CN110614633A - 一种大型预制构件装配作业规划方法 - Google Patents

Abstract

一种大型预制构件装配作业规划方法，对整个建筑场地构建BIM模型，获得从装配机械臂起点到预制构件装配位置的所有的路径；利用适应性函数去除与障碍物干涉的路径，适应性函数为F＝w₁f₁+w₂f₂+w₃f₃，其中，w₁、w₂、w₃为权重系数，f₁表示以路径最短作为最优路径时的适应性函数，f₂表示预制构件的路径点是否在障碍物内，f₃表示路径是否穿越障碍物的适应性函数，根据适应性函数在所有路径中找到路径点不在障碍物范围内且路径点连线不穿过障碍物范围的路径。使得机械臂可以自主规划的避开障碍物的路线，省时省力，加快了建设进度。

Description

一种大型预制构件装配作业规划方法

技术领域

本发明涉及大型预制构件的装配技术领域

背景技术

预制装配式住宅作为住宅产业化的一种重要形式，当前在国际建筑业发展中日趋流行，在欧洲、美国和日本等地成为了主要的开发模式。据统计，采用以预制装配式为主的工业化施工与传统施工相比，节约用电31％，减少建筑垃圾2t/100m，达到缩短建设工期、降低建造成本和减少环境污染等目标。

当前我国的建筑业仍是粗放型和劳动密集型产业，面临着资源消耗大、建设效率低和劳动力需求上升等突出问题，急需在国家经济转型升级的政策背景下走产业化生产模式，以装配式的方式建造住宅，将成为未来我国住宅工程发展的必然趋势。然而装配式建筑在我国仍处于初级阶段，与国外相比，我国装配式住宅的发展面临许多制约因素，急需有效的解决措施。

而其中大型预制构件的装配作业尤为重要。目前传统的大型预制构件的装配流程为：预制构件进场检查验收→预制构件安装准备→预制墙体吊装→预制墙体矫正→墙体后支模→预制梁、叠合板支撑安装→预制梁、叠合板吊装就位→预埋管线安装→混凝土浇筑→竖向连接孔道灌浆→混凝土、灌浆料养护。

我国以前的装配式建筑存在安全性、抗震性和防水隔音效果差等突出问题，而技术体系方面又缺乏创新，导致装配式建筑在我国发展缓慢。国外装配式住宅的成熟发展离不开信息技术的支持，而以BIM为代表的信息化技术首先从美国发展起来，逐渐扩展到欧洲、日本等发达国家，利用BIM技术促使装配式建筑快速发展。在设计阶段，BIM的可视化协调设计可以提高设计效率；在构建生产阶段，预制混凝土结构供应链的BIM模型功能分析可以为构建制造及安装提供数据；在施工阶段，BIM软件可以设置安全设别系统，随着项目的进展向管理者提供预警信息，有针对性的采取预防措施；在运维阶段，BIM模型通过对构件监控预测，为物业管理提供维修信息。

路径规划的第一步是对于机器人所处空间环境进行描述，我们把机器人所处的物理空间定义为世界空间，并且世界空间又可分为自由空间和障碍空间。自由空间是一些机器人可以无障碍通过的空间的集合，障碍空间是代表机器人运动会与障碍物发生碰撞的空间的集合。路径规划的目的就是在自由空间内找到一系列的位置点，连接起初始位置到目的位置。

路径规划的第二步是定义一个代价函数用于评价路径的好坏，在路径规划问题中通常最优路径就是路径长度最短的路径，但是一些最短路径，在实际上是不可达的。因此为了解决这一类的复杂要求，就要定义一个代价函数来评估路径。那么路径规划问题就变成了求一个能使代价函数最小的路径的问题。

现有技术中还没有将路径规划方法应用于装配式建筑建设场景下的装配机械臂的路径规划，如何在装配式建筑建设场景下对装配机械臂从进场验收检查位置吊装到装配位置进行路径规划是急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于使用BIM技术对整体建筑场景进行建模，并在BIM模型中对装配机械臂从起点到装配位置进行了路径规划。

一种大型预制构件装配作业规划方法，其特征在于：对整个建筑场地构建BIM模型，获得从装配机械臂起点到预制构件装配位置的所有的路径；利用适应性函数去除与障碍物干涉的路径，适应性函数为F＝w₁f₁+w₂f₂+w₃f₃，其中，w₁、w₂、w₃为权重系数，f₁表示以路径最短作为最优路径时的适应性函数，f₂表示预制构件的路径点是否在障碍物内，f₃表示路径是否穿越障碍物的适应性函数，根据适应性函数在所有路径中找到路径点不在障碍物范围内且路径点连线不穿过障碍物范围的路径。

作为优选的方案，对建筑场地构建BIM模型，并使用现有路径规划算法规划从机械臂起点到预制构件装配位置的所有路径的方法为：

1)将所有预制构件的质量信息和合格信息分别保存在二维码里，包括预制构件的厚度、高度、重量、编号以及材质，并张贴在对应预制构件上，利用激光扫描仪检查、筛选，并将信息传输至BIM软件中；

2)在BIM软件中根据预制构件信息建立预制构件的模型，包括输入预制构件的厚度、高度、重量、编号以及材质；根据节点的标准化，将L型、T型以及一字形数据化节点左右列检构件进行碰撞检查，优化设计；根据建筑及结构施工图，在BIM软件内设定各楼层结构标高、门窗洞口、剪力墙厚度和楼板厚度等一系列信息数据，最后形成整体建筑的BIM模型，并对建筑场地按照世界坐标系建立BIM模型，模型中包括建筑场地内所有物体的坐标范围；

3)机械臂起点为二维码扫描位置坐标，机械臂终点为建筑预制构件装配位置坐标；

4)根据现有路径规划算法对起点到终点坐标进行路径规划，得到路径点和路径点的连线为路径。

作为优选的方案，根据适应性函数在所有路径中找到路径点不在障碍物范围内且路径点连线不穿过障碍物范围的路径的方法为：

1)写出适应度函数，采用权重系数变化法确定装配路径的适应性函数，可以用下式表示：

F＝w₁f₁+w₂f₂+w₃f₃

其中，w₁、w₂、w₃为权重系数；

f₁表示以路径最短作为最优路径时的适应性函数：

(x_i,y_i)表示路径点，n为正整数；

f₂表示预制构件的路径点是否在障碍物内，f₃表示路径是否穿越障碍物的适应性函数，均采用罚函数法表示：

其中Ω为障碍物在二维平面内的集合。

2)以机械臂初始位置为起点，判断下一个路径点是否在障碍物坐标范围内，如果不是，f₂为0，如果是f₂为1，将该路径点以当前位置为起点，w₂为步长向任意方向移动，直到该路径点在障碍物坐标范围外，f₂为0，循环上述操作，直到所有路径点都位于障碍物坐标范围外；

3)以机械臂初始位置为起点，判断起.点与下一个路径点连线线段是否穿过障碍物坐标范围，如果是，以起点为圆心旋转该连线，直到该连线与障碍物坐标范围无交集，将该线段的另一端端点作为下一路径点；以该路径点作为起点重复上述操作，直到所有路径点连线均与障碍物坐标范围无交集，此时f₃＝0，得到多条与障碍物坐标范围无交集的路径；

4)计算所有路径的适应性函数F，以F最小的路径为最佳路径。

本发明的优点在于：

使得机械臂可以自主规划的避开障碍物的路线，省时省力，加快了建设进度。

附图说明

图1为本发明的整体流程图

图2为本发明的预制件装配流程图

图3为本发明的路径处理单元示意图

具体实施方式

一种大型预制构件装配作业规划方法，其特征在于：对整个建筑场地构建BIM模型，获得从装配机械臂起点到预制构件装配位置的所有的路径；利用适应性函数去除与障碍物干涉的路径，适应性函数为F＝w₁f₁+w₂f₂+w₃f₃，其中，w₁、w₂、w₃为权重系数，f₁表示以路径最短作为最优路径时的适应性函数，f₂表示预制构件的路径点是否在障碍物内，f₃表示路径是否穿越障碍物的适应性函数，根据适应性函数在所有路径中找到路径点不在障碍物范围内且路径点连线不穿过障碍物范围的路径。

对建筑场地构建BIM模型，并使用现有路径规划算法规划从机械臂起点到预制构件装配位置的所有路径的方法为：

1)将所有预制构件的质量信息和合格信息分别保存在二维码里，包括预制构件的厚度、高度、重量、编号以及材质，并张贴在对应预制构件上，利用激光扫描仪检查、筛选，并将信息传输至BIM软件中；

2)在BIM软件中根据预制构件信息建立预制构件的模型，包括输入预制构件的厚度、高度、重量、编号以及材质；根据节点的标准化，将L型、T型以及一字形数据化节点左右列检构件进行碰撞检查，优化设计；根据建筑及结构施工图，在BIM软件内设定各楼层结构标高、门窗洞口、剪力墙厚度和楼板厚度等一系列信息数据，最后形成整体建筑的BIM模型，并对建筑场地按照世界坐标系建立BIM模型，模型中包括建筑场地内所有物体的坐标范围；

3)机械臂起点为二维码扫描位置坐标，机械臂终点为建筑预制构件装配位置坐标；

4)根据现有路径规划算法对起点到终点坐标进行路径规划，得到路径点和路径点的连线为路径。

根据适应性函数在所有路径中找到路径点不在障碍物范围内且路径点连线不穿过障碍物范围的路径的方法为：

1)写出适应度函数，采用权重系数变化法确定装配路径的适应性函数，可以用下式表示：

F＝w₁f₁+w₂f₂+w₃f₃

其中，w₁、w₂、w₃为权重系数；

f₁表示以路径最短作为最优路径时的适应性函数：

(xi,yi)表示路径点，n为正整数；

f₂、f₃分别表示预制构件的路径点是否在障碍物内或者路径是否穿越障碍物的适应性函数，均采用罚函数法表示：

其中Ω为障碍物在二维平面内的集合。

2)以机械臂初始位置为起点，判断下一个路径点是否在障碍物坐标范围内，如果不是，f₂为0，如果是f₂为1，将该路径点以当前位置为起点，w₂为步长向任意方向移动，直到该路径点在障碍物坐标范围外，f₂为0，循环上述操作，直到所有路径点都位于障碍物坐标范围外；

3)以机械臂初始位置为起点，判断起.点与下一个路径点连线线段是否穿过障碍物坐标范围，如果是，以起点为圆心旋转该连线，直到该连线与障碍物坐标范围无交集，将该线段的另一端端点作为下一路径点；以该路径点作为起点重复上述操作，直到所有路径点连线均与障碍物坐标范围无交集，此时f₃＝0，得到多条与障碍物坐标范围无交集的路径；

4)计算所有路径的适应性函数F，以F最小的路径为最佳路径。

Claims (3)

1.一种大型预制构件装配作业规划方法，其特征在于：对整个建筑场地构建BIM模型，获得从装配机械臂起点到预制构件装配位置的所有的路径；利用适应性函数去除与障碍物干涉的路径，适应性函数为F＝w₁f₁+w₂f₂+w₃f₃，其中，w₁、w₂、w₃为权重系数，f₁表示以路径最短作为最优路径时的适应性函数，f₂表示预制构件的路径点是否在障碍物内，f₃表示路径是否穿越障碍物的适应性函数，根据适应性函数在所有路径中找到路径点不在障碍物范围内且路径点连线不穿过障碍物范围的路径。

2.如权利要求1所述的一种大型预制构件装配作业规划方法，其特征在于：对建筑场地构建BIM模型，并使用现有路径规划算法规划从机械臂起点到预制构件装配位置的所有路径的方法为：

1)将所有预制构件的质量信息和合格信息分别保存在二维码里，包括预制构件的厚度、高度、重量、编号以及材质，并张贴在对应预制构件上，利用激光扫描仪检查、筛选，并将信息传输至BIM软件中；

2)在BIM软件中根据预制构件信息建立预制构件的模型，包括输入预制构件的厚度、高度、重量、编号以及材质；根据节点的标准化，将L型、T型以及一字形数据化节点左右列检构件进行碰撞检查，优化设计；根据建筑及结构施工图，在BIM软件内设定各楼层结构标高、门窗洞口、剪力墙厚度和楼板厚度等一系列信息数据，最后形成整体建筑的BIM模型，并对建筑场地按照世界坐标系建立BIM模型，模型中包括建筑场地内所有物体的坐标范围；

3)机械臂起点为二维码扫描位置坐标，机械臂终点为建筑预制构件装配位置坐标；

4)根据现有路径规划算法对起点到终点坐标进行路径规划，得到路径点和路径点的连线为路径。

3.如权利要求1所述的一种大型预制构件装配作业规划方法，其特征在于：根据适应性函数在所有路径中找到路径点不在障碍物范围内且路径点连线不穿过障碍物范围的路径的方法为：

1)写出适应度函数，采用权重系数变化法确定装配路径的适应性函数，可以用下式表示：

F＝w₁f₁+w₂f₂+w₃f₃

其中，w₁、w₂、w₃为权重系数；

f₁表示以路径最短作为最优路径时的适应性函数：

(x_i,y_i)表示路径点，n为正整数；

f₂表示预制构件的路径点是否在障碍物内，f₃表示路径是否穿越障碍物的适应性函数，均采用罚函数法表示：

其中Ω为障碍物在二维平面内的集合；

2)以机械臂初始位置为起点，判断下一个路径点是否在障碍物坐标范围内，如果不是，f₂为0，如果是f₂为1，将该路径点以当前位置为起点，w₂为步长向任意方向移动，直到该路径点在障碍物坐标范围外，f₂为0，循环上述操作，直到所有路径点都位于障碍物坐标范围外；

3)以机械臂初始位置为起点，判断起.点与下一个路径点连线线段是否穿过障碍物坐标范围，如果是，以起点为圆心旋转该连线，直到该连线与障碍物坐标范围无交集，将该线段的另一端端点作为下一路径点；以该路径点作为起点重复上述操作，直到所有路径点连线均与障碍物坐标范围无交集，此时f₃＝0，得到多条与障碍物坐标范围无交集的路径；

4)计算所有路径的适应性函数F，以F最小的路径为最佳路径。