新型智能鋪路機路徑規(guī)劃及控制系統(tǒng)設(shè)計

蔡東偉，田金柱，秦方瑋，陳賦秋

（上海振華重工（集團）股份有限公司，上海 200125）

雄安新區(qū)或一些新型園區(qū)的建設(shè)，往往市政道路還沒有正式規(guī)劃，需要鋪設(shè)臨時施工道路進行建筑材料及設(shè)備的運輸。目前國內(nèi)工程項目建設(shè)施工現(xiàn)場的臨時道路，一般采用現(xiàn)澆混凝土路面結(jié)構(gòu)工藝，這種路面養(yǎng)護時間較長，且臨時道路破除后會造成建筑材料的浪費，產(chǎn)生大量建筑垃圾和粉塵污染。因此現(xiàn)在逐步采用裝配式預(yù)制道路來替代現(xiàn)澆道路，即道路采用工廠預(yù)制的標(biāo)準(zhǔn)混凝土塊拼裝而成，混凝土預(yù)制塊在專業(yè)預(yù)制廠批量生產(chǎn)制造，現(xiàn)場利用起重設(shè)備進行預(yù)制塊拼裝。臨時道路使用完畢后，可實現(xiàn)用機械設(shè)備吊裝快速拆除，循環(huán)使用。減少粉塵污染、建筑垃圾，并節(jié)省建筑材料，降低成本，道路建設(shè)綠色環(huán)保。

在現(xiàn)有的裝配式道路敷設(shè)工藝，多采用的是傳統(tǒng)汽車吊進行吊裝，吊裝時需要人工來拆裝鋼絲繩。且汽車吊等起重機械吊裝混凝土預(yù)制板時，由于鋼絲繩是柔性的，預(yù)制塊會來回晃動，給拼裝帶來了極大難度。往往需要重復(fù)多次，需要多人操作，容易給工人造成機械傷害。施工現(xiàn)場環(huán)境惡劣，鋪設(shè)效率較低、自動化程度低、存在一定不安全因素。因此，迫切需要開發(fā)一種新型便捷、自動化程度高、機動性好的專用鋪設(shè)裝置。

1 總體特點

新型智能鋪路機主要由履帶底盤行走機構(gòu)、動力系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、真空吸盤吊具、機械臂等組成，機械構(gòu)造如下圖1 所示，主要實現(xiàn)功能包括對混凝土預(yù)制塊的自動吸取和拼裝。工作中鋪路機通過機械臂頭部真空吸盤吊具，將長6 米寬2 米預(yù)制塊整體吸起，調(diào)整至合適高度，自動回轉(zhuǎn)至指定拼裝位置，與路面預(yù)制塊進行拼裝。拼裝過程利用機器視覺傳感器，進行自動偏差定位分析，自動位置糾偏。拼裝完成后自動回轉(zhuǎn)至取料位置，重新取料，完成下一預(yù)制塊的拼裝，依次按設(shè)定路線進行路面鋪設(shè)。

拼裝對象是裝配式混凝土預(yù)制板，預(yù)制板尺寸約為2000×6000×260mm(長×寬×厚)，每塊重量約為8 噸，體積和重量均較大。設(shè)備鋪設(shè)效率約3 分鐘/塊，適用路面寬度4 ～12m，鋪設(shè)精度5mm?；剞D(zhuǎn)角度范圍±180°，行走速度，20m/分鐘。

2 智能鋪路機路徑規(guī)劃及控制系統(tǒng)的設(shè)計

圖1 智能鋪路機總體布置示意圖

智能鋪路機控制系統(tǒng)采用基于CAN 總線通訊的PLC 主控系統(tǒng)，主要由機械臂伺服驅(qū)動控制系統(tǒng)、無線遙控系統(tǒng)、人機界面系統(tǒng)、機器視覺識別糾偏定位系統(tǒng)、底盤行走控制系統(tǒng)、發(fā)動機控制系統(tǒng)等組成，各系統(tǒng)之見通過canopen通訊。

控制系統(tǒng)通過對大臂、小臂的變幅角度，主臂及頭部升降裝置的控制，利用攝像頭識別路面板的中心與方向，通過縱橫微調(diào)裝置和頭部回轉(zhuǎn)裝置調(diào)整真空吸吊機中心與路面板中心重合，并處于同一個方向。經(jīng)過鋪路機運動軌跡控制算法，實現(xiàn)對預(yù)制板的精確定位，實時調(diào)整吊具位置姿態(tài)，使其安裝預(yù)設(shè)路線準(zhǔn)確鋪設(shè)。通過設(shè)置在吸盤上的視覺傳感器，計算預(yù)鋪設(shè)預(yù)制板與地面預(yù)制板之間的相對位置，傳輸至控制系統(tǒng)，通過頭部吸盤縱橫移微動機構(gòu)，調(diào)整X、Y 方向的絕對位置，以及旋轉(zhuǎn)角度，使其螺栓與螺栓孔精確定位。

2.1 機械臂控制系統(tǒng)與運動軌跡規(guī)劃

鋪路機機械臂主要頭部縱橫移機構(gòu)、升降推桿、頭部回轉(zhuǎn)機構(gòu)、主回轉(zhuǎn)機構(gòu)回轉(zhuǎn)、大小臂變幅機構(gòu)及吊具調(diào)平油缸組成，回轉(zhuǎn)、縱橫移、升降機構(gòu)采用伺服電機及伺服驅(qū)動器驅(qū)動，變幅和調(diào)平油缸采用電液比例驅(qū)動。變幅油缸及升降推桿內(nèi)均設(shè)有高精度位移傳感器及編碼器，可實現(xiàn)精確位置控制，提高混凝土預(yù)制板對位精度，保證螺栓孔的順利精確對位。伺服電機配置了高精度絕對值編碼器，實現(xiàn)鋪路機位置、速度和力矩的閉環(huán)控制，控制性能好，提高鋪路機工作效率。起升機構(gòu)抗過載能力強，能承受三倍于額定轉(zhuǎn)矩的負載，適應(yīng)頻繁起動和瞬間負載波動的鋪設(shè)工況。鋪路機機械臂頭部縱橫移裝置和電動升降裝置，采用滾珠絲杠，控制精度可達到0.1mm，真空吸盤吊具可實現(xiàn)沿運動坐標(biāo)系X 軸、Y軸、Z 軸方向精確移動，還可實現(xiàn)繞Z 軸旋轉(zhuǎn)運動，以實現(xiàn)拼裝時預(yù)制塊的精確定位。

智能鋪路機機械臂由4 個自由度，即頭部360 度回轉(zhuǎn)，大小臂變幅、主軸360 度回轉(zhuǎn)、頭部升降組成，屬于4 軸機器人。機械臂上設(shè)有光電限位、角度編碼器、超聲波防撞系統(tǒng)等，確保安全運行。因此需要在程序上規(guī)劃好機械臂運行軌跡路線，實現(xiàn)預(yù)制板道路鋪設(shè)過程自動化。

2.2 鋪路機機械臂運動軌跡計算

鋪路機吸盤的X、Y、Z 相對于基座位置主要由變幅油缸行程和回轉(zhuǎn)角度確定，當(dāng)取料和放料位置坐標(biāo)確定時，吸盤由取料位置到放料位置的自動運行過程中，變幅油缸的行程和回轉(zhuǎn)角度實時變化，在空間和時間上需要規(guī)劃出一條最優(yōu)路線。因此需要確定出變幅油缸行程與臂架幅度、吸盤面高度的關(guān)系，如圖2，計算如下：

圖2 幅度、高度與鉸點示意圖

在工作的時候需要調(diào)整臂架幅度至R，以及調(diào)整吸吊機吸盤底平面高度至H，此時需要知道兩個變幅油缸（CD 和EF）的行程是多少。其中H 是電動推拉桿完全收縮的時候，吸盤底平面至路面的高，L 是擺動油缸鉸點A 至吸盤底平面的高度，故對H 值的要求可以轉(zhuǎn)換成對A 點y 坐標(biāo)值的要求（Ay）?？珊喕癁槿缦率疽鈭D（圖3）。

（1）OB 為鋪路機內(nèi)臂架的兩個鉸點，OB 長度為已知，O 坐標(biāo)固定設(shè)定值；（2）BA 為鋪路機外臂架的兩個鉸點，BA 長度為已知，A 坐標(biāo)表示吊具幅度和高度，通過計算確定；（3）CD 為鋪路機內(nèi)臂架變幅油缸的兩個鉸點，C 坐標(biāo)通過機械結(jié)構(gòu)確定，D 相對于O 點的局部坐標(biāo)為已知固定值；（4）EF 為鋪路機外臂架變幅油缸的兩個鉸點，E 坐標(biāo)相對于O 點的局部坐標(biāo)固定已知，F(xiàn) 相對于E 點的局部坐標(biāo)為變量，F(xiàn)相對于B 點的局部坐標(biāo)為固定值；需要求出，當(dāng)A 點坐標(biāo)變動，亦即幅度和高度按指定要求變化時，CD 和EF 長度如何變化。得知CD 和EF 長度之后，減去兩個變幅油缸0 行程時的長度，即可得知油缸的行程變化。

計算思路是，先算出內(nèi)臂架OB 的α 角度，然后通過各個已知鉸點坐標(biāo)和算出的α 角度計算出CD 和EF 長度，最后推算出2 個變幅油缸的行程。直接計算兩個變幅油缸的行程比較繁瑣，解析式復(fù)雜，故分步進行計算。

（1）角度α 計算——解析式。

圖3 計算示意圖

其中：A 為內(nèi)臂架OB 與水平面的夾角；Ax、Ay 為A 鉸點的x、y 坐標(biāo)；Ox、Oy 為O 鉸點的x、y 坐標(biāo)；OB 為內(nèi)臂架OB 兩鉸點間的距離；BA 為外臂架BA 兩鉸點間的距離；OA為鉸點O 和鉸點A 之間的距離。

（2）角度α 的計算——數(shù)值方法。

其中：fuc（α）為利用牛頓迭代法計算α 角度值的目標(biāo)函數(shù)；dfuc（α）為fuc 函數(shù)對自變量α 的導(dǎo)數(shù)函數(shù)。

（3）計算程序示意。

α=45°//程序設(shè)置角度值，作為數(shù)值算法的初始估算值；

while|fuc(α)|＞0.001//如果大于0.001mm 則程序循環(huán)進行；

α=α-fuc(α)/dfuc(α)//程序重新賦值給α 角度值；

returnα//跳出循環(huán)時，返回α 值；

此時，返回的α 值為內(nèi)臂架OB 與水平面的夾角值。

（4）計算CD、EF 值。CD、EF 值為此時兩個變幅油缸的兩個鉸點之間的距離，根據(jù)已計算出的關(guān)鍵參數(shù)及已知參數(shù)分別計算出C、D、E、F 全局坐標(biāo)。D 鉸點相對O 鉸點的局部坐標(biāo)是已知的（ΔDx，ΔDy），可通過如下轉(zhuǎn)換獲得D點全局坐標(biāo)值：vD=(Ox+Oy·i)+(ΔDx+ΔDy·i)×E^(i·α)，其中i 為虛數(shù)單位，獲得復(fù)數(shù)vD 后取其實部為Dx，取其虛部為Dy。程序都有對復(fù)數(shù)操作的內(nèi)置函數(shù)，比如Rz 取實部，Im 取虛部，arg 獲得向量角度等，E、F 點計算類似D 點，4 點坐標(biāo)算出后，可通過公式“”計算出兩點之間的距離。

（5）獲得內(nèi)外臂架油缸行程l1、l2，其中l(wèi)1=EF-外臂架油缸0 行程時的兩鉸點距離，l2=CD-內(nèi)臂架油缸0 行程時的兩鉸點距離，從而最終獲得在指定幅度和高度的情況下，兩個變幅油缸的行程是多少。

3 實現(xiàn)功能

通過無線遙控器手柄及按鈕操作，實現(xiàn)手動控制鋪路機發(fā)動機的啟、停，主臂、副臂變幅控制，擺動油缸調(diào)平控制，底部回轉(zhuǎn)、吊端回轉(zhuǎn)、吊端升降、吊端縱橫移微調(diào)、真空吸盤吸合釋放控制等。可通過遙控器“手動/自動”選擇開關(guān)和位置選擇開關(guān)，可使鋪路機按照上述程序預(yù)設(shè)軌跡路線，自動控制鋪路機變幅油缸行程及回轉(zhuǎn)機構(gòu)角度，實現(xiàn)混凝土預(yù)制塊取、放和拼裝過程的自動控制。

3.1 示教模式

當(dāng)遙控器自動鋪路選擇開關(guān)選擇自動時，首次運行時需對控制系統(tǒng)進行示教。進入示教模式后，先手動將鋪路機吊具移動至取料位置，此時將預(yù)制塊位置選擇開關(guān)轉(zhuǎn)到0#位置，撥動標(biāo)位置標(biāo)零開關(guān)（自復(fù)位開關(guān)），此時將預(yù)制塊取料絕對位置信號（對應(yīng)鋪路機相應(yīng)的回轉(zhuǎn)及變幅角度、吸盤高度）記憶到PLC 程序里；手動操作將鋪路機吊具移動至1#放料位置，撥動標(biāo)位置標(biāo)零開關(guān)（自復(fù)位開關(guān)），此時將預(yù)制塊放料1#絕對位置信號（對應(yīng)鋪路機相應(yīng)的回轉(zhuǎn)及變幅角度、吸盤高度）記憶到PLC 程序里；根據(jù)預(yù)制塊的絕對寬度尺寸為2m，PLC 程序自動計算預(yù)制塊2#、3#、4#、5#、6#絕對位置，示教模式結(jié)束。

3.2 鋪設(shè)自動運行模式

鋪設(shè)作業(yè)自動運行模式包括取料、放料、自動行走工況。

取料工況：當(dāng)遙控器取放料選擇開關(guān)選擇自動，示教模式結(jié)束后，預(yù)制塊位置選擇開關(guān)轉(zhuǎn)到0#位置，推動主臂手柄左轉(zhuǎn)，鋪路機將自動控制主、副臂架變幅、回轉(zhuǎn)，自動控制吊具升降、回轉(zhuǎn)，并自動調(diào)平吊具，使吊具吸盤移至到取料位置，自動運行的速度根據(jù)手柄推動的幅度大小來調(diào)整，手柄在零位時，鋪路機無動作。鋪路機自動運行時，反饋自動運行狀態(tài)關(guān)鍵數(shù)據(jù)給遙控器，并在遙控器顯示屏上動態(tài)顯示；混凝土預(yù)制塊到程序指定位置后，根據(jù)機器視覺發(fā)出的定位信號，自動控制真空吸盤吊具縱橫移微調(diào)，使吊具對準(zhǔn)預(yù)制塊重心位置，并自動控制吸盤吸合。

放料工況：取料位置吸合成功后，將預(yù)制塊位置選擇開關(guān)轉(zhuǎn)到1#位置，推動主臂手柄右轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)鋪路機吊具將自動移動到程序記憶的1#位置，并自動下降吊具到指定高度，到位后自動運行指示滅，自動操作將預(yù)制塊放到1#準(zhǔn)確位置；依次將預(yù)制塊根據(jù)程序設(shè)定的2#、3#、4#、5#、6#位置，鋪路機將分別自動旋轉(zhuǎn)至對應(yīng)位置，放置其余預(yù)制塊。一行預(yù)制塊鋪放完畢后，將旋鈕轉(zhuǎn)至手動位置，手動操作鋪路機行走2m，至下一工位，依次循環(huán)。待一行預(yù)制塊鋪設(shè)完畢后，推動手柄前進（選擇在自動位置時），鋪路機自動將機構(gòu)動作至行走狀態(tài)位置（機構(gòu)行走狀態(tài)絕對位置由程序記憶），機構(gòu)達到行走狀態(tài)位置后，鋪路機向前行走，進入下一循環(huán)。

可依吊具頭部視覺傳感器，代替人工判斷預(yù)制塊位置，并將偏差指令傳遞至PLC 程序，程序自動微調(diào)調(diào)整偏差，實現(xiàn)自動取料、自動放料。按下自動運行按鈕，整個過程實現(xiàn)自動化控制。

4 結(jié)語

通過鋪路機運動軌跡控制算法，實現(xiàn)對預(yù)制板的精確定位，實時調(diào)整吊具位置姿態(tài)，使其按照裝預(yù)設(shè)路線準(zhǔn)確鋪設(shè)，使鋪設(shè)過程自動化，與傳統(tǒng)汽車起重機作業(yè)相比，自動化鋪路設(shè)備整個鋪路過程中實現(xiàn)自動化操作，對人員需求量小，且無工人直接參與鋪路，整個過程由技術(shù)人員在監(jiān)控室中完成，安全便捷，提高了勞動效率，降低了勞動強度。按照正常鋪設(shè)速度，單機可實現(xiàn)鋪設(shè)12m 寬的道路，效率達每小時18m，可實現(xiàn)裝配式道路的快速鋪設(shè)?，F(xiàn)雄安新區(qū)建設(shè)已大量推薦采用裝配式道路作為施工臨時道路，可推廣使用采用智能鋪路機。