CN117232483A - 用于盾构管片拼装机的机械臂式管片位姿测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于盾构管片拼装机的机械臂式管片位姿测量装置，在对待拼装管片位姿监测时，控制模块调整各旋转关节的关键轴线位置，使视觉传感器的可识别范围左右移动以在多个角度下采集待拼装管片的深度图像，计算模块基于深度图像及旋转关节的位置信息计算获得待拼装管片的特征信息以识别待拼装管片的位置和姿态，同时可监测已拼装管片的锁孔与待拼装管片的锁孔同心度，实现了监测待拼装管片的位置辅助管片安装，既提高了管片安装效率，又提高了管片安装质量，还降低了人工安装存在的安全隐患。本发明解决了现有的隧道施工一般采用人工参与拼装管片，效率低、有安全隐患的问题。

Description

用于盾构管片拼装机的机械臂式管片位姿测量装置

技术领域

本发明涉及隧道施工技术领域，具体涉及一种用于盾构管片拼装机的机械臂式管片位姿测量装置。

背景技术

在盾构法隧道施工中，管片是由盾构机中的拼装机来完成拼装。管片是隧道法盾构施工中永久衬砌结构，其装配的精度直接或者间接影响到隧道的整体质量。并且，管片作为主要支撑结构，其防水性能及结构受力后的耐久性能影响到隧道整体寿命。现在大部分的隧道施工中都是人工参与拼装管片，效率低、有安全隐患。另一方面，随着隧道直径的增加，上述劣势也随之显现。

发明内容

为克服现有技术所存在的缺陷，现提供一种用于盾构管片拼装机的机械臂式管片位姿测量装置，以解决现有的隧道施工一般采用人工参与拼装管片，效率低、有安全隐患的问题。

为实现上述目的，提供一种用于盾构管片拼装机的机械臂式管片位姿测量装置，包括：

基板，安装于管片拼装机的抓取头；

支承组件，包括上支座、下支座和两铰接臂，所述下支座枢接于所述基板，所述基板安装有用于驱动所述下支座的第一驱动件，两所述铰接臂的一端通过第一铰接轴铰接在一起，一铰接臂的另一端通过第二铰接轴铰接于所述下支座，所述下支座安装有用于驱动所述一铰接臂的第二驱动件，所述一铰接臂的一端安装有用于驱动另一铰接臂的第三驱动件，所述上支座通过第三铰接轴铰接于所述另一铰接臂的另一端，所述另一铰接臂的另一端安装有用于驱动所述上支座的第四驱动件，所述第一铰接轴、所述第二铰接轴和所述第三铰接轴同向设置；

用于采集所述抓取头上抓取的待拼装管片的深度图像的视觉传感器，所述上支座枢接于夹持件，所述夹持件夹持于所述视觉传感器，所述夹持件安装有用于驱动所述上支座的第五驱动件；

多个角度传感器，多个所述角度传感器分别安装于所述下支座、所述铰接臂、所述上支座和所述夹持件；

控制器，包括控制模块和计算模块，所述控制模块连接于所述第一驱动件、所述第二驱动件、所述第三驱动件、所述第四驱动件、所述第五驱动件、所述视觉传感器和多个所述角度传感器，所述计算模块连接于所述控制模块，所述计算模块基于所述下支座和所述夹持件的回转角度、所述铰接臂和所述上支座的翻转角度及所述深度图像计算获得所述待拼装管片的相对于所述抓取头的位置和姿态。

进一步的，所述基板开设有插孔，所述下支座连接有第一枢轴，所述第一枢轴可转动地所述插孔中。

进一步的，所述第一驱动件为电机，所述第一枢轴同轴连接有从动齿轮，所述第一驱动件的输出轴同轴连接有主动齿轮，所述主动齿轮啮合于所述从动齿轮。

进一步的，所述上支座连接有第二枢轴，所述夹持件连接有耳板，所述耳板开设有轴孔，所述第二枢轴可转动地插设于所述轴孔中，所述第五驱动件传动连接于所述第二枢轴。

进一步的，所述第二驱动件、所述第三驱动件和所述第四驱动件为电动液压推杆。

本发明的有益效果在于，本发明的用于盾构管片拼装机的机械臂式管片位姿测量装置在对待拼装管片位姿监测时，控制模块调整各旋转关节的关键轴线位置，使视觉传感器的可识别范围左右移动以在多个角度下采集待拼装管片的深度图像，计算模块基于深度图像及旋转关节的位置信息计算获得待拼装管片的特征信息以识别待拼装管片的位置和姿态，同时可监测已拼装管片的锁孔与待拼装管片的锁孔同心度，实现了监测待拼装管片的位置辅助管片安装，既提高了管片安装效率，又提高了管片安装质量，还降低了人工安装存在的安全隐患。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明实施例的用于盾构管片拼装机的机械臂式管片位姿测量装置的结构示意图。

图2为本发明实施例的支承组件与视觉传感器的连接节点的结构示意图。

图3为本发明实施例的用于盾构管片拼装机的机械臂式管片位姿测量装置的五个自由度的动作示意图。

图4为本发明实施例的视觉传感器的第一角度下的可识别范围的示意图。

图5为本发明实施例的视觉传感器的第二角度下的可是被范围的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

参照图1至图5所示，本发明提供了一种用于盾构管片拼装机的机械臂式管片位姿测量装置，包括：基板1、支承组件2、视觉传感器3。

其中，基板1安装于管片拼装机的抓取头。具体的，在本实施例中，管片拼装机的抓取头4用于抓取待拼装管片。基板1安装于抓取头4具有背向盾构机前进方向的一侧。

支承组件2包括上支座、下支座22和两铰接臂23。

具体的，下支座22枢接于基板1。基板1安装有用于驱动下支座22的第一驱动件。

两铰接臂23的一端通过第一铰接轴铰接在一起。一铰接臂23的另一端通过第二铰接轴铰接于下支座22。下支座22安装有用于驱动一铰接臂23的第二驱动件。一铰接臂23的一端安装有第三驱动件。第三驱动件用于驱动另一铰接臂23。上支座通过第三铰接轴铰接于另一铰接臂23的另一端。另一铰接臂23的另一端安装有第四驱动件。第四驱动件用于驱动上支座。

上支座枢接于夹持件31。夹持件31夹持于视觉传感器3。夹持件31安装有用于驱动上支座的第五驱动件。

视觉传感器3用于采集抓取头上抓取的待拼装管片5的深度图像。作为一种较佳的实施方式，视觉传感器3为深度相机传感器。

作为一种较佳的实施方式，基板1开设有插孔。下支座22连接有第一枢轴。第一枢轴可转动地插孔中。

第一驱动件为电机。第一枢轴同轴连接有从动齿轮。第一驱动件的输出轴同轴连接有主动齿轮。主动齿轮啮合于从动齿轮。

作为一种较佳的实施方式，上支座连接有第二枢轴24。夹持件31连接有耳板。耳板开设有轴孔。第二枢轴24可转动地插设于轴孔中。第五驱动件传动连接于第二枢轴24。

第二驱动件、第三驱动件和第四驱动件为电动液压推杆。

第一铰接轴、第二铰接轴和第三铰接轴同向设置。下支座的底面于基板相对设置，第一枢轴垂直于基板设置。第二铰接轴平行于基板设置。第二枢轴垂直于第三铰接轴设置。参阅图2所示，本发明的用于盾构管片拼装机的机械臂式管片位姿测量装置有如图所示的五个自由度，即五个旋转关节。

多个角度传感器分别安装于下支座22、铰接臂23、上支座和夹持件31。

具体的，下支座上的角度传感器用于采集下支座相对于基板的回转角度。一铰接臂的另一端上的角度传感器用于采集一铰接臂相对于下支座的翻转角度。另一铰接臂的一端上的角度传感器用于采集另一铰接臂的一端相对于一铰接臂的一端的翻转角度。上支座上的角度传感器用于采集上支座相对于另一铰接臂的另一端的翻转角度。夹持件上的角度传感器用于采集夹持件相对于上支座的回转角度。

控制器包括控制模块和计算模块。

控制模块连接于第一驱动件、第二驱动件、第三驱动件、第四驱动件、第五驱动件、视觉传感器3和多个角度传感器。

计算模块连接于控制模块。计算模块基于下支座22和夹持件31的回转角度、铰接臂23和上支座的翻转角度及深度图像计算获得待拼装管片5的相对于抓取头的位置和姿态。

控制模块用于获取下支座相对于基板的回转角度、一铰接臂相对于下支座的翻转角度、另一铰接臂的一端相对于一铰接臂的一端的翻转角度、上支座相对于另一铰接臂的另一端的翻转角度、夹持件相对于上支座的回转角度。

本发明的用于盾构管片拼装机的机械臂式管片位姿测量装置的每个旋转关节轴均装有角度传感器或编码器，在使用之前，可实时发送视觉传感器在旋转关节坐标系下的位置信息(即三维坐标)。根据本发明的用于盾构管片拼装机的机械臂式管片位姿测量装置的几何参数可由矩阵变换关系得出视觉传感器在笛卡尔坐标系下的位置信息。控制模块调整旋转关节的关节轴线(即旋转轴线)，使视觉传感器的可识别范围落在抓取头上，计算模块根据视觉传感器拍摄得到的深度图像求出视觉传感器与抓取头的距离关系，从而得到视觉传感器的坐标系与拼装机的坐标系的矩阵变换关系以实现视觉传感器的自我标定。

本发明的用于盾构管片拼装机的机械臂式管片位姿测量装置在对待拼装管片位姿监测时，控制模块调整各旋转关节的关键轴线位置，使视觉传感器的可识别范围30左右移动以在多个角度下采集待拼装管片的深度图像，计算模块基于深度图像及旋转关节的位置信息计算获得待拼装管片的特征信息以识别待拼装管片的位置和姿态，同时可监测已拼装管片的锁孔与待拼装管片的锁孔同心度，实现了监测待拼装管片的位置辅助管片安装，既提高了管片安装效率，又提高了管片安装质量，还降低了人工安装存在的安全隐患。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (5)

1.一种用于盾构管片拼装机的机械臂式管片位姿测量装置，其特征在于，包括：

基板，安装于管片拼装机的抓取头；

支承组件，包括上支座、下支座和两铰接臂，所述下支座枢接于所述基板，所述基板安装有用于驱动所述下支座的第一驱动件，两所述铰接臂的一端通过第一铰接轴铰接在一起，一铰接臂的另一端通过第二铰接轴铰接于所述下支座，所述下支座安装有用于驱动所述一铰接臂的第二驱动件，所述一铰接臂的一端安装有用于驱动另一铰接臂的第三驱动件，所述上支座通过第三铰接轴铰接于所述另一铰接臂的另一端，所述另一铰接臂的另一端安装有用于驱动所述上支座的第四驱动件，所述第一铰接轴、所述第二铰接轴和所述第三铰接轴同向设置；

用于采集所述抓取头上抓取的待拼装管片的深度图像的视觉传感器，所述上支座枢接于夹持件，所述夹持件夹持于所述视觉传感器，所述夹持件安装有用于驱动所述上支座的第五驱动件；

多个角度传感器，多个所述角度传感器分别安装于所述下支座、所述铰接臂、所述上支座和所述夹持件；

控制器，包括控制模块和计算模块，所述控制模块连接于所述第一驱动件、所述第二驱动件、所述第三驱动件、所述第四驱动件、所述第五驱动件、所述视觉传感器和多个所述角度传感器，所述计算模块连接于所述控制模块，所述计算模块基于所述下支座和所述夹持件的回转角度、所述铰接臂和所述上支座的翻转角度及所述深度图像计算获得所述待拼装管片的相对于所述抓取头的位置和姿态。

2.根据权利要求1所述的用于盾构管片拼装机的机械臂式管片位姿测量装置，其特征在于，所述基板开设有插孔，所述下支座连接有第一枢轴，所述第一枢轴可转动地所述插孔中。

3.根据权利要求2所述的用于盾构管片拼装机的机械臂式管片位姿测量装置，其特征在于，所述第一驱动件为电机，所述第一枢轴同轴连接有从动齿轮，所述第一驱动件的输出轴同轴连接有主动齿轮，所述主动齿轮啮合于所述从动齿轮。

4.根据权利要求1所述的用于盾构管片拼装机的机械臂式管片位姿测量装置，其特征在于，所述上支座连接有第二枢轴，所述夹持件连接有耳板，所述耳板开设有轴孔，所述第二枢轴可转动地插设于所述轴孔中，所述第五驱动件传动连接于所述第二枢轴。

5.根据权利要求4所述的用于盾构管片拼装机的机械臂式管片位姿测量装置，其特征在于，所述第二驱动件、所述第三驱动件和所述第四驱动件为电动液压推杆。