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Die Erfindung betrifft eine Bedieneinheit für eine mobile Arbeitsmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, ein Verfahren zur Positionierung eines Arbeitspunktes einer mobilen Arbeitsmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 14 und eine mobile Arbeitsmaschine gemäß Anspruch 15.
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Eine mobile Arbeitsmaschine, wie beispielsweise ein Bagger, ein Kran oder ein Stapler, hat einen im Raum positionierbaren Arbeitspunkt. Dieser ist beispielsweise ein charakteristischer Punkt an einem Arbeitsgerät, beispielsweise eine Spitze eines Grabgefäßes, eines Greifers, Hammers oder einer Gabel oder im Falle eines Krans ein Aufhängepunkt für ein Transportgut. Der Arbeitspunkt befindet sich dabei am Ende einer Reihe oder Kette mehrgelenkig verbundener, starrer Segmente, die von Aktoren angelenkt und somit in ihrer Position verstellbar sind.
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Der räumlichen Bewegung und Positionierung kommt eine große Bedeutung zu, sodass Benutzerschnittstellen (HMI) hierfür möglichst intuitiv bedienbar sein sollten.
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Durchgesetzt haben sich hierfür sogenannte Joysticksteuerungen, bei denen ein Bedienelement zweiachsig, also in zwei rotatorischen Freiheitsgraden des Bedienelements, verschwenkbar ist. Dabei ist einer Verschwenkung des Joysticks nach vorne/hinten eine lineare Bewegung des Arbeitspunktes entlang der X-Achse und einer Verschwenkung nach links/rechts eine lineare Bewegung des Arbeitspunktes entlang der Z-Achse des kartesischen Koordinatensystems der Arbeitsmaschine zugeordnet. Eine Drehbewegung des Baggeroberwagens um die Z-Achse wird entweder durch ein weiteres Bedienteil oder durch ein Stellrad am Joystick abgebildet.
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Dem gegenüber liegt der Erfindung die fortwährende Aufgabe zu Grunde, eine noch intuitivere Steuerung des Arbeitspunktes einer mobilen Arbeitsmaschine zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Bedieneinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 14 und eine mobile Arbeitsmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 15.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindungen sind in den jeweils abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Eine Bedieneinheit für eine mobile Arbeitsmaschine hat ein auslenkbar, insbesondere greifbar gestaltetes Bedienelement zur Bewegungssteuerung eines Arbeitspunktes (TCP) der Arbeitsmaschine im dreidimensionalen, insbesondere kartesischen Raum. Der Arbeitspunkt ist beispielsweise ein charakteristischer Punkt an einem Arbeitsgerät der Arbeitsmaschine, beispielsweise eine Spitze eines Grabgefäßes, eines Greifers, Hammers oder einer Gabel oder im Falle eines Krans eines Aufhängepunktes. Er kann alternativ ein Koppelpunkt des Arbeitsgerätes am Endabschnitt der restlichen Kette von Segmenten sein. Erfindungsgemäß ist das Bedienelement derart gelagert ausgestaltet, dass es für diese Positionierung in drei Freiheitsgraden auslenkbar ist. Insbesondere ist jedem dieser drei Freiheitsgrade des Bedienelementes je einer von drei Freiheitsgraden des Arbeitspunktes zugeordnet.
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Auf diese Weise kann der Arbeitspunkt mit bereits nur einem auszulenkenden Bedienelement - anstatt mit mehreren Bedienelementen - im Raum eindeutig bestimmt bewegt und positioniert werden. Gegenüber einem 2-Achsen-Joystick mit Zusatzelement gemäß dem Stand der Technik ermöglicht die erfindungsgemäße Bedieneinheit so eine intuitivere, und somit auch sicherere und effizientere, Bewegungssteuerung durch ein Bedienpersonal.
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Die Freiheitsgrade des Bedienelements sind linear oder translatorisch und/oder rotatorisch und basieren vorzugsweise auf einem kartesischen Koordinatensystem.
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In einer bevorzugten Weiterbildung sind von den wenigstens drei Freiheitsgraden zwei translatorisch und einer ist rotatorisch. Alternativ sind drei translatorische Freiheitsgrade möglich. Bei Ausgestaltung der Bedieneinheit erfolgt eine Auswahl, ob dem jeweiligen Freiheitsgrad des Arbeitspunktes ein translatorischer oder ein rotatorischer Freiheitsgrad des Bedienelements zugeordnet ist, in Abhängigkeit der Art der Arbeitsmaschine und deren grundsätzlichem Aufbau bezüglich aktuierbarer Segmente, sowie einer bevorzugten Ergonomie für einen Bediener der Bedieneinheit.
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In einer Weiterbildung, die unabhängig von der Art der Arbeitsmaschine als intuitiv gilt, ist ein erster der wenigstens drei Freiheitsgrade des Bedienelements dessen Translation in x nach Vorne und Zurück, wobei der zugeordnete Freiheitsgrad des Arbeitspunktes dann eine Translation in X ist.
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In einer Weiterbildung, die insbesondere für eine als Bagger oder Kran ausgestaltete Arbeitsmaschine mit drehbarem Oberwagen als intuitiv gilt, ist ein zweiter der wenigstens drei Freiheitsgrade eine Translation in y nach Links und Rechts, also jeweils zur Seite, wobei der zugeordnete Freiheitsgrad des Arbeitspunktes dann eine Rotation um Z ist. Der für den Bediener einfach auszulösenden Auslenkung zur Seite ist dann beispielsweise eine Drehung des Oberwagens um dessen Hochachse Z zugeordnet. Alternativ ist eine Verschiebung des Arbeitspunktes in Y zugeordnet, beispielsweise bei einem Stapler.
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Um eine Bewegung des Arbeitspunktes in Richtung der Hochachse Z der Arbeitsmaschine oder in Z des kartesischen Raumes zu bewirken, ist in einer Weiterbildung ein dritter der wenigstens drei Freiheitsgrade des Bedienelements eine Rotation um die y-Achse des zweiten Freiheitsgrades, oder um eine sich zumindest mit einer Richtungskomponente des zweiten Freiheitsgrades erstreckende Achse. Der zugeordnete Freiheitsgrad ist dann eine Translation in Z. Diese Art Höhensteuerung des Arbeitspunktes gleicht intuitiv dem Zurückschwenken und Vorschwenken eines Joysticks zur Höhensteuerung.
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Das greifbare Bedienelement oder Griffelement ist vorzugsweise ergonomisch bezüglich einer menschlichen linken und/oder rechten Hand ausgebildet. So ist die haptische Sensitivität für den Bediener verbessert. Insbesondere ist eine Ausgestaltung vergleichbar einer Computer- oder Gaming-Maus vorteilhaft. Das Bedienelement erstreckt sich vorzugsweise länglich zumindest in Richtung seines ersten translatorischen Freiheitsgrades und vergleichsweise schmal quer dazu. Es kann symmetrisch oder asymmetrisch zu einer aufgespannten Ebene ausgebildet sein. Vorzugsweise ist es in einer Neutralstellung des dritten, rotatorischen Freiheitsgrades mit seiner Längsachse gegen die Achse seines translatorischen, ersten Freiheitsgrades angestellt.
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Insbesondere ist es außermittig rotatorisch gelagert, wobei ein längerer Abschnitt nach Vorne und ein kürzerer Abschnitt nach Zurück weist, oder umgekehrt.
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Alternativ zu der oben ausgeführten Zuordnung von Freiheitsgraden ist eine mögliche, dass der zweite der wenigstens drei Freiheitsgrade des Bedienelements eine Rotation um eine Senkrechte zum ersten translatorischen Freiheitsgrad ist und der zugeordnete Freiheitsgrad des Arbeitspunktes eine Rotation um Z ist. Eine weitere Alternative ist, dass der dritte der wenigstens drei Freiheitsgrade des Bedienelements eine Translation in z nach Oben und Unten ist und der zugeordnete Freiheitsgrad des Arbeitspunktes eine Translation in Z.
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In einer Weiterbildung ist einer Auslenkung des Bedienelements in seinem jeweiligen Freiheitsgrad eine Soll-Geschwindigkeit des Arbeitspunktes im zugeordneten Freiheitsgrad zugeordnet. Die Abhängigkeit der Soll-Geschwindigkeit von der Auslenkung ist vorzugsweise proportional, kann alternativ progressiv ausgestaltet sein.
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Die Steuerung ist besonders einfach und intuitiv, wenn in einer Weiterbildung wenigstens einer der Auslenkungen eine Ansteuerung aller Aktoren zugeordnet ist, die die Bewegung des Arbeitspunktes im zugeordneten Freiheitsgrad bewirken. So muss vom Bedienpersonal nicht jedes Segment einzeln in seinen individuellen Freiheitsgraden angesteuert werden, um die gewünschte Bewegung des Arbeitspunktes zu erzielen, sondern für das Bedienpersonal nachvollziehbar ist jeder Auslenkung direkt eine Auslenkung des Arbeitspunktes zugeordnet.
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In einer Weiterbildung weist die Bedieneinheit Sensoren zur Erfassung der Auslenkungen und zur Erfassung von Ist-Positionen und/oder Ist-Geschwindigkeiten des Arbeitspunktes und/oder der Aktoren und Segmente in den zugeordneten Freiheitsgraden auf.
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Zur Verarbeitung der Ist- mit den Soll-Werten weist die Bedieneinheit in einer Weiterbildung eine Steuereinheit auf, in der sowohl eine Kinematik der Aktoren, Gelenke und Segmente als auch die zuvor und weiter unten genannten Zuordnungen abgelegt sind, oder die zumindest zur Ablage einer solchen Kinematik und der Zuordnungen ausgestaltet ist.
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In einer Weiterbildung hat die Steuereinheit eine Regeleinrichtung, über die die Aktoren in Abhängigkeit der Soll- und Ist-Geschwindigkeiten, der Ist-Positionen und der Kinematik ansteuerbar sind.
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Um die Orientierung und Bedienung zu erleichtern weist das Bedienelement in wenigstens einem seiner wenigstens drei Freiheitsgrade, vorzugsweise in allen, eine Neutralstellung auf. Dieser Neutralstellung ist vorzugsweise eine konstante Geschwindigkeit, insbesondere eine Null-Geschwindigkeit oder Ruhe des Arbeitspunktes im zugeordneten Freiheitsgrad zugeordnet.
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In einer Weiterbildung ist die Neutralstellung schnappend oder rastend durch entsprechende Schnapp- oder Rastmittel ausgebildet. Insbesondere ist hierfür eine Schnappeinrichtung, wie beispielsweise eine gespannte Kugel oder ein gespannter Bolzen in Eingriff mit einer Nut, einer Ausnehmung oder einer Vertiefung vorgesehen. Hierdurch ist sichergestellt, dass das Bedienelement ohne Bedienereinwirkung sicher in der Neutralstellung und somit der Arbeitspunkt in Ruhe verbleibt.
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Um die Bedienung zu erleichtern sind Auslenkungen beidseitig der jeweiligen Neutralstellung gegensätzliche Bewegungsrichtungen des Arbeitspunktes im zugeordneten Freiheitsgrad zugeordnet.
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Der erste der drei Freiheitsgrade des Bedienelements ist in einer Weiterbildung über eine erste Linearführung der Bedieneinheit, insbesondere in x, realisiert. Dazu gekreuzt, insbesondere orthogonal, ist eine zweite Linearführung, insbesondere in y vorgesehen, der der zweite der drei Freiheitsgrade zugeordnet ist. Diese Linearführungen erlauben eine ruhige Führung einer Bedienhand, getrennt nach Freiheitsgraden.
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Die jeweilige Linearführung kann wälzkörper- oder gleitgelagert ausgebildet sein.
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Die jeweilige Linearführung weist in einer Weiterbildung parallele Schienen oder Stangen, die eine Führung bilden, und einen daran laufenden Schlitten oder Wagen oder eine Brücke (im Folgenden Schlitten) auf.
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In einer Weiterbildung ist am Schlitten der ersten Linearführung eine Führung der zweiten Linearführung ausgebildet, insbesondere derart, dass die Führung der zweiten Linearführung mit dem Schlitten der ersten Linearführung bewegungsgekoppelt ist. Jede Bewegung des genannten Schlittens führt somit zur gleichen Bewegung der Führung der zweiten Linearführung. Vorzugsweise ist am Schlitten der zweiten Linearführung das Bedienelement rotierbar gelagert. So ist eine Kette aus: Führung der ersten Linearführung, deren Schlitten, mit diesem bewegungsgekoppelter Führung der zweiten Linearführung, deren Schlitten und mit diesem bewegungsgekoppeltem und an diesem rotierbarem Bedienelement ausgebildet.
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Die jeweilige Lagerung der Schlitten und des Bedienelements ist insbesondere über ein Wälz- oder ein Gleitlager ausgebildet.
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Um den Funktionsumfang der Bedieneinheit jenseits der bisher beschriebenen Bewegungssteuerung des Arbeitspunktes zu erweitern, ist in einer Weiterbildung wenigstens ein Schaltelement vorgesehen, über das eine Bewegung oder Stellung allein des Arbeitsgerätes steuerbar ist.
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In einer Weiterbildung ist das wenigstens eine Schaltelement zur Aktivierung/Deaktivierung einer Konstantwinkel-Regelung oder einer Standardbewegung des Arbeitsgerätes vorgesehen. Insbesondere ist das Schaltelement am ohnehin dauerhaft vom Bedienpersonal berühr- oder greifbaren Bedienelement vorgesehen, sodass es stets in dessen Reichweite ist. Im Falle des als Baggerschaufel ausgebildeten Arbeitsgerätes ist eine Konstantwinkel-Regelung beispielsweise in einem übers Schaltelement aktivierten, sogenannten „Verfahrmodus“ realisiert. Eine Standardbewegung ist beispielsweise das An- oder Auskippen der Schaufel.
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Um die Bedienung zu erleichtern und eine ungewollte Aktivierung einfach zu unterbrechen, weist das wenigstens eine Schaltelement eine Neutralstellung auf, in die es entgegen einer Betätigung vorgespannt ist. Dieser Neutralstellung ist vorzugsweise die Deaktivierung zugeordnet.
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Das Bedienelement und/oder das Schaltelement ist oder sind in einer Weiterbildung in die jeweilige Neutralstellung federgespannt oder federzentriert. So erfolgt ohne die willentliche Betätigung des Bedienelementes und/oder das Schaltelementes durch den Bediener immer die Rückstellung in die Neutralstellung, was zur oben genannten Ruhe des Arbeitspunktes oder zur Deaktivierung führt.
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Insbesondere die Auslenkungen des Bedienelements sind in einer Weiterbildung gedämpft, insbesondere durch einen mit der jeweiligen für die Rückstellung vorgesehenen Feder zusammenwirkenden Dämpfer.
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Schnittstellen der Bedieneinheit sind zum einen ein HMI mittels dem Bedien- oder Griffelement und dem(n) optionalen Schaltelement(en) und zum anderen mechanische Schnittstellen zur Befestigung an einem Bedienplatz. Dazu kann die Bedieneinheit einfach zu lösende und zu befestigende schraubbare, steckbare, rastbare oder clipsbare Schnittstellen aufweisen. Hinzu kommen elektrische/elektronische Schnittstellen mit der Sensorik zur Erfassung der Ist-Werte des Arbeitspunktes und/oder mit der Sensorik zur Erfassung der Ist-Werte der Segmente und Aktoren, sowie elektrische/elektronische Schnittstellen zur Ansteuerung der Aktoren.
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In einer Weiterbildung weist die Bedieneinheit Zusatzfunktionen auf, die insbesondere in der Steuereinheit zur Ausführung abgelegt sind und für die vorzugsweise ein jeweiliges Schalt- oder Steuerelement zur Aktivierung an der Bedieneinheit vorgesehen ist. Eine Zusatzfunktion ist beispielsweise eine Bewegungsbegrenzung („virtual walls“) des Arbeitspunktes in seinen kartesischen Koordinaten, die insbesondere in der Steuereinheit parametriert ablegbar ist. Eine weitere Möglichkeit ist die Zusatzfunktion eines Annäherungsalarms über ein Mittel zur Vibration, das, von der Steuereinheit angesteuert, bei Annäherung des Arbeitspunktes oder des Arbeitsgerätes an die Bewegungsbegrenzung eine Vibration des Bedienelements bewirkt. Eine weitere Möglichkeit ist die Zusatzfunktion einer Bewegungsverlangsamung bei Annäherung des Arbeitspunktes oder des Arbeitsgerätes an diese Bewegungsbegrenzung. Eine weitere mögliche Zusatzfunktion ist eine Aufzeichnungs- oder Memory-Funktion inklusive Abspielfunktion einer Arbeitsbewegung des Arbeitspunktes und/oder des Arbeitsgerätes. So kann eine sich wiederholende Arbeitsbewegung automatisiert an gleicher oder anderer Stelle erfolgen. Eine Weiterbildung dazu beinhaltet insbesondere eine Unterbrechung oder zumindest Abbremsung der Abspielfunktion durch manuellen Eingriff des Bedienpersonals.
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In einer Weiterbildung weist die Bedieneinheit eine Sende- und Empfangseinrichtung auf, sodass es als Fern-Bedieneinheit von außerhalb des Bedienplatzes verwendbar ist.
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In einer Weiterbildung weist die Bedieneinheit in Informationssystem zu Ist-Werten der Arbeitsmaschine, insbesondere des Arbeitspunktes oder Arbeitsgerätes auf, insbesondere eine Anzeige einer aktuellen Arbeitsmasse am Arbeitspunkt (Payload Weighing System).
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Ein Verfahren zur Positionierung eines von Aktoren über gelenkig verbundene Segmente anlenkbaren Arbeitspunktes einer mobilen Arbeitsmaschine im dreidimensionalen Raum hat Schritte zur Verstellung des Arbeitspunktes in dreien seiner Freiheitsgrade. Diese Schritte können sequentiell, teilweise sequentiell oder gleichzeitig erfolgen. Erfindungsgemäß erfolgt die Verstellung in Abhängigkeit einer Auslenkung nur eines Bedienelements einer Bedieneinheit in dreien von dessen Freiheitsgraden. In anderen Worten ist jedem Freiheitsgrad, in dem das Bedienelement auslenkbar ist, ein Freiheitsgrad des Arbeitspunktes zugeordnet, in dem dieser verstellbar ausgestaltet ist.
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Da die drei Verstellungen, die notwendig sind, den Arbeitspunkt eindeutig bestimmt zu positionieren, mit lediglich einem auszulenkenden Bedienelement erfolgen, ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren gegenüber der Durchführung dieser drei Schritte mit einem 2-Achsen-Joystick und einem Zusatzelement gemäß dem Stand der Technik, eine intuitivere Positionierung und Bewegungssteuerung.
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In einer Weiterbildung weist das Verfahren wenigstens einen sequentiellen oder gleichzeitigen Schritt Aktivieren/Deaktivieren einer Zusatzfunktion des Arbeitsgerätes, insbesondere eine Konstantwinkel-Regelung und/oder eine Standardbewegung des Arbeitsgerätes mittels Schalten wenigstens eines am Bedienelement angeordneten Schaltelements auf.
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Eine mobile Arbeitsmaschine, insbesondere ein Bagger oder Kran, hat eine Bedieneinheit, die gemäß wenigstens einem Aspekt der vorhergehenden Beschreibung ausgestaltet ist. Die Arbeitsmaschine hat eine Kette ein- oder mehrgelenkig verbundener Segmente, an deren Endabschnitt ein Arbeitspunkt (TCP) angeordnet ist. Im Falle eines Baggers sind die Segmente beispielsweise ein um die Hochachse drehbarer Oberwagen, ein damit drehgelenkig verbundener Ausleger, ein damit wiederum drehgelenkig verbundener Stiel und ein an dessen Endabschnitt schwenkbarer Löffel. Dessen Grabspitze stellt den Arbeitspunkt (TCP) des Baggers dar. Der Arbeitspunkt kann natürlich davon abweichend und insbesondere in Abhängigkeit des verwendeten Arbeitsgerätes definiert sein. Im Falle eines Kranes sind die Segmente beispielsweise ein drehbarer Oberwagen mit festem Ausleger, einem daran horizontal verfahrbaren Schlitten und einem zu diesem vertikal verfahrbaren Haken, wobei der Arbeitspunkt dessen Aufhängepunkt ist. Die Segmente sind in Abhängigkeit der Auslenkungen des Bedienelements von elektromotorischen oder hydraulischen Aktoren betätigbar.
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Der TCP der Arbeitsmaschine ist im kartesischen Raum erfindungsgemäß anstatt mit mehreren Bedienelementen (2-Achsen-Joystick in Zusammenwirken mit Zusatzelement gemäß dem Stand der Technik), erfindungsgemäß mit lediglich einem auszulenkenden Bedienelement eindeutig bestimmt beweg- und steuerbar. Gegenüber dem Stand der Technik ermöglicht dies eine intuitivere Bewegungssteuerung des TCPs.
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Um eine Regelung der Bewegungssteuerung, Bewegungsgeschwindigkeit und/oder Positionierung zu ermöglichen, ist in einer Weiterbildung eine Sensoreinrichtung vorgesehen, über die Positionsänderungen des TCP in seinen Freiheitsgraden erfassbar sind.
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Dabei ist für drehbare Segmente ein Sensor zur Erfassung einer Neigung des Segments, und/oder eines Winkels zwischen drehgelenkig verbundenen Segmenten vorgesehen. Für linear verfahrbare Segmente oder schubgelenkig verbundene Segmente ist ein Sensor zur Erfassung einer Position oder Relativposition der am Gelenk beteiligten Segments vorgesehen.
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In der Steuereinheit ist in Abhängigkeit der jeweiligen Auslenkung eine Soll-Geschwindigkeit des Arbeitspunktes im zugeordneten Freiheitsgrad abgelegt.
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In einer Weiterbildung weist die Steuereinrichtung eine Regeleinrichtung auf, über die in Abhängigkeit der jeweiligen Soll-Geschwindigkeit und der von der Sensoreinrichtung erfassten Positionsänderungen des Arbeitspunktes Aktuatoren der Arbeitsmaschine, von denen die Segmente angelenkt sind, ansteuerbar sind.
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Bedieneinheit, eines erfindungsgemäßen Verfahrens und einer erfindungsgemäßen mobilen Arbeitsmaschine in Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine mobile Arbeitsmaschine mit Arbeitspunkt und dessen Freiheitsgraden, gemäß einem Ausführungsbeispiel, in einer Seitenansicht,
- 2 eine Bedieneinheit zur Positionierung des Arbeitspunktes, gemäß einem Ausführungsbeispiel, in einer perspektivischen Ansicht,
- 3 die Bedieneinheit gemäß 2 in schematischer Darstellung, in einer Draufsicht,
- 4 die Bedieneinheit gemäß 2 und 3 in schematischer Darstellung, in einer Seitenansicht,
- 5 die Bedieneinheit gemäß den 2 bis 4 in einer Ansicht von hinten.
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Gemäß 1 ist eine mobile Arbeitsmaschine als Bagger 1 mit Unterwagen 2 ausgeführt, auf dem ein Oberwagen 4. An diesem setzt ein Ausleger 6 drehgelenkig an, der zusammen mit einem an ihm drehbar gelagert Stiel 8 einen Arbeitsarm des Baggers 1 bildet. An dessen Ende ist ein als Löffel 12 ausgebildetes Arbeitsgerät schwenkbar betätigbar gelagert. Eine Spitze des Löffels 12 stellt den Arbeitspunkt TCP der Arbeitsmaschine 1 dar.
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Unterwagen 2, Oberwagen 4, Ausleger 6, Stiel 8 und das Arbeitsgerät des Löffels 12 bilden eine Kette von Segmenten, die vom jeweils vorherigen Segment ausgehend von einem Aktor angelenkt sind. So ist der Oberwagen 4 von einem am Unterwagen 2 angeordneten hydrostatischen Drehmotor (nicht dargestellt) drehend betätigbar. Der Ausleger 6 ist von einem am Oberwagen 4 ansetzenden, hydrostatischen Auslegerzylinder 14 schwenkend oder drehend betätigbar, der Stiel 8 ist von einem am Ausleger 6 ansetzenden, hydrostatischen Stielzylinder 16 schwenkend oder drehend betätigbar und der Löffel 12 ist über einen am Stiel 8 ansetzenden Löffelzylinder 18 über eine Schwinge 20 und eine Koppel 22 um einen Drehpunkt 10 verschwenkbar betätigbar. Die Summe der Bewegungen der Segmente 4, 6, 8, 12 führt zur Bewegung des Arbeitspunktes TCP im dreidimensionalen Raum und ermöglicht dessen Positionierung darin.
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Zur Erfassung eines Ist-Position des Arbeitspunktes ist am jeweiligen Segment 4, 6, 8, 12 ein Neigungssensor vorgesehen. Alternativ oder ergänzend können Winkel und/oder Wegsensoren vorgesehen sein. Eine Steuereinheit verarbeitet Signale von mindestens zwei der Sensoren zur Bestimmung der Position des Arbeitspunktes TCP und regelt dadurch mittels Berechnung notwendiger Zylinderverfahrwege einen jeweiligen Volumenstrom für die Hydraulikzylinder 14, 16, 18. So kann eine Ist-Position des Arbeitspunktes TCP gemäß einer Sollwert-Vorgabe einer im Folgenden beschriebenen Bedieneinheit eingeregelt werden.
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Gemäß 2 hat eine Bedieneinheit 24 ein greifbares, ergonomisch ausgestaltetes Bedienelement 26. Diese hat einen Auflageabschnitt 28 für eine Bedienhand und einen an seinem distalen Abschnitt dazu einen Funktionsabschnitt mit zwei Schaltelementen 30, 32. Der Ablageabschnitt 28 ist in Verwendung der Bedieneinheit dem Bedienpersonal zugewandt, Der Funktionsabschnitt ist in Sichtrichtung des Bedienpersonals dem Arbeitsgerät 12 gemäß 1 zugewandt.
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Das Bedienelement 24 ist in drei seiner Freiheitsgrade x, y und rot y auslenkbar gelagert. Eine translatorische Auslenkung in „x, zurück“ gemäß 2 entspricht einem Ziehen des Bedienelementes 24 hin zum Bedienpersonal. Diese Auslenkung löst ein Ziehen des Arbeitspunktes TCP gemäß 1 in „X, Zurück“, hin zum Oberwagen 4 aus. Die Weiteren Entsprechungen sind gemäß den 1 und 2:
- - Translatorische Auslenkung des Bedienelementes 24 gemäß 2 in Richtung „x, vor“ löst ein Schieben des Arbeitspunktes TCP gemäß 1 in „X, Vor“, weg vom Oberwagen 4 aus,
- - Translatorische Auslenkung des Bedienelementes 24 gemäß 2 in Richtung „y, rechts“ löst eine Rotation des Arbeitspunktes TCP gemäß 1 mittels Drehen des Oberwagens 4 in rot Z, Rechts aus,
- - Translatorische Auslenkung des Bedienelementes 24 gemäß 2 in Richtung y, links löst eine Rotation des Arbeitspunktes TCP gemäß 1 mittels Drehen des Oberwagens 4 in rot Z, Links aus,
- - Rotatorische Auslenkung des Bedienelementes 24 gemäß 2 in Richtung rot y, vor löst ein Absenken des Arbeitspunktes TCP gemäß 1 in Z, Runter aus,
- - Rotatorische Auslenkung des Bedienelementes 24 gemäß 2 in Richtung rot y, zurück löst ein Anheben des Arbeitspunktes TCP gemäß 1 in Z, Rauf aus,
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So sind Zuordnungen der Freiheitsgrade des Bedienelements 24 zu den Freiheitsgraden des Arbeitspunktes TCP realisiert.
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Des Weiteren hat die Bedieneinheit mehrere Zusatzfunktionen, mit denen die Bewegungssteuerung des Arbeitspunktes ergänzt ist.
- - Betätigen des Schaltelements 30 aktiviert eine Konstantwinkelregelung des Löffels 12, beispielsweise um diesen beim Verfahren der Arbeitsmaschine 1 in konstantem Winkel zur Schwerkraft zu halten und so aufgenommenes Schüttgut nicht zu verschütten,
- - Betätigen des Schaltelements 32 aktiviert ein automatisches An- oder Auskippen des Löffels 12, beispielsweise um den Löffel zu entleeren
- - Betätigen eines seitlichen Schiebers oder Rades 34 dient der proportionalen, also nicht schaltenden, Steuerung einer Kippung des Arbeitsgerätes 12.
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Ergänzend oder alternativ zu diesen Zusatzfunktionen kann am Bedienelement 26 ein Schaltelelement vorgesehen sein, bei dessen Bedienung und gleichzeitigem Auslenken des Bedienelements 26 in „y, rechts“ oder „y, links“ anstatt der oben beschriebenen Rotationsbewegung des Oberwagen 4 (und damit des TCPs) eine lineare Bewegung des TCP entlang der Y-Achse gemäß 1, oder entlang einer anderen, vorbestimmten Linie im kartesischen Raum, ausgelöst wird. Hierzu ist die Steuereinheit derart ausgebildet, dass über sie die Aktoren 14, 16, 18 und der rotatorische Antrieb derart ansteuerbar sind, dass bei Rotation des Oberwagens 4 Y des TCP konstant bleibt.
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Ergänzend oder alternativ zu diesen Zusatzfunktionen können für eine Zusatzfunktion des Tiltens, Rollens und/oder Gierens des Arbeitsgerätes 12 bis zu drei Schieber oder Räder oder dergleichen vorgesehen sein.
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3 zeigt den mechanisch-sensorischen Aufbau der Bedieneinheit 24 gemäß 2 in schematischer Darstellung in einer Draufsicht, wobei das Bedienteil 26 transparent, bzw. seine Außenkontur gestrichelt dargestellt ist. Die Bedieneinheit 24 hat eine erste Linearführung 36 mit einer von zwei parallelen ersten Stangen 38 gebildeten ersten Führung und einem daran in y translatorisch geführten ersten Schlitten 40. Parallel zu den ersten Stangen 38 erstreckt sich ein erster Spurkanal 39.
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Der erste Schlitten 40 trägt wiederum zwei parallele zweite Stangen 42 einer zweiten Linearführung 44. Die zweiten Stangen 42 bilden somit eine zweite Führung der zweiten Linearführung 44. An den zweiten Stangen 42 ist ein zweiter Schlitten 46 in x translatorisch geführt, an dem das Bedienelement 26 rotierbar auslenkbar gelagert ist (vgl. 4). Parallel zu den zweiten Stangen 42 erstreckt sich ein zweiter Spurkanal 42.
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Zur Erfassung der Auslenkungen des Bedienelements 26 in seinen beiden translatorischen Freiheitsgraden x und y bezüglich einer in 3 dargestellten Neutralstellung wirken die Spurkanäle 39, 43 mit mit dem jeweiligen Schlitten 40, 46 bewegungsgekoppelten Sensoren 48, 50 zusammen, die beispielsweise jeweils als Hallsensor ausgebildet sind.
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Für ein verbessertes haptisches Gefühl beim Auslenken des Bedienelements 26 und zur Sicherstellung, dass der Löffel 12 keine zu starken Beschleunigungsbewegungen (Sicherheitsaspekt) durchführen kann, sind im gezeigten Ausführungsbeispiel die Schlitten 40 und 46 jeweils federzentriert in die Neutralstellung vorgespannt und zudem über Dämpfungselemente in ihrer Auslenkung gedämpft. Der Übersicht halber ist hierzu lediglich eins Feder-Dämpfer-Pakete 52 mit Bezugszeichen versehen.
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Das Bedienelement 26 lässt sich somit in zwei translatorischen Freiheitsgraden x, y linear verschieben. Die eine Richtung wird technisch durch die erste Linearführung 36, die andere durch die zweite Linearführung 44 realisiert. Das Bedienelement 26 stellt sich in beiden Freiheitsgraden x, y aufgrund der Feder-Dämpfer-Pakete 52 automatisch in die Neutralstellung zurück. Die Feder-Dämpfer-Pakete 52 können entweder in die Stangen 38, 42 integriert oder seitlich davon angebracht sein.
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4 zeigt die Bedieneinheit 24 in einer schematischen Darstellung in einer Seitenansicht. Sie hat eine Basis 54 mit einer kalottenförmigen Ausnehmung 56, in die ein mit dem zweiten Schlitten 46 gekoppeltes, federvorgespanntes, kalottenförmiges Gleitstück 58 in der Neutralstellung bezüglich der Translationen in x und eingreift. So ist eine zusätzliche Sicherheitsfunktion bezüglich einer versehentlichen Auslenkung des zweiten Schlittens 46 in beiden Freiheitsgraden x, y gegeben, da für eine Auslenkung in diesen Richtungen dann eine Mindestkraft überwunden werden muss, um das Bedienelement 26 bewegen zu können. Zum anderen bringt dies den Vorteil, dass bei Rückstellung aus den Auslenkungen in x und y die Neutralstellung schnell und zuverlässig erreicht wird.
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Für den Fall, dass das Bedienelement entlang der Freiheitsgrade x, y geführt bewegbar sein soll, können zentriert zur kalottenförmigen Ausnehmung (oder diese kreuzend) in einer von x und y aufgespannten Ebene zwei orthogonal zueinanderstehende Spurkanäle vorgesehen sein, in denen ein mit dem Bedienelement gekoppeltes, insbesondere federbelastetes Gleitstück laufen kann.
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Die lineare Bewegung des Bedienelements kann dann mit geringem Widerstand immer nur entlang eines der Spurkanäle ausgeführt werden, während für die Bewegung in der der Richtung quer dazu eine Mindestkraft überwunden werden muss, um das Gleitstück aus dem Spurkanal zu heben.
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Auch bietet das den Vorteil, dass eine Rückstellung des Bedienelements in die Neutralstellung im einen Freiheitsgrad schnell und zuverlässig erreicht wird, während es im anderen Freiheitsgrad noch ausgelenkt ist.
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Auf dem Schlitten 46 ist gemäß 4 ein Stiel befestigt. Dieser erstreckt sich in z, wobei an ihm über ein Scharniergelenk 60 ein das Bedienelements 26 tragender Hebel außermittig befestigt ist, sodass sich der Hebel nach vorne länger erstreckt als nach hinten. Das Scharniergelenk 60 ermöglicht eine Drehbewegung des Bedienelements 26 um den Stiel. Die Winkelposition des Bedienelements 26 wird durch einen Sensor 62 erfasst. Ein initialer Winkel in der Neutralstellung bezüglich des rotatorischen Freiheitsgrades rot y des Bedienelements 26 ist aus ergonomischen Gründen leicht gekippt, größer als 90°.
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Auch hier ist über zwei einander entgegenwirkende Feder-Dämpfer-Pakete 52 ein Rückstellmechanismus der rotatorischen Auslenkung des Bedienelementes 26 im Freiheitsgrad rot y in beiden Richtungen gegeben.
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Damit auch diese rotatorische Auslenkung nicht versehentlich ausgeführt wird, ist ein Mechanismus analog zur vorangegangenen Beschreibung mittels federvorgespanntem Gleitstück und Nut vorgesehen.
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Das Schaltelement 32 ist stufig betätigbar. Es ist so ausgestaltet, dass sich die Rotationsgeschwindigkeit des Arbeitsgeräts 12 mit jeder zusätzlichen, aktivierten Stufe steigert. Der Aufbau des Schaltelementes 32 ist dabei von einer der Anzahl der Stufen entsprechenden Anzahl Federelemente gebildet, die nacheinander betätigt werden, um die Stufung zu verändern. Somit muss für jede Stufe eine weitere Feder gespannt und somit mehr Kraft zum Schalten der Stufe aufgewendet werden. Alternativ kann ein einziges mehrstufiges Federelement verwendet werden.
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5 zeigt die Bedieneinheit gemäß 2 bis 4 in einer Schnittansicht durch den Stiel mit Blickrichtung von hinten.
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Offenbart ist eine Bedieneinheit zur Positionierung eines von Aktoren über gelenkig verbundene Segmente anlenkbaren Arbeitspunktes einer mobilen Arbeitsmaschine im dreidimensionalen Raum, die ein in drei Freiheitsgraden auslenkbares Bedienelement hat, wobei jedem dieser Freiheitsgrade einer von Freiheitsgraden des Arbeitspunktes zuordenbar, insbesondere zugeordnet ist.
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Offenbart ist des Weiteren ein Verfahren zur Positionierung eines derartigen Arbeitspunktes, das auf der Auslenkung nur eines Bedienelementes in drei seiner Freiheitsgrade beruht.
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Des Weiteren ist eine mobile Arbeitsmaschine offenbart, die eine Kette von gelenkig verbundenen Segmenten hat, an deren Endabschnitt der Arbeitspunkt angeordnet ist, wobei die Segmente von Aktoren angelenkt sind. Eine Ansteuerung der Aktoren zur Positionierung des Arbeitspunktes ist dabei abhängig von in einer Steuereinheit hinterlegten Kinematik der Segmente und Aktoren, von Auslenkungen des Bedienelements, die Soll-Werten der Geschwindigkeit des Arbeitspunktes in den zugeordneten Freiheitsgraden entsprechen, von erfassten Ist-Werten und von einer ermittelten Regeldifferenz abhängig.
