一种钻锚机器人钻臂轨迹规划方法、系统及电子设备技术方案

本发明专利技术公开一种钻锚机器人钻臂轨迹规划方法、系统及电子设备，涉及轨迹规划技术领域，方法包括：获取钻锚机器人的三维工作区域模型、工作起始点和钻孔点；采用快速扩展随机树算法确定钻锚机器人的初始钻臂路径；初始钻臂路径为所述钻锚机器人的钻臂，在所述三维工作区域模型中，从所述工作起始点至所述钻孔点的路径；采用连接法去除钻锚机器人的初始钻臂路径中的冗余点，以得到第一优化路径；采用二阶贝塞尔曲线对第一优化路径进行拟合，以得到钻锚机器人的最终钻臂路径。本发明专利技术对钻锚机器人钻臂轨迹进行优化，以辅助实现快速准确地找孔和打孔。和打孔。和打孔。

【技术实现步骤摘要】
一种钻锚机器人钻臂轨迹规划方法、系统及电子设备


[0001]本专利技术涉及轨迹规划
，特别是涉及一种钻锚机器人钻臂轨迹规划方法、系统及电子设备。

技术介绍

[0002]综掘工作面设备智能化程度高低是制约煤矿智能化发展的主要原因，而巷道锚固支护效率低是其中的关键影响因素，巷道锚固支护自动化控制是实现煤矿巷道掘进智能化、无人化的主要环节。
[0003]目前，煤矿井下钻锚机器人钻臂在进行锚固作业时首先需要在巷道顶端找孔并打孔，将整个巷道顶端全部均匀打上孔，然后才能装填锚固剂并将锚杆打入固定。在整个过程中，找孔打孔都是人工完成，需要耗费大量的时间，效率低。而综掘工作面支护与锚固效率不高导致了智能化程度低、采掘失衡问题，进而影响煤矿的掘进。
[0004]在确定多个钻孔的过程中，需要对钻锚机器人钻臂的运行轨迹进行规划，传统的路径规划算法有人工势场法、模糊规则法、遗传算法、神经网络、蚁群优化算法等。但这些方法都需要在一个确定的空间内对障碍物进行建模，计算复杂度与机器人自由度呈指数关系，不适合解决多自由度机器人在复杂环境中的规划。基于快速扩展随机树(RRT，rapidlyexploringrandomtree)的路径规划算法，通过对状态空间中的采样点进行碰撞检测，避免了对空间的建模，能够有效地解决高维空间和复杂约束的路径规划问题。该方法的特点是能够快速有效地搜索高维空间，通过状态空间的随机采样点，把搜索导向空白区域，从而寻找到一条从起始点到目标点的规划路径，适合解决多自由度机器人在复杂环境下和动态环境中的路径规划。该算法覆盖率较高，搜索范围广，但是RRT算法的缺点是得到的路径质量不是最优且不光滑，可能有棱角，不利于钻锚机器人钻臂在实际中的运行。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种钻锚机器人钻臂轨迹规划方法、系统及电子设备，对钻锚机器人钻臂轨迹进行优化，以辅助实现快速准确地找孔和打孔。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0007]本专利技术提供一种钻锚机器人钻臂轨迹规划方法，包括：
[0008]获取钻锚机器人的三维工作区域模型、工作起始点和钻孔点；
[0009]采用快速扩展随机树算法确定所述钻锚机器人的初始钻臂路径；所述初始钻臂路径为所述钻锚机器人的钻臂，在所述三维工作区域模型中，从所述工作起始点至所述钻孔点的路径；
[0010]采用连接法去除所述钻锚机器人的初始钻臂路径中的冗余点，以得到第一优化路径；
[0011]采用二阶贝塞尔曲线对所述第一优化路径进行拟合，以得到所述钻锚机器人的最终钻臂路径。
[0012]可选地，所述三维工作区域模型中包括障碍物区域和自由区域；
[0013]所述采用快速扩展随机树算法确定所述钻锚机器人的初始钻臂路径，具体包括：
[0014]以所述工作起始点为起始点，以所述钻孔点为目标点，并将所述工作起始点作为随机树初次扩展的根节点；
[0015]针对随机树的每次扩展，在所述自由区域内确定随机节点，根据所述随机节点确定所述随机树中的近距离节点；所述近距离节点为所述随机树在当前次扩展中与所述随机节点的距离最小的根节点；
[0016]在所述近距离节点与所述随机节点的连线上随机确定待用节点；所述待用节点与所述近距离节点之间的距离为一个预设步长；
[0017]判断所述近距离节点与所述随机节点的连线是否与所述障碍物区域相交，以得到第一结果；
[0018]若所述第一结果表示相交，则舍弃所述待用节点，并返回在所述自由区域内确定随机节点，根据所述随机节点确定所述随机树中的近距离节点的步骤；
[0019]若所述第一结果表示未相交，则将所述待用节点作为新增根节点加入所述随机树，并在所述新增根节点与所述目标点之间的距离大于或等于一个预设步长时进入下一次扩展，直至扩展的次数达到预设扩展次数或者所述新增根节点与所述目标点之间的距离小于一个预设步长时，停止扩展；
[0020]循环遍历所述随机树的所有根节点，与所述目标点连接以得到所述钻锚机器人的初始钻臂路径。
[0021]可选地，根据所述随机节点确定所述随机树中的近距离节点，具体包括：
[0022]基于NEAREST函数利用欧氏距离，选择所述随机树在当前次扩展中与所述随机节点的距离最小的根节点。
[0023]可选地，采用连接法去除所述钻锚机器人的初始钻臂路径中的冗余点，以得到第一优化路径，具体包括：
[0024]将所述初始钻臂路径划分为多个路段；每个路段包括路段起点和路段终点；
[0025]将所述工作起始点作为优化起始点，将所述优化起始点与第i个路段的路段终点连接；i≥1；
[0026]判断所述优化起始点与所述第i个路段的路段终点的连线之间是否存在障碍物，以得到第二结果；
[0027]若所述第二结果表示存在障碍物，则将所述优化起始点与第i个路段的路段起点的连线标记为优化路段，并将所述优化起始点更新为第i个路段的路段起点，返回将所述优化起始点与第i个路段的路段终点连接的步骤；
[0028]若所述第二结果表示不存在障碍物，判断所述第i个路段的路段终点是否为钻孔点，以得到第三结果；
[0029]若所述第三结果表示否，则将所述第i个路段更新为第i+1个路段，返回将所述工作起始点与第i个路段的路段终点连接的步骤；
[0030]若所述第三结果表示是，则将所述优化起始点与第i个路段的路段终点的连线标记为优化路段；
[0031]提取所有所述优化路段，以确定第一优化路径。
[0032]可选地，所述二阶贝塞尔曲线的计算公式为：
[0033]B(t)＝(1
‑
t)2*P0+2t(1
‑
t)*P1+t2*P
2 0≤t≤1
[0034]其中，P0表示拟合曲线起始点，P1表示拟合曲线控制点，P2表示拟合曲线结束点，t为系数，B(t)表示以点P0为起始点、点P2为结束点的拟合曲线。
[0035]可选地，所述钻锚机器人的三维工作区域模型采用MATLAB软件绘制。
[0036]为达上述目的，本专利技术还提供了如下技术方案：
[0037]一种钻锚机器人钻臂轨迹规划系统，包括：
[0038]模型构建模块，用于获取钻锚机器人的三维工作区域模型、工作起始点和钻孔点；
[0039]第一路径优化模块，用于采用快速扩展随机树算法确定所述钻锚机器人的初始钻臂路径；所述初始钻臂路径为所述钻锚机器人的钻臂，在所述三维工作区域模型中，从所述工作起始点至所述钻孔点的路径；
[0040]第二路径优化模块，用于采用连接法去除所述钻锚机器人的初始钻臂路径中的冗余点，以得到第一优化路径；
[0041]第三路径优化模块，用于采用二阶贝塞尔曲线对所述第一优化路径进行拟合，以得到所述钻锚机器人的最终钻臂路径。
[0042]一种电子设备，包括存储器和处理器；
[0043]所述存储器用于存储计算机本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种钻锚机器人钻臂轨迹规划方法，其特征在于，所述钻锚机器人钻臂轨迹规划方法包括：获取钻锚机器人的三维工作区域模型、工作起始点和钻孔点；采用快速扩展随机树算法确定所述钻锚机器人的初始钻臂路径；所述初始钻臂路径为所述钻锚机器人的钻臂，在所述三维工作区域模型中，从所述工作起始点至所述钻孔点的路径；采用连接法去除所述钻锚机器人的初始钻臂路径中的冗余点，以得到第一优化路径；采用二阶贝塞尔曲线对所述第一优化路径进行拟合，以得到所述钻锚机器人的最终钻臂路径。2.根据权利要求1所述的钻锚机器人钻臂轨迹规划方法，其特征在于，所述三维工作区域模型中包括障碍物区域和自由区域；所述采用快速扩展随机树算法确定所述钻锚机器人的初始钻臂路径，具体包括：以所述工作起始点为起始点，以所述钻孔点为目标点，并将所述工作起始点作为随机树初次扩展的根节点；针对随机树的每次扩展，在所述自由区域内确定随机节点，根据所述随机节点确定所述随机树中的近距离节点；所述近距离节点为所述随机树在当前次扩展中与所述随机节点的距离最小的根节点；在所述近距离节点与所述随机节点的连线上随机确定待用节点；所述待用节点与所述近距离节点之间的距离为一个预设步长；判断所述近距离节点与所述随机节点的连线是否与所述障碍物区域相交，以得到第一结果；若所述第一结果表示相交，则舍弃所述待用节点，并返回在所述自由区域内确定随机节点，根据所述随机节点确定所述随机树中的近距离节点的步骤；若所述第一结果表示未相交，则将所述待用节点作为新增根节点加入所述随机树，并在所述新增根节点与所述目标点之间的距离大于或等于一个预设步长时进入下一次扩展，直至扩展的次数达到预设扩展次数或者所述新增根节点与所述目标点之间的距离小于一个预设步长时，停止扩展；循环遍历所述随机树的所有根节点，与所述目标点连接以得到所述钻锚机器人的初始钻臂路径。3.根据权利要求2所述的钻锚机器人钻臂轨迹规划方法，其特征在于，根据所述随机节点确定所述随机树中的近距离节点，具体包括：基于NEAREST函数利用欧氏距离，选择所述随机树在当前次扩展中与所述随机节点的距离最小的根节点。4.根据权利要求1所述的钻锚机器人钻臂轨迹规划方法，其特征在于，采用连接法去除所述钻锚机器人的初始钻臂路径中的冗余点，以得到第一优化路径，具体包括：将所述初始钻臂路径划分为多个路段；每个路段包括路段起点和路...

【专利技术属性】
技术研发人员：张旭辉，黄梦瑶，杨文娟，雷孟宇，李彬，田浩，
申请(专利权)人：渭南陕煤启辰科技有限公司，
类型：发明
国别省市：