CN107989338A - 一种土木工程机械及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及土木工程设备领域，具体地涉及一种土木工程机械及其控制方法。一种土木工程机械，包含可移动底座、作业臂、施工单元、定位基准和控制单元，其特征在于，可移动底座包含底座驱动单元，底座驱动单元驱动可移动底座作平移和/或旋转移动，底座驱动单元受控制单元控制；作业臂铰接在可移动底座上，作业臂末端连接施工单元，作业臂包含至少三个首尾相互铰接安装可相互摆动的移动臂，移动臂和施工单元受控制单元的控制；定位基准包含至少三个布置在施工现场的基准单元。本发明的有益效果为：通过可定位移动的底座和可转动及摆动的作业臂的共同作用，使得施工单元能够完成多种方位的施工工作，提高了土木工程机械的自动化和集成化。

Description

一种土木工程机械及其控制方法

技术领域

本发明涉及土木工程设备领域，具体地涉及一种土木工程机械及其控制方法。

背景技术

在市政建设中，如修建防撞栏、路面修复和花圃整平，以及在家庭住房装修中进行的粉墙、刷漆、粘贴壁纸等均需要进行一种将一个平面或多个平面铺满某种物料的工作，具有施工区域边界形状简单且常为方形的特点，施工装置需沿某一条工作轨迹，遍历施工区域进行施工。目前这些施工工作常有人工或借助专用的机械来完成，人工完成具有效率低下、施工质量不高的缺点，而专用机械则有自动化程度低、通用性差的缺陷，严重制约了工程建设的效率和质量，增加施工成本。因而需要研发出一种适用范围广的自动化程度高的土木工程机械。

中国专利CN 103397769 A，公开日2013年11月20日，一种自动刷墙机，包括左端支架和右端支架，左端支架和右端支架上分别活动安装有带传感器的移动块，带传感器的移动块之间安装有第一丝杠，第一丝杠上安装有喷漆装置，通过移动块的移动和丝杠的转动带动喷漆装置遍历施工区域进行喷漆施工，能够进行自动喷漆，喷漆均匀而且效率高。但左端支架和右端支架不能移动，限制了喷漆的区域，且只能进行垂直面喷漆不能对房屋顶部进行喷漆作业。

中国专利号CN 102102337 A，公开日2011年6月20日，一种土木工程机械和用于控制土木工程机械的方法，公开了一种自驱动土木工程机械及其控制方法，该自驱动土木工程机械由底盘、作业单元、驱动单元和控制单元组成，控制单元带有定位装置，驱动单元能够在控制单元的控制下驱动底盘沿预设曲线运动，通过固定在底盘上的作业单元进行施工作业，具有自动化程度高和较宽的适用范围，但其作业单元固定在底盘上，无法进行升降、转位和旋转，限制了改装置的适用范围。

发明内容

本发明要解决的技术问题是现有的土木工程机械功能单一集成度低、自动化程度低的问题。提出了一种自动化的能够适用多种施工作业的土木工程机械，以及用于控制该土木工程机械的方法。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案为：一种土木工程机械，包含可移动底座、作业臂、施工单元、定位基准和控制单元，其特征在于，所述可移动底座包含底座驱动单元，所述底座驱动单元驱动可移动底座作平移和/或旋转移动，底座驱动单元受所述控制单元控制；所述作业臂始端铰接在可移动底座上，所述作业臂末端连接施工单元，所述作业臂包含至少三个首尾相互铰接安装可相互摆动的移动臂，所述移动臂和施工单元受控制单元的控制；所述控制单元包含工作轨迹选择单元、存储器、角位移传感器和定位单元，所述存储器用于储存移动臂工作长度和若干个工作轨迹，所述工作轨迹选择单元用于选取工作轨迹，所述角位移传感器安装在移动臂上，用于检测移动臂相对于可移动底座旋转的角位移和移动臂之间相对摆动的角位移，所述定位单元布置在可移动底座上，定位单元用于检测出自身相对于定位基准单元的空间位置；所述定位基准包含至少三个基准单元，所述基准单元布置在施工现场，所述基准单元与所述控制单元电连接，所述控制单元包含一个用于输入基准单元坐标的基准输入单元。

可移动底座可以沿地面或支撑面进行平移和/或旋转运动，带动安装在其上的作业臂转移，作业臂包含能够旋转或摆动至少三个移动臂，作业臂末端固定施工单元，在移动臂的带动下，施工单元能够移动和转位，从而能够满足不同位置或角度的施工需要，如对垂直墙面或天花板进行施工作业，在角位移传感器定位装置的帮助下，控制单元能够控制驱动单元和作业臂使施工单元沿预设的工作轨迹以设定的移动速率进行移动并遍历施工区域，将定位基准设置在施工现场，能够使得可移动底座的空间位置检测更加准确，提高施工作业的质量。

作为优选，所述控制单元还包含有第二定位单元，所述第二定位单元固定在施工单元上。在施工单元上安装第二定位单元，能够使得施工单元的空间位置检测更加准确，提高施工作业的质量。

作为优选，所述施工单元具有多个可相互更换的用于不同施工项目的施工模块。在进行不同项目施工时，仅需更换对应的施工模块并重新选择工作轨迹即可，方便快捷。

作为优选，所述施工单元包含用于在墙面施加构造或使墙面发生变化的施工模块。在市政建设及住房装修中，均包含有大量的墙面施工作业，将适用于墙面施工的施工模块集成到本发明土木工程机械中，可以减少墙面施工需要的设备数量，加快施工进度。

作为优选，所述存储器为可移动存储器，所述控制单元包含一个串行接口。将可移动存储器取出后连接到计算机上，可以将工作轨迹复制到存储器中，供工作需要选择，使用串行接口将控制单元与计算机连接，可以将工作轨迹导入到存储器中，使得较为复杂的工作轨迹可以在计算机中制作，而后导入到控制单元的存储器中。

作为优选，所述控制单元包含一个用于输入工作轨迹的输入单元，所述工作轨迹用于限定施工单元的移动轨迹曲线和沿轨迹曲线移动的速率。通过输入单元可以在施工现场将某一期望的工作轨迹输入到控制单元中，灵活地利用控制单元的功能；将工作轨迹设定为移动轨迹曲线和沿轨迹曲线移动的速率即可以简化数据结构，同时能够保证完成所需的施工工作。

作为优选，所述控制单元设定在使施工单元相对于工作轨迹的位移偏差和移动速率偏差小于设定误差的工作模式。将施工单元的移动误差和移动速率误差控制在一定范围内能够使施工位置准确并能使得施工均匀。

作为优选，所述控制单元包含一个显示工作状态数据的显示单元，所述工作状态数据包含移动臂长度值、移动臂角位移、可移动底座空间坐标值、施工单元空间坐标值、施工单元移动速率及方向和施工单元与工作轨迹的位移偏差值及移动速率偏差值。通过显示单元可以实时查看土木工程机械的工作状态，能够及时发现工作过程中的错误并助于判断错误源。

一种土木工程机械的控制方法，适用于所述的土木工程机械，其特征在于，包含以下步骤：

A)将定位基准布置在施工现场的合适位置，使其位于土木工程机械施工过程中移动的范围之外，将土木工程机械置于施工初始位置；

B)选取工作轨迹，给施工单元装填施工材料；

C)可移动底座和作业臂带动施工单元沿工作轨迹移动，对路面或墙面进行施工。

本发明的实质性效果是：通过可定位移动的底座和可转动及摆动的作业臂的共同作用，使得施工单元能够完成多种方位的施工工作，提高了土木工程机械的自动化和集成化。

附图说明

图1为土木工程机械结构图。

图2为一种工作轨迹的实施例。

图3为工作轨迹点数据格式示意图。

图4为土木工程机械的工作流程框图。

其中，1、作业臂，2、控制单元，3、可移动底座，4、定位单元，5、施工单元，6、第二定位单元。

具体实施方式

下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步具体说明。

如图1所示，为土木工程机械结构图，可移动底座3包含底座驱动单元，底座驱动单元驱动可移动底座3作平移和/或旋转移动，底座驱动单元受控制单元2的控制，作业臂1始端铰接在可移动底座3上，作业臂1末端连接施工单元5，作业臂1包含至少三个首尾相互铰接安装可相互摆动的移动臂，移动臂和施工单元5受控制单元2的控制；控制单元2包含工作轨迹选择单元、存储器、角位移传感器和定位单元，存储器用于储存移动臂工作长度和若干个工作轨迹，工作轨迹选择单元用于选取工作轨迹，角位移传感器安装在移动臂上，用于检测移动臂相对于可移动底座旋转的角位移和移动臂之间相对摆动的角位移，定位单元4布置在可移动底座3上，定位单元4用于检测出自身相对于定位基准单元的空间位置；定位基准包含至少三个基准单元，基准单元布置在施工现场，基准单元与控制单元2电连接，控制单元2包含一个用于输入基准单元坐标的基准输入单元，控制单元2还包含有第二定位单元6，第二定位单元6固定在施工单元5上。

可移动底座3可以沿地面或支撑面进行平移和/或旋转运动，带动安装在其上的作业臂1转移，作业臂1包含能够旋转或摆动至少三个移动臂，作业臂1末端固定施工单元5，在移动臂的带动下，施工单元5能够移动和转位，从而能够满足不同位置或角度的施工需要，如对垂直墙面或天花板进行施工作业，在角位移传感器定位装置的帮助下，控制单元2能够控制驱动单元和作业臂1使施工单元5沿预设的工作轨迹以设定的移动速率进行移动并遍历施工区域，第二定位单元6用于反馈施工单元5的位移误差，能够使得可移动底座的空间位置检测更加准确，将定位基准设置在施工现场，提高施工作业的质量。

如图2所示为一种工作轨迹的实施例，工作轨迹由连续的单条工作轨迹点数据组成，单条工作轨迹点数据格式如图3所示，轨迹点数据200由四个实数组成，前三位分别代表轨迹点的X、Y和Z轴坐标，第四位代表移动速率F，其中F的值为0代表施工单元脱离施工面悬空移动到下一个轨迹点，F的值为负数代表工作轨迹的终点。

控制单元2控制施工单元5沿工作轨迹移动的控制方式为：首先将施工单元5移动到工作轨迹的第一个工作轨迹点201的位置，依第一个工作轨迹点201的第四位F的值向第二个工作轨迹点202移动并使施工单元5进行施工作业；到达第二个工作轨迹点202后依第二个工作轨迹点202的第四位F的值向第三个工作轨迹点203移动；如果某个工作轨迹点的第四位F的值为0，则施工单元5停止施工，并脱离施工面，在控制单元2的控制下以缺省速度悬空移动至下一工作轨迹点；如此类推直到某个工作轨迹点的第四位F的值为负数为止，此工作点为终点204，从而完成全部施工作业。

从施工图像获取工作轨迹的方法为：将图像的曲线部分转化为设定长度的短线段，则图像转化为由若干折线组成的图像，按折线的拐点获取第一批工作轨迹点的坐标点；根据需要的施工移动速率为第一批工作轨迹点添加移动速率，如果在第一批工作轨迹点中某两点之间需要不同的速率，则在期间添加插值点，获取全部轨迹点数据200；将轨迹点数据200按照图像轨迹按顺序排列。

如图4所示，为土木工程机械的工作流程框图，包含以下步骤：

A)将定位基准布置在施工现场的合适位置，使其位于土木工程机械施工过程中移动的范围之外，将土木工程机械置于施工初始位置，按需要输入或导入工作轨迹；

B)选取工作轨迹，给施工单元装填施工材料；

C)可移动底座和作业臂带动施工单元沿工作轨迹移动，对路面或墙面进行施工。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

Claims (9)

1.一种土木工程机械，包含可移动底座、作业臂、施工单元、定位基准和控制单元，其特征在于，

所述可移动底座包含底座驱动单元，所述底座驱动单元驱动可移动底座作平移和/或旋转移动，底座驱动单元受所述控制单元控制；

所述作业臂始端铰接在可移动底座上，所述作业臂末端连接施工单元，所述作业臂包含至少三个首尾相互铰接安装可相互摆动的移动臂，所述移动臂和施工单元受控制单元的控制；

所述控制单元包含工作轨迹选择单元、存储器、角位移传感器和定位单元，所述存储器用于储存移动臂工作长度和若干个工作轨迹，所述工作轨迹选择单元用于选取工作轨迹，所述角位移传感器安装在移动臂上，用于检测移动臂相对于可移动底座旋转的角位移和移动臂之间相对摆动的角位移，所述定位单元布置在可移动底座上，定位单元用于检测出自身相对于定位基准单元的空间位置；

所述定位基准包含至少三个基准单元，所述基准单元布置在施工现场，所述基准单元与所述控制单元电连接，所述控制单元包含一个用于输入基准单元坐标的基准输入单元。

2.根据权利要求1所述的一种土木工程机械，其特征在于，所述控制单元还包含有第二定位单元，所述第二定位单元固定在施工单元上。

3.根据权利要求1所述的一种土木工程机械，其特征在于，所述施工单元具有多个可相互更换的用于不同施工项目的施工模块。

4.根据权利要求1所述的一种土木工程机械，其特征在于，所述施工单元包含用于在墙面施加构造或使墙面发生变化的施工模块。

5.根据权利要求1所述的一种土木工程机械，其特征在于，所述存储器为可移动存储器，所述控制单元包含一个串行接口。

6.根据权利要求1所述的一种土木工程机械，其特征在于，所述控制单元包含一个用于输入工作轨迹的输入单元，所述工作轨迹用于限定施工单元的移动轨迹曲线和沿轨迹曲线移动的速率。

7.根据权利要求6所述的一种土木工程机械，其特征在于，所述控制单元设定在使施工单元相对于工作轨迹的位移偏差和移动速率偏差小于设定误差的工作模式。

8.根据权利要求7所述的一种土木工程机械，其特征在于，所述控制单元包含一个显示工作状态数据的显示单元，所述工作状态数据包含移动臂长度值、移动臂角位移、可移动底座空间坐标值、施工单元空间坐标值、施工单元移动速率及方向和施工单元与工作轨迹的位移偏差值及移动速率偏差值。

9.一种土木工程机械的控制方法，适用于权利要求1所述的土木工程机械，其特征在于，包含以下步骤：

A)将定位基准布置在施工现场的合适位置，使其位于土木工程机械施工过程中移动的范围之外，将土木工程机械置于施工初始位置；

B)选取工作轨迹，给施工单元装填施工材料；

C)可移动底座和作业臂带动施工单元沿工作轨迹移动，对路面或墙面进行施工。