一種盾構(gòu)管片拼裝機(jī)六自由度全自動(dòng)控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)了一種盾構(gòu)管片拼裝機(jī)六自由度全自動(dòng)控制系統(tǒng)，包括成像設(shè)備、圖像處理設(shè)備、計(jì)算機(jī)、PLC、控制芯片、電磁閥、液壓執(zhí)行元件和傳感器。本實(shí)用新型提供的一種盾構(gòu)管片拼裝機(jī)六自由度全自動(dòng)控制系統(tǒng)的定位精度高，對(duì)光源要求低，甚至不需要額外設(shè)置光源，其成像設(shè)備安裝方便，且所需安裝空間小，另外，該全自動(dòng)控制系統(tǒng)還能提高施工速度，也能降低施工總成本。
【專利說(shuō)明】一種盾構(gòu)管片拼裝機(jī)六自由度全自動(dòng)控制系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及管片拼裝機(jī)【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種盾構(gòu)管片拼裝機(jī)六自由度全自動(dòng)控制系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]目前國(guó)產(chǎn)盾構(gòu)機(jī)管片拼裝系統(tǒng)是根據(jù)人眼的觀察采用遙控的方式對(duì)執(zhí)行系統(tǒng)進(jìn)行控制，采用這種管片拼裝方式進(jìn)行拼裝的過(guò)程中定位精度差、施工速度較慢，造成施工總成本比較高。另外，國(guó)外已經(jīng)采用光截法計(jì)算進(jìn)行自動(dòng)管片拼裝的盾構(gòu)機(jī)，該盾構(gòu)機(jī)的管片自動(dòng)組裝裝置利用光截法結(jié)構(gòu)主動(dòng)視覺(jué)技術(shù)探測(cè)組裝管片的位置和形態(tài)，可在光截畫面上顯示已設(shè)管片的定位情況，其組裝升降機(jī)的夾持/回轉(zhuǎn)及組裝定位，可決定粗略定位和細(xì)微定位，這種系統(tǒng)采用結(jié)構(gòu)光主動(dòng)視覺(jué)技術(shù)，因此需要有特定的激光源，需要安裝三組激光器和一組攝像機(jī)組，給安裝造成了不便，且所需空間較大。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問(wèn)題在于，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中管片拼裝定位精度差、需要有特定的激光源、安裝不便且所需安裝空間大、施工速度慢且施工總成本高的上述缺陷，提供一種定位精度高、對(duì)光源要求低甚至不需要額外設(shè)置光源、成像設(shè)備安裝方便且所需安裝空間小、有益于提高施工速度和降低施工總成本的盾構(gòu)管片拼裝機(jī)六自由度全自動(dòng)控制系統(tǒng)。
[0004]本實(shí)用新型解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是:一種盾構(gòu)管片拼裝機(jī)六自由度全自動(dòng)控制系統(tǒng)，包括成像設(shè)備、圖像處理設(shè)備、計(jì)算機(jī)、PLC、控制芯片、電磁閥、液壓執(zhí)行元件和傳感器；
[0005]成像設(shè)備，用于對(duì)待拼裝管片的內(nèi)表面區(qū)域和待拼裝管片與已拼裝管片相接觸區(qū)域進(jìn)行攝像，在待拼裝管片內(nèi)表面區(qū)域至少獲取一個(gè)點(diǎn)P3的位置信息、在待拼裝管片與已拼裝管片相接觸區(qū)域至少獲取兩個(gè)點(diǎn)P1和P2的位置信息，并將PpP2和P3的位置信息發(fā)送給圖像處理設(shè)備；
[0006]圖像處理設(shè)備，在接收到PpP2和P3的位置信息后，分析PpP2和P3和已拼裝管片棱邊的間隙“丨^八丨^八“和高差“匕、Ahb,八匕夂并將間隙“^八^八“和高差(Aha、Ahb、Ahc)發(fā)送給計(jì)算機(jī)；
[0007]傳感器，用于對(duì)液壓執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)量和液壓執(zhí)行元件在盾構(gòu)機(jī)中的位置信息進(jìn)行檢測(cè)，并將液壓執(zhí)行元件在盾構(gòu)機(jī)中的位置信息反饋給控制芯片；
[0008]計(jì)算機(jī)，用于預(yù)先存儲(chǔ)管片拼裝機(jī)所處位置的盾構(gòu)機(jī)三維結(jié)構(gòu)圖、傳感器依次通過(guò)控制芯片和PLC反饋的液壓執(zhí)行元件在盾構(gòu)機(jī)中的位置信息、圖像處理設(shè)備發(fā)送的間隙(Λ la、Λ lb、Δ I。)和高差(Aha、Ahb、Ahc)與傳感器再次通過(guò)控制芯片和PLC反饋的液壓執(zhí)行元件粗調(diào)后在盾構(gòu)機(jī)中的位置信息；根據(jù)管片拼裝機(jī)所處位置的盾構(gòu)機(jī)三維結(jié)構(gòu)圖和傳感器依次通過(guò)控制芯片和PLC反饋的液壓執(zhí)行元件在盾構(gòu)機(jī)中的位置信息分析獲得粗調(diào)運(yùn)動(dòng)的軌跡規(guī)劃信息并發(fā)送給PLC，根據(jù)間隙(Ala、Alb、八1。)和高差(Aha、Ahb、Ahc)與傳感器再次通過(guò)控制芯片和PLC反饋的液壓執(zhí)行元件粗調(diào)后在盾構(gòu)機(jī)中的位置信息預(yù)估出液壓執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)量并輸出給PLC ；
[0009]PLC，接受傳感器反饋的液壓執(zhí)行元件在盾構(gòu)機(jī)中的位置信息、粗調(diào)運(yùn)動(dòng)的軌跡規(guī)劃信息、傳感器反饋的液壓執(zhí)行元件粗調(diào)后在盾構(gòu)機(jī)在的位置信息和液壓執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)量并發(fā)送出；
[0010]電磁閥，用于驅(qū)動(dòng)液壓執(zhí)行元件；
[0011]控制芯片與傳感器和PLC通訊連接。
[0012]作為對(duì)本實(shí)用新型所述技術(shù)方案的一種改進(jìn)，液壓執(zhí)行元件包括第一軸向運(yùn)動(dòng)液壓缸、第二軸向運(yùn)動(dòng)液壓缸、第一周向運(yùn)動(dòng)液壓馬達(dá)、第二周向運(yùn)動(dòng)液壓馬達(dá)、第一徑向運(yùn)動(dòng)液壓油缸、第二徑向運(yùn)動(dòng)液壓液壓油缸、側(cè)傾液壓油缸和擺動(dòng)液壓油缸。
[0013]作為對(duì)本實(shí)用新型所述技術(shù)方案的一種改進(jìn)，電磁閥包括用于驅(qū)動(dòng)第一軸向運(yùn)動(dòng)液壓缸的第一電磁閥和第二電磁閥、用于驅(qū)動(dòng)第二軸向運(yùn)動(dòng)液壓缸的第三電磁閥和第四電磁閥、用于驅(qū)動(dòng)第一軸向運(yùn)動(dòng)液壓馬達(dá)的第五電磁閥和第六電磁閥、用于驅(qū)動(dòng)第二周向運(yùn)動(dòng)液壓馬達(dá)的第七電磁閥和第八電磁閥、用于驅(qū)動(dòng)第一徑向運(yùn)動(dòng)液壓油缸的第九電磁閥和第十電磁閥、用于驅(qū)動(dòng)第二徑向運(yùn)動(dòng)液壓油缸的第十一電磁閥和第十二電磁閥、用于驅(qū)動(dòng)側(cè)傾液壓油缸的第十三電磁閥和第十四電磁閥以及用于驅(qū)動(dòng)擺動(dòng)液壓油缸的第十五電磁閥和第十六電磁閥。
[0014]作為對(duì)本實(shí)用新型所述技術(shù)方案的一種改進(jìn)，傳感器包括第一位移傳感器、第二位移傳感器、角度傳感器、第三位移傳感器、第四位移傳感器、第五位移傳感器和第六位移傳感器；第一位移傳感器、第二位移傳感器、第三位移傳感器、第四位移傳感器、第五位移傳感器和第六位移傳感器分別用于檢測(cè)第一軸向運(yùn)動(dòng)液壓缸、第二軸向運(yùn)動(dòng)液壓缸、第一徑向運(yùn)動(dòng)液壓油缸、第二徑向運(yùn)動(dòng)液壓油缸、側(cè)傾液壓油缸和擺動(dòng)液壓油缸的伸縮量，角度傳感器用于檢測(cè)第一軸向運(yùn)動(dòng)液壓馬達(dá)和第二軸向運(yùn)動(dòng)液壓馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)角度。
[0015]作為對(duì)本實(shí)用新型所述技術(shù)方案的一種改進(jìn)，成像設(shè)備包括2臺(tái)攝像機(jī)。
[0016]作為對(duì)本實(shí)用新型所述技術(shù)方案的一種改進(jìn)，圖像處理設(shè)備和PLC中均設(shè)置有時(shí)鐘電路模塊。
[0017]在本實(shí)用新型所述盾構(gòu)管片拼裝機(jī)六自由度全自動(dòng)控制系統(tǒng)中，成像設(shè)備，即2臺(tái)攝像機(jī)安裝在管片拼裝機(jī)的旋轉(zhuǎn)盤體上，在選取攝像機(jī)鏡頭時(shí)，需要注意管片拼裝機(jī)的徑向伸出行程范圍、管片規(guī)格、視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)管片位置進(jìn)行檢測(cè)的精度和對(duì)管片拼裝的間隙的要求等幾方面。
[0018]在本實(shí)用新型所述盾構(gòu)管片拼裝機(jī)六自由度全自動(dòng)控制系統(tǒng)中，管片拼裝機(jī)的運(yùn)動(dòng)包括粗調(diào)運(yùn)動(dòng)和微調(diào)運(yùn)動(dòng)，粗調(diào)運(yùn)動(dòng)即以盾構(gòu)機(jī)的三維結(jié)構(gòu)圖為基礎(chǔ)，得到管片拼裝機(jī)的可運(yùn)動(dòng)空間，計(jì)算機(jī)根據(jù)傳感器的反饋信號(hào)確定其在盾構(gòu)機(jī)內(nèi)的位置，根據(jù)管片排版系統(tǒng)計(jì)算的拼裝點(diǎn)位可得到管片拼裝機(jī)軸向運(yùn)動(dòng)、徑向運(yùn)動(dòng)和周向運(yùn)動(dòng)的大概行程并作出運(yùn)動(dòng)軌跡的規(guī)劃，保證在粗調(diào)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不會(huì)與盾構(gòu)機(jī)發(fā)生干涉，具體如下:
[0019]步驟1、計(jì)算機(jī)內(nèi)預(yù)先存儲(chǔ)有管片拼裝機(jī)所處位置的盾構(gòu)機(jī)三維結(jié)構(gòu)圖；
[0020]步驟2、第一位移傳感器、第二位移傳感器、第三位移傳感器和第四位移傳感器分別檢測(cè)第一軸向運(yùn)動(dòng)液壓缸、第二軸向運(yùn)動(dòng)液壓缸、第一徑向運(yùn)動(dòng)液壓油缸和第二徑向運(yùn)動(dòng)液壓油缸的位置信號(hào)，與此同時(shí)，角度傳感器檢測(cè)第一周向運(yùn)動(dòng)液壓馬達(dá)和第二周向運(yùn)動(dòng)液壓馬達(dá)的角度信號(hào)，并將檢測(cè)到的位置信號(hào)和角度信號(hào)通過(guò)PLC傳輸給計(jì)算機(jī)；
[0021]步驟3、計(jì)算機(jī)根據(jù)接收到的第一軸向運(yùn)動(dòng)液壓缸、第二軸向運(yùn)動(dòng)液壓缸、第一徑向運(yùn)動(dòng)液壓油缸和第二徑向運(yùn)動(dòng)液壓油缸的位置信號(hào)、第一周向運(yùn)動(dòng)液壓馬達(dá)和第二周向運(yùn)動(dòng)液壓馬達(dá)的角度信號(hào)可分析得到當(dāng)前管片拼裝機(jī)在盾構(gòu)機(jī)中的位置，計(jì)算機(jī)根據(jù)盾構(gòu)機(jī)三維結(jié)構(gòu)圖及管片拼裝機(jī)在盾構(gòu)機(jī)中的位置信息，分析獲得粗調(diào)運(yùn)動(dòng)的軌跡規(guī)劃信息，并將該軌跡規(guī)劃信息發(fā)送給PLC ；
[0022]步驟4、PLC根據(jù)計(jì)算機(jī)發(fā)送的軌跡規(guī)劃信息，并通過(guò)控制芯片將軌跡規(guī)劃指令輸出給第一電磁閥、第二電磁閥、第三電磁閥、第四電磁閥、第五電磁閥、第六電磁閥、第七電磁閥、第八電磁閥、第九電磁閥、第十電磁閥、第i^一電磁閥、第十二電磁閥、第十三電磁閥、第十四電磁閥、第十五電磁閥和第十六電磁閥，通過(guò)上述各電磁閥驅(qū)動(dòng)第一軸向運(yùn)動(dòng)液壓缸、第二軸向運(yùn)動(dòng)液壓缸、第一周向運(yùn)動(dòng)液壓馬達(dá)、第二周向運(yùn)動(dòng)液壓馬達(dá)、第一徑向運(yùn)動(dòng)液壓油缸、第二徑向運(yùn)動(dòng)液壓油缸、側(cè)傾液壓油缸和擺動(dòng)液壓油缸按照軌跡規(guī)劃指令運(yùn)動(dòng)到相應(yīng)的位置或旋轉(zhuǎn)到相應(yīng)的角度；
[0023]步驟5、重復(fù)步驟2，如果各執(zhí)行元件已經(jīng)按照設(shè)定的粗調(diào)運(yùn)動(dòng)軌跡到達(dá)相應(yīng)的位置和角度，則粗調(diào)結(jié)束；否則，則重復(fù)步驟3和步驟4。
[0024]待粗調(diào)運(yùn)動(dòng)到位后，開(kāi)始對(duì)管片拼裝機(jī)進(jìn)行細(xì)調(diào)，具體步驟如下:
[0025]步驟1、利用其中一臺(tái)攝像機(jī)對(duì)待拼裝管片內(nèi)部進(jìn)行攝像，獲取至少一個(gè)點(diǎn)P3的位置信息，與此同時(shí)，利用另外一臺(tái)攝像機(jī)對(duì)待拼裝管片與已拼裝管片相接觸的附近區(qū)域進(jìn)行攝像，至少獲取兩點(diǎn)P1和P2的位置信息，并將Pp P2和P3這三點(diǎn)的位置信息發(fā)送給圖像處理設(shè)備；
[0026]步驟2、利用圖像處理設(shè)備對(duì)PpP2和P3和已拼裝管片棱邊圖像進(jìn)行邊緣提取，并分析獲得PpP2和P3這三點(diǎn)與已拼裝管片棱邊的間隙(Λ la、Δ lb、Δ I。)和高差(Aha、Ahb、八11。)，并將間隙(八込、Alb、Λ I。)和高差(Λ ha、Ahb、Ah。)信號(hào)傳輸給計(jì)算機(jī);
[0027]步驟3、如果間隙(Ala、Alb、Λ I。)和高差(Λ ha、Ahb、Λ h。)在誤差范圍之內(nèi)，則本塊管片安裝結(jié)束，進(jìn)行下一塊管片的安裝；
[0028]如果間隙(Ala、Alb, Λ I。)和高差(Λ ha、Ahb、Λ h。)不在誤差范圍之內(nèi)，則計(jì)算機(jī)根據(jù)粗調(diào)后管片拼裝機(jī)的位置與間隙(Λ la、Alb、Λ I。)和高差(Λ ha、Ahb、Ah。)信息，通過(guò)建立六自由度運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)控制模型，通過(guò)該運(yùn)動(dòng)控制模型預(yù)估出各液壓執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)量，即第一徑向運(yùn)動(dòng)液壓油缸和第二徑向運(yùn)動(dòng)液壓油缸的同步運(yùn)動(dòng)量M和差動(dòng)量N、第一周向運(yùn)動(dòng)液壓馬達(dá)和第二周向運(yùn)動(dòng)液壓馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)角度P、第一軸向運(yùn)動(dòng)液壓缸和第二軸向運(yùn)動(dòng)液壓缸的的行程Q、側(cè)傾液壓油缸的行程R和擺動(dòng)液壓油缸的行程S，并將各液壓執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)量輸出給PLC;
[0029]步驟4、PLC根據(jù)計(jì)算機(jī)發(fā)送的各液壓執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)量和第一位移傳感器、第二位移傳感器、角度傳感器、第三位移傳感器、第四位移傳感器、第五位移傳感器和第六位移傳感器再次檢測(cè)到的粗調(diào)后的管片拼裝機(jī)的位置信號(hào)，輸出模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)到第一徑向運(yùn)動(dòng)液壓油缸、第二徑向運(yùn)動(dòng)液壓油缸、第一軸向運(yùn)動(dòng)液壓缸、第二軸向運(yùn)動(dòng)液壓缸、第一周向運(yùn)動(dòng)液壓馬達(dá)和第二周向運(yùn)動(dòng)液壓馬達(dá)，并對(duì)第一徑向運(yùn)動(dòng)液壓油缸、第二徑向運(yùn)動(dòng)液壓油缸、第一軸向運(yùn)動(dòng)液壓缸、第二軸向運(yùn)動(dòng)液壓缸、第一周向運(yùn)動(dòng)液壓馬達(dá)和第二周向運(yùn)動(dòng)液壓馬達(dá)的速度和運(yùn)動(dòng)量進(jìn)行控制；除此之外，還輸出數(shù)字信號(hào)到側(cè)傾液壓油缸和擺動(dòng)液壓油缸并控制側(cè)傾液壓油缸和擺動(dòng)液壓油缸的運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)量進(jìn)行控制；
[0030]步驟5、重復(fù)步驟I和步驟2，如果間隙(Ala、Alb、八1。)和高差(Λ ha、Λ hb、Λ hc)在誤差范圍之內(nèi)，則本塊安裝結(jié)束，進(jìn)行下一塊管片的安裝；
[0031]如果間隙(Ala、Alb、Λ I。)和高差(Λ ha、Ahb、Λ h。)仍不在誤差范圍之內(nèi)，則繼續(xù)重復(fù)步驟3和4。
[0032]在本實(shí)用新型所述盾構(gòu)管片拼裝六自由度全自動(dòng)控制系統(tǒng)中，圖像處理設(shè)備每處理完一次圖像，就會(huì)給計(jì)算機(jī)發(fā)送一次間隙(Λ la、Alb、Λ I。)和高差(Λ ha、Ahb、Ah。)的檢測(cè)結(jié)果，計(jì)算機(jī)對(duì)各液壓執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)指令進(jìn)行一次更新，直至間隙(Λ la、Λ lb、Al。)和高差(Aha、Ahb、Ah。)滿足工程施工要求，此時(shí)，停止管片拼裝機(jī)的運(yùn)動(dòng)。
[0033]綜上所述，在本實(shí)用新型所述盾構(gòu)管片拼裝機(jī)六自由度全自動(dòng)控制系統(tǒng)中，成像設(shè)備、圖像處理設(shè)備和計(jì)算機(jī)共同實(shí)現(xiàn)了機(jī)器視覺(jué)技術(shù)，從而利于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)對(duì)管片拼裝機(jī)進(jìn)行全自動(dòng)控制，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的定位精度高，對(duì)光源要求較低，現(xiàn)場(chǎng)照明條件良好甚至可以不用額外設(shè)置光源，更不需要設(shè)置特定的激光源。另外，將成像設(shè)備安裝在管片拼裝機(jī)的旋轉(zhuǎn)盤體上時(shí)，相對(duì)光截法技術(shù)而言，安裝方便，且所需安裝空間小，可以從圖像上得知各點(diǎn)在管片上的具體位置，使得檢測(cè)到的圖像更為直觀；除此之外，采用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)對(duì)管片拼裝機(jī)進(jìn)行全自動(dòng)控制，還加快了施工速度，且有利于降低施工總成本。
[0034]另外，在本實(shí)用新型所述盾構(gòu)管片拼裝機(jī)六自由度全自動(dòng)控制系統(tǒng)中，圖像處理設(shè)備和PLC中均設(shè)置有時(shí)鐘電路模塊，這樣的設(shè)計(jì)便于計(jì)算機(jī)選取相同時(shí)刻的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行控制，有益于提高所述盾構(gòu)管片拼裝機(jī)六自由度全自動(dòng)控制系統(tǒng)的定位精度。
[0035]在本實(shí)用新型所述技術(shù)方案中，凡未作特別說(shuō)明的，均可通過(guò)采用本領(lǐng)域中的常規(guī)手段來(lái)實(shí)現(xiàn)本技術(shù)方案。
[0036]因此，本實(shí)用新型提供了一種盾構(gòu)管片拼裝機(jī)六自由度全自動(dòng)控制系統(tǒng)，該全自動(dòng)控制系統(tǒng)的定位精度高，對(duì)光源要求低，甚至不需要額外設(shè)置光源，其成像設(shè)備安裝方便，且所需安裝空間小，另外，該全自動(dòng)控制系統(tǒng)還能提高施工速度，也能降低施工總成本。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0037]下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說(shuō)明，附圖中:
[0038]圖1是本實(shí)用新型盾構(gòu)管片拼裝機(jī)六自由度全自動(dòng)控制系統(tǒng)的原理框圖；
[0039]圖2是成像設(shè)備攝像示意圖；
[0040]圖3是管片拼裝動(dòng)作流程圖；
[0041]在圖2中，I為已拼裝管片，2為待拼裝管片，P1和P2為待拼裝管片與已拼裝管片相接觸區(qū)域的兩個(gè)點(diǎn)，P3為待拼裝管片內(nèi)表面區(qū)域的一個(gè)點(diǎn)。

【具體實(shí)施方式】
[0042]為了使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本實(shí)用新型，并不用于限定本實(shí)用新型。
[0043]在本實(shí)用新型較佳實(shí)施例中，一種盾構(gòu)管片拼裝機(jī)六自由度全自動(dòng)控制系統(tǒng)，如圖1所示，包括成像設(shè)備、圖像處理設(shè)備、計(jì)算機(jī)、PLC、控制芯片、電磁閥、液壓執(zhí)行元件和傳感器；成像設(shè)備、圖像處理設(shè)備、計(jì)算機(jī)、PLC和控制芯片依次相連，且電磁閥在主控芯片的控制下驅(qū)動(dòng)液壓執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)，傳感器用于檢測(cè)液壓執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)量和液壓執(zhí)行元件在盾構(gòu)機(jī)中的位置信息，并將液壓執(zhí)行元件在盾構(gòu)機(jī)中的位置信息反饋給控制芯片。
[0044]成像設(shè)備，用于對(duì)待拼裝管片2的內(nèi)表面區(qū)域和待拼裝管片2與已拼裝管片I相接觸區(qū)域進(jìn)行攝像，如圖2所示，在待拼裝管片2內(nèi)表面區(qū)域至少獲取一個(gè)點(diǎn)P3的位置信息、在待拼裝管片2與已拼裝管片I相接觸區(qū)域至少獲取兩個(gè)點(diǎn)P1和P2的位置信息，并將P1^ P2和P3的位置信息發(fā)送給圖像處理設(shè)備；
[0045]圖像處理設(shè)備，在接收到P1J2和P3的位置信息后，分析P1J2和P3和已拼裝管片I棱邊的間隙(Ala、Alb、Λ I。)和高差(Λ ha、Ahb, Λ h。)，并將間隙(Λ la、Λ lb、Λ I。)和高差(Λ ha、Λ hb、Δ h。)發(fā)送給計(jì)算機(jī)；
[0046]傳感器，用于對(duì)液壓執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)量和液壓執(zhí)行元件在盾構(gòu)機(jī)中的位置信息進(jìn)行檢測(cè)，并將液壓執(zhí)行元件在盾構(gòu)機(jī)中的位置信息反饋給控制芯片；
[0047]計(jì)算機(jī)，用于預(yù)先存儲(chǔ)管片拼裝機(jī)所處位置的盾構(gòu)機(jī)三維結(jié)構(gòu)圖、傳感器依次通過(guò)控制芯片和PLC反饋的液壓執(zhí)行元件在盾構(gòu)機(jī)中的位置信息、圖像處理設(shè)備發(fā)送的間隙(Λ la、Λ lb、Δ I。)和高差(Aha、Ahb、Ahc)與傳感器再次通過(guò)控制芯片和PLC反饋的液壓執(zhí)行元件粗調(diào)后在盾構(gòu)機(jī)中的位置信息；根據(jù)管片拼裝機(jī)所處位置的盾構(gòu)機(jī)三維結(jié)構(gòu)圖和傳感器依次通過(guò)控制芯片和PLC反饋的液壓執(zhí)行元件在盾構(gòu)機(jī)中的位置信息分析獲得粗調(diào)運(yùn)動(dòng)的軌跡規(guī)劃信息并發(fā)送給PLC，根據(jù)間隙(Ala、Alb、Al。)和高差(Aha、Ahb、Ahc)與傳感器再次通過(guò)控制芯片和PLC反饋的液壓執(zhí)行元件粗調(diào)后在盾構(gòu)機(jī)中的位置信息預(yù)估出液壓執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)量并輸出給PLC ；
[0048]PLC，接受傳感器反饋的液壓執(zhí)行元件在盾構(gòu)機(jī)中的位置信息、粗調(diào)運(yùn)動(dòng)的軌跡規(guī)劃信息、傳感器反饋的液壓執(zhí)行元件粗調(diào)后在盾構(gòu)機(jī)在的位置信息和液壓執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)量并發(fā)送出；
[0049]電磁閥，用于驅(qū)動(dòng)液壓執(zhí)行元件；
[0050]控制芯片與傳感器和PLC通訊連接。
[0051]其中，液壓執(zhí)行元件包括第一軸向運(yùn)動(dòng)液壓缸、第二軸向運(yùn)動(dòng)液壓缸、第一周向運(yùn)動(dòng)液壓馬達(dá)、第二周向運(yùn)動(dòng)液壓馬達(dá)、第一徑向運(yùn)動(dòng)液壓油缸、第二徑向運(yùn)動(dòng)液壓液壓油缸、側(cè)傾液壓油缸和擺動(dòng)液壓油缸；電磁閥包括用于驅(qū)動(dòng)第一軸向運(yùn)動(dòng)液壓缸的第一電磁閥和第二電磁閥、用于驅(qū)動(dòng)第二軸向運(yùn)動(dòng)液壓缸的第三電磁閥和第四電磁閥、用于驅(qū)動(dòng)第一軸向運(yùn)動(dòng)液壓馬達(dá)的第五電磁閥和第六電磁閥、用于驅(qū)動(dòng)第二周向運(yùn)動(dòng)液壓馬達(dá)的第七電磁閥和第八電磁閥、用于驅(qū)動(dòng)第一徑向運(yùn)動(dòng)液壓油缸的第九電磁閥和第十電磁閥、用于驅(qū)動(dòng)第二徑向運(yùn)動(dòng)液壓油缸的第十一電磁閥和第十二電磁閥、用于驅(qū)動(dòng)側(cè)傾液壓油缸的第十三電磁閥和第十四電磁閥以及用于驅(qū)動(dòng)擺動(dòng)液壓油缸的第十五電磁閥和第十六電磁閥；傳感器包括第一位移傳感器、第二位移傳感器、角度傳感器、第三位移傳感器、第四位移傳感器、第五位移傳感器和第六位移傳感器；第一位移傳感器、第二位移傳感器、第三位移傳感器、第四位移傳感器、第五位移傳感器和第六位移傳感器分別用于檢測(cè)第一軸向運(yùn)動(dòng)液壓缸、第二軸向運(yùn)動(dòng)液壓缸、第一徑向運(yùn)動(dòng)液壓油缸、第二徑向運(yùn)動(dòng)液壓油缸、側(cè)傾液壓油缸和擺動(dòng)液壓油缸的伸縮量，角度傳感器用于檢測(cè)第一軸向運(yùn)動(dòng)液壓馬達(dá)和第二軸向運(yùn)動(dòng)液壓馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)角度。
[0052]成像設(shè)備包括2臺(tái)攝像機(jī)，且在圖像處理設(shè)備和PLC中均設(shè)置有時(shí)鐘電路模塊。
[0053]在本實(shí)施例中，包括5塊管片，這5塊管片分別為一個(gè)弧度為25°的頂塊、兩個(gè)弧度均為66.25°的連接塊和三個(gè)弧度均為67.5°的標(biāo)準(zhǔn)塊，且這5塊管片的管片外徑均為6200mm,管片內(nèi)徑均為5500mm,管片長(zhǎng)度均為1200mm ;管片拼裝機(jī)徑向伸縮長(zhǎng)度1000mm,拼裝效果要求管片間隙Imm以內(nèi)，錯(cuò)臺(tái)5_以內(nèi)。
[0054]2臺(tái)攝像機(jī)安裝在管片拼裝機(jī)上的旋轉(zhuǎn)盤體上，2臺(tái)攝像機(jī)的分辨率高于100ym /像素，可以保證成像設(shè)備對(duì)管片的定位精度可以達(dá)到1mm。另外，攝像機(jī)鏡頭部分參數(shù)的要求:視野范圍為600mmX800mm及以上、分辨率高于1000 μ m /像素、工作距離(鏡頭前放方到對(duì)象物的距離)為1500mm以上。由于管片尺寸較大，采用兩臺(tái)攝像機(jī)分別對(duì)待拼裝管片2的內(nèi)表面區(qū)域和待拼裝管片2與已拼裝管片I相接觸區(qū)域進(jìn)行攝像，分別獲取PpP1和P2的位置信息。
[0055]控制芯片采用西門子的ET200M，PLC采用西門子S7-400，計(jì)算機(jī)與PLC之間采用RS485串口進(jìn)行通信，計(jì)算機(jī)與圖像處理設(shè)備之間通過(guò)RS485接口進(jìn)行串行通信，上述各傳感器通過(guò)ET200M與PLC連接。
[0056]管片拼裝機(jī)抓取管片之后，開(kāi)始管片拼裝機(jī)的六個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)。圖3為管片拼裝動(dòng)作流程圖，從圖3可知，六自由度運(yùn)動(dòng)分兩個(gè)階段:先進(jìn)行粗調(diào)運(yùn)動(dòng)，后進(jìn)行細(xì)調(diào)運(yùn)動(dòng)，粗調(diào)和細(xì)調(diào)的過(guò)程具體如下:
[0057]基于盾構(gòu)機(jī)三維結(jié)構(gòu)圖的待拼裝管片2位置的粗調(diào):
[0058]步驟1、計(jì)算機(jī)內(nèi)預(yù)先存儲(chǔ)有管片拼裝機(jī)所處位置的盾構(gòu)機(jī)三維結(jié)構(gòu)圖；
[0059]步驟2、第一位移傳感器、第二位移傳感器、第三位移傳感器和第四位移傳感器分別檢測(cè)第一軸向運(yùn)動(dòng)液壓缸、第二軸向運(yùn)動(dòng)液壓缸、第一徑向運(yùn)動(dòng)液壓油缸和第二徑向運(yùn)動(dòng)液壓油缸的位置信號(hào)，與此同時(shí)，角度傳感器檢測(cè)第一周向運(yùn)動(dòng)液壓馬達(dá)和第二周向運(yùn)動(dòng)液壓馬達(dá)的角度信號(hào)，并將檢測(cè)到的位置信號(hào)和角度信號(hào)通過(guò)PLC傳輸給計(jì)算機(jī)；
[0060]步驟3、計(jì)算機(jī)根據(jù)接收到的第一軸向運(yùn)動(dòng)液壓缸、第二軸向運(yùn)動(dòng)液壓缸、第一徑向運(yùn)動(dòng)液壓油缸和第二徑向運(yùn)動(dòng)液壓油缸的位置信號(hào)、第一周向運(yùn)動(dòng)液壓馬達(dá)和第二周向運(yùn)動(dòng)液壓馬達(dá)的角度信號(hào)可分析得到當(dāng)前管片拼裝機(jī)在盾構(gòu)機(jī)中的位置，計(jì)算機(jī)根據(jù)盾構(gòu)機(jī)三維結(jié)構(gòu)圖及管片拼裝機(jī)在盾構(gòu)機(jī)中的位置信息，分析獲得粗調(diào)運(yùn)動(dòng)的軌跡規(guī)劃信息，并將該軌跡規(guī)劃信息發(fā)送給PLC ；
[0061]步驟4、PLC根據(jù)計(jì)算機(jī)發(fā)送的軌跡規(guī)劃信息，并通過(guò)ET200M將軌跡規(guī)劃指令輸出給第一電磁閥、第二電磁閥、第三電磁閥、第四電磁閥、第五電磁閥、第六電磁閥、第七電磁閥、第八電磁閥、第九電磁閥、第十電磁閥、第i^一電磁閥、第十二電磁閥、第十三電磁閥、第十四電磁閥、第十五電磁閥和第十六電磁閥，通過(guò)上述各電磁閥驅(qū)動(dòng)第一軸向運(yùn)動(dòng)液壓缸、第二軸向運(yùn)動(dòng)液壓缸、第一周向運(yùn)動(dòng)液壓馬達(dá)、第二周向運(yùn)動(dòng)液壓馬達(dá)、第一徑向運(yùn)動(dòng)液壓油缸、第二徑向運(yùn)動(dòng)液壓油缸、側(cè)傾液壓油缸和擺動(dòng)液壓油缸按照軌跡規(guī)劃指令運(yùn)動(dòng)到相應(yīng)的位置或旋轉(zhuǎn)到相應(yīng)的角度；
[0062]步驟5、重復(fù)步驟2，如果各液壓執(zhí)行元件已經(jīng)按照設(shè)定的粗調(diào)運(yùn)動(dòng)軌跡到達(dá)相應(yīng)的位置和角度，則粗調(diào)結(jié)束；否則，則重復(fù)步驟3和步驟4。
[0063]在粗調(diào)結(jié)束后，開(kāi)始進(jìn)行細(xì)調(diào)，具體步驟和過(guò)程如下:
[0064]步驟1、利用其中一臺(tái)攝像機(jī)對(duì)待拼裝管片2內(nèi)部進(jìn)行攝像，獲取至少一個(gè)點(diǎn)P3的位置信息，與此同時(shí)，利用另外一臺(tái)攝像機(jī)對(duì)待拼裝管片2與已拼裝管片I相接觸的附近區(qū)域進(jìn)行攝像，至少獲取兩點(diǎn)P1和P2的位置信息，并將P:、P2和P3這三點(diǎn)的位置信息發(fā)送給圖像處理設(shè)備；
[0065]步驟2、利用圖像處理設(shè)備對(duì)PpP2和P3和已拼裝管片I棱邊圖像進(jìn)行邊緣提取，并分析獲得PpP2和P3這三點(diǎn)與已拼裝管片I棱邊的間隙(Ala、Alb、八1。)和高差(八匕、Ahb,八}!。)，并將間隙(八込、Alb,八1。)和高差(八匕、Ahb, Ah。)信號(hào)傳輸給計(jì)算機(jī)；
[0066]步驟3、如果間隙(Ala、Alb、Λ I。)和高差(Λ ha、Ahb、Λ h。)在誤差范圍之內(nèi)，則本塊管片安裝結(jié)束，進(jìn)行下一塊管片的安裝；
[0067]如果間隙(Ala、Alb, Λ I。)和高差(Λ ha、Ahb、Λ h。)不在誤差范圍之內(nèi)，則計(jì)算機(jī)根據(jù)粗調(diào)后管片拼裝機(jī)的位置與間隙(Λ la、Alb、Λ I。)和高差(Λ ha、Ahb、Ah。)信息，通過(guò)建立六自由度運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)控制模型，通過(guò)該運(yùn)動(dòng)控制模型預(yù)估出各液壓執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)量，即第一徑向運(yùn)動(dòng)液壓油缸和第二徑向運(yùn)動(dòng)液壓油缸的同步運(yùn)動(dòng)量M和差動(dòng)量N、第一周向運(yùn)動(dòng)液壓馬達(dá)和第二周向運(yùn)動(dòng)液壓馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)角度P、第一軸向運(yùn)動(dòng)液壓缸和第二軸向運(yùn)動(dòng)液壓缸的的行程Q、側(cè)傾液壓油缸的行程R和擺動(dòng)液壓油缸的行程S，并將各液壓執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)量輸出給PLC;
[0068]步驟4、PLC根據(jù)計(jì)算機(jī)發(fā)送的各液壓執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)量和第一位移傳感器、第二位移傳感器、角度傳感器、第三位移傳感器、第四位移傳感器、第五位移傳感器和第六位移傳感器再次檢測(cè)到的粗調(diào)后的管片拼裝機(jī)的位置信號(hào)，輸出模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)到第一徑向運(yùn)動(dòng)液壓油缸、第二徑向運(yùn)動(dòng)液壓油缸、第一軸向運(yùn)動(dòng)液壓缸、第二軸向運(yùn)動(dòng)液壓缸、第一周向運(yùn)動(dòng)液壓馬達(dá)和第二周向運(yùn)動(dòng)液壓馬達(dá)，并對(duì)第一徑向運(yùn)動(dòng)液壓油缸、第二徑向運(yùn)動(dòng)液壓油缸、第一軸向運(yùn)動(dòng)液壓缸、第二軸向運(yùn)動(dòng)液壓缸、第一周向運(yùn)動(dòng)液壓馬達(dá)和第二周向運(yùn)動(dòng)液壓馬達(dá)的速度和運(yùn)動(dòng)量進(jìn)行控制；除此之外，還輸出數(shù)字信號(hào)到側(cè)傾液壓油缸和擺動(dòng)液壓油缸并控制側(cè)傾液壓油缸和擺動(dòng)液壓油缸的運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)量進(jìn)行控制；
[0069]步驟5、重復(fù)步驟I和步驟2，如果間隙(Ala、Alb、八1。)和高差(Aha, Ahb, Ahc)在誤差范圍之內(nèi)，則本塊安裝結(jié)束，進(jìn)行下一塊管片的安裝；
[0070]如果間隙(Ala、Alb、Λ I。)和高差(Λ ha、Ahb、Λ h。)仍不在誤差范圍之內(nèi)，則繼續(xù)重復(fù)步驟3和4。
[0071]本實(shí)施例中的盾構(gòu)管片拼裝機(jī)六自由度全自動(dòng)控制系統(tǒng)中的成像設(shè)備、圖像處理設(shè)備和計(jì)算機(jī)共同實(shí)現(xiàn)了機(jī)器視覺(jué)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)管片拼裝機(jī)的全自動(dòng)控制，且定位精度高，對(duì)光源要求較低，現(xiàn)場(chǎng)照明條件良好，甚至都可以不用額外設(shè)置光源，更不需要設(shè)置特定的激光源；另外，本實(shí)施例中的成像設(shè)備安裝在管片拼裝機(jī)的旋轉(zhuǎn)盤體上，相對(duì)光截法技術(shù)而言，安裝方便，且所需安裝空間小，可以從圖像上得知個(gè)點(diǎn)在管片上的具體位置，使得檢測(cè)到的圖像更為直觀；除此之外，采用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)對(duì)管片拼裝機(jī)進(jìn)行全自動(dòng)控制，還加快了施工速度，且有利于降低施工總成本。
【權(quán)利要求】
1.一種盾構(gòu)管片拼裝機(jī)六自由度全自動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征在于，包括成像設(shè)備、圖像處理設(shè)備、計(jì)算機(jī)、PLC、控制芯片、電磁閥、液壓執(zhí)行元件和傳感器；成像設(shè)備、圖像處理設(shè)備、計(jì)算機(jī)、PLC和控制芯片依次相連； 所述成像設(shè)備，用于對(duì)待拼裝管片的內(nèi)表面區(qū)域和待拼裝管片與已拼裝管片相接觸區(qū)域進(jìn)行攝像，在待拼裝管片內(nèi)表面區(qū)域至少獲取一個(gè)點(diǎn)P3的位置信息、在待拼裝管片與已拼裝管片相接觸區(qū)域至少獲取兩個(gè)點(diǎn)P1和P2的位置信息，并將所述PpP2和P3的位置信息發(fā)送給圖像處理設(shè)備； 所述圖像處理設(shè)備，在接收到所述P1、P2和P3的位置信息后，分析所述PpP2和P3和已拼裝管片棱邊的間隙(Λ la、Δ lb、Δ I。)和高差(Aha、Ahb、Ah。)，并將所述間隙(Λ la、Δ lb、Δ I。)和高差(Λ ha、Λ hb、Δ h。)發(fā)送給所述計(jì)算機(jī)； 所述傳感器，用于對(duì)所述液壓執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)量和液壓執(zhí)行元件在盾構(gòu)機(jī)中的位置信息進(jìn)行檢測(cè)，并將所述液壓執(zhí)行元件在盾構(gòu)機(jī)中的位置信息反饋給所述控制芯片； 所述計(jì)算機(jī)，用于預(yù)先存儲(chǔ)管片拼裝機(jī)所處位置的盾構(gòu)機(jī)三維結(jié)構(gòu)圖、傳感器依次通過(guò)所述控制芯片和PLC反饋的液壓執(zhí)行元件在盾構(gòu)機(jī)中的位置信息、圖像處理設(shè)備發(fā)送的間隙(Λ la、Δ lb、Δ I。)和高差(Aha、Ahb、Ahc)與傳感器再次通過(guò)所述控制芯片和PLC反饋的液壓執(zhí)行元件粗調(diào)后在盾構(gòu)機(jī)中的位置信息； 所述PLC，接受所述傳感器反饋的液壓執(zhí)行元件在盾構(gòu)機(jī)中的位置信息、粗調(diào)運(yùn)動(dòng)的軌跡規(guī)劃信息、傳感器反饋的液壓執(zhí)行元件粗調(diào)后在盾構(gòu)機(jī)在的位置信息和液壓執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)量并發(fā)送出； 所述電磁閥，用于驅(qū)動(dòng)所述液壓執(zhí)行元件； 所述控制芯片與所述傳感器和PLC通訊連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的盾構(gòu)管片拼裝機(jī)六自由度全自動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征在于，所述液壓執(zhí)行元件包括第一軸向運(yùn)動(dòng)液壓缸、第二軸向運(yùn)動(dòng)液壓缸、第一周向運(yùn)動(dòng)液壓馬達(dá)、第二周向運(yùn)動(dòng)液壓馬達(dá)、第一徑向運(yùn)動(dòng)液壓油缸、第二徑向運(yùn)動(dòng)液壓液壓油缸、側(cè)傾液壓油缸和擺動(dòng)液壓油缸。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的盾構(gòu)管片拼裝機(jī)六自由度全自動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征在于，所述電磁閥包括用于驅(qū)動(dòng)所述第一軸向運(yùn)動(dòng)液壓缸的第一電磁閥和第二電磁閥、用于驅(qū)動(dòng)所述第二軸向運(yùn)動(dòng)液壓缸的第三電磁閥和第四電磁閥、用于驅(qū)動(dòng)所述第一軸向運(yùn)動(dòng)液壓馬達(dá)的第五電磁閥和第六電磁閥、用于驅(qū)動(dòng)所述第二周向運(yùn)動(dòng)液壓馬達(dá)的第七電磁閥和第八電磁閥、用于驅(qū)動(dòng)所述第一徑向運(yùn)動(dòng)液壓油缸的第九電磁閥和第十電磁閥、用于驅(qū)動(dòng)所述第二徑向運(yùn)動(dòng)液壓油缸的第十一電磁閥和第十二電磁閥、用于驅(qū)動(dòng)所述側(cè)傾液壓油缸的第十三電磁閥和第十四電磁閥以及用于驅(qū)動(dòng)所述擺動(dòng)液壓油缸的第十五電磁閥和第十六電磁閥。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任意一項(xiàng)所述的盾構(gòu)管片拼裝機(jī)六自由度全自動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征在于，所述傳感器包括第一位移傳感器、第二位移傳感器、角度傳感器、第三位移傳感器、第四位移傳感器、第五位移傳感器和第六位移傳感器；所述第一位移傳感器、第二位移傳感器、第三位移傳感器、第四位移傳感器、第五位移傳感器和第六位移傳感器分別用于檢測(cè)所述第一軸向運(yùn)動(dòng)液壓缸、第二軸向運(yùn)動(dòng)液壓缸、第一徑向運(yùn)動(dòng)液壓油缸、第二徑向運(yùn)動(dòng)液壓油缸、側(cè)傾液壓油缸和擺動(dòng)液壓油缸的伸縮量，所述角度傳感器用于檢測(cè)所述第一軸向運(yùn)動(dòng)液壓馬達(dá)和第二軸向運(yùn)動(dòng)液壓馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)角度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的盾構(gòu)管片拼裝機(jī)六自由度全自動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征在于，所述成像設(shè)備包括2臺(tái)攝像機(jī)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的盾構(gòu)管片拼裝機(jī)六自由度全自動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征在于，所述圖像處理設(shè)備和PLC中均設(shè)置有時(shí)鐘電路模塊。
【文檔編號(hào)】E21D11/40GK203962001SQ201320866404
【公開(kāi)日】2014年11月26日 申請(qǐng)日期:2013年12月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月26日
【發(fā)明者】蘇延奇, 黃浩, 徐昊朗, 韓真, 嚴(yán)子君, 王青霞 申請(qǐng)人:江蘇凱宮隧道機(jī)械有限公司