CN102345389B - 工程机械以及机械臂的控制方法与控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种工程机械以及机械臂的控制方法与控制装置，用以解决现有技术中对机械臂的控制存在效率较低以及效果不佳的问题。该方法包括：确定机械臂在初始姿态下各臂节的斜率；按照臂节位移量最小的原则，根据斜率的正负选择机械臂的两个臂节；获取两个臂节的自由度所对应的两个夹角在机械臂从初始姿态进行伸展或收缩后的变化值；根据得出的两个夹角变化值对机械臂进行控制。采用本发明的技术方案，有助于提高机械臂末端的运动速度，并节省机械臂运动所需能量。

Description

工程机械以及机械臂的控制方法与控制装置

技术领域

本发明涉及工程机械技术领域，特别地涉及一种工程机械以及机械臂的控制方法与控制装置。

背景技术

随着技术的发展，机械臂越来越多地应用于工程机械中。例如泵车，其机械臂通常具有五节，各节之间由铰链连接，水泥或其他流体能够经由机械臂从泵车本体传输至布料位置例如建筑物的浇注点。

对于机械臂的控制，通常的控制方式是由操作人员使用遥控器对机械臂的各臂节分别进行控制，即一一调整各臂节的姿态，使机械臂的整体从初始姿态运动到目标姿态，这种方式操作较为复杂，并且效率较低。

针对上述的控制方式中存在的不足，目前已展开了多种智能程度更高的控制方式，并且现在的运动学逆向求解的方法已能够根据目标点坐标和各臂节的相关参数，通过运动方程和各种矩阵变换求出各个自由度的值。逆向求解的结果会出现多组解，如图1所示。图1是根据现有技术的机械臂产生多种姿态到达目标姿态的示意图。从图1可以看出，通过运动学逆向求解的多重性，机械臂的末端从A点运动到B点，有五个自由度，通过其中不同的自由度的改变便可产生不同的姿态达到目标点，即有多组解。这样，需确定一组较优解作为实际采用的控制策略，即确定具体要调整哪些臂节的姿态。目前从上述的多组解中确定一组解的算法仍较为复杂，控制效果不佳，这种算法尚处于研究阶段。

在现有技术中，对机械臂的控制存在效率较低以及效果不佳的问题，对于该问题，目前尚未提出有效解决方案。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种工程机械以及机械臂的控制方法与控制装置，以解决现有技术中对机械臂的控制存在效率较低以及效果不佳的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种机械臂的控制方法。

本发明的机械臂的控制方法包括：确定机械臂在初始姿态下各臂节的斜率；按照臂节位移量最小的原则，根据斜率的正负选择机械臂的两个臂节；获取两个臂节的自由度所对应的两个夹角在机械臂从初始姿态进行伸展或收缩后的变化值；根据得出的两个夹角变化值对机械臂进行控制。

根据本发明的另一方面，提供了一种机械臂的控制装置。

本发明的机械臂的控制装置包括：计算设备，用于确定机械臂在初始姿态下各臂节的斜率；选择设备，用于按照臂节位移量最小的原则，根据斜率的正负选择机械臂的两个臂节；获取设备，用于获取两个臂节的自由度所对应的两个夹角在机械臂从初始姿态进行伸展或收缩后的变化值；控制设备，用于根据得出的两个夹角变化值对机械臂进行控制。

根据本发明的另一方面，提供了一种工程机械。

本发明的工程机械具有机械臂，还具有本发明中的机械臂的控制装置。

根据本发明的技术方案，按照臂节位移量最小的原则，根据斜率的正负选择机械臂的两个臂节，然后获取两个臂节的自由度所对应的两个夹角在机械臂从初始姿态进行伸展或收缩后的变化值，再根据得出的这个变化值对机械臂进行控制，这样有助于提高机械臂末端的运动速度，并节省机械臂运动所需能量。

附图说明

说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据现有技术的机械臂产生多种姿态到达目标姿态的示意图；

图2是根据本发明实施例的机械臂的控制方法的一种具体流程的示意图；

图3是根据本发明实施例的针对机械臂中各臂节的斜率有正负的情况下进行控制的示意图；

图4是根据本发明实施例的针对机械臂中各臂节(除1臂外)的斜率同为负的情况下进行控制的示意图；

图5是根据本发明实施例的机械臂的控制装置基本结构的示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

在本实施例中，首先确定机械臂在初始姿态下各臂节的斜率，然后按照臂节位移量最小的原则，根据各臂节斜率的正负选择机械臂的两个臂节，以及获取该两个臂节的自由度所对应的两个夹角在机械臂从初始姿态进行伸展或收缩后的变化值，最后根据得出的两个夹角变化值对机械臂进行控制。因为以位移量最小为原则进行选臂，所以在控制机械臂运动时有利于机械臂快速运动到目标位置。

机械臂的斜率具体分为两种情况，第一种情况是机械臂的一部分臂节的斜率为正、另一部分臂节的斜率为负(即各臂节有正负)；第二种情况是机械臂在初始姿态下除从机械臂根部起第一臂以外的所有臂节的斜率为负或所有臂节的斜率为正。在目标姿态下，机械臂末端所在位置即为目标点。臂节的斜率可以根据现有的各种检测手段来确定。在机械臂的工作过程中，其臂节靠近根部一侧的一端为顶点、经过该顶点的水平线为始边、臂节所在直线为终边按逆时针转动得到的角度会实时保存。因此可以根据该角度的大小来确定臂节的斜率正负，即该角度大于0小于90度时，臂节斜率为正；该角度大于270度小于360时，臂节斜率为负。图2是根据本发明实施例的机械臂的控制方法的一种具体流程的示意图。图2中示出了前述两种情形下的主要处理步骤。

步骤S20：确定机械臂各臂节的斜率。在机械臂的斜率有正有负的情况下，进入步骤S21；在机械臂的斜率同为正或同为负(不考虑1臂)的情况下，进入步骤S22。

步骤S21：选择所有斜率为正的臂节中最靠近机械臂末端的臂节，并且选择所有斜率为负的臂节中最靠近机械臂末端的臂节。

步骤S21的一种具体方式是先按斜率的正负把所有臂节分为两组，然后从两组中各选出一个最靠近机械臂末端的臂节。步骤S21之后进入步骤S23。

步骤S23：根据所选的两个臂节确定两个自由度。然后进入步骤S25。

步骤S25：根据确定的两个自由度进行求解得到两个夹角变化值。本步骤之后进入步骤S29。

上述的步骤S21、S23和S25是在机械臂的斜率有正有负的情况下的处理方式。对于机械臂的斜率除从机械臂根部起第一臂以外的所有臂节的斜率为负的情况下，或者在所述机械臂在初始姿态下所有臂节的斜率为正的情况下，依次执行以下的步骤S22、S24和S26。

步骤S22：针对机械臂的自由度的两两组合进行计算得到多组数值。在本步骤中，对于任意两个自由度的组合进行运动方程求解，优选地可以对于自由度的所有两两组合进行求解，得到多组数值。计算得到的多组数值中，每组数值包含两个夹角变化值。这里的夹角同样是指相邻臂节间的夹角。

步骤S24：针对步骤S22中得到的多组数值中的各组数值，计算该组数值内的两个夹角变化值之和。在本步骤执行之后得到多个组数值，每组数值包含两个夹角变化值。

步骤S26：找出计算得到步骤S24中得到的多组数值中两个夹角变化值之和最小的一组数值的自由度的组合。然后进入步骤S28。

步骤S28：选择步骤S26中找出的自由度的组合所对应的两个相邻臂节，并且获取根据这两个臂节的自由度计算得到的夹角变化值。因为该夹角变化值在步骤S24中已计算出，因此直接读取即可。步骤S28之后进入步骤S29。

步骤S29：根据两个夹角变化值对机械臂进行控制。如果是从步骤S28进入本步骤，则本步骤中的两个夹角变化值是指步骤S28中获取的那一组数值；如果是从步骤S25进入本步骤，则本步骤中的两个夹角变化值是指步骤S27中求解得到的两个夹角变化值。

以下结合图3和图4对本实施例的技术方案举例进行说明。图3是根据本发明实施例的针对机械臂中各臂节的斜率有正负的情况下进行控制的示意图。在图3中：

θ₁：1臂与水平方向的夹角，范围为0-90度；θ₂：1臂与2臂的夹角，范围为0-180度；

θ₃：2臂与3臂的夹角，范围为0-180度；θ₄：3臂和4臂的夹角，范围为0-180度；

θ₅：4臂和5臂的夹角，范围为0-180度；

θ₃′：运动后2臂与3臂的夹角，范围为0-180度；

θ₅′：运动后4臂与5臂的夹角，范围为0-180度。

如图3所示，30表示工程机械本体的一个部件，例如回转台，机械臂的根部安装在该部件上，从而与工程机械本体连接。在机械臂的初始姿态下，1，2，3臂的斜率为正，4，5臂的斜率为负。选择其中的两个自由度得出的末端从A点等高运动到B点的多组解θ_ij和θ_ji(末端位于A点的姿态为初始姿态，末端位于B点的姿态为目标姿态)。其中i＝1，2，3，4，5；j＝1，2，3，4，5；i≠j。θ_ij表示把θ_i和θ_j的变化作为一组解时θ_i的变化量；θ_ji表示把θ_i和θ_j的变化作为一组解时θ_j的变化量。

在选取自由度时，根据初始状态下机械臂斜率的正负，把其分为两组，然后从两组中分别选择靠近末端的一臂节作为要运动的臂，即选择图3中的3臂和5臂，固定θ₁，θ₂，θ₄。选择θ₃和θ₅作为自由度，进而通过两自由度的运动方程求出θ₃₅和θ₅₃这组解。那么，θ₃′＝θ₃-θ₃₅，θ₅′＝θ₅+θ₅₃。优先选择靠近机械臂末端的臂节作为运动臂有助于减小机械臂运动所消耗的能量。

在本实施例中，若所选的两个自由度无解，则在所选臂斜率有正有负的前提下，更换其中的一臂节，以斜率发生改变的臂最少为原则。可以统计各种选臂方式下的斜率发生改变的臂的个数，然后进行选择。如图3所示，若选择选择自由度θ₃和θ₅无解，则选择θ₃和θ₄作为自由度，而不是θ₂和θ₅。在斜率发生改变的臂最少的原则下，臂节的位移之和也较小，这样机械臂能够尽可能快地到达目标位置并且消耗的能量较小。

图4是根据本发明实施例的针对机械臂中各臂节(除1臂外)的斜率同为负的情况下进行控制的示意图。如图4所示，机械臂的根部安装在部件40上，从而与工程机械本体连接。对于从末端为A点的初始姿态运动到末端为B的目标姿态，根据本实施例的技术方案，根据任意两个自由度的组合，采用运动学理论中的求解方法求出各组解：θ_ij和θ_ji(i＝2，3，4，5；j＝2，3，4，5；i≠j)，取(θ_ij+θ_ji)最小的那组解作为最优解，即优先选择角度变化量之和最小的两臂节作为运动臂。假设图4中所有解中(θ₃₄+θ₄₃)最小，则选择运动3臂和4臂，最小的角度改变量便能迅速达到目标点，且有利于整体的稳定性。因此使用本实施例的技术方案，在除1臂之外各臂节斜率同为负的情况下也能使机械臂的末端尽快到达目标点。

以下对本发明实施例中的机械臂的控制装置做出说明。如图5所示，图5是根据本发明实施例的机械臂的控制装置基本结构的示意图。图5中的机械臂的控制装置50包括如下设备：

计算设备51，用于确定机械臂在初始姿态下各臂节的斜率；选择设备52，用于按照臂节位移量最小的原则，根据斜率的正负选择所述机械臂的两个臂节；获取设备53，用于获取两个臂节的自由度所对应的两个夹角在机械臂从初始姿态进行伸展或收缩后的变化值；控制设备54，用于根据得出的两个夹角变化值对机械臂进行控制。

选择设备52还可用于在机械臂在初始姿态下一部分臂节的斜率为正、另一部分臂节的斜率为负的情况下，选择所有斜率为正的臂节中最靠近机械臂末端的臂节，并且选择所有斜率为负的臂节中最靠近机械臂末端的臂节。

选择设备52还可用于在机械臂在初始姿态下除从机械臂根部起第一臂以外的所有臂节的斜率为负，或者在所述机械臂在初始姿态下所有臂节的斜率为正的情况下，针对机械臂的自由度的两两组合计算各组合中的自由度所对应的夹角的变化值得到多组数值，每组数值包含两个夹角变化值；确定计算得到多组数值中两个夹角变化值之和最小的一组数值的自由度的组合，选择该自由度的组合所对应的两个相邻臂节。

本实施例中的工程机械具有机械臂，并且具有本实施例中的机械臂的控制装置50。

根据本发明实施例的技术方案，按照臂节位移量最小的原则，根据斜率的正负选择机械臂的两个臂节，对于臂节斜率有正有负的情况的处理方式使选择的臂节在水平方向上的运动方向相一致，这有利于使机械臂末端尽快移动到目标点，并且优先选择靠近末端的臂节有助于减小机械臂的姿势改变所需的能量；对于臂节斜率同为正或同为负的情况的处理方式中，选择两个夹角变化值之和最小的运动方程的解，减小了两个夹角的变化角度，同样有利于机械臂末端快速运动到目标点。因此采用本发明实施例的技术方案，能够提高机械臂末端的运动速度，并有助于节省机械臂运动所需能量。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种机械臂的控制方法，其特征在于，包括：

确定所述机械臂在初始姿态下各臂节的斜率；

按照臂节位移量最小的原则，根据所述斜率的正负选择所述机械臂的两个臂节；

获取所述两个臂节的自由度所对应的两个夹角在所述机械臂从所述初始姿态进行伸展或收缩后的变化值；

根据得出的所述两个夹角变化值对所述机械臂进行控制。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述按照臂节位移量最小的原则，根据所述斜率的正负选择所述机械臂的两个臂节，包括：在所述机械臂在初始姿态下一部分臂节的斜率为正、另一部分臂节的斜率为负的情况下，选择所有斜率为正的臂节中最靠近所述机械臂末端的臂节，并且选择所有斜率为负的臂节中最靠近所述机械臂末端的臂节。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述按照臂节位移量最小的原则，根据所述斜率的正负选择所述机械臂的两个臂节，包括：在所述机械臂在初始姿态下除从机械臂根部起第一臂以外的所有臂节的斜率为负的情况下，或者在所述机械臂在初始姿态下所有臂节的斜率为正的情况下，

针对所述机械臂的自由度的两两组合计算各组合中的自由度所对应的夹角的变化值得到多组数值，每组数值包含两个夹角变化值；

确定计算得到所述多组数值中两个夹角变化值之和最小的一组数值的自由度的组合，选择该自由度的组合所对应的两个相邻臂节。

4.一种机械臂的控制装置，其特征在于，包括：

计算设备，用于确定所述机械臂在初始姿态下各臂节的斜率；

选择设备，用于按照臂节位移量最小的原则，根据所述斜率的正负选择所述机械臂的两个臂节；

获取设备，用于获取所述两个臂节的自由度所对应的两个夹角在所述机械臂从所述初始姿态进行伸展或收缩后的变化值；

控制设备，用于根据得出的所述两个夹角变化值对所述机械臂进行控制。

5.根据权利要求4所述的控制装置，其特征在于，所述选择设备还用于在所述机械臂在初始姿态下一部分臂节的斜率为正、另一部分臂节的斜率为负的情况下，选择所有斜率为正的臂节中最靠近所述机械臂末端的臂节，并且选择所有斜率为负的臂节中最靠近所述机械臂末端的臂节。

6.根据权利要求4所述的控制装置，其特征在于，所述选择设备还用于：

在所述机械臂在初始姿态下除从机械臂根部起第一臂以外的所有臂节的斜率为负的情况下，或者在所述机械臂在初始姿态下所有臂节的斜率为正的情况下，

针对所述机械臂的自由度的两两组合计算各组合中的自由度所对应的夹角的变化值得到多组数值，每组数值包含两个夹角变化值；

确定计算得到所述多组数值中两个夹角变化值之和最小的一组数值的自由度的组合，选择该自由度的组合所对应的两个相邻臂节。

7.一种工程机械，具有机械臂，其特征在于，所述工程机械还具有权利要求4、5、6中任一项所述的控制装置。

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