[發明專利]一種挖掘機器人自主作業控制系統及方法

有效

• 申請號: 201410570531.4
• 申請日: 2014-10-24
• 公開（公告）號: CN104476548A
• 公開（公告）日: 2015-04-01
• 發明（設計）人: 駱云志;張春華;王鈐;呂衛強;雷巍;高潔;李鈺穎;羅凌江;歐陽長青
• 申請（專利權）人: 四川省綿陽西南自動化研究所
• 主分類號: B25J13/06
• 分類號: B25J13/06;B25J13/08;B25J9/18;E02F9/20
• 代理公司: 中國工程物理研究院專利中心 51210
• 代理人: 翟長明

技術領域

本發明涉及一種挖掘機器人自主作業控制系統及方法，采用本發明能夠選擇遙控操作、示教再現和自主作業三種不同的工作模式，實現對挖掘機器人的遙控操作，示教再現作業以及通過完全自主的方式進行挖掘作業。

背景技術

智能挖掘機是功能最典型、結構最復雜、用途最廣泛的工程機械之一。而無人自主挖掘機器人則代表著智能挖掘機的最高水平。它在工業與民用建筑、交通運輸、水利電力工程、礦山采掘以及軍事工程等施工中起著極為重要的作用。隨著人類活動領域的拓展，對作業質量的要求不斷提高，以及作業人員對工作環境的挑剔，這些應用領域中存在的一些問題愈來愈不容忽略，例如在高溫、高粉塵、高污染等特殊環境中，作業環境惡劣、強烈的震動、轟鳴的噪聲、飛揚的塵埃粉末，甚至突如其來的塌方、核輻射等威脅，使得人為近距離操作的挖掘機將失去作用；太空開發、水下作業等工作環境不便于人類直接進入。此外，作業的勞動強度較大，操作者往往被要求全神貫注地身兼“多職”，體力和腦力消耗極大，以至于很容易出現意想不到的事故發生，而且操作者必須進行長時間的培訓才能完成高質量的作業。因此，實現挖掘機作業裝置的自動化，利用挖掘機器人代替人自主作業是解決這些問題的最理想方案。

發明內容

本發明要解決的技術問題是提供一種用于挖掘機器人的自主作業控制系統，本發明要解決的另一技術問題是提供一種用于挖掘機器人的自主作業控制方法。采用本發明，能夠實現挖掘機的無人自主挖掘作業，滿足惡劣環境及不適宜有人參與情況下挖掘作業需求。

本發明的挖掘機器人自主作業控制系統，包括主控計算機、立體激光雷達、操控盒、下位機控制器、位置傳感器、壓力傳感器和驅動裝置，主控計算機分別與立體激光雷達、操控盒、位置傳感器和下位機控制器連接，下位機控制器分別與驅動裝置、位置傳感器和壓力傳感器相連接。

位置傳感器包含回轉編碼器和拉線編碼器，通過回轉編碼器檢測回轉平臺的旋轉角度，通過拉線編碼器檢測動臂、斗桿、伸縮臂和鏟斗的液壓油缸活塞伸縮距離，經轉換后得到動臂、斗桿、鏟斗的旋轉角度和伸縮臂伸縮距離。

壓力傳感器通過對挖掘機器人工作裝置的控制閥中的主閥芯的A口和B口壓力及壓差進行檢測，判斷工作裝置負載的變化。

驅動裝置由手控閥、電液比例閥、梭閥和主閥芯組成，梭閥分別與電液比例閥、手控閥和主閥芯連接。

一種挖掘機器人自主作業控制方法，包括以下步驟：

a）開機后進行系統初始化和自診斷，各部分功能正常情況下操控盒進入主界面，若存在工作異常的部件，系統報警并通過操控盒顯示故障信息；

b）可通過操控盒選擇系統參數設置功能，設置挖掘機器人各工作裝置的原點、運動范圍、最大運動速度，并將設置的信息傳輸到主控計算機進行保存和處理；

c）操作人員通過操控盒選擇工作模式，根據選擇進入步驟d或步驟e或步驟f；

d）進入示教工作模式，可以通過示教功能鍵進行示教操作，或者通過界面編輯示教程序，也可以調用存儲的程序執行再現功能；

e）進入自主作業工作模式，通過操控盒設置挖掘任務和初始信息，輸入啟動指令，立體激光雷達開始工作，識別挖掘作業面的位置和狀態，主控計算機根據挖掘任務和作業面狀態進行挖掘軌跡規劃，形成鏟斗軌跡序列，按控制周期將鏟斗軌跡序列轉換成各關節位置控制指令發送給下位機控制器；下位機控制器根據各關節位置控制指令和位置傳感器反饋的各關節位置信息，采用模糊自適應PID控制策略進行控制解算，將解算得到的控制信號發送到驅動裝置，通過驅動裝置實現對挖掘機器人工作裝置的位置和速度控制；在此過程中，主控計算機全程監控自主挖掘過程，通過壓力傳感器采集各工作裝置油缸壓力信息，判斷負載變化情況，隨時可以發送控制信號修正或中斷不當的挖掘動作；

f）進入遙控操作工作模式，通過操控盒發出遙控操作指令，經主控計算機處理得到控制指令發送至下位機控制器，下位機控制器對指令進行解析后發送控制信號，通過驅動裝置實現對工作裝置的遠程遙控；

g）在系統工作過程中，主控計算機和下位機控制器同時接收位置傳感器檢測數據，作為軌跡規劃和軌跡跟蹤控制的依據；

h）在系統工作過程中，下位機控制器實時采集壓力傳感器信息，經處理后傳輸至主控計算機；

i）在系統工作工程中，主控計算機根據軌跡規劃的需要發送啟動命令給立體激光雷達，立體激光雷達收到啟動指令后，對挖掘面進行掃描，基于掃描的數據建立挖掘面的三維物理模型；