[發明專利]隧道多臂架、多關節作業設備的末端臂架姿態多模式自動控制裝置及方法

有效

• 申請號: 201611090660.9
• 申請日: 2016-12-01
• 公開（公告）號: CN106625629B
• 公開（公告）日: 2017-10-31
• 發明（設計）人: 邵凡;郎媛;林叔斌
• 申請（專利權）人: 長沙科達智能裝備股份有限公司
• 主分類號: B25J9/06
• 分類號: B25J9/06;B25J9/16;B25J13/06
• 代理公司: 長沙正奇專利事務所有限責任公司43113
• 代理人: 何為,袁穎華

1.一種隧道多臂架、多關節作業設備的末端臂架姿態多模式自動控制裝置，其特征在于，該控制裝置包括傳感單元、控制單元、人機交互單元及執行單元，其中：

該傳感單元，包括傾角傳感器、回轉角度傳感器及位移傳感器，該傾角傳感器設于作業設備臂架組的各臂架上以測量各臂架與水平面的夾角值，該回轉角度傳感器設于該臂架組中各臂架的回轉機構上以測量各回轉機構的回轉角度值，該位移傳感器設于該臂架組中各臂架的伸縮機構上以測量各伸縮機構的運動位移值；該傳感單元與該控制單元連接，以通過各傳感器實時采集傳感信號并傳送至控制單元；

該人機交互單元，與該控制單元連接，用于接收操作者的操控指令并發送至控制單元；同時接受并顯示控制單元發出的控制指令信息，將該臂架組的當前運行狀態實時展示給操作者；其中，該操作者的操控指令包括末端臂架水平方向調節指令、末端臂架朝向調節指令以及末端臂架尾端點與支撐裝置鉸接點之間的垂直距離調節指令；

該控制單元，其包括工業控制器，該工業控制器用于接收各傳感信號，同時接收人機交互單元傳送的操控指令，并結合傳感信號進行運算處理后輸出控制指令，并將控制指令發送到執行機構單元，同時將控制指令的相關信息反饋至人機交互系統進行顯示；

該執行機構單元，與該控制單元連接；該執行機構單元包括控制閥組，用于接收控制單元發出的控制指令，以使控制閥組執行該控制指令使該臂架組的基本臂架和末端臂架動作，實現對該臂架組末端臂架的姿態控制。

2.如權利要求1所述的隧道多臂架、多關節作業設備的末端臂架姿態多模式自動控制裝置，其特征在于，所述傳感單元采集的信號包括所述臂架組的各臂架與水平面的當前夾角值；該臂架組中各回轉機構的當前回轉角度值；該臂架組中各伸縮機構的當前運動位移值。

3.一種隧道多臂架、多關節作業設備的末端臂架姿態多模式自動控制方法，其特征在于，該方法步驟如下：

A.于該作業設備一臂架組的伸縮機構、回轉機構、以及各臂架上設置對應的位移傳感器、回轉角度傳感器、和傾角傳感器；

B.人機交互單元獲取操作者的操控指令并發送至控制單元，該操控指令包括末端臂架水平方向調節指令、末端臂架朝向調節指令以及末端臂架尾端點與支撐裝置鉸接點之間的垂直距離調節指令；同時傳感單元中各回轉角度傳感器、傾角傳感器及位移傳感器采集當前傳感信號并發送至控制單元；

C.控制單元接收操作者的操控指令和當前的各傳感信號，經運算處理后輸出相應的控制指令至執行機構單元使臂架組基本臂架和末端臂架動作，實現對末端臂架姿態的自動控制；

上述提及的控制指令的運算處理過程如下：

末端臂架水平方向自動調節控制指令：通過人機交互單元設定末端臂架與水平面的夾角值θe和操作者發出的末端臂架水平方向調節控制指令中的末端臂架實際水平調節角度即目標夾角值θm的最大允許差值為Δθ；若傾角傳感器采集的末端臂架與水平面的當前夾角值和操作者發出的目標夾角值之間的差值Δθ₀大于Δθ時，則由控制單元計算出Δθ₀與Δθ之間的差值，根據該計算出的差值發出末端臂架水平方向調節控制指令至執行機構單元使末端臂架于垂直方向運動，使傾角傳感器采集的末端臂架與水平面的當前夾角值和目標夾角值的差值小于等于Δθ；若傾角傳感器采集的末端臂架與水平面的當前夾角值和操作者發出的目標夾角值之間的差值Δθ₀小于等于Δθ，則末端臂架不動作，從而實現末端臂架的水平方向自動調節控制；

末端臂架朝向自動調節控制指令：設定操作者發出的末端臂架朝向調節操控指令中的目標朝向調節角度為Δα，若基本臂架和末端臂架的回轉角度傳感器采集的該兩臂架的當前回轉角度之和Δα₀等于Δα，則基本臂架和末端臂架不動作；若基本臂架和末端臂架的回轉角度傳感器采集的兩臂架的當前回轉角度之和Δα₀小于或大于Δα，則控制單元計算Δα₀與Δα的差值，再根據計算出的該差值發出末端臂架朝向調節控制指令至執行機構單元使基本臂架和末端臂架中的至少一個臂架進行回轉動作，直至基本臂架和末端臂架的回轉角度傳感器采集的該兩臂架的當前回轉角度之和等于Δα，從而實現末端臂架朝向的自動調節控制；

末端臂架尾端點與支撐裝置鉸接點之間的垂直距離的自動調節控制指令：設定操作者發出的末端臂架尾端點與支撐裝置鉸接點之間的垂直距離調節指令中的目標垂直調節距離為L；

當臂架組的基本臂架不動作即不進行垂直或回轉運動時，設定人機交互單元顯示的當前垂直調節距離為L₀；若L₀小于或大于L，則由控制單元計算出L₀與L的差值，再根據該差值，發出垂直距離自動調節控制指令使末端臂架的伸縮機構運動該計算出的差值距離，并通過該伸縮機構的位移傳感器進行伸縮長度的反饋；若L₀等于L，則末端臂架的伸縮機構不動作，從而實現末端臂架尾端點與支撐裝置鉸接點之間的垂直距離的自動調節控制；

當臂架組的基本臂架只進行垂直運動時，則先由控制單元根據基本臂架的傾角傳感器采集的垂直運動后基本臂架與水平面的夾角，依據基本臂架的長度，計算出基本臂架垂直運動后的垂直方向值，再計算出該垂直方向值與L的差值，然后根據該差值，發出垂直距離自動調節控制指令使末端臂架的伸縮機構運動該計算出的差值距離，并通過該伸縮機構的位移傳感器進行伸縮長度的反饋，從而實現末端臂架尾端點與支撐裝置鉸接點之間的垂直距離的自動調節控制；

當臂架組的基本臂架只進行回轉方向運行時，則先由控制單元根據基本臂架的回轉角度傳感器采集的基本臂架回轉運行前后的回轉角度值，依據基本臂架的長度，計算出基本臂架回轉運動后于水平方向的垂直變化值L_基，若末端臂架不進行回轉和垂直運動，則直接根據控制單元計算出的基本臂架回轉運動后于水平方向的垂直方向值與L進行比較，計算出差值，然后根據該差值，發出垂直距離自動調節控制指令使末端臂架的伸縮機構運動計算出的該差值距離，并通過該伸縮機構的位移傳感器進行伸縮長度的反饋；若末端臂架進行回轉而不進行垂直運動，則由控制單元根據末端臂架的回轉角度傳感器采集的末端臂架回轉運動前后的回轉角度值，依據末端臂架的長度，計算出末端臂架的回轉機構回轉帶來的末端臂架于水平方向的垂直變化值L_末，將L_基、L_末、L₀和L相結合計算出當前末端臂架尾端點與L之間的差值，然后根據該差值，發出垂直距離自動調節控制指令使末端臂架的伸縮機構運動計算出的該差值距離，并通過該伸縮機構的位移傳感器進行伸縮長度的反饋；若末端臂架同時進行回轉和垂直運動，則先由控制單元根據末端臂架的回轉角度傳感器采集的末端臂架回轉前后的回轉角度值以及末端臂架的傾角傳感器采集的末端臂架垂直運動前后與水平面的夾角值，依據末端臂架的長度，計算出末端臂架在回轉和垂直運動后于水平方向上的垂直變化值，再結合L_基、L₀和L，計算出當前末端臂架尾端點與L之間的差值，然后根據該差值，發出垂直距離自動調節控制指令使末端臂架的伸縮機構運動計算出的該差值距離，并通過該伸縮機構的位移傳感器進行伸縮長度的反饋；若末端臂架不回轉而進行垂直運動，則先由控制單元根據末端臂架的傾角傳感器采集的末端臂架垂直運動前后與水平面的夾角值，依據末端臂架的長度，計算出末端臂架在垂直運動后于水平方向上的垂直變化值，再結合L_基、L₀和L，計算出當前末端臂架尾端點與L之間的差值，然后根據該差值，發出垂直距離自動調節控制指令使末端臂架的伸縮機構運動計算出的該差值距離，并通過該伸縮機構的位移傳感器進行伸縮長度的反饋；從而實現末端臂架尾端點與支撐裝置鉸接點之間的垂直距離的自動調節控制；

當臂架組的基本臂架同時進行回轉和垂直方向運行時，則先由控制單元根據基本臂架的回轉角度傳感器采集的基本臂架回轉前后的回轉角度值以及基本臂架的傾角傳感器采集的基本臂架垂直運動前后與水平面的夾角值，依據基本臂架的長度，計算出基本臂架在回轉和垂直運動后于水平方向上的垂直變化值，再同理計算出末端臂架于水平方向上的垂直變化值，將該兩垂直變化值與L₀、L相結合計算出當前末端臂架尾端點與L之間的差值，然后根據該差值，發出垂直距離自動調節控制指令使末端臂架的伸縮機構運動計算出的該差值距離，并通過該伸縮機構的位移傳感器進行伸縮長度的反饋；從而實現末端臂架尾端點與支撐裝置鉸接點之間的垂直距離的自動調節控制。