淺析船用吊運(yùn)機(jī)械臂工況與運(yùn)動補(bǔ)償控制

摘 要：船用設(shè)備中吊運(yùn)機(jī)械臂在海浪影響下不夠穩(wěn)定，為保障其正常使用，需要對其所處工況和運(yùn)動補(bǔ)償控制進(jìn)行研究。本文研究了船舶運(yùn)動工況的具體模型，以各坐標(biāo)系齊次變換矩陣等方法，給出吊運(yùn)機(jī)械臂末點(diǎn)位置運(yùn)動補(bǔ)償控制算法，為同類研究提供可借鑒的參考內(nèi)容。

關(guān)鍵詞：船用設(shè)備;吊運(yùn)機(jī)械臂;工況;運(yùn)動補(bǔ)償控制

引言

船用設(shè)備中吊運(yùn)機(jī)械臂的穩(wěn)定運(yùn)行對于保障海上運(yùn)輸起到重要作用，在海浪影響下，其處于不穩(wěn)定狀態(tài)，故需要對其所處工況和運(yùn)動補(bǔ)償控制開展研究。本文以船舶運(yùn)動工況研究入手，給出計(jì)算工況的具體模型，通過建立各坐標(biāo)系，以齊次變換矩陣導(dǎo)出吊運(yùn)機(jī)械臂末點(diǎn)位置變換公式，求出其運(yùn)動補(bǔ)償控制算法，最后通過Matlab仿真驗(yàn)證運(yùn)動補(bǔ)償控制方法。

1船舶運(yùn)動工況研究

1.1海浪環(huán)境下船舶的運(yùn)動

1.1.1海浪波基本理論

海浪按照波形的廣義模擬基本可以看做是從單一方向傳傳來的不規(guī)則類型波，不斷的在船底形成擾動，在波形上船體高度不斷的變化。學(xué)術(shù)上稱該波為長峰波[1]。按照頻率與相位隨機(jī)結(jié)合，采用經(jīng)典海浪線性模型長波峰公式為：

式（1.4）即可期初某頻率下的諧波幅值，在0-2π之間的隨即數(shù)定成各個(gè)諧波的初始相位，則可推算出 的各個(gè)值，通過線性疊加就獲取了任意時(shí)間下的起伏高度的值。

1.1.2船體坐標(biāo)系

本文按照慣性坐標(biāo)系和隨體坐標(biāo)系雙坐標(biāo)系來表征船體運(yùn)動，如圖1-2所示，在以慣性坐標(biāo)系為準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，適合采用牛頓運(yùn)動定律來分析;采用隨體坐標(biāo)系時(shí)，其坐標(biāo)原點(diǎn)在水線和船體中點(diǎn)的交匯處，與船體的慣性主軸重合，因其以船體為基準(zhǔn)點(diǎn)，故與慣性坐標(biāo)系對比，隨體坐標(biāo)系是動態(tài)變化的[1]。

船舶在海浪中按照常用的六個(gè)自由度方向運(yùn)動，各個(gè)指標(biāo)見表所示，其中x，y，z分別表征船舶在其坐標(biāo)系方向上的位移，它們的導(dǎo)數(shù)u，v，w表示其坐標(biāo)系方向上的速度。 各是代表船舶繞坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)的角度，其導(dǎo)數(shù)各自代表繞坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)的角速度。

是船舶在隨體坐標(biāo)系下外力計(jì)算公式，

是船舶在隨體坐標(biāo)系下的力矩公式。

至此船體工況的數(shù)學(xué)模型創(chuàng)建完畢，可以通過改變其中變量的數(shù)值，模擬出船體工況的變化，可以用在仿真研究或者船舶運(yùn)行研究中。

2吊運(yùn)機(jī)械臂末端運(yùn)動補(bǔ)償控制研究

2.1構(gòu)建全局坐標(biāo)系

按照一般常用的吊臂型號，本文假設(shè)吊運(yùn)機(jī)械臂是具有六個(gè)自由度，其中全局世界坐標(biāo)系{bg}在假定在船下的錨定位置，為了計(jì)算簡便假設(shè)在船體正下方的投影底面中心，{bn}為船底中心初始中心的坐標(biāo)系，{bb}是運(yùn)動時(shí)船體中心的坐標(biāo)系。{bg}和{bn}是分別用來研究船體剛體與吊運(yùn)機(jī)械臂的相對運(yùn)動。另外采用{br}是研究吊運(yùn)機(jī)械臂的基礎(chǔ)坐標(biāo)系，{bt}則用來描述吊運(yùn)機(jī)械臂末端坐標(biāo)系，依靠齊次變換來分析坐標(biāo)系之間的相對運(yùn)動，如表1-2所示。

圖形分析吊運(yùn)機(jī)械臂XYZ坐標(biāo)值完全不受海浪影響，穩(wěn)定在初始值，而沒有運(yùn)動補(bǔ)償?shù)臋C(jī)械臂末端位置持續(xù)的被擾動，故本文運(yùn)動補(bǔ)償算法較為合理。

總結(jié)

通過以數(shù)學(xué)模型研究海浪，能夠計(jì)算出船體工況的具體量化情況，結(jié)合各坐標(biāo)系的變化和角度關(guān)系，通過激勵(lì)模型和齊次變換矩陣求解，最終得出吊運(yùn)機(jī)械臂末點(diǎn)位置計(jì)算公式，通過仿真模擬，證明該方法較為可靠。

參考文獻(xiàn)：

[1]王盼.起重船海浪擾動及補(bǔ)償系統(tǒng)研究[D].哈爾濱工程大學(xué)，2016.

作者簡介：

王瑋杰（1991-），男，漢族，陜西寶雞，中海油田服務(wù)股份有限公司，2015年畢業(yè)于重慶科技學(xué)院石油工程學(xué)院，大學(xué)本科，助理工程師，現(xiàn)主要從事海洋鉆井相關(guān)工作。89F7C35A-2250-4E17-A97C-FAAE7E3F7AFB