[发明专利]一种隧道环境机械臂实时碰撞预警系统及方法

说明书

本发明提供一种隧道环境机械臂实时碰撞预警系统及方法，首先通过定位系统和数字化隧道设计模块获取隧道三维空间定位信息以及隧道周向轮廓面信息，然后通过逆运动学模块计算得到当机械臂达到期望位姿时的关节变量，接着通过正运动学模块计算得到机械臂各关节相对于参考坐标系的实时位姿，然后在碰撞检测与预警模块中，建立模型并设置各参数，采用层次包围盒检测算法和分离轴定理实现对机械臂与机械臂、机械臂与液压管路、机械臂与隧道环境的碰撞检测与多级别预警，最后通过报警模块接收预警指令并向外界发出预警信号。本发明适用于对工程装备的实时碰撞预警，检测精准度高、考虑情况全面，可实现隧道施工过程中的安全高效作业。

技术领域

本发明涉及工程机械技术领域，特别地，涉及一种隧道环境机械臂实时碰撞预警系统，以及基于该系统的隧道环境机械臂实时碰撞预警方法。

背景技术

工业机器人在隧道有限空间内进行多机多臂协同作业时，机械臂与机械臂、机械臂与机械臂下悬液压管路、机械臂与隧道环境之间容易发生碰撞，严重影响施工安全和施工效率，因此需要进行实时碰撞预警。

现有工业机器人的碰撞预警主要是通过加装力矩传感器或视觉系统等外部检测装置实现硬件设计，通过层次包围盒碰撞检测技术结合预定预警区域划分或降维算法等实现软件设计。但上述实现方式存在如下弊端：

1、在硬件方面，实现方式过于复杂，成本投入增大，且依据扭矩的碰撞检测方式需进行关节摩擦力估计，该摩擦力又受到机器人位姿、转速、温度和油脂状况等众多因素影响，难以准确建模和辨识，精度较差，因此不适用于隧道作业的液压重载机械臂。

2、在软件方面，预定预警区域的划分必须要合理，若划分粗略，则会导致检测精确度过低，若划分过细，则会增加算法复杂度，目前的预定预警区域划分方式未能很好地兼顾二者，采用的降维处理方法在简化算法复杂度的同时也降低了检测精确度。

3、现有的碰撞预警系统或防碰撞系统只能通过划分预定预警区域的方式提前人为评估不同区域内碰撞事故发生的可能性，进而对即将发生的具体碰撞事故实时检测，还不能做到实时预警，更没有划分预警级别。

此外，现有的碰撞预警系统仅针对机械臂与机械臂或机械臂与作业现场中障碍物的碰撞进行预警，缺少对机械臂与机械臂下悬液压管路间碰撞的预警，综合考虑不够全面。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在隧道作业环境下对机械臂与机械臂、机械臂与液压管路、机械臂与隧道环境进行实时检测的碰撞预警技术方案，以解决背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供一种隧道环境机械臂实时碰撞预警系统，包括逆运动学模块、正运动学模块、定位系统、数字化隧道设计模块、碰撞检测与预警模块和报警模块；所述逆运动学模块用于获取当机械臂达到期望位姿时的关节变量(即机械臂各关节的实时传感器值)，所述正运动学模块用于获取机械臂各关节相对于参考坐标系的实时位姿，所述定位系统用于获取隧道三维空间定位信息，所述数字化隧道设计模块用于提供隧道周向轮廓面信息，所述碰撞检测与预警模块用于对机械臂与机械臂、机械臂与液压管路以及机械臂与隧道环境进行碰撞检测和多级别预警，所述报警模块用于向外界发出预警信号。

本发明还提供了一种基于上述系统的隧道环境机械臂实时碰撞预警方法，首先通过定位系统和数字化隧道设计模块获取隧道三维空间定位信息以及隧道周向轮廓面信息，然后通过逆运动学模块计算得到当机械臂达到期望位姿时的关节变量，接着通过正运动学模块计算得到机械臂各关节相对于参考坐标系的实时位姿，然后在碰撞检测与预警模块中，分别对机械臂、液压管路以及隧道环境建立包围盒模型、离散悬链线模型以及离散平面模型，设置检测参数、报警检测阈值以及极限检测阈值，并将报警检测阈值和极限检测阈值与实时碰撞预警算法关联，实现基于不同预警级别的碰撞检测，利用层次包围盒碰撞检测技术和分离轴定理对包围盒与包围盒、包围盒与悬链线、包围盒与平面的相交情况进行判断，根据判断结果发出对应的碰撞预警指令，最后通过报警模块接收预警指令并向外界发出预警信号。