CN113914880A - 基于激光测距的倾角可修正隧道打孔方法及打孔机器人 - Google Patents

Abstract

本申请涉及隧道施工技术领域，提供了一种基于激光测距的倾角可修正隧道打孔方法及打孔机器人。该方法包括：通过打孔机器人上设置的激光测距仪获取打孔机器人至打孔点所在截面的距离；其中，激光测距仪有3个，3个激光测距仪环绕打孔机器人的钻头呈三角形布置，且位于打孔机器人的同一安装面上；根据3个激光测距仪测量的打孔机器人至打孔点所在截面的距离，计算打孔机器人的钻头与打孔点的截面偏移的一次修正倾角；根据一次修正倾角，对打孔机器人的机械臂末端固定连接的执行端的姿态进行调整，以使执行端上的钻头正对打孔点的截面。籍此，对执行端进行倾角修正，实现打孔机器人钻孔时的自动化控制。

Description

基于激光测距的倾角可修正隧道打孔方法及打孔机器人

技术领域

本申请涉及隧道施工技术领域，特别涉及一种基于激光测距的倾角可修正隧道打孔方法及打孔机器人。

背景技术

在地铁隧道施工中，隧道侧壁线缆、管道安装等都需要钻孔。目前，隧道钻孔多采用的是人工作业方法，即工人在梯车上扶持电钻钻孔，这种钻孔的方式效率低、成本高、风险大、劳动强度大，施工时溅出大量灰尘，对施工人员的健康损害较大。而且，传统的人工钻孔方式，在钻孔前，一般会先采用角度尺等工具测量电钻钻头的外倾角或由操作工人凭经验控制钻孔外倾角度。由于角度尺非钻孔倾角专用测量设备，测量倾角时，角度尺与电钻之间难以配合，故采用角度尺控制倾角方法实际操作过程中不方便，在隧道开挖钻孔时很少采用，多由操作工人凭经验控制钻孔倾角，不可避免的导致隧道钻孔倾斜角度不合格，给后续线缆、管道安装施工造成困难。

因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。

发明内容

本申请的目的在于提供一种基于激光测距的倾角可修正隧道打孔方法及打孔机器人，以解决或缓解上述现有技术中存在的问题。

为了实现上述目的，本申请提供如下技术方案：

本申请提供了一种基于激光测距的倾角可修正隧道打孔方法，包括：通过打孔机器人上设置的激光测距仪获取所述打孔机器人至打孔点所在截面的距离；其中，所述激光测距仪有3个，3个所述激光测距仪环绕所述打孔机器人的钻头呈三角形布置，且位于所述打孔机器人的同一安装面上；根据3个所述激光测距仪测量的所述打孔机器人至所述打孔点所在截面的距离，计算所述打孔机器人的钻头与所述打孔点的截面偏移的一次修正倾角；根据所述一次修正倾角，对所述打孔机器人的机械臂末端固定连接的执行端的姿态进行调整，以使所述执行端上的所述钻头正对所述打孔点的截面。

优选的，所述通过打孔机器人上设置的激光测距仪获取所述打孔机器人至打孔点所在截面的距离具体为：调整3个所述激光测距仪至所述钻头的距离相同，分别获取3个所述激光测距仪至所述打孔点所在截面的距离。

优选的，3个所述激光测距仪分别为第一激光测距仪、第二激光测距仪和第三激光测距仪；所述第一激光测距仪、第二激光测距仪和第三激光测距仪测量的所述打孔机器人至打孔点所在截面的距离分别为第一距离、第二距离和第三距离；对应的，所述根据3个所述激光测距仪测量的所述打孔机器人至所述打孔点的截面的距离，计算所述打孔机器人的钻头与所述打孔点的截面偏移的一次修正倾角，具体为：根据所述第一距离、第二距离和第三距离，计算所述打孔机器人的钻头绕其法平面内相互垂直的X轴、Y轴旋转的角度，作为所述钻头与所述打孔点的截面偏移的一次修正倾角；其中，X轴与所述第一激光测距仪至所述第二激光测距仪的延伸方向重合，Y轴与所述第二激光测距仪至所述第三激光测距仪的延伸方向平行，且通过所述第一激光测距仪。

优选的，所述根据所述第一距离、第二距离和第三距离，计算所述打孔机器人的钻头绕其法平面内相互垂直的X轴、Y轴旋转的角度，作为所述钻头与所述打孔点的截面偏移的一次修正倾角，包括：根据所述第一距离、第二距离和第三距离，以及所述第一激光测距仪、第二激光测距离和第三激光测距仪之间的距离，计算第一向量和第二向量，其中，所述第一向量为所述第一激光测距仪在所述打孔点的截面上的照点到所述第二激光测距仪在所述打孔点的截面上的照点的向量；所述第二向量为所述第二激光测距仪在所述打孔点的截面上的照点到所述第三激光测距仪在所述打孔点的截面上的照点的向量；根据所述第一向量和所述第二向量，计算所述打孔点的截面的法向量；基于三垂线定理，根据所述打孔点的截面的法向量，计算所述打孔机器人的钻头绕其法平面内相互垂直的X轴、Y轴旋转的角度，作为所述钻头与所述打孔点的截面偏移的一次修正倾角。

优选的，在所述根据所述一次修正倾角，对所述打孔机器人的机械臂末端固定连接的执行端的姿态进行调整，以使所述执行端上的所述钻头正对所述打孔点的截面之后，还包括：响应于所述打孔机器人移动至与所述打孔点的坐标相对应的工作位置，根据所述工作位置处所述激光测距仪到所述打孔点所在截面的距离，确定所述钻头与所述打孔点是否偏移。

优选的，所述响应于所述打孔机器人移动至与所述打孔点的坐标相对应的工作位置，根据所述工作位置处所述激光测距仪到所述打孔点所在截面的距离，确定所述钻头与所述打孔点是否偏移包括：响应于所述打孔机器人移动至与所述打孔点的坐标相对应的工作位置，获取所述工作位置处3个所述激光测距仪到所述打孔点所在截面的距离；响应于所述工作位置处3个所述激光测距仪到所述打孔点所在截面的距离的相互误差大于预设误差阈值，则确定所述钻头与所述打孔点偏移。

优选的，在响应于所述工作位置处3个所述激光测距仪到所述打孔点所在截面的距离的相互误差大于预设误差阈值，则确定所述钻头与所述打孔点偏移之后，还包括：根据所述工作位置处3个所述激光测距仪到所述打孔点所在截面的距离，计算所述钻头与所述打孔点偏移的二次修正倾角，并根据所述二次修正倾角，对所述执行端的姿态进行调整，以使所述钻头正对所述打孔点。

本申请实施例还提供一种基于激光测距的倾角可修正的隧道打孔机器人，包括：激光测距仪，所述激光测距仪用于对所述打孔机器人至打孔点所在截面的距离进行测量，其中，所述激光测距仪有3个，3个所述激光测距仪环绕所述打孔机器人的钻头呈三角形布置，且位于所述打孔机器人的同一安装面上；工控机，与3个所述激光测距仪通信连接，接收并根据3个所述激光测距仪测量的所述打孔机器人至所述打孔点所在截面的距离，计算所述打孔机器人的钻头与所述打孔点的截面偏移的一次修正倾角；调整机械臂，所述调整机械臂的末端固定连接所述打孔机器人的执行端，且所述调整机械臂与所述工控机通信连接，根据所述工控机发送的所述一次修正倾角对所述执行端的姿态进行调整，以使所述执行端上的所述钻头正对所述打孔点。

优选的，3个所述激光测距仪分别为第一激光测距仪、第二激光测距仪和第三激光测距仪；所述第一激光测距仪、第二激光测距仪和第三激光测距仪测量的所述打孔机器人至打孔点所在截面的距离分别为第一距离、第二距离和第三距离；对应的，所述工控机根据所述第一距离、第二距离和第三距离，计算所述打孔机器人的钻头绕其法平面内相互垂直的X轴、Y轴旋转的角度，作为所述钻头与所述打孔点的截面偏移的一次修正倾角；其中，X轴与所述第一激光测距仪至所述第二激光测距仪的延伸方向重合，Y轴与所述第二激光测距仪至所述第三激光测距仪的延伸方向平行，且通过所述第一激光测距仪。

优选的，所述工控机中部署有：第一计算单元，配置为根据所述第一距离、第二距离和第三距离，以及所述第一激光测距仪、第二激光测距仪和第三激光测距仪之间的距离，计算第一向量和第二向量，其中，所述第一向量为所述第一激光测距仪在所述打孔点的截面上的照点到所述第二激光测距仪在所述打孔点的截面上的照点的向量；所述第二向量为所述第二激光测距仪在所述打孔点的截面上的照点到所述第三激光测距仪在所述打孔点的截面上的照点的向量；第二计算单元，配置为根据所述第一向量和所述第二向量，计算所述打孔点的截面的法向量；修正计算单元，配置为基于三垂线定理，根据所述打孔点的截面的法向量，计算所述打孔机器人的钻头绕其法平面内相互垂直的X轴、Y轴旋转的角度，作为所述钻头与所述打孔点的截面偏移的一次修正倾角。

与最接近的现有技术相比，本申请实施例的技术方案具有如下有益效果：

本申请提供的技术方案中，通过设置在打孔机器人上的3个激光测距仪对打孔机器人至打孔点所在截面进行距离测量，由于3个激光测距仪是在打孔机器人的同一安装面上呈三角形布置的，因此，根据3个激光测距仪测量出的3个距离就可以确定打孔机器人的钻头是否正对打孔点的截面；当3个激光测距仪测量出的距离相等或机会相等时，就可以认为打孔机器人的钻头是正对打孔点的截面，反之，则说明钻头与打孔点的截面有倾角偏移，此时可以根据3个激光测距仪测量的距离，计算出打孔机器人的钻头与打孔点截面偏移的一次修正倾角，并根据一次修正倾角，对打孔机器人的机械臂末端固定连接的执行的姿态进行调整，使执行端上的钻头正对打孔点的截面。籍此，不但能够更加准确的判断钻头与打孔点截面是否偏移，而且在钻头偏移打孔点截面时，可以准确的获取钻头与打孔点截面的偏移倾角，通过对机械臂上固定连接的执行端进行倾角修正，实现打孔机器人钻孔时的自动化控制，将人员从高风险、高危害的工作中解放出来，且有效提高了打孔精度，便于后续线缆、管道的安装施工，降低施工难度。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。其中：

图1为根据本申请的一些实施例提供的一种基于激光测距的倾角可修正的隧道打孔方法的流程示意图；

图2为根据本申请的一些实施例提供的一种基于激光测距的倾角可修正的隧道打孔方法的工艺图；

图3为根据本申请的一些实施例提供的执行端的正视示意图；

图4为图3所示实施例的侧视图；

图5为根据本申请的一些实施例提供的激光坐标系的示意图；

图6为根据本申请的一些实施例提供的一次修正倾角计算的流程示意图；

图7为根据本申请的一些实施例提供的钻头在激光坐标系中先绕Y轴旋转的示意图；

图8为根据本申请的一些实施例提供的钻头在激光坐标系中先绕X'轴旋转的示意图；

图9为根据本申请的一些实施例提供的二次倾角修正的流程示意图；

图10为根据本申请的一些实施例提供的一种基于激光测距的倾角可修正的隧道打孔机器人的***示意图；

图11为根据本申请的一些实施例提供的一种基于激光测距的倾角可修正的隧道打孔机器人的结构示意图。

附图标记说明：

100、工控机，200，调整机械臂，300、激光测距仪，400、2D相机，

101、第一计算单元，102、第二计算单元，103、修正计算单元，

301、第一激光测距仪，302、第二激光测距仪，303-第三激光测距仪。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。各个示例通过本申请的解释的方式提供而非限制本申请。实际上，本领域的技术人员将清楚，在不脱离本申请的范围或精神的情况下，可在本申请中进行修改和变型。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可用于另一个实施例，以产生又一个实施例。因此，所期望的是，本申请包含归入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。

在本申请的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请而不是要求本申请必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。本申请中使用的术语“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连；可以是有线电连接、无线电连接，也可以是无线通信信号连接，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

图1为根据本申请的一些实施例提供的一种基于激光测距的倾角可修正的隧道打孔方法的流程示意图；图2为根据本申请的一些实施例提供的一种基于激光测距的倾角可修正的隧道打孔方法的工艺图；如图1所示，该基于激光测距的倾角可修正的隧道打孔方法包括：

步骤S101、通过打孔机器人上设置的激光测距仪300获取打孔机器人至打孔点所在截面的距离；其中，激光测距仪300有3个，3个激光测距仪300环绕打孔机器人的钻头呈三角形布置，且位于打孔机器人的同一安装面上；

在本申请实施例中，将3个激光测距仪300呈三角形布置在打孔机器人的同一安装面上，通过距离测量，由于3点确定一个平面，因而3个激光测距仪300在打孔点截面上的照点可确定打孔点位于一个平面上，而不是线段上；然后，利用3个激光测距仪300测量出来到改平面的距离，即可知道这个平面相对于3个激光测距仪300的安装面是否倾斜。如果3个激光测距仪300测量出来的到改平面的距离相等或几乎相等，说明这个平面与3个激光测距仪300所在的平面平行或几乎平行，又因为钻头位于三个激光测距仪300之间，因而即可确定钻头与3个激光测距仪300在打孔点截面上的照点确定的截面(即打孔点的截面)没有偏移。

在本申请实施例中，通过打孔机器人上设置的激光测距仪300获取打孔机器人至打孔点所在截面的距离具体为：调整3个激光测距仪300至钻头的距离相同，分别获取3个激光测距仪300至打孔点所在截面的距离。籍此，由于钻头到3个激光测距仪300的距离相同，因而，钻头位于3个激光测距仪300所形成的三角形的外接圆的圆心，进一步提高钻头与3个激光测距仪300在打孔点截面上的照点确定的截面(即打孔点的截面)偏移判断的精确度。

步骤S102、根据3个激光测距仪300测量的打孔机器人至打孔点所在截面的距离，计算打孔机器人的钻头与打孔点的截面偏移的一次修正倾角；

图3为根据本申请的一些实施例提供的执行端的正视示意图；图4为图3所示实施例的侧视图；图5为根据本申请的一些实施例提供的激光坐标系的示意图；如图3、图4、图5所示，3个激光测距仪300分别为第一激光测距仪301、第二激光测距仪302和第三激光测距仪303；第一激光测距仪301与第二激光测距仪302沿执行端的长度方向布置，第二激光测距仪302和第三激光测距仪303沿执行端的宽度方向布置，3个激光测距仪300呈直角三角形。在此，以第一激光测距仪301的位置为圆心建立激光的坐标系OXYZ，其中，定义第一激光测距仪301到第二激光测距仪302的方向为X轴正向，激光的光线方向为Z轴正向，第二激光测距到第三激光测距仪303的方向为Y轴正向；第一激光测距仪301、第二激光测距仪302、第三激光测距仪303与打孔点所在平面的照点分别为点A、点B和点C；定义第一激光测距仪301、第二激光测距仪302、第三激光测距仪303测量的到打孔点所在截面的距离分别为第一距离(depth1)、第二距离(depth2)和第三距离(depth3)；定义第一激光测距仪301与第二激光测距仪302之间的距离为distance12，定义第二激光测距仪302与第三激光测距仪303之间的距离为distance23。

在一些可选实施例中，所示根据3个激光测距仪300测量的打孔机器人至打孔点的截面的距离，计算打孔机器人的钻头与打孔点的截面偏移的一次修正倾角，具体为：根据第一距离、第二距离和第三距离，计算打孔机器人的钻头绕其法平面内相互垂直的X轴、Y轴旋转的角度，作为钻头与打孔点的截面偏移的一次修正倾角；其中，X轴与第一激光测距仪301至第二激光测距仪302的延伸方向重合，Y轴与第二激光测距仪302至第三激光测距仪303的延伸方向平行，且通过第一激光测距仪301。

图6为根据本申请的一些实施例提供的一次修正倾角计算的流程示意图；如图6所示，根据第一距离、第二距离和第三距离，计算打孔机器人的钻头绕其法平面内相互垂直的X轴、Y轴旋转的角度，作为钻头与打孔点的截面偏移的一次修正倾角，包括：

步骤S601、根据第一距离、第二距离和第三距离，以及第一激光测距仪301、第二激光测距仪302和第三激光测距仪303之间的距离，计算第一向量和第二向量，其中，第一向量为第一激光测距仪301在打孔点的截面上的照点到第二激光测距仪302在打孔点的截面上的照点的向量；第二向量为第二激光测距仪302在打孔点的截面上的照点到第三激光测距仪303在打孔点的截面上的照点的向量；

在本申请实施例中，激光与墙面的照点在激光坐标系中的坐标分别为A(0、0、depth1)、B(distance12、0、depth2)、C(distance12、distance23、depth3)；第一激光测距仪301在打孔点的截面上的照点到第二激光测距仪302在打孔点的截面上的照点的第一向量为

第二向量为

有：

步骤S602、根据第一向量和第二向量，计算打孔点的截面的法向量；

在本申请实施例中，打孔点所在截面法向量为

法向量

与第一向量

第二向量

垂直，即：

在本申请实施例中，为简化坐标变换，设定z₁＝1，则有：

步骤S603、基于三垂线定理，根据打孔点的截面的法向量，计算打孔机器人的钻头绕其法平面内相互垂直的X轴、Y轴旋转的角度，作为钻头与打孔点的截面偏移的一次修正倾角。

在本申请实施例中，设定打孔机器人在建立的激光坐标系中的旋转顺序为ZYX，即钻头先绕Y轴旋转，激光坐标系绕Y轴旋转，激光方向变为Z'，由于是动轴旋转，故X轴变为X'；再绕X'轴旋转，激光方向变为Z”；钻头绕Y轴旋转的角度为ry，钻头绕X'轴旋转的角度为rx，如图7、图8所示。

在本申请实施例中，Z”在平面XOZ的投影为Z'，根据三垂线定理求解，则X'垂直于Z'有两个解，其中一个X'求得的钻头绕Y轴旋转的角度为ry超过了(-90°，90°)，即该解为无效解。即，Z'与X'垂直，绕X'轴旋转后，Z”与X'垂直，在XOZ平面做Z”的投影，根据三垂线定理，则X'与Z”在XOZ平面的投影垂直，Z'与Z”在XOZ平面的投影都在XOZ平面上，且起点都为O点，因此，Z”在XOZ平面的投影与Z'的方向相同，即：

但是，与Z'、Z”都垂直的X'，以O点为起点有两个方向(相反方向)，此时Z'的方向与Z”在XOZ平面的投影方向相反，Z'与Z的夹角ry是大于90°的，不符合实际使用场景，因此舍去该解。

在本申请实施例中，Z”在平面XOZ的投影为Z'与法向量的夹角为钻头绕X'轴旋转的角度为rx，Z”在平面XOZ的投影为Z'与Z轴的夹角即为钻头绕Y轴旋转的角度为ry，有：

步骤S103、根据一次修正倾角，对打孔机器人的机械臂末端固定连接的执行端的姿态进行调整，以使执行端上的钻头正对打孔点的截面。

在本申请实施例中，打孔机器人在接收到倾角修正信息后，在激光坐标系内，对机械臂末端固定连接的执行端分别依次绕X轴、Y轴旋转rx、ry角度，即可实现钻头正对打孔点的截面。

在本申请实施例中，在执行端的钻头上方设置由2D相机400，用于对打孔区域进行拍照，其中，2D相机400的镜头与钻头的打孔方向平行。当钻头与打孔点所在截面有倾角偏斜时，利用该2D相机400获取的打孔区域的照片不能有效的区分可打孔区域和不可打孔区域(比如，存在盾构板凹槽、边缝、螺丝等)。通过一次修正倾角，对打孔机器人的机械臂末端固定连接的执行端的姿态进行调整，可以使2D相机400的镜头正对打孔区域进行拍照，籍此，可以通过图片有效的区分可打孔区域和不可打孔区域。

在一些可选实施例中，在根据一次修正倾角，对打孔机器人的机械臂末端固定连接的执行端的姿态进行调整，以使执行端上的钻头正对打孔点的截面之后，还包括：响应于打孔机器人移动至打孔点的坐标相对应的工作位置，根据工作位置处激光测距仪300到打孔点所在截面的距离，确定钻头与打孔点是否偏移。

在本申请实施例中，通过一次倾角修正后，2D相机400对打孔区域进行拍照，基于预先训练的神经网络模型对2D相机400拍照的图片进行特征提取和识别，有效区分可打孔区域和不可打孔区域。然后，在通过激光测距仪300获取打孔机器人到打孔点所在截面的距离，由于此时钻头正对打孔点所在截面，因而激光测距仪300测得的距离为直线距离，通过该直线距离即可确定打孔机器人需要向前移动的距离，通过工控机100控制打孔机器人移动至打孔点的坐标相对应的工作位置。

在本申请实施例中，打孔机器人移动至打孔点的坐标相对应的工作位置后的，由激光测距仪300在工作位置对打孔点截面进行距离测量，根据再次测量的距离，对钻头与打孔点是否偏移进行判断。如果激光测距仪300再次测量的多个距离不同，说明可能在机器人移动时钻头与打孔点所在截面产生了倾斜偏移，需要对钻头与打孔点的截面偏移再次进行倾角修正。

图9为根据本申请的一些实施例提供的二次倾角修正的流程示意图；如图9所示，响应于打孔机器人移动至与打孔点的坐标相对应的工作位置，根据工作位置处激光测距仪300到打孔点所在截面的距离，确定钻头与打孔点是否偏移包括：

步骤S901、响应于打孔机器人移动至打孔点的坐标相对应的工作位置，获取工作位置处3个激光测距仪300到打孔点所在截面的距离；

在本申请实施例中，通过3个激光测距仪300测量获取3个距离，与一次倾角修改正相同，可提高判断钻头与打孔点所在截面是否偏移时的精确性。具体的步骤、流程可参照步骤S101，在此不再一一赘述。

步骤S902、响应于工作位置处3个激光测距仪300到打孔点所在截面的距离的相互误差大于预设误差阈值，则确定钻头与打孔点偏移。

在本申请实施例中，通过3个激光测距仪300在工作位置处测得的距离进行误差计算，若测得的3个距离之间的相互误差小于等于设定的预设误差阈值，则说明钻头与打孔点不偏移；若测得的3个距离之间的相互误差大于设定的预设误差阈值，则说明钻头与打孔点偏移。

在本申请实施例中，可通过在工控机100中的预设程序或通过比较器对3个激光测距仪300在工作位置处测得的距离进行比较计算，得到3个距离之间的相互误差与设定的预设误差阈值之间的比较结果，来判断钻头与打孔点是否偏移。

在一应用场景中，在响应于工作位置处3个激光测距仪300到打孔点所在截面的距离的相互误差大于预设误差阈值，则确定钻头与打孔点偏移之后，还包括：

步骤S903、根据工作位置处3个激光测距仪300到打孔点所在截面的距离，计算钻头与打孔点偏移的二次倾角修正，并根据二次修正倾角，对执行端的姿态进行调整，以使钻头正对打孔点。

在本申请实施例中，根据二次修正倾角对执行端的姿态进行调整的步骤、流程可参考步骤S103中一次修正的步骤、流程，在此不再一一赘述。

图10为根据本申请的一些实施例提供的一种基于激光测距的倾角可修正的隧道打孔机器人的***示意图；图11为根据本申请的一些实施例提供的一种基于激光测距的倾角可修正的隧道打孔机器人的结构示意图；如图10、图11所示，该基于激光测距的倾角可修正的隧道打孔机器人包括：激光测距仪300、工控机100和调整机械臂200。所示激光测距仪300用于对打孔机器人至打孔点所在截面的距离进行测量，其中，激光测距仪300有3个，3个激光测距仪300环绕打孔机器人的钻头呈三角形布置，且位于打孔机器人的同一安装面上；工控机100与3个激光测距仪300通信连接，接收并根据3个激光测距仪300测量的打孔机器人至打孔点所在截面的距离，计算打孔机器人的钻头与打孔点的截面偏移的一次修正倾角；调整机械臂200的末端固定连接打孔机器人的执行端，且调整机械臂200与工控机100通信连接，根据工控机100发送的一次修正倾角对执行端的姿态进行调整，以使执行端上的钻头正对打孔点。

在一些可选实施例中，工控机100根据第一距离、第二距离和第三距离，计算打孔机器人的钻头绕其法平面内相互垂直的X轴、Y轴旋转的角度，作为钻头与打孔点的截面偏移的一次修正倾角；其中，X轴与第一激光测距仪301至第二激光测距仪302的延伸方向重合，Y轴与第二激光测距仪302至第三激光测距仪303的延伸方向平行，且通过第一激光测距仪301。

在一些可选实施例中，工控机100中部署有：第一计算单元101、第二计算单元102和修正计算单元103。第一计算单元101配置为根据第一距离、第二距离和第三距离，以及第一激光测距仪301、第二激光测距仪302和第三激光测距仪303之间的距离，计算第一向量和第二向量，其中，第一向量为第一激光测距仪301在打孔点的截面上的照点到第二激光测距仪302在打孔点的截面上的照点的向量；第二向量为第二激光测距仪302在打孔点的截面上的照点到第三激光测距仪303在打孔点的截面上的照点的向量；第二计算单元102配置为根据第一向量和第二向量，计算打孔点的截面的法向量；修正计算单元103配置为基于三垂线定理，根据打孔点的截面的法向量，计算打孔机器人的钻头绕其法平面内相互垂直的X轴、Y轴旋转的角度，作为钻头与打孔点的截面偏移的一次修正倾角。

在本申请实施例中，通过设置在打孔机器人上的3个激光测距仪300对打孔机器人至打孔点所在截面进行距离测量，由于3个激光测距仪300是在打孔机器人的同一安装面上呈三角形布置的，因此，根据3个激光测距仪300测量出的3个距离就可以确定打孔机器人的钻头是否正对打孔点的截面；当3个激光测距仪300测量出的距离相等或机会相等时，就可以认为打孔机器人的钻头是正对打孔点的截面，反之，则说明钻头与打孔点的截面有倾角偏移，此时可以根据3个激光测距仪300测量的距离，计算出打孔机器人的钻头与打孔点截面偏移的一次修正倾角，并根据一次修正倾角，对打孔机器人的机械臂末端固定连接的执行的姿态进行调整，使执行端上的钻头正对打孔点的截面。

通过一次修正倾角，使执行端安装的2D相机400能够正对打孔区域，通过2D相机400对打孔区域拍照，有效区分可打孔区域和不可打孔区域；一次修正倾角后，利用激光测距仪300测得的到打孔点的截面的距离控制打孔机器人移动到工作位置，然后，在工作位置，根据激光测距仪300得到的到打孔点的截面的距离再次判断钻头与打孔点的截面是否偏移，如果有偏移，则对执行端的姿态进行二次修正倾角，使钻头正对打孔点。

籍此，不但能够更加准确的判断钻头与打孔点截面是否偏移，而且在钻头偏移打孔点截面时，可以准确的获取钻头与打孔点的偏移倾角，通过对机械臂上固定连接的执行端进行两次倾角修正，实现打孔机器人钻孔时的自动化控制，将人员从高风险、高危害的工作中解放出来，且有效提高了打孔精度，便于后续线缆、管道的安装施工，降低施工难度。

在本申请实施例中，在进行钻孔过程中，不再需要采集过多的坐标信息，只需要三个激光测距仪300对应的三个点的深度信息就可以计算出打孔倾角的修正角度，大幅度降低设备的运算量，提高打孔效率，使打孔机器人更快速、更有序地完成打孔作业；而且，采用激光测距仪300可以使执行端的结构相对工业3D相机更加简单可靠，在严苛的隧道环境中满足对设备稳定性的要求，同时有效降低成本。

以上所述仅为本申请的优选实施例，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于激光测距的倾角可修正的隧道打孔方法，其特征在于，包括：

通过打孔机器人上设置的激光测距仪获取所述打孔机器人至打孔点所在截面的距离；其中，所述激光测距仪有3个，3个所述激光测距仪环绕所述打孔机器人的钻头呈三角形布置，且位于所述打孔机器人的同一安装面上；

根据3个所述激光测距仪测量的所述打孔机器人至所述打孔点所在截面的距离，计算所述打孔机器人的钻头与所述打孔点的截面偏移的一次修正倾角；

根据所述一次修正倾角，对所述打孔机器人的机械臂末端固定连接的执行端的姿态进行调整，以使所述执行端上的所述钻头正对所述打孔点的截面。

2.根据权利要求1所述的基于激光测距的倾角可修正的隧道打孔方法，其特征在于，所述通过打孔机器人上设置的激光测距仪获取所述打孔机器人至打孔点所在截面的距离具体为：调整3个所述激光测距仪至所述钻头的距离相同，分别获取3个所述激光测距仪至所述打孔点所在截面的距离。

3.根据权利要求1所述的基于激光测距的倾角可修正的隧道打孔方法，其特征在于，3个所述激光测距仪分别为第一激光测距仪、第二激光测距仪和第三激光测距仪；所述第一激光测距仪、第二激光测距仪和第三激光测距仪测量的所述打孔机器人至打孔点所在截面的距离分别为第一距离、第二距离和第三距离；

对应的，

所述根据3个所述激光测距仪测量的所述打孔机器人至所述打孔点的截面的距离，计算所述打孔机器人的钻头与所述打孔点的截面偏移的一次修正倾角，具体为：

根据所述第一距离、第二距离和第三距离，计算所述打孔机器人的钻头绕其法平面内相互垂直的X轴、Y轴旋转的角度，作为所述钻头与所述打孔点的截面偏移的一次修正倾角；其中，X轴与所述第一激光测距仪至所述第二激光测距仪的延伸方向重合，Y轴与所述第二激光测距仪至所述第三激光测距仪的延伸方向平行，且通过所述第一激光测距仪。

4.根据权利要求3所述的基于激光测距的倾角可修正的隧道打孔方法，其特征在于，所述根据所述第一距离、第二距离和第三距离，计算所述打孔机器人的钻头绕其法平面内相互垂直的X轴、Y轴旋转的角度，作为所述钻头与所述打孔点的截面偏移的一次修正倾角，包括：

根据所述第一距离、第二距离和第三距离，以及所述第一激光测距仪、第二激光测距离和第三激光测距仪之间的距离，计算第一向量和第二向量，其中，所述第一向量为所述第一激光测距仪在所述打孔点的截面上的照点到所述第二激光测距仪在所述打孔点的截面上的照点的向量；所述第二向量为所述第二激光测距仪在所述打孔点的截面上的照点到所述第三激光测距仪在所述打孔点的截面上的照点的向量；

根据所述第一向量和所述第二向量，计算所述打孔点的截面的法向量；

基于三垂线定理，根据所述打孔点的截面的法向量，计算所述打孔机器人的钻头绕其法平面内相互垂直的X轴、Y轴旋转的角度，作为所述钻头与所述打孔点的截面偏移的一次修正倾角。

5.根据权利要求1-4任一所述的基于激光测距的倾角可修正的隧道打孔方法，其特征在于，在所述根据所述一次修正倾角，对所述打孔机器人的机械臂末端固定连接的执行端的姿态进行调整，以使所述执行端上的所述钻头正对所述打孔点的截面之后，还包括：

响应于所述打孔机器人移动至与所述打孔点的坐标相对应的工作位置，根据所述工作位置处所述激光测距仪到所述打孔点所在截面的距离，确定所述钻头与所述打孔点是否偏移。

6.根据权利要求5所述的基于激光测距的倾角可修正的隧道打孔方法，其特征在于，所述响应于所述打孔机器人移动至与所述打孔点的坐标相对应的工作位置，根据所述工作位置处所述激光测距仪到所述打孔点所在截面的距离，确定所述钻头与所述打孔点是否偏移包括：

响应于所述打孔机器人移动至与所述打孔点的坐标相对应的工作位置，获取所述工作位置处3个所述激光测距仪到所述打孔点所在截面的距离；

响应于所述工作位置处3个所述激光测距仪到所述打孔点所在截面的距离的相互误差大于预设误差阈值，则确定所述钻头与所述打孔点偏移。

7.根据权利要求6所述的基于激光测距的倾角可修正的隧道打孔方法，其特征在于，在响应于所述工作位置处3个所述激光测距仪到所述打孔点所在截面的距离的相互误差大于预设误差阈值，则确定所述钻头与所述打孔点偏移之后，还包括：

根据所述工作位置处3个所述激光测距仪到所述打孔点所在截面的距离，计算所述钻头与所述打孔点偏移的二次修正倾角，并根据所述二次修正倾角，对所述执行端的姿态进行调整，以使所述钻头正对所述打孔点。

8.一种基于激光测距的倾角可修正的隧道打孔机器人，其特征在于，包括：

激光测距仪，所述激光测距仪用于对所述打孔机器人至打孔点所在截面的距离进行测量，其中，所述激光测距仪有3个，3个所述激光测距仪环绕所述打孔机器人的钻头呈三角形布置，且位于所述打孔机器人的同一安装面上；

工控机，与3个所述激光测距仪通信连接，接收并根据3个所述激光测距仪测量的所述打孔机器人至所述打孔点所在截面的距离，计算所述打孔机器人的钻头与所述打孔点的截面偏移的一次修正倾角；

调整机械臂，所述调整机械臂的末端固定连接所述打孔机器人的执行端，且所述调整机械臂与所述工控机通信连接，根据所述工控机发送的所述一次修正倾角对所述执行端的姿态进行调整，以使所述执行端上的所述钻头正对所述打孔点。

9.根据权利要求5所述的基于激光测距的倾角可修正的隧道打孔机器人，其特征在于，3个所述激光测距仪分别为第一激光测距仪、第二激光测距仪和第三激光测距仪；所述第一激光测距仪、第二激光测距仪和第三激光测距仪测量的所述打孔机器人至打孔点所在截面的距离分别为第一距离、第二距离和第三距离；

对应的，

所述工控机根据所述第一距离、第二距离和第三距离，计算所述打孔机器人的钻头绕其法平面内相互垂直的X轴、Y轴旋转的角度，作为所述钻头与所述打孔点的截面偏移的一次修正倾角；其中，X轴与所述第一激光测距仪至所述第二激光测距仪的延伸方向重合，Y轴与所述第二激光测距仪至所述第三激光测距仪的延伸方向平行，且通过所述第一激光测距仪。

10.根据权利要求6所述的基于激光测距的倾角可修正的隧道打孔机器人，其特征在于，所述工控机中部署有：

第一计算单元，配置为根据所述第一距离、第二距离和第三距离，以及所述第一激光测距仪、第二激光测距仪和第三激光测距仪之间的距离，计算第一向量和第二向量，其中，所述第一向量为所述第一激光测距仪在所述打孔点的截面上的照点到所述第二激光测距仪在所述打孔点的截面上的照点的向量；所述第二向量为所述第二激光测距仪在所述打孔点的截面上的照点到所述第三激光测距仪在所述打孔点的截面上的照点的向量；

第二计算单元，配置为根据所述第一向量和所述第二向量，计算所述打孔点的截面的法向量；

修正计算单元，配置为基于三垂线定理，根据所述打孔点的截面的法向量，计算所述打孔机器人的钻头绕其法平面内相互垂直的X轴、Y轴旋转的角度，作为所述钻头与所述打孔点的截面偏移的一次修正倾角。

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