新型移動式采樣三軸機械臂運行動作研究

楊傳沓，朱學(xué)海，喬 強，邵 徇

(1.國能銷售集團(tuán)有限公司，北京 100142；2.英飛智信(北京)科技有限公司 北京 100102；3.英飛智信(蘇州)科技有限公司，江蘇 蘇州 215151)

0 引 言

煤炭作為我國的基礎(chǔ)能源仍然發(fā)揮著重要的保障作用[1]，煤炭資源的智能、安全、高效開發(fā)與低碳清潔利用是實現(xiàn)我國煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的核心技術(shù)支撐[2]。隨著科技發(fā)展，煤炭原料及檢驗過程的智能化管理將是1種新的發(fā)展趨勢[3-4]，同時煤炭機械化采樣技術(shù)發(fā)展迅速[5-7]。在山西省存在著大量的散裝煤炭站臺，目前散裝站臺的煤炭質(zhì)量檢驗仍然采用傳統(tǒng)的人工采制樣方式，人工干擾大、貿(mào)易糾紛多、安全保障差，達(dá)不到現(xiàn)行采制化國標(biāo)要求，嚴(yán)重影響了社會經(jīng)濟(jì)效益。

機械臂是通過模仿人手臂的運動模式而設(shè)計出來的1種自動化裝置，能替代人在人類無法抵抗的嚴(yán)酷復(fù)雜環(huán)境中工作，達(dá)到保護(hù)人身安全的同時提高工作效率的目的。在煤炭采樣領(lǐng)域，已有學(xué)者對機械臂的應(yīng)用進(jìn)行相關(guān)研究[8-14]，但大體集中于火車或汽車采樣方面，對靜止煤的采樣應(yīng)用研究稍少。如何實現(xiàn)靜止煤堆無人化采制化智慧協(xié)同，是煤炭經(jīng)營公司保障煤炭生產(chǎn)、運輸和供應(yīng)安全亟待解決的重大技術(shù)難題[15]。

利用移動式采樣車替代人工進(jìn)行采樣是解決該問題的有效方法。采樣機械臂作為移動式采樣車的主要工作部分，其工作范圍、動作精度直接影響采樣過程中的使用效率。筆者探討了以液壓為動力驅(qū)動的1種新型移動式三軸機械臂的運動行為研究，提出1種解決三軸機械臂定位參數(shù)的計算方法。

1 三軸機械臂基本介紹

1.1 機械臂工作環(huán)境及參數(shù)要求

在散裝煤炭站臺上，待采煤堆一般呈條帶狀分布，條帶的橫截面成三角形或梯形。三軸機械臂安裝在移動采樣車上，沿煤堆的一邊運動。移動采樣車在煤堆附近停穩(wěn)后，由三軸機械臂帶動采樣器進(jìn)行采樣動作。根據(jù)GB/T 17494.1[16]的要求，可采取高、中、低不同點位的煤炭樣品。采樣過程中需要機械臂移動至不同的位置。

在現(xiàn)場測量實際的煤堆高度，確定待采表面與地面之間的夾角，筆者分別選擇距離地面高度1.5 m、2.0 m、2.6 m作為采樣的低點、中點、高點的位置，不同點距離煤堆邊緣的水平方向距離不同，當(dāng)采樣點在不同位置時，待采表面與地面實際角度分布范圍不同，為便于計算，筆者統(tǒng)一將該夾角設(shè)定為30°。當(dāng)遇到其他角度時，可參考筆者的方法進(jìn)行計算。

三軸機械臂在實際工作中參數(shù)需滿足的指標(biāo)范圍見表1，實際工作中允許誤差為±20 mm。

表1 機械臂參數(shù)要求Table 1 Mechanical arm parameter requirements

1.2 采樣臂結(jié)構(gòu)與動作流程

新型機械采樣臂的機械主體結(jié)構(gòu)從下向上依次為大臂、小臂和采樣頭，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。大臂、小臂、采樣頭安裝軸處裝有編碼器，可獲得該軸運動的準(zhǔn)確角度。在采樣頭的中部，與采樣頭平行位置安裝有超聲波測距儀，可以測量采樣頭和煤堆的距離。

圖1 新型三軸機械臂Fig.1 New three-axis manipulator

編碼器的主要參數(shù)見表2，機械參數(shù)確保了工作時的穩(wěn)定性，軸徑、軸孔徑等尺寸均滿足設(shè)計要求，軸向、徑向最大受力都在安全范圍內(nèi)，編碼器的型號及電氣特性均滿足實際工作要求，編碼器的精度滿足機械臂的設(shè)計要求。

表2 編碼器參數(shù)表Table 2 Mechanical arm parameter requirements

使用三軸機械臂的采樣流程如圖2所示。從整體流程控制過程中可以看出需要分別計算煤堆高點、煤堆中點、煤堆低點3個位置所需各個機械臂的角度。

圖2 采樣流程Fig.2 The sampling process

2 機械臂設(shè)計

2.1 角度計算

2.1.1預(yù)設(shè)點位置確定

多軸機械臂計算如圖3所示，采樣計算中將A點位置設(shè)為預(yù)設(shè)點。圖中a為大臂斜邊長度，b為小臂斜邊長度，A點為采樣頭需要到達(dá)的位置。

圖3 多軸機械臂計算Fig.3 Calculation of multi-axis manipulator

A點位于煤堆上方0.5 m處，采樣頭到達(dá)該點后，垂直向下運動0.5 m即可到達(dá)煤堆的采樣點。因此需要計算出A點的位置。采樣中低點、中點、高點的預(yù)設(shè)點分別為2.00 m、2.50 m、2.85 m。考慮到實際情況，高點的預(yù)設(shè)點設(shè)定為2.85 m。

根據(jù)計算可得采樣頭頂部預(yù)設(shè)點與煤堆的相對位置見表3。

表3 不同位置預(yù)設(shè)點與煤堆相對位置Table 3 Relative positions of preset points at different positions and coal piles

2.1.2預(yù)設(shè)點坐標(biāo)轉(zhuǎn)換與計算

機械采樣臂位于采樣車上，采樣車在采樣過程中距離煤堆有一定的距離，因此需要將采機械臂大臂旋轉(zhuǎn)軸的位置設(shè)定為基點，并確定該點與被采煤堆點位之間的位置。

大臂支撐部相對于地面及車輛的邊緣存在距離，計算機械臂角度需要調(diào)整基點位置到大臂支撐部底部，具體空間位置如下:某種設(shè)計的機械采樣臂，其大臂底部基點距離地面高度為2 031 mm，距離車沿的距離為957 mm，根據(jù)表1和上述數(shù)據(jù)，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)見表4。

表4 預(yù)設(shè)點與機械采樣臂基點的距離Table 4 Distance between preset point and base point of mechanical sampling arm

根據(jù)實際模擬位置，采樣頭與小臂的連接點與機械采樣臂基點之間的距離見表5。此位置即可采用圖2中的公式，代入公式可計算出高中低3個點的角度位置。某種設(shè)計的三軸機械采樣臂和采樣頭如圖4所示，圖中a=3 m，b=1.88 m，γ=33.47°，ψ=27.74°。利用圖3中的公式可以計算獲得表6中的數(shù)據(jù)，其中大臂、小臂、采樣頭的角度分別為θ1、θ2、θ3。

表5 采樣頭與小臂的連接點與機械采樣臂基點之間距離Table 5 Distance between the connection point of sampling head and forearm and the base point of mechanical sampling arm

圖4 某種三軸機械采樣臂及采樣頭Fig.4 A three-axis mechanical sampling arm and sampling head

表6 三軸機械采樣臂高中低點所需要角度Table 6 Required angle of high,middle and low points of three-axis mechanical sampling arm

2.1.3采樣角度校準(zhǔn)

實際過程中采樣頭的動作范圍可能達(dá)不到計算結(jié)果，即機械臂動作位置達(dá)不到計算點，因此需要確定大臂、小臂、采樣頭的動作范圍。

實際情況下，大臂、小臂與采樣頭的擺動角度受到其連接油缸動作范圍的影響。例如，選擇不同行程的油缸、大臂與基座不同的連接位置、大臂小臂不同的連接位置、小臂與采樣頭之間不同的連接位置都會影響擺動角度的范圍。筆者所設(shè)計的三軸機械臂，根據(jù)設(shè)計參數(shù)，大臂、小臂、采樣頭的運行范圍見表7。

表7 三軸機械臂各部位運動范圍Table 7 Motion range of each part of three-axis manipulator

在實際工作中，受到煤堆傾斜角度的影響，到煤堆側(cè)邊的角度較小時，會發(fā)生高點距離過遠(yuǎn)，超出機械臂工作范圍的情況。為避免發(fā)生該情況，需要軟件程序預(yù)先對能否到達(dá)該采樣點進(jìn)行預(yù)判，若不能到達(dá)，則需要重新設(shè)計采樣點位，如降低高度采取更近的樣品。

2.2 低點及中點采樣位置設(shè)計

根據(jù)前述方案，采樣過程中預(yù)設(shè)所需要達(dá)到的低點及中點的預(yù)設(shè)點高度為2 m和2.5 m。在三軸機械臂上安裝有超聲波探頭，該探頭距離采樣頭頂端為967 mm，所需要的探測距離在1 ～2 m左右。

筆者采用的超聲波傳感器的主要參數(shù)見表8。其中超聲波傳感器的探測距離為200～4 000 mm，探測距離大于實際探測的最大距離，滿足機械臂現(xiàn)場工作的要求，傳感器精度為0.5～1.5 mm，響應(yīng)時間162 ms，其精度高、反應(yīng)快的特點保證了機械臂采樣過程的準(zhǔn)確性、高效性。在實際工作中，超聲波傳感器的探測距離允許的誤差范圍為±20 mm。

表8 超聲波傳感器主要參數(shù)Table 8 Main parameters of ultrasonic sensor

2.2.1采樣低點范圍確定校核及計算

確定采樣點在低點的范圍，首先要確定采樣點到車緣以及車廂底部之間的距離，分析計算采樣點與機械臂大臂轉(zhuǎn)軸的相對位置，根據(jù)具體工況，計算采樣頭轉(zhuǎn)軸相對于大臂轉(zhuǎn)軸的位置，根據(jù)轉(zhuǎn)換公式確定大臂轉(zhuǎn)軸和小臂轉(zhuǎn)軸的角度，最終得到采樣頭角度。具體計算流程如圖5所示。

圖5 預(yù)設(shè)點計算過程Fig.5 Preset point calculation process

低點的水平方向距離為距車邊2.8 m，垂直方向的高度為1.2～2m，根據(jù)上述計算過程，可以計算得出三軸機械臂各軸再低點采樣的某個范圍內(nèi)需要轉(zhuǎn)動的角度，計算結(jié)果見表9。

表9 低點采樣范圍內(nèi)各軸轉(zhuǎn)動角度Table 9 Rotation angle of each axis within the low point sampling range

對比各軸可以工作的角度范圍，低位采樣點的工作范圍內(nèi)，機械臂動作可以滿足要求，因此，如采樣頭在探測點(80.77°,57.85°,38.29°)的位置的探測距離為YL，其采樣點位置(XA，YA)為(2.80,2.97-YL)，采樣頭方向垂直于地面。公式計算如下:

(XB,YB)=(XA+0.96,YA-2.031)

(1)

(XC,YC)=(XB-0.25,YB+1.07)

(2)

a=3,b=1.88,γ=33.47,ψ=27.74

(3)

(4)

α=arctan{YC/XC}/π*180°

(5)

(6)

(7)

θ1=α+β+γ

(8)

θ2=180°π-δ-ψ

(9)

θ3=180°π-α-β-δ

(10)

其中，判據(jù)條件為:0°≤θ1≤85°，0°≤θ2≤80°，-35°≤θ3≤61.2°，若超過此范圍，則需要跳過該點采樣。

2.2.2采樣中點范圍確定校核及計算

中部采樣點的水平方向距離為距車緣3.6 m，垂直方向的點的高度為1.7～2.4 m，根據(jù)前述對于底部采樣點計算方式，對于該范圍內(nèi)各軸所需要的角度計算結(jié)果見表10。

表10 中點采樣范圍內(nèi)各軸轉(zhuǎn)動角度Table 10 Rotation angle of each axis within the sampling range of the midpoint

因此中部采樣點的工作范圍內(nèi)，機械臂的動作可以滿足要求。如采樣頭在探測點(69.01°,14.03°,6.23°)的位置的探測距離為YL，其采樣點位置(XA，YA)為(3.60,3.47-YL)m。

2.3 高點位置計算

在采樣點為(4.70,2.60)/m處，采樣頭角度為60°時3個軸的角度，計算可得為:(θ1，θ2，θ3)=(56.83°，4.79°,69.17°)，根據(jù)實際情況，其角度值受到水平距離，高度和采樣頭角度的影響，改變此3個參數(shù)值，可以得到不同情況下采樣點的替代值，具體情況見表11。

表11 采樣點替代值Table 11 Sample point override value

因為3種替代方式下，其最能有效解決問題的方式為將預(yù)設(shè)采樣點位置靠近車緣，將采樣頭角度收緊，其可以最大限度保證高點采樣點可以被采到，1種可能的替代方案見表12。

表12 1種替代方案角度Table 12 An alternative perspective

替代方案所帶來的風(fēng)險為采樣點可靠性的下降(距離車緣更近)，以及預(yù)設(shè)探測點的位置必須距離表面更近，從而保證其擺臂可以采樣。替代方案可以移動到煤表面250 mm的距離，其采樣頭預(yù)設(shè)點為(4.41,2.76)m，采樣頭角度為垂直角度50°，3個轉(zhuǎn)軸的夾角為(65.53°,15.61°，61.2°)。

如采樣頭在探測點的位置的探測距離為YL，其采樣點位置(XA，YA)為(3.67+0.766YL，3.38-0.642YL)，采樣頭方向與地面夾角為50°，公式計算如下:

(XB,YB)=(XA+0.96,YA-2.031)

(11)

(XC,YC)=(XB+0.656,YB+0.493)

(12)

a=3,b=1.88,γ=33.47,ψ=27.74

(13)

(17)

θ1=α+β+γ

(18)

θ2=π(180°)-δ-ψ

(19)

θ3=π(180°)-α-β-δ+50°

(20)

其中，判據(jù)條件為:0°≤θ1≤85°，0°≤θ2≤80°，-35°≤θ3≤61.2°。若超過此范圍，則跳過該點采樣。

3 整體采樣程序設(shè)計處理

根據(jù)某具體的式子目，對其可行的整體采樣流程進(jìn)行分析，整個采樣流程如下:

首先通過車載軟件分析確定出采樣點的高、中、低位置；接著通過軟件給出預(yù)設(shè)點角度值，各角度參數(shù)值具體見表13；車載軟件將數(shù)據(jù)傳輸給車載PLC；當(dāng)PLC操作機械臂到達(dá)預(yù)設(shè)點的時候，對機械臂與煤堆的相對距離YL進(jìn)行測量。

表13 設(shè)定角度值Table 13 Setting of the angle value

YL反饋至車載軟件后，根據(jù)不同點位選擇合適的參數(shù)，采樣點處在低點、中點、高點處的情況都不相同。

當(dāng)采樣點處在低點時，其采樣點位置(XA，YA)為(2.80,2.97-YL)，采樣頭方向垂直于地面，角度計算公式見式(21)。

(21)

其中，γ=33.47,ψ=27.74，α，β，δ的值通過公式(22)求得。

(22)

已知a=3、b=1.88，根據(jù)式(23)可以確定c的值，根據(jù)采樣點位置(XA，YA)可得(XC，YC)的值，具體見式(24)。

(23)

(24)

當(dāng)采樣點處在中點時，其采樣點位置(XA，YA)為(3.60,3.47-YL)，采樣頭方向垂直于地面，角度公式計算與公式(21)相同。其中，γ=33.47,ψ=27.74，α，β，δ的值通過公式(22)求得。已知a=3,b=1.88，根據(jù)式(23)可以確定c的值，根據(jù)采樣點位置(XA，YA)可得(XC，YC)的值，具體如式(24)所示。

當(dāng)采樣頭處在高點時，采樣頭在探測點的位置的探測距離為YL，其采樣點位置(XA，YA)為(3.67+0.766YL，3.38-0.642YL)，采樣頭方向與地面夾角為50°，角度計算公式見式(25)。

(25)

其中，γ=33.47,ψ=27.74，α，β，δ的值通過公式(22)求得。已知a=3、b=1.88，根據(jù)公式(23)可以確定c的值，根據(jù)采樣點位置(XA，YA)可得(XC，YC)的值，具體見公式(26)。

(26)

確定好參數(shù)后，對點位進(jìn)行校核，判據(jù)條件為:0°≤θ1≤85°，0°≤θ2≤80°，-35°≤θ3≤61.2°。當(dāng)超過此范圍時，跳過該點采樣。最后將數(shù)據(jù)傳輸給PLC，PLC控制機械臂到采樣點，PLC控制機械臂采樣頭伸出300 mm進(jìn)行采樣，采樣完成后縮回，PLC控制機械臂卸料，回到原始位置。

4 結(jié) 語

移動采樣車運行過程需要保證不同采樣位置的運行軌跡，筆者給出了1種三軸的機械采樣臂的動作方案，根據(jù)現(xiàn)場勘測數(shù)據(jù)，對于煤堆不同采樣點的采樣方案進(jìn)行了設(shè)計，研究結(jié)果表明:

(1) 根據(jù)現(xiàn)場實際測量的結(jié)果給出了1種機械采樣臂達(dá)到采樣點的計算方案，確認(rèn)其采樣范圍滿足實際工作的采樣范圍。

(2) 根據(jù)機械臂動作限位，給出了不同特征代表高度下機械臂采樣的范圍，確定在不同采樣特征位置高度下，采樣方案的可靠性。

(3) 根據(jù)采樣范圍的計算結(jié)果，給出了1種三軸機械臂采樣方案的控制流程，基于此，為簡化機械臂動作流程提出了1種可行的方法。