阅读说明：本技术 一种矿用智能双臂液压吊装机器人及其控制方法 (Intelligent double-arm hydraulic hoisting robot for mine and control method thereof ) 是由 程刚 康彬 王志宏 陈雨 赵国琪 赵长清 李美四 顾伟 于 2019-10-24 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种矿用智能双臂液压吊装机器人及其控制方法,通过控制三个可伸缩液压缸的伸缩长度变化,配合可伸缩液压缸两端的转动接头,使得动平台相对定平台产生三向的位移,吊装工件；中间支链限制了动平台在驱动支链作用下位移过程中绕自身中心轴的转动。旋转底座、一级转头和二级转头使得吊钩具有三向的转动自由度。上述结构使得本发明可灵活控制工件的坐标和位姿；同时三个可伸缩液压缸的长度不同,配合可伸缩液压缸两端的转动接头,设备体积小巧,承重能力强,在吊装时节省空间,尤其适用于矿井中的使用需求。本发明还具有基于深度学习的模糊控制系统,实现智能自动控制。综上,本发明操作便捷,吊装位置精度高,安全可靠。(The invention discloses a mining intelligent double-arm hydraulic hoisting robot and a control method thereof.A movable platform generates three-way displacement relative to a fixed platform by controlling the telescopic length change of three telescopic hydraulic cylinders and matching with rotary joints at two ends of the telescopic hydraulic cylinders, so as to hoist a workpiece; the middle branched chain limits the rotation of the movable platform around the central axis of the movable platform in the displacement process under the action of the driving branched chain. The rotary base, the first-stage rotating head and the second-stage rotating head enable the lifting hook to have three-directional rotational freedom. The structure enables the invention to flexibly control the coordinate and the pose of the workpiece; the length of three scalable pneumatic cylinder is different simultaneously, and the rotary joint at cooperation scalable pneumatic cylinder both ends, equipment small in size, bearing capacity is strong, saves space when hoist and mount, especially is applicable to the user demand in the mine. The invention also has a fuzzy control system based on deep learning, and realizes intelligent automatic control. In conclusion, the invention has the advantages of convenient operation, high precision of hoisting position, safety and reliability.)

一种矿用智能双臂液压吊装机器人及其控制方法

技术领域

本发明属于矿业设备领域，特别涉及一种矿用智能双臂液压吊装机器人及其控制方法。

背景技术

现在矿井下工作的各种大型机械设备，在运输到矿井下之前一般都需要进行拆除，然后到矿井下在进行人工现场安装，而对于这些少则几吨大则十几吨重的机械设备而言，如果在陆地上可以借助各种起重机，起吊机进行完成，而在矿井下大多数是采用平板车把部件运到组装室，把部件组装成一个个组装体，然后再把一个个组装体输送到安装位置进行组装。

煤矿下用的很多设备，比如液压支架都在30吨左右，起支撑煤矿顶板的作用。在其下面是采煤的机组，可是大多数矿井都比较小，导致采煤用的液压支架要先进行分解运输到井下再进行组装，而目前国内各煤矿进行液压支架的组装普遍使用简易工具，而且需要人员在起吊设备下进行指挥来完成安装，传统的方法不仅要投入大量的劳动力和劳动强度，而且劳动效率低下，同时对吊起的设备进行组装和拆除时位置的调整极其的不方便，最后由于是现场作业操作人员的安全也受到了很大的威胁。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种矿用智能双臂液压吊装机器人及其控制方法，能够自动化在矿井下完成各类矿用设备组件的吊装，操作便捷，吊装位置精度高，安全可靠。

技术方案：本发明提出一种矿用智能双臂液压吊装机器人，包括可移动的工作平台和两个位于工作平台上方的液压臂；

每个所述液压臂包括旋转底座、定平台和动平台；其中旋转底座的转轴垂直于工作平台所在平面；所述定平台固定在旋转底座上；所述定平台所在平面垂直于工作平台所在平面；

每个所述液压臂还包括三个驱动支链；每个所述驱动支链包括一个可伸缩液压缸；所述可伸缩液压缸的一端通过第一转动接头连接定平台，另一端通过第二转动接头连接动平台；三个所述第一转动接头在定平台所在平面为三角形布置；三个所述第二转动接头在动平台所在平面为三角形布置；

每个所述液压臂还包括一个中间支链；所述中间支链包括中间支杆；所述中间支杆的一端通过第三转动接头连接定平台；所述第三转动接头可沿中间支杆相对滑动，且第三转动接头位于三个所述第一转动接头的三角形连接区域内；另一端固定在动平台上，且位于三个所述第二转动接头的三角形连接区域内；所述中间支杆与每个可伸缩液压缸两两位于同一平面；

所述动平台上设置有一级转头；所述一级转头的转轴平行于中间支杆；所述一级转头上设置有二级转头；所述二级转头的转轴垂直于旋转底座的转轴，且二级转头的转轴垂直于一级转头的转轴；所述二级转头上设置有吊钩。

进一步，所述第一转动接头及第三转动接头是虎克铰；所述第二转动接头是复合球铰链；所述第三转动接头包括外圈和位于外圈内的内圈；所述外圈的两侧分别设置有一个外圈转轴，两个所述外圈转轴连接在定平台上，且两个所述外圈转轴同轴；所述内圈的两侧分别设置有一个内圈转轴，两个所述内圈转轴连接在外圈上；两个所述内圈转轴同轴且垂直于外圈转轴；所述内圈内侧设置有滑块；所述中间支杆上设置有沿中间支杆方向延伸的滑槽；所述中间支杆位于内圈内，且滑块对应嵌入滑槽内。

进一步，所述工作平台的底部设置有移动轮机构和可伸缩的液压支撑柱。

进一步，还包括控制系统；所述控制系统包括工控机、液压专用伺服控制器、旋转机构控制单元、行走运动控制器、位移传感器和角度传感器；所述位移传感器安装在动平台上，用于检测动平台行走的位移，并把位移信息反馈至液压专用伺服控制器；

所述角度传感器分别安装在旋转底座、一级转头和二级转头，用于检测旋转底座、一级转头和二级转头的旋转角度；并把旋转角度信息反馈至旋转机构控制单元；

所述工控机通过液压专用伺服控制器控制可伸缩液压缸的动作；

所述工控机通过旋转机构控制单元控制旋转底座、一级转头和二级转头的旋转角度；

所述工控机通过行走运动控制器控制液压支撑柱和移动轮机构的移动。

进一步，还包括视觉检测装置；所述视觉检测装置包括自适应调整照明模块、自动对焦调焦单元、光学镜头单元和图像采集处理单元；所述光学镜头用于采集被吊取物体的图像信息；所述光学镜头将实时采集到得物体的轮廓特征信息和图像信息传送至图像采集处理单元；所述图像处理单元进行图像信息的处理，并根据检测到的物体角点信息，边缘信息，进行图像识别，边缘拟合，三维模型的重建；所述工控机接收视觉检测装置反馈的参数信息进行分析，拟定出合理的路径，防止起吊过程中空间内物体碰撞，对起吊的物体进行姿态进行调整。

进一步，所述的工控机系统包括信息储存模块、规划与分析模块、模型训练模块、执行输出模块；信息储存模块用于对机器人自身和收集外部信息的状态描述，预存不同状态下的机器人的行为与动作序列以及要达到的目标等知识及规则；模型训练模块是对每次从外界获取的数据进行训练迭代，并且分类保存，并把训练的模型传送给规划与分析模块；规划与分析模块根据模型训练模块训练的模型、信息储存模块存储的知识以及现场获取的知识，对吊装机器人动作以及路线做出实时的规划；并通过执行输出模块输出执行命令。

上述的矿用智能双臂液压吊装机器人的一种控制方法，包括以下步骤：

第一步，通过工控机系统控制行走运动控制器驱动底部行走轮行走，吊装机器人到达待吊取设备的位置；

第二步，通过视觉检测模块获取吊装机器人所处的空间位置信息，并把所获取的空间位置信息实时的传送给工控机系统，工控机系统根据机器人所处的空间位置信息，建立一个空间坐标系模型；

第三步，工控机系统通过行走运动控制器，控制液压支撑柱伸出，并根据地面的情况进行调整，直到吊装机器人相对地面达到稳定平衡的状态；

第四步，通过视觉检测系统获取吊装机器人自身的空间坐标信息，然后找到一个坐标基准点，使需要安装的工件位于坐标基准点上，然后输入安装位置相对于工件的空间坐标信息，操作可伸缩液压缸、旋转底座、一级转头和二级转头动作，同时通过位移传感器和角度传感器计算出起吊设备实时的空间的坐标位置，直至工件到达安装位置时。

上述的矿用智能双臂液压吊装机器人的另一种控制方法，包括以下步骤：

第一步，通过工控机系统控制行走运动控制器驱动底部行走轮行走，吊装机器人到达待吊取设备的位置；

第二步，通过视觉检测模块获取吊装机器人所处的空间位置信息，并把所获取的空间位置信息实时的传送给工控机系统，工控机系统根据机器人所处的空间位置信息，建立一个空间坐标系模型；

第三步，视觉检测模块采集待吊取物体的图像信息：工控机系统将接收到的图像信息传送信息储存模块，信息储存模块会进行信息的储存，归类，并把结果传送给模型训练模块，模型训练模块会对大量的数据进行多轮迭代，得到物体相对于空间坐标模型的各种姿态信息，然后把这些信息传给规划与分析模块，规划与分析模块根据模型训练模块训练的模型、信息储存模块存储的知识以及现场获取的知识，对吊装机器人动作以及路线，不断进行拟合，优化，最后得到最优解，实时的给出待吊取物体到达指定位置的路径和姿态调整信息，最后通过执行输出模块输出执行命令；

第四步，工控机系统通过行走运动控制器，控制液压支撑柱伸出，并根据地面的情况进行调整，直到吊装机器人相对地面达到稳定平衡的状态；

第五步，工控机控制系统结合当前吊装机器人自身的位置和姿态，同时根据起吊设备拟合出的最优的安装路径开始进行起吊设备的安装配合，当进行安装配合时，工控机系统会通过液压专用伺服控制器和旋转机构控制单元，根据起吊设备事先拟定出的路径控制可伸缩液压缸、旋转底座、一级转头和二级转头，进行物体的起吊，视觉检测装置会实时采集起吊设备的当前空间位置信息，并把该信息实时反馈给工控机系统，该系统会再次进行行走路线的拟合、规划、优化得到行走路径，结合当前起吊物体的姿态信息，对起吊设备的姿态偏差进行调整，直到被起吊的设备相对于另一个需要配合的设备，达到两者重合程度最大的位置；

第六步，当矿用双臂液压吊装机器人完成上述一周期的操作指令后，工控机系统会把本次的各种数据以及模型参数存入到信息储存模块，为后续的设备起吊提供参考，如此步骤不断循环，从而达到具有深度学习的功能。

有益效果：本发明通过控制三个可伸缩液压缸的伸缩长度变化，配合可伸缩液压缸两端的转动接头，使得动平台相对定平台产生三向的位移，吊装工件；中间支链限制了动平台在驱动支链作用下位移过程中绕自身中心轴的转动。旋转底座、一级转头和二级转头，使得吊钩具有三向的转动自由度。上述结构使得本发明可灵活控制工件的坐标和位姿；同时三个可伸缩液压缸的长度不同，配合可伸缩液压缸两端的转动接头，设备体积小巧，承重能力强，在吊装时节省空间，尤其适用于矿井中的使用需求。本发明还具有基于深度学习的模糊控制系统，实现智能自动控制。综上，本发明操作便捷，吊装位置精度高，安全可靠。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的中间支链的局部结构示意图；

图3为本发明的移动轮机构的局部结构示意图；

图4为本发明的控制系统原理图；

图5为本发明的控制系统流程图。

具体实施方式

如图1，本发明提出一种矿用智能双臂液压吊装机器人，包括可移动的工作平台13和两个位于工作平台13上方的液压臂。

每个所述液压臂包括旋转底座11、定平台10和动平台7；其中旋转底座11的转轴垂直于工作平台所在平面；所述定平台10固定在旋转底座11上；所述定平台10所在平面垂直于工作平台所在平面。

每个所述液压臂还包括三个驱动支链；每个所述驱动支链包括一个可伸缩液压缸16；所述可伸缩液压缸16的一端通过第一转动接头15连接定平台10，另一端通过第二转动接头4连接动平台7；三个所述第一转动接头15在定平台10所在平面为三角形布置；三个所述第二转动接头4在动平台7所在平面为三角形布置。本实施例中三个可伸缩液压缸16的布置优选为两两位于同一平面，且三个可伸缩液压缸16所在直线两两相交。本实施例中所述第一转动接头15是虎克铰；所述第二转动接头4是复合球铰链，满足多角度转动的连接要求，以及机械动作中的强度要求。

每个所述液压臂还包括一个中间支链；所述中间支链包括中间支杆5；所述中间支杆5的一端通过第三转动接头9连接定平台10；所述第三转动接头9可沿中间支杆5相对滑动，且第三转动接头9位于三个所述第一转动接头15的三角形连接区域内；另一端固定在动平台7上，且位于三个所述第二转动接头4的三角形连接区域内；所述中间支杆5与每个可伸缩液压缸16两两位于同一平面。

如图2，本实施例中所述第三转动接头9是虎克铰，满足多角度转动的连接要求，以及机械动作中的强度要求。所述第三转动接头9包括外圈904和位于外圈904内的内圈902；所述外圈904的两侧分别设置有一个外圈转轴905，两个所述外圈转轴905连接在定平台10上，且两个所述外圈转轴905同轴；所述内圈902的两侧分别设置有一个内圈转轴901，两个所述内圈转轴901连接在外圈904上；两个所述内圈转轴901同轴且垂直于外圈转轴905；所述内圈902内侧设置有滑块903；所述中间支杆5上设置有沿中间支杆5方向延伸的滑槽；所述中间支杆5位于内圈904内，且滑块903对应嵌入滑槽内。中间支杆5沿内圈902轴向滑动，同时限制了动平台7的转动

所述动平台7上设置有一级转头1；所述一级转头1的转轴平行于中间支杆5；所述一级转头1上设置有二级转头2；所述二级转头2的转轴垂直于旋转底座11的转轴，且二级转头2的转轴垂直于一级转头1的转轴；所述二级转头2上设置有吊钩3。

本发明通过控制三个可伸缩液压缸16的伸缩，使得三个可伸缩液压缸16的长度不同，配合可伸缩液压缸16两端的转动接头，使得动平台7相对定平台10产生三向的位移，吊装工件；中间支链限制了动平台7在驱动支链作用下位移过程中绕自身中心轴的转动，制动中间支链的转动自由度。旋转底座11、一级转头1和二级转头2，使得吊钩3具有三向的转动自由度。上述结构使得本发明可灵活控制工件的坐标和位姿；同时三个可伸缩液压缸16的长度不同，配合可伸缩液压缸16两端的转动接头，设备体积小巧，承重能力强，在吊装时节省空间，尤其适用于矿井中的使用需求。

所述工作平台的底部设置有移动轮机构和可伸缩的液压支撑柱12。如图3，本实施例采用的移动轮机构可折叠，且有自锁功能；包括行走轮、收放机构、承力支撑柱，升降伸缩装置，其中收放机构主要由伸缩式液压油缸和收放位置锁组成、其中收放位置锁是确保起落架可靠地保持在收上位置和放下位置，在起落架有一个收上位置锁和一个放下位置锁，该结构不仅对整个机构具有较大的支撑力，在矿井这种复杂的路面可大大减缓行走时带来的振动同时采用的是一种机械自锁，起到一种支撑稳定的作用。

本发明还包括控制系统；所述控制系统包括工控机、液压专用伺服控制器、旋转机构控制单元、行走运动控制器、位移传感器和角度传感器；所述位移传感器安装在动平台7上，用于检测动平台7行走的位移，并把位移信息反馈至液压专用伺服控制器。

所述角度传感器分别安装在旋转底座11、一级转头1和二级转头2，用于检测旋转底座11、一级转头1和二级转头2的旋转角度；并把旋转角度信息反馈至旋转机构控制单元。

所述工控机通过液压专用伺服控制器控制可伸缩液压缸16的动作。

所述工控机通过旋转机构控制单元控制旋转底座11、一级转头1和二级转头2的旋转角度。

所述工控机通过行走运动控制器控制液压支撑柱12和移动轮机构的移动。

本发明还包括视觉检测装置；所述视觉检测装置包括自适应调整照明模块、自动对焦调焦单元、光学镜头单元和图像采集处理单元；所述光学镜头用于采集被吊取物体的图像信息；所述光学镜头将实时采集到得物体的轮廓特征信息和图像信息传送至图像采集处理单元；所述图像处理单元进行图像信息的处理，并根据检测到的物体角点信息，边缘信息，进行图像识别，边缘拟合，三维模型的重建；所述工控机接收视觉检测装置反馈的参数信息进行分析，拟定出合理的路径，防止起吊过程中空间内物体碰撞，对起吊的物体进行姿态进行调整。

上述的矿用智能双臂液压吊装机器人的控制方法，采用人工操作，包括以下步骤：

第一步，通过工控机系统控制行走运动控制器驱动底部行走轮行走，吊装机器人到达待吊取设备的位置；

第二步，通过视觉检测模块获取吊装机器人所处的空间位置信息，并把所获取的空间位置信息实时的传送给工控机系统，工控机系统根据机器人所处的空间位置信息，建立一个空间坐标系模型；

第三步，工控机系统通过行走运动控制器，控制液压支撑柱12伸出，并根据地面的情况进行调整，直到吊装机器人相对地面达到稳定平衡的状态；

第四步，通过视觉检测系统获取吊装机器人自身的空间坐标信息，然后找到一个坐标基准点，使需要安装的工件位于坐标基准点上，然后输入安装位置相对于工件的空间坐标信息，操作可伸缩液压缸16、旋转底座11、一级转头1和二级转头2动作，同时通过位移传感器和角度传感器计算出起吊设备实时的空间的坐标位置，直至工件到达安装位置时。

如图4和图5，本发明可做进一步改进，使所述的工控机系统具有基于深度学习的模糊控制系统，包括信息储存模块、规划与分析模块、模型训练模块、执行输出模块；信息储存模块用于对机器人自身和收集外部信息的状态描述，预存不同状态下的机器人的行为与动作序列以及要达到的目标等知识及规则；模型训练模块是对每次从外界获取的数据进行训练迭代，并且分类保存，并把训练的模型传送给规划与分析模块；规划与分析模块根据模型训练模块训练的模型、信息储存模块存储的知识以及现场获取的知识，对吊装机器人动作以及路线做出实时的规划；并通过执行输出模块输出执行命令。

具备上述的工控机系统的矿用智能双臂液压吊装机器人的控制方法，可实现智能化操作，包括以下步骤：

第一步，通过工控机系统控制行走运动控制器驱动底部行走轮行走，吊装机器人到达待吊取设备的位置；

第二步，通过视觉检测模块获取吊装机器人所处的空间位置信息，并把所获取的空间位置信息实时的传送给工控机系统，工控机系统根据机器人所处的空间位置信息，建立一个空间坐标系模型；

第三步，视觉检测模块采集待吊取物体的图像信息：工控机系统将接收到的图像信息传送信息储存模块，信息储存模块会进行信息的储存，归类，并把结果传送给模型训练模块，模型训练模块会对大量的数据进行多轮迭代，得到物体相对于空间坐标模型的各种姿态信息，然后把这些信息传给规划与分析模块，规划与分析模块根据模型训练模块训练的模型、信息储存模块存储的知识以及现场获取的知识，对吊装机器人动作以及路线，不断进行拟合，优化，最后得到最优解，实时的给出待吊取物体到达指定位置的路径和姿态调整信息，最后通过执行输出模块输出执行命令；

第四步，工控机系统通过行走运动控制器，控制液压支撑柱12伸出，并根据地面的情况进行调整，直到吊装机器人相对地面达到稳定平衡的状态；

第五步，工控机控制系统结合当前吊装机器人自身的位置和姿态，同时根据起吊设备拟合出的最优的安装路径开始进行起吊设备的安装配合，当进行安装配合时，工控机系统会通过液压专用伺服控制器和旋转机构控制单元，根据起吊设备事先拟定出的路径控制可伸缩液压缸16、旋转底座11、一级转头1和二级转头2，进行物体的起吊，视觉检测装置会实时采集起吊设备的当前空间位置信息，并把该信息实时反馈给工控机系统，该系统会再次进行行走路线的拟合、规划、优化得到行走路径，结合当前起吊物体的姿态信息，对起吊设备的姿态偏差进行调整，直到被起吊的设备相对于另一个需要配合的设备，达到两者重合程度最大的位置；

第六步，当矿用双臂液压吊装机器人完成上述一周期的操作指令后，工控机系统会把本次的各种数据以及模型参数存入到信息储存模块，为后续的设备起吊提供参考，如此步骤不断循环，从而达到具有深度学习的功能。