用于控制直臂式臂架的方法、处理器、装置及工程设备与流程

1.本发明涉及工程设备技术领域，具体地涉及一种用于控制直臂式臂架的方法、处理器、装置及工程设备。


背景技术：

2.工程设备的直臂式臂架通常为串联结构，其包括多个节臂，节臂间通过可以控制节臂运动的关节连接。随着直臂式工程设备的应用场合日益广泛，同时也将面临作业环境复杂、作业难度高等问题。
3.目前直臂式臂架工程设备主要依赖于人工控制，操作人员需要预先熟悉直臂式臂车的结构形式，然后通过操作手的肉眼观察工程设备的末端位置，根据经验估算位置与角度，然后通过控制手柄来单独移动各个臂节的液压驱动油缸，使平台达到预定的目标位置。这不仅对操作人员对工程设备的熟悉程度提出要求，且增加了操作手的劳动强度，也为操作安全性带来隐患，为提高工程设备的作业效率，对其平台位置进行直线运动控制有着重要意义。


技术实现要素：

4.针对现有技术中的上述不足，本发明实施例的目的是提供一种用于控制直臂式臂架的方法、处理器、装置及工程设备。
5.为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种用于控制直臂式臂架的方法，直臂式臂架包括多个节臂以及连接多个节臂的关节，包括：
6.获取直臂式臂架的当前位姿信息，当前位姿信息包括节臂的当前转动角度和节臂的当前伸缩量；
7.根据当前位姿信息确定直臂式臂架的末端的当前位置；
8.根据当前位置和输入的运动指令确定直臂式臂架的末端的期望位置；
9.确定直臂式臂架的运动副中用于对直臂式臂架的末端进行调节以使末端保持水平状态的平台调平转动运动副，直臂式臂架的运动副包括节臂转动和节臂伸缩；
10.根据期望位置、平台调平转动运动副对应的当前位姿信息确定直臂式臂架的除平台调平转动运动副以外的其他运动副对应的期望位姿信息；以及
11.根据平台调平转动运动副对应的当前位姿信息和其他运动副对应的期望位姿信息生成用于调节直臂式臂架位姿的控制指令。
12.在本发明实施例中，根据期望位置、平台调平转动运动副对应的当前位姿信息确定直臂式臂架的除平台调平转动运动副以外的其他运动副对应的期望位姿信息，包括：
13.将期望位置和平台调平转动运动副对应的当前位姿信息输入至逆向运动学模型，以确定其他运动副对应的期望位姿信息。
14.在本发明实施例中，将期望位置和平台调平转动运动副对应的当前位姿信息输入至逆向运动学模型，以确定其他运动副对应的期望位姿信息，包括：
15.基于期望位置和平台调平转动运动副对应的当前位姿信息确定逆向运动学模型是否存在实数解；
16.如果确定逆向运动学模型存在实数解，则判断实数解是否超出其他运动副对应的第一预设运动范围；
17.如果实数解未超出第一预设运动范围，则基于实数解确定其他运动副对应的期望位姿信息。
18.在本发明实施例中，将期望位置和平台调平转动运动副对应的当前位姿信息输入至逆向运动学模型，以确定其他运动副对应的期望位姿信息，包括：
19.如果确定逆向运动学模型不存在实数解，或存在超出第一预设运动范围的实数解，则等待预设间隔时长，以在等待结束后重新获取平台调平转动运动副对应的当前位姿信息，直至得到未超出第一预设运动范围的实数解。
20.在本发明实施例中，逆向运动学模型是通过以下步骤建立的：
21.获取直臂式臂架的初始位姿信息，初始位姿信息包括关节的初始位置和直臂式臂架的末端的初始位置；
22.基于多个节臂之间的空间几何关系和初始位姿信息建立逆向运动学模型。
23.在本发明实施例中，获取直臂式臂架的当前位姿信息，包括：
24.响应于监测到用于控制直臂式臂架的末端移动的控制信号，获取当前时刻的直臂式臂架的当前位姿信息。
25.在本发明实施例中，根据当前位姿信息确定直臂式臂架的末端的当前位置，包括：
26.将当前位姿信息输入至正向运动学模型，以确定直臂式臂架的末端的当前位置；
27.其中，正向运动学模型是基于旋量法建立的。
28.在本发明实施例中，多个节臂包括塔臂、飞臂以及工作平台，关节包括转台转动关节、塔臂转动关节、塔臂伸缩关节、飞臂转动关节以及平台调平转动关节，
29.转台转动关节通过塔臂转动关节与塔臂的一端连接，塔臂的另一端通过塔臂伸缩关节与飞臂转动关节的一端连接，飞臂转动关节的另一端与飞臂的一端连接，飞臂的另一端通过平台调平转动关节与工作平台连接；
30.当前位姿信息包括转台转动的第一当前转动角度、塔臂转动的第二当前转动角度、飞臂转动的第三当前转动角度、平台调平转动的第四当前转动角度以及塔臂伸缩的第一伸缩量；
31.直臂式臂架的运动副包括：转台转动、塔臂转动、飞臂转动、平台调平转动以及塔臂伸缩。
32.本发明第二方面提供一种处理器，被配置成执行时实现如上的用于控制直臂式臂架的方法的步骤。
33.本发明第三方面提供一种用于控制直臂式臂架的装置，包括：
34.液压驱动系统，用于驱动直臂式臂架运动；
35.传感器，用于检测直臂式臂架的位姿；
36.如上实施例所述的处理器；以及
37.液压伺服控制器，被配置成：
38.响应于接收到的控制信号，根据传感器检测的位姿生成位姿信息，并将生成的位
姿信息输送至处理器；
39.根据从处理器接收的用于调节直臂式臂架位姿的控制指令控制液压驱动系统驱动直臂式臂架运动。
40.在本发明实施例中，还包括：
41.遥控器，用于响应于用户操作发送控制信号。
42.本发明第四方面提供一种工程设备，包括：
43.直臂式臂架，直臂式臂架包括多个节臂以及连接多个节臂的关节；
44.如上实施例所述的用于控制直臂式臂架的装置。
45.本发明实施例中，多个节臂包括塔臂、飞臂以及工作平台，关节包括转台转动关节、塔臂转动关节、塔臂伸缩关节、飞臂转动关节以及平台调平转动关节，转台转动关节通过塔臂转动关节与塔臂的一端连接，塔臂的另一端通过塔臂伸缩关节与飞臂转动关节的一端连接，飞臂转动关节的另一端与飞臂的一端连接，飞臂的另一端通过平台调平转动关节与工作平台连接。
46.本发明第五方面提供一种机器可读存储介质，机器可读存储介质上存储有指令，指令在被处理器执行时使得处理器执行如上实施方式中的用于控制直臂式臂架的方法。
47.通过上述技术方案，获取直臂式臂架的当前位姿信息，以根据当前位姿信息确定直臂式臂架的末端的当前位置，从而根据当前位置和输入的运动指令确定直臂式臂架的末端的期望位置，并确定直臂式臂架的运动副中用于对直臂式臂架的末端进行调节以使末端保持水平状态的平台调平转动运动副，以根据期望位置、平台调平转动运动副对应的当前位姿信息确定直臂式臂架的除平台调平转动运动副以外的其他运动副对应的期望位姿信息，进而根据平台调平转动运动副对应的当前位姿信息和其他运动副对应的期望位姿信息生成用于调节直臂式臂架位姿的控制指令。在直臂式臂架的自由度存在冗余时，通过划分出平台调平转动运动副有效的降低了在确定用于调节直臂式臂架位姿的控制指令时的计算难度，并极大的加快了计算的速度，有效提升在复杂高空作业场景中的适应性和灵活性，并且，通过用于调节直臂式臂架位姿的控制指令，可以实现臂式高空作业平台末端位置的自动控制，无需操作人员预先熟悉工程设备臂架的结构形式，降低了高空作业平台的使用门槛，使臂式高空作业平台的操作更加简单直观、可控性更好，降低劳动强度。
48.本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
49.附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
50.图1为根据本发明一实施例的用于控制直臂式臂架的方法的流程示意图；
51.图2为根据本发明一实施例的用于控制直臂式臂架的装置的示意框图；
52.图3为根据本发明一实施例的逆向运动学模型求解的流程示意图；
53.图4为根据本发明一实施例的工程设备的示意图。
54.附图标记说明
55.100、用于控制工程设备臂架的装置；101、处理器；102、液压驱动系统；103、液压伺服控制器；104、传感器；105、遥控器；111、转台转动关节；112、塔臂转动关节；113、塔臂；
114、塔臂伸缩关节；115、飞臂转动关节；116、飞臂；117、平台调平转动关节；118、工作平台；θ1、转台转动；θ2、塔臂转动；θ3、塔臂伸缩；θ4、飞臂转动；θ5、平台调平转动。
具体实施方式
56.以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
57.图1为根据本发明一实施例的用于控制直臂式臂架的方法的流程示意图。如图1所示，在本发明实施例中，提供了一种用于控制直臂式臂架的方法，直臂式臂架包括多个节臂以及连接多个节臂的关节，以该方法应用于处理器为例进行说明，该方法可以包括以下步骤：
58.步骤s100，获取直臂式臂架的当前位姿信息，当前位姿信息包括节臂的当前转动角度和节臂的当前伸缩量；
59.本实施例中，需要说明的是，工程设备的直臂式臂架可以是串联结构，其可以包括多个节臂，节臂间通过可以控制节臂转动的关节连接。当前位姿信息包括节臂的当前转动角度和节臂的当前伸缩量，其中，当前转动角度和当前伸缩量表示当前时刻对应的节臂的转动角度和节臂的伸缩量。可以通过获在直臂式臂架的节臂或者关节对应的位置安装的传感器来获取直臂式臂架的当前位姿信息。
60.具体地，获取直臂式臂架的当前位姿信息，包括：
61.步骤a，响应于监测到用于控制直臂式臂架的末端移动的控制信号，获取当前时刻的直臂式臂架的当前位姿信息。
62.本实施例中，需要说明的是，控制直臂式臂架的末端移动的控制信号可以触发对直臂式臂架的末端进行移动，此时需要确定如何控制直臂式臂架的节臂或关节进行运动，以实现直臂式臂架末端的位置移动。具体地，当处理器监测到用于控制直臂式臂架的末端移动的控制信号时，可以从传感器获取当前时刻的直臂式臂架的当前位姿信息。在一个示例中，控制信号可以是用户(操作员)通过操作遥控器产生的。
63.步骤s200，根据当前位姿信息确定直臂式臂架的末端的当前位置；
64.本实施例中，需要说明的是，工程设备在控制直臂式臂架运动时，主要目的是为了控制直臂式臂架末端达到指定位置，例如，高空作业平台车控制末端的工作平台移动，以到达指定位置。在对直臂式臂架的位姿进行调整之前，需要确定直臂式臂架调整前的当前时刻其末端的位置，即末端的当前位置。
65.具体地，根据当前位姿信息确定直臂式臂架的末端的当前位置，包括：
66.步骤b，将当前位姿信息输入至正向运动学模型，以确定直臂式臂架的末端的当前位置；其中，正向运动学模型是基于旋量法建立的。
67.本实施例中，需要说明的是，控制直臂式臂架的末端从当前位置移动在期望位置时，需要确定当前时刻直臂式臂架末端的当前位置，以在确定末端的当前位置后依据运动指令确定末端的期望位置，进而根据期望位置确定控制直臂式臂架的运动副进行姿态调整的期望位姿信息，以实现对直臂式臂架的姿态进行调整，在此过程前，将建立运动学模型以实现期望位姿信息的确定，而在建立运动学模型的初始时刻直臂式臂架的状态为初始状态，直臂式臂架处于初始状态下的位姿信息为直臂式臂架的初始位姿信息。
68.本实施例中，运动学模型包括正向运动学模型和逆向运动学模型，其中，根据旋量法建立正向运动学模型。可以理解，旋量法建立正向运动学模型为根据旋量理论，将串联式直臂式臂架的关节运动视为各个节臂的旋量运动，且基于旋量理论中的刚体的旋转运动可由运动旋量的指数积的形式表示，进而可得到刚体转动一定角度后的位姿表达式。其具体的计算方法是所属领域技术人员所知的，此处不再赘述。
69.具体地，在确定正向运动学模型时，确定在初始状态下直臂式臂架节臂以及关节的初始位姿信息，并确定直臂式臂架的末端的初始位置，以及确定在初始状态下各节臂和关节对应的单位运动旋量，最终建立正向运动学模型。将直臂式臂架的当前位姿信息输入至该正向运动学模型后，即可确定直臂式臂架的末端的当前位置。
70.例如，在一实施例中，正向运动学模型为：其中，g
st
(θ)表示直臂式臂架的末端的当前位置，g
st
(0)表示直臂式臂架的末端的初始位置，θi(i＝1、2、3、4、5)表示直臂式臂架的节臂或关节对应的当前位姿信息，ξi(i＝1、2、3、4、5)表示初始状态下节臂和关节对应的单位运动旋量。
71.步骤s300，根据当前位置和输入的运动指令确定直臂式臂架的末端的期望位置；
72.本实施例中，需要说明的是，在实际应用中，在操作直臂式臂架时可以根据实际需求向直臂式臂架下达对应的运动指令以使直臂式臂架运动，例如，往前移动5米。处理器接收到该运动指令后，需要对该运动指令进行转换，以得到在空间中基于预设基坐标系的直臂式臂架末端的期望位置。期望位置是指想要操作直臂式臂架末端所到达的位置。运动指令由操作人员输入，例如可以是通过遥控器进行输入，控制按钮进行输入等输入方式。运动指令可以包括在控制所述直臂式臂架的末端移动的控制信号中，或可以是在控制所述直臂式臂架的末端移动的控制信号输入后单独输入的。
73.本实施例中，以直臂式臂架的转台关节所在位置为原点建立的坐标系作为基坐标系，处理器在确定直臂式臂架末端的当前位置后，根据输入的运动指令在该当前位置的基础上加上该运动指令对应的运动量，以确定直臂式臂架的末端在基坐标系中的期望位置。
74.步骤s400，确定直臂式臂架的运动副中用于对直臂式臂架的末端进行调节以使末端保持水平状态的平台调平转动运动副，直臂式臂架的运动副包括节臂转动和节臂伸缩；
75.本实施例中，需要说明的是，节臂转动包括直臂式臂架的运动副中可以使得节臂转动的关节；节臂伸缩包括直臂式臂架的运动副可以伸缩的节臂。直臂式臂架的运动副中，平台调平转动运动副为控制直臂式臂架末端保持水平的运动副，该运动副的位姿信息无需计算，可直接通过角度传感器进行读取。
76.具体地，处理器确定直臂式臂架的运动副中用于对直臂式臂架的末端进行调节以使末端保持水平状态的平台调平转动运动副。
77.步骤s500，根据期望位置、平台调平转动运动副对应的当前位姿信息确定直臂式臂架的除平台调平转动运动副以外的其他运动副对应的期望位姿信息；
78.本实施例中，需要说明的是，其他运动副是指臂架所有的运动副中除了平台调平转动运动副外其余的运动副；期望位姿信息是指使得直臂式臂架末端运动至期望位置时，需要对该其他运动副的进行设置的参数。
79.具体地，处理器根据期望位置和平台调平转动对应的当前位姿信息来确定直臂式臂架的除平台调平转动运动副以外的其他运动副对应的期望位姿信息。
80.步骤s600，根据平台调平转动运动副对应的当前位姿信息和其他运动副对应的期望位姿信息生成用于调节直臂式臂架位姿的控制指令。
81.本实施例中，需要说明的是，控制指令用于调节直臂式臂架位姿，具体为基于运动副已设置的参数对直臂式臂架的所有的运动副进行控制的指令。用于调节直臂式臂架位姿的控制指令包括了对直臂式臂架所有的运动副的位姿信息进行设置的指令，其中，平台调平转动运动副对应设置的参数为当前位姿信息，其他运动副对应设置的参数为期望位姿信息。通过将平台调平转动运动副对应的当前位姿信息作为控制该平台调平转动运动副的参数，降低了因为自由度冗余带来的求解难度。
82.具体地，处理器可以根据平台调平转动运动副对应的当前位姿信息和其他运动副对应的期望位姿信息生成用于调节直臂式臂架位姿的控制指令。
83.本发明实施例中，用于控制直臂式臂架的装置的控制结构由液压伺服控制器与包含处理器的工控机两部分组成，分别作为下位机与上位机。下位机对液压驱动系统进行实时位置控制，上位机用于求解复杂的冗余自由度臂架逆解与关节空间轨迹规划，该控制结构通过分层控制的方式，工控机向液压伺服控制器定时下发的控制信号，可以一定程度补偿由于液压控制时延产生的控制误差，从而提高对直臂式臂架进行控制的整个直臂式臂架控制系统的响应速度。同时也可以避免由于逆运动学求解超时造成的直臂式臂架控制不稳定问题，提高了直臂式臂架控制系统的鲁棒性。
84.参考图2，在一应用场景中，用于控制直臂式臂架的方法应用于用于控制直臂式臂架的装置100，用于控制直臂式臂架的装置100包括遥控器105、传感器104、液压伺服控制器103、液压驱动系统102以及处理器101。当遥控器105被触发，液压伺服控制器103根据遥控器105触发的当前时刻t，从传感器104获取当前时刻臂架的各个运动副对应的当前位姿信息，将该当前时刻和该当前位姿信息输入至处理器101，处理器101基于获取的前时刻和该当前位姿信息确定用于控制臂架的位姿的控制指令，该控制指令包括对臂架的每一个运动副对应的位姿信息。具体地，处理器101通过正向运动学模型确定臂架末端的当前位置，输入至笛卡尔空间轨迹规划中，以得到根据该当前位置以及输入的运动指令确定臂架的末端的期望位置，从而将该期望位置输入至逆向运动学模型中，确定臂架的每一个运动副对应的期望位置，关节空间轨迹规划通过每一个运动副对应的期望位置确定每一个运动副对应的期望位姿信息，以生成用于调节臂架位姿的控制指令。液压伺服控制器103根据该控制指令控制液压驱动系统102驱动臂架的多个运动副进行同步运动。其中，输入的运动指令可以由遥控器105按钮对应的控制信号进行确定。
85.上述用于控制直臂式臂架的方法，通过获取直臂式臂架的当前位姿信息，以根据当前位姿信息确定直臂式臂架的末端的当前位置，从而根据当前位置和输入的运动指令确定直臂式臂架的末端的期望位置，并确定直臂式臂架的运动副中用于对直臂式臂架的末端进行调节以使末端保持水平状态的平台调平转动运动副，以根据期望位置、平台调平转动运动副对应的当前位姿信息确定直臂式臂架的除平台调平转动运动副以外的其他运动副对应的期望位姿信息，进而根据平台调平转动运动副对应的当前位姿信息和其他运动副对应的期望位姿信息生成用于调节直臂式臂架位姿的控制指令。上述方法在直臂式臂架的自由度存在冗余时，通过划分出平台调平转动运动副有效的降低了在确定用于调节直臂式臂架位姿的控制指令时的计算难度，并极大的加快了计算的速度，有效提升在复杂高空作业
场景中的适应性和灵活性，并且，通过用于调节直臂式臂架位姿的控制指令，可以实现臂式高空作业平台末端位置的自动控制，无需操作人员预先熟悉工程设备臂架的结构形式，降低了高空作业平台的使用门槛，使臂式高空作业平台的操作更加简单直观、可控性更好，降低劳动强度。
86.在一个实施例中，根据期望位置、平台调平转动运动副对应的当前位姿信息确定直臂式臂架的除平台调平转动运动副以外的其他运动副对应的期望位姿信息，包括：
87.步骤c，将期望位置和平台调平转动运动副对应的当前位姿信息输入至逆向运动学模型，以确定其他运动副对应的期望位姿信息。
88.本实施例中，需要说明的是，逆运动学是决定要达成所需要的姿势所要设置的关节可活动对象的参数的过程，即对直臂式臂架的运动副的期望位姿信息进行设置的过程，逆向运动学模型可实现对该期望位姿信息的求解。在建立逆向运动学模型时，对直臂式臂架的除平台调平转动运动副以外的其他运动副进行求解方程的确定，以在获取到期望位置和平台调平转动运动副对应的当前位姿信息时，将该获取到的期望位置和平台调平转动对应的当前位姿信息作为已知量，代入确定的求解方程，从而得到该其他运动副对应的期望位姿信息。
89.具体地，针对直臂式臂架的除平台调平转动运动副以外的其他运动副的期望位姿信息进行计算时，处理器将确定的平台调平转动运动副对应的当前位姿信息和臂架末端的期望位置作为已知量输入至逆向运动学模型，以在经过逆向运动学模型中的运算过程后，得到该其他运动副对应的期望位姿信息。
90.具体地，逆向运动学模型是通过以下步骤建立的：
91.步骤c1，获取直臂式臂架的初始位姿信息，初始位姿信息包括关节的初始位置和直臂式臂架的末端的初始位置；
92.步骤c2，基于多个节臂之间的空间几何关系和初始位姿信息建立逆向运动学模型。
93.本实施例中，需要说明的是，控制直臂式臂架的末端从当前位置移动到期望位置时，将在确定末端的当前位置后依据运动指令确定末端的期望位置，进而根据期望位置确定控制直臂式臂架的运动副进行姿态调整的期望位姿信息，以实现对直臂式臂架的姿态进行调整，在此过程前，将建立运动学模型以实现期望位姿信息的确定，而在建立运动学模型的初始时刻直臂式臂架的状态为初始状态，直臂式臂架处于初始状态下的位姿信息为直臂式臂架的初始位姿信息。可以理解的是，该初始位姿信息可以是直臂式臂架的出厂位姿信息，还可以是直臂式臂架在进行一定的姿态调整后的位姿信息，其确定的依据为建立运动学模型的初始时刻，可以根据实际需求进行确定或变更。
94.运动学模型包括正向运动学模型和逆向运动学模型，其中，当存在自由度冗余时，基于末端的期望位置进行逆向运动学求解，以得到臂架所有的运动副的期望位姿信息时，无法确定唯一解且计算过程复杂，耗时长。本实施例中，针对存在自由度冗余的情况，减少需要进行计算的运动副的数量，选取平台调平转动运动副的当前位姿信息作为定值，基于该确定的定值对其他运动副进行求解，以得到使得直臂式臂架的末端到达期望位置时直臂式臂架所有的运动副唯一对应的位姿信息。建立逆向运动学模型时，将对直臂式臂架的除平台调平转动运动副以外的其他运动副进行求解方程的确定，在建立逆向运动学模型时，
将平台调平转动运动副对应的当前位姿信息作为逆向运动学模型中进行逆向运动学求解的已知量，也即该平台调平转动运动副对应的当前位姿信息将直接作为定值，不需要再进一步进行位姿信息的求解。
95.具体地，在一实施例中，臂架的自由度为6，包括的运动副有：转台转动θ1、塔臂转动θ2、塔臂伸缩θ3、飞臂转动θ4、平台调平转动θ5、以及；同一平面内自由度为4，包括的运动副有：塔臂转动θ2、塔臂伸缩θ3、飞臂转动θ4、平台调平转动θ5。本实施例中，考虑实际工况的臂架的运动副中，平台调平转动θ5用于工作平台的调平，其通过角度传感器进行主动的调节，故考虑将平台调平转动θ5作为已知量，在直臂式臂架的逆向运动学模型中的运算过程中直接读取平台调平转动θ5对应的当前位姿信息，将其作为当前求逆的一个定值进行求解。以转台转动关节的位置建立的坐标系为基坐标系。
96.可根据旋量法建立相关的正向运动学模型：其中，g
st
(θ)表示直臂式臂架的末端的当前位置，g
st
(0)表示直臂式臂架的末端的初始位置，θi(i＝1、2、3、4、5)表示直臂式臂架的运动副对应的当前位姿信息，ξi(i＝1、2、3、4、5)表示初始状态下直臂式臂架的运动副对应的单位运动旋量。
97.根据正向运动学公式，可得直臂式臂架的末端位置的表达式：
98.x＝((x
a-x4)*c24 (z
c-z4)*s24 (x4 θ
3-x2)*c2 z4-z2*s2 x2*c1；
99.y＝((x
a-x4)*c24 (z
c-z4)*s24 (x4 θ
3-x2)*c2 z4-z2*s2 x2*s1；
100.z＝(z
c-z4)*c24 (x
4-xa)*s24 (z
4-z2)*c2 (x
2-θ
3-x4*s2 z2；
101.其中，
102.c1＝cosθ1，s1＝sinθ1103.c2＝cosθ2，s2＝sinθ2104.c24＝cos(θ2 θ4)，s24＝sin(θ2 θ4)
105.同时为保持直臂式臂架的末端水平的姿态，故有：
106.θ2 θ4 θ5＝0；
107.本实施例中，将平台调平转动θ5作为已知量，其他运动副包括转台转动θ1、塔臂转动θ2、塔臂伸缩θ3、飞臂转动θ4，联立以上4个方程组可得确定该其他运动副的期望位姿信息的逆向运动学模型：
[0108][0109]
其中，
[0110]
x2、x4分别是运动副为塔臂转动、飞臂转动对应的初始位姿在基坐标系下x轴的位置；
[0111]
z2、z4分别是运动副为塔臂转动、飞臂转动对应的初始位姿在基坐标系下z轴的位置；
[0112]
xa、zc分别为直臂式臂架的末端的初始位姿在基坐标系下x轴与z轴的位置；x,y,z为直臂式臂架末端的期望位置在基坐标系下x,y,z轴的位置；
[0113][0114][0115]
k4＝z
2-z4；
[0116]
k3＝(x
4-xa)*s24 (z
c-z4)*c24 (z
4-z2)*c2 z
2-z；
[0117]
θi(i＝1、2、3、4)表示其他运动副(转台转动θ1、塔臂转动θ2、塔臂伸缩θ3、飞臂转动θ4)对应的期望位姿信息；
[0118]
θ5表示平台调平转动运动副对应的当前位姿信息。
[0119]
可以理解的是，在一实施例中，还可以采用d-h(denavit-hartenberg)参数法建立运动学模型。d-h参数法中，各连杆相对于前一连杆建立坐标系，得到各个连杆相对于前一连杆的相对运动，其具体的建立直臂式臂架的运动学方程的方式是所属领域技术人员所知的，在此不再赘述。
[0120]
在一个实施例中，将期望位置和平台调平转动运动副对应的当前位姿信息输入至逆向运动学模型，以确定其他运动副对应的期望位姿信息，包括：
[0121]
步骤d，基于期望位置和平台调平转动运动副对应的当前位姿信息确定逆向运动学模型是否存在实数解；
[0122]
步骤e，如果确定逆向运动学模型存在实数解，则判断实数解是否超出其他运动副对应的第一预设运动范围；
[0123]
步骤f，如果实数解未超出第一预设运动范围，则基于实数解确定其他运动副对应的期望位姿信息。
[0124]
本实施例中，需要说明的是，在通过逆向运动学模型确定其他运动副对应的期望位姿信息为利用逆向运动学模型中的求解方程进行计算。期望位姿信息对应的值应为实数，且需要在该求解的运动副所对应的运动范围内。其他运动副对应的运动范围为第一预设运动范围，该第一预设运动范围表示该其他运动副在出厂时可以或者被允许的运动范围。故需在将期望位置和第一数量的运动副对应的当前位姿信息代入计算结束后，对逆向运动学模型是否存在实数解进行判断，当求出的解是实数解时，判断其是否在该第一预设运动范围内；只有确定的解为实数解且该实数解在第一预设运动范围内时，才可基于该实数解确定其他运动副对应的期望位姿信息。可以理解的是，该实数解为多个，分别对应各个其他运动副，基于各个其他运动副对应的实数解分别确定各个其他运动副对应的期望位姿信息。
[0125]
具体地，处理器将基于期望位置和第一数量的运动副对应的当前位姿信息确定逆向运动学模型是否存在实数解，如果确定逆向运动学模型存在实数解，则判断该实数解是否超出臂架的除第一数量的运动副以外的其他运动副对应的第一预设运动范围，若实数解未超出第一预设运动范围，则基于实数解确定其他运动副对应的期望位姿信息。
[0126]
在一个实施例中，将期望位置和平台调平转动运动副对应的当前位姿信息输入至逆向运动学模型，以确定其他运动副对应的期望位姿信息，包括：
[0127]
步骤g，如果确定逆向运动学模型不存在实数解，或存在超出第一预设运动范围的
实数解，则等待预设间隔时长，以在等待结束后重新获取平台调平转动运动副对应的当前位姿信息，直至得到未超出第一预设运动范围的实数解。
[0128]
本实施例中，需要说明的是，在对逆向运动学模型是否存在实数解进行判断时，当求出的解不是实数解或存在实数解但该实数解超出第一预设运动范围时，将确定基于当前的已知条件该逆向运动学模型无解。预设间隔时长是一个预设的时间范围，例如，0.02s。平台调平转动运动副用于对直臂式臂架的末端进行调节以使末端保持水平状态，其转动角度可直接通过角度传感器读取的，当平台调平转动运动副对应的当前位姿信息作为已知量代入逆向运动学模型后该逆向运动学模型无解时，确定基于该平台调平转动运动副对应的当前位姿信息无法得出其他运动副对应的期望位姿信息，该平台调平转动运动副对应的当前位姿信息可能存在读取误差，故在确定逆向运动学模型无法得到实数解时，等待预设间隔时长，以在等待结束后重新获取平台调平转动运动副对应的当前位姿信息。当重新获取平台调平转动运动副对应的当前位姿信息后，将基于该重新获取的平台调平转动运动副对应的当前位姿信息重新确定直臂式臂架末端的期望位置，并将该重新确定的期望位置和重新获取的平台调平转动运动副对应的当前位姿信息输入至逆向运动学模型，直至得到未超出第一预设运动范围的实数解。
[0129]
具体地，处理器在确定逆向运动学模型不存在实数解，或存在超出第一预设运动范围的实数解时，将等待预设间隔时长，以在等待结束后重新获取平台调平转动运动副对应的当前位姿信息，直至得到未超出第一预设运动范围的实数解。
[0130]
在本发明实施例中，多个节臂包括塔臂、飞臂以及工作平台，关节包括转台转动关节、塔臂转动关节、塔臂伸缩关节、飞臂转动关节以及平台调平转动关节，转台转动关节通过塔臂转动关节与塔臂的一端连接，塔臂的另一端通过塔臂伸缩关节与飞臂转动关节的一端连接，飞臂转动关节的另一端与飞臂的一端连接，飞臂的另一端通过平台调平转动关节与工作平台连接；
[0131]
当前位姿信息包括转台转动的第一当前转动角度、塔臂转动的第二当前转动角度、飞臂转动的第三当前转动角度、平台调平转动的第四当前转动角度以及塔臂伸缩的第一伸缩量；
[0132]
直臂式臂架的运动副包括：转台转动、塔臂转动、飞臂转动、平台调平转动以及塔臂伸缩。
[0133]
图3为根据本发明一实施例的逆向运动学模型求解的流程示意图，图4为根据本发明一实施例的工程设备的示意图。参考图3和图4，在本发明实施例中，工程设备包括多个节臂和连接多个节臂的关节。其中，多个节臂可以包括塔臂113、飞臂116以及工作平台118，关节包括转台转动关节111、塔臂转动关节112、塔臂伸缩关节114、飞臂转动关节115以及平台调平转动关节117。转台转动关节111通过塔臂转动关节112与塔臂113的一端连接，塔臂113的另一端通过塔臂伸缩关节114与飞臂转动关节115的一端连接，飞臂转动关节115的另一端与飞臂116的一端连接，飞臂116的另一端通过通过平台调平转动关节117与工作平台118连接。臂架的运动副包括：转台转动θ1、塔臂转动θ2、塔臂伸缩θ3、飞臂转动θ4以及平台调平转动θ5。在本发明实施例中，考虑实际工况，在臂架的运动副中平台调平转动θ5用于工作平台118的调平，其通过角度传感器进行主动的调节；故将平台调平转动θ5作为已知量，在直臂式臂架进行运动学求解的流程时，直接读取平台调平转动θ5对应的当前位姿信息，将其
作为当前求逆的一个定值进行求解，从而计算直臂式臂架的所有运动副中除平台调平转动运动副之外其他运动副对应的期望位姿信息：转台转动θ1、塔臂转动θ2、塔臂伸缩θ3、飞臂转动θ4；判断计算的结果是否存在实数解，若存在实数解，则判断该实数解是否超出第一预设运动范围，若该实数解未超出第一预设运动范围，则确定存在可行解，此时可以确定其他运动副对应的期望位姿信息；若不存在实数解，或者存在超出第一预设运动范围，则对将等待预设间隔时长，以在等待结束后重新获取平台调平转动运动副对应的当前位姿信息θ5，并将重新获取的平台调平转动θ5代入计算流程中，重新执行计算，直到确定出可行解。
[0134]
现有技术中，针对直臂式臂架的末端位置进行控制时，采用的控制算法运算时间较长，无法达到实时控制效果。并且，当直臂式臂架的自由度存在冗余时，会为求解各节臂和连接该节臂的关节逆运动学带来困难，而常规方式会采用比较通用的解法，计算量会随着直臂式臂架自由度的提高而增加，求解时间无法满足实时控制的要求。而本发明实施例提供的技术方案，确定平台调平转动运动副对应的当前位姿信息为定值，对其余运动副进行求解，极大的提升了运算速度，且求解精度高，满足实时性控制要求；并且，通过自动控制，无需操作人员预先熟悉直臂式臂车的结构形式，降低了高空作业平台的使用门槛，使臂式高空作业平台的操作更加简单直观、可控性更好，降低劳动强度。
[0135]
本发明实施例提供了一种处理器，被配置成执行时实现如上的用于控制直臂式臂架的方法的步骤。
[0136]
本发明实施例提供了一种用于控制直臂式臂架的装置，包括：
[0137]
液压驱动系统，用于驱动直臂式臂架运动；
[0138]
传感器，用于检测直臂式臂架的位姿；
[0139]
如上实施例所述的处理器；以及
[0140]
液压伺服控制器，被配置成：
[0141]
响应于接收到的控制信号，根据传感器检测的位姿生成位姿信息，并将生成的位姿信息输送至处理器；
[0142]
根据从处理器接收的用于调节直臂式臂架位姿的控制指令控制液压驱动系统驱动直臂式臂架运动。
[0143]
在本发明实施例中，还包括：
[0144]
遥控器，用于响应于用户操作发送控制信号。
[0145]
本发明实施例提供了一种工程设备，包括：
[0146]
直臂式臂架，直臂式臂架包括多个节臂以及连接多个节臂的关节；
[0147]
如上实施例所述的用于控制直臂式臂架的装置。
[0148]
本发明实施例中，多个节臂包括塔臂、飞臂以及工作平台，关节包括转台转动关节、塔臂转动关节、塔臂伸缩关节、飞臂转动关节以及平台调平转动关节，转台转动关节通过塔臂转动关节与塔臂的一端连接，塔臂的另一端通过塔臂伸缩关节与飞臂转动关节的一端连接，飞臂转动关节的另一端与飞臂的一端连接，飞臂的另一端通过平台调平转动关节与工作平台连接。
[0149]
本发明实施例提供了一种机器可读存储介质，机器可读存储介质上存储有指令，指令在被处理器执行时使得处理器执行如上实施方式中的用于控制直臂式臂架的方法。
[0150]
本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序
产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0151]
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0152]
以上仅为本技术的实施例而已，并不用于限制本技术。对于本领域技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的权利要求范围之内。
[0153]
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
[0154]
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。