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      海上油田專用機械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計與控制仿真

      2022-10-09 11:18:24
      中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2022年13期
      關(guān)鍵詞:枝干主干控制算法

      石 鵬

      (中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司,天津 300452)

      0 引言

      近年來,隨著海底石油探明儲量的不斷增加,海上油田進(jìn)入了快速建設(shè)和高速發(fā)展階段。對海上油田的石油開采及其他作業(yè),工業(yè)機器人更是完成作業(yè)、提升效率的關(guān)鍵。但因為海上油田和陸地油田存在較大的差異,石油開采及其他作業(yè)的完成也有別于陸地油田,這就使已經(jīng)研發(fā)成功并且使用廣泛的陸地油田工業(yè)機器人、自動化機械臂無法直接應(yīng)用于海上油田。為此,該文針對海上油田的技術(shù)要求,提出一種專用機械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案,并通過仿真試驗驗證其控制效果。

      1 海上油田專用機械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計

      1.1 專用機械臂的設(shè)計需求

      石油開采的過程是原油抽取的過程,隨著原油的不斷抽取,油田儲油區(qū)域會出現(xiàn)地下中空層。這不僅會導(dǎo)致塌陷的危險,還會因為壓力不足導(dǎo)致后續(xù)原有抽取的困難。因此,石油開采的過程都隨著注水作業(yè),以填充原油抽取后的中空區(qū)域。這一點對海上油田同樣適用。但是受到物力性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)的制約,海上油田抽油后中空區(qū)域不能直接用海水填充,仍需用淡水填充。所以,在一定的作業(yè)周期內(nèi)會有輪渡船承載水罐車到達(dá)油田作業(yè)平臺,提供填充所需的淡水。

      水罐車自身具有特定的車身高度,同時出水口設(shè)置在罐車上方,需要機械臂末端對準(zhǔn)上方出水口才能完成抽水作業(yè)。從抽水作業(yè)過程來看,該文的專用機械臂需要利用液壓傳動的方式,在液壓馬達(dá)提供的動力下,通過鏈?zhǔn)絺鲃訉C械臂末端送到水罐車出水口上方15 cm左右的位置。這一前期準(zhǔn)備工作之所以保持15 cm的距離,是因為要確保機械臂與水罐車車體不發(fā)生直接碰撞。當(dāng)抽水作業(yè)開始后,機械臂末端應(yīng)能將抽水導(dǎo)管下放到水罐車頁面下45 cm左右的位置,以確保有效抽水。

      抽水作業(yè)的特定要求也直接影響了專用機械臂各關(guān)節(jié)、各主要部件的動作范圍,這也直接形成了對專用機械臂參數(shù)設(shè)計需求,見表1。

      1.2 專用機械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計

      根據(jù)表1給出的海上油田專用機械臂的運動功能主要部件和參數(shù)需求,該文給出大致的設(shè)計簡圖,如圖1所示。

      表1 專業(yè)機械臂設(shè)計參數(shù)需求

      從圖1可以看出,為了滿足設(shè)計需求,該文給出了底部回轉(zhuǎn)部件、支架、主干臂、枝干臂和執(zhí)行臂等部件,支架、主干臂、枝干臂和執(zhí)行臂4個部件之間的連接,則通過3個關(guān)節(jié)實現(xiàn)。

      圖1 海上油田專業(yè)機械臂的設(shè)計簡圖

      從圖1可以看出,這個機械臂中包括3個臂支、1個支架和1個回轉(zhuǎn)部件。執(zhí)行臂和枝干臂之間、枝干臂和主干臂之間、主干臂和支架之間都是通過轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)連接,形成了3個自由度。底部回轉(zhuǎn)部件本身也可以做360度的整周回轉(zhuǎn),這又是一個自由度。執(zhí)行臂在操作過程中可以自帶一個自由度用于完成抓取、提拉與抽水等動作。這樣疊加在一起,海上油田專用機械臂一共包括5個自由度。

      考慮服務(wù)于該文關(guān)聯(lián)海上油田水罐車的細(xì)致參數(shù),車體總寬度2.8 m,車體總高度3.6 m,水罐總深度2.2 m,上方出水口距離車體左、右兩側(cè)為1.4 m。再考慮機械臂作業(yè)時與車體的安全距離不小于0.5 m,結(jié)合功能要求和作業(yè)空間要求,最終設(shè)計出的主干臂長度為1.5 m,枝干臂長度為1.4 m,執(zhí)行臂長度為0.5 m。最終設(shè)計出的海上油田專用機械臂的三維仿真模型如圖2所示。

      2 海上油田專用機械臂的運動學(xué)分析

      根據(jù)圖2可以得到底部回轉(zhuǎn)部件、支架、主干臂、枝干臂以及執(zhí)行臂具體的參數(shù),為了驗證其是否可以達(dá)到正常的作用空間要求,對其進(jìn)行數(shù)學(xué)建模和運動學(xué)分析。

      圖2 海上油田專用機械臂的三維仿真設(shè)計結(jié)果

      因支架固定于底部回轉(zhuǎn)部件上,因此將二者看成一個整體,綜合考慮這樣幾個參數(shù):底部回轉(zhuǎn)部件連同支架的旋轉(zhuǎn)角度、底部回轉(zhuǎn)部件連同支架的總體質(zhì)量以及底部回轉(zhuǎn)部件連同支架的總體轉(zhuǎn)動慣量。

      對主干臂,考慮這樣幾個參數(shù):主干臂的旋轉(zhuǎn)角度、主干臂的總體質(zhì)量和主干臂的總體轉(zhuǎn)動慣量。對枝干臂,考慮這樣幾個參數(shù):枝干臂的旋轉(zhuǎn)角度、枝干臂的總體質(zhì)量和枝干臂的總體轉(zhuǎn)動慣量。對執(zhí)行臂,考慮這樣幾個參數(shù):執(zhí)行臂的旋轉(zhuǎn)角度、執(zhí)行臂的總體質(zhì)量和執(zhí)行臂的總體轉(zhuǎn)動慣量。

      再考慮:底部回轉(zhuǎn)部件回轉(zhuǎn)中心到主干臂回轉(zhuǎn)中心的距離、主干臂質(zhì)心到主干臂回轉(zhuǎn)中心的距離、主干臂質(zhì)心到枝干臂質(zhì)心的距離、執(zhí)行臂回轉(zhuǎn)中心到枝干臂質(zhì)心的距離、執(zhí)行臂回轉(zhuǎn)中心到執(zhí)行臂質(zhì)心的距離以及枝干臂最大的移動距離。

      忽略掉機械臂在整個作業(yè)時間窗內(nèi)的能量損失,構(gòu)建整個機械臂系統(tǒng)的動力學(xué)方程,聯(lián)合表達(dá)形式如公式(1)、公式(2)和公式(3)所示。

      式中:參數(shù)為Lagranger函數(shù);參數(shù)為專用機械臂的整體動能;參數(shù)為專用機械臂的整體勢能;參數(shù)θ為第個關(guān)節(jié)的角位移的大小,其一階微分形式代表了角速度的大?。粎?shù)τ為外加的驅(qū)動力矩的大小,即液壓馬達(dá)提供的動力。

      進(jìn)一步可以得到專用機械臂的整體轉(zhuǎn)換矩陣,如公式(4)所示。

      進(jìn)一步的運動學(xué)分析解算可以得到關(guān)鍵矩陣的形式,如公式(5)、公式(6)所示。

      3 海上油田專用機械臂的控制仿真

      在工業(yè)機器人控制領(lǐng)域中,Sliding控制算法是一種使用廣泛的算法,其特點是可以實現(xiàn)不連續(xù)的非線性控制。為了有效抑制Sliding控制算法抖動現(xiàn)象的發(fā)生,可以用飽和函數(shù)作為原有Sliding控制算法內(nèi)核控制函數(shù)的替代。原有Sliding控制算法中的內(nèi)核函數(shù),是簡單的開關(guān)切換函數(shù),所以體現(xiàn)為控制過程的過于剛性化,而飽和函數(shù)的使用再配套邊界設(shè)定和相應(yīng)處理,可以使控制位置的轉(zhuǎn)換變得相對柔性,進(jìn)而有效削弱控制過程中可能出現(xiàn)的抖動現(xiàn)象。

      為了實現(xiàn)對海上油田專用機械臂的穩(wěn)定控制,該文構(gòu)建如下的Sliding控制算法,其理論基礎(chǔ)是在獲取了使用者所需的運動軌跡或任務(wù)點位信息后,斷續(xù)調(diào)整機械臂的速度和方向,雖然是斷續(xù)控制,但要求機械臂的各個關(guān)節(jié)角度始終與運動學(xué)解算角度保持一致。

      在這里,首先定一個誤差量用于跟蹤控制,其數(shù)學(xué)形式如公式(7)所示。

      基于這個誤差量,進(jìn)一步設(shè)計一個Sliding函數(shù),其數(shù)學(xué)形式如公式(8)所示。

      進(jìn)一步,可以得到Sliding控制規(guī)律內(nèi)核函數(shù),其數(shù)學(xué)形式如公式(9)所示。

      根據(jù)上面設(shè)計出的控制算法對海上油田專用機械臂進(jìn)行控制仿真試驗,其跟蹤位置曲線和預(yù)期位置曲線的變化情況如圖3所示。圖3中,實線代表了專用機械臂末端執(zhí)行臂預(yù)期的位置變化曲線,虛實線代表了專用機械臂末端執(zhí)行臂在Sliding控制算法下形成的位置跟蹤曲線??梢郧逦乜闯?,機械臂末端執(zhí)行臂的位置非常理想地實現(xiàn)了對預(yù)期位置的跟蹤。

      圖3 Sliding算法下專用機械臂的位置跟蹤曲線

      進(jìn)一步觀察跟蹤速度曲線和預(yù)期速度曲線的變化情況,如圖4所示。

      圖4中,實線代表了專用機械臂末端執(zhí)行臂預(yù)期的速度變化曲線,虛線代表了專用機械臂末端執(zhí)行臂在Sliding控制算法下形成的速度跟蹤曲線??梢郧逦乜闯?,機械臂末端執(zhí)行臂的速度非常理想地實現(xiàn)了對預(yù)期速度的跟蹤。

      圖4 Sliding算法下專用機械臂的速度跟蹤曲線

      4 結(jié)論

      根據(jù)海上油田作業(yè)的實際需求,該文展開了一種專用機械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計和控制仿真實驗研究工作。首先,根據(jù)功能要求設(shè)計了專用機械臂的結(jié)構(gòu)簡圖和三維仿真結(jié)構(gòu)圖。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中,采取了底部回轉(zhuǎn)部件、主干臂、枝干臂和執(zhí)行臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計方式,各個主要部件之間通過旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)進(jìn)行連接,動力控制采用液壓泵提供動力、液壓控制線路隨帶機械臂完成整體控制。其次,進(jìn)行了專用機械臂的數(shù)學(xué)建模和運動分析,通過Lagranger函數(shù)構(gòu)建了其整體的運動學(xué)模型,并完成了關(guān)鍵矩陣的解算。最后,改進(jìn)了Sliding算法用于專用機械臂的運動控制,飽和函數(shù)替代了原有Sliding算法中的切換函數(shù)??刂圃囼灲Y(jié)果表明,在Sliding控制算法下,專用機械臂的速度和位置曲線都實現(xiàn)了對預(yù)期速度和預(yù)期位置的準(zhǔn)確跟蹤,可以用于海上油田的實際作業(yè)。

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