[发明专利]大型机械臂姿态感知方法及系统

说明书

本发明公开了一种大型机械臂姿态感知方法和系统，所述方法是采集各基站和待测臂架各采集点间的三维距离信息，根据大型机械臂的运动特性和空间几何关系，将三维距离信息降维计算得二维距离信息，基于源定位方法结合大型机械臂的结构以二维距离信息为基础建立数学模型，求解得二维计算信息，将二维计算信息升维成三维计算信息，获得的所有三维计算信息即为该大型机械臂的实时感知姿态；所述系统包括多个基站、若干测距传感器和信息处理中心。与现有技术相比，本发明提供的大型机械臂姿态感知方法和系统可避免积累误差，保证坐标计算精度，适用于各种同类型大型机械臂的姿态感知任务。

技术领域

本发明涉及工程器械技术领域，尤其涉及一种大型机械臂姿态感知方法及系统。

背景技术

大型机械臂是指由一系列铰链和金属臂架构成的用于大型工程浇筑任务的大型待测臂架。现有的待测臂架，一般在实际使用中主要通过铰链连接多段固定长度的臂架，运送混凝土的过程中需要工人将安装在机械臂末端的软管拉近目标位置，并在浇筑过程中引导完成。理想情况下，臂架工作时每段连杆和关节处于同一平面，由安装在泵车上的旋转台提供水平方向旋转，但是，由于臂架长度一般较长，旋转过程中易出现旋转振动和弹性形变，且周围环境可能出现树木、建筑、人体等障碍物的干扰，致使机械臂作业过程出现碰撞，从而导致极为致命的工程事故，造成人力财力方面的重大损失。

传统的臂架姿态感知方法大多数是基于倾角传感器的测量，两个连杆之间装一个倾角传感器，然后从转台到臂尖依次求出臂架的姿态；还有根据其液压驱动系统的几何结构，通过液压缸的行程传感器测量液压杆的伸长量，再计算出相互连杆间的夹角，以确定姿态，这些方法都是利用从转台到末端每一段连杆与倾角的几何关系得到末端位置；也有用粒子群定位方法对臂架关节点进行定位，采用大规模随机取点寻找臂架关节点和末端位置，计算臂架姿态；另外，还有人利用双目视觉系统，对机械臂图像进行实时监控，提取三维图像特征，完成臂架姿态计算。

但是，以上描述的方法存在一些弊端：1、基于角度和连杆几何关系往往存在累积误差与弹性形变，对于姿态感知效率较低，精确度不高；2、传统源定位姿态感知方法，采用随机取点的方法，没有充分利用待测臂架的运动特性，计算复杂度高，实时性差；3、双目视觉系统造价高，过度依赖于摄像头视角，同时忽略其运动特性和室外环境可能出现的雨水、遮挡物(如树木)，影响系统稳定性。

发明内容

本发明的目的是克服了上述问题或者至少部分的解决上述问题，结合工程机械臂运动特性，提供一种利用数学优化方法的高精度低复杂度的机械臂姿态感知方法及系统，通过该感知方法和系统得到的仿真数据与机械臂实时状态非常接近，误差很小。

为了实现上述目的，本发明的一个发明目的是提供一种大型机械臂姿态感知方法，所述方法是采集各基站和待测臂架各采集点间的三维距离信息，根据大型机械臂的运动特性和空间几何关系，将三维距离信息降维计算得二维距离信息，基于源定位方法结合大型机械臂的结构以二维距离信息为基础建立数学模型，求解得二维计算信息，将二维计算信息升维成三维计算信息，获得的所有三维计算信息即为该大型机械臂的实时感知姿态；其中，距离信息包含各基站与基站间的距离，各测距传感器与测距传感器间的距离和各基站与各测距传感器间的距离。

优选的，所述大型机械臂姿态感知方法包括如下步骤：

S1，臂架在初始位置时，布设完全覆盖待测臂架关节点或期望点环境的若干个无线基站，在待测臂架关节点或期望点处安装测距传感器；

S2，通过测距传感器测量各基站与待测臂架各关节点或期望点之间的距离，根据测得的各三维距离信息建立距离数据库；

S3，根据大型机械臂架在作业时，具有工作于一个平面和关节点联动协作的运动特性和空间几何关系，将步骤S2所得距离数据库中的各三维距离信息降低维度计算得二维距离信息，将所得各二维距离信息更新至距离数据库；