[发明专利]一种快速准确实现混凝土泵车臂架运动轨迹的方法

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

为了克服现有技术存在的上述不足，本发明提供一种快速准确实现混凝土泵车臂架运动轨迹的方法，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。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种快速准确实现混凝土泵车臂架运动轨迹的方法，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。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；

x_i、y_i、z_i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。