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摘 要

挖掘机是现代人类用于资源开发和基础建设的最好的工具之一。挖掘机主要用于矿山、采石场和建筑工地的土壤和其他材质的快速挖掘，但该项工作劳动强度大，工况复杂，在一些特定场合甚至伴有危险发生，而且挖掘机的驾驶人员一般需要严格训练，培训周期也较长。此外对于一些特殊的作业任务，如果操作人员没有一定的工作经验，那么作业质量并不能得以保证。因此这些机器的自动化就显得尤为重要了。

本文依托三一重工有限公司生产的SY235型液压挖掘机这一平台，对挖掘机的自动控制进行了一定的研究和设计。

本文首先利用D-H方法对挖掘机器人各个工作装置进行了运动仿真分析。先建立挖掘机工作装置的运动坐标系，推导出挖掘机工作装置的正、逆运动学数学模型。然后以三一重工有限公司生产的SY235型液压挖掘机为平台，在MATLAB 2015b中用Robotics Toolbox工具箱建立了此挖掘机器人的各工作装置的运动仿真模型，得到该挖掘机器人的作业空间，然后进行点到点轨迹规划仿真并进行运动学仿真；得到动臂、斗杆和铲斗的各关节的角度变化和末端的位姿变化数据。最后通过这些来检验动臂、斗杆和铲斗的关键运动参数的合理性，为挖掘机自动控制的研究奠定运动学基础。

本文的挖掘机器人的控制系统分析主要采用MATLAB/Simulink进行仿真分析。计算控制系统中各个环节的传递函数，然后在MATLAB/Simulink中建立PID控制系统框图对其进行控制仿真，并得到添加PID控制后的动臂和斗杆的阶跃信号和正弦信号的跟踪曲线，以及末端轨迹图。

关键词：挖掘机器人Robotics Toolbox工具箱 运动学分析控制系统 PIDMATLAB/simulink仿真

ABSTRACT

Excavator is one of the best tools to develop resources and infrastructure for human. Excavators are used for fast mining of mine, quarry, the soil and other materials of construction sites. But the labor intensity is strong and working condition is complex. In some specific occasions there even exsists the risk of occurrence. In addition, strict training is required for the excavator drivers, and the training cycle is very long. For some special assignments, if the operator doesn‘t have experience, the quality of work will not be guaranteed. Therefore, the automation and intelligence of machines become very important.

The paper researches and designs the automatic control of the excavator. It is based on the platform of the SY235 type hydraulic excavator produced by Sany Co., Ltd.

Firstly, we used the method of D-H to do simulation analysis of the motion about the working device of excavator. We establish the motion coordinates of excavator’s working device, then deduced the mathematical model of forward and inverse kinematics. Then the kinematics simulation of the working device of hydraulic excavator is implemented with the robotics toolbox in the simulation environment of MATLAB 2015b, the working space was drawn by point-to-point path planning simulation and kinematics simulation. The data of the angle and the terminal position of the each working device will be got. Analyzing those data and compare it with the crucial data to ensure the reasonability of the crucial data.

Finally, the control system of the excavating robot is analyzed. The transfer function of each link in the control system is established. Then a PID control system block diagram was built in MATLAB/Simulink and control simulation. The tracking curve of step signal and sine signal of the boom and bucket rod will be got. And the graph of the end trajectory after adding PID control also will be got.

Key Words: Excavating Robot；Robotics Toolbox；Kinematic analysis and control system；PID；MATLAB/Simulink

目录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章绪论 1

1.1课题研究背景及意义 1

1.2国内外挖掘机器人控制系统研究现状 1

1.3本课题主要研究内容 2

第二章挖掘机器人运动仿真分析 4

2.1 运动学分析 4

2.1.1 建立运动坐标系 4

2.1.2 正运动学 5

2.1.3 逆运动学 6

2.2 基于Robotics Toolbox的运动学仿真 11

2.2.1 Robotics Toolbox介绍 11

2.2.2 运动学仿真模型建立 11

2.2.3 轨迹规划 14

2.3 仿真结果分析 17

2.4 本章小结 17

第三章挖掘机器人工作装置的数学模型建立 18

3.1电液比例放大器传递函数 18

3.2电液比例阀的传递函数 18

3.3液压缸的传递函数 19

3.3.1动臂液压缸传递函数： 20

3.3.2斗杆液压缸传递函数 21

3.3.3铲斗液压缸传递函数 21

3.4本章小结 22

第四章挖掘机器人工作装置PID控制仿真 23

4.1 PID控制原理 23

4.2 基于MATLAB/Simulink的PID仿真分析 24

4.2.1动臂PID控制系统仿真 24

4.2.2斗杆PID控制系统仿真 25

4.2.3铲斗PID控制系统仿真 27

4.3本章小结 28

总结与展望 28

总结 29

展望 29

参考文献 30

致谢 33

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