液压挖掘机工作装置的动力学分析及控制

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液压挖掘机工作装置的动力学分析及控制
刘鹏虎， 张
勇， 张
强
(辽宁工程技术大学 机械工程学院， 辽宁 阜新
123000)
摘要: 对液压挖掘机的工作装置进行三自由度的动力学分析， 利用拉格朗日方法建立其动力学方程， 并对挖掘
机计算机控制进行了改造，绘出了 PID 控制的框图以及铲斗轨迹跟踪方程表达式. 研究结果可以用于挖掘机工
作装置的轨迹规划和运动控制.
关键词: 液压挖掘机; 运动学; 拉格朗日方程; PID 控制
中图分类号: U 415. 511



文献标识码: A



文章编号: 1672- 5581( 2007) 01- 0072- 03
Dynamical analysis and control for manipulator
of hydraulic excavator
LI U Peng
hu ， ZHAN G Yong， ZHAN G Qiang
( College of M echanical Engineering， Li aoning T echnical University， Fuxin 123000， China)
stract : In this study， a three
degree
freedom ( 3DF) dynamical analysis is f i rst conducted for the manipula

of a hydraulic excavator. Afterw ards， a dynamical function is established based on the Lag rang ian equa

n. Meanw hi le， the computerized control， PID cont rol diagram and scoop
path t racking equat ion are adapt

Finally ， this approach has been proven ef fective in t rajectory t racking and mot ion cont rol of the manipula

.
ey words: hydraulic excavator; kinematics; Lagrange equat ion; PID cont rol

液压挖掘机是功能最典型、 结构最复杂、 用途最广泛的工程机械之-， 作为工程机械的代表产品，它在
业与民用建筑、 交通运输、 水利电力工程、 矿山采掘以及军事工程等施工中起着极为重要的作用.
随着工程机械机器人的研究发展， 液压挖掘机的自动化逐渐成为研究的重点. 在局部自动化的研究
，人们对挖掘机的工作装置进行控制的研究较多. 目前， 国内外对挖掘机工作装置控制的研究中， -般
挖掘机工作装置作为-种平面三自由度冗余机械手来研究，控制工作装置的末端( 即铲斗) 以跟踪规划
的期望轨迹.
目前在挖掘机的控制自动化研究[ 1]
方面已取得了-定进展，可实现简单的自动挖掘动作，如:直线挖
、 自动卸载、 紧急避障等.分析机器人操作的动态数学模型主要有两种理论: New
Euler 方程和拉格朗日
方程[ 2]
.前者对每个杆件进行受力分析， 得到两组递推公式.如: Koivo 等采用 New
Euler 方程描述了挖
机构的运动关系并建立了较完整的系统运动学方程.拉格朗日方程消除了 New
Euler 中复杂的内力分
只要知道各连杆的质量、 惯性张量、 质心位置和旋转矩阵即可直接计算实现给定运动所需的关节驱动