[发明专利]一种用于多臂凿岩机器人的机械臂碰撞检测方法

说明书

一种用于多臂凿岩机器人的机械臂碰撞检测方法，包括如下步骤：S1、将凿岩机器人的机械臂转化为若干个圆柱体包络盒的集合，将隧道顶壁转换为圆弧线段并且基于圆弧线段构建扇形检测面；S2、在凿岩机器人动作过程中实时检测任意两个圆柱体包络盒之间的最小距离值判断机械臂之间是否发生碰撞；S3、基于圆柱体包络盒在检测面上的投影判断机械臂与隧道顶壁是否发生碰撞。本发明提供一种用于多臂凿岩机器人的机械臂碰撞检测方法，能够实时准确且全面地检测凿岩机器人的碰撞情况，使系统及时预警从而避免碰撞干涉事故发生，实时性强，效率更高。

技术领域

本发明涉及凿岩机器人领域，具体的说是一种用于多臂凿岩机器人的机械臂碰撞检测方法。

背景技术

目前，多臂凿岩机器人广泛应用于煤矿、隧道开挖等工作中。由于凿岩机器人属于工业液压重载型机械臂，具有多臂协作、结构复杂等特点，因此机械臂在隧道中作业时极易发生碰撞干涉现象，严重时会造成极大的施工人员伤亡和经济损失，因此多臂凿岩机器人的碰撞检测问题亟需解决。

迄今为止，众多学者在凿岩机器人的碰撞检测方面进行了研究，主要分为基于外部传感器的碰撞检测方法、基于视觉的碰撞检测方法和通过建模实现的碰撞检测方法。对于工业液压重载机器人来讲，由于使用建模实现的碰撞检测方法易于实现、处理数据效率高，所以目前依赖建模实现的碰撞方法应用广泛。该方法通常将机器人进行模型简化，通过计算空间几何模型距离实现机器人的碰撞检测，该方法主要包括如下几种类型。

第一种是采用球体和胶囊体包围盒简化机械臂模型，能够实现有效的碰撞检测，但因机械臂关节机械结构的不规则性，使用球体包络会对检测精度造成一定的影响。

第三种是使用空间凸多面体模型对复杂物体进行建模，能够准确实现碰撞检测，但凿岩机器人所处隧道壁相对规则，用该种方法会降低机器人与隧道的碰撞检测效率。依赖建模展开的凿岩机器人碰撞检测研究多应用于凿岩机器人多个机械臂之间，因此凿岩机器人机械臂与隧道的碰撞检测研究较少，仍待进一步深入研究。同时在依赖建模实现的碰撞检测方法中，复杂的建模方法和计算方法会降低检测算法的效率和精度。

第三种是采用圆柱体包围盒简化机械臂模型，基于空间向量运算实现碰撞检测，该方法相对于第一中方法的精度更高，相对于第二种方法更加简单，但是现有的此类方法实现方法仍然非常复杂，实施效率较低。

发明内容

为了解决现有技术中的不足，本发明提供一种用于多臂凿岩机器人的机械臂碰撞检测方法，能够实时准确且全面地检测凿岩机器人的碰撞情况，使系统及时预警从而避免碰撞干涉事故发生，实时性强，效率更高。

为了实现上述目的，本发明采用的具体方案为：一种用于多臂凿岩机器人的机械臂碰撞检测方法，包括如下步骤：

S1、将凿岩机器人的机械臂转化为若干个圆柱体包络盒的集合，将隧道顶壁转换为圆弧线段并且基于圆弧线段构建扇形检测面；

S2、在凿岩机器人动作过程中实时检测任意两个圆柱体包络盒之间的最小距离值判断机械臂之间是否发生碰撞；

S3、基于圆柱体包络盒在检测面上的投影判断机械臂与隧道顶壁是否发生碰撞。

作为上述用于多臂凿岩机器人的机械臂碰撞检测方法的进一步优化：S1中，机械臂包括工作臂和吊篮臂，工作臂和吊篮臂均包括两个及以上的动作部件，将所有动作部件均转换为圆柱体包络盒；

将圆弧线段的两个端点分别记为T₁和T₂，将圆弧线段的圆心记为O，则检测面为扇形 T₁OT₂，半径为R,并且以O为极点，OT₂为极轴构建极坐标系。