DE102013212153A1

DE102013212153A1 - Haptisches Feedback zur Ausführung einer optimalen Trajektorie in mobilen Arbeitsmaschinen

Info

Publication number: DE102013212153A1
Application number: DE102013212153.9A
Authority: DE
Inventors: Martin Grepl; Henning Hayn; Oliver Glitza; Roman Mayer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-06-26
Filing date: 2013-06-26
Publication date: 2014-12-31

Abstract

Offenbart wird eine Vorrichtung zur Unterstützung eines Bedieners einer Arbeitsmaschine (z. B. Bagger, Galbelstapler, Radlader) mittels haptischer Rückmeldung über die Bedienelemente. Dem Bediener werden durch sog. „haptisches Feedback” vorteilhafte Trajektorien für das Werkzeug der Arbeitsmaschine aufgezeit, die beispielsweise energie- oder zeitoptimal sind. Diese Trajektorien können vorprogrammeirt sein, aus erkannten Mustern und weiteren Daten während des Betriebs errechnet oder vom Bediener festgelegt werden. Das haptische Feedback wird dabei in Form von Kräften, Vibrationen und/oder veränderungen in der Steifigkeit des Bedienelemenets gegeben.

Description

1.1. Stand der Technik
Die Erfindung betrifft mobile Arbeitsmaschinen, die mit einem Arbeitsarm ausgestattet sind – insbesondere Bagger. Systeme zur Positionsbestimmung des Arbeitswerkzeugs (z. B. Löffel) der Maschine in einem globalen oder maschinenfesten Koordinatensystem mit Hilfe von Satellitenpositionsmesssystemen und/oder Sensoren am Arbeitsarm sind Stand der Technik. Mobile Arbeitsmaschinen werden üblicherweise mit passiven Bedienelementen wie z. B. Joysticks bedient. So genannte aktive Bedienelemente sind mit Aktuatoren ausgestattet, die es ermöglichen, haptische (fühlbare) Sinneseindrücke an den Bediener zurück zu führen. Zu diesen haptischen Sinneseindrücken gehören u. a. Kräfte („force feedback”), Momente und Vibrationen.
Zu bekannten Möglichkeiten Unterstützung des Bedieners mobiler Arbeitsmaschinen durch haptisches Feedback sei auf die Dokumente US 6836982 B1 , US 5019761 , US 5513100 , US 4893981 und DE 2007050702 A1 verwiesen. Weiterhin sind Veröffentlichungen1

1: Kontz, M. E. (2007, December). Haptic Control of Hydraulic Machinery Using Proportional Valves. Ph. D. thesis, G. W. Woodruff School of Mechanical Engineering, Georgia Institute of Technology; Ostoja-Starzewski, M. and M. Skibniewski (1989). A master-slave manipulator for excavation and construction tasks. Robotics and Autonomous Systems 4, 333–337; Tafazoli, S., S. M. Salcudean, K. Hashtrudi-Zaad, and P. D. Lawrence (2002, May). Impedance control of a teleoperated excavator. IEEE Transactions on Control Systems Technology 10 (3), 355–367

In DE 2007050702 A1 ist ein System beschrieben, bei dem der Bediener vorgegebene Begrenzungen des Arbeitsraums oder Sollgeometrien mit Hilfe eines aktiven Bedienelements „erfühlen” kann. Dieser Ansatz wird durch die vorliegende Erfindung weiterentwickelt.
1.2. Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Bediener mit Hilfe von aktiven Bedienelementen haptisch auf einer vorgegebenen Solltrajektorie zu führen. Diese Trajektorie kann beispielsweise energie- oder zeitoptimal sein.
1.3. Lösung
Kern der Erfindung ist die Integration von aktiven Stellteilen in die Mensch-Maschine-Schnittstelle, die dem Bediener ein haptisches Feedback vermitteln. Unter einem aktiven Stellteil wird ein Vorsteuergerät verstanden, welches mit Aktuatoren ausgestattet ist, so dass es Kräfte an den Benutzer zurückgeben kann (z. B. sog. Force Feedback Joysticks). Unter haptischem Feedback wird hier die die fühlbare Rückmeldung von Kräften über die Bedienelemente an die Hände des Bedieners verstanden.
Das haptische Feedback erfolgt in der Form, dass der Bediener über die Ansteuerung der Aktuatoren des Bedienelements fühlbar auf eine vorgegebene Bahn (Solltrajektorie) „gezwungen” wird. Da der Bediener üblicherweise stärker als die Aktuatoren des Bedienelements ist, kann er die vorgegebene Bahn bei Bedarf jederzeit übersteuern bzw. verlassen.
1.4. Vorteile der Erfindung
Die Solltrajektorie ist im Gegensatz zu Industrierobotern nicht von vornherein vorgegeben sondern kann während des Betriebs vom Bediener bestimmt werden. Vorteilhaft kann es im Einzelfall sein, Arbeitsabläufe zu hinterlegen oder bevorzugte Bahnen aus hinterlegten Arbeitsabläufen oder erkannten Mustern in den Arbeitsabläufen zu bestimmen.
Beispielsweise könnte der Abwurfpunkt beim Materialumschlag mit einem Hydraulikbagger erkannt werden, da er während des Arbeitsablaufs gleich bleibt. Eine Bahn des Tool Center Points (TCP) des Baggers zum Abwurfpunkt könnte berechnet werden. Die Bahn kann während des Betriebs automatisch von einem Steuergerät auf minimalen Energiebedarf oder hohe Geschwindigkeit optimiert werden. Prinzipiell kann bei bekannter Solltrajektorie auch die Motordrehzahl an den errechneten Bahnverlauf angepasst werden. Dadurch wird der Kraftstoffverbrauch gesenkt oder die Produktivität der Arbeitsmaschine gesteigert.
Bei Verwendung eines herkömmlichen Bedienkonzepts mit aktiven statt passiven Joysticks können im einfachsten Fall beispielsweise einzelne Joystickachsen schwerer vom Bediener zu bewegen sein, wenn diese einen Zylinder steuern, der sich gerade in einer energetisch ungünstigen Position befindet beispielsweise am Anschlag oder beim Durchfahren einer Singularität.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung könnte die haptische Rückmeldung auch alternativ zur aktiven Erzeugung von Kräften über Aktuatoren über Veränderungen der Steifigkeit des Bedienelements realisiert werden.
1.4. Figurenbeschreibung
1 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung zur Unterstützung des Bedieners eines Baggers.
2 zeigt zunächst ein Abweichungsdiagramm, welches beispielhaft den Zeitverlauf einer Abweichung Δd zwischen Ist- und Sollposition eines Zylinders oder einer Achse zeigt. Darunter ist ein Intensitätsdiagramm zu sehen, welches die Intensität der erfindungsgemäßen haptischen Rückmeldung im Verhältnis zu dieser Abweichung in einem beispielhaften Verlauf zeigt.
Das System gemäß 1 besteht aus einem beliebigen Positionsbestimmungssystem 1 für die Arbeitshydraulik, einem Steuergerät 2 und einem oder mehreren aktiven Stellteilen an den Bedienelementen 3. Der Bediener steuert die Hydraulik 4 der Arbeitsmaschine 7 über die Stellteile 3. Die Sensorik misst die aktuelle Position des Werkzeugs 5, zeigt diese optional auf einem Display an und gibt sie an das Steuergerät 2. Das Steuergerät 2 vergleicht die Istposition, bspw. eines einzelnen Zylinders 6 oder einer Achse, mit der Sollposition, die sich aus der Solltrajektorie ergibt.
Abhängig von der in 2 oben gezeigten Abweichung Δd zwischen Ist- und Solltrajektorie steuert das Steuergerät 2 die aktiven Stellteile 3 an. Das Stellteil am Bedienelement 3 überträgt die haptische Rückmeldung an den Bediener. Die in 2 unten gezeigte Kennlinie, die den Zusammenhang zwischen der Abweichung Δd und der Intensität der Rückmeldung, beispielsweise der Kraft des aktiven Stellteils am Bedienelement 3 bestimmt, ist abhängig von der jeweiligen Anwendung festzulegen.
Bezugszeichenliste

1: Positionsbestimmungssystem
2: Steuergerät
3: Stellteil/Bedienelement
4: Hydraulik der Arbeitsmaschine
5: Werkzeug
6: Zylinder
7: Arbeitsmaschine
8: Abweichungsdiagramm
9: Intensitätsdiagramm

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 6836982 B1 [0002]
US 5019761 [0002]
US 5513100 [0002]
US 4893981 [0002]
DE 2007050702 A1 [0002, 0003]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Kontz, M. E. (2007, December). Haptic Control of Hydraulic Machinery Using Proportional Valves. Ph. D. thesis, G. W. Woodruff School of Mechanical Engineering, Georgia Institute of Technology [0002]
Ostoja-Starzewski, M. and M. Skibniewski (1989). A master-slave manipulator for excavation and construction tasks. Robotics and Autonomous Systems 4, 333–337 [0002]
Tafazoli, S., S. M. Salcudean, K. Hashtrudi-Zaad, and P. D. Lawrence (2002, May). Impedance control of a teleoperated excavator. IEEE Transactions on Control Systems Technology 10 (3), 355–367 [0002]

Claims

Vorrichtung zur Unterstützung eines Bedieners einer Arbeitsmaschine (7) mittels haptischer Rückmeldung über die Bedienelemente (3), dadurch gekennzeichnet, dass eine vorteilhafte Trajektorie für ein Werkzeug (5) der Arbeitsmaschine dem Bediener bei der Bedienung haptisch aufgezeigt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vorteilhaften Trajektorien für ein Werkzeug hinterlegt sind, aus hinterlegten Arbeitsabläufen oder erkannten Mustern in den Arbeitsabläufen errechnet werden oder während des Betriebs vom Bediener bestimmt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die haptische Rückmeldung in Form von spürbar an den Bedienelementen auftretenden Kräften, Vibrationen und/oder Steifigkeitsänderungen stattfindet.
Vorrichtung einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die haptische Rückmeldung umso intensiver (9) ausfällt, je stärker die Arbeitsmaschine in ihrer Bewegung von einer vorteilhaften Trajektorie abweicht.