一种基于机器人作业的隧道底部积渣清理方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于机器人作业的隧道底部积渣清理方法及系统，方案借助工业相机，进行积渣信息采集；通过上位机进行隧道底部积渣分布计算，并进行姿态约束下的清渣装置的清渣运动路径规划；通过逆运动学计算，将路径坐标转换为各关节变量；下位机控制器根据上位机计算的关节变量和传感器实时反馈，实现清渣装置各关节的高精度控制和良好的清渣效果；通过传感器反馈，在上位机和远程监控器上进行清渣机器人姿态和作业路径的实时监测。本发明专利技术解决了敞开式TBM施工过程狭小空间下隧道底部积渣量大、人工操作装置视觉受限、人工操作容易发生碰撞，对操作技术要求高、作业效率低等问题，实现隧道底部积渣清理的无人化、智能化作业。智能化作业。智能化作业。

【技术实现步骤摘要】
一种基于机器人作业的隧道底部积渣清理方法及系统


[0001]本专利技术属于隧道开挖设备控制领域，具体涉及一种掘进机清渣机器人的控制方法及控制系统。

技术介绍

[0002]全断面硬岩隧道掘进机(TBM)已经成为隧道工程施工的重要装备，被广泛应用于水利隧洞、城市轨道、市政交通和铁路隧道等领域。TBM掘进过程中，常常伴有岩爆、顶部坍塌掉块等现象，导致隧道底部积渣严重，若渣土、石块清理不及时，将导致拱架拼装、仰拱块、轨道铺设等工序滞后而制约施工进度，同时影响支护质量。
[0003]为实现渣石快速清理，国内外进行隧道底部积渣清理装置研究。但由于隧道内特殊环境，清渣装置运动过程易与周围环境碰撞干涉；人工操作难以保证挖斗姿态，容易造成渣石从挖斗内泄漏；为提高清渣效率和作业的灵活性，需要多个关节联动。
[0004]公布号为CN110552713A的中国专利文件公开了一种硬岩隧道掘进机隧道底部积渣清理装置及其方法，具体给出一种清渣装置的机械结构，并提出将渣土运送到主梁下方的出渣小车的作业方式，但针对隧道底部特殊结构，未给出清渣装置具体控制方法。
[0005]《机械传动》贾良飞等人的论文《基于蒙特卡罗法的硬岩掘进机辅助清渣装置工作空间分析》给出一种6自由度清渣装置，并进行正运动学分析，通过三维软件模拟机械臂的位姿获得关节变量，未能实现关节变量的自动求解。
[0006]公布号为CN112428267A的中国专利文件公开了一种快速求解冗余自由度机器人逆解的方法，通过建立机器人逆解评价指标，以逆解评价指标为优化目标，采用改进粒子群算法通过一定次数的迭代才能实现逆运动学计算。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的是提供一种基于机器人作业的隧道底部积渣清理方法及系统，用以实现自动、智能、高效的清理掘进过程中隧道底部的积渣。
[0008]为实现上述目的，本专利技术的方案包括：
[0009]本专利技术的一种基于机器人作业的隧道底部积渣清理方法，包括如下步骤；
[0010]1)建立用于确定清渣机器人各关节之间连杆位姿的机器人模型、清渣机器人的基坐标系、相机坐标系和隧道坐标系；
[0011]2)通过设置在清渣机器人底座上的相机采集隧道底部的图像，进行积渣识别，获得积渣在相机坐标系中的坐标；
[0012]3)根据相机与清渣机器人之间的结构位置关系，将积渣在相机坐标系中的坐标，转换成积渣在基坐标系中的积渣坐标；
[0013]4)根据清渣机器人在隧道底部的作业范围，标定清渣机器人末端在所述隧道坐标系下运动路径点的路径点位置坐标；所述作业范围为隧道截面上清渣机器人沿隧道内壁弧线运动进行清渣作业的范围；
[0014]5)对清渣机器人进行末端姿态约束，以防止渣土掉落；根据所述路径点位置坐标和清渣机器人末端姿态约束，得到隧道坐标系下清渣机器人末端在各路径点的末端位姿矩阵；
[0015]6)根据清渣机器人与掘进系统之间的结构位置关系，将各路径点的末端位姿矩阵转换至基坐标系；
[0016]7)将基坐标系下的末端位姿矩阵，根据机器人模型并结合机器人根据传感器得到的实时位姿，得到对应路径点清渣机器人各关节的运动量，进而控制清渣机器人执行积渣清理动作。
[0017]本专利技术的一种基于机器人作业的隧道底部积渣清理方法应用于清渣机器人的控制，清渣机器人将渣石翻转至皮带运输机上，随皮带运输机运出洞外，无需冗余的运渣系统和二次转运；为保证作业过程渣斗内渣石不泄露，本专利技术的方法通过姿态约束下的机器人清渣路径的计算，实现了复杂、狭小空间下隧道底部积渣清理机器人清渣路径规划，最终实现清渣装置智能作业，提高了隧道底部积渣清理的效率，实现开挖隧道的及时支护，提高支护质量和施工安全。
[0018]进一步的，步骤1)中，以清渣机器人第一自由度的一个极限位置为原点o0，隧道竖直向下为z0建立所述基坐标系。
[0019]进一步的，步骤1)中，以开挖隧道的中心线与掘进系统主梁端面交点为原点o
w
，隧道竖直向下为z
w
轴正方向，隧道水平方向为y
w
轴方向建立所述隧道坐标系。
[0020]进一步的，步骤1)中，以相机镜头光心为原点o
c
，镜头光轴为z
c
轴，x
c
轴、y
c
轴分别与相面的两边平行，建立相机坐标系。
[0021]本专利技术的方法考虑到隧道尺寸与掘进机尺寸的匹配关系，建立了隧道坐标系、机器人坐标系和相机坐标系及之间的转换关系，并在隧道坐标系下标定了清渣作业中机器人末端的路径点，在防止渣土洒出及与隧道壁干涉的约束下生成各个路径点的末端位姿，根据转换关系得到机器人坐标系下的末端位姿，结合当前机器人各个动作部件的当前位姿，然后通过逆运动学求解得出当前路径点下各个机器人动作部件的目标位姿，进而得到各个关节的运动量，基于该运动量控制对应关节动作，以简单可靠的控制策略实现机器人智能决策、自动作业。
[0022]进一步的，步骤1)中，采用D
‑
H参数法建立机器人模型。
[0023]DH参数法对多自由度机器人建模方案成熟可靠。
[0024]进一步的，步骤2)中，积渣在相机坐标系中的坐标通过如下方法获得：将识别出的积渣在图像中的像素坐标，根据像元尺寸，变换得到对应积渣在图像坐标系中的坐标；再根据图像坐标系与相机坐标系之间的转换，得到积渣在相机坐标系中的坐标。
[0025]进一步的，根据三维到二维的透视投影关系得到相机坐标系到图像坐标系的转换关系，再将相机坐标系到图像坐标系的转换关系逆推得到图像坐标系与相机坐标系之间的转换关系。
[0026]进一步的，步骤3)中，积渣在相机坐标系中的坐标到基坐标系的转换，还可以为根据相机与掘进系统之间的结构位置关系，将积渣在相机坐标系中的坐标转换成积渣在隧道坐标系中的坐标，再根据掘进系统与清渣机器人之间的结构位置关系，将积渣在隧道坐标系中的坐标转换成积渣在基坐标系中的坐标。
[0027]进一步的，所述第一自由度为：清渣机器人底座沿设置于掘进系统主梁下侧面的与主梁延伸方向平行的轨道前后移动。
[0028]进一步的，步骤4)中，所述路径点位置坐标(p
x
,p
y
,p
z
)为：
[0029]p
x
＝λ1[0030]p
y
＝R
1 sin(
‑
β+kΔ)
[0031]p
z
＝R
1 cos(
‑
β+kΔ)
[0032]其中，k＝0,1,2,3,
…
,N，2β为所述作业范围以隧道坐标系原点o
w
为顶点的角度，Δ为清渣机器人的运动分辨率，λ1为在第一自由度方向上相对作为原点o0的极限位置的位移。
[0033]进一步的，步骤5)中，清渣机器人在隧道坐标系下末端姿态约束本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于机器人作业的隧道底部积渣清理方法，其特征在于，包括如下步骤；1)建立用于确定清渣机器人各关节之间连杆位姿的机器人模型、清渣机器人的基坐标系、相机坐标系和隧道坐标系；2)通过设置在清渣机器人底座上的相机采集隧道底部的图像，进行积渣识别，获得积渣在相机坐标系中的坐标；3)根据相机与清渣机器人之间的结构位置关系，将积渣在相机坐标系中的坐标，转换成积渣在基坐标系中的积渣坐标；4)根据清渣机器人在隧道底部的作业范围，标定清渣机器人末端在所述隧道坐标系下运动路径点的路径点位置坐标；所述作业范围为隧道截面上清渣机器人沿隧道内壁弧线运动进行清渣作业的范围；5)对清渣机器人进行末端姿态约束，以防止渣土掉落；根据所述路径点位置坐标和清渣机器人末端姿态约束，得到隧道坐标系下清渣机器人末端在各路径点的末端位姿矩阵；6)根据清渣机器人与掘进系统之间的结构位置关系，将各路径点的末端位姿矩阵转换至基坐标系；7)将基坐标系下的末端位姿矩阵，根据机器人模型并结合机器人根据传感器得到的实时位姿，得到对应路径点清渣机器人各关节的运动量，进而控制清渣机器人执行积渣清理动作。2.根据权利要求1所述的基于机器人作业的隧道底部积渣清理方法，其特征在于，步骤1)中，以清渣机器人第一自由度的一个极限位置为原点o0，隧道竖直向下为z0建立所述基坐标系。3.根据权利要求2所述的基于机器人作业的隧道底部积渣清理方法，其特征在于，步骤1)中，以开挖隧道的中心线与掘进系统主梁端面交点为原点o
w
，隧道竖直向下为z
w
轴正方向，隧道水平方向为y
w
轴方向建立所述隧道坐标系。4.根据权利要求3所述的基于机器人作业的隧道底部积渣清理方法，其特征在于，步骤1)中，以相机镜头光心为原点o
c
，镜头光轴为z
c
轴，x
c
轴、y
c
轴分别与相面的两边平行，建立相机坐标系。5.根据权利要求4所述的基于机器人作业的隧道底部积渣清理方法，其特征在于，步骤1)中，采用D
‑
H参数法建立机器人模型。6.根据权利要求5所述的基于机器人作业的隧道底部积渣清理方法，其特征在于，步骤2)中，积渣在相机坐标系中的坐标通过如下方法获得：将识别出的积渣在图像中的像素坐标，根据像元尺寸，变换得到对应积渣在图像坐标系中的坐标；再根据图像坐标系与相机坐标系之间的转换，得到积渣在相机坐标系中的坐标。7.根据权利要求6所述的基于机器人作业的隧道底部积渣清理方法，其特征在于，根据三维到二维的透视投影关系得到相机坐标系到图像坐标系的转换关系，再将相机坐标系到图像坐标系的转换关系逆推得到图像坐标系与相机坐标系之间的转换关系。8.根据权利要求7所述的基于机器人作业的隧道底部积渣清理方法，其特征在于，步...

【专利技术属性】
技术研发人员：原晓伟，孙颜明，贾连辉，李正道，王一新，姜礼杰，卓兴建，张建楠，
申请(专利权)人：中铁工程装备集团有限公司，
类型：发明
国别省市：