一种基于空间坐标变换的液压支架工作姿态确定方法

摘要

本发明公开了基于空间坐标变换的液压支架工作姿态确定方法，通过实时测量支架构件变化的倾角值，从而获得四连杆液压支架的工作姿态。实时测量液压支架的底座、连杆和顶梁相对于参考坐标系的倾斜角度，利用上述三个角度值以及支架本身的几何尺寸，采用建立参考坐标系和相对坐标系的方法计算出支架当前各构件的位置、角度，以及驱动油缸的长度。其不仅测量准确，而且测量方法简单，便于移植到控制器或上位机软件中。

主权项

1.一种基于空间坐标变换的液压支架工作姿态确定方法，其特征在于：包括以下步骤：（1）通过安装在顶梁、连杆和底座上的传感器，实时测量出该液压支架各个构件的坐标系相对于参考坐标系的倾斜角度，即可以测得底座补偿倾角α、连杆一倾角δ和顶梁倾角γ；传感器信号输出端口连接液压支架的控制装置，控制装置获得传感器信号，并对应到在控制装置内建立的模型；（2）在液压支架控制装置内建立支架数学模型，建立液压支架参考坐标系{O}，x轴平行于水平面，建立底座相对坐标系{O₁}，原点为点O，x₁轴并行于底座底面；建立连杆相对坐标系{O₂}，原点为点A，x₂轴重合于A、B点连线；建立掩护梁相对坐标系{O₃}，原点为点C，x₃轴重合于C、D两点连线；建立顶梁相对坐标系{O₄}，原点为点F，x₄轴平行于顶梁顶面；（3）根据支架各构件几何尺寸、装配关系得到构件各铰接点在其相对坐标系下的坐标，A点、B点、I点在坐标系{O₁}下坐标(x_A1,_yA1)、(x_B1,_yB1)、(x_I1,_yI1)，C、D两点在坐标系{O₂}下的坐标(x_C2,_yC2)、(x_D2,_yD2)，C、D、E、F点在坐标系{O₃}下的坐标(x_C3,_yC3)、(x_D3,_yD3)、(x_E3,_yE3)、(x_F3,_yF3)，G、H点在坐标系{O₄}下的坐标(x_G4,_yG4)、(x_H4,_yH4)；（4）计算相连构件坐标系之间的夹角，参考坐标系{O}与坐标系{O₁}之间的夹角θ₁=α，坐标系{O₁}与坐标系{O₂}之间的夹角坐标系{O₂}与坐标系{O₃}之间的夹角坐标系{O₃}与坐标系标系{O₄}之间的夹角θ₄＝γ-(θ₁+θ₂+θ₃)；其中可以根据由A、B、C和D端点组成的四连杆机构运动学方程求得，即：x_C2＝l_ACcos(δ-θ₁-θ₂)；y_C2＝l_ACsin(δ-θ₁-θ₂)；x_D2＝x_B2+l_BDcos(180°-ε-η)；y_D2＝y_B2+l_BDsin(180°-ε-η)；x_A2＝0；y_A2＝0；x_B2＝l_AB；y_B2＝0；$ϵ=\arccos \frac{l_{\mathrm{AB}}^2+l_{\mathrm{BC}}^2-l_{\mathrm{AC}}^2}{2\times l_{\mathrm{AB}}\times l_{\mathrm{BC}}};\eta =\arccos \frac{l_{\mathrm{CB}}^2-l_{\mathrm{BD}}^2-l_{\mathrm{CD}}^2}{2\times l_{\mathrm{CB}}\times l_{\mathrm{BD}}};$（5）已知两坐标系之间的夹角以及原点相对位置，同一点在两坐标系内的坐标存在以下确定变换关系，坐标系{O₁}到参考坐标系{O}的坐标变换矩阵为${}_0{}^{1}T=\left[\begin{array}{ccc}\cos {\theta }_1& -\sin {\theta }_1& 0\\ \sin {\theta }_1& \cos {\theta }_1& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right],$坐标系{O₂}到坐标系{O₁}的坐标变换矩阵为${}_1{}^{2}T=\left[\begin{array}{ccc}\cos {\theta }_2& -\sin {\theta }_2& x_{\mathrm{Al}}\\ \sin {\theta }_2& \cos {\theta }_2& y_{\mathrm{Al}}\\ 0& 0& 1\end{array}\right],$坐标系{O₃}到坐标系{O₂}的坐标变换矩阵为${}_2{}^{3}T=\left[\begin{array}{ccc}\cos {\theta }_3& -\sin {\theta }_3& x_{C2}\\ \sin {\theta }_3& \cos {\theta }_3& y_{C2}\\ 0& 0& 1\end{array}\right],$标系{O₄}到坐标系{O₃}的坐标变换矩阵为${}_3{}^{4}T=\left[\begin{array}{ccc}\cos {\theta }_4& -\sin {\theta }_4& x_{F3}\\ \sin {\theta }_4& \cos {\theta }_4& y_{F3}\\ 0& 0& 1\end{array}\right];$（6）通过上述步骤和方法可以计算和确定液压支架上任意一个确定点在参考坐标系{O}上的坐标值，对于液压支架任意已知构件，均可以获得其上任意可知点在{O}上的坐标值，通过多点坐标计算，该构件的工作姿态便可算得。