專利名稱：工具控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及一種控制系統(tǒng)，并且更特別是涉及一種調(diào)節(jié)工具運(yùn)動的控制系 統(tǒng)。
背景技術(shù)：
例如反鏟機(jī)、挖掘機(jī)、推土機(jī)、裝載機(jī)、機(jī)動平地機(jī)和其它類型的重型設(shè)備的機(jī)器 使用多種致動器，該致動器從發(fā)動機(jī)驅(qū)動泵供應(yīng)液壓流體，以便實(shí)現(xiàn)多種任務(wù)。致動器(例 如液壓缸和馬達(dá))用來在機(jī)器上運(yùn)動例如包括吊桿、推桿和鏟斗的連桿構(gòu)件和工具。操作 者通過運(yùn)動一個(gè)或多個(gè)例如操縱桿的輸入裝置控制致動器的運(yùn)動。操縱桿的運(yùn)動操縱與 每個(gè)致動器相關(guān)的控制閥，以便控制吊桿和推桿的運(yùn)動，以便定位或定向鏟斗，從而執(zhí)行任 務(wù)。典型的操作者控制允許通過相應(yīng)的操作者輸入裝置而使每個(gè)連桿構(gòu)件例如沿著特定輸 入裝置軸線進(jìn)行單獨(dú)受控的運(yùn)動。也就是說，每個(gè)連桿構(gòu)件(例如吊桿、推桿和鏟斗)通過 沿著一個(gè)或多個(gè)操縱桿的特定輸入裝置軸線的運(yùn)動來控制。特別是在工作工具附接到使得工作工具圍繞三個(gè)或更多個(gè)自由度運(yùn)動的連桿系 統(tǒng)上時(shí)，由于操作工作工具需要進(jìn)行復(fù)雜的協(xié)調(diào)，典型的操作者控制具有多種缺陷。例如， 在沿著預(yù)定軌跡運(yùn)動鏟斗時(shí)，操作者必須連續(xù)操縱操縱桿，以完成任務(wù)。因此，一些任務(wù)會 需要必須通過經(jīng)驗(yàn)而學(xué)到的高度熟練的技能。即使有經(jīng)驗(yàn)的操作者也會缺乏所需的技能來 正確完成復(fù)雜任務(wù)。另外，具有全部技能等級的操作者也會在進(jìn)行程序化或重復(fù)性的任務(wù) 時(shí)由于疲勞或煩躁而變得不太有效。用于控制機(jī)器工具的改進(jìn)系統(tǒng)的一個(gè)例子在2005年11月22日授權(quán)給Cripps的 美國專利No. 6968264(，264專利)中描述。，264專利公開了一種包括具有第一分段、第二 分段和工具分段的機(jī)械臂的機(jī)器。每個(gè)分段圍繞結(jié)合部樞轉(zhuǎn)，并通過一個(gè)或多個(gè)致動器運(yùn) 動?！?64專利還公開了一種用于通過限定計(jì)劃路徑并在檢測到機(jī)械臂的實(shí)際路徑不同于計(jì) 劃路徑時(shí)自動修正實(shí)際路徑來控制機(jī)械臂的系統(tǒng)。例如，自動修正可克服由于操作者疲勞 或隨便的操作指令而造成的操作員引起的不太有效的運(yùn)動。計(jì)劃路徑可被存儲在計(jì)劃路徑 庫中，并且可根據(jù)下面的一個(gè)或多個(gè)因素來選擇機(jī)械臂的幾何形狀、機(jī)械臂的計(jì)劃工作任 務(wù)、機(jī)器的與機(jī)械臂可操作連接的實(shí)體以及機(jī)器或機(jī)械臂的熟練的有經(jīng)驗(yàn)的操作者的最佳 或優(yōu)選路徑。雖然’ 264專利的機(jī)器可通過使得復(fù)雜任務(wù)的多個(gè)部分自動化來改善操作效率，但 是’ 264專利的機(jī)器會不太有效，并且具有局限的實(shí)用性。由于’ 264專利的機(jī)器不能考慮 正在使用以完成任務(wù)的工具的類型或尺寸，’264專利的機(jī)器會不太有效。沒有考慮正在使 用的工具的類型或尺寸，期望工具路徑會不是盡可能有效的。另外，雖然’ 264專利可有助 于確保機(jī)械臂遵循特定路徑，但是由于’ 264專利不能簡化用來定位機(jī)械臂的典型的復(fù)雜操 作者輸入控制器，，264專利會具有局限性。本發(fā)明的控制系統(tǒng)針對克服以上描述的一個(gè)或多個(gè)問題。

發(fā)明內(nèi)容
在一個(gè)方面，本發(fā)明針對一種工具控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)可包括能夠控制第一連桿 構(gòu)件的第一致動器?？刂葡到y(tǒng)還可包括能夠控制第二連桿構(gòu)件的第二致動器。控制系統(tǒng)還 可包括能夠控制工作工具的第三致動器，其中第二連桿構(gòu)件連接到工作工具，并可動地連 接到第一連桿構(gòu)件?？刂葡到y(tǒng)還可包括能夠提供第一、第二和第三致動器的操作者控制的 多個(gè)操作者輸入裝置。控制系統(tǒng)還可包括與第一、第二和第三致動器和多個(gè)操作者輸入裝 置連通的控制器?？刂破髂軌蚪邮展ぷ鞴ぞ叩钠谕ぞ呗窂健８鶕?jù)從多個(gè)操作者輸入裝置 中的不是所有操作者輸入裝置接收的操作者輸入，控制器還能夠控制第一、第二和第三致 動器的運(yùn)動，以便沿著期望工具路徑運(yùn)動工作工具。在另一方面，本發(fā)明針對一種控制工作工具運(yùn)動的方法。該方法可包括確定工作 工具的工具軸線。該方法還可包括相對于工具軸線設(shè)置期望工具路徑。該方法還可包括從 單個(gè)操作者輸入裝置接收有關(guān)工作工具沿著工具軸線的期望運(yùn)動的操作者輸入。該方法另 外可包括根據(jù)操作者輸入控制工作工具沿著期望工具路徑圍繞多個(gè)軸線的運(yùn)動。


圖1是示例性公開的機(jī)器的側(cè)視示意圖；圖2是可與圖1的機(jī)器一起使用的示例性公開的液壓控制系統(tǒng)的示意圖；以及圖3是表示操作圖2的液壓控制系統(tǒng)的示例性方法的控制圖。
具體實(shí)施例方式圖1表示具有協(xié)作以完成任務(wù)的多個(gè)系統(tǒng)和組成部件的示例性機(jī)器10。機(jī)器10 可體現(xiàn)為執(zhí)行與例如采礦、建造、耕作、運(yùn)輸?shù)漠a(chǎn)業(yè)或本領(lǐng)域已知的任何其它產(chǎn)業(yè)相關(guān)的某 些類型的操作的固定或機(jī)動機(jī)器。例如，機(jī)器10可以是運(yùn)土機(jī)器，例如反鏟機(jī)、挖掘機(jī)、推 土機(jī)、裝載機(jī)、機(jī)動平地機(jī)或任何其它的運(yùn)土機(jī)器。機(jī)器10可包括能夠運(yùn)動工作工具14的 執(zhí)行系統(tǒng)12、用于推進(jìn)機(jī)器10的驅(qū)動系統(tǒng)16、將動力提供給執(zhí)行系統(tǒng)12和驅(qū)動系統(tǒng)16的 動力源18、以及用于操作者控制執(zhí)行系統(tǒng)12和驅(qū)動系統(tǒng)16的操作室20。動力源18可以體現(xiàn)為發(fā)動機(jī)，例如柴油發(fā)動機(jī)、汽油發(fā)動機(jī)、氣態(tài)燃料驅(qū)動發(fā)動 機(jī)或本領(lǐng)域已知的任何其它類型的燃燒式發(fā)動機(jī)?？紤]到動力源18可以替代地體現(xiàn)為非 燃燒動力源，例如燃料電池、動力存儲裝置或本領(lǐng)域已知的其它源。動力源18可以產(chǎn)生可 接著轉(zhuǎn)換成用于運(yùn)動執(zhí)行系統(tǒng)12的液壓動力的機(jī)械或電能量輸出。執(zhí)行系統(tǒng)12可包括通過流體致動器作用以運(yùn)動工作工具14的連桿結(jié)構(gòu)。執(zhí)行系 統(tǒng)12的連桿結(jié)構(gòu)會是復(fù)雜的，例如包括三個(gè)或更多個(gè)自由度。具體地，執(zhí)行系統(tǒng)12可包括 通過單個(gè)雙作用液壓缸28相對于工作表面26圍繞軸24豎直地樞轉(zhuǎn)的吊桿構(gòu)件22。執(zhí)行 系統(tǒng)12還可包括通過單個(gè)雙作用液壓缸34圍繞軸32豎直地樞轉(zhuǎn)的推桿構(gòu)件30。執(zhí)行系 統(tǒng)12還可包括可操作地連接到工作工具14以便圍繞軸38豎直地樞轉(zhuǎn)工作工具14的單個(gè) 雙作用液壓缸36。吊桿構(gòu)件22可在一端處樞轉(zhuǎn)地連接到機(jī)器10的框架40。推桿構(gòu)件30 可通過軸32和38樞轉(zhuǎn)地連接到吊桿構(gòu)件22的相對端和工作工具14。吊桿構(gòu)件22圍繞 軸24的運(yùn)動、推桿構(gòu)件30圍繞軸32的運(yùn)動以及工作工具14圍繞軸38的運(yùn)動可限定執(zhí)行 系統(tǒng)12的三個(gè)自由度。考慮到執(zhí)行系統(tǒng)12可包括四個(gè)自由度，例如通過擺動馬達(dá)92 (圖2所示)產(chǎn)生執(zhí)行系統(tǒng)12圍繞樞軸(未示出)的側(cè)向-側(cè)向的擺動運(yùn)動。每個(gè)液壓缸28、34和36可包括配置成形成兩個(gè)分開的壓力室的管和活塞組件 (未示出)。壓力室可被選擇性地供應(yīng)加壓流體和排出加壓流體，以造成活塞組件在管內(nèi)移 動，由此改變液壓缸28、34和36的有效長度。流體進(jìn)入和離開壓力室的流速可與液壓缸28、 34和36的速度相關(guān)，而兩個(gè)壓力室之間的壓差可與液壓缸28、34、36施加在相關(guān)連桿構(gòu)件 上的力相關(guān)。液壓缸28、34、36的擴(kuò)張和收縮可用來幫助運(yùn)動工作工具14。工作工具14可包括用來執(zhí)行特定任務(wù)的任何裝置，例如鏟斗、螺旋器、鏟片、鏟、 松土器、清掃器、吹雪器、切割裝置、抓取裝置或本領(lǐng)域已知的任何其它執(zhí)行任務(wù)裝置。雖然 工作工具14在圖1的實(shí)施方式中連接成相對于機(jī)器10樞轉(zhuǎn)，工作工具14可替代或另外地 轉(zhuǎn)動、滑動、擺動、提升或以本領(lǐng)域已知的任何其它方式運(yùn)動。多種不同的工作工具14可附 接到機(jī)器10，并可經(jīng)由操作室20控制。每個(gè)工作工具14能夠執(zhí)行特殊功能。例如，機(jī)器10可包括附接到執(zhí)行系統(tǒng)12并例如具有用于沖擊物體或地表面26的 鑿子44的液壓錘42。操作者可將液壓錘42手動或自動設(shè)定在期望角度a?？紤]到期望 角度α可相對于至少兩個(gè)參考點(diǎn)保持大致恒定。例如，第一參考點(diǎn)可以是鑿子44的縱向 軸線，并且第二參考點(diǎn)可以是工作表面26。但是，如果希望，液壓錘42的期望角度α可相 對于包括水平線(未示出)或框架40的其它參考點(diǎn)來設(shè)置。液壓錘42還可包括通過在工 具運(yùn)動的期望方向上延伸的軸線限定的第一工具軸線46。第一工具軸線46可大致與鑿子 44的縱向軸線(即第一參考點(diǎn))大致同軸。另外，液壓錘42可包括可大致平行于地表面 26并在離開機(jī)器10的方向上延伸的第二工具軸線48。同樣，液壓錘42可包括與第二工具 軸線48形成平面的第三工具軸線50。在一種實(shí)施方式中，第三工具軸線50可大致垂直于 第二工具軸線48。雖然只表示了期望的線性工具路徑，考慮到可以采用例如弧形路徑的非 線性路徑。操作室20可從機(jī)器操作者接收指示期望工作工具運(yùn)動的輸入。具體地，操作室20 可包括體現(xiàn)為靠近操作者座椅定位的單軸或多軸操縱桿的一個(gè)或多個(gè)操作者界面裝置。操 作者界面裝置可尤其包括左手鏟操縱桿58、右手鏟操縱桿60和裝載機(jī)操縱桿62。操作者 界面裝置58-62可以是能夠通過改變?nèi)ネ簤焊?8、34和36的流體壓力來定位和/或定 向工作工具14的比例式控制器。例如，操作者界面裝置58-62可通過使得操作者界面裝置 58-62向左、向右、向前、向后運(yùn)動和/或扭轉(zhuǎn)來使工作工具14運(yùn)動。另外，每個(gè)操作者界 面裝置58-62可包括分別用于接收操作者輸入的一個(gè)或多個(gè)觸發(fā)器64、66和68(見圖2)。 考慮到在操作室20內(nèi)可替代或另外地包括不同的操作者界面裝置，例如方向盤、旋鈕、推 拉裝置、開關(guān)、踏板和本領(lǐng)域已知的其它操作者界面裝置。還可考慮到圖形用戶界面70可 定位在操作室20內(nèi)，以便接收操作者輸入。圖形用戶界面70可包括多種輸入界面，包括例 如下拉菜單。如圖2所示，機(jī)器10可包括具有協(xié)作以便運(yùn)動工作工具14的多個(gè)流體組成部件 的液壓控制系統(tǒng)72 (參考圖1)。特別地，液壓控制系統(tǒng)72可包括能夠從源76接收第一加 壓流體流的供應(yīng)管路74。吊桿控制閥78和擺動控制閥80可被連接成從供應(yīng)管路74并行 接收加壓流體，并通過左手鏟操縱桿58控制。錘控制閥82和推桿控制閥84也可連接成從 供應(yīng)管路74并行接收加壓流體，并通過右手鏟操縱桿60控制。傾斜控制閥86和叉控制閥 88也可連接成從供應(yīng)管路74并行接收加壓流體，并能夠通過裝載機(jī)操縱桿62控制叉裝置52 (參考圖1)的運(yùn)動。源76可從一個(gè)或多個(gè)箱90抽吸流體，并將流體加壓到預(yù)定程度。具體地，源76 可體現(xiàn)為例如可變排量泵、固定排量泵或本領(lǐng)域已知的任何其它源的泵送機(jī)構(gòu)。例如，源76 可包括將加壓的致動器和導(dǎo)引流體供應(yīng)到液壓缸28、34、36的單個(gè)泵。源76通過例如副 軸、帶(未示出)、電路(未示出)或以任何其它適當(dāng)方式可驅(qū)動地連接到機(jī)器10的動力源 18。替代地，源76可以經(jīng)由扭矩轉(zhuǎn)換器、減速齒輪箱或以任何其它適當(dāng)方式間接連接到動 力源18。另外，如果希望，源76可替代地包括獨(dú)立地將致動器和/或?qū)б黧w供應(yīng)到液壓 缸28、34、36的分開的泵送機(jī)構(gòu)。箱90可構(gòu)成能夠保持流體供應(yīng)的容器。流體可包括例如專用的液壓油、發(fā)動機(jī)潤 滑油、傳動裝置潤滑油或者本領(lǐng)域已知的任何其它流體。機(jī)器10內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)液壓系統(tǒng) 可從箱90抽吸流體并將流體返回到箱90?？紤]到液壓控制系統(tǒng)72可連接到多個(gè)分開的流 體箱或單個(gè)流體箱。每個(gè)吊桿控制閥78、擺動控制閥80、錘控制閥82、推桿控制閥84、傾斜控制閥86 和叉控制閥88可以調(diào)節(jié)其相關(guān)流體致動器的運(yùn)動。具體地，吊桿控制閥78可具有能夠運(yùn) 動以控制與吊桿構(gòu)件22相關(guān)的液壓缸28的運(yùn)動的元件；擺動控制閥80可具有能夠運(yùn)動以 控制與提供執(zhí)行系統(tǒng)12的轉(zhuǎn)動運(yùn)動相關(guān)的擺動馬達(dá)92的元件；錘控制閥82可具有能夠運(yùn) 動以控制與液壓錘42相關(guān)的液壓缸36的運(yùn)動的元件；并且推桿控制閥84可具有能夠運(yùn)動 以控制與推桿構(gòu)件30相關(guān)的液壓缸34的運(yùn)動的元件。同樣，傾斜控制閥86和叉控制閥88 可各自具有能夠運(yùn)動以分別控制叉裝置52的致動器94、96的閥元件。如果希望，可以考慮 一對雙作用缸可用作擺動馬達(dá)92的替代形式，以便提供執(zhí)行系統(tǒng)12的轉(zhuǎn)動運(yùn)動。類似考 慮到，馬達(dá)可用作每個(gè)液壓缸28、34、36、94和96的替代形式，以便為執(zhí)行系統(tǒng)12和叉裝置 52提供運(yùn)動。一個(gè)或多個(gè)傳感器可與致動器28、92、34、36、94和96相關(guān)。更具體地，機(jī)器10可 包括用于監(jiān)視執(zhí)行系統(tǒng)12和叉裝置52的位置和/或速度的多個(gè)傳感器。例如，機(jī)器10可 包括吊桿傳感器112、擺動傳感器114、工具傳感器116、推桿傳感器118以及第一叉?zhèn)鞲衅?120和第二叉?zhèn)鞲衅?22。傳感器112-122可以是能夠監(jiān)視機(jī)器10和/或工作工具14的 位置或速度信息并將其傳遞到控制器98的任何類型的傳感器。例如，傳感器112-122可以 是缸致動器操作時(shí)的缸內(nèi)位移傳感器。替代地，傳感器112-122可以是例如在馬達(dá)致動器 操作時(shí)采用結(jié)合部角度傳感器。還考慮到傳感器112-122可以是能夠確定元件速度的傳感 器。例如傳感器112-122可以是角速度傳感器。另外，附加傳感器可與確定機(jī)器10的相對 位置相關(guān)。例如，機(jī)器10可包括高度傳感器136。傳感器136可以是能夠檢查機(jī)器10的傾 斜角度的任何類型的傳感器。機(jī)器10可包括用于從多種輸入裝置接收信息并作為響應(yīng)將輸出指令傳遞到液壓 系統(tǒng)72的控制閥78-88的控制器98?？刂破?8可分別經(jīng)由通信線路100、102和104從操 作者輸入裝置58-62接收信號。此外，控制器98可經(jīng)由通信線路106從圖形用戶界面70 接收操作者輸入?？刂破?8還可經(jīng)由通信線路110訪問記憶存儲裝置108，以便檢索和/ 或存儲記憶存儲裝置108內(nèi)所含的操作控制數(shù)據(jù)?？刂破?8還可從一個(gè)或多個(gè)傳感器接 收信息。例如，控制器98可經(jīng)由通信線路124從吊桿傳感器112接收信息、經(jīng)由通信線路 126從擺動傳感器114接收信息、經(jīng)由通信線路128從工具傳感器116接收信息、經(jīng)由通信線路130從推桿傳感器118接收信息并分別經(jīng)由通信線路132和134從第一叉?zhèn)鞲衅?20 和第二叉?zhèn)鞲衅?22接收信息。另外，控制器98還可經(jīng)由通信線路138從高度傳感器136 接收輸入?？刂破?8可從發(fā)送器140自動地接收用于工作工具14的工具識別數(shù)據(jù)(圖1所 示)，或者從圖形用戶界面70手動接收用于工作工具14的工具識別數(shù)據(jù)。自動傳輸可以 是無線傳輸，例如使用RF傳輸系統(tǒng)。用于從發(fā)送器140接收數(shù)據(jù)的接收器142可以經(jīng)由通 信線路144與控制器98通信。在接收工具識別數(shù)據(jù)之后，控制器14可訪問速查表(未示 出)，該速查表將工具識別數(shù)據(jù)與期望角度(例如期望角度α)和期望工具路徑(例如工具 軸線46-50)相關(guān)聯(lián)。為了對給定類型的工作工具14的期望角度和期望路徑的限定做出響 應(yīng)，控制器98可產(chǎn)生輸出指令，以便分別經(jīng)由通信線路146、148、150、152、154和156控制 閥 78-88。記憶存儲裝置108可包括將操作者輸入與工具運(yùn)動輸出相關(guān)的多種工具控制策 略。更具體地，多種工具控制策略可限定經(jīng)由一個(gè)或多個(gè)操作者輸入裝置58、60接收的操 作者輸入如何造成執(zhí)行系統(tǒng)12的實(shí)際運(yùn)動。例如，第一控制策略可用作可使用左手鏟操縱 桿58和右手鏟操縱桿60來進(jìn)行執(zhí)行系統(tǒng)12的每個(gè)連桿構(gòu)件的單獨(dú)運(yùn)動控制的缺省控制 策略。缺省控制策略會需要操作者使用左手鏟操縱桿58，以便控制吊桿和擺動運(yùn)動，并且使 用右手鏟操縱桿60，以便控制錘和推桿運(yùn)動。左手鏟操縱桿58的前/后操縱可造成吊桿 構(gòu)件22的運(yùn)動，并且側(cè)向-側(cè)向操縱可造成執(zhí)行系統(tǒng)12的擺動運(yùn)動。右手鏟操縱桿60的 前/后操縱可造成液壓錘42的樞轉(zhuǎn)運(yùn)動，并且側(cè)向-側(cè)向操縱可造成推桿構(gòu)件30的豎直 運(yùn)動。例如，朝著操作者拉動左手鏟操縱桿58和右手鏟操縱桿60可分別將吊桿構(gòu)件22和 推桿構(gòu)件30更靠近操作室20運(yùn)動，并且將左手鏟操縱桿58和右手鏟操縱桿60推開可進(jìn) 一步向外運(yùn)動吊桿構(gòu)件22或推桿構(gòu)件30。另外，將左手鏟操縱桿58推到左側(cè)可將執(zhí)行系 統(tǒng)12擺動到左側(cè)，并且將左手鏟操縱桿58推到右側(cè)可將執(zhí)行系統(tǒng)12擺動到右側(cè)。將右手 鏟操縱桿60推到左側(cè)可向下樞轉(zhuǎn)液壓錘42，并且將右手鏟操縱桿60推到右側(cè)可向上樞轉(zhuǎn) 液壓錘42。因此，缺省控制策略可以使用兩個(gè)多軸鏟操縱桿58、60對吊桿運(yùn)動、推桿運(yùn)動、 錘運(yùn)動和擺動運(yùn)動進(jìn)行單獨(dú)的操作者控制。為了沿著第一工具軸線46運(yùn)動液壓錘42，缺省 控制策略會需要操作者輸入裝置進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)動協(xié)調(diào)，這些運(yùn)動包括左手鏟操縱桿58的 前/后操縱、右手鏟操縱桿60的側(cè)向-側(cè)向操縱以及右手鏟操縱桿60的前/后操縱。記憶存儲裝置108可存儲不同于缺省控制策略的第二控制策略。第二控制策略可 不同于第一控制策略地將操作者輸入與執(zhí)行輸出相關(guān)?？紤]到第二控制策略可通過單個(gè)操 作者輸入裝置控制工作工具14沿著期望工具路徑的運(yùn)動。在一種實(shí)施方式中，第二控制策 略可以是工具軸線控制策略，其中期望的工具路徑可與工作工具14的軸線相關(guān)。根據(jù)工作 工具14的性能或物理特征，每個(gè)工作工具14可包括多個(gè)工具軸線。例如，期望的工具路徑 可以通過第一工具軸線46、第二工具軸線48或第三工具軸線50來限定。如圖1所示，液壓 錘42可包括大致與鑿子44的縱向軸線同軸的第一工具軸線46。工具軸線控制策略可限制 液壓錘42沿著大致與第一工具軸線46同軸的期望工具路徑的運(yùn)動。換言之，在執(zhí)行工具 軸線控制策略時(shí)，控制器98可選擇性地調(diào)節(jié)一個(gè)或多個(gè)致動器28、92、34和36的操作，以 響應(yīng)只從操作者輸入裝置的單個(gè)運(yùn)動軸線接收的輸入，使得工作工具14遵循期望的工具 路徑。例如，左手鏟操縱桿58的前/后操縱可造成液壓錘42沿著第一工具軸線46運(yùn)動，右手鏟操縱桿60的前/后操縱可造成液壓錘42沿著第二工具軸線48運(yùn)動，并且左手鏟操 縱桿58的側(cè)向-側(cè)向操縱可造成液壓錘42沿著第三工具軸線50運(yùn)動。圖3表示執(zhí)行用于控制工作工具運(yùn)動的工具軸線控制策略的控制圖。圖3將在下 面的段落中詳細(xì)描述。工業(yè)實(shí)用性本發(fā)明的控制系統(tǒng)可適用于包括通過多個(gè)不同的致動器對工作工具進(jìn)行的操作 者控制的任何機(jī)器。本發(fā)明的控制系統(tǒng)可通過選擇性地執(zhí)行恒定工具角度策略和工具軸線 控制策略來增加操作效率，工具軸線控制策略自動控制一些致動器，使得對于操作者來說， 工具的總體控制得到簡化。為了說明，將只參考液壓錘42來詳細(xì)描述執(zhí)行系統(tǒng)12的操作 控制。現(xiàn)在將說明液壓控制系統(tǒng)72的操作。操作者可執(zhí)行用于通過操縱操作者輸入裝置58和60單獨(dú)致動每個(gè)連桿構(gòu)件(例 如吊桿構(gòu)件22、推桿構(gòu)件30和液壓錘42)的運(yùn)動的第一控制策略(即缺省控制策略)。第 一控制策略會需要操作者使用左手鏟操縱桿58來控制吊桿和擺動運(yùn)動，并且使用右手鏟 操縱桿60來控制錘和推桿運(yùn)動。在某些情況下，第二控制策略(即工具軸線控制策略)會比第一控制策略優(yōu)選。例 如，在操作者選擇液壓錘42來完成任務(wù)時(shí)，液壓錘42的控制可在使用單個(gè)操作者輸入裝置 (例如左手鏟操縱桿58)而沿著期望工具路徑運(yùn)動時(shí)更加有效。雖然熟練的操作者可以使 用第一控制策略大致遵循期望的工具路徑，但是第二控制策略會幫助操作者成功地完成任 務(wù)，而不需要多個(gè)操作者輸入裝置(即操縱桿58、60)進(jìn)行復(fù)雜的協(xié)調(diào)。如圖3所示，第二控制策略的操作可在控制器98接收到液壓錘42的期望角度α 時(shí)(步驟158)開始。期望角度α可通過操作者手動設(shè)定，以便將液壓錘42相對于參考點(diǎn) (例如相對于地表面26)保持在期望角度上。在工作工具14已經(jīng)被手動定向到期望角度 α?xí)r，操作者可例如通過拉動左手鏟操縱桿58的觸發(fā)器64將期望角度α通知控制器98。 在觸發(fā)器64已被拉動時(shí)，液壓錘42的相對位置可通過傳感器112-118檢測，并且相應(yīng)的位 置數(shù)據(jù)可被臨時(shí)或永久地存儲在記憶存儲裝置108內(nèi)。響應(yīng)于操作者設(shè)定的期望角度α， 控制器98可將指令信號發(fā)送到控制閥78-84，以便在操作者指令執(zhí)行系統(tǒng)12運(yùn)動、即使這 些指令通常(即經(jīng)由缺省控制策略)將工作工具14運(yùn)動離開期望角度α?xí)r，也可將液壓 錘42保持在期望角度α上。作為操作者手動定位工作工具14以設(shè)定期望角度α的替代 形式，根據(jù)從發(fā)送器140接收的工具識別數(shù)據(jù)或通過操作者經(jīng)由圖形用戶界面70輸入的工 具識別數(shù)據(jù)，控制器98可自動指令控制閥82將工作工具14運(yùn)動到期望角度α。在接收到期望角度α之后，控制器98可自動(步驟160)或手動(步驟162)接 收工作工具識別，以便確定至少一個(gè)工作工具特征。根據(jù)工作工具的特征，控制器98可確 定期望工具路徑(即與第一工具軸線46同軸對準(zhǔn)的鑿子路徑)，以便控制液壓錘42的運(yùn) 動(步驟164)。使用工具軸線控制策略，單個(gè)操作者輸入裝置可用來控制工作工具14的運(yùn) 動。例如，左手鏟操縱桿58的前/后操縱可指定用作沿著第一工具軸線46運(yùn)動液壓錘42 的唯一輸入裝置。工作工具14的操縱可在控制器98從左手鏟操縱桿58接收操作者指令 時(shí)開始(步驟166)。示例性控制可包括將左手鏟操縱桿58推動離開操作者，以便沿著期望 工具路徑降低液壓錘42，和朝著操作者拉動左手鏟操縱桿58，以便沿著期望工具路徑升高 液壓錘42。因此，液壓錘42可圍繞3個(gè)自由度(樞轉(zhuǎn)軸24、32和38)運(yùn)動，以響應(yīng)操作者輸入裝置(即左手鏟操縱桿58)的單個(gè)輸入軸線的操縱(即前/后運(yùn)動)。在操作者操縱單個(gè)操作者輸入裝置(例如左手鏟操縱桿58的前/后操縱)時(shí)，吊 桿構(gòu)件22、推桿構(gòu)件30和液壓錘42的運(yùn)動可通過控制器98自動協(xié)調(diào)，以有助于在液壓錘 以期望角度α朝著和離開地表面26運(yùn)動時(shí)確保液壓錘42保持在第一工具軸線46的預(yù)定 距離內(nèi)。例如，預(yù)定距離可以設(shè)定成大約25mm的徑向數(shù)值。因此，偏離第一工具軸線46例 如30mm的偏差會造成對液壓錘42的位置進(jìn)行修正。執(zhí)行系統(tǒng)12的監(jiān)視對檢測液壓錘42 何時(shí)超過預(yù)定距離值(步驟168)是需要的。傳感器112-118可監(jiān)視執(zhí)行系統(tǒng)12的每個(gè)連 桿構(gòu)件(即吊桿構(gòu)件22、推桿構(gòu)件30、液壓錘42)的位置和/或速度，并且接著分別經(jīng)由通 信線路124-130將運(yùn)動數(shù)據(jù)傳遞到控制器98?？刂破?8可根據(jù)位置數(shù)據(jù)計(jì)算液壓錘42的實(shí)際位置，并將實(shí)際位置與第一工具 軸線46比較，從而確定差別(步驟170)。例如，實(shí)際位置數(shù)據(jù)可使用三角計(jì)算法和機(jī)器10 的已知運(yùn)動學(xué)來確定。替代地，控制器98可使用一系列表格來確定實(shí)際位置，該表格繪出 了執(zhí)行系統(tǒng)12的位置數(shù)據(jù)。在液壓錘42的實(shí)際位置和期望工具路徑(即第一工具軸線46) 之間的差別超過預(yù)定距離數(shù)值時(shí)，那么控制器98可調(diào)整執(zhí)行系統(tǒng)12的運(yùn)動(步驟172)。在觀察到液壓錘42的實(shí)際位置和期望工具路徑之間的差別超過預(yù)定距離數(shù)值 時(shí)，控制器98可確定修正該差別所需的致動器28、92、36和34的運(yùn)動以及控制閥78-84的 相應(yīng)調(diào)節(jié)。例如，控制器98可依賴于反向運(yùn)動學(xué)計(jì)算，將期望工作工具位置(即與第一工 具軸線46大致同軸對準(zhǔn)的期望工具路徑)和定向(即期望角度α )轉(zhuǎn)換成期望控制閥指 令，該期望控制閥指令調(diào)節(jié)液壓錘42的位置和定向，以與期望路徑(即第一工具軸線46) 和期望角度α大致匹配?？刂破?8可將指令發(fā)送到控制閥78-84，以確保液壓錘42的運(yùn) 動基本遵循第一工具軸線46。在得益于工具軸線控制的任務(wù)完成之后(步驟174)，操作者 可取消第二控制策略(例如工具軸線控制)的操作，并返回到第一控制策略(例如缺省控 制)(步驟176)。下面的例子描述得益于工具軸線控制策略的示例性任務(wù)。會需要液壓錘42擊碎 大面積材料，例如矩形混凝土板。在選擇工具軸線控制策略時(shí)，操作者可在操作者正前方且 以機(jī)器10為中心的第一位置處通過只使用左手鏟操縱桿58的前/后操縱來沿著第一工具 軸線46運(yùn)動液壓錘42而開始擊碎混凝土板。一旦操作者在第一位置處充分地?fù)羲榛炷粒?操作者可將液壓錘運(yùn)動到第二位置，例如遠(yuǎn)離機(jī)器10但是還是以機(jī)器10為中心。為了將 液壓錘42運(yùn)動離開機(jī)器10到第二位置，操作者可只通過右手鏟操縱桿60的前/后操縱而 沿著第二工具軸線48運(yùn)動液壓錘42。一旦液壓錘42運(yùn)動到第二位置上方，那么操作者可 沿著第一工具軸線46運(yùn)動液壓錘42，從而在第二位置擊碎混凝土。為了在第三位置擊碎混 凝土板，例如如同第二位置那樣離開機(jī)器10相同距離，但是在第二位置的右側(cè)，操作者可 只通過左手鏟操縱桿58的側(cè)向-側(cè)向操縱而沿著第三工具軸線50運(yùn)動液壓錘42。一旦到 達(dá)第三位置上方，操作者可通過沿著第一工具軸線46運(yùn)動液壓錘42來擊碎第三位置下方 的混凝土板的一部分。因此，操作者可使用工具軸線控制策略在整個(gè)混凝土板的上方系統(tǒng) 地運(yùn)動液壓錘42。通過減少操作者必須控制來完成復(fù)雜任務(wù)的輸入裝置的數(shù)量，工具軸線控制策略 可有助于改善機(jī)器操縱效率。減少操作者必須控制的輸入裝置的數(shù)量可在完成程序化任務(wù) 的過程中減少操作者腦力和身體疲勞。
本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將明白的是可以對本發(fā)明的控制系統(tǒng)進(jìn)行多種變型和改 型，而不偏離本發(fā)明的范圍。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將從這里公開的控制系統(tǒng)的說明書和 實(shí)踐的考量中明白該控制系統(tǒng)的其它實(shí)施方式。所打算的是所述說明書和例子只作為示例 性來考量，本發(fā)明的真實(shí)范圍通過權(quán)利要求及其等同要求來指明。
權(quán)利要求
一種工具控制系統(tǒng)，包括第一致動器(28)，所述第一致動器(28)能夠控制第一連桿構(gòu)件(22)；第二致動器(34)，所述第二致動器(34)能夠控制第二連桿構(gòu)件(30)；第三致動器(36)，所述第三致動器(36)能夠控制工作工具(14)，其中所述第二連桿構(gòu)件連接到所述工作工具并可動地連接到所述第一連桿構(gòu)件；多個(gè)操作者輸入裝置(58、60)，所述多個(gè)操作者輸入裝置(58、60)能夠提供所述第一致動器、所述第二致動器和所述第三致動器的操作者控制；控制器(98)，所述控制器(98)與所述第一致動器、所述第二致動器和所述第三致動器以及所述多個(gè)操作者輸入裝置通信，所述控制器能夠接收用于所述工作工具的期望工具路徑；以及根據(jù)從所述多個(gè)操作者輸入裝置的不是所有的操作者輸入裝置接收的操作者輸入，控制所述第一致動器、所述第二致動器和所述第三致動器的運(yùn)動，以便使所述工作工具沿著所述期望工具路徑運(yùn)動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述第一連桿構(gòu)件是吊桿構(gòu)件，并且所述第二連 桿構(gòu)件是推桿構(gòu)件。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括至少一個(gè)傳感器，所述至少一個(gè)傳感器能夠監(jiān) 視所述工作工具相對于所述期望工具路徑的運(yùn)動。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中，所述期望工具路徑與所述工作工具的工具軸線 相對應(yīng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中，所述控制器還能夠從所述至少一個(gè)傳感器接收工作工具運(yùn)動數(shù)據(jù)，并且確定所述工作工具的實(shí)際位置； 確定所述工作工具的所述實(shí)際位置和所述期望工具路徑之間的差值；以及 控制所述第一致動器和第二致動器中的至少一個(gè)的運(yùn)動，以便將所述差值減小到預(yù)定 數(shù)值以下。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述控制器還能夠接收所述工作工具的工作工 具特征。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中，所述期望工具路徑與所述工作工具特征相關(guān)。
8.—種控制工作工具(14)的運(yùn)動的方法，包括 確定所述工作工具的工具軸線(46)；相對于所述工具軸線設(shè)定期望工具路徑；從單個(gè)操作者輸入裝置(58)接收有關(guān)所述工作工具沿著所述工具軸線的期望運(yùn)動的 操作者輸入；以及根據(jù)所述操作者輸入，控制所述工作工具沿著所述期望工具路徑圍繞多個(gè)軸線的運(yùn)動。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，還包括監(jiān)視所述工作工具的運(yùn)動，以便確定所述工作工具的實(shí)際位置； 確定所述工作工具的所述實(shí)際位置和所述期望工具路徑之間的差值；以及 調(diào)整所述工作工具的運(yùn)動，以便將所述差值減小到預(yù)定數(shù)值以下。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，相對于所述工作工具的工具軸線設(shè)定所述期望工具路徑還包括將所述期望工具路徑大致與所述工具軸線同軸對準(zhǔn)。
全文摘要
公開一種工具控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)可具有能夠控制第一連桿構(gòu)件(22)的第一致動器(28)。該控制系統(tǒng)還可具有能夠控制第二連桿構(gòu)件(30)的第二致動器(34)。該控制系統(tǒng)還可具有能夠控制工作工具(14)的第三致動器(36)，其中第二連桿構(gòu)件連接到工作工具并可動地連接到第一連桿構(gòu)件。該控制系統(tǒng)還可具有能夠提供第一致動器、第二致動器和第三致動器的操作者控制的多個(gè)操作者輸入裝置(58、60)。該控制系統(tǒng)還可具有與第一致動器、第二致動器和第三致動器以及多個(gè)操作者輸入裝置通信的控制器(98)?？刂破髂軌蚪邮沼糜诠ぷ鞴ぞ叩钠谕ぞ呗窂健？刂破鬟€能夠根據(jù)從多個(gè)操作者輸入裝置的不是所有的操作者輸入裝置接收的操作者輸入，控制第一致動器、第二致動器和第三致動器的運(yùn)動，以便使工作工具沿著期望工具路徑運(yùn)動。
文檔編號E02F9/22GK101932774SQ200980103787
公開日2010年12月29日 申請日期2009年1月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月31日
發(fā)明者D·F·斯塔尼克, R·D·科克 申請人:卡特彼勒公司