一种高频破碎锤加长臂定位清礁装置及定位清礁方法与流程

水利;给水;排水工程装置的制造及其处理技术1.本发明属于机械臂定位控制技术领域，具体涉及一种高频破碎锤加长臂定位清礁装置及定位清礁方法。背景技术：2.随着水运事业的发展，现有一些河道的航道尺度不满足航运需求，为了满足船舶航行需要的水流条件，需要航道管理部门对航道中的礁石进行清理。破碎锤凿岩法是用机械加长臂将破碎锤与水上平台连接，通过机械加长臂控制破碎锤在水中的位置，再通过破碎锤的钎杆不断冲击岩石，将冲击能转化为破碎岩石的能量，从而破碎岩石，达到清理礁石的目的。而怎么控制破碎锤在水下的锤击位置，对于破碎锤凿岩清礁的工效有着显著影响，破碎锤在水下精准的定位，不仅能提高破碎锤清礁的工作效率和经济效益，而且能改善破碎锤的清礁效果。3.就目前而言，破碎锤主要用于岸上采矿等工程，破碎锤的锤击位置由驾驶室操作员肉眼确定；而对于水下清礁工程，破碎锤的锤击位置不可视，目前还没有有效的破碎锤精准定位清礁技术。技术实现要素：4.本发明的目的是为了解决水下清礁工程中破碎锤精准定位的问题，提出了一种高频破碎锤加长臂定位清礁装置及定位清礁方法。5.本发明的技术方案是：一种高频破碎锤加长臂定位清礁装置包括大臂、小臂、控制室、控制室底座、大臂姿态测量单元、小臂姿态测量单元、破碎锤、摇杆、连杆、大臂油缸、小臂油缸、小臂主销轴和铲斗油缸；6.大臂的一端通过小臂主销轴和小臂的一端铰接，构成破碎锤加长臂主体；控制室固定在控制室底座上；控制室底座和船甲板连接；大臂姿态测量单元设置于大臂内；小臂姿态测量单元设置于小臂内；破碎锤设置于小臂的另一端；摇杆和连杆连接；大臂油缸的一端设置在大臂上，其另一端设置在控制室底座上；小臂油缸的一端设置在大臂上，其另一端设置在小臂上；铲斗油缸设置于小臂上。7.进一步地，控制室用于根据大臂姿态测量单元和小臂姿态测量单元采集的姿态信息，解算大臂和小臂分别相对于重力方向的转角，并记录控制室相对于控制室底座的转角。8.进一步地，小臂油缸用于支撑和控制小臂运动；摇杆和连杆连接，用于固定破碎锤；铲斗油缸用于控制破碎锤运动。9.本发明的有益效果是：该高频破碎锤加长臂精准定位清礁装置结构简单，易于安装，不仅能提高破碎锤清礁的工作效率和经济效益，还能改善破碎锤的清礁效果。10.基于以上系统，本发明还提出一种高频破碎锤加长臂定位清礁方法，包括以下步骤：11.s1：构建用于定位清礁的坐标系；12.s2：在坐标系中，分别确定大臂和小臂相对于重力方向的转角以及控制室相对于控制室底座的转角。13.进一步地，步骤s1中，构建用于定位清礁的坐标系的具体方法为：将破碎锤加长臂的末端在水平面上的投影作为原点；将破碎锤加长臂在水平面上的投影作为y轴，将水平面上与破碎锤加长臂投影垂直的轴作为x轴，完成坐标系构建。14.进一步地，步骤s2中，若高频破碎锤加长臂定位清礁装置中两个相邻锤击点位的x轴坐标改变，y轴坐标不变，则构建第一方程组，并根据第一方程组确定大臂相对于重力方向的转角和小臂相对于重力方向的转角；15.若高频破碎锤加长臂定位清礁装置中两个相邻锤击点位的y轴坐标改变，x轴坐标不变，则构建第二方程组，并根据第二方程组确定大臂相对于重力方向的转角和小臂相对于重力方向的转角；16.若高频破碎锤加长臂定位清礁装置中两个相邻锤击点位的x轴坐标和y轴坐标均改变，则将两个相邻锤击点位的x轴坐标改变且y轴坐标不变的计算结果作为两个相邻锤击点位的y轴坐标改变且x轴坐标不变的计算初值，确定大臂相对于重力方向的转角和小臂相对于重力方向的转角。17.进一步地，步骤s2中，第一方程组的表达式为：[0018][0019]l1 cosα'+l2 cosβ'＝h[0020][0021]其中，γ表示控制室相对于控制室底座的转角，δx表示两个相邻锤击点位的x坐标改变量，l1表示大臂的长度，l2表示小臂加上破碎锤的长度，α表示两个相邻锤击点位未改变时大臂相对于重力方向的转角，β表示表示两个相邻锤击点位未改变时小臂相对于重力方向的转角，α'表示x轴坐标改变时大臂相对于重力方向的转角，β'表示x轴坐标改变时小臂相对于重力方向的转角，h表示控制室与加长臂的连接轴到水底的垂直距离；[0022]第二方程组的表达式为：[0023]l1 cosα″+l2cosβ″＝h[0024]l1 sinα″+l2 sinβ″＝l+δy[0025]其中，α″表示y轴坐标改变时大臂相对于重力方向的转角，β″表示y轴坐标改变时小臂相对于重力方向的转角，δy表示两个相邻锤击点位的y坐标改变量。[0026]进一步地，步骤s2中，控制室相对于控制室底座的转角s的计算公式为：[0027][0028]其中，r1＝l1 sinαmin+l2 sinβmin，r2＝l1sinαmax+l2 sinβmax，γmax表示控制室绕控制室底座可旋转的最大角度，r1表示第一半径，r2表示第二半径，l1表示大臂的长度，l2表示小臂加上破碎锤的长度，αmin表示大臂可绕转轴旋转的最小角度，βmin表示小臂可绕转轴旋转的最小角度，αmax表示大臂可绕转轴旋转的最大角度，βmax表示小臂可绕转轴旋转的最大角度。[0029]本发明的有益效果是：该高频破碎锤加长臂精准定位清礁方法计算简单，易于实现，原理易懂，能够实时计算破碎锤在水下的位置，实现破碎锤在水下精准的定位。附图说明[0030]图1为高频破碎锤加长臂定位清礁装置的结构图；[0031]图2为高频破碎锤加长臂定位清礁装置的俯视图；[0032]图3为高频破碎锤加长臂定位清礁方法的流程图；[0033]图4为俯视计算简图；[0034]图5为侧视计算简图；[0035]图中，1、大臂；2、小臂；3、控制室；4、控制室底座；5、大臂姿态测量单元；6、小臂姿态测量单元；7、破碎锤；8、摇杆；9、连杆；10、大臂油缸；11、小臂油缸；12、小臂主销轴；13、铲斗油缸。具体实施方式[0036]下面结合附图对本发明的实施例作进一步的说明。[0037]如图1所示，本发明提供了一种高频破碎锤加长臂定位清礁装置，包括大臂1、小臂2、控制室3、控制室底座4、大臂姿态测量单元5、小臂姿态测量单元6、破碎锤7、摇杆8、连杆9、大臂油缸10、小臂油缸11、小臂主销轴12和铲斗油缸13；[0038]大臂1的一端通过小臂主销轴12和小臂2的一端铰接，构成破碎锤加长臂主体；控制室3固定在控制室底座4上；控制室底座4和船甲板连接；大臂姿态测量单元5设置于大臂1内；小臂姿态测量单元6设置于小臂2内；破碎锤7设置于小臂2的另一端；摇杆8和连杆9连接；大臂油缸10的一端设置在大臂1上，其另一端设置在控制室底座4上；小臂油缸11的一端设置在大臂1上，其另一端设置在小臂2上；铲斗油缸13设置于小臂2上。[0039]在本发明实施例中，大臂姿态测量单元5和小臂姿态测量单元6包括三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁力计等；控制室3内配有一台计算机，控制室3可绕控制室底座4旋转[0040]在本发明实施例中，如图1所示，控制室3用于根据大臂姿态测量单元5和小臂姿态测量单元6采集的姿态信息，解算大臂1和小臂2分别相对于重力方向的转角，并记录控制室3相对于控制室底座4的转角。[0041]在本发明实施例中，如图1所示，小臂油缸11用于支撑和控制小臂2运动；摇杆8和连杆9连接，用于固定破碎锤7；铲斗油缸13用于控制破碎锤7运动。[0042]基于以上系统，本发明还提出一种高频破碎锤加长臂定位清礁方法，如图1所示，包括以下步骤：[0043]s1：构建用于定位清礁的坐标系；[0044]s2：在坐标系中，分别确定大臂和小臂相对于重力方向的转角以及控制室相对于控制室底座的转角。[0045]在本发明实施例中，如图4所示，步骤s1中，构建用于定位清礁的坐标系的具体方法为：将破碎锤加长臂的末端在水平面上的投影作为原点；将破碎锤加长臂在水平面上的投影作为y轴，其投影变长的方向为正方向，将水平面上与破碎锤加长臂投影垂直的轴作为x轴，使从俯视图上看让加长臂绕底座顺时针方向旋转为正方向，完成坐标系构建。[0046]在本发明实施例中，如图4和图5所示，步骤s2中，若高频破碎锤加长臂定位清礁装置中两个相邻锤击点位的x轴坐标改变，y轴坐标不变，则构建第一方程组，并根据第一方程组确定大臂相对于重力方向的转角和小臂相对于重力方向的转角；[0047]若高频破碎锤加长臂定位清礁装置中两个相邻锤击点位的y轴坐标改变，x轴坐标不变，则构建第二方程组，并根据第二方程组确定大臂相对于重力方向的转角和小臂相对于重力方向的转角；[0048]若高频破碎锤加长臂定位清礁装置中两个相邻锤击点位的x轴坐标和y轴坐标均改变，则将两个相邻锤击点位的x轴坐标改变且y轴坐标不变的计算结果作为两个相邻锤击点位的y轴坐标改变且x轴坐标不变的计算初值，确定大臂相对于重力方向的转角和小臂相对于重力方向的转角。[0049]在本发明实施例中，此方法对于锤击点附近河底高程变化不大时(h变化不大)适用性较好；当锤击点附近河底高程变化较大时，可将第二次锤击点的锤击参数h取一近似值，求解方程组计算出α'，β'。[0050]当遇到方程组无解情况时，说明后一次锤击点位已超出破碎锤的工作范围，需移动船位置使后一次锤击点位在破碎锤的工作范围内。[0051]在本发明实施例中，步骤s2中，联立方程l1cosα'+l2cosβ'＝h和可得一方程组，此方程组中只有α'，β'是未知数，故次方程组为二元方程组。解此方程组即可得到α'和β'。由此，控制室工作员可操作控制室绕底座旋转角度γ，大、小臂分别转动角度(α'-α)、(β'-β)，使两相邻锤击点的x坐标改变量为δx,y坐标不变。第一方程组的表达式为：[0052][0053]l1 cosα'+l2 cosβ'＝h[0054][0055]其中，γ表示控制室相对于控制室底座的转角，δx表示两个相邻锤击点位的x坐标改变量，l1表示大臂的长度，l2表示小臂加上破碎锤的长度，α表示两个相邻锤击点位未改变时大臂相对于重力方向的转角，β表示表示两个相邻锤击点位未改变时小臂相对于重力方向的转角，α'表示x轴坐标改变时大臂相对于重力方向的转角，β'表示x轴坐标改变时小臂相对于重力方向的转角，h表示控制室与加长臂的连接轴到水底的垂直距离；[0056]第二方程组的表达式为：[0057]l1 cosα″+l2cosβ″＝h[0058]l1 sinα″+l2 sinβ″＝l+δy[0059]其中，α″表示y轴坐标改变时大臂相对于重力方向的转角，β″表示y轴坐标改变时小臂相对于重力方向的转角，δy表示两个相邻锤击点位的y坐标改变量。[0060]在本发明实施例中，步骤s2中，当控制室绕底座可旋转的最大角度为γmax,大臂可绕转轴旋转的角度范围为αmin≤α≤αmax，小臂可绕转轴旋转的角度范围为βmin≤β≤βmax时，控制室相对于控制室底座的转角s的计算公式为：[0061][0062]其中，r1＝l1 sinαmin+l2 sinβmin，r2＝l1 sinαmax+l2 sinβmax，γmax表示控制室绕控制室底座可旋转的最大角度，r1表示第一半径，r2表示第二半径，l1表示大臂的长度，l2表示小臂加上破碎锤的长度，αmin表示大臂可绕转轴旋转的最小角度，βmin表示小臂可绕转轴旋转的最小角度，αmax表示大臂可绕转轴旋转的最大角度，βmax表示小臂可绕转轴旋转的最大角度。[0063]本发明的有益效果为：[0064](1)该高频破碎锤加长臂精准定位清礁装置结构简单，易于安装，不仅能提高破碎锤清礁的工作效率和经济效益，还能改善破碎锤的清礁效果。[0065](2)该高频破碎锤加长臂精准定位清礁方法计算简单，易于实现，原理易懂，能够实时计算破碎锤在水下的位置，实现破碎锤在水下精准的定位。[0066]本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。









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