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作为大型工作起机器人的自动门式起重机
摘要
在制造工艺进一步自动化的背景下，使用起重机自动运输重物变得越来越重要。 将机器人技术应用于起重机自动化，可以开发出广泛的新应用市场。 主要想法是将起重机解释为大型工作空间服务机器人。 起重机吊钩代表机器人的效应器。 作为效应器的一个例子，已经开发了一种自动存储和检索单元，用于通过具有三个主动辅助效应器轴的起重机进行机架操作，并将其集成到控制概念中。 该控制系统已实现重建的5吨桥式起重机，其工作空间尺寸为30m x 8.7m x 7 m。
关键词：起重机自动化; 轨迹跟踪控制; 基于模型的分散控制; 干扰排斥
1.介绍
直到现在，起重机是重货物处理中最重要的系统之一。 尽管自动起重机在工业实践中相对较少。 由于合理化的巨大潜力，过去曾有过几次尝试。 但是，有几个原因阻止了这种系统的成功。 到目前为止，其中一个原因是投资成本与可实现的成本节省之间的关系。 但是，由于硬件和软件以及执行器和传感器的价格较低而导致投资成本下降，因此这些系统的可用性已经触手可及。
另一个原因是起重机的广泛应用领域具有非常不同的特殊要求。 这导致了起重机制造商的两个主要方向。 一个集团，主要是大公司，提供起重机作为标准化的产品，如铣床。 这些公司正在承受巨大的成本压力。 另一个小组，主要是小公司，正在为特定的应用领域研究特定的解决方案。 这导致了问题，小公司没有专家来开发和维护起重机自动化控制系统。 尤其是，维护和培训是自动化系统验收的重要一点。 较大的公司对作为标准化产品的自动起重机感兴趣。 这创建了模块化概念的基本需求，可以根据特定应用的特定要求进行调整。
起重机自动化中的第一个想法是计算时间最优控制函数，考虑到目标点处无负载摇摆的边界条件，使起重机的行驶时间最短。假设理想化的约束，结果是起重机手推车上的力的前馈式爆炸控制器。 Auernig和Troger，Manson，Sakawa和Shindo进一步开发了这种方法。然而，对于工业用途来说，有几个限制是必要的（Ridout，1989）。必须限制最大加速度以避免令人兴奋的未建模特征频率。因此，控制需要一个反馈回路来保证负载振荡的阻尼。为了提高工业应用的鲁棒性，必须放弃时间最优性的要求，并恰好在角度边界条件下计算控制函数，并确保目标点处的角速度为零（Noakes＆Jansen，1992年）。而且，前馈控制本身并不是能够抑制由于扰动或绳索角度的初始条件引起的振荡。因此，这些方法仅适用于对定位和跟踪精度要求较低的情况。这些系统有助于提高操作安全性并降低员工培训的成本。
更高的定位和跟踪精度只能通过反馈控制来实现。 控制设计的主要问题取决于非线性动力系统行为，系统的时间变化以及起重机不同运动方向之间的动态耦合。
针对这种应用的反馈控制的开发始于对频率范围的自动控制。由于计算能力低，没有合适的传感器来测量小车和钢丝绳之间的角度以及没有合理定价的连续电机驱动器，通过反馈控制阻尼负载振荡的第一个工业系统首先出现在七十年代。所使用的最常见的控制结构是用于小车速度或位置的内部控制回路的级联和用于绳索角度的外部控制回路。由于在目标位置存在显着的剩余摆动并提高定位精度，Hakada和Nomura（1996）和Lee（1998）在反馈控制增益的增益调度中考虑了变化的绳索长度，进一步开发了这种方法。 Hong，Kim和Lee（1998）应用变结构控制提供了剩余摆动问题的另一个解决方案。
频域的替代方案是基于动态模型的状态空间表示的控制设计。 一些方法涉及鲁棒控制设计（D.orrscheidt，1976）以及起重机手推车方向和负载吊起的平面问题（Oboyashi，Hirasawa，Murata和Kajiwara，1996）。 为了解决三维问题，Kaneshige，Terashima和Kitaoka（1995）设计了一个强大的控制。 为了避免残留摇摆并提高跟踪精度，控制增益的增益调度是处理系统非线性的可行方法。 在这种情况下，系统的非线性被视为实际绳索长度，绳索角度和起重机手推车或桥位置与实际载荷质量作为变化参数的耦合。
由于状态反馈控制不能保证参数或干扰不确定情况下的稳态条件，
补偿这种影响（Schmidt，1980）是必需的。 必须考虑粘性和库仑摩擦（以力作为输入变量）（Nowacki＆Adamczyk，1996），并且可以通过观察者技术和干扰抑制来补偿（Neumann，1995）。 由于起重机的动力学模型可以很容易地导出，所以模糊控制方法（Palis＆Lehnert，1992）以及神经网络自整定控制器（Mendez，Acosta，Moreno，Hamilton，＆Marchial，1998） 与基于模型的控制设计相比，提供了显着的优势。
最后，在状态反馈控制器的稳态条件下，除了反馈控制（Swevers，Brussel，Indrawanto和Torfs，1994）之外，还有一个基本的前馈需求，以保证高跟踪精度。 在这个项目中，主要目标是应用机器人控制中使用的方法，并将其适应，扩展并调整到起重机的特殊操作环境。 事实上，与机器人相比，起重机的动态特性具有以绳索为代表的具有特殊属性的重要灵活链路，而该特性无法传递弯曲力矩。 另外，输入变量的数量（例如，在平面问题中起重机手推车上的力）低于自由度的数量（例如在平面问题中绳索角度和手推车位置）。 这导致了一个欠驱动的机器人系统。
联合空间PID控制不足以用作轨道跟踪末端执行器控制的灵活链路和欠驱动机器人系统以及计算转矩方法仅适用于联合控制（de Wit，Siciliano和Bastin ，1996）。因此，分散线性控制方法（Hu＆M.uller，1997）结合干扰估计和拒绝来补偿同步运动情况下的运动方程的非线性项，例如，下面将应用起重和移动起重机手推车。另外，由于绳索是灵活的连接，效应器的扭转和倾斜振荡变得重要，并且需要通过执行器上的辅助轴线来阻尼，这是迄今为止唯一罕见的处理问题。但是，事实上，对于起重机器人的操纵来说，消除倾斜和扭转振荡是一个重要的先决条件。与负载方向一起，这对于自动起重机的现有解决方案而言是重要的差异。
2.原型系统的自动化概念
根据不同的应用场合，自动起重机的理想功能会发生显着变化。在强大的模块化之后，通过配置相关模块，可以根据应用需求调整控制概念。这导致了灵活性的两个方向。第一种灵活性是通过这样的事实给出的，即控制模块可以以这样的方式组合，即只有基本的自动轴被实现并调整到给定的应用（图1）。第二种灵活性由控制模块本身的配置给出。这是与现有工业系统相比的重要优势之一。通常情况下，一旦实施了对剩余摆动和定位精度要求较低的前馈控制系统，就不能将其升级为组合前馈和反馈系统，而无需进行大量更改。第5节详细介绍了控制模块的这种级别结构。
自动化系统的操作员界面提供两种操作模式。通过遥控面板运行起重机的手动操作模式，带有仍然有效的基础起重机控制装置，用于摆动阻尼，称为半自动操作模式（图1）。在这种情况下，系统的输入是起重机负载的实际期望速度。此外，还可以实现具有追踪预定义轨迹功能的全自动操作模式。输入变量是目标位置，期望的轨迹类型和下一个交点的跟踪参数。学习轨迹的最实用的方法是示教模式。这意味着，操作员通过手动模式运行到期望的点，然后，当他处于期望的目标点时，他将存储该位置。示教结束后，所有点都连接在一起，例如由直线。节省时间的原因在于，在手动模式下精确定位操作员需要很多时间。直到他达到目标位置时，他通常需要几次细微的移动，直到他真正抓住所需的位置。在自动模式下，一旦存储了所需的位置，在起重机的每一次自动运行中，它都会在一次运动中直接运行到所需的位置，而无需任何额外的精细运动。
对于轨迹跟踪控制，轨迹生成模块进一步处理这些数据。 考虑到给定的轨迹参数，该模块针对所有移动方向为参考位置及其导数生成同步时间函数。 这还包括通过辅助轴对效应器的方向，这是对这个问题的全新观点。 同步运动的时间参考函数是轨迹跟踪控制模块的输入信息（图1）。
遵循分散控制的思想，轨迹跟踪控制模块相互独立工作，便于维护和模块化。 他们读取传感器信号并基于轨迹生成模块的时间参考函数计算执行器的输入可变电机转矩或参考位置。
所提出的系统的新颖特征是：
*与工业系统的点对点控制相比，起重机执行器的TCP的轨迹跟踪控制; *由于分散轴控制器的灵活性; *由于控制模块的层次概念而具有灵活性; *将效应器集成为自动化材料处理系统; 和*引入额外的辅助轴用于负载的定向和二次振荡的阻尼。
3. 起重机，存储和检索单元
高架起重机有三个主要移动方向x; Yuml;; z用于起重机桥，小车和起重机（图2）。起重机配备有两个编码器，用于左右轨道xB1和xB2上起重机桥的位置;用于小车位置yT的编码器;另一个用于绳索长度，即在小角度情况下，与装载位置zL相同;和两个用于计算x和y方向负载位置的角度编码器xL和yL：角度编码器安装在万向节的起重滑车的固定绳悬挂点（图3）。负载质量mL由测力传感器测量。对于起重机控制的基本级别，只需测量负载质量和绳索长度。
原型5吨起重机配备了特殊的存储和检索单元（SRU）作为执行器的一个例子。三个辅助轴将工具中心点（TCP）系统的关于三个角度alpha;的效应器坐标定向; b; g，带有两个直线轴a和b以及一个旋转轴c（图2和4），并在操作时稳定SRU。两个编码器测量SRU和绳索j2x和j2y之间的角度;还有三个轴的位置a; b; c和陀螺仪确定负载的角速度#39;g。 SRU的任务是在仓库区域的货架上自动处理货架和自动仓储作业（Sawodny，Aschemann，Lahres，＆Hofer，1999b）。
4.轨迹生成
轨迹生成模块具有生成轨迹控制模块的时间函数的任务。 输入是所需的目标位置，或目标速度，以及跟踪变量（类型）轨迹：例如 直线，圆等，以及运动学限制：例如， 最大速度，加速度和挺举）。 输出是与不同运动方向相关的参考载荷位置，速度，加速度和加速度的同步时间函数（Sawodny，Aschemann，Lahres，＆Hofer，1999b）。 在弹性大型机器人的情况下保持运动学限制是一项重要任务，因为必须始终保持底层控制模块的线性度，使轴同步，并通过连续加加速度函数避免令人兴奋的未建模特征频率。
图5显示了负载位置xLrefeth;tTHORN;的生成参考时间函数; yLrefeth;tTHORN;及其与起重机桥（xStart = 3：5m起始位置的起重机桥的运动的衍生物; yStart =？ 3：3m到目标位置xtarget = 11：8m; ytargetfrac14;？ 0 2 :2M。运动学限制设为vmax = 0：6m / s，amax = 0：7m / s2和jmax = 0：1m / s3。由于起重机桥的起点与目标点之间的距离较长，因此其运动学限制限制了可实现的行驶时间。图5清楚地表明，在阶段I，III jmax; x;并在第二阶段vmax; x限制运动。图5还显示了同时到达目标点的轴同步。位置，速度，加速度和加速度的时间函数是轨迹生成模块的输出和轨迹控制模块针对不同运动方向的输入。
在半自动操作模式中，轨迹生成模块的输入是期望的速度。因为在半自动操作模式下不需要同步，模块的重要任务是保持运动学限制。因此，该模块由速率限制器组成，用于生成位置及其衍生物的平滑函数。
5.轨迹控制
输入到控制模块的是轨迹生成中的时间依赖函数。轨迹控制是模块化结构。与现有技术相比，这导致高度的灵活性以将控制调整到给定的要求。在基本级别（级别1），控制器只包含前馈控制模块（图6）。
在这个级别只需要最少数量的传感器。但是，跟踪和定位精度的效率较低，目标点处的剩余摆动高于控制的升级水平。等级2附加反馈控制模块。轴控制器能够对干扰和参数不确定性作出反应。改善时的行为
存在干扰时，控制由干扰观察器模块（等级3）增强。在辅助轴的情况下，由于测量信号的评估，必须包括观察者。观测器模块用于评估扰动变量，以及在运行环境恶劣的情况下，如集装箱装运时的风力估算，这些干扰的排除。在后面的例子中给出了模块的进一步描述。
5.1起重机的轨迹控制设计
为了控制，只有x方向和y方向是重要的，因为它们具有振荡的动态行为。因此， 吊装不再被考虑。 x和y方向的轨迹控制的设计基于牛顿运动方程导出的动力学模型（附录A）。
5.1.1起重机小车和起重机桥运动的前馈控制设计
前馈控制的目的是通过引入前馈控制矩阵％S实现负载位置，速度，加速度和加加速度等输出变量的稳定状态：在没有反馈回路的起重机控制的水平1的情况下，期望的动态实现阻尼负载振荡的行为。
由于轨迹生成模块为这些变量生成连续函数，因此在理想化动态行为的假设下不会出现振荡。因为前馈控制也取决于反馈控制，反馈控制矩阵
Kxx和Ky必须考虑。因此，状态空间表示由方程（A.4）和（A.5）扩展至
在起重机手推车运动的情况下Sy和wy定义如下：
为了达到负载位置及其导数所要求的稳态，参考负载位置在频域中的负载位置的传递函数必须从（1）得出：
式（3）是以下形式的传递函数：
满足以下条件时，可实现位置及其派生的稳态：
这是前馈增益KFy的线性方程系统，也取决于Ky的反馈增益ky1 ... ky4：解决方案是
在1级控制的情况下，轨迹控制仅包括前馈控制模块。 这意味着，在（4）中，反馈增益ky1...ky4被设置为0.由于解析表达式（4），前馈控制不断适应于改变绳索长度zL或载荷质量mL：
5.1.2 起重机小车和起重机桥运动的反馈控制设计除了前馈控
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