多关节液压臂架实时控制软件的设计与实现-.pdf

第 l 1 卷第 3期 2 0 1 3年 6月 中国工程机械学报 C H I NE S E J OU R N A L O F C ON S T R U C T I O N MA C HI NE R Y Vo l _ 1 1 No ． 3 J u n ．2 0 1 3 多关 节液压臂 架实时控 制软件 的设计与 实现 胡 敏 ， 梁聪慧， 郑庆华 ， 李宇力 中联重科股份 有限公 司， 湖南 长沙4 1 0 0 1 3 摘要 针对工程机械产品中大型多关节液压机械臂对运动控制智能化的需求， 设计并实现了基于 R T - L i n u x的 大型多关节液压机械臂实时控制系统软件． 该软件基于先进的伪逆运动控制算法和轨迹优化算法， 能够实现多 关节臂架末端精确和平滑的运动控制、 臂架一键展开收缩和运动轨迹记忆等功能， 以及三维模型人机交互和参 数的实时显示． 测试结果表明， 该软件具有较好的可靠性和实时性， 易于操作 ， 能够满足对大型多关节液压机械 臂实时运动控制的需要． 关键词多关节液压机械臂； 逆运动学控制 ； 实时控制系统；R T - L i n u x 中图分类号T P 2 4 1 ． 2 文献标志码 A 文章编号 1 6 7 25 5 8 1 2 0 1 3 0 3 0 2 4 3 0 5 T、 ■ 1 ■ l - - ● ■ - 1 J n J Je si gn and I m pl e m e nt at i on 0n r ea1 - t i m e C Ont r O1 S Ot t W ar e t ot h y d r a u l i c mu l t i - j o i n t b o o ms HUMi n， L I A NG C o n g - h u i ， Z HE NG Q i n g - h u a，L I Y u l i Zo o mLi o n He a v y I n d u s t r y S c i e n c e An d Te c h n o l o g y De v e l o p me nt C o ．， Lt d． ， Ch a n g s h a 41 0 01 3， Ch i n a Ab s t r a c t O wi n g t o d e ma n d s o n i n t e l l i g e n t mo t i o n a l c o n t r o l f o r l a r g e s c a l e mu l t i j o i n t h y d r a u l i c b o o ms i n c o n s t r u c t i o n ma c h i n e r y，a n RT L i n u x TM b a s e d r e a l t i me c o n t r o l s o f t wa r e，i n c l u d i n g p s e u d o i n v e r s e mo t i o n a l c o n t r o l a n d t r a c k o p t i mi z a t i o n a l g o r i t h ms ，i s d e s i g n e d a n d i mp l e me n t e d ．Ac c o r d i n g l y，t h e f u n c t i o n s ， s u c h a s p r e c i s e a n d s moo t h b o o m- e n d c o n t r o l l i n g， o n e - k e y b o o m o p e n i n g a n d f o l d i n g， mo t i o n a l t r a c k me mo r i z a t i o n， HCI 3 D mo d e l i n g a n d r e a l t i me p a r a me t r i c d i s p l a y i n g， a r e i mp l e me n t e d． Fr o m t e s t i n g r e s u l t s ， i t i s o b se r v e d t h a t t h e s o f t wa r e， wh i c h p o s s e s s e d h i g h r e l i a b i l i t y， r e a l - t i me c a p a b i l i t y a n d e a s e o f o p e r a t i o n ． c a n me e t r e a l t i me c o n t r o l d e ma n d s u p o n l a r g e s c a l e h y d r a u l i c mu l t i j o i n t b o o ms ． Ke y wo r d s h y d r a u l i c mu l t i - j o i n t b o o m；i n v e r s e k i n e ma t i c a l c o n t r o l ； r e a l t i me c o n t r o l s y s t e m； R T L i n u x 在现有工程机械产品 中， 如混凝土泵 车、 混凝 土喷射机、 汽车起重机和液压挖掘机的主要工作装 置均为大型多关节液压机械臂， 如图 1 所示． 它们 具有 自由度数目多、 质量大、 柔度大和惯量大等特 征 ， 在使用过程 中存在操作复杂程度高 、 安 全性要 求高等特点 ， 且长时间工作在复杂 的施工环境下 ， 进行高强度的作业， 对操作的协调性、 准确性、 平稳 性要求很高． 目前多关节液压机械臂的控制为传统的可编 程 逻 辑 控 制 器 P r o g r a mma b l e L o g i c C o n t r o l l e r ， P L C ， P L C 输 出 脉 冲 宽 度 调 制 P u l s e Wi d t h Mo d u l a t i o n ， P V 电流控制液压多路 阀的流量 ， 再 通过液压 马达、 液压 油缸 组合实现各个关 节 的运 动 ， 从而控制臂架末端位置． 由于多关节臂架系统 是多冗余 自由度机构l 1 ] ， 完成同一任务可以以不同 姿态和运动路径来实现 ， 其工作平稳性很大程度取 决于操作工的操 作水平 ， 造成 臂架在加减速 、 启停 过程产生很大的晃动， 且操作复杂且效率低下 ． 实现臂架运动控制的智能化， 在传感器信号处 理 ， 控制算法实时解算等方面对控制器的资源和计 算能力提出了较高的要求． 现有的P L C运算速度和 数据处理能力有很大不足， 无法满足高精的运动控 制要求 ． 因此 我们采用载有实 时操作 系统 的工控 机 ． 而在众多实时操作 系统 中， R T L i n u x操作系统 作者简介 胡敏 1 9 8 5 一 ， 女， 硕士． E - m a i l m i c k y h u m i n g m a i l ． c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 中国工程机械学报 第 1 1卷 三次或高阶多项式插值 的柔性加减速控制 方法得 到本运动周期各关节的目标角度值． 点动触发事件 卜 一 l 轨 迹 文 件卜 末 端 运 动 速 高阶 各 轨迹示教 竺 轨 学正、 度 多项式 关 空间直线、 迹 反解 、 插值 节 的 加 给 关键点示教 E l 速 定 标 度 角 点 约 度 位 束 值 末 实际距离 l ‘一 姿 末 设定距离 I _ 图 6 机械臂 架运动控 制模块框 图 Fi g ． 6 St r u c t u r e o f b o o m mo t i o n c o n t r o l mo d ul e 3 ． 3 C A N总线模块 总线结构 图如图 7所示 ， 工控机作为主节 点， 每个倾角传感器作为 1 个节点， 每个 回转编码 器作为 1 个节点 ， 无线摇控接收器作为 1个节点． 图 7 C A N 总线 结构 图 Fi g． 7 CAN b us s t r u c t ur e 商 业 采 购 的 P C I P e r i p h e r a l C o mp o n e n t I n t e r c o n n e c t i o n 总 线 的 板 卡提 供 的驱 动是 L i n u x标准内核下 的设备驱动， 因此要将其 改造成 基于 R T ． L i n u x内核 的驱动程序 ， 并 提供能在 实时 线程调用 的功能 函数 ， 如发送 、 接收 C A N消息 、 配 置 C A N网络等 ， 并提供统一、 标准的操作接 口[ 9 ] ． 驱动模块改造后主要有以下几个部分 1 根据板 卡厂商提供 的设 备 I D， 通 过 p c i f i n d _d e v i c e函数找到正确的设备， 获取 P C I 设备的 资源配置信息 ， 用 p c i e n a b l e d e v i c e实际地激活设 备， 这样驱动程序就可以正常访问P C I 设备资源． 2 通过 r e q u e s t _ me m_ r e g i o n获得 内存地址 ， i o r e m a p 获得 P C I 设备区域的首地址， 并向内核注 册该设备． 3 为实现在 R T L i n u x的实时线程 中通过标 准 P O S I X I ／ 0函数对设备进行操作 ， 在驱动模块 中 定义 自己的文件操作接 口． 4 利用定义的文件操作接口， 在驱动循环函 数 中， 对 C A N端 口进行读写操作． 4 软件测试 本软件测试硬件环境为嵌入式工控机 ， C P U为 I n t e l P e n t i u m M1 ． 4 G， 集成 5 1 2 MB D D R S DR A M， 3 2 G固态硬盘． 操作系统为 u b u n t u l 0 ． 0 4 L i n u x 2 ． 6 内核 R T L i n u x 3 ． 1 ． 五关节臂 架的长度参数 分 别为 1 ， 0 ． 8 ， 0 ． 6 ， 0 ． 4 ， 0 ． 2 ， 0 ． 1 m， 初始角位置值分 另 0 为 0 。 ， 6 0 。 ， 一1 2 0 。 ， 1 2 0 。 ， 一1 2 0 。 ， 1 2 0 。 ， 一1 2 0 。 ． 对该软件进行模拟测试 ， 机械臂末端可 以准确 地跟踪三维空间内的任意 曲线运动 ， 如直线、 圆圈、 任意曲线等． 此外 ， 通过单独点动控制 ， 可以在三维 空间内平滑地 移动机械臂末端 以及臂架的各个关 节． 图 8给出了通过点动控 制机械臂末端 ， 让其在 三维空间内画 四方形 AB C D 的片断截图． 在整个运 动过程中， 机械臂各个臂架问协调 良好 ， 运动平滑． 运动算法解算时间 5 ms ， 满足实时运动要求 ， 各部 分状态参数能够正常显示， 各模块 能很好协 同 工作 ． A≥ A 图 9为臂架末 端在沿着 A B段过程 中， 臂架末 端及各关节在 不 同采样时 间下 的位置、 速 度 曲线 图． 随着臂架末端加速、 匀速 、 减速停 止过程， 通过 三次多项式的柔性加减速控制法， 始终能保证运行 过程中加速度 的连续 、 速度与 时间平滑 ， 使 得机械 臂各个驱动关节的位置及变化 曲线平滑 ， 相对变化 幅度比较小 ， 因此臂架 的运动 特性和液压泵／ 电机 的特性可以很好地配合， 还可以减小加速度过程中 圈 圉 H 一 ／ ， B ． ． ．， ／ ． r ， ， r ～ 一， ． ．． ． ～ 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 期 胡敏， 等 多关节液压臂架实时控制软件的设计与实现 2 4 7 对机械无形的冲击 ， 提高了元气件的使用寿命 2． 5 2．0 1 ． 5 1 ．0 0． 5 0 - 0．5 1 ． 0 1 ． 5 8 3 O 0 2 0 0 1 0 0 O 一 1 0 0 - 2 0 0 -3 0 0 采样时间／ S 0 ． 1 0．9 1 ． 7 2．53． 34 ． 1 4．9 5 ． 7 6． 5 7 ． 3 8 ． 1 采样时间／ S 5 结论 羹 ．．．关节3 二 二 羹 塞 ～一 关节6 6 0 4 0 2 O O - 2 0 - 4 0 -6 0 采样 时间 ／ S 一 关节 l ⋯一 关节2 ⋯ 关节3 一 关节4 ⋯一关节5 一一 关节6 n1 0 ． 71 ． 31 ．9Z51 3 ． 74 ．349 矗56l＆77 ． 3 95 采样 时间 ／ S 图9 臂架末端及各关节位置和速度曲线图 F i g ． 9 P o s i t i o n a n d v e l o c i t y g r a p h o f t i p e n d a n d j o i n t s 本文为实现多关 节液压机械臂平稳 和精 确的 智能化控制 ， 设计并实现 了基 于 R T ． L i n u x的多关 节臂架实时控制系统软件 ． 该软件能够实现多关节 臂架各关节及臂架末端的手动及智能控制 ， 具有三 维实时人机交互功能及数据存储功能． 经过实验测 试分析， 整个软件控制系统不论是控制方式还是控 制效果上相对于传统的 P L C控制系统功能更加 丰 富、 强大， 也满足了臂架实时运动控制的需求， 为下 一 步控制软件在实验样机上的验证奠定 了基础． 参考文献 [1] 邱艳 峰， 于立娟 ， 刘荣 升， 等． 智能 化泵 车臂架 电液操 控技 术 的开发与研究[ J ] ． 机床与液压， 2 0 1 0 1 3 1 0 3 1 0 7 ． Q I U Y a n f e n g ， Y U L ij u a n， L I U R o n g s h e n g ， e t a 1 ． R e s e a r c h o n e l e c t r o h y d r a ul i c c o n t r o l t e c h n olo g y f o r b o o m o f i n t e l l i g e n t p u mp c a r [ J ] ． Ma c h i n e T o o l＆ Hy d r a u l i c s ， 2 0 1 0 1 3 1 0 3 1 0 7． [ 2] 王永青， 刘晓梅． R T L in u x在开放式数控系统中的应用[ J ] ． 制造技术与机床 ， 2 0 0 5 1 2 4 44 7 ． WANG Y o n g q i n g，LI U Xi a o me i ．Op e n - a r c h i t e c ht u r e CNC s y s t e m b a s e d o n I n、L i n u x [ J ] ． M a n u f a c t u r i n g T e c h n o l o g y Ma c h i n e Tool ， 2 0 0 5 1 2 4 44 7． [ 3] 吴晶， 史步海． 基于 E MC 2的数控系统软件架构及通信机制 分析__ J ] ． 组合机床与 自动化加工技术， 2 0 1 0 1 0 4 8 5 1 ． WU J i n g ，S HI B u h a i ． S o f t wa r e a r c h i t e c t u r e a n d c o m mu n i c a t i o n m e c h a n i s m o f C N C s y s t e m b a s e O D E MC 2 E J ] ． Mo d u l a r Ma c h i n e Too l Au t o ma t i c Ma n u f a c t u r i n g Te c h n i q u e ，2 0 1 0 1 0 485 1 ． r 4] H O NE G GE R M， C 0 D 0 U R E Y A． Re d u n d a n c y r e s o l u t i o n o f a car t e s i a n s p a c e o p e r a t e d h e a v y i n d u s t r i a l ma n i p u l a t o r [ J ] ． I CRA 9 8， I n t Co n f o n Ro b o t i c s a n d Au t o ma t i o n， 1 9 9 8 5 1 6 21 ． [5] GI R Ms C HE I D G， MO S E R S ． F u l l y a u t o ma t e d s h o t c r e t e r o bot f o r r o c k s u p p o r t E J ] ． C o mp u t e r Ai d e d C i v i l a n d I n f r a s t r u c t u r e En gine e r i n g， 2 0 01 ， 1 6 2 0 02 1 5． [6] MA C C HE L L I A， ME L C HI R R I C ． A r e a 1 ． t i me c o n t r o l s y s t e m f o r i n d u s t r i a l r o bot s a nd c o nt r o l a pp l ic a t i o n s b a s e d o n r e a l t i m e l i n u x [ C ] ∥1 5 t h T r ie n n i a l Wo r l d Con g r e s s ． B a r c e lo n a I s ． n ． ] ， 2 0 0 2 1 6 ． [7 ] 方海涛 ． 基于 R T AI 的多关节式月球车运动控制研究 I- D] ． 哈 尔滨 哈尔滨工业大学 ， 2 0 0 9 ． F A N G H a i t a o ．R e s e a r c h O D mo t i o n c o n t r o l o f mu l t i j o i n t e d l u n a r r o v e r b a sed o n l A J [ D] ． H a r b i n Ha r b in I n s t i t u t e o f Te c h n o lo g y， 2 0 0 9． [ 8] 李江红 ， 刘炳锋 ， 陈玉春． V x Wo r k s 和 R Tl i n u x的性能测试分 析[ J ] ． 计算机测量与控制， 2 0 0 8 1 0 1 4 0 9 1 4 1 1 ． L I J i a n g h o n g ．L I U B i n g f e n g ，CH E N Y u c h u n ．A n a l y s i s o f per f o r m a n c e o f R T l i n u x a n d V x Wo r k s b a s e d o n t e s t [ J ] ． Co mp u t e r Me a s ur e me n t Co ntro l ， 2 0 0 8 1 0 1 4 0 91 4 1 1 ． [ 9 ] 张鹏， 郭芹． R T L i n u x 下C AN 接口卡驱动程序开发[ J ] ． 硅谷， 2 0 0 9 1 0 67 ． Z H A NG P e n g ， GU O Q i n ． Th e d r i v e r d e v e l o p me n t o f C A N i n t e r f a c e ca r d u n d e r R T L i n u x [ J ] ． S i l i c o n V a l l e y ， 2 0 0 9 1 0 6 7． s ． 眦_ ／ 刹 咖 u I ＼ 割删 一。 一 ＼ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m