吳海宇， 陳欠根，， 趙喻明，， 陳冬良， 王廣松

（1.中南大學(xué) 高性能復(fù)雜制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410012；2.山河智能裝備股份有限公司 國(guó)家級(jí)企業(yè)技術(shù)中心，湖南 長(zhǎng)沙410100）

由于全球的地震災(zāi)害進(jìn)入了高發(fā)期（僅2010年前4個(gè)月，國(guó)內(nèi)外便連續(xù)發(fā)生了41次6級(jí)以上的地震），復(fù)雜的地震坍塌現(xiàn)場(chǎng)急需專業(yè)、高效的救援機(jī)械裝備［1］。因此，各種新型救援工程機(jī)械相繼誕生，如俄羅斯烏拉爾拖拉機(jī)廠生產(chǎn)的171.1k3型防核輻射推土機(jī)、美國(guó)雪龍公司生產(chǎn)的融雪機(jī)、俄羅斯生產(chǎn)的Rm140型全路面運(yùn)輸車以及美國(guó)卡特彼勒的挖掘裝載車［2］等。

地震救援是一種特殊的行為動(dòng)作，對(duì)機(jī)械動(dòng)作有極高的要求：救援機(jī)械在切割鋼筋混凝土建筑構(gòu)件、預(yù)應(yīng)力柱時(shí)要保證穩(wěn)定和可靠，防止二次垮塌。能否完成這一要求取決于人員操作的準(zhǔn)確性，故救援工程機(jī)械需引入機(jī)電一體化［3］。在工程機(jī)械領(lǐng)域，機(jī)電一體化控制包含機(jī)械電子化、自動(dòng)化和機(jī)器人化［4］。已有學(xué)者在這些方面進(jìn)行了研究，如文獻(xiàn)［5］在對(duì)挖掘機(jī)機(jī)器人化改造的基礎(chǔ)上，建立了工作裝置運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型，針對(duì)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)高非線性、參數(shù)不確定性等特點(diǎn)，提出了在自適應(yīng)魯棒基礎(chǔ)上非連續(xù)映射的方法處理運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了挖掘機(jī)智能化目的；文獻(xiàn)［6］基于行為控制的思想進(jìn)行軌跡任務(wù)控制，對(duì)挖掘機(jī)器人工作狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，實(shí)現(xiàn)自主挖掘等。

救援工程機(jī)械工作時(shí)環(huán)境惡劣，負(fù)載復(fù)雜多變，自身慣性大，且存在多種非線性因素，故其需要一種基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控反饋的半自動(dòng)化控制模式。本課題研究設(shè)計(jì)了一種多功能7自由度雙臂手搶險(xiǎn)救援工程機(jī)械，其多功能體現(xiàn)在末端執(zhí)行器為可快速更換的屬具，本文結(jié)合其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與作業(yè)環(huán)境提出了3種不同的操作模式，其中屬具末端模式通過(guò)Matlab中的SimMechanics對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析，得到所需的各關(guān)節(jié)角度值，從而實(shí)現(xiàn)半自主控制［7－9］。

1 新型救援工程機(jī)械

本課題救援工程機(jī)械的機(jī)械臂手具有冗余度，有較大的操作空間，能滿足較多的約束，可以有效躲避自身物理極限和環(huán)境障礙物［8］。該機(jī)械每個(gè)臂手有7個(gè)自由度，均由單個(gè)手柄控制，如圖1所示。采用電控控制，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)作輕便及遠(yuǎn)程遙控。

圖1 新型救援工程機(jī)械

2 3種操作模式

如前所述，救援工程機(jī)械所受負(fù)載為變載荷、動(dòng)載荷，故控制需要考慮現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，在實(shí)現(xiàn)控制能動(dòng)基礎(chǔ)上，結(jié)合自動(dòng)控制原理，實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)化的控制。實(shí)現(xiàn)的最可靠的方式是從操作員的操作方式入手，因此本文提出了3種不同的操作模式。

操作員處在司機(jī)室內(nèi)，操作必須避免誤動(dòng)作，故需要手柄控制簡(jiǎn)單、輕便。本機(jī)采用了Gessmann公司的單軸多控手柄，如圖2所示，手柄主軸沿X、Y、Z方向運(yùn)動(dòng)，手柄面板上2個(gè)小按鍵可分別沿X、Y方向運(yùn)動(dòng)，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)7個(gè)自由度的控制。單手柄可實(shí)現(xiàn)控制單臂。

圖2 操作手柄

2.1 常規(guī)關(guān)節(jié)模式

常規(guī)關(guān)節(jié)模式中執(zhí)行器單獨(dú)控制，單手柄對(duì)應(yīng)控制單臂手。此控制模式的優(yōu)點(diǎn)是控制靈活，能夠通過(guò)操作實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂手的各種位姿，但對(duì)操作員技能要求較高。

手柄的控制方式如圖3所示。

圖3 常規(guī)關(guān)節(jié)模式

2.2 屬具末端模式

當(dāng)救援機(jī)械處于需要實(shí)現(xiàn)特定的救援動(dòng)作，如需要將抓起的重物往水平直線路徑放置，此控制點(diǎn)為腕部中心，對(duì)中心點(diǎn)的移動(dòng)通過(guò)聯(lián)合主臂擺動(dòng)、變幅和副臂變幅油缸實(shí)現(xiàn)直線軌跡，操作手柄也只需控制手柄X、Y、Z方向控制受控點(diǎn)（即腕部中心）?？刂七^(guò)程中的3個(gè)執(zhí)行油缸通過(guò)算法實(shí)時(shí)反饋，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的控制輸出。

手柄的控制如圖4所示。

圖4 屬具末端模式

對(duì)于屬具末端模式，其難點(diǎn)在于機(jī)器人技術(shù)與大型機(jī)械控制技術(shù)的融合問(wèn)題。機(jī)器人技術(shù)常用于穩(wěn)定載荷工況下的簡(jiǎn)化分析，而大型工程機(jī)械中必須考慮變負(fù)載、大尺寸等復(fù)雜工況，故需要取舍。

2.3 雙臂協(xié)調(diào)模式

為了適應(yīng)多種救援環(huán)境，本新型機(jī)械采用了雙臂手設(shè)計(jì)，故在控制中必須考慮雙臂的協(xié)調(diào)問(wèn)題。在半自主控制中，特殊救援過(guò)程需要實(shí)現(xiàn)雙臂的協(xié)調(diào)動(dòng)作、協(xié)同工作，如雙臂同時(shí)抬起一塊石板且不傾覆。把雙臂看成一個(gè)整體，操作人員通過(guò)只操作一個(gè)手柄同時(shí)控制雙臂的運(yùn)動(dòng)，而此運(yùn)動(dòng)是基于屬具末端實(shí)現(xiàn)的，同樣實(shí)現(xiàn)末端軌跡直線控制，故手柄操作仍為圖4所示的控制方式。

此操作模式的難點(diǎn)在于如何將同一個(gè)手柄的輸出信號(hào)通過(guò)系統(tǒng)識(shí)別來(lái)分別控制2個(gè)臂手的輸出信號(hào)，同時(shí)2個(gè)臂手末端的相對(duì)位置不改變。

3 控制策略簡(jiǎn)述

整機(jī)控制，需要保證目標(biāo)的可靠性及穩(wěn)定性?；谇笆鼍仍畽C(jī)械的特殊要求以及工程機(jī)械特點(diǎn)，救援工程機(jī)械的電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖5所示。通過(guò)電液比例閥實(shí)現(xiàn)控制的精細(xì)化及高可靠性，同時(shí)設(shè)置各種傳感器，即對(duì)臂手的位置、位姿進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤分析及反饋，從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，達(dá)到自動(dòng)化控制的目的。雙臂手分別控制，能很好地滿足后續(xù)的避碰以及協(xié)調(diào)作業(yè)的要求?？刂撇呗院?jiǎn)圖如圖5所示。

圖5 控制策略簡(jiǎn)圖

4 屬具末端操作實(shí)現(xiàn)

實(shí)現(xiàn)臂手末端模式控制的第1步是對(duì)救援機(jī)械進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，其系統(tǒng)為與運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)密切相關(guān)的、強(qiáng)耦合、非線性的多變量系統(tǒng)，故在建模時(shí)須充分考慮這些因素。

建模時(shí)首先建立臂手的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，利用DH法分析，確定各個(gè)關(guān)節(jié)的坐標(biāo)及D－H參數(shù)，得到運(yùn)動(dòng)學(xué)正解和逆解；再根據(jù)逆解進(jìn)行末端執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)末端控制［7－11］。臂手的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖6所示。

在模型搭建過(guò)程中，不能忽視單臂自身的尺寸對(duì)其工作范圍的影響，故需要限制其可運(yùn)動(dòng)角度范圍。

圖6 臂手的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

4.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

表1所列為臂手的各關(guān)節(jié)參數(shù)，求解運(yùn)動(dòng)學(xué)方程式，用齊次變換矩陣Ai來(lái)描述第i個(gè)相對(duì)于第（i－1）個(gè)坐標(biāo)系的位置方向和方位［6］。

表1 D－H參數(shù)表

臂手的末端相對(duì)于基坐標(biāo)系的位置和姿態(tài)，用A60表示為：

運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解的求解方法是將運(yùn)動(dòng)方程（7）式的兩端依次左乘各A矩陣的逆矩陣，并使兩端矩陣的對(duì)應(yīng)元素相等，即可求各個(gè)關(guān)節(jié)變量［8－9］。

4.2 軌跡規(guī)劃和仿真數(shù)據(jù)

軌跡規(guī)劃是指根據(jù)作業(yè)任務(wù)要求（作業(yè)規(guī)劃），對(duì)末端執(zhí)行器在工作流程中位姿變化的位置、姿態(tài)以及它們的速度、加速度的人為設(shè)定，并通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解得到各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)指令［12－13］。根據(jù)本機(jī)械所要精確跟蹤的軌跡，確定給定路徑的解析函數(shù)式，并利用Matlab中SimMechanics進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，通過(guò)編寫(xiě)輸入軌跡控制Function文件，對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)再現(xiàn)仿真，以得到關(guān)節(jié)空間的各個(gè)關(guān)節(jié)所需的角度值［13－15］。

根據(jù)臂手的機(jī)構(gòu)組成，基于SimMechanics的仿真模型如圖7所示。

（1）物理模型。例如圖7中左下角的Revolute、Body模塊以及theta1輸入模塊共同組成了關(guān)節(jié)1的物理模型。6個(gè)關(guān)節(jié)，6個(gè)連桿和6個(gè)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器尺寸、初始位姿等參數(shù)均由各模塊對(duì)話框設(shè)置，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)測(cè)量還需要設(shè)置連桿的質(zhì)心位置、質(zhì)量和慣性矩等參數(shù)。

（2）傳感器。在各關(guān)節(jié)放置關(guān)節(jié)傳感器，以測(cè)量角度（如圖中Joint Sensor模塊），在手抓末端放置剛性傳感器，以測(cè)量末端運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，數(shù)據(jù)輸出至workspace供繪制三維軌跡。

（3）驅(qū)動(dòng)模塊。此為本模型最關(guān)鍵部分，需根據(jù)上述運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解，建立各關(guān)節(jié)在實(shí)際軌跡發(fā)生時(shí)各關(guān)節(jié)角度驅(qū)動(dòng)所需的角度值，如圖7中的theta1、theta2等輸入值可通過(guò)4.1中運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解計(jì)算得到。由于關(guān)節(jié)以角度、角加速度驅(qū)動(dòng)，以弧度為單位，故需要轉(zhuǎn)換為角度值。

仿真系統(tǒng)設(shè)定后運(yùn)行，可觀察救援機(jī)械臂手的模擬運(yùn)動(dòng)，結(jié)束后觀察各曲線，并輸出數(shù)據(jù)給后續(xù)計(jì)算以實(shí)現(xiàn)末端控制。連桿的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度參數(shù)為l1＝150mm，l2＝4 663mm，l3＝2 586mm，l4＝400mm，l5＝1 907mm，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)化得到目標(biāo)物在基坐標(biāo)中的坐標(biāo)。臂手的三維簡(jiǎn)圖如圖8所示。

屬具末端模式下的控制是通過(guò)手柄X、Y、Z方向來(lái)分別控制末端在基座坐標(biāo)系上X、Y、Z方向的運(yùn)動(dòng)，故本文采用了3段行程來(lái)模擬末端的控制（分別為X方向上7 000～9 000mm、Y方向上0～2 000mm、Z方向上0～1 500mm，起始坐標(biāo)都是（7 000，0，0））。

經(jīng)過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)可以得到3段運(yùn)動(dòng)各關(guān)節(jié)的角度曲線，如圖9所示。

圖7 基于SimMechanics的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真模型

圖8 臂手的三維簡(jiǎn)圖

圖9 X、Y、Z方向運(yùn)動(dòng)各關(guān)節(jié)的角度值

對(duì)于臂手的動(dòng)作，執(zhí)行器是液壓油缸，故通過(guò)已求得的各關(guān)節(jié)角度值，經(jīng)過(guò)換算得到油缸所需流量，便可通過(guò)電控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)所需角度值控制，即實(shí)現(xiàn)末端控制。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

把上述控制程序?qū)懭肟刂破髦?，?biāo)定好傾角傳感器，如圖10、圖11所示。通過(guò)手柄控制實(shí)時(shí)再現(xiàn)上述3段軌跡，記錄各傳感器數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算得到末端執(zhí)行器中心點(diǎn)相對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)坐標(biāo)系的軌跡，見(jiàn)表2所列，如圖12所示。

圖10 司機(jī)室控制器

圖11 傾角傳感器

表2 末端執(zhí)行器的軌跡數(shù)據(jù) mm

圖12 通過(guò)試驗(yàn)實(shí)測(cè)的末端軌跡

由試驗(yàn)結(jié)果可以得到，當(dāng)分別進(jìn)行3段行程時(shí)，軌跡變動(dòng)都在5%誤差范圍內(nèi)，精度滿足實(shí)際需求。分析可知，在實(shí)際操作中此算法完全可以實(shí)現(xiàn)精確末端軌跡控制。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)大型救援工程機(jī)械在實(shí)際救援過(guò)程中所需的特定動(dòng)作進(jìn)行了控制研究。結(jié)合實(shí)際工況，提出了3種不同的操作控制模式，能很好地應(yīng)對(duì)救援實(shí)際所需。屬具末端控制模式結(jié)合機(jī)器人末端執(zhí)行器軌跡控制原理，利用基于SimMechanics的仿真模型，建立運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真模型，通過(guò)參數(shù)設(shè)置及仿真類型選擇進(jìn)行仿真。仿真分析可知，通過(guò)控制可以實(shí)現(xiàn)救援工程機(jī)械的臂手末端平穩(wěn)連續(xù)運(yùn)動(dòng)，且無(wú)柔性沖擊。根據(jù)所得數(shù)據(jù)，換算得到液壓油缸所需控制流量，結(jié)合液壓系統(tǒng)，對(duì)臂手進(jìn)行控制試驗(yàn)。試驗(yàn)分析表明，通過(guò)手柄能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)末端執(zhí)行器中心點(diǎn)的準(zhǔn)確控制。

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