中國報告大廳網(wǎng)訊，隨著全球經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展，海上貿(mào)易日益繁榮，船舶運輸成為國際貿(mào)易的重要支柱。在船舶運輸業(yè)務不斷增長的背景下，如何在空間有限且環(huán)境復雜的船舶艙室內(nèi)高效、安全地轉(zhuǎn)運物資，成為亟待解決的問題。機械臂行業(yè)技術的發(fā)展為這一難題提供了新的解決方案，尤其是船用碼垛機械臂的運動控制算法，對于提升船舶物資轉(zhuǎn)運效率至關重要。

  一、船用碼垛機械臂結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建

  《2025-2030年中國機械臂行業(yè)市場分析及發(fā)展前景預測報告》指出，船用碼垛機械臂的機械結(jié)構(gòu)由多個關鍵部分組成，包括一級臂及其驅(qū)動裝置、二級臂及其驅(qū)動裝置、升降驅(qū)動裝置、抓取臂、操作面板和中心立柱等。中心立柱底部穩(wěn)固地與船體基座相連，抓取臂則承擔起固定連接待起吊轉(zhuǎn)運物資的重要任務。使用人員能夠通過操作面板上布置的方向選擇按鈕，靈活地控制一、二級臂的回轉(zhuǎn)和俯仰動作，從而使機械臂掛載的負載可以跟隨操作人員的移動路徑，順利完成起吊轉(zhuǎn)運工作。

  將機械臂結(jié)構(gòu)進行抽象后得到運動學模型視圖，其中 M 點為機械臂抓取轉(zhuǎn)運物資的重心，該點在三維空間內(nèi)的坐標可視為轉(zhuǎn)運物資的位置。機械臂各部分尺寸、位置的計量單位均為毫米，lED表示一級臂長度，lEP為一級臂最大起升高度。二級驅(qū)動與一級臂的特殊機械連接方式，能夠確保二級臂在船體艙室發(fā)生傾斜搖擺時，始終與艙室地板面保持平行，lBA表示二級臂長度。通過對抓取臂與二級臂連接點 A 在三維空間上的連續(xù)運動軌跡(x,y,z)進行二維平面 “切片” 采樣，采樣平面與艙室地板面平行，進而獲取連接點 A 在采樣時刻t0垂直方向的高度z0以及在采樣二維平面內(nèi)的坐標位置(x0,y0)?；诖?，在采樣平面內(nèi)根據(jù)機械臂結(jié)構(gòu)的投影尺寸和掛載物資跟隨速度，利用機械臂正逆運動學，便可求解出機械臂各個驅(qū)動轉(zhuǎn)動的速度。

  二、船用碼垛機械臂正運動學分析

  機械臂運動學從幾何角度深入研究機械臂末端位置與關節(jié)驅(qū)動變量之間的關系，從機械臂關節(jié)空間到工作空間的映射即為正運動學。選取三維空間運行軌跡t0時刻的二維平面進行采樣分析。

  三、船用碼垛機械臂逆運動學求解

  機械臂逆運動學是在已知機械臂末端位置姿態(tài)的情況下，計算機械臂對應位置的全部關節(jié)變量。在逆運動學建模過程中，假定抓取臂在采樣平面內(nèi)的跟隨速度是v(單位：mm/s)，1 s 移動位移為Δs，目標位置是基座坐標系坐標為(x1,y)的d點，R′是目標位置對應的二級驅(qū)動。此外，跟隨速度的 S 形曲線加減速過程在機械臂運動控制中起著關鍵作用。在運動控制里，依據(jù) S 形曲線函數(shù)模型，對跟隨速度在加速與減速階段進行精細化調(diào)控。加速階段，速度以平滑的 S 形曲線逐步提升，加速度從初始值緩慢增大至設定值;減速階段則相反，通過控制加速度變化實現(xiàn)速度平穩(wěn)降低，確保運動過程的平穩(wěn)性和精確性。在伺服電機控制系統(tǒng)中應用 S 形曲線控制算法，可有效降低負載所承受的沖擊，顯著提升系統(tǒng)的控制精度與響應速度。

  四、船用碼垛機械臂運動控制程序?qū)崿F(xiàn)

  船用碼垛機械臂的運動跟隨控制算法將三維空間內(nèi)掛載物資的轉(zhuǎn)運路徑分解為垂直方向和二維采樣平面上的方向?；跈C器人學正運動學建模，根據(jù)機械臂驅(qū)動位置求解掛載物資坐標位置，再結(jié)合掛載物資給定跟隨速度求解機械臂逆運動學解，從而確定機械臂各個驅(qū)動伺服電機的設定轉(zhuǎn)速。運動控制算法作為核心功能模塊嵌入機械臂控制程序，在 PLC 的一個掃描周期內(nèi)，其執(zhí)行流程包括獲取操作面板角度以及機械臂驅(qū)動伺服數(shù)據(jù)、現(xiàn)場操作信號數(shù)據(jù)，計算采樣時刻一級臂俯仰角度、一級臂等效投影長度等，將XOY坐標下的目標位置轉(zhuǎn)換并求解對應的一、二級驅(qū)動的目標位置，獲取采樣二維平面當前掛載坐標位置，求解一、二級驅(qū)動的轉(zhuǎn)動角速度并發(fā)送至相應的驅(qū)動器執(zhí)行，同時進行設備狀態(tài)監(jiān)控，若設備正常則按照規(guī)劃的加減速曲線，根據(jù)操作面板指令控制一級臂的俯仰以及掛載物資的升降，若設備異常則進行相應處理。

  綜上所述，針對船舶艙室物資轉(zhuǎn)運作業(yè)效率提升的需求，設計的基于 PLC 控制器的船用碼垛機械臂運動控制算法，通過對機械臂行業(yè)結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建、正逆運動學的分析求解以及運動控制程序的實現(xiàn)，使機械臂能夠在船舶艙室內(nèi)靈活避障，有效提高了物資轉(zhuǎn)運效率。展望未來，船用碼垛搬運機械臂將朝著柔性化和協(xié)同化方向發(fā)展，結(jié)合智能傳感器更好地感知環(huán)境，通過無線網(wǎng)絡與其他自動化設備緊密協(xié)作，構(gòu)建更加高效、智能的船舶物流轉(zhuǎn)運系統(tǒng)。

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