一种多机器人协作柔索驱动拣矸装备动态任务分配方法与流程

本发明涉及拣矸技术领域，具体涉及一种多机器人协作柔索驱动拣矸装备动态任务分配方法。

背景技术：

目前，对于煤矸石分拣的相关工作主要集中于煤矸石与煤块的识别问题，而对于识别之后的矸石分拣工作一般多是通过人工完成，关于矸石分拣执行机构的设计以及应用等方面鲜见报道。因此，有必要研发一种更加高效、灵巧且能承受重载的机构来进行井下煤与矸石的分拣工作，这也是实现煤矿生产自动化进程的重要组成部分。

鉴于此，本专利旨在填补拣取矸石执行机构设计以及分析方面的不足与空缺，提出一种具有大承载能力、强柔性容错性以及机动灵活性的多机器人协作柔索驱动拣矸装备，可以为目前煤矿生成过程中所面临的煤与矸石的分离问题提供一个较为完美的解决方案。该多机协作拣矸装备以上位机通过无线通讯控制主控制器完成复杂动态环境下的多机器人任务分配，将拣矸任务分配到指定拣矸机器人的子控制器，进而通过该拣矸机器人运动学逆解以及平稳运动轨迹完成末端抓斗的精确定位，实现目标矸石的分级分拣工作。

采用三台柔索驱动并联机器人来完成矸石分拣工作，主要有如下两个原因：一方面，通过对煤矿行业人工拣矸的实地考察发现，通常在一条皮带运输机旁边，同时有至少四个人在共同完成矸石分拣的任务(皮带运输机两边各两个人)。这说明，皮带运输机上的矸石含量比较高，仅仅依靠单个机器人难以完成矸石分拣的任务。另一方面，在矸石分拣的过程中，位于皮带运输机较小区域内可能存在不止一块矸石，单个机器人难以出色地完成矸石分拣的任务。同时，多机器人系统相对于单机器人系统有诸多优点，如多机器人系统适应环境能力强，环境发生变化时能自我调节；多机器人系统具有更好的数据冗余以及鲁棒性；其空间分布广，同时具有较好的时间分布性。通过多机器人之间的协同合作，多机器人系统可以可靠地完成单机器人无法完成的复杂任务。鉴于此，本专利拟采用三台柔索驱动拣矸机器人共同协作，完成一条皮带运输机上的矸石分拣工作。所提出的多机器人协作柔索驱动拣矸装备控制系统总体结构如图1-图2所示，通过主控制计算机，利用无线通信技术，远程调度、操控三台智能体柔索驱动机器人，综合协调管理，统一分派多个智能拣矸机器人同时进行矸石分拣，协同工作，同时主计算机可以远程实时监控各智能体拣矸机器人的当前任务状态，为多机器人协作拣矸的任务分配提供基础。

本发明所提出的多机器人协同柔索驱动拣矸装备采用三台具有不同承载能力的拣矸机器人完成矸石分拣的任务，其原因有如下两个方面。(1)经过申请者对煤矿生产过程的实际考察，发现矸石的尺寸分布比较广泛，从80mm-300mm不等。因此，采用单一型号的抓斗难以出色地完成矸石分拣的任务；(2)在实际拣矸过程中，矸石分布较为密集的现象会大量出现。因此，仅一台拣矸机器人难以完备地完成矸石分拣的工作。鉴于此，受到多人协作拣矸策略的启发，需要多台拣矸机器人工作协作，完成矸石分拣的任务。综合考虑拣矸现场环境、成本以及拣矸工艺，并从矸石从维度尺寸进行划分，采用三台具有不同承载能力的柔索驱动拣矸机器人分类拣矸，以期更加出色地完成矸石分拣的工作。由于多机器人协同柔索驱动拣矸装备系统包含三台不同承载能力的拣矸机器人，因此，各个机器人之间的任务分配与自主协作便成为需要首先解决的问题。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供了一种多机器人协作柔索驱动拣矸装备的动态任务分配方法。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种多机器人协作柔索驱动拣矸装备的动态任务分配方法，采用三台具有不同承载能力的拣矸机器人完成矸石分拣的任务；具体包括如下步骤：

s1、多机器人协作柔索驱动拣矸装备任务分配器的输入包括目标矸石的尺寸信息d以及各拣矸机器人完成当前目标矸石分拣任务已经历的时间为t；根据模糊理论，对于输入变量目标矸石的尺寸信息d论域为a：[dmin，dmax](本项目中矸石的尺寸为80mm-300mm)，把它模糊化为：[b，m，s]，其中b(大)、m(中)、s(小)，其隶属度函数取为三角形隶属度函数μ(d)，其值域为[0，1]；矸石尺寸隶属度函数μ^b(d)、μ^m(d)以及μ^s(d)分别对用于矸石尺寸模糊集合b、m与s，即分别对应于三台拣矸机器人1#、2#、3#；

s2、利用模糊理论，将各拣矸机器人的任务状态从绝对的两种状态执行任务以及待命(分别用1和0表示)扩充到闭区间[0，1]上的某一个数，定义为机器人任务状态特征函数，用φ(t)来表示，表征该拣矸机器人完成当前任务的程度，同时反映了该机器人能够完成下一任务的概率；假设某一拣矸机器人从接收到控制器发出的指令到完成矸石分拣工作所用的总时间为ta，对正在执行的矸石分拣任务，机器人已经历的时间为t，则该拣矸机器人的任务状态特征函数为

s3、根据上述目标矸石的尺寸隶属度函数以及各智能体拣矸机器人当前的任务状态特征函数加权求和，定义各拣矸机器人的任务执行度，为闭区间[0，1]上的一个数，用字母σ表示，机器人的任务执行度σ＝ω1μ(d)+ω2φ(t)；通过比较三台机器人的任务执行度，最终输出执行当前矸石分拣任务的拣矸机器人编号(任务执行度最大值对应的拣矸机器人)，并由该拣矸机器人的子控制器根据矸石位姿信息完成矸石分拣工作。

优选地，通过以下流程输出执行当前矸石分拣任务的拣矸机器人的编号：

当上位机检测到目标矸石的位置与尺寸信息以及各拣矸机器人执行上一目标矸石分拣任务历经的时间t，确定出对应于三台拣矸机器人的矸石尺寸影响因子以及机器人任务状态影响因子，并计算出对应于三台拣矸机器人的任务执行度σ1、σ2和σ3，根据各机器人的任务执行度，确定执行当前目标矸石分拣任务的机器人编号。

优选地，包括拣矸机器人主控机、通讯线路、电机、皮带运输机、末端抓斗、框架、矸石放置仓、和机架，机架上设置有皮带运输机，机架两侧对称安装有两组电机，四个电机分别通过柔性绳索与末端抓斗相连，柔性绳索一端穿过滑轮与末端抓斗连接，另一端与电机的转轴端相连，滑轮对称安装在框架的四个角上，皮带运输机中心设置有皮带横向分界线，皮带横向分界线两侧为a区和b区，a区和b区外侧均设置有矸石放置仓，工业相机将检测到的煤矸石的位置与尺寸信息传递给拣矸机器人主控机，拣矸机器人主控机1通过通讯线路与电机、末端抓斗相连。

优选地，所述的a区和b区均为煤矸石抓取带。

优选地，所述的皮带运输机两侧设置有卷筒，卷筒套接在电机的转轴端，用于收纳柔性绳索。

本发明具有以下有益效果：

本发明采用三台具有不同承载能力的柔索驱动拣矸机器人分级分拣矸石，并实现了多个机器人之间的动态任务分配与自主协作，从而可以更加出色地完成矸石分拣的工作，具有广泛的应用价值与应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例中多机器人协作柔索驱动拣矸装备控制系统总体结构。

图2为本发明实施例中多机器人协同柔索驱动拣矸装备控制系统的工作原理示意图。

图3为本发明实施例中多机器人协作拣矸任务分配示意图。

图4为本发明实施例中多机器人协作拣矸任务分配的工作原理示意图。

图5为本发明实施例中的拣矸机器人结构示意图。

图6为本发明实施例中的煤矸石放置方式示意图。

图7为本发明实施例中的拣矸分区示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图3-图4所示，本发明实施例提供了一种多机器人协作柔索驱动拣矸装备的动态任务分配方法，采用三台具有不同承载能力的拣矸机器人完成矸石分级分拣的任务；具体包括如下步骤：

s1、多机器人协作柔索驱动拣矸装备任务分配器的输入包括目标矸石的尺寸信息d以及各拣矸机器人完成当前目标矸石分拣任务已经历的时间为t；根据模糊理论，对于输入变量目标矸石的尺寸信息d论域为a：[dmin，dmax](本项目中矸石的尺寸为80mm-300mm)，把它模糊化为：[b，m，s]，其中b大、m中、s小，其隶属度函数取为三角形隶属度函数μ(d)，其值域为[0，1]；矸石尺寸隶属度函数μ^b(d)、μ^m(d)以及μ^s(d)分别对用于矸石尺寸模糊集合b、m与s，即分别对应于三台拣矸机器人1#、2#、3#；

s2、利用模糊理论，将各智能拣矸机器人的任务状态从绝对的两种状态执行任务以及待命(分别用1和0表示)扩充到闭区间[0，1]上的某一个数，定义为机器人任务状态特征函数，用φ(t)来表示，假设某一拣矸机器人从接收到控制器发出的指令到完成矸石分拣工作所用的总时间为ta，对正在执行的矸石分拣任务，机器人已经历的时间为t，则该拣矸机器人的任务状态特征函数为

s3、根据上述目标矸石的尺寸隶属度函数以及各智能体拣矸机器人当前的任务状态特征函数的加权求和，可以定义各拣矸机器人的任务度，为闭区间[0，1]上的一个数，用字母σ表示，机器人的任务执行度σ＝ω1μ(d)+ω2φ(t)；通过比较三台机器人的任务执行执行度，最终输出执行当前矸石分拣任务的拣矸机器人编号(任务执行度最大值对应的拣矸机器人)，并由该拣矸机器人子控制器根据矸石位姿信息完成矸石分拣工作。

通过以下流程输出执行当前矸石分拣任务的拣矸机器人编号：

当上位机检测到目标矸石的位置与尺寸信息以及各拣矸机器人的执行上一目标矸石分拣任务历经的时间t，确定出对应于三台拣矸机器人的矸石尺寸影响因子以及机器人任务状态影响因子，并计算出对应于三台拣矸机器人的任务度σ1、σ2和σ3，根据机器人的任务执行度，确定执行当前目标矸石分拣任务的机器人编号。

如图5-图7所示，包括拣矸机器人主控机1、通讯线路2、电机3、皮带运输机4、末端抓斗5、框架6、矸石放置仓7、和机架8，机架8上设置有皮带运输机4，机架8两侧对称安装有两组电机3，四个电机3分别通过柔性绳索与末端抓斗5相连，柔性绳索一端穿过滑轮与末端抓斗5连接，另一端与电机3的转轴端相连，滑轮对称安装在框架6的四个角上，皮带运输机4中心设置有皮带横向分界线9，皮带横向分界线9两侧为a区和b区，a区和b区外侧均设置有矸石放置仓7，工业相机将检测到的煤矸石的位置与尺寸信息传递给拣矸机器人主控机1，拣矸机器人主控机1通过通讯线路2与电机3、末端抓斗5相连。所述的a区和b区均为煤矸石抓取带。所述的皮带运输机4两侧设置有卷筒10，卷筒10套接在电机3的转轴端，用于收纳柔性绳索。

本具体实施各智能体机器人当前任务状态采用任务状态特征函数来描述，表征了该拣矸机器人完成当前任务的程度，同时反映了该机器人能够完成下一任务的概率；目标矸石尺寸隶属度采用模糊控制理论中的三角形隶属度函数来描述；该隶属度函数表征了目标矸石的尺寸属于各模糊子集合的程度，其实质反映了由第i(i＝1,2,3)台拣矸机器人完成目标矸石分拣任务的程度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。