CN111794298B - 用于控制挖掘机的多个连杆的移动的系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于控制挖掘机的多个连杆的移动的系统。本发明涉及用于控制挖掘机的多个连杆的移动以移动设置在挖掘机臂的端部处的工具的系统，系统包括：传感器数据接口，其被配置成接收用于确定多个连杆相对于彼此的相对定向的传感器数据；以及表面设定单元，其被配置成能够访问定义基准表面的设计数据。该系统还具有重新映射单元，其被配置成将用于使多个连杆中的两个连杆相对于彼此围绕对应关节移动的用户命令重新映射到工具相对于基准表面的移动的独立的三个转动自由度中的关联的转动工具自由度。系统然后协调输出信号，使得根据经重新映射的用户命令，使工具在关联的转动工具自由度内转动，而无需操作员协调基础性的关节移动。

Description

用于控制挖掘机的多个连杆的移动的系统
技术领域
本发明涉及一种用于控制挖掘机的多个连杆的移动以移动设置在挖掘机臂的端部处的工具的系统，其中，挖掘机的操作员可以直接调节工具相对于基准表面的位置尤其是定向，而无需协调基础性的关节移动。
背景技术
挖掘机是包括动臂、斗杆(也称为铲斗)、工具(例如，斗部)以及转动平台上的司机室(也称为驾驶室)的施工机械。司机室通常可转动大约360度并且设置在具有履带或轮子的可移动底盘上，其中，动臂和斗杆形成携带该工具的可移动挖掘机臂。这些机械以多种方式来使用，例如，用于挖掘、美化环境、物料搬运、灌木平茬(例如利用液压锯和割草机附件)、林业工作、拆除(例如利用液压爪、切割机和破碎锤附件)、采矿、打桩(结合打桩机)、钻孔(例如使用螺旋钻或液压钻具附件)以及除雪(例如利用除雪机和吹雪机附件)。
例如，挖掘机的移动和功能可以通过使用液压缸和液压马达来实现。这种液压挖掘机具有多种尺寸。作为另一示例，缆索操作的挖掘机使用绞盘和钢丝绳来完成移动。
通常的挖掘机具有基本设置，其中，最靠近司机室的挖掘机臂的部分称为(主)动臂，而携带工具的部分称为斗杆(也称为铲斗或铲斗斗杆)。
(主)动臂附接至司机室，并且可以有多种不同构造中的一种构造，例如，单动臂不允许除了直上或直下外的移动；或者在靠近中部的所谓的“转向节”处铰接的转向节动臂，使其像手指一样向后折叠。另一选项是在动臂底部处的铰链，从而使其可以独立于驾驶室枢转，例如达180度。然而，后者通常仅可用于紧凑型挖掘机。此外，已知有些专业的构造，例如，三铰接动臂。
斗杆附接至动臂的端部，其中，斗杆长度发生变化，例如，依赖于是否需要伸出(较长的斗杆)或拆解能力(较短的斗杆)。例如斗杆的长度也可以是液压可调节的。
工具附接在斗杆的端部，例如，工具是各种尺寸和形状的斗部。例如，具有直切削刃的宽大容量(泥浆)斗部用于清理和整平。具体地，通常将直切削刃用于待挖的软材料，其中，对于较硬的材料，切削刃由一排齿形成。作为另一示例，通用斗部通常更小、更坚固，并且具有用于刺穿坚硬地面和岩石的硬化的侧铣刀和齿。还有可用于附接至挖掘机的许多其它附件，例如，用于镗孔、撕裂、压碎、切割、提升等。
通常，工具经由工具关节附接至斗杆，该工具关节至少允许工具相对于斗杆沿俯仰方向(通常是上下)旋转。通常也可以沿倾斜方向旋转，例如旋转。
特殊的挖掘机类型还在斗杆的端部与工具之间具有所谓的倾斜转动体装置(也称为“倾斜转动体”)，以增加挖掘机的灵活性和精度。例如，在斯堪的纳维亚国家经常使用这种倾斜转动体挖掘机。
倾斜转动体可以被最好描述为位于斗杆与工具之间的腕部，以允许工具围绕转动体轴线转动，通常转动360度，其中，工具可以围绕垂直于转动体轴线的俯仰轴线以及垂直于转动体轴线和俯仰轴线的倾斜轴线进一步旋转，例如在各种情况下，达±45度。
为了移动挖掘机并定位工具，已知许多类型的控制设置，通常包括两个x-y操纵杆，从而通过x-y操纵杆移动提供至少四个主要的挖掘机移动控制，并且可能经由附加按钮和/或滚动器提供进一步的控制。标准操纵杆映射在世界范围内有不同的约定，但是它们总是将各个操纵杆移动映射到缸移动或关节移动。这允许熟练的操作员同时控制不同挖掘机臂元件的移动。
例如，在美国，经常使用SAE控制配置，而在世界其它地区，ISO控制配置更为常见。一些制造商还具有允许操作员选择要使用哪种控制配置的开关。
快速而精确地操作挖掘机臂是一项高技能的任务，因为各个人工控制输入都会导致一个特定关节的移动。为了实现在臂的端部处的工具的所需直线或角度移动，操作员必须协调所有各个关节移动。如果挖掘机臂包括倾斜转动体装置，则这变得尤其困难。
因此，对于重复的复杂移动，现有技术的挖掘机具有自动控制功能，例如，其中，操作员可以使用逆运动学来生成针对预设的可选轨迹的移动曲线(即位置的时间序列)。
还已知实现标准挖掘机控制件的重新映射，其将对缸或关节移动的各个控制输入映射到用于斗杆端部处的基准点的移动的直线自由度。这种基本的重新映射是对标准挖掘机如何工作的相对直接的外推。例如，只需重新映射司机室转动和前两个臂连杆(动臂和斗杆)的移动。
此外，已知具有指定相对于工具的移动方向的特定方向、速度或工具角度以帮助操作员执行任务的功能。
然而，现有技术的支持和重新映射功能通常会造成正常操作(即，对各个缸或关节移动的人工控制)与辅助自动操作之间的与状况有关的中断。例如，需要高水平的技能来评估自动移动结束时或自动移动期间的当前状况，即，当前挖掘机臂和工具位置对人工控制的正常操作所命令的工具移动的影响。因此，即使对于熟练的操作员而言，也难以在辅助功能结束时或在辅助功能期间(例如进行即时调节)无缝地接管对工具移动的人工控制。
发明内容
因此，本发明的目的是提供对挖掘机臂的简化控制，特别针对挖掘机臂的人工控制与自动控制之间的相互作用。
本发明涉及一种用于对挖掘机的多个连杆的移动进行控制以移动设置在挖掘机臂的端部处的工具的系统，特别地其中，工具附接至倾斜转动体装置。该系统包括：输入接口，其被配置成接收承载用户命令的输入信号，该用户命令用于使多个连杆中的至少一部分连杆相对于彼此绕对应关节移动；以及输出接口，其被配置成向对多个连杆的移动进行控制的多个致动器提供输出信号。
例如，输入信号是由各种挖掘机用户输入装置提供的，例如，两个x-y操纵杆以及尤其是其它按钮和/或滚动器，其中，各个控制器的移动和/或启动都被映射到缸或关节移动，以控制司机室、动臂、斗杆和工具相对于彼此的不同移动。因此，在液压挖掘机的情况下，输出信号可以是用于液压缸的控制信号。
该系统还包括传感器数据接口，其被配置成接收传感器数据，该传感器数据用于特别是实时地确定多个连杆相对于彼此的相对定向，例如，其中，传感器数据提供与两个连续的连杆相关联的关节的当前设置，更具体地，用于两个连续的连杆绕其关联关节的角度和/或平移移动的速度信息。
可以以多种方式(实时)提供传感器信息。可以使用不同类型的传感器，例如，角度或直线编码器、加速度计、陀螺仪、激光传感器、超声传感器等
传感器数据可以还包括位置信息，该位置信息用于确定挖掘机相对于环境中的参考的位置和/或用于确定多个连杆中的一个连杆上的目标点相对于环境中的基准的位置。例如，传感器数据可以包括激光测距装置和/或坐标测量装置的数据，例如确定尤其是跟踪多个连杆中的一个连杆上的目标点的位置的全站仪或激光跟踪装置的数据，例如，其中，目标点由协作目标表示，诸如后向反射棱镜或目标球。
另选地或另外地，传感器数据可以包括绝对位置信息，该绝对位置信息用于例如基于全球导航卫星系统来确定挖掘机或多个连杆中的一个连杆相对于地球坐标系的绝对位置。
此外，该系统包括表面设定单元，该表面设定单元被配置成被提供(能访问)定义基准表面的设计数据，例如计算机辅助设计数据，其中，表面设定单元具有用于提供用于设定基准表面的设定功能的输入装置。
例如，该系统可以被配置成设定功能包括选择功能，该选择功能具有用于设定基准表面的多个预定义选项。不同的基准表面可以已经存储在系统的存储单元上，或者用户可以提供定义要用于某个工作任务的所有或附加基准表面的设计数据。表面设定单元还可以访问具有用于不同基准表面的可用设计数据的数据库的远程服务器单元。
此外，该系统包括重新映射单元，该重新映射单元被配置成将使多个连杆中的两个连杆相对于彼此围绕对应关节移动的用户命令重新映射到工具相对于基准表面的移动的独立的三个转动工具自由度的关联的转动工具自由度上。基于该重新映射，重新映射单元被配置成基于传感器数据、设计数据和逆运动学算法来协调输出信号，以根据经重新映射的用户命令，在关联的转动工具自由度内转动工具。换句话说，响应于用于移动单个关节的初始用户命令，基于自动生成的提供协调关节移动的输出信号来在关联的转动工具自由度内转动工具。在不存在其它用户命令的情况下，这些输出信号通常被配置成使得工具相对于其它两个转动工具自由度的定向不受影响。
因此，该系统允许操作员直接调节工具相对于基准表面的定向和位置，而无需协调各个基础性的关节移动和缸移动。具体地，允许在挖掘机元件的人工控制与自动控制之间进行直观的相互作用。此外，在挖掘机元件的半自动控制的情况下，该系统允许在人工用户控制系统与自动控制系统之间进行职责的无缝划分，其中，自动控制系统可以调节相对于基准表面的某些移动，并且操作员可以调节其它移动，而不会干扰彼此的任务。
因此，非专业操作员也可以轻松执行精确任务。例如，精确任务可能需要沿直线进行挖掘，其中，对于为此任务正确定义的基准表面，用户输入将直接得到所需的直线挖掘。
具体地，本发明的系统促进了倾斜或倾斜转动体铰接的使用。这些铰接极大扩展了挖掘机的功能，但是以增加操作复杂性为代价的。这就是为什么这些铰接仅在世界某些地区常用的原因之一。然而，利用本发明的系统，对于不习惯倾斜或倾斜转动体装置的操作员来说，无需大量的训练就可以直接受益。
在机器人技术领域，用于计算引起期望的工具移动所需的关节移动的算法称为逆运动学。这样的算法基于一组数学关系，该组数学关系描述了挖掘机连杆之间的关系，例如，基于几何机器数据，诸如连杆长度、关节自由度、致动器位置和各个关节的移动限制。存在用于实现这一点的多种不同通用方案，并且本发明不局限于任何特定的方案。
例如，重新映射单元包括特定挖掘机类型的模型，即在计算机上实现为软件以计算实现工具相对于基准表面的特定角度和/或直线移动所需的各个关节移动的算法。
具体地，该系统可以被配置成处理来自包括加速度计和陀螺仪在内的惯性测量单元的数据，其中，该系统被配置成通过融合来自加速度计和陀螺仪的数据使用状态估计算法，尤其是卡尔曼滤波器，来确定多个连杆相对于彼此的相对定向。
举例而言，重新映射单元被配置成重新映射用户命令并基于提供基准表面的设计数据来协调输出信号，基准表面作为以下项中的一项：具有关于重力矢量定义的斜率的平面，其中，该平面相对于地面固定；具有关于重力矢量定义的斜率的平面，其中，该平面的位置相对于司机室摆动轴线固定，该司机室摆动轴线定义挖掘机的司机室的转动，即其中，平面位置与司机室绕司机室摆动轴线的转动无关，但它随挖掘机的主体移位；具有关于重力矢量定义的斜率的平面，其中，该平面的位置相对于挖掘机的司机室绕司机室摆动轴线的定向固定，该司机室摆动轴线定义司机室的转动，即其中，该平面随挖掘机的主体移位，而且随司机室的转动而转动；以及由3D模型在大地坐标系中定义的表面。
平面可以具有任何斜率，例如，零斜率(所谓的水平面)或由特定工作计划定义的斜率。通常，可以针对特定的工作步骤定义专用表面，例如，其中，基于3D模型(例如，工地的CAD模型)来设置专用表面(诸如对车道形状进行定义的平面)。具体地，该系统可以被配置成操作员可以设置平面的斜率。
转动工具自由度可以基于具有固定于工具的正交轴线的工具坐标系来定义。因此，转动工具自由度是基于绕三个正交轴线的三个基本转动的转动，其中，各个基本转动都会引起在工具坐标系中求解的、与工具坐标系的参考坐标有关的轴角转动矢量的不同分量的变化。另选地，转动工具自由度可以描述为与固定于工具坐标系的基准表面的坐标系有关的三个转动序列的角度(欧拉角)的任意组合。
在一个实施方式中，该系统被配置成移动具有专用于接触表面的攻击刃(也称为刀片或刀片刃)的工具(例如，具有被实现为连续切削刃或由彼此相邻设置的各个刀片元件(齿)实现的刀片的斗部)，并且这独立的三个转动工具自由度是：用于对攻击刃的攻击角进行设定的转动、用于攻击刃的横切角进行设定的转动、以及用于对攻击刃的航向角进行设定的转动。
当使用具有倾斜转动体装置的挖掘机时，攻击角、横切角和航向角特别重要。通常，相对于固定于工具的正交X、Y、Z坐标系定义攻击角和横切角，其中，X轴平行于攻击刃的攻击方向，例如刀片的挖掘方向/切割方向，并且Y轴线平行于攻击刃。然后，攻击角被定义为X轴线与基准表面之间的角度，横切角被定义为Y轴线与基准表面之间的角度，并且航向角被定义为绕基准表面的法线的转动的角度。
在具体实施方式中，至少简化了相对于基准表面的攻击角和横切角的设置。因此，重新映射单元被配置成将用于多个连杆相对于彼此的移动的至少另一用户命令重新映射到独立的三个转动工具自由度中的一个转动工具自由度上，其中，上述经重新映射的用户命令和经重新映射的另一用户命令被分别重新映射到攻击角和横切角上。
根据另一实施方式，该系统具有预设定单元，该预设定单元被配置成提供目标参数的设置，该目标参数定义在关联的转动工具自由度内的工具定向，具体地针对工具关于关联的转动工具自由度的移动的目标角度和/或公差范围，并且该系统被配置成协调输出信号，以基于目标参数来对工具定向。例如，操作员可以人工地，例如通过触摸屏，提供刀片的攻击角，然后由系统设置并自动维持该攻击角。
通常，可以通过多个连杆中的一部分连杆绕对应工具定向关节的移动来设置工具在独立的三个转动工具自由度内的定向。举例而言，在斗部的情况下，工具定向关节可以包括提供“敞开/闭合”斗部的所谓的斗部关节、提供斗部的“左/右”倾斜的所谓的倾斜关节，以及提供斗部的转动的所谓的转动体关节。换句话说，斗部能够绕由转动体关节定义的转动体轴线转动、围绕垂直于转动体轴线的俯仰轴线(由斗部关节定义)旋转、以及围绕垂直于转动体轴线和俯仰轴线的倾斜轴线(由倾斜关节定义)旋转。
在特定情况下，其中，用于操作斗部的重新映射方案基本上像人工关节控制的标准行为那样实现，在使用未重新映射的用户输入(例如，当移动动臂、斗杆或偏航时)的情况下，不移动斗部关节、倾斜关节和转动体关节。换句话说，转动工具自由度不受未重新映射的用户命令影响，并且转动工具自由度不改变。然而，在存在重新映射的用户命令(例如，为了改变攻击角)的情况下，斗部关节、倾斜关节和转动体关节将以协调的方式一起移动，以确保攻击角以所需的速率变化，通常不对横切角或航向角进行任何改变。
因此，在另一实施方式中，重新映射单元被配置成基于未重新映射的用户命令来协调输出信号，该未重新映射的用户命令针对多个连杆中的两个连杆围绕与工具定向关节不同的对应关节的移动，并且重新映射单元被配置成协调输出信号，以使多个连杆中的一部分连杆围绕对应工具定向关节的当前定向不受未重新映射的用户命令影响。
该系统还可以被配置成由用户选择用于转动工具自由度的自动重新调节的使能状态。通过使用反馈控制回路，可以将经自动重新调节的自由度调节为保持在预设置目标值或目标范围内。这意味着检测到与目标值或范围的偏差，并通过启动校正移动来自动消除该偏差。这些偏差可能是由例如机械的其它部分的移动和/或基准表面的移动引起的。在一些情况下，可以允许针对特定的自动调节的自由度的特定用户输入命令，以引起对应转动工具自由度的改变而不会被反馈控制系统消除。
因此，在另一实施方式中，重新映射单元具有自动重新调节功能，该自动重新调节功能被配置成协调输出信号，以在不存在用于移动多个连杆中的两个连杆的用户命令的情况下，多个连杆中的一部分连杆围绕对应工具定向关节的移动(该移动设置工具在独立的三个转动工具自由度内的定向)被自动控制，从而工具相对于关联的转动工具自由度的当前定向被自动维持。
在另一实施方式中，该系统具有自动停止功能，该自动停止功能被配置成将输出信号协调成使得自动防止工具上的基准点越过基准表面。
另外，一些用户命令也可以直接映射到工具的直线自由度。与转动自由度类似，这些直线自由度也相对于基准表面定义并且也可以由系统自动控制。
因此，在另一实施方式中，重新映射单元被配置成将未被重新映射到独立的三个转动工具自由度中的一个转动工具自由度的用户命令重新映射到工具相对于基准表面的移动的独立的三个直线工具自由度的关联的直线工具自由度，其中，重新映射单元还被配置成协调输出信号，以根据被重新映射到直线工具自由度的用户命令，在关联的直线工具自由度内移动工具。
举例而言，独立的三个直线工具自由度是工具沿着正交于基准表面的轴线Z”的移动、工具沿着平行于基准表面的轴线X”的移动以及工具沿着平行于基准表面的轴线Y”的移动，轴线Y”正交于轴线X”。
作为另一示例，独立的三个直线工具自由度是工具沿着重力矢量的竖直移动、工具沿着水平面中的轴线X”的移动以及工具沿着水平面中的轴线Y”的移动，轴线Y”垂直于轴线X”。
具体地，本发明的一个实施方式涉及一种用于对挖掘机的多个连杆的移动进行控制的系统，其中，挖掘机包括：司机室，其能够围绕司机室摆动轴线转动；动臂，其附接至司机室并且能够相对于司机室围绕定义动臂轴线的动臂关节旋转；斗杆，其附接至动臂并且能够相对于动臂围绕定义斗杆轴线的斗杆关节旋转；倾斜转动体装置，其附接至斗杆的端部；以及工具，其附接至倾斜转动体装置，其中，倾斜转动体装置被配置成使得工具能够围绕转动体轴线转动、围绕垂直于转动体轴线的俯仰轴线旋转、以及围绕垂直于转动体轴线和俯仰轴线的倾斜轴线旋转。
根据本实施方式的重新映射单元还被配置用于以下重新映射：
将用于使动臂围绕动臂轴线旋转的用户命令重新映射到独立的三个直线工具自由度中的第一直线工具自由度；
将用于使斗杆围绕斗杆轴线旋转的用户命令重新映射到独立的三个直线工具自由度中的第二直线工具自由度，其中，第二直线工具自由度不同于第一直线工具自由度；
将用于围绕司机室摆动轴线转动司机室的用户命令重新映射到三个直线工具自由度中的第三直线工具自由度，其中，第三直线工具自由度不同于第一直线工具自由度和第二直线工具自由度；
将用于围绕转动体轴线转动工具的用户命令重新映射到独立的三个转动工具自由度中的第一转动工具自由度；
将用于围绕俯仰轴线俯仰工具的用户命令重新映射到独立的三个转动工具自由度中的第二转动工具自由度，其中，第二转动工具自由度不同于第一转动工具自由度；以及
将用于围绕倾斜轴线倾斜工具的用户命令重新映射到独立的三个转动工具自由度中的第三转动工具自由度，其中，第三转动工具自由度不同于第一转动工具自由度和第二转动工具自由度。
附图说明
下面仅以示例的方式，参照附图中示意性示出的工作示例，更详细地描述或解释根据本发明的系统。在附图中，相同的元件用相同的附图标记来标记。所描述的实施方式通常未按比例真实地示出，并且它们也不应解释为限制本发明，特别地，
图1：具有倾斜转动体装置的挖掘机的基本部件；
图2：具有三个正交轴线的示例性工具坐标系，该坐标系固定于工具；
图3：用于工具相对于固定于基准表面的具有三个正交轴线的参考坐标系的移动的独立的三个转动工具自由度的示例性定义；
图4：用于工具相对于基准表面的移动的三个不同直线工具自由度的示例性定义；
图5：示意性地示出了根据本发明的一个实施方式的用于两个操纵杆和两个滚动器的示例性映射设置；
图6：示意性地示出了根据本发明的一个实施方式的将图5的两个操纵杆和两个滚动器示例性重新映射到独立的三个转动自由度；
图7：示意性地示出了根据本发明的一个实施方式的将图5的两个操纵杆和两个滚动器示例性重新映射到独立的三个转动自由度和独立的三个直线自由度；
图8：示意性地示出了具有自动控制功能的用于图5的两个操纵杆和两个滚动器的示例性重新映射；
图9：具有重新映射算法40的示例性输入和输出的系统框图。
具体实施方式
图1示例性地示出了挖掘机的基本部件，即，司机室1、动臂2、斗杆3和工具4。举例而言，挖掘机被实现为液压挖掘机。
(主)动臂2是最接近司机室1的臂元件。(主)动臂2经由动臂关节附接至司机室1，该动臂关节可以是多种构造中的一种构造。这里，动臂2被构造为单动臂，其中，动臂关节不允许除了围绕动臂轴线5上下旋转之外的移动。司机室1设置在底盘6(这里具有履带)上，并且相对于底盘6围绕定义司机室轴线7的司机室关节可转动约360度。
斗杆3经由斗杆关节附接至动臂，以使其可以围绕斗杆轴线8旋转。工具4附接至斗杆3的远端，以使其可以至少围绕定义了俯仰轴线9的工具关节旋转。在附图中，挖掘机还包括所谓的倾斜转动体装置10，其提供工具4围绕倾斜轴线11的旋转以及工具4围绕转动体轴线12的360度转动。
倾斜转动体装置10的使用提供了挖掘机的提高的灵活性和精度。然而，快速而精确地操作具有倾斜转动体装置10的挖掘机臂是一项高技能的任务，因为当协调所有单独的关节移动时，挖掘机操作员需要不断评估当前挖掘机臂和工具位置对工具移动的影响。
挖掘机的连杆和关节可以变化，并且有许多不同挖掘机类型可用，例如，具有双动臂、可偏转的动臂、可伸长的斗杆等。本发明可以应用于所有这些不同的机械类型。
图2和图3示出了用于工具4相对于基准表面13(例如，倾斜的平面)的移动的独立的三个转动工具自由度的示例性定义。
举例而言，用户命令的重新映射基于如图2所示固定于工具的具有三个正交轴线X、Y、Z的工具坐标系，以及如图3所示固定于基准表面13的具有三个正交轴线X’、Y’、Z’的参考坐标系。这里，工具4是斗部，该斗部具有连续的刀片刃14，其中，X轴线平行于刀片刃14的挖掘方向，并且Y轴线平行于刀片刃14。
基于这些坐标系，然后定义相对于基准表面13的三个转动工具自由度：围绕平行于基准表面并垂直于X的轴线的转动，这导致X轴与基准表面之间的角度改变，该角度也称为攻击角15；围绕平行于基准表面并垂直于Y的轴线的转动，这导致Y轴与基准表面之间的角度改变，该角度也称为横切角16；以及围绕基准表面的法线17转动约所谓的航向角18，这导致工具4的航向相对于基准表面13改变。
图4示出了用于工具4相对于基准表面13的移动的独立的三个直线工具自由度的示例性定义。
举例而言，三个直线工具自由度被定义为：工具4沿着正交于基准表面13的轴线Z”的移动；工具4沿着平行于基准表面13的轴线X”的移动；以及工具4沿着平行于基准表面13的轴线Y”的移动，轴线Y”正交于轴线X”。
图5至图9示例性地示出了用于对具有倾斜转动体装置的挖掘机进行控制的不同的重新映射方案，其中，借助于两个操纵杆19A、19B和两个滚动器20A、20B的一些人工用户输入直接从其标准映射中重新映射到工具的相对于(虚构)基准表面定义的角度和/或直线自由度(所谓的受控DOF)。
这意味着特定的用户输入自由度(DOF)将导致相应的受控DOF改变，而不会影响其余的受控DOF。
举例而言，系统使用：计算单元，例如，计算机、电子逻辑电路或微控制器；允许接收用户输入的接口，例如，如果操纵杆是液压的，则来自压力传感器；用来得到挖掘机臂的部分或全部关节角度的传感器，例如，倾斜传感器、转动传感器和直线传感器；计算单元上运行的软件所使用的挖掘机臂的数学运动学模型；以及允许一些挖掘机关节移动的计算机控制的接口，例如用于将电信号转换成液压流量或压力的液压接口。
图5示出了用于正常操作的示例性映射方案，即其中所有单独的关节移动都被人工协调。
举例而言，左操纵杆19A的左/右移动针对司机室关节，以用于挖掘机臂的左摆动21A和右摆动21B(绕司机室轴线7转动司机室1，参见图1)，并且左操纵杆19A的前/后移动针对斗杆关节，以伸出22A和收回22B斗杆缸，即用于使斗杆3绕斗杆轴线8旋转。此外，左滚动器20A用于绕转动体关节逆时针23A和顺时针23B转动工具，即，用于使工具4绕转动体轴线12旋转。右操纵杆19B的左/右移动针对工具关节，以伸出24A和收回24B工具缸，即使工具4绕俯仰轴线9旋转，并且右操纵杆19B的后和前移动针对动臂关节，以伸出25A和收回25B动臂缸，即用于使动臂2绕动臂轴线5旋转。此外，右滚动器20B用于使工具4绕倾斜轴线11逆时针26A和顺时针26B旋转。
图6示出了根据本发明的一个实施方式的将图5的两个操纵杆和两个滚动器示例性重新映射到三个转动自由度。
用于绕俯仰轴线9转动工具4的右操纵杆19B的左输入24A/右输入24B(图5)被重新映射到工具4相对于基准表面13的攻击角15(参见图3)的增大27A和减小27B上。左滚动器20A的输入23A、23B被重新映射到围绕基准表面13的法线17的转动，即，工具(4)相对于基准表面13的航向角18的逆时针改变28A和顺时针改变28B。此外，右滚动器20B的输入26A、26B被重新映射到工具4相对于基准表面13的横切角16的增大29A和减小29B上。
图7示出了实施方式，其中，通过将图5的控制器命令也重新映射到三个直线自由度来进一步扩展图6的角度重新映射。
这里，将用于挖掘机臂的左/右摆动的左操纵杆19A的左输入21A/右输入21B(图5)重新映射到工具4沿着根据图4平行于基准表面13的轴线Y”的直线向左移动31A和直线向右移动31B上。用于伸出/收回斗杆缸的左操纵杆19A的向前移动22A/向后移动22B被重新映射到工具4沿着根据图4平行于基准表面13的轴线X”的直线向外移动32A和直线返回移动32B上。此外，用于动臂缸的伸出/收回的右操纵杆19B的前/后移动25A、25B被重新映射到工具4沿着基准表面的法线Z”距基准表面13的距离的直线减小33A和直线增大33B上。
图8示出了根据图7的角度/直线重新映射方案的另一实施方式，其中，一些自由度被自动控制成使得先前设置的值被自动地保持固定或保持在某个阈值范围内，即，操作员不再需要使用/控制对应的控制件。
这里，与右操纵杆19B以及与两个滚动器20A、20B相关联的输入命令是被自动控制的，即三个转动自由度(攻击角15、横切角16和航向角18)以及工具4距基准表面13的距离。
例如，系统可以被配置成：在右操纵杆19B或两个滚动器20A、20B的每次输入之后，只要不再使用各个控制件，就可以控制设定值。另选地或另外地，系统可以被配置为被提供定义了工具的自动控制的自由度的特定设置的目标参数，例如，其中，操作员可以在触摸屏上人工提供攻击角(15)，然后由系统自动设置和维持该攻击角。
作为另一示例，系统还被配置成用户可以选择用于自动控制的使能状态。
在所有情况下，基准表面的定义可以在操作过程中根据用户输入而改变，例如，通过利用按钮或在触摸屏上选择选项。此外，存在可以启动重新映射系统的许多方式，例如，重新映射可以是永久启动的或者可以仅在请求时启动，例如，在按下按钮时。
可以实现正常映射(即，人工的关节控制)以及转动和直线重新映射(例如也结合自动控制)的进一步组合。例如(参见图5至图8)，左操纵杆19A的左/右移动可以对应于正常操作，例如，针对司机室关节的用于挖掘机臂的向左摆动21A和向右摆动21B，左操纵杆19A的向前移动22A/向后移动22B可以被重新映射到工具4沿着轴线X”的直线移出27A/返回32B，右操纵杆19B的左输入24A/右输入24B可以被重新映射到攻击角15的增大27A/减小27B上，左滚动器20A的输入23A、23B可以被重新映射到航向角18的改变，右操纵杆19B的向后移动25A/向前移动25B可以被重新映射到工具4沿着法线Z”距基准表面13的距离的直线减小33A/增大33B，并且右滚动器20B的输入26A、26B可以被重新映射到横切角16的增大29A/减小29B，其中，与右滚动器20B以及右操纵杆19B的向后/向前移动相关联的输入命令被自动控制。
图9示出了系统框图，其中，重新映射算法40(例如，控制命令)由移动输入41馈送，以借助于操纵杆来控制挖掘机的移动。此外，向重新映射算法40提供了定义基准表面(例如基于3D模型)的设计数据42，以及描述挖掘机的当前状态的原始的或经处理的传感器数据43。例如，传感器数据43可以包括关节角度、关节速率、直线和/或转动编码器信号、倾斜仪传感器信号、陀螺仪传感器信号、激光测距数据、坐标测量数据、GNSS接收器信号等。
可选地，用户可以向重新映射算法40提供其它用户选项44，例如，选择自动控制的DOF和/或选择目标参数，诸如自动控制的DOF的目标值或移动范围。
重新映射算法40然后利用挖掘机类型的运动学模型45来计算实现工具相对于基准表面的特定移动所需的各个关节移动。基于此，重新映射算法40提供致动器命令46，该致动器命令46被配置成控制挖掘机连杆的移动，例如包括致动器位置和致动器速度、液压指令压力、液压指令流量以及电流或电压在内的控制信号。
仅举例而言，重新映射算法40可以被如下实现：
在各个离散的时间时刻，给定挖掘机臂的当前位置，计算工具相对于基准表面的受控转动自由度和直线自由度(即被映射到用户控制件的那些自由度)的灵敏度，例如，由操纵杆移动引起的。因此，相对于关节角θ的矢量，转动自由度和直线自由度分别由矢量pang和plin表示。该灵敏度信息由所谓的雅可比矩阵J表示成
Figure GDA0003292897670000131
其中Δ表示很小的改变。对于机器人领域的技术人员来说，J矩阵的计算是简单的。上式是线性方程组。它将受控DOF的改变与直接人工致动的关节移动和经重新映射的关节移动二者关联。经重新映射的关节移动可以使用标准方法来求解。
尽管上面部分地参考一些优选实施方式例示了本发明，但是必须理解，可以对实施方式的不同特征进行多种修改和组合。例如，可以使用不同的用户控制件来提供输入控制命令，并且标准输入命令以及这些输入命令的重新映射的其它变型例是可能的。具体地，可以使用标准输入命令的任何混合，标准输入命令中的至少一部分被重新映射。

Claims (19)

1.一种用于控制挖掘机的多个连杆(1、2、3、10)的移动以移动设置在挖掘机臂的端部处的工具(4)的系统，所述系统包括：
输入接口，所述输入接口被配置成接收承载用户命令(21A-26B)的输入信号(41)，所述用户命令用于使所述多个连杆(1、2、3、10)中的至少一部分连杆相对于彼此围绕对应关节移动，以及
输出接口，所述输出接口被配置成提供用于多个致动器的输出信号(46)，所述多个致动器控制所述多个连杆(1、2、3、10)的所述移动，
其特征在于，
所述系统包括：
传感器数据接口，所述传感器数据接口被配置成接收传感器数据(43)，所述传感器数据用于确定所述多个连杆(1、2、3、10)相对于彼此的相对定向，
表面设定单元，所述表面设定单元被配置成被提供定义基准表面(13)的设计数据(42)，所述表面设定单元具有用于提供用于设定所述基准表面(13)的设定功能的输入装置，以及
重新映射单元，所述重新映射单元被配置成：
将用于使所述多个连杆(1、2、3、10)中的两个连杆相对于彼此围绕对应关节移动的用户命令(21A-26B)重新映射(27A-29B)到所述工具(4)相对于所述基准表面(13)的移动的独立的三个转动工具自由度中的关联的转动工具自由度，以及
基于所述传感器数据(43)、所述设计数据(42)和逆运动学算法(45)协调所述输出信号(46)，使得根据经重新映射的用户命令(21A-26B)，在所述关联的转动工具自由度内转动所述工具(4)。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述工具(4)附接至倾斜转动体装置(10)。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述传感器数据用于实时地确定所述多个连杆(1、2、3、10)相对于彼此的相对定向。
4.根据权利要求1所述的系统，
其特征在于，
所述系统被配置成移动具有专用于接触表面的攻击刃(14)的工具(4)，其中，所述独立的三个转动工具自由度是
用于设定所述攻击刃(14)的攻击角(15)的转动，
用于设定所述攻击刃(14)的横切角(16)的转动，以及
用于设定所述攻击刃(14)的航向角(18)的转动。
5.根据权利要求4所述的系统，
其特征在于，
X轴平行于所述攻击刃(14)的攻击方向，并且Y轴平行于所述攻击刃(14)，其中，
所述攻击角(15)被定义为所述X轴与所述基准表面(13)之间的角度，
所述横切角(16)被定义为所述Y轴与所述基准表面(13)之间的角度，并且
所述航向角(18)被定义为围绕所述基准表面(13)的法线转动的角度。
6.根据权利要求4或5所述的系统，
其特征在于，
所述重新映射单元被配置成将用于使所述多个连杆(1、2、3、10)相对于彼此的移动的至少另一用户命令(21A-26B)重新映射(27A-29B)到所述独立的三个转动工具自由度中的一个转动工具自由度上，其中，所述经重新映射的用户命令(21A-26B)和经重新映射的另一用户命令(21A-26B)被分别重新映射到所述攻击角(15)和所述横切角(16)上。
7.根据权利要求1所述的系统，
其特征在于，
所述系统具有预设定单元，所述预设定单元被配置成提供目标参数的设定，该目标参数定义在所述关联的转动工具自由度内的工具定向，并且
所述系统被配置成协调所述输出信号以使得所述工具(4)基于所述目标参数来定向。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述目标参数定义针对所述工具(4)关于所述关联的转动工具自由度的移动的目标角度和/或公差范围。
9.根据权利要求1所述的系统，
其特征在于，
所述工具(4)在所述独立的三个转动工具自由度内的定向能够通过所述多个连杆中的一部分连杆围绕对应工具定向关节的移动来设置，其中，
所述重新映射单元被配置成基于未重新映射的用户命令来协调所述输出信号，所述未重新映射的用户命令针对所述多个连杆中的两个连杆围绕与所述工具定向关节不同的对应关节的移动，并且
所述重新映射单元被配置成协调所述输出信号，以使得所述多个连杆中的所述一部分连杆围绕所述对应工具定向关节的当前定向不受所述未重新映射的用户命令影响。
10.根据权利要求1所述的系统，
其特征在于，
所述工具(4)在所述独立的三个转动工具自由度内的定向能够通过所述多个连杆中的一部分连杆围绕对应工具定向关节的移动来设置，其中，所述重新映射单元具有自动重新调节功能，所述自动重新调节功能被配置成协调所述输出信号，以使得在不存在用于移动所述多个连杆(1、2、3、10)中的所述两个连杆的用户命令的情况下，所述多个连杆中的所述一部分连杆围绕所述对应工具定向关节的移动被自动控制，从而所述工具相对于所述关联的转动工具自由度的当前定向被自动维持。
11.根据权利要求1所述的系统，
其特征在于，
所述系统具有自动停止功能，所述自动停止功能被配置成将所述输出信号协调成使得自动防止所述工具上的基准点越过所述基准表面(13)。
12.根据权利要求1所述的系统，
其特征在于，
所述重新映射单元被配置成重新映射(27A-29B)所述用户命令(21A-26B)并基于提供所述基准表面(13)的设计数据(42)来协调所述输出信号(46)，所述基准表面(13)作为以下项中的一项：
具有关于重力矢量定义的斜率的平面，其中，所述平面相对于地面固定，
具有关于重力矢量定义的斜率的平面，其中，所述平面的位置相对于司机室摆动轴线(7)固定，所述司机室摆动轴线定义所述挖掘机的所述司机室的转动，
具有关于重力矢量定义的斜率的平面，其中，所述平面的位置相对于所述挖掘机的所述司机室绕司机室摆动轴线(7)的定向固定，所述司机室摆动轴线定义所述司机室的转动，以及
由3D模型在大地坐标系中定义的表面。
13.根据权利要求1所述的系统，
其特征在于，
所述设定功能包括选择功能，所述选择功能具有用于设定所述基准表面(13)的多个预定选项。
14.根据权利要求1所述的系统，
其特征在于，
所述重新映射单元被配置成：
将未被重新映射到所述独立的三个转动工具自由度中的一个转动工具自由度上的用户命令(21A-26B)重新映射(31A-33B)到所述工具(4)相对于所述基准表面(13)的移动的独立的三个直线工具自由度中的关联的直线工具自由度上，以及
协调所述输出信号，使得根据被重新映射到所述直线工具自由度的用户命令，在所述关联的直线工具自由度内移动所述工具。
15.根据权利要求14所述的系统，
其特征在于，
所述独立的三个直线工具自由度是：
所述工具(4)沿着正交于所述基准表面(13)的轴线Z”的移动，
所述工具(4)沿着平行于所述基准表面(13)的轴线X”的移动，以及
所述工具(4)沿着平行于所述基准表面(13)的轴线Y”的移动，所述轴线Y”正交于所述轴线X”。
16.根据权利要求14所述的系统，
其特征在于，
所述独立的三个直线工具自由度是：
所述工具(4)沿着重力矢量的竖直移动，
所述工具(4)沿着水平面中的轴线X”的移动，以及
所述工具(4)沿着水平面中的轴线Y”的移动，所述轴线Y”垂直于所述轴线X”。
17.根据权利要求1所述的系统，
其特征在于，
所述挖掘机包括：
司机室(1)，所述司机室能够围绕司机室摆动轴线(7)转动，
动臂(2)，所述动臂附接至所述司机室(1)并且能够相对于所述司机室(1)围绕定义动臂轴线(5)的动臂关节旋转，
斗杆(3)，所述斗杆附接至所述动臂(2)并且能够相对于所述动臂(2)围绕定义斗杆轴线(8)的斗杆关节旋转，
倾斜转动体装置(10)，所述倾斜转动体装置附接至所述斗杆(3)的所述端部，以及
所述工具(4)，所述工具(4)附接至所述倾斜转动体装置(10)，其中，所述倾斜转动体装置(10)被配置成使得所述工具(4)能够围绕转动体轴线(12)转动、围绕垂直于所述转动体轴线(12)的俯仰轴线(9)旋转，以及围绕垂直于所述转动体轴线(12)和所述俯仰轴线(9)的倾斜轴线(11)旋转，
其中，所述重新映射单元被配置成：
将用于使所述动臂(2)围绕所述动臂轴线(5)旋转的用户命令(25A、25B)重新映射到所述独立的三个直线工具自由度中的第一直线工具自由度上，
将用于使所述斗杆(3)围绕所述斗杆轴线(8)旋转的用户命令(22A、22B)重新映射到所述独立的三个直线工具自由度中的第二直线工具自由度上，其中，所述第二直线工具自由度不同于所述第一直线工具自由度，
将用于使所述司机室(1)围绕所述司机室摆动轴线(7)转动的用户命令(21A、21B)重新映射到所述独立的三个直线工具自由度中的第三直线工具自由度上，其中，所述第三直线工具自由度不同于所述第一直线工具自由度和所述第二直线工具自由度，
将用于使所述工具(4)围绕所述转动体轴线(12)转动的用户命令(23A、23B)重新映射到所述独立的三个转动工具自由度中的第一转动工具自由度上，
将用于使所述工具(4)围绕所述俯仰轴线(9)俯仰的用户命令(24A、24B)重新映射到所述独立的三个转动工具自由度中的第二转动工具自由度上，其中，所述第二转动工具自由度不同于所述第一转动工具自由度，以及
将用于使所述工具(4)围绕所述倾斜轴线(11)倾斜的所述用户命令(26A、26B)重新映射到所述独立的三个转动工具自由度中的第三转动工具自由度上，其中，所述第三转动工具自由度不同于所述第一转动工具自由度和所述第二转动工具自由度。
18.根据权利要求1所述的系统，
其特征在于，
所述系统被配置成处理来自包括加速度计和陀螺仪在内的惯性测量单元的数据(43)，其中，所述系统被配置成使用状态估计算法通过融合来自所述加速度计和所述陀螺仪的数据来确定所述多个连杆(1、2、3、10)相对于彼此的相对定向。
19.根据权利要求18所述的系统，其特征在于，所述状态估计算法为卡尔曼滤波器。
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