CN102505853B - 喷射机械及其机械臂、喷射控制方法和喷射控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种喷射机械及其机械臂、喷射控制装置和喷射控制方法。公开的喷射机械的喷射控制装置中，状态传感器检测机械臂的相应运动幅的当前状态参数；控制器根据运动幅的当前状态参数确定喷头的当前位置姿态参数；再确定喷头的目标位置姿态参数；再各运动幅的目标状态参数；再根据运动幅的目标状态参数和机械臂各运动幅的当前状态参数形成预定的控制信号，并将控制信号发送给机械臂的相应驱动器。利用该喷射控制装置根据喷头的目标位置姿态参数，改变机械臂各运动幅的状态参数，进而使喷头按预定的轨迹到达预定的目标位置，转换到预定姿态，实现对喷射角度及喷射距离的准确控制，减少对操作手个人因素的依赖。

Description

喷射机械及其机械臂、喷射控制方法和喷射控制装置

技术领域

本发明涉及一种喷射机械的机械臂控制技术，特别涉及一种喷射机械的喷射控制方法和喷射控制装置，还涉及到一种包括该喷射控制装置的喷射机械的机械臂及一种包括该机械臂的喷射机械。

背景技术

混凝土喷射是将一定配比的混凝土拌和料通过管道输送到喷头部分，在喷头部分将混凝土拌和料高速喷射到施工面上凝结硬化，进而形成混凝土支护层的施工技术。由于具有工艺简单、经济造价低和施工快捷等特点，因此，混凝土喷射技术广泛应用在建筑、铁路、公路、隧道施工、矿山井巷建设、边坡加固等领域。混凝土喷射技术包括干喷、潮喷、湿喷和混合喷等施工工艺；其中，混凝土湿喷工艺的应用最为广泛。

混凝土湿喷一般利用混凝土湿喷机进行。混凝土湿喷机一般包括车体和机械臂；机械臂通常包括多个顺序相连的臂段，臂段之间形成适当的运动副；机械臂的根端臂段与车体形成转动幅。相邻的臂段之间及车体与根端臂段之间设置有适当的驱动器。机械臂还设置有安装在末端臂段的喷头。通过驱动器可以使机械臂相对于车体运动，也可以使相邻的臂段之间产生相对运动，进而使喷头相对于车体有多个自由度，进而满足对多种施工面进行湿喷的需要。在进行混凝土喷射时，通过改变机械臂相应运动幅的状态参数，可以使喷头相对车体在预定的方向上移动或绕预定的轴线旋转，进而使喷头沿预定的喷射轨迹移动，完成对预定施工面的湿喷作业。

一般来讲，为保证混凝土喷射的最佳效果，需要保证两个喷射参数：第一个喷射参数是喷头的喷射方向与施工面之间的角度，称为喷射角度；第二个喷射参数是喷头到施工面受喷点之间的距离，称为喷射距离。一般来讲，在保持其他参数不变的情况下，喷射角度为90度时，湿喷效果最好；在保持其他参数不变的情况下，根据混凝土拌和料的特性不同，喷射距离应当保持在预定的范围之内(如1米)。如果喷射角度和喷射距离不能满足预定的要求，要增加混凝土的回弹量，不仅增加喷射成本，还会导致喷射效率降低，降低施工现场的施工环境。

目前，利用带有机械臂的混凝土湿喷机进行喷射时，均由操作手通过摇控器或手动阀等机构手动控制机械臂相应运动幅的状态参数，并通过对机械臂运动幅的控制调节喷射角度和喷射距离。喷射角度和喷射距离是否保持在预定的范围均由操作手根据目测及控制经验判断。操作手的经验、情绪及其他个人因素对喷射质量、效果影响很大；长时间的控制操作积累，还会导致操作手劳动强度过大，进而影响喷射质量的稳定性。因此，现有技术存在对操作手的个人因素依赖过大的问题。由于相同的原因，在利用其他带有机械臂的混凝土喷射机械时，也存在混凝土喷射质量对操作手的个人因素依赖过大的问题。

因此，如何减少喷射机械对操作手个人因素的依赖，提高喷射质量是目前喷射技术的一个难题。

发明内容

针对上述技术难题，本发明目的在于，提供一种喷射机械的喷射控制方法和喷射控制装置，以减少对操作手个人因素的依赖，提高混凝土等物料的喷射质量。

在提供上述喷射机械的喷射控制装置的基础，本发明还提供一种包括该喷射控制装置的喷射机械的机械臂和包括该机械臂的喷射机械。

为实现上述目的，本发明提供的喷射机械的喷射控制装置包括若干状态传感器和控制器；

各所述状态传感器用于检测机械臂的相应运动幅的当前状态参数；

所述控制器根据相应运动幅的当前状态参数确定喷头的当前位置姿态参数；再根据喷头的当前位置姿态参数和预定的喷射轨迹数据组确定喷头的目标位置姿态参数，或者根据喷头的当前位置姿态参数和预定的喷射轨迹函数确定喷头的目标位置姿态参数；还能够根据喷头的目标位置姿态参数及预定的策略确定机械臂各运动幅的目标状态参数；再根据机械臂各运动幅的目标状态参数和当前状态参数形成预定的控制信号，并将控制信号发送给机械臂的相应驱动器。

可选的，所述喷射机械的喷射控制装置还包括探测装置，所述探测装置用于确定喷射轨迹中预定点与预定位置之间的距离；所述控制器根据该距离及探测装置的角度确定喷射轨迹中的多个预定点的位置参数，并根据该位置参数形成所述预定的喷射轨迹数据组或预定的喷射轨迹函数。

可选的，所述控制器还能够根据至少二组运动幅状态参数确定喷射机械的车体行驶方向与施工面的延伸方向之间的行驶夹角；各组所述运动幅状态参数为预定状态下，机械臂各运动幅的状态参数。

可选的，所述控制器还能够根据预定的喷射轨迹数据组和预定的规则将喷射轨迹分成若干喷射轨迹段，或根据预定的喷射轨迹函数和预定的规则将喷射轨迹分成若干喷射轨迹段；还根据各喷射轨迹段的特点形成预定的控制信号。

可选的，所述探测装置为激光距离探测器或超声波距离探测器。

本发明提供的喷射机械的机械臂包括多个顺序相连的臂段，相邻的臂段之间形成相应的运动幅；还包括分别驱动相对应臂段运动的多个驱动器；还包括上述任一种喷射机械的喷射控制装置，所述控制器与驱动器相连。

本发明提供的喷射机械包括车体和机械臂，所述机械臂的根端安装在车体上，所述机械臂为上述喷射机械的机械臂。

本发明提供的喷射机械的喷射控制方法，包括以下步骤：

确定喷头的当前位置姿态参数，并根据喷头的当前位置姿态参数和预定的喷射轨迹数据组确定喷头的目标位置姿态参数，或者根据喷头的当前位置姿态参数和预定的喷射轨迹函数确定喷头的目标位置姿态参数；

根据喷头的目标位置姿态参数及预定的策略确定机械臂各运动幅的目标状态参数；

确定机械臂各运动幅的当前状态参数，并根据机械臂各运动幅的目标状态参数和机械臂各运动幅的当前状态参数使机械臂的相应驱动器动作，使喷头按预定的轨迹到达预定的目标位置，转换到预定姿态。

可选的，所述预定的喷射轨迹数据组或预定的喷射轨迹函数具体是：确定喷射轨迹中预定点与预定位置之间的距离，根据该距离确定喷射轨迹中的多个预定点的位置参数，再根据多个预定点的位置参数形成所述预定的喷射轨迹数据组或预定的喷射轨迹函数。

可选的，所述喷射机械的喷射控制方法还包括确定喷射机械的车体行驶方向与施工面延伸方向之间的行驶夹角的步骤，该步骤包括：

使喷头分别到达预定的至少二个参考点，并获得到达各参考点时所述机械臂各运动幅的状态参数，形成至少二组运动幅状态参数；并根据至少二组运动幅状态参数和预定的策略确定所述行驶夹角；所述参考点在预定参考平面与施工面的交线上，所述参考平面与施工面的延伸方向垂直。

可选的，所述的喷射机械的喷射控制方法还包括：

根据预定的喷射轨迹数据组和预定的规则将喷射轨迹分成若干喷射轨迹段，或根据预定的喷射轨迹函数和预定的规则将喷射轨迹分成若干喷射轨迹段；

在使机械臂的相应驱动器动作时，还根据各喷射轨迹段的特点使机械臂的相应驱动器动作，使喷头按预定的轨迹和方式到达预定的目标位置，转换到预定姿态。

本发明提供的喷射机械的喷射控制装置中，各所述状态传感器用于检测机械臂的相应运动幅的当前状态参数；控制器根据相应运动幅的当前状态参数确定喷头的当前位置姿态参数；再根据喷头的当前位置姿态参数和预定的喷射轨迹数据组确定喷头的目标位置姿态参数，或者根据喷头的当前位置姿态参数和预定的喷射轨迹函数确定喷头的目标位置姿态参数；还能够根据喷头的目标位置姿态参数及预定的策略确定机械臂各运动幅的目标状态参数；再根据机械臂各运动幅的目标状态参数和机械臂各运动幅的当前状态参数形成预定的控制信号，并将控制信号发送给机械臂的相应驱动器。利用该喷射控制装置可以根据实际喷射需要，根据喷头的目标位置姿态参数，改变机械臂各运动幅的状态参数，进而使喷头按预定的轨迹到达预定的目标位置，转换到预定姿态，实现对喷射角度及喷射距离的准确控制，减少对操作手个人因素的依赖，减小混凝土等物料的回弹量，提高混凝土等物料喷射的质量，降低喷射成本，提高喷射效率降低，提高施工现场的环境质量；还有利于保证喷射质量的稳定性。

在进一步的技术方案中，控制器根据至少二组运动幅状态参数之间的变化及机械臂本身的结构，可以确定喷射机械车体行驶方向与施工面延伸方向之间的行驶夹角；进而可以调整车体行驶方向，使车体与施工面的延伸方向平行，方便对机械臂及其喷头的控制，也可以调整机械臂相应臂段的位置，以，方便对机械臂及其喷头的控制。

在进一步的技术方案中，在实际控制中，根据预定的策略将喷射轨迹分成苦于喷射轨迹段，并根据喷射轨迹段的特点，使机械臂的相应驱动器配合动作，使喷头按预定的轨迹达到预定的目标位置，转换到预定姿态。这样可以根据施工面的不同特点，使喷头在不同位置以不同的轨迹运动，对喷射轨迹进行优化，保证喷射角度和喷头距离均能够满足预定的要求，提高喷射质量。

同样包括该喷射控制装置的喷射机械的机械臂及喷射机械也具有相对应的技术效果。相应的，提供的喷射机械的喷射控制方法也具有相对应的技术效果。

附图说明

图1是一种混凝土湿喷机的机械臂的运动简化模型图；

图2是本发明实施例提供的喷射机械的喷射控制装置的结构框图；

图3是本发明实施例提供的喷射控制装置的工作过程示意图，也是本发明提供的喷射机械的喷射控制方法的流程图；

图4是获得行驶夹角的原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应视为对本发明公开技术内容的限制。

另外，本发明提供的技术方案不限于应用于混凝土湿喷中，也可以应用于干喷、潮喷或混合喷中，当然，不限于应用于混凝土喷射施工过程中，也可以用于其他物料喷射的施工工艺中。

请参考图1，该图是一种混凝土湿喷机的机械臂的运动简化模型图；为了描述方便，该图中示出了三维垂直坐标系XYZ；其中，Y轴与纸面垂直并向外延伸。该机械臂包括8个臂段；8个臂段分别为第一臂段11、第二臂段12、第三臂段13、第四臂14、第五臂段15、第六臂段16、第七臂段17和第八臂段18。8个臂段之间及第一臂段11与车体之间分别形成相应的运动幅。机械臂还设置有分别与8个臂段相对应的驱动器，以驱动相对应的臂段运动。

如图所示，该机械臂形成6个转动幅O1～O6(为了描述方便，相应转动幅的旋转轴线与转动幅用相同标记表示)；形成两个滑动幅L1和L2。第一臂段11的根端与车体之间形成转动幅O1；第一臂段11和第二臂段12之间形成转动幅O2；第二臂段12和第三臂段13之间形成滑动幅L1，使第三臂段13能够相对于第二臂段12滑动；第三臂段13与第四臂段14形成转动幅O3；第四臂段14与第五臂段15之间形成转动幅O4；第五臂段15与第六臂段16之间形成滑动幅，使第六臂段16能够相对于第五臂段15滑动；第六臂段16与第七臂段17之间形成转动幅O5；第七臂段17与第八臂段18之间形成转动幅O6；喷头与第八节臂段18固定相连。图1中所示状态，O1、O4和O6均与Z轴平行，O2和O3均与Y轴平行，O5均与X轴平行。

根据上述描述，该机械臂具有8个自由度，两个滑动幅L1和L2起到调节机械臂长度的作用；转动幅O1至O4主要调节喷头的位置，转动幅O5和O6主要用于调节喷头的姿态；通过8个自由度的调节，可以调节喷头的喷射距离，也可以调节喷头的喷射角度。

请参考图2，该图是本发明实施例提供的喷射机械的喷射控制装置的结构框图。该喷射控制装置可以用于控制图1所示的混凝土湿喷机的机械臂。喷射控制装置包括8个状态传感器21～28、控制器30和探测装置40。8个状态传感器包括6个角度传感器和2个位移传感器。

6个角度传感器分别与转动幅O1至O6相对应，用于检测各转动幅的转动角度；2个位移传感器分别与滑动幅L1和L2相对应，用于检测相应滑动幅的滑动距离，进而获得M1和M3；第四臂段14两端旋转轴线之间的距离为M2铰接。这样通过8个状态传感器可以获得机械臂各运动幅的当前状态参数。各状态传感器均与控制器30相连，以将检测获得的当前状态参数传送给控制器30。

探测装置40为超声波距离探测器；超声波距离探测器安装在喷头上，用于确定喷头与施工面的喷射点之间的距离，即喷头的喷射距离。

控制器30用于根据相应运动幅的当前状态参数确定喷头的当前位置姿态参数(包括喷头在预定坐标系中的位置参数及喷射方向的角度)。控制器30再根据喷头的当前位置姿态参数和预定的喷射轨迹数据组确定喷头的目标位置姿态参数，或者根据喷头的当前位置姿态参数和预定的喷射轨迹函数确定喷头的目标位置姿态参数。控制器30还能够根据喷头的目标位置姿态参数及预定的策略确定机械臂各运动幅的目标状态参数；预定的策略可以喷头的目标位置姿态参数为基础，根据实际需要对机械臂各运动幅进行逆运算，进而获得机械臂各运动幅的目标状态参数(一种具体逆运算的方式将于后详述)。控制器30还能够根据机械臂各运动幅的目标状态参数和机械臂各运动幅的当前状态参数形成预定的控制信号；控制器30的输出端分别与机械臂上的各驱动器相连，以将控制信号发送给机械臂的相应驱动器。

机械臂上的相应驱动器根据控制信号进行预定的动作，使相应臂段运动，并各运动幅转换到达其目标状态，使喷头按预定的轨迹到达预定的目标位置，转换到预定姿态。

利用该喷射控制装置可以根据实际喷射需要，根据喷头的目标位置姿态参数，改变机械臂各运动幅的状态参数，使喷头按预定的轨迹到达预定的目标位置，转换到预定姿态；这样就可以实现对喷头的喷射角度及喷射距离的准确控制，减少对操作手个人因素的依赖，提高混凝土等物料喷射的质量，保证喷射质量的稳定性。

以图1所示的机械臂为例，以下详细描述喷射控制装置的工作过程，同时对本发明提供的喷射机械的喷射控制方法进行描述。应当说明的是：虽然本发明提供的喷射控制装置可以实施该喷射控制方法，但该喷射控制方法不限于应用该喷射控制装置实现。

请参考图3，该图是本发明实施例提供的喷射控制装置的工作原理图，也是本发明提供的喷射机械的喷射控制方法的流程图。

该喷射控制方法包括以下步骤：

步骤S110，确定喷射轨迹中预定点与预定位置之间的距离，根据该距离确定喷射轨迹中的多个预定点在预定坐标系数的位置参数，再根据多个预定点的位置参数形成所述预定的喷射轨迹数据组或预定的喷射轨迹函数。

通过分别确定喷射轨迹中多个预定点在预定坐标系中的位置参数可以形成喷射轨迹的数据组。根据喷射轨迹的特点，可以选择相应数量的预定点；比如说：对于直线喷射轨迹，可以选择位于两端的点作为预定点；对于弧形的喷射轨迹，可以选择更多个点作为预定点；进而形成喷射轨迹的数据组。

本例中，通过探测装置40确定喷射轨迹中预定点与探测装置之间的距离；再根据探测装置40在预定坐标系中的位置参数及控制装置40探测时的角度，可以确定预定点在预定坐标系中的位置参数。在探测过程中，旋转喷头，可以使探测装置40旋转预定的角度，进而对不同方向的预定点进行探测，进而根据喷头的旋转角度和此时获得的距离就可以获得不同预定点的位置参数；这样就可以获得喷射轨迹中多个预定点在预定坐标系中的位置参数。当然，探测装置40不限于安装在喷头上，也可以安装在其他预定位置，只要能够确定该预定位置的位置参数，就可以进一步地根据探测获得距离及控制装置的角度变化获得预定点的位置参数；进而根据一系列预定点的位置参数可以获得喷射轨迹数据组。探测装置不限于超声波距离探测器，也可以为激光距离探测器或其他距离探测机构。

获得喷射轨迹数据组不限于通过现场测量的方式获得，也可以通输入数据或预定数据的方式获得喷射轨迹数据组。

根据喷射轨迹数据组的变化规律，也可以形成喷射轨迹函数；当然，也可以通过输入或预置的方式获得喷射轨迹函数，即根据实际喷射需要，在控制器30中预先植入相应数据；这样就可以将步骤S120省去。

步骤S120，确定喷头的当前位置姿态参数，并根据喷头的当前位置姿态参数和预定的喷射轨迹数据组确定喷头的目标位置姿态参数，或者根据喷头的当前位置姿态参数和预定的喷射轨迹函数确定喷头的目标位置姿态参数。

确定喷头的当前位置姿态参数可以根据状态传感器21～28检测获得的机械臂的相应运动幅的状态参数确定。在运动幅为转动幅时，可以检测相应运动幅的旋转角度；在运动幅为滑动幅时，可以检测运动幅的滑动距离，进而确定相应该运动幅的当前状态参数。

根据预定的喷射轨迹数据组可以确定喷头下一步动作的位置和姿态，即确定喷头的目标位置姿态参数。目标位置姿态参数可以根据喷射轨迹数据组顺序确定，可将喷射轨迹数据组中的数据作为喷头的目标位置姿态参数；也可以根据喷射轨迹数据组的数据形成新的参数作为喷头的目标位置姿态参数。

步骤S130，根据喷头的目标位置姿态参数及预定的策略确定机械臂各运动幅的目标状态参数。

根据喷头的目标位置和姿态及预定的策略可以确定机械臂各运动幅的目标状态参数。预定的策略可以根据实际需要选择，比如，可以使相应运动幅的状态参数与喷头的位置参数或姿态参数之间具有预定的关系等等。

步骤S140，确定机械臂各运动幅的当前状态参数，并根据机械臂各运动幅的目标状态参数和运动幅的当前状态参数使机械臂的相应驱动器动作，使机械臂的相应运动幅转换到目标状态，进而使喷头按预定的轨迹到达预定的目标位置，转换到预定姿态。

确定机械臂各运动幅的当前状态参数可以根据状态传感器21～28检测获得数据确定机械臂的相应运动幅的状态参数。

在确定机械臂各运动幅的当前状态参数后，结合机械臂各运动幅的目标状态参数和各运动幅的当前状态参数就可以确定机械臂中相应运动幅的动作方向和幅度，进而使相应驱动器动作，使机械臂的相应运动幅到达目标状态，进而使喷头按预定的轨迹到达预定的目标位置，转换到预定姿态，使喷头保持预定的喷射角度和喷射距离。

步骤S150，判断湿喷工作是否完成；在判断为是时，结束湿喷工作；在判断为否是，返回步骤S120，再根据相应的方式确定喷头的下一目标位置姿态参数。

在喷头移动之后，需要根据预定策略确定是否需要喷头继续移动。在湿喷工作完成时，不需要再使喷头动作，在湿喷工作未完成的情况下，就需要使喷头继续动作，转换到下一位置和姿态，以对施工面的其他部分进行喷射。

应当说明的是：在步骤S120中，确定喷头的当前位置姿态参数可以根据施工阶段的不同，采用不同的方式处理；如在启动状态，可以根据状态传感器的检测数据确定，也可以根据默认方式确定；在启动后，上述步骤形成循环后，可以将上次循环中喷头的目标位置姿态参数作为本次循环中喷头的当前位置参数；同样，也可以用上次循环中相应运动幅的目标状态参数作为机械臂该运动幅的当前状态参数。

判断湿喷工作是否完成，可以根据喷头的位置参数确定；在喷头的位置参数位于预定的范围内时，判断湿喷工作未完成；在喷头的位置参数超过预定的范围时，判断湿喷工作已经完成。当然，也可以通过其他方式进行判断。

在实际施工过程中，一般使车体的行驶方向与施工面的延伸方向平行，以在施工过程中，通过移动转换喷射机械的位置，进而对施工面的不同位置进行喷射。在实际施工过程中，车体的行驶方向和施工面的延伸方向之间可以会存在一定的夹角，即存在一个行驶夹角。在施工过程中，行驶夹角会影响机械臂各运动幅的状态参数及喷头的位置姿态参数的准确性；因此，本发明提供的技术方案中，还提供了确定行驶夹角的技术手段。

请参考图4，该图是获得行驶夹角的原理示意图；图中示隧道截面100、混凝土湿喷机200；隧道100的内表面为施工面；上述的施工面的延伸方向为隧道的延伸方向。确定行驶夹角的具体方式是：

使混凝土湿喷机200到达隧道100中。确定与施工面延伸方向垂直的截面为参考平面，在该参考平面与施工面之间的交线上选择A、B二个参考点；使喷头到达A参考点，将此时机械臂各运动幅的状态参数作为一组运动幅状态参数；再使喷头到达B参考点，将此时机械臂各运动幅的状态参数作为另一组运动幅状态参数；这样就形成二组运动幅状态参数。根据这二组运动幅状态参数和机械臂结构特点，可以确定上述行驶夹角。具体方式可以是：以图1所示的机械臂和状态为基础，使第二臂段12延伸方向与车体行驶方向平行，即设转动幅O1的旋转角度为0度，并使第四臂段14向上旋转90度，通过旋转转动幅O4，使喷头到达参考点A；如果仅通过旋转转动幅O4可以使喷头到达参考点B，就可以确定车体行驶方向与施工面的延伸方向平行；如果需要改变M1及旋转转动幅O4使通过喷头到达参考点B，就可以确定车体行驶方向与施工面的延伸方向之间具有相应夹角。根据相关的几何关系就可以根据M1的改变获得行驶夹角的具体值。当然，为了提高行驶夹角的准确性，也可以使喷头到达更多个参考点，以获得多组运动幅状态参数；再根据多组运动幅状态参数对获得的行驶夹角进行修改，获得更准确的行驶夹角。另外，根据机械臂结构及形成的运动幅不同，获得行驶夹角的具体方式可以根据实际情况进行调整。根据行驶夹角的大小可以调整车体的位置，保证控制的准确性。也可以根据行驶夹角，调整相应臂段的位置，比如可以调整图1中所示机械臂的第二臂段12，使第二臂段12的延伸方向与施工面的延伸方向平行，进而通过其他运动幅可以方便地调节喷头的位置，实现对喷射距离和喷射角度的控制。

基于上述内容，本发明提供的喷射控制方法中，还可以包括确定喷射机械的车体行驶方向与施工面延伸方向之间的行驶夹角的步骤，该步骤包括：

使喷头分别到达预定的至少二个参考点，并获得到达各参考点时所述机械臂各运动幅的位置参数，形成至少二组运动幅状态参数；并根据至少二组运动幅状态参数和预定的策略确定行驶夹角；所述参考点在预定参考平面与施工面的交线上，所述参考平面与施工面的延伸方向垂直。

为了实现上述功能，提供的喷射控制装置中，控制器30还能够根据至少二组运动幅状态参数确定喷射机械的车体行驶方向与施工面的延伸方向之间的行驶夹角；各组所述运动幅状态参数为预定状态下，机械臂各运动幅的状态参数。根据机械臂结构不同，控制器30预置适当的数据和程序，就可以获得行驶夹角。

为了提供喷射效率，方便对喷头的控制，还可以根据喷射轨迹的具体特点，将喷射轨迹分成若干个喷射轨迹段；再根据喷射轨迹段的不同，使喷头按不同的方式从当前位置到达目标位置，从当前姿态转换到目标姿态；如对于圆弧形式的喷射轨迹段，可以通过旋转方式到达目标位置，对于直线形的喷射轨迹段，可以通过旋转加伸缩的方式到达目标位置，等等。因此，本发明提供的喷射控制装置中，控制器30还能够根据预定的喷射轨迹数据组和预定的规则将喷射轨迹分成若干喷射轨迹段，或根据预定的喷射轨迹函数和预定的规则将喷射轨迹分成若干喷射轨迹段；并根据各喷射轨迹段的特点形成预定的控制信号。

在提供的喷射控制方法中，在步骤S110后、步骤S140前，还包括：根据预定的喷射轨迹数据组和预定的规则将喷射轨迹分成若干喷射轨迹段，或根据预定的喷射轨迹函数和预定的规则将喷射轨迹分成若干喷射轨迹段。在步骤S140中，还可以根据各喷射轨迹段的特点，使机械臂的相应驱动器动作，使喷头按预定的轨迹和方式到达预定的目标位置，转换到预定姿态。

以下描述一种步骤S130的具体实施方式，应当说明的是：该方式仅是一种具有方式，根据实际需要，本领域技术人中可以根据实际需要，以其他方式获得机械臂各运动幅的目标状态参数。

以图1所示的机械臂为例，设在三维垂直坐标系XYZ中，所述喷头的目标位置参数为(P_x，P_y，P_z)。设原点位于O1和O2交点的坐标系X3Y3Z3，且该坐标系的原点在三维垂直坐标系XYZ中的位置参数为(P_x′，P_y′，P_z′)；根据实际需要或经验确定系数k，P_x′＝kp_x，P_y′＝kp_y，P_z′＝kp_z；采用几何法求得前三个运动幅的目标状态参数，在三维垂直坐标系XYZ中：

转动幅O1的目标状态参数为： ${\mathrm{\θ}}_1=\arcsin \left(\frac{{P_y}^{\′}}{\sqrt{{P_x}^{\′2}+{P_y}^{\′2}}}\right).$

转动幅O2的目标状态参数为： ${\mathrm{\θ}}_2=-\arctan \left(\frac{{P_z}^{\′}\cos {\mathrm{\θ}}_1}{{P_x}^{\′}}\right).$

滑动幅L1的目标状态参数为： $M_1=\sqrt{{P_x}^{\′2}+{P_y}^{\′2}+{P_z}^{\′2}}.$

设： $A_1=\left[\begin{array}{cccc}{c}_1& 0& -s_1& 0\\ s_1& 0& c_1& 0\\ 0& -1& 0& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right],$ $A_2=\left[\begin{array}{cccc}{c}_2& -s_2& 0& m_1{c}_2\\ s_2& c_2& 0& m_1{s}_2\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

A₁·A₂＝T₂

T₂·(P_x P_y P_z 1)^T＝(p_x p_y p_z 1)^T

${\left(\begin{array}{cccc}{P}_x& P_y& P_z& 1\end{array}\right)}^T={T_2}^{-1}{\·\left(\begin{array}{cccc}{p}_x& p_y& p_z& 1\end{array}\right)}^T$

从而获得喷头在坐标系X3Y3Z3位置参数如下：

P_x＝c₁c₂p_x-s₂p_z-m₁+c₂s₁p_y

P_y＝-c₂p_z-c₁s₂p_x-s₁s₂p_y

P_z＝c₁p_y-s₁p_x

再采用几何法获得转动幅O3、转动幅O4及滑动幅L2的目标状态参数：

转动幅O3的目标状态参数为： ${\mathrm{\θ}}_3=\arcsin \left(\frac{P_y}{\sqrt{{P_X}^2+{P_y}^2}}\right).$

转动幅O4的目标状态参数为： ${\mathrm{\θ}}_4=\arctan \left(\frac{P_z\cos {\mathrm{\θ}}_3}{P_x-m_2\cos {\mathrm{\θ}}_3}\right).$

滑动幅L2的目标状态参数为： $m_3=\sqrt{r^2-{m_2}^2\sin {\mathrm{\θ}}_4}-m_2\cos {\mathrm{\θ}}_4.$

其中： $\sqrt{{P_x}^2+{P_y}^2+{P_z}^2}=r.$

采用D-H法求解，即3×3矩阵来描述运动学问题，从而给出运动幅的参数变量，设：A₁A₂A₃A₄A₅A₆＝T    式(1)

得到喷头末端的姿态参数：

$T=\left[\begin{array}{ccc}{n}_x& o_x& a_x\\ n_y& o_y& a_y\\ n_z& o_z& a_z\end{array}\right]$

$A_i=\left[\begin{array}{ccc}{c}_i& -s_i{\mathrm{\λ}}_i& s_i{u}_i\\ s_i& c_i{\mathrm{\λ}}_i& -c_i{u}_i\\ 0& u_i& {\mathrm{\λ}}_i\end{array}\right]$

其中，s_i＝sinθ_i，c_i＝cosθ_i，λ_i＝sinα_i，λ_i＝cosα_i，α_i是转动幅i和转动幅i+1间的扭歪角，θ_i是转动幅i的旋转角。

A_i矩阵如下：

$A_1=\left[\begin{array}{ccc}{c}_1& 0& -s_1\\ s_1& 0& c_1\\ 0& -1& 0\end{array}\right]$ $A_2=\left[\begin{array}{ccc}{c}_2& -s_2& 0\\ s_2& c_2& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]$ $A_3=\left[\begin{array}{ccc}{c}_3& 0& s_3\\ s_3& 0& -c_3\\ 0& 1& 0\end{array}\right]$

$A_4=\left[\begin{array}{ccc}{c}_4& 0& s_4\\ s_4& 0& -c_4\\ 0& 1& 0\end{array}\right]$ $A_5=\left[\begin{array}{ccc}{c}_5& 0& -s_5\\ s_5& 0& c_5\\ 0& -1& 0\end{array}\right]$ $A_6=\left[\begin{array}{ccc}{c}_6& 0& s_6\\ s_6& 0& -c_6\\ 0& 1& 0\end{array}\right]$

将式(1)变形为

A₁A₂A₃A₄＝TA₆ ^-1A₅ ^-1    式(2)

使式(2)中的(4，1)，(4，2)，(4，3)对应相等，可获得：

f₁＝s₁c₄+c₁s₄(c₂c₃-s₂s₃)＝a_cc₆-n_xs₆

f₂＝s₄s₁(c₂c₃-s₂s₃)-c₁c₄＝a_yc₆-n_ys₆

f₃＝-s₄(c₂s₃+c₃s₂)＝a_zc₆-n_zs₆

并且：

a_x ²+a_y ²+a_z ²＝1

n_x ²+n_y ²+n_z ²＝1

消去n_x，n_y，n_y可得到：

2c₆ ²-2(f₁a_x+f₂a_y+f₃a_z)c₆+f₁ ²+f₂ ²+f₃ ²-1＝0

使：F₁＝f₁a_x+f₂a_y+f₃a_z，

F₂＝f₁ ²+f₂ ²+f₃ ²-1。

则： $c_6=\frac{F_1\±\sqrt{{F_1}^2-2F_2}}{2}.$

取 $c_6=\frac{F_1+\sqrt{{F_1}^2-2F_2}}{2}$

可得到： ${\mathrm{\θ}}_6=\arccos \left(\frac{F_1+\sqrt{{F_1}^2-2F_2}}{2}\right).$

从而利用式(2)可得到转动幅O5的目标状态参数：

$c_5=\frac{c_4{c}_6+a_y{c}_1-a_x{s}_1}{s_4{s}_6}$

$s_5=\frac{a_z+c_2{c}_6{s}_3{s}_4+c_2{c}_4{c}_5{s}_3{s}_6+c_3{c}_4{c}_5{s}_2{s}_6}{c_2{c}_3{s}_6-s_2{s}_3{s}_6}$

式中： $s_6=\sqrt{1-{c_6}^2}.$

根据s₅及c₅可以确定转动幅O5的状态参数变量。

通过上述运算便得到各运动幅的状态参数变量的计算公式，将各喷射点的数据代入各求解公式便可得到各运动幅的目标状态参数。

在提供上述喷射控制装置的基础上，本发明还提供一种喷射机械的机械臂，该机械臂包括多个顺序相连臂段，相邻的臂段之间形成相应的运动幅；还包括分别驱动相对应臂段运动的多个驱动器；还包括上述任一种喷射机械的喷射控制装置，控制器30与各均驱动器相连。驱动器可以包括相应的电控液压阀的液压缸，控制器30通过控制向电控液压阀的电流，使电控液压腔打开或关闭，进而使液压缸伸长或缩回，以驱动相应臂段动作，改变相应运动幅的状态。

在上述喷射机械的机械臂的基础上，本发明提供的喷射机械包括车体和机械臂，所述机械臂的根端安装在车体上，所述机械臂为上述的喷射机械的机械臂。由于喷射机械的喷射控制装置具有上述技术效果，喷射机械的机械臂入喷射机械也具有相对应的技术效果。

本文中应用了具体个例对本发明提供的技术方案进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明提供的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰。比如说：可以在控制器30中设置存储单元，以存储施工面的相应数据及喷射位置，并在停止时记录该位置；以在重启时，从该位置开始进行喷射施工。这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种喷射机械的喷射控制装置，其特征在于，包括若干状态传感器(21～28)和控制器(30)；

各所述状态传感器(21～28)用于检测机械臂的相应运动幅的当前状态参数；

所述控制器(30)根据相应运动幅的当前状态参数确定喷头的当前位置姿态参数；再根据喷头的当前位置姿态参数和预定的喷射轨迹数据组确定喷头的目标位置姿态参数，或者根据喷头的当前位置姿态参数和预定的喷射轨迹函数确定喷头的目标位置姿态参数；还能够根据喷头的目标位置姿态参数及预定的策略确定机械臂各运动幅的目标状态参数；再根据机械臂各运动幅的目标状态参数和当前状态参数形成预定的控制信号，并将控制信号发送给机械臂的相应驱动器；还包括探测装置(40)，所述探测装置(40)用于确定喷射轨迹中预定点与预定位置之间的距离；所述控制器根据该距离及探测装置(40)的角度确定喷射轨迹中的多个预定点的位置参数，并根据该位置参数形成所述预定的喷射轨迹数据组或预定的喷射轨迹函数。

2.根据权利要求1所述的喷射机械的喷射控制装置，其特征在于，所述控制器(30)还能够根据至少二组运动幅状态参数确定喷射机械的车体行驶方向与施工面的延伸方向之间的行驶夹角；各组所述运动幅状态参数为预定状态下，机械臂各运动幅的状态参数。

3.根据权利要求1或2所述的喷射机械的喷射控制装置，其特征在于，

所述控制器(30)还能够根据预定的喷射轨迹数据组和预定的规则将喷射轨迹分成若干喷射轨迹段，或根据预定的喷射轨迹函数和预定的规则将喷射轨迹分成若干喷射轨迹段；还根据各喷射轨迹段的特点形成预定的控制信号。

4.根据权利要求3所述的喷射机械的喷射控制装置，其特征在于，所述探测装置(40)为激光距离探测器或超声波距离探测器。

5.一种喷射机械的机械臂，包括多个顺序相连的臂段(11～18)，相邻的臂段之间形成相应的运动幅；还包括分别驱动相对应臂段运动的多个驱动器；其特征在于，还包括权利要求1-4中任一项所述的喷射机械的喷射控制装置，所述控制器(30)与驱动器相连。

6.一种喷射机械，包括车体和机械臂，所述机械臂的根端安装在车体上，其特征在于，所述机械臂为权利要求5所述的喷射机械的机械臂。

7.一种喷射机械的喷射控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

确定喷头的当前位置姿态参数，并根据喷头的当前位置姿态参数和预定的喷射轨迹数据组确定喷头的目标位置姿态参数，或者根据喷头的当前位置姿态参数和预定的喷射轨迹函数确定喷头的目标位置姿态参数；

根据喷头的目标位置姿态参数及预定的策略确定机械臂各运动幅的目标状态参数；

确定机械臂各运动幅的当前状态参数，并根据机械臂各运动幅的目标状态参数和机械臂各运动幅的当前状态参数使机械臂的相应驱动器动作，使喷头按预定的轨迹到达预定的目标位置，转换到预定姿态。

8.根据权利要求7所述的喷射机械的喷射控制方法，其特征在于，确定喷射轨迹中预定点与预定位置之间的距离，根据该距离确定喷射轨迹中的多个预定点的位置参数，再根据多个预定点的位置参数形成所述预定的喷射轨迹数据组或预定的喷射轨迹函数。

9.根据权利要求7所述的喷射机械的喷射控制方法，其特征在于，还包括确定喷射机械的车体行驶方向与施工面延伸方向之间的行驶夹角的步骤，该步骤包括：

使喷头分别到达预定的至少二个参考点，并获得到达各参考点时所述机械臂各运动幅的状态参数，形成至少二组运动幅状态参数；并根据至少二组运动幅状态参数和预定的策略确定所述行驶夹角；所述参考点在预定参考平面与施工面的交线上，所述参考平面与施工面的延伸方向垂直。

10.根据权利要求7、8或9所述的喷射机械的喷射控制方法，其特征在于，还包括：

根据预定的喷射轨迹数据组和预定的规则将喷射轨迹分成若干喷射轨迹段，或根据预定的喷射轨迹函数和预定的规则将喷射轨迹分成若干喷射轨迹段；

在使机械臂的相应驱动器动作时，还根据各喷射轨迹段的特点使机械臂的相应驱动器动作，使喷头按预定的轨迹和方式到达预定的目标位置，转换到预定姿态。

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