CN216194996U

CN216194996U - 一种智能挖掘施工机器人

Info

Publication number: CN216194996U
Application number: CN202122304521.4U
Authority: CN
Inventors: 李冰; 何心; 徐武彬; 苏来博; 黄龙; 惠翔禹; 顾同成; 杨宇恒
Original assignee: Guangxi University of Science and Technology
Current assignee: Guangxi University of Science and Technology
Priority date: 2021-09-23
Filing date: 2021-09-23
Publication date: 2022-04-05
Anticipated expiration: 2031-09-23

Abstract

本实用新型公开了一种智能挖掘施工机器人，属于土方工程机械技术领域，其包括电液挖掘机、挖掘机姿态测量单元、远程通信与定位单元、控制单元；挖掘机姿态测量单元安装在电液挖掘机上，与控制单元连接；远程通信与定位单元安装在电液挖掘机上，与控制单元连接；控制单元安装在电液挖掘机上，用于接收远程控制台的控制指令以及挖掘机姿态测量单元的监测与测量结果控制电液挖掘机的自主行走与自主作业。本实用新型提供的一种智能挖掘施工机器人，体积小，重量较轻，可以在实验室室内环境下进行智能施工算法实验，使用其进行前期算法验证，降低研发人员和工程师的工作强度，提高研发效率，降低研发成本。

Description

一种智能挖掘施工机器人

技术领域

本实用新型属于土方工程机械技术领域，具体涉及一种智能挖掘施工机器人。

背景技术

目前，沈阳的东北大学研发了一款小型挖掘机器人，在原有小型液压挖掘机的基础上增加了6套电液比例控制阀，实现自动控制功能。电液比例控制阀系统通过电液比例阀与比例放大器，分别控制各个执行器油路的通断、换向与液压油的流量。

北京的清华大学研制了一种自主3D挖掘施工机器人如图1所示，主要利用机器视觉、卫星定位与自动控制装置、3D数字模型等，实现自动化、智能化 3D挖掘施工作业，在指定的非结构化区域内，利用卫星定位系统测量位姿信息、利用机器视觉系统感知与认知作业环境信息，自主决策挖掘机器人行驶路线、行驶速度、铲斗作业位姿等。此外，还有类似的技术，如：小型挖铲机器人、矿用挖掘机器人和管道挖掘机人等。

1.仿真模拟验证：在电脑上将控制算法通过第三方仿真软件(例如： ADAMS、EDEM、ROS Gazebo等)进行仿真，运行仿真软件，使程序算法在搭建的虚拟环境下运行以此验证挖掘机智能施工程序算法。优点是不受周围环境限制，程序参数随时可调，效率高；缺点是在电脑上搭建的仿真虚拟环境与实际环境相差较远，许多影响因素无法引入，导致仿真验证的智能施工控制算法可靠度较低。

2.纯电动模型验证：将控制算法写入工程机械的电动小比例挖掘机模型上，工程师或研发人员通过上位机对电动挖掘机模型发送指令，以此验证挖掘机智能施工程序算法。优点是验证环境为现实环境，在通信、驱动、程序延时等细节问题上可以得到考虑，验证的控制算法可靠度比仿真算法高，纯电动模型体积较小，工程师或研发人员可以室内环境下进行算法验证；缺点是纯电动模型是以电机和电动丝杠作为驱动执行元件，而真实的液压挖掘机是采用液压马达和油缸作为驱动执行元件。电机和电动丝杠的响应速度快、延时低，而液压马达和油缸的响应速度慢、延时高，因此使用纯电动模型对智能施工控制算法进行验证的可靠度依然不高。

3.实机改装验证：对原有的液压挖掘机进行智能化改造，加装多套电液比例控制系统，实现对各个执行器(液压行走马达、回转台、油缸等)的调速控制，并安装控制装置与无线通信设备，将控制算法写入工控机，运转程序并与上位机数据交互，以此验证挖掘机智能施工程序算法。优点是验证环境真实可靠，算法验证的可靠度高；缺点是改装成本高，而且实机体积大，因此只能在室外条件下进行实验，工程师或研发人员的工作强度高。

另外，现有技术中的挖掘施工机器人体积大，重量重，无法满足在实验室室内环境下使用。

实用新型内容

为了解决上述技术问题，本实用新型采取了如下技术方案：

一种智能挖掘施工机器人，包括电液挖掘机、挖掘机姿态测量单元、远程通信与定位单元以及控制单元；

所述挖掘机姿态测量单元安装在所述电液挖掘机上，与所述控制单元连接，用于所述电液挖掘机的工作姿态监测与测量，并将监测与测量结果实时反馈给所述控制单元；

所述远程通信与定位单元安装在所述电液挖掘机上，与所述控制单元连接，用于所述电液挖掘机的定位，并负责所述控制单元与远程控制台的通讯连接；

所述控制单元安装在所述电液挖掘机上，用于接收所述远程控制台的控制指令以及所述挖掘机姿态测量单元的监测与测量结果控制所述电液挖掘机的自主行走与自主作业。

进一步地，所述电液挖掘机包括动臂、动臂油缸、斗杆、斗杆油缸、铲斗、铲斗油缸、履带行走底盘和回转工作台，所述回转工作台与所述履带行走底盘可转动连接，所述铲斗与所述斗杆的第一端铰接，所述斗杆的第二端与所述动臂的第一端铰接，所述动臂的第二端与固定在所述回转工作台上的固定座铰接；所述铲斗油缸的驱动端与所述铲斗铰接，所述铲斗油缸的固定端与所述斗杆靠近第二端端部位置铰接，所述铲斗油缸用于驱动改变所述铲斗与所述斗杆之间的相对角度；所述斗杆油缸的驱动端与所述斗杆的第二端铰接，所述斗杆油缸的固定端与所述动臂的非端部位置铰接，所述斗杆油缸用于驱动改变所述斗杆与所述动臂之间的相对角度；所述动臂油缸的驱动端与所述动臂的非端部位置铰接，所述动臂油缸的固定端与所述固定座铰接，所述动臂油缸用于驱动改变所述动臂与所述固定座之间的相对角度。

进一步地，所述电液挖掘机还包括安装在所述回转工作台上的直流电动液压动力组、电磁换向阀组和电池，所述直流电动液压动力组通过所述电磁换向阀组与所述铲斗油缸、所述斗杆油缸和所述动臂油缸连接，所述电池与所述直流电动液压动力组、所述电磁换向阀组电连接，用于所述直流电动液压动力组和所述电磁换向阀组的供电。

进一步地，所述远程通信与定位单元包括安装在所述电液挖掘机的机载 WiFi通信模块、UWB超带宽定位模块，以及多个设置在实验场地内的固定位 UWB超带宽定位基站，所述控制单元、所述机载WiFi通信模块、所述远程控制台与远端WiFi通信模块构成整个实验场地的WIFI局域通信网络，用于传输挖掘机器人的各项数据并发送指令；所述UWB超带宽定位模块接收多个固定位UWB超带宽定位基站所发送的信号，并构成定位网络，以使所述远程控制台获取挖掘机器人的相对地图坐标。

进一步地，所述挖掘机姿态测量单元包括机载摄像头、铲斗油缸位置传感器、斗杆油缸位置传感器、动臂油缸位置传感器，以及安装所述回转工作台顶部的工作台惯导与陀螺仪模块，所述铲斗油缸位置传感器、斗杆油缸位置传感器、动臂油缸位置传感器分别对应固定安装在所述铲斗油缸、所述斗杆油缸和所述动臂油缸上，用于监测所述铲斗油缸、所述斗杆油缸和所述动臂油缸的长度变化量；所述机载摄像头安装在回转工作台顶部的固定位置；所述机载摄像头用于测量周围场景信息，建立作业场地地图，并根据导航地图规划行走路径；所述工作台惯导与陀螺仪模块用于监测所述挖掘机器人的运动姿态和状态变化。

进一步地，所述控制单元包括安装所述回转工作台的工控机以及设置在安装所述回转工作台顶部的机载人机交互界面，所述工控机包括主控制器、串口通信总线、电磁阀控制器、数模转换控制器和直流电机控制器，所述主控制器、串口通信总线、电磁阀控制器、数模转换控制器和直流电机控制器构成挖掘机器人的行走与作业控制网络，以实现挖掘施工机器人的自主行走与自主作业；所述机载人机交互界面用于所述主控制器的控制指令输入。

有益效果：

本实用新型提供的一种智能挖掘施工机器人，体积小，重量较轻，可以在实验室室内环境下进行智能施工算法实验，使用其进行前期算法验证，降低研发人员和工程师的工作强度，提高研发效率，降低研发成本。

采用控制电动油泵转速来调节整个液压系统液压油的流量的方法，实现对液压马达转速和液压缸伸缩速率的调整，相比较采用电磁比例阀对液压油流量进行控制的方法，成本更加低廉。

此外，本实用新型可以随意切换遥控驾驶与自动驾驶三种操作模式。

同时，利用机器视觉自主感知周围场景信息，躲避障碍，规划路径，提高挖掘施工作业效率。

附图说明

图1为现有技术中自主3D挖掘施工机器人的结构示意图；

图2为本实用新型的整体结构示意图；

图3为本实用新型整体结构的正视图；

图4为本实用新型的远程通讯示意图；

图5为直流电动液压动力单元结构示意图；

图6为本实用新型的控制器网络示意图；

其中，1、铲斗；2、斗杆；3、铲斗油缸位置传感器；4、铲斗油缸；5、动臂；6、斗杆油缸；7、斗杆油缸位置传感器；8、动臂油缸；9、动臂油缸位置传感器；10、机载摄像头；11、工作台惯导与陀螺仪模块；12、UWB超带宽定位模块；13、电磁换向阀组；14、机载人机交互界面；15、回转工作台； 16、工控机；16.1、主控制器；16.2、串口通信总线；16.3、电磁阀控制器；16.4、直流电机控制器；16.5、数模转换控制器；16.6、机器视觉控制器； 17、机载WiFi通信模块；18、直流电动液压动力组；18.1、直流电机；18.2、单项油泵；18.3、油箱；19、电池；20、履带行走底盘；21、远程控制台； 22、远端WiFi通信模块；23、固定位UWB超带宽定位基站。

具体实施方式

实施例1

参见图2-图5，一种智能挖掘施工机器人，包括电液挖掘机、挖掘机姿态测量单元、远程通信与定位单元以及控制单元。

在本实施例中，电液挖掘机包括动臂5、动臂油缸8、斗杆2、斗杆油缸 6、铲斗1、铲斗油缸4、履带行走底盘20和回转工作台15，回转工作台15 与履带行走底盘20可转动连接，铲斗1与斗杆2的第一端铰接，斗杆2的第二端与动臂5的第一端铰接，动臂5的第二端与固定在回转工作台15上的固定座铰接；铲斗油缸4的驱动端与铲斗1铰接，铲斗油缸4的固定端与斗杆2 靠近第二端端部位置铰接，铲斗油缸4用于驱动改变铲斗1与斗杆2之间的相对角度；斗杆油缸6的驱动端与斗杆2的第二端铰接，斗杆油缸6的固定端与动臂5的非端部位置铰接，斗杆油缸6用于驱动改变斗杆2与动臂5之间的相对角度；动臂油缸8的驱动端与动臂5的非端部位置铰接，动臂油缸8 的固定端与固定座铰接，动臂油缸8用于驱动改变动臂5与固定座之间的相对角度。

其中，电液挖掘机还包括安装在回转工作台15上的直流电动液压动力组 18、电磁换向阀组13和电池19，直流电动液压动力组18通过电磁换向阀组 13与铲斗油缸4、斗杆油缸6和动臂油缸8连接，电池19与直流电动液压动力组18、电磁换向阀组13电连接，用于直流电动液压动力组18和电磁换向阀组13的供电。

在本实施例中，直流电动液压动力组18包括直流电机18.1、单项油泵 18.2和油箱18.3，其中，直流电机18.1与单项油泵18.2配合，驱动单项油泵18.2运行，油箱18.3用于存储液压油。

在本实施例中，挖掘机姿态测量单元安装在电液挖掘机上，与控制单元连接，用于电液挖掘机的工作姿态监测与测量，并将监测与测量结果实时反馈给控制单元。

其中，挖掘机姿态测量单元包括机载摄像头10、铲斗油缸位置传感器3、斗杆油缸位置传感器7、动臂油缸位置传感器9，以及安装回转工作台15顶部的工作台惯导与陀螺仪模块11，铲斗油缸位置传感器3、斗杆油缸位置传感器7、动臂油缸位置传感器9分别对应固定安装在铲斗油缸4、斗杆油缸6 和动臂油缸8上，用于监测铲斗油缸4、斗杆油缸6和动臂油缸8的长度变化量；机载摄像头10安装在回转工作台15顶部的固定位置；机载摄像头10用于测量周围场景信息，建立作业场地地图，并根据导航地图规划行走路径；工作台惯导与陀螺仪模块11用于监测挖掘机器人的运动姿态和状态变化。

在本实施例中，远程通信与定位单元安装在电液挖掘机上，与控制单元连接，用于电液挖掘机的定位，并负责控制单元与远程控制台21的通讯连接。

其中，远程通信与定位单元包括安装在电液挖掘机的机载WiFi通信模块 17、UWB超带宽定位模块12，以及多个设置在实验场地内的固定位UWB超带宽定位基站23，控制单元、机载WiFi通信模块17、远程控制台21与远端WiFi 通信模块22构成整个实验场地的WIFI局域通信网络，用于传输挖掘机器人的各项数据并发送指令；UWB超带宽定位模块12接收多个固定位UWB超带宽定位基站23所发送的信号，并构成定位网络，以使远程控制台21获取挖掘机器人的相对地图坐标。

在本实施例中，控制单元安装在电液挖掘机上，用于接收远程控制台21 的控制指令以及挖掘机姿态测量单元的监测与测量结果控制电液挖掘机的自主行走与自主作业。

其中，控制单元包括安装回转工作台15的工控机16以及设置在安装回转工作台15顶部的机载人机交互界面14，工控机16包括主控制器16.1、串口通信总线16.2、电磁阀控制器16.3、直流电机控制器16.4、数模转换控制器16.5和机器视觉控制器16.6，其中，主控制器16.1、串口通信总线16.2、电磁阀控制器16.3、直流电机控制器16.4、数模转换控制器16.5和机器视觉控制器16.6构成挖掘机器人的行走与作业控制网络(参见图6)，以实现挖掘施工机器人的自主行走与自主作业；机载人机交互界面14用于主控制器 16.1的控制指令输入。

实施例2

本实施例为实施例1提供的智能挖掘施工机器人的工作方法，包括以下步骤：

S10、采用三角函数变换的方法获取挖掘机器人的位姿信息；

S20、在运行过程中，控制单元根据动臂油缸位置传感器9、斗杆油缸位置传感器7和铲斗油缸位置传感器3检测三个油缸的伸长量，实时得到对应的关节角度；

S30、通过工作台惯导与陀螺仪模块11获得回转工作台15的回转角度，得到挖掘机器人的实时位姿信息；

S40、电液挖掘机的控制单元接收远程控制台发送的指令，并分别控制铲斗油缸4、斗杆油缸6和动臂油缸8的伸长速率，实现预期目的。

在步骤S10之前，提前建立好油缸伸长量与关节旋转量的三角函数关系，并求出油缸伸长量与关节轴的对应关系式并写入控制单元。

在步骤S40中，所述控制单元通过PWM波的方式对直流电机的转速进行控制，调节直流电动液压动力组18的液压油流量，以实现控制液压马达的转速与铲斗油缸4、斗杆油缸6和动臂油缸8的伸长速率，实际运行转速/速率与设定值的偏差，并通过PID或者分段PID调整直流电动油泵的转速，实现预期目的。

以上所述，仅是本实用新型较佳实施例而已，并非对本实用新型的技术范围作任何限制，故凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围。

Claims

1.一种智能挖掘施工机器人，其特征在于，包括电液挖掘机、挖掘机姿态测量单元、远程通信与定位单元以及控制单元；

2.根据权利要求1所述的智能挖掘施工机器人，其特征在于，所述电液挖掘机包括动臂、动臂油缸、斗杆、斗杆油缸、铲斗、铲斗油缸、履带行走底盘和回转工作台，所述回转工作台与所述履带行走底盘可转动连接，所述铲斗与所述斗杆的第一端铰接，所述斗杆的第二端与所述动臂的第一端铰接，所述动臂的第二端与固定在所述回转工作台上的固定座铰接；所述铲斗油缸的驱动端与所述铲斗铰接，所述铲斗油缸的固定端与所述斗杆靠近第二端端部位置铰接，所述铲斗油缸用于驱动改变所述铲斗与所述斗杆之间的相对角度；所述斗杆油缸的驱动端与所述斗杆的第二端铰接，所述斗杆油缸的固定端与所述动臂的非端部位置铰接，所述斗杆油缸用于驱动改变所述斗杆与所述动臂之间的相对角度；所述动臂油缸的驱动端与所述动臂的非端部位置铰接，所述动臂油缸的固定端与所述固定座铰接，所述动臂油缸用于驱动改变所述动臂与所述固定座之间的相对角度。

3.根据权利要求2所述的智能挖掘施工机器人，其特征在于，所述电液挖掘机还包括安装在所述回转工作台上的直流电动液压动力组、电磁换向阀组和电池，所述直流电动液压动力组通过所述电磁换向阀组与所述铲斗油缸、所述斗杆油缸和所述动臂油缸连接，所述电池与所述直流电动液压动力组、所述电磁换向阀组电连接，用于所述直流电动液压动力组和所述电磁换向阀组的供电。

4.根据权利要求3所述的智能挖掘施工机器人，其特征在于，所述远程通信与定位单元包括安装在所述电液挖掘机的机载WiFi通信模块、UWB超带宽定位模块，以及多个设置在实验场地内的固定位UWB超带宽定位基站，所述控制单元、所述机载WiFi通信模块、所述远程控制台与远端WiFi通信模块构成整个实验场地的WIFI局域通信网络，用于传输挖掘机器人的各项数据并发送指令；所述UWB超带宽定位模块接收多个固定位UWB超带宽定位基站所发送的信号，并构成定位网络，以使所述远程控制台获取挖掘机器人的相对地图坐标。

5.根据权利要求4所述的智能挖掘施工机器人，其特征在于，所述挖掘机姿态测量单元包括机载摄像头、铲斗油缸位置传感器、斗杆油缸位置传感器、动臂油缸位置传感器，以及安装所述回转工作台顶部的工作台惯导与陀螺仪模块，所述铲斗油缸位置传感器、斗杆油缸位置传感器、动臂油缸位置传感器分别对应固定安装在所述铲斗油缸、所述斗杆油缸和所述动臂油缸上，用于监测所述铲斗油缸、所述斗杆油缸和所述动臂油缸的长度变化量；所述机载摄像头安装在回转工作台顶部的固定位置；所述机载摄像头用于测量周围场景信息，建立作业场地地图，并根据导航地图规划行走路径；所述工作台惯导与陀螺仪模块用于监测所述挖掘机器人的运动姿态和状态变化。

6.根据权利要求5所述的智能挖掘施工机器人，其特征在于，所述控制单元包括安装所述回转工作台的工控机以及设置在安装所述回转工作台顶部的机载人机交互界面，所述工控机包括主控制器、串口通信总线、电磁阀控制器、数模转换控制器和直流电机控制器，所述主控制器、串口通信总线、电磁阀控制器、数模转换控制器和直流电机控制器构成挖掘机器人的行走与作业控制网络，以实现挖掘施工机器人的自主行走与自主作业；所述机载人机交互界面用于所述主控制器的控制指令输入。