用于重型设备的控制系统和方法 |
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| 申请号 | CN201180054575.6 | 申请日 | 2011-09-07 | 公开(公告)号 | CN103210152A | 公开(公告)日 | 2013-07-17 |
| 申请人 | 卡特彼勒环球矿业有限责任公司; | 发明人 | L·霍本谢尔德; | ||||
| 摘要 | 重型设备包括主体、传动系、工作机具和控制系统。传动系包括第一 致动器 和第二致动器，并且联接到主体并构造成便于重型设备的运动。传动系的第一和第二致动器提供用于重型设备的运动的速率和方向两者。工作机具包括第三致动器和第四致动器，并且联接到主体。第三和第四致动器提供工作机具的 位置 和定向。用于重型设备的控制系统包括第一和第二主 接口 装置及第一和第二辅助接口装置，其中控制系统允许操作人员同时控制传动系和工作机具。第一主接口装置构造成由操作人员的第一只手操作，控制系统至少根据由第一主接口装置提供的 信号 操作第三致动器。第一辅助接口装置与第一主接口装置成整体，并构造成用于由第一只手的 手指 与第一主接口装置同时操作。控制系统至少部分地根据由第一辅助接口装置提供的信号来操作第一致动器。第二主接口装置构造成由操作人员的第二只手操作，控制系统至少部分地根据由第二主接口装置提供的信号操作第四致动器。第二辅助接口装置与第二主接口装置成整体，并构造成适于由第二只手的手指与第二主接口装置同时操作。控制系统至少部分地根据由第二辅助接口装置提供的信号操作第二致动器。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种重型设备，包括: 主体； 传动系，所述传动系联接到所述主体并且构造成便于所述重型设备的运动，其中所述传动系包括: 第一致动器，和 第二致动器，其中第一致动器和第二致动器提供所述重型设备的运动速率和运动方向两者； 联接到所述主体的工作机具，其中所述工作机具包括: 第三致动器，和 第四致动器，其中第三致动器和第四致动器提供所述工作机具的位置和定向； 用于所述重型设备的控制系统，所述控制系统允许操作人员同时控制所述传动系和所述工作机具，所述控制系统包括: 构造成由操作人员的第一只手操作的第一主接口装置，其中所述控制系统至少部分地根据由所述第一主接口装置提供的信号来操作所述第三致动器； 与所述第一主接口装置形成整体的第一辅助接口装置，其中所述第一辅助接口装置构造成适于由所述第一只手的手指与所述第一主接口装置同时操作，并且所述控制系统至少部分地根据由所述第一辅助接口装置提供的信号来操作所述第一致动器； 构造成由操作人员的 第二只手操作的第二主接口装置，其中所述控制系统至少部分地根据由所述第二主接口装置提供的信号来操作所述第四致动器；和 与所述第二主接口装置形成整体的第二辅助接口装置，其中所述第二辅助接口装置构造成适于由所述第二只手的手指与所述第二主接口装置同时操作，并且所述控制系统至少部分地根据由所述第二辅助接口装置提供的信号来操作所述第二致动器， |
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| 说明书全文 | 用于重型设备的控制系统和方法[0001] 相关申请的交叉引用 [0002] 本申请要求2010年9月14日提交的美国申请N0.12/882，101的权益，该美国申请以全文引用的方式并入本文中。 技术领域[0003] 本发明总的涉及控制系统的领域，诸如用于操作重型设备的控制系统。 背景技术[0004] 重型设备通常借助于诸如方向盘、杆件、变速杆等手控制器和诸如用于离合器、油门和制动器操作的踏板之类的脚控制器两者来操作。因此，借助于手控制器和脚控制器两者，操作人员可驾驶重型设备并且还操作重型设备的工作机具如钻具、铲斗、破碎器或其它机具。 发明内容[0005] 一个实施例涉及包括主体、传动系、工作机具和控制系统的重型设备。传动系包括第一致动器和第二致动器，并且联接到主体并构造成便于重型设备的运动。传动系的第一和第二致动器提供用于重型设备的运动速率和运动方向两者。工作机具包括第三致动器和第四致动器，并且联接到主体。第三和第四致动器提供工作机具的位置和定向。用于重型设备的控制系统包括第一和第二主接口装置及第一和第二辅助接口装置，其中控制系统允许操作人员同时控制传动系和工作机具。第一主接口装置构造成由操作人员的第一只手操作，并且控制系统至少部分地根据由第一主接口装置提供的信号来操作第三致动器。第一辅助接口装置与第一主接口装置形成整体，并且构造成由第一只手的手指与第一主接口装置同时操作。控制系统至少部分地根据由第一辅助接口装置提供的信号来操作第一致动器。第二主接口装置构造成由操作人员的第二只手操作，并且控制系统至少部分地根据由第二主接口装置提供的信号来操作第四致动器。第二辅助接口装置与第二主接口装置形成整体，并且构造成用于由第二只手的手指与第二主接口装置同时操作。控制系统至少部分地根据由第二辅助接口装置提供的信号来操作第二致动器。 [0006] 另一个实施例涉及构造成用于采矿、挖掘和建筑应用的重型设备。该重型设备包括主体、传动系、工作机具和控制系统。主体构造成支承重型设备的操作人员。传动系联接到主体并且构造成便于重型设备的运动。此外，传动系包括第一致动器、第一履带、第二致动器和第二履带，其中第一致动器联接到第一履带且第二致动器联接到第二履带。第一和第二致动器驱动相应履带。工作机具联接到主体，并且包括第三致动器和第四致动器。第三和第四致动器提供工作机具的位置和定向。用于重型设备的控制系统包括第一操纵杆、第一开关、第二操纵杆和第二开关，并且联接到主体，从而允许操作人员从主体同时控制传动系和工作机具。控制系统至少部分地根据由第一操纵杆提供的信号来操作第三致动器。第一开关与第一操纵杆形成整体，并且控制系统至少部分地根据由第一开关提供的信号借助于第一致动器来操作第一履带。由第一开关提供的信号独立于由第一操纵杆提供的信号。控制系统至少部分地根据由第二操纵杆接口装置提供的信号来操作第四致动器。第二开关与第二操纵杆形成整体，且控制系统至少部分地根据由第二开关提供的信号借助于第二致动器来操作第二履带。由第二开关提供的信号独立于由第二操纵杆提供的信号。第一和第二开关可各自用来改变相应履带的转动速率和方向，共同控制重型设备的速率和方向。 [0007] 又一个实施例涉及一种用于操作两个或更多个子系统的控制系统。该控制系统包括第一操纵杆、第一辅助接口装置、第二操纵杆和第二辅助接口装置。第一操纵杆可沿至少四个方向运动，并提供至少部分地与第一操纵杆的运动方向有关的第一信号。第一辅助接口装置与第一操纵杆的一侧形成整体并联接到该侧。此外，第一辅助接口装置可在至少两个位置操作，并提供至少部分地与第一辅助接口装置的操作位置有关的第二信号。第二操纵杆可沿至少四个方向运动，并提供至少部分地与第二操纵杆的运动方向有关的第三信号。第二辅助接口装置与第二操纵杆的一侧形成整体并联接到该侧。此外，第二辅助接口装置可在至少两个位置操作，并提供至少部分地与第二辅助接口装置的操作位置有关的第四信号。第一和第三信号一起至少部分地控制工作机具子系统的操作，并且第二和第四信号一起至少部分地控制推进子系统的操作。工作机具和推进子系统可借助于相应操纵杆和辅助接口装置彼此独立地同时控制。 [0009] 根据以下结合附图进行的详细描述，将更加充分地理解本发明，在附图中: [0010] 图1是根据一个示例性实施例的电动绳式铲运机/挖掘机的透视图。 [0011] 图2是根据一个示例性实施例的控制系统的透视图。 [0012] 图3是根据一个示例性实施例的控制系统的示图。 [0013] 图4是根据一个示例性实施例的操纵杆的透视图。 [0014] 图5是图4的操纵杆之一的侧视图。 [0015] 图6是图5的操纵杆的后视图。 [0016] 图7是根据另一个示例性实施例的操纵杆的透视图。 具体实施方式[0018] 参照图1，形式为电动绳式铲运机110的重型设备包括主体112、传动系114(例如，马达、变速箱、旋转轴、履带、车轮等)和工作机具116 (例如，铲、刃形板、叉、伊、锯、振动板和相关的导引结构)。电动绳式铲运机110被设计成在采矿应用期间挖掘表土和矿石。然而，尽管图1示出了电动绳式铲运机110形式的重型设备，但在另一些实施例中，宽范围的重型设备和其它系统受益于本文描述的创新，包括机动铲运机、小型挖掘机、拉铲挖掘机、反铲挖掘机、机动钻机、推土机、叉车、起重机和用于建筑、采矿或其它应用的其它重型设备。[0019] 电动绳式铲运机110的主体112包括操作人员驾驶室118和与为传动系114和工作机具116提供动力相关的构件。操作人员(例如，参看如图2所示的操作人员214)可坐在驾驶室118中并借助于控制系统(例如，参看如图2所不的控制系统210)来控制传动系114和工作机具116。在另一些实施例中，操作人员可位于与重型设备分离的控制中心，和/或重型设备可以是部分或完全自动化的。在一些实施例中，与为传动系114和工作机具116提供动力相关的构件包括发电机组(例如，柴油发电机)、电驱动装置(例如，变换器)、回转与起重马达和相关的传动装置以及其它构件。 [0020] 根据一个示例性实施例，电动绳式铲运机110的传动系114的构件包括便于电动绳式铲运机Iio运动的履带120、122 (S卩，推进装置)。履带120、122的转速控制电动绳式铲运机110的速率，并且履带120、122的相对转速的差使电动绳式铲运机110转向。例如，当右履带12沿向前方向转动且左履带122沿向后方向转动时，电动绳式铲运机110左转。或者，如果两个履带120、122都沿向前方向转动，但左履带122转动得比右履带120快，则电动绳式铲运机110右转。在另一些实施例中，重型设备使用不同于履带的运动元件，诸如车轮、浮筒(pontoon)等。 [0021] 根据一个示例性实施例，电动绳式纟产运机110还包括工作机具116,该工作机具116包括由联接到吊杆/柄柱(stick) 128 (例如，铲斗)的悬臂126形成的铰接臂124。吊杆128可相对于悬臂126平移和/或转动。铲斗130联接到吊杆128并被设计成收集表土和矿石。吊杆128诸如借助于液压缸、收放绳(例如，金属缆索)、齿条齿轮机构和/或其它系统相对于悬臂126的平移运动便于铲斗130的推挤。起重绳132使铲斗130可控制地升降。联接到主体112的回转马达(大体参看如图3所示的致动器338)允许相对于履带120、122的主体112的转动(例如，摆动)和铲斗130的相应运动。 [0022] 现参照图2，控制系统210包括用于操作人员214的支承结构212 (例如，座椅、凳子、平台等)和一个或多个主接口装置216、218 (例如，控制器、操纵杆、鼠标)。在一些实施例中，控制系统210附接到重型设备的驾驶室和/或主体(例如，参看如图1所示的电动绳式铲运机110的驾驶室118、主体112)上。在另一些设想的实施例中，控制系统210相对于由其控制的一个或多个系统位于远处并与所述系统电磁通信。 [0023] 根据一个示例性实施例，当操作人员214由支承结构212支承时，操作人员214可到达主接口装置216、218。在一些这样的实施例中，支承结构212还包括扶手220，并且主接口装置216、218联接到扶手220。在另一些这样的实施例中，主接口装置216、218联接到控制台、桌子或接近支承结构212的另一结构。主接口装置216、218相对于操作人员214和相对于彼此的位置可以是可调节的或固定的。根据一个示例性实施例，当操作人员214由支承结构212支承(例如，坐下)时，主接口装置216、218相对于操作人员214位于彼此大体相同的竖直高度处。此外，当操作人员215由支承结构212支承时，主接口装置216、218位于与操作人员214大约相同的距离处。 [0024] 根据一个示例性实施例，主接口装置216、218中的一个构造成由操作人员214的左手222操作，而主接口装置216、218中的另一个构造成由操作人员214的右手224操作，从而允许操作人员控制一个或多个子系统。与主接口装置216、218形成整体(例如，附接到其上、从其延伸、与其连接、与其接触)的辅助接口装置226、228可按照人机工程学定位在主接口装置216、218上，从而允许操作人员214在操作主接口装置216、218的同时使用手222、224的手指(例如，食指、拇指、中指与无名指两者一起，等等)对一个或多个另外的子系统进行控制。 [0025] 在一些实施例中，主接口装置216、218与辅助接口装置226、228相结合的使用允许操作人员214在不使用脚踏板的情况下控制子系统。申请人认为，手操作的主接口装置和辅助接口装置216、218、226、228由于与手和手指相关联的精细动作技能而允许提高性能。此外，申请人认为，当前描述的用手操作的主接口装置和辅助接口装置216、218、226、228 (代替脚踏板)使得操作人员214对支承结构212感到更舒适。例如，操作人员214在操作用手操作的主接口装置和辅助接口装置216、218、226、228时可以自由调节腿部位置。因此，在一些实施例中，在不影响控制系统210的操作的前提下，未设置脚踏板来控制某些子系统，诸如传动系子系统(例如，参看如图1所示的传动系114)。在另一些实施例中，脚踏板用于一些子系统的直接或交替控制。 [0026] 参照图3，重型设备310包括控制系统312、传动系314和工作机具316。控制系统312包括两个或更多主接口装置318、320，并且各个主接口装置318、320包括与其形成整体的至少一个辅助接口装置322、324。根据一个示例性实施例，各主接口装置318、320构造成提供与相应主接口装置沿向前、向后、向左、向右方向或它们的结合的运动有关的信号326、328(例如，评论、指令、指导)。各辅助接口装置322、324提供信号330、332，该信号330、332独立于由相应主接口装置318、320提供的信号326、328。根据一个示例性实施例，辅助接口装置322、324构造成提供与沿向前和向后方向的运动有关的信号330、332。 [0027] 根据一个不例性实施例,传动系314包括第一致动器334(例如，电动机、内燃发动机、液压马达、线性致动器、液压缸、螺线管)和第二致动器336。工作机具316包括第三致动器338和第四致动器340。根据这样一个实施例，由第一辅助接口装置322提供的信号326控制第一致动器334且由第二辅助接口装置324提供的信号328控制第二主致动器336。由第一主接口装置318提供的信号330控制第三致动器338，而由第二主接口装置320提供的信号332控制第四致动器340。 [0028] 在所设想的实施例中，由第一主接口装置318提供的信号330还控制第五致动器342，而由第二主接口装置320提供的信号还控制第六致动器344。在至少一个这样设想的实施例中，第一致动器334和第二致动器336包括驱动重型设备的相应履带(例如，参看如图1所示的履带120、122)的液压马达，第三致动器338包括用于重型设备的主体(例如，参看如图1所示的主体112)相对于履带转动的回转马达，第四致动器344包括用于使悬臂(例如，参看如图1所示的悬臂126)相对于主体转动的液压缸，第五致动器342包括用于使吊杆(例如，参看如图1所示的吊杆128)相对于悬臂运动(例如，转动、平移)的液压缸，并且第六致动器344包括用于使铲斗(例如，参看如图1所述的铲斗130)相对于吊杆转动的液压缸。在另一些实施例中，主接口装置和辅助接口装置318、320、322、324提供用于控制其它致动器、其它数量的致动器、致动器的其它运动等的信号。 [0029] 仍参照图3，重型设备310还包括第一控制器346和第二控制器348 (例如，计算机、驱动装置、变换器、阀组件等)，其中各控制器346、348构造成独立于另一者地操作。根据一个示例性实施例，第一控制器346与工作机具316相关，而第二控制器348与传动系314相关。因此，来自主接口装置318、320的信号330、332被提供给第一控制器346，而来自辅助接口装置322、324的信号326、328被提供给第二控制器348。[0030] 在一些实施例中，控制器346、348包括与各接口装置相关并构造成控制通向相应电动机致动器的电力的流动(例如，频率、振幅、电流、电压、功率等)的变换器或驱动装置。变换器或驱动装置可与控制系统312的主接口装置和辅助接口装置318、320、322、324形成整体或单独设于重型设备310上。在另一些设想的实施例中，控制器346、348包括构造成控制通向液压致动器的加压液力流体的流动的阀(例如，由螺线管操纵的插装式阀系统)。 [0031] 现参照图4-6，操纵杆410、412均包括辅助接口装置414、416、418、420、422(图5)。一个操纵杆410具体地构造成用于由操作人员的左手(例如，参看如图2所示的左手222和操作人员214)操作，而另一个操纵杆412具体地构造成用于由操作人员的右手操作(例如，参看如图2所示的右手224)。在一些这样的实施例中，操纵杆410、412彼此成镜像，具有关于在操纵杆410、412之间限定的中心平面对称地设置的弯曲部和辅助接口装置414、416、418、420、422。在另一些实施例中，操纵杆包括不同的轮廓和/或辅助接口装置。 [0032] 根据一个示例性实施例，各个操纵杆410、412都可沿至少四个方向如向前、向后、向左和向右转动。在一些实施例中，各个操纵杆410、412都具有球接头或万向接头，并构造成围绕球接头或万向接头以至少两个自由度自由转动(即，可完全360度运动)。在又一些实施例中，操纵杆410、412中的一个或多个被限制成单个自由度，如围绕固定轴线向前或向后转动。 [0033] 根据一个示例性实施例，各个操纵杆410、412的操作被用来产生至少部分地与相应操纵杆410、412的位置、运动、速率、转动、平移、负载和/或另一种状态有关的信号(例如，电信号、机械运动、流体流动、光信号等)。根据这样一个实施例，诸如开关、电位器、可变电阻器、传感器(例如，载荷传感器、加速度计)之类的电子一机械构件和/或其它构件联接到操纵杆410、412并提供响应于操纵杆410、412的状态的信号。 [0034] 该信号可以是模拟或数字信号。在一些实施例中，模拟信号转换为数字信号、被滤波并由相关的计算机调节。在另一些实施例中，机械或液压联动装置传输该信号。在又一些实施例中，使用其它方法来将操纵杆的状态转换为对应的信号。根据一个示例性实施例，由操纵杆410、412提供的信号用来控制重型设备的工作机具，如铲斗(例如，参看如图1所示的铲斗130)相对于地面的运动。在另一些实施例中，由第一和第二操纵杆提供的信号控制与重型设备相关的子系统的其它特征结构或操作(例如，铲推挤、犁角、调节破碎器定向控制等)。 [0035] 仍参照图4-6，操纵杆410、412还包括辅助接口装置414、416。在一些实施例中，用于各操纵杆的辅助接口装置414、416、418、420、422包括开关414、416(例如，摇臂开关)。根据一个示例性实施例，各开关414、416沿对应的操纵杆410、412的纵向轴线纵向定向，并相对于操纵杆410、412运动(例如，滑动、摇动、转动)。在一些这样的实施例中，开关414、416位于操纵杆410、412的后侧、朝着彼此向内倾斜并且按照人机工程学地构造以便由操作人员的拇指控制。根据一个示例性实施例，左操纵杆410上的开关414用来控制重型设备的左履带(例如，推进功能)，而右操纵杆412上的开关416用来控制右履带。 [0036] 在一些实施例中，开关414、416是摇臂开关，且各开关414、416的运动被限制为绕单个轴线转动(即，两个方向)，并提供与绕该轴线的转动的方向和量成比例/成正比/相称的控制信号(例如，与速率、方向、力矩等相关)。因此，相应履带的转动方向对应于开关414、416转动的方向，而相应履带的转速对应于开关414、416转动的程度。控制信号可与该运动线性地相关、指数地相关或以其它方式相关。在另一些设想的实施例中，一个或多个摇臂开关可沿多于两个方向转动，以借助于例如单个开关控制一个或多个子系统的多个参数(例如，方向和速率)。 [0037] 参照图7,另一个操纵杆(还参看如图4-6所示的操纵杆410、412)具有包括按钮514、516、518、520、522的辅助接口装置512。在另一些设想的实施例中，按钮514、516、518、520,522中的一个或多个可代之以操纵杆的手指凹槽或轮廓。各按钮514、516、518、520、522的运动被限制为以单个自由度平移，例如出入操纵杆。在一些实施例中，按钮514、516、518,520,522中的一个或多个提供与按钮514、516、518、520、522被操作的次数成比例/成正比/相称的控制信号。在一些实施例中，辅助接口装置512可在同一个操纵杆上包括两个或更多这样的按钮514、516、518，其中一个按钮514与重型设备的运动元件的向前方向相关且另一个按钮516与其向后方向相关，或者其中一个按钮514与速度、力矩、负荷等的增加相关且另一个按钮516与工作机具的减少相关。另一些按钮518、520、522可将信号重置为初始设定、提供停止信号、提供维持当前设定的指令、将表土从铲斗释放到拖运卡车中或提供其它指令。 [0038] 在一些实施例中，按钮514、516、518、520、522中的一个或多个提供与按钮514、516、518、520、522被保持下压的时长、自按钮514、516、518、520、522首次被按压以来的时长、施加至按钮514、516、518、520、522的力和/或另一个交互参数成比例/成正比/相称的信号。在一个这样设想的实施例中，在按压第一按钮时，控制计算机提供在第二按钮被按压之前或在第一按钮被第二次按压之前缓慢增加的速率、负荷、转速等的斜升。 |
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