混凝土泵车智能臂架运动仿真与控制研究.pdf

第 6 卷第 1 期 2 0 0 8 年 3月 中国工程机械学报 C HI N E S E J O U R N A LO F( X ) N S T R U C T I O NMA C HI N E R Y Vo 1 6 No 1 M a r 2 0 08 混凝 土泵 车智 能臂 架运动仿真 与控 制研究 唐修俊 ， 吴智勇， 石培科 ， 刘海明 ( 三一重工股份有限公司 ， 湖南 长沙4 1 0 1 0 0 ) 摘要： 应用计算机仿真技术对混凝土泵车臂架运动规划进行虚拟现实 基于成熟的仿真平台， 进行了臂架智能 控制产品的开发应用 实践证明 ， 混凝土泵车臂架很好地实现了智能控制功能 ， 在施工建设中有广泛的应用前 景 关键词 ： 混凝土泵车； 运动学仿真；智能控制 中图分类号： TU 6 4 2 3 文献标识码： A 文章编号： 1 6 7 2 5 5 8 1 ( 2 0 0 8 ) 0 1 0 0 6 3 0 5 Ki n ema t i c a l s i mu l a t i on an d c o n t r o l o n i n t el l i g e n t bo o ms o f c o n c r e t e p u m p v eh i c l e s TANG Xi u - j un，W U Zhi - y o n g ，S H I Pe i k e， Lj U Hal rui n g ( S a n y He a v y I n d u s t r y C o mp a n y ， C h a n g s h a 4 1 0 1 0 0 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ：I n t h i s p a p e r ，t h e c o mp u t e r s i mu l a t i o n t e c h n o l o g y i s f i r s t u t i l i z e d f o r t h e v i r t u a l r e a l i t y k i n e ma t i c a l p l a n n i n g wi t h r e g a r d t o b o o ms o f co n c r e t e p u mp v e h i c l e s B a s e d o n t h e e x i s t i n g s i mu l a t i o n p l a t f o r m，t h e i n t e l l i g e n t b o o ms a r e t h e n d e v e l o p e d a n d e mp l o y e d i n t h e f o rm s o f c o n t r o l p r o d u c t s Fi n a l l y，t h e s e p r od u c t s h a v e i n d i c a t e d t h e i r e f f e c t i v e f u n c t i o n a l i t y i n t h e i n t e l l i g e n t c o n t r o l a n d t h e i r b r o a d a p p l i c a b i l i t y i n t h e c o n s t r u c t i o n i n d u s t r y K e y wo r d s ：con c r e t e p u mp v e h i c l e ；k i n e ma t i c s s i mu l a t i o n；i n t e l l i g e n t c o n t r o l 在现代建筑施工中 ， 尤其是在建造高层建筑 、 高架公路、 桥梁、 堤坝及地下工程方面 ，混凝土泵车以 其机动 、 灵活、 高效等特点 ，已经成为不可缺少 的重要施工设备 然而 由于混凝土泵车工作环境复杂 ， 更 由于臂架系统是一组多冗余度机构， 因而其 自动化、 智能化实现存在很大的难度， 很大范围内就制约了泵 车优势的发挥 机器人智能化技术的深入研究 ， 为混凝土泵车 自动化、 智能化系统 的开发实现提供了可行的途径 近 年来， 如何提高施工效率， 降低工人劳动强度 ， 实现混凝土泵车智能化是现代混凝土泵车研究的热点L 2 J 在国外， 德国的大象公司凭借其多年的技术优势率先研制实现了混凝土泵车的智能化 在国内， 三一 重工股份有限公司利用 自有技术力量 ， 研制成功 国内第一台智能臂架泵车 ， 是国际上继德 国大象之后第二 家攻克并实现泵车大型臂架智能控制技术的企业 ， 在技术上填补 了国内空白， 进人世界先进行列 ， 并形成 了具有 自主知识产权 的下一代混凝土泵车核心技术 本文着重从混凝土泵车臂架运动学规划仿真、 智能控制实现 、 臂架智能功能等方面展开研究 1 混凝土泵车臂架坐标模型 混凝土泵车臂架系统基本上是 由回转机构 、 大臂 、 二臂 、 三臂 、 四臂和软管等部分( 以折叠式4 节臂泵 作者简介 ： 唐修俊 ( 1 9 6 2一) ， 男 ， 工学博士 E - ma i ht a n g x j s a n y t o m c a 维普资讯 http:/ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 中国工程机械学报 第 6卷 车为例 ) 组成的串联开链机构 ， 具体结构如 图 1 所示 图 2建立 了臂架机 构 的坐标 系， ， Y， z 为固定坐标系 ， 置于 回转机构 ； z ， Y ， z 为浇 筑点坐标 ， 其 z轴 向外 ， Y轴 由右手法则确定 各杆的局部坐标系可以按照类似 的规则定义 ， 在图中未作出定义 混凝土泵车智能臂架系统 采用闭环控制 ， 故需要对臂架的位姿状态进行运 动学分析 为 减小篇幅， 本文只列出第 1和第 2节臂架的关 节角的推导过程， 公式中的符号可参照 图 3 5 ， 同时给出了泵车臂架( 以四节臂为例) 的轨迹 规划仿真模型和结果 2 臂架运动学分析与仿真 图1臂 架 示 意 简 图 Fi g 1 S ke t c h ma p o f b o o m s y s t e m 2 1 臂架运动学分析 如图3 所示是一个二轴机械臂系统 其中关节 Q 固定， 臂 Q1 Q2 可绕关节 Q1 旋转， 臂 Q 2 A可绕关 节 Q2 旋转 在关节 Q 、 关节 Q2 处分别安装液压驱动机构 ， 由液压油缸驱动机械臂旋转 关节 Q 和关节 Q2 的液压驱动机构分别如图 4和图5所示 两关节各安装有绝对编码器， 既可作为关节角位移传感器 ， 亦 可通过机械几何关系， 间接测量液压驱动油缸的直线位移 图 2 臂架坐标系示意图 Fi g 2 S ke t c h ma p o f b o om r e f e r e n c e f r a me D 图 4 臂架 一液压驱动结构 F i g 4 Hy d r a u l i c dr i v e me c h a n i s m o f b o o m o n e y 0 图 3 二轴 机械 臂架 系统 Fi g 3 M e c h a n i c a l b o o m s y s t e m o f t wo a x i s e s 图5 臂架二液压驱动结构 Fi g 5 Hy dr a u l i c d r i v e mech a n i s m o f b o o m tw o 维普资讯 http:/ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 唐修俊 ， 等 ： 混凝 土泵车智能臂 架运动仿真与控制研究 6 5 由图 3可知 ， 二轴机械臂可绕关节 Q1 和 Q2 旋转 ， 已知 Q1 Q2长度为 z 1 ， Q2 A 长度为z 2 ， 由几何分析 法 ， 根据各关节转角 】 ， 2 ， 由机器人正向运动学求解原理 ， 可建立机械臂 的运动方程 ： = z 1 C O S 0 1 +1 2 c o s ( 0 1+0 2 ) ( 1 ) Y= 2 s i n 0 1 + 2 s i n ( 0 1 +0 2 ) ( 2 ) 其中( ， _y ) 为臂架二端点的坐标 ， 0 1 9 0 。 ， 0 0 2 1 8 0 。 在智能臂架控制及轨迹规划 中， 往往需要在 已知点要达到的空 间位置的情况下 ， 求 出各关节 变量 ， 以 驱动各关节的运动 ， 使端点 的位置得到满足 ， 即反向运动学 问题 l_ 3 J3 将运动方程式 ( 1 ) 和式( 2 ) 化简 ， 得 2 +Y 2=z +z ； +2 z 1 1 2 c o s 0 1 C O S ( 0 1 +0 2 ) +s i n 0 1 s i n ( 0 1 +0 2 ) =z +z ； +2 z 1 z 2 C O S 2 f z 2+ 、 ， 2一 一 ； 所以0 2 =a r c c o s I ： 了 l L 二 1 2 J 而 、 ， 、 1 +Y +z f z 1 0 1 a r c 协I 孝 l 亍 I 按照类似的方法， 同样可以推导出三臂和四臂的关节角表达式 这样求得的臂架规划解空间将是无穷 多且不确定 本文中， 按照如下的臂架运动规划原则： 路径最优臂架关节运动小、 变量连续、 不奇异； 能 量最省臂架运动时所需系统液压系统做功最少 ； 液压供油最省臂架运动时需要液压系统提供的 油量最少 ， 选取一组优化解， 并应用仿真平台验证规划的可行性 2 2 四节臂运动学仿真 本文在完成混凝土泵车 四节臂架 系统 的运动学轨迹规划公式 的推导后 ， 应用 MA TL A B S i mu l i n k建 立臂架运动学规划仿真模型 ， 如 图 6所示 臂架规 划控制 模块 一 系统判 断 模块 图 6 臂架规划仿真模型 Fi g 6 Bo o m p l a n n i n g c o n t r o l MAT LAB S i mu l i n k mo d e l 运行规划仿真模型， 可以看到在误差允许范围内， 四节臂 架协调动作 ， 实现了水平运动和垂直运动规划 ， 见 图 7 仿真结 果表明， 臂架很好地完成了预定 的规划， 为臂 架智能控制产品 的开发提供 了依据 3 智能臂架控制系统设计 混凝土泵车臂架系统中， 自动和手动 2套系统控制的对 象完全相同， 即通过各 组 比例 电磁 阀和电磁换 向阀控制旋转 油马达、 液压缸的运动 智能臂架控制系统中， 角度传感器实 时测量臂架关节角度 ， 感知臂架位姿 ； 控制器 中的规划控制程 2 0 1 8 1 6 1 4 1 2 1 0 8 6 4 2 0 序实时处理角度传感器数据， 从而使臂架实现智能控制 ， 具 7 不 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 I 8 2 0 Xm 图7 臂架运动学规划仿真演示 S i n ml a t i o n d is p l a y o f b o o m k i n ml a t i c s p l a n n i n g 维普资讯 http:/ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 中国工程机械学报 第 6卷 体的臂架控制系统见 图 8所示 3 1 控制系统硬件组成 智能臂架控制系统的硬件包括传感器模块、 数据采集模块、 控制器模块、 遥控器 其中， 传感器实时测 量臂架关节角度或油缸长度 ， 通过数据采集模块传输到控制器模块， 控制器根据规划控制程序进行处理 后 ， 与遥控器进行数据交互 ， 从而实现预定的智能功能 ， 如图 9所示 图中 C A NH 为控制器局域 网高 电 平 ； C A NL为控制器局域网低电平 ； G ND为接地 3 2 控制系统软件组成 智能臂架控制系统软件包括主程序初始化程序、 控制参数分解程序、 臂架传感器数据采集程序、 臂架 规划控制程序 、 液压流量与系统控制程序组成| 5 J ， 程序流程与组成见图 1 0所示 图 8 智能臂架控 制系统 F i g 8 C o n t r o l s y s t e m o f i n t e l l i g e n t b o o m s yst e m 4 臂架智能控制功能 2 4 V 图 9 智能臂架控制 系统硬件设计 F i g 9 Ha r d wa r e d i g n o f i n t e l l i g e n t b o o m c o n t r o l s y s t e m 普通混凝土泵车的臂架只能由操作者直接控制每一节臂的 展收， 使臂架运动到目标位置， 这种方式很难控制末端平稳移动 泵车智能臂架把每一节臂架和回转中心都通过控制系统实现闭 环控制和运动协调控制 ， 利用多功能集成操纵手柄遥控给出布料 浇注点运动轨迹所对应 的臂架伸缩 、 升降和左右旋转运动 ， 再 由 计算机按最优策略 自动规划臂架机构的形状并实施控制 ， 具体实 现的智能控制功能如下 ： ( 1 )施工时 ， 在支腿按规范要求支撑好 以后 ， 只需遥控 1个 开关命令， 控制计算机就能按规定程序控制臂架实现初始时的 自动展开和施工完毕后的 自动收拢 图1 0 智能臂架控制系统软件组成 ( 2 )施工过程 中， 给出遥控器手柄的运动方向， 智能臂架就 F i g 1 0 a r e d i g n o f i n t e l l n t 能实现多节臂的协调动作 ， 出料 口末端按手柄指定方 向和速度 b o o m c o n t r o l s y S 运动 ， 实现臂架末端出料 口位置“ 所想即所达” I一 在浇 嘉 在 浇 注 墩 、柱 、墙 、梁 、平 板 及 水 泥 路 面 等 工 况 时 ，提 高 了 施 L l I 一 工效 率， 见图1 1 r f l 、 ( 4 ) 无线遥控采用g Y 向通信， 操作者在控制臂架运动 J 一 上 l 的同时 ， 还可通过手持部分的液晶显示屏知道泵车 的实时 集成手柄实现水平 伸 b 1 个手柄动作实现 工况 、 状态和报警等信息 5 结论 ( 1 )计算 机虚拟仿 真技术的应用是进行产 品研 发的 缩 ， 水平高度保持不变 臂架 末端垂直升 降 图 1 1 智能臂架施工水平 、 垂直移动 Fi g 1 1 Ho r i z o nt al a nd v e r t i c al mo v i ng o f i nt e l l i g e nt b o o m i n t he c o n s t r uc t i o n 维普资讯 http:/ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 唐修俊 ， 等： 混凝土泵车智能臂架运动仿真与控制研究 6 7 有效手段 通过计算机仿真技术， 直观地表示泵车臂架的作业范围， 评价泵车的性能， 不断地调整臂架的运 动规划 ， 达到混凝土泵车性 能的最优化 ( 2 )目前 ， 三一重工 已实现了混凝土智能臂架泵车 的批 量生产， 其 自主控制规划功能 ， 降低 了工人的 劳动强度 ， 提高了施工效率 ， 同时也保证 了浇注质量 ， 在施工建设 中有广泛的应用前 景 参考文献： 1 周淑文， 张国忠， 王铁 混凝土泵车智能浇注仿真 J 建筑机械化， 2 0 0 4 ( 0 3 ) ： 5 0 5 2 Z HOU S h u we n ， Z HANG Gu o z h o n g ， WAN G Ti e I n t e l l e c t u a li z a t io n p o u r i n g s imu l a t i o n f o r t r u c k mo u n t e d c o n c r e t e p u mp J C o n s t mc t i o n Me c h a n i zat i o n ， 2 0 0 4 ( 0 3 ) ： 5 0 5 2 2 金年喜 现代混凝土泵车技术与发展方向 J 广东建材 ， 2 0 0 6 ( 1 2 ) ： 9 9 1 0 1 J I N Ni a n x i F u t u r e a n d t e c h n o l o g y d e v e l o p me n t o f mo d e m con c r e t e boo m t r u e k J Gu a n g d o n g B u i l d i n g Ma t e r i a l s ， 2 0 0 6 ( 1 2 ) - 9 91 0 1 3 蔡 自 兴 机器人学 M 北京 ： 清华大学出版社， 2 0 0 0 CA J Z i x in g R o b o t ic s M B e i j i ng ： T s i n g h u a Un i v e r s i t y P r e s s ， 2 0 0 0 4 周淑文， 张国忠， 童新华 混凝土泵车臂架智能控制系统开发 J 建筑机械， 2 0 0 4 ( 0 1 ) ： 5 6 5 8 Z HO U S h u we n ， Z HAN G G u o z h o ng ， T ONG X i n h u a S t u d y o n i n t e l l i g e n t con t rol s y s t e m o f b o o m o f m o b i l e con c r e t e p u mp J C o n s t r u c t io n Ma c h i n e r y ， 2 0 0 4 ( 0 1 ) ： 5 6 5 8 5 郭立新 ， 张国忠， 李景坤 混凝土泵车浇筑过程机器人化探讨 J 机械设计与制造工程， 2 0 0 0 ( 0 1 ) ： 9 1 1 GUO L i x i n ， Z H ANG G u o z h o ng ， L I J i ngk u n Ap p r o a c h t o mbot i zat i o n o f c o n c r e t e b o o m t r u c k f o r c o nst r u c t io n J Manu f a c t ure I n f o r ma t io n E ngi n e e ri ng o f Ch i n a ， 2 0 0 0 ( 0 1 ) ： 91 1 ( 上接第 6 2页) 2 莱茵斯 C， 皮特尔斯 M ， 陈振华 钛与钛合金 M 北京 ： 化学 工业 出版社 ， 2 0 0 5 L E YE NS C， P E T ER S M，C HE N Z h e n h u a T i t ani u m and t i t ani um a l l o y s M B e ij ing ：C h e mi c a l I n d u s t ry P r e s s ，2 0 0 5 3 WA NGYo ngMi c r o s t r u c t u r e r e f i n e me n t o f aTi A 1 a l l o y b y h e a t t r e a t me n t J Ma t S e i E n g ，2 0 0 0 ， A 2 9 3 ： 1 0 21 0 6 4 杨鹏字， 苗德华 新型钛合金的时效工艺 J 金属热处理， 2 0 0 5 ， 3 0 ( 1 0 ) ： 6 8 YA NGP e ngy u ，MI A O D e h u a A g i n g p r o c e s sfor a n e w t i t ani um a l l o y J He a t Tr e a t me n t o f Me t a l s ， 2 0 0 5， 3 0 ( 1 0 ) ： 6 8 5 吴家龙 弹性力学 M 北京 ： 高等教育出版社， 2 0 0 1 wU J i a l o ng E l a s t i c me c h ani c s M B e r i n g ：Hi g h e r E d u c a t i o n P r e s s， 2 0 0 1 6 人民交通出版社 公路工程常用金属试验规程选编 M 、 北京 ： 人民交通出版社 ， 2 0 0 0 P e o p l e Tr a f f i c P r e s s Hi g h wa y e n g i n e e r i ng t e s t p rot oco l s commo n l y u s e d me t a l s e l e e t e d M B e i j i n g ： P eop l e T r a f f i c P r e s s ， 2 0 0 0 7 张行 断裂与损伤力学 M 北京 ： 北京航空航天大学 出版社 ， 2 0 0 6 Z HA NG Xing F r a c t ure and d a ma g e me c h a n i c s M B e ij i n g ： B e i j i ng Un i v e r s i t y o f A e r o n a u t i c s a n d As t r o n a u t i c s P r e s s ， 2 0 0 6 8 博弈创作室 A N S Y S 9 0 经典产品基础教程与实例详解 M 北京： 中国水利水电出版社， 2 0 0 6 C r e a t io n R o o m o f B o y i A NS YS 9 0 c la s s i c a l p r o d u c t s b a s e d t u t o r i a l and e x a mp l e e x p l a n a t i o n M B e ij i ng ： Ch i n a Wa t e r Conse r v anc y and H y d m p o we r Pr e s s ， 2 0 0 6 9 刘坤 ， 吴磊ANS YS有限元方法精解 M 北京 ： 国 防工业 出版社 ， 2 0 0 5 ， L I UKt in， wU L e i AN S YSF E M a c c u r ate M B e ij in g ： Nati o n a l De f e n s eI n d u s t ry P r e s s ， 2 0 0 5 维普资讯 http:/ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m