基于加速度反馈的煤炭采样机械臂关节控制方法

基于加速度反馈的煤炭采样机械臂关节控制方法

李黎文 

（四川省机械研究设计院（集团）有限公司，四川省成都市，610063）

摘要：为进一步提高煤炭采样的精准度，优化了煤炭采样机械臂设备。本文基于加速度反馈原理分析与加速度反馈的煤炭采样机械臂的结构与工作特点，提出了煤炭采样机械臂运动优化控制的优化方法。研究表明：对于煤炭采样机械臂来说，硬件控制与控制软件相结合更加符合实际情况，本研究为未来对煤炭采样机械臂的分析与结构优化提供借鉴意义。

关键词：加速度反馈；煤炭采样；煤炭采样机械臂；优化控制

煤炭是一种常见的化学原料，主要由煤炭与石油构成。[1]煤炭为社会经济发展提供了主要动力，随着我国经济迅速发展，能源需求越来越大，煤炭交易更加频繁。因为煤炭组成物质较为复杂，其品质也会随着运输、加工环节的变化发生变化。除此之外，不同部门之间的评价标准也不统一，例如，科研部门更加侧重于煤炭的成分。[2]所以，取得典型的煤炭样本至关重要，煤炭采样由此产生。传统人工采样很难具有代表性，且难度强度大、效果不佳。[3]现阶段，随着工业的发展，各个企业所需煤炭量日益增加，对煤炭采样的精准度要求越来越高，基于加速度反馈的煤炭采样机械臂关节控制方法代替人工采样势在必行。

一、加速度反馈原理分析

基于加速度反馈的上反稳瞄系统闭环系统框图如图1所示。

图1 加速度反馈闭环系统框图

如图1所示，代表闭环系统的输入角速率信号，表示速率环控制器，表示加速度环控制器，代表力矩电机传递函数，代表闭环系统的输出角速率信号，为干扰力矩到加速度的传递函数。[4]由图1可知，当加速度闭环时，系统抗扰动能力具体公式如下：

具备加速度闭环后，系统具体公式如下：

其中，表明系统惯性空间中稳定能力较强。

二、煤炭采样机械臂的结构与工作特点

煤炭采样机械臂主要由臂杆、液压驱动、采样头等零件组成。煤炭采样机械臂有五个自由度的机械臂，均可以实现一定的动作。在机械臂的臂架摆动的过程中，移动位置均在有控制的条件下进行的。[5]例如，煤炭采样机械臂的臂架是依赖于关节处的液压缸推动以产生关节的相对转角，进而完成制定的运动轨迹。煤炭采样机械臂的工作步骤较为繁杂，由于煤炭采样机械臂的工作环境较为恶劣，零件磨损强度较大。故煤炭采样机械臂的结构设计需要更加科学合理。

煤炭采样机械臂的结构特点，主要是利用液压缸的伸缩来进行工作，主要借助于大臂油缸、伸缩油缸、小臂油缸、摆动油缸之间的相互配合。[6]基于此，在基于加速度反馈设计煤炭采样机械臂时，不需要考虑机械臂的回转。采样机的核心部件是煤炭采样机械臂。煤炭采样机械臂的工作轨迹是由各液压缸的运动及其相互配合决定。经过复杂的试验，煤炭取样机械手工况有三种主要模式。第一种模式：煤炭取样机械臂的最大采样高度是指伸缩臂完全伸出，每个臂均受到很大的力，特别是伸缩臂与小臂，小臂与水平位置的夹角为53°，如图2.1所示。第二种模式：煤炭采样机械臂最小采样半径，与最大采样高度的工况类似，主要区别在于在这种工况下，伸缩臂可以完全缩回，小臂与水平位置的夹角仍为53°，如图2.2所示。第三种模式，煤炭采样机械手的最大采样半径是起重臂和伸缩臂完全处于水平位置，伸缩臂完全伸出。起重臂与水平位置夹角为0°，伸缩臂受力较大，如图2.3所示。

图2.1

图2.2

图2.3

煤炭采样机械臂对工作环境也是有要求的，并不能在任何工作环境下都可以进行工作。因为在煤炭采样机械臂采样的过程中，载荷的变化也不是一直不变的，其影响因素较多。例如，采样头、煤的质量、液压缸的尺寸等一系列影响因素。[7]但是，当采样臂的结构已经固定好之后，用作图法即可计算出采样臂的包络图。

三、煤炭采样机械臂运动优化控制与仿真

（一）硬件控制

采样机械臂利用的是独立系统，使用基于实时、模块结构化的32位系统与的开发方案。采集机器臂关键状态信号，控制液态阀开口的方向与大小，机械臂需要能够实现对插、推、抓等功能的需求。首先，嵌入式芯片可以选择三星内核的，具体包括、两个时钟控制及三个硬件接口、8个通道、高速缓存、24位外部中断及同步动态随机储存。通过发生主时钟，让处理频率达到，进而实现煤炭采样机械臂运动优化控制。其次，能够之间选择内存2的系列，这样就可以储存在硬件层的。最后，芯片外部围绕着电源管理、时钟、测试接口、复位等一些列零件。电源管理可以使用芯片作为内核传感器分配1.5-5的电源。传感信号可以使用4路异步通信芯片。位姿方位利用型传感器，型传感器的测量分辨率高位0.01度，功耗小于300，通过防护能够进行煤矿采集工作。油缸内位置检测使用型位置传感器，输出为格雷码，重复精度为0.005%。

（二）控制软件

具体包括操作系统服务层、应用层、OEM适配层与硬件层，能够支撑内核的芯片。负责管理硬件通信和系统，具体包括硬件控制代码，实现电源管理、中断等一系列控制。操作系统服务层具体包括对设备的管理和对数据的储存等功能。应用层面则向煤炭采样动作，方便于监控采样工艺。

的软件结构是在内核的基础上构建煤炭采样机械臂控制平台，按规划的运动轨迹，实现闭环控制机械臂动作。

四、结语

本文从硬件控制和控制软件两方面对煤炭取样机械臂进行了优化。研究结果表明，对于煤炭取样机械手，在实际工作条件下外力引起的弹性变形将对整个机械的运行产生显著影响，并将直接影响输出响应。因此，合理使用煤炭取样机械臂十分重要。因此，本文的研究结果能够为今后煤炭取样机械臂结构研究和改进提供理论依据。

参考文献：

[1]江洁，张文辉，叶晓平，蒋理剑.基于ANSYS的煤炭取样机械臂多目标优化设计[J].煤矿机械，2016，37（01）：173-175.

[2]王小刚.煤炭采样机械臂运动优化控制与仿真[J].煤炭技术，2017，36（09）：229-231.

[3]姚芳芳.MATLAB对煤炭采样机械臂传动系统优化设计的应用价值分析[J].煤矿机械，2017，38（05）：190-192.

[4]陈川雄，孔建.煤炭采样机械臂传动系统优化设计及分析[J].煤炭技术，2016，35（02）：259-262.

[5]李龙龙，贺利乐，李姣姣，山涛，李赵兴.基于工作区域划分定位法的煤炭采样机械臂逆运动学分析[J].机械科学与技术，2015，34（09）：1350-1354.

[6]李荣丽.基于刚柔耦合模型采样臂动态仿真研究[J].机械工程师，2015（02）：124-126.

[7]李荣丽，贺利乐.煤炭采样机械臂的刚柔耦合动力学建模与仿真分析[J].机械设计，2013，30（08）：33-36.

李黎文，女（1985.2），汉族，四川成都人，四川省机械研究设计院（集团）有限公司，本科，工程师,研究方向：机械设计