CN114396160A - 一种混凝土布料机及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混凝土布料机及其控制方法，以实现混凝土布料机能够按事先规划好的混凝土浇筑施工任务自动化精准作业。该方法包括：接收事先规划好的混凝土浇筑施工任务；所述混凝土浇筑施工任务中包含浇筑区域规划、浇筑区域内的设备方位规划、浇筑区域内每一浇筑件的浇筑路径规划以及浇注点的规划浇筑量；任一浇筑件的浇筑路径都由多个浇筑点组成，连续的浇筑点归为一组；定位设备的方位；当设备方位与规划方位之间的偏差超出偏差允许范围时，调整设备方位，使所述偏差处于偏差允许范围内；依次沿每个浇筑件的浇筑路径进行浇注控制；当完成当前浇筑区域内的所有浇注任务后，关闭混凝土输送泵装置，并控制机械臂回到安全姿态。

Description

一种混凝土布料机及其控制方法

技术领域

本发明涉及建筑施工领域，更具体地说，涉及一种混凝土布料机及其控制方法。

背景技术

目前传统混凝土布料机大多为半自动化的机械装置，需要设备操作人员拉动或操作布料机臂架移动，布料人员人工摆动出料软管布料，凭经验预测浇筑用量和目测实际浇筑量。由于凭经验预测浇筑用量偏差较大，且设备操作人员与布料人员无法保持协同一致，导致浇筑用量与实际浇筑量偏差较大，混凝土堆积不均匀，需要大量人工进行混凝土括平，浇筑效率低，浇筑质量不可控，出现混凝土浪费。同时，混凝土模板结构支撑体系具有不稳定性，易发生人员安全事故。

为提升混凝土浇筑的自动化水平，现有技术提出了如下技术构思：事先规划好混凝土浇筑施工任务(包括对混凝土布料机的放置位置、浇筑路径、浇注点位浇筑量等的规划)，然后让混凝土布料机按规划好的施工任务自动作业，减少人工参与，提高混凝土施工质量和施工效率，降低人员安全事故。但其难点在于，针对易受外部环境影响的混凝土和易性及混凝土计量，以及复杂多样的业务场景、建筑施工环境和施工工艺，如何才能让混凝土布料机按规划好的施工任务自动作业。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种混凝土布料机及其控制方法，以实现混凝土布料机能够按事先规划好的混凝土浇筑施工任务自动化精准作业。

一种混凝土布料机控制方法，包括：

接收事先规划好的混凝土浇筑施工任务；所述混凝土浇筑施工任务中包含浇筑区域规划、浇筑区域内的设备方位规划、浇筑区域内每一浇筑件的浇筑路径规划以及浇注点的规划浇筑量；任一浇筑件的浇筑路径都由多个浇筑点组成，连续的浇筑点归为一组；

定位混凝土布料机的方位；当混凝土布料机方位与规划方位之间的偏差超出偏差允许范围时，调整混凝土布料机的方位，使所述偏差处于偏差允许范围内；

依次沿每个浇筑件的浇筑路径进行浇注控制；

当完成当前浇筑区域内的所有浇注任务后，关闭混凝土输送泵装置，并控制机械臂回到安全姿态；

其中，沿任一浇筑件的浇筑路径进行浇注控制，具体包括：

控制机械臂末端执行器移动到第一组浇注点的起始点位；

降低混凝土流量计量装置的阻尼器的阻尼系数以打开混凝土输送管道，发送启动指令给混凝土输送泵装置，并监控混凝土输送泵装置传回的状态以及混凝土流量计装置传送过来的流量信息；

判断当前浇注点位的流量是否达到规划浇注量，未达到则继续在当前点位浇注；

当当前浇注点位的流量达到规划浇注量时，发送运动控制指令给混凝土浇注机械臂装置，控制末端执行器移动到下一个浇注点位，移动过程中出料口继续出料，末端执行器从当前浇注点位移动到下一个浇注点位过程中所浇注的混凝土量计入下一个浇注点位的浇注量；

当当前一组浇注点浇注完成后，如果还有下一组浇注点，则发送暂停指令给混凝土输送泵，并加大混凝土流量计量装置的阻尼器的阻尼系数以封闭混凝土输送管道，控制末端执行器移动到下一组浇注点的起始点位，按上述流程依次浇注。

可选的，在控制末端执行器移动到下一个浇注点位的过程中，还包括：

在末端执行器到达下一个浇注点位前，若下一个浇注点位浇注量已经达到规划浇注量的预设百分比，判断从当前浇注点位移动到下一个浇注点位过程中所浇注的混凝土量是否超过规划浇注量，如果超出则降低混凝土输送泵装置的输送速率；当混凝土输送泵装置的输送速率不能再降低时，在末端执行器移动到下一个浇注点位后，把超出的浇注量在下下一个浇筑点位规划浇注量里进行扣除。

可选的，控制末端执行器移动到任一浇注点，包括：

根据机械臂的机械结构制定DH参数表；

依据所述DH参数表，以及机械臂关节当前角度或行程，采用正运动学算法计算末端执行器的实际位置；

根据所述DH参数表和末端执行器的目标位置，采用逆运动学算法反算出机械臂的N个自由度的多组解，所述解即为N个自由度的角度或行程，然后从计算得到的多组解中确定最优解；N≥2；

根据最优解对机械臂进行路径规划；

按路径规划控制机械臂。

可选的，在进行正运动学算法计算和逆运动学算法反算的过程中，对所述偏差进行偏差补偿。

可选的，控制末端执行器移动到下一个浇注点位的过程中，还包括：

判断混凝土布料机是否工作异常，若是，控制混凝土布料机暂停工作，并启动报警装置进行预警。

可选的，所述判断混凝土布料机是否工作异常，包括：实时拍摄混凝土浇注状态，再通过人工智能图像算法判断混凝土浇注施工是否溢出模板，若是，判定混凝土布料机工作异常。

可选的，所述判断混凝土布料机是否工作异常，包括：在机械臂运动过程中对浇筑区域内非规划范围内的物体进行监测，若预测到会发生碰撞事故，判定混凝土布料机工作异常。

一种混凝土布料机，包括：浇注控制器、混凝土输送泵装置、混凝土浇注机械臂装置、混凝土流量计量装置和定位装置；所述控制器上存储有程序，所述程序运行时执行上述公开的任一种混凝土布料机控制方法。

从上述的技术方案可以看出，本发明在布置好设备所在的地理位置和设备放置的方向后，依据混凝土浇注施工任务进行工作，实时获取混凝土流量计装置反馈的流量信息，发送指令给混凝土浇注机械臂装置，使之按照指令控制机械臂的布料口沿浇注路径进行移动，在需要暂停混凝土放料情况下或需要重新工作时，发指令给混凝土输送泵装置，暂停混凝土输送和启动混凝土输送等协同控制。从而，本发明实现了混凝土布料机按事先规划好的混凝土浇筑施工任务自动化精准作业。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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他的附图。

图1为本发明实施例公开的一种混凝土布料机控制方法流程图；

图2为本发明实施例公开的一种混凝土布料机控制系统结构示意图；

图3为某一浇筑件的浇筑点分组示意图；

图4为本发明实施例公开的一种控制末端执行器移动到任一浇注点的方法流程图。

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，本发明实施例公开了一种混凝土布料机控制方法，包括：

步骤S01：接收事先规划好的混凝土浇筑施工任务。

具体的，在控制初始，首先把事先规划好的混凝土浇筑施工任务导入到混凝土布料机的浇注控制器1中(参见图2)，浇注控制器1是混凝土布料机的“大脑”，负责接收该浇注施工任务，监控与浇注控制器1相连的各装置的状态，控制各装置协同工作，自动完成混凝土浇筑施工任务。

图2示出了混凝土布料机的整体结构，包括：浇注控制器1、混凝土输送泵装置2、混凝土浇注机械臂装置3、混凝土流量计量装置4和定位装置5。

下面，对与浇注控制器1相连的上述各装置的结构、功能简要介绍如下：

1)混凝土输送泵装置2

混凝土输送泵装置2主要由泵体和输送管组成，其位于混凝土输送管道前端，是一种利用压力将混凝土沿管道连续输送的机械。泵体主要由液压驱动装置、压力传感器、速度传感器、比例传感器和混凝土输送动力控制器组成；混凝土输送动力控制器控制液压驱动装置工作，同时接收各传感器传回的信息。混凝土输送动力控制器与浇注控制器1连接通信(例如采用CAN总线连接通信)，在任务浇筑开始、结束和分组切换等过程中接收浇注控制器1对设备状态(启动、暂停和停止)、输送速度(在机械臂末端执行器移动速度与流量不匹配状态下，控制混凝土输送泵装置降低或提高输送功率)和液压输送比例等的控制命令，并实时反馈当前设备运行信息，包括设备状态、管道压力、输送速度、输送比例等信息。混凝土输送泵装置2与浇注控制器1不是共用一套电源，在任意一方断电情况下导致通信连接断开，各方都要暂停工作。

2)混凝土浇注机械臂装置3

混凝土浇注机械臂装置3主要由N自由度(N≥2，常见为四自由度)机械臂机械结构(简称机械臂)、液压动力系统、混凝土输送管道、配重平衡块和控制器组成。通过N自由度机械臂机械结构中的连杆和关节的协同运动，控制出料口沿浇注路径移动，实现混凝土输送到不同区域的浇筑点位上。

3)混凝土流量计量装置4

混凝土流量计量装置4位于混凝土浇注机械臂装置3的出料口末端，具体位于出料口软管上方，用于实时计量混凝土输送泵装置2推送过来的管道内混凝土流量，并实时把统计的流量(包括累计流量、瞬时流量等信息)进行上传。并且，混凝土流量计量装置4带阻尼器，能够打开/封闭混凝土输送管道，具体的：通过减小混凝土流量计量装4的阻尼器的阻尼系数，能够打开混凝土输送管道；加大混凝土流量计量装置4的阻尼器的阻尼系数，可以封闭混凝土输送管道。

混凝土流量的精准度受外部环境影响较多，如混凝土配比、运输时间、输送泵功率、输送管道长度、温度、湿度等，因此，浇注控制是以混凝土流量计量装置4测得的混凝土流量为基础进行浇注控制的，无需再由人工目测实际浇筑量。

4)定位装置5

定位装置5用于对设备的位置和设备放置的方向进行定位。

在对设备的位置进行定位时，可使用UWB(Ultra Wide Band，超宽带)无线通信定位技术，通过在建筑外轮廓放置多个定位基站，用建筑结构平面图确定建筑坐标系来测量出每个定位基站的安装坐标(x,y,z)，混凝土浇注机械臂装置3的基坐中心位置放置1个定位标签，基于飞行时间测距法和三角定位法来确定当前设备的位置。在对设备放置的方向进行定位时，可通过方向传感器(例如电子罗盘)来确定当前设备放置的方向。

在简要介绍完上述各装置的结构、功能后，再对所述混凝土浇筑施工任务做如下简要介绍：混凝土浇筑施工任务可以由人工制定，也可以由混凝土浇筑规划系统基于建筑结构图和混凝土布料机的基本信息等自动生成，并不局限。混凝土浇筑施工任务中包含有：浇筑区域规划、浇筑区域内的设备方位规划(设备方位包括设备位置和设备放置的方向)、浇筑区域内每一浇筑件的浇筑路径规划(任一浇筑件的浇筑路径都由多个浇筑点组成，连续的浇筑点为一组；例如图3所示，某一浇筑件的浇筑点分为三组，第一组有连续的5个浇筑点，第二组有连续的10个浇筑点，第三组有1个浇筑点；浇筑路径规划中还设置有浇注点坐标)、浇注点的体积、浇注点的规划浇筑量(即结合混凝土流体力学计算出的点位浇注量)、基坐标系(机械臂基坐标系以混凝土布料机基座中心点为坐标原点)、任务坐标系(任务坐标系位于混凝土布料机基座的一个角上例如左上角上，又可称为固定坐标系、世界坐标系或通用坐标系；任务坐标系是混凝土浇筑规划系统的默认坐标系，机械臂所有的运动都是相对于任务坐标系来执行的)、建筑结构图、空间约束条件、静态障碍物模型等关键数据。

步骤S02：定位设备的方位；当设备方位与规划方位之间的偏差超出偏差允许范围时，调整设备方位，使所述偏差处于偏差允许范围内。

具体的，在浇筑开始前，首先要由人工将设备吊放到设备规划位置。但是在人工自认为将设备吊放到设备规划位置后，由于人工吊放位置(即设备实际位置)与设备规划位置难免有偏差(记为偏差1)，当该偏差超出偏差允许范围时，机械臂臂架的有效工作区域不能覆盖施工作业区域，需要调整设备位置，使之吊放在偏差允许范围内。

同时，还要对设备的放置方向进行标定，混凝土浇筑规划系统的建筑结构平面图默认为世界坐标系统。人工放置方向难免有偏差，需要确定设备放置方向，当设备放置方向与设备规划放置方向之间的偏差(记为偏差2)超出偏差允许范围时，调整设备放置方向，使之在偏差允许范围内。其中，设备位置的定位、设备放置方向确定分别由定位装置5和方向传感器实现。

另外，在后续对机械臂沿浇筑件的浇注路径进行浇注控制的过程中需要进行由基坐标系到任务坐标系的变换，即便偏差1和偏差2在偏差允许范围内，也要对设备位置坐标和方向进行偏差补偿，以避免机械臂运动的点位坐标与浇筑施工任务的点位坐标有偏差而无法精准控制点位布料，所以即便偏差1和偏差2在偏差允许范围内时也需要记录偏差1和偏差2的大小。

步骤S03：依次沿每个浇筑件的浇筑路径进行浇注控制。

具体的，浇注控制需要依赖混凝土浇注机械臂装置3、混凝土输送泵装置2和混凝土流量计量装置4实现混凝土流量监控、机械臂运动控制和混凝土输送泵控制等功能实现。浇注控制以混凝土浇注总量控制为前提，实现精准控制浇注点位和浇注量，达到总量可控、混凝土堆积均匀不溢出。依据浇注施工任务的分组浇注路径、浇注点规划浇注量、分组总浇注量、运动规划信息、设备规划坐标及实际设备位置偏差数据等作为基础，协调控制各装置进行混凝土浇注施工。

其中，沿任一浇筑件的浇注路径进行浇注控制，具体包括：

控制机械臂末端执行器移动到第一组浇注点的起始点位；

降低混凝土流量计量装置4的阻尼器的阻尼系数以打开混凝土输送管道，发送启动指令给混凝土输送泵装置，并监控混凝土输送泵装置传回的状态以及混凝土流量计装置传送过来的流量信息；

判断当前浇注点位的流量是否达到规划浇注量，未达到则继续在当前点位浇注；

当当前浇注点位的流量达到规划浇注量时，发送运动控制指令给混凝土浇注机械臂装置，由混凝土浇注机械臂装置控制末端执行器移动到下一个浇注点位，移动过程中出料口继续出料，末端执行器从当前浇注点位移动到下一个浇注点位过程中所浇注的混凝土量计入下一个浇注点位的浇注量；

当当前一组浇注点浇注完成后，如果还有下一组浇注点，则发送暂停指令给混凝土输送泵，并加大混凝土流量计量装置4的阻尼器的阻尼系数以封闭混凝土输送管道，控制末端执行器移动到下一组浇注点的起始点位，按上述流程依次浇注；也即是说，在分组任务切换流程时，在末端执行器移动到下一组任务的起始位置前，此时是不需要混凝土流出的，需要暂停混凝土输送泵装置，又由于此时机械臂管道内还存有混凝土，受机械臂关节姿态变化和重力影响会流出地面，所以通过流量控制模块发送混凝土流量计装置的制动系数，间接控制混凝土管道的开关。

可选的，在由混凝土浇注机械臂装置控制末端执行器移动到下一个浇注点位的过程中，还包括：浇注控制装置(浇注控制器)以当前浇注点位的浇注量和时间计算平均流量，在末端执行器到达下一个浇注点位前，若下一个浇注点位浇注量已经达到规划浇注量的预设百分比(例如70％)，则判断以当前移动速度和剩下的距离的关系计算所需要的移动时间，再乘以平均流量得出的浇注量(也即从当前浇注点位移动到下一个浇注点位过程中所浇注的混凝土量)是否超过规划浇注量，如果超出则降低混凝土输送泵装置的输送速率。当混凝土输送泵装置的输送速率不能再进一步降低(即没有降低空间)时，在末端执行器移动到下一个点位后，把超出的浇注量在下下一个浇筑点位规划浇注量里进行扣除。

步骤S04：当完成当前浇筑区域内的所有浇注任务后，关闭混凝土输送泵装置，并控制机械臂回到安全姿态(即折叠状态)。

可选的，仍参见图2，在上述公开的任一实施例中，混凝土布料机的整体结构还包括：安全警示装置8。在混凝土布料机工作异常(例如通信连接断开等)时，浇筑控制器1控制混凝土布料机暂停工作，并启动报警装置8进行预警。可选的，安全警示装置8安装于控制箱上方，主要由三色报警指示灯和喇叭等组成。

另外，凝土浇注施工溢出模板、即将发生碰撞事故等也属于混凝土布料机工作异常。

可选的，仍参见图2，混凝土布料机的整体结构还包括：图像处理模块6，主要由广角摄像头、监控算法实现组成，所述广角摄像头安装于机械臂小臂浇注口上方，能够提供较大的视角以利于实时查看混凝土浇注状态。由于不同的建筑结构件内的钢筋预埋件的密度不同，钢筋较密集部分在混凝土浇注过程中容易出去堵卡现象，导致混凝土浇注量未达到时就溢出模板。通过摄像头实时传回的图像，由浇注控制装置进行人工智能图像算法分析，实时判断混凝土浇注施工是否溢出模板。当发现混凝土溢出模板时，浇注控制装置会控制混凝土布料机暂停浇筑，并启动报警装置进行预警。

其中，人工智能图像识别原理如下：使用一定数量的标注混泥土浇注施工过程的溢出异常情景照片作为训练样本，输入到基于深度学习网络的机器视觉模型中，经过多轮次训练后，得到可以识别混凝土溢出模板的人工智能程序，该程序通过接入的网络相机采集布料机工作场景的实时视频图像，自动识别布料过程中混泥土溢出模板的情况，并报出溢出点在场景中的位置，实现对浇注过程的监控。

自动布料机的中控系统收到布料过程监控程序的溢出异常数据后，将溢出点的区域(坐标与区域长宽)几何信息进行对应的转换，与布料方案中点位数据进行比对，并依据混泥土的流动特性，进一步核实溢出与否，布料机决策系统将依据最终结果采取对应的措施。

可选的，仍参见图2，为保证末端执行器移动过程的安全，混凝土布料机的整体结构还包括：障碍检测装置7。障碍检测装置7负责机械臂在运动过程中对区域内非规划范围内的物体(例如动态障碍物)进行监测，以避免碰撞事故。可选的，障碍检测装置7包括7个超声波传感器，这7个超声波传感器的安装位置为：3个臂架的中心点两边各一个，出料口上方一个。

举个例子：超声波测距模块触发信号后发射超声波，当超声波投射到物体而反射回来时，模块输出回响信号，以触发信号和回响信号间的时间差，来判定物体的距离。当机械臂运动过程中，7个超声波传感器在七个方向进行实时检测并把信号传给浇注控制装置1决策，当任意一个超声波传感器检测到障碍物在1m距离时，浇注控制装置1会控制混凝土布料机暂停浇筑工作，并启动报警装置进行预警。

本发明实施例执行过程中设置多任务优先级，具体为：任务调度主要是协调任务对计算机系统资源的争夺使用。对系统资源非常匮乏的嵌入式系统来说，任务调度尤为重要，它直接影响到系统的实时性能。为保证人员和设备安全，可以保证重要的突发事件及时得到处理。对每个任务设计优先级，任务越重要，赋予的优先级应越高。障碍物检测>浇注状态监控>浇注控制。

其中，参见图4，在上述公开的任一实施例中，控制末端执行器移动到任一浇注点，具体包括：

步骤S101：根据机械臂的机械结构制定DH参数表。

具体的，以四自由度机械臂为例，四自由度机械臂每个连杆都可以用4个运动学参数描述，其中两个参数用于描述连杆本身，另两个参数用于描述连杆之间的连接关系。通常，对于机械臂的转动关节，θ_i为关节变量，其他三个连杆参数是固定不变的，这种用连杆参数描述机械臂的机械机构关系的规则称为DH(英文全称为Denavit-Hartenberg)方法。

DH参数是一种描述连杆坐标系的方法。以6关节的机械臂为例，对于6关节的机械臂，混凝土布料机械臂建立连杆坐标系步骤如下：

a)找出各关节轴，并标出这些轴线的延长线，仅考虑两个相邻的轴线(关节轴i和i+1)。

b)找出关节轴i和i+1之间的公垂线或关节轴i和i+1的交点，以关节轴i和i+1的交战或公垂线与关节轴i的交战作为连杆坐标系{i}的原点。

c)规定Zi轴沿关节轴i的指向。

d)规定Xi轴沿公垂线的指向，如果关节轴i和i+1相交，则规定Xi轴垂直于关节轴i和i+1所有的平面。

e)按照右手定则确定Yi轴。

f)当第一个关节变量为0时，规定连杆坐标系{0}和连杆坐标系{1}重合。对于连杆坐标系{N}，其原点和XN的方向可以任意选取。但是在选取时，尽量使连杆参数为0。

步骤S102：依据所述DH参数表，以及机械臂关节当前角度或行程，采用正运动学算法计算末端执行器的实际位置。

具体的，正运动学是一个计算机械臂末端执行器位置和姿态的静态几何问题，给定一组关节角的值，计算机械臂的末端执行器相对基坐标系的位置和姿态。通过已经定义连杆坐标系和相应的连杆参数，就能直接建立正运动学方程。由DH参数表中给出的连杆参数值可以计算出各个连杆变换矩阵，把这些连杆变换矩阵连乘就能得到一个连杆坐标系{N}相对于基坐标系的变换矩阵

变换矩阵

是关于N个关节变量的函数。在浇筑施工任务执行中，混凝土浇注机械臂装置3中的控制器获取浇注机械臂装置的姿态(关节角的值)，机械臂末端连杆在笛卡儿坐标系里的位置和姿态就能通过

计算出来。

步骤S103：根据所述DH参数表和末端执行器的目标位置，采用逆运动学算法反算出机械臂的N个自由度的多组解，所述解即为N个自由度的角度或行程，然后从计算得到的多组解中确定最优解。

具体的，逆运动学是给定机械臂末端执行器相对基坐标系的位置和姿态，计算所有可达给定相对基坐标系的位置和姿态的关节角。逆运动学与正运动学刚好相反，但逆运动学更复杂，机械臂的运动学正、逆求解实质是机械臂关节空间与工作空间之间的非线性映射关系，两者可相互转换。基于机械臂的工作空间，判断机械臂的期望位置和姿态在这个工作空间内，至少存在一个解，工作空间指机械臂末端执行器所能到达的范围。

在求解运动学方程时可能多解问题，机械臂具有多个关节，机械臂末端执行器的目标位置对应机械臂多个姿态。机械臂逆运动学求解方法可采用封闭解和数值解两大类，其中封闭解类型又分为代数解法和几何解法。在计算出多个解后，系统最终只能选择一个解，本发明实施例取最优解。

从多解中选择一个最优解，最优解必须满足空间约束和最近解，任务空间(即空间约束)指浇筑施工任务的安全边界(限高、限低和建筑施工区域的边界)，最近解指每一个运动关节的运动量最小。通过机械臂逆运动学求解后的多个解的位置和关节姿态，依次判断是否在空间约束范围内，即可排除不满足安全空间限制的解，再依次计算各解对应的姿态(关节)的运动最小找到最优解。如找不到解则系统暂时工作，并发出警报。

机械臂正运动学计算机械臂的末端执行器相对基坐标系的位置和姿态，最终须统一换算到任务坐标系，结合设备定位标定的偏差信息(偏差1和偏差2)，通过坐标系空间转换得到末端执行器相对任务坐标系的位置和姿态。同样，在机械臂逆运动学计算中，基坐标系与任务坐标系转换映射中，必须结合设备定位标定的偏差信息进行转换。

步骤S104：根据最优解对机械臂进行路径规划。

具体的，通过机械臂的期望目标点，结合机械臂的模型、任务空间(空间约束，任务空间是机械臂工作空间的子集)、区域内所有静态障碍模型以及业务要求(机械臂在同一组浇注点连续浇筑过程中，末端执行器不能超出混凝土支持模板范围外)，自行决定所需的中间点的数量和位置以使机械臂到达目标而不碰到任何障碍。简单来说，根据最优解对机械臂进行路径规划，就是按应用场景、空间约束、障碍物规划等，得到机械臂移动的路径、速度、加速度、力矩等。

举个例子，基于业务要求对机械臂路径规具体可以是：进行空间约束路径规划、机械臂基座支撑架路径规划和楼梯路径规划。

其中，所述空间约束路径规划是指：在每组浇筑点完成后，需要移动到下一组起始浇注点时，判断两点之间的直线是否与约束空间的安全边界相交，出现相交情况则说明机械臂末端执行器直线到达期望目标位置存在障碍，可按任务坐标系中(x,y)平面坐标系作两点的延长线，在两条延长线相交点增加中间点，机械臂末端执行器先直线运动到中间点，再直线运动到目标点位置。

所述机械臂基座支撑架路径规划是指：在对机械臂基座下方浇注点浇注时，由于基座支撑架形成一定的空间约束(机械臂基座支撑架障碍)，通过判断任务坐标系中(x,y)平面坐标系下的机械臂基座矩形面积，在浇注施工任务的分组任务完成或开始时，对当前机械臂末端执行器的位置的任务坐标系的Z轴方向插入中间点，高度大于机械臂基座支架的高度即可，再直线运动到下一组的起始浇筑点。

所述楼梯路径规划是指：在进行楼梯浇筑时，由于楼梯的浇注点的Z轴低于空间约束的水平线，在浇注任务完成时，对当前机械臂末端执行器的位置的任务坐标系的Z轴方向插入中间点，高度大于空间约束的水平线即可，再直线运动到下一组的起始浇筑点。

机械臂在多维空间中的期望运动，每个自由度的位置、速度和加速度的时间历程，满足浇筑施工任务的浇注点的时间约束条件。通过指定运动的时间属性，在路径描述中指定各中间点之间的时间间隔。由于机械臂在运动到中间点后速度并不会停止，要定义一个连续的且具有连续一阶导数的平滑函数或连续的二阶导数。为避免笨拙、急速的运动会加剧机构的磨损，激起机械臂共振，须在各中间点之间对路径的空间和时间特性添加一些限制条件。

具体方法可以是应用逆运动学解出对应于目标位置和姿态的各个关节角。机械臂的初始位置是已知的，并用一组关节角进行描述，确定每个关节的运动函数，其在t₀时刻的值为该关节的初始位置，在t_f时刻的值为该关节的期望目标位置，有多种平滑函数θ(t)均可用于对关节角进行插值，例如三次多项式、用于具有中间点的路径的三次多项式、高次多项式(五次多项式)和带有抛物线过渡的线性函数(抛物线轨迹)等。

步骤S105：按路径规划控制机械臂。

具体的，在计算出各关节角度后，发给浇注机械臂装置，由它控制各轴对应的液压比例阀去执行，在此间期间，通过反馈系统去消除一些控制误差。在实际过程中由于地球引力、惯量、摩擦力、关节反作用力、重心、载荷不同等因素干扰，机械臂在执行过程中容易出现抖动、假死、突然加速等不可控状态，动力学的引入允许我们更快、更精确地跟随需要的轨迹。通过欧拉-拉格朗日方程、雅可比矩阵提前计算这些因素，基于准确的动力学模型准确控制关节的加速度，从而准确控制末端执行器的加速度，让机械臂能平稳的执行浇注任务。

由以上描述可以看出，本发明实施例在布置好设备所在的地理位置和设备放置的方向，依据混凝土浇注施工任务进行工作，实时获取混凝土流量计装置2反馈的流量信息，发送指令给混凝土浇注机械臂装置3，使之按照指令控制机械臂的布料口沿浇注路径进行移动，在需要暂停混凝土放料情况下或需要重新工作时，发指令给混凝土输送泵装置，暂停混凝土输送和启动混凝土输送等协同控制。从而，本发明实现了混凝土布料机按事先规划好的混凝土浇筑施工任务自动化精准作业。

与上述方法实施例相对应的，本发明实施例还公开了一种混凝土布料机，其特征在于，包括：浇注控制器、混凝土输送泵装置、混凝土浇注机械臂装置、混凝土流量计量装置和定位装置；所述控制器上存储有程序，所述程序运行时执行上述公开的任一种混凝土布料机控制方法。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的混凝土布料机的控制器而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

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实施例的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明实施例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 (8)

1.一种混凝土布料机控制方法，其特征在于，包括：

接收事先规划好的混凝土浇筑施工任务；所述混凝土浇筑施工任务中包含浇筑区域规划、浇筑区域内的设备方位规划、浇筑区域内每一浇筑件的浇筑路径规划以及浇注点的规划浇筑量；任一浇筑件的浇筑路径都由多个浇筑点组成，连续的浇筑点归为一组；

定位混凝土布料机的方位；当混凝土布料机的方位与规划方位之间的偏差超出偏差允许范围时，调整混凝土布料机的方位，使所述偏差处于偏差允许范围内；

依次沿每个浇筑件的浇筑路径进行浇注控制；

当完成当前浇筑区域内的所有浇注任务后，关闭混凝土输送泵装置，并控制机械臂回到安全姿态；

其中，沿任一浇筑件的浇筑路径进行浇注控制，具体包括：

控制机械臂末端执行器移动到第一组浇注点的起始点位；

降低混凝土流量计量装置的阻尼器的阻尼系数以打开混凝土输送管道，发送启动指令给混凝土输送泵装置，并监控混凝土输送泵装置传回的状态以及混凝土流量计装置传送过来的流量信息；

判断当前浇注点位的流量是否达到规划浇注量，未达到则继续在当前点位浇注；

当当前浇注点位的流量达到规划浇注量时，发送运动控制指令给混凝土浇注机械臂装置，控制末端执行器移动到下一个浇注点位，移动过程中出料口继续出料，末端执行器从当前浇注点位移动到下一个浇注点位过程中所浇注的混凝土量计入下一个浇注点位的浇注量；

当当前一组浇注点浇注完成后，如果还有下一组浇注点，则发送暂停指令给混凝土输送泵，并加大混凝土流量计量装置的阻尼器的阻尼系数以封闭混凝土输送管道，控制末端执行器移动到下一组浇注点的起始点位，按上述流程依次浇注。

2.根据权利要求1所述的混凝土布料机控制方法，其特征在于，在控制末端执行器移动到下一个浇注点位的过程中，还包括：

在末端执行器到达下一个浇注点位前，若下一个浇注点位浇注量已经达到规划浇注量的预设百分比，则判断从当前浇注点位移动到下一个浇注点位过程中所浇注的混凝土量是否超过规划浇注量，如果超出则降低混凝土输送泵装置的输送速率；当混凝土输送泵装置的输送速率不能再进一步降低时，在末端执行器移动到下一个浇注点位后，把超出的浇注量在下下一个浇筑点位规划浇注量里进行扣除。

3.根据权利要求1或2所述的混凝土布料机控制方法，其特征在于，控制末端执行器移动到任一浇注点，包括：

根据机械臂的机械结构制定DH参数表；

依据所述DH参数表，以及机械臂关节当前角度或行程，采用正运动学算法计算末端执行器的实际位置；

根据所述DH参数表和末端执行器的目标位置，采用逆运动学算法反算出机械臂的N个自由度的多组解，所述解即为N个自由度的角度或行程，然后从计算得到的多组解中确定最优解；N≥2；

根据最优解对机械臂进行路径规划；

按路径规划控制机械臂。

4.根据权利要求3所述的混凝土布料机控制方法，其特征在于，在进行正运动学算法计算和逆运动学算法计算的过程中，对所述偏差进行偏差补偿。

5.根据权利要求1所述的混凝土布料机控制方法，其特征在于，控制末端执行器移动到下一个浇注点位的过程中，还包括：

判断混凝土布料机是否工作异常，若是，控制混凝土布料机暂停工作，并启动报警装置进行预警。

6.根据权利要求5所述的混凝土布料机控制方法，其特征在于，所述判断混凝土布料机是否工作异常，包括：实时拍摄混凝土浇注状态，再通过人工智能图像算法判断混凝土浇注施工是否溢出模板，若是，判定混凝土布料机工作异常。

7.根据权利要求5所述的混凝土布料机控制方法，其特征在于，所述判断混凝土布料机是否工作异常，包括：在机械臂运动过程中对浇筑区域内非规划范围内的物体进行监测，若预测到会发生碰撞事故，判定混凝土布料机工作异常。

8.一种混凝土布料机，其特征在于，包括：浇注控制器、混凝土输送泵装置、混凝土浇注机械臂装置、混凝土流量计量装置和定位装置；所述控制器上存储有程序，所述程序运行时执行权利要求1～7中任一项所述的混凝土布料机控制方法。

Images