CN103806665B - 泵车智能臂弹性形变的矫正方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种泵车智能臂弹性形变的矫正方法及装置，应用于具有n节臂的泵车智能臂，其中所述n大于等于2，所述泵车智能臂弹性形变的矫正方法包括：根据有限元理论，计算所述泵车智能臂的第n节臂在当前载荷下的弹性形变量f_n；根据所述弹性形变量f_n及所述第n节臂的长度，求取所述泵车智能臂的臂架末端在所述第n节臂的局部坐标系下的坐标；并通过坐标旋转和平移实现所述臂架末端在各节臂的局部坐标系下的坐标转换；以及计算所述臂架末端在当前时刻及上一时刻在同一节臂的局部坐标系下的位置差；根据所述位置差进行弹性形变补偿操作。本发明提供的泵车智能臂弹性形变的矫正方法能保证形变计算的准确性，提高了臂架运行精度。

Description

泵车智能臂弹性形变的矫正方法及装置

技术领域

本发明涉及泵车智能臂技术领域，特别涉及泵车智能臂弹性形变的矫正方法及装置。

背景技术

混凝土泵车是一个包含多机构的复杂多体系统，目前，对混凝土泵车臂架的研究是将其抽象为多刚体系统，将泵车臂架的各节臂架和连杆看作不可变形的刚性体。实际上由于泵车臂架是一组细长柔性件的机构组合，在工作时相当于悬臂梁结构，并且在臂架变形的同时又与刚性运动相互作用或耦合，所以长臂架泵车的臂架实质上是一个柔性体，在泵车实际布料过程中，臂架受自重及混凝土带载影响，会引起臂架弹性变形。在智能臂架的控制过程中，若不对弹性变形加以矫正，则会影响布料精确性。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种泵车智能臂弹性形变的矫正方法及装置，以实现自动校正泵车智能臂的弹性变形，避免影响布料精确性。

一方面，提供一种泵车智能臂弹性形变的矫正方法，应用于具有n节臂的泵车智能臂，其中所述n大于等于2，所述泵车智能臂弹性形变的矫正方法包括：根据有限元理论，计算所述泵车智能臂的第n节臂在当前载荷下的弹性形变量f_n；根据所述弹性形变量f_n及所述第n节臂的长度，求取所述泵车智能臂的臂架末端在所述第n节臂的局部坐标系下的坐标；并通过坐标旋转和平移实现所述臂架末端在各节臂的局部坐标系下的坐标转换；以及计算所述臂架末端在当前时刻及上一时刻在同一节臂的局部坐标系下的位置差；根据所述位置差进行弹性形变补偿操作。

进一步地，所述“根据所述弹性形变量f_n及所述第n节臂的长度，求取所述泵车智能臂的臂架末端在所述第n节臂的局部坐标系下的坐标”的步骤包括：确定所述泵车智能臂的臂架末端在所述第n节臂的局部坐标系下的坐标为(x'_n,y'_n)，其中，x'_n=L_n，y'_n=-f_n；该L_n为所述第n节臂的长度。

进一步地，所述“通过坐标旋转和平移实现所述臂架末端在各节臂的局部坐标系下的坐标转换；以及计算所述臂架末端在当前时刻及上一时刻在同一节臂的局部坐标系下的位置差”的步骤包括：根据上述坐标(x'_n,y'_n)、所述第n节臂根部及第n-1节臂根部与水平方向的夹角及根据有限元理论计算得到的所述第n-1节臂在当前载荷下的弹性形变量，通过坐标旋转和平移计算所述臂架末端在所述第n-1节臂的局部坐标系下的坐标(x'_n-1,y'_n-1)，直至计算得到所述臂架末端在所述泵车智能臂的第1节臂的局部坐标系下的坐标(x₁',y₁')；计算所述臂架末端在当前时刻及上一时刻在所述第1节臂的局部坐标系下的位置差。

进一步地，所述根据有限元理论，计算所述泵车智能臂的第n节臂在当前载荷下的弹性形变量f_n的步骤包括：依据有限元理论，根据自重载荷、臂架弯矩、垂直载荷及横向载荷，计算所述泵车智能臂的第n节臂在当前泵送排量下的弹性形变量f_n。

进一步地，所述根据所述位置差进行弹性形变补偿操作的步骤包括：根据所述位置差的水平方向的差值及竖直方向的差值，补偿所述泵车智能臂在水平及竖直方向的速度值以使所述臂架末端在不同时刻基本维持在同一高度。

另一方面，提供一种泵车智能臂弹性形变的矫正装置，应用于具有n节臂的泵车智能臂，其中所述n大于等于2，其特征在于，所述泵车智能臂弹性形变的矫正装置包括：形变量计算单元，用于根据有限元理论，计算所述泵车智能臂的第n节臂在当前载荷下的弹性形变量f_n；位置差确定单元，用于根据所述弹性形变量f_n及所述第n节臂的长度，求取所述泵车智能臂的臂架末端在所述第n节臂的局部坐标系下的坐标；并通过坐标旋转和平移实现所述臂架末端在各节臂的局部坐标系下的坐标转换；以及计算所述臂架末端在当前时刻及上一时刻在同一节臂的局部坐标系下的位置差；矫正单元，用于根据所述位置差进行弹性形变补偿操作。

进一步地，所述位置差确定单元包括：坐标系确定子单元，用于确定所述泵车智能臂的臂架末端在所述第n节臂的局部坐标系下的坐标为(x'_n,y'_n)，其中，x'_n=L_n，y'_n=-f_n；该L_n为所述第n节臂的长度。

进一步地，所述泵车智能臂弹性形变的矫正装置，其特征在于，还包括：安装在各节智能臂根部的用于感测各节智能臂根部与水平方向夹角的角度传感器；所述位置差确定单元还包括：坐标转换子单元，根据上述坐标(x'_n,y'_n)、所述第n节臂根部及第n-1节臂根部与水平方向的夹角及根据有限元理论计算得到的所述第n-1节臂在当前载荷下的弹性形变量，通过坐标旋转和平移计算所述臂架末端在所述第n-1节臂的局部坐标系下的坐标为(x'_n-1,y'_n-1)，直至计算得到所述臂架末端在所述泵车智能臂的第1节臂的局部坐标系下的坐标为(x₁',y₁')；位置差计算子单元，计算所述臂架末端在当前时刻及上一时刻在所述第1节臂的局部坐标系下的位置差。

进一步地，所述形变量计算单元包括：形变量计算子单元，用于依据有限元理论，根据自重载荷、臂架弯矩、垂直载荷及横向载荷，计算所述泵车智能臂的第n节臂在当前泵送排量下的弹性形变量f_n。

进一步地，所述矫正单元包括：矫正子单元，用于根据所述位置差的水平方向的差值及竖直方向的差值，补偿所述泵车智能臂在水平及竖直方向的速度值以使所述臂架末端在不同时刻基本维持在同一高度。

本发明泵车智能臂弹性形变的矫正方法及装置通过有限元法计算臂架弹性形变节省大量人力物力财力，且与泵送排量关联，保证形变计算的准确性；并通过臂架弹性形变的矫正，提高了臂架运行精度。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例提供的泵车智能臂弹性形变的矫正方法的流程图；

图2为图1中坐标转换操作的原理示意图；

图3为图1中根据位置差进行弹性形变补偿操作的原理示意图；

图4为本发明实施例提供的泵车智能臂弹性形变的矫正装置的结构示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。经过深入分析泵车智能臂每节臂架变形与载荷的变化关系的得知，臂架平均变形量大概为0.67%，可以认为臂架满足小变形理论。该臂架小变形假定是：

1）臂架变形和载荷成线性关系；

2）只考虑沿作用力方向上的变形（主变形）；

3）可用叠加原理来组合臂架的变形问题。

由于臂架满足上述小变形理论，其弹性形变可以适用于图1所示方式来获取；图1为本发明实施例一提供的泵车智能臂弹性形变的矫正方法的流程图，其应用于具有n节臂的泵车智能臂，其中n大于等于2；图2为图1中坐标转换操作的原理示意图；图3为图1中根据位置差进行弹性形变补偿操作的原理示意图；如图1-图3所示，该泵车智能臂弹性形变的矫正方法包括：

步骤11：根据有限元理论，计算泵车智能臂的第n节臂在当前载荷下的弹性形变量f_n；

当前载荷主要为各节臂架及输送管等的固定载荷，由于泵送排量会影响载荷，而载荷会影响弹性形变量的大小，具体操作时，当前载荷优选考虑泵送排量的变化，当然还可以考虑风载等不可预见的载荷，结合当前载荷并基于有限元理论来获得弹性形变量f_n，具体如：

依据有限元理论，根据自重载荷、臂架弯矩、垂直载荷及横向载荷，计算泵车智能臂的第n节臂在当前载荷下的弹性形变量f_n；具体操作时，可以利用现有大型应用有限元程序NASTRAN，分析每节臂架在受自重分布载荷、当量弯矩、当量垂直载荷、横向载荷情况下的臂架变形量；对于现有大型应用有限元程序NASTRAN的操作应用均为现有技术，兹不赘述。

步骤12：根据弹性形变量f_n及第n节臂的长度，求取泵车智能臂的臂架末端在第n节臂的局部坐标系下的坐标；并通过坐标旋转和平移实现臂架末端在各节臂的局部坐标系下的坐标转换；

具体操作时，如图2所示，若将臂架抽象为多刚性系统，臂架末端的位置为A，然而臂架实际为柔性件的机构组合，柔性臂架存在弹性形变，实际的臂架末端位置为B。显然，随着臂架节数的增加，这种偏差会越来越大，从而对智能臂架末端位置的精确控制造成极大困难；为了矫正柔性臂架的弹性形变，进行如下操作：

首先：可以确定泵车智能臂的臂架末端在第n节臂的局部坐标系[O;x_n,y_n]下的坐标为(x'_n,y'_n)，其中，x'_n=L_n，y'_n=-f_n；该L_n为第n节臂的长度；该局部坐标系[O;x_n,y_n]可以第n节臂的根部为原点，以与第n节臂相切的线为横坐标轴，并相应确定纵坐标轴，该局部坐标系的确定方式可以适用于各节臂；

其次，根据上述坐标(x'_n,y'_n)及第n节臂根部及第n-1节臂根部与水平方向的夹角，通过坐标旋转和平移计算臂架末端在第n-1节臂的局部坐标系下的坐标(x'_n-1,y'_n-1)；具体过程如下：

由安装在第n臂及第n-1节臂根部的两个角度传感器分别对应感测两个倾角值（每节臂根部与水平面的夹角）θ_n和θ_n-1，各局部坐标系下，臂架末端的坐标可通过坐标旋转和平移计算得出：具体如下述公式（1），

$\left[\begin{array}{cc}{x}_{n-1}^{\′}& y_{n-1}^{\′}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{x}_n^{\′}& y_n^{\′}\end{array}\right]\×\left[\begin{array}{cc}\cos ({\mathrm{\θ}}_n-{\mathrm{\θ}}_{n-1})& \sin ({\mathrm{\θ}}_n-{\mathrm{\θ}}_{n-1})\\ -\sin ({\mathrm{\θ}}_n-{\mathrm{\θ}}_{n-1})& \cos ({\mathrm{\θ}}_n-{\mathrm{\θ}}_{n-1})\end{array}\right]+\left[\begin{array}{cc}{L}_{n-1}& -f_{n-1}\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中，(x'_n,y'_n)为臂架末端点在[O;x_n,y_n]坐标系下的坐标值，n为臂架的节数，L_n为第n节臂架的长度，θ_n为第n节臂架与水平面的夹角，f_n-1为有限元计算得出的弹性形变量；臂架末端在各节臂架的局部坐标系下的坐标即为其在该臂架的局部坐标系下的位置；具体操作时，可以通过上述坐标转换的操作，一直计算得到臂架末端在泵车智能臂的第1节臂的局部坐标系下的坐标为(x₁',y₁')，即将各个时刻臂架末端的位置均统一到第1节臂的局部坐标系下进行比较。

上述坐标转换的操作中，利用了每节臂在当前载荷下的弹性形变量，如在计算臂架末端在第n-1节臂的局部坐标系下的坐标(x'_n-1,y'_n-1)时，利用了弹性形变量f_n-1；具体操作时，也可以采用其它方式获得弹性形变量f_n-1，或者在不利用各节臂在当前载荷下的弹性形变量的情况下直接坐标转换，其得到的智能臂架末端位置的精确度相比利用每节臂在当前载荷下的弹性形变量进行坐标转换的精确度会低一些。

步骤13：计算臂架末端在当前时刻及上一时刻在同一节臂的局部坐标系下的位置差，即臂架变形矫正量；具体操作时，可以计算臂架末端在当前时刻及上一时刻在第1节臂的局部坐标系下的位置差；

如图3所示，臂架末端在向右运动的过程中，期望的运动轨迹是A->B->C->D…，但是在实际的运行过程中，受臂架弹性形变的影响，在臂架末端从A（起点）移至B点（坐标为(x,y)）过程中，实际上已经走到了E点（坐标为(x+Dx,y+Dy)）；此时，经过上述各步骤弹性形变的计算，得出在原有移动量的基础上，臂架末端需多移动-Dx的行程，即位置差为(-Dx,Dy)，这样就可以保证臂架末端基本维持在同一高度，便于实现泵车智能臂架弹性形变的矫正；

步骤14：更新用于表征上述位置差的变量值，如更新为(-Dx,Dy)；

步骤15：根据位置差进行弹性形变补偿操作，具体操作时，可以根据位置差的水平方向的差值Dx及竖直方向的差值Dy补偿泵车智能臂在水平及竖直方向速度值以使臂架末端在不同时刻基本维持在同一高度，即通过在水平方向及竖直方向上速度的控制实现位移的补偿。

本实施例中通过有限元法计算臂架弹性形变节省大量人力物力财力，且与泵送排量关联，保证形变计算的准确性；并通过臂架弹性形变的矫正，提高了臂架运行精度。

图4为本发明实施例提供的泵车智能臂弹性形变的矫正装置的结构示意图，该矫正装置应用于具有n节臂的泵车智能臂，其中n大于等于2，图1-图3的解释说明可以适应用本实施，如图4所示，该矫正装置可以包括：

形变量计算单元21，用于根据有限元理论，计算泵车智能臂的第n节臂在当前载荷下的弹性形变量f_n；

位置差确定单元22，用于根据弹性形变量f_n及第n节臂的长度，求取泵车智能臂的臂架末端在第n节臂的局部坐标系下的坐标；并通过坐标旋转和平移实现臂架末端在各节臂的局部坐标系下的坐标转换；以及计算臂架末端在当前时刻及上一时刻在同一节臂的局部坐标系下的位置差；

矫正单元23，用于根据位置差进行弹性形变补偿操作。

在一种图未示出的实施例中，位置差确定单元22可以包括：

安装在各节智能臂根部的用于感测各节智能臂根部与水平方向夹角的角度传感器；

坐标系确定子单元，用于确定泵车智能臂的臂架末端在第n节臂的局部坐标系下的坐标为(x'_n,y'_n)，其中，x'_n=L_n，y'_n=-f_n；该L_n为第n节臂的长度；

坐标转换子单元，根据上述坐标(x'_n,y'_n)、第n节臂根部及第n-1节臂根部与水平方向的夹角及根据有限元理论计算得到的所述第n-1节臂在当前载荷下的弹性形变量，通过坐标旋转和平移计算臂架末端在第n-1节臂的局部坐标系下的坐标(x'_n-1,y'_n-1)，直至计算得到臂架末端在泵车智能臂的第1节臂的局部坐标系下的坐标为(x₁',y₁')；

位置差计算子单元，计算臂架末端在当前时刻及上一时刻在第1节臂的局部坐标系下的位置差；

形变量计算单元21可以包括：形变量计算子单元，用于依据有限元理论，根据自重载荷、臂架弯矩、垂直载荷及横向载荷，计算泵车智能臂的第n节臂在当前载荷（如当前泵送排量）下的弹性形变量f_n；

矫正单元22可以包括矫正子单元，用于根据位置差的水平方向的差值及竖直方向的差值补偿泵车智能臂在水平及竖直方向速度值以使臂架末端在不同时刻基本维持在同一高度。

本实施例中通过形变量计算单元利用有限元法计算臂架弹性形变节省大量人力物力财力，且与泵送排量关联，保证形变计算的准确性；并通过矫正单元对臂架弹性形变的矫正，提高了臂架运行精度。

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 (10)

1.一种泵车智能臂弹性形变的矫正方法，应用于具有n节臂的泵车智能臂，其中所述n大于等于2，其特征在于，所述泵车智能臂弹性形变的矫正方法包括：

根据有限元理论，计算所述泵车智能臂的第n节臂在当前载荷下的弹性形变量f_n；

根据所述弹性形变量f_n及所述第n节臂的长度，求取所述泵车智能臂的臂架末端在所述第n节臂的局部坐标系下的坐标；并通过坐标旋转和平移实现所述臂架末端在各节臂的局部坐标系下的坐标转换；以及计算所述臂架末端在当前时刻及上一时刻在同一节臂的局部坐标系下的位置差；

根据所述位置差进行弹性形变补偿操作。

2.根据权利要求1所述泵车智能臂弹性形变的矫正方法，其特征在于，所述“根据所述弹性形变量f_n及所述第n节臂的长度，求取所述泵车智能臂的臂架末端在所述第n节臂的局部坐标系下的坐标”的步骤包括：

确定所述泵车智能臂的臂架末端在所述第n节臂的局部坐标系下的坐标为(x'_n,y'_n)，其中，x'_n=L_n，y'_n=-f_n；该L_n为所述第n节臂的长度。

3.根据权利要求2所述泵车智能臂弹性形变的矫正方法，其特征在于，所述“通过坐标旋转和平移实现所述臂架末端在各节臂的局部坐标系下的坐标转换；以及计算所述臂架末端在当前时刻及上一时刻在同一节臂的局部坐标系下的位置差”的步骤包括：

根据上述坐标(x'_n,y'_n)、所述第n节臂根部及第n-1节臂根部与水平方向的夹角及根据有限元理论计算得到的所述第n-1节臂在当前载荷下的弹性形变量，通过坐标旋转和平移计算所述臂架末端在所述第n-1节臂的局部坐标系下的坐标(x'_n-1,y'_n-1)，直至计算得到所述臂架末端在所述泵车智能臂的第1节臂的局部坐标系下的坐标(x₁',y₁')；

计算所述臂架末端在当前时刻及上一时刻在所述第1节臂的局部坐标系下的位置差。

4.根据权利要求1-3中任一项所述泵车智能臂弹性形变的矫正方法，其特征在于，所述根据有限元理论，计算所述泵车智能臂的第n节臂在当前载荷下的弹性形变量f_n的步骤包括：

依据有限元理论，根据自重载荷、臂架弯矩、垂直载荷及横向载荷，计算所述泵车智能臂的第n节臂在当前泵送排量下的弹性形变量f_n。

5.根据权利要求4所述泵车智能臂弹性形变的矫正方法，其特征在于，所述根据所述位置差进行弹性形变补偿操作的步骤包括：

根据所述位置差的水平方向的差值及竖直方向的差值，补偿所述泵车智能臂在水平及竖直方向的速度值以使所述臂架末端在不同时刻基本维持在同一高度。

6.一种泵车智能臂弹性形变的矫正装置，应用于具有n节臂的泵车智能臂，其中所述n大于等于2，其特征在于，所述泵车智能臂弹性形变的矫正装置包括：

形变量计算单元（21），用于根据有限元理论，计算所述泵车智能臂的第n节臂在当前载荷下的弹性形变量f_n；

位置差确定单元（22），用于根据所述弹性形变量f_n及所述第n节臂的长度，求取所述泵车智能臂的臂架末端在所述第n节臂的局部坐标系下的坐标；并通过坐标旋转和平移实现所述臂架末端在各节臂的局部坐标系下的坐标转换；以及计算所述臂架末端在当前时刻及上一时刻在同一节臂的局部坐标系下的位置差；

矫正单元（23），用于根据所述位置差进行弹性形变补偿操作。

7.根据权利要求6所述泵车智能臂弹性形变的矫正装置，其特征在于，所述位置差确定单元（22）包括：

坐标系确定子单元，用于确定所述泵车智能臂的臂架末端在所述第n节臂的局部坐标系下的坐标为(x'_n,y'_n)，其中，x'_n=L_n，y'_n=-f_n；该L_n为所述第n节臂的长度。

8.根据权利要求7所述泵车智能臂弹性形变的矫正装置，其特征在于，还包括：安装在各节智能臂根部的用于感测各节智能臂根部与水平方向夹角的角度传感器；

所述位置差确定单元（22）还包括：

坐标转换子单元，根据上述坐标(x'_n,y'_n)、所述第n节臂根部及第n-1节臂根部与水平方向的夹角及根据有限元理论计算得到的所述第n-1节臂在当前载荷下的弹性形变量，通过坐标旋转和平移计算所述臂架末端在所述第n-1节臂的局部坐标系下的坐标为(x'_n-1,y'_n-1)，直至计算得到所述臂架末端在所述泵车智能臂的第1节臂的局部坐标系下的坐标为(x₁',y₁')；

位置差计算子单元，计算所述臂架末端在当前时刻及上一时刻在所述第1节臂的局部坐标系下的位置差。

9.根据权利要求6-8中任一项所述泵车智能臂弹性形变的矫正装置，其特征在于，所述形变量计算单元（21）包括：

形变量计算子单元，用于依据有限元理论，根据自重载荷、臂架弯矩、垂直载荷及横向载荷，计算所述泵车智能臂的第n节臂在当前泵送排量下的弹性形变量f_n。

10.根据权利要求9所述泵车智能臂弹性形变的矫正装置，其特征在于，所述矫正单元（23）包括：

矫正子单元，用于根据所述位置差的水平方向的差值及竖直方向的差值，补偿所述泵车智能臂在水平及竖直方向的速度值以使所述臂架末端在不同时刻基本维持在同一高度。