手动控制装置和方法 |
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| 申请号 | CN201380012819.3 | 申请日 | 2013-03-04 | 公开(公告)号 | CN104160097A | 公开(公告)日 | 2014-11-19 |
| 申请人 | 卡特彼勒公司; | 发明人 | C·M·埃利奥特; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种用于机器(100)的手动控制装置(406)，其包括具有可变阻尼器(412)的 手柄 (409)，所述可变阻尼器配置成响应于控制 信号 (516)而改变其 刚度 。移位 传感器 (417)提供指示手动控制装置手柄的移位的移位信号(508)。 控制器 (402)与可变阻尼器(412)、手动控制装置(406)、移位传感器(417)和 致动器 (404)相关联。所述控制器(402)确定致动器的当前运行状态，基于所述移位信号(508)确定提供给致动器(404)的命令(511)，并提供 控制信号 以使可变阻尼器(412)变刚硬，使得所述手柄(409)的移位被限制于该手柄(409)的同致动器(502)的当前运行状态与致动器(504)的最大允许运行状态之间的差(507)对应的附加位移。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种机器(100)，该机器具有基于由操作者提供的命令而运行以使所述机器(100)的机具(128)移位的致动器(122)，所述命令以操作者使手动控制装置(406)的手柄(409)移位的形式来提供，所述移位发生在所述手柄(409)的作动方向上，所述机器(100)包括： |
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| 说明书全文 | 手动控制装置和方法技术领域[0001] 本发明总体上涉及手动控制装置，更具体地涉及向使用者提供触觉信息的手动控制装置。 背景技术[0002] 具有机具的机器通常由控制装置的组合来控制。例如，操作者可使用一个装置——例如方向盘或方向杆——使机器移动到所需的方向，使用另一不同的装置——例如踏板或控制杆——使机器加速和减速，使用又一不同的装置——例如操纵杆——来操作机器的机具，例如铲斗或铲状部。 [0003] 当机器、例如挖掘机正在运行时，它们常常在受限区域中运行并且被不可移动的物体、如建筑结构包围，或被有害状况、如电力线包围。在这些状况中，需要保持对作业机具的运动的准确和精确的控制以确保安全的机器运行。目前，诸如挖掘机、起重机等的机器使用操纵杆型控制装置来控制其机具的运动。这些操纵杆可具有两个、三个或更多个运动自由度，其中每一个自由度对应于作业机具的运动的特定方向或类型。当操作者操纵控制装置时，操作者可简单地以各种方式移动该控制装置用以实现作业机具的所需的定位和轨迹。 [0004] 当操作这类机构时，小心地控制作业机具的位置和运动使得避免对作业机具的位置的调整过度是明智的。目前，作业机具的仔细定位是由操作者的经验和洞察力来确定的。然而，经验不足或疏忽的操作者有时可能在存在障碍时过渡调整机具的位置或过度补偿所需的移动机具的力，结果使机具处于不希望的位置。这些情况目前还无法避免。 发明内容[0005] 一种机器，其具有基于由操作员提供的命令运行以移动机具的致动器。所述命令通过操作者使手动控制装置的手柄移位来提供。手柄的移位发生在所述手柄的作动方向上。所述机器包括与所述手柄相关联并且可以与手柄一起移位的可变阻尼器。可变阻尼器配置成响应于控制信号而选择性地改变其刚度。移位传感器与所述可变阻尼器相关联并配置成提供指示所述手柄的移位的移位信号。控制器与可变阻尼器、手动控制装置、移位传感器和致动器相关联。所述控制器设置成确定致动器的当前运行状态，基于移位信号确定提供给致动器的命令，并且提供控制信号以使可变阻尼器变刚硬，使得所述手柄的移位限于手柄的同致动器的当前运行状态与该致动器的最大允许运行状态之间的差对应的附加移位。 [0006] 在另一方案中，本发明描述了向用于系统的手动控制装置的操作者提供触觉信息的方法。手动控制装置可包括适合操作者使用以发出命令的手柄，所述命令以手柄在作动方向上的移位的形式提供，其中移位的程度指示了每个命令的大小。该方法包括选择性地改变与手柄相关联的可变阻尼器的刚度，基于手柄的移位确定当前命令，基于系统的能力确定可允许的最大可能命令，以及在当前命令接近最大可能命令时通过使可变阻尼器变刚硬而将手柄的移位限制于手柄的附加移位。在一个实施例中，手柄的附加移位同当前命令与最大可能命令之间的差对应。 [0007] 在又一方案中，本发明描述了经由至少一个可变阻尼器安装至机器的正力产生装置。可变阻尼器配置成响应于控制信号选择性地改变其刚度。该(正力产生)装置能通过可变阻尼器的压缩或延伸而在脉冲力的施加方向上移动。正力产生装置包括移位传感器，该移位传感器与可变阻尼器相关联并且配置成提供指示所述装置的移位的移位信号。控制器与可变阻尼器、所述装置和移位传感器相关联。控制器选择性地提供控制信号以改变可变阻尼器的刚度。马达可响应于来自控制器的命令信号，其具有连接至该马达的输出轴的质量。该质量具有关于马达的输出轴的转动轴线偏置的重心。编码器配置成向控制器提供转动信号，该转动信号指示所述质量相对于所述装置的转动位置。控制器配置成基于转动信号和移位信号向马达提供命令信号和向可变阻尼器提供控制信号，使得沿着预定方向选择性地提供脉冲力。附图说明 [0008] 图1-3是根据本发明的机器的多个视图。 [0009] 图4是用于根据本发明的机器的机具控制系统的方框图。 [0010] 图5是根据本发明的控制的方框图。 [0011] 图6是各种信号的时间图以说明根据本发明的用于力的定向施加的控制原理。 具体实施方式[0013] 本发明描述了关于具有作业机具的机器的示例性实施例。作业机具的操作可以通过致动器的响应于来自机器控制器的控制信号的选择控制来执行。在一个实施例中，手动控制装置配置成响应于经控制手柄的适当移位的使用者输入来控制致动器。控制手柄构造成向使用者或操作者提供指示机具致动器的负载状态或运行状况的触觉反馈。触觉反馈可以是抵抗手柄移位的选择性变化阻力的形式，使得避免发出超过当前动力能力的命令。触觉反馈还可包括正力反馈，其趋向于在手柄向致动器下达超过系统的当前能力的命令时推动手柄。尽管所描述的实施例涉及机器机具的控制，但与手动控制装置有关的结构和方法在涉及人机界面和控制的应用中具有普遍应用。 [0014] 本文所用术语“机器”是指执行与例如采矿、建筑、农业、运输、海洋行业或现有技术中已知的任何其它行业相关的一些操作类型的任何机器。例如，虽然一些视图中示出了挖掘机，但是所述机器通常可以是地面移动机器，诸如轮式装载机、挖掘机、翻斗车、反铲挖土机、自动平地机，或者可替代地是任何其它类型的机器，例如材料处理机、机车、摊铺机等。类似地，虽然示例性的铲斗作为所示挖掘机的附接机具示出，但是可以利用和采用任何机具以用于包括例如装载、压实、提升、涂刷的各种任务，并且机具包括例如铲斗、压实器、叉形提升装置、刷子、抓斗、切割器、剪切器、刀片、破碎器/锤、螺旋钻，以及其它。 [0015] 考虑到上述情况，出于说明性目的图1示出了挖掘机100。挖掘机100包括底架(底盘，undercarriage)102和上部结构104。也示于图3的底架102包括大致H形的框架106——该框架支承沿其边缘的两个履带108，并且包括支承靠近其中心的环形齿轮112的柱110。履带108通过链齿轮107移动，链齿轮107通过连接至框架106的液压驱动马达或电驱动马达109转动。环形齿轮112包括沿其内周缘设置的多个齿114，所述多个齿与由摆动马达118供给动力的驱动链齿轮116啮合。参见图2，摆动马达118连接至上部结构 104，使得驱动链齿轮116的转动引起上部结构104的相对于底架102的相对转动。 [0016] 现在参见图1和2，上部结构104包括吊杆(吊臂，悬臂)120，该吊杆可枢转地连接至上部结构框架121并且通过两个吊杆致动器122的使用而枢转。通常也被称为杆的臂124可枢转地连接在吊杆120的端部处并且通过臂致动器126枢转。铲斗128连接在臂124的端部处并且通过铲斗致动器130枢转。吊杆致动器122、臂致动器126和铲斗致动器130在图中均具体化为线型液压缸，该液压缸配置成通过液压流体选择性出入液压活塞的一侧而延伸和缩回。可以部分地通过由占据驾驶室132的操作者适当操作各种控制装置来控制机器100的各种功能。摆动马达118可通过液压或电动动力来供电。 [0017] 图4示出了关于用于机器100的机具控制系统400的方框图。“机具”一词在此总地指机器100上的通过致动器移动的任何装置。在所示实施例中，机具被认为是铲斗128，各种致动器提供了铲斗128的四个自由度的运动，即，摆动马达118运转以使吊杆120和臂124与铲斗128一起相对于底架102转动，吊杆致动器122运转以使吊杆120升起和降低，臂致动器126使臂相对于吊杆枢转，以及铲斗致动器130使铲斗128相对于臂124倾斜。可以理解的是，摆动马达118、吊杆致动器122、臂致动器126和铲斗致动器130中的每一者的运转都将独立地引起铲斗128的在三维空间中的四个不同轨迹中的一个轨迹上的转动运动或弧形运动。 [0018] 参见机具控制系统400，提供给上述致动器中的每一者以引起机具移位的命令产生于控制器402。控制机器机具的位置和运动的致动器404在图4中总体示出。控制器402可以是电子控制器，其配置成向机器100的运转以影响各致动器404的激活的构件或系统提供适当的信号。由控制器402提供的命令信号基于由手动控制装置406提供的命令信号。信息可通过专用的致动器通信线路403被提供给致动器，所述致动器通信线路与其它致动器激活装置——诸如机电液压流体阀等——通信。手动控制装置406可以是用于控制机器 100的运行的多个操作者-控制装置中的一者。虽然仅示出了一个装置406，然而其它控制装置也可以连接至控制器402，但为了简单起见而未在图4中示出。 [0019] 控制器402还经由通信线路407与其它机器系统408通信。其它机器传感器和系统408在图4中总地以单方框示出，并且包括机器的发动机或其它原动机、流体泵、传动装置以及其它。机器的这类装置或系统可向控制器402提供反馈信息——所述反馈信息指示各系统或构件的运转状态，在某些实施例中，可包括关于这些系统的动力输出饱和程度的信息。本文中的“动力输出饱和”用于描述各装置的可用动力输出部分相对于该装置的总动力输出能力。 [0020] 因此，反馈信息可包括指示那些系统的占空比的信号、那些系统的动力输出作为那些系统的动力输入的百分比的程度(大小)、以及任何向控制器402指示在手动控制装置406提供最大化命令的情况下所能提供的动力输出的比率和大小的信息。例如，当提升铲斗128中的接近吊杆致动器122的提升能力的重负载时，监测和控制那些致动器的运转的对应的子系统可以向控制器402提供这样的指示，即，吊杆致动器122中的一个或多个已接近其输出力能力并且对附加提升力命令具有受限的响应。可以向参与使机器的作业机具移动或执行其它机器功能的其它致动器404中的每一者提供类似的指示。来自致动器404和机器系统408的这个和其它信息经由致动器通信线路403和/或通信线路407提供给控制器402。 [0021] 在所示实施例中，手动控制装置是操纵杆型控制装置，其具有与三个触觉控制和反馈组件410连接的手柄409。每个组件410包括阻尼器装置412，该阻尼器装置具有能响应于由控制器402经由专用控制线路414提供的控制信号而调节的刚度和/或运动范围。在所示的实施例中，各阻尼器装置412都是磁流变(MR)流体力反馈阻尼器。采用MR流体性能的阻尼器可典型地包括由磁场控制的流体，该磁场通常由电磁体416引起。这样，可以通过适当地控制磁场的强度和其它特性来精细地控制MR阻尼器的减振特性。例如，可以通过控制供给到电磁体的电流来控制阻尼器中的MR流体的粘度。在替代实施例中，各阻尼器装置都可以是液压活塞装置，在该装置中单个活塞或两个对向的活塞在流体流进和流出活塞容积时移动。流体流进和流出活塞容积的流量可受控于机电阀，该机电阀响应于由控制器提供的控制信号运行以选择性地调节流过其中的流体(流量)。这样，可以通过机电阀的控制来无级地控制各阻尼器装置的刚度。在本发明中，具有可变刚度能力的阻尼器可统称为可变阻尼器，该术语可被视为包括具有可变刚度能力的任何类型的阻尼器装置，包括MR流体阻尼器或具有如上所述的用于调节流过其中的流体流量的阀的液压阻尼器。 [0022] 现在回到所示实施例，各种类型的MR流体阻尼器适合于与阻尼器装置412一起使用。美国专利US 7,234,575中描述了适于在车辆悬架系统中使用的MR流体阻尼器412的一个示例。MR流体阻尼器的另一示例在美国专利US 7,775,333中描述。通过引用将这两篇专利文献的全部内容纳入本文。 [0023] 在本发明的一个实施例中，阻尼器可包括通过流动通路连通的两个腔室，所述流动通路在所述两个腔室之间具有预定的流动孔口。流动孔口的面积可以在电磁体416的有效范围内。构造成在移动时改变腔室的容积的柱塞可以用于在阻尼器经受压缩或拉伸轴向力时迫使流体通过所述孔口。通过所述孔口的MR流体的粘度——其取决于当电流穿过电磁体时产生的场的强度——将决定使阻尼器移动所需的力。在替代实施例中，可以使用其它MR流体阻尼器装置。例如，当被置于同轴缸体之间时MR流体可能承受剪切应力，或者被捕获在位于两个可移动壁之间的多孔材料内。在任一种情况下，使剪切体部或壁移动所需的力都将取决于作用在一部分流体上的磁场的强度。在又一实施例中，包含磁体的活塞可与电磁体一起设置在缸体内，使得移动活塞所需的力取决于电磁体的磁场和极性。 [0024] 在图4所示的实施例中，阻尼器装置412中的每一者都构造成通过手柄409的运动而沿轴向压缩或延伸。与各阻尼器装置412相关联的磁体416响应于来自控制器402的通过线路414提供的信号以改变使各阻尼器412移动所需的力，并且在需要时甚至可以运行以选择性地停止各阻尼器装置412的运动。各阻尼器装置412还包括位置传感器或编码器417，其配置成例如经由通信线路414向电子控制器402提供指示各阻尼器装置412的移动状态和移动速度的反馈信号。阻尼器装置412的程度和移位表明了手柄409移位的程度和速度，其被视为对由操作者进行的机具致动的程度和速度的指示。 [0025] 在所示的实施例中，手动控制装置406还包括可选的蜂鸣器或转动质量组件418。组件418包括马达420，其具有连接到所述马达的输出轴的偏心重块422，使得当马达420运行时引起振动。振动的频率取决于马达420的速度，振幅取决于重块422的质量和/或重块422的转动惯量的调节能力。轴编码器424可提供指示偏心重块422的相对于参考方向的转动位置的信息。对马达420的运行及速度的控制以及来自轴编码器424的信息，可以通过蜂鸣器通信和命令线路426在那些装置与电子控制器402之间交换。然而，蜂鸣器 418是可选的并且可略去。例如，某些机器应用可固有地具备可在操作者驾驶室中、具体地在手动控制装置的手柄409中被感知的预定的或随机的振动分布(vibration profile)。这种固有的振动可以是机器的发动机振动、机器在不平坦地形的行进(引起的振动)、作业机具的传送到驾驶室导致的振动以及其它振动源的结果。能引起振动的作业机具的示例包括在振动土壤或沥青压实机上使用的振动器、气动锤、螺旋器/钻孔机，等等。 [0026] 替代地，蜂鸣器可以具用不同的结构，其构造成诱发沿着一个或多个方向的振动。作为说明性的示例，蜂鸣器可包括大致细长的中空壳体，该中空壳体具有可滑动地设置在该中空壳体中的亚铁或永久磁体芯子。在所述壳体的每一端设置电磁体，使得由磁体产生的交变磁场可以产生芯子的在壳体内的往复运动。在该示例中，由蜂鸣器引起的振动将是沿着所述芯子的往复路径大致轴向的。在一个实施例中，这样的轴向振动可以共线或其它方式例如串联地与可变阻尼器联接，而不是直接施加至手柄。应理解，当振动装置被联接到特定阻尼器时，可以使用多个这样的振动装置，其中每一者对应于用于具有多于一个的可变阻尼器的应用的特定的可变阻尼器。 [0027] 图5的方框图中示出了具有触觉反馈能力的手动控制500的方框图。控制500可以是电子地或机械地配备在控制器402(图4)或者机械控制装置内的控制算法。在所示实施例中，控制500是储存在控制器402的有形非易失性电子存储介质中的一组计算机可执行指令。控制器402的处理器(未示出)配置成访问所述指令并向控制器402的其它构件及子系统提供适当的命令，所述控制器的其它构件及子系统配置成使数字计算机命令和信号与从机器系统和致动器发送和接收的模拟信号或其它命令相互转化。 [0028] 如图5所示，控制500用于接收指示机器的运行状态的输入。更具体地，作业信号502可以指示机具致动器的运行状态。例如，作业信号502可以指示参与机器100的机具的运行的特定致动器的负载。然而，多于一个的致动器可以参与机具的运动。例如，铲斗128(图1)的提升与同步的挖掘和倾斜将需要吊杆致动器、臂致动器和铲斗致动器122、126、130各自同步参与。作业信号502可以指示这些致动器中任一者的负载，或者可替代地指示向这些致动器集中地提供液压流体的流体泵(未示出)的负载。应理解的是，在电的、气动的或其它类型的致动器的情况下，信号502可以指示那些系统的负载或指示向那些系统提供动力——不考虑所用能量的类型——的装置的负载。例如，在电力系统的情况下，作业信号502可以是存在于母线、交流发电机、存储阵列和/或类似物中的电压和/或电流值，而在气动动力的情况下，作业信号502可以是由压缩机提供的空气的压力和/或流率。 [0029] 控制500还接收限制信号504。限制信号504是可选的，并且在控制器402(图4)中的其它地方(未示出)被确定为是对机器100的一个或多个致动器的动力输出饱和状态的指示。例如，在液压活塞致动器的情况下，液压活塞可延伸的速率会受限于对应的液压泵能向致动器提供流体的速率。因此，即使致动器尚未达到其全运动，其可延伸的速率也会被限制。替代地，输出饱和可以指示致动器的力。再次使用液压致动器作为示例，由致动器施加的力会受限于液压泵的最大输出压力。在电致动器的情况下，动力输出饱和可类似地取决于电源的最大输出电流和/或电压。可以在控制器402中监测这些类型的限制以提供限制信号504，该限制信号可表达为特定致动器在任何时候运行的总的可能致动器力或致动速率的百分比。 [0030] 作业信号502和限制信号504被提供给监控器506，该监控器输出抑制信号507。抑制信号507——其可以表示成零和一之间的系数，代表了致动器的实时运行状态并指示致动器的响应由机器操作者给出的任何命令的能力，其中零指示致动器已经处于其饱和点，而一指示致动器准备好接收并响应最大化命令。除了作业信号502和限制信号504之外，抑制信号507的确定还可以取决于各种参数，诸如用于致动器中的阶跃响应的时间常数、环境温度、机器年限和可以直接或间接地影响致动器响应于命令的能力的各种其它参数。 [0031] 此外，当同时监测多于一个的致动器时，监控器506可以配置成接收多个作业信号502和限制信号504，每一个信号对应于属于一个组的特定致动器。在这种情况下，监控器506可输出对应于各致动器的多个抑制信号507，或者替代地，可以选择最低信号作为被提供的抑制信号507。最低信号的选择可以有利地在机器中实现，其中致动器组以预定且协调的方式运行以执行单个操作。 [0032] 控制500还可包括由与手动控制相关联的编码器中的每一者——例如，编码器417(图4)——提供的移位信号508。移位信号508可以在命令处理器510中被集中处理以提供命令信号511。命令信号511指示的是一个或多个致动器的运动类型和方向，其由机器操作者通过例如借助移动和/或扭动手柄409(图4)而使控制装置在三维或更多维空间中移位来控制。在替代实施例中，移位信号508可被进一步处理以确定传递到手柄409的固有的或被诱发的机械振动的属性、频率和振幅。在这样的实施例中，例如，可以使用诸如快速傅立叶变换(FFT)的函数来计算或以其它方式确定固有振动的频率，以及可以使用限位开关来确定实时的振幅。如果需要，这个信息可以用于控制和限制手柄的振动，并且还可以如将在下文中描述的那样用于引起正力反馈至手柄。 [0033] 现在回到图5，抑制信号507和命令信号511被提供给判定器功能512。判定器功能配置成在多个维度上比较抑制信号507和命令信号511以实时判定参与功能的(多个)致动器是否处于响应操作者命令的状况中，或者是否由于某一功能限制而使操作者命令超出了机器的能力。例如，当在一个方向上以高速摆动上部结构104并且还需要以高速改变摆动方向时，机器操作者可能会尝试自极端位置迅速摆动手柄409从控制的一侧到控制的另一侧。实际上，机器会消耗能量以使转动结构减速然后才在相反方向上开始运动。除非操作者能够管控由机器施加的力来完成运动方向上的变化，否则操作者会比机器能够实现所述变化更慢或更快地实现所述摆动，这样就对所需的在相反方向上的运动调整不足或调整过度。是否发生调整不足或调整过度将取决于操作者的经验，因此可能存在机器操作效力和/或效率的损失。 [0034] 然而，在所示实施例中，机器的这种调整不足或调整过度以及机器系统的潜在过载，可通过在判定器功能512中的抑制信号507与命令信号507之间的比较来避免。具体而言，判定器功能512可基于致动器的抑制信号507确定各致动器的接收不同命令的准备状态，基于命令信号511检查由操作者实际提供的命令，以及确定操作者所命令的运动是否在(多个)致动器的当前操作能力内。 [0035] 当判定器功能512基于所述比较推断出操作者命令处于系统的能力内，则允许命令信号通过到达致动器并且此时不进行任何动作。然而，当判定器功能512推断出如果允许命令信号通过到达致动器则其将超出系统的能力时，判定器功能512输出阻尼信号513。阻尼信号513专门用于手柄409(图4)的将向致动器发出要求限定提供给该致动器的命令的命令的特定运动方向。致动器更接近动力输出饱和点，则阻尼信号513的值可增加。 [0036] 在一个实施例中，阻尼信号513与发送到作为MR流体阻尼器——例如，装置412(图4)中的一者——的一部分的电磁体的命令成比例。通常，阻尼信号513适合于适当地调整可变阻尼器的刚度，使得手柄409的运动——其代表提供给致动器的命令——被保持在可接受的致动器运行限制内。在这样的实施例中，阻尼信号513的增加将作为手动控制装置的在向致动器增加命令的方向上的运动的刚度而被操作者感知。这个刚度会被操作者理解为表明操作者正试图命令的致动器的动力输出状态饱和的触觉反馈，使得操作者会意识到机器的运行正在接近其极限。此外，事实上，在那个方向上的控制的刚度还将避免或至少使得会使系统过载的操作者命令的发出降到最低。 [0037] 然而，可能的是，通过多个致动器同时动作，会存在使系统过载的命令。对于这样的状况，本发明实施例向手动控制装置提供正力反馈功能，其将有效地不仅使控制装置的朝向过载命令方向的运动因刚度增大而受阻，而且还将提供趋向于使控制装置背离过载命令方向移动的力。在所示的实施例中，提供用于抵消操作者施加到手动控制装置上的在趋向于使系统过载的方向上的力的力的能力由对手柄409中存在的振动的适当操纵来提供，所述振动可以如前所述地在机器运行期间固有地提供，和/或通过与手柄409相关联的振动装置——例如图4中所示的转动质量组件418——人为地诱发。 [0038] 更具体地，判定器功能512配置成当其确定手动控制装置已经达到会引起致动器过载的位置时提供力-反馈信号526。力-反馈信号526被提供给力反馈功能514，该力反馈功能514也配置成进一步接收例如由编码器424提供的偏心质量定向信号524。偏心质量定向信号524是可选的，并且可以被替换为计算出的固有振动信号，如前所述。力反馈功能514配置成使所述一个或多个阻尼器装置412的控制与固有振动或者——当存在时——与转动质量组件418的控制配合作用，使得向手柄409(图4)施加一个趋向于在与代表对致动器的过载命令的方向相反的特定方向上推动手柄的净力。因此，力反馈功能514输出信号516至系统内的阻尼器中的每一者，例如，阻尼器装置412。适用时，该功能514也输出偏心质量控制信号518，其包括配置成命令偏心质量的特定转动速度的马达信号520，该马达信号与配置成设定转动质量(偏心质量)的适当转动惯量的可选的控制信号522耦合。控制信号522是可选的，并且可以用于提供了例如通过利用螺旋/螺杆传动或其它装置设定转动质量的转动半径来设定振动的振幅的能力的实施例中。 [0039] 输出信号516和偏心质量控制信号518可以用于选择性地控制施加到控制装置——例如手柄409(图4)——的正力反馈的方向和大小。图6示出了时间曲线图600，其说明了利用转动偏心质量通过MR流体阻尼器的协调控制来产生正力反馈的理念。利用转动质量的示例是说明性的用于描述，但应理解的是，关于该示例描述的控制理念适用于手柄409中存在振动的任何情况，无论该振动是固有的还是人工产生的，并且不限于蜂鸣器的使用。出于描述的原因，曲线图600示出了时间-对齐的信号。第一曲线602代表转动质量M的相对于参考位置或零位置R在其圆周轨迹T的直径D上的位置的投影的位置P。因此，当转动质量围绕轴线转动时该质量的在直径D上的投影将显示成正弦波。每次所述质量处于径向对置位置并且位于参考直径D'——该参考直径是预定的并且与参考直径D成90°——上时，该曲线将与零相交，当所述质量占据位于直径D上的径向对置位置时，所述曲线占据位置P1和P2。如图所示，P1可以是正的，P2可以是负的，但这些指定仅用于说明。 如果经过一段时间便绘制来自编码器424的位置信息，则可生成第一曲线602。可理解的是，当质量M转动时，其产生的振动将具有趋向于将该质量拉入连续变化的方向的矢量V。 因此，当需要在特定方向上提供力时，可以选择质量M的轨迹的某一区段加强，而其余部分被减弱。 [0040] 在曲线图600中，第二曲线604示出了一段时间内提供给可变阻尼器——例如位于特定取向的MR流体阻尼器——的控制信号。这种阻尼器的一个示例是装置412(图4)。总体上，可变阻尼器的刚度与信号S的强度成正比。此处，该图示出大部分时间中——除了转动质量M处于特定位置的特定力反馈时间段606以外，阻尼器接收最大信号S。当控制信号最大时，相应的阻尼器变刚硬以避免控制手柄409移位。在时间段606期间，信号S减小使得允许阻尼器移动并且因而使手柄在所需方向上移位。虽然信号S示为方波，也可以采用其它形状。例如，用于信号S的最大强度和最小强度或任何其它强度之间的过渡可具有包括线性关系的任何所需的形状。以这种方式，阻尼器的关于转动质量M的力矢量V的位置和取向的协调激活将在所选择的方向上产生定向脉冲正反馈力，而将削弱在其它方向上施加的力。 [0041] 图7是在这个原理下运行的力-反馈控制528的方框图的一个实施例。控制528设置成用于接收与同手动控制装置相关联的转动质量、例如转动质量组件418的位置和速度有关的信息。具体地，控制528可以接收转动速度信号或转动位置信号530。在替代实施例中，控制528可以接收与操作者驾驶室或手动控制装置的手柄处经受的固有振动有关的信息。控制528还可以接收与手动控制有关的所需的力施加方向信号532，以及指示手动控制相对于所需的力施加方向的当前位置的位置信号534。这个信息被提供给反馈力处理器536，该反馈力处理器计算出适当的时间间隔，例如时间段606(图6)，在该时间段期间一个或多个可变阻尼器的刚度——例如MR流体阻尼器中的磁力或可变液压阻尼器中的阀设定，其中的每一者都可与手动控制相关联——被调节以向手动控制提供正力反馈，如前所述。 在某些实施例中，例如，在如前述使用线性或一维振动装置的情况下，往复运动芯子的位置不需要测量并且可以基于振动装置的运行来确定。因此，控制信号538A、538B和538C可以被提供给沿三个维度作用的三个可变阻尼器装置，从而在任意方向上控制力反馈。虽然此处示出了三个这样的信号，但也可以根据设计提供的手动控制的类型和自由度而使用少于或多于三个的信号。这样，可以迫使已经超出致动器的可能的力响应的控制处于在系统响应命令的能力恢复时将不会导致致动器调整过度的位置，如前面所讨论的。 [0042] 工业实用性 [0043] 本发明适用于在运行期间需要力的定向脉冲的广泛应用。在所讨论的实施例中，向配置成控制机器中的作业机具的操作的手动控制装置——例如操纵杆手柄——提供可变刚度和正力反馈。可变刚度确保了不超出系统的能力，而正力反馈用于使手柄回到可接受位置，该可接受位置与系统的力输出能力对应并且在系统能力恢复的情况下避免调整过度。 [0044] 应理解的是，通过例如MR流体阻尼器的可变阻尼器的协调控制而使来自固有振动或来自例如由转动质量提供的诱发振动的力施加到选定方向上的控制在可以向手动控制提供触觉力反馈的其它领域中具有广泛应用。例如，虽然公开了运行机器机具的控制，但是也可以使用用在任何其它类型的陆地、空中或海上机器中的任何其它类型的手动控制。此外，操作者直接已知的需要做出身体或机器限制的其它装置——例如游戏或遥控装置控制器可以利用本文公开的系统和方法而不脱离本发明的精神。另外，脉冲力的定向施加可以应用在更大的范围上，例如液压锤、地下钻井设备等。 [0045] 应理解的是，前面的描述提供了所公开的系统和技术的示例。然而，设想到，本发明的其它实施可以在细节上与前面的示例不同。对本发明或其示例的所有引用都是为了参考在该点所讨论的特定示例，而不意味着对本发明的更广泛的范围进行任何限制。有关某些特征的区别和淡化的所有表述都意于指示这些特征不是优选的，但并不是将其从本发明的范围中整体排除，除非另有说明。 [0046] 本文数值范围的阐述仅旨在用作单独提及落在该范围内的每一个单独的值的快速方法，除非在此另有说明，并且每个单独的值被结合到说明书中，如同其在本文中单独列举。本文中所描述的所有方法可以以任何合适的顺序执行，除非本文另有说明或以其它方式与上下文明显矛盾。 |
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