基于無(wú)線遙控的腿履復(fù)合型起重機(jī)器人控制系統(tǒng)研究

王亞麗，閆九祥，張國(guó)輝，魏盼盼

(1.齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院)，山東省科學(xué)院自動(dòng)化研究所，山東省機(jī)器人與制造自動(dòng)化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250014；2.山東魯班機(jī)械科技有限公司，山東 滕州，277500)

隨著生產(chǎn)規(guī)模和自動(dòng)化程度的不斷提高，起重機(jī)作為物料搬運(yùn)的重要裝備，在現(xiàn)代化生產(chǎn)中應(yīng)用日益廣泛。因此，起重機(jī)的設(shè)計(jì)也在向智能化、大型化和微型化等方面快速發(fā)展。起重機(jī)擁有的基本的載荷、力矩限制功能，已經(jīng)不能滿足需求，用戶希望獲得更多關(guān)于起重機(jī)狀態(tài)的準(zhǔn)確信息，包括起升高度、風(fēng)速、起升角度、油溫、發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)、車(chē)身平整度等；同時(shí)，希望起重機(jī)具有較強(qiáng)的自動(dòng)控制和自診斷能力，以此降低操作和維護(hù)的工作量并保證起重機(jī)的安全可靠性。無(wú)線遙控技術(shù)是一種利用無(wú)線遙控器發(fā)送頻率、幅度、相位等特殊指令，進(jìn)行機(jī)械設(shè)備遠(yuǎn)程控制的技術(shù)[1]。國(guó)外對(duì)無(wú)線遙控起重機(jī)的研究多集中于大型橋式起重機(jī)，小型的起重機(jī)器人雖然已經(jīng)具備遙控功能，但也僅限于實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的吊裝動(dòng)作，不具有自動(dòng)調(diào)平等高級(jí)功能；國(guó)內(nèi)高校和科研院所也僅僅限于局部和理論研究；一些生產(chǎn)起重機(jī)的制造商，也在研究開(kāi)發(fā)智能起重機(jī)，但也尚未有穩(wěn)定可靠的產(chǎn)品應(yīng)用于生產(chǎn)[2]。

針對(duì)上述問(wèn)題，本課題組開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了基于無(wú)線遙控的腿履復(fù)合型智能起重機(jī)器人。腿履復(fù)合型智能起重機(jī)器人屬于起重機(jī)智能化、微型化的產(chǎn)物，行走和運(yùn)輸狀態(tài)時(shí)支腿收緊、結(jié)構(gòu)緊湊、機(jī)動(dòng)性好，作業(yè)狀態(tài)時(shí)支腿伸開(kāi)跨度較大、穩(wěn)定性高。機(jī)器人具有本體的自動(dòng)調(diào)平功能，使機(jī)器人在工作過(guò)程中實(shí)時(shí)調(diào)整姿態(tài)，達(dá)到防傾翻的作用。還具有發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率自動(dòng)控制功能，使機(jī)器人在工作過(guò)程中能根據(jù)負(fù)載及工作狀況來(lái)實(shí)時(shí)控制發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出，達(dá)到節(jié)約能耗的目的。基于無(wú)線遙控的機(jī)器人控制系統(tǒng)，能最大限度地?cái)U(kuò)大控制距離，提高機(jī)器人工作的可靠性和安全性，減輕操作人員的工作負(fù)擔(dān)，操作人員與機(jī)器人距離較遠(yuǎn)時(shí)仍可完成吊裝工作，為現(xiàn)場(chǎng)工作帶來(lái)便利，具有相當(dāng)?shù)纳鐣?huì)、經(jīng)濟(jì)意義和廣闊的應(yīng)用前景[3]。本文采用無(wú)線遙控技術(shù)以及內(nèi)嵌控制算法，建立了一種新型腿履復(fù)合型起重機(jī)器人無(wú)線智能遙控系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)行走中防碰撞、起重作業(yè)防傾翻、吊具精準(zhǔn)定位、發(fā)動(dòng)機(jī)的控制、危險(xiǎn)規(guī)避、安全監(jiān)控和故障診斷等方面的數(shù)字化智能控制。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

腿履復(fù)合型起重機(jī)器人由履帶式底盤(pán)、機(jī)架、支腿、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)、起升機(jī)構(gòu)、伸縮吊臂等組成。履帶底盤(pán)由四輪一帶(驅(qū)動(dòng)輪、導(dǎo)向輪、托帶輪、支重輪、橡膠履帶)和行走馬達(dá)及減速機(jī)、下車(chē)架等組成，行走馬達(dá)為變量型，與負(fù)載敏感變量液壓泵配合可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速，橡膠底盤(pán)用來(lái)承載吊車(chē)和實(shí)現(xiàn)吊車(chē)行走；機(jī)架用來(lái)安裝底盤(pán)其他部件、發(fā)動(dòng)機(jī)、吊機(jī)和支腿；支腿為蜘蛛型，分布在機(jī)架四角，行走和運(yùn)輸狀態(tài)折疊收起，放置于機(jī)架兩側(cè)，吊重作業(yè)時(shí)伸開(kāi)，并可根據(jù)作業(yè)空間調(diào)節(jié)支腿跨度，極大地增加作業(yè)穩(wěn)定性；回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由一體式渦輪蝸桿型回轉(zhuǎn)支承、回轉(zhuǎn)馬達(dá)、中央回轉(zhuǎn)接頭等組成，安裝于機(jī)架一端，可實(shí)現(xiàn)吊機(jī)部分平穩(wěn)回轉(zhuǎn)和制動(dòng)；變幅機(jī)構(gòu)由變幅油缸、平衡閥等組成，用于吊臂改變作業(yè)幅度；起升機(jī)構(gòu)由起升絞車(chē)、起升馬達(dá)、平衡閥、起升鋼絲繩及吊鉤組件等組成，用于貨物吊裝作業(yè)；伸縮吊臂由一級(jí)臂、二級(jí)臂、三級(jí)臂、四級(jí)臂、五級(jí)臂、伸縮臂油缸及平衡閥、伸縮臂繩索及滑輪組、滑塊等組成，通過(guò)伸縮臂油缸伸縮，依次帶動(dòng)二、三、四、五級(jí)臂伸縮，從而實(shí)現(xiàn)吊車(chē)不同高度、幅度吊裝需求。該機(jī)器人主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1右后支腿液壓缸；2起升馬達(dá)；3變幅液壓缸；4右前支腿液壓缸；5伸縮臂液壓缸；6右行走馬達(dá)；7主臂回轉(zhuǎn)液壓缸。圖1 腿履復(fù)合起重機(jī)器人結(jié)構(gòu)Fig.1 Mechanical construction of leg-track complex hoisting robots

2 控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

腿履復(fù)合型智能起重機(jī)器人的控制系統(tǒng)包括液壓回路系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)兩部分。

液壓回路系統(tǒng)包括發(fā)動(dòng)機(jī)、液壓泵、液壓缸、液壓馬達(dá)、電控液壓比例閥等。發(fā)動(dòng)機(jī)是動(dòng)力源，發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)液壓泵轉(zhuǎn)動(dòng)[4]，液壓泵根據(jù)電控液壓比例閥組中比例閥開(kāi)口度變化，輸出液壓油驅(qū)動(dòng)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)起重機(jī)器人的吊裝作業(yè)、吊裝回轉(zhuǎn)和行走作業(yè)等[5]。能實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)的液壓缸和能實(shí)現(xiàn)往復(fù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的液壓馬達(dá)是機(jī)器人液壓系統(tǒng)執(zhí)行元件[6]。液壓缸和液壓馬達(dá)的速度和方向是由電控液壓比例閥控制，但是，由于負(fù)載壓力和油源壓力是一直變化的，要達(dá)到理想中的油缸速度和馬達(dá)轉(zhuǎn)速，必須由最佳的主控制閥開(kāi)度與平衡閥開(kāi)啟壓力相配合來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，在液壓缸和液壓馬達(dá)輸入端要加裝平衡閥來(lái)增加系統(tǒng)的平穩(wěn)性和安全性[7-8]。

機(jī)器人分為手柄操作和遠(yuǎn)程遙控操作兩種模式。手柄操作模式為操作人員通過(guò)操作機(jī)器人閥體上的手柄直接控制每一個(gè)執(zhí)行元件；遠(yuǎn)程遙控操作為操作人員站在距離機(jī)器人幾十米甚至上百米的遠(yuǎn)處，通過(guò)無(wú)線遙控器來(lái)控制各個(gè)執(zhí)行元件的動(dòng)作，并且可以自動(dòng)進(jìn)行機(jī)器人本體的平衡調(diào)節(jié)。由于起重機(jī)器人多工作在比較惡劣的環(huán)境，沙塵、振動(dòng)等外界因素都要求控制系統(tǒng)具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，因此，機(jī)器人選用工程機(jī)械專用的控制器。控制器作為整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，主要用于接收各類(lèi)傳感器采集的數(shù)據(jù)，并對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、分析和處理，根據(jù)機(jī)器人的動(dòng)作要求生成相應(yīng)的指令來(lái)控制機(jī)器人作業(yè)。機(jī)器人的不同功能要求，均是通過(guò)不同的控制算法來(lái)實(shí)現(xiàn)。控制系統(tǒng)采用CAN總線作為通訊方式，遙控器、顯示器、發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元和控制器都具有CAN通訊功能，極大地提高了系統(tǒng)的效率和可靠性。電氣控制系統(tǒng)組成方案如圖2所示。

圖2 腿履復(fù)合型起重機(jī)器人控制系統(tǒng)方案Fig.2 Control-system scheme of leg-track complex hoisting robots

整個(gè)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要功能包括機(jī)器人本體的自動(dòng)調(diào)平和根據(jù)實(shí)際需求自動(dòng)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率的節(jié)能控制。

2.1 機(jī)器人本體的自動(dòng)調(diào)平

由于地面的不平整以及地面硬度的影響，致使機(jī)器人本體工作時(shí)處于不平衡狀態(tài)，會(huì)影響機(jī)器人的工作安全性。實(shí)現(xiàn)任何狀態(tài)下的車(chē)身自動(dòng)調(diào)平是行走類(lèi)機(jī)械的共性關(guān)鍵技術(shù)。控制系統(tǒng)通過(guò)圖3中的雙閉環(huán)反饋來(lái)對(duì)本體的平衡進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)調(diào)節(jié)能力不能滿足要求時(shí)，將進(jìn)行報(bào)警及停止工作。本體采用四只對(duì)稱布置的可伸縮支腿，每個(gè)支腿上均由液壓缸來(lái)控制伸縮狀態(tài)。機(jī)器人本體上安裝雙軸傾角傳感器來(lái)檢測(cè)機(jī)器人是否處于平面狀態(tài)，根據(jù)本體的姿態(tài)反饋，控制器將采集到的數(shù)據(jù)利用調(diào)平算法進(jìn)行處理并轉(zhuǎn)換成控制信號(hào)輸出給電控比例液壓閥，電控比例液壓閥再來(lái)控制液壓缸的動(dòng)作，整個(gè)控制過(guò)程通過(guò)調(diào)平算法實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)快速的響應(yīng)，使機(jī)器人本體始終維持在一個(gè)相對(duì)的平面內(nèi)。控制原理見(jiàn)圖3。

圖3 機(jī)器人本體調(diào)平原理圖Fig.3 The principle diagram of the body levelling of robot

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率的自動(dòng)調(diào)節(jié)

根據(jù)節(jié)能減排的需求，采用抗流量飽和負(fù)載敏感技術(shù)來(lái)搭建整個(gè)節(jié)能液壓控制系統(tǒng)，同時(shí)采用電控比例液壓閥來(lái)實(shí)現(xiàn)各部件的速度控制，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和柔和性。為適應(yīng)不同的工況，在保證輸出動(dòng)力的情況下，加入作業(yè)循環(huán)階段智能識(shí)別技術(shù)，以主泵的工作壓力為依據(jù)，將發(fā)動(dòng)機(jī)、變量泵、多路閥和負(fù)載作為一個(gè)整體，采用協(xié)調(diào)控制策略，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，最終實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確地對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)-泵-負(fù)載環(huán)節(jié)的功率進(jìn)行協(xié)調(diào)匹配，提高了動(dòng)力系統(tǒng)功率利用率，減少了系統(tǒng)能量損失，達(dá)到匹配功率的目的。針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)控制環(huán)節(jié)，以主控制器的指令為標(biāo)準(zhǔn)下達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)控制器，再由發(fā)動(dòng)機(jī)控制器直接控制油門(mén)直線電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)功率的調(diào)節(jié)。發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)控制原理詳見(jiàn)圖4。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)控制原理圖Fig.4 Schematic diagram of engine regulation and control

3 機(jī)器人系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

主程序設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的軟件如圖5所示。

圖5 控制程序流程圖Fig.5 Flow-process diagram of control program

圖5中的參數(shù)初始化模塊完成機(jī)器人所有電控液壓比例閥的啟動(dòng)電流和最大電流參數(shù)的存儲(chǔ)和讀取功能；無(wú)線接收模塊將無(wú)線遙控器發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，并發(fā)送給其他模塊進(jìn)行執(zhí)行，同時(shí)還要將數(shù)據(jù)發(fā)送到無(wú)線遙控器進(jìn)行顯示；數(shù)據(jù)采集模塊將主控器采集到的開(kāi)關(guān)量和模擬量進(jìn)行處理，并提供給機(jī)器人作業(yè)控制模塊、機(jī)器人本體調(diào)平模塊和發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)控制模塊來(lái)使用；機(jī)器人作業(yè)控制模塊是把無(wú)線遙控器上手柄的輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成控制信號(hào)輸出到電控液壓比例閥上，實(shí)現(xiàn)各執(zhí)行元件的動(dòng)作；機(jī)器人本體調(diào)平模塊是在機(jī)器人作業(yè)過(guò)程中，根據(jù)機(jī)器人本體的水平度來(lái)調(diào)節(jié)各支腿的姿態(tài)，使機(jī)器人保持在一個(gè)相對(duì)水平的狀態(tài)；發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)控制模塊根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的油門(mén)電機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率的控制。機(jī)器人持續(xù)不斷地進(jìn)行監(jiān)測(cè)和動(dòng)作，最終實(shí)現(xiàn)智能的起重作業(yè)。

4 測(cè)試結(jié)果

通過(guò)以上研究，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出了機(jī)器人樣機(jī)，并在此機(jī)器人的本體上進(jìn)行了多項(xiàng)測(cè)試，具體測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 測(cè)試結(jié)果Table 1 Test results

由表1結(jié)果可知，機(jī)器人在作業(yè)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)調(diào)平以及節(jié)約能耗的目的，并且無(wú)線遙控距離達(dá)到安全操作的要求。

5 結(jié)語(yǔ)

腿履復(fù)合型智能起重機(jī)器人的開(kāi)發(fā)，完全擺脫了操作人員在車(chē)上操作的弊端。無(wú)線遙控的操作模式，減輕了操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度，并且優(yōu)化了操作者的視野，提高了操作者的安全性。基于CAN總線設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減少了線纜的敷設(shè)。主控制器會(huì)根據(jù)機(jī)器人的不同工況選擇不同的發(fā)電機(jī)檔位，實(shí)現(xiàn)節(jié)省油耗的目的，機(jī)器人對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出控制節(jié)約了能源，提高了資源的利用率。機(jī)器人本體平衡的調(diào)節(jié)提高了機(jī)器人工作的安全性，對(duì)于安全作業(yè)具有極其重大的意義。