HK1102015B - 一种智能臂架控制装置 - Google Patents

Description

一种智能臂架控制装置

技术领域

本发明涉及一种控制臂架的装置，具体地说涉及一种智能操控臂架控制装置。

背景技术

带臂架的各种施工车辆被广泛使用。所述的臂架是包括至少三个水平铰接轴相铰接的杆段组成的设备，所述的各个杆段能够绕铰接轴旋转相当的角度。同时，该臂架整体通过转台固定在机座上，臂架整体在转台的带动下，可以绕垂直于水平面的竖轴进行360度的旋转。这种臂架的典型应用是作为施工设备，例如，将物体从一个地点移动到另一个地点，以及将物体吊起。目前，该种臂架设备广泛使用于各种施工现场进行混凝土浇筑以及其他类似的工作。

例如，一种典型的带臂架的施工车辆是带臂架布料杆的混凝土泵车，这种车辆在需要混凝土浇筑的施工现场，按照操控要求进行混凝土浇筑施工。当臂架设备用于混凝土浇筑以及其他类似场合时，对其控制具有较高的要求，尤其是对其末端的运动轨迹需要进行准确的控制。

图1示出这种混凝土泵车的臂架结构。以下结合图1说明该臂架的结构以及控制原理。

如图1所示，混凝土泵车8包括臂架9、汽车底盘构成的机座10。

在图1所示中，臂架9由五个相互铰接的杆段12至16和借助液压马达驱动的可绕竖轴18旋转的转台11组成，五个杆段分别命名为大臂12、二臂13、三臂14、四臂15和五臂16，上述每个杆段分别受对应的液压油缸31到35的控制，上述液压油缸的动作，可以使各自控制的杆段绕各自的铰接轴有限回转。同时，转台11也可以在液压旋转马达30(图1未示出，请参看图2)的驱动下旋转。在施工时，操作手可以借助遥控器操控手柄的运动，控制臂架的姿态调节和转台的旋转，将带有终端软管17的臂架末端20移到要浇注混凝土的区域上方。该终端软管17连接到混凝土输送泵，混凝土通过终端软管17喷出，实现混凝土浇筑。

图2示出现有技术下，图1所示臂架的运动控制系统。该系统包括一个可以发出无线遥控信号的遥控器40，固定在车辆上的接收器41，以及电气液压控制元件电比例多路阀52、以及所述液压马达30、液压油缸31到35组成的执行单元53。

如图2所示，所述遥控器40包含六个比例摇杆42至47，它们可沿一个主调节方向往复调整并发出模拟量遥控信号，这些遥控信号分别用于控制转台以及各个杆段。遥控信号通过一定频率的无线电波51传输到固定在汽车上的接收器41。遥控器40还包含一排其他开关机构48、49、49’、49”，在操纵它们时通过一定频率的无线电波51将另一些相关的遥控无线信号传输给无线接收器41。当调整臂架末端工作位置时，如果需要某个杆段动作或旋转动作，则通过操纵相应的比例摇杆42至47往复前倾或后倾，发出控制指令，接收器41收到无线信号后，负责输出分别对应于每一个臂架杆段或转台的PWM驱动信号到电比例多路阀52，进行控制。电比例多路阀52包括电比例阀56至60，分别驱动双向液压油缸31至35；还包括电比例阀55，用于驱动双向液压马达30。液压油缸31至35的伸长或缩短会使相应的杆段绕铰接轴有限的回转，液压马达30的旋转能够通过减速机构带动整个臂架9绕竖轴18旋转。

以上描述的是典型的单节臂架动作的实现方式，这种实现方式无需借助臂架测量传感系统和计算机支持的坐标转换系统，但操纵起来很繁琐。例如，假定在图1中，需要将终端软管17在图示位置移到A位置，臂架末端20的高度保持不变，则操纵者至少需移动两段以上的杆段才能实现。为此，操作者需要分别控制摇杆43到47中的两个，以便实现高度不变的情况下，移动到A点。只有有经验的操纵者才能够较快的完成这一操作，但是，仍然很难保证在移动过程中，臂架末端20高度不变。

为解决上述多杆段臂架操作高度不变的问题，现有技术下已经提出了若干采用自动控制技术实现对臂架运动自动控制的技术方案。这些技术方案借助臂架测量传感系统以及计算机支持的坐标转换系统，实现对臂架操作的简易控制。

例如，德国Putzmeister公司提出的专利号为DE-A-4306127的有关臂架操作设备专利(该专利也可参见美国专利US 6862509)，提供了一种定义了柱面(极)坐标模式的臂架操作设备，所述柱面坐标有三个坐标轴：ψ、r、h，参见图1。所述三个坐标轴分别对应于臂架的旋转(ψ)、臂架的伸长和缩短(r)，以及臂架的高度的升降(h)。

在Putzmeister公司提供的专利中，根据所定义的柱面坐标模式的三个方向，采用一个有三个主调节方向的摇杆进行控制。该控制摇杆的每个主调节方向与柱面坐标的一个坐标轴相对应。当操纵者控制摇杆动作时，根据摇杆的动作方向，产生对应相应坐标轴的信号，通过计算机的计算，产生对应于各个杆段相对旋转以及臂架整体旋转的控制分量，控制臂架在所设定的坐标系统中，按照摇杆的控制动作。三个坐标轴上的控制分量还可以进行组合，使一个操控动作能够发出两个以上坐标轴方向的控制信号，实现对臂架末端的简单而精确的控制，尤其是在平行于水平面的坐标轴控制。

上述专利提供的智能操控臂架的装置，其设置的坐标系统非常直观，能够使操纵者非常便利的将臂架末端从一个空间位置移动到另一个空间位置。

但是，上述智能操控臂架的装置也有明显的缺陷。

对于混凝土泵车这种典型的臂架应用而言，当进行混凝土浇筑时，其关注的问题不仅仅是如何从一个空间位置移动到另一个空间位置，而且还需要精确的控制臂架末端的运动轨迹，这样才能实现正确的浇筑施工。

在浇筑施工中，典型的浇筑方式是进行相互垂直的直线方向的浇筑。这种浇筑方式下，要求臂架末端的运动轨迹为直线。

在现有技术提供的柱面坐标模式下，由于采用了旋转轴，臂架末端的操纵轨迹一般是弧线，而不可能是直线。请参看图3，该图示出在上述柱面坐标模式下，实现从平面上的点A移动到同一个平面的点D的运动轨迹形成过程。在该例中，假设高度轴h方向没有移动的要求，即点A到点D的移动是在同一高度上。

图3a示出臂架初始位置在水平面上的投影，此时，臂架末端N处于以转台为原点O的柱面坐标平面上一点A，现在的操作需求如图3b所示，即将臂架末端N从所在坐标点A移动到点D，其需求的轨迹是图3b所示的从点A到点D的一段直线。但是，在柱面坐标的模式下，臂架末端N的实际轨迹却并非直线。

请参看图3c，该图示出在柱面坐标模式下，臂架末端N的轨迹。在现有的柱面坐标方式下，臂架末端N的运动轨迹被分解为在ψ轴、r轴的运动分别进行，采用上述运动分解方式后，臂架末端N将是一边在轴向的ψ轴上旋转，一边在r轴，也就是臂架伸展的MN方向的直线上移动。最初始状态下，臂架MN的末端N与A点重合，即臂架MN在水平面上的投影为OA；由于臂架运动时，一边旋转，一边伸长，到下一个单位时间时，臂架在平面上的投影为OB。同样的，到再下一个单位时间时，臂架在平面上的投影为OC，到最终的目标位置D时，臂架在平面上的投影为OD。这样，臂架末端N在平面上的投影点轨迹就是图示的点A到点D的一段折线。这是仅仅取单位时间上的少数几个点获得的轨迹，实际上，最终从A点到D点臂架末端N的轨迹是一段半径逐渐增大的弧线。这样的运动轨迹，对于一般的施工操作并无不利影响，但是，在进行水泥浇筑等对臂架末端N的运动轨迹有较高要求的场合，这种运动轨迹将无法满足操作需求。

发明内容

针对上述缺陷，本发明解决的技术问题在于，提供一种智能操控臂架的装置，该装置能够使臂架末端从一点向另一点运动时，沿直线轨迹运动，从而满足要求臂架末端运动轨迹为直线的施工场合的要求。

本发明提供一种智能臂架控制装置，所述臂架以铰接方式固定在可绕固定机架上的竖轴旋转的转台上，并具有至少三个彼此通过水平铰接轴相互铰接的杆段，每一个杆段可以在驱动器的作用下绕彼此平行的铰接轴相对于转台或者其它杆段有限回转；所述智能臂架控制装置包括：

控制单元，用于根据控制指令控制所述的各个驱动器，使臂架末端在设置的坐标系内按照所述控制指令运动；

角度测量单元，包括测量各个杆段之间角度以及转台旋转角度的角度传感器，该单元用于向所述控制单元提供角度测量值；所述控制单元根据上述角度测量值计算该臂架的位置信息，并据此调整对各个驱动器的控制；

遥控器，用于以无线遥控形式发送控制指令；

所述遥控器可提供用于直角坐标系的运动控制指令，该运动控制指令包括X轴分量、Y轴分量和Z轴分量；

在空间上定义一直角坐标系，该直角坐标系X轴、Y轴和Z轴分别与所述遥控器运动控制指令中的X轴分量、Y轴分量和Z轴分量对应；其中，所述X轴、Y轴组成的平面直角坐标系所在平面平行于水平面；所述Z轴始终以垂直于水平面向上的方向为正方向；

所述遥控器发出运动控制指令时，所述控制单元根据所接收的运动控制指令的X轴分量、Y轴分量确定臂架末端在所述平面上的直角坐标系内的运动方向，并分解为各个杆段以及杆座的运动，使臂架末端在该直角坐标系中向所述运动控制指令所表示的方向运动。

优选地，所述遥控器采用具有两个主调节方向的比例摇杆提供所述运动控制指令，其中一个主调节方向对应X轴，另一个主调节方向对应Y轴；所述比例摇杆的倾斜方向在对应X轴的主调节方向上的投影为所述X轴分量，所述比例摇杆的倾斜方向在对应Y轴的主调节方向上的投影为所述Y轴分量。

优选地，在发出建立直角坐标系指令时，以转台为起点，臂架在水平面上的投影方向为直角坐标系Y轴的正方向，以臂架在水平面投影的终点为坐标原点，确定所述X轴、Y轴所在的直角坐标系。

优选地，当所述遥控器的比例摇杆回到中位时，发出所述建立直角坐标系指令。

优选地，所述的直角坐标系采用如下方式建立：首先记录臂架末端在水平面上初始点位置，移动臂架末端，并记录臂架末端最终达到的水平面上终点位置，以上述初始点到终点的连线方向作为X轴的正向，以此确定所述直角坐标系；该坐标系确立后，所述遥控器比例摇杆在对应X轴的主调节方向上的移动对应于臂架末端平行该平面直角坐标系的X轴的移动，所述遥控器比例摇杆在对应Y轴的主调节方向上的移动对应于臂架末端平行于该平面直角坐标系的Y轴的移动。

优选地，所述遥控器具有专用的示教选择开关，当该示教选择开关选择示教模式时，开始记录所述臂架末端所在水平面位置，以便用于确定所述直角坐标系。

优选地，所述臂架所在的车辆上固定有接收器，该接收器用于接收所述遥控器发出的遥控控制指令，并将所接收的遥控控制指令转化为控制数据流输出。

优选地，所述的驱动器为通过电比例阀控制的液压油缸和液压马达。

优选地，所述控制单元包括：

指令参数分解单元，用于接收所述接收器输出的控制数据流，并将所述控制数据流分解为与遥控器上的控制机构所发出的命令对应的指令码；

实际位置计算单元，用于接收所述角度测量单元输出的角度测量值数据，并根据上述数据计算获得臂架位置信息；

运动规划单元，用于接收所述指令参数分解单元输出的指令码，以及所述实际位置计算单元输出的臂架位置信息，计算获得臂架末端运动到目标位置并且保持在同一设定直线或平面所需的各个杆段以及转台的运动量，将上述运动量作为运动规划；

流量控制单元，用于接收所述运动规划单元输出的运动规划，根据该运动规划输出控制各个杆段和转台的指令电压或指令电流；

PWM电压输出单元，用于接收流量控制单元输出的对应于各个杆段和转台的指令电压或者指令电流，并根据该指令电压或者指令电流生成相应数值的驱动电压，控制各个电比例阀的开度和方向，进而控制液压油缸伸长或缩短以及液压马达的旋转到达运动规划确定的位置。

优选地，所述实际位置计算单元计算获得的臂架位置信息包括臂架各个杆段末端以及臂架末端的位置坐标。

优选地，所述运动规划单元进行运动规划时，首先通过下述方式获得所述目标位置：根据所接收的指令码中的运动控制指令的X轴分量、Y轴分量，计算获得臂架末端的运动方向；根据该运动方向，结合预先设置的步长参数，将臂架末端当前的位置在所述运动方向上加上该步长后，获得臂架末端的目标位置。

优选地，所述流量控制单元根据实时获得的所述臂架位置信息，随时调整对应于各个杆段和转台的输出指令电流或者指令电压，实现对臂架运动的伺服控制；该伺服控制保证臂架末端在同一水平面运动。

优选地，所述遥控器上比例摇杆的倾斜角度对应于臂架末端的运动速度；所述流量控制单元输出的根据该运动速度调整所述指令电压或者指令电流的输出。

优选地，所述流量控制单元根据实时获得的所述臂架位置信息，计算臂架末端运动速度与指令运动速度的差值，并据此调整对应于各个杆段和转台的输出指令电流或者指令电压，实现对臂架运动的同步控制。

优选地，所述流量控制单元在接收到所述运动规划后，首先对该运动规划的合理性进行判断，若规划合理，则产生所述指令电压或者指令电流；若规划不合理，则要求重新进行规划。

优选地，所述流量控制单元对运动规划进行合理性判断，包括判断各个杆段和转台相对当前位置运动的连续性；若连续，则运动规划合理；若不连续，则运动规划不合理。

优选地，所述智能臂架控制装置除了提供所述直角坐标控制模式外，还同时提供柱面坐标控制模式和手动控制模式；各种控制模式之间通过遥控器上专门设置的控制模式选择开关选择。

优选地，所述遥控器还设置有控制臂架末端升降的比例摇杆，用于控制臂架末端在Z轴方向升降运动。

优选地，所述的PWM电压输出单元采用脉冲宽度调制方式或电流方式获得所述驱动电压或电流，具体是使用所接收的指令电压或者指令电流，控制脉冲方波宽度或控制电流大小，获得所需的驱动电压或电流。

优选地，所述的控制单元还包括遥控器反馈显示单元，该单元将操作者关心的信息和状态传输到固定在汽车上的接收器，并由接收器通过无线电波传送到遥控器；所述遥控器上具有液晶显示器，用于显示所接收的反馈信息。

优选地，所述遥控器具有控制各个杆段和转台运动的比例摇杆；以及控制臂架末端在Z轴方向上升降运动的比例摇杆。

优选地，所述接收器、控制单元以及角度测量单元之间通过CAN总线进行数据传输。

本发明提供的智能臂架控制装置与现有技术相比，在现有技术的基础上，提供了直角坐标系的控制模式。在该控制模式下，操作者通过遥控器发出包括在平行于水平面的平面上的X轴分量、Y轴分量和在垂直方向的Z轴分量的运动控制指令，控制单元根据臂架末端当前的位置以及该运动控制指令，在该直角坐标系下，向运动控制指令要求的运动方向运动。由于按照直角坐标系进行运动规划，因此，可以直观的进行直线运动的控制。在本发明的优选实施方式下，可以获得同一水平面的直线运动轨迹。

本发明提供的控制装置，能够使操纵者方便的实现对臂架末端的运动轨迹的直线控制，特别适用于混凝土泵车等需要臂架末端以直线运动轨迹运动的场合。

附图说明

图1是本发明所要控制的臂架示意图；

图2是现有技术的臂架控制装置；

图3是现有技术下的柱面坐标控制模式臂架末端运动轨迹的形成过程；

其中：图3a是臂架末端在初始位置的投影；

图3b是臂架末端移动的需求轨迹；

图3c是柱面坐标模式下，臂架末端N的轨迹；

图4是本发明第一实施例的智能臂架控制装置的原理框图；

图5是本发明第一实施例采用归中方式确定直角坐标系的过程；

其中：图5a是在比例摇杆上直角坐标系的建立；

图5b是比例摇杆归中时臂架在水平面内的投影；

图5c是在上述臂架位置时在臂架末端的水平面内确立的直角坐标系；

图5d是比例摇杆倾斜方向示意图；

图5e是臂架末端在直角坐标系内直线运动时确定运动轨迹的示意图；

图6是本发明第一实施例的臂架智能控制装置采用示教方式确立直角坐标系的示意图。

具体实施方式

为了说明本发明所提供的装置，以下第一实施例结合图1示出的混凝土泵车的臂架结构，说明本发明提供的智能臂架控制装置的具体实施方式。所述混凝土泵车的臂架结构已经在背景技术中说明，此处不再予以说明。由于本发明解决的核心问题是臂架在水平面上的移动，因此，以下介绍主要说明臂架在水平面运动的控制，臂架在垂直方向上的升降控制比水平面上的运动控制更为简单，在此不做详细说明。

图4示出本发明第一实施例的智能臂架控制装置的原理框图。

如图4所示，该智能臂架控制装置包括遥控器70、固定在混凝土泵车上的接收器82、以及角度测量单元89、控制单元90。

所述遥控器70包含5个比例摇杆71-75，其中，比例摇杆71-74具有一个前后可往复调整的主运动方向，比例摇杆75具有两个往复调整的主调节方向，可以分别进行前后运动和左右运动，并发出控制信号。所述遥控器70还具有操作模式选择开关77，该操作模式选择开关77设计为一个三档位的自锁型选择开关，该开关的不同档位对应于不同的操作模式，包括手动操作模式、柱面坐标模式以及直角坐标模式。此外，该遥控器70上还具有其他一些控制机构。操作上述比例摇杆等控制机构产生的控制信号，相应产生一定频率的无线遥控信号83，向外发送。

所述的接收器82固定在混凝土泵车上，用于接收所述遥控器70发出的无线遥控信号83，并转化为控制数据流，通过CAN(Controller Area Network，即控制器局域网络)数据总线85，传送到控制单元90。本实施例中，由于需要传送的控制信号比较多，因此，采用CAN总线85进行信息的传送，一方面可有效减少因为电气线路的长度而引起的信号衰减；另一方面可减少电气线路线束的重量。

所述角度测量单元89，包括六个角度传感器88，这些角度传感器分别用于测量各个杆段之间的角度、大臂12与机座之间的角度以及转台偏离臂架收拢放倒时中位的旋转角度，并将上述角度测量值传送给所述控制单元90。

图4还示出电比例多路阀52、执行单元53，上述单元的功能和组成与背景技术中图2所述的控制装置相同，图中使用相同的标号表示，在此不再赘述。

所述控制单元90用于通过所述CAN(Controller Area Network，即控制器局域网络)数据总线85，接收所述接收器82发送的控制数据流，以及所述角度测量单元89发送的角度测量值。并根据上述数据进行计算，产生控制执行单元53中液压马达和各个液压油缸的驱动电压。该控制单元90实现将控制指令转化为驱动电压，是实现臂架按照预想的运动轨迹运动的关键。

所述控制单元90包括以下子单元：指令参数分解单元91、实际位置计算单元92、运动规划单元93、流量控制单元94、PWM(脉冲宽度调制)电压输出单元95。控制单元90中包含的各个子单元的具体实现方式可以是软件模块，也可以采用硬件模块。

所述指令参数分解单元91接收总线85传送的控制数据流，并将该遵循CAN协议的报文指令，分解变成可认知的指令码，这些指令码和遥控器70上的各选择开关、摇杆机构等控制机构的位置是对应的。与本发明解决的技术问题相关的指令码主要是操作模式、遥控器摇杆倾斜方向和推度、示教和清除指令等，还有一些其他的指令码，包括臂架和转台的锁定状态等。其中摇杆的倾斜方向和推度实际上代表着臂架末端的运动方向和速度等运动控制指令。在极坐标或者直角坐标模式下，该指令参数分解单元91将所接收遥控器70发出的实时数据，识别分解为上述不同类型的指令传送到所述运动规划单元93，作为运动规划单元93的输入参数。在手动操作模式下，则直接将对某个杆段的操纵命令传送到PWM电压输出单元95。

所述实际位置计算单元92用于从所述CAN数据总线85接收所述角度测量单元89输出的角度测量值数据，并根据上述数据计算获得臂架9的实际位置信息。所述位置信息是在获知每节臂架的运动角度后，通过任意四边形的边和角度的关系，求得的液压油缸31至35的行程、各个杆段末端包括臂架末端的位置坐标等信息，所述计算结果输出到所述运动规划单元93。

所述运动规划单元93用于接收所述指令参数分解单元91输出的指令码，以及所述实际位置计算单元92计算的臂架9的实际位置信息，包括各个杆段末端的实际位置，计算获得目标位置。所述目标位置，是根据所述比例摇杆发出的运动控制指令所代表的运动方向，以臂架末端20当前所在位置为基准，在该方向上加上设定的步长，获得目标位置的坐标；根据该目标位置，以及臂架9各杆段和转台11的锁定状态和臂架9各杆段以及转台11的当前位置，计算臂架9的各个杆段以及转台11需要在何种方向上作何种程度的运动，获得下一步的期望运动轨迹。该运动规划单元93进行运动规划时，可能要在以下一些限制条件下进行，包括：大臂12锁定情形、大臂12和二臂13锁定情形、转台11锁定情形、臂架9各个杆段都未锁定情形、直角坐标下转台11参与控制的情形。该运动规划单元93计算获得的结果输出到所述流量控制单元94。所述运动规划单元93实现的功能，其实就是确定臂架末端20的运动方向和轨迹，并把臂架末端20的运动分解到杆段12至16和转台11上。所述臂架末端20的运动方向和轨迹根据操作者通过遥控器70发出的运动控制指令，以及控制装置当前所处于的操作模式确定。该运动规划单元93获得的运动规划结果，需要确保臂架的协调运动，例如，当臂架末端20在水平面上运动时，要使臂架末端始终保持在同一平行于水平面的平面中运动。

所述流量控制单元94用于接收所述运动规划单元93输出的运动规划结果，并对该运动规划结果进行合理性判断，当判断该运动规划结果是合理的并可以实现时，将运动规划结果作为控制各个杆段以及转台的运动驱动机构的液压油流量分配的依据，据此，该流量控制单元94输出针对各个运动机构的指令电流或者指令电压，上述指令电流或者指令电压决定了电比例多路阀52中各个控制阀的开度和方向，从而进一步确定了分配给各个杆段液压油缸和转台液压马达的液压油流向和流量；流向决定各个液压油缸是伸长还是缩短，以及液压马达的正转、反转，流量决定液压油缸和转台的运动速度。各个杆段以及转台的动作配合，则能够共同决定臂架末端的运动轨迹。所述判断运动规划是否合理，包括判断各个驱动元件的供油量不超出总供油量的最大值，避免所需运动无法实现；如果出现供油量超出总供油量时，该流量控制单元94可以通过同比例的减少对各个驱动元件的供油量实现正常的驱动。所述判断运动规划是否合理，还包括判断各个杆段和转台11相对当前位置运动的连续性。所谓连续性，是指各个杆段和转台11相对当前位置的运动不能突变，也就是不能在相邻时间段出现过大的运动量变化，以免造成运动的不均匀性。如果经过判断，运动连续性符合要求，则运动规划合理；若运动连续不符合要求，则运动规划不合理。通过流量控制单元94，保证臂架末端20的运动速度和比例摇杆的推度对应，推度小时速度慢，推度大时速度快。流量控制单元94还可以根据所述臂架的实际位置测量值，获得臂架实际位置，从而获知臂架末端的实际运动轨迹，将据此调整指令电压或者指令电流，实现伺服控制。此外，该流量控制单元94还根据所述单位时间臂架位置的变化，获得臂架末端20的运动速度，并据此调整指令电压或者指令电流，实现对臂架的同步控制。

上述运动规划单元93和流量控制单元94的作用下，使柱面坐标模式以及直角坐标模式下的运动，能够在各个杆段和转台的协调运动下完成。

所述PWM电压输出单元95，用于接收流量控制单元94输出的针对每节杆段和转台11的指令电流或者指令电压，或者直接接收指令参数分解模块91输出的指令参数，并根据上述指令，产生驱动电比例阀56至60的PWM(脉冲宽度调制)驱动电压或电流，实现对电比例阀55至60的驱动控制，并进而控制液压油缸31至35的伸长或缩短以及液压马达30的旋转。所述液压油缸31到35的伸长或缩短会使相应的杆段绕铰接轴回转，液压马达30的旋转也通过减速机构带动整个臂架9绕竖轴18旋转，通过各个杆段以及整个臂架9的旋转之间的相互配合，最终使臂架末端20达到操纵者所预想的运动轨迹。

上述智能臂架控制装置具有三种主要的控制模式，包括手动模式、柱面坐标模式、直角坐标模式。上述三种控制模式通过操作模式选择开关77的不同档位进行选择。

所述手动模式下，指令参数分解单元91负责对接收来的比例摇杆信号进行分解，对号入座，比例摇杆71至74的信号对应控制杆段12至15，比例摇杆75的第一个主调节方向86(摇杆前倾或后倾)对应控制杆段16，比例摇杆75的第二个主调节方向87(摇杆左倾或右倾)对应控制转台11，上述分解后的控制信号通过支路97输出到所述PWM信号输出单元95，该单元产生PWM驱动电压驱动电比例多路阀52。该手动操作模式的控制功能和图2所示的现有技术的手动操作模式功能完全相同，主要用于不适应臂架联动操控的场合或实施臂架联动的系统存在故障时。上述各个比例摇杆的倾斜方向对应于杆段或者转台的运动方向，所述比例摇杆的推度相对于杆段或者转台的运动速度，推度越大则运动速度越快。

所述柱面坐标模式，与现有技术Putzmeister公司公开的德国专利DE-A-4306127中所定义的柱面坐标模式基本相同，所述柱面坐标中有三个分量：ψ、r、h，参见图1。本实施例与之不同之处在于，根据本实施例中遥控器所具有的操纵摇杆的情况，将r分量的调整定义在摇杆机构75的第一个主调节方向86，也就是，将摇杆机构75的前倾或后倾对应r的增加或减少，对应于臂架来说，就是臂架的伸展或缩短运动，同时臂架末端的高度h保持不变。同时，所述ψ分量的调整定义在摇杆机构75的第二个主调节方向87，摇杆机构75的左倾或右倾对应ψ的增加或减少，对应于臂架来说就是转台的顺时针旋转和逆时针旋转。这两个分量的调节作为调节动作细分中的水平内的二维运动，组合在具备两个主调节方向的摇杆机构上。如果摇杆机构75倾斜角度和上述主调节方向成一定角度时，这时，针对臂架末端的运动在r和ψ分量都有效，对臂架实施的是伸缩和旋转的组合动作，同时臂架末端的高度h保持不变。对于臂架末端高度h的调整则相对独立于臂架末端在水平面的运动，由相对独立的摇杆机构71控制。该摇杆机构的前倾实现h的增加，后倾实现h的减小。上述功能需要在所述控制单元90中的实际位置计算单元92、运动规划单元93、流量控制单元94、以及PWM电压输出单元95等的参与下实现。

当处于柱面坐标的操作模式时，该运动规划单元93简单的根据比例摇杆75的在前后这个主方向的分量，决定臂架9的伸长或缩短；据此，计算出臂架下一步的运动轨迹。在该柱面坐标模式下臂架末端的具体运动轨迹如图3c所示，可以看出，最终形成的臂架末端运动轨迹是一个曲线。

采用柱面坐标模式，运动规划比较简单，因为，臂架旋转仅仅涉及转台11的运动，不涉及和坐标对应的关系，不需要进行专门的计算，运动规划只需要将臂架的r方向的伸长、缩短运动分解到每一个杆段上即可，不需要对转台进行规划。

上述柱面坐标模式的主要缺点已经如前所述，即：在该坐标模式下，虽然能够方便的将臂架末端从水平面上一点移动到水平面上另一点，但是，在两点之间移动时的运动轨迹为曲线，不能形成从水平面上一点到另一点的直线运动，除非臂架只是在r方向的伸长和缩短，只要旋转参与进来，就不是直线运动。

所述直角坐标模式，是本实施例特有的工作模式。考虑到在浇筑施工过程中，直线运动是浇筑时需要的主要运动方式，因此，本实施例为该控制装置设计了全新的直角坐标模式，在该模式下，从水平面上一点到另一点的移动，其运动轨迹都可以是直线运动轨迹，这种模式特别适用于建筑施工的水泥浇筑作业。

在所述直角坐标模式下，和柱面坐标分量ψ、r不同的引入相互垂直X轴坐标和Y轴坐标，另一座标轴Z轴与柱面坐标的h轴相同，在此不作详细说明。如图5a所示，比例摇杆75第一主调节方向86(前后方向)定义为纵轴Y，第二主调节方向87(左右方向)定义为横轴X。上述定义确定了摇杆机构75与主调节方向与直角坐标系的关系，当比例摇杆75向主调节方向以外的其他调节方向倾斜时，则对应于该移动方向在两个主调节方向上的分量就分别是X轴、Y轴方向的运动控制指令。

直角坐标系X轴、Y轴方向在遥控器70上很容易就确定下来，因为比例摇杆75的主调节方向是固定的。但在臂架末端运动的水平面内就很难确定了，因为它需要参照体系。根据不同的需求，本实施例提供两种确定臂架末端在水平面内运动的直角坐标系的方式，分别是比例摇杆75归中方式和示教方式。

所述比例摇杆75归中方式确定直角坐标系，是根据比例摇杆75归中时的臂架位置确定臂架运动水平面的直角坐标系。所谓比例摇杆75归中，是指比例摇杆75在两个主调节方向上都处于中位。

如前所述，比例摇杆75的运动能够在所述控制单元90中获得响应。在该种比例摇杆归中方式确定直角坐标系的方式下，控制单元90将比例摇杆75归中作为一个特殊事件进行处理，即将比例摇杆75归中视为比例摇杆75的前后两次控制过程的区别点。当比例摇杆75归中时，前一次的控制过程结束，并且下一次的控制过程开始，此时，需要建立新的直角坐标系。

所述新的直角坐标系通过如下方式确立：比例摇杆75归中时，以转台作为起点，臂架在水平面上的投影方向作为Y轴正方向，以臂架在水平面投影的终点为坐标原点。如图5b所示，比例摇杆75归中时，臂架在水平面内的投影为MN。下一次摇杆机构75离开中位时，和图5a所示比例摇杆75上确定的坐标系对应的臂架运动坐标系以如下方式确定：以N为坐标原点，臂架伸长的方向为Y方向；进一步根据Y方向确定对应的X方向，图5b所示的臂架位置确定的直角坐标系如图5c所示。

在确定上述比例摇杆75与臂架运动水平面的两个直角坐标系后，这两个坐标系具有对应的关系，也就是比例摇杆75在其直角坐标系内的倾斜方向也就表示需要臂架末端在臂架运动水平面的直角坐标系内做相同方向的运动。

如果比例摇杆75如图5d所示，从坐标原点O’点向A’点方向倾斜时，就表示所述臂架末端N需要从图5c所示的与坐标系原点O重合的A点向D点方向运动，并且运动速度与比例摇杆75推度相关，比例摇杆75的推度越大，则臂架末端的运动速度越大。与上述柱面坐标工作模式不同，在直角坐标工作模式下，需要从A点移动到D点时，其运动轨迹根据直角坐标系在X轴、Y轴方向上分解的。也就是说，臂架末端N沿着AD直线方向运动，并获得直线运动轨迹，这需要保证臂架末端在X轴、Y轴上的运动速度相互协调，使臂架末端N能够确保在AD方向上运动。

所述运动规划单元93根据比例摇杆75的倾斜方向确定臂架在直角坐标系下的运动方向。获得上述运动方向，需要进行运动规划以确保臂架末端的运动方向正确并且获得直线运动轨迹。由于臂架末端在X轴、Y轴上的运动都不是由单一的驱动装置驱动，因此，在直角坐标系下的运动规划相当复杂。

由于在直角坐标系下，臂架末端的运动被被分解为X轴、Y轴的运动，运动规划单元93需要同时考虑臂架旋转运动和臂架伸缩运动之间的协调，才能够保证臂架始终向指令运动方向沿直线运动。所述运动规划单元93采用下述方法进行规划：首先，根据运动控制指令的X轴分量、Y轴分量的值，计算获得所需的运动方向。紧接着，根据已经设定的步长参数，计算从当前点在上述方向上运动该步长时的坐标点，并据此规划运动到该点所需要进行的各个杆段和转台11的运动。上述运动规划还要考虑臂架末端20在运动过程中高度不变。在实际运动中，流量控制单元94还要对该运动规划从运动连续性角度进行合理性校验，并且在运动中进行伺服控制和同步控制。运动过程中，如果遥控器70还在发出同样的运动控制指令，则继续根据步长参数取下一个坐标点，并进行下一步的运动规划。所述步长参数是一个事先设置的参数值，该参数值决定了运动规划单元93以多大的单位进行运动规划。

如图5e所示，假设步长参数为1米，要求从A点向D点方向移动。据此，需要运动到距A点1米的B’点。由图5e可知，此时，臂架需要顺时针旋转∠AMB’(设该角度为θ)，同时，臂架伸长MB’-MA＝L的长度。所述运动规划单元93输出的运动规划，就是确保臂架顺时针旋转θ角的同时，臂架同时伸长L。需要从A点运动到D点，就在AD方向上不断设置下一个B’点，运动规划单元93就可以通过计算获得使臂架末端20沿着AD直线运动的一系列的运动规划，再加上流量控制单元94的伺服控制和同步控制，最终可以确保臂架末端20沿着基本为直线的轨迹运动到D点。

上述归中方式确定直角坐标系能够较好的满足使臂架末端进行直线运动的控制需求，但是，仍然有不足之处。因此，本发明还确立了一种示教方式确定水平面直角坐标系的方法。所述示教方式确定直角坐标系是基于以下原因，在实际的混凝土浇筑施工中，例如浇注横梁或平板，臂架末端在水平面内仅仅要求的两种运动方向就两种，一种是平行于横梁方向，另一种是在水平面内垂直于横梁方向。如图6所示，假定臂架末端在水平面内的投影点N移动到N’是臂架末端所需要的移动方向，所述N和N’就是浇注对象横梁的不同位置的点，可以在臂架末端在N和N’位置时，控制单元记录这两点的位置，然后由这两点的连线来确定臂架运动的直角坐标系，并且在这个工况下施工时坐标体系不再变更，形成固定的直角坐标系。固定的直角坐标系确定后，比例摇杆75的第二主调节方向87的运动对应于平行于直线NN’的直线运动，例如图6中的PP’。比例摇杆75的第一主调节方向86对应垂直于直线NN’的直线运动，而且比例摇杆在每次归中位后再移动时，还是执行这种特性，也就是坐标体系不会因为臂架的位置变化而发生改变，除非把N和N’两点的坐标清除。

为实现这种功能，如图4所示，本实施例的遥控器70特别的设计了示教选择开关76。示教选择开关76优选设计为有三个位置的自动复位开关，没有外力的情况下，保持在中间位置；往前推时，在前向位置，定义为“示教”模式；往后推时，在后向位置，定义为“清除”模式。工作模式选择开关77选择在直角坐标模式下，示教选择开关76的作用是发送要记忆某点坐标值的命令和清除某点坐标的命令，再由CAN数据总线系统85传送到控制单元90，由控制单元90具体实施。如图6所示，记忆N和N’两点坐标后，臂架伸出方向和由NN’确定的直线相垂直的方向为Y轴正向，Y轴确定后，X轴很容易确定。直角坐标系中X和Y坐标通过两点记忆法可得到实现并且可固定。

在上述示教方式确定直角坐标系后，控制单元90在该坐标系下的控制方式和上述采用归中方式确定直角坐标系时相同。

为了更好的实现以上描述的新功能，如图4所示，本实施例中的控制单元90中还具有遥控器反馈显示单元96，该单元将操作者关心的信息和状态通过和控制单元90相连CAN数据总线85传输到固定在汽车上的接收器82，再通过一定频率的无线电波84传送到操纵者手持的遥控器70，在遥控器70上设计有液晶显示器81，可显示图形和文本信息。通过上述方式，操作者可以及时获得有关当操作的反馈信息。上述功能属于附加功能，不是实现智能控制必须的。

同时，为了在建立一个直角坐标系后，可以方便的建立另一个直角坐标系，在所述遥控器70上还可以设置遥控器具有专用的座标旋转开关(图未示)，当所述直角坐标系被建立后，可使用该开关将该座标系在水平面上旋转一定角度。这一开关可以方便的通过已经建立的直角坐标系，建立新的直角坐标系，简化直角坐标系的建立过程。

上述实施例与现有技术相比，其关键在于，该控制装置建立了直角坐标系的操作模式，在该操作模式下，对比例摇杆或者其他控制机构输出的控制分量按照直角坐标系的X轴、Y轴和Z轴进行分解，获得操作者需要的运动方向的信息，根据该信息进行运动规划和控制，最终获得所需方向的直线运动轨迹。由于上述直角坐标系设置，可以方便的控制臂架末端20以直线轨迹运动，充分满足水泥浇筑等施工要求。本实施例中的一些具体的实现方式可以根据现有技术，采用其他方式实现。例如，遥控器70，也可以采用有线遥控形式发送控制指令；例如，所述比例摇杆75的功能，可以采用直接输入表示运动方向和速度的数字来实现；例如，电比例多路阀单元52，还可采用比例伺服阀、伺服比例阀或其他类型的电控液压阀的形式，实现起来更方便。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (23)

1、一种智能臂架控制装置，所述臂架以铰接方式固定在可绕固定机架上的竖轴旋转的转台上，并具有至少三个彼此通过水平铰接轴相互铰接的杆段，每一个杆段可以在驱动器的作用下绕彼此平行的铰接轴相对于转台或者其它杆段有限回转；所述智能臂架控制装置包括：

控制单元，用于根据控制指令控制所述的各个驱动器，使臂架末端在设置的坐标系内按照所述控制指令运动；

角度测量单元，包括测量各个杆段之间角度以及转台旋转角度的角度传感器，该单元用于向所述控制单元提供角度测量值；所述控制单元根据上述角度测量值计算该臂架的位置信息，并据此调整对各个驱动器的控制；

遥控器，用于以无线遥控形式发送控制指令；

其特征在于，所述遥控器可提供用于直角坐标系的运动控制指令，该运动控制指令包括X轴分量、Y轴分量和Z轴分量；

在空间上定义一直角坐标系，该直角坐标系X轴、Y轴和Z轴分别与所述遥控器运动控制指令中的X轴分量、Y轴分量和Z轴分量对应；其中，所述X轴、Y轴组成的平面直角坐标系所在平面平行于水平面；所述Z轴始终以垂直于水平面向上的方向为正方向；

所述遥控器发出运动控制指令时，所述控制单元根据所接收的运动控制指令的X轴分量、Y轴分量确定臂架末端在所述平面上的直角坐标系内的运动方向，并分解为各个杆段以及杆座的运动，使臂架末端在该直角坐标系中向所述运动控制指令所表示的方向运动。

2、根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述遥控器采用具有两个主调节方向的比例摇杆提供所述运动控制指令，其中一个主调节方向对应X轴，另一个主调节方向对应Y轴；所述比例摇杆的倾斜方向在对应X轴的主调节方向上的投影为所述X轴分量，所述比例摇杆的倾斜方向在对应Y轴的主调节方向上的投影为所述Y轴分量。

3、根据权利要求2所述的装置，其特征在于，在发出建立直角坐标系指令时，以转台为起点，以臂架在水平面上的投影方向为直角坐标系Y轴的正方向，以臂架在水平面投影的终点为坐标原点，确定所述X轴、Y轴所在的直角坐标系。

4、根据权利要求3所述的装置，其特征在于，当所述遥控器的比例摇杆回到中位时，发出所述建立直角坐标系指令。

5、根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述的直角坐标系采用如下方式建立：首先记录臂架末端在水平面上初始点位置，移动臂架末端，并记录臂架末端最终达到的水平面上终点位置，以上述初始点到终点的连线方向作为X轴的正向，以此确定所述直角坐标系；该坐标系确立后，所述遥控器比例摇杆在对应X轴的主调节方向上的移动对应于臂架末端平行该平面直角坐标系的X轴的移动，所述遥控器比例摇杆在对应Y轴的主调节方向上的移动对应于臂架末端平行于该平面直角坐标系的Y轴的移动。

6、根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述遥控器具有专用的示教选择开关，当该示教选择开关选择示教模式时，开始记录所述臂架末端所在水平面位置，以便用于确定所述直角坐标系。

7、根据权利要求2-6任一项所述的装置，其特征在于，所述臂架所在的车辆上固定有接收器，该接收器用于接收所述遥控器发出的遥控控制指令，并将所接收的遥控控制指令转化为控制数据流输出。

8、根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述的驱动器为通过电比例阀控制的液压油缸和液压马达。

9、根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述控制单元包括：

指令参数分解单元，用于接收所述接收器输出的控制数据流，并将所述控制数据流分解为与遥控器上的控制机构所发出的命令对应的指令码；

实际位置计算单元，用于接收所述角度测量单元输出的角度测量值数据，并根据上述数据计算获得臂架位置信息；

运动规划单元，用于接收所述指令参数分解单元输出的指令码，以及所述实际位置计算单元输出的臂架位置信息，计算获得臂架末端运动到目标位置并且保持在同一设定直线或平面所需的各个杆段以及转台的运动量，将上述运动量作为运动规划；

流量控制单元，用于接收所述运动规划单元输出的运动规划，根据该运动规划输出控制各个杆段和转台的指令电压或指令电流；

PWM电压输出单元，用于接收流量控制单元输出的对应于各个杆段和转台的指令电压或者指令电流，并根据该指令电压或者指令电流生成相应数值的驱动电压，控制各个电比例阀的开度和方向，进而控制液压油缸伸长或缩短以及液压马达的旋转到达运动规划确定的位置。

10、根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述实际位置计算单元计算获得的臂架位置信息包括臂架各个杆段末端以及臂架末端的位置坐标。

11、根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述运动规划单元进行运动规划时，首先通过下述方式获得所述目标位置：根据所接收的指令码中的运动控制指令的X轴分量、Y轴分量，计算获得臂架末端的运动方向；根据该运动方向，结合预先设置的步长参数，将臂架末端当前的位置在所述运动方向上加上该步长后，获得臂架末端的目标位置。

12、根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述流量控制单元根据实时获得的所述臂架位置信息，随时调整对应于各个杆段和转台的输出指令电流或者指令电压，实现对臂架运动的伺服控制；该伺服控制保证臂架末端在同一水平面运动。

13、根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述遥控器的比例摇杆的倾斜角度对应于臂架末端的运动速度；所述流量控制单元输出的根据该运动速度调整所述指令电压或者指令电流的输出。

14、根据权利要求13所述的装置，其特征在于，所述流量控制单元根据实时获得的所述臂架位置信息，计算臂架末端运动速度与指令运动速度的差值，并据此调整对应于各个杆段和转台的输出指令电流或者指令电压，实现对臂架运动的同步控制。

15、根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述流量控制单元在接收到所述运动规划后，首先对该运动规划的合理性进行判断，若规划合理，则产生所述指令电压或者指令电流；若规划不合理，则要求重新进行规划。

16、根据权利要求15所述的装置，其特征在于，所述流量控制单元对运动规划进行合理性判断，包括判断各个杆段和转台相对当前位置运动的连续性；若连续，则运动规划合理；若不连续，则运动规划不合理。

17、根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述智能臂架控制装置除了提供所述直角坐标控制模式外，还同时提供柱面坐标控制模式和手动控制模式；各种控制模式之间通过遥控器上专门设置的控制模式选择开关选择。

18、根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述遥控器还设置有控制臂架末端升降的比例摇杆，用于控制臂架末端在Z轴方向升降运动。

19、根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述的PWM电压输出单元采用脉冲宽度调制方式或电流方式获得所述驱动电压或电流，具体是使用所接收的指令电压或者指令电流，控制脉冲方波宽度或控制电流大小，获得所需的驱动电压或电流。

20、根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述的控制单元还包括遥控器反馈显示单元，该单元将操作者关心的信息和状态传输到固定在汽车上的接收器，并由接收器通过无线电波传送到遥控器；所述遥控器上具有液晶显示器，用于显示所接收的反馈信息。

21、根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述遥控器具有控制各个杆段和转台运动的比例摇杆；以及控制臂架末端在Z轴方向上升降运动的比例摇杆。

22、根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述接收器、控制单元以及角度测量单元之间通过CAN总线进行数据传输。

23.根据权利要求1-6任一项所述的装置，其特征在于，所述遥控器具有专用的座标旋转开关，当所述直角坐标系被建立后，可使用该开关将该座标系在水平面上旋转一定角度。