新型移動式采樣三軸機械臂運行動作研究

楊傳沓，朱學海，喬 強，邵 徇

(1.國能銷售集團有限公司，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能源仍然發揮著重要的保障作用[1]，煤炭資源的智能、安全、高效開發與低碳清潔利用是實現我國煤炭工業高質量發展的核心技術支撐[2]。隨著科技發展，煤炭原料及檢驗過程的智能化管理將是1種新的發展趨勢[3-4]，同時煤炭機械化采樣技術發展迅速[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量檢驗仍然采用傳統的人工采制樣方式，人工干擾大、貿易糾紛多、安全保障差，達不到現行采制化國標要求，嚴重影響了社會經濟效益。

機械臂是通過模仿人手臂的運動模式而設計出來的1種自動化裝置，能替代人在人類無法抵抗的嚴酷復雜環境中工作，達到保護人身安全的同時提高工作效率的目的。在煤炭采樣領域，已有學者對機械臂的應用進行相關研究[8-14]，但大體集中于火車或汽車采樣方面，對靜止煤的采樣應用研究稍少。如何實現靜止煤堆無人化采制化智慧協同，是煤炭經營公司保障煤炭生產、運輸和供應安全亟待解決的重大技術難題[15]。

利用移動式采樣車替代人工進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的計算方法。

1 三軸機械臂基本介紹

1.1 機械臂工作環境及參數要求

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后，由三軸機械臂帶動采樣器進行采樣動作。根據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，筆者統一將該夾角設定為30°。當遇到其他角度時，可參考筆者的方法進行計算。

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

表1 機械臂參數要求Table 1 Mechanical arm parameter requirements

1.2 采樣臂結構與動作流程

新型機械采樣臂的機械主體結構從下向上依次為大臂、小臂和采樣頭，具體結構如圖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

編碼器的主要參數見表2，機械參數確保了工作時的穩定性，軸徑、軸孔徑等尺寸均滿足設計要求，軸向、徑向最大受力都在安全范圍內，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計要求。

表2 編碼器參數表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 機械臂設計

2.1 角度計算

2.1.1預設點位置確定

多軸機械臂計算如圖3所示，采樣計算中將A點位置設為預設點。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，采樣頭到達該點后，垂直向下運動0.5 m即可到達煤堆的采樣點。因此需要計算出A點的位置。采樣中低點、中點、高點的預設點分別為2.00 m、2.50 m、2.85 m?？紤]到實際情況，高點的預設點設定為2.85 m。

根據計算可得采樣頭頂部預設點與煤堆的相對位置見表3。

表3 不同位置預設點與煤堆相對位置Table 3 Relative positions of preset points at different positions and coal piles

2.1.2預設點坐標轉換與計算

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軸的位置設定為基點，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整基點位置到大臂支撐部底部，具體空間位置如下:某種設計的機械采樣臂，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，根據表1和上述數據，坐標轉換后的數據見表4。

表4 預設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中的數據，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

實際過程中采樣頭的動作范圍可能達不到計算結果，即機械臂動作位置達不到計算點，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。筆者所設計的三軸機械臂，根據設計參數，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，到煤堆側邊的角度較小時，會發生高點距離過遠，超出機械臂工作范圍的情況。為避免發生該情況，需要軟件程序預先對能否到達該采樣點進行預判，若不能到達，則需要重新設計采樣點位，如降低高度采取更近的樣品。

2.2 低點及中點采樣位置設計

根據前述方案，采樣過程中預設所需要達到的低點及中點的預設點高度為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，滿足機械臂現場工作的要求，傳感器精度為0.5～1.5 mm，響應時間162 ms，其精度高、反應快的特點保證了機械臂采樣過程的準確性、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軸的相對位置，根據具體工況，計算采樣頭轉軸相對于大臂轉軸的位置，根據轉換公式確定大臂轉軸和小臂轉軸的角度，最終得到采樣頭角度。具體計算流程如圖5所示。

圖5 預設點計算過程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需要轉動的角度，計算結果見表9。

表9 低點采樣范圍內各軸轉動角度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，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，根據前述對于底部采樣點計算方式，對于該范圍內各軸所需要的角度計算結果見表10。

表10 中點采樣范圍內各軸轉動角度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，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設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險為采樣點可靠性的下降(距離車緣更近)，以及預設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，其采樣頭預設點為(4.41,2.76)m，采樣頭角度為垂直角度50°，3個轉軸的夾角為(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 整體采樣程序設計處理

根據某具體的式子目，對其可行的整體采樣流程進行分析，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設點角度值，各角度參數值具體見表13；車載軟件將數據傳輸給車載PLC；當PLC操作機械臂到達預設點的時候，對機械臂與煤堆的相對距離YL進行測量。

表13 設定角度值Table 13 Setting of the angle value

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

當采樣點處在低點時，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，根據式(23)可以確定c的值，根據采樣點位置(XA，YA)可得(XC，YC)的值，具體見式(24)。

(23)

(24)

當采樣點處在中點時，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，根據式(23)可以確定c的值，根據采樣點位置(XA，YA)可得(XC，YC)的值，具體如式(24)所示。

當采樣頭處在高點時，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，根據公式(23)可以確定c的值，根據采樣點位置(XA，YA)可得(XC，YC)的值，具體見公式(26)。

(26)

確定好參數后，對點位進行校核，判據條件為:0°≤θ1≤85°，0°≤θ2≤80°，-35°≤θ3≤61.2°。當超過此范圍時，跳過該點采樣。最后將數據傳輸給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 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，根據現場勘測數據，對于煤堆不同采樣點的采樣方案進行了設計，研究結果表明:

(1) 根據現場實際測量的結果給出了1種機械采樣臂達到采樣點的計算方案，確認其采樣范圍滿足實際工作的采樣范圍。

(2) 根據機械臂動作限位，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) 根據采樣范圍的計算結果，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。