小松液压挖掘机机器人化改造.pdf

2 0 1 0年 1 1 月 第 3 8 卷 第 2 2期 机床与液压 MACHI NE T 00L HYDRAUL I CS NO V ． 2 01 0 Vo 1 ． 3 8 No ． 2 2 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 2 2 ． 0 1 9 小松液压挖掘机机器人化改造 王福斌 ，刘杰 ，陈至坤 ，刘阔 ，周建新 I ．东北大学机械工程与 自动化学院，辽宁沈阳 l 1 0 0 0 4； 2 ．河北理工大学计算机与 自动控制学院 ，河北唐 山 0 6 3 0 0 9 摘要 对小松 P C 0 2小型液压挖 掘机进行机器人化改造 。在 原液压系统 基础上 ，引入 电液 比例 控制技术 ，实现 挖掘机 行走机构、回转机构及工作装置的自动控制；为实现挖掘机的定点挖掘 ，采用双 目C C D视觉传感器采集目标图像，提取目 标图像特征后 ，控制挖掘机行走机构 、工作装置运动轨迹 及铲 斗姿态。经初步实验 、仿 真，验 证方案的可行性 ，为进一 步 实现挖掘机的 自动化 、智能化改造奠定了软硬件基础 。 关键词 液压挖掘机器人 ；电液比例控制 ；C C D；图像处理 ；运动控 制 中图分类号 T P 2 4 2 ． 3 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 2 2 0 5 23 Ro b o t i c i z e d Re f o r m fo r K0 m a t s u Hy dr a u l i c Ex c a v a t o r WANG F u b i n ．L I U J i e ，C HEN Z h i k u n ，L I U Ku o ，Z HOU J i a n x i n 1 ． Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g a n d A u t o m a t i c C o l l e g e ，N o r t h e a s t U n i v e r s i t y ，S h e n y a n g L i a o n i n g 1 1 0 0 0 4 ，C h i n a ； 2 ． C o m p u t e r a n d A u t o m a t i c C o n t r o l C o l l e g e ，H e b e i P o l y t e c h n i c U n i v e r s i t y ，T a n g s h a n He b e i 0 6 3 0 0 9 ，C h i n a Ab s t r a c t K o ma t s u P C 0 2 s ma l l s i z e h y d r a u l i c e x c a v a t o r wa s r o b o t i c i z e d r e for me d ． E l e c t r o h y d r a u l i c p r o p o r t i o n a l t e c h n o l o g y w a s u s e d t o a c h i e v e a u t o c o n t r o l f o r r u n n i n g ma c h a n i s m ， s w i n g ma c h a n i s m a n d w o r k i n g e q u i p me n t o f e x c a v a t o r b a s e d o n o r i g i n a l h y d r a u l i c p r e s s u r e s y s t e m． F o r t h e a i m o f fi x e d p o i n t e x c a v a t i o n o f e x c a v a t o r ．b i n o c u l a r C C D v i s u a l s e n s o r w a s u s e d t o c o l l e c t o b j e e l i ma g e ． T h e f e a t u r e o f o b j e c t i m a g e w a s e x t r a c t e d t o c o n t r o l r u n n i n g m a c h a n i s m o f e x c a v a t o r ，w o r k i n g e q u i p m e n t k i n e t o t r a c e a n d b a s k e t a t t i t u d e． The s i mul a t i o n a nd e x p e r i me nt a l r e s u l t s s ho w t h a t t h e r e f o r me d s c h e me i s v a l i d． I t p r o v i de s h a r d wa r e a n d s o f t wa r e b a s e f o r f ut h e r a u t o ma t i z a t i o n a n d i n t e l l e n t i z a t i o n o f t h e e x c a v a t o r ． Ke y wo r d s Ex c a v a t o r r o b o t ；El e c t r o h y d r a u l i c p r o p o r t i o n a l c o n t r o l ； CC D；I ma g e p r o c e s s ； Ki n e t i c c o n t r o l 对液压挖掘 机进 行机器 人化 改造 ，可 以提升挖 掘机的自动化、智能化水平 ，降低操作者的劳动强 度 ，提高挖 掘 机 的作业 精 度 和效 率 。小松 P C 0 2液 压挖掘机是一种 小型全 液压挖 掘机 ，作者 以此 为平 台 ，在原有液压操 作系统 基础 上 ，采 用 电液 比例 控 制技术对 挖掘机行走 机构 、回转机 构及 工作装 置进 行 了改造 。用 比例放 大器 、电液 比例 阀控制 相应 的 液压马达 及油缸 ，采集 油缸进 回油 压力 及工作 装置 关 节倾 角作 为反 馈信号构 成 闭环控 制 系统 。为 实现 挖 掘机巡线接近 目的地 、定 点挖 掘 ，采用 双 目 C C D 传感器 ，采集道路及 目标 物 图像 ，为挖 掘机 自主行 走及定点 作业 打下基础 。 1 小松液 压挖掘 机工 作原理概 述 小松 P C 0 2履带式 液压 挖掘机体 积精 巧 ，非常适 合作为实验室改造 、研究平 台。挖 掘机主要 由行走 、 回转、工作装置三部分组成，经电液系统改造后的挖 掘机如 图 1 所示。在原有液压操作系统基础上增加 了 电液 比例控制 系统 ，可通过电磁 阀方便地在手动和 自 动工作状态间切换。动臂 、斗杆、铲斗可以单独动 作 ，也可 以互 相配 合 ，实 现复 合 动 作。通过 控 制动 臂 、斗杆 、铲斗油缸 ，可 以实现不同挖掘方式 的挖掘 作业 ；通过控制左右行走马达 、回转 马达 ，可 以实现 不同地点的挖掘及装卸作业⋯ 。 图 1 改造后 的液压挖掘机 收稿 13期 2 0 0 91 1 1 9 基金项 目国家 自然科学基金资助项 目 5 0 8 0 5 0 2 1 作者简介王福斌 1 9 6 8 一 ，男 ，博士 研究生 ，研究领 域为 数字 图像 处理 、机器 人视 觉控制 。 电话 1 3 9 3 2 5 5 4 4 9 1 ， Ema i l w f b 2 3 1 3 1 2 6 ． c o i n 。 第 2 2期 王福斌 等小松液压挖掘机机器人化改造 5 3 2小 松 液压挖 掘 机液 压 系统 改造 图 2电液比例阀组 在不改变原有液压操作 系统 的基础上 ，增加 6套 电液 比例控制阀 ，如 图 2所示 ，实现对挖 掘机各工作 部分 的控制 。电液 比例控制 阀组 主要 由电液 比例 阀 、 比例放 大器组成 ，分别控制铲斗油缸 、斗杆油缸 、转 臂 油缸 、摆 动油缸 、左右行走马达的油路通断 、换 向 及 液压油流量 。 电液 比例 阀选 用 4 WR E型 ，该 阀 由 阀体 、位 置 传感器 、阀芯 、比例电磁铁 、复位弹簧等组成 ，通过 比例 电磁铁控 制带反馈 的直动型 比例换 向阀 ，来控制 流量 和方向 。 挖 掘机的油路采用双泵双 回路系统 ，泵 1 为右行 走液压 马达 、动臂 油缸 、铲斗油缸供油 ；泵 2为左行 走液压 马达 、回转 马达 、摆 动 油缸 、斗 杆 油缸供 油 。 电液 比例控制系统相当于在原有液压 系统基础上 的并 联 ，用二位 四通 电磁 换向阀实现手动 、自动切换。改 造后 的挖掘机液压 系统如图 3所示 。 图 3 改造后的挖掘机液压 系统 3小 松 液压 挖掘 机控 制 系统原 理 挖掘机在 自动状 态下工作时 ，通过改变 电液 比例 阀电磁线 圈输入 电流 ，来 改变工作机构油路 的方 向及 流量 。为实 现对 挖 掘机 的可靠 控 制 ，选 用 比例 放大 器 、油缸进 回油压力传感 器 、工作臂倾角传感器组成 闭环控制 系统 ，如 图 4所示 。比例 阀本身的位置传感 器可纠正 自身 阀芯 的位 置偏 差 ，保 证 流 量控 制 的准 确 图 4 挖 掘机闭环控制系统 控制系统的实现采用 x P C T a r g e t 主机 一目标机原 型环境 ，它 能把 S i m u l i n k 模 型和 S t a t e f l o w模 型及物理 系统连接起来 。在 主机上可以利用 Ma t l a b 、C、V C 5 4 机床与液压 第 3 8卷 等语言编写 s函数 ，创建 自定义 的 S i m u l i n k 模块 ，还 可 以用 R e a l T i me Wo r k s h o p和 S t a t e fl o w C o d e r自动生 成代码 ，将代码下载到运行 x P C T a r g e t 实时内核 的 目 标机上 ，实现实时控制功能 。 搭建控制系统硬件平 台时 ，控 制系统 主要部件选 用如下 主机 资源为 C P U E 7 2 0 0 ，2 G B R A M；目标机 资源 为 P e n t i u m 4 ，C P U 2 ． 4 G H z ，5 1 2 MB R A M；模 拟 量数据采 集卡 为研华 P C L 一 8 1 8 H G；D ／ A转换 控制 卡 为研华 P C L 7 2 6 。 控制系统传感器信号采集接线如图5所示。挖掘 机转臂 、斗杆 、铲斗油缸的进 回油压力及 3个工作 臂 的倾角分别通过压力传感及倾角传感 器 ，接到 P C L D 一 8 1 1 5 D接线 板上 ，再 经过 P C L D 一 8 1 1 5 D接线板 ，输入 P C L 一 8 1 8 H G数据采 集卡 ，送 计算 机 处理 。控制 信号 输出及执行 器部件接线 图如 图 6所示 ，宿主机与 目标 机通过 T C P ／ I P通 讯 ，控制信 号经 P C L 7 2 6 D ／ A转 换 卡 、P C L D 一 8 8 0接 线 端 子 板 ，送 6组 比 例 放 大 器 V T 5 0 0 5 。比例放大器将输入 的控制 电压信号经 整形 、 运算 、功率放 大后 变换 为控 制 电液 比例 阀的 电流信 号 图 5 控制 系统传感器信号采集接线图 『 2 2 2 8 v T 5 0 0 5 比 例放 大器 D ／ A 左 电磁 铁 右 电磁 铁 阀芯位 置反 馈 f I J J I 。 l I | 0 l 。 。 l I 4W RE6E8一 l 0B， 24Z4 ， M 动臂 电磁 比例 阀 VCC 一 『 1． 2 2 2 8 vT5 0 0 5 比例放 大器 D／ A 左 电磁铁 右 电磁 铁 阀芯 位置 反馈 5 6 l 2 9 2 3 2 l 8 1 0 l 3 0 2 7 J l 4W RE6E8 ．1 0B／ 2 4Z4／ M 回 转 电磁 比例 阀 1 撑 2 3 5 6 1 2 2 8 vT5 0 0 5 比例放 大器 ／ A 左 电磁铁 右 电磁 铁 阀 芯位 置反馈 6 l 2 9 2 3 2 8 J 0 I 3 0 I 2 7 f 4W RE6E8 ． 10B／ 24 Z4， M 斗杆 电磁 比例 阀 VC C l l l 2 2 2 8 vT5 o 0 5 比例 放 大器 D／ A 左 电磁 铁 右 电磁 铁 阀芯位 置 反馈 5 6 ‘ I I J 。 l I l 。 I J 4 W R E6 E8． 1 0B／ 24Z4 ／ M 左 行走 电磁 比例 阀 l I。 2 2 2 8 vT 5 O 0 5比例放 大 器 D ／ A 左 电磁 铁 右 电磁铁 阀芯位 置反 馈 5 6 1 2 9 2 3 2 8 加 l 。 I 1 4W R E6E8一 l 0B／ 24Z4／ M 铲 斗 电磁 比例 阀 VC C 2 2 2 8 vT5 0 0 5比例 放大 器 D ／ A 左 电磁 铁 右 电磁 铁 阀 芯位置 反馈 5 6 l ’ I I 。 I 。 I 加 I 。 I 。 7 I 4 W R E6E8． 10B／ 24Z4 ／ M 右行 走 电磁 比例 阀 A5 A8 A9 A1 2 Al 3A1 6 TCP， I P PC LD一 8 8 0 PCL 一 7 2 6 D／ A转换 卡 目标机 宿主机 Bl B4 B5 B8 B9 Bl 2 5 6 4 5 6 挖 掘 机器人 视 觉 图像采 集 系统 由 双 目 C C D 、图像 采 集 卡 构 成 ，为防 止挖 掘 机 振 动引起 2个摄 像 头 间 图6 控制信号输出及执行器部件接线图 、 I 特征提取I I l 图 7 基 于图像 的挖掘机 器人视觉伺服系统 安装角度 的变化 ，将 双 目摄像 头先按 照一定 的间距 、 角度固定 在 特制 的安 装架 上 ，再整 体安 装在 挖掘 机 上 。挖掘机器人视觉系统可实现引导挖掘机跟踪指定 路径 、 自主到达预定作业地点 ，对特定标记 目标范围 下转第5 7页 第 2 2期 f 野牧 等 机发动机单喷嘴流量试验器液压控制原理及关键技术的实现方法 5 7- 力 降低 。由压力 传 感 器 B F 2构成 压 力 检测 环 节 ，再 与 计算机及 比例 节 流 阀组 成另 一 种压 力 闭环 控 制 系 统 。方框 图如图 6所示。 A／ D 卜 压力传感器B P 2 图 6 系统 闭环 控制方框图 实验结果表 明 ，喷嘴前端的压力控制精度 可以达 至 0 0 ． 5 ％ F S 。 5 结论 1 试验 器 的液 压控 制原 理 是正 确可 行 的 ，完 全满足飞机发动机单 喷嘴性 能测试的要求 。 2 所选 的流 量计 、液压 元 件可 适 用 于煤 油 的 工作环境 。采用德 国 R H E O N I K R H M 0 3质量流量计测 量小流量效果 良好 。 3 比例 节 流 阀及 比例溢 流 阀联合 控制 压 力 的 方式 完全可以满足压力控制 的要求 。 参考文献 【 1 】张宝减． 航空发动机试验和测试技术[ M] ． 北京 北京航 空航 天大学出版社 ， 2 0 0 5 ． 【 2 】张利平． 液压控制系统及设计[ M] ． 北京 化学工业出版 社 ， 2 0 0 6 ． 【 3 】周恩涛． 液压系统设计元器件选型手册[ M] ． 北京 机械 工业 出版 社 ， 2 0 0 7 ． 【 4 】姜继海． 液压传动[ M] ． 北京 科学出版社 ， 2 0 0 6 ． 【 5 】陈哲． 现代控制理论基础[ M] ． 北京 冶金工业出版社， 1 98 7． 【 6 】许益民． 电液比例控制系统 [ M] ． 北京 机械工业 出版 社 ， 2 0 0 5 ． 【 7 】顾瑞龙． 控制理论与电液控制系统[ M] ． 北京 机械工业 出版社 ， 1 9 8 4 ． 上接第 4 9页 ／ f ／ ／＼ _r Ej 1．6 1 l 5 ／ 1 ． 6 图8 机壳车夹具楔紧块零件图 由以上分析也不难看 出 ，若该 车夹 具的楔紧块换 成螺旋压板夹 紧机构 ，虽然 也可使 用 ，但 与之相 比， 操作费工又 费时。 4结 束语 与三爪 卡盘相 比 ，轴 向楔紧式车夹 具定位 、夹紧 可靠 ，装 、拆工件方便 、快捷 ，从而提高 了生产效率 和产 品合格率 。但值得注 意的是 ，车削件以精 密铸件 为宜 如压铸件 、注塑件等 ，这是 因为其相 应尺寸 的一致性较好 。 参 考文 献 【 1 】 金属机械加工工艺人员手册 修订组． 金属机械加工工 艺人员手册 [ M] ． 上海 上海科学技术出版社 ， 1 9 8 3 ． 5 ． 【 2 】刘建亭． 机械制造基础 [ M] ． 北京 机械工业 出版社， 2 0【 4． 2． 【 3 】郑修本． 机械制造工艺学[ M] ． 北京 机械工业出版社， 2 00 5 7 上接 第 5 4页 进行挖掘 ，识别或清 除特定障碍 物等功 能。对挖 掘机 工作装置各机械臂采用基于图像 的视觉伺 服控 制方法 ， 如图 7 所示 ，实现基于视觉的挖掘作业控制任务 。 4结束 语 通过对小型液压挖掘机进行机器人化 改造 ，在不 破坏原有 液压系统及挖掘机基本功能 的基础 上 ，引进 电液比例 控制技术 、双 目视觉 伺服系 统 ，用 x P C T a r g e t 主机 一目标 机 原型环 境 ，构 建 了挖 掘 机器人 的 改 造控制方 案。经初 步实验 、仿 真 ，验证 了方案 的可行 性 ，为进一 步实 现挖掘机的 自动化 、智能化改造 奠定 了软硬件 基础 。 参考文献 【 1 】闫建辉． 全液压挖掘机控制系统研究[ D] ． 沈阳 东北大 学 ， 2 0 0 7 ， 2 ． 【 2 】王爽心， 王玎婷， 杨辉 ， 等． 基于 x P C目标的液压疲劳控 制系统半实物实时仿真 [ J ] ． 仪器仪表学报， 2 0 0 6 ， 2 7 6 5 6 7 5 6 9 ． 【 3 】宗晓萍， 淮小利， 王培光． 基于图像的P U M A 5 6 0机器人视觉 伺服系统仿真[ J ] ． 机床与液压， 2 O 0 7 ， 3 5 1 O 1 6 1 1 6 4 ． 【 4 】 沈志熙， 黄翰敏， 黄席樾， 等． 基于视觉的室外移动机器人 障碍物检测方法 [ J ] ． 机器人 ， 2 1 0 9 ， 3 1 4 3 0 4 3 1 0 ． 【 5 】F e r r e M， A r a c i l R， N a v a s M． S t e r e o s c o p i c v i d e o i m a g e s f o r t e l e r o b o t i c a p p l i c a t i o n s [ J ] ． J o u r n a l o f R o b o t i c S y s t e m s ， 2 0 0 5 ， 2 2 3 1 3 l 一1 4 6 ． 【 6 】刘强 ， 童昕， 冯培恩， 等． 挖掘机器人伺服控制技术综述 [ J ] ． 中国工程机械学报 ， 2 0 0 7 ， 5 2 2 3 5 2 3 8 ．