RU2468573C2

RU2468573C2 - Method to aim actuator of forest machine manipulator

Info

Publication number: RU2468573C2
Application number: RU2010147210/13A
Authority: RU
Inventors: Лев Николаевич Шобанов; Алексей Иванович Шургин
Original assignee: Лев Николаевич Шобанов; Алексей Иванович Шургин
Priority date: 2010-11-18
Filing date: 2010-11-18
Publication date: 2012-12-10
Also published as: RU2010147210A

Abstract

FIELD: agriculture.

SUBSTANCE: method may be used for aiming an actuator of a forest machine manipulator at an object. The operator indicates position of a place of gripping or cutting of an object by a spot of a range finder beam. Simultaneously the operator measures distance to the object and angles of rotation of the range finder with further feed of the actuator to the object for gripping or cutting.

EFFECT: method reduces fatigability of an operator and increases efficiency of a forest machine.

4 cl

Description

Изобретение относится к управлению лесными машинами, преимущественно манипуляторами, применяемыми, например, в лесной промышленности для подачи захватного-срезающего устройства (ЗСУ) или харвестерной головки или захвата манипулятора к стволу дерева, спила и/или перемещения его в зону разгрузки в пакет, штабель или на транспортное средство.The invention relates to the management of forest machines, mainly manipulators, used, for example, in the forest industry for feeding a gripping-cutting device (ZSU) or a harvester head or grabbing a manipulator to a tree trunk, sawing and / or moving it to the unloading zone in a package, stack or on the vehicle.

Известна валочно-пакетирующая машина ЛП - 19 (Кругов B.C., Барман М.А., Ермольев В.П., Королев В.Е., Попов Б.В. - М.: Лесная промышленность, 1982 г., с.11). Технологический процесс машины ЛП - 19 складывается из переездов по лесосеке, спиливания и пакетирования деревьев. Совершив переезд, машина останавливается таким образом, чтобы очередная группа деревьев находилась в пределах рабочей зоны стрелы. Следующей операцией является наводка захватно-срезающего устройства на дерево, которая осуществляется непосредственно оператором посредством управляющих рычагов и педалей. Движениями стрелы и поворотом платформы ЗСУ прижимают призмами к стволу так, чтобы пильный механизм располагался у комля дерева. Затем производят зажим ствола рычагами захвата, его натяг вверх движением стрелы и спиливание. Операция пакетирования начинается после отделения ствола от корня. Она складывается из подъема ствола, подтягивания его к машине, поворота платформы к пачке и укладки ствола в пачку. Пуск и остановку вращения платформы и стрелы следует производить плавно, без рывков, резких разгонов и торможений.Known feller buncher machine LP - 19 (Krugov BC, Barman MA, Ermolyev V.P., Korolev V.E., Popov B.V. - M .: Forestry, 1982, p. 11) . The technological process of the LP-19 machine consists of moving along the cutting area, sawing and packing of trees. Having made the move, the car stops in such a way that the next group of trees is within the working zone of the boom. The next operation is the aiming of the gripping-cutting device on the tree, which is carried out directly by the operator by means of control levers and pedals. With the movements of the arrow and the rotation of the platform, the ZSU are pressed with prisms to the trunk so that the saw mechanism is located at the butt of the tree. Then, the barrel is clamped by the gripping levers, its tightness is increased by the movement of the boom and sawing. The batching operation begins after the trunk is separated from the root. It consists of lifting the trunk, pulling it to the machine, turning the platform to the pack and stacking the trunk in the pack. Start and stop rotation of the platform and boom should be done smoothly, without jerking, sudden acceleration and braking.

Недостатком данного способа наведения и управления рабочим органом лесной машины является то, что все операции производятся оператором непосредственно через ручки и педали управления, что требует высокой квалификации оператора, постоянной сосредоточенности на движениях и часто приводит к неточности их выполнения и быстрой утомляемости оператора.The disadvantage of this method of guidance and control of the working body of the forest machine is that all operations are performed by the operator directly through the knobs and control pedals, which requires a highly skilled operator, constant focus on movements and often leads to inaccurate execution and rapid operator fatigue.

Данным изобретением снижается утомляемость оператора и повышается производительность лесной машины за счет частичной автоматизации процесса наведения рабочего органа манипулятора на объект, с последующей компьютерной обработкой полученных данных наведения и автоматической выдачей управляющих сигналов на исполнительные механизмы манипулятора и рабочий орган лесной машины.This invention reduces operator fatigue and increases the performance of the forest machine due to the partial automation of the process of pointing the manipulator's working body to the object, followed by computer processing of the guidance data and the automatic generation of control signals to the actuators of the manipulator and the working body of the forest machine.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в способе наведения рабочего органа манипулятора лесной машины на объект оператором особенностью является то, что оператор указывает положение места захвата или спила объекта пятном луча дальномера и одновременно измеряет расстояние до объекта и углы поворота дальномера с дальнейшим подводом рабочего органа к объекту для захвата или спила, при этом оператор может указывать несколько объектов, не ожидая начала операции или окончания текущей, с последующим захватом или спилом всех указанных объектов. Оператор может указывать на каждом объекте, по меньшей мере, две точки, например, для определения длины сортамента и/или оптимизации раскряжевки или точки захвата, причем оператор может указывать на каждом объекте в заданном порядке комель и вершину или точки, близкие к ним.The specified technical result during the implementation of the invention is achieved by the fact that in the method of guiding the working body of the manipulator of the forest machine on the object by the operator, the feature is that the operator indicates the position of the place of capture or sawing of the object with the spot of the rangefinder beam and simultaneously measures the distance to the object and the rotation angles of the range finder with further supply the working body to the object for capture or saw cut, while the operator can specify several objects without waiting for the start of the operation or the end of the current one, with the subsequent general capture or a cut of all specified objects. The operator can indicate at least two points on each object, for example, to determine the length of the assortment and / or optimize the logging or pick point, and the operator can indicate on each object in a given order the comet and the vertex or points close to them.

Способ осуществляется следующим образом.The method is as follows.

Рассмотрим работу лесной машины при спиливании деревьев. Оператор устанавливает лесную машину в положение, наиболее удобное для проведения запланированных технологических операций, и переводит ее в соответствующий режим. Взяв в руку дальномер, который закреплен в кабине с возможностью поворота в двух (или трех) плоскостях, оператор поворачивает его так, чтобы луч (пятно луча) дальномера оказалось на дереве в месте будущего спила или на сортаменте в месте захвата. Нажав на кнопку «измерение», оператор инициирует процедуру измерения, расчетов и дальнейшего автоматического управления машиной.Consider the work of a forest machine when cutting trees. The operator sets the forest machine in the position most convenient for the planned technological operations, and puts it in the appropriate mode. Having taken the range finder, which is fixed in the cab with the possibility of rotation in two (or three) planes, the operator turns it so that the beam (spot beam) of the range finder is on a tree in the place of the future saw cut or on the assortment in the place of capture. By clicking on the "measurement" button, the operator initiates the measurement, calculation and further automatic control of the machine.

Встроенный в кабину лесной машины компьютер считывает с соответствующих датчиков углы поворота дальномера и значение измеренного дальномером расстояния до указанной оператором точки. Считывание может производиться различными способами, включая проводные и беспроводные технологии. Многие дальномеры могут передавать информацию в компьютер по блютуз (Bluetooth) и/или как USB устройства или по протоколам RS-232, RS-485 и др. В некоторых дальномерах есть встроенные датчики углов поворота, но в большинстве случаев удобнее использовать внешние датчики, установленные на устройстве крепления дальномера. Как известно из геометрии, два угла поворота вектора и его длина однозначно определяют точку в пространстве относительно начала вектора, т.е. можно рассчитать точку захвата дерева относительно дальномера, а следовательно, и относительно лесной машины. Если при этом измерен и третий угол, то определяется и поворот захвата в системе координат лесной машины. Для возможности измерения третьего угла пятно луча дальномера должно иметь соответствующую форму, например форму стрелки и возможность третьего поворота дальномера (вокруг своей оси). Если при повороте дальномера вокруг своей оси оператор визуально совмещает направление стрелки с направлением на вершину, то после считывания третьего угла в компьютер это позволит более эффективно производить, например, захват непараллельно лежащих бревен для погрузки.The computer built into the cabin of the forest machine reads from the corresponding sensors the angles of rotation of the range finder and the value of the distance measured by the range finder to the point indicated by the operator. Reading can be done in a variety of ways, including wired and wireless technologies. Many rangefinders can transmit information to a computer via bluetooth (Bluetooth) and / or as USB devices or via protocols RS-232, RS-485, etc. Some rangefinders have built-in angle sensors, but in most cases it is more convenient to use external sensors installed on the mount device of the rangefinder. As is known from geometry, two angles of rotation of a vector and its length uniquely determine a point in space relative to the beginning of the vector, i.e. you can calculate the point of capture of the tree relative to the range finder, and therefore, relative to the forest machine. If the third angle is also measured, then the capture rotation in the coordinate system of the forest machine is also determined. To be able to measure the third angle, the spot of the rangefinder beam must have a corresponding shape, for example, the shape of an arrow and the possibility of a third rotation of the range finder (around its axis). If, when the range finder is rotated around its axis, the operator visually combines the direction of the arrow with the direction to the top, then after reading the third angle into the computer this will allow for more efficient production, for example, of capturing non-parallel lying logs for loading.

Дальнейшие операции могут быть произведены в автоматическом режиме. Фактически, после указания пятном луча дальномера точки спиливания дерева оператор переходит из режима активного управления в режим контроля и до завершения технологической операции может не прикасаться к органам управления машиной, что значительно снижает нагрузку на оператора и его утомляемость.Further operations can be performed automatically. In fact, after the spot of the range finder’s beam indicates the point of cutting the tree, the operator switches from the active control mode to the control mode and may not touch the machine controls until the technological operation is completed, which significantly reduces the operator’s load and fatigue.

На первом этапе встроенный компьютер производит кинематические расчеты, в частности, широко известные в робототехнике. Для промышленных роботов пересчет координат указанной точки (точки захвата указанной пятном луча лазера) в положение звеньев манипулятора называется «обратная задача кинематики», которая, в частности, рассмотрена в 4 главе книги «Промышленные роботы агрегатно-модульного типа. / Е.И.Воробьев и др. М.: Машиностроение, 1988. - 240 с.: ил.» и в главе 2.2 книги «Робототехника. /Фу К., Гонсалес Р., Ли К. Пер. с англ. М.: Мир, 1989 - 624 с: ил.». В книге «Робототехника» описаны не только кинематические расчеты (с.69), но и динамические расчеты.At the first stage, the built-in computer performs kinematic calculations, in particular, widely known in robotics. For industrial robots, recalculating the coordinates of the specified point (the capture point of the indicated spot of the laser beam) to the position of the manipulator links is called the “inverse kinematics problem”, which, in particular, is discussed in chapter 4 of the book “Industrial robots of aggregate-modular type. / E.I. Vorobyev et al. M .: Mechanical Engineering, 1988. - 240 pp., Ill. ”And in chapter 2.2 of the book“ Robotics. / Fu K., Gonzalez R., Lee K. Per. from English M.: Mir, 1989 - 624 s: ill. ". The book “Robotics” describes not only kinematic calculations (p.69), but also dynamic calculations.

Если результаты кинематических расчетов показывают, что манипулятор не может дотянуться до указанной точки, т.е. указанное дерево находится вне рабочей зоны, об этом сообщается оператору, звуковым, световым или другим сигналом вплоть до речевого сообщения через встроенные в кабину динамики, например: «Переместите машину на полметра ближе к дереву и повторно укажите точку».If the results of kinematic calculations show that the manipulator cannot reach the specified point, i.e. the specified tree is located outside the working area, this is reported to the operator by sound, light or other signal up to a voice message through the speakers built into the cab, for example: "Move the machine half a meter closer to the tree and re-specify the point."

Если манипулятор может дотянуться до указанной точки, т.е. ЗСУ может быть перемещено манипулятором к указанному оператором дереву, то следующим шагом производится автоматический расчет оптимальной траектории перемещения ЗСУ из текущего положения в указанную точку. Т.е. определяются законы изменения положения звеньев манипулятора, позволяющие за минимально возможное время переместить ЗСУ к дереву, не перегружая машину. Эти расчеты, производимые на втором этапе, позволят в предлагаемом способе на следующем шаге эффективно управлять манипулятором, ЗСУ и всей машиной в целом. По окончании расчетов компьютер начинает управлять приводами, обеспечивая согласованные, расчетные движения машины, поворотной платформы, всех звеньев манипулятора и ЗСУ. После завершения этих движений ЗСУ будет находиться в указанной оператором точке - в точке, где находилось пятно луча дальномера в момент нажатия оператором кнопки «измерение».If the manipulator can reach the specified point, i.e. ZSU can be moved by the manipulator to the tree specified by the operator, then the next step is the automatic calculation of the optimal trajectory of the ZSU from the current position to the specified point. Those. the laws of changing the position of the links of the manipulator are determined, allowing for the shortest possible time to move the ZSU to the tree without overloading the machine. These calculations, performed in the second stage, will allow in the proposed method in the next step to effectively control the manipulator, ZSU and the whole machine as a whole. At the end of the calculations, the computer begins to control the drives, providing coordinated, calculated movements of the machine, turntable, all parts of the manipulator and ZSU. After completing these movements, the ZSU will be at the point indicated by the operator - at the point where the spot of the rangefinder beam was located at the moment the operator clicks the "measurement" button.

Далее автоматически может быть произведена технологическая операция спиливания дерева, состоящая из захвата дерева, натяга, спиливания и т.д., вплоть до осуществления всей технологической операции лесной машины, включая удаление сучьев и раскряжевку, если на лесной машине вместо ЗСУ установлена хорвестерная головка.Further, a technological operation of cutting a tree can be automatically performed, consisting of grabbing a tree, interference, cutting, etc., up to the entire technological operation of a forest machine, including removal of branches and bucking, if a forest harvester is installed instead of a ZSU on a forest machine.

При управлении лесной машиной - погрузчиком (форвардером) оператор может указывать и по одной точку на сортаменте в месте захвата, желательно с направлением положения бревна стрелкой дальномера или по две точки на концах бревна, желательно в определенной последовательности, например вначале вершина, затем комель бревна. Это позволит рассчитать и положение оптимальной точки захвата, и наиболее эффективную укладку бревен.When controlling a forest machine - a loader (forwarder), the operator can indicate one point on the assortment at the capture point, preferably with the direction of the position of the log with the arrow of the range finder, or two points at the ends of the log, preferably in a certain sequence, for example, first the top, then the butt of the log. This will allow you to calculate the position of the optimal capture point, and the most efficient stacking of logs.

Средство, воплощающее заявленный способ при его осуществлении, предназначено для использования в лесной промышленности для подачи захвата, ЗСУ или хорвестерной головки к стволу дерева, спила и пр., т.е. относится к управлению лесными машинами, преимущественно манипуляторами.The tool embodying the claimed method in its implementation is intended for use in the forest industry for feeding a grapple, ZSU or a harvester head to a tree trunk, saw cut, etc., i.e. refers to the management of forest machines, mainly manipulators.

Для заявленного способа в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте изложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке и известных до даты приоритета средств и методов. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «промышленная применимость».For the claimed method in the form described in the independent paragraph of the claims, the possibility of its implementation using the means and methods described in the application and known prior to the priority date is confirmed. Therefore, the claimed invention meets the condition of "industrial applicability".

Предложенный способ позволит снизить затраты при заготовке древесины и повысить производительность труда путем более эффективного осуществления технологических операций лесной машиной.The proposed method will reduce costs in the harvesting of wood and increase productivity through more efficient implementation of technological operations by a forest machine.

Claims

1. The method of pointing the working body of the manipulator of the forest machine to the object by the operator, characterized in that the operator indicates the position of the capture point or saw cut of the object with the spot of the rangefinder beam and simultaneously measures the distance to the object and the angle of rotation of the range finder with the further supply of the working body to the object to capture or saw.

2. The method of guidance of the working body of the manipulator of the forest machine according to claim 1, characterized in that the operator indicates several objects, not waiting for the start of the operation or the end of the current one with the subsequent capture or sawing of all these objects.

3. The method of guidance of the working body of the manipulator of the forest machine according to claim 1, characterized in that the operator indicates at each object at least two points, for example, to determine the length of the assortment and / or optimal bucking.

4. The method of guidance of the working body of the manipulator of the forest machine according to claim 3, characterized in that the operator indicates at each object in a given order the comel and the vertex or point close to them.