一种基于复杂控制的挖掘机机械臂柔顺控制系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于复杂控制的挖掘机机械臂控制系统

【技术实现步骤摘要】
一种基于复杂控制的挖掘机机械臂柔顺控制系统


[0001]本专利技术涉及物理运动学
、
自动控制技术
、
传感器技术和计算机科学领域，具体涉及到一种基于复杂控制的挖掘机机械臂柔顺控制系统
。

技术介绍

[0002]无人挖掘机是传统挖掘机与人工智能
、
自动控制和信息物理网络等技术深度融合的产物
。
相对于传统挖掘机，其拥有更高的功率利用率及作业精度，集远程作业
、
环境感知
、
智能诊断为一体，在抗震救灾
、
太空及水下作业等领域都有广阔的应用前景
。
[0003]随着无人挖掘机技术的不断进步，仅仅依靠位置控制挖掘机机械臂已经无法满足更高性能的需求
。
特别是对于需要输出大扭矩的挖掘机机械臂，在与不同物料接触时，需要采用合理的主动柔顺控制策略，以降低碰撞瞬间的巨大冲击力和整个碰撞过程中的接触力，甚至让机械臂能够避开碰撞物，并保持在一个安全状态
,
最终达到可以适应各种复杂工况的目的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于复杂控制的挖掘机机械臂柔顺控制系统，该系统由运动学逆解模块
、pid
控制器模块
、
机械臂模块
、
空间状态模块
、
模糊控制器模块和变阻抗控制器模块组成；其特征在于：所述运动学逆解模块负责根据给出的末端位置计算机械臂关节转动角度，结果输出到
pid
控制器模块；所述
pid
控制器模块负责调节期望关节转动角度
θ
c
与实际关节转动角度
θ
的偏差
△
θ
，输出阀控伺服缸驱动电压
u
g
到机械臂模块；所述机械臂模块负责基于驱动电压
u
g
进行机械臂角度转动，并通过高精度传感器测量实际旋转角度
θ
角和通过各关节力矩计算出实际接触力
F
，旋转角度
θ
输出到
pid
控制器模块，实际接触力
F
输出到空间状态模块
、
模糊控制器模块和变阻抗控制器模块；所述空间状态模块负责判断机械臂是在自由空间还是作业空间，它接收来自机械臂模块测量的实际接触力
F
，并向变阻抗控制器模块和模糊控制器模块输出合适的期望接触力
F2；所述模糊控制器模块接收来自机械臂模块实际接触力
F
和来自空间状态模块期望接触力
F2，输出变阻抗值
△
c(k)
到变阻抗控制器模块；所述变阻抗控制器模块负责接收机械臂模块反馈的实际接触力
F、
状态观测器输出的期望接触力
F2和模糊控制器输出的阻抗变化量
△
c(k)
，并输出位置改变值
△
x
到运动学逆解模块，形成闭环反馈，最终构成挖掘机机械臂的柔顺控制系统
。2.
根据权利要求1所述的一种基于复杂控制的挖掘机机械臂柔顺控制系统，其特征在于：所述运动学逆解模块是基于伪逆法的冗余自由度机械臂逆解算法；该算法将逆运动学的解分解成两部分，分别是最小缸速范数解以及其次解，第一部分可保证末端执行器的运动规律，而第二部分实现对机械臂运动的二次目标优化；最终根据位置偏差求解出机械臂关节期望转动角度
。3.
根据权利要求1所述的一种基于复杂控制的挖掘机机械臂柔顺控制系统，其特征在于：所述
pid
控制器模块负责调节期望关节转动角度
θ
c
与实际关节转动角度
θ
的偏差
△
θ
；将偏差值
△
θ
通过一个
PI
控制器后得到机械臂模块控制电压
u
g
，使各关节达到合适的角度；
PI
控制器参数是基于挖掘机液压缸控制系统非线性模型进行仿真调节，确定比例系数
k
p
和积分系数
k
i
的值
。4.
根据权利要求1所述的一种基于复杂控制的挖掘机机械臂柔顺控制系统，其特征在于：所述挖掘机液压缸控制系统非线性模型由先导阀数学模型
、
滑阀流量模型
、
液压缸流量模型
、
活塞力平衡模型组成，进而建立液压控制系统的非线性状态空间方程；先导阀数学模型是用来描述因电液比例阀死区引起的非线性，建立控制信号
u
g
与换向阀阀芯位移
x
ν
之间关系的方程式；滑阀流量模型是用来描述由电液比例阀饱和引起的非线性，建立表示换向阀中无杆腔流量
Q1和有杆腔流量
Q2的滑阀负载流量方程；液压缸流量模型是用来描述由阀控非对称液压缸的静态特性非对称性引起的非线性
,
建立在液压缸中无杆腔流量
Q1和有杆腔流量
Q2的液压缸流量连续性方程；活塞力平衡模型是用来描述由阀控非对称缸动态特性非对称性和液压缸非线性摩擦引起的非线性，建立液压缸活塞的力平衡方程，其中负载力包括惯性力
、
粘性阻尼力
、
缸壁摩擦力，弹性力和随机负载力；联立以上四个模型方程进而建立控制信号
u
g
与液压缸活塞位移
x
的非线性状态空间方程
。5.
根据权利要求1所述的一种基于复杂控制的挖掘机机械臂柔顺控制系统，其特征在于：所述挖掘机液压缸控制系统大延迟模型采用
Smith
预估器处理延时特性，使得其闭环系统的特征方程中不再包含延时项，并在离散域进行分析；具体为设延迟
τ
为采样周期的
N
倍，则
z
‑
N
G0(z)
为原传递函数，控制器
D0(z)
和
(1
‑
z
‑
N
)G0(z)
组成的闭环系统为
Smith
预估器，使
得纯延时的特性不再影响系统的稳定性和动态性能，也可以更加灵活地设计控制器
D0(z)。6.
根据权利要求1所述的一种基于复杂控制的挖掘机机械臂柔顺控制系统，其特征在于：所述机械臂模块是实际运动执行端，分为液压缸部分
、
挖掘机机械臂部分
、
角度编码传感器部分和接触力测量计算相关传感器部分；该模块输入信号来源于
pid
控制器模块输出的控制电压
u

【专利技术属性】
技术研发人员：杨波，吴亚辛，张然，孙震宇，尹驯涛，刘霁雯，武荣泽，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
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