CN117416863A - 操作员辅助系统、作业机器和用于消除或放大振荡的方法 - Google Patents

操作员辅助系统、作业机器和用于消除或放大振荡的方法 Download PDF

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CN117416863A CN202310859016.7A CN202310859016A CN117416863A CN 117416863 A CN117416863 A CN 117416863A CN 202310859016 A CN202310859016 A CN 202310859016A CN 117416863 A CN117416863 A CN 117416863A
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Abstract

本发明涉及操作员辅助系统、作业机器和用于消除或放大振荡的方法，尤其是一种用于作业机器的操作员辅助系统，该作业机器具有动臂和斗杆以及自由悬挂工具，该操作员辅助系统包括：至少一个传感器，其可布置在自由悬挂工具处或布置在斗杆处，并且能够测量角度、速度和/或加速度；用于动臂和斗杆的快速反应驱动器，以及摆动驱动器；以及控制单元，该控制单元能够基于从该至少一个传感器接收的关于角度、速度和/或加速度的信息来计算所需的反向移动或放大移动，并且能够控制快速反应驱动器以相应地执行反向或放大移动，或者如果作业机器正在继续前进，则根据所计算的所需的反向移动而启动作业机器的减速或加速。

Description

操作员辅助系统、作业机器和用于消除或放大振荡的方法
技术领域
本发明涉及一种用于作业机器的操作员辅助系统，该作业机器具有动臂和斗杆以及自由悬挂工具。此外，本发明涉及一种带有这种操作员辅助系统的具有动臂和斗杆以及自由悬挂工具的作业机器。此外，本发明涉及一种用于消除或放大作业机器的自由悬挂工具的振荡的方法，该作业机器具有动臂和斗杆。
本发明适用于具有动臂和斗杆以及自由悬挂工具的作业机器。特别地，本发明适用于工业建筑机器或建筑设备领域中的作业机器。例如，本发明可用于具有摆式安装或自由悬挂工具的物料搬运应用，所述工具例如是蛤壳式铲斗、破坏球、橙皮抓斗或木材抓斗。因此，本发明适用于例如挖掘机、物料搬运机、木材搬运机或原木搬运机，其例如是基于轮式装载机车架或轮式挖掘机车架。虽然本发明将特别针对具有自由悬挂抓斗的物料搬运机进行描述，但本发明不限于该特定机器，而是还可以用于其它作业机器，例如挖掘机或木材抓斗或一般地具有自由悬挂工具的任何作业机器。优选的是，作业机器是电动作业机器，特别是电动物料搬运机等。
背景技术
诸如蛤壳式铲斗、橙皮抓斗或木材抓斗之类的自由悬挂工具的性质是：当通过例如物料搬运机的附件的运动受到刺激时，它们开始振荡。熟练的操作员可以通过附件的部件的精确定时的反向移动来消除这些振荡。近年来，熟练的操作员已变得稀缺，而培训新操作员费用昂贵。即使对于熟练的操作员来说，每个负载周期对他们的工具进行至少一次平衡以及在作业机器的行进期间不时地对工具进行平衡也会导致疲劳。虽然例如在DE 102018 005 068 A1和EP 3 428 110B1中描述了用于仅具有动臂的固定式起重机的阻尼系统，但是还没有这样的系统可用于具有动臂和斗杆的尤其可自由移动的作业机器。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种操作员辅助系统，其也能够消除可自由移动的作业机器的振荡。
该目的通过根据本发明的操作员辅助系统来实现。即，通过一种用于作业机器的操作员辅助系统，该作业机器具有动臂和斗杆以及自由悬挂工具。操作员辅助系统包括至少一个传感器，其可布置在自由悬挂工具处或布置在斗杆处，并且可以测量角度、速度和/或加速度。该操作员辅助系统还包括用于动臂和斗杆的快速反应驱动器、和摆动驱动器以及控制单元。该控制器能够基于从所述至少一个传感器接收到的关于角度、速度和/或加速度的信息来计算所需的反向移动或放大移动，并且还能够控制所述快速反应驱动器以相应地执行所述反向移动或放大移动，或者如果作业机器正在继续前进，则该控制器能够根据计算出的所需的反向移动而启动作业机器的减速或加速。
本发明基于以下认识：包括具有相对短的摆长度的动臂和斗杆的作业机器会导致更高的振荡频率，对于这样的作业机器，控制和致动与例如在塔式起重机应用中相比必须快得多且响应性更强。这通过提供快速反应驱动器(即，例如液压驱动器(如液压缸)和旋转驱动器)来解决，这些驱动器允许反向移动的更高灵活性。此外，带有控制单元的操作员辅助系统能够启动摆动驱动器的反向移动以及用于斗杆和动臂驱动器的反向移动，可以获得所述反向移动的更高自由度，即，该校正移动有三个自由度：斗杆的进/出、动臂的上/下、向左/右的摆动，这导致对振荡做出反应的更灵活的可能性。此外，本发明包括以下认识：作业机器的减速或加速也会影响自由悬挂工具的振荡，因此可用于反向移动。本发明进一步可用于其中应强调振荡以实现更佳效率的应用中，例如在用破坏球进行破坏期间。对于这些情况，本发明提供了启动斗杆、动臂或摆动驱动器的放大移动或者减速或加速以提高效率的可能性。
根据一个实施例，所述快速反应驱动器是液压驱动器、电动旋转驱动器和/或电动线性驱动器。这些驱动器尤其能够提供对控制命令的快速反应，从而提供快速的反向移动或放大移动。
根据另一实施例，该操作员辅助系统包括至少四个传感器，其中第一传感器布置在自由悬挂工具处，第二传感器布置在斗杆处，第三传感器布置在动臂处，并且第四传感器布置在机器主体处，并且其中，这些传感器能够测量角度、速度和/或加速度。利用在动臂、斗杆、自由悬挂工具和机器主体上的传感器，能够以增强的精度检测到自由悬挂工具的振荡以及该作业机器的其它部件的移动，从而也增强了所述反向移动或放大移动的精度。
根据另一实施例，至少一个传感器是惯性测量单元(IMU)、行程传感器或霍尔效应角度传感器。根据另一实施例，所述速度是角速度，和/或所述加速度是角加速度。这导致进一步改进的反向移动或放大移动。
优选地，所述反向移动或放大移动包括以下移动方向中的至少一个：使斗杆移入或移出，使动臂向上或向下移动，以及向左或向右摆动。特别是，这些方向的组合允许进一步改进的消除振荡或放大振荡。特别是对于摆式安装工具或对于具有典型地非常高的振荡角度且因此在振荡中具有高的竖直分量的应用，动臂的附加反向移动用于消除振荡的竖直分量，这能够提高操作员辅助系统的效率。
根据另一实施例，操作员辅助系统还包括车辆速度传感器，并且控制单元能够覆盖(overlay)操作员的加速或减速要求，或者在行进控制单元的自主应用中能够在加速或减速期间稳定所述工具。因此，通过机器的受控加速或减速，例如对于基于轮式装载机车架或轮式挖掘机车架的原木运输机，也可以经由行进驱动器来消除振荡。
根据另一实施例，该控制单元还能够基于从传感器接收到的信息来检测自由悬挂工具的振荡，并且启动对所述反向移动或放大移动的计算和/或启动给驾驶员的关于所述振荡的通知。利用该实施例，不仅可以抵消或放大振荡，而且可以自动开始这样的过程或者至少通知操作员。
根据另一实施例，该控制单元能够连续地计算所述反向移动或放大移动。利用该实施例，进一步增强了对检测到的振荡的连续和/或非常快速的反应。
根据另一实施例，该操作员辅助系统还包括用户接口，该用户接口被设计成在由操作员致动时启动对所述反向移动或放大移动的计算，和/或在由操作员致动时禁用任何的反向移动或放大移动，其中优选地，该用户接口是至少一个按钮，并且优选布置在作业机器的操纵杆中。因此，在非全自动辅助系统中，操作员能够启动自动的反向移动或放大移动。
根据另一实施例，该控制单元还能够使用信号滤波将自由悬挂工具的振荡运动与由作业机器的移动引起的自由悬挂工具的平移移动隔离，和/或使用信号滤波将自由悬挂工具的振荡运动与由作业机器的移动引起的自由悬挂工具的旋转移动隔离。这允许对振荡运动的改进的反应。
根据另一实施例，启动减速包括：向驾驶员发出关于需要减速的通知，或者向机器控制单元发送用于减速的信号。因此，全自动系统或具有操作员输入的系统都是可能的。
根据本发明的另一方面，该目的通过一种作业机器来实现。该作业机器具有上述的动臂、斗杆、自由悬挂工具和操作员辅助系统。关于作业机器的优点、优选实施例和细节，参考上文描述的对应方面和实施例以及下文描述的另外的方面及其实施例。
根据本发明的另一方面，该目的通过一种用于消除或放大作业机器的自由悬挂工具的振荡的方法来实现，该作业机器具有动臂和/或斗杆以及快速反应摆动驱动器。特别是，该方法包括以下步骤：
-使用在斗杆处或在自由悬挂工具上的至少一个传感器来测量角度、速度和/或加速度，优选地，使用在机器主体上、在动臂上、在斗杆处和在自由悬挂工具上的数个传感器来测量角度、速度和/或加速度，
-基于所测量到的角度、速度和/或加速度，计算所需的反向移动或放大移动，以及
-使用用于动臂和/或斗杆的快速反应驱动器和/或所述摆动驱动器来相应地执行所述反向移动或放大移动，或者如果作业机器正在继续前进，则根据计算出的所需的反向移动来启动作业机器的减速。
至于该方法的优点、优选实施例和细节，参考上文描述的对应方面和实施例以及本文描述的另外的方面和它们的实施例。
根据另一实施例，该方法还包括以下步骤：使用信号滤波将自由悬挂工具的振荡运动与由作业机器的移动引起的自由悬挂工具的平移移动隔离。根据另一实施例，该方法还包括以下步骤：使用信号滤波将自由悬挂工具的振荡运动与由作业机器的移动引起的自由悬挂工具的旋转移动隔离。这些实施例优选允许对振荡运动的改进的反应。
在以下描述中公开了本发明的进一步的优点和有利特征。
附图说明
参考附图，下面是作为示例引用的本发明实施例的更详细描述。
在这些图中：
图1是具有根据优选实施例的操作员辅助系统的物料搬运机的示意图，
图2是具有根据另一优选实施例的操作员辅助系统的物料搬运机的示意图，
图3是具有根据另一优选实施例的操作员辅助系统的物料搬运机的示意图，
图4是根据另一优选实施例的操作员辅助系统的功能图示。
具体实施方式
应当理解，本发明不限于上文所述和附图中示出的实施例；相反，本领域技术人员将意识到，可以在所附权利要求书的范围内做出许多修改和变型。
在整个说明书中，相同的附图标记指代相同的元件。
图1是具有根据优选实施例的操作员辅助系统的物料搬运机1000的示意图。作为具有动臂300和斗杆200以及自由悬挂工具的作业机器的示例，物料搬运机1000在所示出的实施例中具有作为自由悬挂工具的抓斗100。在所示出的实施例中，该操作员辅助系统包括四个传感器。第一传感器510布置在自由悬挂工具100处，第二传感器520布置在斗杆200处，第三传感器530布置在动臂300处，并且第四传感器540布置在机器主体400处。所有这些传感器都能够测量角度、速度和加速度。优选地，所述速度是角速度，和/或加速度是角加速度。这里所有的传感器都是惯性测量单元IMU。
操作员辅助系统还包括用于动臂300的快速反应驱动器(此处未示出)以及用于斗杆200的快速反应驱动器620、和摆动驱动器(此处未示出)以及控制单元(此处未示出)。该控制单元能够基于从传感器510、520、530和540接收的关于角度、速度和加速度的信息来计算所需的反向移动或放大移动，并且能够控制所述快速反应驱动器以相应地执行反向移动。此外，如果作业机器正在继续前进，则该控制单元能够根据计算出的所需的反向移动而启动作业机器的减速。
在所示出的实施例中，所述快速反应驱动器是液压驱动器。所述反向移动包括以下移动方向中的至少一种：使斗杆移入或移出，使动臂向上或向下移动，以及向左或向右摆动。
例如，对于自由悬挂工具的小振荡角度，可以使用所测量到的角度、在y方向上的角速度和加速度以及斗杆200的长度和抓斗重心距抓斗悬挂的距离来计算x方向上的反向移动。可以使用所测量到的角度、在y方向上的角速度和加速度以及摆动驱动器位移、摆动变速比以及抓斗重心距作业机器回转轴的距离来计算y方向上的反向移动。
特别是对于自由悬挂工具或对于具有典型地非常高的振荡角度且因此在振荡中具有高z分量的应用，动臂的附加反向移动用于消除振荡的z分量，能够提高振荡消除的效率。
图2是根据另一优选实施例的具有操作员辅助系统的物料搬运机的示意图。物料搬运机1001类似于图1的物料搬运机1000，因此下面仅描述两者之间的差异。对于一些应用，仅使用在自由悬挂工具100处的一个传感器511也是足够的。利用该实施例，可以针对特定的附接位置以及车身侧倾角和俯仰角来调节反向移动并因此调节振荡消除。因此，一个潜在的用例是，作业机器相对于倾倒点(例如破碎机的漏斗)具有固定位置。操作员需要确保：在手动触发平衡控制器之前，将抓斗大致放置在指定位置。随后，控制单元能够基于从传感器511接收的信息来计算相应的反向移动，该传感器511在所示出的实施例中是IMU。
图3是具有根据另一优选实施例的操作员辅助系统的物料搬运机的示意图。与图2的物料搬运机1001相比，物料搬运机1002的操作员辅助系统除了在自由悬挂工具处的传感器512之外，还具有另一传感器，即在作业机器的主体处的传感器542。与工具上只有一个传感器的设置相比，多个传感器(优选是IMU)允许作业机器有更多可以轻松使用操作员辅助系统的位置。例如，所示出的构造具有在工具100上的一个传感器512和在主体上的一个传感器542，与仅具有在工具上的一个传感器相比，对于作业机器的位置来说允许更大范围的俯仰角和侧倾角。利用图1的实施例中的四个传感器，可以使用作业机器的所有位置。
图4是根据另一优选实施例的操作员辅助系统800的功能图示。用于具有动臂和斗杆以及自由悬挂工具的作业机器的操作员辅助系统800包括四个传感器510、520、530、540。第一传感器510可布置在自由悬挂工具100处，第二传感器520可布置在斗杆300处，第三传感器530可布置在动臂300处，第四传感器540可布置在机器主体400处。所有这些传感器都能够测量角度、速度和加速度。操作员辅助系统800还包括快速反应驱动器，即，用于动臂的一个快速反应驱动器610、用于斗杆200的一个快速反应驱动器620、以及摆动驱动器630。此外，操作员辅助系统包括控制单元700，该控制单元700能够基于从所述至少一个传感器接收的关于角度、速度和/或加速度的信息来计算所需的反向移动或放大移动，并能够控制快速反应驱动器610、620、630以相应地执行所述反向移动或放大移动，或者，如果作业机器在继续前进，则控制单元700能够根据计算出的所需的反向移动而启动作业机器的减速。启动减速可以包括：向驾驶员发出关于需要减速的通知，或者向机器控制单元640发送用于减速的信号。
控制单元700还能够基于从所述传感器接收到的信息来检测自由悬挂工具的振荡，并且启动对所述反向移动或放大移动的计算和/或向驾驶员发出关于所述振荡的通知。该控制单元还能够连续地计算所述反向移动或放大移动。
操作员辅助系统800还可以包括用户接口，其被设计成在由操作员致动时启动对所述反向移动或放大移动的计算，和/或在由操作员致动时禁用任何的反向移动或放大移动。优选地，该用户接口是至少一个按钮，并且该用户接口优选布置在作业机器的操纵杆中。控制单元700还能够使用信号滤波将自由悬挂工具的振荡运动与由作业机器的移动引起的该自由悬挂工具的平移移动隔离，和/或使用信号滤波将自由悬挂工具的振荡运动与由作业机器的移动引起的该自由悬挂工具的旋转移动隔离。
附图标记
100 抓斗或自由悬挂工具
200 斗杆
300 动臂
400 机器主体
510 第一传感器
511 传感器
512 传感器
520 第二传感器
530 第三传感器
540 第四传感器
542 传感器
610 快速反应驱动器
620 快速反应驱动器
630 摆动驱动器
640 机器控制单元
700 控制单元
800 操作员辅助系统
1000 物料搬运机
1001 物料搬运机
1002 物料搬运机

Claims (18)

1.一种用于作业机器(1000)的操作员辅助系统(800)，所述作业机器(1000)具有动臂(300)和斗杆(200)并且具有自由悬挂工具(100)，所述操作员辅助系统(800)包括：
-至少一个传感器(510)，所述至少一个传感器(510)能够布置在所述自由悬挂工具(100)处或布置在所述斗杆(200)处，所述至少一个传感器(510)能够测量角度、速度和/或加速度，
-用于动臂(300)和斗杆(200)的快速反应驱动器(610、620)；以及摆动驱动器(630)，和
-控制单元(700)，
-所述控制单元(700)能够基于从所述至少一个传感器接收的关于角度、速度和/或加速度的信息来计算所需的反向移动或放大移动，并且
-所述控制单元(700)能够控制所述快速反应驱动器(610、620、630)以相应地执行所述反向移动或放大移动，或者，如果所述作业机器正在继续前进，则所述控制单元(700)能够根据计算出的所需的反向移动而启动作业机器的减速或加速。
2.根据权利要求1所述的操作员辅助系统(800)，其中，所述快速反应驱动器(610、620、630)是液压驱动器、电动旋转驱动器和/或电动线性驱动器。
3.根据权利要求1或2所述的操作员辅助系统(800)，包括至少四个传感器，其中第一传感器(510)布置在所述自由悬挂工具(100)处，第二传感器(520)布置在所述斗杆(200)处，第三传感器(530)布置在所述动臂(300)处，并且第四传感器(540)布置在机器主体(400)处，并且其中，这些传感器能够测量角度、速度和/或加速度。
4.根据权利要求1或2所述的操作员辅助系统(800)，其中，所述至少一个传感器是惯性测量单元(IMU)、行程传感器或霍尔效应角度传感器。
5.根据权利要求1或2所述的操作员辅助系统(800)，其中，所述速度是角速度，和/或所述加速度是角加速度。
6.根据权利要求1或2所述的操作员辅助系统(800)，其中，所述反向移动或放大移动包括以下移动方向中的至少一个：使所述斗杆移入或移出，使所述动臂向上或向下移动，以及向左或向右摆动。
7.根据权利要求1或2所述的操作员辅助系统(800)，其中，所述控制单元还能够基于从所述传感器接收到的信息来检测所述自由悬挂工具的振荡，并且启动对所述反向移动或放大移动的计算和/或向驾驶员发出关于所述振荡的通知。
8.根据权利要求1或2所述的操作员辅助系统(800)，其中，所述控制单元能够连续地计算所述反向移动或放大移动。
9.根据权利要求1或2所述的操作员辅助系统(800)，还包括用户接口，所述用户接口被设计成在由操作员致动时启动对所述反向移动或放大移动的计算，和/或在由操作员致动时禁用任何的反向移动或放大移动。
10.根据权利要求9所述的操作员辅助系统(800)，其中，所述用户接口是至少一个按钮。
11.根据权利要求9所述的操作员辅助系统(800)，其中，所述用户接口布置在所述作业机器的操纵杆中。
12.根据权利要求1或2所述的操作员辅助系统(800)，其中，所述控制单元还能够使用信号滤波将所述自由悬挂工具的振荡运动与由所述作业机器的移动引起的所述自由悬挂工具的平移移动隔离，和/或使用信号滤波将所述自由悬挂工具的振荡运动与由所述作业机器的移动引起的所述自由悬挂工具的旋转移动隔离。
13.根据权利要求1或2所述的操作员辅助系统(800)，其中，启动减速包括：向驾驶员发出关于需要减速的通知，或者向机器控制单元(640)发送用于减速的信号。
14.一种具有动臂、斗杆和自由悬挂工具的作业机器(1000)，所述作业机器(1000)具有根据前述权利要求中的任一项所述的操作员辅助系统(800)。
15.用于消除或放大作业机器的自由悬挂工具的振荡的方法，所述作业机器具有动臂和/或斗杆以及快速反应摆动驱动器，所述方法包括：
-使用在所述斗杆处或在所述自由悬挂工具上的至少一个传感器来测量角度、速度和/或加速度，
-基于所测量到的角度、速度和/或加速度，计算所需的反向移动或放大移动，以及
-使用用于所述动臂和/或斗杆的快速反应驱动器和/或所述摆动驱动器来相应地执行所述反向移动或放大移动，或者，如果所述作业机器正在继续前进，则根据计算出的所需的反向移动来启动所述作业机器的减速。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述角度、速度和/或加速度是使用在机器主体上、在所述动臂上、在所述斗杆处和在所述自由悬挂工具上的数个传感器测量的。
17.根据权利要求15或16所述的方法，还包括以下步骤：使用信号滤波将所述自由悬挂工具的振荡运动与由所述作业机器的移动引起的所述自由悬挂工具的平移移动隔离。
18.根据权利要求15或16所述的方法，还包括以下步骤：使用信号滤波将所述自由悬挂工具的振荡运动与由所述作业机器的移动引起的所述自由悬挂工具的旋转移动隔离。
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