[发明专利]一种基于凿岩台车的工作空间仿真方法

权利要求书

1.一种基于凿岩台车的工作空间仿真方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

步骤S1，通过三维激光扫描仪获取隧道的三维点云信息，进行三维重建，生成隧道实际施工环境的三维模型，并确定坐标系；

步骤S2，获取凿岩台车的三维模型，给凿岩台车臂架上的各关节添加坐标系，确定凿岩台车臂架末端在基坐标系下的位姿；

步骤S3，在凿岩台车的三维模型上添加碰撞及物理信息，重建成网格模型，通过获取的定位信息将凿岩台车模型定位至隧道模型的指定位置，通过坐标系转换将两个三维模型统一至同一坐标系下表示，并以三维显示的结果呈现；

步骤S4，获取设计施工参数，将设计施工参数转换成施工目标位姿以及施工数据模型，添加到已融合的场景当中，三维呈现其覆盖区域；

步骤S5，手动测试阶段，选定部分覆盖区域，手动操作凿岩台车臂架与施工数据模型完成对孔作业，实时显示凿岩台车臂架各关节角以及关节角度的变化趋势，同时可手动添加障碍物信息，测试在该定位信息对应的工况下，凿岩台车的臂架是否能否满足施工需求；

步骤S6，自动测试阶段，将完成坐标转换的施工目标位姿作为输入参数，利用运动学求解模块依次对设计施工目标点进行逆运动学求解，如果目标点可解，则进入下一步骤，同时在终端输出求解结果，如果目标点不可解，则在终端输出特定标识，表示运动学求解失败且此目标为不可解区域，更换选定区域并重复本步骤，直至完成所有施工目标点求解；

步骤S7，通过轨迹规划模块规划出臂架从当前位姿移动到施工目标位姿的一系列轨迹点，通过碰撞检测模块完成臂架规划轨迹与隧道环境间的碰撞检测，如果不存在碰撞可能性，则进入下一步骤，如果存在碰撞可能性，则在终端输出特定标识，表示轨迹规划失败，重新开始步骤S6；

步骤S8，臂架执行模块接受轨迹点信息，驱动臂架按照规划结果运动，记录凿岩台车臂架运动到位后臂架末端的位姿，根据之前输出的特定标识，将运动学求解失败、轨迹规划失败、运动学求解且轨迹规划成功的目标点转为三维点云信息，以三维显示的效果呈现，并用不同颜色加以区分，展现凿岩台车有效工作空间的覆盖区域；

步骤S9，重复步骤S6-步骤S8，直至完成凿岩台车在该指定位置下所有施工目标数据的计算测试；

步骤S10，切换凿岩台车在隧道内的定位信息，配合对应位置下的隧道尺寸信息以及设计施工参数，重复步骤S6-步骤S9，完成所有数据测试；

步骤S11，根据上述仿真结果，得出凿岩台车在不同隧道位置内的可达三维工作空间，确认在不同工况下是否满足施工要求，同时根据仿真结果修正凿岩台车臂架各关节的运动范围，调整凿岩台车的臂架构型并重复仿真验证，直至臂架结构达到最佳。

2.根据权利要求1所述基于凿岩台车的工作空间仿真方法，其特征在于，所述设计施工参数包括炮眼数据。

3.根据权利要求2所述基于凿岩台车的工作空间仿真方法，其特征在于，在所述步骤S2中，对凿岩台车进行DH建模，所述凿岩台车包括多个臂架，每个臂架视为八关节结构。

4.根据权利要求3所述基于凿岩台车的工作空间仿真方法，其特征在于，在所述步骤S2中，凿岩台车臂架末端在基坐标系下的位姿表示为：⁰T_i＝⁰T₁×¹T₂×……^i-1T_i，其中，^i-1T_i为相邻两个坐标系的变换矩阵，i取0-8之间的整数。

5.根据权利要求4所述基于凿岩台车的工作空间仿真方法，其特征在于，在所述步骤S5中，判断凿岩台车的臂架是否能否满足施工需求，包括确认臂架的实时姿态是否正常、臂架各关节的角度范围是否合适、臂架是否能到达设计施工参数的目标位姿。

6.根据权利要求5所述基于凿岩台车的工作空间仿真方法，其特征在于，在所述步骤S6中，在逆运动学求解的过程中加入约束条件，确保求解结果符合凿岩台车真实施工需求。