用于挖掘机的动态运动优化的制作方法

本申请根据美国法典第35卷第119条（e）款要求2014年6月25日提交的美国临时专利申请号62/016,856的权益，所述申请的全部内容和主旨在此通过引用并入，如同在本文中充分阐述了一样。

背景

1.技术领域

本发明的方面涉及挖掘机，且更具体地涉及用于挖掘机的动态运动优化。

2.相关现有技术的描述

通常，挖掘机是用来挖掘大量覆盖层和矿物的庞大且昂贵的机器。这些挖掘机常常包括控制挖掘机的各种部件的操作的多个马达。为进行操作，挖掘机操作者使用一组控制件来同时操作多个马达。由于挖掘机的大小和操作的复杂性，操作者必须训练有素以正确且安全地操作挖掘机。

尽管进行了广泛的训练，但操作者经常在挖掘机的操作中犯错，这可能导致损坏挖掘机并引起挖掘机的停机时间及增加的循环时间。操作者能够操作挖掘机的熟练程度显著地有助于挖掘机的生产力。

技术实现要素：

本发明的方面涉及用于挖掘机的动态运动优化算法，其能够减小操作者错误可能导致损坏挖掘机并引起挖掘机的停机时间及增加的循环时间的可能性。

在示例性实施例中，挖掘机的控制系统被配置成在挖掘机正在进行挖掘运动时防止摆动操作，被配置成基于推压角度来限制推压速度，被配置成基于铲斗中的负载来限制提升速度，和/或被配置成在挖掘时防止挖掘机失速。

附图说明

图1是根据本发明的示例性实施例的挖掘机（即，拉铲机）的透视图。

图2是根据本发明的示例性实施例的另一种挖掘机（即，电动绳铲斗机）的透视图。

图3A、图3B和图3C描绘根据本发明的示例性实施例的在挖掘位置和倾卸位置之间的挖掘机的摆动循环；以及

图4是根据本发明的示例性实施例的用于挖掘机的控制系统的框图。

具体实施方式

为便于理解本发明的实施例、原理和特征，在下文中参考说明性实施例中的实施方式来解释以上各者。尤其，在用于挖掘机的动态运动优化的系统和方法的上下文中描述以上各者。

然而，本发明的实施例不限于在所描述的系统或方法中使用。

下文中被描述为构成各种实施例的部件和材料旨在是说明性的而非限制性的。将如本文中所描述的材料那样执行相同或类似的功能的材料和许多合适部件旨在被包含在本发明的实施例的范围内。

虽然可能在本文中描述的系统和方法可能是针对拉铲挖掘机或电动绳铲斗机中的任一者，但是所描述的技术（包括本文中的系统和方法）也能够在各种其他挖掘机中被提供、使用、操作和/或实施。

现参考图1，图示了挖掘机1（此处为拉铲挖掘机）的一部分。拉铲挖掘机1包括基座，所述基座置放在地面上并支撑机房3。机房3承载从机房3的前下方向上伸出的动臂4。动臂4包括脚部，所述脚部通过连接构件（例如且不限于，脚销5）连接到机房。在示例性实施例中，借助于悬置缆索6将动臂4保持在期望的倾角，所述悬置缆索从动臂4延伸到在机房3的顶部上承载的A形框架7。通过提升绳8悬置挖掘构件，例如，挖斗19，所述绳8穿过桅杆上的绳轮9以缠绕在机房中的提升卷筒10上。

在操作期间，通过穿过在动臂脚销5附近的导缆器12并牵引到机房3中的牵引卷筒13上的牵引绳11，能够朝着拉铲挖掘机1移动挖斗19。拉铲挖掘机1可安装在行走机构15上，所述行走机构允许拉铲挖掘机1从一个位置运动到另一个位置。行走机构15包括以常规方式由驱动系统（包括内部马达和齿轮组件）在内部驱动的履带板（shoe）。

拉铲挖掘机主要用来在其工作水平高度之下挖掘并在升高的高度处倾卸。挖掘循环由五个部分组成：（1）牵引以填满、（2）提升并摆动以倾卸、（3）倾卸、（4）降低并回摆、以及（5）定位挖斗。

拉铲循环始于降低到坑中且定位以穿透堆（bank）的挖斗。冲着脸牵引其使挖斗填满。一旦填满，几乎马上开始提升并放松牵引，接着随着挖斗清理沟槽而摆动。当挖斗摆动并爬升时，在提升和牵引控制件之间的适当张力将挖斗保持在承载位置中。当接近倾卸位置时，使摆动控制件反向以停止摆动，并允许放松牵引直到挖斗倾斜并倾卸其负载。由于机器的摆动惯性，所以在所述控制件反向之后的几秒内摆动的方向将不改变，从而给予挖斗时间来及时倾卸。在回摆期间，降低所述提升并且所述牵引被收紧以便开始定位挖斗，用于下一负载。使摆动控制件反向以停止摆动运动，且然后在挖斗稳定在适当位置中时处于空挡。实施这些功能的熟练程度显著地有助于机器的生产力。

图2描绘另一种挖掘机，即，电动绳铲斗机100。电动绳铲斗机100包括履带105，所述履带用于向前和向后推进电动绳铲斗机100并用于使电动绳铲斗机100转动（例如，通过改变左右履带相对于彼此的速度和/或方向）。电动绳铲斗机100包括机房110和驾驶室115。机房110能够绕摆动轴线125摆动或旋转，例如，以从挖掘位置运动到倾卸位置。电动绳铲斗机100还包括支撑挖掘构件（在该情况中为挖斗或铲斗140）的斗杆135。铲斗140包括用于倾卸铲斗140内的内容物的门145。电动绳铲斗机100还包括：联接在机房110和动臂130之间的悬置缆索150，其用于支撑动臂130；附接到机房110内的卷筒的提升缆索155，所述卷筒用于缠绕缆索155以升高和降低铲斗140；以及用于伸展和缩回斗杆135的推压马达。

当电动绳铲斗机100的履带105静止时，铲斗140可操作以基于三个控制动作运动： （1）提升、（2）推压、及（3）摆动。

如上文所述，提升控制件通过缠绕和松开提升缆索155来升高和降低铲斗140。在示例性实施例中，提升缆索155缠绕在由AC马达驱动的大卷筒上，被引导通过绳轮（滑轮），并从动臂130支撑挖斗组件。推压控制件伸展和缩回斗杆135和铲斗140的位置。摆动控制件使机房110相对于摆动轴线125（参见，例如，图3A到图3C）旋转。通过娴熟地操纵提升缆索和推压斗杆组件，控制挖斗以用覆盖层/矿物填满并倾卸在拖运卡车上用于挖掘目的。在倾卸其内容物之前，操纵铲斗140到适当的提升、推压和摆动位置，以1）确保内容物不会错过倾卸位置170；2） 门145在释放时不碰撞倾卸位置170；以及3）铲斗140不太高以致所释放的内容物将损坏倾卸位置170或造成其他非期望后果。

图3A-3C描绘电动绳铲斗机100从挖掘位置运动到倾卸位置的示例性摆动角度。出于参考目的，在图3A-3C上动臂轴线205和倾卸位置轴线210叠置，其中，摆动轴线125是动臂轴线205和倾卸位置轴线210的近似交叉点。斗杆轴线205和倾卸位置轴线210之间的角度称为θ。在图3A中，铲斗140在挖掘位置220处挖到堆215中，且θ=θ₁。在挖掘后，电动绳铲斗机100开始朝倾卸位置170摆动动臂130。在图3B中，动臂130在摆动至倾卸过程的大约中间处且θ=θ₂。在图3C中，动臂130已停在倾卸位置170上方且释放门145以将铲斗140内的材料倾卸到倾卸位置170中，其中，θ=θ₃。

现参考图4，示出了根据示例性实施例的用于电动绳铲斗机的控制系统300的框图。如所示的，控制系统300包括处理器302、一个或多个传感器304、用户界面306、及一个或多个马达308。在示例性实施例中，处理器302从用户界面306和一个或多个传感器304两者接收输入信号，并响应地控制一个或多个马达308的操作。

在示例性实施例中，处理器302可为数字信号处理（DSP）电路、现场可编程门阵列（FPGA）、专用集成电路（ASIC）等等。处理器214能够是许多定制或市售的处理器、中央处理单元（CPU）、若干处理器中的辅助处理器、基于半导体的微处理器（呈微芯片或芯片组的形式）、或通常用于执行指令的任何装置。处理器302可包括存储器和收发器。处理器302可无线地或经由有线连接与多个传感器304通信。

一个或多个传感器304可包括各种各样的传感器，其安置在由电动绳铲斗机承载的各种位置中并用来监控电动绳铲斗机的各种各样的操作条件。电动绳铲斗机的操作条件包括，但不限于，斗杆的位置、铲斗的位置、铲斗中的材料的重量、斗杆上的转矩、摆动位置、推压速度、提升速度、推压角度等等。在示例性实施例中，处理器302监控从一个或多个传感器304接收的读数并能够主动地限制一个或多个马达308的操作。

例如，在铲斗为空的情况下，可将最大降低速度设定到第一水平，且在铲斗具有超过阈值负载的负载时，可将最大降低速度设定到低于第一水平的第二水平。在这样的情况下，处理器302可基于来自一个或多个传感器304的读数来确定铲斗中的负载，且处理器302可限制最大降低速度。也就是说，如果操作者经由用户界面308试图以最大速率降低，那么处理器302可基于检测到的负载来限制最大速率。

在示例性实施例中，电动绳铲斗机的控制系统300被配置成在电动绳铲斗机正在挖掘时（如图3A中所示）防止摆动操作。在挖掘机正在主动地挖掘时防止挖掘机的摆动操作能够防止损伤挖掘机。在示例性实施例中，处理器302监控从一个或多个传感器304接收的输入信号并响应地判定铲斗是否与堆接合。基于作出的铲斗与堆接合的判定，处理器302可设定铲斗接合条件或标记。在示例性实施例中，在处理器302从操作者接收到摆动命令（例如，经由用户界面308）时，处理器302将检查以确认铲斗接合条件或标记是否指示铲斗当前正与堆接合。如果铲斗当前不与堆接合，那么处理器302将继续执行接收到的摆动命令。但如果铲斗当前正与堆接合，那么处理器302将不执行摆动命令。在示例性实施例中，处理器302可被配置成响应于不执行接收到的摆动命令提供命令无效警告。可向电动绳铲斗机的操作者显示命令无效警告以警告操作者其命令无效。另外，可记录命令无效警告并储存在处理器302的存储器中，或可通过处理器302将命令无效警告传输到单独的设备。

在示例性实施例中，例如在装载的铲斗的情况下，电动绳铲斗机的控制系统300被配置成基于推压角度来限制推压速度。如本文中所使用的，术语“推压速度”意指伸展或缩回斗杆135的速度，如图2中所示。如本文中所使用的，术语“推压角度”意指斗杆135相对于竖直位置的角度，如图2中所示。例如，图2中所示的斗杆135的推压角度是大约95°；0°的推压角度将指示斗杆135与地面垂直。在示例性实施例中，通过 AC马达来伸展和缩回斗杆，且由操作者经由用户界面来控制伸展和缩回的速度（推压速度）。在示例性实施例中，如果斗杆正在以在小的推压角度（由于斗杆和铲斗的重量导致）时的推压速度运动，那么用来控制斗杆的操作的AC马达也许不能够停止斗杆的运动。

因此，电动绳铲斗机的控制系统300被配置成基于推压角度来限制推压速度。在示例性实施例中，处理器302监控从一个或多个传感器304接收的一个或多个输入信号并响应地计算推压角度。在示例性实施例中，处理器302依据所计算的推压角度来限制最大推压速度。例如，当推压角度减小时，处理器302所允许的最大推压速度也减小。在示例性实施例中，通过基于推压角度来限制最大推压速度，处理器302确保控制系统300能够停止斗杆的运动，这将帮助防止损坏电动绳铲斗机的铲斗和斗杆。

在示例性实施例中，电动绳铲斗机的控制系统300被配置成基于铲斗中的负载来限制提升速度。如本文中所使用的，术语“提升速度”意指升高和降低铲斗140的速度，例如，如图2中所示。在示例性实施例中，通过 AC马达使铲斗140升高和降低，且由操作者经由用户界面来控制提升速度。在示例性实施例中，如果铲斗140正在以高的提升速度（取决于铲斗140中的负载）运动，那么用来控制提升速度的AC马达也许不能够停止铲斗140的降低运动。

在示例性实施例中，处理器302监控从一个或多个传感器304接收的输入信号并响应地计算铲斗中的负载。在示例性实施例中，处理器302依据铲斗中的负载来限制最大降低提升速度。例如，当铲斗中的负载增大时，处理器302所允许的最大降低提升速度减小。在示例性实施例中，通过基于铲斗中的负载来限制最大降低提升速度，处理器302确保控制系统300能够停止铲斗140的运动，这将帮助防止损坏电动绳铲斗机。

在示例性实施例中，电动绳铲斗机的控制系统300被配置成在挖掘机正在挖掘时防止挖掘机失速。出于各种原因，电动绳铲斗机可能在操作期间失速。能够造成失速的最常见条件之一是假如操作者将铲斗放入堆中太深。换句话说，假如操作者试图在单次操作中用铲斗挖掘太多材料。通常，在电动绳铲斗机正在主动地挖掘时防止电动绳铲斗机失速将缩短电动绳铲斗机的循环时间，并由此提高电动绳铲斗机的效率。

在示例性实施例中，处理器302监控从一个或多个传感器304接收的输入信号并响应地判定电动绳铲斗机是否将失速。在示例性实施例中，一个或多个输入信号可包括，但不限于，电动绳铲斗机的一个或多个AC马达的电压水平、电动绳铲斗机的斗杆上的转矩、电动绳铲斗机的提升缆索中的张力等等。在示例性实施例中，控制系统300的处理器302基于从一个或多个传感器304接收的输入信号，持续地计算电动绳铲斗机将失速的百分比几率。处理器302包括失速阈值，其与所计算的百分比相比较，并且当所计算的百分比超过失速阈值时，处理器可设置指示电动绳铲斗机有可能失速的标记。

在示例性实施例中，基于处理器302设置指示电动绳铲斗机有可能失速的标记，控制系统302可对电动绳铲斗机的操作做出自动调整，并且还可向电动绳铲斗机的操作者提供失速条件无效警告。在一个实施例中，对电动绳铲斗机的操作的自动调整包括向AC马达发布命令，以控制斗杆缩回给定距离。通过缩回斗杆，减少了铲斗从堆移除的材料的量并能够减小失速发生的几率。

在示例性实施例中，控制系统300监控电动绳铲斗机的操作，并在失速可能发生的可能性超出阈值水平时对电动绳铲斗机的操作做出自动调整。因此，控制系统300减小了电动绳铲斗机将在操作期间经历失速的可能性，并由此提高了电动绳铲斗机的效率。

本文中所使用的术语仅用于描述具体实施例的目的而并非旨在限制本发明。如本文中所使用的，除非上下文中另有明确指示，否则单数形式“一（a/an）”和“所述（the）”也旨在包含复数形式。将进一步理解，当在本说明书中使用时，术语“包括（comprises和/或comprising）”列举所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其群组的存在或添加。

下文权利要求中的所有方法或步骤及功能元件的对应结构、材料、动作和等效物旨在包括用于结合如具体地要求保护的其他所要求保护的元件来执行功能的任何结构、材料或动作。已出于说明和描述的目的呈现了对本发明的描述，但其并不意欲为详尽的或将本发明限制到所公开的形式。在不脱离本发明的范围和精神的情况下，许多修改和变型对于本领域普通技术人员来说将是显而易见的。实施例被选择并描述以便最好地解释本发明的原理和实际应用，并且使得本领域的其他普通技术人员能够理解本发明用于如适合于预期的特定用途的带有各种修改的各种实施例。

下文中被描述为构成各种实施例的部件和材料意欲为说明性的而非限制性的。将如本文中所描述的材料那样执行相同或类似的功能的材料和许多合适部件意欲被包含在本发明的实施例的范围内。尽管已经以示例性形式公开了本发明的实施例，但是对于本领域技术人员将显而易见的是在不脱离本发明及其等效物的精神和范围（如在以下权利要求中所陈述的）的情况下，能够在实施例中作出许多修改、添加和删除。