CN116300963A - 人机协作地板铺贴机器人的运动控制与检测方法及机器人 - Google Patents

人机协作地板铺贴机器人的运动控制与检测方法及机器人 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种人机协作地板铺贴机器人的运动控制与检测方法及机器人，包括运动检测与控制以及人机交互地板铺贴视觉检测，其中运动检测与控制具体为：机器人收到期望电机转速后启动；读取电机转速以及机器人的航向角角度，进行双闭环PID控制；人机交互地板铺贴视觉检测具体为：采用相机采集视频流数据；利用深度学习模型对视频流数据进行推理并进行结果判断，通过图像边缘检测判断瓷砖铺贴的平整度与直线度，若推理结果持续若干秒则判定瓷砖已经贴好，机器人移动到下一个点位。与现有技术相比，本发明采用人机协作的方式，联合智能控制，使施工更加便捷，成本更低，在提高工作效率的同时，保证了地板铺贴的质量和精度。

Description

人机协作地板铺贴机器人的运动控制与检测方法及机器人
技术领域
本发明涉及地板铺贴自动化设备技术领域，尤其是涉及一种人机协作地板铺贴机器人的运动控制与检测方法。
背景技术
近年来，房地产企业在智慧工地、装配式建筑、智能建造等领域进行了不少探索和实践，建筑施工走向自动化，智能化。其中地板铺贴机器人研发可以说倍受关注。目前，地板瓷砖铺贴过程中的工艺流程大多靠铺贴师傅现场完成，受环境、手艺等因素影响较大。随着地板铺贴机器人的出现，标准化铺贴成为可能，这或许能减少因人为因素导致的空鼓、开裂、脱落等问题。
传统地板铺设方式需要大量人工投入，耗时耗力，且杂乱摆放的辅助工具使施工现场杂乱无章，难以做到成品保护，并且工人安装经验与安装方式有差异，无法确保工程质量。在对地板进行铺贴的过程中，相关技术中不能很好地保证机器人标准化直线地板铺贴，能力有限，对应用环境的适应性很差。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种人机协作地板铺贴机器人的运动控制与检测方法及机器人。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
作为本发明的第一方面，提供一种人机协作地板铺贴机器人的运动控制与检测方法，所述方法包括运动检测与控制以及人机交互地板铺贴视觉检测，其中
所述运动检测与控制具体包括：机器人收到期望电机转速后启动；读取电机转速以及机器人的航向角角度，进行双闭环PID控制，输出控制信号到执行器进行运动控制；
所述人机交互地板铺贴视觉检测具体包括：机器人进行作业时，采用相机采集视频流数据；利用深度学习模型对视频流数据进行推理并进行结果判断，若推理结果持续若干秒则判定瓷砖已经贴好，机器人移动到下一个点位。
进一步的，所述航向角角度通过陀螺仪测得；所述电机转速通过光电编码器读取。
进一步的，所述光电编码器把轮子的转速转换成差个相位的两路可测频率的方波，通过读取方波的个数测速。
进一步的，所述机器人对电机转速以及机器人的航向角角度，进行双闭环PID控制，具体步骤包括：
设定期望输出角度，读取陀螺仪观测值，得到角度误差e，控制器依据控制方案进行PID控制，输出电机转速；
控制器收到了期望电机转速，并通过光电编码器读取电机实际转速，控制器进行PID控制，使得左右轮电机产生速度变化，实现差速。
进一步的，所述深度学习模型包括以下四个步骤：
针对目标检测场景进行voc数据集制作，使用labelimg工具完成数据标注工作，将标注好的数据根据voc的格式进行数据处理；
选择目标检测模型和关键点检测模型，设置相应的模型参数，进行模型训练，评估模型的精确度，损失函数以及速度；
进行模型的数据量化，模型框架量化以及后量化；测试模型量化前后的精准度丢失情况；
使用ncnn完成模型的上板，并评估模型上板后最大最小和平均推理时间，得到模型运行的实时帧率。
进一步的，所述地板铺贴视觉检测还用于通过相机采集图像数据并采用LSD算法对图像进行分析，检测图像中瓷砖铺贴的直线度和平整度。
进一步的，所述地板铺贴直线度与平整度的检测步骤包括：
利用相机采集图像数据；
通过LSD算法通过对图像局部分析，得出直线的像素点集，再通过假设参数进行验证求解，将像素点集合与误差控制集合合并，进而自适应控制误检的数量；
LSD算法利用梯度信息和行列线进行直线检测和边缘检测，评估地板铺贴的直线度和平整度。
进一步的，所述机器人还设置有液位传感装置，所述方法基于液位传感装置检测数据进行如下控制：
当液位传感装置检测到储料箱中水泥量过少的时候，机器人停止工作，同时进行报警提醒用户加料；
当液位降到最低位处于没料状态时，液位传感装置则立即给出信号提示，机器人接收到信号后立即报警；
当用户将储料箱加满水泥后，液位传感装置检测到此时储料箱处于有料状态给出信号后，机器人恢复工作。
进一步的，所述液位传感装置输出信号为高低电平，设置有料状态输出低电平，无料状态输出高电平。
作为本发明的第二方面，提供一种应用如上所述一种人机协作地板铺贴机器人的运动控制与检测方法的铺贴机器人，其特征在于，所述机器人包括：车轮、控制器、储料箱、电机以及
运动检测与控制系统，包括用于检测航向角角度的陀螺仪、用于检测电机转速的光电编码器；
人机交互地板铺贴视觉检测系统，包括通过固定夹具进行固定的RGB相机；
液位传感装置，设置于储料箱，包括光电式液位传感器。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明设计了人机交互地板铺贴视觉检测系统，通过相机检测特定手势来判断铺贴是否完成，实现人机交互，并通过LSD算法检测地板铺贴的直线度和平整度，进行反馈，能够大幅提升工作效率，保证施工质量。
本发明提出的技术方案，应用陀螺仪与光电编码器，进行电机转速与机器人直线行驶的角度双闭环PID控制算法，从而更好地实现铺贴机器人的直线行走控制。
本发明还提供液位传感装置，对储料箱内状态进行监控报警，优化的作业过程的流畅性和可靠性。
本发明不仅保证了瓷砖铺设的质量和精度，也使得地板铺贴整体系统工作的灵活性和稳定性得到大幅提高。另外，人机协作的工作形式，还可以成为智慧建造的辅助工具，便于实时监测施工进度、工程量等，从而进行系统化管理。
附图说明
图1为本发明的机械结构示意图；
图2为本发明的软件系统流程图；
图中标记所示：1、陀螺仪，2、光电编码器，3、车轮，4、RGB相机，5、电源，6、车规级控制器，7、相机固定夹具，8、瓷砖，9、光电式液位传感器，10、蜂鸣器，11、储料箱，12、电机，13、、机器支架，14、可伸缩弹簧。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
如图1所示，作为本发明的其中一个实施例，提供一种人机协作地板铺贴机器人的运动控制与检测方法，该方法包括基于陀螺仪及控制算法的直线运动检测与控制以及人机交互地板铺贴视觉检测，主要步骤如下：
S1、机器人控制器收到了期望电机转速启动；
S2、陀螺仪随即测得航向角角度；
S3、光电编码器读取电机此时实际转速；
S4、控制器进行PID控制，并输出控制信号到执行器；
S5、电机转速变化，使得机器人方向保持在可控直线范围内角振荡；
S6、机器人放下瓷砖，工人进行铺设工作，地板铺贴完成后，工人给一个特动手势；
S7、RGB相机捕捉到视频流数据，深度学习模型会输出相应的推理结果，当推理结果持续若干秒则判定瓷砖已经贴好，发送信号给行驶检测系统，施工车移动到下一个点位；
S8、RGB相机捕捉到图像数据，LSD算法利用梯度信息和行列线对图像进行直线检测的，进而检测地板铺贴的直线度和平整度，并反馈检测数据给控制器；
S9、液位传感装置，光电液位传感器在检测到储料箱中水泥量过少的时候，设备停止工作，同时蜂鸣器响起或LED提示灯亮起提醒用户加料；
S10、当用户将储料箱加满水泥后，光电式液位传感器检测到此时储料箱处于有料状态给出信号后，设备恢复工作。
基于陀螺仪及控制算法的直线运动检测与控制，选择六轴传感器MPU6050作为运动处理组件，陀螺仪1传感器用于机器人运动过程中的行驶直线检测与控制。
通过光电编码器2读取电机12实际转速，光电编码器再把轮子3的转速转换成差个相位的两路可测频率的方波，单片机通过读取方波的个数来测速，通过两轮3的差速控制实现直线行走控制。
机器人控制器收到了期望电机转速启动后，陀螺仪1随即测得航向角角度，并通过编码器2读取电机此时实际转速，PID算法检测到行驶方向偏差，迅速调整车轮3转速，使得小车方向保持在可控直线范围内角振荡。
进一步地，步骤S4控制器根据控制方案，对电机转速以及机器人的航向角角度，进行双闭环PID控制，可以实现稳定的直线行驶，其直线行驶控制原理及策略如下：
1、设定期望输出角度，直线行驶即为0度，读取陀螺仪观测值，得到角度误差e，控制器进行PID控制，依据控制方案，对电机的转速进行控制，输出电机转速。
2、控制器收到了期望电机转速，并通过光电编码器读取电机此时实际转速，控制器进行PID控制，使得左右轮电机产生速度变化，从而实现差速。
3、通过对电机转速的转变，使得机器人发生旋转。
4、该控制方案，对电机转速，机器人航向角角度，进行双闭环PID控制，可以实现稳定的直线行驶。
人机交互地板铺贴视觉检测系统实现控制检测，硬件方面主要利用包括RGB相机4、电源5、车规级控制器6以及相机固定夹具7。RGB相机5选型根据瓷砖8的大小确定，主要涉及参数为相机视场角，分辨率以及相机帧率，相机帧率由模型的flops决定，帧率越高，系统越灵敏。在理解RGB图像视觉原理的基础上，研究相机成像模型和视觉坐标系，通过相机标定实验获取RGB相机5参数。车规级控制器6负责模型的推理和系统的实现，系统基于免费开源的linux系统，cpu不低于双核A72，内存和其他性能需满足基本的算法推理要求。
步骤S7人机交互地板铺贴视觉检测系统软件流程主要是RGB相机4采集视频流数据，控制器6利用深度学习模型对其进行推理并进行结果判断。推理结果持续若干秒则判定瓷砖已经贴好，发送信号给行驶检测系统，施工车移动到下一个点位。
进一步地，步骤S7中的深度学习模型主要包括四个步骤：
1、数据集制作：针对目标检测系统所需场景进行voc数据集制作，主要使用labelimg工具完成数据标注工作，将标注好的数据根据voc的格式进行数据处理。
2、模型训练：选择目标检测模型和关键点检测模型，设置相应的模型参数，使用服务器进行模型训练，评估模型的精确度，损失函数以及速度。
3、模型量化：为了提高模型的推理速度，进行模型的数据量化，模型框架量化以及后量化。量化前后需测试模型的精准度丢失情况。
4、模型上板：使用ncnn完成模型的上板，并评估模型上板后最大最小和平均推理时间，由此得到模型运行的实时帧率。
视觉检测地板铺贴直线度与平整度实现流程主要通过RGB相机4采集图像数据并采用LSD算法对图像进行分析，检测图像中瓷砖8铺贴的直线度和平整度。
进一步地，步骤S8的具体流程主要是RGB相机采集图像数据，LSD算法通过对图像局部分析，得出直线的像素点集，再通过假设参数进行验证求解，将像素点集合与误差控制集合合并，进而自适应控制误检的数量。LSD算法利用梯度信息和行列线进行直线检测和边缘检测，可以有效评估地板铺贴的直线度和平整度，并传递检测数据给控制器6。
液位传感装置，光电液位传感器9在检测到储料箱中水泥量过少的时候，设备停止工作，同时蜂鸣器10响起或LED提示灯亮起提醒用户加料。
利用有液体状态和无液体状态接收到的光线的不同而进行液位检测，当液位降到最低位处于没料状态时，光电式液位传感器则立即给出信号提示，设备接收到信号后立即控制电路实现蜂鸣器报警或LED灯亮起。当用户将储料箱加满水泥后，光电式液位传感器检测到此时储料箱11处于有料状态给出信号后，设备恢复工作。
光电式液位传感器液位的输出只与光电探头是否接触液面(体)有关,与介质的其它特性(温度、压力、密度、电参数)无关,故液面检测准确、重复精度高；响应速度快,液面控制非常精确。
进一步地，步骤S10中的光电式液位传感器输出信号为高低电平，设置有料状态输出低电平，无料状态输出高电平，有效实现缺料提醒。
综上所述，采用本发明提出的技术方案，通过陀螺仪与PID控制算法、人机交互地板铺贴视觉检测系统以及液位传感装置，实现更优化的操作柔顺性和可靠性，进而实现机器人智能化直线运动检测与控制，能够大幅提升施工质量和工作效率。本发明不仅保证了瓷砖铺设的质量和精度，也使得地板铺贴整体系统工作的灵活性和稳定性得到大幅提高。另外，人机协作的工作形式，还可以成为智慧建造的辅助工具，便于实时监测施工进度、工程量等，从而进行系统化管理。
实施例2
如图2所示，作为本发明的另一种实施例，提供一种采用如上实施例所述控制和检测方法的铺贴机器人，该机器人包括基于陀螺仪及控制算法的直线运动检测与控制系统和人机交互地板铺贴视觉检测系统，在机器人的两侧设置有一对履带式车轮(3)，铺贴机器人上固定有机器支架(13)，机器支架(13)的端部通过可伸缩弹簧(14)连接瓷砖铺贴爪进行瓷砖(8)铺贴。机器人上还设置有电源(5)、控制器(6)、储料箱(11)以及电机(12)。储料箱(11)设置有液位传感装置。
铺贴机器人上安装的基于陀螺仪及控制算法的直线运动检测与控制系统，硬件方面主要包括有：用于检测航向角角度的陀螺仪(1)、用于检测电机转速的光电编码器(2)、控制器(6)以及电机(12)。机器人的控制器(6)收到了期望电机(12)转速启动后，陀螺仪(1)随即测得航向角角度，并通过光电编码器(2)读取电机此时实际转速，通过PID算法检测到行驶方向偏差，迅速调整车轮转速，使得小车方向保持在可控直线范围内角振荡。对电机(12)转速，小车航向角角度，进行双闭环PID控制，可以实现稳定的直线行驶。
人机交互地板铺贴视觉检测系统，其硬件方面主要包括：机器人的面向作业区域的一侧通过固定夹具(7)进行固定的RGB相机(4)、电源(5)以及控制器(6)。
人机交互系统视觉检测通过RGB相机(4)采集视频流数据，控制器(6)利用深度学习模型对其进行推理并进行结果判断。推理结果持续若干秒则判定瓷砖(8)已经贴好，发送信号给行驶检测系统，施工车移动到下一个点位。
人机交互系统视觉检测还能检测地板铺贴并且直线度与平整度。通过RGB相机(4)采集图像数据，并采用LSD算法对图像进行分析，检测图像中瓷砖(8)铺贴的直线度和平整度。
液位传感装置采用光电式液位传感器(9)，利用有液体状态和无液体状态接收到的光线的不同而进行水位检测的，将光电式液位传感器(9)用来检测储料箱(11)底部位置液位，当液位降到最低位时，传感器则立即给出信号提示，设备接收到信号后立即控制电路实现蜂鸣器(10)报警或警示灯亮起。当用户将储料箱加满水泥后，光电式液位传感器检测到此时储料箱(11)处于有料状态给出信号后，设备恢复工作。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种人机协作地板铺贴机器人的运动控制与检测方法，其特征在于，所述方法包括运动检测与控制以及人机交互地板铺贴视觉检测，其中
所述运动检测与控制具体包括：机器人收到期望电机转速后启动；读取电机转速以及机器人的航向角角度，进行双闭环PID控制，输出控制信号到执行器进行运动控制；
所述人机交互地板铺贴视觉检测具体包括：机器人进行作业时，采用相机采集视频流数据；利用深度学习模型对视频流数据进行推理并进行结果判断，若推理结果持续若干秒则判定瓷砖已经贴好，机器人移动到下一个点位。
2.根据权利要求1所述的一种人机协作地板铺贴机器人的运动控制与检测方法，其特征在于，所述航向角角度通过陀螺仪测得；所述电机转速通过光电编码器读取。
3.根据权利要求2所述的一种人机协作地板铺贴机器人的运动控制与检测方法，其特征在于，所述光电编码器把轮子的转速转换成差个相位的两路可测频率的方波，通过读取方波的个数测速。
4.根据权利要求2所述的一种人机协作地板铺贴机器人的运动控制与检测方法，其特征在于，所述机器人对电机转速以及机器人的航向角角度，进行双闭环PID控制，具体步骤包括：
设定期望输出角度，读取陀螺仪观测值，得到角度误差e，控制器依据控制方案进行PID控制，输出电机转速；
控制器收到了期望电机转速，并通过光电编码器读取电机实际转速，控制器进行PID控制，使得左右轮电机产生速度变化，实现差速。
5.根据权利要求1所述的一种人机协作地板铺贴机器人的运动控制与检测方法，其特征在于，所述深度学习模型包括以下四个步骤：
针对目标检测场景进行voc数据集制作，使用labelimg工具完成数据标注工作，将标注好的数据根据voc的格式进行数据处理；
选择目标检测模型和关键点检测模型，设置相应的模型参数，进行模型训练，评估模型的精确度，损失函数以及速度；
进行模型的数据量化，模型框架量化以及后量化；测试模型量化前后的精准度丢失情况；
使用ncnn完成模型的上板，并评估模型上板后最大最小和平均推理时间，得到模型运行的实时帧率。
6.根据权利要求1所述的一种人机协作地板铺贴机器人的运动控制与检测方法，其特征在于，所述地板铺贴视觉检测还通过相机采集图像数据并采用LSD算法对图像进行分析，检测图像中瓷砖铺贴的直线度和平整度。
7.根据权利要求6所述的一种人机协作地板铺贴机器人的运动控制与检测方法，其特征在于，所述地板铺贴直线度与平整度的检测步骤包括：
利用相机采集图像数据；
通过LSD算法通过对图像局部分析，得出直线的像素点集，再通过假设参数进行验证求解，将像素点集合与误差控制集合合并，进而自适应控制误检的数量；
LSD算法利用梯度信息和行列线进行直线检测和边缘检测，评估地板铺贴的直线度和平整度。
8.根据权利要求1所述的一种人机协作地板铺贴机器人的运动控制与检测方法，其特征在于，所述机器人还设置有液位传感装置，所述方法基于液位传感装置检测数据进行如下控制：
当液位传感装置检测到储料箱中水泥量过少的时候，机器人停止工作，同时进行报警提醒用户加料；
当液位降到最低位处于没料状态时，液位传感装置则立即给出信号提示，机器人接收到信号后立即报警；
当用户将储料箱加满水泥后，液位传感装置检测到此时储料箱处于有料状态给出信号后，机器人恢复工作。
9.根据权利要求8所述的一种人机协作地板铺贴机器人的运动控制与检测方法，其特征在于，所述液位传感装置输出信号为高低电平，设置有料状态输出低电平，无料状态输出高电平。
10.一种应用如权利要求1-9任一所述一种人机协作地板铺贴机器人的运动控制与检测方法的铺贴机器人，其特征在于，所述机器人包括：车轮(3)、控制器(6)、储料箱(11)、电机(12)以及
运动检测与控制系统，包括用于检测航向角角度的陀螺仪(1)、用于检测电机转速的光电编码器(2)；
人机交互地板铺贴视觉检测系统，包括通过固定夹具(7)进行固定的RGB相机(4)；
液位传感装置，设置于储料箱(11)，包括光电式液位传感器(9)。
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