DE102007050702A1

DE102007050702A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Unterstützung eines Bedieners einer Arbeitsmaschine

Info

Publication number: DE102007050702A1
Application number: DE102007050702A
Authority: DE
Inventors: Henning Hayn; Dieter Schwarzmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Hayn Henning De; Schwarzmann Dieter De
Priority date: 2007-10-24
Filing date: 2007-10-24
Publication date: 2009-04-30

Abstract

Ein Verfahren zur Unterstützung eines Bedieners einer Arbeitsmaschine (1, 13), die ein Basisbauteil (2, 14), ein relativ zum Basisbauteil (2, 14) bewegliches Bauteil (3, 4, 15) und eine Einrichtung (6) zur Messung einer Höhe hmess des beweglichen Bauteils (3, 4, 15) aufweist, umfasst folgende Schritte: Messen der aktuellen Höhe hmess; Zuordnung eines Signals zu der gemessenen Höhe hmess anhand einer hinterlegten Signal-Höhen-Kennlinie (10), wobei die Signal-Höhen-Kennlinie (10) jeweils ein lokales Extremum bei ausgezeichneten Höhen hi aufweist, und Ausgabe des Signals.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Unterstützung eines Bedieners einer Arbeitsmaschine, die ein Basisbauteil, ein bewegliches Bauteil und eine Einrichtung zur Messung einer Höhe h_mess oder eine Position p_mess des beweglichen Bauteils aufweist. Eine solche Arbeitsmaschine ist beispielsweise ein Flurförderzeug wie ein Gabelstapler, ein Bagger oder eine Planierraupe.
Mit solchen Arbeitsmaschinen sollen verschiedene Arbeitsziele erreicht werden, beispielsweise soll eine Grube mit einer Baggerschaufel ausgehoben werden, die Baggerschaufel soll zum Glattziehen eines Gebietes auf einer bestimmten Trajektorie geführt werden, mit Hilfe eines Gabel- oder Schubmaststaplers sollen Lasten in Regale gehoben werden, die auf verschiedenen Höhen Regalebenen aufweisen.
Bei diesen Vorgängen war der Bediener ursprünglich auf seine eigene, vor allem visuelle Wahrnehmung angewiesen. Da jedoch die Anforderungen komplexer werden und oftmals ein höheres Arbeitstempo verlangt wird, sind eine Reihe von Systemen entwickelt worden, die den Bediener einer solchen Arbeitsmaschine unterstützen.
Die DE 101 53 531 A1 beschreibt eine Radarmessung zur Erfassung der Hubhöhe eines Gabelstaplers. Ebenso wird eine Kameraüberwachung der Hubhöhe eingesetzt. Diese Verfahren erlauben es dem Bediener zwar, auch Bereiche, die eigentlich außerhalb seines Gesichtsfeldes zum Beispiel in einer großen Höhe liegen, visuell zu überwachen, sie verlangen jedoch die Konzentration auf ein Display und im Falle einer Radarmessung zusätzlich das Wissen des Bedieners, in welcher Höhe die Regalbretter angebracht sind. Diese Systeme sind daher nicht besonders intuitiv zu bedienen.
Auch zur Unterstützung eines Bedieners von Arbeitsmaschinen wie Baggern sind Systeme bekannt, die zum Beispiel beim Ausheben besonders tiefer Gruben die Schaufelposition zu jedem Zeitpunkt mit Hilfe von Lasermessungen oder Satelliten berechnen und auf einem Display darstellen. Auch solche Systeme verlangen vom Bediener die verhältnismäßig komplizierte Übertragung des auf dem Display Dargestellten in konkrete Handlungen, die Erfahrung erfordert, und sind daher ebenfalls nicht intuitiv zu bedienen.
Die US 5,019,761 A offenbart ein System zur Unterstützung eines Bedieners eines Baggers, das „force feedback"-Signale nutzt, um dem Bediener ein realistisches Gefühl für die Arbeitsmaschine zu geben. Auf diese Weise ist es möglich, dem Bediener auch bei einer Fernbedienung der Arbeitsmaschine das Gefühl zu vermitteln, er arbeite direkt an der Maschine, was eine intuitive Bedienung ermöglicht. Allerdings ist der Einsatz der force feedback-Signale auf Signale beschränkt, die unmittelbar mit auf die Maschine wirkenden Kräften verbunden sind.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Unterstützung eines Bedieners einer Arbeitsmaschine anzugeben, das eine besonders intuitive und einfache Bedienung der Arbeitsmaschine erlaubt und das eine Vielzahl von Einsatzmöglichkeiten aufweist.
Darüber hinaus ist es eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens anzugeben.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit dem Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Unterstützung eines Bedieners einer Arbeitsmaschine, die ein Basisbauteil, ein relativ zum Basisbauteil bewegliches Bauteil und eine Einrichtung zur Messung einer Höhe h_mess des beweglichen Bauteils aufweist, umfasst folgende Schritte: Zunächst wird die aktuelle Höhe h_mess des beweglichen Bauteils gemessen. Der gemessenen Höhe h_mess wird anhand einer hinterlegten Signal-Höhen-Kennlinie ein Signal zugeordnet, wobei die Signal-Höhen-Kennlinie jeweils ein lokales Extremum der Signalstärke bei ausgezeichneten Höhen h_i aufweist. Das Signal wird ausgegeben.
Einem Grundgedanken der Erfindung zufolge erlauben force feedback-Signale grundsätzlich eine intuitive Bedienung von Arbeitsmaschinen. Derartige Signale können vorteilhaft nicht nur in Situationen eingesetzt werden, die unmittelbar mit auf die Maschine wirkenden Kräften verbunden sind, sondern auch in Situationen, in denen dem Bediener abstrakte Sachverhalte wie beispielsweise das Erreichen einer ausgezeichneten Höhe vermittelt werden sollen. Sie sind dann keine force feedback-Signale im eigentlichen Sinne mehr, da sie keine „künstliche Weitergabe" von auf die Maschine wirkenden Kräften an den Bediener bewirken. Vielmehr werden abstrakten Sachverhalten Signale zugeordnet, die wie herkömmliche force feedback-Signale haptische Signale sein können, die dem Bediener mittels eines Bedienelements vermittelt werden. Es eignen sich jedoch auch beispielsweise optische oder akustische Signale.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es dem Bediener, das Erreichen ausgezeichneter Höhen mit dem beweglichen Bauteil anhand der Signale zu „erfühlen". Dabei wird vorteilhaft nicht nur ein Signal ausgegeben, wenn die entsprechende Höhe erreicht ist, sondern auch die Annäherung an die ausgezeichnete Höhe und ihre erfolgte Überschreitung werden dem Bediener signalisiert. Dies erfolgt dadurch, dass auch vor und nach dem Erreichen einer ausgezeichneten Höhe Signale ausgegeben werden, jedoch mit geringerer Stärke, während die Signalstärke für die ausgezeichnete Höhe maximal ist. Vorteilhafterweise ist die Signal-Höhen-Kennlinie also stetig.
In einer Ausführungsform der Erfindung weist die Signal-Höhen-Kennlinie ein lokales Maximum bei ausgezeichneten Höhen h_i auf, ist im Intervall [h_i – Δh, h_i] jeweils monoton steigend und im Intervall [h_i, h_i + Δh] jeweils monoton fallend und für alle übrigen Werte konstant. Alternativ kann die Signal-Höhen-Kennlinie auch ein lokales Minimum bei ausgezeichneten Höhen h_i aufweisen, im Intervall [h_i – Δh, h_i] jeweils monoton fallend und im Intervall [h_i _, h_i + Δh] jeweils monoton steigend und für alle übrigen Werte konstant sein.
Beide Ausführungsformen lassen sich auch kombinieren. Beispielsweise kann die Signal-Höhen-Kennlinie aus zwei Ästen bestehen, wobei der eine Ast die lokalen Maxima aufweist und zur Zuordnung eines Signals zur gemessenen Höhe in dem Fall herangezogen wird, wenn der Bediener das bewegliche Bauteil der Maschine anhebt, während der zweite Ast die lokalen Minima aufweist und für den Fall des Senkens des beweglichen Bau teils herangezogen wird. Auf diese Weise ist es dem Bediener sogar möglich, die Vorgänge des Hebens und des Senkens des beweglichen Bauteils anhand der Signale zu unterscheiden.
Der Bereich Δh wird abhängig vom Abstand ausgewählt, den die ausgezeichneten Höhen h_i aufweisen, und vorteilhafterweise auch abhängig davon, wie schnell typischerweise die ausgezeichneten Höhen durchfahren werden. Im Falle eines Gabelstaplers, mit dem Regalebenen beladen werden sollen, die Abstände in der Größenordnung von einem Meter aufweisen, gilt in einer Ausführungsform für Δh Δh ≤ 0,2·|(h_i – h_i+1)|.
Wird Δh klein und die maximale Signalstärke groß gewählt, so sind die Extrema des Signals für den Bediener schärfer erkennbar. Wird Δh eher groß gewählt, so kündigt das Signal dem Bediener das Erreichen einer ausgezeichneten Höhe zwar früher an, so dass dieser eher vorbereitet ist, jedoch nimmt er das Signal bei gleicher maximaler Signalstärke nicht mehr ganz so scharf wahr.
Die genaue Form der Signal-Höhen-Kennlinie wird deshalb abhängig vom Einsatzbereich und gegebenenfalls auch abhängig von den Präferenzen des Bedieners gewählt. Vorteilhaft können auch Signal-Höhen-Kennlinien sein, die um die Extrema herum asymmetrisch sind. Beispielsweise kann Δh vor dem Erreichen des Extremums größer sein als danach. Auf diese Weise kann beispielsweise eine ausgezeichnete Höhe vor ihrem Erreichen frühzeitig angekündigt werden, während die Signalstärke danach schnell abfällt und dem Bediener so das scharfe Wahrnehmen der ausgezeichneten Höhe ermöglicht.
Derartige Signale können auch eingesetzt werden, um dem Bediener Abweichungen des beweglichen Bauteils von einer Soll position anzuzeigen. In einer alternativen Ausführungsform umfasst das Verfahren zur Unterstützung eines Bedieners einer Arbeitsmaschine, die ein Basisbauteil, ein relativ zum Basisbauteil bewegliches Bauteil und eine Einrichtung zur Messung einer Position p des beweglichen Bauteils aufweist, folgende Schritte: Es wird eine Menge von Sollpositionen p_soll für das bewegliche Bauteil vorgegeben. Die aktuelle Position p_mess des beweglichen Bauteils wird gemessen. Anschließend wird eine Positionsabweichung Δp der gemessenen Position p_mess von der Menge der Sollpositionen p_soll bestimmt. Dieser Positionsabweichung Δp wird anhand einer hinterlegten Signal-Positionsabweichungs-Kennlinie ein Signal zugeordnet, wobei die Signal-Positionsabweichungs-Kennlinie monoton steigend ist. Das Signal wird ausgegeben.
Bei dieser Ausführungsform wird demnach ein starkes Signal ausgegeben, wenn die Positionsabweichung groß ist, und ein schwächeres, wenn sie klein ist.
Dieses erfindungsgemäße Verfahren weist den Vorteil auf, dass es den Bediener dabei unterstützen kann, das bewegliche Bauteil, beispielsweise die Schaufel eines Baggers, entlang einer vorgegebenen Trajektorie zu bewegen. In diesem Fall ist die Menge der Sollpositionen die Trajektorie oder Bahnkurve. Das Verfahren kann auch eingesetzt werden, um zusammen mit weiteren Assistenzsystemen vor Kollisionen mit Hindernissen wie Personen im Arbeitsbereich oder Leitungen im Erdreich oder oberhalb der Arbeitsmaschine zu warnen.
Das Verfahren eignet sich jedoch auch zur Unterstützung des Bedieners, wenn beispielsweise eine Grube ausgehoben werden soll. In diesem Fall ist die Menge der Sollpositionen dreidimensional und umfasst alle Punkte der auszuhebenden Grube.
Punkte außerhalb sind dagegen nicht „erlaubt" und das Bewegen des beweglichen Bauteils zu ihnen führt zur Ausgabe eines Signals, das dem Bediener die Positionsabweichung signalisiert. Da das Signal stärker ist, je größer die Positionsabweichung ist, wird der Bediener mit Hilfe des Signals dabei unterstützt, das bewegliche Bauteil in eine Sollposition zurückzuführen, indem er das bewegliche Bauteil derart steuert, dass das Signal schwächer wird und schließlich ein Minimum erreicht oder verschwindet, falls die Signal-Positionsabweichungs-Kennlinie einen Nulldurchgang aufweist.
Als Signal wird in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ein haptisches Signal verwendet. Dieses haptische Signal besteht beispielsweise in einer Auslenkung eines Bedienelements, die in ihrer Richtung und/oder in ihrer Stärke von der gemessenen Höhe h_mess oder der Positionsabweichung Δp abhängig ist.
Das haptische Signal kann jedoch auch in Vibrationen eines Bedienelements bestehen, die in ihrer Geschwindigkeit und/oder in ihrer Stärke von der gemessenen Höhe h_mess oder der Positionsabweichung Δp abhängig sind.
Diese haptischen Signale ermöglichen es dem Bediener, die richtige Position des beweglichen Bauteils zu „erfühlen". Die Bedienung der Arbeitsmaschine ist somit besonders intuitiv und schnell erlernbar. Haptische Signale weisen außerdem den besonderen Vorteil auf, dass sie keine zusätzliche Aufmerksamkeit des Bedieners erfordern. Bei der Arbeit hat der Bediener ohnehin Kontakt zu dem Bedienelement, das ihm auch die Signale übermittelt. Der Bediener muss also nicht auf ein Display oder Ähnliches achten, um die Signale wahrzunehmen.
Alternativ oder zusätzlich kann jedoch als Signal auch ein optisches Signal verwendet werden, das in seiner Helligkeit und/oder in seiner Farbe von der gemessenen Höhe h_mess oder der Positionsabweichung Δp abhängig ist.
Auch die Verwendung eines akustischen Signals, das in seiner Lautstärke und/oder in seiner Tonhöhe von der gemessenen Höhe h_mess oder der Positionsabweichung Δp abhängig ist, ist denkbar. Das akustische Signal kann auch wiederholte Töne aufweisen, deren Wiederholungsrate von der gemessenen Höhe h_mess oder der Positionsabweichung Δp abhängig ist.
Während ein optisches Signal den Vorteil hat, dass es auch bei großem Umgebungslärm deutlich wahrgenommen werden kann, weist ein akustisches Signal den Vorteil auf, dass der Bediener während der Arbeit keine optische Anzeige „im Auge behalten" muss.
Die Art des Signals wird daher vorteilhafterweise passend zum jeweiligen Einsatzzweck ausgewählt, wobei gegebenenfalls auch Kombinationen verschiedenartiger Signale besonders vorteilhaft sind.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Unterstützung eines Bedieners einer Arbeitsmaschine, die ein Basisbauteil und ein relativ zum Basisbauteil bewegliches Bauteil aufweist, weist eine Einrichtung zur Messung einer Höhe h_mess des beweglichen Bauteils auf. Sie weist ferner ein Steuergerät auf, das ausgelegt ist, um der gemessenen Höhe h_mess anhand einer hinterlegten Signal-Höhen-Kennlinie ein Signal zuzuordnen, wobei die Signal-Höhen-Kennlinie jeweils ein lokales Extremum bei ausgezeichneten Höhen h_i aufweist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist die Vorrichtung eine Einrichtung zur Bestimmung einer Position p_mess des beweglichen Bauteils und ein Steuergerät auf, das ausgelegt ist, um eine Positionsabweichung Δp der gemessenen Position p_mess von einer Menge von Sollpositionen p_soll zu bestimmen und der Positionsabweichung Δp anhand einer hinterlegten Signal-Positionsabweichungs-Kennlinie ein Signal zuzuordnen, wobei die Signal-Positionsabweichungs-Kennlinie monoton steigend ist.
Außerdem weist die Vorrichtung zumindest eine Einrichtung zur Ausgabe des Signals auf.
Die Einrichtung zur Ausgabe des Signals ist als Einrichtung zur Ausgabe eines haptischen, eines optischen und/oder eines akustischen Signals ausgebildet.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Einrichtung zur Ausgabe eines haptischen Signals als aktives Bedienelement ausgebildet, das haptische Signale durch eine Auslenkung oder Vibration des Bedienelements an den Bediener übermittelt. Ein solches aktives Bedienelement ist beispielsweise ein Joystick oder ein Bedienhebel, der in der Art von force-feedback-Bedienelementen einen durch das Steuergerät ansteuerbaren Motor umfasst, um haptische Signale wie Auslenkungen oder Vibrationen zu erzeugen.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung weist eine Arbeitsmaschine mit einem Basisbauteil und einem relativ zum Basisbauteil beweglichen Bauteil die erfindungsgemäße Vorrichtung auf. Die Arbeitsmaschine ist beispielsweise als Gabelstapler, als Schubmaststapler, als Kommissionierer oder als Telehandler ausgebildet. Derartigen Arbeitsmaschinen ist gemeinsam, dass sie zum – meist innerbetrieblichen – Transport und Heben von Lasten ausgelegt sind.
Der Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist aber auch für Arbeitsmaschinen wie Bagger, Straßenfertiger, Dozer, Grader, Verdichter oder Planierrauben vorteilhaft.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.
1 zeigt schematisch einen Gabelstapler mit einer Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
2 zeigt eine Signal-Höhen-Kennlinie gemäß der ersten Ausführungsform;
3 zeigt eine Systemarchitektur gemäß der ersten Ausführungsform;
4 zeigt schematisch einen Bagger mit einer Vorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
5 zeigt einen beispielhaften Signalverlauf für die zweite Ausführungsform;
6 zeigt schematisch einen Bagger mit einer Vorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung und
7 zeigt einen beispielhaften Signalverlauf für die dritte Ausführungsform.
Gleiche Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt schematisch einen Gabelstapler 1 mit einer Vorrichtung zur Unterstützung eines Bedieners gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Der Gabelstapler 1 weist ein Basisbauteil 2 und ein bewegliches Bauteil auf, das sich in einen Mast 3 und eine Gabel 4 gliedert. Der Gabelstapler 1 weist ein Hydrauliksystem 9 auf, über das die Gabel 4 gehoben und gesenkt werden kann. Die Betätigung des Hydrauliksystems 9 der Gabel 4 erfolgt durch einen Bediener über ein Bedienelement 8.
Der Gabelstapler 1 umfasst eine Einrichtung 6 zur Messung der Höhe h_mess der Gabel 4 über dem Boden 5 oder über einem anderen Referenzpunkt. Diese Einrichtung 6 misst die Höhe h_mess der Gabel 4 auf beliebige Weise, beispielsweise durch eine Radar- oder Lasermessung, über den Druck im Hydrauliksystem des Gabelstaplers 1 oder durch ein Seilzugpotentiometer.
Der Gabelstapler 1 kommt beispielsweise zum Einsatz, um Lasten auf seiner Gabel 4 in Regale eines Hochregallagers mit mehreren Regalebenen zu heben. Ein in der 1 nicht gezeigtes Regal weist n Regalebenen auf, die jeweils für den Gabelstapler 1 zugänglich sind, wenn sich seine Gabel 4 in den Höhen h₁, h₂, ... h_n befindet.
Soll nun eine Last auf einer Regalebene mit der Höhe h_i abgelegt werden, so hebt der Bediener die Gabel 4 über das Bedienelement 8 an, während die Einrichtung 6 zur Messung der Höhe h_mess jeweils die aktuelle Höhe h_mess der Gabel 4 ermittelt. Der Messwert h_mess wird an ein Steuergerät 7 weitergege ben, das den Messwert h_mess mit gespeicherten Gabelpositionen, die ausgezeichneten Höhen h_i entsprechen, vergleicht.
Die ausgezeichneten Höhen h_i markieren Gabelpositionen, bei denen jeweils die i-te Regalebene erreicht werden kann. Die Höhen h_i sind jeweils für einen Regaltyp hinterlegt; es ist auch denkbar, dass sie vom Regal direkt an das Steuergerät übermittelt werden. Dazu muss allerdings das Hochregallager drahtlos mit der Arbeitsmaschine, in diesem Fall also dem Gabelstapler, vernetzt sein. Denkbar ist auch eine optische Erfassung der Höhen h_i während des Betriebes.
Im Steuergerät ist eine Signal-Höhen-Kennlinie hinterlegt, die einer Höhe h ein Signal mit einer Signalstärke S zuordnet. Diese Signal-Höhen-Kennlinie 10 ist in 2 gezeigt.
Die Signal-Höhen-Kennlinie 10 weist jeweils ein lokales Extremum bei den ausgezeichneten Höhen h_i auf, das bei dieser Ausführungsform ein lokales Maximum ist. Die gezeigte Kennlinie 10 weist für das erste Maximum bei der Höhe h₁ eine andere Form auf als für die weiteren Höhen h₂, h₃ ... Die Höhe h₁ entspricht der Gabelposition, die bei der Fahrt des Gabelstaplers 1 eingenommen werden soll und unterscheidet sich insofern von den weiteren Höhen h₂, h₃..., die Regelebenen des Hochregallagers entsprechen.
Das Steuergerät ordnet der gemessenen Höhe h_mess mit Hilfe der Signal-Höhen-Kennlinie 10 ein Signal mit der Stärke S zu, die maximal ist, wenn eine der ausgezeichneten Höhen h_i erreicht ist. Das Signal wird ausgegeben, was in der dargestellten Ausführungsform dadurch erfolgt, dass das Steuergerät 7 das Bedienelement 8 ansteuert, das dem Bediener in Form einer haptischen Rückmeldung (force feedback) das Erreichen einer Regalebene signalisiert. Das Bedienelement 8 ist dazu als aktives Bedienelement mit einem nicht gezeigten Motor ausgebildet, der als Reaktion auf die Ansteuerung durch das Steuergerät 7 eine Auslenkung und/oder Vibrationen des Bedienelements 8 als Signal bewirken kann.
3 zeigt eine Systemarchitektur mit einem Regelkreis gemäß der ersten Ausführungsform. Über die Einrichtung 3 zur Höhenmessung wird die aktuelle Höhe h_mess der Gabel 4 gemessen. Der Messwert h_mess wird an das Steuergerät 7 weitergegeben, das auf die beispielsweise in Form einer Look-up-Tabelle hinterlegte Kennlinie 10 zugreift, um die der Höhe h_mess zugeordnete Stärke S des auszugebendes Signals zu ermitteln.
Die in 3 gezeigte Kennlinie 10 weist zwei Äste auf, den oberen Ast 11 und den unteren Ast 12. Der obere Ast 11 betrifft dabei den Vorgang des Hebens der Gabel 4, während der untere Ast 12 den Vorgang des Senkens der Gabel 4 betrifft. Die Kennlinie 10 weist deshalb zwei Äste auf, weil sie um die Extrema herum nicht symmetrisch ist. Vielmehr weist sie die Form eines Sägezahns auf, bei dem die Signalstärke S vor einem Maximum langsam ansteigt, während sie danach abrupt abfällt. Bei dem das Senken betreffenden unteren Ast 12 gilt analog, dass die Kennlinie 10 bei einer Annäherung von oben an ein Minimum allmählich fällt, während sie danach abrupt ansteigt. Eine solche Form der Kennlinie 10 macht es dem Bediener besonders einfach, die entsprechende Höhe h_i zu identifizieren.
Die Kennlinie 10 weist zwischen den Extrema jeweils Bereiche auf, in denen sie einen konstanten Wert S*₁ bzw. –S*₁ der Signalstärke S aufweist, während sie in den Extrema die Werte S*₂ bzw. –S*₂ erreicht. Die Kennlinie 10 ordnet der gemessenen Höhe h_mess zunächst eine Signalstellgröße S* zu, die den Motor im aktiven Bedienelement 8 ansteuert. Der Motor steuert daraufhin mit einem Signal S' einen Handgriff des Bedienelements 8 an. Der Bediener wiederum fühlt ein Signal der Stärke S am Handgriff.
In der vorliegenden Ausführungsform ist das Bedienelement 8 bzw. sein Handgriff als "Joystick" ausgebildet und das Signal der Stärke S ist eine Auslenkung des Joysticks, die eine Gegenkraft zu der vom Bediener für die Bedienung des Joysticks aktuell aufgewendete Kraft darstellt. Falls also der Bediener für eine Bewegung der Gabel 4 eine Auslenkung des Joysticks von sich weg veranlasst, so besteht das Signal S in einer Auslenkung des Joysticks zum Bediener hin, wobei diese Auslenkung umso stärker wird, je weiter sich die gemessene Höhe h_mess der ausgezeichneten Höhe h_i annähert.
Auf diese Weise kann der Bediener das Erreichen der Regalebenen intuitiv erfühlen, ohne auf ein Display oder eine andere Art der Anzeige Acht geben zu müssen.
Der Bediener veranlasst durch eine Lageänderung x_hand des Joysticks, dass der Wegesensor den Steuerbefehl x_mess an die Steuerung des Hydrauliksystems 9 weitergibt, die wiederum ein Wegeventil und darüber einen Hydraulikzylinder und eine Hubmechanik durch den Befehl x_ventil ansteuert und dadurch eine Änderung der Höhe h_mess der Gabel 4 bewirkt.
4 zeigt schematisch einen Bagger 13 mit einer Vorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Der Bagger 13 weist ein Basisbauteil 14 und eine Schaufel 15 als bewegliches Bauteil auf.
Zur Steuerung umfasst der Bagger 13 eine Einrichtung 17 zur Positionsbestimmung der Schaufel 15, ein Steuergerät 18, ein Bedienelement 19 und eine Arbeitshydraulik 20.
Die Schaufel 15 soll in der gezeigten Ausführungsform entlang der durchgezogenen Linie 21 bewegt werden, um Erdreich an einer Böschung glattzuziehen. Die durchgezogene Linie bildet somit eine Menge von Sollpositionen p_soll für die Schaufel 15. Tatsächlich aber bewegt der Bediener die Schaufel 15 entlang der gestrichelten Linie 16. Die Einrichtung 17 zur Positionsbestimmung der Schaufel 15 misst somit die Positionen p_mess, die von der Menge der Sollpositionen p_soll um Δp abweichen.
Das Steuergerät 18 ordnet nun jeder Positionsabweichung Δp anhand einer hinterlegten Signal-Positionsabweichungs-Kennlinie ein Signal der Stärke S zu.
5 zeigt eine Kurve 22, die angibt, welcher Ist-Position p_mess der auf der gestrichelten Linie 16 geführten Schaufel 15 ein Signal der Stärke S zugeordnet wurde. An den beispielhaft herausgegriffenen Punkten A, C und E der gestrichelten Linie 16 entspricht die Position p_mess der Schaufel 14 ihrer Sollposition p_soll. In diesem Fall ist die Positionsabweichung Δp gleich Null und ihr wird ein Signal der Stärke Null zugeordnet. In diesem Fall wird also kein Signal ausgegeben. In den Punkten B und D dagegen sind betragsmäßig maximale Positionsabweichungen Δp festzustellen, so dass auch die Signalstärken S betragsmäßig maximal sind.
6 zeigt schematisch einen Bagger 13 mit einer Vorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung. Bei dieser Ausführungsform ist die Menge der Sollpositionen p_soll keine linienförmige Kurve, sondern sie bildet einen dreidi mensionalen Raum. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn eine Grube ausgehoben werden soll. Erwünscht sind dann alle Positionen der Schaufel 15, die die Begrenzung 24 der Grube 23 nicht verletzen.
Im gezeigten Beispiel wird die Schaufel 15 auf der Kurve 25 geführt. Während alle Punkte der Kurve 25 links des Punktes F und rechts des Punktes G Sollpositionen p_soll der Schaufel 15 markieren, besteht an allen Punkten der Kurve 25 zwischen F und G eine Positionsabweichung Δp > 0.
7 zeigt eine Kurve 26, die jeder Ist-Position p_mess der auf der gestrichelten Linie 16 geführten Schaufel 15 ein Signal der Stärke S zuordnet. In diesem Fall wird nur den Schaufelpositionen zwischen den Punkten F und G ein Signal mit einer von Null verschiedenen Signalstärke zugeordnet, weil nur in diesem Fall eine Positionsabweichung Δp > 0 aufgetreten ist.
Auch in dieser dritten Ausführungsform besteht das Signal in einer Auslenkung des als Joystick ausgebildeten Bedienelements 19 des Baggers 13. Dabei ist die Auslenkung aufgrund des Signals der zur Bedienung vorgenommenen Auslenkung entgegengerichtet, so dass sich die Schaufel 15, wenn der Bediener der Gegenkraft nachgibt, wieder ihrer Sollposition p_soll nähert.

1: Gabelstapler
2: Basisbauteil
3: Mast
4: Gabel
5: Boden
6: Einrichtung zur Höhenmessung
7: Steuergerät
8: Bedienelement
9: Hydrauliksystem
10: Signal-Höhen-Kennlinie
11: oberer Ast
12: unterer Ast
13: Bagger
14: Basisbauteil
15: Schaufel
16: gestrichelte Linie
17: Einrichtung zur Positionsbestimmung
18: Steuergerät
19: Bedienelement
20: Arbeitshydraulik
21: durchgezogene Linie
22: Kurve
23: Grube
24: Begrenzung
25: Kurve
26: Kurve
h_mess: gemessene Höhe
h_i: ausgezeichnete Höhe
S, S', S*: Signal
p_mess: gemessene Position
p_soll: Sollposition
Δp: Positionsabweichung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10153531 A1 [0004]
- US 5019761 A [0006]

Claims

Verfahren zur Unterstützung eines Bedieners einer Arbeitsmaschine (1, 13), die ein Basisbauteil (2, 14), ein relativ zum Basisbauteil (2, 14) bewegliches Bauteil (3, 4, 15) und eine Einrichtung (6) zur Messung einer Höhe h_mess des beweglichen Bauteils (3, 4, 15) aufweist, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: – Messung der aktuellen Höhe h_mess; – Zuordnung eines Signals zu der gemessenen Höhe h_mess anhand einer hinterlegten Signal-Höhen-Kennlinie (10), wobei die Signal-Höhen-Kennlinie (10) jeweils ein lokales Extremum bei ausgezeichneten Höhen h_i aufweist, und – Ausgabe des Signals.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Signal-Höhen-Kennlinie (10) ein lokales Maximum bei ausgezeichneten Höhen h_i aufweist, im Intervall [h_i – Δh, h_i] jeweils monoton steigend und im Intervall [h_i _, h_i + Δh] jeweils monoton fallend und für alle übrigen Werte konstant ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Signal-Höhen-Kennlinie (10) ein lokales Minimum bei ausgezeichneten Höhen h_i aufweist, im Intervall [h_i – Δh, h_i] jeweils monoton fallend und im Intervall [h_i, h_i + Δh] jeweils monoton steigend und für alle übrigen Werte konstant ist.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei für Δh gilt Δh ≤ 0,2·|(h_i – h_i +1)|.
Verfahren zur Unterstützung eines Bedieners einer Arbeitsmaschine (1, 13), die ein Basisbauteil (2, 14), ein relativ zum Basisbauteil (2, 14) bewegliches Bauteil (3, 4, 15) und eine Einrichtung (17) zur Messung einer Position p des beweglichen Bauteils (3, 4, 15) aufweist, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: – Vorgeben einer Menge von Sollpositionen p_soll für das bewegliche Bauteil (3, 4, 15); – Messung der aktuellen Position p_mess; – Bestimmung einer Positionsabweichung Δp der gemessenen Position p_mess von der Menge der Sollpositionen p_soll; – Zuordnung eines Signals zu der Positionsabweichung Δp anhand einer hinterlegten Signal-Positionsabweichungs-Kennlinie, wobei die Signal-Positionsabweichungs-Kennlinie monoton steigend ist; – Ausgabe des Signals.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei als Signal ein haptisches Signal verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das haptische Signal die Auslenkung eines Bedienelements (8, 19) umfasst, die in ihrer Richtung von der gemessenen Höhe h_mess oder der Positionsabweichung Δp abhängig ist.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei das haptische Signal die Auslenkung eines Bedienelements (8, 19) umfasst, die in ihrer Stärke von der gemessenen Höhe h_mess oder der Positionsabweichung Δp abhängig ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei das haptische Signal Vibrationen eines Bedienelements (8, 19) umfasst, die in ihrer Geschwindigkeit von der gemessenen Höhe h_mess oder der Positionsabweichung Δp abhängig sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei das haptische Signal Vibrationen eines Bedienelements (8, 19) umfasst, die in ihrer Stärke von der gemessenen Höhe h_mess oder der Positionsabweichung Δp abhängig sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei als Signal ein optisches Signal verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das optische Signal in seiner Helligkeit von der gemessenen Höhe h_mess oder der Positionsabweichung Δp abhängig ist.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei das optische Signal in seiner Farbe von der gemessenen Höhe h_mess oder der Positionsabweichung Δp abhängig ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei als Signal ein akustisches Signal verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das akustische Signal in seiner Lautstärke von der gemessenen Höhe h_mess oder der Positionsabweichung Δp abhängig ist.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, wobei das akustische Signal in seiner Tonhöhe von der gemessenen Höhe h_mess oder der Positionsabweichung Δp abhängig ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei das akustische Signalwiederholte Töne aufweist, deren Wiederholungsrate von der gemessenen Höhe h_mess oder der Positionsabweichung Δp abhängig ist.
Vorrichtung zur Unterstützung eines Bedieners einer Arbeitsmaschine (1, 13), die ein Basisbauteil (2, 14) und ein relativ zum Basisbauteil (2, 14) bewegliches Bauteil (3, 4, 15) aufweist, wobei die Vorrichtung folgendes aufweist: – eine Einrichtung (6) zur Messung einer Höhe h_mess des beweglichen Bauteils (3, 4, 15); – ein Steuergerät (7), das ausgelegt ist, um der gemessenen Höhe h_mess anhand einer hinterlegten Signal-Höhen-Kennlinie (10) ein Signal zuzuordnen, wobei die Signal-Höhen-Kennlinie (10) jeweils ein lokales Extremum bei ausgezeichneten Höhen h_i aufweist, und – eine Einrichtung zur Ausgabe des Signals.
Vorrichtung zur Unterstützung eines Bedieners einer Arbeitsmaschine (1, 13), die ein Basisbauteil (2, 14) und ein relativ zum Basisbauteil (2, 14) bewegliches Bauteil (3, 4, 15) aufweist, wobei die Vorrichtung folgendes aufweist: – eine Einrichtung (17) zur Messung einer Position p_mess des beweglichen Bauteils (3, 4, 15); – ein Steuergerät (18), das ausgelegt ist, um eine Positionsabweichung Δp der gemessenen Position p_mess von einer Menge von Sollpositionen p_soll zu bestimmen und der Positionsabweichung Δp anhand einer hinterlegten Signal-Positionsabweichungs-Kennlinie ein Signal zuzuordnen, wobei die Signal-Positionsabweichungs-Kennlinie monoton steigend ist; – eine Einrichtung zur Ausgabe des Signals.
Vorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, wobei die Einrichtung zur Ausgabe des Signals als Einrichtung zur Ausgabe eines haptischen Signals ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 20, wobei die Einrichtung zur Ausgabe eines haptischen Signals als aktives Bedienelement (8, 19) ausgebildet ist, das haptische Signale durch eine Auslenkung des Bedienelements (8, 19) übermittelt.
Vorrichtung nach Anspruch 20, wobei die Einrichtung zur Ausgabe eines haptischen Signals als aktives Bedienelement (8, 19) ausgebildet ist, das haptische Signale durch eine Vibration des Bedienelements (8, 19) übermittelt.
Vorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, wobei die Einrichtung zur Ausgabe des Signals als Einrichtung zur Ausgabe eines optischen Signals ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, wobei die Einrichtung zur Ausgabe des Signals als Einrichtung zur Ausgabe eines akustischen Signals ausgebildet ist.
Arbeitsmaschine mit einem Basisbauteil (2) und einem beweglichen Bauteil, die eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 24 aufweist.
Arbeitsmaschine nach Anspruch 25, die als Gabelstapler (1) ausgebildet ist.
Arbeitsmaschine nach Anspruch 25, die als Schubmaststapler ausgebildet ist.
Arbeitsmaschine nach Anspruch 25, die als Kommissionierer ausgebildet ist.
Arbeitsmaschine nach Anspruch 25, die als Telehandler ausgebildet ist.
Arbeitsmaschine nach Anspruch 25, die als Bagger (13) ausgebildet ist.