一种快速准确实现混凝土泵车臂架运动轨迹的方法技术

本发明专利技术公开了一种快速准确实现混凝土泵车臂架运动轨迹的方法。该发明专利技术对混凝土泵车臂架运动空间的分析，提出混凝土泵车臂架系统运动轨迹的区域规划法，将臂架工作区间进行了合理划分，并选取合适的区域参数，在相邻区域之间设置过渡区，通过对轨迹点的区域搜索，得到了唯一一组混凝土泵车臂架系统的目标关节变量，从而替代了传统的通过计算大量超越方程才能完成的机器人正反解计算。本发明专利技术对混凝土泵车臂架系统运动轨迹进行规划，大大降低了混凝土泵车臂架系统关节变量的求解难度，是一种快速、精确的反解算法，具有自动化程度高和实时性高的特点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种在混凝土泵车臂架智能控制的过程中，能够快速准确的实现臂架运动轨迹的方法。
技术介绍
目前，智能化自动浇筑作业已成为混凝土泵车臂架智能控制领域的发展趋势。在混凝土泵车臂架智能控制的过程中，臂架运动轨迹的合理规划是实现智能控制的前提。混凝土泵车整个臂架系统由安装在底盘上的液压马达带动回转支撑驱动，各臂架的运动靠臂架间的液压油缸带动连杆机构驱动，从而实现臂架姿态的各种变化，完成混凝土浇筑。混凝土泵车臂架控制系统根据分布在各臂架的传感器测量得到各臂相对角度来调节液压油缸的位移量，驱动各臂运动，进而控制臂架末端行走目标轨迹。臂架末端运动轨迹的合理规划是实现臂架智能化控制的条件之一，由于泵车臂架系统是一组空间多自由度开环串联机构，对臂架末端运动轨迹规划时，需要对泵车臂架系统进行运动学正解和逆解分析，然而，对于多自由度串联机构而言，运动学正解较为容易，逆解一直是机器人领域研究的难点，目前多采用反变换法、几何法、最小关节范数法等，这些方法大都需要求解大量的非线性超越方程，因而求解速度缓慢，同时存在多组逆解，需要搜索最优解，整个求解过程计算量大，耗时长，从而导致臂架末端运动轨迹规划过程复杂，计算繁琐，实时性差。由于工程机械通用控制器计算速度的限制，目前的运动轨迹规划方法实现起来困难。
技术实现思路
为了克服现有技术存在的上述不足，本专利技术提供，该方法在工程机械通用控制器上容易实现，并具有计算速度快、结果准确和实时性高等优 点。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是:，其具体步骤如下: 步骤1: 根据混凝土泵车臂架结构参数，利用法建立混凝土泵车臂架机构关节坐标系，确定各臂架关节变量，计算出臂架浇筑末端在基坐标系中的位置。基坐标系是指建立在车体上的坐标系，各臂架关节变量是指各臂架相对回转角。步骤2: 在基坐标系中确定预定浇筑轨迹，将预定浇筑轨迹进行离散。预定浇筑轨迹是指臂架浇筑末端的运动轨迹，它是臂架工作空间内的任意直线，利用“插补算法”将预定轨迹离散，获得臂架浇筑末端在基坐标系中全部离散点的坐标。插补算法是以插补直线长度Z、插补步长插补总步数#为依据进行的。臂架末端各离散点的坐标可按下式计算:X = X1+ ! X—~—i Yi =J1 + Χ—~, Zi =Z1+IX—~—、1 N 1 1 N 1 1 N式中: i为插补次数，在O到N之间变化； Xi^y^zi为臂架末端第i个离散点的坐标值。步骤3: 确定臂架浇筑末端当前点在预定轨迹中的位置，计算出下一个目标离散点坐标。步骤4: 根据“区域查询”方法，求解出下一个目标离散点所对应的各臂架的关节变量。区域查询方法是指在臂架系统运动学逆解计算的过程中，根据臂架的工作空间、末端位姿、浇筑速度等提出的一种分区域确定某几个臂架位姿，求解剩余臂架位姿的方法。运动学逆解是由臂架末端位姿求解各臂架关节变量的过程，臂架末端的空间位置有三个已知坐标X、Y、Z，由“一一对应”的解方程思想 ，求解多节臂混凝土泵车臂架系统中的三个变量，人为约束其余变量，则可获得准确、唯一解。根据以上原则，首先，将臂架的回转角约束，则臂架的工作空间由三维转换为二维。其次，约束除后两节臂外的各臂的转角，则可知臂架末端的工作区域。最后，将臂架末端的二维工作区域划分为多个规则的矩形区域，依据实际浇筑过程中的臂架姿态，确定每个矩形区域内约束的臂架转角，为了被约束臂架的转角变化的连续性，在矩形区域间设置过渡区，在过渡区域内前几个臂的相对转角通过插值算法求得，后两节臂的相对转角的解法与前述相同。步骤5: 判断臂架浇筑末端所处区域，是否为过渡区。若是过渡区，则插值计算前几个臂的关节变量，反解剩余关节变量。若是非过渡区，则查询对应区域内的关节变量，反解剩余关节变量。步骤6: 通过闭环实时控制模块调节各臂液压油缸，驱动臂架达到目标关节变量，判断达到下一个目标离散点，则返回步骤3，继续计算并执行下一个离散点。步骤7: 判断是否达到终点，若达到终点，则停止。通过以上方法，可实现臂架运动轨迹的自动浇筑。本专利技术的实施对象至少应具备一台多节臂混凝土泵车、工程机械通用控制器、以及安装在泵车臂架上的编码器和角度传感器。编码器、角度传感器与控制器相连，控制器接收测量信号。控制器与混凝土泵车上的多路阀相连，控制器输出电流信号控制多路阀，驱动臂架上的液压油缸和马达，从而调节臂架动作。本专利技术的有益效果是:该专利技术计算过程简单，耗时短，不需要多次循环迭代。适用于混凝土泵车臂架任意运动轨迹，有利于混凝土泵车的智能控制。并且具有算法快速、准确、实时性好和适用于通用控制器等优点。下面结合附图并以某五节臂混凝土泵车为例，对本专利技术进行更详细的说明。附图说明图1是五节臂混凝土泵车臂架机构关节坐标系结构坐标 图2是五节臂混凝土泵车臂架机构关节坐标系结构简化图；图3是五节臂混凝土泵车臂架末端空间半球型工作空间； 图4是五节臂混凝土泵车第四、五臂运动时臂架末端P点的工作空间； 图5是五节臂混凝土泵车臂架末端区域划分 图6是五节臂混凝土泵车自动浇筑实时控制流程图。具体实施例方式实施例: 本专利技术公开一种快速准确实现五节臂混凝土泵车臂架运动轨迹的方法，其具体步骤如下: 步骤1: 建立臂架系统坐标系模型。根据五节臂混凝土泵车臂架系统结构模型，建立混凝土泵车臂架机构关节坐标系，如图1所示，共建立七个关节坐标系，臂架浇筑末端用P点标记，其坐标为(X7, γ , z7)。测量臂架结构尺寸,得到D-H矩阵的连杆参数,如表I所示。步骤2: 求解臂架浇筑末端P的坐标。对臂架坐标系及连杆参数进行分析，可知臂架浇筑末端P点的坐标是关于六个关节变量及连杆参数的函数，运用D-H法计算可得P点的坐标:本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种快速准确实现混凝土泵车臂架运动轨迹的方法，其特征是：所述方法包括以下步骤：步骤1：根据混凝土泵车臂架结构参数，利用D?H法建立混凝土泵车臂架机构关节坐标系，确定各臂架关节变量，计算出臂架浇筑末端在基坐标系中的位置；步骤2：在基坐标系中确定预定浇筑轨迹，将预定浇筑轨迹进行离散；利用“插补算法”将预定轨迹离散，获得臂架浇筑末端在基坐标系中全部离散点的坐标；插补算法是以插补直线长度L、插补步长?L、插补总步数N为依据进行的，臂架末端各离散点的坐标可按下式计算：式中：i为插补次数，在0到N之间变化；xi、yi、zi为臂架末端第i个离散点的坐标值；步骤3：确定臂架浇筑末端当前点在预定轨迹中的位置，计算出下一个目标离散点坐标；步骤4：根据“区域查询”方法，求解出下一个目标离散点所对应的各臂架的关节变量：1）将臂架的回转角约束，则臂架的工作空间由三维转换为二维；2）约束除后两节臂外的各臂的转角，则可知臂架末端的工作区域；3）将臂架末端的二维工作区域划分为多个规则的矩形区域，依据实际浇筑过程中的臂架姿态，确定每个矩形区域内约束的臂架转角，为了被约束臂架的转角变化的连续性，在矩形区域间设置过渡区，在过渡区域内前几个臂的相对转角通过插值算法求得，后两节臂的相对转角的解法与前述相同；步骤5：判断臂架浇筑末端所处区域，是否为过渡区，若是过渡区，则插值计算前几个臂的关节变量，反解剩余关节变量；若是非过渡区，则查询对应区域内的关节变量，反解剩余关节变量；步骤6：通过闭环实时控制模块调节各臂液压油缸，驱动臂架达到目标关节变量，判断达到下一个目标离散点，则返回步骤（3），继续计算并执行下一个离散点；步骤7：判断是否达到终点，若达到终点，则停止。2013101290755100001dest_path_image001.jpg...

【技术特征摘要】
1.一种快速准确实现混凝土泵车臂架运动轨迹的方法，其特征是:所述方法包括以下步骤: 步骤1: 根据混凝土泵车臂架结构参数，利用法建立混凝土泵车臂架机构关节坐标系，确定各臂架关节变量，计算出臂架浇筑末端在基坐标系中的位置； 步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：高英杰，刘荣升，刘凯磊，宁博，
申请(专利权)人：徐州燕大传动与控制技术有限公司，
类型：发明
国别省市：