机械臂与传感器辅助作业的物料抓取放置纠偏方法与流程

本发明属于煤矿智能装备控制，具体涉及一种机械臂与传感器辅助作业的物料抓取放置纠偏方法。

背景技术：

1、煤矿锚杆支护作业环境恶劣，巷道空间狭窄、粉尘浓度高、顶板不稳定，目前主要依靠人工完成钻孔定位、钻杆放置、药卷投放、锚杆安装、搅拌锚固等工序。人工作业存在诸多问题：一是空顶作业风险极高，工人需要在未支护的顶板下操作，易发生冒顶事故；二是劳动强度大，单根锚杆重量可达8kg，工人长时间重复操作容易疲劳；三是支护精度差，影响锚固效率。

2、随着煤矿智能化发展和"机械化换人、自动化减人"政策推进，基于机械臂的无人锚杆支护技术逐渐成为重要研究方向。该技术通过多关节机械臂替代人工，自动完成物料抓取、运输、放置等动作，配合锚杆钻机实现全流程无人化作业。

3、然而，在机械臂无人锚杆支护技术的工程化应用中，虽然被抓物料是固定坐标可以实现精准抓取，但物料精确放置是一个关键技术难题。锚杆钻机在作业过程中，其钻架根据支护位置会发生位姿变化（横向滑移，前后摆动，左右摆动）。这些位姿变化直接导致钻箱（物料放置目标位置）的空间坐标发生改变。这种坐标的偏差具有随机性和不确定性，导致机械臂放置坐标为非固定坐标。因此，在发展机械臂无人锚杆支护技术过程中，亟需开发一种能够自适应钻架位姿变化、具备实时误差补偿功能的精确放置工艺方法，以解决物料放置精度问题，为实现高可靠性、高效率的无人锚杆支护提供关键技术支撑。

技术实现思路

1、本发明为了解决现有技术中存在的上述至少一个技术问题，提供了一种机械臂与传感器辅助作业的物料抓取放置纠偏方法。

2、本发明采用如下的技术方案实现：一种机械臂与传感器辅助作业的物料抓取放置纠偏方法，包括：

3、将锚固设备的锚杆钻机调整至指定打钻位置，采集锚杆钻机从初始位置到达指定打钻位置时的位置变化数据，并对位置变化数据进行预处理；

4、基于预处理后的位置变化数据，采用齐次变换矩阵法，确定锚杆钻机所在的指定打钻位置的新位置坐标；

5、基于新位置坐标，对锚固设备的机械臂末端执行机构从初始位置抓取物料，到将物料移动至指定打钻位置的物料移动轨迹进行轨迹规划；

6、通过六维力传感器实时采集物料因与锚杆钻箱的钻机中心偏心导致约束反力失衡而受到的外部作用力和外部作用扭矩，并基于外部作用力和外部作用扭矩计算，新位置坐标与轨迹规划的实际位置坐标之间的位置补偿量；

7、通过位置补偿量调整锚固设备的机械臂末端执行机构，直至物料与锚杆钻箱的钻机中心同心，完成物料抓取放置的坐标纠偏。

8、优选地，将锚固设备的锚杆钻机调整至指定打钻位置，采集锚杆钻机从初始位置到达指定打钻位置时的位置变化数据，包括：

9、通过位移传感器测量锚杆钻机从初始位置到达指定打钻位置时的位移变化量；

10、通过第一倾角传感器测量锚杆钻机从初始位置到达指定打钻位置时的第一方向角度变化量；

11、通过第二倾角传感器测量锚杆钻机从初始位置到达指定打钻位置时的第二方向角度变化量；其中，

12、以机械臂的中心点位置为坐标原点，构建xyz空间直角坐标系，第一方向是xy轴方向，第二方向是yz轴方向。

13、优选地，对位置变化数据进行预处理，是对位置变化数据进行数据滤波；其中，数据滤波算法采用滑动窗口滤波算法或滞后滤波算法；

14、经过数据滤波后，得到预处理后的位置变化数据，包括预处理后的位移变化量、预处理后的第一方向角度变化量和预处理后的第二方向角度变化量。

15、优选地，基于预处理后的位置变化数据，采用齐次变换矩阵法，确定锚杆钻机所在的指定打钻位置的新位置坐标，包括：

16、采用dh参数的齐次变换矩阵法，计算新位置坐标，新位置坐标公式表示为：

17、

18、其中，为横向滑移变换矩阵，公式表示为：

19、

20、表示预处理后的位移变化量；

21、为第一方向摆动变换矩阵，公式表示为：

22、

23、表示预处理后的第一方向角度变化量；

24、为第二方向摆动变换数据，公式表示为：

25、

26、表示预处理后的第二方向角度变化量；

27、为初始状态下，钻箱中心点在xyz空间直角坐标系中的初始位置，记为：

28、。

29、优选地，通过六维力传感器实时采集物料因与锚杆钻箱的钻机中心偏心导致约束反力失衡而受到的外部作用力和外部作用扭矩，并基于外部作用力和外部作用扭矩计算，新位置坐标与轨迹规划的实际位置坐标之间的位置补偿量，包括：

30、通过六维力传感器实时采集物料因与锚杆钻箱的钻机中心偏心导致约束反力失衡而受到的外部作用力和外部作用扭矩；其中，

31、外部作用力的公式表为：

32、

33、其中，表示六维力传感器测量得到的x轴方向的外部作用力，表示六维力传感器测量得到的y轴方向的外部作用力，表示六维力传感器测量得到的z轴方向的外部作用力；

34、外部作用扭矩公式表示为：

35、

36、其中，表示六维力传感器测量得到的x轴方向的外部作用扭矩，表示六维力传感器测量得到的y轴方向的外部作用扭矩，表示六维力传感器测量得到的z轴方向的外部作用扭矩；

37、基于虚拟弹簧理论，将外部作用力和外部作用扭矩转换为位置补偿量，公式表示为：

38、

39、

40、其中，表示位置补偿向量，表示姿态补偿向量，、为虚拟弹簧刚度。

41、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

42、1）本发明通过联合位移传感器与倾角传感器，进行钻架三自由度位姿实时感知，通过横向滑移距离、前后摆动角度、左右摆动角度的精确测量，建立完整的钻架位姿描述体系；

43、2）本发明采用钻架位姿变化条件下的物料放置目标坐标动态计算技术，结合dh参数矩阵变换，实现位姿变化与坐标变化的准确映射；

44、3）本发明基于六维力传感器，对物料抓取放置路径进行虚拟刚度柔性补偿，通过力反馈信号实时检测物料放置偏差，利用虚拟弹簧原理进行位置自适应调整；

45、4）本发明的机械臂末端执行机构采用分层安装结构设计，夹爪工装、六维力传感器、机械臂末端法兰的特定连接顺序，确保力信号传递的准确性和系统结构的可靠性；

46、5）本发明通过多传感器信息融合与力反馈协调控制算法，实现位姿感知、坐标计算、力反馈补偿的有机结合，形成完整的自适应控制体系。

1.一种机械臂与传感器辅助作业的物料抓取放置纠偏方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种机械臂与传感器辅助作业的物料抓取放置纠偏方法，其特征在于，将锚固设备的锚杆钻机调整至指定打钻位置，采集所述锚杆钻机从初始位置到达所述指定打钻位置时的位置变化数据，包括：

3.根据权利要求2所述的一种机械臂与传感器辅助作业的物料抓取放置纠偏方法，其特征在于，对所述位置变化数据进行预处理，是对所述位置变化数据进行数据滤波；其中，数据滤波算法采用滑动窗口滤波算法或滞后滤波算法；

4.根据权利要求3所述的一种机械臂与传感器辅助作业的物料抓取放置纠偏方法，其特征在于，基于预处理后的所述位置变化数据，采用齐次变换矩阵法，确定锚杆钻机所在的指定打钻位置的新位置坐标，包括：

5.根据权利要求1所述的一种机械臂与传感器辅助作业的物料抓取放置纠偏方法，其特征在于，通过六维力传感器实时采集物料因与锚杆钻箱的钻机中心偏心导致约束反力失衡而受到的外部作用力和外部作用扭矩，并基于所述外部作用力和所述外部作用扭矩计算，所述新位置坐标与轨迹规划的实际位置坐标之间的位置补偿量，包括：