CN103148057B - 一种对多关节液压机械臂进行控制的方法、设备和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种对多关节液压机械臂进行控制的方法、设备和系统，其主要内容包括：通过接收采集到的当前多关节液压机械臂中末端臂架的位置信息和PLC发送的携带多关节液压机械臂中末端臂架的目标位置信息的控制指令，并将采集到的所述位置信息与控制指令中携带的所述目标位置信息进行比较，根据比较结果生成针对多关节液压机械臂的运动控制指令并发送给PLC，指示PLC控制多关节液压机械臂进行运动，这样实时获取多关节液压机械臂的位置信息，并与目标位置信息进行比较，能够及时对多关节液压机械臂进行调整，提高了对多关节液压机械臂控制的精确度，进一步地提高了工作效率。

Description

一种对多关节液压机械臂进行控制的方法、设备和系统

技术领域

本发明涉及工程机械的多关节机械臂控制领域，尤其涉及一种对多关节液压机械臂进行控制的方法、设备和系统。

背景技术

在工程机械（例如：混凝土泵车、混凝土喷射机、挖掘机等）领域中，多关节液压机械臂作为主要的作业装置被广泛应用。目前，对液压机械臂的控制大多采用开环控制方式，其具体的控制方式为操作者通过遥控器按钮或者摇杆单独控制各节臂架的驱动关节来最终达到对机械臂姿态或者机械臂末端运动轨迹的控制，采用这种方式控制机械臂，控制精度较低，导致工作效率不高。

为了解决上述问题，随着智能控制、人工智能和电液驱动等技术的发展，人们逐渐将传感技术、智能控制技术以及先进的控制算法等应用于大型多关节液压机械臂的控制系统中，以实现对多关节液压机械臂的智能控制。

如图1所示，为现有技术中应用于混凝土泵车上的智能臂架控制技术原理图。现有技术中智能臂架控制系统包括工业控制设备、臂架姿态检测传感器、无线遥控器、遥控接收器以及电磁比例多路阀等。其中，所述工业控制设备包括：姿态检测单元、指令分解单元、轨迹规划单元和流量控制指令下发单元。

具体地，所述臂架姿态检测传感器利用倾角传感器和回转编码传感器等位移传感器对每节臂架的相对位置进行检测，并将检测到的每一节臂架的姿态信号通过传输线传送给姿态检测单元；

无线遥控器向遥控接收器发出针对每一个臂架的控制指令，由遥控接收器将接收到的针对每一节臂架的控制指令发送给指令分解单元；

姿态检测单元将接收到的每一节臂架的姿态信号以及指令分解单元将接收到的针对每一节臂架的控制指令发送给轨迹规划单元，由轨迹规划单元根据每一节臂架的姿态信号和针对每一节臂架的控制指令对该节臂架的运动轨迹进行规划，生成流量控制信号；

并将生成的流量控制信号发送给流量控制指令下发单元，由流量控制指令下发单元将流量控制信号转换成PWM电流控制信号，传输给电磁比例多路阀；

由电磁比例多路阀对该节臂架对应的液压缸设备以及液压马达设备进行驱动控制。

由此可见，在现有技术中，通过对每一节臂架的智能控制使得多关节液压机械臂架的末端到达指定位置，但是，由于多关节液压机械臂架的臂架数量较多，利用对每一节臂架的控制实现多关节液压机械臂架的末端到达指定位置，在这一过程中计算的数据较多，存在计算出现错误的风险，一旦出现错误将使得多关节液压机械臂架的末端不能准确到达指定位置，这样将导致机械的工作效率。

综上所述，在现有技术中，对多关节液压机械臂架的智能控制存在控制准确度低，导致工程机械的工作效率低的问题。

发明内容

本发明实施例提供了一种对多关节液压机械臂进行控制的方法、设备和系统，用于解决现有技术中对多关节液压机械臂架的智能控制存在控制准确度低，导致工程机械的工作效率低的问题。

一种对多关节液压机械臂进行控制的方法，包括：

接收采集到的当前多关节液压机械臂中末端臂架的位置信息和PLC发送的携带多关节液压机械臂中末端臂架的目标位置信息的控制指令；

将采集到的所述位置信息与控制指令中携带的所述目标位置信息进行比较；

根据比较结果生成针对多关节液压机械臂的运动控制指令并发送给PLC，指示PLC控制多关节液压机械臂进行运动。

一种对多关节液压机械臂进行控制的设备，包括：

接收模块，用于接收采集到的当前多关节液压机械臂中末端臂架的位置信息和PLC发送的携带多关节液压机械臂中末端臂架的目标位置信息的控制指令；

比较模块，用于将采集到的所述位置信息与控制指令中携带的所述目标位置信息进行比较；

控制模块，用于根据比较结果生成针对多关节液压机械臂的运动控制指令并发送给PLC，指示PLC控制多关节液压机械臂进行运动。

一种对多关节液压机械臂进行控制的系统，包括：

PLC，用于向控制设备发送携带多关节液压机械臂中末端臂架的目标位置信息的控制指令，以及接收控制设备返回的针对多关节液压机械臂的运动控制指令，并将控制设备返回的针对多关节液压机械臂的运动控制指令发送给多路电液比例阀设备；

控制设备，用于接收采集到的当前多关节液压机械臂中末端臂架的位置信息和PLC发送的携带多关节液压机械臂中末端臂架的目标位置信息的控制指令，并将采集到的所述位置信息与控制指令中携带的所述目标位置信息进行比较，根据比较结果生成针对多关节液压机械臂的运动控制指令并发送给PLC；

多路电液比例阀设备，用于接收PLC发送的所述控制设备返回的针对多关节液压机械臂的运动控制指令，并根据控制指令控制与多关节液压机械臂的运动有关的油缸设备和/或马达设备。

本发明有益效果如下：

本发明实施例通过接收采集到的当前多关节液压机械臂中末端臂架的位置信息和PLC发送的携带多关节液压机械臂中末端臂架的目标位置信息的控制指令，并将采集到的所述位置信息与控制指令中携带的所述目标位置信息进行比较，根据比较结果生成针对多关节液压机械臂的运动控制指令并发送给PLC，指示PLC控制多关节液压机械臂进行运动，这样实时获取多关节液压机械臂的位置信息，并与目标位置信息进行比较，能够及时对多关节液压机械臂进行调整，提高了对多关节液压机械臂控制的精确度，进一步地提高了工作效率。

附图说明

图1为现有技术中应用于混凝土泵车上的智能臂架控制技术原理图；

图2为本发明实施例一的一种对多关节液压机械臂进行控制的方法的流程示意图；

图3为本发明实施例二的一种对多关节液压机械臂进行控制的设备的结构示意图；

图4为本发明实施例三一种对多关节液压机械臂进行控制的系统的结构示意图；

图5为一种对多关节液压机械臂进行控制系统的结构示意图。

具体实施方式

为了实现本发明的目的，本发明实施例提供了一种对多关节液压机械臂进行控制的方法、设备和系统，通过接收采集到的当前多关节液压机械臂中末端臂架的位置信息和PLC发送的携带多关节液压机械臂中末端臂架的目标位置信息的控制指令，并将采集到的所述位置信息与控制指令中携带的所述目标位置信息进行比较，根据比较结果生成针对多关节液压机械臂的运动控制指令并发送给PLC，指示PLC控制多关节液压机械臂进行运动，这样实时获取多关节液压机械臂的位置信息，并与目标位置信息进行比较，能够及时对多关节液压机械臂进行调整，提高了对多关节液压机械臂控制的精确度，进一步地提高了工作效率。

下面结合说明书附图对本发明各实施例进行详细描述。

实施例一：

如图2所示，为本发明实施例一的一种对多关节液压机械臂进行控制的方法的流程示意图，所述方法包括：

步骤101：接收采集到的当前多关节液压机械臂中末端臂架的位置信息和PLC发送的控制指令。

其中，所述控制指令中携带了多关节液压机械臂中末端臂架的目标位置信息。

在步骤101中，由于PLC通过CAN总线与遥控接收器相连接，通过遥控接收器接收无线遥控器发出的控制指令，其中，所述控制指令中携带了多关节液压机械臂中末端臂架需要到达的目标位置信息。

在本发明实施例中，PLC具有两个功能：一个功能是可以直接将接收到的控制指令转换成PWM电流信号，并发送给多路电液比例阀设备，由多路电液比例阀设备根据接收到的PWM电流信号控制电流，改变阀的流量来驱动各节臂架的液压缸和液压马达，使得各节臂架驱使末端臂架到达目标位置；另一个功能是将接收到的控制指令发送给步骤101中所述的接收设备。

具体地，所述采集到的当前多关节液压机械臂中末端臂架的位置信息的方式包括但不限于以下两种：

第一种方式为：直接利用预设在多关节液压机械臂末端臂架上的传感器获取末端臂架的位置信息。

这种方式比较直接，但是应用起来不是很实用。

第二种方式为：计算得到多关节液压机械臂末端臂架的位置信息

具体地，首先，利用预设在多关节液压机械臂不同位置上的传感器实时获取除了末端臂架之外的其他每一节臂架的实际位置信息。

所述实际位置信息包括水平坐标信息、垂直坐标信息和纵向坐标信息。

即每一节臂架的终点所在空间的位置信息。

其次，根据预设的算法以及获取的所述其他每一节臂架的实际位置信息，计算得到当前多关节液压机械臂中末端臂架的位置信息。

其中，所述预设的算法为逆运动学算法。

利用多关节液压机械臂中各节臂架运动间的相互关系、以及当前各节臂架所在的实际位置信息，确定出关节液压机械臂的运动路径，并根据确定的运动路径得到当前多关节液压机械臂中末端臂架的位置信息。

较优地，根据PLC发送的控制指令中携带多关节液压机械臂中末端臂架的目标位置信息，利用预设的算法，计算当多关节液压机械臂中末端臂架到达目标位置信息时多关节液压机械臂中其他臂架的理论位置信息。

其中，所述预设的算法为逆运动学算法，或者其他物理学领域的算法都可，这里不做具体限定。

步骤102：将采集到的所述位置信息与控制指令中携带的所述目标位置信息进行比较。

在步骤102中，将采集到的所述位置信息与控制指令中携带的所述目标位置信息进行比较，形成了对多关节液压机械臂中末端臂架的闭环控制，这样能够及时发现多关节液压机械臂中末端臂架当前实际位置与确定的目标位置信息之间的差距，为下一步进行调整控制做准备。

具体地，针对多关节液压机械臂中每一个臂架执行以下操作：

首先，将实时获取的一个臂架的实际位置信息与计算得到的该臂架的理论位置信息进行比较。

其次，根据比较结果确定该臂架需要调整的位移信息和旋转角度信息。

假设实际位置信息和理论位置信息都是该臂架终点的空间位置信息，包括水平坐标信息、垂直坐标信息和纵向坐标信息，即常见的三维坐标系中X坐标、Y坐标和Z坐标，利用X坐标的差值和Y坐标的差值确定该臂架需要调整的位移信息，以及利用X坐标的差值、Y坐标的差值和Z坐标的差值确定该臂架需要调整的旋转角度信息。

步骤103：根据比较结果生成针对多关节液压机械臂的运动控制指令并发送给PLC。

具体地，在步骤103中，根据确定该臂架需要调整的位移信息和旋转角度信息，生成调整该臂架运动的控制指令，并将生成的针对每一节臂架运动的控制指令发送给PLC。

较优地，PLC在接收到所述针对每一节臂架运动的控制指令后，将接收到所述针对每一节臂架运动的控制指令转换成为PWM流量控制信号并发送给多路电液比例阀设备，由多路电液比例阀设备根据接收到PWM流量控制信号控制该节臂架对应的液压缸和/或液压马达进行工作。

通过本发明实施例一的方案，接收采集到的当前多关节液压机械臂中末端臂架的位置信息和PLC发送的携带多关节液压机械臂中末端臂架的目标位置信息的控制指令，并将采集到的所述位置信息与控制指令中携带的所述目标位置信息进行比较，根据比较结果生成针对多关节液压机械臂的运动控制指令并发送给PLC，指示PLC控制多关节液压机械臂进行运动，这样实时获取多关节液压机械臂的位置信息，并与目标位置信息进行比较，能够及时对多关节液压机械臂进行调整，提高了对多关节液压机械臂控制的精确度，进一步地提高了工作效率。

实施例二：

如图3所示，为本发明实施例二的一种对多关节液压机械臂进行控制的设备的结构示意图，所述设备包括：接收模块11、比较模块12和控制模块13，其中：

接收模块11，用于接收采集到的当前多关节液压机械臂中末端臂架的位置信息和PLC发送的携带多关节液压机械臂中末端臂架的目标位置信息的控制指令；

比较模块12，用于将采集到的所述位置信息与控制指令中携带的所述目标位置信息进行比较；

控制模块13，用于根据比较结果生成针对多关节液压机械臂的运动控制指令并发送给PLC，指示PLC控制多关节液压机械臂进行运动。

较优地，所述设备还包括：计算模块14，其中：

计算模块14，用于根据PLC发送的控制指令中携带多关节液压机械臂中末端臂架的目标位置信息，利用预设的算法，计算当多关节液压机械臂中末端臂架到达目标位置信息时多关节液压机械臂中其他臂架的理论位置信息。

具体地，所述比较模块12，具体用于针对多关节液压机械臂中每一个臂架执行以下操作：将实时获取的一个臂架的实际位置信息与计算得到的该臂架的理论位置信息进行比较，确定该臂架需要调整的位移信息和旋转角度信息。

所述控制模块13，具体用于根据确定该臂架需要调整的位移信息和旋转角度信息，生成调整该臂架运动的控制指令，并将生成的针对每一节臂架运动的控制指令发送给PLC。

实施例三：

如图4所示，为本发明实施例三一种对多关节液压机械臂进行控制的系统的结构示意图，所述系统包括：

PLC21，用于向控制设备发送携带多关节液压机械臂中末端臂架的目标位置信息的控制指令，以及接收控制设备返回的针对多关节液压机械臂的运动控制指令，并将控制设备返回的针对多关节液压机械臂的运动控制指令发送给多路电液比例阀设备；

控制设备22，用于接收采集到的当前多关节液压机械臂中末端臂架的位置信息和PLC发送的携带多关节液压机械臂中末端臂架的目标位置信息的控制指令，并将采集到的所述位置信息与控制指令中携带的所述目标位置信息进行比较，根据比较结果生成针对多关节液压机械臂的运动控制指令并发送给PLC；

多路电液比例阀设备23，用于接收PLC发送的所述控制设备返回的针对多关节液压机械臂的运动控制指令，并根据控制指令控制与多关节液压机械臂的运动有关的油缸设备24和/或马达设备25。

较优地，所述系统还包括：

至少一个传感器26，用于实时获取除了末端臂架之外的其他每一节臂架的实际位置信息，并根据预设的算法计算得到当前多关节液压机械臂中末端臂架的位置信息。

其中，所述传感器包括位移传感器27和旋转编码传感器28。

如图5所示，为一种对多关节液压机械臂进行控制系统的结构示意图。

所述系统包括两部分：第一部分为第一层智能控制部分，第二部分为第二层人工智能控制部分。

第一层智能控制部分包括：位移传感器、旋转编码传感器和嵌入式工控设备。其中，位移传感器和旋转编码传感器采集各个臂架的位置信息，并通过CAN总线将采集到的各个臂架的位置信息发送给嵌入式工控设备。

较优地，所述第一层智能控制部分还包括：电源设备，用于为嵌入式工控设备提供电源；功能扩展模块，用于增加嵌入式工控设备的功能；触摸显示设备，用于方便对嵌入式工控设备的智能控制。

第二层人工智能控制部分包括：无线传感器、遥控接收器、PLC设备、显示屏、多路电液比例阀设备和驱动油缸和/或马达。

其中，遥控接收器接收无线遥控器的控制指令，并通过CAN总线将接收到的控制指令发送给PLC设备。

第一层人工智能控制部分与第二层人工控制部分之间通过CAN总线相连，嵌入式工控设备接收采集到的当前多关节液压机械臂中末端臂架的位置信息和PLC发送的携带多关节液压机械臂中末端臂架的目标位置信息的控制指令，并将采集到的所述位置信息与控制指令中携带的所述目标位置信息进行比较，根据比较结果生成针对多关节液压机械臂的运动控制指令并发送给PLC设备；

PLC接收控制设备返回的针对多关节液压机械臂的运动控制指令，并将控制设备返回的针对多关节液压机械臂的运动控制指令发送给多路电液比例阀设备；

多路电液比例阀设备接收PLC发送的所述控制设备返回的针对多关节液压机械臂的运动控制指令，并根据控制指令控制与多关节液压机械臂的运动有关的油缸设备和/或马达设备。

通过上述两层控制部分间的协调工作，可以实现对多关节液压机械臂系统的智能控制。第一层主要负责臂架臂架姿态的检测、臂架智能运动控制算法的计算以及实现各种功能的软件编程等，第二层主要负责手动控制指令的输入、PLC对多路电液比例阀的控制进而控制液压马达和液压缸等执行机构以及对设备工作状态的监控显示等。这种分工可以让二者各司其职，有利于系统的效率的提高和功能的完善。

由于嵌入式工控设备具有实时性好、运算速度快、数据处理能力强等优点，所以可以实现一些复杂的运动学算法。在这里，嵌入式工控设备一方面接受到控制指令后，对臂架的运动路径进行规划、逆运动学算法求解以及生成臂架的修正控制指令；另一方面，嵌入式工控设备通过CAN总线接受臂架的姿态信号或油缸和马达的压力信号等，对臂架的实时姿态进行检测，从而由逆运动学求出来的臂架的位置信息与臂架当前位置信息进行比较，形成对臂架的闭环控制，得到实时的臂架控制指令，同时将该控制指令实时传输至PLC设备，PLC设备将该控制指令转换成电液比例多路阀的流量控制信号，最终控制臂架达到理想位置或状态。

也就是说，第一层是以原多关节液压机械臂架控制系统为基础进行设计的，对原有控制系统的结构改变小，稳定性及可靠性有保证；在第二层智能运动控制模块停止工作的情况下，第一层手动控制系统依然能够正常工作，因此，这种分层结构可以满足紧急情况的处理，能够适应某些特别需要人工操作的特殊的场合，如隧道中有障碍的地方而自动控制方式又难以实现，这时候就可以切换到手动模式进行作业。

需要说明的是，图5中的嵌入式工控设备是具有本发明实施例二中所述的对多关节液压机械臂进行控制功能的设备。

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 (8)

1.一种对多关节液压机械臂进行控制的方法，其特征在于，包括：

接收采集到的当前多关节液压机械臂中末端臂架的位置信息和PLC发送的携带多关节液压机械臂中末端臂架的目标位置信息的控制指令，其中，所述采集到的当前多关节液压机械臂中末端臂架的位置信息，具体包括：

利用预设在多关节液压机械臂不同位置上的传感器实时获取除了末端臂架之外的其他每一节臂架的实际位置信息；

根据预设的算法以及获取的所述其他每一节臂架的实际位置信息，计算得到当前多关节液压机械臂中末端臂架的位置信息；

将采集到的所述位置信息与控制指令中携带的所述目标位置信息进行比较；

根据比较结果生成针对多关节液压机械臂的运动控制指令并发送给PLC，指示PLC控制多关节液压机械臂进行运动。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将采集到的所述位置信息与控制指令中携带的所述目标位置信息进行比较之前，所述方法还包括：

根据PLC发送的控制指令中携带多关节液压机械臂中末端臂架的目标位置信息，利用预设的算法，计算当多关节液压机械臂中末端臂架到达目标位置信息时多关节液压机械臂中其他臂架的理论位置信息。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述将采集到的所述位置信息与控制指令中携带的所述目标位置信息进行比较，具体包括：

针对多关节液压机械臂中每一个臂架执行以下操作：

将实时获取的一个臂架的实际位置信息与计算得到的该臂架的理论位置信息进行比较，确定该臂架需要调整的位移信息和旋转角度信息。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据比较结果生成针对多关节液压机械臂的运动控制指令并发送给PLC，具体包括：

根据确定该臂架需要调整的位移信息和旋转角度信息，生成调整该臂架运动的控制指令；

将生成的针对每一节臂架运动的控制指令发送给PLC。

5.一种对多关节液压机械臂进行控制的设备，其特征在于，包括：

接收模块，用于接收采集到的当前多关节液压机械臂中末端臂架的位置信息和PLC发送的携带多关节液压机械臂中末端臂架的目标位置信息的控制指令，其中，所述采集到的当前多关节液压机械臂中末端臂架的位置信息，具体包括：

利用预设在多关节液压机械臂不同位置上的传感器实时获取除了末端臂架之外的其他每一节臂架的实际位置信息；

根据预设的算法以及获取的所述其他每一节臂架的实际位置信息，计算得到当前多关节液压机械臂中末端臂架的位置信息；

比较模块，用于将采集到的所述位置信息与控制指令中携带的所述目标位置信息进行比较；

控制模块，用于根据比较结果生成针对多关节液压机械臂的运动控制指令并发送给PLC，指示PLC控制多关节液压机械臂进行运动。

6.如权利要求5所述的设备，其特征在于，所述设备还包括：

计算模块，用于根据PLC发送的控制指令中携带多关节液压机械臂中末端臂架的目标位置信息，利用预设的算法，计算当多关节液压机械臂中末端臂架到达目标位置信息时多关节液压机械臂中其他臂架的理论位置信息。

7.如权利要求6所述的设备，其特征在于，

所述比较模块，具体用于针对多关节液压机械臂中每一个臂架执行以下操作：将实时获取的一个臂架的实际位置信息与计算得到的该臂架的理论位置信息进行比较，确定该臂架需要调整的位移信息和旋转角度信息。

8.如权利要求7所述的设备，其特征在于，

所述控制模块，具体用于根据确定该臂架需要调整的位移信息和旋转角度信息，生成调整该臂架运动的控制指令，并将生成的针对每一节臂架运动的控制指令发送给PLC。