一种基于双臂协作的砌筑机器及砌筑方法、系统

申请号 CN202311650941.5 申请日 2023-12-05 公开(公告)号 CN117801831A 公开(公告)日 2024-04-02
申请人 武汉科技大学; 五冶集团上海有限公司; 发明人 汪朝晖; 张时俊; 柯希林; 周子杨; 郑泽呈; 雷斌; 吴鹏民;
摘要 本 发明 提出了一种基于双臂协作的砌筑机器及砌筑方法、系统,属于砌筑 机器人 领域,砌筑机器包括 支撑 架、第一 机械臂 、第二机械臂和 控制器 ,所述支撑架分别与第一机械臂和第二机械臂的第一端滑动连接,所述控制器与第一驱动装置和第二驱动装置连接。本 申请 通过将第一机械臂的第一端和第二机械臂的第一端与支撑架连接,通过第一机械臂的第一 深度相机 确定待砌筑 耐火砖 的 位置 ,使用第一驱动装置驱动夹取装置夹取待砌筑耐火砖,第二机械臂的第二深度相机确定待砌筑耐火砖 喷涂 泥浆的位置,第二驱动装置驱动耐火泥浆喷涂枪头进行泥浆喷涂,利用控制器控制第一驱动装置和第二驱动装置交替工作,协同作用进行砌筑涂泥,提高砌筑的工作效率。
权利要求

1.一种基于双臂协作的砌筑机器,其特征在于,包括支撑架、第一机械臂、第二机械臂和控制器,所述支撑架分别与第一机械臂和第二机械臂的第一端滑动连接,其中,所述第一机械臂包括夹取装置、第一深度相机和第一驱动装置,所述夹取装置位于第一机械臂的第二端,用于夹取待砌筑耐火;所述第一深度相机位于夹持装置靠近地面的一侧,用于确定待砌筑耐火砖的信息;所述第一驱动装置位于夹持装置的顶部与夹持装置传动连接,用于驱动夹持装置夹取待砌筑耐火砖;
所述第二机械臂包括耐火泥浆喷涂枪头、第二深度相机和第二驱动装置,所述耐火泥浆喷涂枪头位于第二机械臂的第二端,用于给待砌筑耐火砖喷涂泥浆;所述第二深度相机位于活动端的一侧,用于识别待砌筑耐火砖泥浆喷涂的位置;所述第二驱动装置位于第二机械臂上,用于驱动泥浆喷涂装置对待砌筑耐火砖进行喷涂;
所述控制器与第一驱动装置和第二驱动装置连接,用于控制第一驱动装置和第二驱动装置协同工作。
2.如权利要求1所述的一种基于双臂协作的砌筑机器,其特征在于,所述支撑架包括龙支撑桁架、两个龙门横梁和两个移动横梁,其中,
所述两个龙门横梁位于龙门支撑桁架远离地面的一端,且与龙门支撑桁架连接;
两个所述移动横梁的两端分别与两个龙门横梁滑动连接,所述第一机械臂的第一端和第二机械臂的第一端分别与两个移动横梁滑动连接。
3.一种基于双臂协作的砌筑方法,其特征在于,应用于如权利要求1‑2任一项所述的砌筑机器,包括以下步骤:
S1、根据标准DH参数建立第二机械臂的DH模型,并对第二机械臂的DH模型进行求解,得到第二机械臂的喷涂空间;
S2、搭建双机械臂协作加工基础平台,对第一深度相机进行外参标定,得到第一深度相机相对于第一机械臂的位姿,并生成第一机械臂的初始夹取轨迹;
S3、使用第二深度相机确定第二机械臂的当前位姿,根据第二机械臂的当前位姿对第二机械臂进行喷涂路径避障规划,得到第二机械臂的初始喷涂路径;
S4、对第一机械臂的初始夹取轨迹和第二机械臂的初始喷涂路径进行优化,得到最终夹取‑砌筑轨迹和最终喷涂路径,第一机械臂和第二机械臂分别按照最终夹取‑砌筑轨迹和最终喷涂路径进行砌筑和泥浆喷涂。
4.如权利要求3所述的一种基于双臂协作的砌筑方法,其特征在于,步骤S3具体包括:
S31、根据第一深度相机识别出的待砌筑耐火砖的型号;
S32、根据第二机械臂的喷涂空间构建第二机械臂的活动地图;
S33、根据待砌筑耐火砖的型号确定第二机械臂的喷涂起始位姿和喷涂结束位姿;
S34、根据喷涂起始位姿和喷涂结束位姿规划出第二机械臂的移动路径;
S35、将所述活动地图与第二机械臂的移动路径进行碰撞测试,得到第二机械臂的初始喷涂路径;所述碰撞测试为判断活动地图中障碍物与第二机械臂的移动路径是否相交。
5.如权利要求4所述的一种基于双臂协作的砌筑方法,其特征在于,步骤S34具体包括:
将喷涂起始位姿作为起始点,将喷涂结束位姿作为目标点;
从起始点和目标点分别进行双向采样扩展,不断生成新节点
交替连接起始点和目标点生成的新节点,直至两个新节点之间的距离在第一阈值内;
则两个新节点的路径为第二机械臂的移动路径。
6.如权利要求5所述的一种基于双臂协作的砌筑方法,其特征在于,步骤S35还包括:
计算第二机械臂与活动地图中障碍物的距离Drep;
计算第二机械臂的耐火泥浆喷涂枪头与障碍物的夹
当第二机械臂与活动地图中障碍物的距离Drep小于第二阈值时,则产生相斥,得到第二机械臂关节的排斥速度;
将第二机械臂的耐火泥浆喷涂枪头与障碍物的夹角的余弦值和第二机械臂关节的排斥速度以及排斥因素相乘,得到第二机械臂与障碍物协同作用的排斥速度;
根据第二机械臂与障碍物协同作用的排斥速度确定第二机械臂的初始喷涂路径。
7.如权利要求3所述的一种基于双臂协作的砌筑方法,其特征在于,步骤S2具体包括:
利用第一深度相机和第二深度相机分别计算出第一机械臂和第二机械臂相对于标定板的相对位姿关系;所述标定板为基础平台上任一位置的平面板;
根据第一深度相机和第一机械臂相对于标定板的相对位姿关系进行手眼标定,采集多组不重复的相对位姿数据,计算第一深度相机的外部参数,得到第一深度相机相对于第一机械臂的位姿,并根据轨迹算法生成第一机械臂的初始夹取轨迹;
根据第二深度相机和第二机械臂相对于标定板的相对位姿关系进行手眼标定,采集多组不重复的相对位姿数据,计算第二深度相机的外部参数,得到第二深度相机相对于第二机械臂的位姿,并根据轨迹算法生成第二机械臂的初始喷涂轨迹。
8.如权利要求3所述的一种基于双臂协作的砌筑方法,其特征在于,步骤S4具体包括:
S41、对第一机械臂的初始夹取轨迹和第二机械臂的初始喷涂路径分别进行三次样条插值处理,得到最终夹取‑砌筑轨迹和最终喷涂路径;
S42、调整第一机械臂和第二机械臂的运动顺序,当第一机械臂按照最终夹取‑砌筑轨迹夹取待砌筑耐火砖后,第二机械臂按照最终喷涂路径对待砌筑耐火砖进行泥浆喷涂,当第二机械臂喷涂完成后进行复位,第一机械臂按照最终夹取‑砌筑轨迹进行耐火砖的砌筑;
S43、重复步骤S42直至所有待砌筑耐火砖砌筑喷涂完毕。
9.如权利要求8所述的一种基于双臂协作的砌筑方法,其特征在于,三次样条插值处理具体包括:
分别提取初始夹取轨迹和初始喷涂路径的若干数据点;
分别计算初始夹取轨迹和初始喷涂路径相邻两个数据点的速度和加速度;其中,相邻两个数据点的速度和加速度连续;
根据相邻两个数据点的速度和加速度分别得到初始夹取轨迹和初始喷涂路径的局部三次多项式曲线段;
将初始夹取轨迹和初始喷涂路径的局部三次多项式曲线段进行路径参数化,得到最终夹取‑砌筑轨迹和最终喷涂路径;其中路径参数化为将三次多项式曲线段的参数作为时间的函数。
10.一种基于双臂协作的砌筑系统,其特征在于,采用如权利要求3‑9任一项所述的砌筑方法,包括:
空间构建模,用于根据标准DH参数建立第二机械臂的DH模型,并对第二机械臂的DH模型进行求解,得到第二机械臂的喷涂空间;
第一初始轨迹规划模块,用于对第一深度相机进行外参标定,得到第一深度相机相对于第一机械臂的位姿,并生成第一机械臂的初始夹取轨迹;
第二初始轨迹规划模块,用于使用第二深度相机确定第二机械臂的当前位姿,根据第二机械臂的当前位姿对第二机械臂进行喷涂路径避障规划,得到第二机械臂的初始喷涂路径;
优化模块,用于对第一机械臂的初始夹取轨迹和第二机械臂的初始喷涂路径进行优化,得到最终夹取‑砌筑轨迹和最终喷涂路径;
砌筑涂泥模块,第一机械臂和第二机械臂分别按照最终夹取‑砌筑轨迹和最终喷涂路径进行夹取和泥浆喷涂。

说明书全文

一种基于双臂协作的砌筑机器及砌筑方法、系统

技术领域

[0001] 本发明涉及砌筑机器人技术领域,尤其涉及一种基于双臂协作的砌筑机器及砌筑方法、系统。

背景技术

[0002] 焦炉是一种复杂的工业炉窑,由蓄热室、斜道区、燃烧室、炭化室、炉顶区等多个区域组成。每个区域的结构都以层为单位进行设计和施工,总共约有100层。这些区域主要由耐火砖砖和粘土砖等材料砌筑而成。耐火材料总重约为3万吨,规格型号近七百种,其中最重的单个砖重达70kg。因此,砌筑焦炉的工人劳动强度极大。使用机械臂砌筑能大大缩短工期,早日投产,从而产生巨大的经济效益。
[0003] 但是,现有的砌筑机器人通常采用单臂操作,单臂操作在砌筑过程中需要频繁地切换位置,效率低下,尤其是在砌筑复杂结构或曲面时存在局限性,无法实现高效的协同砌筑;同时传统砌筑机器人的运动轨迹规划较为简单,无法充分优化机器人的运动轨迹,砌筑质量难以保证。
[0004] 因此寻找一种既能高效砌筑的同时,还能提高砌筑质量的砌筑机器是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

[0005] 有鉴于此,本发明提出了一种于双臂协作的砌筑机器及砌筑方法、系统,其使用第一机械臂夹取待砌筑耐火砖,利用第二机械臂对待砌筑耐火砖进行泥浆喷涂,通过第一机械臂与第二机械臂协同作用进行砌筑涂泥,提高砌筑的工作效率。
[0006] 本发明的技术方案是这样实现的:
[0007] 第一方面,本发明提供了一种基于双臂协作的砌筑机器,包括支撑架、第一机械臂、第二机械臂和控制器,所述支撑架分别与第一机械臂和第二机械臂的第一端滑动连接,其中,
[0008] 所述第一机械臂包括夹取装置、第一深度相机和第一驱动装置,所述夹取装置位于第一机械臂的第二端,用于夹取待砌筑耐火砖;所述第一深度相机位于夹持装置靠近地面的一侧,用于确定待砌筑耐火砖的信息;所述第一驱动装置位于夹持装置的顶部与夹持装置传动连接,用于驱动夹持装置夹取待砌筑耐火砖;
[0009] 所述第二机械臂包括耐火泥浆喷涂枪头、第二深度相机和第二驱动装置,所述耐火泥浆喷涂枪头位于第二机械臂的第二端,用于给待砌筑耐火砖喷涂泥浆;所述第二深度相机位于活动端的一侧,用于识别待砌筑耐火砖泥浆喷涂的位置;所述第二驱动装置位于第二机械臂上,用于驱动泥浆喷涂装置对待砌筑耐火砖进行喷涂;
[0010] 所述控制器与第一驱动装置和第二驱动装置连接,用于控制第一驱动装置和第二驱动装置协同工作。
[0011] 在以上技术方案的基础上,优选的,所述支撑架包括龙支撑桁架、两个龙门横梁和两个移动横梁,其中,
[0012] 所述两个龙门横梁位于龙门支撑桁架远离地面的一端,且与龙门支撑桁架连接;
[0013] 两个所述移动横梁的两端分别与两个龙门横梁滑动连接,所述第一机械臂的第一端和第二机械臂的第一端分别与两个移动横梁滑动连接。
[0014] 第二方面,本发明提供了一种基于双臂协作的砌筑方法,应用于如上述所述的砌筑机器,包括以下步骤:
[0015] S1、根据标准DH参数建立第二机械臂的DH模型,并对第二机械臂的DH模型进行求解,得到第二机械臂的喷涂空间;
[0016] S2、搭建双机械臂协作加工基础平台,对第一深度相机进行外参标定,得到第一深度相机相对于第一机械臂的位姿,并生成第一机械臂的初始夹取轨迹;
[0017] S3、使用第二深度相机确定第二机械臂的当前位姿,根据第二机械臂的当前位姿对第二机械臂进行喷涂路径避障规划,得到第二机械臂的初始喷涂路径;
[0018] S4、对第一机械臂的初始夹取轨迹和第二机械臂的初始喷涂路径进行优化,得到最终夹取‑砌筑轨迹和最终喷涂路径,第一机械臂和第二机械臂分别按照最终夹取‑砌筑轨迹和最终喷涂路径进行砌筑和泥浆喷涂。
[0019] 在以上技术方案的基础上,优选的,步骤S3具体包括:
[0020] S31、根据第一深度相机识别出的待砌筑耐火砖的型号;
[0021] S32、根据第二机械臂的喷涂空间构建第二机械臂的活动地图;
[0022] S33、根据待砌筑耐火砖的型号确定第二机械臂的喷涂起始位姿和喷涂结束位姿;
[0023] S34、根据喷涂起始位姿和喷涂结束位姿规划出第二机械臂的移动路径;
[0024] S35、将所述活动地图与第二机械臂的移动路径进行碰撞测试,得到第二机械臂的初始喷涂路径;所述碰撞测试为判断活动地图中障碍物与第二机械臂的移动路径是否相交。
[0025] 在以上技术方案的基础上,优选的,步骤S34具体包括:
[0026] 将喷涂起始位姿作为起始点,将喷涂结束位姿作为目标点;
[0027] 从起始点和目标点分别进行双向采样扩展,不断生成新节点
[0028] 交替连接起始点和目标点生成的新节点,直至两个新节点之间的距离在第一阈值内;
[0029] 则两个新节点的路径为第二机械臂的移动路径。
[0030] 在以上技术方案的基础上,优选的,步骤S35还包括:
[0031] 计算第二机械臂与活动地图中障碍物的距离Drep;
[0032] 计算第二机械臂的耐火泥浆喷涂枪头与障碍物的夹
[0033] 当第二机械臂与活动地图中障碍物的距离Drep小于第二阈值时,则产生相斥,得到第二机械臂关节的排斥速度;
[0034] 将第二机械臂的耐火泥浆喷涂枪头与障碍物的夹角的余弦值和第二机械臂关节的排斥速度以及排斥因素相乘,得到第二机械臂与障碍物协同作用的排斥速度;
[0035] 根据第二机械臂与障碍物协同作用的排斥速度确定第二机械臂的初始喷涂路径。
[0036] 更进一步优选的,步骤S2具体包括:
[0037] 利用第一深度相机和第二深度相机分别计算出第一机械臂和第二机械臂相对于标定板的相对位姿关系;所述标定板为基础平台上任一位置的平面板;
[0038] 根据第一深度相机和第一机械臂相对于标定板的相对位姿关系进行手眼标定,采集多组不重复的相对位姿数据,计算第一深度相机的外部参数,得到第一深度相机相对于第一机械臂的位姿,并根据轨迹算法生成第一机械臂的初始夹取轨迹;
[0039] 根据第二深度相机和第二机械臂相对于标定板的相对位姿关系进行手眼标定,采集多组不重复的相对位姿数据,计算第二深度相机的外部参数,得到第二深度相机相对于第二机械臂的位姿,并根据轨迹算法生成第二机械臂的初始喷涂轨迹。
[0040] 在以上技术方案的基础上,优选的,步骤S4具体包括:
[0041] S41、对第一机械臂的初始夹取轨迹和第二机械臂的初始喷涂路径分别进行三次样条插值处理,得到最终夹取‑砌筑轨迹和最终喷涂路径;
[0042] S42、调整第一机械臂和第二机械臂的运动顺序,当第一机械臂按照最终夹取‑砌筑轨迹夹取待砌筑耐火砖后,第二机械臂按照最终喷涂路径对待砌筑耐火砖进行泥浆喷涂,当第二机械臂喷涂完成后进行复位,第一机械臂按照最终砌筑轨迹进行耐火砖的砌筑;
[0043] S43、重复步骤S42直至所有待砌筑耐火砖砌筑喷涂完毕。
[0044] 在以上技术方案的基础上,优选的,三次样条插值处理具体包括:
[0045] 分别提取初始夹取轨迹和初始喷涂路径的若干数据点;
[0046] 分别计算初始夹取轨迹和初始喷涂路径相邻两个数据点的速度和加速度;其中,相邻两个数据点的速度和加速度连续;
[0047] 根据相邻两个数据点的速度和加速度分别得到初始夹取轨迹和初始喷涂路径的局部三次多项式曲线段;
[0048] 将初始夹取轨迹和初始喷涂路径的局部三次多项式曲线段进行路径参数化,得到最终夹取‑砌筑轨迹和最终喷涂路径;其中路径参数化为将三次多项式曲线段的参数作为时间的函数。
[0049] 第三方面,本发明提供了一种基于双臂协作的砌筑系统,采用如上述所述的砌筑方法,包括:
[0050] 空间构建模块,用于根据标准DH参数建立第二机械臂的DH模型,并对第二机械臂的DH模型进行求解,得到第二机械臂的喷涂空间;
[0051] 第一初始轨迹规划模块,用于对第一深度相机进行外参标定,得到第一深度相机相对于第一机械臂的位姿,并生成第一机械臂的初始夹取轨迹;
[0052] 第二初始轨迹规划模块,用于使用第二深度相机确定第二机械臂的当前位姿,根据第二机械臂的当前位姿对第二机械臂进行喷涂路径避障规划,得到第二机械臂的初始喷涂路径;
[0053] 优化模块,用于对第一机械臂的初始夹取轨迹和第二机械臂的初始喷涂路径进行优化,得到最终夹取‑砌筑轨迹和最终喷涂路径;
[0054] 砌筑涂泥模块,第一机械臂和第二机械臂分别按照最终夹取‑砌筑轨迹和最终喷涂路径进行夹取和泥浆喷涂。
[0055] 本发明的砌筑机器相对于现有技术具有以下有益效果:
[0056] (1)通过将第一机械臂的第一端和第二机械臂的第一端与支撑架连接,通过第一机械臂的第一深度相机确定待砌筑耐火砖的位置,使用第一驱动装置驱动夹取装置夹取待砌筑耐火砖,第二机械臂的第二深度相机确定待砌筑耐火砖喷涂泥浆的位置,第二驱动装置驱动耐火泥浆喷涂枪头进行泥浆喷涂,利用控制器控制第一驱动装置和第二驱动装置交替工作,使第一机械臂与第二机械臂协同作用进行砌筑涂泥,提高砌筑的工作效率;
[0057] (2)通过设置第二机械臂的喷涂空间,对初始夹取轨迹和喷涂路径进行优化得到最终夹取‑砌筑轨迹和最终喷涂路径,第一机械臂和第二机械臂分别按照最终夹取‑砌筑路径和最终喷涂路径进行耐火砖的夹取与砌筑和泥浆喷涂,确保喷涂过程中不会发生碰撞或超出工作范围,提高机械臂的运动效率和砌筑质量;
[0058] (3)通过第一深度相机识别出待砌筑耐火砖的型号,进而确定第二机械臂的喷涂起始位姿和喷涂结束位姿,并根据喷涂起始位姿和喷涂结束位姿确定第二机械臂的移动路径,利用第二深度相机确定第二机械臂的当前位姿,根据将第二机械臂的活动图与第二机械臂的移动路径进行碰撞测试,得到第二机械臂的初始喷涂路径,避免第二机械臂在泥浆喷涂过程中与障碍物发生碰撞,确保第二机械臂在泥浆喷涂过程中的稳定性和精确性。附图说明
[0059] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,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发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0060] 图1为本发明的砌筑机器的示意图;
[0061] 图2为本发明的砌筑机器的第一机械臂示意图;
[0062] 图3为本发明的砌筑机器的第二机械臂示意图;
[0063] 图4为本发明的砌筑方法的流程图
[0064] 图5为本发明的砌筑方法的动作流程图;
[0065] 图6为本发明的砌筑方法的第二机械臂喷涂路径避障规划的框图

具体实施方式

[0066] 下面将结合本发明实施方式,对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式,而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式,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方式,都属于本发明保护的范围。
[0067] 如图1所示,本发明提供了一种基于双臂协作的砌筑机器,包括支撑架、第一机械臂7、第二机械臂4和控制器(未在图上示意),所述支撑架分别与第一机械臂7和第二机械臂4的第一端滑动连接,其中,
[0068] 所述第一机械臂7包括夹取装置8、第一深度相机11和第一驱动装置12,所述夹取装置8位于第一机械臂7的第二端,用于夹取待砌筑耐火砖10,所述第一机械臂7的第一端与第一机械臂7的第二端相对;所述第一深度相机11位于夹持装置8靠近地面的一侧,用于确定待砌筑耐火砖10的信息;所述第一驱动装置12位于夹持装置8的顶部与夹持装置8传动连接,用于驱动夹持装置8夹取待砌筑耐火砖10;其中第一驱动装置12可以为驱动电机
[0069] 所述第二机械臂4包括耐火泥浆喷涂枪头9、第二深度相机17和第二驱动装置(未在图上示意),所述耐火泥浆喷涂枪头9位于第二机械臂4的第二端,用于给待砌筑耐火砖10喷涂泥浆,所述第二机械臂4的第一端与第二机械臂4的第二端相对;所述第二深度相机17位于活动端的一侧,用于识别待砌筑耐火砖泥浆喷涂的位置;所述第二驱动装置位于第二机械臂4上,用于驱动耐火泥浆喷涂枪头9对待砌筑耐火砖10进行喷涂,其中第二驱动装置可以为气缸
[0070] 所述控制器与第一驱动装置12和第二驱动装置连接,用于控制第一驱动装置12和第二驱动装置协同工作。
[0071] 可以理解的,支撑架设置在基础平台1上,基础平台1上设有地轨2,支撑架的一端与地轨2连接,使支撑架可以在地轨2上进行滑动,其中基础平台1放置于地面或者任意支撑面上;支撑架包括龙门支撑桁架3、两个龙门横梁5和两个移动横梁6,其中,所述两个龙门横梁5位于龙门支撑桁架3远离地面的一端,且与龙门支撑桁架5连接,两个所述移动横梁6的两端分别与两个龙门横梁5滑动连接,所述第一机械臂7的第一端和第二机械臂4的第一端分别与两个移动横梁6滑动连接,第一机械臂7和第二机械臂4可以在移动横梁6上进行滑动,便于夹取和喷涂待砌筑耐火砖。
[0072] 在本申请实施例中,通过双臂协作同时夹取待砌筑耐火砖和耐火喷涂泥浆,大大提高了砌筑的效率,第一机械臂7和第二机械臂4可以同时进行工作减少了砌筑的时间,并在第一机械臂7和第二机械臂4上分别设置深度相机,精确地确定待砌筑耐火砖10的位置和喷涂泥浆的位置,保证了砌筑的精准度和质量减少了人工操作的需求,提高了工作效率,同时第一机械臂7和第二机械臂4可以根据需要进行调整和改变,适应不同规格和形状的砌筑需求,提高了砌筑机器的灵活性和适用性。通过控制器对第一机械臂7和第二机械臂4进行精准控制,确保当第一机械臂7夹取待砌筑耐火砖10后,第二机械臂4再对待砌筑耐火砖10泥浆喷涂,实现“一抹一放”的砌筑操作,通过协同砌筑提高砌筑效率和施工精度
[0073] 具体的,如图2和图3所示,第一机械臂7还包括滑道14和移动装置15,移动横梁6与第一机械臂固定装置13滑动连接,滑道14分别位于两个移动横梁6靠近第一机械臂固定装置13的一侧,第一机械臂固定装置13带动第一机械臂7在滑道14上滑动以便夹取耐火砖,移动装置15分别位于移动横梁6的两侧并带动第一机械臂7在龙门横梁5上滑动,当第一机械臂7在夹取待砌筑耐火砖10时,使用第一深度相机11确定待砌筑耐火砖10的位置,第一驱动电机12驱动夹取装置8夹取待砌筑耐火砖10;
[0074] 第二机械臂4包括移动装置15和第二机械臂吊装装置16,第二机械臂吊装装置16带动第二机械臂4在滑道14上滑动以便对待砌筑耐火砖10进行泥浆喷涂,移动装置15分别位于移动横梁6的两侧并带动第二机械臂4在龙门横梁5上滑动,当第二机械臂4在泥浆喷涂时,使用第二深度相机17确定待砌筑耐火砖10的泥浆喷涂位置,使用耐火泥浆喷涂枪头9对带砌筑耐火砖10进行泥浆喷涂。
[0075] 可选的,耐火泥浆喷涂枪头9为扁平式,可以使得喷涂面积更广,实现更均匀的喷涂效果,提高了喷涂的质量和效率。同时,耐火泥浆喷涂枪头9可以在一定范围内进行旋转和调整,保证了喷涂操作的稳定性和灵活性,有利于实现高质量的喷涂效果。
[0076] 如图4和图5所示,本发明还提供了一种基于双臂协作的砌筑方法,应用于如上述所述的砌筑机器,包括以下步骤:
[0077] S1、根据标准DH参数建立第二机械臂的DH模型,并对第二机械臂的DH模型进行求解,得到第二机械臂的喷涂空间;
[0078] S2、搭建双机械臂协作加工基础平台,对第一深度相机进行外参标定,得到第一深度相机相对于第一机械臂的位姿,并生成第一机械臂的初始夹取轨迹;
[0079] S3、使用第二深度相机确定第二机械臂的当前位姿,根据第二机械臂的当前位姿对第二机械臂进行喷涂路径避障规划,得到第二机械臂的初始喷涂路径;
[0080] S4、对第一机械臂的初始夹取轨迹和第二机械臂的初始喷涂路径进行优化,得到最终夹取‑砌筑轨迹和最终喷涂路径,第一机械臂和第二机械臂分别按照最终夹取‑砌筑轨迹和最终喷涂路径进行夹取和泥浆喷涂。
[0081] 在本申请实施例中,通过建立第二机械臂的DH模型,可以精确地描述机械臂的几何结构和运动学特性,使第二机械臂在三维空间内进行喷涂操作,确保喷涂过程中不会发生碰撞或超出工作范围,并搭建双机械臂协作加工基础平台为后续的实验和测试提供可靠的硬件平台。通过对第一深度相机进行外参标定,准确地获取相机相对于第一机械臂的位姿信息,生成第一机械臂的初始夹取轨迹,确保机械臂在夹取过程中的准确性和稳定性;通过第二深度相机确定第二机械臂的当前位姿并实时获取第二机械臂的位置信息,以进行喷涂路径避障规划,可以确保机械臂在喷涂过程中避开障碍物,通过对初始夹取轨迹和喷涂路径进行优化,可以提高机械臂的运动效率和砌筑质量。
[0082] 可以理解的,分别计算两个机械臂的当前位姿得到第一机械臂的初始夹取轨迹和第二机械臂的初始喷涂路径,使用第一深度相机识别待砌筑耐火砖的型号,并对第二机械臂的初始喷涂路径进行优化最终喷涂路径,控制器对第一驱动装置发送控制指令使第一机械臂抓取待砌筑耐火砖,并对第一机械臂的初始夹取轨迹进行优化得到最终夹取‑砌筑轨迹,同时控制器对第二驱动装置发送控制指令使第二机械臂到达初始喷涂路径的起始点,沿最终喷涂路径进行泥浆喷涂,当第二机械臂喷涂完成后进行复位,第一机械臂按照最终砌筑轨迹进行耐火砖的砌筑,重复该方法,直至待砌筑耐火砖砌筑完成。
[0083] 在本申请一实施例中,步骤S1具体包括:
[0084] 采用标准的DH法进行第二机械臂的DH数学模型建立,基于蒙特卡罗法求解工作空间。其中DH模型使用四个参数来描述相邻两个关节之间的转动和平移关系,四个参数分别是:连杆长度、关节间的旋转角度、连杆的长度和关节间的旋转角度,用于描述整个机械臂的运动学模型
[0085] 具体的,选择RobotDK软件进行第二机械臂的运动空间进行分析,通过rand函数随机生成第二机械臂各个关节的关节角度,第i个关节的关节角度 计算过程如下:
[0086]
[0087] 其中,Qmini、Qmaxi分别表示第二机械臂各个关节运动范围的最小值、最大值;i=1,2,3,4,5,6;n=1,2,3...N,n和N表示当前关节角度的样本数和样本总数。
[0088] 在本申请一实施例中,步骤S2具体包括:
[0089] 利用第一深度相机和第二深度相机分别计算出第一机械臂和第二机械臂相对于标定板的相对位姿关系;所述标定板为基础平台上任一位置的平面板;
[0090] 根据第一深度相机和第一机械臂相对于基础平台的相对位姿关系进行手眼标定,采集多组不重复的相对位姿数据,计算第一深度相机的外部参数,得到第一深度相机相对于第一机械臂的位姿,并根据轨迹算法生成第一机械臂的初始夹取轨迹;
[0091] 根据第二深度相机和第二机械臂相对于标定板的相对位姿关系进行手眼标定,采集多组不重复的相对位姿数据,计算第二深度相机的外部参数,得到第二深度相机相对于第二机械臂的位姿,并根据轨迹算法生成第二机械臂的初始喷涂轨迹。
[0092] 在本申请实施例中,通过利用第一深度相机和第二深度相机分别计算出第一机械臂和第二机械臂相对于标定板的相对位姿关系,精确地测量出第一机械臂和第二机械臂的位置和姿态,提高第一机械臂和第二机械臂的定位精度;通过手眼标定采集多组不重复的相对位姿数据,计算第一深度相机和第二深度相机的外部参数,提高第一机械臂和第二机械臂的定位精度和稳定性,减少因误差累积而导致的精度损失;通过第一深度相机相对于第一机械臂的位姿,并根据轨迹算法生成第一机械臂的初始夹取轨迹,使第一机械臂能够准确地夹取喷涂工具,第二机械臂按照预定的路径进行泥浆喷涂,提高第二机械臂的喷涂精度和效率,减少由于夹取不准确而导致的泥浆喷涂偏差。
[0093] 具体的,在第二机械臂的手眼标定过程中,根据第二深度相机和第二从机械臂第一端的相对位姿关系完成手眼标定。标定过程中,标定板(图中未示出)和第二机械臂第二端的相对位姿关系保持固定,第二机械臂第二端与第一端的相对位姿通过运动学计算得到进行求解的,运动学等式如下:
[0094]
[0095]
[0096]
[0097] 式中, 表示不同位置下标定板(图中未示出)与第二机械臂第二端的变换关系; 表示不同位置下标定板与第二深度相机的变换关系; 表示不同位置下第二机械臂第二端与第一端的变换关系,由机械臂逆解得到; 表示第二机械第一端与相机的变换关系,为固定量;i表示第二机械臂不同的位姿状态,为变量,取1~10之间的整数。
[0098] 调整好第二深度相机的固定角度与第二从机械臂的位姿,使标定板正对于第二深度相机,采集一组位姿信息,控制第二从机械臂切换到下一位姿,得到另一组位姿信息,采集十组不重复位姿的数据,结合上述的手眼标定方法,计算得到第二深度相机的外部参数,完成第二深度相机和第二机械臂的手眼标定,得到第二深度相机相对于第二机械臂的位姿。
[0099] 可以理解的,第一深度相机手眼标定过程与第二深度相机手眼标定过程相同,在此不再赘述。
[0100] 在本申请一实施例中,步骤S3具体包括:
[0101] S31、根据第一深度相机识别出的待砌筑耐火砖的型号;
[0102] S32、根据第二机械臂的喷涂空间构建第二机械臂的活动地图;
[0103] S33、根据待砌筑耐火砖的型号确定第二机械臂的喷涂起始位姿和喷涂结束位姿;
[0104] S34、根据喷涂起始位姿和喷涂结束位姿规划出第二机械臂的移动路径;
[0105] S35、将所述活动地图与第二机械臂的移动路径进行碰撞测试,得到第二机械臂的初始喷涂路径;所述碰撞测试为判断活动地图中障碍物与第二机械臂的移动路径是否相交。
[0106] 在本申请实施例中,通过第一深度相机识别出的耐火砖型号,精准确定砌筑所需的耐火砖的砖块规格和特征,使用第二深度相机确定第二机械臂的当前位姿,根据实际情况对第二机械臂的位置进行自适应调整,确保第二机械臂在正确的位置进行后续操作,构建第二机械臂的活动地图有助于对喷涂空间进行合理规划,避免第二机械臂在喷涂过程中发生碰撞或受限制的情况,提高了第二机械臂的作业安全性和泥浆喷涂效率,根据耐火砖的型号确定喷涂起始位姿和结束位姿,针对不同规格砖块的定制化第二机械臂的喷涂规划,根据喷涂起始位姿和结束位姿规划第二机械臂的移动路径,确保第二机械臂在泥浆喷涂过程中的稳定性和精确性,通过活动地图与第二机械臂的移动路径进行碰撞测试,避免机械臂在操作过程中与障碍物发生碰撞,确保了第二机械臂的安全操作,提高了作业的安全性和稳定性,提高了砌筑任务的成功率和效率。其中,将第二机械臂的喷涂路径与活动地图中的障碍物进行碰撞检测,检测方法可以是离线的或在线的:离线的方法是将第二机械臂的移动路径和障碍物都转换到同一坐标系下,然后进行碰撞检测;在线的方法是在第二机械臂运动过程中,实时检测第二机械臂的位置和姿态,然后进行碰撞检测。
[0107] 可以理解的,碰撞测试具体包括:
[0108] 判断第二机械臂的移动路径是否与第二机械臂的活动地图中障碍物相交:
[0109] 如果发现碰撞,需要重新规划第二机械臂的移动路径避免碰撞;
[0110] 若否,则为第二机械臂的初始喷涂路径。
[0111] 具体的,利用第二深度相机获得RGB图像和深度图像,深度图像的像素值代表传感器到所拍摄障碍物的深度值,把深度图像转换为点,直接反映障碍物可见表面的几何形状。
[0112] 使用图像形态学的膨胀方法来处理深度图,处理的公式如下:
[0113]
[0114] 式中:src(x,y)表示原障碍物图像;dst(x,y)表示膨胀处理后的障碍物图像;(x,y)表示膨胀处理后的障碍物图像的坐标,(x’,y’)表示原障碍物图像的坐标,(x+x’,y+y’)表示膨胀处理后的障碍物图像中的一个像素点的坐标偏移量。
[0115] 以第二机械臂关节处六个连杆的坐标系原点为球心,采用虚拟包围球构建第二机械臂的工作空间模型。将第二机械臂检测点设为虚拟包围球球心,虚拟包围球球心的坐标已知,通过计算障碍物各点云和各检测点的欧氏距离,得到公式:
[0116]
[0117] 式中,(Pdetectxi,Pdetectyi,Pdetectzi)为第二机械臂的工作空间模型上第i个检测点在第二机械臂基坐标系下的坐标;(Pobsxj,Pobsyj,Pobszj)为第j个障碍物点云在第二机械臂基坐标系下的坐标;Dij为两者的欧氏距离。
[0118] 对障碍物各点云和各检测点的欧氏距离进行排序比较,得出第二机械臂的工作空间模型与障碍物的实时最近距离,防止第二机械臂与障碍物发生碰撞,进而提高双臂协作的砌筑机器的工作效率。
[0119] 在本申请一实施例中,步骤S34具体包括:
[0120] 将喷涂起始位姿作为起始点,将喷涂结束位姿作为目标点;
[0121] 从起始点和目标点分别进行双向采样扩展,不断生成新节点;
[0122] 交替连接起始点和目标点生成的新节点,直至两个新节点之间的距离在第一阈值内;
[0123] 则两个新节点的路径为第二机械臂的移动路径。
[0124] 在本申请实施例中,通过将喷涂起始位姿和喷涂结束位姿作为起始点和目标点并进行双向采样扩展并生成新节点,在起始点和目标点分别出发,同时生成新节点,确保路径规划的精确性,缩短了喷涂准备时间,提高了路径规划的效率,通过交替连接起始点和目标点生成的新节点,并确保两个新节点之间的距离在第一阈值内,可以有效避免机械臂在移动过程中发生碰撞,保障第二机械臂操作的安全性,减少了意外事故的发生。第一阈值可以根据实际情况进行设置,本申请并不对此做具体限定。
[0125] 在本申请一实施例中,步骤S35还包括:
[0126] 计算第二机械臂与活动地图中障碍物的距离Drep;
[0127] 计算第二机械臂的耐火泥浆喷涂枪头与障碍物的夹角;
[0128] 当第二机械臂与活动地图中障碍物的距离Drep小于第二阈值时,则产生相斥力,得到第二机械臂关节的排斥速度;
[0129] 将第二机械臂的耐火泥浆喷涂枪头与障碍物的夹角的余弦值和第二机械臂关节的排斥速度以及排斥因素相乘,得到第二机械臂与障碍物协同作用的排斥速度;
[0130] 根据第二机械臂与障碍物协同作用的排斥速度确定第二机械臂的初始喷涂路径。
[0131] 在本申请实施例中,通过计算第二机械臂与活动地图中障碍物的距离Drep,以及计算机械臂的喷涂装置与障碍物的夹角,及时发现第二机械臂与障碍物的距离和夹角情况。当距离Drep小于第二阈值时,产生相斥力,并根据夹角和距离计算出相应的排斥速度,从而避免机第二械臂与障碍物发生碰撞,使得第二机械臂在避开障碍物的同时,保持第二机械臂的稳定性和喷涂效果。其中,第二阈值可以根据实际使用情况进行设置。
[0132] 如图6所示,当第一机械臂按照初始夹取轨迹夹取待砌筑耐火砖时,使用第二深度相机对第二机械臂进行手眼标定,得到第二机械臂的当前位姿,设置第二机械臂的碰撞测试点,对第二机械臂进行实时碰撞距离计算,并使用RRT‑Connect算法对初始喷路径迹进行规划,若最小碰撞距离大于安全距离,则使用第二机械臂对待砌筑耐火砖进行喷涂;若最小碰撞距离小于安全距离则使用人工势场法对初始喷涂路径进行优化得到最终喷涂路径,若此时解除碰撞警报,即第二机械臂与活动地图中障碍物的距离Drep由于相斥力的作用变大,最小碰撞距离大于安全距离,第二机械臂则继续按照最终喷涂路径进行移动,直至达到目标点对待砌筑耐火砖进行喷涂。
[0133] 具体的,将待砌筑耐火砖定义为引力场产生引力,将第二机械臂的活动地图中障碍物定义为斥力场产生斥力,在两种力场的合力作用下避免第二机械臂与障碍物发生碰撞。当检测到第二机械臂与活动地图中障碍物的距离Drep小于设定的第二阈值时,斥力场启动,产生排斥速度Vrep,排斥速度Vrep的计算公式如下:
[0134]
[0135]
[0136] 式中,PcloudPjoint为第二机械臂关节点与障碍物点云的向量;||PcloudPjoint||2表示第二机械臂关节点与障碍物点云的二范数,Drep为第二机械臂活动地图中与障碍物的距离;vrep为斥力场的排斥速度;vmax为斥力场的排斥速度最大值;ρrep为斥力场的排斥速度的主要作用范围,αrep为斥力场的排斥速度调节因子,Krep为斥力系数;αrand为随机因子,取值范围为[1,1.5]的随机数。
[0137] 在本申请实施例中,当αrand取值为0.8时斥力场斥力的变化曲线较为平缓,且能在第二机械臂与活动地图中障碍物距离Drep趋于0时保持较高的排斥速度,确保第二机械臂动态避障过程的顺利进行,避免第二机械臂在泥浆喷涂过程中与活动地图中障碍物发生碰撞,确保第二机械臂作业的安全性。
[0138] 在本申请一实施例中,步骤S4具体包括:
[0139] S41、对第一机械臂的初始夹取轨迹和第二机械臂的初始喷涂路径分别进行三次样条插值处理,得到最终夹取‑砌筑轨迹和最终喷涂路径;
[0140] S42、调整第一机械臂和第二机械臂的运动顺序,当第一机械臂按照最终夹取‑砌筑轨迹夹取待砌筑耐火砖后,第二机械臂按照最终喷涂路径对待砌筑耐火砖进行泥浆喷涂,当第二机械臂喷涂完成后进行复位,第一机械臂按照最终夹取‑砌筑轨迹进行耐火砖的砌筑;
[0141] S43、重复步骤S42直至所有待砌筑耐火砖砌筑喷涂完毕。
[0142] 在本申请实施例中,通过三次样条插值处理,可以平滑地生成最终夹取‑砌筑轨迹和最终喷涂路径,避免了第一机械臂和第二机械臂运动过程中的突变,提高了砌筑机器的运动稳定性和喷涂的均匀性,调整第一机械臂和第二机械臂的运动顺序,确保在第一机械臂按照最终夹取‑砌筑轨迹夹取待砌筑耐火砖后,第二机械臂按照最终喷涂路径对待砌筑耐火砖进行泥浆喷涂,协调两个机械臂的动作,避免了发生碰撞和干涉,提高了作业的安全性和效率,通过循环砌筑喷涂确保所有待喷涂的耐火砖都得到了喷涂,提高了作业的全面性和完成度。
[0143] 在本申请一实施例中,三次样条插值处理具体包括:
[0144] 分别提取初始夹取轨迹和初始喷涂路径的若干数据点;
[0145] 分别计算初始夹取轨迹和初始喷涂路径相邻两个数据点的速度和加速度;其中,相邻两个数据点的速度和加速度连续;
[0146] 根据相邻两个数据点的速度和加速度分别得到初始夹取轨迹和初始喷涂路径的局部三次多项式曲线段;
[0147] 将初始夹取轨迹和初始喷涂路径的局部三次多项式曲线段进行路径参数化,得到最终夹取‑砌筑轨迹和最终喷涂路径;其中路径参数化为将三次多项式曲线段的参数作为时间的函数。
[0148] 可以理解的,三次样条插值处理可以更好地描述第一机械臂的运动轨迹和第二机械臂的喷涂路径,保证砌筑机器运动的连续性和稳定性,从而提高了砌筑机器夹取和喷涂的精度、稳定性和效率。
[0149] 本发明还提供了一种基于双臂协作的砌筑系统,采用如上述所述的砌筑方法,包括:
[0150] 空间构建模块,用于根据标准DH参数建立第二机械臂的DH模型,并对第二机械臂的DH模型进行求解,得到第二机械臂的喷涂空间;
[0151] 第一初始轨迹规划模块,用于对第一深度相机进行外参标定,得到第一深度相机相对于第一机械臂的位姿,并生成第一机械臂的初始夹取轨迹;
[0152] 第二初始轨迹规划模块,用于使用第二深度相机确定第二机械臂的当前位姿,根据第二机械臂的当前位姿对第二机械臂进行喷涂路径避障规划,得到第二机械臂的初始喷涂路径;
[0153] 优化模块,用于对第一机械臂的初始夹取轨迹和第二机械臂的初始喷涂路径进行优化,得到最终夹取‑砌筑轨迹和最终喷涂路径;
[0154] 砌筑涂泥模块,第一机械臂和第二机械臂分别按照最终夹取‑砌筑轨迹和最终喷涂路径进行夹取和泥浆喷涂。
[0155] 通过空间构建模块确定第二机械臂的可达范围和工作空间,并利用第一初始轨迹规划模块确定第一机械臂的起始位置和夹取轨迹,利用第二初始轨迹规划模块确定第二机械臂的初始喷涂路径,确保第二机械臂在喷涂过程中避开障碍物,提高了喷涂的安全性和效率,通过优化第一机械臂的初始夹取轨迹和第二机械臂的初始喷涂路径,使得第一机械臂的夹取和第二机械臂的泥浆喷涂更加平滑和高效,提高了第一机械臂和第二机械臂操作的精度和稳定性,第一机械臂和第二机械臂按照最终夹取‑砌筑轨迹和最终喷涂路径进行夹取和泥浆喷涂,确保机械臂按照规划的路径进行夹取和喷涂操作,提高了作业的准确性和一致性。
[0156] 以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
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