一種多機器人協作柔索驅動揀矸裝備動態任務分配方法與流程

2023-05-09 23:39:01 2

本發明涉及揀矸技術領域，具體涉及一種多機器人協作柔索驅動揀矸裝備動態任務分配方法。

背景技術：

目前，對於煤矸石分揀的相關工作主要集中於煤矸石與煤塊的識別問題，而對於識別之後的矸石分揀工作一般多是通過人工完成，關於矸石分揀執行機構的設計以及應用等方面鮮見報導。因此，有必要研發一種更加高效、靈巧且能承受重載的機構來進行井下煤與矸石的分揀工作，這也是實現煤礦生產自動化進程的重要組成部分。

鑑於此，本專利旨在填補揀取矸石執行機構設計以及分析方面的不足與空缺，提出一種具有大承載能力、強柔性容錯性以及機動靈活性的多機器人協作柔索驅動揀矸裝備，可以為目前煤礦生成過程中所面臨的煤與矸石的分離問題提供一個較為完美的解決方案。該多機協作揀矸裝備以上位機通過無線通訊控制主控制器完成複雜動態環境下的多機器人任務分配，將揀矸任務分配到指定揀矸機器人的子控制器，進而通過該揀矸機器人運動學逆解以及平穩運動軌跡完成末端抓斗的精確定位，實現目標矸石的分級分揀工作。

採用三臺柔索驅動並聯機器人來完成矸石分揀工作，主要有如下兩個原因：一方面，通過對煤礦行業人工揀矸的實地考察發現，通常在一條皮帶運輸機旁邊，同時有至少四個人在共同完成矸石分揀的任務(皮帶運輸機兩邊各兩個人)。這說明，皮帶運輸機上的矸石含量比較高，僅僅依靠單個機器人難以完成矸石分揀的任務。另一方面，在矸石分揀的過程中，位於皮帶運輸機較小區域內可能存在不止一塊矸石，單個機器人難以出色地完成矸石分揀的任務。同時，多機器人系統相對於單機器人系統有諸多優點，如多機器人系統適應環境能力強，環境發生變化時能自我調節；多機器人系統具有更好的數據冗餘以及魯棒性；其空間分布廣，同時具有較好的時間分布性。通過多機器人之間的協同合作，多機器人系統可以可靠地完成單機器人無法完成的複雜任務。鑑於此，本專利擬採用三臺柔索驅動揀矸機器人共同協作，完成一條皮帶運輸機上的矸石分揀工作。所提出的多機器人協作柔索驅動揀矸裝備控制系統總體結構如圖1-圖2所示，通過主控制計算機，利用無線通信技術，遠程調度、操控三臺智能體柔索驅動機器人，綜合協調管理，統一分派多個智能揀矸機器人同時進行矸石分揀，協同工作，同時主計算機可以遠程實時監控各智能體揀矸機器人的當前任務狀態，為多機器人協作揀矸的任務分配提供基礎。

本發明所提出的多機器人協同柔索驅動揀矸裝備採用三臺具有不同承載能力的揀矸機器人完成矸石分揀的任務，其原因有如下兩個方面。(1)經過申請者對煤礦生產過程的實際考察，發現矸石的尺寸分布比較廣泛，從80mm-300mm不等。因此，採用單一型號的抓斗難以出色地完成矸石分揀的任務；(2)在實際揀矸過程中，矸石分布較為密集的現象會大量出現。因此，僅一臺揀矸機器人難以完備地完成矸石分揀的工作。鑑於此，受到多人協作揀矸策略的啟發，需要多臺揀矸機器人工作協作，完成矸石分揀的任務。綜合考慮揀矸現場環境、成本以及揀矸工藝，並從矸石從維度尺寸進行劃分，採用三臺具有不同承載能力的柔索驅動揀矸機器人分類揀矸，以期更加出色地完成矸石分揀的工作。由於多機器人協同柔索驅動揀矸裝備系統包含三臺不同承載能力的揀矸機器人，因此，各個機器人之間的任務分配與自主協作便成為需要首先解決的問題。

技術實現要素：

為解決上述問題，本發明提供了一種多機器人協作柔索驅動揀矸裝備的動態任務分配方法。

為實現上述目的，本發明採取的技術方案為：

一種多機器人協作柔索驅動揀矸裝備的動態任務分配方法，採用三臺具有不同承載能力的揀矸機器人完成矸石分揀的任務；具體包括如下步驟：

s1、多機器人協作柔索驅動揀矸裝備任務分配器的輸入包括目標矸石的尺寸信息d以及各揀矸機器人完成當前目標矸石分揀任務已經歷的時間為t；根據模糊理論，對於輸入變量目標矸石的尺寸信息d論域為a：[dmin，dmax](本項目中矸石的尺寸為80mm-300mm)，把它模糊化為：[b，m，s]，其中b(大)、m(中)、s(小)，其隸屬度函數取為三角形隸屬度函數μ(d)，其值域為[0，1]；矸石尺寸隸屬度函數μb(d)、μm(d)以及μs(d)分別對用於矸石尺寸模糊集合b、m與s，即分別對應於三臺揀矸機器人1#、2#、3#；

s2、利用模糊理論，將各揀矸機器人的任務狀態從絕對的兩種狀態執行任務以及待命(分別用1和0表示)擴充到閉區間[0，1]上的某一個數，定義為機器人任務狀態特徵函數，用φ(t)來表示，表徵該揀矸機器人完成當前任務的程度，同時反映了該機器人能夠完成下一任務的概率；假設某一揀矸機器人從接收到控制器發出的指令到完成矸石分揀工作所用的總時間為ta，對正在執行的矸石分揀任務，機器人已經歷的時間為t，則該揀矸機器人的任務狀態特徵函數為

s3、根據上述目標矸石的尺寸隸屬度函數以及各智能體揀矸機器人當前的任務狀態特徵函數加權求和，定義各揀矸機器人的任務執行度，為閉區間[0，1]上的一個數，用字母σ表示，機器人的任務執行度σ＝ω1μ(d)+ω2φ(t)；通過比較三臺機器人的任務執行度，最終輸出執行當前矸石分揀任務的揀矸機器人編號(任務執行度最大值對應的揀矸機器人)，並由該揀矸機器人的子控制器根據矸石位姿信息完成矸石分揀工作。

優選地，通過以下流程輸出執行當前矸石分揀任務的揀矸機器人的編號：

當上位機檢測到目標矸石的位置與尺寸信息以及各揀矸機器人執行上一目標矸石分揀任務歷經的時間t，確定出對應於三臺揀矸機器人的矸石尺寸影響因子以及機器人任務狀態影響因子，並計算出對應於三臺揀矸機器人的任務執行度σ1、σ2和σ3，根據各機器人的任務執行度，確定執行當前目標矸石分揀任務的機器人編號。

優選地，包括揀矸機器人主控機、通訊線路、電機、皮帶運輸機、末端抓斗、框架、矸石放置倉、和機架，機架上設置有皮帶運輸機，機架兩側對稱安裝有兩組電機，四個電機分別通過柔性繩索與末端抓斗相連，柔性繩索一端穿過滑輪與末端抓斗連接，另一端與電機的轉軸端相連，滑輪對稱安裝在框架的四個角上，皮帶運輸機中心設置有皮帶橫向分界線，皮帶橫向分界線兩側為a區和b區，a區和b區外側均設置有矸石放置倉，工業相機將檢測到的煤矸石的位置與尺寸信息傳遞給揀矸機器人主控機，揀矸機器人主控機1通過通訊線路與電機、末端抓斗相連。

優選地，所述的a區和b區均為煤矸石抓取帶。

優選地，所述的皮帶運輸機兩側設置有捲筒，捲筒套接在電機的轉軸端，用於收納柔性繩索。

本發明具有以下有益效果：

本發明採用三臺具有不同承載能力的柔索驅動揀矸機器人分級分揀矸石，並實現了多個機器人之間的動態任務分配與自主協作，從而可以更加出色地完成矸石分揀的工作，具有廣泛的應用價值與應用前景。

附圖說明

圖1為本發明實施例中多機器人協作柔索驅動揀矸裝備控制系統總體結構。

圖2為本發明實施例中多機器人協同柔索驅動揀矸裝備控制系統的工作原理示意圖。

圖3為本發明實施例中多機器人協作揀矸任務分配示意圖。

圖4為本發明實施例中多機器人協作揀矸任務分配的工作原理示意圖。

圖5為本發明實施例中的揀矸機器人結構示意圖。

圖6為本發明實施例中的煤矸石放置方式示意圖。

圖7為本發明實施例中的揀矸分區示意圖。

具體實施方式

為了使本發明的目的及優點更加清楚明白，以下結合實施例對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。

如圖3-圖4所示，本發明實施例提供了一種多機器人協作柔索驅動揀矸裝備的動態任務分配方法，採用三臺具有不同承載能力的揀矸機器人完成矸石分級分揀的任務；具體包括如下步驟：

s1、多機器人協作柔索驅動揀矸裝備任務分配器的輸入包括目標矸石的尺寸信息d以及各揀矸機器人完成當前目標矸石分揀任務已經歷的時間為t；根據模糊理論，對於輸入變量目標矸石的尺寸信息d論域為a：[dmin，dmax](本項目中矸石的尺寸為80mm-300mm)，把它模糊化為：[b，m，s]，其中b大、m中、s小，其隸屬度函數取為三角形隸屬度函數μ(d)，其值域為[0，1]；矸石尺寸隸屬度函數μb(d)、μm(d)以及μs(d)分別對用於矸石尺寸模糊集合b、m與s，即分別對應於三臺揀矸機器人1#、2#、3#；

s2、利用模糊理論，將各智能揀矸機器人的任務狀態從絕對的兩種狀態執行任務以及待命(分別用1和0表示)擴充到閉區間[0，1]上的某一個數，定義為機器人任務狀態特徵函數，用φ(t)來表示，假設某一揀矸機器人從接收到控制器發出的指令到完成矸石分揀工作所用的總時間為ta，對正在執行的矸石分揀任務，機器人已經歷的時間為t，則該揀矸機器人的任務狀態特徵函數為

s3、根據上述目標矸石的尺寸隸屬度函數以及各智能體揀矸機器人當前的任務狀態特徵函數的加權求和，可以定義各揀矸機器人的任務度，為閉區間[0，1]上的一個數，用字母σ表示，機器人的任務執行度σ＝ω1μ(d)+ω2φ(t)；通過比較三臺機器人的任務執行執行度，最終輸出執行當前矸石分揀任務的揀矸機器人編號(任務執行度最大值對應的揀矸機器人)，並由該揀矸機器人子控制器根據矸石位姿信息完成矸石分揀工作。

通過以下流程輸出執行當前矸石分揀任務的揀矸機器人編號：

當上位機檢測到目標矸石的位置與尺寸信息以及各揀矸機器人的執行上一目標矸石分揀任務歷經的時間t，確定出對應於三臺揀矸機器人的矸石尺寸影響因子以及機器人任務狀態影響因子，並計算出對應於三臺揀矸機器人的任務度σ1、σ2和σ3，根據機器人的任務執行度，確定執行當前目標矸石分揀任務的機器人編號。

如圖5-圖7所示，包括揀矸機器人主控機1、通訊線路2、電機3、皮帶運輸機4、末端抓斗5、框架6、矸石放置倉7、和機架8，機架8上設置有皮帶運輸機4，機架8兩側對稱安裝有兩組電機3，四個電機3分別通過柔性繩索與末端抓斗5相連，柔性繩索一端穿過滑輪與末端抓斗5連接，另一端與電機3的轉軸端相連，滑輪對稱安裝在框架6的四個角上，皮帶運輸機4中心設置有皮帶橫向分界線9，皮帶橫向分界線9兩側為a區和b區，a區和b區外側均設置有矸石放置倉7，工業相機將檢測到的煤矸石的位置與尺寸信息傳遞給揀矸機器人主控機1，揀矸機器人主控機1通過通訊線路2與電機3、末端抓斗5相連。所述的a區和b區均為煤矸石抓取帶。所述的皮帶運輸機4兩側設置有捲筒10，捲筒10套接在電機3的轉軸端，用於收納柔性繩索。

本具體實施各智能體機器人當前任務狀態採用任務狀態特徵函數來描述，表徵了該揀矸機器人完成當前任務的程度，同時反映了該機器人能夠完成下一任務的概率；目標矸石尺寸隸屬度採用模糊控制理論中的三角形隸屬度函數來描述；該隸屬度函數表徵了目標矸石的尺寸屬於各模糊子集合的程度，其實質反映了由第i(i＝1,2,3)臺揀矸機器人完成目標矸石分揀任務的程度。

以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以作出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。