CN215240872U - 一种贴合曲面结构表面作业的滚压装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种贴合曲面结构表面作业的滚压装置，包括装载平台(3)以及安装在装载平台(3)上的运动结构，运动结构包括多节依次活动连接的机械臂，最底部的机械臂活动安装在装载平台(3)上，最顶部的机械臂末端安装用于贴合曲面结构表面(7)作业的工作单元(4)，该装置还包括用于测量最底部机械臂的活动节点中心点至曲面结构表面(7)上目标点之间距离的距离传感器(5)、用于测量最顶部机械臂与曲面结构贴合压力的压力传感器(6)以及用于控制各机械臂动作的控制器，机械臂、距离传感器(5)和压力传感器(6)均连接至控制器。与现有技术相比，本实用新型能克服人工作业的风险，自动化程度高，工作可靠性高。

Description

一种贴合曲面结构表面作业的滚压装置

技术领域

本实用新型属于建筑和土木工程领域，尤其是涉及一种贴合曲面结构表面作业的滚压装置。

背景技术

由于造型、受力等方面一系列的优点，曲面结构广泛应用于隧道、拱桥和其他公共建筑中。通常为了让曲面结构能够提供开阔的空间，其拱顶距离地面较高。然而，由于自然和人为冲击、荷载变化或材料老化影响会引起隧道、桥梁等结构的劣化，因此这类曲面结构的拱顶经常出现裂缝、剥落等病害，需要频繁进行检查和维修，以确保这些建筑保持安全状态，并继续提供可靠的服务水平。

在实践中，隧道和拱桥等曲面结构的断面大、曲率大、顶部高，尤其是顶部的裂缝等病害检查和维修操作十分困难。传统的检查和维修工作通常由人工完成，非常耗时且依赖操作人员的技术水平，检查和修补质量不合格等现象频繁发生。同时，隧道和拱桥等交通基础设施还运营有车辆、船舶，需要在开放的交通环境中进行维修，这给检查和维修操作带来进一步的不便。

因此，亟需发展能够贴合曲面结构拱顶表面作业的机械装置，在其端部搭载多种作业单元，以实现曲面结构拱顶部位病害检查和维修工作的自动化、无人化和智能化。

实用新型内容

本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种贴合曲面结构表面作业的滚压装置。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种贴合曲面结构表面作业的滚压装置，包括装载平台以及安装在装载平台上的运动结构，所述的运动结构包括多节依次活动连接的机械臂，最底部的机械臂活动安装在装载平台上，最顶部的机械臂末端安装用于贴合曲面结构表面作业的工作单元，该装置还包括用于测量最底部机械臂的活动节点中心点至曲面结构表面上目标点之间距离的距离传感器、用于测量最顶部机械臂与曲面结构贴合压力的压力传感器以及用于控制各机械臂动作的控制器，所述的机械臂、距离传感器和压力传感器均连接至所述的控制器。

优选地，各节机械臂底部分别通过一活动节点和位于其下方并与之连接的机械臂或装载平台活动连接，所述的活动节点为转动式节点且使得多节机械臂在同一平面内转动。

优选地，所述的距离传感器安装在转动安装块上，所述的距离传感器的中心点与底部机械臂的活动节点的中心点平齐，所述的转动安装块为转动式节点且使得距离传感器与所述的机械臂在同一平面或平行平面内转动，同时距离传感器的测量轴线在所述的机械臂的转动平面内。

优选地，所述的转动式节点包括电动销轴式节点，所述的电动销轴式节点连接至所述的控制器。

优选地，所述的压力传感器安装在位于最上方的两个机械臂的连接节点处。

优选地，所述的距离传感器包括激光传感器。

优选地，最顶部的机械臂为微调机械臂，其长度小于其他机械臂的长度。

优选地，所述的机械臂设置三节。

优选地，所述的装载平台包括车载平台。

优选地，所述的控制器包括具有逻辑计算功能的微型计算机或单片机。

与现有技术相比，本实用新型具有如下优点：

(1)本实用新型装置能够实现曲面结构拱顶部位病害检查和维修工作的自动化、无人化和智能化，与现有的人工操作方法相比，可克服曲面结构拱顶部位人工作业风险，为结构表面裂缝检查、衬砌空洞检查、表面裂缝修补、FRP粘贴加固等各类工作提供机械化平台和技术方案，提升各类检查和维修工作的自动化程度。

(2)本实用新型通过距离传感器和压力传感器的配合，能够实现机械臂的精确调节，保证最顶部工作单元与曲面结构表面的贴合压力，提高作业的可靠性。

附图说明

图1为本实用新型一种贴合曲面结构表面作业的滚压装置的结构示意图；

图2为本实用新型传感器的安装位置示意图；

图3为本实用新型构建的控制坐标系的示意图；

图4为距离传感器的工作示意图；

图5为本实用新型一种贴合曲面结构表面作业的滚压装置运动控制的流程框图；

图6为本实用新型一种贴合曲面结构表面作业的滚压装置人为中断控制的流程框图；

图7为本实用新型一种贴合曲面结构表面作业的滚压装置人为中止控制的流程框图。

图中，11、12、13为机械臂，21、22、23为活动节点，3为装载平台，4为工作单元，5为距离传感器，6为压力传感器，7为曲面结构表面，8为作业点。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。注意，以下的实施方式的说明只是实质上的例示，本实用新型并不意在对其适用物或其用途进行限定，且本实用新型并不限定于以下的实施方式。

实施例

如图1所示，本实施例提供一种贴合曲面结构表面作业的滚压装置，包括装载平台3以及安装在装载平台3上的运动结构，运动结构包括多节依次活动连接的机械臂，最底部的机械臂活动安装在装载平台3上，最顶部的机械臂末端安装用于贴合曲面结构表面7作业的工作单元4，该装置还包括用于测量最底部机械臂的活动节点中心点至曲面结构表面7上目标点之间距离的距离传感器5、用于测量最顶部机械臂与曲面结构贴合压力的压力传感器6以及用于控制各机械臂动作的控制器，机械臂、距离传感器5和压力传感器6均连接至控制器。工作单元4与曲面结构表面7相接触，二者贴合处为作业点8。随着机械臂之间夹角的不断变化，工作单元4在曲面结构表面7上做连续的滚压运动。虽然本实施例中未绘制控制器，但可以很自然的想到，控制器是具有逻辑计算功能的微型计算机或者单片机等终端装置。

各节机械臂底部分别通过一活动节点和位于其下方并与之连接的机械臂或装载平台3活动连接，活动节点为转动式节点且使得多节机械臂在同一平面内转动。

如图2所示，距离传感器5安装在转动安装块上，距离传感器5的中心点与底部机械臂的活动节点的中心点平齐，转动安装块为转动式节点且使得距离传感器5与机械臂在同一平面或平行平面内转动，同时距离传感器5的测量轴线在机械臂的转动平面内。转动式节点包括电动销轴式节点，电动销轴式节点连接至控制器。压力传感器6安装在位于最上方的两个机械臂的连接节点处，实现对顶部机械臂与曲面结构贴合压力的间接测量，从而不影响工作单元4的正常工作。距离传感器5包括激光传感器，最顶部的机械臂为微调机械臂，其长度小于其他机械臂的长度。

本实施例作为优选的实施方式，机械臂设置为三节，具体如图1中，包括机械臂11、机械臂12、机械臂13以及活动节点21、活动节点22以及活动节点23，其中机械臂13为微调机械臂，其长度最短，其上安装工作单元4，3个机械臂的运动平面即为图中纸面所在平面。

上述一种贴合曲面结构表面作业的滚压装置的具体工作过程包括：

运动控制：获取最底部机械臂的活动节点中心点至曲面结构表面7上目标点之间距离d以及最顶部机械臂与曲面结构贴合压力N，根据d和N进行解算获取各节机械臂的位姿信息，对各机械臂进行联动调节；

人为中断控制：当获取中断信号后，存储当前各节机械臂的位姿信息，中断所有操作，维持机械臂当前状态，当中断信号解除后，继续进行运动控制；

人为中止控制：当获取中止信号后，控制机械臂复位。

运动控制的具体过程为：

1、建立控制坐标系：

以最底部机械臂的活动节点为原点，在机械臂运动平面内建立直角坐标系，x轴平行于水平面，y轴平行于铅垂线，根据取最底部机械臂的活动节点中心点至曲面结构表面7上目标点之间距离d、各机械臂的转动角度以及各机械臂的长度构建运动控制方程；

本实施例以3节机械臂为例，所构建的控制坐标系为直角坐标系，原点为活动节点21，x轴平行于水平面，y轴平行于铅垂线。按照坐标系的长度关系可以列出如下运动控制方程组：

m为机械臂111的长度(由活动节点21中心到活动节点22中心的距离)，n为机械臂12的长度(由活动节点22中心到活动节点23中心的距离)，l为机械臂13的长度(由活动节点23中心到作业点的距离)，θ是x轴与机械臂11(由活动节点21指向的距离)的夹角，

是机械臂1(由节点I指向节点II)与机械臂2(由活动节点22指向活动节点23)之间的夹角，β是机械臂12(由活动节点22指向活动节点23)与机械臂13(由活动节点23指向曲面结构)的夹角，α是x轴与目标向量(由坐标原点指向下一个目标点)之间的夹角，d为距离传感器测量一目标点的距离。

2、初始化参数：

启动时，为距离传感器5和压力传感器6输入初始化参数：距离传感器5的工作步长Δα，工作起始角度α₀，工作终止角度α_m，α₀＞α_m，压力传感器6的压力阈值N₀，N₀＞0，上述初始化参数含义为：距离传感器5的初始角度α为α₀，工作至角度等于α_m时停止，滚压装置工作时保持一个大于N₀的正压力。设置各机械臂的转动角度的初始值以及d的初始值d₀＝0。

3、解算运动控制方程并联动调节：

包括如下步骤：

S1、将最顶部的机械臂作为微调机械臂，将该机械臂的转动角度的初始值保持不变，将其他机械臂的转动角度作为未知数；

S2、距离传感器测量下一目标点的距离d；

S3、保持微调机械臂当前的转动角度，解算运动控制方程，确定除最顶部机械臂外的其他机械臂的转动角度；

S4、判断d≥d₀是否成立，若是，则从底部的机械臂开始从下至上依次调节各机械臂的转动角度至解算值，否则，从微调机械臂下方的机械臂开始从上至下依次调节各机械臂的转动角度至解算值；

S5、压力传感器6测量压力N，判断N≥N₀是否成立，若是，则维持微调机械臂的位姿，进入步骤S7，否则进入步骤S6；

S6、改变微调机械臂的转动角度，使其增大一个微调角度Δβ，判断N是否增大，若是则继续使微调机械臂的转动角度增大一个微调角度Δβ，返回步骤S3，否则改变微调机械臂的转动角度，使其减小两个微调角度Δβ，返回步骤S3；

S7、判断当前目标点是否为终止点，若是则执行步骤S9，否则执行步骤S8；

S8、更新d₀＝d，执行步骤S2；

S9、控制各机械臂运动至初始状态。

本实施例以具有三个机械臂的贴合曲面结构表面作业的滚压装置为例来说明其具体控制方法。

如图3所示，所构建的控制坐标系为直角坐标系，原点为活动节点21，x轴平行于水平面，y轴平行于铅垂线。m为机械臂111的长度(由活动节点21中心到活动节点22中心的距离)，n为机械臂12的长度(由活动节点22中心到活动节点23中心的距离)，l为机械臂13的长度(由活动节点23中心到作业点的距离)，θ是x轴与机械臂11(由活动节点21指向的距离)的夹角，

是机械臂1(由节点I指向节点II)与机械臂2(由活动节点22指向活动节点23)之间的夹角，β是机械臂12(由活动节点22指向活动节点23)与机械臂13(由活动节点23指向曲面结构)的夹角。

如图4所示，α是x轴与目标向量(由坐标原点指向下一个目标点)之间的夹角。d为距离传感器测量的活动节点21到下一个目标点的距离；d₀为运动控制算法中的控制阈值，并且设定初始状态下d₀＝0。在非初始状态下，上一个目标点工作完成后，其d值将替换原d₀值。

图5、图6、图7分别给出了运动控制算法、人为中断控制算法、人为终止控制算法的流程图。下面结合具体参数，对上述算法实施过程进行阐述。

a)运动控制算法：

1、首先假设m＝2m，n＝3m，l＝1m。设定β＝0°，d₀＝0，压力阈值为N₀＝1kN，步长Δα＝2°，α起始角度α₀＝120°，终止角度α_m＝60°。

2、这里的下一目标点即为初始点，则将距离传感器5旋转，调整至α＝α₀＝120°，并测得此时距离传感器5至墙壁的距离，假设测得

3、由于α＝α₀＝120°，代入方程组：

可以解得θ＝90°，

4、起始时由于d＝2m＞d₀＝0，故先使机械臂11绕活动节点21转动，调整θ使之等于90°，之后使机械臂12绕活动节点22转动，调整

使之等于60°。

5、检测压力传感器6，判断其压力是否达到阈值1kN。假设此时检测到的压力为0.6kN＜1kN，则压力没有达到阈值。

6、此时，使机械臂13绕活动节点23转动，使β角略微增大(例如增大2°)，并再次检测压力大小；此时如果压力减小，则使β角略微减小，但减小角度应大于检测之前增大的角度(例如减小4°)，这里β＝0°+2°-4°＝-2°；

5、将β＝-2°再次代入方程进行求解，重复第4、5步，假设此时已经达到阈值。而此时α＝120°，不是终点，则令d₀＝d＝2.2m。

6、距离传感器5转动，令α＝α₀-Δα＝120°-2°＝118°，通过距离传感器5测得新的距离d，之后不断重复第4、5、6、7、8步。

7、直至某一次循环的第7步中，检测出α＝60°＝α_m，则此时程序跳出循环，使距离传感器5转动，使α＝0°，使机械13绕活动节点23转动，使β等于0°，使机械臂12绕活动节点22转动，调整

使之等于180°，以此将机械臂折叠，使机械臂11绕活动节点11转动，调整θ使之等于0°，结束工作。

b)中断控制算法：

1、储存中断时已经在移动过程中的θ＝30°、

β＝0°、d₀＝0、d＝2.2m和当前方程解出的结果θ₁＝50°、

2、停止机械控制，保持当前状态；

3、等待恢复信号；

4、若有恢复信号输入，继续使机械11绕活动节点21转动，调整θ使之等于50°，过程中每次调整0.5°即用新的θ值替换原θ值，之后使机械臂12绕活动节点22转动，调整

使之等于90°，过程中每次调整0.5°即用新的

直替换原

值，继续回到控制算法过程中。

c)终止控制算法：

结束工作步骤，使机械臂13绕活动节点23转动，调整β使之等于0°，使机械臂12绕活动节点22转动，调整

使之等于180°，以此将机械臂折叠，使机械臂11绕活动节点21转动，调整θ使之等于0°，以此将机械臂折叠回机器开始状态。

需要说明的是：本实用新型要求保护的是一种贴合曲面结构表面作业的滚压装置的组成结构，为了使得本实用新型更加完整、清晰，上述对滚压装置的控制方法进行了具体说明，但上述控制方法并不是本实用新型要求保护的内容。

上述实施方式仅为例举，不表示对本实用新型范围的限定。这些实施方式还能以其它各种方式来实施，且能在不脱离本实用新型技术思想的范围内作各种省略、置换、变更。

Claims (10)

1.一种贴合曲面结构表面作业的滚压装置，其特征在于，包括装载平台(3)以及安装在装载平台(3)上的运动结构，所述的运动结构包括多节依次活动连接的机械臂，最底部的机械臂活动安装在装载平台(3)上，最顶部的机械臂末端安装用于贴合曲面结构表面(7)作业的工作单元(4)，该装置还包括用于测量最底部机械臂的活动节点中心点至曲面结构表面(7)上目标点之间距离的距离传感器(5)、用于测量最顶部机械臂与曲面结构贴合压力的压力传感器(6)以及用于控制各机械臂动作的控制器，所述的机械臂、距离传感器(5)和压力传感器(6)均连接至所述的控制器。

2.根据权利要求1所述的一种贴合曲面结构表面作业的滚压装置，其特征在于，各节机械臂底部分别通过一活动节点和位于其下方并与之连接的机械臂或装载平台(3)活动连接，所述的活动节点为转动式节点且使得多节机械臂在同一平面内转动。

3.根据权利要求2所述的一种贴合曲面结构表面作业的滚压装置，其特征在于，所述的距离传感器(5)安装在转动安装块上，所述的距离传感器(5)的中心点与底部机械臂的活动节点的中心点平齐，所述的转动安装块为转动式节点且使得距离传感器(5)与所述的机械臂在同一平面或平行平面内转动，同时距离传感器(5)的测量轴线在所述的机械臂的转动平面内。

4.根据权利要求2或3所述的一种贴合曲面结构表面作业的滚压装置，其特征在于，所述的转动式节点包括电动销轴式节点，所述的电动销轴式节点连接至所述的控制器。

5.根据权利要求1所述的一种贴合曲面结构表面作业的滚压装置，其特征在于，所述的压力传感器(6)安装在位于最上方的两个机械臂的连接节点处。

6.根据权利要求1所述的一种贴合曲面结构表面作业的滚压装置，其特征在于，所述的距离传感器(5)包括激光传感器。

7.根据权利要求1所述的一种贴合曲面结构表面作业的滚压装置，其特征在于，最顶部的机械臂为微调机械臂，其长度小于其他机械臂的长度。

8.根据权利要求1所述的一种贴合曲面结构表面作业的滚压装置，其特征在于，所述的机械臂设置三节。

9.根据权利要求1所述的一种贴合曲面结构表面作业的滚压装置，其特征在于，所述的装载平台(3)包括车载平台。

10.根据权利要求1所述的一种贴合曲面结构表面作业的滚压装置，其特征在于，所述的控制器包括具有逻辑计算功能的微型计算机或单片机。

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