CN118087339A - 一种路面施工整平机器人及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种路面施工整平机器人及施工方法，包括行走驱动装置、倾斜驱动装置、升降驱动装置、整平组件、循迹检测控制系统、高度检测控制系统和驱动控制系统。其中，倾斜驱动装置和升降驱动装置配合行走驱动装置实现机器人的稳定行走和高度调整，而循迹检测控制系统和高度检测控制系统则通过多传感器数据融合技术，实时监测施工区域的地形变化和材料特性，结合先进的路径规划算法和自适应控制技术，实现自主路径规划、动态高度调整和自适应施工力控制。本技术方案能够显著降低人力成本、提高施工效率和保证施工质量，为路面施工行业带来了重大的技术革新和经济效益。

Description

一种路面施工整平机器人及施工方法

技术领域

本发明涉及一种建筑施工设备，尤其涉及一种路面施工整平机器人及施工方法。

背景技术

在传统的路面施工过程中，通常需要大量的人力和物力投入，操作人员需要根据地形和材料特性不断调整施工设备的参数，以确保路面平整度和施工质量。然而，传统的施工方法存在以下几个主要缺陷：

人力成本高：传统施工过程需要大量的人力参与，包括操作施工设备、调整参数、监控施工质量等，人力成本较高，而且易受人为因素影响，施工质量不稳定。

施工效率低：由于施工过程需要不断调整参数和监控施工质量，导致施工效率较低，尤其是在复杂地形和材料特性变化的情况下，施工效率更是受到严重影响。

施工质量难以保证：传统的施工方法难以及时准确地对地形变化和材料特性进行识别和响应，容易导致路面整平效果不佳，施工质量无法保证。

发明内容

本发明的目的是要提供一种路面施工整平机器人及施工方法。

为达到上述目的，本发明是按照以下技术方案实施的：

本发明路面施工整平机器人包括行走驱动装置、倾斜驱动装置、升降驱动装置、整平组件、循迹检测控制系统、高度检测控制系统和驱动控制系统，所述倾斜驱动装置设置于所述行走驱动装置的后端，所述升降驱动装置设置于所述倾斜驱动装置的驱动端，所述整平组件设置于所述升降驱动装置的下端，所述行走驱动装置、所述倾斜驱动装置、所述升降驱动装置的控制检测端与所述循迹检测控制系统和所述高度检测控制系统连接，所述驱动控制系统的控制信号传输端与所述循迹检测控制系统和所述高度检测控制系统连接。

进一步，所述行走驱动装置包括机器人车体、转向轮、转向驱动机构、驱动轮，所述驱动轮设置于所述机器人车体的后端，所述机器人车体的前端通过所述转向驱动机构与所述转向轮连接，所述机器人车体的后端与所述倾斜驱动装置连接。

进一步，所述倾斜驱动装置包括整平设备安装梁、倾斜驱动液压缸，所述整平设备安装梁的一侧与所述机器人车体的后端上侧转动连接，所述整平设备安装梁的下侧与所述机器人车体的后端下侧通过所述倾斜驱动液压缸连接，所述整平设备安装梁的两端设置所述升降驱动装置。

具体地，所述升降驱动装置为两组，两组所述升降驱动装置分别与所述整平设备安装梁的两端连接，两组所述升降驱动装置均由于径向轴承、升降驱动液压缸、升降杆、传感器组件，所述径向轴承的一侧与所述整平设备安装梁的端部固定连接，所述升降驱动液压缸固定设置于所述径向轴承的另一侧，所述升降杆穿过所述径向轴承并能够滑动，所述升降驱动液压缸的伸缩驱动端与所述升降杆的中段固定连接，所述传感器组件固定设置于所述升降杆的上端，所述整平组件设置于所述升降杆的下端，所述传感器组件与所述循迹检测控制系统、高度检测控制系统通过无线信号连接。

具体地，所述整平组件包括推料板、抹平板，所述推料板固定设置于所述升降杆下端的前侧，所述抹平板固定设置于所述升降杆的下端。

作为改进，所述抹平板的上端固定设置有震动装置。

本发明的有益效果是：

本发明是一种路面施工整平机器人及施工方法，与现有技术相比，本发明具有以下主要技术效果：

降低人力成本：机器人自动化施工过程，减少了对人力的依赖，大大降低了施工过程中的人力成本，提高了施工效率。

提高施工效率：机器人采用先进的路径规划算法和自适应控制技术，能够快速准确地响应地形变化和材料特性变化，大大提高了施工效率，缩短了施工周期。

保证施工质量：机器人通过多传感器数据融合技术实时监测施工区域的地形变化和材料特性，结合深度学习和强化学习技术，能够自适应地调整施工力度，确保路面整平效果达到最佳状态，从而保证了施工质量。

综上所述，我们提出的路面施工整平机器人技术方案具有显著的技术效果，能够为路面施工行业带来重大的技术革新和经济效益。

附图说明

图1是本发明的一侧结构示意图；

图2是本发明的另一侧结构示意图；

图中：机器人车体1、转向轮2、转向驱动机构3、驱动轮4、整平设备安装梁5、倾斜驱动液压缸6、径向轴承7、升降驱动液压缸8、升降杆9、传感器组件10、推料板11、抹平板12、震动装置13。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步描述，在此发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

如图1-2所示：本发明路面施工整平机器人包括行走驱动装置、倾斜驱动装置、升降驱动装置、整平组件、循迹检测控制系统、高度检测控制系统和驱动控制系统，所述倾斜驱动装置设置于所述行走驱动装置的后端，所述升降驱动装置设置于所述倾斜驱动装置的驱动端，所述整平组件设置于所述升降驱动装置的下端，所述行走驱动装置、所述倾斜驱动装置、所述升降驱动装置的控制检测端与所述循迹检测控制系统和所述高度检测控制系统连接，所述驱动控制系统的控制信号传输端与所述循迹检测控制系统和所述高度检测控制系统连接。

进一步，所述行走驱动装置包括机器人车体1、转向轮2、转向驱动机构3、驱动轮4，所述驱动轮4设置于所述机器人车体1的后端，所述机器人车体1的前端通过所述转向驱动机构3与所述转向轮2连接，所述机器人车体1的后端与所述倾斜驱动装置连接。

进一步，所述倾斜驱动装置包括整平设备安装梁5、倾斜驱动液压缸6，所述整平设备安装梁5的一侧与所述机器人车体1的后端上侧转动连接，所述整平设备安装梁5的下侧与所述机器人车体1的后端下侧通过所述倾斜驱动液压缸6连接，所述整平设备安装梁5的两端设置所述升降驱动装置。

具体地，所述升降驱动装置为两组，两组所述升降驱动装置分别与所述整平设备安装梁5的两端连接，两组所述升降驱动装置均由于径向轴承7、升降驱动液压缸8、升降杆9、传感器组件10，所述径向轴承7的一侧与所述整平设备安装梁5的端部固定连接，所述升降驱动液压缸8固定设置于所述径向轴承7的另一侧，所述升降杆9穿过所述径向轴承7并能够滑动，所述升降驱动液压缸8的伸缩驱动端与所述升降杆9的中段固定连接，所述传感器组件10固定设置于所述升降杆9的上端，所述整平组件设置于所述升降杆9的下端，所述传感器组件10与所述循迹检测控制系统、高度检测控制系统通过无线信号连接。

具体地，所述整平组件包括推料板11、抹平板12，所述推料板11固定设置于所述升降杆9下端的前侧，所述抹平板12固定设置于所述升降杆9的下端。

作为改进，所述抹平板12的上端固定设置有震动装置13。

本发明所述的路面施工整平机器人的施工方法，包括以下步骤：

S1：通过循迹检测控制系统实时扫描施工区域，利用路径规划算法，基于地形、障碍物信息，自主规划最优施工路径；路径规划算法具体为：

S11：定义状态S为机器人所处位置及周围环境的特征表示；用表示时间步/>时刻的状态；

S12：定义奖励函数，表示在状态S执行动作/>后所获得的即时奖励，奖励函数的设计用于机器人选择安全、高效的路径；

S13：定义Q值函数，表示在状态S执行动作/>后的长期回报期望，该函数可以通过以下Bellman方程递归定义：

其中：表示在状态S执行动作/>后的即时奖励的期望；γ是折扣因子，用于平衡即时奖励和未来回报的重要性；

是执行动作/>后的下一个状态；

表示在下一个状态/>选择最优动作后的最大Q值；

S14：采用深度卷积神经网络近似Q值函数，将状态作为输入，网络输出每个动作的Q值，即/>的估计值；网络参数用/>表示；

S15：通过训练，优化网络参数以最大化累积回报；

S16：在每个时间步，机器人根据当前状态和训练好的深度Q网络，选择具有最高Q值的动作作为下一步行动，这样机器人能够动态调整路径以应对施工环境的变化。

S2：高度检测控制系统采集传感器组件10的高度数据，通过高级控制算法实时调整升降驱动液压缸8的伸缩长度，以保持整平组件稳定在目标施工高度；高级控制算法为：

S21：定义状态为传感器组件10的高度数据及其他环境特征的表示；

S22：定义控制目标为使整平组件稳定在目标施工高度；

S23：通过建立高度调整系统的动态模型，预测未来一段时间内整平组件的高度变化，并根据预测结果优化控制输入，使得整平组件在未来时间内趋近于目标高度；

S24：在MPC框架下引入自适应机制，实时调整控制模型参数，以适应地形变化和系统动态特性的变化；

S25：考虑一个离散时间的MPC控制问题，假设时间间隔为，控制时刻/>的状态表示为/>控制输入为/>，预测步长为/>；控制目标为将当前高度/>调整至目标高度/>；

则MPC问题的优化目标可以表示为：

其中表示控制输入序列，k表示预测高度的预测值。

S3：整平组件采用多传感器数据融合，实时监测施工区域的地形变化和材料特性，基于这些数据，机器人通过力控制算法调整推料板11和抹平板12的施工力度，确保路面整平效果达到最佳状态。力控制算法如下式：

其中：奖励函数；/>是目标施工高度；/>是当前施工高度；/>是取绝对值函数；/>是惩罚函数，用于惩罚过大的施工力度，以避免损坏路面或机器人设备。

本发明的工作原理如下：

驱动控制系统根据循迹检测控制系统、高度检测控制系统检测检测机器人的施工轨迹、施工高度的数据，从而发送信号至机器人车体1控制驱动轮4、转向驱动机构3、转向轮2的行走，按照规划的路径进行施工，同时高度检测控制系统实时检测传感器组件10的高度，施工路面都是不平整的，通过升降驱动液压缸8驱动升降杆9的升降，使抹平板12和推料板11始终稳定在一个平面，当机器人车体1向上运动时，升降驱动液压缸8控制升降杆9向下运动，当机器人车体1向下运动时，升降驱动液压缸8控制升降杆9向上运动，从而使抹平板12和震动装置13始终保持在相同的平面，使路面施工平整，提高工作效率。震动装置13通过实时振动监测传感器采集路面振动数据，利用反馈控制算法实时调整震动频率和幅度，以补偿机器人行走过程中的振动影响，确保整平效果更加平滑。

实施例：

本发明机器人的自动施工过程：

1. 初始化：启动路面施工整平机器人，并确保所有传感器和执行器都正常工作。初始化循迹检测控制系统、高度检测控制系统和驱动控制系统。

2. 自主路径规划：机器人通过循迹检测控制系统实时扫描施工区域，获取地形数据。利用深度学习路径规划算法，在施工区域内规划最优路径。

3. 动态高度调整：高度检测控制系统采集传感器组件的高度数据。利用自适应PID控制算法，根据当前高度和目标高度实时调整升降驱动液压缸的伸缩长度，以保持整平组件稳定在目标施工高度。

4. 自适应施工力控制：整平组件通过多传感器数据融合技术实时监测施工区域的地形变化和材料特性。基于这些数据，机器人通过深度强化学习力控制算法调整推料板和抹平板的施工力度，确保路面整平效果达到最佳状态。

5. 施工过程：机器人沿着规划好的最优路径移动，同时根据地形变化和材料特性实时调整施工力度和施工高度。推料板和抹平板根据力控制算法的指导进行施工，确保路面平整。

6. 结束：施工完成后，机器人返回起始点，完成施工任务。关闭机器人及相关系统，完成整个施工过程。

本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种路面施工整平机器人，其特征在于：包括行走驱动装置、倾斜驱动装置、升降驱动装置、整平组件、循迹检测控制系统、高度检测控制系统和驱动控制系统，所述倾斜驱动装置设置于所述行走驱动装置的后端，所述升降驱动装置设置于所述倾斜驱动装置的驱动端，所述整平组件设置于所述升降驱动装置的下端，所述行走驱动装置、所述倾斜驱动装置、所述升降驱动装置的控制检测端与所述循迹检测控制系统和所述高度检测控制系统连接，所述驱动控制系统的控制信号传输端与所述循迹检测控制系统和所述高度检测控制系统连接。

2.根据权利要求1所述的路面施工整平机器人，其特征在于：所述行走驱动装置包括机器人车体（1）、转向轮（2）、转向驱动机构（3）、驱动轮（4），所述驱动轮（4）设置于所述机器人车体（1）的后端，所述机器人车体（1）的前端通过所述转向驱动机构（3）与所述转向轮（2）连接，所述机器人车体（1）的后端与所述倾斜驱动装置连接。

3.根据权利要求2所述的路面施工整平机器人，其特征在于：所述倾斜驱动装置包括整平设备安装梁（5）、倾斜驱动液压缸（6），所述整平设备安装梁（5）的一侧与所述机器人车体（1）的后端上侧转动连接，所述整平设备安装梁（5）的下侧与所述机器人车体（1）的后端下侧通过所述倾斜驱动液压缸（6）连接，所述整平设备安装梁（5）的两端设置所述升降驱动装置。

4.根据权利要求3所述的路面施工整平机器人，其特征在于：所述升降驱动装置为两组，两组所述升降驱动装置分别与所述整平设备安装梁（5）的两端连接，两组所述升降驱动装置均由于径向轴承（7）、升降驱动液压缸（8）、升降杆（9）、传感器组件（10），所述径向轴承（7）的一侧与所述整平设备安装梁（5）的端部固定连接，所述升降驱动液压缸（8）固定设置于所述径向轴承（7）的另一侧，所述升降杆（9）穿过所述径向轴承（7）并能够滑动，所述升降驱动液压缸（8）的伸缩驱动端与所述升降杆（9）的中段固定连接，所述传感器组件（10）固定设置于所述升降杆（9）的上端，所述整平组件设置于所述升降杆（9）的下端，所述传感器组件（10）与所述循迹检测控制系统、高度检测控制系统通过无线信号连接。

5.根据权利要求4所述的路面施工整平机器人，其特征在于：所述整平组件包括推料板（11）、抹平板（12），所述推料板（11）固定设置于所述升降杆（9）下端的前侧，所述抹平板（12）固定设置于所述升降杆（9）的下端。

6.根据权利要求5所述的路面施工整平机器人，其特征在于：所述抹平板（12）的上端固定设置有震动装置（13）。

7.一种如权利要求1所述的路面施工整平机器人的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：通过循迹检测控制系统实时扫描施工区域，利用路径规划算法，基于地形、障碍物信息，自主规划最优施工路径；

S2：高度检测控制系统采集传感器组件（10）的高度数据，通过高级控制算法实时调整升降驱动液压缸（8）的伸缩长度，以保持整平组件稳定在目标施工高度；

S3：整平组件采用多传感器数据融合，实时监测施工区域的地形变化和材料特性，基于这些数据，机器人通过力控制算法调整推料板（11）和抹平板（12）的施工力度，确保路面整平效果达到最佳状态。

8.根据权利要求7所述的路面施工整平机器人的施工方法，其特征在于：所述步骤S1路径规划算法具体为：

S11：定义状态为机器人所处位置及周围环境的特征表示；用/>表示时间步/>时刻的状态；

S12：定义奖励函数，表示在状态/>执行动作/>后所获得的即时奖励，奖励函数的设计用于机器人选择安全、高效的路径；

S13：定义Q值函数，表示在状态/>执行动作/>后的长期回报期望，该函数通过以下Bellman方程递归定义：

其中：表示在状态/>执行动作/>后的即时奖励的期望；γ是折扣因子，用于平衡即时奖励和未来回报的重要性；

是执行动作/>后的下一个状态；

表示在下一个状态/>选择最优动作后的最大Q值；

S14：采用深度卷积神经网络近似Q值函数，将状态作为输入，网络输出每个动作的Q值，即/>的估计值；网络参数用/>表示；

S15：通过训练，优化网络参数以最大化累积回报；

S16：在每个时间步，机器人根据当前状态和训练好的深度Q网络，选择具有最高Q值的动作作为下一步行动，这样机器人能够动态调整路径以应对施工环境的变化。

9.根据权利要求8所述的路面施工整平机器人的施工方法，其特征在于：所述步骤S2中高级控制算法为：

S21：定义状态为传感器组件（10）的高度数据及其他环境特征的表示；

S22：定义控制目标为使整平组件稳定在目标施工高度；

S23：通过建立高度调整系统的动态模型，预测未来一段时间内整平组件的高度变化，并根据预测结果优化控制输入，使得整平组件在未来时间内趋近于目标高度；

S24：在MPC框架下引入自适应机制，实时调整控制模型参数，以适应地形变化和系统动态特性的变化；

S25：考虑一个离散时间的MPC控制问题，假设时间间隔为，控制时刻/>的状态表示为控制输入为/>，预测步长为/>；控制目标为将当前高度/>调整至目标高度/>；

则MPC问题的优化目标表示为：

其中表示控制输入序列，k表示预测高度的预测值。

10.根据权利要求9所述的路面施工整平机器人的施工方法，其特征在于：所述步骤S3的力控制算法如下式：

其中：奖励函数；/>是目标施工高度；/>是当前施工高度；/>是取绝对值函数；/>是惩罚函数，用于惩罚过大的施工力度，以避免损坏路面或机器人设备。