技术领域
[0001] 本发明涉及盾构隧道施工技术领域，尤其涉及一种用于管片自动拼装的拼装机末端定位精度确定方法。
相关背景技术
[0002] 盾构管片自动拼装时，拼装机末端定位控制精度的判定是一个系统性问题，涉及机械结构设计、机械制造精度、结构重载形变、电气控制方法、运动学算法精度、目标位姿识别等。盾构管片自动拼装由于其极高的技术实现难度，至今未有实质性的工程应用成果，但较为统一的技术路径是：基于拼装机运动机理进行建模后开发运动学正逆解算法，并通过运动学正逆解算法结果结合电气控制，实现拼装机末端的空间定位，但该空间定位精度较差。
[0003] 截止目前，暂未有关于拼装机末端定位精度的直接、有效且准确的测定方法，导致拼装机在自动控制条件下末端定位精度判定困难的问题。因此，需要提供一种用于管片自动拼装的拼装机末端定位精度确定方法，能够解决现有技术中拼装机在自动控制条件下末端定位精度判定困难的问题。
具体实施方式
[0039] 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
[0040] 请参见附图1，一种用于管片自动拼装的拼装机末端定位精度确定方法，包括以下步骤：
[0041] 步骤1：在拼装机结构上选取不共面的若干个点(例如四个点A、B、C、D)，并获取该若干个点在拼装机全局坐标系下的三维坐标。
[0042] 优选的，拼装机结构上选取的点的数量至少为4个，从而能通过至少4个点生成至少3个向量。
[0043] 拼装机全局坐标系通常为拼装机结构前端的坐标系。
[0044] 步骤2：通过激光追踪仪获取该若干个点在激光追踪仪局部坐标系下对应的若干个对应点(四个点A、B、C、D分别对应A’、B’、C’、D’)的三维坐标。
[0045] 步骤3：计算若干个点中其中一个点与其余点的向量 计算若干个对应点中其中一个点与其余点的向量 形成两组相对应的向量。
[0046] 若干个点中其中一个点(例如点A)应与若干个对应点中其中一个点(例如对应点A’)对应，从而保证两组向量的一一对应，即 与 与 与
[0047] 步骤4：计算两组向量(三对向量 与 与 与 )的长度偏差，若长度偏差满足偏差范围，则执行步骤5，若长度偏差不满足偏差范围，则返回步骤1。
[0048] 通过步骤1至步骤4对拼装机全局坐标系与激光追踪仪局部坐标系进行坐标转换试验，可预先设定偏差范围，优选的，该偏差范围可设为0.5mm，判断两组向量中的各对向量的长度偏差是否均满足偏差范围的要求，若是，则证明拼装机全局坐标系和激光追踪仪局部坐标系的数据获取有效，坐标转换试验通过，可继续执行步骤5，否则返回步骤1。
[0049] 步骤5：计算拼装机全局坐标系与激光追踪仪局部坐标系之间的坐标转换关系。
[0050] 由于拼装机全局坐标系与激光追踪仪局部坐标系的尺度相同，且都是空间右手直角坐标系，因此对应两点之间符合坐标转换关系。
[0051] 以点A和对应点A’为例，坐标转换关系为A＝R0×A￠+S0(1)
[0052] 其中，R0为欧拉变换矩阵；S0为平移变换向量。
[0053] 点B和点B’、点C和点C’、点D和点D’的坐标转换关系与点A和点A’的坐标转换关系一致，此处不再一一赘述。
[0054] 根据式(1)，六个向量之间满足以下关系：
[0055]
[0056] 其中，欧拉变换矩阵R0可表示为：
[0057]
[0058] 其中，α、β和γ分别设定为在拼装机全局坐标系下X轴、Y轴、Z轴对应的三个旋转角度，可采用枚举法计算，枚举法为本领域中常规的计算方式，此处不再对其计算过程进行赘述。
[0059] 设定变量每次递增1°，达到最小残差后，提高变量的递增精度进行计算，直至满足精度要求。对残差(loss)定义如下：
[0060]
[0061] 优选的，残差loss的范围可设定为[0,2]，也可根据实际需求进行残差范围的适应性调整。
[0062] 获取欧拉变换矩阵R0，将欧拉变换矩阵R0代回式(1)即可求解平移变换向量S0。
[0063] 步骤6：在拼装机末端安装定位球，并通过激光追踪仪获取该定位球在激光追踪仪局部坐标系下的三维坐标。
[0064] 将定位球作为拼装机末端的精度测点。
[0065] 定位球的安装位置可在拼装机末端的任意位置根据实际需求进行选取，例如拼装机抓手末端一角等，用于代表拼装机末端的定位。
[0066] 步骤7：将步骤6中获取的三维坐标通过步骤5的坐标转换关系转换为定位球在拼装机全局坐标系下的三维坐标，记为第一全局三维坐标。
[0067] 步骤8：利用运动学正解计算定位球在拼装机全局坐标系下的三维坐标，记为第二全局三维坐标。
[0068] 由于拼装机全局坐标系为拼装机前端的坐标系，其与拼装机末端的坐标系的转换关系矩阵为T，转换关系矩阵T可通过中国发明专利申请CN117189188A公开的一种拼装机的精确运动控制方法和控制系统中的拼装机的精确运动控制方法计算得到；从而可利用定位球在拼装机后端的坐标系中的三维坐标通过变换矩阵T’计算得到第二全局三维坐标。
[0069] 定位球的第二全局三维坐标与拼装机全局坐标系的变换矩阵为：
[0070] T’＝TT0 (5)
[0071] 其中，T0为定位球与拼装机末端的坐标系之间的转换矩阵，T0表示为：
[0072]
[0073] 由于定位球通常不会安装在拼装机末端的坐标系的原点处，需在转换关系矩阵T的基础上增加对转换矩阵T0的考虑，其中，p、q、r为拼装机末端的坐标系的原点沿其X轴、Y轴、Z轴平移至定位球所在位置的平移值。
[0074] 步骤9：将步骤7中计算的第一全局三维坐标与与步骤8中计算的第二全局三维坐标对比，根据对比结果确定拼装机末端在自动控制条件下的综合定位精度。
[0075] 实施例1：
[0076] 步骤1：在拼装机结构上选取不共面的四个点A、B、C、D，并获取该四个点A、B、C、D在拼装机全局坐标系下的三维坐标。
[0077] 在拼装机全局坐标系下，四个点的坐标分别为：A(‑336.817，‑1584.599，4436.965)，B(336.817，‑1584.599，4436.965)，C(‑443.765，‑1975.044，3540.577)，D(443.183，‑1977.317，3542.184)。
[0078] 步骤2：通过激光追踪仪获取该四个点A、B、C、D在激光追踪仪局部坐标系下对应的四个对应点A’、B’、C’、D’的三维坐标。
[0079] 在激光追踪仪局部坐标系下四个对应点的坐标分别为：A’(‑4500.479，14909.169，1730.294)，B’(‑3838.671，14862.053，1844.212)，C’(‑4475.778，15806.824，
1328.353)，D’(‑3603.907，15742.597，1476.750)。
[0080] 步骤3：计算向量
[0081] (向量长度：673.634)；
[0082] (向量长度：983.563)；
[0083] (向量长度：1250.304)。
[0084] (向量长度：673.197)；
[0085] (向量长度：983.845)；
[0086] (向量长度：1250.091)。
[0087] 步骤4：计算三对向量 与 与 与 的长度偏差。
[0088] 经计算可知，三对向量的长度偏差均在0.5mm范围内，满足预设的偏差范围的要求，证明拼装机全局坐标系和激光追踪仪局部坐标系的数据获取及其坐标转换关系有效。
[0089] 步骤1至步骤4的坐标转换试验中拼装机关节运动量分别设定如表1所示。
[0090] 表1各关节运动量设定
[0091]
[0092] 步骤5：计算拼装机全局坐标系与激光追踪仪局部坐标系之间的坐标转换关系。
[0093] 以点A和对应点A’为例，坐标转换关系为A＝R0×A￠+S0(1)
[0094] 其中，R0为欧拉变换矩阵；S0为平移变换向量。
[0095] 根据式(4)，当计算至a＝1.5721rad，β＝6.1128rad，g＝6.2119rad时，残差loss＝1.045，计算结果满足[0,2]的设定需求，计算停止。
[0096] 将三个旋转角度α、β和γ带入式(3)，计算得到：
[0097]
[0098] 将欧拉变换矩阵R0带入式(1)，计算得到：
[0099]
[0100] 步骤6：在拼装机抓手远端一角即拼装机末端安装定位球，并通过激光追踪仪获取该定位球在激光追踪仪局部坐标系下的三维坐标。
[0101] 给出拼装机的三种常用工况，如表2所示。
[0102] 表2拼装机的三种工况
[0103]
[0104] 在表2的三种工况下，通过激光追踪仪捕捉定位球在激光追踪仪局部坐标系下的三维坐标，三种工况下定位球在激光追踪仪局部坐标系下的三维坐标值如表3中第3列所示。需要说明的是，由于激光追踪仪位于拼装机远端，为避免定位球被遮挡，拼装机的回转环只能作小幅转动动作。
[0105] 步骤7：将步骤6中获取的三维坐标通过步骤5的坐标转换关系转换为定位球在拼装机全局坐标系下的三维坐标，记为第一全局三维坐标，如表3中第4列所示。
[0106] 步骤8：利用运动学正解计算定位球在拼装机全局坐标系下的三维坐标，记为第二全局三维坐标。
[0107] 在三种工况下定位球的第二全局三维坐标通过变换矩阵T’计算得到，如表3中第5列所示。
[0108] 步骤9：将步骤7中计算的第一全局三维坐标与与步骤8中计算的第二全局三维坐标对比，根据对比结果确定拼装机抓手远端一角即拼装机末端的综合定位精度。
[0109] 将三种工况下定位球在拼装机全局坐标系下的三维坐标与公知技术中的运动学正解(如表3中第5列所示)对比，将拼装机全局坐标系下的运动学正解减去拼装机全局坐标系下的三维坐标值，分别计算获取坐标X、Y、Z对应的单轴偏差，并根据坐标X、Y、Z对应的单轴偏差计算综合定位精度，计算公式为： 对比结果如表3第7列所示。
[0110] 优选的，可将综合定位精度设定为±1.0mm。
[0111] 表3三种工况下的对比结果
[0112]
[0113]
[0114] 通过表3可知，拼装机抓手远端一角处的综合定位精度可控制在±1.0mm内，也即三种工况下拼装机末端的综合定位精度均在±1.0mm内，说明拼装机在自动控制条件下末端的定位精度较好，从而可通过综合定位精度用于拼装机在自动控制条件下末端的定位精度判定。
[0115] 以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定发明的保护范围，因此，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
