[发明专利]一种特种移动机器人多臂运动的主动避碰方法

说明书

一种特种移动机器人多臂运动的主动避碰方法是针对计算机控制的凿岩台车的多机械臂在工作运动过程中可能出现运动干涉而提出的主动避碰措施，一是控制机械臂运动过程中推进梁的姿态以大幅度减小运动干涉的可能性，二是实时计算各运动构件之间的最短距离，对干涉进行预报和防碰撞处理。这两种措施都是基于机器人运动学方程的实时求解算法实现的。

技术领域

凿岩台车是隧道、地下工程钻爆施工法的一种工程装备；具有计算机自动控制功能的凿岩台车也称为凿岩机器人，是一种特种移动机器人；本发明针对具有双机械臂的这种特种移动机器人，实现其双臂的无碰撞运动。

背景技术

钻爆法施工是目前隧道开挖的主要工艺方法，其中凿岩台车是钻爆法的重要工程装备。在我国，风钻凿岩台车由于作业环境恶劣、对操作工人的身体健康带来严重威胁而逐步退出历史舞台；全液压凿岩台车极大地改善了工人的劳动条件，成为各种隧道施工的主要装备。随着计算机及控制技术的发展，全电脑凿岩台车在改善工人的劳动强度、提高劳动生产率方面有着显著的优势，成为一种发展方向。全电脑凿岩台车的技术优势掌握在多山的北欧国家的公司手中，如挪威AMV公司，瑞典的Atlas公司，瑞典的Sandvik公司等。这些公司在凿岩台车的计算机控制方面投入了巨大的研究力量，其产品介绍上的描述包括全自动移动钻臂、全自动凿岩、激光扫描断面进行车体定位等。这些研究成果并未见到有详细的技术描述的学术报道。另一方面，就国内引进的这些产品的实际应用来看，其自动化的实用性还远没有预期的效果。国内的生产企业基本上以液压凿岩台车为主打产品，高校、研究院所也投入了不少的研究力量，见诸文献的也有不少自称是实现了全自动的电脑控制，但实际工程应用上，尚未见到国产的自动控制的凿岩台车，在具有防爆要求的煤矿井下，更未见到国产产品。

为了提高凿岩台车的工作效率，电脑自动凿岩台车往往配置有多个工作臂。在实际作业过程中多个机械臂独立工作，因此机械臂在运动过程中可能会发生相互碰撞，即出现运动干涉现象。这种运动干涉可能出现在一个机械臂的构件之间，也可能出现在不同机械臂构件之间。干涉产生的碰撞会给机械臂带来严重的破坏，甚至带来人身伤害，是必须严格杜绝的。目前实际在作业过程中主要还是依赖操作工的小心操作，人工实现避碰的。

关于多臂的干涉研究，已有的文献资料主要进行干涉分析，找出干涉区域。对于多臂凿岩台车的主动性的自动避碰还没有行之有效的方法。

发明内容

本发明以主动性避碰为目标，包含两个方面的措施，一是控制机械臂的运动姿态，使其在运动过程中出现干涉的可能性大大减小。凿岩机械臂的推进梁是凿岩机械臂运动过程中活动范围最大、运动速度最快、最易与其它构件发生运动干涉的部分。主动避碰措施的第一个方法就是在钻臂运动过程中实时调整推进梁的姿态，减小单个机械臂的占用空间。按照这一原则控制机械臂的运动过程，可最大限度地减小运动干涉的几率

主动避碰的第二个方法是实时获得机械臂在运动过程中最接近的两点的距离，根据这个最短距离进行碰撞预报和防碰撞处理。

主动避碰从逻辑构成上分为两个部分，一是安装在机械臂各个关节上的传感器，用于实时获取关节位置及运动信息；二是机械臂的运动学方程及运动学求解的算法，这是控制推进梁姿态和计算最短距离的基本依据。