管片拼装机运动学解析模型的构建方法及解析方法

技术领域

本发明涉及盾构法施工技术领域，特别涉及一种管片拼装机运动学解析模型的构建方法及解析方法。

背景技术

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。管片拼装是盾构隧道建造过程中安全风险较高的作业环节，且拼装工人的手法经验是决定最终隧道成型质量的决定性因素。由于受设计制造误差、结构固有间隙、拼装机受荷形变、电控执行精度等影响，传统管片拼装机在给定各关节目标运动量的条件下对应的末端理论位姿和实际位姿产生较大差异。随着人工智能在传统盾构施工行业的逐步普及应用，管片无人化自动拼装技术亟待突破。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种管片拼装机运动学解析模型的构建方法及解析方法，解决了在管片自动拼装过程中无法人为在线运算该类拼装机的末端位姿以及各运动关节目标运动量的难题。

本发明通过如下方案来实现：一种管片拼装机运动学解析模型的构建方法，所述管片拼装机包括具有六自由度的机械式抓手、用于带动所述机械式抓手上下移动的V型提升机构、用于带动所述V型提升机构进行回转的回转盘、以及用于带动所述回转盘纵向移动的平移油缸，所述构建方法包括步骤：

在所述管片拼装机所有运动关节的运动行程均为零的状态下建立多个坐标系，使多个坐标系中包括一个以所述回转盘的圆心向所述平移油缸的固定端所在竖直平面做垂线得到的垂足为原点的起始坐标系，一个以所述机械式抓手的上顶面中心为原点的中间坐标系，一个以所述机械式抓手的抓钩末端为原点的目标坐标系，基于所述平移油缸、所述回转盘和所述V型提升机构的运动机理关联所述初始坐标系和所述中间坐标系的至少一个第一过渡坐标系，以及基于所述机械式抓手的运动机理关联所述中间坐标系和所述目标坐标系的至少一个第二过渡坐标系；

基于所述平移油缸、所述V型提升机构、所述回转盘的运动行程以及所述机械式抓手分别在六个自由度的运动行程并结合各坐标系之间的关联关系计算所述初始坐标系和所述目标坐标系之间的总变换矩阵；

将所述总变换矩阵转换为由待抓管片和待拼位置的姿态矩阵和位置矩阵进行表征的形式，进而形成用于解析管片拼装机运动的运动学解析模型。

本发明管片拼装机运动学解析模型的构建方法的进一步改进在于，建立六个坐标系，步骤包括：

以所述回转盘的圆心向所述平移油缸的固定端所在竖直平面做垂线得到的垂足为原点O

在所述初始坐标系O

在第一个所述第一过渡坐标系O

在第二个所述第一过渡坐标系O

在所述中间坐标系O

在所述第二过渡坐标系O

本发明管片拼装机运动学解析模型的构建方法的进一步改进在于，所述总变换矩阵的计算方法为：

基于各相邻坐标系之间的关联关系计算各坐标系之间的转换矩阵T

第一个第一过渡坐标系与第二个第一过渡坐标系之间的转换矩阵T的表达式为：

第二个第一过渡坐标系与中间坐标系之间的转换矩阵T

中间坐标系与第二过渡坐标系之间的转换矩阵T

第二过渡坐标系与目标坐标系之间的转换矩阵T

所述总变换矩阵T为：T＝T

本发明管片拼装机运动学解析模型的构建方法的进一步改进在于：所述机械式抓手包括形成所述上顶面的小顶板、形成所述下底面的大底板以及并联铰接于所述小顶板和所述大底板边缘之间的六根油缸，所述中间坐标系的原点O

中间坐标系与第二过渡坐标系之间的转换矩阵T

本发明管片拼装机运动学解析模型的构建方法的进一步改进在于，由待抓管片和待拼位置的姿态矩阵和位置矩阵进行表征的总变换矩阵T为：

其中：

本发明提供了一种管片拼装机运动学解析方法，在已知所述平移油缸、所述V型提升机构、所述回转盘以及所述机械式抓手分别在六个自由度的行程数据的情况下，采用如上任一项所述的运动学解析模型进行正解解析，求解出抓钩末端当前的实际位置。

本发明提供了另一种管片拼装机运动学解析方法，在已知抓钩末端的目标位置的情况下，采用如上任一项所述的运动学解析模型进行逆解解析，求解出所述平移油缸、所述V型提升机构、所述回转盘以及所述机械式抓手分别在六个自由度的行程数据，包括步骤：

先将所述机械式抓手分别在六个自由度的行程置为零位，基于抓钩末端的目标位置采用所述运动学解析模型进行逆解，求解出所述平移油缸、所述V型提升机构和所述回转盘的行程数据；

按照所述行程数据对应控制所述平移油缸、所述V型提升机构和所述回转盘进行执行；

执行后得到所述平移油缸、所述V型提升机构和所述回转盘反馈的实际执行结果，以及所述抓钩末端的实际位置；

将所述平移油缸、所述V型提升机构和所述回转盘的行程锁定，然后对所述抓钩末端的实际位置和目标位置进行求差，得到差值；

基于所述差值采用所述运动学解析模型再次进行逆解，将所述差值转换至所述中间坐标系下，然后基于所述中间坐标系下的差值计算出所述机械式抓手分别在六个自由度的目标行程。

本发明的运动学解析模型建立了各运动关节的运动参数与抓钩末端的位置参数的关联关系，可基于各运动关节的运动参数对拼装机末端位姿进行正解，也可基于抓钩末端的位置参数对各运动关节的目标运动量进行逆解，解决了在管片自动拼装过程中无法人为在线运算该类拼装机的末端位姿以及各运动关节目标运动量的难题，为具有六自由度机械式抓手的拼装机提供了运动学解析工具。

附图说明

图1示出了本发明运动学解析模型构建方法的流程示意图。

图2示出了本发明中管片拼装机的正面与侧面的结构对比示意图。

图3示出了本发明运动学解析模型中各坐标系的构建流程示意图。

图4示出了本发明中具有六自由度的机械式抓手的俯视结构示意图。

图5示出了本发明中具有六自由度的机械式抓手的等效几何图形。

图6示出了本发明基于机械式抓手的等效几何图形进行解算的示意图。

图7示出了本发明采用运动学解析模型进行逆解解析的流程示意图。

具体实施方式

为了解决在管片自动拼装过程中无法人为在线运算该类拼装机的末端位姿以及各运动关节目标运动量的难题，本发明提供了一种管片拼装机运动学解析模型的构建方法及解析方法。下面以具体实施例结合附图对该管片拼装机运动学解析模型的构建方法及解析方法作进一步说明。

参阅图2所示，一种管片拼装机包括：具有六自由度的机械式抓手40，用于带动该机械式抓手40上下移动的V型提升机构30，该V型提升机构30包括两个相对设置竖向提升油缸31以及两个斜向提升梁32，两个斜向提升梁32的一端分别铰接于两个竖向提升油缸31的底端，两个斜向提升梁32的另一端相对铰接于该机械式抓手40的相对两侧，通过控制两个竖向提升油缸31同步伸缩、经两个斜向提升梁32带动该机械式抓手40实现上下移动；用于带动该V型提升机构30进行回转的回转盘20，回转盘20内接于两个竖向提升油缸31之间，通过回转盘20的回转运动经该V型提升机构30带动该机械式抓手40实现回转运动；以及用于带动该回转盘20纵向移动的平移油缸10，通过该平移油缸10的水平伸缩运动经该回转盘20、该V型提升机构30带动该机械式抓手40实现平移运动。配合该机械式抓手40本身的六自由度运动，使得连接在机械式抓手40末端的抓钩41可以实现九个自由度的运动。

参阅图1～图3所示，本发明针对上述的特型的管片拼装机构建了一种运动学解析模型，该模型的构建方法包括步骤：

步骤1：在该管片拼装机所有运动关节(包括平移油缸10、回转盘20、两个竖向提升油缸31以及实现机械式抓手40本身六自由度运动的运动关节)的运动行程均为零的状态下建立多个坐标系，本实施例优选建立六个坐标系，具体如下：

以该回转盘20的圆心向该平移油缸10的固定端所在竖直平面做垂线得到的垂足为原点O

在该初始坐标系O

在第一个该第一过渡坐标系O

在第二个该第一过渡坐标系O

在该中间坐标系O

在该第二过渡坐标系O

步骤2、基于该平移油缸10、该V型提升机构30、该回转盘20的运动行程以及该机械式抓手40分别在六个自由度的运动行程(即α、β、γ、

具体来说，该总变换矩阵的计算方法为：

基于各相邻坐标系之间的关联关系计算各坐标系之间的转换矩阵T

第一个第一过渡坐标系与第二个第一过渡坐标系之间的转换矩阵T的表达式为：

第二个第一过渡坐标系与中间坐标系之间的转换矩阵T

中间坐标系与第二过渡坐标系之间的转换矩阵T

第二过渡坐标系与目标坐标系之间的转换矩阵T

该总变换矩阵T为：T＝T

步骤3、由待抓管片和待拼位置的姿态矩阵和位置矩阵进行表征的总变换矩阵T为：

其中：

因此，管片拼装机抓钩41末端的位置坐标为(s

对于转换矩阵T

已知六根油缸的实际长度、上顶面和下底面上各个点的相对位置，求下底面相对于上顶面的位置、姿态变化。由于六根油缸的计算方法完全一致，故以其中一根油缸如Q

因为六根杆之间不是绝对独立的，所以，本实施例采用牛顿迭代的方式进行解方程计算，为方便表达，需要迭代的变量使用希腊字母表示，常量使用英文字母表示，在坐标系有歧义的地方，使用如

对于

进一步地，转换矩阵T根据欧拉角

其中，ψ、θ、

设迭代向量为：

迭代函数为：

其中，

因此，在坐标系O

由于

方便起见，将

为了方便牛顿迭代中求偏导，需要将(3)式继续展开，设

求偏导：

则迭代公式为：

通过牛顿迭代即可求解α、β、γ、ψ、θ、

本发明提供了一种管片拼装机运动学解析方法，在已知该平移油缸10、该V型提升机构30、该回转盘20以及该机械式抓手40分别在六个自由度的行程数据的情况下，采用如上任一项所述的运动学解析模型进行正解解析，求解出抓钩41末端当前的实际位置。需要说明的是，对于上述由六根油缸实现六自由度运动的机械式抓手结构来说，可以基于六根油缸的行程量采用前述转换矩阵T

本发明还提供了一种管片拼装机运动学解析方法，在已知抓钩41末端的目标位置的情况下，采用如上任一项所述的运动学解析模型进行逆解解析，求解出该平移油缸10、该V型提升机构30、该回转盘20以及该机械式抓手40分别在六个自由度的行程数据，参阅图7所示，包括步骤：

步骤S1、先将该机械式抓手40分别在六个自由度的行程置为零位(也即将机械式抓手40的六根油缸的行程置为零位)，基于抓钩41末端的目标位置采用该运动学解析模型进行次逆解，求解出该平移油缸10、该V型提升机构30和该回转盘20的行程数据。

具体地，在将该机械式抓手40分别在六个自由度的行程置为零位后，转换矩阵T

其中，α、β、γ此时分别等于0、q

正解中关于位置坐标(s

s

s

s

因此，已知机械式抓手抓钩41末端的目标位置坐标(

步骤S2、按照该行程数据r

步骤S3、执行后得到该平移油缸10、该V型提升机构30和该回转盘20反馈的实际执行结果r

步骤S4、将该平移油缸10、该V型提升机构30和该回转盘20的行程锁定，然后对该抓钩41末端的实际位置(

步骤5、基于该差值

因此，在坐标系O

3

3

进一步基于机械式抓手40中六根油缸的动作机理以及油缸长度与三个角度(

参阅图6所示，设坐标系O

其中，

由上式可以解得x、y、z以及

仍以油缸Q

上式中的

进而求解出油缸Q

同理，可以求解出其他油缸的目标长度，进一步可以求得每根油缸的目标行程量。

以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。