用于控制臂架设备的臂架末端位置的方法、装置以及系统

摘要

本发明公开了一种用于控制臂架设备的臂架末端位置的方法、装置以及系统，该臂架设备包括相互连接的多节臂架，相邻臂架之间连接有臂架油缸，该方法包括：在控制所述臂架末端从当前位置移动到目标位置之前，计算每一臂架油缸的

说明书

技术领域

本发明涉及机械领域，具体地，涉及一种用于控制臂架设备的臂架末端 位置的方法、装置以及系统。

背景技术

在建筑业、高铁等的蓬勃发展背景下，混凝土机械行业这几年呈现了强 劲的发展，混凝土机械设备向着个性化、智能化方向发展，出现了泵车智能 臂架的概念，以使得臂架操作更为实用及方便。

具有臂架设备的各种施工车辆被广泛使用。所述臂架设备包括相互连接 的多节臂架，相邻臂架之间连接有臂架油缸，该臂架油缸可驱动与该臂架油 缸相连的两个相邻臂架绕该两个相邻臂架的连接轴旋转相当角度。同时，该 臂架设备整体通过转台固定在机座上，臂架设备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。这种臂架设备的典型应用是作为 施工设备，用于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。一种典型的具有臂架设备的施工车辆是混凝土泵车，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 臂架未端的位置需要进行准确的控制。

通常，为了对臂架末端的位置进行控制，可建立整体臂架模型，并利用 该整体臂架模型及臂架未端的目标位置，计算每一臂架在臂架末端运动至目 标位置时的目标倾斜角，之后通过施加控制电流至相应的臂架油缸，以使每 一臂架具有其目标倾斜角。在施加控制电流期间，需不断将安装于每一臂架 上的倾角传感器所测的倾斜角反馈至控制器，该控制器将该倾斜角与目标倾 斜角进行比较，并根据比较结果对施加至臂架油缸的控制电流进行控制，直 至每一臂架具有其目标倾斜角。然而，由于整个臂架设备包括相连的多节臂 架，具有很强的非线性，一臂架的倾斜角的变化会影响到其他臂架的倾斜角 的变化，而且随着臂架姿态的不同，臂架设备的非线性性质也是不同的，故 对臂架末端位置进行精确控制且又适应所以姿态是非常困难的。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于控制臂架设备的臂架末端位置的方法、装 置以及系统，该方法及装置不存在以上控制方式的缺陷，可不受臂架设备的 姿态的限制，准确地控制臂架末端的位置。

为了实现上述目的，本发明提供一种用于控制臂架设备的臂架末端位置 的方法，该臂架设备包括相互连接的多节臂架，相邻臂架之间连接有臂架油 缸，该方法包括：在控制所述臂架末端从当前位置移动到目标位置之前，计 算每一臂架油缸的其中i＝1...n-1，n为臂架总量；为当所述臂 架末端处于所述当前位置时，第i节臂架与第i+1节臂架的夹角；为当所述 臂架末端处于所述目标位置时，第i节臂架与第i+1节臂架的夹角；Δθ为当 所述臂架末端从所述当前位置移动到所述目标位置时，所述臂架的水平面旋 转角度变化量；根据t以及预先存储的每一臂架油缸的控制模型 计算每一臂架油缸的I，其中q_i表示连接于第i节臂架与第i+1 节臂架之间的臂架油缸的I与以及t之间的函数关系，I为施加至该臂 架油缸的控制电流，t为该电流的施加持续时间；以及将所计算的控制电流I 施加至相应的臂架油缸，持续时间t，并控制每一臂架于水平面旋转所述角 度变化量Δθ，以控制所述臂架末端从所述当前位置移动到所述目标位置。

另外，本发明还提供一种用于控制臂架设备的臂架末端位置的装置，该 臂架设备包括相互连接的多节臂架，相邻臂架之间连接有臂架油缸，该装置 包括：角度计算设备，用于在控制所述臂架末端从当前位置移动到目标位置 之前，计算每一臂架油缸的其中i＝1...n-1，n为臂架总量；为 当所述臂架末端处于所述当前位置时，第i节臂架与第i+1节臂架的夹角；为当所述臂架末端处于所述目标位置时，第i节臂架与第i+1节臂架的夹角； Δθ为当所述臂架末端从所述当前位置移动到所述目标位置时，所述臂架的 水平面旋转角度变化量；电流计算设备，用于根据t以及预先存储 的每一臂架油缸的控制模型计算每一臂架油缸的I，其中q_i表 示连接于第i节臂架与第i+1节臂架之间的臂架油缸的I与以及t之间 的函数关系，I为施加至该臂架油缸的控制电流，t为该电流的施加持续时间； 以及执行设备，用于将所计算的控制电流I施加至相应的臂架油缸，持续时 间t，并控制每一臂架于水平面旋转所述角度变化量Δθ，以控制所述臂架末 端从所述当前位置移动到所述目标位置。

另外，本发明还一种用于控制臂架设备的臂架末端位置的系统，该臂架 设备包括相互连接的多节臂架，相邻臂架之间连接有臂架油缸，该系统包括： 存储器，用于存储每一臂架油缸的控制模型其中i＝1...n-1，n 为臂架总量；q_i表示连接于第i节臂架与第i+1节臂架之间的臂架油缸的I与 以及t之间的函数关系；为当所述臂架末端处于当前位置时，第i节 臂架与第i+1节臂架的夹角；为当所述臂架末端处于目标位置时，第i节臂 架与第i+1节臂架的夹角；I为施加至该臂架油缸的控制电流；t为该电流的 施加持续时间；控制器，与所述存储器相连，该控制器为上述用于控制臂架 设备的臂架末端位置的装置。

通过上述技术方案，可在控制所述臂架末端从当前位置移动到目标位置 之前，计算每一臂架油缸的当前夹角、目标夹角以及水平面旋转角度变化量； 之后，根据该当前夹角、目标夹角以及电流施加持续时间，通过每一臂架油 缸的控制模型，计算每一臂架油缸的控制电流，将该电流施加至相应的臂架 油缸，并持续所述电流施加持续时间，使得相邻臂架之间的夹角达到目标夹 角，并控制转台旋转所述水平面旋转角度变化量，藉此完成对臂架末端位置 的控制。在施加电流期间，无需反馈臂架的倾斜角，且无需考虑臂架姿态， 可使得臂架末端位置得到准确的控制，具有很好的适用性和工程实用性。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与 下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在 附图中：

图1为本发明提供的用于控制臂架设备的臂架末端位置的方法的流程 图；

图2为臂架以及臂架油缸之间的连接关系示意图；

图3为臂架以及臂架油缸之间的几何关系示意图；

图4为臂架以及臂架油缸之间的另一几何关系示意图；

图5为本发明提供的用于控制臂架设备的臂架末端位置的装置的框图；

图6为本发明提供的用于控制臂架设备的臂架末端位置的系统的框图； 以及

图7为本发明提供的倾角传感器、臂架以及臂架油缸之间的连接关系示 意图。

附图标记说明

1a    第一臂架        1b  第二臂架

2      臂架油缸          3a   第一直连杆

3b     第二直连杆        4    拉线传感器

10a    第一倾角传感器    10b  第二倾角传感器

10     角度计算设备      20   电流计算设备

30     执行设备          100  存储器

200    控制器

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是， 此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发 明。

图1为本发明提供的用于控制臂架设备的臂架末端位置的方法的流程 图。如图1所示，本发明提供一种用于控制臂架设备的臂架末端位置的方法， 该臂架设备包括相互连接的多节臂架，相邻臂架之间连接有臂架油缸，该方 法包括：在控制所述臂架末端从当前位置移动到目标位置之前，计算每一臂 架油缸的其中i＝1...n-1，n为臂架总量，为当所述臂架末端处 于当前位置时第i节臂架与第i+1节臂架的夹角，为当所述臂架末端处于目 标位置时第i节臂架与第i+1节臂架的夹角，Δθ为当所述臂架末端从当前位 置移动到目标位置时，臂架的水平面旋转角度变化量；根据t以及 预先存储的每一臂架油缸的控制模型计算每一臂架油缸的I， 其中q_i表示连接于第i节臂架与第i+1节臂架之间的臂架油缸的I与以 及t之间的函数关系，I为施加至该臂架油缸的控制电流，t为该电流的施加 持续时间；以及将所计算的控制电流I施加至相应的臂架油缸，持续时间t， 并控制每一臂架于水平面旋转角度Δθ，以控制所述臂架末端从当前位置移 动到目标位置。

设每节臂架的倾斜角及长度分别为α_i和l_i，其中i＝1...n，n为臂架总量， 则臂架末端的柱面坐标(柱面坐标系的建立为本领域技术人员所公知)为： Cyl(z，θ，r)，其中该柱面坐标可由每一节臂架的(l_i，sinα_i，cosα_i，θ)组合变换得到。

之后，当臂架末端需从当前位置(z₀，θ₀，r₀)移动到目标位置(z₁，θ₁，r₁)时，可 根据现有的整体臂架模型，得到每一臂架的(Δα_i，Δθ)；之后，可根据每一臂 架的(Δα_i，Δθ)，计算出即目标位置时第i节臂架与第i+1节臂架的夹角。 至于当前位置时的夹角可根据当前位置时臂架的倾斜角计算得出。

其中，所述控制模型通过以下步骤来建立：针对每一臂架 油缸，建立该臂架油缸的长度模型其中g_i表示连接于第i节臂架与 第i+1节臂架之间的臂架油缸的L与之间函数关系，L为该臂架油缸的长 度，为第i节臂架与第i+1节臂架的夹角；针对每一臂架油缸，建立该臂架 油缸的长度变化速率模型其中f_i表示连接于第i节臂架与第 i+1节臂架之间的臂架油缸的K与I之间函数关系，K为该臂架油缸的长度变 化速率，ΔL该臂架油缸在时间t期间的长度变化量；以及根据所述长度模型 和长度变化速率模型，建立每一臂架油缸的控制模型 其中为函数f_i的逆函数。

以下分别对臂架油缸的长度模型建立过程和臂架油缸的长度变化速率 模型建立过程分别进行描述。

(1)臂架油缸的长度模型建立过程

所述建立臂架油缸的长度模型包括：获取所述第i节臂架与第 i+1节臂架的夹角；以及根据所述夹角以及所述臂架油缸与第i节臂架和第 i+1节臂架之间的连接关系，计算所述臂架油缸的长度。以下针对如何根据 所述夹角以及所述臂架油缸与第i节臂架和第i+1节臂架之间的连接关系来 计算所述臂架油缸的长度进行详细描述。

图2为臂架以及臂架油缸之间的连接关系示意图。如图2所示，臂架油 缸2一端固定于第一臂架1a的支点A上，另一端与第一直连杆3a和第二直 连杆3b于连接点B相连接，并分别通过所述第一直连杆3a和所述第二直连 杆3b连接于所述第一臂架1a上的支点C和所述第二臂架1b上的支点D， 所述第一臂架1a与所述第二臂架1b于连接点E相连接，设点F和点G，直 线FC与所述第一臂架1a的延伸方向平行，直线GD与所述第二臂架1b的 延伸方向平行，直线FC的延长线与直线GD的延长线相交于点O。

图3为臂架以及臂架油缸之间的几何关系示意图。如图3所示，角∠ FCE、∠FCA和∠GDE的角度以及线段AC、BC、BD、CE和DE的长度均 为所述第一直连杆3a和第二直连杆3b的自身长度特性以及所述第一直连杆 3a、第二直连杆3b、臂架油缸2、第一臂架1a和第二臂架1b这五者之间的 固有连接关系特性，均为固定的已知量。在已知这些量的基础上，可结合角 ∠FOG，计算出线段AB的长度，即所述臂架油缸2的长度。

首先，可根据角∠FOG、∠FCE、∠GDE以及以下公式，计算角∠CED；

∠CED＝∠FCE+∠GDE-∠FOG

之后，根据CE、DE、∠CED以及以下公式，计算线段CD的长度；

$\mathrm{CD}=\sqrt{{\mathrm{CE}}^2+{\mathrm{DE}}^2-2\times \mathrm{CE}\times \mathrm{DE}\times \cos (\angle \mathrm{CED})}$

之后，由于三角形△CBD和△CED的三条边的边长已知，可计算角∠ BCD和∠ECD；

之后，根据角∠BCD、∠ECD以及以下公式，计算角∠BCE；

∠BCE＝∠BCD-∠ECD

之后，根据角∠BCE、∠FCA、∠FCE以及以下公式，计算角∠ ACB；

∠ACB＝∠FCE-∠FCA-∠BCE

最后，根据角∠ACB、AC、BC以及以下公式，计算线段AB的长度， 即臂架油缸2的长度。

$\mathrm{AB}=\sqrt{{\mathrm{AC}}^2+{\mathrm{BC}}^2-2\times \mathrm{AC}\times \mathrm{BC}\times \cos (\angle \mathrm{ACB})}$

然而，以上具体计算方式仅为一示例，本发明并不限于该具体计算方 式，任何本领域技术人员根据所述夹角∠FOG、所述第一直连杆3a和第二 直连杆3b的长度、以及所述第一直连杆3a、第二直连杆3b、臂架油缸2、 第一臂架1a和第二臂架1b这五者之间的连接关系计算线段AB的长度的方 法皆可适用于此。

例如，如图4所示，可在以上计算过程中计算出CD之后，根据三角形 △CBD和△CED，计算出线段BE及角∠CEB；之后，由于角∠CEA为固定 已知量，可计算∠4EB＝∠CEB-∠CEA；最后，由于线段AE为固定已知量， 在三角形△AEB中，可根据AE、BE及其夹角∠AEB，计算出线段AB的长 度，即臂架油缸2的长度。

其中，所述获取第i节臂架与第i+1节臂架的夹角(即，∠FOG)可包括： 获取所述第i节臂架的倾斜角；获取所述第i+1节臂架的倾斜角；以及计算所 述第i节臂架的倾斜角与所述第i+1节臂架的倾斜角之差，以作为所述第i节 臂架与第i+1节臂架的夹角。

可根据上述计算过程，建立臂架油缸的长度模型其中g_i为连 接于第i节臂架与第i+1节臂架之间的臂架油缸的L与之间的非线性函数。

(2)臂架油缸的长度变化速率模型建立过程

在此所述的施加至臂架油缸的控制电流具体指施加至臂架油缸的电磁 阀的电流。理想状态下，该电磁阀工作在线性区，即施加至电磁阀的电流与 臂架油缸的长度变化速率成正比，但实际上电磁阀个体存在差异，也不是纯 粹的线性关系，设他们之间的函数关系为：

K＝f_i(I)

其中，其中f_i表示连接于第i节臂架与第i+1节臂架之间的臂架油缸的K 与I之间函数关系，K为该臂架油缸的长度变化速率，I为施加至该臂架油 缸的控制电流只要I一定，K也是一定的。

可针对每一臂架油缸，测量有关该臂架油缸的控制电流I和长度L，得 到一定控制电流I下长度L的斜率：

K₀＝f_i(I₀)

其中，I₀为臂架油缸工作区间内的某一固定控制电流，K₀为I₀所对应的 臂架油缸的长度变化速率，通过多次进行该测量，可拟合出整个工作区间的 函数关系式：

$K=f_i\left(I\right)=\frac{\mathrm{\Delta L}}{t}$

其中，t为控制电流I的施加持续时间，ΔL该臂架油缸在时间t期间的长 度变化量。

图5为本发明提供的用于控制臂架设备的臂架末端位置的装置的框图。 如图5所示，本发明还提供一种用于控制臂架设备的臂架末端位置的装置， 该臂架设备包括相互连接的多节臂架，相邻臂架之间连接有臂架油缸，该装 置包括：角度计算设备10，用于在控制所述臂架末端从当前位置移动到目标 位置之前，计算每一臂架油缸的其中i＝1...n-1，n为臂架总量； 为当所述臂架末端处于所述当前位置时，第i节臂架与第i+1节臂架的夹 角；为当所述臂架末端处于所述目标位置时，第i节臂架与第i+1节臂架的 夹角；Δθ为当所述臂架末端从所述当前位置移动到所述目标位置时，所述 臂架的水平面旋转角度变化量；电流计算设备20，用于根据t以及 预先存储的每一臂架油缸的控制模型计算每一臂架油缸的I， 其中q_i表示连接于第i节臂架与第i+1节臂架之间的臂架油缸的I与以 及t之间的函数关系，I为施加至该臂架油缸的控制电流，t为该电流的施加 持续时间；以及执行设备30，用于将所计算的控制电流I施加至相应的臂架 油缸，持续时间t，并控制每一臂架于水平面旋转所述角度变化量Δθ，以控 制所述臂架末端从所述当前位置移动到所述目标位置。

其中，该系统还可包括：长度模型建立设备，用于针对每一臂架油缸， 建立该臂架油缸的长度模型其中g_i表示连接于第i节臂架与第i+1 节臂架之间的臂架油缸的L与之间函数关系，L为该臂架油缸的长度，为 第i节臂架与第i+1节臂架的夹角；长度变化速率模型建立设备，用于针对每 一臂架油缸，建立该臂架油缸的长度变化速率模型其中f_i表 示连接于第i节臂架与第i+1节臂架之间的臂架油缸的K与I之间函数关系， K为该臂架油缸的长度变化速率，ΔL为该臂架油缸在时间t期间的长度变化 量；以及控制模型建立设备，用于根据所述长度模型和长度变化速率模型， 建立每一臂架油缸的控制模型其 中为函数f_i的逆函数。

其中，所述长度模型建立设备可包括：夹角获取设备，用于获取所述第 i节臂架与第i+1节臂架的夹角；以及长度计算设备，用于根据所述夹角以及 所述臂架油缸与第i节臂架和第i+1节臂架之间的连接关系，计算所述臂架油 缸的长度。

其中，所述夹角获取设备可包括：第一倾斜角获取设备，用于获取所述 第i节臂架的倾斜角；第二倾斜角获取设备，用于获取所述第i+1节臂架的倾 斜角；以及夹角计算设备，用于计算所述第i节臂架的倾斜角与所述第i+1节 臂架的倾斜角之差，以作为所述第i节臂架与第i+1节臂架的夹角。

有关该用于控制臂架设备的臂架末端位置的装置的详细描述可参照之 前所述的用于控制臂架设备的臂架末端位置的方法的详细描述，于此不在赘 述。

图6为本发明提供的用于控制臂架设备的臂架末端位置的系统的框图。 如图6所示，本发明还提供一种用于控制臂架设备的臂架末端位置的系统， 该臂架设备包括相互连接的多节臂架，相邻臂架之间连接有臂架油缸，该系 统包括：存储器100，用于存储每一臂架油缸的控制模型其 中i＝1...n-1，n为臂架总量；q_i表示连接于第i节臂架与第i+1节臂架之间的 臂架油缸的I与以及t之间的函数关系；为当所述臂架末端处于当 前位置时，第i节臂架与第i+1节臂架的夹角；为当所述臂架末端处于目标 位置时，第i节臂架与第i+1节臂架的夹角；I为施加至该臂架油缸的控制电 流；t为该电流的施加持续时间；以及控制器200，与所述存储器100相连， 并被配置为：在控制所述臂架末端从所述当前位置移动到所述目标位置之 前，计算每一臂架油缸的其中Δθ为当所述臂架末端从所述当前 位置移动到所述目标位置时，所述臂架的水平面旋转角度变化量；根据t以及所述存储器100所存储的每一臂架油缸的控制模型计算每一臂架油缸的I；以及将所计算的控制电流I施加至相应的臂架油缸， 持续时间t，并控制每一臂架于水平面旋转所述角度变化量Δθ，以控制所述 臂架末端从所述当前位置移动到所述目标位置。

其中，所述控制器200可通过以下步骤来建立所述控制模型 针对每一臂架油缸，建立该臂架油缸的长度模型其 中g_i表示连接于第i节臂架与第i+1节臂架之间的臂架油缸的L与之间函数 关系，L为该臂架油缸的长度，为第i节臂架与第i+1节臂架的夹角；针对 每一臂架油缸，建立该臂架油缸的长度变化速率模型其中f_i表 示连接于第i节臂架与第i+1节臂架之间的臂架油缸的K与I之间函数关系， K为该臂架油缸的长度变化速率，ΔL该臂架油缸的长度变化量；以及根据所 述长度模型和长度变化速率模型，建立每一臂架油缸的控制模型 其中为函数f_i的逆函数。

其中，该系统还可包括：夹角测量设备，用于测量所述第i节臂架与第i+1 节臂架的夹角；所述控制器200还被配置为根据所述夹角以及所述臂架油缸 与第i节臂架和第i+1节臂架之间的连接关系，计算所述臂架油缸的长度。

其中，所述第i节臂架的倾斜角以及第i+1节臂架的倾斜角的测量可通过 倾角传感器实现。所述夹角测量设备可包括：第一倾角传感器，位于所述第 i节臂架上，用于测量所述第i节臂架的倾斜角；以及第二倾角传感器，位于 所述第i+1节臂架上，用于测量所述第i+1节臂架的倾斜角。图7为本发明提 供的倾角传感器、臂架以及臂架油缸2之间的连接关系示意图，如图5所示， 可分别于第一臂架1a和第二臂架1b上设置第一倾角传感器10a和第二倾角 传感器10b，以分别测量该第第一臂架1a和第二臂架1b的倾斜角。该第一 和第二倾角传感器所得的倾斜角为绝对倾斜角，假设分别为α，β∈[-180，180]， 则所述夹角∠FOG可由以下公式计算得到：∠FOG＝β-α。

其中，所述夹角测量设备可包括旋转编码器，该旋转编码器位于所述第 i节臂架与所述第i+1节臂架的连接点处，用于测量所述第i节臂架和第i+1节 臂架之间的夹角。如图7所示，该旋转编码器可安装于第一臂架1a与第二 臂架1b的连接点E处。

有关该用于控制臂架设备的臂架末端位置的系统的详细描述可参照之 前所述的用于控制臂架设备的臂架末端位置的方法的详细描述，于此不在赘 述。

通过本发明，可在控制所述臂架末端从当前位置移动到目标位置之前， 计算每一臂架油缸的当前夹角、目标夹角以及水平面旋转角度变化量；之后， 根据该当前夹角、目标夹角以及电流施加持续时间，通过每一臂架油缸的控 制模型，计算每一臂架油缸的控制电流，将该电流施加至相应的臂架油缸， 并持续所述电流施加持续时间，使得相邻臂架之间的夹角达到目标夹角，并 控制转台旋转所述水平面旋转角度变化量，藉此完成对臂架末端位置的控 制。在施加电流期间，无需反馈臂架的倾斜角，且无需考虑臂架姿态，可使 得臂架末端位置得到准确的控制，具有很好的适用性和工程实用性。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限 于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明 的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特 征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必 要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其 不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。