[发明专利]一种基于凿岩台车的工作空间仿真方法

说明书

本发明提供一种基于凿岩台车的工作空间仿真方法，首先构建隧道实际施工环境以及凿岩台车的三维模型，通过定位信息将凿岩台车模型定位至隧道模型的指定位置，将设计施工参数三维模型化，通过三维场景融合模拟凿岩台车在隧道中的施工状态，然后通过手动对孔测试以及数据仿真测试，仿真分析凿岩台车在当前工况下的有效工作空间，比较确认当前凿岩台车的臂架参数是否满足施工需求，最后切换不同工况下的隧道尺寸信息、台车定位信息以及设计施工参数，对应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。本发明可快速模拟目标施工场景，适用于对不同工况下凿岩台车的有效工作空间进行仿真，臂架参数优化效果好。

技术领域

本发明涉及工程机械技术领域，特别地，涉及一种基于凿岩台车的工作空间仿真方法。

背景技术

随着中国高铁网路的推进建设，长大隧道(即单洞长度在10 千米以上的隧道)以及复杂地质条件隧道的占比越来越高，针对特定施工条件设计的凿岩台车的需求也越来越旺盛，定制化程度也越来越高。由于施工环境以及设备的特殊性(隧道尺寸参数不唯一，凿岩台车通常为多臂多关节结构)，在实际施工过程中，不同隧道轮廓及不同隧道里程下的设计施工参数并不一致，需要根据实际施工场景来确认台车的三维工作空间，对于不同的三维工作空间都要确认其是否满足施工需求，并据此来优化凿岩台车的臂架结构，这就增加了产品的设计成本，同时拖慢了施工效率。

目前机器人领域主要借用MATLAB、CAD等软件在机器人关节空间内随机采样或根据设计数据绘制图表等方式，以此仿真凿岩台车臂架的工作空间，但是该方法无法重现复杂的现场施工环境及模拟现场施工机器人的真实施工状态，三维可视化程度不高，特别是针对智能化、定制化的产品设计，场景单一，无法提供有效的数据来分析其工作空间，更不能为凿岩台车臂架结构的优化设计提供依据。

因此，需要开发一种新的适用于对凿岩台车臂架真实工作状态进行仿真的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可模拟凿岩台车在不同工况及定位信息下的有效工作空间的仿真方法，以解决背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供一种基于凿岩台车的工作空间仿真方法，构建隧道实际施工环境以及凿岩台车的三维模型，通过定位信息将凿岩台车模型定位至隧道模型的指定位置，将设计施工参数三维模型化，通过三维场景融合模拟凿岩台车在隧道中的施工状态，切换不同工况下的隧道尺寸信息、台车定位信息以及设计施工参数，通过手动对孔测试以及数据仿真测试，仿真分析凿岩台车在不同工况下的有效工作空间，比较确认当前凿岩台车是否满足对应施工需求，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。

优选地，所述仿真方法具体包括如下步骤：

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；