（机械电子工程专业论文）凿岩机器人双三角钻臂自适应控制策略研究.pdf

生堕查堂堡主堡塞! ! 墨 摘要 应用计算机实现液压凿岩台车的高度自动化是当今世界各国液压凿岩设备发展的主 流，而双三角钻臂因为性能优良而被广泛应用于液压凿岩台车中。双三角钻臂属于直接定位 钻臂，在工作区间可将钎头直接移位到目标位置。为了防止干涉、实现直接和精确定位，需 要控制钻臂严格按规划轨迹移位。论文以实现双三角钻臂轨迹跟踪定位控制为目的，从双三 角定位机构这一实际非线性对象出发，而展开对一般非线性系统的辨识、预测与控制的研究， 然后将研究结果又回过来应用于双三角钻臂这一特定对象，主要内容如下。 论述了国内外液压凿岩设备的发展概况及非线性控制系统的研究现状，对双三角钻臂 移位控制策略和方案选择进行了论证，指出了采用自适应控制策略的合理性；根据双三角钻 臂的结构和运动特性建立了直角坐标系和斜角坐标系，通过j l 何分析导出了钻臂各物理量 之间的变换或换算关系，为舣三角钻臂各液压缸运动速度的决策利钻臂位姿检测过程中的标 度变换打卜j 了基础：在分析了双三角钻臂运动特性的基础上，提出了一种双三角钻臂支臂缸 运动速度的全程决策方法为实现双三角钻臂平稳运行和直接定位控制创造了条件；从液压 系统的基本方程入手。建立了双三角钻臂平行璇动机构的简化模型导出了连续时间输入输 出传递函数、连续时间状态空间表达式、离散时间输入输出模型和离散时间状态空间表达式 四种模型形式，通过对钻臂的结构和受力分析导出了模型中的参数和液压缸负载力的估算 公式和估算方法，为控制系统设计和仿真研究打下了基础；在介绍了确定性非线性系统和随 机非线性系统的回归输入输出模型的基础上，给出并证明了随机非线性系统的时变线性模型 的存在性定理。通过分析系统闭环预瓤4 存在的缺陷，并为了改善闭环预测性能，为一般系统 提出了三类更简便实用的输入输出离散时间模型：即非齐次时变线性模型、非齐次增量型时 变线性模型和增量型一元线性回归模型，给出并证明了其存在性定理；针对增量型一元线性 回归模型推出了投影算法、加权限定记忆回归法的参数估计算式，并提出了一种新的滚动多 模型加权平均参数估计算法，针对非齐次时变线性模型和增量型非齐次时变线性模型给出了 渐消记忆递推最小二乘法和投影算法的参数估计算式，上述模型及其相应的参数估计方法为 结构来知的一般系统的辨识与预测提供了便利：应_ h j 稳态运行时阀控液压缸的运行速度与电 液比例伺服放火器输入电压的近似比例关系，并应用前一采样时刻对象的输入输出数据来确 立这种关系，提出了保持两支臂缸运行速度之比为给定值的静态速比自适应控制方案；应用 自适应广义预测控制理论，针对双三角钻臂具体的c a r i m a 模型，推出了具体的自适应广 义预测控制算法；沿用自适应广义预测控制的理论与方法提出了分别基于上述三类模型的 自适应多步预测控制策略和自适应单步预测控制策略；分别采用上述三类模型的逆作为逆控 制器，并与一阶滤波器串联构成双重自校正控制器，引入智能控制的基本方法，在控制过程 中通过监测模型特征来作出控制决策，形成了以t l 适应逆控制为主、常规控制为辅的智能自 适应逆控制策略；对原有双三角钻臂凿岩台车进了改造设计和研制了一套完拯的凿岩机器 人两级计算机控制系统，在这一实验平台上对双三角钻臂控制系统进行了实验研究，完成了 上述各种控制策略的验证工作。实现了基于上述各种控制策略的双三角钻臂直接定位控制。 论文为实现双三角钻臂轨迹跟踪和精确定位控制提供了一套完整了理论与方法有关 非线性控制系统的研究成果可推广应用于一般1 = 业生产过程的控制。 关键词 凿岩机器人，嵌三角钻臂，非线性系统，定位控制，臼适麻控制 塑查堂堡主堡苎 些! 里塑 a b s t r a c t u s i n gc o m p u t e r t or e a l i z et h eh i g h l ya u t o m a t i o no f h y d r e n l i cd r i l lr i gi sac h i e fd e v e l o p m e n t o fh y d m u l i cr e c kd r i l l i n ge q u i p m e n t , e n dd o u b l et r i a n g l eb o o mi sw i d e l yu s e di nh y d r a u l i c 越u r i gf o ri t sf i n eb e h a v i o r d o u b l et r i a n g l eb o o m i sak i n do f d i r e c t l yp o s i t i o n i n gm e c h a n i s m ，i t c a n r e m o v et h ed r i l lr o dt oat a r g e tp o s i t i o n d i r e c t l y i ni t s o p e r a t i n gr a n g e i no r d e r t oa v o i d i n t e r f e r e n c ee n dr e a l i z ed i r e c te n da c c u r a t ep o s i t i o n i n g , i ti sn e c e s s a r yt oc o n t r o lt h eb o o mt o a l o n gap l a n e dt r a c kp r e c i s e l y s t a r t i n gf r o mt h ep r a c t i c a ln o n l i n e a ro b j e c to f t h ed o u b l et r i a n g l e p o s i t i o n i n gm e c h a n i s m ，e n da i m i n ga tt h ec o n t r o lf o rt r a j e c t o r yt r a c k i n ga n dp o s i t i o n i n go ft h e b o o m ，t h i sp a p e rm a k e sr e s e a r c ho ni d e n t i f i c a t i o n , p r e d i c t i o ne n dc e n t r e lo fg e n e r a in o n l i n e a r s y s t e m s 。a n dt h e n u s e st h er e s u l tb a c kt ot h es p e c i a lo b j e c to f t h eb o o m 1 1 m a i nc o n t e n t s 珊船 f o l l o w s f i r s t l y , t h ed e v e l o p m e n to f h y d r a u l i cr o c k - d r i l l i n ge q u i p m e n t a th o m ea n da b r o a di ss u r v e y e d ， t h es t a t u sq u oo ft h er e s e a r c ho nn o n l i n e a rc e n t r e ls y s t e mi sd i s c u s s e d e n dt h es e l e c t i o no ft h e m o t i o nc o n 仃o is t r a t e g yo fd o u b l et r i a n g l eb o o mi s d e m o n s t r a t e d ，t h e nt h er e a s o n a b l e n e s so f a d o p t i n ga d a p t i v ec o n t r o ls t r a t e g yi sp o i n t e do u t s e c o n d l y , a c c o r d i n gt ot h es l r u c t u r ea n dt h e m o t i o nc h a r a c t e r i s t i co f d o u b l e t r i a n g l eb o o m ，ar e c t a n g u l a rc o o r d i n a t e se n d a o b l i q u ec o o r d i n a t e s a r es e tu p ，t h e nt h ed i m e n s i o nr e l a t i o nr e l e v a n tt ot i eb e o mj sd e r i v e df m m g e o m e t r i c a la n a l y s i s ， t h u sl a y i n gt h eb a s i sf b rt h cm o v i n gv e l o c i t yp r o g r a m m i n go ft h es u p p o r t i n gc y l i n d e r sa n dt h e s e a l ec o n v e r s i o ni nt h em e e s u r e m e n to f t h e p o s t u r eo f t h eb o o m t h i r d l y , b va n a l y z i n gt h em o t i o n c h a r a c t e r i s t i co ft h eb o o m ，am e t h o df o rt h ew h o l ec o u r s em o v i n g v e l o c i t yp r o g r a m m i n go f t h e s u p p o r t i n gc y l i n d e r so f t h eb o o m i sp r e s e n t e d ，a n dt h e r e b yt h ec o n d i t i o nt oc o n l l o lt h eb o o mf o r s t a b l em o t i o na n dd i r e c t l yp o s i t i o n i n gi s c r e a t e d f o u r t h l y s t a r t i n gw i t ht h eb a s i ce q u a t i o n so f h y d r a u l i cs y s t e m s ，b ym o d e l i n gt h eb o o me n di t sh y d r a u l i cs y s t e mi nm e c h a n i s m ，as i m p l i f i e d m o d e lo ft h ep a r a l l e lt r a n s l a t i o nl i n k a g eo ft h eb o o mi so b t a i n e d a n dt h ef o u rm o d e lf o r m so f i n p u t - o u t p u t c o n t i n u o u s - t i m et r a n s f e r f o n e t i o n ， c o n t i n u o u s - t i m e s t a t e s p a c ee x p r e s s i o n ， i n p u t - o u t p u t d i s o r e t e - t i m em o d e le n dd i s c r e t e - t i m e s t a t e s p a c ee x p r e s s i o n a r e d e d u c e d b y a n a l y z i n gt h es t r u c t u r eo f t h eb e o ma n dt h el o a d b e a r i n go ft h ec y l i n d e r s ，t h ef o r m u l a sa n dt h e m e t h o d sf o r e s t i m a t i n gt h em o d e lp a r a m e t e r sa n dt h eb e a t i n gf o r c eo f t h ec y l i n d e r sa t ep r e s e n t e d a sar e s u l t , t h ef o u n d a t i o nf o rt h ec o n t r o ls y s t e md e s i g ne n ds i m u l a t i o ni ss e tu p f i f t h l y , a f t e rt h e r e c u r s i v ei n p u t - o u t p u tm o d e l so f d e t e r m i n i s t i ca n d s t o c h a s t i cn o n l i n e a r s y s t e m sb e i n gi n t r o d u c e d ， t h ee x i s t e n c e 廿l e o r e mo f t h e t i m e - v a r y i n gl i n e a rm o d e lf o rd e s c r i b i n gs t o c h a s t i cn o n l i n e a rs y s t e m s i s 西y e na n dd e m o n s t r a t e d b ya n a l y z i n gt h ed e f e c te n di no r d e rt oi m p r o v et h eb e h a v i o ro ft h e c l o s e dl o o pp r e d i 甜o no fs y s t e m s ，t h r e en o v e lp r a c t i c a l i n p u t - o u t p u td i s c r e t e - t i m em o d e l s ：a n i n h o m o g e n e o u st i m e v a r y i n gl i n e a rm o d e l ，a ni n h o m o g e n e c u si n c r e m e n t a lt i m e v a r y i n gl i n e a r m o d e ia n da ni n c r e m e n t a ls i m p l el i n e a rr e g r e s s i o nm o d e la r ep u tf o r w a r d ，t h ee x i s t e n c et h e o r e m o f t h et h r e em o d e l sa r ea l s og i y e na n d d e m o n s t r a t e d s i x t h l y , i no r d e r t oe s t i m a t et h ep a r a m e t e r s o ft h ei n c r e m e n t a l s i m p l er e g r e s s i o nm o d e l ap r o j e c t i o na l g o r i t h ma n daw e i g h t e dl i m i t e d m e m o r yr e g r e s s i o na l g o r i t h ma r ed e d u c e d a n dan e wr o l l i n gm u l t i p l em o d e lw e i g h t e da v e r a g e a l g o r i t h mi sp r o p o s e d ar e c u r s i v el e a s ts q u a r e sw i t hf o r g e r i n gf a c t o ra l g o r i t h ma n dap r o j e c t i o n a l g o r i t h ma r ea l s og i v e nt oe s t i m a t et h ep a r a m e t e r so ft h ei n h o m o g n n e o u st i m e v a r y i n gl i n e a r m o d e la n dt h ei n h o m o g e n e n u si n c r e m e n t a lt i m e - v a r y i n gl i n e a rm o d e l 1 、h et h r e em o d e l sa n dt h e 2 塑查竺竖圭笙奎 些翌墨竺! r e l a t i v ep a r a m e t e re s t i m a t i o na p p r o a c hp r o v i d eg e n e r a ls y s t e m sw i t hu n k n o w ns a u c t u r ew i t h f a c i l i t i e sf o ri d e n t i f i c a t i o na n dp r e d i c t i o n s e v e n t h l y , a sw ek n o w , t h em o v i n gv e l o c i t y o f v a l v e - c o n t r o l l e dc y l i n d e r si sa p p r o x i m a t e l yp r o p o r t i o n a lt ot h ei n p u tv o l t a g eo f t l cs e r v ea m p l i f i e r o f e l e c t r o - h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lv a l v e w h e nt h ec y l i n d e r sa r ei ns t a b l em o t i o n ，a n dt h ep r o p o r t i o n c a nb e d e t e r m i n e db yl a s t i n p u t - o u t p u ts a m p l e d d a t ao ft h es y s t e m b a s e d o nt h ea b o v e d e s c r i p t i o n ，as t a t i cv e l o c i t yr a t i o na d a p t i v ec o n t r o ls t r a t e g yf o rt h et w os u p p o r t i n gc y l i n d e r si s p r e s e n t e d e i g h t h l y , f o rt h es p e c i a lc a r i m am o d e lo ft h ed o u b l et r i a n g l eb o o m ，as p e c i a l a d a p t i v eg e n e r a l i z e dp r e d i c t i v ec o n t r o la l g o r i t h mi sd e d u c e d n i n t h l y , b yt h ea p p l i c a t i o no ft h e a d a p t i v eg e n e r a l i z e dp r e d i c t i v ec o n t r o lt h e o r e m ，a n db a s e do nt h ea b o v et h r e em o d e l ss e p a r a t e l y , a na d a p t i v e m u l t i - s t e pp r e d i c t i o nc o n t r o ls t r a t e g ya n da na d a p t i v e o n es t e pa h e a dp r e d i c t i v e c o n t r o ls t r a t e g ya r ep r o p o s e d t e n t h l y , s e p a r a t e l yu s et h ei n v e r s eo f t h e 曲e v et h l e em o d e l sa sa n i n v e r s ec o n t r o l l e r , 1 e tt h ec o n t r o l l e rb ei ns e r i e sw i t haf i r s t - o r d e rf i l t e r , i n t r o d u c e i n t e l l i g e n t a p p r o a c h ，a n dm a k et h ec e n t r e ld e c i s i o nt h r o u g hd e t e c t i n gt h em o d e lf e a t u r e , t h u sl e a d st oa n i n t e l l i g e n ta d a p t i v ei n v e r s ec o n t r o ls t r a t t ：g y a d a p t i v ei n v e r s ec e n t r e la n dc o n v e n t i o n a lc e n t r e l p l a yal e a d i n ga n da u x i l i a r yr o l er e s p e c t i v e l yi nt h i sc o n t r o ls t r a t e g y l a s t l y , t h eh y d r a u l i ca n dt h e e l e c t r i cs y s t e mo ft h eo r i g i n a lh y d r a u l i cd r i l l r i gw i t ht w od o u b l et r i a n g l eb o o mi sr e m a d e a t w o - s t a g ec o m p u t e rc o n t r o ls y s t e mo f r o c k - d r i l l i n gr e b e ti sd e s i g n e da n d d e v e l o p e d b a s e do nt h i s e x p e r i m e n tp l a t f o r m 。e x p e r i m e n t so nt h ec e n t r e is y s t e mo ft h eb o o ma r ec a r r i e do u t t h ea b o v e a d a p t i v ec o n t r o ls t r a t e g i e sa r ev e r i f i e d ，a n dt h ed i r e c t l yp o s i t i o n i n gc o n t r e lo f t h ed o u b l et r i a n g l e b o o mi sr e a l i z e d b y u s eo f t h ea b o v ec o n t r e ls t r a t e g i e s t h e p a p e rp r o v i d e sac o m p l e t et h e o r e ma n dm e t h o df o rt h ec o n t r o lo f t r a j e c t o r yt r a c k i n ga n d a c c u r a t ep o s i t i o n i n go fd o u b l et r i a n g l eb o o m ，a n dt h er e s e a r c ha c h i e v e m e n to nn o n l i n e a r c o n t r o l s y s t e m si sa l s ov a l i df o rg e n e r a li n d u s t r i a lp r o c e s sc o n t r 0 1 k e y w o r d sr o c k - d r i l l i n gr o b o t , d o u b l e t r i a n g l eb o o m ，n o n l i n e a rs y s t e m ，p o s i t i o n i n g c o n t r o l ，a d a p t i v ec o n t r o l 3 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说 明。 作者签名： 奎杰垒日期： 星q q 圣年立月鱼日 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：型垒导师签名：位渲些 日期：一2 0 0 3 呦6b 生壹盔堂苎圭笙奎童生立l j ! 堕 第1 章绪论 1 1国内外液压凿岩设备发展概况 人类在改造自然的实践活动中，时常需要逢山开路。遇水搭桥，真难想象古人们在开 山凿洞劳作过程中的艰辛。在现代交通、水电、矿山、军事工程等大规模基本建设中，隧道 开挖更是建设者们需要攻克的重要而关键的基本工程。隧道开挖的施工作业劳动强度大、工 作环境差、耗资耗时多，迫使人们去寻求提高工效的良方和省时省力的工具。目前隧道开挖 主要有两种方法。1 ：一种是掘进法，另一种是钻爆法。前者采用庞大复杂的掘进机，用类 似机械切削的方法一次将整个隧道断面成形。这种施工方法的优点是掘进速度较快且安全， 但缺点也很明显，如全断面掘进机价格非常昂贵、运转功率大、体积庞大导致运输困难、断 面适应性差( 一般为圆形) 等等，这些都限制了它在工程中的应用范围。相比之下，采用钻 爆法施工则比较灵活，主要表现为断面适应性好( 几乎可钻任何形状的断面) ，且设备费用 也相对低廉得多，所以在目前的隧道开挖中，钻爆法仍占主导地位”1 ，它是目前最经济最有 效的方法。钻爆法施工包括如下几个步骤：首先采用凿岩( 钻孔) 设备在待开挖的隧道断面 上钻凿爆破孔 然后装入炸药引爆，将崩落下的岩石运走便形成隧道的初型；再根据围岩情 况确定是否进行喷锚支护、稳定地层；最后一般用混凝土衬砌好即成为供车辆行走或引水通 过的隧道。显然，用最快的速度完成按一定规律分布的爆破孔的钻凿并使爆破后的断面尽 量接近设计的断面形状和尺寸，减少超挖( 实际断面大于设计断面) 、欠挖( 实际断面 小于设计断面) 所造成的经济损失。同时还要尽力为施工员工创造尽可能舒适、安全的劳 动条件，是人们追求的目标。 液压凿岩设备是目前钻爆法施工中使用的主要工具，自上世纪7 0 年代问世以来，由于 其高速、高效、低噪声、少污染等优良性能而逐步取代了落后的气动凿岩设备，得到了迅速 发展和广泛应用“”1 。液压凿岩设备在工程实际应用中所展示的先进性、经济性和安全性， 激发了世界上众多厂商相继研制与开发，目前生产液压凿岩设备的公司主要有”1 ：瑞典 a t a l a s c o p c o 公司、芬兰t a m r o c k 公司、美国国际园粒金刚石有限公司、美国 i n g e r s o l l r a n d 公司、奥地利鲍勒国际风动工具公司、法国e c o r s e c o n l a 公司、法国 m o n t a b e r t 公司、英国佩拉德扭矩张力( p e r a r dt o r g u et e n s i o n ) 公司、德国萨尔茨吉特机 械公司、瑞士工业公司、日本古河公司等，这些公司生产自成系列、规格齐全、性能优良的 液压凿岩机和液压凿岩钻车。 液压凿岩设备显然比气动凿岩设备先进，但采用人工控制的凿岩钻车，其施工效率和精 度在很大程度上依赖于操作者的熟练程度。随着液压凿岩技术的不断成熟和计算机控制技术 的迅猛发展，国外许多厂商展开了将液压凿岩技术与计算机、自动化技术相结合的研究。使 液压凿岩设备的自动化程度越来越高，并导致了凿岩机器人的诞生。近十年来，具有机器人 特征的半自动计算机辅助凿岩台车和全自动凿岩台车相继问世并投入使用。 挪威工程合同公司在1 9 7 2 年开始隧道凿岩钻年的自动控制研究，并于1 9 7 8 年试制出第 一台三臂微机控制钻车样机。从1 9 7 9 年1 2 月开始，第二台样机在挪威南部的两条公路隧 道工程中进彳j ：试验，到1 9 8 6 年已将第三批液压凿岩自动控制装置投放市场。 挪威f u r u h o l m e n 公司于1 9 7 8 年开始着手计算机控制凿岩研究，于1 9 8 7 年研制出全自 动微机控制凿岩台车”1 。挪威t j u r j u h o l m e n d 公司也开发了凿岩过程微机控制系统。 主壹查堂塑主堕主苎兰二苎望 挪威b e v e r 公司专为为计算机控制的钻车开茂了b e r e t 全自动数据导向系统。系统的 硬件主要由测量钻臂关节变量的传感器、机载计算机以及有关数据转换装置组成；系统软件 包括隧道制图软件、用于车体定位的激光束信息控制软件和钻臂自动定位与凿岩控制软件 等。该系统已批量生产，成为全世界凿岩机器人生产厂家使用最广泛的数据导向系统t 如挪 威的b e r e t 公司、电子公司和a m y 公司、芬兰的t a a r o c k 公司、瑞典的a t l a sc o p c o 公司等 在1 9 8 7 年后生产的计算机控制凿岩台车多数装备了b e v e r 全自动数据导向系统。 芬兰t m n r o e k 公司于1 9 8 5 年研制出第一台计算机控制的d a t a m a t i c 凿岩台车”1 9 8 6 年1 0 月在美国l a sv e g a s e l 美国采矿委员会( a 惦) 举办的国际采矿展览会上，t a r _ 1 c o e k 公司 展出了第二代d a t a m a t l c 钻车- - d u t a m a t i ch s 3 0 5 m 型凿岩机器人。此外该公司还生产d a t a s o l o 型和d a t a d u o 采矿凿岩机器人。至1 9 9 3 年为止已有3 0 多台d a t a s o i o 型和d a t a d u o 凿岩机器人在澳大利亚、巴西、加拿大、芬兰、爱尔兰、挪威和瑞典等国使用。 1 9 8 7 年，瑞典a t l a sc o p c o 公司的r o b o tb o o m e r 型凿岩机器人在瑞典基律纳铁矿投入 使用“1 。该公司已有r o b o tb o o m e r l 3 1 型，1 3 5 型、1 8 5 型凿岩机器人和s i m b a 艘2 2 型、2 6 9 2 型及1 t 2 5 0 型镀机控制采矿凿岩钻车投放市场。1 9 9 5 年推出w 4 6 9 型凿岩机器人，1 9 9 8 年又 推出了r o c k e tb o o m e r1 1 2 c 和l 2 g 型凿岩机器人1 。 日本东洋公司于1 9 7 3 年开始研制凿岩机器人，井于1 9 8 2 年研制出咖一2 3 5 0 a d ( 四 臂) 和n c j 一2 一a d ( 两臂) 两种全自动液压凿岩钻车样机1 。日本古河公司开发了 y r h 一2 a - 1 3 5 凿岩机器人剐。1 9 8 3 年日本秋田大学的高桥义雄等人对凿岩推进装置的自适应 问题进行了实验研究，指出全自动化推进自适应控制是可行的。1 9 8 9 年日本公布了一项“凿 岩台车钻孔自动定位控制系统”的专利”“，提出了一种将炮孔位置从工作断面的直角坐标系 转换成钻臂球面坐标系的快速方法。 上世纪7 0 年代末，英国p e t a r dt o r g u et e n s i o n 公司研制的计算机辅助凿岩钻车在一 个盐矿的试验表明“：一个_ ：l ：作面总钻孔时间减少5 0 孔位桔度高：爆破效果好；维修费 用和成本太为降低。 法国s e c o m a 公司在上世纪8 0 年代初研制出s e c o m a7 0 型程序凿岩钻车以及装有电子 调节装置的s e c o m a 1 1 1 2 2 和w 1 1 1 3 5 型凿岩钻车。法国l o n t a b e r r 公司的r o b o f o r e 型凿岩 机器人- 钻臂的一次定位时间由一般的2 5 3 0 秒减少到1 0 秒，炮孔位置误差不大于1 0 m ， 采矿成本降低了2 0 1 。 德国萨尔茨吉特机械公司于1 9 8 7 年在汉诺戚展览会上展出计算机控制的b w 4 5 p 型凿岩 机器入1 。德国羹塔鲍尔公司开发了p a n t o f o r e 凿岩机器人川。 美国的i n g e r s o l l - - r a n d 公司于上世纪8 0 年代后期推出一系列装有b c v c r 全自动数据导 向系统的凿岩机器人，主要型号有2 1 g b c - - c r 型和a m v 3 g b c c c 型肚i 。美国交科公司 开发了“2 4 5 ”型凿岩自动控制系统1 9 l 。 我国对液压凿岩设备的研究几乎与国外同步，1 9 7 2 年冶金工业部组织中南工业大学与 长沙矿山研究院共同研制液压凿岩钻车和液压凿岩机，1 9 8 0 年我国第一台c g j 2 y 型液压凿 岩钻车和y y g 8 0 液压凿岩机通过冶金部鉴定。随后北京科技大学、中国煤炭科学院等十多家 单位参与这方面的研究工作，相继开发出一系剿产品，且液压凿岩设备的自动化程度在不断 提高并向凿岩机器人方向发展。中南工业大学于1 9 8 5 年进行了学习再现式凿岩机器人研 究，在实验室完成了微机控制凿岩自动定位和布孔的研究，北京科技大学于1 9 9 3 年完成了 凿岩机器人钻孔过程计算机控制寻优的实验室研究。在国家“8 0 3 ”高技术发展计划中设立 了包括特种机器人在内的智能机器人主题，黹岩机器人实用化研制于1 9 9 8 年正式立项，列 2 !堕查竺堡圭兰奎生jl壁垒 为国家“8 6 3 ”重大科研项目由中南大学机电技术与装备研究所承担。已取得了凿岩机器 人运动学及动力学模型、孔序规划、车体定位控制等研究成果。我国第一台隧道凿岩机器人 于2 0 0 0 年在长沙横空出世，现已进入产业化阶段，标志着我国液压凿岩技术厦其白控设备 日趋成熟。 1 2 凿岩机器人简介 凿岩机器人是由计算机控制的高度自动化的凿岩设备，它具有机器人可重复编程和在无 人参与下自动执行各种动作等特征，是榘计算机技术、自动化技术、传感器技术和机械技术 于一体的机电一体化典型装置。当今世界各国生产的凿岩机器人种类繁多但在组成结构和 控制功能等方面大体相同。从使用场台来说，有用于公路、铁路等隧道开挖的隧道凿岩机器 人和用于矿山地下开采的采矿凿岩机器人。凿岩机器人是在普通凿岩台车的基础上增加了一 个较为完备的计算机控制系统。在凿岩台车上装有载运车体的胶轮或轨轮装有若干只钻臂， 在每个钻臂上安装了钎秆、推进嚣、推进补偿器和液压凿岩机蔷器件。通常每个钻臂都有 套独立、完备的液压控制系统，各液压系统的组件都安装在车体上。液压系统除了用于实现 液压凿岩外，还提供钻臂移位和车体升降等动力。 用计算机控制实现自动凿岩过程是凿岩台车向凿岩机器 发展的关键。计算机具有逻辑 判断、运算处理和信息存储等强大功能，成为凿岩机器人的“大脑”，在专家“授意”下 通过传感器接受信息来识别外界环境平自我行为，在“大脑”的指挥下有组织、有目的地执 行各种动作，从而满足人的要求，即备钻臂有组织有目的地、高速、高效、高精度地自动完 成断面上所有预先布置的炮孔的钻鸯。 凿岩机器 在工作过程中展示7 较强的智能性具有自动控制、控制管理和人机对话功 能。在控制方面，多数凿岩机器人有三种工作模式：全自动工作模式即根据预定凿岩方案， 进行自动定位、开眼和凿岩，在自动控制模式下，钻臂定位精度高系统具有一定的自适应 能力；计算机辅助控制模式即由计算机导向，人工操作进行定位利凿岩；直接人工控制模 式，即完全由人工手动控制定位和凿岩。通过人机对话可对系统进行参数设置、凿岩方案选 择和人为干预通过屏幕显示可监视系统的运行状态、故障和维修信号等。 采用凿岩机器人作业，在减轻劳动强度、提高经济效益和工程质量方面具有明显的优越 性1 9 l 1 1 】f 获得精确的巷道或隧道断面形状尺寸。减少超挖或欠挖量，是大限度地减少围岩机械破 坏，提高稳定性和减少支护量。 优化炮孔布置和数量，精确控制炮孔深度、角度和位置，达到单位进尺炸药消耗量最少 和炮孔利用宰最高获得较好的爆破进尺和破碎块度。 根据凿岩穿孔速度，预捌岩层的条纠r 和破碎带，从而能预先决定开挖参数、支护工作量 以及是否需要加固。 自适应钻进系统根据岩石性质自动调整凿岩参数，使之达到最佳匹配，从而太幅度提高 凿岩速度，同时减少钎杆蘑损、降低配件消耗。 通过动态的孔序规划和任务靓划合理安排各钻譬的工作任务，提高整机的使用效率。 通过干涉与防碰预测提高钻臂移位的安全性。 世界各地隧道凿岩施工现场统计数据表明c ，l ：凿岩机器人可使巷道或隧遵的断面形状尺 寸精度达到5 一l o c m ，超挖减少1 0 - - 1 5 ，生产率提高1 5 - - 3 0 ，钻头寿命提高2 7 以上， 钻进成本降低2 5 以上。正圈为如此对黹岩机器人的开发研究得到了世界各国的广泛关注。 1 3 双三角钻臂移位控制策略的选择与方案论证 钻臂是支撑液压凿岩机进行凿岩作业的机械臂，可在设计范围内运动，使钎杠获得作业 主堕生兰堡主堡主 苎! 主苎堕 要求的位姿。按运动方式分类i 懈，钻臂可分为直角坐标式、极坐标式、复台坐标式和直接定 位式。直角坐标式钻臂移位时，钎头在工作面的投影轨迹是依次沿x 轴和y 轴方向优点是 结构简单、定位直观、操作容易、各关节的运动可独立控制，缺点是使用的油缸较多、存在 凿岩盲区，直角坐标式钻臂在国外生产的凿岩台车中被广泛使用；极坐标式钻臂移位时钎 头在工作面的投影轨迹依次沿旋转弧线和半径方向，由于转动惯量犬、操作不方便等缺点- 极坐标式钻臂被越来越少采用，从中国钻车发展史上看，这种钻车基本处于被淘汰之中；复 台坐标式钻臂是直角坐标式和极坐标式两者相结台的产物；宣接定位式钻臂移何时钎头在 工作面上的投影可为任意轨迹，因而可使钎头直接移位至目标孔位，选到缩短变幅移位时间 的目的，优点是结构紧磷、动作平稳、凿岩无盲区、具有空问平移性能，但在控制各关节运 动时存在偶合，这将增加控制的复杂性。 自从a t l a s c o p c o 公司的b u t 3 5 这样的双三角支撑钻臂出现后，双三角钻臂作为直接定 位式钻臂，因为性能优良而得到了越来越广泛的应用。我国中南大学研制的第一台凿岩机器 人，就是采用了直接定位式双三角钻臂结构。烈三角钻臂由液压驱动，为达到直接定位的目 的，要求备液压缸协调运动，这就需要对各液压缸的速度进行合理决筇，并按决策实施有效 控制。众所周知，液压系统的流量方程为非线性，经近似线性化而得到的阀控液压缸的传递 函数中的参数，在运行过程中是变化的。因此，我们面临一个对非线性时变系统实施控制的 问题。 耍确定采用何种控制策略，先要考察各类控制镱略的特性和适用范围。当今自动控制理 论发展十分迅速从最优控制、自适应控制、鲁棒控制到智能控制各种先进的控制策略和 控制算法层出不穷。各控制镣略或控制算法有它各自的特性和适用范围，不能简单地作出谁 是谁非的评价。 在上世纪5 0 年代末形成体系的经典控制理论，主要采用频域分析方法，用于线性时不 变的单输入单输出反馈控制系统的设计是饭有效构，但控制系统的设计方法基本上是种试 凑法不能提供最优控制的方法与手段，对丁非线性和时变系统显得无能为力。 以经典控制理论为基础在上世纪6 0 8 0 年代发展起来的现代控制理论是基于时城概 念、以状态空间分析法为主来研究控制系统状态的运动规律。现代控制理论克服了经典控制 理论的很多局限性，适用于多输入多输出反馈控制系统，能够解决某些非线性和时变系统的 控制问题。可姐实现最优控制规律不仅能蟛研究确定性系统，而且可以研究随机的过程， 即包括了随机控制系统的分析与设计方法。应用现代控制理论中的最优控制方法，需要建立 对象精确的数学模型否则就不能获得满意的控制效果。 在经典控制理论和现代控制理论的基础上，为迎台现代复杂系统高品质控制的需要，控 制学科在近代产生了许多分支，包括最优控制、随机控制、变结构控制、自适应控制、预测 控制、鲁棒控制和智能控制等。最优控制还成为其他控制分支学科