CN112861361A - 一种基于凿岩台车的工作空间仿真方法 - Google Patents

一种基于凿岩台车的工作空间仿真方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于凿岩台车的工作空间仿真方法，首先构建隧道实际施工环境以及凿岩台车的三维模型，通过定位信息将凿岩台车模型定位至隧道模型的指定位置，将设计施工参数三维模型化，通过三维场景融合模拟凿岩台车在隧道中的施工状态，然后通过手动对孔测试以及数据仿真测试，仿真分析凿岩台车在当前工况下的有效工作空间，比较确认当前凿岩台车的臂架参数是否满足施工需求，最后切换不同工况下的隧道尺寸信息、台车定位信息以及设计施工参数，对应调整凿岩台车的臂架构型并重复仿真验证，直至臂架结构达到最佳。本发明可快速模拟目标施工场景，适用于对不同工况下凿岩台车的有效工作空间进行仿真，臂架参数优化效果好。

Description

一种基于凿岩台车的工作空间仿真方法
技术领域
本发明涉及工程机械技术领域，特别地，涉及一种基于凿岩台车的工作空间仿真方法。
背景技术
随着中国高铁网路的推进建设，长大隧道(即单洞长度在10 千米以上的隧道)以及复杂地质条件隧道的占比越来越高，针对特定施工条件设计的凿岩台车的需求也越来越旺盛，定制化程度也越来越高。由于施工环境以及设备的特殊性(隧道尺寸参数不唯一，凿岩台车通常为多臂多关节结构)，在实际施工过程中，不同隧道轮廓及不同隧道里程下的设计施工参数并不一致，需要根据实际施工场景来确认台车的三维工作空间，对于不同的三维工作空间都要确认其是否满足施工需求，并据此来优化凿岩台车的臂架结构，这就增加了产品的设计成本，同时拖慢了施工效率。
目前机器人领域主要借用MATLAB、CAD等软件在机器人关节空间内随机采样或根据设计数据绘制图表等方式，以此仿真凿岩台车臂架的工作空间，但是该方法无法重现复杂的现场施工环境及模拟现场施工机器人的真实施工状态，三维可视化程度不高，特别是针对智能化、定制化的产品设计，场景单一，无法提供有效的数据来分析其工作空间，更不能为凿岩台车臂架结构的优化设计提供依据。
因此，需要开发一种新的适用于对凿岩台车臂架真实工作状态进行仿真的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可模拟凿岩台车在不同工况及定位信息下的有效工作空间的仿真方法，以解决背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供一种基于凿岩台车的工作空间仿真方法，构建隧道实际施工环境以及凿岩台车的三维模型，通过定位信息将凿岩台车模型定位至隧道模型的指定位置，将设计施工参数三维模型化，通过三维场景融合模拟凿岩台车在隧道中的施工状态，切换不同工况下的隧道尺寸信息、台车定位信息以及设计施工参数，通过手动对孔测试以及数据仿真测试，仿真分析凿岩台车在不同工况下的有效工作空间，比较确认当前凿岩台车是否满足对应施工需求，调整凿岩台车的臂架构型并重复仿真验证，直至臂架结构达到最佳。
优选地，所述仿真方法具体包括如下步骤：
步骤S1，通过三维激光扫描仪获取隧道的三维点云信息，进行三维重建，生成隧道实际施工环境的三维模型，并确定坐标系；
步骤S2，获取凿岩台车的三维模型，给凿岩台车臂架上的各关节添加坐标系，确定凿岩台车臂架末端在基坐标系下的位姿；
步骤S3，在凿岩台车的三维模型上添加碰撞及物理信息，重建成网格模型，通过获取的定位信息将凿岩台车模型定位至隧道模型的指定位置，通过坐标系转换将两个三维模型统一至同一坐标系下表示，并以三维显示的结果呈现；
步骤S4，获取设计施工参数，将设计施工参数转换成施工目标位姿以及施工数据模型，添加到已融合的场景当中，三维呈现其覆盖区域；
步骤S5，手动测试阶段，选定部分覆盖区域，手动操作凿岩台车臂架与施工数据模型完成对孔作业，实时显示凿岩台车臂架各关节角以及关节角度的变化趋势，同时可手动添加障碍物信息，测试在该定位信息对应的工况下，凿岩台车的臂架是否能否满足施工需求；
步骤S6，自动测试阶段，将完成坐标转换的施工目标位姿作为输入参数，利用运动学求解模块依次对设计施工目标点进行逆运动学求解，如果目标点可解，则进入下一步骤，同时在终端输出求解结果，如果目标点不可解，则在终端输出特定标识，表示运动学求解失败且此目标为不可解区域，更换选定区域并重复本步骤，直至完成所有施工目标点求解；
步骤S7，通过轨迹规划模块规划出臂架从当前位姿移动到施工目标位姿的一系列轨迹点，通过碰撞检测模块完成臂架规划轨迹与隧道环境间的碰撞检测，如果不存在碰撞可能性，则进入下一步骤，如果存在碰撞可能性，则在终端输出特定标识，表示轨迹规划失败，重新开始步骤S6；
步骤S8，臂架执行模块接受轨迹点信息，驱动臂架按照规划结果运动，记录凿岩台车臂架运动到位后臂架末端的位姿，根据之前输出的特定标识，将运动学求解失败、轨迹规划失败、运动学求解且轨迹规划成功的目标点转为三维点云信息，以三维显示的效果呈现，并用不同颜色加以区分，展现凿岩台车有效工作空间的覆盖区域；
步骤S9，重复步骤S6-步骤S8，直至完成凿岩台车在该指定位置下所有施工目标数据的计算测试；
步骤S10，切换凿岩台车在隧道内的定位信息，配合对应位置下的隧道尺寸信息以及设计施工参数，重复步骤S6-步骤S9，完成所有数据测试；
步骤S11，根据上述仿真结果，得出凿岩台车在不同隧道位置内的可达三维工作空间，确认在不同工况下是否满足施工要求，同时根据仿真结果修正凿岩台车臂架各关节的运动范围，调整凿岩台车的臂架构型并重复仿真验证，直至臂架结构达到最佳。
优选地，所述设计施工参数包括炮眼数据。
优选地，在所述步骤S2中，对凿岩台车进行DH建模，所述凿岩台车包括多个臂架，每个臂架视为八关节结构。
优选地，在所述步骤S2中，凿岩台车臂架末端在基坐标系下的位姿表示为：0Ti＝0T1×1T2×......i-1Ti，其中，i-1Ti为相邻两个坐标系的变换矩阵，i取0-8之间的整数。
优选地，在所述步骤S5中，判断凿岩台车的臂架是否能否满足施工需求，包括确认臂架的实时姿态是否正常、臂架各关节的角度范围是否合适、臂架是否能到达设计施工参数的目标位姿。
优选地，在所述步骤S6中，在逆运动学求解的过程中加入约束条件，确保求解结果符合凿岩台车真实施工需求。
本发明提供的技术方案至少具有如下有益效果：
1、本发明通过将设计施工参数三维模型化后与实际隧道的三维点云信息、凿岩台车模型统一到同一坐标系下，进行场景融合和三维显示，可以实现对复杂多变的隧道施工场景的真实模拟，满足凿岩台车的多样定制化需求，且不同设计施工参数之间可快速任意切换，无需增加额外的硬件支持设备。
2、本发明方法中引入具有运动学求解、轨迹规划以及碰撞检测功能的模块，有利于精准仿真得到凿岩台车在不同工况及定位信息下的有效工作空间，通过确认凿岩台车是否满足施工需求对臂架构型进行针对性优化。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，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它的附图，其中：
图1是本发明中基于凿岩台车的工作空间仿真方法的流程图；
图2是采用本发明仿真方法后得到的凿岩台车模拟作业示意图，其中，黑色密集线条为三维模型化后的炮眼数据。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1和图2，一种基于凿岩台车的工作空间仿真方法，首先构建隧道实际施工环境以及凿岩台车的三维模型，通过定位信息将凿岩台车模型定位至隧道模型的指定位置，将设计施工参数三维模型化，通过三维场景融合模拟凿岩台车在隧道中的施工状态，然后通过手动对孔测试以及数据仿真测试，仿真分析凿岩台车在当前工况下的有效工作空间，比较确认当前凿岩台车的臂架参数是否满足施工需求，最后切换不同工况下的隧道尺寸信息、台车定位信息以及设计施工参数，对应调整凿岩台车的臂架构型并重复仿真验证，直至臂架结构达到最佳。
上述过程具体包括如下步骤：
步骤S1，通过三维激光扫描仪获取隧道的三维点云信息，进行三维重建，生成隧道实际施工环境的三维模型，并确定坐标系。
步骤S2，获取凿岩台车的三维模型，将凿岩台车视为三臂架八关节的机器人结构，完成机器人DH建模，给凿岩台车三维臂架的各关节添加坐标系，凿岩台车臂架末端的位姿在基坐标系下的表示为：0Ti＝0T1×1T2×......i-1Ti，其中，i-1Ti为相邻两个坐标系的变换矩阵， i取0-8之间的整数。
步骤S3，在凿岩台车的三维模型上添加碰撞及物理信息，重建成网格模型，通过获取的定位信息将凿岩台车模型定位至隧道模型的指定位置，通过坐标系转换将两个三维模型统一至同一坐标系下表示，并以三维显示的结果呈现。
步骤S4，获取隧道的设计施工参数(炮眼图等)，将设计施工参数转换成施工目标位姿以及施工数据模型，添加到已融合的场景当中，三维呈现其覆盖区域(即将炮眼数据三维模型化)。
步骤S5，手动测试阶段，选定部分区域的三维炮眼模型，手动操作凿岩台车臂架与三维炮眼完成对孔作业，实时显示凿岩台车臂架各关节角以及关节角度的变化趋势，同时可手动添加障碍物信息，测试凿岩台车在不同工况下，设计施工参数的目标位姿，臂架是否可达，臂架各关节范围是否合适，臂架实时姿态是否正常，确认在该定位信息的工况下能否满足施工需求。
步骤S6，自动测试阶段，将完成坐标转换的施工目标位姿，即炮眼数据作为输入参数，利用运动学求解模块依次对设计施工目标点进行逆运动学求解，在逆运动学求解的过程中加入约束条件，确保求解结果符合凿岩台车真实施工需求；如果目标点可解，则进入下一步骤，同时在终端输出求解结果，如果目标点不可解，则在终端输出特定标识，表示运动学求解失败且此目标为不可解区域，更换炮眼数据并重复本步骤，直至完成所有施工目标点求解。
步骤S7，通过轨迹规划模块规划出臂架从当前位姿移动到施工目标位姿的一系列轨迹点，通过碰撞检测模块完成臂架规划轨迹与隧道环境间的碰撞检测，如果不存在碰撞可能性，则进入下一步骤，如果存在碰撞可能性，则在终端输出特定标识，表示轨迹规划失败，重新开始步骤S6。
步骤S8，臂架执行模块接受轨迹点信息，驱动臂架按照规划结果运动，记录凿岩台车臂架运动到位后臂架末端的位姿，根据之前输出的特定标识，将运动学求解失败、轨迹规划失败、运动学求解且轨迹规划成功的目标点转为三维点云信息，以三维显示的效果呈现，并用不同颜色加以区分，展现凿岩台车有效工作空间的覆盖区域。
步骤S9，重复步骤S6-步骤S8，直至完成凿岩台车在该指定位置下所有施工目标数据的计算测试。
步骤S10，切换凿岩台车在隧道内的定位信息，配合对应位置下的隧道尺寸信息以及炮眼数据，重复步骤S6-步骤S9，完成所有数据测试。
步骤S11，根据上述仿真结果，得出凿岩台车在不同隧道位置内的可达三维工作空间，确认在不同工况下是否满足施工要求，同时根据仿真结果修正凿岩台车臂架各关节的运动范围，调整凿岩台车的臂架构型并重复仿真验证，直至臂架结构达到最佳。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利保护范围，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。在本发明的精神和原则之内，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的任何改进或等同替换，直接或间接运用在其它相关的技术领域，均应包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于凿岩台车的工作空间仿真方法，其特征在于，构建隧道实际施工环境以及凿岩台车的三维模型，通过定位信息将凿岩台车模型定位至隧道模型的指定位置，将设计施工参数三维模型化，通过三维场景融合模拟凿岩台车在隧道中的施工状态，切换不同工况下的隧道尺寸信息、台车定位信息以及设计施工参数，通过手动对孔测试以及数据仿真测试，仿真分析凿岩台车在不同工况下的有效工作空间，比较确认当前凿岩台车是否满足对应施工需求，调整凿岩台车的臂架构型并重复仿真验证，直至臂架结构达到最佳。
2.根据权利要求1所述基于凿岩台车的工作空间仿真方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
步骤S1，通过三维激光扫描仪获取隧道的三维点云信息，进行三维重建，生成隧道实际施工环境的三维模型，并确定坐标系；
步骤S2，获取凿岩台车的三维模型，给凿岩台车臂架上的各关节添加坐标系，确定凿岩台车臂架末端在基坐标系下的位姿；
步骤S3，在凿岩台车的三维模型上添加碰撞及物理信息，重建成网格模型，通过获取的定位信息将凿岩台车模型定位至隧道模型的指定位置，通过坐标系转换将两个三维模型统一至同一坐标系下表示，并以三维显示的结果呈现；
步骤S4，获取设计施工参数，将设计施工参数转换成施工目标位姿以及施工数据模型，添加到已融合的场景当中，三维呈现其覆盖区域；
步骤S5，手动测试阶段，选定部分覆盖区域，手动操作凿岩台车臂架与施工数据模型完成对孔作业，实时显示凿岩台车臂架各关节角以及关节角度的变化趋势，同时可手动添加障碍物信息，测试在该定位信息对应的工况下，凿岩台车的臂架是否能否满足施工需求；
步骤S6，自动测试阶段，将完成坐标转换的施工目标位姿作为输入参数，利用运动学求解模块依次对设计施工目标点进行逆运动学求解，如果目标点可解，则进入下一步骤，同时在终端输出求解结果，如果目标点不可解，则在终端输出特定标识，表示运动学求解失败且此目标为不可解区域，更换选定区域并重复本步骤，直至完成所有施工目标点求解；
步骤S7，通过轨迹规划模块规划出臂架从当前位姿移动到施工目标位姿的一系列轨迹点，通过碰撞检测模块完成臂架规划轨迹与隧道环境间的碰撞检测，如果不存在碰撞可能性，则进入下一步骤，如果存在碰撞可能性，则在终端输出特定标识，表示轨迹规划失败，重新开始步骤S6；
步骤S8，臂架执行模块接受轨迹点信息，驱动臂架按照规划结果运动，记录凿岩台车臂架运动到位后臂架末端的位姿，根据之前输出的特定标识，将运动学求解失败、轨迹规划失败、运动学求解且轨迹规划成功的目标点转为三维点云信息，以三维显示的效果呈现，并用不同颜色加以区分，展现凿岩台车有效工作空间的覆盖区域；
步骤S9，重复步骤S6-步骤S8，直至完成凿岩台车在该指定位置下所有施工目标数据的计算测试；
步骤S10，切换凿岩台车在隧道内的定位信息，配合对应位置下的隧道尺寸信息以及设计施工参数，重复步骤S6-步骤S9，完成所有数据测试；
步骤S11，根据上述仿真结果，得出凿岩台车在不同隧道位置内的可达三维工作空间，确认在不同工况下是否满足施工要求，同时根据仿真结果修正凿岩台车臂架各关节的运动范围，调整凿岩台车的臂架构型并重复仿真验证，直至臂架结构达到最佳。
3.根据权利要求2所述基于凿岩台车的工作空间仿真方法，其特征在于，所述设计施工参数包括炮眼数据。
4.根据权利要求3所述基于凿岩台车的工作空间仿真方法，其特征在于，在所述步骤S2中，对凿岩台车进行DH建模，所述凿岩台车包括多个臂架，每个臂架视为八关节结构。
5.根据权利要求4所述基于凿岩台车的工作空间仿真方法，其特征在于，在所述步骤S2中，凿岩台车臂架末端在基坐标系下的位姿表示为：0Ti＝0T1×1T2×......i-1Ti，其中，i-1Ti为相邻两个坐标系的变换矩阵，i取0-8之间的整数。
6.根据权利要求5所述基于凿岩台车的工作空间仿真方法，其特征在于，在所述步骤S5中，判断凿岩台车的臂架是否能否满足施工需求，包括确认臂架的实时姿态是否正常、臂架各关节的角度范围是否合适、臂架是否能到达设计施工参数的目标位姿。
7.根据权利要求6所述基于凿岩台车的工作空间仿真方法，其特征在于，在所述步骤S6中，在逆运动学求解的过程中加入约束条件，确保求解结果符合凿岩台车真实施工需求。
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