CN101328767B - 大型机械手 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大型机械手，包括一折弯杆。折弯杆铰接在可绕竖轴旋转的杆座上。折弯杆有至少三个杆臂，它们可各借助一个驱动器分别绕水平的彼此平行的铰接轴相对于杆座或相邻的杆臂有限地回转。此外设一调整装置用于控制杆运动的驱动器，它有一个对预定的指令参数和借助在杆臂上的传感器确定的测量值作出响应的坐标转换器，用于按照预定的行程/回转特征曲线的标准转换为用于驱动器的涉及铰接轴的运动信号。为了获得一种较轻和简单的结构方式，按本发明建议，在杆臂上分别刚性地设置一GPS模件作为位置传感器，用于确定属于各个杆臂的以地为基准的位置测量值，其中坐标转换器可加入GPS模件的位置测量值。

Description

大型机械手

本申请是申请号为“03820315.4”的中国发明专利申请的分案申请。原申请即第一次提出的申请的申请号为“03820315.4”(PCT/EP2003/006925)、申请日为2003年6月30日(PCT国际申请日)、发明名称是“操纵折弯杆的设备”。

技术领域

本发明涉及一种大型机械手，包括一根折弯杆，所述折弯杆铰接在一优选可绕机架上的竖轴旋转的杆座上以及有至少三个杆臂，它们可各借助一个驱动器分别绕水平的彼此平行的铰接轴相对于杆座或相邻杆臂有限地回转；还包括一个调整装置，用以控制用于杆运动的驱动器，它有一个对优选在一个固定在机架上或杆座上的坐标系统内预定的指令参数和借助在杆臂上的传感器确定的测量值作出响应的坐标转换器，用以按照预定的行程/回转特征曲线的标准转换为用于驱动器的涉及铰接轴的运动信号。

背景技术

这种设备例如使用于尤其混凝土泵的大型机械手中。此类大型机械手由操作员操纵，他通过遥控器不仅负责泵的控制而且负责设在折弯杆顶端的终端软管的定位。为此，操作员应当在注意工地现场条件的同时，在不具有某种结构的三维工作空间，通过附属的驱动器运动折弯杆，操纵折弯杆多个旋转自由度。虽然单根轴操作有可将各杆臂独立置于任意的只受其回转范围限制的位置的优点。但在这种情况下为折弯杆或杆座的每根轴配设遥控器遥控机构的一个主调节方向，所以当存在三个和三个以上的杆臂时操纵并非一目了然的。操作员必须始终用眼睛注视被操纵的轴和终端软管，以避免终端软管失控运动的危险并由此避免伤害工地现场的人员。

为了在这方面能更容易操作，已建议了一种操纵设备(DE-A-4306127)，其中，折弯杆冗余的铰接轴在杆座任何旋转位置均独立于杆座的旋转轴与遥控机构唯一的调节过程共同控制。在这里，折弯杆实施一种对操作员显而易见的伸长和缩短运动，此时杆顶端的高度保持恒定。为了能做到这一点，在那里，控制器有一个可通过遥控器控制并有计算机支持的驱动器坐标转换器，借助它可独立于杆座的旋转轴驱动器，在杆顶端高度给定时，沿遥控机构的一个主调节方向操纵铰接轴驱动器，以实施折弯杆伸缩运动。沿另一个主调节方向，铰接轴的驱动器可独立于旋转轴的驱动器操纵，以实施杆顶端的升降运动。为了在伸缩运动时优化运动过程，在那里认为重要的是，折弯杆冗余的铰接轴可分别按行程/回转特征曲线的标准操纵。属于此的是行程/回转特征曲线在坐标转换器内在取决于作用在各杆臂上的负载的弯矩和扭矩的影响下进行修正。

为了检测折弯杆内的运动过程，在杆臂上设用于确定弯折角的角度传感器。各个角度传感器只分别测量一根铰接轴的两个杆臂之间的弯折角。此类角度测量是稳定的，因为在轴区域内的系统是比较刚性的以及因为角度传感器相当准确地提供实际弯折角。涉及此轴的测量值与另一些轴上的测量值无关。因此人们获得在一方面是弯折角以及另一方面是终端软管当前位置之间的一种比较简单的数学关系。在这里指的是涉及铰接轴的角坐标与以机架为基准的圆柱坐标之间的坐标转换，机器的终端软管在圆柱坐标内运动。

涉及铰接轴的角度测量值还与各杆臂在负载力矩作用下的挠度无关。挠度必须另外通过数学关系考虑。为此必须首先确定各臂部分的质量以及与此同时尤其是相关布料管用混凝土充填的情况。然后挠度纯计算地在坐标转换时考虑。这被认为是有缺点的。

另一方面从动力学的观点业已证明有利的是，涉及铰接轴的角度测量没有包含有关振动状态的信息份额，所以有关的角度测量存在一种动态去耦。因此，比较稳定的轴角度使得有可能在使用有关各轴内振动状态，例如有关在附属的调整缸内动态压力过程的附加的信息的情况下实施干扰量反馈。由此可以有效地阻尼振动(参见DE-A-10046546)。

已知的设备，其中杆臂角在一个固定在机架上涉及铰接轴的坐标系统中测量，有下列缺点：

a)角度传感器安装在铰接轴区域内是麻烦的，因为在轴区域内存在许多结构材料，它们妨碍角度传感器的固定。

b)涉及轴的角度传感器连同敷设的电缆的质量比较大，每根轴约50kg。

c)用涉及铰接轴的角度传感器只测量弯折角，而且没有考虑各杆臂的挠度。对于布料管有或没有充填混凝土的通过作用的负载力矩造成的挠度需要附加的数学模件，它可能带来误差。

发明内容

由此出发，本发明的目的是设计一种操纵尤其用于大型机械手的折弯杆的设备，它的测量设备、固定件和布线有小的重量并能方便地安装，以及借助它也可以通过测量技术获知有关杆臂挠度和系统动力学的信息。

为此，本发明提供一种大型机械手，包括一根折弯杆，它铰接在一优选可绕机架上的竖轴旋转的杆座上以及有至少三个杆臂，它们可各借助一个驱动器分别绕水平的彼此平行的铰接轴相对于杆座或一个相邻杆臂有限地回转，以及在最后那个杆臂的自由端上构成一个杆顶端；还包括一个调整装置，用以控制用于杆运动的各驱动器，它有一个对优选在一个固定在机架上的坐标系统内预定的用于杆顶端或用于一根装在此杆顶端上的终端软管的指令参数和借助在杆臂上的传感器确定的测量值作出响应的坐标转换器，用以按照一种预定的行程/回转特性曲线的标准转换为用于驱动器的涉及铰接轴的运动信号，其特征为：在杆臂上分别刚性地设置一GPS模件作为位置传感器，用于确定属于各个杆臂的以地为基准的位置测量值，其中坐标转换器可加入GPS模件的位置测量值。

本发明第一种方案规定，在杆臂上优选地离铰接轴有一距离处刚性地设置测地学

的角度传感器，用于确定各杆臂以地为基准的角度测量值。为了在坐标转换时也能考虑杆座和支承它的机架非水平的方向，有利的是附加地设一个装在杆座和/或至少一个装在机架上的测地学角度传感器，用于测量属于杆座和/或机架的以地为基准的角度测量值。

本发明的一项优选的设计规定，测地学的角度传感器设计为响应地心引力的斜角传感器。

用按本发明的测地学角度传感器确定的以地为基准的角度测量值，可以在按本发明的操纵设备中按不同的方式评估：

a)可按静力学由此算出各弯折角。然后通过弯折角可建立与基于机架的圆柱坐标的关系。传统的坐标转换由弯折角确定各杆臂在空间的方向并由此确定终端软管沿径向及其离地高度的当前位置。

b)杆臂的按本发明测地学角度测量值也可以直接地不通过弯折角迂回地换算为终端软管的圆柱坐标。

c)在a)和b)两种情况下基于负荷力矩的静态变形影响已经包含在测量值内。归因于地基变形的安装斜度也已考虑在内。

d)在折弯杆伸展和收拢时在铰接轴内的角度位置按照a)必须是已知的，因此杆臂可以互不冲突地运动。属于这方面的还有自相矛盾，亦即在各杆臂与装在它上面的零件之间的矛盾。

为了使所有这些均能实现，按本发明一项有利的设计建议，坐标转换器有一软件程序，用于将以地为基准涉及杆臂的角度测量值换算成弯折角。附加地，坐标转换器还应有一个软件程序，用于按照折弯杆预定的行程/回转特征曲线的标准将在以机架为基准的圆柱坐标系统中的指令参数换算成指令弯折角。

在使用杆臂上的测地学角度传感器时，居先的那些臂的斜度及其变化直接影响相邻臂的角度测量值。也就是说，若第一个杆臂改变了其斜角，则也改变随后的那些杆臂的斜度一个相应的量。这不仅应在静态而且也应在动态的斜度改变时考虑。在发生这种改变时产生的质量效应或惯性效应也动态地分布在各杆臂上。因此在坐标转换时必须区别，斜度变化究竟是由杆臂本身引起还是由居先的杆臂引起的。这导致一个归属问题：在各杆臂上测量到任何角度改变时必须确定，哪一个改变份额是由哪一个杆臂引起的。为此需要一个数学模件，它造成在各杆臂内测地学角度测量的去耦。为此按本发明实施换算为涉及铰接轴的角坐标的信号的动态去耦。为此按本发明设一个响应动态角度测量值的软件程序，用于将它分成低频和高频的角度测量值分量。此外，按本发明一项优选的设计设一组涉及铰接轴的调节比较器，它们可加入弯折角的静态或低频分量作为实际值以及加入指令弯折角作为额定值，以及它们在出口侧与涉及铰接轴的指令参数调节器连接，后者用于控制所涉及的铰接轴的驱动器。

按本发明的另一项有利的设计，设一组涉及铰接轴的干扰量调节器，它们可加入动态的角度测量值涉及铰接轴的高频分量，以及它们连接在铰接轴附属的驱动器的信号进口上以构成一个干扰量输入电路。在干扰量调节器上游可连接一个响应弯折角以地为基准的动态角度测量值和累加的高频分量的软件程序，用于确定各弯折角的高频分量。

动态角度测量值的上述分解，导致获得各种类型不同的调整信号并在不同的调节回路中评估，即一个指令参数调节器，它影响由操作员预定的指令特性，和一个干扰量调节器，它影响振动特性。这两组调节器可加入由所述的分解得出的实际值信号分量。指令参数调节器的额定值由例如控制杆输入的数据产生，亦即由操作员的给定值产生，附加地考虑预调的行程/回转特征曲线，而分出的干扰量通过干扰量调节器调整到零，目的是抑制振动。按本发明指令特性附加地包括杆臂的静态变形和地基的安装斜度。

第二种方案在于，在杆臂上分别刚性地设一个卫星支持的GPS模件(Global Positioning System)，用于确定各个杆臂以地为基准的位置测量值，其中坐标转换器可加入GPS模件的位置测量值。有利地，另设一个装在杆座上的GPS模件，以及必要时设至少一个装在机架上的GPS模件，用于确定属于杆座和/或机架的以地为基准的位置测量值。以地为基准涉及杆臂的位置测量值有利地借助一个坐标转换器的软件程序转换成弯折角。有利地，坐标转换器附加地有一个软件程序，用于按照预定的折弯杆行程/回转特征曲线的标准将指令参数换算成以机架为基准的指令弯折角。若位置测量值还含有频率足够高的动态位置信息，则有利的是设一个响应动态位置测量值的软件程序，用于将它分成低频和高频的位置测量分量。在这种情况下有利的是设一组调节比较器，它们可加入弯折角的静态或低频分量作为实际值以及加入指令弯折角作为额定值，以及，它们在出口侧与一个涉及铰接轴的指令参数调节器连接，后者用于控制所涉及的铰接轴的驱动器。指令参数调节器保证，操作员例如借助控制杆的给定值转换成折弯杆期望的伸或缩运动。为了阻尼振动可以附加地设一组涉及铰接轴的干扰量调节器，它们可加入动态角度测量值涉及铰接轴的高频分量，以及它们连接在铰接轴附属的驱动器的信号进口上以构成一个干扰量输入电路。在这里恰当地在干扰量调节器上游连接一个响应弯折角以地为基准的动态的位置测量值和累加的高频分量的软件程序，用于确定弯折角涉及铰接轴的高频分量。

附图说明

下面借助附图中示意表示的实施例详细说明本发明。其中：

图1折弯杆已收拢的自行式混凝土泵侧视图；

图2按图1的自行式混凝土泵，折弯杆处于工作位置；

图3将测地学(以地为基准)角度测量值转换为涉及铰接轴的角度测量值的简图；

图4操纵折弯杆的设备系统图。

具体实施方式

自行式混凝土泵10包括车身底盘11、例如设计为双缸活塞泵的泥浆泵12以及作为混凝土输送管16支架的混凝土布料杆14。在浇筑混凝土时连续加入进料斗17内的液体混凝土，通过混凝土输送管16输送到一个远离汽车11停车位的混凝土浇筑地点18。布料杆14由一个可借助液压旋转驱动器19绕竖轴13旋转的杆座21和可在杆座21上回转的折弯杆22组成，折弯杆22可连续调整，改变在汽车11与混凝土浇筑地点18之间的作用距离和高度差。在图示的实施例中，折弯杆22由五个互相铰接的杆臂23至27组成，它们可绕彼此平行和垂直于杆座21竖轴13延伸的轴28至32回转。由铰接轴28至32构成的曲铰的弯折角α₁至α₅(图2)及其相互关系按这样的方式彼此协调，即，使布料杆能以图1所示通过多重折叠节省空间地运输时的构型放置在汽车11上。通过起动为铰接轴28至32逐个配设的驱动器34至38，折弯杆22可按在混凝土浇筑地点18与汽车停车位之间不同的距离r和/或高度差h展开(图2)。

操作员借助无线遥控器50控制杆的运动，通过杆的运动将杆顶端33和终端软管43移到要浇筑混凝土的区域的上方。终端软管43典型的长度为3至4m，并由于其铰接地悬挂在杆顶端33的区域内以及基于其固有的柔性，可由软管操作者将其出口端保持在一个对混凝土浇筑点恰当的位置上。

由图2可以看出，在每个杆臂23至27上刚性地设一个测地学的角度传感器44至48，用于确定各个杆臂以地为基准的角度测量值ε_v(见图3)。另一个测地学的角度传感器49处于杆座21上。借助它可以测量竖轴13相对于垂直线的斜度，并因而也可测得汽车底盘相对于地面的斜度。角度传感器44至48代替在传统的折弯杆控制器中所设的涉及铰接轴的角度传感器。

由图3可见，在静态，涉及铰接轴的弯折角d_v可以由杆臂借助测地学角度传感器44至48确定的以地为基准的角度ε_v计算如下：

${\mathrm{\α}}_v={\mathrm{\ϵ}}_v-\underset{n=1}{\overset{v-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_n$ 其中v＞1

以及

α₁＝ε₁    其中v＝1

其中安装斜度假定为零。测地学角度传感器44至49恰当地设计为响应地心引力的斜角传感器。因为角度传感器设在铰接轴28至32之外的杆臂23至27上，所以它们的测量值含有有关杆系统的挠度和动态振动状况附加的信息分量。此外，在测量值内还含有有关安装斜度和地基内变形的信息，它可以通过在杆座或机架上附加的测量点49分开。

在图4表示的实施例中，遥控器50包括至少一个设计为控制杆的摇控机构60，它可沿三个主调节方向往复调整以输出控制信号62。控制信号62通过无线通信距离64传输给固定在车上的无线接收机66，它在输出侧通过一个例如设计为CAN数据总线的数据总线系统68连接在微控制器70上。微控制器70包括软件模块74、76、78、80，从遥控器50接收的控制信号62(r、h)和从测地学角度传感器44至48接收的测量信号82(ε_v)通过它们解释、转换，并借助指令参数调节器84、干扰量调节器86和下游的信号发送器88转换成铰接轴28至32驱动器34至38(致动器)的操纵信号(Δα_v)。

在图示的实施例中，遥控机构60沿三个主调节方向的输出信号解释为：“前/后倾斜”用于调整杆顶端33到杆座旋转轴13的半径r、“左/右倾斜”用于控制绕杆座21旋转轴13的角度

以及“左/右旋转”用于调整杆顶端33在混凝土浇筑点18上方的高度h。遥控机构60沿各方向的偏转在一个图中未表示的内插程序中转换为速度信号，其中一个极限值数据保证，轴的运动速度及其加速度不超过预定的最大值(参见DE-A-10060077)。

称为“转换程序”的软件模块74的任务是，将输入的解释为圆柱坐标r、h的控制信号(额定值)在预定的时间节拍内转换为旋转轴和铰接轴13、28至32处的角度信号

α_sv。每一根铰接轴28至32在转换程序74内在使用预定的行程/回转特征曲线的情况下按软件控制为，使曲铰根据行程和时间彼此和谐运动。因此，曲铰冗余自由度的控制按预先编程序的策略进行，借助此策略还可以在运动过程中排除与相邻杆臂23至27自相矛盾的可能性。

测地学的角度传感器44至48在预定的时间节拍内测量当前以地为基准的角度ε_v，并将测量值通过数据总线系统68传输给微型控制器74。测量值ε_v在软件模块76内换算为弯折角实际值α_iv。然后，与时间有关的弯折角在称为“过滤程序”的软件模块78内分为低频(准静态)弯折角α_iv ^N和高频总和弯折角信号α^H。涉及轴的低频弯折角实际值α_iv ^N在调节比较器90中与额定值α_sv比较并通过指令参数调节器84和信号发送器88用于控制通往驱动器34至38的阀。高频总和分量α^H在称为“关联程序”的软件模块80内利用涉及杆的以地为基准的角度测量值ε_v转换为涉及铰接轴的高频干扰信号α_v ^H，它们通过调节比较器92和干扰量调节器86在构成干扰量输入电路的意义上输入信号发送器88并在那里调整为零。

原则上也可以取代测地学的角度传感器，采用在杆臂上的卫星控制GPS位置传感器。由此测得的位置值可作为实际值通过适用的转换程序76换算成弯折角以及按与以地为基准的角度测量值相同的方式通过微型控制器70评估。

可概括如下：本发明涉及一种操纵尤其用于大型机械手和混凝土泵的折弯杆的设备。折弯杆22铰接在可绕竖轴13旋转的杆座21上。折弯杆有至少三个杆臂23至27，它们可各借助一个驱动器34至38分别绕水平的彼此平行的铰接轴28至32相对于杆座21或相邻的杆臂23至27有限地回转。此外设一调整装置用于控制杆运动的驱动器，它有一个对预定的指令参数r和借助在杆臂23至27上的角度传感器44至48确定的角度测量值ε_v作为响应的坐标转换器74、76，用于按照预定的行程/回转特征曲线的标准转换为用于驱动器34至38的涉及铰接轴的运动信号Δα_v。为了获得一种较轻和简单的结构方式，按本发明建议，在杆臂23至27上离铰接轴一定距离处刚性地设测地学的角度传感器44至48，用于确定各个杆臂23至27以地为基准的角度测量值ε_v。

Claims (11)

1.大型机械手，包括一根折弯杆(22)，该折弯杆铰接在一杆座(21)上并且有至少三个杆臂(23，24，25，26，27)，所述杆臂能各借助一个驱动器(34，35，36，37，38)分别绕水平的彼此平行的铰接轴(28，29，30，31，32)相对于杆座(21)或一个相邻杆臂(23，24，25，26，27)有限地回转，以及在最后那个杆臂(27)的自由端上构成一个杆顶端(33)；还包括一个调整装置(70)，用以控制用于杆运动的各驱动器(34，35，36，37，38)，所述调整装置有一个对用于杆顶端(33)或用于一根装在此杆顶端上的终端软管的指令参数(r、h)和借助在杆臂(23，24，25，26，27)上的传感器(44，45，46，47，48)确定的测量值作出响应的坐标转换器(74、76)，用以按照一种预定的行程/回转特性曲线的标准转换为用于驱动器(34，35，36，37，38)的涉及铰接轴的运动信号(Δα_v)，其特征为：在杆臂上分别刚性地设置一GPS模件作为位置传感器，用于确定属于各个杆臂的以地为基准的位置测量值，其中坐标转换器可加入GPS模件的位置测量值。

2.按照权利要求1所述的大型机械手，其特征为：附加地设一个装在杆座上的GPS模件，用于测量一个属于杆座的以地为基准的位置测量值。

3.按照权利要求1或2所述的大型机械手，其特征为：附加地设至少一个装在机架上的GPS模件，用于测量至少一个属于机架的以地为基准的位置测量值。

4.按照权利要求1所述的大型机械手，其特征为：坐标转换器有一个软件程序(74)，用于将以地为基准的涉及杆臂的位置测量值转换成弯折角(α_iv)。

5.按照权利要求1所述的大型机械手，其特征为：坐标转换器有一个软件程序，用于按照折弯杆(22)的一种预定的行程/回转特征曲线的标准将指令参数(r、h)换算成指令弯折角(α_sv)。

6.按照权利要求1所述的大型机械手，其特征为：具有一个响应动态位置测量值的软件程序(78)，用于将其分成低频和高频的位置测量值分量。

7.按照权利要求5所述的大型机械手，其特征为：设有一组涉及铰接轴的调节比较器(90)，所述调节比较器可加入弯折角(α_iv)的静态或低频分量(α_iv ^N)作为实际值以及加入指令角(α_sv)作为额定值，以及，所述调节比较器在出口侧各与一个涉及铰接轴的指令参数调节器(84)连接，所述指令参数调节器用于控制所涉及的铰接轴(28，29，30，31，32)的驱动器。

8.按照权利要求6或7所述的大型机械手，其特征为：设有一组涉及铰接轴的干扰量调节器(86)，所述干扰量调节器可加入弯折角的涉及铰接轴的高频分量(α_v ^H)，以及，所述干扰量调节器连接在铰接轴(28，29，30，31，32)的附属的驱动器(34，35，36，37，38)的信号进口(88)上，以构成一个干扰量输入电路。

9.按照权利要求8所述的大型机械手，其特征为：在干扰量调节器(86)上游连接一个响应弯折角的以地为基准的位置测量值和一个高频的总和分量(α^H)的软件程序(80)，用于确定弯折角的涉及铰接轴的高频分量(α_v ^H)。

10.按照权利要求1或2所述的大型机械手，其特征为：所述杆座(21)能够绕机架(11)上的竖轴(13)旋转。

11.按照权利要求1或2所述的大型机械手，其特征为：所述指令参数(r、h)是在一个固定在机架上的坐标系统内预定的。

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