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）自動化股份有限公司，江蘇 常州 213015）

煤矸石是煤礦開采過程中產(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）分揀方法主要依賴于人工操作，但是人工操作存在著效率低、勞動強(qiáng)度大和準(zhǔn)確性不高等問題。為了克服這些問題，近年來，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)集成了煤矸石識別技術(shù)、動態(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]。現(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[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分工合作的方式，實(shí)現(xiàn)對煤矸石的高效分揀，具有更高的操作靈活性與效率。西安科技大學(xué)針對多臺串聯(lián)機(jī)械臂提出了一種協(xié)同分揀策略，可實(shí)現(xiàn)對矸石高效快速分揀[7-10]?，F(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題，但面對日益復(fù)雜的煤矸石分揀工況，單一的串聯(lián)或并聯(lián)機(jī)械臂無法兼顧分揀載荷、分揀精度與分揀效率的要求，需要對機(jī)械臂分揀系統(tǒng)不斷優(yōu)化，開拓新的思路。

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)主要包含振動篩選裝置、帶式輸送機(jī)、視覺采集裝置、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

原煤通過振動篩選裝置將粒度大于200 mm 的篩選出來，傳遞到帶式輸送機(jī)上。原煤在帶式輸送機(jī)上首先經(jīng)過視覺采集裝置，通過雙目立體相機(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)通過這些信息對機(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 個自由度。機(jī)械臂01 與02 前后錯開布置，確保二者均可遍歷x方向整個移動范圍。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)，與視覺采集裝置配合，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)矸石的動態(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)械手爪為左右對稱結(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)動轉(zhuǎn)換到第3 連桿上，避免了在第1 連桿上布置驅(qū)動元件，同時(shí)增加了第2 連桿的剛度。氣缸通過連接軸驅(qū)動同側(cè)2 根第3 連桿，進(jìn)而控制第1 連桿實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的動作。伺服電機(jī)通過內(nèi)部蝸輪蝸桿傳動，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，通過伺服電機(jī)驅(qū)動可快速實(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)，手爪的開度可根據(jù)目標(biāo)矸石的大小，通過伺服電機(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，通過伺服電機(jī)將一側(cè)連桿機(jī)構(gòu)向上擺動，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 臺機(jī)械臂，單臺機(jī)械臂為7 自由度的串聯(lián)機(jī)械臂，2 臺串聯(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：單機(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；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。

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。

雙機(jī)械臂通過串并聯(lián)變換可以適應(yīng)多種尺寸矸石的分揀，可有效降低單臺機(jī)械臂的體積與功率。雙機(jī)械臂串并聯(lián)變換針對的應(yīng)用場景主要分為4 種：①應(yīng)用場景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，周邊布滿煤；②應(yīng)用場景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，周邊布滿煤；④應(yīng)用場景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，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別得到的矸石位置與特征信息及周圍煤的分布信息實(shí)施的，為了實(shí)現(xiàn)高效、準(zhǔn)確的分揀，對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 臺機(jī)械臂，采用KM 算法[12]對機(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)，不得對后面矸石信息造成破壞；⑦規(guī)則7：盡量保證每臺機(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。針對此應(yīng)用場景，采用貪心算法對多機(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）檢測線段OG與障礙物球體表面是否存在2個交點(diǎn)，檢測方法如下：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 個交點(diǎn)，以障礙物1 為例，求解得出2 個交點(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)碰撞檢測新生成的點(diǎn)，按最短距離原則得到最新路徑，對此路徑重新進(jìn)行步驟2）的碰撞檢測，若檢測到碰撞，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，大大縮減了搜索時(shí)間，同時(shí)為了保證機(jī)械手爪沿路徑移動過程中位移、速度與加速度的連續(xù)性，采用5 次樣條曲線對轉(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；對于已經(jīng)得到任務(wù)的機(jī)械臂，按照任務(wù)類型，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，可對中大型矸石實(shí)現(xiàn)高效準(zhǔn)確分揀。

4 結(jié) 語

面對選煤廠對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，對粒度大于200 mm 的矸石實(shí)現(xiàn)了快速準(zhǔn)確分揀。