基于液壓驅動的清污機器人控制方法研究

黃振東 ，曹雛清 ，劉志恒 ，陳榮娜 ，張爽華

(1.安徽省六安恒源機械有限公司，安徽六安 237000；2.蕪湖哈特機器人產業技術研究院有限公司，安徽蕪湖 241000；3.安徽國防科技職業學院，安徽六安 237000)

0 前言

在水利設施中，為了保證攔水閘門的正常啟閉或水力發電設備的安全運轉，需要對攔水閘門、攔水壩前及水力發電設備進水口處的雜物進行攔截和清理。現有的清污設備多為傳統的回轉式和抓斗式清污機，由于清污形式較固定，不能適應各種類型污物的清理；或者下壓抓取力不夠，清污能力較弱。因此，需設計一款清污機器人，可通過抓臂帶動抓斗抓取污物，且其液壓驅動系統應能夠提供較大的抓取力和提升力。本文作者研究清污機器人液壓驅動控制方法，分析清污機器人抓臂運動過程，控制抓臂沿攔污柵向下運動，可同時實現攔污柵上污物的清理和攔污柵前污物的抓取，有效提高清污效果和清污效率。

1 清污機器人的設計

所設計的清污機器人主要由軌道移動車(移動行走機構)、抓臂、液壓伺服泵站及智能控制系統等四部分構成。其中，抓臂作為清污動作的主要執行機構，固定安裝在軌道移動車上，由大臂、小臂、抓斗組成，相鄰兩關節間鉸接，通過液壓缸牽引作旋轉運動，實現末端抓斗在水平、垂直方向的運動，從而完成清污所需的上升、下降動作。基于嵌入式控制器搭建智能控制系統，構建抓臂運動學和驅動控制模型，實現清污機器人對末端運動軌跡的精確控制。清污機器人結構如圖1所示。

圖1 清污機器人結構

1.1 清污機器人工作流程

為能夠清理攔污柵上的污物，所設計的清污機器人的梳齒式抓斗需要插入攔污柵中，并沿攔污柵平面向下運動。為提高清污效率和質量，要求抓斗運動準確、平穩、快速。清污機器人在工作時，軌道移動車沿地軌移動至清污位置，地軌與攔污柵水平安裝，其機械臂運動平面與攔污柵平面垂直，使得抓斗可插入攔污柵中。清污機器人抓臂有3個自由度，可帶動抓斗上升、下降運動，具體過程如下：初始時，抓斗處于攔污柵上方位置，抓斗張開，如圖2(a)所示；抓斗沿攔污柵向下運行，抓斗保持張開狀態，清理攔污柵上的污物，如圖2(b)所示；抓斗運行到底后，閉合抓斗抓取攔污柵前的污物，如圖2(c)所示；抓斗向上運行，回到初始位置，抓斗保持閉合狀態，如圖2(d)所示。抓取中，抓斗需要沿著攔污柵作直線運動，且抓斗表面與攔污柵始終保持水平，因此需要對末端進行精確的位置控制。

圖2 清污機器人工作過程

1.2 清污機器人驅動系統

清污機器人的主要運動結構分為軌道移動車和抓臂。軌道移動車由伺服電機驅動，用于將抓臂移動至清污位置，這里不再詳述。抓臂由液壓系統驅動，分為大臂、小臂、抓斗3個旋轉關節。大臂液壓缸安裝在軌道移動車上，驅動大臂相對于軌道移動車作旋轉運動；小臂液壓缸安裝在大臂上，驅動小臂相對于大臂作旋轉運動；抓斗液壓缸安裝在小臂上，驅動抓斗相對于小臂作旋轉運動，如圖3所示。采用液壓伺服比例閥分別對3個運動關節的液壓缸進行控制，通過調節液壓伺服比例閥的開口實現對液壓缸流量和流向的控制，即控制液壓缸的伸縮長度和方向。同時，由各個液壓缸的位置傳感器，得到液壓缸實際行程，作為伺服比例閥調節的反饋信號。

圖3 清污機器人液壓缸位置

2 清污機器人運動學分析

在清污過程中，清污機器人要控制末端抓斗梳齒始終與攔污柵重合，因此需要得到抓斗梳齒與清污機器人設計尺寸的函數關系。該機器人是一種平面三自由度串聯機器人，其大臂、小臂關節主要用于位置的移動，抓斗關節用于姿態的調整。基于幾何法求解機器人運動學，建立如圖4所示的抓臂結構簡圖。為大臂連桿，為大臂液壓缸，為小臂連桿，為小臂液壓缸，為抓斗連桿，為抓斗液壓缸，為抓斗梳齒，清污時插入攔污柵中。

圖4 清污機器人抓臂機構簡圖

根據清污機器人的參數，求解在運動空間的位置和姿態。抓斗為末端執行器，和是同一剛體，與的距離固定不變，可以簡化位置的求解過程，由位置代替。在機器人清污過程中，保持位置與攔污柵距離固定不變，同時調整姿態與攔污柵平行，即可控制抓斗清污梳齒插入攔污柵中。

根據平面幾何關系求解位置，大臂關節角度、小臂關節角度與位置(，)的函數關系如下：

(1)

式中:為大臂桿件長度;為小臂桿件長度。

求解的姿態，平面內的角度是可以直接相加的，因此大臂關節角度、小臂關節角度、抓斗關節角度、梳齒角度之和即為的方位角：

=+++

(2)

式中:是梳齒相對抓斗連桿的角度，為定值。

至此，可以得到大臂、小臂、抓斗關節角度與抓斗梳齒的函數關系，但是各關節傳感器測量的是對應液壓缸的行程，由于各旋轉關節角度和對應驅動液壓缸行程之間是非線性關系，因此需要求解兩者的關系式。

根據圖4，結合余弦定理將大臂液壓缸行程轉換為角度∠：

(3)

式中:、為大臂液壓缸兩端點距原點的距離，與構成三角形。根據幾何角度關系，大臂關節角度與角度∠的關系為

=∠+∠-π/2-∠

(4)

式中:∠、∠為大臂液壓缸兩端點的關節角。

同理可得，小臂關節角度與小臂液壓缸行程的關系為

(5)

=π-∠-∠-∠

(6)

式中：、為小臂液壓缸兩端點距原點的距離，與構成三角形。∠、∠為小臂液壓缸兩端點的關節角。

小臂關節角度與小臂液壓缸行程的關系為

(7)

=∠+∠-π

(8)

式中:、為抓斗液壓缸兩端點距原點的距離，與構成三角形。∠為抓斗液壓缸一端點的關節角。

3 速度前饋控制

在清污過程中，清污機器人末端抓斗梳齒沿攔污柵運動，其期望運動路徑即是攔污柵的表面，是固定不變的，具有重復性，要求所設計的伺服驅動控制器能夠快速響應規劃的軌跡，可采用速度前饋控制方法。但是,末端抓斗梳齒在實際工作中的實際位置與期望位置可能會出現偏差，要求所設計的伺服驅動控制器能夠消除位置誤差，保證精確的末端控制位置，可采用位置反饋控制方法。根據上述分析，為控制各個液壓缸快速響應和位置精確，對清污機器人采取位置反饋結合速度前饋的控制方法，使得末端抓斗梳齒在清污過程中能夠不與攔污柵碰撞且較快速地清理污物。

3.1 控制原理

根據期望運動路徑規劃期望運動軌跡，得到各個液壓缸的期望位置，對位置的變化進行差分計算，可得到期望的運動速度。將此速度值作為速度前饋的輸入，通過與速度增益值相乘，計算出速度前饋控制的輸出。速度前饋控制作為主控模型，為液壓缸前瞻運動趨勢，可使得系統快速響應。同時，安裝于各個液壓缸的位置傳感器將所測的實際位置與期望位置進行對比，可得出誤差值。將此誤差值作為位置反饋的輸入，通過與位置增益值相乘，計算出位置反饋控制的輸出。位置反饋控制可看作修正控制，能消除系統所產生的誤差。圖5所示為位置反饋結合速度前饋的控制框圖，其中：為位置反饋控制的比例增益值;為速度前饋控制的增益值。

圖5 位置反饋結合速度前饋的控制框圖

實驗測試時，根據實際清污工作要求，在抓臂行程范圍內，運動最長清污距離(包含下降和上升過程)的時間不超過40 s。根據示教點，規劃末端抓斗期望清污軌跡，經運動學解算，給出各個液壓缸的期望軌跡，對它進行測試。按照工作流程，清污機器人末端抓斗分為上升和下降2種運動狀態，分別對應各個液壓缸的伸長和縮回動作，所以分別對3個液壓缸進行測試，驗證其速度前饋控制的效果。所設置的位置反饋和速度前饋增益值如表1所示。其中，表示末端抓斗上升運動時各液壓缸的位置反饋增益;表示末端抓斗下降運動時各液壓缸的位置反饋增益;表示末端抓斗上升運動時各液壓缸的速度前饋增益，表示末端抓斗下降運動時各液壓缸的速度前饋增益。

表1 3個液壓缸增益值

3.2 實驗結果

位置輸入為清污過程規劃的期望軌跡時，對清污機器人3個液壓缸的伺服驅動控制器進行測試，結果如圖6—圖8所示。

圖6 大臂液壓缸期望軌跡和實際軌跡比對 圖7 小臂液壓缸期望軌跡和實際軌跡比對

圖8 抓斗液壓缸期望軌跡和實際軌跡比對

從圖6—圖8中可以看出：3個液壓缸實際軌跡曲線和期望軌跡曲線基本重合，液壓缸實際運動軌跡能跟蹤上規劃的運動軌跡，且起始狀態無延遲，運動過程位置無較大偏差，表明位置反饋結合速度前饋的控制效果較好。清污機器人清污過程中，末端抓斗梳齒能夠插入攔污柵中平穩、快速運動，且無碰撞，清污效果較好。

4 結論

(1)分析三自由度串聯清污機器人結構，采用幾何法求解清污機器人運動學，計算末端位姿與3個關節角度之間的關系，進而得到與3個關節液壓缸之間的函數關系；

(2)根據清污機器人清污過程路徑重復的特點，設計位置反饋結合速度前饋的伺服控制器，控制機械臂運動，其中速度前饋用于預測系統所需速度，位置反饋用于減小系統誤差；

(3)按照實際清污軌跡進行驗證，速度前饋控制可較好地跟蹤規劃的軌跡，位置反饋控制能有效減小系統誤差，清污機器人清污過程運行平穩、快速，清污效果良好。