一种地质模型复杂工程结构挖钻作业的多机器人协同系统技术方案

本发明专利技术提供一种地质模型复杂工程结构挖钻作业的多机器人协同系统，涉及地下钻孔机器人技术领域。本发明专利技术面向具有空间狭小且GPS信号拒止等特点的岩土深部工程地下作业环境，提出了采用三坐标进给系统的主通道挖钻，采用多关节蠕动机器人搭载旋转铰刀及辅助工装对二级通道精细化挖钻，采用蠕动机器人搭载多自由度柔性机械手对三级及远结构进行精细化挖钻相结合的系统化挖钻作业模式，实现超大型地质模型内部复杂工程结构的机器人精细化挖钻和工艺质量监测新模式，形成一套面向深部工程复杂结构的高效高精度挖钻技术及异构多机器人协同系统，解决了地质模型内部回转空间小

【技术实现步骤摘要】
一种地质模型复杂工程结构挖钻作业的多机器人协同系统


[0001]本专利技术涉及地下钻孔机器人
，尤其涉及一种地质模型复杂工程结构挖钻作业的多机器人协同系统。

技术介绍

[0002]在过去的二十年里，地下空间作为继宇宙与海洋之外人类急需开拓的又一大领域，近年来受到了广泛关注。从隧道和城市地下环境到复杂的洞穴网络，对各种地下环境的自主无人探索的需求不断增长。同时随着机器人技术的不断提升，人们对在各类地下环境中使用机器人代替人类进行工作的需求也在不断增长，如基础设施监测、矿产资源开采、灾难响应等，这些需求推动了地下自主机器人的发展与研究。
[0003]地下结构挖钻机器人是一种在深部地下内进行施工作业的机器人系统，它具有自动控制、自动保护和智能操作等功能。挖钻机器人可以应用于深地结构内部和外部的开挖作业，可用于在各种特殊工况下施工，如在岩壁软弱地基以及复杂断面地层中的施工作业、地下坑道中的挖钻操作。本专利对国内外现有的挖钻机器人进行了调研，目前地下结构挖钻机器人主要分为三大类：掘进式隧道机器人，挤压式隧道机器人，打磨机器人。典型的掘进式隧道机器人包括欧洲的BADGER机器人、通用电气挖钻机器人及盾构机等，这些掘进式隧道机器人的尺度都过大，难以实现小尺寸隧道的挖钻。并且其机构很难实现弯道挖钻并且挖钻的转弯半径大，难以实现复杂地下工程结构群的挖钻。这种方式的隧道机器人挖钻的都是圆形通道，无法进行挖钻异形通道。也就无法满足地下复杂地下工程结构群的小尺寸和复杂性的要求。挤压式隧道机器人主要是通过挤压隧道壁实现隧道的挖钻，但是这种方式无法适应在复杂地质环境下的挖钻，而且这种挖钻方式也存在转弯难的问题，难以胜任较多变向、变截面、细长的地下结构。典型的打磨机器人是施罗德打磨机器人，其适用直通道，简单打磨作业，但是无法实现深部地下复杂工程结构的挖钻。
[0004]定位和测绘是自主地下作业的关键能力。地下环境是一种典型的卫星拒止复杂环境，在典型地下环境的应用中，没有先验的环境地图，极大地限制了机器人的感知能力。实际上许多自主探索应用的最终目标是获得准确的环境3D地图，然而由于地下环境存在环境光照低、显著特征少、环境退化严重等问题，这使得视觉SLAM在该类环境下性能明显不足，此外不平坦和湿滑的地下路面会使轮式里程计准确性降低，深长的地下工程结构会令激光雷达里程计产生漂移，从而导致地下环境的建图和定位任务变得复杂。为了在严苛条件下实现建图与定位，国内外诸多学者展开了很多有关地下感知退化环境中的SLAM系统研究。Roucek等提出了一种用于危险地下环境机器人探测的多机器人异构系统，其中空中平台使用Hector SLAM，地面机器人使用基于ICP的SLAM系统。Tardioli等提出了一种用于地下隧道多机器人协同探测的系统架构。Kramer等提出了一种基于稀疏位姿图的视觉惯性SLAM系统，但该系统依赖于机载照明来探索地下环境，同时由于系统使用多个摄像头，它们的视野有很大的重叠。K.Ebadi等
[4]提出了LAMP框架，能够实现在大尺度、视觉退化地下场景的建图与定位。Azpurua等提出了一种对受限环境(如管道、地下隧道)的半自主探索方法，包括
用于拟真地图构建的离线摄影测量，以及两种并行的SLAM方法，一种基于RTAB
‑
Map的视觉系统，一种基于LeGO
‑
LOAM的激光雷达系统，用于定位和测绘。Dang等提出了一种基于激光雷达、视觉和惯性数据融合的松耦合多模态SLAM系统，在地下环境中提供高鲁棒性定位。Wisth等提出了一种基于图形的移动机器人平台里程测量系统，该系统基于激光雷达特征与标准视觉特征和IMU数据的融合，该系统能够处理影响激光雷达数据畸变以及影响视觉的无纹理区域。
[0005]上述设备及先进技术属于通用性技术，可以适用于大尺度地下环境，然而针对深部地下环境模拟地质模型狭小复杂工程结构的挖钻任务并不适用，比如空间受限、感知受限和通信受限等，因此需要综合考虑深部地下工程结构环境特点、挖钻任务多样性需求，研究典型深部工程结构的挖钻工艺和作业流程，研制一种异构多机器人协同挖钻系统。深部地质环境下的非结构性地形、封闭受限空间、GPS拒止等特点给地下工程结构挖钻机器人系统的研发带来了严峻挑战。目前，由于无人系统智能化水平的限制，开挖与监测任务具有极高的多样性与复杂度，多种地下结构所特有的要素相互交织，只依靠单机器人系统完成特定任务愈发困难。

技术实现思路

[0006]针对现有技术的不足，本专利技术提供一种地质模型复杂工程结构挖钻作业的多机器人协同系统，根据地下工程结构挖钻作业设计了一种包含三坐标进给系统、多关节蠕动机器人、多自由度柔性机械手以及传感通信中继机器人系统的异构多机器人协同挖钻系统，推动我国深部地下工程结构无人自主挖钻系统的发展。
[0007]一种适用于地质模型复杂工程结构挖钻作业的多机器人协同系统，包括三坐标进给系统、多关节蠕动机器人、激光中继机器人系统以及上位机软件系统组成；
[0008]所述三坐标进给系统分别控制三个垂直坐标轴的移动，其搭载作业刀具及激光测距单元，所述作业刀具以及激光测距单元均安装于三坐标进给系统末端，所述激光测距单元为十字激光发生器；
[0009]所述多关节蠕动机器人采用拖缆式结构，其首端连接旋转铰刀或多自由度机械手，首端与中部之间配备通道加工成型用辅助工装及高分辨率微型视觉监测系统，多关节蠕动机器人配备激光、高精度测距/测角、惯性测量单元、温湿度测量单元，来获取挖钻方向、速度和力度，以保证工艺的高质量；机器人本体内部配备并拖行驱动电/气缆缆线和通讯网缆缆线进入作业环境，对二级通道进行精细化挖钻，外部配备管壁支撑脚；
[0010]所述多关节蠕动机器人配备排渣系统，包括安装在多关节蠕动机器人前端的高压冷风管和负压排渣管，将残渣直接排出；
[0011]所述旋转铰刀或多自由度机械手，通过刀具分块切割，逐步成型，对三级及远结构进行精细化挖钻；
[0012]所述高分辨率微型视觉监测系统对通过内部进行视觉测量及点云重构；采用摄像机实时采集掘进机器人在作业的过程中的工况信息并将其通过有线网络传输到地面主控中心，
[0013]所述激光中继机器人搭载激光模块，驱动机构和通讯模块，所述驱动机构搭载于机器人主体，所述通讯模块搭载于机器人主体后方，激光模块包括测距激光和引导激光，共
同搭载在机器人主体后方和侧方；
[0014]所述的异构多机器人协同系统其特征在于：最大挖钻直径500mm的圆形或拱形，最小挖钻直径200mm的圆形或拱形，最小转弯半径300
‑
400mm，主通道最大挖钻速度不小于0.045m3/h，二级通道最大挖钻速度不小于0.015m3/h，三级通道及远结构最大挖钻速度不小于0.005m3/h，通道长度挖钻误差小于30mm/m，支持坡度
±
30
°
，转弯角度偏差不大于5
°
；
[0015]所述上位机软件系统包括：挖本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种地质模型复杂工程结构挖钻作业的多机器人协同系统，其特征在于，包括三坐标进给系统、多关节蠕动机器人、激光中继机器人系统以及上位机软件系统组成；所述三坐标进给系统分别控制三个垂直坐标轴的移动，其搭载作业刀具及激光测距单元，所述作业刀具以及激光测距单元均安装于三坐标进给系统末端；所述多关节蠕动机器人采用拖缆式结构，其首端连接旋转铰刀或多自由度机械手，首端与中部之间配备通道加工成型用辅助工装及高分辨率微型视觉监测系统，多关节蠕动机器人配备激光、高精度测距/测角、惯性测量单元、温湿度测量单元，来获取挖钻方向、速度和力度，以保证工艺的高质量；机器人本体内部配备并拖行驱动电/气缆缆线和通讯网缆缆线进入作业环境，对二级通道进行精细化挖钻，外部配备管壁支撑脚；所述激光中继机器人搭载激光模块，驱动机构和通讯模块，所述驱动机构搭载于机器人主体，所述通讯模块搭载于机器人主体后方，激光模块包括测距激光和引导激光，共同搭载在机器人主体后方和侧方；所述上位机软件系统包括：挖钻任务管理与状态监视系统，协同调度系统和挖钻作业质量检测系统；所述协同调度系统为，被调度的机器人被视为智能体，每个智能体在执行任务时，其他的智能体也会影响决策，在考虑到自身状态和其他机器人的状态之后决策出下一步的任务指令，这样的序列决策问题依靠马尔可夫决策过程来建模，使用一个四元组表示其模型：首先根据应用场景，绘制训练仿真环境，然后结合协同调度任务的约束，包括能力最大化、群组元素数量最小化、群组间作业效率最高化，设计奖惩函数，最后对算法中的策略网络和Q网络进行训练，将训练好的模型和多机器人进行数据通信，对模型输入多机器人状态信息，输出每个机器人下一步的路径信息，进而实现多机器人之间的协同调度；所述挖钻作业质量检测系统为，采用测量点云数据与原始CAD模型数字化比对检测分析的方法检测挖钻精度并评价挖钻质量，其过程包括：点云数据与CAD模型的预处理、点云数据与CAD模型的配准、点云数据与CAD模型的点面归属，以及点云数据与CAD模型的偏差可视化。2.根据权利要求1所述的一种地质模型复杂工程结构挖钻作业的多机器人协同系统，其特征在于，所述激光测距单元为十字激光发生器...

【专利技术属性】
技术研发人员：王斐，冯夏庭，张希巍，付俊，邹强，王昊，闻时光，牛大鹏，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：