专利名称：工作机器附件控制系统的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及一工作机器的控制系统，具体来说，涉及一基于一附件结构的工作机器的控制系统。
背景技术：
诸如一体的工具承载机、坡道驾驶装载机、农用拖拉机、挖掘机以及其它的工作机器之类的工作机器具有各种工作工具，它们附连在工作机器上以执行不同的任务。这些工作机器和工作工具可通过一控制系统进行控制，这样的控制系统具有一个或多个操作者输入装置，例如，控制杆、踏板、操纵杆，以及本技术领域内公知的其它装置。
各个工作工具对操作者输入装置可要求不同的控制参数来完成不同的任务。例如，具有一叉附件的工具承载机的操作者可在一栈式操作过程中要求对工具运动速度或工作机器运动速度实施精密的控制，而这样精密的控制对于具有一铲斗附件用来执行运土操作的同样的工具承载机则不需要。此外，不带工具附件的工作机器可在低的移动速度下要求精密的移动速度控制以便于一工具附件的程序，但当在工作场所或工作工具储藏位置之间移动时在较高的速度下不需精密的移动速度控制。
一基于一附件的结构对工作机器或工作工具的运动提供改进的控制的方法描述在授予Ufheil的美国专利No.6,542,789(‘789专利)。该‘789专利介绍了一用于工作机器的工具识别和控制系统，该工作机器根据附连到工作机器的特定的工作工具自动地构造一工作机器的某些系统。尤其是，‘789专利介绍了对工作工具建立一运动范围、一与驱动控制操纵杆相关的驾驶增益、工作机器的一最大向前速度，或对应于特定工作工具的发动机速度。这些参数可以通过工具识别程序自动地建立，或由操作者手工地进行选择。
尽管‘789专利的工具识别和控制系统根据特定的附件结构改进工作机器和工作工具的控制，但工具识别和控制系统具有一定的局限性。尤其是，‘789专利的工具识别和控制系统对工作机器移动速度和工作工具运动速度不能提供精密的控制，但仅建立边界限制。
本文所揭示的工作机器控制系统旨在克服一个或多个上述的问题。
发明内容
在一个方面，本发明涉及一用于具有多个可移去地附连的工作工具的工作机器的控制系统。工作机器控制系统包括至少一个操作者输入装置，其构造成控制工作机器的运动速度。工作机器控制系统还包括一构造成产生对应于各个可移去地附连的工作工具的信号的工具识别装置，以及一与至少一个输入装置和工具识别装置连通的控制器。控制器构造成响应于信号改变工作机器运动速度对输入装置的致动位置的比例。
在另一方面，本发明涉及一控制具有多个可移去地附连的工作工具的工作机器的方法。该方法包括接受从一输入装置来的、指示工作机器要求的运动速度的输入。该方法还包括用一工具识别装置来产生一信号，其指示出多个可移去地附连的工作工具中哪一个附连到工作机器上。该方法还包括响应于信号改变工作机器运动速度对输入装置的致动位置的比例。
附图的简要说明
图1是一揭示的示范的工作机器控制系统的示意图；以及图2是一揭示的示范的工作机器控制表。
具体实施例方式
图1示出一示范的工作机器10。工作机器10可以是一固定的或移动的机器，其执行与诸如开矿、建筑、农业，或本技术领域内公知的任何其它行业相关的某些类型的操作。例如，工作机器10可以是一材料运输机、一后置犁、一体的工具承载机、一装载机，或本技术领域内公知的任何其它工作机器。工作机器10可包括一动力源12、一传动机构14、一可移去地附连到工作机器10的工作工具16、一操作者界面18，以及一控制系统20。
动力源12可包括一内燃机，例如，一柴油机、一汽油机、一天然气发动机，或本技术领域内的技术人员公知的任何其它发动机。动力源12也可包括其它的动力源，例如，加热炉、电池、燃料电池、马达，或任何其它的动力源。
传动机构14可以构造成在输出速度比的一范围内从动力源12将动力传输到一输出装置(未示出)。传动机构14可以是一液压传动机构、一机械传动机构、一液力—机械传动机构、一电动传动机构，或任何其它合适的传动机构。输出装置可包括一接合地面的装置，例如，轮子、履带、传输带，或本技术领域内公知的任何其它地面接合装置。一诸如副轴22的输入驱动部件可将动力源12连接到传动机构14。传动机构14还可包括一诸如输出轴24的输出从动部件，其将传动机构14连接到输出装置。这样，由动力源12产生的动力可通过输出轴24传递到输出装置。还可以考虑传动机构14可仅以单一的输出速度比从动力源12将动力传递到输出装置。
在一实施例中，传动机构14可以是一具有一泵26和一马达28的液压传动机构。泵26和马达28可以是可变的位移、可变的输出、固定的位移，或本技术领域内公知的任何其它结构。泵26可以通过一副轴22直接地连接到动力源12。或者，泵26可通过一扭矩转换器、一齿轮箱，或本技术领域内公知的任何其它方式连接到动力源12。马达28可通过导管流体地连接到泵26，所述导管供应和返回流体到泵26和马达28，以允许泵26通过流体压力有效地驱动马达28。马达28可以通过输出轴24直接地连接到输出装置。工作机器10可以包括或不包括一减速齿轮结构，例如，设置在马达28和输出装置之间的行星结构。
传动控制器30可以分别通过控制线32和34与泵26和马达28连通，并构造成响应于工作机器10的要求的移动速度而改变泵26和/或马达28的位移，由此控制输出轴24的输出转动。控制线32和34可以是数字的、模拟的，或混合型的通讯线。或者，传动机构14的各种部件之间的连通可以借助于机械的或液压的管线实现。
许多不同的工作工具可以附连到单一的工作机器并通过操作者界面接受控制。工作工具16可包括一叉形结构、一推土板、一铲斗、铲子、一松土器、一底卸式车斗、一扫帚、一吹雪机、一推进装置、一切割装置、一抓取装置，或本技术领域内公知的任何其它执行任务的装置。工作工具16可以通过一直接的枢轴、通过一连接系统、通过一个或多个液压缸，或任何其它合适的方式连接到工作机器10。工作工具16可以构造成枢转、旋转、滑动、摆动、提升，或以本技术领域内公知的任何方式相对于工作机器10移动。
操作者界面18可以位于工作机器10的操作者驾驶室内，紧靠一座椅(未示出)，并可包括许多装置来控制部件、零件和工作机器10的功能。在一实例中，操作者界面18可包括一操纵杆控制器36和一踏板38。可以考虑操作者界面18可包括附加的或不同的控制装置，例如，杠杆、开关、按钮、踏板、轮子，以及本技术领域内公知的其它控制装置。
操纵杆控制器36可构造成控制工作工具16的运动。尤其是，操纵杆控制器36可围绕至少一个轴线倾动并正比于移动速度。例如，操纵杆控制器36可相对于工作机器操作者沿向前的位置倾动而致使工作工具16沿第一方向运动。操纵杆控制器36还可相对于工作机器操作者沿向后的位置倾动而致使工作工具16沿与第一方向相对的第二方向运动。操纵杆控制器36沿向前和向后方向可具有一最大和一最小倾动角限值，并可在最大和最小位置之间倾动到任意角度，以沿相关的方向在一最大和最小移动速度之间的对应速度上移动工作工具16。最大移动速度的百分比对操纵杆控制器36的最大倾动角百分比之比可认为是工作工具运动速度增益。可以考虑操纵杆控制器36围绕多个轴线倾动、扭转，和/或以任何其它方式移动。还可以考虑操纵杆控制器36构造成控制除工作工具16运动之外的其它附加的工作机器的功能。还可考虑工作工具16的运动可以受操纵杆控制器36之外的控制装置的控制，例如，滑动机构、轮子机构、踏板，或任何其它合适的装置。
踏板38可以构造成控制工作机器10的移动速度和/或轮缘牵拉扭矩。尤其是，工作机器10的移动速度和/或轮缘牵拉扭矩可以正比于踏板38的致动位置。例如，踏板38可沿第一方向枢转，以指示工作机器10的要求的移动速度和/或轮缘牵拉扭矩在增加。踏板38也可沿与第一方向相对的第二方向枢转以指示工作机器10的要求的移动速度和/或轮缘牵拉扭矩在减小。踏板38可具有沿第一方向的最大枢转限值和沿第二方向的最小枢转限值，并可枢转到最大和最小位置之间的任何位置，以在最大和最小移动速度和/或轮缘牵拉扭矩之间的一对应速度处设定工作机器10的要求的移动速度和/或轮缘牵拉扭矩。最大移动速度的百分比对踏板38的最大枢转角百分比之比可认为是工作机器移动速度增益。最大轮缘牵拉扭矩的百分比对踏板38的最大枢转角百分比之比可认为是工作机器轮缘牵拉扭矩增益。可以考虑工作机器10的移动速度和/或轮缘牵拉扭矩可受踏板38之外的控制装置的控制。例如，一滑动机构、一轮子机构、一操纵杆，或任何其它合适的装置。
控制系统20可以通过一通讯线40与传动机构14的传动控制器30连通，通过一通讯线42与工作工具16连通，通过一通讯线44与操纵杆控制器36连通，以及通过一通讯线46与踏板38连通。控制线40-46可以是数字的、模拟的，或混合型的通讯线。控制系统20可包括一控制模块48、一第一工具识别装置50，以及一第二工具识别装置52。
控制模块48可以是一微处理器，其包括一用来储存和比较信息并用来控制动力源12的操作的装置。控制模块48可实施为一单一的微处理器，或多个微处理器。许多市场上出售的微处理器可以被构造来执行控制模块48的各种功能。应该认识到，控制模块48可容易地实施为能够控制许多工作机器功能的一般的工作机器的微处理器。控制模块48可包括用来储存、比较和控制的任何装置，例如，一存储器，一个或多个数据储存装置，或可用来运行一应用的任何其它部件。此外，尽管本发明的诸方面可以一般地描述为储存在存储器内，但本技术领域内的技术人员将会认识到这些方面可以储存在各种类型的计算机相关的产品或计算机可读介质上，例如，计算机芯片和二次储存装置，其包括硬盘、软盘、光盘、CD-ROM，或其它形式的RAM或ROM。各种其它已知的线路可与控制模块48相关，包括电源线路、信号控制线路、螺线管驱动器线路、通讯线路，以及其它合适的线路。
控制模块48可以构造成改变工作机器10的操作。尤其是，控制模块48可改变一工作工具运动速度增益、一工作机器移动速度增益，和/或一工作机器轮缘牵拉扭矩增益。例如，当一第一工作工具16附连到工作机器10时，控制模块48可实施一第一工作工具运动速度增益、工作机器移动速度增益，或工作机器轮缘牵拉扭矩增益，并当一第二工作工具16附连到工作机器10时，控制模块48可实施一第二工作工具运动速度增益、工作机器移动速度增益，或工作机器轮缘牵拉扭矩增益。可以考虑一第三工作工具运动增益、工作机器移动速度增益，或工作机器轮缘牵拉扭矩增益可在没有工作工具16附连到工作机器10时实施。
第一工具识别装置50可以构造成自动地产生一信号，其指示出哪一个工作工具16附连到工作机器10，并将该信号引导到控制模块48。具体来说，第一工具识别装置50可以通过通讯线42与控制模块48连通。第一工具识别装置50可包括诸如一光学扫描仪、一激光扫描仪、一磁性扫描仪或任何其它合适的扫描仪之类的扫描仪，扫描仪构造成识别与各工作工具16相关的独特的识别码。用于本发明用途的识别码可包括字母、数字、符号、脉冲、电压电平、条形码的结构，或其它的标志、信号、磁场、声波或光波，以及可代表一特定的工作工具的其它结构。识别码可以呈人类可读信息和机器可读信息之一或两种兼而有之的形式。
识别码可以附连到工作工具16并定位成当工作工具16附连到工作机器10上时，由第一工具识别装置50自动地读取。还可以考虑工具识别码包括在一塞头和插座的结构中，其中，一销图形可以独特地附连到一特定的工作机器上并用来识别该特定的工作工具。还可以考虑自动地识别一特定工作工具的其它的装置可以实施为一构造成接受一具有磁性信息或存储器芯片的编码键的开关、一RF遥感勘测系统，或本技术领域内公知的任何其它装置。可以考虑如果需要的话可省略第一工具识别装置50。
控制模块48可替换地构造成响应于一由第二工具识别装置52发出的信号来改变工作机器10的操作。具体来说，第二工具识别装置52可以通过一通讯线54与控制模块48连通。控制线54可以是数字的、模拟的，或混合型的通讯线。第二工具识别装置52可包括手工地输入工作工具识别码的装置，例如，一允许一操作者手工地输入识别码的键盘。可以考虑用来手工地输入的其它装置可替换地实施为一数据端口、其允许与具有识别码的一服务工具连通，一天线、其允许从远处部位接受识别码，一手工操作的扫描仪、其构造成读取一编码的标志，或可接受识别码的任何其它结构。还可以考虑特定的工作工具可从一工作机器显示系统的屏幕上的菜单中进行选择。还可考虑如果需要的话可省略第二工具识别装置52。
图2示出一示范的工作机器增益控制图58。增益控制图58可包括一第一曲线60、一第二曲线62和一第三曲线64。可以考虑对工作机器移动速度增益控制、工作机器轮缘牵拉扭矩增益控制，和/或工作工具运动速度增益控制实施一单独的增益控制图。工作机器增益控制图58将在下节中作详细描述。
工业应用本文所揭示的工作机器控制系统在需要根据一工作工具附件结构精确地控制一工作机器速度和/或扭矩增益的任何系统中找到其潜在的应用。该对于工作机器速度和/或扭矩增益的控制可提供增加的操作者运动效率、工作机器和/或工作工具放置效率，以及工作机器产量。
参照图1，当控制系统20操作时，一特定工作工具的附件可用第一工具识别转换50自动地进行识别，其产生该工作工具的一独特的信号。或者，一对应于特定工作工具的工作工具识别码可通过第二工具识别装置52手工地输入，该第二工具识别装置52产生一该工作工具的独特的信号。然后，从第一工具识别装置50或第二工具识别装置52发出的独特的信号可引导到控制模块48。
控制模块48可接受由第一工具识别装置50或第二工具识别装置52产生的信号，并改变工作机器移动速度增益控制、工作机器轮缘牵拉扭矩增益控制，和/或工作工具运动速度增益，它们可对操作者通过操纵杆控制器36和/或踏板38的输入导致灵敏度变化。例如，增益值1意味着当操纵杆控制器36和/或踏板38致动到最大值的50％的一位置时，工作工具运动速度、工作机器移动速度，和/或工作机器轮缘牵拉扭矩将是最大值的50％。如果对于速度增益曲线的一部分，增益值变化到大于1，则致动操纵杆控制器36或踏板38通过其运动范围的50％，这样可导致速度和/或扭矩变化大于速度和/或扭矩范围的50％。同样地，如果增益值变化到小于1，则致动操纵杆控制器36或踏板38通过其运动范围的50％，这样可导致速度和/或扭矩变化小于速度和/或扭矩范围的50％。这样，增加一增益值可提高操作者通过操纵杆控制器36或踏板38输入的工作工具16或工作机器10的灵敏度。增加灵敏度可提供一响应性很好的工作机器，而不需要操作者运动。降低一增益值可降低操作者通过操纵杆控制器36或踏板38输入的工作工具16或工作机器10的灵敏度。降低操作者输入的工作工具运动或工作机器移动灵敏度可使得工作工具16或工作机器10需要更加精密的放置。
如图2所示，例如，诸如一铲斗之类的第一工作工具可从一具有一大的增益比的线性工作机器增益曲线60中最大程度地得到益处。增益曲线60的直线性可对每操纵杆致动角的变化提供一恒定量的工作工具运动速度变化，和/或对每踏板枢转角变化提供一恒定量的工作机器移动速度或轮缘牵拉扭矩变化。陡峭度或增益比1可允许每致动或角变化引起允许速度、移动速度或轮缘牵拉扭矩的较大变化，由此，导致工作机器10或工作工具对于操作者的输入敏感和易响应。如上所述，对于工作机器速度和/或扭矩增益和对于工作工具速度增益可使用不同的图。
当操作一具有一工作工具16的工作机器时，该工作工具用于从精密的工作工具或工作机器放置中得益的程序中，例如，用于一栈式程序的一叉的附连，一对于操作者输入稍许不太敏感的工作机器可以是理想的。一具有小于1的增益比的第二增益曲线62在与增益曲线60相比时可具有减小的灵敏度，这可允许操作者以相关的工作工具16或工作机器10的减小的速度或扭矩变化量来致动操纵杆控制器36和/或踏板38。该减小的灵敏度可沿一全部的增益曲线或局限于操纵杆控制器36和/或踏板38的运动的一预定范围内施加。第二曲线62的非线性可在要求时允许精密地放置工作机器10和/或工作工具16，并在不需要时允许增加工作机器10和/或工作工具16的灵敏度。
作为另一实例，一没有工作工具16附连的工作机器10可以在若干个模式之一中操作，包括一工作现场之间移动的模式和一工作工具附连模式。当操作在一工作现场之间移动的模式中时，增加的灵敏度得益之处在于每踏板枢转角变化允许较大的工作机器移动速度和/或扭矩变化。然而，在工作工具附连模式中，较小灵敏度控制可允许工作机器10和工作工具16之间更精密地对齐。
因为工作机器移动速度和/或扭矩增益和工作工具运动速度增益可响应于工作工具附连结构进行修改，还因为工作机器移动速度和/或扭矩增益和工作工具运动速度增益可自动地修改，所以，实现了若干个优点。尽管工作机器移动速度和/或扭矩和工作工具运动速度可继续在同样的最大和最小速度之间操作，但在操纵杆控制器36和/或踏板38的特定的致动范围中改变控制的灵敏度的能力，可对工作机器和/或工作工具的放置提供提高水平的控制。此外，因为工作机器移动速度和/或扭矩增益和工作工具运动速度增益与特定的工作工具相关，所以，在工作工具附连时，这些工作工具和工作机器10的操作可以进行优化来提高操作者运动效率和工作机器10的产量。此外，因为增益可根据工作工具附连结构自动地调整，所以，可简化工作机器10的操作和结构。
本技术领域内的技术人员将会明白，对于本发明的控制系统还可以作出各种修改和变化。考虑到本说明书并实践本文所揭示的本发明，本技术领域内的技术人员将会明白控制系统的其它的实施例。应认识到说明书和诸实例只是示范而已，本发明的真正范围由附后的权利要求书及其等价物予以指明。
权利要求
1.一用于具有多个可移去地附连的工作工具的工作机器的控制系统，控制系统包括至少一个操作者输入装置，被构造成控制工作机器的运动速度；一构造成产生对应于各个可移去地附连的工作工具的信号的工具识别装置；以及一与至少一个输入装置和工具识别装置连通的控制器，控制器构造成响应于信号改变工作机器运动速度对输入装置的致动位置的比例。
2.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，运动速度是至少一个工作工具的运动速度。
3.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，运动速度是工作机器的移动速度。
4.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，工具识别装置包括一设置在工作机器上的扫描仪，其构造成自动地识别多个可移去地附连的工作工具中哪一个附连到工作机器上，并响应于识别操作产生信号。
5.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，工具识别装置包括一手工输入机构，其构造成接受一对应于多个可移去地附连的工作工具中哪一个附连到工作机器上的手工输入，并响应于输入操作产生信号。
6.一控制具有多个可移去地附连的工作工具的工作机器的方法，该方法包括接受从一输入装置来的、指示工作机器要求的运动速度的输入；用一工具识别装置来产生一信号，其指示出多个可移去地附连的工作工具中哪一个附连到工作机器上；以及响应于信号改变工作机器运动速度对输入装置的致动位置的比例。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，运动速度是至少一个工作工具的运动速度。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，运动速度是工作机器的移动速度。
9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括用工具识别装置自动地识别多个可移去地附连的工作工具中哪一个附连到工作机器上。
10.一工作机器，包括多个可移去地附连的工作工具；以及如权利要求1-5中任何一项所述的控制系统。
全文摘要
提供一用于具有多个可移去地附连的工作工具的工作机器的控制系统。控制系统具有至少一个操作者输入装置，其构造成控制工作机器的运动速度。控制系统还具有一构造成产生对应于各个可移去地附连的工作工具的信号的工具识别装置，以及一与至少一个输入装置和工具识别装置连通的控制器。控制器构造成响应于信号改变工作机器运动速度对输入装置的致动位置的比例。
文档编号G05B15/02GK1749896SQ20051009394
公开日2006年3月22日 申请日期2005年8月26日 优先权日2004年8月26日
发明者K·A·凯西 申请人:卡特彼勒公司