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CN113601505A - 一种多功能安装台车智能控制方法及系统 - Google Patents

一种多功能安装台车智能控制方法及系统 Download PDF

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CN113601505A
CN113601505A CN202110896142.0A CN202110896142A CN113601505A CN 113601505 A CN113601505 A CN 113601505A CN 202110896142 A CN202110896142 A CN 202110896142A CN 113601505 A CN113601505 A CN 113601505A
Authority
CN
China
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mechanical arm
upper computer
installation
arch
trolley
Prior art date
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Pending
Application number
CN202110896142.0A
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English (en)
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徐剑安
贾连辉
游宇嵩
岳朋闯
荆留杰
徐受天
陈强
时洋
李开放
赵严振
王祥祥
郑赢豪
贾正文
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China Railway Engineering Equipment Group Co Ltd CREG
Original Assignee
China Railway Engineering Equipment Group Co Ltd CREG
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/16—Programme controls
    • B25J9/1602—Programme controls characterised by the control system, structure, architecture
    • B25J9/1607—Calculation of inertia, jacobian matrixes and inverses
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/16—Programme controls
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    • B25J9/1669—Programme controls characterised by programming, planning systems for manipulators characterised by special application, e.g. multi-arm co-operation, assembly, grasping

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  • Mathematical Physics (AREA)
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Abstract

本发明提出了一种多功能安装台车智能控制方法及系统，方法的步骤为：将拱架安装设计的工程数据以文件形式导入到上位机，确定待安装拱架的安装位置；机械臂上的臂架控制单元采集机械臂的位姿数据，计算机械臂末端的位姿；定位单元采集安装台车的位置；上位机计算和规划机械臂的运动轨迹，将控制指令传送至臂架控制单元；臂架控制单元根据控制指令进行机械臂各关节角度的PID控制调节，将拱架移动到待安装位置；上位机根据三维点云扫描仪采集的点云数据对拱架安装结果进行评价。本发明能实时、安全、高效地完成拱架的抓取与安装，可有效地减少了人工成本、降低操作风险、方便人员管理，提升了多功能拱架安装台车作业效率，降低施工的管理成本。

Description

一种多功能安装台车智能控制方法及系统
技术领域
本发明涉及隧道装备智能控制的技术领域，尤其涉及一种多功能安装台车智能控制方法及系统。
背景技术
近些年，随着我国隧道施工建设的高速发展，迫切需要提高隧道施工的智能化水平，拱架安装台车作为隧道施工中的重要工序，实现拱架台车智能化控制迫在眉睫，不仅可以有效减少人力、提高作业效率，还可以降低施工管理成本。传统的拱架台车需要操作人员采用机械式或者手柄按键控制拱架台车，施工过程中需要多人参与且反复调整，存在误操作危及施工人员安全和拖延工期的风险，且无法采集和保存施工数据对历史问题进行分析，提高施工管理和设备改进。
申请号为202010776876.0的发明专利，公开了一种拱架台车自动托拱调节控制装置及方法，在预安装的拱架上设置倾角传感器，再根据隧道施工参数要求，确定拱架在隧道面上固定后的姿态，然后在安装中实时检测拱架的当前姿态，利用该两个姿态对应的角度(水平和垂直方向角度)的差值来自动调节拱架台车的臂架关节运动，使拱架就位时，其姿态能满足隧道施工参数要求，能提升施工效果，降低操作手的劳动强度。但是，本系统对拱架抓取点位置要求较高，比如主臂必须抓取中间位置，左臂和右臂则需要抓取距离拱架上端一米处的位置。
发明内容
针对现有拱架安装台车智能化控制需求的技术问题，本发明提出一种多功能安装台车智能控制方法及系统，实现了台车定位、三维点云扫描、臂架PID控制和数据的采集与分析，能够根据导入的布拱设计图实时、安全、高效地完成拱架的抓取与安装，并实现数据的采集、存储及可视化显示，可有效地提升多功能拱架安装台车作业效率，降低施工的管理成本。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种多功能安装台车智能控制方法，其步骤如下：
步骤一：将拱架安装设计的工程数据以文件形式导入到上位机，上位机根据工程数据确定待安装的拱架的安装位置；
步骤二：机械臂上的臂架控制单元采集机械臂的位姿数据，并将机械臂的位姿数据上传至上位机，上位机根据机械臂的数据计算机械臂末端的位姿；
步骤三：定位单元采集安装台车的位置并上传至上位机，上位机通过坐标转换确定机械臂与拱顶面的位置关系；
步骤四：上位机结合拱架的安装位置、机械臂末端的位姿和安装台车的位置，计算机械臂各关节的目标角度，并将控制指令传送至臂架控制单元；
步骤五：臂架控制单元根据控制指令进行机械臂各关节角度的PID控制调节，实现机械臂的自动控制，从而将拱架移动到待安装位置；
步骤六：三维点云扫描仪采集的点云数据上传至上位机，上位机根据点云数据对拱架安装结果进行评价，并将评价结果进行可视化展示。
进一步地，所述工程数据以.zb文件形式导入上位机，工程数据为自定义的拱架安装设计的数据。
进一步地，所述定位单元通过全站仪采集台车上的两个棱镜的坐标，上位机通过坐标转换确定机械臂在台车上的安装参考点的位置，通过将机械臂顶到拱顶面进行正解计算确定机械臂与掌子面的位置关系。
进一步地，所述通过坐标转换确定机械臂在台车上的安装参考点的位置方法为：
在世界坐标系中，台车上两个棱镜的世界坐标分别为：
Figure BDA0003197980120000021
和
Figure BDA0003197980120000022
向量
Figure BDA0003197980120000023
隧道轴线单位向量
Figure BDA0003197980120000024
向量
Figure BDA0003197980120000025
与隧道轴线
Figure BDA0003197980120000026
的夹角为θ，则：
Figure BDA0003197980120000027
则一个棱镜所在的A点在台车坐标系中相对于世界坐标系的转换矩阵为：
Figure BDA0003197980120000028
在台车坐标系中，机械臂安装参考点C相对于A点的坐标转换矩阵为：
Figure BDA0003197980120000029
其中，Lx为机械臂安装参考点C相对于A点在x方向的平移长度；Ly为机械臂安装参考点C相对于A点在y方向的平移长度；Lz为机械臂安装参考点C相对于A点坐标系原点在z方向的平移长度；
则，机械臂安装参考点C相对于世界坐标系的旋转变换矩阵为：
Figure BDA0003197980120000031
进一步地，所述计算机械臂各关节的目标角度的方法为：上位机根据步骤一确定的拱架的安装位置，结合定位单元得到的机械臂与拱顶面的位置关系，依据关节传感器数据运用正解运算计算机械臂末端目标位姿，将三个机械臂的DH参数代入正解运算模型，通过各关节的角度角度信息进行正解运算得到机械臂末端的目标位姿，利用步骤二得到的机械臂末端的位姿和机械臂末端目标位姿，通过逆解运算得到移动机械臂末端目标位姿的各关节的目标角度，并通过循环分段式下发控制指令使机械臂运动至目标位置，从而实现拱架的自动抓取和安装。
进一步地，所述上位机采用D-H参数法得到机械臂末端在基座坐标系中的位姿，其中正解的坐标系i相对坐标系i-1的转换矩阵为：
Figure BDA0003197980120000032
抓取点在主臂基座坐标系中的位姿运算为：
Figure BDA0003197980120000033
其中，θi表示从坐标系i-1的xi-1轴到坐标系i的xi轴绕zi轴的转角；ai-1表示从坐标系i-1的zi-1轴到坐标系i的zi轴沿xi-1轴的平移距离；di表示从坐标系i-1的xi-1轴到坐标系i的xi轴沿zi轴的平移距离；αi-1表示从坐标系i-1的Zi-1轴到坐标系i的zi轴绕xi-1轴的转角。
进一步地，所述循环分段式下发控制指令的实现方法为：上位机通过梯型速度规划周期性循环下发机械臂各个关节的目标角度，臂架控制单元通过PID控制各个关节到达目标角度；
进一步地，所述梯型速度规划的实现方法为：
包括加速、匀速和减速三个过程，加速过程的旋转角度为：
θ1＝(ωn*ωn-ω0*ω0)/2a
匀速运行过程旋转角度为：
θ2＝(t2-t1)*ωn
减速过程旋转角度为：
θ3＝(ωn*ωn-ωt*ωt)/2a
总行程的总的转角θ为：
θ＝θ1+θ2+θ3；
其中，ω0为初速度，ωn为匀速度，ωt为末速度，a为加速和减速阶段的加速度，t1和t2分别是匀速运行过程的起始和终止时间。
进一步地，所述上位机根据点云数据对拱架安装结果进行评价的方法为：上位机利用PCL算法开源库对三维点云扫描仪获取的点云数据进行滤波、特征提取处理，获取最终的有效点云数据；通过数据分析得到隧道当前桩号的超欠挖量；在欠挖位置，调整拱架安装位置以适应隧道轮廓，在超挖位置，进行超挖量填补后再进行拱架的安装；根据拱架的安装位置，进行拱架拼接偏差的计算，对拱架安装结果进行评价，并将评级结果发送给下位机和远程监控终端。
进一步地，所述超欠挖量的获取方法为：三维点云扫描仪在开始线扫之前，先利用点扫打点，根据隧道内已知的绝对坐标点，得到当前三维点云扫描仪的绝对位置，根据隧道轮廓设计文件获取线扫的各个点到三维点云扫描仪的距离，距离值超过隧道轮廓设计文件的值时，则为超挖位置，小于隧道轮廓设计文件的值时，则为欠挖位置，从而得到隧道当前桩号的超欠挖量。
进一步地，所述上位机采用OpenGL进行三维可视化展示，通过三维点云扫描仪测量的数据实现隧道轮廓的三维重建，全站仪获取工作里程和隧道轴线；上位机上显示当前桩号、超欠挖量、隧道轴线及拱架安装评价结果，上位机和远程监控中心可以实时查看当前施工的文件信息、施工进度、设备的运行状态信息、台车位置信息和隧道轮廓。
一种多功能安装台车智能控制系统，包括上位机、远程监控终端、臂架控制单元、定位单元和三维点云扫描仪，所述上位机与远程监控终端相连接，上位机分别与臂架控制单元、定位单元和三维点云扫描仪相连接，臂架控制单元设置在机械臂上，臂架控制单元用于采集机械臂的位姿数据并根据上位机的控制指令对机械臂的各关节进行PID控制调节，定位单元用于定位台车的位置并确定机械臂与掌子面的位置关系；所述三维点云扫描仪采集拱架所在隧道的点云数据，通过点云数据对拱架安装进行评价。
进一步地，所述臂架控制单元通过以太网与上位机相互通信，所述定位单元、三维点云扫描仪均通过以太网与上位机相通信。
进一步地，所述臂架控制单元包括传感器组、PID控制器和下位机，PID控制器通过CAN总线与下位机相连接，传感器组通过CAN总线与下位机相连接，上位机和下位机通过以太网实现通信连接；所述定位单元包括全站仪，全站仪通过以太网与上位机相连接。
进一步地，所述上位机通过以太网与交换机相连接，交换机通过以太网分别与全站仪、三维点云扫描仪相连接；所述传感器组包括编码器、压力传感器和倾角仪传感器，编码器包括旋转编码和拉线编码器，旋转编码采集各关节的运动角度，拉线编码器测量机械臂伸缩运动的距离；压力传感器测量推进压力、油缸压力和水压；倾角仪传感器检测车体的左右倾角和前后倾角。
与现有技术相比，本发明的有益效果：可实现拱架安装台车智能控制，能够实现台车自动定位、数据监控、自动安装拱架、三维点云扫描和通过操作界面指示灯实现报警等功能，能够实时、准确按照导入的布拱设计图进行抓取与安装钢拱架，并实时的记录施工日志、报警信息、传感器信息和操作过程等。本发明依托于以太网实现本地与远程数据的实时共享，并通过LAN-Base进行数据备份，提高了数据的安全性，方便了对拱架台车施工的管理。本发明能实时、安全、高效地完成拱架的抓取与安装，提供了更加直观便捷的操作界面，可更直观方便的完成数据的采集、存储及可视化显示，可有效的减少了人工成本、降低操作风险、方便人员管理，提升了多功能拱架安装台车作业效率，降低施工的管理成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，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。
图1为本发明的系统结构示意图。
图2为本发明方法的流程示意图。
图3为本发明台车与世界坐标系的位置关系图。
图4为梯型速度规划的原理图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1，一种多功能拱架安装台车智能控制系统，系统整体架构图如图1所示，包括上位机、远程监控终端、臂架控制单元、定位单元和三维点云扫描仪，所述上位机与远程监控终端相连接，上位机分别与臂架控制单元、定位单元和三维点云扫描仪相连接，臂架控制单元设置在机械臂上，臂架控制单元用于采集机械臂的位姿数据并根据上位机的控制指令对机械臂的各关节进行PID控制调节，定位单元用于定位台车的位置并确定机械臂与拱顶面的位置关系；所述三维点云扫描仪采集拱架所在隧道的点云数据，通过点云数据对拱架安装进行评价。三条机械臂的数据由分散在三条机械臂的臂架控制单元完成数据的采集，上位机根据采集的臂架关节数据完成每条机械臂末端位姿的计算和控制指令的下发。上位机负责采集台车定位数据和三维点云扫描数据，并完成数据的分析处理，将处理结果实时发送给下位机和远程监控中心的远程监控终端。上位机和远程监控中心可以实时查看当前施工的文件信息、施工进度、设备的运行状态信息、台车位置信息和隧道轮廓等。
优选地，所述臂架控制单元通过以太网与上位机相互通信，所述定位单元、三维点云扫描仪均通过以太网与上位机相通信，实现采集数据的传送。三维点云扫描仪的控制通过CAN总线与上位机通信。
所述臂架控制单元包括传感器组、PID控制器和下位机，PID控制器通过CAN总线与下位机相连接，传感器组与下位机通过CAN总线相连接，上位机和下位机通过以太网实现通信连接。传感器组包括编码器、压力传感器和倾角仪传感器，其中编码器有旋转编码和拉线编码器，分别用来采集各关节的运动角度和测量机械臂伸缩运动的距离；压力传感器测量包括推进压力、油缸压力和水压等；倾角仪传感器检测车体的左右倾角和前后倾角。所有传感器均支持CAN总线，下位机经CAN总线直接读取所有传感器采集的数据。所述定位单元包括全站仪，全站仪通过以太网与上位机相连接。全站仪通过采集台车上两个棱镜的坐标，从而确定机械臂在台车上的安装参考点的坐标，实现台车的定位。三个机械臂上均采用了高可靠性和高安全性的EPEC3724控制器作为PID控制器，下位机通过CAN总线与编码器相连接，用于监测机械臂各关节的位姿信息。
所述上位机通过以太网与交换机相连接，交换机通过以太网分别与全站仪、三维点云扫描仪相连接，实现多设备的互联互通。
实施例2，基于上述的技术背景和市场需求，本发明提供了一种多功能拱架安装台车智能控制方法，如图2所示，智能化控制拱架台车实现了钢拱架自动安装，不仅降低成本、提高了工作效率，也解决了仅靠操作人员通过遥控手柄反复调节安装钢拱架的操作和无法实现对施工日志、报警信息、人员管理和施工文件管理的记录等问题。本发明包括以下步骤：
步骤一：将拱架安装设计的工程数据以文件形式导入到上位机，上位机根据工程数据确定待安装的拱架的安装位置。
所述工程数据以.zb文件形式导入上位机，工程数据为自定义的拱架安装设计的数据，主要包括拱架的安装目标位置(即抓取点目标位置)、拱架安装环号、拱架规格等，上位机通过正解运算得到当前抓取点的位置，通过抓取点位置与目标位置信息运用逆解运算得到各关节移动角度，上位机通过循环分段式下发控制指令控制使机械臂运动至目标位置，从而实现拱架自动安装。
步骤二：机械臂上的臂架控制单元采集机械臂的位姿数据，并将机械臂的位姿数据上传至上位机，上位机根据机械臂的位姿数据计算机械臂末端的位姿，其中拱架台车机械臂的位姿数据包括8个关节的角度数据和9个构件的坐标数据。
步骤三：定位单元采集安装台车的位置并上传至上位机，上位机通过坐标转换确定机械臂与拱顶面的位置关系。
定位数据通过以太网与上位机通信，三维点云扫描数据通过以太网与上位机通信。所述定位单元通过全站仪采集台车上的两个棱镜的坐标，上位机通过坐标转换确定机械臂在台车上的安装参考点的位置，从而确定机械臂与掌子面的位置关系。
所述通过坐标转换确定机械臂在台车上的安装参考点的位置方法为：
将全站仪采集到的棱镜坐标通过以太网上传至上位机，把台车坐标转换到世界坐标系中，台车坐标定位如图3所示，其中A、B为台车上面两个棱镜，O为世界坐标原点，O1为台车坐标原点，C为机械臂在台车上的安装参考点，A、B两棱镜的世界坐标为
Figure BDA0003197980120000071
向量
Figure BDA0003197980120000072
隧道轴线
Figure BDA0003197980120000073
Figure BDA0003197980120000074
与
Figure BDA0003197980120000075
的夹角为θ则：
Figure BDA0003197980120000076
UTA，ATC坐标如下：
Figure BDA0003197980120000077
Figure BDA0003197980120000078
其中，UTA为A点在台车坐标系中相对于世界坐标系的转换矩阵，ATC为在台车坐标系中C点相对于A点的坐标转换矩阵。Lx为C点坐标系原点相对于A点坐标系原点在x方向的平移长度；Ly为C点坐标系原点相对于A点坐标系原点在y方向的平移长度；Lz为C点坐标系原点相对于A点坐标系原点在z方向的平移长度，则机械臂安装参考点C点的实际坐标为：
Figure BDA0003197980120000081
上述公式的计算过程把台车上的机械臂安装参考点C从台车坐标系转换到世界坐标系，从而得到点C在世界坐标系中的坐标，通过将机械臂顶到拱顶面进行正解计算确定机械臂与拱顶面的位置关系。
步骤四：上位机结合拱架的安装位置、机械臂末端的位姿及机械臂与拱顶面的位置关系，计算机械臂各关节的目标角度，并将控制指令传送至臂架控制单元。
所述机械臂各关节的目标角度的方法为：上位机根据步骤一确定的拱架的安装位置，结合定位单元得到的机械臂与拱顶面的位置关系，依据关节传感器数据运用正解运算计算机械臂末端目标位姿；利用步骤二得到的机械臂末端的位姿和机械臂末端目标位姿，采用逆解运算计算出各关节的目标角度。
步骤五：臂架控制单元根据控制指令进行机械臂各关节角度的PID控制调节，实现机械臂的自动控制，从而将拱架移动到待安装位置。
所述上位机采用改进的D-H参数法运用正解运算得到机械臂末端在基座坐标系中的位姿，其中正解坐标系i相对坐标系i-1的转换矩阵如下：
Figure BDA0003197980120000082
抓取点在主臂基座坐标系中的位姿运算为：
Figure BDA0003197980120000083
其中，θi表示从坐标系i-1的xi-1轴到坐标系i的xi轴绕zi轴的转角；ai-1表示从坐标系i-1的zi-1轴到坐标系i的zi轴沿xi-1轴的平移距离；di表示从坐标系i-1的xi-1轴到坐标系i的xi轴沿zi轴的平移距离；αi-1表示从坐标系i-1的Zi-1轴到坐标系i的zi轴绕xi-1轴的转角。
上位机采用逆解运算将输入的机械臂末端目标位姿进行运算，输出达到末端位姿时机械臂各个关节的角度，上位机通过循环分段式下发控制指令使机械臂运动至目标位置，从而实现机械臂的自动控制。
所述上位机通过梯型速度规划，周期性循环下发机械臂各个关节的目标角度，最后臂架控制器通过PID控制各个关节到达目标角度。梯型速度规划如图4所示，其中y轴ω为角速度，x轴t为时间，ω0为初速度，ωn为匀速度，ωt为末速度，加速和减速阶段的加速度为a，总的转角为θ，t1和t2分别是匀速运行过程的起始和终止时间。整个过程为加速、匀速和减速三个过程，加速过程的旋转角度为：
θ1＝(ωn*ωn-ω0*ω0)/2a
匀速运行过程旋转角度为:
θ2＝(t2-t1)*ωn
减速过程旋转角度为：
θ3＝(ωn*ωn-ωt*ωt)/2a
总行程为：
θ＝θ1+θ2+θ3。
步骤六：三维点云扫描仪采集的点云数据上传至上位机，上位机根据点云数据对拱架安装结果进行评价，并将评价结果进行可视化展示。
所述上位机根据点云数据对拱架安装结果进行评价的方法为：上位机通过以太网通信获取三维扫描仪点云数据，上位机利用PCL算法开源库对三维点云扫描仪获取的点云数据进行滤波、特征提取处理，获取最终的有效点云数据。三维点云扫描仪在开始线扫之前，先利用点扫打点，根据隧道内已知的绝对坐标点，得到当前扫描仪的绝对位置，而后根据隧道轮廓设计文件，获取线扫的各个点到三维点云扫描仪的距离，距离值超过设计文件的值时，则为超挖，小于设计文件的值时，则为欠挖，相接近时为正常量，最终得到隧道当前桩号的超欠挖量。
由于欠挖是开挖隧道轮廓小于设计轮廓，超挖是开挖隧道轮廓大于设计轮廓，因此在欠挖位置，调整拱架安装位置以适应隧道轮廓，在超挖位置，进行超挖量填补后再进行拱架的安装。根据拱架的安装位置，进行拱架拼接偏差的计算，对拱架安装结果进行评价，并将评级结果发送给下位机和远程监控终端。
所述上位机采用OpenGL进行三维可视化展示，通过三维点云扫描仪实现隧道轮廓的三维重建，全站仪获取工作里程和隧道轴线。上位机将当前桩号、里程、超欠挖量、隧道轴线、隧道轮廓三维重建及拱架安装评价结果进行实时显示。
在图2中，当导入设计文件以后，可以通过上位机的开始界面进行文件的选择，以及选择施工文件和是否执行上一个文件，选择完成执行文件以后需要判断车体是否需要重新定位，如果需要重新调平衡和车体定位，则需要通过调整车体支架，通过倾角仪数据判断调平衡状态，车体定位则通过全站仪进行，定位完成以后可通过控制界面选择控制模式，分为自动和手动两种，若选择自动安装则需要通过控制界面点击开始按钮，程序根据导入的布拱图文件进行自动安装，系统则根据导入的布拱文件判断是否执行完成本段工程，若安装完成则停止工作，若选择手动模式则需要操作人员通过按键手柄进行操作进行钢拱架安装，系统对安装过程进行记录，手动安装操作人员则会停止安装则结束安装。
本发明的方法包含数据感知、臂架控制、数据可视化三部分，其中数据感知分为三条机械臂传感器数据、台车定位数据、三维点云扫描数据；臂架控制主要依托于臂架控制单元实现机械臂的数据采集，并应用于臂架各关节角度的PID控制调节，在机械臂控制中采用改进的D-H参数法得到机械臂末端在基座坐标系中的位姿，采用逆解运算，输入数据为机械臂末端目标位姿，输出为达到末端位姿时各个关节的角度，实现机械臂的自动控制；数据可视化分为上位机和远程监控，上位机负责采集台车定位数据和三维点云扫描数据，并完成数据的分析处理，将处理结果实时发送给下位机和远程监控中心实时显示。本发明还可以实现钢拱架的自动抓取，通过三维点云扫描仪获取钢拱架抓取点坐标位置，运用逆解运算得出移动到抓取点目标位置的各关节角度，臂架控制单元控制机械臂移动到抓取点位置，自动控制机械手夹取钢拱架。因此本发明能实时、安全、高效地完成拱架的抓取与安装，可有效的提升多功能拱架安装台车作业效率，降低施工的管理成本。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种多功能安装台车智能控制方法，其特征在于，其步骤如下：
步骤一：将拱架安装设计的工程数据以文件形式导入到上位机，上位机根据工程数据确定待安装的拱架的安装位置；
步骤二：机械臂上的臂架控制单元采集机械臂的位姿数据，并将机械臂的位姿数据上传至上位机，上位机根据机械臂的数据计算机械臂末端的位姿；
步骤三：定位单元采集安装台车的位置并上传至上位机，上位机通过坐标转换确定机械臂与拱顶面的位置关系；
步骤四：上位机结合拱架的安装位置、机械臂末端的位姿和安装台车的位置，计算机械臂各关节的目标角度，并将控制指令传送至臂架控制单元；
步骤五：臂架控制单元根据控制指令进行机械臂各关节角度的PID控制调节，实现机械臂的自动控制，从而将拱架移动到待安装位置；
步骤六：三维点云扫描仪采集的点云数据上传至上位机，上位机根据点云数据对拱架安装结果进行评价，并将评价结果进行可视化展示。
2.根据权利要求1所述的多功能安装台车智能控制方法，其特征在于，所述工程数据以.zb文件形式导入上位机，工程数据为自定义的拱架安装设计的数据。
3.根据权利要求1或2所述的多功能安装台车智能控制方法，其特征在于，所述定位单元通过全站仪采集台车上的两个棱镜的坐标，上位机通过坐标转换确定机械臂在台车上的安装参考点的位置，通过将机械臂顶到拱顶面进行正解计算确定机械臂与掌子面的位置关系。
4.根据权利要求3所述的多功能安装台车智能控制方法，其特征在于，所述通过坐标转换确定机械臂在台车上的安装参考点的位置方法为：
在世界坐标系中，台车上两个棱镜的世界坐标分别为：
Figure FDA0003197980110000011
和
Figure FDA0003197980110000012
向量
Figure FDA0003197980110000013
隧道轴线单位向量
Figure FDA0003197980110000014
向量
Figure FDA0003197980110000015
与隧道轴线
Figure FDA0003197980110000016
的夹角为θ，则：
Figure FDA0003197980110000017
则一个棱镜所在的A点在台车坐标系中相对于世界坐标系的转换矩阵为：
Figure FDA0003197980110000018
在台车坐标系中，机械臂安装参考点C相对于A点的坐标转换矩阵为：
Figure FDA0003197980110000021
其中，Lx为机械臂安装参考点C相对于A点在x方向的平移长度；Ly为机械臂安装参考点C相对于A点在y方向的平移长度；Lz为机械臂安装参考点C相对于A点坐标系原点在z方向的平移长度；
则，机械臂安装参考点C相对于世界坐标系的旋转变换矩阵为：
Figure FDA0003197980110000022
5.根据权利要求3所述的多功能安装台车智能控制方法，其特征在于，所述计算机械臂各关节的目标角度的方法为：上位机根据步骤一确定的拱架的安装位置，结合定位单元得到的机械臂与拱顶面的位置关系，依据关节传感器数据运用正解运算计算机械臂末端目标位姿，将三个机械臂的DH参数代入正解运算模型，通过各关节的角度角度信息进行正解运算得到机械臂末端的目标位姿，利用步骤二得到的机械臂末端的位姿和机械臂末端目标位姿，通过逆解运算得到移动机械臂末端目标位姿的各关节的目标角度，并通过循环分段式下发控制指令使机械臂运动至目标位置，从而实现拱架的自动抓取和安装。
6.根据权利要求5所述的多功能安装台车智能控制方法，其特征在于，所述上位机采用D-H参数法得到机械臂末端在基座坐标系中的位姿，其中正解的坐标系i相对坐标系i-1的转换矩阵为：
Figure FDA0003197980110000023
抓取点在主臂基座坐标系中的位姿运算为：
Figure FDA0003197980110000024
其中，θi表示从坐标系i-1的xi-1轴到坐标系i的xi轴绕zi轴的转角；ai-1表示从坐标系i-1的zi-1轴到坐标系i的zi轴沿xi-1轴的平移距离；di表示从坐标系i-1的xi-1轴到坐标系i的xi轴沿zi轴的平移距离；αi-1表示从坐标系i-1的Zi-1轴到坐标系i的zi轴绕xi-1轴的转角。
7.根据权利要求3所述的多功能安装台车智能控制方法及系统，其特征在于，所述循环分段式下发控制指令的实现方法为：上位机通过梯型速度规划周期性循环下发机械臂各个关节的目标角度，臂架控制单元通过PID控制各个关节到达目标角度；
所述梯型速度规划的实现方法为：
包括加速、匀速和减速三个过程，加速过程的旋转角度为：
θ1＝(ωn*ωn-ω0*ω0)/2a
匀速运行过程旋转角度为：
θ2＝(t2-t1)*ωn
减速过程旋转角度为：
θ3＝(ωn*ωn-ωt*ωt)/2a
总行程的总的转角θ为：
θ＝θ1+θ2+θ3；
其中，ω0为初速度，ωn为匀速度，ωt为末速度，a为加速和减速阶段的加速度，t1和t2分别是匀速运行过程的起始和终止时间。
8.根据权利要求3所述的多功能安装台车智能控制方法，其特征在于，所述上位机根据点云数据对拱架安装结果进行评价的方法为：上位机利用PCL算法开源库对三维点云扫描仪获取的点云数据进行滤波、特征提取处理，获取最终的有效点云数据；通过数据分析得到隧道当前桩号的超欠挖量；在欠挖位置，调整拱架安装位置以适应隧道轮廓，在超挖位置，进行超挖量填补后再进行拱架的安装；根据拱架的安装位置，进行拱架拼接偏差的计算，对拱架安装结果进行评价，并将评级结果发送给下位机和远程监控终端。
9.根据权利要求8所述的多功能安装台车智能控制方法，其特征在于，所述超欠挖量的获取方法为：三维点云扫描仪在开始线扫之前，先利用点扫打点，根据隧道内已知的绝对坐标点，得到当前三维点云扫描仪的绝对位置，根据隧道轮廓设计文件获取线扫的各个点到三维点云扫描仪的距离，距离值超过隧道轮廓设计文件的值时，则为超挖位置，小于隧道轮廓设计文件的值时，则为欠挖位置，从而得到隧道当前桩号的超欠挖量。
10.根据权利要求8所述的多功能安装台车智能控制方法，其特征在于，所述上位机采用OpenGL进行三维可视化展示，通过三维点云扫描仪测量的数据实现隧道轮廓的三维重建，全站仪获取工作里程和隧道轴线；上位机上显示当前桩号、超欠挖量、隧道轴线及拱架安装评价结果，上位机和远程监控中心可以实时查看当前施工的文件信息、施工进度、设备的运行状态信息、台车位置信息和隧道轮廓。
11.根据权利要求1-2、4-10中任意一项所述的多功能安装台车智能控制方法的智能控制系统，其特征在于，包括上位机、远程监控终端、臂架控制单元、定位单元和三维点云扫描仪，所述上位机与远程监控终端相连接，上位机分别与臂架控制单元、定位单元和三维点云扫描仪相连接，臂架控制单元设置在机械臂上，臂架控制单元用于采集机械臂的位姿数据并根据上位机的控制指令对机械臂的各关节进行PID控制调节，定位单元用于定位台车的位置并确定机械臂与掌子面的位置关系；所述三维点云扫描仪采集拱架所在隧道的点云数据，通过点云数据对拱架安装进行评价。
12.根据权利要求9所述的智能控制系统，其特征在于，所述臂架控制单元通过以太网与上位机相互通信，所述定位单元、三维点云扫描仪均通过以太网与上位机相通信。
13.根据权利要求9所述的智能控制系统，其特征在于，所述臂架控制单元包括传感器组、PID控制器和下位机，PID控制器通过CAN总线与下位机相连接，传感器组通过CAN总线与下位机相连接，上位机和下位机通过以太网实现通信连接；所述定位单元包括全站仪，全站仪通过以太网与上位机相连接。
14.根据权利要求10所述的智能控制系统，其特征在于，所述上位机通过以太网与交换机相连接，交换机通过以太网分别与全站仪、三维点云扫描仪相连接；所述传感器组包括编码器、压力传感器和倾角仪传感器，编码器包括旋转编码和拉线编码器，旋转编码采集各关节的运动角度，拉线编码器测量机械臂伸缩运动的距离；压力传感器测量推进压力、油缸压力和水压；倾角仪传感器检测车体的左右倾角和前后倾角。
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