CN114483119A - 拼装机定位抓取管片的方法、拼装机及掘进机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种拼装机定位抓取管片的方法、拼装机及掘进机，所述方法包括以下步骤：使拼装机成功定位抓取标准管片；使拼装机释放标准管片，且携带其上设置的相机沿X轴正向移动第一距离阈值，沿Z轴正向移动第二距离阈值，到达标准拍摄位，使相机拍摄标准管片作为标准图像，并记录驱动拼装机运动的各油缸在此时的标准伸缩参数；使各油缸恢复至初始状态；使各油缸从初始状态按照标准伸缩参数伸缩，到达标准拍摄位，使相机拍摄实时管片作为实时图像；将实时图像与标准图像进行比对，调整拼装机在Y轴的坐标，使拼装机在Y轴的坐标与实时管片在Y轴的坐标一致；使拼装机从当前位置移动至准确抓取位，以抓取实时管片。本发明可提高管片抓取效率。

Description

拼装机定位抓取管片的方法、拼装机及掘进机

技术领域

本发明涉及掘进技术领域，尤其涉及一种拼装机定位抓取管片的方法、拼装机及掘进机。

背景技术

在一些相关技术中，拼装机操作主要依赖作业人员(拼装手)依靠人眼观测来遥控操作拼装机的轴向平移、周向旋转、径向伸缩以及管片抓取盘的横摇、俯仰、偏转等动作，从而使拼装机的抓取部对准管片的被抓取部实现抓取。作业人员为实现较为精准的观测，需在拼装机外侧作业区不断找取对正点，不断控制遥控器调整拼装机各维度的动作，操作繁琐且效率低下。

发明内容

本发明的一些实施例提出一种拼装机定位抓取管片的方法、拼装机及掘进机，用于缓解定位抓取效率低的问题。

在本发明的一个方面，提供一种拼装机定位抓取管片的方法，包括以下步骤：

S10：使拼装机成功定位抓取标准管片，此时，所述拼装机所在的位置为标准抓取位，建立OXYZ坐标系，X轴与具有所述拼装机的掘进机的掘进方向平行，Y轴垂直于X轴，且Y轴与X轴位于同一水平面，Z轴垂直于X轴和Y轴，且Z轴为竖直方向；

S20：使所述拼装机释放所述标准管片，且使所述拼装机携带其上设置的相机沿X轴正向移动第一距离阈值，沿Z轴正向移动第二距离阈值，到达标准拍摄位，使所述相机拍摄所述标准管片作为标准图像，并记录驱动所述拼装机运动的各油缸在此时的标准伸缩参数；

S30：使所述各油缸恢复至初始状态；

S40：使所述各油缸从所述初始状态按照所述标准伸缩参数伸缩，到达标准拍摄位，然后使所述相机拍摄实时管片作为实时图像；

S50：将所述实时图像与所述标准图像进行比对，调整所述拼装机在Y轴的坐标，使所述拼装机在Y轴的坐标与所述实时管片在Y轴的坐标一致；以及

S60：使所述拼装机从当前位置移动至准确抓取位，以抓取所述实时管片。

在一些实施例中，所述标准管片上设有用于被所述拼装机抓取的被抓取部，所述被抓取部的两侧分别设有定位孔，所述相机在所述标准拍摄位时，所述相机、所述被抓取部和两个所述定位孔形成与水平面垂直的平面，且所述标准图像中具有所述被抓取部和两个所述定位孔。

在一些实施例中，所述步骤S60中，使所述拼装机从当前位置移动至准确抓取位，包括：

使所述拼装机沿X轴负向移动第一距离，所述第一距离小于所述第一距离阈值；

使所述拼装机沿Z轴负向移动，直至所述拼装机在Z轴上到达所述准确抓取位；以及

使所述拼装机继续沿X轴负向移动，直至所述拼装机在X轴上到达所述准确抓取位。

在一些实施例中，所述使所述拼装机沿Z轴负向移动，直至所述拼装机在Z轴上到达所述准确抓取位，包括：使所述拼装机在沿Z轴负向移动的过程中，通过设置在所述拼装机上的第一传感器进行检测，直至所述第一传感器的检测值等于所述步骤S10中，所述拼装机在所述标准抓取位时所述第一传感器的检测值。

在一些实施例中，所述使所述拼装机继续沿X轴负向移动，直至所述拼装机在X轴上到达所述准确抓取位，包括：在所述拼装机沿X轴负向继续移动的过程中，直至所述拼装机上设置的第二传感器检测到所述实时管片上设置的用于被所述拼装机抓取的被抓取部。

在一些实施例中，所述初始状态包括所述各油缸行程为零的状态。

在一些实施例中，所述拼装机沿所述X轴的移动通过直线运动实现；所述拼装机沿所述Y轴的移动通过旋转运动实现；所述拼装机沿所述Z轴的移动通过直线运动实现。

在一些实施例中，所述实时管片上设有用于被所述拼装机抓取的被抓取部，所述被抓取部的两侧分别设有定位孔，所述实时图像中具有所述被抓取部和两个所述定位孔。

在一些实施例中，在所述步骤S40与所述步骤S30之间还包括步骤S31：通过所述相机采集所述实时管片的信息，并传送给控制系统，所述控制系统将所述实时管片的信息与其内的预置信息进行比对，在所述实时管片的信息与所述预置信息一致时，控制执行所述步骤S40，在所述实时管片的信息与所述预置信息不一致时，发出警示。

在一些实施例中，所述实时管片的信息包括所述实时管片的类型、所述实时管片的放置方向或所述实时管片的轮廓。

在本发明的另一个方面，提供一种拼装机，被配置为实现上述的拼装机定位抓取管片的方法。

在本发明的另一个方面，提供一种掘进机，包括上述的拼装机。

基于上述技术方案，本发明至少具有以下有益效果：

在一些实施例中，通过标准图像与实时图像的比对，实现拼装机抓取管片时的自动定位抓取，改进相关技术中依靠人员手动遥控操作的作业方式，提高拼装机抓取管片的效率及质量，改善隧道掘进工作人员的工作境况，并为实现完全自动化的管片拼装作业做技术准备。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为根据本发明一些实施例提供的拼装机的结构示意图；

图2为根据本发明一些实施例提供的拼装机的局部放大示意图；

图3为根据本发明一些实施例提供的拼装机上设置的相机、传感器和光电开关的位置示意图；

图4为根据本发明一些实施例提供的相机拍摄标准图像的俯视示意图；

图5为根据本发明一些实施例提供的夹持板相对实时管片自动调平的示意图；

图6为根据本发明一些实施例提供的拼装机定位抓取管片的方法的流程示意图；

图7为根据本发明一些实施例提供的拼装机定位抓取管片的方法的总流程示意图；

图8为根据本发明一些实施例提供的实时管片信息识别的流程示意图；

图9为根据本发明一些实施例提供的获取实时管片的实时图像的流程示意图；

图10为根据本发明一些实施例提供的根据标准图像和实时图像比对实现抓取部与被抓取部对准的流程示意图；

图11为根据本发明一些实施例提供的抓取部对准被抓取部后实现实时管片抓取的操作流程示意图；

图12为根据本发明一些实施例提供的实时图像与标准图像对比求解Y方向上位移偏差的示意图；

图13为根据本发明一些替代方案实施例提供的拼装机定位抓取管片的方法的流程示意图。

附图中标号说明如下：

1-举重钳臂；2-夹持板；3-轴向平移机构；4-径向伸缩机构；5-周向旋转机构；6-俯仰机构；7-偏转机构；8-相机；9-光电开关；10-测距传感器；11-相机支架；12-管片；13-被抓取部；14-定位孔；15-标准图像；16-实时图像；D-位移偏差。

应当明白，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。此外，相同或类似的参考标号表示相同或类似的构件。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。对示例性实施例的描述仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。本发明可以以许多不同的形式实现，不限于这里所述的实施例。提供这些实施例是为了使本发明透彻且完整，并且向本领域技术人员充分表达本发明的范围。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、材料的组分、数字表达式和数值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。

本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指在该词前的要素涵盖在该词后列举的要素，并不排除也涵盖其他要素的可能。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

在本发明中，当描述到特定器件位于第一器件和第二器件之间时，在该特定器件与第一器件或第二器件之间可以存在居间器件，也可以不存在居间器件。当描述到特定器件连接其它器件时，该特定器件可以与所述其它器件直接连接而不具有居间器件，也可以不与所述其它器件直接连接而具有居间器件。

本发明使用的所有术语(包括技术术语或者科学术语)与本发明所属领域的普通技术人员理解的含义相同，除非另外特别定义。还应当理解，在诸如通用字典中定义的术语应当被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义相一致的含义，而不应用理想化或极度形式化的意义来解释，除非这里明确地这样定义。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

掘进机是用于开凿隧道的设备。掘进机包括管片拼装机(下文简称拼装机)，拼装机又被叫做举重臂，为一种安置在盾尾部可以快速的将管片进行拼装固定的起重设备。拼装机的功能就是将管片快速准确的安装到刚刚开挖好的隧道表面，用来支护隧道表面，防止地下水的渗透与地表的沉降。

参考图1和图2，在一些实施例中，拼装机包括举重钳臂1、夹持板2、轴向平移机构3、径向伸缩机构4、周向旋转机构5、俯仰机构6、偏转机构7、相机8、光电开关9、测距传感器10和相机支架11。

轴向平移机构3包括平行于掘进机掘进方向的导轨。周向旋转机构5包括环形件，导轨穿过环形件。环形件包括与导轨滑动连接的第一环形件，以及与第一环形件旋转连接的第二环形件，第二环形件被配置为围绕导轨旋转。径向伸缩机构4设于第二环形件，径向伸缩机构4驱动连接举重钳臂1，以使举重钳臂1沿竖直方向移动。夹持板2设于举重钳臂1。

夹持板2上设有用于抓取管片的抓取部，夹持板2能够沿导轨移动，能够围绕导轨转动，且能够相对于导轨竖直移动。参考图3，夹持板2设有开口，光电开关9设于夹持板2且位于开口的侧边。测距传感器10设于夹持板2。

参考图3，相机8通过相机支架11设于举重钳臂1。相机8的视角斜向下，用于管片抓取时定位管片上的被抓取部。

俯仰机构6和偏转机构7均设于举重钳臂1，俯仰机构6被配置为控制夹持板2的俯仰运动。偏转机构7被配置为控制夹持板2相对于举重钳臂1的回转运动。

轴向平移机构3、径向伸缩机构4、周向旋转机构5、俯仰机构6和偏转机构7均分别包括提供动力的油缸。

在一些相关技术中，拼装机操作主要依赖作业人员(拼装手)依靠人眼观测来遥控操作拼装机的轴向平移、周向旋转、径向伸缩以及管片抓取盘的横摇、俯仰、偏转等动作，从而使拼装机的抓取部对准管片的被抓取部实现抓取。作业人员为实现较为精准的观测，需在拼装机外侧作业区不断找取对正点，不断控制遥控器调整拼装机各维度的动作，操作繁琐且效率低下。

基于此，本公开一些实施例提出一种拼装机定位抓取管片的方法、拼装机及掘进机，用于缓解定位抓取效率低的问题。

图6是根据本发明拼装机定位抓取管片的方法的一些实施例的流程示意图。参考图6，在一些实施例中，拼装机定位抓取管片的方法包括以下步骤：

S10：使拼装机成功定位抓取标准管片，此时，拼装机所在的位置为标准抓取位，建立OXYZ坐标系，X轴与具有拼装机的掘进机的掘进方向平行，Y轴垂直于X轴，且Y轴与X轴位于同一水平面，Z轴垂直于X轴和Y轴，且Z轴为竖直方向；

S20：使拼装机释放标准管片，且使拼装机携带其上设置的相机沿X轴正向移动第一距离阈值，沿Z轴正向移动第二距离阈值，到达标准拍摄位，使相机拍摄标准管片作为标准图像，并记录驱动拼装机运动的各油缸在此时的标准伸缩参数；

S30：使各油缸恢复至初始状态；

S40：使各油缸从初始状态按照标准伸缩参数伸缩，到达标准拍摄位，然后使相机拍摄实时管片作为实时图像；

S50：将实时图像与标准图像进行比对，调整拼装机在Y轴的坐标，使拼装机在Y轴的坐标与实时管片在Y轴的坐标一致；以及

S60：使拼装机从当前位置移动至准确抓取位，以抓取实时管片。

上述实施例中，通过标准图像与实时图像的比对，实现拼装机抓取管片时的自动定位抓取，改进相关技术中依靠人员手动遥控操作的作业方式，提高拼装机抓取管片的效率及质量，改善隧道掘进工作人员的工作境况，并为实现完全自动化的管片拼装作业做技术准备。

参考图4，在一些实施例中，标准管片上设有用于被拼装机抓取的被抓取部13，被抓取部的两侧分别设有定位孔14，相机在标准拍摄位时，相机8、被抓取部13和两个定位孔14形成与水平面垂直的平面，且标准图像中具有被抓取部13和两个定位孔14。

相机在标准拍摄位时，相机8、被抓取部13和两个定位孔14在水平面的投影位于同一直线，且该直线与掘进方向平行。

可选地，被抓取部13包括扣头螺栓。定位孔14包括销孔或螺栓孔，可以为管片上自带的孔。

在一些实施例中，步骤S60中，使拼装机从当前位置移动至准确抓取位，包括：

使拼装机沿X轴负向移动第一距离，第一距离小于第一距离阈值；

使拼装机沿Z轴负向移动，直至拼装机在Z轴上到达准确抓取位；以及

使拼装机继续沿X轴负向移动，直至拼装机在X轴上到达准确抓取位。

在一些实施例中，使拼装机沿Z轴负向移动，直至拼装机在Z轴上到达准确抓取位，包括：使拼装机在沿Z轴负向移动的过程中，通过设置在拼装机上的第一传感器进行检测，直至第一传感器的检测值等于步骤S10中，拼装机在标准抓取位时第一传感器的检测值。

可选地，第一传感器包括测距传感器。通过设置在拼装机上的测距传感器检测测距传感器与实时管片之间的距离，直至测距传感器的检测值等于步骤S10中，拼装机在标准抓取位时测距传感器检测的测距传感器与标准管片之间的距离。

可选地，第一传感器包括压阻传感器，通过设置在拼装机上的压阻传感器检测压阻传感器与实时管片之间的压力值，直至压阻传感器的检测值等于步骤S10中，拼装机在标准抓取位时压阻传感器检测的压阻传感器与标准管片之间的压力值。

在一些实施例中，使拼装机继续沿X轴负向移动，直至拼装机在X轴上到达准确抓取位，包括：在拼装机沿X轴负向继续移动的过程中，直至拼装机上设置的第二传感器检测到实时管片上设置的用于被拼装机抓取的被抓取部。

可选地，第二传感器包括光电开关，在拼装机沿X轴负向继续移动的过程中，直至拼装机上设置的光电开关检测到实时管片上设置的用于被拼装机抓取的被抓取部。

可选地，第二传感器包括接触开关，在拼装机沿X轴负向继续移动的过程中，直至拼装机上设置的接触开关检测到实时管片上设置的用于被拼装机抓取的被抓取部。

在一些实施例中，初始状态包括各油缸行程为零的状态，但不限于该状态。

在一些实施例中，拼装机沿X轴的移动通过直线运动实现；拼装机沿Y轴的移动通过旋转运动实现；拼装机沿Z轴的移动通过直线运动实现。

在一些实施例中，实时管片上设有用于被拼装机抓取的被抓取部，被抓取部的两侧分别设有定位孔，实时图像中具有被抓取部和两个定位孔。

可选地，管片12(包括实时管片和标准管片)的被抓取部13包括扣头螺栓。定位孔14包括销孔。

在一些实施例中，在步骤S40与步骤S30之间还包括步骤S31：通过相机采集实时管片的信息，并传送给控制系统，控制系统将实时管片的信息与其内的预置信息进行比对，在实时管片的信息与预置信息一致时，控制执行步骤S40，在实时管片的信息与预置信息不一致时，发出警示。

在一些实施例中，实时管片的信息包括实时管片的类型、实时管片的放置方向或实时管片的轮廓等。

标准管片是指管片的放置方向正确，类型信息准确，符合拼装要求。实时管片的信息符合要求则可作为标准管片。

参考图3，在一些实施例中，拼装机上设有相机8、测距传感器10和光电开关9。光电开关9设于夹持板2开口的一侧，用于检测管片上的被抓取部是否到达开口处。测距传感器10布置于拼装机的夹持板2的侧面，在夹持板2的靠近掘进方向的一侧设置两个测距传感器10，在夹持板2的非掘进方向的一侧设置两个测距传感器10，四个测距传感器10用于管片辅助抓取时测量夹持板2与管片之间的距离，也可用于调整夹持板2的姿态，使其与管片表面平行(参考图5)。

为便于描述，建立可供参考的管片拼装机坐标系，沿掘进机掘进方向为X轴正向；视角朝向掘进方向，左手方向为Y轴正向；竖直向上为Z轴正向。

基于上述实施例，拼装机定位抓取管片的方法包括以下步骤：

1、首先控制拼装机实现标准管片的成功定位和抓取，此位置可作为标准抓取位，获取拼装机在标准抓取位时，四个测距传感器的测距读数，记为L(四个测距传感器的测量值应在一定阈值范围内一致)。

2、拍摄标准管片的标准图像A，参见图4

相机在标准抓取位沿坐标系两个方向先后移动固定距离(沿X轴正向和Z轴正向分别对应移动第一距离阈值M和第二距离阈值N)，此位置记为标准拍摄位，并拍摄标准图像。

另外，定义：拼装机的轴向平移机构、径向伸缩机构、轴向旋转机构、俯仰机构、偏转机构等机构油缸行程为零时的状态为拼装机的各油缸的初始状态。根据拼装机的各油缸在标准拍摄位的伸缩参数相对于各油缸的初始状态，可获得拼装机的各油缸的位移行程，为标准伸缩参数。

标准图像要求能够拍摄到标准管片的被抓取部及被抓取部两侧的两个定位孔。要求标准图像中被抓取部以及其两侧的两个定位孔在管片内表面的中心，且处于同一条直线上。更好地，标准图像中被抓取部的位置尽量位于图像的几何中心位置。参考图4，在标准拍摄位时，在标准管片12和相机8的俯视图中，被抓取部13以及其两侧的两个定位孔14，以及相机8在同一直线上，且与X轴平行。

3、获取实时管片的实时图像B

拼装机获取控制系统发出的开始工序指令后，拼装机的各油缸复位至初始状态，使拼装机处于初始状态；

各油缸复位到位后，按照控制系统中预存的标准伸缩参数，控制拼装机的各油缸动作，使拼装机位于标准拍摄位；

在标准拍摄位获取实时管片的实时图像B，实时图像B中具有实时管片的内表面的被抓取部及被抓取部两侧的定位孔。

4、图像处理及对比

使用图像处理方法对实时图像B进行处理，提取出被抓取部及两个定位孔等特征，实时图像B与标准图像A中被抓取部及两个定位孔的特征进行对比，并解算出两者之间的差异参数，再通过相机的内参矩阵和焦距等参数解算出拼装机周向旋转机构需要移动的位移参数。

解算出的参数发给控制系统，控制系统控制拼装机周向旋转机构运动，到位后，重新获取管片的实时图像，重新进行图像处理，重新进行误差解算，重新控制拼装机周向旋转机构动作，重复进行此过程直到误差消除为零或达到设定阈值范围之内。此时可以保证相机的水平投影的中线与被抓取部及两个定位孔的连线共线。

5、拼装机实现管片抓取

1)拼装机沿X轴负方向移动2M/3；

2)沿Z轴的负方向持续下降并根据四个测距传感器的参数控制拼装机的径向伸缩机构、夹持板的俯仰机构、夹持板的偏转机构，使得四个测距传感器的检测值保持一定阈值范围内的一致，以使夹持板相对于管片的内表面平行；持续下降至四个测距传感器读数为L为止，参见图5。

3)拼装机轴向平移机构动作，拼装机再沿X轴负方向移动，平移至管片上的被抓取部触发夹持板上的光电接近开关，触发信号发送至控制系统；

4)控制系统发送指令，拼装机平移油缸动作，平移指定距离(光电开关安装位置固定，被触发后，被抓取部到达准确抓取位置的距离也是一定的)，使拼装机的抓取部平移至准确抓取位置；

5)抓取部拉紧油缸动作，拉紧管片，完成管区辅助定位抓取过程，并反馈信号给控制系统。

本公开实施例通过视觉和图像处理技术辅助计算拼装机的抓取部相对于实时管片的被抓取部需要修正的各个维度的位移参数，然后控制拼装机各维度的动作机构动作，结合现场工况设置合适的工序流程，实现拼装机对于实时管片的自动化抓取。

本公开实施例可实现拼装机对管片的自动定位及抓取动作，解放管片拼装作业人员的劳动力，提高管片拼装的效率。

下面结合附图7至12，详细描述拼装机定位抓取管片的方法的具体流程。

参考图7，拼装机定位抓取管片的方法的总体流程包含以下几个步骤：

步骤1：标准图像的获取及特征处理；

步骤2：拼装机复位；

步骤3：实时管片类型及基本状态识别；

步骤4：获取实时管片内表面的实时图像；

步骤5：图像处理及控制参数解算；实现拼装机的抓取部与实时管片上的被抓取部的对准(即两点Y值一致)；

步骤6：拼装机实现实时管片抓取；

步骤7：判断是否抓取成功，如果抓取成功，则进行管片拼装，如果抓取不成功，则返回步骤2。

在一些实施例中，步骤1：标准图像的获取及特征处理，具体包括以下步骤：

步骤11：首先控制拼装机实现标准管片的成功定位，控制拼装机的抓取部成功抓取标准管片的被抓取部，将拼装机夹持板的此位置作为标准抓取位。

步骤12：获取标准抓取位时四个测距传感器的测距读数记为L。

步骤13：控制拼装机轴向平移机构使拼装机夹持板沿X轴正向移动第一距离阈值M，然后控制径向伸缩机构使拼装机夹持板沿Z轴正向移动第二距离阈值N，记此位置为标准拍摄位，并拍摄标准图像A。

其中，M，N根据实际经验进行确定。

标准图像要求能够拍摄到标准管片的被抓取部及被抓取部两侧的两个定位孔，同时要求三者中心的连线所在直线与标准图像的两侧边沿垂直。(先预定好相机俯仰位置，然后不断移动拼装机，寻找满足标准图像要求的第一距离阈值M和第二距离阈值N)。同时要求被抓取部位于标准图像的中心位置(便于特征识别、后续的图像对比及误差解算)。

定义：拼装机的轴向平移机构、径向伸缩机构、轴向旋转机构、俯仰机构、偏转机构等机构油缸行程为零时拼装机的状态为拼装机的初始状态，也是各油缸的初始状态。

其中，将标准拍摄位与拼装机的初始状态进行比对，拼装机各执行机构的位移行程可知(拼装机各油缸均有行程编码器或类似装置)，控制系统中预存标准拍摄位与初始状态之间各执行机构的标准位移参数。

在一些实施例中，步骤2：拼装机复位，具体包括：在实际的拼装作业中，当拼装机接收到掘进机控制系统发出的管片拼装工序开始指令后，拼装机的各执行机构(油缸)复位至初始状态(零位)，使拼装机处于初始状态。

在一些实施例中，参考图8，步骤3：实时管片类型及基本状态识别，具体包括：

拼装机复位至初始状态后，向控制系统发出到位信号：

控制系统控制向相机下发识别管片类型及基本状态的信号，相机识别管片上预制的带有类型和方向信息的标识码或识别管片轮廓信息，并进行相关信息处理后，向控制系统进行信息反馈；

控制系统将相机的反馈信息与其内的预置信息进行比对，以判断相机的反馈信息是否正确(控制系统内预置有管片类型及基本状态信息)；

若控制系统判断管片类型及基本状态信息正确，则控制系统下发进行下一工序的信号；

若控制系统判断管片类型及基本状态信息不正确，则控制系统发出声光报警信号，提示管片类型或基本状态信息错误，中断现有工序；

现场作业人员进行管片修正；

修正结束后作业人员按下复位按钮，控制系统重新向相机下发识别管片类型及基本状态的信号。

上述实施例中，管片基本状态包括管片的摆放位置和摆放方位等。

在一些实施例中，参考图9，步骤4：获取实时管片内表面的实时图像，具体包括：

管片类型及基本状态识别工序完成后，控制系统向拼装机下发“获取实时管片内表面的实时图像”的工序指令。

拼装机接收到指令后开始执行如下动作：

1)处于复位状态的拼装机按照控制系统中预存的标准拍摄位的点位信息，控制拼装机各执行机构(油缸)动作，使相机位于标准拍摄位。

其中，拼装机进行管片拼装作业时实时管片放置位置一般较为固定，在获取标准图像的过程中定位的标准拍摄位能够保证相机可获取实时管片的实时图像。

拼装机各执行机构(油缸)动作包括：轴向平移机构按照控制系统下方的标准拍摄位的位移参数进行动作；径向伸缩机构按照控制系统下方的标准拍摄位的位移参数进行动作；周向旋转机构按照控制系统下方的标准拍摄位的位移参数进行动作。

2)拼装机动作至标准拍摄位后，控制系统给相机下发拍摄指令。

3)相机获取实时管片内表面带有被抓取部和两个定位孔特征的图像，作为实时图像。

在一些实施例中，参考图10，步骤5：图像处理及控制参数解算，实现拼装机的抓取部与实时管片上的被抓取部的对准，具体包括：

相机获取实时管片的实时图像信息后，拼装机控制系统开始利用视觉方法解算各执行机构需修复的偏差参数，然后控制执行机构动作，具体实施方法如下：

1)使用图像处理方法对实时图像B进行处理，提取出被抓取部和两个定位孔等特征；

2)对比实时图像中的特征位置与标准图像中的特征位置存在的差异；

3)结合相机的内参矩阵和焦距等已设定好的参数解算出特征之间在Y轴上的位移偏差D；其中，实时图像与标准图像对比求解Y轴上的位移偏差D，参考图12；

4)以位移偏差的90％为控制量换算拼装机周向旋转机构需要进行的周向位移量；

5)控制系统向拼装机下发周向旋转机构的动作指令及其需动作的位移量；

6)周向旋转机构完成动作；

7)获取相机此时所处位置的新的实时管片内表面的实时图像；

8)进行图像处理，判断被抓取部、两个定位孔的中心所连成的直线是否与整个图像两侧边沿垂直；

即保证相机和管片的俯视图中，相机所处位置位于“过三者连线并垂直于管片内表面的平面上”，即相机实现了对三者的对准操作，即保证了管片夹持板下的抓取部对管片上的被抓取部的对准操作，即俯视图中被抓取部、两个定位孔、抓取部、相机均处于坐标系中Y＝0所在平面上。

9)若不垂直，则重新执行步骤1)至步骤8)；

10)若垂直或在可接受的设定误差阈值范围内垂直，则对准操作结束，实现抓取部与被抓取部的对准操作。

在一些实施例中，参见图11，步骤6：拼装机实现实时管片抓取，具体包括：

经过抓取部和被抓取部在空间坐标系Y维度上的对准操作后(即其空间坐标Y均一致)，拼装机开始执行管片抓取操作。具体流程如下：

1)拼装机通过轴向平移机构动作实现沿X轴负方向移动2M/3；

2)拼装机通过径向平移机构动作实现沿Z轴负方向持续下降P，P为步进距离，P小于L；

3)根据四个测距传感器的参数控制拼装机的径向伸缩机构、夹持板的俯仰机构、夹持板的偏转机构，调平夹持板；

4)通过四个测距传感器的读数，判断四个测距传感器的读数是否一致，如果不一致，则继续通过径向伸缩机构、夹持板的俯仰机构、夹持板的偏转机构对夹持板进行调平；

5)如果一致，则进一步判断四个测距传感器的读数是否在一定阈值范围内为L，如果不在一定阈值范围内为L则返回步骤2)控制径向平移机构继续下降P；

6)如果四个测距传感器的读数在一定阈值范围内为L，则表示夹持板与管片内表面处于相对平行状态，且夹持板与实时管片的距离在一定阈值范围内等于标准抓取位时夹持板与标准管片之间的距离；

7)拼装机轴向平移机构动作，拼装机再沿X轴负方向移动，平移过程中，判断实时管片的被抓取部是否触发光电开关，如果光电开关没有被触发，则继续沿X轴负方向移动，如果光电开关被触发，则将触发信号发送至控制系统；

8)控制系统发送指令，拼装机轴向平移机构动作，平移指定距离K，(光电开关安装位置固定，光电开关被被抓取部触发后,此时移动了1M/3，抓取部到达准确抓取位置的距离也是一定的，此距离为K，在标准抓取位可获得)，此时抓取部平移至准确抓取位置；

9)抓取部拉紧油缸动作，拉紧实时管片的被抓取部，完成管区辅助定位抓取过程，并反馈信号给控制系统；

10)控制系统进一步判断是否实现成功抓取，如果成功抓取，则判断抓取成功，如果没有成功抓取，则继续调整抓取部和被抓取部在空间坐标系Y维度上的对准。

在一些实施例中，测距仪器也可以采用支撑条座的压阻传感器代替。

在拼装机抓取部实现与被抓取部的对准，以及进行管片抓取工作的操作过程中，测距传感器的作用主要是实现夹持板的调平操作，故可采用在夹持板下方的两个支撑条座中设置多个压阻类传感器的方式实现夹持板的调平。

在一些实施例中，光电开关也可以采用接触开关替代。

在拼装机抓取部实现与被抓取部的对准，以及进行管片抓取工作的操作过程中，光电开关也可以采用接触开关替代。

参考图13，在一些替代方案实施例中，拼装机定位抓取管片的方法包括以下步骤：

1)抓取部与被抓取部对准(抓取部和被抓取部在空间坐标系Y维度上的对准)；

2)拼装机轴向平移机构沿X轴负方向移动2M/3；

3)拼装机径向伸缩机构沿Z轴负方向伸出；

4)判断夹持板支撑条座是否接触管片，也就是判断压阻传感器是否有触发值；如果没有触发值，则返回步骤3)，如果触发，则进行步骤5)；

5)夹持板俯仰机构、偏转机构根据多个压阻传感器的反馈值制定动作实现夹持板调平；

6)判断夹持板是否调平(支撑条座内多个压阻传感器的压力反馈值是否在一定范围内一致)，如果不一致则返回步骤5)，如果一致则继续步骤7)；

7)拼装机轴向平移机构沿X轴负方向移动；

8)判断接触开关是否触发，如果没有触发，则返回步骤7)，如果触发，则进行步骤9)；

9)抓取部拉紧被抓取部实现管片抓取；

10)判断是否实现成功抓取；如果没有成功抓取则返回步骤1)。如果成功抓取则判断抓取成功。

本公开实施例提供了拼装机的抓取定位装置，同时给出其对管片进行定位抓取时偏差的修正方法，实现拼装机对管片的自动定位及抓取动作，一定程度上提高管片拼装的效率，改善隧道掘进施工人员的工作境况，并为实现自动化的管片拼装提供技术储备。

一些实施例还提供了一种拼装机，其被配置为实现上述的拼装机定位抓取管片的方法。

一些实施例还提供了一种掘进机，其包括上述的拼装机。

掘进机包括隧道掘进机，例如：硬岩隧道掘进机(TBM)和软地层隧道掘进机(盾构机)等。

基于上述本发明的各实施例，在没有明确否定的情况下，其中一个实施例的技术特征可以有益地与其他一个或多个实施例相互结合。

虽然已经通过示例对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改或者对部分技术特征进行等同替换。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims (12)

1.一种拼装机定位抓取管片的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S10：使拼装机成功定位抓取标准管片，此时，所述拼装机所在的位置为标准抓取位，建立OXYZ坐标系，X轴与具有所述拼装机的掘进机的掘进方向平行，Y轴垂直于X轴，且Y轴与X轴位于同一水平面，Z轴垂直于X轴和Y轴，且Z轴为竖直方向；

S20：使所述拼装机释放所述标准管片，且使所述拼装机携带其上设置的相机沿X轴正向移动第一距离阈值，沿Z轴正向移动第二距离阈值，到达标准拍摄位，使所述相机拍摄所述标准管片作为标准图像，并记录驱动所述拼装机运动的各油缸在此时的标准伸缩参数；

S30：使所述各油缸恢复至初始状态；

S40：使所述各油缸从所述初始状态按照所述标准伸缩参数伸缩，到达标准拍摄位，然后使所述相机拍摄实时管片作为实时图像；

S50：将所述实时图像与所述标准图像进行比对，调整所述拼装机在Y轴的坐标，使所述拼装机在Y轴的坐标与所述实时管片在Y轴的坐标一致；以及

S60：使所述拼装机从当前位置移动至准确抓取位，以抓取所述实时管片。

2.如权利要求1所述的拼装机定位抓取管片的方法，其特征在于，所述标准管片上设有用于被所述拼装机抓取的被抓取部，所述被抓取部的两侧分别设有定位孔，所述相机在所述标准拍摄位时，所述相机、所述被抓取部和两个所述定位孔形成与水平面垂直的平面，且所述标准图像中具有所述被抓取部和两个所述定位孔。

3.如权利要求1所述的拼装机定位抓取管片的方法，其特征在于，所述步骤S60中，使所述拼装机从当前位置移动至准确抓取位，包括：

使所述拼装机沿X轴负向移动第一距离，所述第一距离小于所述第一距离阈值；

使所述拼装机沿Z轴负向移动，直至所述拼装机在Z轴上到达所述准确抓取位；以及

使所述拼装机继续沿X轴负向移动，直至所述拼装机在X轴上到达所述准确抓取位。

4.如权利要求3所述的拼装机定位抓取管片的方法，其特征在于，所述使所述拼装机沿Z轴负向移动，直至所述拼装机在Z轴上到达所述准确抓取位，包括：使所述拼装机在沿Z轴负向移动的过程中，通过设置在所述拼装机上的第一传感器进行检测，直至所述第一传感器的检测值等于所述步骤S10中，所述拼装机在所述标准抓取位时所述第一传感器的检测值。

5.如权利要求3所述的拼装机定位抓取管片的方法，其特征在于，所述使所述拼装机继续沿X轴负向移动，直至所述拼装机在X轴上到达所述准确抓取位，包括：在所述拼装机沿X轴负向继续移动的过程中，直至所述拼装机上设置的第二传感器检测到所述实时管片上设置的用于被所述拼装机抓取的被抓取部。

6.如权利要求1所述的拼装机定位抓取管片的方法，其特征在于，所述初始状态包括所述各油缸行程为零的状态。

7.如权利要求1所述的拼装机定位抓取管片的方法，其特征在于，所述拼装机沿所述X轴的移动通过直线运动实现；所述拼装机沿所述Y轴的移动通过旋转运动实现；所述拼装机沿所述Z轴的移动通过直线运动实现。

8.如权利要求1所述的拼装机定位抓取管片的方法，其特征在于，所述实时管片上设有用于被所述拼装机抓取的被抓取部，所述被抓取部的两侧分别设有定位孔，所述实时图像中具有所述被抓取部和两个所述定位孔。

9.如权利要求1所述的拼装机定位抓取管片的方法，其特征在于，在所述步骤S40与所述步骤S30之间还包括步骤S31：通过所述相机采集所述实时管片的信息，并传送给控制系统，所述控制系统将所述实时管片的信息与其内的预置信息进行比对，在所述实时管片的信息与所述预置信息一致时，控制执行所述步骤S40，在所述实时管片的信息与所述预置信息不一致时，发出警示。

10.如权利要求9所述的拼装机定位抓取管片的方法，其特征在于，所述实时管片的信息包括所述实时管片的类型、所述实时管片的放置方向或所述实时管片的轮廓。

11.一种拼装机，其特征在于，被配置为实现如权利要求1至10任一项所述的拼装机定位抓取管片的方法。

12.一种掘进机，其特征在于，包括如权利要求11所述的拼装机。

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