盾構(gòu)機(jī)管片拼裝自動(dòng)控制傳感檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

□ 張 龍 □ 王海波 □ 范曙遠(yuǎn)

西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 成都 610000

1　設(shè)計(jì)背景

管片拼裝的一般流程為管片供給、管片夾持、管片定位、姿態(tài)調(diào)整、螺栓連接，其中管片定位和姿態(tài)調(diào)整是兩個(gè)核心步驟，也是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制的重點(diǎn)和難點(diǎn)。只有對(duì)管片姿態(tài)和定位信息進(jìn)行有效檢測(cè)，針對(duì)采集到的有效檢測(cè)數(shù)據(jù)，通過自動(dòng)控制技術(shù)對(duì)管片姿態(tài)和位置進(jìn)行調(diào)整，才能實(shí)現(xiàn)管片拼裝的自動(dòng)化控制。在當(dāng)前管片自動(dòng)化拼裝的研究中，尚未出現(xiàn)成熟穩(wěn)定的管片檢測(cè)系統(tǒng)，現(xiàn)有系統(tǒng)普遍存在復(fù)雜、檢測(cè)精度低等弊端。筆者以國(guó)內(nèi)地鐵施工中較為常用的ZTE6250型土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)為研究對(duì)象，針對(duì)管片拼裝過程中姿態(tài)和位置的檢測(cè)問題，設(shè)計(jì)了一套基于圖像識(shí)別技術(shù)的盾構(gòu)機(jī)管片拼裝自動(dòng)控制傳感檢測(cè)系統(tǒng)。與現(xiàn)有系統(tǒng)相比，這一系統(tǒng)具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、檢測(cè)精度高、非接觸性測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，能更好地適用于盾構(gòu)機(jī)管片拼裝的自動(dòng)化控制。

2　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1　系統(tǒng)組成

基于圖像識(shí)別技術(shù)的盾構(gòu)機(jī)管片拼裝自動(dòng)控制傳感檢測(cè)系統(tǒng)采用電液比例控制技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)管片自動(dòng)化拼裝。控制系統(tǒng)以可編程序控制器（PLC）為核心，以電液比例閥為液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的控制元件，實(shí)現(xiàn)壓力、位移、流量、速度等輸出量的精確控制。管片位置、姿態(tài)的精確測(cè)量和反饋，是實(shí)現(xiàn)管片精準(zhǔn)、高效拼裝的關(guān)鍵?；谟蓤D像采集卡采集得到的布置在管片特定位置的靶標(biāo)數(shù)據(jù)，計(jì)算出管片位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)，再由計(jì)算機(jī)根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)出指令完成控制，從而實(shí)現(xiàn)管片的自動(dòng)拼裝過程。盾構(gòu)機(jī)管片拼裝自動(dòng)控制傳感檢測(cè)系統(tǒng)如圖1所示，主要由測(cè)量平面、計(jì)算機(jī)、紅外光源、激光測(cè)距裝置、工業(yè)相機(jī)等組成。

▲圖1 盾構(gòu)機(jī)管片拼裝自動(dòng)控制傳感檢測(cè)系統(tǒng)

2.2　靶標(biāo)的設(shè)計(jì)與布置

根據(jù)傳感檢測(cè)的需求，設(shè)計(jì)了基于標(biāo)記圓的平面靶標(biāo)，如圖2所示。靶標(biāo)中含有直徑大小不一的圓，且大小圓直徑之比為7∶5。為方便提取數(shù)據(jù)，采用同等尺寸的圓環(huán)代替大圓，作為標(biāo)記圓環(huán)。通過圖像處理能準(zhǔn)確提取靶標(biāo)上的特征點(diǎn)，即圓環(huán)中心，同時(shí)根據(jù)標(biāo)記圓環(huán)的拓?fù)湮恢藐P(guān)系，可確定靶標(biāo)方向。

靶標(biāo)在盾構(gòu)管片上的布置如圖3所示，四個(gè)靶標(biāo)分別布置在盾構(gòu)管片側(cè)向的四個(gè)螺栓孔外側(cè)，靶標(biāo)中央與螺栓孔中間刻線對(duì)齊，此時(shí)四個(gè)靶標(biāo)處于同一個(gè)平面上。管片兩側(cè)向靶標(biāo)反向布置，可便于區(qū)分管片兩側(cè)的方向。

▲圖2 平面靶標(biāo)

▲圖3 靶標(biāo)布置示意圖

2.3　主要硬件布置

如圖4所示，兩臺(tái)工業(yè)相機(jī)及紅外光源剛性對(duì)稱安裝在舉重鉗與舉升油缸的連接端，可跟隨舉重鉗作平移和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使相機(jī)對(duì)測(cè)量平面保持固定的視角。激光測(cè)距裝置安裝在兩臺(tái)舉升油缸的套筒中央位置，通過回轉(zhuǎn)中心，高度位置不會(huì)隨舉升油缸的位移而發(fā)生變化。

圖4　盾構(gòu)機(jī)管片拼裝自動(dòng)控制傳感檢測(cè)系統(tǒng)硬件布置

3　管片定位

3.1　機(jī)構(gòu)原理

管片定位機(jī)構(gòu)由舉升機(jī)構(gòu)、平移機(jī)構(gòu)和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)組成，動(dòng)力依次來源于舉升油缸、平移油缸和液壓回轉(zhuǎn)馬達(dá)。在舉重鉗抓取管片后，系統(tǒng)依次完成粗調(diào)定位和精確定位。粗調(diào)定位時(shí)，根據(jù)管片拼裝規(guī)律確定的三個(gè)系統(tǒng)預(yù)設(shè)值——舉升高度、平移距離、回轉(zhuǎn)角，定位機(jī)構(gòu)由各油缸帶動(dòng)管片到達(dá)預(yù)拼裝區(qū)域。精確定位時(shí)，為確保兩環(huán)管片能通過螺栓孔穩(wěn)固連接，預(yù)拼裝管片與已拼裝管片需按施工要求錯(cuò)縫對(duì)齊并靠攏，且在環(huán)向處于同一高度?？梢?，管片精確定位傳感檢測(cè)子系統(tǒng)需通過視覺測(cè)量來獲得管片的精確回轉(zhuǎn)角和徑向舉升距離，其中精確回轉(zhuǎn)角的解算尤為重要。

3.2　精確回轉(zhuǎn)角解算原理

以管片拼裝系統(tǒng)托梁中心為原點(diǎn)建立世界坐標(biāo)系OW-XWYWZW，測(cè)量并求解各值。管片定位靶標(biāo)圖像如圖5所示，當(dāng)完成初始環(huán)向回轉(zhuǎn)和徑向舉升后，單臺(tái)工業(yè)相機(jī)可以獲得管片上的靶標(biāo)A和前一環(huán)相鄰管片側(cè)向靶標(biāo) C′的圖像。由于靶標(biāo)A和靶標(biāo)C′方向不同，因此可進(jìn)行區(qū)分?；趩文恳曈X測(cè)量模型，通過靶標(biāo)A和靶標(biāo) C′的 單張圖像，可以計(jì)算出兩靶標(biāo)相對(duì)于相機(jī)坐標(biāo)系OCXCYCZC的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量

▲圖5 管片定位靶標(biāo)圖像

測(cè)量靶標(biāo)A、靶標(biāo)C′時(shí)，可以獲得靶標(biāo)A、靶標(biāo)C′物體坐標(biāo)系和相機(jī)坐標(biāo)系的變換關(guān)系：

通過小測(cè)試提升學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容持續(xù)關(guān)注度，測(cè)試可以采用線上線下兩種方式進(jìn)行。在職教云平臺(tái)上發(fā)布小測(cè)試、提問及頭腦風(fēng)暴等互動(dòng)活動(dòng)，評(píng)價(jià)采用分組互評(píng)、學(xué)生互評(píng)、教師參評(píng)等方式進(jìn)行。這個(gè)環(huán)節(jié)著重對(duì)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力進(jìn)行培養(yǎng)。由于課堂教學(xué)時(shí)間的限制，可以采用簽到功能逐步引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行持續(xù)學(xué)習(xí)。

從而可以得到靶標(biāo)A位姿與靶標(biāo)C′位姿的關(guān)系：

式中：TC為相機(jī)坐標(biāo)系OC-XCYCZC下靶標(biāo)A轉(zhuǎn)換到靶標(biāo) C′的位移矩陣，

相機(jī)剛性安裝在舉重鉗上，當(dāng)初始回轉(zhuǎn)β角后，可通過幾何關(guān)系計(jì)算相機(jī)坐標(biāo)系OC-XCYCZC相對(duì)于世界坐標(biāo)系OW-XWYWZW的齊次變換矩陣，進(jìn)而可通過TC計(jì)算出世界坐標(biāo)系下靶標(biāo)A到靶標(biāo)C′的位移矩陣T=［txtytz］T，即：

精確回轉(zhuǎn)角φ與管片軸向位移無關(guān)，靶標(biāo)A和靶標(biāo)C′分布在兩環(huán)管片上，因此精確回轉(zhuǎn)角φ只與tx、ty有關(guān)，與tz無關(guān)。綜合以上分析，解算管片精確回轉(zhuǎn)角φ的計(jì)算式為：

式中：r為管片半徑。

3.3　舉升機(jī)構(gòu)舉升距離解算原理

激光測(cè)距裝置剛性安裝在舉升油缸套筒上，通過回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中心線，隨回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在空間中回轉(zhuǎn)，其與舉重鉗的距離d為固定值。測(cè)量得到的距離L為當(dāng)前回轉(zhuǎn)角度下裝置到前一環(huán)管片的徑向距離。在預(yù)安裝管片完成定位后，需由舉升油缸帶動(dòng)預(yù)安裝管片沿徑向運(yùn)動(dòng)距離D，將其安裝至與上一環(huán)管片等高處，存在關(guān)系式D=L-d，已知d為固定值，則可求得油缸舉升距離D。

4　管片姿態(tài)調(diào)整

為了避免管片姿態(tài)偏移造成管片安裝位置精度不足，保證管片拼裝精度，在拼裝前需先對(duì)管片姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，再以指定姿態(tài)進(jìn)入拼裝位置，并與前一環(huán)管片的螺栓孔對(duì)齊。姿態(tài)調(diào)整運(yùn)動(dòng)是盾構(gòu)機(jī)管片繞X、Y、Z三個(gè)坐標(biāo)軸橫搖、俯仰、偏轉(zhuǎn)三個(gè)自由度的聯(lián)合運(yùn)動(dòng)。因此，基于圖像識(shí)別的姿態(tài)調(diào)整傳感檢測(cè)子系統(tǒng)通過測(cè)量實(shí)際姿態(tài)下靶標(biāo)的圖像，得到管片當(dāng)前狀態(tài)下的姿態(tài)角，以及相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)姿態(tài)角的差值，然后由系統(tǒng)控制相應(yīng)油缸聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)管片的姿態(tài)調(diào)整。

管片姿態(tài)調(diào)整子系統(tǒng)以三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)為原型，三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)及其俯視圖如圖6所示，B為舉重鉗的靜平臺(tái)，m為管片抓取機(jī)構(gòu)的動(dòng)平臺(tái)，分別構(gòu)成上下兩等邊三角形△B1B2B3和△b1b2b3。三角形頂點(diǎn)之間由可伸縮支撐桿連接，每個(gè)分支上球副和移動(dòng)副按照S-P-S的形式串聯(lián)，形成的三個(gè)分支與平臺(tái)B、m通過S副鉸接。O點(diǎn)為S副，形成構(gòu)型中央約束分支，此約束分支與兩平臺(tái)在中心處固定連接。

▲圖6 三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)

管片在姿態(tài)調(diào)整過程中只發(fā)生三個(gè)自由度旋轉(zhuǎn)，定義為偏轉(zhuǎn)角φ、俯仰角θ、橫搖角ψ。視動(dòng)平臺(tái)坐標(biāo)系｛m｝為管片物體坐標(biāo)系，靜平臺(tái)坐標(biāo)系｛B｝為固定參考坐標(biāo)系，則靜平臺(tái)通過三次獨(dú)立旋轉(zhuǎn)到達(dá)固定平臺(tái)，旋轉(zhuǎn)矩陣mRB為：

式中：RZ（φ）為繞 Z 軸調(diào)整偏轉(zhuǎn)角的旋轉(zhuǎn)矩陣；RY（θ）為繞Y軸調(diào)整俯仰角的旋轉(zhuǎn)矩陣；RX（ψ）為繞X軸調(diào)整橫搖角的旋轉(zhuǎn)矩陣；c代表cos；s代表sin。

由此解算得到管片的旋轉(zhuǎn)姿態(tài)角，進(jìn)而計(jì)算出相應(yīng)油缸的位移變化量，通過控制油缸伸縮使管片姿態(tài)調(diào)整至設(shè)定的正確姿態(tài)。

5　試驗(yàn)驗(yàn)證

5.1　試驗(yàn)方案

用筆者設(shè)計(jì)的傳感檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行模擬試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)采用Halcon視覺測(cè)量軟件作為測(cè)量工具，測(cè)量用靶標(biāo)尺寸為130 mm×130 mm，共含25個(gè)特征圓，其中4個(gè)大圓直徑為25 mm，其余小圓直徑為18 mm。圖像采集設(shè)備選用MV-1300UM工業(yè)相機(jī)，其鏡頭焦距為8 mm，最高分辨率為1 280像素×1 024像素，采用通用串行總線進(jìn)行通信。光源選用波長(zhǎng)850 nm的829IR型紅外光源，發(fā)散角為60°。傳感檢測(cè)系統(tǒng)模擬試驗(yàn)布置如圖7所示。

▲圖7 傳感檢測(cè)系統(tǒng)模擬試驗(yàn)布置

工業(yè)相機(jī)由三腳架固定于特定位置，靶標(biāo)置于距相機(jī)約900 mm處的另一帶有平移和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的三腳架上。試驗(yàn)中，靶標(biāo)沿坐標(biāo)系軸作單自由度平移運(yùn)動(dòng)，可模擬實(shí)際施工中管片定位時(shí)靶標(biāo)的平移；靶標(biāo)繞坐標(biāo)系軸作三個(gè)自由度內(nèi)的獨(dú)立轉(zhuǎn)動(dòng)，可模擬實(shí)際施工時(shí)管片相對(duì)正確姿態(tài)發(fā)生的微小偏轉(zhuǎn)。

5.2　試驗(yàn)結(jié)論

在管片定位檢測(cè)子系統(tǒng)驗(yàn)證試驗(yàn)中，鎖緊靶標(biāo)三腳架三個(gè)自由度方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，使平移機(jī)構(gòu)平行于相機(jī)坐標(biāo)系XC軸在空間中作8次行程為100 mm的單向精確平移運(yùn)動(dòng)，圖像采集系統(tǒng)分別在每個(gè)位移處采集得到8組圖像。對(duì)比試驗(yàn)中得到的靶標(biāo)相對(duì)相機(jī)坐標(biāo)系的單向空間位移值Zi與靶標(biāo)在每個(gè)位移處的實(shí)際值Zi′，試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果為最大偏差絕對(duì)值不超過1.7 mm，平均標(biāo)準(zhǔn)偏差不超過1.1 mm。

在管片姿態(tài)調(diào)整子系統(tǒng)驗(yàn)證試驗(yàn)中，鎖緊靶標(biāo)三腳架的平移機(jī)構(gòu)和其中兩個(gè)自由度方向的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，令靶標(biāo)繞靶標(biāo)坐標(biāo)系Xb軸在一定范圍內(nèi)任意偏轉(zhuǎn)5個(gè)姿態(tài)角度，圖像采集系統(tǒng)分別在每個(gè)姿態(tài)角度下采集得到5組圖像。對(duì)比測(cè)得的旋轉(zhuǎn)姿態(tài)角ψi與實(shí)際姿態(tài)角度ψi′，試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果為最大偏差絕對(duì)值不超過0.9°，平均標(biāo)準(zhǔn)偏差不超過 0.6°。

根據(jù)傳感檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)靶標(biāo)平移和姿態(tài)角的測(cè)量試驗(yàn)，確認(rèn)通過管片定位傳感檢測(cè)子系統(tǒng)測(cè)量得到精確回轉(zhuǎn)角和通過管片姿態(tài)調(diào)整傳感檢測(cè)子系統(tǒng)測(cè)量得到管片姿態(tài)角的方案可行。試驗(yàn)表明，對(duì)比傳統(tǒng)人工目測(cè)拼裝，盾構(gòu)機(jī)管片拼裝自動(dòng)控制傳感檢測(cè)系統(tǒng)拼裝精度由厘米級(jí)提高到毫米級(jí)，同時(shí)系統(tǒng)獲取單張圖像中靶標(biāo)空間位置數(shù)據(jù)的平均耗時(shí)僅為120 ms，有效減少了傳感檢測(cè)系統(tǒng)的總耗時(shí)。

6　總結(jié)

筆者針對(duì)現(xiàn)有盾構(gòu)機(jī)管片拼裝施工中存在的不足，設(shè)計(jì)了一套基于圖像識(shí)別技術(shù)的盾構(gòu)機(jī)管片拼裝自動(dòng)控制傳感檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)管片空間位置和姿態(tài)角進(jìn)行檢測(cè)。模擬試驗(yàn)表明，這一系統(tǒng)測(cè)量精度和測(cè)量速率都優(yōu)于人工拼裝，精度提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)，速度提高5～6倍。此外，這一系統(tǒng)還具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、非接觸性測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，為今后管片拼裝過程自動(dòng)化控制的實(shí)現(xiàn)提供了理論依據(jù)。

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