混凝土喷射机智能臂架多关节流量分配技术研究

李育明，梁聪慧，蒲曾坤，胡 敏，吴斌兴（中联重科股份有限公司，湖南长沙410013）

混凝土喷射机智能臂架多关节流量分配技术研究

李育明，梁聪慧，蒲曾坤，胡 敏，吴斌兴
（中联重科股份有限公司，湖南长沙410013）

以混凝土喷射机智能臂架为研究对象，考虑到对臂架末端进行一键操控速度过快时容易出现关节流量饱和，进而使得臂架末端不能按期望的轨迹运动，为此研究并实现了一种流量分配控制技术，通过试验得出阀控指令与流量的对应关系，在输入末端控制指令时计算出流量饱和系数，乘以按逆运动学求解得到的新的关节控制指令，实现了流量的智能分配，进而使得关节流量饱和时臂架末端同样能够按期望的运动轨迹运动.

混凝土喷射机；智能臂架；流量分配

混凝土喷射机是一种用于隧道面、护坡面衬砌施工的特种工程机械.随着国家“十二五”规划的基础设施建设的逐步开展，铁路、高速公路将大规模扩建，隧道和护坡施工将越来越多.混凝土喷射机作为一种喷射施工机械，将得到越来越广泛的应用.

喷射机臂架是一个包括多关节多自由度的系统，用于控制臂架末端的位置以及喷头的方向.混凝土喷射机一般都在光线暗淡、多尘、潮湿等非常恶劣的环境下施工.目前对喷射机臂架的控制大都采用人工手动单关节控制，其操作方法是通过遥控器单独控制臂架各个关节的执行器（油缸或马达），来达到对臂架姿态和臂架末端位置的控制.这种控制方式未涉及到流量分配的控制问题，且是开环控制，故控制精度低，工作效率不高，机手劳动强度大［1］.

随着控制技术以及嵌入式技术的发展，工程机械正朝着智能化的方向发展，喷射机臂架的智能控制将是一个发展趋势.喷射机臂架的智能控制指的是通过遥控器上一个手柄对喷射机臂架末端进行一键操控，同时控制末端的运动速度和运动方向.机手只需操作一个摇杆便可以直接控制臂架喷头的位置，相对现有单关节的控制方式，不仅提高了施工效率，同时也降低了机手的劳动强度.

臂架的智能控制涉及到多关节的复合运动.由于喷射机的臂架泵是一个定量泵，额定排量是固定的，且臂架各个关节的最大需求流量之和远大于泵的额定排量，故在做多关节复合运动时，很有可能出现流量饱和现象，使臂架运动不协调，进而使得末端位置控制不到位.

本文以一种混凝土喷射机多关节臂架作为研究对象，对臂架末端智能控制时多臂联动的流量饱和问题进行了分析，开发了流量分配算法，将其应用于试验样机上效果良好，证明该算法能解除臂架智能控制流量饱和的后顾之忧.

1　研究对象

图1为本研究用到的混凝土喷射机试验样机.它主要包括下车和上车两部分，下车主要是动力传动单元、泵送和添加剂以及臂架的控制单元，上车则主要是臂架系统.该喷射机臂架有10个自由度，其中控制臂架末端位置的有7个自由度（水平滑移关节、水平旋转关节、垂直旋转关节、大臂、二臂、三臂以及伸缩臂），如图2所示；控制喷头方向的有3个自由度（喷嘴左右摆动、喷嘴上下摆动和喷嘴刷动）.

图1　混凝土喷射机Fig.1 Concrete spraying machine

图2　喷射机臂架系统关节组成图Fig.2 Boom system structure of concrete spraying machine

2　流量饱和现象分析

喷射机臂架智能控制系统如图3所示.遥控器作为控制输入端，输入臂架末端的运动控制信号，在控制单元内进行逆运动学求解，得到各个关节的控制指令；另一方面通过臂架传感器检测出各个关节的实际位移和速度，在控制单元内通过闭环控制，输出各个关节对应的阀控指令，驱动各关节执行器动作，最终实现对臂架末端的智能控制.

经试验发现，在遥控器控制臂架末端运动速度较低时，尚能跟踪上指令轨迹；当速度达到一个较大的值时，某些关节就会出现流量不够而跟踪不上指令位移的情况，进而出现臂架的“下掉”现象.

图3　智能臂架控制框图Fig.3 Intelligent boom control diagram

表1是喷射机臂架系统泵的额定流量和各关节阀的额定流量统计.

表1　泵的额定流量和各关节阀的额定流量Tab.1 Relationship between pump’s rated flow and valve’s rated flow of each joint

由表1可以看出，泵的额定流量为44L·m i n-1，远小于各路阀的最大流量总和145L·m i n-1或140L·m i n-1.因此，在多关节复合运动时，末端运动速度过快就有可能导致各个关节的流量需求总和大于泵的额定流量，即出现流量饱和.

现有臂架系统的阀组是L S型系统［1-2］（阀前补偿系统），如图4所示.

图4　L S型系统液压原理图Fig.4 Hydraulic schematic diagram of the LS system

L S型系统的特点之一就是当出现流量饱和时，流量最先供应负载小的地方.因此，必然会出现臂架运动不协调，导致末端运动轨迹跟不上［3］.

图5是臂架末端指令速度为35c m·s-1时来回跟踪直线轨迹的试验效果.可以看出，末端实际轨迹严重偏离指令轨迹.

图5　流量饱和时末端的跟踪效果Fig.5 Tracking effect when flow is saturation

对各关节位移、速度和阀控量的分析发现，二臂是最容易出现流量饱和的关节，图6，7是二臂关节的位移、速度跟踪曲线.

图6　二臂关节位移跟踪效果Fig.6 Displacement tracking effect of the second boom

从图6可以看出，实际位移滞后于指令位移；再通过图7的阀控量曲线可以看出阀控量在很多时候都达到阀的最大控制量250，对应此时的速度跟踪可知，在阀控量为250的区域内，实际速度与指令速度有很大的偏差，这是关节流量饱和的体现，也是导致关节位移跟踪不上的原因所在.

图7　二臂关节速度跟踪效果以及阀控量曲线Fig.7 Speed tracking effect and valve control curves of the second boom

3　流量分配控制

流量分配的基本思想是，在保证臂架末端轨迹跟踪形状不变的基础上，降低末端的运动速度.为此对原有电液控制系统的硬件进行了改进，并且设计了流量分配控制算法.

3.1更换带位移反馈的多路阀组成L UDV系统设计的喷射机臂架复合运动控制液压流量分配系统如图8所示，它是由遥控器、工控机、控制器以及液压泵、多路阀和执行器（液压油缸/马达）组成的L U D V系统（即负载独立流量分配系统）.

图8　流量分配控制系统硬件架构Fig.8 Flow distribution system hardware structure

L UD V系统中，工控机作为上位机，内部有臂架逆运动学智能控制模块，运用相关算法将末端的位移或速度换算为各个关节的位移或速度.下位机控制器内有电液流量智能分配模块，它将各个关节的移动信号转换为控制多路阀的流量.其控制方法为：按一定的流量分配规则输出多路阀的电流控制信号来控制各路阀的流量［4］.

多路阀选用的是带位移反馈的萨澳-丹佛斯P VG型号.该阀通过检测阀芯的运动产生反馈信号，根据反馈信号和输入信号对比所得的偏差，通过一个电磁阀桥来控制主阀芯的运动方向、速度和位置，如图9所示.集成式电子元件可以补偿阀芯压力、内部泄漏、油液黏度变化、先导压力等带来的影响.这样可以保证系统的低迟滞和高精度.

图9　多路阀阀芯位移反馈的原理图Fig.9 Multiple unit valve displacement feedback schematic diagram

LUDV系统是一个压力阀后补偿系统（原理如图10所示）［2］，它是将执行器中的最高负载压力传递给各个执行器的压力补偿阀和液压泵，确保各个阀的进出口压差相等.当执行器所需的流量大于泵的总流量时，系统会按比例将流量分配给各个执行器，而不是流向小负载的执行器. y

图10　LUDV系统液压原理图Fig.10Hydraulic schematic diagram of the LUDV system

这种硬件架构保证了通过阀口达到执行器的流量仅仅与阀口的开度大小有关，而与各个执行器的负载压力大小无关，为流量分配的精确控制提供了保障.

3.2流量分配智能控制算法

在没出现流量饱和时，L UD V系统能够很好地保证油液的均衡分配，但是在出现流量饱和时，泵的额定流量在饱和的阀芯可能达到极限位置前就已经被分配完了，故无法满足所有阀需要的流量，进而使得末端无法按期望的轨迹运动.为此设计了相应的控制算法，来实现在流量饱和时流量的智能分配，算法流程如图11所示.

图11　流量智能分配算法Fig.11 Intelligent algorithm of flow sharing

首先，机手通过无线遥控器发出对臂架末端进行直接控制的速度信号，遥控接收器接收此控制信号后将其上传至工控机.工控机根据此控制信号通过逆运动学算法计算得到各关节的运动速度，由数学关系转换得到相应执行器的速度，进而得到各路阀的流量需求.将之与各路阀的额定流量进行比较，判断是否有哪路阀出现流量饱和，若有，则将饱和信息反馈到按逆运动学解算的末端运动速度上，将末端运动速度进行缩小，直至不出现阀的流量饱和.

然后，将上述得到的各路阀的需求流量求和，与泵的额定流量进行比较，用与控制阀的流量饱和相同的方法，进行泵的流量饱和控制.若各路阀的流量之和大于泵的额定流量，则反馈至末端速度，降低臂架末端速度，直至消除泵的流量饱和［5］.

最后，将规划后的各关节速度发送给控制器，控制器再输出阀的控制信号到各个执行器.此时，各关节协调运动，且臂架末端按照期望的轨迹进行运动.这样，虽然末端的运动速度会下降，但轨迹形状与期望的运动轨迹相吻合，误差大小仅取决于底层PID控制算法.

4　试验验证

相对原系统，采用流量分配控制技术后，通过试验发现控制性能有了很大提升，基本解决了流量饱和问题.和之前的试验一样，采用遥控器手动控制臂架末端跟踪直线轨迹，通过改变遥控手柄的开度来改变末端的指令速度，来回多次测试，遥控器从零开度到最大开度变化，对应末端的指令速度为0到40c m·s-1.从图12可以看出，臂架末端基本能够很好地跟踪指令轨迹，误差均控制在15c m以内.

图12　臂架末端的直线跟踪效果Fig.12 Line tracking effect of the boom tip

同样以二臂为例，在直线跟踪过程中，二臂关节的位移曲线如图13所示.

图13　二臂关节的位移跟踪及误差曲线Fig.13 Displacement tracking effect and tracking error curves of the second boom

可以看出二臂油缸的实际位移和指令位移非常吻合，最大误差在±5mm左右，稳态误差在3mm以内，保证了单关节的位移跟踪良好，基本没有出现因流量饱和而导致的位移跟踪不上的问题.

二臂关节的速度和阀控量曲线如图14所示，以时间段70～108s和115～160s为例，这两个过程分别是指令速度由0变到正向最大值和由0变到最小值，对应的阀控量也是由0变到最大.由阀控量曲线可以看出，在250附近，阀控量有一个调整过程，而不会像采用流量分配智能控制算法之前一样一直停留在250上，这说明在流量分配智能控制算法的作用下，阀芯不会一直处于最大开口处，而是通过降低末端的指令速度来降低各个关节的逆解速度值，进而避免了关节出现流量饱和现象.由速度跟踪曲线也可以看出，关节的实际速度能够很好地跟踪指令速度，最终使得臂架末端在流量饱和时依然能够跟踪好预定轨迹.

图14　二臂关节速度跟踪及阀控量曲线Fig.14 Speed tracking and valve control curves of the second boom

5　结语

本文为实现喷射机臂架电液控制系统的流量智能分配，在原有的喷射机臂架控制系统上，经过改造控制系统硬件架构，形成了L UD V系统，使得通过阀芯的流量只与阀芯的开度有关，而与负载压力无关；另外设计了流量智能分配算法，实现了在阀的流量或泵的流量饱和的情况下，通过降低末端的指令速度来降低各个关节的流量需求，使得末端能够按照指令轨迹运动.流量分配的实现确保了在各种工况下，臂架末端都能按期望的轨迹运动，为臂架的智能一键操控奠定了基础.

［1］ 权龙.工程机械多执行器电液控制技术研究现状及最新进展［J］.液压气动与密封，2010（1）：40-44.

QUAN Long.The present status and latest progress ofelectro-hydraulic control technology of multi-actuators used in construction machine［J］.Hydraulic Pneumatics &Seals，2010（1）：40-44.

［2］ 顾临怡，谢英俊.多执行器负载敏感系统的分流控制发展综述［J］.机床与液压，2001（3）：3-6.

GU Linyi， XIE Yingjun. Flow distribution controldevelopment summary of multi-actuators load sensitivesystem［J］.Machine Tool & Hydraulics，2001（3）：3-6.

［3］ 陈远玲，付玉英.基于AME S i m的甘蔗联合收割机多执行器系统分流技术仿真研究［J］.液压与气动，2008（12）：6-9.

CHEN Yuanling，FU Yuying.Simulation research on the multi-actuator system of sugarcane combine harvester based on AMESim［J］.Chinese Hydraulics & Pneumatics，2008（12）：6-9.

［4］ MüNZER M E.Resolved motion control mobile hydraulic cranes［D］.Aalborg：Aalborg University，2002.

［5］YAMASAKI A，TAKEDA Y，ABE S，et al.Multiple flowdividingdilution tunnel system：US，5090258 ［P］.1992-02-25.

Flow distribution control technique of intelligent boommulti-joint linkage for concrete spraying machines

LI Yu-ming，LIANG Cong-hui，PU Zeng-kun，HU Min，WU Bin-xing
（Zoomlion Heavy Industry Science &Technology Co.，Ltd.，Changsha 410013，China）

With regard to the intelligent boom of concrete spraying machines，too fast one-key operationmay cause joint flow saturation，where the boom end cannot move as expected.As such，a flow distributioncontrol technique is investigated.After the relationship between valve control commands and flows isexperimentally obtained，the flow saturation coefficient is calculated during end control commandinputting.By multiplying with new joint control commands via inverse kinematics，the intelligentflowdistribution is realized so as for the boom end to move as expected during flow saturation.

concrete spraying machine；intelligent boom；flow distribution

TP 241.2

A

1672-5581（2015）06-0521-06

“十二五”国家科技支撑计划项目（2011B A J 02B 05-03）

李育明（1987-），男，工程师.E-mail：liyuming6@126.com