CN115229817B - 机械臂式测量机器人装置和应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种机械臂式测量机器人装置和应用方法，涉及煤矿智能开采技术领域，包括：自动整平全站仪、防护机构、俯仰调整机构、航向调整机构、竖向转动机构、控制器、安装基座、移动端。本发明基于预设的俯仰角和航向角，测量机器人从初始位置出发，在俯仰调整机构和航向调整机构多个自由度上伸缩动作，将全站仪移动到预定工作位置。全站仪自动调平完成测量工作后，测量机器人从工作位置出发，在俯仰调整机构和航向调整机构多个自由度上反序和反向伸缩动作，将全站仪移动到初始位置。机械臂式测量机器人装置有效解决工作面高度和空间受限问题，适用于极薄煤层、薄煤层、中厚煤层和厚煤层等各种开采环境。

Description

机械臂式测量机器人装置和应用方法

技术领域

本发明涉及煤矿智能开采技术领域，特别是一种机械臂式测量机器人装置和应用机械臂式测量机器人装置的方法。

背景技术

目前矿井工作面作业“少人则安”、“无人则安”，实现矿井少人或无人的关键是大地坐标的自动测量、传递以及设备坐标的自动标定，为智能化采掘和相关服务奠定基础。目前的工作面测量手段，主要存在如下问题：

(1)为了满足智能开采大地坐标测量的需求，人机交互式测量(导线测量需要三人参与，需要两个控制点)人员多、环境恶劣、难度大、时效差，达不到减人的目的。

(2)当工作面推进后，整个空间关系就被破坏，无法满足智能化工作面的实时定位需求。

(3)在综采工作面，测量机器人安装在液压支架顶梁上。在掘进工作面，测量机器人安装在工作面顶板。但是，这种测量机器人位于工作面的上部或顶部，只适用于中厚煤层和厚煤层工作面，无法适用于高度和空间受限的极薄煤层和薄煤层。如果应用到极薄煤层和薄煤层，因测量机器人的高度原因，可能产生其与诸如采矿设备相碰撞或剐蹭的现象，损坏设备，无法继续工作。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提出了一种悬臂式掘进机自动导航和定位截割的方法和系统。

本发明实施例提供了一种机械臂式测量机器人装置，所述机械臂式测量机器人装置包括：自动整平全站仪、防护机构、俯仰调整机构、航向调整机构、竖向转动机构、控制器、安装基座、移动端；

所述自动整平全站仪包括：全站仪、下置找平机构、玻璃罩；

所述全站仪是一种集自动目标搜索、自动识别、自动照准、自动测角测距、自动目标跟踪、自动计算、自动存储于一体的测量平台，所述全站仪为带陀螺寻北仪的陀螺全站仪或不带陀螺寻北仪的陀螺全站仪；

所述下置找平机构是由三根脚螺旋构成，所述下置找平机构为所述全站仪的自动调平机构，用于为所述全站仪提供水平基准；

所述玻璃罩为容纳所述全站仪和所述下置找平机构的长方体形状机构，用于防止全站仪和找平机构受到水和粉尘的影响；

所述玻璃罩设置有俯仰倾角传感器和横滚倾角传感器，所述俯仰倾角传感器和所述横滚倾角传感器，用于精确感知所述玻璃罩的俯仰角度和横滚角度；

所述防护机构设置于所述玻璃罩外部，其外形包括：长方体、龟壳体或者不规则体，且可全面防护机械臂式测量机器人的本体，所述防护机构用于保护所述机械臂式测量机器人的本体在闲置不工作时不受粉尘和水影响；

所述防护机构配置有自动吹风系统，在所述机械臂式测量机器人使用前，打开所述防护机构，在所述机械臂式测量机器人工作完成后，通过所述自动吹风系统把所述防护机构合缝处的粉尘、杂物吹扫干净，之后关闭所述防护机构；

所述俯仰调整机构为所述机械臂式测量机器人在俯仰方向做伸缩运动的机械臂；

所述俯仰调整机构的俯仰角度设置为-90°～90°之间任意俯仰角度值，保证全站仪俯仰方向上移动到指定位置，其中，所述全站仪在水平线之上的为仰角，符号为正，0°～90°，90°时为垂直向上，所述全站仪在水平角之下的为俯角，符号为负，-90°～0°，-90°时为垂直向下；

所述俯仰调整机构配置有障碍检测传感器，所述障碍检测传感器用于检测所述俯仰调整机构伸缩过程中的障碍，当所述俯仰调整机构伸缩过程中遇到障碍时，进行急停保护并报警提示；

所述俯仰调整机构还配置有限位传感器，所述限位传感器用于所述机械臂式测量机器人在俯仰方向上到达预定位置；

所述俯仰调整机构的动力形式包括：液压驱动或者电力驱动；

所述航向调整机构为所述机械臂式测量机器人在航向方向做伸缩运动的机械臂；

所述航向调整机构配置有障碍检测传感器，所述障碍检测传感器用于检测所述航向调整机构伸缩过程中的障碍，当所述航向调整机构伸缩过程中遇到障碍时，进行急停保护并报警提示；

所述航向调整机构的航向角度设置为0°～360°之间任意方位角度值，保证所述全站仪沿着预定航向方向上移动；

所述航向调整机构还配置有限位传感器，所述限位传感器用于所述机械臂式测量机器人在航向方向上到达预定位置；

所述航向调整机构动力的动力形式包括：液压驱动或者电力驱动；

所述竖向转动机构为驱动所述机械臂式测量机器人绕竖向中心轴转动的机构，用于精准控制所述机械臂式测量机器人的航向角度；

所述控制器中部署了机械臂式测量机器人装置的控制程序，所述控制程序根据预先设置的所述全站仪的俯仰角度和俯仰伸缩长度，以及所述全站仪的航向角度和航向伸缩长度，移动所述全站仪到达预定位置，并全程无人值守控制所述机械臂式测量机器人；

所述安装基座用于固定所述机械臂式测量机器人装置，所述安装基座适配于各种安装地点或者装备设备上，包括：综采工作面液压支架的托底油缸机构上面、综采工作面压支架两立柱之间、综采工作面线缆槽上、综采工作面装其他备上、掘进工作面集控仓顶部、掘进工作面掘进机尾部、掘进工作面其他装备上；

所述移动端实时监测至少一个所述机械臂式测量机器人装置的运行状态和报警信息，并向所述控制器发送控制指令，基于人机交互方式控制所述机械臂式测量机器人。

可选地，所述俯仰调整机构的障碍检测传感器，和所述航向调整机构的障碍检测传感器，均实时检测各自对应的调整机构在伸缩过程中出现的各种障碍，及时自动干预并启动所述机械臂式测量机器人的急停保护动作，防止发生挤压和碰撞破坏设备或人员；

所述障碍检测传感器包括：压力传感器、接近报警传感器；

所述俯仰调整机构和所述航向调整机构基于各自的压力传感器，当各自的调整机构压力变化较大或者超过压力限值时，则启动所述机械臂式测量机器人的急停保护，停止各自调整机构的伸缩动作并报警提示调整机构伸缩受阻，防止顶坏所述全站仪、设备或人员；

所述俯仰调整机构和所述航向调整机构基于各自的接近报警传感器，当有人员或者设备接近时，则启动所述机械臂式测量机器人的急停保护并声光报警，停止各自调整机构的伸缩动作并报警提示人员或者设备接近，防止所述机械臂式测量机器人与设备或人员发生碰撞，其中，所述接近报警传感器包括：红外摄影仪、超声波、视频AI、UWB、激光测距仪、激光雷达。

可选地，在承重满足要求且所述全站仪不会横滚方向翻滚的情况下，使用单个所述俯仰调整机构和单个所述航向调整机构；

在承重不满足要求，或者所述全站仪会横滚方向翻滚的情况下，所述俯仰调整机构使用至少两个同步俯仰机构，且所述航向调整机构使用至少两个航向机构，以防止出现超重和横滚方向翻滚问题。

可选地，所述机械臂式测量机器人包括三种状态：初始闲置状态、工作状态、急停状态；

所述初始闲置状态为所述全站仪处于不工作的闲置状态；

所述工作状态为所述全站仪到达预定工作位置的正常工作状态；

所述急停状态为所述俯仰调整机构或者所述航向调整机构在伸缩过程中遇到障碍的状态，该状态下需要人工干预排除问题；

其中，所述机械臂式测量机器人启动开始工作后，从初始闲置状态到所述工作状态，所述机械臂式测量机器人完成工作后，从所述工作状态回到所述初始闲置状态。

可选地，基于预设的俯仰角和航向角，所述机械臂式测量机器人从初始位置出发，在所述俯仰调整机构和所述航向调整机构多个自由度上进行伸缩动作，将所述全站仪移动到预定工作位置；

所述全站仪自动调平完成测量工作后，所述机械臂式测量机器人从工作位置出发，在所述俯仰调整机构和所述航向调整机构多个自由度上进行反序和反向伸缩动作，将所述全站仪移动到所述初始位置。

可选地，所述机械臂式测量机器人基于所述预设的俯仰角和航向角，进行俯仰伸缩动作和航向伸缩动作有两个顺序：先俯仰伸缩动作后航向伸缩动作，或者先航向伸缩动作后俯仰伸缩动作；

从所述初始闲置状态到所述工作状态时，若所述俯仰调整机构先进行所述俯仰伸缩动作，所述航向调整机构后进行所述航向伸缩动作，则从所述工作状态到所述初始闲置状态时，所述航向调整机构先进行所述航向伸缩动作，所述俯仰调整机构后进行俯仰伸缩动作，以保证所述全站仪运动轨迹的重复性，保障所述全站仪的通过性；

从所述初始闲置状态到所述工作状态时，若所述航向调整机构先进行所述航向伸缩动作，所述俯仰调整机构后进行所述俯仰伸缩动作，则从所述工作状态到所述初始闲置状态时，所述俯仰调整机构先进行所述俯仰伸缩动作，所述航向调整机构后进行所述航向伸缩动作，以保证所述全站仪运动轨迹的重复性，保障所述全站仪的通过性。

可选地，所述机械臂式测量机器人基于所述预设的俯仰角和航向角，在俯仰和航向多个自由度上伸和缩动作；

从所述初始闲置状态到所述工作状态时，若所述俯仰调整机构或者所述航向调整机构进行伸动作，则从所述工作状态到所述初始闲置状态时，所述航向调整机构或者所述俯仰调整机构进行缩动作，以保证上述全站仪运动轨迹的重复性，保障所述全站仪的通过性；

从所述初始闲置状态到所述工作状态时，若所述俯仰调整机构或者所述航向调整机构进行缩动作，则从所述工作状态到所述初始闲置状态时，所述航向调整机构或者所述俯仰调整机构进行伸动作，以保证所述全站仪运动轨迹的重复性，保障所述全站仪的通过性。

可选地，当所述机械臂式测量机器人的本体到达所述预定位置后，若所述玻璃罩的俯仰角度和横滚角度超出所述预设角度范围，则无法启动所述全站仪自动找平，同时报警提示所述玻璃罩的俯仰角度或者横滚角度超限；

当所述玻璃罩的俯仰角度和横滚角度在预设角度范围内，所述全站仪才能启动工作，若所述玻璃罩的俯仰角度和横滚角度超出所述预设角度范围，受所述玻璃罩腔体的长宽高空间限制，所述全站仪会超出调平范围，无法自动调平；

在所述全站仪处于正常工作过程中，实时监测所述玻璃罩的俯仰角度和横滚角度，若所述玻璃罩的俯仰角度和横滚角度超出所述预设角度范围，所述机械臂式测量机器人紧急停止工作，并报警提示所述玻璃罩的俯仰角度或者横滚角度超限。

可选地，所述玻璃罩内部的腔体空间预留预设的高度和宽度，满足所述全站仪在所述玻璃罩内纵向绕纵轴360度自由旋转，且观测目镜360度自由旋转的需求，且保证所述全站仪自动调平后，在最大俯仰角度和横滚角度范围内的自由活动；

所述全站仪的顶部居中安装普通棱镜或者360度棱镜，方便所述全站仪的本身位置作为其他全站仪的前视目标点或者后视控制点。

第二方面，本发明实施例替提供一种应用第一方面任一所述的机械臂式测量机器人装置的方法，所述方法以从初始状态到工作状态执行俯仰调整机构伸、航向调整机构伸动作为例，包括：

所述机械臂式测量机器人从所述初始闲置状态启动后，执行俯仰调整机构伸动作，所述俯仰调整机构的障碍检测传感器实时检测所述俯仰调整机构伸是否有障碍，且所述俯仰调整机构的限位传感器实时检测所述俯仰调整机构伸是否到位；

若所述俯仰调整机构无障碍且未到位，则所述俯仰调整机构继续伸，直到所述俯仰调整机构到达预设限位位置，若所述俯仰调整机构伸过程中检测到障碍，急停所述俯仰调整机构伸动作，并提示俯仰调整机构伸报警，进入所述急停状态；

所述机械臂式测量机器人完成所述俯仰调整机构伸动作后，执行航向调整机构伸动作，所述航向调整机构的障碍检测传感器实时检测所述航向调整机构伸是否有障碍，所述航向调整机构的限位传感器实时检测所述航向调整机构伸是否到位；

若所述航向调整机构无障碍且未到位，则所述航向调整机构继续伸，直到所述航向调整机构到达预设限位位置，若所述航向调整机构伸过程中检测到障碍，急停所述航向调整机构伸动作，并提示航向调整机构伸报警，进入所述急停状态；

所述机械臂式测量机器人完成所述航向调整机构伸动作后，判断所述玻璃罩的俯仰角度和横滚角度是否超限；

若超限，则所述机械臂式测量机器人急停保护，报警提示所述玻璃罩的俯仰角度或者横滚角度超限，若不超限，则打开所述防护机构；

打开所述防护机构后，所述全站仪自动调平并进入所述正常工作状态；

所述全站仪正常工作过程中，实时检测所述玻璃罩的俯仰角度和横滚角度是否超限；

若超限，则所述机械臂式测量机器人急停保护，报警提示所述玻璃罩的俯仰角度或者横滚角度超限；

所述全站仪工作完成后，所述自动吹风系统清洁所述防护机构的合缝处，并关闭所述防护机构；

关闭所述防护机构后，所述机械臂式测量机器人执行航向调整机构缩动作，所述航向调整机构的障碍检测传感器实时检测所述航向调整机构缩是否有障碍，且所述航向调整机构的限位传感器实时检测所述航向调整机构缩是否到位；

若所述航向调整机构无障碍且未到位，则所述航向调整机构继续缩，直到所述航向调整机构到达预设限位位置，若所述航向调整机构缩过程中检测到障碍，急停所述航向调整机构缩动作，并提示航向调整机构缩报警，进入急停状态；

所述机械臂式测量机器人完成所述航向调整机构缩动作后，执行俯仰调整机构缩动作，所述俯仰调整机构的障碍检测传感器实时检测所述俯仰调整机构缩是否有障碍，且所述俯仰调整机构的限位传感器实时检测所述俯仰调整机构缩是否到位；

若所述俯仰调整机构无障碍且未到位，则所述俯仰调整机构继续缩，直到所述俯仰调整机构到达预设限位位置，若所述俯仰调整机构缩过程中检测到障碍，急停所述俯仰调整机构缩动作，并提示俯仰调整机构缩报警，进入急停状态；

所述机械臂式测量机器人完成所述俯仰调整机构缩动作后，进入所述初始闲置状态。

本发明提供的机械臂式测量机器人装置，适用于煤矿，也适用于非煤矿山。以矿井日常工作的全站仪作为测量工具，毫米级可靠的高精度测量，保证了工作面定位的精度。随着工作面的动态推进过程，本发明的机械臂式测量机器人装置可以实时动态测量工作面目标点三维大地坐标。

另外，机械臂式测量机器人装置设置了障碍检测传感器、限位传感器，并具有急停保护功能，保证了人员和设备的安全。本发明的机械臂式测量机器人装置不但适用于中厚煤层和厚煤层工作面，同时可自由伸缩，也适用于极薄煤层、薄煤层等各种开采环境，具有极好的实用性。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1是本发明实施例示例性的示出机械臂式测量机器人本体的结构图；

图2是本发明实施例中最大俯仰角度和横滚角度范围示意图；

图3是本发明实施例中以从初始状态到工作状态执行俯仰调整机构伸、航向调整机构伸动作为例的工作流程图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，并不用于限定本发明。

本发明实施例的机械臂式测量机器人装置包括：自动整平全站仪、防护机构、俯仰调整机构、航向调整机构、竖向转动机构、控制器、安装基座、移动端。其中，自动整平全站仪组成机械臂式测量机器人的本体。

自动整平全站仪包括：全站仪、下置找平机构、玻璃罩；另外，为了更加精准的测定三维大地坐标，还可以在全站仪的顶部居中安装普通棱镜或者360度棱镜，方便全站仪的本身位置作为其他全站仪的前视目标点或者后视控制点。如图1示例性的示出机械臂式测量机器人本体的结构图，其包括全站仪、下置找平机构、玻璃罩，外加一个防护机构和一个棱镜。

本发明实施例，全站仪是一种集自动目标搜索、自动识别、自动照准、自动测角测距、自动目标跟踪、自动计算、自动存储于一体的测量平台，全站仪为带陀螺寻北仪的陀螺全站仪或不带陀螺寻北仪的陀螺全站仪。下置找平机构是由三根脚螺旋构成，下置找平机构为全站仪的自动调平机构用于为全站仪提供水平基准。

玻璃罩为容纳全站仪和下置找平机构的长方体形状机构，用于防止全站仪和找平机构受到水和粉尘的影响；玻璃罩设置有俯仰倾角传感器和横滚倾角传感器(图1中未示出)，俯仰倾角传感器和横滚倾角传感器用于精确感知玻璃罩的俯仰角度和横滚角度。

玻璃罩是全封闭的，其俯仰角度和横滚角度在预设角度范围内，全站仪才能启动工作。因为玻璃罩的俯仰角度和横滚角度超出预设角度范围，受玻璃罩腔体的长宽高空间限制，超出调平范围，无法自动调平。

测量机器人本体到达预定位置后，如果玻璃罩的俯仰角度和横滚角度超出预设角度范围，则无法启动全站仪自动找平，并报警提示玻璃罩的俯仰角度或者横滚角度超限。

在全站仪正常工作过程中，同时实时监测玻璃罩的俯仰角度和横滚角度，如果任何一个角度超出预设角度范围，机械臂式测量机器人紧急停止工作，并报警提示玻璃罩的俯仰角度或者横滚角度超限。

可以理解的是，玻璃罩内部的腔体空间预留预设的高度和宽度，满足全站仪在玻璃罩内纵向绕纵轴360度自由旋转，且观测目镜360度自由旋转的需求，同时还需保证全站仪自动调平后，在最大俯仰角度和横滚角度范围内的自由活动。如图2所示的最大俯仰角度和横滚角度范围示意图，其中A表示最大俯仰角度和横滚角度范围。

防护机构设置于玻璃罩外部，其外形包括：长方体、龟壳体或者不规则体，只要可以全面防护机械臂式测量机器人的本体即可，防护机构用于保护机械臂式测量机器人的本体在闲置不工作时不受粉尘和水影响。

防护机构配置有自动吹风系统(图1中未示出)，在机械臂式测量机器人使用前，打开防护机构，在机械臂式测量机器人工作完成后，通过自动吹风系统把防护机构合缝处的粉尘、杂物吹扫干净，之后关闭防护机构。

俯仰调整机构为机械臂式测量机器人在俯仰方向做伸缩运动的机械臂；俯仰调整机构的俯仰角度设置为-90°～90°之间任意俯仰角度值，保证全站仪俯仰方向上移动到指定位置，其中，全站仪在水平线之上的为仰角，符号为正，0°～90°，90°时为垂直向上，全站仪在水平角之下的为俯角，符号为负，-90°～0°，-90°时为垂直向下。

俯仰调整机构配置有障碍检测传感器，障碍检测传感器用于检测俯仰调整机构伸缩过程中的障碍，当俯仰调整机构伸缩过程中遇到障碍时，进行急停保护并报警提示；俯仰调整机构还配置有限位传感器，限位传感器用于机械臂式测量机器人在俯仰方向上到达预定位置；俯仰调整机构的动力形式包括：液压驱动或者电力驱动。

航向调整机构为机械臂式测量机器人在航向方向做伸缩运动的机械臂；航向调整机构配置有障碍检测传感器，障碍检测传感器用于检测航向调整机构伸缩过程中的障碍，当航向调整机构伸缩过程中遇到障碍时，进行急停保护并报警提示。

航向调整机构的航向角度设置为0°～360°之间任意方位角度值，保证全站仪沿着预定航向方向上移动；航向调整机构还配置有限位传感器，限位传感器用于机械臂式测量机器人在航向方向上到达预定位置；航向调整机构动力的动力形式包括：液压驱动或者电力驱动。

竖向转动机构为驱动机械臂式测量机器人绕竖向中心轴转动的机构，用于精准控制机械臂式测量机器人的航向角度，例如，利用步进电机精确控制全站仪航向角度、舵机控制全站仪航向角度至预设的任一固定角度。

控制器中部署了机械臂式测量机器人装置的控制程序，控制程序根据预先设置的全站仪的俯仰角度和俯仰伸缩长度，以及全站仪的航向角度和航向伸缩长度，移动全站仪到达预定位置，并全程无人值守控制机械臂式测量机器人。

安装基座用于固定机械臂式测量机器人装置，安装基座适配于各种安装地点或者装备设备上，包括：综采工作面液压支架的托底油缸机构上面、综采工作面压支架两立柱之间、综采工作面线缆槽上、综采工作面装其他备上、掘进工作面集控仓顶部、掘进工作面掘进机尾部、掘进工作面其他装备上。

移动端实时监测至少一个机械臂式测量机器人装置的运行状态和报警信息，并向控制器发送控制指令，控制器结合控制指令，利用控制程序并基于人机交互方式控制机械臂式测量机器人。

本发明实施例中，俯仰调整机构的障碍检测传感器和航向调整机构的障碍检测传感器，均实时检测各自对应的调整机构在伸缩过程中出现的各种障碍，及时自动干预并启动机械臂式测量机器人的急停保护动作，防止发生挤压和碰撞破坏设备或人员。

其中，障碍检测传感器可以包括：压力传感器、接近报警传感器；俯仰调整机构和航向调整机构基于各自的压力传感器，当各自的调整机构压力变化较大或者超过压力限值时，则启动机械臂式测量机器人的急停保护，停止各自调整机构的伸缩动作并报警提示调整机构伸缩受阻，防止顶坏全站仪、设备或人员。

俯仰调整机构和航向调整机构基于各自的接近报警传感器，当有人员或者设备接近时，则启动机械臂式测量机器人的急停保护并声光报警，停止各自调整机构的伸缩动作并报警提示人员或者设备接近，防止机械臂式测量机器人与设备或人员发生碰撞，其中，接近报警传感器采用的技术可以包括：红外摄影仪、超声波、视频AI、UWB、激光测距仪、激光雷达。

对于俯仰调整机构和航向调整机构，需要考虑到全站仪的重量，以及单个俯仰调整机构、单个航向调整机构横滚方向翻滚问题，如果使用单个俯仰机构调整和航向调整机构，则需要使用承重满足要求且防翻滚的俯仰调整机构和航向调整机构。否则需要使用至少两个同步俯仰机构，且航向调整机构使用至少两个航向机构，以防止出现超重和横滚方向翻滚问题。

对于整个机械臂式测量机器人装置，其包括三种状态：初始闲置状态、工作状态、急停状态。初始闲置状态为全站仪处于不工作的闲置状态；工作状态为全站仪到达预定工作位置的正常工作状态；急停状态为俯仰调整机构或者航向调整机构在伸缩过程中遇到障碍的状态，该状态下需要人工干预排除问题；其中，机械臂式测量机器人启动开始工作后，从初始闲置状态到工作状态，机械臂式测量机器人完成工作后，从工作状态回到初始闲置状态。

在实际的伸缩过程中，基于预设的俯仰角和航向角，机械臂式测量机器人从初始位置出发，在俯仰调整机构和航向调整机构多个自由度上进行伸缩动作，将全站仪移动到预定工作位置；全站仪自动调平完成测量工作后，机械臂式测量机器人从工作位置出发，在俯仰调整机构和航向调整机构多个自由度上进行反序和反向伸缩动作，将全站仪移动到初始位置。具体来讲，可以是如下方法：

机械臂式测量机器人基于预设的俯仰角和航向角，进行俯仰伸缩动作和航向伸缩动作，伸缩动作有两个顺序：先俯仰伸缩动作后航向伸缩动作，或者先航向伸缩动作后俯仰伸缩动作；

从初始闲置状态到工作状态时，若俯仰调整机构先进行俯仰伸缩动作，之后航向调整机构再进行航向伸缩动作，则从工作状态到初始闲置状态时，顺序相反，航向调整机构先进行航向伸缩动作，之后俯仰调整机构再进行俯仰伸缩动作，以保证全站仪运动轨迹的重复性，保障全站仪的通过性。

自然可以理解的是，从初始闲置状态到工作状态时，若航向调整机构先进行航向伸缩动作，之后俯仰调整机构再进行俯仰伸缩动作，则从工作状态到初始闲置状态时，顺序相反，俯仰调整机构先进行俯仰伸缩动作，之后航向调整机构再进行航向伸缩动作，以保证全站仪运动轨迹的重复性，保障全站仪的通过性。

当机械臂式测量机器人的本体到达预定位置后，若玻璃罩的俯仰角度和横滚角度超出预设角度范围，则无法启动全站仪自动找平，同时会报警提示玻璃罩的俯仰角度或者横滚角度超限。这是因为玻璃罩的俯仰角度和横滚角度在预设角度范围内，全站仪才能启动工作，若玻璃罩的俯仰角度和横滚角度超出预设角度范围，受玻璃罩腔体的长宽高空间限制，全站仪会超出调平范围无法自动调平。

而在全站仪处于正常工作过程中，会实时监测玻璃罩的俯仰角度和横滚角度，若出现玻璃罩的俯仰角度和横滚角度超出预设角度范围的情况，机械臂式测量机器人紧急停止工作，并报警提示玻璃罩的俯仰角度或者横滚角度超限。

基于上述机械臂式测量机器人装置，控制器利用控制程序控制机械臂式测量机器人装置，结合图3所示的工作流程图，具体应用机械臂式测量机器人装置的方法以先俯仰伸缩动作后航向伸缩动作为例，其包括：

机械臂式测量机器人从初始闲置状态启动后，执行俯仰调整机构伸动作，俯仰调整机构的障碍检测传感器实时检测俯仰调整机构伸是否有障碍，且俯仰调整机构的限位传感器实时检测俯仰调整机构伸是否到位。

若俯仰调整机构无障碍且未到位，则俯仰调整机构继续伸，直到俯仰调整机构到达预设限位位置，若俯仰调整机构伸过程中检测到障碍，急停俯仰调整机构伸动作，并提示俯仰调整机构伸报警，进入急停状态。

机械臂式测量机器人完成俯仰调整机构伸动作后，执行航向调整机构伸动作，航向调整机构的障碍检测传感器实时检测航向调整机构伸是否有障碍，航向调整机构的限位传感器实时检测航向调整机构伸是否到位。

若航向调整机构无障碍且未到位，则航向调整机构继续伸，直到航向调整机构到达预设限位位置，若航向调整机构伸过程中检测到障碍，急停航向调整机构伸动作，并提示航向调整机构伸报警，进入急停状态。

机械臂式测量机器人完成航向调整机构伸动作后，判断玻璃罩的俯仰角度和横滚角度是否超限；若超限，则机械臂式测量机器人急停保护，报警提示玻璃罩的俯仰角度或者横滚角度超限，若不超限，则打开防护机构。

打开防护机构后，全站仪自动调平并进入正常工作状态；全站仪正常工作过程中，机械臂式测量机器人利用玻璃罩的俯仰倾角传感器和横滚倾角传感器，实时检测玻璃罩的俯仰角度和横滚角度是否超限；若超限，则机械臂式测量机器人急停保护，报警提示玻璃罩的俯仰角度或者横滚角度超限。若不超限，则继续正常工作。

全站仪工作完成后，自动吹风系统清洁防护机构的合缝处，并关闭防护机构。

关闭防护机构后，机械臂式测量机器人先执行航向调整机构缩动作，航向调整机构的障碍检测传感器实时检测航向调整机构缩是否有障碍，且航向调整机构的限位传感器实时检测航向调整机构缩是否到位。

若航向调整机构无障碍且未到位，则航向调整机构继续缩，直到航向调整机构到达预设限位位置，若航向调整机构缩过程中检测到障碍，急停航向调整机构缩动作，并提示航向调整机构缩报警，进入急停状态。

机械臂式测量机器人完成航向调整机构缩动作后，再执行俯仰调整机构缩动作，俯仰调整机构的障碍检测传感器实时检测俯仰调整机构缩是否有障碍，且俯仰调整机构的限位传感器实时检测俯仰调整机构缩是否到位。

若俯仰调整机构无障碍且未到位，则俯仰调整机构继续缩，直到俯仰调整机构到达预设限位位置，若俯仰调整机构缩过程中检测到障碍，急停俯仰调整机构缩动作，并提示俯仰调整机构缩报警，进入急停状态。

机械臂式测量机器人完成俯仰调整机构缩动作后，进入初始闲置状态，整个工作流程结束。

从初始闲置状态到工作状态和从工作状态到初始闲置状态，俯仰调整机构和航向调整机构的动作顺序、伸缩动作组合列表如下：

机械臂式测量机器人基于预设的俯仰角和航向角，在俯仰和航向多个自由度上伸和缩动作；从初始闲置状态到工作状态时，若俯仰调整机构或者航向调整机构进行伸动作，则从工作状态到初始闲置状态时，航向调整机构或者俯仰调整机构进行缩动作，以保证全站仪运动轨迹的重复性，保障全站仪的通过性。

从初始闲置状态到工作状态时，若俯仰调整机构或者航向调整机构进行缩动作，则从工作状态到初始闲置状态时，航向调整机构或者俯仰调整机构进行伸动作，以保证全站仪运动轨迹的重复性，保障全站仪的通过性。结合上表可以知晓，无论哪种情况，某一调整机构从初始闲置状态到工作状态时若先进行伸动作，则从工作状态到初始闲置状态时，其在另一调整机构伸或缩后，再进行缩动作；某一调整机构从初始闲置状态到工作状态时若先缩动作，则从工作状态到初始闲置状态时，其在另一调整机构伸或缩后再进行伸动作。

综合上述机械臂式测量机器人装置的结构及其应用方法，可以知晓，本发明所提机械臂式测量机器人装置既适用于煤矿，也适用于非煤矿山。

综上所述，本发明的机械臂式测量机器人装置，以矿井日常工作的全站仪作为测量工具，毫米级可靠的高精度测量，保证了工作面定位的精度。随着工作面的动态推进过程，本发明的机械臂式测量机器人装置可以实时动态测量工作面目标点三维大地坐标。

另外，机械臂式测量机器人装置设置了障碍检测传感器、限位传感器，并具有急停保护功能，保证了人员和设备的安全。本发明的机械臂式测量机器人装置不但适用于中厚煤层和厚煤层工作面，同时可自由伸缩，也适用于极薄煤层、薄煤层等各种开采环境，具有极好的实用性。

尽管已描述了本发明实施例的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种机械臂式测量机器人装置，其特征在于，所述机械臂式测量机器人装置包括：自动整平全站仪、防护机构、俯仰调整机构、航向调整机构、竖向转动机构、控制器、安装基座、移动端；

所述自动整平全站仪包括：全站仪、下置找平机构、玻璃罩；

所述全站仪是一种集自动目标搜索、自动识别、自动照准、自动测角测距、自动目标跟踪、自动计算、自动存储于一体的测量平台，所述全站仪为带陀螺寻北仪的陀螺全站仪或不带陀螺寻北仪的陀螺全站仪；

所述下置找平机构是由三根脚螺旋构成，所述下置找平机构为所述全站仪的自动调平机构，用于为所述全站仪提供水平基准；

所述玻璃罩为容纳所述全站仪和所述下置找平机构的长方体形状机构，用于防止全站仪和找平机构受到水和粉尘的影响；

所述玻璃罩设置有俯仰倾角传感器和横滚倾角传感器，所述俯仰倾角传感器和所述横滚倾角传感器，用于精确感知所述玻璃罩的俯仰角度和横滚角度；

所述防护机构设置于所述玻璃罩外部，其外形包括：长方体、龟壳体或者不规则体，且可全面防护机械臂式测量机器人的本体，所述防护机构用于保护所述机械臂式测量机器人的本体在闲置不工作时不受粉尘和水影响；

所述防护机构配置有自动吹风系统，在所述机械臂式测量机器人使用前，打开所述防护机构，在所述机械臂式测量机器人工作完成后，通过所述自动吹风系统把所述防护机构合缝处的粉尘、杂物吹扫干净，之后关闭所述防护机构；

所述俯仰调整机构为所述机械臂式测量机器人在俯仰方向做伸缩运动的机械臂；

所述俯仰调整机构的俯仰角度设置为-90°～90°之间任意俯仰角度值，保证全站仪俯仰方向上移动到指定位置，其中，所述全站仪在水平线之上的为仰角，符号为正，0°～90°，90°时为垂直向上，所述全站仪在水平角之下的为俯角，符号为负，-90°～0°，-90°时为垂直向下；

所述俯仰调整机构配置有障碍检测传感器，所述障碍检测传感器用于检测所述俯仰调整机构伸缩过程中的障碍，当所述俯仰调整机构伸缩过程中遇到障碍时，进行急停保护并报警提示；

所述俯仰调整机构还配置有限位传感器，所述限位传感器用于所述机械臂式测量机器人在俯仰方向上到达预定位置；

所述俯仰调整机构的动力形式包括：液压驱动或者电力驱动；

所述航向调整机构为所述机械臂式测量机器人在航向方向做伸缩运动的机械臂；

所述航向调整机构配置有障碍检测传感器，所述障碍检测传感器用于检测所述航向调整机构伸缩过程中的障碍，当所述航向调整机构伸缩过程中遇到障碍时，进行急停保护并报警提示；

所述航向调整机构的航向角度设置为0°～360°之间任意方位角度值，保证所述全站仪沿着预定航向方向上移动；

所述航向调整机构还配置有限位传感器，所述限位传感器用于所述机械臂式测量机器人在航向方向上到达预定位置；

所述航向调整机构动力的动力形式包括：液压驱动或者电力驱动；

所述竖向转动机构为驱动所述机械臂式测量机器人绕竖向中心轴转动的机构，用于精准控制所述机械臂式测量机器人的航向角度；

所述控制器中部署了机械臂式测量机器人装置的控制程序，所述控制程序根据预先设置的所述全站仪的俯仰角度和俯仰伸缩长度，以及所述全站仪的航向角度和航向伸缩长度，移动所述全站仪到达预定位置，并全程无人值守控制所述机械臂式测量机器人；

所述安装基座用于固定所述机械臂式测量机器人装置，所述安装基座适配于各种安装地点或者装备设备上，包括：综采工作面液压支架的托底油缸机构上面、综采工作面压支架两立柱之间、综采工作面线缆槽上、综采工作面装其他备上、掘进工作面集控仓顶部、掘进工作面掘进机尾部、掘进工作面其他装备上；

所述移动端实时监测至少一个所述机械臂式测量机器人装置的运行状态和报警信息，并向所述控制器发送控制指令，基于人机交互方式控制所述机械臂式测量机器人。

2.根据权利要求1所述的机械臂式测量机器人装置，其特征在于，所述俯仰调整机构的障碍检测传感器，和所述航向调整机构的障碍检测传感器，均实时检测各自对应的调整机构在伸缩过程中出现的各种障碍，及时自动干预并启动所述机械臂式测量机器人的急停保护动作，防止发生挤压和碰撞破坏设备或人员；

所述障碍检测传感器包括：压力传感器、接近报警传感器；

所述俯仰调整机构和所述航向调整机构基于各自的压力传感器，当各自的调整机构压力超过压力限值时，则启动所述机械臂式测量机器人的急停保护，停止各自调整机构的伸缩动作并报警提示调整机构伸缩受阻，防止顶坏所述全站仪、设备或人员；

所述俯仰调整机构和所述航向调整机构基于各自的接近报警传感器，当有人员或者设备接近时，则启动所述机械臂式测量机器人的急停保护并声光报警，停止各自调整机构的伸缩动作并报警提示人员或者设备接近，防止所述机械臂式测量机器人与设备或人员发生碰撞，其中，所述接近报警传感器包括：红外摄影仪、超声波、视频AI、UWB、激光测距仪、激光雷达。

3.根据权利要求1所述的机械臂式测量机器人装置，其特征在于，在承重满足要求且所述全站仪不会横滚方向翻滚的情况下，使用单个所述俯仰调整机构和单个所述航向调整机构；

在承重不满足要求，或者所述全站仪会横滚方向翻滚的情况下，所述俯仰调整机构使用至少两个同步俯仰机构，且所述航向调整机构使用至少两个航向机构，以防止出现超重和横滚方向翻滚问题。

4.根据权利要求1所述的机械臂式测量机器人装置，其特征在于，所述机械臂式测量机器人包括三种状态：初始闲置状态、工作状态、急停状态；

所述初始闲置状态为所述全站仪处于不工作的闲置状态；

所述工作状态为所述全站仪到达预定工作位置的正常工作状态；

所述急停状态为所述俯仰调整机构或者所述航向调整机构在伸缩过程中遇到障碍的状态，该状态下需要人工干预排除问题；

其中，所述机械臂式测量机器人启动开始工作后，从初始闲置状态到所述工作状态，所述机械臂式测量机器人完成工作后，从所述工作状态回到所述初始闲置状态。

5.根据权利要求4所述的机械臂式测量机器人装置，其特征在于，基于预设的俯仰角和航向角，所述机械臂式测量机器人从初始位置出发，在所述俯仰调整机构和所述航向调整机构多个自由度上进行伸缩动作，将所述全站仪移动到预定工作位置；

所述全站仪自动调平完成测量工作后，所述机械臂式测量机器人从工作位置出发，在所述俯仰调整机构和所述航向调整机构多个自由度上进行反序和反向伸缩动作，将所述全站仪移动到所述初始位置。

6.根据权利要求5所述的机械臂式测量机器人装置，其特征在于，所述机械臂式测量机器人基于所述预设的俯仰角和航向角，进行俯仰伸缩动作和航向伸缩动作有两个顺序：先俯仰伸缩动作后航向伸缩动作，或者先航向伸缩动作后俯仰伸缩动作；

从所述初始闲置状态到所述工作状态时，若所述俯仰调整机构先进行所述俯仰伸缩动作，所述航向调整机构后进行所述航向伸缩动作，则从所述工作状态到所述初始闲置状态时，所述航向调整机构先进行所述航向伸缩动作，所述俯仰调整机构后进行俯仰伸缩动作，以保证所述全站仪运动轨迹的重复性，保障所述全站仪的通过性；

从所述初始闲置状态到所述工作状态时，若所述航向调整机构先进行所述航向伸缩动作，所述俯仰调整机构后进行所述俯仰伸缩动作，则从所述工作状态到所述初始闲置状态时，所述俯仰调整机构先进行所述俯仰伸缩动作，所述航向调整机构后进行所述航向伸缩动作，以保证所述全站仪运动轨迹的重复性，保障所述全站仪的通过性。

7.根据权利要求6所述的机械臂式测量机器人装置，其特征在于，所述机械臂式测量机器人基于所述预设的俯仰角和航向角，在俯仰和航向多个自由度上伸和缩动作；

从所述初始闲置状态到所述工作状态时，若所述俯仰调整机构或者所述航向调整机构进行伸动作，则从所述工作状态到所述初始闲置状态时，所述航向调整机构或者所述俯仰调整机构进行缩动作，以保证上述全站仪运动轨迹的重复性，保障所述全站仪的通过性；

从所述初始闲置状态到所述工作状态时，若所述俯仰调整机构或者所述航向调整机构进行缩动作，则从所述工作状态到所述初始闲置状态时，所述航向调整机构或者所述俯仰调整机构进行伸动作，以保证所述全站仪运动轨迹的重复性，保障所述全站仪的通过性。

8.根据权利要求1所述的机械臂式测量机器人装置，其特征在于，当所述机械臂式测量机器人的本体到达所述预定位置后，若所述玻璃罩的俯仰角度和横滚角度超出预设角度范围，则无法启动所述全站仪自动找平，同时报警提示所述玻璃罩的俯仰角度或者横滚角度超限；

当所述玻璃罩的俯仰角度和横滚角度在预设角度范围内，所述全站仪才能启动工作，若所述玻璃罩的俯仰角度和横滚角度超出所述预设角度范围，受所述玻璃罩腔体的长宽高空间限制，所述全站仪会超出调平范围，无法自动调平；

在所述全站仪处于正常工作过程中，实时监测所述玻璃罩的俯仰角度和横滚角度，若所述玻璃罩的俯仰角度和横滚角度超出所述预设角度范围，所述机械臂式测量机器人紧急停止工作，并报警提示所述玻璃罩的俯仰角度或者横滚角度超限。

9.根据权利要求1所述的机械臂式测量机器人装置，其特征在于，所述玻璃罩内部的腔体空间预留预设的高度和宽度，满足所述全站仪在所述玻璃罩内纵向绕纵轴360度自由旋转，且观测目镜360度自由旋转的需求，且保证所述全站仪自动调平后，在最大俯仰角度和横滚角度范围内的自由活动；

所述全站仪的顶部居中安装普通棱镜或者360度棱镜，方便所述全站仪的本身位置作为其他全站仪的前视目标点或者后视控制点。

10.一种应用权利要求1-9任一所述的机械臂式测量机器人装置的方法，其特征在于，所述方法以从初始状态到工作状态执行俯仰调整机构伸、航向调整机构伸动作为例，包括：

所述机械臂式测量机器人从初始闲置状态启动后，执行俯仰调整机构伸动作，所述俯仰调整机构的障碍检测传感器实时检测所述俯仰调整机构伸是否有障碍，且所述俯仰调整机构的限位传感器实时检测所述俯仰调整机构伸是否到位；

若所述俯仰调整机构无障碍且未到位，则所述俯仰调整机构继续伸，直到所述俯仰调整机构到达预设限位位置，若所述俯仰调整机构伸过程中检测到障碍，急停所述俯仰调整机构伸动作，并提示俯仰调整机构伸报警，进入急停状态；

所述机械臂式测量机器人完成所述俯仰调整机构伸动作后，执行航向调整机构伸动作，所述航向调整机构的障碍检测传感器实时检测所述航向调整机构伸是否有障碍，所述航向调整机构的限位传感器实时检测所述航向调整机构伸是否到位；

若所述航向调整机构无障碍且未到位，则所述航向调整机构继续伸，直到所述航向调整机构到达预设限位位置，若所述航向调整机构伸过程中检测到障碍，急停所述航向调整机构伸动作，并提示航向调整机构伸报警，进入所述急停状态；

所述机械臂式测量机器人完成所述航向调整机构伸动作后，判断所述玻璃罩的俯仰角度和横滚角度是否超限；

若超限，则所述机械臂式测量机器人急停保护，报警提示所述玻璃罩的俯仰角度或者横滚角度超限，若不超限，则打开所述防护机构；

打开所述防护机构后，所述全站仪自动调平并进入正常工作状态；

所述全站仪正常工作过程中，实时检测所述玻璃罩的俯仰角度和横滚角度是否超限；

若超限，则所述机械臂式测量机器人急停保护，报警提示所述玻璃罩的俯仰角度或者横滚角度超限；

所述全站仪工作完成后，所述自动吹风系统清洁所述防护机构的合缝处，并关闭所述防护机构；

关闭所述防护机构后，所述机械臂式测量机器人执行航向调整机构缩动作，所述航向调整机构的障碍检测传感器实时检测所述航向调整机构缩是否有障碍，且所述航向调整机构的限位传感器实时检测所述航向调整机构缩是否到位；

若所述航向调整机构无障碍且未到位，则所述航向调整机构继续缩，直到所述航向调整机构到达预设限位位置，若所述航向调整机构缩过程中检测到障碍，急停所述航向调整机构缩动作，并提示航向调整机构缩报警，进入急停状态；

所述机械臂式测量机器人完成所述航向调整机构缩动作后，执行俯仰调整机构缩动作，所述俯仰调整机构的障碍检测传感器实时检测所述俯仰调整机构缩是否有障碍，且所述俯仰调整机构的限位传感器实时检测所述俯仰调整机构缩是否到位；

若所述俯仰调整机构无障碍且未到位，则所述俯仰调整机构继续缩，直到所述俯仰调整机构到达预设限位位置，若所述俯仰调整机构缩过程中检测到障碍，急停所述俯仰调整机构缩动作，并提示俯仰调整机构缩报警，进入急停状态；

所述机械臂式测量机器人完成所述俯仰调整机构缩动作后，进入所述初始闲置状态。

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