CN102589493A - 臂架系统、工程机械和臂架系统末端位置参数获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种臂架系统，包括多节通过水平铰接轴顺序铰接相连的节臂，还包括：在每节节臂上安装两个长度传感器，其中一个长度传感器测量相对应节臂在形变后的长度，另一长度传感器测量其与相应节臂末端之间的长度，两个长度传感器之间存在预设距离；在每个节臂上安装一个倾角传感器，获取两个长度传感器之间的连线与参考平面之间的夹角；处理器根据倾角传感器和长度传感器的检测结果，获得臂架系统末端位置参数。根据本发明的臂架系统，对于单节臂采用单倾角传感器和双拉线编码器来获取节臂的末端位置参数，可以更准确地获得臂架系统末端位置参数。本发明还提供了一种工程机械和一种臂架系统末端位置参数获取方法。

Description

臂架系统、工程机械和臂架系统末端位置参数获取方法

技术领域

本发明涉及臂架控制技术领域，具体而言，涉及臂架系统、工程机械和臂架系统末端位置参数获取方法。

背景技术

多关节机械臂作为流动性物料输送装备，因其通用性强、作业范围广、操作灵活等优点，广泛应用于混凝土输送、高空消防作业、港口油料补给等领域，成为国家建设中不可缺少的高端技术装备。

臂架系统一般包括多节节臂，第一节臂的大头端与预定的底盘通过一个竖向轴铰接相连；其他节臂的大头端与相邻的节臂的小头端通过水平铰接轴铰接；这样，多节节臂通过水平铰接轴顺序铰接相连，最末端的节臂向外伸出，该节臂称为末节臂，末节臂的外端形成臂架系统末端；相邻的节臂之间设置有液压缸等驱动机构，以使相邻的节臂之间角度产生预定的变化，使臂架系统末端的位置改变，以将物料或物品运送到预定的位置。

由于机械臂受自重和施工姿态的影响，刚柔耦合的机械臂形变复杂，严重影响其末端定位精度。为了获取机械臂的姿态，实现对机械臂末端的精确定位，通常在控制系统中建立适当的坐标系，并通过该坐标系的坐标参数确定机械臂各节臂铰接点的位置，并考虑各节臂的形变，最终确定机械臂实际的末端位置，该末端位置的坐标参数称为位置参数。

另外，在利用臂架系统进行工作的过程中，每节臂均要承受相应负载，产生相应形变；多节臂形变的累积会导致臂架系统末端的位置参数与目标位置参数之间具有很大的偏差。

为了减小由于机械臂形变导致的臂架系统末端的位置参数的偏差，相关技术中获取末端位置参数的一种方式是，利用两个倾角传感器获得相应节臂的形变量，再根据该形变量对节臂的位置参数进行修正。该方式虽然能够提高臂架系统末端位置参数的准确性，但由于受到倾角传感器测量精度的限制，臂架系统末端的位置参数与目标位置参数之间的偏差仍然较大，无法满足对臂架系统末端的准确定位和控制的需要。

因此，如何提高臂架系统末端位置参数的准确度，仍然是本领域技术人员需要解决的技术问题。

发明内容

考虑到上述背景技术，本发明所要解决的一个技术问题是提供一种臂架系统，本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种具有上述臂架系统的工程机械，本发明所要解决的又一个技术问题是提供一种臂架系统末端位置参数获取方法，可以更准确地获得臂架系统末端位置参数。

根据本发明的一个方面，提供了一种臂架系统，包括n节通过水平铰接轴顺序铰接相连的节臂，还包括：处理器、n个倾角传感器和2n个长度传感器，所述n为正整数，其中，在每节节臂上安装第一长度传感器和第二长度传感器；在第i节节臂上，所述第二长度传感器与所述第一长度传感器之间的预设距离为L_ai，通过所述第一长度传感器获取形变后第i节节臂的长度L_bi，通过所述第二长度传感器获取所述第二长度传感器与形变后第i节节臂末端之间的长度L_ci；在每节节臂上各安装1个所述倾角传感器，获取所述第一长度传感器和所述第二长度传感器之间的连线与参考平面之间的夹角α_i，其中，i＝1、2、......n；所述处理器根据所述倾角传感器和所述长度传感器的检测结果，获得臂架系统末端位置参数(x′_Tip，y′_Tip)：

$x_{\mathrm{Tip}}^{\′}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{L}_{\mathrm{bi}}\·\cos (\arccos \frac{L_{\mathrm{bi}}^2+L_{\mathrm{ai}}^2-L_{\mathrm{ci}}^2}{2L_{\mathrm{ai}}\·L_{\mathrm{bi}}}\_{\mathrm{\α}}_i),$

$y_{\mathrm{Tip}}^{\′}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{L}_{\mathrm{bi}}\·\sin (\arccos \frac{L_{\mathrm{bi}}^2+L_{\mathrm{ai}}^2-L_{\mathrm{ci}}^2}{2L_{\mathrm{ai}}\·L_{\mathrm{bi}}}\_{\mathrm{\α}}_i).$

在上述技术方案中，优选地，所述第一长度传感器、所述第二长度传感器之间的连线垂直于相应各臂架延伸方向，所述倾角传感器安装在两个长度传感器之间。

在上述技术方案中，优选地，所述第一长度传感器为第一拉线编码器，第一拉线编码器的本体和拉线外端分别与相应各节臂的两端相连。拉线编码器具有更高的精度，可以准确测量相应节臂的长度，进而能够更准确地获得臂架系统末端位置参数。

在上述技术方案中，优选地，所述第二长度传感器为第二拉线编码器，第二拉线编码器的本体和拉线外端分别与相应各节臂的两端相连；第一拉线编码器的本体的基准轴线、第二拉线编码器的本体的基准轴线之间的垂线，与第一拉线编码器的拉线相垂直，且两个拉线编码器的拉线外端连接于同一固定点。

在上述技术方案中，优选地，所述第一拉线编码器的本体的基准轴线与相应节臂一端的铰接轴线重合，所述拉线外端的固定点与相应节臂另一端的铰接轴线重合；或者，所述第一拉线编码器的本体的基准轴线与相应节臂一端的铰接轴线之间具有预定距离，所述拉线外端的固定点与相应节臂另一端的铰接轴线重合。

在上述技术方案中，优选地，所述倾角传感器安装在第一拉线编码器的本体、第二拉线编码器的本体之间，且所述倾角传感器的基准轴线与该端的铰接轴线之间相交并垂直。这样可以使获得的节臂的倾斜角度更准确，能够更准确地获得臂架系统末端位置参数。

在上述技术方案中，优选地，所述倾角传感器分别安装在相应各节臂的大头端。这样可以避免一臂本身重力导致形变产生的误差。

在上述技术方案中，优选地，所述处理器还预置有臂架系统中各节臂的设计长度L_ir；所述处理器在获得臂架系统末端位置参数之后，按照下述公式获取所述臂架系统的形变量Δx和Δy：

$\mathrm{\Δx}=x_{\mathrm{Tip}}^{\′}-x^{\′},x^{\′}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{L}_i\·\sin {\mathrm{\α}}_i,$

$\mathrm{\Δy}=y_{\mathrm{Tip}}^{\′}-y^{\′},y^{\′}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{L}_i\·\cos {\mathrm{\α}}_i,$

所述L_i为通过所述第一长度传感器获取第i节节臂在形变前的测量长度，(x′，y′)为臂架系统在形变前的末端位置参数；按照下述公式获取修正后所述臂架系统末端位置参数(x_Tip，y_Tip)：

$x_{\mathrm{Tip}}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{L}_{\mathrm{ir}}\·\cos (\arccos \frac{L_{\mathrm{bi}}^2+L_{\mathrm{ai}}^2-L_{\mathrm{ci}}^2}{2L_{\mathrm{ai}}\·L_{\mathrm{bi}}}\_{\mathrm{\α}}_i)+\mathrm{\Δx},$

$y_{\mathrm{Tip}}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{L}_{\mathrm{ir}}\·\sin (\arccos \frac{L_{\mathrm{bi}}^2+L_{\mathrm{ai}}^2-L_{\mathrm{ci}}^2}{2L_{\mathrm{ai}}\·L_{\mathrm{bi}}}\_{\mathrm{\α}}_i)+\mathrm{\Δy}.$

根据本发明的另一方面，还提供了一种工程机械，包括机械本体和臂架系统，所述臂架系统通过回转机构安装在机械本体上，所述臂架系统为上述任一技术方案中描述的臂架系统。

根据本发明的又一方面，还提供了一种臂架系统末端位置参数获取方法，包括以下步骤：每节节臂上，第一长度传感器和第二长度传感器之间的预设距离为L_ai，通过所述第一长度传感器获取形变后第i节节臂的长度L_bi，通过所述第二长度传感器获取所述第二长度传感器与形变后第i节臂末端之间的长度L_ci，获取所述第一长度传感器和所述第二长度传感器之间的连线与参考平面之间的夹角α_i，其中，i＝1、2、......n；通过下述公式获取所述臂架系统末端位置参数(x′_Tip，y′_Tip)：

$x_{\mathrm{Tip}}^{\′}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{L}_{\mathrm{bi}}\·\cos (\arccos \frac{L_{\mathrm{bi}}^2+L_{\mathrm{ai}}^2-L_{\mathrm{ci}}^2}{2L_{\mathrm{ai}}\·L_{\mathrm{bi}}}\_{\mathrm{\α}}_i),$

$y_{\mathrm{Tip}}^{\′}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{L}_{\mathrm{bi}}\·\sin (\arccos \frac{L_{\mathrm{bi}}^2+L_{\mathrm{ai}}^2-L_{\mathrm{ci}}^2}{2L_{\mathrm{ai}}\·L_{\mathrm{bi}}}\_{\mathrm{\α}}_i).$

上述方案采用单个传感器来检测相应节臂的倾斜角度，两个长度传感器和节臂的末端构成三角形，两个长度传感器检测三角形的相邻两边，从而利用三角形原理计算出节臂的末端位置参数，这样不仅可以避免现有技术中由于倾角传感器精度产生的累积误差，且通过适当的长度传感器检测节臂形变前后的长度，容易保证节臂长度的检测精度，进而能够更加精确地获取臂架系统末端的位置参数。

在上述技术方案中，优选地，在获得臂架系统末端位置参数之后还包括以下步骤：按照下述公式获取所述臂架系统的形变量Δx和Δy：

Δx＝x′_Tip-x′， $x^{\′}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{L}_i\·\sin {\mathrm{\α}}_i,$

Δy＝y′_Tip-y′， $y^{\′}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{L}_i\·\cos {\mathrm{\α}}_i,$

所述L_i为第i节节臂在形变前时的测量长度，(x′，y′)为臂架系统在形变前的末端位置参数；根据获取的形变量获取修改正后所述臂架系统的末端位置参数(x_Tip，y_Tip)，L_ir为第i节节臂的设计长度：

$x_{\mathrm{Tip}}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{L}_{\mathrm{ir}}\·\cos (\arccos \frac{L_{\mathrm{bi}}^2+L_{\mathrm{ai}}^2-L_{\mathrm{ci}}^2}{2L_{\mathrm{ai}}\·L_{\mathrm{bi}}}\_{\mathrm{\α}}_i)+\mathrm{\Δx},$

$y_{\mathrm{Tip}}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{L}_{\mathrm{ir}}\·\sin (\arccos \frac{L_{\mathrm{bi}}^2+L_{\mathrm{ai}}^2-L_{\mathrm{ci}}^2}{2L_{\mathrm{ai}}\·L_{\mathrm{bi}}}\_{\mathrm{\α}}_i)+\mathrm{\Δy}.$

采用上述方案可以确定节臂变形后的形变量，以节臂的实际设计长度为基础获得臂架系统末端的位置参数，可以避免长度传感器的测量长度与相应节臂的设计长度之间的偏差导致数据的偏差，进而能够更加精确地获取臂架系统末端位置参数。

在提供上述获得臂架系统末端位置参数的方法的基础上，本发明提供的臂架系统能够实施上述方法，同样能够产生相对应的技术效果。

在上述技术方案中，优选地，所述L_bi为形变后第i节节臂的两端的铰接点之间的测量长度，所述L_ci为所述第二长度传感器与第i节节臂的末端铰接点之间的测量长度，所述L_i为在形变前第i节节臂两端的铰接点之间的测量长度，所述L_ir为第i节节臂两端的铰接点之间的设计长度。

根据本发明的技术方案，采用三定点测量(第一拉线编码器的安装定点、第二拉线编码器的安装定点和小头端的铰接点)获取臂架系统的末端位置参数，采用了单个倾角传感器，减小了由于倾角传感器的测量误差而产生的误差，利用拉线编码传感器获取形变前后机械臂的长度，检测精度高，解决了传统机械臂形变无法准确测量的技术问题，并可通过获取形变量实现末端位置的精确稳定控制。

附图说明

图1示出了根据本发明的实施例的传感器安装在单节臂上的示意图；

图2示出了根据本发明的实施例的臂架系统中控制部分的示意图；

图3示出了根据本发明的实施例的单节臂形变示意图；

图4示出了根据本发明的实施例的五节臂形变示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开的具体实施例的限制。

为了更清楚地描述本发明提供的技术方案，本部分先对提供的臂架系统进行描述，在对臂架系统描述的基础上对获得臂架系统末端位置参数的方法进行描述；获得臂架系统末端位置参数的方法可以应用本发明的提供臂架系统实施，但实施该方法不限于本发明提供的臂架系统。

首先，结合图1和图2详细说明根据本发明的臂架系统，图1示出了根据本发明的实施例的传感器安装在单节臂上的示意图，图2示出了根据本发明的实施例的臂架系统中控制部分的示意图。

根据本发明的实施例的臂架系统，包括n节通过水平铰接轴顺序铰接相连的节臂，还包括：处理器200、n个倾角传感器106和2n个长度传感器，n为正整数，其中，

在每节节臂上安装第一长度传感器102和第二长度传感器104(参见图1)，在第i节节臂上的第二长度传感器104与第一长度传感器102之间的预设距离为L_ai，即对于每一个节臂，两个长度传感器之间均有一个固定距离，通过第一长度传感器102获取形变后第i节臂的长度为L_bi并将长度数据传送至处理器200，通过第二长度传感器104获取第二长度传感器104与形变后第i节臂末端之间的长度为L_ci并将长度数据传送至处理器200；在每节节臂上安装1个倾角传感器106，获取所述第一长度传感器102和所述第二长度传感器106之间的连线与参考平面之间的夹角α_i(即对于每个节臂都安装有一个倾角传感器106，测出该节臂与参考平面之间的夹角)并将角度数据传送至处理器200，其中，i＝1、2、......n；

处理器200根据倾角传感器106和长度传感器的检测结果，获得臂架系统末端位置参数(x′_Tip，y′_Tip)：

$x_{\mathrm{Tip}}^{\′}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{L}_{\mathrm{bi}}\·\cos (\arccos \frac{L_{\mathrm{bi}}^2+L_{\mathrm{ai}}^2-L_{\mathrm{ci}}^2}{2L_{\mathrm{ai}}\·L_{\mathrm{bi}}}\_{\mathrm{\α}}_i),$

$y_{\mathrm{Tip}}^{\′}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{L}_{\mathrm{bi}}\·\sin (\arccos \frac{L_{\mathrm{bi}}^2+L_{\mathrm{ai}}^2-L_{\mathrm{ci}}^2}{2L_{\mathrm{ai}}\·L_{\mathrm{bi}}}\_{\mathrm{\α}}_i).$

利用余弦定理可以获取每个节臂的末端位置参数，根据臂架系统中节臂的节数，将多个节臂的末端位置参数相加，可以计算出最后一节节臂的末端位置参数。

上述方案采用单个传感器来检测相应节臂的倾斜角度，两个长度传感器和节臂的末端构成三角形，两个长度传感器检测三角形的相邻两边，从而利用三角形原理计算出节臂的末端位置参数，这样不仅可以避免现有技术中由于倾角传感器精度产生的累积误差，且通过适当的长度传感器检测节臂形变前后的长度，容易保证节臂长度的检测精度，进而能够使臂架系统末端的位置参数更准确。

在上述结构基础上，第一长度传感器102、第二长度传感器104之间的连线垂直于相应各臂架延伸方向，倾角传感器106安装在两个长度传感器之间。

第一长度传感器102为第一拉线编码器，第一拉线编码器的本体和拉线外端分别与相应各节臂的两端相连；第二长度传感器104为第二拉线编码器，第二拉线编码器的本体和拉线外端分别与相应各节臂的两端相连；第一拉线编码器的本体的基准轴线、第二拉线编码器的本体的基准轴线之间的垂线，与第一拉线编码器的拉线相垂直，且两个拉线编码器的拉线外端连接于同一固定点。

在一种优选实施例中，如图1所示，第一长度传感器102安装于相对应节臂的大头端，第一拉线编码器的本体的基准轴线与相应节臂大头端的铰接轴线118之间具有预定的距离，拉线外端的固定点与相应节臂小头端的铰接轴线重合；在优选技术方案中，也可以使第一拉线编码器的本体的基准轴线与相应节臂大头端的铰接轴线118保持重合，拉线外端的固定点与相应节臂小头端的铰接轴线重合。这样，通过第一拉线编码器可以直接地获得该节臂形变后的长度。当然，由于节臂两端部分形变很小，也可以根据实际需要选择适当的部分作为测量对象，获得节臂形变后的长度。

第二长度传感器104安装在相应节臂的大头端，且两个拉线编码器的本体的基准轴线之间的垂线与第一拉线编码器的拉线相垂直，并且第二编码器的拉线外端与相应节臂小头端的铰接轴线重合。

倾角传感器106可以安装在第一拉线编码器的本体、第二拉线编码器的本体之间，且倾角传感器106的基准轴线与该端的铰接轴线之间相交并垂直。具体的，倾角传感器106可以安装在第一拉线编码器的本体与第二拉线编码器的本体之间连线的中点位置，可以使检测获得的倾斜角度与一相应节臂的实际倾斜角度更接近，减小数据误差，提高臂架系统末端位置参数的准确性。上述实施例中，将倾角传感器106安装在相应节臂的大头端时，可以避免一臂本身重力导致形变产生的误差。同样，测量其他节臂的倾斜角度时，也可以根据实际需要将相应的倾角传感器安装在相应节臂的预定位置。

可以理解，当两个拉线编码器的本体安装在相应节臂的小头端，倾角传感器106安装在相应节臂的小头端，同样可以获得该臂的倾斜角度。

如图1所示的具体实施例中，为了满足检测一臂长度的需要，第一拉线编码器102除了包括自身拉线外，还设置有第一延长拉线114，该第一延长拉线114内端与该第一拉线编码器102自身拉线的外端相接，相接点如图1中标注的110。本例中，在一臂延伸方向上，第一拉线编码器102的本体的基准轴线与一臂大头端的铰接轴线之间具有预定距离，第一延长拉线114外端与一臂小头端铰接点108连接。同理，第二拉线编码器104除了包括自身拉线外，还设置有第二延长拉线116，该第二延长拉线116内端与该第二拉线编码器104自身拉线的外端相接，相接点如图1中标注的112，第二延长拉线116外端与一臂小头端铰接点108连接。

如图1所示，当节臂发生形变时，与第一拉线编码器对应的拉线外端连接点110和与第二拉线编码器对应的拉线外端连接点112是移动的，随着节臂的变形，第一拉线编码器和第二拉线编码器的测量值随之改变，因此，相应的连接点也随之移动，这样的做法是考虑到实际中的节臂长度超过拉线编码器的量程，所以增加了一个固定不变的延长拉线，当然，如果拉线编码器的量程足够测量节臂的长度，那么就无需增加该延长拉线，也就没有相应的连接点。

图1中的L_bhi即第一延长拉线114的长度值，L_chi即第二延长拉线116的长度值，L_bgi即第一长度传感器102的测量值，L_cgi即第二长度传感器104的测量值，因此，L_bi＝L_bgi+L_bhi，L_ci＝L_cgi+L_chi。而倾角传感器106安装于第一长度传感器102和第二长度传感器104的连线中点，用于测量固定边(第一长度传感器102与第二长度传感器104之间的连线)与参考平面(例如水平面)的夹角，因此，当机械臂处于水平姿态时，其标度为零。

在此，需说明的是，图2示出了臂架系统中的控制部分的框图，在该控制部分只示出了单节臂的情况，本领域内的技术人员应该理解，在多节臂的情况下，可以有多个倾角传感器106和多个第一长度传感器102和多个第二长度传感器104，这些倾角传感器和长度传感器将测量值发送给处理器200，由该处理器200运算出每节节臂的末端位置参数，最终获取臂架系统的末端位置参数(即最后一节机械臂的末端位置参数)。

在上述实施例中，第一拉线编码器、第二拉线编码器和相应节臂小头端的铰接点构成一个三角形，在理论上该第一拉线编码器测量的长度为该节臂两个铰接点之间的距离，第二拉线编码器测量该三角形的另一条边的长度，根据余弦定理最终确定节臂末端位置的参数。但是，由于机械结构原因，第一拉线编码器无法与相应节臂的大头端铰接点直接重合，第一拉线编码器的拉线外端也无法与相应节臂的小头端铰接点直接重合，其测量出的长度不是相应节臂的设计长度(所述设计长度定义为：设计时节臂两端铰接轴线之间的距离)，从而引入末端位置参数的计算误差，因此，采用补偿法对机械臂的形变量进行补偿，以消除该误差，使得最终获取的节臂末端位置参数更精确。

处理器200预置有臂架系统中各节臂的设计长度L_ir；处理器200在获得臂架系统末端位置参数之后，按照下述公式获取臂架系统的形变量Δx和Δy：

Δx＝x′_Tip-x′， $x^{\′}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{L}_i\·\sin {\mathrm{\α}}_i,$

Δy＝y′_Tip-y′， $y^{\′}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{L}_i\·\cos {\mathrm{\α}}_i,$

L_i为根据第一长度传感器获取第i节节臂在形变前的测量长度，(x′，y′)为臂架系统在形变前的末端位置参数；

按照下述公式获取修正后臂架系统末端位置参数(x_Tip，y_Tip)：

$x_{\mathrm{Tip}}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{L}_{\mathrm{ir}}\·\cos (\arccos \frac{L_{\mathrm{bi}}^2+L_{\mathrm{ai}}^2-L_{\mathrm{ci}}^2}{2L_{\mathrm{ai}}\·L_{\mathrm{bi}}}\_{\mathrm{\α}}_i)+\mathrm{\Δx},$

$y_{\mathrm{Tip}}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{L}_{\mathrm{ir}}\·\sin (\arccos \frac{L_{\mathrm{bi}}^2+L_{\mathrm{ai}}^2-L_{\mathrm{ci}}^2}{2L_{\mathrm{ai}}\·L_{\mathrm{bi}}}\_{\mathrm{\α}}_i)+\mathrm{\Δy}.$

首先计算出臂架系统的形变量，然后将根据实际节臂设计长度得到的末端位置参数加上形变量，即可以得到补偿后的准确的臂架末端位置参数。采用上述方案可以确定节臂变形后的形变量，以节臂的实际设计长度为基础获得臂架系统末端的位置参数，可以避免长度传感器的测量长度与相应节臂的设计长度之间的偏差导致数据的偏差，进而提高臂架系统末端位置参数的准确性。

根据本发明的工程机械，包括机械本体和臂架系统，臂架系统通过回转机构安装在机械本体上，臂架系统为上述任一技术方案中描述的臂架系统。在此，应该理解，该工程机械可以是具有臂架系统的任何一种工程机械，例如混凝土泵车、登高设备、高空消防设备等。

下面，在预设的优选坐标系中，对本发明臂架系统末端位置参数获取方法进行详细说明。

图3中，X轴和Y轴形成直角坐标系YOX，其中X轴与水平面平行，Y轴与水平面垂直，YOX形成的平面与一臂两端的铰接轴线保持垂直。一臂的大头端的铰接轴线与坐标原点O重合，A为形变前一臂的小头端的铰接轴线在直角坐标系YOX中的位置，A’为发生了形变后一臂的小头端的铰接轴线在直角坐标系的位置。

以臂架系统的第1节节臂为例，如图3所示，原点O为第一拉线编码器的安装位置，B为第二拉线编码器的安装位置，倾角传感器106安装在O与B连线的中点位置。A为第1节节臂在变形前的末端位置，设A的坐标参数为(x_A，y_A)，OA的长度值L₁为臂架在形变前的长度；A’为发生了形变的第1节节臂的末端位置，设A’的坐标参数为(x_A′，y_A′)，OA’为臂架形变下OA的有效长度L_b1；∠AOB为直角，∠XOB的角度值α₁由倾角传感器106测量得到。

这样，臂架形变前O、B、A构成RTΔOAB，上述O、B、A’构成臂架形变后的三角形的三个顶点，两个三角形中OB是长度固定不变的边，通过拉线编码器的测量，可以知道该三角形的三条边长度，结合余弦定理可以计算出形变后该节臂的末端位置参数。

第1节节臂在形变前的末端位置参数(x_A，y_A)可以按照下述方法得到：

x_A＝L₁×sinα₁；y_A＝L₁×cosα₁。

OA’为臂架形变下OA的有效长度L_b1＝L_bg1+L_bh1，为第一延长拉线114长度和第一拉线编码器测量值的和。A’B为臂架形变下AB的有效长度L_c1＝L_cg1+L_ch1，为第二延长拉线116的长度和第二拉线编码器测量值的和，那么OA’与X轴的夹角为∠β₁：

$\∠{\mathrm{\β}}_1\text{=arccos}\frac{O{A^{\′}}^2+O{B}^2-A^{\′}{B}^2}{2\×O{A}^{\′}\×\mathrm{OB}}-{\mathrm{\α}}_1=\arccos \frac{{(L_{\mathrm{bg}1}+L_{\mathrm{bh}1})}^2+L_{a1}^2-{(L_{\mathrm{cg}1}+L_{\mathrm{ch}1})}^2}{2\×(L_{\mathrm{bg}1}+L_{\mathrm{bh}1})\×L_{a1}}-{\mathrm{\α}}_1.$

然后，按照测量值计算出的该单节臂末端A的坐标为：

$x_{A^{\′}}=L_{b1}\×\cos {\mathrm{\β}}_1=(L_{\mathrm{bg}1}+L_{\mathrm{bh}1})\×\cos (\arccos \frac{{(L_{\mathrm{bg}1}+L_{\mathrm{bh}1})}^2+L_{a1}^2-{(L_{\mathrm{cg}1}+L_{\mathrm{ch}1})}^2}{2\×(L_{\mathrm{bg}1}+L_{\mathrm{bh}1})\×L_{a1}}-{\mathrm{\α}}_1),$

$y_{A^{\′}}=L_{c1}\×\sin {\mathrm{\β}}_1=(L_{\mathrm{bg}1}+L_{\mathrm{bh}1})\×\sin (\arccos \frac{{(L_{\mathrm{bg}1}+L_{\mathrm{bh}1})}^2+L_{a1}^2-{(L_{\mathrm{cg}1}+L_{\mathrm{ch}1})}^2}{2\×(L_{\mathrm{bg}1}+L_{\mathrm{bh}1})\×L_{a1}}-{\mathrm{\α}}_1).$

上面所描述的是确定单节臂的末端位置参数的示例，同理可以得到其他节臂的末端位置参数。

下面参考图4，该实施例提供的臂架系统包括5节通过水平铰接轴顺序铰接相连的节臂；5节节臂分别称为一臂、二臂、三臂、四臂和五臂；一臂安装在相应机械本体的底盘上，五臂为末节臂；各节臂中，靠近机械本体一端为大头端，相反的另一端为小头端；大头端和小头端分别形成相应的铰接轴线，那么相应地，在该示例中与处理器200连接的长度传感器有10个，与处理器200连接的倾角传感器有5个，5个倾角传感器分别安装在该五节臂的每一节臂上。

假设五节臂的倾角传感器测量的角度分别为α₁、α₂、α₃、α₄、α₅，形变前的各节臂架的长度(第一拉线编码器测量的形变前实际安装点之间的距离)分别为L₁、L₂、L₃、L₄、L₅，变形后各节臂架的测量长度(第一拉线编码器102测取的形变后实际安装点之间的距离)分别为L_b1、L_b2、L_b3、L_b4、L_b5(对应于第一个实施例中的L_bi，第一节臂对应L_b1)，根据上述示例中单节臂的计算方式可以得到多节臂末端的坐标(按照测量值计算得到的节臂末端位置参数)如下：

x_Tip＝L_b1·cosβ₁+L_b2·cosβ₂+L_b3·cosβ₃+L_b4·cosβ₄+L_b5·cosβ₅

y_Tip＝L_b1·sinβ₁+L_b2·sinβ₂+L_b3·sinβ₃+L_b4·sinβ₄+L_b5·sinβ₅，其中，

$\∠{\mathrm{\β}}_1\text{=}\arccos \frac{{(L_{\mathrm{bg}1}+L_{\mathrm{bh}1})}^2+L_{a1}^2-{(L_{\mathrm{cg}1}+L_{\mathrm{ch}1})}^2}{2\×(L_{\mathrm{bg}1}+L_{\mathrm{bh}1})\×L_{a1}}-{\mathrm{\α}}_1,$

$\∠{\mathrm{\β}}_2\text{=}\arccos \frac{{(L_{\mathrm{bg}2}+L_{\mathrm{bh}2})}^2+L_{a2}^2-{(L_{\mathrm{cg}2}+L_{\mathrm{ch}2})}^2}{2\×(L_{\mathrm{bg}2}+L_{\mathrm{bh}2})\×L_{a2}}-{\mathrm{\α}}_2,$

$\∠{\mathrm{\β}}_3\text{=}\arccos \frac{{(L_{\mathrm{bg}3}+L_{\mathrm{bh}3})}^2+L_{a3}^2-{(L_{\mathrm{cg}3}+L_{\mathrm{ch}3})}^2}{2\×(L_{\mathrm{bg}3}+L_{\mathrm{bh}3})\×L_{a3}}-{\mathrm{\α}}_3,$

$\∠{\mathrm{\β}}_4\text{=}\arccos \frac{{(L_{\mathrm{bg}4}+L_{\mathrm{bh}4})}^2+L_{a4}^2-{(L_{\mathrm{cg}4}+L_{\mathrm{ch}4})}^2}{2\×(L_{\mathrm{bg}4}+L_{\mathrm{bh}4})\×L_{a4}}-{\mathrm{\α}}_4,$

$\∠{\mathrm{\β}}_5\text{=}\arccos \frac{{(L_{\mathrm{bg}5}+L_{\mathrm{bh}5})}^2+L_{a5}^2-{(L_{\mathrm{cg}5}+L_{\mathrm{ch}5})}^2}{2\×(L_{\mathrm{bg}5}+L_{\mathrm{bh}5})\×L_{a5}}-{\mathrm{\α}}_5.$

此外，因为机械结构的原因，第一拉线编码器无法非常接近节臂的铰接点，因此，会引入末端位置参数的计算误差，下面将采用补偿算法来避免这样的计算误差。

1)首先计算出臂架系统的形变量：

对于五节臂来说，形变后的末端位置参数可以按照下述公式得到(x′_Tip，y′_Tip)：

x′_Tip＝L_b1×cosβ₁+L_b2×cosβ₂+L_b3×cosβ₃+L_b4×cosβ₄+L_b5×cosβ₅，

y′_Tip＝L_b1×sinβ₁+L_b2×sinβ₂+L_b3×sinβ₃+L_b4×sinβ₄+L_b5×sinβ₅；

在变形前的末端位置参数为(x′，y′)：

x′＝L₁×sinα₁+L₂×sinα₂+L₃×sinα₃+L₄×sinα₄+L₅×sinα₅，

y′＝L₁×cosα₁+L₂×cosα₂+L₃×cosα₃+L₄×cosα₄+L₅×cosα₅；

按照下述公式得到臂架系统的形变量(即将按照测量值得到的形变后末端位置参数减去按照测量值得到的形变前的末端位置参数，就是臂架系统的形变量)：

Δx＝x′_Tip-x′，Δt＝y′_Tip-y′。

2)根据形变量对实际理论值进行补偿，获取准确的臂架系统末端位置参数。

假设每节臂铰接点之间的长度(铰接点之间的设计长度)分别为：L_1r、L_2r、L_3r、L_4r、L_5r，则获取精确的臂架系统末端位置坐标为(x_Tip，y_Tip)：

x_Tip＝L_1r×cosβ₁+L_2r×cosβ₂+L_3r×cosβ₃+L_4r×cosβ₄+L_5r×cosβ₅+Δx，

y_Tip＝L_1r×sinβ₁+L_2r×sinβ₂+L_3r×sinβ₃+L_4r×sinβ₄+L_5r×sinβ₅+Δy。

这样获取得到的臂架系统末端位置参数，去除了由于第一拉线编码器无法准确与铰接点重合而引入的误差(即根据第一拉线编码器测量值得到的节臂长度与节臂的实际设计长度与实际的节臂设计长度是有误差的)，并且采用单倾角传感器(倾角传感器本身也有测量误差)，也进一步减少了测量误差，提高了机械臂末端位置参数的测量精度。

应该理解，检测各节臂产生形变前后长度的装置不限于拉线编码器，也可以是其他长度传感器；只要是通过长度传感器能够检测各节臂产生形变前后长度，就能够实现本发明的目的。

应该理解，确定臂架系统末端的位置参数的坐标系中，坐标轴不限于与水平面平行或垂直，也可以根据实际需要设定相应坐标系，使预定坐标轴与预定参考平面平行；通过对倾角传感器输出角度值的适当换算，就可以获得相应各节臂与预定参考平面之间的夹角。

基于上述对臂架系统的描述，根据本发明的实施例的臂架系统末端位置参数获取方法，包括以下步骤：每节节臂上，第一长度传感器和第二长度传感器之间的预设距离为L_ai，通过所述第一长度传感器获取形变后第i节节臂的长度L_bi，通过第二长度传感器获取第二长度传感器与形变后第i节节臂末端之间的长度为L_ci，获取第一长度传感器和第二长度传感器之间的连线与参考平面之间的夹角α_i，其中，i＝1、2、......n；

通过下述公式获取直角坐标系YOX中的臂架系统末端位置参数(x′_Tip，y′_Tip)：

$x_{\mathrm{Tip}}^{\′}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{L}_{\mathrm{bi}}\·\cos (\arccos \frac{L_{\mathrm{bi}}^2+L_{\mathrm{ai}}^2-L_{\mathrm{ci}}^2}{2L_{\mathrm{ai}}\·L_{\mathrm{bi}}}\_{\mathrm{\α}}_i),$

$y_{\mathrm{Tip}}^{\′}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{L}_{\mathrm{bi}}\·\sin (\arccos \frac{L_{\mathrm{bi}}^2+L_{\mathrm{ai}}^2-L_{\mathrm{ci}}^2}{2L_{\mathrm{ai}}\·L_{\mathrm{bi}}}\_{\mathrm{\α}}_i).$

上述方案采用单个传感器来检测节臂的倾斜角度，两个长度传感器和节臂的末端构成三角形，两个长度传感器检测三角形的相邻两边，从而利用确定的三角形计算出节臂的末端位置参数，这样不仅可以避免由于倾角传感器精度产生的累积误差，且通过适当的长度传感器检测节臂形变前后的长度，容易保证节臂长度的检测精度，进而能够使臂架系统末端的位置参数更准确。

由于机械结构原因，第一拉线编码器无法与相应节臂的大头端铰接点直接重合，第一拉线编码器的拉线外端也无法与相应节臂的小头端铰接点直接重合，会引入末端位置参数的计算误差，因此，采用补偿法对机械臂的形变量进行补偿。该补偿法包括以下步骤：按照下述公式获取臂架系统的形变量Δx和Δy：

Δx＝x′_Tip-x′， $x^{\′}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{L}_i\·\sin {\mathrm{\α}}_i,$

Δy＝y′_Tip-y′， $y^{\′}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{L}_i\·\cos {\mathrm{\α}}_i,$

L_i为根据第一长度传感器获取第i节节臂在形变前的测量长度，(x′，y′)为臂架系统在形变前的末端位置参数；

根据获取的形变量获取修正后臂架系统的末端位置参数(x_Tip，y_Tip)，L_ir为第i节节臂的设计长度：

$x_{\mathrm{Tip}}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{L}_{\mathrm{ir}}\·\cos (\arccos \frac{L_{\mathrm{bi}}^2+L_{\mathrm{ai}}^2-L_{\mathrm{ci}}^2}{2L_{\mathrm{ai}}\·L_{\mathrm{bi}}}\_{\mathrm{\α}}_i)+\mathrm{\Δx},$

$y_{\mathrm{Tip}}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{L}_{\mathrm{ir}}\·\sin (\arccos \frac{L_{\mathrm{bi}}^2+L_{\mathrm{ai}}^2-L_{\mathrm{ci}}^2}{2L_{\mathrm{ai}}\·L_{\mathrm{bi}}}\_{\mathrm{\α}}_i)+\mathrm{\Δy}.$

所以，以节臂的实际设计长度为基础获得臂架系统末端的位置参数，可以避免长度传感器的测量长度与相应节臂的设计长度之间的偏差导致数据的偏差，进而提高臂架系统末端位置参数的准确性。

在上述技术方案中，L_bi为形变后第i节节臂的两端的铰接点之间的测量长度，L_ci为第二长度传感器与第i节臂的末端铰接点之间的测量长度，L_i为在形变前第i节臂两端的铰接点之间的测量长度，L_ir为第i节节臂两端的铰接点之间的设计长度。

根据本发明的技术方案，采用三定点测量(第一拉线编码器的安装定点、第二拉线编码器的安装定点和小头端的铰接点)获取臂架系统的末端位置参数，采用了单个倾角传感器，减小了由于倾角传感器测量误差而产生的误差，利用拉线编码传感器获取形变前后机械臂的长度，检测精度高，解决了传统机械臂形变无法准确测量的技术问题，并可通过获取形变量实现末端位置的精确稳定控制。

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 (12)

1.一种臂架系统，包括n节通过水平铰接轴顺序铰接相连的节臂，其特征在于，还包括：处理器(200)、n个倾角传感器(106)和2n个长度传感器，所述n为正整数，其中，

在每节节臂上安装第一长度传感器(102)和第二长度传感器(104)；在第i节节臂上，所述第二长度传感器(104)与所述第一长度传感器(102)之间的预设距离为L_ai，通过所述第一长度传感器(102)获取形变后第i节节臂的长度L_bi，通过所述第二长度传感器(104)获取所述第二长度传感器(104)与形变后第i节节臂末端之间的长度L_ci；

在每节节臂上各安装1个所述倾角传感器(106)，获取所述第一长度传感器(102)和所述第二长度传感器(106)之间的连线与参考平面之间的夹角α_i，其中，i＝1、2、......n；

所述处理器(200)根据所述倾角传感器(106)和所述长度传感器的检测结果，获得臂架系统末端位置参数(x′_Tip，y′_Tip)：

$x_{\mathrm{Tip}}^{\′}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{L}_{\mathrm{bi}}\·\cos (\arccos \frac{L_{\mathrm{bi}}^2+L_{\mathrm{ai}}^2-L_{\mathrm{ci}}^2}{2L_{\mathrm{ai}}\·L_{\mathrm{bi}}}\_{\mathrm{\α}}_i),$

$y_{\mathrm{Tip}}^{\′}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{L}_{\mathrm{bi}}\·\sin (\arccos \frac{L_{\mathrm{bi}}^2+L_{\mathrm{ai}}^2-L_{\mathrm{ci}}^2}{2L_{\mathrm{ai}}\·L_{\mathrm{bi}}}\_{\mathrm{\α}}_i).$

2.根据权利要求1所述的臂架系统，其特征在于，所述第一长度传感器(102)、所述第二长度传感器(104)之间的连线垂直于相应各臂架延伸方向，所述倾角传感器(106)安装在两个长度传感器之间。

3.根据权利要求2所述的臂架系统，其特征在于，所述第一长度传感器(102)为第一拉线编码器，第一拉线编码器的本体和拉线外端分别与相应各节臂的两端相连。

4.根据权利要求3所述的臂架系统，其特征在于，所述第二长度传感器(104)为第二拉线编码器，第二拉线编码器的本体和拉线外端分别与相应各节臂的两端相连；

所述第一拉线编码器的本体的基准轴线、所述第二拉线编码器的本体的基准轴线之间的垂线，与所述第一拉线编码器的拉线相垂直，且两个拉线编码器的拉线外端连接于同一固定点。

5.根据权利要求3或4所述的臂架系统，其特征在于，所述第一拉线编码器的本体的基准轴线与相应节臂一端的铰接轴线重合，所述拉线外端的固定点与相应节臂另一端的铰接轴线重合；或者，所述第一拉线编码器的本体的基准轴线与相应节臂一端的铰接轴线之间具有预定距离，所述拉线外端的固定点与相应节臂另一端的铰接轴线重合。

6.根据权利要求4所述的臂架系统，其特征在于，所述倾角传感器(106)安装在所述第一拉线编码器的本体、所述第二拉线编码器的本体之间，且所述倾角传感器(106)的基准轴线与该端的铰接轴线之间相交并垂直。

7.根据权利要求6所述的臂架系统，其特征在于，所述倾角传感器(106)分别安装在相应各节臂的大头端。

8.根据权利要求1至7任一项所述的臂架系统，其特征在于，所述处理器(200)还预置有臂架系统中各节臂的设计长度L_ir；

所述处理器(200)还在获得臂架系统末端位置参数之后，按照下述公式获取所述臂架系统的形变量Δx和Δy：

Δx＝x′_Tip-x′， $x^{\′}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{L}_i\·\sin {\mathrm{\α}}_i,$

Δy＝y′_Tip-y′， $y^{\′}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{L}_i\·\cos {\mathrm{\α}}_i,$

所述L_i为通过所述第一长度传感器(102)获取第i节节臂在形变前的测量长度，(x′，y′)为臂架系统在形变前的末端位置参数；

按照下述公式获取修正后所述臂架系统末端位置参数(x_Tip，y_Tip)：

$x_{\mathrm{Tip}}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{L}_{\mathrm{ir}}\·\cos (\arccos \frac{L_{\mathrm{bi}}^2+L_{\mathrm{ai}}^2-L_{\mathrm{ci}}^2}{2L_{\mathrm{ai}}\·L_{\mathrm{bi}}}\_{\mathrm{\α}}_i)+\mathrm{\Δx},$

$y_{\mathrm{Tip}}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{L}_{\mathrm{ir}}\·\sin (\arccos \frac{L_{\mathrm{bi}}^2+L_{\mathrm{ai}}^2-L_{\mathrm{ci}}^2}{2L_{\mathrm{ai}}\·L_{\mathrm{bi}}}\_{\mathrm{\α}}_i)+\mathrm{\Δy}.$

9.一种工程机械，包括机械本体和臂架系统，所述臂架系统通过回转机构安装在机械本体上，其特征在于，所述臂架系统为权利要求1至8任一项所述的臂架系统。

10.一种臂架系统末端位置参数获取方法，其特征在于，包括以下步骤：

每节节臂上，第一长度传感器和第二长度传感器之间的预设距离为L_ai，通过所述第一长度传感器获取形变后第i节节臂的长度L_bi，通过所述第二长度传感器获取所述第二长度传感器与形变后第i节臂末端之间的长度L_ci，获取所述第一长度传感器和所述第二长度传感器之间的连线与参考平面之间的夹角α_i，其中，i＝1、2、......n；

通过下述公式获取所述臂架系统末端位置参数(x′_Tip，y′_Tip)：

$x_{\mathrm{Tip}}^{\′}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{L}_{\mathrm{bi}}\·\cos (\arccos \frac{L_{\mathrm{bi}}^2+L_{\mathrm{ai}}^2-L_{\mathrm{ci}}^2}{2L_{\mathrm{ai}}\·L_{\mathrm{bi}}}\_{\mathrm{\α}}_i),$

$y_{\mathrm{Tip}}^{\′}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{L}_{\mathrm{bi}}\·\sin (\arccos \frac{L_{\mathrm{bi}}^2+L_{\mathrm{ai}}^2-L_{\mathrm{ci}}^2}{2L_{\mathrm{ai}}\·L_{\mathrm{bi}}}\_{\mathrm{\α}}_i).$

11.根据权利要求10所述的臂架系统末端位置参数获取方法，其特征在于，在获得臂架系统末端位置参数之后还包括以下步骤：

按照下述公式获取所述臂架系统的形变量Δx和Δy：

Δx＝x′_Tip-x′， $x^{\′}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{L}_i\·\sin {\mathrm{\α}}_i,$

Δy＝y′_Tip-y′， $y^{\′}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{L}_i\·\cos {\mathrm{\α}}_i,$

所述L_i为第i节节臂在形变前的测量长度，(x′，y′)为臂架系统在形变前的末端位置参数；

根据获取的形变量获取修正后所述臂架系统的末端位置参数(x_Tip，y_Tip)，L_ir为第i节节臂的设计长度：

$x_{\mathrm{Tip}}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{L}_{\mathrm{ir}}\·\cos (\arccos \frac{L_{\mathrm{bi}}^2+L_{\mathrm{ai}}^2-L_{\mathrm{ci}}^2}{2L_{\mathrm{ai}}\·L_{\mathrm{bi}}}\_{\mathrm{\α}}_i)+\mathrm{\Δx},$

$y_{\mathrm{Tip}}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{L}_{\mathrm{ir}}\·\sin (\arccos \frac{L_{\mathrm{bi}}^2+L_{\mathrm{ai}}^2-L_{\mathrm{ci}}^2}{2L_{\mathrm{ai}}\·L_{\mathrm{bi}}}\_{\mathrm{\α}}_i)+\mathrm{\Δy}.$

12.根据权利要求11所述的臂架系统末端位置参数获取方法，其特征在于，所述L_bi为形变后第i节节臂的两端的铰接点之间的测量长度，所述L_ci为所述第二长度传感器与第i节节臂的末端铰接点之间的测量长度，所述L_i为在形变前第i节节臂两端的铰接点之间的测量长度，所述L_ir为第i节节臂两端的铰接点之间的设计长度。

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