一种侧夹式液压打桩机位姿监测系统及其位姿反解方法

1.本发明涉及桩工机械技术领域，具体涉及一种侧夹式液压打桩机位姿监测系统及其位姿反解方法。


背景技术：

2.随着我国基建的快速发展，对打桩机的需求量愈来愈大。对于高层建筑深沉桩基础工程越来越多，对打桩机的沉桩精度与施工效率提出更高要求。目前传统的沉桩监测主要依靠人工测量或者普通的水准仪测量，沉桩过程中受到振动等一些列外部因素影响导致桩体位姿发生改变且无法持续对桩体进行位姿测量，从而导致施工效率低下且沉桩精度难以保证。此外，侧夹式液压打桩机涉及偏摆机构、抱夹机构、振动箱体和底部夹紧等硬件装置，调整桩体位姿时组合动作复杂且难以控制。


技术实现要素：

3.针对上述存在的技术不足，本发明的目的是提供一种侧夹式液压打桩机位姿监测系统及其位姿反解方法，能够通过已知桩体的位姿信息反解出打桩机机械臂关节偏角，从而确定打桩机机械大臂、小臂以及偏摆机构三组动臂油缸活塞的推进行程，从而为操作人员调整桩体位姿提供数据参考。
4.为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
5.本发明提供一种侧夹式液压打桩机位姿监测系统，包括设置在打桩机机体上的位姿传感单元、位移传感单元、数据采集模块、数据处理模块、通信管理机制模块、监测系统模块；所述位姿传感单元设置在打桩机末端偏摆机构的中心部位用于测量打桩机末端偏摆机构所夹持桩体x、y、z三轴方向位姿信息；所述位移传感单元安置在打桩机机械臂的三组动臂油缸上用于测量打桩机机械臂液压油缸活塞的推进行程；所述数据采集模块与位姿传感单元、位移传感单元电连接用于采集位姿传感单元、位移传感单元转换后的电信号，并将转换后的电信号发送给数据处理模块；所述数据处理模块用于将数据采集模块采集的电信号利用预定函数进行计算，求所述解桩体x、y、z三轴位姿信息与液压缸活塞推进行程；所述通信管理机制模块用于将数据处理模块与监测系统模块进行连接；所述监测系统模块用于显示桩体的位姿信息与打桩机的动态模型。
6.优选地，所述位移传感单元分三组设置在打桩机机械臂三组液压油缸上，第一组布置在打桩机机械大臂液压油缸上；第二组布置在打桩机机械小臂液压油缸上；第三组布置在打桩机末端偏摆机构的液压油缸上。
7.优选地，所述位姿传感单元、位移传感单元采用rs232总线与所述数据采集模块进行连接，所述通信管理机制模块与监测系统模块采用是udp通信协议进行连接。
8.优选地，所述监测系统模块包括监测数据显示界面与虚拟模型显示界面，所述监测数据显示界面用于显示所述位姿传感单元与位移传感单元的监测数据；所述虚拟模型显示界面用于展示打桩机实时动态。
9.优选地，所述x、y、z三轴是以打桩机基坐标系{oxyz}为坐标系，其中：基坐标系{oxyz}以打桩机竖直向上的方向为基座标系z轴正方向，打桩机机械臂伸展方向为基坐标系x轴正方向，以右手定则确定基座标系y轴方向。
10.本发明还提供一种上述系统的位姿反解方法，其特征在于，包括以下步骤：
11.(1)通过数据采集模块采集位姿传感单元监测的桩体位姿数据与位移传感单元监测的液压油缸的行程数据；
12.(2)通过数据处理模块解析步骤(1)中的数据，将解析出的桩体位姿数据建立t1矩阵；同时根据打桩机机械臂模型的六组自由度参数，建立末端执行机构坐标系相对于打桩机基坐标系的变换矩阵t2；将得出的t1与t2矩阵运用机构运动学反解方法求解出打桩机各个关节偏角，再由关节偏角求解出打桩机机械大臂、机械小臂以及打桩机末端偏摆机构这三组液压油缸活塞的推进行程数据；
13.(3)运用所述通信管理机制模块将步骤(2)获得的液压油缸的推进数据进行格式转换，并通过udp协议传输到所述的监测系统模块；
14.(4)通过监测系统模块的监测数据显示界面展示位姿传感单元数据，通过监测系统模块的虚拟模型显示界面展示步骤(3)得出的液压缸活塞位移数据，用此位移数据驱动打桩机模型机械臂。
15.优选地，步骤(2)中：
16.式中：是以打桩机末端偏摆机构绕打桩机基座标系的x轴旋转角度γ、绕打桩机基座标系的y轴旋转角度β、绕打桩机基座标系的z轴旋转角度α为基准建立的旋转矩阵、是平移矩阵，px、py、pz为打桩机末端偏摆机构夹持中心点到打桩机基座标系的x轴、y轴、z轴之间的距离；
[0017]17.分别代表六组自由度参数矩阵，每组自由度参数矩阵均包括ai,αi,di,θi四个参数；其中ai(i＝1，2，3，4，5，6)表示打桩机机械臂第i连杆长度，αi表示第i个连杆扭转角，di为第i个连杆偏距，θi为第i个关节的关节角。
[0018]
本发明的有益效果在于：
[0019]
本发明通过自动化监测，能够及时准确的掌握桩体下沉的位姿信息，能够为操作人员提供准确的桩体位姿信息；同时本发明运用机构反解算法计算出桩体保持目标位姿时各个机械臂所需的关节偏角，利用偏角再计算出各个液压缸活塞的推进行程，为操作人员调整桩体位姿提供了有效的数据支撑，同时运用此数据驱动打桩机模型运动为操作人员提
供更加直观的三维虚拟界面。
附图说明
[0020]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0021]
图1为本发明的侧夹式打桩机位姿监测系统的开发流程示意图；
[0022]
图2为本发明的侧夹式打桩机位姿监测系统硬件搭建系统示意图；
[0023]
图3为本发明的侧夹式打桩机机械臂三自由度结构简图。
[0024]
附图标记说明：
[0025]
1、桩体，2、侧夹机构，3、打桩机末端偏摆机构，4、位姿传感单元，5、机械臂动臂油缸，6、rs232串口通信线，7、位移传感单元，8、监测系统模块；l1、打桩机机械动臂的连杆长度；l2、打桩机机械小臂的连杆长度；l3、末端执行机构的连杆长度；
①
、动臂液压油缸；
②
、斗杆液压油缸；
③
、偏摆机构液压油缸；a1、动臂关节偏角；a2、斗杆关节偏角；a3、偏摆机构关节偏角。
具体实施方式
[0026]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0027]
如图1至图3所示，一种侧夹式液压打桩机位姿监测系统，包括设置在打桩机机体上的位姿传感单元4、位移传感单元7、数据采集模块、数据处理模块、通信管理机制模块、监测系统模块8；所述位姿传感单元4设置在打桩机末端偏摆机构3的中心部位用于测量打桩机末端偏摆机构3所夹持桩体x，y，z三轴方向位姿信息；位姿传感器抱夹机构固定在打桩机末端偏摆机构3上，当抱夹机构夹持桩体，三者构成一个刚性整体。通过安装在打桩机末端偏摆机构上的位姿传感单元4监测桩体空间位姿所述位移传感单元7安置在打桩机机械臂的三组动臂油缸上用于测量打桩机机械臂液压油缸活塞的推进行程；所述数据采集模块与位姿传感单元4、位移传感单元7电连接用于采集位姿传感单元4、位移传感单元7转换后的电信号，并将转换后的电信号发送给数据处理模块；所述数据处理模块用于将数据采集模块采集的电信号利用预定函数进行计算，求解所述桩体x、y、z三轴位姿信息与液压缸活塞推进行程；所述通信管理机制模块用于将数据处理模块与监测系统模块8进行连接；所述监测系统模块8用于显示桩体的位姿信息与打桩机的动态模型。
[0028]
本实施例的桩体x、y、z三轴是以打桩机基坐标系{oxyz}为坐标系，基坐标系{oxyz}以打桩机竖直向上的方向为基座标系z轴正方向，打桩机机械臂伸展方向为基坐标系x轴正方向，根据右手定则确定基座标系y轴方向。
[0029]
所述位移传感单元7分三组设置在打桩机机械臂三组液压油缸上，第一组布置在打桩机机械大臂液压油缸上；第二组布置在打桩机机械小臂液压油缸上；第三组布置在打
桩机末端偏摆机构的液压油缸上。所述位姿传感单元4、位移传感单元7采用rs232总线与所述数据采集模块进行连接，所述通信管理机制模块与监测系统模块8采用是udp通信协议进行连接，udp通信高效率数据传输能够满足传感单元实时数据传送。所述监测系统模块8包括监测数据显示界面与虚拟模型显示界面，所述监测数据显示界面用于显示所述位姿传感单元4与位移传感单元7的监测数据；所述虚拟模型显示界面用于展示打桩机实时动态。
[0030]
本实施例的位姿传感单元4、位移传感单元7、数据采集模块、数据处理模块、通信管理机制模块、监测系统模块8采用本领域技术人员所熟知的现有产品或结构，其安装位置除本实施例提到的以外按照本领域技术人员所熟知的现有方式安装。
[0031]
本实施例的桩体1、侧夹机构2、打桩机末端偏摆机构3、机械臂动臂油缸5、打桩机机体为本领域技术人员所熟知的现有产品或结构，其相互之间的连接方式也采用本领域技术人员所熟知的现有方式连接，在此不再作详细描述。
[0032]
本发明还提供一种上述系统的位姿反解方法，包括以下步骤：
[0033]
(1)通过数据采集模块采集位姿传感单元(4)监测的桩体位姿数据与位移传感单元7监测的液压油缸的行程数据；
[0034]
(2)通过数据处理模块解析步骤(1)中的数据，将解析出的桩体位姿数据建立t1矩阵；同时根据打桩机机械臂模型的六组自由度参数，建立末端执行机构坐标系相对于打桩机基坐标系的变换矩阵t2；将得出的t1与t2矩阵运用机构运动学反解方法求解出打桩机各个关节偏角，再由关节偏角求解出打桩机机械大臂、机械小臂以及打桩机末端偏摆机构这三组液压油缸活塞的推进行程数据；
[0035]
(3)运用所述通信管理机制模块将步骤(2)获得的液压油缸的推进数据进行json数据格式转换，并通过udp协议传输到所述的监测系统模块8；
[0036]
(4)通过监测系统模块8的监测数据显示界面展示位姿传感单元(4)数据，通过监测系统模块8的虚拟模型显示界面展示步骤(3)得出的液压缸活塞位移数据，用此位移数据驱动打桩机模型机械臂。
[0037]
步骤(2)中：
[0038]
式中：是以打桩机末端偏摆机构绕打桩机基座标系的x轴旋转角度γ、绕打桩机基座标系的y轴旋转角度β、绕打桩机基座标系的z轴旋转角度α为基准建立的旋转矩阵、是平移矩阵，px、py、pz为打桩机末端偏摆机构夹持中心点到打桩机基座标系的x轴、y轴、z轴之间的距离；
[0039][0039]
分别
代表六组自由度参数矩阵，每组自由度参数矩阵均包括ai,αi,di,θi四个参数；其中ai(i＝1，2，3，4，5，6)表示打桩机机械臂第i连杆长度，αi表示第i个连杆扭转角，di为第i个连杆偏距，θi为第i个关节的关节角。
[0040]
本实施例的打桩机机械臂有六个自由度，因此有六组ai,αi,di,θi参数，本实施例的打桩机机械臂所有的关节均为转动关节，ai,αi,di,θi四种参数中只有关节转角θi是变量，其余均为已知量；本实施例的位姿反解就是根据传感器监测的桩体位姿信息计算出各个关节转角θi。
[0041]
t1与t2两个矩阵建立等式，求解未知变量θi，θi角即为打桩机机械臂关节偏角。
[0042]
本实施例以传感器监测的打桩机末端偏摆机构的位姿信息(px、py、pz，γ，β，α)＝(95.8，-114.2，24.2，162.5
°
，-9.85
°
，-168.5
°
)为例，根据位置与姿态数据建立转换矩阵t1：
[0043][0044]
利用t1与t2两个矩阵相等，求解出打桩机各个关节角，利用每个关节的角求出打桩机机械臂液压油缸的推进行程：
[0045]
根据运动学反解方法求解出的关节角θi，利用动臂关节角θ2与机械大臂油缸推进行程λ2建立对应的数学模型；关节角θ2与油缸的驱动行程λ2的对应关系为：
[0046]
由图3可知a、c点为油缸安装位姿，b为机械大臂关节点位置，ab与bc均为固定值，根据固定值ab＝550cm，bc＝650cm，位姿反解求出的θ2＝45
°
，即可求解出油缸的推进行程λ2＝468.4cm，求解θ3，θ4，θ5方法类似。即桩体需要维持(95.8，-114.2，24.2，162.5
°
，-9.85
°
，-168.5
°
)此姿态，各组关节角需要调整的角度为：θ1＝-50
°
，θ2＝45
°
，θ3＝-30
°
，θ4＝-35
°
，θ5＝0
°
，θ6＝30
°
，根据各个关节调整的θi角度再确定油缸的推进距离，机械大臂液压油缸需要推进到λ2＝468.4cm；本实施例的其他油缸的推进距离及计算公式依此类推在此不再做详细描述。
[0047]
虚拟模型显示界面是利用机构运动学反解方法，采用本领域技术人员所熟知的现有技术，根据桩体需要保持的位姿解算出各个机械臂液压油缸的位移，运用求解出位移数据驱动打桩机虚拟模型。虚拟模型显示界面可以更加直观的反映沉桩过程，并且为操作人员调整桩体位姿提供可靠的参数支撑。
[0048]
本实施例在桩体下沉的过程中需要使桩体保持一个特定的位姿状态，通过位姿反解方法计算出此特定位姿状态下打桩机机械臂各个关节角θi(i＝1，2，3，4，5，6)；再根据θi与各个关节油缸建立对应的数学模型，通过θi值确定各个关节处油缸的理论推进距离；当桩体位姿发生改变时，且超出数据显示界面设置x、y、z三轴角度的警戒值，操作人员操控关节油缸进行桩体位姿调整，安装在油缸上的位移传感器会实时监测油缸的实际推进距离，当实际的油缸推进距离等于理论推进距离，即完成桩体位姿调整；根据上述示例桩体要维持(95.8，-114.2，24.2，162.5
°
，-9.85
°
，-168.5
°
)此姿态，机械大臂液压油缸需要原有位置
推动到468.4cm长度，油缸会在原有的位置上进行拉长或者收缩。因为λ2存在最小值λ2min与最大值λ2max，机械大臂抬高的最大限度由λ2max决定，机械大臂下降的最低限度由λ2min决定。整个沉桩过程由机械大臂油缸、机械小臂油缸、偏摆机构油缸以及打桩机末端偏摆机构共同调节完成。
[0049]
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。