多自由度臂架的轨迹规划系统、方法及泵车技术方案

本发明专利技术公开了一种多自由度臂架的轨迹规划系统、方法及泵车，以控制臂架关节工作在流量稳定的线性区域内。该系统包括：直观空间轨迹规划模块，根据收到的关节状态参数和末端指令运动速度参数确定末端运动轨迹，通过规划算法将运动轨迹进行离散输出离散型运动轨迹参数；速度转换计算模块，根据所述离散型运动轨迹参数进行反解处理，获得关节运动速度参数；对所述关节运动速度参数进行伸缩调整，得到每个离散点的关节运动速度/时间序列参数，抗流量饱和模块，根据设置的抗流量饱和算法针对关节运动速度参数，进行抗流量饱和计算得到优化后各个关节速度信息；控制模块，根据所述优化后的各个关节速度信息，输出泵车的液压执行机构运动速度/时间。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及臂架的轨迹规划系统，尤其涉及一种多自由度臂架的轨迹规划系统、方法及泵车。
技术介绍
当前应用广泛的多自由度臂架为五节臂泵车，其臂架结构形式通常为一个回转关节和五个臂节串联组成，臂节之间关节轴线平行，泵车臂架的姿态由回转角度以及臂关节角度共同决定；臂架驱动方式通常为回转关节由液压马达与减速机驱动，五节臂关节由液压缸驱动。现有多自由度臂架的控制系统多为一个操作杆对应一个关节的控制系统，操作者通过遥控器上的多个手柄发送回转和臂节的运动速度信号，专用控制器接受遥控器发送的速度信号将其转变成多路阀的控制电流，以此控制臂架的运动。这种控制系统需要操作员丰富的操作经验，操作员根据经验将臂架末端的运动变换成各个关节的驱动信号，由于人脑的生理特点，操作员同时操作的关节数不超过3个，这种操作方式适合于臂节数较少的泵车臂架。最近，多自由度臂架的控制系统朝一键式控制方向发展，其基本方法是通过遥控器输入臂架末端X，Y，Z三个方向速度，车载控制器根据臂架当前姿态和输入的末端速度实时计算出关节的驱动速度，从而来控制臂架运动。根据现有泵车臂架设计规范设计的液压系统并不满足多自由度臂架联动的工作要求，主要表现在液压系统提供的总流量不能时刻满足多自由度联动对流量的需求，流量饱和分为泵流量饱和、关节流量饱和两类问题。对于泵流量饱和问题，在泵车臂架的多自由度联动所需的总流量超过泵流量时，现有处理方式是将所有的关节流量等比缩小，这一方法可以使多个关节运动所需的总流量不超过泵提供的流量，但牺牲了末端运动速度和工作效率。对于关节流量饱和问题，多自由度联动中臂架单个关节所需流量超过该关节液压系统能提供的流量时，现有技术是降低这个关节的流量使之不进入流量饱和区，但这会造成关节联动时运动失真，轨迹误差放大。大型工程机械臂架运动控制中通常存在泵输出流量波动大和关节流量线性区小两个问题。当前的泵车臂架液压系统多采用恒功率泵，臂架工作中经常工作在恒功率段。在恒功率段(泵负载压力在某设定值范围时，典型如(50，350)bar)，泵负载压力与其最大输出流量按双曲线变化，因此，当臂架关节负载压力在恒功率范围时，其最大输出流量随负载实时变化，泵输出流量的波动影响关节速度。现有的技术中，用于关节运动控制的速度基准为发动机转速确定的泵最大流量，没有计算在恒功率段负载压力变化对泵最大流量的影响，以致依然存在流量饱和带来的运动失真。关节流量线性区中关节最小稳定流量决定液压驱动部件的运动精度。当前泵车液压系统多为“多路阀一平衡阀一油缸/马达”模式，这一系统中多个液压部件存在满足微动要求的最小稳定流量，这一最小稳定流量影响臂架运动的轨迹精度，这是臂架运动控制中的最小流量约束问题。在满足目标轨迹误差、流量约束、功率约束等多个约束条件下，进行运动轨迹规划达到更高的工作效率是当前大型多自由度臂架控制的难点。
技术实现思路
本专利技术提供一种多自由度臂架的轨迹规划系统、方法及泵车，用以提高轨迹规划的效率，并能控制臂架关节工作在流量稳定的线性区域内。本专利技术实施例提供的一种多自由度臂架的轨迹规划系统，该系统包括直观空间轨迹规划模块，用于根据接收到的关节状态参数和末端指令运动速度参数确定末端运动轨迹，并通过设置的规划算法将末端运动轨迹进行离散，输出离散型运动轨迹参数，所述离散型运动轨迹参数为臂架从起始点至终点之间一系列离散点的位置信息和到达每个离散点所需时间；速度转换计算模块，用于根据所述离散型运动轨迹参数进行反解处理，获得关节运动速度参数；并对所述关节运动速度参数进行伸缩调整，得到调整后的每个离散点的关节运动速度/时间序列参数，所述关节运动速度/时间序列参数包括在每个离散点以相应关节运动速度运动的时间长度信息；抗流量饱和模块，用于根据设置的抗流量饱和算法针对所述关节运动速度/时间序列参数，进行抗流量饱和计算得到优化后的各个关节速度信息；控制模块，用于根据所述优化后的各个关节速度信息，输出泵车的液压执行机构运动速度/时间。该系统还可以进一步包括动静力计算模块，用于根据所述关节状态参数和所述关节运动速度/时间序列参数计算臂架的负载力/力矩，根据臂架结构的几何关系以及所述臂架的负载力/力矩、臂架当前状态以及臂架的当前运动参数，得到各执行机构的负载信息；功率约束优化模块，用于根据所述关节状态参数、所述关节运动速度/时间序列参数、各执行机构的负载信息以及获得的液压系统的功率，计算获得泵的最大输出流量；且，所述抗流量饱和模块，包括全局抗流量饱和模块，用于利用设置的全局抗流量饱和算法，根据所述关节运动速度/时间序列参数实时计算得到每个关节的全局抗饱和流量，其中，所述全局抗流量饱和算法是以关节运动所需总流量与所述泵的最大输出流量之比为关节运动速度优化条件，如果所述关节运动所需总流量与所述泵的最大输出流量之比不小于1，则根据所述关节运动所需总流量与所述泵的最大输出流量的比值调整各个关节运动所需流量，限定所有关节运动所需总流量不超过所述泵的最大输出流量，调整后的各个关节运动所需流量称为对应关节的全局抗饱和流量，所述关节运动所需总流量是各个关节运动所需流量之和，所述各个关节运动所需流量是根据所述关节运动速度/时间序列参数计算得出；局部抗流量饱和模块，用于根据设置的局部抗流量饱和算法，对单个关节运动所需流量进行优化，其中，所述局部抗流量饱和算法是指以计算出的单个关节运动所需流量和单个关节运动的名义流量之比作为关节运动速度的优化条件，如果计算出的单个关节运动所需流量和单个关节运动的名义流量之比不小于1，则根据所述单个关节运动所需流量和所述单个关节运动的名义流量的比值调整各关节运动所需流量，限定关节联动过程中单个关节运动所需流量不超过单个关节的名义流量。所述速度转换计算模块可以包括运动学反解模块和速度优化模块，其中，运动学反解模块，用于根据所述离散型运动轨迹参数进行反解处理，获得所述关节运动速度参数；所述速度优化模块，用于对所述关节运动速度参数进行伸缩调整，得到调整后的每个离散点的所述关节运动速度/时间序列参数，所述关节运动速度/时间序列参数包括每个离散点以相应关节运动速度运动的时间长度信息。所述规划算法采用运动轨迹的插值算法。所述运动轨迹的插值算法为余弦三角函数。所述末端运动轨迹的离散点呈稀疏状。在所述末端运动轨迹的离散点中，两端侧与中间段的离散点相比分布密；或两端侧与中间段的离散点相比分布稀，且所述末端运动轨迹的离散点的稀疏状态根据不同形状的目标轨迹可变。该系统还可以进一步包括通信模块，用于接收外部控制终端和传感器发出的所述关节状态参数和所述末端指令运动速度参数，并将所述关节状态参数和所述末端指令运动速度参数传输给所述直观空间轨迹规划模块；将所述泵车的液压执行机构运动速度/时间输出给泵车的液压执行机构。本专利技术实施例 还提供了一种具有多自由度臂架的泵车，包括上述任意所述的轨迹规划系统。本实施例提供了一种针对多自由度臂架泵车的轨迹规划方法，包括根据获得的关节状态参数和末端指令运动速度参数确定末端运动轨迹，并通过设置的规划算法将运动轨迹进行离散，输出离散型运动轨迹参数，所述离散型运动轨迹参数为臂架从起始点至终点之间一系列离散点的位置信息和到达每个离散点所需时间；根据所述离散型运动轨迹参数进行反解处理，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多自由度臂架的轨迹规划系统，其特征在于，该系统包括：直观空间轨迹规划模块，用于根据接收到的关节状态参数和末端指令运动速度参数确定末端运动轨迹，并通过设置的规划算法将末端运动轨迹进行离散，输出离散型运动轨迹参数，所述离散型运动轨迹参数为臂架从起始点至终点之间一系列离散点的位置信息和到达每个离散点所需时间；速度转换计算模块，用于根据所述离散型运动轨迹参数进行反解处理，获得关节运动速度参数；并对所述关节运动速度参数进行伸缩调整，得到调整后的每个离散点的关节运动速度/时间序列参数，所述关节运动速度/时间序列参数包括在每个离散点以相应关节运动速度运动的时间长度信息；抗流量饱和模块，用于根据设置的抗流量饱和算法针对所述关节运动速度/时间序列参数，进行抗流量饱和计算得到优化后的各个关节速度信息；控制模块，用于根据所述优化后的各个关节速度信息，输出泵车的液压执行机构运动速度/时间。

【技术特征摘要】
1.一种多自由度臂架的轨迹规划系统，其特征在于，该系统包括 直观空间轨迹规划模块，用于根据接收到的关节状态参数和末端指令运动速度参数确定末端运动轨迹，并通过设置的规划算法将末端运动轨迹进行离散，输出离散型运动轨迹参数，所述离散型运动轨迹参数为臂架从起始点至终点之间一系列离散点的位置信息和到达每个离散点所需时间； 速度转换计算模块，用于根据所述离散型运动轨迹参数进行反解处理，获得关节运动速度参数；并对所述关节运动速度参数进行伸缩调整，得到调整后的每个离散点的关节运动速度/时间序列参数，所述关节运动速度/时间序列参数包括在每个离散点以相应关节运动速度运动的时间长度信息； 抗流量饱和模块，用于根据设置的抗流量饱和算法针对所述关节运动速度/时间序列参数，进行抗流量饱和计算得到优化后的各个关节速度信息； 控制模块，用于根据所述优化后的各个关节速度信息，输出泵车的液压执行机构运动速度/时间。2.如权利要求1所述的轨迹规划系统，其特征在于，该系统还进一步包括 动静力计算模块，用于根据所述关节状态参数和所述关节运动速度/时间序列参数计算臂架的负载力/力矩，根据臂架结构的几何关系以及所述臂架的负载力/力矩、臂架当前状态以及臂架的当前运动参数，得到各执行机构的负载信息； 功率约束优化模块，用于根据所述关节状态参数、所述关节运动速度/时间序列参数、各所述执行机构的负载信息以及获得的液压系统的功率，计算获得泵的最大输出流量； 且，所述抗流量饱和模块，包括 全局抗流量饱和模块，用于利用设置的全局抗流量饱和算法，根据所述关节运动速度/时间序列参数实时计算得到每个关节的全局抗饱和流量，其中，所述全局抗流量饱和算法是以关节运动所需总流量与所述泵的最大输出流量之比为关节运动速度优化条件，如果所述关节运动所需总流量与所述泵的最大输出流量之比不小于1，则根据所述关节运动所需总流量与所述泵的最大输出流量的比值调整各个关节运动所需流量，限定所有关节运动所需总流量不超过所述泵的最大输出流量，调整后的各个关节运动所需流量称为对应关节的全局抗饱和流量，所述关节运动所需总流量是各个关节运动所需流量之和，所述各个关节运动所需流量是根据所述关节运动速度/时间序列参数计算得出； 局部抗流量饱和模块，用于根据设置的局部抗流量饱和算法，对单个关节运动所需流量进行优化，其中，所述局部抗流量饱和算法是指以计算出的单个关节运动所需流量和单个关节运动的名义流量之比作为关节运动速度的优化条件，如果计算出的单个关节运动所需流量和单个关节运动的名义流量之比不小于1，则根据所述单个关节运动所需流量和所述单个关节运动的名义流量的比值调整各关节运动所需流量，限定关节联动过程中单个关节运动所需流量不超过单个关节的名义流量。3.如权利要求1所述的轨迹规划系统，其特征在于，所述速度转换计算模块包括运动学反解模块和速度优化模块，其中， 运动学反解模块，用于根据所述离散型运动轨迹参数进行反解处理，获得所述关节运动速度参数； 所述速度优化模块，用于对所述关节运动速度参数进行伸缩调整，得到调整后的每个离散点的所述关节运动速度/时间序列参数，所述关节运动速度/时间序列参数包括每个离散点以相应关节运动速度运动的时间长度信息。4.如权利要求1所述的轨迹规划系统，其特征在于，所述规划算法采用运动轨迹的插值算法。5.如权利要求4所述的轨迹规划系统，其特征在于，所述运动轨迹的插值算法为余弦三角函数。6.如权利要求1所述的轨迹规划系统，其特征在于，所述末端运动轨迹的离散点呈稀疏状。7.如权利要求1所述的轨迹规划系统，其特征在于，在所述末端运动轨迹的离散点中，两端侧与中间段的离散点相比分布密；或两端侧与中间段的离散点相比分布稀，且所述末端...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘洋，魏素芬，李宇力，张劲，
申请(专利权)人：中联重科股份有限公司，
类型：发明
国别省市：