机械臂、拱架拼装装置及机械臂运动位置的获取方法制造方法及图纸

本发明专利技术为一种机械臂、拱架拼装装置及机械臂运动位置的获取方法，该机械臂运动位置的获取方法包括如下步骤：分别获取第二连接臂、第一摆臂和第二摆臂的初始状态数据；根据第二连接臂、第一摆臂和第二摆臂的初始状态数据，获得初始位置第一连接臂与第二连接臂铰接点的初始位置数据；预设第一连接臂与第二连接臂铰接点的期望位置数据；根据第二连接臂、第一摆臂和第二摆臂的初始状态数据、初始位置数据以及第一连接臂与第二连接臂铰接点的期望位置数据，分别获得第二连接臂、第一摆臂和第二摆臂的动作数据。本发明专利技术解决了对钢拱架拼装过程中，无法精准确定机械臂的运动位置的技术问题。题。题。

【技术实现步骤摘要】
机械臂、拱架拼装装置及机械臂运动位置的获取方法


[0001]本专利技术涉及隧道施工
，进一步的，涉及一种机械臂、拱架拼装装置及机械臂运动位置的获取方法，尤其涉及一种可对钢拱架进行抓取和移动的机械臂、拱架拼装装置及机械臂运动位置的获取方法。

技术介绍

[0002]TBM施工过程中需要采用钢拱架对开挖隧道进行及时支护，目前主要的支护方式为人工操作机械设备进行支护。支护过程中，首先需要工作人员使用遥控器操作钢拱架拼装机，将钢拱架拼装成一个圆环，再将拼装后的钢拱架撑起在TBM(隧道掘进机)施工后的隧道洞壁上，同时各段钢拱架之间都需要工作人员穿入螺栓连接，并将螺栓拧紧，使钢拱架之间连接牢固。整个过程需要大量人员参与，拼装的速度和质量完全依赖于工作人员的熟练度和经验，同时工作人员长时间在现场工作，劳动强度大、安全隐患高，且支护效率低。由人工支护导致的支护不及时或质量不稳定是造成TBM隧道塌方的主要原因，严重制约着TBM的全面推广应用。
[0003]为了解决隧道及时支护难题，同时提高TBM施工安全和效率，近年来业内针对TBM的钢拱架拼装问题进行了大量研究，研究方向为实现钢拱架拼装由人工操作向机器人化操作转型，而无论采用何种拼装方式，实现机器人自动作业必须满足一个条件，即在进行拼装动作时，需保持钢拱架与圆环形的回转机构相平行(此时拼装的两段钢拱架构成同心圆弧)才能顺利完成对接，否则会造成钢拱架之间无法连接牢固，更严重者会造成破坏钢拱架结构、影响隧道支护质量、酿成安全事故的后果。
[0004]想要在机器人操作的环境下满足上述拼装条件，就需要对机器人进行严谨的数学建模和运动学分析，以智能算法对其支撑，但目前的研究大多面向机械结构和拼装工法，而对拼装机器人的拼装算法鲜有研究，也没有针对上述问题的具体解决方法。
[0005]针对钢拱架拼装过程中，无法精准确定机械臂的运动位置的问题，目前尚未给出有效的解决方案。
[0006]由此，本专利技术人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种机械臂、拱架拼装装置及机械臂运动位置的获取方法，以克服现有技术的缺陷。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于提供一种机械臂、拱架拼装装置及机械臂运动位置的获取方法，方法简单、实时性好，能够对机械臂进行精准控制，以使在拼装过程中两段钢拱架处于同圆心位置，保证两段钢拱架的顺利对接，提高隧道的支护质量和效率，提高隧道施工的安全性。
[0008]本专利技术的目的可采用下列技术方案来实现：
[0009]本专利技术提供了一种机械臂，其设置于掘进机的回转架上，所述机械臂包括：
[0010]第一连接臂，用于抓取拱架并移动至预设位置进行拼接；
[0011]第二连接臂，其两端分别与所述回转架和所述第一连接臂铰接，控制所述第二连接臂的伸缩，以调节所述第一连接臂与所述回转架的轴心之间的距离；
[0012]第一摆臂，其两端分别与所述回转架和所述第二连接臂铰接，控制所述第一摆臂的伸缩，沿所述回转架的周向，以调节所述第二连接臂的摆动角度；
[0013]第二摆臂，其两端分别与所述第二连接臂和所述第一连接臂铰接，控制所述第二摆臂的伸缩，沿所述回转架的周向，以调节所述第一连接臂的摆动角度。
[0014]在本专利技术的一较佳实施方式中，所述第一摆臂与所述第二连接臂的铰接点位置所述第二连接臂的中间位置。
[0015]在本专利技术的一较佳实施方式中，所述第二摆臂与所述第一连接臂的铰接点位于所述第一连接臂的端部或者靠近端部位置；
[0016]所述第二摆臂与所述第二连接臂的铰接点位置所述第二连接臂的中间位置。
[0017]在本专利技术的一较佳实施方式中，所述第一连接臂为弧形结构，所述第一连接臂上设置有对所述拱架进行抓取的夹爪，所述夹爪对所述拱架抓取状态下，所述拱架与所述第一连接臂相平行。
[0018]在本专利技术的一较佳实施方式中，所述第二连接臂、所述第一摆臂和所述第二摆臂上分别设置有位移传感器。
[0019]在本专利技术的一较佳实施方式中，所述夹爪的数量为至少两个，两个所述夹爪分别位于所述第一连接臂的两端或者靠近两端位置。
[0020]在本专利技术的一较佳实施方式中，所述第二连接臂、所述第一摆臂和所述第二摆臂均为可伸缩的杆状结构。
[0021]本专利技术提供了一种拱架拼装装置，所述拱架拼装装置包括沿隧道的周向设置的回转架和上述的机械臂，所述机械臂设置于所述回转架上。
[0022]在本专利技术的一较佳实施方式中，所述机械臂的数量为多个，各所述机械臂沿所述回转架的周向间隔分布。
[0023]在本专利技术的一较佳实施方式中，所述拱架拼装装置还包括机架，所述机架设置于所述隧道内，所述回转架能沿所述隧道的周向转动的设置于所述机架上。
[0024]本专利技术提供了一种机械臂运动位置的获取方法，所述机械臂运动位置的获取方法包括如下步骤：
[0025]获取所述机械臂动作后的预期位置数据；
[0026]根据所述预期位置数据对所述机械臂中各铰接点的位置进行定位，以使所述机械臂中第一连接臂与回转架保持平行。
[0027]在本专利技术的一较佳实施方式中，以机械臂中第二连接臂与回转架铰接点的初始位置为原点O0建立平面直角坐标系xO0y，初始位置时，在所述平面直角坐标系xO0y中：O0y轴与方向相重合，O0x轴与O0y轴相垂直，其中，O点为隧道断面所形成的外圆环C1和所述回转架所形成的内圆环C2的共同圆心点。
[0028]在本专利技术的一较佳实施方式中，所述机械臂动作后的预期位置数据为所述第二连接臂和所述机械臂中第一摆臂的长度；
[0029]根据所述动作后所述第二连接臂和所述第一摆臂的长度，确定所述机械臂中第一连接臂的端部或者靠近端部的位置。
[0030]在本专利技术的一较佳实施方式中，所述第一连接臂的端部或者靠近端部的位置为所述第一连接臂与所述机械臂中第二摆臂的铰接点的位置。
[0031]在本专利技术的一较佳实施方式中，根据所述动作后所述第二连接臂和所述第一摆臂的长度，确定所述机械臂中第一连接臂的端部或者靠近端部的位置包括：
[0032]分别获取所述第一摆臂和所述机械臂中第二摆臂的偏转角度；
[0033]根据所述第一摆臂和所述第二摆臂的偏转角度，以及期望位置时所述第二连接臂的长度，获得期望位置时所述第一连接臂与所述第二连接臂铰接点O1在所述平面直角坐标系xO0y中的位置坐标(x1,y1)；
[0034]以所述第一连接臂与所述第二连接臂铰接点O1为原点建立直角坐标系x
′
O1y
′
，其中，O1x
′
轴与O0x轴相平行，O1y
′
轴与O0y轴相平行，获得在平面直角坐标系x
′
O1y
′
中所述第二摆臂与所述第一连接臂铰接点T的位置坐标(x2,y2)；
[0035]根据期望位置时所述第一连接臂与所述第二连接臂铰接点O1在所述平面直角坐标系xO0y中的位置坐标本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种机械臂，其设置于掘进机的回转架上，其特征在于，所述机械臂包括：第一连接臂，用于抓取拱架并移动至预设位置进行拼接；第二连接臂，其两端分别与所述回转架和所述第一连接臂铰接，控制所述第二连接臂的伸缩，以调节所述第一连接臂与所述回转架的轴心之间的距离；第一摆臂，其两端分别与所述回转架和所述第二连接臂铰接，控制所述第一摆臂的伸缩，沿所述回转架的周向，以调节所述第二连接臂的摆动角度；第二摆臂，其两端分别与所述第二连接臂和所述第一连接臂铰接，控制所述第二摆臂的伸缩，沿所述回转架的周向，以调节所述第一连接臂的摆动角度。2.如权利要求1所述的机械臂，其特征在于，所述第一摆臂与所述第二连接臂的铰接点位置所述第二连接臂的中间位置。3.如权利要求2所述的机械臂，其特征在于，所述第二摆臂与所述第一连接臂的铰接点位于所述第一连接臂的端部或者靠近端部位置；所述第二摆臂与所述第二连接臂的铰接点位置所述第二连接臂的中间位置。4.如权利要求1至3中任一项所述的机械臂，其特征在于，所述第一连接臂为弧形结构，所述第一连接臂上设置有对所述拱架进行抓取的夹爪，所述夹爪对所述拱架抓取状态下，所述拱架与所述第一连接臂相平行。5.如权利要求4所述的机械臂，其特征在于，所述夹爪的数量为至少两个，两个所述夹爪分别位于所述第一连接臂的两端或者靠近两端位置。6.如权利要求1所述的机械臂，其特征在于，所述第二连接臂、所述第一摆臂和所述第二摆臂上分别设置有位移传感器。7.如权利要求1所述的机械臂，其特征在于，所述第二连接臂、所述第一摆臂和所述第二摆臂均为可伸缩的杆状结构。8.一种拱架拼装装置，其特征在于，所述拱架拼装装置包括沿隧道的周向设置的回转架和权利要求1至7中任一项所述的机械臂，所述机械臂设置于所述回转架上。9.如权利要求8所述的拱架拼装装置，其特征在于，所述机械臂的数量为多个，各所述机械臂沿所述回转架的周向间隔分布。10.如权利要求8所述的拱架拼装装置，其特征在于，所述拱架拼装装置还包括机架，所述机架设置于所述隧道内，所述回转架能沿所述隧道的周向转动的设置于所述机架上。11.一种机械臂运动位置的获取方法，其特征在于，所述机械臂运动位置的获取方法包括如下步骤：获取所述机械臂动作后的预期位置数据；根据所述预期位置数据对所述机械臂中各铰接点的位置进行定位，以使所述机械臂中第一连接臂与回转架保持平行。12.如权利要求11所述的机械臂运动位置的获取方法，其特征在于，以机械臂中第二连接臂与回转架铰接点的初始位置为原点O0建立平面直角坐标系xO0y，初始位置时，在所述平面直角坐标系xO0y中：O0y轴与方向相重合，O0x轴与O0y轴相垂直，其中，O点为隧道断面所形成的外圆环C1和所述回转架所形成的内圆环C2的共同圆心点。13.如权利要求12所述的机械臂运动位置的获取方法，其特征在于，所述机械臂动作后
的预期位...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜礼杰，李正道，王一新，吴乾坤，杨航，彭飞虎，钱豪，
申请(专利权)人：中铁工程装备集团有限公司，
类型：发明
国别省市：