一种侧夹式液压打桩机位姿监测系统及其位姿反解方法技术方案

本发明专利技术公开了一种侧夹式液压打桩机位姿监测系统及其位姿反解方法，包括设置在打桩机机体上的位姿传感单元、位移传感单元、数据采集模块、数据处理模块、通信管理机制模块、监测系统模块；所述位姿传感单元设置在打桩机末端偏摆机构的中心部位用于测量打桩机末端偏摆机构所夹持桩体X、Y、Z三轴方向位姿信息；所述位移传感单元安置在打桩机机械臂的三组动臂油缸上用于测量打桩机机械臂液压油缸活塞的推进行程；能够通过已知桩体的位姿信息反解出打桩机机械臂关节偏角，从而确定打桩机机械大臂、小臂以及打桩机末端偏摆机构三组动臂油缸活塞的推进行程，从而为操作人员调整桩体位姿提供数据参考。提供数据参考。提供数据参考。

【技术实现步骤摘要】
一种侧夹式液压打桩机位姿监测系统及其位姿反解方法


[0001]本专利技术涉及桩工机械
，具体涉及一种侧夹式液压打桩机位姿监测系统及其位姿反解方法。

技术介绍

[0002]随着我国基建的快速发展，对打桩机的需求量愈来愈大。对于高层建筑深沉桩基础工程越来越多，对打桩机的沉桩精度与施工效率提出更高要求。目前传统的沉桩监测主要依靠人工测量或者普通的水准仪测量，沉桩过程中受到振动等一些列外部因素影响导致桩体位姿发生改变且无法持续对桩体进行位姿测量，从而导致施工效率低下且沉桩精度难以保证。此外，侧夹式液压打桩机涉及偏摆机构、抱夹机构、振动箱体和底部夹紧等硬件装置，调整桩体位姿时组合动作复杂且难以控制。

技术实现思路

[0003]针对上述存在的技术不足，本专利技术的目的是提供一种侧夹式液压打桩机位姿监测系统及其位姿反解方法，能够通过已知桩体的位姿信息反解出打桩机机械臂关节偏角，从而确定打桩机机械大臂、小臂以及偏摆机构三组动臂油缸活塞的推进行程，从而为操作人员调整桩体位姿提供数据参考。
[0004]为解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：
[0005]本专利技术提供一种侧夹式液压打桩机位姿监测系统，包括设置在打桩机机体上的位姿传感单元、位移传感单元、数据采集模块、数据处理模块、通信管理机制模块、监测系统模块；所述位姿传感单元设置在打桩机末端偏摆机构的中心部位用于测量打桩机末端偏摆机构所夹持桩体X、Y、Z三轴方向位姿信息；所述位移传感单元安置在打桩机机械臂的三组动臂油缸上用于测量打桩机机械臂液压油缸活塞的推进行程；所述数据采集模块与位姿传感单元、位移传感单元电连接用于采集位姿传感单元、位移传感单元转换后的电信号，并将转换后的电信号发送给数据处理模块；所述数据处理模块用于将数据采集模块采集的电信号利用预定函数进行计算，求所述解桩体X、Y、Z三轴位姿信息与液压缸活塞推进行程；所述通信管理机制模块用于将数据处理模块与监测系统模块进行连接；所述监测系统模块用于显示桩体的位姿信息与打桩机的动态模型。
[0006]优选地，所述位移传感单元分三组设置在打桩机机械臂三组液压油缸上，第一组布置在打桩机机械大臂液压油缸上；第二组布置在打桩机机械小臂液压油缸上；第三组布置在打桩机末端偏摆机构的液压油缸上。
[0007]优选地，所述位姿传感单元、位移传感单元采用RS232总线与所述数据采集模块进行连接，所述通信管理机制模块与监测系统模块采用是UDP通信协议进行连接。
[0008]优选地，所述监测系统模块包括监测数据显示界面与虚拟模型显示界面，所述监测数据显示界面用于显示所述位姿传感单元与位移传感单元的监测数据；所述虚拟模型显示界面用于展示打桩机实时动态。
[0009]优选地，所述X、Y、Z三轴是以打桩机基坐标系{oxyz}为坐标系，其中：基坐标系{oxyz}以打桩机竖直向上的方向为基座标系z轴正方向，打桩机机械臂伸展方向为基坐标系x轴正方向，以右手定则确定基座标系y轴方向。
[0010]本专利技术还提供一种上述系统的位姿反解方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0011](1)通过数据采集模块采集位姿传感单元监测的桩体位姿数据与位移传感单元监测的液压油缸的行程数据；
[0012](2)通过数据处理模块解析步骤(1)中的数据，将解析出的桩体位姿数据建立T1矩阵；同时根据打桩机机械臂模型的六组自由度参数，建立末端执行机构坐标系相对于打桩机基坐标系的变换矩阵T2；将得出的T1与T2矩阵运用机构运动学反解方法求解出打桩机各个关节偏角，再由关节偏角求解出打桩机机械大臂、机械小臂以及打桩机末端偏摆机构这三组液压油缸活塞的推进行程数据；
[0013](3)运用所述通信管理机制模块将步骤(2)获得的液压油缸的推进数据进行格式转换，并通过UDP协议传输到所述的监测系统模块；
[0014](4)通过监测系统模块的监测数据显示界面展示位姿传感单元数据，通过监测系统模块的虚拟模型显示界面展示步骤(3)得出的液压缸活塞位移数据，用此位移数据驱动打桩机模型机械臂。
[0015]优选地，步骤(2)中：
[0016]式中：是以打桩机末端偏摆机构绕打桩机基座标系的X轴旋转角度γ、绕打桩机基座标系的Y轴旋转角度β、绕打桩机基座标系的Z轴旋转角度α为基准建立的旋转矩阵、是平移矩阵，px、py、pz为打桩机末端偏摆机构夹持中心点到打桩机基座标系的x轴、y轴、z轴之间的距离；
[0017][0017]分别代表六组自由度参数矩阵，每组自由度参数矩阵均包括a
i
,α
i
,d
i
,θ
i
四个参数；其中a
i
(i＝1，2，3，4，5，6)表示打桩机机械臂第i连杆长度，αi表示第i个连杆扭转角，di为第i个连杆偏距，θi为第i个关节的关节角。
[0018]本专利技术的有益效果在于：
[0019]本专利技术通过自动化监测，能够及时准确的掌握桩体下沉的位姿信息，能够为操作人员提供准确的桩体位姿信息；同时本专利技术运用机构反解算法计算出桩体保持目标位姿时各个机械臂所需的关节偏角，利用偏角再计算出各个液压缸活塞的推进行程，为操作人员调整桩体位姿提供了有效的数据支撑，同时运用此数据驱动打桩机模型运动为操作人员提
供更加直观的三维虚拟界面。
附图说明
[0020]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0021]图1为本专利技术的侧夹式打桩机位姿监测系统的开发流程示意图；
[0022]图2为本专利技术的侧夹式打桩机位姿监测系统硬件搭建系统示意图；
[0023]图3为本专利技术的侧夹式打桩机机械臂三自由度结构简图。
[0024]附图标记说明：
[0025]1、桩体，2、侧夹机构，3、打桩机末端偏摆机构，4、位姿传感单元，5、机械臂动臂油缸，6、RS232串口通信线，7、位移传感单元，8、监测系统模块；L1、打桩机机械动臂的连杆长度；L2、打桩机机械小臂的连杆长度；L3、末端执行机构的连杆长度；
①
、动臂液压油缸；
②
、斗杆液压油缸；
③
、偏摆机构液压油缸；a1、动臂关节偏角；a2、斗杆关节偏角；a3、偏摆机构关节偏角。
具体实施方式
[0026]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，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，都属于本专利技术保护的范围。
[0027]如图1至图3所示，一种侧夹式液压打桩机位姿监测系统，包括设置在打桩机机体上的位姿传感单元本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种侧夹式液压打桩机位姿监测系统及其位姿反解方法，其特征在于，包括设置在打桩机机体上的位姿传感单元(4)、位移传感单元(7)、数据采集模块、数据处理模块、通信管理机制模块、监测系统模块(8)；所述位姿传感单元(4)设置在打桩机末端偏摆机构的中心部位用于测量打桩机末端偏摆机构所夹持桩体X、Y、Z三轴方向位姿信息；所述位移传感单元(7)安置在打桩机机械臂的三组动臂油缸上用于测量打桩机机械臂液压油缸活塞的推进行程；所述数据采集模块与位姿传感单元(4)、位移传感单元(7)电连接用于采集位姿传感单元(4)、位移传感单元(7)转换后的电信号，并将转换后的电信号发送给数据处理模块；所述数据处理模块用于将数据采集模块采集的电信号利用预定函数进行计算，求所述解桩体X、Y、Z三轴位姿信息与液压缸活塞推进行程；所述通信管理机制模块用于将数据处理模块与监测系统模块(8)进行连接；所述监测系统模块(8)用于显示桩体的位姿信息与打桩机的动态模型。2.如权利要求1所述的一种侧夹式液压打桩机位姿监测系统，其特征在于，所述位移传感单元(7)分三组设置在打桩机机械臂三组液压油缸上，第一组布置在打桩机机械大臂液压油缸上；第二组布置在打桩机机械小臂液压油缸上；第三组布置在打桩机末端偏摆机构的液压油缸上。3.如权利要求1所述的一种侧夹式液压打桩机位姿监测系统，其特征在于，所述位姿传感单元(4)、位移传感单元(7)采用RS232总线与所述数据采集模块进行连接，所述通信管理机制模块与监测系统模块(8)采用是UDP通信协议进行连接。4.如权利要求1所述的一种侧夹式液压打桩机位姿监测系统，其特征在于，所述监测系统模块(8)包括监测数据显示界面与虚拟模型显示界面，所述监测数据显示界面用于显示所述位姿传感单元(4)与位移传感单元(7)的监测数据；所述虚拟模型显示界面用于展示打桩机实时动态。5.如权利要求1所述的一种侧夹式液压打桩机位姿监测系统，其特征在于，所述X、Y、Z三轴是以打桩机基坐标系{oxyz}为坐标系，其中：基坐标系{oxyz}以打桩机竖直向上的方向为基座标系z轴正方向，打桩机机械臂伸展方向为基坐标系x轴正方向，以右手定则确定基座标系y轴方向。6.如权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴剑博，王秀忠，徐杰，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：