CN102561700B

CN102561700B - 一种机械臂控制系统、方法及工程机械

Info

Publication number: CN102561700B
Application number: CN201210012648.1A
Authority: CN
Inventors: 邓侃; 陈安涛; 向瑶
Original assignee: Sany Heavy Industry Co Ltd
Current assignee: Sany Heavy Industry Co Ltd
Priority date: 2012-01-16
Filing date: 2012-01-16
Publication date: 2014-05-21
Anticipated expiration: 2032-01-16
Also published as: WO2013107123A1; CN102561700A

Abstract

本发明公开一种机械臂控制系统，还涉及到机械臂控制方法和工程机械。机械臂控制系统中设置有用于获取所述遥控器的操纵部件所处第一坐标系与所述机械臂的末端所处第二坐标系的位置关系信号，以及所述操纵部件的动作方向信号的获取装置；控制器，用于接收所述位置关系信号以及所述动作方向信号，并发出控制所述机械臂的末端动作的方向控制指令；驱动装置，用于接收所述方向控制指令并控制各所述臂节运动，以便使所述机械臂的末端与所述遥控器的控制部件同向运动，使操作人员对机械臂的控制更加直观、形象，便于操作人员对控制方向的判断，提高机械臂控制效率。

Description

一种机械臂控制系统、方法及工程机械

技术领域

本发明涉及一种工程机械控制技术，特别涉及一种机械臂控制系统、方法及工程机械。

背景技术

混凝土泵车是当前应用非常广泛的工程机械之一。该泵车设备主要是利用泵送动力将混凝土沿布置于臂架上的输送管泵送至指定工作位置。

一般地，为了满足混凝土泵送位置的需要，输送管的位置可以随着臂架的调整而变动，现有技术中对臂架的调整主要有以下两种方式。

第一种方式主要针对普通混凝土泵车，该调整方式对混凝土泵车的每节臂架都进行单独的调整，操作人员需要对第一臂架，第二臂架，第三臂架，第四臂架等的展开和收拢动作分别进行控制，操作手需要同时协调控制第一臂架，第二臂架，第三臂架，第四臂架等的动作。操作不直观，操作难度很大，操作技巧要求很高，操作劳动强度大，容易产生疲劳，同时移动效率低。

第二种方式主要针对具备智能臂架技术的混凝土泵车，能够在给定泵车机械臂末端软管移动速度和方向的情况下，泵车根据预存的控制方法自行规划每节臂架的姿态和运动速度。也就是说，操作人员只需要通过遥控器给出臂架末端的x、y、z方向的移动速度指令，臂架系统每节臂架的姿态就会自动调节，以保证末端按照x、y、z的速度去运动，该调节方式大大降低了操作人员的劳动强度。

目前智能臂架泵车的控制一般采用遥控器进行控制，遥控器一般包含一个手柄，手柄可以产生前后、左右两个方向的模拟信号，分别控制泵车臂架的末端软管在水平面上的运动速度和方向。

请参考图1和图2，设定一坐标系O’₀X’₀Y’₀Z’₀固结于臂架转台1’上，当转台1’相对底盘2’转动时，臂架也随转台1’一起绕轴O₀Y’₀转动。设定另一坐标系O’X’Y’Z’，坐标原点O’固定在泵车臂架的末端，OX’、OY’、OZ’三个轴始终与OX’₀、OY’₀、OZ’₀保持平行。遥控器上的坐标系一般以手柄的转动位置为坐标原点建立，一个方向用来控制末端沿ox方向移动速度，另一个方向用来控制转台1’的回转速度，从而实现臂架末端在oxz平面内移动。

但是当臂架的转台1’旋转一定方向或操作人员站立的角度不同时，遥控器的万向手柄的动作方向与臂架末端的运动方向往往不一致，操纵直观性和形象性也比较差，，控制效率比较低，并且操作人员劳动强度大，易于误操作，有产生危险的可能。

因此，如何提供一种对臂架类机械臂的控制系统，其控制精度比较高，有利于提高机械臂的控制效率，且对操纵人员而言控制直观、形象，是本领域内技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的第一个目的在于，提供一种机械臂控制系统，有利于提高机械臂的控制效率，且对操纵人员而言，控制直观、形象。本发明的第二个目的在于提供一种机械臂控制方法及工程机械。

为了实现上述第一个目的，本发明提供了一种机械臂控制系统，一种机械臂控制系统，包括具有至少两节臂节的机械臂，所述机械臂的初始端铰接于转台，还包括驱动各所述臂节相对转台或其他臂节回转的驱动装置以及控制所述机械臂的末端运动的遥控器，还包括：

获取装置，用于获取所述遥控器的操纵部件所处第一坐标系与所述机械臂的末端所处第二坐标系的位置关系信号，以及所述操纵部件的动作方向信号；

控制器，包括方向调整单元，用于接收所述位置关系信号以及所述动作方向信号，并发出控制所述机械臂的末端动作的方向控制指令；

驱动装置，用于接收所述方向控制指令并控制各所述臂节运动，以便使所述机械臂的末端与所述遥控器的控制部件同向运动。

优选地，所述获取装置包括第一获取装置和第二获取装置；第一获取装置，用于获取所述第一坐标系的指定坐标轴相对参考方向在水平面内的夹角信号；第二获取装置，用于获取所述第二坐标系的对应坐标轴相对所述参考方向在水平面内的夹角信号；控制器根据所述第一获取装置和所述第二获取装置的获取信号，判断两坐标系之间的位置关系。

优选地，所述参考方向为地球磁场方向，所述第一获取装置和第二获取装置均为磁方位传感器。

优选地，两所述磁方位传感器分别安装于所述遥控器和所述转台上。

优选地，所述第二获取装置包括设置于所述机械臂上用于检测其在水平面内转动角度的角度传感器，以及设置于支撑所述转台的底盘上的磁方位传感器；

所述第二坐标系的对应坐标轴相对所述参考方向在水平面内的夹角信号包括所述角度传感器的检测信号和所述磁方位传感器的检测信号。

优选地，所述遥控器上的控制部件为万向手柄。

优选地，所述控制器还包括接收所述万向手柄的动作幅度信号的速度调节模块，所述速度调节模块根据所述手柄动作幅度信号控制所述机械臂的末端动作的运动速度。

为实现第二目的，本发明还提供了一种工程机械，包括底盘、设于所述底盘上的转台、连接于所述转台上臂架装置以及用于控制所述臂架装置动作的控制系统，所述臂架装置的控制系统为上述任一项所述的机械臂的控制系统。

此外，本发明还提供了一种机械臂的控制方法，包括机械臂，以及控制所述机械臂的末端运动的遥控器，具体步骤如下：

步骤S101）：获取遥控器的操纵部件所处第一坐标系与所述机械臂的末端所处第二坐标系的位置关系信号，以及所述操纵部件的动作方向信号；

步骤S102）：接收所述位置关系信号以及所述动作方向信号，并发出控制所述机械臂的末端动作的方向控制指令；

步骤S103）：根据所述方向控制指令并控制各所述臂节运动，以便使所述机械臂的末端与所述遥控器的控制部件同向运动。

优选地，所述操纵部件为万向手柄，所述步骤S101）中还可以获取万向手柄的动作幅度信号；所述步骤S102）中还接收所述动作幅度信号，并根据所述动作幅度信号发出速度控制指令；所述步骤S103）中还根据所述速度控制指令控制所述机械臂的末端的运动速度。

本发明中所提供的机械臂控制系统中设置有用于获取遥控器的操纵部件所处第一坐标系与机械臂的末端所处第二坐标系的位置关系信号以及所述操纵部件的动作方向信号的获取装置，控制器通过对第一坐标系和第二坐标系位置关系信号的判断、分析，得到两坐标系之间的位置关系，并根据该位置关系将操纵部件在第一坐标系中的相对动作方向信号换算得到其相对机械臂所处的第二坐标系的相应坐标轴的动作方向，并发出方向控制指令控制机械臂的末端朝该方向运动，实现机械臂的末端与所述遥控器的控制部件同向运动，使操作人员对机械臂的控制更加直观、形象，便于操作人员对控制方向的判断，提高机械臂控制效率并且可以减小操作人员劳动强度，避免误操作，增加操作安全性。

同样，包括上述机械臂控制系统的工程机械以及机械臂控制方法也具有相应的技术效果，实现上述相对应的目的。

附图说明

图1为现有技术中混凝土泵车上建立的坐标系示意图；

图2为现有技术中遥控器上建立的坐标系示意图；

图3为本发明所提供的机械臂控制系统中一种遥控器上建立的坐标系示意图；

图4为图3的俯视示意图；

图5为本发明所提供的机械臂控制系统中一种机械臂上建立的坐标系示意图；

图6为图5的俯视示意图；

图7为本发明所提供的第一种机械臂控制系统的结构框图示意图；

图8为本发明所提供的第一种机械臂控制方法的流程图；

图9为本发明所提供的第二种机械臂控制系统的结构框图示意图；

图10为本发明所提供的第二种机械臂控制方法的流程图。

具体实施方式

下面结合机械臂控制系统、控制方法以及附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。

不失一般性，本文以具有臂架的智能混凝土泵车为例进行介绍本发明的技术方案，智能混凝土泵车的臂架就相当于机械臂，当然，本领域技术人员应当理解，本发明技术方案应用于其他类工程机械也在本文的保护范围内。

请参考图3和图4，图3为本发明所提供的机械臂控制系统中一种遥控器上建立的坐标系示意图；图4为图3的俯视示意图。

以具有五节臂架的智能混凝土泵车为例，所谓智能混凝土泵车是指混凝土泵车在进行混凝土泵送时，只要给出臂架的末端的移动速度指令，臂架系统中的其他节臂架的姿态就会自动调整，以保证臂架的末端向着预期规定的方向运动。

混凝土泵车中的臂架系统中一般包括依次铰接的若干节臂架，通过基本臂的始端连接于转台22上，本文中以与转台22连接的臂架为基本臂，其中为满足泵送作业多方向性的需求，转台22可以带动臂架系统相对混凝土泵车的底盘23转动。

本发明提供了一种机械臂控制系统，包括具有至少两节臂节的机械臂，机械臂的初始端铰接于转台上，可以直接铰接于转台上，也可以间接铰接于转台上，例如转台上设置有可绕竖轴旋转的转台22，转台铰接于转台22上，机械臂还包括驱动各臂节相对转台22或其他臂节回转的驱动装置，一般地，驱动装置可以为伸缩油缸，控制器可以通过控制各油缸的流量来调节不同臂节的展开角度；该机械臂控制系统还包括控制机械臂的末端运动的遥控器，在混凝土泵车中该机械臂就相当于臂架系统，机械臂控制系统还包括获取装置、控制器以及执行装置。其中，获取装置用于获取所述遥控器的操纵部件所处第一坐标系与所述机械臂的末端所处第二坐标系的位置关系信号，以及所述操纵部件的动作方向信号；遥控器可以为有线控制方式，也可以为无线控制方式。

控制器，包括用于接收动作方向信号和位置关系信号的方向调节模块，并根据预设控制策略发出并发出控制所述机械臂的末端动作的方向控制指令，

该机械臂控制系统中的驱动装置用于接收方向控制指令控制机械臂的末端与遥控器的控制部件同向运动，在混凝土泵车中执行装置也就是控制各节臂架相对伸缩的各级伸缩油缸，通过调节流过伸缩油缸的液压油的流量调节机械臂的末端的运动方向与操纵部件同向运动。

本发明中所提供的机械臂控制系统中无论操作人员处于如何位置，遥控器上操纵部件的运动方向与其操纵的机械臂末端的运动方向可以始终处于同向，使控制更加直观、形象，便于操作人员对控制方向的判断，提高机械臂控制效率，提高机械臂控制效率并且可以减小操作人员劳动强度，避免误操作，增加操作安全性。

此处所述的位置关系信号可以为具体的坐标值，也可以为两坐标系相应坐标轴之间偏转角度值。

第一坐标系和第二坐标系位置关系的判断有多种方式，可以以其中一坐标系为参考坐标系，实时计算另一坐标系相对其的变化，得到两坐标系在某一时刻的位置关系；也可以利用固定不变的第三坐标系，计算第一坐标系和第二坐标系分别相对第三坐标系的位置关系，从而得到第一坐标系和第二坐标系之间的位置关系，下面给出了几种第一坐标系和第二坐标系的优选判定方法，具体内容如下所述。

在一种优选的实施方式中，选取某一方向为参考方向，该参考方向可以为地面上两固定物体之间的连线，获取装置包括第一获取装置和第二获取装置；第一获取装置，用于获取所述第一坐标系的指定坐标轴相对参考方向在水平面内的夹角信号；第二获取装置，用于获取第二坐标系中与所述第一坐标系的对应坐标轴相对参考方向在水平面内的夹角信号；第三获取装置，用于获取所述操作部件的动作方向信号；控制器根据第一获取装置、所述第二获取装置的获取信号，判断两坐标系之间的位置关，并结合第三获取装置的获取信号发出方向控制指令。

选取第三者作为两坐标系位置关系的判断，该方式比较简单，有利于简化控制器的程序编制。

需要指出的是，第一坐标系和第二坐标系位置判断不局限于判断水平面内的夹角信号，也可以判断在竖直或其他平面内的夹角信号，在此本文不再赘述。

在一种具体的实施方式中，上述参考方向可以为地球磁场方向，第一获取装置和第二获取装置均为磁方位传感器，两磁方位传感器分别用来检测第一坐标系和第二坐标系的相应坐标轴相对地球磁场方向的夹角信号，为了描述的方便，安装于遥控器和转台上的两磁方位传感器分别成为第一磁方位传感器11和第二方位磁传感器21，从而控制器判断第一坐标系和第二坐标系之间的位置关系，第三获取装置可以为安装于遥控器上的传感器，用于获取操纵部件的初始位置信号与动作后的最终位置信号，即获取操纵部件的动作方向信号，判断其在参考坐标系中的运动方向，当操作人员操作控制部件运动时，从而可以得到实时检测该操纵部件在参考坐标系中的运动方向，遥控器将该方位信号发送至控制器，该方位信号可以为多个参数，也可以为经遥控器处理、分析、判断的一个的参数，具体判断、控制如下。

遥控器自身坐标系如图3和图4所示，在本实施方式中以遥控器的操作手柄的转动中心建立第一坐标系OXYZ，遥控器在水平放置的情况下，对于第一坐标系，X方向为遥控器前方向，Z方向为遥控器右方向，Y方向为竖直方向，当操作人员动作遥控器的操纵部件沿OF方向移动时，第三获取装置可以获得操纵部件在第一坐标系中相对Z方向的偏转角度即

，同时第一获取装置还可以检测出第一坐标系的三个坐标轴相对参考坐标系三个坐标轴相对位置关系，即两坐标系中相应轴之间的偏转角度，本实施例中以第一坐标系中的Z方向相对地球磁场的北极（以下简称N方向）的偏转角度为例进行介绍，假设第一坐标系中的Z方向相对N方向为α，该角度参数由第一磁方位传感器11获取，控制器通过该角度信号可以判断遥控器坐标系和地球磁场坐标系的位置关系，然后再通过第三获取装置获取操纵部件在第一坐标系中相对Z方向的偏转角度即图4中的角度

，该角度参数可以由设于遥控器的万向手柄的传感器获取，控制器

和α两角度可以得到操纵部件在地球磁场坐标系中相对N极的运动方向。

请参考图5至图7，图5为本发明所提供的机械臂控制系统中一种机械臂上建立的坐标系示意图；图6为图5的俯视示意图；图7为本发明所提供的第一种机械臂控制系统的结构框图示意图。

同理，如图5和图6建立第二坐标系O₂X₂Y₂Z₂，为了控制方便还可以建立转台22坐标系O₀X₀Y₀Z₀，两坐标系的相应轴可以为平行的，第二获取装置可以检测此时第二坐标系的坐标轴相对参考坐标系坐标轴相对位置关系，可以检测一个坐标轴相对另一坐标系中相应坐标轴的变化，也可以检测多个相应坐标轴间的变化，即两坐标系中相应轴之间的偏转角度，本实施例中以获取X₂方向相对地球磁场的北极（以下简称N方向）的偏转角度为例进行介绍，在一种具体实施例中，获取X₂方向相对N方向的偏转角度为η，也就是获得了臂架的末端相对于参考方向的空间位置信号。当然也可以是Z₂相对N方向的偏转角度，并且参考方向不局限于地球磁场，也可以为地球或地面上的某个物体，例如以固定某位置的支架等物体为参考位置，再或者还可以为太空中的某个特定的物体，例如卫星或其他星体等作为参考。

请参考图8，图8为本发明所提供的第一种机械臂控制方法的流程图。

上述机械臂控制系统的控制方法可以按如下步骤进行：

步骤S101）：获取所述遥控器的操纵部件所处第一坐标系与所述机械臂的末端所处第二坐标系的位置关系信号，以及所述操纵部件的动作方向信号；

步骤S102）：接收动作方向信号以及所述位置信号，并根据上述各信号发出方向控制指令；

步骤S103）：根据所述方向控制指令控制所述机械臂的末端与所述操纵部件同向运动。

在一种优选的实施方式中，第一获取装置和第二获取装置可以均为磁方位传感器，为了描述方便分别称为第一磁方位传感器11和第二磁方位传感器21，两方位磁传感器分别用于检测遥控器的操纵部件所处的第一坐标系和机械臂的末端所处的第二坐标系相对地球磁场的位置关系信号；该设置方式中直接以地球磁场坐标系作为参考坐标系有利于检测数据的准确性，控制程序比较简单。

以下将具体介绍几种磁方位传感器的安装方式，具体内容如下。

在一种具体实施方式中，第一磁方位传感器11和第二磁方位传感器21可以分别安装在遥控器和转台22上，由于臂架可以随转台22一起同步转动，第二磁方位传感器21也可以设置于臂架上，该设置方式比较简单，可以进一步降低控制器的程序编制的难度。

在另一种具体实施方式中，第二获取装置包括设置于机械臂或转台22上且用于检测其在水平面内转动角度的角度传感器，以及设置于固定转台的底盘上的磁方位传感器，机械臂末端所处的第二坐标系的位置关系信号包括上述两传感器的检测信号，控制器根据角度传感器的检测信号和磁方位传感器的检测信号判断机械臂的末端相对参考方向的位置信号；该方式中可以通过磁方位传感器和角度传感器计算出转台22和机械臂的末端所处第二坐标系相对参考方向的位置关系，该方式中两检测部件的安装位置比较灵活、方便。

在一种优选实施方式中，遥控器上的控制部件可以为万向手柄12，万向手柄12动作比较灵活，可以自由控制臂架的末端向多个方向运动。

请参考图9和图10，图9为本发明所提供的第二种机械臂控制系统的结构框图示意图；图10为本发明所提供的第二种机械臂控制方法的流程图。

在另一种优选的实施方式中，第三获取装置还可以获取万向手柄12的动作幅度信号，控制器还可以包括接收动作幅度信号的速度调节模块，速度调节模块根据动作幅度信号控制机械臂的末端动作的运动速度，当的手柄动作幅度比较小时，速度调节模块控制机械臂末端沿某一方向缓慢的运动；当的手柄动作幅度比较大时，速度调节模块控制机械臂末端沿某一方向快速的运动；通过增加速度调节模块可以根据实际工况的控制机械臂的运动速度，不仅可以提高工作效率，而且可以增加施工安全性。

上述实施例的控制方法如下所示：

步骤S201）：获取所述遥控器的操纵部件所处第一坐标系与所述机械臂的末端所处第二坐标系的位置关系信号，以及万向手柄12的动作方向信号；

步骤S202）：接收位置关系信号、手柄动作幅度信号以及动作方向信号，并根据上述各信号发出控制指令；

动作方向信号和位置关系信号通过方向调节模块进行调整，控制器发出方向控制指令；动作幅度信号经控制器的速度调节模块分析、判断、处理后，控制器发出速度控制指令；

步骤S203）：根据控制器发出的方向控制指令，驱动装置调节机械臂末端的运动与万向手柄的运动方向一致；根据控制器发出的速度控制指令，驱动装置可以调节机械臂末端的运动速度。

当万向手柄运动幅度比较大时，控制器控制机械臂末端快速运动；当万向手柄运动幅度比较小时，控制器控制机械臂末端缓慢运动。

基于上述机械臂控制系统和机械臂的控制方法，本发明还提供了一种包括上述机械臂控制系统的工程机械，包括底盘23、设于底盘23上的转台22、连接于所述转台22上臂架装置以及用于控制所述臂架装置动作的控制系统，其特征在于，所述臂架装置的控制系统为上述任一实施例所述的机械臂的控制系统，由于机械臂控制系统具有上述技术效果，提供的工程机械的机械臂控制系统也具有相对应的技术效果。

在一种优选实施例中，本文中所述的工程机械为泵车，泵车其他部分的资料请参考现有技术，在此不再赘述。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种机械臂控制系统，包括具有至少两节臂节的机械臂，所述机械臂的初始端铰接于转台，还包括驱动各所述臂节相对转台或其他臂节回转的驱动装置以及控制所述机械臂的末端运动的遥控器，其特征在于，还包括：

2.根据权利要求1所述的机械臂控制系统，其特征在于，所述获取装置包括第一获取装置和第二获取装置；

第一获取装置，用于获取所述第一坐标系的指定坐标轴相对参考方向在水平面内的夹角信号；

第二获取装置，用于获取所述第二坐标系的对应坐标轴相对所述参考方向在水平面内的夹角信号；

第三获取装置，用于获取所述操纵部件的动作方向信号。

控制器根据所述第一获取装置、所述第二获取装置的获取信号，判断两坐标系之间的位置关系，并结合所述第三获取装置的获取信号发出方向控制指令。

3.根据权利要求2所述的机械臂控制系统，其特征在于，所述参考方向为地球磁场方向，所述第一获取装置和第二获取装置均为磁方位传感器。

4.根据权利要求3所述的机械臂控制系统，其特征在于，两所述磁方位传感器分别安装于所述遥控器和所述转台上。

5.根据权利要求2所述的机械臂控制系统，其特征在于，所述第二获取装置包括设置于所述机械臂上用于检测其在水平面内转动角度的角度传感器，以及设置于支撑所述转台的底盘上的磁方位传感器；

6.根据权利要求1至5任一项所述的机械臂控制系统，其特征在于，所述遥控器上的操纵部件为万向手柄（12）。

7.根据权利要求2至5任一项所述的机械臂控制系统，其特征在于，所述第三获取装置还获取所述万向手柄的动作幅度信号，所述控制器还包括接收所述动作幅度信号的速度调节模块，所述速度调节模块根据所述动作幅度信号控制所述机械臂的末端动作的运动速度。

8.一种工程机械，包括底盘（23）、设于所述底盘上的转台（22）、连接于所述转台上臂架装置以及用于控制所述臂架装置动作的控制系统，其特征在于，所述臂架装置的控制系统为权利要求1至7任一项所述的机械臂的控制系统。

9.一种机械臂的控制方法，包括机械臂，以及控制所述机械臂的末端运动的遥控器，其特征在于，具体步骤如下：

S101、获取所述遥控器的操纵部件所处第一坐标系与所述机械臂的末端所处第二坐标系的位置关系信号，以及所述操纵部件的动作方向信号；

S102、接收所述动作方向信号以及所述位置信号，并根据上述各信号发出方向控制指令；

S103、根据所述方向控制指令控制所述机械臂的末端与所述操纵部件同向运动。

10.根据权利要求9所述的机械臂的控制方法，其特征在于，所述操纵部件为万向手柄（12），

所述步骤S101中还可以获取万向手柄的动作幅度信号；

所述步骤S102中还接收所述动作幅度信号，并根据所述动作幅度信号发出速度控制指令；

所述步骤S103中还根据所述速度控制指令控制所述机械臂的末端的运动速度。