（机械电子工程专业论文）液压挖掘机的主从控制研究.pdf

摘要 摘要 一直以来，工程机械如挖掘机、装载机、起重机等都是通过单杆机液手柄对执行器的 速度控制来使设备动作，进而完成各种作业。这种传统的操作方式缺乏直观性，对驾驶员 的操作水平要求较高。本文以多自由度力反馈手柄p h a n t o mo n “和工程机械液压挖掘 机为研究对象，以现有的多自由度挖掘机机械臂操控实验台为基础，构建了挖掘机的主从 式控制实验平台，实现了挖掘机的主从控制，且具有操作简单直观、可力觉感知等优点。 实验表明该主从控制系统能实现挖掘机工作装置对力反馈手柄的轨迹跟踪，证明了这种控 制方案的合理性与可操作性。论文的主要研究内容如下： 第一章，介绍了主从控制技术与力反馈技术及其在工程机械领域的国内外研究现状， 指出了本课题的研究目的和意义，概述了课题的主要研究内容。 第二章，建立了挖掘机工作装置( 包括回转) 的运动学数学模型，在m a t l a b s i i n u l i l l l ( 中进行了运动仿真与分析。利用该模型实现挖掘机工作空间包络图的快速准确自动化绘制。 第三章，利用拉格朗日动力学方法建立了挖掘机工作装置的动力学数学模型，分别在 m a n ，a b s i i i l u l i n k 和s o l i d w o d ! 【s c o s m o s m o t i o n 中进行了动力学仿真与分析。同时针对液 压缸、连杆等其它杆件的影响，对模型做了进一步的分析与简化，以提高模型的准确性。 第四章，详述了主从控制实验平台的结构框架及各组成部分的实现方式。在力反馈手 柄数据采集程序s u a lc + + 与主实时控制程序m a t l a b x p ct a 玛e t 之间建立了基于u d p i p 的通讯接口。针对力反馈手柄与挖掘机之间的工作空间匹配问题提出了基于关节的空间匹 配方式和基于位置增量的空间匹配方式。建立了挖掘机的虚拟现实系统，并利用虚拟现实 对通讯和空间匹配方法进行了模拟与可视化仿真。 第五章，针对基于关节的位置控制模式和基于位置增量的位置控制模式，采用改进的 增量式p i d 控制算法对挖掘机主从控制系统的轨迹跟踪性能进行了实验研究，实验结果证 明该主从控制系统能实现挖掘机工作装置对力反馈手柄的轨迹跟踪。 第六章，对全文进行总结，并对下一步的研究工作进行了具体展望。 关键词：主从控制，力反馈，挖掘机，空间匹配，m a t l a b s i m u l i f l k ，u d p ，虚拟现实 a b s t r a c t a b s n a c t m o s tc 0 1 1 s t r u “o nm a c l l i n e ss u c ha se x c a v a t o r s ，l o a d e r s ，c r a n e sa r eo p e r a t e d 诵ms i n 出e l e v e rm e c h a i l i c a l h y d r a u l i cj o y s t i c k si i lt h ew a yo fs p e e dc o n t r o l _ n l et r a d i t i o n a lw a yo f o p e r a t i o ni ss h o r to fi n “t i o na i l dr e q u i r e s1 1 i 曲e ro p e r a t i o ns i 【i l l so ft l l e 出v e r 1 1 1t m st h e s i s ，a m o r ei i l t u i t i v eo p e r a t i o nn 吼e dm a s t e r s l a v ec o n t r 0 1s y s t e i nl l a sb e e nd e v e l o p e db a s e do na m u l t i 1 e v e rf o r c ef e e d b a c kj o y s t i c kp h a n t o mo m l l ia r l dt h ee x i s t i n gi n t e 鲫t e dm l l l t i - d o f t e s tr i go f2t o ne x c a v 砷0 r e x p 甜m e i l t ss h o w e dt h a tt l l eb u c k e tc 锄a c l l i e v ea6 n e 删e c t l d r y t r a c k i n gw i t ht h em a s t e r - s l a v ec o n t r o ls y s t e m ，p r 0 v i n go ft k sc o n 仃o l s c h e m er e a s o n a b l e a n df i e 2 l s i b l e n l em e s i si so m l i i l e d 硒f o l l o w s ： h c h a p t e r1 ，廿l em a s t e r _ s l a v ec o i l t r o l 锄df o r c ef e e d b a c kt e c h n o l o g ) ，w e r ei n t r o d u c e d t h e c u r r e n tr e s e a r c hp r o g r e s s e so fi t s 印p i i c a t i o ni n 恤ef i e l do fc o m t m c t i o nm a c l l i n e 巧w e r e r e v i e w e da 1 1o v e rt 1 1 e 、o r l d t h e n ，t l l em a i nr e s e a r c ho b j e c t i v e ，s i g n i f i c a i i c ea r l dt o p i c so ft l l e s t u d yi 1 1n l et l l e s i sw e r ep o i n t e do u t 觚dd i s c u s s e d h 1c h a p t e r2 ，t h ek i l l e m a t i c 矗l a ：t h e r r l a t i c a lm o d e lo ft h e4 一d o fe x c a v a t o rw o r k i n gd e v i c e i i l c l u d i l l gs 诵n gw a se s t a b l i s h e d a n das i m u l a t i 衄m o d e lw 弱b u i l ti nm a t l a b s i m u l i l l l 【b a s e d o nt h e 锄m y s i s 觚ds i l n u l a t i o no fh n e m a t i c s ，m ew o r k j n gs p a c ed i 卿o f 也ee x c a v a t o rc a i lb e g e tr a p i d l ya i l de x a c n y i i lc h a p t e r3 ，恤d y n 砌cm 础e m a t i c a lm o d e lo f 血e4 一d o fe x c a v a t o rw o f k j n gd e v i c e 、糯 e s t a b l i s h e du s i n gl a 伊a 1 1 9 i 锄d y n 锄i c sm e t l l o d a n dt h e nd 舢i cs i m u l a t i o n 觚da i l a l y s i sw e r e c a 盯i e do u tb o t l li 1 1m a t l a b s i m u l i i 血a n ds o l i d w o r k s c o s m o 锄o t i o ne i i 】吣m e n t a sf o rm e i n n u e n c eo fm eh y d r a u l i cc y l i n d e r sa 1 1 do m e rl i i 出r o d s ，t h ed y n 锄i cm o d e lw a s 觚h e r a i l 甜y s i s e d 柚ds 呻l i f i e di i lo r d e r t oi m 】p r o v et l l ea c c u r a c y i 芏lc l l a p t e r4 ，m e 咖c t u r eo ft h em 姗s l a v ec o 蛐r o ls y s t e ma 芏l di t sm a i nc o m p o n e n t sw e r e e x p l a i n e d i nd e t a i l s u s i n gs o c k e tp r o g r a m m i n g ，u d p i pc o m m u n i c a t i o ni n t e r f k ew 舔 i i i a b s t r a c t e s t a b l i s h e dt 0e x c h a i l g ei i 面咖a t i o nb e t v v e e nt l l ep h a n l o ms o f i 眦鹏s u a lc + + 粕dt l l e c o n n 0 lp r 0 伊锄i i lm a t l a b x p cm g e te n v 拍m e n t a sf o rt l l ew o r k s p a c ed i 妇f e r e l l c e sb 朗鹏e n p h a n t o mo l ia n dt h ee x c a v a t o r ，t 、o 妯n d so fw o r k s p a c em a t c l l i n gm e t h o d s ，w l l i c ha r e b a s e do nj o i n _ t s 趿dp o s i t i o ni n c r e m e n t s ，、v e r ep r o p o s e d av i 巾蛆lr e a l “ym o i l i t o r i n gs y s t e mw 舔 a l s od e v e l o p p e dt 0m a l 【et l l es i m u l a t i o na 1 1 do p e r a t i o n 访s u a l i z e d i nc h a p t e r5 ，a 1 1i m p r 0 v e dp i dc o n t r 0 1a l g o r i t l l mw a si n 仃o d u c e dt 0t e s t 吐i e 仃旬e c t o 巧 仃；k k i i l gp e r f 0 m a i l c eo ft l l em a s t e r - s l a v ec o n t r o ls y s t e m t h ee x p e r i l l l e n t a jr e s u l t ss h o 、e dm a t t 1 1 i sk i n do fo p e r a t i o nm o d ei si n t u i t i v ea n ds i m p l ea i l dn l eb u c k e tc o u l dn a c kt 1 1 ep o s i t i o no f p h a n t o mo m l l iw e u 1 1 1c h 印t e r6 ，s o m ec o n c l u s i o n sa r e 百v e n 锄ds o m en e wv i e w sa r e p u tf o r w a r d i 1 1n l ef h t l l r e k e yw o r d s ：m a s t e r s l a v ec o n 们l ，e x c a v a t o r ，w o r k s p a c em a t c l l i n g ，m a t l a b s i m u l i l l k ，u d p ， v i n i l a l lr e a l i 何 第1 章绪论 1 1 引言 第l 章绪论 挖掘机作为土石方开挖的主要机械设备，广泛应用于国民经济建设的各个方面，对现 代工业生产、国防建设、资源探索等许多领域都产生了重大影响。它对于节省劳动力，减 轻繁重体力劳动，提高劳动生产率，加快建设速度，保证工程质量和降低成本起着举足轻 重的作用。据资料显示，工程施工中有6 0 以上的土方量，露天矿山中8 0 的剥离量和采掘 量都是用挖掘机完成的i 。 近年来，计算机技术、电子信息技术、电液控制技术和机器人技术等领域的发展，使 得挖掘机等工程机械取得了进一步的发展，有向自动化、智能化发展的趋势。就目前来讲， 使挖掘机器人实现完全自主作业还不现实，但有人参与的智能化操作机器人的研究受到了 许多研究人员的青睐。将人的智能与执行机构的智能有机地结合起来，利用人的智能进行 高层次的感知理解、问题求解、任务规划以及任务分解等任务，利用执行机构的智能完成 低级信号的感知和反馈、精密运动、信息处理、常规和重复性的任务等工作，这样组成的 人机智能系统就可以充分发挥人和机器各自的优点。通过这种人机之间的协调和交互，不 但可以增强执行机构完成操作任务的能力，还能拓宽设备的应用领域。 一直以来，工程机械如挖掘机、装载机、起重机等都是通过单杆机液手柄对执行器的 速度控制来使设备动作，进而完成各种作业。这种操作方式中一个手柄只能控制两个自由 度，即两个执行器。以液压挖掘机为例，它主要有回转马达、动臂缸、斗杆缸和铲斗缸四 个执行器，要通过左右两个手柄的四个自由度来分别控制，而挖掘机的作业过程往往需要 各油缸的复合操作。因此首先从操作角度来讲，这种传统的操作方式不够直观，要求驾驶 员有比较丰富的操作经验；其次，由于手柄自由度和个数的限制，它能控制的执行器数量 有限，当机构自由度更多、操作要求更复杂时，效率和安全性降低；再次，操作者缺乏对 环境作用力的感知，不能更有效的完成复杂和精细作业【2 】。随着电液控制技术及电子技术 的发展，新的操作模式的出现成为可能。 主从控制技术使从端作业机构跟随主端操纵器的运动来完成操作任务。力反馈技术能 够将作用机构与环境间相互作用力反馈给操作者，使操作者在作业时有力感。因此，将主 1 第l 章绪论 从控制技术与力反馈技术应用到工程机械尤其是液压挖掘机的控制系统中，操作者通过视 觉、力觉、听觉等感觉对从端的工作情况及周围环境保持密切地联系，利用人的智能做出 判断和决策，因此能够适应工作环境的不确定性和工况的复杂性，完成较为复杂和精细的 操作任务。 1 2 主从控制及力反馈技术在工程机械上的应用与研究概况 1 2 1 主从控制技术概述 主从控制系统，最早见于2 0 世纪4 0 年代的美国橡树岭国家实验室的搬运核燃料的遥 控机械操作手的研究，它采用一种主从型的控制系统，通过操作一个远端机械手实现从端 机械手的动作【3 1 。后来随着机器人技术的发展，主从控制技术被广泛地应用到水下机器人、 太空机器人、医疗机器人和核电站等危险环境中。 主从控制系统在结构上都有一个主臂或主机械手和一个从机械手或从机器人，操作者 直接操纵主臂，通过控制从机器人对主臂的跟随运动来完成操作任务4 1 。在主从控制系统 中，从端机器人工作在恶劣或远端环境中，使用传感技术感知现场环境，并通过通讯技术 实时反馈到主端；主端操作者通过视觉、力觉等感觉感知从端的工作情况及其周围环境， 利用人的智能做出判断和决策，然后操作主臂将自己的操作意图实时传递给从端机器人后 通过从端机器人动作执行完成操作任务。 以液压挖掘机为例，其同构型主从操作方式可用图1 1 表示。图中所示操作方式中主 操作手具有与挖掘机相似的结构和相同的自由度。 ( a ) 主端同构操作杆( b ) 从端液压挖掘机 图1 1 液压挖掘机的同构主从操作结构示意图 - 2 - 第1 章绪论 与传统操作方式相比，主从操作方式操作更加直观。利用这种操作方法，能够减少操 作者的脑力劳动和操作失误，提高工作效率和安全性，同时能减少培训新操作手的花费。 1 2 2 力反馈技术概述 对人类获取信息能力的研究表明，力觉是除视觉和听觉之外最重要的感觉，是人类认 识外界环境并与环境进行交互的重要手段。力反馈技术，其实是一种通过机械手段表现出 来的反作用力，它通过力反馈设备使操作者感受到反作用力的大小和方向。在实际工作中， 力反馈技术能将作业机器人与环境间的相互作用力通过传感器反馈给操作者，使操作者感 受到作业机器人工作时的力信息，从而实现对作业机器人带力感觉的控制，提高操作和控 制性能。在虚拟操作中，力觉交互也同样重要，如在虚拟手术训练中，引入力觉反馈，可 以使医生训练时不仅能够看到而且还能感觉到与虚拟手术器官交互产生的触觉和力，无疑 可使训练更真实、准确f 4 1 。 力感的产生，主要是借助是具有高保真的力触觉反馈装置来实现的。世界上最早具有 力反馈功能的操作器是2 0 世纪6 0 年代美国a m e s 实验室研制的外骨架装置e x o s k e l e t o n 。随 着科技的进步和研究的深入，力反馈技术成为很多著名大学、实验室和研究所的一个研究 热点，现在已经出现了多种力反馈设备的商业化产品【6 1 。 力触觉反馈装置一般按照外形尺寸和工作空间范围大致可以分为三种类型：手指型、 手臂型和全身型【7 1 。手指型力觉交互设备结构较小，其允许的活动范围仅限于手指关节的 舒展，用于模拟虚拟环境下人手抓握物体时的感觉。目前开发的此类典型设备是力反馈数 据手套，如图1 2 所示。 ( a ) i m m e r s j o n 公司的c y b e 而r 2 l s p 力反馈数据手套 ( b ) 美国罗特格斯大学了1 = 发的 r u 蟾e r s m a s t e r i i n d 数据于套 图1 2 力反馈数据手套 ( c ) 国内东南大学开发的单指力 反馈数据手套 第l 审绪论 当操作者戴上力反馈手套后，设备的控制系统可以根据手指各关节的舒展程度施加不 同大小的阻力到手指关节上，使人获得类似于真实环境中抓握物体的感觉。 手臂型力觉交互设备的工作空问相对较大，运动自由度也较多，其允许的人体运动关 节包括手臂的腕关节、肘关节和肩关节。操作者在手臂工作空间中可以完成相对复杂的动 作。此类力反馈设备开发的最多，技术己相对成熟，在众多商业化产品中最具代表性的有 美国s e n s a b l e 公司的p h a n t o m 系列、瑞士f o r c e d i m e n s i o n 公司的d e l c a 和o m e g a 系列以及法国 h a p t i o n 公司的r t u o s e 系列等，如图1 3 所示。 ( a ) 美国s e n s a b i e 公司的p h 绷t o mp r c m j u m ( b ) 瑞士f o r c ed i m e n s j o n 公司的o m e g 乱6 ( c ) 法国h a p t j o n 公司的v i r t u o s e6 d 1 5 6 d o f 力反馈设备力反馈设备 3 5 4 5 力反馈设备 图1 3 手臂型力反馈设备 与自订两种类型相比，全身型力觉交互设备结构更复杂，自由度要更多，其工作时除了 可以调动手臂的各关节外，还可以包含人体下肢的髋关节、膝关节、踝关节。因此，全身 型力觉交互设备一般比较笨重，操作上不太方便。 力反馈设备目前已广泛应用于多种领域，如医疗中的虚拟手术、机器人中遥操作、虚 拟制造、维修与装配以及教育、娱乐等行业。 1 2 3 主从控制与力反馈技术在工程机械领域的应用与研究现状 大多工程机械如挖掘机、装载机、叉车、起重机等都是通过传统的机液操作杆( 如图 1 4 所示) 来操作完成作业的。前已提到，这种操作方式有其不足的地方。随着人们生活 水平的提高及特殊工作场合的需要，操作者对挖掘机等工程机械产品的操控性和智能化水 平等要求也越来越高。电液控制技术及电子信息技术的发展，也促使人们不断开展对新的 操作与控制模式的探索和研究。美、日及西欧许多国家都针对挖掘机器人或其它工程机械 进行了研究，设计和实现了一些基于力反馈、遥操作、虚拟现实等技术的主从控制系统。 第1 章绪论 图1 4 挖掘机传统的液控操作方式 1 9 7 7 年日本北辰电机制作所首先提出挖掘机的同构操作方式的概念l8 1 。1 9 8 9 年美国 普渡大学助理教授m a n i n0 s t o j a s t a r z e w s k i 和m i r o s l a ws “b i l i e w s l ( i 针对挖掘机等建筑机 械传统的操作方式提出一种用带力反馈的同构手控器来操作的控制方案，并给出了这种主 从控制系统的一些设计原则【9 】。但都未见到有相关具体的实验系统或样机出现。2 1 世纪以 来，随着力触觉交互设备的发展，尤其是以p h a n t o m 为代表的多自由度力反馈设备的 出现，引起了新的研究高潮。 美国的乔治亚理工学院较早地针对力触觉反馈技术在工程机械中的应用进行了探索。 它首先于2 0 0 2 年以p h a n t o mp r e m i u m1 5 a 为主操作手，以一台液压叉车实验样机为从 端执行机构，初步实现了这样的主从控制系统，主要对如何利用力触觉反馈技术来增强 电液系统的操作与控制性能进行了分析与研究【】0 】【1 2 】；在此基础上，于2 0 0 4 年通过增加电 液比例阀、压力传感器、位置传感器及p h a n t o m1 0 力反馈手柄等设备对带有反铲的j o l l l l ( a ) 液压叉车力反馈遥操作控制系统( b ) 反铲挖上机力反馈控制系统( c ) 挖掘机力反馈模拟操作系统 图1 5 美国的乔治亚理工学院的力反馈实验系统 第1 章绪论 d e e r e 4 4 1 0 系列拖拉机进行了改装，研制了一台触觉增强型的挖掘机器人实验样机 ( h a p t i c a l l ye n h a l l c e dr o b o t i ce x c a v a t o r ) 。它主要是通过仿真这种力触觉反馈的主从控制系 统的性能进行了研究，虽然也提出了几种主从控制方案，但并未对这些控制方案做进一步 的分析与实验研究1 3 】【1 4 】。之后，为进一步提高力触觉反馈系统的操控特性，在2 0 0 9 年研 究和构建了用力反馈手柄操作的挖掘机虚拟现实模拟系统，以便于对包括力触觉、声音 等在内的人机交互界面和不同的控制方案进行性能测试。它通过对大量人员的模拟操作实 验得出，采用力反馈手柄的位置控制方式能够使新手很快熟练操作，且工作效率要高于传 统的操作方式【1 5 】。 2 0 0 4 年日本港湾空港技术研究所和日本筑波人学针对水下作业挖掘机器人的遥操作 问题，提出根据力觉信息和增强现实技术来进行操作。它采用自己开发的带力反馈的多自 由度手控器来对挖掘机进行主从控制。并分别在地面和水下做了相应的测试实验如图 1 6 所示。根据其实验结果，铲爿的位置误差甲均在士8 1 m m 范罔内1 6 7 l 。 操作 图1 6 日本水下作业挖掘机器人力反馈遥操作控制系统 日本岐阜大学于2 0 0 6 年设计了一个有力觉感知的遥操作建筑机器人实验平台( 如图 1 7 所示) 。它的控制手柄是用两个力回馈游戏手柄( m i c r o s o rs i d ew i n d e rf o r c ef e e d b a c k 2 ) ，执行机构是一台根据小型挖掘机改装的四自由度液压工程机械手，并根据液压缸速度 控制误差产生力反馈信号。其通过单自由度实验证明这种基于力反馈的控制方法具有很好 的稳定性和透明性，从机械手在抓取较软或较硬物体时，主操作端都能产生较为真实的力 感【1 8 】【1 9 儿2 0 1 。由于这种控制手柄类似于普通的电控手柄，因此它的操作方式基本没什么变 化，增加了操作力觉感知。 第1 章绪论 ( a ) 主从遥操作控制系统结构图( b ) 主从遥操作控制系统实物图 图1 7 日本岐阜大学的主从遥操作控制系统 韩国高丽大学从2 0 0 7 年开始，对带有破碎器的液压挖掘机的遥操作系统新的控制与操 作方式进行探索与研究，设计了几种带力反馈的多自由度操作杆，可完成对挖掘机的行走、 回转、动臂等全部执行器的控制，并通过0 p e n g l 对其操作性能进行了仿真研究【2 1 】【2 2 】【2 3 】， 如图1 8 所示。至今仍在设计阶段，未见到相关的实物或产品。 ( a ) 两种不同形式的多自由度力反馈操作杆 ( b ) o p e n g l 仿真 图】8 韩国高丽大学设计的多自由度力反馈操作杆 韩国首尔国立大学于2 0 0 8 年通过一种自行设计的简易力反馈控制主手成功实现对一 台小型挖掘机的远程操作。操作者通过手臂t 装的3 个传感器( 倾角计、方位传感器和旋 转编码器) 发出控制指令，利用蓝牙将信号传给控制箱，经进一步运算和处理后去控制电 比例阀其系统如图1 9 所示酬。 芬兰坦佩雷大学于2 0 0 8 年提出一种基于反馈力来辅助挖掘机远程操作的控制方案。 它也是用带力回馈的游戏手柄来进行操作，以一台经过电比例阀改装的小型液压挖掘机为 7 第1 章绪论 实验平台，对这种带反馈力的控制方案进行研究。它根据系统l s 的压力来判断负载的变 化，当负载达到可承受的最大值时通过控制手柄向操作者提供反馈力作用，提醒操作者， 以提高设备的安伞性和充分发挥其t 作效率【2 5 】。 箩k i b 甏 蘸 岛毪 ( a ) 主从控制系统的硬件组成与操作方式( b ) 经改造的从端小型挖掘机 图1 9 韩国首尔国立大学的挖掘机主从控制系统 德国博世有限公司于2 0 0 8 年针对挖掘机提出了基于力反馈的直观操作方式，对多自 由力反馈操作杆进行了概念设计。并通过利用罗技轨迹球鼠标和o m i 力反馈手柄的组合 来模拟这种操作方法进行了初步的实验研究( 如图1 1 0 ) 2 6 】。 ( a ) 多自由度操作杆的概念设计( b ) 模拟操作方案 图1 1 0 德国博世公司提出的挖掘机直观操作方式 日本同立建机针对其双臂救援机器人a s t a c o 自由度多、协调控制与操作要求性高 等特点，提出了一种新的速度直接控制的操作方法，它采两个四自由度操作杆，分别控制 左右两条工作臂，并在其产品上得到初步的运用( 如图1 1 1 所示) 1 2 7 】。( a ) 操作杆上下运 动，控制动臂上下运动：( b ) 操作杆前后运动，控制斗杆前后运动；( c ) 操作杆转动，控制 抓手上下摆动；( d ) 控制臂回转，控制工作臂左右摆动。这种控制分配方式使设备操作起 来比较直观。 ( a ) 驾驶室场景( b ) 操作方式说明 图1 1 1 日立建机双臂挖掘机操作方式 第l 章绪论 国内将力反馈技术和主从控制技术应用到医疗或工业机器人等领域的研究较多，在工 程机械或工程机器人领域的研究相对较少，主要有吉林大学、东南大学等高校。其中，吉 林大学主要针对如何使遥操作者获得工作现场临场运动感觉进行研究，建立了基于无线通 信、虚拟现实，具有视觉和力觉反馈的四自由度工程机器人遥操作系统。其系统结构与前 文所述的日本岐阜大学的研究类似，也是采用力回馈游戏手柄( l o g i t e c h ) 来进行操作， 执行机构是在液压挖掘机的基础上，把铲斗换成一个单自由度的抓手，构成的一个四自由 度的机械手，采用4 w r e 型电磁比例换向阀作为伺服控制元件，如图1 1 2 所示【2 8 】【3 5 】。 图1 12 吉林人学临场感遥操作机器人系统 东南大学机器人传感与控制技术实验室，自“七五”以来一直从事机器人非视觉传感 和临场感遥操作机器人技术的研究，在虚拟物体的力触觉建模方法、力触觉交互装置的 设计及基于1 1 1 t e m e t 遥操作机器人系统等方面取得了一些研究成果f 3 6 】【3 8 】。 第1 章绪论 1 3 课题的背景和研究意义 随着人类活动领域的拓展，对作业质量的要求越来越高，对人的工作环境也更加挑剔， 传统的挖掘机在这样的应用领域中凸显出的一些问题也越来越不容忽视，例如：作业的劳 动强度大，操作者往往需要全神贯注，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、辐射等危险；高质量作业的 完成，往往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；还有一些人 类不便于直接进入的特殊工作环境，如太空开发、水下作业等。工程机械操作手的操作熟 练程度不仅关系着工程进度，还影响着机械的使用效率和成本。而培训操作手的花费一般 又比较大。近年来计算机技术、电子信息技术、电液控制技术和机器人技术等领域的快速 发展，为上述问题的解决提供了新的思路与手段。 此外，目前我国工程机械正在实现机、电、液一体化的进程，工程机械的自动化、智 能化己成为技术发展的一个重要方向，势必会涌现结构功能更加复杂、工作自由度更多的 机械设备。机器人化的挖掘机乃至双臂挖掘机器入将成为替代人在繁重、危险、恶劣环境 下作业必不可少的工具。在这种情况下，如何使机械设备操作起来更加简单、可靠和智能， 具有深远的现实意义。 基于力反馈的主从控制系统是从液压系统的控制与操作方式角度考虑而产生的一种 新型控制系统，与传统的控制和操作方式相比，具有操作简单直观、高效智能、单个手柄 可控制多个自由度和力觉感知等优点，能够极大的减小操作消耗的体力和脑力劳动，提高 设备的工作效率和作业精度，在工程机械尤其是液压挖掘机上极具应用前景。综观前述国 内外研究可以发现，目前对基于力反馈和主从控制技术的新的操作与控制方式的研究，主 要集中在两个方向，一个是对主手操作的适于工程用的新型力反馈设备的开发和研究，另 一个是从系统整体出发对主从控制系统的工程实现、控制策略及操作有效性和透明性等问 题的研究。且均刚起步，还处于探索阶段。国内对新型力反馈设备的研究相对较多，且初 具成果；鲜见有对这种主从控制系统的研究。可见，目前还没有形成统一、完整的理论与 方法。本课题主要对含力反馈的主从控制系统的构成、主从机构工作空间匹配、运动特性 及控制方法等关键技术进行研究，为多自由度操作杆和主从控制力反馈系统的工程应用提 供理论和试验支撑，具有重要的意义。 第1 章绪论 1 4 课题的主要研究内容 本课题以实验室现有的多自由度挖掘机机械臂操控实验台为基础，采用商业力反馈手 柄p l 蝌t o mo m n i ，构建了挖掘机的主从式控制实验平台，实现了对液压挖掘机的主从 控制。本文主要从以下几个方面开展了研究： ( 1 ) 挖掘机工作装置的运动学建模。对包括回转在内的挖掘机工作装置的正、逆运动 学问题分别进行了数学推导，得到了数学模型。通过在m a t l a b s i m u l i i l k 中搭建相应的 仿真模型，对运动学问题进行了运动仿真与分析，并对模型进行了正确性验证。 ( 2 ) 挖掘机工作装置的动力学建模。利用拉格朗日动力学推导了n 自由度串联开链机 构的动力学方程，得到挖掘机工作装置的动力学数学模型。通过m a t l a b s i m u l i i l l 【中数 学模型和s o l i d 、v 0 r l d c o s m o s m o t i 叨中物理模型的动力学仿真结果的对比，证明了所建模 型的正确性。并针对液压缸、连杆等其它杆件的影响，进行了进一步分析，在不影响模型 复杂程度的基础上，提出了简化方案，减小了误差，提高了模型的准确度。 ( 3 ) 对力反馈手柄与挖掘机实时控制程序的通讯接口、力反馈手柄与挖掘机工作空间的 匹配等关键技术进行了分析与研究，提出了基于u d p i p 的通讯方式以及基于关节和基于 位置增量的工作空间匹配方法。建立了挖掘机的虚拟现实系统，利用虚拟现实对系统进行 了模拟与仿真，以验证方案的可行性。 ( 4 ) 采用p i d 控制算法对挖掘机的主从控制系统进行单缸和复合动作实验研究，对力 反馈手柄与挖掘机之间的空间匹配方法和控制模式，进行实验验证。 第2 章挖掘机工作装置运动学数学建模与仿真 第2 章挖掘机工作装置运动学数学建模与仿真 挖掘机铲斗的定位是通过控制各液压缸的伸缩，驱动各连杆运动到特定的关节角来实 现的。因此要实现对挖掘机工作装置末端的位置控制，首先要确定挖掘机铲斗在空问的位 置与方向；其次，必须要知道各液压缸的驱动变量与铲斗尖位姿( 位置和方向) 之间的变换 关系。 挖掘机工作装置运动学能够完整描述各液压缸的驱动变量、工作连杆的关节变量与铲 斗尖位姿之间的位移变换关系，将挖掘机铲斗的运动轨迹与液压缸的位移联系起来，从而 为挖掘机铲斗的位置控制和运动分析提供方法和手段。 2 1 工作装置状态空间描述 挖掘机工作装置的结构如巨2 1 所示，包括回转在内，可看作是一个串联开式四杆机 构。根据所用到的变量的不同，可将其分为三种状态空间：驱动空间、关节空间和位姿空 剐3 9 】【4 0 1 ，分别定义如下： 图2 1 某液压挖掘机结构示意图 ( 1 ) 驱动空问 由回转马达转角，、动臂液压缸长度，2 、斗杆液压缸长度6 和铲斗液压缸长度厶构 成。驱动空间可表示为【，j ，2 ，j ，厶】t 。 ( 2 ) 关节空间 第2 章挖掘机t 作装置运动学数学建模与仿真 关节空间表示为 巩，比，以，伽t ，分别由回转平台和底座之间、动臂和回转平台之 间、斗杆和动臂之间以及铲斗和斗杆之间的关节转角巩、比、仍、以构成。 ( 3 ) 位姿空间 铲斗齿尖在基坐标系中的位置h ，y ，z 和铲斗的姿态角钗铲斗连杆同水平面的夹 角) ，可以唯一确定工作机构的空间状态。一般挖掘任务是在基坐标中来描述的，故位姿 空间也称为任务空间，用矢量防，y ，z ，朔1 来表示。 运动学所要求解的上述几种空间之间的转换关系如图2 2 所示。其中，由关节空间向 位姿空间的转换称为正运动学；反之，称为逆运动学1 4 1 】。 订矗吐内阔、儿1 h j 亿f r 芏苇瘩问r 一“j f r 胁次塞阁1 l 二l l l 。v 嘞，2 ，6 ，纠t 】t l 1 秒j 屹，吩，j l 】t k ，j ，z ，纠t lj 图2 2 运动学所求解的各空间之间的转换关系 2 2 运动学基本方程和d h 坐标系 2 2 1 运动学基本方程 根据机器人技术的相关知识，空间中任意坐标系中的向量，均可以通过恰当的齐次变 换，转换到另一个坐标系中。具体而言，如果已知一点在一个坐标系( 如f 坐标系) 中的坐 标，要把它表示成前一个坐标系( 如扣1 ) 的坐标，那么齐次坐标变换矩阵为4 ，。即4 r 能描 述连杆坐标系之间相对平移和旋转的齐次变换。其中，4 j 描述第一个连杆对于机身的位姿， 4 2 描述第二个连杆坐标系相对于第一个连杆坐标系的位姿，以此类推4 ，4 。j 。 若在组成机器人的各连杆上分别建立恰当的局部坐标系，则机器人末端执行器的位姿 可以通过一系列的齐次变换得到。由上可知此点到基础坐标系的齐次坐标变换矩阵瓦为： 万 瓦= 兀4 = 4 如坞4 一1 4 ( 2 - 1 ) f ：o 机器人末端执行器相对于基础坐标系的齐次变换矩阵瓦又可以表示为： 第2 章挖掘机工作装置运动学数学建模与仿真 瓦= 致q n yo y 玎 d 一 00 其中足是姿态矩阵，p 是位置向量。 则机器人的运动学基本方程可表述为： q0 q yp y 口，只 o1 n x0 xn xp x 甩， d y口yb n z0 zn zp z 0oo1 = 瞄 拧 = 兀4 - o ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) 2 2 2d h 坐标系 由上可知，若能得到表达形式一致且能反映关节变量的变换矩阵彳，将有助于运动 学问题的求解。这可通过合理选择局部坐标系得到。最为常用的一种坐标系定义方法是由 d e n a v i t 和h a n e n b e r g 于1 9 5 5 年提出的d h 参数法，它严格定义了每个坐标系的坐标轴， 并对连杆和关节定义了4 个参数m 1 】邢】。其坐标系与相关参数的建立和定义原则如下： 1 ) 坐标系与关节号的分配： 图2 3d h 坐标系与关节号分配示意图 系n 按从机座到末端执行器的顺序，由低到高依次为各关节和各连杆编号，如图2 3 所示： 机座的编号为杆件0 ，与机座相连的连杆编号为杆件l ，依此类推。机座与连杆1 的关节 第2 章挖掘机工作装置运动学数学建模与仿真 编号为关节1 ，连杆1 与连杆2 的连接关节编号为2 ，依此类推。各连杆的坐标系z 轴方 向与关节轴线重合( 对于移动关节，z 轴线沿此关节移动方向) 。即：坐标系f 在连杆f 的末 端；关节f 在连杆，的前端。 2 ) 坐标系的定义 如图2 4 所示，中间转动连杆，坐标系的建立原则如下： 石轴：位于连杆f 与连杆f + 1 的转动关节轴线上； x 轴：沿连杆f 两端轴线的公垂线，方向指向下一个连杆： 图2 - 4d h 坐标系与相关参数的定义示意图 坼轴：由x 和z 根据右手定则来确定； 原点仍：当磊j 轴与z ：；轴相交时，取交点；当z - ，轴与z ： 轴异面时，取两轴线的公垂 线与z ：轴的交点；当磊，轴与历轴平行时，取石轴与z f + ，的公垂线与石轴的交点。 基坐标系即连杆o 坐标系 0 ) 是固定不动的，常作为参考系。而轴取关节1 的轴线， 仉设置有任意性，通常d 口与d j 重合，若仉与d j 不重合，则用一个固定的齐次变换矩阵 将坐标系 1 和 0 ) 联系起来。 对于移动连杆坐标系的建立，因本文没有涉及，不在此赘述。 3 ) 连杆参数 串联关节，每个杆件最多与2 个杆件相连，如4 f 与4 厶，和4 件，相连。从运动学的观 1 5 第2 章挖掘机工作装置运动学数学建模与仿真 点来看，杆件的作用仅在于它能保持其两端关节间的形态不变。这种形态由两个参数决定， 一是杆件的长度m ，一个是杆件的扭转角嘞。杆件的相对位置关系，由另外2 个参数决定， 一个是杆件的距离西，一个是杆件的回转角绣。各参数具体定义如下： 连杆长度：两关节轴线沿公垂线的距离仍。 连杆扭角：垂直于嘶平面内两关节轴线偿o ，刁的夹角国，规定右旋为正。 连杆距离：沿关节f 轴线两个公垂线的距离西。 连杆夹角：垂直于关节f 轴线的平面内两个公垂线的夹角谚，规定右旋为正。 机座、末端杆件因只有一个关节，定义n 尹n 棚；a 严投产o 。 由上可知：杆长口j 及扭角嘞一般均为常数。对于转动关节来说，西为常量，又称其为 。偏距；6 i 为变量，又称其为关节转角。对于移动关节来说，西为变量，又称其为关节变量； 岛为常量，又称其为偏角。因此，一般情况下，仍、瓠西、绣四个参数中，有三个是常 量，一个是变量。 2 2 3 连杆坐标系间的坐标变换矩阵 对全部连杆规定好坐标系后，就能按照下列的步骤建立相邻两连杆乒1 与f 之间的相 对关系( 转动关节) 【4 1 卜【4 3 1 ： ( 1 )连杆扣1 的坐标系绕五l 轴旋转岛角，使墨i 轴转到与同一平面内。 ( 2 )沿z 0 1 轴平移一距离西，把矩l 移到与x 同一直线上。 ( 3 )沿x 轴平移一距离仍，把连杆卢1 的坐标系移动到使其原点与连杆f 坐标系原点 重合的地方。 ( 4 )绕x 旋转鳓角，使磊l 转到与汤同一直线上。 连杆仁l 的坐标系经过上述变换与连杆f 的坐标系重合。那么根据上述变换步骤，从 连杆f 到连杆扣l 的坐标变换矩阵爿f 为 、 4 = r o t ( z ，岛) t m n s ( o ，o ，匆) i 池( x ，劬) 第2 章挖掘机t 作装冒运动学数学建模 孑仿真 c o s 谚一s i n b 00 s i n bc o s 谚 0 0 oo0o 0o o1 c o s 舅 s i l l 只 o 0 一s i n 谚c o s c o s 只c o s s i i l 嘶 0 2 3 挖掘机工作装置运动学 10 0l o o o o 0 q oo 1 历 ol s i n 易s i n 嘭 一c o s 岛s i l l q c o s 嘶 0 10 0 一c o s o s i n 00 qc o s 够 口fs f 鸩 d i 1 o0 一s i i l 0 c o s 0 o1 ( 2 川 运动学问题分为正运动学和逆运动学。其中正运动学是由驱动空间向位姿空间转换， 对于我们的研究对象来说，即已知液压缸驱动变量，_ 如，易，易，纠t ，求铲斗的位姿变量 防，j ，z ，朔t ；逆运动学是由位姿空间向驱动空间转换，对挖掘机工作装置来讲，即已知 铲斗的位置和姿态防，j ，z ，朔t ，求需要给定的液压缸驱动晒，易，6 ，剀t 。由于d h 齐 次变换法中的变量为关节变量砩，所以同时需要知道油缸变量和关节变量之间的相互变换 关系【4 5 1 。 2 3 1 挖掘机工作装置的d h 坐标系 。 为了便于对运动学问题进行分析求解，首先要建立恰当的坐标系。根据2 2 节描述的 d h 坐标系的建立方法，建立挖掘机工作装置的d h 坐标系，如图2 5 所示。 第2 章挖掘机丁作装置运动学数学建模与仿真 图2 - 5 挖掘机工作装置d - h 坐标系示意图 由图2 5 可以看出，挖掘机工作装置的四个运动关节均为旋转关节。除了回转外，其 它各关节的旋转轴线均相互平行。 图中基础坐标系 o ) 的原点选取在第1 关节轴线和回转平面的交点处，而轴取第l 关 节的轴线方向，轴取水平方向，砀轴由右手定则确定。d ，d 2 ，仍分别位于各关节铰 点上，历，历，历分别取其旋转轴的轴线方向，其他坐