本發(fā)明涉及管具拼接，特別是指一種基于抓管機器人的控制系統(tǒng)及其控制方法。

背景技術(shù)：

1、在隧道、煤礦、鉆井等施工中，往往會有重型管道搬運的場景。如石油鉆井施工中，管具是鉆孔工具連接并用以傳遞動力的桿件或管狀工件，管具處理是工作量最大的施工環(huán)節(jié)；盾構(gòu)隧道施工中，泥漿管、排污管等需隨著盾構(gòu)掘進向前延伸鋪設(shè)，是貫穿隧道施工全周期的重要環(huán)節(jié)。在上述場景中，單根管道往往長達數(shù)米，同時重量較大，一般由人工推扶或者操作吊運設(shè)備進行安裝，難以精準調(diào)節(jié)管道位姿，在對齊過程中需要不斷調(diào)整位置，才能對齊、安裝兩段管具。人工作業(yè)存在勞動強度大、作業(yè)風(fēng)險高的問題，同時影響施工效率。

2、現(xiàn)有技術(shù)中，如申請?zhí)枮?02311764956.4的一種輪式重載抓管機器人的控制系統(tǒng)，其依賴于攝像儀、慣導(dǎo)、激光雷達、全站儀等較多的精密設(shè)備，在井下施工中可靠性不高。

3、而申請?zhí)枮?02210662033.7的一種電動扶管機械手的控制系統(tǒng)和方法，該專利提出了一種在立根盒和井口之間進行排管和抓管位置的定位控制方法，需由人工在hmi上確定管具的移動位置，再由機械手自動夾持和移動，操作流程較為繁瑣，同時也不涉及抓管后的精確拼裝問題。

4、因此，設(shè)計一種用于該種構(gòu)型機器人的高可靠性控制系統(tǒng)和方法，能進行管狀工件抓取、姿態(tài)微調(diào)和拼裝，實現(xiàn)自動化管具抓取作業(yè)很有必要。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對上述背景技術(shù)中的不足，本發(fā)明提出一種基于抓管機器人的控制系統(tǒng)及其控制方法，解決了現(xiàn)有技術(shù)中管具拼接過程中自動化程度低的問題。

2、本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的：一種基于抓管機器人的控制系統(tǒng)，包括控制柜和與控制柜相連接的人機交互模塊，還包括與控制柜相連接的圖像采集裝置及執(zhí)行部件。

3、其中，所述圖像采集裝置包括設(shè)置在管具待抓取位置的圖像采集裝置ⅰ和設(shè)置在管具拼接位置的圖像采集裝置ⅱ；所述執(zhí)行部件包括液壓執(zhí)行單元和電動執(zhí)行單元。機械臂機構(gòu)上設(shè)有對應(yīng)的液壓執(zhí)行單元和傳感器單元。

4、抓管機器人包括機械臂機構(gòu)和設(shè)置機械臂機構(gòu)執(zhí)行末端的夾爪夾具機構(gòu)；夾爪夾具機構(gòu)至少一個主動滾輪式夾爪；主動滾輪式夾爪上設(shè)有相對設(shè)置的調(diào)節(jié)輪對，調(diào)節(jié)輪對通過電動執(zhí)行單元控制其伸縮，主動滾輪式夾爪上設(shè)有電動執(zhí)行單元驅(qū)動的摩擦驅(qū)動輪，摩擦驅(qū)動輪在電動執(zhí)行單元作用下驅(qū)動管節(jié)繞其軸線轉(zhuǎn)動。

5、具體來說，主動滾輪式夾爪包括一側(cè)開口的第一固定座，第一固定座的開口處設(shè)有用于開合的第一壓緊板，第一固定座的夾持面與第一壓緊板的夾持面上均設(shè)有相對設(shè)置的調(diào)節(jié)輪對，調(diào)節(jié)輪對通過電動執(zhí)行單元控制其伸縮，第一固定座上設(shè)有電動執(zhí)行單元驅(qū)動的摩擦驅(qū)動輪。

6、進一步優(yōu)選，所述夾爪夾具機構(gòu)還包括被動球鉸式夾爪；被動球鉸式夾爪的球鉸結(jié)構(gòu)隨管狀工件進行被動轉(zhuǎn)動。

7、進一步優(yōu)選，所述機械臂機構(gòu)包括座體，座體上通過底部回轉(zhuǎn)機構(gòu)連接有縱向移動機構(gòu)，縱向移動機構(gòu)的移動件上設(shè)有橫向移動機構(gòu)，橫向移動機構(gòu)通過副梁與夾爪夾具機構(gòu)相連接。底部回轉(zhuǎn)機構(gòu)由回轉(zhuǎn)電機驅(qū)動，且回轉(zhuǎn)電機上設(shè)有角度編碼器。

8、進一步優(yōu)選，所述縱向移動機構(gòu)由液壓執(zhí)行單元的縱向液壓缸驅(qū)動，橫向移動機構(gòu)由液壓執(zhí)行單元的橫向液壓缸驅(qū)動；縱向移動機構(gòu)上設(shè)有用于檢測其縱向移動距離的位移傳感器，橫向移動機構(gòu)上設(shè)有用于檢測其橫向移動距離的位移傳感器；進一步優(yōu)選，所述電動執(zhí)行單元為電動缸和/或電機；調(diào)節(jié)輪對通過電動缸控制其伸縮，摩擦驅(qū)動輪通過滾動電機帶動其轉(zhuǎn)動，滾動電機上設(shè)有角度編碼器。

9、進一步優(yōu)選，所述調(diào)節(jié)輪對包括電動缸和工字型輪架，工字型輪架的豎梁部與電動缸的伸縮端相連接，電動缸的固定端通過固定板架固定，工字型輪架的兩側(cè)設(shè)有滑輪。

10、進一步優(yōu)選，所述被動球鉸式夾爪包括一側(cè)開口的第二球鉸座，第二球鉸座的開口處設(shè)有用于開合的第二壓緊板，第二球鉸座內(nèi)以球鉸接的方式連接有內(nèi)球型卡座，內(nèi)球型卡座的工作面及第二壓緊板的工作面上均設(shè)有滑輪。

11、進一步優(yōu)選，所述控制柜包括電源管理模塊及與電源管理模塊相連接的控制器、從站耦合器，從站耦合器的輸出端連接有數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)采集模塊與控制器的輸入端相連接，從站耦合器與數(shù)據(jù)采集模塊、控制輸出模塊硬件上耦合連接；數(shù)據(jù)采集模塊與傳感器單元連接，控制輸出模塊與執(zhí)行部件相連接。

12、一種所述的基于抓管機器人的控制系統(tǒng)的控制方法，步驟如下：

13、s1，抓管機器人位于初始位置a0處，控制系統(tǒng)自檢；

14、s2，圖像采集裝置ⅰ開始采集位置a1處的待抓取管具的信息，計算出待抓取管具的位姿，并生成機器人由初始位置a0到待抓取管具位置a1的運動路徑信息；

15、s3，將生成的機器人運動路徑信息傳輸給控制器，控制器控制機器人移動到待抓取管具的位置a1，并抓取管具；

16、s4，機器人按照設(shè)定路徑運動，將當(dāng)前夾持管具由位置a1移動到上一節(jié)管具接口a2處；

17、s5，圖像采集裝置ⅱ開始采集上一節(jié)管具圖像，計算出上一節(jié)管具軸心朝向，同時通過機器人傳感器單元的數(shù)據(jù)，計算出當(dāng)前管具的軸心朝向；根據(jù)上一節(jié)管具軸心朝向及當(dāng)前管具的軸心朝向得到兩者的軸向偏差角度；

18、s6，根據(jù)上一節(jié)管具與當(dāng)前管具軸向偏差角度，控制器控制述調(diào)節(jié)輪對伸出距離，使夾持狀態(tài)下的當(dāng)前管具軸心朝向與上一節(jié)管具保持一致，并使二者對接法蘭對齊；

19、s7，圖像采集裝置ⅱ采集當(dāng)前管具和上一節(jié)管具對接處的圖像，計算出二者對接法蘭連接處的偏差角度；根據(jù)該偏差角度，控制電機帶動摩擦驅(qū)動輪旋轉(zhuǎn)，帶動夾持的當(dāng)前管具旋轉(zhuǎn)，使二者的對接法蘭的法蘭孔對齊；

20、s8，采取下一步施工措施即可；

21、s9，重復(fù)步驟s1～s8直至完成所有管具抓取與對接。

22、步驟s2的具體過程為：s2.1，通過圖像采集裝置ⅰ獲取a1處待抓取管具的圖像數(shù)據(jù)，通過特征檢測計算出待抓取管具在相機坐標系中的位置和姿態(tài)信息，再進行坐標變換，將待抓取管具的位姿信息轉(zhuǎn)換到機器人坐標系下；

23、s2.2，采用運動規(guī)劃算法，生成機器人從初始位置a0到目標位置的最短運動路徑；并對生成的最短路徑進行插值和平滑處理，生成機器人由初始位置a0到待抓取管具位置a1的運動路徑信息。

24、步驟s5的具體過程為：s5.1計算上一節(jié)管具軸心朝向的步驟如下：首先使用圖像采集裝置ⅱ采集上一節(jié)管具圖像信息，通過掃描得到上一節(jié)管具兩端管口的邊緣像素坐標值，采用最小二乘法擬合首尾兩端管口的輪廓，生成首尾兩端管口的標準圓形，具體為：

25、邊緣點集合坐標為pi(xi,yi)，設(shè)圓的半徑為r，圓心坐標為(a,b)，則圓的方程為(xi-a)2+(yi-b)2＝r2+δi，其中δi為隨機誤差；最小誤差平方和根據(jù)最小二乘原理可知求解以上線性方程組，可得首端管口的圓心坐標(a1,b1)和尾管口的圓心坐標(a2,b2)；

26、然后，根據(jù)上一節(jié)管具首端管口的圓心坐標(a1,b1)和尾管口的圓心坐標(a2,b2)，以及上一節(jié)管具的已知長度l，計算出上一節(jié)管具軸心朝向：

27、在x方向的角度為

28、在y方向的角度為

29、則上一節(jié)管具的軸心朝向為α＝(αx,αy)；

30、s5.2計算當(dāng)前管具軸心朝向的步驟如下：設(shè)主動滾輪式夾爪上有四個方向的電動缸，分別表示為a、b、c、d，四個電動缸的總行程分別為la,lb,lc,ld；上主動滾輪式夾爪間的高度為h，

31、則x方向的偏差角度

32、y方向的偏差角度則當(dāng)前夾持管具的軸心朝向θ＝(θx,θy)。

33、步驟s7的具體過程為：圖像采集裝置ⅱ采集當(dāng)前管具和上一節(jié)管具對接處的圖像，并通過圖像處理技術(shù)，計算出當(dāng)前管具和上一節(jié)管具相距最近的兩個法蘭孔之間的角度偏差α，α為正則當(dāng)前管具需要順時針旋轉(zhuǎn)，α為負則當(dāng)前管具需要逆時針旋轉(zhuǎn)，帶動當(dāng)前管具旋轉(zhuǎn)的摩擦驅(qū)動輪對應(yīng)的滾動電機旋轉(zhuǎn)的角度為β，則有其中k為夾持的當(dāng)前管具旋轉(zhuǎn)k個單位角度。

34、本發(fā)明的有益效果為：本發(fā)明基于具有主動調(diào)節(jié)管節(jié)位姿的抓管機器人的控制系統(tǒng)，其被動球鉸式夾爪球鉸接的形式使其具有三個轉(zhuǎn)動方向上的自由度；主動滾輪式夾爪采用具有自主驅(qū)動的摩擦驅(qū)動輪與調(diào)節(jié)輪對配合，通過上爪球鉸結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式，使管狀工件具有三個轉(zhuǎn)動自由度，在摩擦驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)動下，能夠繞軸線轉(zhuǎn)動；在相互對稱布置的姿態(tài)調(diào)整輪對的配合作用下，能夠進行另外兩個自由度方向上的擺動，通過被動球鉸式夾爪、主動滾輪式夾爪的動作，實現(xiàn)管狀工件在三個自由度方向上的轉(zhuǎn)動，即姿態(tài)調(diào)整，滿足管狀工件拼裝時的高精度定位需求。

35、本發(fā)明控制系統(tǒng)利用傳感器單元、液壓執(zhí)行機構(gòu)單元和電動執(zhí)行機構(gòu)單元等的配合，能夠進行智能化的管狀工件抓取、姿態(tài)微調(diào)和拼裝，實現(xiàn)自動化管具抓取作業(yè)，保障了作業(yè)人員的施工安全，提高了作業(yè)效率。