機(jī)械手機(jī)器人外文翻譯-作為機(jī)器人手臂的斗輪取料機(jī)建模【中文5561字】【PDF+中文WORD】,中文5561字,PDF+中文WORD,機(jī)械手,機(jī)器人,外文,翻譯,作為,手臂,斗輪取料機(jī),建模,中文,5561,PDF,WORD 【中文5561字】 作為機(jī)器人手臂的斗輪取料機(jī)建模 田天福，IEEE會(huì)員 摘要 - 桶式砂輪回收機(jī)（BWR）已被廣泛用于在散裝物料（即鐵礦石）堆積/回收到采礦業(yè)的堆料上/從堆料中回收。一般而言，目前的BWR是手動(dòng)操作，遠(yuǎn)程操作或自動(dòng)化以簡單地遵循預(yù)定義的軌跡模式。 BWR尺寸非常大，重量很重，價(jià)格昂貴且運(yùn)動(dòng)速度較慢。業(yè)界普遍認(rèn)為，目前的堆垛/回收效率可以大幅提高，從而大量節(jié)省美元。然而，由于BWR總是大量參與生產(chǎn)，并且無法輕松避免為提高效率而進(jìn)行必要的研究和開發(fā)，因此一個(gè)接近真實(shí)的BWR模型對(duì)于開展必要的研究和準(zhǔn)備非常有用并且非常有利。本文介紹了使用Matlab / Simulink對(duì)典型BWR進(jìn)行建模的工作，其中不僅包括典型BWR的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)，還包括來自其接頭的摩擦力，其編碼器分辨率的限制和隨機(jī)干擾以涵蓋未建模的動(dòng)態(tài)。此外，開發(fā)了一種混合控制器，該控制器由基于模型的部分頂部的模糊邏輯控制器組成，以控制BWR的運(yùn)動(dòng)。進(jìn)行模擬，結(jié)果表明令人滿意的性能，并證明所開發(fā)的模型可用于進(jìn)一步研究，以提高相關(guān)生產(chǎn)效率。 索引術(shù)語 - 斗輪回收機(jī)，建模和仿真，控制和模糊邏輯 一． 簡介 澳大利亞礦產(chǎn)業(yè)占私人新資本支出的近四分之一，占全國就業(yè)總?cè)藬?shù)的近8％，其中大部分位于農(nóng)村和偏遠(yuǎn)的澳大利亞，并為澳大利亞政府的稅收和版稅收入貢獻(xiàn)了大量資金[1]。 采礦業(yè)是澳大利亞重要的出口產(chǎn)業(yè)之一。采礦涵蓋了從開采和識(shí)別新礦體到加工，運(yùn)輸和出口的廣泛活動(dòng)。在鐵礦石等散裝物料出口之前，通常按照所需的質(zhì)量和數(shù)量組合堆放在等待回收的港口，并裝船。圖1顯示了關(guān)于鐵礦石流動(dòng)的簡化采礦作業(yè)過程。它顯示了哪兩個(gè)階段的鐵礦石被儲(chǔ)存。在整篇文章中，鐵礦石的目標(biāo)是解釋所提出的研究工作。盡管如此，所提出的工作也適用于采用與BWR類似的機(jī)制的其他散裝材料加工。 庫存主要為散裝物料處理業(yè)務(wù)提供三個(gè)目的：首先，庫存在他們之前和之后的流程中起到緩沖作用，而不會(huì)相互制約。 其次，通過堆放和/或回收混合，可以使用庫存來減少庫存內(nèi)質(zhì)量等級(jí)的變化量。 第三，可以將庫存作為質(zhì)量等級(jí)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的一部分，以減少庫存質(zhì)量等級(jí)差異[2]。 圖1：散裝材料的流動(dòng)[3] 為了堆積鐵礦石以形成庫存并從庫存中回收鐵礦石，BWR通常如圖2所示使用。 圖2：左側(cè)的斗輪回收機(jī)和右側(cè)的斗庫[5] 到目前為止，BWR是手動(dòng)操作，遠(yuǎn)程操作或自動(dòng)化的，以遵循預(yù)定義的簡單軌跡模式，并且在需要時(shí)沒有實(shí)時(shí)自動(dòng)軌跡變化的靈活性。 對(duì)于大多數(shù)當(dāng)前的自動(dòng)化操作，所采用的堆疊/回收算法純粹基于固定的軌跡模式在反應(yīng)模式下操作，而不考慮負(fù)載傳感器是否檢測到阻力。 作為這一邏輯的結(jié)果，BWR可以浪費(fèi)大量時(shí)間來回收空氣。 為了滿足市場需求，為了滿足市場需求，散裝處理設(shè)施被拉伸至機(jī)械限制，能夠以更高效率回收的時(shí)間將會(huì)很有利[4]。 任何知道該領(lǐng)域的人都會(huì)同意，與BWR相關(guān)的操作有更多的領(lǐng)域可以進(jìn)一步開發(fā)，并且效率大大提高，包括BWR運(yùn)動(dòng)控制和為所需的質(zhì)量和數(shù)量組合進(jìn)行堆積/回收軌跡優(yōu)化。 盡管如此，BWR總是嚴(yán)重參與并且在生產(chǎn)中受到限制。為了提高運(yùn)營效率，他們無法在研究和開發(fā)所需的一段時(shí)間內(nèi)幸免于難。因此，盡可能接近實(shí)際系統(tǒng)的BWR仿真模型將是非?？扇〉牟⑶曳浅Ｓ幸?。然后可以在模擬環(huán)境中基于這樣的模型進(jìn)行各種研究，準(zhǔn)備和開發(fā)。在獲得滿意的結(jié)果之前，可以根據(jù)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)對(duì)不同的算法，參數(shù)和程序進(jìn)行嘗試和測試。因此，BWR業(yè)務(wù)的中斷將保持在最低限度，只有通過模擬實(shí)現(xiàn)和調(diào)整新的發(fā)展。 為了模擬一個(gè)典型的BWR，首先，它的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)是描述BWR基本行為和運(yùn)動(dòng)的基本要素。為了使模型更真實(shí)，BWR的許多其他方面應(yīng)該包括從其聯(lián)合摩擦力和聯(lián)合編碼器分辨率限制到用于補(bǔ)償由風(fēng)力等引起的一些未建模動(dòng)力學(xué)和環(huán)境影響的意外干擾。為了在模擬環(huán)境中完成并使模型可行，還需要適當(dāng)?shù)目刂葡到y(tǒng)。 因此，這項(xiàng)研究側(cè)重于使用Matlab / Simulink進(jìn)行BWR的建模工作，以用于未來基于仿真的研究。 在本文中，以下部分組織為：第II節(jié)給出典型沸水堆的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)。 第三部分介紹了摩擦力，編碼器限制和意外干擾的建模。 在第四節(jié)中，介紹了控制器設(shè)計(jì)。 第五部分給出了討論的軌跡和模擬結(jié)果。 最后，結(jié)論和建議在K節(jié)中介紹。 二． BWR的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué) 典型的BWR通常有3個(gè)自由度。 第一個(gè)自由度（軸1）來自線性軌道，可以看到位于BWR的底部，并指出圖3中的紙張。指出紙張的這個(gè)棱鏡軸線由具有 黑點(diǎn)在它。 這個(gè)線性軌跡允許BWR線性移動(dòng)，因此是使用機(jī)器人術(shù)語的棱鏡聯(lián)合。 第二個(gè)自由度（軸2）來自懸臂運(yùn)動(dòng)，使懸臂擺動(dòng)。 該軸由用箭頭指向的垂直線表示。 第三自由度（軸3）來自上下旋轉(zhuǎn)臂的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 指示該紙張的這個(gè)軸線由其中帶有黑點(diǎn)的圓圈表示。 因此，本研究中關(guān)注的典型BWR可以視為PRR（Prismatic-Revolute-Revolute）機(jī)器人手臂。 由于BWR的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)已經(jīng)由作者先前導(dǎo)出和呈現(xiàn)。 在本節(jié)中，最終方程被提取并列出。 推導(dǎo)的細(xì)節(jié)可以在作者以前的工作中找到[4]。 圖3：左側(cè)的斗輪回收機(jī)和右側(cè)的堆料圖 基于這里研究的BWR具有表1中列出的參數(shù)和（1）中列出的關(guān)節(jié)限制的假設(shè)，其可能隨著不同的BWR將具有不同的參數(shù)而發(fā)生變化，推導(dǎo)出運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)。 表I：BWR的參數(shù) A. BWR運(yùn)動(dòng)學(xué) （2）中顯示了BWR的正向運(yùn)動(dòng)學(xué)： BWR的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)如下面的（3）所示： 其中C表示Cos0，S表示sin。參照?qǐng)D4，ξi是關(guān)于Zi測量的Xi-1和Xi之間的角度。 Zi + 1的距離。di是沿Zi方向測量的Xi-1到Xi的距離。在CP（斗輪中心點(diǎn)）的給定期望（x，y，z）坐標(biāo)達(dá)到的情況下，求解逆運(yùn)動(dòng)學(xué)的序列從3開始，并在獲得d1處結(jié)束。 軸3：旋轉(zhuǎn) 圖4：BWR運(yùn)動(dòng)軸 B.BWR動(dòng)態(tài) 假定每個(gè)鏈路的點(diǎn)質(zhì)量。 一般的聯(lián)合狀態(tài)空間動(dòng)力學(xué)方程可以表示為： 其中M是3X3質(zhì)量矩陣，V是科里奧利/離心力的3X1矢量，G是3X1重力矢量。下面列出了質(zhì)量矩陣和矢量的等式。 三． 建模其他方面 A.摩擦力的建模 第2節(jié)中推導(dǎo)出的動(dòng)力學(xué)方程不包括作用于BWR的所有影響。不包括在這些方程中的最重要的力量是摩擦。對(duì)于在惡劣環(huán)境下工作的大型機(jī)械，多風(fēng)且充滿干燥的鐵礦石顆粒，摩擦力可能相當(dāng)大，可能在移動(dòng)BWR所需的扭矩的10％至20％的范圍內(nèi)。 為了更準(zhǔn)確地建模BWR，模擬摩擦力也很重要。應(yīng)該模擬兩種摩擦力，粘性摩擦和庫侖摩擦。盡管如此，在這項(xiàng)研究中，三個(gè)關(guān)節(jié)的摩擦系數(shù)矢量被設(shè)定為增加量[0.05,0.05,0.05]，這些增加倍數(shù)是關(guān)節(jié)速度產(chǎn)生類似于粘性摩擦力的摩擦力的倍數(shù)。這些增益可以稍后改變，以獲得更準(zhǔn)確的結(jié)果，甚至可以被庫侖和粘滯摩擦力的組合所代替。更完整的動(dòng)態(tài)模型變?yōu)椋? B.編碼器的建模 編碼器通常連接到關(guān)節(jié)以記錄它們的運(yùn)動(dòng)（即關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)了多少度）。然而，它們受限于其解析關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的分辨率。 由于編碼器輸出是離散的，因此分辨率限制會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤。 在本研究中，Simulink中的量化器模塊被用于模擬編碼器有限分辨率導(dǎo)致的離散特性和誤差。 假定所有位置編碼器每轉(zhuǎn)4096位，包括第二和第三（行程和回轉(zhuǎn)）接頭，以及直接連接到非驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向架車輪軸的長行程編碼器。 車輪周長約為2米。 因此，分辨率是360（度）/ 4096 = 0.08789度，相當(dāng)于0.0015334弧度。因此，對(duì)于所呈現(xiàn)的研究，三個(gè)編碼器的量化間隔因此被設(shè)置為0.0015334。 C.干擾模型 為了更逼真地建模，在所有三個(gè)關(guān)節(jié)處施加隨機(jī)干擾力/轉(zhuǎn)矩矢量，其具有在100和-100之間的任意值（對(duì)于棱柱關(guān)節(jié)為kg，對(duì)于旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)為kg-m），具有均值 作為擾動(dòng)系統(tǒng)的零值被引入到控制系統(tǒng)中。 引入這種外部噪音是為了部分地涵蓋由簡化動(dòng)力學(xué)，未經(jīng)模型化的斗輪和斗輪中的挖出材料等造成的模型不準(zhǔn)確性的綜合影響。 四. 控制器設(shè)計(jì) BWR的尺寸很大（即50米長的吊桿，這是一個(gè)連桿的長度），因此它通常緩慢移動(dòng)。 一旦投入生產(chǎn)，幾乎不可能將真正的BWR系統(tǒng)用于改進(jìn)所需的系統(tǒng)研究，如控制器設(shè)計(jì)和優(yōu)化回收軌跡以實(shí)現(xiàn)更高的生產(chǎn)效率。 然而作者的意圖是在本研究中對(duì)BWR進(jìn)行合理的建模，用于未來需要的研究，而不占用寶貴的生產(chǎn)時(shí)間，直到仿真環(huán)境獲得滿意的結(jié)果。 任何運(yùn)動(dòng)效率提高和能源消耗減少這樣的大型機(jī)械不僅將地球友好，而且最終轉(zhuǎn)化為美元節(jié)省。 由于BWR的真實(shí)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，如圖2所示，并且本研究不容易獲得，所以連接的質(zhì)量分布因此被簡化并假定為點(diǎn)質(zhì)量，其應(yīng)該仍然適用于構(gòu)建 合理的模型。 在作者以前的調(diào)查[4]中詳細(xì)描述了點(diǎn)群的位置。 在作者以前的工作中，開發(fā)了基于模型的控制器。 然而，基于模型的控制器的性能除了需要找到適當(dāng)?shù)脑鲆嬷?，確實(shí)對(duì)模型錯(cuò)誤和意外干擾敏感。 在這項(xiàng)工作中，基于（6）中提出的簡化動(dòng)力學(xué)，基于模型的部分之上的模糊邏輯回路被用于控制BWR和改善其運(yùn)動(dòng)性能，如位于紙末端的圖5所示，以具有較大的尺寸。 包含摩擦力的導(dǎo)出簡化動(dòng)力學(xué)在Simulink / Matlab模型中被實(shí)現(xiàn)為如圖5所示的'系統(tǒng)'。除摩擦之外，相同的一組方程也被分解為質(zhì)量塊'M'和其他'V + G'沒有'F'。 這種安排只包括系統(tǒng)工廠中的摩擦力，但不包括基于模型的部分。 這種安排代表了控制回路中系統(tǒng)的非模型化方面，它更接近工廠的現(xiàn)實(shí)生活模型（圖5中的“系統(tǒng)”）。 這種安排會(huì)給控制器造成更大的負(fù)擔(dān)，以處理這種未建模的動(dòng)態(tài)。 在未來的研究中，系統(tǒng)中的摩擦塊（F）和控制回路中的摩擦塊（F）可以具有不同的摩擦系數(shù)來表示摩擦系數(shù)的不準(zhǔn)確估計(jì)。 在這個(gè)呈現(xiàn)的模糊邏輯控制中使用了兩個(gè)重要的參數(shù)，旨在使BWR更好地遵循期望的軌跡。 一個(gè)是顯著誤差（e），另一個(gè)是顯著誤差變化率（ec）。 e和ec不是關(guān)鍵，而是近端數(shù)值參數(shù)。 模糊邏輯的輸入是錯(cuò)誤和錯(cuò)誤的變化率。 假設(shè)兩個(gè)參數(shù)都在[-3，3]的范圍內(nèi)，如果需要，以后可以更改。 輸出信號(hào)范圍假定為[-4.5,4.5]，信號(hào)分為{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}其中N代表負(fù)數(shù)，B代表大，M代表中等，S代表小，P代表正數(shù)。 在這項(xiàng)工作中，三個(gè)模糊邏輯組分別安排在3個(gè)軸上，如圖5所示。邏輯規(guī)則總結(jié)在表2中。 圖5：具有基于模型的部分的模糊邏輯控制器 表二：邏輯規(guī)則 五． 軌跡模擬與討論 在這里，假設(shè)BWR需要通過兩個(gè)中間點(diǎn)從初始位置移動(dòng)到最終位置，例如從儲(chǔ)存回收材料。 假設(shè)通過所有點(diǎn)的速度為零這項(xiàng)研究。 從（0，y，z）格式的幀0觀察到的那些點(diǎn)的位置和所需的時(shí)間是： 初始位置： 第一中間位置： 第二中間位置： 最后的位置： 首先應(yīng)用逆運(yùn)動(dòng)學(xué)來找到那些期望位置的對(duì)應(yīng)關(guān)節(jié)角度。 然后使用三次多項(xiàng)式產(chǎn)生通過所需點(diǎn)的所需軌跡（位置，速度和加速度）[4]。 C.模擬和討論 在這項(xiàng)研究中，三個(gè)環(huán)節(jié)的質(zhì)量假定為：m1 = 2000 公斤; m2 = 2500公斤;和m3 = 2500公斤。當(dāng)更準(zhǔn)確的值可用時(shí)，可以輕松更改這些權(quán)重。 圖6示出了模擬BWR的期望和實(shí)際位置軌跡，其中6-a示出了所有三個(gè)關(guān)節(jié)的期望位置軌跡。 6-b顯示了所有三個(gè)關(guān)節(jié)的實(shí)際位置軌跡。圖7-a顯示了所有三個(gè)關(guān)節(jié)的期望速度軌跡。圖7-b顯示了所有三個(gè)關(guān)節(jié)的實(shí)際速度軌跡。黃色線用于棱鏡接頭1，接頭2用粉紅色線，接頭3用藍(lán)色線。 從圖6中可以看出，BWR已成功地根據(jù)需要正確地通過所有點(diǎn)。所引入的編碼器限制，摩擦力以及在所有三個(gè)關(guān)節(jié)處施加的意外的隨機(jī)干擾都給控制器增加了額外的負(fù)擔(dān)，該控制器似乎已經(jīng)合理地處理好了，但在實(shí)際軌跡上觀察到一些波紋。 （6-a）所需位置（x軸是以秒為單位的時(shí)間，y軸是以米為單位的聯(lián)合距離或以弧度表示的聯(lián)合角度 （6-b）實(shí)際位置（x軸是以秒為單位的時(shí)間，y軸是以米為單位的關(guān)節(jié)距離或以弧度為單位的關(guān)節(jié)角度 圖6：關(guān)節(jié)空間中BWR的位置軌跡 （7-a）所需速度（x軸是以秒為單位的時(shí)間，y軸是以米/秒為單位的關(guān)節(jié)距離或以弧度/秒為單位的關(guān)節(jié)角度 （7-b）實(shí)際速度x軸是以秒為單位的時(shí)間，y軸是以米/秒為單位的關(guān)節(jié)距離或以弧度/秒為單位的關(guān)節(jié)角度 圖7：關(guān)節(jié)空間BWR的速度軌跡 （7-a）所需的加速度（x軸是以秒為單位的時(shí)間，y軸是以米/秒^ 2為單位的關(guān)節(jié)距離或以弧度/秒^ 2為單位的關(guān)節(jié)角度 （8-b）實(shí)際加速度（x軸是以秒為單位的時(shí)間，y軸是以米/秒^ 2為單位的關(guān)節(jié)距離或以弧度/秒^ 2為單位的關(guān)節(jié)角度 圖8：關(guān)節(jié)空間BWR的加速軌跡 圖7-b所示的實(shí)際速度軌跡輪廓基本上遵循圖7-a所示的期望軌跡的輪廓。 然而，圖6-b所示的小波紋與較大的速度開關(guān)有關(guān)，如圖7-b所示。 這實(shí)際上導(dǎo)致期望和實(shí)際加速軌跡之間的差異更大。 進(jìn)一步的調(diào)查顯示，圖6中的這種紋波和圖7中的開關(guān)行為主要是由應(yīng)用的模糊邏輯控制引起的。 圖9顯示了模糊邏輯控制信號(hào)輸出，用于控制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)。 即使平均值非常接近期望的加速軌跡，控制信號(hào)也會(huì)復(fù)制類似于數(shù)字開關(guān)的開啟狀態(tài)（正向最大值或負(fù)向最大值）或關(guān)閉（零）。圖10顯示了位置，速度和加速度誤差。 它們的最大誤差分別是0.25弧度，0.013弧度/秒和0.0016弧度/秒/ 2。 從圖中可以看出，軸3具有最多的控制問題需要進(jìn)一步改進(jìn)。 圖9：來自模糊邏輯的輸出控制信號(hào) 圖10：位置，速度和加速度誤差（從左到右） 盡管BWR非常沉重，并且在線性軌道上以每分鐘1米的速度緩慢移動(dòng)，但該研究仍然將點(diǎn)之間的行程時(shí)間縮短。 因此，這對(duì)控制器設(shè)計(jì)提出了極其苛刻的要求，以實(shí)現(xiàn)所需的運(yùn)動(dòng)。 六． 結(jié)論和未來工作 本文介紹了使用Matlab / Simulink將典型的BWR作為大型機(jī)器人臂進(jìn)行建模的工作，其中不僅包括典型BWR的運(yùn)動(dòng)學(xué)和簡化動(dòng)力學(xué)，還包括來自其接頭的摩擦力，其編碼器分辨率的限制，和意想不到的隨機(jī)干擾來覆蓋未建模的動(dòng)態(tài)。此外，開發(fā)了一種混合控制器，該控制器由基于模型的部分頂部的模糊邏輯控制器組成，以控制BWR的運(yùn)動(dòng)。仿真結(jié)果表明，所提出的模型可以進(jìn)一步改進(jìn)（即使用庫侖和粘性摩擦力更精確地模擬摩擦力），并用于未來的研究，包括一些基本的與BWR相關(guān)的仿真，如軌跡規(guī)劃和控制器開發(fā)。盡管如此，仍有許多數(shù)據(jù)需要收集和完成。一個(gè)明顯的領(lǐng)域是本研究中設(shè)計(jì)的模糊邏輯控制系統(tǒng)。盡管模糊邏輯對(duì)動(dòng)態(tài)參數(shù)的不確定性較不敏感，但仍然有很多需要改進(jìn)的地方，包括產(chǎn)生非開關(guān)的控制信號(hào)。 致謝 作者要感謝澳大利亞研究委員會(huì)通過ARC Linkage LP0989780贈(zèng)款獲得的資金支持以及阿德萊德大學(xué)礦產(chǎn)和能源資源研究所的資助。 參考 [1]澳大利亞礦物委員會(huì) - 工業(yè)論壇2006年2月[2] G.K. 羅賓遜，“混合堆積會(huì)減少多少 變異？“化學(xué)計(jì)量學(xué)和智能實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)，74（2004）121-133 [3] P. Phil，“Bhpbilliton采礦作業(yè) - 鐵礦石”，2006年電力展示 [4] T.F. Lu“準(zhǔn)備將斗輪取料機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)器人手臂”，IEEE國際機(jī)器人與仿生學(xué)會(huì)議（ROBIO 2008），2009年2月22 - 25日，泰國曼谷 [5] http://www.bulk-material-handling.info/english/Products訪問（2008年7月30日） [6] J. Craig，“機(jī)器人導(dǎo)論 - 機(jī)電一體化和控制”，第2版，Addison Wesley，1989