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畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)外文資料翻譯 系 別 機(jī)電信息系 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 班 級(jí) B070203 姓 名 陳宗佑 學(xué) 號(hào) B07020302 外文出處 愛思唯爾數(shù)據(jù)庫(kù) www.elsevier.com 附 件 1. 原文； 2. 譯文 2011年3月 2.譯文 一個(gè)由機(jī)器人操作挖掘機(jī)液壓的阻抗控制 Q.P. Ha), Q.H. Nguyen, D.C. Rye, H.F. Durrant-Whyte 澳洲欄位機(jī)械手工程中心、悉尼、2006 NSW，澳洲 摘要 在機(jī)器人挖掘技術(shù)中，混合位置力控制已經(jīng)遵循為水斗挖彈道。在混合位置力控制中，控制模態(tài)為在功能之間轉(zhuǎn)變所需力控制取決于這水斗是否在自由空間中或在接觸土壤在程序中。二者選一，阻抗控制能被應(yīng)用在一個(gè)控制模態(tài)是松扣和拘束運(yùn)動(dòng)中。這呈現(xiàn)出一個(gè)強(qiáng)健的滑落控制器那一全套阻抗用具為一個(gè)拉鏟挖掘機(jī)控制?？刂贫捎腥齻€(gè)元件： 一個(gè)相等的控制，一個(gè)交換控制和一個(gè)調(diào)諧控制。 在空間中給予一個(gè)挖掘任務(wù)，倒轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)學(xué)的和動(dòng)態(tài)套式被用于變換任務(wù)進(jìn)入一個(gè)需要在聯(lián)合的空間中挖軌道。該控制器適用于提供與AT鏟斗振動(dòng)減弱土壤接觸點(diǎn)良好的跟蹤性能。從控制信號(hào)和接合挖掘機(jī)的角度，活塞功能和撞槌檔木板的橋控制的每個(gè)圓柱體的力，臂，而且水斗能被決定下來(lái)。問(wèn)題是當(dāng)時(shí)該如何找適用于達(dá)成的每個(gè)伺服閥的控制電壓力和位置檔木板，臂和水斗的橋動(dòng)作是使每個(gè)電液系統(tǒng)的追蹤正常。與一個(gè)以觀察者為主的補(bǔ)償為擾動(dòng)力包括水力的摩擦，活塞的追蹤力和放置擊力，使用強(qiáng)健的滑落控制會(huì)被保證。在模擬和實(shí)驗(yàn)中，在一個(gè)液壓促使的機(jī)器人的挖掘機(jī)上執(zhí)行。當(dāng)在挖掘中以土壤連絡(luò)時(shí)，被提議的控制技術(shù)能提供強(qiáng)有力的績(jī)效考量。2000 Elsevier 科學(xué) B.V. 版權(quán)所有。 1. 介紹 拉鏟挖掘機(jī)的平常任務(wù)將釋放并移除來(lái)自它的最初位置的事物和把它傳遞到另一個(gè)位置來(lái)降低水斗，經(jīng)過(guò)土壤拖曳水斗挖掘，然后升高，轉(zhuǎn)動(dòng)和傾銷水斗。在移動(dòng)方面，自動(dòng)挖掘有的時(shí)候需要借助一個(gè)強(qiáng)有力的控制器的發(fā)展，來(lái)完成這些操作聯(lián)合。[1] 為 控制目標(biāo)，運(yùn)動(dòng)學(xué)的和動(dòng)態(tài)套式，承擔(dān)液壓主動(dòng)器的挖掘機(jī)，無(wú)限強(qiáng)力的力來(lái)源被呈現(xiàn)。[2-4] 一個(gè)慣例的位置控制，具有比例而且引出控制器被使用。[4,5] 因?yàn)橥诰虺绦虻哪M與限制土壤相互作用，挖掘機(jī)得到了很大的變化。對(duì)土壤相互作用的力的工具。當(dāng)挖掘，水斗運(yùn)動(dòng)是最有效的強(qiáng)制約束，由于環(huán)境是非線性結(jié)構(gòu)方程。液壓力量控制方法因此被認(rèn)為比位置控制更適合整形挖掘機(jī)。順應(yīng)運(yùn)動(dòng)控制一般可分為兩大類：混合位置力控制和交互控制。在混合位置力控制，笛卡爾空間最終效應(yīng)統(tǒng)籌分解為一個(gè)位置子空間和力子空間。獨(dú)立的位置和力軌跡跟蹤的目標(biāo)是指定在每個(gè)子空間過(guò)度用力瞬變的可能。是發(fā)生在接觸瞬間的工具和環(huán)境，而不是跟蹤所需位置和力的軌跡，互動(dòng)控制的目的，是調(diào)節(jié)兩者之間的關(guān)系，最終位置和相互作用的效應(yīng)力。據(jù)了解，阻抗控制提供了一個(gè)統(tǒng)一的辦法，達(dá)成了統(tǒng)一的方式不受拘束而且強(qiáng)迫進(jìn)行。[6]。如果混合的位置動(dòng)力控制被采用，控制模態(tài)應(yīng)該被轉(zhuǎn)變?cè)谖恢每刂坪土χg，根據(jù)控制是否液壓在自由空間中或在在一個(gè)挖掘任務(wù)期間的土壤中。 阻抗控制被認(rèn)為是更適合挖掘任務(wù)，確切來(lái)說(shuō)它能被應(yīng)用到連續(xù)地?zé)o約束和拘束運(yùn)動(dòng)[1]。阻抗控制器最近被報(bào)道為挖掘機(jī)挖掘臂[7]。本文提出魯棒滑?？刂萍夹g(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)阻抗控制。鏟斗尖控制跟蹤在所需的挖掘軌跡在場(chǎng)的環(huán)境和系統(tǒng)參數(shù)的不確定性。在液壓挖掘機(jī)的阻抗控制中，活塞功能和撞槌力的每個(gè)水力的圓柱體為檔木板的橋控制，約束，水斗能被決定。問(wèn)題是如何找到控制電壓施加到伺服閥跟蹤這些所需的命令。以考慮摩擦和非線性，既活塞位移，速度，包括負(fù)載擾動(dòng)力和摩擦。隨著觀測(cè)為基礎(chǔ)的補(bǔ)償對(duì)于力的干擾。強(qiáng)大的跟蹤這些活塞撞槌力和位置被保證使用強(qiáng)大的滑動(dòng)模式控制器系統(tǒng)。在該方法的有效性通過(guò)仿真驗(yàn)證和歸檔進(jìn)行的測(cè)試在小松的PC -05小型挖掘機(jī)。其余本文的結(jié)構(gòu)如下。第2條致力于挖掘機(jī)動(dòng)態(tài)推導(dǎo)模型。問(wèn)題的提出和發(fā)展挖掘機(jī)的阻抗動(dòng)態(tài)控制載于第3節(jié)。該電液控制系統(tǒng)是針對(duì)第4節(jié)。硬體機(jī)器人挖掘機(jī)的組織描述在第5節(jié)連同計(jì)算機(jī)模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。最后，結(jié)論在第6節(jié)提供。 2．挖掘機(jī)動(dòng)力學(xué) 對(duì)于一個(gè)普通的挖掘機(jī)運(yùn)動(dòng)方程可以從拉格朗日方程能量函數(shù)得到，或先后用牛頓歐拉方程計(jì)算每個(gè)機(jī)器的鏈接。在后一種方法中，各個(gè)環(huán)節(jié)的動(dòng)力學(xué)方程來(lái)描述該指數(shù)通過(guò)鏈接傳遞。聯(lián)合駕駛的熱潮，手臂扭矩和鏟斗由液壓油缸驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的力量。這些鏈接是平移和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)所描述的動(dòng)態(tài)模型的挖掘機(jī)系統(tǒng)。挖掘機(jī)動(dòng)力學(xué)模型，在文獻(xiàn)中提出。[2] 文獻(xiàn)改進(jìn)。[4] 首先，一個(gè)笛卡爾統(tǒng)籌框架{O0X0Y0Z0}固定在挖掘機(jī)的機(jī)體中。其他笛卡爾統(tǒng)籌分配系統(tǒng)應(yīng)用Denavit和Hartenberg程序如文獻(xiàn)所示。[2-4] 該框架{O1X1Y1Z1}，{O2X2Y2Z2}，{O3X3Y3Z3}和{O4X4Y4Z4}預(yù)期分別地被附上到檔木板、臂、水斗和水斗尖塞端 ，如圖看到1。 注意挖掘機(jī)裝置的運(yùn)輸在挖掘期間通常發(fā)生在垂直平面。因此假設(shè)沒有檔木板－擺動(dòng)動(dòng)作在挖掘期間發(fā)生，檔木板擺動(dòng)角度θ1因此在挖掘期間保持固定（θ1=0）。該模型方程可寫成挖掘機(jī)的每個(gè)環(huán)節(jié)作為一個(gè)剛性自由體。通過(guò)結(jié)合牛頓和歐拉方程，動(dòng)力模型為挖掘機(jī)在一個(gè)眾所周知的形式操縱運(yùn)動(dòng)方程，可簡(jiǎn)潔地表示成： （1） 其中是測(cè)量軸角向量：θ2是檔木板連接量，θ3是臂接合量，θ4是水斗接合量；TL代表作為函數(shù)的切向和負(fù)載力矩正常的組件，F(xiàn)t和Fn是土壤在水斗的反動(dòng)力，F(xiàn)為在聯(lián)合軸上力量的液壓執(zhí)行器產(chǎn)生的扭矩作用。切向分量Ft，是平行的挖掘方向，代表由挖掘機(jī)抵抗地面的挖斗齒。這被認(rèn)為是阻力的總和和土壤的抗切割，摩擦水斗和地面，以及運(yùn)動(dòng)對(duì)土壤和土壤中移動(dòng)的角度。根據(jù)文獻(xiàn)，切向分量，可以計(jì)算[8]，正如：Ft=k1bh (2) K1是具體挖掘力[Nm ‐2]，h和b分別是土壤剪片的厚度和寬度[m]，正常組件 Fn被計(jì)算當(dāng)做 （3） 其中Ψ=（0.1—0,45）是一個(gè)因素，它取決于挖掘的角度，挖掘條件，磨損和撕裂的最前沿,決定著矩陣的慣性D(θ)，科氏力和向心力的影響,C(θ, θ) θ，重力G（θ），還有力臂的功能，A（θ）在文獻(xiàn)中被全面描述。[2-4]在文獻(xiàn)中，所有的矩陣條目都已給出參考量。[4] 。3×1矩陣粘性摩擦B(θ) 被視為一源的不確定性。 在挖掘平面中，函數(shù)行列式J(θ)被定義為x=J(θ) θ（4）能從文獻(xiàn)[3]中獲得，其中x=[x4,z4, θo4]T代表笛卡爾坐標(biāo)和桶頭方向(O4),關(guān)于{O0，X0，Y0，Z0}。假定雅可比矩陣J（è）非奇異方程，1。聯(lián)合空間可以被改寫在笛卡爾空間為： 和代表之間的最終互動(dòng)效應(yīng)斗尖廣義力。和土壤環(huán)境. 他們組成的挖掘力作用于同力合作條目斗坐標(biāo)（x4,z4）和Y4周圍的扭矩條目。 前向和反向測(cè)定運(yùn)動(dòng)的關(guān)系x=L(θ), θ=L-1(x)，詳見文獻(xiàn) [3] 。就像方程（5）有廣義形式的機(jī)器人動(dòng)力學(xué)，其中x是一地兩接觸點(diǎn)的坐標(biāo)向量，并在下一節(jié)我們會(huì)考慮在一般x∈Rn和u∈Rn。我們假設(shè) 其中矩陣和已知，是 采用測(cè)力傳感器軸銷，和不確定，表示摩擦和不確定在 方程（5）可以被重寫為： 其中是控制輸入。 注1：因?yàn)镈(θ) 是一個(gè)3×3-對(duì)稱正定 點(diǎn)陣式滿足斜的對(duì)稱特性[9]。對(duì)于公稱的動(dòng)力學(xué)的挖掘機(jī)， 也是歪斜－x對(duì)稱的點(diǎn)陣式，也就是 3．挖掘機(jī)動(dòng)力學(xué)阻抗控制 3.1問(wèn)題描述 挖掘任務(wù)的要素之一是由挖掘機(jī)的斗土滲透遵循預(yù)先計(jì)劃的挖掘軌跡。在挖掘時(shí)，三個(gè)主要切向抵抗力量出現(xiàn)：在電阻與土壤切削時(shí)，摩擦力作用于水斗表面與土壤接觸的部分，并且抵抗土棱鏡在水斗中提前行動(dòng)。規(guī)模的挖掘抵抗力量取決于許多因素，如挖掘的角度，土壤棱柱體積，切割對(duì)象對(duì)切割的抗拒。這些因素通常是變量且不可用。此外，由于土壤的可塑性，開挖嚴(yán)重不均勻材料土壤潛在特性空間的變異，這是不可能精確的界定力量需要在一定的條件下挖掘。 阻抗控制的目標(biāo)是建立所需的動(dòng)力效應(yīng)之間的關(guān)系桶的一角，位置和接觸力。這種動(dòng)態(tài)的關(guān)系稱為目標(biāo)阻抗。設(shè)xt(t)是為所需最終效應(yīng)的軌跡。通常，目標(biāo)阻抗是選擇一個(gè)線性二階系統(tǒng)模仿質(zhì)量彈簧，根據(jù)阻尼器動(dòng)力學(xué): 其中s是衍生工具的不斷正定，每組的N -矩陣Mt,Bt,Kt分別是矩陣的慣性，阻尼和剛度。位置的誤差和動(dòng)力的誤差被定義為 其中，是動(dòng)力的設(shè)定點(diǎn)。 控制問(wèn)題是漸近驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)阻抗（12）即使存在不確定性。如果位置錯(cuò)誤ep接近零，動(dòng)力錯(cuò)誤eF也接近零，反之亦然。按照指定的動(dòng)態(tài)關(guān)系數(shù)值的定義值的矩陣Mt,Bt,和Kt，在方程（12）中。在一些接觸的任務(wù)中，動(dòng)力設(shè)定點(diǎn)，F(xiàn)r，將被指定為常量，不隨時(shí)間變化。在自由空間中運(yùn)動(dòng)，與外界沒有聯(lián)系。Fr=-Fe=0。所以ep趨近于零，因?yàn)槭枪潭ǖ摹＞仃嘙t,Bt,Kt的選擇將決定所需形狀的瞬態(tài)響應(yīng)系統(tǒng)。當(dāng)最終效應(yīng)接觸的環(huán)境，互動(dòng)的特點(diǎn)是目標(biāo)阻抗時(shí)，（12），這會(huì)導(dǎo)致一個(gè)位置誤差和錯(cuò)誤的力量。如果末端執(zhí)行器的位置跟蹤期望軌跡，（x→xr）那么接觸力遵循力的設(shè)定點(diǎn)（-Fe→Fr）。 3.2控制器的發(fā)展 考慮機(jī)械手的動(dòng)力學(xué)模型形式符合不確定性。這眾所周知，魯棒性，最能區(qū)別功能易變結(jié)構(gòu)控制的滑動(dòng)模式。在本節(jié)中，魯棒滑?？刂破鲗⒈婚_發(fā)機(jī)械手動(dòng)態(tài)，就像方程（5），輸入2維系統(tǒng), 一滑動(dòng)面的狀態(tài)空間將是多方面的維2n-n=n。讓我們定義為s={s1(x),s2(x),……sn(x)}T，滑動(dòng)的功能，如下 其中， 采用滑動(dòng)模式的存在s=0，須知 可以看出，一旦系統(tǒng)在滑動(dòng)式結(jié)合的方程狀態(tài)下，（14），條件（16）保證了目標(biāo)阻抗（12）就達(dá)到了。 因此，在滑模si（x）=0（i=12，，，，n）動(dòng)力誤差趨近于零。 4．電液控制系統(tǒng) 控制要求的力產(chǎn)生在每個(gè)氣缸的挖掘機(jī)遵循所需時(shí)間的功能，當(dāng)執(zhí)行挖掘阻抗任務(wù)時(shí)。非線性效應(yīng)發(fā)生在工具與土的相互作用，并在液壓系統(tǒng)本身進(jìn)行復(fù)雜的控制策略要求。據(jù)了解，重力和活塞和汽缸之間的摩擦應(yīng)補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)高性能重型液壓機(jī)，挖掘機(jī)等。此外，原油粘度，通過(guò)油流液壓伺服閥和可變荷載，將導(dǎo)致液壓控制系統(tǒng)遭受高度非線性時(shí)變動(dòng)態(tài)，負(fù)載敏感，參數(shù)不確定性。因此，這些因素都要考慮到伺服液壓的建模和控制。在液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)中成立刀片，擺動(dòng)臂，臂，斗附件的軸向液壓挖掘機(jī)氣瓶。液壓油的流向氣缸受直接驅(qū)動(dòng)伺服閥與電閉環(huán)的控制，控制閥芯位置。該系統(tǒng)可大致描述一個(gè)六階微分方程。為簡(jiǎn)單起見，下面的線性表達(dá)式可使用小損失高達(dá)200赫的頻率準(zhǔn)確度： 5.結(jié)論 挖掘機(jī)在努力朝著自主挖掘進(jìn)行，運(yùn)土和建筑行業(yè)，我們提出了一個(gè)魯棒滑?？刂破髯杩箍刂频耐诰驒C(jī)來(lái)處理不確定性在其動(dòng)力學(xué)模型中，摩擦和斗相互作用。該控制器設(shè)計(jì)的一個(gè)目標(biāo)阻抗的選擇組成，并有決心對(duì)相應(yīng)的控制，開關(guān)控制，調(diào)諧控制。控制輸出和聯(lián)合角，然后轉(zhuǎn)換為命令，即所需的RAM力和活塞的位置，對(duì)軸控制的挖掘機(jī)電液伺服系統(tǒng)?；Ｄ：刂萍{入，調(diào)整方法已成功地實(shí)施在在羊角力控制和缸內(nèi)，挖掘機(jī)液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置。一個(gè)1.5噸小型機(jī)器人挖掘機(jī)的模擬和實(shí)驗(yàn)研究，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了所提出的有效性。給定一個(gè)期望軌跡，挖掘如挖掘和裝載任務(wù)好的展覽性能。振動(dòng)聯(lián)合角的位置，由于速度和加速度之間的聯(lián)系。水桶和土壤能顯著減少使用提出的控制器。高性能挖掘機(jī)和較強(qiáng)的魯棒性電伺服系統(tǒng)仿真實(shí)現(xiàn) 和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。得到結(jié)果表明的可行性和有效性提出的方法對(duì)于挖掘機(jī)動(dòng)力學(xué)控制及其液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)在執(zhí)行機(jī)器人挖掘任務(wù)與泥土接觸的考慮。 致謝 澳大利亞研究理事會(huì)，NS的小松，以及合作研究挖掘技術(shù)與裝備中心，表示感謝。