拼装机的精确运动控制方法和控制系统技术方案

本发明专利技术涉及一种拼装机的精确运动控制方法和控制系统，包括如下步骤：

【技术实现步骤摘要】
拼装机的精确运动控制方法和控制系统


[0001]本专利技术涉及盾构施工工程领域，特指一种拼装机的精确运动控制方法和控制系统
。

技术介绍

[0002]随着盾构的向前推进，隧道的永久支护需要同时间隙拼装
。
用盾构施工法时，隧道的永久支护通常是将在地面预制好的钢筋混凝土管片，运输到盾构尾部，然后用盾构拼装机构逐片间隙拼装
。
管片拼装机构就是将管片按照隧道施工要求安装成环
。
它包括搬运管片的钳夹系统和上举
、
旋转
、
拼装系统
。
对其功能要求是能把管片上举
、
旋转及夹持管片向外侧移动
。
管片是通过管片运输机构经单
、
双轨粱上的电动环链葫芦将管片从管片运输车上吊起，把管片放在储存区，在拼装时，再将管片从管片储存区吊起运输到管片拼装机下部，通过拼装机完成管片的拼装
。
[0003]管片拼装机是一种人工可通过手柄进行动作控制从而完成多块管片拼装成环的盾构机关键部件，管片成环质量的好坏依赖于人工拼装作业经验和熟练程度，而当下参差不齐的人员技术水平甚至使得同一条隧道呈现出显著的质量波动，进一步提升了隧道后期运维成本超出预期的可能性，随着隧道直径的不断增大，单块管片的质量已超
10
吨，拼装机在重载条件进行的高速空间回转与轴向平移安全风险极大，人工拼装管片过程中的伤亡事故频发
。
综上，极有必要进行管片自动拼装技术的研发，将人从高强度作业环境中摘除，由人工智能取代人为拼装策略
。
管片拼装机运动学正逆解解析是管片自动拼装技术的核心内容之一，现实中人工无法实时计算管片抓手在一定空间位姿下各关节自由度的运动量
。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种拼装机的精确运动控制方法和控制系统，解决现有的拼装机在无人化自主作业时，人工无法实时基于关节运动量正解出抓手的空间位姿，又通过目标位姿逆解出各关节自由度目标运动量的问题
。
[0005]实现上述目的的技术方案是：
[0006]本专利技术提供了一种拼装机的精确运动控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
[0007]S1
：获取所述拼装机的目标位姿，对所述目标位姿进行逆解，得到移动至所述目标位姿所需的运动量，根据所述运动量控制所述拼装机移动至所述目标位姿；
[0008]S2
：通过获取所述拼装机的实际运动量，对所述实际运动量进行正解，得出所述拼装机的实时位姿；
[0009]S3
：比较所得到的所述实时位姿与所述目标位姿，若两者一致则完成运动控制，若两者不一致则依据所述目标位姿与所述实时位姿进行逆解以得到调整运动量并控制拼装机执行，直至目标位姿与实时位姿相一致
。
[0010]本专利技术拼装机的精确运动控制方法的进一步改进在于，所述步骤
S1
包括如下步骤：
[0011]S1.1
：对所述拼装机进行运动学分析；
[0012]S1.2
：根据所述运动学分析的结果建立坐标系
X
n
Y
n
Z
n
；
[0013]S1.3
：利用姿态转换矩阵
T
n
表达坐标系
X
n
‑1Y
n
‑1Z
n
‑1向
X
n
Y
n
Z
n
的转换关系；
[0014]S1.4
：根据所述目标位姿对拼装机各运动关节目标运动量进行逆解，控制所述拼装机移动至所述目标位姿
。
[0015]本专利技术拼装机的精确运动控制方法的进一步改进在于，所述步骤
S1.1
包括如下步骤：
[0016]S1.11
：对所述拼装机进行运动学分析，所述拼装机的回转机构用于第一次运动，所述拼装机的回转单元用于第二次精确运动；
[0017]S1.21
：以所述回转机构的圆心向所述拼装机的平移梁的固定端所在竖直平面做垂线得到垂足
O0点，盾构机推进方向的反方向为
Z0轴正方向，竖直向上方向为
Y0轴正方向，建立右手直角坐标系
X0Y0Z0；
[0018]在
X0Y0Z0的基础上向
Z0轴方向延长
r1并绕
Z0轴旋转
γ1坐标系
X1Y1Z1，
r1为所述回转机构在所述平移梁上的平移量，
γ1为所述回转机构作回转运动的回转量；
[0019]在
X1Y1Z1的基础上向
Y1反方向延长
q2得到坐标系
X2Y2Z2，
q2为所述拼装机的提升机构的运动量；
[0020]在
X2Y2Z2的基础上向
X2反方向延长
p3得到坐标系
X3Y3Z3，
p3为所述拼装机的微动机构的运动量；
[0021]在
X3Y3Z3的基础上向
Y3反方向延长
q4得到坐标系
X4Y4Z4，移动
q4后使
O4位于所述拼装机的调节机构的球铰处；
[0022]在
X4Y4Z4的基础上，首先绕
Z4轴旋转
γ5，再绕
Y4轴旋转
β5，最后绕
X4轴旋转
α5，得到坐标系
X5Y5Z5，所述
γ5为所述拼装机的回转单元的运动量，所述
β5为所述拼装机的偏转单元的运动量
、
所述
α5为所述拼装机的俯仰单元的运动量；
[0023]在
X5Y5Z5的基础上向
Y5反方向延长
q6得到坐标系
X6Y6Z6，所述
q6为所述球铰处到所述拼装机的抓手末端的距离
。
[0024]本专利技术拼装机的精确运动控制方法的进一步改进在于，所述步骤
1.3
包括如下步骤：
[0025]S1.31
：变换矩阵
、
计算得出总转换矩阵，并得出空间位姿的函数，计算得出总转换矩阵，并得出空间位姿的函数，其中：
R
为所述抓手的3×3姿态矩阵；
S
为所述抓手的3×1位移矩阵
。
[0026]本专利技术拼装机的精确运动控制方法的进一步改进在于，所述步骤
1.4
包括如下步骤：
[0027]S1.41
：使所述微动机构的运动量为零，计算所述回转机构的所述平移量
r1、
所述回转量
γ1以及所述提升机构的运动量
q2，通过所述回转机构运动，并得到实际执行结果
γ1'
，锁定
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种拼装机的精确运动控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1
：获取所述拼装机的目标位姿，对所述目标位姿进行逆解，得到移动至所述目标位姿所需的运动量，根据所述运动量控制所述拼装机移动至所述目标位姿；
S2
：通过获取所述拼装机的实际运动量，对所述实际运动量进行正解，得出所述拼装机的实时位姿；
S3
：比较所得到的所述实时位姿与所述目标位姿，若两者一致则完成运动控制，若两者不一致则依据所述目标位姿与所述实时位姿进行逆解以得到调整运动量并控制拼装机执行，直至目标位姿与实时位姿相一致
。2.
如权利要求1所述的拼装机的精确运动控制方法，其特征在于，所述步骤
S1
包括如下步骤：
S1.1
：对所述拼装机进行运动学分析；
S1.2
：根据所述运动学分析的结果建立坐标系
X
n
Y
n
Z
n
；
S1.3
：利用姿态转换矩阵
T
n
表达坐标系
X
n
‑1Y
n
‑1Z
n
‑1向
X
n
Y
n
Z
n
的转换关系；
S1.4
：根据所述目标位姿对拼装机各运动关节目标运动量进行逆解，控制所述拼装机移动至所述目标位姿
。3.
如权利要求2所述的拼装机的精确运动控制方法，其特征在于，所述步骤
S1.1
包括如下步骤：
S1.11
：对所述拼装机进行运动学分析，所述拼装机的回转机构用于第一次运动，所述拼装机的回转单元用于第二次精确运动；
S1.21
：以所述回转机构的圆心向所述拼装机的平移梁的固定端所在竖直平面做垂线得到垂足
O0点，盾构机推进方向的反方向为
Z0轴正方向，竖直向上方向为
Y0轴正方向，建立右手直角坐标系
X0Y0Z0；在
X0Y0Z0的基础上向
Z0轴方向延长
r1并绕
Z0轴旋转
γ1坐标系
X1Y1Z1，
r1为所述回转机构在所述平移梁上的平移量，
γ1为所述回转机构作回转运动的回转量；在
X1Y1Z1的基础上向
Y1反方向延长
q2得到坐标系
X2Y2Z2，
q2为所述拼装机的提升机构的运动量；在
X2Y2Z2的基础上向
X2反方向延长
p3得到坐标系
X3Y3Z3，
p3为所述拼装机的微动机构的运动量；在
X3Y3Z3的基础上向
Y3反方向延长
q4得到坐标系
X4Y4Z4，移动
q4后使
O4位于所述拼装机的调节机构的球铰处；在
X4Y4Z4的基础上，首先绕
Z4轴旋转
γ5，再绕
Y4轴旋转
β5...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱叶艇，王泽源，毕湘利，王秀志，吴文斐，朱雁飞，张闵庆，张子新，黄昕，翟一欣，盛炤霖，朱真学，顾旭莹，秦元，陈培新，庄欠伟，杨正，
申请(专利权)人：上海城建隧道装备有限公司上海申通地铁集团有限公司同济大学，
类型：发明
国别省市：