CN108663032B - 基于机器人的工作面液压支架姿态和直线度检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于智能开采领域，具体是一种基于机器人的工作面液压支架姿态和直线度检测装置及方法。解决了检测无人工作面液压支架姿态和直线度的问题，包括行走装置，安装在首架以及尾架底座上的固定参考基准激光发射装置，安装在行走装置上部的检测作业装置，安装在行走装置内部的控制通讯系统和电源系统以及安装在行走装置前后的激光雷达导航装置。本发明不改造液压支架上固有结构，以激光线为固定参考基准，基于移动机器人，对每个液压支架的空间姿态及整体液压支架直线度进行检测，有效地消除了累积误差。

Description

基于机器人的工作面液压支架姿态和直线度检测装置及方法

技术领域

本发明属于智能开采领域，具体是一种基于机器人的工作面液压支架姿态和直线度检测装置及方法。

背景技术

目前，煤矿开采正由综合机械化开采向自动化和智能化方向发展，其追求的目标是少人化和无人化。但无人工作面直线度检测和控制问题极大地困扰着国内无人工作面的智能化进程，由于一些原因经常出现推移刮板输送机和拉移液压支架不到位，所以两三刀后就会出现支架错位歪斜扭曲，导致无法正常生产下去而必须人工检测支架姿态和直线度并调整才能继续工作，极大的降低了无人工作面的生产效率。

发明内容

本发明为了解决检测无人工作面液压支架姿态和直线度的问题，提供一种基于机器人的工作面液压支架姿态和直线度检测装置及方法。

本发明采取以下技术方案：一种基于机器人的工作面液压支架姿态和直线度检测装置，包括行走装置，安装在首架以及尾架底座上的固定参考基准激光发射装置，安装在行走装置上部的检测作业装置，安装在行走装置内部的控制通讯系统和电源系统以及安装在行走装置前后的激光雷达导航装置。

进一步的，检测作业装置包括底板、激光接收板、特征轮廓扫描装置、漫反射板、摄像头和气体浓度检测传感器，底板两端安装有两块平行设置且高低不同的激光接收板，高度低的激光接收板下部安装有特征轮廓扫描装置，另一块激光接收板从上到下一次安装有漫反射板、摄像头和气体浓度检测传感器。

进一步的，固定参考基准激光发射装置包括控制器、活动面板、激光测距仪、固定边框和参考激光束发射器，固定边框上安装有控制器，固定边框内部安装有活动面板，固定边框上部安装有控制活动面板移动的活动面板调整装置，活动面板上安装有两个参考激光束发射器，两个参考激光束发射器之间设置有激光测距仪，控制器控制活动面板调整装置、参考激光束发射器和激光测距仪。

一种基于机器人的工作面液压支架姿态和直线度检测装置的检测方法，包括以下步骤：

S100～首先让安装在首架上的固定参考基准激光发射装置开始工作，利用两点（首尾两架）决定一条直线原理，控制器控制调整装置调好活动面板的方向并发出激光束，然后开始让本装置在液压支架上从第二架开始依次移动。

S200～在移动过程中，利用两个平行激光接收板接收两束激光的坐标以及从固定参考基准激光发射装置测到的机器人距离，确定机器人相对固定参考基准的姿态，同时利用特征轮廓扫描仪，测得代表液压支架姿态的特征表面形状，从而计算出待测支架相对扫描仪的相对位置，得到每个液压与固定参考基准的相对姿态及所测支架的直线度。

S300～液压支架姿态及直线度具体计算模型如下，支架共有N+1架，选取液压支架底座上一个特征轮廓中的特征点为统一测量点，上行时，首架（编号0）为固定参考基准，设其坐标为绝对零点T₀=（a₀，b₀，c₀，d₀，e₀，f₀）=（X移（mm），Y移（mm），Z移（mm），X转（度），Y转（度），Z转（度））=（0，0，0，0，0，0）；同理，下行时，尾架（编号N）为固定参考基准。

第一步，测量移动机器人上扫描仪相对首架特征点坐标：首先开启固定基准参考激光发射装置并发射出两束形状均为十字形的平行激光，同时其上的激光测距仪开始检测行走装置与首架的距离值并通过无线方式向机器人发射；当行走装置行走到编号为1的待测支架上并调整好位置时，用自身携带的两个平行激光接收板测量两束激光在其上的坐标，同时接收激光测距仪发来的距离值，通过三平面投影及解平面三角形等几何推算，得出扫描仪相对首架特征原点的坐标T₁’=（a₁’，b₁’，c₁’，d₁’，e₁’，f₁’）。

第二步，在测量扫描仪空间位置的同时测量编号为1的待测支架上特征点相对扫描仪的坐标，利用三维扫描仪扫描出特征轮廓的空间位置和形状，然后根据其位置和形状提取出特征点相对于扫描仪的坐标T₁’’=（a₁’’，b₁’’，c₁’’，d₁’’，e₁’’，f₁’’）。

第三步，计算待测支架的姿态和直线度，待测支架1的姿态为T₁=（a，b，c，d，e，f）=（a₁’，b₁’，c₁’，d₁’，e₁’，f₁’）+（a₁’’，b₁’’，c₁’’，d₁’’，e₁’’，f₁’’）= T₁’+ T₁’’，待测支架i的姿态为T_i= T_i’+T_i’’；整个支架群(0—N)的直线度为f_水平=max(b₀~b_N)- min(b₀~b_N)，f_垂直=max(c₀~c_N)- min(c₀~c_N)。

S400～工作面巡检，安装在检测作业机构上的摄像头和气体浓度传感器时时把工作面各设备图像信息和气体浓度信息传递给地面工作人员，以监测工作面各设备运行情况。

与现有技术相比，本发明不改造液压支架上固有结构，以激光线为固定参考基准，基于移动机器人，对每个液压支架的空间姿态及整体液压支架直线度进行检测，有效地消除了累积误差。在地面起伏较大或由于意外情况机器人失去激光参考时，机器人可自动切换为检测相邻两架的相对姿态的程序。移动机器人携带摄像头及气体浓度传感器等，给工作面外的人员提供视频图像和数据。集智能化和综合化为一体。

附图说明

图1是本发明的方法示意图；

图2是本发明的摇臂示意图；

图3是本发明的检测作业装置示意图；

图4是本发明的固定基准参考激光束发射装置示意图；

图5是本发明的液压支架特征轮廓测量点及其坐标方向示意图；

其中，1-首架支架，2-固定基准参考激光束发射装置，3-导航用激光雷达，4-参考激光束，5-特征轮廓扫描仪，6-激光接收板，7-机器人检测作业装置，8-机器人履带摇臂，9-移动机器人底盘，10-待测液压支架，21-摇臂驱动轮，22-惰轮，23-麦克纳姆轮，24-履带，25-转向轮，31-漫反射板，32-摄像头，33-气体浓度传感器，34-底板，41-控制器和电源，42-活动面板，43-激光测距仪，44-固定边框，45-参考激光束发射器，46-活动面板调整装置。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

一种基于机器人的工作面液压支架姿态和直线度检测装置，包括行走装置，安装在首架以及尾架底座上的固定参考基准激光发射装置，安装在行走装置上部的检测作业装置，安装在行走装置内部的控制通讯系统和电源系统以及安装在行走装置前后的激光雷达导航装置。

如图2所示，机器人行走装置摇臂由驱动轮，转向轮，与驱动轮连接的惰轮（其中两个摇臂为两个惰轮，另外两个为一个惰轮），与惰轮连接的麦克纳姆轮，连接驱动轮和转向轮的履带组成。

如图3所示，检测作业装置包括底板34、激光接收板6、特征轮廓扫描装置5、漫反射板31、摄像头32和气体浓度检测传感器33，底板34两端安装有两块平行设置且高低不同的激光接收板6，高度低的激光接收板6下部安装有特征轮廓扫描装置5，另一块激光接收板6从上到下一次安装有漫反射板31、摄像头32和气体浓度检测传感器33。

如图4所示，固定参考基准激光发射装置包括控制器41、活动面板42、激光测距仪43、固定边框44和参考激光束发射器45，固定边框44上安装有控制器41，固定边框44内部安装有活动面板42，固定边框44上部安装有控制活动面板42移动的活动面板调整装置46，活动面板42上安装有两个参考激光束发射器45，两个参考激光束发射器45之间设置有激光测距仪43，控制器41控制活动面板调整装置46、参考激光束发射器45和激光测距仪43。

一种基于机器人的工作面液压支架姿态和直线度检测装置的检测方法，包括以下步骤：

S100～首先让安装在首架上的固定参考基准激光发射装置开始工作，利用两点决定一条直线原理，控制器控制调整装置调好活动面板的方向并发出激光束，然后开始让本装置在液压支架上从第二架开始依次移动。

S200～在移动过程中，利用两个平行激光接收板接收两束激光的坐标以及从固定参考基准激光发射装置测到的机器人距离，确定机器人相对固定参考基准的姿态，同时利用特征轮廓扫描仪，测得代表液压支架姿态的特征表面形状，从而计算出待测支架相对扫描仪的相对位置，得到每个液压与固定参考基准的相对姿态及所测支架的直线度。

S300～液压支架姿态及直线度具体计算模型如下，支架共有N+1架，选取液压支架底座上一个特征轮廓中的特征点为统一测量点，上行时，首架（编号0）为固定参考基准，设其坐标为绝对零点T₀=（a₀，b₀，c₀，d₀，e₀，f₀）=（X移（mm），Y移（mm），Z移（mm），X转（度），Y转（度），Z转（度））=（0，0，0，0，0，0）；同理，下行时，尾架（编号N）为固定参考基准。

第一步，利用“六点定位原理”测量移动机器人上扫描仪相对首架特征点坐标：首先开启固定基准参考激光发射装置并发射出两束有一定距离形状均为十字形的平行激光，同时其上的激光测距仪开始检测机器人与首架的距离值并通过无线方式向机器人发射；当机器人行走到待支架1上并调整好位置时，用自身携带的两个平行激光接收板测量两束激光在其上的坐标，同时接收激光测距仪发来的距离值，通过三平面投影及解平面三角形等几何推算，得出扫描仪相对首架特征原点的坐标T₁’=（a₁’，b₁’，c₁’，d₁’，e₁’，f₁’）。

第二步，在测量扫描仪空间位置的同时测量待测支架1上特征点相对扫描仪的坐标，其原理是利用三维扫描仪扫描出特征轮廓的空间位置和形状，然后根据其位置和形状提取出特征点相对于扫描仪的坐标T₁’’=（a₁’’，b₁’’，c₁’’，d₁’’，e₁’’，f₁’’）。

第三步，计算待测支架的姿态和直线度，待测支架1的姿态为T₁=（a，b，c，d，e，f）=（a₁’，b₁’，c₁’，d₁’，e₁’，f₁’）+（a₁’’，b₁’’，c₁’’，d₁’’，e₁’’，f₁’’）= T₁’+ T₁’’，待测支架i的姿态为T_i= T_i’+T_i’’；整个支架群(0—N)的直线度为f_水平=max(b₀~b_N)- min(b₀~b_N)，f_垂直=max(c₀~c_N)- min(c₀~c_N)。

S400～工作面巡检，安装在检测作业机构上的摄像头和气体浓度传感器时时把工作面各设备图像信息和气体浓度信息传递给地面工作人员，以监测工作面各设备运行情况。

本发明基于机器人的煤矿综采工作面液压支架姿态和直线度检测方法的优点在于：

、以液压支架姿态和直线度为检测目标，但不改造液压支架的结构，可以实现无累积误差检测液压支架六个自由度的姿态及所检液压支架群的直线度。

、在失去激光参考基准时，可以智能切换为检测相邻两架液压支架的相对姿态，从而推算出整个支架的姿态及直线度。

、可以时时动态传回工作面图像信息和气体浓度信息，集智能化和综合化为一体。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于机器人的工作面液压支架姿态和直线度检测装置，其特征在于：包括行走装置，安装在首架以及尾架底座上的固定参考基准激光发射装置，安装在行走装置上部的检测作业装置，安装在行走装置内部的控制通讯系统和电源系统以及安装在行走装置前后的激光雷达导航装置；所述的检测作业装置包括底板（34）、激光接收板（6）、特征轮廓扫描装置（5）、漫反射板（31）、摄像头（32）和气体浓度检测传感器（33），底板（34）两端安装有两块平行设置且高低不同的激光接收板（6），高度低的激光接收板（6）下部安装有特征轮廓扫描装置（5），另一块激光接收板（6）从上到下一次安装有漫反射板（31）、摄像头（32）和气体浓度检测传感器（33）；所述的固定参考基准激光发射装置包括控制器（41）、活动面板（42）、激光测距仪（43）、固定边框（44）和参考激光束发射器（45），固定边框（44）上安装有控制器（41），固定边框（44）内部安装有活动面板（42），固定边框（44）上部安装有控制活动面板（42）移动的活动面板调整装置（46），活动面板（42）上安装有两个参考激光束发射器（45），两个参考激光束发射器（45）之间设置有激光测距仪（43），控制器（41）控制活动面板调整装置（46）、参考激光束发射器（45）和激光测距仪（43）。

2.一种如权利要求1所述的基于机器人的工作面液压支架姿态和直线度检测装置的检测方法，其特征在于：包括以下步骤

S100～首先让安装在首架上的固定参考基准激光发射装置开始工作，利用两点决定一条直线原理，控制器控制调整装置调好活动面板的方向并发出激光束，然后开始让本装置在液压支架上从第二架开始依次移动；

S200～在移动过程中，利用两个平行激光接收板接收两束激光的坐标以及从固定参考基准激光发射装置测到的机器人距离，确定机器人相对固定参考基准的姿态，同时利用特征轮廓扫描仪，测得代表液压支架姿态的特征表面形状，从而计算出待测支架相对扫描仪的相对位置，得到每个液压与固定参考基准的相对姿态及所测支架的直线度；

S300～液压支架姿态及直线度具体计算模型如下，支架共有N+1架，选取液压支架底座上一个特征轮廓中的特征点为统一测量点，上行时，编号为0的首架为固定参考基准，设其坐标为绝对零点T₀=（a₀，b₀，c₀，d₀，e₀，f₀）=（X移，Y移，Z移，X转，Y转，Z转）=（0，0，0，0，0，0）；下行时，编号为N的尾架为固定参考基准；

第一步，测量移动机器人上扫描仪相对首架特征点坐标：首先开启固定基准参考激光发射装置并发射出两束形状均为十字形的平行激光，同时其上的激光测距仪开始检测行走装置与首架的距离值并通过无线方式向机器人发射；当行走装置行走到编号为1的待测支架上并调整好位置时，用自身携带的两个平行激光接收板测量两束激光在其上的坐标，同时接收激光测距仪发来的距离值，通过三平面投影及解平面三角形等几何推算，得出扫描仪相对首架特征原点的坐标T₁’=（a₁’，b₁’，c₁’，d₁’，e₁’，f₁’）；

第二步，在测量扫描仪空间位置的同时测量编号为1的待测支架上特征点相对扫描仪的坐标，利用三维扫描仪扫描出特征轮廓的空间位置和形状，然后根据其位置和形状提取出特征点相对于扫描仪的坐标T₁’’=（a₁’’，b₁’’，c₁’’，d₁’’，e₁’’，f₁’’）；

第三步，计算待测支架的姿态和直线度，待测支架1的姿态为T₁=（a，b，c，d，e，f）=（a₁’，b₁’，c₁’，d₁’，e₁’，f₁’）+（a₁’’，b₁’’，c₁’’，d₁’’，e₁’’，f₁’’）= T₁’+ T₁’’，待测支架i的姿态为T_i= T_i’+T_i’’；整个支架群(0—N)的直线度为f_水平=max(b₀~b_N)- min(b₀~b_N)，f_垂直=max(c₀~c_N)- min(c₀~c_N)；

S400～工作面巡检，安装在检测作业机构上的摄像头和气体浓度传感器时时把工作面各设备图像信息和气体浓度信息传递给地面工作人员，以监测工作面各设备运行情况。

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