隧道支护结构3D打印系统及其控制方法技术方案

本发明专利技术提供隧道支护结构3D打印系统及其控制方法，3D打印系统包括由柔性关节连接的一级机械臂和二级机械臂，二级机械臂的末端设有末端执行器；柔性关节内还设有传感器模块集、精度补偿模块集和控制电机，用于监测及控制二级机械臂带动末端执行器运动；控制方法包括：获取二级机械臂在目标时刻的位置和姿态，并将二级机械臂的位置和姿态进行融合，确定二级机械臂在目标时刻的实际位姿；基于二级机械臂在目标时刻的实际位姿，和二级机械臂在目标时刻的预设机械臂位姿，确定二级机械臂的运动偏差；基于二级机械臂的运动偏差，控制二级机械臂带动末端执行器运动到目标打印点实现高精度打印。本发明专利技术可以提高隧道支护结构的打印精度。度。度。

【技术实现步骤摘要】
隧道支护结构3D打印系统及其控制方法


[0001]本专利技术涉及结构构件
，尤其涉及一种隧道支护结构3D打印系统及其控制方法。

技术介绍

[0002]隧道支护结构是指为了保证隧道在使用过程中的稳定性、安全性和耐久性而设计的一种结构，其作为隧道工程的重要组成部分，它承担着分担隧道荷载、保护隧道安全以及改善隧道环境等重要任务。
[0003]近年来，随着物联网、人工智能技术的发展，隧道支护结构也开始向智能化、精准化方向发展，不断推进隧道建设技术的创新和进步。采用3D打印混凝土技术制备隧道支护结构不仅可以实现混凝土衬砌精确的结构打印，还可以减少结构组装时间和工程难度。
[0004]然而，随着隧道支护结构尺寸的增大，相应的机械臂的尺寸也在逐渐增大，由于机械臂在工作中的位姿误差，导致打印的隧道支护结构的精度较差。

技术实现思路

[0005]本专利技术实施例提供了一种隧道支护结构3D打印系统及其控制方法，以解决目前3D打印的隧道支护结构的精度较差的问题。
[0006]第一方面，本专利技术实施例提供了一种隧道支护结构3D打印系统的控制方法，3D打印系统包括由柔性关节连接的一级机械臂和二级机械臂，二级机械臂的末端设有末端执行器；柔性关节内还设有传感器模块集、精度补偿模块集和控制电机，用于监测及控制二级机械臂带动末端执行器运动；控制方法包括：获取二级机械臂在目标时刻的位置和姿态，并将二级机械臂的位置和姿态进行融合，确定二级机械臂在目标时刻的实际位姿；基于二级机械臂在目标时刻的实际位姿，和二级机械臂在目标时刻的预设机械臂位姿，确定二级机械臂的运动偏差；基于二级机械臂的运动偏差，控制二级机械臂带动末端执行器运动到目标打印点进行高精度打印。在一种可能的实现方式中，传感器模块集包括视觉传感器和第一位置传感器；获取二级机械臂在目标时刻的位置和姿态，并将二级机械臂的位置和姿态进行融合，确定二级机械臂在目标时刻的实际位姿，包括：基于视觉传感器采集到的图像与预设模板图像进行特征点匹配，以确定二级机械臂的姿态；基于第一位置传感器采集到的二级机械臂的位置，确定二级机械臂的位置；基于二级机械臂的姿态和二级机械臂的位置，进行位姿融合，得到二级机械臂在目标时刻的实际位姿。
[0007]在一种可能的实现方式中，运动偏差至少包括位置偏差、速度偏差和倾角误差，控
制电机包括控制水平方向的电机和控制竖直方向的电机；基于二级机械臂的运动偏差，控制二级机械臂带动末端执行器运动到目标打印点，包括：基于位置偏差、速度偏差和倾角误差，采用模糊控制算法确定水平方向的电机和竖直方向的电机的控制信号；基于水平方向的电机和竖直方向的电机的控制信号，控制水平方向的电机和竖直方向的电机驱动二级机械臂带动末端执行器运动到预设机械臂位姿。
[0008]在一种可能的实现方式中，柔性关节内还设置有惯性测量单元和第二位置传感器，用于测量末端执行器的实际位姿，精度补偿模块集包括PID控制器；控制水平方向的电机和竖直方向的电机驱动二级机械臂带动末端执行器运动到预设机械臂位姿之后，还包括：基于末端执行器在目标打印点的预设打印位姿和末端执行器的实际位姿，确定末端执行器的位姿偏差；将位姿偏差作为PID控制器的输入，将PID控制器的输出作为水平方向的电机和竖直方向的电机的控制信号，控制二级机械臂带动末端执行器运动到目标打印点进行高精度打印。
[0009]第二方面，本专利技术实施例提供了一种隧道支护结构3D打印系统，包括：横向驱动组件，安装于工作平面上；机械臂，至少包括一级机械臂和二级机械臂，一级机械臂的一端固定在横向驱动组件上，一级机械臂的另一端通过柔性关节与二级机械臂的一端柔性连接；末端执行器，安装于二级机械臂的末端；其中，柔性关节内还设有传感器模块集、精度补偿模块集和控制电机，用于监测及控制二级机械臂带动末端执行器运动到目标打印点。
[0010]在一种可能的实现方式中，柔性关节包括：第一底座，柔性关节通过第一底座的一端与一级机械臂连接；水平转台，其第一端设于第一底座的另一端，且在第一底座和水平转台间设置有第一平衡轴，第一平衡轴驱动水平转台进行360度水平旋转；平衡系统，平衡系统设于水平转台的第二端，平衡系统内设有传感器模块集、精度补偿模块集和控制电机；连接件，连接件的一端与平衡系统转动连接，另一端与二级机械臂连接。在一种可能的实现方式中，平衡系统包括支座底板、第一平衡系统和第二平衡系统；支座底板固设在水平转台的第二端，第一平衡系统通过第二平衡轴固定在支座底板上，第二平衡系统位于第一平衡系统上，且第二平衡系统通过第三平衡轴与连接件转动连接；其中，第一平衡系统内设有第一传感器模块集、第一精度补偿模块集和第一控制电机，第二平衡系统内设有第二传感器模块集、第二精度补偿模块集和第二控制电机。
[0011]在一种可能的实现方式中，一级机械臂由液压控制，二级机械臂为五轴机械臂或六轴机械臂，二级机械臂由伺服电机控制。
第三方面，本专利技术实施例提供了一种隧道支护结构3D打印系统的控制装置，3D打印系统包括由柔性关节连接的一级机械臂和二级机械臂，二级机械臂的末端设有末端执行器；柔性关节内还设有传感器模块集、精度补偿模块集和控制电机，用于监测及控制二级机械臂带动末端执行器运动；控制装置包括：位姿确定模块，用于获取二级机械臂在目标时刻的位置和姿态，并将二级机械臂的位置和姿态进行融合，确定二级机械臂在目标时刻的实际位姿；偏差确定模块，用于基于二级机械臂在目标时刻的实际位姿，和二级机械臂在目标时刻的预设机械臂位姿，确定二级机械臂的运动偏差；运动补偿模块，用于基于二级机械臂的运动偏差，控制二级机械臂带动末端执行器运动到目标打印点进行高精度打印。
[0012]在一种可能的实现方式中，传感器模块集包括视觉传感器和第一位置传感器；位姿确定模块，用于获取二级机械臂在目标时刻的位置和姿态，并将二级机械臂的位置和姿态进行融合，确定二级机械臂在目标时刻的实际位姿，包括：基于视觉传感器采集到的图像与预设模板图像进行特征点匹配，以确定二级机械臂的姿态；基于第一位置传感器采集到的二级机械臂的位置，确定二级机械臂的位置；基于二级机械臂的姿态和二级机械臂的位置，进行位姿融合，得到二级机械臂在目标时刻的实际位姿。在一种可能的实现方式中，运动偏差至少包括位置偏差、速度偏差和倾角误差，控制电机包括控制水平方向的电机和控制竖直方向的电机；运动补偿模块，用于基于位置偏差、速度偏差和倾角误差，采用模糊控制算法确定水平方向的电机和竖直方向的电机的控制信号；基于水平方向的电机和竖直方向的电机的控制信号，控制水平方向的电机和竖直方向的电机驱动二级机械臂带动末端执行器运动到预设机械臂位姿。
[0013]在一种可能的实现方式中，柔性关节内还设置有惯性测量单元和第二位置传感器，用于测量末端执行器的实际位姿，精度补偿模块集包括PID控制器；运动补偿模块，用于控制水平方向的电机和竖直方向的电机驱动二级机械臂带动末端执行器运动到预设机械臂位姿之后，还包括：基于末端执行器在目标打印点的预设打印位姿和末端执行器的实际位姿，确定末本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种隧道支护结构3D打印系统的控制方法，其特征在于，3D打印系统包括由柔性关节连接的一级机械臂和二级机械臂，所述二级机械臂的末端设有末端执行器；所述柔性关节内还设有传感器模块集、精度补偿模块集和控制电机，用于监测及控制所述二级机械臂带动所述末端执行器运动；所述控制方法包括：获取所述二级机械臂在目标时刻的位置和姿态，并将所述二级机械臂的位置和姿态进行融合，确定所述二级机械臂在目标时刻的实际位姿；基于所述二级机械臂在目标时刻的实际位姿，和所述二级机械臂在目标时刻的预设机械臂位姿，确定所述二级机械臂的运动偏差；基于所述二级机械臂的运动偏差，控制所述二级机械臂带动所述末端执行器运动到目标打印点进行高精度打印。2.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述传感器模块集包括视觉传感器和第一位置传感器；所述获取所述二级机械臂在目标时刻的位置和姿态，并将所述二级机械臂的位置和姿态进行融合，确定所述二级机械臂在目标时刻的实际位姿，包括：基于所述视觉传感器采集到的图像与预设模板图像进行特征点匹配，以确定所述二级机械臂的姿态；基于所述第一位置传感器采集到的所述二级机械臂的位置，确定所述二级机械臂的位置；基于所述二级机械臂的姿态和所述二级机械臂的位置，进行位姿融合，得到所述二级机械臂在目标时刻的实际位姿。3.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述运动偏差至少包括位置偏差、速度偏差和倾角误差，所述控制电机包括控制水平方向的电机和控制竖直方向的电机；基于所述二级机械臂的运动偏差，控制所述二级机械臂带动所述末端执行器运动到目标打印点，包括：基于所述位置偏差、所述速度偏差和所述倾角误差，采用模糊控制算法确定所述水平方向的电机和竖直方向的电机的控制信号；基于所述水平方向的电机和竖直方向的电机的控制信号，控制所述水平方向的电机和竖直方向的电机驱动所述二级机械臂带动所述末端执行器运动到预设机械臂位姿。4.如权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述柔性关节内还设置有惯性测量单元和第二位置传感器，用于测量所述末端执行器的实际位姿，所述精度补偿模块集包括PID控制器；所述控制所述水平方向的电机和竖直方向的电机驱动所述二级机械臂带动所述末端执行器运动到预设机械臂位姿之后，还包括：基于所述末端执行器在目标打印点的预设打印位姿和所述末端执行器的实际位姿，确定所述末端执行器的位姿偏差；将所述位姿偏差作为PID控制器...

【专利技术属性】
技术研发人员：马国伟，王里，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：