CN102495548B - 控制臂架末端运动的设备、系统、方法以及工程机械设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于控制臂架末端运动的设备、系统以及具有该系统的工程机械设备，该用于控制臂架末端运动的设备包括：运动方向输入装置，用于生成代表所述臂架末端运动方向的信号；运动速率输入装置，用于生成代表所述臂架末端运动速率的信号，该运动速率输入装置与所述运动方向输入装置相互独立；以及发射机，与所述运动方向输入装置和运动速率输入装置相连，用于发送所述代表运动方向的信号和代表运动速率的信号。藉此，可通过两个独立的装置，分别输入代表臂架末端运动方向和运动速率的信号，避免了解耦过程，可使臂架末端位置更易于控制，且臂架运动稳定。

Description

控制臂架末端运动的设备、系统、方法以及工程机械设备

技术领域

本发明涉及机械控制领域，具体地，涉及一种用于控制臂架末端运动的设备、系统、方法以及具有该系统的工程机械设备。

背景技术

在建筑业、高铁等的蓬勃发展背景下，混凝土机械行业这几年呈现了强劲的发展，混凝土机械设备向着个性化、智能化方向发展，出现了智能臂架的概念，以使得臂架操作更为实用及方便。

一种典型的具有智能臂架的施工车辆是混凝土泵车，这种车辆在需要混凝土浇筑的施工现场，按照操控要求进行混凝土浇筑施工。当臂架设备用于混凝土浇筑以及其他类似场合时，对其控制具有较高的要求，尤其是对其臂架未端的位置需要进行准确的控制。

目前，为了利用对臂架末端的运动方向和运动速率进行控制，多采用具有三自由度的操纵杆同时发出用于控制臂架末端的运动方向和运动速率的指令。臂架末端的运动方向和运动速率根据操纵杆在X、Y、Z三个方向上的矢量方向及矢量大小这六个变量计算得到，该六个变量既要用于控制臂架末端的运动方向，又要用于控制臂架末端的运动速率，该计算具有强耦合性，这是一个复杂的耦合运算过程。这六个变量在利用操纵杆实现的过程中存在相互强耦合关系，上述六个变量中任何一个的改变都将导致最终输出结果的改变，这会给智能臂架操纵带来困难。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于控制臂架末端运动的设备、系统、方法以及具有该系统的工程机械设备，该设备可解决上述现有的利用一操纵杆控制臂架末端运动所存在的问题。

为了实现上述目的，本发明提供一种用于控制臂架末端运动的设备，该设备包括：运动方向输入装置，用于生成代表所述臂架末端运动方向的信号；运动速率输入装置，用于生成代表所述臂架末端运动速率的信号，该运动速率输入装置与所述运动方向输入装置相互独立；以及发射机，与所述运动方向输入装置和运动速率输入装置相连，用于发送所述代表运动方向的信号和代表运动速率的信号。

相应地，本发明还提供一种用于控制臂架末端运动的系统，该系统包括：上述用于控制臂架末端运动的设备；接收机，用于接收所述代表运动方向的信号和代表运动速率的信号；以及控制器，与所述接收机相连，用于根据所输入的代表运动方向的信号和代表运动速率的信号，控制所述臂架末端运动。

相应地，本发明还提供一种工程机械设备，该工程机械设备包括上述用于控制臂架末端运动的系统。

相应地，本发明还提供一种用于控制臂架末端运动的方法，该方法包括：接收来自运动方向输入装置的代表所述臂架末端运动方向的信号；接收来自运动速率输入装置的代表所述臂架末端运动速率的信号，该运动速率输入装置与所述运动方向输入装置相互独立；以及根据所述代表运动方向的信号和代表运动速率的信号，控制所述臂架末端运动。

通过上述技术方案，可完成臂架末端的运动方向和运动速率各自独立运算和操作，避免了利用同一输入装置同时输入臂架末端运动方向和运动速率两个信号时的耦合问题，方便了臂架末端的操控，避免了臂架操控不稳定的问题。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明的用于控制臂架末端运动的设备的结构示意图；

图2为本发明的用于控制臂架末端运动的系统的结构示意图；

图3A为运动方向输入装置的一实例的结构示意图；

图3B为示出了图3A所示的运动方向输入装置的操作状态的示意图；

图4A为运动速率输入装置的一实例的结构示意图；

图4B为示出了图4A所示的运动速率输入装置的操作状态的示意图。

附图标记说明

110运动方向输入装置 120运动速率输入装置

130发射机           210接收机

220控制器

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

图1为本发明的用于控制臂架末端运动的设备的结构示意图。如图1所示，本发明提供了一种用于控制臂架末端运动的设备，该设备包括：运动方向输入装置110，用于生成代表所述臂架末端运动方向的信号；运动速率输入装置120，用于生成代表所述臂架末端运动速率的信号，该运动速率输入装置120与所述运动方向输入装置110相互独立；以及发射机130(例如，电磁波发射机)，与所述运动方向输入装置110和运动速率输入装置120相连，用于发送所述代表运动方向的信号和代表运动速率的信号。藉此，可通过两个独立的装置，分别独立输入代表臂架末端的运动方向和运动速率的信号，避免了利用同一输入装置同时输入臂架末端运动方向和运动速率两个信号时的耦合问题，可使臂架末端位置更易于控制，且臂架运动稳定。

具体而言，该用于控制臂架末端运动的设备可实施为遥控器。有关该用于控制臂架末端运动的设备可参见以下针对控制臂架末端运动的系统的描述。

图2为本发明的用于控制臂架末端运动的系统的结构示意图。如图2所示，本发明还提供了一种用于控制臂架末端运动的系统，该系统包括：上述用于控制臂架末端运动的设备；接收机210(例如，电磁波接收机)，用于接收所述代表运动方向的信号和代表运动速率的信号；以及控制器220，与所述接收机相连，用于根据所输入的代表运动方向的信号和代表运动速率的信号，控制所述臂架末端运动。

其中，所述运动方向输入装置110所输入的代表运动方向的信号可包括及 及以及及这三组变量中的至少一组变量，所述控制器220通过以下公式计算臂架末端的运动方向：

$\stackrel{\→}{V}=F(\stackrel{\→}{X},\stackrel{\→}{Y},\stackrel{\→}{Z},\tilde{X},\tilde{Y},\tilde{Z})---\left(1\right)$

其中，表示臂架末端的运动方向在X轴方向分量的矢量方向，表示臂架末端的运动方向在X轴方向分量的矢量大小；表示臂架末端的运动方向在Y轴方向分量的矢量方向，表示臂架末端的运动方向在Y轴方向分量的矢量大小；表示臂架末端的运动方向在Z轴方向分量的矢量方向，表示臂架末端的运动方向在Z轴方向分量的矢量大小；表示臂架末端的运动方向；函数F()表示运动方向合成运算公式，其可采用矢量相加运算方法或其他相应的运算方法。

上述公式以需控制臂架末端在任意方向上运动为例而给出，实际上，对于臂架末端仅需于一方向上运动的情形而言，仅需考虑该方向上的矢量方向及矢量大小即可。所述运动方向输入装置110可采用任何可输入所需方向上的矢量方向及矢量大小的输入装置来实现，诸如触摸屏、旋转编码器、变阻器等。

其中，所述代表运动速率的信号包括变量v，所述控制器220可通过以下公式计算臂架末端的运动速率：

V＝G(v)            (2)

其中，v表示所述运动速率输入装置120输入的代表所述臂架末端的运动速率的变量，函数G()表示运动速率运算公式，V表示与v相对应的运动速率。所述运动速率输入装置120亦可采用任何输入装置来实现，诸如触摸屏、旋转编码器、变阻器等。

优选地，所述运动方向输入装置110可为具有至少一自由度的操纵杆，例如，具有一自由度的操纵杆(此时，可控制臂架末端于一方向上运动)、具有二自由度的操纵杆(此时，可控制臂架末端于一平面上运动)、有三自由度的操纵杆(此时，可控制臂架末端于三维空间中任意方向上运动)。

图3A为运动方向输入装置的一实施例的结构示意图，图中所示的运动方向输入装置为具有三自由度的操纵杆。图3B示出了该运动方向输入装置的操作状态，以下结合图3B描述控制器如何根据操纵杆的操作状态，计算臂架末端的运动方向。

臂架末端的运动方向计算公式如下：

$\stackrel{\→}{V}=F(\stackrel{\→}{X},\stackrel{\→}{Y},\stackrel{\→}{Z},\tilde{X},\tilde{Y},\tilde{Z})---\left(3\right)$

其中，表示操纵杆的摆角方向在X轴方向分量的矢量方向，表示操纵杆的摆角方向在X轴方向分量的矢量大小，即在X轴方向上的摆角大小；表示操纵杆的摆角方向在Y轴方向分量的矢量方向，表示操纵杆的摆角方向在Y轴方向分量的矢量大小，即在Y轴方向上的摆角大小；表示操纵杆的摆角方向在Z轴方向分量的矢量方向，表示操纵杆的摆角方向在Z轴方向分量的矢量大小，即在Z轴方向上的摆角大小；表示臂架末端的运动方向；函数F()表示运动方向合成运算公式。

优选地，所述运动速率输入装置120为具有一自由度的操纵杆。当然，具有多个自由度的操纵杆亦可以实现此运动速率输入装置，这里仅采用一最简单的实施例进行说明。

所述运动速率输入装置可为一旋转钮或具有一自由度的操纵杆。图4A为运动速率输入装置的一实施例的结构示意图，图中所示的运动速率输入装置为具有一自由度的操纵杆。图4B示出了该运动速率输入装置的操作状态，以下结合图4B描述控制器220如何根据操纵杆的操作状态，计算臂架末端的运动速率。

臂架末端的运动速率计算公式如下：

V＝G(|∠V|)    (4)

其中，∠V表示操纵杆的摆角大小，当操纵杆朝一摆动方向摆动时，∠V为正数；当操纵杆朝相反方向摆动时，∠V为负数。||表示绝对值运算。函数G()表示运动速率运算方法，V表示与|∠V|相对应的运动速率。

在很多工况下，臂架末端需要沿着一固定方向作往复运动，即需要臂架末端的运动方向进行180度换向。为简化操作，优选地，所述接收机还接收来自所述运动速率输入装置的代表该运动速率输入装置的摆动方向的信号；所述控制器在所述运动方向输入装置所输出的运动方向一定的情况下，当所述运动速率输入装置的摆角方向改变时(例如，对于旋转钮而言，顺时针旋转一角度改为逆时针旋转该角度；对于具有一自由度的操纵杆而言，朝一摆动方向摆动一角度改为朝相反方向摆动该角度)，控制所述臂架末端的运动方向改变180度。具体计算公式如下：

$\stackrel{\→}{V}=F(\stackrel{\→}{X},\stackrel{\→}{Y},\stackrel{\→}{Z},\tilde{X},\tilde{Y},\tilde{Z})\×\mathrm{sign}(\∠V)---\left(5\right)$

其中：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{sign}(\&angle;V)=1,\&angle;V>0\\ \mathrm{sign}(\&angle;V)=-1,\&angle;V<0\end{array}\right.---\left(6\right)$

这里，表示方向转变了180度。从而，可在需臂架末端的运动方向进行180度换向时，通过引入运动速率输入装置的摆动方向，使所述臂架末端的运动方向改变180度。藉此，可避免操作运动方向输入装置使臂架末端的运动方向进行180度换向而所存在的换向不够精确等诸多不便。

优选地，所述运动方向输入装置和/或运动速率输入装置为自锁式运动方向输入装置和/或自锁式运动速率输入装置，其能够在达到一状态时，锁定于该状态。因此，当臂架末端工作于固定运动方向和/或固定运动速率的工况下时，可锁定运动方向输入装置和/或运动速率输入装置的状态，藉此降低了操作者的劳动强度，同时保证了运动方向和/或运动速率的恒定，增强了臂架末端运动的稳定性。

相应地，本发明还提供了一种工程机械设备，该工程机械设备具有上述用于控制臂架末端运动的系统。该工程机械设备可为各种需进行臂架控制的设备，诸如泵车、挖掘机、起重机等。

相应地，本发明还提供了一种用于控制臂架末端运动的方法，该方法包括：接收来自运动方向输入装置的代表所述臂架末端运动方向的信号；接收来自运动速率输入装置的代表所述臂架末端运动速率的信号，该运动速率输入装置与所述运动方向输入装置相互独立；以及根据所述代表运动方向的信号和代表运动速率的信号，控制所述臂架末端运动。

其中，所述代表运动方向的信号可包括和 和以及和这三组变量中的至少一组变量，其中，表示臂架末端的运动方向在X轴方向分量的矢量方向，表示臂架末端的运动方向在X轴方向分量的矢量大小；表示臂架末端的运动方向在Y轴方向分量的矢量方向，表示臂架末端的运动方向在Y轴方向分量的矢量大小；表示臂架末端的运动方向在Z轴方向分量的矢量方向，表示臂架末端的运动方向在Z轴方向分量的矢量大小；表示臂架末端的运动方向。

其中，所述运动速率输入装置可为一旋转钮或具有一自由度的操纵杆，该方法还可包括：接收来自所述运动速率输入装置的代表该运动速率输入装置的摆动方向的信号；以及在所述运动方向输入装置所输出运动方向一定的情况下，当所述运动速率输入装置的摆动方向改变时，控制所述臂架末端运动方向改变180度。

有关该用于控制臂架末端运动的方法的细节及益处可参阅之前对用于控制臂架末端运动的系统的描述，于此不再赘述。

通过本发明，可完成臂架末端的运动方向和运动速率各自独立运算和操作，避免了单操纵杆同时进行方向和速率运算和操作的耦合过程，方便了臂架末端的操作，避免了臂架运动不稳定的问题。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (7)

1.一种用于控制臂架末端运动的系统，其特征在于，该系统包括：用于控制臂架末端运动的设备，该设备包括：

运动方向输入装置，用于生成代表所述臂架末端运动方向的信号；

运动速率输入装置，用于生成代表所述臂架末端运动速率的信号，该运动速率输入装置与所述运动方向输入装置相互独立；以及

发射机，与所述运动方向输入装置和运动速率输入装置相连，用于发送所述代表运动方向的信号和代表运动速率的信号；

接收机，用于接收所述代表运动方向的信号和代表运动速率的信号；以及

控制器，与所述接收机相连，用于根据所输入的代表运动方向的信号和代表运动速率的信号，控制所述臂架末端运动，

其中所述运动速率输入装置为一旋转钮或具有一自由度的操纵杆，所述接收机还接收来自所述运动速率输入装置的代表该运动速率输入装置的摆动方向的信号；

所述控制器在所述运动方向输入装置所输出运动方向一定的情况下，当所述运动速率输入装置的摆动方向改变时，控制所述臂架末端运动方向改变180度。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述运动方向输入装置为具有至少一自由度的操纵杆。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述运动方向输入装置和/或运动速率输入装置为自锁式的。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述代表运动方向的信号包括和和以及和这三组变量中的至少一组变量，

其中，表示臂架末端的运动方向在X轴方向分量的矢量方向，表示臂架末端的运动方向在X轴方向分量的矢量大小；表示臂架末端的运动方向在Y轴方向分量的矢量方向，表示臂架末端的运动方向在Y轴方向分量的矢量大小；表示臂架末端的运动方向在Z轴方向分量的矢量方向，表示臂架末端的运动方向在Z轴方向分量的矢量大小；表示臂架末端的运动方向。

5.一种工程机械设备，其特征在于，该工程机械设备包括权利要求1-4中任一项权利要求所述的用于控制臂架末端运动的系统。

6.一种用于控制臂架末端运动的方法，其特征在于，该方法包括：

接收来自运动方向输入装置的代表所述臂架末端运动方向的信号；

接收来自运动速率输入装置的代表所述臂架末端运动速率的信号，该运动速率输入装置与所述运动方向输入装置相互独立；以及

根据所述代表运动方向的信号和代表运动速率的信号，控制所述臂架末端运动，

其中所述运动速率输入装置为一旋转钮或具有一自由度的操纵杆，接收来自所述运动速率输入装置的代表该运动速率输入装置的摆动方向的信号，并在所述运动方向输入装置所输出运动方向一定的情况下，当所述运动速率输入装置的摆动方向改变时，控制所述臂架末端运动方向改变180度。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述代表运动方向的信号包括和和以及和这三组变量中的至少一组变量，

其中，表示臂架末端的运动方向在X轴方向分量的矢量方向，表示臂架末端的运动方向在X轴方向分量的矢量大小；表示臂架末端的运动方向在Y轴方向分量的矢量方向，表示臂架末端的运动方向在Y轴方向分量的矢量大小；表示臂架末端的运动方向在Z轴方向分量的矢量方向，表示臂架末端的运动方向在Z轴方向分量的矢量大小；表示臂架末端的运动方向。