[发明专利]隧道支护结构3D打印系统及其控制方法

说明书

本发明提供隧道支护结构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。本发明可以提高隧道支护结构的打印精度。

技术领域

本发明涉及结构构件技术领域，尤其涉及一种隧道支护结构3D打印系统及其控制方法。

背景技术

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。

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。

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。

发明内容

本发明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。

第一方面，本发明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。

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。

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：