专利名称：用于挖掘机工具联接器的控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于工具联接器(a tool coupling)的控制系统，并且尤其是，涉及用 在带挖掘机铲斗(excavator bucket)的挖掘机上用于确定铲斗齿的方向和位置的这样一 种控制系统。控制系统能显示方向和位置信息以帮助操作者手动控制挖掘机铲斗的运动， 或者使用这种信息以期望的方式实现铲斗运动的自动控制。
背景技术：
挖掘机已经得到了在施工现场处理石头、泥土、原木、树桩及类似物的广泛应用， 同样用于完成各种各样的挖掘作业，包括那些需要挖掘机铲斗相当精确运动的作业。应用 挖掘机的其他作业能通过挖掘机带的不同的工具，例如锚定装置(grappling device)，而 被极好地完成。挖掘机典型地具有一端连接到从挖掘机构架延伸的臂(boom)的铲斗杆 (dipper stick)。铲斗杆的另一端通过为作业配置的连接物而连接到工具，例如锚定装置 或者挖掘机铲斗。如专利号为4，958，981的于1990年9月25日授权给Uchihashi的美 国专利所示，此类连接物提供了如所预期的于液压控制下的在铲斗杆的端部旋转工具的方 法，以便在挖掘机操作者的控制下将工具精确地移动到预期的方向。Uchihashi专利的连 接物只允许工具关于单一轴线的旋转。更先进的连接物已经由公司开发并销售，如商标为 Rototilt的瑞典Vindeln的Indexator AB。Rototilt连接物包括连接到连接物的可旋转 部分并且允许连接物的可旋转部分左右(from side to side)倾斜的一个或两个附加的液 压缸。因为连接物和工具能通过在铲斗杆端部的连接布置关于第三轴线枢轴转动，所以能 操纵工具到几乎任意期望的位置和方向，而不必将挖掘机构架实际地移动到新的位置。这 样不仅显著地扩展了使用挖掘机实现的作业，而且也便于更换挖掘机带的指定工具。尽管具有用于控制工具运动的此类布置的附加的灵活性，但是，却产生了来源于 必须同时控制附加液压缸和机构的复杂性。当通过诸如挖掘机的机械操作时，存在监测诸 如挖掘机铲斗的工具的位置和方向的布置的需要，以便有助于工具的控制。
发明内容
通过根据本发明的挖掘机和控制系统能满足这种需要。挖掘机包括挖掘机构架、 从挖掘机构架延伸的臂，和枢转连接到臂并从其延伸的铲斗杆。挖掘机还包括工具，例如， 具有铲斗齿的铲斗。也能使用具有其他工作部分的其他工具。联接器将铲斗连接到挖掘机 铲斗杆。联接器提供工具相对于铲斗杆关于旋转轴线的旋转。联接器还提供铲斗关于大致 垂直于旋转轴线的倾斜轴线的倾斜。在挖掘机上的定位系统确定联接器的定位。在联接器 上的旋转传感器确定铲斗相对于铲斗杆关于旋转轴线的旋转量。在联接器上的倾斜传感器 确定铲斗相对于重力的倾斜量。响应于旋转传感器和倾斜传感器并且响应于在挖掘机上的 定位系统的控制装置，确定铲斗齿的位置和方向。控制装置能将齿的位置和方向显示给挖 掘机操作者，以有助于操作者控制。控制装置还提供铲斗齿运动的自动控制或者铲斗齿的 半自动控制。
倾斜传感器确定铲斗相对于重力参照在两个正交轴线内的倾斜。控制装置提供指 示铲斗相对于铲斗杆的旋转和铲斗相对于重力参照的倾斜的输出。将控制装置的输出提供 给显示器，用于挖掘机操作者的观察。本发明还包括用于工具联接器的控制系统，该工具联接器旨在将工具连接到挖掘 机铲斗杆。工具联接器提供工具相对于铲斗杆关于轴线的旋转并还提供工具的倾斜。控制 系统包括旋转传感器、倾斜传感器和响应于旋转传感器和倾斜传感器的用于确定工具方向 的控制装置。旋转传感器被置于联接器上，用于确定工具相对于铲斗杆关于轴线的旋转量。 倾斜传感器被置于联接器上，用于确定工具相对于重力的倾斜量。倾斜传感器确定工具相对于重力关于两个正交轴线的倾斜量。控制装置提供指示 工具相对于铲斗杆的旋转和工具相对于重力参照的倾斜的输出。工具可以是具有齿的挖掘 机铲斗。在此情况下，控制装置提供指示铲斗相对于铲斗杆的旋转和铲斗齿相对于重力的 倾斜的输出。将控制装置的输出提供给显示器，以帮助操作者控制挖掘机铲斗的位置。另 外，将控制装置的输出提供给位置控制系统，用于控制铲斗的方向和位置，以按期望方式实 现自动挖掘。因此，旨在通过使用位于将工具连接到挖掘机铲斗杆的联接器上的适当的传感器 来监测工具的旋转和倾斜，由挖掘机，或类似物提供工具的定向和控制。
图1是示出了属于本发明应用类型的典型挖掘机图；图2是挖掘机的铲斗杆和铲斗、以及连接铲斗杆和铲斗的联接器的放大视图，臂 的一部分被断开；图3是铲斗杆、铲斗和联接器的部分放大图，示出了铲斗的横向翻转；图4是相似于图3的进一步放大图，但是从铲斗杆的另一侧拍的；图5是相似于图4的示出了翻转联接器的铲斗杆、铲斗和联接器的进一步放大 图；图6是示出了在联接器上的倾斜传感器的联接器侧视图；图7是与本发明有关的电路示意图；图8-11是有利于解释确定铲斗齿位置和方向的方法的示意图。
具体实施例方式参照图1和图2，其阐明了属于本发明应用类型的典型挖掘机10。挖掘机10包括 地面接合轨道(ground engaging track) 12，和支撑操作者驾驶室16的构架(frame) 14。臂 18在20处枢转连接到构架14。臂18同样枢转连接到液压致动器22，液压致动器22在24 处固定到构架14，以致于延伸致动器22能将臂18举起，而缩回致动器22能将臂18降低。 在相似的方式中，铲斗杆26在28处枢转连接到臂18的末端。液压致动器30在32处枢转 连接到臂18，并在34处枢转连接到铲斗杆26，以便延伸致动器30使得铲斗杆在顺时针方 向旋转，如图1所示，而缩回致动器30使得铲斗杆在逆时针方向旋转，如图1所示。挖掘机铲斗36被安装在联接器37上，联接器37被连接到枢转固定在铲斗杆26 末端的铲斗联接件(bucket linkage) 38。铲斗联接件38包括一对平行连杆40 (仅它们中的一个在图1和2中可见)，和一对平行连杆42 (仅它们中的一个在图1和2中可见)。联 接器37在52和53处将铲斗36连接到铲斗杆26和连杆42。连杆40和联接器37分别在 46和53处枢转连接到铲斗杆26，并且分别在50和52处连接到联接器42。挖掘机10还包括介于一对隆起(ridge) 59之间的具有液压缸56的液压致动器 54，液压缸56在58处枢转连接到铲斗杆26。液压致动器54设置有在50处枢转连接到铲 斗联接件38的活塞杆60。液压致动器54的延伸和收缩使得联接器37和挖掘机铲斗36通 过铲斗联接件38相对于铲斗杆26并关于大致垂直于图1和2中的视图平面的轴线转动。联接器37可以是任何商业可获得的联接器，例如由瑞典Vindeln的Indexator AB 出售的RototiltβRT 60Β联接器。联接器设置有分别在点52和53处连接到连杆42和 铲斗杆26的上部连接元件62、被安装以便关于一对轴承66和68回转的回转元件(swivel element) 64，和安装到回转元件64用于关于大致垂直于回转轴线(swivel axis)的旋转轴 线(rotationaxis)旋转的马达元件(rotor element) 70。一对液压缸72 (仅它们中的一个 在图2中示出)控制回转元件64的倾斜。马达元件70由液压马达(未显示)驱动。铲斗 36在74和76处连接到回转元件64，并且随着联接器37的运动而旋转和回转。联接器37允许铲斗36以两个附加的自由度移动，因此允许铲斗36达到实现挖掘 需要的或者有利的位置而不必要求挖掘机在工作现场重新定位。例如，铲斗36的齿80 — 般能朝向垂直于在不包括联接器37的挖掘机中的臂18和铲斗杆26的位置。联接器37允 许铲斗旋转，以便使得齿能大致平行于铲斗杆26和臂18，或者与铲斗杆26和臂18成角度。 另外，联接器37允许铲斗36关于延伸通过轴承62和68的轴线回转。铲斗36的回转如图 3和图5所示。铲斗关于旋转轴线的旋转大致如图4由箭头80所示。应该理解到，由联接器的使用产生的附加自由度同样需要挖掘机操作者控制附加 的气缸和马达，使得增加了操作挖掘机的难度，并且增加了充分并有效地使用由联接器37 有效产生的各种运动的难度。本发明为工具联接器提供了控制系统，工具联接器旨在将工具连接到挖掘机铲斗 杆。如以上所说明，联接器提供工具相对于铲斗杆关于轴线的旋转，并还提供工具的倾斜。 如图6所示，控制系统包括在联接器37上的用于确定工具相对于铲斗杆26关于旋转轴线 的旋转量的旋转传感器82，在本实例中，该工具为铲斗36。传感器82被容纳在盖84内，并 且包括任何常规的旋转传感器。在回转元件64中的倾斜传感器85随着马达元件70和工 具36旋转。在联接器37上的倾斜传感器85确定工具36相对于重力的倾斜量。控制系统 还包括响应于旋转传感器82和倾斜传感器85且用于确定铲斗36的方向的控制装置86，如 图7所示。倾斜传感器85，同样位于盖84内，优选成为确定工具或者铲斗36相对于重力关于 两正个交轴线的倾斜量类型的测斜仪(inclinometer)。控制装置86提供输出88，该输出 88指示铲斗36相对于铲斗杆26的旋转和铲斗36相对于重力参照的倾斜。如以上所提到 的，挖掘机铲斗36包括沿着它下部边缘的一排齿80，以便于挖掘。控制装置86的输出88 被提供给优选置于挖掘机驾驶室16内的显示器90。当驾驶室16内的操作者观察显示器 时，对他来说，能更容易地通过手动操作挖掘机液压控制装置控制铲斗36的运动。应该理解到，控制装置86的输出将提供铲斗齿的倾斜和旋转的指示。将在安装联 接器37的点上的铲斗杆26末端的位置添加到这些信息中，以便同样显示铲斗36的位置。铲斗杆26末端的位置能以许多方式的任意一种而被确定。例如，在铲斗杆26和联接器37 之间的相对的角向(relativeangular orientation)能通过监测包括气缸56和活塞杆60 的可延伸液压致动器54的运动而被监测。一旦测量了致动器54的伸长，基于铲斗杆26、联 接器37和致动器54的几何形状的简单的计算能确定铲斗36和联接器37的相对位置。如 专利号为6，325，590的于2001年12月4日授权给Cain等人的美国专利所公开的，电缆延 伸直线位置传感器(未显示)被用于监测气缸54的伸长。’ 590的公开内容通过引用合并 于此。基于若干已知的测量方法的任意一种能确定铲斗杆26的位置。如图1所示，角编 码器100提供了在铲斗杆26和臂18之间的角向。角编码器102提供了在臂18和挖掘机 14构架之间的角向。全球定位系统(GPS)天线104和106提供了挖掘机构架的位置和方 向。最后，在挖掘机构架上的两个轴线测斜仪108确定了构架的任意倾斜。一旦确定了挖 掘机构架的位置和方向，简单的三角计算能确定铲斗杆末端的位置和方向。一旦确定了铲 斗杆26末端的位置和方向，于是便能确定铲斗齿80的方向和位置。应该理解到，能使用其 他技术来确定铲斗杆的位置和方向。例如，利用接收激光的旋转参照光束的激光接收器来 确定铲斗杆的垂直位置。通过在铲斗杆上带测斜仪的如此布置来确定铲斗杆的倾斜度。还 有其他系统可部分地基于位于已知位置上的并且跟踪相对于那个已知位置的挖掘机或者 挖掘机元件的运动的机器人全测点的使用。如图7所示，控制装置86的输出88被提供给同样响应于角编码器100，和102的 位置系统92、连接到GPS天线104和106的GPS 110接收器，和测斜仪108。位置系统92 的输出被提供给显示器90以辅助挖掘机操作者。如果需要，挖掘机操作的一些方面，例如， 挖掘深度同样能被自动控制。比较位置系统92的输出和根据位置控制系统112的铲斗齿 期望位置，并且利用差异来控制或者限制铲斗36的运动。参照图8-11，其为有利于解释确定铲斗齿位置和方向的方法的图示。图8示出了 挖掘机的几何形状。直线AB1R表臂的一部分，直线B1B代表铰接臂。直线BG代表铲斗杆。 如果机器不具有铰接臂，于是直线AB代表臂。A是臂支点，B是杆支点，G是铲斗支点，J是 铲斗齿及B1代表VA臂支点。能在实际的机器上物理测量出AB^ B1B, AB、BG、DG、DF、GH和 GJ的长度。图9和图10阐明了为此分析采用的角和定向惯例。XY平面是平台(或者车体) 的平面，1-轴为延伸的方向，X-轴为侧向位移的方向，而Z-轴为提升的方向。图9描述了 参考系方向并且图10描述了角的参考系。对于角来说，从机器向外的方向一直是0°，并且 角增加的方向是顺时针，即，如果臂、杆和铲斗连杆被向上举起，角变得更正向，并且如果构 件被放下，角变得更负向。检测臂角度的传感器被安装在臂(AB1或AB)上。同样地对于杆来说，传感器被安 装沿直线BG的任何地方。对于铲斗来说，俯仰传感器(pitchsensor)和滚动传感器(roll sensor)被安装到靠近铲斗R(参照图11)的旋转中心。俯仰轴线与平行于RG1的直线相对 齐并且滚动轴线被对齐平行于铲斗的宽度。为确定铲斗的旋转，旋转传感器也被安装在R 上。定位铲斗齿J，可以在三个阶段中完成1.相对于挖掘机1的旋转中心，定位G。
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2.相对于s，定位j。3.相对于g，定位s。使用以上步骤的结果，确定j相对于机械的旋转中心的定位。利用卷尺测量Lw，Lgii和Lra的长度。通过以上测量计算角RGJ。因此角RG1J= 6G1J = Ji-cos—1 (LIG1/LG1J)[1]如果点R和G1等高，于是J的位置通过下式被给出(jx, jy, jz) = {0, (leg1+lig1) , -lgijCos eg1j}[2]假定δ2是在通过R和G1的直线与铲斗的倾斜轴线之间的角。S和R都位于铲斗 的旋转轴线上。点S是在铲斗的倾斜轴线和旋转轴线之间的交叉点。垂直距离S-R通过下 式被给出SR = Hpgi[3]通过以下两个阶段过程测量角δ 2 1.测量连接铲斗的联接器顶部的水准，即，测量直线RG1的水准。2.测量铲斗的倾斜轴线、即直线ps的水准。在位置1和2上的铲斗俯仰的差异给出了角δ 2。相对于S, J (参照[2])的位置通过下式被给出(Jx, Jy, Jz) = {0, (LEG1+LIG1),-(HPG1+LG1J cos θ G1J)} [4]关于S将矢量SJ旋转δ 2，以将它与倾斜轴线PS沿着yz-平面对齐。在旋转δ 2之后的j的位置通过下式被给出(Jx, Jy, Jz) = {0，(JyCos δ 2-Jzsin δ 2)，(Jysin δ 2+Jzcos δ 2)} [5]因为俯仰传感器和旋转传感器被安装在r附近，我们知道铲斗的俯仰角(θ ΒΡ)和 铲斗的滚动角(ΘΒΚ)。铲斗关于轴线RS(ct)的旋转通过安装在R处的旋转传感器给出。假定(J’ x，J’ y，J’ z)为将铲斗俯仰θ Βρ之后的铲斗齿的位置。利用[5]，我们得 到J’相对于S的位置，为j，χ = jx = 0J，y = JyCos θ Bp-Jzcos θ Βρ[6]J，ζ JySin θ ΒΡ+JzCos θ ΒΡ假定(J”x，J”y，J”z)为关于直线PS倾斜铲斗ΘΒΚ之后的铲斗齿的位置。禾Ij用 [6]，我们得到J”相对于S的位置，为j，，x = -j，zsin θβεj”y = j，y[7]j，，z = j，zsin θβε假定(J’”x，J’”y，J’”z)为关于直线RS旋转铲斗“Φ”之后的铲斗齿的位置。利 用[7]，我们得到J，，，相对于S的位置，为J，”x = J”xcos(j5+J”ysin(j5， = ”#08φ-”χ ηφ [8]j，，，z = j，，z相对于G定位S 相对于S，点P通过下式被给出
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(Px, Py, Pz) = {0，(LEG1+LPG1), 0}[9]所以S相对于P的位置通过下式被给出(Sx, Sy, Sz) = {0，-(Leg1+Lpg1),0}[10]假定“Lre”是在点P和G之间的垂直距离，并且假定“ δ广为在穿过点G和H的直 线和铲斗的倾斜轴线之间的角(参照图4)。S相对于G的位置通过下式被给出(Sx, Sy, Sz) = {0，-(LEG1+LPG1)，-LpJ[11]如果θ Bp是铲斗的倾斜角，于是GH的倾斜通过(θ^+δ)被给出。关于G旋转矢量GS “( θ Βρ+ δ J，，给出了 S相对于G的位置(S，x，S，y，S，z) = {0，-Szsin ( θ Βρ+ δ )，Szcos ( θ ΒΡ+ δ } [12]由[8]和[12]，J相对于G的位置通过下式被给出Jx=J"\+s，x = J，”x(因为 s，x = o)
Jy=J"VS，y[13]
Jy=J"'VS，Z将[13]给出的位置添加到G相对于机械旋转中心的位置中，我们得到J相对于机 械旋转中心的位置。某些代表性的实施方式和细节已经被示出，用于阐明本发明的意图，对本领域的 技术人员来说，于此处公开的本发明中，能做出各种改变，而不偏离在附加权利要求中限定 的本发明范围。
权利要求
一种用于工具联接器的控制系统，所述工具联接器用于将工具连接到挖掘机铲斗杆，所述联接器提供所述工具相对于所述铲斗杆关于轴线的旋转和所述工具的倾斜，所述控制系统包括在所述联接器上的旋转传感器，用于确定所述工具相对于所述铲斗杆关于所述轴线的旋转的量；在所述联接器上的倾斜传感器，用于确定所述工具相对于重力的倾斜的量；以及控制装置，所述控制装置响应于所述旋转传感器和所述倾斜传感器，用于确定所述工具的方向。
2.如权利要求1所述的控制系统，其中，所述倾斜传感器确定所述工具相对于重力关 于两个正交轴线的倾斜量。
3.如权利要求1所述的控制系统，其中，所述控制装置提供指示所述工具相对于所述 铲斗杆的旋转和所述工具相对于重力参照的倾斜的输出。
4.如权利要求3所述的控制系统，其中，所述工具是具有齿的挖掘机铲斗，并且所述控 制装置提供指示所述铲斗相对于所述铲斗杆的旋转和所述铲斗的所述齿相对于重力的倾 斜的输出。
5.如权利要求4所述的控制系统，还包括显示器，且其中，所述控制装置的所述输出被 提供给显示器，以辅助操作者控制所述挖掘机铲斗的位置。
6.如权利要求4所述的控制系统，其中，所述控制装置的所述输出被提供给位置控制 系统，用于控制所述铲斗的方向和位置，以便按照期望方式实现自动挖掘。
7.一种用于挖掘机的控制系统，所述挖掘机具有从挖掘机构架延伸的臂、枢转连接到 所述臂并从所述臂延伸的铲斗杆、具有铲斗齿的铲斗，和将所述铲斗连接到挖掘机铲斗杆 并提供工具相对于所述铲斗杆关于轴线的旋转以及所述工具的倾斜的联接器，所述控制系 统包括在所述联接器上的旋转传感器，用于确定所述铲斗相对于所述铲斗杆关于所述轴线的 旋转的量；在所述联接器上的倾斜传感器，用于确定所述铲斗相对于重力的倾斜的量；以及控制装置，所述控制装置响应于所述旋转传感器和所述倾斜传感器，并且还响应于在 所述挖掘机上的定位系统，所述控制装置用于确定所述铲斗的齿的位置和方向，并用于控 制所述铲斗的所述齿的运动，以便按照期望方式挖掘。
8.如权利要求7所述的控制系统，其中，所述倾斜传感器确定所述铲斗相对于重力参 照在两个正交轴线内的倾斜。
9.如权利要求7所述的控制系统，其中，所述控制装置提供指示所述铲斗相对于所述 铲斗杆的旋转和所述铲斗相对于重力参照的倾斜的输出。
10.如权利要求7所述的控制系统，其中，所述控制装置的输出被提供给显示器，用于 所述挖掘机的操作者观察。
11.一种挖掘机，包括挖掘机构架，臂，所述臂从所述挖掘机构架延伸，铲斗杆，所述铲斗杆枢转连接到所述臂，并从所述臂延伸，铲斗，所述铲斗具有铲斗齿，联接器，所述联接器将所述铲斗连接到挖掘机铲斗杆，并提供工具相对于所述铲斗杆 关于旋转轴线的旋转和所述铲斗关于大致垂直于所述旋转轴线的倾斜轴线的倾斜，在所述挖掘机上的定位系统，用于确定所述联接器的位置，在所述联接器上的旋转传感器，用于确定所述铲斗相对于所述铲斗杆关于所述旋转轴 线的旋转的量，在所述联接器上的倾斜传感器，用于确定所述铲斗相对于重力的倾斜的量，控制装置，所述控制装置响应于所述旋转传感器和所述倾斜传感器，并且还响应于在 所述挖掘机上的定位系统，所述控制装置用于确定所述铲斗的齿的位置和方向，并用于控 制所述铲斗的所述齿的运动以在作业现场按照期望的方式挖掘。
12.如权利要求12所述的挖掘机，其中，所述倾斜传感器确定所述铲斗相对于重力参 照在两个正交轴线内的倾斜。
13.如权利要求12所述的挖掘机，其中，所述控制装置提供指示所述铲斗相对于所述 铲斗杆的旋转和所述铲斗相对于重力参照的倾斜的输出。
14.如权利要求12所述的挖掘机，其中，所述控制装置的所述输出被提供给显示器，用 于所述挖掘机的操作者观察。
15.—种用于土工机械的控制系统，所述土工机械具有臂、枢转连接于所述臂并从所述 臂延伸的铲斗杆、具有工作部分的工具，和将所述工具连接到所述铲斗杆并提供所述工具 相对于所述铲斗杆关于轴线的旋转以及所述工具的倾斜的联接器，所述控制系统包括在所述联接器上的旋转传感器，用于确定所述工具相对于所述铲斗杆关于所述轴线的 旋转的量；在所述联接器上的倾斜传感器，用于确定所述工具相对于重力的倾斜的量；控制装置，所述控制装置响应于所述旋转传感器和所述倾斜传感器，并且还响应于在 所述挖掘机上的定位系统，所述控制装置用于确定所述工具的所述工作部分的位置和方 向，并用于控制所述工具的所述工作部分的运动。
16.如权利要求15所述的控制系统，其中，所述倾斜传感器确定所述工具相对于重力 参照在两个正交轴线内的倾斜。
17.如权利要求15所述的控制系统，其中，所述控制装置提供指示所述工具相对于所 述铲斗杆的旋转和所述工具相对于重力参照的倾斜的输出。
18.如权利要求15所述的控制系统，其中，所述控制装置的所述输出被提供给显示器， 用于所述土工机械的操作者观察。
全文摘要
一种用于工具联接器(37)的控制系统，包括旋转传感器(82)和倾斜传感器(85)，该工具联接器(37)将工具(36)连接到挖掘机铲斗杆(26)，并且提供工具相对于铲斗杆关于轴线的旋转，并且还提供工具的倾斜。旋转传感器被安装在联接器上，用于确定工具相对于铲斗杆关于轴线的旋转量。倾斜传感器被安装在联接器上，用于确定工具相对于重力的倾斜量。控制装置(86)响应于旋转传感器和倾斜传感器，用于确定工具的方向。
文档编号E02F3/36GK101903599SQ200880122277
公开日2010年12月1日 申请日期2008年12月17日 优先权日2007年12月21日
发明者A·阿鲁穆加姆, R·M·波雷 申请人:卡特彼勒天宝控制技术有限责任公司