挖掘机触觉感知挖掘的研究
|
摘要
液压挖掘机是一种功能典型、工况复杂、用途非常广泛的工程机械。随着计算机技术、电子技术、传感器技术、机电一体化技术的发展,液压挖掘机也正逐渐成为多种高新技术综合集成的载体,向着高效率、高可靠性、安全节能及自动化、智能化的方向发展。智能挖掘机的最终目的是代替传统的挖掘机,以拓展应用领域,适应恶劣的工作环境,提高任务质量,同时降低成本。
本文在传统挖掘机的基础上,增强挖掘机感知能力,提出了发展触觉感知挖掘机,并对整机控制系统架构,功能及挖掘作业的控制进行了尝试性的探索。针对触觉感知挖掘作业需要,确定了挖掘机触觉感知作业的功能要求和总体方案。参阅相关资料建立了挖掘机工作装置的运动学和动力学模型,并讨论了挖掘机触觉增强系统设计及控制算法。基于AMESim和SIMLINK,建立了针对挖掘机系统仿真模型。基于联合仿真模型,研究了触觉增强力、位控制、振动挖掘、阻抗控制及障碍物表面跟踪等典型工况的控制算法。并对仿真结果进行了分析,得出如下的结论:
1,轨迹控制,这样一种刚性控制,显然不能满足实现工作环境的需要。在实际上加入柔性的控制,及力的控制,在调整位置控制的同时,可以避免挖掘过程中的冲击。
2,通过对铲斗挖掘中力与位置的开关切换控制和阻抗控制的结果来看,力与位置的切换控制,因为其控制模式的切换,当从一种控制向另一种控制切换时,会为系统带来冲击,阻抗控制更加适合于在控制过程,分界面发性冲击时的缓冲,实现位置和力控制的统一控制。
3,采用基于力和位置的混合控制,可以完成对障碍物的表面进行跟踪。
4,不同的土质地条件有各自适合的挖掘方式。采用合适的挖掘方法,可以更好发挥出机器的潜能。
为以后的进一步研究做了理论准备和指明了方向。
Hydraulic excavator is a kind of widely used construction equipment with the typical functions and complicated working conditions. With computer technology, electronic technology, sensor technology, mechanical and electrical integration technologies are improved, hydraulic excavator is also becoming the carrier of a variety of high-tech comprehensive integration towards high efficiency, high reliability, security, energy and automation, intelligent Direction. The final purpose of excavator robot is to take place of the traditional hydraulic excavator ,to expand the applied field, to adapt to the badly and dangerous conditions, to improve the construction quality, and to reduce the cost of manpower.
In this paper, based on the traditional excavator to enhance excavator perception, proposed the development of haptical enhanced robot, and probe the ways of the machine control system architecture, function, and manipulator operations. In order to meeting the need of haptic enhanced robotic excavator, I draw up the robotic excavator job requirements and overall program. Refer to the relevant information to establish a robotic excavator kinematics, dynamics of working device model, and discussed the haptic enhanced robotic excavator system design.
Based on AMESim and SIMLINK, established a simulation model for the robotic excavator system. Based on the combined simulation model, studied the control algorithm of force control, position control, vibration excavating control, impedance control , obstacles surface tracking control ,and so on ,typical manipulator operations .The simulation results are analyzed for further study ,pointed out the direction of the further research.
本文在传统挖掘机的基础上,增强挖掘机感知能力,提出了发展触觉感知挖掘机,并对整机控制系统架构,功能及挖掘作业的控制进行了尝试性的探索。针对触觉感知挖掘作业需要,确定了挖掘机触觉感知作业的功能要求和总体方案。参阅相关资料建立了挖掘机工作装置的运动学和动力学模型,并讨论了挖掘机触觉增强系统设计及控制算法。基于AMESim和SIMLINK,建立了针对挖掘机系统仿真模型。基于联合仿真模型,研究了触觉增强力、位控制、振动挖掘、阻抗控制及障碍物表面跟踪等典型工况的控制算法。并对仿真结果进行了分析,得出如下的结论:
1,轨迹控制,这样一种刚性控制,显然不能满足实现工作环境的需要。在实际上加入柔性的控制,及力的控制,在调整位置控制的同时,可以避免挖掘过程中的冲击。
2,通过对铲斗挖掘中力与位置的开关切换控制和阻抗控制的结果来看,力与位置的切换控制,因为其控制模式的切换,当从一种控制向另一种控制切换时,会为系统带来冲击,阻抗控制更加适合于在控制过程,分界面发性冲击时的缓冲,实现位置和力控制的统一控制。
3,采用基于力和位置的混合控制,可以完成对障碍物的表面进行跟踪。
4,不同的土质地条件有各自适合的挖掘方式。采用合适的挖掘方法,可以更好发挥出机器的潜能。
为以后的进一步研究做了理论准备和指明了方向。
Hydraulic excavator is a kind of widely used construction equipment with the typical functions and complicated working conditions. With computer technology, electronic technology, sensor technology, mechanical and electrical integration technologies are improved, hydraulic excavator is also becoming the carrier of a variety of high-tech comprehensive integration towards high efficiency, high reliability, security, energy and automation, intelligent Direction. The final purpose of excavator robot is to take place of the traditional hydraulic excavator ,to expand the applied field, to adapt to the badly and dangerous conditions, to improve the construction quality, and to reduce the cost of manpower.
In this paper, based on the traditional excavator to enhance excavator perception, proposed the development of haptical enhanced robot, and probe the ways of the machine control system architecture, function, and manipulator operations. In order to meeting the need of haptic enhanced robotic excavator, I draw up the robotic excavator job requirements and overall program. Refer to the relevant information to establish a robotic excavator kinematics, dynamics of working device model, and discussed the haptic enhanced robotic excavator system design.
Based on AMESim and SIMLINK, established a simulation model for the robotic excavator system. Based on the combined simulation model, studied the control algorithm of force control, position control, vibration excavating control, impedance control , obstacles surface tracking control ,and so on ,typical manipulator operations .The simulation results are analyzed for further study ,pointed out the direction of the further research.
引文
[1]王占林.近代电气液压伺服控制[M].北京航天航空大学出版社,2005.
[2]郑大钟.线性系统理论[M].清华大学出版社,2008.
[3]刘金琨.先进PID控制MATLAB仿真[M].电子工业出版社,2004.
[4]许益民.电液比例控制系统分析与设计[M].机械工业出版社.2005.
[5]蔡自兴, [美]约翰·德尔金.高级专家系统:原理、设计及应用[M].科学出版社. 2005.
[6]张晓华.控制系统数字仿真与CAD[M].机械工业出版社. 2005.
[7]宋伟刚.机器人学—运动学、动力学与控制[M].科学出版社.2008.
[8] Sanjiv Singh and Howard Cannon. Multi-Resolution planning for earthmoving[C]. Proceedings International Conference on Robltics and Automation.Leuven, Belgium. 1998.
[9] Sung-Keun Kim,Jeffery S.RUSSELL.Framework for an intelligent earthwork system part I[J].System Architecture .Automation in Construction.2003,12:5~7.
[10] Bradley D,Seward D. The development, control and operation of an autononous robotic excavator[J]. Journal of Intelligent and Robotic Systems,1998,21:73-97.
[11] Pyung Hun Chang,Soo-Jin Lee.A straight-line motion tracking control of hydraulic excavator system[J].Mechatronics 12(2002) 119-138.
[12] Hirokazu Araya, Masayuki Kagoshima. Semi-automatic control system for hydraulic shovel[J]. Automation in construction 10(2001) 477-486.
[13] [美]迪安·K·弗雷德里克,乔·H·周.反馈控制问题—使用MATLAB及其控制系统工具箱[M].西安交通大学出版社.2001.
[14] Patrick Sean Rowe. Adaptive Motion Planning for Autonomous Mass Excavation[J]. The Robotics Institute Carnegie Mellon University Pittsburgh, Pennsylvania : 1999.
[15] Kyoungkwan AHN .Development of Force Reflecting Joystick for Hydraulic Excavator[J]. JSME International Journal.2004(47)
[16] Sung-Uk Lee, Pyung Hun Chang. Control of a heavy-duty robotic excavator using time delay control with integral sliding surface[J]. Control Engineering Practice 10 (2002) 697–711.
[17] N. Keith Lay. Incremental Object Recognition Using Range Sensors[J]. The Robotics Institute Carnegie Mellon University.11.1999.
[18] B. Fox, L.S. Jennings, A.Y. Zomaya a. On the modelling of actuator dynamics and the computation of prescribed trajectories[J].Computers and Structures 80 (2002) 605–614.
[19] Murali Krishna.Optimal motion computation for hydraulic robots[J].The Robotics Institute Carnegie Mellon University. 1999.
[20]张大庆.液压挖掘机工作装置运动控制研究.中南大学机电工程学院博士论文.2006, 9.
[21]张利平.液压传动系统及设计[M].化工工业出版社.2005.
[22]李永旭.液压挖掘机工作装置与液压系统设计的研究.同济大学工学博士学位论文.2006, 5.
[23]高峰.液压挖掘机节能控制技术的研究.浙江大学博士学位论文.2001,8.
[24]张强.挖掘机器人规划控制方法与技术的研究.浙江大学硕士论文.2002.
[25]周波,周辉.挖掘机器人工作轨迹跟踪智能控制[J].武汉科技大学学报,2002,25(4).
[26] Paul J.A.Lever,Xiaobo Shi.Experimental Autonomous Excavation using Fuzzy Behavior Control[J].The University of Arizona.1996.
[27]Eugeniusz Budny ,Miroslaw Chlosta, Witold Gutkowski. Load-independent control of a hydraulic excavator[J].Automation in construction.2003(12).
[28]熊有伦,丁汉,刘恩沧.机器人学[M].机械工业出版社.1993.
[29]蔡自兴.机器人学[M].清华大学出版社.2000.
[30] [美]Jim Ledin.嵌入式控制系统及其C/C++实现[M].北京航天航空大学出版社.2007.
[31]王春行.液压控制系统[M].机械工业出版社.2006.
[32]张利平.液压控制系统[M].化学工业出版社.2005.
[33]王正林.MATLAB/Simulink[M].电子工业出版社.2005.
[34]殷跃红等.机器人跟踪未知环境的智能新策略[M].机械工业学报.1999(35):1.
[35]殷跃红等.智能机器系统力觉及力控制技术[M].国防工业出版社.2001.
[36]殷跃红等.机器人力觉及力控制研究综述[J].航空学报. 1999(20):1.
[37]殷跃红等.机器人柔顺控制研究综述[J].机器人. 1998(3).
[38]殷跃红.智能机器人控制研究基础.南京航空航天大学博士学位论文.1997.
[39]殷跃红.基于FNN机器人擦洗玻璃的力/位并环控制研究[J].航空学报. 1997(18):4.
[40]路甬祥等.电液比例控制技术[M].机械工业出版社.1988.
[41]吴根茂等.实用电液比例技术[M].浙江大学出版社.1993.
[42] W.巴克.液压阻力回路系统学[M].机械工业出版社.1980.
[43]钱学森.关于思维科学[M].上海人民出版社.1986.
[44]朱建新,胡火焰,梅勇兵.液压挖掘机铲斗振动掘削功率消耗研究.同济大学学报(自然科学版).2008,36(10).
[45] Muro T,Tran D T. Regression analysis of the characteristics of vibro-cutting blade for tuffaceous rock [ J ] . Journal of Terrame-chanics ,2004, (40):191.
[46] L I Runcheng ,J ING Yuanchang. Development of simulation ex-periment platform on vibratory coal cutting [ J ] . Mining world ,1997 , (4) :15.
[47] ZHAO Weimin ,ZHOU Xianbiao ,LU Nianli . The basic research on vibratory cutting rock and soil [J ] . Const ruction Machinery ,2000 , (6) :56.
[48]梅勇兵.液压挖掘机振动掘削土体参数辨识研究.中南大学硕士学位论文. 2008.
[49]刘强.液压挖掘机器人高性能运动控制.浙江大学博士后学位论文. 2006.
[50]郭鑫.液压挖掘机振动掘削减阻机理分析及参数优选.中南大学硕士学位论文.2006.
[51]容长发,孙光明,吴华.土壤切削力学[J].农业与技术. 1997,97(2):3-7.
[52]朱建新.液压挖掘机振动掘削机理及其过程优化建模与智能控制策略研究.中南大学博士学位论文. 2008.
[53] ]杨成云.液压挖掘机振动掘削机理及其实现.长沙:中南大学.2005.
[54] Seraji H,Colbaugh R. Force tracking in impedance control[J]. Intelligent Journal of Robotics Research,1997,16(1) :97 - 117.
[55]乔兵.智能机器人主动力/位学习控制研究.南京:南京航空航天大学博士学位论文. 1999.
[56]李杰,韦庆,常文森,张彭.基于阻抗控制的自适应力跟踪[M],机器人,第2l卷第1期,1999.
[57]韦庆,常文生,张鹏.基于迭代学习的机械手操作空间力/位混合控制算法[J],自动化学报,第23卷第4期,1997年7月.
[58]李士勇.模糊控制神经控制和智能控制论[M],哈尔滨工业大大学出版社,1996.
[59]周远清,张再兴等.智能机器人系统[M],清华大学出版社,1989.
[60]陈世福,陈兆乾等编.人工智能与知识工程[M],南京大学出版社,1997.
[61]张福学,机器人学一智能机器人传感技术[M],电子工业出版社,1996.
[2]郑大钟.线性系统理论[M].清华大学出版社,2008.
[3]刘金琨.先进PID控制MATLAB仿真[M].电子工业出版社,2004.
[4]许益民.电液比例控制系统分析与设计[M].机械工业出版社.2005.
[5]蔡自兴, [美]约翰·德尔金.高级专家系统:原理、设计及应用[M].科学出版社. 2005.
[6]张晓华.控制系统数字仿真与CAD[M].机械工业出版社. 2005.
[7]宋伟刚.机器人学—运动学、动力学与控制[M].科学出版社.2008.
[8] Sanjiv Singh and Howard Cannon. Multi-Resolution planning for earthmoving[C]. Proceedings International Conference on Robltics and Automation.Leuven, Belgium. 1998.
[9] Sung-Keun Kim,Jeffery S.RUSSELL.Framework for an intelligent earthwork system part I[J].System Architecture .Automation in Construction.2003,12:5~7.
[10] Bradley D,Seward D. The development, control and operation of an autononous robotic excavator[J]. Journal of Intelligent and Robotic Systems,1998,21:73-97.
[11] Pyung Hun Chang,Soo-Jin Lee.A straight-line motion tracking control of hydraulic excavator system[J].Mechatronics 12(2002) 119-138.
[12] Hirokazu Araya, Masayuki Kagoshima. Semi-automatic control system for hydraulic shovel[J]. Automation in construction 10(2001) 477-486.
[13] [美]迪安·K·弗雷德里克,乔·H·周.反馈控制问题—使用MATLAB及其控制系统工具箱[M].西安交通大学出版社.2001.
[14] Patrick Sean Rowe. Adaptive Motion Planning for Autonomous Mass Excavation[J]. The Robotics Institute Carnegie Mellon University Pittsburgh, Pennsylvania : 1999.
[15] Kyoungkwan AHN .Development of Force Reflecting Joystick for Hydraulic Excavator[J]. JSME International Journal.2004(47)
[16] Sung-Uk Lee, Pyung Hun Chang. Control of a heavy-duty robotic excavator using time delay control with integral sliding surface[J]. Control Engineering Practice 10 (2002) 697–711.
[17] N. Keith Lay. Incremental Object Recognition Using Range Sensors[J]. The Robotics Institute Carnegie Mellon University.11.1999.
[18] B. Fox, L.S. Jennings, A.Y. Zomaya a. On the modelling of actuator dynamics and the computation of prescribed trajectories[J].Computers and Structures 80 (2002) 605–614.
[19] Murali Krishna.Optimal motion computation for hydraulic robots[J].The Robotics Institute Carnegie Mellon University. 1999.
[20]张大庆.液压挖掘机工作装置运动控制研究.中南大学机电工程学院博士论文.2006, 9.
[21]张利平.液压传动系统及设计[M].化工工业出版社.2005.
[22]李永旭.液压挖掘机工作装置与液压系统设计的研究.同济大学工学博士学位论文.2006, 5.
[23]高峰.液压挖掘机节能控制技术的研究.浙江大学博士学位论文.2001,8.
[24]张强.挖掘机器人规划控制方法与技术的研究.浙江大学硕士论文.2002.
[25]周波,周辉.挖掘机器人工作轨迹跟踪智能控制[J].武汉科技大学学报,2002,25(4).
[26] Paul J.A.Lever,Xiaobo Shi.Experimental Autonomous Excavation using Fuzzy Behavior Control[J].The University of Arizona.1996.
[27]Eugeniusz Budny ,Miroslaw Chlosta, Witold Gutkowski. Load-independent control of a hydraulic excavator[J].Automation in construction.2003(12).
[28]熊有伦,丁汉,刘恩沧.机器人学[M].机械工业出版社.1993.
[29]蔡自兴.机器人学[M].清华大学出版社.2000.
[30] [美]Jim Ledin.嵌入式控制系统及其C/C++实现[M].北京航天航空大学出版社.2007.
[31]王春行.液压控制系统[M].机械工业出版社.2006.
[32]张利平.液压控制系统[M].化学工业出版社.2005.
[33]王正林.MATLAB/Simulink[M].电子工业出版社.2005.
[34]殷跃红等.机器人跟踪未知环境的智能新策略[M].机械工业学报.1999(35):1.
[35]殷跃红等.智能机器系统力觉及力控制技术[M].国防工业出版社.2001.
[36]殷跃红等.机器人力觉及力控制研究综述[J].航空学报. 1999(20):1.
[37]殷跃红等.机器人柔顺控制研究综述[J].机器人. 1998(3).
[38]殷跃红.智能机器人控制研究基础.南京航空航天大学博士学位论文.1997.
[39]殷跃红.基于FNN机器人擦洗玻璃的力/位并环控制研究[J].航空学报. 1997(18):4.
[40]路甬祥等.电液比例控制技术[M].机械工业出版社.1988.
[41]吴根茂等.实用电液比例技术[M].浙江大学出版社.1993.
[42] W.巴克.液压阻力回路系统学[M].机械工业出版社.1980.
[43]钱学森.关于思维科学[M].上海人民出版社.1986.
[44]朱建新,胡火焰,梅勇兵.液压挖掘机铲斗振动掘削功率消耗研究.同济大学学报(自然科学版).2008,36(10).
[45] Muro T,Tran D T. Regression analysis of the characteristics of vibro-cutting blade for tuffaceous rock [ J ] . Journal of Terrame-chanics ,2004, (40):191.
[46] L I Runcheng ,J ING Yuanchang. Development of simulation ex-periment platform on vibratory coal cutting [ J ] . Mining world ,1997 , (4) :15.
[47] ZHAO Weimin ,ZHOU Xianbiao ,LU Nianli . The basic research on vibratory cutting rock and soil [J ] . Const ruction Machinery ,2000 , (6) :56.
[48]梅勇兵.液压挖掘机振动掘削土体参数辨识研究.中南大学硕士学位论文. 2008.
[49]刘强.液压挖掘机器人高性能运动控制.浙江大学博士后学位论文. 2006.
[50]郭鑫.液压挖掘机振动掘削减阻机理分析及参数优选.中南大学硕士学位论文.2006.
[51]容长发,孙光明,吴华.土壤切削力学[J].农业与技术. 1997,97(2):3-7.
[52]朱建新.液压挖掘机振动掘削机理及其过程优化建模与智能控制策略研究.中南大学博士学位论文. 2008.
[53] ]杨成云.液压挖掘机振动掘削机理及其实现.长沙:中南大学.2005.
[54] Seraji H,Colbaugh R. Force tracking in impedance control[J]. Intelligent Journal of Robotics Research,1997,16(1) :97 - 117.
[55]乔兵.智能机器人主动力/位学习控制研究.南京:南京航空航天大学博士学位论文. 1999.
[56]李杰,韦庆,常文森,张彭.基于阻抗控制的自适应力跟踪[M],机器人,第2l卷第1期,1999.
[57]韦庆,常文生,张鹏.基于迭代学习的机械手操作空间力/位混合控制算法[J],自动化学报,第23卷第4期,1997年7月.
[58]李士勇.模糊控制神经控制和智能控制论[M],哈尔滨工业大大学出版社,1996.
[59]周远清,张再兴等.智能机器人系统[M],清华大学出版社,1989.
[60]陈世福,陈兆乾等编.人工智能与知识工程[M],南京大学出版社,1997.
[61]张福学,机器人学一智能机器人传感技术[M],电子工业出版社,1996.
© 2004-2018 中国地质图书馆版权所有 京ICP备05064691号 京公网安备11010802017129号 地址：北京市海淀区学院路29号 邮编：100083 电话：办公室：(+86 10)66554848；文献借阅、咨询服务、科技查新：66554700 |