Способ наведения рабочего органа манипулятора лесной машины на объект

Способ может быть использован для наведения рабочего органа манипулятора лесной машины на объект. Оператор указывает положение места захвата или спила объекта пятном луча дальномера. Одновременно оператор измеряет расстояние до объекта и углы поворота дальномера с дальнейшим подводом рабочего органа к объекту для захвата или спила. Способ снижает утомляемость оператора и повышает производительность лесной машины. 3 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к управлению лесными машинами, преимущественно манипуляторами, применяемыми, например, в лесной промышленности для подачи захватного-срезающего устройства (ЗСУ) или харвестерной головки или захвата манипулятора к стволу дерева, спила и/или перемещения его в зону разгрузки в пакет, штабель или на транспортное средство.

Известна валочно-пакетирующая машина ЛП - 19 (Кругов B.C., Барман М.А., Ермольев В.П., Королев В.Е., Попов Б.В. - М.: Лесная промышленность, 1982 г., с.11). Технологический процесс машины ЛП - 19 складывается из переездов по лесосеке, спиливания и пакетирования деревьев. Совершив переезд, машина останавливается таким образом, чтобы очередная группа деревьев находилась в пределах рабочей зоны стрелы. Следующей операцией является наводка захватно-срезающего устройства на дерево, которая осуществляется непосредственно оператором посредством управляющих рычагов и педалей. Движениями стрелы и поворотом платформы ЗСУ прижимают призмами к стволу так, чтобы пильный механизм располагался у комля дерева. Затем производят зажим ствола рычагами захвата, его натяг вверх движением стрелы и спиливание. Операция пакетирования начинается после отделения ствола от корня. Она складывается из подъема ствола, подтягивания его к машине, поворота платформы к пачке и укладки ствола в пачку. Пуск и остановку вращения платформы и стрелы следует производить плавно, без рывков, резких разгонов и торможений.

Недостатком данного способа наведения и управления рабочим органом лесной машины является то, что все операции производятся оператором непосредственно через ручки и педали управления, что требует высокой квалификации оператора, постоянной сосредоточенности на движениях и часто приводит к неточности их выполнения и быстрой утомляемости оператора.

Данным изобретением снижается утомляемость оператора и повышается производительность лесной машины за счет частичной автоматизации процесса наведения рабочего органа манипулятора на объект, с последующей компьютерной обработкой полученных данных наведения и автоматической выдачей управляющих сигналов на исполнительные механизмы манипулятора и рабочий орган лесной машины.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в способе наведения рабочего органа манипулятора лесной машины на объект оператором особенностью является то, что оператор указывает положение места захвата или спила объекта пятном луча дальномера и одновременно измеряет расстояние до объекта и углы поворота дальномера с дальнейшим подводом рабочего органа к объекту для захвата или спила, при этом оператор может указывать несколько объектов, не ожидая начала операции или окончания текущей, с последующим захватом или спилом всех указанных объектов. Оператор может указывать на каждом объекте, по меньшей мере, две точки, например, для определения длины сортамента и/или оптимизации раскряжевки или точки захвата, причем оператор может указывать на каждом объекте в заданном порядке комель и вершину или точки, близкие к ним.

Способ осуществляется следующим образом.

Рассмотрим работу лесной машины при спиливании деревьев. Оператор устанавливает лесную машину в положение, наиболее удобное для проведения запланированных технологических операций, и переводит ее в соответствующий режим. Взяв в руку дальномер, который закреплен в кабине с возможностью поворота в двух (или трех) плоскостях, оператор поворачивает его так, чтобы луч (пятно луча) дальномера оказалось на дереве в месте будущего спила или на сортаменте в месте захвата. Нажав на кнопку «измерение», оператор инициирует процедуру измерения, расчетов и дальнейшего автоматического управления машиной.

Встроенный в кабину лесной машины компьютер считывает с соответствующих датчиков углы поворота дальномера и значение измеренного дальномером расстояния до указанной оператором точки. Считывание может производиться различными способами, включая проводные и беспроводные технологии. Многие дальномеры могут передавать информацию в компьютер по блютуз (Bluetooth) и/или как USB устройства или по протоколам RS-232, RS-485 и др. В некоторых дальномерах есть встроенные датчики углов поворота, но в большинстве случаев удобнее использовать внешние датчики, установленные на устройстве крепления дальномера. Как известно из геометрии, два угла поворота вектора и его длина однозначно определяют точку в пространстве относительно начала вектора, т.е. можно рассчитать точку захвата дерева относительно дальномера, а следовательно, и относительно лесной машины. Если при этом измерен и третий угол, то определяется и поворот захвата в системе координат лесной машины. Для возможности измерения третьего угла пятно луча дальномера должно иметь соответствующую форму, например форму стрелки и возможность третьего поворота дальномера (вокруг своей оси). Если при повороте дальномера вокруг своей оси оператор визуально совмещает направление стрелки с направлением на вершину, то после считывания третьего угла в компьютер это позволит более эффективно производить, например, захват непараллельно лежащих бревен для погрузки.

Дальнейшие операции могут быть произведены в автоматическом режиме. Фактически, после указания пятном луча дальномера точки спиливания дерева оператор переходит из режима активного управления в режим контроля и до завершения технологической операции может не прикасаться к органам управления машиной, что значительно снижает нагрузку на оператора и его утомляемость.

На первом этапе встроенный компьютер производит кинематические расчеты, в частности, широко известные в робототехнике. Для промышленных роботов пересчет координат указанной точки (точки захвата указанной пятном луча лазера) в положение звеньев манипулятора называется «обратная задача кинематики», которая, в частности, рассмотрена в 4 главе книги «Промышленные роботы агрегатно-модульного типа. / Е.И.Воробьев и др. М.: Машиностроение, 1988. - 240 с.: ил.» и в главе 2.2 книги «Робототехника. /Фу К., Гонсалес Р., Ли К. Пер. с англ. М.: Мир, 1989 - 624 с: ил.». В книге «Робототехника» описаны не только кинематические расчеты (с.69), но и динамические расчеты.

Если результаты кинематических расчетов показывают, что манипулятор не может дотянуться до указанной точки, т.е. указанное дерево находится вне рабочей зоны, об этом сообщается оператору, звуковым, световым или другим сигналом вплоть до речевого сообщения через встроенные в кабину динамики, например: «Переместите машину на полметра ближе к дереву и повторно укажите точку».

Если манипулятор может дотянуться до указанной точки, т.е. ЗСУ может быть перемещено манипулятором к указанному оператором дереву, то следующим шагом производится автоматический расчет оптимальной траектории перемещения ЗСУ из текущего положения в указанную точку. Т.е. определяются законы изменения положения звеньев манипулятора, позволяющие за минимально возможное время переместить ЗСУ к дереву, не перегружая машину. Эти расчеты, производимые на втором этапе, позволят в предлагаемом способе на следующем шаге эффективно управлять манипулятором, ЗСУ и всей машиной в целом. По окончании расчетов компьютер начинает управлять приводами, обеспечивая согласованные, расчетные движения машины, поворотной платформы, всех звеньев манипулятора и ЗСУ. После завершения этих движений ЗСУ будет находиться в указанной оператором точке - в точке, где находилось пятно луча дальномера в момент нажатия оператором кнопки «измерение».

Далее автоматически может быть произведена технологическая операция спиливания дерева, состоящая из захвата дерева, натяга, спиливания и т.д., вплоть до осуществления всей технологической операции лесной машины, включая удаление сучьев и раскряжевку, если на лесной машине вместо ЗСУ установлена хорвестерная головка.

При управлении лесной машиной - погрузчиком (форвардером) оператор может указывать и по одной точку на сортаменте в месте захвата, желательно с направлением положения бревна стрелкой дальномера или по две точки на концах бревна, желательно в определенной последовательности, например вначале вершина, затем комель бревна. Это позволит рассчитать и положение оптимальной точки захвата, и наиболее эффективную укладку бревен.

Средство, воплощающее заявленный способ при его осуществлении, предназначено для использования в лесной промышленности для подачи захвата, ЗСУ или хорвестерной головки к стволу дерева, спила и пр., т.е. относится к управлению лесными машинами, преимущественно манипуляторами.

Для заявленного способа в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте изложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке и известных до даты приоритета средств и методов. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «промышленная применимость».

Предложенный способ позволит снизить затраты при заготовке древесины и повысить производительность труда путем более эффективного осуществления технологических операций лесной машиной.

Формула изобретения

1. Способ наведения рабочего органа манипулятора лесной машины на объект оператором, отличающийся тем, что оператор указывает положение места захвата или спила объекта пятном луча дальномера и одновременно измеряет расстояние до объекта и углы поворота дальномера с дальнейшим подводом рабочего органа к объекту для захвата или спила.

2. Способ наведения рабочего органа манипулятора лесной машины по п.1, отличающийся тем, что оператор указывает несколько объектов, не ожидая начала операции или окончания текущей с последующим захватом или спилом всех указанных объектов.

3. Способ наведения рабочего органа манипулятора лесной машины по п.1, отличающийся тем, что оператор указывает на каждом объекте, по меньшей мере, две точки, например, для определения длины сортимента и/или оптимальной раскряжевки.

4. Способ наведения рабочего органа манипулятора лесной машины по п.3, отличающийся тем, что оператор указывает на каждом объекте в заданном порядке комель и вершину или точки близкие к ним.