工程机械中的机器人关键技术

工程机械中的机器人关键技术

黄勇 ,崔瑞 ,耿资恒

徐州徐工挖掘机械有限公司     江苏省徐州市   221100

摘要：在科学技术越来越发达，科技应用越来越普遍的时代背景下，工程机械机器人化发展是一种必然现象，简要的说，工程机械机器人化就是工程机械设计、制造与机器人工程技术的深度融合，如此一来不仅会促使工程机械更加智能，自动化程度更高，机械运转也会更加平稳安全，从而提高工程机械工作效率和应用价值，同时也促进工程机械发展和进步。基于此本文综合分析工程机械机器人主要特点，和电液伺服控制等各项工程机械机器人关键技术，以期发挥理论参考作用。

关键词：工程机械；机器人；关键技术

引言

随着社会发展，工程机械已经成为工程项目建设不可或缺的辅助力量，不仅促使工程施工效率大幅提升，也大大降低了工程施工人员劳动强度。现阶段各类型工程项目都在向大型化发展，工程施工更加复杂，因此亟需通过机器人工程技术在工程机械设计与制造中的科学运用，进一步提高工程机械自动化、智能化程度，以便优化工程机械使用性能并减少机械故障问题的发生，从而更好的满足工程施工需要。由此可见，深入分析智能监测与诊断等各种工程机械机器人化关键技术是很有必要的。

1工程机械机器人的特点

在上世纪60年代，在人工智能、自动控制、仿生以及微机处理等学科的支持下，工业机器人就开始的进行发展和应用。其中，在制造业中机器人技术首先取得成果，例如，金属切削机器人、连接机器人以及装配机器人等的应用。制造业环境作为结构构化的环境，其是可预测可控的，在这个稳定的环境下，就可以提前编制好机器人的程序，使机器人能够在程序的设定下进行运行作业，机器人所执行的作业大多是重复性，并且有序的工作，并没有对智能化提出需求。但是在非制造业领域中应用机器人，尤其是在工程施工中应用，大多数的环境属于非结构化环境，其环境状况复杂多变，甚至会存在恶劣的工作环境状况，具备不可预测、突发性的特点。例如，在工程领域中需要进行凿钻刨孔，在这个过程中有可能会出现地压突变、地质状况改变的问题，容易出现“卡钎”问题；铲桩时也可能会由于铲齿进入到岩石裂缝中，导致载荷徒增出现“熄火”或者“失速”问题。所以相较于制造业中应用的机器人，工程机械机器人面临着更加复杂的工作要求以及工作环境，对其性能具有更高的要求。工程机械机器人具有多种的功能以及外形，才能够更好满足工程施工的需求，其中，最重要的是工程机器人需要能够适应环境，能够根据环境来调整，并且需要及时快速的进行响应，对其执行力、决策力具有更高要求，因此，工程机械机器人具有智能化的需求。

2工程机械机器人技术

2.1电液伺服控制技术

为了使工程机械的操作性能得到进一步的优化，需要重点改造液压控制系统。首先，将使用的手动操作系统转变为计算机编程的电液伺服控制，为了能够实现自动控制，大多是采用电液比例阀控制多路阀或者直接电液比例控制。例如，通过改造某工程机械电液伺服控制系统，在手动先导控制的基础上并入先导比例减压阀，这样能够自主的切换手动还是电动的方式进行控制。

2.2遥控与自动控制技术

在完成电液伺服控制的升级之后，在驱动装置以及工作装置安装压力传感器，通过压力传感器来监测驱动装置以及工作装置的工作状态，并将收集到的信息上传给控制器，这样就可以利用计算机编程来实现自动化作业，同时，也能够实现工程机械作业的远程遥控。工程机械作业大多会面临恶劣的工作环境，普通的PLC控制器无法在恶劣的环境下进行工作，需要选用更高防护等级的控制器，不仅需要能够通过编程进行控制，还需要保持较高的运算速率，还需要具备伺服、规划能力。

部分工程机械生产企业在发展过程中逐步研发了自主的工程机械专用控制器，这些企业包括小松、CAT以及VOLVO等。还有部分自动化公司能够提供通用的控制器模块，方便工程机械进行使用。例如，德国力士乐、芬兰EPEC公司研发的EPECOy控制器以及intercontrol公司所研发的专门用于工程机械的PLC。这些控制器非常的灵活，能够根据工程机械自动控制的需求进行控制，这主要是由于其具备更多种类型的接口以及端口，除了信号的输入端口以外，能够支持总线型传感器以及智能传感器的，还支持CANOPEN协议在内的多种通信协议，大大降低了工程机械自动控制的难度。

2.3智能监测与诊断技术

工程机械所处的工作环境恶劣，而且由于具备不可预测性，所以适时的来监测系统运行的情况，并完善其报警以及故障诊断的功能，这是提高设备运行安全性的关键。传感器的就能够很好的监测工程机械的运动状态，传感器一般安装于工程机械的关键部位，能够监测系统在运转过程中的温度变化、压力、震动以及流量等参数，通过传感器获取的信号采用现代信号处理技术来分析信号的特征，就能够合理地推断出工作的状况，并且在出现危险状况时能够紧急预报，还可以提供维修策略。

我国传统所应用的工程机械监控系统，采集信息主要是通过嵌入微控制器来实现的，或者是由总线控制系统来监测系统的运行状况。随着我国技术的发展，目前在CAN总线的监控系统上引入移动自组网，利用CAN/TCP网关来进行移动自助网与总线的互联。传统控制系统是通过点对点进行控制的，而目前所应用的大多是网络监控系统，其优势在于能够实现资源的共享、布线少，可以远程操作，并且易于扩展维护。

2.4作业对象识别与智能控制技术

2.4.1作业对象识别

工程机械在进行作业时识别作业对象是十分关键的，需要工程机械能够全面的感知外界环境，离不开视觉传感器以及测距的应用。Stentz等就使用激光测距仪来进行作业对象的识别以及路径干扰。例如，某挖掘机器人通过对其视觉传感系统的研究，发现是通过将双目立体视觉安装在回转平台上，从而达到识别作业对象以及行走路径的目的。

2.4.2智能控制模块

工程机械所应用的控制策略大多具有差别，但其基础都是由轨迹规划、高层任务规划、底层伺服控制以及中间层路径组成的。应用上文的工程机械专用控制器来实现伺服控制，在上位机完成中间层以及高层的决策规划，另外，还附带自动报警以及卫星定位模块。下面将介绍能够实现复杂作业的挖掘机器人，首先需要确定任务目标，采用有限状态即将任务进行分解，再将分解的任务拆分成多个行为，然后执行动作。机器人的工作状态的转变是根据工况以及行为判断综合进行确定的。卫星定位系统的应用能够获取高精度的位置信息，例如，推土机在安装卫星定位系统后，能够按照更严格的控制运动轨迹，提高工作的精确性。在钻机中应用卫星定位，也能够提高钻孔定位的精确性。通过提高工程机械机群的智能化水平，能够进行集中调配，提高施工的质量以及效率，更符合未来发展的需求。

结束语：总之处在基础设施建设与城市建设广泛开展，工程施工对工程机械使用性能要求越来越高的大环境中，再加上智能化总体发展趋势的形成，促使工程机械机器人化发展势不可挡，因此为了进一步加快工程机械机器人化发展进程，相关技术人员应积极发挥自身作用，针对智能控制模块、作业对象识别与智能控制等工程机械中的机器人关键技术进行更深层次的研究探索。

参考文献

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