基于激光扫描仪的锚护机械臂避障系统和方法技术方案

本发明专利技术属于煤矿井下锚护施工技术领域，具体是一种基于激光扫描仪的锚护机械臂避障系统及方法，包括S1、通过激光扫描仪分别采集巷道顶板和左右侧板云点信息；S2、对巷道顶板和左右侧板的云点分别进行平面拟合，分别找到巷道顶板和左右侧板的障碍物云点集；S3、建立锚护机器人机械臂关系坐标系，将巷道顶板和左右侧板的障碍物云点集内的障碍物云点进行坐标转化，转化到锚护机器人坐标系；S4、利用RRT算法计算机械臂末端的工作路径；S5、根据工作路径，控制钻臂完成锚护作业。本发明专利技术适用于光照条件不充分的矿井巷道环境，提高了路径规划的准确性。准确性。准确性。

【技术实现步骤摘要】
和P3由最小二乘拟合成顶板平面和左右侧板平面，拟合计算公式为：
[0017][0018][0019][0020]其中，A1，B1，C1，D1表示顶板的拟合平面参数，A2，B2，C2，D2表示左侧板的拟合平面参数，A3，B3，C3，D3表示右侧板的拟合平面参数，N1、N2、N3分别表示云点信息P1、P2和P3中的云点数量，(x
1n
、y
1n
、z
1n
)、(x
2n
、y
2n
、z
2n
)、(x
3n
、y
3n
、z
3n
)分别表示云点信息P1、P2和P3中第n个云点的三维坐标；
[0021]S202、分别确定顶板、左右侧板平面的距离阈值；
[0022]S203、计算云点信息P1、P2和P3中的各个云点到对应的拟合平面的距离，若其大于对应的距离阈值，则判断为障碍物云点，将其放入对应的障碍物云点集中。
[0023]所述步骤S201中，拟合得到的拟合平面方程为：
[0024]顶板：
[0025]左侧板：
[0026]右侧板：
[0027]所述步骤S4中，利用RRT算法计算机械臂末端的工作路径的方法为：
[0028]S401、根据锚杆排布要求，确定需要锚孔作业的各个位置，确定起始点锚孔位置Fs和目标点锚孔位置F(s+1)，以起始点锚孔位置Fs作为初始树根节点生成随机树；
[0029]S402、在锚护机器人工作臂的工作空间中随机采样得到一个采样点F
rand
，此采样点不在障碍物云点集中；
[0030]S403、找到随机树中离采样点F
rand
最近的一个节点作为近节点F
nearest
，在采样点F
rand
和近节点F
nearest
之间以扩展步长为单位扩展一个新节点F
new
；
[0031]S404、检测新节点F
new
和近节点F
nearest
之间是否有障碍物点，若存在，舍弃新节点F
new
，返回步骤S403重新扩展新节点F
new
，若不存在，进行步骤S405；
[0032]S404、将新节点F
new
加入到随机扩展树中，并以扩展步长扩展到采样点F
rand
；
[0033]S405、以采样点F
rand
为新的树根节点生成随机树，重复步骤S402～S404，直到找到目标点锚孔位置F(s+1)。
[0034]此外，本专利技术还提供了一种基于激光扫描仪的锚护机械臂避障系统，包括激光扫描仪Ⅰ，激光扫描仪Ⅱ，激光扫描仪Ⅲ和机载数据处理终端，激光扫描仪Ⅰ用于采集巷道顶板云点信息，激光扫描仪Ⅱ用于采集巷道左边侧帮的云点信息，激光扫描仪Ⅲ用于采集巷道右边侧帮云点信息；
[0035]数据处理终端用于处理激光扫描仪Ⅰ，激光扫描仪Ⅱ和激光扫描仪Ⅲ采集到的云点信息，并利用RRT算法得到锚护机器人机械臂的运动路径，控制锚护机器人根据运动路径控制钻臂完成锚护作业。
[0036]激光扫描仪Ⅰ固定在锚护机器人机械臂上，激光扫描仪Ⅱ固定在锚护机器人顶端，激光扫描仪Ⅲ固定在锚护机器人后端盖上。
[0037]所述数据处理终端包括：
[0038]障碍物识别单元：将采集到的顶板和左右侧板云点进行平面拟合，得到障碍物云点坐标；
[0039]坐标转换单元：用于将障碍物云点坐标转换到锚护机器人坐标系中；
[0040]路径规划单元：用于根据障碍物云点坐标，利用RRT算法规划出机械臂的运动路径。
[0041]本专利技术与现有技术相比具有以下有益效果：
[0042](1)本专利技术通过激光扫描仪分别获取巷道顶板和侧帮环境的云点信息，相比于传统方法，不需要建立复杂的数学表达式来建立环境模型，表达更加直观，能够实时的根据巷道环境规划出避障路径。
[0043](2)本专利技术通过激光扫描建立环境地图，相比于机器视觉采用工业相机的方式，更适用于光照条件极不充分的矿井巷道环境，提高了避障的准确性。
附图说明
[0044]图1为本专利技术实施例提供的一种基于激光扫描仪的锚护机械臂避障方法的流程示意图；
[0045]图2为本专利技术实施例中激光扫描仪的布置示意图；
[0046]图3为锚护机器人机械臂结构示意图；
[0047]图4为图3机械臂坐标系示意图；
[0048]图5为利用RRT算法规划路径示意图；
[0049]图中：1
‑
巷道，2
‑
障碍物Ⅰ，3
‑
障碍物Ⅱ，4
‑
激光扫描仪Ⅰ，5
‑
激光扫描仪Ⅱ，6
‑
机载数据处理终端，7
‑
激光扫描仪Ⅲ，8
‑
锚护机器人，9
‑
钻臂，10
‑
机械臂。11
‑
拟合巷道顶板(或侧帮)平面，12
‑
障碍物Ⅰ，13
‑
障碍物Ⅱ，Fs
‑
当前锚孔位置，F(s+1)目标锚孔位置。
具体实施方式
[0050]为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0051]实施例一
[0052]如图1所示，本专利技术实施例一提供了一种基于激光扫描仪的锚护机械臂避障方法，包括以下步骤：
[0053]S1、将锚护机器人移动到支护作业位置，通过激光扫描仪分别采集巷道顶板和左右侧板云点信息。
[0054]如图2所示，本实施例中，锚护机器人包括：激光扫描仪Ⅰ4，激光扫描仪Ⅱ5，激光扫描仪Ⅲ7和机载数据处理终端6。激光扫描仪Ⅰ4固定在锚护机器人机械臂10上，用来采集巷道顶板云点信息，激光扫描仪Ⅱ5固定在锚护机器人8顶端，用来采集巷道左边侧帮的云点信息，激光扫描仪Ⅲ7固定在锚护机器人8后端盖上，用来采集巷道右边侧帮云点信息，激光扫描仪Ⅱ5可以扫描右边侧帮的环境云点，激光扫描仪Ⅲ7可以扫描左边侧帮的环境云点。
[0055]S2、对巷道顶板和左右侧板的云点分别进行平面拟合，分别找到巷道顶板和左右
侧板的障碍物云点集。
[0056]所述步骤S2具体包括以下步骤：
[0057]S201、分别将激光扫描仪Ⅰ，激光扫描仪Ⅱ和激光扫描仪Ⅲ采集到的云点信息P1、P2和P3由最小二乘拟合成顶板平面和左右侧板平面，拟合计算公式为：
[0058][0059][0060][0061]其中，A1，B1，C1，D1表本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于激光扫描仪的锚护机械臂避障方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、将锚护机器人移动到支护作业位置，通过激光扫描仪分别采集巷道顶板和左右侧板云点信息；S2、对巷道顶板和左右侧板的云点分别进行平面拟合，分别找到巷道顶板和左右侧板的障碍物云点集；S3、建立锚护机器人机械臂关系坐标系，将巷道顶板和左右侧板的障碍物云点集内的障碍物云点进行坐标转化，转化到锚护机器人坐标系；S4、利用RRT算法计算机械臂末端的工作路径；S5、根据工作路径，控制钻臂完成锚护作业。2.根据权利要求1所述的一种基于激光扫描仪的锚护机械臂避障方法，其特征在于，所述步骤S1还包括以下步骤：激光扫描仪Ⅰ(4)固定在锚护机器人机械臂(10)上，用来采集巷道顶板云点信息，激光扫描仪Ⅱ(5)固定在锚护机器人(8)顶端，用来采集巷道左边侧帮的云点信息，激光扫描仪Ⅲ(7)固定在锚护机器人(8)后端盖上，用来采集巷道右边侧帮云点信息。3.根据权利要求1所述的一种基于激光扫描仪的锚护机械臂避障方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括以下步骤：S201、分别将激光扫描仪Ⅰ，激光扫描仪Ⅱ和激光扫描仪Ⅲ采集到的云点信息P1、P2和P3由最小二乘拟合成顶板平面和左右侧板平面，拟合计算公式为：由最小二乘拟合成顶板平面和左右侧板平面，拟合计算公式为：由最小二乘拟合成顶板平面和左右侧板平面，拟合计算公式为：其中，A1，B1，C1，D1表示顶板的拟合平面参数，A2，B2，C2，D2表示左侧板的拟合平面参数，A3，B3，C3，D3表示右侧板的拟合平面参数，N1、N2、N3分别表示云点信息P1、P2和P3中的云点数量，(x
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、y
1n
、z
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)、(x
2n
、y
2n
、z
2n
)、(x
3n
、y
3n
、z
3n
)分别表示云点信息P1、P2和P3中第n个云点的三维坐标；S202、分别确定顶板、左右侧板平面的距离阈值；S203、计算云点信息P1、P2和P3中的各个云点到对应的拟合平面的距离，若其大于对应的距离阈值，则判断为障碍物云点，将其放入对应的障碍物云点集中。4.根据权利要求3所述的一种基于激光扫描仪的锚护机械臂避障方法，其特征在于，所述步骤S201中，拟合得到的拟合平面方程为：顶板：A1x
1n
+B1y
1n
+C1z
1n
+D1＝0；左侧板：A2x
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+B2y
2n
+C2z
2n
+D2＝0；右侧板：A3...

【专利技术属性】
技术研发人员：高志强，郭治富，邓镓敏，阎志伟，金江，刘伟立，赵永红，
申请(专利权)人：山西天地煤机装备有限公司煤炭科学研究总院，
类型：发明
国别省市：