液压挖掘机的轨迹规划与控制

论文摘要

液压挖掘机在矿山、建筑业等领域中有着重要的地位。为了提高挖掘机的工作效率、改善其工作特性、缩短循环周期、降低能源消耗、改善工作环境及减轻操作强度,挖掘机器人无疑是未来的发展方向。对挖掘机工作装置的运动控制是实现自动挖掘的基础,因此,本课题主要对挖掘机器人工作装置的运动控制系统进行研究,目标是在给定铲斗期望运动轨迹的情况下,对挖掘机的工作装置的运动进行控制,实现对期望轨迹跟踪。本文利用机器人技术、液压控制技术、自动控制理论对挖掘机工作装置的运动控制系统进行研究,主要完成如下四个方面工作：(1)液压挖掘机的改造：为实现挖掘机的工作过程控制,在原液压系统的基础上,增加比例减压阀作为先导阀,控制主阀以实现挖掘机各执行液压缸的位置控制,并建立了液压控制系统的数学模型。(2)建立了挖掘机工作过程的运动学和动力学模型：建立了挖掘机械臂的运动学方程,实现了的目标轨迹与工作装置的目标转角、液压缸的长度联系变换；利用拉格朗日方程,建立工作装置的动力学模型,并进行了各工作臂连杆和液压缸的受力分析。(3)轨迹规划方法研究：在分析比较机器人轨迹规划方法的基础上,提出实现时间基准进行轨迹规划的原则,设定铲斗末端轨迹,控制各个关节的运行轨迹的跟踪控制方案。并利用matlab软件对挖掘机直线运动轨迹规划进行仿真,得到了指定铲斗末端轨迹下的各液压缸位置,速度和受力。(4)基于轨迹规划的PID控制：利用PID控制技术设计出挖掘轨迹控制系统,应用Matlab对三液压缸驱动的挖掘机运动轨迹跟踪进行了仿真,证明了本文理论研究的有效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的目的和意义
• 1.2 国内外研究的发展概况
• 1.3 本文研究的主要内容
• 第2章 挖掘机电液比例位置控制系统
• 2.1 电液比例位置控制系统
• 2.1.1 数字控制器环节
• 2.1.2 比例放大器环节
• 2.1.3 比例阀环节
• 2.1.4 负载压力与负载流量
• 2.1.5 阀控非对称液压缸环节
• 2.1.6 反馈环节
• 2.2 电液比例系统传递函数
• 2.3 各环节参数确定
• 2.4 本章小节
• 第3章 挖掘机运动学和动力学模型
• 3.1 挖掘机机械臂的结构和运动特点
• 3.2 机器人形态空间的描述
• 3.3. D-H坐标系和运动学基本方程
• 3.4 挖掘机机械臂运动学模型
• 3.4.1 运动学正问题
• 3.4.2 运动学逆问题
• 3.4.3 由关节角变量θ向液压缸长度λ的逆运动学变换
• 3.4.4 关节空间与驱动机构空间的转换
• 3.5 雅可比矩阵与运动速度和加速度
• 3.5.1 雅可比矩阵
• 3.5.2 关节空间的加速度
• 3.6 挖掘机机械臂动力学模型
• 3.6.1 动力学方程的建立方法
• 3.6.2 三自由度动力学方程及其简化
• 3.6.3 挖掘机液压缸的受力分析
• 3.7 挖掘机的盲位和盲角的概念及判断方法
• 3.8 本章小节
• 第4章 挖掘机的轨迹规划理论
• 4.1 机器人轨迹规划的基本概念
• 4.2 挖掘机器人轨迹规划策略
• 4.3 挖掘机器人轨迹规划的具体方法
• 4.4 轨迹相关的运动学和动力学仿真
• 4.5 本章小节
• 第5章 挖掘机机械臂的运动控制
• 5.1. PID控制的基本原理
• 5.2 数字PID的增量型算式
• 5.3. PID控制参数的整定
• 5.4 系统PID控制仿真
• 5.5 基于轨迹规划的智能PID控制仿真
• 5.6 本章小节
• 第6章 结论与建议
• 6.1 结论
• 6.2 建议
• 参考文献
• 附录
• 附录A 挖掘机运动学和动力学参数
• 附录B 工作装置动力学方程简化
• 致谢