[0001] 本发明属于自动控制及服务机器人技术领域，尤其是涉及一种基于视觉伺服的盾构管片防水材料智能粘贴机器人及其工作方法。

[0002] 随着自动化技术的不断发展，以及机器人应用的广泛推进，机器人在工业、制造、物流等领域的应用越来越普遍。特别是近年来，随着人工智能、视觉识别、控制算法等技术的飞速发展，机器人技术得到了更广泛的应用。基于视觉伺服的盾构管片防水材料智能粘贴机器人是一款集成了机器视觉、运动控制等多种先进技术的机器人。该机器人采用视觉伺服技术，可以通过视觉传感器实现对作业对象位置、姿态等信息的实时获取，并通过运动控制系统实现对机器人的精确定位和控制。目前，传统的人工管片涂胶操作需要大量的人力投入，同时人工操作效率低下且存在一定的安全隐患，造成企业人力成本的增加，与此同时，建筑行业对自动化生产的需求越来越强烈。现如今，市面上已有一些针对管片移动作业的机器人，但是这些机器人安全性、环境适应性、人机交互能力等都较弱，并且此类机器人不能满足高精度、高稳定性等多种复杂情况下的应用需求，这些不足极大地限制了此类机器人在地铁和隧道等地下工程的应用。基于视觉伺服的盾构管片防水材料智能粘贴机器人可以通过视觉传感器实时获取环境中管片的位置、姿态等信息，结合反馈控制系统对机器人进行精确控制，可以实现对目标管片的精确定位和运动控制，从而在复杂环境中完成精细操作，为企业节省大量人力成本，极大提高了生产效率。

[0003] 公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

[0018] 下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0019] 以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

[0020] 结合图1‑5所示，本实施例提供一种基于视觉伺服的盾构管片防水材料智能粘贴机器人，包括北斗天线1、三色报警灯2、外部相机3、工装柜4、语音报警（5）、涂胶工装6、HMI+相机显示屏7、测距传感器8、行走舵轮9、侧面止水衬垫吸盘10、侧面止水衬垫物料台11、激光测距雷达12、强弱电控柜13、六轴机械臂加末端相机14、三色报警灯②15和设备顶部护罩16。盾构管片智能涂胶作业机器人整体结构上端为设备顶部护罩16，设备顶部护罩16外侧搭载有北斗天线1、吊装环18、三色报警灯2、三色报警灯②15和强弱电控柜13，设备顶端护罩内部搭载有XYZ龙门模组17和空压机19，设备顶部护罩16下端搭载六轴机械臂加末端相机14；盾构管片智能涂胶作业机器人整体结构下端为两部分：一侧为工装柜4；另一侧搭载各种工装和物料台等器具，包括语音报警装置5、涂胶工装6、HMI+相机显示屏7、测距传感器
8、侧面止水衬垫吸盘10、侧面止水衬垫物料台11、激光测距雷达12；机器人整体由控制器驱动底部搭载的行走舵轮9完成移动进而完成管片清理、管片抹胶、粘贴止水衬垫和海绵胶条、滚压敲紧等任务。大致工作流程为（如图14所示）：人工操作设备移动到管片初始位置，对管片进行定位，调整设备与管片之间的位姿；六轴机械臂携带视觉相机扫描管片，对管片进行空间定位，分辨管片的种类；根据工艺要求先进行清灰操作，六轴机械臂装配上工装柜
4中的工装风刀，六轴机械臂携带工装风刀对管片表面残渣灰尘进行清理；完成清灰操作后六轴机械臂末端更换工装涂胶，根据贴胶范围对管片相应位置进行涂胶，涂胶完成后根据气温湿度等情况等待8‑20分钟胶水粘性最佳；完成涂胶操作后六轴机械臂末端更换工装传力衬垫吸盘工具，吸取传力衬垫后将其贴放在对应管片位置；完成贴放传力衬垫操作之后六轴机械臂末端更换侧面止水衬垫吸盘工装10，吸取侧面止水衬垫之后将其贴放在对应管片位置；完成上述操作后人为操作设备暂停，人工将环形止水胶条按要求贴附在管片的对应位置；人工按钮继续执行下一个工艺；更换敲击工装将已经贴附在管片上的传力衬垫、止水衬垫和环形止水胶条敲紧；之后将工装放回对应位置；六轴机械臂末端相机围绕管片四周拍摄，检测已经完成的贴胶工艺是否有瑕疵、漏贴等现象，记录并报警提示操作人员；完成上述操作之后结束/移动至下一个管片重复上述操作。

[0021] 本申请的机器人的总体设计是采用XYZ龙门模组17与六轴机械臂加末端相机14进行协同工作，六轴机械臂加末端相机14的末端采用快换结构，可快速更换不同的末端执行装置进行管片的贴胶，六轴机械臂加末端相机14末端安装六维力传感器进行力控数据采集，利用视觉与导航技术即测距传感器8和激光雷达12与北斗导航技术协同进行管片的精准定位。

[0022] 本申请的管片贴胶部分主要由设备上的导轨系统和六轴机械臂完成，六轴机械臂安装在导轨系统上，赋予设备极大的自由度，设备能够适应管片不同方位的贴片需求；管片贴胶部分有以下步骤：①进行管片的清理工作；六轴机械臂末端的快换接头安装上清洗风刀对整个管片需要贴胶的部分进行清理工作，使表面干净平整，确保在涂胶贴片后不会脱落；
②进行涂胶工作；六轴机械臂末端的快换接头换下清洗风刀，安装上涂胶工装6中的涂胶机对整个需要自动化贴片的地方涂抹胶水，为后续的工作做准备；
③进行防水材料粘贴；六轴机械臂更换上涂胶工装6中的贴胶机进行管片的粘贴，由于管片需要粘贴的垫片外形存在差异，有长条形管道贴片和矩形贴片，需考虑不同的末端执行机构（长条形管道贴片采用贴胶机，矩形贴片采用吸盘）进行管片的贴胶工作；
④进行防水材料的锤紧工作；六轴机械臂14末端的快换接头上安装气动敲击锤，进行敲击垫片保证垫片不会从管片上脱落。

[0023] ⑤进行贴胶位置的计算；六轴机械臂末端的相机通过手眼标定建立坐标系间的转换关系，同步空间位置坐标。再对末端相机采集数据进行相应处理分析贴标点的位置，将位置信息发送给控制系统，为给机器人提供执行贴标的位置信息。

[0024] 针对计算管片贴胶位置信息的问题，主要的操作流程有：1）用户选择当前管片的类型编号，加载参考信息；
2）3D相机执行数据采集和分析工作，得出坐标系变换的参数；
3）根据管片的类型编号，应用上一步得到的坐标系变换的参数到参考贴胶位置信息，从而得出当前管片的贴胶位置信息；
4）发送上一步得到的位置信息到控制系统。

[0025] 若当前管片为新类型，则需要创建新的管片类型，创建步骤为：1）输入当前管片的类型编号或名称；
2）3D相机采集当前管片三维数据；
3）输入参考贴胶点位的数据；
4）保存并刷新。

[0026] 本申请的机器人的安全保障部分主要是设备安装有碰撞预警模块；在人工操控设备行进过程中设计的避障系统用于保障作业安全。避障系统主要由激光测距雷达12组成，行走支腿上下两层对应管片位置，激光测距雷达12安装在设备对外对内的行走支腿上，主要功能是设备内部与管片的碰撞预警与设备外部与管片的碰撞预警，由安装在设备上的激光测距雷达12发射激光束并测量其与物体之间的距离和方向，从而可以实时监测周围环境中的物体位置和运动状态；当激光测距雷达12检测到与设备距离过近的物体时，安装在机器人上的语音报警装置5和三色报警灯2、三色报警灯②15会分别发出警报声和闪烁来避免碰撞的发生，从而提高工作安全性。

[0027] 本申请中，管道贴片工人通过选择HMI+相机显示屏7上的不同按键操纵机器人完成相应操作，采用两个触摸屏，一个固定在涂胶作业机器人车头，一个手持屏在车位，工人通过手持屏和固定屏可以确保全方位进行操作和控制；HMI+相机显示屏7上按键由电源、模式切换、预留、启动、停止、复位、模型拍照、清灰、涂胶、大传力垫、小传力垫、密封胶条、锤紧、辊压和视觉检测组成，分别对应不同的功能；其中模式切换可以根据需要切换成为行走模式和工作模式。

[0028] 本申请的设备搭载的外部相机3和六轴机械臂末端相机14通过软件开启实时影像获取内外各位置摄像头的图像进行变换、拼接等处理后将处理后的图像显示到软件界面上，影像设置多区域框，提供碰撞风险系数提示，软件部署在设备后端的显示屏上。

[0029] 结合图6‑13所示，本申请的设备移动部分主要是由人工通过操纵控制器控制行走舵轮9实现设备的前进、后退和转向；行走舵轮9主要是由转向电机20和牵引电机21以及行走减速机22组成；行走舵轮9位于设备桁架的四个钢柱末端，负载能力强且可以进行转向，在设备的顶部会加装吊装环18，方便设备的转运。

[0030] XYZ龙门模组17传动机构主要由Z向升降电缸23、Y轴伺服电机+减速机24、X轴伺服电机+减速机25、轴承座+轴+联轴器26、限位缓冲27、模组滑块28、拖链29、V型导轨齿条加齿轮30、平导轨加导轮31构成，XYZ龙门模组17与六轴机械臂加末端相机14协同工作完成相应指令操作。

[0031] 工装风刀由滚压轮32、风刀33、安装底座34、转接件35、快换盘工具端36组成；风刀出风口呈扇形出风，结构预留滚压机构，为后续工艺改进滚压胶垫粘合改进工艺缩短工作时间做调试。

[0032] 打磨工装由打磨头37、打磨电机38、安装底座34、转接件35、快换盘工具端36组成；工装打磨为预留结构，为后续工艺改进打磨清理残渣，改进工艺缩短工作时间做调试。

[0033] 涂胶机主要是由进气口39、容器出胶口40、安全阀41、压力表42、容器43、总进气口44组成；一次加装足够的胶水可供多个管片涂胶，节省频繁上料时间，刷头组件结构简单方便更换。

[0034] 贴胶工装主要是由涨紧盘45、海绵胶条46、导向杆47、稳定板48、伸缩气缸49、压轮50、转接板35、快换盘工具端36组成。

[0035] 气锤敲击工装主要是由气锤51、安装压板52、转接件35、快换盘工具端36组成；气锤冲击力可通过气压调节，可根据实际需求调节气压改变冲击力大小。

[0036] 传力衬垫吸盘工装主要是由传力衬垫吸盘53、固定压板54、转接件35、快换盘工具端36组成；吸取传力衬垫后将其贴放在对应管片位置。

[0037] 本申请的电气部分包含六维力传感器、PLC、移动电源、实时影像监控系统、碰撞预警系统、北斗定位导航系统、工控机等。该部分均为现有技术，为本领域技术人员熟知且常用的，因此在本案中不做过多赘述。

[0038] 最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。