遲海波

（1.中煤科工集團(tuán)常州研究院有限公司，江蘇 常州 213015；2.天地（常州）自動(dòng)化股份有限公司，江蘇 常州 213015）

煤矸石是煤礦開(kāi)采過(guò)程中產(chǎn)生的固體廢棄物，它的處理不僅關(guān)乎煤礦生產(chǎn)的效率，還關(guān)系到環(huán)境保護(hù)和資源利用的可持續(xù)發(fā)展。傳統(tǒng)的煤矸石（粒度≥200 mm）分揀方法主要依賴(lài)于人工操作，但是人工操作存在著效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大和準(zhǔn)確性不高等問(wèn)題。為了克服這些問(wèn)題，近年來(lái)，機(jī)械臂分揀系統(tǒng)在煤矸石分揀領(lǐng)域得到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。

機(jī)械臂分揀系統(tǒng)集成了煤矸石識(shí)別技術(shù)、動(dòng)態(tài)定位跟蹤技術(shù)、任務(wù)分配與協(xié)同控制技術(shù)等[1-3]?，F(xiàn)有的機(jī)械臂分揀裝置主要有桁架式、串聯(lián)式與并聯(lián)式，末端機(jī)械手爪的分揀方式分為抓取與撥離，通過(guò)機(jī)械臂本體與末端機(jī)械手爪的相互配合，可以得到多種形式的機(jī)械臂分揀裝置，它們分別具有各自的優(yōu)劣勢(shì)[4-6]。機(jī)械臂分揀裝置又可分為單機(jī)械臂與多機(jī)械臂，相比單機(jī)械臂分揀裝置，多機(jī)械臂分揀裝置可以通過(guò)分工合作的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤矸石的高效分揀，具有更高的操作靈活性與效率。西安科技大學(xué)針對(duì)多臺(tái)串聯(lián)機(jī)械臂提出了一種協(xié)同分揀策略，可實(shí)現(xiàn)對(duì)矸石高效快速分揀[7-10]。現(xiàn)有的機(jī)械臂分揀系統(tǒng)已經(jīng)在一定程度上解決了人工分揀存在的問(wèn)題，但面對(duì)日益復(fù)雜的煤矸石分揀工況，單一的串聯(lián)或并聯(lián)機(jī)械臂無(wú)法兼顧分揀載荷、分揀精度與分揀效率的要求，需要對(duì)機(jī)械臂分揀系統(tǒng)不斷優(yōu)化，開(kāi)拓新的思路。

為此，提出了一種基于串并聯(lián)變換的多機(jī)械臂矸石分揀系統(tǒng)，該分揀系統(tǒng)包含至少2 套分揀裝置，分揀裝置由2 臺(tái)多自由度機(jī)械臂構(gòu)成，配合多功能機(jī)械手爪，既可以作為單獨(dú)串聯(lián)機(jī)械臂進(jìn)行工作，又可以協(xié)同作為并聯(lián)機(jī)械臂進(jìn)行工作，旨在提高分揀系統(tǒng)的分揀精度與分揀效率。

1 多機(jī)械臂矸石分揀系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)組成和系統(tǒng)整體工作流程

多機(jī)械臂矸石分揀系統(tǒng)如圖1。多機(jī)械臂矸石分揀系統(tǒng)主要包含振動(dòng)篩選裝置、帶式輸送機(jī)、視覺(jué)采集裝置、機(jī)械臂分揀裝置、機(jī)械臂控制器與上位機(jī)等。

圖1 多機(jī)械臂矸石分揀系統(tǒng)Fig.1 Multi-manipulator gangue sorting system

多機(jī)械臂矸石分揀系統(tǒng)整體工作流程如圖2。

圖2 多機(jī)械臂矸石分揀系統(tǒng)整體工作流程Fig.2 Overall work flow of multi-manipulator gangue sorting system

原煤通過(guò)振動(dòng)篩選裝置將粒度大于200 mm 的篩選出來(lái)，傳遞到帶式輸送機(jī)上。原煤在帶式輸送機(jī)上首先經(jīng)過(guò)視覺(jué)采集裝置，通過(guò)雙目立體相機(jī)獲取煤與矸石的圖像，并將圖像上傳至上位機(jī)，由上位機(jī)進(jìn)行處理，得到矸石的位置信息與特征信息。上位機(jī)通過(guò)這些信息對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行任務(wù)分配與控制策略制定，并將相應(yīng)指令傳遞給機(jī)械臂控制器，待目標(biāo)矸石進(jìn)行指定位置后，控制機(jī)械臂進(jìn)行相應(yīng)分揀動(dòng)作。

1.2 機(jī)械臂分揀裝置

機(jī)械臂分揀裝置模型如圖3。分揀系統(tǒng)的2 套機(jī)械臂分揀裝置配置完全相同，機(jī)械臂分揀裝置其主要包含：支撐框架、機(jī)械臂01、機(jī)械手爪01、機(jī)械臂02、機(jī)械手爪02 與工業(yè)相機(jī)等。

圖3 機(jī)械臂分揀裝置模型Fig.3 Sorting device model of mechanical arm

機(jī)械臂01 與02 均為6 軸機(jī)械臂，且機(jī)械臂整體可沿x方向滑移，故機(jī)械臂具有7 個(gè)自由度。機(jī)械臂01 與02 前后錯(cuò)開(kāi)布置，確保二者均可遍歷x方向整個(gè)移動(dòng)范圍。機(jī)械臂01 與機(jī)械手爪01 配合，機(jī)械臂02 與機(jī)械手爪02 配合，按照控制器的指令完成相應(yīng)的分揀動(dòng)作。機(jī)械臂01 與02 末端均配備有工業(yè)相機(jī)，組成手眼系統(tǒng)，與視覺(jué)采集裝置配合，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)矸石的動(dòng)態(tài)跟蹤，防止目標(biāo)矸石因輸送帶速度變化或其他因素導(dǎo)致的位置丟失。機(jī)械臂01 與02 在同一共享空間內(nèi)工作，二者既可單獨(dú)工作又可協(xié)同工作，但需避免二者之間的相互碰撞。

為了使機(jī)械臂具備多種分揀功能，需要配備多功能機(jī)械手爪，多功能機(jī)械手爪模型如圖4。

圖4 多功能機(jī)械手爪模型Fig.4 Multifunctional manipulator claw model

機(jī)械手爪為左右對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，第1、第2、第3、第4 連桿構(gòu)成了平行四邊形機(jī)構(gòu)[11]，利用其特點(diǎn)，可將第1 連桿的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換到第3 連桿上，避免了在第1 連桿上布置驅(qū)動(dòng)元件，同時(shí)增加了第2 連桿的剛度。氣缸通過(guò)連接軸驅(qū)動(dòng)同側(cè)2 根第3 連桿，進(jìn)而控制第1 連桿實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的動(dòng)作。伺服電機(jī)通過(guò)內(nèi)部蝸輪蝸桿傳動(dòng)，控制第2 連桿實(shí)現(xiàn)機(jī)械手爪功能形態(tài)的變換，同時(shí)利用蝸輪蝸桿的反向自鎖特性，保證機(jī)械手爪工作狀態(tài)時(shí)形態(tài)的保持。因伺服電機(jī)只需克服連桿機(jī)構(gòu)自重產(chǎn)生的阻力與摩擦阻力，故大大減小了伺服電機(jī)的功率和體積。此多功能機(jī)械手爪整體結(jié)構(gòu)緊湊，通過(guò)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)可快速實(shí)現(xiàn)功能形態(tài)變換。

機(jī)械手爪的功能形態(tài)可以分為2 種：抓取形態(tài)與撥離形態(tài)，機(jī)械手爪功能形態(tài)如圖5。

圖5 機(jī)械手爪功能形態(tài)Fig.5 Manipulator claw function form

圖5 中機(jī)械手爪的抓取形態(tài)同時(shí)為下放的初始姿態(tài)，手爪的開(kāi)度可根據(jù)目標(biāo)矸石的大小，通過(guò)伺服電機(jī)進(jìn)行調(diào)整，手爪呈垂直向下姿態(tài)進(jìn)行下放，可充分利用第1 連桿端部的極小空間尺寸，在煤與矸石密集排布的場(chǎng)合，插入到煤與矸石的間隙，最大限度減小手爪碰撞的概率。機(jī)械手爪的撥離形態(tài)是在抓取形態(tài)的基礎(chǔ)上，通過(guò)伺服電機(jī)將一側(cè)連桿機(jī)構(gòu)向上擺動(dòng)，擺止基座上方，此時(shí)手爪呈二指撥爪形態(tài)，在氣缸機(jī)械限位與蝸輪蝸桿反向自鎖的作用下，確保手爪撥離形態(tài)的穩(wěn)固保持。

2 雙機(jī)械臂串并聯(lián)變換控制策略

機(jī)械臂分揀裝置內(nèi)部含有2 臺(tái)機(jī)械臂，單臺(tái)機(jī)械臂為7 自由度的串聯(lián)機(jī)械臂，2 臺(tái)串聯(lián)機(jī)械臂可獨(dú)立工作進(jìn)行矸石分揀，同時(shí)也可協(xié)同作為并聯(lián)機(jī)械臂進(jìn)行矸石分揀，配合多功能機(jī)械手爪，實(shí)現(xiàn)不同的分揀方式。機(jī)械臂分揀裝置作為串聯(lián)機(jī)械臂分為2 種分揀方式：?jiǎn)螜C(jī)械臂抓取與單機(jī)械臂撥離；機(jī)械臂分揀裝置作為并聯(lián)機(jī)械臂其分揀方式為雙機(jī)械臂協(xié)同抓取。串聯(lián)機(jī)械臂分揀方式如圖6，并聯(lián)機(jī)械臂分揀方式如圖7。

圖6 串聯(lián)機(jī)械臂分揀方式Fig.6 Series robotic arm sorting method

圖7 并聯(lián)機(jī)械臂分揀方式Fig.7 Parallel robotic arm sorting method

如圖6，串聯(lián)機(jī)械臂抓取方式由機(jī)械臂與機(jī)械手爪的抓取形態(tài)配合，實(shí)現(xiàn)將矸石從輸送帶抓取到矸石倉(cāng)；串聯(lián)機(jī)械臂撥離方式由機(jī)械臂與機(jī)械手爪的撥離形態(tài)配合，實(shí)現(xiàn)將矸石從輸送帶撥離到矸石倉(cāng)。

如圖7，并聯(lián)機(jī)械臂協(xié)同抓取方式由雙臂配合形成閉鏈的并聯(lián)機(jī)械臂，2 機(jī)械手爪為撥離形態(tài)，實(shí)現(xiàn)將大型矸石從輸送帶抓取到矸石倉(cāng)。

雙機(jī)械臂通過(guò)串并聯(lián)變換可以適應(yīng)多種尺寸矸石的分揀，可有效降低單臺(tái)機(jī)械臂的體積與功率。雙機(jī)械臂串并聯(lián)變換針對(duì)的應(yīng)用場(chǎng)景主要分為4 種：①應(yīng)用場(chǎng)景1：矸石粒度在200 mm 與300 mm 之間，矸石位于輸送帶中部區(qū)域，周邊布滿(mǎn)煤；②應(yīng)用場(chǎng)景2：矸石粒度在200 mm 與300 mm 之間，矸石位于輸送帶邊緣區(qū)域；③應(yīng)用場(chǎng)景3：矸石粒度大于300 mm，矸石位于輸送帶中部區(qū)域，周邊布滿(mǎn)煤；④應(yīng)用場(chǎng)景4：矸石粒度大于300 mm，矸石位于輸送帶邊緣區(qū)域。

為了充分發(fā)揮雙機(jī)械臂串并聯(lián)變換的優(yōu)勢(shì)，提升矸石分揀精度與分揀效率，制定了雙機(jī)械臂串并聯(lián)變換控制策略，雙機(jī)械臂串并聯(lián)變換控制策略流程如圖8。圖中：Qc為煤量。

圖8 雙機(jī)械臂串并聯(lián)變換控制策略流程Fig.8 Double manipulator series-parallel transformation control strategy flow

雙機(jī)械臂串并聯(lián)變換控制是基于圖像識(shí)別得到的矸石位置與特征信息及周?chē)旱姆植夹畔?shí)施的，為了實(shí)現(xiàn)高效、準(zhǔn)確的分揀，對(duì)于矸石與輸送帶邊緣之間的煤量Qc設(shè)定合適的閾值，低于閾值采用單臂撥離功能，高于閾值視矸石大小采用單臂抓取或雙臂協(xié)同抓取功能，從而有效提高矸石的分揀精度與分揀效率。

3 多機(jī)械臂協(xié)同分揀控制策略

為了保證多機(jī)械臂矸石分揀系統(tǒng)能夠最大效率的實(shí)現(xiàn)矸石分揀，需要為多機(jī)械臂制定協(xié)同分揀控制策略。以圖1 多機(jī)械臂矸石分揀系統(tǒng)為例，分揀系統(tǒng)包含4 臺(tái)機(jī)械臂，采用KM 算法[12]對(duì)機(jī)械臂矸石組成的帶權(quán)二分圖進(jìn)行最佳匹配求解。矸石流典型組合圖如圖9，圖中：G1與G3為粒度大于300 mm 的矸石；G2與G4為粒度在200 mm 與300 mm 之間的矸石；M1、M2、M3、M4分別為機(jī)械臂01、機(jī)械臂02、機(jī)械臂03 與機(jī)械臂04。

圖9 矸石流典型組合圖Fig.9 Typical combination diagram of gangue flow

KM 算法求解需要滿(mǎn)足多機(jī)械臂協(xié)同分揀規(guī)則，具體如下：①規(guī)則1：每臺(tái)機(jī)械臂在同一時(shí)間只能執(zhí)行1 項(xiàng)分揀任務(wù)；②規(guī)則2：在同一分揀區(qū)工作的2 臺(tái)機(jī)械臂要避免發(fā)生碰撞；③規(guī)則3：在同一分揀區(qū)工作的2 臺(tái)機(jī)械臂遵守串并聯(lián)變換控制策略；④規(guī)則4：機(jī)械臂優(yōu)先執(zhí)行距離自己近的矸石分揀任務(wù)；⑤規(guī)則5：在任務(wù)溢出情況下，優(yōu)先執(zhí)行大型矸石分揀任務(wù)；⑥規(guī)則6：前面機(jī)械臂執(zhí)行任務(wù)時(shí)，不得對(duì)后面矸石信息造成破壞；⑦規(guī)則7：盡量保證每臺(tái)機(jī)械臂均有執(zhí)行任務(wù)。

依據(jù)上述規(guī)則，建立機(jī)械臂與矸石的帶權(quán)二分圖，并采用KM 算法求解得到各機(jī)械臂對(duì)應(yīng)的矸石任務(wù)分配關(guān)系，即最佳匹配二分圖，最佳匹配二分圖如圖10。到下一組任務(wù)分配中。

圖10 最佳匹配二分圖Fig.10 Best matched bipartite graph

多機(jī)械臂完成任務(wù)分配后，需對(duì)各機(jī)械臂執(zhí)行分揀任務(wù)的路徑進(jìn)行規(guī)劃[13-17]，即在規(guī)避障礙物的條件下，快速尋找到最短路徑，障礙物包括煤、矸石、輸送帶與機(jī)械臂，其中機(jī)械臂是最主要的障礙物。針對(duì)此應(yīng)用場(chǎng)景，采用貪心算法對(duì)多機(jī)械臂進(jìn)行路徑規(guī)劃，貪心算法路徑規(guī)劃示意圖如圖11。

圖11 貪心算法路徑規(guī)劃示意圖Fig.11 Greedy algorithm path planning diagram

設(shè)：PO（xO,yO,zO）為 起始點(diǎn)坐標(biāo) ；PG（xG,yG,zG）為目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)；PQ（xQ,yQ,zQ）為障礙物1 的球心坐標(biāo)；R1為球體半徑。則，機(jī)械臂路徑規(guī)劃流程為：

1）將起始點(diǎn)與目標(biāo)點(diǎn)連接成線段OG。線段上任意一點(diǎn)的坐標(biāo)可表示為：

式中：t為比例系數(shù)，取值范圍為0～1。

2）檢測(cè)線段OG與障礙物球體表面是否存在2個(gè)交點(diǎn)，檢測(cè)方法如下：以障礙物1 為例，其球面為式（4），聯(lián)立式（1）、式（2）、式（3）、式（4）可得式（5），通過(guò)求解式（5）可判定線段OG與障礙物1 是否發(fā)生碰撞。

3）若存在2 個(gè)交點(diǎn)，以障礙物1 為例，求解得出2 個(gè)交點(diǎn)A與B的 坐標(biāo)，并分別向起始點(diǎn)O與

如圖10，機(jī)械臂01 采用抓取方式執(zhí)行矸石G2的分揀任務(wù)，機(jī)械臂01 采用抓取方式執(zhí)行矸石G2的分揀任務(wù)，機(jī)械臂02 采用撥離方式執(zhí)行矸石G3的分揀任務(wù)，機(jī)械臂03 與04 配合采用協(xié)同抓取方式執(zhí)行矸石G1的 分揀任務(wù)，矸石G4的分揀安排目 標(biāo) 點(diǎn)G偏移距離l1得 到點(diǎn)C與D， 同時(shí)求出AB連線的中點(diǎn)E，然后過(guò)點(diǎn)E垂直于AB， 求出點(diǎn)E距球面最近的點(diǎn)F， 在CDF平面內(nèi)，過(guò)點(diǎn)C與D相切于平面內(nèi)的圓相交于點(diǎn)H。

4）依據(jù)碰撞檢測(cè)新生成的點(diǎn)，按最短距離原則得到最新路徑，對(duì)此路徑重新進(jìn)行步驟2）的碰撞檢測(cè)，若檢測(cè)到碰撞，則刪除此連線，沿用前面的2 段折線。

依據(jù)上述流程，最終得到優(yōu)化后的路徑OHS LG，此路徑中間節(jié)點(diǎn)只有3 個(gè)，大大縮減了搜索時(shí)間，同時(shí)為了保證機(jī)械手爪沿路徑移動(dòng)過(guò)程中位移、速度與加速度的連續(xù)性，采用5 次樣條曲線對(duì)轉(zhuǎn)折點(diǎn)處進(jìn)行平滑處理。

基于串并聯(lián)變換控制策略、任務(wù)分配策略與路徑規(guī)劃策略的多機(jī)械臂協(xié)同分揀控制策略流程如圖12。

圖12 多機(jī)械臂協(xié)同分揀控制策略流程Fig.12 Multi-arm collaborative sorting control strategy flow

如圖12，根據(jù)機(jī)械臂的空閑數(shù)目，選擇排在輸送帶前面相同數(shù)目的矸石作為矸石匹配組，進(jìn)行機(jī)械臂任務(wù)分配；根據(jù)任務(wù)分配結(jié)果，對(duì)于未被分配的矸石，若其未超出分揀范圍，則將其重新加入矸石匹配組；對(duì)于未被分配任務(wù)的機(jī)械臂，將其更新到機(jī)械臂空閑數(shù)目中；對(duì)于已經(jīng)得到任務(wù)的機(jī)械臂，按照任務(wù)類(lèi)型，變換機(jī)械手爪形態(tài)，按照規(guī)劃好的路徑，控制機(jī)械臂完成矸石分揀任務(wù)，最后將其加入機(jī)械臂空閑序列中。

多機(jī)械臂矸石分揀系統(tǒng)通過(guò)基于串并聯(lián)變換控制策略、任務(wù)分配策略與路徑規(guī)劃策略的多機(jī)械臂協(xié)同分揀控制策略，可對(duì)中大型矸石實(shí)現(xiàn)高效準(zhǔn)確分揀。

4 結(jié) 語(yǔ)

面對(duì)選煤廠對(duì)矸石分揀要求的不斷提高，設(shè)計(jì)了一種多機(jī)械臂矸石分揀系統(tǒng)，并著重對(duì)機(jī)械臂分揀裝置進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了一種多功能機(jī)械手爪，配合機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)串并聯(lián)變換的矸石分揀方式，有效降低了單臺(tái)機(jī)械臂的體積與功率。同時(shí)制定了雙機(jī)械臂串并聯(lián)變換控制策略，可有效提高矸石的分揀精度與分揀效率。

為了實(shí)現(xiàn)多機(jī)械臂分揀系統(tǒng)的高效分揀，對(duì)多機(jī)械臂的任務(wù)分配、路徑規(guī)劃與軌跡控制進(jìn)行了研究，在此基礎(chǔ)上制定了多機(jī)械臂協(xié)同分揀控制策略，對(duì)粒度大于200 mm 的矸石實(shí)現(xiàn)了快速準(zhǔn)確分揀。