CN103122644B - 确定铲斗几何形状 - Google Patents

Abstract

本发明涉及确定铲斗几何形状。一种确定铲斗几何形状的方法，包括：获得用于工业机器的第一方位的、与工业机器相关联的第一组数据；以及获得用于工业机器的第二方位的、与工业机器相关联的第二组数据。第一组数据包括与提升绳索相关联的第一长度和与提升绳索相关联的第一角度中的至少一个，并且第二组数据包括与提升绳索相关联的第二长度和与提升绳索相关联的第二角度中的至少一个。然后，基于第一组数据和第二组数据来确定铲斗的物理特性的值。

Description

确定铲斗几何形状

技术领域

本发明涉及确定安装在诸如绳索铲的工业机器上的铲斗的几何形状(geometry)。

背景技术

诸如电绳索或电铲、拉索、等等的工业机器包括用于执行挖掘操作的已安装的铲斗。为了确定铲斗的位置(location)(例如，铲斗齿的位置)，当确定它的位置时，必须考虑到铲斗的几何形状对与工业机器相关联的控制系统进行编程或者预先配置。这样的编程通常由服务代表手动执行，服务代表将与铲斗相关联的确定铲斗的正确位置所需的尺寸和其他校准参数手动输入到系统中。这样的过程是冗长乏味的，并且可能因工业机器不同而变化。例如，特定的工业机器可以配置用于与各种不同的铲斗(例如，不同大小的铲斗)一起使用。另外，安装在工业机器上的铲斗可以根据挖掘条件、材料特性等等而改变。在这样的情况下，将不得不手动再校准工业机器的控制系统，以适应于新的铲斗和正确地确定它的位置。如果没有对于已安装的铲斗的几何形状正确地校准工业机器的控制系统，则工业机器可能例如不能避免铲斗与工业机器的其他部件(例如，吊杆)之间的碰撞。

发明内容

因此，本发明提供一种确定铲斗的几何形状和校准工业机器的控制系统，以便除了其他之外确定铲斗的精确位置、避免碰撞、测量精确的有效载荷、等等的自动方法。

在一个实施例中，本发明提供一种确定与工业机器的铲斗相关联的物理特性的值的方法。该方法包括获得用于工业机器的第一方位的、与工业机器相关联的第一组数据。第一组数据包括与提升绳索相关联的第一长度和与提升绳索相关联的第一角度中的至少一个。该方法还包括获得用于工业机器的第二方位的、与工业机器相关联的第二组数据。第二组数据包括与提升绳索相关联的第二长度和与提升绳索相关联的第二角度中的至少一个。然后，基于第一组数据和第二组数据来确定铲斗的物理特性的值。

在另一实施例中，本发明提供一种包括铲斗、控制器、吊杆、和滑轮的工业机器。吊杆和滑轮支撑提升绳索，并且提升绳索连接到铲斗。控制器被配置成控制提升绳索的长度；确定与铲斗的第一位置相对应的提升绳索的第一长度；确定与铲斗的第二位置相对应的提升绳索的第二长度；确定提升绳索相对于滑轮的、并且与铲斗的第一位置相对应的第一角度；以及确定提升绳索相对于滑轮的、并且与铲斗的第二位置相对应的第二角度。控制器还被配置成确定提升绳索的位移以及基于提升绳索的位移来确定铲斗的物理属性的值。

在另一实施例中，本发明提供一种用于确定与工业机器的铲斗相关联的长度的值的方法。该方法包括确定与铲斗的第一位置相关联的提升绳索的第一长度；确定提升绳索相对于滑轮的、并且与铲斗的第一位置相关联的第一角度；确定与铲斗的第二位置相关联的提升绳索的第二长度；以及确定提升绳索相对于滑轮的、并且与铲斗的第二位置相关联的第二角度。该方法还包括基于提升绳索的第一长度、提升绳索的第二长度、提升绳索相对于滑轮的第一角度、和提升绳索相对于滑轮的第二角度来确定与铲斗相关联的长度的值。

通过考虑具体实施方式和附图，本发明的其他方面将变得明显。

附图说明

图1图示根据本发明的实施例的工业机器。

图2图示根据本发明的实施例的用于工业机器的控制器。

图3图示根据本发明的实施例的用于工业机器的控制系统。

图4-8图示与工业机器的一部分相关联的几何线图。

图9-11图示根据本发明的实施例的用于确定铲斗几何形状的过程。

具体实施方式

在详细解释本发明的任何实施例之前，应该理解本发明并不将其引用局限于其在下述说明书中阐述或者在以下附图中图示的组件的构造和布置的细节。本发明能够是其他实施例，并且也能够用多种方式实施或执行。而且，应该理解在此使用的术语和专门名词是用于描述的目的，而不应该看成是限制。在此使用“包括”、“包含”或者“具有”以及其变体意指涵盖其后列出的项目和其等同物以及附加项目。广泛使用术语“安装”、“连接”和“联接”，并且涵盖直接和间接两者的安装、连接和联接。另外，“连接”和“联接”并不局限于物理或机械连接或联接，并且可以包括电气连接或联接，不管是直接还是间接。而且，可以使用包括直接连接、无线连接等等的任何已知的装置执行电子通信和通知。

应该注意，可以利用多个基于硬件和软件的装置以及多个不同的结构组件来实现本发明。此外，如随后段落所述，附图中所图示的特定配置意图例示本发明的实施例，并且其他替代的配置也是可能的。术语“处理器”、“中央处理单元”和“CPU”可互换，除非另作说明。在术语“处理器”或“中央处理单元”或“CPU”用作标识执行特定功能的单元的情况下，应该理解，除非另作说明，可以由单个处理器或以任何形式布置的包括并行处理器、串行处理器、串联处理器或云处理/云计算配置的多个处理器执行那些功能。

本发明涉及确定与工业机器(例如，绳索铲)相关联的铲斗的几何形状。铲斗的几何形状或物理特性包括例如铲斗的长度(例如，铲斗从铲斗齿到钩环销接头、铲斗柄(handle)接头、等等的长度)或铲斗相对于铲斗柄的角度。为了避免碰撞、确定有效载荷、检测位置、等等目的，由工业机器的各种控制系统使用铲斗的这样的属性或特性。用如此方式配置工业机器的控制器，以自动计算或确定铲斗的特性或属性，而不要求手动校准输入的特性或属性。控制器使用例如已知数据和未知变量的组合来确定或计算铲斗的长度和铲斗相对于铲斗柄或工业机器的另一组件的角度。可以基于工业机器的第一方位(例如，与第一铲斗位置相对应)和工业机器的第二方位(例如，与第二铲斗位置相对应)来计算或确定铲斗的长度和铲斗的角度。

虽然在此描述的发明可以应用于各种工业机器、由各种工业机器执行、或连同各种工业机器一起使用(例如，绳索铲、拉索、交流(AC)电机、直流(DC)电机、液压设备、等等)，但是在此描述的本发明实施例是相对于诸如图1所示的电铲10的电绳索或电铲进行描述的。铲10包括移动基座15、驱动履带20、转台25、机器甲板30、吊杆35、下端40、滑轮45、受拉缆索50、后撑杆55、撑杆结构60、铲斗70、一个或多个提升绳索75、绞车滚筒80、铲臂或柄85、鞍挡块90、枢轴点95、传输单元100、钩环销105、倾斜计110、和滑轮销115。在一些实施例中，本发明可以应用于包括例如单腿柄、操纵杆(例如，管状操纵杆)、或致动推压(crowd)运动的液压油缸的工业机器。

移动基座15由驱动履带20支撑。移动基座15支撑转台25和机器甲板30。转台25能够绕机器甲板30相对于移动基座15旋转360度。吊杆35在下端40枢转地连接到机器甲板30。通过锚固到撑杆结构60的后撑杆55上的受拉缆索50相对于甲板向上和向外延伸支持吊杆35。撑杆结构60刚性安装在机器甲板30上，并且滑轮45可旋转地安装在吊杆35的上端。

铲斗70通过提升绳索75悬挂在吊杆35上。提升绳索75缠绕在滑轮45上，并且在钩环销105处附接到铲斗70上。提升绳索75锚固到机器甲板30的绞车滚筒80。当绞车滚筒80旋转时，提升绳索75放松以便放下铲斗70或拉紧以抬起铲斗70。铲斗柄85也刚性附接到铲斗70上。铲斗柄85可滑动地支撑在鞍挡块90中，并且鞍挡块90在枢轴点95处枢转地安装到吊杆35。铲斗柄85包括齿条齿结构，在其上啮合安装在鞍挡块90中的驱动小齿轮。驱动小齿轮由电动机和传输单元100驱动，以相对于鞍挡块90伸出或缩回铲臂85。

电源安装在机器甲板30上，以向用于驱动绞车滚筒80的一个或多个提升电动机、用于驱动鞍挡块传输单元100的一个或多个推压电动机、和用于转动转台25的一个或多个回转电动机提供动力。如下所述，推压、提升、和回转电动机中的每个都可以由它自己的电动机控制器驱动或响应于来自控制器的控制信号而驱动。

图2图示了与图1的电铲10相关联的控制器200。控制器200电子和/或通信地连接到铲10的各种模块或组件。例如，所图示的控制器200连接到一个或多个指示器205、用户接口模块210、一个或多个提升电动机和提升电动机驱动215、一个或多个推压电动机和推压电动机驱动220、一个或多个回转电动机和回转电动机驱动225、数据存储或数据库230、电源模块235、一个或多个传感器240、和网络通信模块245。控制器200包括硬件和软件的组合，所述组合可操作用于除了其他之外控制电铲10的操作；控制吊杆35、铲臂85、铲斗70的位置、提升绳索75的长度、等等；激活一个或多个指示器205(例如，液晶显示器[“LCD”])；监视铲10的操作；等等。一个或多个传感器240除了其他之外包括应力销(loadpin)应变仪、倾斜计110、龙门架销、一个或多个电机励磁(field)模块、等等。应力销应变仪包括例如位于X方向(例如，水平)上的一排应变仪和位于Y方向(例如，垂直)上的一排应变仪，使得可以确定应力销上的合力。在一些实施例中，可以使用除了推压电动机驱动之外的推压驱动(例如，用于单腿柄、操纵杆、液压油缸等等的推压驱动)。

在一些实施例中，控制器200包括多个电气和电子组件，它们向控制器200和/或铲10内的组件和模块提供电力、操作的控制、和保护。例如控制器200除了其他之外包括处理单元250(例如，微处理器、微控制器、或另一合适的可编程装置)、存储器255、输入单元260、和输出单元265。处理单元250除了其他之外包括控制单元270、算术逻辑单元(“ALU”)275、和多个寄存器280(图2中所示的寄存器组)，以及使用诸如修改的哈佛架构、冯·诺依曼架构等等的已知的计算机架构来实现。连接到控制器200的处理单元250、存储器255、输入单元260、和输出单元265以及各种模块通过一个或多个控制总线和/或数据总线(例如，公用总线285)连接。为了说明的目的，在图2中大概示出控制总线和/或数据总线。鉴于在此描述的发明，本领域技术人员已知用于在各种模块和组件之间互连和通信的一个或多个控制总线和/或数据总线的使用。在一些实施例中，控制器200部分或整个在诸如通过寄存器传送级(“RTL”)设计过程开发的芯片的半导体(例如，现场可编程门阵列[“FPGA”]半导体)芯片上实现。

存储器255包括例如程序存储区和数据存储区。程序存储区和数据存储区可以包括诸如只读存储器(“ROM”)、随机存取存储器(“RAM”)(例如，动态RAM[“DRAM”]、同步DRAM[“SDRAM”]、等等)、电可擦可编程只读存储器(“EEPROM”)、闪速存储器、硬盘、SD卡、或其他合适的磁、光、物理、或电子存储器器件的不同类型的存储器的组合。处理单元250连接到存储器255，并且执行能够存储在存储器255的RAM(例如，在执行期间)、存储器255的ROM(例如，在通常永久基础上)、或诸如另一存储器或盘的另一非暂时计算机可读介质中的软件指令。铲10的实现中包括的软件可以存储在控制器200的存储器255中。软件包括例如固件、一个或多个应用、程序数据、过滤器、规则、一个或多个程序模块、和其他可执行指令。控制器200被配置成从存储器中检索和执行除了其他之外与在此描述的控制过程和方法相关的指令。在其他构造中，控制器200包括另外、较少、或不同的组件。

网络通信模块245被配置成连接到网络290和通过网络290通信。在一些实施例中，网络是例如广域网(“WAN”)(例如，基于TCP/IP的网络，蜂窝网络，诸如，例如，全球移动通信系统[“GSM”]网络、通用分组无线电服务[“GPRS”]网络、码分多址[“CDMA”]网络、优化的演进数据[“EV-DO”]网络、增强型数据速率GSM演进[“EDGE”]网络、3GSM网络、4GSM网络、数字增强无绳电信[“DECT”]网络、数字AMPS[“IS-136/TDMA”]网络，或集成数字增强网络[“iDEN”]网络、等等)。

在其他实施例中，网络290是例如采用诸如Wi-Fi、蓝牙、紫蜂等等的各种通信协议中的任何一种的局域网(“LAN”)、邻域网(“NAN”)、家庭区域网(“HAN”)、或个域网(“PAN”)。使用诸如在IEEE802.1标准中提供的用于基于端口的网络安全性、预共享密钥、可扩展认证协议(“EAP”)、有线等效保密(“WEP”)、临时密钥完整协议(“TKIP”)、Wi-Fi保护接入(“WPA”)等等的那些技术的一个或多个加密技术，可以保护由网络通信模块245或控制器200通过网络290进行的通信。网络通信模块245和网络290之间的连接是例如有线连接、无线连接、或无线连接和有线连接的组合。类似地，控制器200和网络290或网络通信模块245之间的连接是有线连接、无线连接、或无线连接和有线连接的组合。在一些实施例中，控制器200或网络通信模块245包括用于传送、接收、或存储与铲10或铲10的操作相关联的数据的一个或多个通信端口(例如，以太网、串行高级技术附件[“SATA”]、通用串行总线[“USB”]、集成驱动器电子电路[“IDE”]等等)。

电源模块235将额定AC或DC电压供应到控制器200或铲10的其他组件或模块。电源模块235由例如具有100V和240V AC之间的额定线电压和大约50-60Hz频率的电源供电。电源模块235还被配置成供应较低电压以操作控制器200或铲10内的电路和组件。在其他构造中，控制器200或铲10内的其他组件和模块由一个或多个电池或电池组、或另外的网格独立电源(例如，发生器、太阳能电池板、等等)供电。

用户接口模块210用于控制或监视电铲10。例如，用户接口模块210可操作耦合到控制器200，以控制铲斗70的位置、吊杆35的位置、铲斗柄85的位置、传输单元100等等。用户接口模块210包括实现期望的控制水平和监视铲10所需的数字和模拟输入或输出装置的组合。例如，用户接口模块210包括显示器(例如，主显示器、次显示器等等)和输入装置，诸如触摸屏显示器、多个旋钮、拨盘、开关、按钮等等。显示器是例如液晶显示器(“LCD”)、发光二极管(“LED”)显示器、有机LED(“OLED”)显示器、电致发光显示器(“ELD”)、表面传导电子发射极显示器(“SED”)、场致发射显示器(“FED”)、薄膜晶体管(“TFT”)LCD、等等。用户接口模块210也可以被配置成实时或基本上实时显示与电铲10相关联的条件或数据。例如，用户接口模块210被配置成显示电铲10的测量的电特性、电铲10的状态、铲斗70的位置、铲斗柄85的位置、铲斗70的几何形状等等。在一些实施方式中，结合一个或多个指示器205(例如，LED、扬声器等等)来控制用户接口模块210，以提供电铲10的状态或条件的视觉或听觉指示。

图3图示了用于电铲10的更详细的控制系统300。例如，电铲10包括主控制器305、网络开关310、控制柜315、辅助控制柜320、操纵室325、第一提升驱动模块330、第二提升驱动模块335、推压驱动模块340、回转驱动模块345、提升励磁(field)模块350、推压励磁模块355、和回转励磁模块360。控制系统300的各种组件由例如光纤通信系统连接和通过例如光纤通信系统进行通信，该光纤通信系统利用用于工业自动化的一个或多个网络协议，诸如过程现场总线(“PROFIBUS”)、以太网、控制网(ControlNet)、基金现场总线(Foundation Fieldbus)、工业控制总线(INTERBUS)、控制器区域网(“CAN”)总线等等。控制系统400可以包括相对于图2的上述组件和模块。例如，一个或多个提升电动机和/或驱动器215与第一提升驱动模块330和第二提升驱动模块335相对应，一个或多个推压电动机和/或驱动220与推压驱动模块340相对应，以及一个或多个回转电动机和/或驱动225与回转驱动模块345相对应。在操纵室325中可以包括用户接口210和指示器205等等。应力销应变仪、倾斜计110、和龙门销可以将电信号提供给主控制器305、控制器柜315、辅助柜320等等。

第一提升驱动模块330、第二提升驱动模块335、推压驱动模块340、和回转驱动模块345被配置成从例如主控制器305接收控制信号，以控制铲10的提升、推压和回转操作。控制信号与用于铲10的提升、推压、和回转电动机215、220、和225的驱动信号相关联。当驱动信号施加到电动机215、220和225时，监视电动机的输出(例如，电和机械输出)并且将输出反馈给主控制器305(例如，经由励磁模块350-360)。电动机的输出包括例如电动机速度、电动机转矩、电动机功率、电动机电流、等等。基于与铲10相关联的这些和其他信号(例如，来自倾斜计110的信号)，主控制器305被配置成确定或计算铲10或它的组件(例如，铲斗)的一个或多个特性、操作状态、或位置。在一些实施例中，主控制器305确定铲斗位置、铲斗柄角度或位置、提升绳索缠绕角度、提升电动机每分钟转数(“RPM”)、推压电动机RPM、铲斗速度、铲斗加速度、铲斗几何形状、等等。

由例如铲10的避免碰撞或其他控制系统使用主控制器305或控制器200确定的铲10的特性，以精确确定铲斗70的位置，精确表征铲10的操作状态等等。然而，为了控制器200精确地确定这样的信息，必须已知铲斗的几何形状的特性。例如，为了确定铲斗齿相对于吊杆35的位置(例如，防止碰撞)，必须已知铲斗70的长度和铲斗70相对于铲斗柄85的角度。如上所述，这样的信息经常手动输入或编程到铲10的控制系统中，并且基于输入的信息来校准铲10。每次改变铲10上的铲斗70时，需要手动输入或更新该信息。因为适应铲斗70的几何形状正确安装铲斗70以及校准铲的控制系统需要时间，所以降低了铲10的生产率。为了限制为已安装的铲斗70校准铲10所需要的时间，控制器200被配置成自动确定铲斗70的几何形状。

具体地，控制器200被配置成使用铲10的已知特性以及与第一和第二铲斗位置相关联的测量数值来确定铲斗几何形状。例如，图4图示了与第一铲斗位置相对应的铲10的第一方位400的线图和与工业机器10相关联的第一组数据。所图示的每条线都表示铲10的一部分。在图4中，已知的或可以测量的与铲10相关联的值包括吊杆35的长度L_B、铲斗柄85的半径R_C、铲斗柄85相对于水平(例如，平行于地面)的角度θ_C、提升滑轮45的半径R_H、铲斗柄85的长度L_C1、和用于第一铲斗位置的提升绳索75的长度(即，从提升滑轮45到钩环销105)L_H1。当提升绳索75的长度L_H1表示提升绳索在提升滑轮45与钩环销105之间的长度时，提升绳索75的长度L_H1不考虑铲斗70的长度L_D或铲斗70相对于铲斗柄85的角度θ_D。控制器200不能可靠地避免铲斗70与铲10的其他组件之间的碰撞，除非控制器200或单独的避免碰撞系统知道铲斗70的准确长度L_D和铲斗70的角度θ_D。铲斗70的长度L_D和铲斗70的角度θ_D可以部分基于从提升滑轮45到铲斗70的端部的长度L_PH1和从提升滑轮45到钩环销105的长度L_H1而确定。

图5图示了与第二铲斗位置相对应的铲10的第二方位500的线图和与工业机器10相关联的第二组数据。在第二铲斗位置中，吊杆35的长度L_B、铲斗柄85的半径R_C、和提升滑轮45的半径R_H具有与第一铲斗位置相同的值。另外，将铲斗柄85的长度L_C2选择为与在第一铲斗位置的铲斗柄85的长度L_C1相同。这样做是为了简单化铲斗几何形状的确定。然而，在一些实施例中，第一铲斗位置与第二铲斗位置之间的铲斗柄85的长度可以变化。可以基于提升解算器计数H_RC和提升解算器增益H_RG的数目来确定第一位置的提升绳索的长度(即，从提升滑轮45到钩环销105)L_H1和第二铲斗位置的提升绳索的长度L_H2。也可以使用提升解算器计数H_RC、提升解算器增益H_RG、和提升滑轮45的半径R_H来确定绕提升滑轮45的提升缠绕的角度θ_H。

也可以使用推压解算器计数C_RC和推压解算器增益C_RG确定第一和第二铲斗位置的铲斗柄85的长度L_C和铲斗柄85相对于水平(例如，与地表面平行)的角度θ_C。如上相对于第一铲斗位置所述，可以基于从提升滑轮45到铲斗70端部的长度L_PH2和从提升滑轮45到钩环销105的长度L_H2来确定铲斗70的长度L_D和铲斗70的角度θ_D。

为了确定铲斗70的长度L_D和角度θ_D，进一步分析与第一铲斗位置相对应的铲10的方位和与第二铲斗位置相对应的铲10的方位。例如，图6图示了在第一铲斗位置由提升滑轮45、钩环销105、和铲斗70的边形成的三角形600。该三角形的边与从提升滑轮45到钩环销105的提升绳索75的长度L_H1、铲斗70的长度L_D、和从提升滑轮45到铲斗70端部的长度L_PH1相对应。使用三角形600，可以限定三个角度。铲斗70相对于铲斗柄85的角度θ_D、水平和限定长度L_PH1的线之间的角度θ_PH1、以及相对于滑轮45并且在水平和限定长度L_H1的线之间的角度θ_H1。

类似地，图7图示了在第二铲斗位置由提升滑轮45、钩环销105、和铲斗70的边形成的三角形700。该三角形的边与提升绳索从提升滑轮45到钩环销105的长度L_H2、铲斗70的长度L_D、和从提升滑轮45到铲斗70端部的长度L_PH2相对应。使用三角形700，也可以限定三个角度。铲斗相对于铲斗柄85的角度θ_D，水平与限定长度L_PH2的线之间的角度θ_PH2，和相对于滑轮45并且在水平和限定长度L_H2的线之间的角度θ_H2。

通过组合图6的三角形600和图7的三角形700，可以使用限定铲斗从第一铲斗位置转变到第二铲斗位置的第三三角形800来描述铲10的方位。第三三角形800在图8中图示，其中点P₁与钩环销105在第一铲斗位置的位置相对应，而点P₂与钩环销105在第二铲斗位置的位置相对应。点P₁和P₂还限定点P₁与P₂之间的线的长度L_T，其相对于水平成角度θ_T。由长度L_T和角度θ_T形成的矢量与钩环销105从第一铲斗位置到第二铲斗位置的位移相对应。可以基于L_H1、θ_H1、L_H2、和θ_H2的值来确定长度L_T的值。三角形800进一步限定与第一位置中铲斗70的边和第二位置中铲斗70的边之间的长度L_PT相对应的线、在线L_PT和水平之间的角度θ_PT、和限定角度θ_PH2与θ_PH1之差的角度Δθ_PH。线的长度L_PT与铲斗70的位移相对应。

使用上述变量，可以确定或计算铲斗70的长度L_D和角度θ_D的值。另外，长度L_X和对应的角度θ_X可以组合形成矢量L_Xθ_X。将使用标识每个矢量的适当的下标遍及整个申请使用该符号。再次参考图6，关于已知变量L_H1、θ_H1、θ_C1和未知变量L_D和θ_D，可以如以下等式1所示来定义矢量L_PH1θ_PH1。

L_H1θ_H1+L_D(θ_C1+θ_D)＝L_PH1θ_PH1 等式1

然后可以将等式1的矢量分别分成如以下等式2和3所示的对应的水平和垂直分量。

L_H1cos(θ_H1)+L_Dcos(θ_C1+θ_D)＝L_PH1cos(θ_PH1) 等式2

L_H1sin(θ_H1)+L_Dsin(θ_C1+θ_D)＝L_PH1sin(θ_PH1) 等式3

类似地，并且再次参考图7，关于已知变量L_H2、θ_H2、θ_C2和未知变量L_D和θ_D，可以如以下等式4所示定义矢量L_PH2θ_PH2。

L_H2θ_H2+L_D(θ_C2+θ_D)＝L_PH2θ_PH2 等式4

然后可以将等式4的矢量分别分成如以下等式5和6所示的对应的水平和垂直分量。

L_H2cos(θ_H2)+L_Dcos(θ_C2+θ_D)＝L_PH2cos(θ_PH2) 等式5

L_H2sin(θ_H2)+L_Dsin(θ_C2+θ_D)＝L_PH2sin(θ_PH2) 等式6

参考图8，在钩环销105的点P₁的位置、在第一铲斗位置的铲斗70的边、在钩环销105的点P₂的位置、和在第二铲斗位置的铲斗70的边之间形成不规则四边形。使用由铲斗从第一铲斗位置转变到第二铲斗位置形成的矢量，可以得到如以下等式7所示的已知变量θ_C1、θ_C2、L_T、和θ_T与未知变量L_D、θ_D、L_PT、和θ_PT之间的关系。

L_D(θ_C2+θ_D)+L_PTθ_PT＝L_Tθ_T+L_D(θ_C1+θ_D) 等式7

然后可以求解等式7得到矢量L_PTθ_PT，如以下等式8所示。

L_PTθ_PT＝L_Tθ_T+L_D(θ_C1+θ_D)-L_D(θ_C2+θ_D) 等式8

以类似于以上关于等式1和4执行的方式，可以将等式8分别分成如以下等式9和10所示的对应的水平和垂直分量。

L_PTcos(θ_PT)＝L_Tcos(θ_T)+L_Dcos(θ_C1+θ_D)-L_Dcos(θ_c2+θ_D) 等式9

L_PTsin(θ_PT)＝L_Tsin(θ_T)+L_Dsin(θ_C1+θ_D)-L_Dsin((θ_C2+θ_D) 等式10

继续参考图8，可以根据已知变量L_H1、L_H2、和R_H以及未知变量L_PH1、θ_PH1、和θ_PH2得到未知变量L_PH2。

L_PH2＝L_PH1+(L_H2-L_H1)-R_H(θ_PH2-θ_PH1) 等式11

其中，(L_H2-L_H1)＝ΔL_H(即，提升位移)和(θ_PH2-θ_PH1)＝Δθ_PH的关系可以用于化简等式11，并且得到等式12。

L_PH2＝L_PH1+ΔL_H-R_H(Δθ_PH) 等式12

另外，因为铲斗70刚性附接到铲斗柄85和提升绳索75，所以可以假定从第一铲斗位置到第二铲斗位置时提升角度Δθ_H的改变与从第一铲斗位置到第二铲斗位置时角度Δθ_PH的改变相同，如以下等式13所示。

θ_H2-θ_H1＝Δθ_H＝Δθ_PH＝θ_PH2-θ_PH1 等式13

同样，等式12可以是改写成如以下等式14所示。

L_PH2＝L_PH1+ΔL_H-R_HΔθ_H 等式14

然后可以将等式14代入等式5和6以得到以下等式15和16。

L_H2cos(θ_H2)+L_Dcos(θ_C2+θ_D)＝[L_PH1+ΔL_H-R_HΔθ_H]cos(θ_PH2) 等式15

L_H2sin(θ_H2)+L_Dsin(θ_C2+θ_D)＝[L_PH1+ΔL_H-R_HΔθ_H]sin(θ_PH2) 等式16

作为等式15和16中的代入的结果，控制器200可以使用等式2、3、9、10、13、15、和16来确定或计算铲斗的长度L_D和角度θ_D的解，为了清楚的目的，将其再现在以下等式17-23中。

L_H1cos(θ_H1)+L_Dcos(θ_C1+θ_D)＝L_PH1cos(θ_PH1) 等式17

L_H1sin(θ_H1)+L_Dsin(θ_C1+θ_D)＝L_PH1sin(θ_PH1) 等式18

L_H2cos(θ_H2)+L_Dcos(θ_C2+θ_D)＝[L_PH1+ΔL_H-R_HΔθ_H]cos(θ_PH2) 等式19

L_H2sin(θ_H2)+L_Dsin(θ_C2+θ_D)＝[L_PH1+ΔL_H-R_HΔθ_H]sin(θ_PH2) 等式20

L_PTcos(θ_PT)＝L_Tcos(θ_T)+L_Dcos(θ_C1+θ_D)-L_Dcos(θ_C2+θ_D) 等式21

L_PTsin(θ_PT)＝L_Tsin(θ_T)+L_Dsin(θ_C1+θ_D)-L_Dsin(θ_C2+θ_D) 等式22

Δθ_H＝θ_H2-θ_H1＝θ_PH2-θ_PH1＝Δθ_PH 等式23

同样地，等式17-23中仅有的未知变量是L_D、θ_D、L_PH1、θ_PH1、θ_PH2、L_PT、和θ_PT，其剩下7个等式和7个未知变量。可以同时求解以上等式，以计算铲斗70的长度L_D和角度θ_D的值。在一些实施例中，可以使用进一步代入来化简等式17-23。然而，这样的代入不是必需的，因为控制器200能够在没有进一步简化的情况下计算未知变量。

提供以上等式作为如何确定铲斗几何形状的说明性示例。在其他实施例中，可以使用不同的等式或变更的等式。另外或者替代地，可以使用迭代解算器来确定铲斗70的长度L_D和角度θ_D。例如，图9-11图示了用于基于以上等式17-23来确定铲斗70的几何形状的过程900。在步骤905，对关于是否应当确定铲斗70的几何形状进行确定。例如，用户可以向工业机器10提供应当确定铲斗几何形状的指示，或工业机器10可以自动确定是否应当确定铲斗几何形状。可以基于除了其他之外铲10的当前状态、铲斗70中的负载、铲斗70的运动等等来做出这样的确定。在一些实施例中，定期性地确定铲斗几何形状(例如，在工业机器10的挖掘操作期间或在铲斗70的受控、无荷载移动期间)。如果在步骤905要确定铲斗几何形状，则从例如存储器255中检索与工业机器10相关联的一组已知的或计算的变量(步骤910)。已知的或计算的变量包括例如吊杆长度L_B、吊杆角度θ_B、铲斗柄长度L_C、铲斗柄角度θ_C、滑轮半径R_H、提升解算器增益H_RG、每英寸提升绳索等等。在一些实施例中，使用一个或多个传感器(例如，倾斜计、解算器、接近开关等等)来确定这些变量。这些变量也可以用于确定与工业机器10相关联的其他特性或值。例如，吊杆长度和吊杆角度可以用于确定滑轮45的位置。如果在步骤905将不确定铲斗几何形状，则过程900返回到步骤905，直到要确定铲斗几何形状时为止。在步骤905和910之后，确定用于第一铲斗位置的提升解算器计数(步骤915)和铲斗柄角度(步骤920)。然后确定用于第二铲斗位置的提升解算器计数(步骤925)和铲斗柄角度(步骤930)。基于第一铲斗位置的铲斗柄85的铲斗柄角度和长度来确定铲斗柄85的第一位置(步骤935)。铲斗柄85的第一位置可以被确定为包括垂直和水平分量两者的矢量，或铲斗柄85的第一位置可以被确定为单独垂直和水平分量(例如，对铲斗柄角度使用正弦和余弦三角函数)。

然后基于第二铲斗位置的铲斗柄85的铲斗柄角度和长度来确定铲斗柄85的第二位置(步骤940)。铲斗柄85的第二位置可以被确定为包括垂直和水平分量两者的矢量，或铲斗柄85的第二位置可以被确定为单独垂直和水平分量(例如，对铲斗柄角度使用正弦和余弦三角函数)。过程900然后前进到图10所示和根据图10描述的部分A。

在已经确定了铲斗柄的第一位置和铲斗柄的第二位置之后，迭代地确定铲斗位移L_PT和提升位移ΔL_H。在步骤945，第一变量X被设置为等于开始角度SA。开始角度SA与铲斗70相对于铲斗柄85的角度θ_D相对应，用作迭代解算器的开始点。开始角度SA可以具有大约0°与大约60°之间的值。在一些实施例中，开始角度SA大约是45°。然后铲斗角度变量DA被设置为等于第一变量X(步骤950)。第二变量Y被设置为等于铲斗70的开始长度SL(步骤955)，而铲斗长度变量DL被设置为等于第二变量Y(步骤960)。开始长度SL与铲斗70的长度L_D相对应，用作迭代解算器的开始点。开始长度SL可以对应于与工业机器10一起使用的最短铲斗70。例如，可以安装在特定工业机器上的最短铲斗70可以是已知的，并被编程到存储器255中。在一些实施例中，开始长度SL具有零与100英寸之间的值。通过选择铲斗长度L_D和铲斗角度θ_D的值，不需要同时解算以上等式17-23。相反，除了其他之外，可以使用铲斗位移L_PT、提升位移ΔL_H等等的值来直接计算其他未知变量的值。

然后基于铲斗柄85的第一位置、铲斗角度DA、铲斗长度DL、和第一铲斗柄角度来确定第一铲斗位置(步骤965)。在一些实施例中，计算第一铲斗位置的垂直和水平分量两者。然后基于铲斗柄85的第二位置、铲斗角度DA、铲斗长度DL、和第二铲斗柄角度来确定第二铲斗位置(步骤970)。在一些实施例中，计算第二铲斗位置的垂直和水平分量两者。然后第一铲斗位置和第二铲斗位置用于计算铲斗70从第一铲斗位置到第二铲斗位置的位移L_PT(步骤975)。在一些实施例中，可以确定铲斗位移如以下等式24所示。

等式24

其中DPos₁₁是铲斗70在第一铲斗位置的水平位置，DPos₂₁是铲斗70在第二铲斗位置的水平位置，DPos₁₂是铲斗70在第一铲斗位置的垂直位置，而DPos₂₂是铲斗70在第二铲斗位置的垂直位置。

在已经计算铲斗位移之后，基于第一铲斗位置和滑轮45的位置来确定第一提升长度(步骤980)，以及基于第二铲斗位置和滑轮45的位置来确定第二提升长度(步骤985)。

使用与以上铲斗位移相同的命名法，可以分别如以下等式25和26所示确定第一提升长度L_H1和第二提升长度L_H2。

等式25

等式26

其中SPos₁是基于吊杆35的长度和吊杆35的角度的滑轮45的水平位置，而SPos₂是基于吊杆35的长度和吊杆35的角度的滑轮45的垂直位置。然后过程900前进到图11所示以及相对于图11描述的部分B。

基于滑轮45的半径、在步骤980中计算的提升第一长度、和在步骤985计算的第二提升长度来确定提升缠绕角度(步骤990)。例如，基于与工业机器在第一铲斗位置和第二铲斗位置的特性几何形状相对应的一组另外的角度来计算提升缠绕角度。基于滑轮45的半径和等式25中的第一提升长度来计算或确定第一角度，如以下等式27所示。

第一角度＝acos((滑轮半径)/(第一提升长度)) 等式27

其中acos是反或逆余弦三角函数。基于滑轮45的半径和等式26中的第二提升长度来计算或确定第二角度，如以下等式28所示。

第二角度＝acos((滑轮半径)/(第二提升长度)) 等式28

基于以下等式29所示的DPos₁₁、DPos₁₂，SPos₁、和SPos₂来计算或确定第三角度。

第三角度＝atan2(DPos₁₂-SPos₂，DPos₁₁-SPos₁) 等式29

其中atan2是四象限反或逆正切三角函数。基于以下等式30所示的DPos₂₁、DPos₂₂，SPos₁、和SPos₂来计算或确定第四角度。

第四角度＝atan2(DPos₂₂-SPos₂，DPos₂₁-SPos₁) 等式30

然后提升角度或提升缠绕角度的改变Δθ_H被确定为如以下等式31所示。

提升缠绕角度＝(第一角度+第二角度)-(第三角度+第四角度) 等式31

基于提升缠绕角度和滑轮45的半径来确定当铲斗70从第一铲斗位置移动到第二铲斗位置时发生的提升缠绕的量或长度(正或负)(步骤995)，如以下等式32所示。

提升缠绕长度＝(提升缠绕角度)×(滑轮半径) 等式32

同样，当铲斗70从第一铲斗位置移动到第二铲斗位置时发生的提升位移的量ΔL_H可以使用提升解算器增益的已知值H_RG、第一铲斗位置的提升解算器计数H_RC、第二铲斗位置的提升解算器计数H_RC、和从第一铲斗位置到第二铲斗位置发生的提升缠绕的长度进行计算(步骤1000)。在一些实施例中，提升位移被计算如以下等式33所示。

提升位移＝abs(H_RG×(H_RCP1-H_RCP2))-提升缠绕长度 等式33

然后对在步骤1000计算的提升位移和在步骤975计算的铲斗位移进行相互比较，以便确定与关于所选择的铲斗柄85的铲斗长度L_D和铲斗角度θ_D的值相关联的误差(步骤1005)。可以如等式34所示计算误差。

误差＝abs((提升位移)-(铲斗位移)) 等式34

如果铲斗角度和铲斗长度两者都是正确的，则提升位移与铲斗位移相等或近似相等，并且误差近似为零。在步骤1005确定的误差可以存储在例如存储器255或数据库230中，用于与其他铲斗角度和铲斗长度组合的误差值进行比较。

在步骤1010，对第二变量Y与最终铲斗长度变量FL进行比较。最终铲斗长度变量FL表示铲斗70的最大可能长度。在一些实施例中，最终铲斗长度基于可以安装在工业机器10上的商业销售的铲斗70。在其他实施例中，最终铲斗长度FL被设置成远远超过最大可能铲斗长度的值(例如，500英寸或更大)，以便保证测试到每个可能的铲斗长度。如果在步骤1010，第二变量Y不等于最终铲斗长度，则过程900前进到图10所示和相对于图10描述的部分C的步骤1015。在步骤1015，第二变量Y递增与第二变量Y的当前值相对应的值，其与最终铲斗长度FL和开始铲斗长度SL之差除以铲斗长度的分辨率RL(例如，确定铲斗长度的精度)相加，如以下等式35所示。

$Y=Y+\frac{(\mathrm{FL}-\mathrm{SL})}{\mathrm{RL}}$ 等式35

然后，铲斗长度DL被设置成第二变量Y的新的值(步骤960)。如果在步骤1010第二变量Y等于最终铲斗长度，则过程900前进到步骤1020，其中对第一变量X与最终铲斗角度FA进行比较。最终铲斗角度FA与铲斗70相对于铲斗柄85的最大可能角度相对应。最终铲斗角度FA可以具有大约60°与大约90°之间的值。在一些实施例中，相对于铲斗柄85，开始角度SA总是设置成0°值，而最终铲斗角度总是设置成90°值。如果在步骤1020，第一变量X不等于最终铲斗角度，则过程900前进到图10所示和相对于图10描述的部分D中的步骤1025。在步骤1025，第一变量X递增与第一变量X的当前值相对应的值，其与最终铲斗角度FA和开始角度SA之差除以铲斗角度的分辨率RA(例如，铲斗角度将为其确定的精度)相加，如以下等式36所示。

$X=X+\frac{(\mathrm{FA}-\mathrm{SA})}{\mathrm{RA}}$ 等式36

然后，铲斗角度DA被设置成第一变量X的新的值(步骤950)。如果在步骤1020，第一变量X等于最终铲斗角度，则确定铲斗几何形状(步骤1030)。

例如，通过比较被确定用于设置的铲斗角度与铲斗长度的每个误差，确定铲斗几何形状。用如此方式配置过程900，使得与每个可能的铲斗角度(即，取决于铲斗角度分辨率)相组合地计算或确定与每个可能的铲斗长度相关联的误差值(即，取决于铲斗长度分辨率)。选择产生最小误差(即，误差接近于零)的铲斗长度L_D和铲斗角度θ_D组合作为铲斗几何形状。在一些实施例中，由于铲斗角度增量的分辨率和铲斗长度增量的分辨率而永远不可能实现完全为零的误差值。过程900的迭代方法是用于根据本发明求解铲斗几何形状的一个技术和过程的说明性示例。在其他实施例中，过程900可以适于使用用于求解铲斗70几何形状的另一或不同的技术和方法。例如，可以使用误差值的梯度，或可以使用Newton-Raphson近似方法，以及用于基于上述等式和关系来求解铲斗70的几何形状的其他技术。如上所述，然后将所确定的铲斗几何形状提供给例如与工业机器10相关联的避免碰撞系统、有效载荷确定系统、位置检测系统。

因此，除了其他之外，本发明提供用于确定铲斗几何形状的系统、方法、装置、工业机器、和计算机可读介质。本发明的各种特征和优点在以下权利要求中阐述。

Claims (20)

1.一种确定与工业机器的铲斗相关联的物理特性的值的方法，所述方法包括：

获得用于所述工业机器的第一方位的、与所述工业机器相关联的第一组数据，所述第一组数据包括与提升绳索相关联的第一长度和与所述提升绳索相关联的第一角度；

获得用于所述工业机器的第二方位的、与所述工业机器相关联的第二组数据，所述第二组数据包括与所述提升绳索相关联的第二长度和与所述提升绳索相关联的第二角度；以及

基于所述第一组数据和所述第二组数据来确定所述铲斗的所述物理特性的所述值。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述铲斗的所述特性是所述铲斗的长度。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述铲斗的所述特性是所述铲斗相对于铲斗柄的角度。

4.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：迭代解算所述铲斗的所述物理特性的所述值。

5.根据权利要求1所述的方法，其中确定所述铲斗的所述物理特性的所述值包括：解算一组联立方程来得到所述物理特性的所述值。

6.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：确定所述铲斗的位移和所述提升绳索的位移。

7.根据权利要求6所述的方法，进一步包括：基于所述铲斗的所述位移和所述提升绳索的所述位移来计算误差值。

8.一种工业机器，包括：

铲斗；

支撑提升绳索的吊杆和滑轮，所述提升绳索连接到所述铲斗；以及

控制器，所述控制器被配置成：

控制所述提升绳索的长度，

确定所述提升绳索的第一长度，所述第一长度与所述铲斗的第一位置相对应，

确定所述提升绳索的第二长度，所述第二长度与所述铲斗的第二位置相对应，

确定所述提升绳索相对于所述滑轮的第一角度，所述第一角度与所述铲斗的所述第一位置相对应，

确定所述提升绳索相对于所述滑轮的第二角度，所述第二角度与所述铲斗的所述第二位置相对应，

确定所述提升绳索的位移，以及

基于所述提升绳索的所述位移来确定所述铲斗的物理属性的值。

9.根据权利要求8所述的工业机器，其中所述铲斗的所述物理属性是所述铲斗的长度。

10.根据权利要求8所述的工业机器，其中所述铲斗的所述物理属性是所述铲斗相对于铲斗柄的角度。

11.根据权利要求8所述的工业机器，其中所述控制器进一步被配置成迭代地解算所述铲斗的所述物理属性的所述值。

12.根据权利要求8所述的工业机器，其中确定所述铲斗的所述物理属性的所述值包括：解算一组联立方程来得到所述物理属性的所述值。

13.根据权利要求8所述的工业机器，其中所述控制器进一步被配置成确定所述铲斗的位移和所述提升绳索的位移。

14.根据权利要求13所述的工业机器，其中所述控制器进一步被配置成基于所述铲斗的所述位移和所述提升绳索的所述位移来计算误差值。

15.一种确定与工业机器的铲斗相关联的长度的值的方法，所述方法包括：

确定与所述铲斗的第一位置相关联的提升绳索的第一长度；

确定所述提升绳索相对于滑轮的、并且与所述铲斗的第一位置相关联的第一角度；

确定所述提升绳索与所述铲斗的第二位置相关联的第二长度；

确定所述提升绳索相对于所述滑轮的、并且与所述铲斗的第二位置相关联的第二角度；以及

基于所述提升绳索的所述第一长度、所述提升绳索的所述第二长度、所述提升绳索相对于所述滑轮的所述第一角度、和所述提升绳索相对于所述滑轮的所述第二角度来确定所述铲斗的所述长度的所述值。

16.根据权利要求15所述的方法，其中确定所述铲斗的所述长度的所述值包括：解算一组联立方程来得到所述值。

17.根据权利要求15所述的方法，进一步包括：选择所述铲斗的所述长度的测试值；以及在所述铲斗的所述长度的值的范围内迭代地变更所述测试值。

18.根据权利要求17所述的方法，进一步包括：对于所述测试值的每个迭代，确定所述铲斗的位移和所述提升绳索的位移。

19.根据权利要求18所述的方法，进一步包括：对于所述测试值的每个迭代，基于所述铲斗的所述位移和所述提升绳索的所述位移来计算误差值。

20.根据权利要求19所述的方法，进一步包括：确定产生最小误差值的所述铲斗的所述长度的所述测试值。