CN110431275B - 用于借助于触碰敏感的屏幕来操作做功机械的方法、控制器和用于操作做功机械的操作系统 - Google Patents

用于借助于触碰敏感的屏幕来操作做功机械的方法、控制器和用于操作做功机械的操作系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于借助于触碰敏感的屏幕(110)来操作做功机械(100)的方法，其中所述屏幕(110)具有用于产生力反馈的执行器和/或用于检测在触碰屏幕(110)时施加到所述屏幕(110)上的操作力的力传感器。在所述方法中，首先读入预设轨迹(114)，所述预设轨迹代表着所述做功机械(100)和/或所述做功机械(100)的悬臂(104、106)的、由该做功机械(100)的操作者通过触碰所述屏幕(110)所输入的轨迹。在使用所述预设轨迹(114)的情况下，输出用于操控所述执行器的执行器信号和/或用于改变力阈值的力变化信号，所述力阈值代表着为了输入轨迹所需要的最小操作力。

Description

用于借助于触碰敏感的屏幕来操作做功机械的方法、控制器 和用于操作做功机械的操作系统
技术领域
本发明涉及一种按照独立权利要求所述类型的方法或者装置。一种计算机程序也是本发明的主题。
背景技术
可移动的做功机械、比如挖掘机或起重机或者可移动的做功机械上的伸缩臂或升降机比如能够通过杠杆、操纵杆或(旋转)开关来操作。能够借助于特殊的显示器来进行操作。因此，比如做功机械的参数能够通过在显示器上显示的菜单或者甚至直接通过触摸显示器来调节。为了便于这种触摸显示器的操作，所述触摸显示器能够配备有触觉反馈。因此，一方面能够增加操作的舒适性。详细来讲，由此使可能用手套来工作并且必须在明亮的、多尘的和振动的环境中识别显示器的用户也能够操作所述显示器。另一方面，能够实现先前在操纵杆上或者通过开关和电位计实现的新颖的操作功能和操作方案。
根据现有技术，触摸显示器也能够配备有力敏的反馈。在此，只有在显示屏上施加更大的压紧力后才会触发功能。用户直接感觉到需要更大的力。然后能够根据力来执行反馈。
此外还有以下趋势，即：进一步使挖掘作业或者可移动的做功机械上的悬臂的运动自动化。例如，对于基于GPS的按照3D模型的挖掘或者电子挖掘来说就是这种情况。在这些方案中，铲斗位置应该是已知的。如有必要，铲斗位置能够通过轨迹来预先给定或者在工作空间界限的意义上来受到限制。工作空间界限能够作为协助功能或者安全功能来限制悬臂的运动，以便防止侵入安全关键的区域，从而保护人或物体、例如建筑物或管道以及可移动的做功机械本身。
发明内容
面对这种背景，利用这里所提出的方案，提出一种根据独立权利要求所述的、用于借助于触碰敏感的屏幕操作做功机械的方法，此外提出一种使用这种方法的控制器、一种相应的计算机程序以及最后一种用于操作做功机械的操作系统。通过在从属权利要求中所列举的措施，能够实现在独立权利要求中所说明的装置的有利的拓展方案和改进方案。
提出一种用于借助于触碰敏感的屏幕操作做功机械的方法，其中所述屏幕具有用于产生力反馈的执行器和/或用于检测在触碰所述屏幕时施加到所述屏幕上的操作力的力传感器，其中所述方法包括以下步骤：
读入预设轨迹，所述预设轨迹代表着做功机械和/或做功机械的悬臂的、由该做功机械的操作者通过触碰屏幕所输入的轨迹；
在使用所述预设轨迹的情况下输出用于操控执行器的执行器信号和/或用于改变力阈值的力变化信号，所述力阈值代表着为了输入轨迹而需要的最小操作力。
所谓“做功机械”比如能够是指具有悬臂的建筑机械、像比如挖掘机或起重机或者也能够是指推雪车。“预设工作空间”能够是指三维坐标的下述区域，做功机械应该停留在所述区域中。所述预设轨迹比如能够是以擦拭运动的形式构成的输入参量。因此，能够通过屏幕的接口以包括预设轨迹的轨迹信号的形式读入预设轨迹。所述屏幕能够构造用于将擦拭运动转化为相应的轨迹信号并且予以提供。所述执行器比如能够是振动马达或者其它合适的用于产生触觉反馈的结构元件。“悬臂”能够是指做功机械上的能调节的单元，所述单元能够完成所述轨迹。这比如是指工作臂、伸缩臂、升降机构、机器人手臂等等。
这里所提出的方案基于以下认识，即：能够借助于触觉显示器输入用于可移动的做功机械的预设轨迹并且如此对其进行处理，从而取决于做功机械的悬臂接近预先给定的工作空间的界限的情况能够在所述显示器上产生也被称为“Force Feedback”的力反馈，或者也能够改变显示器的触碰灵敏度。这种方案的优点是，触觉反馈简化了对于做功机械的操作。
将预设轨迹与在三维坐标系中代表着做功机械的预先给定的工作空间的预设工作空间进行比较，以便获得代表着做功机械和/或悬臂接近于工作空间的界限的情况的接近信息；并且在使用所述接近信息的情况下输出用于操控执行器的执行器信号和/或用于改变力阈值的力变化信号，所述力阈值代表着为了输入轨迹而需要的最小操作力。能够以包括接近信息的接近信息信号的形式来提供所述接近信息。能够有利地提高系统的安全性，方法是：操作者直接觉察到他在接近工作空间中的危险区。因此，触觉反馈变为与安全相关的功能。轨迹的输入在此并非必然与工作空间界限相耦合。
根据一种实施方式，在读入的步骤中能够读入位置信息，所述位置信息在三维坐标系中代表着做功机械或者作为补充方案或者替代方案悬臂的、由所述做功机械的至少一个位置传感器所检测到的位置信息。与此相对应，在比较的步骤中能够在使用所述位置信息的情况下将预设轨迹与预设工作空间进行比较，以便获得接近信息。“传感器”比如能够是指悬臂上的GPS传感器、位置传感器或初始传感器或者也能够是指做功机械的液压缸上面或者里面的用于测量缸行程的传感器。由此，能够精确地监控做功机械在工作空间中的位置。作为替代方案，所述位置比如也能够借助于摄像头和图像处理算法来获取。
根据另一种实施方式，在输出的步骤中能够输出执行器信号，以便在做功机械或者作为补充方案或者替代方案悬臂越接近工作空间的界限时借助于执行器产生越强烈的力反馈。作为补充方案或替代方案，在输出的步骤中能够输出力变化信号，以便在做功机械或者作为补充方案或者替代方案悬臂越接近工作空间的界限时将力阈值设置得越高。由此，能够在做功机械或者悬臂接近工作空间的界限之前有效地并且提早地警告操作者。因此，借助于触碰敏感的屏幕能够实现对于做功机械的特别精确的和可靠的操作。
有利的是，在读入的步骤中读入代表着操作者的擦拭运动的信息作为预设轨迹。在此，在输出的步骤中能够输出执行器信号，以便在擦拭运动中产生力反馈。作为补充方案或替代方案，在输出的步骤中能够输出力变化信号，以便在擦拭运动中改变力阈值。由此，能够在操作做功机械时借助于触碰敏感的屏幕来提高工效(Ergonomie)。
此外，所述方法能够包括以下显示步骤，即：在使用接近信息的情况下在屏幕上显示代表着接近情况的视觉信息的。视觉信息比如能够是借助于色阶或任何其他光学上能感知的信息来示出接近情况的色标。由此，操作者能够在操作做功机械时额外地在视觉上得到支持。作为补充方案或替代方案，所述接近情况能够通过触觉信息来显示出来。因此，在显示的步骤中，作为补充方案或替代方案，能够在使用接近信息的情况下在屏幕上显示代表着接近情况的触觉信息。
根据另一种实施方式，在显示步骤中，能够显示做功机械、悬臂、工作空间、轨迹、三维坐标系、滚动条或者由所提到的元素中的至少两个元素构成的组合作为视觉的和/或触觉的信息。由此，能够在操作做功机械时进一步提高操作舒适性。
这种方法比如能够以软件形式或硬件形式或者以软件和硬件的混合形式例如在控制器中来实施。
这里所提出的方案此外提供一种控制器，该控制器构造用于：在相应的机构中执行、操控或者实施在这里所提出的方法的变型方案的步骤。通过本发明的、这种以控制器的形式构成的实施变型方案，也能够快速且有效地解决本发明的任务。
为此，所述控制器能够具有至少一个用于对信号或者数据进行处理的计算单元、至少一个用于保存信号或者数据的存储单元、至少一个用于从所述传感器处读入传感器信号或者用于将控制信号输出给所述执行器的传感器或者执行器的接口和/或至少一个用于读入或者输出嵌入到通信协议中的数据的通信接口。所述计算单元比如能够是信号处理器、微控制器等，其中所述存储单元能够是闪存器、EPROM或磁性的存储单元。所述通信接口能够构造用于无线地和/或有线地读入或者输出数据，其中能够读入或者输出有线的数据的通信接口比如能够以电的或光学的方式从相应的数据传输线中读入这些数据或者将其输出到相应的数据传输线中。
所谓“控制器”在此能够是指一种电气设备，该电气装置处理传感器信号并且据此输出控制信号和/或者数据信号。控制器能够具有接口，所述接口能够以硬件方式和/或以软件方式来构成。在一种按照硬件的设计方案中，所述接口比如能够是所谓的系统ASIC的一部分，这部分包含控制器的不同的功能。然而也可能的是，所述接口是自身的集成电路或者至少部分地由分立的结构元件所构成。在一种按照软件的设计方案中，所述接口能够是软件模块，所述软件模块比如在微控制器上在其它的软件模块的旁侧存在。
在一种有利的设计方案中，通过所述控制器来控制做功机械。为此，所述控制器比如能够获得传感器信号、例如加速度信号、压力信号、转向角信号或环境传感器信号。所述操控通过执行器、比如做功机械的制动执行器或者转向执行器或者马达控制器来进行。
这里所提出的方案此外提供了一种用于操作做功机械的操作系统，其中该操作系统具有以下特征：
触碰敏感的屏幕，该屏幕具有用于产生力反馈的执行器和/或用于检测在触碰屏幕时施加到该屏幕上的操作力的力传感器；以及
根据前一种实施方式所述的控制器。
也有利的是一种具有程序代码的计算机程序产品或计算机程序，所述程序代码能够被保存在能机器读取的载体或存储介质、比如半导体存储器、硬盘存储器或光学存储器上并且尤其在所述程序产品或程序在计算机或装置中被执行时用于实施、执行和/或操控按照前面所描述的实施方式之一所述的方法的步骤。
附图说明
在附图中示出了本发明的实施例并且在以下描述中进行详细解释。附图示出：
图1是具有按照一种实施例的操作系统的做功机械的示意图；
图2是按照一种实施例的控制器的示意图；
图3是图1所示的做功机械的示意图；
图4是按照一种实施例的屏幕的示意图；
图5是图4所示的屏幕的示意图；
图6是图4所示的屏幕的示意图；
图7是按照一种实施例的屏幕的构造的示意图；并且
图8是按照一种实施例的方法的流程图。
在以下对本发明的有利的实施例所作的描述中，对于在不同的附图中所示出的并且起类似作用的元件使用相同的或相似的附图标记，其中省略了对这些元件的重复描述。
具体实施方式
图1示出了具有按照一种实施例的操作系统102的做功机械100的示意图。除了做功机械100、这里是具有悬臂104和挖掘机铲斗106的挖掘机之外，绘制了由三根轴x、y和z构成的三维坐标系108。在坐标系108之内例如预先给定铲斗106的位置和轨迹。操作系统102包括触碰敏感的屏幕110和控制器112。屏幕110作为力敏感的触觉显示器来实现。控制器112构造用于从屏幕110上读入比如以电信号的形式构成的预设轨迹114，预设轨迹114是做功机械100、在这里比如悬臂104或铲斗106的、由做功机械100的操作者通过触碰屏幕110所输入的轨迹。可选地，考虑到做功机械100接近于工作空间的界限，控制器112构造用于将预设轨迹114与预设工作空间进行比较，所述预设工作空间代表着所述做功机械100的、在坐标系108之内预先给定的工作空间。例如，在进行相应的比较时，能够将预设轨迹114的坐标值与预设工作空间的坐标值进行比较。根据预设轨迹114或者必要时根据所获取的接近情况，控制器112如此操控屏幕110，从而在屏幕110上生成相应的触觉反馈。按实施例，控制器112作为补充方案或替代方案根据接近情况来改变屏幕110的触碰灵敏度。为此，控制器112比如能够以执行器信号和/或力变化信号的形式提供一个或多个控制信号，所述控制信号适合用于如此操控屏幕110，从而在所述屏幕110上产生触觉反馈和/或对所述屏幕110的触碰灵敏度进行调整。
通过力敏感的触觉显示器110来实现可移动的做功机械100的操作功能。在此，由操作者在触摸显示器110上预先给定轨迹并且通过触觉的力敏感的信号将接近于工作空间界限的情况反馈给所述触摸显示器110。图1示出了坐标系108，悬臂104和铲斗106在该坐标系108中运动。例如悬臂104或伸缩臂的活动的部件的位置或极限点在此比如由做功机械100的相应的传感器感测并且被反馈给预设轨迹的系统和显示器110并且在其上面显示出来。
图2示出了按照一种实施例的控制器112、比如前面借助于图4所描述的控制器的示意图。控制器112包括用于读入预设轨迹114的读入单元210和可选的用于将预设轨迹114与预设工作空间进行比较的比较单元220。作为比较的结果，比较单元220将代表着做功机械或悬臂的接近于工作空间的界限的情况的接近信息222例如以电信号的形式发送给所述控制器112的输出单元230。所述输出单元230构造用于将预设轨迹114和/或接近信息222用于产生用于操控所述屏幕的执行器、例如振动马达或者面状地施加的执行器、例如电活性聚合物的执行器信号232或者也用于产生用于改变力阈值的力变化信号234，所述力阈值代表着为了输入轨迹所需要的最小操作力。
图3示出了图1的做功机械100的示意图。在坐标系108中的极限xmin、xmax和zmin、zmax之内以划虚线的矩形的形式示出了用于挖掘机铲斗106的工作空间界限300的预先规定(未示出具有界限ymin和ymax的y方向)。图3示出了在坐标系108之内的、用于挖掘机铲斗106的工作空间界限300。对于铲斗位置的感测比如通过GPS、借助于摄像头通过工作臂104上的位置及惯性传感装置或者做功机械100的液压缸的上面或里面的缸行程测量来进行。
图4示出了按照一种实施例的屏幕110、例如前面根据图1所描述的屏幕的示意图。示出了借助于滚动条400在触觉触摸显示器上产生的力敏感的反馈。在屏幕110的右侧示出了图表408，其用于示出取决于操作者的、沿着坐标系的z方向的擦拭运动的行程的操作力F。滚动条400上的用于触发轨迹的操作力F或者可选地还有触觉反馈在此沿着z方向提高。例如，增大的操作力在颜色方面通过滚动条400的颜色的、从第一颜色、例如绿色到另一颜色、例如红色的转变来显示出来。另外，做功机械挖掘机符号404的形式在屏幕110上显示出来。由用户预先给定的轨迹用弯曲的箭头406勾画出来。
图4示范性地在屏幕110上示出了预设轨迹的实现情况，其中仅仅滚动条400设有力敏感的触觉反馈。一方面，用于将滚动条400推向红色方向所需要的力越来越大，另一方面在此反馈的力或强度在提高。因此，做功机械的操作者直接在屏幕110上注意到铲斗正在接近工作空间界限。例如用颜色适当地在屏幕110上例如以箭头406的形式来示出所述轨迹。
图5示出了图4中的屏幕106的示意图。与图4不同，在这里不是借助于滚动条而是直接在屏幕110上通过操作者的相应的擦拭运动来预先给定所述轨迹。在这种情况下，控制器按照工作空间界限的坐标通过相应地操控屏幕110产生力敏感的反馈。额外地，适当地利用颜色在屏幕110上显示接近于工作空间界限的情况。
根据一种实施例，屏幕110仅仅在箭头406的区域中生成力反馈。另外，接近于工作空间界限的情况用颜色、例如红色来显示，该颜色因此表示用于推移滚动按钮的较大的触发力以及可能较强烈的触觉反馈。在此，轨迹由操作者直接在屏幕110上预先给定。通过对于手指的位置的感测并且借助于铲斗的已知的坐标和工作空间界限，能够计算并且实现用于每个位置的力敏感的反馈。
图6示出了图4的屏幕106的示意图。与图4和5这两张图不同，按照这种实施例，坐标系108中的工作空间额外地在屏幕110上例如以屏幕110上的用颜色标识的操作区域600的形式显示出来。操作者的手指602的、在工作空间坐标之内的运动在此在触发和反馈中是力敏感的并且例如用颜色通过从绿到红的颜色转变来标识。
根据一种实施例，整个工作空间在屏幕110上描绘出来并且用颜色来保存。代表着界限的边界例如通过从绿到红的转变来标识。在此屏幕110产生力敏感的反馈，其形式是：在这里通过圆圈来勾画的按钮的、朝边缘位置中的拖动变得更加困难，也就是说要求来自操作者的更多的力。同样，屏幕110的、比如通过振动产生的触觉反馈相应地得到增强。
图7示出了根据一种实施例的屏幕110、例如前面借助于图1至6所描述的屏幕的示意图。屏幕110包括用于产生力反馈的执行器702和用于对在触碰时施加到屏幕110上的力进行检测的力传感器704。借助于所述执行器702和所述力传感器704，在屏幕110的触摸板706和显示器708的下方产生触觉的力敏感的反馈。所述执行器702例如通过振动或凸起来产生轨迹的触觉激励并且按照工作空间界限之内的坐标来输出力敏感的反馈。触觉激励的轨迹在图7中示范性地通过弯曲的凸起710来勾画出来，通过所述凸起操作者感觉到其在接近于工作空间界限。
触摸板706构造用于记录触碰屏幕110的坐标。屏幕110用颜色示出了轨迹。在处于其之下的层712中，通过所述力传感器704和执行器702产生力敏感的反馈。作为替代方案，透明的、面状地施加的力传感器和执行器也能够处于屏幕上。
作为用于产生触觉反馈的执行器，例如使用线性谐振执行器(LRA)、偏心质量块、马达、离子电活性聚合物(EAP)、激发器或超声波模块。
图8示出了根据一种实施例的方法800的流程图。用于操作做功机械的方法800例如能够在使用前面借助图1至7所描述的控制器的情况下来实施。在此在步骤810中读入预设轨迹。在可选的步骤820中，将预设轨迹与预设工作空间进行比较，以便获得接近信息。最后，在步骤830中，在使用预设轨迹114和/或接近信息的情况下输出执行器信号或者作为补充方案或替代方案输出力变化信号。
因此，这里提出的方案提供了用于运行做功机械的功能，其中触摸屏提供力敏感的反馈。在此触摸屏上的触发和反馈是力敏感的。例如，通过触摸屏的触摸板来读入轨迹。通过传感装置首先反馈悬臂或伸缩臂的位置、也就是机器位置的极端点的位置。此外，这里所提出的方案按实施例包括工作空间界限的坐标的预先规定、显示器上的轨迹的显示、显示器上的工作空间的显示、显示器上的滚动功能或者推移或者拖动运动的实现连同力敏感的反馈或者取决于工作空间界限的坐标的力敏感的反馈。如有必要，能够额外地借助于反馈来实现与安全相关的功能。
如果一种实施例包括第一特征与第二特征之间的“和/或”联结，则可以对此进行如下解读，即：该实施例按照一种实施方式不仅具有所述第一特征而且具有所述第二特征并且按照另一种实施方式要么仅仅具有所述第一特征要么仅仅具有所述第二特征。

Claims (10)

1.一种用于借助于触碰敏感的屏幕(110)来操作做功机械(100)的方法(800)，其中所述屏幕(110)具有用于产生力反馈的执行器(702)和/或用于对在触碰所述屏幕(110)时施加到该屏幕(110)上的操作力(F)进行检测的力传感器(704)，其中所述方法(800)包括以下步骤：
读入(810)预设轨迹(114)，所述预设轨迹代表着所述做功机械(100)和/或所述做功机械(100)的悬臂(104、106)的、由所述做功机械(100)的操作者通过触碰所述屏幕(110)所输入的轨迹；并且
在使用所述预设轨迹(114)的情况下输出(830)用于操控所述执行器(702)的执行器信号(232)和/或用于改变力阈值的力变化信号(234)，所述力阈值代表着为了输入轨迹而需要的最小操作力。
2.根据权利要求1所述的方法(800)，其具有将预设轨迹(114)与在三维坐标系(108)中代表着所述做功机械(100)的预先给定的工作空间的预设工作空间进行比较的步骤(820)，以便获得接近信息(222)，所述接近信息代表着所述做功机械(100)和/或所述悬臂(104、106)接近所述工作空间的界限(300)，并且其中在所述输出的步骤中、在使用所述接近信息(222)的情况下输出所述执行器信号(232)。
3.根据权利要求2所述的方法(800)，其中在所述读入的步骤(810)中读入位置信息，所述位置信息在三维坐标系(108)中代表着所述做功机械(100)和/或悬臂(104、106)的、由所述做功机械(100)的至少一个位置传感器所检测到的位置，其中在所述比较的步骤(820)中，在使用位置信息的情况下将所述预设轨迹(114)与所述预设工作空间进行比较，以便获得所述接近信息(222)。
4.根据权利要求2或3所述的方法(800)，其中在所述输出(830)的步骤中，输出所述执行器信号(232)，以便在所述做功机械(100)和/或所述悬臂(104、106)越接近所述工作空间的界限(300)时借助于所述执行器(702)产生越强烈的力反馈；和/或输出所述力变化信号(234)，以便在所述做功机械(100)和/或所述悬臂(104、106)越接近于所述工作空间的界限(300)时将所述力阈值设置得越高。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法(800)，其中在所述读入的步骤(810)中读入代表着操作者的擦拭运动的信息作为所述预设轨迹(114)，其中在所述输出(830)的步骤中输出所述执行器信号(232)，以便在擦拭运动中产生力反馈；和/或输出所述力变化信号(234)，以便在擦拭运动中改变所述力阈值。
6.根据权利要求2或3所述的方法(800)，其具有以下显示步骤，即：在使用所述接近信息(222)的情况下，在所述屏幕(110)上显示代表着接近情况的视觉的和/或触觉的信息(108；400、404、406；600)。
7.根据权利要求6所述的方法(800)，其中在所述显示步骤中显示所述做功机械(100)和/或悬臂(104、106)和/或工作空间和/或轨迹和/或三维坐标系(108)和/或滚动条(400)作为视觉的和/或触觉的信息。
8.一种具有单元(210、220、230)的控制器(112)，所述单元构造用于执行和/或操控根据权利要求1到7中任一项所述的方法(800)。
9.一种用于操作做功机械(100)的操作系统(102)，其中所述操作系统(102)具有以下特征：
触碰敏感的屏幕(110)，该屏幕具有用于产生力反馈的执行器(702)和/或用于检测在触碰所述屏幕(110)时施加到所述屏幕(110)上的操作力(F)的力传感器(704)；以及
根据权利要求8所述的控制器(112)。
10.一种能机器读取的存储介质，在所述存储介质上保存有用于实施和/或操控根据权利要求1至7中任一项所述的方法(800)的计算机程序。
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