技术领域

本发明涉及一种臂架控制技术， 特别涉及一种获得臂架系统末端位置 参数的方法， 还涉及到一种臂架系统及包括该臂架系统的工 程机械。

背景技术

当前， 臂架系统广泛地应用在泵车和布料杆中， 以实现对混凝土或其 他物料的输送。 臂架系统一般包括多节节臂， 最下端节臂的大头端与预定 的底盘通过一个竖向轴铰接相连， 该节臂称为一臂； 其他节臂的大头端与 相邻的节臂的小头端通过水平铰接轴铰接； 这样， 多节节臂通过水平铰接 轴顺序铰接相连， 最末端的节臂向外伸出， 该节臂称为末节臂， 末节臂的 外端形成臂架系统末端； 相邻的节臂之间设置有液压缸等驱动机构， 以使 相邻的节臂之间角度产生预定的变化， 使臂架系统末端的位置改变， 以将 物料或物品运送到预定的位置。

为了实现对臂架系统末端位置的自动控制， 需要确定臂架系统末端的 位置； 为了确定臂架系统末端的位置， 通常在控制系统中建立适当的坐标 系， 并通过该坐标系的坐标参数确定臂架系统的位 置； 该末端的坐标参数 称为位置参数。 当前， 已经公开了多种确定臂架系统末端位置参数的 技术 方案。 另外， 在利用臂架系统进行工作的过程中， 每节节臂均要承受相应 负载， 产生相应形变； 多节节臂形变的累积会导致臂架系统末端的位 置参 数与目标位置参数之间具有很大的偏差。 为了减小由于节臂形变导致的臂 架系统末端的位置参数的偏差， 中国专利文献 CN101870110A公开了一种 臂架系统的控制方法， 该控制方法中， 利用两个倾角传感器获得相应节臂 的形变量， 再根据该形变量对节臂的位置参数进行修正。 该控制方法虽然 能够提高臂架系统末端位置参数的准确性， 但由于受到倾角传感器测量精 度的限制，臂架系统末端的位置参数与目标位 置参数之间的偏差仍然较大， 无法满足对臂架系统末端的准确定位和控制的 需要。 因此， 如何提高臂架系统末端位置参数的准确度， 仍然是本领域技术 人员需要解决的技术问题。

发明内容

本发明要解决的第一个技术问题为提供一种获 得臂架系统末端位置 参数的方法， 利用该方法可以更准确地获得臂架系统末端的 位置参数。

本发明要解决的第二个技术问题为提供一种臂 架系统。 在提供臂架系 统的基础上， 本发明还提供一种包括该臂架系统的工程机械 。

本发明提供获得臂架系统末端位置参数的方法 包括以下步骤： 获取形变前各节臂延伸方向与预定参考平面之 间的夹角 on、 α ₂ a _m ; 获取形变前各节臂的参考长度 、 L ₂ L _m ; 获取各节臂 形变后的参考长度 L _lx 、 L _2x L _mx ； 下标数字表示相应节臂的参数； 其 中下标为 m的参数为末节臂参数；

获得臂架系统末端位置参数：

{ ai-arccos(Li/Li _x ) } +L _2x ^x cos { a2-arccos(L ₂ /L2 _X ) } + L _mx xcos { Om-arccosH x) };

{ ai-arccos(Li/Li _x ) } +L _2x ^x sin { a2-arccos(L ₂ /L2 _X ) } +

L _mx xsin { ( -arccosH x) ^

可选的， 所述 、 L ₂ 、 ...... L _m 分别为形变前相应节臂的两端的铰接轴 线之间的距离； L _lx 、 L _2x 、 ...... L _mx 分别为形变后相应节臂的两端的铰接轴 线之间的 巨离。

可选的， 在获得臂架系统末端位置参数之后， 还包括：

获得臂架系统的形变参数：

{ LiXcos(ai)+L2 ^x cos(a ₂ )+ L _m xcos(a _m ) } ；

AY=Y _tip - { Lixsin(ai)+L ₂ xsin(a ₂ )+ L _m xsin(a _m ) } ；

再获得修正的臂架系统末端位置参数：

Xtip.修 =L _lr ^x cos(a ₁ )+L _2r ^x cos((X2)+ L _mr xcos(a _m )+AX;

其中， L _lr 、 L _2r ...... L 为相应节臂的设计长度。

本发明提供的种臂架系统， 包括 m节通过水平铰接轴顺序铰接相连的 节臂， 还包括处理器、 多个倾角传感器和多个长度传感器， 多个所述倾角 传感器分别安装在相应的节臂上， 用于在形变前检测相对应节臂与预定参 考平面之间的夹角 _αι 、 α ₂ 、 ...... a _m ; 多个所述长度传感器分别安装在相应 的节臂上， 用于在形变前检测各节臂的参考长度 、 L ₂ 1^及在形变 后检测各节臂的参考长度 L _lx 、 L _2x L _mx ； 下标数字表示相应节臂的参 数；

所述处理器（ 100 )用于根据倾角传感器和长度传感器的检测结� �获得 臂架系统末端位置参数：

{ ai-arccos(Li/Li _x ) } +L _2x ^x cos { a2-arccos(L ₂ /L2 _X ) } +

L _mx xcos { a _m -arccos(L _m /L _mx ) }；

{ ai-arccos(Li/Li _x ) } +L _2x ^x sin { a2-arccos(L ₂ /L2 _X ) } +

L _mx xsin { ( -arccosH x) ^

可选的， 所述倾角传感器分别安装在相应节臂的端部， 且使该倾角传 感器的基准轴线与该端的铰接轴线之间相交并 垂直。

可选的， 所述倾角传感器分别安装在相应节臂的大头端 。

可选的， 所述长度传感器为拉线编码器， 所述拉线编码器的本体和拉 线外端分别与相应节臂的两端部相连。

可选的， 所述拉线编码器的本体的基准轴线与相应节臂 一端的铰接轴 线重合， 所述拉线外端的固定点与相应节臂的另一端的 铰接轴线重合。

可选的， 所述处理器还预置有臂架系统中各节臂的设计 长度 L _lr 、 L2 _r 、 Lmr?

所述处理器还能够在获得臂架系统末端位置参 数之后， 获得修正的臂 架系统末端位置参数：

X _ti p.修 =L _lr xcos(a ₁ )+L _2r xcos(a ₂ )+ Lmr cosCa +Xtip-

{ Li xcos(ai)+L2 ^x cos(a ₂ )+ L _m xcos(a _m ) } ；

{ Li

本发明提供的工程机械包括机械本体和臂架系 统， 所述臂架系统通过 回转机构安装在机械本体上， 所述臂架系统为上述任一种臂架系统。

与现有技术相比，本发明提供的获得臂架系统 末端位置参数的方法中， 通过长度传感器检测节臂形变前后的参考长度 ， 再通过形变前后的参考长 度获得形变前后相应节臂实际倾斜角度的改变 ； 这样不仅可以避免由于倾 角传感器精度产生的累积误差， 且通过适当的长度传感器检测节臂形变前 后的参考长度， 容易保证节臂参考长度的检测精度， 更准确地获得节臂实 际倾斜角度， 进而能够使臂架系统末端的位置参数更准确。

在进一步的技术方案中， 参考长度为形变前后的相应节臂的两端铰接 轴线之间的距离。 以该距离为基础获得臂架系统末端的位置参数 ， 可以避 免参考长度与相应节臂的有效长度之间的偏差 导致数据的偏差， 进而提高 臂架系统末端位置参数的准确性。

在进一步的技术方案中， 通过获得的臂架系统的形变参数， 即获得臂 架系统产生的形变量， 再根据形变参数及相应节臂的设计长度， 获得修正 的臂架系统末端位置参数。 这样可以减小由于参考长度与节臂的有效长度 不一致导致的误差， 提高臂架系统末端位置参数的准确性。

在提供上述获得臂架系统末端位置参数的方法 的基础上， 本发明提供 的臂架系统能够实施上述方法， 同样能够产生相对应的技术效果。

在进一步的技术方案中，所述倾角传感器分别 安装在相应节臂的端部， 且使倾角传感器的基准轴线与该端的铰接轴线 保持相交并垂直； 这样可以 使获得的节臂的倾斜角度更准确， 提高臂架系统末端位置参数的准确性。

在进一步的技术方案中， 所述长度传感器为拉线编码器， 所述拉线编 码器的本体和拉线外端分别与相应节臂的两端 部相连； 拉线编码器具有更 高的精度， 可以准确测量相应节臂的参考长度， 进而提高臂架系统末端位 置参数的准确性。

提供的包括上述臂架系统的工程机械也具有相 对应的技术效果。

附图说明

图 1为本发明实施例提供的臂架系统控制部分的� �构框图；

图 2是倾角传感器和拉线编码器安装在一臂上的� �置示意图； 图 3是倾角传感器和拉线编码器的检测原理示意� �；

图 4是获得臂架系统末端位置参数的原理示意图� �

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细描述， 本部分的描述仅是示范性和解 释性， 不应视为对本发明公开技术内容的限制。 为了更清楚地描述本发明提供的技术方案， 本部分先对提供的臂架系 统进行描述， 在对臂架系统描述的基础上对获得臂架系统末 端位置参数的 方法进行描述； 获得臂架系统末端位置参数的方法可以应用本 发明的提供 臂架系统实施， 但实施该方法不限于本发明提供的臂架系统。

本发明实施例提供的臂架系统包括 5节通过水平铰接轴顺序铰接相连 的节臂； 5 节节臂分别称为一臂、 二臂、 三臂、 四臂和五臂； 一臂安装在 相应机械本体的底盘上， 五臂为末节臂； 各节臂中， 靠近机械本体一端为 大头端， 相反的另一端为小头端； 大头端和小头端分别形成相应的铰接轴 线。

请参考图 1 , 该图是本发明提供的臂架系统控制部分的结构 框图。 该 臂架系统的控制部分包括处理器 100、 5个倾角传感器 210至 250、 5个拉 线编码器 310至 350。 5个倾角传感器和 5个拉线编码器均与处理器 100 保持相连。

5 个倾角传感器与 5 节节臂一一对应， 并分别安装在一节节臂上； 5 个拉线编码器与 5节节臂一一对应， 并分别安装在一节节臂上。 请参考图 2和图 3 , 图 2是倾角传感器和拉线编码器安装在一臂上的� �置示意图； 图 3是倾角传感器和拉线编码器的检测原理示意� �。

图 2中， 倾角传感器 210安装在一臂的靠近大头端的预定位置， 用于 检测一臂与水平面之间的角度。 拉线编码器 310的本体安装在一臂的靠近 大头端的预定位置， 拉线的外端与一臂的靠近小头端的预定固定； 拉线编 码器 310用于检测一臂的预定长度； 为了描述的方便， 该预定长度称为参 考长度。 本例中， 为了满足检测一臂的参考长度的需要， 接线编码器 310 除了包括自身拉线外， 还设置有延长拉线 311 , 延长拉线 311 内端与拉线 编码器 310 自身拉线的外端相接。 本例中， 在一臂延伸方向上， 拉线编码 器 310的本体的基准轴线与一臂大头端的铰接轴线 O _u 之间的距离为 L _PY , 延长拉线 311外端与一臂小头端铰接轴线 0 ₁₂ 重合。

图 3中， X轴和 Y轴形成直角坐标系 YOX,其中 X轴与水平面平行， γ轴与水平面垂直， YOX形成的平面与一臂两端的铰接轴线保持垂直 。一 臂的大头端的铰接轴线与坐标原点 0重合， A为形变前一臂的小头端的铰 接轴线在直角坐标系 YOX 中的位置， A，为发生了形变后一臂的小头端的 铰接轴线在直角坐标系的位置。

图 3中， 设 A的坐标参数为（X _l Yj ); A，的坐标参数为（X _1P , Y _1P ); ΖΑΟΧ角度为值 ZAOA'角度为值 a _lb , ΖΑΌΧ角度为i a _lx ; OA为 形变前一臂的两端铰接轴线之间的长度， 设为 OA，为形变后一臂的两 端铰接轴线之间的长度， 设为 L _lx 。 其中， ZAOX角度值 _αι 由倾角传感器 210检测获得； 和1^为拉线编码器 310检测获得。 本例中， 在一臂形变 前， 使拉线编码器 310处于半个额定量程的拉伸状态， 如图所示， 此时， 其中 L _S 为拉线编码器 310测量值， L。 _x 为延长拉线 311的 长度。 同样， 在一臂产生形变后， 1^产生相应变化，

根据经验可以确定， 一臂在形变前后， 一臂整体形成弧形； 根据弧弦 关系， 可以确定， OA，小于 OA; 设通过 A且垂直于 OA，的垂线为 AC, 进 而可以确定 AA，与 AC基本相等。设通过原点 0且垂直于 AA，的垂线与 AC 交于 B , 形成 OB ; 在实际工作中， ZAOA，一般小于 2 度， 进而 ZAOB-ZAOAV2； 进而 ， AA， AC=2xOAxsin(ZAOAV2)； 同 时， AC=OAxsin(ZAOA')„ sin ( 2° ) =0.034899, 2 sin ( 1。） =0.03490; 二者之 差为 0.00001;也就说 AA，与 AC之间的差值非常小， 在工程控制数据处理 中基本上忽略不计。 进而， a _lb =arccos ( OA/OA' ) =arccos ( I L )。

根据三角函数关系， 可以确定：

X ₁ p=L _lx xcos(a _lx )=L _lx xcos(a ₁ -a _lb )=L _lx xcos { ai-arccos(L!/L _lx ) };

Y ₁ p=L _lx xsin(a _lx )=L _lx xsin(a ₁ -a ₁ b)=L _lx xsin { ai-arccos(Li/Li _x ) }。

这样就可以确定一臂小头端的铰接轴线 0 ₁₂ 相对于其大头端铰接轴线 O _u 的相对位置。 同样的原理， 可以获得二臂、 三臂、 四臂及五臂等各节臂 小头端铰接轴线相对于其大头端铰接轴线的相 对位置。 由于 5节节臂顺序 铰接相连。

进而可以获得在直角坐标系 YOX中的、 臂架系统末端位置参数 X _tip 和 Y _tip 。 请参考图 4、 该图是获得臂架系统末端位置参数的原理示意 图。

Xtip ⁼ Li _x xcos(ai _x )+L2 _X xcos(a2x)+L _3x xcos(a _3x )+L _4x xcos(a _4x )+L _5x xcos(a5 _X ) =Li _x xcos(ai-aib)+L2x ^x cos(a2-a2b)+L3x ^x cos(a3-a3b)+L _4x xcos(a ₄ -a ₄ b)+L ₅ x ^x cos(a5 -a ₅ b)

=L _lx xcos { ai-arccos(Li/Li _x ) } +L _2x ^x cos { a2-arccos(L ₂ /L _2x ) } +L _3x xcos { a ₃ -arccos(L ₃ /L _3x ) }+L _4x xcos{ a ₄ -arccos(L ₄ /L _4x ) }+L _5x xcos{ a ₅ -arccos(L ₅ /L _5x ) }; Ytip ⁼ Li _x xsin(ai _x )+L2 _X xsin(a2x)+L _3x xsin(a _3x )+L _4x xsin(a _4x )+L _5x xsin(a5 _X ) =Li _x xsin(ai-aib)+L2x ^x sin(a2-a2b)+L3x ^x sin(a3-a3b)+L _4x xsin(a ₄ -a ₄ b)+L _5x xsin(a5-a

5b)

=L _lx xsin { ai-arccos(Li/Li _x ) } +L _2x ^x sin { a2-arccos(L ₂ /L2 _X ) } +L _3x xsin { a ₃ -arccos(L ₃ /L _3x ) }+L _4x xsin{ a ₄ -arccos(L ₄ /L _4x ) }+L _5x xsin{ a ₅ -arccos(L ₅ /L _5x ) }。

上述公式中， 下标数字表示相应节臂的参数。 进而， 根据上述公式， 处理器 100能够根据多个倾角传感器和多个拉线编码器 的检测结果获得臂 架系统末端的位置参数 X _tip 和 Y _tip 。 再根据 X _tip 和 Y _tip 实现对臂架系统的精 确控制和定位。

根据现有技术提供的技术方案， 如用倾角传感器测量相应节臂由于形 变产生的倾斜角度变化， 会由于节臂倾斜角度变化过小， 且倾斜传感器误 差过大导致获得的臂架末端的位置参数误差较 大。 而利用上述实施例提供 臂架系统， 通过拉线编码器获得节臂形变前后的参考长度 1^和1^, 再通 过形变前后的长度 和1^获得形变前后相应节臂倾斜角度的改变； 这样 不仅可以避免由于倾角传感器精度产生的累积 误差， 且通过拉线编码器检 测节臂形变前后的参考长度， 容易保证长度值的检测精度， 进而能够更准 确地获得臂架系统末端的位置参数。

可以理解， 图 2中， 倾角传感器 210不限于安装在一臂的大头端， 也 可以安装在一臂的小头端， 同样可以获得产生形变前一臂的倾斜角度 _αι ; 优选技术方案中， 使倾角传感器 210的基准轴线与大头端或小头端的铰接 轴线之间相交并垂直， 可以使检测获得的倾斜角度与一臂的实际倾斜 角度 更接近， 减小数据误差， 提高臂架系统末端位置参数的准确性。 优选技术 方案是将倾角传感器 210分别安装在一臂的大头端， 这样可以避免一臂本 身重力导致形变产生的误差。 同样， 测量其他节臂的倾斜角度时， 也可以 根据实际需要将相应的倾角传感器安装在相应 节臂的预定位置。

如图 2所示， 本例中， 拉线编码器 310的本体的基准轴线与一臂大头 端的铰接轴线 之间具有预定的距离； 在优选技术方案中， 也可以使拉 线编码器 310的本体的基准轴线与一臂大头端的铰接轴线 O _u 保持重合； 这样， 通过拉线编码器 310的检测值和延长拉线 311的长度， 就可以更直 接地获得该节臂形变前后的参考长度 和1^。 当然， 由于节臂两端部分 形变很小， 也可以根据实际需要选择适当的部分作为测量 对象， 获得预定 的参考长度； 获得一臂形变前后长度不限于上述描述的方式 ， 也可以根据 实际需要选择合适的方式检测节臂形变前后的 长度。 同样， 在测量其他节 在实际测量中， 根据拉线编码器 310检测的参考长度与一臂有效长度 总是存在一定的差别。 该差别会影响获得臂架系统末端位置参数的精 度。 为此， 在进一步的实施例中， 还可以利用处理器 100对臂架系统末端位置 参数 X _tip 和 Y _tip 进行修正，以获得修正的臂架系统末端位 置参数 X _tip .修和 Y _tip . 修。

在获得修正的臂架系统末端位置参数 X _tip .»和 Y _tip .»之前， 需要获得臂 架系统产生的总体形变量。 在坐标系 YOX中， 该总体形变量可以分解为 在 X轴方向上的总体形变量 和在 Y轴方向上的总体形变量 ΔΥ, ΔΧ 和 ΔΥ称为臂架系统的形变参数。 设臂架产生形变之前， 臂架系统总体长 度在 X轴方向上的分量为 X «, 臂架系统总体长度在 Y轴方向上的分量 为 Y «。 其中：

X 末变 =L ₁ xcos(a ₁ )+L2 ^x cos(a2)+L ₃ xcos(a3)+L4 ^x cos(( 4)+L ₅ xcos(a ₅ );

Y 末变 = X sin(ai)+L ₂ ^x sin(a ₂ )+L ₃ x sin(a ₃ )+L ₄ χ sin(a ₄ )+L ₅ χ sin(a ₅ )。

那么：

末变 =Xtip—

{ LiXcos(ai)+L2 ^x cos(a2)+L ₃ xcos(a3)+L ₄ xcos(a ₄ )+L ₅ xcos(a5) } ；

△Y=Y _tip -Y 末变 =Y _tip - { Li x sin(ai)+L ₂ ^x sin(a ₂ )+L ₃ χ sin(a ₃ )+L ₄ χ sin(a ₄ )+L ₅ χ sin(a ₅ ) }。

进而， 再引入各节臂的设计长度， 在处理器 100中预置各节臂的设计 长度（设计时两端铰接轴线之间的距离）； 设一臂的设计长度为 L _lr , 二臂 的设计长度为 L _2r , 三臂的设计长度为 L _3r , 四臂的设计长度为 , 五臂的 设计长度为 L _5r 。 那么， 可以确定， 在臂架系统产生形变后， 修正的臂架 系统末端位置参数 X _tip .修和 Y _tip .修为：

X _t ip.修 =L _lr xcos(a ₁ )+L2 _r ^x cos(a ₂ ) +L _3r xcos(a ₃ )++L _4r xcos(a ₄ )

+L _5r xcos(a ₅ )+AX; Y _tip .修 = L _lr xsin(ai)+L _2r ^x sin (a ₂ ) +L _3r xsin (a ₃ ) +L _4r xsin (a ₄ ) +L _5r xsin

(α ₅ )+ΔΥ。

这样， 就可以减小由于相应臂架的参考长度与其实际 有效长度之间的 误差产生的数据偏差， 提高臂架系统末端位置参数的准确性。 再根据 X _tip . 修和 Y _tip .修实现对臂架系统的精确控制和定位。

可以理解， 检测各节臂产生形变前后长度的装置不限于拉 线编码器， 也可以是其他长度传感器； 只要是通过长度传感器能够检测各节臂产生形 变前后长度， 就能够实现本发明的目的。

可以理解， 确定臂架系统末端的位置参数的坐标系中， 坐标轴不限于 与水平面平行或垂直， 也可以根据实际需要设定相应坐标系， 使预定坐标 轴与预定参考平面平行； 通过对倾角传感器输出角度值的适当换算， 就可 以获得相应各节臂与预定参考平面之间的夹角 。

在提供上述臂架系统的基础上， 本发明还提供一种工程机械， 该工程 机械包括机械本体和臂架系统， 所述臂架系统通过回转机构安装在机械本 体上， 所述臂架系统为上述任一项所述的臂架系统。 由于臂架系统具有上 述技术效果， 包括该臂架系统的工程机械也具有相对应的技 术效果。 该工 程机械可以是泵车、 布料杆或其他工程机械。

基于上述对臂架系统的描述， 本发明提供的获得臂架系统末端位置参 数的方法包括以下步骤：

获得形变前各节臂延伸方向与水平面或其他预 定参考平面之间的夹角 _αι 、 a ₂ a _m ; 获得形变前各节臂的参考长度 、 L ₂ L _m ; 获得各 节臂形变后的参考长度 L _lx 、 L _2x L _mx ； 下标数字表示相应节臂的参数； 其中下标为 m的参数为末节臂的相应参数。 角度参数可以通过安装在相应 节臂上的倾角传感器检测获得， 长度参数可以通过适当的长度传感器检测 获得。

然后， 再获得臂架系统末端位置参数 X _tip 和 Y _tip :

{ ai-arccos(Li/Li _x ) } +L _2x ^x cos { a2-arccos(L ₂ /L2 _X ) }

+ ...... L _mx xcos { a _m -arccos(L _m /L _mx ) }; 即获得各节臂在预定坐标系 X轴方向 上的和。

ai-arccos(Li/Li _x ) }+L _2x ^x sin{ a2-arccos(L ₂ /L2 _X ) }+ L _mx xsin { ( -arccosOVLmx) }; 即获得各节臂在预定坐标系 Y轴方向上的和。 其中， 所述 、 L ₂ 、 ...... L _m 分别优选形变前相应各节臂的两端铰接轴 线之间的距离， L _lx 、 L _2x 、 ...... L _mx 分别优选形变后相应各节臂的两端铰接 轴线之间的距离。

为了获得更准确地臂架系统末端位置参数， 在获得臂架系统末端位置 参数之后， 还包括获得臂架系统形变参数的步骤：

AX=X _tip -X 末变 =X _tip - { L ₁ xcos(ai)+L ₂ xcos(a ₂ )+ L _m xcos(a _m ) } ；

△Y=Y _tip -Y 末变 =Y _tip - { L ₁ sin(ai)+L ₂ xsin(a ₂ )+…… L _m xsin(a _m ) } ； 再获得修正的臂架系统末端位置参数 X _tip .»和 Y _tip .修：

X _t i _P .修 =L _lr xcos(a ₁ )+L _2r ^x cos(a2)+ L _mr xcos(a _m )+AX;

其中， L _lr 、 L _2r L 为相应各节臂的设计长度。

与臂架系统相对应， 本发明提供的方法也具有相对应的技术效果。 施例的说明只是用于帮助理解本发明提供的技 术方案。 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， 还可以对 本发明进行若干改进和修饰， 这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保 护范围内。