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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Steuerung einer Arbeitsmaschine, umfassend ein Handhabegerät mit einem Handauflagebereich, mindestens einem Sensor, einer Recheneinrichtung und mindestens einem Aktuator.
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In der Praxis werden mobile Arbeitsmaschinen wie beispielsweise Bagger, Kräne, Teleskoparme oder Hubwerke an mobilen Arbeitsmaschinen konventionell über Hebel, Joysticks oder (Dreh-)Schalter bedient. Um die Bedienung zu erleichtern, können diese mit einer sogenannten Feedback-Funktion ausgestattet sein, so dass der Bediener eine Rückmeldung erhält, wenn er einen gefährlichen Arbeitsvorgang durchführt. Damit kann zum einen der Komfort der Bedienung gesteigert und durch ein haptisches Feedback dem Bediener, der gegebenenfalls mit Handschuhen arbeitet und in heller, staubiger und vibrierender Umgebung die Bewegung erkennen muss, die Bedienung überhaupt erst ermöglicht werden.
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Bei so genannten Force-Feedback-Joysticks können etwa holprige Bodenbeläge und/oder Steuerkräfte erfasst oder simuliert und als mechanische Rückkopplung in Form einer Vibration an den Anwender zurückgegeben (Feedback) werden.
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Bekannte Kraftrückmeldeeinrichtungen sind mit hohen Fertigungskosten verbunden. Ein großer Teil dieser Fertigungskosten wird durch die Einbeziehung vieler Betätigungsglieder und entsprechender Steuerungselektronik in die Kraftrückmeldevorrichtung verursacht. Zusätzlich müssen qualitativ hochwertige mechanische und kraftübertragende Komponenten wie beispielsweise Gelenkmechanismen und Lager bereitgestellt werden, damit Kräfte von den Betätigungsgliedern zu der Anwendermanipulationseinrichtung genau übertragen werden und eine genaue Erfassung der Bewegung des Anwendergegenstands ermöglicht wird. Diese Komponenten sind teils komplex und/oder erfordern eine größere Fertigungspräzision als viele der anderen Komponenten in einer Steuer-Schnittstellenvorrichtung.
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Eine bekannte Kraftrückmeldeeinrichtung umfasst einen Joysticksockel und einen Joystickgriff. Der Sockel enthält die meisten der elektrischen Komponenten wie beispielsweise den Mikroprozessor, die Sensoren, die Sensorschnittstelle, die Energieversorgung (falls vorhanden), usw. Der Griff umfasst einen Sockelteil und einen Griffteil. Der Sockelteil ist an einen Mechanismus gekoppelt, der es dem Sockelteil ermöglicht, sich in zwei Hauptfreiheitsgrade zu bewegen, vorwärts/rückwärts und links/rechts. Ein Betätigungsglied, z.B. ein Linearmotor, ist als separates Bauelement zwischen dem Sockelteil und dem Griffteil eingekoppelt. Das Betätigungsglied kann in Reaktion auf von einem Mikroprozessor empfangene Signale Kräfte an den Joystick zurück übertragen. Hierbei kann ein lineares Schwingspulenbetätigungsglied vorgesehen sein, das ein zylindrisches Magnetflussgehäuse und einen Spulenkopf umfasst. Diese Kraftrückmeldeeinrichtung ist anlagemäßig aufwändig. Außerdem stört, dass von dem Betätigungsglied die Kraft über ein separates Bauelement indirekt auf den Anwender übergeht. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass mit der bekannten Vorrichtung ein prozessgrößenabhängiges Feedback nicht oder nur eingeschränkt möglich ist.
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Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Steuerung einer Arbeitsmaschine zu schaffen, die die genannten Nachteile lindert oder sogar vermeidet. Insbesondere soll auf konstruktiv einfache Weise das Feedback direkt auf den Anwender ermöglicht werden. Weiterhin soll die Vorrichtung ein prozessgrößenabhängiges Feedback erlauben.
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Diese Aufgaben werden gelöst mit einer Anordnung gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren, weitere Einzelheiten und Weiterbildungen der Erfindung anführt, die mit den Merkmalen aus den Patentansprüchen kombinierbar sind.
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Hierzu trägt eine Vorrichtung zur Steuerung einer Arbeitsmaschine bei, umfassend zumindest ein Handhabegerät mit einem Handauflagebereich, mindestens einem Sensor, eine Recheneinrichtung und mindestens einem Aktuator, wobei mindestens ein haptisches Rückmeldeelement im Handauflagebereich angeordnet ist.
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Die Arbeitsmaschine kann eine mobile, insbesondere flurgebundene, Arbeitsmaschine sein, wie beispielsweise ein Bagger, ein Kran, ein Traktor, eine Raupe, Stapler oder dergleichen. Die Arbeitsmaschine kann mit einem Bedienerraum ausgeführt sein, in dem die Komponenten zur Bedienung der Arbeitsmaschine und/oder derer Komponenten angeordnet sind. Insbesondere sind dort Handhabungsgeräte vorgesehen, mit denen Aktuatoren für den Fahrantrieb und/oder Werkzeuge der Arbeitsmaschine bedienbar sind, so dass diese eine kontrollierte Bewegung ausführen können. Werkzeuge sind beispielsweise eine Schaufel, ein Bohrer, ein Meißel, eine Hubvorrichtung oder dergleichen. Als Aktuator werden neben Motoren insbesondere elektrohydraulische Stellantriebe angesehen.
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Zur Überwachung und/oder Steuerung der Aktionen der Arbeitsmaschine und/oder der Komponenten daran können Sensoren vorgesehen sein, die Messwerte bereitstellen, welche für die Bewegung der Arbeitsmaschine und/oder der Komponenten daran charakteristisch und/oder entsprechend interpretierbar sind. Ein Sensor kann beispielsweise so ausgebildet sein, dass er die Bewegung selbst, die daran angreifenden Kräfte und/oder Lasten, oder hiermit einhergehende elektrische Steuersignale erfasst. Die Messwerte können einer Recheneinrichtung übermittelt werden, wo sie ggf. ausgewertet und/oder weiterverarbeitet werden können.
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Zum Betrieb bzw. zur Bewegung der Arbeitsmaschine, einschließlich der Komponenten/Werkzeuge daran, ist mindestens ein Handhabegerät vorgesehen. Der Bediener kann mittels des Handhabegerätes eine Bewegung ausführen, die eine entsprechende Bewegung der Arbeitsmaschine vorgibt. Diese Bewegungssteuerung wird an die Recheneinrichtung übermittelt, die damit entsprechend die vorgegebenen Aktuatoren aktiviert, deaktiviert, betätigt.
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Das Handhabegerät hat einen Handauflagebereich, über den ein Bediener mit dem Handhabegerät interagiert. Ein Handhabegerät kann beispielsweise nach Art eines Joysticks, eines Touch-Displays, eines Lenkrades, eines Schiebers, eines Pedals, eines Handschuhs oder ähnlichem ausgeführt sein. Der Handauflagebereich ist meist ergonomisch für die Auflage einer Hand ausgebildet und daher einfach identifizierbar. Als Handauflagebereich ist insbesondere die Oberfläche des Handhabegerätes anzusehen, der zur Interaktion mit einem Teil einer Gliedmaße einer Person während der Bedienung in (unmittelbarem) Kontakt ist.
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In dem Handauflagebereich ist mindestens ein haptisches Rückmeldeelement vorgesehen. Damit kann unmittelbar auf die bedienende Hand eine Rückmeldung zur aktuell durchgeführten Bewegung der Arbeitsmaschine bzw. deren Werkzeuge und/oder Aktuatoren ausgegeben werden. „Haptisch“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere bedeuten, dass die Rückmeldung für den Bediener (rein) fühlbar bzw. spürbar ist. Der Begriff „haptisch“ umfasst hierbei eine Rückmeldung, die mittels Tastsinn vom Bediener aufgenommen werden kann. Ein solches haptisches Rückmeldeelement kann eine Gegenkraft, eine Vibration, eine Temperaturveränderung, eine Gestaltveränderung oder ähnliches über den Handauflagebereich umfassen.
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Die Anordnung eines haptischen Rückmeldeelements oder mehrerer (ggf. auch unterschiedlicher) haptischer Rückmeldeelemente im Handauflagebereich ermöglicht eine (mechanische) Entkopplung der Bewegungsstellantriebe des Handhabegerätes und des Rückmeldeelements, so dass insbesondere die Bewegungsstellantriebe des Handhabegerätes weniger komplex ausgeführt werden können. Die Platzierung des mindestens einen haptischen Rückmeldeelements kann dann so erfolgen, dass besonders sensible und/oder verschiedene Bereiche der Hand unmittelbar angesprochen werden können, so dass eine präzisere oder umfassendere Rückmeldung schnell an den Bediener übertragen werden kann.
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Das mindestens eine Rückmeldeelement kann unter und/oder an der Oberfläche des Handhabegeräts im Handauflagebereich angeordnet sein. Wenn es auf der Oberfläche appliziert ist, kann es unmittelbar vom Bediener erfühlt werden. Wenn es unter der Oberfläche angeordnet ist, ist es einerseits besser geschützt, die Oberfläche ist dann aber bevorzugt in dem Bereich des Rückmeldeelements so ausgeführt, dass die haptische Anregung gut auf die Oberfläche und/oder die Hand des Bedieners übertragbar ist.
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Mit der hier vorgestellten Vorrichtung wird ein neuartiger Feedback-Joystick anstelle der bekannten Force-Feedback-Mechanismen vorgeschlagen, bei denen ein Stellmotor auf die Joystickachsen einwirkt, das Feedback-Gefühl durch eine erspürbare Kraft und/oder Gestaltveränderung und/oder Vibration und/oder Temperaturänderung im Bereich der Oberfläche des Handauflagebereichs generiert. Der neuartige Joystick mit haptischer Feedback-Funktion kann beispielsweise einen Kraftimpuls auf die Handfläche ausüben, insbesondere ohne eine (entsprechende) Rückstellkraft auf den (gesamten) Joystick auszuüben.
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Die intuitive Bedienung mittels Joystick oder Lenkrad ist selbst in zukünftigen mobilen Maschinen kaum ersetzbar, wobei an diesen Eingabegeräten eine haptische Rückmeldung über eine Zustandserkennung nicht einfach umsetzbar wäre, z.B. Parametereinstellungen oder Nutzung von Schaltern auf einem Touch-Display. Die hier vorgeschlagene Lösung kombiniert Bedienelemente mit haptischem Feedback und der herkömmlichen Bedienung über Lenkrad und Joystick, indem ein haptisches Display oder haptische Bedienelemente im Lenkrad oder Joystick zur haptischen Rückkopplung von Prozessgrößen auf den Bediener integriert werden. Der Bediener kann so ein besseres Gefühl für die Ergebnisse der von ihm zu verrichtenden Prozesse und Arbeiten erhalten und somit zielgerichteter und gegebenenfalls auch präziser seine Aufgaben verrichten. Zudem können haptische Displays bzw. haptische Bedienelemente auch dafür verwendet werden, um den Bediener vor Limitierungen oder Hindernissen zu warnen, welche während des Bearbeitungsprozesses auftreten können.
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Als mögliche Ereignisse, deren Zustände ein prozessgrößenabhängiges Feedback an einem haptischen Display oder einem haptischen Bedienelement erzeugen sollen, können z.B. die Hubwerkshöhe an einem Traktor, der Füllstand von Korntanks, Treibstofftanks sowie Saatgut- und Spritzmitteltanks, die Gewichtskraft in Schaufeln an Baggern, Radladern oder Traktoren, Arbeitsraumlimitierungen von Arbeitsarmen, Grabkräfte genannt werden.
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Die Vorrichtung ermöglicht u.a. die Erzeugung eines präzisen und schnellen prozess- bzw. zustandsgrößenabhängigen haptischen Signals, im optimalen Fall eines Force-Feedback-Signals an Bediengeräten, welches mit Bediengeräten nach dem Stand der Technik nicht möglich ist. Der Bediener kann sich weiterhin auf seine eigentlich durchzuführende Arbeit konzentrieren und muss nicht den Blick einem Bildschirm zu- und der Arbeitsfläche abwenden, wenn er (gleichzeitig) über wichtige Prozessgrößen oder Limitierungen informiert wird. Hieraus erfolgt eine Erhöhung der Arbeitsproduktivität sowie der Sicherheit.
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Die haptischen Rückmeldeelemente können dazu verwendet werden, dem Fahrer wichtige prozessabhängige Größen während der Bedienung einer mobilen Arbeitsmaschine auf nicht-visuellem Wege zuzutragen, welche ihm helfen, den durchzuführenden Prozess zu optimieren oder sicherheitskritische Situationen zu vermeiden bzw. diese anzukündigen.
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Mit Vorteil ist das Rückmeldeelement mit einem elektroaktiven Polymer (EAP) gebildet. Das EAP kann als Folie und/oder Block ausgebildet sein, wobei deren Aktivierung/Deaktivierung über einen elektrischen Stromfluss erfolgen kann. Eine vorteilhafte Technologie für haptische Displays sind elektroaktive Polymere. Die Elektrodenbeschichtung erzeugt eine Maxwellkraft, die die Elektroden anzieht und dabei das Polymer verformt (Ausdehnung in Quer- und Längsrichtung). Das Polymer selbst wirkt mit seiner Rückstellkraft dagegen. Damit wird elektrisch eine resultierende Kraft einstellbar. Dieser Effekt ist bereits mit sehr dünnen Polymerfolien realisierbar. Auf diese Weise lassen sich auf einem Display, aber auch auf jeder beliebigen Oberfläche eines Handhabegerätes haptische Rückmeldeelemente mit EAPs erzeugen. So lassen sich die Handhabegeräte im Handauflagebereich verformen und/oder biegen. Es ist sogar möglich (lokal) mindestens eine Erhebung und/oder Senke auf der Oberfläche des Handauflagebereichs auszubilden. Es ist beispielsweise möglich, die Oberfläche des Handhabegerät (z. B. eines Displays) mit einer Schicht aus elektroaktiven Polymeren zu versehen. Mittels einem eine EAP-Struktur aufweisenden Rückmeldeelement kann der Handauflagebereich lokal feinteilig sensitiv ausgestaltet werden.
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Das mindestens eine Rückmeldeelement kann mit einem Piezoelement gebildet sein. Das mindestens eine Rückmeldeelement kann mit einem Vibrationselement gebildet sein.
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Das mindestens eine Rückmeldeelement kann in Abhängigkeit von mindestens einer Prozessgröße betreffend den Betrieb der Arbeitsmaschine (einschließlich mindestens einer seiner Aktoren, Werkzeuge, etc.) bewegbar oder verformbar sein. Als mögliche Ereignisse, deren Zustände ein prozessgrößenabhängiges Feedback an dem Handhabegerät mit mindestens einen haptischen Rückmeldeelement erzeugen sollen, können z.B. eine Hubwerkshöhe, ein Füllstand, eine Gewichtskraft, Arbeitsraumlimitierungen von Arbeitsarmen und Grabkräfte genannt werden.
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Das mindestens eine Rückmeldeelement kann einem Joystick, einem Lenkrad oder einem Touch-Display integrativ zugeordnet sein.
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Die Vorrichtung kann so eingerichtet sein, dass mit mindestens einem Sensor eine an der Arbeitsmaschine oder dem mindestens einen Aktuator wirkende Kraft oder Last (unmittelbar oder mittelbar) festgestellt werden kann. Mit einer Änderung der Kraft bzw. Last über einen vorgebbaren Grenzwert und/oder kontinuierlich kann das mindestens eine Rückmeldeelement betätigt werden.
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Die Vorrichtung kann so eingerichtet sein, dass mit mindestens einem Sensor eine geometrische Abmessung der Arbeitsmaschine oder ein Hindernis im Umfeld der Arbeitsmaschine (unmittelbar oder mittelbar) festgestellt werden kann. Mit Verlassen eines vorgebbaren Bewegungsfeldes für die Arbeitsmaschine und/oder im Fall einer Kollisionsgefahr bzw. Kollision mit einem Hindernis kann das mindestens eine Rückmeldeelement betätigt werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Steuerung einer Arbeitsmaschine vorgeschlagen. Mindestens ein Aktuator der Arbeitsmaschine ist mittels mindestens einem Handhabegerät mit einem Handauflagebereich betätigbar. Mindestens ein Sensor wirkt zumindest mit der Arbeitsmaschine oder dem Aktuator so zusammen, dass er zumindest
- - eine dort wirkende Kraft,
- - eine dort wirkende Last,
- - eine geometrische Abmessung der Arbeitsmaschine,
- - eine geometrische Abmessung des Aktuators oder
- - ein Hindernis im Umfeld der Arbeitsmaschine
ermittelt. Der Sensor übermittelt entsprechende Daten an eine Recheneinrichtung, welche daraufhin mindestens ein haptisches Rückmeldeelement im Handauflagebereich des Handhabegerätes bewegt oder verformt.
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Das Verfahren kann insbesondere mit der hier vorgeschlagenen Vorrichtung ausgeführt werden und umgedreht.
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Erläuterungen zu technischen oder funktionalen Merkmalen der vorgeschlagenen Vorrichtung können zur Spezifizierung des Verfahrens herangezogen werden und umgekehrt. Weiterhin wird ein System zur Datenverarbeitung vorgeschlagen, welches eine Recheneinrichtung (umfassend einen Prozessor) umfasst, die so angepasst oder konfiguriert ist, dass sie das hier vorgeschlagene Verfahren zumindest teilweise ausführt oder unterstützt. Erläuterungen zu technischen oder funktionalen Merkmalen der vorgeschlagenen Vorrichtung und Verfahren können zur Spezifizierung des Systems herangezogen werden.
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Die Erfindung und das technische Umfeld werden nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert. Dabei sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Die Darstellungen sind schematisch und nicht zur Veranschaulichung von Größenverhältnissen vorgesehen. Die mit Bezug auf einzelne Details einer Figur angeführten Erläuterungen sind extrahierbar und mit Sachverhalten aus anderen Figuren oder der vorstehenden Beschreibung frei kombinierbar, es sei denn, dass sich für einen Fachmann zwingend etwas anderes ergibt bzw. eine solche Kombination hier explizit untersagt wird. Es zeigen schematisch:
- 1: ein Blockschaltbild einer eine Recheneinrichtung, ein Handhabegerät mit einem Rückmeldeelement, einen Aktuator, eine Arbeitsmaschine und Sensoren umfassenden Vorrichtung zur Steuerung der Arbeitsmaschine,
- 2: eine perspektivische Ansicht eines Joysticks mit einem Handauflagebereich und einem haptischen Rückmeldeelement,
- 3: eine Ausführungsform mit Feedback der Gewichtskraft in einer Schaufel bzw. der Arbeitsausrüstung,
- 4a, 4b: eine Ausführungsform mit Feedback während des Erreichens einer Arbeitsraumlimitierung,
- 5: eine Ausführungsform mit Feedback von Grabkräften,
- 6: eine Ausführungsform mit Feedback eines Tankinhalts,
- 7: eine Ausführungsform mit Feedback von möglichen Hindernissen eines Gerüsts für den Hopfenanbau,
- 8: eine Ausführungsform mit Feedback von möglichen Hindernissen am Beispiel des Anwendungsfalls Mähen von Straßenrändern,
- 9a bis 9c: Ausführungsformen mit Feedback beim Erkennen von Schadverdichtungen beim Pflügen mit einem Traktor mit einem Joystick (9a), einem Lenkrad (9b) und einem Touch-Display (9c) und
- 10a bis 10c: Ausführungsformen mit prozessabhängigem Feedback für eine Füllhöhenanzeige (10a), eine Einstellanzeige (10 b) und eine Ausdehnungs- oder Höhenanzeige (10 c).
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1 zeigt ein Blockschaltbild einer eine Recheneinrichtung 1, ein Handhabegerät 2 mit einem Rückmeldeelement 3, einen Aktuator 5, eine Arbeitsmaschine 6 und Sensoren 7 umfassenden Vorrichtung zur Steuerung der Arbeitsmaschine 6. An die Recheneinrichtung 1, z.B. ein Host-Computer ist das Handhabegerät 2, z.B. ein Joystick 9 (siehe 2) mit dem haptischen Rückmeldeelement 3, z.B. ein dielektrisches Elastomer, angeschlossen. Weiterhin sind an die Recheneinrichtung 1 ein Aktuator 5, z.B. ein Hydraulikzylinder 20 (3) für die Arbeitsmaschine 6, z.B. ein Bagger 16 (siehe 3), mindestens ein Sensor 7, z.B. ein Bodendichtesensor 32 (siehe 9a), angeschlossen. Mit 8 sind datenleitende Verbindungen, z.B. elektrische Verbindungsleitungen, bezeichnet. Die datenleitende Verbindungen 8 können kabelgebunden oder kabellos ausgeführt sein. Das Rückmeldeelement 3 und das Handhabungsgerät 2 sind elektrisch mit der Recheneinrichtung 1 verbunden. Gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel führt die Recheneinrichtung 1 ein Anwendungsprogramm aus, so dass ein Anwender 36 über das Handhabungsgerät 2 und das Rückmeldeelement 3 interagiert.
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2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Joysticks 9 mit einem Handauflagebereich 4 und einem haptischen Rückmeldeelement 3. Der Joystick 9 umfasst einen Sockel 10 mit einem Griff 11, der aus einem Griffteil 12 und einem Kopf 13 besteht. An der Oberfläche des Kopfes 13 ist im Handauflagebereich 4 das Rückmeldeelement 3 angebracht.
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Der Sockel 10 enthält vorzugsweise die meisten der elektrischen Komponenten der Vorrichtung, wie beispielsweise einen Mikroprozessor, Sensoren, eine Sensorschnittstelle, eine Energieversorgung (falls vorhanden) usw. Der Griff 11 umfasst vorzugsweise einen Sockelteil 14 und den Griffteil 12. Der Sockelteil 14 ist an einen (nicht gezeigten) Mechanismus gekoppelt, der es dem Sockelteil 14 ermöglicht, sich in zwei Hauptfreiheitsgraden zu bewegen, vorwärts/rückwärts und links/rechts. Typischerweise sind diese Freiheitsgrade Rotationsfreiheitsgrade wie beispielsweise um Achsen X und Y herum, wobei eine sich der Länge nach durch den Joystickgriff erstreckende Achse A bezüglich eines kugelförmigen Arbeitsraums des sich in den zwei Rotationsfreiheitsgraden bewegenden Joysticks 9 radial ist, d.h. der Joystick 9 wird so bewegt, als ob er sich auf einem Teil der Oberfläche einer Kugel befindet, wobei die Achse A sich aus der Oberfläche der Kugel heraus erstreckt. Die Hauptfreiheitsgrade des Joysticks 9 können gemäß anderen Ausführungsbeispielen lineare Freiheitsgrade sein. Mit 15 sind Bedienelemente bezeichnet.
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Eine beliebige Anzahl verschiedener Kraftwahrnehmungen kann unter Verwendung des Rückmeldeelements 3 bei dem Handauflagebereich 4 ausgegeben werden. Beispielsweise kann eine Stoßwahrnehmung ausgegeben werden, bei der es sich um einen einzelnen Kraftimpuls handelt, der schnell auf die gewünschte Größe steigt und daraufhin abgeschaltet wird oder schnell zurück auf 0 oder eine kleine Größe sinkt. Eine Vibration kann ebenfalls ausgegeben werden, bei der es sich um eine zeitlich veränderliche Kraft handelt, die typischerweise periodisch ist, z.B. ein Kraft-gegen-Kraft-Zeit-Schwingungsverlauf, der wie eine Sinuswelle, Dreieckswelle oder Sägezahnwelle geformt ist. Eine konstante Kraft kann ebenfalls bei dem Anwendergegenstand ausgegeben werden. Dies ist eine Kraft mit einer konstanten Größe, die für eine bestimmte Zeitdauer oder bis zum Auftreten einer Bedingung ausgegeben wird, wie beispielsweise einer Bewegung eines anwendergesteuerten Cursors oder grafischen Objekts zu einem vorbestimmten Ort in einer angezeigten grafischen Umgebung. Eine weitere Art von Kraftwahrnehmung, die durch das Rückmeldeelement 3 ausgegeben werden kann, ist eine Texturkraft. Diese Art von Kraft ähnelt einer sich wiederholenden Stoßkraft, die von der Position des Anwendergegenstandes in seinen Hauptfreiheitsgraden (erfassten Freiheitsgraden) abhängt. Andere räumliche Kraftwahrnehmungen können ebenfalls ausgegeben werden. Zusätzlich können alle beschriebenen Kraftwahrnehmungen dabei durch das Rückmeldeelement 3 gleichzeitig oder anderweitig kombiniert wie gewünscht ausgegeben werden. Obwohl diese Kräfte nicht in den Hauptfreiheitsgraden vorwärts/rückwärts und links/rechts des Joysticks 9 bereitgestellt werden, können die erfindungsgemäßen Kräfte in einer kostenwirksamen Art und Weise zu dem haptischen Erleben einer Computerumgebung durch den Anwender beitragen.
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Die Figuren bis 10 zeigen eine Auflistung von möglichen Einsatzgebieten haptischer Bediengeräte, mit denen sich prozessabhängige Größen oder Limitierungen durch den Bediener sensieren lassen (Feedback).
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Ein erstes beispielhaftes Einsatzgebiet der hier vorgestellten Vorrichtung ist das Feedback der Gewichtskraft bzw. Masse in Schaufeln von Baggern, Radladern oder Traktoren. 3 zeigt die Nutzung eines haptischen Signals bei der Bedienung eines Baggers 16 während eines Grab- und Beladungsvorgangs. In 3 ist das Feedback der Gewichtskraft G in einer Schaufel 17 bzw. der Arbeitsausrüstung dargestellt. Um einen zu befüllenden (nicht dargestellten) Lastwagen optimal auszulasten und nicht zu überladen, ist es sinnvoll, das Gewicht in der Schaufel 17 (Baggerschaufel) bzw. der Last am TCP (Tool Center Point) des Baggerarms 18 zu ermitteln. Vorstellbar wäre, dass sich das Rückmeldeelement 3 (haptisches Element) pro Einzelzyklus im Verhältnis zum zulässigen Befüllungsgewicht des Lastwagens so weit ausdehnt, dass der Fahrer bzw. Bediener des Baggers 16 ein Gefühl für den Befüllungsgrad des Lastwagens erfährt. Erreicht er das maximale Gewicht aller Einzelzyklen, welches der Lastwagen gerade noch aufnehmen kann, ist eine Änderung des haptischen Signals hin zu einer Vibration/Schwingung vorstellbar, so dass der Beladevorgang beendet werden kann. Denkbar ist auch, den Befüllungsgrad durch die flächige Ausdehnung oder einer Erhebung des haptischen Elements z.B. auf dem Joystick 9 darzustellen. Das Prinzip ist auf weitere mobile Maschinen, welche Lasten aufnehmen oder für Beladevorgänge benutzt werden (z.B. Radlager, Traktor, Gabelstapler, Teleskoplader, Ladekräne auf Lkw) übertragbar. Häufig kann eine Überladung einer mobilen Maschine zu einer Instabilisierung unter Gefahr des Umkippens eben dieser führen. So ist es vorstellbar, diesen Zustand durch geeignete Sensoren zu detektieren und dem Fahrer über ein haptisches Feedback die Abstufung anzuzeigen, in der die Maschine noch stabil ist bzw. wie weit sie noch von der Stabilitätsgrenze entfernt ist. Mit 19 ist ein angetriebenes Fahrzeug bezeichnet, an dem der Baggerarm 18 angebracht ist. Mit 20 ist ein Hydraulikzylinder bezeichnet. Mit F ist eine Kraft bezeichnet, die das Rückmeldeelement 3 auf eine Hand 21 ausübt.
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Ein weiteres Einsatzgebiet ist eine Arbeitsraumlimitierung z.B. an einem Bagger 16. Die 4a und 4b zeigen die Nutzung eines haptischen Signals beim Erreichen eines limitierten Arbeitsraumes bei der Bedienung eines Baggers 16. In 4b ist das Feedback während des Erreichens einer Arbeitsraumlimitierung 22 dargestellt. Durch eine entsprechende Sensorik kann die Position des TCP und des Baggerarms 18 (Arbeitsarms) ermittelt werden. Erreicht der Baggerarm 18 oder der Tool Center Point (TCP) ein vorher festgesetztes Limit, kann durch Verschieben des haptischen Impulses auf der Oberfläche des Bediengeräts, z.B. Joystick 9, ein Feedback erzeugt werden, wenn der TCP bzw. der Baggerarm 18 (Arbeitsarm) seine limitierte Position erreicht.
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Ein noch weiteres Einsatzgebiet ist das Feedback von Grabkräften. 5 zeigt die Nutzung eines haptischen Signals bei der Bedienung eines Baggers 16 während eines Grabvorgangs. Derzeit gibt es eine Vielzahl von hydraulischen Steuerungen, welche keine direkte Rückmeldung der Last bzw. der Grabkräfte auf den Bediener zulassen, z.B. LUDV-Systeme. Hier wird immer der höchste Lastdruck sensiert und durch die Arbeitspumpe eingestellt. Eine Verringerung der Geschwindigkeit durch sich erhöhende Grab- bzw. Prozesskräfte erfolgt bei diesen Systemen nicht. Eine prozesskraftabhängige Rückmeldung bietet jedoch den Vorteil, dass der Bediener auch Hindernisse, wie z.B. Kabel, Rohre, etc., erkennen und bestenfalls die Geschwindigkeit der Bewegung verringern oder die Bewegung gar stoppen kann. Wenn durch eine geeignete Sensorik (z.B. Drucksensoren in den Zylindern, Kraftsensoren in den Gelenken des Arbeitsarms, etc.) die Prozesskräfte bestimmt werden können, besteht die Möglichkeit, ein entsprechendes Signal in dem Bediengerät, z.B. Joystick 9, bzw. in die Bedieneinrichtung desjenigen Bediengeräts zu erzeugen, dessen Herabnahme des Ansteuersollwerts eine Verringerung der Prozesskräfte bewirken würde.
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Ein weiteres Einsatzgebiet ist das Feedback über die Füllhöhe von Tanks 23 bzw. das Feedback des Inhalts eines Tanks 23. 6 zeigt die Nutzung von haptischen Signalen bei der Überwachung von Tankinhalten an. Beispielhaft ist die Überwachung bzw. die haptische Darstellung der Inhalte von Korntanks, Kraftstofftanks, Spritzmitteltanks, Saatguttanks; das Signal kann z.B. über einen Joystick 9 (vgl. 9b) oder über haptische Touch-Displays (vgl. 9c) an den Bediener weitergegeben werden.
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Weiterhin kann der (drohende) Kontakt mit Hindernissen detektiert werden. Beispielhaft ist eine Vorrichtung, mit welcher Hindernisse beim Durchführen von Arbeiten mit mobilen Arbeitsmaschinen 6 erkannt werden können. Hierfür wird vorgeschlagen, Markierungen an den entsprechenden Hindernissen anzubringen und durch eine geeignete Sensorik zu detektieren. Diese Signale können z.B. genutzt werden, um Arbeitsausrüstungen einzufahren, bevor diese auf Hindernisse stoßen. In der Praxis erfolgt das Einfahren der Arbeitsausrüstung in der Regel durch die Vorgabe eines Bedieners nach Sichtung des Hindernisses. Eine Vereinfachung für den Fahrer könnte die Vorgabe des Signals über einen haptischen Impuls am Bediengerät, z.B. Joystick 9, zum Einfahren der Arbeitsausrüstung sein, so wie es in 7 für das Beispiel des Abschneidens des Strunks von Hopfenpflanzen dargestellt ist. Bei dieser Anwendung muss das die Pflanzen 24 umgebende Gerüst 25 umfahren werden. Mit 26 ist ein Schneidgerät und mit 27 ist ein Traktor bezeichnet.
8 zeigt das Feedback von möglichen Hindernissen am Beispiel des Anwendungsfalls Mähen von Straßenrändern. Die 8 zeigt einen Traktor 27 bei Mäharbeiten von Seitenstreifen.
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Auch hier kann ähnlich wie am Beispiel der 7 dargestellt ein haptisches Feedback an das Bediengerät, z.B. Joystick 9, übertragen werden, so dass der Bediener die Arbeitsausrüstung anheben bzw. einfahren kann, ohne sich direkt von der Straße 35 abwenden zu müssen. Mit 28 ist ein Mähgerät bezeichnet.
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Als Einsatzgebiet kommt auch ein Feedback beim Erkennen von Schadverdichtungen 29 beim Pflügen mit einem Traktor 27 in Betracht. Ein (nicht dargestelltes) elektronisch-hydraulisches Hubwerksregelsystem (EHR) ermöglicht Schadverdichtungen 29 im Boden 30 zu erkennen und Maßnahmen einzuleiten, eben diese Schadverdichtungen 29 im Boden 30 aufzulösen. Hierfür muss jedoch der Pflug 31 entgegen seiner eigentlichen Regelstrategie weiter in den Boden 30 eintauchen und wird bei Erhöhung der Zugkraft nicht aufgehoben. Denkbar wäre im Folgenden, dass der Bediener bei Detektierung einer Schadverdichtung 29 ein haptisches Signal auf dem Bediengerät, z.B. Joystick 9 (9a), auf einem Lenkrad 33 (9b) oder einem Touch-Display 34 (9c) erhält und durch eine Ansteuerung eines Bediengerätes oder durch Drücken des haptischen Bedienelements die eigentliche EHR-Regelung übersteuert und der Pflug 31 bei noch genügend Leistungsreserven des Traktors 27 tiefer in den Boden 30 (Erdreich) eindringt, um die Schadverdichtung 29 aufzulösen. Dieses Vorgehen ist schematisch in 9a dargestellt. Mit 32 ist ein Bodendichtesensor bezeichnet. Der Joystick 9, das Lenkrad 33 und das Touch-Display 34 weisen jeweils mindestens ein haptisches Rückmeldeelement 3 auf.
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Die 10a, 10b, 10c zeigen weitere Ausführungsformen der hier vorgestellten Vorrichtung. Hierbei ist ein prozessgrößenabhängiges Feedback dargestellt durch einen Kreis, realisiert durch a) Feedback wandert nach oben, z.B. um Füllhöhe anzuzeigen (10a), b) Feedback spannt eine Fläche auf, z.B. um die Größe einer ein- oder zweidimensionalen Einstellung anzuzeigen (10b), c) Erhebung auf dem Touch-Display 34 wird in seiner Ausdehnung oder Höhe größer (10c). Das haptische Feedback ist parameterabhängig ausgeführt, z.B. relativ zur Prozessgröße wie Hubwerkshöhe oder Füllstand. Das bedeutet, das Feedback wandert auf dem Touch-Display 34 in eine Richtung, um das Anwachsen anzudeuten, entweder eindimensional (10a) oder zweidimensional flächig (10b). Möglich ist auch, ein haptisches Feedback durch eine Erhebung auf dem Touch-Display 34 zu erzeugen, d.h. auch die Dimension aus der Displayebene hinaus, z.B. um ein Feedback über die eingestellte Höhe (Hubwerkshöhe) zu erhalten (10c).
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Recheneinrichtung
- 2
- Handhabegerät
- 3
- Rückmeldeelement
- 4
- Handauflagebereich
- 5
- Aktuator
- 6
- Arbeitsmaschine
- 7
- Sensor
- 8
- datenleitende Verbindung
- 9
- Joystick
- 10
- Sockel
- 11
- Griff
- 12
- Griffteil
- 13
- Kopf
- 14
- Sockelteil
- 15
- Bedienelemente
- 16
- Bagger
- 17
- Schaufel
- 18
- Baggerarm
- 19
- Fahrzeug
- 20
- Hydraulikzylinder
- 21
- Hand
- 22
- Arbeitsraumlimitierung
- 23
- Tank
- 24
- Pflanzen
- 25
- Gerüst
- 26
- Schneidgerät
- 27
- Traktor
- 28
- Mähgerät
- 29
- Schadverdichtung
- 30
- Boden
- 31
- Pflug
- 32
- Bodendichtesensor
- 33
- Lenkrad
- 34
- Touch-Display
- 35
- Straße
- 36
- Anwender
