一种混凝土泵车及其臂架系统技术领域
本发明涉及工程机械技术领域，特别涉及一种混凝土泵车及其臂架系统。
背景技术
在工程机械技术领域，混凝土泵车是建筑工业中不可缺少的机械。
现有技术中的混凝提泵车中，其臂架系统中的臂架具有多节依次相连的节
臂，并且，对于臂架中各节臂的控制一般采用两种方式：对臂架中进行一键全
自动控制，或者，对每一节节臂单独进行控制。
当臂架中的节臂数量较多时，上述两种控制方式中：
采用对臂架中的节臂一键全自动控制的方式时，需要控制臂架中的所有节
臂之间协同动作，控制装置在节臂姿态计算中的冗余计算量大，控制装置的运
算周期长，并且需要考虑流量饱和(需求流量大于供给流量)因素对臂架的末
端节臂末端位置的影响，进而使得对臂架末端节臂末端位置的控制精度较低。
采用对臂架中的每一节节臂单独控制的方式时，一个操作摇杆控制一节臂
动作，手动对臂架中的每一个节臂单独控制、以实现臂架中各节臂形成复合动
作时，施工效率低，劳动强度大，且不能保证臂架中末端节臂末端的运动轨迹。
因此，如何提供一种操控简单、且能够提高臂架中末端节臂末端位置的控
制精度的混凝土泵车的臂架系统及混凝土泵车时本领域技术人员亟需解决的
技术问题之一。
发明内容
本发明提供了一种混凝土泵车及其臂架系统，该混凝土泵车的臂架系统操
作简单，且能够提高臂架中末端节臂末端位置的控制精度。
为达到上述目的，本发明提供以下技术方案：
一种混凝土泵车的臂架系统，包括：
臂架，所述臂架包括多节依次相连的节臂，其中一部分节臂形成手动节臂
组，另一部分节臂形成自动节臂组，所述手动节臂组中的节臂为单控节臂、且
包括臂架的首节节臂，所述自动节臂组包括一节横折节臂和至少一节竖折节
臂，所述横向节臂的枢转轴与所述单控节臂的枢转轴垂直，所述竖折节臂的枢
转轴与所述单控节臂的枢转轴平行；
与所述臂架中各节臂一一对应的动力机构；
采集所述臂架中各节臂的实时姿态信息的节臂姿态采集装置；
控制装置，所述控制装置与所述节臂姿态采集装置信号连接、并根据各节
臂的实时姿态信息确定臂架中末端节臂末端的实时位置信息；所述控制装置包
括自动节臂组控制单元和与所述手动节臂组内的单控节臂一一对应的单节臂
控制单元；所述自动节臂组控制单元与所述自动节臂组中各节臂对应的动力机
构信号连接、以根据设定的臂架末端节臂末端的目标位置信息确定的目标姿态
控制所述自动节臂组中各节臂自动动作；每一个单节臂控制单元和与其对应的
单控节臂的动力机构连接、以控制所述单控节臂动作。
上述臂架系统中，臂架中的多个节臂分为手动节臂组和自动节臂组，在实
际控制过程中，首先通过节臂姿态采集装置采集臂架中各节臂的实时姿态，然
后控制装置根据节臂姿态采集装置采集的各节臂的实时姿态信息确定节臂装
置中末端节臂末端的实时位置信息；然后向控制装置内输入臂架中末端节臂末
端的目标位置信息，控制装置根据臂架中末端节臂末端的目标位置信息确定自
动节臂组内各节臂的目标姿态，进而能够对自动节臂组进行一键全自动控制，
使自动节臂组中的各节臂移动到其目标姿态。
上述臂架系统中，臂架中的各节臂形成自动节臂组和手动节臂组，手动节
臂组内节臂数量仅为臂架中节臂的一部分，数量较少，减少了臂架中需要手动
单独控制的节臂的数量，操作量小；同时，自动节臂组内的节臂也仅仅为臂架
中节臂的一部分，数量较少，控制装置在计算自动节臂组内各节臂的目标姿态
时的冗余计算量较少，并且在实际操作过程中，臂架系统中的节臂分为手动节
臂组和自动节臂组两部分，手动控制的节臂数量较少，且自动控制的揭不数量
也较小，手动节臂组中的节臂一般不会与自动节臂组中的节臂同时动作，工程
车辆的油泵每一次供油的节臂数量较少，进而能够降低流量饱和因素对臂架的
末端节臂末端位置的影响，进而提高对臂架末端节臂末端位置的控制精度。
所以，上述臂架系统中，臂架中且需单独控制的节臂数量较少，操作简单，
并且，控制装置在计算自动节臂组内各节臂的目标姿态时的冗余计算量较少，
并能够降低流量饱和因素对臂架的末端节臂末端位置的影响，进而提高对臂架
末端节臂末端位置的控制精度。
优选地，所述节臂姿态采集装置包括与所述节臂一一对应的节臂姿态传感
器，各所述节臂姿态传感器与所述控制装置信号连接。
优选地，每一节所述节臂的动力机构包括伸缩油缸和控制所述伸缩油缸油
路的控制阀，所述控制阀与所述控制装置信号连接。
优选地，所述自动节臂组包括一节横折节臂和两节竖折节臂。
优选地，所述自动节臂组中，所述横折节臂为所述臂架的末端节臂。
优选地，所述臂架包括依次相连的六节节臂。
优选地，所述控制装置还包括轨迹修整单元，所述轨迹修正单元与所述节
臂姿态采集装置信号连接、以根据所述节臂姿态采集装置采集的各节臂的实时
姿态信息修正所述自动节臂组控制单元对所述自动节臂组中各节臂的控制参
数。
优选地，还包括操作装置，所述操作装置包括与所述单控节臂一一对应并
控制所述单控节臂运动的多个单键，以及与所述自动节臂组对应并控制所述自
动节臂组运动的自动键。
本发明还提供了一种混凝土泵车，包括转台，还包括上述技术方案中提供
的任一种臂架系统。
附图说明
图1为本发明提供的臂架系统的原理示意图；
图2为本发明一种实施例中提供的臂架系统中臂架的结构示意图；
图3为本发明一种实施例中提供的臂架系统中臂架的节臂组在两节竖折节
臂旋转平面内的坐标计算原理图；
图4为本发明一种实施例中提供的臂架系统中臂架的节臂组在横折节臂旋
转平面内的坐标计算原理图；
图5为本发明提供的臂架系统的控制方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清
楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是
全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造
性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参考图1，图1为本发明提供的臂架系统的原理示意图；本发明实施例
提供的一种混凝土泵车的臂架系统，包括：
臂架，臂架包括依次相连的多节节臂，多节节臂中的一部分形成手动节臂
组，另一部分形成自动节臂组17，手动节臂组中的节臂为单控节臂、且包括臂
架的首节节臂，自动节臂组17包括横折节臂和至少一节竖折节臂，如图1中
所示的横折节臂16、竖折节臂14和竖折节臂15；其中，沿物料输送方向，首
节节臂的前端通过枢转轴安装于混凝土泵车的转台，自动节臂组17中，横折
节臂16的前端与前一节节臂之间的枢转轴与首节节臂与转台之间的枢转轴相
互垂直，竖折节臂14和前一节节臂之间的枢转轴与首节节臂和转台之间的枢
转轴平行，且和竖折节臂15和前一节节臂之间的枢转轴与首节节臂和转台之
间的枢转轴平行，即各个所述竖折节臂处于第一竖直平面内运动，所述横折节
臂16处于第二竖直平面内运动，且所述第一竖直平面与所述第二竖直平面相
互垂直；
与臂架中的节臂一一对应的动力机构；每一对相互对应的动力机构与节臂
之间，动力机构驱动节臂相对于前一节节臂动作；为了在描述时便于对各动力
机构进行区分，指定：与手动节臂组中单控节臂对应的动力机构称为单控节臂
动力机构19，与自动节臂组17的竖折节臂对应的动力机构称为竖折节臂动力
机构，与横折节臂16对应的动力机构称为横折节臂动力机构；
上述臂架系统还包括：采集臂架中各节臂的实时姿态信息的节臂姿态采集
装置18；所述实时姿态信息可以包括各节臂的倾角，由于各节臂的长度是预知
的，根据各节臂的倾角可以得出各节臂所处的空间位置信息(即空间坐标)。
控制装置2，控制装置2与节臂姿态采集装置18信号连接、并根据节臂姿
态采集装置18采集的各节臂的实时姿态确定臂架中末端节臂末端的实时位置
信息，控制装置2包括自动节臂组控制单元22和与手动节臂组内的各节单控
节臂一对一应的单节臂控制单元21；自动节臂组控制单元22与自动节臂组17
中的竖折节臂对应的竖折节臂动力机构以及横折节臂16对应的横折节臂动力
机构信号连接，并且根据设定的臂架末端节臂末端的目标位置信息确定的目标
姿态控制自动节臂组17中的竖折节臂以及横折节臂16自动动作；每一对相互
对应的单节臂控制单元21与单控节臂中，单节臂控制单元21和与其对应的单
控节臂的单控节臂动力机构连接、以控制单控节臂动作。
上述臂架系统中，臂架中的多个节臂分为手动节臂组和自动节臂组，在实
际控制过程中，首先通过节臂姿态采集装置18采集臂架中各节臂的实时姿态，
然后控制装置2根据节臂姿态采集装置18采集的各节臂的实时姿态信息确定
节臂装置中末端节臂末端的实时位置信息；然后向控制装置2内输入臂架中末
端节臂末端的目标位置信息，控制装置2根据臂架中末端节臂末端的目标位置
信息确定自动节臂组17内各节臂的目标姿态，进而能够对自动节臂组17进行
一键全自动控制，使自动节臂组17中的各节臂移动到其目标姿态。由于自动
节臂组17既包括竖折臂又包括横折臂，即自动节臂组17可以在地面上布料一
个具有一定面积的区域，因此，当需要小范围布料时，可以在不单独控制手动
节臂组运动的情况下，控制自动节臂组一步运动到位，控制方式简单有效。
上述臂架系统中，臂架中的各节臂形成自动节臂组17和手动节臂组，手
动节臂组内节臂数量仅为臂架中节臂的一部分，数量较少，减少了臂架中需要
手动单独控制的节臂的数量，操作量小；同时，自动节臂组17内的节臂也仅
仅为臂架中节臂的一部分，数量较少，控制装置2在计算自动节臂组17内各
节臂的目标姿态时的没有冗余计算；并且，在实际操作过程中，臂架系统中的
节臂分为手动节臂组和自动节臂组两部分，手动控制的节臂数量较少，且自动
控制的节臂数量也较小，手动节臂组中的节臂一般不会与自动节臂组中的节臂
同时动作，工程车辆的油泵每一次供油的节臂数量较少，进而能够降低流量饱
和因素对臂架的末端节臂末端位置的影响，进而提高对臂架末端节臂末端位置
的控制精度。
所以，上述臂架系统中，臂架中且需单独控制的节臂数量较少，操作简单，
并且，控制装置2在计算自动节臂组17内各节臂的目标姿态时没有冗余计算，
并能够降低流量饱和因素对臂架的末端节臂末端位置的影响，进而提高对臂架
末端节臂末端位置的控制精度。
一种优选实施方式中，控制装置2还包括轨迹修整单元，轨迹修正单元与
节臂姿态采集装置18信号连接、以根据节臂姿态采集装置18采集的各节臂的
实时姿态信息修正自动节臂组控制单元22对自动节臂组17中各节臂的控制参
数，提高对自动节臂组17移动后横折节臂16末端位置控制的精确性，进而提
高对臂架中末端节臂末端位置控制的精确性。
一种优选实施方式中，节臂姿态采集装置18包括与臂架中的节臂一一对
应的节臂姿态传感器，各节臂姿态传感器与控制装置2信号连接。
一种优选实施方式中，臂架中每一节节臂的动力机构包括伸缩油缸和控制
伸缩油缸油路的控制阀，控制阀与控制装置2信号连接。
一种优选实施方式中，自动节臂组17包括一节横折节臂和两节竖折节臂，
更优选地，上述横折节臂为臂架的末端节臂。如图1和图2中所示的横折节臂
16、竖折节臂14和竖折节臂15。
为描述方便，以如图3和图4所示为例，设定自动节臂组17中竖折节臂
14和竖折节臂15在XOY平面内移动，而横折节臂16在XOZ平面内移动，
则，根据下述公式可计算出自动节臂组17中横折节臂16末端的位置(X，Y，
Z)：
X
=
l
1
×
cos
θ
1
+
l
2
×
cos
(
θ
1
+
θ
2
-
180
)
+
l
3
×
cos
θ
3
×
cos
(
θ
1
+
θ
2
-
180
)
Y
=
l
1
×
sin
θ
1
+
l
2
×
sin
(
θ
1
+
θ
2
-
180
)
+
l
3
×
cos
θ
3
×
sin
(
θ
1
+
θ
2
-
180
)
Z
=
l
3
×
sin
θ
3
]]>
其中，l1为竖折节臂14的长度，l2为竖折节臂15的长度，l3为横折节臂
16的长度，θ1为竖折节臂14与X轴之间的角度，θ2为竖折节臂15与竖折节臂
14之间的角度，θ3为横折节臂16与XOY平面之间的角度。
所以，控制装置2根据自动节臂组17中横折节臂16末端的目标位置信息
在计算自动节臂组17中竖折节臂14、竖折节臂15以及横折节臂16的目标姿
态时，通过给定的自动节臂组17中横折节臂16末端的目标位置坐标(X，Y，
Z)逆解出自动节臂组17中竖折节臂14与X坐标轴之间的角度θ1、竖折节臂
15与竖折节臂14之间的角度θ2以及横折节臂16与XOY平面之间角度θ3，不
存在冗余计算，控制装置2的计算周期较短。
并且，臂架中需要单独控制的单控节臂的数量较少，并且自动节臂组17
内也仅具有三节节臂，能够降低流量饱和因素对臂架的末端节臂末端位置的影
响，进而提高对臂架末端节臂末端位置的控制精度。
并且，当臂架中每一节节臂的动力机构包括伸缩油缸和控制伸缩油缸油路
的控制阀时，控制装置2能够根据臂架中末端节臂即横折节臂16末端的目标
位置信息逆推出自动节臂组17中竖折节臂14与X坐标轴之间的角度θ1、竖折
节臂15与竖折节臂14之间的角度θ2以及横折节臂16与XOY平面之间角度θ3，
进而能够求得两个竖折节臂动力机构中伸缩油缸的长度、以及横折节臂动力机
构中伸缩油缸的长度，由阀控缸模型可以得出控制阀的控制电流与伸缩油缸速
度的数学模型，最终得到相应控制阀的控制电流值，进而实现对自动节臂组17
中横折节臂16末端移动轨迹的精确控制，最终实现对臂架中末端节臂末端移
动轨迹的精确控制。
如图2所示，一种优选实施方式中，臂架系统的臂架包括依次相连的六节
节臂，依次为首节节臂11、第二节臂12、第三节臂13、竖折节臂14、竖折节
臂15以及横折节臂16。其中，手动节臂组内具有三节节臂，且自动节臂组17
中具有三节节臂。
如图5所示，上述臂架系统的控制方法如下所述：
步骤S501，获得节臂姿态采集装置采集的各节臂的实时姿态信息，并根据
获得的各节臂的实时姿态信息确定臂架中末端节臂末端的实时位置信息；
步骤S502，获得臂架中末端节臂末端的目标位置信息，并根据末端节臂末
端的目标位置信息和末端节臂末端的实时位置信息形成臂架中末端节臂末端
的运行轨迹；
步骤S503，根据臂架中末端节臂末端的运行轨迹控制所述自动节臂组动
作，和/或，控制手动节臂组动作。
其中，上述臂架系统还可以包括操作装置，操作装置包括与手动节臂组中
的单控节臂一一对应并控制单控节臂运动的多个单键，以及与自动节臂组对应
并控制自动节臂组运动的自动键，此时，步骤S503中，当控制装置2根据节
臂姿态采集装置18获得的各节臂的实时姿态信息确定的臂架中末端节臂末端
的实时位置信息与目标位置位置信息之间超出臂架当前布料范围时，且臂架中
末端节臂末端的目标位置信息所在布料区域与臂架中末端节臂末端的实时位
置信息所在布料区域相连的情况下，可以在通过使用自动键控制自动节臂组17
中各节臂进行自动动作的同时通过单键控制手动节臂组内相应的单控节臂动
作，以转移布料区域，减少了现有技术中的单独控制模式和一键全自动控制模
式之间的切换时间，提高了臂架系统的整体的操控性；当臂架中末端节臂末端
的目标位置信息所在布料区域与臂架中末端节臂末端的实时位置信息所在布
料区域相隔的情况下，可以首先通过单键对臂架中的单控节臂进行控制，然后
再通过自动键对自动节臂组17中各节臂进行一键全自动控制，以实现在臂架
中末端节臂末端的目标位置信息所在的布料区域内小范围布料。
本发明还提供了一种混凝土泵车，包括转台，还包括上述实施例中提供的
任一种臂架系统。
显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱
离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利
要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。