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摘要 摘 要 本文主要介绍了一台挖掘机器人的软、硬件设计过程，参考国内外有关挖 掘机在自动控制方而的功能，结合工程机械的发展趋势，制造出一台性能优良 的试验型挖掘机器人，能实现任务规划、节能控制、半自动操作、工况监测、 无线遥控等功能。全文主要包括以下几个方面： ｌ、挖掘机器人机电系统硬件设计。这一部分主要介绍了挖掘机器人硬件控制 系统的设计思想和过程。整个挖掘机器人控制系统采用主一从式控制结构， 主控计算机采用普通的ＰＣ机，挖掘机器人则作为从端，两者之间采用无线 通讯。在从端的挖掘机器人控制系统设计中，采用了以现场总线为核心的 分布式、开放式、模块化控制结构，运用现代设计方法将动力系统控制、 关节伺服控制ｓ遥控、通讯、数据采集等功能从硬件结构上划分为不同模 块，同时每种模块又采用了相似的“母板＋专用接口板”结构，简化了整个 系统的设计，提高了软硬件的通用性和可靠性，使系统的维护、升级、控 制参数调整变得极其方便。 ２、挖掘机器人软件功能设计，包括底层的分布式控制软件和主控计算机的系 统操作软件设计。通过运用统一软件开发过程的思想，用ＵＭＬ对整个挖掘 机器人系统的功能进行了描述，从而将各种功能如动力系统控制、伺服控 制、遥控、规划、工况监测、控制参数设置等功能有机地结合在一起，并 能够在主控计算机上进行操作。其中的关键是分布式通讯和无线通讯，为 此专门开发了相关的通讯协议，成功地实现了上述各种功能。在分布式控 制软件设计中，采用了实时性很强的嵌入式操作系统，所有模块的软件都 具有同样的构架风格，方便了软件的编写和维护。 ３、各种关键技术的研究和实现，主要包括以下几方丽：采用负流量控制原理 的动力系统节能控制、关节伺服控制、回转控制、单杆操纵、轨迹规划等。 在动力系统和关节伺服控制中基本一１－＿采用了ＰＩＤ控制算法，完全满足了单 杆操纵、轨迹跟踪等控制功能的要求。 关键词：机器人，系统分析，伺服控制，轨迹规划，节能，软件工程，机电系 统设计，分布式控制，现场总线，通讯协议 浙江大学博士后出站报告 Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆａｅｘｃａｖａｔｉｏｎｒｏｂｏｔｉｎｂｏｔｈｈａｒｄｗａｒｅ ａｎｄｓｏｆｔｗａｒｅ，ａｎｄｔｈｅｒｏｂｏｔｉｓ ｐｒｏｄｕｃｅｄａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｔｒｅｎｄｏｆ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｍａｃｈｉｎｅ．Ｔｈｅｒｏｂｏｔｈａｓ ｇｏｏｄａｂｉｌｉｔｙ ｉｎｔａｓｋ ｐｌａｎ，ｅｎｅｒｇｙｓａｖｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌ， ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ，ｗｏｒｋｉｎｇ ｓｔａｔｅ ｍｏｎｉｔｉｎｇ，ａｎｄ ｒｅｍｏｔｅｃｏｎｔｒ０１．Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｉｓ ｍａｉｎｌｙ ｃｏｍｐｏｓｅｄ ｏｆｔｈｅ ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ ｓｅｃｔｉｏｎｓ： １、Ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄａｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆｈａｒｄｗａｒｅｏｆｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆｅｘｃａｖａｔｉｏｎｒｏｂｏｔ． Ｔｈｅｅｎｔｉｒｅｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓｔｈｅ‘‘ｍａｓｔｅｒ－ｓｌａｖｅ”ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．ｉｎｗｈｉｃｈａ ｐｅｒｓｏｎａｌ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ａｃｔａｓ ｔｈｅ“ｍａｓｔｅｒ＇’，ａｎｄ ｔｈｅｒｏｂｏｔａｃｔａｓ ｔｈｅ“ｓｌａｖｅ”，ａｎｄ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｉｓ ａｄｏｐｔｅｄ ｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｍ．Ｔｈｅ“ｓｌａｖｅ’’ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓｄｅｖｉｄｅｄ ｉｎｔｏｄｉｆｆｅｒｅｎｔｍｏｄｕｌｅ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏｄｉｆｆｅｒｅｎｔｆｕｎｃｔｉｏｎｓｕｃｈａｓ ｐｇ自ｖｅｒｃｏｎｔｒｏｌ，ｊｏｉｎｔ ｓｅｒｖｏｃｏｎｔｒｏｌ，ｒｅｍｏｔｅｃｏｎｔｒｏｌ，ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，ｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ，ｅｔｃ，ｗｈｉｃｈ ｈａｓ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｖｅ，ｏｐｅｎｉｎｇ，ａｎｄ ｍｏｄｕｌｉｚａｔｉｏｎ．Ｅａｃｈｍｏｄｕｌｅｉｓ ｃｏｎｎｅｃｔｅｄｔｏｆｉｅｌｄｂｕｓｏｆＣＡＮｔｏ ａｃｃｏｍｐｌｉｓｈ ｔｈｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｏｆｅａｃｈｏｔｈｅｒ． Ｅａｃｈｍｏｄｕｌｅｈａｓｓｉｍｉｌａｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆ“ｍａｉｎｂｏａｒｄ＋ＩＯｂｏａｒｄ”，ｗｈｉｃｈｓｉｍｐｌｉｆｙ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆｔｈｅｗｈｏｌｅｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ，ａｎｄ ｍａｋｅｉｔ ｖｅｒｙｓｉｍｐｌｅ ｔｏｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ， ｕｐｄａｔｅ，ａｎｄｒｅｇｕｌａｔｅ ｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ． ２、Ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄａｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆｓｏｆｔｗａｒｅ ｓｙｓｔｅｍ，ｗｈｉｃｈ ｉｎｃｌｕｄｅｔｈｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｖｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆｒｏｂｏｔ ａｎｄ‘‘ｍａｓｔｅｒ’’ｃｏｍｐｕｔｅｒ．Ｔｈｅ ｕｎｉｆｉｅｄｓｏｆｔｗａｒｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｐｒｏｃｅｓｓ ｉｓｕｓｅｄｉｎｓｏｆｔｗａｒｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，ｉｎ ｗｈｉｃｈｔｈｅＵＭＬｉｓ ｕｓｅｄｔｏｄｅｓｃｒｉｂｅｔｈｅｖａｒｉｏｕｓ ｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆｒｏｂｏｔ ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｕｓ ｔｈｅｖａｒｉｏｕｓｆｕｎｃｔｉｏｎｓａｒｅｃｏｍｂｉｎｅｄ ｔｏｇｅｔｈｅｒ ｉｎｒｏｂｏｔ ｓｙｓｔｅｍ ｔｏ ａｃｃｏｍｐｌｉｓｈｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍｃｏｎｔｒｏｌ，ｓｅｒｖｏｃｏｎｔｒｏｌ，ｔａｓｋｐｌａｎ，ｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｓｅｔ‘ｉｎｇ， ｅｔｃ．Ｔｈｅ ｋｅｙｐｏｉｎｔ ｏｆｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｏｆｖａｒｉｏｕｓｆｕｎｃｔｉｏｎｉｓ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｔｏｃｏｌ，ｗｈｉｃｈｉｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｉｎ ａｄｖａｎｃｅｄ．Ｔｈｅｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ａｌｓｏ ａｄｏｐｔｅｄ ｉｎ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｖｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆｒｏｂｏｔ，ｗｈｉｃｈ ｓｉｍｐｌｉｆｙ ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ａｎｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ ｇｒｅａｔｌｙ． ３、Ｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎｏｆｓｏｍｅ ｋｅｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｗｈｉｃｈ ｉｎｃｌｕｄｅ ｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍ ｃｏｎｔｒｏｌｂａｓｅｄｏｎ ｎｅｇａｔｉｖｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅｏｒｙｊｏｉｎｔ ｓｅｒｖｏ ｃｏｎｔｒｏｌ，ｓｉｎｇｌｅ ｒｏｄ ｃｏｎｔｒｏｌ， ｒｏｔａｔｅｃｏｎｔｒｏｌ，ｔｒａｃｋｐｌａｎｎｉｎｇ，ｅｔｃ，ｉｎ ｗｈｉｃｈｔｈｅＰＩＤ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｉｓ ｅｘｔｅｎｓｉｖｅｌｙ ｕｓｅｄ，ａｎｄ ｈａｓａｃｈｉｅｖｅｄ ｇｏｏｄ ｒｅｓｕｌｔ． ＫｅｙＷｏｒｄｓ：ｒｏｂｏｔ，ｓｙｓｔｅｍａｎａｌｙｓｅ，ｓｅｒｖｏ ｃｏｎｔｒｏｌ，ｔｒａｃｋ ｐｌａｎｎｉｎｇ，ｅｎｅｒｇｙ ｓａｖｉｎｇ，ｓｏｆｔｗａｒｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ｍｅｃｈａｔｒｏｎｉｃｄｅｓｉｇｎ，ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｖｅ ｃｏｎｔｒｏｌ，ｆｉｅｌｄ ｂｕｓ，ｃｏｍｍｎｎｉｅａｔｉｏｎ ｐｒｏｔｏｃｏｌ ５ 绪沦 １．绪论 １．１课题的提出 挖掘机械自从诞生之日起，就是为了提高挖掘工作效率，完工难以完 成的工作。纵观挖掘机械的发展史，就是一个不断提高效率和工作能力的过程。 在提高效率方面，主要包含两个方面的内容，即提高工作效率和提高系统效率 （即节能）；在提高工作能力方面，则是在挖掘机械上开发多种功能，如遥控、 自主工作、配置具有专业功能的工作装置等。挖掘机的技术进步，基本上围绕 这几方面进行。 ’ 挖掘机械的工作效率，是指在单位时间内完成的土石方量（针对挖掘和装 载作业）或作业面积（针对修整作业）。这一指标一方面取决于司机的熟练程度， 另一方面也取决于挖掘机械本身性能（即操纵性）。如何减低对司机熟练程度的 依赖，是目前各挖掘机生产商尽力要实现的目标，而且也已经开发出了相应的 技术来实现。尽管这类新型挖掘机能使一个新手很快地适应挖掘操作，但在～ 个工作循环内，如何规划工作装置的挖掘操作和运土、卸土的轨迹，以更高的 效率工作，依然需要依赖司机的经验。除此以外，即使对于熟练的司机，工作 中也难免会出现主观上的偏差半岛官方app，造成工作效率的下降。随着现代计算机技术的 发展，采用人工智能协助司机高效完成工作，是本课题的第一个研究方向。 挖掘机械的系统效率，是指在完成同样工作量（土石方量或作业面积）的 前提下所消耗的燃料数量。这一指标同样取决于挖掘机械本身的性能和司机的 操作过程，但系统本身的性能影响更大。对于液压挖掘机械而言，系统效率主 要取决于液压系统的效率。液压系统的工作参数主要是压力和流量，控制供油 装置（液压泵）的压力和流量尽量与工作驱动装置（液压缸和）的压 力和流量相适应，是提高系统效率的关键，也是迄今为止贯穿挖掘机械液压系 统发展的主线。过去，不管是定量系统还是恒功率系统，都采用六通多路阀， 泵的输出压力和流量根本不能适应驱动装置的压力和工作流量，需要用旁路节 流的方式来控制工作装置的ｒ作速度和工作压力；后来开发了正流量控制系统， 使泵的输出流量能适应工作装置的工作速度，但压力还不能适应，仍然存在旁 路节流损失。为解决六通多路阀的这一问题，又开发了负流量控制系统，基本 上消除了旁路节流损失，而且做到了流量适应，但压力适应还没有做到。目前， 最有效的液压系统是采用四通型多路阀的负荷传感控制系统，配合具有流量分 配功能的补偿阀，能做到压力和流量的全面适应，但缺点是价格高昂、结构复 杂。负流量控制系统以其节能性好，价格低廉而成为目前国产挖掘机的主流液 浙江大学蹲十后出站报告 压系统，但还可以迸一步加以改进，使之具有压力适应的特点，实现进一步的 节能，这是本课题的第二个研究方向。 除采用节能的液压系统外，液压泵与柴油机之间的功率匹配也是影响系统 效率的重要因素。在内燃机工作过程中，在发出同等功率的条件下，柴油机有 一个最经济工作点（耗油率最低）。因此，这一问题的实质在于尽量控制柴油机 的工作点位于经济工作区域内。由于挖掘机械工况复杂，系统的输出功率经常 处于波动状态，如何在这些状态下控制柴油机工作点位于经济区并达到实用化， 是本课题的第三个研究方向。 在司机操纵挖掘机械工作的过程中，采用不同的挖掘方式、运土和卸载路 径，对系统的功率消耗也有一定的影响。另外，司机在操作过程中难免会有一 些失误，从而造成挖掘机动作的不协调以及动作粗暴（如液压缸活塞以最高速 度达到极限位置）。如何在挖掘机械中采用自动控制技术，根据一定的规则和目 标（如节能、动作时间最短等）对司机的操作过程作进一步的优化，则是本课 题的第四个研究方向。这一研究方向综合应用了前一、二、三方向的内容，是 挖掘机械节能控制的进一步扩展。 挖掘机器人作为一种无人驾驶、具有自主工作能力的挖掘机械，与一般的 工业机器人有明显差异（如表１）。只要实现了上面提到的计算机辅助挖掘机操 作，则挖掘机器人的功能也不难实现（包括遥控和自主挖掘）。 表１：液压挖掘机器人与工业机器人的差异 挖掘机器人 工业机器人 对象特性复杂多变，无固定形 作业对象的品种、性质、形状、 作业对象 状、尺寸和性质。 尺寸、位蒙确定。 作业环境复杂多变，工作面形 多执行室内作业．作业环境比较 作业环境 状、性质也具有不确定性，多 确定、规则。 属露关作业，振动、污染严重。 多采用柴油机作为原动机，采 多采用线性度好的执行元件，如 用液压驱动方式，液压控制元 电机、伺服阀等，结构复杂。通 件（多路阀、夜压泵等）通常 常直接控制关节上的驱动力矩。 驱动方式 具有严重非线性，但可靠性好、 结构简单，但不便于直接控制 关节力矩，而是直接控制关节 速度。 动作精度低，负载大而不规则， 动作精度高，负载小而规则，一 多执行荦关节－和两关节动作， 般执行多关节的复合动作，对路 动作特点 以提高液压系统效率，对工作 径一般都有较严格的要求。整个 路径无严格要求。在一个工作 工作循环基本上都是轨迹跟踪控 循环中，即有对轨迹要求较高 制，采用单一伺服就能满 绪论 的阶段，也有对轨迹要求不高 足要求，很少出现过载现象。 的阶段，经常出现过载现象。 １．２ 发展现状 １．２．１ 自主适应性挖掘控制和规划策略 在挖掘机器人所用到的自动挖掘技术，在现代挖掘机中也有极大的应 用前景。早在１９８７年，德国Ｏ＆Ｋ公司就开发成功了具有示教再现功能的液压 挖掘机ＲＨ９０Ｃ试验样机，随后Ｌｉｅｂｈｅｒｒ和Ｄｅｍａｇ公司也相继声称开发成具有
