CN102385391B - 机械臂的控制方法与控制装置以及工程机械 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种机械臂的控制方法与控制装置以及工程机械，用以解决现有技术中对于机械臂的控制存在控制效率较低和流体输送的流畅性不佳的问题。该方法包括：计算机械臂中各组相邻两个臂节之间的转折程度；以运动后机械臂中的各组相邻臂节的转折程度较小为原则，从各组相邻两个臂节中选择一组相邻两个臂节；将选择的一组相邻两个臂节作为运动臂进行控制。采用本发明的技术方案，有助于使机械臂尽可能地有利于流畅地输送流体，并且有着较高的控制效率。

Description

机械臂的控制方法与控制装置以及工程机械

技术领域

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

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，机械臂的末端等高地从A点运动到B点(按图中所示的从A至B的运动方向，机械臂有所伸展，因此叫做伸展运动，反之，机械臂的末端等高地从B至A，机械臂有所收缩，因此叫做收缩运动)，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，例如其中的一种情况是对于用来输送可流动的物质时，机械臂会产生一种不适于流体流动的姿态。如图1所示，运动到B点后，姿态2要优于姿态3，而现有的得到多组解的运动学求解方式可能产生对应于姿态3的解，或者说，现有的得到多组解的运动学求解方式难以得到较优的对应于姿态2的解，因此不利于流体输送的流畅性。

在现有技术中，对于机械臂的控制存在控制效率较低和流体输送的流畅性不佳的问题，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机械臂的控制方法与控制装置以及工程机械，以解决现有技术中对于机械臂的控制存在控制效率较低和流体输送的流畅性不佳的问题。

为解决上述问题，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：计算机械臂中各组相邻两个臂节之间的转折程度；以运动后机械臂中的各组相邻臂节的转折程度较小为原则，从各组相邻两个臂节中选择一组相邻两个臂节；将选择的一组相邻两个臂节作为运动臂进行控制。

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，用于计算所述机械臂中各组相邻两个臂节之间的转折程度；选择设备，用于以运动后机械臂中的各组相邻臂节的转折程度较小为原则，从所述各组相邻两个臂节中选择一组相邻两个臂节；控制设备，用于将选择的一组相邻两个臂节作为运动臂进行控制。

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，并且还具有本发明的机械臂的控制装置。

根据本发明的技术方案，以运动后机械臂中的各组相邻臂节的转折程度较小为原则从各组相邻两个臂节中选择一组相邻两个臂节并对这两个臂节进行控制，这样有助于使机械臂的整体中不至于出现转折程度特别大的相邻臂节，从而使机械臂尽可能地有利于流畅地输送流体。另外，本发明的方式中仅使两个臂节运动，有着较高的控制效率，并且消耗的能量较少。

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基本步骤的示意图；

图3是与本发明实施例有关的机械臂简化结构的示意图；

图4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。

图2是根据本发明实施例的机械臂的控制方法的基本步骤的示意图，如图2所示，该方法可以由工程机械的控制器来完成，主要包括如下步骤：

步骤S20：计算机械臂中各组相邻两个臂节之间的转折程度。以五节臂的机械臂为例，在本步骤中计算得到4个转折程度。

步骤S22：以运动后机械臂中的各组相邻臂节的转折程度较小为原则，从各组相邻两个臂节中选择一组相邻两个臂节。

步骤S24：将选择的一组相邻两个臂节作为运动臂进行控制。

根据上述的步骤，在运动后机械臂中的各组相邻臂节的转折程度较小的情况下，机械臂在输送流体时有着相对较好的流畅性。对于步骤S22，优选的方式如下：当机械臂作伸展运动时，选择转折程度最大的相邻两个臂节；当机械臂作收缩运动时，选择转折程度最小的相邻两个臂节。这里的机械臂的伸展运动和收缩运动既可以是水平方向的运动(或称等高运动)，也可以是垂直方向的运动，或者水平与垂直方向的合成运动，此时机械臂表现为在竖直平面上的斜向运动。对于垂直方向的运动，如果机械臂末端高于其始端，则末端向上时机械臂伸展，末端向下时机械臂收缩；如果机械臂始端高于末端，则末端向下时机械臂伸展，末端向上时机械臂收缩。一般地，当机械臂的末端远离始端时，机械臂作伸展运动；当机械臂的末端接近始端时，机械臂作收缩运动。相邻臂节的夹角越小，这两个臂节的转折程度越大。从以上的优选方式可以看出，一方面，当机械臂作伸展运动时，选择转折程度最大的相邻两个臂节运动，从而使这两个臂节伸展从而转折程度减小，有助于优化机械臂的整体姿态使其有利于流畅地输送流体；另一方面，当机械臂作收缩运动时，选择转折程度最小的相邻两个臂节运动，避免机械臂中的其他相邻的臂进一步加剧转折程度，这样有助于使机械臂的整体中不至于出现转折程度特别大的相邻臂节，从而使机械臂尽可能地有利于流畅地输送流体。另外，本实施例的方式中仅使两个臂节运动，有着较高的控制效率。

对于上述步骤中涉及的相邻两个臂节转折程度的确定，以下给出几种可选的方式。以下结合图3进行说明，图3是与本发明实施例有关的机械臂简化结构的示意图。图3示出了五节机械臂的情形。

本实施例中，第一种确定转折程度最大或转折程度最小的臂节的方式是，针对机械臂的各组相邻两个臂节，计算该两个臂节的相异端点间距与两个臂节长度和的比值；然后视不同的控制需求，将计算得到的多个比值中最小的比值对应的相邻两个臂节作为转折程度最大的相邻两个臂节，或者将计算得到的多个比值中最大的比值对应的相邻两个臂节作为转折程度最小的相邻两个臂节。

具体如图3，相邻的臂节即：1臂与2臂、2臂与3臂、3臂与4臂、4臂与5臂。以2臂与3臂为例，它们有相同的端点B，相异端点为A点和C点，则2臂与3臂的相异端点间距与2臂3臂长度和的比值按下式计算：K₂₃＝AC/(AB+BC)。式中K₂₃表示要计算的比值，AC表示相异端点即A点和C点的间距，AB和BC分别表示2臂和3臂的长度。

对于工程机械来说，各臂节的长度是给定的，即2臂和3臂的长度已知。以下说明如何确定相邻臂节的相异端点间距。

在本实施例中，针对机械臂的各个臂节，检测臂节与该臂节在水平面上的投影之间的夹角；根据该夹角和各个臂节的长度计算出机械臂的各个节点的位置；根据各个节点的位置得到相邻臂节的相异端点间距。上述臂节与该臂节在水平面上的投影之间的夹角可以采用角度传感器进行检测。节点的位置可以通过建立一个坐标系，以坐标来表示。参考图3，OX表示各臂节在水平面上的投影所在射线，则如图3所示，1臂与OX夹角为OA与OX夹角，即θ1；2臂与OX夹角为AB与OX夹角，即θ2(图中AX`与OX平行)，其余类推。以O为原点，OX和垂直于OX的OY分别作为X轴和Y轴建立坐标系OXY，则根据1臂和2臂的长度以及角度θ1和θ2，可以容易地计算得出端点B分别与X轴和Y轴之间的距离，即得到端点B在坐标系OXY中的坐标。类似地可以得到其他端点在坐标系OXY中的坐标。这样可以根据坐标系中点与点的距离的计算方式得到各端点的间距。本实施例中涉及的是其中的相邻臂节的相异端点的间距。

以上是以O点为原点建立坐标进行处理的方式。也可以选择其他点，例如将机械臂的各个节点作为坐标原点。同样可按照解析几何的方法进行计算。

本实施例中，第二种确定转折程度最大或转折程度最小的臂节的方式是，针对机械臂的各组相邻两个臂节，确定各组相邻两个臂节之间的夹角；然后视不同的控制需求，将确定出的各组相邻两个臂节之间的夹角中最小的夹角对应的相邻两个臂节作为转折程度最大的相邻两个臂节，或将确定出的多个夹角中最大的夹角对应的相邻两个臂节作为转折程度最小的相邻两个臂节。

在确定相邻臂节的夹角时，如果机械臂安装有用于检测相邻臂节间的夹角的角度传感器，则可以直接采用该角度传感器的检测结果，即接收对相邻的两个臂节之间的夹角进行检测得到的检测值；如果机械臂安装有用于检测臂节与水平面夹角的角度传感器，则可以采用该角度传感器的检测结果。参考图3，如要确定1臂与2臂的夹角，即∠OAB，则可以根据检测到的θ1和θ2确定，即∠OAB＝180°-θ1+θ2。类似地可以依次得出∠OAB、∠ABC、∠BCD以及∠CDE。

以上的计算中，忽略了臂节的挠度，因为在本实施例中，选择的是转折程度最大或最小的相邻臂节，而臂节的挠度对有关各臂节的计算的影响是基本相同的，所以并不影响对于转折程度最大或最小的相邻臂节的选择。

以下对于本实施例中的机械臂的控制装置做出说明。如图4所示，图4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4中的机械臂的控制装置40包括如下设备：

计算设备41，用于计算机械臂中各组相邻两个臂节之间的转折程度；

选择设备42，用于以运动后机械臂中的各组相邻臂节的转折程度较小为原则，从各组相邻两个臂节中选择一组相邻两个臂节；

控制设备43，用于将选择的一组相邻两个臂节作为运动臂进行控制。

选择设备42还可用于当机械臂作伸展运动时，确定转折程度最大的相邻两个臂节，选择该两个臂节作为运动臂进行控制。

选择设备42还可用于：针对机械臂的各组相邻两个臂节，计算该相邻两个臂节的相异端点间距与两个臂节长度和的比值；将计算得到的多个比值中最小的比值对应的相邻两个臂节作为转折程度最大的相邻两个臂节。

选择设备42还可用于当机械臂作收缩运动时，确定转折程度最小的相邻两个臂节，选择该两个臂节作为运动臂进行控制。

选择设备42还可用于：针对机械臂的各组相邻两个臂节，计算该相邻两个臂节的相异端点间距与两个臂节长度和的比值；将计算得到的多个比值中最大的比值对应的相邻两个臂节作为转折程度最小的相邻两个臂节。

选择设备42还可用于：针对机械臂的各个臂节，检测臂节与该臂节在水平面上的投影之间的夹角；根据夹角和各个臂节的长度计算出机械臂的各个节点的位置；根据机械臂的各个节点的位置计算相邻两个臂节相异端点的间距与两个臂节长度和的比值。

选择设备42还可用于：针对机械臂的各组相邻两个臂节，确定各组相邻两个臂节之间的夹角；将确定出的各组相邻两个臂节之间的夹角中最小的夹角对应的相邻两个臂节作为转折程度最大的相邻两个臂节。

选择设备42还可用于：针对机械臂的各组相邻两个臂节，确定各组相邻两个臂节之间的夹角；将确定出的各组相邻两个臂节之间的夹角中最大的夹角对应的相邻两个臂节作为转折程度最小的相邻两个臂节。

选择设备42还可用于接收对相邻的两个臂节之间的夹角进行检测得到的检测值。

选择设备42还可用于：针对机械臂的各个臂节，检测臂节与该臂节在水平面上的投影之间的夹角；根据机械臂的各臂节与该臂节在水平面上的投影之间的夹角计算相邻的两个臂节之间的夹角。

本实施例中的工程机械包括机械臂，并且包括本实施例中的机械臂的控制装置40。

根据本发明实施例的技术方案，当机械臂作伸展运动时，选择转折程度最大的相邻两个臂节运动，从而使这两个臂节伸展从而转折程度减小，有助于优化机械臂的整体姿态使其有利于流畅地输送流体；当机械臂作收缩运动时，选择转折程度最小的相邻两个臂节运动，避免机械臂中的其他相邻的臂进一步加剧转折程度，这样有助于使机械臂的整体中不至于出现转折程度特别大的相邻臂节，从而使机械臂尽可能地有利于流畅地输送流体。另外，本实施例的方式中仅使两个臂节运动，有着较高的控制效率。

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 (17)

1.一种机械臂的控制方法，其特征在于，包括：

计算所述机械臂中各组相邻两个臂节之间的转折程度；

以运动后所述机械臂中的各组相邻臂节的转折程度较小为原则，从所述各组相邻两个臂节中选择一组相邻两个臂节，以使所述机械臂有利于流畅地输送流体，其中，当所述机械臂作伸展运动时，选择转折程度最大的相邻两个臂节，当所述机械臂作收缩运动时，选择转折程度最小的相邻两个臂节；

将选择的一组相邻两个臂节作为运动臂进行控制。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，确定转折程度最大的相邻两个臂节包括：

针对所述机械臂的各组相邻两个臂节，计算该相邻两个臂节的相异端点间距与两个臂节长度和的比值；

将计算得到的多个所述比值中最小的比值对应的相邻两个臂节作为转折程度最大的相邻两个臂节。

3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，确定转折程度最小的相邻两个臂节包括：

针对所述机械臂的各组相邻两个臂节，计算该相邻两个臂节的相异端点间距与两个臂节长度和的比值；

将计算得到的多个所述比值中最大的比值对应的相邻两个臂节作为转折程度最小的相邻两个臂节。

4.根据权利要求2或3所述的控制方法，其特征在于，计算该相邻两个臂节的相异端点间距与两个臂节长度和的比值包括：

针对所述机械臂的各个臂节，检测臂节与该臂节在水平面上的投影之间的夹角；

根据所述夹角和各个臂节的长度计算出所述机械臂的各个节点的位置；

根据所述机械臂的各个节点的位置计算相邻两个臂节相异端点的间距与两个臂节长度和的比值。

5.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，选择转折程度最大的相邻两个臂节包括：

针对所述机械臂的各组相邻两个臂节，确定各组相邻两个臂节之间的夹角；

将确定出的各组相邻两个臂节之间的夹角中最小的夹角对应的相邻两个臂节作为转折程度最大的相邻两个臂节。

6.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，选择转折程度最小的相邻两个臂节包括：

针对所述机械臂的各组相邻两个臂节，确定各组相邻两个臂节之间的夹角；

将确定出的各组相邻两个臂节之间的夹角中最大的夹角对应的相邻两个臂节作为转折程度最小的相邻两个臂节。

7.根据权利要求5或6所述的控制方法，其特征在于，确定各组相邻两个臂节之间的夹角包括：接收对各组相邻两个臂节之间的夹角进行检测得到的检测值。

8.根据权利要求5或6所述的控制方法，其特征在于，确定各组相邻两个臂节之间的夹角包括：

针对所述机械臂的各个臂节，检测臂节与该臂节在水平面上的投影之间的夹角；

根据所述机械臂的各臂节与该臂节在水平面上的投影之间的夹角计算相邻的两个臂节之间的夹角。

9.一种机械臂的控制装置，其特征在于，包括：

计算设备，用于计算所述机械臂中各组相邻两个臂节之间的转折程度；

选择设备，用于以运动后机械臂中的各组相邻臂节的转折程度较小为原则，从所述各组相邻两个臂节中选择一组相邻两个臂节，以使所述机械臂有利于流畅地输送流体，其中，当所述机械臂作伸展运动时，选择转折程度最大的相邻两个臂节，当所述机械臂作收缩运动时，选择转折程度最小的相邻两个臂节；

控制设备，用于将选择的一组相邻两个臂节作为运动臂进行控制。

10.根据权利要求9所述的控制装置，其特征在于，所述选择设备还用于：

针对所述机械臂的各组相邻两个臂节，计算该相邻两个臂节的相异端点间距与两个臂节长度和的比值；

将计算得到的多个所述比值中最小的比值对应的相邻两个臂节作为转折程度最大的相邻两个臂节。

11.根据权利要求9所述的控制装置，其特征在于，所述选择设备还用于：

针对所述机械臂的各组相邻两个臂节，计算该相邻两个臂节的相异端点间距与两个臂节长度和的比值；

将计算得到的多个所述比值中最大的比值对应的相邻两个臂节作为转折程度最小的相邻两个臂节。

12.根据权利要求10或11所述的控制装置，其特征在于，所述选择设备还用于：

针对所述机械臂的各个臂节，检测臂节与该臂节在水平面上的投影之间的夹角；

根据所述夹角和各个臂节的长度计算出所述机械臂的各个节点的位置；

根据所述机械臂的各个节点的位置计算相邻两个臂节相异端点的间距与两个臂节长度和的比值。

13.根据权利要求9所述的控制装置，其特征在于，所述选择设备还用于：

针对所述机械臂的各组相邻两个臂节，确定各组相邻两个臂节之间的夹角；

将确定出的各组相邻两个臂节之间的夹角中最小的夹角对应的相邻两个臂节作为转折程度最大的相邻两个臂节。

14.根据权利要求9所述的控制装置，其特征在于，所述选择设备还用于：

针对所述机械臂的各组相邻两个臂节，确定各组相邻两个臂节之间的夹角；

将确定出的各组相邻两个臂节之间的夹角中最大的夹角对应的相邻两个臂节作为转折程度最小的相邻两个臂节。

15.根据权利要求13或14所述的控制装置，其特征在于，所述选择设备还用于：接收对相邻的两个臂节之间的夹角进行检测得到的检测值。

16.根据权利要求13或14所述的控制装置，其特征在于，所述选择设备还用于：

针对所述机械臂的各个臂节，检测臂节与该臂节在水平面上的投影之间的夹角；

根据所述机械臂的各臂节与该臂节在水平面上的投影之间的夹角计算相邻的两个臂节之间的夹角。

17.一种工程机械，具有机械臂，其特征在于，所述工程机械还具有权利要求9、10、11、13、14中任一项所述的控制装置。