（机械设计及理论专业论文）挖掘机器人集成化智能控制关键技术研究.pdf

摘要 摘要 本文主要介绍了一台挖掘机器人的软、硬件设计过程，参考国内外有关挖 掘机在自动控制方而的功能，结合工程机械的发展趋势，制造出一台性能优良 的试验型挖掘机器人，能实现任务规划、节能控制、半自动操作、工况监测、 无线遥控等功能。全文主要包括以下几个方面： l 、挖掘机器人机电系统硬件设计。这一部分主要介绍了挖掘机器人硬件控制 系统的设计思想和过程。整个挖掘机器人控制系统采用主一从式控制结构， 主控计算机采用普通的p c 机，挖掘机器人则作为从端，两者之间采用无线 通讯。在从端的挖掘机器人控制系统设计中，采用了以现场总线为核心的 分布式、开放式、模块化控制结构，运用现代设计方法将动力系统控制、 关节伺服控制s 遥控、通讯、数据采集等功能从硬件结构上划分为不同模 块，同时每种模块又采用了相似的“母板+ 专用接口板”结构，简化了整个 系统的设计，提高了软硬件的通用性和可靠性，使系统的维护、升级、控 制参数调整变得极其方便。 2 、挖掘机器人软件功能设计，包括底层的分布式控制软件和主控计算机的系 统操作软件设计。通过运用统一软件开发过程的思想，用u m l 对整个挖掘 机器人系统的功能进行了描述，从而将各种功能如动力系统控制、伺服控 制、遥控、规划、工况监测、控制参数设置等功能有机地结合在一起，并 能够在主控计算机上进行操作。其中的关键是分布式通讯和无线通讯，为 此专门开发了相关的通讯协议，成功地实现了上述各种功能。在分布式控 制软件设计中，采用了实时性很强的嵌入式操作系统，所有模块的软件都 具有同样的构架风格，方便了软件的编写和维护。 3 、各种关键技术的研究和实现，主要包括以下几方丽：采用负流量控制原理 的动力系统节能控制、关节伺服控制、回转控制、单杆操纵、轨迹规划等。 在动力系统和关节伺服控制中基本一1 - _ 采用了p i d 控制算法，完全满足了单 杆操纵、轨迹跟踪等控制功能的要求。 关键词：机器人，系统分析，伺服控制，轨迹规划，节能，软件工程，机电系 统设计，分布式控制，现场总线，通讯协议 浙江大学博士后出站报告 a b s t r a c t t h i sp a p e ri n t r o d u c et h ed e s i g np r o c e s so fae x c a v a t i o nr o b o ti nb o t hh a r d w a r e a n ds o f t w a r e ，a n dt h er o b o ti s p r o d u c e da c c o r d i n gt ot h ed e v e l o p i n gt r e n do f c o n s t r u c t i o nm a c h i n e t h er o b o th a sg o o da b i l i t yi nt a s kp l a n ，e n e r g ys a v i n gc o n t r o l ， a u t o m a t i cc o n t r o l ，w o r k i n gs t a t em o n i t i n g ，a n dr e m o t ec o n t r 0 1 t h ep a p e ri sm a i n l y c o m p o s e do f t h ef o l l o w i n gs e c t i o n s ： 1 、d e s i g nm e t h o da n dp r o c e s so fh a r d w a r eo fc o n t r o ls y s t e mo fe x c a v a t i o nr o b o t t h ee n t i r ec o n t r o ls y s t e mh a st h e m a s t e r - s l a v e ”s t r u c t u r e i nw h i c hap e r s o n a l c o m p u t e ra c ta st h e “m a s t e r ，a n dt h er o b o ta c ta st h e “s l a v e ”，a n dw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ni sa d o p t e db e t w e e nt h e m t h e “s l a v e c o n t r o ls y s t e mi sd e v i d e d i n t od i f f e r e n tm o d u l ea c c o r d i n gt od i f f e r e n tf u n c t i o ns u c ha sp g 自v e rc o n t r o l ，j o i n t s e r v oc o n t r o l ，r e m o t ec o n t r o l ，c o m m u n i c a t i o n ，d a t aa c q u i s i t i o n ，e t c ，w h i c hh a s t h ec h a r a c t e r i s t i co fd i s t r i b u t i v e ，o p e n i n g ，a n dm o d u l i z a t i o n e a c hm o d u l ei s c o n n e c t e dt of i e l db u so fc a nt oa c c o m p l i s ht h ec o m m u n i c a t i o no fe a c ho t h e r e a c hm o d u l eh a ss i m i l a rs t r u c t u r eo f “m a i nb o a r d + i ob o a r d ”，w h i c hs i m p l i f y t h ed e s i g no ft h ew h o l ec o n t r o ls y s t e m ，a n dm a k ei tv e r ys i m p l et om a i n t e n a n c e ， u p d a t e ，a n dr e g u l a t et h ec o n t r o ls y s t e m 2 、d e s i g nm e t h o da n dp r o c e s so fs o f t w a r es y s t e m ，w h i c hi n c l u d et h ed i s t r i b u t i v e c o n t r o ls y s t e mo fr o b o ta n d m a s t e r c o m p u t e r t h eu n i f i e ds o f t w a r ed e v e l o p m e n t p r o c e s si su s e di ns o f t w a r ed e v e l o p m e n t ，i nw h i c ht h eu m li su s e dt od e s c r i b et h ev a r i o u s f u n c t i o no f r o b o ts y s t e m t h u st h ev a r i o u sf u n c t i o n sa r ec o m b i n e dt o g e t h e ri nr o b o ts y s t e m t oa c c o m p l i s hp o w e rs y s t e mc o n t r o l ，s e r v oc o n t r o l ，t a s k p l a n ，c o n t r o ls y s t e ms e t i n g ， e t c t h ek e yp o i n to fc o m b i n a t i o no fv a r i o u sf u n c t i o ni sc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，w h i c hi s d e v e l o p e di na d v a n c e d t h er e a l t i m eo p e r a t i o ns y s t e mi sa l s oa d o p t e di n d i s t r i b u t i v e c o n t r o ls y s t e mo fr o b o t ，w h i c h s i m p l i f y t h es o f t w a r ed e v e l o p m e n ta n ds o f t w a r e m a i n t e n a n c eg r e a t l y 3 、r e s e a r c ha n dr e a l i z a t i o no fs o m ek e yt e c h n o l o g y , w h i c hi n c l u d ep o w e rs y s t e m c o n t r o lb a s e do nn e g a t i v ec o n t r o lt h e o r y , j o i n ts e r v oc o n t r o l ，s i n g l er o dc o n t r o l ， r o t a t ec o n t r o l ，t r a c kp l a n n i n g ，e t c ，i nw h i c ht h ep i da l g o r i t h mi se x t e n s i v e l y u s e d ，a n dh a sa c h i e v e dg o o dr e s u l t k e yw o r d s ：r o b o t ，s y s t e ma n a l y s e ，s e r v oc o n t r o l ，t r a c kp l a n n i n g ，e n e r g y s a v i n g ，s o f t w a r ee n g i n e e r i n g ，m e c h a t r o n i cd e s i g n ，d i s t r i b u t i v ec o n t r o l ，f i e l d b u s ，c o m m n n i e a t i o np r o t o c o l 5 绪沦 1 绪论 1 1 课题的提出 挖掘机械自从诞生之日起，就是为了提高挖掘工作效率，完成人工难以完 成的工作。纵观挖掘机械的发展史，就是一个不断提高效率和工作能力的过程。 在提高效率方面，主要包含两个方面的内容，即提高工作效率和提高系统效率 ( 即节能) ；在提高工作能力方面，则是在挖掘机械上开发多种功能，如遥控、 自主工作、配置具有专业功能的工作装置等。挖掘机的技术进步，基本上围绕 这几方面进行。 挖掘机械的工作效率，是指在单位时间内完成的土石方量( 针对挖掘和装 载作业) 或作业面积( 针对修整作业) 。这一指标一方面取决于司机的熟练程度， 另一方面也取决于挖掘机械本身性能( 即操纵性) 。如何减低对司机熟练程度的 依赖，是目前各挖掘机生产商尽力要实现的目标，而且也已经开发出了相应的 技术来实现。尽管这类新型挖掘机能使一个新手很快地适应挖掘操作，但在 个工作循环内，如何规划工作装置的挖掘操作和运土、卸土的轨迹，以更高的 效率工作，依然需要依赖司机的经验。除此以外，即使对于熟练的司机，工作 中也难免会出现主观上的偏差，造成工作效率的下降。随着现代计算机技术的 发展，采用人工智能协助司机高效完成工作，是本课题的第一个研究方向。 挖掘机械的系统效率，是指在完成同样工作量( 土石方量或作业面积) 的 前提下所消耗的燃料数量。这一指标同样取决于挖掘机械本身的性能和司机的 操作过程，但系统本身的性能影响更大。对于液压挖掘机械而言，系统效率主 要取决于液压系统的效率。液压系统的工作参数主要是压力和流量，控制供油 装置( 液压泵) 的压力和流量尽量与工作驱动装置( 液压缸和液压马达) 的压 力和流量相适应，是提高系统效率的关键，也是迄今为止贯穿挖掘机械液压系 统发展的主线。过去，不管是定量系统还是恒功率系统，都采用六通多路阀， 泵的输出压力和流量根本不能适应驱动装置的压力和工作流量，需要用旁路节 流的方式来控制工作装置的r 作速度和工作压力；后来开发了正流量控制系统， 使泵的输出流量能适应工作装置的工作速度，但压力还不能适应，仍然存在旁 路节流损失。为解决六通多路阀的这一问题，又开发了负流量控制系统，基本 上消除了旁路节流损失，而且做到了流量适应，但压力适应还没有做到。目前， 最有效的液压系统是采用四通型多路阀的负荷传感控制系统，配合具有流量分 配功能的补偿阀，能做到压力和流量的全面适应，但缺点是价格高昂、结构复 杂。负流量控制系统以其节能性好，价格低廉而成为目前国产挖掘机的主流液 浙江大学蹲十后出站报告 压系统，但还可以迸一步加以改进，使之具有压力适应的特点，实现进一步的 节能，这是本课题的第二个研究方向。 除采用节能的液压系统外，液压泵与柴油机之间的功率匹配也是影响系统 效率的重要因素。在内燃机工作过程中，在发出同等功率的条件下，柴油机有 一个最经济工作点( 耗油率最低) 。因此，这一问题的实质在于尽量控制柴油机 的工作点位于经济工作区域内。由于挖掘机械工况复杂，系统的输出功率经常 处于波动状态，如何在这些状态下控制柴油机工作点位于经济区并达到实用化， 是本课题的第三个研究方向。 在司机操纵挖掘机械工作的过程中，采用不同的挖掘方式、运土和卸载路 径，对系统的功率消耗也有一定的影响。另外，司机在操作过程中难免会有一 些失误，从而造成挖掘机动作的不协调以及动作粗暴( 如液压缸活塞以最高速 度达到极限位置) 。如何在挖掘机械中采用自动控制技术，根据一定的规则和目 标( 如节能、动作时间最短等) 对司机的操作过程作进一步的优化，则是本课 题的第四个研究方向。这一研究方向综合应用了前一、二、三方向的内容，是 挖掘机械节能控制的进一步扩展。 挖掘机器人作为一种无人驾驶、具有自主工作能力的挖掘机械，与一般的 工业机器人有明显差异( 如表1 ) 。只要实现了上面提到的计算机辅助挖掘机操 作，则挖掘机器人的功能也不难实现( 包括遥控和自主挖掘) 。 表1 ：液压挖掘机器人与工业机器人的差异 挖掘机器人工业机器人 对象特性复杂多变，无固定形 作业对象的品种、性质、形状、 作业对象 状、尺寸和性质。尺寸、位蒙确定。 作业环境复杂多变，工作面形多执行室内作业作业环境比较 作业环境状、性质也具有不确定性，多确定、规则。 属露关作业，振动、污染严重。 多采用柴油机作为原动机，采多采用线性度好的执行元件，如 用液压驱动方式，液压控制元电机、伺服阀等，结构复杂。通 件( 多路阀、夜压泵等) 通常常直接控制关节上的驱动力矩。 驱动方式具有严重非线性，但可靠性好、 结构简单，但不便于直接控制 关节力矩，而是直接控制关节 速度。 动作精度低，负载大而不规则，动作精度高，负载小而规则，一 多执行荦关节- 和两关节动作，般执行多关节的复合动作，对路 动作特点 以提高液压系统效率，对工作 径一般都有较严格的要求。整个 路径无严格要求。在一个工作工作循环基本上都是轨迹跟踪控 循环中，即有对轨迹要求较高 制，采用单一伺服控制器就能满 绪论 的阶段，也有对轨迹要求不高足要求，很少出现过载现象。 的阶段，经常出现过载现象。 1 2发展现状 1 2 1自主适应性挖掘控制和规划策略 在挖掘机器人所用到的自动挖掘技术，在现代挖掘机中也有极大的应 用前景。早在1 9 8 7 年，德国o & k 公司就开发成功了具有示教再现功能的液压 挖掘机r h 9 0 c 试验样机，随后l i e b h e r r 和d e m a g 公司也相继声称开发成具有 示教再现功能的微机操纵液压挖掘机样机。它们不能实现复杂的运动，且缺乏实 用性，没有拿到市场上出售。后来出现的离线编程式用仿真技术在计算机上作 离线的任务规划、路径规划和轨迹规划，不能适应多变的非结构作业环境，如日 本三菱公司的m s l 6 0 0 。近年来探索致力于提高挖掘控制的自主适应能力，以 满足在各种非结构化环境中作业的需要。如浙江大学机械设计研究所早在1 9 9 1 年就首先初步实现局部自主式智能控制，在保持前两种方式优点的基础上，借 助于视觉传感和力传感器识z t l 步l - 界的几何环境和载荷状况，使任务规划和路径 规划具有一定的柔性，进而借助于人工智能技术建立基于知识的规划系统，以 能局部自主地适应非结构作业环境的变化，这一研究成果引起了国内外同行的 重视。此后美国的大学也作了一些探索，如美国a r i z o n a 大学s h ix i a o b o 等进 行了基于模糊逻辑和神经网络的自主式挖掘机器人的实验研究1 1 ，2 圳，运用由操 作者经验和启发式知识组成的模糊逻辑规则定义各挖掘动作，用神经网络来实 现挖掘动作的决策；美国w a l e s 大学、英国l a n c a s t e r 大学b r a d l e y 等人致力 开发基于新型控制策略的实时自主式挖掘机器人1 4 , 5 , 6 1 ；美国n o r t hc a r o l i n as t a t e 大学h u a n gx i a o d o n g 等进行了反铲挖掘运动和路径控制的研究i7 。”1 ；b o d u lm 等人提出了挖掘机器人的动态认知力的控制方法i l u ；美国c a t 公司r o c k e , d a v i d j 申报的专利揭示了他们所开发的自适应挖掘控制系统及其方法。在规划方面 美国c a r n e g i em e lt o n 大学s i n g h ，s 等研究了挖掘机器人任务、动作及约束条 件的规划策略 1 3 - 1 6 i ，提出了在作业空问和可行动作空间进行规划的方法； a r i z o n a 大学s h ix i a o b o 等提出了采用有限状态机器( f s m ) 的挖掘任务和动作的 序列化表示方法1 1 7 1 ，w a n gf e i y u e 等提出了基于力力矩传感器的自主挖掘机器 人的实时轨迹规划方法f 】”，运用在最大力力矩约束下的梯形速度曲线来产生挖 掘轨迹；s e h l u m b e r g e rc a d c a ma p t e ，s u d h e e r m 等给出了作业空间几何变化以 及机器人可行运动序列的数学描述i ”l 。 在商业应用上，为提高挖掘机的工作效率，减低对司机的熟练程度的依赖， 国外的液压件生产商和挖掘机生产公司都普遮强调复合动作的准确性，并为此 ，绪论 的阶段，也有对轨迹要求不高足要求，很少出现过载现象。 的阶段，经常出现过载现象。 1 2 发展现状 1 2 1自主适应性挖掘控制和规划策略 在挖掘机器人所用到的自动挖掘技术，在现代挖掘机中也有极大的应 用前景。早在1 9 8 7 年，德国o & k 公司就开发成功了具有示教再现功能的液压 挖掘机r h 9 0 c 试验样机，随后l i e b h e r r 和d e m a g 公司也相继声称开发成具有 示教再现功能的微机操纵液压挖掘机样机。它们不能实现复杂的运动，日缺乏实 用性，没有拿到市场上出售。后来出现的离线编程式用仿真技术在计算机上作 离线的任务规划、路径规划和轨迹规划，不能适应多变的非结构作业环境，如日 本三菱公司的m s l 6 0 0 。近年来探索致力于提高挖掘控制的自主适应能力，以 满足在各种非结构化环境中作业的需要。如浙江大学机械设计研究所早在1 9 9 1 年就首先初步实现局部自主式智能控制，在保持前两种方式优点的基础上，借 助于视觉传感和力传感器识别外界的几何环境和载荷状况，使任务规划和路径 规划具有一定的柔性，进而借助于人工智能技术建立基于知识的规划系统，以 能局部自主地适应非结构作业环境的变化，这一研究成果引起了国内外同行的 重视。此后美国的大学也作了一些探索，如美国a r i z o n a 大学s h ix i a o b o 等进 行了基于模糊逻辑和神经网络的自主式挖掘机器人的实验研究i i , 邵l ，运用由操 作者经验和启发式知识组成的模糊逻辑规则定义各挖掘动作，用神经网络来实 现挖掘动作的决策；美国w a l e s 大学、英国l a n c a s t e r 大学b r a d l e y 等人致力 开发基于新型控制策略的实时自主式挖掘机器人1 4 5 扣1 ；美国n o r t hc a r o l i n as t a t e 大学h u a n gx i a o d o n g 等进行了反铲挖掘运动和路径控制的研究 7 - 1 0 i ；b o d u r ，m 等人提出了挖掘机器人的动态认知力的控制方法i l l l ；美国c a t 公司r o e k e ，d a v i d j 申报的专利揭示了他们所开发的自适应挖掘控制系统及其方法。在规划方面 美国c a r n e g i em e l l o n 大学s i n g h ，s 。等研究了挖掘机器人任务、动作及约束条 件的规划策略【体“i ，提出了在作业空间和可行动作空间进行规划的方法； a r i z o n a 大学s h ix i a o b o 等提出了采用有限状态机器( f s m ) 的挖掘任务和动作的 序列化表示方法1 1 7 1 ，w a n gf e i y u e 等提出了基于力力矩传感器的自主挖掘机器 人的实时轨迹规划方法1 1 8 1 ，运用在最大力力矩约束下的梯形速度曲线来产生挖 掘轨迹：s c h l u m b e r g e r c a d c a m a p t e ，s u d h e e r m 等给出了作业空间几何变化以 及机器人可行运动序列的数学描述1 1 9 1 。 在商业应用上，为提高挖掘机的工作效率，减低对司机的熟练程度的依赖， 国外的液压件生产商和挖掘机生产公司都普遍强调复合动作的准确性，并为此 国外的液压件生产商和掺掘机生产公司都普遍强调复合动作的准确件，并为此 浙江大学博士后 站报告 推出了负荷传感液压系统。在此基础上，又进一步采用电液比例控制技术，实 现某些工况下的半自动挖掘，如修整斜坡、修整平地等工作。在这些操作中， 司机只需要操纵一只或两只操纵杆，就能完成以往需要经验丰富的司机才能完 成的工作，而且效率更高、动作更准确，这是目前挖掘机械自动控制中的热门 技术。 综上所述，无论在学术研究领域还是在商业领域，挖掘机自动控制的研究 多集中于两个方面：规划与位置伺服控制。其中，伺服控制主要集中在不带负 载或无挖掘阻力状况下的轨迹控制，或者将挖掘阻力看作是外界扰动而设计具 有一定鲁棒性的控制器，因此整个工作过程也被规划成一个连续的轨迹跟踪过 程。在这种伺服控制的思想下，挖掘机器人的规划就变成了将挖掘任务转变成 一条有位置和速度要求的连续轨迹，然后由单一算法的伺服控制器控制工作装 置完成这条轨迹。这种规划和伺服控制的思想仍然沿袭了传统的工业控制机器 人的规划和控制思想，但对于挖掘机器人而言是不适合的。因为在挖掘机器人 的一个工作循环中，既有轨迹跟踪控制，也有不必进行轨迹跟踪的挖掘控制； 即有挖掘阻力较大的工况，也有挖掘阻力非常小的工况。尤其是对挖掘阻力的 处理，在国内外文献中都没有针对挖掘机器人本身的特点来考虑，而仍然沿袭 了传统的位置一力控制或速度力控制设计方法，而这与挖掘机器人的具体工作 方式是有差距的。因此，不但应当针对每一工作阶段设计不同的控制算法，而 且要针对挖掘机器人动力系统具体的工作方式和结构特点来设计控制算法。 1 2 2 遥控 各发达国家都非常重视用于各种目的的机器人遥控系统的开发和研究。早 期的主从遥控式包括有线和无线两种，全部操作指令直接由人发出，实际上无 规划功能，如日本小松的p c 2 0 0 r 2 。近年来出现了半自主遥控策略和方法 ( s u p e r v i s o r yc o n t r o l 、s h a r e dc o n t r o l 、c o m p u t e ra i d e dt e l e o p e r a t i o n ) ，探索机 器人遥控系统与操作者之间的协调控制2 1 。2 4 1 1 3 2 - 3 3 l ，根据人、机各自的特长，将 “智能”行为分配给人和机器，由人和机器协调工作，顺利实现机器人的作业 功能。其基本思想是将工况分析、判断与决策等高层复杂的任务交给人来完成， 而较低层的简单控制( 如简单的路径规划等) 或重复性工作则由机器人本身的 控制器完成。 1 2 3 节能控制 作为大功率装置，挖掘机器人的节能是关键问题之一，能有效提高机器人 的可靠性和经济性，这是将挖掘机器人产：业化的重要环节。在节能控制方面， 国外起步较早【2 5 卜1 2 9 1 1 “1 ，在液压系统和柴油机控制方面都开发了比较成熟的技 术。 在液压系统方面，迄今为止有两种液压系统在挖掘机上占主导地位。一种 是采用六通多路阀的负流量控制系统p “，它能有效消除存在于六通多路阀上的 旁路节流损失，而且有较好的调速性能。这种系统由于技术成熟、结构简单、 价格低而在国内外液压挖掘机上占主流地位，如卡特彼勒、小松、日立等公司 都普遍采用，同时国产挖掘机近年来也大量采用这种液压系统，主要是利用日 本川崎公司生产的液压阀和液压泵。另一种是采用四通型多路阀，并带有流量 分配控制的负荷传感液压系统。采用这种液压系统，只需要一只负荷传感泵供 油，采用带流量分配控制的负荷传感阀后，非常有利于挖掘机司机完成准确的 复合动作，降低了对司机熟练程度的要求，有助于司机提高工作效率。但这种 系统结构比较复杂j 价格较高，目前正处于推广阶段。这种系统的典型代表有： 力士乐公司的l u d v 系统、小松公司的p c 2 0 0 6 、日立建机的e x 2 0 0 2 等。 尽管负流量控制和负荷传感控制这两种技术已经趋于成熟，但各自也存在 一些不足之处。在负流量控制系统中，为消除旁路节流损失，需要在旁路回油 路上设置流量检测元件，而负流量控制的目的就是要将旁路回油流量控制在一 个极小的值，从而限制旁路节流损失。通常这一目的是通过控制流量检测元件 的入口压力实现的，因此负流量控制就成了控制流量检测元件的入口压力( 即 旁路设定压力) 恒定，而这一旁路设定压力的设定值往往对挖掘机的性能有较 大的影响。如果设定较小，则影响动作的灵敏性，使得操纵手柄被压下较大的 角度后工装才突然开始动作。如果要解决这一问题，需要提高旁路设定压力， 但这又带来了系统压力升高、泵负荷增加的后果。如果能控制这一设定压力跟 随负载变化，总比最高负载压力高点，则泵的平均工作压力就能降低，有利 于提高系统可靠性。在负荷传感系统中，由于只有一个泵给所有工作装置供油， 因此泵的输出压力只能与最高负载压力适应，在挖掘机做复合动作时，负载压 力较低的工作油路上就不可避免地存在压力损失。相比之下，负流量控制采用 双泵系统，做复合动作时的压力损失要小得多。 除了在液压系统内部采用节能技术外，发动机和液压泵之间的功率匹配也 对系统效率有很大的影响。这种控制是通过调节柴油机的转速和液压泵的吸收 扭矩来实现不同的功率输出，如利勃海尔挖掘机、小松公司的p c 系列挖掘机、 日立建机的e x 系列挖掘机等，因此要求液压泵具有扭矩调节功能。这些产品 的一个共同特点是，必须由司机手动选择功率模式，从而降低了这种技术的节 能性。因此，使这种功率匹配控制自动进行，是目前的研究方向。 目前国内的研究起步不久，大多专注j 二泵一发动机的协调控制技术1 3 0 i i ”i ， 已取得初步成果，但直到目前为止没有重大突破。无论国内和国外，目前的节 能技术基本上都只适用于人工操纵的工程机械，远不能满足无人操纵的机器人 浙江大学博上厉出站报告 的节能要求。 通用型的工程机械由于需要完成复合性作业操作，工作环境复杂，实现完 全自动化很困难。目前正向以下二个方面发展： 1 从个别部件单独控制逐步发展到对整个系统所有部件全面综合控制。以挖 掘机为例，最初是对泵和发动机进行分别控制，继而发展到对发动机和泵联合控 制，最近则发展到实现发动机、泵和阀的全面综合控制： 2 从简单操纵发展到智能操纵。由于这类工程机械作业对象和环境变化多 端，需要类似司机一样有感觉、认识和判断能力的高级智能控制系统。 1 2 4 监测系统 在工程机械应用中，一个很重要的方面是工况监测。工况监测有两方面的作 用，第一是为了提高工程机械的可靠性，检测机械系统的工作参数，以便及早发 现故障隐患；第二是为了精确施工的需要，通过给工作装置加装传感器，使司机 在工作时能随时定量掌握施工量，从而减少了施工检查的工作量，使司机能身兼 两职，提高了工作效率。 1 3 主要研究内容 1 3 1 机电系统的集成 作为一种机电一体化设备，机器人集成了多种技术。在本所过去的研究工 作中，几乎涉及了所有现代挖掘机( 包括挖掘机器人) 上能够应用的技术，如 节能、遥控、规划、避障等，但基本上都是作为单项技术进行研究。虽然在本 所的“2 1 1 ”资助项目“集成化智能装备系统”中，也包含了将以上的各种功能 集成在一起的内容，但只是做到了将这些功能简单地各自单独实现，没有用一 个系统软件将它们有机地结合在一起，而且离实用性距离较远。这样，同一时 刻只能运行其中的一种或几种功能，要切换功能的话，必须通过重新接线和改 变运行的软件才能实现，给机器人的操纵和研究带来很大的不便，同时也极大 地限制了机器人功能的发挥。造成这一问题的主要原因在于，在当时的条件下 没有从整体上对机器人的各种功能进行规划。因此，如何在设计中综合考虑机 械、电子和软件等因素，实现遥控、监控、规划、节能、自动挖掘等功能的有 机结合，并达到实用化的程度，是本课题研究和实现的第一项重要内容。 根据课题要求，所开发的挖掘机器人应具有以下功能： 操作者或监视人员坐在远程控制计算机前，能通过无线视频传输模块 观察机器人的操作情况。 操作者可以在主端控制计算机的显示器 观察到挖掘机器人反馈回来 的实际运行轨迹，以及在工作过程中挖掘机器人动力系统的各运行参数，如各 部位工作压力、发动机油门位置、发动机转速等。 操作者可以在远程控制计算机上用游戏杆对机器人进行遥控。 操作者可以在远程控制计算机上对机器人工作轨迹进行规划，能用三 维动画仿真演示规划效果，并控制机器人按此规划进行工作。 操作者可以在远程控n ；, t - 算机上或者在现场输入开挖点的形状，机器 人能自动进行成型面的挖掘和修整，并将土石方运到指定地点卸载。 机器人具有环境识别功能，遇障能自动加以判断，然后通过自主动作 加以避开，避免机器和人员损失。 机器人动力系统具有节能控制功能，能自动根据负载大小调节柴油机 的运行，并减小系统发热，以及具有柴油机自动怠速功能。 在特殊情况下，机器人应具有手动控制功能，司机可以像操纵普通挖 掘机那样对机器人进行操纵，并可以手动调整柴油机的运行，以及手工设定工 作模式。在手动操纵机器人时，电手柄的操纵信号也被采入计算机中加以存储。 机器人本身还应自带一套工况监测和故障诊断功能模块。 1 3 2 挖掘机的半自动控制 这一内容虽然主要针对有司机操纵的挖掘机，但有两个原因使这一研究非 常重要。第一，这种技术对挖掘机非常实用，能有效提高司机的工作效率和工 作精度，是未来挖掘机的发展方向；第二，这种技术是开发无人驾驶( 包括遥 控) 挖掘机( 或挖掘机器人) 的基础。这是机器人工作规划的初级阶段，主要 是对挖掘机的工作装置进行伺服控制，使铲斗按一定的轨迹和姿态运动，完成 某些特定的动作，最大限度地减轻司机的劳动强度，提高工作效率。根据挖掘 机的工作特点，只要实现如下两点目标，就能大幅度提高工作效率： 第一：实现修整作业时的单杆操纵，能完成平整场地、修整斜坡、修整垂 直壁这三种典型工作。这一目标基本上涵盖了挖掘机所有的精确修整工作。 第二：在挖掘作业时，实现共负自主，使人的经验与自动控制的准确性有 机结合。在这种控制中，司机操纵手柄时，一方面是对工作装置进行操纵，另 一方面由控制系统读入收柄操纵信号并进行分析，再由控制系统按一定规则再 对工作装置的动作进行一定的补偿控制，使工作装置按照某种最优轨迹动作。 1 3 2 1 实现修整作业的单秆操纵 这一目标的动作特点是，用单杆控制斗齿尖做直线运动，具体目标是实现 以下的操作过程： 1 首先将铲斗以所需要的姿态放在合适的位置。 2 用电位器设定斗齿尖往复直线轨迹的角度。 3 通过按扭选择修整作业模式。 浙江大学博士后出站报告 4 用动臂操纵手柄控制斗齿尖的往复运动。 5 在动作过程中，不管铲斗的初始姿态如何，到收回到极限位置时，铲斗 切削后角为零。 6 无操纵时，铲斗停在原位置不动。 目前以上过程已经可以在主端操作界面上进行仿真，但还有一些细节需要 完善，包括：工作范围的自动确定、盲位和盲角的处理等。 1 3 2 2 实现挖掘过程中的计算机辅助操作 这目标包含了挖掘和运送两个过程。国外曾经研制过基于示教再现的液 压挖掘机样机，但由于使用不方便而未加以推广。本所曾经研究过基于视觉和 力传感的智能挖掘过程，但由于机器人视觉传感目前在挖掘机器人上并不成熟， 因此本课题将以上两种方式结合起来，进一步研究基于示教再现和力传感的智 能挖掘。 本课题所采用的示教再现方式，并不是简单地将司机对挖掘机的操作完整 再现，而是基于工作过程，由控制器按照某种规则( 如对间最短、系统效率最 高等) 在司机操纵挖掘机工作的同时重新规划路径，然后对司机的操作进行逐 步修正，经过几个工作循环后达到最优路径。在这过程中，需要由人来确定 挖掘的位置，由计算机控制挖掘过程，并由计算机规划最优路径，以较高的效 率完成挖掘工作。具体操作过程是： 1 开始时，挖掘机完全由手动操纵。 2 计算机记录下整个挖掘、卸土的路径。 3 根据记录下的路径，计算机对路径重新修正。 4 司机按下自动挖掘按钮，或手动工作三分钟后，挖掘机开始转入自动挖 掘。在遇到阻碍时，根据一定的避障规则动作，自动绕开障碍挖掘，这 是以前本所研究过的内容。 1 3 2 3 共性问题 为完成以上的计算机辅助修整工作和挖掘工作，首先需要解决以下两个基 础性技术：伺服控制技术和实时规划技术。这是整个机器人控制的基础，至今 仍然是机器人控制领域中的一个重点。 在修整工作中，对于轨迹精度要求比较严格，需要采用三关节乃至四关节 动作，但由于控制元件( 多路阀) 的非线性特点( 多路阀死区、阀口的压力一 流量特性、液压泵的压力流量特性、单泵同时给多执行器供油而产生的执行 机构间速度耦合等) ，需要采用鲁棒性好的控制算法，如对p i d 控制参数进行整 定、变结构滑模控制等。挖掘机器人中的液压控制元件多路阀，是一种速 度控制元件，它不同于伺服阀，可以控制压力。鉴于这种特性，在挖掘机器人 绪论 中采用自校正自适应控制也是比较合适的。 1 p i d 控制 首先采用p i d 控制算法，用临界灵敏度法( z i g e l e r - n i c h o l s 方法) 对p i d 参 数进行整定，具体方法是取得每个关节的临界增益k u 和临界周期t u ，根据下 表确定p i d 参数 控制器k p t jt d po 5 k u p i0 4 k uo 8 t u p i do 6 k u0 5 t uo 1 2 t 1 1 这种方法需要挖掘机器人能承受一段时间的震荡。在p i d 控制的基础上，还可 以进一步加上力和速度反馈控制，如图1 一l 所示。图中，速度负反馈的引入在 实际上补充了位置负反馈中的微分控制，因为作为p i 控制器输入的位置误差， 其微分就是系统输出的速度。之所以如此，是因为在控制器的实现上，速度的 检测比位置误差求微分方便。在图1 1 的控制中，压力补偿控制则是基于挖掘 图l - 1p i d 控制器 机器人具体的工作方式。挖掘机在工作时，并不象某些工业机器人那样需要控 制操作端的工作力，而是要借助本身的功率来克服工作阻力。由于功率的限制， 使得挖掘机器人不能克服过大的工作阻力，因此需要检测系统的工作压力，使 挖掘机器人随时调整工作速度，以便在不超出系统功率的前提下完成位置跟踪 工作。当速度为零时还克服不了工作阻力，则意味着遇到了障碍，需要执行避 障工作。 2 滑模变结构控制 采用变结构滑模控制，需要用以下方式实现。首先假设机器人的每个关 节都是一阶惯性系统( 此时输出是角速度，输入是放大器输入电压。注意式中 有积分环节，从而可以将输出转化为转角) ： 旦盟：塑! 塑( 1 1 ) u ( s )s ( t ( t ，w ) s + 1 ) 式中，k ( t ，w ) 和t ( t ，w ) 表示他们是时变参数。通过阶跃响应试验，可以测出在不 4 浙江大学博士后出站报告 同情况下，实际的k 、t 的变化范围，取其中的最大和最小值，记为k m a x k m i n 以及t m a x t m i n ，根据这两个值就可以进行滑模变结构控制器的设计了。在这 里，首要的任务是进行阶跃响应试验。 3 自适应控制 自适应控制的应用对象是具有一定程度不确定性的系统，因此非常适用于 机器人关节的控制，尤其是对于液压挖掘机器人这种非线性时变系统。挖掘机 器人的关节驱动系统是速度控制型的，即输入一定的电压信号，系统输出连续 变化的关节角位移。显然，这一系统是典型的非线性时变系统，适合用模型参 考自适应控制进行处理，参考模型的输入为电压信号，输出是期望的角位移信 号。在模型参考自适应控制中，这一参考模型应具有式( 1 ) 那样的形式，其中 包含有一个积分环节，用来将关节角速度转换为关节角位移。因此，在自适应 控制中，也要事先测出典型状态下的系统响应，然后根据这一响应提出参考模 型，或者用系统辨识的方式确定系统模型。比较简单的一个方式是检测关节角 速度，得出角速度输出与电压输入之间的关系，再串联积分环节即可。有了参 考模型，就可以根据有关理论设计自适应控制器。 4 挖掘过程中的力补偿控制 由于在挖掘中不可避免地涉及到负载问题，如果处理不好，就有可能使实 际挖掘轨迹偏离规划值，使工作不能顺利完成。首先对挖掘机的工作过程进行 分析，可以看出无论在修整工作状态还是在挖掘工作状态，挖掘机都是克服阻 力完成工作，与通常所说的机器人力控制完全不一样，因此要从挖掘机器入动 力系统的特点入手，将机器人克服工作阻力的控制转化成如下问题：如何在 定负载下充分利用系统功率，完成规划好的工作轨迹。 在挖掘机器人动力系统设计中，采用了恒功率型变量泵，这种泵输出流量 的能力取决于负载压力的大小。如果机器人在工作过程中遇到较大的阻力，造 成系统压力升高，使液压泵不能提供规划好的速度所要求的流量，则实际轨迹 将严重偏离规划值。解决这一问题的一种方法是检测泵输出压力，以此作为工 装工作速度的控制因子，使修整或挖掘工作能顺利进行。但在不同的条件下， 采取的具体控制方式是不一样的。在挖掘机器人的全部工作过程中，可分为以 下几种工作状态： 第一，修整作业。在这种作业过程中，对轨迹要求较严，几乎没有什么 挖掘阻力，或挖掘阻力较小，单靠轨迹控制算法+ 力补偿就能够 克服这种阻力。在这一过程中，工作装置速度始终不为0 。 第二，挖掘作业。在这种作业过程中，可分为三个阶段：准备阶段、挖 绪论 掘阶段和运土阶段。在准备阶段和运土阶段，对轨迹控制要求较 高，同时也没有挖掘阻力；而在挖掘阶段，则没有轨迹要求，但 对几个目标点的要求较高，需要有力控制。在这一过程中，工装 可能会因为阻力过大而速度为0 。 由于挖掘机器人以上的工作特点，有两种方式解决力的补偿控制问题。 第一，可以在其工作规划中采取轨迹规划+ 挖掘控制点规划的混合规划方 式。为此，需要对挖掘机的工作过程进行详细分析，将整个工作过程按时间顺 序分段，确定出轨迹跟踪段、挖掘力控制段。在轨迹跟踪段中，执行轨迹跟踪 控制；在挖掘力控制段，执行挖掘特征点控制，期间还要执行过载控制( 挖掘 避障) 。每一段完成后，进入下一段的控制，直到所有段都执行完毕，则完成 个工作循环。在轨迹规划中，还可以加入节能因素，以提高系统效率。 第二，在规划中仍然采用传统的规划方式，按等时间问隔规划系列出路 径点，然后将这些点对应的关节坐标按一定的时间间隔顺次送出，但同时检测 泵输出压力。当泵输出压力变高时，则加长输出数据的时间间隔，这一间隔值 可以从最小单位到无穷大( 无穷大时间间隔对应着过载) 。实际上这是一种实时 规划修正控制，底层控制器也只要用一种算法就可以了。 无论采取哪一种方式，都需要处理过载的情况。关于这种情况的处理，本 所在l o 年前曾采用过基于系统压力监视的规则控制方式，取得了良好效果，在 国际上引起反响。 总之，在挖掘机器人的一个工作循环中，综合了以下各种工作：总体规划、 轨迹规划+ 节能规划、轨迹跟踪+ 力补偿控制，这些工作彼此之间相互影响，在 挖掘过程控制中组成有机整体，而这正是挖掘机器人的规划和控制不同于其他 形式的机器人的地方。 1 3 3 挖掘机的自动控制 在挖掘机半自动挖掘的基础上，配合工作规划，自动完成一项完整的挖掘 任务，例如，挖一个矩形坑。这里面的主要工作是任务规划，将整个挖掘过程 分为挖掘工作和修整工作两部分。在挖掘工作中，采用3 3 中的半自动挖掘技 术，配合挖掘工作规划，完成挖掘任务；在修整工作中，需要沿着修整面进行 轨迹规划，然后控制工作装置执行轨迹跟踪控制，从而完成修整工作。 挖掘工作规划：将需要挖掘的部分，分解为多个铲斗挖掘部分，每一次挖 掘完成一个部分，每一个挖掘部分的完成分为铲斗切入、转斗挖掘和开始提升 三个阶段。挖掘工作规划就是通过设置一系列的铲斗切入点，逐步去除需要挖 掘的部分。 修整工作规划：完成挖掘工作后，工作掌子面呈现不规则状态，需要进一 步修整。具体做法是，按照事先规定的挖掘形状，对铲斗齿尖轨迹进行规划， 浙江大学博十后出站报告 图1 - 2压力适应型负流量控制 然后控制机器人完成这条轨迹，切除工作面上多余的部分，完成修整作