CN114505862A - 一种建筑3d打印移动机械臂站位规划方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种建筑3D打印移动机械臂站位规划方法及系统。该方法包括建立3D打印移动机械臂系统的坐标系；根据3D打印移动机械臂系统的坐标系确定3D打印移动机械臂系统的运动学模型；根据运动学模型，确定速度方向可操作度指标，并根据速度方向可操作度指标构建单次作业的优化函数；以移动平台的站位空间和性态约束为约束条件，在不同类型墙体中采用遗传算法对优化函数进行求解，确定移动平台的最优站位；本发明能够在建筑3D打印移动机械臂打印过程中规避机械臂奇异点、提高机械臂的传速性能和提高站位规划效率。

Description

一种建筑3D打印移动机械臂站位规划方法及系统

技术领域

本发明涉及建筑3D打印技术领域，特别是涉及一种建筑3D打印移动机械臂站位规划方法及系统。

背景技术

建筑3D打印被定义为利用打印喷嘴对可凝固建筑材料进行选择性分层叠加的一种建造方法，是一种融合了建筑设计、计算机、机器人、材料等多学科的新兴建造技术，相较传统建筑施工方式，建筑3D打印技术减少了多道传统的筑造工序，有效减少装配零件数量，降低了制造、设备、材料、人工、库存成本，具有节能环保、高效安全等优势。

传统建筑3D打印机械臂应具有灵活空间可扩展性强等优点，若采用多机器人协同作业来增大工作空间，其不仅会大大增加经济成本，而且基座固定的机器人安装方式会给现场施工带来巨大的不便，并且空间扩展灵活性也会受到限制。针对以上问题，近年来诸多学者与高校将建筑3D打印机械臂与移动平台结合并在此领域有逐步的研究。要实现整个民用建筑的3D打印过程，在单堵墙打印完成后，由此移动平台将机械臂移动至下一堵墙附近进行3D打印作业，从而完成整个民用建筑的建造。此移动平台在空间中的位置被称为站位。现如今关于建筑3D打印移动机械臂站位规划还是依靠人工根据现场情况进行移动平台的站位布置，而产生移动平台站位移动次数多、机械臂的传速性能低、机械臂打印过程中遇到奇异点、整体打印精度低和效率低等问题，从而难以达到最优的站位规划。因此，亟需提供一种建筑3D打印移动机械臂站位规划方法或系统以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种建筑3D打印移动机械臂站位规划方法及系统，能够在建筑3D打印移动机械臂打印过程中规避机械臂奇异点、提高机械臂的传速性能和提高站位规划效率。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种建筑3D打印移动机械臂站位规划方法，建筑3D打印移动机械臂系统包括：机械臂、移动平台以及打印工具；所述机械臂的基座固定在所述移动平台上，所述打印工具固定在所述机械臂末端的法兰上；所述方法包括：

建立3D打印移动机械臂系统的坐标系；所述3D打印移动机械臂系统的坐标系包括：车体坐标系、机械臂基坐标系、机械臂各连杆坐标系、法兰坐标系、打印工具坐标系以及墙体坐标系；所述车体坐标系的x轴与所述机械臂基坐标系的x轴共线；所述车体坐标系的z轴正方向与所述机械臂基坐标系的z轴正方向平行且竖直向上；所述车体坐标系的y轴与所述机械臂基坐标系的y轴均通过右手法则确定；

根据3D打印移动机械臂系统的坐标系确定3D打印移动机械臂系统的运动学模型；并根据运动学模型以及3D打印工作任务确定移动平台的站位空间；所述3D打印工作任务包括：机械臂的基座安装高度、移动平台尺寸、打印工具尺寸以及民用建筑物高度的尺寸；

根据运动学模型，确定速度方向可操作度指标，并根据速度方向可操作度指标构建单次作业的优化函数；单次作业的优化函数以单次作业中所有任务点的速度方向可操作度指标数值最小为优化目标；

以移动平台的站位空间和性态约束为约束条件，在不同类型墙体中采用遗传算法对优化函数进行求解，确定移动平台的最优站位；所述移动平台的最优站位为优化函数的解；墙体类型包括：一字墙体、直角墙体、圆弧墙体以及T型墙体；性态约束为打印工具坐标系的原点与墙体所有的任务点重合。

可选地，所述根据3D打印移动机械臂系统的坐标系确定3D打印移动机械臂系统的运动学模型；并根据运动学模型以及3D打印工作任务确定移动平台的站位空间，具体包括：

根据机械臂基坐标系、机械臂各连杆坐标系以及改进的DH参数法建立机械臂的正运动学模型和逆运动学模型；

根据墙体坐标系在车体坐标系下的位姿，按照坐标变换的原则，确定第一变换矩阵；

根据工具坐标系以及墙体坐标系确定第二变换矩阵；

根据机械臂的正运动学模型、确定第一变换矩阵以及第二变换矩阵确定3D打印移动机械臂系统的运动学模型。

可选地，所述根据3D打印移动机械臂系统的坐标系确定3D打印移动机械臂系统的运动学模型；并根据运动学模型以及3D打印工作任务确定移动平台的站位空间，具体还包括：

利用机械臂的逆运动学模型对3D打印移动机械臂系统的运动学模型进行校验。

可选地，所述根据运动学模型，确定速度方向可操作度指标，并根据速度方向可操作度指标构建单次作业的优化函数，具体包括：

根据机械臂末端的操作速度与机械臂各关节速度确定机械臂的雅可比矩阵；

根据机械臂的雅可比矩阵和机械臂末端的操作速度确定速度方向可操作度；

根据速度方向可操作度进行规范化，确定速度方向可操作度指标；

根据速度方向可操作度指标构建单次作业的优化函数。

可选地，所述遗传算法为Matlab遗传算法工具箱。

一种建筑3D打印移动机械臂站位规划系统，建筑3D打印移动机械臂系统包括：机械臂、移动平台以及打印工具；所述机械臂的基座固定在所述移动平台上，所述打印工具固定在所述机械臂末端的法兰上；所述系统包括：

坐标系建立模块，用于建立3D打印移动机械臂系统的坐标系；所述3D打印移动机械臂系统的坐标系包括：车体坐标系、机械臂基坐标系、机械臂各连杆坐标系、法兰坐标系、打印工具坐标系以及墙体坐标系；所述车体坐标系的x轴与所述机械臂基坐标系的x轴共线；所述车体坐标系的z轴正方向与所述机械臂基坐标系的z轴正方向平行且竖直向上；所述车体坐标系的y轴与所述机械臂基坐标系的y轴均通过右手法则确定；

运动学模型和站位空间确定模块，用于根据3D打印移动机械臂系统的坐标系确定3D打印移动机械臂系统的运动学模型；并根据运动学模型以及3D打印工作任务确定移动平台的站位空间；所述3D打印工作任务包括：机械臂的基座安装高度、移动平台尺寸、打印工具尺寸以及民用建筑物高度的尺寸；

优化函数构建模块，用于根据运动学模型，确定速度方向可操作度指标，并根据速度方向可操作度指标构建单次作业的优化函数；单次作业的优化函数以单次作业中所有任务点的速度方向可操作度指标数值最小为优化目标；

最优站位确定模块，用于以移动平台的站位空间和性态约束为约束条件，在不同类型墙体中采用遗传算法对优化函数进行求解，确定移动平台的最优站位；所述移动平台的最优站位为优化函数的解；墙体类型包括：一字墙体、直角墙体、圆弧墙体以及T型墙体；性态约束为打印工具坐标系的原点与墙体所有的任务点重合。

可选地，所述运动学模型和站位空间确定模块具体包括：

正运动学模型和逆运动学模型确定单元，用于根据机械臂基坐标系、机械臂各连杆坐标系以及改进的DH参数法建立机械臂的正运动学模型和逆运动学模型；

第一变换矩阵确定单元，用于根据墙体坐标系在车体坐标系下的位姿，按照坐标变换的原则，确定第一变换矩阵；

第二变换矩阵确定单元，用于根据工具坐标系以及墙体坐标系确定第二变换矩阵；

运动学模型确定单元，用于根据机械臂的正运动学模型、确定第一变换矩阵以及第二变换矩阵确定3D打印移动机械臂系统的运动学模型。

可选地，所述运动学模型和站位空间确定模块具体还包括：

运动学模型校验单元，用于利用机械臂的逆运动学模型对3D打印移动机械臂系统的运动学模型进行校验。

可选地，所述优化函数构建模块具体包括：

雅可比矩阵确定单元，用于根据机械臂末端的操作速度与机械臂各关节速度确定机械臂的雅可比矩阵；

速度方向可操作度确定单元，用于根据机械臂的雅可比矩阵和机械臂末端的操作速度确定速度方向可操作度；

速度方向可操作度指标确定单元，用于根据速度方向可操作度进行规范化，确定速度方向可操作度指标；

优化函数构建单元，用于根据速度方向可操作度指标构建单次作业的优化函数。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明所提供的一种建筑3D打印移动机械臂站位规划方法及系统，首先建立整个系统的运动学模型，再结合系统运动学模型与具体的3D打印工作任务确定移动平台的站位空间，接着应用灵巧性指标中的速度方向可操作度指标，建立系统执行单次作业的优化函数，最后针对民用建筑中常见的四种类型墙体基于遗传算法在整个站位空间中搜寻移动平台的最优站位使得系统在执行3D打印任务时所有任务点中最小的速度方向可操作度也能达到最优；通过应用机械臂运动学工作空间理论，结合建筑领域的工艺约束要求，利用系统运动学实现了单次有效建筑作业单元的可达性分析，从而极大减少了移动机械臂的站位移动次数，使得机器人的作业效率得到显著提升。使用速度方向可操作度指标来进行建筑3D打印移动机械臂的站位规划，可以提高机械臂工具末端沿工作方向的运动能力，而且通过优化可以使机械臂以较小的关节速度，使打印工具获得特定方向上的较大运动速率，提高机械臂的传速性能。使用遗传算法在整个站位空间中搜寻移动平台的最优站位，能够跳出局部最优而找到全局最优点，使结果更具有准确性与高效性，解决了依靠人工根据现场情况进行移动平台的站位布置而使得移动平台站位移动次数多、机械臂的传速性能低、机械臂打印过程中遇到奇异点、整体打印精度低和效率低等问题。即有效地解决了移动机械臂系统在执行建筑3D打印任务时依靠人工进行移动平台站位规划存在的工作量大、移动平台移动站位次数多、机械臂的传速性能低、工作中出现灵巧性不好等问题。

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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的一种建筑3D打印移动机械臂站位规划方法流程示意图；

图2为本发明提供的建筑3D打印移动机械臂系统结构示意图以及系统各坐标系关系图；

图3为本发明提供的KUKA KR90 R3100型机械臂可达工作空间云朵图；

图4为本发明提供的考虑约束后移动机械臂系统实际工作范围示意图；

图5为本发明提供的速度方向可操作度示意图；

图6为本发明提供的民用建筑实例的平面结构示意图；

图7为本发明提供的单次作业任务四种墙体类型俯视图；

图8为本发明提供的针对一字墙体作业任务建筑3D打印移动机械臂系统的最优站位示意图；

图9为本发明提供的针对直角墙体作业任务建筑3D打印移动机械臂系统的最优站位示意图；

图10为本发明提供的针对圆弧墙体作业任务建筑3D打印移动机械臂系统的最优站位示意图；

图11为本发明提供的针对T型墙体作业任务建筑3D打印移动机械臂系统的最优站位示意图；

图12为本发明所提供的一种建筑3D打印移动机械臂站位规划系统结构示意图。

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。

本发明的目的是提供一种建筑3D打印移动机械臂站位规划方法及系统，能够在建筑3D打印移动机械臂打印过程中规避机械臂奇异点、提高机械臂的传速性能和提高站位规划效率。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图2所示，建筑3D打印移动机械臂系统包括：机械臂2、移动平台1以及打印工具3；所述机械臂2的基座固定在所述移动平台上，所述打印工具3固定在所述机械臂末2端的法兰上；其中，机械臂2为KUKA KR90 R3100机械臂2。

图1为本发明所提供的一种建筑3D打印移动机械臂站位规划方法流程示意图，如图1所示，本发明所提供的一种建筑3D打印移动机械臂站位规划方法，包括：

S101，如图2所示，建立3D打印移动机械臂系统的坐标系；所述3D打印移动机械臂系统的坐标系包括：车体坐标系{M}、机械臂基坐标系{B}、机械臂各连杆坐标系{1，2，...，6}、法兰坐标系{F}、打印工具坐标系{T}以及墙体坐标系{W}；所述车体坐标系{M}的x轴与所述机械臂基坐标系{B}的x轴共线；所述车体坐标系{M}的z轴正方向与所述机械臂基坐标系{B}的z轴正方向平行且竖直向上；所述车体坐标系{M}的y轴与所述机械臂基坐标系{B}的y轴均通过右手法则确定；各坐标系均为右手系；

车体坐标系{M}的原点为移动平台中心，所述机械臂基坐标系{B}的原点为机械臂基座中心，与所述移动平台中心有一距离偏置L，两坐标系x轴方向均平行于移动平台长边方向，且x轴正方向由车体坐标系{M}的原点指向机械臂基坐标系{B}的原点

S102，根据3D打印移动机械臂系统的坐标系确定3D打印移动机械臂系统的运动学模型；并根据运动学模型以及3D打印工作任务确定移动平台的站位空间；所述3D打印工作任务包括：机械臂的基座安装高度、移动平台尺寸、打印工具尺寸以及民用建筑物高度的尺寸；

如图3所示，采用几何法可绘制出KUKAKR90 R3100机械臂2的可达工作空间云朵图，包络线内的区域表示机械臂末端可达空间。如图4所示，考虑基座安装高度、末端打印工具长度的设计安装约束和民用建筑物高度的3D打印工作任务，采用几何作图法，得到整车系统的实际可达工作空间云朵图如图4(a)所示，以及俯视图4(b)所示，其工作范围为区间[R_min，R_max]。此工作范围即可作为移动平台的站位空间，即有R_min≤x₁≤R_max，R_min≤y₁≤R_max，-2π≤θ₁≤2π作为约束条件。

S102具体包括：

根据机械臂基坐标系、机械臂各连杆坐标系以及改进的DH参数法建立机械臂的正运动学模型和逆运动学模型；

根据墙体坐标系在车体坐标系下的位姿，按照坐标变换的原则，确定第一变换矩阵；明确表示出各连杆之间的运动关系，相邻两坐标系间的位移关系由连杆扭角a、连杆长度a、关节转角θ和关节偏置d这4个参数描述；

根据工具坐标系以及墙体坐标系确定第二变换矩阵；

根据机械臂的正运动学模型、确定第一变换矩阵以及第二变换矩阵确定3D打印移动机械臂系统的运动学模型。

具体的确定过程为：

连杆变换可定义为从连杆坐标系{i-1}到连杆坐标系{i}的变换，这个其次变换可以当作坐标系{i}经过四个子变换得到，因这些子变换是相对动坐标系描述，按照坐标变换的原则，得到：

由式(1)可以得到连杆变换

的通式：

将所有连杆变换

依次相乘，得末端变换矩阵

即机械臂正运动学方程

机械臂的逆运动学问题是在已知工作时最后一个连杆坐标系即连杆坐标系{6}相对于机械臂基坐标系的变换矩阵

求解满足要求工作任务时的各关节变量值(θ₁，θ₂，θ₃，θ₄，θ₅，θ₆)的问题。

根据墙体坐标系{W}在车体坐标系{M}下的位姿{M}，按照坐标变换的原则，得到第一变换矩阵

因为在进行墙体3D打印过程中，打印工具坐标系{T}走过的坐标即为墙体离散出的任务点，该任务点可以从墙体坐标系中获取，并且可以得到第二变换矩阵

综上所述，列出整个系统的运动学方程，即

根据公式(4)得，

S102具体还包括：

利用机械臂的逆运动学模型对3D打印移动机械臂系统的运动学模型进行校验。即校验在规划的某一站位下，末端打印位姿序列中是否各点均存在运动学逆解且满足各轴关节角度限制。存在逆解即表示在此站位下，打印工具可达作业单元的所有点；反之，若逆解不存在，则此站位不符合可达性要求，应不予考虑。

S103，根据运动学模型，确定速度方向可操作度指标，并根据速度方向可操作度指标构建单次作业的优化函数；单次作业的优化函数以单次作业中所有任务点的速度方向可操作度指标数值最小为优化目标；

S103具体包括：

根据机械臂末端的操作速度与机械臂各关节速度确定机械臂的雅可比矩阵；

根据机械臂的雅可比矩阵和机械臂末端的操作速度确定速度方向可操作度；

根据速度方向可操作度进行规范化，确定速度方向可操作度指标；

根据速度方向可操作度指标构建单次作业的优化函数。

首先需要计算机械臂的雅可比矩阵，机械臂的雅可比矩阵定义为它的操作空间速度与关节速度的线性变换，即

称为末端在操作空间的广义速度，简称操作速度；

为机械臂各关节速度。J(θ)是机械臂的雅可比矩阵。它的第i行第j列元素为

传统的可操作度概念是对给定位形下机械臂末端沿各个方向运动能力的综合评价，用来衡量机械臂整体的灵活性。但当被打印墙体路径确定时，机械臂工具末端只能沿特定方向运动，对其要求在运动方向具有足够的运动能力，而对非运动方向的运动能力并不作特殊要求，因此研究机械臂在当前位形状态下沿指定方向的传速性能具有实际意义。下面描述速度方向可操作度指标的建立过程。

对于机械臂关节空间Rⁿ中的单位球，

将其映射到操作空间中即将公式(8)带入公式(6)中，可得操作空间R^m中的椭球，

又有在建筑3D打印过程中工具末端在操作空间中的运动速度是一个矢量，其每一点的速度大小与方向可通过运行轨迹前后两点的坐标值计算得出，令工具末端的运动速度为，

上式中β为速度大小；p＝[cosα₁，cosα₂，...，cosα_m]^T∈R^m×1，α₁，α₂，...，α_m为运动速度与各坐标轴正向之间的夹角，β的物理意义：速度椭球的中心沿方向p到椭球表面的距离，如图5所示。

将公式(10)带入公式(9)中，可得

(βp)^T(J(θ)J(θ)^T)^-1(βp)＝1 (11)

可得速度方向可操作度：β＝[p^T(J(θ)J(θ)^T)^-1p]^1/2。

但当关节速度在关节空间Rⁿ中为单位球这一假设不成立时，需要对关节速度进行以下规范化，

公式(12)中

为关节速度的最大值。

将公式(12)带入公式(6)得，

将公式(13)带入公式(8)得，

将公式(10)带入公式(14)得，

公式(15)即为单次工作任务中每一个任务点关节速度规范化后对应的速度方向可操作度指标。接着求出单次工作任务中所有任务点的速度方向可操作度指标数值，并取其最小值作为单次作业的优化函数，即公式(16)。

S104，以移动平台的站位空间和性态约束为约束条件，在不同类型墙体中采用遗传算法对优化函数进行求解，确定移动平台的最优站位；所述移动平台的最优站位为优化函数的解；如图6所示为本发明提供的民用建筑实例的平面结构示意图，将其大致划分为如图7所示的四种常见墙体类型；墙体类型包括：一字墙体、直角墙体、圆弧墙体以及T型墙体；性态约束为打印工具坐标系的原点与墙体所有的任务点重合。

所述遗传算法为Matlab遗传算法工具箱。Matlab遗传算法工具箱扩展了Matlab在处理优化问题方面的能力，可以用于处理传统的优化技术难以解决的问题，还可以用于解决目标函数较复杂的问题。利用Matlab遗传算法工具箱在系统执行3D打印任务移动平台的整个站位空间内搜寻移动平台的最优站位，该最优站位能使得系统在执行单次3D打印任务时所有任务点中最小的速度方向可操作度公式(16)也能达到最大，满足灵巧性要求，提高机械臂的传速性能。下面是优化模型的建立过程。

优化的具体过程为：

设计变量：将墙体坐标系{W}在车体坐标系{M}下的位姿[x₁，y₁，θ₁]作为最优站位的参数，也就是该优化模型的设计变量。

优化目标：优化目的是选择合理的站位使得针对单次工作任务中所有任务点的速度方向可操作度指标最小值

即公式(16)在移动平台的可达任务工作空间中能达到最大。

约束条件：该问题的约束条件分为界限条件和性态条件。界限条件即为根据整车系统的实际可达工作空间云朵图得到的变量上限和下限。性态约束即满足机械臂实行建筑3D打印过程中需要保证打印工具坐标系{T}的原点与墙体所有的任务点重合，即需要保证墙体所有的任务点均能通过机械臂逆运动学求解出至少一组解。

综上所述表明该问题是一个多变量、单目标、有约束的优化问题，遗传算法是一种全局搜索的方法，更适合工程优化问题的求解。使用遗传算法在整个站位空间中搜寻移动平台的最优站位，能够跳出局部最优而找到全局最优点，而且遗传算法允许使用非常复杂的目标函数，并对变量的变化范围可以加以限制。

基于遗传算法在整个站位空间中搜寻移动平台的最优站位的过程是利用Matlab遗传算法工具箱，其扩展了Matlab在处理优化问题方面的能力，使结果更具有准确性与高效性，解决了依靠人工根据现场情况进行移动平台的站位布置，而使得移动平台站位移动次数多、机械臂的传速性能低、机械臂打印过程中遇到奇异点、整体打印精度低和效率低等问题。

根据以上所述求解出了四种类型墙体墙体坐标系{W}在移动平台车体坐标系{M}下的最优位姿[x₁，y₁，θ₁]。计算出的结果如下，

一字墙体：[x₁，y₁，θ₁]＝[2556.4906，874.4301，170.843]；

直角墙体：[x₁，y₁，θ₁]＝[2012.5678，-205.1557，-119.9856]；

圆弧墙体：[x₁，y₁，θ₁]＝[2806.6242，-186.6831，166.9932]；

T型墙体：[x₁，y₁，θ₁]＝[2449.5697，-281.0159，-125.7542]；

因为该问题是求解车体坐标系{M}相对于墙体坐标系{W}的最优站位，所以需要对以上结果做齐次变换矩阵逆运算。得出最终针对四种类型墙体车体坐标系{M}相对于墙体坐标系{W}的最优站位[x，y，θ]结果如下，

一字墙体：[x，y，θ]＝[2384.8，1270.1，-170.843]；

直角墙体：[x，y，θ]＝[828.1，-1845.7，119.9856]；

圆弧墙体：[x，y，θ]＝[2776.6，449.8，-166.9932]；

T型墙体：[x，y，θ]＝[1203.3，-2152.1，125.7542]；

如图8、图9、图10、图11为分别针对一字墙体、直角墙体、圆弧墙体、T型墙体作业任务建筑3D打印移动机械臂系统的最优站位示意图。

图12为本发明所提供的一种建筑3D打印移动机械臂站位规划系统结构示意图，如图12所示，本发明所提供的一种建筑3D打印移动机械臂站位规划系统，包括：

坐标系建立模块1201，用于建立3D打印移动机械臂系统的坐标系；所述3D打印移动机械臂系统的坐标系包括：车体坐标系、机械臂基坐标系、机械臂各连杆坐标系、法兰坐标系、打印工具坐标系以及墙体坐标系；所述车体坐标系的x轴与所述机械臂基坐标系的x轴共线；所述车体坐标系的z轴正方向与所述机械臂基坐标系的z轴正方向平行且竖直向上；所述车体坐标系的y轴与所述机械臂基坐标系的y轴均通过右手法则确定；

运动学模型和站位空间确定模块1202，用于根据3D打印移动机械臂系统的坐标系确定3D打印移动机械臂系统的运动学模型；并根据运动学模型以及3D打印工作任务确定移动平台的站位空间；所述3D打印工作任务包括：机械臂的基座安装高度、移动平台尺寸、打印工具尺寸以及民用建筑物高度的尺寸；

优化函数构建模块1203，用于根据运动学模型，确定速度方向可操作度指标，并根据速度方向可操作度指标构建单次作业的优化函数；单次作业的优化函数以单次作业中所有任务点的速度方向可操作度指标数值最小为优化目标；

最优站位确定模块1204，用于以移动平台的站位空间和性态约束为约束条件，在不同类型墙体中采用遗传算法对优化函数进行求解，确定移动平台的最优站位；所述移动平台的最优站位为优化函数的解；墙体类型包括：一字墙体、直角墙体、圆弧墙体以及T型墙体；性态约束为打印工具坐标系的原点与墙体所有的任务点重合。

所述运动学模型和站位空间确定模块1202具体包括：

正运动学模型和逆运动学模型确定单元，用于根据机械臂基坐标系、机械臂各连杆坐标系以及改进的DH参数法建立机械臂的正运动学模型和逆运动学模型；

第一变换矩阵确定单元，用于根据墙体坐标系在车体坐标系下的位姿，按照坐标变换的原则，确定第一变换矩阵；

第二变换矩阵确定单元，用于根据工具坐标系以及墙体坐标系确定第二变换矩阵；

运动学模型确定单元，用于根据机械臂的正运动学模型、确定第一变换矩阵以及第二变换矩阵确定3D打印移动机械臂系统的运动学模型。

所述运动学模型和站位空间确定模块1202具体还包括：

运动学模型校验单元，用于利用机械臂的逆运动学模型对3D打印移动机械臂系统的运动学模型进行校验。

所述优化函数构建模块1203具体包括：

雅可比矩阵确定单元，用于根据机械臂末端的操作速度与机械臂各关节速度确定机械臂的雅可比矩阵；

速度方向可操作度确定单元，用于根据机械臂的雅可比矩阵和机械臂末端的操作速度确定速度方向可操作度；

速度方向可操作度指标确定单元，用于根据速度方向可操作度进行规范化，确定速度方向可操作度指标；

优化函数构建单元，用于根据速度方向可操作度指标构建单次作业的优化函数。

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。对于实施例公开的系统而言，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。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种建筑3D打印移动机械臂站位规划方法，建筑3D打印移动机械臂系统包括：机械臂、移动平台以及打印工具；所述机械臂的基座固定在所述移动平台上，所述打印工具固定在所述机械臂末端的法兰上；其特征在于，包括：

建立3D打印移动机械臂系统的坐标系；所述3D打印移动机械臂系统的坐标系包括：车体坐标系、机械臂基坐标系、机械臂各连杆坐标系、法兰坐标系、打印工具坐标系以及墙体坐标系；所述车体坐标系的x轴与所述机械臂基坐标系的x轴共线；所述车体坐标系的z轴正方向与所述机械臂基坐标系的z轴正方向平行且竖直向上；所述车体坐标系的y轴与所述机械臂基坐标系的y轴均通过右手法则确定；

根据3D打印移动机械臂系统的坐标系确定3D打印移动机械臂系统的运动学模型；并根据运动学模型以及3D打印工作任务确定移动平台的站位空间；所述3D打印工作任务包括：机械臂的基座安装高度、移动平台尺寸、打印工具尺寸以及民用建筑物高度的尺寸；

根据运动学模型，确定速度方向可操作度指标，并根据速度方向可操作度指标构建单次作业的优化函数；单次作业的优化函数以单次作业中所有任务点的速度方向可操作度指标数值最小为优化目标；

以移动平台的站位空间和性态约束为约束条件，在不同类型墙体中采用遗传算法对优化函数进行求解，确定移动平台的最优站位；所述移动平台的最优站位为优化函数的解；墙体类型包括：一字墙体、直角墙体、圆弧墙体以及T型墙体；性态约束为打印工具坐标系的原点与墙体所有的任务点重合。

2.根据权利要求1所述的一种建筑3D打印移动机械臂站位规划方法，其特征在于，所述根据3D打印移动机械臂系统的坐标系确定3D打印移动机械臂系统的运动学模型；并根据运动学模型以及3D打印工作任务确定移动平台的站位空间，具体包括：

根据机械臂基坐标系、机械臂各连杆坐标系以及改进的DH参数法建立机械臂的正运动学模型和逆运动学模型；

根据墙体坐标系在车体坐标系下的位姿，按照坐标变换的原则，确定第一变换矩阵；

根据工具坐标系以及墙体坐标系确定第二变换矩阵；

根据机械臂的正运动学模型、确定第一变换矩阵以及第二变换矩阵确定3D打印移动机械臂系统的运动学模型。

3.根据权利要求2所述的一种建筑3D打印移动机械臂站位规划方法，其特征在于，所述根据3D打印移动机械臂系统的坐标系确定3D打印移动机械臂系统的运动学模型；并根据运动学模型以及3D打印工作任务确定移动平台的站位空间，具体还包括：

利用机械臂的逆运动学模型对3D打印移动机械臂系统的运动学模型进行校验。

4.根据权利要求1所述的一种建筑3D打印移动机械臂站位规划方法，其特征在于，所述根据运动学模型，确定速度方向可操作度指标，并根据速度方向可操作度指标构建单次作业的优化函数，具体包括：

根据机械臂末端的操作速度与机械臂各关节速度确定机械臂的雅可比矩阵；

根据机械臂的雅可比矩阵和机械臂末端的操作速度确定速度方向可操作度；

根据速度方向可操作度进行规范化，确定速度方向可操作度指标；

根据速度方向可操作度指标构建单次作业的优化函数。

5.根据权利要求1所述的一种建筑3D打印移动机械臂站位规划方法，其特征在于，所述遗传算法为Matlab遗传算法工具箱。

6.一种建筑3D打印移动机械臂站位规划系统，建筑3D打印移动机械臂系统包括：机械臂、移动平台以及打印工具；所述机械臂的基座固定在所述移动平台上，所述打印工具固定在所述机械臂末端的法兰上；其特征在于，包括：

坐标系建立模块，用于建立3D打印移动机械臂系统的坐标系；所述3D打印移动机械臂系统的坐标系包括：车体坐标系、机械臂基坐标系、机械臂各连杆坐标系、法兰坐标系、打印工具坐标系以及墙体坐标系；所述车体坐标系的x轴与所述机械臂基坐标系的x轴共线；所述车体坐标系的z轴正方向与所述机械臂基坐标系的z轴正方向平行且竖直向上；所述车体坐标系的y轴与所述机械臂基坐标系的y轴均通过右手法则确定；

运动学模型和站位空间确定模块，用于根据3D打印移动机械臂系统的坐标系确定3D打印移动机械臂系统的运动学模型；并根据运动学模型以及3D打印工作任务确定移动平台的站位空间；所述3D打印工作任务包括：机械臂的基座安装高度、移动平台尺寸、打印工具尺寸以及民用建筑物高度的尺寸；

优化函数构建模块，用于根据运动学模型，确定速度方向可操作度指标，并根据速度方向可操作度指标构建单次作业的优化函数；单次作业的优化函数以单次作业中所有任务点的速度方向可操作度指标数值最小为优化目标；

最优站位确定模块，用于以移动平台的站位空间和性态约束为约束条件，在不同类型墙体中采用遗传算法对优化函数进行求解，确定移动平台的最优站位；所述移动平台的最优站位为优化函数的解；墙体类型包括：一字墙体、直角墙体、圆弧墙体以及T型墙体；性态约束为打印工具坐标系的原点与墙体所有的任务点重合。

7.根据权利要求6所述的一种建筑3D打印移动机械臂站位规划系统，其特征在于，所述运动学模型和站位空间确定模块具体包括：

正运动学模型和逆运动学模型确定单元，用于根据机械臂基坐标系、机械臂各连杆坐标系以及改进的DH参数法建立机械臂的正运动学模型和逆运动学模型；

第一变换矩阵确定单元，用于根据墙体坐标系在车体坐标系下的位姿，按照坐标变换的原则，确定第一变换矩阵；

第二变换矩阵确定单元，用于根据工具坐标系以及墙体坐标系确定第二变换矩阵；

运动学模型确定单元，用于根据机械臂的正运动学模型、确定第一变换矩阵以及第二变换矩阵确定3D打印移动机械臂系统的运动学模型。

8.根据权利要求7所述的一种建筑3D打印移动机械臂站位规划系统，其特征在于，所述运动学模型和站位空间确定模块具体还包括：

运动学模型校验单元，用于利用机械臂的逆运动学模型对3D打印移动机械臂系统的运动学模型进行校验。

9.根据权利要求6所述的一种建筑3D打印移动机械臂站位规划系统，其特征在于，所述优化函数构建模块具体包括：

雅可比矩阵确定单元，用于根据机械臂末端的操作速度与机械臂各关节速度确定机械臂的雅可比矩阵；

速度方向可操作度确定单元，用于根据机械臂的雅可比矩阵和机械臂末端的操作速度确定速度方向可操作度；

速度方向可操作度指标确定单元，用于根据速度方向可操作度进行规范化，确定速度方向可操作度指标；

优化函数构建单元，用于根据速度方向可操作度指标构建单次作业的优化函数。

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