液压挖掘机工作装置轨迹规划研究
发布时间：2021-06-14 22:01
随着现代科技的发展,工程机械智能化是主要的发展方向。本文结合挖掘机智能化的发展趋势,对工作装置的轨迹规划和运动控制进行了研究。首先,对挖掘机工作装置进行轨迹规划,运用D-H法建立挖掘机工作装置的运动学模型,根据直线作业轨迹,通过运动学逆解运算,得到挖掘机铲斗的位姿与各个液压缸长度的关系;接着,为了对轨迹进行有效控制,设计了以比例伺服阀为控制元件、油缸行程传感器为反馈元件的液压位置闭环控制系统,针对系统阀控非对称缸的特点,通过建立液压系统数学模型的方式,对液压系统的性能进行了分析;然后,采用直线插补算法对运动轨迹进行控制,将控制过程分解为对单个液压缸的控制,为了改善单个液压缸位置闭环控制系统性能,提高轨迹控制的精度,采用具有参数自整定功能的单神经元PID控制策略对位置控制系统进行了优化,并运用ADAMS软件建立了挖掘机虚拟样机模型,进行了直线挖掘轨迹的运动学仿真;最后,设计了以STM32微控制器为核心的硬件电路,以Keil Vision5为软件开发环境,采用C语言编写了软件程序,完成控制系统硬件及软件部分的设计。运用MATLAB仿真,其结果表明,虽然挖掘机工作装置具有参数时变和干扰未知的...
【文章来源】：山东科技大学山东省
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２．１挖掘机工作装置结构与坐标空间示意图??Ｆｉｇ．?２．１?Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｅｘｃａｖａｔｏｒ?ｗｏｒｋｉｎｇ?ｄｅｖｉｃｅ?ａｎｄ?ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ?ｓｐａｃｅ??
图２．３挖掘机械臂连杆坐标系简图??Ｆｉｇ．?２．３?Ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ?Ｓｙｓｔｅｍ?ｏｆ?Ｗｏｒｋ?Ｄｅｖｉｃｅ?Ｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇ?Ｒｏｄ??如图２．３所示，设各杆件之间的角度逆时针旋转为正，化为铲斗铰接中心??与齿尖的连线和水平面所形成的夹角，称为方向角，铲斗齿尖在其基坐标的位??置为０４ｆｘ４?ｙ４?ｚ４｜。则连杆坐标系Ｏ，丨只ｚｊ相对于６＾丨，ｚｊ的??坐标变换―１［为［３１］：??ｃｏｓｇ?—?ｃｏｓ＾?ｓｉｎ＾?ｓｉｎａｘ?ｓｉｎ６ｘ?ａｘ?ｃｏｓ０ｉ??ｉ＿１?ｓｉｎ０?ｃｏｓａ｛?ｃｏｓ６－?－ｓｉｎａ－?ｓｉｎ＾?ａｘ?ｓｉｎ６ｘ??ｘ￣?Ｔ｛＝?（２．１）??０?ｓｉｎ?ａｘ?ｃｏｓ?ａｘ?ｄｘ??０?０?０?１??从而基坐标系到铲斗坐标系的坐标变换为：??＾１＾２３４?—＾１＾２３４?＊＾１?Ａ?（“４〔２３４?＋?“３Ｃ２３?＋?＋?＂１）??Ｑｊ?＿?０ｊ＼ｊ?２ｊ?—?＾１＾２３４?￣＂ｉＳ，１５，２３４?￣Ｃ＼?＾１?（＾４＾２３４?＾３＾２３?＋?＾２＾２?＾１）?（２２）??＾２３４?＾２３４?〇?“４Ｃ２３４?＋?“３＊＾２３?＋?４??０?０?０?１??式中，?ｓ．?＝ｓｉｎ０ｉ?；?％?＝ｓｉｎ（ｑ＋巧）；＝ｓｉｎ（＾?＋０－?；??ｃ｛?＝ｃｏｓ９ｌ?；?％?＝?ｃｏｓ（ｇ?＋０）；?＝ｃｏｓ（ｑ?＋０?＋０ｋ）?〇??假定坐标系〇４｜ｘ４八ｚ４；［内，铲斗齿尖对应位置坐标，＝［０?０?０?１］，??则在基坐标系内凡Ｚ。；｝中的坐标为Ｖ＝Ｑ：ｒ４４Ｐ
适合自由度较多的机械手；而迭代法很难保证收敛性。因挖掘机械臂是一??种四自由度的机械手，简单结构，根据其结构特点，本文采用几何方法对其进??行求解。铲斗齿尖位姿空间具体如下卜；；ｚ?＾ＪＴ，结合图２．３来看，空间几??何关系如下：??Ｔｖ、?＼??０ｉ?＝?ａｒｃｔａｎ?—?（２．５）??＼ｘｊ??将基坐标系的原点〇。平移至，假定平移后的基坐标系为ｙ??如图２．４所示｜３１］。??７：＾４？??－：：：处，ｚ，）??〇＇（〇：）?Ｘ－?（Ｘ，）?、??图２．４机械臂运动学逆解计算几何示意图??Ｆｉｇ．?２．４?Ｋｉｎｅｍａｔｉｃ?Ｉｎｖｅｒｓｅ?Ｓｏｌｕｔｉｏｎ?Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ?Ｇｅｏｍｅｔｒｙ??９??
【参考文献】：
期刊论文
[1]优化液压挖掘机的反铲工作装置[J]. 黎云志. 黑龙江科学. 2018(09)
[2]挖掘机器人自主挖掘轨迹规划方法[J]. 翁文文,殷晨波,冯浩,曹东辉,王彤嫚. 机械设计与研究. 2018(02)
[3]液压挖掘机工作装置运动仿真研究[J]. 朱小飞,殷晨波,冯浩,俞宏福. 建设机械技术与管理. 2018(02)
[4]挖掘机工作装置的空间力学分析方法[J]. 侯鹏龙,陆凤仪,徐格宁,马治宁. 起重运输机械. 2018(01)
[5]挖掘机工作装置的运动学分析与轨迹规划[J]. 王松,苑明海,黄锦婷,王海东,闫舒洋. 机械制造. 2017(12)
[6]基于ADAMS的某大型液压挖掘机建模与仿真分析[J]. 靳龙,李玉奇,曾昊. 现代制造工程. 2017(11)
[7]挖掘机动力臂挖掘目标轨迹规划仿真[J]. 郭子阳,李捷. 计算机仿真. 2017(11)
[8]基于Pro/E的液压挖掘机三维建模及运动仿真[J]. 蒋连琼,毛行栋. 煤矿机械. 2017(10)
[9]自主作业挖掘机的机器人化研究[J]. 高洁. 机电产品开发与创新. 2017(05)
[10]液压挖掘机工作装置建模分析与仿真[J]. 钟星,邵辉,胡伟石. 华侨大学学报(自然科学版). 2017(05)
博士论文
[1]挖掘机器人虚拟样机建模技术及其应用研究[D]. 刘静.浙江大学 2005
硕士论文
[1]液压挖掘机器人工作装置运动控制系统的研究[D]. 张海涛.中南大学 2004
[2]挖掘机器人规划控制方法与技术的研究[D]. 张强.浙江大学 2002
本文编号：3230293
【文章来源】：山东科技大学山东省
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２．１挖掘机工作装置结构与坐标空间示意图??Ｆｉｇ．?２．１?Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｅｘｃａｖａｔｏｒ?ｗｏｒｋｉｎｇ?ｄｅｖｉｃｅ?ａｎｄ?ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ?ｓｐａｃｅ??
图２．３挖掘机械臂连杆坐标系简图??Ｆｉｇ．?２．３?Ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ?Ｓｙｓｔｅｍ?ｏｆ?Ｗｏｒｋ?Ｄｅｖｉｃｅ?Ｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇ?Ｒｏｄ??如图２．３所示，设各杆件之间的角度逆时针旋转为正，化为铲斗铰接中心??与齿尖的连线和水平面所形成的夹角，称为方向角，铲斗齿尖在其基坐标的位??置为０４ｆｘ４?ｙ４?ｚ４｜。则连杆坐标系Ｏ，丨只ｚｊ相对于６＾丨，ｚｊ的??坐标变换―１［为［３１］：??ｃｏｓｇ?—?ｃｏｓ＾?ｓｉｎ＾?ｓｉｎａｘ?ｓｉｎ６ｘ?ａｘ?ｃｏｓ０ｉ??ｉ＿１?ｓｉｎ０?ｃｏｓａ｛?ｃｏｓ６－?－ｓｉｎａ－?ｓｉｎ＾?ａｘ?ｓｉｎ６ｘ??ｘ￣?Ｔ｛＝?（２．１）??０?ｓｉｎ?ａｘ?ｃｏｓ?ａｘ?ｄｘ??０?０?０?１??从而基坐标系到铲斗坐标系的坐标变换为：??＾１＾２３４?—＾１＾２３４?＊＾１?Ａ?（“４〔２３４?＋?“３Ｃ２３?＋?＋?＂１）??Ｑｊ?＿?０ｊ＼ｊ?２ｊ?—?＾１＾２３４?￣＂ｉＳ，１５，２３４?￣Ｃ＼?＾１?（＾４＾２３４?＾３＾２３?＋?＾２＾２?＾１）?（２２）??＾２３４?＾２３４?〇?“４Ｃ２３４?＋?“３＊＾２３?＋?４??０?０?０?１??式中，?ｓ．?＝ｓｉｎ０ｉ?；?％?＝ｓｉｎ（ｑ＋巧）；＝ｓｉｎ（＾?＋０－?；??ｃ｛?＝ｃｏｓ９ｌ?；?％?＝?ｃｏｓ（ｇ?＋０）；?＝ｃｏｓ（ｑ?＋０?＋０ｋ）?〇??假定坐标系〇４｜ｘ４八ｚ４；［内，铲斗齿尖对应位置坐标，＝［０?０?０?１］，??则在基坐标系内凡Ｚ。；｝中的坐标为Ｖ＝Ｑ：ｒ４４Ｐ
适合自由度较多的机械手；而迭代法很难保证收敛性。因挖掘机械臂是一??种四自由度的机械手，简单结构，根据其结构特点，本文采用几何方法对其进??行求解。铲斗齿尖位姿空间具体如下卜；；ｚ?＾ＪＴ，结合图２．３来看，空间几??何关系如下：??Ｔｖ、?＼??０ｉ?＝?ａｒｃｔａｎ?—?（２．５）??＼ｘｊ??将基坐标系的原点〇。平移至，假定平移后的基坐标系为ｙ??如图２．４所示｜３１］。??７：＾４？??－：：：处，ｚ，）??〇＇（〇：）?Ｘ－?（Ｘ，）?、??图２．４机械臂运动学逆解计算几何示意图??Ｆｉｇ．?２．４?Ｋｉｎｅｍａｔｉｃ?Ｉｎｖｅｒｓｅ?Ｓｏｌｕｔｉｏｎ?Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ?Ｇｅｏｍｅｔｒｙ??９??
【参考文献】：
期刊论文
[1]优化液压挖掘机的反铲工作装置[J]. 黎云志. 黑龙江科学. 2018(09)
[2]挖掘机器人自主挖掘轨迹规划方法[J]. 翁文文,殷晨波,冯浩,曹东辉,王彤嫚. 机械设计与研究. 2018(02)
[3]液压挖掘机工作装置运动仿真研究[J]. 朱小飞,殷晨波,冯浩,俞宏福. 建设机械技术与管理. 2018(02)
[4]挖掘机工作装置的空间力学分析方法[J]. 侯鹏龙,陆凤仪,徐格宁,马治宁. 起重运输机械. 2018(01)
[5]挖掘机工作装置的运动学分析与轨迹规划[J]. 王松,苑明海,黄锦婷,王海东,闫舒洋. 机械制造. 2017(12)
[6]基于ADAMS的某大型液压挖掘机建模与仿真分析[J]. 靳龙,李玉奇,曾昊. 现代制造工程. 2017(11)
[7]挖掘机动力臂挖掘目标轨迹规划仿真[J]. 郭子阳,李捷. 计算机仿真. 2017(11)
[8]基于Pro/E的液压挖掘机三维建模及运动仿真[J]. 蒋连琼,毛行栋. 煤矿机械. 2017(10)
[9]自主作业挖掘机的机器人化研究[J]. 高洁. 机电产品开发与创新. 2017(05)
[10]液压挖掘机工作装置建模分析与仿真[J]. 钟星,邵辉,胡伟石. 华侨大学学报(自然科学版). 2017(05)
博士论文
[1]挖掘机器人虚拟样机建模技术及其应用研究[D]. 刘静.浙江大学 2005
硕士论文
[1]液压挖掘机器人工作装置运动控制系统的研究[D]. 张海涛.中南大学 2004
[2]挖掘机器人规划控制方法与技术的研究[D]. 张强.浙江大学 2002
本文编号：3230293
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