CN103061511A - 多自由度臂架的轨迹规划系统、方法及泵车 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多自由度臂架的轨迹规划系统、方法及泵车，以控制臂架关节工作在流量稳定的线性区域内。该系统包括：直观空间轨迹规划模块，根据收到的关节状态参数和末端指令运动速度参数确定末端运动轨迹，通过规划算法将运动轨迹进行离散输出离散型运动轨迹参数；速度转换计算模块，根据所述离散型运动轨迹参数进行反解处理，获得关节运动速度参数；对所述关节运动速度参数进行伸缩调整，得到每个离散点的关节运动速度/时间序列参数，抗流量饱和模块，根据设置的抗流量饱和算法针对关节运动速度参数，进行抗流量饱和计算得到优化后各个关节速度信息；控制模块，根据所述优化后的各个关节速度信息，输出泵车的液压执行机构运动速度/时间。
Description
技术领域
本发明涉及臂架的轨迹规划系统，尤其涉及一种多自由度臂架的轨迹规划系统、方法及泵车。
背景技术
当前应用广泛的多自由度臂架为五节臂泵车，其臂架结构形式通常为一个回转关节和五个臂节串联组成，臂节之间关节轴线平行，泵车臂架的姿态由回转角度以及臂关节角度共同决定；臂架驱动方式通常为回转关节由液压马达与减速机驱动，五节臂关节由液压缸驱动。
现有多自由度臂架的控制系统多为一个操作杆对应一个关节的控制系统，操作者通过遥控器上的多个手柄发送回转和臂节的运动速度信号，专用控制器接受遥控器发送的速度信号将其转变成多路阀的控制电流，以此控制臂架的运动。这种控制系统需要操作员丰富的操作经验，操作员根据经验将臂架末端的运动变换成各个关节的驱动信号，由于人脑的生理特点，操作员同时操作的关节数不超过3个，这种操作方式适合于臂节数较少的泵车臂架。最近，多自由度臂架的控制系统朝一键式控制方向发展，其基本方法是通过遥控器输入臂架末端X,Y,Z三个方向速度，车载控制器根据臂架当前姿态和输入的末端速度实时计算出关节的驱动速度，从而来控制臂架运动。
根据现有泵车臂架设计规范设计的液压系统并不满足多自由度臂架联动的工作要求，主要表现在液压系统提供的总流量不能时刻满足多自由度联动对流量的需求，流量饱和分为泵流量饱和、关节流量饱和两类问题。对于泵流量饱和问题，在泵车臂架的多自由度联动所需的总流量超过泵流量时，现有处理方式是将所有的关节流量等比缩小，这一方法可以使多个关节运动所需的总流量不超过泵提供的流量，但牺牲了末端运动速度和工作效率。对于关节流量饱和问题，多自由度联动中臂架单个关节所需流量超过该关节液压系统能提供的流量时，现有技术是降低这个关节的流量使之不进入流量饱和区，但这会造成关节联动时运动失真，轨迹误差放大。
大型工程机械臂架运动控制中通常存在泵输出流量波动大和关节流量线性区小两个问题。当前的泵车臂架液压系统多采用恒功率泵，臂架工作中经常工作在恒功率段。在恒功率段（泵负载压力在某设定值范围时，典型如（50，350）bar），泵负载压力与其最大输出流量按双曲线变化，因此，当臂架关节负载压力在恒功率范围时，其最大输出流量随负载实时变化，泵输出流量的波动影响关节速度。现有的技术中，用于关节运动控制的速度基准为发动机转速确定的泵最大流量，没有计算在恒功率段负载压力变化对泵最大流量的影响，以致依然存在流量饱和带来的运动失真。
关节流量线性区中关节最小稳定流量决定液压驱动部件的运动精度。当前泵车液压系统多为“多路阀—平衡阀—油缸/马达”模式，这一系统中多个液压部件存在满足微动要求的最小稳定流量，这一最小稳定流量影响臂架运动的轨迹精度，这是臂架运动控制中的最小流量约束问题。
在满足目标轨迹误差、流量约束、功率约束等多个约束条件下，进行运动轨迹规划达到更高的工作效率是当前大型多自由度臂架控制的难点。
发明内容
本发明提供一种多自由度臂架的轨迹规划系统、方法及泵车，用以提高轨迹规划的效率，并能控制臂架关节工作在流量稳定的线性区域内。
本发明实施例提供的一种多自由度臂架的轨迹规划系统，该系统包括：
直观空间轨迹规划模块，用于根据接收到的关节状态参数和末端指令运动速度参数确定末端运动轨迹，并通过设置的规划算法将末端运动轨迹进行离散，输出离散型运动轨迹参数，所述离散型运动轨迹参数为臂架从起始点至终点之间一系列离散点的位置信息和到达每个离散点所需时间；
速度转换计算模块，用于根据所述离散型运动轨迹参数进行反解处理，获得关节运动速度参数；并对所述关节运动速度参数进行伸缩调整，得到调整后的每个离散点的关节运动速度/时间序列参数，所述关节运动速度/时间序列参数包括在每个离散点以相应关节运动速度运动的时间长度信息；
抗流量饱和模块，用于根据设置的抗流量饱和算法针对所述关节运动速度/时间序列参数，进行抗流量饱和计算得到优化后的各个关节速度信息；
控制模块，用于根据所述优化后的各个关节速度信息，输出泵车的液压执行机构运动速度/时间。
该系统还可以进一步包括：
动静力计算模块，用于根据所述关节状态参数和所述关节运动速度/时间序列参数计算臂架的负载力/力矩，根据臂架结构的几何关系以及所述臂架的负载力/力矩、臂架当前状态以及臂架的当前运动参数，得到各执行机构的负载信息；
功率约束优化模块，用于根据所述关节状态参数、所述关节运动速度/时间序列参数、各执行机构的负载信息以及获得的液压系统的功率，计算获得泵的最大输出流量；
且，所述抗流量饱和模块，包括：
全局抗流量饱和模块，用于利用设置的全局抗流量饱和算法，根据所述关节运动速度/时间序列参数实时计算得到每个关节的全局抗饱和流量，其中，所述全局抗流量饱和算法是以关节运动所需总流量与所述泵的最大输出流量之比为关节运动速度优化条件，如果所述关节运动所需总流量与所述泵的最大输出流量之比不小于1，则根据所述关节运动所需总流量与所述泵的最大输出流量的比值调整各个关节运动所需流量，限定所有关节运动所需总流量不超过所述泵的最大输出流量，调整后的各个关节运动所需流量称为对应关节的全局抗饱和流量，所述关节运动所需总流量是各个关节运动所需流量之和，所述各个关节运动所需流量是根据所述关节运动速度/时间序列参数计算得出；
局部抗流量饱和模块，用于根据设置的局部抗流量饱和算法，对单个关节运动所需流量进行优化，其中，所述局部抗流量饱和算法是指以计算出的单个关节运动所需流量和单个关节运动的名义流量之比作为关节运动速度的优化条件，如果计算出的单个关节运动所需流量和单个关节运动的名义流量之比不小于1，则根据所述单个关节运动所需流量和所述单个关节运动的名义流量的比值调整各关节运动所需流量，限定关节联动过程中单个关节运动所需流量不超过单个关节的名义流量。
所述速度转换计算模块可以包括运动学反解模块和速度优化模块，其中，
运动学反解模块，用于根据所述离散型运动轨迹参数进行反解处理，获得所述关节运动速度参数；
所述速度优化模块，用于对所述关节运动速度参数进行伸缩调整，得到调整后的每个离散点的所述关节运动速度/时间序列参数，所述关节运动速度/时间序列参数包括每个离散点以相应关节运动速度运动的时间长度信息。
所述规划算法采用运动轨迹的插值算法。
所述运动轨迹的插值算法为余弦三角函数。
所述末端运动轨迹的离散点呈稀疏状。
在所述末端运动轨迹的离散点中，两端侧与中间段的离散点相比分布密；或两端侧与中间段的离散点相比分布稀，且所述末端运动轨迹的离散点的稀疏状态根据不同形状的目标轨迹可变。
该系统还可以进一步包括：
通信模块，用于接收外部控制终端和传感器发出的所述关节状态参数和所述末端指令运动速度参数，并将所述关节状态参数和所述末端指令运动速度参数传输给所述直观空间轨迹规划模块；将所述泵车的液压执行机构运动速度/时间输出给泵车的液压执行机构。
本发明实施例还提供了一种具有多自由度臂架的泵车，包括上述任意所述的轨迹规划系统。
本实施例提供了一种针对多自由度臂架泵车的轨迹规划方法，包括：
根据获得的关节状态参数和末端指令运动速度参数确定末端运动轨迹，并通过设置的规划算法将运动轨迹进行离散，输出离散型运动轨迹参数，所述离散型运动轨迹参数为臂架从起始点至终点之间一系列离散点的位置信息和到达每个离散点所需时间；
根据所述离散型运动轨迹参数进行反解处理，获得关节运动速度参数；并对所述关节运动速度参数进行伸缩调整，得到调整后的每个离散点的关节运动速度/时间序列参数，所述关节运动速度/时间序列参数包括每个离散点以相应关节运动速度运动的时间长度信息；
根据设置的抗流量饱和算法针对所述关节运动速度/时间序列参数，进行抗流量饱和计算得到优化后的各个关节速度信息；
根据所述优化后的各个关节速度信息，输出泵车的液压执行机构运动速度/时间。
该方法进一步包括：
根据所述关节状态参数和所述关节运动速度/时间序列参数计算臂架的负载力/力矩，根据臂架结构的几何关系、所述臂架的负载力/力矩、臂架当前状态以及臂架的当前运动参数，得到各执行机构的负载信息；
根据所述关节状态参数、所述关节运动速度/时间序列参数、所述各执行机构的负载信息以及获得的液压系统的功率，计算获得泵的最大输出流量；
则所述进行抗流量饱和计算得到优化后的各个关节速度信息，包括：
利用设置的全局抗流量饱和算法，根据所述关节运动速度/时间序列参数实时计算得到每个关节的全局抗饱和流量，其中，所述全局抗流量饱和算法是以关节运动所需总流量与所述泵的最大输出流量之比为关节运动速度优化条件，如果所述关节运动所需总流量与所述泵的最大输出流量之比不小于1，则根据所述关节运动所需总流量与所述泵的最大输出流量的比值调整各个关节运动所需流量，限定所有关节运动所需总流量不超过所述泵的最大输出流量，调整后的各个关节运动所需流量称为对应关节的全局抗饱和流量，所述关节运动所需总流量是各个关节运动所需流量之和，各个关节运动所需流量是根据所述关节运动速度/时间序列参数计算得出；
根据设置的局部抗流量饱和算法，对单个关节运动所需流量进行优化，其中，所述局部抗流量饱和算法是指以计算出的单个关节运动所需流量和单个关节运动的名义流量之比作为关节运动速度优化条件，如果计算出的所述单个关节运动所需流量和所述单个关节运动的名义流量之比不小于1，则根据所述单个关节运动所需流量和所术单个关节运动的名义流量的比值调整所述单个关节运动所需流量，限定关节联动过程中单个关节运动所需流量不超过所述单个关节的名义流量。
所述规划算法采用运动轨迹的插值算法。
所述末端运动轨迹的插值算法为余弦三角函数。
所述末端运动轨迹的离散点呈稀疏状。
在所述末端运动轨迹的离散点中，两端侧与中间段的离散点相比分布密；或两端侧与中间段的离散点相比分布稀，且所述末端运动轨迹的离散点的稀疏状态根据不同形状的目标轨迹可变。
本发明提供的轨迹规划系统中，根据获得的臂架各关节的关节状态参数和末端指令运动速度参数确定末端运动轨迹，并通过设置的规划算法将末端运动轨迹进行离散，输出离散型运动轨迹参数，所述离散型运动轨迹参数为从起始点至终点之间一系列离散点的位置信息和到达每个离散点所需时间，根据所述离散型运动轨迹参数进行反解处理，获得关节运动速度参数；并对所述关节运动速度参数进行伸缩调整，得到调整后的每个离散点的关节运动速度参数和时间系列参数，所述时间序列参数包括每个离散点以相应关节运动速度的时间长度信息。由于对联动的多关节流量进行了平滑处理，提高了联动过程中小流量关节的瞬时流量，减小了大流量关节的瞬时流量，控制关节工作在流量稳定的线性区。
附图说明
图1为本发明实施例的多自由度臂架的轨迹规划系统结构图；
图2为本发明的多自由度臂架的轨迹规划系统一具体实施例结构示意图；
图3为本发明实施例的泵车流量控制方法流程示意图。
具体实施方式
参见图1所示，为了实现多自由度泵车臂架的轨迹规划，本发明实施例提供了一种多自由度泵车臂架的轨迹规划系统，该系统包括：直观空间轨迹规划模块11、速度转换计算模块12和抗流量饱和模块13。其中，
直观空间轨迹规划模块11，用于根据获得的臂架各关节的关节状态参数和末端指令运动速度参数确定末端运动轨迹，并通过设置的规划算法将末端运动轨迹进行离散，输出离散型运动轨迹参数，所述离散型运动轨迹参数为臂架从起始点至终点之间一系列离散点的位置信息和到达每个离散点所需时间；所述规划算法采用运动轨迹的插值算法。所述运动轨迹的插值算法为余弦三角函数。
由于离散点的稀疏状态不同，直接对应不同的直观运动与关节运动之间的瞬态传动比，因此，对于不同的机器人结构和不同的目标运动，需设定不同的离散点稀疏状态调节各个离散点间运动时间来保证关节运动速度的均匀性。因此，本发明实施例中末端运动轨迹的离散点可以呈稀疏状。为了保证关节运动速度的均匀性，可以将末端运动轨迹的离散点设置为两端点较密，中间段较稀；或为两端点较稀，中间段较密。这样，在末端运动轨迹的离散点中，两端侧与中间段的离散点相比分布较密；或两端侧与中间段的离散点相比分布较稀。且末端运动轨迹的离散点的稀疏状态根据不同形状的目标轨迹可变。
速度转换计算模块12，用于根据所述离散型运动轨迹参数进行反解处理，获得关节运动速度参数；并对所述关节运动速度参数进行伸缩调整，得到调整后的每个离散点的关节运动速度/时间序列参数，所述关节运动速度/时间序列参数包括每个离散点以相应关节运动速度的时间长度信息。
所述抗流量饱和模块13，用于根据设置的抗流量饱和算法针对所述关节运动速度/时间序列参数，进行抗流量饱和计算得到优化后的各个关节速度信息。
控制模块16，用于根据所述优化后的各个关节速度信息，输出液压执行机构运动速度/时间，执行机构可以为油缸或马达。
另外，参见图2所示，作为一种实施方式，该轨迹规划系统中，还可以进一步包括：动静力计算模块14和功率约束优化模块15。
动静力计算模块14，用于根据所述关节状态参数和所述关节运动速度/时间序列参数计算臂架的负载力/力矩，根据臂架结构的几何关系以及所述臂架的负载力/力矩，得到各执行机构的负载信息；
功率约束优化模块15，用于根据所述关节状态参数、所述关节运动速度/时间序列参数、各执行机构的负载信息以及获得的液压系统的功率，计算获得泵的最大输出流量，其中，液压系统的功率是根据各执行机构的负载信息获得；
具体的，上述速度转换计算模块12可以包括运动学反解模块121和速度优化模块122。运动学反解模块121，用于根据所述离散型运动轨迹参数进行反解处理，获得所述关节运动速度参数。所述速度优化模块122，用于对所述关节运动速度参数进行伸缩调整，得到调整后的每个离散点的所述关节运动速度/时间序列参数，所述关节运动速度/时间序列参数包括每个离散点以相应关节运动速度运动的时间长度信息。
且，所述抗流量饱和模块13可以包括：
全局抗流量饱和模块131，用于利用设置的全局抗流量饱和算法，根据所述关节运动速度/时间序列参数实时计算得到每个关节的全局抗饱和流量，其中，所述全局抗流量饱和算法是以关节运动所需总流量与泵的最大输出流量之比为关节运动速度优化条件，如果关节运动所需总流量与泵的最大输出流量之比不小于1，则根据这个比值调整各关节所需流量，限定所有关节所需总流量不超过泵的最大输出流量，调整后的各个关节运动所需流量称为对应关节的全局抗饱和流量，所述关节运动所需总流量是各个关节运动所需流量之和，各个关节运动所需流量是根据所述关节运动速度/时间序列参数计算得出。比如：关节运动所需总流量与泵的最大输出流量之比为K值，当K值不小于1时，需要调节单个关节所需流量，使K值小于1。
局部抗流量饱和模块132，用于根据设置的局部抗流量饱和算法，对单个关节运动所需流量进行优化，其中，所述局部抗流量饱和算法是指以计算出的单个关节运动所需流量和单个关节运动的名义流量之比作为关节运动速度优化条件，如果计算出的单个关节运动所需流量和单个关节运动的名义流量之比为H值，当H值不小于1时，则根据这个比值调整各个关节运动所需流量，限定关节联动过程中单个关节运动所需流量不超过单个关节的名义流量，使H值小于1。
另外，为了实现有效的传输，本实施例还可以包括通信模块10，用于接收关节状态参数和末端指令运动速度，以及向液压执行机构输出执行机构运动速度/时间。这里，关节状态参数和末端指令运动速度可以是系统控制端发出的控制指令中携带的。
参见图3所示，本发明方法的具体实现过程如下：
步骤301：根据获得的臂架各关节的关节状态参数和末端指令运动速度参数确定末端运动轨迹，并通过设置的规划算法将运动轨迹进行离散，输出离散型运动轨迹参数，所述离散型运动轨迹参数为臂架从起始点至终点之间一系列离散点的位置信息和到达每个位置所需时间。
所述规划算法采用运动轨迹的插值算法，如采用余弦三角函数进行余弦插值，当前位置与目标位置之间插值P点，在进行速度转换之后，得到速度、时间序列：
((V1，1，ts),(V2，1，ts),…,(VJ，1，ts);(V1，2，ts),…，(VJ，2，ts);…;(V1，P，ts),…，(VJ，P，ts)),其中J表示关节（油缸）数，P表示插值点数。
末端运动轨迹的离散点呈稀疏状。末端运动轨迹的离散点可以为两端点较密，中间段较稀；或为两端点较稀，中间段较密，这样，在末端运动轨迹的离散点中，两端侧与中间段的离散点相比可以分布较密；或两端侧与中间段的离散点相比也可以分布较稀。且所述运动轨迹的离散点的稀疏状态根据不同形状的目标轨迹可变。
步骤302：对离散型运动轨迹参数进行反解处理，获得关节运动速度参数；并对所述关节运动速度参数进行伸缩调整，得到调整后的每个离散点的关节运动速度/时间序列参数，所述关节运动速度/时间序列参数包括每个离散点以相应关节运动速度运动的时间长度信息。还可以根据时间系列参数得到运动时间间隔参数。
这里，进行反解处理的步骤可以这样实现：采用流量最小\速度向量的范数最小为准则，将笛卡尔空间的速度转变成关节空间速度，所述笛卡尔空间的速度是指臂架末端X、Y、Z三个方向的速度。
所述对所述关节运动速度参数进行伸缩调整速度可以：根据预先保存的速度/时间调整算法，优选所有关节速度向量的峰值点之差的比值M值，通过M值进行调整所有关节运动速度，所有关节运动时间通过1/M值进行调整，输出调整后的速度和时间。
具体地，对于第i点，计算各关节油缸的最大速度与最小速度之差VAi,定义第i点调节比Ri为VAi除以所有点各关节（油缸）速度的最大值，对Ri分区为（[0，0.1），…[rj，rj+0.1），…,[0.9,1]）；当Ri在区间（rj，rj+0.1）内时，将第i点执行时间调整为ti＝ts/(0.5+(1-rj)/Rj)，将第i点各关节（油缸）执行速度调整为Vk,i＝Vk,i*(0.5+(1-rj)/Rj)，其中k=1，…,J。这样得到新的速度/时间序列：
((V1，1，t1),(V2，1，t1),…,(VJ，1，t1);(V1，2，t2),…，(VJ，2，t2);…;(V1，P，tP),…，(VJ，P，tP))。
速度/时间调整算法亦可以流量来调整，具体地，第i点各关节总流量为Qsi，各点总流量的最大值为Qsmax，定义第i点调节比Ri为Qsi/Qsmax。再采用与前文类似的分区，进行速度/时间调整。
步骤303：根据关节状态参数和关节运动速度/时间序列参数计算臂架的负载力/力矩，根据臂架结构的几何关系、臂架的负载力/力矩、臂架当前状态以及臂架的当前运动参数，计算得到臂架各关节的关节油缸的力Fi。具体地，通过机器人学的计算力矩法累计当前状态下各个关节所受的重力力矩、惯性力、哥氏力计算该状态下关节的驱动力，根据臂架结构的几何关系，进一步求得臂架各关节的关节油缸的力Fi。
步骤304：根据关节状态参数、关节运动速度/时间序列参数、各执行机构的负载信息以及获得的液压系统的功率，计算获得泵的最大输出流量，其中，液压系统的功率是根据各执行机构的负载信息获得。
由于当前的泵车臂架液压系统多采用恒功率泵，在发动机转速确定时，在恒功率段，泵负载压力与其最大输出流量按双曲线工作。当臂架关节负载压力在恒功率范围时，其最大输出流量是实时变化的，因此，为了实现实时流量控制，可以实时计算泵的最大输出流量。具体的，可以使用步骤303中计算负载力/力矩计的算法，算出各油缸的力Fi，进一步可求得负载压力Pi，可得各关节负载的最大压力Pmax，则泵的最大输出流量为Qmax＝W/Pmax。
步骤305：根据设置的抗流量饱和算法针对所述关节运动速度/时间序列参数，进行抗流量饱和计算得到的优化后各个关节速度信息。
臂架系统可能出现两种流量饱和，其一，全局流量饱和，根据各关节速度，及执行机构的几何尺寸，得各关节流量需求为Qi＝kivi，若执行各关节速度所需流量之和∑Qi超出液压系统泵的最大流量Qmax，即出现流量饱和，则流量饱和的第一判据为∑Qi≥Qmax；其二，局部流量饱和，即单个关节的流量需求超出了该关节的比例阀在相应调定压差下的最大流量。
抗流量饱和算法包括全局抗流量饱和算法和局部抗流量饱和算法。
这里，全局抗流量饱和算法是指以关节运动所需总流量与泵的流量之比k值作为关节运动速度优化条件，各个关节运动所需流量通过k值进行调整，限定所有关节所需总流量不超过泵的流量；所述全局抗流量饱和算法用于全局抗饱和流量计算的泵流量是根据臂架姿态、速度、加速度等运动参数实时计算得到。
而所述局部流量抗饱和算法，是指以计算模块得出的单个关节运动流量和单个关节运动的名义流量之比H值作为关节运动速度的优化条件，单个关节所需流量通过H值调整，限定关节联动过程中单个关节运动所需流量不超过单个关节的名义流量。
步骤306：根据优化后的各个关节速度信息，输出液压执行机构运动速度/时间，执行机构为油缸或马达。
本发明提供的基于实时流量控制的多自由度臂架轨迹规划系统,包括总流量的实时计算和所有关节的流量分配两部分，其中总流量实时计算包含当前总流量计算和各轨迹控制点的总流量计算，泵的功率由系统提供，各轨迹点的负载根据运动轨迹由计算力矩法计算；所有关节的流量分配是根据实时计算出的总流量和关节负载、关节驱动能力计算出满足各个关节工作所需的合适流量。该方法中，将运动学反解和流量约束集成在一起，输出的运动控制参数为关节速度和关节运动时间两个向量。
本发明提供的轨迹规划系统中，根据获得的臂架各关节的关节状态参数和末端指令运动速度参数确定末端运动轨迹，并通过设置的规划算法将末端运动轨迹进行离散，输出离散型运动轨迹参数，所述离散型运动轨迹参数为从起始点至终点之间一系列离散点的位置信息和到达每个离散点所需时间，根据所述离散型运动轨迹参数进行反解处理，获得关节运动速度参数；并对所述关节运动速度参数进行伸缩调整，得到调整后的每个离散点的关节运动速度参数和时间系列参数，所述时间序列参数包括每个离散点以相应关节运动速度的时间长度信息。由于对联动的多关节流量进行了平滑处理，提高了联动过程中小流量关节的瞬时流量，减小了大流量关节的瞬时流量，控制关节工作在流量稳定的线性区。
本发明实施例中，根据设置的抗流量饱和算法针对所述关节运动速度参数，进行抗流量饱和计算得到优化后的各个关节速度信息，其中，利用设置的全局抗流量饱和算法，根据臂架姿态、运动参数实时计算得到每个关节的全局抗饱和泵流量，根据实时的每个关节的全局抗饱和泵流量调节联动的多关节流量之和，使得关节运动总流量在轨迹控制的任一瞬时不超过泵提供的最大流量。
本发明实施例中，根据设置的局部抗流量饱和算法，对单个关节运动所需流量进行优化，根据关节驱动能力调节单个关节运动所需流量，使得关节运动所需流量在轨迹控制的任一瞬时不超过为关节运动所能提供的最大流量；
基于实时流量控制的多自由度臂架轨迹规划系统将多自由度臂架联动的液压传动特性封装，操作员无需了解从臂架末端运动到关节驱动之间的运动关系转换和驱动力分配，方便操作员实现末端轨迹控制，并为控制系统提供扩展性。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (15)
1.一种多自由度臂架的轨迹规划系统，其特征在于，该系统包括：
直观空间轨迹规划模块，用于根据接收到的关节状态参数和末端指令运动速度参数确定末端运动轨迹，并通过设置的规划算法将末端运动轨迹进行离散，输出离散型运动轨迹参数，所述离散型运动轨迹参数为臂架从起始点至终点之间一系列离散点的位置信息和到达每个离散点所需时间；
速度转换计算模块，用于根据所述离散型运动轨迹参数进行反解处理，获得关节运动速度参数；并对所述关节运动速度参数进行伸缩调整，得到调整后的每个离散点的关节运动速度/时间序列参数，所述关节运动速度/时间序列参数包括在每个离散点以相应关节运动速度运动的时间长度信息；
抗流量饱和模块，用于根据设置的抗流量饱和算法针对所述关节运动速度/时间序列参数，进行抗流量饱和计算得到优化后的各个关节速度信息；
控制模块，用于根据所述优化后的各个关节速度信息，输出泵车的液压执行机构运动速度/时间。
2.如权利要求1所述的轨迹规划系统，其特征在于，该系统还进一步包括：
动静力计算模块，用于根据所述关节状态参数和所述关节运动速度/时间序列参数计算臂架的负载力/力矩，根据臂架结构的几何关系以及所述臂架的负载力/力矩、臂架当前状态以及臂架的当前运动参数，得到各执行机构的负载信息；
功率约束优化模块，用于根据所述关节状态参数、所述关节运动速度/时间序列参数、各所述执行机构的负载信息以及获得的液压系统的功率，计算获得泵的最大输出流量；
且，所述抗流量饱和模块，包括：
全局抗流量饱和模块，用于利用设置的全局抗流量饱和算法，根据所述关节运动速度/时间序列参数实时计算得到每个关节的全局抗饱和流量，其中，所述全局抗流量饱和算法是以关节运动所需总流量与所述泵的最大输出流量之比为关节运动速度优化条件，如果所述关节运动所需总流量与所述泵的最大输出流量之比不小于1，则根据所述关节运动所需总流量与所述泵的最大输出流量的比值调整各个关节运动所需流量，限定所有关节运动所需总流量不超过所述泵的最大输出流量，调整后的各个关节运动所需流量称为对应关节的全局抗饱和流量，所述关节运动所需总流量是各个关节运动所需流量之和，所述各个关节运动所需流量是根据所述关节运动速度/时间序列参数计算得出；
局部抗流量饱和模块，用于根据设置的局部抗流量饱和算法，对单个关节运动所需流量进行优化，其中，所述局部抗流量饱和算法是指以计算出的单个关节运动所需流量和单个关节运动的名义流量之比作为关节运动速度的优化条件，如果计算出的单个关节运动所需流量和单个关节运动的名义流量之比不小于1，则根据所述单个关节运动所需流量和所述单个关节运动的名义流量的比值调整各关节运动所需流量，限定关节联动过程中单个关节运动所需流量不超过单个关节的名义流量。
3.如权利要求1所述的轨迹规划系统，其特征在于，所述速度转换计算模块包括运动学反解模块和速度优化模块，其中，
运动学反解模块，用于根据所述离散型运动轨迹参数进行反解处理，获得所述关节运动速度参数；
所述速度优化模块，用于对所述关节运动速度参数进行伸缩调整，得到调整后的每个离散点的所述关节运动速度/时间序列参数，所述关节运动速度/时间序列参数包括每个离散点以相应关节运动速度运动的时间长度信息。
4.如权利要求1所述的轨迹规划系统，其特征在于，所述规划算法采用运动轨迹的插值算法。
5.如权利要求4所述的轨迹规划系统，其特征在于，所述运动轨迹的插值算法为余弦三角函数。
6.如权利要求1所述的轨迹规划系统，其特征在于，所述末端运动轨迹的离散点呈稀疏状。
7.如权利要求1所述的轨迹规划系统，其特征在于，在所述末端运动轨迹的离散点中，两端侧与中间段的离散点相比分布密；或两端侧与中间段的离散点相比分布稀，且所述末端运动轨迹的离散点的稀疏状态根据不同形状的目标轨迹可变。
8.如权利要求1所述的轨迹规划系统，其特征在于，该系统还进一步包括：
通信模块，用于接收外部控制终端和传感器发出的所述关节状态参数和所述末端指令运动速度参数，并将所述关节状态参数和所述末端指令运动速度参数传输给所述直观空间轨迹规划模块；将所述泵车的液压执行机构运动速度/时间输出给泵车的液压执行机构。
9.一种具有多自由度臂架的泵车，其特征在于，包括权利要求1~8中任意一项所述的轨迹规划系统。
10.一种针对多自由度臂架泵车的轨迹规划方法，其特征在于，该方法包括：
根据获得的关节状态参数和末端指令运动速度参数确定末端运动轨迹，并通过设置的规划算法将末端运动轨迹进行离散，输出离散型运动轨迹参数，所述离散型运动轨迹参数为臂架从起始点至终点之间一系列离散点的位置信息和到达每个离散点所需时间；
根据所述离散型运动轨迹参数进行反解处理，获得关节运动速度参数；并对所述关节运动速度参数进行伸缩调整，得到调整后的每个离散点的关节运动速度/时间序列参数，所述关节运动速度/时间序列参数包括每个离散点以相应关节运动速度运动的时间长度信息；
根据设置的抗流量饱和算法针对所述关节运动速度/时间序列参数，进行抗流量饱和计算得到优化后的各个关节速度信息；
根据所述优化后的各个关节速度信息，输出泵车的液压执行机构运动速度/时间。
11.如权利要求10所述的轨迹规划方法，其特征在于，该方法进一步包括：
根据所述关节状态参数和所述关节运动速度/时间序列参数计算臂架的负载力/力矩，根据臂架结构的几何关系、所述臂架的负载力/力矩、臂架当前状态以及臂架的当前运动参数，得到各执行机构的负载信息；
根据所述关节状态参数、所述关节运动速度/时间序列参数、所述各执行机构的负载信息以及获得的液压系统的功率，计算获得泵的最大输出流量；
则所述进行抗流量饱和计算得到优化后的各个关节速度信息，包括：
利用设置的全局抗流量饱和算法，根据所述关节运动速度/时间序列参数实时计算得到每个关节的全局抗饱和流量，其中，所述全局抗流量饱和算法是以关节运动所需总流量与所述泵的最大输出流量之比为关节运动速度优化条件，如果所述关节运动所需总流量与所述泵的最大输出流量之比不小于1，则根据所述关节运动所需总流量与所述泵的最大输出流量的比值调整各个关节运动所需流量，限定所有关节运动所需总流量不超过所述泵的最大输出流量，调整后的各个关节运动所需流量称为对应关节的全局抗饱和流量，所述关节运动所需总流量是各个关节运动所需流量之和，各个关节运动所需流量是根据所述关节运动速度/时间序列参数计算得出；
根据设置的局部抗流量饱和算法，对单个关节运动所需流量进行优化，其中，所述局部抗流量饱和算法是指以计算出的单个关节运动所需流量和单个关节运动的名义流量之比作为关节运动速度优化条件，如果计算出的所述单个关节运动所需流量和所述单个关节运动的名义流量之比不小于1，则根据所述单个关节运动所需流量和所述单个关节运动的名义流量的比值调整所述单个关节运动所需流量，限定关节联动过程中单个关节运动所需流量不超过所述单个关节运动的名义流量。
12.如权利要求10所述的轨迹规划方法，其特征在于，所述规划算法采用运动轨迹的插值算法。
13.如权利要求12所述的轨迹规划方法，其特征在于，所述末端运动轨迹的插值算法为余弦三角函数。
14.如权利要求10所述的轨迹规划方法，其特征在于，所述末端运动轨迹的离散点呈稀疏状。
15.如权利要求10所述的轨迹规划方法，其特征在于，在所述末端运动轨迹的离散点中，两端侧与中间段的离散点相比分布密；或两端侧与中间段的离散点相比分布稀，且所述末端运动轨迹的离散点的稀疏状态根据不同形状的目标轨迹可变。
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