[发明专利]隧道支护结构3D打印系统及其控制方法

权利要求书

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控制器的输入，将所述PID控制器的输出作为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。

5.一种隧道支护结构3D打印系统，其特征在于，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，所述一级机械臂的一端固定在所述横向驱动组件上，所述一级机械臂的另一端通过柔性关节与所述二级机械臂的一端柔性连接；

末端执行器，安装于所述二级机械臂的末端；

其中，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到目标打印点。

6.如权利要求5所述的隧道支护结构3D打印系统，其特征在于，所述柔性关节包括：

第一底座，所述柔性关节通过所述第一底座的一端与所述一级机械臂连接；

水平转台，其第一端设于所述第一底座的另一端，且在所述第一底座和所述水平转台间设置有第一平衡轴，所述第一平衡轴驱动所述水平转台进行360度水平旋转；

平衡系统，所述平衡系统设于所述水平转台的第二端，所述平衡系统内设有所述传感器模块集、所述精度补偿模块集和所述控制电机；

连接件，所述连接件的一端与所述平衡系统转动连接，另一端与所述二级机械臂连接。