CN111121745A - 一种横折臂混凝土布料机布料路径规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种横折臂混凝土布料机布料路径规划方法，包括如下步骤：建立直角坐标系，建立横折臂布料机的简化数学模型；将待浇筑的建筑结构简化为N条线段，建立建筑结构布料区域函数F_S(x,y)；将布料区域内的障碍区域简化为S条线段，确定障碍区域边界上的点的函数L_obsj(x,y)；设定横折臂混凝土布料机避开障碍物的充分必要条件；将布料需求指标转量化为评价函数，利用计算机计算满足要求的布料路径。采用该方法求解得到的规划路径更加合理精确，而且能够采用自动化的手段找出布料机运行的最佳路径；通过划分子空间，可以简化计算，提高计算速度。另外，找出布料机布料的路径是实现布料机主动避障、自动化智能精准布料的前提，从而实现布料机的智能化操作。

Description

一种横折臂混凝土布料机布料路径规划方法

技术领域

本发明涉及一种横折臂混凝土布料机布料路径规划方法，属于建筑工程机械技术领域。

背景技术

混凝土布料机是建筑结构施工中基本的机械布料设备，传统的布料机采用竖折臂形式调整各臂节机构的角度的方法调整布料位置，且布料路径是通过人为操控各臂节机构达到移动布料位置的目的。这种方法提高了人工成本，且布料路径优劣完全依赖操作人员的能力、经验，布料机工业化水平较低。横折臂布料机由于其臂节始终在水平面内转动，无高度变化，可用于建筑施工的楼层布料及有限高度空间的建筑结构布料，具有很广泛的应用前景，目前横折臂布料机布料路径的规划方法仍无相关技术参考资料。

因此，有必要提供一种横折臂混凝土布料机布料路径规划方法。

发明内容

本发明提供了一种横折臂混凝土布料机布料路径规划方法，能够找出混凝土布料机避开障碍区域浇筑建筑结构的最优路径，从而实现布料机主动避障、自动化智能精准高效布料。

为解决以上技术问题，本发明包括如下技术方案：

一种横折臂混凝土布料机布料路径规划方法，所述布料机包括主塔架以及依次拼接的M个臂架；第一个臂架与主塔架之间以及相邻两个臂架之间设置有回转机构；还包括有泵管，所述泵管沿主塔架及臂架设置，且在所述主塔架与第一臂架的连接处以及相邻的臂架的连接处通过可旋转弯管连接；

所述方法包括如下步骤：

步骤一，以布料机主塔架为坐标原点，建立水平面内的直角坐标系，将第i个臂架简化为长度为R_i的向量，向量的起点为(x_i-1,y_i-1)，终点为(x_i,y_i)；其中，i＝1,2，…，M；横折臂布料机构的状态函数F_L(β₁,β₂,…,β_M；R₁,R₂,…,R_M)见公式(1)；

其中，i＝1,2，…，M； (1)

其中，α_i为第i个向量相对于x轴的正方向的角度，

β_k为第i个向量相对于第i-1个向量的转角；

步骤二，将待浇筑的建筑结构简化为N条线段，第i个线段的两个端点为(x_i-1,y_i-1)、(x_i,y_i)，建立建筑结构布料区域函数F_S(x,y)，见公式(2)；

步骤三，将布料区域内的障碍区域简化为S条线段，第j条线段的端点坐标记为(x_obs(j-1),y_obs(j-1))、(x_obsj,y_obsj),j＝1,2,...,S；障碍区域边界上的点记为L_obsj(x,y)，满足公式(3)：

步骤四，设定横折臂混凝土布料机避开障碍物的充分必要条件，针对任意的障碍线段L_obsj，横折臂布料机的状态函数F_L所对应的线段组L_i(x)(i＝1,2,…,M)不满足公式(4)或在满足公式(4)的条件下同时满足公式(5)；

[L_ij ^*(x_ijmax)-L_obsj(x_ijmax)][L_ij ^*(x_ijmin)-L_obsj(x_ijmin)]＞0,i＝1,2,...,M；j＝1,2,...,S； (5)

步骤五，将公式(1)至公式(3)设定为约束条件，并根据横折臂混凝土布料机避开障碍物的充分必要条件，将布料需求指标转量化为评价函数，利用计算机计算满足要求的布料路径。

进一步，在步骤五中，将公式(1)至公式(3)设定为约束条件，包括如下步骤：

初始化数学模型，对公式(1)至公式(3)中的已知参数进行赋值；

根据横折臂布料机各臂架长度，确定横折臂布料机构布料范围，从而确定可行解空间A；

根据障碍区域关键影响范围条件划分可行解空间，具体为：将横折臂布料机中心点视为光源，没有障碍物遮挡的区域记为B1，将障碍物遮挡的阴影区域记为B2；

针对上述子空间B2区域内的某一布料位置，根据横折臂布料机臂架的长度和第一臂架的转角角度，分解可行解空间，找出针对子空间B2，找出最优解存在的子空间。

进一步，评价函数为转角之和V＝β₁+β₂+…+β_M(β₁,β₂,…，β_M∈(-π,π])，函数值越小为最优。

进一步，所述臂架数量为3个，所述横折臂布料机还包括支撑塔架、行走机构和旋转托架，所述旋转托架设置于第一臂架与第二臂架的连接处下方，用于连接第二臂架及支撑塔架；所述行走机构位于支撑塔架的下方；评价函数可选取为：

(β₂,β₃∈(-π,π])，函数值越大为最优。

本发明提供的一种横折臂混凝土布料机布料路径规划方法，将建筑结构、障碍区域、布料机状态信息建立成数学模型，并根据横折臂混凝土布料机避开障碍物的充分必要条件，以及由布料需求指标转量化的评价函数，利用计算机计算满足要求的布料路径，求解得到的规划路径更加合理精确，而且能够采用自动化的手段找出布料机运行的最佳路径；通过划分子空间，可以简化计算，提高计算速度。另外，找出布料机布料的路径是实现布料机主动避障、自动化智能精准布料的前提，从而实现布料机的智能化操作。

附图说明

图1为本发明一实施例中的横折臂混凝土布料机的结构示意图；

图2为本发明一实施例中的横折臂混凝土布料机的数学模型；

图3为本发明一实施例中的横折臂混凝土布料机的简化数学模型；

图4为本发明一实施例中的布料机布料范围示意图；

图5为本发明一实施例中的依据是否受障碍区域影响将布料机布料范围划分子空间的示意图；

图6为本发明一实施例中的确定受障碍区域影响的子空间的建筑结构浇筑路径的最优解存在的可能子空间的示意图。

图中标号如下：

1-主塔架；2-第一臂架；3-第二臂架；4-第三臂架；5-泵管；6-支撑塔架；7-行走机构；8-旋转托架；9-第一回转机构；10-第二回转机构；11-建筑结构；12-障碍区域。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提供的一种横折臂混凝土布料机布料路径规划方法作进一步详细说明。结合下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

图1公开了一种横折臂布料机的结构示意图，包括主塔架1、多个依次连接的臂架、泵管5、支撑塔架6、行走机构7和旋转托架8。图1和图2中展示的布料机具有3节臂架，分别记为第一臂架2、第二臂架3和第三臂架4，当然，此处的数量不构成对本发明的限制。所述主塔架1与第一臂架2之间以及相邻的臂架之间可水平旋转连接。作为举例，主塔架1与第一臂架2之间通过第一回转机构9连接，相邻的臂架之间通过第二回转机构10连接，第一回转机构9为从动回转机构，第二回转机构10为主动回转机构。第一回转机构9可采用现有的转盘轴承，可实现第一臂架2绕主塔架1自由旋转。第二回转机构10包括转盘轴承以及驱动装置和传动装置，转盘轴承的内外座圈分别与相邻的两个臂架固定连接，驱动装置通过传动装置驱动转盘轴承，使转盘轴承内外座圈之间相对转动，使第二臂架3绕第一臂架2端部转动，第三臂架4绕第二臂架3端部转动。所述泵管5沿主塔架1及臂架设置，且在所述主塔架1与第一臂架2的连接处以及相邻的臂架的连接处通过可旋转弯管连接。所述行走机构7位于支撑塔架6的下方，包括圆弧形轨道、滚轮组及行走驱动。圆弧形轨道水平设置于操作面上；滚轮组支撑于所述圆弧形轨道上，所述行走驱动73控制滚轮组沿圆弧形轨道移动及制动。所述旋转托架8设置于第一臂架2与第二臂架3的连接处下方，用于连接第二臂架3及支撑塔架6。旋转托架8包括上部架体和回转支承；上部架体与第二臂架3的端部连接，回转支承设置于支撑塔架6的顶部。

图2公开了横折臂混凝土布料机的数学模型，将横折臂布料机的第一臂架2、第二臂架3、第三臂架4分别简化为3个向量R₁、R₂、R₃，4个端点坐标标记为(x₀,y₀)、(x₁,y₁)、(x₂,y₂)、(x₃,y₃)。以(x₀,y₀)为坐标原点建立直角平面坐标系，坐标系的x、y轴可参考建筑结构轴线和障碍区域的位置，以简化模型的原则确定。图2中将障碍区域简化为4条线段，分别为线段r₁、r₂、r₃、r₄，端点坐标分别为(x_OBS0,y_OBS0)、(x_OBS1,y_OBS1)、(x_OBS2,y_OBS2)、(x_OBS3,y_OBS3)、(x_OBS4,y_OBS4)，其中(x_OBS0,y_OBS0)和(x_OBS4,y_OBS4)为同一个端点。

图3公开了横折臂混凝土布料机的简化数学模型，用于显示横折臂混凝土布料机的各臂架的转角β、臂架长度R与布料机位置状态之间的关系，从而可得到以臂架长度及转角表示的布料机状态函数F_L(β₁,β₂,β₃；R₁,R₂,R₃)。具体可推导出公式(1)：

其中，i＝1,2，…，M；(1)

其中，α_i为第i个向量相对于x轴的正方向的角度，

β_k为第i个向量相对于第i-1个向量的转角。公式(1)中M为臂架的数量，附图3中为M＝3。其中，α₁＝β₁、α₂＝β₁+β₂、α₃＝β₁+β₂+β₃，R₁、R₂、R₃，已知的情况下，当转角β₁、β₂、β₃确定后，即可确定布料机状态。

图4将待浇筑的建筑结构简化为简化为N条线段，并根据臂架长度得出布料机最大布料范围，即空间A2区域存在布料机状态函数F_L(β₁,β₂,β₃；R₁,R₂,R₃)的有效解，空间A1和A3为无法找到满足该函数的解。需要说明的是，A2的外边界的圆为β₃＝0，β₁取值(-π,π]时，第三臂架的端点画出的圆，A2的内边界的圆是在第一臂架的长度大于第二、第三臂架长度之和时存在；在第一臂架的长度小于第二、第三臂架长度之和时，理论上不存在A1空间。

图5是为根据是否受障碍区域的影响，将空间A2的进一步划分，将圆心处视为一个光源，向外发射光线，未受到障碍物遮挡的区域，记为子空间B1，将障碍物遮挡的区域记为子空间B2。对于子空间B1，未受到障碍区域的影响，布料机状态函数的求解十分容易，可直接应用评价函数求解子空间的最优解。对于对于子空间B2，由于受到障碍区域遮挡，加大了横折臂布料机布料难度，子空间B2的评价函数因障碍区域的影响难以直接确定，继续划分解空间求解。

图6是针对上述子空间B2区域内的某一布料位置，寻找横折臂布料机可避开障碍的状态函数的最优解可能存在区域。布料机的三个臂架的长度一定，根据构成三角形的三边关系定理，对于B2区域内的某一布料位置，若要布料机能够浇筑该位置，则第一臂架的转角存在上下限，比如，设定β₃＝0，第三臂架的端点位于该布料位置，则通常存在两个确定的β₁、β₁'，对于子空间B2区域内的所有布料位置找出β₁的最大值和β₁'的最小值最为上下限值，将上下限值以外的区域记为子空间C1，将圆心与障碍区域的最大夹角的区域记为子空间C3，C3与C1之间的区域分别记子空间C2、C4，从而将空间A2划分为子空间C1、C2、C3、C4。对于子空间B2区域内的某一布料位置最优解存在于子空间C2、C4内，从而缩小空间范围，加快求解速度。

需要说明的是，可以根据供料需求设定为评价函数，找出最优解，从而最为布料机的规划路径。比如，引入一个评价函数记为V(β₁,β₂,β₃)，衡量在相应位置布料时的横折臂布料机构的状态优劣程度，其最佳状态下的解即是最优解。评价函数的指标可结合工程需求选取，例如为了节省电能消耗，评价函数取为转角之和V＝β₁+β₂+β₃(β₁,β₂,β₃∈(-π,π])，函数值越小为最优。再如，以横折臂布料机的整体安全稳定性为评价指标，当布料机的臂架所受的弯矩越大时，横折臂布料结构的整体安全稳定性越差，在横折臂臂节长度和质量分布确定的情况下，关节所受的弯矩与关节的转角大小正相关。评价函数可选取为：

(β₂,β₃∈(-π,π])，函数值越大为最优。

结合以上说明，本实施例提供的一种横折臂混凝土布料机布料路径规划方法，包括如下步骤：

步骤一，以布料机主塔架为坐标原点，建立水平面内的直角坐标系，将第i个臂架简化为长度为R_i的向量，向量的起点为(x_i-1,y_i-1)，终点为(x_i,y_i)；其中，i＝1,2，…，M；横折臂布料机构的状态函数F_L(β₁,β₂,…,β_M；R₁,R₂,…,R_M)见公式(1)；

其中，i＝1,2，…，M； (1)

其中，α_i为第i个向量相对于x轴的正方向的角度，

β_k为第i个向量相对于第i-1个向量的转角；

步骤二，将待浇筑的建筑结构简化为N条线段，第i个线段的两个端点为(x_i-1,y_i-1)、(x_i,y_i)，建立建筑结构布料区域函数F_S(x,y)，见公式(2)；

步骤三，将布料区域内的障碍区域简化为S条线段，第j条线段的端点坐标记为(x_obs(j-1),y_obs(j-1))、(x_obsj,y_obsj),j＝1,2,...,S；障碍区域边界上的点记为L_obsj(x,y)，满足公式(3)：

步骤四，设定横折臂混凝土布料机避开障碍物的充分必要条件，针对任意的障碍线段L_obsj，横折臂布料机的状态函数F_L所对应的线段组L_i(x)(i＝1,2,…,M)不满足公式(4)或在满足公式(4)的条件下同时满足公式(5)；

[L_ij ^*(x_ijmax)-L_obsj(x_ijmax)][L_ij ^*(x_ijmin)-L_obsj(x_ijmin)]＞0,i＝1,2,...,M；j＝1,2,...,S； (5)

步骤五，将公式(1)至公式(3)设定为约束条件，并根据横折臂混凝土布料机避开障碍物的充分必要条件，以及由布料需求指标转量化的评价函数，利用计算机计算满足要求的布料路径。

优选的实施方式为，步骤五中，将公式(1)至公式(3)设定为约束条件，还包括如下步骤：

初始化数学模型，对公式(1)至公式(3)中的已知参数进行赋值；赋值包括但不限于布料机臂架数量、长度，障碍区域的边界线的顶点坐标，建筑结构的顶点坐标；

根据横折臂布料机各臂架长度，确定横折臂布料机构布料范围，从而确定可行解空间A2；

根据障碍区域关键影响范围条件划分可行解空间，具体为：将横折臂布料机中心点视为光源，没有障碍物遮挡的区域记为B1，将障碍物遮挡的阴影区域记为B2；

针对上述子空间B2区域内的某一布料位置，根据横折臂布料机臂架的长度和第一臂架的转角角度，分解可行解空间，找出最优解存在的子空间C2和C4。前述实施例中，是以3个臂架的布料机为例，当臂架多于3个时，将β₃＝…＝β_m＝0，采用同样的方法确定最优解存在的子空间C2、C4。

优选的实施方式为，引入一个评价函数记为V(β₁,β₂,β₃)，衡量在相应位置布料时的横折臂布料机构的状态优劣程度，将最佳状态下的解作为最优解，从而确定布料机的最佳布料路径。

进一步，评价函数的指标可结合工程需求选取，例如为了节省电能消耗，评价函数取为转角之和V＝β₁+β₂+β₃(β₁,β₂,β₃∈(-π_,π])，函数值越小为最优。

进一步，横折臂布料结构的整体安全稳定性，当横折臂关节所受的弯矩越大时，横折臂布料结构的整体安全稳定性越差，在横折臂臂节长度和质量分布确定的情况下，臂架所受的弯矩与关节的转角大小正相关。评价函数可选取为：

(β₂,β₃∈(-π_,π])，函数值越大为最优。

综上所述，本发明提供的一种横折臂混凝土布料机布料路径规划方法，将建筑结构、障碍区域、布料机状态信息建立成数学模型，求解得到的规划路径更加合理精确；而且，该方法实现横折臂混凝土布料机的信息化、智能化，使布料机能够实现最佳运行路径；根据求解出的布料路径参数调整布料机臂架及布料口位置，实现主动避障、自动化智能精准布料，提高建筑施工混凝土布料机的工业化水平。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (4)

1.一种横折臂混凝土布料机布料路径规划方法，其特征在于，所述布料机包括主塔架以及依次拼接的M个臂架；第一个臂架与主塔架之间以及相邻两个臂架之间设置有回转机构；还包括有泵管，所述泵管沿主塔架及臂架设置，且在所述主塔架与第一臂架的连接处以及相邻的臂架的连接处通过可旋转弯管连接；

所述方法包括如下步骤：

步骤一，以布料机主塔架为坐标原点，建立水平面内的直角坐标系，将第i个臂架简化为长度为R_i的向量，向量的起点为(x_i-1,y_i-1)，终点为(x_i,y_i)；其中，i＝1,2，…，M；横折臂布料机构的状态函数F_L(β₁,β₂,…,β_M；R₁,R₂,…,R_M)见公式(1)；

其中，i＝1,2，…，M； (1)

其中，α_i为第i个向量相对于x轴的正方向的角度，

β_k为第i个向量相对于第i-1个向量的转角；

步骤二，将待浇筑的建筑结构简化为N条线段，第i个线段的两个端点为(x_i-1,y_i-1)、(x_i,y_i)，建立建筑结构布料区域函数F_S(x,y)，见公式(2)；

步骤三，将布料区域内的障碍区域简化为S条线段，第j条线段的端点坐标记为(x_obs(j-1),y_obs(j-1))、(x_obsj,y_obsj),j＝1,2,...,S；障碍区域边界上的点记为L_obsj(x,y)，满足公式(3)：

步骤四，设定横折臂混凝土布料机避开障碍物的充分必要条件，针对任意的障碍线段L_obsj，横折臂布料机的状态函数F_L所对应的线段组L_i(x)(i＝1,2,…,M)不满足公式(4)或在满足公式(4)的条件下同时满足公式(5)；

[L_ij ^*(x_ijmax)-L_obsj(x_ijmax)][L_ij ^*(x_ijmin)-L_obsj(x_ijmin)]＞0,i＝1,2,...,M；j＝1,2,...,S； (5)

步骤五，将公式(1)至公式(3)设定为约束条件，并根据横折臂混凝土布料机避开障碍物的充分必要条件，将布料需求指标转量化为评价函数，利用计算机计算满足要求的布料路径。

2.如权利要求1所述的横折臂混凝土布料机布料路径规划方法，其特征在于，在步骤五中，将公式(1)至公式(3)设定为约束条件，包括如下步骤：

初始化数学模型，对公式(1)至公式(3)中的已知参数进行赋值；

根据横折臂布料机各臂架长度，确定横折臂布料机构布料范围，从而确定可行解空间A；

根据障碍区域关键影响范围条件划分可行解空间，具体为：将横折臂布料机中心点视为光源，没有障碍物遮挡的区域记为B1，将障碍物遮挡的阴影区域记为B2；

针对上述子空间B2区域内的某一布料位置，根据横折臂布料机臂架的长度和第一臂架的转角角度，分解可行解空间，找出针对子空间B2，找出最优解存在的子空间。

3.如权利要求1所述的横折臂混凝土布料机布料路径规划方法，其特征在于，评价函数为转角之和V＝β₁+β₂+…+β_M(β₁,β₂,…，β_M∈(-π,π])，函数值越小为最优。

4.如权利要求1所述的横折臂混凝土布料机布料路径规划方法，其特征在于，所述臂架数量为3个，所述横折臂布料机还包括支撑塔架、行走机构和旋转托架，所述旋转托架设置于第一臂架与第二臂架的连接处下方，用于连接第二臂架及支撑塔架；所述行走机构位于支撑塔架的下方；评价函数可选取为：

函数值越大为最优。

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