CN111536916A - 一种湿喷机喷嘴位置检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种湿喷机喷嘴位置检测系统，包括数据处理主机、程控装置和传感装置，数据处理主机与程控装置和传感装置均电气连接，数据处理主机处理数据，程控装置控制机械臂运动，传感装置包括检测大臂旋转角度的第一角度传感器、检测大臂俯仰角度的第二角度传感器、检测大臂伸缩距离的第一距离传感器、检测中间臂俯仰角度的第三角度传感器、检测小臂旋转角度的第四角度传感器和检测小臂伸缩距离的第二距离传感器，与现有技术相比，能够准确确定湿喷机喷嘴所在位置，使湿喷机机械臂的运动轨迹规划更为精确，保证湿喷机在自动湿喷时喷头的喷射方向能够始终垂直于岩面，从而有效提高混凝土的喷射质量。

Description

一种湿喷机喷嘴位置检测系统

技术领域

本发明涉及混凝土湿喷技术领域，特别涉及一种湿喷机喷嘴位置检测系统。

背景技术

混凝土湿喷机主要用于隧道的施工建设，通过喷嘴将混凝土混合料直接喷射到岩石表面上形成固结混凝土层，并通过机械臂的起落、回转、伸缩和整机行走，使喷头随着岩面的变化灵活地改变角度和方位，以保证喷头喷射方向始终垂直于岩面，并使喷头与岩面之前保持最佳喷射距离，有效地控制混凝土喷射质量、回弹率和漏洒率。

目前而言，为了实现混凝土湿喷机的自动湿喷，需要规划好湿喷机机械臂的运动轨迹，在自动湿喷时，通过控制机械臂的大臂做旋转、俯仰和伸缩动作，中间臂做俯仰动作以及小臂做旋转和伸缩动作，带动喷嘴移动，从而完成湿喷机的自动湿喷作业。而在规划机械臂的运动轨迹时，可以事先控制机械臂带动喷嘴沿施工隧道断面移动，通过确定喷嘴所在位置来反推计算出机械臂各节臂的旋转、俯仰角度及伸缩距离等，以此为依据规划机械臂的运动轨迹。但是在光线不好、环境恶劣的施工隧道内，用传统的方法很难准确确定喷嘴所在位置，导致在机械臂按照规划好的运动轨迹运动带动喷嘴移动时无法保证喷头的喷射方向始终垂直于岩面，混凝土的喷射质量不易控制。

因此，如何在机械臂带动喷嘴沿施工隧道断面移动时准确确定湿喷机喷嘴所在位置，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种湿喷机喷嘴位置检测系统，能够在机械臂带动喷嘴沿施工隧道断面移动时准确确定湿喷机喷嘴所在位置，使湿喷机机械臂的运动轨迹规划更为精确，有效提高湿喷机在自动湿喷时混凝土的喷射质量。

本发明提供一种湿喷机喷嘴位置检测系统，所述喷嘴通过机械臂连接于所述湿喷机，所述机械臂包括依次连接的大臂、中间臂和小臂，所述大臂的底端连接所述湿喷机的机体，所述喷嘴连接所述小臂的顶端，所述湿喷机喷嘴位置检测系统包括数据处理主机、程控装置和传感装置，所述数据处理主机与所述程控装置和所述传感装置均电气连接；

所述数据处理主机用于处理数据；

所述程控装置用于控制所述机械臂运动；

所述传感装置包括用于检测所述大臂旋转角度的第一角度传感器、用于检测所述大臂俯仰角度的第二角度传感器、用于检测所述大臂伸缩距离的第一距离传感器、用于检测所述中间臂俯仰角度的第三角度传感器、用于检测所述小臂旋转角度的第四角度传感器和用于检测所述小臂伸缩距离的第二距离传感器。

优选地，所述湿喷机喷嘴位置检测系统还包括多路模拟量采集装置，所述数据处理主机与所述传感装置通过所述多路模拟量采集装置电气连接。

优选地，所述程控装置包括用于控制所述大臂旋转的第一回转机构、用于控制所述大臂俯仰的第一驱动机构、用于控制所述大臂伸缩的第一伸缩机构、用于控制所述中间臂俯仰的第二驱动机构、用于控制所述小臂旋转的第二回转机构和用于控制所述小臂伸缩的第二伸缩机构。

优选地，所述第一角度传感器设置于所述第一回转机构，所述第二角度传感器设置于所述大臂与所述机体的连接处，所述第一距离传感器设置于所述第一伸缩机构，所述第三角度传感器设置于所述中间臂和所述大臂的连接处，所述第四角度传感器设置于所述第二回转机构，所述第二距离传感器设置于所述第二伸缩机构。

优选地，所述第一回转机构和所述第二回转机构均为回转减速机，所述第一驱动机构和所述第二驱动机构均为驱动油缸，所述第一伸缩机构和所述第二伸缩机构均为伸缩臂。

优选地，所述数据处理主机与所述程控装置和所述传感装置均通过CAN总线电气连接。

本发明提供的湿喷机喷嘴位置检测系统，通过程控装置控制湿喷机机械臂运动，带动喷嘴沿施工隧道断面移动，通过传感装置中的第一角度传感器、第二角度传感器、第一距离传感器、第三角度传感器、第四角度传感器和第二距离传感器分别检测大臂的旋转角度、大臂的俯仰角度、大臂的伸缩距离、中间臂的俯仰角度、小臂的旋转角度和小臂的伸缩距离，数据处理主机接收传感装置中各传感器检测的数据，结合机械臂的已知参数，可以准确计算出喷嘴所在位置的空间坐标，与现有技术相比，能够准确确定湿喷机喷嘴所在位置，使湿喷机机械臂的运动轨迹规划更为精确，保证湿喷机在自动湿喷时喷头的喷射方向能够始终垂直于岩面，从而有效提高混凝土的喷射质量。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种湿喷机喷嘴位置检测系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种湿喷机的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种机械臂的等效示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件上，它可以直接在另一个元件上或者间接设置在另一个元件上；当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至另一个元件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，多个”、“若干个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本申请可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本申请所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本申请所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

请参阅图1至图3，图1为本发明实施例提供的一种湿喷机喷嘴位置检测系统的结构示意图；图2为本发明实施例提供的一种湿喷机的结构示意图；图3为本发明实施例提供的一种机械臂的等效示意图。

需要说明的是，本发明实施例提供的湿喷机喷嘴位置检测系统主要用于湿喷机自动湿喷时规划机械臂的运动轨迹，其中，喷嘴01通过机械臂连接于湿喷机，机械臂包括依次连接的大臂02、中间臂03和小臂04，大臂02的底端连接湿喷机的机体05，喷嘴01连接小臂04的顶端。通过控制大臂02做旋转、俯仰和伸缩动作，中间臂03做俯仰动作以及小臂04做旋转和伸缩动作，带动喷嘴01沿施工隧道断面移动时，确定喷嘴01所在位置可以反推计算出机械臂各节臂的旋转角度、俯仰角度及伸缩距离等，以此为依据规划机械臂的运动轨迹。

该湿喷机喷嘴位置检测系统包括数据处理主机1、程控装置2和传感装置3，数据处理主机1与程控装置2和传感装置3均电气连接，数据处理主机1用于处理数据，程控装置2用于控制机械臂运动，传感装置3包括用于检测大臂02旋转角度的第一角度传感器31、用于检测大臂02俯仰角度的第二角度传感器32、用于检测大臂02伸缩距离的第一距离传感器33、用于检测中间臂03俯仰角度的第三角度传感器34、用于检测小臂04旋转角度的第四角度传感器35和用于检测小臂04伸缩距离的第二距离传感器36。

本发明实施例中，通过程控装置2控制湿喷机机械臂运动，带动喷嘴05沿施工隧道断面移动，通过传感装置3中的第一角度传感器31、第二角度传感器32、第一距离传感器33、第三角度传感器34、第四角度传感器35和第二距离传感器36分别检测大臂02的旋转角度、大臂02的俯仰角度、大臂02的伸缩距离、中间臂03的俯仰角度、小臂04的旋转角度和小臂04的伸缩距离，数据处理主机1接收传感装置3中各传感器检测的数据，结合机械臂的已知参数，可以准确计算出喷嘴01所在位置的空间坐标，与现有技术相比，能够在机械臂带动喷嘴沿施工隧道断面移动时准确确定湿喷机喷嘴所在位置，使湿喷机机械臂的运动轨迹规划更为精确，保证湿喷机在自动湿喷时喷头的喷射方向能够始终垂直于岩面，从而有效提高混凝土的喷射质量。

作为本发明优选的实施例，该湿喷机喷嘴位置检测系统还包括多路模拟量采集装置4，数据处理主机1与传感装置3通过多路模拟量采集装置4电气连接。本实施例中，传感装置3中各传感器检测的数据为模拟量信号，通过多路模拟量采集装置4采集后，转换为数字量信号发送至数据处理主机1进行数据处理，从而计算喷嘴01所在位置的空间坐标。

具体的，上述实施例中，数据处理主机1与程控装置2和传感装置3均通过CAN总线电气连接。

作为本发明优选的实施例，程控装置2包括用于控制大臂02旋转的第一回转机构21、用于控制大臂02俯仰的第一驱动机构22、用于控制大臂02伸缩的第一伸缩机构23、用于控制中间臂03俯仰的第二驱动机构24、用于控制小臂04旋转的第二回转机构25和用于控制小臂04伸缩的第二伸缩机构26。

本实施例中，大臂02通过第一回转机构21可以相对于湿喷机的机体05做旋转动作，大臂02通过第一驱动机构22可以相对于湿喷机的机体05做俯仰动作，大臂02通过第一伸缩机构23可以做伸缩动作，中间臂03通过第二驱动机构24可以相对于大臂02做俯仰动作，大臂04通过第二回转机构25可以相对于中间臂04做旋转动作，小臂02通过第二伸缩机构26可以做伸缩动作，从而带动喷嘴05沿施工隧道断面移动。

进一步地，上述实施例中，第一角度传感器31设置于第一回转机构21，第二角度传感器32设置于大臂02与机体05的连接处，第一距离传感器33设置于第一伸缩机构23，第三角度传感器34设置于中间臂03和大臂02的连接处，第四角度传感器35设置于第二回转机构25，第二距离传感器36设置于第二伸缩机构26。

具体的，第一回转机构21和第二回转机构25均为回转减速机，第一驱动机构22和第二驱动机构24均为驱动油缸，第一伸缩机构23和第二伸缩机构26均为伸缩臂。

为了方便理解，下面介绍数据处理主机1接收传感装置3中各传感器检测的数据后，结合机械臂的已知参数，计算喷嘴01所在位置的空间坐标的原理。

以机体05上的O点为标准坐标系中的坐标原点，大臂02与机体05的连接点为A点，中间臂03与大臂02的连接点为B点，第二回转机构25与中间臂03的连接点为C点，小臂04与第二回转机构25的连接点为D点，喷嘴01与小臂04的连接点为E点，由于机械臂的各节臂的长度为已知，且通过第一距离传感器33和第二距离传感器36可以分别检测大臂02的伸缩距离和小臂04的伸缩距离，则可以直接得到或计算出OA段的长度L1、AB段的长度L2、BC段的长度L3、CD段的长度L4以及DE段的长度L5，同时通过第一角度传感器31、第二角度传感器32、第三角度传感器34和第四角度传感器35还可以分别检测大臂02相对于机体05的旋转角度α、大臂02相对于机体05的俯仰角度δ、中间臂03相对于大臂02的俯仰角度θ、小臂04相对于中间臂03的旋转角度γ。则可以通过计算得到，

B点在标准坐标系中的三维空间坐标{B(X)、B(Y)、B(Z)}为：

C点在标准坐标系中的三维空间坐标{C(X)、C(Y)、C(Z)}为：

C(X)＝L3*Cos(δ+θ)*Sin(α)+B(X)

C(Y)＝L3*Cos(δ+θ)*Cos(α)+B(Y)

C(Z)＝L3*Sin(δ+θ)+B(Z)

D点在标准坐标系中的三维空间坐标{D(X)、D(Y)、D(Z)}为：

D(X)＝(L3*Cos(δ+θ)-L4*Sin(δ+θ))*Sin(α)+B(X)

D(Y)＝(L3*Cos(δ+θ)-L4*Sin(δ+θ))*Cos(α)+B(Y)

D(Z)＝L3*Cos(δ+θ)+C(Z)

E点在标准坐标系中的三维空间坐标{E(X)、E(Y)、E(Z)}为：

E(X)＝L5*Cos(δ+θ)*Sin(α+γ)+D(X)

E(Y)＝L5*Cos(δ+θ)*Cos(α+γ)+D(Y)

E(Z)＝L5*Sin(δ+θ)+D(Z)

则{E(X)、E(Y)、E(Z)}即为喷嘴01所在位置的空间坐标。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种湿喷机喷嘴位置检测系统，所述喷嘴通过机械臂连接于所述湿喷机，所述机械臂包括依次连接的大臂、中间臂和小臂，所述大臂的底端连接所述湿喷机的机体，所述喷嘴连接所述小臂的顶端，其特征在于，所述湿喷机喷嘴位置检测系统包括数据处理主机、程控装置和传感装置，所述数据处理主机与所述程控装置和所述传感装置均电气连接；

所述数据处理主机用于处理数据；

所述程控装置用于控制所述机械臂运动；

所述传感装置包括用于检测所述大臂旋转角度的第一角度传感器、用于检测所述大臂俯仰角度的第二角度传感器、用于检测所述大臂伸缩距离的第一距离传感器、用于检测所述中间臂俯仰角度的第三角度传感器、用于检测所述小臂旋转角度的第四角度传感器和用于检测所述小臂伸缩距离的第二距离传感器。

2.根据权利要求1所述的湿喷机喷嘴位置检测系统，其特征在于，所述湿喷机喷嘴位置检测系统还包括多路模拟量采集装置，所述数据处理主机与所述传感装置通过所述多路模拟量采集装置电气连接。

3.根据权利要求1所述的湿喷机喷嘴位置检测系统，其特征在于，所述程控装置包括用于控制所述大臂旋转的第一回转机构、用于控制所述大臂俯仰的第一驱动机构、用于控制所述大臂伸缩的第一伸缩机构、用于控制所述中间臂俯仰的第二驱动机构、用于控制所述小臂旋转的第二回转机构和用于控制所述小臂伸缩的第二伸缩机构。

4.根据权利要求3所述的湿喷机喷嘴位置检测系统，其特征在于，所述第一角度传感器设置于所述第一回转机构，所述第二角度传感器设置于所述大臂与所述机体的连接处，所述第一距离传感器设置于所述第一伸缩机构，所述第三角度传感器设置于所述中间臂和所述大臂的连接处，所述第四角度传感器设置于所述第二回转机构，所述第二距离传感器设置于所述第二伸缩机构。

5.根据权利要求3所述的湿喷机喷嘴位置检测系统，其特征在于，所述第一回转机构和所述第二回转机构均为回转减速机，所述第一驱动机构和所述第二驱动机构均为驱动油缸，所述第一伸缩机构和所述第二伸缩机构均为伸缩臂。

6.根据权利要求1所述的湿喷机喷嘴位置检测系统，其特征在于，所述数据处理主机与所述程控装置和所述传感装置均通过CAN总线电气连接。

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