液壓傳動(dòng)機(jī)構(gòu)位姿檢測(cè)方法研究

李海虹,解晶琳,鄒久禮,張學(xué)良

(太原科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,山西太原 030024)

實(shí)驗(yàn)技術(shù)與方法

液壓傳動(dòng)機(jī)構(gòu)位姿檢測(cè)方法研究

李海虹,解晶琳,鄒久禮,張學(xué)良

(太原科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,山西太原 030024)

為了準(zhǔn)確測(cè)取液壓傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的位姿數(shù)據(jù)用以跟蹤控制,該文通過(guò)分析轉(zhuǎn)角測(cè)量方法的優(yōu)缺點(diǎn),根據(jù)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析,轉(zhuǎn)換測(cè)試思路,提出以液壓缸行程的線位移測(cè)量取代關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角測(cè)量。以挖掘機(jī)工作裝置分析為例,在建立液壓缸行程與各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的轉(zhuǎn)換模型基礎(chǔ)上,利用單片機(jī)和Lab VIEW聯(lián)合開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)采集及后處理系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的實(shí)時(shí)顯示和保存,為自主挖掘的伺服控制系統(tǒng)提供了可靠的位姿數(shù)據(jù)。

液壓傳動(dòng)機(jī)構(gòu);軌跡跟蹤;位姿檢測(cè);液壓缸行程檢測(cè);數(shù)據(jù)采集

由于液壓裝置比同體積的電氣裝置具有更強(qiáng)的動(dòng)力輸出,且液壓傳動(dòng)具有無(wú)級(jí)調(diào)速等諸多優(yōu)點(diǎn),所以液壓傳動(dòng)機(jī)構(gòu)得到了廣泛使用。但是,隨著傳動(dòng)精度要求的逐步提高,液壓伺服控制系統(tǒng)的性能已經(jīng)成為目前液壓技術(shù)的重要研究?jī)?nèi)容,而如何迅速且可靠地獲得檢測(cè)信號(hào)是伺服控制系統(tǒng)前端技術(shù)研發(fā)的關(guān)鍵之一[1],因?yàn)闆](méi)有檢測(cè)信號(hào)或信號(hào)不準(zhǔn)確時(shí),再完備的伺服系統(tǒng)也無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效控制。

以液壓挖掘機(jī)實(shí)現(xiàn)自主挖掘的研究為例,伺服控制系統(tǒng)需要對(duì)挖掘機(jī)工作裝置的實(shí)時(shí)位姿進(jìn)行檢測(cè),并用于實(shí)現(xiàn)軌跡跟蹤、糾偏、軌跡重新規(guī)劃,以及路徑規(guī)劃更新等[2-9]。依據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析可知,鏟斗軌跡由各工作裝置的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角計(jì)算得出,所以最直接的位姿檢測(cè)方法就是測(cè)量各關(guān)節(jié)鉸的角位移[10]。

目前,關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)主要由編碼器進(jìn)行相對(duì)式角度測(cè)量或由傾角傳感器進(jìn)行絕對(duì)式角度測(cè)量。采用編碼器測(cè)量各關(guān)節(jié)的相對(duì)轉(zhuǎn)角存在以下問(wèn)題[11-12]:(1)工作裝置關(guān)節(jié)采用銷(xiāo)軸連接,不便安裝傳感器;(2)編碼器屬于高精密傳感器,而銷(xiāo)軸連接均采用間隙配合,因此軸向與徑向位移比較大,導(dǎo)致編碼器無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量挖掘機(jī)各裝置的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角;(3)挖掘機(jī)工作環(huán)境惡劣,常伴隨有較大沖擊載荷,不僅造成銷(xiāo)軸連接處的磨損與變形,而且進(jìn)一步會(huì)影響測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,更有損壞傳感器的可能。

而用傾角傳感器測(cè)量時(shí),需要根據(jù)特定轉(zhuǎn)換算法,通過(guò)桿件與重力方向夾角計(jì)算得出絕對(duì)角度,不同機(jī)構(gòu)間的算法通用性較差,而且振動(dòng)沖擊對(duì)傾角傳感器的影響很大,導(dǎo)致輸出信號(hào)不穩(wěn)定,不利于實(shí)時(shí)控制。

本文綜合考慮了工作可靠性、精度和成本等因素,根據(jù)挖掘機(jī)幾何裝置模型分析及其運(yùn)動(dòng)學(xué)分析,轉(zhuǎn)換思路,重新設(shè)計(jì)測(cè)試方案。新測(cè)試系統(tǒng)采用線位移傳感器,并配套以AD轉(zhuǎn)換電路、串行通信電路、上位機(jī)軟件等組件,實(shí)現(xiàn)鏟斗的軌跡跟蹤。

1 理論建模

本設(shè)計(jì)首先需要建立液壓缸線性位移與轉(zhuǎn)角的轉(zhuǎn)換模型。挖掘機(jī)工作裝置如圖1所示,3個(gè)線位移傳感器分別安裝在鏟斗油缸、斗桿油缸和動(dòng)臂油缸處。

圖1 挖掘機(jī)工作裝置及傳感器安裝簡(jiǎn)圖

忽略挖掘機(jī)工裝裝置關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角連接處的銷(xiāo)軸大小,建立挖掘機(jī)工作裝置中的動(dòng)臂及斗桿關(guān)節(jié)幾何模型簡(jiǎn)圖如圖2所示。其中∠ACO′1和∠BCF為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尺寸,不同機(jī)型的設(shè)計(jì)選值不同,在同一分析對(duì)象中為固定值,可以從挖掘機(jī)設(shè)計(jì)圖紙上直接量取。

1.1 動(dòng)臂關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換

由圖2中可得:

動(dòng)臂關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角q1有

1.2 斗桿關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換

由圖2可知,斗桿關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角q2有:

圖2 動(dòng)臂與斗桿機(jī)構(gòu)幾何模型

其中∠CFD、∠EFG、∠GFQ為固定值,可以從設(shè)計(jì)圖紙上直接量取?！螪FE為

1.3 鏟斗關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角計(jì)算

鏟斗油缸行程發(fā)生變化時(shí),會(huì)帶動(dòng)四連桿機(jī)構(gòu)NQKH,鏟斗固結(jié)連桿機(jī)構(gòu)的其中一根桿上,因此鏟斗關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的計(jì)算比較復(fù)雜。鏟斗油缸關(guān)節(jié)模型簡(jiǎn)圖如圖3所示。

圖3 鏟斗關(guān)節(jié)局部機(jī)構(gòu)幾何模型簡(jiǎn)圖

鏟斗油缸行程變化聯(lián)動(dòng)四連桿機(jī)構(gòu),造成鏟斗固結(jié)連桿機(jī)構(gòu)的KQ桿發(fā)生運(yùn)動(dòng),鏟斗關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的計(jì)算如下:

其中∠NQF、∠KQV、∠GNF、lGN、lFN、lGF、lFQ、lHN、lQN、lHK、lKQ為設(shè)計(jì)常量值,鏟斗油缸長(zhǎng)度為變量lGH, lNK和lHQ為聯(lián)動(dòng)變量。

2 檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)以上的理論建模,結(jié)合現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件,設(shè)計(jì)的位姿檢測(cè)系統(tǒng)包含以下3個(gè)環(huán)節(jié):

(1)采用線性位移傳感器直接測(cè)量液壓缸行程;

(2)利用單片機(jī)完成數(shù)據(jù)采集;

(3)利用Lab VIEW完成數(shù)據(jù)處理、保存及回放等。

2.1 傳感器選擇和模擬

在實(shí)際測(cè)量中,傳感器可以采用滑塊位移傳感器。通過(guò)緊固裝置將其分別安裝在動(dòng)臂油缸、斗桿油缸、鏟斗油缸上。具體安裝時(shí),將傳感器采用固定裝置分別安裝在液壓缸殼體上,拉桿安裝在液壓缸光桿上,實(shí)現(xiàn)液壓缸光桿與傳感器拉桿的同步位移,進(jìn)而完成液壓缸行程的測(cè)量?；瑝K位移傳感器將線位移數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成0～5 V模擬電壓,并輸入測(cè)量系統(tǒng)。

在實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)與調(diào)試時(shí),輸入信號(hào)是由單片機(jī)提供的0～5 V可調(diào)電壓代替線性位移傳感器的輸入電壓來(lái)完成數(shù)據(jù)采集與處理程序的編寫(xiě)與調(diào)試。

2.2 數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要完成數(shù)據(jù)的采集與上傳。采用兩級(jí)控制并分別完成數(shù)據(jù)的采集和上傳。下位機(jī)有單片機(jī)PCF8591組成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集;上位機(jī)是由Lab VIEW開(kāi)發(fā),負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收和顯示。整套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)物圖見(jiàn)圖4。

圖4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)物圖

2.2.1 下位機(jī)設(shè)計(jì)

下位機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集任務(wù)。線性位移傳感器輸出0～5 V的模擬電壓,采用4路8位逐次逼近式AD轉(zhuǎn)換器PCF8591對(duì)此模擬電壓進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。其中3路進(jìn)行3個(gè)液壓缸數(shù)據(jù)采集,預(yù)留出第4通道作為挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)角測(cè)量。

PCF8591采集到的數(shù)據(jù)采用I2C總線串行輸入/輸出,但是所選用的單片機(jī)并沒(méi)有預(yù)留的I2C接口,因此要完成單片機(jī)與PCF8591的通信,需要編寫(xiě)I2C協(xié)議。設(shè)計(jì)時(shí)將單片機(jī)2個(gè)管腳P1.2、P1.3分別作為模擬SCL、SDA接口連接在PCF8591的SCL、SDA端口上,采用I2C協(xié)議呼叫應(yīng)答機(jī)制循環(huán)讀取PCF8591的轉(zhuǎn)換結(jié)果。

2.2.2 上位機(jī)設(shè)計(jì)

利用單片機(jī)和Lab VIEW聯(lián)合開(kāi)發(fā)平臺(tái)完成數(shù)據(jù)處理、保存及回放等功能的設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)挖掘工作裝置的各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示,并以Excel格式文件保存在由Lab VIEW編寫(xiě)的上位機(jī)軟件中。

具體設(shè)計(jì):模數(shù)轉(zhuǎn)換后,單片機(jī)讀取PCF8591的轉(zhuǎn)換結(jié)果,得到一個(gè)8位二進(jìn)制數(shù)據(jù),并將該數(shù)據(jù)通過(guò)串行口傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中,由上位機(jī)完成二進(jìn)制到十進(jìn)制轉(zhuǎn)換,用于對(duì)液壓缸行程的具體計(jì)算。因?yàn)閭鞲衅鬏敵鰹?～5V的模擬電壓,PCF8591AD轉(zhuǎn)換器輸出0～255的二進(jìn)制數(shù)據(jù),而被測(cè)液壓缸實(shí)際行程是0～1 250 mm,所以在Lab VIEW中編寫(xiě)相關(guān)程序?qū)⑥D(zhuǎn)換得來(lái)的8位的二進(jìn)制的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成0～255的十進(jìn)制數(shù)據(jù),再由0～255所對(duì)應(yīng)的0～1 250 mm行程計(jì)算液壓缸的行程。

3 檢測(cè)系統(tǒng)仿真

系統(tǒng)仿真時(shí),數(shù)據(jù)采集指令由Lab VIEW向單片機(jī)發(fā)出,并對(duì)單片機(jī)所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和保存。單片機(jī)通過(guò)串口與Lab VIEW通信。串口的具體設(shè)置:波特率57 600,8位數(shù)據(jù)位,1位停止位,0個(gè)校驗(yàn)位。上位機(jī)每隔612 ms向單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)采集指令,單片機(jī)循環(huán)讀取PCF8591轉(zhuǎn)換結(jié)果,將轉(zhuǎn)換結(jié)果通過(guò)串口發(fā)送到上位機(jī)。上位機(jī)讀取緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)m,將m賦給VISA READ,通過(guò)VISA READ讀出緩沖區(qū)中數(shù)據(jù),輸出為字符型數(shù)據(jù)。采用Lab VIEW中String To Byte Array Function將這m字節(jié)的字符轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制的0～255數(shù)據(jù),利用Decimate 1D array將混雜在1 000個(gè)4個(gè)通道的數(shù)據(jù)分別送到4個(gè)數(shù)組中,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)四通道數(shù)據(jù)分離。將分離出的數(shù)據(jù)送到Wave Form Chart中用以實(shí)時(shí)顯示挖掘機(jī)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的變化過(guò)程。完成相關(guān)參數(shù)設(shè)置后,點(diǎn)擊運(yùn)行,得到的液壓缸驅(qū)動(dòng)的挖掘機(jī)工作裝置的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角見(jiàn)圖5。

需要說(shuō)明的是:由于在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下采用的傳感器輸入為單片機(jī)模擬的,模擬電壓是由人工單次調(diào)整的,而單次調(diào)整后每一個(gè)模擬值為一固定值,所以造成圖5中的各個(gè)關(guān)節(jié)及其鏟斗位姿是單一值,且顯示為一條直線。若真實(shí)傳感器提供變化的0～5 V連續(xù)變化的模擬電壓時(shí),則圖中將顯示連續(xù)的變化曲線。

圖5 關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角測(cè)量結(jié)果顯示界面

4 結(jié)束語(yǔ)

由于硬件條件限制,本次設(shè)計(jì)的位姿檢測(cè)系統(tǒng)暫時(shí)采用了串口通信,如果實(shí)驗(yàn)條件允許采用高性能的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),則可以顯著提高通信速率,進(jìn)而提高數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性。本設(shè)計(jì)主要是針對(duì)采用液壓傳動(dòng)輔助位姿變換的各種機(jī)構(gòu),提出一種軌跡跟蹤的實(shí)現(xiàn)方法,該方法轉(zhuǎn)變了直接進(jìn)行關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角檢測(cè)的思路,轉(zhuǎn)換成更為可靠且可行性更高的線位移測(cè)試方法。這種設(shè)計(jì)思路的轉(zhuǎn)換,對(duì)諸多液壓傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的位姿檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有借鑒意義。

References)

[1]鞏明德,田博.遙操縱多自由度電液伺服并聯(lián)機(jī)械手力反饋控制策略[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào):工學(xué)版,2012(增刊1):62-66.

[2]王福斌,劉杰,陳至坤,等.基于模糊聚類(lèi)判別的挖掘機(jī)器人行為控制[J].東北大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2011,32(12):1745-1748,1769.

[3]王福斌,劉杰,焦春旺,等.基于ANFIS的挖掘機(jī)器人挖掘軌跡仿真[J].東北大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2011,32(4):554-559.

[4]任志責(zé),陳進(jìn),賀康生,等.基于運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的挖掘機(jī)器人軌跡規(guī)劃新方法[J].中國(guó)工程機(jī)械學(xué)報(bào),2012,10(2):150-155.

[5]劉闊,劉杰,楊克石,等.挖掘機(jī)器人的模型與自適應(yīng)模糊滑?？刂芠J].中國(guó)工程機(jī)械學(xué)報(bào),2009,7(1):1-6.

[6]賀繼林,趙鑫,張大慶,等.新型智能挖掘機(jī)自動(dòng)軌跡控制研究[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)報(bào),2012,37(2):259-265.

[7]LeDuc Hanh,Kyoung Kwan A H N,Nguyen Bao Kha,et al.Trajectory control of electro-hydraulic excavator using fuzzy self tuning algorithm with neural network[J].Journal of Mechanical Science and Technology,2009,23:149-160.

[8]Bradley D A,Seward D W.The Development,control and operation of an autonomous robotic excavator[J].Journal of Intelligent and Robotic Systems,1998,21:73-97.

[9]Liu Yang,Hasan Mohammad-shahidu,Yu Hongnian.Modelling and remote control of an excavator[J].International Journal of Automation and Computing,2010,7(3):349-358.

[10]劉強(qiáng),馮培恩,潘雙夏.基于速率觀測(cè)器的挖掘機(jī)器人時(shí)延魯棒控制研究[J].中國(guó)工程機(jī)械學(xué)報(bào),2008,6(3):276-281.

[11]黃宗升,秦石喬,王省書(shū).光柵角編碼器誤差分析及用激光陀螺標(biāo)校的研究[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2007,28(10):1866-1869.

[12]呂憲勇.挖掘機(jī)工裝軌跡控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2011.

Study on position and orientation measurement for a hydraulic transmission mechanism

Li Haihong,Xie Jinglin,Zou Jiuli,Zhang Xueliang
(College of Mechanical Engineering,Taiyuan University of Science and Technology,Taiyuan 030024,China)

Trajectory tracking is necessary to servo control for many mechanisms which shift pose by hydraulic transmission mechanism.The aim of this research is to find how to detect the pose accurately for trajectory tracking.Based on the kinematic analysis,a novel method is presented to measure hydraulic cylinder displacement but angular displacement of joints by analyzing the shortcoming of measuring angular displacement directly.Taking an excavator’s working device as the example,a transformation model from the angular displacement of joints to journey of hydraulic cylinder is built.A prototype is developed for data acquisition and processing by using the SCM and Lab VIEW,which could show and save the real-time angular displacement of joints.

hydraulic transmission mechanism;trajectory tracking;position and orientation measurement; journey detection of hydraulic cylinder;data acquisition

TH137.3

A

1002-4956(2015)4-0033-03

2014-09-17修改日期：2014-11-20

山西省青年科技研究基金項(xiàng)目(2010021021-2);太原科技大學(xué)教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目(2014-13)

李海虹(1978—),女,山西太原,博士,副教授,碩士研究生導(dǎo)師,研究方向?yàn)闄C(jī)械制造及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)、機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)及測(cè)控技術(shù).

E-mail:lihaihongty＠sina.com