CN111593774B - 智能机械联动性能系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种智能机械联动性能系统。具有控制器的作业机械，所述控制器被配置为接收来自第一动臂位置传感器的第一位置信号、来自第二动臂位置传感器的第二位置信号以及来自负载测量装置的负载信号，其中控制器还被配置为基于第一位置信号、第二位置信号和负载信号计算第一致动器和第二致动器中的一者或多者的运动包络内的液压容量的图，并基于液压容量产生销通过包络的至少一部分的运动的提升路径，其中运动子包络小于运动包络。

Description

智能机械联动性能系统

技术领域

本发明涉及作业机械。

背景技术

例如，在林业产业中，抓钩集材机可以用于将采伐的立木从一个位置运输到另一个位置。这种运输通常发生在从采伐地点到加工地点。可替代地，在建筑工业中，挖掘机可以用于运输砾石、泥土或其它可移动材料。在这两种作业机械中，用于承载有效负载的机具都连接到动臂组件，该动臂组件包括多个枢转装置。然后可以将致动器布置在动臂组件上，以使动臂相对于彼此枢转，从而使机具运动。

当在动臂组件中布置多个动臂时，机具的受控运动可能相对困难，需要在操作者培训方面进行大量投资。在有效负载可变和致动器存在物理限制的情况下，这可能特别难以操纵。例如，在传统的控制系统下，操作者可沿一根轴线移动操纵杆以移动使第一动臂段枢转的一个或多个致动器，以及沿另一轴线移动操纵杆以移动使第二动臂段枢转的致动器。理论上，操作者可以控制所述两个动臂，以使得所有致动器的总运动引起承载有效负载的机具向期望位置的期望运动。然而，取决于有效负载的等级、有效负载的相对质心以及所述两个动臂在其相对于彼此和相对于车辆移动时的变化的几何形状，变化的几何形状给致动器运动与机具的运动之间的关系带来了很大的复杂性。更具体地，由于有效负载的变化而导致的致动器的负载能力的限制可能会影响机具的精确控制，并且如果没有大量的技能和实践，机具的精确控制将会相对困难。

动臂的运动可根据动臂组件的部件相对于作业机械机架的位置而显著地变化。此外，动臂组件的运动可基于作业机械所处的地面的倾度而显著地变化，因为该倾度改变了有效负载和/或机具的向下重力型拉力相对于连接到动臂组件的致动器的方向性拉力的相对取向。有效负载的取向的这种可变性最终使得使用者难以精确地控制动臂操作，尤其是在崎岖地形上穿行时。因此，需要一种具有改进的动臂控制以移动有效负载的控制系统。

发明内容

提供本发明内容以介绍在以下详细描述和附图中进一步描述的概念的选择。该概述不旨在标识所附权利要求的关键或必要特征，也不旨在用于辅助确定所附权利要求的范围。

本公开包括在有效负载移动操作期间用于作业机械的智能机械联动性能系统。

根据本公开的一方面，作业机械可包括机架、被配置为将机架支承在地面上的地面接合机构、动臂组件、负载测量装置、销和控制器。连接到作业机械的机架的动臂组件可包括第一段和第二段，该第一段可枢转地连接到机架并通过第一致动器可相对于机架移动，该第二段可枢转地连接到第一段并可相对于第一段移动。第一动臂位置传感器可连接到第一段。第二动臂位置传感器可连接到第二段。负载测量装置可连接到动臂组件并且被配置为生成指示有效负载的负载信号。销可以在远离第一段的位置处象征性地连接到第二段。销可具有包络，销通过第一段和第二段可在整个包络中移动。控制器可被配置为接收来自第一动臂位置传感器的第一位置信号、来自第二动臂位置传感器的第二动臂位置信号和来自负载测量装置的负载信号。控制器还可被配置为基于第一位置信号、第二位置信号和负载信号计算用于第一致动器和所述第二致动器中的一者或多者的运动包络内的液压容量的图。控制器还可基于液压容量生成销穿过包络的至少一部分的运动的运动子包络。运动子包络可以小于运动包络。

销可将机具连接到第二段。

销连接到机具，该机具被配置为接合有效负载。

液压容量的图可包括一系列节点，所述一系列节点实时表示第一致动器和第二致动器中的一者或多者在整个运动包络内的液压容量。

运动子包络可包括销从第一销位置穿过具有足够液压容量的节点到第二销位置的提升路径。

包络可通过颜色代码显示在用户输入界面上。颜色代码可以是基于液压容量的等级的。

负载测量装置可包括连接到第一段的第一负载测量传感器和连接到第二段的第二负载测量传感器。

当计算液压容量的图时，控制器还从连接到作业机械的倾斜传感器接收倾度信号，倾斜传感器确定作业机械的水平纵向轴线的倾度，以及述控制器基于倾度信号修改负载信号。

控制器可进一步被配置为阻止销移动到运动包络内的具有不足以用于有效负载的液压容量的多个节点。

系统还包括连接到作业机械的倾斜传感器，该倾斜传感器确定作业机械的水平纵向轴线的倾度并生成倾度信号，控制器基于倾度信号修改负载信号。

本公开包括一种作业机械的用于有效负载的运动的智能机械联动性能的方法，所述作业机械具有机架，该机架具有地面接合机构，该地面接合机构被配置为将机架支承在地面上；连接到机架的动臂组件，该动臂组件具有：第一段，该第一段可枢转地连接到机架并且通过第一致动器可相对于机架移动；连接到第一段的第一动臂位置传感器器；第二段，该第二段可枢转地连接到第一段并且通过第二致动器可相对于第一段移动；连接到第二段的第二动臂位置传感器；以及销，该销在远离第一段的位置处连接到第二段，销具有运动包络，该销通过第一段和第二段可在整个运动包络中移动，该方法包括：

将来自第一动臂位置传感器的第一位置信号、来自第二动臂位置传感器的第二位置信号以及来自负载测量装置的负载信号传输到位于作业机械上的控制器，该负载测量装置连接到动臂组件并被配置为生成指示有效负载的信号；

由控制器接收第一位置信号、第二位置信号和负载信号；

由控制器基于第一位置信号和第二位置信号来确定销在运动包络内的相对位置；

由控制器基于负载信号和销的相对位置计算第一致动器和第二致动器中的一者或多者的液压容量的图，其中，控制器根据销的相对位置、负载信号和理论性能数据模块推断在整个运动包络上的值；以及

基于液压容量生成销穿过运动包络的至少一部分的运动的运动子包络，运动子包络小于运动包络。

该方法进一步包括：从连接到作业机械的倾斜传感器发送倾度信号，该倾斜传感器确定作业机械的水平纵向轴线的倾度；由控制器接收倾度信号；以及由控制器基于倾度信号修改负载信号。

该方法还包括基于液压容量的等级通过颜色代码在用户输入界面上显示所述包络。

通过下面的详细描述和附图，这些和其他特征将变得显而易见，其中，各种特征通过图示的方式示出和描述。本公开内容能够具有其他和不同的配置，并且其若干细节能够在各种其他方面进行修改，所有这些都不脱离本公开内容的范围。因此，详细描述和附图本质上应被认为是说明性的，而不是限制的或限制性的。

附图说明

参照附图对附图进行详细说明，其中：

图1是具有智能机械联动性能系统的作业机械的第一示例性实施例的侧视图。

图2是图1所示的第一示例性实施例的动臂组件在其涉及智能性能控制模块的一部分的细节侧视图。

图3示出了图1所示的第一示例性实施例的线条示意图，其中示出了运动包络。

图4示出图1所示的第一示例性实施例的抓钩的细节图。

图5示出了用于图1所示的第一示例性实施例的一些操作者控制件。

图6A是图1所示的实施例的(一个或多个)动臂液压缸在运动包络内的液压容量的图的一个实施例。

图6B是图1所示的实施例的(一个或多个)拱架液压缸在运动包络内的液压容量的图的一个实施例。

图7A是包括图1所示的实施例的提升路径的(一个或多个)动臂液压缸在运动包络内的液压容量的图的一个实施例。

图7B是包括图1所示的实施例的提升路径的(一个或多个)拱架液压缸在运动包络内的液压容量的图的一个实施例。

图8是第一示例性实施例的线条示意图，其示出了倾度对智能机械联动性能系统的影响。

图9是智能机械联动性能系统在其涉及图1中的第一示例性实施例时的细节示意图。

图10是具有智能机械联动性能系统的作业机械的第二示例性实施例的侧视图。

图11是图10所示的第二示例性实施例的线条示意图，其中示出了运动包络。

图12是智能机械联动性能系统在其涉及图10中的第二示例性实施例时的细节示意图。

图13是与智能机械联动性能系统相关的方法。

具体实施方式

下面描述了所公开的用于机具的智能控制的系统的一个或多个示例性实施方式，如附图中的附图所示。通常，与传统的系统相比，所公开的控制系统(以及在其上实施该控制系统的作业机械)允许操作者对机具的运动进行改进的控制。

如本文所使用的，除非另外限制或修改，否则具有元件的列表(该列表中的元件由连词(例如，“和”)隔开并且还在前面具有短语“一个或多个”或“至少一个”的前缀)表示如下的配置或布置，该配置或布置可能包括列表的各个元件或这些元件的任何组合。例如，“A，B和C中的至少一个”或“A，B和C中的一个或多个”表示仅A，仅B，仅C或A、B和C中的两个或更多个的任意组合(例如，A和B；B和C；A和C；或A、B和C)的可能性。

现在参照附图并具体参照图1，机具105可以通过动臂组件110连接到作业机械100，以及动臂组件110可以通过各种致动器120移动以利用机具105完成任务。注意，致动器120可以是电动的或液压的。尽管在全文中重复地提及液压缸，但是电致动器可以与液压致动器互换。这里的讨论有时可集中在移动机具105的示例应用，其中作业机械100在第一示例性实施例中被配置为抓钩集材机200(如图1所示)，并且在第二示例性实施例中被配置为挖掘机900(如图10所示)，其中致动器120通常被配置为用于移动机具105的液压缸125。在如图1所示的抓钩集材机200的情况下，抓钩107用于移动有效负载140。抓钩集材机200通常用于使用机具105、抓钩107移动林业相关的有效负载，例如砍伐的树木和加工后的原木，其中抓钩可模拟夹钳式运动。在挖掘机900的情况下，如图10所示，铲斗905用于移动有效负载140。在其它应用中，其它构造是可行的。在一些实施例中，例如，叉、采伐头或具有有效负载承载能力的其它机具也可以以其他动臂组件构造来进行配置。关于本公开，在一些实施例中，作业机械可被配置为挖地机(digger)、自装集材机(forwarder)、装载机、伐木归堆机、混凝土破碎机和类似的机械，或各种其它实施例。

如图2至图8所示，其中继续参照图1，所公开的智能机械联动性能系统300可用于：基于致动器120相对于机架130的实时位置来接收机具105的位置信号305；以及基于感测到的实时负载来接收由机具105所携带的有效负载140的负载信号288。在本公开中，机架135可以被示为作业机械100的机架。然而，机架130也可以是作业机械100上的任意点或数字/电子空间中的任意点，以创建可以测量致动器120的相对位置的(一个或多个)点。例如，在液压致动器中，其可以是缸沿着活塞杆的长度的相对位置。

然后，智能机械联动性能系统300可确定用于各致动器120的位置命令，使得致动器120的受命运动提供了机具105的受命运动的最佳路径(以下称为提升路径710)，该最佳路径基于各个致动器120沿着运动包络(enyelope of movement)400内的各个位置的理论负载能力，以及基于将有效负载140相对于框架130从运动包络400内的第一位置720移动到运动包络400内的第二位置730的实际负载要求。注意，第一位置720和第二位置730不是预定义的位置。而是，第一位置可以是动臂组件在运动包络400的周界312内或沿着周界312(用虚线示出)的当前位置或起始位置，其中抓钩107可能在与有效负载140接合的即刻或在此之前具有该当前位置或开始位置。第二位置730可以是在运动包络400的周界312之内或沿周界312的期望位置。抓钩集材机中的第二位置730可以是运输位置，在该运输位置，抓钩107已经充分提升有效负载140(最可能是一组砍伐的树木)，以被提升离开地面或被拖到其下一个目的地。

运动的运动包络400可以由机具105所联接至的动臂组件110的远端115的可能的运动范围限定。运动包络400的该周界312由连接到动臂组件110的处于完全伸出或缩回的位置的一个或多个液压缸125限定。这样，可以将沿着运动包络400中的限制路径的优化的计划的运动转换成用于多个致动器120的相对复杂的运动的位置命令，从而提供具有给定的有效负载140的机具105的最佳运动。因为操作者可直接指示有效负载140基于(withrespect to)至少一个致动器120朝向第二位置730的期望的运动，并且智能机械联动性能系统300基于有效负载140绘制用于后续的致动器120相对于机架130的建议的提升路径710(即，沿着穿过运动包络400的限制路径的计划的运动)，所以这有利地减少了对操作者的感知或操作者的专业知识的依赖。来自液压系统310的可用容量可主要由液压缸中的剩余活塞杆长度确定。然而，液压流体体积、致动器压力、液压系统内的阀的部署、诸如闭环系统或开环系统等系统的架构是可以考虑到可用容量计算的几个其它可能的变量。这些中的每一个可以单独地或概要地指示致动器120的位置。

提升路径710限定运动包络400的多个部分，其中，每个相应的致动器120具有足够的可用容量来移动所测量的有效负载140。例如，可能发生：缩回一个致动器120可能留下不足以用于后续的致动器提供移动有效负载140所需的拉力或提升力的活塞杆长度的情况。利用智能机械联动性能系统300，操作员可以利用在运动包络400内的针对各个致动器120的运动以及由致动器120引起的机具105的运动的具体引导，或者利用提升路径700在运动包络400内的映射，使每个相应的致动器120进行相对精确的运动。可选地，控制器可将致动器和/或销215的运动限制到运动子包络，其中运动子包络小于运动包络400。在半自动控制模式365中，智能机械联动性能系统300仅通过视觉和/或触觉反馈向操作者提供指导。

通过将上述应用于抓钩集材机200，智能机械联动性能系统300可以在自动模式375中起作用，其中操作者可以使得动臂组件110的第一段112的运动，以及控制器255可以通过在运动包络400中自动地移动动臂组件110的第二段114的(一个或多个)相应的致动器120，并因此自动地移动机具105，或通过在包络400内绘制从第一位置720到第二位置730的提升路径710来作出响应。

通常，动臂组件110可包括至少两段，所述至少两段可由不同的相应的致动器120分开地移动。例如，动臂组件110的第一段112可连接到作业机械100的机架135，并可通过第一致动器131相对于作业机械100的机架135移动(例如枢转)。动臂组件114的第二段可连接到动臂组件110的第一段112，并且(例如，通过第二致动器136相对于第一段112)可移动。机具105可连接到第二段114，并且在一些实施例中，可通过第三致动器945(例如，如图10所示)相对于第二段114移动(例如，枢转)。这样，第一致动器131、第二致动器136和(可能的话)第三致动器945的运动可分别对应于动臂组件110的第一段112、动臂组件110的第二段114和机具105的不同运动。此外，由于动臂组件110的构造，第一段112的运动可致使第二段114和机具105相对于作业机械100的机架135的相应的运动，以及第二段114的运动可致使机具105相对于作业机械100的第一段112和/或机架135的相应的运动。

现在参照图1和图2，示出了具有智能机械联动性能系统300(如图2和图8所示)的抓钩集材机200(在此也称为“集材机”)。集材机200可用于在诸如森林的自然地面上运输采伐的树木。请注意，尽管附图和说明书在该第一示例性实施例中涉及四轮集材机，但是应当理解，本公开的范围延伸超出如上所述的四轮集材机，并且可以包括六轮集材机或一些其它车辆，并且也可以使用术语“作业机械”或“车辆”。术语“作业机械”旨在更宽泛，并包括除集材机200之外的其它作业机械，例如后面讨论的挖掘机的第二示例性实施例。

集材机200包括连接到后车架220的前车架210。前轮212支承前车架210，以及前车架210支承发动机舱224和驾驶室226。后轮222支承后车架220，以及后车架220支承动臂组件110。尽管在该实施例中地面接合机构被描述为轮，但是在替代实施例中，可以使用履带或轮和履带的组合。发动机舱224容纳车辆发动机或马达，例如柴油发动机，其提供用于驱动前轮212和后轮222的动力以及用于操作与集材机200相关联的其它部件(例如致动器120)以移动动臂组件110的动力。操作者在操作作业机械100时坐在其中的驾驶室226包括多个控制件(例如操纵杆、踏板、按钮、控制杆、显示屏等)，用于在作业机械的操作期间控制作业机械100。

动臂组件110连接到机架135。在集材机200的实施例中，机架135可包括前车架210、后车架220和/或存储在控制器205中的指定的任意坐标系(未示出)中的一个或多个。在本文公开的实施例中，为了简单起见，机架135被标注为后车架220。动臂组件110包括第一段112(即拱架段230)，其可枢转地连接到机架135，并且通过第一致动器131可相对于机架135移动，其中第一动臂位置传感器132连接到动臂组件112的第一段。第一动臂位置传感器132可包括指示第一段112的位置的一个或多个传感器。图2中的第一示例性实施例的部分的细节图示出了第一动臂位置传感器132包括战略性地定位的多个传感器。

动臂组件110还包括第二段114(即，动臂段240)，其可枢转地连接到第一段112，并且通过第二致动器136可相对于第一段112移动，其中第二动臂位置传感器138连接到第二段114。第二动臂位置传感器138可包括指示第二段114的位置的一个或多个传感器。第二动臂位置传感器138也包括战略性地定位的多个传感器。

位置传感器的位置可取决于相应的作业机械100的动臂组件110或接合动臂组件110的部件的联动运动学以及位置传感器的类型。位置传感器(132、138)将第一位置信号和第二位置信号(236、238)提供给位置/角度数据处理器290。

图2详细示出了集材机200的动臂组件110在其涉及智能机械联动性能系统300(也在图9中详细示出)中的集材机的控制器205的示意图。如前所述，动臂组件110包括连接到后车架220的拱架段230(即，动臂组件110的第一段112)、连接到拱架段230的动臂段240(动臂组件110的第二段114)和抓钩207(机具105)。拱架段230的近端256可枢转地连接到后车架220，以及拱架段230的远端258可枢转地连接到动臂段240。在该特定实施例中，一个或多个拱架液压缸260可由操作者控制以移动拱架段230。动臂段240的近端部分266可枢转地连接到拱架段230，以及动臂段240的远端部分268可枢转地连接到抓钩207。一个或多个动臂液压缸242连接到动臂段240的近端部分266，并且可由操作者控制以移动动臂段240。抓钩107的近端部分276连接到动臂段240的远端部分268。(一个或多个)拱架液压缸260和(一个或多个)动臂液压缸242的完整运动或完全伸出和缩回形成用于抓钩207的运动包络400(下面详细描述)，其中抓钩207收集有效负载140，例如原木。

集材机200还可包括连接到动臂组件110的(一个或多个)负载测量装置(280a、280b，在本文中可统称为280)，其中负载测量装置(280a、280b)被配置为产生指示有效负载140的(一个或多个)负载信号288。尽管本公开指示了用于负载测量装置的两个位置，但是负载测量装置280包括第一负载测量传感器280a和第二负载测量传感器280b。第一负载测量传感器280a可包括安装在抓钩箱处或抓钩箱附近以与十字头旋转接头158交叉的的一个或多个传感器。第二负载测量传感器280b可安装在动臂段240连接到拱架段230的位置处。使分别用(一个或多个)负载测量传感器280a和(一个或多个)负载测量传感器280b测量实际的动臂段提升负载和拱架段拉负载。(一个或多个)负载信号288由控制器205接收，该控制器创建包括实时数据的实际负载测量数据日志模块285，其中数据库通过来自理论性能数据模块29的推断，用指示相应的位置处的负载的节点610(图6A-6B中所示)填充运动包络400的示意性图示。

作业机械或集材机200还可包括销215，其中销215位于动臂段268的远端部分处。销215可包括表示抓钩207与动臂段268的远端部分连接的点，其可包括十字头旋转接头158。可选地，销215可包括十字头旋转接头的中心部分。在通过控制器205计算运动包络400中的任何位置的负载期间，销215表示有效负载(即，动臂段268的远端部分上的负载的向下重力型拉力)。控制器205可使用(一个或多个)动臂液压缸242和(一个或多个)拱架液压缸260的已知的相对位置和测量的/已知的负载值来推断动臂液压缸242所需的相对负载提升力和拱架液压缸260所需的拉力，以移动到运动包络400中的下一个位置。

图3示出集材机200的线条示意图，其中运动包络400由销215的可能运动的范围限定。销215的位置由(一个或多个)拱架液压缸260和(一个或多个)动臂液压缸242的长度限定。拱架液压缸260和动臂液压缸242的组合后的运动限定销215的位置。由销215绘制的运动包络400的周界312由处于完全伸出或缩回位置的(一个或多个)拱架液压缸260和动臂液压缸242中的一者或多者限定。拱架液压缸运动的周界由动臂组件110(图1中示出)的机械联动装置所限定的第一三角形构造330示出。第一三角形构造330由(一个或多个)拱架液压缸260的远端部分上的点绘制，其中(一个或多个)拱架液压缸260在完全伸出和完全缩回之间旋转，以及动臂液压缸242在完全伸出和完全缩回之间旋转。动臂液压缸运动的周界由动臂组件110的机械联动装置所限定的第二三角形构造320示出，其中(一个或多个)动臂液压缸242在完全伸出和完全缩回之间旋转，以及拱架液压缸260在完全伸出和完全缩回之间旋转。

现在转向图4，示出了抓钩107的详细的示例性实施例。抓钩107可包括基部410、左夹钳420和右夹钳430，以及左液压缸440和右液压缸450。基部410连接到动臂段268的远端部分。左夹钳420和右夹钳430的近端可由左液压缸440和右液压缸450控制以打开和关闭抓钩207。左液压缸440具有连接到基部410的头端和连接到左夹钳420的近端部的活塞端。右液压缸450具有连接到基部410的头端和连接到右夹钳430的近端部的活塞端。操作者可以控制左液压缸440和右液压缸450的伸出和缩回以打开和关闭抓钩107。当左液压缸440和右液压缸450缩回时，左夹钳420和右夹钳430的近端更靠近在一起，这将左夹钳420和右夹钳430的远端拉开，从而打开抓钩107。当左液压缸440和右液压缸450伸出时，左夹钳420和右夹钳430的近端部被推开，这将左夹钳420和右夹钳430的远端靠在一起，从而闭合抓钩207。操作者可以缩回左夹钳420和右夹钳430以打开抓钩207来环绕有效负载140(例如，树木或其他木本植被)，然后将左液压缸440和右液压缸450延伸以闭合抓钩207来抓取、保持和提升有效负载，使得机器可以将有效负载移动到另一期望的位置。销215可直接位于抓钩207的基部410(在图4中由十字215表示)上方。

图5示出了来自操作者站的用于拱架液压缸260、动臂液压缸242和夹钳液压缸(440、450)的用户输入界面500的示意性示例。在该第一示例性实施例中，用户输入界面500可包括用于动臂控制件502、拱架控制件504和抓钩控制件506的离散控制构件。离散可以被解释为单独的控制构件或控制构件在一个方向上的运动产生第一致动器131的运动，以及控制构件在不同方向上的运动产生第二致动器136的运动。动臂控制装置502允许操作者调节动臂液压缸242的伸出和缩回，以相对于拱架段230移动动臂段240。拱架控制装置504控制(一个或多个)拱架液压缸260的伸出和缩回，以相对于后车架220降低和升高拱架段230。抓钩控制器506控制夹钳液压缸(440、450)的伸出和缩回，以打开和闭合抓钩207。动臂控制装置502、拱架控制装置504和抓钩控制装置506将用户输入信号550发送到控制器205，以及控制器通过控制线520发送命令信号580以控制动臂液压缸、拱架液压缸和夹钳液压缸(260、242、440、450)(注意，命令也可以无线地通信590)。用户输入界面500还可以包括性能显示图形模块530(其也可以简称为显示器)，如下面进一步详细描述的。

现在返回图2，其中继续参照图1，集材机200(作业机械100)的控制器205被配置为接收来自第一动臂位置传感器132的第一位置信号236(指示拱架段230的位置和角度)、来自第二动臂位置传感器138的第二位置信号238(指示动臂段240的位置和角度)、以及来自负载测量装置280的负载信号288(指示有效负载)。在这个实施例中，第一动臂位置传感器132和第二动臂位置传感器138可以包括一个或多个位置传感器，如图2中举例说明的。此外，第一动臂位置传感器132和第二动臂位置传感器138还可连接到它们各自的致动器(131、136)，其中位置传感器允许控制器205确定每个相应的致动器(131、136)的液压容量，或替代地，负载提升/拉动能力。控制器205包括实际负载测量数据日志模块285，以从(一个或多个)负载测量装置280接收(一个或多个)负载信号288；以及位置/角度数据处理器290以接收(一个或多个)第一位置信号236和(一个或多个)第二位置信号238。每种类型的信号(288、236、238)可以被实时接收，从而创建数据日志。位置/角度数据处理器290可以使用已知的联动装置几何结构来计算销215在运动包络400中的相应的位置。

现在转向图6A和图6B，控制器205进一步被配置为基于第一位置信号236、第二位置信号238和负载信号288来计算用于第一致动器和第二致动器(131、136)中的一者或多者在运动包络400内的液压容量的图600，并且基于液压容量，生成销215的穿过运动包络400的至少一部分的运动的提升路径710(如图7A和7B中的虚线所示)，以用于在运动包络400内致动每个相应液压缸，其中用于在运动包络400内提升和拉动有效负载140的可用液压容量小于在没有有效负载140的情况下的运动包络。液压容量的图600可在操作者装置上的性能显示图形模块530上传达给操作者，操作者装置例如为驾驶室中的屏幕，或可选的装置，例如平板电脑、移动电子设备、电话、挡风屏幕覆盖物和远程操作者站，仅举几例。替代或补充选项可以是触觉反馈，该触觉反馈通过需要运动的各个控制构件而传达到操作员以进行最优控制。性能显示图形模块530和触觉反馈的使用都可以有利地为操作者提供指导和训练机会。因为动臂控制构件502和拱架控制构件504在抓钩集材机200中是不同的和分离的，所以实现触觉反馈变得简单。

液压容量的图600包括一系列节点610(仅示出了其中的几个)，其实时表示第一致动器和第二致动器(131、136)中的一者或多者在整个运动包络400上的液压容量。图6A实时表示(一个或多个)动臂液压缸242的在整个运动包络400上的穿过一系列节点610的液压容量，或者表示在整个运动包络400上的实时动臂提升能力(即，即，由正数表示的动臂提升力充足，或由负数表示动臂提升力不足)。x轴和y轴表示相对于机架135的相对位置(即，基于动臂组件110上的其它相应的致动器的当前位置)。图6B(即基于动臂组件110上的其它相应的致动器的当前位置)实时表示(一个或多个)拱架液压缸260的液压容量(即，在整个运动包络400上的拱架拉力充足或不足)。因为通过来自用户输入界面500的各个控制构件(分别为502和504)来控制(一个或多个)动臂液压缸242和拱架液压缸260的运动，所以可以容易地从图6A和图6B中呈现的液压容量的图600来解释命令液压缸(242、260)的运动。充足或不足可以由在每个节点610处的用数字指示的正数或负数来标出，和/或通过物理表示来标出，其中每个相应的节点610的大小或尺寸(例如，在该示例性实施例中示出的圆)指示基于当前致动器位置的剩余液压容量的大小。例如，小节点可以指示运动包络400内在相应的位置处的液压容量很小或没有液压容量。而大节点可以指示在相应的位置处的容量充足。销215在运动包络400内的当前位置也可以由不同颜色或符号的节点来标出，以使得操作者可以实时追踪其位置。在运动包络400中彼此相邻且具有足够容量的一系列节点610可指示销215的最佳和/或安全运动路径(在图7A和7B中也称为提升路径710)。在可选实施例中，只有具有容量的节点610可由节点610处的图形表示来标出。在图6A和6B所示的实施例中，节点610可以随着液压缸(242或260)移动通过运动包络400而实时地波动。例如，如果操作者操纵动臂液压缸242的运动以提供用于图6A中所示的有效负载140的提升力，则图6B中的拱架液压缸260的液压容量将基于新数据(位置)重新填充每个节点610。尽管图6A和图6B示出了用于抓钩集材机200的运动包络400内的示例性数量的节点610，但是节点610的数量可基于期望的细节的间隔尺寸来修改。另外，沿x轴和y轴的单位也可根据有效负载140或操作的国家来操纵。在本实施例中，沿X轴和Y轴的液压容量以千牛顿表示。

现在转向图7A和图7B，所示出的示意图包括运动包络400，其包括销215从第一位置720穿过具有足够的液压容量的节点610到第二位置730的提升路径710(由虚线表示)，以承载可由负载测量装置280测量的相应的有效负载140。注意，如在所示实施例中所例示的，可同时示出多于一个的提升路径710。

当在图形用户输入界面上显示时，可以进一步增强图7A和7B所示的运动包络400，其中运动包络400的部分被颜色编码或图案编码。当销215位于运动包络400内的指定的位置处时，颜色代码是基于与运动包络400相关联的相应的液压缸的液压容量的等级的。在运动包络400的一个实施例中，为了移动有效负载140，绿色表示液压容量超过20％，红色表示液压容量不足，黄色可能表示容量介于0％和5％之间；紫色表示能力在5％到20％之间。注意，液压容量也可以与活塞部分可能在液压缸的缸中剩余的行程的量相关。提升路径710指示销215从第一位置720穿过具有用于相应的致动器120的足够液压容量的一系列节点610到第二位置730的运动的最佳轨迹。在抓钩集材机200的实施例中，第一位置720指示销215的当前位置，以及第二位置730可指示期望的最终位置，例如运输位置，其中有效负载140被充分地提升到地面上方以准备运输。用户输入界面500可允许操作者在具有节点610的液压容量的图和具有建议的提升路径710(具有或不具有颜色编码)的液压容量的图之间切换。

返回图1和图2，并且现在还参照图8和图9，当计算液压容量的图600时(图6所示)，作业机械100的控制器205还可从连接到作业机械100的倾斜传感器160接收倾度信号295。图8示出了在倾斜表面810上的作业机械100、抓钩集材机200的线条示意图。倾斜传感器160可确定作业机械100的水平-纵向轴线850相对于地面的倾度(示为α)，以及控制器205可基于该倾度信号295修改(一个或多个)负载信号288。换句话说，当考虑到由于倾斜角α而引起的重力型拉力的方向变化时，该矢量表示相对于框架130位于销215处或附近的点的有效负载140。即，在陡坡条件下，相对于如图8所示的致动器120上的方向拉力，在考虑到有效负载的受重力影响的方向拉力的同时，控制器将利用液压容量填充运动包络400。矢量805表示如果作业机械位于平坦的地面上的情况下负载140的第一方向性拉力。矢量820表示在作业机械位于倾斜表面810上的情况下有效负载140的第二方向性拉力。倾斜角α等于有效负载140的相对角的变化。

图9示出了智能机械联动性能系统300在其涉及图1所示的第一示例性实施例时的细节示意图。更具体地，示出了应用于抓钩集材机200的智能机械联动性能系统300。在一个非限制性示例中，智能机械联动性能系统300包括与作业机械100的动臂组件110的第一段连接的第一动臂位置传感器132，用于产生指示第一致动器131的位置的第一位置信号236。智能机械联动性能系统300包括与作业机械100的动臂组件114的第二段连接的第二动臂位置传感器138，用于产生指示第二致动器136的位置的第二位置信号238。第一位置信号236和第二位置信号238由位置/角度数据处理器290接收，该位置/角度数据处理器可位于控制器205上以确定动臂组件110的第一段、动臂组件114的第二段以及最终销215到机架130的相对位置和/或角度。

负载测量装置280连接到动臂组件110，其中负载测量装置280被配置为产生指示有效负载140的负载信号288，其中负载信号288由控制器205接收。智能机械联动性能系统300还包括在远离动臂组件110的第一段的位置处连接到动臂组件114的第二段的销215(上文提到的)，其中销215的运动生成运动包络400，销215通过第一段112和第二段114可在整个运动包络400中移动。机具105可以连接到销，其中机具被配置为接合有效负载。如前所述，运动包络400的周界312由连接到动臂组件110的处于完全伸出或缩回位置的一个或多个液压缸125确定。即，周界312由在给定作业机械100的联动装置几何结构的情况下每个致动器120伸出或缩回的可能运动的整个范围确定。智能机械联动性能系统300还包括连接到作业机械100的控制器205，其中控制器被配置为从第一动臂位置传感器138接收第一位置信号238；从第二拱架位置传感器136接收第二位置信号238；以及接收负载信号288。控制器205包括实际负载测量数据日志模块285、理论性能数据模块293和性能显示图形模块530。位置/角度数据处理器290实时接收来自第一动臂位置传感器132和第二拱架位置传感器138的位置信号(236、238)，以及实时接收负载信号288。控制器205在接收到该信息时识别销215所处的运动包络400中的节点610。然后，控制器205通过将所识别的运动包络400内的节点660(即，表示当前位置的节点)与理论数据性能模块293相关联，基于负载信号288以及第一位置信号和第二位置信号(236、238)来分析并优化运动包络400的整个几何结构上的第一段112(抓钩集材机的拱架拉力)和第二段114(抓钩集材机的动臂提升)的力需求。理论性能数据模块293可包括整个运动包络400上的理论负载能力，并且在给定预先确定的有效负载(例如，有效负载可以为零或一些其它最小负载)的情况下，理论性能数据模块293可以包括在整个运动包络400内的理论负载能力，并且被填充有每个相应液压致动器的液压容量，该每个相应液压致动器的液压容量是针对运动包络400内的每个相应节点的。一旦识别出节点610，则控制器205随后从理论性能数据模块293中推断出所识别的节点660与理论性能数据模块293中的对应节点之间的已知比率，并通过基于有效负载140计算针对第一致动器或第二致动器或两者的液压容量的图，而填充剩余的运动包络400。注意，因为抓钩集材机200通常移动高的砍伐的树木，所以负载信号288可在任何给定时间波动，因为有效负载140的一部分可在地面上拖动。如图6A和图6B所示，在整个运动包络上的液压容量的图包括一系列节点，这些节点示出了来自作业机械的液压系统的用于每个相应致动器的可用负载供给。在供给可用的情况下，这可以用正数(示出为+)表示；并且在力不足的情况下，这可以用负数表示(示出为-)(即，不足以将有效负载140从当前位置(注意当前位置也可以是所识别的节点660)拉动到第二位置，其中第二位置通常被标识为运输位置)。

另外，操作者可在自动模式375和半自动模式365之间切换智能机械联动性能系统300。在自动模式中，控制器205可以被配置为阻止销215移动到运动包络400内的没有足够的液压容量用于移动有效负载140的多个节点610。此外，在自动模式375中，当操作者跟随性能显示图形模块530上的运动时，控制器可自动地跟随计算出的提升路径710移动动臂组件，(例如)如图7A和图7B中看到的虚线所标出的。提升路径710可随着销215的移动而实时改变。这可能是由于有效负载140如何接合地面或地面的倾斜表面810，仅举几个例子。可选地，在半自动模式365中，显示器显示实时的运动包络400，其被视觉编码(颜色或图案)以基于整个运动包络400的用于每个节点610的有效负载140向操作者传达来自液压系统的可用负载供应。然后，操作者可以使用用户输入界面500来使用建议的提升路径710作为指导操纵销215，并最终操纵有效负载140到运输位置。此外，在半自动模式365中，控制器可进一步向操作者提供触觉反馈作为指导(例如，需要运动的控制构件的振动)。

图10是具有智能机械联动性能系统300的作业机械100的第二示例性实施例的侧视图。作业机械100具体为挖掘机900，该挖掘机包括可枢转地安装到底盘915的上机架910。上机架910可以通过摇摆枢轴可枢转地安装在底盘915上。底盘915可以包括在底盘915的两相对侧上的一对地面接合履带920，用于沿着地面移动。上机架910包括驾驶室，操作者在该驾驶室中控制挖掘机900。操作者可以致动控制器205中的一个或多个控制装置以便操作挖掘机900。这些控制装置可以包括方向盘、控制杆、控制踏板、控制按钮和具有显示器的图形用户输入界面。挖掘机900包括动臂组件110，该动臂组件包括大动臂925(动臂组件112的第一段)和铲斗柄935(动臂组件114的第二段)，该大动臂从与驾驶室226相邻的上机架910(机架130)延伸。通过致动(一个或多个)大动臂液压缸930(第一致动器)使得大动臂925相对于上机架910沿着竖直弧旋转。铲斗柄935连接到大动臂925，并通过铲斗柄液压缸940(第二致动器)可相对于大动臂925枢转。机具105(示出为铲斗905)连接到铲斗柄935的端部，其中机具105通过机具液压缸945可相对于铲斗柄935枢转。

图11是图10所示的第二示例性实施例的线条示意图，其中示出了用于挖掘机900的运动包络400。运动包络400由销215的可能运动的范围限定。销215的位置由大动臂液压缸和(一个或多个)铲斗柄液压缸940的长度限定。由销215绘制的运动包络400的周界(由黑实线表示)由处于完全伸出或缩回位置的(一个或多个)大动臂液压缸930和(一个或多个)铲斗柄液压缸940限定。大动臂液压缸运动的周界由动臂组件110的机械联动装置(图10中所示)所限定的一系列第一几何构造950表示。第一几何构造950由(一个或多个)大动臂液压缸930的远端部分上的点绘制，其中(一个或多个)大动臂液压缸930在完全伸出和完全缩回之间旋转，以及(一个或多个)铲斗柄液压缸940在完全伸出和完全缩回之间旋转。铲斗柄液压缸运动的周界由动臂组件110的机械联动装置所限定的一系列第二三角形构造955示出，其中(一个或多个)大动臂液压缸930在完全伸出和完全缩回之间旋转，以及铲斗柄液压缸940在完全伸出和完全缩回之间旋转。

图12是智能机械联动性能系统300在其涉及第二示例性实施例(如图10所示的挖掘机900)时的细节示意图。除了用户输入界面500的描述性输入(即，大动臂925控制装置、铲斗柄935控制装置和铲斗905控制装置)和性能显示图形模块530上的输出(即，运动包络400和所计算的相关数据反映如图11中所讨论的挖掘机900的构造)之外，该系统类似于图9中所示的智能机械联动性能系统300。因为致动器120的长度和联动装置几何结构是不同的，所以运动包络400将是不同的。然而，优化性能的系统和方法可以是相同的。另外，控制器可以进一步被配置为识别有效负载质心380。有效负载质心380可以是基于从第三致动器945接收的第三位置信号的，其中机具105通过第三致动器945可移动。控制器205基于有效负载质心380修改负载信号288。

图13是用于作业机械100的动臂组件110的控制系统在有效负载140移动操作期间智能地控制动臂组件的方法。在第一框970中，与作业机械100的动臂组件112的第一段连接的第一致动器感测系统132生成指示第一致动器131的位置的第一位置信号236；与动臂组件114的第二段连接的第二致动器感测系统138生成指示第二致动器136的位置的第二位置信号238；以及负载测量装置280生成指示有效负载140的负载信号288。在第二框975中，控制器205接收这些信号(即，第一位置信号236、第二位置信号238、负载信号288)。在第三框980中，位置/角度数据处理器290对第一位置信号和第二位置信号(236、238)的接收允许处理器确定销215在运动包络内的当前相对位置。在第四框990中，控制器205上的智能性能控制模块分析实际负载测量数据日志模块285，并利用负载信号288和所确定的销215在运动包络400内的位置，以通过从理论性能数据模块293中的负载值的推断来填充剩余的运动包络。在第五框995中，控制器205然后优化穿过运动包络内的由节点610表示的一系列位置的提升路径710(即，销215从当前位置到运输位置的运动)。从第六框996，控制器205具有创建在性能显示图形模块530上传送的图形表示或用于操作者为每个相应的致动器120指定一系列离散运动以移动到下一位置(即，通常是朝向运输位置)的触觉引导的选项。同时，在框997中，控制器205可以以半自动365模式操作机器，其中可以限制到运动包络400内的具体节点610的运动。操作者可能必须仅利用运动包络内的允许区域来导航。可选地，在框998，控制器205可以以自动模式375操作，其中，销在来自操作者的最小帮助或没有来自操作者的帮助的情况下自动地从第一位置720移动到预期的第二位置730(例如，运输位置)。当销215移动穿过运动包络400时，通过环999连续地更新框995。智能机械联动性能系统300由此有利地允许机器实时更新和重新制定其路径。

用在本文中的术语只是为了描述特定实施例或实施方式，并不试图限定本公开。如在本文中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”也试图包括复数形式，除非上下文明确规定。此外还应当理解：说明书中使用术语“具有”、“包括”和/或“包含”等表示存在所列出的特征部、整体、步骤、操作、元件和/或部件，但是不排除存在或添加其他特征部、整体、步骤、操作、元件、部件中的一个或多个，和/或它们的组合。

本文中与附图标记一起使用的附图标记“A”和“B”仅是为了在描述装置的多种实现方式时进行澄清。

在此讨论的任何方法、过程或系统中的一个或多个步骤或操作可以被省略、重复或重新排序，并且在本公开的范围内。

尽管以上描述了本公开的示例实施例，但是不应从限制性或限制的意义上看待这些描述。而是，在不脱离所附权利要求的范围的情况下，可以进行多种变型和修改。

Claims (10)

1.一种具有智能机械联动性能系统的作业机械，所述作业机械包括：

机架和地面接合机构，所述地面接合机构被配置为将机架支承在地面上；

动臂组件，所述动臂组件联接到所述机架，其中，所述动臂组件包括：

第一段，所述第一段可枢转地连接到所述机架，并且通过第一致动器能够相对于所述机架移动，第一动臂位置传感器连接到所述第一段，以及

第二段，所述第二段可枢转地连接到所述第一段，并且通过第二致动器能够相对于所述第一段移动，第二动臂位置传感器连接到所述第二段；

负载测量装置，所述负载测量装置连接到所述动臂组件，所述负载测量装置被配置为生成指示有效负载的负载信号；

销，所述销在远离所述第一段的位置处连接到所述第二段，所述销具有运动包络，所述销通过所述第一段和所述第二段能够在整个所述运动包络中移动；以及

控制器，所述控制器被配置为接收来自所述第一动臂位置传感器的第一位置信号、来自所述第二动臂位置传感器的第二位置信号以及来自所述负载测量装置的负载信号，

其中，所述控制器还被配置为基于所述第一位置信号、所述第二位置信号和所述负载信号计算所述第一致动器和所述第二致动器中的一者或多者的所述运动包络内的可用液压容量的图，并且基于所述可用液压容量生成所述销穿过所述运动包络的至少一部分的运动的运动子包络，所述运动子包络小于所述运动包络。

2.根据权利要求1所述的作业机械，其中，所述可用液压容量的图包括一系列节点，所述一系列节点实时地表示所述第一致动器和所述第二致动器中的一者或多者在整个所述运动包络上的所述可用液压容量。

3.根据权利要求2所述的作业机械，其中，所述运动子包络包括所述销从第一销位置穿过具有足够液压容量的节点到第二销位置的提升路径。

4.根据权利要求1所述的作业机械，其中，所述运动包络通过颜色代码显示在用户输入界面上，所述颜色代码是基于可用液压容量的等级的。

5.根据权利要求1所述的作业机械，其中，所述负载测量装置包括连接到所述第一段的第一负载测量传感器和连接到所述第二段的第二负载测量传感器。

6.根据权利要求1所述的作业机械，其中，当计算所述可用液压容量的图时，所述控制器还从连接到所述作业机械的倾斜传感器接收倾度信号，所述倾斜传感器确定所述作业机械的水平纵向轴线的倾度，以及所述控制器基于所述倾度信号修改所述负载信号。

7.根据权利要求1所述的作业机械，其中，所述控制器被配置为阻止所述销到所述运动包络内的多个节点的运动，所述多个节点具有不足以移动所述有效负载的液压容量。

8.一种用于作业机械进行有效负载移动操作的智能机械联动性能系统，所述智能机械联动性能系统包括：

第一动臂位置传感器，所述第一动臂位置传感器与所述作业机械的动臂组件的第一段连接，用于生成指示第一致动器的位置的第一位置信号；

第二动臂位置传感器，所述第二动臂位置传感器与所述作业机械的动臂组件的第二段连接，用于生成指示第二致动器的位置的第二位置信号；

负载测量装置，所述负载测量装置连接到所述动臂组件，所述负载测量装置被配置为生成指示有效负载的负载信号；

销，所述销在远离所述第一段的位置处连接到所述第二段，所述销具有运动包络，所述销通过所述第一段和所述第二段能够在整个所述运动包络中移动；所述销连接到机具，所述机具被配置为接合有效负载；以及

控制器，被配置为

接收来自所述第一动臂位置传感器的第一位置信号、来自所述第二动臂位置传感器的第二位置信号、以及所述负载信号，基于所述第一位置信号、所述第二位置信号和所述负载信号计算用于所述第一致动器和所述第二致动器中的一者或多者的可用液压容量的图，

基于所述可用液压容量生成所述销穿过所述运动包络的至少一部分的运动的运动子包络，所述运动子包络小于所述运动包络。

9.根据权利要求8所述的智能机械联动性能系统，其中，可用液压容量的图包括一系列节点，所述一系列节点实时表示所述第一致动器和所述第二致动器中的一者或多者在整个所述运动包络内的可用液压容量。

10.根据权利要求9所述的智能机械联动性能系统，其中，所述运动子包络包括所述销从第一销位置穿过具有足够液压容量的节点到第二销位置的提升路径。

Images