翻译一种协调挖掘机臂位置控制的一种实用接口.doc

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：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 Mechanical 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。尽管被用于工业多年，但是这些操纵器新手使用起来是具有挑战性，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。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前的CPC的接口，这迫使操作者在自由空间中来稳定他们的手臂。另外，在限制操作者的运动的平面，所述KSJ使得操作者的命令更容易由他们的手臂对自由来进行更好的控制，减少了潜在的不希望的运动，并增加恒定的精度位置。图2.混合协调位置，在液压挖掘机的摆动自由度使用常规操纵杆控制的联合溢流控制。动臂、棒、和铲斗通过匹配的类似运动学的操纵杆和挖掘机手臂的关节角度控制。在处理位置缩放，应该注意的是挖掘机臂的运动在摆动自由度具有的最大范围内，因为该挖掘机能在任一方向无限期摆动。因此，实现在摆动方向的位置控制，而不降低运动范围。这就对操纵杆有更高的要求，可以无限期地旋转或使用离合器机构31,32。埃尔顿的书1的限制摆动的方向用幻影的运动范围，因为他们的实验条件的限制，才使得实验运动的范围有限。但是，即使在这种情况下，才有可能有助于这些受试者的关于小运动和保持挖掘机稳定的问题的摆动方向位置显著减少。使用该摆动自由度的现有接口消除了位置标定在该自由度的问题明显有所减少。尽管如此，所使用的混合式控制方案仍然因为挖掘机的运动学的协调控制系统存在一些问题。另外，位置运动的协调与挖掘机挖主要与频繁的动臂运功有关。在常见的操作挖沟摆动中，用于在沟槽以定位臂用于挖掘和在桩倾倒。因此，摆动的功能较少耦合至其他关节的功能。此外，据推测，在使用的摆动的传统控制时将有助于减少生物动力馈通通过自由度来寻址位置的，虽然未在这里介绍的实验进行评价。4.1.2运动学类似的操纵杆类似运动学的机械手的控制器已经在遥控机器人上使用，因为该领域开始于20世纪40年代和50年代，绝大多数的接口形成于20世纪90年代32,33。使用运动学操纵杆（KSJ），像图中所示的之，一种用于挖掘机臂的控制要比使用一个完全不同于运动学操纵杆具有许多的优点。最明显的是，直观地运动相似有关操作者的命令挖掘机的运动并允许更容易控制单个关节方面的不同的CPC接口33。该KSJ的手臂有两个环节是非常好的也是有用的，除了连接棒直观的控制环节，还有运动学的相似性，也有助于应对挑战，在第1列：操作者缺乏他们的位置指令的知识。在使用CPC控制挖掘机的手臂工作以前，就有人指出，操作者可能使用幻影设备要比机械手臂挖掘机的手臂快，由于其缓慢的动态特性1,25。这导致操作者不知道它们的指令到底进行在什么位置。类似的情况也发生在与遥操作延时方面26,27。在这两种情况下，提供的指令位置，动臂的指令有可能会叠加，通过提高操作者与他们的位置命令25-27的知识来提高操作者的表现。增加了模拟臂在遥操作下工作的良好性能，但可能不适用于控制由机器上的操作员表现的最佳解决方案。该KSJ提供物理手臂操作控制，因为该KSJ是视觉上相似于该挖掘机的但不提供有关该臂与环境之间的任何空间关系的信息，但它确能提供操作者所指令的臂位置的即时视觉和本体反馈。运动相似性也可以更容易地限制KSJ的工作区以匹配挖掘机臂。所述KSJ使用可以直接反射到挖掘机臂的工作区的机械关节限制。如果机械手控制器和挖掘机的动臂是不匹配的，则操作员即使命令一个位置，该挖掘机臂不能达到。容易使操作者混论，他们选择的臂移动到另一个位置，因为操作者的命令挖掘机臂都没有明确的用运动反映出来。或类似的触觉设备，工作空间可以通过一个模拟触觉壁来进行实验，但它更简单，更可靠，更经济有效的是使用机械限制来限制手控制器的工作区。该KSJ可以垂直安装，使得其运动恰好反映了挖掘机臂。但是，这种配置可能容易使操作者疲劳，因为他们必须提高他们的手臂进行操作。配重能够容易地用于平衡KSJ但容易使操作者的手臂感觉到很疲劳，除此没有其他益处，若KSJ为水平配置，如图5所示 .本结构有两个主要的优点。首先，可以加入扶手，以便使用类似于使用计算机的鼠标在桌子上进行控制KSJ，并且操作者的手臂可以通过运动的整个范围内的休息。除了减少长期疲劳，水平配置使得它更容易使操作者握住KSJ在一个恒定的位置，增加了控制的精度。然而第二主要优点是，如果操作者允许在垂直配置中去掉KSJ，那么控制性能它会下降。而通过使用摩擦保持KSJ在适当位置可能减少不必要的安全危害，水平方向的配置通过使KSJ运动正交重力加速度是减少了水平的安全隐患。当在斜坡上运行时，摩擦是设备中的一个比较轻微的量，可以用来保持KSJ稳定爬坡可用角度的因素，或活性重力补偿可被用来减轻这种问题，并且也可用于其它安全或反馈功能。离合器机构也可用于当由操作32指定为仅接合控制。离合位置控制是一般遥控操作中使用的常用的技术，并已在安全关键方面应用，如机器人手术31被成功地使用。然而，对于在此文件中提出的实验的目的，该挖掘机是在水平表面上，并没有离合器采用。而水平配置在安全性，舒适性，和精度方面具有一定的优势，在水平配置的缺点是1个自由度现在转动相对于挖掘机臂90度。移动挖抖上下运动，操作人员必须将KSJ左右。挖掘机臂的垂直自由度的这种分离也可能降低生物动力馈通在此的自由度，但并不在这项工作中进行测试。在本文提出的实验表明，该添加的水平配置的复杂性并没有降低的弃土移除或燃料效率的量，相对于在一个挖沟任务垂直配置中并延长使用时间并且提高了使用性能，。图3. 类似运动学的操纵杆控制臂、斗杆、铲斗和匹配的操纵杆和挖掘机手臂的关节角度。它提供了视觉和本体指令位置向操作者的反馈。4.1.3 斗控制 三种不同的方法进行检测，以控制铲斗的卷曲（见图4）。对于第一种方法，操作者旋转手柄和铲斗转动以匹配的位置。这种方法在以前的工作中已使用过的 1,18。虽然看起来直观，但采用该技术的问题是，铲斗的运动变得与类似运动学操纵杆（KSJ）的运动耦合。如果操作者移动KSJ同时保持他或她的手，在相同的取向，那么手柄会与相对旋转的KSJ的链接，使所述铲斗转动。第二种方法涉及旋转手柄的一部分，而操作者握住换另一支部分，用于平移KSJ。此方法类似于霍奇森提出的观点 19。这减弱了KSJ翻转斗的卷曲。第三种方法的翻转铲斗卷曲使用自行车制动状把手，使铲抖的卷曲与操作者的手指的卷曲相匹配。这也解耦从KSJ翻转铲斗卷曲和匹配的手到铲斗的铲运动。一个小试点研究五个受试者相比局部旋转手柄和自行车制动手柄，因为第一种方法的耦合效应被视为不希望的。该研究表明，在自行车制动手柄被优选用于水平和垂直的KSJ配置虽然局部旋柄可以是优选，然而它是符合人体工程学设计的，对于本文将不作进一步考虑的用途。4.2 新手控制器界面原型如上所述，新的手控制器接口的原型由一个常规操纵杆摆动的联合流量控制和运动学类似操纵杆（KSJ）为其他自由度（自由度）的协调位置控制（CPC）。新界面的原型示于图 5在垂直和水平方向配置，并用自行车制动手柄挖斗控制。使用Danfoss的JS6000操纵杆在左手进行摆动的联合流控制，如图5所示。操纵杆居中。 所述KSJ的链接，在如图中所示5，正比于模拟挖掘机臂的长度和所述KSJ接头的末端允许停止旋转作为挖掘机的相同的角度。一个实际的市售自行车手柄制动手柄用于与安装到与内轴承，其允许相对于KSJ链接把手自由自旋的末端提高操作员舒适性。自行车刹车的运动范围小于挖掘机斗。命令斗位置移动，使得铲斗可以通过其全系列的运动移动。三ALPS RDC503电位，取值范围为320，用于测量所述关节的位置和KSJ的制动手柄。在竖直配置时配重附连到主连杆，以降低负载，操作者必须支持对于水平配置的扶手允许其手臂而操作模拟器可以运营休息。扶手见于图5，操纵杆的工作区尽量大一些，以使操作员的扶手尽可能为操作者提供了KSJ的工作空间的视觉支持。 图4 用于控制铲斗的不同测试方法：充分把手旋转（左），部分把手旋转（中），和自行车制动状手柄（右）。在第5节的编码器的分辨率作出描述的实验中，信号比将用商业操纵杆足以用来获得原型，机械设计是几乎没有足够能力去处理通过在受试者受试实验过程产生大的噪声较大的问题。然而，没KSJ存在实验和KSJ的性能足以被有效地使用。新的界面安装在挖掘机的模拟器上，在图5详细示出和在5.2节中描述的设计。对于传统的操纵杆，Danfoss的JS6000中，安装在用于左手的标准操纵杆位置。挖掘机的驾驶室被修改用来安装KSJ在水平和垂直的配置。水平配置被安装到相同的托架与现有操纵杆的右边。所述KSJ必须显著升高来更靠近操作者，使得安装硬件将在操作者的腿和工作区，安装所需的操纵杆伸出驾驶室的窗口由约一英寸的垂直配置安装在内壁上的挖掘机的驾驶室，靠近驾驶室的后部，从而使机臂能清除现有硬件中不能被除去KSJ的数据，驾驶室是舒服程度是安装的一个要求，操作者可以使用接口并缓解疲劳，并适合KSJ的设计最小的修改现有的挖掘机的愿望。因此，在KSJ的驾驶室为每个主题内的位置只有非常少的可调节性。然而，每一个主题是能够操作模拟器，不会使工作区中的每一个点感到紧促。4.3 控制方法本小节介绍实现控制使用新界面挖掘机模拟器的控制技术。协同控制器给出一个开环溢流命令基于常规操纵杆的位置和吊杆、棒一个闭环位置命令基于所述KSJ的位置（参照图2）的摆动和斗杆。液压设备的操纵杆位置用于溢流关系一般是专有的。因此，在此工作的平面之间的操纵杆的位置与溢流指挥关系被用作在34饱和和死区的区域，如图所示6，死区很容易让操作者指令零溢流。饱和区域确保操作者可以得到的最大和最小的命令。该溢流命令被转换成了泵排量指令，其包括饱和的溢流和功率限制。在自由空间中，没有外部干扰，泵的排量成正比，由于泵和电机的动态特性具有滞后的速度，其中x是所述泵排量的动态，是溢流命令，T是时间常数泵。在频繁的运动中棒、和铲斗的闭环位置控制，不需要向前控制或如果使用的是挖掘机的关节位置反馈反向运动学，由于相似与手臂运动学。此外，对于臂、斗杆和铲斗的反馈控制器被分离。为臂、斗杆、铲斗和单独的控制器首先保证指令位置在挖掘机的运动范围之内。在挖掘机模拟器的具体实施中，反馈被假定为传感器测量所述气缸的位置。因此，对于反馈控制，使用该机器的运动共同位置被转换成制动器的位置，然后一个PD环用于控制所述制动器的位置（参照图7）。5. 实验人类学科的实验，是用来测试使用新的界面，显示了它的实际设计不有很多的直观性，与传统界面相比并提供了潜在的性能优势，进行初步评估。一个额外的目的是比较在运动学上类似操纵杆（KSJ）的垂直和水平配置的性能，以确定该坐标在水平配置的转动将会对性能有显着的效果，能够提供对操作者的疲劳有一个显着的改善。5.1 主题进行了三组测试，每组8名受试者总计24受试者。在所有的测试中各组中的受试者只使用一种类型的控制器，以消除的不同的可能性差异带来的效果35。有4名女性受试者和20名男性受试者。在每个控制器实验组中至少有一名女性对象。受试者的平均年龄为26，每一组的控制器组都是相同的。没有一个人事先熟悉过模拟器的性能，只有5个人曾经有过挖掘机的经验，只有其中的一个经过五个多小时的科目的训练，但是这个训练的经验，并没有在最初的试验中显示出任何异常的优势。5.2实验测试床实验测试床是一个液压泵控制的山猫435挖掘机挖土机模拟器。埃尔顿等人的 4用于在挖掘机模拟器和Zimmerman中有更多细节 36关于当时正在模拟的泵控制挖掘机的更多细节。虽然，最终需要进行真机在现场进行测试，但挖掘机模拟器提供了一个理想的测试机床研究。每一个试验的每一个项目中模拟器允许在不同的实验的条件下以得到精确的控制，使得结果是相同的。然而，使用的模拟装置确实不同于使用真机的实际操纵。因此，投入更多设计使得挖掘机模拟器尽可能的真实。挖掘机的动态模型是使用模拟器针对在Zimmerman等挖掘机验证36一个动态的土壤模型，并在一个真正的435挖掘机的驾驶室在进行物理的与模拟挖掘机摆动的实际对比。模拟器模仿挖掘机的液压和机械系统的动态及与环境的相互作用。以该系统为蓝本，在Simulink和在1 kHz运行XPC目标的实时机器上。机械动力学使用牛顿 - 欧拉配方并且计算是基于以前的工作经验37,38.不具有435挖掘机的精确模型，所以研究人员对这个模拟所需的参数进行测量，使该模型能够反映实际的机器34,36,39。图5. 运动学类似操纵杆安装在垂直（左）在挖掘机的驾驶室模拟器和横向（右）的配置。5.2.1 挖掘机模型液压系统由四个相同的回路组成如图8所示。.每个回路具有其自己的泵和所有四个泵用相同的柴油发动机提供动力。液压马达回路驱动缸马达的转动。液压泵，液压缸和电机的动态模型Simulink中有所提到。泵的传递被假定为一阶滞后函数与山猫435挖掘机的物理泵从零位移到全位移的时间计算的时间常数。而阀被假定为打开瞬间液压管路是为无损耗，。结合液压和机械模型进行了测试与物理机的数据。人们为实际机器进行了一系列的数据输入，使它变成泵排量的指令。记录机器的应答过程。泵排量指令被记录并提供给仿真器，模拟器的反应也被进行记录。下面一个例子给出图9为自由度（DOF）。其他自由度与他们的反应也有类似的相关性。5.2.2 土壤模型在实验中移除的弃土量是基于动态的土壤模式。土壤模式是很难建立的，因为它的参数差别很大，从一个类型到另一个类型，并日复一日的（如含水率的变化）不断变化的类型。在模拟器上建立土壤建模与已知的所有必要的参数均匀的物质。土壤模型是基于DiMaio等人所做的工作 40 他们的模型仅是检查轨迹。该模型的开发工作涉及运动的所有可能的方向。此外，以往的土壤模拟已经检查轨迹和土壤，这里由铲斗上施加的力土壤只能施加小于铲斗力的力矩。所开发的土壤模型允许通过土壤应用超过铲斗的力矩，这是要设计一个逼真的挖掘机模拟。新车型还包括手腕之间相互作用力，手腕被铲斗力附着。这种相互作用不包括在文献中的任何以前的模型。土壤模型只适用于沟槽内的土壤。沟槽区以外的土壤可以被铲斗打坏，但是它不能由铲斗所拾取，所以污渍等级总是与外沟槽的相同。在沟槽中，因为斗齿穿过它，污渍等级是不断的变化，。在实验中，受试者得知要仅仅是挖一个沟槽，这是一个明确界定，如图所示10.摆动宽容进入沟槽是二斗宽度。5.2.3 燃油型号两种效率计算本文：时间效率（弃土/时间）和燃油效率（弃土/燃料）。为了找到所需的生产所需要能量的燃料量，燃料数据是根据有经验的研究人员在美国普渡基于435挖掘机36的数据发现。模拟器的燃料消耗，使用从齐默尔曼工作的燃料数据点之间进行内插来计算。这将可能有一个基于燃料的价格与不同接口之间的燃料的成本比较。模拟器发动机设定基于与物理机36的经验，伺服为2500rpm。四个泵上的转矩求和以找到所需的发动机转矩，然而燃料的消耗量，使用上述图（图11）中找到。5.2.4 硬件模拟器受试者坐在一个真实山猫435挖掘机，在挖掘机的前挡风玻璃上安装一个52英寸的液晶显示屏当作显示器，如图10所示。435挖掘机的动态模拟为操作员提供一个逼真的体验。两个Danfoss的JS6000手柄被用于常规接口，并安装在驾驶室中。第4.2节的新界面安装在现有的操纵杆座椅。模拟挖掘机臂和挖掘环境被显示在电视屏幕上，如图10所示。为了获得其他的反馈信息，发动机声音通过扬声器在驾驶室上播放。发动机的噪音量增加相对的程度，则所有的泵都模拟挖掘机泵的功率。挖掘机臂的阴影显示在地面上，使得受试者在模拟环境中有一种真实的感觉。如图10所示。图6 命令曲线操纵杆的摆动。挖掘机模拟器和测试床是一样的，使用两个不同的艾顿和预定1,4目标。所使用的艾顿和预定1,4测试床，在此工作中使用的主要区别在于两者之间的反馈，挖掘机模拟器摆动与模拟的物理驾驶室。驾驶室从的马达加速度提供一些反馈给操作员。以使驾驶室转动，被安装于驾驶室的转动外部马达，和一个19升/分钟穆格073-102A伺服阀，被用于调节通过电动机的驾驶室的旋转和通过电缆连接到驾驶室内侧的BEI的H-20的编码器测得的流量。编码器有每转360计数并且编码器到驾驶室旋转的分辨率为10：1的比例。驾驶室旋转控制图 如图12，控制增益K，通过控制模拟器的速度来调节。对于大多数的工作速度，增益是恒定的，但对于低速，它呈指数衰减至零，这提供了更逼真，更平滑的加速度，以及提供更一致的稳定速度。出现这种变化，因为挖掘机使用的是滑阀，从而对加速度更为敏感。该控制器旨在创建一个反应实际的机器感觉和挖掘机在运动时36的速度。死区也被带入以实现挖掘机驾驶室的硬停止的真实感觉。因为第一阶段增益调节的停止手感更柔软所以被用来测试驾驶室的位置，编码器只在每个计数时发送的信息。该模拟器运行在1 kHz，可以通过没有接收新的编码信息来进行彼此的调节。第一阶段保持外推的最后两个编码器计数的位置，得到的驾驶室位置的估计值，直到另一个编码器计数被接收，如图13所示。如果超过0.2秒则无需从编码器获得新的信息，在第一阶保持变为零阶状态，用该编码器的测量来代替驾驶室位置的外推估计。此可以看出，在图13中通过52.3秒结束，而驾驶室没有配合模拟器完成运动（有大约0.1秒的时间延迟，参见图14），它导致了操作者对现实性能的认知。没有受试者注意到模拟器的位置和物理驾驶室之间的任何误差。图7.协调控制、棒、和铲斗的挖掘机模拟器的运动。由类似运动学操纵杆产生的基准命令为r;控制输入为u;和所测量的关节角度为y。另一种修改是在埃尔顿中使用的模拟器1在加入到在模拟环境挖沟槽的左侧和右侧，如图10所示。这些框为操作者来提供指标，用来去掉倾倒弃土沟槽的负荷。图8 液压回路的每组的四个可变排量泵。5.3 实验过程在实验中每一个项目都进行三个独立的实验课程。每个实验项目持续 45分钟到1小时之间。没有一个项目会在实验中进行多次实验，所有的实验都要在两周的时间内将全部的项目进行实验。在第一次试验之前，所述受试者给予一个预测试问卷和实验过程中模拟器上控制器的一些说明。第三次实验完成后，对他们分别进行测试后的问卷调查。每次实验一开始的五分钟为熟悉实践，被分解为多次测试。每个试验的受试者的目标是从沟槽去除尽可能多的弃土，尽可能的将弃土放入在沟渠的左侧或右侧的方框内。将弃土放置在指定的位置进行测量，沟槽是受试者能挖出的唯一地方。每个项目的开始时间为上一个实验结束的时间。时间表可以在表1中可以看出早期试验均比较短，以增加在该科目的任务量35来提高效率。此外，第一个项目的实验类似于埃尔顿的实验1，其中只有一个单一的测试项目，以使新的界面相对的该幻影设备对专业的操作者的测试可以带来一些的好处。因为没有专家们可以在实验中得到一定的预期目标，实验的目标是得到尽可能接近理论数据。理论数据的测试是进行更长的时间来评估作为执行任务所需要的一些实际的理论数据。因此，受试者不能够在整个测试中与理论完全相同的运动。此外，较长的试验提供了一些项目的进一步了解，如果操作机器进行长时间的运作，容易引起接口的一些疲劳。图9.物理和比较模拟挖掘机。6. 结果6.1 去除破坏该实验的结果总结在图15和表2，主要的结果是，在每个试验中配置了新的手控制器接口比传统接口去除弃土的量有明显的增加。无论使用那一种配置，在实验中约90以上使用新的接口的使用者平均每分钟除去的弃土量为传统的3分钟或2分钟的去除量。在最后一次实验，任一配置使用新界面主题在5分钟内的试验，平均每分钟约40以上的掠物去除。新接口的配置在任何的实验中每分钟去除比传统3或5分钟的量并没有受到影响。在10分钟试验中，使用水平配置实验者每分钟比那些使用垂直配置的能够除去更多的弃土。在10分钟试验中，使用水平配置实验者比使用常规的接口的去除每分钟约36以上的弃土，在所有的试验中那些利用垂直配置的实验中比常规接口每分钟要多23的弃土，操作员使用垂直和水平配置平均每分钟比使用传统接口的操作者要分别多去除53和54以上的弃土。图10 挖掘机模拟试验台（左）和仿真环境（右）的屏幕截图后测问卷许多操作者表示采用垂直结构使它们的右手臂感到有些疲劳，他们认为这影响了他们的表现。但使用水平配置和常规接口的操作者极少报告有疲劳，虽然使用水平配置的一些受试者回答有轻微不适，这是由于在驾驶室的操纵杆的定位引起的。所有项目，不管他们使用哪种控制器，都回答说他们有信心用自己的能力来完成操作挖掘机模拟器实验。 图11 为物理泵控制小型挖掘机燃料的数据模型。6.2 燃油效率使用在第5.2.3节中所述的燃料消耗模型，与试验期间使用的燃料的量进行比较。在试验中，使用水平配置的新的接口的操作员平均每分钟燃料消耗约7.5以上的，与使用传统接口时相比在垂直配置中每分钟燃料消耗为8.5，。不过，虽然他们消耗较多的燃料，但是可以完成更多任务量。在新的界面主题如第6.1节所述。由于只有些项目消耗更多的燃料，并除去较多的弃土，去除弃土每千克燃料消耗的相对量和每分钟去除弃土量是非常相似的。总体而言，受试者使用新的接口，每公斤燃料去除约44以上的弃土，平均任何配置在所有的试验比使用传统接口的结果更完整 如图16，燃料效率是相同的6.1节中作为弃土除去。因此，任何配置受试者使用新的接口比使用传统的界面主题每公斤燃料能够取出更多弃土。水平和垂直配置之间无明显差异，发现任何时候在3到10分钟试验时使用水平配置的受试者去除弃土的量所消耗的燃料的显著比那些使用垂直配置要多。7. 讨论7.1 去除破坏实验表明，无论是配置在新界面保持机械的性能优势，在以前的工作中1可见。结果在第一个环节展示新界面的直观性，第一次实验表明使用新界面后每分钟有90以上的弃土埃尔顿的工作提到1，与幻影设备相比表明使用改善以后的协调位置控制节约86（CPC）。新界面的优势性能在实验中不断的表现出来。虽然受试者已经完成了任务，但在多次实验的过程中，在所有的项目中所有的实验都有一个实验结果，受试者稳定的完成实验。虽然受试者都不是专业的操作者，但他们自己都认为在实验中他们有信心将给定任务顺利的完成，虽然这些都是需要专业的操作者才能完成的操作任务，就算知识模拟器。然而在该实验训练中受试者获得的是非常具体的试验的任务。这也许可以体现一个受试者的表现水平。他们认为他们在特定任务获得专门知识，即使他们可能没有专业的用途的机器。除了学习控制挖掘机，受试者也适应了其使用的模拟器。通过实验学习，在实验12中受试者的能力大大提高了，新的接口的优点在后面的实验中不断体现出来，尽管受试者学习了所有控制器，在后来的试验中优点不断体现。图12 控制驾驶室摆动框图，其中：r是模拟驾驶室位置，并且是物理驾驶室的位置。新的界面相对于常规接口，在试验过程中不断的体现出了一些操作方面更多的优点。首先要改变受试者的观点，因为他们学会了使用这些新的界面。如上所述，这在以后的试验中有可能促成新的接口的出现更多的优势。因为，操作者没有可以使用一个接口能使得运动达到的理论极限，使用所有接口的最大可以获得的性能是相同，并更小的改进空间的性能接近最佳的状态。因此，它有可能产生更多的接口之间的性能差异，这将会消失一些性能作为其接近最佳的状态。然而，受试者对不同的性能进行了不同的培训，个别地感到自信在特定任务后仍持续存在表明，所需的时间和训练，这结果已表明，即使专业操作者执行任务，从常规接口切换到新的协调控制接口用以消除新的接口的性能优势将是相当明显1,7。此外，埃尔顿 1显示，新手在CPC接口使用传统界面与专业的操作者执行相比。因此，用户使用传统的接口需要进行培训，以达到专也的水平，以适应初学者使用新的接的表现口，它表现出了用于本实验的新手的操作的性能提高。而且，通过实验受试者使用新的接口表现出体验改进的性能。在该实验中，学习的效果不是新的接口和现有接口之间的性能收敛的唯一原因。较长试验时间也导致在性能上的差异。图13 编码器的位置和一阶线性的估计。需要注意的是速度越慢估计出的位置就越光滑。但是如果挖掘机停下来，估计精度降低。图14 模拟器和挖掘机驾驶室曲线图。在一般情况下，所有的受试者每分钟去除的比10分钟的试验弃土少，原因是由于沟槽越来越深。如果沟槽变得更深，它需要更长的时间来使得铲斗到沟槽的底部和拉水杆背出沟槽的倾倒。因此，所有其他条件相同，拆除弃渣量与该除去率成反比。由于全新的界面中删除一些不必要的使得项目的速度更快，沟槽加深得更快，从而导致在其中的主体拆除的破坏速度更快的下降。这使得试验性能可以更好体现，有可能使这些结果更稳定。另外要使该沟槽变得更深，操作者的视觉感知是由沟槽反馈的，还有其他的一些反馈，如声音，加速度和振动的感觉，和视觉悬臂的反馈是必需的。使用模拟器反馈这些反馈相对实际有些区别，操作员必须在视觉上依靠频繁的运动，并结合发动机的听觉反馈。除了比较新的接口与以常规的接口，该实验也比较了新的接口的两种配置。实验的结果表明，在水平配置并没有显著减少每分钟由受试者去掉的弃土的量。因此，尽管一个直接位置反应的损失，受试者能够除去大约每分钟弃土产生较少疲劳和安全配置中的相同的量。事实上，如上描述中，部分的受试者产生疲劳是由于使用水平配置的性能，垂直的配置的试验相当于水平配置的在10分钟，下降的原因可能是试验过程的时间越长引起的，每分钟更弃土的相对量为6.1。在试验中单个试验测试时间最长的为10分钟，一个实验完成的到下一个实验验开始之间只有1-2分钟休息时间。因而受试者除5分钟的预热，结果不能保证在水平配置完全降低了疲劳后在使用传统接口的水平运行的试验条件下完成30分钟的挖掘机模拟器，在最后的实验中，它们表明，在垂直配置没有足够长时间的工作情况下消除疲劳，并且该水平配置确实提供了一个显着的好处。将需要进行更长的试验，以确定是否在水平配置可以减少操作者的疲劳比使用传统接口的水平，这将在第9地讨论。表1实验的时间表。 第一次实验第二次实验第三次实验检测前问题5分钟热身3分钟试验（5）5分钟热身3分钟试验（5）5分钟试验（2）5分钟热身3分钟试验（5）10分钟的试验（2）检测后的问题图15每分钟平均弃土量和每个项目的实验时间。误差条表示为性能的ANOVA检验与Tukey的调整的95置信区间。表2该表显示了方差分析测试的意义（中左）的结果连同Tukeys的调整（中右）为每个会话，类型的判断和控制器的比较（左）。结果发现使用Tukeys的调整后在图中有明显标注（右）。实验/时间/控制器的比较P值Tukeys P值意义1.7E-141.2E-160.971.3E-181.2E-150.511.6E-053.8E-060.525.4E-076.5E-070.641.8E-048.8E-110.02P0.05P0.05P0.05P0.05P0.05P0.05P0.05P0.05P0.05P0.05P0.05所有这些结果都将与类似运动学的操纵杆比较（KSJ）优化传统界面原型的KSJ的原型，如第4.2节，也不是很强大的，使用的是非理想的传感器，其在驾驶室的位置是不是最优化对于舒适性或控制都有影响。改进的机械设计，传感器和所述接口的人类工程学必将比新的接口有更多优点和在9.1节中提供改进建议的使用。7.2 燃油效率在一般情况下，实验确实表明，当使用新的接口，每分钟增加的弃土不是纯粹由于燃料的用量增加，是由于被检者使用了新的改进的机器，新的接口的改进的燃料效率的使用结果与幻影输入装置以前的工作相比，在实验中观察到的是特别令人印象深刻1。而以前的工作中在每公斤燃弃土料去除量只有19的改善，这个实验表明增加改变的第一次实验期间每公斤燃料去除量大约70，并增加了44以上所有性能。有种可能的解释是这种改进既关系到新的接口，也涉及到了实验。正如在4.1节所讨论的混合控制相对幻影设备的新界面和KSJ的设计降低了位置的影响因素。此外，平面KSJ更容易使操作者保持他们的双手平稳。这些向挖掘机发出是无关的任务的运动。通过使用新的接口的数量使得外来运动被减少，然而导致更好的提高燃料效率，如幻影设备未测试并排侧，则难以确实断定。此外，在接口中的差异，在实验中的差异也可能促成了不同的结果的燃料效率。正如第5.2.4节，在埃尔顿的本书所使用的挖掘机模拟器1没有包括在目前的测试中使用的驾驶室摆动功能。此外，在以前的实验中，被允许受试者转储弃土沟槽以外的任何位置，尽管它们被告知要尝试每次倾倒弃土在同一位置，并且试验时间为2分钟。与此相反，对于该实验中，受试者被要求倾倒弃土在指定位置，从而提供一致的目标，并且在初始实验期间的试验是三分钟。因此，在目前的实验的初步试验的要求，与埃尔顿 1给出的实验略有不同，但这样的一个大的提高燃料效率也表明新的接口设计也是一个重要因素。8. 结论本文提出了一种新的接口，提供了实现液压机上的协调位置控制（CPC）的实用方法。在实际执行中的具体问题已经讨论过，如操作者的疲劳和舒适度，潜在的不必要的机械运动，由于位置缩放造成的精度误差，和缺乏位置指令的知识，挖掘机臂的慢动力学。新的手控制器的设计都存在这些问题。运动学的实验证明了新的接口，并表明它的性能个以前的相类似，不利于协调位置控制（CPC）的实现1,7。该实验还证明水平安装类似运动学操纵杆的好处和受试者能够在心理上克服最后命令的转动。实验表明，新的接口可能导致性能的改变，虽然常规接口在性能方面的改进的相比该实验是相当明显，有许多因素会因此影响性能，它可能会使在这方面的一些性能差的大小会发生变化。然而，即使结果只有50的可能性，以减轻和改善除去弃土和燃油经济性的变化。本文提出了实验的结果应该在实际的机器上再试验以获得更精确的比较。在真机再试验也将更好的测试到更多的精确的数据。所有在这个文件中提出的结果是，尽管缺乏一些原型符合人体工程学和坚固的设计运动学类似摇杆和使用廉价的传感器来实现的。因此，对于未来实际方面的测试，应具有更稳定的设计如在下面的部分详述完成。9. 未来的工作这项工作的实验成果提供了新的手控制器接口动机数据要在一个真正的挖掘机进行测试并且持续更长的时间，并有比较专业操作者进行操作。使用真机将提供获得与生物动力馈通测试新界面的更多好处。然而，生物动力馈