CN112343878A - 机械臂直线运动的液压驱动系统及其智能控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机械臂直线运动的液压驱动系统及其智能控制方法，系统包括液压驱动系统和电气控制系统；电气控制系统包括第一A/D模块、第一D/A模块、第一信号调理模块、工控机、显示器、第二A/D模块、第二D/A模块、第二信号调理模块、PLC控制器；液压驱动系统由泵站、第一变幅伺服缸模块、第二变幅伺服缸模块、伸缩伺服缸模块、送进伺服缸模块、抓具液压缸模块、扶支液压缸模块组成。本发明采用液压系统控制机械臂关节，响应更快，可靠性更高；抗扰能力更强；采用的智能抗扰控制方法能够对机械臂进行实时调试与控制，匹配作业需求。

Description

机械臂直线运动的液压驱动系统及其智能控制方法

技术领域

本发明涉及智能流体传动及控制领域，尤其涉及一种机械臂直线运动的液压驱动系统及其智能控制方法。

背景技术

机械手臂具有模拟手和臂相关动作和功能的能力，广泛应用于工业制造、医疗卫生、航天航空等领域，其不仅可以替代人繁重的劳动实现自动化高效的生产，而且可以在危险的环境中操作以保证人生安全。机械臂的形式多样，同样也有不同的作用，但其均可以通过接受相应的控制指令，高精度、高可靠性的执行相关作业，如移动到某个位置、旋转到一定角度、执行相应抓取动作等。同时这也对机械臂的运动控制方法和驱动系统提出了一定的挑战，需要驱动系统和控制系统具有较强的承载能力、控制灵活、抗扰能力强等特点。

目前应用比较广泛的机械臂驱动方式一般采用电驱动形式、机械驱动形式、气压驱动形式等，上述驱动形式均存在输出载荷较低，同时系统在大载荷作用下不易稳定，抗扰能力差，易受外部影响且智能性较差。

液压驱动系统具有功重比大、实时可调、控制变量灵活、抗干扰能量较强等特点，主要应用于重载设备、工程机械等领域。因此目前国内外学者将液压驱动系统引入重载机械臂中：

目前国内外学者针对机械臂进行了一定的研究，专利ZL201610906933.6公开了一种新型辅助机械臂控制系统及其控制方法，采用多个液压伺服阀控制辅助机械臂运动,主控制根据反馈信号对辅助机械臂进行精确控制，但没有明确阐述液压辅助控制系统的的工作原理及控制思想，且不能根据负载情况对机械臂进行智能控制。

专利CN 110202568 A公开了一种液压驱动机械手，通过引入多个液压子系统，有效地提升输出载荷，使液压驱动机械手可以抓取更重的物体，但没有阐述多个子系统之间是如何进行控制以及信号的传输的，且不能根据负载情况对机械臂进行智能控制。

发明内容

针对上述现有技术缺陷，本发明提出了一种机械臂直线运动的液压驱动控制系统及其智能控制方法，用于对机械臂进行在线实时调试与控制。该控制方法具备液压传动灵活、可靠性高的优点，能精确地实现机械臂的控制，其中控制策略是机械臂关节实现高精度控制的关键。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种机械臂直线运动的液压驱动系统，包括液压驱动系统和电气控制系统；

电气控制系统包含第一A/D模块、第一D/A模块、第一信号调理模块、工控机、显示器、第二A/D模块、第二D/A模块、第二信号调理模块、PLC控制器；

液压驱动系统由泵站、第一变幅伺服缸模块、第二变幅伺服缸模块、伸缩伺服缸模块、送进伺服缸模块、抓具液压缸模块、扶支液压缸模块组成；其中，泵站主要包含定量泵和油箱；第一变幅伺服缸模块包含第一变幅伺服缸、第一位移传感器、第一压力传感器、第二压力传感器、第一液控单向阀、第二液控单向阀、第一两位三通电磁换向阀、第一三位四通比例换向阀；第二变幅伺服缸模块包含第二变幅伺服缸、第二位移传感器、第三压力传感器、第四压力传感器、第三液控单向阀、第四液控单向阀、第二两位三通电磁换向阀、第二三位四通比例换向阀；伸缩伺服缸模块包含伸缩伺服缸、第三位移传感器、第三压力传感器、第四压力传感器、第五液控单向阀、第六液控单向阀、第三两位三通电磁换向阀、第三三位四通比例换向阀；送进伺服缸模块包含送进伺服缸、第四位移传感器、第七压力传感器、第八压力传感器、第七液控单向阀、第八液控单向阀、第四两位三通电磁换向阀、第四三位四通比例换向阀；抓具液压缸模块包含抓具液压缸、第五位移传感器、第九液控单向阀、第九压力传感器、第五三位四通比例换向阀；扶支液压缸模块包含扶支液压缸、第六位移传感器、第十液控单向阀、第十压力传感器、第六三位四通比例换向阀；各个模块并联连接，互不干扰；

所述电气控制系统的线缆接线盒与第一A/D模块、第一调理模块相连，第一D/A模块、第一调理模块与工控机相连，工控机与显示器相连；液压系统泵站与第二A/D模块、第二调理模块相连，第二D/A模块、第二调理模块与PLC控制器相连，PLC控制器与工控机进行通讯；

所述液压驱动系统的定量泵出油口分别与第一两位三通电磁换向阀、第一三位四通比例换向阀、第二两位三通电磁换向阀、第二三位四通比例换向阀、第三两位三通电磁换向阀、第三三位四通比例换向阀、第四两位三通电磁换向阀、第四三位四通比例换向阀、第五三位四通比例换向阀、第六三位四通比例换向阀的进油口相连，定量泵的吸油口与油箱相连，第一两位三通电磁换向阀、第一三位四通比例换向阀、第二两位三通电磁换向阀、第二三位四通比例换向阀、第三两位三通电磁换向阀、第三三位四通比例换向阀、第四两位三通电磁换向阀、第四三位四通比例换向阀、第五三位四通比例换向阀、第六三位四通比例换向阀的回油口与油箱相连；第一两位三通电磁换向阀的出油口与第一液控单向阀的控制油口和第一液控单向阀的控制油口相连，第一三位四通比例换向阀的出油口A与第一液控单向阀的进油口相连，第一三位四通比例换向阀的出油口B与第二液控单向阀的进油口相连，第一液控单向阀的出油口与第一压力传感器和第一变幅伺服缸的无杆腔相连，第二液控单向阀的出油口与第二压力传感器和第一变幅伺服缸的有杆腔相连，第一位移传感器安装在第一变幅伺服缸的测量位置；第二两位三通电磁换向阀的出油口与第三液控单向阀的控制油口和第四液控单向阀的控制油口相连，第二三位四通比例换向阀的出油口A与第三液控单向阀的进油口相连，第二三位四通比例换向阀的出油口B与第四液控单向阀的进油口相连，第三液控单向阀的出油口与第三压力传感器和第二变幅伺服缸的无杆腔相连，第四液控单向阀的出油口与第四压力传感器和第二变幅伺服缸的有杆腔相连，第二位移传感器安装在第二变幅伺服缸的测量位置；第三两位三通电磁换向阀的出油口与第五液控单向阀的控制油口和第六液控单向阀的控制油口相连，第三三位四通比例换向阀的出油口A与第五液控单向阀的进油口相连，第三三位四通比例换向阀的出油口B与第六液控单向阀的进油口相连，第五液控单向阀的出油口与第五压力传感器和伸缩伺服缸的无杆腔相连，第六液控单向阀的出油口与第六压力传感器和伸缩伺服缸的有杆腔相连，第三位移传感器安装在伸缩伺服缸的测量位置；第四两位三通电磁换向阀的出油口和第七液控单向阀的控制油口和第八液控单向阀的控制油口相连，第四三位四通比例换向阀的出油口A与第七液控单向阀的进油口相连，第四三位四通比例换向阀的出油口B与第八液控单向阀的进油口相连，第七液控单向阀的出油口与第七压力传感器和送进伺服缸的无杆腔相连，第八液控单向阀的出油口与第八压力传感器和送进伺服缸的有杆腔相连，第四位移传感器安装在送进伺服缸的测量位置；第五三位四通比例换向阀的出油口A与第九液控单向阀的进油口相连，第五三位四通比例换向阀的出油口B与第九液控单向阀的控制油口、第九压力传感器和抓具液压缸的无杆腔相连，第九液控单向阀的出油口与抓具液压缸的无杆腔相连，第五位移传感器安装在抓具液压缸的测量位置；第六三位四通比例换向阀的出油口A与第十液控单向阀的进油口相连，第六三位四通比例换向阀的出油口B与第十液控单向阀的控制油口、第十压力传感器和扶支液压缸的无杆腔相连，第十液控单向阀的出油口与扶支液压缸的油杆腔相连，第六位移传感器安装在扶支液压缸的测量位置。

一种机械臂直线运动的液压驱动系统的智能控制方法，包括以下步骤：

1)PLC控制器接收启动系统的指令，启动液压系统中的定量泵，为机械臂的液压驱动部份提供油源；

2)数据采集与处理：设置第一变幅伺服缸的运动速度和行程，并反复进行多次运动，工控机采集第一位移传感器、第一压力传感器、第二压力传感器信号；同理，设置第二变幅伺服缸的运动速度和行程，并反复进行多次运动，工控机采集第二位移传感器、第三压力传感器、第四压力传感器的信号，设置伸缩伺服缸的运动速度和行程，并反复进行多次，工控机采集第三位移传感器、第五压力传感器、第六压力传感器的信号；设置送进伺服缸的运动速度和行程，并反复进行多次运动，工控机采集第四位移传感器、第七压力传感器、第八压力传感器的信号，工控机采集第五位移传感器、第九压力传感器的信号，设置扶支液压缸的运动速度和行程，并反复进行多次运动，同时，工控机采集第六位移传感器、第十压力传感器的信号，对上述采集的信号进行数据清洗和数据预处理；

3)快速学习模型训练

将信号数据分为训练样本和测试样本，将训练样本数据输入到快速学习模型中，对模型进行训练；

4)模型准确性的验证

将测试数据输入到上述训练后的模型中，控制第一三位四通比例换向阀、第二三位四通比例换向阀、第三三位四通比例换向阀、第四三位四通比例换向阀、第五三位四通比例换向阀、第六三位四通比例换向阀的阀口开度，分别观察第一变幅伺服缸模块、第二变幅伺服缸模块、伸缩伺服缸模块、送进伺服缸模块、抓具液压缸模块、扶支液压缸模块的运动情况，是否按照设置的要求进行运动。

采用上述技术方案，本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

(1)采用液压系统控制机械臂关节，响应更快，可靠性更高；抗扰能力更强；

(2)采用的智能抗扰控制方法能够对机械臂进行实时调试与控制，匹配作业需求。

附图说明

图1表示本发明的液压系统原理图。

图2表示本发明的电气控制系统工作原理图。

图3表示本发明的机械臂智能控制方法流程图。

具体实施方式

本发明涉及智能流体传动及控制领域，包含机械臂各关节在线实时调试与控制，尤其涉及一种机械臂直线运动的液压驱动系统及其智能控制方法。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

一种机械臂驱动系统由电气控制系统和液压系统组成。

所述的电气控制系统原理图如图2所示，线缆接线盒与第一A/D模块、第一调理模块相连，第一D/A模块、第一调理模块与工控机相连，工控机与显示器相连；液压系统泵站与第二A/D模块、第二调理模块相连，第二D/A模块、第二调理模块与PLC控制器相连，PLC控制器与工控机进行通讯。

工控机通过线缆接线盒、第一A/D模块采集第一位移传感器8、第一压力传感器2、第二压力传感器7的信号，并经过智能学习模型，进行数据的训练和获得控制指令，工控机通过第一D/A模块、第一调理模块输出信号到第一三位四通比例换向阀5和第一两位三通电磁换向阀4，实现第一变幅伺服缸1的运动方向、位置和速度的控制；工控机通过线缆接线盒、第一A/D模块采集第二位移传感器16、第三压力传感器10、第四压力传感器15的信号，并经过智能学习模型，工控机通过第一D/A模块、第一调理模块输出信号到第二三位四通比例换向阀13和第二两位三通电磁换向阀12，实现第二变幅伺服缸9的运动方向、位置和速度的控制；工控机通过线缆接线盒、第一A/D模块采集第三位移传感器24、第五压力传感器18、第六压力传感器23的信号，并经过智能学习模型计算，工控机通过第一D/A模块、第一调理模块输出信号、线缆接线盒到第三三位四通比例换向阀21和第三两位三通电磁换向阀20，实现伸缩伺服缸17的运动方向、位置和速度的控制；工控机通过线缆接线盒、第一A/D模块采集第四位移传感器32、第七压力传感器26、第八压力传感器31的信号，并经过智能学习模型计算，工控机通过第一D/A模块、第一调理模块、线缆接线盒输出信号到第四三位四通比例换向阀29和第四两位三通电磁换向阀28，实现送进伺服缸25的运动方向、位置和速度的控制；工控机通过线缆接线盒、第一A/D模块采集第五位移传感器37、第九压力传感器36的信号，并经过智能学习模型计算，工控机通过第一D/A模块、第一调理模块、线缆接线盒输出信号到第五三位四通比例换向阀35，实现抓具液压缸33的运动方向、位置和速度的控制；工控机通过线缆接线盒、第一A/D模块采集第六位移传感器42、第十压力传感器41的信号，并经过智能学习模型计算，工控机通过第一D/A模块、第一调理模块、线缆接线盒输出信号到第六三位四通比例换向阀40，实现扶支液压缸38的运动方向、位置和速度的控制。PLC控制器通过第二A/D模块、第二调理模块采集定量泵44的转速、启停状态等相关信息以通讯的方式通过工控机在显示器中进行显示，工控机输出运动指令，以通讯的形式输入到PLC控制器，PLC控制器通过第二D/A模块和第二调理模块输出信号，控制定量泵44的转速和启停。

所述的液压驱动系统原理图如图1所示，定量泵44出油口分别与第一两位三通电磁换向阀4、第一三位四通比例换向阀5、第二两位三通电磁换向阀12、第二三位四通比例换向阀13、第三两位三通电磁换向阀20、第三三位四通比例换向阀21、第四两位三通电磁换向阀28、第四三位四通比例换向阀29、第五三位四通比例换向阀35、第六三位四通比例换向阀40的进油口相连，定量泵44的吸油口与油箱43相连，第一两位三通电磁换向阀4、第一三位四通比例换向阀5、第二两位三通地磁换向阀12、第二三位四通比例换向阀13、第三两位三通电磁换向阀20、第三三位四通比例换向阀21、第四两位三通电磁换向阀28、第四三位四通比例换向阀29、第五三位四通比例换向阀35、第六三位四通比例换向阀40的回油口与油箱43相连；第一两位三通电磁换向阀4的出油口与第一液控单向阀3的控制油口和第二液控单向阀6的控制油口相连，第一三位四通比例换向阀5的出油口A与第一液控单向阀3的进油口相连，第一三位四通比例换向阀5的出油口B与第二液控单向阀6的进油口相连，第一液控单向阀3的出油口与第一压力传感器2和第一变幅伺服缸1的无杆腔相连，第二液控单向阀6的出油口与第二压力传感器7和第一变幅伺服缸1的有杆腔相连，第一位移传感器8分别安装在第一变幅伺服缸1的测量位置；第二两位三通电磁换向阀12的出油口与第三液控单向阀11的控制油口和第四液控单向阀14的控制油口相连，第二三位四通比例换向阀13的出油口A与第三液控单向阀11的进油口相连，第二三位四通比例换向阀13的出油口B与第四液控单向阀14的进油口相连，第三液控单向阀11的出油口与第三压力传感器10和第二变幅伺服缸9的无杆腔相连，第四液控单向阀14的出油口与第四压力传感器15和第二变幅伺服缸9的有杆腔相连，第二位移传感器16安装在第二变幅伺服缸9的测量位置；第三两位三通电磁换向阀20的出油口与第五液控单向阀19的控制油口和第六液控换向阀22的控制油口相连，第三三位四通比例换向阀21的出油口A与第五液控单向阀19的进油口相连，第三三位四通比例换向阀21的出油口B与第六液控单向阀22的进油口相连，第五液控单向阀19的出油口与第五压力传感器18和伸缩伺服缸17的无杆腔相连，第六液控单向阀22的出油口与第六压力传感器23和伸缩伺服缸17的有杆腔相连，第三位移传感器24安装在伸缩伺服缸17的测量位置；第四两位三通电磁换向阀28的出油口与第七液控单向阀27的控制油口和第八液控单向阀30的控制油口相连，第四三位四通比例换向阀29的出油口A与第七液控单向阀27的进油口相连，第四三位四通比例换向阀29的出油口B与第八液控单向阀30的进油口相连，第七液控单向阀27的出油口与第七压力传感器26和送进伺服缸25的无杆腔相连，第八液控单向阀30的出油口与第八压力传感器31和送进伺服缸25的有杆腔相连，第四位移传感器32安装在送进伺服缸25的测量位置；第五三位四通比例换向阀35的出油口A与第九液控单向阀34的进油口相连，第五三位四通比例换向阀35的出油口B与第九液控单向阀34的控制油口、第九压力传感器36和抓具液压缸33的无杆腔相连，第九液控单向阀34的出油口与抓具液压缸33的油杆腔相连，抓具液压缸33的杠杆与第五位移传感器37相连；第六三位四通比例换向阀40的出油口A与第十液控单向阀39的进油口相连，第六三位四通比例换向阀40的出油口B与第十液控单向阀39的控制油口、第十压力传感器41和扶支液压缸38的无杆腔相连，第十液控单向阀39的出油口与扶支液压缸38的油杆腔相连，扶支液压缸38的缸杆与第六位移传感器42相连。

第一变幅伺服缸1模块工作原理：当第一变幅伺服缸1需执行伸出动作时，第一三位四通比例换向阀5右位工作，定量泵44输出液压油经第一三位四通比例换向阀5、第一液控单向阀3进入第一变幅伺服缸1的无杆腔，第一两位三通电磁换向阀4右位工作，液压油经第一两位三通电磁换向阀4进入第一液控单向阀3控制油口和第二液控单向阀6控制油口，变幅伺服缸1的有杆腔的液压油经第二液控单向阀6、第一三位四通比例换向阀5回到油箱43；当变幅伺服缸需执行缩回动作时，第一三位四通比例换向阀5右位工作，液压油经第一三位四通比例换向阀5、第二液控单向阀6进入变幅伺服缸的有杆腔，第一两位三通电磁换向阀4左位工作，液压油经第一两位三通电磁换向阀4进入第一液控单向阀3控制油口和第二液控单向阀6控制油口，第一变幅伺服缸1的无杆腔的液压油经第一液控单向阀3、第一三位四通比例换向阀5回到油箱43；当第一变幅伺服缸1需要稳定在某个位置时，第一两位三通电磁换向阀4左位工作，第一液控单向阀3和第二液控单向阀6的控制油与油箱43相连，第一变幅伺服缸1的无杆腔和油杆腔处于封闭状态。

第二变幅伺服缸模块工作原理：当第二变幅伺服缸9需执行伸出动作时，第二三位四通比例换向阀13右位工作，定量泵44液压油经第二三位四通比例换向阀13、第三液控单向阀11进入第二变幅伺服缸9的无杆腔，第二两位三通电磁换向阀12右位工作，液压油经第二两位三通电磁换向阀12进入第三液控单向阀11控制油口和第四液控单向阀14控制油口，第二变幅伺服缸9的有杆腔的液压油经第四液控单向阀14、第二三位四通比例换向阀13回到油箱43；当第二变幅伺服缸9需执行缩回动作时，第二三位四通比例换向阀13左位工作，液压油经第二三位四通比例换向阀13、第四液控单向阀14进入第二变幅伺服缸9的有杆腔，第二两位三通电磁换向阀12左位工作，液压油经第二两位三通电磁换向阀12进入第三液控单向阀11控制油口和和第四液控单向阀14控制油口，第二变幅伺服缸9的无杆腔的液压油经第三液控单向阀11、第二三位四通比例换向阀13回到油箱43；当第二变幅伺服缸9需要稳定在某个位置时，第二两位三通电磁换向阀12左位工作，第三液控单向阀11和第四液控单向阀14的控制油与油箱43相连，第二变幅伺服缸9的无杆腔和油杆腔处于封闭状态。

伸缩伺服缸模块工作原理：当伸缩伺服缸17需执行伸出动作时，第三三位四通比例换向阀21右位工作，定量泵44液压油经第三三位四通比例换向阀21、第五液控单向阀19进入伸缩伺服缸的无杆腔，第三两位三通电磁换向阀20右位工作，液压油经第三两位三通电磁换向阀20进入第五液控单向阀19的控制油口和第六液控单向阀22的控制油口，伸缩伺服缸17的有杆腔的液压油经第六液控单向阀22、第三三位四通比例换向阀21回到油箱43；当伸缩伺服缸需执行缩回动作时，第三三位四通比例换向阀21左位工作，液压油经第三三位四通比例换向阀21、第六液控单向阀22进入伸缩伺服缸的有杆腔，第三两位三通电磁换向阀20左位工作，液压油经第三两位三通电磁换向阀20进入第五液控单向阀19控制油口和第六液控单向阀22的控制油口，伸缩伺服缸17的无杆腔的液压油经第五液控单向阀19、第三三位四通比例换向阀21回到油箱43；当伸缩伺服缸17需要稳定在某个位置时，第三两位三通电磁换向阀20左位工作，第五液控单向阀19和第六液控单向阀22的控制油与油箱43相连，伸缩伺服缸17的无杆腔和油杆腔处于封闭状态。

送进伺服缸模块工作原理：当送进伺服缸25需执行伸出动作时，第四三位四通比例换向阀29右位工作，定量泵44液压油经第四三位四通比例换向阀29、第七液控单向阀27进入送进伺服缸25的无杆腔，第四两位三通电磁换向阀28右位工作，液压油经第四两位三通电磁换向阀28进入第七液控单向阀27控制油口和第八液控单向阀30控制油口，送进伺服缸25的有杆腔的液压油经第八液控单向阀30、第四三位四通比例换向阀29回到油箱43；当送进伺服缸25需执行缩回动作时，第四三位四通比例换向阀29左位工作，液压油经第四三位四通比例换向阀29、第八液控单向阀30进入送进伺服缸25的有杆腔，第四两位三通电磁换向阀28左位工作，液压油经第四两位三通电磁换向阀28进入第七液控单向阀27控制油口和第八液控单向阀30控制油口，送进伺服缸25的无杆腔的液压油经第七液控单向阀27、第四三位四通比例换向阀29回到油箱43；当送进伺服缸25需要稳定在某个位置时，第四两位三通电磁换向阀28左位工作，第七液控单向阀27和第八液控单向阀28的控制油与油箱43相连，送进伺服缸25的无杆腔和油杆腔处于封闭状态。

抓具液压缸模块工作原理：当抓具液压缸33需要执行伸出动作时，第五三位四通比例换向阀35左位工作，定量泵44输出液压油经第五三位四通比例换向阀35进入抓具液压缸33的无杆腔和第九液控单向阀34的控制油口，抓具液压缸33的有杆腔的油液经第九液控单向阀34、第五三位四通比例换向阀35回到油箱43；当抓具液压缸33需要执行缩回动作时，第五三位四通比例换向阀35右位工作，定量泵44输出液压油经第五三位四通比例换向阀35、第九液控单向阀34进入抓具液压缸33的有杆腔，抓具液压缸33无杆腔的油液经第五三位四通比例换向阀35回到油箱43；

扶支液压缸模块工作原理：当扶支液压缸38需要执行伸出动作时，第六三位四通比例换向阀40左位工作，定量泵44输出液压油经第六三位四通比例换向阀40进入扶支液压缸38的无杆腔和第十液控单向阀39的控制油口，扶支液压缸38的有杆腔的油液经第十液控单向阀39、第六三位四通比例换向阀40回到油箱43；当扶支液压缸38需要执行缩回动作时，第六三位四通比例换向阀40右位工作，定量泵44输出液压油经第六三位四通比例换向阀40、第十液控单向阀39进入扶支液压缸38的有杆腔，扶支液压缸38无杆腔的油液经第六三位四通比例换向阀40回到油箱43。

机械臂直线运动的智能抗扰控制方法如图3所示。

1)PLC控制器接收启动系统的指令，启动液压系统中的定量泵44，为机械臂的液压驱动部份提供油源。

2)数据采集与处理：设置第一变幅伺服缸1的运动速度和行程，并反复进行多次运动，工控机采集第一位移传感器8、第一压力传感器2、第二压力传感器7信号；同理，设置第二变幅伺服缸9的运动速度和行程，并反复进行多次运动，工控机采集第二位移传感器16、第三压力传感器10、第四压力传感器15的信号，设置伸缩伺服缸17的运动速度和行程，并反复进行多次，工控机采集第三位移传感器24、第五压力传感器18、第六压力传感器23的信号；设置送进伺服缸25的运动速度和行程，并反复进行多次运动，工控机采集第四位移传感器32、第七压力传感器26、第八压力传感器31的信号，工控机采集第五位移传感器37、第九压力传感器36的信号，设置扶支液压缸38的运动速度和行程，并反复进行多次运动，同时，工控机采集第六位移传感器42、第十压力传感器41的信号，对上述采集的信号进行数据清洗和数据预处理。

3)快速学习模型训练

然后将信号数据分为两部分，其中80％的处理数据作为训练样本，20％的处理数据作为测试样本，将训练样本数据输入到如式(1)-(8)所示的快速学习Fast LearningNetwork(FLN)中，对模型进行训练，具体过程如下：

对于N个训练样本{x_i,t_i}，i＝1,2,...,N，其中

是样本i的输入值，其为n维的向量；

为样本i的输出值，即训练的监督值，其为l维的向量。如果隐含层神经元个数为m，则输入权值Wⁱⁿ为m×n维矩阵，隐层阈值B为m维向量，输出层阈值c为l维向量，隐含层与输出层之间的权值矩阵W^oh是l×m维矩阵，输入层与输出层之间的权值矩阵W^oi是l×n维矩阵。

根据FLN的结构，对于一个样本j，FLN的每一个输出神经元的输出计算公式为

式中f(·)——输出层神经元激励函数；

c_i——输出层第i个神经元的阈值；

g(·)——隐含层神经元激励函数；

b_k——隐含层第k个神经元的阈值。

将多个神经元输出合并为向量，则式(1)可简化为

式中c——输出层阈值

W_k ^oh——隐含层第k个神经元隐含层与输出层之间的权值矩阵

W_k ⁱⁿ——隐含层第k个神经元的输入权值

针对所有训练样本，将所有样本的表达式合并为矩阵，则公式(2)可转化为矩阵方程：

W^out＝[W^oi W^oh c]_l×(n+m+1)(5)

I＝[1 1 … 1]_1×N (7)

式中，W^out——输出权值组合矩阵，W^out＝[W^oi W^oh c]；

G——隐含层输出矩阵；

X——样本的输入值。

由于输出层激活函数f(·)通常取线性函数，输出层神经元偏置可以省略，简化后的输出神经元计算方程为

4)模型准确性的验证

将测试数据输入到上述训练后的模型中，控制第一三位四通比例换向阀5、第二三位四通比例换向阀13、第三三位四通比例换向阀21、第四三位四通比例换向阀29、第五三位四通比例换向阀35、第六三位四通比例换向阀40的阀口开度，分别观察第一变幅伺服缸模块、第二变幅伺服缸模块、伸缩伺服缸模块、送进伺服缸模块、抓具液压缸模块、扶支液压缸模块的运动情况，是否按照设置的要求进行运动。

本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种机械臂直线运动的液压驱动系统，其特征在于，包括液压驱动系统和电气控制系统；

所述液压驱动系统由泵站、第一变幅伺服缸模块、第二变幅伺服缸模块、伸缩伺服缸模块、送进伺服缸模块、抓具液压缸模块、扶支液压缸模块组成；其中，泵站主要包含定量泵和油箱；第一变幅伺服缸模块包含第一变幅伺服缸、第一位移传感器、第一压力传感器、第二压力传感器、第一液控单向阀、第二液控单向阀、第一两位三通电磁换向阀、第一三位四通比例换向阀；第二变幅伺服缸模块包含第二变幅伺服缸、第二位移传感器、第三压力传感器、第四压力传感器、第三液控单向阀、第四液控单向阀、第二两位三通电磁换向阀、第二三位四通比例换向阀；伸缩伺服缸模块包含伸缩伺服缸、第三位移传感器、第三压力传感器、第四压力传感器、第五液控单向阀、第六液控单向阀、第三两位三通电磁换向阀、第三三位四通比例换向阀；送进伺服缸模块包含送进伺服缸、第四位移传感器、第七压力传感器、第八压力传感器、第七液控单向阀、第八液控单向阀、第四两位三通电磁换向阀、第四三位四通比例换向阀；抓具液压缸模块包含抓具液压缸、第五位移传感器、第九液控单向阀、第九压力传感器、第五三位四通比例换向阀；扶支液压缸模块包含扶支液压缸、第六位移传感器、第十液控单向阀、第十压力传感器、第六三位四通比例换向阀；各个模块并联连接，互不干扰；

所述电气控制系统包括第一A/D模块、第一D/A模块、第一信号调理模块、工控机、显示器、第二A/D模块、第二D/A模块、第二信号调理模块、PLC控制器；

所述电气控制系统的线缆接线盒与第一A/D模块、第一信号调理模块相连，第一D/A模块、第一信号调理模块与工控机相连，工控机与显示器相连；液压系统泵站与第二A/D模块、第二信号调理模块相连，第二D/A模块、第二信号调理模块与PLC控制器相连，PLC控制器与工控机进行通讯；

所述液压驱动系统的定量泵出油口分别与第一两位三通电磁换向阀、第一三位四通比例换向阀、第二两位三通电磁换向阀、第二三位四通比例换向阀、第三两位三通电磁换向阀、第三三位四通比例换向阀、第四两位三通电磁换向阀、第四三位四通比例换向阀、第五三位四通比例换向阀、第六三位四通比例换向阀的进油口相连，定量泵的吸油口与油箱相连，第一两位三通电磁换向阀、第一三位四通比例换向阀、第二两位三通电磁换向阀、第二三位四通比例换向阀、第三两位三通电磁换向阀、第三三位四通比例换向阀、第四两位三通电磁换向阀、第四三位四通比例换向阀、第五三位四通比例换向阀、第六三位四通比例换向阀的回油口与油箱相连；第一两位三通电磁换向阀的出油口与第一液控单向阀的控制油口和第一液控单向阀的控制油口相连，第一三位四通比例换向阀的出油口A与第一液控单向阀的进油口相连，第一三位四通比例换向阀的出油口B与第二液控单向阀的进油口相连，第一液控单向阀的出油口与第一压力传感器和第一变幅伺服缸的无杆腔相连，第二液控单向阀的出油口与第二压力传感器和第一变幅伺服缸的有杆腔相连，第一位移传感器安装在第一变幅伺服缸的测量位置；第二两位三通电磁换向阀的出油口与第三液控单向阀的控制油口和第四液控单向阀的控制油口相连，第二三位四通比例换向阀的出油口A与第三液控单向阀的进油口相连，第二三位四通比例换向阀的出油口B与第四液控单向阀的进油口相连，第三液控单向阀的出油口与第三压力传感器和第二变幅伺服缸的无杆腔相连，第四液控单向阀的出油口与第四压力传感器和第二变幅伺服缸的有杆腔相连，第二位移传感器安装在第二变幅伺服缸的测量位置；第三两位三通电磁换向阀的出油口与第五液控单向阀的控制油口和第六液控单向阀的控制油口相连，第三三位四通比例换向阀的出油口A与第五液控单向阀的进油口相连，第三三位四通比例换向阀的出油口B与第六液控单向阀的进油口相连，第五液控单向阀的出油口与第五压力传感器和伸缩伺服缸的无杆腔相连，第六液控单向阀的出油口与第六压力传感器和伸缩伺服缸的有杆腔相连，第三位移传感器安装在伸缩伺服缸的测量位置；第四两位三通电磁换向阀的出油口和第七液控单向阀的控制油口和第八液控单向阀的控制油口相连，第四三位四通比例换向阀的出油口A与第七液控单向阀的进油口相连，第四三位四通比例换向阀的出油口B与第八液控单向阀的进油口相连，第七液控单向阀的出油口与第七压力传感器和送进伺服缸的无杆腔相连，第八液控单向阀的出油口与第八压力传感器和送进伺服缸的有杆腔相连，第四位移传感器安装在送进伺服缸的测量位置；第五三位四通比例换向阀的出油口A与第九液控单向阀的进油口相连，第五三位四通比例换向阀的出油口B与第九液控单向阀的控制油口、第九压力传感器和抓具液压缸的无杆腔相连，第九液控单向阀的出油口与抓具液压缸的无杆腔相连，第五位移传感器安装在抓具液压缸的测量位置；第六三位四通比例换向阀的出油口A与第十液控单向阀的进油口相连，第六三位四通比例换向阀的出油口B与第十液控单向阀的控制油口、第十压力传感器和扶支液压缸的无杆腔相连，第十液控单向阀的出油口与扶支液压缸的油杆腔相连，第六位移传感器安装在扶支液压缸的测量位置。

2.根据权利要求1所述的机械臂直线运动的液压驱动系统，其特征在于，当第一变幅伺服缸需执行伸出动作时，第一三位四通比例换向阀右位工作，定量泵输出液压油经第一三位四通比例换向阀、第一液控单向阀进入第一变幅伺服缸的无杆腔，第一两位三通电磁换向阀右位工作，液压油经第一两位三通电磁换向阀进入第一液控单向阀控制油口和第二液控单向阀控制油口，变幅伺服缸的有杆腔的液压油经第二液控单向阀、第一三位四通比例换向阀回到油箱；当变幅伺服缸需执行缩回动作时，第一三位四通比例换向阀右位工作，液压油经第一三位四通比例换向阀、第二液控单向阀进入变幅伺服缸的有杆腔，第一两位三通电磁换向阀左位工作，液压油经第一两位三通电磁换向阀进入第一液控单向阀控制油口和第二液控单向阀控制油口，第一变幅伺服缸的无杆腔的液压油经第一液控单向阀、第一三位四通比例换向阀回到油箱；当第一变幅伺服缸需要稳定在某个位置时，第一两位三通电磁换向阀左位工作，第一液控单向阀和第二液控单向阀的控制油与油箱相连，第一变幅伺服缸的无杆腔和油杆腔处于封闭状态。

3.根据权利要求1所述的机械臂直线运动的液压驱动系统，其特征在于，当第二变幅伺服缸需执行伸出动作时，第二三位四通比例换向阀右位工作，定量泵液压油经第二三位四通比例换向阀、第三液控单向阀进入第二变幅伺服缸的无杆腔，第二两位三通电磁换向阀右位工作，液压油经第二两位三通电磁换向阀进入第三液控单向阀控制油口和第四液控单向阀控制油口，第二变幅伺服缸的有杆腔的液压油经第四液控单向阀、第二三位四通比例换向阀回到油箱；当第二变幅伺服缸需执行缩回动作时，第二三位四通比例换向阀左位工作，液压油经第二三位四通比例换向阀、第四液控单向阀进入第二变幅伺服缸的有杆腔，第二两位三通电磁换向阀左位工作，液压油经第二两位三通电磁换向阀进入第三液控单向阀控制油口和和第四液控单向阀控制油口，第二变幅伺服缸的无杆腔的液压油经第三液控单向阀、第二三位四通比例换向阀回到油箱；当第二变幅伺服缸需要稳定在某个位置时，第二两位三通电磁换向阀左位工作，第三液控单向阀和第四液控单向阀的控制油与油箱相连，第二变幅伺服缸的无杆腔和油杆腔处于封闭状态。

4.根据权利要求1所述的机械臂直线运动的液压驱动系统，其特征在于，当伸缩伺服缸需执行伸出动作时，第三三位四通比例换向阀右位工作，定量泵液压油经第三三位四通比例换向阀、第五液控单向阀进入伸缩伺服缸的无杆腔，第三两位三通电磁换向阀右位工作，液压油经第三两位三通电磁换向阀进入第五液控单向阀的控制油口和第六液控单向阀的控制油口，伸缩伺服缸的有杆腔的液压油经第六液控单向阀、第三三位四通比例换向阀回到油箱；当伸缩伺服缸需执行缩回动作时，第三三位四通比例换向阀左位工作，液压油经第三三位四通比例换向阀、第六液控单向阀进入伸缩伺服缸的有杆腔，第三两位三通电磁换向阀左位工作，液压油经第三两位三通电磁换向阀进入第五液控单向阀控制油口和第六液控单向阀的控制油口，伸缩伺服缸的无杆腔的液压油经第五液控单向阀、第三三位四通比例换向阀回到油箱；当伸缩伺服缸需要稳定在某个位置时，第三两位三通电磁换向阀左位工作，第五液控单向阀和第六液控单向阀的控制油与油箱相连，伸缩伺服缸的无杆腔和油杆腔处于封闭状态。

5.根据权利要求1所述的机械臂直线运动的液压驱动系统，其特征在于，当送进伺服缸需执行伸出动作时，第四三位四通比例换向阀右位工作，定量泵液压油经第四三位四通比例换向阀、第七液控单向阀进入送进伺服缸的无杆腔，第四两位三通电磁换向阀右位工作，液压油经第四两位三通电磁换向阀进入第七液控单向阀控制油口和第八液控单向阀控制油口，送进伺服缸的有杆腔的液压油经第八液控单向阀、第四三位四通比例换向阀回到油箱；当送进伺服缸需执行缩回动作时，第四三位四通比例换向阀左位工作，液压油经第四三位四通比例换向阀、第八液控单向阀进入送进伺服缸的有杆腔，第四两位三通电磁换向阀左位工作，液压油经第四两位三通电磁换向阀进入第七液控单向阀控制油口和第八液控单向阀控制油口，送进伺服缸的无杆腔的液压油经第七液控单向阀、第四三位四通比例换向阀回到油箱；当送进伺服缸需要稳定在某个位置时，第四两位三通电磁换向阀左位工作，第七液控单向阀和第八液控单向阀的控制油与油箱相连，送进伺服缸的无杆腔和油杆腔处于封闭状态。

6.根据权利要求1所述的机械臂直线运动的液压驱动系统，其特征在于，当抓具液压缸需要执行伸出动作时，第五三位四通比例换向阀左位工作，定量泵输出液压油经第五三位四通比例换向阀进入抓具液压缸的无杆腔和第九液控单向阀的控制油口，抓具液压缸的有杆腔的油液经第九液控单向阀、第五三位四通比例换向阀回到油箱；当抓具液压缸需要执行缩回动作时，第五三位四通比例换向阀右位工作，定量泵输出液压油经第五三位四通比例换向阀、第九液控单向阀进入抓具液压缸的有杆腔，抓具液压缸无杆腔的油液经第五三位四通比例换向阀回到油箱。

7.根据权利要求1所述的机械臂直线运动的液压驱动系统，其特征在于，当扶支液压缸需要执行伸出动作时，第六三位四通比例换向阀左位工作，定量泵输出液压油经第六三位四通比例换向阀进入扶支液压缸的无杆腔和第十液控单向阀的控制油口，扶支液压缸的有杆腔的油液经第十液控单向阀、第六三位四通比例换向阀回到油箱；当扶支液压缸需要执行缩回动作时，第六三位四通比例换向阀右位工作，定量泵输出液压油经第六三位四通比例换向阀、第十液控单向阀进入扶支液压缸的有杆腔，扶支液压缸无杆腔的油液经第六三位四通比例换向阀回到油箱。

8.一种基于权利要求1所述机械臂直线运动的液压驱动系统的智能控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)PLC控制器接收启动系统的指令，启动液压系统中的定量泵，为机械臂的液压驱动系统提供油源；

2)数据采集与处理：设置第一变幅伺服缸的运动速度和行程，并反复进行多次运动，工控机采集第一位移传感器、第一压力传感器、第二压力传感器信号；同理，设置第二变幅伺服缸的运动速度和行程，并反复进行多次运动，工控机采集第二位移传感器、第三压力传感器、第四压力传感器的信号，设置伸缩伺服缸的运动速度和行程，并反复进行多次，工控机采集第三位移传感器、第五压力传感器、第六压力传感器的信号；设置送进伺服缸的运动速度和行程，并反复进行多次运动，工控机采集第四位移传感器、第七压力传感器、第八压力传感器的信号，工控机采集第五位移传感器、第九压力传感器的信号，设置扶支液压缸的运动速度和行程，并反复进行多次运动，同时，工控机采集第六位移传感器、第十压力传感器的信号，对上述采集的信号进行数据清洗和数据预处理；

3)快速学习模型训练

将信号数据分为训练样本和测试样本，将训练样本数据输入到快速学习模型中，对模型进行训练；

4)模型准确性的验证

将测试数据输入到上述训练后的模型中，控制第一三位四通比例换向阀、第二三位四通比例换向阀、第三三位四通比例换向阀、第四三位四通比例换向阀、第五三位四通比例换向阀、第六三位四通比例换向阀的阀口开度，分别观察第一变幅伺服缸模块、第二变幅伺服缸模块、伸缩伺服缸模块、送进伺服缸模块、抓具液压缸模块、扶支液压缸模块的运动情况，是否按照设置的要求进行运动。

9.根据权利要求8所述的智能控制方法，其特征在于，将信号数据分为两部分，其中80％的处理数据作为训练样本，20％的处理数据作为测试样本。

10.根据权利要求8所述的智能控制方法，其特征在于，将训练样本数据输入到快速学习模型中，对模型进行训练，具体过程如下：

对于N个训练样本{x_i,t_i}，i＝1,2,...,N，其中

是样本i的输入值，其为n维的向量；

为样本i的输出值，即训练的监督值，其为l维的向量；如果隐含层神经元个数为m，则输入权值Wⁱⁿ为m×n维矩阵，隐层阈值B为m维向量，输出层阈值c为l维向量，隐含层与输出层之间的权值矩阵W^oh是l×m维矩阵，输入层与输出层之间的权值矩阵W^oi是l×n维矩阵；

根据FLN的结构，对于一个样本j，FLN的每一个输出神经元的输出计算公式为

式中f(·)——输出层神经元激励函数；

c_i——输出层第i个神经元的阈值；

g(·)——隐含层神经元激励函数；

b_k——隐含层第k个神经元的阈值；

将多个神经元输出合并为向量，则式(1)可简化为

式中c——输出层阈值；

——隐含层第k个神经元隐含层与输出层之间的权值矩阵；

——隐含层第k个神经元的输入权值；

针对所有训练样本，将所有样本的表达式合并为矩阵，则公式(2)可转化为矩阵方程：

W^out＝[W^oi W^oh c]_l×(n+m+1) (5)

I＝[1 1…1]_1×N (7)

式中，W^out——输出权值组合矩阵，W^out＝[W^oi W^oh c]；

G——隐含层输出矩阵；

X——样本的输入值；

由于输出层激活函数f(·)取线性函数，输出层神经元偏置可省略，简化后的输出神经元计算方程为

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