隧道多臂架、多关节作业设备的末端臂架姿态多模式自动控制装置及方法制造方法及图纸

一种隧道多臂架、多关节作业设备的末端臂架姿态多模式自动控制装置及方法，该方法是作业设备的操作者通过人机交互单元，依据各类设备及其作业的实际情况，经控制单元将操作者的操控指令与传感器采集的信号相结合进行运算处理以输出控制指令，对三种自动控制功能（末端臂架朝向自动控制、末端臂架水平位置自动控制以及末端臂架尾端点与臂组支撑结构（或车身）垂直距离自动控制）进行自由组合，实现末端臂架结构的姿态多模式自动控制，极大程度上满足了隧道作业设备对臂架结构的智能操控要求，大大降低设备的操控难度，实现智能化自动控制。

Multi end automatic control device and method for tail arm posture of tunnel multi arm frame and multi joint operation equipment

Device and method for automatically controlling the end position of boom a tunnel multi arm frame, multi joint operation equipment multi mode, the method is operation equipment operator through the interactive unit, according to the actual situation of various types of equipment and operation, the control unit will operate a command signal and sensor combination processing the output control command, automatic control function for three (at the end of the arm toward the end of the arm level automatic control, automatic position control and the end of the arm and the arm support structure of tail endpoint group (or body) automatic control vertical distance) for free combination, to achieve automatic control at the end of the boom structure attitude of multi mode, greatly to meet the intelligent control of tunnel operation equipment of the jib structure, greatly reduce the equipment operation difficulty, the realization of intelligent automatic control.

【技术实现步骤摘要】
隧道多臂架、多关节作业设备的末端臂架姿态多模式自动控制装置及方法
本专利技术涉及一种末端臂架姿态控制装置及方法，具体涉及一种对隧道多臂架、多关节作业设备的末端臂架姿态多模式自动控制的装置及方法。
技术介绍
现有工业用智能机器手臂实现臂架的控制，主要分为两种控制方式：第一种，按照预定轨迹进行运动控制；第二种，通过图像识别、位置传感器等设备采集信号，由专用计算机软件进行运算处理，控制其运动。显然，作为隧道作业设备，其作业工况多变复杂，无法预先设定器运动轨迹，且现场实际工况条件恶劣，高精度的传感设备无法应用，也不适合采用专用计算机进行现场运算处理。现有隧道作业设备对臂架控制，一般采用在臂架上加装倾角传感器的方式，实时测量相应臂架与水平面的夹角，以此作为臂架姿态控制的依据，基本实现了臂架末端与水平面保持固定姿态的功能。但是，隧道作业设备受其作业空间的限制，往往要求作业设备具有很好的灵活性，为此多关节、可多方向运动的臂架的结构运用得越来越广泛，在带来灵活性的同时，也造成了臂架的运动控制越来越复杂，尤其是末端姿态的控制，往往需要操作手反复调整才能接近目标位置。为此，开发一种针对多臂架、多运动方向作业设备的末端臂架姿态控制装置及方法意义重大。
技术实现思路
本专利技术所需要解决的技术问题是：针对上述现有技术的不足，提供一种隧道多臂架、多关节作业设备的末端臂架姿态多模式自动控制装置及方法。为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是：一种隧道多臂架、多关节作业设备的末端臂架姿态多模式自动控制装置，其特点是，该控制装置包括传感单元、控制单元、人机交互单元及执行单元，其中：该传感单元，包括倾角传感器、回转角度传感器及位移传感器，该倾角传感器设于作业设备臂架组的各臂架上以测量各臂架与水平面的夹角值，该回转角度传感器设于该臂架组中各臂架的回转机构上以测量各回转机构的回转角度值，该位移传感器设于该臂架组中各臂架的伸缩机构上以测量各伸缩机构的运动位移值；该传感单元与该控制单元连接，以通过各传感器实时采集传感信号并传送至控制单元；该人机交互单元，与该控制单元连接，用于接收操作者的操控指令并发送至控制单元；同时接受并显示控制单元发出的控制指令信息，将该臂架组的当前运行状态实时展示给操作者；其中，该操作者的操控指令包括末端臂架水平方向调节指令、末端臂架朝向调节指令以及末端臂架尾端点与支撑装置铰接点之间的垂直距离调节指令；该控制单元，其包括工业控制器，该工业控制器用于接收各传感信号，同时接收人机交互单元传送的操控指令，并结合传感信号进行运算处理后输出控制指令，并将控制指令发送到执行机构单元，同时将控制指令的相关信息反馈至人机交互系统进行显示；该执行机构单元，与该控制单元连接；该执行机构单元包括控制阀组，用于接收控制单元发出的控制指令，以使控制阀组执行该控制指令使该臂架组的基本臂架和末端臂架动作，实现对该臂架组末端臂架的姿态控制。上述传感单元采集的信号包括所述臂架组的各臂架与水平面的当前夹角值；该臂架组中各回转机构的当前回转角度值；该臂架组中各伸缩机构的当前运动位移值。本专利技术同时提供一种隧道多臂架、多关节作业设备的末端臂架姿态多模式自动控制方法，该方法步骤如下：A.于该作业设备一臂架组的伸缩机构、回转机构、以及各臂架上设置对应的位移传感器、回转角度传感器、和倾角传感器；B.人机交互单元获取操作者的操控指令并发送至控制单元，该操控指令包括末端臂架水平方向调节指令、末端臂架朝向调节指令以及末端臂架尾端点与支撑装置铰接点之间的垂直距离调节指令；同时传感单元中各回转角度传感器、倾角传感器及位移传感器采集当前传感信号并发送至控制单元；C.控制单元接收操作者的操控指令和当前的各传感信号，经运算处理后输出相应的控制指令至执行机构单元使臂架组基本臂架和末端臂架动作，实现对末端臂架姿态的自动控制；上述提及的控制指令的运算处理过程如下：末端臂架水平方向自动调节控制指令：通过人机交互单元设定末端臂架与水平面的夹角值θe和操作者发出的末端臂架水平方向调节控制指令中的末端臂架实际水平调节角度即目标夹角值θm的最大允许差值为Δθ；若倾角传感器采集的末端臂架与水平面的当前夹角值和操作者发出的目标夹角值之间的差值Δθ0大于Δθ时，则由控制单元计算出Δθ0与Δθ之间的差值，根据该计算出的差值发出末端臂架水平方向调节控制指令至执行机构单元使末端臂架于垂直方向运动，使倾角传感器采集的末端臂架与水平面的当前夹角值和目标夹角值的差值小于等于Δθ；若倾角传感器采集的末端臂架与水平面的当前夹角值和操作者发出的目标夹角值之间的差值Δθ0小于等于Δθ，则末端臂架不动作，从而实现末端臂架的水平方向自动调节控制；末端臂架朝向自动调节控制指令：设定操作者发出的末端臂架朝向调节操控指令中的目标朝向调节角度为Δα，若基本臂架和末端臂架的回转角度传感器采集的该两臂架的当前回转角度之和Δα0等于Δα，则基本臂架和末端臂架不动作；若基本臂架和末端臂架的回转角度传感器采集的两臂架的当前回转角度之和Δα0小于或大于Δα，则控制单元计算Δα0与Δα的差值，再根据计算出的该差值发出末端臂架朝向调节控制指令至执行机构单元使基本臂架和末端臂架中的至少一个臂架进行回转动作，直至基本臂架和末端臂架的回转角度传感器采集的该两臂架的当前回转角度之和等于Δα，从而实现末端臂架朝向的自动调节控制；末端臂架尾端点与支撑装置铰接点之间的垂直距离的自动调节控制指令：设定操作者发出的末端臂架尾端点与支撑装置铰接点之间的垂直距离调节指令中的目标垂直调节距离为L；当臂架组的基本臂架不动作即不进行垂直或回转运动时，设定人机交互单元显示的当前垂直调节距离为L0；若L0小于或大于L，则由控制单元计算出L0与L的差值，再根据该差值，发出垂直距离自动调节控制指令使末端臂架的伸缩机构运动该计算出的差值距离，并通过该伸缩机构的位移传感器进行伸缩长度的反馈；若L0等于L，则末端臂架的伸缩机构不动作，从而实现末端臂架尾端点与支撑装置铰接点之间的垂直距离的自动调节控制；当臂架组的基本臂架只进行垂直运动时，则先由控制单元根据基本臂架的倾角传感器采集的垂直运动后基本臂架与水平面的夹角，依据基本臂架的长度，计算出基本臂架垂直运动后的垂直方向值，再计算出该垂直方向值与L的差值，然后根据该差值，发出垂直距离自动调节控制指令使末端臂架的伸缩机构运动该计算出的差值距离，并通过该伸缩机构的位移传感器进行伸缩长度的反馈，从而实现末端臂架尾端点与支撑装置铰接点之间的垂直距离的自动调节控制；当臂架组的基本臂架只进行回转方向运行时，则先由控制单元根据基本臂架的回转角度传感器采集的基本臂架回转运行前后的回转角度值，依据基本臂架的长度，计算出基本臂架回转运动后于水平方向的垂直变化值L基，若末端臂架不进行回转和垂直运动，则直接根据控制单元计算出的基本臂架回转运动后于水平方向的垂直方向值与L进行比较，计算出差值，然后根据该差值，发出垂直距离自动调节控制指令使末端臂架的伸缩机构运动计算出的该差值距离，并通过该伸缩机构的位移传感器进行伸缩长度的反馈；若末端臂架进行回转而不进行垂直运动，则由控制单元根据末端臂架的回转角度传感器采集的末端臂架回转运动前后的回转角度值，依据末端臂架的长度，计算出末本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种隧道多臂架、多关节作业设备的末端臂架姿态多模式自动控制装置，其特征在于，该控制装置包括传感单元、控制单元、人机交互单元及执行单元，其中：该传感单元，包括倾角传感器、回转角度传感器及位移传感器，该倾角传感器设于作业设备臂架组的各臂架上以测量各臂架与水平面的夹角值，该回转角度传感器设于该臂架组中各臂架的回转机构上以测量各回转机构的回转角度值，该位移传感器设于该臂架组中各臂架的伸缩机构上以测量各伸缩机构的运动位移值；该传感单元与该控制单元连接，以通过各传感器实时采集传感信号并传送至控制单元；该人机交互单元，与该控制单元连接，用于接收操作者的操控指令并发送至控制单元；同时接受并显示控制单元发出的控制指令信息，将该臂架组的当前运行状态实时展示给操作者；其中，该操作者的操控指令包括末端臂架水平方向调节指令、末端臂架朝向调节指令以及末端臂架尾端点与支撑装置铰接点之间的垂直距离调节指令；该控制单元，其包括工业控制器，该工业控制器用于接收各传感信号，同时接收人机交互单元传送的操控指令，并结合传感信号进行运算处理后输出控制指令，并将控制指令发送到执行机构单元，同时将控制指令的相关信息反馈至人机交互系统进行显示；该执行机构单元，与该控制单元连接；该执行机构单元包括控制阀组，用于接收控制单元发出的控制指令，以使控制阀组执行该控制指令使该臂架组的基本臂架和末端臂架动作，实现对该臂架组末端臂架的姿态控制。...

【技术特征摘要】
1.一种隧道多臂架、多关节作业设备的末端臂架姿态多模式自动控制装置，其特征在于，该控制装置包括传感单元、控制单元、人机交互单元及执行单元，其中：该传感单元，包括倾角传感器、回转角度传感器及位移传感器，该倾角传感器设于作业设备臂架组的各臂架上以测量各臂架与水平面的夹角值，该回转角度传感器设于该臂架组中各臂架的回转机构上以测量各回转机构的回转角度值，该位移传感器设于该臂架组中各臂架的伸缩机构上以测量各伸缩机构的运动位移值；该传感单元与该控制单元连接，以通过各传感器实时采集传感信号并传送至控制单元；该人机交互单元，与该控制单元连接，用于接收操作者的操控指令并发送至控制单元；同时接受并显示控制单元发出的控制指令信息，将该臂架组的当前运行状态实时展示给操作者；其中，该操作者的操控指令包括末端臂架水平方向调节指令、末端臂架朝向调节指令以及末端臂架尾端点与支撑装置铰接点之间的垂直距离调节指令；该控制单元，其包括工业控制器，该工业控制器用于接收各传感信号，同时接收人机交互单元传送的操控指令，并结合传感信号进行运算处理后输出控制指令，并将控制指令发送到执行机构单元，同时将控制指令的相关信息反馈至人机交互系统进行显示；该执行机构单元，与该控制单元连接；该执行机构单元包括控制阀组，用于接收控制单元发出的控制指令，以使控制阀组执行该控制指令使该臂架组的基本臂架和末端臂架动作，实现对该臂架组末端臂架的姿态控制。2.一种隧道多臂架、多关节作业设备的末端臂架姿态多模式自动控制装置，其特征在于，所述传感单元采集的信号包括所述臂架组的各臂架与水平面的当前夹角值；该臂架组中各回转机构的当前回转角度值；该臂架组中各伸缩机构的当前运动位移值。3.一种隧道多臂架、多关节作业设备的末端臂架姿态多模式自动控制方法，其特征在于，该方法步骤如下：A.于该作业设备一臂架组的伸缩机构、回转机构、以及各臂架上设置对应的位移传感器、回转角度传感器、和倾角传感器；B.人机交互单元获取操作者的操控指令并发送至控制单元，该操控指令包括末端臂架水平方向调节指令、末端臂架朝向调节指令以及末端臂架尾端点与支撑装置铰接点之间的垂直距离调节指令；同时传感单元中各回转角度传感器、倾角传感器及位移传感器采集当前传感信号并发送至控制单元；C.控制单元接收操作者的操控指令和当前的各传感信号，经运算处理后输出相应的控制指令至执行机构单元使臂架组基本臂架和末端臂架动作，实现对末端臂架姿态的自动控制；上述提及的控制指令的运算处理过程如下：末端臂架水平方向自动调节控制指令：通过人机交互单元设定末端臂架与水平面的夹角值θe和操作者发出的末端臂架水平方向调节控制指令中的末端臂架实际水平调节角度即目标夹角值θm的最大允许差值为Δθ；若倾角传感器采集的末端臂架与水平面的当前夹角值和操作者发出的目标夹角值之间的差值Δθ0大于Δθ时，则由控制单元计算出Δθ0与Δθ之间的差值，根据该计算出的差值发出末端臂架水平方向调节控制指令至执行机构单元使末端臂架于垂直方向运动，使倾角传感器采集的末端臂架与水平面的当前夹角值和目标夹角值的差值小于等于Δθ；若倾角传感器采集的末端臂架与水平面的当前夹角值和操作者发出的目标夹角值之间的差值Δθ0小于等于Δθ，则末端臂架不动作，从而实现末端臂架的水平方向自动调节控制；末端臂架朝向自动调节控制指令：设定操作者发出的末端臂架朝向调节操控指令中的目标朝向调节角度为Δα，若基本臂架和末端臂架的回转角度传感器采集的该两臂架的当前回转角度之和Δα0等于Δα，则基本臂架和末端臂架不动作；若基本臂架和末端臂架的回转角度传感器采集的两臂架的当前回转角度之和Δα0小于或大于Δα，则控制单元计算Δα0与Δα的差值，再根据计算出的该差值发出末端臂架朝向调节控制指令至执行机构单元使基本臂架和末端臂架中的至少一个臂架进行回转动作，直至基本臂架和末端臂架的回转角度传感器采集的该两臂架的当前回转角度之和等于Δα，从而实现末端臂架朝向的自动调节控制；末端臂架...

【专利技术属性】
技术研发人员：邵凡，郎媛，林叔斌，
申请(专利权)人：长沙科达智能装备股份有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南,43