破拆機器人末端控制方法研究

曲士民 白文德 李 磊 張藝寶 管永賀

（1．內(nèi)蒙古霍煤鴻駿鋁電有限責(zé)任公司扎哈淖爾分公司，內(nèi)蒙古 通遼 028000；2．合肥哈工特安智能科技有限公司，安徽 合肥 230061）

隨著機械系統(tǒng)設(shè)計方法尤其是現(xiàn)代控制技術(shù)的快速發(fā)展，新智能體技術(shù)也飛速發(fā)展。其中，機器人技術(shù)是佼佼者。機器人技術(shù)是機光電算相結(jié)合的最高科技產(chǎn)品，可以代替人類完成許多危險、復(fù)雜的技術(shù)工作。因此，機器人技術(shù)也廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域[1]。智能破拆機器人作為破拆行業(yè)的主要工具發(fā)揮了重要的作用。與傳統(tǒng)破拆方式相比，采用機器人破拆具有安全、高效、能耗和成本低等優(yōu)點。目前，國內(nèi)外對智能破拆機器人的研究已取得了階段性成果，為了給今后智能破拆機器人的研究提供1 個統(tǒng)一的研究框架，對智能破拆機器人現(xiàn)有研究成果進行系統(tǒng)分析和深入總結(jié)[2]。歸納總結(jié)破拆機器人設(shè)計方法與控制理論，并對破拆機器人在復(fù)雜工作環(huán)境中完成破拆任務(wù)所要滿足的設(shè)計需求、復(fù)雜路面條件下智能破拆機器人的行走越障及轉(zhuǎn)向技術(shù)、高效破拆機構(gòu)的研制、智能破拆機器人液壓系統(tǒng)的智能柔順化控制等關(guān)鍵技術(shù)問題[3]。該文將在破拆機器人本體設(shè)計的基礎(chǔ)上，對其末端控制給出一種控制方法，并通過試驗加以驗證。

1 破拆機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計

該文設(shè)計的澆鑄包破拆機器人主要由機械結(jié)構(gòu)單元、動力單元、液壓控制單元、電控單元以及冷卻單元等部分組成，是機械、電子、計算機、通信和自動化等多學(xué)科交叉的產(chǎn)物，其自身由機械、液壓、動力、傳感與電液比例控制、通信及激光定位等多個系統(tǒng)組成。

破拆機器人的作業(yè)任務(wù)完成，主要依賴于核心部件機械臂。破拆機器人的機械臂一般包括3 個組成部分：大臂部分、二臂部分以及小臂部分。這3 個組成部分都有自己的控制電機，從而形成各自的運動參數(shù)。3 個組成部分通過協(xié)調(diào)配合，可以達到理想的作業(yè)空間和運行軌跡。完成最終破拆任務(wù)主要通過破拆機械人所攜帶的各種末端作業(yè)工具實現(xiàn)。破拆機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

圖1 破拆機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計效果

從圖1 中可以看出，該文設(shè)計的破拆機器人包括履帶底盤、液壓支腿、翻轉(zhuǎn)斗、回轉(zhuǎn)平臺以及多關(guān)節(jié)工作臂等關(guān)鍵組件。其中，多關(guān)節(jié)工作臂是破拆的核心單元，而其末端的操作裝置也可以進行多種形式的替換，從而適應(yīng)不同的破拆任務(wù)需要。

機械本體包括下車和上車2 個部分。機架是破拆機器人的支撐架構(gòu)，由厚鋼板連接，能夠承受大質(zhì)量。左右兩側(cè)履帶式行走機構(gòu)采用鉸接的方式連接在機架兩側(cè)。在機架的4 個角上固定液壓支撐油缸，起到承重的作用，液壓旋轉(zhuǎn)裝置安裝在機架的上部靠中間位置，液壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、無線接收裝置安裝在機架內(nèi)部。下車包括履帶底盤、液壓支腿2 個部分。履帶式移動底盤由驅(qū)動輪、履帶、緩沖裝置、承重輪、從動輪以及行走液壓馬達等組成，履帶梁和機架通過連接裝置連接在一起，履帶式的行走方式更有利于在路況比較差的條件下翻越障礙物。機器人以履帶運動底盤為載體，2 個橡膠履帶通過2 個自帶制動器的液壓馬達分別驅(qū)動，當(dāng)兩馬達回轉(zhuǎn)速度和放下相同時，機器人勻速前進或后退；當(dāng)2 條履帶的回轉(zhuǎn)速度和方向不同時，機器人實現(xiàn)轉(zhuǎn)向運動。在機器人非行走或電動機關(guān)閉狀態(tài)下，制動器自動抱緊回轉(zhuǎn)馬達主軸，使其處于靜止狀態(tài)，當(dāng)機器人上、下坡或駐車時保障安全。下車車身四角安裝4 只液壓支腿，可以將機器人整機撐起來，提高機器人工作時的穩(wěn)定性。

上車由回轉(zhuǎn)平臺、多關(guān)節(jié)工作臂組成。其中，回轉(zhuǎn)平臺又包括回轉(zhuǎn)底座、回轉(zhuǎn)馬達、液壓油箱、電控系統(tǒng)、電動機、液壓泵、冷卻器、照明系統(tǒng)以及外罩等部分。旋轉(zhuǎn)液壓馬達安裝在轉(zhuǎn)動機構(gòu)的一側(cè)，在轉(zhuǎn)動平臺中間安裝電液比例轉(zhuǎn)動接頭。在轉(zhuǎn)動平臺上安裝轉(zhuǎn)動支架，在轉(zhuǎn)動支架上安裝工作機構(gòu)。在轉(zhuǎn)動支架上端安裝電液換向閥，比例換向閥用來控制臂架、油缸等。調(diào)節(jié)閥、節(jié)流閥、減壓閥、平衡閥、電磁閥、手動加油泵、電氣分動箱和網(wǎng)絡(luò)攝像機系統(tǒng)安裝在支架側(cè)面。液壓機械臂可以做周角旋轉(zhuǎn)，上下液壓通道和電控信號通道的連通，通過電液回轉(zhuǎn)接頭，回轉(zhuǎn)機構(gòu)能夠360°旋轉(zhuǎn)，將作業(yè)臂指向任意的空間位置。工作臂安裝在回轉(zhuǎn)平臺前端，并用銷軸及液壓缸與回轉(zhuǎn)平臺連接。

2 基于爬山算法的操作末端控制

破拆機器人的作業(yè)任務(wù)順利完成的關(guān)鍵是其末端的執(zhí)行效率。末端操作裝置執(zhí)行效率與末端控制電機的運行狀態(tài)密切相關(guān)，這就需要采用一種合理的方法對末端控制電機進行控制，這里采用的是爬山算法。與大多數(shù)全局控制算法相比，爬山算法是一種典型的局部控制算法。在局部控制區(qū)域內(nèi)，爬山算法一直試圖尋找極大值或極小值。在這個尋找過程中，爬山算法通過設(shè)置步長和調(diào)整步長，采用累加的方式不斷拓展尋找空間，實現(xiàn)更理想的局部尋優(yōu)性能。對于破拆機器人的末端控制電機來說，爬山算法執(zhí)行的目的就是不斷尋找控制電機運行中的最大功率點。如果沒有找到最大功率點，爬山算法會進一步以較小的步長搜索前進，直到尋找到最大功率點，這個尋找過程體現(xiàn)在末端控制電機功率曲線上的不斷爬升，其效果就像爬山的狀態(tài)，如圖2所示。

圖2 破拆機器人末端電機的控制曲線

從圖2 中給出的破拆機器人末端電機的控制曲線可以看出，末端控制電機的功率曲線是先升高后降低的平緩變化曲線。在這個過程中，爬山算法始終會尋找最大功率點所在的位置，無論在最大功率點的哪一側(cè)，爬山算法都會盡最大可能完成這種搜索。

末端控制電機的最大功率尋找過程始終會受到包括環(huán)境參數(shù)在內(nèi)的各種參數(shù)條件的影響。根據(jù)控制領(lǐng)域內(nèi)經(jīng)典的Bayse 理論，末端控制電機的實際功率與功率影響因子Cp密切相關(guān)。功率影響因子Cp本身是一個二元函數(shù)，涉及λ和θ2 個參數(shù)，其具體的數(shù)學(xué)形式如公式（1）所示。

式中：Cp為破拆機器人末端控制電機的功率因數(shù)；λ為破拆機器人末端控制電機的轉(zhuǎn)速比；θ為破拆機器人末端控制電機主軸的轉(zhuǎn)角；λi為第i個時刻破拆機器人末端控制電機的實時轉(zhuǎn)速比，其具體形式如公式（2）所示。

式中：λ為破拆機器人末端控制電機的轉(zhuǎn)速比；θ為破拆機器人末端控制電機主軸的轉(zhuǎn)角；λi為第i個時刻破拆機器人末端控制電機的實時轉(zhuǎn)速比。

進一步給出破拆機器人末端控制電機轉(zhuǎn)速比和角速度、線速度、回轉(zhuǎn)半徑之間的關(guān)系，如公式（3）所示。

式中：λ為破拆機器人末端控制電機的轉(zhuǎn)速比；w為破拆機器人末端控制電機的角速度；Vw為破拆機器人末端控制電機的線速度；R為破拆機器人末端控制電機的回轉(zhuǎn)半徑。

3 破拆機器人末端控制試驗結(jié)果與分析

在前面的研究工作中，對破拆機器人進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，并針對破拆機器人末端控制問題，提出基于爬山算法的末端控制方法。在接下來的工作中，將對破拆機器人末端的控制效果進行試驗。

在試驗驗證的過程中，綜合考慮破拆過程中可能受到的風(fēng)速變化的影響。在該試驗過程中設(shè)定了2 個風(fēng)速值，分別為5m/s 和8m/s。在末端作業(yè)控制過程中，將風(fēng)速控制在5m/s，進而升至8m/s。在這個過程中，始終采用爬山算法尋找末端控制電機的最大功率點，使其能保證最佳的功率輸出狀態(tài)。整個過程的試驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 破拆機器人末端控制電機的輸出功率變化曲線

從圖中破拆機器人末端控制電機的輸出功率變化曲線可以看出，在爬山算法的控制下，在風(fēng)速為5m/s 的情況下，爬山算法很快找到了適合當(dāng)前風(fēng)速的最佳控制狀態(tài)，末端控制電機的功率穩(wěn)定在0.5kW，并一直持續(xù)到3s。這時，風(fēng)速突然增大，從5m/s 增至8m/s。風(fēng)速增加改變了破拆機器人的正常作業(yè)狀態(tài)，其面臨更大的抖動、振顫等影響。為了保持末端作業(yè)穩(wěn)定，末端控制電機需要調(diào)整并增大控制功率，才能確保末端作業(yè)正常進行。在這樣的狀態(tài)下，爬山算法迅速拉升末端控制電機的規(guī)律，在基本適應(yīng)當(dāng)前風(fēng)速的情況下，進入爬山算法的小步長搜索狀態(tài)，然后經(jīng)過0.5s 左右的波動，3.5s 時達到理想狀態(tài)，使控制電機的功率穩(wěn)定在2.5kW。這樣的狀態(tài)說明該文提出的爬山算法可以穩(wěn)定追蹤末端控制電機的運行規(guī)律，使其一直保持在適應(yīng)環(huán)境變化的最佳狀態(tài)。

在上述試驗過程中，進一步觀察破拆機器人末端控制電機運行中的占空比變化，結(jié)果如圖4所示。

圖4 破拆機器人末端控制電機的占空比變化

從圖中的占空比變化規(guī)律來看，在風(fēng)速變化前后，其占空比也保持在相當(dāng)小的波動范圍內(nèi)，說明占空比的穩(wěn)定。當(dāng)風(fēng)速大小為5m/s 時，即3s 前，占空比一直在0.3～0.35 波動。在3.0s，風(fēng)速出現(xiàn)較大變化時，占空比迅速拉升到0.6，然后在0.55～0.6 波動。從風(fēng)速變化前后來看，在爬山算法的控制下，破拆機器人末端控制電機的占空比狀態(tài)都非常穩(wěn)定，僅在很小的幅度范圍內(nèi)波動，從而可以保證控制電機的正常工作，確保破拆機器人末端的穩(wěn)定作業(yè)輸出。

從上述試驗結(jié)果可以看出，對破拆機器人的末端控制來說，爬山算法體現(xiàn)了較大的優(yōu)勢和較好的針對性。破拆機器人末端在破拆作業(yè)的過程中，需要循序漸進地完成破拆，每步破拆深度和破拆量都需要穩(wěn)定或緩慢地增加，不能出現(xiàn)大幅度跳躍式增長。而爬山算法就是柔性變化中追求控制量穩(wěn)定或漸變增加的有效方法，通過不斷增加控制量，最終達到最大的功率點位置，從而實現(xiàn)最大的破拆深度或破拆量。可見，爬山算法的功率控制過程恰好符合破拆機器人末端作業(yè)的實際需求。試驗中可以看到，在破拆機器人末端作業(yè)過程中，出現(xiàn)較大風(fēng)速影響的情況下，爬山算法也可以通過自己的控制過程，調(diào)整功率層面跟隨性，從而使破拆機器人末端控制功率與風(fēng)速變化的要求完全吻合。從控制過程的對應(yīng)曲線也可以看出，在爬山算法控制下，破拆機器人末端作業(yè)控制的占空比合理，更好地發(fā)揮了控制電機的作用，可以保證連續(xù)破拆作業(yè)和破拆作業(yè)過程的整體穩(wěn)定性，保障其安全。

4 結(jié)論

機器人技術(shù)的日益成熟為很多領(lǐng)域的機械化作業(yè)提供了可能。該文針對澆鑄包破拆工作進行破拆機器人的本體結(jié)構(gòu)設(shè)計，形成上車體、下車體2 個部分，而破拆作業(yè)主要通過機械臂末端操作裝置完成。為提高末端的控制效果，提出一種爬山算法針對末端控制電機進行控制。在爬山算法中，給出了功率影響因子、轉(zhuǎn)速、線速度以及轉(zhuǎn)角等關(guān)鍵參數(shù)的關(guān)系和控制規(guī)律。試驗結(jié)果表明，在破拆作業(yè)過程中環(huán)境條件的變化不會影響末端控制，末端控制電機一直保持穩(wěn)定輸出，從而證實了爬山算法的有效性。