一种有限空间下机器人羽流源标识运动规划及其作业方法

摘要

本发明提供一种有限空间下机器人羽流源标识运动规划及其作业方法，主要解决羽流寻源完成后有限空间下的羽流源标识作业问题，以实现羽流寻源后的实时标识及可靠二次辨识，是实际抢险作业中的重要问题。首先对本发明选用的七自由度冗余串联机器人，进行多种不同自由度构型作业模式的研究；然后对机器人不同构型下的不同结构分别进行正逆运动学分析和建模，对其工作空间进行了分析；最后基于视觉伺服识别羽流泄漏源位置的三维位姿，确定机器人的标识作业区域，提出了一种基于有限空间触发的标识机器人结构模式转换方法，结合机器人的工作空间选取适宜的机械臂作业模式，实现了有限空间下机器人羽流源标识运动规划。

说明书

技术领域

本发明属于羽流源标识领域，具体而言，特别涉及一种有限空间下机器人羽流源标识运动规划及其作业方法。

背景技术

随着科学技术的进步和工业的发展，许多化学危险用品在人类的生产生活中应用越来越广泛，易燃易爆及有毒气体等泄漏引起灾害事故的安全隐患不断增加，事故发生后的抢险救援同样对人力和财力造成了巨大的损失。在机器人技术和人工智能技术快速发展的大背景下，研究以机器人代替人类在危险复杂的有限空间下实现羽流源的自主标识作业愈发重要，对科学研究和实际应用都具有很重要的价值。

由于缺少标识相应技术的支持，目前国内外对羽流源泄露的研究仅限于对羽流源的辨识及其位置的提示，一旦机器人离开现有位置进行下一次羽流源辨识任务，则无法再次精准确定原泄露源位置，给后续维修抢险作业造成了极大不便，需要额外耗费大量作业成本进行再次确认。此外，危险环境中有限空间的限制，同样对羽流源标识机器人自主完成标识作业的研究造成了极大挑战，这也是羽流源标识领域罕有人进行研究的原因之一。

因此，本发明在羽流源辨识的基础上，实现了有限空间下羽流寻源后的自主标识，提高羽流源定位后的可靠二次辨识及终端作业能力。本发明一种有限空间下机器人羽流源标识运动规划及其作业方法的研究，是机器人抢险领域至关重要的一部分，可提高抢险作业的效率，减少人员伤亡和财产损失。

发明内容

本发明针对有限空间下羽流源辨识完成后的标识技术缺失问题，提出了一种机器人标识运动规划和作业方法，以实现危险环境有限空间下的机器人羽流源标识运动和抢险作业，提高抢险作业的效率，减少人员伤亡和财产损失。

本发明提供一种有限空间下机器人羽流源标识运动规划及其作业方法，其具体技术方案如下。

基于实际危险作业环境下有限空间的限制，以及羽流源标识作业对机器人灵活性和精确度的要求，本发明选用七自由度冗余串联机器人展开研究。

进一步地，所述七自由度冗余串联机器人由七个旋转关节构成，其中关节1的轴线与基座垂直,关节3、5、7的轴线与机械臂连杆几何中心重合,关节2、4、6的轴线与前后两个关节轴线的交点垂直。

进一步地，为满足实际危险环境下有限空间的作业限制，针对不同大小及形态的工作空间，为机器人设置了多种不同自由度构型的机器人作业模式，根据固定关节数量的不同主要分为7DOF构型、6DOF构型、5DOF构型和4DOF构型；除7DOF构型外，每个构型由于固定关节的不同，又可以有多种不同的结构。

进一步地，所述6DOF构型，可通过固定机器人关节1、2、3、4、5、6、7中的任一关节来实现不同的6DOF作业结构；上述5DOF构型，可通过固定机器人关节1、2、3、4、5、6、7中的任意两个关节来实现不同的5DOF作业结构；上述4DOF构型，可通过固定机器人关节1、2、3、4、5、6、7中的任意三个关节来实现不同的4DOF作业结构。

进一步地，所述7DOF构型、6DOF构型、5DOF构型和4DOF构型及其构型下的不同机器人作业结构，其工作空间和灵巧工作空间皆有所不同，需进行正逆运动学分析和工作空间分析。

进一步地，所述羽流源标识机器人的运动学建模与分析，运用经典的D-H参数法推导七自由度机械臂的运动学正解；运用位姿分离法、几何法和最短行程原则相结合的方法进行运动学逆解的解算，实现精度高，计算量小的逆解算法；通过正逆运动学求解得到机器人的正逆运动学模型后，建立操作空间与关节空间的映射关系，对机械臂进行定位定姿分析，并通过Matlab软件对机器人运动学正逆解进行仿真验证。

进一步地，所述羽流源标识机器人的工作空间分析，在正逆运动学建模的基础上，采用蒙特卡洛法对机器人的工作空间和灵巧工作空间进行分析，根据机械臂在实际环境有限空间下完成羽流源标识作业的限制，对七自由度机械臂的结构参数进行优化分析，使其具有更高的性能，以便在有限空间下更高效的完成标识作业。

进一步地，针对有限空间下机器人羽流源标识运动规划，采用基于位置的视觉伺服，结合深度图像进行三维重构，识别烟羽泄漏源位置的三维位姿，确定机器人的标识作业区域，并为标识作业提供视觉信息，结合机器人的工作空间选取适宜的机械臂作业模式，然后根据烟羽源的位置，对标识作业进行有限空间下的最优轨迹规划完成标识任务。

进一步地，针对有限空间下机器人羽流源标识作业，提出一种基于有限空间触发的标识机器人作业模式转换方法，设计多种不同自由度构型的机器人作业模式进行实时转换，以适应不同的工作空间区域及大小，实现羽流源标识作业。

进一步地，所述基于有限空间触发的标识作业冗余机器人机械臂作业模式转换方法，主要分为根据标识任务形式建立任务形式库、判断事件约束是否同时满足、机械臂作业模式转换三部分。机器人完成羽流源辨识到达标识作业位置时，首先对羽流源的大小、形状及附近作业区域依次进行分析，然后根据标识作业的要求进行分类，选择相对应的机械臂作业模式完成羽流源表示作业。

目前国内外罕有针对羽流源标识技术的研究，对有限空间下机器人羽流源标识运动规划及其作业方法的研究更为罕见，本发明技术方案的有益效果如下。

本发明一种有限空间下机器人羽流源标识运动规划及其作业方法，是对羽流寻源领域的一种拓展，在羽流源辨识的基础上更进一步，实现了有限空间下羽流寻源后的自主标识作业，解决了有限空间下羽流源标识冗余机器人完成标识任务的最佳作业模式和最优轨迹规划问题，提高羽流源定位后的可靠二次辨识及终端作业能力，为后续进行抢险维修作业提供了充足的羽流源信息，有利于提高抢险作业的效率，减少安全隐患和人力物力损失。

本发明所述有限空间下机器人羽流源标识作业方法，尤其是基于有限空间触发的标识作业冗余机器人机械臂作业模式转换方法的提出，有利于标识作业的可靠、高效完成，为有限空间下的冗余机械臂研究提供了技术思路和方法路线。

附图说明

图1是本发明一种有限空间下机器人羽流源标识运动规划和作业方法流程图。

图2是本发明的羽流源标识机器人模型示意图。

图3是本发明的羽流源标识机器人结构示意图。

图4是本发明的机器人正逆运动学关系示意图。

图5是本发明的逆运动学求解计算技术路线图。

图6是本发明的机器人羽流源标识运动规划技术路线图。

图7是本发明的有限空间下机器人羽流源标识作业模式切换方法技术路线图。

具体实施方式

为了更清楚地理解本发明的目的、技术方案和优点,下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。需要说明的是, 以下通过参考附图描述的实施方式是示例性的，用于解释本发明，但不能用来限制本发明的保护范围。

如附图1所示，为本发明一种有限空间下机器人羽流源标识运动规划及其作业方法的流程图：首先对本发明选用的七自由度冗余串联机器人，进行多种不同自由度构型作业模式的研究；然后对机器人不同构型下的不同结构分别进行正逆运动学分析和建模，分析其工作空间；最后基于视觉伺服识别羽流泄漏源位置的三维位姿，确定机器人的标识作业区域，结合机器人的工作空间选取适宜的机械臂作业模式，实现标识运动规划。

其中，如附图2所示，为本发明的羽流源标识机器人模型示意图。

其中，如附图3所示，为本发明选用羽流源标识机器人的结构示意图，由7个旋转关节构成，其中关节1的轴线与基座垂直,关节3、5、7的轴线与机械臂连杆几何中心重合,关节2、4、6的轴线与前后两个关节轴线的交点垂直。

其中，如附图4所示，为本发明选用羽流源标识机器人的正逆运动学关系示意图，其运动学主要包含以下两方面的内容:

(1)对于确定构型的机器人，在其连杆参数和关节转角确定的情况下，计算末端执行器相对于基坐标系的位置和姿态，计算所得矩阵为末端执行器的位姿矩阵，此为正向运动学求解；

(2)对于确定构型的机器人，在其连杆参数及末端执行器相对于基坐标系的位置和姿态确定的情况下，计算各个关节转角的大小，此为逆向运动学求解。

其中，如附图5所示，为本发明选用羽流源标识机器人的逆运动学求解计算技术路线图，运用位姿分离法、几何法和最短行程原则相结合的方法进行运动学逆解的解算，可实现精度高，计算量小的逆解计算。

其中，如附图6所示，为本发明一种有限空间下机器人羽流源标识运动规划的技术路线图；主要考虑笛卡尔空间，关节空间等方面，在羽流源识别与定位的基础上，描述机器人在实际任务中的期望运动路径，结合运动学的研究工作，实时计算机器人运动的相关运动参数，确定机器人的运动情况。

其中，如附图7所示，为本发明有限空间下机器人羽流源标识作业模式切换方法的技术路线图；本发明针对实际作业环境中不同羽流源标识位置及实际作业空间的限制，提出一种基于有限空间触发的标识作业七自由度机械臂结构模式转换方法；针对有限空间下不同的工作空间区域及大小，设计多种不同自由度机械臂作业模式进行实时转换，完成羽流源标识作业。

本实施例的具体使用方式与作用如下。

具体应用中，本发明一种有限空间下机器人羽流源标识运动规划及其作业方法，结合图1、2、3所示，对选用的七自由度冗余串联机器人，进行了多种不同自由度构型作业模式的研究；结合图4、4所示，对机器人不同构型下的不同结构分别进行运动学建模与分析、工作空间分析；结合图6所示，对有限空间下机器人羽流源标识运动规划进行研究；结合图1、6所示，对有限空间下机器人羽流源标识作业模式切换方法进行研究；具体步骤如下。

步骤1：七自由度冗余串联机器人结构的选取及设计：

基于有限空间的限制及羽流源标识作业对机器人灵活性和精确度的要求，选用七自由度冗余串联机械臂展开研究；

所述七自由度冗余串联机器人由七个旋转关节构成，其中关节1的轴线与基座垂直,关节3、5、7的轴线与机械臂连杆几何中心重合,关节2、4、6的轴线与前后两个关节轴线的交点垂直。

步骤2：不同自由度构型机器人作业模式的研究：

为满足实际危险环境下有限空间的作业限制，针对不同大小及形态的工作空间，为机器人设置了多种不同自由度构型的机器人作业模式，根据固定关节数量的不同主要分为7DOF构型、6DOF构型、5DOF构型和4DOF构型，除7DOF构型外，每个构型由于选取固定关节的不同，又可以有多种不同的结构；

所述6DOF构型，可通过固定机器人关节1、2、3、4、5、6、7中的任一关节来实现不同的6DOF作业结构；所述5DOF构型，可通过固定机器人关节1、2、3、4、5、6、7中的任意两个关节来实现不同的5DOF作业结构；所述4DOF构型，可通过固定机器人关节1、2、3、4、5、6、7中的任意三个关节来实现不同的4DOF作业结构；所述7DOF构型、6DOF构型、5DOF构型和4DOF构型及其构型下的不同机器人作业结构，其工作空间和灵巧工作空间皆有所不同，需分别进行正逆运动学分析和工作空间分析。

步骤3：正逆运动学模型的建立：

运用经典的D-H参数法推导七自由度机械臂的运动学正解；运用位姿分离法、几何法和最短行程原则相结合的方法进行运动学逆解的解算，以实现精度高，计算量小的逆解算法。

步骤4：工作空间分析：

根据推导出的羽流源标识机器人不同构型下不同结构的运动学正逆解，运用蒙特卡罗法仿真其工作空间点云图，并把工作空间点云图分层，以各个子空间体积的相叠加近似求解其工作空间体积，并基于工作空间体积进行连杆长度对工作空间体积的影响分析，最后根据机械臂在实际环境有限空间下完成羽流源标识作业的限制，对七自由度机械臂的结构参数进行优化分析，使其具有更高的性能，以便在有限空间下更高效的完成标识作业。

步骤5：有限空间下机器人羽流源标识运动规划研究：

针对有限空间下冗余机械臂进行标识作业的最优轨迹规划问题，主要进行基于时间——作业空间最优的轨迹规划研究；考虑笛卡尔空间，关节空间等方面，在羽流源识别与定位的基础上，描述机器人在实际任务中的期望运动路径，结合运动学的研究工作，实时计算机器人运动的相关运动参数，确定机器人的运动情况；

采用基于位置的视觉伺服，结合深度图像进行三维重构，识别羽流泄漏源位置的三维位姿，确定机器人的标识作业区域，并为标识作业提供视觉信息，结合机器人的工作空间选取适宜的机械臂作业模式，然后根据羽流源的位置，对标识作业进行有限空间下的最优轨迹规划完成标识任务。

步骤6：有限空间下机器人羽流源标识作业方法研究：

针对有限空间下机器人羽流源标识作业，本发明提出一种基于有限空间触发的标识机器人作业模式转换方法，设计多种不同自由度构型的机器人作业模式进行实时转换，以适应不同的工作空间区域及大小，实现羽流源标识作业；

基于有限空间触发的标识机器人作业模式转换方法主要分为根据标识任务形式建立任务形式库、判断事件约束是否同时满足、机械臂结构模式转换三部分。机器人完成羽流源辨识到达标识作业位置时，首先对羽流源的大小、形状及附近作业区域依次进行分析，建立标识空间，根据标识作业的要求进行分类，如羽流源附近空间满足七自由度机械臂的工作要求，直接完成标识作业；如羽流源附近空间不满足七自由度机械臂的工作要求，则根据环境限制选择六自由度的结构模式，进行标识作业；如还不满足，则继续选择五自由度的工作模式，依次类推，直到完成标识作业……