面向吊装路径规划的履带起重机运动学建模方法_康玉伟.pdf

第 40 卷第 2 期2023 年 2 月机电工程Journal of Mechanical Electrical EngineeringVol 40 No 2Feb 2023收稿日期:2022 07 07基金项目:国家自然科学基金资助项目(61603067);辽宁省自然科学基金资助项目(2020-KF-12-09);辽宁省教育厅基金资助项目(QL202016)作者简介:康玉伟(1998 )，男，河南许昌人，硕士研究生，主要从事机器人导航及路径规划方面的研究。E-mail:yuweikang1128163 com通信联系人:林远山，男，博士，副教授，硕士生导师。E-mail:linyuanshan dlou edu cnDOI:10 3969/j issn 1001 4551 2023 02 020面向吊装路径规划的履带起重机运动学建模方法*康玉伟1，陈鹏宇2，王馨3，刘硕4，武立波5，林远山1*(1 大连海洋大学 信息工程学院，辽宁 大连 116023;2 辽宁省海洋信息技术重点实验室，辽宁 大连 116023;3 大连海洋大学 设施渔业教育部重点实验室，辽宁 大连 116023)摘要:履带起重机建模是履带起重机路径规划的前提和基础，但是有关于履带起重机建模的研究尚不够系统，为此，以利勃海尔L1400-2 履带起重机为例，提出了一种面向吊装路径规划的履带起重机运动学建模方法，并对履带起重机运动学建模进行了理论推导、仿真分析和试验测试。首先，采用虚拟连杆和被动关节对刚柔混合的起升系统进行了建模，在此基础上确定了履带起重机的位形空间;然后，构建了履带起重机的正向运动学模型和逆向运动学模型，并给出了其相应的求解方法;最后，将构建出来的正向运动学模型和逆向运动学模型应用到履带起重机的吊装路径规划中，通过对 3 个不同的吊装路径进行规划，以此来验证该履带起重机运动学建模方法的有效性。研究结果表明:该履带起重机的正向运动学模型可准确地确定履带起重机各部件在位形空间上的位姿和姿态，为其碰撞检测提供了保障;该逆向运动学模型可为起重机的起吊位形和就位位形提供一种快速的求解方法。关键词:履带式起重机;起重机位形空间;碰撞检测;正向/逆向运动学模型;起吊位形;刚柔混合中图分类号:TH213 7文献标识码:A文章编号:1001 4551(2023)02 0307 10Kinematic modeling method of crawler crane for hoisting path planningKANG Yu-wei1，CHEN Peng-yu2，WANG Xin3，LIU Shuo4，WU Li-bo5，LIN Yuan-shan1(1 School of Information Engineering，Dalian Ocean University，Dalian 116023，China;2 Liaoning ProvincialKey Laboratory of Marine Information Technology，Dalian 116023，China;3 Key Laboratory of Facility FisheriesMinistry of Education，Dalian Ocean University，Dalian 116023，China)Abstract:Crawler crane modeling was the premise and foundation of crawler crane path planning，but the research on crawler crane modelingis not systematic enough Taking the L1400-2 crawler of Liebherr as an example，a kinematic modeling method of crawler crane for hoistingpath planning was proposed，and the kinematic modeling of crawler crane was theoretically derived，simulated and tested Firstly，the virtualconnecting rod and passive joints were used to model the rigid-flexible hybrid hoisting system，and on this basis，the configuration space ofthe crawler crane was determined Then，the forward kinematics model and inverse kinematics model of the crawler crane were constructed，and the corresponding solution methods were given Finally，the constructed forward kinematics model and inverse kinematics model wereapplied to hoisting path planning The validity of the kinematic modeling method of the crawler crane was verified by planning three differenthoisting paths The results show that the forward kinematics model of the crawler crane can accurately determine the position and attitude ofeach component of the crawler crane in the configuration space，which provides a guarantee for its collision detection The inverse kinematicsmodel can provide a fast solution method for lifting configuration and positioning configurationsKey words:crawler crane;crawler crane configuration space;collision detection;forward/inverse kinematics model;lifting configuration;rigid-soft hybrid0引言履带式起重机可以垂直升降重物，并进行短距离载物水平运动，满足了重物装卸、运载等作业的系列要求。因其具有灵活的机动性，目前，履带式起重机已经被广泛应用于陆地、海洋、空中等各类建设领域。履带式起重机的智能化水平主要体现在其运动规划上，因此，有关于履带式起重机的吊装路径规划得到了国内外学者广泛的关注。学者们分别采用 A*算法 1、遗传算法(genetic algorithm，GA)2，3、蚁群算法 4、概率路线图(probabilistic roadmap，PM)5、快速扩展随机树(rapidly exploring random tree，T)6，7 等方法，对起重机的吊装路径进行了规划 8-19，并取得了不少成果。对履带起重机进行建模是其运动规划的基础和前提。机器人建模即是参考实体机器人的各项参数指标，在计算机仿真平台中，将其进行同比复刻。虽然机器人建模很难做到和实体机器人完全一致，但是它可以抓住被仿对象的关键特征，并利用计算机仿真技术，在计算机上生成具有真实感的仿真环境20-22，实现对实体机器人的一些关键操作行为进行有效仿真的目的。履带起重机的运动学模型描述了不同时刻其吊装动作所对应的起重机状态。通常可以利用其运动学模型来预测履带起重机的若干步位形点，并判断该动作是否可行，进而根据自身的动作信息做出相应的规划。然而，作为进行吊装路径规划的基础，起重机建模并没有得到系统的研究。事实上，对于移动式起重机(如汽车起重机、履带起重机等)，在外形、运动特点上与移动式机械臂有许多相似之处，即均有一个可移动的平台和一个可搬运物体的臂架系统，因此，移动式起重机可以看作是一种特殊的移动式机械臂机器人。而移动式机械臂目前已经得到了广泛而深入的研究，包括移动机械臂的建模、路径规划、运动控制等方面，均已取得了丰硕的研究成果，一些研究成果甚至已经被应用到实际的机器人产品中。但是，这些研究大多数是针对全刚体机械臂，即其移动平台、机械臂的每个连杆和关节都是刚体。徐文 福 等 人23 针 对 空 间 站 遥 操 作 机 械 臂(SSMS)型 7DOF 冗余空间机械臂，提出了逆运动学求解的关节角参数化及臂型角参数化两种方法，同时用仿真算例验证了其有效性。禹超等人24 针对机械臂腕部有偏置的情形，提出了一种基于虚拟球关节的方法，即用虚拟关节替换腕部的偏置连接，用球腕构成虚拟机械手，并进行了运动学仿真验证。相比于刚体机械臂，目前针对带柔性连杆移动机械臂的相关研究不多。通过文献检索可以发现，徐秀栋、黄攀峰等人研究了空间绳系机器人和带弹性体的机械臂25-31。黄攀峰等人25 针对空间绳系机器人的轨迹跟踪控制问题，提出了一种基于系绳释放特性的跟踪轨迹协调控制方法。徐秀栋等人26 针对空间绳系机器人姿态控制失稳问题，提出了一种新姿态容错控制方法，并用仿真方法证明了其有效性。王东科等人27 针对空间绳系机器人对目标逼近过程中的姿态协调控制问题，设计了一种基于可移动系绳点的姿态协调控制机制。但是，目前尚未有带绳子柔性杆机械臂路径规划建模与路径规划的相关研究。为此，针对柔性起升绳在运动过程中需保持竖直并可收缩的这一特性，笔者提出一种新的履带起重机运动学建模方法，即采用虚拟连杆和被动关节对刚柔混合的起升系统进行建模，在此基础上，确定履带起重机的位形空间，进而构建履带起重机的正向运动学和逆向运动学模型，最后通过对几个规划问题进行求解，以验证上述模型的有效性。1履带起重机建模1 1履带起重机结构与基本动作作为一种可带载行走的起重运输设备，履带起重机的臂架有多样组合工况，如标准主臂工况、标准固定副臂工况、标准塔式副臂工况及其对应的超起型工况等。为便于阐述，笔者以超起型主臂工况为例开展研究，如图 1 所示。图 1履带起重机的超起型主臂工况超起型主臂履带起重机主要由下车、转台、臂架、803机电工程第 40 卷起升绳、吊钩五大部分组成。其中，下车包括两条履带、车架、回转支承(车架与转台的连接件);转台包括转台框架、起升卷扬、发动机;臂架包括主臂、超起桅杆。而起重机的基本动作有直行、转弯、回转、变幅、起升。其中，行走和转弯是通过两条履带的驱动轮带动履带转动实现的，属于典型的差分驱动。起重机能够在不同曲率半径的圆弧或直线上运动，也能够原地转向，但不能沿着履带的垂直方向运动;回转是通过驱动回转支承旋转的方式实现的，可进行 360回转;变幅是通过变幅卷扬收放变幅钢丝绳的方式实现的;起升是通过起升卷扬收放起升绳方式实现吊钩的升降目的。需要特别指出的是，整个吊钩分为吊钩滑轮组和吊钩两部分，吊钩是通过活孔与吊钩滑轮组连接的，其可靠人力绕垂直轴 360旋转。在实际吊装时，经常通过人力拨弄被吊物来旋转吊钩，以便被吊物能穿过狭窄的通道。此处，还有另外一个基本动作吊钩旋转，只不过它不是通过起重机自身动力实现的。被吊物被挂到吊钩上后，履带起重机通过行走、转弯、回转、变幅、起升、吊钩旋转等基本动作，实现被吊物的搬运目的。1 2刚柔混合的起升系统建模在进行刚柔混合的起升系统建模之前，首先要了解起重机吊装过程中的结构和运动特点。吊装过程中