将控制信号重新映射到工具的转动自由度的系统技术方案

一种将控制信号重新映射到工具的转动自由度的系统。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
将控制信号重新映射到工具的转动自由度的系统
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
因此，本专利技术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。本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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，特别地其中所述工具(4)附接至倾斜转动体装置(10)，所述系统包括：/n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/n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，/n其特征在于，/n所述系统包括：/n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，特别是实时地确定，/n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/n重新映射单元，所述重新映射单元被配置成：/n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(14)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(15、16、18)中的关联的转动工具自由度(15、16、18)，以及/n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(15、16、18)内转动所述工具(4)。/n...

【技术特征摘要】
20190402 EP 19166908.41.一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，特别地其中所述工具(4)附接至倾斜转动体装置(10)，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，特别是实时地确定，
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(14)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(15、16、18)中的关联的转动工具自由度(15、16、18)，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(15、16、18)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(15、16、18)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。


3.根据权利要求2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。


4.根据权利要求2或3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。


5.根据前述权利要求中任一项所述的系统，
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(15、16、18)内的工具定向，具体地定义针对所述工具(4)关于所述关联的转动工具自由度(15、16、18)的移动的目标角度和/或公差范围，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。


6.根据前述权利要求中任一项所述的系统，
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(15、16、18)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。


7.根据权利要求1至5中任一项所述的系统，
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(15、16、18)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(15、16、18)的当前定向被自动维持。


8.根据前述权利要求中任一项所述的系统，
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：L·吉亚尔加德，S·科斯特洛，A·林德斯科夫，
申请(专利权)人：赫克斯冈技术中心，
类型：发明
国别省市：瑞士;CH