CN110255357B - 一种吊装用调姿防摆多功能吊具及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机械设备领域，尤其涉及一种吊装设备领域。本发明为一种吊装用调姿防摆多功能吊具，包括回转机构、吊架、绳牵引并联机构及陀螺仪，通过绳牵引并联机构和陀螺仪的自动控制方法，实现预制构件的快速、精确、自动调姿和防摆，改善预制构件起吊后的位置及姿态难以精确定位及调平，且易发生摇摆的问题。

Description

一种吊装用调姿防摆多功能吊具及其控制方法

技术领域

本发明涉及机械设备技术领域，尤其涉及一种吊装设备领域。

背景技术

装配式建筑混凝土结构构件吊装安装施工过程中，构件起吊后的位置及姿态受外力影响，难以精确定位及调平，且易发生摇摆，增加操作难度、就位不准确、降低转运效率、易碰伤人，同时影响后续楼层构件的安装施工。现有技术中没有针对此问题提出很好的解决方案，只能依靠司机操作经验及人工目测手动调节进行控制，调整时间长，重心姿态不稳，工作效率十分缓慢。

发明内容

(一)要解决的技术问题

基于上述问题，本发明提供一种吊装用调姿防摆多功能吊具及其控制方法，使预制构件起吊后能快速、精确、自动调整其姿态，防止其摇摆。

(二)技术方案

基于上述的技术问题，本发明提供一种吊装用调姿防摆多功能吊具，其特征在于，所述吊具包括回转机构、吊架、绳牵引并联机构及陀螺仪，所述回转机构的上端与塔吊连接，下端与吊架连接，所述绳牵引并联机构安装在吊架上，包括控制器、绳索使能装置、绳索驱动装置、万向滑轮及绳索，所述绳索使能装置控制绳索的投入数量，所述驱动装置控制投入绳索的长度，所述绳索与预制构件连接，所述陀螺仪为角运动检测装置，设置在预制构件上，与所述控制器无线通信连接，将检测的角运动信号传送给控制器。

进一步的，所述吊架有n个支架，成伞形对称张开，为空心结构，所述控制器、绳索使能装置和绳索驱动装置位于吊架的内部，所述万向滑轮有2n个，两个一组对称分布在吊架的支架末端，所述绳索有2n根，由绳索释放装置控制，从吊架的支架末端穿出，经万向滑轮后，连接预制构件，n≥4。

进一步的，所述绳牵引并联机构能通过改变绳索的投入数量和投入绳索的长度，实现预制构件的多自由度运动，并兼顾防摆。

进一步的，所述回转机构能驱动吊架在水平方向360°范围内做任意角度的旋转。

进一步的，所述绳索无弹性。

进一步的，所述角运动信号包含角度、角速度和角加速度信号。

一种吊装用调姿防摆多功能吊具的控制方法，其特征在于，所述控制方法为：控制器根据陀螺仪反馈的角运动信号和吊装详细位置信息，生成控制指令传送给绳索使能装置和绳索驱动装置，在绳索使能装置和绳索驱动装置的协同作用下，改变预制构件的姿态，陀螺仪将检测到的新的角运动信号反馈给控制器，如此循环往复，直到预制构件到达吊装位置。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：

(1)该装置能快速、精确、自动实现预制构件的姿态调整，将吊装由半人工调整转化为自适应精细化系统调节，大大简化了预制构件的吊装调节工序，减少人力需求，提高吊装作业的效率和安全性；(2)该装置能改变以往调姿及防摆不能兼顾的吊装方式，且能够主动防摆；(3)控制器、绳索使能装置、绳索驱动装置、陀螺仪形成反馈控制回路，该控制方法使预制构件的姿态调整更精确，抗干扰能力强；(4)该装置绳索数量可增加减少，能适应不同需求；(5)该装置采用以绳为力传递媒介的并联机构，具有负载能力强，结构简单，惯性小，工作空间大等优点。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1为本发明实施例吊装用调姿防摆多功能吊具的正视图；

图2为本发明实施例吊装用调姿防摆多功能吊具的轴测图；

图3为本发明实施例吊装用调姿防摆多功能吊具的控制原理图；

图4为本发明实施例的绳牵引并联机构的动力学模型；

图中：1：回转机构；2：吊架；3：万向滑轮；4：驱动绳；5：预制构件；6：陀螺仪。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1、2所示，本发明提供一种吊装用调姿防摆多功能吊具，其特征在于，所述吊具包括回转机构1、吊架2、绳牵引并联机构及陀螺仪6，所述绳牵引并联机构包括控制器、绳索使能装置、绳索驱动装置、万向滑轮3及绳索4。

回转机构1的上端与塔吊连接，下端与吊架2连接，能驱动吊架2在水平方向360°范围内做任意角度的旋转；吊架2有n个支架，成伞形对称张开，为空心结构，所述控制器、绳索使能装置和绳索驱动装置位于吊架2的内部，所述万向滑轮3有2n个，两个一组对称分布在吊架2的支架末端，所述绳索4有2n根，无弹性，由绳索释放装置控制，从吊架的支架末端穿出，经万向滑轮3后，连接预制构件5；所述陀螺仪6为角运动检测装置，设置在预制构件5上，与绳牵引并联机构的控制器无线通信连接，实时采集预制构件5的角运动信号，并发送给控制器；控制器接收陀螺仪传送的角运动信号，并控制绳索使能装置和绳索驱动装置做出相应的动作；绳索使能装置控制绳索4的使能，从而控制绳索4的投入数量，绳索驱动装置控制绳索4的长度。

所述绳牵引并联机构根据陀螺仪6检测的角运动信号和吊装详细位置信息，通过改变绳索4的投入数量和投入绳索4的长度，能实现预制构件5的六自由度运动。而根据运动学确定机构，为避免预制构件5的摆动，该吊具的绳索4的数量应大于自由度数，故n≥4，n越大，该装置稳定性越好，调节越精细，本实施例中n＝6，即吊架2有六个支架，万向滑轮3有六组，绳索有12根。

如图3所示，一种吊装用调姿防摆多功能吊具的控制方法，所述控制方法为：控制器根据陀螺仪6反馈的角运动信号和吊装详细位置信息，生成控制指令传送给绳索使能装置和绳索驱动装置，在绳索使能装置和绳索驱动装置的协同作用下，改变预制构件5的姿态，陀螺仪6将检测到的新的角运动信号反馈给控制器，如此循环往复，直到预制构件5到达吊装位置。

上述吊装用调姿防摆多功能吊具的工作流程如下：

将所有绳索4与预制构件5用铰链连接，操作起重机，通过塔吊将预制构件5运送到吊装位置上方，通过回转机构1驱动吊架2在水平方向旋转到与吊装方向大致一致；进一步的根据吊装详细位置信息和陀螺仪6传送的角运动信号，绳牵引并联机构先将预制构件5的重心调整到水平位置，再控制预制构件5水平方向的移动和转动，陀螺仪6将新的角运动信号反馈给绳牵引并联机构，绳牵引并联机构对预制构件5进行再调整，直到预制构件5到达吊装位置。绳牵引并联机构会通过绳索使能装置改变绳索4的投入数量，通过绳索驱动装置改变绳索4的长度，从而变化绳索4的空间分布和约束力的方向，以调整预制构件5的重心，并实现预制构件5的六自由度的调姿。

该吊具的绳索4的数量大于自由度数，属于运动学确定机构，可以避免预制构件5的摆动；但起吊过程中存在多种干扰，如果调姿过程中重心不稳定，仍可能发生摆动，一方面该吊具能通过绳牵引并联机构，增加绳索4的投入数量，增加约束力，使重心稳定性增强；另一方面该吊具不断反馈角运动信号，先调整预制构件5的重心到水平位置，能迅速调整重心，从而避免预制构件5的摆动；因此该吊具能主动防摆，并兼顾调姿和防摆。

下面用图4该绳牵引并联机构的动力学模型来解释绳牵引并联机构为何能实现对构件的调姿及防摆。设固定坐标系为O-XYZ，参考点P为预制构件5的几何中心，绳索4与滑轮3的连接点为B_i，P_i为绳索4与预制构件5相连接的铰链中心，r为预制构件5的质心相对于参考点P的位置矢量，f_e和M_e分别为施加于参考点P上的不考虑重力作用在内的外力和外力矩。设

l_i＝∣L_i∣,u_i＝L_i/l_i，t_i为第i根绳索的拉力，该拉力产生一个作用在预制构件5上的拉力T_i＝t_iu_i，且

绳牵引并联机构运动时，可看成自由刚体的一般运动。由自由刚体动力学知识可推出绳索4驱动预制构件5相对于末端执行器参考点P的动力学方程:

根据牛顿方程有：

根据欧拉方程有：

其中m代表预制构件5的质量，g为重力加速度，v，w分别代表预制构件5的速度及角速度，

分别代表预制构件5的加速度及角加速度。

由于预制构件5大多为形状较规则的长方体，其质心与参考点P重合，即r＝0，方程可简化为：

在局部坐标系中，负载的惯性矩阵为I’，其在全局坐标系中的惯性矩阵I为

I＝RI'R^T

R为局部坐标系P-X_pY_pZ_p相对全局坐标系O-XYZ的变换矩阵,若局部坐标系P-X_pY_pZ_p相对全局坐标系O-XYZ的X轴、Y轴、Z轴的旋转角度分别为γ，β，α，则：

写成矩阵形式有

其中

F＝J^TT

F_e＝[f_e M_e]^T

G＝[0 0 mg 0 0 0]

其中，E₃为三阶单位矩阵，T为绳拉力的集合，

分别为预制构件5移动的加速度和角加速度的集合、速度和角速度的集合，下标m＝2n为绳索4的数量，n为吊架2的支架数量。

由该动力学模型易知，预制构件5受陀螺仪6测得的角速度w控制，使惯性、外力、绳拉力和重力的共同作用下能保持预制构件5的重心平衡并调姿，因此绳牵引并联机构能兼顾对预制构件5的调姿及防摆。

综上可知，通过上述的一种吊装用调姿防摆多功能吊具及其控制方法，具有以下有益效果：

(1)该装置能快速、精确、自动实现预制构件的姿态调整，将吊装由半人工调整转化为自适应精细化系统调节，大大简化了预制构件的吊装调节工序，减少人力需求，提高吊装作业的效率和安全性；(2)该装置能改变以往调姿及防摆不能兼顾的吊装方式，且能够主动防摆；(3)控制器、绳索使能装置、绳索驱动装置、陀螺仪形成反馈控制回路，使预制构件的姿态调整更精确，抗干扰能力强；(4)该装置绳索数量可增加减少，能适应不同需求；(5)该装置采用以绳为力传递媒介的并联机构，具有负载能力强，结构简单，惯性小，工作空间大等优点。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (6)

1.一种吊装用调姿防摆多功能吊具，其特征在于，所述吊具包括回转机构、吊架、绳牵引并联机构及陀螺仪，所述回转机构的上端与塔吊连接，下端与吊架连接，所述绳牵引并联机构安装在吊架上，包括控制器、绳索使能装置、绳索驱动装置、万向滑轮及绳索，所述绳索使能装置控制绳索的使能，从而控制绳索的投入数量，所述驱动装置控制投入绳索的长度，所述绳索与预制构件连接，所述陀螺仪为角运动检测装置，设置在预制构件上，与所述控制器无线通信连接，将检测的角运动信号传送给控制器；所述吊架有n个支架，成伞形对称张开，为空心结构，所述控制器、绳索使能装置和绳索驱动装置位于吊架的内部，所述万向滑轮有2n个，两个一组对称分布在吊架的支架末端，所述绳索有2n根，由绳索释放装置控制，从吊架的支架末端穿出，经万向滑轮后，连接预制构件，n≥4。

2.根据权利要求1所述的一种吊装用调姿防摆多功能吊具，其特征在于，所述绳牵引并联机构能通过改变绳索的投入数量和投入绳索的长度，实现预制构件的多自由度运动，并兼顾防摆。

3.根据权利要求1所述的一种吊装用调姿防摆多功能吊具，其特征在于，所述回转机构能驱动吊架在水平方向360°范围内做任意角度的旋转。

4.根据权利要求1所述的一种吊装用调姿防摆多功能吊具，其特征在于，所述绳索无弹性。

5.根据权利要求1所述的一种吊装用调姿防摆多功能吊具，其特征在于，所述角运动信号包含角度、角速度和角加速度信号。

6.一种根据权利要求1-5中任一项所述的吊装用调姿防摆多功能吊具的控制方法，其特征在于，所述控制方法为：控制器根据陀螺仪反馈的角运动信号和吊装详细位置信息，生成控制指令传送给绳索使能装置和绳索驱动装置，在绳索使能装置和绳索驱动装置的协同作用下，改变预制构件的姿态，陀螺仪将检测到的新的角运动信号反馈给控制器，如此循环往复，直到预制构件到达吊装位置；

所述控制方法还包括：

S1、将所有绳索与预制构件连接，操作起重机，通过塔吊将预制构件运送到吊装位置上方，通过所述回转机构驱动吊架在水平方向旋转到与吊装方向大致一致；

S2、所述控制器根据吊装详细位置信息和陀螺仪传送的角运动信号，绳牵引并联机构先将预制构件的重心调整到水平位置；

S3、所述控制器再控制预制构件水平方向的移动和转动，陀螺仪将新的角运动信号反馈给绳牵引并联机构，绳牵引并联机构对预制构件进行再调整，直到预制构件到达吊装位置。

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