CN102995673B - 一种拉绳定位控制方法、装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及土方机械技术领域，公开了一种应用于挖掘机挖掘力测试的拉绳定位控制方法、装置及系统。所述方法包括：根据传感器的检测结果得到动臂、斗杆和铲斗的位姿信息；根据所述位姿信息确定挖掘轨迹；根据所述挖掘轨迹确定以铲斗的齿根为切点、沿挖掘轨迹切线方向设置的拉绳在锚架上的锚固位置。与现有技术相比，本发明技术方案大大减少了因人工目测或手工测量所带来的误差，拉绳在锚架上的锚固位置较为精确，大大提高了挖掘力测试的试验精度。

Description

一种拉绳定位控制方法、装置及系统

技术领域

本发明涉及土方机械技术领域，特别是涉及一种应用于挖掘机挖掘力测试的拉绳定位控制方法、装置及系统。

背景技术

挖掘机，又称挖掘机械，是用铲斗挖掘高于或低于承机面的物料并装入运输车辆或卸至堆料场的土方机械。挖掘机通常包括工作装置、上部转台和行走机构，工作装置是直接完成挖掘任务的装置，包括动臂、斗杆和铲斗，其中，动臂与斗杆铰接，通过斗杆油缸的动作改变两者之间的夹角，斗杆与铲斗铰接，通过铲斗油缸的动作改变两者之间的夹角。

挖掘力是衡量挖掘机挖掘性能的重要指标之一，也是对工作装置进行结构设计和强度计算的依据。挖掘力可以是斗杆油缸动作产生的挖掘力，也可以是铲斗油缸动作产生的挖掘力，还可以是斗杆油缸和铲斗油缸同时动作产生的复合挖掘力。工作装置的挖掘姿态多变，当处于不同挖掘姿态时，挖掘力的大小也不相同，因此，通过试验测试工作装置在不同挖掘姿态下的最大挖掘力，对于挖掘机的设计和应用有着重要的指导意义。

在对处于某一挖掘姿态的工作装置进行挖掘力测试时，拉绳以铲斗的齿根为切点沿挖掘轨迹的切线方向定位，一端与铲斗的齿根相连，另一端与锚架相连；对处于绷紧临界状态的拉绳施加挖掘力并增大至挖掘机处于工作极限状态（例如出现倾翻、滑移或者油缸溢流等现象），此时的挖掘力即为工作装置的最大挖掘力。

现有技术中，拉绳在锚架上的固定位置通常由测试人员目测或手工测量确定，这经常会带来较大的安装误差，使得拉绳并未沿挖掘轨迹的切线方向设置，从而导致挖掘力测试的精度较低；此外，工作装置每变换一次位姿，均需要测试人员进行一次目测或者手工测量，工作量较大，工作效率较低。

发明内容

本发明提供了一种应用于挖掘机挖掘力测试的拉绳定位控制方法、装置及系统，用以提高对挖掘机进行挖掘力测试的试验精度。

本发明应用于挖掘机挖掘力测试的拉绳定位控制方法，包括：

根据传感器的检测结果得到动臂、斗杆和铲斗的位姿信息；

根据所述位姿信息确定挖掘轨迹；

根据所述挖掘轨迹确定以铲斗的齿根为切点、沿挖掘轨迹切线方向设置的拉绳在锚架上的锚固位置。

本发明应用于挖掘机挖掘力测试的拉绳定位控制装置，包括：

获取设备，用于根据传感器的检测结果得到动臂、斗杆和铲斗的位姿信息；

控制设备，用于根据所述位姿信息确定挖掘轨迹，并根据所述挖掘轨迹确定以铲斗的齿根为切点、沿挖掘轨迹切线方向设置的拉绳在锚架上的锚固位置。

本发明应用于挖掘机挖掘力测试的拉绳定位控制系统，包括：

传感器，用于检测动臂、斗杆和铲斗的位姿信息；

控制装置，信号连接所述传感器，用于根据所述位姿信息确定挖掘轨迹，并根据所述挖掘轨迹确定以铲斗的齿根为切点、沿挖掘轨迹切线方向设置的拉绳在锚架上的锚固位置。

在本发明技术方案中，采用传感器检测动臂、斗杆和铲斗的位姿信息，控制装置根据位姿信息确定挖掘轨迹并最终得到拉绳在锚架上的锚固位置，这与现有技术相比，大大减少了因人工目测或手工测量所带来的误差，拉绳在锚架上的锚固位置较为精确，大大提高了挖掘力测试的试验精度。

附图说明

图1为本发明拉绳定位控制方法一实施例流程示意图；

图2为某姿态下测试斗杆油缸动作所产生挖掘力的试验示意图；

图3为本发明拉绳定位控制装置一实施例结构示意图；

图4为本发明拉绳定位控制系统一实施例结构示意图。

附图标记：

11-获取设备12-控制设备13-传感器14-控制装置

20-动臂21-斗杆22-铲斗23-锚架

24-动臂油缸25-斗杆油缸26-铲斗油缸27-标尺

28-拉绳29-拉力检测装置

具体实施方式

为了提高对挖掘机进行挖掘力测试的试验精度，本发明提供了一种应用于挖掘机挖掘力测试的拉绳定位控制方法、装置及系统，在该技术方案中，采用传感器检测动臂、斗杆和铲斗的位姿信息，控制装置根据位姿信息确定挖掘轨迹并最终得到拉绳在锚架上的锚固位置，锚固位置的确定较为精确，大大提高了挖掘力测试的试验精度。为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下举具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明应用于挖掘机挖掘力测试的拉绳定位控制方法一实施例，包括：

步骤101、根据传感器的检测结果得到动臂、斗杆和铲斗的位姿信息；

步骤102、根据所述位姿信息确定挖掘轨迹；

步骤103、根据所述挖掘轨迹确定以铲斗的齿根为切点、沿挖掘轨迹切线方向设置的拉绳在锚架上的锚固位置。

所述位姿信息指动臂、斗杆和铲斗各自所处的位置信息，或者动臂、斗杆和铲斗各自所处的位置信息和所呈现的姿态信息的结合。请结合图2所示，实施例中所述位姿信息可以包括：斗杆21与动臂20铰点的铰点坐标（即位置信息）、铲斗22与斗杆21铰点的铰点坐标、铲斗22的齿根坐标、动臂20的倾角（即姿态信息）、斗杆21的倾角、铲斗22的倾角等等，相对应的位姿信息可结合工作装置的结构参数进行几何坐标转换，例如，可以根据斗杆21与动臂20铰点的铰点坐标、斗杆21的倾角和斗杆21的结构参数得到铲斗22与斗杆21铰点的铰点坐标。拉绳28可以具体为钢丝绳等，可以在拉绳上安装拉力检测装置29，例如拉力计等，这样便可直观、精确的读取挖掘机的施载情况和在工作极限状态下的最大挖掘力。

传感器（图中未示出）的类型不限，例如可以是三个位移传感器（如拉线式位移传感器），分别用于检测动臂油缸24、斗杆油缸25和铲斗油缸26的伸缩长度，其安装位置不限，例如安装于相邻两个油缸铰支座之间。当传感器是三个位移传感器时，所述根据传感器的检测结果得到动臂、斗杆和铲斗的位姿信息，具体包括：

根据动臂油缸、斗杆油缸和铲斗油缸的伸缩长度以及齐次坐标转换关系得到动臂、斗杆和铲斗的位姿信息。

传感器还可以是三个倾角传感器，分别用于检测动臂20、斗杆21和铲斗22的倾角，其安装位置也不受限制，例如分别安装在动臂20、斗杆21和铲斗22上，也可以分别安装在相应的铰点处。当传感器是三个倾角传感器时，所述根据传感器的检测结果得到动臂、斗杆和铲斗的位姿信息，具体包括：

根据动臂、斗杆和铲斗的倾角以及齐次坐标转换关系确定动臂、斗杆和铲斗的位姿信息。

动臂20、斗杆21和铲斗22的倾角既可以是与水平方向的夹角，也可以是与铅垂方向的夹角。

齐次坐标转换关系是将一个原本是n维的向量用一个n+1维的向量来表示。许多图形应用涉及到几何变换，主要包括平移、旋转、缩放。以矩阵表达式来计算这些变换时，平移是矩阵相加，旋转和缩放则是矩阵相乘，综合起来可以表示为p'=p*m1+m2(m1旋转缩放矩阵，m2为平移矩阵，p为原向量，p'为变换后的向量)。引入齐次坐标的目的主要是合并矩阵运算中的乘法和加法，表示为p'=p*M的形式。即它提供了用矩阵运算把二维、三维甚至高维空间中的一个点集从一个坐标系变换到另一个坐标系的有效方法。齐次坐标转换是计算机图形学的重要手段之一，它既能够用来明确区分向量和点，同时也更易用于进行仿射几何变换。关于齐次坐标转换关系的具体应用属于现有技术，这里不再赘述。

本发明技术方案中，挖掘轨迹包括：斗杆21转动的挖掘轨迹、铲斗22转动的挖掘轨迹或斗杆21和铲斗22复合转动的挖掘轨迹。即本发明技术方案可应用于测试斗杆油缸25单独动作产生的挖掘力，铲斗油缸26单独动作产生的挖掘力，或者斗杆油缸25和铲斗油缸26同时动作产生的复合挖掘力。当斗杆油缸25单独动作时，斗杆21和铲斗22同时绕斗杆21与动臂20之间的铰点转动；当铲斗油缸26单独动作时，铲斗22绕铲斗22和斗杆21之间的铰点转动；当斗杆油缸25和铲斗油缸26同时动作时，一方面，斗杆21和铲斗22绕斗杆21与动臂20之间的铰点转动，另一方面，铲斗22也同时在绕铲斗22和斗杆21之间的铰点转动。

为了进一步提高测试人员的测试效率，进一步的，所述锚架23具有沿高度方向设置的标尺27，所述拉绳28一端与铲斗22的齿根固定连接，另一端可相对锚架23沿高度方向调节并锁定于锚固位置。当确定锚固高度后，测试人员可以根据标尺27的标度方便的找到锚固位置，将拉绳28与锚架23锁定于锚固位置，测试效率较高。

图2为某姿态下测试斗杆油缸动作所产生挖掘力的试验示意图。具体测试步骤如下：

第一步：三个拉线式位移传感器(图中未示出)测出动臂油缸24、斗杆油缸25和铲斗油缸26的伸缩长度，并将数据输出给控制装置；控制装置内部存储有预先编制好的参数化位姿计算程序（即齐次坐标转换关系），通过此程序计算出拉绳28的安装角度α和加载位置（即铲斗的齿根）坐标B(x_B,y_B)；控制装置根据公式y_A=L₂×sin(α)+L₁即可得出拉绳28在锚架23上的锚固位置（即锚固高度）A(y_A)，其中，L₁为挖掘机承机面相对锚架底部的高度，L₂为拉绳长度。

第二步：将拉绳28的一端与加载位置B固定连接，另一端与锚架23的锚固位置A固定连接。该步骤中，为了方便安装，可以保持工作装置的位姿不变，面向或背向锚架移动挖掘机。

第三步：背向锚架23移动挖掘机直至拉绳28处于绷紧的临界状态，此时拉力检测装置29的读数近似为零；

第四步：使斗杆油缸25缓慢平稳加压，以防止工作装置和拉绳出现剧烈振动；当挖掘机处于工作极限状态，开始出现倾翻、滑移或者油缸溢流等现象时，停止操作并读取拉力检测装置29的测量值，该测量值即为该位姿下斗杆油缸29动作所能产生的最大挖掘力。

对铲斗油缸26动作所产生挖掘力，以及对斗杆油缸25和铲斗油缸26同时动作所产生的复合挖掘力进行测试时，原理类似，这里不再一一赘述。当工作装置变换为另一位姿时，只需要面向或背向锚架移动挖掘机，使拉绳能够与锚架的锚固位置固定即可，因此，对不同位姿进行测试时，只需要采用同一已知长度的拉绳即可，操作较为简便。

从以上实施例可以看出，采用传感器检测动臂、斗杆和铲斗的位姿信息，控制装置根据位姿信息确定挖掘轨迹并最终得到拉绳在锚架上的锚固位置，这与现有技术相比，大大减少了因人工目测或手工测量所带来的误差，拉绳在锚架上的锚固位置较为精确，大大提高了挖掘力测试的试验精度。此外，由于人工目测或手工测量等步骤的减少，也大大降低了挖掘力测试的试验难度。挖掘力测试时需要保证工作装置的位姿和拉绳的安装角度，特别是在测试铲斗油缸或斗杆油缸动作产生的最大挖掘力时，需要保证主动挖掘力的充分发挥，实验条件较为苛刻，且现场需要多次调整工作装置位姿和拉绳的安装角度，如果采用传统的方法实现起来工作量很大，而采用本发明技术方案则可以通过实时检测与程序自动计算得到工作装置的位姿信息和拉绳在锚架上的锚固位置，这极大的减轻了挖掘力测试的试验工作量，提高了测试效率。

如图3所示，基于相同的发明构思，本发明实施例还提供了一种应用于挖掘机挖掘力测试的拉绳定位控制装置，包括：

获取设备11，用于根据传感器的检测结果得到动臂、斗杆和铲斗的位姿信息；

控制设备12，用于根据所述位姿信息确定挖掘轨迹，并根据所述挖掘轨迹确定以铲斗的齿根为切点、沿挖掘轨迹切线方向设置的拉绳在锚架上的锚固位置。

所述传感器可以包括三个位移传感器，分别用于检测动臂油缸、斗杆油缸和铲斗油缸的伸缩长度；

所述控制设备，具体用于根据动臂油缸、斗杆油缸和铲斗油缸的伸缩长度以及齐次坐标转换关系得到动臂、斗杆和铲斗的位姿信息。

作为替代方案，所述传感器也可以包括三个倾角传感器，分别用于检测动臂、斗杆和铲斗的倾角；

所述控制设备，具体用于根据动臂、斗杆和铲斗的倾角以及齐次坐标转换关系确定动臂、斗杆和铲斗的位姿信息。

所述挖掘轨迹包括：斗杆转动的挖掘轨迹、铲斗转动的挖掘轨迹或斗杆和铲斗复合转动的挖掘轨迹。

本发明实施例的拉绳定位控制装置根据位姿信息确定挖掘轨迹并最终得到拉绳在锚架上的锚固位置，这与现有技术相比，大大减少了因人工目测或手工测量所带来的误差，拉绳在锚架上的锚固位置较为精确，大大提高了挖掘力测试的试验精度。

如图4所示，本发明应用于挖掘机挖掘力测试的拉绳定位控制系统，包括：

传感器13，用于检测动臂、斗杆和铲斗的位姿信息；

控制装置14，信号连接所述传感器，用于根据所述位姿信息确定挖掘轨迹，并根据所述挖掘轨迹确定以铲斗的齿根为切点、沿挖掘轨迹切线方向设置的拉绳在锚架上的锚固位置。

在一个实施例中，所述传感器包括三个位移传感器，分别用于检测动臂油缸、斗杆油缸和铲斗油缸的伸缩长度；

所述控制装置，具体用于根据动臂油缸、斗杆油缸和铲斗油缸的伸缩长度以及齐次坐标转换关系得到动臂、斗杆和铲斗的位姿信息。

在另一个实施例中，所述传感器包括三个倾角传感器，分别用于检测动臂、斗杆和铲斗的倾角；

所述控制装置，具体用于根据动臂、斗杆和铲斗的倾角以及齐次坐标转换关系确定动臂、斗杆和铲斗的位姿信息。

优选的，所述锚架具有沿高度方向设置的标尺，所述拉绳一端与铲斗的齿根固定连接，另一端可相对锚架沿高度方向调节并锁定于锚固位置。

优选的，所述拉绳上设置有拉力检测装置。

本发明拉绳定位控制系统采用传感器检测动臂、斗杆和铲斗的位姿信息，控制装置根据位姿信息确定挖掘轨迹并最终得到拉绳在锚架上的锚固位置，这与现有技术相比，大大减少了因人工目测或手工测量所带来的误差，拉绳在锚架上的锚固位置较为精确，大大提高了挖掘力测试的试验精度。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种应用于挖掘机挖掘力测试的拉绳定位控制方法，其特征在于，包括：

根据传感器的检测结果得到动臂、斗杆和铲斗的位姿信息；

根据所述位姿信息确定挖掘轨迹；

根据所述挖掘轨迹确定以铲斗的齿根为切点、沿挖掘轨迹切线方向设置的拉绳在锚架上的锚固位置；

所述传感器包括三个位移传感器，分别用于检测动臂油缸、斗杆油缸和铲斗油缸的伸缩长度，所述根据传感器的检测结果得到动臂、斗杆和铲斗的位姿信息，具体包括：根据动臂油缸、斗杆油缸和铲斗油缸的伸缩长度以及齐次坐标转换关系得到动臂、斗杆和铲斗的位姿信息；或者

所述传感器包括三个倾角传感器，分别用于检测动臂、斗杆和铲斗的倾角，所述根据传感器的检测结果得到动臂、斗杆和铲斗的位姿信息，具体包括：根据动臂、斗杆和铲斗的倾角以及齐次坐标转换关系确定动臂、斗杆和铲斗的位姿信息。

2.如权利要求1所述的拉绳定位控制方法，其特征在于，所述挖掘轨迹包括：斗杆转动的挖掘轨迹、铲斗转动的挖掘轨迹或斗杆和铲斗复合转动的挖掘轨迹。

3.如权利要求2所述的拉绳定位控制方法，其特征在于，所述锚架具有沿高度方向设置的标尺，所述拉绳一端与铲斗的齿根固定连接，另一端可相对锚架沿高度方向调节并锁定于锚固位置。

4.如权利要求2所述的拉绳定位控制方法，其特征在于，所述拉绳上设置有拉力检测装置。

5.一种应用于挖掘机挖掘力测试的拉绳定位控制装置，其特征在于，包括：

获取设备，用于根据传感器的检测结果得到动臂、斗杆和铲斗的位姿信息；

控制设备，用于根据所述位姿信息确定挖掘轨迹，并根据所述挖掘轨迹确定以铲斗的齿根为切点、沿挖掘轨迹切线方向设置的拉绳在锚架上的锚固位置；

所述传感器包括三个位移传感器，分别用于检测动臂油缸、斗杆油缸和铲斗油缸的伸缩长度；所述控制设备，具体用于根据动臂油缸、斗杆油缸和铲斗油缸的伸缩长度以及齐次坐标转换关系得到动臂、斗杆和铲斗的位姿信息；或者

所述传感器包括三个倾角传感器，分别用于检测动臂、斗杆和铲斗的倾角；所述控制设备，具体用于根据动臂、斗杆和铲斗的倾角以及齐次坐标转换关系确定动臂、斗杆和铲斗的位姿信息。

6.如权利要求5所述的拉绳定位控制装置，其特征在于，所述挖掘轨迹包括：斗杆转动的挖掘轨迹、铲斗转动的挖掘轨迹或斗杆和铲斗复合转动的挖掘轨迹。

7.一种应用于挖掘机挖掘力测试的拉绳定位控制系统，其特征在于，包括：

传感器，用于检测动臂、斗杆和铲斗的位姿信息；

控制装置，信号连接所述传感器，用于根据所述位姿信息确定挖掘轨迹，并根据所述挖掘轨迹确定以铲斗的齿根为切点、沿挖掘轨迹切线方向设置的拉绳在锚架上的锚固位置；

所述传感器包括三个位移传感器，分别用于检测动臂油缸、斗杆油缸和铲斗油缸的伸缩长度；所述控制装置，具体用于根据动臂油缸、斗杆油缸和铲斗油缸的伸缩长度以及齐次坐标转换关系得到动臂、斗杆和铲斗的位姿信息；或者

所述传感器包括三个倾角传感器，分别用于检测动臂、斗杆和铲斗的倾角；所述控制装置，具体用于根据动臂、斗杆和铲斗的倾角以及齐次坐标转换关系确定动臂、斗杆和铲斗的位姿信息。

8.如权利要求7所述的拉绳定位控制系统，其特征在于，所述锚架具有沿高度方向设置的标尺，所述拉绳一端与铲斗的齿根固定连接，另一端可相对锚架沿高度方向调节并锁定于锚固位置。

9.如权利要求8所述的拉绳定位控制系统，其特征在于，所述拉绳上设置有拉力检测装置。