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东北走学硕士学位论文 机械式挖掘机的动力学分析与智能化设计 摘要 挖掘机是重要的工程机械之一，可连续高效的工作，对于减轻劳动强度，提 高劳动效率起了很大的作用，被广泛用于建筑、化工、水利、矿山等部门，是工 程建设项目中不可缺少的施工工具。随着人类活动领域的拓展，实际工程中对工 作环境的要求越来越高，同时对人的作业环境的要求也更加严格，于是在应用领 域中存在的一些问题也愈来愈不容忽略。然而，国内现有的挖掘机基本上采用人 工操作方式，因此进行挖掘机的自动化、智能化研究，利用挖掘机器人替代人进 行自主作业显得非常必要而紧迫。近年来，机器入学、电子技术、控制技术、计 算机技术、人工智能等相关学科和技术的发展为挖掘机的自动化、智能化研究展 现了广阔的前景。通过挖掘机机器人模型的建立，可以得出挖掘机工作装置的运 动学和动力学方程以及工作轨迹，然后利用计算机控制技术、传感技术、智能控 制等技术设计出套针对挖掘机的智能化控制系统，利用计算机对其进行离线编 程编程控制。这将大大改善挖掘机在轨迹规划以及动力学等方面的性能，较好地 实现挖掘机自动化、智能化作业。 本文在综合分析了挖掘机器人研究的历史和现状后，针对本实验室要建立挖 掘机器人智能化实验平台需要解决的问题，进行了系统深入地研究分析。主要涉 及以下几方面内容： f 1 ) 挖掘机器人模型的建立。根据机器人模型的建立方法，结合实验室w s 一0 0 5 机械式挖掘机的结构及运动过程分析，建立挖掘机器人模型。 ( 2 ) 挖掘机器人的运动学分析及轨迹规划。根据建立的机器人模型，求出了运 动公式。结合工程机械作业特点，探讨了轨迹规划的方法。并给出了一次挖掘过 程中的规划结果。 ( 3 ) 挖掘机器人的动力学分析。结合模型，运用拉格朗日法求出挖掘机器人的 动力学方程。并分析了在一次挖掘过程中所受的外力，进而给出了该过程中动力 学结果。 ( 挖掘机器人控制系统的设计。根据锝出的机器人动力学方程，可以很容易 的求出机器人的控制算法。从监控系统得到的数据，经工控机编写的控制算法求 东北大学硕士学位论文 摘要 出各种工况下的控制数据，然后由p l c 控制系统以及模拟量输出系统对机器人进 行具体控制。 关键词挖掘机器人轨迹规划动力学智能控制 离线编程 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t d y n a m i c sa n a l y s i sa n di n t e l l i g e n tc o n t r o l l i n g d e s i g no fe x c a v a t o r a b s t r a c t t h ee x c a v a t o ri so n eo ft h ei m p o r t a n te n g i n e e r i n gm a c h i n e s ，e x t e n s i v e l yu s e di n t h ef i e l d so fa r c h i t e c t u r e ，c h e m i c a li n d u s t r y , w a t e rc o n s e r v a n c hm i n eb e c a u s ei tc a n w o r kc o n t i n u o u s l ya n de f f i c i e n t l y , i th a sp l a y e da ni m p o r t a n tr o l ei na l l e v i a t i n gt h el a b o r i n t e n s i t y a n di n c r e a s i n gt h ee f f i c i e n c y s oi th a sb e c o m ei n d i s p e n s a b l ei nt h e d e v e l o p m e n t st h eq u a l i t yo ft h ee x c a v a t i o nm a c h i n ea f f e c t st h ep r o c e e d i n go fv a r i o u s w o r k sd i r e c t l ym o r e o v e lw i t ht h eh u m a nb e i n g sf i e l d se x p a n d e d ，t h ew o r kq u a n t i t y a n dt h ep e r s o n sw o r ke n v i r o n m e n th a sb e i n gr e q u e 洲m o r ea n dm o r eh i g h 】y ，a n dt h e p r o b l e m se x i m e di nt h o s ea s p e c t sc a nn o tb en e g l e c t e dm o r ea n dm o r eh o w e v e r , t h e c u r r e n te x c a v a t i o ni nd o m e s t i cm a c h i n ei so p e r a t e db yh a n dt h e r e f o r et h er e s e a r c ho f t h ea u t o m a t i o na n di n t e l l i g e n c eo ft h ee x c a v a t i o nm a c h i n et om a k eu s eo ft h e r o b o t i c i z e d e x c a v a t i o nt or e p l a c ep e r s o ni n d e p e n d e n c eh o m e w o r ks e e m st ob ev e r y n e c e s s a r ya n du r g e n t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to f r o b o tt h e o r y , e l e c t r o n i c s t e c h n i q u e , c o n t r o lt e c h n i q u e , c a l c u l a t o rs i m u l a t i o nt e c h n i q u ea n da r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e , t h ea u t o m a t i o na n di n t e l l i g e n c eo ft h ee x c a v a t i o nm a c h i n ec a nb ep o s s i b l ew i t ht h e e x c a v a t i n gr o b o tm o d e le s t a b l i s h e d ，w ec a ng e tt h ek i n e t i c sa n dd y n a m i c se q u a t i o na n d w o r kt r a c k sp r o g r a m m i n go ft h ed e v i c e ，t h e nm a k eu s eo ft h ec a l c u l a t o rc o n t r o l t e c h n i q u e ，m e a s u r i n gt e c h n i q u e ，i n t e l l i g e n c ec o n t r o le t c t od e s i g nas e to fe x c a v a t i o n i n t e l l i g e n c ec o n t r o ls y s t e m f i n a l l ym a k i n gu s eo ft h ec a l c u l a t o rw ec a nr e a l i z ei t s o f f - l i n ec o n t r o lo ro n l i n ec o n t r o lt h i sp r o g r a mw i l li m p r o v et h ef u n c t i o no fd y n a m i c s a n dt r a c k ，a n dt h ee x c a v a t i n gm a c h i n ea u t o m a t i o na n di n t e l l i g e n c ew i l lt u r nt or e a l k y e x c e l l e n t l y a f t e ra n a l y z i n gt h eh i s t o r ya n dp r e s e n ts i t u a t i o no fe x c a v a t i n gr o b o ts y s t e m a t i c a l l y a n da i m i n ga ts o l v i n gt h em a i np r o b l e m so ft h ee x c a v a t i n gr o b o tt e s t b e dd e s i g n e db y o u rl a b o r a t o r y , t h es t u d ya n da n a l y s i st h o r o u g h l yh a sb e e nd o n et h i sp a p e ri n v o l v e s 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c 了 p r i m a r i l yf o u rp a r t s ： ( 1 ) e s t a b l i s h i n gt h ee x c a v a t i n gr o b o tm o d e l b a s e do nt h em e t h o dt oe s t a b l i s h r o b o tm o d e l ，c o m b i n i n gw i t ht h eo p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft h el a b o r a t o r yw s _ 0 0 5 m a c h i n ee x c a v a t o r , w ee s t a b l i s ht h e e x c a v a t i o nr o b o tm o d e l ( 2 ) t h ek i n e t i c sa n a l y s i sa n dt r a c k sp r o g r a mo ft h ee x c a v a t i n gr o b o ta c c o r d i n gt o t h er o b o tm o d e le s t a b l i s h e d ，t h ek i n e t i c sf o r m u l ac a nb eg o r e nc o m b i n i n gw i t ht h e o p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c s ，t h em e t h o d so ft h et r a c kp r o g r a m m i n ga r et a k e ni n a n dg i v e o u tt h ep r o g r a m m i n gr e s u l to f t h es c o o p i n go u tp r o c e s s ( 3 ) t h ed y n a m i c sa n a l y s i so ft h er o b o ta c c o r d i n gt ot h em o d e l ，t h ed y n a m i c s f o r m u l ac a nb eg i v e nb yt h el a g r a n g em e t h o d a n a l y z i n go u t s i d ef o r c e si nt h es c o o p i n g o u tp r o c e s s ，t h e nw eg e tt h ed y n a m i c sr e s u l ti nt h ep r o c e s s ( 4 ) t h ed e s i g no ft h ec o n t r o l l i n gs y s t e m a c c o r d i n gt o t h ed y n a m i c sr e s u k c a l c u l a t e d ，t h ec o n t r o la l g o r i t h mo ft h er o b o tc a nb eg o t t e ne a s i l y b a s e do nt h ed a t a f r o mt h es u p e r v i s i n gs y s t e m ，t h ec o n t r o ld a t ai ne v e r yw o r kp l a c ew i l lb ec a l c u l a t e db y t h ea l g o r i t h m ，t h e nt h er o b o tc a nb ec o n t r o l l e dc o n c r e t e l yb yp l cc o n t r o l l i n gs y s t e m a n da n a l o gd i g r a lo u t p u t ss y s t e m k e y w o r d s ：e x c a v a t i n gr o b o t i n t e l l i g e n c ec o n t r o l t r a c kp r o g r a m m i n g d y n a m i c s o f f - l i n ep r o g r a m m e v 独创t 生声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：秀闫彳 日期：加占2 f 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名：否则视为不同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 挖掘机是重要的工程机械之一，被广泛用于建筑、化工、水利、矿山等部门。 可连续高效的工作，对于减轻劳动强度，提高劳动效率起了很大的作用1 】【2 1 。因其具 有许多的优点，是工程建设项目中不可缺少的施工手段，是国家重要基础建设项目 的有力保证。一个国家生产使用挖掘机械的能力，在一定程度上可以说是一个国家 工程建设能力的体现。挖掘机的性能好坏直接影响到各项工作的进行。另外，随 着人类活动领域的拓展，对作业质量要求越来越高和对人的工作环境也更加挑剔， 这样的应用领域中存在的些问题愈来愈不容忽略，例如： 作业的劳动强度较大，操作者往往被要求全神贯注地身兼“多职”，体力和脑 力消耗极大； 工作环境恶劣，常常伴有强烈的振动、噪音和尘埃，有时甚至面临塌方、核 辐射等威胁； 缺乏训练有素的操作者完成高质量要求的作业，例如平整作业耍保证作业精 度，需要操作者具有足够的经验和判断力，目测并同时操纵几个手柄； 有些工作环境人类不便于直接进入例如太空开发、水下作业等。 然而，国内现有的挖掘机基本上采用人工操作方式，因此进行挖掘机的自动 化、智能化研究，利用挖掘机器人代替人自主作业来解决这些问题显得非常必要 而紧迫。近年来，机器人学的发展和人工智能领域研究的进展，使机器有望模拟 人类的思维活动，具有某种程度的自主功能；电子技术的飞速发展、单片机微机 性能的完善、电子元器件性能价格比大幅度的上升，使搭建高性能的机电一体化 控制平台成为可能：控制技术、机电接口技术和传感技术的进步使工程机械的自 动化逐步实用；计算机仿真技术则为研究和实践提供了方便有力的测试和监视手 段。这些相关学科和技术的发展为挖掘机的自动化、智能化展现了广阔的前景。 我国工程机械正在完成机械液压一体化的进程，应用信息技术进行工程机械 智能化方面的研究还处于起步阶段。对个别机种的单机智能化研究已经开始，并 初步得到实际应用。但是从整体上看，无论从单机智能化工程机械种类，还是研 1 ， 东北大学硕士学位论文 苎二主竺垒 机群智能化技术的 究和开发的深度，与技术先进国家相比都还存在很大的差距 研究还处于空白。 1 2 国内外挖掘机技术发展概况 进入2 l 世纪，挖掘机进入成熟发展阶段，挖掘机的自动化技术的发展引起了 人们更大的兴趣和关注。国外在挖掘机器人的研究上，已取得了些成果，如美 国的卡耐基一梅隆大学( c a r n e g i e m e l l o n ) 自主机器人挖掘机，实现了挖掘机的自主 作业，其视觉系统采用了两个激光扫描器，放置于挖掘机的左右两侧用来确定挖 掘土壤及装车位置、该系统能够准确对车辆进行识别，实验样机的自动作业效率， 已接近熟练的操作人员水平。 美国北卡罗来那州立大学的建筑自动化与机器人实验室( c a r l ) 已经建立了 一个多功能工程机器人实验台。利用电磁传感线圈，探测隐藏在地下的未发生爆 炸的弹药、金属及其它障碍物；采用计算机控制方式，运用人工神经网络控制算 法来估计障碍的类别、大小及距离；英国兰卡斯特大学，首次运用l 5 结构比例模 型( l u c i e ) 进行实验研究，解决了模型与实际的差异问题；根据实际熟练的操作人 员实际的操作路线，并针对不同的土壤及障碍进行分析，建立人工智能专家系统， 建立远程控制结构一区域网络控n ( c a n ) ，对模型进行远程控制。 澳大利亚悉尼大学特种机器人研究中心研制开发了远程控制机器人化挖掘 机，通过位移及力反馈控制液压伺服系统，从而实现自主化作业。 国内各所大学都在研制开发自主控制的挖掘机。同济大学开发的微机操纵的 正铲挖掘机实现了水平推进、铲斗的装满与垂直提升、回转过程的自动控制，应 用g p s 进行机体导航。浙江大学流体传动与控制国家重点实验室开发的反铲挖掘 机的样机，借助超声传感器信息识别地貌形状，实现挖掘过程局部自主控制和避 障控制以及近距离无线遥控。 随着我国加入w t o ，我国工程机械行业从来没有象今天这样赢接地面对国际 同行的有力竞争和挑战。如何适应激烈的国际竞争和快速变化的世界市场需求， 不断以高质量、低成本、快速响应的手段在新的市场竞争中求得生存和发展，已 是我国工程机槭行业不容回避的问题。同时加入w t o 也为我们提供了前所未有的 机遇，我们必须抓住机遇迎头赶上。各种工程机械、建筑机械的智能化已成为当 今国际自动化技术发展的一个重要方向m l 。目前国际工程机械的发展正逐步向机、 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 电、液一体化及信息化的方向发展。欧洲由产、学、研组成的联合研究团体在政 府资助下，在深入开展单机智能化技术研究的基础上，开始了机群智能化技术研 究和开发，标志着工程机械智能化的研究又向前迈出了一大步。我国工程机械正 在完成机械液压一体化的进程，应用信息技术进行工程机械智能化方面的研究还 处于起步阶段。从整体上看，无论从单机智能化工程机械种类，还是研究和开发 的深度与技术先进国家相比都还存在很大的差距。机器人化的工程机械即工程机 器人将是替代人在繁重、危险、恶劣环境下作业必不可少的工具，也是国家重点 发展的关键技术装备，在国家“十五”高技术研究发展计划( “8 6 3 ”计划) 中，把它列 为优先发展的主题。 1 3 机器人理论和规划技术【3 母】 工业机器人自从6 0 年代初问世以来，经过了3 0 多年的发展，已广泛应用于 各个工业领域，成为制造业生产自动化中主要的机电一体化设备。在制造业中采 用机器人，可以提高劳动生产率、保证产品质量、缩短生产准备周期和改善劳动 条件。很多工业化国家采用工业机器人改造制造工业已经取得了熏大的经济和社 会效益。机器人不仅可以在粉尘、噪声、有毒、辐射等有害条件下部分替代人去 操作，还能在人所不能及的极限条件下，如深海、外层空间环境中完成人所赋予 的任务，扩大了人类改造自然的能力，尤其是近些年来自动化和计算机的发展极 大地推动了工业机器人的发展。 机器人的研究、开发、应用涉及许多学科，机器人技术是一门跨学科的综合 性技术。多刚体动力学、机构学、机械设计、传感技术、电气液压驱动、控制工 程、智能控制、计算机科学技术、人工智能和仿生学等学科都和机器人技术有密 切的联系。 机器人系统是一个机电一体化的设备，从控制观点来分，机器人系统可以分 为：机器人、控制器、环境与任务四部分，如图11 。机器人是由臂( 连杆) 、关节 和末端执行器构成。控制器是个专用计算机，相当于机器人的大脑，它以程序方 式来完成给定任务。环境即指机器人所处的周围环境，它包括几何条件及相互关 系等，在环境中，机器人会遇到一些障碍物和其它物体，它必须避免与这些物体 发生碰撞。任务是机器的人要完成的操作。它需要用适当的程序语言来描述，并 把它存入控制计算机。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 倒11 机器人控制结构图 f i gl lc o n f i g u r a t i o no f r o b o t sc o n t r o l 机器人( 亦称操作臂) 作为一门学科是力学、控制、计算机科学和电子工程领域 相互交叉和渗透的结果。机械工程是研究机器人运动学、动力学、静力和变形的 基础；为了描述机器人和操作臂的空间运动，必须采用相应的数学工具；控制理 论是设计控制系统，提供有效算法，实现预期运动和力操作的手段；电气和电子 工程用来解决传感器的设计，建立机器人与环境的相互联系：计算机科学不仅是 机器人实现可编程功能的基础，也是机器人智能化的中心环节。 机器人操作臂的机构和空间描述。机器人一般是由一系列连杆由旋转关节或 移动关节相连接的开式运动链，一端装在固定的支座上( 机座) ；另一端自由，安装 手爪、工具，实现各种操作。为了描述组成操作臂的各连秆之间的相对位鼍和姿 态( 简称位姿) ，在每个连杆上固接一个坐标系，用其来描述相对运动。 操作臂运动学、动力学、静力和变形。把操作臂的连杆近似的当成刚体，则 相邻两连杆坐标系之间的位姿关系用连杆变换矩阵来表示。操作臂运动学则讨论 手臂末端执行器的位姿与关节变量之间的关系。操作臂运动学由两个基本问题： 正向运动学和逆向运动学。微分运动关系是研究速度传递、静力传递、变形和动 力学的先导。 从各关节速度到末端操作速度的广义传动比，是度量操作臂的运动学、动力 学性能的重要指标。求雅可比的方法有多种，如：矢量叉乘法；微分法等。利用 雅可比矩阵可以判断操作臂的奇异形位和度量操作臂的灵活性。当操作臂的末端 与环境接触，产生相互作用时，作用力( 矩) 与关节力( 矩) 之间的关系可用力雅可比 来衡量。 操作臂动力学研究各关节驱动力( 矩) 与终端操作器的位嚣、速度和加速度之间 的关系。操作臂的动力学方程十分复杂，不仅与操作臂的形位有关，还和连杆的 质量分布、连杆的结构、关节之间的摩擦等有关。操作臂的动力学方程有多种形 式：关节空间、操作空间和状态空间形式。研究操作臂动力学的方面是为机器 人控制提供精确的动力学模型，计算驱动力f 矩) 函数、实现前馈补偿；另一方面是 4 东北大学硕士学位论丈 第一章绪论 为了仿真，根据加速度计算相应的关节力f 矩) 。 操作臂的轨迹规划和运动控制3 9 1 。机器人的操作臂在运动之前，需要明确是 否一定要沿特定的路径运动，还要明确在运动过程中是否会与障碍物相碰。如果 对运动的路径没有特殊的要求，则通常是每个关节按指定的平滑时间函数，同时 从起点运动到终点；如果一定要沿特定的路径，那么轨迹规划器应利用函数插值 逼近预期的路径。轨迹控制的目的在于精确地实现所规划的运动。运动控制包括： 建立操作臂的动力学模型；根据所建模型确定控制规律或策略，以达到预期的系 统响应和性能。讨论控制规律的分解和相应的控制方案。 机器人编程语言和离线编程。仅仅将机器人制造出来，安装在生产环境中， 往往并不能取得预期的效果，为了提高使用水平，机器人的编程是一个关键问题。 机器人的编程方式有：1 ) 示教编程包括手把手示教和示教盒示教；2 ) 机器人语言编 程；3 1 离线编程。 自8 0 年代以来，世界上许多国家和地区开始研究工程机械的自动化技术，目 前新成果层出不穷，而且正在走向实用阶段。在工程机械自动化进程中，虽然没 有像机器人规划那样深入系统地研究过其中地规划理论与技术，但必须意识到任 何一个自动作业系统都包含一个规划系统。规划系统越完善，能解决的问题越多， 机器人的自动化水平就越高。 1 4 挖掘机自动化研究进程概述及其规划控制系统分析 根据规划水平来划分，到目前为止的挖掘机器人自动化技术发展经历了如下 几个阶段： ( 1 ) 简单自动化 这个层次的自动化带有很大程度的刚性，自动作业过程旦确定后就不能自 主改变。同时它的自动化也有局部性，只能使作业过程中某些指标满足要求，辅 助操作者轻松地、高质量地完成作业。较为典型的有挖掘机的铲斗姿态控制。日 本三菱公司研制的m s l 6 0 0 型挖掘机【3 4 1 ，可以保证在动臂举升时铲斗的倾角不变； 同济大学研制的o0 5 立方米斗容量的正铲挖掘机，可以实现水平推进和垂直提升 作业。另一类典型的例子是平整作业自动化。由于平整作业往往要求各驱动关节 的变化量保持匹配，即便是没有经验的操作者也能顺利地完成平整作业。例如日 本y a m a z a k i 建筑有限公司研制地主从式反铲挖掘机【3 ，具有三种可供选择地操纵 东北大学硕士学位论文第一章绪论 为了仿真，根据加速度计算相应的关节力( 矩) 。 操作臂的轨迹规划和运动控制p 。机器人的操作臂在运动之前，需要明确是 否一定要沿特定的路径运动，还要明确在运动过程中是否会与障碍物相碰。如果 对运动的路径没有特殊的要求，则通常是每个关节按指定的平滑时间函数，同时 从起点运动到终点；如果一。定要沿特定的路径，那么轨迹规划器应利用函数插值 逼近预期的路径。轨迹控制的目的在于精确地实现所规划的运动。运动控制包括： 建立操作臂的动力学模型；根据所建模型确定掮制规律或策略，以达到预期的系 统响应和性能。讨论控制规律的分解和相应的控制方案。 机器人编程语言和离线编程。仅仅将机器人制造出来安装在生产环境中， 往往并不能取得预期的效果，为了提高使用水平，机器人的编程是一个关键问题。 机器人的编程方式有：1 1 示教编程包括手把手示教和示救盒示教；2 ) 机器人语言编 程：3 、离线编程。 自8 0 年代畎来。世界上许多国家和地区开始研究工程机械的自动化技术，目 前新成果层出不穷，而且正在走向实用阶段。在工程机械自动化进程中，虽然没 有像机器人规划那样深入系统地研究过其中地规划理论与技术，但必须意识到任 何一个自动作业系统都包含个规划系统。规划系统越完善，能解决的问题越多， 机器人的自动化水平就越高。 1 4 挖掘机自动化研究进程概述及其规划控制系统分析 根据规划水平来划分，到目前为l 的挖掘机器人自动化技术发展经历了如下 几个阶段： ( 1 ) 简单自动化 这个层次的自动化带有很大程度的刚性自动作业过程一旦确定后就不能自 主改变。同时它的自动化也有局部性，只能使作业过程中某些指标满足要求，辅 助操作者轻松地、高质量地完成作业。较为典型的有挖掘机的铲斗姿态控制。日 本三菱公司研制的m s l 6 0 0 型挖掘机【”，可以保证在动臂举升时铲斗的倾角不变； 同济大学研制的0 0 5 立方米斗容量的正铲挖掘机，可以实现水平推进和垂直提升 作业。另一类典型的例子是平整作业自动化。由于平整作业往往要求各驱动关节 的变化量保持匹配，即便是没有经验的操作者也能顺利地完成平整作业。例如日 本y a m a z a k i 建筑有限公司研制地主从式反铲挖掘机”】，具有三种可供选择地操纵 本y a m a z a k i 建筑有限公司研制地主从式反铲挖掘机”l ，具有三种可供选择地操纵 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 模式：j o i n tm o d e ，c a r t e s i a n m o d e 和s l o p em o d e ，当操纵者选用c a r t e s i a n 模式时， 操纵杆可引导铲斗作水平和垂直地运动，并可独立地调整铲斗姿态；当操纵者选 用s l o p e 模式时，操纵杆可引导铲斗沿着任一倾角的斜面作平整作业，并可独立地 调整切深和铲斗姿态。 这类自动作业系统中所包含的规划系统，只是利用了反映机器自身状态的内 部传感器信息，而没有利用反映环境状况的外部传感器信息：只能执行操作者设 定的路径，没有自主决定路径的能力，缺乏适应环境的柔性。 ( 2 ) 具有外部传感器的自动化 这个层次的自动化比起简单自动化来，由于利用了外部传感器信息，因而具 备了一定程度的柔性，进一步减轻了操作者的负担。波兰华沙大学研制的中型反 铲液压挖掘机，采用具有温度补偿的，借助于贴在油缸活塞杆上的应变片间接测 算斗齿尖的受力，从而估计出当前的挖掘阻力，操作者借助液晶显示卡的提示， 安全简便地控制着作业过程。视觉传感器如同力传感器一样重要，用来获取地形 地貌信息，但由于代价的昂贵和后续处理的复杂，目前应用得不多。日本一家公 司研制的挖掘下水道的自动挖掘机【36 1 ，采用了激光引导系统和角位移传感器，可 以让操纵者得知作业时斗齿尖与理想挖掘面的距离，这可以辅助操作者做好平面 精修作业。 这类自动作业系统中所包含的规划系统，共同特点时利用了外部传感器指导 作业，对环境具有一定程度的适应性。 ( 3 ) 离线编程式自动控制 在离线的情况下，规划出动作序列，最后由控制器自动完成该动作序列。离 线编程系统首先构造挖掘机本体三维图形及环境模型，根据给定的任务，在离线 的情况下进行无碰撞路径规划和轨迹规划，生成轨迹点序列；规划好后进行在线 作业，控制器以规划好的轨迹点序列作为控制目标，驱动挖掘机器人的工作机构 进行一系列的动作，直到跟踪完所有的规划轨迹点( 也就是完成作业任务) 。在控制 器自动控制作业过程中，操纵者无需直接操纵作业：但是操作者可以进行干预， 如通过力传感器监测挖掘阻力，必要的时候中断自动作业。波兰矿业大学声称研 制了智能自主式挖掘机的小模型，利用激光视觉系统进行三维环境识别，碰撞干 涉检查，动作规划和任务规划，但它没有真正使用三维激光视觉系统，只是通过 人机界面建立封闭的三维环境，偏重于图形仿真。卡耐基梅隆大学开发了一种机 东北大学硕士学位论文 苎二兰竺笙 规划挖掘操作和控制挖掘设备来挖掘埋 器人挖掘机r e x ，它通过测绘挖掘地点， 在地下的公共设施管道。 这类自动化作业机器中的规划系统是以离线方式进行的，并且规划好的数据 作为控制系统的输入，实现无人操纵的自动控制。这是一种计算机两级控制结构， 也是目前最典型的机器人控制结构。 ( 4 ) 自主和半自主控制 自主控制是自动化的高级阶段，这个自动化层次的作业机械，对环境或对象 具有拟人的感知和认识能力，会模仿人的思维，进行自主决策并监督执行。由于 工程机械作业的复杂性，达到这一层次的自动化水平尚需相当长的时间，目前报 导的智能作业机械只具有某种程度的智能性，称之为“半自主化”或“准智能化”。这 类自动作业机器所包含的规划系统具有两个显著特点：一是根据任务自主决定运 动路径的能力，一是传感器信息的充分利用。 c a r n e g i em e l l o n 大学的自主装载系统a l s t ”1 ，用两个激光扫描器识别和定位 卡车、测量挖掘掌子面、检测障碍物，挖掘机规划决策软件利用这些信息，根据 作业任务，决定“怎样挖土”、“哪里挖土”、“哪里卸载”到卡车、“工装在挖掘掌子 面和卸载位置之间快速运动”的同时“检测障碍物并停止”。这一规划系统在实际运 行时，能达到司机的操作速度。 浙江大学机械设计研究所采用超声波距离传感器【”j ，用于挖掘机器人满斗运 土及空斗返回过程的障碍物识别，当检测有人( 或物) 靠近时，会自动停止或发出警 报；在这基础上，又提出运送作业过程中避障的方法一虚拟阻力法：在事先规划 运送路径时，不考虑障碍物的存在在运行时，利用安装在铲斗附近的测距传感 器，获取回转方向的障碍物信息，虚拟构造出障碍物前的“阻力”区，借助阻抗控 制，实现障碍物的自主回避。 英国l a n c a s t e r 大学具有更加可取的思想：自主式机器人应该有能力适应不可 预知的环境去完成任务。他们设计l u c i e t ”1 挖掘机用于自动挖掘沟壕时，其有精 确的挖深和平直的两侧表面，对不同的土质和地形有广泛的适用性。它的计算机 控制系统亦具有两级分工：下位机用速度控制方法执行上位机输出的动作，上位 机采用基于规则的产生式系统进行规划。 驱动器三个部分。传感器测量铲斗位置、 它的整个硬件系统包括控制器、传感器、 倾角和车体倾斜度。配备能够输入两位 数字用于指定挖沟的深度的交互盒。软件系统分为两级：低级运动控制器是一个 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 速度闭环p i d 控制器。它响应高级控制器的命令，以指定方向和指定速度移动挖 掘机铲斗齿尖。高级基于规则的控制器为机器人提供智能源，它包括大约7 0 条规 则，程序结构是基于称为产生式系统( 由生式规则库、工作存储器和推理机三部分 组成) 的人工智能技术。 总体上说，各国工程机械自动化研究起步不久，各自作业规划系统和控制技 术参差不齐，大多数还处于低智能水平。 1 5 本课题研究的内容及主要工作 本文在综合分析了挖掘机器人研究的历史和现状后，针对本实验室要建立挖 掘机器人智能化实验平台需要解决的问题，进行了系统深入地研究分析。主要涉 及以下三方面内容： ( 1 ) 挖掘机器人模型的建立。根据机器人模型的建立方法，结合实验室w s 0 0 5 机械式挖掘机的结构及运动过程分析，建立挖掘机器人模型。 ( 2 ) 挖掘机器人的运动学分析及轨迹规划。根据建立的机器人模型，求出了运 动公式。结合工程机械作业特点，探讨了轨迹规划的方法。并给出了一次挖掘过 程中的规划结果。 ( 3 ) 挖掘机器人的动力学分析。结合模型，运用拉格朗日法求出挖掘机器人的 动力学方程。并分析了在一次挖掘过程中所受的外力，进而给出了该过程中动力 学结果。 ( 4 ) 挖掘机器人控制系统的设计。根据得出的机器人动力学方程，可以很容易 的求出机器人的控制算法。从监控系统得到的数据，在工控机编写的控制算法求 出各种工况下的控制数据，然后由p l c 控制系统以及模拟量输出系统对机器人进 行具体控制。 东北大学硕士学位论文 g - ：章挖掘机器人模型建立及其运动学分析 第二章挖掘机模型建立及其运动学分析 机器人运动学研究的是手臂末端执行器的位姿与关节变量之间的关系。机器 人一般是由一系列连杆由旋转关节或移动关节相连接的开式运动链，一端装在固 定的支座上( 机座) ；另一端自由，安装手爪、工具，实现各种操作。驱动器驱动各 关节，各关节的相对运动导致连杆的运动，最终使末端执行器到达所要求的位姿。 机器人运动学由两个基本问题：运动学正问题和逆问题。给定机器人各关节 角度，要求计算机器人末端执行器的位置与姿态，称为运动学正问题；已知末端 执行器的位置与姿态求机器人对应于这个位置与姿态的全部关节角，称为运动学 逆问题6 】。 2 1 位姿描述和空间变换 机器人每个关节的运动对机器人末端执行器的位置与姿态都有影响。为描述 各个关节运动对机器人末端执行器位姿的影响，在每个连杆上固接一个坐标系； 同样，为描述机器人与环境之间的关系，在工件和工作台上也固接了相应的坐标 系，然后描述这些坐标系间的关系。为表达这种位姿关系，可采用数学方法建立4 x 4 的齐次变换矩阵来描述任意两坐标系之间的相对位姿，表示任意物体从一坐标系 向另一坐标系变换的关系。 2 11 位姿的描述 在描述物体( 零件、工具或操作臂) 间关系时，要用到位鬣矢量、平面和坐标 系等概念。首先，建立这些概念及其表示法。 21 l1 位置的描述 一旦建立了一个坐标系，就能够用某个3 x 1 的位置矢量来确定该空间内任意 一点的位置。对于直角坐标系 a 1 ，空间任一点p 的位置可用3 1 的位置矢量。p 表示。如图2 1 所示： 下式( 21 ) 中：p ，p ，p ：是点p 在坐标系 a ) 中的三个位置坐标分量。4 p 左上 标代表选定的参考坐标系 a ) ，称。p 为位置矢量。 9 东北大学硕士学位论文 第二章挖掘机器人模型建立及其运动学分析 恤目 ， 。尸= 以l ( 21 ) l 见j 要物体的方位( o r i e m a t i o n ) 。物体的方位可由某个固接于此物体的坐标系描述。为 了规定空问某刚体b 的方位，设置直角坐标系 b 与此剐体固接。用坐标系 b ) 的三个单位主矢量，y 。，相对于坐标系 a ) 的方向余弦组成的3 x 3 矩阵 ；尺= 【。b 。儿。z 。】 ( 2 2 ) 抄隧纠 暖， 来表示剐体b 相对于坐标系( a ) 的方位。：尺称为旋转矩阵a 式中，上标a 代表参 考坐标系( a ) ，下标b 代表被描述的坐标系( b ) a ，= n ：o 。 n yo y n fo = oo a tp 。 n ypp 口=p ： 01 ( 2 4 ) 其中，前三行、三列完成了姿态表达，符号丹代表法线，也意味着手的夹持 器平面的法线为手端坐标系的x 轴。o 代表姿态，说明了手端坐标系的y 轴取自垂 直于两个手指的方向。n 表示接近矢量，也代表了手端坐标系的z 轴。p 代表机器 1 0 - 东北大学硕士学位论文 第二章挖掘机器人模型建立及其运动学分析 人手端位黉。 这样矩阵，就描述了机器人的位置和姿态”。 2 1 2 齐次坐标变换 相邻两连杆坐标系之间的位姿关系用坐标变换得到的变换矩阵来表示。齐次 坐标是用甩+ i 维坐标来描述打维空间中的位置。引入齐次坐标不仅对坐标变换的 数学表达带来方便，而且也具有坐标值缩放的实际意义。 212 1 平移齐次变换 如图2 , 2 所示，设坐标系( b 与 a ) 具有相同的方位，但 b ) 坐标系的原点与 a ) 的原点不重合，点p 在坐标系 b ) 中的位置为8 p ，则点p 在坐标系 a h h 的位嚣。p 可表示为： 。p = 。p( 2 5 ) 图2 2 平移变换 f i g 2 2t r a n s l a t o r yt r a n s f o r m a t i o n 其中锣称为平移变换矩阵，则平移齐次变换矩阵的形式为： 汐= lo ol 0 0 00 oa 06 1c 0l ( 26 ) 其中p 6c i t 是后一坐标系原点在前一坐标系下的齐次表达。 21 2 2 旋转齐次变换 设坐标系 b ) 和坐标系 a ) 有共同的坐标原点，但两者的方位不同，如图2 3 所示，用旋转矩阵；r 描述坐标系 b 相对于坐标系 a ) 的方位。同一点p 在坐标系 查! ! 垄堂婴圭鲎堡垒查 苎三主垫塑垫墨垡型蕉皇墨基兰型堂坌堑 ( a ) 和坐标系 b ) 中的描述分别为。p 和8 p ，具有如下的变换关系： 。尸= 扣8 p( 27 ) 图2 3旋转变换 f i g2 3r o t a t i o nt r a n s f o r m a t i o n 当后坐标系分别绕x 、y 、z 轴旋转口角，可得相应的旋转其次变换矩阵的形 式分别为： r ( x 、们= r ( y 、们= r ( z 、臼、= loo 0 c o s 一一s i n 一 0s i n 口 c o s 口 o0o c o s 口0s i np 01o s i n 口0c o s 口 000 c o s 口一s i n 口0 s m 口c o s 目0 00 l ooo ( 28 ) ( 29 ) ( 2 1 0 ) 我们可以用描述空间一点的变换方法来描述物体在空间的位置和方向。物体可由 固连于该物体的坐标系来表示【4 1 。 2 2 挖掘机器人模型的建立 从机械式挖掘机的结构和工作过程来看，挖掘机的工作装置和机器人操作手 非常相似。机械式挖掘机如图2 4 所示，主要有正铲工作装置、回转装置、地盘及 o o o l o o o 1 o o o 1 东北大学硕士学位论文 第二章挖掘机器人模型建立及其运动学分析 行走装置三大部分组成。正铲工作装景主要由动臂1 、斗柄2 、铲斗3 、推压齿轮 4 和提升钢绳5 等组成。动臂下端铰接于平台上，上端依靠绕在支架6 上的变幅钢 绳保持其固定位置，调节变幅钢绳的长度，可调节动臂的倾角，铲斗提升靠提升 电机拉动提升钢绳，下降靠铲斗自重。挖掘时，推压齿轮推出斗柄。斗柄随铲斗 的提升下放可绕推压齿轮转动【”】。 图2 4 机械式挖掘机组成结构 f i g 24s t r u c t i o nf o r mo f m e c h a n i c a le x c a v a t o r s 从挖掘机的结构出发抽象出的机器人模型如图2 5 所示。它是一个3 r - 1 p 系统， 由回转关节、动臂相对于平台的旋转关节、动臂一推压轴为中心的旋转关节以及 斗柄自由伸缩的平移关节组成，为具有4 个自由度的机器人模型，其中铲斗为末 端执行器【2 2 】【2 3 】。 操作手由一串用旋转关节或平移关节连接的刚体( 杆件) 组成。每对关节一杆 件构成一个自由度。杆件的编号由手臂的固定基