CN102508494A - 机械臂、工程机械和确定机械臂臂节位置的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种机械臂、工程机械和确定机械臂臂节位置的方法，以解决现有技术中机械臂的臂节倾角检测存在精度不足以及成本较高的问题。该方法包括：在机械臂的每个臂节上安装有一个倾角传感器，倾角传感器用于检测所在臂节的倾角；倾角传感器安装在臂节的挠度变形最大的区域。根据本发明实施例的技术方案，有助于以低成本准确地获得机械臂的臂节位置。

Description

机械臂、工程机械和确定机械臂臂节位置的方法

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、工程机械和确定机械臂臂节位置的方法。

背景技术

机械臂是一种常用的工程机械部件，其一端固定在工程机械的回转台上，能够在水平面上进行回转运动，并且机械臂具有多个铰接的臂节，在臂节上的油缸的支撑作用下，各个臂节之间的角度能够改变，从而使整个机械臂的姿态发生变化，特别是其末端臂节的自由端能够改变位置，以混凝土泵车为例，末端臂节的自由端为布料点，能够向不同的浇注位置进行浇注。在机混凝土泵车在工作布料时惯常都是采用多个手柄对各节臂的展开与收拢动作进行一一对应控制，该种控制方式的精度完全由操作人员的熟练程度决定，操作效率低，精准度差。

为解决上述问题，人们考虑研发能够由操作人员发出简单指令，就能够对臂架复杂运动进行控制的运动控制系统。为实现该种运动控制功能，前提条件之一是要对运动中的臂架情况(如：臂架各臂节的倾角)进行实时测量，确定臂架的实时位置，然后由控制器通过一定的程序计算后，对臂架后续的运动动作发出指令。

臂节的倾角是表征臂架姿态的重要指标，根据该倾角可以确定臂节的位置。臂节的位置可采用臂节末端的位置来表征。臂节的倾角一般是指臂节与水平面的夹角。

在相关技术中，在臂节两端附近各设置1个倾角传感器，根据臂架两端的倾角传感器的测量值计算该臂节的倾角。发明人发现该方式的精度不足并且成本较高。

对于相关技术中的机械臂的臂节倾角检测存在精度不足以及成本较高的问题，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、工程机械和确定机械臂臂节位置的方法，以解决现有技术中机械臂的臂节倾角检测存在精度不足以及成本较高的问题。

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。

本发明的机械臂包括多个臂节以及驱动各个臂节的油缸，在所述机械臂的臂节上安装有一个倾角传感器，所述倾角传感器用于检测所述倾角传感器所在臂节的倾角；所述倾角传感器安装在所述臂节的挠度变形最大的区域。

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本发明的机械臂。

根据本发明的又一方面，提供了一种确定机械臂臂节位置的方法，其中机械臂为本发明的机械臂，该方法包括：确定所述机械臂的各个臂节的倾角；根据下式计算第n个臂节的末端与第1个臂节的始端的水平距离：X_n＝L₁cosθ₁+L₂cosθ₂+…+L_ncosθ_n，以及根据下式计算第n个臂节的末端与第1个臂节的始端的垂直距离：Y_n＝L₁sinθ₁+L₂sinθ₂+…+L_nsinθ_n，其中X_n和Y_n分别表示第n个臂节的末端与第1个臂节的始端的水平距离和垂直距离，L_n表示第n个臂节的长度，θ_n表示第n个臂节的倾角，当臂节的始端低于末端时取正值，反之取负值。

经过实验证明，根据本发明的技术方案能准确、真实的反应臂架的真实姿态和动态特性。并且因为在每个臂节只安装1个传感器，因此降低了成本，并且安装方便。

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是根据本发明实施例的倾角传感器在机械臂上的安装位置的示意图；

图2是根据相关技术的一种转角传感器的安装示意图；

图3是与本发明实施例有关的设置拉线传感器的示意图；

图4A和图4B是根据本发明实施例的臂架末端计算位置与臂架末端实际位置的对比的示意图。

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1是根据本发明实施例的倾角传感器在机械臂上的安装位置的示意图。在实现本发明的过程中，发明人考虑到，每个臂节上均有几个支撑点，导致臂节受力是不均匀变化的，即其挠度变形也不是均匀的，所以不能简单的把每个臂节作为悬臂刚性梁自由端进行处理，并且，每个臂节在两个油缸支撑点之间的变形是最大的，参考图1，例如对于臂节21，其上有两个油缸23、24的支撑点D、E，则臂节21中的DE段具有最大的变形，将倾角传感器25安装在DE段中；又如对于臂节22，其上的油缸支点为B和F(F处的油缸未示出)，则臂节22中的BF段具有最大的变形，将倾角传感器26安装在BF段中。对于上述的具有最大变形的段，因每一段的长度有限，所以可以把该段臂节的形变看成是均匀的。

根据上述的臂架结构与受力的分析，在本实施例中，倾角传感器在臂架上安装位置的原则是：倾角传感器在该处测得的角度最大限度的接近臂架发生弹性变形后的两个端点之间连线的角度值。而满足此原则的区域是臂节挠度变形最大的区域，因此，在本实施例中，在机械臂的臂节上安装一个倾角传感器，倾角传感器安装在臂节的挠度变形最大的区域。优选地，可在每个臂节上各安装一个倾角传感器。

对于末节臂来说，油缸支撑点至末节臂末端之间是挠度变形最大的区域，因此末节臂上的倾角传感器安装在末节臂上的油缸支撑点至末节臂末端之间，非末节臂上的倾角传感器安装在该臂节上的两个油缸支撑点之间。

发明人进一步发现，倾角传感器安装在挠度变形最大的区域的中部时，能够获得更精确的检测结果。因此在本实施例中，优选地，对于末节臂，可将倾角传感器安装在末节臂上的油缸支撑点与末节臂末端的中点附近；对于非末节臂，可将倾角传感器安装在非末节臂上的两个油缸支撑点的中点附近。

根据本实施例中的倾角传感器安装方式安装了倾角传感器之后，可以根据本实施例中的确定机械臂臂节位置的方法来确定机械臂臂节位置。以下对于本实施例中确定机械臂臂节位置的方法做出说明。

确定所述机械臂的各个臂节的倾角；分别根据(1)式和(2)式计算第n个臂节的末端与第1个臂节的始端的水平距离：

X_n＝L₁cosθ₁+L₂cosθ₂+…+L_ncosθ_n…………(1)

Y_n＝L₁sinθ₁+L₂sinθ₂+…+L_nsinθ_n…………(2)

其中，X_n和Y_n分别表示第n个臂节的末端与第1个臂节的始端的水平距离和垂直距离，L_n表示第n个臂节的长度，θ_n表示第n个臂节的倾角，当臂节的始端低于末端时取正值，反之取负值。

在确定机械臂的各个臂节的倾角时，具体可以是直接获取倾角传感器的检测值。另外，可以通过试验，对臂架的位置进行修正。在实际中比较关心的是臂架末端即布料点的位置，以该位置的修正为例加以说明。例如臂架为五节臂，则(1)式和(2)式n＝5，计算得到X₅和Y₅，则臂架末端在修正前的位置(即臂架末端与第1个臂节始端的直线距离)H₀为：

$H_0=\sqrt{X_5^2+Y_5^2}.$

在对H₀修正时可按如下公式得到修正值H：

其中R表示所有臂架的长度总和，r表示实际测量的臂架末端离转台中心的距离即布料半径。L表示预设的参数，反映了臂架理论变型量，取值范围可以是[-1.5，1.5]，例如取1.0，可以根据实际情况调整L值。

与相关技术相比，本实施例的技术方案有助于提高臂节倾角检测的精度，并且能够降低成本。参考图2，图2是根据相关技术的一种转角传感器的安装示意图。

如图2所示，在相关技术的方案中，采用2个倾角传感器B1和B2，分别设置在臂架20的两端附近。根据该方案，测定的臂架角度为臂架与地面的倾角，通过2个倾角传感器得到某一节臂的2个倾角值，在将得到的2个角度值进行加权计算后得到一个计算后的角度值，该种测量方法在计算的过程中将臂架的刚性进行了理想化处理，在加权计算前的公式计算中就已将臂架的刚性值进行了设定，该种角度计算取值与实际的臂架倾角之间存在较大的误差，因此精度不高。另外，该方案采用两个倾角传感器，在产品生产上，增加了生产成本。

而本实施例的技术方案有助于克服上述相关技术中的不足。以下结合试验加以说明。该试验中，设置拉线传感器以取得实际的臂架末端与第1个臂节始端之间的距离，并将该距离与根据本实施例的技术方案获得的臂架末端与第1个臂节始端之间的距离相比较。图3是与本发明实施例有关的设置拉线传感器的示意图。

如图3所示，展开臂架后在臂架41末端附近连接一只拉线传感器42，拉线传感器42直接检测到连接点与第1个臂节始端之间的距离，再加上连接点至臂架41末端的距离即得到实际的臂架末端与第1个臂节始端之间的距离。

在臂架的合适位置例如第2节臂处给一定的助动信号(正弦助动和阶跃助动)作为激励使臂架末端参数相应位移，得到实际的臂架末端与第1个臂节始端之间的距离，以及根据本实施例得到的臂架末端与第1个臂节始端之间的距离，分别如图4A和图4B所示。图4A和图4B是根据本发明实施例的臂架末端计算位置与臂架末端实际位置的对比的示意图。图4A和图4B分别对应于臂架的正弦激励响应和阶跃激励响应，其中，图4A中的线条4A1表示拉线传感器检测得到的臂架末端位移与时间的关系，线条4A2表示根据本发明实施例的方案得到的臂架末端位移与时间的关系；图4B中的线条4B1表示拉线传感器检测得到的臂架末端位移与时间的关系，其中对臂架末端的位置作了修正，线条4B2表示根据本发明实施例的方案得到的臂架末端位移与时间的关系，其中对臂架末端的位置作了修正。从图4A和图4B可以看出，采用本发明实施例的技术方案能准确、真实的反应臂架的真实姿态和动态特性。

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 (8)

1.一种机械臂，包括多个臂节以及驱动各个臂节的油缸，其特征在于，

在所述机械臂的臂节上安装有一个倾角传感器，所述倾角传感器用于检测所述倾角传感器所在臂节的倾角；

所述倾角传感器安装在所述臂节的挠度变形最大的区域。

2.根据权利要求1所述的机械臂，其特征在于，所述臂节为非末节臂，所述倾角传感器安装在该臂节上的两个油缸支撑点之间。

3.根据权利要求2所述的机械臂，其特征在于，所述倾角传感器安装在所述节臂上的两个油缸支撑点的中点附近。

4.根据权利要求1所述的机械臂，其特征在于，所述臂节为末节臂，所述倾角传感器安装在所述臂节上的油缸支撑点至末节臂末端之间。

5.根据权利要求4所述的机械臂，其特征在于，所述倾角传感器安装在所述臂节上的油缸支撑点与末节臂末端的中点附近。

6.一种工程机械，其特征在于，所述工程机械具有权利要求1至5中任一项所述的机械臂。

7.一种确定机械臂臂节位置的方法，所述机械臂为权利要求1至5中任一项所述的机械臂，其特征在于，所述方法包括：

确定所述机械臂的各个臂节的倾角；

根据下式计算第n个臂节的末端与第1个臂节的始端的水平距离：

X_n＝L₁cosθ₁+L₂cosθ₂+…+L_ncosθ_n，

以及根据下式计算第n个臂节的末端与第1个臂节的始端的垂直距离：

Y_n＝L₁sinθ₁+L₂sinθ₂+…+L_nsinθ_n，

其中X_n和Y_n分别表示第n个臂节的末端与第1个臂节的始端的水平距离和垂直距离，L_n表示第n个臂节的长度，θ_n表示第n个臂节的倾角，当臂节的始端低于末端时取正值，反之取负值。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在进行所述计算得到臂架末端与第1个臂节的始端的水平距离与垂直距离后，所述方法还包括：

根据所述臂架末端与第1个臂节的始端的水平距离与垂直距离得出所述末节臂节的末端与第1个臂节的始端的直线距离；

按如下公式修正所述直线距离：

其中，H表示修正后的所述直线距离，H₀表示修正前的所述直线距离，R表示臂架的总长度，r表示臂架的布料半径，L表示预设的参数，取值范围是[-1.5，1.5]。

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