高速公路养护智能机器人研究与展望

目录C

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SXX简介1研究方向及目标2高速公路养护系列智能机器人3合作展望4全自动绿篱修剪机器人全自动锥桶收摆机器人高压水破拆机器人风餐露宿防护条件差绿篱识别与自动对中多关节联合控制协同运动控制研发智能化控制软件平面造型圆球造型高枝造型切割系统可靠性分析模态分析谐响应分析刀具传动疲劳分析共振分析切割质量序号专利名称专利类型专利号/申请号授权情况1一种基于多线雷达的圆柱形绿篱修剪机对中方法发明专利201911417772.4已授权2一种基于双目视觉的绿篱苗木修剪对中方法发明专利202011161896.3已授权3一种机器人行走与作业智能协同的运动规划方法发明专利202110449673.5已授权4一种基于多线激光雷达和单目视觉的球形绿篱修剪机的建图方法发明专利202111076461.3已授权5一种基于深度强化学习的绿篱修剪机器人智能协同控制方法发明专利202210248923.3已授权6一种智能行驶系统及其智能控制方法发明专利202110524076.4已授权7一种用于园林绿篱修剪的双目视觉识别和定位方法发明专利202111461486.5已授权8一种绿篱修剪装置及方法发明专利CN114158371B已授权9基于多尺度距离图与点云语义分割的园林地图构建方法发明专利202210520695.0实审中10一种绿篱修剪机器人的自适应对中方法发明专利202111192766.0实审中11一种基于强化学习的移动机械臂的协同控制方法发明专利202111192766.0实审中序号论文题目期刊名称发表日期1BushNet:Effectivesemanticsegmentationofbushinlarge-scale

pointclouds》ComputersandElectronicsinAgriculture2022.01.122《基于自适应特征及闭环优化的激光SLAM算法》激光与光电子学进展2022.01.063《绿篱修剪机械手的运动学分析与MATLAB仿真》广西大学学报(自然科学版)2020.104《园林修剪机械手运动学与动力学仿真分析》广西大学学报(自然科学版)2021.45《AdaHC:

Adaptive

hedge

horizontal

cross-section

centerdetectionalgorithm》ComputersandElectronicsinAgriculture2021.12.176《基于YOLOv5s的园林球形绿篱检测方法》中国农机化学报2023.1.107《GardenMap:

Static

point

cloud

mapping

for

Garden

environment》ComputersandElectronicsinAgriculture2022.12.028《HeLoDL:

Hedgerow

Localization

Basedon

Deep

Learning》horticulturae2023.02.039《Research

on

Torsional

PropertyofBody-In-White

Based

onSquare

BoxModelandMultiobjectiveGeneticAlgorithm》MathematicalProblemsinEngineering2021.01.2510《基于数据驱动的车身不确定性优化方法》重庆理工大学学报（自然科学）2020.08.25，对比传统方式全自动无人作业绿篱修剪机器人条件以广西交投集团为例，管养里程约 ，每年修剪2次要求人数12人，2km/天/人，10小时人数3人，2km/天/人，8小时经费测算人工费按300元/天测算，每年人工费约为 万元。人工费按400元/天测算，每年约为万元；设备费按8年折旧，投入20台、一台费用按120万计算，则每年折旧300万元；每年总投入 万元。全自动无人作业绿篱修剪机器人作业视频护栏清洗机器人应用示范清洗前后对比图高压清洗机器人作业图需求分析及量化指标：锥桶自动抓取技术三代抓手迭代优化RV减速器精密控制四爪仿生抓取设计锥桶大容量存储技术高效水平放置存储双排链输送系统自动出入库协同控制精准匀速驾驶技术支撑轮驱动无极调速辅助锥桶间距精准控制智能回收导向技术伺服卷扬机自动展开多位置锥桶精准导向折叠收纳光电检测定位防倒伏智慧锥桶技术重心倾倒角度优化NB-IoT物联网通信智能预警系统集成控制技术EtherCAT高速通信PLC模块化控制传感器信号融合处理一代抓手二代抓手三代抓手技术参数对比扭矩：150Nm

→412Nm齿隙：12arcmin

→行星减速器+2夹爪设计，存在晃动和抓取不牢问题。增加摆臂+气缸驱动，解决行程问题但仍有松动。RV减速器+4夹爪仿生设计，彻底解决抓取问题。1

arcmin夹紧宽度：70mm→

200mm抓取成功率：<80%→

100%创新水平放置和分隔结构设计，空间利用率达92.08%，总容量360个锥桶。传动机构分隔机构导向机构使用带弯板的双排链作为传动机构，实现连续输送，适合大负载，兼顾输送停止精度。两条链条上横跨安装铝隔板分隔锥桶，同时控制锥桶上下方向的自由度。锥桶库出库位置左右两侧安装导向装置，确保锥桶出入库时与机器人准确对接。创新设计可折叠回收导向机构，通过视觉算法识别锥桶位置，引导机器人精准抓取锥桶。多级摆臂结构设计限位板摆臂自动折叠和展开导向摆臂：引导锥桶移动。限位摆臂：限制锥桶位置。折叠摆臂：支撑整体结构。锥桶被取走上升时自动打开，锥桶离开后重力作用下复位，有效防止锥桶左右滑移。PLC自动控制2个伺服卷扬机完成摆臂的折叠和展开，无需人工操作，安全可靠。锥桶结构优化ABS材质锥身加实心填充橡胶底座，相较于传统锥桶重心下浮73%，倒伏角度从45°提高到70°，基本解决锥桶倒伏的问题。传感器电路及控制算法设计结合嵌入式开发技术和物联网技术,在锥桶内嵌入北斗定位、NB-IoT通信、碰撞检测等功能模块实现智能锥桶状态数据上传、碰撞预警等功能。应用端程序设计应用端程序包括WEB管理平台和移动APP，WEB端主要面向管理人员，提供全局监控、数据分析和系统管理功能；移动APP端主要面向现场作业人员，提供实时监控、碰撞预警和移动作业等功能。优化锥桶结构解决锥桶倒伏问题，嵌入传感器电路实现实时监控与碰撞预警。支撑驱动轮动力系统辅助行驶控制系统辅助驱动轮：通过监测车辆行驶状态进行智能φ550mm实心轮胎动力系统：控制，实现25吨货车0-5km/h精液压升降：伺服电机+减速机准控制。16吨推力模块化控制系统设计，集成EtherCAT高速通信网络，实现多机协同控制与智能化作业。控制架构通信网络人机界面采用西门子S7-1214C作为主控制EtherCAT实时通信网络实现各功能设备毫秒级精确协同，确保系统稳定快速响应。一键式操作界面，支持库位选择、摆放模式切换、速度调节等功能，简单易懂，稳定高效。器实现锥桶收摆机器人、6个锥桶库、支撑轮系统等多设备协同控制。交通锥桶收摆作业特点：作业过程包含多个关键路径点。需要频繁的启停动作和方向改变。对轨迹平滑性要求高，以保证作业精度和设备寿命。五次多项式插值

+

变分法优化

+

多体动力学仿真从局部优化到全局优化，为交通锥桶收摆机器人提供更加平滑、高效的运动轨迹。基于五次多项式插值和变分法的全局轨迹优化传统的轨迹规划方法的不足：采用逐段优化策略，只能获得局部最优解。过渡路径点处完全停止，破坏了轨迹的连续性和整体平滑性。改进轨迹规划方法优化目标为实现机器人末端抓手在作业空间内的高精度定位与姿态控制，采用Denavit-Hartenberg(D-H)参数法，将机器人物理结构，转化为严谨的数学描述。

��=�1

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��=�0+�1−�5+�2�2−�3�3��=�1−

�4基于D-H参数，推导出描述机器人末端中心点位姿的正运动学方程，建立关节角度与末端位置之间的直接映射关系。D-H法建模：机器人运动学分析平滑性量化指标：���

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= θ

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2��0H值量化了轨迹的平滑程度，其值越小，代表轨迹的角加速度变化越缓和，运动越平稳。平滑性指标及全局优化变分法五次多项式全局优化寻找使平滑性指标H[θ(t)]最小的最优轨迹函数θ(t)。作为轨迹函数形式，能精确满足位置、速度、加速度等6个边界约束。通过连续性约束，将两点间最优轨迹方法扩展至多路径点，实现整条路径的全局最优平滑。仿真验证：检验优化算法有效性角加速度对比曲线 力矩对比曲线为验证所提出轨迹优化算法的效果，在MATLAB/Simscape环境中建立了锥桶收摆机器人的动力学仿真模型，对优化前后的算法进行了动态仿真对比

。优化后的角加速度曲线（蓝色实线）消除了所有尖锐的突变点，峰值最大降低了49.62%

。运动冲击被极大抑制。更平滑的运动带来了更小的驱动力矩需求，优化后驱动电机的力矩在整个周期内平均降低了26.7%

，锥桶收摆机器人的运动轨迹更加平滑、高效。第一代锥桶摆放应用示范第一代锥桶回收应用示范第二代锥桶摆放应用示范第二代锥桶回收应用示范第三代锥桶摆放应用示范第三代锥桶回收应用示范经济效益分析：应用情况：需求分析及量化指标：喷嘴设计动量方程为：最后构建出如下的压力方程：相输运方程为应用情况：传统投料方式全自动标线机器人提升经济效益分析：序号名称用量/m2价格每平方米价格备注1人工成本包干700元/人4.4元5人一组共两组（施工量800平方/天）2施工机具天16002元手推式标线机施工量800平方/天3安全措施费2.4