CN105019506A - 提供连杆定位训练的挖掘*** - Google Patents

Abstract

公开一种提供连杆定位训练的挖掘***，所述挖掘***与机器一起使用。挖掘***可具有作业工具，和将作业工具连接到机器的连杆。挖掘***还可具有能够产生表示连杆的角度的信号的至少一个传感器、显示器、以及与所述至少一个传感器和显示器通信的控制器。控制器能够在连杆的角度处于期望的材料穿入角度范围内时选择性地使显示器通知挖掘***的使用人员。

Description

提供连杆定位训练的挖掘***

技术领域

本发明整体涉及一种挖掘***，并且更具体地涉及一种提供连杆定位训练的挖掘***。

背景技术

诸如液压挖掘机、反铲机、正铲机、拉铲机以及其它种类重型设备的挖掘机器使用作业工具(例如铲斗)来移动土壤材料。作业工具通过连杆方式连接到机器的主体，并且经由附接到连杆的不同节段的一个或多个液压致动器来回运动。为了能够获利，操作人员必须在给定时间内用作业工具移动尽可能多的材料。并且为了移动尽可能多的材料，操作人员必须在机器的每次挖掘经过中正确地装填作业工具。这是很困难的，尤其是在操作人员不熟练、缺乏经验、或者被阻挡而不能适当地观察连杆和作业工具时。

于2012年10月18日公开的Taylor等人的美国专利公开申请No.2012/0263566(“’566公开文献”)中公开了改进机器操作的一种尝试。具体地，’566公开文献公开了一种带有自动摆动到料斗(swing-to-hopper)控制***的绳铲。所述控制***包括控制器，控制器追踪绳铲的提升(上/下)运动、塞进(crowd)(进/出)运动、和摆动(左/右)运动。然后控制器在绳铲位于料斗上方的期望位置时使绿色LED点亮。当绳铲的操作人员看见LED时，操作人员使绳铲停止运动并倾卸其容纳物。

虽然’566公开文献的***可通过帮助操作人员将绳铲适当地定位在用于倾卸的料斗上方来改进机器操作，但是所述***并不是最优。特别是，在倾卸过程中绳铲的装载对生产材料运动的影响比铲的定位要大。例如，将较大的力从铲传递到材料中，以及随后的使铲装载相应较大量的材料会使绳铲具有更高的效率和生产力。并且‘566公开文献中的自动摆动到料斗***不能影响铲的装载。此外，该自动摆动到料斗***对除绳铲之外的机器缺乏适用性。

本发明公开的挖掘***针对克服以上所述的一种或多种问题和/或现有技术中的其它问题。

发明内容

本发明一方面针对用于机器的挖掘***。所述挖掘***可包括作业工具、和将作业工具连接到机器的连杆。挖掘***还可包括能够产生表示连杆的角度的信号的至少一个传感器、显示器、以及与所述至少一个传感器和显示器通信的控制器。控制器能够在连杆的角度处于期望的材料穿入角度范围内时选择性地使显示器通知挖掘***的使用人员。

本发明另一方面针对控制具有作业工具的挖掘机器的方法。所述方法可包括感应连接到作业工具的连杆的角度。方法还可包括在角度处于期望的材料穿入角度范围内时产生通知。

附图说明

图1是示意性公开机器的等距视图；

图2是可连同图1的机器使用的示意性公开挖掘***的示意图；和

图3-5是可与图2的挖掘***相关联的不同的示意性公开显示器的示意图。

具体实施方式

图1示出具有协作挖掘并将材料装载到附近的拖运车辆12上的多个***和组件的示意性挖掘机器10。在描绘的示例中，机器10是液压挖掘机。但是可以预见，机器10可以替代地为其它挖掘或物料搬运机器，例如反铲机、正铲机、拉铲挖掘机或其它类似的机器。除了其它的之外，机器10可包括能够在壕沟内或土堆处的挖掘位置18与倾卸位置20(例如拖运车辆12上方)之间运动作业工具16的挖掘***14。机器10还可包括用于手动控制挖掘***14的操作员控制台22。可以预见，如果需要的话机器10除了装车之外可执行诸如起吊、挖沟以及物料搬运的操作。

挖掘***14可包括通过流体致动器运动作业工具16起作用的连杆。具体地，挖掘***14可包括通过一对相邻的双作用液压缸28(图1中只示出1个)相对于作业表面26竖直枢转的吊杆24。挖掘***14还可包括通过单个双作用液压缸36相对于吊杆24绕水平枢转轴32竖直枢转的杆30。挖掘***14还可包括操作地连接到作业工具16以相对于杆30绕水平枢转轴40竖直地倾斜作业工具16的单个双作用液压缸38。吊杆24可枢转地连接到机器10的框架42，而框架42可枢转地连接到底盘44并通过一个或多个摆动马达49绕竖直轴线46摆动。杆30可利用枢转轴32和40将作业工具16枢转地连接到吊杆24。可以预见，如果需要的话，挖掘***14内可包括以除上面所述之外的方式连接的更多或更少数量的流体致动器。

许多不同的作业工具16能够附接到单个机器10并且能够经由操作人员控制台22进行控制。作业工具16可包括用来执行特定任务的任何设备，例如铲斗、叶片、铲、碎土器或本领域已知的任何其它任务执行设备。虽然在图1的实施例中连接用以相对于机器10提升、摆动和倾斜，但是作业工具16可替代地或除此之外地以本领域已知的其它方式旋转、滑动、伸展、张开和关闭、或运动。

操作人员控制台22可配置成从机器操作人员接收表示期望的作业工具运动的输入。具体地，操作人员控制台22可包括一个或多个输入设备50，具体例如，定位在操作人员座位(未示出)近侧的单轴线或多轴线操纵杆。输入设备50可以是比例式控制器，其能够通过产生表示特定方向上的期望作业工具速度和/或力的作业工具位置信号来定位和/或定向作业工具16。位置信号可用来致动任意一个或多个液压缸28、36、38和/或一个或多个摆动马达49。可以预见，操作人员控制台22内可替代地或除此之外地包括不同的输入设备，例如方向盘、旋钮、推拉设备、开关、踏板、以及本领域已知的其它操作人员输入设备。

在操作机器10的过程中，操作人员可从控制台22内部操纵输入设备50来升高和降低吊杆24、伸展和缩回杆30、以及卷起(curl)和定准(rack)作业工具16。并且操作人员协调这些功能的方式会影响挖掘周期的每阶段中移动材料的量。具体地，当最大的力从机器10的连杆传递到材料中时，可将最大量的材料装载到作业工具16中。并且这可在连杆的节段在期望的材料穿入范围内运动时发生。例如，在利用作业工具16的材料穿入过程中当杆30以约0°(即，竖直并与重力方向对准)和约35°之间的角度α定向远离框架42延伸时，并且当作业工具16的大致平的底部52以约正交于杆30的角度β(例如，约±10°内)定向时，可将最大的力传递到材料中并且可将相应最大量的材料铲起到作业工具16中。虽然对于有经验的操作人员来说这些角度范围是常识，但是对于缺乏经验的操作人员来说以这种方式控制机器10是很困难的。为此，机器10可设置有能够训练操作人员的挖掘控制器54。

如图2所示，挖掘控制器54能够监视机器10的操作并在机器10的连杆的运动处于可使机器10具有最高效率和生产力的期望范围内时选择性地通知操作人员。在公开的示例中，控制器54可与开/闭训练开关56和多个传感器通信。除了其它的之外，传感器可包括吊杆角度传感器58、杆角度传感器60、作业工具角度传感器62、摆动角度传感器63、俯仰传感器64、以及一个或多个压力传感器66。在从不同开关/传感器56-64接收输入之后，控制器54可将机器连杆的当前位置与期望范围进行比较，并选择性地使显示器68通知操作人员比较情况。

控制器54可包括协作完成符合本发明的任务的存储器、二级储存设备、时钟、以及一个或多个处理器。许多市场上可购得的微处理器能够执行控制器54的功能。应该认识到控制器54易于具体化为能够控制机器10的许多其它功能的一般机器控制器。各种已知电路可与控制器54相关联，包括信号调节电路、通信电路、以及其它适合的电路。还应该认识到控制器54可包括能够允许控制器54执行根据本发明的功能的专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、计算机***、以及逻辑电路中的一个或多个。

开/闭开关56能够允许操作人员选择性地启动储存在控制器54的存储器内的训练程序。当按下(或由操作人员通过其它方式操纵)开关56时，控制器54可被启动以开始监视机器操作并使显示器68选择性地通知操作人员关于机器的性能和操作人员的绩效。当控制器54关闭时(即，当通过开关56关闭训练程序时)，操作人员可不通过显示器68接收绩效通知。在一些例子中，还可在训练程序仍然运行时阻止来自显示器的通知，但是控制器54已经确定机器10正在执行与训练程序不相关联的操作(例如，行进或未挖掘材料)。

吊杆角度传感器58、杆角度传感器60、以及作业工具角度传感器62可以是类似的并且以相同方式运行。具体地，这些传感器中的每个都能够产生表示相应连杆节段的由其关联致动器引起的枢转角度的信号。例如，吊杆角度传感器58能够产生表示液压缸28将吊杆24相对于机器框架42枢转的角度的信号；杆角度传感器60能够产生表示液压缸36将杆30相对于吊杆24枢转的角度的信号；并且作业工具角度传感器62能够产生表示液压缸38将作业工具16相对于杆30枢转的角度的信号。这些传感器中的每个都可采取本领域已知的任何形式。例如，传感器58-62可以是产生对应于相应缸的伸展长度的信号的缸伸展传感器，然后这些长度被控制器54用来根据机器10的已知运动特性计算上述角度。替代地，传感器58-62可直接与上述枢转接合部相关联并能够产生精确对应于枢转角度的信号。如果需要，也可使用其它类型的传感器。可将由传感器58-62产生的信号引导至控制器54用于进一步处理。

摆动角度传感器63，像传感器58-62，能够产生表示由摆动马达49所引起的框架42相对于底盘44的枢转角度的信号。摆动角度传感器63能够直接测量该枢转角度，或者替代地，与和本地参考单元和/或卫星接合的本地或全球定位***相关联来确定机器10的摆动角度。可将由传感器63产生的信号引导至控制器54用于进一步处理。

俯仰传感器64能够产生表示机器10(例如，底盘44的中心点)的定向(例如，纵向(pitch)、横向(roll)、和/或首向(yaw))的一个或多个信号。在公开的实施例中，俯仰传感器64是惯性测量单元(IMU)，其具有产生表示机器定向相对于重力的改变的信号的一个或多个加速度计和/或陀螺仪。但是可以预见，俯仰传感器64可以替代地为与本地参考单元和/或卫星接合的本地或全球定位***的部分以确定机器10的定向。可将由俯仰传感器64产生的信号引导至控制器54用于进一步处理。

压力传感器66可与一个或多个液压缸28、36以及38相关联，并且能够产生表示这些缸的腔内压力的信号。这些压力可与作业工具16内携载的材料量和/或由挖掘***14执行的特定动作相对应。例如，在挖掘操作过程中，可观察任一或所有液压缸28、36和/或38内的加压，而在行进、摆动、和/或倾卸操作过程中，这些缸28、36、38内的压力较低。可将由压力传感器66产生的信号引导至控制器54用于进一步处理。

如下面将详细解释的，根据来自开关56和传感器58-66的信号，控制器54能够确定机器10的连杆在任意瞬时的当前位置、将当前位置与上述期望角度范围相比较、并选择性地使显示器68通知操作人员有关比较的情况。图3-5示出显示器68的3种替代实施例。在所述每种实施例中，在挖掘操作过程中当机器10的连杆位置处于期望范围内时可使显示器68点亮(例如，绿色)。在一些实施例中，显示器68可包括长灯条，其既可在连杆位置处于期望范围内时立即点亮，也可随连杆接近期望范围内的最优值时逐渐点亮。图3示出如包括在可安装在操作人员控制台22内的独立监视器中的显示器68。可以预见，如果需要的话，监视器可提供除了涉及连杆运动之外的信息。例如，监视器还可显示发动机RPM、车载油箱中剩余燃料量、训练开关56是否启动、以及其它类似数据。图4示出的显示器68为安装在操作人员控制台22中例如其直立角柱处的灯条。图5示出的显示器68定位在控制台222外部例如杆30处。在该位置，显示器68可具体为直接安装到杆30的内表面的LED或投射到内表面上的简单影像。如果具体为投射影像，显示器68可包括安装到吊杆24的内表面、操作人员控制台22的外表面、或操作人员控制台的内壁的投影仪(未示出)。可以预见，如果需要的话，显示器68可采取本领域已知的其它型式。

工业实用性

本发明公开的挖掘***适用于具有连接到物料搬运作业工具的连杆的任何机器。所公开的挖掘***有助于训练缺乏经验或不熟练的操作人员如何正确地定位连杆来用作业工具开采和移动最大量的材料。现在将详细描述挖掘***14的操作。

在操作机器10的过程中，操作人员可选择性地通过操纵开关56实施所公开的训练程序。当开关56已***作人员操纵以启动程序时，控制器54可开始监视机器10的操作。具体地，控制器54可监视底盘44的俯仰、框架42相对于底盘44的摆动角度、吊杆24相对于框架42的角度、杆30相对于吊杆24的角度、以及作业工具16(即，作业工具16的平的底表面52)相对于杆30的角度。此外，控制器54可监视液压缸28、36和/或38的压力。

根据来自传感器56-66的信号，控制器54能够确定杆30的角度α和机器10的当前操作。例如，根据底盘44相对于重力方向的俯仰角度、框架42相对于底盘44的摆动角度、吊杆24相对于框架42的枢转角度、以及杆30相对于吊杆24的枢转角度，控制器54能够利用本领域已知的算法确定杆30相对于重力方向的枢转角度。可以预见，在一些实施例中，如果需要的话，可替代地通过连接到杆30的降角(drop angle)传感器(未示出)直接确定杆30的枢转角度。控制器54还可通过比较来自一个或多个压力传感器66的信号与储存在存储器中的一个或多个映射确定机器10的当前操作。

当控制器54确定机器10的当前操作为挖掘操作(例如，根据任一或多个液压缸28、36、38内的加压)时，控制器54可选择性地使显示器68通知机器的操作人员杆30的当前角度与期望角度范围之间的比较情况。具体地，当杆30的当前角度处于距框架42约0-35°的范围内时，当前角度可能处于期望的范围内并且控制器54可响应地使显示器68点亮。在一些实施例中，随着杆30的当前角度接近距框架42约25°，显示器68可逐渐增加其照度。例如，显示器68的点亮条可在长度上增加(即，照度更大)并且/或者显示器68可以更高的亮度或不同的颜色点亮。在一些实施例中，在挖掘操作过程中当作业工具16的枢转角度处于期望范围内并且/或者接近期望范围内的理想值(例如，相对于杆30约90°)时，相同的显示器68或其它显示器68可以同样方式点亮。当杆30(和/或作业工具16)以期望范围外的角度放置时、当机器10没有执行挖掘操作时、并且/或者当训练程序被关闭(例如，通过操纵开关56)时，控制器54可禁止显示器68点亮并向操作人员提供通知。以这种方式，操作人员可根据显示器68是否点亮学会在挖掘过程中正确定位机器10的连杆。

也可以预见，控制器54还可在机器10的连杆的运动可能导致机器10的损坏时选择性地通知操作人员。特别地，在一些情况下可能导致作业工具16与底盘44和/或框架42相撞。在这些情况下，并且根据来自传感器58-63的信号，控制器54可在碰撞的可能性超出阈值水平之前警告操作人员。如果需要的话，可通过显示器68(例如，通过使显示器68点亮为红色)或经由其它显示器产生该警告。

本发明公开的挖掘***具有许多优点。例如，由于挖掘***的关注点针对作业工具16与待移动材料的接合，所以所述***有助于确保作业工具16在挖掘周期的每个阶段正确地装载。并且正确装载作业工具16会使机器10具有较高的生产力和效率。此外，虽然***是相对于挖掘机进行描述的，但是所述***可同样有助于轮式装载机的铲斗、拉铲机的铲、或推土机的碎土器的装载。

对于本领域技术人员来说，可对所公开的挖掘***做出各种修改和变化是显而易见的。本领域技术人员通过对说明书的研究和对公开挖掘***的实践，其它实施例是显而易见的。应将说明书和示例视为仅是示意性的，实际范围由所附权利要求书及它们的等同物确定。

Claims (20)

1.一种用于机器的挖掘***，包括：

作业工具；

连杆，其将作业工具连接到机器；

至少一个传感器，其能够产生表示连杆的角度的信号；

显示器；和

控制器，其与至少一个传感器和显示器通信，控制器能够在连杆的角度处于期望的材料穿入角度范围内时选择性地使显示器通知挖掘***的使用人员。

2.根据权利要求1所述的挖掘***，其中，期望的材料穿入角度范围与从作业工具传递到通过作业工具移动的材料中的可能的最大力相关联。

3.根据权利要求1所述的挖掘***，其中，所述至少一个传感器能够产生表示连杆相对于重力方向的角度的信号。

4.根据权利要求3所述的挖掘***，其中：

连杆包括吊杆、和枢转地连接到吊杆的杆；并且

连杆的角度是杆的角度。

5.根据权利要求1所述的挖掘***，其中，显示器位于连杆上。

6.根据权利要求5所述的挖掘***，其中：

连杆包括吊杆、和枢转地连接到吊杆的杆；并且

显示器包括安装在杆上并选择性地点亮以通知使用人员的灯。

7.根据权利要求5所述的挖掘***，其中：

连杆包括吊杆、和枢转地连接到吊杆的杆；并且

显示器包括选择性地投射到杆上以通知使用人员的影像。

8.根据权利要求1所述的挖掘***，其中：

机器还包括操作人员控制台；并且

显示器安装到操作人员控制台内的直立柱。

9.根据权利要求1所述的挖掘***，其中：

机器还包括操作人员控制台；并且

显示器包括安装在操作人员控制台内的监视器。

10.根据权利要求1所述的挖掘***，其中，控制器还能够根据连杆的角度朝期望的材料穿入角度范围内的期望角度的运动使显示器通知使用人员。

11.根据权利要求1所述的挖掘***，其中：

连杆包括吊杆和枢转地连接到吊杆的杆；并且

所述至少一个传感器包括摆动传感器、吊杆角度传感器、杆角度传感器、作业工具角度传感器、以及俯仰传感器。

12.根据权利要求11所述的挖掘***，其中，控制器还能够：

根据来自摆动传感器、吊杆角度传感器、以及杆角度传感器的信号确定作业工具与机器碰撞的可能性；和

选择性地产生表示碰撞可能性的警报。

13.根据权利要求11所述的挖掘***，其中，控制器还能够在作业工具的角度处于与作业工具到通过作业工具移动的材料中的较大穿入力相关联的期望的作业工具角度范围内时通知使用人员。

14.根据权利要求1所述的挖掘***，还包括至少一个压力传感器，其能够产生表示通过作业工具执行的挖掘操作的信号，其中控制器还能够仅在所述信号表示作业工具正在执行挖掘操作时使显示器通知使用人员。

15.一种控制具有作业工具的挖掘机器的方法，包括：

感测连接到作业工具的连杆的角度；和

当所述角度处于期望的材料穿入角度范围内时产生通知。

16.根据权利要求15所述的方法，其中：

连杆包括枢转地连接到挖掘机器的吊杆、和将作业工具枢转地连接到吊杆的杆；和

感测连杆的角度包括感测杆相对于重力方向的角度。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，期望的材料穿入角度范围与从作业工具传递到通过作业工具移动的材料中的可能的最大力相关联。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，产生通知包括点亮杆上的显示器。

19.根据权利要求15所述的方法，还包括：

确定何时作业工具在执行挖掘操作；和

仅在作业工具执行挖掘操作时产生通知。

20.一种挖掘机器，包括：

牵引设备；

框架，其能够相对于牵引设备摆动；

吊杆，其枢转地连接到框架；

杆，其枢转地连接到吊杆；

作业工具，其枢转地连接到杆；

至少第一传感器，其能够产生表示杆相对于重力方向的角度的信号；

至少第二传感器，其能够产生表示作业工具正在执行挖掘操作的信号；

显示器；和

控制器，其与所述至少第一传感器和至少第二传感器通信，控制器能够仅在作业工具执行挖掘操作时，当杆的角度处于将可能的最大力从作业工具传递到通过作业工具移动的材料中的期望材料穿入角度范围内时使显示器通知挖掘机器的使用人员。