基于BIM的机械臂装配任务规划方法及建筑装配方法组成比例

本发明专利技术提供一种基于BIM的机械臂装配任务规划方法，属于土木工程建筑施工领域。该方法将基于图像的场景建模技术、BIM平台、机械臂和机器人操作系统相结合，快速生成装配任务计划的规划方法；对机械臂施工场景进行三维重建，形成场景模型；对设计的建筑BIM模型和三维重建的场景模型在BIM平台做结合匹配处理，生成任务模型；依据任务模型生成机械臂执行装配任务的构件坐标，赋值给机器人操作系统的控制程序，生成控制指令；机械臂按照控制指令进行装配操作，依据规划的装配顺序和点位坐标，完成装配任务。本发明专利技术能有效解决机械臂执行装配构件操作的效率问题和精准度问题，成本低，误差小，具有良好的实用性。

BIM-based Robot Assembly Task Planning Method and Building Assembly Method

The invention provides a BIM-based assembly task planning method for a mechanical arm, which belongs to the field of civil engineering construction. This method combines image-based scene modeling technology, BIM platform, manipulator and robot operating system to quickly generate the planning method of assembly task plan; reconstructs the construction scene of manipulator to form scene model; matches the designed BIM model with the three-dimensional reconstruction scene model on BIM platform to generate task model; and according to task model, generates task model. Type D generates the coordinates of the components of the manipulator to perform the assembly task, assigns them to the control program of the robot operating system and generates the control instructions. The manipulator performs the assembly operation according to the control instructions, and completes the assembly task according to the planned assembly sequence and point coordinates. The invention can effectively solve the problems of efficiency and accuracy of the manipulator in performing the operation of assembly components, with low cost, small error and good practicability.

【技术实现步骤摘要】
基于BIM的机械臂装配任务规划方法及建筑装配方法
本专利技术属于土木工程建筑施工领域，更具体地，涉及一种基于BIM平台的机械臂执行装配任务的规划方法。
技术介绍
随着建筑技术的进步，人们对建筑提出了更高的要求，标准化设计、精细化施工以及快速建造逐渐引起行业重视。大力发展装配式建筑，推动产业结构调整升级，实现建筑的环境友好性，既是社会经济发展的客观要求，也是建筑业产业升级的主流趋势。装配式建筑，在设计与施工之间增加了制造环节，工厂按照设计部门的设计，制造各种所需的预制件，然后运输至现场拼装，即设计—制造—装配。在装配式建筑施工过程中，构件的现场拼装成为新的技术难题。目前的预制构件的拼装一般采用吊装的方法，在构件吊装前，一般会采用对预制构件编号的方式，控制吊装顺序。这种方式在施工安全保障、施工精度以及施工效率上都存在一定的问题。而建筑施工机器人的发展为预制构件的拼装提供了新的可能。在装配作业中，通常会使用机械臂(或称工业机器人，如市场上常见的ABB机器人、库卡机器人)，机械臂具有载重量大、定位精度高、响应速度快等特点。目前来看，较为可行的途径是采用模块化结构，利用机器人进行模块的预制、组装，这将大幅减小机器人的作业难度，同时可有效提高新建筑的建造速度。机械臂以其能够重复指令、精确定位、精细操作等特点，成为实现快速建造、精细建造的良好工具。目前，机械臂在工业应用中主要采用离线编程、视觉引导、手动控制等几种控制方式。现有专利技术多是从机器人运动路径规划和基于ROS系统来实现机械臂的抓取和路径校正，缺少与BIM的结合应用以及从任务视角进行的机械臂规划。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种基于BIM的机械臂装配任务规划方法及对应的建筑装配方法，其目的在于，借助BIM在建筑信息集成、分析方面的优势，结合实际取景和三维建模，快速获得机器人可用的任务级装配规划及程序，能有效解决机械臂执行装配构件操作的效率问题和精准度问题，协助操作人员实现机械臂装配作业的任务级规划，实现对装配过程的仿真模拟与自动规划，制定符合实际要求的装配方案。为了实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种基于BIM的机械臂装配任务规划方法，包括如下步骤：步骤1：对实施装配操作任务的机械臂及其工作场景，进行基于图像的三维重建，获得机械臂与工作场景的支持法线和贴图坐标的三维还原重建模型；步骤2：基于目标建筑模型的装配构件单元，应用BIM平台构建出目标建筑对应的由装配构件单元组成的建筑设计BIM模型；步骤3：将步骤1获得的三维还原重建模型导入到BIM平台，测量其尺寸信息，并通过缩放操作使其成为与真实尺寸一致的三维重建场景模型；步骤4：在BIM平台中调整步骤3获得的机械臂及其工作面的三维重建场景模型，将其底座坐标系标定到BIM平台的世界坐标系，形成坐标系原点相统一的机械臂及其工作面的三维场景模型；步骤5：将步骤2获得的建筑设计BIM模型，与步骤4获得的三维场景模型在BIM平台进行整合，形成机械臂操作装配任务的概念模型，表示机械臂执行的装配任务完成后目标建筑的理想状态；步骤6：应用步骤5获得的概念模型，生成目标建筑的每个构件单元上供机械臂的夹具执行装配操作的点位坐标；步骤7：将步骤6生成的点位坐标按照施工顺序排列，表示机械臂每个动作所处位置的初始坐标，然后将初始坐标转换为机械臂的可执行程序代码，获得机械臂的主程序代码；步骤8：按照步骤7获得主程序代码后，在机器人控制系统ROS中进行调试，形成机械臂装配控制程序，即完成机械臂装配的任务级规划。进一步地，步骤1包括如下子步骤：1.1、场地准备，包括：按照实际施工要求在现场布置机械臂及其工作面、构件放置区域，以及场景建模相机和建模计算机工作站；1.2、通过标靶对机械臂底座平面和工作面的四个角进行标记；1.3、使用场景建模相机环绕机械臂及其工作面拍摄多张照片，同时确保相邻图像至少60％的重叠；1.4、基于步骤1.3采集的图像，依次通过稀疏重建、稠密重建、网格映射及贴图处理，最后以支持法线和贴图坐标的OBJ格式生成机械臂与工作场景的三维还原重建模型并存储；步骤4中，利用在场景重建模型中工作面的四个转角的标靶对机械臂底座坐标系进行标定，将底座坐标系标定到BIM平台的世界坐标系。进一步地，步骤2中，每个装配构件单元包括自身几何参数以及供机器人抓取所需的抓取点的位置。进一步地，装配构件单元之间的连接采用榫卯结构，抓取点位于榫卯结构的凹处。进一步地，多个建筑设计BIM模型采用同样的装配构件单元进行装配，同样的装配构件单元以相同朝向逐个传送至构件放置区域的同一位置，机械臂每取走一个装配构件单元则向构件放置区域的同一位置再放置一个同样的装配构件单元。为了实现上述目的，按照本专利技术的另一个方面，提供了一种基于BIM的建筑装配方法，其按照如前所述的任意一种基于BIM的机械臂装配任务规划方法，获得机械臂装配的任务级规划，然后将相应的机械臂装配控制程序导入机械臂控制系统，控制机械臂执行相应的装配任务操作，拼装出目标建筑的实体模型。总体而言，本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有下列优点：(1)充分利用了场景建模技术的还原和仿真能力，利用基于图像的技术快速重建环境点云模型，其中包括获得机器人与施工区域的相对位置关系；(2)对机械臂和工作面的特征点进行测量，并结合理论概念模型，对实际位置进行了修正，解决了机械臂坐标系的标定和施工区的标定，可以快速测量两个平面之间的转换关系；(3)充分利用了理论概念模型，考虑了其控制点位的准确性，确定了每个建筑构件放置的目标点的三维坐标，对不同建筑形式的装配任务进行了装配顺序规划；(4)通过设计模型的标定以及机械臂的路径的反复修正，使得机械臂运动更安全更可靠，避免与周围环境发生碰撞，安全性更高。(5)本专利技术提出的方法，将机械臂稳定可靠、精度高的特点，三维场景重建技术的高度还原现实施工场景的特点，与BIM模型参数化表达能力和计算能力强大的特点相结合，有效解决了机械臂执行装配任务操作高效精准的问题。附图说明附图1为本专利技术优选实施例的三维场景重建步骤的流程示意图；附图2为本专利技术优选实施例的实施方式的装配计划生成流程示意图；附图3为本专利技术优选实施例所应用于的机械臂示意图；附图4为本专利技术优选实施例的装配构件单元示意图；附图5是利用图4的装配构件单元拼装成的墙体模型示意图；附图6是利用图4的装配构件单元拼装成的楼梯模型示意图；附图7是利用图4的装配构件单元拼装成的金字塔模型示意图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。本专利技术的基本原理如下：BIM在建筑信息集成、分析计算等方面具有优势，已成为发展自动化施工的支撑工具。已有研究将扫描后的场景点云信息导入BIM，自动检测完成状态。在BIM平台的基础上，按照本专利技术的构思，机器人装配场景信息一旦导入，就可以快速生成装配任务的三维坐标。基于图像的三维重建是一种高度灵活的场景建模和计算技术。本专利技术提出的任务级规划本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于BIM的机械臂装配任务规划方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：对实施装配操作任务的机械臂及其工作场景，进行基于图像的三维重建，获得机械臂与工作场景的支持法线和贴图坐标的三维还原重建模型；步骤2：基于目标建筑模型的装配构件单元，应用BIM平台构建出目标建筑对应的由装配构件单元组成的建筑设计BIM模型；步骤3：将步骤1获得的三维还原重建模型导入到BIM平台，测量其尺寸信息，并通过缩放操作使其成为与真实尺寸一致的三维重建场景模型；步骤4：在BIM平台中调整步骤3获得的机械臂及其工作面的三维重建场景模型，将其底座坐标系标定到BIM平台的世界坐标系，形成坐标系原点相统一的机械臂及其工作面的三维场景模型；步骤5：将步骤2获得的建筑设计BIM模型，与步骤4获得的三维场景模型在BIM平台进行整合，形成机械臂操作装配任务的概念模型，表示机械臂执行的装配任务完成后目标建筑的理想状态；步骤6：应用步骤5获得的概念模型，生成目标建筑的每个构件单元上供机械臂的夹具执行装配操作的点位坐标；步骤7：将步骤6生成的点位坐标按照施工顺序排列，表示机械臂每个动作所处位置的初始坐标，然后将初始坐标转换为机械臂的可执行程序代码，获得机械臂的主程序代码；步骤8：按照步骤7获得主程序代码后，在机器人控制系统ROS中进行调试，形成机械臂装配控制程序，即完成机械臂装配的任务级规划。...

【技术特征摘要】
1.一种基于BIM的机械臂装配任务规划方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：对实施装配操作任务的机械臂及其工作场景，进行基于图像的三维重建，获得机械臂与工作场景的支持法线和贴图坐标的三维还原重建模型；步骤2：基于目标建筑模型的装配构件单元，应用BIM平台构建出目标建筑对应的由装配构件单元组成的建筑设计BIM模型；步骤3：将步骤1获得的三维还原重建模型导入到BIM平台，测量其尺寸信息，并通过缩放操作使其成为与真实尺寸一致的三维重建场景模型；步骤4：在BIM平台中调整步骤3获得的机械臂及其工作面的三维重建场景模型，将其底座坐标系标定到BIM平台的世界坐标系，形成坐标系原点相统一的机械臂及其工作面的三维场景模型；步骤5：将步骤2获得的建筑设计BIM模型，与步骤4获得的三维场景模型在BIM平台进行整合，形成机械臂操作装配任务的概念模型，表示机械臂执行的装配任务完成后目标建筑的理想状态；步骤6：应用步骤5获得的概念模型，生成目标建筑的每个构件单元上供机械臂的夹具执行装配操作的点位坐标；步骤7：将步骤6生成的点位坐标按照施工顺序排列，表示机械臂每个动作所处位置的初始坐标，然后将初始坐标转换为机械臂的可执行程序代码，获得机械臂的主程序代码；步骤8：按照步骤7获得主程序代码后，在机器人控制系统ROS中进行调试，形成机械臂装配控制程序，即完成机械臂装配的任务级规划。2.根据权利要求1所述的一种基于BIM的机械臂装配任务规划方法，其特征在于，步骤1包括如下子步骤：1.1、场地准备，包括：按照实际施工要求在现场布置机械臂...

【专利技术属性】
技术研发人员：骆汉宾，周诚，蒋伟光，刘晟，雷蕾，张泽坤，
申请(专利权)人：华中科技大学，华中科技大学鄂州工业技术研究院，
类型：发明
国别省市：湖北,42