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Technisches Gebiet
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Diese Patentoffenbarung bezieht sich allgemein auf manuelle Steuervorrichtungen und insbesondere auf manuelle Steuervorrichtung, die haptische Information an einen Nutzer liefern.
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Hintergrund
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Maschinen mit Werkzeugen werden typischerweise durch eine Kombination von Steuervorrichtungen gesteuert. Zum Beispiel kann ein Bediener eine Vorrichtung verwenden, um die Maschine in eine erwünschte Richtung zu bewegen, beispielsweise ein Lenkrad oder ein Bügel, eine andere Vorrichtung, um die Maschine zu beschleunigen oder zu verlangsamen, beispielsweise Pedale oder Hebel, und noch eine andere Vorrichtung, zum Beispiel einen Joystick, um ein Werkzeug der Maschine zu bedienen, wie beispielsweise eine Schaufel oder einen Löffel.
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Wenn Maschinen, wie beispielsweise Bagger, in Betrieb sind, arbeiten sie oft in festgelegten Bereichen und können entweder von unbeweglichen Objekten, wie beispielsweise Gebäudestrukturen, oder von gefährlichen Bedingungen, wie beispielsweise Stromleitungen, umgeben sein. Unter diesen Bedingungen ist es wünschenswert, eine akkurate und genaue Steuerung der Bewegung des Arbeitswerkzeuges beizubehalten, um einen sicheren Maschinenbetrieb sicherzustellen. Aktuell verwenden Maschinen wie Bagger, Kräne und Ähnliches joystickartige Steuervorrichtungen, um die Bewegung ihrer Werkzeuge zu steuern. Diese Joysticks können zwei, drei oder mehr Bewegungsfreiheitsgrade haben, von denen jeder einer bestimmten Richtung oder Bewegungsart des Arbeitswerkzeuges entspricht. Wenn ein Bediener die Steuerung handhabt, kann der Bediener die Steuerung einfach auf verschiedene Weisen bewegen, um die erwünschte Anordnung und Trajektorie bzw. Bewegungsbahn des Arbeitswerkzeuges zu erreichen.
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Wenn solche Maschinen betrieben werden, ist es angezeigt, vorsichtig die Position und Bewegung des Arbeitswerkzeuges zu steuern, so dass ein Übersteuern der Position des Arbeitswerkzeuges vermieden wird. Bis heute wird die vorsichtige Positionierung des Arbeitswerkzeuges durch die Erfahrung und Wahrnehmung des Bedieners bestimmt. Jedoch übersteuern unerfahrene oder unaufmerksame Bediener gelegentlich die Position des Werkzeuges oder Überkompensieren die Kraft, die erforderlich ist, um das Werkzeug zu bewegen, wenn ein Hindernis vorliegt, und platzieren das Werkzeug folglich an einer unerwünschten Stelle. Diese Situationen können aktuell nicht vermieden werden.
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Zusammenfassung
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Eine Maschine weist eine Betätigungsvorrichtung auf, die arbeitet, um ein Werkzeug basierend auf einem Befehl, der von einem Bediener vorgesehen wird, zu bewegen. Der Befehl wird in Form einer Auslenkung eines Griffes einer manuellen Steuervorrichtung durch den Bediener vorgesehen. Die Auslenkung des Griffes kann in einer Betätigungsrichtung des Griffes auftreten. Die Maschine beinhaltet einen variablen Dämpfer, der mit dem Griff assoziiert ist und mit ihm auslenkbar ist. Der variable Dämpfer ist konfiguriert ist, um selektiv eine Steifigkeit ansprechend auf ein Steuersignal zu verändern. Ein Auslenkungssensor ist mit dem variablen Dämpfer assoziiert und ist konfiguriert, um ein Auslenkungssignal vorzusehen, das die Auslenkung des Griffes anzeigt. Eine Steuervorrichtung ist mit dem variablen Dämpfer, der manuellen Steuervorrichtung, dem Auslenkungssensor und der Betätigungsvorrichtung assoziiert. Die Steuervorrichtung ist angeordnet zum Bestimmen eines dann vorliegenden Betriebszustandes der Betätigungsvorrichtung, zum Bestimmen eines Befehls, der an die Betätigungsvorrichtung vorgesehen wird, basierend auf dem Auslenkungssignal, und zum Vorsehen des Steuersignals, um den variable Dämpfer zu versteifen, so dass die Auslenkung des Griffs auf eine zusätzliche Auslenkung des Griffes beschränkt ist, die einer Differenz zwischen dem dann vorliegenden Betriebszustand der Betätigungsvorrichtung und einem maximal zulässigen Betriebszustand der Betätigungsvorrichtung entspricht.
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Gemäß einem weiteren Aspekt beschreibt die Offenbarung ein Verfahren zum Liefern von haptischer Information an einen Bediener einer manuellen Steuervorrichtung für ein System. Die manuelle Steuervorrichtung kann einen Griff aufweisen, der zur Verwendung durch den Bediener ausgelegt ist, um Befehle auszugeben, die in der Form einer Auslenkung des Griffes in einer Betätigungsrichtung vorgesehen werden, wobei das Ausmaß der Auslenkung eine Größe jedes Befehls anzeigt. Das Verfahren beinhaltet selektives Verändern einer Steifigkeit eines variablen Dämpfers, der mit dem Griff assoziiert ist, Bestimmen eines dann vorliegenden Befehls basierend auf der Auslenkung des Griffes, Bestimmen eines maximal möglichen Befehls, der zulässig ist, basierend auf einer Fähigkeit des Systems und Einschränken der Auslenkung des Griffes auf eine zusätzliche Auslenkung des Griffes durch Versteifen des variablen Dämpfers, wenn sich der dann vorliegende Befehl dem maximal möglichen Befehl annähert. In einem Ausführungsbeispiel entspricht die zusätzliche Auslenkung des Griffes einer Differenz zwischen dem dann vorliegenden Befehl und dem maximal möglichen Befehl.
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In noch einem anderen Aspekt beschreibt die Offenbarung eine Vorrichtung, die eine positive Kraft erzeugt, die über wenigstens einen variablen Dämpfer an einer Maschine angebracht ist. Der variable Dämpfer ist konfiguriert, um selektiv seine Steifigkeit ansprechend auf ein Steuersignal zu ändern. Die Vorrichtung ist in einer Richtung der Aufbringung bzw. Anwendung einer Impulskraft durch Komprimierung oder Verlängerung des variablen Dämpfers bewegbar. Die Vorrichtung, die eine positive Kraft erzeugt, beinhaltet einen Auslenkungssensor, der mit dem variablen Dämpfer assoziiert ist und konfiguriert ist, um ein Auslenkungssignal vorzusehen, das eine Auslenkung der Vorrichtung anzeigt. Eine Steuervorrichtung ist mit dem variablen Dämpfer, der Vorrichtung und dem Auslenkungssensor assoziiert. Die Steuervorrichtung sieht selektiv das Steuersignal vor, um die Steifigkeit des variablen Dämpfers zu verändern. Ein Motor spricht auf ein Befehlssignal von der Steuervorrichtung an und hat eine Masse, die mit einer Ausgangswelle des Motors verbunden ist. Die Masse hat einen Schwerpunkt, der relativ zu einer Rotationsachse der Ausgangswelle des Motors versetzt ist. Ein Encoder bzw. Winkelmesser ist konfiguriert, um ein Rotationssignal an die Steuervorrichtung zu liefern, das eine Rotationsposition der Masse relativ zu der Vorrichtung anzeigt. Die Steuervorrichtung ist konfiguriert, um das Befehlssignal an den Motor und das Steuersignal an den variablen Dämpfer zu liefern, und zwar basierend auf dem Rotationssignal und dem Auslenkungssignal, so dass die Impulskraft selektiv entlang einer vorbestimmten Richtung vorgesehen wird.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1–3 sind verschiedene Ansicht einer Maschine gemäß der Offenbarung.
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4 ist ein Blockdiagramm eines Werkzeugsteuersystems für eine Maschine gemäß der Offenbarung.
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5 ist ein Blockdiagramm einer Steuerung gemäß der Offenbarung.
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6 ist ein Zeitablaufdiagramm verschiedener Signale zum Veranschaulichen von Steuerprinzipien für die gerichtete Aufbringung von Kraft gemäß der Offenbarung.
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7 ist ein Blockdiagramm für eine Force-Feedback-Steuerung bzw. Steuerung mit Kraftrückkoppelung gemäß der Offenbarung.
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Detaillierte Beschreibung
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Diese Offenbarung beschreibt ein beispielhaftes Ausführungsbeispiel in Bezug auf eine Maschine mit einem Arbeitswerkzeug. Der Betrieb des Arbeitswerkzeuges kann durch selektive Steuerung von Betätigungsvorrichtungen ausgeführt werden, welche auf Steuersignale von einer Maschinensteuervorrichtung ansprechen. In einem Ausführungsbeispiel ist eine manuelle Steuervorrichtung konfiguriert, um die Betätigungsvorrichtungen ansprechend auf eine Nutzereingabe durch geeignete Auslenkung eines Steuergriffes zu steuern. Der Steuergriff ist konfiguriert zum Vorsehen eines haptischen Feedbacks bzw. einer haptischen Rückkoppelung an den Nutzer oder Bediener, das bzw. die einen Lastzustand oder Betriebszustand der Werkzeugbetätigungsvorrichtungen anzeigt. Die haptische Rückkoppelung kann in Form eines selektiv variablen Widerstandes gegenüber einer Griffauslenkung vorgesehen sein, so dass die Ausgabe von Befehlen, die die dann vorliegenden Leistungsfähigkeiten übersteigen, vermieden wird. Diese haptische Rückkoppelung kann auch eine positive Kraftrückkoppelung aufweisen, die darauf abzielt, den Griff zurückzudrücken, wenn der Griff einen Befehl an die Betätigungsvorrichtungen anzeigt, der die dann vorliegenden Fähigkeiten des Systems überschreitet. Obwohl sich die beschriebenen Ausführungsbeispiele auf die Steuerung eines Maschinenwerkzeuges beziehen, sind die Strukturen und Verfahren, die sich auf die manuelle Steuerungsvorrichtung beziehen, universell auf Anwendungen anwendbar, die Mensch-Maschine-Schnittstellen und -Steuerungen mit sich bringen.
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So wie er hierin verwendet wird, kann sich der Ausdruck ”Maschine” auf jegliche Maschine beziehen, die irgendeine Art von Betrieb ausführt, der mit einer Industrie, wie beispielsweise Bergbau, Bau, Landwirtschaft, Transport, Marine oder jeglicher anderer in der Technik bekannter Industrie assoziiert ist. Zum Beispiel kann, obwohl ein Bagger in bestimmten Figuren gezeigt ist, die Maschine allgemein eine Erdbewegungsmaschine, wie beispielsweise ein Radlader, Bagger, Kipplastwagen, Baggerlader, Motorgrader oder alternativ jegliche andere Art von Maschine sein, wie beispielsweise eine Materialhandhabungsvorrichtung, eine Lokomotive, eine Straßendeckenfertigungsmaschine oder Ähnliches. Auf ähnliche Weise können, obwohl eine beispielhafte Schaufel als das angebrachte Werkzeug des dargestellten Baggers dargestellt ist, jegliche Werkzeuge genutzt und für eine Vielzahl von Aufgaben eingesetzt werden, einschließlich beispielsweise Laden, Verdichten, Anheben, Bürsten bzw. Fegen und können beispielsweise Schaufeln, Verdichter, gabelförmige Hebevorrichtungen, Bürsten bzw. Besen, Greifvorrichtungen, Schneidvorrichtungen, Schervorrichtungen, Schilde bzw. Lamellen, Brechvorrichtungen/Hammer, Schnecken und andere aufweisen.
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Unter Berücksichtigung des oben genannten, ist in 1 ein Bagger 100 zu Veranschaulichungszwecken gezeigt. Der Bagger 100 weist ein Unterfahrgestell 102 und eine obere Struktur 104 auf. Das Unterfahrgestell 102, das auch in 3 gezeigt ist, weist allgemein einen H-förmigen Rahmen 106 auf, der die zwei Raupen 108 entlang ihrer Kanten trägt und weist eine Tragstruktur 110 auf, die ein Hohlrad 112 in der Nähe seines Mittelpunktes trägt. Die Raupen 108 werden durch Ritzel 107 bewegt, die durch hydraulische Antriebsmotoren oder elektrische Antriebsmotoren 109 gedreht werden, die mit dem Rahmen 106 verbunden sind. Das Hohlrad 112 weist eine Vielzahl von Zähnen 114 auf, die entlang seines Innenumfangs angeordnet sind, welche mit einem Antriebsritzel 116 eingreifen, das durch einen Schwenkmotor 118 mit Leistung versorgt wird. Mit Bezug auf 2 ist der Schwenkmotor 118 mit der oberen Struktur 104 verbunden, so dass eine Drehung des Antriebsritzels 116 die relative Drehung bzw. Rotation der oberen Struktur 104 relativ zum Unterfahrgestell 102 bewirkt.
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Nun mit Bezug auf die 1 und 2 weist die obere Struktur 104 einen Ausleger 120 auf, der schenkbar mit einem Rahmen 121 der oberen Struktur verbunden ist und der durch die Verwendung von zwei Auslegerbetätigungsvorrichtungen 122 geschwenkt wird. Ein Arm 124, der üblicherweise auch als ein Vorderausleger bezeichnet wird, ist schwenkbar an einem Ende des Auslegers 120 verbunden und wird durch eine Armbetätigungsvorrichtung 126 geschwenkt. Eine Schaufel 128 ist mit einem Ende des Arms 124 verbunden und wird durch eine Schaufelbetätigungsvorrichtung 130 geschwenkt. Die Auslegerbetätigungsvorrichtungen 122, die Armbetätigungsvorrichtung 126 und die Schaufelbetätigungsvorrichtung 130 sind in den Darstellungen als lineare Hydraulikzylinder verkörpert, welche konfiguriert sind, um durch selektives Einleiten von unter Druck gesetztem Strömungsmittel bzw. Druckströmungsmittel auf einer Seite eines Hydraulikkolbens ausgefahren und zurückgezogen zu werden. Die verschiedenen Funktionen der Maschine 100 können teilweise durch die angemessene Handhabung verschiedener Steuervorrichtungen durch einen Bediener, der eine Kabine 132 belegt, gesteuert werden. Der Schwenkmotor 118 kann durch hydraulische oder elektrische Leistung angetrieben bzw. mit Leistung versorgt werden.
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Ein Blockdiagramm für ein Werkzeugsteuersystem 400 für die Maschine 100 ist in 4 gezeigt. Das Wort ”Werkzeug” wird hier verwendet, um sich allgemein auf jegliche Vorrichtung an der Maschine 100 zu beziehen, die von einer Betätigungsvorrichtung bewegt wird. In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel soll das Werkzeug die Schaufel 128 und die verschiedenen Betätigungsvorrichtungen sein, die vier Bewegungsfreiheitsgrade der Schaufel 128 vorsehen, und zwar der Schwenkmotor 118, der wirksam ist, um den Ausleger 120 und den Arm 124 zusammen mit der Schaufel 128 relativ zum Unterfahrgestell 102 zu drehen, die Auslegerbetätigungsvorrichtungen 122, welche wirksam sind, um den Ausleger 120 anzuheben und abzusenken, die Armbetätigungsvorrichtung 126, die den Arm relativ zum Ausleger schwenkt, und die Schaufelbetätigungsvorrichtung 130, die die Schaufel 128 relativ zum Arm 124 kippt. Es wird klar sein, dass eine Betätigung von sowohl dem Schwenkmotor 118, als auch den Auslegerbetätigungsvorrichtungen 122, als auch der Armbetätigungsvorrichtung 126 und der Schaufelbetätigungsvorrichtung 130 unabhängig eine Drehbewegung oder bogenförmige Bewegung der Schaufel 128 in einer von vier unterschiedlichen Bewegungsbahnen in einem dreidimensionalen Raum verursachen wird.
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Mit Bezug auf das Werkzeugsteuersystem 400, geht ein Befehl, der an jede der zuvor genannten Betätigungsvorrichtungen geliefert wird, der eine Auslenkung des Werkzeuges verursacht, von einer Steuervorrichtung 402 aus. Die Betätigungsvorrichtungen 404, die eine Position und Bewegung eines Maschinenwerkzeuges steuern, sind allgemein in 4 dargestellt. Die Steuervorrichtung 402 kann eine elektronische Steuervorrichtung sein, die konfiguriert ist, um geeignete Signale an Komponenten oder Systeme der Maschine 100 vorzusehen, die arbeiten, um eine Aktivierung bzw. Betätigung jeder Betätigungsvorrichtung 404 zu bewirken. Die Befehlssignale, die von der Steuervorrichtung 402 geliefert werden, basieren auf Befehlssignalen, die von einer manuellen Steuervorrichtung 406 geliefert werden. Information kann durch speziell vorgesehene Betätigungsvorrichtungskommunikationsleitungen 403 an die Betätigungsvorrichtungen geliefert werden, welche mit anderen Betätigungsvorrichtungsaktivierungsvorrichtungen kommunizieren, wie beispielsweise elektromechanischen Hydraulikströmungsmittelventilen und Ähnlichem. Die manuelle Steuervorrichtung 406 kann eine einer Vielzahl von von einem Bediener gesteuerten Vorrichtungen sein, die verwendet wird, um einen Betrieb der Maschine 100 zu steuern. Obwohl eine Vorrichtung 406 veranschaulicht ist, können andere Steuervorrichtungen ebenfalls mit der Steuervorrichtung 402 verbunden sein, sind aber aus Gründen der Einfachheit nicht in der Darstellung von 4 gezeigt.
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Die Steuervorrichtung 402 ist weiter mit anderen Maschinensystemen 408 über eine Kommunikationsleitung 407 verbunden bzw. in Kommunikation. Die anderen Maschinensensoren und -systeme 408 sind allgemein kollektiv als ein einzelner Block in 4 gezeigt und können den Motor oder andere Primärantriebsvorrichtungen der Maschine, Strömungsmittelpumpen, Getriebe und so weiter beinhalten. Solche Vorrichtungen oder Systeme der Maschine können Feedback- bzw. Rückkoppelungsinformation an die Steuervorrichtung 402 vorsehen, die den Betriebszustand jedes Systems oder jeder Komponente anzeigt, und können, in bestimmten Ausführungsbeispielen, Information über das Ausmaß der Leistungsausgabesättigung dieser Systeme beinhalten. Leistungsausgabesättigung soll in diesem Zusammenhang den Anteil einer verfügbaren Leistungsausgabe jeder Vorrichtung relativ zu der Gesamtleistungsausgabefähigkeit dieser Vorrichtung beschreiben.
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Entsprechend kann die Feedbackinformation Signale aufweisen, die die Lastzyklen dieser Systeme, den Grad einer Leistungsausgabe jener Systeme als ein Prozentsatz der Leistungseingabe an jene Systeme, und jegliche andere Information aufweisen, die die Steuervorrichtung 402 liefert. Eine Anzeige der Rate und Größenordnung der Leistungsausgabe ist ein Zustand, der in dem Fall vorzusehen ist, dass ein maximaler Befehl von der manuellen Steuervorrichtung 406 geliefert wird. Wenn zum Beispiel eine schwere Last in der Schaufel 128 angehoben wird, die sich der Hebekapazität der Auslegerbetätigungsvorrichtung 122 annähert, kann das entsprechende Subsystem, dass den Betrieb dieser Betätigungsvorrichtungen überwacht und steuert, eine Anzeige an die Steuervorrichtung 402 vorsehen, dass ein oder mehrere der Auslegerbetätigungsvorrichtungen 122 nahe ihrer Ausgabekraftkapazität ist/sind und kann ein eingeschränktes Ansprechen auf zusätzliche Hebekraftbefehle aufweisen. Ähnliche Anzeigen können für jede der anderen Betätigungsvorrichtungen 404 der Maschine vorgesehen werden, die am Bewegen des Arbeitswerkzeuges der Maschine teilhaben oder beim Durchführen anderen Maschinenfunktionen teilhaben. Diese und andere Information von den Betätigungsvorrichtungen 404 und den Maschinensystemen 408 wird an die Steuervorrichtung 402 über die Betätigungsvorrichtungskommunikationsleitungen 403 und/oder die Kommunikationsleitung 407 geliefert.
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In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel ist die manuelle Steuervorrichtung eine joystickartige Steuereinrichtung mit einem Griff 409, der mit drei haptischen Steuer- und Rückkoppelungsanordnungen 410 verbunden ist. Jede Anordnung 410 weist eine Dämpfervorrichtung 412 mit einer Steifigkeit und/oder einem Bewegungsspielraum auf, die bzw. der ansprechend auf ein Steuersignal eingestellt werden kann, das von der Steuervorrichtung 402 über eine speziell vorgesehene Steuerleitung 414 geliefert wird. In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel ist jede Dämpfervorrichtung 412 ein magnetorheologischen (MR), strömungsmittelbasierter Kraftrückkoppelungsdämpfer. Dämpfer, die magnetorheologische, strömungsmittelbasierte Eigenschaften einsetzen, können typischerweise magnetorheologische Strömungsmittel aufweisen, die durch ein magnetisches Feld gesteuert werden, welches typischerweise durch einen Elektromagneten 416 induziert wird. Auf diese Weise können die Dämpfungscharakteristika eines magnetorheologischen Dämpfers fein durch geeignete Steuerung der Intensität und anderer Charakteristika des Magnetfeldes gesteuert werden. Zum Beispiel kann die Viskosität des magnetorheologischen Strömungsmittels in dem Dämpfer durch Steuerung des Stroms, der an den Elektromagnet geliefert wird, gesteuert werden. In alternativen Ausführungsbeispielen kann jede Dämpfervorrichtung eine Hydraulikkolbenanordnung sein, in der ein einzelner Kolben oder zwei gegenläufige Kolben verschoben wird/werden, wenn Strömungsmittel in Kolbenräume hinein und aus diesen heraus fließt. Der Fluss von Strömungsmittel in den Kolbenraum und aus diesem heraus kann durch ein elektromagnetisches Ventil gesteuert werden, das arbeitet, um selektiv Strömungsmittel zu modulieren, das dort hindurch fließt, und zwar ansprechend auf das Steuersignal, das durch die Steuervorrichtung geliefert wird. Auf diese Weise kann die Steifigkeit jeder Dämpfervorrichtung stufenlos durch die Steuerung des elektromechanischen Ventils gesteuert werden. In der vorliegenden Offenbarung können Dämpfer, die eine Fähigkeit einer variablen Steifigkeit besitzen, allgemein als variable Dämpfer bezeichnet werden, was ein Ausdruck ist, der so betrachtet wird, dass er jegliche Art von Dämpferanordnung umfasst, die eine Fähigkeit zu einer variablen Steifigkeit hat, einschließlich magnetorheologischen, strömungsmittelbasierten Dämpfern oder Hydraulikdämpfern, mit Ventilen zum Modulieren von Strömungsmittelfluss dort hindurch, wie dies beschrieben ist.
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Nun zurückkehrend zum veranschaulichten Ausführungsbeispiel sind verschiedene Arten von magnetorheologischen, strömungsmittelbasierten Dämpfern für eine Verwendung mit den Dämpfervorrichtungen
412 geeignet. Ein Beispiel für einen magnetorheologischen, strömungsmittelbasierten Dämpfer, der zur Verwendung in Fahrzeugaufhängungssystemen geeignet ist, kann im
US-Patent 7,234,575 gefunden werden. Ein weiteres Beispiel eines magnetorheologischen, strömungsmitelbasierten Dämpfers kann im
US-Patent 7,775,333 gefunden werden. Beide dieser beispielhaften Beschreibungen sind hierin durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen.
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In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung kann ein Dämpfer zwei Kammern beinhalten, die durch einen Strömungsmitteldurchlass verbunden sind, der eine vorbestimmte Flusszumessöffnung dazwischen hat. Der Bereich der Flusszumessöffnung kann innerhalb des Wirkbereichs eines Elektromagneten 416 liegen. Stößel bzw. Kolben, die konfiguriert sind, um das Volumen der Kammern zu verändern, wenn sie bewegt werden, können verwendet werden, um Strömungsmittel durch die Zumessöffnung zu drücken, wenn der Dämpfer Kompressions- oder Zugaxialkräfte erfährt. Die Viskosität des magnetorheologischen Strömungsmittels, das durch die Zumessöffnung fließt, welche von der Intensität des Feldes abhängig, das erzeugt wird, wenn Strom durch den Elektromagnet fließt, wird die Kraft bestimmen, die erforderlich ist, um dem Dämpfer zu verschieben. In alternativen Ausführungsbeispielen können andere magnetorheologische, strömungsmittelbasierte Dämpferanordnungen verwendet werden. Zum Beispiel kann das magnetorheologische Strömungsmittel einer Scherbelastung ausgesetzt sein, wenn es zwischen konzentrischen Zylindern angeordnet ist, oder kann innerhalb eines Schwammes aufgenommen sein, der zwischen zwei beweglichen Wänden angeordnet ist. In jedem Fall wird die Kraft, die erforderlich ist um die Scherkörper oder Wände zu bewegen, von der Intensität eines magnetischen Feldes abhängen, das auf einen Teil des Strömungsmittels wirkt. In noch einem weiteren Ausführungsbeispiel kann ein Kolben, der einen Magnet enthält, in Reihe mit einem Elektromagnet innerhalb eines Zylinders angeordnet sein, so dass die Kraft, die erforderlich ist, um den Kolben zu bewegen, von dem Magnetfeld und der Polarität des Elektromagnets abhängt.
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In dem Ausführungsbeispiel, das in 4 veranschaulicht ist, kann jede der Dämpfervorrichtungen 412 konfiguriert sein, um durch Bewegung des Griffes 409 axial komprimiert oder ausgezogen zu werden. Magnete 416, die mit jeder Vorrichtung 412 assoziiert sind, sprechen auf die Signale von der Steuervorrichtung 402 an, die durch Leitungen 414 geliefert werden, um die Kraft zu verändern, die erforderlich ist, um jeden Dämpfer 412 zu verschieben, und können sogar so arbeiten, dass sie selektiv die Bewegung jeder Vorrichtung 412 stoppen, wenn dies erwünscht ist. Jede Vorrichtung 412 weist weiter einen Positionssensor oder Encoder 417 auf, der konfiguriert ist, um ein Rückkoppelungssignal vorzusehen, das den Auslenkungszustand und die Auslenkungsgeschwindigkeit jeder Vorrichtung 412 für die elektronische Steuervorrichtung 402 anzeigt, beispielsweise über die Kommunikationsleitungen 414. Das Ausmaß und die Auslenkung der Vorrichtungen 412 zeigt das Ausmaß und die Geschwindigkeit der Auslenkung des Griffes 409 an, was als eine Anzeige des Ausmaßes und der Geschwindigkeit der Werkzeugbetätigung durch den Bediener gewertet wird.
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In den veranschaulichten Ausführungsbeispielen weist die manuelle Steuervorrichtung 406 weiter eine optionale Summer- oder Schwungmassenanordnung 418 auf. Die Anordnung 418 weist einen Motor 420 mit einem exzentrischen Gewicht 422 auf, das mit einer Ausgangswelle davon verbunden ist, so dass eine Vibration verursacht wird, wenn der Motor 420 in Betrieb ist. Die Frequenz der Vibration hängt von der Drehzahl des Motors 420 ab und die Amplitude hängt von der Masse des Gewichts 422 und/oder der Einstellbarkeit des rotatorischen Trägheitsmoments des Gewichts 422 ab. Ein Wellenencoder 424 kann Information liefern, die die Drehposition des exzentrischen Gewichts 422 relativ zu einer Referenzausrichtung anzeigt. Die Steuerung des Betriebs und der Drehzahl des Motors 420, ebenso wie Information von dem Wellenencoder 424, kann zwischen jenen Vorrichtungen und der elektronischen Steuervorrichtung 402 durch eine Summerkommunikations- und -befehlsleitung 426 ausgetauscht werden. Der Summer 418 ist jedoch optional und kann weggelassen werden. Zum Beispiel können bestimmte Maschinenanwendungen inhärent ein vorbestimmtes oder zufälliges Vibrationsprofil besitzen, dass in der Bedienerkabine und insbesondere im Griff 409 der manuellen Steuervorrichtung wahrnehmbar ist. Solche inhärenten Vibrationen können das Ergebnis einer Motorvibration der Maschine, einer Fortbewegung der Maschine über unebenes Gelände, einer Vibration eines Arbeitswerkzeuges, die zur Kabine übertragen wird oder anderer Vibrationsquellen sein. Beispiele von Arbeitswerkzeugen, die eine Vibration erzeugen können, beinhalten Rüttelvorrichtungen, die auf schwingendem Boden eingesetzt werden oder Asphaltverdichtungsmaschinen, pneumatische Hammer, Förderschnecken und Ähnliches.
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Alternativ kann der Summer als eine andere Struktur verkörpert sein, die konfiguriert ist, um eine Vibration in einer oder mehreren Richtungen zu bewirken. Als ein veranschaulichendes Beispiel kann der Summer eine im Allgemeinen langgestreckte hohle Hülle mit einem Eisen- oder Permanentmagnetelement, das verschiebbar darin angeordnet ist, aufweisen. Elektromagneten sind an jedem Ende der Hülle angeordnet, so dass alternierende Magnetfelder, die von den Magneten erzeugt werden, eine Hin- und Herbewegung des Elementes innerhalb der Hülle erzeugen können. In diesem Beispiel würde eine Vibration, die von dem Summer hervorgerufen wird, im Allgemeinen axial entlang des Hin- und Herbewegungspfades des Elementes sein. In einem Ausführungsbeispiel könnte eine solche axiale Vibration in kollinearer oder anderer Weise, zum Beispiel in Reihe mit dem variablen Dämpfer gekoppelt sein, anstatt dass sie direkt auf den Griff aufgebracht wird. Es wird klar sein, dass, wenn eine Vibrationsvorrichtung an einen spezifischen Dämpfer gekoppelt ist, mehrere solche Vibrationsvorrichtungen verwendet werden können, wobei jede einem bestimmten variablen Dämpfer entspricht, und zwar bei Anwendungen, die mehr als einen variablen Dämpfer haben.
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Ein Blockdiagramm zur manuellen Steuerung 500 mit haptischer Rückkoppelungsfähigkeit ist in dem Blockdiagramm der 5 gezeigt. Die Steuerung 500 kann ein Steueralgorithmus sein, der elektronisch oder mechanisch innerhalb der Steuervorrichtung 402 (4) verkörpert ist, oder eine mechanische Steueranordnung. In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel ist die Steuerung 500 als ein Satz von von einem Computer ausführbaren Instruktionen verkörpert, die in einem greifbaren bzw. physischen, nicht-flüchtigen elektronischen Speichermedium der Steuervorrichtung 402 gespeichert sind. Ein (nicht gezeigter) Prozessor der Steuervorrichtung 402 ist konfiguriert, um auf die Instruktionen zuzugreifen und geeignete Befehle an andere Komponenten und Subsysteme der Steuervorrichtung 402 zu liefern, die angeordnet sind, um digitale Computerbefehle und Signale in analoge oder andere Befehle oder aus diesen umzuwandeln, die von Maschinensystemen und -betätigungsvorrichtungen gesendet und empfangen werden.
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Wie in 5 gezeigt, ist die Steuervorrichtung 500 angeordnet, um Eingaben zu empfangen, die den Betriebszustand der Maschine anzeigen. Insbesondere kann ein Arbeitssignal 502 den Betriebszustand einer Werkzeugbetätigungsvorrichtung anzeigen. Zum Beispiel kann das Arbeitssignal 502 die Last einer bestimmten Betätigungsvorrichtung anzeigen, die am Betrieb eines Werkzeugs der Maschine 100 teilnimmt. Es kann jedoch mehr als eine Betätigungsvorrichtung an der Bewegung eines Werkzeuges teilnehmen. Zum Beispiel wird das Anheben und gleichzeitige Schaufeln und Kippen der Schaufel 128 (1) eine gleichzeitige Beteiligung des Auslegers, Arms und der Schaufelbetätigungsvorrichtungen 122, 126 bzw. 130 erfordern. Das Arbeitssignal 502 kann die Last jeder dieser Betätigungsvorrichtungen anzeigen oder kann alternativ die Last einer (nicht gezeigten) Strömungsmittelpumpe anzeigen, die Hydraulikströmungsmittel kollektiv an diese Betätigungsvorrichtungen liefert. Es sollte klar sein, dass in dem Fall elektrischer, pneumatischer oder anderer Arten von Betätigungsvorrichtungen das Signal 502 die Last jener Systeme anzeigen kann oder von der Vorrichtung, die Leistung an diese Systeme liefert, unabhängig von der Art von Energie, die verwendet wird. In dem Fall eines elektrischen Systems zum Beispiel kann das Arbeitssignal 502 ein Spannungs- und/oder Stromwert sein, der in einer Busschiene, einem Wechselstromgenerator, einer Speicheranordnung und/oder Ähnlichem vorliegt, während in dem Fall pneumatischer Leistung das Arbeitssignal 502 ein Druck und/oder eine Flussrate von Luft sein kann, die durch einen Kompressor geliefert wird.
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Die Steuervorrichtung 500 empfängt weiter ein Begrenzungssignal 504. Das Begrenzungssignal 504 ist optional und wird an anderer Stelle in der Steuervorrichtung 402 (4) (nicht gezeigt) bestimmt, so dass sie den Leistungsausgangssättigungszustand einer oder mehrerer Betätigungsvorrichtungen der Maschine 100 anzeigt. Zum Beispiel kann, in dem Fall einer hydraulischen Kolbenbetätigungsvorrichtung, die Rate, mit der der Hydraulikkolben ausfahren kann, durch die Rate beschränkt sein, mit der die entsprechende Hydraulikpumpe Strömungsmittel an die Betätigungsvorrichtung liefern kann. Somit kann, sogar dann, wenn die Betätigungsvorrichtung nicht ihre volle Bewegung erreicht hat, die Rate, mit der sie ausfahren kann, begrenzt sein. Alternativ kann eine Ausgabesättigung die Kraft der Betätigungsvorrichtung anzeigen. Wieder unter Verwendung der Hydraulikbetätigungsvorrichtung als ein Beispiel, kann die Kraft, die von der Betätigungsvorrichtung aufgebracht wird, durch den maximalen Ausgangsdruck der Hydraulikpumpe beschränkt sein. In dem Fall elektrischer Betätigungsvorrichtungen, kann eine Leistungsausgangssättigung auf ähnliche Weise von dem maximalen Ausgangsstrom und/oder der maximalen Ausgangsspannung einer elektrischen Leistungsquelle abhängen. Diese Arten von Einschränkungen bzw. Begrenzungen können in der Steuervorrichtung 402 überwacht werden, um ein Begrenzungssignal 504 zu liefern, welches als ein Prozentsatz der gesamten möglichen Betätigungsvorrichtungskraft oder Betätigungsrate ausgedrückt werden kann, bei der die bestimmte Betätigungsvorrichtung zu irgendeinem Zeitpunkt arbeitet.
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Die Arbeits- und Begrenzungssignale 502 und 504 werden an eine Überwachungsvorrichtung 506 geliefert, die ein Begrenzungs- bzw. Hemmungssignal 507 ausgibt. Das Hemmungssignal 507, das als ein Verhältnis zwischen Null und Eins ausgedrückt werden kann, stellt den Echtzeit-Betriebszustand einer Betätigungsvorrichtung dar und zeigt die Fähigkeit einer Betätigungsvorrichtung an, auf jeglichen Befehl anzusprechen, der von dem Maschinenbediener gegeben wird, wobei Null anzeigt, dass sich die Betätigungsvorrichtung bereits an ihrem Sättigungspunkt befindet und Eins anzeigt, dass die Betätigungsvorrichtung bereit ist, einen maximalen Befehl zu empfangen und darauf anzusprechen. Die Bestimmung des Hemmungssignals 507 kann von verschiedenen Parametern abhängen, zusätzlich zu den Arbeits- und Begrenzungssignalen 502 und 504, wie beispielsweise einer Zeitkonstante für eine Sprungantwort in der Betätigungsvorrichtung, einer Umgebungstemperatur, einem Maschinenalter und verschiedenen anderen Parametern, die direkt oder indirekt die Fähigkeit der Betätigungsvorrichtung beeinflussen können, auf Befehle zu reagieren.
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Darüber hinaus kann, wenn mehr als eine Betätigungsvorrichtung gleichzeitig überwacht wird, die Überwachungsvorrichtung 506 konfiguriert sein, um zahlreiche Arbeits- und Begrenzungssignale 502 und 504 zu empfangen, von denen jedes einer bestimmten Betätigungsvorrichtung entspricht, die einer Gruppe angehört. In diesem Fall kann die Überwachungsvorrichtung 506 zahlreiche Hemmungssignale 507 ausgeben, die jeder Betätigungsvorrichtung entsprechen, oder kann alternativ das niedrigste Signal als das vorgesehene Hemmungssignal 507 auswählen. Die Auswahl des niedrigsten Signals kann auf vorteilhafte Weise in Maschinen implementiert werden, in denen Gruppen von Betätigungsvorrichtungen auf eine vorbestimmte und koordinierte Weise arbeiten, um einen einzelnen Vorgang durchzuführen.
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Die Steuerung 500 kann weiter Auslenkungssignale 508 aufweisen, die von jedem der Encoder geliefert werden, die mit einer manuellen Steuerung assoziiert sind, beispielsweise den Encodern 417 (4). Die Auslenkungssignale 508 können kollektiv in einem Befehlsprozessor 510 verarbeitet werden, um ein Befehlssignal 511 vorzusehen. Das Befehlssignal 511 zeigt die Art und die Richtung der Bewegung einer oder mehrerer Betätigungsvorrichtungen an, die von dem Maschinenbediener durch Auslenkung einer Steuervorrichtung in drei oder mehr Dimensionen angewiesen werden, beispielsweise durch Bewegen und/oder Drehen des Griffes 409 (4). In einem alternativen Ausführungsbeispiel können die Auslenkungssignale 508 ferner verarbeitet werden, um die Natur, Frequenz und Amplitude einer natürlichen oder induzierten Maschinenvibration zu bestimmen, die auf den Griff 409 übertragen wird. In derartigen Ausführungsbeispielen kann, zum Beispiel wenn eine Funktion wie beispielsweise eine schnelle Fourier-Transformation bzw. FFT (FFT = Fast Fourier Transformation) verwendet werden, um die Frequenz der natürlichen Vibration zu berechnen oder auf andere Weise zu bestimmen, und Begrenzungsschalter können implementiert werden, um die Vibrationsamplitude in Echtzeit zu bestimmen. Diese Information kann verwendet werden, um die Vibration des Griffs zu steuern und zu begrenzen, wenn dies erwünscht ist, und kann ferner ausgenutzt werden, um eine positive Kraftrückkopplung auf den Griff zu induzieren, wie dies nachfolgend beschrieben wird
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Nun wieder mit Bezug auf 5, sind die Hemmungs- und Befehlssignale 507 und 511 vorgesehen, um eine Determinatoren- bzw. Bestimmungsfunktion 512 vorzusehen. Die Bestimmungsfunktion ist so konfiguriert, dass sie in mehreren Dimensionen die Hemmungs- und Befehlssignale 507 und 511 vergleicht, um in Echtzeit zu bestimmen, ob sich die Betätigungsvorrichtung(en), die in einer Funktion mitwirken, in einem Zustand befinden, um auf den Bedienerbefehl zu reagieren oder ob aufgrund bestimmter funktionaler Begrenzungen, der Bedienerbefehl die Fähigkeiten der Maschine übersteigt. Wenn beispielsweise ein Schwenken der oberen Struktur 104 in einer Richtung mit hoher Geschwindigkeit und eine Veränderung der Richtung des Schwenkens ebenfalls mit hohen Geschwindigkeit erwünscht ist, kann der Maschinenbediener versucht sein, rasch den Griff 409 von einer extremen Position auf einer Steuerungsseite zu einer anderen Steuerungsseite zu schwenken. Physisch kann die Maschine Energie dafür aufbringen, die rotierende Struktur zu verlangsamen, bevor die Bewegung in der entgegengesetzten Richtung initiiert wird. Außer der Bediener ist imstande, die Kraft zu bewältigen, die durch die Maschine angewendet wird, um diese Veränderung in der Bewegungsrichtung zu bewerkstelligen, kann der Bediener ein Schwenken erreichen, das langsamer oder schneller ist als die Maschine imstande ist, die Veränderung zu bewerkstelligen, wodurch ein Untersteuern oder Übersteuern der erwünschten Bewegung in der entgegengesetzten Richtung auftritt. Ob das Untersteuern oder Übersteuern auftritt, hängt von der Erfahrung des Bedieners ab und infolgedessen kann ein Verlust bei der Effektivität und/oder Effizienz der Maschinenbedienung auftreten.
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In dem dargestellten Ausführungsbeispiel kann jedoch ein derartiges Untersteuern oder Übersteuern der Maschine, ebenso wie ein potentielles Überlasten der Maschinensysteme durch den Vergleich zwischen den Hemmungs- und Befehlssignalen 507 und 511 in der Bestimmungsfunktion 512 verhindert werden. Insbesondere kann die Bestimmungsfunktion 512 die Bereitschaft jeder Betätigungsvorrichtung bestimmen, einen unterschiedlichen Befehl basierend auf diesem Hemmungssignal 507 der Betätigungsvorrichtung zu empfangen, den Befehl, der tatsächlich durch den Bediener empfangen wird, basierend auf dem Befehlssignal 511 zu prüfen und zu bestimmen, ob die durch den Bediener befohlene Bewegung innerhalb der dann vorhandenen Betriebsfähigkeit der Betätigungsvorrichtung(en) liegt.
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Wenn die Bestimmungsfunktion 512 basierend auf diesem Vergleich zur Schlussfolgerung kommt, dass der Bedienerbefehl innerhalb der Fähigkeit des Systems liegt, wird zugelassen, dass das Befehlssignal zu den Betätigungsvorrichtungen durchgelassen wird und keine Eingriff wird dahingehend vorgenommen. Wenn die Bestimmungsfunktion 512 jedoch zu der Schlussfolgerung kommt, dass das Befehlssignal, wenn dieses zu den Betätigungsvorrichtungen hindurchgelassen werden würde, die Fähigkeiten des Systems übersteigen würde, gibt die Bestimmungsfunktion 512 ein Dämpfungssignal 513 aus. Das Dämpfungssignal 513 ist für die bestimmte Richtung der Bewegung des Griffs 409 (4) zugeschnitten, die einen Befehl an die Betätigungsvorrichtung ergeben würde, der eine Einschränkung bzw. Begrenzung des Befehls, der an diese geliefert wird, erfordert. Das Dämpfungssignal 513 kann im Wert ansteigen je dichter eine Betätigungsvorrichtung an einem Sättigungspunkt der Leistungsausgabe ist.
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In einem Ausführungsbeispiel ist das Dämpfungssignal 513 proportional zu dem Befehl, der an einen Elektromagnet gesendet wird, der Teil eines magnetorheologisch basierten Dämpfers ist, beispielsweise von einer der Vorrichtungen 412 (4). Im Allgemeinen ist das Dämpfungssignal 513 geeignet, um in geeigneter Weise die Steifigkeit eines variablen Dämpfers anzupassen, so dass die Bewegung des Griffs 409, als Repräsentant des Befehls, der an die Betätigungsvorrichtung geliefert wird, innerhalb akzeptabler Betriebsgrenzen der Betätigungsvorrichtung gehalten wird. In einem derartigen Ausführungsbeispiel würde ein Anstieg des Dämpfungssignals 513 durch den Bediener als eine Versteifung der Bewegung der manuellen Steuervorrichtung in der Richtung ansteigender Befehle an die Betätigungsvorrichtung wahrgenommen werden. Diese Versteifung würde durch den Bediener als eine haptische Rückkopplung interpretiert werden, die eine Anzeige für eine Sättigung in der Leistungsausgabebedingung einer Betätigungsvorrichtung bildet, die der Bediener zu befehligen bzw. anzuweisen versucht, so dass sich der Bediener der Tatsache bewusst werden würde, dass sich der Betrieb der Maschine ihren Grenzen annähert. Darüber hinaus würde als praktische Angelegenheit die Versteifung der Steuerung in dieser Richtung ebenfalls die Ausgabe von Bedienerbefehlen, die das System überlasten würden, verhindern oder zumindest minimieren.
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Trotzdem ist es möglich, dass durch die Einwirkung mehrerer Betätigungsvorrichtungen zur gleichen Zeit ein Befehl vorhanden ist, der das System überlasten würde. Für derartige Bedingungen sieht das vorliegende Ausführungsbeispiel eine Rückkopplungsfunktion mit positiver Kraft für die manuelle Steuervorrichtung vor, die in effektiver Weise nicht nur die Bewegung der Steuervorrichtung zu einer Überlastungsbefehlsrichtung hin versteifen würde, sondern ebenfalls eine Kraft vorsehen würde, die dazu neigt, die Steuervorrichtung weg von der Überlastungsbefehlsrichtung zu bewegen. In den dargestellten Ausführungsbeispielen wird die Fähigkeit eine Kraft vorzusehen, die der Kraft des Bedieners entgegenwirkt, welche auf eine manuelle Steuervorrichtung in einer Richtung angewendet wird, die dazu neigt das System zu überlasten, durch eine geeignete Manipulation einer Vibration, die in dem Griff 409 vorhanden ist, vorgesehen, die natürlich während dem Maschinenbetrieb vorhanden sein kann, wie zuvor beschrieben, und/oder künstlich durch eine Vibrationsvorrichtung vorgesehen werden kann, die mit dem Griff 409 assoziiert ist, beispielsweise der Anordnung 41 mit rotierender Masse, wie sie in 4 gezeigt ist.
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Genauer gesagt, ist die Bestimmungsfunktion 512 so konfiguriert, dass sie ein Kraftrückkopplungssignal 526 liefert, wenn bestimmt wird, dass die manuelle Steuervorrichtung bereits eine Position erreicht hat, die zu einer Überlastung einer Betätigungsvorrichtung führen würde. Das Kraftrückkopplungssignal 526 wird an eine Kraftrückkopplungsfunktion 514 geliefert, die ebenfalls konfiguriert ist, um ferner ein exzentrisches Massenausrichtungssignal 524 zu empfangen, das beispielsweise durch den Encoder bzw. Winkelmesser 424 geliefert wird. Das exzentrische Massenausrichtungssignal 524 ist optional und kann durch ein berechnetes, natürliches Vibrationssignal, wie zuvor beschrieben, ersetzt werden. Die Kraftrückkopplungsfunktion 514 ist so konfiguriert, dass sie die Steuerung der einen oder mehreren Dämpfervorrichtungen 412 mit der natürlichen Vibration koordiniert oder, wenn vorhanden, mit der Schwungmassenanordnung 418, so dass eine Nettokraft auf den Griff 409 (4) angewendet wird, die dazu neigt, den Griff in einer bestimmten Richtung weg von einer Richtung zu drücken, in der ein Überlastungsbefehl einer Betätigungsvorrichtung repräsentiert wird. Demgemäß gibt die Kraftrückkopplungsfunktion 514 Signale 516 an jeden der Dämpfer in dem System aus, beispielsweise an die Dämpfervorrichtungen 412. Wenn anwendbar, gibt die Funktion 514 ebenfalls ein exzentrisches Massensteuersignal 518 aus, das ein Motorsignal 520 aufweist, das so konfiguriert ist, dass es eine bestimmte Rotationsrate der exzentrischen Masse befiehlt, das mit einem optionalen Steuersignal 522 gekoppelt ist, das so konfiguriert ist, dass es ein geeignetes Trägheitsmoment für die rotierende Masse einstellt. Das Steuersignal 522 ist optional und kann in den Ausführungsbeispielen verwendet werden, wo die Fähigkeit vorgesehen wird, die Amplitude der Vibration einzustellen, beispielsweise durch Einstellen des Rotationsradius der rotierenden Masse durch einen Schneckenantrieb oder eine andere Vorrichtung.
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Die Ausgabe- und Steuersignale 516 und 518 der exzentrischen Masse können verwendet werden, um selektiv die Richtung und Größe der positiven Kraftrückkoppelung zu steuern, die auf die Steuervorrichtung aufgebracht wird, zum Beispiel den Griff 409 (4). Eine Zeitkurvendarstellung 600, die das Konzept der Erzeugung einer positiven Kraftrückkoppelung unter Verwendung einer exzentrischen Schwungmasse durch koordinierte Steuerung eines magnetorheologischen, strömungsmittelbasierten Dämpfers veranschaulicht, ist in 6 gezeigt. Das Beispiel, das eine Schwungmasse verwendet, ist eine Veranschaulichung zum Zweck der Diskussion, aber es sollte klar sein, dass das Steuerungskonzept, das in Bezug darauf beschrieben wird, auf jeglichen Umstand anwendbar ist, wo eine Vibration in dem Griff 409 vorliegt, unabhängig davon, ob die Vibration natürlich ist oder künstlich erzeugt wird, und ist nicht auf die Verwendung eines Summers eingeschränkt. Die Kurvendarstellung 600 veranschaulicht zu Zwecken der Diskussion zeitlich ausgerichtete Signale. Eine erste Kurve 602 stellt eine Position P der Projektion der Position der Schwungmasse M auf ihrem Durchmesser D ihrer kreisförmigen Trajektorie T dar, und zwar relativ zur Referenz oder Nullposition R. Entsprechend wird die Projektion der Masse M auf den Durchmesser D als eine sinusförmige Welle erscheinen, wenn sie sich um eine Achse dreht. Die Kurve wird Null jedes Mal dann kreuzen, wenn die Masse an diametral entgegengesetzten Positionen ist und auf einem Referenzdurchmesser D' liegt, welcher vorbestimmt ist und bei 90 Grad relativ zum Referenzdurchmesser D liegt, und wird Positionen P1 und P2 einnehmen, wenn sie diametral entgegengesetzte Positionen einnimmt, die auf dem Durchmesser D angeordnet sind. Wie gezeigt kann P1 positiv sein und P2 negativ sein, auch wenn diese Bezeichnungen nur zur Veranschaulichung vorgesehen sind. Die erste Kurve 602 kann erzeugt werden, wenn die Positionsinformation von dem Encoder 424 über die Zeit aufgezeichnet wird. Wie klar sein wird, wird, wenn die Masse M rotiert, die Vibration, die sie erzeugt, einen Vektor V haben, der die Tendenz hat, die Masse in eine kontinuierlich variable Richtung zu ziehen. Daher können, wenn das Vorsehen einer Kraft in eine bestimmte Richtung erwünscht ist, bestimmte Segmente der Trajektorie bzw. Bewegungsbahn der Masse M für eine Verstärkung ausgewählt werden, während die verbleibenden Teile gedämpft werden.
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In der Kurvendarstellung 600 veranschaulicht eine zweite Kurve 604 ein Steuersignal, das an einen variablen Dämpfer geliefert wird, beispielsweise einen magnetorheologischen, strömungsmittelbasierten Dämpfer, der in einer bestimmten Orientierung bzw. Ausrichtung liegt, über die Zeit. Ein Beispiel eines solchen Dämpfers ist die Vorrichtung 412 (4). Im Allgemeinen ist die Steifigkeit des variablen Dämpfers proportional zur Intensität des Signals S. Hier ist der Dämpfer so gezeigt, dass er ein maximales Signal S für den Hauptteil der Zeit empfängt, außer für bestimmte Kraftrückkoppelungsperioden 606, während denen die Schwungmasse M in einer bestimmten Position ist. Wenn das Steuersignal maximal ist, ist der entsprechende Dämpfer steif, um eine Auslenkung des Steuergriffs 409 zu verhindern. Während der Perioden 606 wird das Signal S verringert, so dass es dem Dämpfer gestattet ist, sich zu bewegen und daher wird der Griff in die erwünschte Richtung ausgelenkt. Obwohl ein Rechteckssignal für das Signal S gezeigt ist, können andere Formen verwendet werden. Zum Beispiel kann der Übergang zwischen maximaler und minimaler oder irgendeiner anderen Intensität für das Signal S jegliche erwünschte Form haben, einschließlich einer linearen Beziehung. Die koordinierte Aktivierung des Dämpfers in Bezug auf die Position und Ausrichtung des Kraftvektors V der Schwungmasse M auf diese Weise wird eine direktionale bzw. gerichtete pulsierende positive Rückkoppelungskraft in einer ausgewählten Richtung erzeugen, während Kraft, die in anderen Richtungen aufgebracht wird, gedämpft wird.
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7 ist ein Ausführungsbeispiel für ein Blockdiagramm einer Kraftrückkoppelungssteuerung 528, die unter diesem Prinzip arbeitet. Die Steuerung 528 ist angeordnet, um Information bezüglich der Position und Drehzahl einer Schwungmasse zu empfangen, die mit einer manuellen Steuervorrichtung assoziiert ist, beispielsweise der Schwungmassenanordnung 418. Insbesondere kann die Steuervorrichtung 528 ein Rotationsdrehzahlsignal oder ein Rotationspositionssignal 530 empfangen. In alternativen Ausführungsbeispielen kann die Steuervorrichtung 528 Information in Bezug auf die natürliche Vibration empfangen, die an der Bedienerkabine oder am Griff einer manuellen Steuervorrichtung wahrgenommen wird. Die Steuervorrichtung 528 kann auch eine erwünschte Richtung eines Kraftaufbringungssignals 532 relativ zu der manuellen Steuerung empfangen, ebenso wie ein Positionssignal 534, das die dann vorliegende Position der manuellen Steuerung in Bezug auf die erwünschte Richtung der Kraftaufbringung anzeigt. Diese Information wird an einen Rückkoppelungskraftprozessor 536 geliefert, der die geeigneten Zeitintervalle berechnet, zum Beispiel die Perioden 606 (6), während denen die Steifigkeit von ein oder mehreren variablen Dämpfern, zum Beispiel die Leistung von Magneten in magnetorheologischen, strömungsmittelbasierten Dämpfern oder die Ventileinstellung einem variablen Hydraulikdämpfer, von denen jeder mit der manuellen Steuerung assoziiert sein, eingestellt wird, um eine positive Kraftrückkoppelung an die manuelle Steuerung vorzusehen, wie zuvor beschrieben wurde. In bestimmten Ausführungsbeispielen, zum Beispiel wenn eine lineare oder eindimensionale Vibrationsvorrichtung verwendet wird, wie zuvor beschrieben wurde, muss die Position eines sich hin und her bewegenden Elements nicht gemessen werden und kann basierend auf dem Betrieb der Vibrationsvorrichtung bestimmt werden. Daher können die Steuersignale 538A, 538B und 583C an drei variable Dämpfervorrichtungen geliefert werden, die in drei Dimensionen wirken, um die Kraftrückkoppelung in jeglicher Richtung zu steuern. Obwohl drei solche Signale hier gezeigt sind, können weniger oder mehr als drei verwendet werden, abhängig von der Art der manuellen Steuerung und den Freiheitsgraden, die gemäß der Konstruktion vorgesehen werden sollen. Auf diese Weise kann eine Steuerung, die die mögliche Kraftantwort einer Betätigungsvorrichtung überschritten hat, in eine Position gedrückt werden, die kein Übersteuern der Betätigungsvorrichtung verursachen wird, wenn die Fähigkeit des Systems, auf einen Befehl anzusprechen, wiederhergestellt ist, wie zuvor beschrieben wurde.
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Industrielle Anwendbarkeit
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Die vorliegende Offenbarung ist auf ein weites Feld von Anwendungen anwendbar, in denen ein gerichteter Kraftimpuls während des Betriebs erwünscht ist. In den diskutierten Ausführungsbeispielen wird die variable Steifigkeit und eine positive Kraftrückkoppelung for eine manuelle Steuervorrichtung vorgesehen, wie beispielsweise einen Joystickgriff, der konfiguriert ist, um den Betrieb von Arbeitswerkzeugen in einer Maschine zu steuern. Die variable Steifigkeit stellt sicher, dass die Fähigkeit des Systems nicht überschritten wird, während die positive Kraftrückkoppelung verwendet wird, um den Griff zurück in eine akzeptable Position zu bringen, die der Kraftausgabefähigkeit des Systems entspricht und Übersteuern in dem Fall vermeidet, dass die Systemfähigkeit wiederhergestellt ist.
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Es sollte klar sein, dass die Steuerung der Aufbringung der Kraft von einer natürlichen oder einer herbeigeführten Vibration, beispielsweise von einer, die durch eine Schwungmasse vorgesehen wird, in eine ausgewählte Richtung durch koordinierte Steuerung eines variablen Dämpfers, wie beispielsweise eines magnetorheologischen, strömungsmittelbasierten Dämpfers, in weitem Umfang in anderen Gebieten anwendbar ist, so dass eine haptische Kraftrückkoppelung für eine manuelle Steuerung vorgesehen werden kann. Zum Beispiel kann, obwohl eine Steuerung offenbart wird, die Maschinenwerkzeuge bedient, jegliche andere Art von manueller Steuerung verwendet werden, die in jeglicher anderer Art von Land-Luft- oder Seemaschine verwendet wird. Darüber hinaus können andere Vorrichtungen, wie beispielsweise Spielsteuervorrichtungen oder Fernsteuervorrichtungen, bei denen es erwünscht ist dem Bediener physikalische oder maschinelle Begrenzungen direkt bekannt zu machen, die Systeme und Verfahren, die hierin offenbart sind, verwenden, ohne vom Kern der Offenbarung abzuweichen. Weiter kann die direktionale bzw. gerichtete Aufbringung einer pulsierenden Kraft Anwendung in einem wesentlich größeren Umfang, wie beispielsweise Hydraulikhämmern, unterirdischen Bohrvorrichtungen und Ähnlichem finden.
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Es wird klar sein, dass die vorhergehende Beschreibung Beispiele des offenbarten Systems und der offenbarten Technik vorsieht. Es wird jedoch in Betracht gezogen, dass andere Implementierungen der Offenbarung im Detail von den vorhergehenden Beispielen abweichen können. Alle Bezugnahmen auf die Offenbarung und Beispiele davon sollen sich auf das bestimmte Beispiel beziehen, das an diesem Punkt diskutiert wird und sollen nicht irgendeine Einschränkung des Umfangs der Offenbarung im Allgemeinen darstellen. Jegliche unterscheidende Sprache und Herabsetzung in Bezug auf bestimmte Merkmale soll einen Mangel einer Präferenz für diese Merkmale ausdrücken, aber soll sie nicht vom Umfang der Offenbarung vollständig ausschließen, sofern dies nicht anders angezeigt ist.
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Die Nennung von Wertebereichen hierin soll lediglich als abgekürztes Verfahren dienen, um individuell auf jeden separaten Wert Bezug zu nehmen, der in den Bereich fällt, sofern dies hierin nicht anders angezeigt ist und jeder separate Wert soll in die Beschreibung aufgenommen sein, als wäre er individuell hierin genannt worden. Alle hierin beschriebenen Verfahren können in jeglicher geeigneten Reihenfolge durchgeführt werden, solange dies hierin nicht anders angezeigt ist oder diesem durch den Zusammenhang klar widersprochen wird.
