本發(fā)明涉及智能控制領(lǐng)域，特別涉及一種用于濕噴機(jī)械臂的五分層人機(jī)交替作業(yè)方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、隨著工業(yè)工程產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，隧道施工的要求也逐漸提高，尤其是隧道濕噴混凝土施工技術(shù)，在隧道爆破或者挖掘后進(jìn)行濕噴混凝土步驟，目的是為了防止隧道壁面發(fā)生巖爆和落石，因此隧道濕噴混凝土施工也逐漸成為了至關(guān)重要的技術(shù)環(huán)節(jié)之一。

2、現(xiàn)有技術(shù)中，傳統(tǒng)的隧道濕噴施工往往是通過(guò)人工進(jìn)行操作的，但是人工操作存在效率不足和成本高昂的問(wèn)題，難以適配持續(xù)進(jìn)行的高強(qiáng)度隧道施工，并且人工操作非常依賴于操作人員的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)和施工技能，無(wú)法保證濕噴質(zhì)量的統(tǒng)一性，易出現(xiàn)噴射不均、厚度不達(dá)標(biāo)的問(wèn)題，同時(shí)人工近距離濕噴作業(yè)存在安全隱患，而現(xiàn)有的機(jī)械臂濕噴設(shè)備通常采用固定軌跡或簡(jiǎn)單分層模式，面對(duì)隧道內(nèi)凹凸不平的巖壁、鋼拱架交錯(cuò)的復(fù)雜場(chǎng)景時(shí)，難以自適應(yīng)調(diào)整噴射參數(shù)，導(dǎo)致混凝土回彈率高、材料浪費(fèi)嚴(yán)重，尤其在大斷面隧道工程中，傳統(tǒng)方法常因工序銜接不暢而延長(zhǎng)工期。

3、因此，如何設(shè)計(jì)一種濕噴機(jī)械臂的作業(yè)方法，以避免復(fù)雜施工場(chǎng)景和復(fù)雜巖面的影響，提高濕噴效率和質(zhì)量，成為了亟待解決的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、基于此，本發(fā)明提出的一種用于濕噴機(jī)械臂的五分層人機(jī)交替作業(yè)方法及系統(tǒng)，通過(guò)構(gòu)建隧道的濕噴三維點(diǎn)云模型，并對(duì)不同施工要求的施工層進(jìn)行劃分，相比于現(xiàn)有技術(shù)中采用的固定軌跡或簡(jiǎn)單分層模式，具備更好的環(huán)境適應(yīng)性，面對(duì)隧道內(nèi)凹凸不平的巖壁、鋼拱架交錯(cuò)的復(fù)雜場(chǎng)景時(shí)，提高了施工的質(zhì)量，又通過(guò)進(jìn)行濕噴技能泛化，將傳統(tǒng)施工場(chǎng)景中，需要人工進(jìn)行操作的不規(guī)則填補(bǔ)與表面整平工作，進(jìn)行示教學(xué)習(xí)和自動(dòng)復(fù)現(xiàn)，避免了傳統(tǒng)自動(dòng)濕噴難以應(yīng)對(duì)復(fù)雜巖面的問(wèn)題，擺脫了對(duì)于人工經(jīng)驗(yàn)依賴，將濕噴軌跡泛化并復(fù)現(xiàn)，提高了施工的質(zhì)量和效率，又針對(duì)不同施工層選取不同的濕噴軌跡，進(jìn)一步提高了施工質(zhì)量，本發(fā)明提高了濕噴機(jī)械臂作業(yè)方法的濕噴質(zhì)量和施工效率。

2、本發(fā)明提出的一種用于濕噴機(jī)械臂的五分層人機(jī)交替作業(yè)方法，包括：

3、掃描待濕噴隧道，以構(gòu)建濕噴三維點(diǎn)云模型，所述濕噴三維點(diǎn)云模型的施工層包括可手動(dòng)濕噴層與自動(dòng)濕噴層，所述可手動(dòng)濕噴層包括手動(dòng)巖面填補(bǔ)層、手動(dòng)整平基層和手動(dòng)整平表層，所述自動(dòng)濕噴層包括自動(dòng)填充基層和自動(dòng)填充核心層；

4、根據(jù)所述濕噴三維點(diǎn)云模型進(jìn)行形狀特征比對(duì)，以選取每個(gè)可手動(dòng)濕噴層的施工模式，所述形狀特征比對(duì)基于濕噴施工數(shù)據(jù)庫(kù)，所述濕噴施工數(shù)據(jù)庫(kù)包括歷史濕噴三維點(diǎn)云模型數(shù)據(jù)和濕噴技能數(shù)據(jù)，所述施工模式包括示教模式和復(fù)現(xiàn)模式；

5、根據(jù)所述施工模式進(jìn)行分層濕噴處理，以完成濕噴施工，所述分層濕噴處理基于濕噴施工數(shù)據(jù)庫(kù)中的濕噴技能數(shù)據(jù)。

6、綜上，根據(jù)上述的一種用于濕噴機(jī)械臂的五分層人機(jī)交替作業(yè)方法及系統(tǒng)，通過(guò)構(gòu)建隧道的濕噴三維點(diǎn)云模型，并對(duì)不同施工要求的施工層進(jìn)行劃分，相比于現(xiàn)有技術(shù)中采用的固定軌跡或簡(jiǎn)單分層模式，具備更好的環(huán)境適應(yīng)性，面對(duì)隧道內(nèi)凹凸不平的巖壁、鋼拱架交錯(cuò)的復(fù)雜場(chǎng)景時(shí)，提高了施工的質(zhì)量，又通過(guò)進(jìn)行濕噴技能泛化，將傳統(tǒng)施工場(chǎng)景中，需要人工進(jìn)行操作的不規(guī)則填補(bǔ)與表面整平工作，進(jìn)行示教學(xué)習(xí)和自動(dòng)復(fù)現(xiàn)，避免了傳統(tǒng)自動(dòng)濕噴難以應(yīng)對(duì)復(fù)雜巖面的問(wèn)題，擺脫了對(duì)于人工經(jīng)驗(yàn)依賴，將濕噴軌跡泛化并復(fù)現(xiàn)，提高了施工的質(zhì)量和效率，又針對(duì)不同施工層選取不同的濕噴軌跡，進(jìn)一步提高了施工質(zhì)量，本發(fā)明提高了濕噴機(jī)械臂作業(yè)方法的濕噴質(zhì)量和施工效率。具體為，掃描待濕噴隧道，以構(gòu)建濕噴三維點(diǎn)云模型，所述濕噴三維點(diǎn)云模型的施工層包括可手動(dòng)濕噴層與自動(dòng)濕噴層，所述可手動(dòng)濕噴層包括手動(dòng)巖面填補(bǔ)層、手動(dòng)整平基層和手動(dòng)整平表層，所述自動(dòng)濕噴層包括自動(dòng)填充基層和自動(dòng)填充核心層，相比于現(xiàn)有技術(shù)中采用的固定軌跡或簡(jiǎn)單分層模式，具備更好的環(huán)境適應(yīng)性，面對(duì)隧道內(nèi)凹凸不平的巖壁、鋼拱架交錯(cuò)的復(fù)雜場(chǎng)景時(shí)，提高了施工的質(zhì)量，根據(jù)所述濕噴三維點(diǎn)云模型進(jìn)行形狀特征比對(duì)，以選取每個(gè)可手動(dòng)濕噴層的施工模式，所述形狀特征比對(duì)基于濕噴施工數(shù)據(jù)庫(kù)，所述濕噴施工數(shù)據(jù)庫(kù)包括歷史濕噴三維點(diǎn)云模型數(shù)據(jù)和濕噴技能數(shù)據(jù)，所述施工模式包括示教模式和復(fù)現(xiàn)模式，將傳統(tǒng)施工場(chǎng)景中，需要人工進(jìn)行操作的不規(guī)則填補(bǔ)與表面整平工作，進(jìn)行示教學(xué)習(xí)和自動(dòng)復(fù)現(xiàn)，避免了傳統(tǒng)自動(dòng)濕噴難以應(yīng)對(duì)復(fù)雜巖面的問(wèn)題，擺脫了對(duì)于人工經(jīng)驗(yàn)依賴，將濕噴軌跡泛化并復(fù)現(xiàn)，提高了施工的質(zhì)量和效率，根據(jù)所述施工模式進(jìn)行分層濕噴處理，以完成濕噴施工，所述分層濕噴處理基于濕噴施工數(shù)據(jù)庫(kù)中的濕噴技能數(shù)據(jù)，進(jìn)一步提高了施工質(zhì)量，本發(fā)明提高了濕噴機(jī)械臂作業(yè)方法的濕噴質(zhì)量和施工效率。

7、進(jìn)一步的，所述掃描待濕噴隧道，以構(gòu)建濕噴三維點(diǎn)云模型的步驟，具體包括：

8、對(duì)待濕噴隧道進(jìn)行預(yù)噴處理并進(jìn)行三維掃描，以構(gòu)建當(dāng)前待濕噴隧道的濕噴三維點(diǎn)云模型；

9、對(duì)所述濕噴三維點(diǎn)云模型進(jìn)行分層處理，以劃分為可手動(dòng)濕噴層與自動(dòng)濕噴層，所述可手動(dòng)濕噴層包括手動(dòng)巖面填補(bǔ)層、手動(dòng)整平基層和手動(dòng)整平表層，所述自動(dòng)濕噴層包括自動(dòng)填充基層和自動(dòng)填充核心層；

10、將包含所有預(yù)噴處理后殘余巖坑的三維空間層劃分為手動(dòng)巖面填補(bǔ)層，將所述手動(dòng)巖面填補(bǔ)層至隧道鋼拱架層之間的三維空間層劃分為自動(dòng)填充基層和手動(dòng)整平基層，所述自動(dòng)填充基層和手動(dòng)整平基層的三維空間層比例按照預(yù)設(shè)自動(dòng)填充閾值劃分，所述自動(dòng)填充基層與手動(dòng)巖面填補(bǔ)層相連接，所述手動(dòng)整平基層與所述隧道鋼拱架層相連接，將所述隧道鋼拱架層的三維空間層劃分為自動(dòng)填充核心層，將所述隧道鋼拱架層至設(shè)計(jì)表面層之間的三維空間層劃分為手動(dòng)整平表層；

11、對(duì)所述手動(dòng)巖面填補(bǔ)層區(qū)域中的殘余巖坑區(qū)域進(jìn)行深度檢測(cè)，判斷所述殘余巖坑區(qū)域與施工基準(zhǔn)面的深度落差值是否大于等于預(yù)設(shè)落差閾值，若判定所述殘余巖坑區(qū)域與施工基準(zhǔn)面的深度落差值大于等于預(yù)設(shè)落差閾值，則將所述殘余巖坑區(qū)域設(shè)為優(yōu)先填補(bǔ)區(qū)域，所述預(yù)設(shè)落差閾值根據(jù)歷史濕噴三維點(diǎn)云模型數(shù)據(jù)獲取，所述優(yōu)先填補(bǔ)區(qū)域在施工時(shí)進(jìn)行落差填補(bǔ)，所述落差填補(bǔ)至施工基準(zhǔn)面停止。

12、進(jìn)一步的，所述根據(jù)所述濕噴三維點(diǎn)云模型進(jìn)行形狀特征比對(duì)，以選取每個(gè)可手動(dòng)濕噴層的施工模式的步驟，具體包括：

13、將濕噴三維點(diǎn)云模型中所有可手動(dòng)濕噴層的形狀特征與濕噴施工數(shù)據(jù)庫(kù)中歷史濕噴三維點(diǎn)云模型數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比；

14、根據(jù)所述可手動(dòng)濕噴層與所述歷史濕噴三維點(diǎn)云模型數(shù)據(jù)的相似度進(jìn)行判斷，若所述相似度小于預(yù)設(shè)相似度閾值，則調(diào)節(jié)所述可手動(dòng)濕噴層的施工模式為示教模式，若所述相似度大于等于預(yù)設(shè)相似度閾值，則調(diào)節(jié)所述可手動(dòng)濕噴層的施工模式為復(fù)現(xiàn)模式；

15、將所述濕噴三維點(diǎn)云模型中所有自動(dòng)濕噴層的施工模式設(shè)置為自動(dòng)模式。

16、進(jìn)一步的，所述示教模式具體包括：

17、調(diào)用操作人員的手動(dòng)濕噴記錄，以獲取手動(dòng)濕噴軌跡信息和手動(dòng)濕噴工藝信息，所述手動(dòng)濕噴軌跡信息包括噴頭位姿信息和軌跡時(shí)間戳信息，所述噴頭位姿信息包括噴頭空間坐標(biāo)信息和噴頭空間角度信息，所述手動(dòng)濕噴工藝信息包括濕噴流量信息和噴涂調(diào)劑信息；

18、根據(jù)所述噴頭位姿信息進(jìn)行坐標(biāo)對(duì)齊處理，所述坐標(biāo)對(duì)齊處理基于標(biāo)定板確定臺(tái)車(chē)基坐標(biāo)系與傳感器坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣，根據(jù)所述軌跡時(shí)間戳信息進(jìn)行數(shù)據(jù)時(shí)間同步處理；

19、進(jìn)行手動(dòng)濕噴軌跡的點(diǎn)云坐標(biāo)對(duì)應(yīng)，所述點(diǎn)云坐標(biāo)對(duì)應(yīng)基于噴頭位姿信息在濕噴三維點(diǎn)云模型中搜索最近鄰點(diǎn)；

20、進(jìn)行點(diǎn)云法向量計(jì)算，提取每個(gè)點(diǎn)云的半徑鄰域點(diǎn)集，以進(jìn)行局部曲面擬合，再計(jì)算鄰域點(diǎn)協(xié)方差矩陣，以進(jìn)行特征值分解，所述特征值分解獲取的最小特征值的特征向量為點(diǎn)云法向量，根據(jù)點(diǎn)云全局法向量一致性濾波進(jìn)行方向一致性處理，并進(jìn)行曲率加權(quán)迭代優(yōu)化；

21、進(jìn)行點(diǎn)云曲率計(jì)算，提取局部曲面片并根據(jù)最小二乘法進(jìn)行局部曲面擬合，再根據(jù)二次曲面系數(shù)計(jì)算曲率張量，并根據(jù)手動(dòng)濕噴軌跡信息中濕噴軌跡的法曲率，獲取路徑曲率；

22、提取關(guān)鍵參數(shù)，所述關(guān)鍵參數(shù)包括基準(zhǔn)噴涂距離、法向量偏差角、平均法向量方向、軌跡最大曲率及曲率變化率、關(guān)鍵人工干預(yù)點(diǎn)，所述關(guān)鍵人工干預(yù)點(diǎn)包括軌跡拐點(diǎn)和施工區(qū)域接縫點(diǎn)，所述基準(zhǔn)噴涂距離的具體算法如下：

23、，

24、其中，表示基準(zhǔn)噴涂距離，表示點(diǎn)數(shù)量，表示點(diǎn)序數(shù)，表示手動(dòng)濕噴軌跡點(diǎn)，表示手動(dòng)濕噴軌跡點(diǎn)的最近點(diǎn)云點(diǎn)；

25、根據(jù)任務(wù)參數(shù)化算法將所述關(guān)鍵參數(shù)生成濕噴技能數(shù)據(jù)，并存入濕噴施工數(shù)據(jù)庫(kù)中。

26、進(jìn)一步的，所述復(fù)現(xiàn)模式具體包括：

27、根據(jù)濕噴施工數(shù)據(jù)庫(kù)中的濕噴技能數(shù)據(jù)獲取當(dāng)前施工層的示教軌跡，所述示教軌跡基于示教模式的手動(dòng)濕噴軌跡信息生成，根據(jù)所述示教軌跡進(jìn)行復(fù)現(xiàn)軌跡點(diǎn)云坐標(biāo)對(duì)齊所述復(fù)現(xiàn)軌跡點(diǎn)云坐標(biāo)對(duì)齊基于迭代最近點(diǎn)算法將復(fù)現(xiàn)軌跡點(diǎn)云坐標(biāo)與示教軌跡點(diǎn)云坐標(biāo)對(duì)齊；

28、根據(jù)所述復(fù)現(xiàn)軌跡點(diǎn)云坐標(biāo)進(jìn)行復(fù)現(xiàn)軌跡生成，所述復(fù)現(xiàn)軌跡生成的具體算法如下：

29、，

30、其中，表示復(fù)現(xiàn)軌跡點(diǎn)，表示示教軌跡點(diǎn)，表示在復(fù)現(xiàn)軌跡沿法向量方向保持基準(zhǔn)噴涂距離，表示示教軌跡的噴涂距離分量；

31、根據(jù)復(fù)現(xiàn)軌跡的曲率進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)速，以獲取自適應(yīng)復(fù)現(xiàn)軌跡速度，所述自適應(yīng)調(diào)速的具體算法如下：

32、，

33、其中，表示自適應(yīng)復(fù)現(xiàn)軌跡速度，表示示教軌跡的速度，表示復(fù)現(xiàn)軌跡的曲率；

34、根據(jù)復(fù)現(xiàn)軌跡及自適應(yīng)復(fù)現(xiàn)軌跡速度進(jìn)行復(fù)現(xiàn)濕噴施工。

35、進(jìn)一步的，所述自動(dòng)模式具體包括：

36、調(diào)取濕噴施工數(shù)據(jù)庫(kù)中的濕噴技能數(shù)據(jù)和濕噴三維點(diǎn)云模型的自動(dòng)濕噴層數(shù)據(jù)；

37、根據(jù)所述濕噴技能數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)濕噴參數(shù)設(shè)定，所述自動(dòng)濕噴參數(shù)包括噴射距離、噴射量、上下掃動(dòng)角度、左右擺動(dòng)角度和機(jī)械臂移動(dòng)速度；

38、根據(jù)濕噴施工數(shù)據(jù)庫(kù)中的濕噴技能數(shù)據(jù)和濕噴三維點(diǎn)云模型進(jìn)行自動(dòng)噴濕，將所述自動(dòng)噴濕的濕噴面劃分為多個(gè)相同的噴射塊，每個(gè)所述噴射塊的中心作為噴射點(diǎn)，所述自動(dòng)濕噴的具體算法如下：

39、，

40、，

41、，

42、，

43、其中，和表示濕噴塊的寬度和長(zhǎng)度，表示噴射距離，表示左右擺動(dòng)角度，表示上下掃動(dòng)角度，表示機(jī)械臂末端上下刷動(dòng)范圍，表示機(jī)械臂移動(dòng)速度，表示噴射量，表示噴漿回彈率，表示待噴層厚度；

44、實(shí)施檢測(cè)當(dāng)前自動(dòng)噴濕層的噴濕流量，當(dāng)所述噴濕流量大于等于施工臨界閾值時(shí)，進(jìn)行三維掃描并更新濕噴三維點(diǎn)云模型，并判斷當(dāng)前施工面是否需要進(jìn)行整平處理，所述施工臨界閾值為當(dāng)前層施工所需總噴濕流量的90%。

45、進(jìn)一步的，所述根據(jù)所述施工模式進(jìn)行分層濕噴處理，以完成濕噴施工的步驟，具體包括：

46、根據(jù)施工模式進(jìn)行分層濕噴處理；

47、當(dāng)施工模式的待噴層為手動(dòng)巖面填補(bǔ)層時(shí)濕噴軌跡為自下而上、左右交替填補(bǔ)深坑施工，當(dāng)施工模式的待噴層是手動(dòng)整平基層時(shí)，墻面區(qū)的濕噴軌跡為左右交替“弓”字形向上施工，所述“弓”字形的左右交替距離為一米，拱頂區(qū)的濕噴軌跡為“回”字形施工，所述“回”字形施工為由外圈向內(nèi)圈的濕噴順序，當(dāng)施工模式的待噴層是手動(dòng)整平層時(shí)，墻面區(qū)的濕噴軌跡為在隧道鋼拱架層內(nèi)的兩拱架間小螺旋形繞圈向上施工，拱頂區(qū)的濕噴軌跡為“回”字形施工直至完全覆蓋隧道鋼拱架層的鋼拱架，所述“回”字形施工為由外圈向內(nèi)圈的濕噴順序。

48、本發(fā)明提出的一種用于濕噴機(jī)械臂的五分層人機(jī)交替作業(yè)系統(tǒng)，包括：

49、施工層劃分模塊，用于掃描待濕噴隧道，以構(gòu)建濕噴三維點(diǎn)云模型，所述濕噴三維點(diǎn)云模型的施工層包括可手動(dòng)濕噴層與自動(dòng)濕噴層，所述可手動(dòng)濕噴層包括手動(dòng)巖面填補(bǔ)層、手動(dòng)整平基層和手動(dòng)整平表層，所述自動(dòng)濕噴層包括自動(dòng)填充基層和自動(dòng)填充核心層；

50、施工模式劃分模塊，用于根據(jù)所述濕噴三維點(diǎn)云模型進(jìn)行形狀特征比對(duì)，以選取每個(gè)可手動(dòng)濕噴層的施工模式，所述形狀特征比對(duì)基于濕噴施工數(shù)據(jù)庫(kù)，所述濕噴施工數(shù)據(jù)庫(kù)包括歷史濕噴三維點(diǎn)云模型數(shù)據(jù)和濕噴技能數(shù)據(jù)，所述施工模式包括示教模式和復(fù)現(xiàn)模式；

51、施工實(shí)施模塊，用于根據(jù)所述施工模式進(jìn)行分層濕噴處理，以完成濕噴施工，所述分層濕噴處理基于濕噴施工數(shù)據(jù)庫(kù)中的濕噴技能數(shù)據(jù)。

52、本發(fā)明還提供一種存儲(chǔ)介質(zhì)，所述存儲(chǔ)介質(zhì)存儲(chǔ)一個(gè)或多個(gè)程序，所述程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)如上述的用于濕噴機(jī)械臂的五分層人機(jī)交替作業(yè)方法。

53、本發(fā)明還提供一種計(jì)算機(jī)設(shè)備，所述計(jì)算機(jī)設(shè)備包括存儲(chǔ)器和處理器，其中：

54、所述存儲(chǔ)器用于存放計(jì)算機(jī)程序；

55、所述處理器用于執(zhí)行所述存儲(chǔ)器中存放的所述計(jì)算機(jī)程序時(shí)，實(shí)現(xiàn)如上述的用于濕噴機(jī)械臂的五分層人機(jī)交替作業(yè)方法。