机器人技术在工程机械行业中的应用及关键技术的探讨百度概要

1、州一#十一、”口”v,1w+徽。o-一m。 t1|_j . 。 一 一-/一“L 删确她 。 工程机械 第39卷28年8月:扬州大学机械工程学院 管荣根傅伟 顾玲摘要:成功应用机器人技术是提升工程机械和装备科技含量的重要途径。基于工程施工领域的特殊性和推行 现代化施工设备的必要性,介绍机器人在隧道施工、井巷开拓和港口码头等工程机械领域中的应用特点,并就机器人 并联机构的各种基本构型、精度及动态测量、机器人工作空间以及控制系统和控制策略等工程机械中机器人发展的 关键技术进行分析和探讨。指出这一领域的发展方向、目前的进展、取得的成果和存在的问题,为工程界对该课题的 研究提供了有价值的参考意见。关键

2、词:机器人工程机械关键技术从事隧道施工、井巷开拓与采掘、港口码头搬运等作业的工程机械,往往伴随着粉尘、潮湿、振动、噪声,甚至辐射等严重的环境污染问题。而且,这些施工作业不仅劳动强度大,有时还会使操作人员遭遇塌方、透水等危险。在关注和重视工程施工工艺改进、优化的同时,迫切需要开发研制出现代化的工程机械和设备,以替代传统装备,改善操作人员的工作条件。在工程机械中应用机器人技术无疑是这一领域的发展方向。事实上,国内、外工程技术界,一直在致力于这方面的研究和探索,并取得了一定的成果,已逐步应用、推广到工程实践中。以我国为例,中南大学何清华教授率领的科研团队,在上世纪80年代就开始了对凿岩机器人的研究,

3、于2000年成功开发出具有国际先进水平的我国第一台隧道凿岩机器人(见图1。所谓隧道凿岩机器人,其整个施工作业过程,是通过计算机系统自动定位、定向,由计算机实现凿岩过程各输出参数的最优匹配。使凿岩推进速度和效率达到最优,也使钻头、钻杆和钻车的能量消耗与机械损耗大大降低。使用这种机器人凿岩作业,对操作人员的熟练程度要求不高,可以自动、一38一 圈1隧道凿岩机器人精确控制现场的炮孔分布、孔序及炮孔深度、角度和 位置;能解决多机器人、多任务的动态分配问题;并 保证精确的隧道断面和轮廓,减少由于“超挖”、“欠 挖”所造成的经济损失。与人工凿岩机相比,既提高 了施工质量和经济效益,又减少了对围岩的破坏,有

4、 利于施工作业安全性,极大地改善了作业环境。图2所示即为受计算机控制的凿岩机器人的系统组成及 工作原理图。针对煤矿生产安全事故频发的现状,太原理工 大学的卫进、毛昌明等,提出用6一SPS并联机构液 压支架的简易机器人,淘汰因不能承受侧向力而会 发生倒架和支架机构损坏且存在原理性缺陷的四连 杆液压支架的设想。将6一SPs并联机构中的动平台 扩展为液压支架的顶梁,固定平台则是液压支架的 底座,通过链和立柱将两平台相连,构成简易的并联 机构液压支架机器人,如图3所示。如果在试验模型 已完成试验的现有基础上,再经样机试制和工业性 试验获得成功,则可大面积地更换原有的旧装备,确 保采煤综合机械化、自动化

5、目标的实现。河南科技大学的张海潮等,从降低操作者的劳 动强度,提高作业性能和作业可靠性出发,探讨了一 种有3条“腿”并通过其两端铰链(关节,将动、静平 台相连组成称之为3一RRRT的另一类并联机构机 器人(见图4,以供港口码头、矿山开采和机械加 工、装配等高速搬运设备的使用。显然,这些机器人或机器人化的工程机械,如果 都能够成功开发并投入使用,必将加速我国工程机 械的更新换代,大大提升我国工程机械装备业的科第39卷28年8月。 。工程机械打印机控制系统电控系统办公室计算机系统 数据存储卡图2隧道凿岩机器人的系统组成及工作原理1.顶梁2.虎克铰3.立柱(液压缸4.球铰 5.底座图36-SPs并联

6、机构液压支架机器人技含量和科技水平,也必将促进和推动我国国民经 济基础工业和基本建设的快速发展。l工程机械机器人的特点工业机器人在上世纪60年代迅速发展起来,综 合了机、电、液、微机处理、自动控制、人工智能和仿 生等学科的最新成果。机器人技术最先取得成果和 进展是在制造业,比如已经广泛使用的有焊接机器 人、装配机器人和金属切削机器人并联机床等。 因为制造业环境一般认为是相对静止、基本不变、可 控和可预测的,即所谓结构化环境,因而,这些机器 人通常可以在编制好的程序下作业和运行,完成顺图43-砌U盯并联机器人模型序性、重复性的工作,并无智能化要求。可是在非制 造业,特别是在工程施工中,其环境条件

7、却完全不 同,工作状况和工作条件不仅复杂、多变,有时甚至 非常恶劣,常常是突发性、不可预测,即所谓的非结 构化环境,如在钻凿炮孔过程中,随时可能遭遇围岩 地质、地压突变,以至发生“卡钎”等;铲装时铲齿插 入非起爆的矿石裂缝,则会使载荷陡增而发生“失 速”或“熄火”等。所以,工程机械机器人的工作状态、 工作环境和所要求工作性能的复杂性,是制造业机 器人远不能相比的。工程机械机器人除了外形千姿 百态、功能迥异外,最为重要的是要能适应环境、条 件的变化,并对这种变化自动、及时地作出响应,应 该具有判断、决策和执行的能力,也就是说,工程机 械机器人应当具有智能化。 一39:。酃俄=Il曼死叫”。-一一

8、,+j一。“_:、二!工程机械,。+“_:?一_.j:。第39卷28年8月j2工程机械机器人的关键技术2.1适用于工程机械的并联机构及各种基本构型 以并联机构为基础构型的机器人,具有结构简 单、刚度大、动态性能好,以及并联机构和模块化可 重构等优点,已经广泛地应用于各种行业和领域。 并联机构最早是由德国学者D.stewan于1965年 提出的一种空间多环机构。1978年,一名叫Hunt的 澳大利亚人将这种机构首次应用到工业机器人。这 种并联机构,一般拥有动、静平台,通过两个或两个 以上的分支运动链相连,组成26个自由度,不同 结构、形式的并联机构。通常,可根据分支链数或 “腿”的多少,确定为多

9、少个自由度的机器人,也可以 按照各分支链的驱动方式,将它们分为“腿滑动” 腿的一端通过滑块(或丝杆螺母副沿固定平台 导轨移动,从而改变平台位姿(位置和姿态;“腿伸 缩”通过各分支链杆长的长度变化,改变动平台 位姿。因而就产生多种结构、形式的并联机构可供 选用。据此,图2即为6自由度并联机构机器人,而 图3则为3自由度并联机构的机器人。显然,可以 通过更换并联机构末端执行器即可演变成具有各种 功能的机器人。因此,我们应当针对具体的工程领 域及施工的功能要求,深入研究、分析各种并联机构 各种基本构型的结构、特性及已有的进展和成果,并 加以结合和运用,实践证明,这是快速研发工程机械 机器人的一条重要

10、途径和手段。不过,在可供工程 机械参考的各种并联机构基本构型研究中,应当首 先深入分析和解决一些关键问题,例如,奇异位形分 析、支链干涉及碰撞检查的实用方法研究、动力学建 模和整机的动态设计等。2.2精度及动态测量作业精度及动态测量,是机器人技术水平的一 项重要指标。并联机器人精度主要体现在末端执行 器的位姿误差。当末端执行器是凿岩机器人的液压 钻臂,钻凿炮孔时,要强调孔序分布和孔径的精度; 当末端执行器是在并联机构液压支架顶梁呈3点接 触顶板,则要求所有立柱供油达最大初撑力等,这些 都是由精度和动态测量来保证。研究表明,工作精 度上的误差主要是由零部件制造、装配,铰链间隙, 伺服控制,载荷及

11、热变形等因素导致的准静态误差, 以及由机器人结构、系统特性和作业中振动所产生 的动态误差这两方面因素引起。经理论分析认为,一40一 当这些误差源不变时,末端执行器的误差,还会因其 所处位姿不同而不同,并且其总误差不是各项误差 源的简单线性叠加,而是有不同程度的重叠或抵消。 为了保证精度、减小误差。一方面采取提高机器 入主要零部件,诸如两端支承(球铰结构与“腿”的 加工、安装精度,减小铰链间隙,推行专业化、规模化 生产等措施;另一方面则要设置精度的测量、反馈和 误差修正系统。通过机器人末端执行器工作过程中 所提取的信息,构造实测信息与模型输出间的泛函 数,并用非线性最小二乘技术识别模型参数,再用

12、识 别结果去修正控制器中的逆解模型参数,以达到误 差的补偿和修正。精度及动态测量,从机器人一面世就为人们所 重视,因为这是关系到机器人能否投入工业应用、推 向市场的关键。国内外学者、专家,在这方面不断进 行研究和探索,研究成果业已表明,不论是采用编码 器还是激光干涉仪,要对并联机构机器人的移动位 移,或其各条杆件(腿的长度作精密测量,都无法解 决由于热膨胀、摩擦和负载等引起的变形所导致的 测量精度问题。籽魄性传感器用于并联机构杆件长 度变化的测量是求解这一问题的一种途径。然而,由 于惯性传感系统的动态测量特性及工作环境的影 响,惯性测量数据中含有偏差误差、未对齐误差和广 域的随机误差,因而也将

13、导致系统测量的不精确。最 新的一项研究进展,是在该测量系统基础上,提出了 惯性误差修正法以抑制误差的漂移,并采用卡尔曼 滤波数据融合和低通滤波的方法来进行误差修正与 消除。通过对300衄全程运动的试验测量和对试 验结果的分析表明,应用新的惯性传感系统可使位 置精度提高大约61%,运动精度提高20%以上。测 量结果还说明,新的惯性动态测量传感系统是一种 改善并联机构机器人动态定位精度的可行方法,并 随着低成本固态加速度计技术的进一步完善,使为 机器人应用的位置与速度动态测量提供更高精度成 为可能。毫无疑问,从控制、传感、检测等方面直接对 动平台或动平台上末端执行器实现全闭环控制,将 是今后解决工

14、程机械中定位、钻凿、抓持等作业精度 和动态测量的有效方法和途径。2.3工作空间机器人的工作空间,是指末端执行器上某一给 定参考点可以到达的点的集合。显然,工作空间是衡 量和评价机器人性能的重要方面,特别对于机动型第39卷28年8月 工程机械的工程机械(如装载机、挖掘机和钻机等来说,这点 尤为重要。研究证实,机器人工作空间与机器人的结 构构型、结构参数。以及关节(球铰变量的允许活动 范围密切相关。对于某一自由度的并联机构机器人, 可根据其中一条“腿”所能达到的最大长度,去计算 出该机构的位置反解,进而求得其边界点。从这一思 路出发,得到特定结构所对应的活动空间轮廓,即可 确定出该机器人的工作空间

15、。当出现并联机器人工 作空间过小而不能满足作业要求时,则需要设计可 调的冗余自由度,以解决这一问题。已有的研究进展表明,要想用解析法去求解工 作空间,仍有很大难度。因为它很大程度上依赖于并 联机构位置解的结果。由cleary、Fichter和Merlet先 后提出,通过给定动平台(或末端执行器位姿,再利 用离散关节空间,由位置正解分析,可逐点求出动平 台位置,进而确定出相应的工作空间。而G0ssel曾 采用圆弧相交产生的包络线,确定出6自由度并联 机构在姿态固定情况下的工作空间。可见,要想准 确、容易地获得任意一种工程机械中机器人的工作 空间,并正确分析工作空间的奇异性等,还有许多难 题需要破

16、解。2.4控制系统和控制策略控制系统好比是机器人的神经中枢,控制系统 的性能在很大程度上决定了机器人的性能,因此其 重要性不言而喻。构成机器人控制系统的主要要素 是控制系统软、硬件,输入、输出,驱动器和传感器 系统。为了解决机器人的高度非线性及强耦合系统 的控制,要运用到最优控制,解耦、自适应控制,以 及变结构滑模控制和神经元网络控制等现代控制 理论。另外,由于工程机械机器人一般是机、电、液 高度集成,是一个复杂的系统和结构,其作业环境 又极为恶劣,控制系统设计必须考虑具有散热、防 尘、防潮、抗干扰、抗振动和抗冲击等性能,才能确 保高可靠性。控制系统设计,既要为机器人末端执行器完成 高精度、高

17、效率的作业实行实时监控,通过所配备的 控制系统软、硬件,将执行器的坐标数据及时转换成 驱动执行器的控制数据,使之具有智能化、自适应系 统变化能力,还要采取有多个控制通路或多种形式 控制方式的策略。必须拥有自动、半自动和手工控制 等控制方式,以应对各种突发情况下,通过人机交互 选择后,仍能完成定位、运移、变位、夹持、送进、退出 与检测等各种施工作业的复杂动作,使机器人始终 能按照人们所期望的目标保持正常运行和作业。实 践表明,研究高精度、高可靠性的控制系统对应用于 工程机械中的机器人,具有十分重要的现实意义。日 本藤田公司研发出一种称之为机器人Q的土方工 程机械,这实际上是可安装在驾驶室座椅上的

18、一种 遥控装置。通过与影像系统匹配使用,可以遥控指 挥,完成危险场地的施工作业。国内吉林大学的巩明 德等人的研究,则是在液压挖掘机上通过力反馈杆, 操作装有视频系统和各种传感器的机器人,控制工 作臂、机械手去完成较为精细的抓取、握持等作业。3结束语尽管机器人技术在工程机械领域某些方面已有 成功应用,也取得某些进展,如隧道凿岩机器人、地 下遥控装载机和智能化挖掘机等,但由于工作环境 和作业工况的特殊性、复杂性,离实际工程中全方 位、大面积的推广使用,尚有相当的距离。在这一过 程中,还有许多工作要做,在一些关键问题和理论方 面还需要深人研究,许多未知领域有待探索,有些难 题有待破解。然而,无论怎样,在我国进行机器人在 工程机械中的运用或工程机械机器人化的课题研 究,无疑是十分重要而又有现实意义的,因为这肯定 是今后工程机械行业和装备的发展方向之一。参考文献【1】何清华.隧道凿岩机器人【q.长沙:中南大学出版社, 2005.【2】卫进,毛昌明,寇子明.基于并联机构的新