CN104032959B - 一种工程机械和臂架控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种臂架控制系统，包括控制器和遥控器，控制器安装在工程机械上，遥控器包括至少一个坐标变换开关，在智能模式下，坐标变换开关用于变换车身坐标系或遥控器坐标系。本发明还提供了一种工程机械。本发明操作手站在工程机械前后和/或左右四个方位上，万向遥控手柄扳动方向与臂架末端目标移动方向基本一致，同时亦可操控另一手柄调节臂架末端高度，满足操作手视觉与臂架动作方向统一，提高操作手操作适用性和灵活性，造价成本低，操作稳定性好。

Description

一种工程机械和臂架控制系统

技术领域

本发明涉及工程机械领域，特别涉及一种工程机械和臂架控制系统。

背景技术

工程机械臂架，例如混凝土泵车的臂架，一般由多节臂依次相互铰接而成，混凝土通过臂架输送到目标浇注点。对于臂架的控制，目前包括手动控制方法，手动控制方法一般在遥控器上设置有相应的臂节遥控手柄，如果臂架由4节臂组成，遥控器上就设置有4个臂节遥控手柄，一个臂节遥控手柄控制一个臂节姿态，操作人员使用遥控器对各臂节分别进行控制，使臂架的整体从初始姿态运动到目标姿态，这种方式操作较为复杂，并且效率较低。

为了解决上述问题，臂架的控制采用智能控制方法，遥控器上包括一个万向遥控手柄，万向遥控手柄可以360度方向扳动，臂架控制系统根据万向遥控手柄扳动方向和速度，经过各臂节运动规划计算，使臂架末端向目标移动方向移动。

目前，臂架的控制采用智能控制时，臂架控制系统只有一个车身坐标系，一般是以臂架旋转中心为坐标系原点，混凝土泵车车身方向为X轴，垂直于混凝土泵车车身驾驶室方向为Y轴，并基于右手准则判定Z轴方向。臂架在控制过程中，只有操作人员站在相对混凝土泵车车身某一固定方向上，使遥控器上的坐标系与臂架控制系统上的坐标系基本一致时，才能使臂架末端的目标移动方向与操作者万向手柄的扳动方向基本一致。

如图1所示，当操作者站在C位置时，万向手柄沿箭头方向扳动，则臂架末端会朝着目标移动AB方向移动；操作者若变换站位方向，例如站在E位置，则需朝与臂架末端目标移动AB方向相反的方向扳动万向遥控手柄；如果站在D位置，则操作方向与臂架末端目标移动AB方向完全不一致。

因此，臂架在操作过程中，遥控器必须处于特定的位置上，才能保证遥控器操作方向与臂架末端目标移动AB方向完全一致，在其它位置，遥控器操作方向与臂架末端目标移动AB方向不完全一致。而操作人员在实际操作过程中需要站在不同方位上操作，很难保证遥控器一直处于特定的位置上，因此臂架的操作舒适感将大为降低。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种工程机械和臂架控制系统，以解决操作手站在不同方位上，万向遥控手柄扳动方向与臂架末端目标移动方向基本一致的问题。

一方面，本发明提供了一种臂架控制系统，包括控制器和遥控器，控制器安装在工程机械上，遥控器包括至少一个坐标变换开关，在智能模式下，坐标变换开关用于变换车身坐标系或遥控器坐标系。

进一步地，控制器接收坐标变换开关信号，变换控制器内车身坐标系。

进一步地，包括四个坐标变换开关。

进一步地，四个坐标变换开关中的一个设定为默认坐标变换开关。

进一步地，包括坐标变换开关包括四个档位，四个档位对应变换的四个坐标系。

进一步地，四个坐标变换开关对应变换的四个车身坐标系；第一个车身坐标系是以工程机械的从车头至车尾方向为X1正半轴，垂直车身向上方向为Y1正半轴；第二个车身坐标系是在第一个车身坐标的基准上逆时针旋转90度获得；第三个车身坐标系是在第一个车身坐标的基准上逆时针旋转180度获得；第四个车身坐标系是在第一个车身坐标的基准上逆时针旋转270度获得。

进一步地，遥控器包括万向遥控手柄和升降手柄，在智能模式下，万向遥控手柄用于控制臂架末端平面内动作，升降手柄实现臂架末端高度调节。控制器接收万向遥控手柄及升降手柄操作信号，根据变换后的车身坐标系计算臂架驱动信号。

进一步地，还包括用于手动控制模式和智能控制模式的切换开关；在手动控制模式下，坐标变换开关用于控制臂架的相应臂节动作。

进一步地，遥控器根据坐标变换开关信号，变换遥控器坐标系。

另外还提供了一种工程机械，包括上述的臂架控制系统。

本发明提供的工程机械和臂架控制系统，在遥控器上设置坐标变换开关，在智能模式下，根据遥控器与工程机械摆放相对位置，拨动相应的坐标变换开关；控制器接收坐标变换开关信号，变换控制器内的车身坐标系，使控制器内的车身坐标系与遥控器内的遥控器坐标系朝向一致。这样使得计算臂架驱动信号的车身坐标系和计算万向遥控手柄操作信号的遥控器坐标系是一致，所以万向遥控手柄扳动方向与臂架末端目标移动方向基本一致。假如，操作手站在工程车辆的右方，拨动第一个坐标变换开关，控制器接收坐标变换开关信号，变换控制器内的第一个车身坐标系，第一个车身坐标系与遥控器内的遥控器坐标系朝向一致，这样使得万向遥控手柄扳动方向与臂架末端目标移动方向基本一致。假如，操作手站在工程车辆的后方，拨动第二个坐标变换开关，控制器接收坐标变换开关信号，变换控制器内的第三个车身坐标系，第二个车身坐标系与遥控器内的遥控器坐标系朝向一致。假如，操作手站在工程车辆的左方，拨动第三个坐标变换开关，控制器接收坐标变换开关信号，变换控制器内的第三个车身坐标系，第三个车身坐标系与遥控器内的遥控器坐标系朝向一致。假如，操作手站在工程车辆的左方，拨动第四个坐标变换开关，控制器接收坐标变换开关信号，变换控制器内的第四个车身坐标系，第四个车身坐标系与遥控器内的遥控器坐标系朝向一致。如果将四个坐标变换开关中的一个设定默认坐标变换开关，也就是设定一个车身坐标系为默认车身坐标系。同理，也可以将坐标变换开关用于变换遥控器坐标系，使计算臂架驱动信号的车身坐标系和计算万向遥控手柄操作信号的遥控器坐标系是一致。

另外，也可以采用旋扭开关替代多个坐标变换开关进行变换车身坐标系。

本发明的臂架控制系统不仅可以实现手动控制，也可以实现智能控制。操作手可以站在工程机械前后和/或左右四个方位上，操控臂架动作，确保万向遥控手柄扳动方向与臂架末端目标移动方向基本一致，满足操作手视觉与臂架动作方向统一，提高操作手操作适用性和灵活性，造价成本低，结构非常巧妙。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为现有技术的臂架控制示意图；

图2为本发明臂架控制原理示意图；

图3为本发明臂架控制流程示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为了方便描述工程车辆方位，站在工程机械驾驶室前方，面向工程机械。位于操作人员左手边的为工程机械的左侧，位于操作人员右手边的为工程机械的右侧，在工程机械驾驶室方位为前方，在工程机械车身1尾部为后方。

下述的车身坐标系是以工程车辆为参照物设在臂架控制程序中，对于设计者而言，便于进行臂架姿态定位，是计算臂架驱动信号的依据。下述的遥控器坐标系是以遥控器为参照物设在遥控器操作程序中，对于设计者而言，便于进行万向遥控手柄姿态定位，是计算万向遥控手柄4扳动信号的依据。并将遥控器处理好的数据传输给控制器，控制器根据遥控器的控制信号计算臂架驱动信号输出。

操作手拿遥控器的习惯，操作手的右方是遥控器3的X正半轴，操作手的前方是遥控器3的Y正半轴。

如图2和图3所示，本发明提供了一种优选的臂架控制系统，包括控制器(图中未示出)和遥控器3，控制器安装在工程机械上。假如设定第一车身坐标系为基准车身坐标系，也是默认车身坐标系。第一个车身坐标系是以工程机械的从车头至车尾方向为X1轴正方向，垂直车身向上方向为Y1轴正方向；以O点为原点，根据笛卡尔坐标系右手定则，可确定Z轴。

车身坐标系的变换是指在基准车身坐标系的基准上进行旋转及平移获得的，旋转及平移均是在基准坐标系的X轴和Y轴所形成的平面内进行的。

车身坐标系平移变换数学公式如下：

若空间平移量为(Δx,Δy,Δz)，则平移变换为

$\left\{\begin{array}{c}{x}^{\′}=x+\mathrm{\Δx}\\ y^{\′}=y+\mathrm{\Δy}\\ z^{\′}=z+\mathrm{\Δz}\end{array}\right.$

采用矩阵形式可表示成：

$\left(\begin{array}{cccc}{x}^{\′}& y^{\′}& z^{\′}& 1\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cccc}x& y& z& 1\end{array}\right)\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\\ \mathrm{\Δx}& \mathrm{\Δy}& \mathrm{\Δz}& 1\end{array}\right]$

若空间旋转量为γ，车身坐标系绕Z轴旋转变换数学公式如下：

x'＝xcosγ-ysinγ

y'＝xsinγ+ycosγ

z′＝z

采用矩阵形式可表示成：

$\left(\begin{array}{cccc}{x}^{\′}& y^{\′}& z^{\′}& 1\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cccc}x& y& z& 1\end{array}\right)\left[\begin{array}{cccc}\cos \mathrm{\γ}& \sin \mathrm{\γ}& 0& 0\\ -\sin \mathrm{\γ}& \cos \mathrm{\γ}& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

第二个车身坐标系是在第一个车身坐标的基准上逆时针旋转90度获得；以垂直车身向上方向为X2轴正方向，工程机械的驾驶室方向为Y2轴正方向。第三个车身坐标系是在第一个车身坐标的基准上逆时针旋转180度获得，以工程机械的驾驶室方向为X3轴正方向，垂直车身向下方向为Y3轴正方向；第四个车身坐标系是在第一个车身坐标的基准上逆时针旋转270度获得，以垂直车身向下方向为X4轴正方向，车身尾部方向为Y3轴正方向。

遥控器3包括万向遥控手柄4和升降手柄6及4个臂节操作手柄及切换开关5；臂节操作手柄的个数是根据工程机械臂架2的臂节数量进行设置，其中4个臂节操作手柄作为坐标变换开关使用。如果工程机械臂架2的臂节数量为6个，在遥控器3上就设置6个臂节操作手柄。切换开关5用于手动控制模式和智能控制模式之间的切换；在手动控制模式下，一个臂节操作手柄用于控制一个臂节动作，升降手柄6用于调节臂架旋转动作。在智能控制模式下，4个臂节操作手柄用作坐标变换开关，进行变换四个车身坐标系，升降手柄6用于调节臂架末端高度。例如：在智能控制模式下，第一个臂节操作手柄7作为第一个坐标变换开关，用于变换第一个车身坐标系，第二个臂节操作手柄8作为第二个坐标变换开关，用于变换第二个车身坐标系，第三个臂节操作手柄9作为第三个坐标变换开关，用于变换第三个车身坐标系，第四个臂节操作手柄10作为第四个坐标变换开关，用于变换第四个车身坐标系。如果操作人员不扳动臂节操作手柄，控制器可以默认为第一个车身坐标系。

臂架控制系统操作过程如下：

在遥控器3上打开切换开关5，遥控器3处于智能控制模式下：

如果操作手拿着遥控器3站在工程机械右侧，操作手面对工程机械，遥控器3与工程机械车身1平行，第一个车身坐标系与遥控器3坐标系基本一致，扳动第一个臂节操作手柄7一下，臂架控制系统变换为第一个车身坐标系。扳动万向遥控手柄4操作臂架末端移动，万向遥控手柄4扳动方向OM与臂架末端目标移动方向AB是基本一致的，因为万向遥控手柄4扳动方向OM角度在遥控器3坐标系和第一个车身坐标系的角度是相等的，依据万向遥控手柄4扳动方向OM信号作为臂架末端移动方向AB信号，必然使得万向遥控手柄4扳动方向OM与臂架末端目标移动方向AB基本一致。如果臂架控制系统设定第一个车身坐标系为默认，也可以不扳动第一个臂节操作手柄7，臂架控制系统默认变换第一个车身坐标系。

同理，如果操作手拿着遥控器3站在工程机械后方，操作手面对工程机械，遥控器3与工程机械车身1平行，第二个车身坐标系与遥控器坐标系基本一致，扳动第二个臂节操作手柄8一下，臂架控制系统变换为第二个车身坐标系。扳动万向遥控手柄4操作臂架末端移动，万向遥控手柄4扳动方向OP与臂架末端目标移动方向AB是基本一致的。如果臂架控制系统设定第二个车身坐标系为默认，也可以不扳动第二个臂节操作手柄8，臂架控制系统默认变换第二个车身坐标系。

同理，如果操作手拿着遥控器3站在工程机械前方，操作手面对工程机械，遥控器3与工程机械车身平行，第四个车身坐标系与遥控器坐标系基本一致，扳动第四个臂节操作手柄10一下，臂架控制系统变换为第四个车身坐标系。扳动万向遥控手柄4操作臂架末端移动，万向遥控手柄4扳动方向OH与臂架末端目标移动方向AB是基本一致的。如果臂架控制系统设定第四个车身坐标系为默认，也可以不扳动第四个臂节操作手柄10，臂架控制系统默认变换第四个车身坐标系。

同理，如果操作手拿着遥控器3站在工程机械左方，操作手面对工程机械，遥控器3与工程机械车身平行，第三个车身坐标系与遥控器坐标系基本一致，扳动第三个臂节操作手柄9一下，臂架控制系统变换为第三个车身坐标系。扳动万向遥控手柄4操作臂架末端移动，万向遥控手柄4扳动方向ON与臂架末端目标移动方向AB是基本一致的。如果臂架控制系统设定第三个车身坐标系为默认，也可以不扳动第三个臂节操作手柄9，臂架控制系统默认变换第三个车身坐标系。

在遥控器3上关闭切换开关5，遥控器3处于手动控制模式下：

升降手柄6控制臂架旋转动作，第一个臂节操作手柄7控制第一个臂节动作，第二个臂节操作手柄8控制第二个臂节动作，第三个臂节操作手柄9控制第三个臂节动作，第四个臂节操作手柄10控制第四个臂节动作。

另外，也可以采用旋扭开关替代多个坐标变换开关进行变换车身坐标系。

也可以采用多个坐标变换开关，坐标变换开关仅用于变换车身坐标系。

另外，臂架控制系统的第二种方案，也可以采用四个坐标变换开关用于变换四个遥控器坐标系，使计算臂架驱动信号的车身坐标系和计算万向遥控手柄操作信号的遥控器坐标系是一致。根据变换的遥控制器坐标系，计算万向遥控手柄4及升降手柄6扳动信号，然后将该信号发送给控制器，控制器内的程序经过计算获得臂架驱动信号。同样可以实现相同目的。

本发明的臂架控制系统不仅可以实现手动控制，也可以实现智能控制。操作手可以站在工程机械前后和/或左右四个方位上，操控臂架动作，确保万向遥控手柄4及升降手柄6扳动方向与臂架末端目标移动方向基本一致，满足操作手视觉与臂架动作方向统一，提高操作手操作适用性和灵活性，造价成本低，结构非常巧妙。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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 (7)

1.一种臂架控制系统，包括控制器和遥控器(3)，控制器安装在工程机械上，其特征在于，遥控器(3)包括四个坐标变换开关，在智能模式下，坐标变换开关用于变换车身坐标系或遥控器坐标系，控制器接收坐标变换开关信号，变换控制器内的车身坐标系，四个坐标变换开关对应变换的四个车身坐标系；第一个车身坐标系是以工程机械的从车头至车尾方向为X1正半轴，垂直车身向上方向为Y1正半轴；第二个车身坐标系是在第一个车身坐标的基准上逆时针旋转90度获得；第三个车身坐标系是在第一个车身坐标的基准上逆时针旋转180度获得；第四个车身坐标系是在第一个车身坐标系的基准上逆时针旋转270度获得。

2.根据权利要求1所述的臂架控制系统，其特征在于，四个坐标变换开关中的一个设定为默认坐标变换开关。

3.根据权利要求1所述的臂架控制系统，其特征在于，坐标变换开关包括四个档位，四个档位对应变换的四个坐标系。

4.根据权利要求1至3任意一项所述的臂架控制系统，其特征在于，遥控器(3)包括万向遥控手柄(4)和升降手柄(6)，在智能模式下，万向遥控手柄(4)用于控制臂架末端平面内动作，升降手柄(6)实现臂架末端高度调节，控制器接收万向遥控手柄(4)及升降手柄(6)操作信号，根据变换后的车身坐标系计算臂架驱动信号。

5.根据权利要求1至3任意一项所述臂架控制系统，其特征在于，还包括用于手动控制模式和智能控制模式的切换开关(5)；在手动控制模式下，坐标变换开关用于控制臂架的相应臂节动作。

6.根据权利要求1所述的臂架控制系统，其特征在于，遥控器(3)根据坐标变换开关信号，变换遥控器坐标系。

7.一种工程机械，其特征在于，包括如权利要求1至6任意一项所述的臂架控制系统。