CN103176409B

CN103176409B - 一种快速准确实现混凝土泵车臂架运动轨迹的方法

Info

Publication number: CN103176409B
Application number: CN201310129075.5A
Authority: CN
Inventors: 高英杰; 刘荣升; 刘凯磊; 宁博
Original assignee: Xuzhou Yanda Transmission & Control Technology Co Ltd
Current assignee: Xuzhou Yanda Transmission & Control Technology Co Ltd
Priority date: 2013-04-15
Filing date: 2013-04-15
Publication date: 2015-07-01
Anticipated expiration: 2033-04-15
Also published as: CN103176409A

Abstract

本发明公开了一种快速准确实现混凝土泵车臂架运动轨迹的方法。该发明对混凝土泵车臂架运动空间的分析，提出混凝土泵车臂架系统运动轨迹的区域规划法，将臂架工作区间进行了合理划分，并选取合适的区域参数，在相邻区域之间设置过渡区，通过对轨迹点的区域搜索，得到了唯一一组混凝土泵车臂架系统的目标关节变量，从而替代了传统的通过计算大量超越方程才能完成的机器人正反解计算。本发明对混凝土泵车臂架系统运动轨迹进行规划，大大降低了混凝土泵车臂架系统关节变量的求解难度，是一种快速、精确的反解算法，具有自动化程度高和实时性高的特点。

Description

一种快速准确实现混凝土泵车臂架运动轨迹的方法

技术领域

本发明涉及一种在混凝土泵车臂架智能控制的过程中，能够快速准确的实现臂架运动轨迹的方法。

背景技术

目前，智能化自动浇筑作业已成为混凝土泵车臂架智能控制领域的发展趋势。在混凝土泵车臂架智能控制的过程中,臂架运动轨迹的合理规划是实现智能控制的前提。混凝土泵车整个臂架系统由安装在底盘上的液压马达带动回转支撑驱动，各臂架的运动靠臂架间的液压油缸带动连杆机构驱动，从而实现臂架姿态的各种变化，完成混凝土浇筑。

混凝土泵车臂架控制系统根据分布在各臂架的传感器测量得到各臂相对角度来调节液压油缸的位移量，驱动各臂运动，进而控制臂架末端行走目标轨迹。臂架末端运动轨迹的合理规划是实现臂架智能化控制的条件之一，由于泵车臂架系统是一组空间多自由度开环串联机构，对臂架末端运动轨迹规划时，需要对泵车臂架系统进行运动学正解和逆解分析，然而，对于多自由度串联机构而言，运动学正解较为容易，逆解一直是机器人领域研究的难点，目前多采用反变换法、几何法、最小关节范数法等，这些方法大都需要求解大量的非线性超越方程，因而求解速度缓慢，同时存在多组逆解，需要搜索最优解，整个求解过程计算量大，耗时长，从而导致臂架末端运动轨迹规划过程复杂，计算繁琐，实时性差。由于工程机械通用控制器计算速度的限制，目前的运动轨迹规划方法实现起来困难。

发明内容

为了克服现有技术存在的上述不足，本发明提供一种快速准确实现混凝土泵车臂架运动轨迹的方法，该方法在工程机械通用控制器上容易实现，并具有计算速度快、结果准确和实时性高等优点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种快速准确实现混凝土泵车臂架运动轨迹的方法，其具体步骤如下：

步骤1：

根据混凝土泵车臂架结构参数，利用D-H法建立混凝土泵车臂架机构关节坐标系，确定各臂架关节变量，计算出臂架浇筑末端在基坐标系中的位置。基坐标系是指建立在车体上的坐标系，各臂架关节变量是指各臂架相对回转角。

步骤2：

在基坐标系中确定预定浇筑轨迹，将预定浇筑轨迹进行离散。预定浇筑轨迹是指臂架浇筑末端的运动轨迹，它是臂架工作空间内的任意直线，利用“插补算法”将预定轨迹离散，获得臂架浇筑末端在基坐标系中全部离散点的坐标。插补算法是以插补直线长度L、插补步长?L、插补总步数N为依据进行的。臂架末端各离散点的坐标可按下式计算：

式中：

i为插补次数，在0到N之间变化；

x _i、y _i、z _i为臂架末端第i个离散点的坐标值。

步骤3：

确定臂架浇筑末端当前点在预定轨迹中的位置，计算出下一个目标离散点坐标。

步骤4：

根据“区域查询”方法，求解出下一个目标离散点所对应的各臂架的关节变量。区域查询方法是指在臂架系统运动学逆解计算的过程中，根据臂架的工作空间、末端位姿、浇筑速度等提出的一种分区域确定某几个臂架位姿，求解剩余臂架位姿的方法。运动学逆解是由臂架末端位姿求解各臂架关节变量的过程，臂架末端的空间位置有三个已知坐标X、Y、Z，由“一一对应”的解方程思想，求解多节臂混凝土泵车臂架系统中的三个变量，人为约束其余变量，则可获得准确、唯一解。根据以上原则，首先，将臂架的回转角约束，则臂架的工作空间由三维转换为二维。其次，约束除后两节臂外的各臂的转角，则可知臂架末端的工作区域。最后，将臂架末端的二维工作区域划分为多个规则的矩形区域，依据实际浇筑过程中的臂架姿态，确定每个矩形区域内约束的臂架转角，为了被约束臂架的转角变化的连续性，在矩形区域间设置过渡区，在过渡区域内前几个臂的相对转角通过插值算法求得，后两节臂的相对转角的解法与前述相同。

步骤5：

判断臂架浇筑末端所处区域，是否为过渡区。若是过渡区，则插值计算前几个臂的关节变量，反解剩余关节变量。若是非过渡区，则查询对应区域内的关节变量，反解剩余关节变量。

步骤6：

通过闭环实时控制模块调节各臂液压油缸，驱动臂架达到目标关节变量，判断达到下一个目标离散点，则返回步骤3，继续计算并执行下一个离散点。

步骤7：

判断是否达到终点，若达到终点，则停止。

通过以上方法，可实现臂架运动轨迹的自动浇筑。

本发明的实施对象至少应具备一台多节臂混凝土泵车、工程机械通用控制器、以及安装在泵车臂架上的编码器和角度传感器。编码器、角度传感器与控制器相连，控制器接收测量信号。控制器与混凝土泵车上的多路阀相连，控制器输出电流信号控制多路阀，驱动臂架上的液压油缸和马达，从而调节臂架动作。

本发明的有益效果是：该发明计算过程简单，耗时短，不需要多次循环迭代。适用于混凝土泵车臂架任意运动轨迹，有利于混凝土泵车的智能控制。并且具有算法快速、准确、实时性好和适用于通用控制器等优点。

下面结合附图并以某五节臂混凝土泵车为例，对本发明进行更详细的说明。

附图说明

图1是五节臂混凝土泵车臂架机构关节坐标系结构坐标图；

图2是五节臂混凝土泵车臂架机构关节坐标系结构简化图；

图3是五节臂混凝土泵车臂架末端空间半球型工作空间；

图4是五节臂混凝土泵车第四、五臂运动时臂架末端P点的工作空间；

图5是五节臂混凝土泵车臂架末端区域划分图；

图6是五节臂混凝土泵车自动浇筑实时控制流程图。

具体实施方式

实施例：

本发明公开一种快速准确实现五节臂混凝土泵车臂架运动轨迹的方法，其具体步骤如下：

步骤1：

建立臂架系统坐标系模型。根据五节臂混凝土泵车臂架系统结构模型，建立混凝土泵车臂架机构关节坐标系，如图1所示，共建立七个关节坐标系，臂架浇筑末端用P点标记，其坐标为（x₇，y₇，z₇）。测量臂架结构尺寸，得到D-H矩阵的连杆参数，如表1所示。

步骤2：

求解臂架浇筑末端P的坐标。对臂架坐标系及连杆参数进行分析，可知臂架浇筑末端P点的坐标是关于六个关节变量及连杆参数的函数，运用D-H法计算可得P点的坐标：

（1）

上式中，，，，，，依此类推。

表1混凝土泵车臂架系统的连杆参数

	/mm	/°	/mm	关节变量/°
					0	0	0	0
1	0	0	0
					2	400	90	0
3	10617	0	0
					4	8759	0	0
5	8515	0	-600
					6	9865	0	0
7	9909	0	-457.5

表1中，表示从Z _i到Z _i+1沿X _i测量的距离；表示表示从Z _i到Z _i+1绕X _i旋转的角度；表示从X _i-1到X _i沿Z _i测量的距离；表示X _i-1到X _i绕Z _i旋转的角度。

步骤3：

对关节变量进行求解。控制臂架浇筑末端的运动轨迹，必须求解出全部关节变量，从而才能驱动各臂架，实现自动浇筑。分析可知，回转角是P点的坐标x₇和y₇的函数，由（1）式可得：

（2）

回转角求出后，臂架浇筑末端P点的工作空间由三维转换为二维。在二维空间里，仅有两个已知量P点坐标（x₇，z₇），却有五个未知量，因而利用“区域规划”原则，求解剩余五个关节变量。

步骤4：

利用“区域查询”方法，将混凝土泵车臂架的二维工作空间进行区域划分。依据所选混凝土泵车臂架臂长及工作空间，将二维工作空间在x₀和z₀方向进行划分，划分成正方形区域，区域边长为5m。预先将一、二、三臂的关节变量赋值，可计算出四、五臂运动的臂架末端P点的工作空间，如图3所示。依此方法，改变关节变量的值，使得P点的工作空间完全覆盖每个区域，在每个区域内记录下关节变量的值，直到覆盖绝大部分区域为止。整理区域内相关参数，并在区域间设置1m的过渡区域，整个二维工作空间划分为42个区域，如图4所示。

步骤5：

求解关节变量。由臂架末端P点的坐标，可判断P点所处的区域，查询区域可求得一、二、三臂的关节变量，若处于过渡区域内，通过插值离散可求出关节变量。利用下式可求出四、五臂的关节变量和：

（3）

上式中，、、和为简化公式所定义的参数，其他参数定义与（2）式相同。

由臂架末端P点的坐标（x₇，y₇，z₇）反解求出回转、一、二、三、四、五臂的关节变量是实现智能化自动浇筑轨迹控制的基础。

步骤6：

在基坐标系中确定预定浇筑轨迹，将预定浇筑轨迹进行离散，确定每个离散点P点坐标。

步骤7：

将各臂调整到初始离散点对应的关节变量，使得臂架浇筑末端处于初始位置。

步骤8：

判断下一个离散点P点所处区域，若是过渡区，采用过渡区算法求解关节变量，若是非过渡区，采用非过渡区算法求解。

步骤9：

通过闭环实时驱动控制模块调节各臂达到下一个离散点对应的各臂关节变量，由传感器检测各臂是否到达位置，若同时达到指定位置，则将此离散点作为当前点，执行下一个离散点。

步骤10：

判断是否达到终点，若达到终点，则停止。

本发明的预定轨迹的离散、位置反解的计算、闭环实时控制均在控制器中完成，控制器发出电流信号控制多路阀的流量，调节各臂架的液压油缸的速度，使得各臂协调动作，实时检测各臂角度作为反馈量，反馈调节多路阀的流量，驱动各臂达到目标角度，从而完成预定浇筑轨迹。

Claims

1.一种快速准确实现混凝土泵车臂架运动轨迹的方法，其特征是：所述方法包括以下步骤：

步骤1：

根据混凝土泵车臂架结构参数，利用D-H法建立混凝土泵车臂架机构关节坐标系，确定各臂架关节变量，计算出臂架浇筑末端在基坐标系中的位置；

步骤2：

在基坐标系中确定预定浇筑轨迹，将预定浇筑轨迹进行离散；利用“插补算法”将预定轨迹离散，获得臂架浇筑末端在基坐标系中全部离散点的坐标；插补算法是以插补直线长度L、插补步长ΔL、插补总步数N为依据进行的，臂架末端各离散点的坐标可按下式计算：

x_{i} = x_{1} + i \times \frac{(x_{1} - x_{0})}{N}, y_{i} = y_{i} + i \times \frac{(y_{1} - y_{0})}{N}, z_{i} = z_{1} + i \times \frac{(z_{1} - z_{0})}{N}

式中：

i为离散点的序号，在0到N之间变化；

x₀、y₀、z₀为臂架末端在初始点的坐标值；

x_i、y_i、z_i为臂架末端第i个离散点的坐标值；

x₁、y₁、z₁为臂架末端在终止点的坐标值；

步骤3：

确定臂架浇筑末端当前点在预定轨迹中的位置，计算出下一个目标离散点坐标；

步骤4：

根据“区域查询”方法，求解出下一个目标离散点所对应的各臂架的关节变量：

1)将臂架的回转角约束，则臂架的工作空间由三维转换为二维；

2)约束除后两节臂外的各臂的转角，则可知臂架末端的工作区域；

3)将臂架末端的二维工作区域划分为多个规则的矩形区域，依据实际浇筑过程中的臂架姿态，确定每个矩形区域内约束的臂架转角，为了被约束臂架的转角变化的连续性，在矩形区域间设置过渡区，在过渡区域内前几个臂的相对转角通过插值算法求得，后两节臂的相对转角的解法是反解混凝土泵车臂架机构关节坐标系方程，此坐标系与步骤1所建立的混凝土泵车臂架机构关节坐标系相同，因此，根据臂架末端的坐标和已经求得的前几个臂的相对转角，可以反解求出后两个臂的相对转角；

步骤5：

判断臂架浇筑末端所处区域，是否为过渡区，若是过渡区，则插值计算前几个臂的关节变量，反解剩余关节变量；若是非过渡区，则查询对应区域内的关节变量，反解剩余关节变量；

步骤6：

通过闭环实时控制模块调节各臂液压油缸，驱动臂架达到目标关节变量，判断达到下一个目标离散点，则返回步骤(3)，继续计算并执行下一个离散点；

步骤7：

判断是否达到终点，若达到终点，则停止。