CN115680057A - 用于监控和/或执行工作设备的运动的方法以及工作设备和计算机程序产品 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于监控和/或进行工作设备、尤其是挖掘机的运动的方法，其中，工作设备包括：具有用于接收物料的工具的运动装置，运动装置包括可各自通过至少一个致动器运动的至少两个部件；以及控制装置，借助于控制装置可控制和/或调节运动装置的致动器。根据本发明的方法包括步骤：(i)获取至少关于运动装置的至少两个部件的当前位置和/或速度和/或加速度的状态信息，(ii)计算基于当前的工作设备配置作用在部件处的扭矩，其中，为此考虑部件的所述状态信息以及构件信息，(iii)获取在部件处实际作用的扭矩，(iv)将计算的扭矩与获取的扭矩进行比较，并且根据所述比较算出在工作设备的定义的作用点处实际作用的力矢量，以及(v)根据所计算的力矢量采取行动。此外，本发明涉及一种用于执行该方法的工作设备以及计算机程序产品。
Description
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的用于监控和/或执行工作设备的运动的方法、一种设计成用于执行根据本发明的方法的工作设备以及一种计算机程序产品。
背景技术
在进行挖土工作或挖掘过程时借助于挖掘机产生作用在工具(例如挖掘机铲斗)上的力。挖掘机必须克服这个力以便能够继续挖掘过程。如果挖的过深或者在挖掘轨迹上存在障碍物，可能不再能克服可能出现的力。这同样适用于其它的挖土设备或者物料搬运设备，这种物料搬运设备具有用于接收或者说抓取物料的工具，并且同样可能撞上障碍物。以下根据进行挖掘工作的挖掘机阐述提出的技术问题，其中，以下实施方案相似地适用于其它挖土或物料搬运设备。
传统上，手动地进行挖掘机的控制，并且操作者必须自己评估机器和挖掘过程的状态。在手动运行挖掘机时，操作者能获得关于在挖掘过程期间作用的力的反馈。
多年来，越来越多地进行挖掘机运行的自动化，例如通过辅助驾驶员的辅助功能(例如，工具中心点控制)，然而不能完全使该过程自动化。为了挖掘机的自动或半自动运行，需要根据作用的力和可由挖掘机施加的力适应性地调整规划的挖掘轨迹，以由此保证顺利地运行。因此，为了自动化运行，需要将在挖掘过程中出现的(挖掘)力计算在内以便对相应的环境影响做出响应并且能避免运动过程的偏差或者甚至损坏。
发明内容
因此，本发明的目的是，实现或者改善挖土设备或物料搬运设备的这种工作过程的自动化。
根据本发明，该目的通过具有权利要求1所述的特征的方法，具有权利要求17所述的特征的工作设备以及具有权利要求19所述的特征的计算机程序产品实现。从从属权利要求和以下描述中得到本发明的有利的实施方式。
据此，根据本发明的一个方面，提出一种用于监控和/或执行工作设备、优选地物料搬运设备或挖土设备以及尤其是挖掘机的运动的方法，其中，工作设备具有设有用于接收物料的工具的运动装置，运动装置包括可各自通过至少一个致动器运动的至少两个部件。此外，工作设备包括控制装置，借助于控制装置可控制和/或调节运动装置的致动器。
运动装置可为悬臂，尤其是挖掘机悬臂。工具例如可为挖掘机铲斗或壳式抓斗。在此，工具可被视为运动装置的所述至少两个部件中的一个，然而并不必须是这种情况。显然，可设置具有各自相关联的致动器的多于两个部件，其中，该工具可以是部件中的一个。其它部件例如可为悬臂和牵杆。致动器可为液压缸和/或马达(例如回转式发动机)。工作设备的上车或转动机构同样可算作运动装置的部件。
根据本发明的方法包括以下步骤：
1)获取至少关于运动装置的至少两个部件的当前位置和/或当前速度和/或当前加速度的状态信息，
2)计算根据当前的工作设备配置作用在部件上的扭矩(也就是说基于模型的或理论的扭矩)，其中，为此考虑部件的所述状态信息以及构件信息，
3)获取在部件上实际作用的扭矩，
4)将在步骤2)中计算的扭矩与在步骤3)中获取的扭矩进行比较，并且根据所述比较算出在工作设备的定义的作用点上实际作用的力矢量，以及
5)根据在步骤4)中计算的力矢量采取行动。
这些步骤不必一定是全都先后进行或者以给定的顺序进行。
如果在此提到获取扭矩，也包括这样的情况，即，实际的测量涉及另一参数(例如压力或力)并且以合适的方式换算成扭矩(例如可通过与位置矢量的叉积将测得的力换算成扭矩，其中，位置矢量可已知为构件信息或者从其中导出的信息)。
根据本发明的方法考虑实际上在进行工作过程期间作用到运动装置上的以力矢量的形式的力，该力矢量相对于定义的作用点。可以理想的方式确定所述定义的作用点并且其优选地位于工具处或末端执行器处。在进行挖掘过程的挖掘机的情况中，所述计算的力矢量尤其是为当前实际作用的挖掘力。
在步骤2)中的理论的扭矩的计算和在步骤3)中的实际作用的扭矩的获取尤其是与相同的部件相关联，从而进行直接比较并且从中可得出实际作用的力矢量。为了尽可能准确地描述实际作用的力矢量，必须将至少两个不同的部件的扭矩相互比较，从而可算出力矢量的彼此不平行的至少两个分量。在比较中考虑的运动装置的部件越多，能够越精确地算出力矢量。
然而，原则上，即使在彼此平行地定向部件(或确切地说从属的位置矢量)的情况下，也能够正常进行充分地估算实际作用的力，因为可能通过工作设备的结构吸收未观察到的力分量，并且因此致动器可能仅仅必须克服力矢量的可观察到的(确切的说可通过所述比较算出的)部分。
术语“比较”应作广义的解释。因此，所述比较可包括实现从计算的扭矩和获得的扭矩中获得或者说估算实际作用的力的任何方法。因此，所述比较可包括通过最小误差平方方法确定实际作用的力，或者可使用另一估算方法，尤其是递归估算方法。
例如，通过相应地根据挖掘力为在挖掘过程情况中的运动(也就是说，挖掘轨迹)调整规划的轨迹和/或在超过极限值时向工作设备的操作者给出提示，对挖掘力的考虑使挖掘过程的自动化成为可能。例如，可以以重新规划挖掘轨迹或结束挖掘过程的方式进行调整。
挖掘轨迹的调整和提示的输出仅仅是根据计算的力矢量采取的所述行动的示例。此时，显然也可设想其它行动，例如调整机械参数。此外，例如可根据其它条件调整挖掘轨迹，例如超过时间阈值和/或出现最小轨迹序列误差。
但是，根据本发明的方法不仅可使用在挖掘过程中，而且一般可使用在其中外部的力(该外部的力可在自动化运动过程的情况中在例如调整预设的轨迹时需要被考虑)作用到工作设备的工具(确切的说运动装置)上的所有工作过程中。这种工作过程例如可为利用物料搬运设备的抓取工具接收物料。在此，例如待运动的物料卡住可能导致出现更高的力，对于自动的搬运过程来说必须考虑该力。在此，尤其是由于工作设备的工作过程例如在物料的挖掘、提升或运动时、在物料的接收时等出现的所有力也理解为外力。
在一种可行的实施方式中规定，构件信息涉及相应的部件的质量、惯性矩和/或重心。理想地，提供部件的几何结构的信息或确切地说尺寸作为构件信息用于使用。在此，也可设想数据驱动的模型，该模型仅仅需要状态信息和扭矩测量。需要构件信息以算出基于模型的扭矩，该扭矩(在不考虑外部的或由于工作过程出现的力的情况下)仅仅由于工作设备或确切地说运动装置的配置(或确切地说装备状态)和当前姿态作用到单个部件上。
构件信息可储存在工作设备的存储器上，该存储器例如可为控制装置的部分或外部的与控制装置相连接的模块。构件信息同样可储存在与控制装置、尤其是无线地通讯连接的外部计算机单元、例如云中，并且可通过控制装置调取。备选地或附加地，可通过控制装置的建模工具根据工作设备或确切地说运动装置的静态的或动态的模型生成构件信息。
在另一可行的实施方式中规定，定义的作用点位于工具处，尤其是运动装置的末端执行器处(也就是说工具中心点TCP处)。作用点可以能够例如通过工作设备的操作者定义，或者确切地说改变。
在另一可行的实施方式中规定，计算的(基于模型的或理论的)和获取的(实际的)扭矩各自与运动装置的相同参考点相关联。由此实现，通过将仅仅根据运动装置的配置和姿态预测的扭矩和实际测得的扭矩进行比较，得出附加地作用的外力，例如挖掘力。参考点优选地为运动装置的关节或转动关节，部件通过该关节或转动关节彼此可转动地连接(或者与工具相连接，其中，工具同样可被视为运动装置的部件)。
运动装置的形成运动链的部件的关节尤其是定义的位置矢量，该位置矢量用于描述部件的当前姿态或者确切地说运动并且用于计算扭矩。因此，例如可通过从第一关节伸延到第二关节的位置矢量表示通过第一关节铰接在工作设备的上车处的悬臂，悬臂通过第二关节可摆动地与牵杆相连接。然后，在第一关节的部位处作用到悬臂上的扭矩是所述位置矢量与在第二关节的部位处作用到悬臂上的力的叉积。相同的适用于其它的以铰接的方式相互连接的部件，例如牵杆，工具等。
根据以上描述的示例，另一可行的实施方式规定，用于计算的扭矩的参考点从部件在工作设备的上车处的关节开始定义位置矢量，在获取扭矩时，位置矢量不必彼此平行。由于外力(例如挖掘力)在转动关节处引起的扭矩是位置矢量和所述力的叉积。由此，仅仅力矢量的与位置矢量垂直的部分对扭矩有影响。因此，为了在其位置矢量彼此不平行地伸延的平面中估算力矢量，需要至少两次扭矩测量。
在另一可行的实施方式中规定，借助于布置在运动装置处的传感器获取状态信息。在此，例如可设置位置传感器和/或速度传感器和/或加速度传感器的组合。
工作设备通常可包括用于获取不同参数的一系列传感器。
因此，工作设备可具有用于测量出现在致动器处的液压力的至少一个压力传感器。运动装置可具有一个或多个液压缸作为致动器，以用于使单个部件运动。优选地，为每个液压缸设置至少一个压力传感器，至少一个压力传感器测量相应存在或出现的液压力。理想地，为每个液压缸使用两个压力传感器，其中，每个液压缸的推杆侧以及底部侧各自配备有压力传感器。通过由此获得的压力可计算出作用到致动器上的力，最终可以通过致动器或确切地说液压缸的已知的空间位置将该力定义成矢量。在此，致动器的从几何结构的致动器参数和获取的压力计算的力矢量也称为压力矢量。
从致动器的压力矢量中，可在考虑可通过致动器运动的部件的相应的构件信息以及其当前位置或姿态的情况下计算作用到部件的关节的一个上的力以及进相应的扭矩。运动装置的构件信息优选地也包括关于相应的致动器的信息，例如缸和推杆在相应的部件上的铰接点，活塞面积，摩擦值，致动器的质量等，以便能够从压力测量中算出相应的力。
备选地或附加地，工作设备可包括至少一个用于测量作用的扭矩的扭矩传感器。可设想，为每个致动器设置至少一个扭矩传感器，以用于获取作用到相应的部件上的扭矩。
备选地或附加地，工作设备可包括用于测量部件的当前角度的至少一个角度传感器。测量到的角度可为一个部件相对于另一部件、相对于工作设备的上车或工具的角度。理想地，角度传感器布置在部件的转动关节的区域中。优选地，为每个转动关节设置一个角度传感器，以完全获取运动链的单个部件的姿态。备选地或附加地，可设置至少一个传感器，该传感器测量至少一个液压缸的推出长度。通过可运动的部件的确定的几何结构，从中得到相应的角位置。
备选地或附加地，工作设备可具有用于测量部件的当前位置的至少一个位置传感器。获取的位置可为绝对位置，例如借助于安装在相应的部件上的GPS模块或GNSS天线(连同接收器)测量该绝对位置。同样，可在工作设备的另一部位、例如上车处设置GPS模块和/或GNSS天线，例如以获取工作设备的位置。也可通过GNSS天线和IMU的组合进行工作设备的状况和位置估计(例如为此可将IMU安装在工作设备的上车上)。由此可实现，可包含例如对于工作设备的自动运行和/或倾斜保护有意义的地形信息。例如，由此可在将要出现高的挖掘力时产生用于继续自动挖掘过程的智能轨迹。
备选地或附加地，工作设备可具有用于测量部件的当前速度和/或加速度的至少一个惯性传感器，例如加速度传感器和/或转速传感器。惯性传感器可为惯性测量单元(“inertial measurement unit”或IMU)。优选地，在多个部件上、尤其是在运动装置的用于获取实际作用的力的每个部件处都设置惯性传感器或IMU，即，在挖掘机悬臂、尤其是在悬臂处和牵杆处以及必要时在工具处设置。为了获得工作设备的状况，同样可将IMU安装在工作设备的可转动的上车上。
备选地或附加地，工作设备可具有用于获取工具的当前填充状态和/或填充重量的至少一个传感器。由此例如实现，探测挖掘机铲斗的当前填充。可规定，在达到最大填充量时，结束当前的自动挖掘过程，例如以在确定的卸载位置处清空铲斗。备选地，可通过合适的算法确定填充重量，该算法使用来自多个源头的信息，例如位置和状况估计、地形信息、可行驶的轨迹等。
备选地或附加地，工作设备可具有用于在运行期间获取工作设备的噪声的至少一个声学传感器，优选地，借助于分析装置评估声学传感器的信号，以得出工作设备的当前运行状态，例如达到功率极限。为了分析传感器信号，可使用计算机学习方法或人工神经网络，以便可靠地根据接收的噪声识别不同的机械状态并且必要时采取相应的行动。
在另一可行的实施方式中规定，借助于递归的方法，例如“递推最小二乘”算法或借助于观测器例如卡尔曼滤波器算出实际作用的力矢量。
备选地或附加地可规定，将实际作用的力矢量与加权系数相乘。由此，可考虑在与算出理论扭矩相关的模型中的不确定性，并且由此可靠地保证运动装置的最大负载极限。加权系数可与运动装置或工作设备的当前状态相关或者与算出的实际作用的力矢量相关。
在另一可行的实施方式中规定，采取的行动包括尤其是以光学和/或声学的方式输出警报或提示。由此，例如可提示工作设备的操作者如下情况，超过了最大的力(例如挖掘力)、达到了工具的最大填充、超过了在工作设备的倾斜安全性方面的安全范围或者已经调整了轨迹。此外可规定，将消息或信号发送给外部设备或云。
在另一可行的实施方式中规定，控制装置设定成，以如下方式自动地操控致动器：使工具沿着轨迹运动。即，控制装置设计成用于工具设备的自动的或半自动控制，并且可执行沿着预设轨迹的运动。在此，根据计算的力矢量的行动可包括，改变轨迹和/或干预沿着轨迹的自动运动。
轨迹可为挖掘轨迹，也就是说在挖掘过程时工具沿着其运动的预设轨迹。工作过程可分割成多个工作步骤或阶段，其中，可为这些阶段中的每一个预设一个或多个轨迹。
例如，自动进行的挖掘过程可分成三个阶段，其中，第一阶段涉及实际的挖掘，在实际的挖掘时，利用挖掘机铲斗接收物料，并且借助于根据本发明的方法考虑此时出现的挖掘力，第二阶段涉及将物料例如卸载到LKW上，并且在第三阶段中，进行从卸料位置到下一个挖掘位置的挖掘机铲斗的运动。显然，分成更多或更少的阶段也可行，其中，每个阶段具有一个或多个轨迹。
在此，根据本发明的方法不仅可应用在挖掘本身时，而且可应用在其它阶段中。即，例如在卸载时，同样有力作用到工具或运动装置上，在相应的考虑时该力可导致轨迹的调整。
在另一可行的实施方式中规定，将算出的力矢量与至少一个比较力矢量进行比较，并且根据所述比较采取行动，其中，至少一个比较力矢量优选地相应于最大可能的力(例如最大可能的挖掘力)。例如，如果算出的力矢量的值超过比较力矢量的值，可调整或重新计算轨迹或者甚至结束当前工作过程。同样，可设想输出提示。
比较力矢量可储存在存储器上，或者通过建模工具在工作过程期间根据静态的或动态的模型在考虑工作设备或确切地说运动装置的当前姿态的情况下计算。
在另一可行的实施方式中规定，将根据在致动器上的最大可能的压力计算的至少一个力矢量投影到参考矢量上，以获得比较力矢量。对于运动装置的每个致动器，可算出相应的力矢量并且投影到参考矢量上，从而计算多个比较力矢量。对于这些比较力矢量中的每一个，可与实际作用的力进行比较并且必要时采取确定的行动。
参考矢量可为算出的实际作用的力矢量、表示运动装置所行进的轨迹的速度矢量、或者以其它方式可定义或定义的矢量。如果参考矢量与算出的实际作用的力矢量不符合，则将实际作用的力矢量优选地同样投影到参考矢量上，从而可合理地将从致动器压力中算出的力矢量的投影与实际作用的力矢量的投影相互比较。
为了算出用于与算出的实际作用的力比较的力矢量，需要将适用于单个致动器的力或压力矢量换算成相应的力矢量，该力矢量相对于可通过致动器运动的部件的确定的参考点，例如相对于转动关节或在工具或末端执行器处的参考点。由于这些部件在结构方面是确定的，实现借助于可供使用的构件信息将压力或力矢量换算成在一个或多个参考点处的力矢量。
在另一可行的实施方式中规定，当算出的力矢量的值超过比较力矢量的值和/或轨迹序列误差超过优选地可定义的极限值时，采取行动。即，这些标准可单独地或者以组合的方式促使采取行动，例如，调整或重新计算轨迹、输出提示或者结束当前工作过程。显然，可使用其它标准。该标准或者可以是确定的或者与工作设备的当前姿态和/或环境影响相关。
在另一可行的实施方式中规定，以参考速度行进轨迹，其中，行动包括降低参考速度。或者可降低到较低的参考速度，但是或者可降低到为零的速度以结束当前工作过程。可逐步地进行该降低，也就是说，首先将参考速度降低到较低的值，并且随后将在下一的步骤中重新算出的实际作用的力再次与比较力矢量进行比较。在重新超过时，或者可再次将参考速度降低到较低的值，或者可直接中断或以受控的方式结束当前工作过程。
在另一可行的实施方式中规定，行动包括结束沿着轨迹的自动运动，其中优选地，获取工具目前为止达到的位置、尤其是最大深度和/或工具与工作设备的上车的距离，并且将其储存在控制装置(或者与控制装置相连接的存储器)中。在规划下一次工作过程时可使用这些值。换句话说，在继续该轨迹时，优选地从上述存储的位置开始规划和/或继续该轨迹。
在另一可行的实施方式中规定，根据算出的实际作用的力矢量和工作设备或确切地说运动装置的当前姿态得出表示工作设备的倾斜状况的参数，其中，优选地当该参数超过或低于极限值时，采取所述行动。例如，通过根据本发明的方法获得的挖掘力可用于监控工作设备的倾斜状况。例如，在超过在倾斜安全性方面的安全范围时，中断自动的工作过程并且使工作设备进入安全的状态中。这例如也可涉及单纯的运动或者放下负载或确切地说物料。为了分析或监控工作设备的倾斜状况，有利地例如通过安装在工作设备的上车处的IMU确定工作设备的状况或姿态。
在另一可行的实施方式中规定，运动装置为挖掘机悬臂，其中，第一部件为与工作设备的上车以铰接的方式连接的悬臂，并且第二部件为与第一部件以铰接的方式连接的牵杆。优选地，第三部件为工具自身。此时，工具可直接地或者通过一个或多个另外的部件与牵杆以铰接的方式连接。优选地，挖掘机悬臂的不同部件通过液压缸相互连接并且可彼此摆动。运动装置的部件中的一个可为所述上车的转动机构。转动机构可为通过运动装置形成的运动链的第一链节。备选地，铰接在上车处的悬臂可为运动链的第一链节。
挖掘机悬臂的不是所有可运动的部件都必须视为本发明的含义的运动装置的部件。即，挖掘机悬臂例如可具有用于使挖掘机铲斗运动的一个或多个转向杠杆，铲斗缸铰接在一个或多个转向杠杆处。然而，不必为这种类型的转向杠杆计算额外的单个基于模型的扭矩并且获取实际作用的扭矩。尤其是通过在挖掘机铲斗和牵杆(或确切地说与挖掘机铲斗相连接的悬臂部件)之间的转动关节定义这种挖掘机臂的运动链。
计算和/或控制指令可参照致动器坐标或笛卡尔坐标(例如，TCP坐标或者世界坐标)。然而，准确的坐标系的选择对根据本发明的主题没有影响。不同的坐标系毫无疑问在必要时可通过相应的变换彼此换算。
此外，本发明涉及一种工作设备、优选地物料搬运或掘土设备、并且尤其是挖掘机，包括：具有用于接收物料的工具的运动装置，运动装置包括分别可通过至少一个致动器运动的至少两个部件；以及控制装置，借助于控制装置可控制和/或调节致动器。
工作设备设计成，执行根据本发明的方法，也就是说具有相应的用于执行根据本发明的方法步骤的装置。可根据以上所述的、在根据本发明的方法的范围中讨论的实施方式中的一个或多个构造工作设备。在此，显然得到与根据本发明的方法相同的优点和特征，因此这点上不再重复描述。
在此可设想，相应的方法步骤、尤其是以上描述的步骤2)、4)和5)可通过控制装置但是或者完全或部分地通过与控制装置相连接的装置执行。方法步骤中的几个可在工作设备之外例如通过外部的计算机单元或云执行，并且将相应的数据传输给工作设备。同样可设想，为了提供在工作设备处独立的电子模块或独立的计算机单元以用于执行一定的方法步骤，例如挖掘力估算。
在一种可行的实施方式中规定，工作设备包括可转动地支承在可行驶的下车上的上车，其中，运动装置为挖掘机悬臂，其中，第一部件是与上车以铰接的方式连接的悬臂，并且第二部件是与第一部件以铰接的方式连接的牵杆。优选地，第三部件是工具自身。此时，工具可直接地或者通过一个或多个另外的部件与牵杆以铰接的方式连接。挖掘机悬臂的不同部件优选地通过液压缸相互连接并且可彼此摆动。
本发明此外涉及一种计算机程序产品，计算机程序产品包括指令，在运行程序时，该指令使得根据本发明的工作设备执行根据本发明的方法的步骤。方法步骤可全都由工作设备的装置执行。备选地可设想，转移一个或多个步骤并且由与工作设备相连接的(计算机)单元执行，其中，进行相应的数据交换。后者的特征在此同样理解成如下，由工作设备执行相应的步骤(因为工作设备提供至少用于执行该步骤所需的数据以供使用和/或接收外部产生的数据)，以必要时采取相应的行动。
可规定，需要计算、建模、比较或其它数据处理的所有步骤都由工作设备的控制装置自身执行。但是，这些步骤中的一个或多个可如所述那样由与控制装置相连接的外部模块或计算机执行。
从以下阐述的实施例中得到本发明的其它特征、细节和优点。
具体实施方式
接下来，为了说明根据本发明的方法，假设液压挖掘机，其具有可借助于转动机构转动的上车和铰接在上车处的作为运动装置的挖掘机悬臂。挖掘机悬臂包括以可绕转动关节摆动的方式铰接在上车上的悬臂，在悬臂的另一端部处以可绕另一转动关节摆动的方式与悬臂相连接的牵杆或确切地说铲斗牵杆、以及在牵杆的另一端部处以可绕另一转动关节摆动的方式与牵杆相连接的作为工具的挖掘机铲斗。
悬臂、牵杆和挖掘机铲斗可分别借助于至少一个液压缸运动或确切地说摆动，而至少一个液压马达驱动上车的转动机构。由此，为可运动的部件中的每一个(上车、悬臂、牵杆和挖掘机铲斗)分配有至少一个致动器(转动机构、液压缸)。因此，布置在上车和悬臂之间的一个或两个悬臂缸的推出引起悬臂绕在上车处的转动关节的摆动，从而悬臂的与上车间隔开的端部向上运动。与悬臂和牵杆以铰接的方式连接的牵杆缸使牵杆相对于悬臂摆动。此外，设置铲斗缸，铲斗缸必要时通过一个或多个转向杠杆使挖掘机铲斗相对于牵杆摆动。在上车和悬臂之间还可设置能量回收缸。在这种情况中，同样必须考虑能量回收缸对工作设备的运动模型的影响(例如通过能量回收缸在悬臂运动时为了辅助而施加的力)。
不同的部件可彼此独立地借助于不同致动器运动，并且形成运动链。在此，对于随后的考虑，上车自身是否被视为运动装置的部件并不重要(然而，上车的重心和质量对于避免倾斜的问题很重要)。
工作设备包括控制装置，控制装置操控单个的致动器并且由此控制工作设备的运动。在此，工作设备的整体运动共同地由通过不同致动器运动的部件的单个运动组成。控制装置设定成，使工作设备或确切地说挖掘机臂自动运动。例如，控制装置能够进行自动挖掘过程，在自动挖掘过程时在多个相继的并且彼此协调的步骤中例如挖出地面材料并且将其放到卸载位置上。
在此仅仅示例性地示出了可运动的部件的数量、部件准确的设计方案以及相关联的致动器的类型和数量。然而，根据本发明的方法的实现与部件和致动器的准确数量和设计方案无关，尤其是在部件或运动自由度的数量更多的情况时也如此。同样，工作过程不必为挖掘过程，并且工作设备不必为液压挖掘机。
现在，在以下段落中阐述用于在液压挖掘机中使用根据本发明的方法的情况下自动挖掘的可行的算法。该算法尤其包括：确定当前挖掘力、挖掘机的静态和动态模型、以及用于参考轨道的时间索引的轨迹生成方法。
从当前地形模型和目标配置文件出发，规划所需的工作步骤。该工作规划的结果是单个工作步骤，工作步骤尤其包含挖掘机的位置、用于抬起物料的定位轨道和用于卸载物料(例如卸载到LKW上)的定位轨道。
为了自动化挖掘，先后链接这些单个工作步骤，并且借助于合适的轨迹生成方法进行时间索引。尤其可以以笛卡尔坐标或关节或致动器坐标规划参考轨迹。如果以笛卡尔坐标规划轨迹，借助于合适的算法进行关节或确切地说致动器坐标的变换。通常以致动器的坐标进行实际的调节。致动器调节的任务是，测得的致动器状态以小的误差跟随参考状态。在此，参考状态尤其可为致动器的位置或速度。
从工作规划和由此预设的定位轨道出发，为自动化挖掘进行该轨道的时间索引。此时，分成三个阶段。第一阶段涉及实际的挖掘，在实际的挖掘时利用铲斗或确切地说挖掘机铲斗接收物料(备选地，可使用另一工具例如单叉或多叉抓斗)。第二阶段涉及将物料卸载到例如LKW上。在第三阶段中，进行挖掘机从卸料位置到下一个挖掘位置的运动。
在挖掘土壤时可能出现，致动器不能施加足够的力以能够克服作用在工具(例如铲斗)处的挖掘力。如果是这种情况，引起运动停止。在手动运动时，操作者发现这种情况并且开始新的步骤。对于自动化挖掘过程，必须在生成轨迹时同时考虑这种情况。如果不考虑这种情况，可能引起显著的轨迹误差。
为了考虑在挖掘过程期间的挖掘力，可设想不同的方案。一种方案是与最大可能的挖掘力相结合地考虑当前挖掘力，并且加入到轨迹生成中。以下描述根据本发明的用于确定当前挖掘力的具体示例。
为了计算最大可能的挖掘力，根据挖掘机的当前姿态以及静态或动态模型，使用单个致动器的不同压力矢量的组合，以计算基于模型的挖掘力。
紧接着，投影工具处的不同的力矢量的矩阵。作为投影矢量，尤其可使用当前挖掘力(必要时进行滤波)、当前速度(必要时进行滤波)、参考方向或不同的启发矢量。此外，将当前挖掘力矢量投影到这个矢量上。为了同时考虑在模型中的不确定性，引入与被投影的最大可能的挖掘力相乘的系数。
现在，根据不同的标准重新规划轨迹。标准可为：
-当前投影的挖掘力超过最大可能的投影的挖掘力，并且附加地轨迹序列误差超过另一阈值；
-轨迹序列误差超过一个阈值。
现在，如果满足这些标准之一，那么在第一步骤中降低轨迹的参考速度。根据其它标准(例如超过时间阈值)逐步地进行降低。如果在该措施下再次低于以上所述标准之一，根据标准(例如超过时间阈值)重新提高参考速度。然而，如果上述标准对于另一时间阈值有效，规划进一步将参考速度降低到更低的值或降低到零。必要时，如果满足其它标准，结束挖掘过程并且卸载物料。此时，尤其是储存工具在纵轴上到达的最大深度和/或位置，并且在规划下一次挖掘过程时使用。由此，适应性地根据工具的之前的挖掘过程和到达位置进行下一次的轨迹规划。
其它导致重新规划挖掘轨迹的方面可为环境影响。在此，例如通过传感器配置识别周围环境，并且根据当前地形进行规划。这也可在每次挖掘过程之后重新进行。附加地，这个或另外的传感器可在挖掘过程期间使用，以例如探测铲斗的当前填充以及由此实现轨迹的重新规划。通过重新规划，例如当铲斗达到了最大填充量时，可结束当前挖掘过程。
用于确定机械状态的其他传感器尤其可为例如声学传感器。该传感器可通过合适的评价机制用信号传递例如达到功率极限并且由此达到最大可能的挖掘力。此时，尤其可使用计算机学习方法。
估算的挖掘力也可用于评估倾斜安全性。这此外可实现在自动化挖掘过程中。此时，例如当超过在倾斜安全性方面的安全范围时，中断自动的挖掘过程并且使工作设备进入安全状态中。安全状态尤其可与当前位置和挖掘过程相关，并且例如可引起整个运动的停止。
在第二阶段中，规划从挖掘过程时最后的位置到卸载位置的轨迹。或者以笛卡尔坐标、以关节坐标或者以致动器坐标进行规划。在此，用于卸载的最终位置可根据外部(例如在LKW上的当前物料分布)影响变化。
在第三阶段中，规划从所述最终的卸载位置到下一个开始位置的轨迹。例如，这可为仅仅单个致动器(例如转动机构、悬臂、牵杆和铲斗)的运动、单个致动器运动的组合或者挖掘机的移动和其它致动器的移动的组合。
现在，接下来阐述用于计算或估算当前挖掘力的方法。
为了估算挖掘力，需要基于模型的扭矩，以用于根据测得的扭矩和基于模型的扭矩的差获得关于挖掘力所需的信息。此时，可以任意形式计算未加载的扭矩。在该实施例中，假设刚体系统，为此，可根据如下关系式例如以回归数的形式执行出现在关节处的扭矩/力τm的计算：
矢量β包含的参数例如为构件的质量、重心和惯性矩(＝构件信息)，其中，这些参数可线性组合。矩阵H表示，与自由度或确切地说部件的当前的位置q、速度
和加速度
相关的、参数矢量β对挖掘机的关节的影响。这些例如可利用布置在挖掘机悬臂的部件处的角度传感器和IMU测得。
为了估算当前挖掘力，应存在具高质量的模型，也就是说在未加载的情况中，该模型应接近测得的扭矩τm,mess
τm,mess≈τm (2)
为了能够通过以下等式计算关于从外部作用的一个或多个力以及进而挖掘力Fgrab的信息，模型高的质量是必不可少的。
τgrab＝τm,mess-τm (3)
在假设作用点的情况下，该力矩差τgrab实现了实际作用的力矢量或挖掘力矢量的重构。
由于挖掘力作用在转动关节处的扭矩是位置矢量与作用的力的叉积。由此，挖掘力矢量的仅仅与位置矢量垂直的部分对扭矩τgrab有影响。因此，需要至少两次扭矩测量以估算在其位置矢量彼此不平行地伸延(理想的是垂直的位置矢量)的平面中的力矢量。
在末端执行器处作用的力Fgrab与在关节处的相应的扭矩τgrab之间的相关性是几何的雅可比矩阵J(q)
τgrab＝JT(q)Fgrab (4)
几何的雅克比矩阵是正向运动学的雅可比矩阵
pTCP＝f(q) (5)
也就是说，适用的是
总结地，通过等式(1)、(3)和(4)得到关系式
其可使用递归估算方法(例如“递归最小二乘”算法)或观测器(例如卡尔曼滤波器)，以计算挖掘力Fgrab。应明确指出的是，在此通过在末端执行器处的函数(5)或确切地说TCP预定义作用点。
通过以上描述的方法估算的挖掘力可用于多种目的。一方面可检查，是否达到了操纵器或运动装置的最大力(可通过可由致动器之一承受的最大的力确定该最大力)。如果是这种情况，可或者为操作者给出提示，或者在自动化运行中进行规划的轨迹的调整，以继续行进挖掘过程。另一方面，所估算的作用力可用于评价挖掘机的倾斜安全性。为了低的倾斜风险，必须保证由配重带来足够的平衡力矩。该平衡力矩必须大于由装备的动力性和从外部作用的力引起的扭矩。
Claims (19)
1.用于监控和/或执行工作设备、尤其是挖掘机的运动的方法，其中，所述工作设备包括以下各项：
-运动装置，所述运动装置具有用于接收物料的工具，并且包括能够各自通过至少一个致动器运动的至少两个部件，以及
-控制装置，借助于所述控制装置所述致动器能够被控制和/或能够被调节，
其特征在于，步骤：
1)获取状态信息，所述状态信息至少涉及至少两个部件的当前位置和/或当前速度和/或当前加速度，
2)在考虑所获取的状态信息的情况下并且在考虑所述部件的构件信息的情况下，计算基于当前的工作设备配置作用在部件处的扭矩，
3)获取在部件处实际作用的扭矩，
4)将所计算的扭矩与所获取的扭矩进行比较，并且根据所述比较算出在所述工作设备的定义的作用点处实际作用的力矢量，以及
5)根据所计算的力矢量采取行动。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述构件信息涉及所述部件的质量、惯性矩和/或重心，其中，所述构件信息优选地储存在所述工作设备的存储器上或与所述控制装置尤其是无线地通讯连接的外部计算机单元上、和/或通过所述控制装置的建模工具根据所述工作设备的静态的或动态的模型生成。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述定义的作用点位于所述工具处、尤其是所述运动装置的末端执行器处，并且优选地是可定义的。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所计算的扭矩和所获取的扭矩各自与所述运动装置的相同的参考点相关联，其中，所述参考点优选地为关节，所述部件通过所述关节彼此可转动地连接。
5.根据前述权利要求所述的方法，其中，所述参考点从部件的在所述工作设备的上车处的关节开始定义位置矢量，在获取所述扭矩时，所述位置矢量彼此不平行。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述状态信息借助于布置在所述运动装置处的传感器获取，其中，所述工作设备优选地具有以下传感器中的一者或多者：
-用于测量在致动器处出现的液压力的至少一个压力传感器，
-至少一个扭矩传感器，
-用于测量部件的当前角度的至少一个角度传感器，
-用于测量部件的当前位置的至少一个位置传感器，尤其是GPS模块，
-用于测量部件的当前速度和/或当前加速度的至少一个惯性传感器，尤其是惯性测量单元，
-用于获取所述工具的当前填充状态和/或当前填充重量的至少一个传感器，
-用于在运行期间获取所述工作设备的噪声的至少一个声学传感器，所述至少一个声学传感器的信号优选地借助于分析装置评估，以得出所述工作设备的当前运行状态。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述力矢量借助于递归的方法算出，和/或所述力矢量与加权系数相乘。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述行动包括尤其是以光学和/或声学的方式输出警报。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述控制装置被设定成，以如下方式自动地操控所述致动器：使所述工具沿着轨迹运动，其中，所述行动优选地包括：改变所述轨迹和/或干预沿着所述轨迹的自动运动。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，将所算出的力矢量与至少一个比较力矢量进行比较，并且根据所述比较采取行动，其中，所述至少一个比较力矢量优选地相应于最大可能的力。
11.根据前述权利要求所述的方法，其中，将根据在致动器处的最大可能的压力计算的至少一个力矢量投影到参考矢量上，以获得所述比较力矢量，其中，所述参考矢量优选地为所算出的力矢量、表示由所述运动装置行进的轨迹的速度矢量或者可定义的矢量。
12.根据权利要求9和权利要求10至11中任一项所述的方法，其中，当所算出的力矢量的值超过所述比较力矢量的值和/或轨迹序列误差超过优选地可定义的极限值时，采取所述行动。
13.根据权利要求9和权利要求10至12中任一项所述的方法，其中，所述轨迹被以参考速度行进，其中，行动包括降低所述参考速度。
14.根据权利要求9和权利要求10至13中任一项所述的方法，其中，所述行动包括结束沿着所述轨迹的自动运动，其中优选地，所述工具的目前为止达到的位置、尤其是最大深度和/或距所述工作设备的上车的距离被获取并且被储存在所述控制装置中，其中，更为优选地，在继续所述轨迹时，所述轨迹从所存储的位置开始规划和/或执行。
15.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，根据所算出的力矢量和所述工作设备的当前姿态得出表示所述工作设备的倾斜状况的参数，其中优选地，当所述参数超过或低于极限值时，采取所述行动。
16.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述运动装置为挖掘机悬臂，其中，第一部件为与所述工作设备的上车以铰接的方式连接的悬臂，并且第二部件为与所述第一部件以铰接的方式连接的牵杆，其中优选地，所述运动装置的第三部件为所述工具，所述工具与所述牵杆或另一部件以铰接的方式连接。
17.工作设备、尤其是挖掘机，包括：运动装置，所述运动装置具有用于接收物料的工具并且包括能够各自通过至少一个致动器运动的至少两个部件；控制装置，借助于所述控制装置所述致动器能够被控制和/或能够被调节，其中，所述工作设备被设计成，执行根据前述权利要求中任一项所述的方法。
18.根据前述权利要求中任一项所述的工作设备，包括可转动地支承在可行驶的下车上的上车，其中，所述运动装置为挖掘机悬臂，其中，第一部件是与所述上车以铰接的方式连接的悬臂，并且第二部件是与所述第一部件以铰接的方式连接的牵杆，其中优选地，所述运动装置的第三部件为所述工具，所述工具与所述牵杆或另一部件以铰接的方式连接。
19.计算机程序产品，所述计算机程序产品包括指令，在执行所述程序时，所述指令使得根据权利要求17或18所述的工作设备执行根据权利要求1至16中任一项所述的方法的步骤。
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