專利名稱：用于控制鏟斗的運動的系統(tǒng)、方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及控制工業(yè)機器、比如電動纜索挖掘機的鏟斗的運動。
背景技術(shù)：
電動纜索或動力挖掘機及其它工業(yè)機器為操作者提供了用于在整個工作循環(huán)中控制例如鏟斗的運動和位置的粗略操作控制。工作循環(huán)包括四個主要鏟斗運動挖掘、擺動、傾倒和返回。操作者能夠執(zhí)行這些運動的速度和效率可總體上影響挖掘機和礦的生產(chǎn)率。然而，當在工作循環(huán)內(nèi)執(zhí)行這些運動并嘗試實現(xiàn)期望的位置時(例如，用于挖掘的期望的鏟斗位置)，粗略的操作控制限制了操作者以最有效或最佳的方式實現(xiàn)期望運動的能力。

實用新型內(nèi)容這樣，本實用新型提供用于控制鏟斗的運動使得操作者期望的鏟斗位置或軌跡用于自動地優(yōu)化鏟斗運動的系統(tǒng)、方法和裝置。例如，控制器構(gòu)造成監(jiān)測工業(yè)機器的關(guān)于工業(yè)機器的吊桿輪廓的界限的參數(shù)。監(jiān)測的參數(shù)包括鏟斗的位置、與一個或更多個操作者輸入裝置相關(guān)的一個或更多個輸出信號、起重馬達的特性、和推壓馬達的特性。基于這些參數(shù)，控制器能夠確定鏟斗的計算的軌跡或期望的將來位置是否將超出吊桿輪廓的界限?？刂破麟S后可不考慮來自一個或更多個操作者輸入裝置的操作者基準、并朝替代的將來位置自動地控制鏟斗。當鏟斗到達替代的將來位置或者來自一個或更多個操作者輸入裝置的操作者基準被適當?shù)匦薷?下面描述)時，自動控制被暫停，且對于鏟斗的運動的直接控制被恢復(fù)到工業(yè)機器的操作者。在一個實施方式中，本實用新型提供一種工業(yè)機器，其包括鏟斗、吊桿、起重馬達、推壓馬達、一個或更多個操作者控制裝置、和控制器。吊桿具有吊桿輪廓，且吊桿輪廓包括吊桿輪廓界限。起重馬達具有起重馬達特性，并構(gòu)造成接收來自起重驅(qū)動模塊的控制信號。推壓馬達具有推壓馬達特性，并構(gòu)造成接收來自推壓驅(qū)動模塊的控制信號。一個或更多個操作者控制裝置構(gòu)造成可由工業(yè)機器的操作者手動地操作?？刂破鬟B接到一個或更多個操作者控制裝置、起重驅(qū)動模塊和推壓驅(qū)動模塊?？刂破鳂?gòu)造成接收來自一個或更多個操作者控制裝置的與鏟斗的期望運動相關(guān)的一個或更多個輸出信號，接收與起重馬達特性相關(guān)的一個或更多個信號，并接收與推壓馬達特性相關(guān)的一個或更多個信號?？刂破鬟€構(gòu)造成確定鏟斗相對于吊桿輪廓的當前位置，確定基于來自一個或更多個操作者控制裝置的一個或更多個輸出信號、與起重馬達特性相關(guān)的一個或更多個信號、和與推壓馬達特性相關(guān)的一個或更多個信號的且相對于吊桿輪廓的鏟斗的第一將來位置，并且在鏟斗的第一將來位置大致對應(yīng)于吊桿輪廓界限時、自動控制鏟斗相對于吊桿輪廓的運動。在另一實施方式中，本實用新型提供一種控制工業(yè)機器的方法。工業(yè)機器包括鏟斗；吊桿，具有吊桿輪廓和吊桿輪廓界限；起重馬達，具有起重馬達特性并構(gòu)造成接收來自起重驅(qū)動模塊的控制信號；推壓馬達，具有推壓馬達特性并構(gòu)造成接收來自推壓驅(qū)動模塊的控制信號；一個或更多個操作者控制裝置，構(gòu)造成可由工業(yè)機器的操作者手動地控制；以及控制器，連接到一個或更多個操作者控制裝置、起重驅(qū)動模塊和推壓驅(qū)動模塊。該方法包括接收來自一個或更多個操作者控制裝置的與鏟斗的期望運動相關(guān)的一個或更多個輸出信號，接收與起重馬達特性相關(guān)的一個或更多個信號，并接收與推壓馬達特性相關(guān)的一個或更多個信號。該方法還包括確定鏟斗相對于吊桿輪廓的當前位置，確定基于來自一個或更多個操作者控制裝置的一個或更多個輸出信號、與起重馬達特性相關(guān)的一個或更多個信號、和與推壓馬達特性相關(guān)的一個或更多個信號的且相對于吊桿輪廓的鏟斗的第一將來位置，并且在鏟斗的確定的將來位置大致對應(yīng)于吊桿輪廓界限時、自動控制鏟斗相對于吊桿輪廓的運動。在另一實施方式中，本實用新型提供一種用于工業(yè)機器的控制器。控制器包括輸A/輸出模塊和處理裝置。輸入/輸出模塊構(gòu)造成接收與鏟斗的期望運動相關(guān)的操作者控制信號，接收起重馬達特性信號，并接收推壓馬達特性信號。處理裝置構(gòu)造成基于操作者控制信號和鏟斗的當前位置計算鏟斗相對于挖掘機輪廓的第一將來位置，基于鏟斗的當前位置、起重馬達特性信號和推壓馬達特性信號計算鏟斗相對于挖掘機輪廓的第二將來位置，并產(chǎn)生用于起重驅(qū)動模塊的起重驅(qū)動信號和用于推壓驅(qū)動模塊的推壓驅(qū)動信號。當鏟斗的第一將來位置大致對應(yīng)于挖掘機輪廓的界限時，起重驅(qū)動信號和推壓驅(qū)動信號與鏟斗到第二將來位置的運動相關(guān)。通過考慮詳細說明和附圖將使本實用新型的其他方面變得明顯。

圖1示出根據(jù)本實用新型一個實施方式的工業(yè)機器。圖2示出根據(jù)本實用新型一個實施方式的控制器。圖3示出根據(jù)本實用新型一個實施方式的工業(yè)機器的控制系統(tǒng)。圖4是示出吊桿輪廓相對于鏟斗位置的圖。圖5是示出吊桿輪廓和鏟斗的運動的圖。圖6是示出根據(jù)本實用新型一個實施方式的吊桿輪廓、鏟斗運動和收攏輪廓的圖。圖7是根據(jù)本實用新型一個實施方式的用于控制鏟斗運動的過程。
具體實施方式
在詳細解釋本實用新型的任何實施方式之前，應(yīng)理解，本實用新型的應(yīng)用不限于以下說明書闡述或附圖中所示的部件的布置和結(jié)構(gòu)的細節(jié)。本實用新型能夠有其它實施方式且能夠以各種方式實踐或?qū)嵤?。而且，?yīng)理解，此處使用的短語和術(shù)語是用于說明的目的且不應(yīng)認為是限制性的。如此處使用的，“包括”、“包含”或“具有”及其變化形式的使用意指包含此后所列的項及其等同物以及額外的項。術(shù)語“安裝”、“連接”和“聯(lián)接”使用其寬泛的含義且包含直接和間接安裝、連接和聯(lián)接兩者。而且，“連接”和“聯(lián)接”不限于物理或機械連接或聯(lián)接，且可包括電連接或聯(lián)接，包括直接形式或間接形式。而且，電子通信和通知可用包括直接連接、無線連接等的任何已知方式來執(zhí)行。應(yīng)注意，多個基于硬件和軟件的裝置，以及多個不同的結(jié)構(gòu)部件可用于實現(xiàn)本實用新型。此外，且如在隨后的段落中描述的，附圖中圖示的具體配置預(yù)期舉例說明本實用新型的實施方式且其它替代的配置是可能的。術(shù)語“處理器”、“中央處理單元”和“CPU”是可互換的，除非另外表明。在術(shù)語“處理器”或“中央處理單元”或“CPU”用于識別執(zhí)行具體功能的單元的情況下，應(yīng)理解，除非另外表明，否則這些功能可通過單一處理器或以任何形式設(shè)置的多個處理器來執(zhí)行，包括并行處理器、串行處理器、串聯(lián)處理器或云處理/云計算構(gòu)造。本文描述的本實用新型涉及工業(yè)機器(例如，電動纜索或動力挖掘機、拉鏟挖土機等)的控制。其中工業(yè)機器包括吊桿、鏟斗、起重馬達、推壓馬達、一個或更多個操作者輸入裝置和控制器。一個或更多個操作者輸入裝置構(gòu)造成在工業(yè)機器的整個工作循環(huán)中控制例如鏟斗的位置和運動、起重馬達的輸出以及推壓馬達的輸出。當將鏟斗從一個位置移動到另一位置(例如，從傾倒位置運動到收攏位置)時，鏟斗通常非常接近吊桿，且在該操作期間鏟斗向吊桿的接近度可不利地影響工業(yè)機器的操作和效率。例如，當鏟斗接近工業(yè)機器的各種部件(例如，吊桿、驅(qū)動履帶、可移動基部等)通過時。例如，當非常接近吊桿通過時，如果施加了不正確的起重和/或推壓控制，則鏟斗可能撞擊吊桿。相反，如果工業(yè)機器的操作者關(guān)注到鏟斗撞擊吊桿的可能性，操作者可以不太有效的方式將鏟斗從傾倒位置移動到收攏位置以避免碰撞。這樣，控制器構(gòu)造成監(jiān)測工業(yè)機器的參數(shù)比如鏟斗的位置、與一個或更多個操作者輸入裝置相關(guān)的一個或更多個電輸出信號以及起重馬達和推壓馬達相對于工業(yè)機器的吊桿輪廓界限的特性。如果控制器確定鏟斗的基于這些參數(shù)計算的軌跡或期望的將來位置超出吊桿輪廓的界限，則控制器不考慮來自一個或更多個操作者輸入裝置的操作者基準、并且自動地將鏟斗控制到可替代的將來位置。當鏟斗到達替代的將來位置、或者來自一個或更多個操作者輸入裝置的操作者基準被適當?shù)匦薷臅r(下面描述)，自動控制被暫停，且對于鏟斗的運動的直接控制被恢復(fù)到工業(yè)機器的操作員。盡管本文描述的本實用新型可應(yīng)用于各種工業(yè)機器(例如，電動纜索挖掘機、拉鏟挖土機等)、可通過各種工業(yè)機器(例如，電動纜索挖掘機、拉鏟挖土機等)執(zhí)行或者結(jié)合各種工業(yè)機器(例如，電動纜索挖掘機、拉鏟挖土機等)使用，但是本文描述的本實用新型的實施方式關(guān)于電動纜索挖掘機或動力挖掘機來描述，比如圖1所示的動力挖掘機10。挖掘機10包括可移動基部15、驅(qū)動履帶20、轉(zhuǎn)盤25、機械平臺30、吊桿35、下端40、滑輪45、受拉纜索50、后撐桿55、撐桿結(jié)構(gòu)60、鏟斗70、起重繩75、絞車卷筒80、鏟斗臂或柄85、鞍式塊體90、樞轉(zhuǎn)點95、傳動單元100、鉤環(huán)銷105和傾斜計110?？梢苿踊?5由驅(qū)動履帶20支撐?？梢苿踊?5支撐轉(zhuǎn)盤25和機械平臺30。轉(zhuǎn)盤25能夠相對于可移動基部15圍繞機械平臺30旋轉(zhuǎn)360度。吊桿35在下端40處可樞轉(zhuǎn)地連接到機械平臺30。吊桿35通過受拉纜索50相對于平臺保持向上且向外延伸，受拉纜索50錨固到撐桿結(jié)構(gòu)60的后撐桿55。撐桿結(jié)構(gòu)60剛性地安裝在機械平臺30上，且滑輪45可旋轉(zhuǎn)地安裝在吊桿35的上端。鏟斗70通過起重繩75從吊桿35懸掛。起重繩75環(huán)繞在滑輪45上并在鉤環(huán)銷105處附接到鏟斗70。起重繩75錨固到機械平臺30的絞車卷筒80。隨著絞車卷筒80旋轉(zhuǎn)，起重繩75被放出以降低鏟斗70或者被拉入以升高鏟斗70。鏟斗柄85也剛性地附接到鏟斗70。鏟斗柄85可滑動地支撐在鞍式塊體90中，且鞍式塊體90在樞轉(zhuǎn)點95處可樞轉(zhuǎn)地安裝到吊桿35。鏟斗柄85包括在其上形成的與安裝在鞍式塊體90中的傳動小齒輪相接合的齒條齒結(jié)構(gòu)。傳動小齒輪由電動馬達和傳動單兀100驅(qū)動，以使伊斗臂85相對于鞍式塊體90伸出或縮回。電力源安裝到機械平臺30，以對用于驅(qū)動絞車卷筒80的一個或更多個起重電動馬達、用于驅(qū)動鞍式塊體傳動單元100的一個或更多個推壓電動馬達、和用于轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)盤25的一個或更多個擺動電動馬達提供電力。推壓馬達、起重馬達和擺動馬達中的每一種由其自己的馬達控制器驅(qū)動或響應(yīng)于來自控制器的控制信號驅(qū)動。圖2示出與圖1的動力挖掘機10相關(guān)聯(lián)的控制器200?？刂破?00連接到或聯(lián)接到各種另外的模塊或部件，比如用戶接口模塊205、一個或更多個指示器210、電源模塊215、一個或更多個傳感器220、一個或更多個起重馬達或起重驅(qū)動機構(gòu)225A、一個或更多個推壓馬達或推壓驅(qū)動機構(gòu)225B以及一個或更多個擺動馬達或擺動驅(qū)動機構(gòu)225C。其中一個或更多個傳感器220包括載荷銷應(yīng)變計、傾斜計110、一個或更多個馬達磁場模塊等。載荷銷應(yīng)變計包括例如在X方向(例如，水平地)定位的一組應(yīng)變計和在I方向(例如，垂直地)定位的一組應(yīng)變計，使得能夠確定載荷銷上的合力?？刂破?00包括硬件和軟件的組合，其可操作以控制動力挖掘機10的操作，控制吊桿35、鏟斗柄85、鏟斗70等的位置，啟動一個或更多個指示器210 (例如，液晶顯示器[“IXD”])等。其中，控制器200包括處理單元235 (例如，微處理器、微控制器或別的合適的可編程器件)、存儲器240以及輸入/輸出(“I/O”)系統(tǒng)245。處理單元235、存儲器240、I/O系統(tǒng)245以及連接到控制器200的各種模塊通過一個或更多個控制和/或數(shù)據(jù)總線連接。為了描述和清楚目的，控制和/或數(shù)據(jù)總線從圖2省略。就本文中描述的本實用新型來說，用于各種模塊和部件之間的互相連接以及各種模塊和部件之間的通信的一個或更多個控制和/或數(shù)據(jù)總線的使用對本領(lǐng)域技術(shù)人員將是已知的。存儲器240例如包括只讀存儲器(“ROM”)、隨機訪問存儲器(“RAM”)、電可擦除可編程只讀存儲器(“EEPR0M”)、快閃存儲器、硬盤、SD卡或另一合適的磁性、光學、物理或電子存儲裝置。處理單元235連接到存儲器240并執(zhí)行軟件，所述軟件能夠儲存在存儲器240的RAM中(例如，在執(zhí)行期間)、存儲器240的ROM中(例如，基于大體上永久的存儲)或者另一非暫態(tài)計算機可讀介質(zhì)中，比如另一存儲器或盤。另外或替代地，存儲器240包括在處理單元235中。I/O系統(tǒng)245包括用于利用上述的一個或更多個控制/數(shù)據(jù)總線在控制器200內(nèi)的部件和動力挖掘機10的其它部件之間傳遞信息的例程。在動力挖掘機10的實施中所包括的軟件可儲存在控制器200的存儲器240中。軟件例如包括固件、一個或更多個應(yīng)用程序、程序數(shù)據(jù)、一個或更多個程序模塊以及其它可執(zhí)行指令?？刂破?00構(gòu)造成從存儲器檢索并且其中執(zhí)行與本文描述的控制過程和方法相關(guān)的指令。在其它結(jié)構(gòu)中，控制器200包括另外的、較少的或不同的部件。電源模塊215對動力挖掘機10的部件供應(yīng)標稱AC或DC電壓。用戶接口模塊205用于控制或監(jiān)控動力挖掘機10。例如，用戶接口模塊205可操作地聯(lián)接到控制器200，以控制鏟斗70的位置、傳動單元100、吊桿35的位置、鏟斗柄85的位置等。用戶接口模塊205可包括實現(xiàn)動力挖掘機10的控制和監(jiān)控的期望水平所需要的數(shù)字和模擬輸入或輸出裝置的組合。例如，用戶接口模塊205可包括顯示和輸入裝置，比如觸摸屏顯示器、一個或更個旋鈕、撥盤、開關(guān)、按鈕、操縱桿等。顯示器例如為液晶顯示器(“IXD”)、發(fā)光二極管(“LED”)顯示器、有機LED (“0LED”)顯示器、場致發(fā)光顯示器(“ELD”)、表面?zhèn)鲗?dǎo)電子發(fā)射顯示器(“SED”)、場發(fā)射顯示器(“FED”)、薄膜晶體管(“TFT”)LCD等。在其它結(jié)構(gòu)中，顯示器為超級主動矩陣OLED (“AM0LED”)顯示器。用戶接口模塊205也可構(gòu)造成實時地或基本上實時地顯示與動力挖掘機10相關(guān)聯(lián)的狀態(tài)或數(shù)據(jù)。例如，用戶接口模塊205構(gòu)造成顯示所測量的動力挖掘機10的電特性、動力挖掘機10的狀況、鏟斗70的位置、鏟斗柄85的位置等。在某些實現(xiàn)中，用戶接口模塊205與一個或更多個指示器210(例如，LED、揚聲器等)一起受到控制，以提供關(guān)于動力挖掘機10的狀況或條件的視覺或聽覺指示。圖3示出用于動力挖掘機10的更詳細的控制系統(tǒng)300。例如，動力挖掘機10包括初級控制器305、網(wǎng)絡(luò)交換機310、控制柜315、輔助控制柜320、操作室325、第一起重驅(qū)動模塊330、第二起重驅(qū)動模塊335、推壓驅(qū)動模塊340、擺動驅(qū)動模塊345、起重場模塊350、推壓場模塊355和擺動場模塊360。例如，控制系統(tǒng)300的各種部件通過光纖通信系統(tǒng)連接并通過光纖通信系統(tǒng)進行通信，該光纖通信系統(tǒng)利用了用于工業(yè)自動化的一個或更多個網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，比如過程現(xiàn)場總線(“PR0FIBUS”)、以太網(wǎng)、控制網(wǎng)(ControINet)、基金會現(xiàn)場總線、INTERBUS、控制器局域網(wǎng)絡(luò)(“CAN”)總線等?？刂葡到y(tǒng)300可包括上面關(guān)于圖2描述的部件和模塊。例如，馬達驅(qū)動器225A-225C可對應(yīng)于起重驅(qū)動器330、推壓驅(qū)動器335和擺動驅(qū)動器340和345，用戶接口 205和指示器210可包括在操作室325中等。載荷銷應(yīng)變計和傾斜計110可對初級控制器305、控制柜315、輔助箱320等提供電信號。第一起重驅(qū)動模塊330、第二起重驅(qū)動模塊335、推壓驅(qū)動模塊340和擺動驅(qū)動模塊345構(gòu)造成接收來自例如初級控制器305的控制信號，以控制挖掘機10的起重、推壓和擺動操作。控制信號與用于挖掘機10的起重馬達225A、推壓馬達225B和擺動馬達225C的驅(qū)動信號相關(guān)聯(lián)。當驅(qū)動信號被施加到馬達225A、225B和225C時，馬達的輸出(例如，電輸出和機械輸出)被監(jiān)測并(例如，通過場模塊350-360)反饋到初級控制器305。馬達的輸出包括例如馬達速度、馬達轉(zhuǎn)矩、馬達功率、馬達電流等。基于與挖掘機10相關(guān)的這些及其它信號(例如，來自傾斜計110的信號)，初級控制器305構(gòu)造成確定或計算挖掘機10或其部件的一個或更多個操作狀態(tài)或位置。在一些實施方式中，初級控制器305確定鏟斗位置、起重包角、起重馬達的每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)(“RPM”)、推壓馬達RPM、鏟斗速度、鏟斗加速度等。上面描述的挖掘機10構(gòu)造成執(zhí)行包括例如如下四種鏟斗運動的工作循環(huán)挖掘、擺動、傾倒和返回。挖掘機10還能夠從一個位置推進到另一位置(例如，從一個挖掘位置到另一挖掘位置)。在該工作循環(huán)期間，挖掘機10被控制以此外沖擊土堆、填充鏟斗、使填充的鏟斗擺動、倒空鏟斗以及將倒空的鏟斗返回到收攏位置用于隨后的挖掘操作。在該運動期間，鏟斗必須控制在挖掘機10的操作界限內(nèi)。例如，在返回操作期間，基于分別來自起重馬達225A和推壓馬達225B的起重力和推壓力的相對施加，鏟斗70通常非?？拷鯒U35。在該操作期間，鏟斗70碰撞吊桿35是可能的，這可導(dǎo)致對挖掘機10的吊桿35、鏟斗70或其它部件的破壞。除可能撞擊吊桿35的危險之外，操作者控制(即，利用起重和推壓控制)鏟斗70的位置的能力受到具有有限的精確度的粗略控制抑制。在例如返回操作期間鏟斗70的不精確的運動控制可能整體上不利地影響挖掘機10和礦的效率。另外，盡管本實用新型在此關(guān)于吊桿輪廓和吊桿輪廓的界限來描述，但是鏟斗70的運動也可關(guān)于另外的或不同的部件(例如，可移動基部15、驅(qū)動履帶20等)和相應(yīng)的挖掘機輪廓來控制。在該實施方式中，這些部件的幾何尺寸和界限可被程序化到控制器200內(nèi)，且鏟斗70可相應(yīng)地關(guān)于它們來控制。在某些實施方式中，鏟斗的運動也可關(guān)于環(huán)境輪廓來控制，例如地面輪廓、土堆輪廓，或關(guān)于在挖掘機10的工作環(huán)境內(nèi)的其它機器輪廓(例如，卡車、料斗等)來控制。在該實施方式中，一個或更多個傳感器或系統(tǒng)(例如，激光、聲音、紅外、地理位置、全球定位等)安裝到或包括在挖掘機10中，以用于確定挖掘機10或鏟斗70相對于環(huán)境輪廓的位置。這樣，控制器200或初級控制器305構(gòu)造成精確地控制鏟斗70相對于吊桿輪廓從傾倒位置到收攏位置的運動，并有效地將鏟斗70定位在可重復(fù)的且理想的收攏位置，用于隨后的挖掘操作。圖4是示出吊桿輪廓410相對于鏟斗70的位置415的界限405的圖400。鏟斗70的位置415可如上所述地基于來自例如起重馬達或驅(qū)動器225A、推壓馬達或驅(qū)動器225B、載荷銷組件、傾斜計110等的信號來確定。吊桿輪廓和吊桿輪廓的界限此外可基于吊桿和挖掘機10的物理尺寸、安裝的鏟斗的尺寸、起重馬達特性、推壓馬達特性等而程序化到控制器200或初級控制器305內(nèi)。當控制挖掘機10以使鏟斗70從一個位置移動到另一位置時，鏟斗70的移動通常由操作者利用與操作室325相關(guān)的一個或更多個控制裝置(例如，操縱桿)來手動控制?？刂蒲b置產(chǎn)生由初級控制器305接收和解譯的信號，之后產(chǎn)生相應(yīng)的驅(qū)動或控制信號并發(fā)送到起重驅(qū)動模塊330、335、推壓驅(qū)動模塊340和擺動驅(qū)動模塊345?；谶@些驅(qū)動信號，起重、推壓和擺動馬達225A、225B和225C引起鏟斗70運動。然而，如上面描述的，操作者的挖掘機控制通常是不精確的且可導(dǎo)致挖掘機10的無效操作。例如，在將材料載荷堆放在料堆或卡車中之后，操作者通過控制起重馬達225A降低鏟斗70并通過控制推壓馬達225B收攏鏟斗70，使鏟斗70從傾倒位置擺動離開?？衫猛诰驒C10的手動控制(即，利用一個或更多個操作者控制裝置)和實時自動控制的組合、基于由一個或更多個操作者控制裝置產(chǎn)生的相應(yīng)信號，來實現(xiàn)鏟斗的更精確且更有效的控制。例如，控制器200或初級控制器305監(jiān)測來自一個或更多個操作者控制裝置的信號、來自起重馬達225A、推壓馬達225B和擺動馬達225C、傾斜計110、載荷銷等的信號，以確定或計算操作者希望的鏟斗70的將來位置。如果操作者希望的鏟斗70的將來位置被確定或計算為超出吊桿輪廓的界限或者太接近吊桿輪廓的界限(即，在預(yù)定距離內(nèi))，則控制器200或初級控制器305內(nèi)的自動縮回控制(“ARC”)系統(tǒng)或模塊(例如，硬件和軟件的組合)被啟動，以自動地控制鏟斗70的收攏。在某些實施方式中，可采用額外的準則來確定挖掘機10執(zhí)行返回或收攏操作的時刻。例如，在鏟斗70倒空到卡車或料堆上之后，可使用載荷稱重系統(tǒng)或機構(gòu)來確定有效負載的重量變化。另外或替代地，與將鏟斗門釋放以倒空鏟斗70相關(guān)的傳感器或開關(guān)被用以指示可隨后啟動返回或收攏操作。額外的準則也可包括擺動馬達225A、擺動驅(qū)動模塊345或一個或更多個操作者控制的擺動控制裝置(例如，操縱桿)的特性。因此，與鏟斗70的最近倒空、鏟斗70的擺動以及手動操作的起重和推壓控制相關(guān)的信號可用于啟動ARC。ARC的示例性示例在下面參考圖5和6提供。圖5是圖420，圖420顯示了吊桿輪廓410相對于鏟斗70的位置的界限405以及基于操作者基準(例如，來自或基于一個或更多個操作者控制裝置的信號)的鏟斗70的期望軌跡425。在圖5中，基于手動操作者基準的鏟斗70的軌跡425示出鏟斗70的位置415將快速地接近吊桿輪廓410的界限405。在該情形中，ARC系統(tǒng)或模塊不考慮操作者基準以自動地控制鏟斗70的運動。鏟斗70的自動控制避免了與吊桿35碰撞且確保鏟斗70盡可能快速地且有效地到達替代的將來位置(例如，理想的收攏位置)。[0033]例如，圖6示出ARC系統(tǒng)或模塊的控制。基于手動操作者基準的鏟斗70的軌跡425將引起鏟斗70與吊桿35撞擊或碰撞。在檢測到該狀態(tài)后，ARC系統(tǒng)或模塊不考慮操作者基準，而是監(jiān)測吊桿輪廓400并計算使鏟斗70沿確定的或計算的軌跡435運動以跟隨收攏輪廓440的起重和推壓的最大水平。收攏輪廓440對應(yīng)于鏟斗70的如下軌跡該軌跡將在最大化鏟斗70到達替代的將來位置445的速度的同時防止鏟斗70撞擊到吊桿35。在某些實施方式中，鏟斗70的運動的自動控制可由操作者手動地中斷。例如，修改起重和推壓控制使得鏟斗的軌跡不再超過吊桿輪廓410的界限405可使自動控制停止。這樣，可啟動ARC系統(tǒng)或模塊對于鏟斗70的運動的控制，例如，通過施加最大的起重和/或推壓控制信號(即，將引起鏟斗70超出吊桿輪廓410的界限405的信號)而有意地啟動，或者當操作者的控制被確定或計算為超出吊桿輪廓410的界限405或太接近吊桿輪廓410的界限405時無意地啟動。因為ARC系統(tǒng)或模塊實時地操作或基本上實時地操作，所以該自動控制可基于手動操作者控制來啟動和暫停，而不需要操作者激活或啟動程序化的挖掘機或鏟斗運動(例如，激活專用按鈕以放棄對挖掘機10或鏟斗70的運動的控制直到程序化的運動完成)。圖7是用于如上所述地控制鏟斗70的運動的過程500。過程500在接收到一組操作者基準時開始(步驟505)。操作者基準包括，例如，與起重、推壓和擺動運動相關(guān)的相對值或絕對值(例如，操縱桿控制輸入)等。在某些實施方式中，該組操作者基準僅對應(yīng)于與鏟斗70的運動相關(guān)的那些控制。在其它實施方式中，操作者基準對應(yīng)于全部操作者控制輸入或其一個或更多個子組。如上所述，操作者基準通過例如控制器200或初級控制器305來處理。過程500在此關(guān)于初級控制器305來描述。在起重、推壓和擺動控制模塊330-345的控制或驅(qū)動信號產(chǎn)生之前，初級控制器305構(gòu)造為基于操作者基準來確定或鏟斗70的期望運動是否將接近、超過、或另外地大致對應(yīng)于吊桿輪廓的界限(步驟510)。如果鏟斗70的期望運動沒有導(dǎo)致鏟斗70的位置接近或超過吊桿輪廓的界限，則過程500返回到步驟505并且另外的操作者基準被接收并處理。如果鏟斗70的期望的運動被確定或計算為接近或超過吊桿輪廓的界限，則初級控制器305確定是否應(yīng)啟動由ARC系統(tǒng)或模塊進行的自動控制(步驟515)。如果ARC不被啟動，則過程500返回到步驟505且另外的操作者基準被接收和處理。如果ARC將被啟動，則過程500繼續(xù)到步驟520。其中確定ARC是否將被啟動基于鏟斗70的當前位置、鏟斗70的確定的或計算的將來位置、以及吊桿輪廓。當初級控制器305確定或計算操作者基準對應(yīng)于大致對應(yīng)于或超過吊桿輪廓界限的鏟斗運動或位置時，操作者基準被忽略或丟棄、且ARC系統(tǒng)或模塊接管對于鏟斗70的運動控制。在采取對鏟斗的運動的控制之后，ARC系統(tǒng)或模塊監(jiān)測吊桿輪廓(步驟520)。部分地基于鏟斗70的當前位置，ARC系統(tǒng)或模塊基于當前控制信號(例如，起重馬達RPM、推壓馬達RPM等)來識別當前鏟斗位置前方的吊桿輪廓。控制信號和操作者基準被假定為保持相同以便與吊桿輪廓進行對比。如果ARC系統(tǒng)或模塊確定鏟斗70可能超出吊桿輪廓的界限或者鏟斗70可能基本上對應(yīng)于吊桿輪廓的界限，則ARC系統(tǒng)或模塊識別這樣的事件將何時發(fā)生并計算鏟斗70將移動到的替代的將來鏟斗位置。在某些實施方式中，替代的鏟斗位置為用于開始新的挖掘循環(huán)的理想收攏位置。在其它實施方式中，替代的鏟斗位置為沿圖6所示的收攏輪廓440的中間位置。在該實施方式中，ARC可用于防止鏟斗70的移動超出或大體上對應(yīng)于吊桿輪廓的界限，但是一旦已避免了可能的事件，則將控制返回到操作者。一旦鏟斗70的替代位置已經(jīng)被計算，ARC系統(tǒng)或模塊計算確保適當?shù)钠鹬睾屯茐候?qū)動信號(例如，最大的起重和推壓驅(qū)動信號)分別施加到起重和推壓馬達225A和225B以實現(xiàn)替代的將來位置所必需的操作者基準(步驟525)。在某些實施方式中，在已知推壓馬達225B操作所在的界限(例如，最大速度)的情況下，實現(xiàn)替代的將來位置所需要的起重的量或水平的確定和計算是基于如下的可能性不能夠?qū)崿F(xiàn)確定的或計算的推壓的量或水平。如果推壓馬達225B不能夠產(chǎn)生在適當?shù)臅r間量(例如，以避免碰撞)中實現(xiàn)替代的將來位置所需的速度，起重的量或水平可被減小以允許在操作界限內(nèi)操作推壓馬達并實現(xiàn)替代的將來位置。在步驟525之后，ARC系統(tǒng)或模塊監(jiān)測鏟斗70的位置，以確定鏟斗70是否已經(jīng)到達替代的將來位置(例如，理想收攏位置，以便開始隨后的挖掘循環(huán))(步驟530)。如果鏟斗70尚未到達替代的將來位置，則在步驟520繼續(xù)監(jiān)測吊桿輪廓。如果鏟斗70已經(jīng)達到替代的將來位置，則ARC系統(tǒng)或模塊放棄對鏟斗70的運動的控制，且操作者基準再次用于控制鏟斗70的運動。過程500隨后返回到步驟505，在步驟505中，操作者基準被接收并被處理以確定鏟斗70是否再次接近吊桿輪廓的界限。因此，本實用新型提供了其中用于基于手動操作者輸入來自動地控制工業(yè)機器的系統(tǒng)、方法和裝置。本實用新型的各種特征和優(yōu)點在所附權(quán)利要求中闡述。
權(quán)利要求1.一種工業(yè)機器，其特征在于，所述工業(yè)機器包括 鏟斗； 吊桿，所述吊桿具有吊桿輪廓，所述吊桿輪廓包括吊桿輪廓界限； 起重馬達，所述起重馬達具有起重馬達特性，并且被構(gòu)造成接收來自起重驅(qū)動模塊的控制信號； 推壓馬達，所述推壓馬達具有推壓馬達特性，并且被構(gòu)造成接收來自推壓驅(qū)動模塊的控制信號； 一個或更多個操作者控制裝置，所述一個或更多個操作者控制裝置被構(gòu)造成能夠由所述工業(yè)機器的操作者手動控制； 控制器，所述控制器被連接到所述一個或更多個控制裝置、所述起重驅(qū)動模塊和所述推壓驅(qū)動模塊，所述控制器被構(gòu)造成 接收來自所述一個或更多個操作者控制裝置的與所述鏟斗的期望運動相關(guān)的一個或更多個輸出信號， 接收與所述起重馬達特性相關(guān)的一個或更多個信號， 接收與所述推壓馬達特性相關(guān)的一個或更多個信號， 確定所述鏟斗相對于所述吊桿輪廓的當前位置， 確定基于來自所述一個或更多個操作者控制裝置的所述一個或更多個輸出信號、與所述起重馬達特性相關(guān)的所述一個或更多個信號、以及與所述推壓馬達特性相關(guān)的一個或更多個信號的且相對于所述吊桿輪廓的所述鏟斗的第一將來位置，并且 當所述鏟斗的所述第一將來位置大致對應(yīng)于所述吊桿輪廓界限時，自動控制所述鏟斗相對于所述吊桿輪廓的運動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工業(yè)機器，其特征在于，所述起重馬達特性是所述起重馬達的每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)(“RPM”)，且所述推壓馬達特性是所述推壓馬達的RPM。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工業(yè)機器，其特征在于，所述控制器還被構(gòu)造成當所述鏟斗的確定的將來位置大致對應(yīng)于所述吊桿輪廓界限時，不考慮來自所述一個或更多個操作者控制裝置的所述一個或更多個輸出信號。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工業(yè)機器，其特征在于，所述控制器還被構(gòu)造成基于所述吊桿輪廓和所述鏟斗的當前位置來確定第二將來位置。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的工業(yè)機器，其特征在于，所述控制器還被構(gòu)造成自動控制所述鏟斗到所述第二將來位置的運動。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的工業(yè)機器，其特征在于，當所述鏟斗到達所述第二將來位置時，所述鏟斗相對于所述吊桿輪廓的自動控制被暫停。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的工業(yè)機器，其特征在于，所述第二將來位置不同于所述第一將來位置。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的工業(yè)機器，其特征在于，所述鏟斗的所述第二將來位置對應(yīng)于與所述工業(yè)機器的挖掘循環(huán)的開始相關(guān)的收攏位置。
9.一種用于工業(yè)機器的控制器，其特征在于，所述控制器包括 輸入/輸出模塊，所述輸入/輸出模塊被構(gòu)造成 接收與鏟斗的期望運動相關(guān)的操作者控制信號，接收起重馬達特性信號，以及 接收推壓馬達特性信號； 處理裝置，所述處理裝置被構(gòu)造成 基于所述操作者控制信號和所述鏟斗的當前位置來計算所述鏟斗相對于挖掘機輪廓的第一將來位置， 基于所述鏟斗的當前位置、所述起重馬達特性信號和所述推壓馬達特性信號來計算所述鏟斗相對于所述挖掘機輪廓的第二將來位置， 產(chǎn)生用于起重驅(qū)動模塊的起重驅(qū)動信號和用于推壓驅(qū)動模塊的推壓驅(qū)動信號，當所述鏟斗的所述第一將來位置大致對應(yīng)于所述挖掘機輪廓的界限時，所述起重驅(qū)動信號和所述推壓驅(qū)動信號與所述鏟斗到所述第二將來位置的運動相關(guān)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的控制器，其特征在于，所述起重馬達特性信號與起重馬達的每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)(“RPM”)相關(guān)，且所述推壓馬達特性信號與推壓馬達的RPM相關(guān)。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的控制器，其特征在于，所述鏟斗的所述第二將來位置不同于所述鏟斗的所述第一將來位置。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的控制器，其特征在于，所述鏟斗的所述第二將來位置對應(yīng)于與所述工業(yè)機器的挖掘循環(huán)的開始相關(guān)的收攏位置。
專利摘要本實用新型涉及用于控制鏟斗的運動的系統(tǒng)、方法和裝置。具體地，本實用新型涉及用于控制工業(yè)機器的系統(tǒng)、方法和裝置，工業(yè)機器包括例如鏟斗、吊桿、起重馬達、推壓馬達、一個或更多個操作者控制裝置和控制器。控制裝置構(gòu)造成能夠由工業(yè)機器的操作者手動控制。控制器接收與鏟斗的期望運動相關(guān)的輸出信號、接收與起重馬達特性相關(guān)的信號、并接收與推壓馬達特性相關(guān)的信號?？刂破鞔_定鏟斗相對于吊桿輪廓的當前位置，確定相對于吊桿輪廓的且基于來自操作者控制裝置的輸出信號的鏟斗的第一將來位置，并且當鏟斗的第一將來位置大致對應(yīng)于吊桿輪廓界限時、自動控制鏟斗相對于吊桿輪廓的運動。
文檔編號E02F9/20GK202899186SQ20122043809
公開日2013年4月24日 申請日期2012年8月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月30日
發(fā)明者韋斯利·P·泰勒 申請人:哈尼施費格爾技術(shù)公司