上方，用于采集轨道图像并分析该图像获得异物信息，该异物信息至少包括形状、尺寸当前位置，且，该轨道可为皮带机。

采集装置由采集模块和编码器组成，采集模块用于采集视觉信息，编码器用于采集、发送位置编码以及测量皮带速度，具体的该编码器为轴编码器。

采集模块可自动、快速地采集获取皮带机上的异物信息，采集模块包括但不限于高速工业相机及频闪补光灯，高速工业相机帧率可达到40fps，配合频闪补光灯，能够满足4m/s以上高速运动异物抓拍，获取多帧数据信息。采集模块还可以采用射线型式获取异物信息，通过射线透射获取成像数据。异物信息包括但不限于异物类型、形状尺寸、当前位置信息等。所述采集模块采集时能够同步触发编码器进行采集，精确获取目标物在皮带面的当前位置编码，解决皮带高速运行中因采集不同步、延时导致位置偏差大的问题。所述采集模块可以采用图像采集、射线采集等方式。

所述编码器紧贴安装在皮带机上带面的底面，具体地，编码器安装位置进行调整，安装在皮带机上带面的底面，通过张紧力压紧在上带面，直接检测异物的皮带面，而传统的检测方式是编码器安装在皮带面下带面的上面，依靠传感器重力压在带面检测，这在长距离皮带运行会出现误差，而且这种误差对于异物抓取来说是不能容忍的。因此本发明这种编码器的安装方法能够准确、实时采集皮带运行位置编码及皮带运行速度，解决了安装在皮带机下带面因皮带张紧导致位置、速度误差大的问题。

2.执行机构，具体如图2和图3所示，所述执行机构可沿所述轨道移动，所述执行机构用于抓取异物；

执行机构具体包括X轴移动模块、Y轴移动模块和Z轴移动模块；

所述X轴移动模块可携带所述Y轴移动模块和所述Z轴移动模块沿所述皮带机长度方向移动，最高速度不低于皮带运行速度，移动范围至少满足与皮带同速后运行一段时间，然后减速停止的运行距离要求；

所述X轴移动模块有两根横梁轨道2，安装在皮带面的两侧，每根X轴横梁轨道2的一端安装有X轴伺服电机驱动机构1，另一端安装有同步带涨紧机构5，X轴伺服电机1同步带涨紧机构5通过高速同步带传动连接；

所述Y轴移动模块可带动所述Z轴移动模块沿所述皮带机宽度方向移动，移动范围至少能够覆盖皮带面整个宽度；

所述Y轴移动模块有一根Y轴横梁机构6，横跨在两根X轴横梁轨道2上，Y轴横梁机构6上装有拖链4和Z轴移动模块，Z轴移动模块可沿Y轴横梁机构6左右移动，移动范围至少能够覆盖皮带面整个宽度，拖链4用于传输机械手机构（抓取机构）所需的动力和控制信号。所述Z轴移动模块包括升降机构、测距装置以及抓取装置（机械手或机械爪），升降机构用于控制抓取装置的高度使其能够上下移动，测距传感器安装在升降机构上，用于实时获得抓取装置与异物之间的高度差。Z轴移动的机械手是在公开号CN114102670A介绍的一种新型串联式抓取机械手升降机构上增加了测距传感器，能够实时采集机械手距离异物的高度。测距传感器是一种发射激光线、通过光速和接收到的反射飞行时间（TOF）计算距离的传感器，可按需选择。

3.控制装置，所述控制装置用于接收异物信息并控制所述执行机构完成异物的抓取工作；所述控制装置包括能够处理图像信息的具有GPU功能的高性能工作站处理器和负责运动控制的高性能PLC模块单元、伺服驱动器等。

所述控制装置与采集装置连接通信，负责处理计算采集模块采集的大量异物数据信息，识别出需要分拣抓取的异物目标；根据识别出的异物信息，计算异物抓取路径、运行速度、分拣目标位置等参数，规划抓取技术方案；控制装置与移动执行机构连接通信，控制移动执行机构快速移动定位，准确抓取分拣异物。

4.异物收集箱，可设置于皮带机的一侧，所述异物收集箱用于接收从轨道上清除的异物，即执行机构抓取的异物可投放至该异物收集箱中。

二、运输轨道异物清除装置的控制方法，下文结合图1说明，包括如下步骤：

1.设皮带机运行速度为v，移动执行机构加速度为a，建立XYZ坐标系，皮带机运行方向为X轴正向，横跨皮带面与X轴垂直方向为Y轴方向，垂直于XY水平面向下为Z轴正向，机械手（执行机构）的起始点为坐标原点（X0,Y0,Z0），Y0在皮带面的边沿。

起始点沿皮带运行方向与采集装置沿皮带运行方向的右边缘间隔预定距离，该距离大于或等于v*t1+0.5*v*t2，其中t1见步骤2表述；

所述X轴移动模块在起始点从静止开始以加速度a加速移动，加速到与皮带速度v同速时的位置作为同步点，计算出耗时t2=v/a，加速移动距离（即起始点到同步点的距离）X2=0.5*v*t2。

在t2这段时间，异物随皮带移动距离X3=v*t2=2*X2,即异物从开始同步点到同步点的距离为X3，换言之，当异物到达开始同步点时，X轴移动模块从起始点静止开始以加速度a加速移动，当X轴移动模块以速度v到达同步点时，异物也同时随皮带以速度v到达同步点。

2.设皮带机携带煤炭和异物以速度v运行，当经过采集装置时，所述采集模块自动、快速采集获取皮带机上的异物信息，包括但不限于异物类型、形状、尺寸等，并同步触发编码器进行数据采集，精确获取异物在皮带面的当前位置编码E1。采集装置将采集的数据通信传输到控制装置处理，设传输、处理时间为t1，采集装置边沿到开始同步点的距离为X4，X4≥v*t1，以满足数据传输、处理时间要求。

3.所述控制装置对采集装置传来的数据信息进行处理，分析出异物类型、形状、尺寸，根据分类抓取策略确定是否分拣抓取；对需要抓取的异物，根据其类型确定异物的放置位置（即异物收集箱有多个，并提前按异物类型，将不同类型异物对应收集箱位置录入控制装置），并计算异物成像的像素大小、皮带面成像的像素大小及皮带面实际大小，按比例换算出异物的实际轮廓大小、异物中心到皮带面边沿Y0的距离Y1、异物中心到采集装置边沿X轴方向的距离X1，进而获得异物中心到开始同步点的距离X5，X5=X1+X4；异物中心在到达开始同步点时，异物位置编码E2为：E2=E1+X1+X4。

控制单元实时获取编码器位置编码，当检测到编码为E2时，即代表异物中心从采集装置（E1位置编码）移动了X1+X4的距离到达了开始同步点，控制单元就发送命令使执行机构开始移动。

同理，下文中的E3编码也以同样的方式获得。

4.异物到达开始同步点时，控制装置控制X轴移动模块和Y轴移动模块移动。X轴移动模块从起始点静止开始以加速度a加速移动，加速到与皮带同速v，耗时t2=v/a，加速移动距离X2=0.5*v*t2，到达同步点位置。在t2这段时间，异物从开始同步点随皮带移动距离X3=v*t2=2*X2, 也到达同步点，即，异物到达开始同步点时，X轴移动模块从起始点静止开始以加速度a加速移动，当X轴移动模块以速度v到达同步点时，异物也同时随皮带以速度v到达同步点，异物位置编码为E3=E2+X3=E1+X1+X4+2*X2，异物与移动执行机构继续以速度v运行，在X轴方向达到同位置的相对静止的同步状态。在此期间，控制装置控制Y轴移动模块向异物方向移动，当移动到离皮带面边沿Y0的距离为Y1位置时，Y轴移动模块停止运行，此时，异物与移动执行机构在Y轴方向达到同一位置，且与移动执行机构处于相对静止的同步状态。

5.当异物与移动执行机构在X轴、Y轴方向均达到同一位置且同步运行时，所述Z轴移动模块的测距传感器实时采集机械手距离异物的高度h，所述控制装置控制Z轴移动模块的升降机构使机械手向下移动距离h，然后控制机械手迅速抓住异物，向上提起。在机械手上提过程中，控制X轴移动模块减速停止，解除与皮带的同步状态。

6.根据第3步中确定的异物放置位置，所述控制装置控制X轴移动模块和Y轴移动模块移动到分拣异物的放置位置，然后松开机械手放下异物，完成本次异物的分拣。接下来，控制装置控制X轴移动模块和Y轴移动模块重新回到起始点位置，等待下一个需要分拣的异物目标。

显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (9)

1.运输轨道异物清除装置，其特征在于，包括：

采集装置，用于采集轨道图像并分析该图像获得异物信息；

执行机构，所述执行机构可沿所述轨道移动，所述执行机构用于抓取异物；

控制装置，所述控制装置用于接收异物信息并控制所述执行机构完成异物的抓取工作。

2.根据权利要求1所述的运输轨道异物清除装置，其特征在于，所述轨道为皮带机；

所述执行机构包括X轴移动模块、Y轴移动模块和Z轴移动模块；

所述X轴移动模块可携带所述Y轴移动模块和所述Z轴移动模块沿所述皮带机长度方向移动；

所述Y轴移动模块可带动所述Z轴移动模块沿所述皮带机宽度方向移动；

所述Z轴移动模块包括升降机构、测距装置以及抓取装置。

3.根据权利要求1或2所述的运输轨道异物清除装置，其特征在于，还包括异物收集箱，所述异物收集箱用于接收从轨道上清除的异物。

4.根据权利要求1至3中任一项所述运输轨道异物清除装置的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1采集装置持续采集轨道上方的图像信息，当异物经过时获得异物信息，并将异物信息传送至控制装置；

S2控制装置接收异物信息后，控制执行机构沿轨道与异物移动方向同向做加速运动，直至与异物保持同速移动；

S3执行机构与异物同速运动后，控制装置控制执行机构将异物从轨道上清除；

S4控制执行机构归位。

5.根据权利要求4所述运输轨道异物清除装置的控制方法，其特征在于，所述异物信息包括异物的形状、尺寸、当前位置以及移动速度。

6.根据权利要求4所述运输轨道异物清除装置的控制方法，其特征在于，

采集装置设置于皮带边缘处；

执行机构设置于起始点处，起始点沿皮带运行方向与采集装置沿皮带运行方向的右边缘间隔预定距离，该距离大于或等于v*t1+0.5*v*t2，其中，v为皮带运行速度，t1为采集装置将采集的数据通信传输到控制装置并经控制装置处理的时间；t2为执行机构从静止加速到与皮带运行速度同速度所需时间；

异物运行至开始同步点时，执行机构开始加速移动，开始同步点沿皮带运行方向与采集装置沿皮带运行方向的右边缘间隔预定距离，该距离大于或等于v*t1；

开始同步点与起始点之间间隔距离为0.5*v*t2。

7.根据权利要求6所述运输轨道异物清除装置的控制方法，其特征在于，控制装置控制执行机构将异物从轨道上清除的方法包括：

执行机构与异物同速运动后，控制执行机构的Y轴移动模块向异物方向移动，移动至离皮带边沿的距离为Y1时，Y轴移动模块停止运行，其中Y1为异物到皮带边缘的距离；

当异物与执行机构在X轴和Y轴方向均达到同一位置且同步运行时，Z轴移动模块的测距传感器实时采集抓取装置距离异物的高度h，控制装置控制Z轴移动模块的升降机构使抓取装置移动至异物高度位置后，控制抓取装置抓取异物。

8.权利要求1至3任一所述运输轨道异物清除装置于煤矿生产中的应用。

9.权利要求4至7任一所述的运输轨道异物清除装置的控制方法于煤矿生产中的应用。

Images