CN103572967B - 一种臂架控制设备、系统、方法和工程机械 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种臂架控制设备、系统、方法和工程机械。该臂架包括相互连接的多节臂节，该设备包括：接收装置，接收臂架姿态和臂架末端的目标位置信号；控制装置，根据臂架姿态和各臂节臂长确定臂架末端的当前位置；根据臂架姿态确定各臂节的选臂系数；基于选臂系数确定需要调整的臂节；根据当前位置、目标位置以及臂架姿态确定对所述需要调整的臂节的调整量；以及按照所确定出的需要调整的臂节的调整量对相应臂节进行调整，以使臂架末端到达目标位置。由此，可以实现臂架的智能控制，并通过各臂节的选臂系数来选择需要调整的臂节，避免了靠操作者经验选取的主观性，保证在臂架移动过程中使用的是最优选的一个或多个臂节，以实现最优控制。

Description

一种臂架控制设备、系统、方法和工程机械

技术领域

本发明涉及工程机械领域，具体地，涉及一种臂架控制设备、系统、方法和工程机械。

背景技术

目前，混凝土泵车的操作是通过遥控器来控制单节臂或者多节臂复合动作，手柄开度对应控制阀输出的控制电流值大小，从而控制臂架油缸的运动速度。但因臂架展开后高度的影响，操作者不能全局把握臂架运动姿态，且不同的臂架运动全凭操作者经验，臂架运动的多少不能把握，臂架运动过的轨迹也是不规则运动，无法精确控制臂架。此外，对于多臂架系统（例如，五节臂），在进行臂架复合动作规划时，如果凭操作者的经验选择需要调整的臂节，主观性较强，且往往不能实现最优控制。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够对臂架运动进行智能控制且无需依靠操作者经验选择控制的臂节的臂架控制设备、系统、方法和工程机械。

为了实现上述目的，本发明提供一种臂架控制设备，所述臂架包括相互连接的多节臂节，该设备包括：接收装置，用于接收臂架姿态信号和臂架末端的目标位置信号；控制装置，用于根据所述臂架姿态和各臂节的臂长确定所述臂架末端的当前位置；根据所述臂架姿态确定各臂节的选臂系数；基于所述选臂系数确定需要调整的臂节；根据所述臂架末端的当前位置、目标位置以及所述臂架姿态确定对所确定出的需要调整的臂节的调整量；以及按照所确定出的所述需要调整的臂节的调整量对相应臂节进行调整，以使所述臂架末端到达所述目标位置。

本发明还提供一种臂架控制系统，所述臂架包括相互连接的多节臂节，该系统包括：臂架姿态检测装置，用于检测所述臂架姿态；目标位置设定装置，用于设定臂架末端的目标位置；以及上述控制设备。

本发明还提供一种包括上述系统的工程机械。

本发明还提供一种臂架控制方法，所述臂架包括相互连接的多节臂节，该方法包括：接收臂架姿态信号和臂架末端的目标位置信号；根据所述臂架姿态和各臂节的臂长确定所述臂架末端的当前位置；根据所述臂架姿态确定各臂节的选臂系数；基于所述选臂系数确定需要调整的臂节；根据所述臂架末端的当前位置、目标位置以及所述臂架姿态确定对所确定出的需要调整的臂节的调整量；以及按照所确定出的所述需要调整的臂节的调整量对相应臂节进行调整，以使所述臂架末端到达所述目标位置。

通过上述技术方案，可以实现臂架运动的智能控制，并且通过确定各臂节的选臂系数来选择需要调整的臂节，避免了依靠操作者经验选取的主观性，保证在臂架末端从当前位置移动至目标位置的过程中使用的是最优选的一个或多个臂节，从而实现最优控制。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是根据本发明的实施方式的臂架控制设备的结构图；

图2是某一姿态下的臂架示意图；

图3是根据本发明的实施方式的臂架移动分阶段控制的示意图；

图4是根据本发明的实施方式的臂架控制系统的结构图；以及

图5是根据本发明的实施方式的臂架控制方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

图1示出了根据本发明的实施方式的臂架控制设备的结构图，其中，所述臂架包括相互连接的多节臂节。如图1所示，该控制设备10可以包括：接收装置101，用于接收臂架姿态信号和臂架末端的目标位置信号；控制装置102，用于根据所述臂架姿态和各臂节的臂长确定所述臂架末端的当前位置；根据所述臂架姿态确定各臂节的选臂系数；基于所述选臂系数确定需要调整的臂节；根据所述臂架末端的当前位置、目标位置以及所述臂架姿态确定对所确定出的需要调整的臂节的调整量；以及按照所确定出的所述需要调整的臂节的调整量对相应臂节进行调整，以使所述臂架末端到达所述目标位置。

下面以具有五节臂节的臂架为例来进行详细描述。应该理解的是，具有五节臂节的臂架系统仅仅是示例性的，具有其他数量的臂节的臂架系统也可以被使用。

臂架接收装置101所接收到的臂架姿态信号包括各臂节的臂节角度信号，也可包括臂节之间各个铰点和臂架末端的位置信号，以此得出各臂节的臂节角度信号。图2示出了某一姿态下的臂架的示意图。如图2所示，该臂架包括五节臂节，分别为一臂、二臂、三臂、四臂和五臂。各臂节的臂节角度分别为θ₁、θ₂、θ₃、θ₄、θ₅。所述臂架具有一臂架末端，该臂架末端的坐标为（X，Y）。该臂架末端的位置与各臂节的臂节角度和长度有关，如等式（1）所示：

$\left\{\begin{array}{c}X=L_1\cos {\mathrm{\θ}}_1+L_2\cos {\mathrm{\θ}}_2+L_3\cos {\mathrm{\θ}}_3+L_4\cos {\mathrm{\θ}}_4+L_5\cos {\mathrm{\θ}}_5\\ Y=L_1\sin {\mathrm{\θ}}_1+L_2\sin {\mathrm{\θ}}_2+L_3\sin {\mathrm{\θ}}_3+L_4\sin {\mathrm{\θ}}_4+L_5\sin {\mathrm{\θ}}_5\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，L₁、L₂、L₃、L₄、L₅分别为一臂、二臂、三臂、四臂和五臂的臂节长度。

在接收装置101接收到臂架姿态信号和臂架末端的目标位置信号之后，控制装置102可以按照等式（1）计算出臂架末端的当前位置。

为了确定出需要对哪些臂节进行调整，控制装置102可以首先根据所述臂架姿态确定各臂节的选臂系数，然后基于所述选臂系数来确定需要调整的臂节。所述选臂系数可以通过以下方式来被确定：

ω_i=ζ_i×η_i     （2）

其中，ω_i为各臂节的选臂系数，ζ_i为预定的各臂节的动作系数，与各臂节的动作频率有关，以及η_i为各臂节的角度系数，与各臂节的臂节角度和各臂节允许的臂节角度范围有关。

所谓臂节的动作频率是指在进行臂架姿态调整时，根据日常的操作经验，各臂节被动作的次数（可体现为某一臂节是经常被动作，还是不经常被动作）。臂节的动作频率越大，该臂节的动作系数ζ_i越大。例如，若在臂架调整时，一臂的动作频率最大，则一臂的动作系数ζ_i最大。所有臂节的动作系数之和为1。各臂节的动作系数是根据经验预先设定的固定参数。

各臂节在当前的臂节角度下各自对应一个角度系数η_i。在臂节向目标方向移动时，从当前的臂节角度起，臂节在其允许的臂节角度范围之内具有的角度变化量越大，该臂节的角度系数η_i越大。例如，假设某一臂节允许的臂节角度范围为（θ_imin，θ_imax），其移动朝向角度增大方向，则较小臂节角度所对应的角度系数大于较大臂节角度所对应的角度系数。各臂节的臂节角度在其允许的臂节角度范围内与角度系数的对应关系可以被预设，由此，在控制装置102接收到包括臂节角度信息的臂架姿态信号之后，其可以根据所述对应关系确定出与各臂节的臂节角度对应的角度系数，然后再根据各臂节的动作系数共同确定出选臂系数。

在确定出各臂节的选臂系数之后，控制装置102可以根据所确定出的选臂系数来选择需要调整的臂节。优选地，所述控制装置102从所有臂节中选择具有最大的三个选臂系数的三个臂节来进行调整，由此可以保证在进行多臂节臂架调整时，操作调整方式唯一。

为了更为精确的调整臂架，所述控制装置102还可以用于在所述当前位置与所述目标位置之间划分多个位置区间，按照该多个位置区间对所述臂架进行逐步调整。

例如，如图3所示，假设臂架末端的当前位置为位置1，其目标位置为位置3，则控制装置102可在这两个位置之间设定一个中间位置2，以将位置1与位置3之间划分成两个位置区间，分别为位置1-位置2，以及位置2-位置3。

所述控制装置102在每个位置区间执行以下操作：在当前位置区间的起点，根据该起点处的臂架姿态，确定各臂节的选臂系数；基于所述选臂系数，确定在当前位置区间中需要调整的臂节；将当前位置区间的起点作为当前位置、终点作为目标位置，根据该当前位置、目标位置、以及该当前位置处的臂架姿态，确定在当前位置区间中对所述需要调整的臂节的调整量；以及按照所确定出的所述需要调整的臂节的调整量对相应臂节进行调整。

例如，假设臂架末端当前处于位置1，则控制装置102首先根据位置1处的臂架姿态确定各臂节的选臂系数，然后基于所述选臂系数，确定在从位置1到位置2的位置区间中需要调整的臂节（例如，一臂、二臂和四臂）。然后根据位置1、位置2以及位置1下的臂架姿态确定出在从位置1到位置2的位置区间中对所述需要调整的臂节的调整量。之后，按照所确定出的所述需要调整的臂节的调整量对相应臂节进行调整。

当臂架末端到达位置2时，控制装置102根据该位置2处的臂架姿态确定各臂节的选臂系数，然后基于所述选臂系数，确定在从位置2到位置3的位置区间中需要调整的臂节（例如，一臂、三臂和四臂）。然后根据位置2、位置3以及位置2下的臂架姿态确定出在从位置2到位置3的位置区间中对所述需要调整的臂节的调整量。之后，按照所确定出的所述需要调整的臂节的调整量对相应臂节进行调整，以使臂架末端到达目标位置，即位置3。

由此，可以对臂架进行分段控制，提高控制精度，并且在每个区间中均基于选臂系数来确定需要调整的臂节，从而保证在每个分段控制期间，均是对最优选的臂节进行调整，以此实现最优控制。

优选地，所述多个位置区间是等距的。

在进行分段调节的基础上，本发明提供的臂架控制设备还可以实时地跟踪臂架末端的位置，以便更新位置区间。具体地，所述接收装置101还可以用于接收在所述当前位置区间中进行臂节调整后的臂架姿态信号；以及所述控制装置102还可以用于根据所述调整后的臂架姿态和各臂节的臂长确定所述臂节末端的位置，并在该位置与所述当前位置区间的终点不一致的情况下，以该位置作为下一位置区间的起点。

例如，在从位置1到位置2的位置区间中，若调整后的臂架末端的位置为2’（如图3所示），则控制装置102将以该位置2’作为下一位置区间的起点，也就是说，原来的从位置2到位置3的位置区间被更新为从位置2’到位置3。通过对位置区间的修正，可以减少运动误差，实现臂架的精确控制。

在臂架系统中，每个臂节经由各自的臂架油缸驱动，所述控制装置102对所述相应臂节进行调整包括：向与所述相应臂节对应的臂架油缸发出控制信号；以及所述臂架油缸响应于所述控制信号驱动各自的臂节。

每个臂架油缸具有各自的预定响应延迟时间，且各个响应延迟时间不同。例如，一臂的响应延迟时间为t₁、二臂的响应延迟时间为t₂、三臂的响应延迟时间为t₃、四臂的响应延迟时间为t₄、五臂的响应延迟时间为t₅，且有t₁<t₂<t₃<t₄<t₅。各个响应延迟时间可依据实验数据得出。为了保证需要调整的臂节同时动作、同时停止，所述控制装置102可以基于各个臂架油缸的响应延迟时间确定各个臂架油缸的控制信号提前时间，并以与所述相应臂节对应的臂架油缸的控制信号提前时间为基础提前向所述与所述相应臂节对应的臂架油缸发出控制信号。例如，假设确定动作一臂、二臂和四臂，控制装置102分别提前t₁、t₂和t₄向一臂、二臂和四臂发送控制信号。由此，可以保证需要进行调整的臂节能够同时动作、同时停止，避免因臂架油缸的响应延迟问题而造成整体运动误差。

图4示出了根据本发明的实施方式的臂架控制系统的结构图。如图4所示，该系统可以包括：臂架姿态检测装置20，用于检测所述臂架姿态；目标位置设定装置30，用于设定臂架末端的目标位置；以及上述控制设备10。

所述臂架姿态检测装置20可以例如为角度传感器。所述角度传感器可例如安装于各个臂节，分别检测各个臂节的臂节角度。

此外，所述系统还可以包括显示装置40，用于显示所述臂架姿态。由此，可以在对臂架进行控制期间能够更清楚地了解臂架姿态，有助于对臂架控制的整体把握。

图5示出了根据本发明的实施方式的臂架控制方法的流程图。如图5所示，该方法可以包括：步骤501，接收臂架姿态信号和臂架末端的目标位置信号。步骤502，根据所述臂架姿态和各臂节的臂长确定所述臂架末端的当前位置。步骤503，根据所述臂架姿态确定各臂节的选臂系数。步骤504，基于所述选臂系数确定需要调整的臂节。步骤505，根据所述臂架末端的当前位置、目标位置以及所述臂架姿态确定对所确定出的需要调整的臂节的调整量。以及步骤506，按照所确定出的所述需要调整的臂节的调整量对相应臂节进行调整，以使所述臂架末端到达所述目标位置。

虽然在图5中未示出，但所述方法还可以包括在所述当前位置与所述目标位置之间划分多个位置区间，按照该多个位置区间对所述臂架进行逐步调整。在这种情况下，在每个位置区间中，将当前位置区间的起点作为当前位置、终点作为目标位置，来确定在所述当前位置区间中需要调整的臂节。具体地，在每个位置区间中执行以下操作：在当前位置区间的起点，根据该起点处的臂架姿态，确定各臂节的选臂系数；基于所述选臂系数，确定在当前位置区间中需要调整的臂节；将当前位置区间的起点作为当前位置、终点作为目标位置，根据该当前位置、目标位置、以及该当前位置处的臂架姿态，确定在当前位置区间中对所述需要调整的臂节的调整量；以及按照所确定出的所述需要调整的臂节的调整量对相应臂节进行调整。

所述方法还可以包括：接收在所述当前位置区间中进行臂节调整后的臂架姿态信号；以及根据所述调整后的臂架姿态和各臂节的臂长确定所述臂节末端的位置，并在该位置与所述当前位置区间的终点不一致的情况下，以该位置作为下一位置区间的起点。

优选地，所述多个位置区间可以是等距的，且基于所述选臂系数确定出的需要调整的臂节为所有臂节中具有最大的三个选臂系数的三个臂节。

每个臂节可以经由各自的臂架油缸驱动，以及上述步骤506中对所述相应臂节进行调整可以包括：向与所述相应臂节对应的臂架油缸发出控制信号；以及所述臂架油缸响应于所述控制信号驱动各自的臂节。

每个臂架油缸具有各自的预定响应延迟时间，以及基于各个臂架油缸的响应延迟时间确定各个臂架油缸的控制信号提前时间，并以与所述相应臂节对应的臂架油缸的控制信号提前时间为基础提前向所述与所述相应臂节对应的臂架油缸发出控制信号。

通过本发明提供的臂架控制设备、系统、方法和工程机械，可以实现臂架运动的智能控制，并且通过确定各臂节的选臂系数来选择需要调整的臂节，避免了依靠操作者经验选取的主观性，保证在臂架末端从当前位置移动至目标位置的过程中使用的是最优选的一个或多个臂节，从而实现最优控制。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (23)

1.一种臂架控制设备，所述臂架包括相互连接的多节臂节，其特征在于，该设备包括：

接收装置，用于接收臂架姿态信号和臂架末端的目标位置信号；

控制装置，用于：

根据所述臂架姿态信号所表示的臂架姿态和各臂节的臂长确定所述臂架末端的当前位置；

根据所述臂架姿态确定各臂节的选臂系数；

基于所述选臂系数确定需要调整的臂节；

根据所述臂架末端的当前位置、目标位置以及所述臂架姿态确定对所确定出的需要调整的臂节的调整量；以及

按照所确定出的所述需要调整的臂节的调整量对相应臂节进行调整，以使所述臂架末端到达所述目标位置。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述控制装置还用于在所述当前位置与所述目标位置之间划分多个位置区间，按照该多个位置区间对所述臂架进行逐步调整。

3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述控制装置在每个位置区间中，将当前位置区间的起点作为当前位置、终点作为目标位置，来确定在所述当前位置区间中需要调整的臂节。

4.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，

所述接收装置还用于接收在所述当前位置区间中进行臂节调整后的臂架姿态信号；以及

所述控制装置还用于根据所述调整后的臂架姿态和各臂节的臂长确定所述臂节末端的位置，并在该位置与所述当前位置区间的终点不一致的情况下，以该位置作为下一位置区间的起点。

5.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述多个位置区间等距。

6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述控制装置基于所述选臂系数确定出的需要调整的臂节为所有臂节中具有最大的三个选臂系数的三个臂节。

7.根据权利要求1-6中任一权利要求所述的设备，其中所述臂架姿态信号包括各臂节的臂节角度信号，其特征在于，所述选臂系数通过以下方式确定：

ω_i＝ζ_i×η_i

其中，ω_i为各臂节的选臂系数，ζ_i为预定的各臂节的动作系数，与各臂节的动作频率有关，以及η_i为各臂节的角度系数，与各臂节的臂节角度和各臂节允许的臂节角度范围有关。

8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，

臂节的动作频率越大，该臂节的动作系数ζ_i越大，且各臂节的动作系数ζ_i之和为1；以及

在臂节向目标方向移动时，从当前的臂节角度起，臂节在其允许的臂节角度范围之内具有的角度变化量越大，该臂节的角度系数η_i越大。

9.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，每个臂节经由各自的臂架油缸驱动，以及所述控制装置对所述相应臂节进行调整包括：

向与所述相应臂节对应的臂架油缸发出控制信号；以及

所述臂架油缸响应于所述控制信号驱动各自的臂节。

10.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，每个臂架油缸具有各自的预定响应延迟时间，以及所述控制装置基于各个臂架油缸的响应延迟时间确定各个臂架油缸的控制信号提前时间，并以与所述相应臂节对应的臂架油缸的控制信号提前时间为基础提前向所述与所述相应臂节对应的臂架油缸发出控制信号。

11.一种臂架控制系统，所述臂架包括相互连接的多节臂节，其特征在于，该系统包括：

根据权利要求1-10中任一权利要求所述的控制设备；

臂架姿态检测装置，用于检测所述臂架姿态；以及

目标位置设定装置，用于设定臂架末端的目标位置。

12.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，该系统还包括：

显示装置，用于显示所述臂架姿态。

13.一种包括权利要求11或12所述的系统的工程机械。

14.一种臂架控制方法，所述臂架包括相互连接的多节臂节，其特征在于，该方法包括：

接收臂架姿态信号和臂架末端的目标位置信号；

根据所述臂架姿态信号所表示的臂架姿态和各臂节的臂长确定所述臂架末端的当前位置；

根据所述臂架姿态确定各臂节的选臂系数；

基于所述选臂系数确定需要调整的臂节；

根据所述臂架末端的当前位置、目标位置以及所述臂架姿态确定对所确定出的需要调整的臂节的调整量；以及

按照所确定出的所述需要调整的臂节的调整量对相应臂节进行调整，以使所述臂架末端到达所述目标位置。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，该方法还包括在所述当前位置与所述目标位置之间划分多个位置区间，按照该多个位置区间对所述臂架进行逐步调整。

16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，在每个位置区间中，将当前位置区间的起点作为当前位置、终点作为目标位置，来确定在所述当前位置区间中需要调整的臂节。

17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，该方法还包括：

接收在所述当前位置区间中进行臂节调整后的臂架姿态信号；以及

根据所述调整后的臂架姿态和各臂节的臂长确定所述臂节末端的位置，并在该位置与所述当前位置区间的终点不一致的情况下，以该位置作为下一位置区间的起点。

18.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述多个位置区间等距。

19.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，基于所述选臂系数确定出的需要调整的臂节为所有臂节中具有最大的三个选臂系数的三个臂节。

20.根据权利要求14-19中任一权利要求所述的方法，其中所述臂架姿态信号包括各臂节的臂节角度信号，其特征在于，所述选臂系数通过以下方式确定：

ω_i＝ζ_i×η_i

其中，ω_i为各臂节的选臂系数，ζ_i为预定的各臂节的动作系数，与各臂节的动作频率有关，以及η_i为各臂节的角度系数，与各臂节的臂节角度和各臂节允许的臂节角度范围有关。

21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，

臂节的动作频率越大，该臂节的动作系数ζ_i越大，且各臂节的动作系数ζ_i之和为1；以及

在臂节向目标方向移动时，从当前的臂节角度起，臂节在其允许的臂节角度范围之内具有的角度变化量越大，该臂节的角度系数η_i越大。

22.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，每个臂节经由各自的臂架油缸驱动，以及对所述相应臂节进行调整包括：

向与所述相应臂节对应的臂架油缸发出控制信号；以及

所述臂架油缸响应于所述控制信号驱动各自的臂节。

23.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，每个臂架油缸具有各自的预定响应延迟时间，以及基于各个臂架油缸的响应延迟时间确定各个臂架油缸的控制信号提前时间，并以与所述相应臂节对应的臂架油缸的控制信号提前时间为基础提前向所述与所述相应臂节对应的臂架油缸发出控制信号。