秦蒙，陳良培

(1.重慶電力高等?？茖W(xué)校信息工程學(xué)院，重慶 400053；2.中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院光電工程技術(shù)中心，廣東深圳 518055)

0 前言

21世紀(jì)以來我國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，針對災(zāi)后救援、破拆、礦山開采等高危環(huán)境所需拆除作業(yè)機(jī)器人迅速提升。瑞典的BROKK、日本的TMSUK及國內(nèi)的驚天液壓等都開發(fā)了專門的產(chǎn)品用于彌補(bǔ)市場的空白。在破拆機(jī)器人向功能化、規(guī)范化、系列化發(fā)展的過程中，對系統(tǒng)動態(tài)特性、位置精度、能耗等諸多方面提出了更為嚴(yán)苛的需求。

針對控制精度，劉漢杰采用具有參數(shù)自整定功能的單神經(jīng)元PID控制策略對液壓缸位置閉環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化；崔慧娟采用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制液壓活塞運(yùn)動，提高位置精度。針對能耗回收，夏連鵬等對挖掘機(jī)大臂提出了三腔液壓缸的設(shè)計(jì)，通過連接蓄能器實(shí)現(xiàn)了能量回收利用；李培等人設(shè)計(jì)了一種由換向閥、液壓馬達(dá)、發(fā)電機(jī)和蓄電池等構(gòu)成的能量回收系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了大臂能量回收。上述研究僅單一地提升了系統(tǒng)位置精度或者回收了能耗，未充分考慮整機(jī)的動態(tài)特性及相互之間的耦合關(guān)系。

為了充分驗(yàn)證耦合設(shè)計(jì)對系統(tǒng)位置精度和動態(tài)特性的影響，作者首先基于ADAMS軟件建立破拆機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)，然后基于AMESim軟件搭建常用的閥前補(bǔ)償負(fù)載敏感系統(tǒng)驅(qū)動破拆機(jī)器人；通過將油缸位移反饋到控制器建立基于PID的閉環(huán)位置誤差補(bǔ)償控制策略，通過對大臂進(jìn)行驅(qū)動缸和平衡缸的雙液壓缸驅(qū)動設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)大臂重力勢能的回收再利用；最后通過ADAMS-AMESim軟件之間的接口建立破拆機(jī)器人機(jī)-電-液耦合一體化的虛擬樣機(jī)，基于聯(lián)合仿真模型對系統(tǒng)的耦合動態(tài)特性及能耗展開分析。

1 破拆機(jī)器人虛擬樣機(jī)

為了計(jì)算液壓系統(tǒng)的動態(tài)特性和真實(shí)的運(yùn)動規(guī)律，計(jì)算破拆機(jī)器人在運(yùn)動至極限工況作業(yè)狀態(tài)下各油缸、伺服閥的工作狀態(tài)和整個(gè)過程的位置精度等，須建立破拆機(jī)器人的精確虛擬樣機(jī)進(jìn)行仿真分析和性能驗(yàn)證?；赟olidWorks軟件建立某型號破拆機(jī)器人三維模型如圖1所示，全機(jī)采用液壓驅(qū)動,動力強(qiáng)勁。主要結(jié)構(gòu)分為4個(gè)部分：履帶式移動平臺、大臂、二臂及末端的破拆臂和破碎錘。破碎錘通過末端多功能快速轉(zhuǎn)接平臺進(jìn)行連接，可完成多方向破拆作業(yè)。

圖1 破拆機(jī)器人整機(jī)

破拆機(jī)器人聯(lián)合仿真虛擬樣機(jī)搭建采用ADAMS動力學(xué)仿真軟件完成，通過將三維模型導(dǎo)入ADAMS并設(shè)置零件材料屬性、各部件之間的約束關(guān)系、負(fù)載、驅(qū)動等參數(shù)完成虛擬樣機(jī)基本設(shè)置。根據(jù)輸入輸出關(guān)系完成聯(lián)合仿真接口設(shè)置，導(dǎo)出接口文件，為基于AMESim主控的聯(lián)合仿真做準(zhǔn)備。

2 破拆機(jī)器人液壓系統(tǒng)

破拆機(jī)器人液壓系統(tǒng)對整機(jī)的的工作性能起到?jīng)Q定性作用，工程機(jī)械的繁榮助推液壓傳動技術(shù)不斷發(fā)展，取得了長足進(jìn)步。目前工程機(jī)械常用的液壓系統(tǒng)主要包括閥控和泵控系統(tǒng)兩種，使用較多的為閥控液壓系統(tǒng)。自20世紀(jì)60年代恒功率變量泵的問世解決了工程機(jī)械柴油機(jī)易出現(xiàn)高功率過載問題后，出現(xiàn)了多種液壓控制系統(tǒng)，包括HITACH公司采用的正流量系統(tǒng)和國內(nèi)常用的負(fù)流量控制系統(tǒng)等。90年代以后主要以負(fù)載敏感系統(tǒng)為主。負(fù)載敏感系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)根據(jù)負(fù)載壓力調(diào)控負(fù)載敏感泵的敏感腔和LS閥，使泵出口壓力和流量根據(jù)負(fù)載需求實(shí)時(shí)變化，大大降低系統(tǒng)的能耗。負(fù)載敏感系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、泵輸出壓力與系統(tǒng)最大負(fù)載相適應(yīng)的特點(diǎn)，應(yīng)用十分廣泛，為此作者采用負(fù)載敏感原理建立破拆機(jī)器人的液壓系統(tǒng)。

2.1 負(fù)載敏感系統(tǒng)原理

圖2所示為閥前補(bǔ)償負(fù)載敏感系統(tǒng)的原理。工作過程：首先通過梭閥2篩選出各執(zhí)行器的最大負(fù)載壓力，傳遞給負(fù)載敏感泵的LS閥；然后基于LS閥和變量缸的自適應(yīng)調(diào)節(jié)能力調(diào)節(jié)變量泵的出口壓力和流量，始終高出負(fù)載所需最大壓力Δ。通過設(shè)定Δ的大小可實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力和流量與執(zhí)行器負(fù)載壓力和流量，最大限度地節(jié)約系統(tǒng)能耗。在不考慮流量飽和的狀態(tài)下，由小孔節(jié)流原理可知，流過圖2中元件3的流量為

圖2 閥前補(bǔ)償負(fù)載敏感系統(tǒng)

(1)

(2)

式中：、為流量系數(shù)；、為元件3的開口面積；Δ、Δ為元件3前后壓差；表示液壓油密度。

式(1)(2)中，液體流量系數(shù)和油液密度可認(rèn)為是不變的，因此當(dāng)元件3前后壓差Δ相等，則流過元件3的流量僅與元件3的開口面積有關(guān)，如果元件3前后壓差相等且恒定，即：

Δ=Δ=

(3)

則流過元件3的流量僅與過流面積和有關(guān)，通過比例控制閥口開度即可實(shí)現(xiàn)對執(zhí)行器的比例控制。LS負(fù)載敏感系統(tǒng)采用定差減壓閥作為壓力補(bǔ)償閥，保持元件3兩端壓力差恒定，根據(jù)定差減壓閥的工作原理可知：

Δ=-=

(4)

Δ=-=

(5)

式中：、為元件3進(jìn)口壓力；、為元件3的出口壓力。通過設(shè)定壓力補(bǔ)償閥彈簧壓力使得Δ=Δ=，實(shí)現(xiàn)對單泵多執(zhí)行器系統(tǒng)的運(yùn)動控制。

2.2 基于PID閉環(huán)位置誤差補(bǔ)償

由于采用開環(huán)直接控制元件3開合的方法，無法實(shí)現(xiàn)破拆機(jī)器人精確的定點(diǎn)定位作業(yè)任務(wù)，且由于油缸和各控制閥的油液細(xì)微泄漏無法避免，導(dǎo)致靜態(tài)末端位置的蠕變,進(jìn)一步影響作業(yè)精度。為此，基于閥前補(bǔ)償負(fù)載敏感系統(tǒng)工作特點(diǎn)，將各油缸位移信號通過位移傳感器反饋到控制器與目標(biāo)位置信號做差,再通過PID進(jìn)行位置誤差信號的整定，實(shí)現(xiàn)對油缸的閉環(huán)位置控制，提高破拆機(jī)器人作業(yè)位置精度和穩(wěn)定性，補(bǔ)償由于泄漏等外界因素造成的各油缸定位誤差。

2.3 雙液壓缸節(jié)能原理

由于單泵多執(zhí)行器負(fù)載敏感系統(tǒng)泵輸出壓力僅與系統(tǒng)最大負(fù)載相適應(yīng)，對于此研究所述破拆機(jī)器人大臂負(fù)載明顯高于其余各臂，系統(tǒng)最大壓力與大臂所需負(fù)載壓力相適應(yīng)，導(dǎo)致其余各臂在壓力補(bǔ)償閥上壓力損失較大，不僅浪費(fèi)能量增加油耗，而且還會產(chǎn)生系統(tǒng)過熱，減小元器件的使用壽命。

為此，開發(fā)一種大臂雙液壓缸節(jié)能控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。大臂雙液壓缸從工作原理上分為主驅(qū)動缸和重力負(fù)載平衡缸，驅(qū)動油缸和平衡油缸并排放置于大臂兩側(cè)，共同支撐大臂及其余各臂的重力。大臂的精確運(yùn)動位置由大臂驅(qū)動缸進(jìn)行控制，重力負(fù)載平衡缸主要作用是平衡大臂過剩的重力勢能，通過將重力負(fù)載平衡缸與單向閥和蓄能器相連實(shí)現(xiàn)對大臂重力勢能的回收再利用。工作過程如下：當(dāng)大臂下降時(shí)，單向閥關(guān)閉，大臂平衡缸無桿腔向蓄能器儲能；當(dāng)大臂上升時(shí)，蓄能器內(nèi)的高壓油釋放輔助推動大臂平衡缸運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)大臂一個(gè)伸縮工況內(nèi)的能量回收再利用。

圖3 雙液壓缸大臂能量回收模型

3 破拆機(jī)器人機(jī)電液一體化建模

通過將第1節(jié)建立的某型破拆機(jī)器人ADAMS虛擬樣機(jī)模型導(dǎo)入AMESim軟件可完成機(jī)械系統(tǒng)的建模?；诘?節(jié)破拆機(jī)器人液壓系統(tǒng)閉環(huán)控制和雙液壓缸節(jié)能設(shè)計(jì)原理，采用AMESim軟件的液壓元件庫和HCD庫搭建液壓系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)模型。將機(jī)械系統(tǒng)模型與液壓系統(tǒng)模型通過輸入輸出接口建立聯(lián)系，最終完成破拆機(jī)器人機(jī)電液一體化聯(lián)合仿真模型，如圖4所示。其中最上部為機(jī)械系統(tǒng)導(dǎo)入模型，中間為閥前補(bǔ)償負(fù)載敏感系統(tǒng)和雙液壓缸節(jié)能系統(tǒng)模型，最下部為負(fù)載敏感泵模型。聯(lián)合仿真系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)置如表1所示。

圖4 破拆機(jī)器人機(jī)電液一體化仿真模型

表1 模型關(guān)鍵參數(shù)

4 動態(tài)性能及能耗分析

基于ADAMS和AMESim建立的機(jī)電液一體化模型對破拆機(jī)器人動態(tài)特性進(jìn)行研究。設(shè)置AMESim為仿真主控窗口，設(shè)置聯(lián)合仿真時(shí)間為18 s,采樣時(shí)間間隔為0.01 s。基于最遠(yuǎn)極限位姿破碎作業(yè)工況設(shè)置運(yùn)動路徑。運(yùn)動過程為：首先破拆機(jī)器人多臂協(xié)同運(yùn)動到最遠(yuǎn)破碎位姿,然后展開作業(yè)，最后返回初始位姿。通過多臂協(xié)同運(yùn)動驗(yàn)證系統(tǒng)的動態(tài)特性與工作性能。

4.1 基于PID的閉環(huán)動態(tài)特性分析

首先對破拆機(jī)器人基于PID的位置閉環(huán)誤差補(bǔ)償進(jìn)行研究，設(shè)置各液壓缸的驅(qū)動信號如圖5所示。通過各臂油缸的分步協(xié)同運(yùn)動驗(yàn)證整個(gè)液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性和位置精度。在虛擬樣機(jī)仿真結(jié)束后，從AMESim調(diào)取大臂油缸、二臂油缸、破拆臂油缸及比例閥和負(fù)載敏感泵的壓力、流量、功率能耗等參數(shù)曲線如圖6—圖12所示。

圖5 驅(qū)動信號 圖6 活塞桿伸縮位移曲線

圖7 油缸及泵壓力曲線 圖8 泵輸出與油缸壓差

圖9 各臂流量曲線 圖10 泵輸出流量曲線

圖11 各油缸功率曲線 圖12 泵與各油缸功率曲線

由圖6—圖12可得：起始階段1～4 s，大臂、二臂和破拆臂油缸依次開始運(yùn)動，將破碎錘運(yùn)送到最遠(yuǎn)作業(yè)位姿，驗(yàn)證系統(tǒng)動態(tài)特性和抗流量飽和能力。從仿真結(jié)果可知：在給定的各臂運(yùn)動速度下，整個(gè)液壓驅(qū)動系統(tǒng)穩(wěn)定性較高，各臂油缸的流量、壓力呈現(xiàn)出衰減性波動，并逐漸穩(wěn)定到設(shè)定值。泵輸出壓力和流量可實(shí)時(shí)根據(jù)系統(tǒng)最大負(fù)載壓力和多臂協(xié)同流量總和進(jìn)行實(shí)時(shí)自我修正，工作性能良好。

停止階段5～8 s，大臂、二臂和破拆臂油缸依次到達(dá)設(shè)定位置區(qū)域并停止運(yùn)動，通過調(diào)節(jié)PID參數(shù)可設(shè)定停止速度和位置精度。通過仿真結(jié)果可得：經(jīng)過PID整定后，各臂油缸緩慢接近目標(biāo)點(diǎn)并最終穩(wěn)定地停在設(shè)定位置，各臂油缸的位置誤差小于1 mm，精度較高。泵輸出壓力和流量根據(jù)各臂油缸的停止依次減小輸出，實(shí)時(shí)有效地跟蹤了負(fù)載需求。

回程啟停階段8～18 s的液壓系統(tǒng)系統(tǒng)動態(tài)特性與起始階段類似，不再贅述。

破拆機(jī)器人極限位姿多臂復(fù)合動作聯(lián)合仿真結(jié)果表明：基于PID的油缸位置閉環(huán)誤差補(bǔ)償系統(tǒng)效果良好，有效避免了油液泄漏和人工操作等造成的位置誤差，易于實(shí)現(xiàn)精確數(shù)字化控制。大臂、二臂及破拆臂油缸壓力和流量均出現(xiàn)衰減性振蕩并快速穩(wěn)定到設(shè)定值，動態(tài)特性良好。泵輸出的壓力和流量可快速自適應(yīng)跟隨負(fù)載的需求，從而降低了系統(tǒng)能耗，避免油液過熱造成污染?；贏DAMS和AMESim仿真軟件實(shí)現(xiàn)破拆機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)與液壓系統(tǒng)的聯(lián)合,可精確模擬系統(tǒng)各部件的動態(tài)特性和整個(gè)系統(tǒng)的工作性能，提高了仿真精度和設(shè)計(jì)工作效率。

4.2 基于雙液壓缸的大臂能量回收分析

為了更好地驗(yàn)證大臂雙液壓缸能量回收系統(tǒng)的效果，設(shè)定大臂單獨(dú)的伸縮運(yùn)動位移曲線如圖13所示，設(shè)定蓄能器體積為10 L，充液起始壓力為55 MPa，仿真結(jié)果如圖14—圖18所示。

圖13 大臂位移曲線 圖14 大臂油缸輸出力曲線

圖15 蓄能器體積變化曲線 圖16 蓄能器壓力變化曲線

由圖14—圖18可得：第一個(gè)升降工況：0～9 s大臂下降階段，大臂及前端機(jī)械臂的重力勢能存儲到蓄能器內(nèi)，蓄能器充液，壓力升高，在備壓作用下，機(jī)械臂自重主要由平衡缸承擔(dān)，驅(qū)動缸僅需很小的驅(qū)動力即可推動大臂完成油缸收縮運(yùn)動控制；10～17 s大臂抬升階段，蓄能器壓力釋放，輔助大臂驅(qū)動缸完成抬升作業(yè)。蓄能器下設(shè)單向閥補(bǔ)償蓄能器泄漏等造成的影響防止吸空，同時(shí)又阻止了平衡缸高壓油的泄漏。通過多個(gè)伸縮工況的仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，整個(gè)能量回收再利用過程，油缸速度、壓力平穩(wěn)無多余的抖動現(xiàn)象，動態(tài)特性良好。由圖17可知：伸縮工況下蓄能器儲能功率大概2 kW，相比于圖18大臂單缸無能量回收的伸縮運(yùn)動工況，節(jié)能效率超過60%，可見雙液壓缸節(jié)能系統(tǒng)效果明顯。

圖17 蓄能器存儲功率曲線 圖18 泵輸出功率曲線

5 結(jié)論

針對破拆機(jī)器人高精度和低能耗的耦合技術(shù)需求，提出了基于PID的油缸桿位置反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)和雙液壓缸節(jié)能控制原理。通過ADAMS-AMESim軟件的聯(lián)合仿真，建立了破拆機(jī)器人機(jī)電液一體化的虛擬樣機(jī)模型。通過仿真分析了多臂復(fù)合運(yùn)動狀態(tài)下，基于PID的位置反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)的位置精度和動態(tài)特性，以及基于雙液壓缸大臂能量回收系統(tǒng)的動態(tài)特性和能耗。結(jié)果表明：基于PID的閉環(huán)控制系統(tǒng)位置誤差小于1 mm，有效補(bǔ)償了泄漏等造成的影響且動態(tài)特性良好;雙液壓缸大臂能量回收系統(tǒng)降低泵輸出功率60%以上，使系統(tǒng)更加節(jié)能高效。位置精度與能量回收的耦合控制下動態(tài)穩(wěn)定性較好，為實(shí)際應(yīng)用提供了參考。