管片拼装机(Segment Erector)是盾构机中用于管片拼装的机械,可以通过对管片的位置、姿态进行调整,将管片搬运至指定位姿,实现管片的拼装。由于管片拼装机效率较低,耗时较长,严重限制了隧道掘进效率。因此要提高隧道挖掘效率,管片拼装的效率就显得十分重要。现有的管片拼装机控制系统,大多都在手动遥控控制的基础上,通过电液复合控制等方法,在尽可能减小管片拼装机惯性的情况下提高管片拼装机的运行速度,实现提高管片拼装的效率。但该方法对效率的提升仍受限于工人的熟练程度,故有必要提出一种自动化管片拼装控制系统,实现管片拼装的自动化,提高管片拼装效率。本文以参照工程使用的管片拼装机设计的新型管片拼装机为研究对象,引入了相机的非接触测量方式,研究了基于视觉伺服的管片拼装机控制系统与方法,提出了基于视觉伺服的管片拼装机控制策略与方法,并通过实验验证了所提出控制方法的有效性,为实现管片拼装机的自动化拼装提供了一套解决思路与控制方法。本文的主要研究内容如下:(1)基于现有工程使用的管片拼装机,设计了一种新型管片拼装机实验台。参照工程使用的管片拼装机技术参数,确定设计技术要求,并通过分析对比不同设计方案的优劣,确定新型管片拼装机的设计方案,最终给出具体结构,完成新型管片拼装机的系统搭建。(2)管片拼装机末端姿态调整机构的运动学分析与速度控制研究。基于上述的新型管片拼装机,对其末端姿态调整机构进行运动学分析,并采用牛顿迭代法对其正解进行求解,分析旋转速度与推杆速度之间的关系,进一步,分析管片拼装过程负载的变化情况,针对这一特性,分析不同控制器对负载变化的不同适应性,实现其速度闭环控制,为后续管片拼装机伺服控制提供基础。(3)基于图像视觉伺服(IBVS)的管片拼装机伺服控制研究。对不同标记特征点的图像坐标进行分析,得到其图像坐标在管片拼装过程中的相互关系,并采用机器学习方法,建立目标点预测模型,并分析模型的精度。基于图像的视觉伺服方法,提出所设计的新型管片拼装机的控制策略,并通过数学推导得出控制律的计算方法,最终通过实验验证所提出的控制策略与方法的有效性。