（机械电子工程专业论文）穿地龙机器人控制及检测系统研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 “穿地龙”机器人是一种在土中自行行走的装置，在地表的一端进入土 中，行进中可以随时改变方向实时修正偏差，使机器人可按预定规划轨迹前 进，最后，从地表的另一端指定位置穿出。它主要用于p e 或p v c 管、电缆、 光缆等小直径管线的地下非开挖铺设。 本文主要以液压驱动“穿地龙”机器人的控制及检测系统为研究对象。 通过对目前国内外气动及液动小孔径地下穿孔设备的研究，设计了“穿地龙” 机器人液压系统总体方案，内容包括基于p w m 高速开关阀控的机器人液压 冲击系统及转向系统设计，提出了转向回路液压自锁方案；分析了机器人的 转向机理，为机器人转向机构设计提供了理论基础。 针对“穿地龙”机器人的工作环境，设计了基于p c 机和单片机的二级 计算机硬件控制系统，及基于数字罗盘和测距传感器的位姿检测方案，完成 包括高速开关阀驱动控制电路、串行通讯电路、a d 转换电路设计：采用模 块化的设计思想设计了下位机软件，对上位机软件进行了初步研究。针对机 器人土中作业环境非线性的特点，设计了参数自整定模糊p i d 控制器，并对 实际系统进行计算机仿真研究，结果表明，系统表现出很好的适应能力和较 好的动态性能。 论文最后进建立了“穿地龙”机器人样机的实验系统。进行了机器人冲 击、转向机构、位姿检测的实验。试验结果验证了系统设计的可行性，表明 研制的机器人可以克服土的阻力，能够按照预先规划的轨迹在土中前进完成 穿孔作业。 关键词：“穿地龙”机器人；控制及检测；液压驱动；高速开关阀 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t “d r a g o no fp u n c t u r i n gm u d ”r o b o ti sak i n do fd e v i c et h a tc a nw a l kb yi t s e l f i nt h em u d i ti sc a nf o l l o w i n gt h et r a c kw h i c hi ss c h e d u l e dp r e p u n c ht oe n t e ri n t o t h em u d , c h a n g e st h ed i r e c t i o na n dc o r r e c t i o nd e v i a t i o nr e a l - t i m e ，a tl a s tc o m e s o u to ft h em u df r o mt h ed e s t i n e ds p o tf m a l l y s ou n d e rt h em u di tc a nm a i n l yu s e d t op a v ep eo rp v c p i p e ，c a b l ea n do p t i c a lf i b e rc a b l e ，e t c t h i sp a p e rt a k e st h eh y d r a u l i c “d r a g o no fp u n c t u r i n gm u d r o b o t 、sc o n t r o l a n dd e t e c t i o ns y s t e ma st h er e s e a r c ho b j e c t t h r o u g ht h es t u d yt ot h ep r i n c i p l eo f s m a l ld i a m e t e ru n d e r g r o u n dp i p ee q u i p m e n ta th o m ea n da b r o a d , t h eh y d r a u l i c s y s t e mg e n e r a ls c h e m eo f d r a g o no fp u n c t u r i n gm u d ”r o b o th a sb e e nd e s i g n e d t h ea u t h o rp u t sf o r w a r dh y d r a u l i ci m p a c t i n ga n ds t e e r i n gs y s t e mt h a ti sc o n t r o l l e d b yp w mh i g h - s p e e do n - o f fv a l u ea n ds t e e r i n gs y s t e mh y d r a u l i cs e l f - l o c ks c h e m e w h i l ea n a l y s i ss t e e r i n ga x i o mo ft h er o b o t , w h i c hi so f f e r st h e o r yf o u n d a t i o nf o r s t r u c t u r ed e s i g no ft h es t e e r i n gm e c h a n i s m a c c o r d i n gt ot h ew o r k i n ge n v i r o n m e n to ft h er o b o t ，t h ea u t h o rp u t sf o r w a r d c o n t r o ls t r a t e g yw h i c hi saa m b i p o l a rc o n t r o ls y s t e mb yp cc o m p u t e ra n dc h i p m i c r o c o m p u t e r , m e a n w h i l ep o s i t i o na n da t t i t u d ed e t e c t i o ns t r a t e g yh a sb e e n d e s i g n e db yd i g i t a lc o m p a s sa n dd i s t a n c es e n s o r c o n t r o ls y s t e mh a r d w a r e i n c l u d i n gt h eh i g h - s p e e do n - o f fv a l u ed r i v ec i r c u i t , t h es e r i a lc o m m u n i c a t i o n c i r c u i t ，t h e 州d c o n v e r t i n g c i r c u i t ，e t c t h ea u t h o rd e s i g n st h ec h i p m i c r o c o m p u t e rs o f t w a r eb ym o d u l a r i z a t i o nm e t h o d , a n ds t u d yp cc o m p u t e r s o f t w a r ep r e l i m i n a r i l y p a r a m e t e rs e l f s e t t i n g f u z z yp i dc o n t r o l l e r h a sb e e n d e s i g n e da c c o r d i n gt o t h er o b o tn o n h n ea r i t y f e a t u r e f o l l o w i n gc o m p u t e r e m u l a t i o no u t c o m ei n d i c a t e st h es y s t e mh a sa d e q u a t ea d a p t a b i l i t ya n dd y n a m i c p e r f o r m a n c e f i n a l l y , t h ep a p e rh a se s t a b l i s h e dt h e “d r a g o no fp u n c i u r i n gm u d ”r o b o t e x p e r i m e n ts y s t e m ，c a r r i e do nt h er o b o t sd a s h ，s t e e r i n g , p o s i t i o na n da t t i t u d e d e t e c t i o ne x p e r i m e n t ，c o n f i r m e dt h ef e a s i b i l i t yo ft h ed e s i g n , t h er e s u l ti n d i c a t e s t h a tt h er o b o tc a l lb ee n s u r e dt ow a l ka c c o r d i n gt h es c h e d u l e dt r a c ku n d e rt h em u d a n dc o m p l e t et h et a s ko fd r i l l i n g k e yw o r d s ：“d r a g o no fp u n c t u r i n gm u d ”r o b o t ：c o n t r o l l i n ga n dd e t e c t i n g ； h y d r a u l i cd r i v e ：h i g h s p e e 蚰o n - o f f v a l u e 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献等的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中 已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出贡献的个 人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本人完全意识 到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：丛丝筮 日 期：司年) 月7 日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的来源背景及意义 本课题来源于黑龙江省科学技术计划( 攻关) 项目“穿地龙”机器 人样机研制( 2 0 0 1 0 1 0 1 0 0 5 - 0 0 ) 。 城市地下管线是城市基础设施的重要组成部分，目前，铺设、更换和修 复地下管线的施工方法主要分为开挖施工法和非开挖施工法两种。其中非开 挖技术，国外称为t t ( t r e n c h l e s st e c h n o l o g y ) 技术是在地表不开沟( 槽) 的情况下铺设、更换或修复各种地下管线。随着城市发展进程的加快以及人 们对环境保护意识的增强，非开挖技术以其独特的技术优势在全球迅猛发展。 冲击矛施工技术是使用的较早和较广泛的一种非开挖铺管方法。冲击矛 技术，以德国、美国为代表，其中，德国研制的定向气动矛是世界上第一台 能够实现定向钻进的冲击设备。而我国在这方面的发展与世界水平有一定的 差距，目前，对于轨迹可控的地下钻孔冲击设备还没有成型产品【 本文研究的“穿地龙”机器人是一种可在土中自行行走完成地下穿孔作 业的装置。它由计算机控制，在地表的一端进入土中，按预定设计的轨迹前 进，行进中可以实时修正偏差改变方向，最后，从地表的另一端指定位置穿 出。它主要能够实现p e 或p v c 管、电缆、光缆等管线的地下铺设。 1 2 国内外相关领域发展概况 目前应用较广的为气动冲击矛，气动矛法铺管的长度一般在1 0 0 m 以内， 铺管自径4 0 r a m 2 0 0 r a m ，适用于含水量不太大的土层。有的气动矛带有往复 式凿头，可在含少量砾石的土层中使用。由于气动矛铺管法简便、易行、效 率高、成本低，该方法在年代迅速得到发展。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 2 1 国外冲击矛的发展现状 冲击矛是由钢质外套和重型活塞组成。在压气或压油作用下，矛体内的 活塞往复运动，不断冲击矛头，由于活塞往复运动的冲击力远大于矛体与土 层摩擦力以及回程时的反作用力。故冲击矛在冲击活塞的往复运动输出冲击 功的过程中实现在土中的穿孔作业。通过反转送气( 油) 管，还可实现冲击矛 向后运动。 冲击矛的发展已有几十年的历史，早在6 0 年代，俄罗斯人就发明了无阀 式气动冲击矛，之后德国的t r a c r o - t e c h n i k 、美国的v e r m e e r 、c a s e 、瑞士 t e r r a 公司、德国e s s i g 公司等公司相继开发了类似产品 1 、德国 i y a c r o - t e c h n i k 公司冲击矛 德国t r a c r o - t e c h n i k 公司的g r u n d o m a t 系列冲击矛有1 5 种规格( 巾4 5 n l l n 巾1 8 0 m m ) 。新推出的p 型双冲程冲击矛比原来的z 型气动矛多了2 0 的能量，活塞的冲击快速有力，穿孔效率更高，而且钻孔不易偏斜，方向稳 定性好。可以有效用于非水平孔和直孔作业。它采用气动冲击形式，主要性 能参数见表1 1 【2 l 。 图1 1 德国t r 公司气动矛 t t 公司于1 9 9 9 年底推出世界上第一台可控冲击矛g r u n d o s t c c r ，如图1 1 所示，它的穿孔长度可达7 0 m ，适用于长距离的管线入户工程使用探测和 转向系统，能够避开地下障碍。根据土层条件，g r u n d o s t e e r 冲击矛的穿孔曲 率半径最小可达2 7 m 。 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 表1 1 德国t t 公司气动矛系列主要性能参数 钻孔直径适合管径长度重量耗气量冲击频率 ( m m )( m m )( m m ) ( k g ) ( m 3 m i n )( 次，m i n ) 4 53 89 7 98o 55 7 0 5 54 51 1 0 31 3 5o 6 5 1 0 6 5 5 0 1 3 2 3 1 0 2 92 5 1 7o 7 4 7 0 6 4 0 7 56 01 4 4 3 1 2 4 33 4 2 81 4 2 0 5 2 0 8 57 01 5 4 0 ，1 3 5 0 4 6 1 4 0 1 1 3 9 0 4 6 0 9 5 8 0 1 7 3 2 ，1 5 3 26 4 5 71 23 1 5 ；3 8 0 1 1 0 9 0 1 6 8 59 61 62 8 0 2 、美国c a s e 公司冲击矛 美国c a s e 公司冲击矛系列，规格从直径* b 5 4 m m 巾2 6 7 姗，如图1 2 所示。特点是外壳整体式后扩孔设计，依靠气动矛尾端固有的锥型扩孔体， 通过成孔直径的逐渐增大，用较小质量的设备一次形成一个较大的孔洞。它 无需另外配备专门的扩孔器，节省配置，减少施工布置，提高工作效率， 主要性能指标见表1 2 1 3 1 。 图1 2 美国雠公司气动矛 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 表1 2 美国c a s e 公司气动矛主要性能参数 直径 长度重量工作压力耗气量气管直径冲击频率 ( n n n )( n n n ) ( k g )( m p a ) ( m 3 r a i n )( n u n ) ( 次r a i n ) 5 4 1 0 1 01 2 7 0 6o 61 2 75 3 5 7 61 3 6 03 30 61 12 04 0 0 9 81 5 7 0 5 7 0 61 7 2 5 4 0 0 1 0 31 5 7 0 6 3 o 61 72 54 0 0 1 ”1 5 7 06 50 61 7 2 5 4 0 0 1 5 21 7 3 01 4 10 66 83 84 0 0 1 7 81 4 4 01 1 2 o 6 4 02 53 7 5 2 0 31 7 3 01 5 50 66 83 8 4 0 0 3 、瑞士t e r r a 公司生产的冲击矛 t e r r a 公司生产的t e r r a - h a m m i e r 冲击矛直径从4 5 m 到1 9 0 m 。如图1 3 所示1 4 1 ， 图1 3 瑞士t e r r a 公司生产的冲击 用于铺设4 5 - 2 4 5 m m 的地下管线。其中自径大于6 5 m m 的冲击矛，均可配 备扩孔器，铺设更大直径的管线，如t u l 9 0 型冲击矛配备扩孔器可将钻孔扩 至3 0 0 m m 。由8 0 - 巾1 9 0 m m 的冲击矛均可配备特殊的矛头适配器k o k l d ，能够 安装探头，穿孔过程中可以精确地跟踪冲击矛的位置，可以实现冲击矛方向 可控。 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 2 2 国内地下穿孔装置发展现状 我国对气动冲击地下穿孔装置的研制起步较晚，1 9 9 3 年长春路下工程股 份公司研制出直径为6 0 - 1 3 0 r a m 的气动矛；原地矿部勘探所于1 9 9 0 年研制出 m 系列气动矛，于1 9 9 8 年研制出h 系列夯管锤；原冶金部探矿所于1 9 9 8 年 研制出1 f h 系列夯管锤。随后，长沙中联重上科技发展股份有限公司、上海隧 道上程股份有限公司和中国地质科学院钻探设备研究所等先后研制出各种型 号的冲击锤并投放市场。主要研究成果及观点如下。 l 、长沙中联重工科技发展股份有限公司 长沙中联重工于2 0 0 1 年收购了英国保路捷( p o w e r m o l e ) 公司。而 p o w e r m o l e 公司则是非开挖设备的专业生产商，它生产的刚系列冲击锤因其 动力强劲，零件少而享誉海内外中联保路捷推出从p 9 4 5 到p 1 3 0 0 共1 2 个 型号的气动锤。跚系列气动冲击锤与其它同类型产品相比，具有以下特点： 结构紧凑，仅由七个零件组成，可靠性高；动力强劲，穿孔速度可达l m m i n ； 配备不同形状的矛头，适用于不同的土层1 5 l 。 2 、中国地质科学院勘探技术研究所 中国地质科学院勘探技术研究所生产的m 系列冲击矛，如图1 4 所示， 图1 4m 系列气动矛动矛图1 5 施工照片 优点是形成钻孔后可以直接将待铺管道拉入，也可通过拉扩法将钻孔扩 大，以便铺设更大直径的管道。适用于短距离( 3 0 m 以内) 、小直径管道的 穿越铺设；适合在狭小空间内施工。图1 5 为m 系列冲击矛施工照片。主要 性能指标见表1 3 1 6 1 ： 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 表1 3m 系列气动矛主要性能参数 耗气量 规格成孔直径 工作压力矛体长重量 ( m 2 h n 反退机构 ( r a m ) ( m p a ) ( r a m ) 但g ) i n ) m 跖8 51 2 1 8 o 5 - 0 7钢绳拉回1 3 4 03 2 钢绳拉回 m 1 4 31 3 9 2 5 3 00 5 田71 7 1 0 8 反向冲击 1 9 9 4 年该所在国内率先研制并推出h 系列夯管锤( 直径由1 1 0 咖m 4 2 0 咖，共6 种规格) 如图1 6 所示它机构紧凑、工作效率高、操作简便，该技 术产品于1 9 9 9 年获得国家知识产权局授予的专利权( 专利号为 z l 9 8 2 0 3 7 7 4 0 ) 。h 系列夯管锤已具有h 1 1 0 、h 1 8 0 、h 2 6 0 、h 3 0 0 、h 3 5 0 等 几种规格的产品。目前已有多种规格的产品小批量投放市场。 图1 6h 系列气动夯管锤 3 、同济大学的d h 系列气动穿孔机 同济大学研制的阴系列气动穿孔机可实现地下水平孔的穿越，适用于铺 设直径妒4 5 妒1 5 0 0 砌、距离2 0 8 0m 的管线。它采用气动矛冲击形式， 施工时靠目标坑的标杆与工作坑的瞄准器实现初始冲击定位。具体性能参数 如表1 4 所示m ： 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 表1 4d h 型气动矛性能参数 直径重量长度冲击功冲击频率耗气量 使用压力 型号 ( m m ) ( k g ) ( m m ) ( n m )( 次，m i n )( m 3 m i n )( 皿a ) d h 6 0 6 0 1 81 1 3 45 04 6 0 一5 o 3 加4o 每一o 7 d h 7 07 02 71 2 8 06 8 3 5 0 1 5 00 70 6 由7 d h 9 59 5 6 11 5 8 01 5 03 5 帖4 5 00 90 6 - o 7 d h 3 6 03 6 01 4 6 5z 7 5 04 5 1 舳- 1 9 02 50 6 旬7 d 1 5 1 05 1 03 3 9 53 3 0 01 1 咖 1 5 0 _ 1 9 02 9 3 30 ，6 - 0 1 d h 6 0 0 6 0 05 9 0 04 0 0 02 0 0 0 01 4 0 1 8 04 5 巧00 6 - 0 7 近年来，他们又在进行轨迹可控气动穿孔机的研究，通过对土的力学特 性分析，得出了穿孔轨迹与地层、钻头的关系，设计了适合曲线作业的双稳 头钻头同时，设计了导向控制系统，通过安装在传感器测得几个角度参数的 测定，可以在地面时刻掌握穿孔机在地下的方位和姿态位置。目前处于理论 研究与实验阶段。 1 3 穿地龙机器人关键技术 1 3 1 穿地龙机器人基本技术要求 l 、穿孔方向可控 管线的曲线铺设，要求“穿地龙”机器人能够按照预定轨迹穿孔。一般 钻孔轨迹由直线段和曲线段组成，所以要求冲击器既能够穿直线孔，又能够 穿曲线孔，而且冲击器的穿孔方向必须能被地面操作人员以自动或人力的方 式进行控制，这样才能让“穿地龙”穿出符合设计要求的轨迹。 2 、穿孔轨迹和工作姿态可测 “穿地龙”机器人穿孔过程中，需要操作人员根据设计要求，对机器人 的穿孔轨迹进行控制，那么机器人的位置和穿孔姿态等都是操作人员必须掌 握的信息。这些信息的获得是由位姿检测系统( 包括机器人本体上的各种传感 器、地面信息处理装置等) 来完成。安装于机器人上的数字罗盘能够检测机器 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 人的航向、横滚和俯仰角度、机器人测距传感器可以检测到前进距离、光电 码盘能够检测转向头的转角，下位机采集各传感器的信号，同时将穿孔方向 及机器人位姿等信息向地面上位机传送，操作人员可以在上位机操作界面获 得这些信息，将其作为轨迹控制的依据。 1 3 2 穿地龙机器人关键技术 l 、“穿地龙”机器人总体设计 ( 1 ) 地下穿孔机械有可以进入土体的和不能进入土体的两种。“穿地龙” 机器人为地下潜孔作业冲击工具，要求结构尺寸紧凑，对于转向自锁机构、 配流阀的选型都应满足结构紧凑的原则。 ( 2 ) 机器人的冲击机构冲击器两个主要部件的运动规律是非线性的，研 究方法是将其现行化处理，将其运动规律线性化或者忽略某些非线性影响， 并在一定程度上割裂了几个运动件间的联系，然后建立一个集中描述活塞运 动的较为简单的数学方程组。 ( 3 ) “穿地龙”机器人的各传感器均安装于机器人本体，而开关阀却独 立于本体之外，因此在设计时应将控制及检测电路分离，将检测电路板安装 于机器人本体，通过上位p c 机完成控制及检测系统之间的通讯。 2 、转向头控向技术 普通冲击矛在地下穿孔过程中，由于矛头处于对称位置不能回转，无法 产生偏转力矩，只能进行直线穿孔作业。完成直线及曲线穿孔的前提是机器 人本体必须具有对称结构和非对称结构，并且可以在这两种结构状态之间转 换，只有这样，才能实现穿孔轨迹可控。 转向头控向技术是可控冲击矛的关键技术之一，是可控地下穿孔设备技 术发展的瓶颈。由于“穿地龙”本体的结构固定，而且对称，所以只有通过 改变转向头的空间位置，使其具有对称状态和非对称状态来实现转向，转向 机构应该具有以下功能： ( 1 ) 可以使“穿地龙”在直线穿孔状态和曲线穿孔状态之间转换。 ( 2 ) 可以控制转向头的偏转方向，使“穿地龙”穿出符合设计要求的钻 孔。 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 3 ) 可以在地表以自动或人力的方式操纵该机构，由地表发出控制指令， 由转向机构自动完成转向头的偏转方向调整 3 、机器人轨迹控制要求 土中穿孔打洞的“穿地龙”机器人是一个具有高度非线性的复杂系统， 建立精确的数学模型十分困难。在进行运动轨迹控制时，参数的变化对系统 模型的影响较大机器人的控制系统应满足： ( 1 ) 能够适应各种不同的土质条件。由土力学可知，对于不同的地方， 由于土的成因复杂，土的性质是不同的，即使是同一地方，在不同的深度， 士的性质也是各不相同的。 ( 2 ) 由于“穿地龙”机器人作业环境中土颗粒情况和各种地质力的作用 有关，其形成的结构形式包括单粒结构、蜂窝结构、絮凝结构和分散结构等， 而且土中还有可能含石块等建筑垃圾，这会导致机器人在土中按预定的规划 轨迹运动时，机器人的实际轨迹与规划轨迹不同，必须实时控制机器人的姿 态，保证机器人按照预定的轨迹行走。 1 4 论文的主要研究内容 “穿地龙”机器人是极限作业机器人领域的新生事物，是特种作业机器 人的新成员，课题是在黑龙江省科学技术计划( 攻关) 的资助下开展的。本 文的主要研究内容包括以下几个方面： l 、详细阐述气动及液动地下穿孔机械国内外研究与发展现状，从而得出 研究“穿地龙”机器人的必要性；介绍了机器人关键技术，为机器人的研制 工作提供依据； 2 、在原气动“穿地龙”机器人的基础上对机器人进行了改进，提出了高 能量密度的液压驱动方案。分析了机器人转向机理，设计了机器人冲击机构、 转向机构的结构及液压系统； 3 、进行“穿地龙”机器人的控制及检测系统研究，设计了基于上位p c 机和下位单片机液压控制系统，并采用多传感器检测机器人在土中位置与姿 态，并进行了开关阀驱动电路设计、传感器的选型和接口电路的设计： 4 、分析了冲击机构、转向机构的液压系统进行，初步建立了冲击机构及 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 转向机构的数学模型，建立了参数自整定模糊p i d 控制规则。叙述了参数 自整定模糊p i d 控制器在计算机控制中的具体实现方法。针对系统的实时性 的要求，采用离线仿真的方法得到x ，、髟、k 。的精确值。 5 、建立“穿地龙”机器人的室内试验平台，进行了“穿地龙”机器人样 机的试验研究，对机器人的转向机构、冲击机构、位姿检测系统进行了测试 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章穿地龙机器人液压驱动方案研究 2 1 引言 “穿地龙”机器人作为一种非开挖穿孔铺管机械设备，其驱动方式有气 动和液压两种方式。且前国内外地下穿孔施工中广泛使用的是气动冲击矛， 对于液压驱动穿孔机械的研究，尚属起步阶段i s 。液压穿孔机械具有输出功 率大、能量利用率高、使用寿命长等优点，所以液压冲击器发展有非常大的 潜力本文提出了一种基于p w m 高速开关阀控制的“穿地龙”机器人液压 冲击驱动方案 2 2 穿地龙机器人液压冲击器结构研究 2 2 1 配流方案及反馈方式研究 配流控制阀是液压冲击机械的重要组成部分，在液压冲击系统中配流阀 与冲击活塞相互影响、相互控制形成冲击活塞由冲程到回程的高速往复运动， 实现活塞冲程对外做功的过程。 液压冲击器根据配流方式的不同，可分为无配流液压冲击器、强制配流 液压冲击器和自动配流液压冲击器等。无配流液压冲击器只是在原动力上应 用了液压力，并未脱离机械冲击的模型，强制配流式液压冲击器是在一般液 压传动的基础上改进而成，所以也并没有充分体现和满足液压冲击系统的特 点和需要【9 j 。 自动配流式液压冲击器是目前在工程实践中应用的一种液压冲击器。它 的配流装置不是依靠外界动力来驱动，而是依靠配流装置与振荡活塞之间的 各种反馈关系来驱动的。反馈形式一般可分为位移反馈配流、压力反馈配流 和加速度反馈等，其中压力反馈和位移反馈是常用的形式。 l 、位移反馈式配流方案 它实际上是一种具有行程反馈的阀控油缸系统，工作时，配流阀从缸壁 1 1 哈尔滨工程大学硕士学位论文 反馈信号孔获得液控油推动滑阀换向，以实现油路切换，活塞则随供油规律 的改变作有节奏的冲程、回程变速运动位移反馈式液压冲击器如图2 1 所 示。 图2 1 位移反馈式配流方案原理图( a ) ( b ) 图( a ) 中冲击活塞的两个腔室分别与滑阀的输出输入口相通。滑阀位置的 改变可使压力油进入不同的腔室，以推动活塞向相应的力一向运动。活塞一 端有两个挡肩，中间嵌入一连杆。此连杆固接在滑阀阀芯上。因此，当活塞 运动时，就能带动阀芯动作。图所示，为活塞在左腔( 冲程腔) 压力油的作 用下，向右运动。待活塞运动到一定位置时，就带动连杆使滑阀阀心向右移 动。这样进入滑阀的压力油液就改变了方向，进入活塞的右腔( 回程腔) 。于 是，活塞在压力油作用下，开始其回程动作。当活塞在其回程结束时，右边 的挡肩通过连杆把滑阀拉向左边，又切换了压力油液的方向。压力油又进入 活塞的左腔，开始另一冲程动作。由于滑阀与活塞之间是按位移来相匀控制 的，故称为位移反馈或行程反馈 在实际使用的位移反馈液压冲击器中，反馈关系的实现并不是采用机械 连接的方式，而是利用活塞或阀的位移来开关信号油口而完成的。滑阀的移 动也以压力油作为动力【1 0 l 。 2 、压力反馈式配流方案 这种配流方式是基于系统中工作压力的变化与先导控制阀调定压力比较 而实现配流控制阀的换向，从而控制冲击活塞回程、冲程运动【1 1 】。压力反馈 液压冲击器的原理如图2 2 所示。它同样有一配油阀与活塞间油路相连，依 靠压力的变化来实现其反馈关系。压力油通过控制阀的右端面进入活塞后腔， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 同时也能到达控制阀的左端。由于控制阀左端面积大于右端面积，而且左端 还有弹簧力作用，所以，即使压力油通向左右两端，控制阀仍压向右边，停 留在( a ) 所示位置。这时，冲击活塞的前腔与回油路相通，故在后腔压力油的 作用下，活塞向右作冲程运动。 图2 2 压力反馈式配流方案原理图( a ) ( b ) 当活塞右移一定距离后，活塞上的凸肩就打开了控制阀左端与回油路的 通路但由于左端的弹簧力仍大予右端环形面积上所承受的油压力，所以控 制阀仍停留不动。直至冲击活塞在冲程即将结束时，由于其冲击速度很快降 低为零，在此瞬间，液体就产生一个很高的脉冲压力。这一脉冲压力可大于 左端的弹簧力，致使阀芯与止挡块开始脱离。此时，哪怕阀芯与止挡块之间 产生一极小的缝隙，也会使阀芯右端受压面积骤然增加。所以，即使脉冲压 力峰值己过，右端液压力仍可大于左端弹簧力，使阀芯左移。图( b ) 即是其左 移后的状态。 在图( b ) 中，冲击活塞的前后腔均处于压力油的作用下，由于前腔受压面 积比后腔大，活塞就以差动速度向左移动。当活塞再次回到( a ) 状态时，阀芯 也同样会再次向右运动。这样，就又开始另一周期的冲击循环。 2 2 2 液压冲击器的结构及工作原理 液压冲击器是一种以油液压力为动力，以活塞往复运动输出冲击能来进 行作业的液压冲击机械，它主要由活塞、控制阀和蓄能器三个基本运动体所 组成。液压冲击器按照工作原理可分为二位四通阀控及二位三通阀控( 如图 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 3 所示) 两种类型【删 图2 3 二位三通阀控制回路 图2 a 后控式原理图 采用二位四通阀控制形式，冲击器前后腔均可回油，活塞两端交替循环 作用有高压油液可实现其往复运动。而采用二位三通阀控制的液压冲击器， 其活塞两端需保证一定的有效作用面积差、且一腔恒压：阀的作用是控制另 一腔交替接通进、回油路，利用差动原理实现活塞冲击运动。相比较而言， 二位三通阀控结构中主油路及控制油路相对简单，工作可靠。 液压冲击机构中，一般将冲击端的压力腔称为前腔，另一侧称为后腔。 在现有的冲击机构中，根据前后腔压力的变化情况可分为几种类型：一是无 常压腔，前后腔的压力高低交替变化，又称为双控式；二是前腔常压，后腔 作为控制腔，后腔压力高低交替变化，也称为后腔控制式( 如图2 4 所示) 。 相比较而言后控式冲击器结构简单，无吸空现象，阀耗油量少，能量利用率 高【1 3 1 。 综上述，“穿地龙”机器人液压冲击机构采用压力反馈配流方案的后控式 结构型式；即前腔常压的二位三通阀控式液压冲击装置，其结构原理图如图 2 5 所示： 活塞4 前后工作端有效面积分别为a l 、a 2 且a i 、 、 料 = = 捌i - 苎，_ 一j q 匿 1 七= 妣! i 荔荔萎缓 一：八夕 哈尔滨工程大学硕士学位论文 摹暑| 审i i 宣置i i i i i | e i i i 毒i i i i i 宣i i 宣i 宣| 宣宣i i 萱i i | 一一 2 4 本章小结 本章针对“穿地龙”机器人液压驱动方案，主要进行了以下几个方面的 研究： 1 、阐述液压冲击器的分类与工作原理，比较了几种配流方式和反馈关系， 提出了后控式压力反馈冲击器的结构方案、及基于p w m 高速开关阀控制的 液压冲击驱动方案； ， 2 、初步设计液压冲击机构，分析了工作过程，建立了冲击机构的压力流 量方程，得出了冲击机构油压力与流量的变化关系； 3 、分析了机器人的转向机构工作机理，为“穿地龙”机器人转向机构 设计提供了理论基础；进行了转向装置的结构、液压驱动方案设计与研究。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章穿地龙机器人控制及检测系统设计 3 1 引言 “穿地龙”机器人在实际运用中，其控制端和作业机械本体以及检测系 统间的控制信号、反馈信号都是通过电缆传输。在机器人复杂的作业环境下， 这种远距离的信号传输，对于p w m 高速开关阀控制信号以及转向机构光电 码盘的反馈信号等信号会产生一定的干扰，因此，我们设计了基于p c 机和 单片机的二级计算机控制系统。以保证机器人既可实现可靠自主作业，通过 上位机的人机交互界面又可人工进行操纵，从而提高它的实用性和可靠性。 3 2 穿地龙机器人控制及检测系统总体方案 3 2 。1 液压控制系统原理 “穿地龙”机器人的液压驱动部分由冲击机构、转向机构组成。工作时上 位p c 机系统根据预先规划的轨迹发出各种指令，下位单片机根据上位机的 指令控制冲击及转向装置，为机器人提供前进的驱动力及转向力矩，实现机 器人在土壤中的姿态变化。“穿地龙”的液压控制系统原理图如3 1 所示： 系统动力油源为叶片泵1 ，机器人的执行机构由冲击装置及转向装置组 成。冲击装置包括左c a ) 、中( b ) 、右( c ) 三个工作腔的冲击液压缸1 9 ，定压 抑流阀1 6 、压力反馈式配流阀( 包括阀体2 3 、阀芯2 4 及d 、c 、f 、g 、h 等5 个配流腔) 、先导式溢流阀2 等部件。转向装置由偏转液压缸1 8 、旋转液压 缸1 9 等部件组成。转向机构的旋转、偏转自锁由液控单向阀1 2 、1 3 、1 4 、 1 5 实现。系统的压力由先导式溢流阀2 设定，冲击缸和偏转缸、旋转缸为并 联油路，冲击缸的油路的通断由二位二通高速开关阀1 1 作二位插装阀4 的先 导阀控制、偏转缸的油路的通断由二位三通高速开关阀7 、8 控制、旋转缸的 油路的通断由二位三通高速开关阀9 、1 0 控制；调速阀4 、5 、6 调节冲击机 构和转向机构的速度和流量。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图3 1 “穿地龙”机器人液压控制系统原理图 1 叶片泵；2 溢流阀；3 冲击机构调速阀；4 插装阀；5 旋转机构调速阀；6 偏转机构调速阀； 7 8 9 1 0 二位三通高速开关阀；1 1 二位二通高速开关阀；1 2 1 3 1 4 1 5 液控单向阀；1 6 定 压溢流阀；1 7 转向锥头；1 8 偏转缸；1 9 摆动液压缸；2 0 冲击缸；2 1 冲击活塞；2 2 氮气腔； 2 3 配流阀体；2 4 配流阀芯； 当机器人直线前进时高速开关阀电磁铁5 d t 通电，阀1 1 切换到右位， 从而使二位插装阀4 开启，高压油进入配流阀2 3 的高压腔c 在高压油的驱 动下冲击活塞完成冲击动作。当需要调整转向头角度时，电磁铁5 d t 断电， 阀1 1 切换到左位，此时插装阀4 的控制端与油箱接通，插装阀关闭，冲击动 作停止。转向机构开始动作，当需要调整偏转角时，二位三通高速开关阀电 磁铁i d t 通电，阀7 切换到右位高压油经液控单向阀1 5 进入偏转液压缸1 8 的有杆腔，同时在高压油的作用下，液控单向阀1 4 开启，低压油液经高速开 关阀8 回流油箱，偏转角芦正向调整。当调整到预定的偏转角度时电磁铁5 d t 断电，阀7 切换到左位，液控单向阀1 4 关闭，在单向阀1 3 、1 4 的作用下实 现偏转角度的液压自锁。偏转角卢的负向调整及旋转角y 的正、负向调整过 程与以上动作过程相同，这里不再赘述。执行动作及控制阀的状态如表3 - 1 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i 置置i 萱萱囊i | i i i i i i i | i 宣i i i i i 葺暑j 宣暑鼍_ 一 所示： 表3 1 动作循环表 动作发讯元件电磁铁状态 1 d t2 d t3 d t4 d t5 d t 冲击开关阀1 1 + 偏转口+开关阀7 + 偏转芦 开关阀8 + 旋转y +开关阀9 + 旋转y 开关阀1 0 + 3 2 2 控制系统总体设计 “穿地龙”机器人采用二级计算机控制系统，以保证机器人既可实现自 主作业，又可人工进行操纵，从而提高它的实用性和可靠性。上位p c 工控 机位于陆地上，能够实现人机界面交互，具有机器人路径规划，环境初始值 输入，作业任务指定，机器人状态显示，机器人及辅助系统的动作协调等项 功能。 下位机控制器由控制电路板、检测电路板和数字罗盘组成。检测电路板、 数字罗盘安装于机器人本体内，其外部的减震装置保证控制器在震动环境下 稳定工作。其中控制电路板由直流电源模块、通信模块、控制高速开关阀的 p w m 发生驱动电路等组成，检测电路板由测试机器人转向机构偏转角及旋 转角的码盘电路、测量机器人前进距离传感器接口电路，冲击力检测电路组 成。机器人控制器结构设计上遵循可靠、体积小、重量轻的思想矧。控制及 检测电路板以a t 8 9 s 5 2 单片机为核心，检测电路板将采集到的各传感器信号 发送给上位机。上位机根据接收到的数据及数字罗盘的反馈信号进行路径规 划，并将规划的结果、初始化参数和动作指令发送到下位机控制电路，驱动 机器人的冲击机构和转向机构从而控制机器人按预定轨迹完成穿孔作业。机 器人控制系统的总体框图如图3 2 所示。 本文研究中“穿地龙”机器人的下位机控制及检测系统中所要实现的功 能如下： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 l 、控制电路 ( 1 ) 五路数字输出，输出的p w m 数字信号为冲击机构及转向机构的二 位二通、二位三通高速开关电磁阀提供开关控制的信号； ( 2 ) 接收上位p c 机数据的通信模块： ( 3 ) 存储和运行系统的实时控制程序的存储模块 2 、检测电路 ( 1 ) 三路数字输入，分别对偏转码盘、旋转码盘、及测距码盘进行数据 采集、转换、计算与处理； ( 2 ) 一路模拟输入。采集测力传感器输入的模拟信号经过转换、计算发 送给上位机； ( 3 ) 发送上位p c 传感器信号的通信模块； ( 4 ) 存储和运行系统的实时控制程序的存储模块。 图3 2 “穿地龙”机器人控制系统总体框图 哈尔滨工程大学硕士学位论文 宣i i i i 宣i 宣i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 膏i i | i i l一 3 3 穿地龙机器人控制系统硬件设计 3 3 1 高速开关阀控制驱动电路设计 “穿地龙”机器人冲击频率、偏转角、旋转角的油路由高速开关电磁阀 控制。高速开关阀是用数字信号来控制的数字阀，因数字阀只有o n ，0f f 两 种工作状态，其开关靠高低电平来驱动，不需经d a 转换具有良好的数控性 能洲。易于与微控制器结合实现数字控制。 采用数字式控制时要对脉冲控制信号进行调制。由高速开关阀组成的系 统通常采用时间比率式脉冲调节来达到流量控制的目的，所谓就是常用的脉 宽调制( p w m p l l l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 的。脉宽调节控制方法是通过改变占 空比f 。t ，使一个周期时间t 内输出的平均值与相应时刻采样得到的信号成 比例，通过调节占空比f 。t 可以控制系统的频率及流量嗍高速开关阀的脉 宽调制( p w 0 控制系统工作原理如图3 3 所示。 图3 3 高速开关阀控制系统原理图 l 、p w m 信号输出电路设计 这里使用了8 9 s 5 2 单片机和两片外部计数器8 2 5 3 ，输出五路p w m 信号， 经功率放大后驱动冲击及转向机构的五个高速阀的开关动作，单片机主要任 务是对专用计数芯片进行片选、数据读写和中断控制，以及完成控制算法， 在输出控制指令时。由于使用了外部计数器芯片，单片机只需要向8 2 5 3 的寄 存器中控制脉宽的计数值，计算器能自动根据计数值调节o u l l d 、o u t l 、 0 u r 2 电平的高低变化，从而模拟p w m 信号输出。p w m 信号输出电路如图3 4 所示： 单片机的p 2 5 、p 2 6 、p 2 7 片选信号，通过7 4 l s l 3 8 选择所需控制的计数 哈尔滨工程大学硕士学位论文 器，p 2 4 、1 2 3 为地址线，分别连接8 2 5 3 的a 0 、a 1 ，a 0 、a 1 是8 2 5 3 的寄存器 图3 4 p w m 信号输出电路原理图 地址，单片机通过对8 2 5 3 的a 0 、a 1 的选择，确定对8 2 5 3 的控制字的写入以及 对寄存器计数值的设定、读取，8 2 5 3 的控制字如表3 2 所示刚： 表3 28 2 5 3 寄存器地址 a 1a 0 寄存器 oo 计数器0