基于角度補(bǔ)償?shù)姆寸P裝置運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的建立方法
【專利摘要】本發(fā)明公布了一種基于角度補(bǔ)償?shù)姆寸P裝置運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的建立方法，包含以下步驟：分析反鏟裝置的工作空間構(gòu)成，并根據(jù)選取的參考變量不同給出驅(qū)動(dòng)空間，關(guān)節(jié)空間，位姿空間的構(gòu)成；在傳統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，采用改進(jìn)的D-H方法建立反鏟裝置基于角度補(bǔ)償?shù)恼\(yùn)動(dòng)學(xué)模型；根據(jù)反鏟式挖泥船反鏟裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并考慮角度誤差的影響，建立準(zhǔn)確的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)模型；并根據(jù)實(shí)際控制的需求，給出各關(guān)節(jié)空間和驅(qū)動(dòng)空間的關(guān)系。本發(fā)明能夠有效的降低船身傾斜造成的角度誤差，求出鏟斗末端的準(zhǔn)確運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，提高了鏟斗末端的軌跡跟蹤精度。
【專利說明】基于角度補(bǔ)償?shù)姆寸P裝置運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的建立方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于疏浚工程【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及基于角度補(bǔ)償?shù)姆寸P裝置運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的建立方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著疏浚行業(yè)的日益壯大，反鏟式挖泥船在現(xiàn)代疏浚行業(yè)也越來越受到重視，一方面在于它對(duì)硬質(zhì)土層的挖掘上具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)越性，另一方面它還適合于挖掘其它挖泥船所不能勝任的場(chǎng)合，如清理圍堰、拆毀舊堤、打撈沉物、排除障礙物等。為了適應(yīng)惡劣環(huán)境，降低人力成本，提高任務(wù)質(zhì)量，人們開始研究如何實(shí)現(xiàn)反鏟裝置的自動(dòng)控制。
[0003]對(duì)反鏟裝置進(jìn)行自動(dòng)控制研究，建立一個(gè)準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型是必不可少的。所以在建立運(yùn)動(dòng)學(xué)模型時(shí)，一方面要考慮如何選擇合適的解析求法，另一方面就是要考慮反鏟裝置工作環(huán)境對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)建模所帶來的影響。由于反鏟挖泥船在挖泥過程以及提升卸泥過程會(huì)對(duì)船身造成一定的反作用力，導(dǎo)致船身傾斜，所以相對(duì)于以船身處于水平情況下所建立的基坐標(biāo)系而言，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的偏差導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)學(xué)模型建立不準(zhǔn)確，根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型所建立的軌跡規(guī)劃和軌跡跟蹤同樣會(huì)產(chǎn)生誤差，進(jìn)而影響跟蹤精度以及作業(yè)效率。國(guó)內(nèi)在建立反鏟裝置的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型時(shí)，考慮的都是船身處于水平的情況下，忽略了船身傾斜造成的角度誤差。隨著傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)研究船身傾斜造成的角度誤差帶來了方便，本發(fā)明在運(yùn)動(dòng)學(xué)基礎(chǔ)上提出了角度補(bǔ)償?shù)母拍?，在一定程度上提高了軌跡自動(dòng)跟蹤的精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提出一種基于角度補(bǔ)償?shù)姆寸P裝置運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的建立方法。
[0005]基于角度補(bǔ)償?shù)姆寸P裝置運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的建立方法，其特征在于包含以下步驟:
[0006]a)分析反鏟裝置的工作空間構(gòu)成，并根據(jù)選取的參考變量不同給出驅(qū)動(dòng)空間，關(guān)節(jié)空間，位姿空間的構(gòu)成。
[0007]b)在分析傳統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，采用改進(jìn)的D-H方法建立反鏟裝置基于角度補(bǔ)償?shù)恼\(yùn)動(dòng)學(xué)模型。
[0008]c)根據(jù)反鏟式挖泥船反鏟裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并考慮角度誤差的因素，建立準(zhǔn)確的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。
[0009]d)根據(jù)實(shí)際控制的需求，給出各關(guān)節(jié)空間和驅(qū)動(dòng)空間的關(guān)系。
[0010]本發(fā)明的有益效果是:
[0011]反鏟挖泥船在實(shí)際的作業(yè)過程中，由于浮船已經(jīng)被艏艉定位樁固定住，船身所受到外界環(huán)境的干擾因素風(fēng)，浪，流等可以忽略不計(jì)，但是由于船身傾斜造成的角度誤差，會(huì)對(duì)實(shí)際的作業(yè)效率以及作業(yè)安全產(chǎn)生一定的危害。此時(shí)采用基于角度補(bǔ)償?shù)姆椒ń?zhǔn)確的正運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和逆運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，不僅提高鏟斗齒尖的實(shí)際跟蹤精度，能夠?qū)崟r(shí)的反饋當(dāng)前反鏟裝置的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，而且也提高了作業(yè)效率，對(duì)操作人員的施工安全也起到了一定的保障作用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1是本發(fā)明的整體流程框圖
[0013]圖2是本發(fā)明的反鏟裝置坐標(biāo)系及絞點(diǎn)符號(hào)約定
[0014]圖3是靜態(tài)的反鏟裝置連桿坐標(biāo)系簡(jiǎn)圖
[0015]圖4修正后的反鏟裝置連桿坐標(biāo)系簡(jiǎn)圖
[0016]圖5運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解幾何計(jì)算示意圖
[0017]圖6動(dòng)臂關(guān)節(jié)角Θ 2未考慮角度補(bǔ)償?shù)膶?shí)際軌跡和期望軌跡對(duì)比效果圖
[0018]圖7動(dòng)臂關(guān)節(jié)角Θ 2考慮角度補(bǔ)償后的實(shí)際軌跡和期望軌跡對(duì)比效果圖
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面將結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)現(xiàn)進(jìn)行詳細(xì)的說明。
[0020]如圖1所示，基于角度補(bǔ)償?shù)姆寸P裝置運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的建立方法，包括以下步驟
[0021]I)反鏟裝置工作空間構(gòu)成
[0022]圖2是本發(fā)明的反鏟裝置坐標(biāo)系及絞點(diǎn)符號(hào)約定。包括回轉(zhuǎn)平臺(tái)在內(nèi)的挖泥船反鏟裝置是四連桿結(jié)構(gòu)。按照選取的變量不同可以把反鏟裝置分為如下空間；驅(qū)動(dòng)空間、關(guān)節(jié)空間和位姿空間。分別定義如下:
[0023]a.驅(qū)動(dòng)空間:由回轉(zhuǎn)馬達(dá)的轉(zhuǎn)角X1，動(dòng)臂的液壓缸長(zhǎng)度λ2，斗桿液壓缸的長(zhǎng)度λ 3和伊斗液壓缸的長(zhǎng)度λ 4組成,表不成[A1, λ 2, λ 3，λ Jt0
[0024]b.關(guān)節(jié)空間:為回轉(zhuǎn)平臺(tái)相對(duì)于底盤的轉(zhuǎn)角Θ 1;動(dòng)臂相對(duì)于回轉(zhuǎn)平臺(tái)的轉(zhuǎn)角θ2,斗桿相對(duì)于動(dòng)臂的轉(zhuǎn)角θ3，以及鏟斗相對(duì)于斗桿的轉(zhuǎn)角θ4，構(gòu)成了關(guān)節(jié)空間[θ” θ2，Θ 3，θ 4]Τ。
[0025]c.位姿空間:鏟斗齒尖在直角坐標(biāo)系中的位置[X，y，z]和姿態(tài)角η (鏟斗連桿與水平面的夾角)可唯一確定反鏟裝置的空間坐標(biāo)。一般挖掘任務(wù)都是在直角坐標(biāo)系中描述的，表示為[X，y，z, n]T0
[0026]2)反鏟裝置基于角度補(bǔ)償?shù)恼\(yùn)動(dòng)學(xué)建模
[0027]采用D-H齊次坐標(biāo)變換法的方法求解，建立如圖3所示的反鏟裝置的連桿坐標(biāo)系的簡(jiǎn)易模型，這種模型是反鏟裝置在未進(jìn)行作業(yè)時(shí)所建立的靜態(tài)模型。
[0028]各關(guān)節(jié)角逆時(shí)針為正，表示鏟斗方向角Π，鏟斗齒尖在基坐標(biāo)系中的坐標(biāo)設(shè)為
O4(X、y、z)。則連桿坐標(biāo)系OrxiYiZi相對(duì)于Οη-ΧηΥηΖη的rfAi變換為為:
【權(quán)利要求】
1.基于角度補(bǔ)償?shù)姆寸P裝置運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的建立方法，其特征在于包含以下步驟: a)分析反鏟裝置的工作空間構(gòu)成，并根據(jù)選取的參考變量不同給出驅(qū)動(dòng)空間，關(guān)節(jié)空間，位姿空間的構(gòu)成； b)在分析傳統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，采用改進(jìn)的D-H方法建立反鏟裝置基于角度補(bǔ)償?shù)恼\(yùn)動(dòng)學(xué)模型； c)根據(jù)反鏟式挖泥船反鏟裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并考慮角度誤差的影響，建立準(zhǔn)確的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)模型； d)根據(jù)實(shí)際控制的需求，給出各關(guān)節(jié)空間和驅(qū)動(dòng)空間的關(guān)系。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于角度補(bǔ)償?shù)姆寸P裝置運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的建立方法，其特征在于所述步驟a)中，給出驅(qū)動(dòng)空間，關(guān)節(jié)空間和位姿空間的空間構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于角度補(bǔ)償?shù)姆寸P裝置運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的建立方法，其特征在于所述步驟b)中，在分析靜態(tài)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，建立基于角度補(bǔ)償?shù)姆寸P裝置正運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于角度補(bǔ)償?shù)姆寸P裝置運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的建立方法，其特征在于所述步驟c)中，根據(jù)反鏟裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，綜合考慮各種逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方法，采用幾何法建立反鏟裝置的逆運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于角度補(bǔ)償?shù)姆寸P裝置運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的建立方法，其特征在于所述步驟d)中，根據(jù)實(shí)際控制的需求，給出各關(guān)節(jié)空間和驅(qū)動(dòng)空間的關(guān)系。
【文檔編號(hào)】E02F3/32GK104032780SQ201310066600
【公開日】2014年9月10日 申請(qǐng)日期:2013年3月4日 優(yōu)先權(quán)日:2013年3月4日
【發(fā)明者】楊會(huì)永, 俞孟蕻, 袁偉, 齊亮 申請(qǐng)人:楊會(huì)永