基于角度補償?shù)姆寸P裝置運動學模型的建立方法
【專利摘要】本發(fā)明公布了一種基于角度補償?shù)姆寸P裝置運動學模型的建立方法，包含以下步驟：分析反鏟裝置的工作空間構成，并根據(jù)選取的參考變量不同給出驅動空間，關節(jié)空間，位姿空間的構成；在傳統(tǒng)運動學模型的基礎上，采用改進的D-H方法建立反鏟裝置基于角度補償?shù)恼\動學模型；根據(jù)反鏟式挖泥船反鏟裝置的結構特點，并考慮角度誤差的影響，建立準確的逆運動學模型；并根據(jù)實際控制的需求，給出各關節(jié)空間和驅動空間的關系。本發(fā)明能夠有效的降低船身傾斜造成的角度誤差，求出鏟斗末端的準確運動狀態(tài)，提高了鏟斗末端的軌跡跟蹤精度。
【專利說明】基于角度補償?shù)姆寸P裝置運動學模型的建立方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于疏浚工程【技術領域】，特別涉及基于角度補償?shù)姆寸P裝置運動學模型的建立方法。
【背景技術】
[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，一方面在于它對硬質土層的挖掘上具有相當?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合，如清理圍堰、拆毀舊堤、打撈沉物、排除障礙物等。為了適應惡劣環(huán)境，降低人力成本，提高任務質量，人們開始研究如何實現(xiàn)反鏟裝置的自動控制。
[0003]對反鏟裝置進行自動控制研究，建立一個準確的運動學模型是必不可少的。所以在建立運動學模型時，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)境對運動學建模所帶來的影響。由于反鏟挖泥船在挖泥過程以及提升卸泥過程會對船身造成一定的反作用力，導致船身傾斜，所以相對于以船身處于水平情況下所建立的基坐標系而言，此時會產生一定的偏差導致運動學模型建立不準確，根據(jù)運動學模型所建立的軌跡規(guī)劃和軌跡跟蹤同樣會產生誤差，進而影響跟蹤精度以及作業(yè)效率。國內在建立反鏟裝置的運動學模型時，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。隨著傳感器技術和計算機網絡技術的不斷發(fā)展，對研究船身傾斜造成的角度誤差帶來了方便，本發(fā)明在運動學基礎上提出了角度補償?shù)母拍?，在一定程度上提高了軌跡自動跟蹤的精度。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明要解決的技術問題是提出一種基于角度補償?shù)姆寸P裝置運動學模型的建立方法。
[0005]基于角度補償?shù)姆寸P裝置運動學模型的建立方法，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成，并根據(jù)選取的參考變量不同給出驅動空間，關節(jié)空間，位姿空間的構成。
[0007]b)在分析傳統(tǒng)運動學模型的基礎上，采用改進的D-H方法建立反鏟裝置基于角度補償?shù)恼\動學模型。
[0008]c)根據(jù)反鏟式挖泥船反鏟裝置的結構特點，并考慮角度誤差的因素，建立準確的逆運動學模型。
[0009]d)根據(jù)實際控制的需求，給出各關節(jié)空間和驅動空間的關系。
[0010]本發(fā)明的有益效果是:
[0011]反鏟挖泥船在實際的作業(yè)過程中，由于浮船已經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，浪，流等可以忽略不計，但是由于船身傾斜造成的角度誤差，會對實際的作業(yè)效率以及作業(yè)安全產生一定的危害。此時采用基于角度補償?shù)姆椒ń蚀_的正運動學模型和逆運動學模型，不僅提高鏟斗齒尖的實際跟蹤精度，能夠實時的反饋當前反鏟裝置的運動狀態(tài)，而且也提高了作業(yè)效率，對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)明的反鏟裝置坐標系及絞點符號約定
[0014]圖3是靜態(tài)的反鏟裝置連桿坐標系簡圖
[0015]圖4修正后的反鏟裝置連桿坐標系簡圖
[0016]圖5運動學逆解幾何計算示意圖
[0017]圖6動臂關節(jié)角Θ 2未考慮角度補償?shù)膶嶋H軌跡和期望軌跡對比效果圖
[0018]圖7動臂關節(jié)角Θ 2考慮角度補償后的實際軌跡和期望軌跡對比效果圖
【具體實施方式】
[0019]下面將結合附圖，對本發(fā)明的具體實現(xiàn)進行詳細的說明。
[0020]如圖1所示，基于角度補償?shù)姆寸P裝置運動學模型的建立方法，包括以下步驟
[0021]I)反鏟裝置工作空間構成
[0022]圖2是本發(fā)明的反鏟裝置坐標系及絞點符號約定。包括回轉平臺在內的挖泥船反鏟裝置是四連桿結構。按照選取的變量不同可以把反鏟裝置分為如下空間；驅動空間、關節(jié)空間和位姿空間。分別定義如下:
[0023]a.驅動空間:由回轉馬達的轉角X1，動臂的液壓缸長度λ2，斗桿液壓缸的長度λ 3和伊斗液壓缸的長度λ 4組成,表不成[A1, λ 2, λ 3，λ Jt0
[0024]b.關節(jié)空間:為回轉平臺相對于底盤的轉角Θ 1;動臂相對于回轉平臺的轉角θ2,斗桿相對于動臂的轉角θ3，以及鏟斗相對于斗桿的轉角θ4，構成了關節(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。一般挖掘任務都是在直角坐標系中描述的，表示為[X，y，z, n]T0
[0026]2)反鏟裝置基于角度補償?shù)恼\動學建模
[0027]采用D-H齊次坐標變換法的方法求解，建立如圖3所示的反鏟裝置的連桿坐標系的簡易模型，這種模型是反鏟裝置在未進行作業(yè)時所建立的靜態(tài)模型。
[0028]各關節(jié)角逆時針為正，表示鏟斗方向角Π，鏟斗齒尖在基坐標系中的坐標設為
O4(X、y、z)。則連桿坐標系OrxiYiZi相對于Οη-ΧηΥηΖη的rfAi變換為為:
【權利要求】
1.基于角度補償?shù)姆寸P裝置運動學模型的建立方法，其特征在于包含以下步驟: a)分析反鏟裝置的工作空間構成，并根據(jù)選取的參考變量不同給出驅動空間，關節(jié)空間，位姿空間的構成； b)在分析傳統(tǒng)運動學模型的基礎上，采用改進的D-H方法建立反鏟裝置基于角度補償?shù)恼\動學模型； c)根據(jù)反鏟式挖泥船反鏟裝置的結構特點，并考慮角度誤差的影響，建立準確的逆運動學模型； d)根據(jù)實際控制的需求，給出各關節(jié)空間和驅動空間的關系。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于角度補償?shù)姆寸P裝置運動學模型的建立方法，其特征在于所述步驟a)中，給出驅動空間，關節(jié)空間和位姿空間的空間構成。
3.根據(jù)權利要求1所述的基于角度補償?shù)姆寸P裝置運動學模型的建立方法，其特征在于所述步驟b)中，在分析靜態(tài)運動學模型的基礎上，建立基于角度補償?shù)姆寸P裝置正運動數(shù)學模型。
4.根據(jù)權利要求1所述的基于角度補償?shù)姆寸P裝置運動學模型的建立方法，其特征在于所述步驟c)中，根據(jù)反鏟裝置的結構特點，綜合考慮各種逆運動學方法，采用幾何法建立反鏟裝置的逆運動數(shù)學模型。
5.根據(jù)權利要求1所述的基于角度補償?shù)姆寸P裝置運動學模型的建立方法，其特征在于所述步驟d)中，根據(jù)實際控制的需求，給出各關節(jié)空間和驅動空間的關系。
【文檔編號】E02F3/32GK104032780SQ201310066600
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2013年3月4日 優(yōu)先權日:2013年3月4日
【發(fā)明者】楊會永, 俞孟蕻, 袁偉, 齊亮 申請人:楊會永