王亞麗，閆九祥，張國輝，魏盼盼

(1.齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院)，山東省科學(xué)院自動化研究所，山東省機器人與制造自動化技術(shù)重點實驗室，山東 濟南 250014；2.山東魯班機械科技有限公司，山東 滕州，277500)

隨著生產(chǎn)規(guī)模和自動化程度的不斷提高，起重機作為物料搬運的重要裝備，在現(xiàn)代化生產(chǎn)中應(yīng)用日益廣泛。因此，起重機的設(shè)計也在向智能化、大型化和微型化等方面快速發(fā)展。起重機擁有的基本的載荷、力矩限制功能，已經(jīng)不能滿足需求，用戶希望獲得更多關(guān)于起重機狀態(tài)的準確信息，包括起升高度、風(fēng)速、起升角度、油溫、發(fā)動機的狀態(tài)、車身平整度等；同時，希望起重機具有較強的自動控制和自診斷能力，以此降低操作和維護的工作量并保證起重機的安全可靠性。無線遙控技術(shù)是一種利用無線遙控器發(fā)送頻率、幅度、相位等特殊指令，進行機械設(shè)備遠程控制的技術(shù)[1]。國外對無線遙控起重機的研究多集中于大型橋式起重機，小型的起重機器人雖然已經(jīng)具備遙控功能，但也僅限于實現(xiàn)簡單的吊裝動作，不具有自動調(diào)平等高級功能；國內(nèi)高校和科研院所也僅僅限于局部和理論研究；一些生產(chǎn)起重機的制造商，也在研究開發(fā)智能起重機，但也尚未有穩(wěn)定可靠的產(chǎn)品應(yīng)用于生產(chǎn)[2]。

針對上述問題，本課題組開發(fā)設(shè)計了基于無線遙控的腿履復(fù)合型智能起重機器人。腿履復(fù)合型智能起重機器人屬于起重機智能化、微型化的產(chǎn)物，行走和運輸狀態(tài)時支腿收緊、結(jié)構(gòu)緊湊、機動性好，作業(yè)狀態(tài)時支腿伸開跨度較大、穩(wěn)定性高。機器人具有本體的自動調(diào)平功能，使機器人在工作過程中實時調(diào)整姿態(tài)，達到防傾翻的作用。還具有發(fā)動機的輸出功率自動控制功能，使機器人在工作過程中能根據(jù)負載及工作狀況來實時控制發(fā)動機的輸出，達到節(jié)約能耗的目的?；跓o線遙控的機器人控制系統(tǒng)，能最大限度地擴大控制距離，提高機器人工作的可靠性和安全性，減輕操作人員的工作負擔(dān)，操作人員與機器人距離較遠時仍可完成吊裝工作，為現(xiàn)場工作帶來便利，具有相當(dāng)?shù)纳鐣?、?jīng)濟意義和廣闊的應(yīng)用前景[3]。本文采用無線遙控技術(shù)以及內(nèi)嵌控制算法，建立了一種新型腿履復(fù)合型起重機器人無線智能遙控系統(tǒng)，最終實現(xiàn)行走中防碰撞、起重作業(yè)防傾翻、吊具精準定位、發(fā)動機的控制、危險規(guī)避、安全監(jiān)控和故障診斷等方面的數(shù)字化智能控制。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

腿履復(fù)合型起重機器人由履帶式底盤、機架、支腿、回轉(zhuǎn)機構(gòu)、變幅機構(gòu)、起升機構(gòu)、伸縮吊臂等組成。履帶底盤由四輪一帶(驅(qū)動輪、導(dǎo)向輪、托帶輪、支重輪、橡膠履帶)和行走馬達及減速機、下車架等組成，行走馬達為變量型，與負載敏感變量液壓泵配合可實現(xiàn)無級變速，橡膠底盤用來承載吊車和實現(xiàn)吊車行走；機架用來安裝底盤其他部件、發(fā)動機、吊機和支腿；支腿為蜘蛛型，分布在機架四角，行走和運輸狀態(tài)折疊收起，放置于機架兩側(cè)，吊重作業(yè)時伸開，并可根據(jù)作業(yè)空間調(diào)節(jié)支腿跨度，極大地增加作業(yè)穩(wěn)定性；回轉(zhuǎn)機構(gòu)由一體式渦輪蝸桿型回轉(zhuǎn)支承、回轉(zhuǎn)馬達、中央回轉(zhuǎn)接頭等組成，安裝于機架一端，可實現(xiàn)吊機部分平穩(wěn)回轉(zhuǎn)和制動；變幅機構(gòu)由變幅油缸、平衡閥等組成，用于吊臂改變作業(yè)幅度；起升機構(gòu)由起升絞車、起升馬達、平衡閥、起升鋼絲繩及吊鉤組件等組成，用于貨物吊裝作業(yè)；伸縮吊臂由一級臂、二級臂、三級臂、四級臂、五級臂、伸縮臂油缸及平衡閥、伸縮臂繩索及滑輪組、滑塊等組成，通過伸縮臂油缸伸縮，依次帶動二、三、四、五級臂伸縮，從而實現(xiàn)吊車不同高度、幅度吊裝需求。該機器人主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1右后支腿液壓缸；2起升馬達；3變幅液壓缸；4右前支腿液壓缸；5伸縮臂液壓缸；6右行走馬達；7主臂回轉(zhuǎn)液壓缸。圖1 腿履復(fù)合起重機器人結(jié)構(gòu)Fig.1 Mechanical construction of leg-track complex hoisting robots

2 控制系統(tǒng)實現(xiàn)

腿履復(fù)合型智能起重機器人的控制系統(tǒng)包括液壓回路系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)兩部分。

液壓回路系統(tǒng)包括發(fā)動機、液壓泵、液壓缸、液壓馬達、電控液壓比例閥等。發(fā)動機是動力源，發(fā)動機帶動液壓泵轉(zhuǎn)動[4]，液壓泵根據(jù)電控液壓比例閥組中比例閥開口度變化，輸出液壓油驅(qū)動各執(zhí)行機構(gòu)動作，進而實現(xiàn)起重機器人的吊裝作業(yè)、吊裝回轉(zhuǎn)和行走作業(yè)等[5]。能實現(xiàn)直線往復(fù)運動的液壓缸和能實現(xiàn)往復(fù)旋轉(zhuǎn)運動的液壓馬達是機器人液壓系統(tǒng)執(zhí)行元件[6]。液壓缸和液壓馬達的速度和方向是由電控液壓比例閥控制，但是，由于負載壓力和油源壓力是一直變化的，要達到理想中的油缸速度和馬達轉(zhuǎn)速，必須由最佳的主控制閥開度與平衡閥開啟壓力相配合來實現(xiàn)。因此，在液壓缸和液壓馬達輸入端要加裝平衡閥來增加系統(tǒng)的平穩(wěn)性和安全性[7-8]。

機器人分為手柄操作和遠程遙控操作兩種模式。手柄操作模式為操作人員通過操作機器人閥體上的手柄直接控制每一個執(zhí)行元件；遠程遙控操作為操作人員站在距離機器人幾十米甚至上百米的遠處，通過無線遙控器來控制各個執(zhí)行元件的動作，并且可以自動進行機器人本體的平衡調(diào)節(jié)。由于起重機器人多工作在比較惡劣的環(huán)境，沙塵、振動等外界因素都要求控制系統(tǒng)具有可靠性高、抗干擾能力強等特點，因此，機器人選用工程機械專用的控制器?？刂破髯鳛檎麄€控制系統(tǒng)的核心，主要用于接收各類傳感器采集的數(shù)據(jù)，并對所采集的數(shù)據(jù)進行濾波、分析和處理，根據(jù)機器人的動作要求生成相應(yīng)的指令來控制機器人作業(yè)。機器人的不同功能要求，均是通過不同的控制算法來實現(xiàn)。控制系統(tǒng)采用CAN總線作為通訊方式，遙控器、顯示器、發(fā)動機控制單元和控制器都具有CAN通訊功能，極大地提高了系統(tǒng)的效率和可靠性。電氣控制系統(tǒng)組成方案如圖2所示。

圖2 腿履復(fù)合型起重機器人控制系統(tǒng)方案Fig.2 Control-system scheme of leg-track complex hoisting robots

整個控制系統(tǒng)實現(xiàn)的主要功能包括機器人本體的自動調(diào)平和根據(jù)實際需求自動調(diào)節(jié)發(fā)動機輸出功率的節(jié)能控制。

2.1 機器人本體的自動調(diào)平

由于地面的不平整以及地面硬度的影響，致使機器人本體工作時處于不平衡狀態(tài)，會影響機器人的工作安全性。實現(xiàn)任何狀態(tài)下的車身自動調(diào)平是行走類機械的共性關(guān)鍵技術(shù)?？刂葡到y(tǒng)通過圖3中的雙閉環(huán)反饋來對本體的平衡進行調(diào)節(jié)，當(dāng)調(diào)節(jié)能力不能滿足要求時，將進行報警及停止工作。本體采用四只對稱布置的可伸縮支腿，每個支腿上均由液壓缸來控制伸縮狀態(tài)。機器人本體上安裝雙軸傾角傳感器來檢測機器人是否處于平面狀態(tài)，根據(jù)本體的姿態(tài)反饋，控制器將采集到的數(shù)據(jù)利用調(diào)平算法進行處理并轉(zhuǎn)換成控制信號輸出給電控比例液壓閥，電控比例液壓閥再來控制液壓缸的動作，整個控制過程通過調(diào)平算法實現(xiàn)平穩(wěn)快速的響應(yīng)，使機器人本體始終維持在一個相對的平面內(nèi)?？刂圃硪妶D3。

圖3 機器人本體調(diào)平原理圖Fig.3 The principle diagram of the body levelling of robot

2.2 發(fā)動機輸出功率的自動調(diào)節(jié)

根據(jù)節(jié)能減排的需求，采用抗流量飽和負載敏感技術(shù)來搭建整個節(jié)能液壓控制系統(tǒng)，同時采用電控比例液壓閥來實現(xiàn)各部件的速度控制，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和柔和性。為適應(yīng)不同的工況，在保證輸出動力的情況下，加入作業(yè)循環(huán)階段智能識別技術(shù)，以主泵的工作壓力為依據(jù)，將發(fā)動機、變量泵、多路閥和負載作為一個整體，采用協(xié)調(diào)控制策略，對發(fā)動機的轉(zhuǎn)速進行控制，最終實現(xiàn)準確地對發(fā)動機-泵-負載環(huán)節(jié)的功率進行協(xié)調(diào)匹配，提高了動力系統(tǒng)功率利用率，減少了系統(tǒng)能量損失，達到匹配功率的目的。針對發(fā)動機控制環(huán)節(jié)，以主控制器的指令為標準下達到發(fā)動機控制器，再由發(fā)動機控制器直接控制油門直線電機來實現(xiàn)功率的調(diào)節(jié)。發(fā)動機調(diào)節(jié)控制原理詳見圖4。

圖4 發(fā)動機調(diào)節(jié)控制原理圖Fig.4 Schematic diagram of engine regulation and control

3 機器人系統(tǒng)軟件設(shè)計

主程序設(shè)計采用模塊化設(shè)計，系統(tǒng)的軟件如圖5所示。

圖5 控制程序流程圖Fig.5 Flow-process diagram of control program

圖5中的參數(shù)初始化模塊完成機器人所有電控液壓比例閥的啟動電流和最大電流參數(shù)的存儲和讀取功能；無線接收模塊將無線遙控器發(fā)送過來的數(shù)據(jù)進行解析，并發(fā)送給其他模塊進行執(zhí)行，同時還要將數(shù)據(jù)發(fā)送到無線遙控器進行顯示；數(shù)據(jù)采集模塊將主控器采集到的開關(guān)量和模擬量進行處理，并提供給機器人作業(yè)控制模塊、機器人本體調(diào)平模塊和發(fā)動機調(diào)節(jié)控制模塊來使用；機器人作業(yè)控制模塊是把無線遙控器上手柄的輸入信號轉(zhuǎn)換成控制信號輸出到電控液壓比例閥上，實現(xiàn)各執(zhí)行元件的動作；機器人本體調(diào)平模塊是在機器人作業(yè)過程中，根據(jù)機器人本體的水平度來調(diào)節(jié)各支腿的姿態(tài)，使機器人保持在一個相對水平的狀態(tài)；發(fā)動機調(diào)節(jié)控制模塊根據(jù)監(jiān)測結(jié)果對發(fā)動機的油門電機進行控制，實現(xiàn)發(fā)動機輸出功率的控制。機器人持續(xù)不斷地進行監(jiān)測和動作，最終實現(xiàn)智能的起重作業(yè)。

4 測試結(jié)果

通過以上研究，設(shè)計開發(fā)出了機器人樣機，并在此機器人的本體上進行了多項測試，具體測試結(jié)果見表1。

表1 測試結(jié)果Table 1 Test results

由表1結(jié)果可知，機器人在作業(yè)過程中實現(xiàn)了自動調(diào)平以及節(jié)約能耗的目的，并且無線遙控距離達到安全操作的要求。

5 結(jié)語

腿履復(fù)合型智能起重機器人的開發(fā)，完全擺脫了操作人員在車上操作的弊端。無線遙控的操作模式，減輕了操作者的勞動強度，并且優(yōu)化了操作者的視野，提高了操作者的安全性?；贑AN總線設(shè)計的控制系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減少了線纜的敷設(shè)。主控制器會根據(jù)機器人的不同工況選擇不同的發(fā)電機檔位，實現(xiàn)節(jié)省油耗的目的，機器人對發(fā)動機的輸出控制節(jié)約了能源，提高了資源的利用率。機器人本體平衡的調(diào)節(jié)提高了機器人工作的安全性，對于安全作業(yè)具有極其重大的意義。