CN108330800B - 一种自动点位放样机器人及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及工程施工放样技术领域，具体公开了一种自动点位放样机器人及方法，该自动点位放样机器人包括履带式小车和点位照准模块；所述点位照准模块包括：360°棱镜、微型棱镜杆、微型测距仪、棱镜寻点驱动装置、自动安平装置以及标点模块；所述360°棱镜与标点模块通过微型棱镜杆连接并始终同轴；所述棱镜寻点驱动装置与微型棱镜杆上部连接，用于移动微型棱镜杆使其精确照准待放样点；所述自动安平装置与微型棱镜杆上部连接，用于安平点位照准模块；所述微型测距仪设置在微型棱镜杆上，用于测量点位高程；所述标点模块设置在点位照准模块最下部，用于标定待放样点位。本发明采用自动点位放样机器人实现点位自动放样，效率高、耗时短，点位精度较高。

Description

一种自动点位放样机器人及方法

技术领域

本发明涉及工程施工放样技术领域，尤其涉及一种自动点位放样装置及方法。

背景技术

施工放样是将图纸上设计好的工程建构筑物按照设计要求放样到对应位置上并设置相应标志，作为施工依据以衔接和指挥各工序的施工以保证建筑工程符合设计要求。

目前，施工放样的方法是借助钢尺、全站仪、GNSS等仪器依靠人工手段来实现点位放样。这样的放样手段不仅效率低、耗时长，而且点位精度受放样人员影响较大。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种自动点位放样机器人及方法以克服人工点位放样过程中存在的工作效率低、耗时长，点位精度受放样人员影响等问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种自动点位放样机器人，包括履带式小车和点位照准模块；

所述点位照准模块包括：360°棱镜、微型棱镜杆、微型测距仪、棱镜寻点驱动装置、自动安平装置以及标点模块；

其中，所述360°棱镜与标点模块通过微型棱镜杆连接并始终同轴；所述棱镜寻点驱动装置与微型棱镜杆上部连接，用于移动微型棱镜杆使其精确照准待放样点；所述自动安平装置与微型棱镜杆上部连接，用于安平点位照准模块；所述微型测距仪设置在微型棱镜杆上，用于测量点位高程；所述标点模块设置在点位照准模块最下部，用于标定待放样点位。

优选的，所述标点模块包括：喷头转换器、喷漆喷头、排钉喷头、排钉头电路盒、排钉盒和喷漆头电路盒；

所述喷头转换器与微型棱镜杆下部通过连接杆相连，用于切换喷漆喷头和排钉喷头；所述喷漆喷头和排钉喷头通过连接杆连接在喷头转换器下方；

其中，所述喷漆喷头用于对硬化地面进行点位标记；所述喷漆头电路盒位于喷漆喷头中部，用于存储静电发生器以及驱动喷漆喷头的电路；所述排钉喷头用于对非硬化路面进行点位标记；所述排钉头电路盒设置在排钉喷头中部，用于存储驱动排钉喷头的电路；所述排钉盒设置在排钉头电路盒下方，用于存储排钉。

优选的，所述的自动点位放样机器人还包括：步进电机、控制主板、惯性导航模块、无线模块和摄像头；

所述步进电机设置在履带式小车下方，用于提供履带式小车行进动力；

所述控制主板设置在履带式小车上方前部，用于控制履带式小车移动；

所述惯性导航模块设置在履带式小车上方前部，为履带式小车行进过程中姿态保持提供辅助作用；

所述无线模块设置在履带式小车上方后部，用于接收履带式小车位移控制信号并回传惯性导航模块所采集的履带式小车姿态数据；

所述摄像头设置在履带式小车上方前部，用于实时查看履带式小车前方路况；

所述电源设置在履带式小车下部。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的另一个技术方案是：一种自动点位放样方法，其包括如下步骤：

步骤1，自动点位放样机器人始姿态校正：在测站点P₀处安置自动全站仪并完成后视定向，P₀点坐标为(X₀,Y₀,H₀)，然后将自动点位放样机器人放置在测站点附近并开机；使用自动全站仪追踪并测量初始t₀时刻自动点位放样机器人上360°棱镜的初始点位坐标P_A(X_A,Y_A)；随后启动自动点位放样机器人并测量自动点位放样机器人移动t1时刻后的点坐标P_B(X_B,Y_B)，通过公式(1)和公式(2)分别推求出PA-PB的坐标方位角θ₁及P_B与待放样点P₁间的坐标方位角θ₂，P₁点坐标为(X₁，Y₁)，再通过θ₁与θ₂使用公式(3)推得自动点位放样机器人的姿态调整角θ₃，以及使用公式(4)推得P_B与P₁点间的测量距离D1；

θ₃＝180°+θ₁-θ₂ (3)，

其中，Δx_AB、Δy_AB为P_A、P_B两点间的坐标差，Δx_B1、Δy_B1为P_B、P₁两点间的坐标差；

步骤2，自动点位放样机器人行进至待放样点：初始姿态校正后，将测量距离D1发送给自动点位放样机器人并让自动点位放样机器人以该距离为全部路程长度前进；

步骤3，自动点位放样机器人精确对中待放样点：保持自动点位放样机器人的位置不动，通过自动点位放样机器人内部结构的调节使360°棱镜精确定位到放样点；

步骤4，自动点位放样机器人标点待放样点：通过自动点位放样机器人的标点模块标记待放样点。

优选的，所述步骤2中，由角度造成的路径偏差，采用如下步骤消减：

通过自动全站仪对自动点位放样机器人进行一定时频的跟踪测量来获取自动点位放样机器人行驶至t1时刻和t2时刻的点位坐标并计算出自动点位放样机器人与原方向的偏离角θ_x，若偏离角度θ_x大于预设角度阀值θ₀时命令自动点位放样机器人调整姿态角θ_x；若小于预设阀值则继续前进；

所述步骤2中，由距离造成的路径偏差，采用如下步骤消减：

将自动点位放样机器人行进距离值D1’与预先发送给自动点位放样机器人的测量距离D1做差，当二者之差ΔD大于预设距离误差阀值ΔD’，将ΔD作为剩余路程发送给自动点位放样机器人并通过重复测量点位来不断进行距离误差校正，直到所求得的距离误差小于阀值ΔD’，自动点位放样机器人停车并自动安平。

优选的，所述步骤3中，所述使360°棱镜精确定位到放样点的具体步骤如下：

以P₀为测站点，Q为自动点位放样机器人此时刻自动安平后的360°棱镜中心点，P1点为待放样点，P0点坐标为(X₀,Y₀)，Q点坐标为(X_Q,Y_Q)，P1点坐标(X₁,Y₁)；

其中，为Q、P₀两点间的坐标差；

其中，为P₁、P₀两点间的坐标差；

此时刻360°棱镜中心点Q为坐标系原点建立平面直角坐标系YQX，则此时P1点相对于圆心Q点的坐标为△x，△y：

采用迭代的方式多次计算△x和△y和精确调平，直到计算的△x和△y小于限差。

优选的，所述步骤4具体包括：

针对硬化路面，采用喷漆喷头，标记地点作为正极，采用静电发生器使雾化涂料粒子带负电，二者形成静电场，使涂料有效地被吸着于相反电极的标记点；将静电发生器以及相关电路元件内置于电路盒，喷漆雾化装置内置于喷漆伸缩杆内，外接喷漆进入伸缩杆时进行雾化并用静电发生器使其带负电，再将喷漆引导至喷漆口，根据需要进行标记；

针对非硬化路面，采用排钉喷头，将排钉喷头加速线圈、冲锤轨道放入伸缩杆里面，排钉盒设置在伸缩杆前端，利用冲锤将排钉钉在待放样点上。

本发明技术方案带来的有益效果是：本发明采用自动点位放样机器人实现点位自动放样，效率高、耗时短，点位精度较高，克服了现有技术依靠人工手段来实现点位放样效率低、耗时长、点位精度受放样人员影响较大的缺陷。

附图说明

图1为本发明自动点位放样机器人的一实施例的结构示意图。

图2为本发明自动点位放样机器人的一实施例主视图。

图3为本发明自动点位放样机器人的一实施例左视图。

图4为本发明标点模块的实施例主视图。

图5为自动点位放样机器人始姿态校正过程示意图。

图6为自动点位放样机器人点位照准模块精确对中计算示意图一。

图7为自动点位放样机器人点位照准模块精确对中计算示意图二。

图8为自动点位放样机器人车体实际位置与安平后点位照准模块间存在夹角的示意图。

标记说明：

1履带式小车，2控制主板，3无线模块，4摄像头，5电源，

6点位照准模块，7 360°棱镜，8微型棱镜杆，9棱镜寻点驱动装置，

10自动安平装置，11标点模块，12喷头转换器，13喷漆喷头，

14排钉喷头，15排钉头电路盒，16排钉盒，17喷漆头电路盒。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

如图1、图2、图3所示，分别为本发明自动点位放样机器人的一实施例的结构示意图、主视图、左视图。该自动点位放样机器人包括：履带式小车1、步进电机(图2、图3中未示出)、控制主板2、惯性导航模块(图2、图3中未示出)、无线模块3、摄像头4、电源5和点位照准模块6。

其中步进电机设置在履带式小车1下方，用于提供履带式小车1行进动力；控制主板2置在履带式小车1上方前部，用于控制履带式小车移动，惯性导航模块设置在履带式小车1上方前部为履带式小车行进过程中姿态保持提供辅助作用；无线模块3设置在履带式小车1上方后部，用于接收履带式小车1位移控制信号并回传惯性导航模块所采集的履带式小车姿态数据。摄像头4设置在履带式小车上方前部，用于实时查看履带式小车前方路况；电源5设置在小车下部。

点位照准模块6是本装置的核心部件，包括：360°棱镜7、微型棱镜杆8、微型测距仪(图2、图3中未示出)、棱镜寻点驱动装置9、自动安平装置10以及标点模块11。其中360°棱镜7与标点模块11通过微型棱镜杆8连接并始终同轴；棱镜寻点驱动装置9与微型棱镜杆8上部连接，用于移动微型棱镜杆8使其精确照准待放样点；自动安平装置10与微型棱镜杆8上部连接，用于安平点位照准模块6；微型测距仪设置在微型棱镜杆8上，用于测量点位高程；标点模块11设置在点位照准模块6最下部，用于标定待放样点位。

如图4所示，本发明标点模块11包括喷头转换器12、喷漆喷头13、排钉喷头14、排钉头电路盒15、排钉盒16和喷漆头电路盒17。喷头转换器12与微型棱镜杆8下部通过连接杆相连，用于切换不同的点位标记喷头；点位标记喷头(包括喷漆喷头13和排钉喷头14)通过连接杆连接在喷头转换器12下方，其中喷漆喷头13适用于对硬化地面进行点位标记，排钉喷头14适用于对非硬化路面进行点位标记；排钉头电路盒15设置在排钉喷头13中部，用于存储喷头相关的电路以及与主模块连接的构件；排钉盒16设置在排钉头电路盒15下方，用于存储排钉；喷漆头电路盒17位于喷漆喷头13中部，用于存储静电发生器以及相关元件。

本发明自动点位放样方法包括如下步骤：

步骤1，自动点位放样机器人始姿态校正：在测站点P0(X0，Y0，H0)处安置BIM自动全站仪并完成后视定向，然后将自动点位放样机器人放置在测站点附近并开机(自动整平)；如图5所示，使用BIM自动全站仪追踪并测量初始t₀时刻履带式小车上360°棱镜的初始点位坐标P_A(X_A,Y_A)；随后启动履带式小车并测量履带式小车移动t1时刻后的点坐标P_B(X_B,Y_B)，可以推求出P_A-P_B的坐标方位角θ₁及P_B与待放样点P₁(X₁，Y₁)间的坐标方位角θ₂，再通过θ₁与θ₂推得履带式小车的姿态调整角θ₃，以及P_B与P₁点间的测量距离D₁。

自动点位放样机器人始姿态校正过程使用的公式如下：

θ₃＝180°+θ₁-θ₂ (3)

其中，Δx_AB、Δy_AB为P_A、P_B两点间的坐标差；为P_B与P₁两点之间的坐标差；Δx_B1、Δy_B1为P_B、P₁两点间的坐标差。

步骤2，自动点位放样机器人行进至待放样点：初始姿态校正后，将测量距离D1发送给履带式小车并让履带式小车以该距离为全部路程长度前进。在沿路线行进途中，由于路面不平坦、测量距离D1与履带式小车实际行进距离D1’间存在误差等原因会导致路径出现偏差。对于由角度和距离造成的路径偏差分别采用以下方法来消减。

角度误差可通过BIM放样全站仪对履带式小车进行一定时频(BIM机器人自有测量频率)的跟踪测量来获取履带式小车行驶至t₁时刻和t₂时刻的点位坐标并计算出履带式小车与原方向的偏离角θ_x，若偏离角度θ_x大于预设角度阀值θ₀时命令履带式小车调整姿态，调整角度为θ_x度；若小于预设阀值则继续前进。

为消除测量距离与履带式小车实际行进距离间的误差ΔD，可将惯性导航模块测量的行进距离值D1’与预先发送给履带式小车的路程距离值D1做差，当二者之差ΔD大于预设距离误差阀值ΔD’，将ΔD作为剩余路程发送给履带式小车并通过重复测量点位来不断进行距离误差校正，直到所求得的距离误差小于阀值ΔD’，履带式小车停车并自动安平。

步骤3，自动点位放样机器人精确对中待放样点：当履带式小车移动到待放样点附近，即履带式小车处于待测点上方距离误差小于阀值ΔD’时，由于履带式小车自身的条件限制仅靠履带式小车自身的运动棱镜无法精确定位到放样点。此时，保持履带式小车的位置不动，通过履带式小车内部结构的调节使棱镜精确定位到放样点。具体的计算数学模型如下：

如图6所示，P₀为测站点，Q为履带式小车此时刻自动安平后的棱镜中心点，P₁点为待放样点。P₀点坐标为(X₀,Y₀,H₀)，Q点坐标为(X_Q,Y_Q)，P₁点坐标(X₁,Y₁)；

其中为Q、P₀两点间的坐标差；

为P₁、P₀两点间的坐标差。

如图7所示，以此时刻棱镜中心点Q为坐标系原点建立平面直角坐标系YQX，则此时P1点相对于圆心Q点的坐标为△x，△y，具体计算公式如下：

由于履带式小车车体实际位置与安平后点位照准模块间存在夹角(如图8所示)，但平面直角坐标系YQX平面始终处于水平状态，所以△x和△y的实际运动方向是在斜面上，所以无论从哪个角度，棱镜杆移动的△x和△y一定会小于计算值△x和△y，所以我们采用迭代的方式多次计算△x和△y和精确调平，直到计算的△x和△y小于限差，其△x和△y的限差根据实地的测量等级和测量规范自主设定。

步骤4，自动点位放样机器人标点待放样点：通过自动点位放样机器人的标点模块11标记待放样点。具体的，利用可替换式喷头来应对不同类型的地面。针对硬化路面，采用喷漆喷头13，喷漆喷头13是根据静电喷涂原理，标记地点作为正极，采用静电发生器使雾化涂料粒子带负电，二者形成静电场，使涂料有效地被吸着于相反电极的标记点。将静电发生器以及相关电路元件内置于电路盒，喷漆雾化装置内置于喷漆伸缩杆内，外接喷漆进入伸缩杆时进行雾化并用静电发生器使其带负电，再将喷漆引导至喷漆口，根据需要进行标记。针对非硬化路面，采用排钉喷头14。将电钉枪的外部结构进行改造，去除把手等多余的部分，将其加速线圈、冲锤轨道放入伸缩杆里面，排钉盒设置在伸缩杆前端，利用冲锤将排钉钉在待放样点上。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (7)

1.一种自动点位放样机器人，其特征在于，其包括履带式小车和点位照准模块；

所述点位照准模块包括：360°棱镜、微型棱镜杆、微型测距仪、棱镜寻点驱动装置、自动安平装置以及标点模块；

其中，所述360°棱镜与标点模块通过微型棱镜杆连接并始终同轴；所述棱镜寻点驱动装置与微型棱镜杆上部连接，用于移动微型棱镜杆使其精确照准待放样点；所述自动安平装置与微型棱镜杆上部连接，用于安平点位照准模块；所述微型测距仪设置在微型棱镜杆上，用于测量点位高程；所述标点模块设置在点位照准模块最下部，用于标定待放样点位。

2.如权利要求1所述的自动点位放样机器人，其特征在于，所述标点模块包括：喷头转换器、喷漆喷头、排钉喷头、排钉头电路盒、排钉盒和喷漆头电路盒；

所述喷头转换器与微型棱镜杆下部通过连接杆相连，用于切换喷漆喷头和排钉喷头；所述喷漆喷头和排钉喷头通过连接杆连接在喷头转换器下方；

其中，所述喷漆喷头用于对硬化地面进行点位标记；所述喷漆头电路盒位于喷漆喷头中部，用于存储静电发生器以及驱动喷漆喷头的电路；所述排钉喷头用于对非硬化路面进行点位标记；所述排钉头电路盒设置在排钉喷头中部，用于存储驱动排钉喷头的电路；所述排钉盒设置在排钉头电路盒下方，用于存储排钉。

3.如权利要求1或2所述的自动点位放样机器人，其特征在于，其还包括：步进电机、控制主板、惯性导航模块、电源、无线模块和摄像头；

所述步进电机设置在履带式小车下方，用于提供履带式小车行进动力；

所述控制主板设置在履带式小车上方前部，用于控制履带式小车移动；

所述惯性导航模块设置在履带式小车上方前部，为履带式小车行进过程中姿态保持提供辅助作用；

所述无线模块设置在履带式小车上方后部，用于接收履带式小车位移控制信号并回传惯性导航模块所采集的履带式小车姿态数据；

所述摄像头设置在履带式小车上方前部，用于实时查看履带式小车前方路况；

所述电源设置在履带式小车下部。

4.一种自动点位放样方法，其特征在于，其包括如下步骤：

步骤1，自动点位放样机器人始姿态校正：在测站点P₀处安置自动全站仪并完成后视定向，P₀点坐标为(X₀,Y₀,H₀)，然后将自动点位放样机器人放置在测站点附近并开机；使用自动全站仪追踪并测量初始t₀时刻自动点位放样机器人上360°棱镜的初始点位坐标P_A(X_A,Y_A)；随后启动自动点位放样机器人并测量自动点位放样机器人移动t1时刻后的点位坐标P_B(X_B,Y_B)，通过公式(1)和公式(2)分别推求出P_A-P_B的坐标方位角θ₁及P_B与待放样点P₁间的坐标方位角θ₂，P₁点坐标为(X₁，Y₁)，再通过θ₁与θ₂使用公式(3)推得自动点位放样机器人的姿态调整角θ₃，以及使用公式(4)推得P_B与P₁点间的测量距离D₁；

θ₃＝180°+θ₁-θ₂ (3)

其中，Δx_AB、Δy_AB为P_A、P_B两点间的坐标差，Δx_B1、Δy_B1为P_B、P₁两点间的坐标差；

步骤2，自动点位放样机器人行进至待放样点：初始姿态校正后，将测量距离D₁发送给自动点位放样机器人并让自动点位放样机器人以该距离为全部路程长度前进；

步骤3，自动点位放样机器人精确对中待放样点：保持自动点位放样机器人的位置不动，通过自动点位放样机器人内部结构的调节使360°棱镜精确定位到放样点；

步骤4，自动点位放样机器人标记待放样点：通过自动点位放样机器人的标点模块标记待放样点。

5.如权利要求4所述的自动点位放样方法，其特征在于，

所述步骤2中，由角度造成的路径偏差，采用如下步骤消减：

通过自动全站仪对自动点位放样机器人进行一定时频的跟踪测量来获取自动点位放样机器人行驶至t₁时刻和t₂时刻的点位坐标并计算出自动点位放样机器人与原方向的偏离角θ_x，若偏离角度θ_x大于预设角度阀值θ₀时命令自动点位放样机器人调整姿态角θ_x；若小于预设阀值则继续前进；

所述步骤2中，由测量距离D₁与履带式小车实际行进路径的距离D₁’间的偏差，采用如下步骤消减：

将自动点位放样机器人行进距离值D₁’与预先发送给自动点位放样机器人的测量距离D₁做差，当二者之差ΔD大于预设距离误差阀值ΔD’时，将ΔD作为剩余路程发送给自动点位放样机器人，然后以重复测量点位的方式来不断进行距离误差校正，直到所求得的距离误差小于阀值ΔD’，自动点位放样机器人停车并自动安平。

6.如权利要求4所述的自动点位放样方法，其特征在于，

所述步骤3中，所述使360°棱镜精确定位到放样点的具体步骤如下：

以P₀为测站点，Q为自动点位放样机器人此时刻自动安平后的360°棱镜中心点，P₁点为待放样点，P₀点坐标为(X₀,Y₀)，Q点坐标为(X_Q,Y_Q)，P₁点坐标(X₁,Y₁)；

其中，为Q、P₀两点间的坐标差；

其中，为P₁、P₀两点间的坐标差；

此时刻360°棱镜中心点Q为坐标系原点建立平面直角坐标系YQX，则此时P1点相对于圆心Q点的坐标为△x，△y：

采用迭代的方式多次计算△x和△y并精确调平，直到计算的△x和△y小于限差。

7.如权利要求4所述的自动点位放样方法，其特征在于，

所述步骤4具体包括：

针对硬化路面，采用喷漆喷头，标记地点作为正极，采用静电发生器使雾化涂料粒子带负电，二者形成静电场，使涂料有效地被吸着于相反电极的标记点；将静电发生器以及相关电路元件内置于电路盒，喷漆雾化装置内置于喷漆伸缩杆内，外接喷漆进入伸缩杆时进行雾化并用静电发生器使其带负电，再将喷漆引导至喷漆口，根据需要进行标记；

针对非硬化路面，采用排钉喷头，将排钉喷头加速线圈、冲锤轨道放入伸缩杆里面，排钉盒设置在伸缩杆前端，利用冲锤将排钉钉在待放样点上。