一种用于建筑施工的scara智能化机械臂控制方法和系统
阅读说明：本技术 一种用于建筑施工的scara智能化机械臂控制方法和系统 (SCARA intelligent mechanical arm control method and system for building construction ) 是由 刘伟杰 于 2021-10-09 设计创作，主要内容包括：本发明提出了一种用于建筑施工的SCARA智能化机械臂控制方法和系统。所述方法包括输入机械臂需要执行的目标任务；根所述目标任务规划三组与所要执行任务对应的动作方案；对每组动作方案进行试操作,通过试操作确定每组动作方案的运行指标是否符合要求；在符合要求的动作方案中,按照执行规则进行目标任务操作。所述系统包括与所述方案步骤对应的模块。(The invention provides an SCARA intelligent mechanical arm control method and system for building construction. Inputting a target task to be executed by a mechanical arm; planning three groups of action schemes corresponding to the tasks to be executed according to the target tasks; performing trial operation on each group of action schemes, and determining whether the operation indexes of each group of action schemes meet the requirements or not through the trial operation; and in the action scheme meeting the requirement, performing target task operation according to the execution rule. The system includes modules corresponding to the recipe steps.)
技术领域
本发明提出了一种用于建筑施工的SCARA智能化机械臂控制方法和系统，属于机械臂控制技术领域。
背景技术
机械臂是指高精度，多输入多输出、高度非线性、强耦合的复杂系统。因其独特的操作灵活性, 已在工业装配, 安全防爆等领域得到广泛应用。
机械臂是一个复杂系统, 存在着参数摄动、外界干扰及未建模动态等不确定性。因而机械臂的建模模型也存在着不确定性，对于不同的任务, 需要规划机械臂关节空间的运动轨迹，从而级联构成末端位姿。
现有的SCARA机械臂在建筑工地中应用时，由于建筑工地环境比较恶劣，且负重较重，在机械臂控制中，由于只采用一种单一动作完成任务常导致机械臂单一动作重复出现关节特定位置磨损严重的问题发生。
发明内容
本发明提供了一种用于建筑施工的SCARA智能化机械臂控制方法，用以解决现有机械臂控制存在单一方案执行导致任务执行灵活度较低，以及单一动作执行导致机械臂磨损严重的问题：
本发明提出的一种用于建筑施工的SCARA智能化机械臂控制方法，所述方法包括：
输入机械臂需要执行的目标任务；
根据所述目标任务规划三组与所要执行任务对应的动作方案；
对每组动作方案进行试操作，通过试操作确定每组动作方案的运行指标是否符合要求；
在符合要求的动作方案中，按照执行规则进行目标任务操作。
进一步地，根据所述目标任务规划三组与所要执行任务对应的动作方案，包括：
提取所述机械臂需要执行的目标任务；
根据所述目标任务涉及的执行路线，对机械臂的执行路径进行规划，获得三组执行路径；
根据所述目标任务涉及的被搬运物体的位置和三组执行路径，分别对与三组执行路径对应的机械臂的执行动作进行分阶段动作规划；获得每个动作阶段对应的机械臂执行动作；
将每个动作阶段对应的机械臂执行动作进行合并，获得三组机械臂执行动作；
将每组机械臂执行动作与每组执行路径进行对应匹配，获得三组与所要执行任务对应的动作方案。
进一步地，对每组动作方案进行试操作，通过试操作确定每组动作方案的运行指标是否符合要求，包括：
对每组与所要执行任务对应的动作方案进行10-20次的试操作；
实时监控记录每组动作方案在执行过程中，所述机械臂完成每个动作时的实际关节运行参数与设置关节运行参数之间的偏差量；
通过偏差量计算获取所述机械臂运行操作指标，并根据所述机械臂运行操作指标判断每组动作方案是否符合运行要求；
提取符合运行要求的动作方案，确定利用所述符合运行要求的动作方案执行任务。
进一步地，所述通过偏差量计算获取所述机械臂运行操作指标，并根据所述机械臂运行操作指标判断每组动作方案是否符合运行要求，包括：
利用指标获取模型计算所述机械臂运行操作指标，所述指标获取模型如下：
其中，W表示所述机械臂运行操作指标；n表示出现关节运行参数偏差量的次数；H i 表示第i次出现关节运行参数偏差量时对应的偏差量数值；H max 表示关节运行参数偏差量最大值；m表示每组运动方案中所包含的阶段性分解动作的个数；T表示每组运动方案中，执行完成一个阶段性分解动作所用时间长度；T 0表示预先设置的分解动作标准运行时间；
如果所述机械臂运行操作指标超过预设的指标阈值时，确定该动作方案不符合任务执行的运行要求。
进一步地，所述执行规则包括：
如果最终确定符合任务执行的运行要求的动作方案为两个时，按照机械臂运行操作指标由低到高的原则对多个运动方案进行排序；按照所述多个运行方案的排序，执行第一个运行方案，当第一个运行方案所执行的任务量达到第一标准任务量时，切换下第二个运动方案进行任务执行，当第二个运动方案执行任务达到第二标准任务量时，控制机械臂休息45min后，利用第一个运行方案执行任务直至完成剩余所有任务量；其中，所述第一标准任务量和第二标准任务量时如下：
C 1=45%C 总，C 2=40%C 总
其中，C 1表示第一标准任务量；C 2表示第二标准任务量；C 总表示总任务量；
如果最终确定符合任务执行的运行要求的动作方案为三个时，按照机械臂运行操作指标由低到高的原则对多个运动方案进行排序；按照所述多个运行方案的排序，执行第一个运行方案，当第一个运行方案所执行的任务量达到第三标准任务量时，切换下第二个运动方案进行任务执行，当第二个运动方案执行任务达到第四标准任务量时，控制机械臂休息30min后，利用第三个运行方案执行任务直至完成剩余所有任务量；其中，所述第三标准任务量和第四标准任务量时如下：
C 3=40%C 总，C 4=35%C 总
其中，C 3表示第三标准任务量；C 4表示第四标准任务量；
如果最终确定符合任务执行的运行要求的动作方案为一个时，执行运行方案，当所述运动方案所执行的任务量达到第五标准任务量时，控制机械臂休息30min后再运行，当所述运动方案执行任务达到第六标准任务量时，控制机械臂休息40min后，利用所述运行方案执行任务直至完成剩余所有任务量；其中，所述第五标准任务量和第六标准任务量时如下：
C 5=35%C 总，C 6=45%C 总
其中，C 5表示第五标准任务量；C 6表示第六标准任务量。
一种用于建筑施工的SCARA智能化机械臂控制系统，所述系统包括：
输入模块，用于输入机械臂需要执行的目标任务；
规划模块，用于根据所述目标任务规划三组与所要执行任务对应的动作方案；
试操作模块，用于对每组动作方案进行试操作，通过试操作确定每组动作方案的运行指标是否符合要求；
执行模块，用于在符合要求的动作方案中，按照执行规则进行目标任务操作。
进一步地，所述规划模块包括：
提取模块，用于提取所述机械臂需要执行的目标任务；
路径规划模块，用于根据所述目标任务涉及的执行路线，对机械臂的执行路径进行规划，获得三组执行路径；
动作规划模块，用于根据所述目标任务涉及的被搬运物体的位置和三组执行路径，分别对与三组执行路径对应的机械臂的执行动作进行分阶段动作规划；获得每个动作阶段对应的机械臂执行动作；
合并模块，用于将每个动作阶段对应的机械臂执行动作进行合并，获得三组机械臂执行动作；
匹配模块，用于将每组机械臂执行动作与每组执行路径进行对应匹配，获得三组与所要执行任务对应的动作方案。
进一步地，所述试操作模块包括：
操作模块，用于对每组与所要执行任务对应的动作方案进行10-20次的试操作；
监控模块，用于实时监控记录每组动作方案在执行过程中，所述机械臂完成每个动作时的实际关节运行参数与设置关节运行参数之间的偏差量；
指标获取模块，用于通过偏差量计算获取所述机械臂运行操作指标，并根据所述机械臂运行操作指标判断每组动作方案是否符合运行要求；
方案确定模块，用于提取符合运行要求的动作方案，确定利用所述符合运行要求的动作方案执行任务。
进一步地，所述指标获取模块包括：
指标计算模块，用于利用指标获取模型计算所述机械臂运行操作指标，所述指标获取模型如下：
其中，W表示所述机械臂运行操作指标；n表示出现关节运行参数偏差量的次数；H i 表示第i次出现关节运行参数偏差量时对应的偏差量数值；H max 表示关节运行参数偏差量最大值；m表示每组运动方案中所包含的阶段性分解动作的个数；T表示每组运动方案中，执行完成一个阶段性分解动作所用时间长度；T 0表示预先设置的分解动作标准运行时间；
比较确定模块，用于如果所述机械臂运行操作指标超过预设的指标阈值时，确定该动作方案不符合任务执行的运行要求。
进一步地，所述执行规则包括：
如果最终确定符合任务执行的运行要求的动作方案为两个时，按照机械臂运行操作指标由低到高的原则对多个运动方案进行排序；按照所述多个运行方案的排序，执行第一个运行方案，当第一个运行方案所执行的任务量达到第一标准任务量时，切换下第二个运动方案进行任务执行，当第二个运动方案执行任务达到第二标准任务量时，控制机械臂休息45min后，利用第一个运行方案执行任务直至完成剩余所有任务量；其中，所述第一标准任务量和第二标准任务量时如下：
C 1=45%C 总，C 2=40%C 总
其中，C 1表示第一标准任务量；C 2表示第二标准任务量；C 总表示总任务量；
如果最终确定符合任务执行的运行要求的动作方案为三个时，按照机械臂运行操作指标由低到高的原则对多个运动方案进行排序；按照所述多个运行方案的排序，执行第一个运行方案，当第一个运行方案所执行的任务量达到第三标准任务量时，切换下第二个运动方案进行任务执行，当第二个运动方案执行任务达到第四标准任务量时，控制机械臂休息30min后，利用第三个运行方案执行任务直至完成剩余所有任务量；其中，所述第三标准任务量和第四标准任务量时如下：
C 3=40%C 总，C 4=35%C 总
其中，C 3表示第三标准任务量；C 4表示第四标准任务量；
如果最终确定符合任务执行的运行要求的动作方案为一个时，执行运行方案，当所述运动方案所执行的任务量达到第五标准任务量时，控制机械臂休息30min后再运行，当所述运动方案执行任务达到第六标准任务量时，控制机械臂休息40min后，利用所述运行方案执行任务直至完成剩余所有任务量；其中，所述第五标准任务量和第六标准任务量时如下：
C 5=35%C 总，C 6=45%C 总
其中，C 5表示第五标准任务量；C 6表示第六标准任务量。
本发明有益效果：
本发明提出的一种用于建筑施工的SCARA智能化机械臂控制方法和系统，通过多个动作方案执行完成同一任务能够有效提高机械臂完成一项任务的实施方案灵活性，同时，能够保证机械臂通过执行不同动作在一项任务完成中不会对关节某一特定位置产生高度磨损，有效降低机械臂关节的磨损率，提高机械臂的使用寿命。另一方面，通过指标筛选能够严格且有效提高动作方案的筛选力度，使获取的动作方案能够符合目标任务要求，在多个动作方案切换执行过程中，能够有效提高目标任务的执行效率，缩短任务执行时间，进而减少对机械臂的磨损率。
附图说明
图1为本发明所述方法的流程图；
图2为本发明所述系统的系统框图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提出的一种用于建筑施工的SCARA智能化机械臂控制方法，如图1所示，所述方法包括：
S1、输入机械臂需要执行的目标任务；
S2、根据所述目标任务规划三组与所要执行任务对应的动作方案；
S3、对每组动作方案进行试操作，通过试操作确定每组动作方案的运行指标是否符合要求；
S4、在符合要求的动作方案中，按照执行规则进行目标任务操作。
上述技术方案的效果为：通过多个动作方案执行完成同一任务能够有效提高机械臂完成一项任务的实施方案灵活性，同时，能够保证机械臂通过执行不同动作在一项任务完成中不会对关节某一特定位置产生高度磨损，有效降低机械臂关节的磨损率，提高机械臂的使用寿命。另一方面，通过指标筛选能够严格且有效提高动作方案的筛选力度，使获取的动作方案能够符合目标任务要求，在多个动作方案切换执行过程中，能够有效提高目标任务的执行效率，缩短任务执行时间，进而减少对机械臂的磨损率。
本发明的一个实施例，根据所述目标任务规划三组与所要执行任务对应的动作方案，包括：
S201、提取所述机械臂需要执行的目标任务；
S202、根据所述目标任务涉及的执行路线，对机械臂的执行路径进行规划，获得三组执行路径；
S203、根据所述目标任务涉及的被搬运物体的位置和三组执行路径，分别对与三组执行路径对应的机械臂的执行动作进行分阶段动作规划；获得每个动作阶段对应的机械臂执行动作；
S204、将每个动作阶段对应的机械臂执行动作进行合并，获得三组机械臂执行动作；
S205、将每组机械臂执行动作与每组执行路径进行对应匹配，获得三组与所要执行任务对应的动作方案。
上述技术方案的效果为：通过上述方案能够有效提高动作方案的获取效率，并且，有效提高获得的动作方案与目标任务之间的匹配度。进而提高后续的目标任务执行效率。
本发明的一个实施例对每组动作方案进行试操作，通过试操作确定每组动作方案的运行指标是否符合要求，包括：
S301、对每组与所要执行任务对应的动作方案进行10-20次的试操作；
S302、实时监控记录每组动作方案在执行过程中，所述机械臂完成每个动作时的实际关节运行参数与设置关节运行参数之间的偏差量；
S303、通过偏差量计算获取所述机械臂运行操作指标，并根据所述机械臂运行操作指标判断每组动作方案是否符合运行要求；
S304、提取符合运行要求的动作方案，确定利用所述符合运行要求的动作方案执行任务。
其中，所述通过偏差量计算获取所述机械臂运行操作指标，并根据所述机械臂运行操作指标判断每组动作方案是否符合运行要求，包括：
S3031、利用指标获取模型计算所述机械臂运行操作指标，所述指标获取模型如下：
其中，W表示所述机械臂运行操作指标；n表示出现关节运行参数偏差量的次数；H i 表示第i次出现关节运行参数偏差量时对应的偏差量数值；H max 表示关节运行参数偏差量最大值；m表示每组运动方案中所包含的阶段性分解动作的个数；T表示每组运动方案中，执行完成一个阶段性分解动作所用时间长度；T 0表示预先设置的分解动作标准运行时间；
S3032、如果所述机械臂运行操作指标超过预设的指标阈值时，确定该动作方案不符合任务执行的运行要求。
上述技术方案的效果为：通过上述方案能够有效提高对获取的机械臂动作方案的筛选准确性，保证后续每个被执行的动作方案均能够提高目标任务的完成效率，防止不符合目标任务完成规划的动作方案在执行过程中降低目标任务完成效率和完成质量。同时，通过上述公式获取的指标能够有效反应当前动作方案的性能，提高每个动作方案执行的评价准确性，进而提高动作方案筛选的准确性。另一方面，通过上述运行方案的指标公式能够减少动作方案筛选的复杂程度，避免大量复杂运算和监控带来的资源耗费。
本发明的一个实施例，所述执行规则包括：
如果最终确定符合任务执行的运行要求的动作方案为两个时，按照机械臂运行操作指标由低到高的原则对多个运动方案进行排序；按照所述多个运行方案的排序，执行第一个运行方案，当第一个运行方案所执行的任务量达到第一标准任务量时，切换下第二个运动方案进行任务执行，当第二个运动方案执行任务达到第二标准任务量时，控制机械臂休息45min后，利用第一个运行方案执行任务直至完成剩余所有任务量；其中，所述第一标准任务量和第二标准任务量时如下：
C 1=45%C 总，C 2=40%C 总
其中，C 1表示第一标准任务量；C 2表示第二标准任务量；C 总表示总任务量；
如果最终确定符合任务执行的运行要求的动作方案为三个时，按照机械臂运行操作指标由低到高的原则对多个运动方案进行排序；按照所述多个运行方案的排序，执行第一个运行方案，当第一个运行方案所执行的任务量达到第三标准任务量时，切换下第二个运动方案进行任务执行，当第二个运动方案执行任务达到第四标准任务量时，控制机械臂休息30min后，利用第三个运行方案执行任务直至完成剩余所有任务量；其中，所述第三标准任务量和第四标准任务量时如下：
C 3=40%C 总，C 4=35%C 总
其中，C 3表示第三标准任务量；C 4表示第四标准任务量；
如果最终确定符合任务执行的运行要求的动作方案为一个时，执行运行方案，当所述运动方案所执行的任务量达到第五标准任务量时，控制机械臂休息30min后再运行，当所述运动方案执行任务达到第六标准任务量时，控制机械臂休息40min后，利用所述运行方案执行任务直至完成剩余所有任务量；其中，所述第五标准任务量和第六标准任务量时如下：
C 5=35%C 总，C 6=45%C 总
其中，C 5表示第五标准任务量；C 6表示第六标准任务量。
上述技术方案的效果为：通过上述执行规则的指定，通过多个动作方案执行完成同一任务能够有效提高机械臂完成一项任务的实施方案灵活性，同时，能够保证机械臂通过执行不同动作在一项任务完成中不会对关节某一特定位置产生高度磨损，有效降低机械臂关节的磨损率，提高机械臂的使用寿命。
本发明实施例提出了一种用于建筑施工的SCARA智能化机械臂控制系统，如图2所示，所述系统包括：
输入模块，用于输入机械臂需要执行的目标任务；
规划模块，用于根据所述目标任务规划三组与所要执行任务对应的动作方案；
试操作模块，用于对每组动作方案进行试操作，通过试操作确定每组动作方案的运行指标是否符合要求；
执行模块，用于在符合要求的动作方案中，按照执行规则进行目标任务操作。
上述技术方案的效果为：通过多个动作方案执行完成同一任务能够有效提高机械臂完成一项任务的实施方案灵活性，同时，能够保证机械臂通过执行不同动作在一项任务完成中不会对关节某一特定位置产生高度磨损，有效降低机械臂关节的磨损率，提高机械臂的使用寿命。另一方面，通过指标筛选能够严格且有效提高动作方案的筛选力度，使获取的动作方案能够符合目标任务要求，在多个动作方案切换执行过程中，能够有效提高目标任务的执行效率，缩短任务执行时间，进而减少对机械臂的磨损率。
本发明的一个实施例，所述规划模块包括：
提取模块，用于提取所述机械臂需要执行的目标任务；
路径规划模块，用于根据所述目标任务涉及的执行路线，对机械臂的执行路径进行规划，获得三组执行路径；
动作规划模块，用于根据所述目标任务涉及的被搬运物体的位置和三组执行路径，分别对与三组执行路径对应的机械臂的执行动作进行分阶段动作规划；获得每个动作阶段对应的机械臂执行动作；
合并模块，用于将每个动作阶段对应的机械臂执行动作进行合并，获得三组机械臂执行动作；
匹配模块，用于将每组机械臂执行动作与每组执行路径进行对应匹配，获得三组与所要执行任务对应的动作方案。
上述技术方案的效果为：通过上述方案能够有效提高动作方案的获取效率，并且，有效提高获得的动作方案与目标任务之间的匹配度。进而提高后续的目标任务执行效率。
本发明的一个实施例，所述试操作模块包括：
操作模块，用于对每组与所要执行任务对应的动作方案进行10-20次的试操作；
监控模块，用于实时监控记录每组动作方案在执行过程中，所述机械臂完成每个动作时的实际关节运行参数与设置关节运行参数之间的偏差量；
指标获取模块，用于通过偏差量计算获取所述机械臂运行操作指标，并根据所述机械臂运行操作指标判断每组动作方案是否符合运行要求；
方案确定模块，用于提取符合运行要求的动作方案，确定利用所述符合运行要求的动作方案执行任务。
其中，所述指标获取模块包括：
指标计算模块，用于利用指标获取模型计算所述机械臂运行操作指标，所述指标获取模型如下：
其中，W表示所述机械臂运行操作指标；n表示出现关节运行参数偏差量的次数；H i 表示第i次出现关节运行参数偏差量时对应的偏差量数值；H max 表示关节运行参数偏差量最大值；m表示每组运动方案中所包含的阶段性分解动作的个数；T表示每组运动方案中，执行完成一个阶段性分解动作所用时间长度；T 0表示预先设置的分解动作标准运行时间；
比较确定模块，用于如果所述机械臂运行操作指标超过预设的指标阈值时，确定该动作方案不符合任务执行的运行要求。
上述技术方案的效果为：通过上述方案能够有效提高对获取的机械臂动作方案的筛选准确性，保证后续每个被执行的动作方案均能够提高目标任务的完成效率，防止不符合目标任务完成规划的动作方案在执行过程中降低目标任务完成效率和完成质量。同时，通过上述公式获取的指标能够有效反应当前动作方案的性能，提高每个动作方案执行的评价准确性，进而提高动作方案筛选的准确性。另一方面，通过上述运行方案的指标公式能够减少动作方案筛选的复杂程度，避免大量复杂运算和监控带来的资源耗费。
本发明的一个实施例，所述执行规则包括：
如果最终确定符合任务执行的运行要求的动作方案为两个时，按照机械臂运行操作指标由低到高的原则对多个运动方案进行排序；按照所述多个运行方案的排序，执行第一个运行方案，当第一个运行方案所执行的任务量达到第一标准任务量时，切换下第二个运动方案进行任务执行，当第二个运动方案执行任务达到第二标准任务量时，控制机械臂休息45min后，利用第一个运行方案执行任务直至完成剩余所有任务量；其中，所述第一标准任务量和第二标准任务量时如下：
C 1=45%C 总，C 2=40%C 总
其中，C 1表示第一标准任务量；C 2表示第二标准任务量；C 总表示总任务量；
如果最终确定符合任务执行的运行要求的动作方案为三个时，按照机械臂运行操作指标由低到高的原则对多个运动方案进行排序；按照所述多个运行方案的排序，执行第一个运行方案，当第一个运行方案所执行的任务量达到第三标准任务量时，切换下第二个运动方案进行任务执行，当第二个运动方案执行任务达到第四标准任务量时，控制机械臂休息30min后，利用第三个运行方案执行任务直至完成剩余所有任务量；其中，所述第三标准任务量和第四标准任务量时如下：
C 3=40%C 总，C 4=35%C 总
其中，C 3表示第三标准任务量；C 4表示第四标准任务量；
如果最终确定符合任务执行的运行要求的动作方案为一个时，执行运行方案，当所述运动方案所执行的任务量达到第五标准任务量时，控制机械臂休息30min后再运行，当所述运动方案执行任务达到第六标准任务量时，控制机械臂休息40min后，利用所述运行方案执行任务直至完成剩余所有任务量；其中，所述第五标准任务量和第六标准任务量时如下：
C 5=35%C 总，C 6=45%C 总
其中，C 5表示第五标准任务量；C 6表示第六标准任务量。
上述技术方案的效果为：通过上述执行规则的指定，通过多个动作方案执行完成同一任务能够有效提高机械臂完成一项任务的实施方案灵活性，同时，能够保证机械臂通过执行不同动作在一项任务完成中不会对关节某一特定位置产生高度磨损，有效降低机械臂关节的磨损率，提高机械臂的使用寿命。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
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