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畢業(yè)設(shè)計(論文)外文資料翻譯
系 別 機電信息系
專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化
班 級 B070203
姓 名 陳宗佑
學 號 B07020302
外文出處 愛思唯爾數(shù)據(jù)庫
www.elsevier.com
附 件 1. 原文； 2. 譯文
2011年3月
2.譯文
一個由機器人操作挖掘機液壓的阻抗控制
Q.P. Ha), Q.H. Nguyen, D.C. Rye, H.F. Durrant-Whyte
澳洲欄位機械手工程中心、悉尼、2006 NSW，澳洲
摘要
在機器人挖掘技術(shù)中，混合位置力控制已經(jīng)遵循為水斗挖彈道。在混合位置力控制中，控制模態(tài)為在功能之間轉(zhuǎn)變所需力控制取決于這水斗是否在自由空間中或在接觸土壤在程序中。二者選一，阻抗控制能被應(yīng)用在一個控制模態(tài)是松扣和拘束運動中。這呈現(xiàn)出一個強健的滑落控制器那一全套阻抗用具為一個拉鏟挖掘機控制。控制定律有三個元件： 一個相等的控制，一個交換控制和一個調(diào)諧控制。 在空間中給予一個挖掘任務(wù)，倒轉(zhuǎn)的運動學的和動態(tài)套式被用于變換任務(wù)進入一個需要在聯(lián)合的空間中挖軌道。該控制器適用于提供與AT鏟斗振動減弱土壤接觸點良好的跟蹤性能。從控制信號和接合挖掘機的角度，活塞功能和撞槌檔木板的橋控制的每個圓柱體的力，臂，而且水斗能被決定下來。問題是當時該如何找適用于達成的每個伺服閥的控制電壓力和位置檔木板，臂和水斗的橋動作是使每個電液系統(tǒng)的追蹤正常。與一個以觀察者為主的補償為擾動力包括水力的摩擦，活塞的追蹤力和放置擊力，使用強健的滑落控制會被保證。在模擬和實驗中，在一個液壓促使的機器人的挖掘機上執(zhí)行。當在挖掘中以土壤連絡(luò)時，被提議的控制技術(shù)能提供強有力的績效考量。2000 Elsevier 科學 B.V. 版權(quán)所有。
1. 介紹
拉鏟挖掘機的平常任務(wù)將釋放并移除來自它的最初位置的事物和把它傳遞到另一個位置來降低水斗，經(jīng)過土壤拖曳水斗挖掘，然后升高，轉(zhuǎn)動和傾銷水斗。在移動方面，自動挖掘有的時候需要借助一個強有力的控制器的發(fā)展，來完成這些操作聯(lián)合。[1] 為
控制目標，運動學的和動態(tài)套式，承擔液壓主動器的挖掘機，無限強力的力來源被呈現(xiàn)。[2-4] 一個慣例的位置控制，具有比例而且引出控制器被使用。[4,5] 因為挖掘程序的模擬與限制土壤相互作用，挖掘機得到了很大的變化。對土壤相互作用的力的工具。當挖掘，水斗運動是最有效的強制約束，由于環(huán)境是非線性結(jié)構(gòu)方程。液壓力量控制方法因此被認為比位置控制更適合整形挖掘機。順應(yīng)運動控制一般可分為兩大類：混合位置力控制和交互控制。在混合位置力控制，笛卡爾空間最終效應(yīng)統(tǒng)籌分解為一個位置子空間和力子空間。獨立的位置和力軌跡跟蹤的目標是指定在每個子空間過度用力瞬變的可能。是發(fā)生在接觸瞬間的工具和環(huán)境，而不是跟蹤所需位置和力的軌跡，互動控制的目的，是調(diào)節(jié)兩者之間的關(guān)系，最終位置和相互作用的效應(yīng)力。據(jù)了解，阻抗控制提供了一個統(tǒng)一的辦法，達成了統(tǒng)一的方式不受拘束而且強迫進行。[6]。如果混合的位置動力控制被采用，控制模態(tài)應(yīng)該被轉(zhuǎn)變在位置控制和力之間，根據(jù)控制是否液壓在自由空間中或在在一個挖掘任務(wù)期間的土壤中。
阻抗控制被認為是更適合挖掘任務(wù)，確切來說它能被應(yīng)用到連續(xù)地無約束和拘束運動[1]。阻抗控制器最近被報道為挖掘機挖掘臂[7]。本文提出魯棒滑?？刂萍夹g(shù)來實現(xiàn)阻抗控制。鏟斗尖控制跟蹤在所需的挖掘軌跡在場的環(huán)境和系統(tǒng)參數(shù)的不確定性。在液壓挖掘機的阻抗控制中，活塞功能和撞槌力的每個水力的圓柱體為檔木板的橋控制，約束，水斗能被決定。問題是如何找到控制電壓施加到伺服閥跟蹤這些所需的命令。以考慮摩擦和非線性，既活塞位移，速度，包括負載擾動力和摩擦。隨著觀測為基礎(chǔ)的補償對于力的干擾。強大的跟蹤這些活塞撞槌力和位置被保證使用強大的滑動模式控制器系統(tǒng)。在該方法的有效性通過仿真驗證和歸檔進行的測試在小松的PC -05小型挖掘機。其余本文的結(jié)構(gòu)如下。第2條致力于挖掘機動態(tài)推導模型。問題的提出和發(fā)展挖掘機的阻抗動態(tài)控制載于第3節(jié)。該電液控制系統(tǒng)是針對第4節(jié)。硬體機器人挖掘機的組織描述在第5節(jié)連同計算機模擬和實驗結(jié)果。最后，結(jié)論在第6節(jié)提供。
2．挖掘機動力學
對于一個普通的挖掘機運動方程可以從拉格朗日方程能量函數(shù)得到，或先后用牛頓歐拉方程計算每個機器的鏈接。在后一種方法中，各個環(huán)節(jié)的動力學方程來描述該指數(shù)通過鏈接傳遞。聯(lián)合駕駛的熱潮，手臂扭矩和鏟斗由液壓油缸驅(qū)動器產(chǎn)生的力量。這些鏈接是平移和旋轉(zhuǎn)運動所描述的動態(tài)模型的挖掘機系統(tǒng)。挖掘機動力學模型，在文獻中提出。[2] 文獻改進。[4] 首先，一個笛卡爾統(tǒng)籌框架{O0X0Y0Z0}固定在挖掘機的機體中。其他笛卡爾統(tǒng)籌分配系統(tǒng)應(yīng)用Denavit和Hartenberg程序如文獻所示。[2-4] 該框架{O1X1Y1Z1}，{O2X2Y2Z2}，{O3X3Y3Z3}和{O4X4Y4Z4}預期分別地被附上到檔木板、臂、水斗和水斗尖塞端 ，如圖看到1。
注意挖掘機裝置的運輸在挖掘期間通常發(fā)生在垂直平面。因此假設(shè)沒有檔木板－擺動動作在挖掘期間發(fā)生，檔木板擺動角度θ1因此在挖掘期間保持固定（θ1=0）。該模型方程可寫成挖掘機的每個環(huán)節(jié)作為一個剛性自由體。通過結(jié)合牛頓和歐拉方程，動力模型為挖掘機在一個眾所周知的形式操縱運動方程，可簡潔地表示成： （1）
其中是測量軸角向量：θ2是檔木板連接量，θ3是臂接合量，θ4是水斗接合量；TL代表作為函數(shù)的切向和負載力矩正常的組件，F(xiàn)t和Fn是土壤在水斗的反動力，F(xiàn)為在聯(lián)合軸上力量的液壓執(zhí)行器產(chǎn)生的扭矩作用。切向分量Ft，是平行的挖掘方向，代表由挖掘機抵抗地面的挖斗齒。這被認為是阻力的總和和土壤的抗切割，摩擦水斗和地面，以及運動對土壤和土壤中移動的角度。根據(jù)文獻，切向分量，可以計算[8]，正如：Ft=k1bh (2)
K1是具體挖掘力[Nm ‐2]，h和b分別是土壤剪片的厚度和寬度[m]，正常組件
Fn被計算當做 （3）
其中Ψ=（0.1—0,45）是一個因素，它取決于挖掘的角度，挖掘條件，磨損和撕裂的最前沿,決定著矩陣的慣性D(θ)，科氏力和向心力的影響,C(θ, θ) θ，重力G（θ），還有力臂的功能，A（θ）在文獻中被全面描述。[2-4]在文獻中，所有的矩陣條目都已給出參考量。[4] 。3×1矩陣粘性摩擦B(θ) 被視為一源的不確定性。
在挖掘平面中，函數(shù)行列式J(θ)被定義為x=J(θ) θ（4）能從文獻[3]中獲得，其中x=[x4,z4, θo4]T代表笛卡爾坐標和桶頭方向(O4),關(guān)于{O0，X0，Y0，Z0}。假定雅可比矩陣J（è）非奇異方程，1。聯(lián)合空間可以被改寫在笛卡爾空間為：
和代表之間的最終互動效應(yīng)斗尖廣義力。和土壤環(huán)境. 他們組成的挖掘力作用于同力合作條目斗坐標（x4,z4）和Y4周圍的扭矩條目。
前向和反向測定運動的關(guān)系x=L(θ), θ=L-1(x)，詳見文獻 [3] 。就像方程（5）有廣義形式的機器人動力學，其中x是一地兩接觸點的坐標向量，并在下一節(jié)我們會考慮在一般x∈Rn和u∈Rn。我們假設(shè)
其中矩陣和已知，是 采用測力傳感器軸銷，和不確定，表示摩擦和不確定在
方程（5）可以被重寫為：
其中是控制輸入。
注1：因為D(θ) 是一個3×3-對稱正定
點陣式滿足斜的對稱特性[9]。對于公稱的動力學的挖掘機， 也是歪斜－x對稱的點陣式，也就是
3．挖掘機動力學阻抗控制
3.1問題描述
挖掘任務(wù)的要素之一是由挖掘機的斗土滲透遵循預先計劃的挖掘軌跡。在挖掘時，三個主要切向抵抗力量出現(xiàn)：在電阻與土壤切削時，摩擦力作用于水斗表面與土壤接觸的部分，并且抵抗土棱鏡在水斗中提前行動。規(guī)模的挖掘抵抗力量取決于許多因素，如挖掘的角度，土壤棱柱體積，切割對象對切割的抗拒。這些因素通常是變量且不可用。此外，由于土壤的可塑性，開挖嚴重不均勻材料土壤潛在特性空間的變異，這是不可能精確的界定力量需要在一定的條件下挖掘。
阻抗控制的目標是建立所需的動力效應(yīng)之間的關(guān)系桶的一角，位置和接觸力。這種動態(tài)的關(guān)系稱為目標阻抗。設(shè)xt(t)是為所需最終效應(yīng)的軌跡。通常，目標阻抗是選擇一個線性二階系統(tǒng)模仿質(zhì)量彈簧，根據(jù)阻尼器動力學:
其中s是衍生工具的不斷正定，每組的N -矩陣Mt,Bt,Kt分別是矩陣的慣性，阻尼和剛度。位置的誤差和動力的誤差被定義為
其中，是動力的設(shè)定點。
控制問題是漸近驅(qū)動的系統(tǒng)狀態(tài)，以實現(xiàn)目標阻抗（12）即使存在不確定性。如果位置錯誤ep接近零，動力錯誤eF也接近零，反之亦然。按照指定的動態(tài)關(guān)系數(shù)值的定義值的矩陣Mt,Bt,和Kt，在方程（12）中。在一些接觸的任務(wù)中，動力設(shè)定點，F(xiàn)r，將被指定為常量，不隨時間變化。在自由空間中運動，與外界沒有聯(lián)系。Fr=-Fe=0。所以ep趨近于零，因為是固定的。矩陣Mt,Bt,Kt的選擇將決定所需形狀的瞬態(tài)響應(yīng)系統(tǒng)。當最終效應(yīng)接觸的環(huán)境，互動的特點是目標阻抗時，（12），這會導致一個位置誤差和錯誤的力量。如果末端執(zhí)行器的位置跟蹤期望軌跡，（x→xr）那么接觸力遵循力的設(shè)定點（-Fe→Fr）。
3.2控制器的發(fā)展
考慮機械手的動力學模型形式符合不確定性。這眾所周知，魯棒性，最能區(qū)別功能易變結(jié)構(gòu)控制的滑動模式。在本節(jié)中，魯棒滑?？刂破鲗⒈婚_發(fā)機械手動態(tài)，就像方程（5），輸入2維系統(tǒng), 一滑動面的狀態(tài)空間將是多方面的維2n-n=n。讓我們定義為s={s1(x),s2(x),……sn(x)}T，滑動的功能，如下
其中，
采用滑動模式的存在s=0，須知
可以看出，一旦系統(tǒng)在滑動式結(jié)合的方程狀態(tài)下，（14），條件（16）保證了目標阻抗（12）就達到了。
因此，在滑模si（x）=0（i=12，，，，n）動力誤差趨近于零。
4．電液控制系統(tǒng)
控制要求的力產(chǎn)生在每個氣缸的挖掘機遵循所需時間的功能，當執(zhí)行挖掘阻抗任務(wù)時。非線性效應(yīng)發(fā)生在工具與土的相互作用，并在液壓系統(tǒng)本身進行復雜的控制策略要求。據(jù)了解，重力和活塞和汽缸之間的摩擦應(yīng)補償實現(xiàn)高性能重型液壓機，挖掘機等。此外，原油粘度，通過油流液壓伺服閥和可變荷載，將導致液壓控制系統(tǒng)遭受高度非線性時變動態(tài)，負載敏感，參數(shù)不確定性。因此，這些因素都要考慮到伺服液壓的建模和控制。在液壓執(zhí)行機構(gòu)中成立刀片，擺動臂，臂，斗附件的軸向液壓挖掘機氣瓶。液壓油的流向氣缸受直接驅(qū)動伺服閥與電閉環(huán)的控制，控制閥芯位置。該系統(tǒng)可大致描述一個六階微分方程。為簡單起見，下面的線性表達式可使用小損失高達200赫的頻率準確度：
5.結(jié)論
挖掘機在努力朝著自主挖掘進行，運土和建筑行業(yè)，我們提出了一個魯棒滑?？刂破髯杩箍刂频耐诰驒C來處理不確定性在其動力學模型中，摩擦和斗相互作用。該控制器設(shè)計的一個目標阻抗的選擇組成，并有決心對相應(yīng)的控制，開關(guān)控制，調(diào)諧控制?？刂戚敵龊吐?lián)合角，然后轉(zhuǎn)換為命令，即所需的RAM力和活塞的位置，對軸控制的挖掘機電液伺服系統(tǒng)?；Ｄ：刂萍{入，調(diào)整方法已成功地實施在在羊角力控制和缸內(nèi)，挖掘機液壓執(zhí)行機構(gòu)的位置。一個1.5噸小型機器人挖掘機的模擬和實驗研究，經(jīng)過試驗驗證了所提出的有效性。給定一個期望軌跡，挖掘如挖掘和裝載任務(wù)好的展覽性能。振動聯(lián)合角的位置，由于速度和加速度之間的聯(lián)系。水桶和土壤能顯著減少使用提出的控制器。高性能挖掘機和較強的魯棒性電伺服系統(tǒng)仿真實現(xiàn)
和現(xiàn)場試驗。得到結(jié)果表明的可行性和有效性提出的方法對于挖掘機動力學控制及其液壓執(zhí)行機構(gòu)在執(zhí)行機器人挖掘任務(wù)與泥土接觸的考慮。
致謝
澳大利亞研究理事會，NS的小松，以及合作研究挖掘技術(shù)與裝備中心，表示感謝。