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1、 西安建筑科技大学华清学院毕 业 设 计 (论 文 ) 英 文 翻 译院（系）： 华清学院专 业： 机械设计制造及其自动化学生姓名： 周高寒学 号： 201106040434指导教师：135第 1 页一种协调挖掘机臂位置控制的一种实用接口Ryder C. Winck a, Mark Elton b, Wayne J. Book ca Mechanical Engineering, Rose-Hulman Institute of Technology, USAb HUSCO International, Waukesha, WI, USAc Woodruff School of Mechani
2、cal Engineering, Georgia Institute of Technology, Atlanta, GA, USA摘要本文提出了一种新的手控制器接口，解决实际的问题，实施协调挖掘机的手臂位置控制（CPC）的实际问题。新的接口使用与挖掘机臂的闭环 CPC 和摆动的开环流量控制的混合动力控制方案。其中用一个操纵杆是类似于运动学的挖掘机臂实现。即在类似运动学摇杆的平面运动。因此，它可以垂直安装在挖掘机臂，或水平安装。这有许多优点，如减少操作者的疲劳。与新的接口相比，使用动态挖掘机模拟器要比以前使用的常规接口要好。结果证明在弃土的去除量和燃油效率方面要比以前的有所提高，同时被设计的更
3、为实际。虽然设计的是挖掘机，但提出的概念可以适用于各种液压操纵的机械。版权所有2014 年爱思唯尔 B.V.所有权利关键词：协调控制 人机界面 类似运动学的操纵杆 液压操纵 挖掘机 人为因素1.简介本文提出了一种新的手控器接口，解决了许多实际的问题，实施协调位置控制（CPC）在液压机上的实际问题。人们的实验表明了如何使用新的手控制器接口，并提供了初步验证，新的界面能更加切合实际的应用，保持许多性能优势。液压驱动的机器手使用在许多的机械，包括挖掘机，反铲挖土机，混凝土泵车和伸缩臂，并在多个工业领域，如建筑，林业，矿业和农业。尽管被用235第 2 页于工业多年，但是这些操纵器新手使用起来是具有挑战
4、性，并且，即使成为专业的操作者，由于其他因素外，操作者也会不断的出现失误， ，使的需要控制操纵器的高的认知负荷1但是高认知负荷的部分原因是由于传统的液压操纵共同使用控制产生的，这是很难学习和使用传统操作的手动控制器的接口所接受的。例如，在一台挖掘机，四度-的自由度（自由度）的独立控制使用的两个操纵杆的方向范围，如图 1 所示在以前的工作中，艾顿 1-4表明与使用CPC 接口时相比，传统的接口在模拟挖沟任务时性能有显著的提升。尽管有这些性能提升，仍然存在许多问题，但可以提升我们的挖掘机或类似的机器。四个方面的问题将是专本文讨论：（1）存在的更大的操作疲劳和操作舒适性; （2）由于位置的比例原因引
5、起精度损失；（3）存在的不必要的机械运动;（4）操作者缺乏对操作指令的位置认识的知识。这些问题以特定的方式表现在液压机器，但它们一般适用于许多应用15,26,27。不会在本文中可以直接解决的第五个为题是生物动力馈通。尽管解决这些实际问题势在必行，但新的界面必须继续体现性能优势。本文提出表明要不断的实验，新的界面一定会有更多的性能优势，努力成为更实用的。它还初步提供了与传统界面相比新的界面存在的性能优势数据。正如在以前的工作1,6,7，试验对象的表现是基于特定的任务指标。在本文中所使用的指标涉及到那些在埃尔顿中的数据1，并且除去超过给定的时间周期期间挖沟任务的量和除去为燃料浪费的一定量的量。其结
6、果是一个新的接口，体现了许多我们预想的一些优点，同时解决了阻碍其在液压机械执行的问题。经过这项研究以及一些相关工作不断的进行了讨论。第 4 节介绍了新的接口，并讨论了一些界面与以前的界面的相比和其中的实际利益。第 5 和 6 描述实验和结果，以及第 7 节讨论的结果。2.背景早期的液压机械手是使用杠杆或踏板来直接驱动阀门来控制机械手。因335第 3 页此，一个单独的控制杆被用于每个自由度（DOF） ，并且杆的运动被直接链接到流入气缸。经过先导操作阀补充，允许多方向操纵杆，在图 1 所示，将用于控制各种自由度。在设计杠杆的多方向操纵杆改进中，因为操作员能够更容易地同时制动所有的关节，并且因为某些
7、自由度与人的动作相关。多方向操纵杆已成为许多不同的液压机的标准即为本文中提到的现有接口。电控制器被引入操作员移动的操纵杆其中，该电子制动阀的控制操纵器由电液操纵杆来进行操纵的，此设计将减小操纵杆的尺寸，减小施加在操作员负荷，并且允许更多的变化。然而，今天，传统的接口的基本概念保持不变。然而多向操纵杆设计的寿命可以归因于许多因素，如经济、性能以及其他方面的能力，符合人体工程学，并且符合工业习惯。因此，任何新的接口必须展示出明显的改进性能，以激励制造商改变其设计和操作员重新学习新的接口。图 1 通过共同控制的液压挖掘机的常规接口。尽管这个行业存在许多习惯，但仍然存在一些希望提高人机界面液压机的观点
8、。虽然现有的接口已使用了许多年，并且专业的操作人员很能干，对于一个特殊的人员训练成为一个专也操作者它需要许多年1,5。与传统的界面相比，操作者提供了一种开环流命令到每个操纵器接头。因此，在不存在相对于435第 4 页系统的压力大的干扰力，这种流动的命令大致相当于指挥操纵器，或关节速率控制的关节速度。对于本文的目的，这将被称为联合流量控制。要控制机械手，操作员必须执行精神在他们的头脑操纵器的反向运动。由于这些原因，许多研究人员已设法改进控制接口上，使机器更直观的操作1-3,6-14。下面是一些这些努力的简要讨论。3.相关工作一些研究人员已经探索出了利用液压协调操纵1-3,6-14控制。在上述的共
9、同控制的环流进行对比，协调控制用计算机控制，将操作者的输入命令转换成制动命令，从心理上解除阀接合命令对操作者带来的逆运动学的心里问题。协调控制确实需要机械手关节的闭环控制，但已经明显显示出导致操作者的表现的一些问题。例如 Lawrence 等6，Parker 等人8，以及 Wallersteiner等7 应用于协调控制以及触觉反馈挖掘机，以及装载机和伐木机聚束。他们的实验结果表明在这些机器上有两点的优势。 Lawrence 等6表明，使用汉子的聚束切割过程中协调控制降低对接损害的发生率。 Wallersteiner 等 7相比，协调控制与加载器的常规接口的操纵新手和专业的操作者以及使用放置的时
10、间试验性能日志评估中指定的问题。它们表明，协调控制大大减少所需的新手以及完成任务的时间，而且用有限的时间，专也操作人员可以完成与具有相等熟练相比使用传统接口的新的控制器的任务。 Parker 等人。 8 在同一时间段关注关于机械力控制存在的一些不足之处，Hadank 和艾伦等人。 11,12为挖掘机协调速度控制系统进行了专利的申请，Manurung 14采用协调率控制以液压反铲挖土机。他们在扁平化与挖掘任务的传统界面进行了对比，发现新的操作者协调控制执行这些任务的更好之处，但其性能差别的不足使得增加了次数试验的。然而，他们唯一的实验结果所使用的运动学仿真具有速度极限和机器动力学已经显示出对接口
11、性能15有很强的影响。协调位置控制（CPC）已被证明比协调率控制（CRC）要好，并用于各种机械手和任务，所述535第 5 页例外是操纵器的更为有效的大工作区和缓慢的动态，这是液压操纵15,16的特征。然而，无论是 CPC 1-3,6-10,17-20和 CRC 11-14已被证实对液压设备的影响较小。传感器的使用方法放置在操作者的手臂了遥控轮式挖掘机17的优越性能。李先生的机器手控制器专利，可以提供 CPC 用于挖掘机的手臂18。在以后的专利申请，霍奇森建立在李的工作基础之上通过类似挖掘机的手臂手控制器运动学 19。专利申请霍奇森最近已出版吕等人。其中手控制器是挖掘机臂20的微缩复制品。本文提
12、出了新的接口也采用了类似的运动学操纵杆，但不同于这些专利，它是在一个混合的控制方案，这限制了一些操纵杆运动方面的使用。混合动力控制方案已被用于一些大的工作区操纵器，以允许控制位置的优点，同时减少了不利的的一些因素1,21-23。位置缩放也已通过使用离合器机构和可调位置秤32解决。它可以提供选择性的位置控制，当任务需要这样的精确度。与以前的工作由埃尔顿1相比，CPC 和 CRC 的混合与液压挖掘机的常规接口。他们使用了 Geomagic 的幻影高级触觉装置24 为 CPC 和 CRC 的混合体。用来共同控制挖掘机和联合流量控制，驾驶室控制整体的摆动的悬臂、棒、和铲斗的混合动力控制，即仍然在圆柱形
13、协调控制方案的坐标系与方位角的开环流量控制，而 CPC 是独自在笛卡尔坐标。他们指出，CPC 让新手操作者在给定的时间周期去除更多的弃土，对于燃料都是在其中的消耗量不论是混合或常规接口的模拟挖掘任务的给定量。除了证明性能的改善，他们还发现了液压机的一些挑战，CPC 的实际执行能力。科目发现幻影设备不是很舒适，比传统的摇杆更疲劳，主要是由于需要保持他们的手臂的抬高。他们还评论说，该接口对过于小的运动非常的敏感，它更难以保持挖掘机的手臂稳定。此外，幻影臂与挖掘机臂之间的运动差异相对混乱，设计预计挖掘机手臂的关节角度来模仿那些幻影的。同时保持先前通过改变物理手控制器接口的设计表现出的性能的优越性，在
14、本文解决了所有上述挑战。液压设备上还有进一步的挑战在和其他的操作机器相比，起因是于生物动635第 6 页力馈通28-30不稳定。当操作者操纵机器在物理上被控制发生与生物动力馈通。机器的运动引起的操作者的不稳定，这是通过操纵杆为导致更多的机器运动的命令的供给运动。使用 CPC 液压设备控制生物动力穿心已使用有源补偿28-30得到解决的其他作品。而实验本文不直接解决这个问题，因为在 4.1节所讨论的，通过解决位置问题有新的界面的设计存在一些好处，缩放和空间去耦 1 自由度，以减少生物动力馈通。4.新的手控制器接口4.1 新的手控制器接口的概念新的手控制器接口有两种不同的配置都在本节。该接口是一个混
15、合协调位置控制（CPC）和联合流量控制的，和埃尔顿书中的混合控制器有所相似1。新的接口在图中所示 2 所示，采用自由（自由度）的摆动程度的共同的控制流和类似与运动学上的操纵杆（KSJ）为其他的三个自由度。控制器用于匹配悬臂、棒、和铲斗的 KSJ 的关节角度的关节位置。因此，位置控制是用于平面和出平面的运动流来控制的，如图 2 所示图中。以下小节将介绍：混合动力控制方法的概述;在 KSJ 的设计理念，铲斗具体控制方法 KSJ 原型在实验中的使用，和所使用的控制方法，以控制基于 KSJ输入的挖掘机臂。重点是讨论如何在新的接口地址特别是第 1 节列举的的四个实际挑战问题。4.1.1 混合控制方案用于
16、混合动力车的控制方案是有很多的选择的。虽然混合动力控制并没有在埃尔顿和书中的早期实验1中进行，以及那些结果很可能不是很准确的。在他们的工作中，在摆动的两个共同的流控制和起重臂杆的位置控制，以及铲斗用机械手使用幻影操纵杆进行控制，以用来摆动自由度返回到其中心位置的虚拟弹簧。这就要求操作者保持其手稳定在摆动自由度，相对的弹簧复位，同时使用同一只手在正交平面进行位置控制。与此相反，在本文提出的混合动力735第 7 页控制方案允许单手控制流量的摆动和另一只手控制其它自由度的位置。两手混合控制方案可以帮助解决操作者的疲劳，存在的不必要的机器运动和位置缩放的问题1,15,26,27，并允许机器存在一些晃动。 两手方案限制了 KSJ 以平面运动。这使得操作者能够使自己尽快适应，使它更容易保持自己的胳膊稳定，提高舒适度，减少疲劳。比较幻影或任何其他以
