CN103192396A - 混凝土泵送设备及其末端软管的运动控制系统与方法 - Google Patents

Abstract

一种末端软管的运动控制系统，包括设置在末臂节上的末端软管，所述运动控制系统还包括操控手柄、臂架姿态监测单元、运动控制单元、及运动执行单元，所述操控手柄安装在末端软管上，所述操控手柄上设有方向控制开关，所述方向控制开关供末端软管处操作员进行操作来发出期望末端软管运动方向的运动控制指令信号，所述臂架姿态监测单元实时采集臂架的姿态信息并生成臂架末端的当前位置信号，所述运动控制单元同时接收所述运动控制指令信号及所述臂架末端的当前位置信号并生成相应的控制信号发送给运动执行单元，所述运动执行单元依据所述控制信号控制末端软管按照操作员期望的路线进行运动。

Description

混凝土泵送设备及其末端软管的运动控制系统与方法

技术领域

本发明涉及混凝土泵送设备，尤其是一种混凝土泵送设备及其末端软管的运动控制系统与方法。

背景技术

混凝土泵送设备是一种利用压力将混凝土沿管道连续输送的机械，广泛应用于道路工程、桥梁工程、地下工程、工业与民用建筑施工等各个领域。混凝土泵车是一种典型的混凝土泵送设备。

混凝土泵车的臂架一般由至少三段臂节组成，每段臂节之间由铰接轴铰接，各臂节能够绕铰接轴旋转相当的角度，同时，该臂架整体通过转台固定在底架上，臂架整体借助液压马达的驱动作用可在转台的带动下，绕垂直于水平面的竖直轴进行360°的旋转。混凝土泵车的输送管附着在臂架上，并在靠近混凝土出口处设置有末端软管，用来对混凝土的浇筑起导向作用。在进行混凝土浇筑时，经常要按照操控要求，将固定于末臂节的末端软管从一个地点移动到另一个地点，因此对臂架的控制提出了较高的要求，尤其是对其末端的运动轨迹需要进行准确的控制。

目前在混凝土泵车末端软管的运动控制方面，只能依靠泵车操作机手通过无线遥控器或泵车电控柜内的控制器对各臂架油缸的伸缩控制以实现臂架末端（末端软管）按期望轨迹的运动控制，然而，泵车操作机手与末端软管操作员不是同一个人，而且遥控器操作员离浇筑位置一般较远，很多情况下，泵车操作机手并不知道末端软管处操作员的具体施工轨迹意图，相互之间的沟通不畅，导致降低施工效率，甚至给末端软管处操作员带来安全隐患。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种混凝土泵送设备末端软管的运动控制系统，以改善其末端软管的运动控制，提高末端软管的运动精度、施工效率和操作员的施工安全性。

有鉴于此，亦有必要提供一种混凝土泵送设备末端软管的运动控制方法，以提高末端软管的运动精度、施工效率和操作员的施工安全性。

有鉴于此，亦有必要提供一种具有上述运动控制系统的混凝土泵送设备。

本发明提供一种末端软管的运动控制系统，包括设置在末臂节上的末端软管，所述运动控制系统还包括操控手柄、臂架姿态监测单元、运动控制单元、及运动执行单元，所述操控手柄安装在末端软管上，所述操控手柄上设有方向控制开关，所述方向控制开关供末端软管处操作员进行操作来发出期望末端软管运动方向的运动控制指令信号，所述臂架姿态监测单元实时采集臂架的姿态信息并生成臂架末端的当前位置信号，所述运动控制单元同时接收所述运动控制指令信号及所述臂架末端的当前位置信号并生成相应的控制信号发送给运动执行单元，所述运动执行单元依据所述控制信号控制末端软管按照操作员期望的路线进行运动。

作为本发明的进一步改进，所述臂架姿态监测单元包括设置在各段臂节上实时采集各段臂节与水平面的夹角的倾角传感器以及设置在转台上实时采集臂架相对转台的转动量的角度传感器。

作为本发明的进一步改进，所述运动控制单元根据所述运动控制指令信号及所述臂架末端的当前位置信号，确定臂架末端所需的运动量，并分解为各段臂节所需的运动量以及转台所需的转动量。

作为本发明的进一步改进，所述运动执行单元包括多路阀和驱动组件，所述多路阀包括多个电磁阀，所述驱动组件包括回转液压马达及多个臂节油缸，所述回转液压马达用于驱动所述转台的回转，所述多个臂节油缸分别用于驱动所述多段臂节的伸缩，所述多个电磁阀分别与所述回转液压马达及所述多个臂节油缸对应相连。

作为本发明的进一步改进，所述操控手柄上设有模式切换开关，所述模式切换开关对应两种状态，其中一种状态为末端手柄操控模式，另一种状态为遥控器操控模式，通过按压所述模式切换开关，可以选定对臂架进行运动控制的模式并在末端手柄操控模式与遥控器操控模式之间进行切换。

作为本发明的进一步改进，所述方向控制开关的数量为四个，分别用于发出控制末端软管向下、向上、向外径方向、向内径方向运动的电信号。

作为本发明的进一步改进，所述操控手柄上设有集成式的开关组件，所述四个方向控制开关集成设置在所述开关组件上。

作为本发明的进一步改进，所述操控手柄套设安装于末端软管的外周面上。

作为本发明的进一步改进，所述操控手柄包括第一夹圈、第二夹圈、第一扶手、及第二扶手，所述第一夹圈和第二夹圈合围成圆形，用于套设固定在末端软管的外周面上，所述第一扶手和第二扶手分别环设在第一夹圈和第二夹圈的外围，所述第一扶手和第二扶手为弧形的管件结构，中间是空心的。

本发明还提供一种末端软管的运动控制方法，对设置在末臂节上的末端软管进行运动控制，所述末端软管上安装有操控手柄且所述操控手柄上设有方向控制开关，所述运动控制方法包括如下步骤：

由末端软管处操作员对所述方向控制开关进行操作来发出期望末端软管运动方向的运动控制指令信号；

利用臂架姿态监测单元实时采集臂架的姿态信息并生成臂架末端的当前位置信号；

利用运动控制单元同时接收所述运动控制指令信号及所述臂架末端的当前位置信号，并生成相应的控制信号；及

利用运动执行单元接收所述控制信号，并依据所述控制信号控制末端软管按照操作员期望的路线进行运动。

作为本发明的进一步改进，所述臂架姿态监测单元包括设置在各段臂节上实时采集各段臂节与水平面的夹角的倾角传感器以及设置在转台上实时采集臂架相对转台的转动量的角度传感器。

作为本发明的进一步改进，所述运动控制单元根据所述运动控制指令信号及臂架末端的当前位置信号，确定臂架末端所需的运动量，并分解为各段臂节所需的运动量以及转台所需的转动量。

作为本发明的进一步改进，所述运动执行单元包括多路阀和驱动组件，所述多路阀包括多个电磁阀，所述驱动组件包括回转液压马达及多个臂节油缸，所述回转液压马达用于驱动所述转台的回转，所述多个臂节油缸分别用于驱动所述多段臂节的伸缩，所述多个电磁阀分别与所述回转液压马达及所述多个臂节油缸对应相连。

作为本发明的进一步改进，所述方向控制开关的数量为四个，分别用于发出控制末端软管向下、向上、向外径方向、向内径方向运动的电信号。

本发明还提供一种混凝土泵送设备，包括车体、转台、及臂架，所述臂架通过转台可转动地安装在车体上，所述臂架具有多段臂节，所述混凝土泵送设备还包括上述的末端软管的运动控制系统。

本发明的有益效果是，末端软管上安装有操控手柄，可由末端软管处的操作员直接对操控手柄上的方向控制开关进行操作，操作员可以按照浇筑现场的实际情况来发出期望末端软管运动方向的运动控制指令信号，并结合由臂架姿态监测单元生成的臂架末端的当前位置信号，以对臂架末端（末端软管）的运动进行控制，提高末端软管的运动精度、施工效率和操作员的施工安全性。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1是本发明实施例中混凝土泵送设备的结构示意图。

图2是本发明实施例中操控手柄安装于末端软管上的侧视结构示意图。

图3是本发明实施例中操控手柄安装于末端软管上的立体结构示意图。

图4是本发明实施例中操控手柄的立体结构示意图。

图5是本发明实施例中操控手柄的每一开关组件上的四个方向控制开关的分布示意图。

图6是本发明实施例中末端软管的运动控制方法的流程框图。

图7是图6所示方法中运动执行单元的结构示意图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。

请参图1，本发明的实施例中混凝土泵送设备30包括车体31、转台32、及臂架33，臂架33通过转台32在水平面内可转动地安装在车体31上。混凝土泵送设备30可以为混凝土泵车、混凝土布料机等。本实施例中以具有五段臂节的混凝土泵送设备为例进行说明，但并不表示本发明只适用于五段臂节的混凝土泵送设备。臂架33中的五段臂节分别为第一臂节331、第二臂节332、第三臂节333、第四臂节334、第五臂节335，其中末臂节即第五臂节335上设置有末端软管20。

请结合图2至图4，末端软管20的外周面上套设安装有操控手柄10。操控手柄10包括第一夹圈11、第二夹圈12、第一扶手13、第二扶手14、第一支撑辐条15、第二支撑辐条16、第一螺栓17、第二螺栓18、模式切换开关19、第一开关组件110、第二开关组件120、第三开关组件130、第四开关组件140。

第一夹圈11和第二夹圈12分别呈半圆形，第一夹圈11和第二夹圈12围成圆形并通过第一螺栓17和第二螺栓18固定在混凝土泵送设备的末端软管20外周面的适当高度位置上，确保操控手柄10对末端软管20的夹持与定位。第一扶手13和第二扶手14为弧形的管件结构，中间是空心的，可以布置数据线；第一扶手13和第二扶手14分别环设在第一夹圈11和第二夹圈12的外围。第一支撑辐条15连接在第一夹圈11与第一扶手13之间，第二支撑辐条16连接在第二夹圈12与第二扶手14之间；第一支撑辐条15和第二支撑辐条16中至少有一根为中空结构，可以布置数据线。第一至第四开关组件110、120、130、140沿圆周方向上对称地设置在操控手柄10的第一扶手13和第二扶手14上。

模式切换开关19可以设置在第一支撑辐条15或第二支撑辐条16上，例如，设置在第一支撑辐条15上靠近第一夹圈11的位置处或设置在第二支撑辐条16上靠近第二夹圈12的位置处。模式切换开关19对应两种状态，其中一种状态为末端手柄操控模式，另一种状态为遥控器操控模式，两种状态具有互锁功能，保证在任意时刻只有其中一种状态处于开启。通过按压该模式切换开关19，可以选定对臂架进行运动控制的模式，并在末端手柄操控模式与遥控器操控模式之间进行切换，如果当前开启状态是遥控器操控模式，则只能由遥控器操作员通过操控遥控器（图未示）对臂架进行运动的控制。如果当前开启状态是末端手柄操控模式，就只能由末端软管操作员对其上面的开关组件110（120、130、140）进行操作控制，发出与操作员期望运动方向对应的运动控制指令信号。

四个开关组件110、120、130、140沿着操控手柄10的圆周方向均匀布置，使得末端软管20处的操作员在任意方位均能方便地对操控手柄10的开关组件进行操作。第一开关组件110、第二开关组件120、第三开关组件130、第四开关组件140各自均为集成式的开关组件，每一开关组件110（120、130、140）包括四个集成设置的方向控制开关，分别为开关Ⅰ、开关II、开关III、开关IV，请参图5，所示为每一开关组件110（120、130、140）的四个方向控制开关Ⅰ、II、III、IV的分布结构示意图，所述开关Ⅰ、II、III、IV分别设置在每一开关组件110（120、130、140）的上端、内侧、下端、外侧。

每一开关组件110（120、130、140）的四个方向控制开关Ⅰ、II、III、IV分别用于发出控制末端软管20向下、向上、向外径方向、向内径方向运动的电信号，该四个方向控制开关Ⅰ、II、III、IV所具体对应控制方向（向下、向上、向外径方向、向内径方向）的设定可以是任意的，但最好与操作员的使用习惯匹配。

例如，操作第一开关组件110的各方向控制开关产生的控制信号为：操作第一开关组件110的开关Ⅰ发出控制末端软管20向下方向运动的电信号；操作第一开关组件110的开关Ⅱ发出控制末端软管20向外径方向运动的电信号；操作第一开关组件110的开关Ⅲ发出控制末端软管20向上方向运动的电信号；操作第一开关组件110的开关Ⅳ发出控制末端软管20向内径方向运动的电信号。

例如，操作第二开关组件120的各方向控制开关按钮产生的控制信号为：操作第二开关组件120的开关Ⅰ发出控制末端软管20向下方向运动的电信号；操作第二开关组件120的开关Ⅱ发出控制末端软管20向外径方向运动的电信号；操作第二开关组件120的开关Ⅲ发出控制末端软管20向上方向运动的电信号；操作第二开关组件120的开关Ⅳ发出控制末端软管20向内径方向运动的电信号。

例如，操作第三开关组件130的各方向控制开关按钮产生的控制信号为：操作第三开关组件130的开关Ⅰ发出控制末端软管20向下方向运动的电信号；操作第三开关组件130的开关Ⅱ发出控制末端软管20向外径方向运动的电信号；操作第三开关组件130的开关Ⅲ发出控制末端软管20向上方向运动的电信号；操作第三开关组件130的开关Ⅳ发出控制末端软管20向内径方向运动的电信号。

例如，操作第四开关组件140的各方向控制开关按钮产生的控制信号为：操作第四开关组件140的开关Ⅰ发出控制末端软管20向下方向运动的电信号；操作第四开关组件140的开关Ⅱ发出控制末端软管20向外径方向运动的电信号；操作第四开关组件140的开关Ⅲ发出控制末端软管20向上方向运动的电信号；操作第四开关组件140的开关Ⅳ发出控制末端软管20向内径方向运动的电信号。

据此，当末端软管20的当前开启状态是末端手柄操控模式时，末端软管20处的操作员（例如现场浇筑施工人员）在末端软管20的任何方位均可方便地通过第一开关组件至第四开关组件的共16个方向控制开关的任意组合，进行臂架末端（末端软管20）的运动控制。

请参图6，为本发明实施例中所提供的末端软管的运动控制方法的流程框图。该运动控制方法包括由末端软管操作员对操控手柄10上的方向控制开关进行操作发出运动控制指令，并将运动控制指令信号传递给运动控制单元42；利用臂架姿态监测单元41实时监测臂架末端的当前位置，并将臂架末端的当前位置信号传递给运动控制单元42；运动控制单元42同时接收从操控手柄10传送过来的运动控制指令信号和从臂架姿态监测单元41传送过来的臂架末端的当前位置信号，确定臂架末端所需的运动量，并分解为各臂节所需的运动量以及转台所需的转动量，再发出控制信号至控制运动执行单元43，使臂架末端向运动控制指令所表示的方向运动。由于需要传送的控制信号比较多，因此可以采用CAN总线进行信息传送，一方面可有效减少因为电气路线的长度而引起信号衰减；另一方面可减少电气路线线束的重量。当然，也可以考虑通过无线通信进行信号的传送。

其中，臂架姿态监测单元41包括设置在各臂节上用于实时采集各臂节与水平面的夹角的倾角传感器以及设置在转台上用于实时采集臂架相对转台的转动量的角度传感器，在得到各臂节的倾角以及转台的转动量后，通过相应算法（例如在线逐点滤波）进行处理，并转换成当前时刻的臂架末端位置信号，最后将臂架末端位置信号发送给运动控制单元42。其中作为一个例子，用于采集臂架相对转台的转动量的角度传感器可以为旋转编码器。

请结合图7，为运动执行单元43的结构示意图。运动执行单元43包括多路阀44和驱动组件45，其中多路阀44包括六个电磁阀441，驱动组件45包括回转液压马达450、第一臂节油缸451、第二臂节油缸452、第三臂节油缸453、第四臂节油缸454、第五臂节油缸455。所述回转液压马达450用于控制所述转台32的回转，所述五个臂节油缸451、452、453、454、455分别用于控制所述五段臂节331、332、333、334、335的伸缩，所述六个电磁阀441分别与回转液压马达430及第一至第五臂节油缸451、452、453、454、455对应相连。运动控制单元42将臂架末端的运动方向分解为各臂节的运动量以及转台的转动量之后，生成相应的控制电流信号并发送给多路阀44中相应的电磁阀441，运动控制单元43根据多路阀44中相应的电磁阀441的控制作用，驱动相应的运动执行机构进行臂架的运动控制，比如控制臂节油缸451（452、453、454、455）的伸缩运动，回转液压马达450的转动运动等，实现末端软管20的混凝土出口在末端软管操作员的直接控制作用下按照期望的浇筑路线进行运动。

综合上述，本发明可由末端软管操作员对固定安装于末端软管20的操控手柄10上的方向控制开关进行操作，操控手柄10发出与操作员期望运动方向对应的运动控制指令信号，同时，臂架姿态监测单元41实时采集臂架的姿态信息，并转换生成臂架末端的当前位置信号，运动控制单元42根据运动控制指令信号、臂架末端的当前位置信号，通过预先设计好的运动控制策略生成相应的控制信号并发送给运动执行单元43，通过运动执行单元43中各臂节油缸、回转液压马达的作动，最终使臂架系统在末端软管操作员的直接控制作用下，实现末端软管的混凝土出口按照期望的浇筑路线进行运动，保持臂架末端软管的混凝土出口与期望浇筑位置一致。

本发明中，末端软管20上安装有操控手柄10，可由末端软管20处的操作员直接对操控手柄10上的方向控制开关进行操作，末端软管20处的操作员可以按照浇筑现场的实际情况来发出期望末端软管20运动方向的电信号，电信号可以传递至控制各臂架的油缸伸缩的控制机构，由控制机构对各臂架的油缸的伸缩控制以实现臂架末端（末端软管20）按期望轨迹的运动控制，可以提高末端软管20的运动精度、施工效率和操作员的施工安全性，且操控手柄10的成本低、安装及拆卸维护方便。另外，操控手柄10上设有模式切换开关19，其中一种状态为末端手柄操控模式，另一种状态为遥控器操控模式，可以依据需要选择末端手柄操控模式或者遥控器操控模式，两种状态具有互锁功能，保证在任意时刻只有其中一种状态处于开启，使用方便灵活。

可选地，操控手柄10上第一夹圈11和第二夹圈12的一端可以通过铰接形式进行联接，另一端可以通过螺栓进行联接；或者操控手柄10和末端软管20可做成一体，不用通过螺栓来联接；另外，开关组件的数量可以不只为4个，每一开关组件上设置的方向控制开关的数量也可以不只为4个。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (15)

1.一种末端软管的运动控制系统，包括设置在末臂节上的末端软管，其特征在于：所述运动控制系统还包括操控手柄、臂架姿态监测单元、运动控制单元、及运动执行单元，所述操控手柄安装在末端软管上，所述操控手柄上设有方向控制开关，所述方向控制开关供末端软管处操作员进行操作来发出期望末端软管运动方向的运动控制指令信号，所述臂架姿态监测单元实时采集臂架的姿态信息并生成臂架末端的当前位置信号，所述运动控制单元同时接收所述运动控制指令信号及所述臂架末端的当前位置信号并生成相应的控制信号发送给运动执行单元，所述运动执行单元依据所述控制信号控制末端软管按照操作员期望的路线进行运动。

2.如权利要求1所述的末端软管的运动控制系统，其特征在于：所述臂架姿态监测单元包括设置在各段臂节上实时采集各段臂节与水平面的夹角的倾角传感器以及设置在转台上实时采集臂架相对转台的转动量的角度传感器。

3.如权利要求1所述的末端软管的运动控制系统，其特征在于：所述运动控制单元根据所述运动控制指令信号及所述臂架末端的当前位置信号，确定臂架末端所需的运动量，并分解为各段臂节所需的运动量以及转台所需的转动量。

4.如权利要求3所述的末端软管的运动控制系统，其特征在于：所述运动执行单元包括多路阀和驱动组件，所述多路阀包括多个电磁阀，所述驱动组件包括回转液压马达及多个臂节油缸，所述回转液压马达用于驱动所述转台的回转，所述多个臂节油缸分别用于驱动所述多段臂节的伸缩，所述多个电磁阀分别与所述回转液压马达及所述多个臂节油缸对应相连。

5.如权利要求1所述的末端软管的运动控制系统，其特征在于：所述操控手柄上设有模式切换开关，所述模式切换开关对应两种状态，其中一种状态为末端手柄操控模式，另一种状态为遥控器操控模式，通过按压所述模式切换开关，可以选定对臂架进行运动控制的模式并在末端手柄操控模式与遥控器操控模式之间进行切换。

6.如权利要求1所述的末端软管的运动控制系统，其特征在于：所述方向控制开关的数量为四个，分别用于发出控制末端软管向下、向上、向外径方向、向内径方向运动的电信号。

7.如权利要求6所述的末端软管的运动控制系统，其特征在于：所述操控手柄上设有集成式的开关组件，所述四个方向控制开关集成设置在所述开关组件上。

8.如权利要求1至7任一项所述的末端软管的运动控制系统，其特征在于：所述操控手柄套设安装于末端软管的外周面上。

9.如权利要求8所述的末端软管的运动控制系统，其特征在于：所述操控手柄包括第一夹圈、第二夹圈、第一扶手、及第二扶手，所述第一夹圈和第二夹圈合围成圆形，用于套设固定在末端软管的外周面上，所述第一扶手和第二扶手分别环设在第一夹圈和第二夹圈的外围，所述第一扶手和第二扶手为弧形的管件结构，中间是空心的。

10.一种末端软管的运动控制方法，对设置在末臂节上的末端软管进行运动控制，其特征在于：所述末端软管上安装有操控手柄且所述操控手柄上设有方向控制开关，所述运动控制方法包括如下步骤：

由末端软管处操作员对所述方向控制开关进行操作来发出期望末端软管运动方向的运动控制指令信号；

利用臂架姿态监测单元实时采集臂架的姿态信息并生成臂架末端的当前位置信号；

利用运动控制单元同时接收所述运动控制指令信号及所述臂架末端的当前位置信号，并生成相应的控制信号；及

利用运动执行单元接收所述控制信号，并依据所述控制信号控制末端软管按照操作员期望的路线进行运动。

11.如权利要求10所述的末端软管的运动控制方法，其特征在于：所述臂架姿态监测单元包括设置在各段臂节上实时采集各段臂节与水平面的夹角的倾角传感器以及设置在转台上实时采集臂架相对转台的转动量的角度传感器。

12.如权利要求10所述的末端软管的运动控制方法，其特征在于：所述运动控制单元根据所述运动控制指令信号及臂架末端的当前位置信号，确定臂架末端所需的运动量，并分解为各段臂节所需的运动量以及转台所需的转动量。

13.如权利要求12所述的末端软管的运动控制方法，其特征在于：所述运动执行单元包括多路阀和驱动组件，所述多路阀包括多个电磁阀，所述驱动组件包括回转液压马达及多个臂节油缸，所述回转液压马达用于驱动所述转台的回转，所述多个臂节油缸分别用于驱动所述多段臂节的伸缩，所述多个电磁阀分别与所述回转液压马达及所述多个臂节油缸对应相连。

14.如权利要求10所述的末端软管的运动控制方法，其特征在于：所述方向控制开关的数量为四个，分别用于发出控制末端软管向下、向上、向外径方向、向内径方向运动的电信号。

15.一种混凝土泵送设备，包括车体、转台、及臂架，所述臂架通过转台可转动地安装在车体上，所述臂架具有多段臂节，其特征在于：所述混凝土泵送设备还包括如权利要求1至9任一项所述的末端软管的运动控制系统。

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