CN101681180A

CN101681180A - 用于机器的操作员控制装置

Info

Publication number: CN101681180A
Application number: CN200880017367A
Authority: CN
Inventors: S·I·卡伦; J·D·达蒂洛; J·B·杜兰德; P·R·埃里克松
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2007-03-30
Filing date: 2008-03-13
Publication date: 2010-03-24
Anticipated expiration: 2028-03-13
Also published as: CN101681180B; WO2008121217A1; US20080238352A1; US7675258B2; DE112008000833T5

Abstract

本发明涉及一种机器(38)，包括操作员座椅(40)和与操作员座椅相邻的扶手(48)。该机器还可包括控制系统(50)，该控制系统可包括至少部分地从扶手向上延伸的控制手柄。该控制系统包括力反馈装置(16)，该力反馈装置可驱动地连接于控制手柄，且可操作以便给控制手柄提供反馈力。该力反馈装置可包括至少一个致动器或制动器。该控制系统至少在某些环境下自动调节力反馈装置提供给控制手柄的反馈力的大小。

Description

用于机器的操作员控制装置

技术领域

本发明涉及一种用于机器的操作员控制器，且更特别地涉及包括控制手柄的操作员控制装置。

背景技术

许多机器包括具有一个或多个控制手柄的操作员控制装置，操作员能够操纵该操作员控制装置以便向机器的控制系统提供输入。例如，授于Billger等人的美国专利No.7,059,680B2(“’680专利”)公开了一种带有操作员控制装置的机器，该操作员控制装置设置在机器的操作员座椅的各个扶手上。’680专利中公开的机器的操作员控制器包括设置在一个扶手上的用于控制机器的推进的牵引控制臂。’680专利的机器包括在操作员座椅的另一扶手上的用于机器转向的转向杆。

但是，’680专利公开的机器具有某些缺点。例如，’680专利并未公开在基于机器的操作条件操纵牵引控制臂或转向杆时用于改变操作员所感觉的抵抗力的任何装置。如果牵引控制臂的抵抗力和转向杆的抵抗力并不根据操作条件而变化，那么操作员不能从牵引控制臂的抵抗力和转向杆的抵抗力收集有关机器操作的信息。因此，将力反馈装置连接于牵引控制臂和/或将力反馈装置连接于转向杆以便向操作员提供反馈力能够有助于操作员更精确地控制机器。但是，已经证明将力反馈装置连接于安装在扶手上的控制手柄是很困难的。

本发明的操作员控制装置和方法解决了上述一个或多个问题。

发明内容

一个公开实施例涉及一种包括操作员座椅和与操作员座椅相邻的扶手的机器。该机器还可包括控制系统，该控制系统可包括至少部分地从扶手向上延伸的控制手柄。该控制系统还可包括力反馈装置，该力反馈装置可驱动地连接于控制手柄，且可操作以便向控制手柄提供反馈力。力反馈装置可包括至少一个致动器或制动器。此外，该控制系统至少在某些环境下可自动调节力反馈装置提供给控制手柄的反馈力的大小。

另一实施例涉及一种操作机器的方法。该机器可包括操作员座椅、与操作员座椅相邻的扶手和控制系统。该方法可包括支承控制系统的手柄使得该手柄至少部分地从扶手向上延伸。该方法还可包括产生与控制手柄的运动的一个或多个方面相关的电信号，和将该电信号提供给控制系统的一个或多个部件。此外，该方法可包括利用力反馈装置向控制手柄提供反馈力，该步骤可包括基于机器的一个或多个操作条件调节反馈力的大小。

另一实施例涉及一种包括操作员座椅、与操作员座椅相邻的地板和与操作员座椅相邻的扶手的机器。该机器还可包括控制系统，该控制系统可包括至少部分地从扶手向上延伸的控制手柄。该控制系统还可包括设置在地板上方的力反馈装置，其中，力反馈装置可驱动地连接于控制手柄且可操作以便向控制手柄提供反馈力。此外，该控制系统至少在某些环境下可自动调节力反馈装置提供给控制手柄的反馈力的大小。

附图说明

图1A是根据本发明的操作员控制装置的一个实施例的透视图；

图1B是根据本发明的操作员控制装置的另一视图；

图1C是根据本发明的操作员控制装置的另一视图；

图2A示出带有如图1A-1C所示的操作员控制装置的根据本发明的机器的一个实施例；

图2B是图2A的圆圈2B中的部分的放大视图；

图2C是穿过图2B中的线2C-2C的剖视图。

具体实施方式

图1A-1C示出根据本发明的操作员控制装置10。操作员控制装置10可包括控制手柄12、用于控制手柄12的支承系统14和可驱动地连接于控制手柄12的力反馈装置16。控制手柄12可具有不同的形状和尺寸。在一些实施例中，控制手柄12可以是操纵杆。

支承系统14可包括支承控制手柄12而使得控制手柄12可以以一种或多种方式移动的任何部件。在一些实施例中，支承系统14可具有使得控制手柄12可绕轴线18旋转的构造。例如，支承系统14可包括枢转构件20，该枢转构件连接于控制手柄12并与支承件22接合，使得枢转构件20和控制手柄12可以绕轴线18旋转。在一些实施例中，控制手柄12可驱动地连接于枢转构件20，使得控制手柄12绕轴线18的旋转产生枢转构件20绕轴线18旋转，且反之亦然。例如，控制手柄12和枢转构件20可形成为一个单元/整体或以其它方式彼此固定地接合。在一些实施例中，支承系统14可具有将控制手柄12的旋转限制为绕轴线18的旋转的构造。轴线18可和枢转构件20的中心轴线重合。

力反馈装置16可包括可操作以供应可调节的输出力的任何部件。为了本发明的目的，“力”包括转矩以及线性力。力反馈装置16例如可包括一个或多个致动器和/或一个或多个制动器。在力反馈装置16包括一个或多个制动器而无致动器的实施例中，该力反馈装置可操作以抵抗运动，而不会使其它部件移动。在力反馈装置16包括一个或多个致动器的实施例中，力反馈装置可操作以抵抗运动以及使其它部件移动。力反馈装置16可具有旋转驱动构件24，力反馈装置16通过该旋转驱动构件提供可调节的输出转矩。旋转驱动构件24可绕轴线26旋转。在一些实施例中，力反馈装置16可以是电动马达，且旋转驱动构件24可连接于电动马达的转子，或是电动马达的转子的一部分。不同构件可支承力反馈装置16。如图1A-1C所示，在一些实施例中，力反馈装置16可安装在支承件22上。

为了将力反馈装置16产生的力传递至控制手柄12，操作员控制装置10可包括力反馈装置16和控制手柄12之间的任何类型的机械连接。在一些实施例中，操作员控制装置10可包括连接于旋转驱动构件24的端部30的齿轮28。此外，操作员控制装置10可包括连接于枢转构件20的端部34且与齿轮28接合的齿轮32。这样，致动力反馈装置16可将反馈力从旋转驱动构件24的端部30供应至齿轮28、齿轮32、枢转构件20的端部34、通过枢转构件20提供给控制手柄12。如图1A和图1B所示，齿轮28可以是小齿轮，齿轮32可以是扇形齿轮。作为齿轮32的替代方案，操作员控制装置10可包括齿条，该齿条可驱动地连接于齿轮28。

在一些实施例中，力反馈装置16和控制手柄12之间的连接可具有这样的构造：该连接将由力反馈装置16产生的输出转矩转变成作用在控制手柄12上的较大的转矩。例如，齿轮32可具有比齿轮28更大的半径，使得齿轮28、32提供从力反馈装置16至控制手柄12的减速和转矩放大。这可使得利用相对较小的力反馈装置16在控制手柄12上提供足够大的反馈力。

力反馈装置16可相对于操作员控制装置10的其它部件占据不同的位置和具有不同方向。如图1C所示，在一些实施例中，轴线26可设置成位于沿横向延伸通过轴线18的平面66下方。如图1C所示，轴线18可基本水平地延伸，在此情况下，平面66可沿各个方向水平地延伸。可选地，如图2A和图2B所示且如下面讨论的，轴线18可以和水平方向成一角度地延伸，在此情况下，平面66可沿轴线18的方向倾斜，而沿垂直于轴线18的方向水平地延伸。在一些实施例中，力反馈装置16可完全位于平面66的下方。此外，力反馈装置16和轴线26可位于轴线18的与控制手柄12相对的一侧。此外，轴线26可沿基本平行于轴线18的方向而延伸。此外，力反馈装置16和枢转构件20可设置在平面64的同一侧，该平面64沿垂直于轴线18的方向延伸通过枢转构件20的端部34。在一些实施例中，力反馈装置16可沿与枢转构件20从该枢转构件的端部34延伸的方向基本相同的方向从旋转驱动构件24的端部30延伸。

操作员控制装置10也可具有用于产生与控制手柄12的运动相关的一个或多个信号的装置。例如，操作员控制装置10可具有产生指示控制手柄12的位置、速度和/或加速度的一个或多个信号的一个或多个构件。如图1C所示，操作员控制装置10可包括传感器68，该传感器检测枢转构件20绕轴线18的旋转位置，并通过通信线路36传递指示枢转构件20绕轴线18的旋转位置的电信号。由于枢转构件20可驱动地连接于控制手柄12，此信号还可指示控制手柄12的位置。当然，传感器68也可通过检测可驱动地连接于手柄12的任何其它部件的运动的一个或多个参数或通过直接检测手柄12的运动的一个或多个参数而产生指示控制手柄12的运动的一个或多个参数的信号。操作员控制装置10也可具有用于将操作员的输入传递至机器的其它部件的各种其它的装置。

操作员控制装置10并不限于图1A-1C所示并如上所述的构造。例如，控制手柄12可具有与图1A-1C中所示的不同的形状。此外，控制手柄12、枢转构件20和力反馈装置16相对于彼此可具有不同的位置和取向。力反馈装置16可位于一位置处，该位置不同于枢转构件20的与控制手柄12相对的一侧。类似地，力反馈装置16可取向为使得轴线26和轴线18成一角度地延伸。此外，支承系统14可具有和图1A-1C中所示的不同构造。除了使得控制手柄12绕轴线18旋转，支承系统14可使得控制手柄12以其它方式运动。此外，控制手柄12和力反馈装置16可各自安装在机器的不同部件上，而不是安装在用于控制手柄12和力反馈装置16的共用的、专门的支承件22上。此外，除了或代替齿轮28、32，枢转构件20和力反馈装置16之间的连接可包括各种其它构件，包括但不限于其它的齿轮、皮带和皮带轮、链轮和链、以及拉杆传动机构。

图2A-2C示出包括操作员控制装置10的机器38的一个实施例。机器38可包括操作员座椅40，操作员可在操控机器38时坐在该座椅处。操作员座椅40通常可面向乘坐方向42。操作员座椅40可包括座椅底部44和座椅靠背46。扶手48可位于座椅底部44的旁边和上方。扶手48可附装于座椅靠背46、附装于座椅底部44、和/或附装于与操作员座椅40相邻的任何其它结构。图2A和图2B示出附装于座椅靠背46的扶手48。扶手48可包括上表面69(图2B)、从上表面69的一侧向下延伸的侧表面70、从上表面69的相对侧向下延伸的侧表面72、和下表面74。机器38也可具有设置成和操作员座椅40相邻的地板41。

操作员控制装置10可安装成与操作员座椅40相邻。如图2A-2C所示，控制手柄12可从扶手48至少部分地向上延伸。在某些实施例中，轴线18可以与乘坐方向42成约小于45度的角度延伸。轴线18例如可沿从乘坐方向42稍稍向下的方向延伸。

操作员控制装置10可安装于机器38，使得枢转构件20和力反馈装置16位于不同的位置。在一些实施例中，枢转构件20可部分地或完全安装在扶手48的上表面69的下方。力反馈装置16可安装在地板41上方。此外，力反馈装置16可部分地或完全地安装于上表面69的下方。如图2C所示，力反馈装置16可设置成与侧表面70相邻。在某些实施例中，力反馈装置16可位于侧表面70和72之间。此外，力反馈装置16可设置在下表面74上方。

在某些实施例中，力反馈装置16可安装在使得轴线26的延伸通过力反馈装置16的部分设置在平面66下方的位置，该平面66如上所述横向延伸通过轴线18。在一些实施例中，力反馈装置16的全部可设置在平面66的下方。将力反馈装置16定位成低于平面66可有助于保持操作员控制装置10在轴线18的不同于控制手柄20向上延伸处的部分的上方相对紧凑。这允许安装操作员控制装置10，使得枢转构件20和力反馈装置16位于扶手48的上表面69下方，而轴线18定位成接近上表面69。

机器38的不同部件可支承操作员控制装置10。如图2C所示，在某些实施例中，机器38可包括连接于操作员控制装置10的相对侧的托架76、78。托架76、78又可安装于扶手48的侧部70、74。

操作员控制装置10可形成机器38的控制系统50的一部分。控制系统50可包括接收来自操作员控制装置10的输入的一个或多个部件，和控制力反馈装置16的一个或多个部件。在一些实施例中，控制系统50可包括接收来自操作员控制装置10的输入并控制力反馈装置16的控制器52。控制器52可包括一个或多个处理器(未示出)和一个或多个存储器(未示出)。控制器52从操作员控制装置10接收的输入可包括与控制手柄12的位置和/或运动相关的信息。例如，控制器52可通过通信线路36接收指示控制手柄12绕轴线18的旋转位置的信号。控制器52也可接收来自操作员控制装置10的各种其它输入。此外，除了控制器52，操作员控制装置10还可向控制系统50的各个其它部件提供输入。

根据机器38的构造，控制系统50可包括用于各种用途的各种类型的部件和/或子系统。在一些实施例中，机器38可以是可动机器，且控制系统50可包括转向系54。转向系54可具有可操作以调节机器38的运行方向的部件的任何构造。例如，转向系54可包括控制器52、被控制器52控制的控制部件58和转向设备56。转向设备56可包括可操作以便向机器38周围的环境提供转向力的任何部件，所述部件包括但不限于轮(已示出)、履带单元、雪橇/滑橇和方向舵。控制部件58可包括可操作以调节转向设备56施加给机器38周围的环境的转向力的大小和/或方向的任何部件。

除了转向系54，机器38还可包括其它各种系统。例如，机器38可包括推进系统60。推进系统60可包括可通过向机器38的周围环境施加力而可操作地驱动机器38的部件的任何构造。此外，机器38可包括机具62。如图2A所示，机具62可以是装载机械。可选地，机具62可以是任何其它不同类型的机具，包括但不限于升吊器械、挖掘机械、耕作工具、扫帚、锤、锯、泵和真空装置。

机器38并不限于图2A-2C中示出的构造。例如，扶手48可省略侧表面70、侧表面72和下表面74中的一个或多个。类似地，操作员控制装置10可接收不同于托架76、78和扶手48的来自机器38的不同部件的支承。此外，控制系统50可省略图2A-2C中示出的部件的一个或多个，和/或转向系54可包括未示出的部件。例如，除了或代替控制器52，控制系统50可具有其它类型的控制部件，例如硬连线的控制回路。此外，机器38可具有和所示出的不同地构造的转向系54和/或不同构造的推进系统60。类似地，机器38可省略转向系54、推进系统60和机具62中的一个或多个。

工业实用性

操作员控制装置10和机器38可具有用于需要操作员输入的任何机器执行的任务的应用。在机器38的操作期间，乘坐在操作员座椅40上的操作员可操纵控制手柄12，且控制系统50可根据控制手柄12的位置和/或运动控制机器38的操作的一个或多个方面。在一些实施例中，转向系54可至少部分地根据控制手柄12的位置和/或运动来控制机器38的行进方向。例如，转向系54可响应于操作员将控制手柄12枢转至左方而将机器38的轨迹向操作员的左方调节，且转向系54可响应于操作员将控制手柄12枢转至右方而将机器38的轨迹向操作员的右方调节。

当操作员操纵控制手柄12时，控制系统50可根据机器38的各操作参数控制力反馈装置16提供给控制手柄12的反馈力。例如，控制系统50可随着该控制系统50根据控制手柄12的运动调节的一个或多个参数的变化和/或随着控制手柄12的运动的变化来控制反馈力。根据控制系统50控制反馈力所基于的操纵参数，反馈力可向操作员指示与机器38的操作相关的各种信息。通过由一个或多个操作参数控制的反馈力接收与机器38的操作相关的信息可使得操作员更加精确地控制机器38。

此外，所公开的控制手柄20和枢转轴线18的位置可使得操作员舒适地操纵控制手柄20。将控制手柄20定位成使得该控制手柄从扶手48至少部分地向上延伸可使得操作员在操纵控制手柄20时将他的前臂舒适地停留在扶手48的上表面69上。此外，将轴线18定位成接近表面69可使得操作员在接近轴线18的位置抓住控制手柄20，这可限定操作员必须将他的手线性移动多远以便将控制手柄20移动经过任何特定的角度。限定操作员必须将他的手线性地移动多远可有助于减小操作员的疲劳。由于轴线18接近于扶手48的上表面69，且取向为相对于乘坐方向42有一小角度，操作员可将其手部大致绕其前臂的轴线旋转而操纵控制手柄20。这证明对操作员是特别舒适的。

操作员控制装置10的公开的实施例可有助于实现将在控制手柄12上提供受控的反馈力的优点和给操作员控制装置10安装在扶手48上方延伸的控制手柄12的优点结合起来。将力反馈装置16安装在不同于轴线18的轴线26上能够使得操作员控制装置10沿轴线18的方向相对紧凑，控制手柄12绕该轴线18旋转。这允许在狭小的空间，例如在扶手48内安装操作员控制装置10的与控制手柄12不同的部分。

机器38的操作不限于上述示例。在一些实施例中，控制系统50可基于控制手柄12的运动控制不同于机器38的行进方向的操作参数。例如，除了或代替基于控制手柄12的运动控制机器38的行进方向，控制系统50可基于控制手柄12的运动控制推进系统60和/或机具62的操作的一个或多个参数。

对本领域技术人员来说显而易见的是，可在不脱离本发明的范围的情况下对操作员控制装置和方法进行各种变型和改变。考虑在此公开的操作员控制装置和方法的说明和应用，公开的操作员控制装置和方法的其它实施例对于本领域技术人员来说是显而易见的。说明和示例在此仅被认为是示例性的，本发明的真实范围由后面的权利要求及其等同物表示。

Claims

1.一种机器(38)，包括：

操作员座椅(40)；

与操作员座椅相邻的扶手(48)；和

控制系统(50)，包括：

至少部分地从扶手向上延伸的控制手柄(12)，和

力反馈装置(16)，该力反馈装置可驱动地连接于控制手柄，且可操作以便向控制手柄提供反馈力，该力反馈装置包括至少一个致动器或制动器，其中，该控制系统至少在某些环境下自动调节力反馈装置提供给控制手柄的反馈力的大小。

2.根据权利要求1所述的机器，其特征在于，

所述控制手柄可绕第一轴线(18)旋转；以及

所述力反馈装置包括旋转驱动构件(24)，该旋转驱动构件可驱动地连接于控制手柄，该旋转驱动构件可绕第二轴线(26)旋转。

3.根据权利要求2所述的机器，其特征在于，所述第二轴线设置在横向延伸通过第一轴线的平面(66)的下方。

4.根据权利要求1所述的机器，其特征在于，

所述扶手包括上表面(69)、第一侧表面(70)和第二侧表面(72)；和

所述力反馈装置设置在第一侧表面和第二侧表面之间。

5.根据权利要求1所述的机器，其特征在于，所述控制手柄可绕轴线(18)旋转，该轴线以相对于操作员座椅所面对的方向(42)成一小于约45度的角度延伸。

6.根据权利要求1所述的机器，其特征在于，所述力反馈装置包括致动器。

7.一种操作机器(38)的方法，该机器包括操作员座椅(40)、与操作员座椅相邻的扶手(48)和控制系统(50)，该方法包括：

支承控制系统的控制手柄(12)，使得该控制手柄至少部分地从扶手向上延伸；

产生与控制手柄的运动的一个或多个方面相关的电信号，和将该电信号提供给控制系统的一个或多个部件(52)；和

利用力反馈装置(16)给控制手柄提供反馈力，包括基于机器的一个或多个操作条件调节反馈力的大小。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，

支承控制手柄包括允许控制手柄绕第一轴线(18)旋转；和

利用力反馈装置给控制手柄提供反馈力包括操作力反馈装置以通过力反馈装置的旋转驱动构件(24)产生输出转矩，该旋转驱动构件绕第二轴线(26)旋转。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，

支承控制手柄包括允许控制手柄绕轴线(18)旋转；和

利用力反馈装置给控制手柄提供反馈力包括通过力反馈装置的旋转驱动构件(24)产生输出转矩，并将该输出转矩转变为控制手柄上的较大的输出转矩。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述信号指示控制手柄的位置。