DE112022003054T5 - System, Verfahren und Programm zur Steuerung einer Arbeitsmaschine - Google Patents

Abstract

Eine Messwerterfassungseinheit erfasst Messwerte von einer Vielzahl von Sensoren. Eine Positions- und Haltungsberechnungseinheit berechnet aus den Messwerten eine aktuelle Haltung des Arbeitswerkzeugs. Eine Sollhaltungsbestimmungseinheit bestimmt eine virtuelle Rotationsachse, basierend auf der berechneten aktuellen Haltung des Arbeitswerkzeugs, wenn eine vorbestimmte Steuerstartbedingung erfüllt ist. Eine Rotationsbetragsberechnungseinheit erzeugt ein Steuersignal des Tiltrotators zum Drehen des Arbeitswerkzeugs von der aktuellen Haltung zu einer Sollhaltung um einen vorbestimmten Betrag um die virtuelle Rotationsachse. Eine Steuersignalausgangseinheit gibt das erzeugte Steuersignal aus.

Description

• Technisches Gebiet
• Die vorliegende Erfindung betrifft ein System, ein Verfahren und ein Programm zur Steuerung einer Arbeitsmaschine.
• Es wird die Priorität der am 30. September 2021 eingereichten japanischen Patentanmeldung Nr. 2021-161174 beansprucht, deren Inhalt hier durch Bezugnahme aufgenommen ist.
• Stand der Technik
• Die Patentliteratur 1 offenbart eine Steuereinheit für eine Baumaschine (Arbeitsmaschine) mit einem kipp- und drehbaren Löffel. Wie zuvor beschrieben, ist eine Arbeitsmaschine bekannt, die mit einer Vielzahl von Rotationsmechanismen ausgestattet ist, die um verschiedene Achsen voneinander drehbar sind und ein Arbeitswerkzeug, wie z.B. einen Löffel, beliebig drehen können.
• Zitationsliste
• Patentliteratur
• [Patentliteratur 1] Ungeprüfte japanische Patentanmeldung, Erstveröffentlichung Nr. 2020- 125 599
• Zusammenfassung der Erfindung
• Technisches Problem
• Im Übrigen ist ein Tiltrotator bekannt, der ein Anbaugerät einer Arbeitsmaschine um drei zueinander orthogonale Achsen drehbar lagert. Durch die Anbringung des Tiltrotators an der Arbeitsmaschine kann das Anbaugeräteelement in jede beliebige Richtung gelenkt werden. Andererseits soll bei Arbeitsmaschinen wie Hydraulikbaggern beim Verladen von Erdreich oder ähnlichem auf die Ladefläche eines Muldenkippers das Verschütten von Erdreich beim Bewegen des Löffels auf die Ladefläche so weit wie möglich vermieden werden. Wie zuvor beschrieben, neigt der mit mehreren Rotationsmechanismen ausgestattete Hydraulikbagger jedoch zum Verschütten von Erdreich, wenn versucht wird, während des Transports zur Ladefläche des Muldenkippers den Löffel in einem Zustand zu bewegen, in dem eine Breitenrichtung (eine Richtung entlang der Zähne) des Löffels nicht horizontal ist. Daher ist es vorzuziehen, die Breitenrichtung des Löffels beim Bewegen des Löffels waagerecht einzustellen.
• Andererseits wird bei einem mit einem Tiltrotator ausgestatteten Hydraulikbagger davon ausgegangen, dass die Öffnungsrichtung des Löffels durch den Rotationsmechanismus des Hydraulikbaggers auf eine Aushubfläche ausgerichtet wird. Im Hinblick auf die Effizienz der Aushubarbeiten wird daher gefordert, dass die Öffnungsrichtung des Löffels vor und nach dem Beladen des Muldenkippers nicht geändert werden soll.
• Somit ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System, ein Verfahren und ein Programm bereitzustellen, die einen Vorgang des Ausrichtens einer zweiten Bezugsrichtung (z.B. die Zahnrichtung eines Löffels) mit einer vorbestimmten Ebene (z.B. einer Fahrzeugkörper-Bezugsebene) vereinfachen kann, ohne eine erste Bezugsrichtung (z.B. eine Öffnungsrichtung des Löffels) eines Arbeitswerkzeugs in einer Arbeitsmaschine zu ändern, wobei das Arbeitswerkzeug von dem Anbaugerät über einen Tiltrotator getragen wird.
• Lösung des Problems
• Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein System zur Steuerung einer Arbeitsmaschine mit einem Anbaugerät, das von einem Fahrzeugkörper getragen wird, einem Tiltrotator, der an einem distalen Ende des Anbaugerätes angebracht ist, und einem Arbeitswerkzeug, das über den Tiltrotator um drei Achsen drehbar gelagert ist, die sich in verschiedenen Ebenen in Bezug auf das Anbaugerät schneiden, bereitgestellt, wobei das System einen Prozessor enthält. Der Prozessor erfasst Messwerte von einer Vielzahl von Sensoren. Der Prozessor errechnet aus den Messwerten eine aktuelle Haltung des Arbeitswerkzeugs. Der Prozessor bestimmt eine virtuelle Rotationsachse, basierend auf der berechneten aktuellen Haltung des Arbeitswerkzeugs, wenn eine vorbestimmte Steuerstartbedingung erfüllt ist. Die Steuereinheit erzeugt ein Steuersignal eines Tiltrotators zum Drehen des Arbeitswerkzeugs aus der aktuellen Haltung in eine Sollhaltung um einen vorgegebenen Betrag um die virtuelle Rotationsachse. Der Prozessor gibt das erzeugte Steuersignal aus.
• Vorteilhafte Auswirkungen der Erfindung
• Gemäß dem obigen Aspekt kann in der Arbeitsmaschine, die das von dem Anbaugerät über den Tiltrotator getragene Arbeitswerkzeug enthält, ein Vorgang zum Ausrichten einer zweiten Bezugsrichtung mit einer vorbestimmten Ebene ohne Änderung einer ersten Bezugsrichtung des Arbeitswerkzeugs vereinfacht werden.
• Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• 1 ist eine schematische Ansicht einer Konfiguration einer Arbeitsmaschine 100 gemäß einer ersten Ausführungsform.
• 2 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration eines Tiltrotators 163 gemäß der ersten Ausführungsform zeigt.
• 3 ist ein Diagramm, das die Konfiguration eines Antriebssystems der Arbeitsmaschine 100 gemäß der ersten Ausführungsform zeigt.
• 4 ist ein schematisches Blockdiagramm, das die Konfiguration einer Steuervorrichtung 200 gemäß der ersten Ausführungsform zeigt.
• 5 ist ein Flussdiagramm, das eine Winkelausrichtungsfunktion gemäß der ersten Ausführungsform zeigt.
• 6 ist ein Diagramm, das Details einer Betätigungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform zeigt.
• 7 ist eine Ansicht, die die Wirkung und den Effekt der Winkelausrichtungsfunktion gemäß der ersten Ausführungsform zeigt.
• 8 ist eine Ansicht, die die Wirkung und den Effekt der Winkelausrichtungsfunktion gemäß der ersten Ausführungsform zeigt.
• Beschreibung der Ausführungsformen
• <Erste Ausführungsform>
• <<Konfiguration der Arbeitsmaschine>>
• Nachfolgend wird eine Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Einzelnen beschrieben.
• 1 ist eine schematische Ansicht einer Konfiguration einer Arbeitsmaschine 100 gemäß einer ersten Ausführungsform. Die Arbeitsmaschine 100 gemäß der ersten Ausführungsform ist z. B. ein Hydraulikbagger. Die Arbeitsmaschine 100 umfasst einen Unterwagen 120, einen Schwenkkörper 140, ein Anbaugerät 160, eine Fahrerkabine 180 und eine Steuervorrichtung 200. Die Arbeitsmaschine 100 gemäß der ersten Ausführungsform wird so gesteuert, dass sich die Zähne des Löffels 164 nicht über die Gestaltungsfläche hinaus bewegen.
• Der Unterwagen 120 trägt die Arbeitsmaschine 100 verfahrbar. Der Unterwagen 120 besteht z. B. aus einem Paar linker und rechter Raupenbänder.
• Der Schwenkkörper 140 wird durch den Unterwagen 120 um eine Mitte schwenkbar gelagert.
• Das Anbaugerät 160 wird durch den Schwenkkörper 140 funktionsfähig abgestützt. Das Anbaugerät 160 wird durch Hydraulikdruck angetrieben. Das Anbaugerät 160 umfasst einen Ausleger 161, einen Arm 162, einen Tiltrotator 163 und einen Löffel 164, der ein Arbeitswerkzeug bildet. Der Basisendabschnitt des Auslegers 161 ist drehbar mit dem Schwenkkörper 140 verbunden. Der Basisendabschnitt des Arms 162 ist drehbar mit dem distalen Endabschnitt des Auslegers 161 verbunden. Der Tiltrotator 163 ist drehbar am distalen Endabschnitt des Arms 162 angebracht. Der Löffel 164 ist an dem Tiltrotator 163 befestigt. Der Löffel 164 ist über den Tiltrotator 163 um drei Achsen drehbar gelagert, die sich in verschiedenen Ebenen in Bezug auf das Anbaugerät 160 schneiden. Dabei wird ein Teil des Schwenkkörpers 140, an dem das Anbaugerät 160 befestigt ist, als vorderer Abschnitt bezeichnet. Darüber hinaus wird in Bezug auf den Schwenkkörper 140 auf der Grundlage des vorderen Abschnitts der gegenüberliegende Teil als hinterer Abschnitt, ein Teil auf der linken Seite als linker Abschnitt und ein Teil auf der rechten Seite als rechter Abschnitt bezeichnet.
• 2 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration des Tiltrotators 163 gemäß der ersten Ausführungsform zeigt. Der Tiltrotator 163 ist am distalen Ende des Arms 162 befestigt, um den Löffel 164 zu stützen. Der Tiltrotator 163 umfasst einen Anbaugeräteabschnitt 1631, einen Kippabschnitt 1632 und einen Rotationsabschnitt 1633. Der Anbaugeräteabschnitt 1631 ist am distalen Ende des Arms 162 so angebracht, dass er um eine Achse drehbar ist, die in der Zeichnung in einer Links-/Rechtsrichtung verläuft. Der Kippabschnitt 1632 ist an dem Anbaugeräteabschnitt 1631 um eine Achse drehbar befestigt, die sich in der Zeichnung in einer Vorwärts-/Rückwärtsrichtung erstreckt. Der Rotationsabschnitt 1633 ist an dem Kippabschnitt 1632 um eine Achse drehbar befestigt, die sich in der Zeichnung in einer Aufwärts-/Abwärtsrichtung erstreckt. Idealerweise stehen die Rotationsachsen des Anbaugeräteabschnitts 1631, des Kippabschnitts 1632 und des Rotationsabschnitts 1633 senkrecht zueinander. Der Basisendabschnitt des Löffels 164 ist fest mit dem Rotationsabschnitt 1633 verbunden. Dementsprechend kann sich der Löffel 164 in Bezug auf den Arm 162 um drei orthogonal zueinander stehende Achsen drehen. In der Realität besteht jedoch die Möglichkeit, dass die Rotationsachsen des Anbaugeräteabschnitts 1631, des Kippabschnitts 1632 und des Rotationsabschnitts 1633 Gestaltungsmöglichkeiten enthalten und nicht orthogonal zueinander sind.
• Die Fahrerkabine 180 ist am vorderen Abschnitt des Schwenkkörpers 140 angeordnet. In der Fahrerkabine 180 befinden sich eine Betätigungsvorrichtung 271, mit der ein Bediener die Arbeitsmaschine 100 bedienen kann, und eine Bildschirmvorrichtung 272, die eine Mensch-Maschine-Schnittstelle der Steuervorrichtung 200 darstellt. Die Betätigungsvorrichtung 271 empfängt eine Eingabe des Betätigungsbetrages eines Fahrmotors 304 von einem Bediener, des Betätigungsbetrages eines Schwenkmotors 305, des Betätigungsbetrages eines Auslegerzylinders 306, des Betätigungsbetrages eines Armzylinders 307, des Betätigungsbetrages eines Löffelzylinders 308, des Betätigungsbetrages eines Kippzylinders 309 und des Betätigungsbetrages eines Drehmotors 310. Die Bildschirmvorrichtung 272 empfängt von einem Bediener eine Eingabe zum Einstellen und Freigeben des Löffelhaltungshaltemodus. Der Löffelhaltungshaltemodus ist ein Modus, in dem die Steuervorrichtung 200 den Löffelzylinder 308, den Kippzylinder 309 und den Drehmotor 310 steuert, um die Haltung des Löffels 164 im globalen Koordinatensystem automatisch zu halten. Die Bildschirmvorrichtung 272 ist z. B. als Computer mit Touchpanel ausgeführt.
• Die Steuervorrichtung 200 steuert den Unterwagen 120, den Schwenkkörper 140 und das Anbaugerät 160 in Abhängigkeit von der Betätigung der Betätigungsvorrichtung 271 durch den Fahrer. Die Steuervorrichtung 200 ist zum Beispiel in der Fahrerkabine 180 angeordnet.
• <<Antriebssystem der Arbeitsmaschine 100>>
• 3 ist ein Diagramm, das die Konfiguration eines Antriebssystems der Arbeitsmaschine 100 gemäß der ersten Ausführungsform zeigt.
• Die Arbeitsmaschine 100 umfasst eine Vielzahl von Aktuatoren zum Antrieb der Arbeitsmaschine 100. Im Einzelnen umfasst die Arbeitsmaschine 100 einen Motor 301, eine Hydraulikpumpe 302, ein Steuerventil 303, ein Paar von Fahrmotoren 304, den Schwenkmotor 305, den Auslegerzylinder 306, den Armzylinder307, den Löffelzylinder 308, den Kippzylinder 309 und den Drehmotor 310.
• Der Motor 301 ist eine Antriebsmaschine, die die Hydraulikpumpe 302 antreibt.
• Die Hydraulikpumpe 302 wird vom Motor 301 angetrieben und versorgt über das Steuerventil 303 den Fahrmotor 304, den Schwenkmotor 305, den Auslegerzylinder 306, den Armzylinder 307 und den Löffelzylinder 308 mit Hydrauliköl.
• Das Steuerventil 303 regelt die Durchflussmenge des von der Hydraulikpumpe 302 an den Fahrmotor 304, den Schwenkmotor 305, den Auslegerzylinder 306, den Armzylinder307 und den Löffelzylinder 308 zu leitende Hydrauliköls.
• Der Fahrmotor 304 wird durch das von der Hydraulikpumpe 302 zugeführte Hydrauliköl angetrieben, um den Unterwagen 120 anzutreiben.
• Der Schwenkmotor 305 wird durch das von der Hydraulikpumpe 302 zugeführte Hydrauliköl angetrieben und bringt den Schwenkkörper 140 in Bezug auf den Unterwagen 120 zum Schwenken.
• Der Auslegerzylinder 306 ist ein Hydraulikzylinder für den Antrieb des Auslegers 161. Der Basisendabschnitt des Auslegerzylinders 306 ist an dem Schwenkkörper 140 befestigt. Der distale Endabschnitt des Auslegerzylinders 306 ist mit dem Ausleger 161 verbunden.
• Der Armzylinder 307 ist ein Hydraulikzylinder für den Antrieb des Arms 162. Der Basisendabschnitt des Armzylinders 307 ist an dem Ausleger 161 befestigt. Der distale Endabschnitt des Armzylinders 307 ist mit dem Arm 162 verbunden.
• Der Löffelzylinder 308 ist ein Hydraulikzylinder für den Antrieb des Tiltrotators 163 und des Löffels 164. Der Basisendabschnitt des Löffelzylinders 308 ist an dem Arm 162 befestigt. Der distale Endabschnitt des Löffelzylinders 308 ist über ein Verbindungselement mit dem Tiltrotator 163 verbunden.
• Der Kippzylinder 309 ist ein Hydraulikzylinder für den Antrieb des Kippabschnitts 1632. Der Basisendabschnitt des Kippzylinders 309 ist mit dem Anbaugeräteabschnitt 1631 verbunden. Der distale Endabschnitt der Stange des Kippzylinders 309 ist mit dem Kippabschnitt 1632 verbunden.
• Der Drehmotor 310 ist ein Hydraulikmotor für den Antrieb des Rotationsabschnitts 1633. Die Halterung und der Stator des Drehmotors 310 sind an dem Kippabschnitt 1632 befestigt. Die Rotationsachse und der Rotor des Drehmotors 310 sind so vorgesehen, dass sie sich in der Zeichnung in Aufwärts-/Abwärtsrichtung erstrecken und an dem Rotationsabschnitt 1633 befestigt sind.
• <<Messvorrichtung der Arbeitsmaschine 100>>
• Die Arbeitsmaschine 100 umfasst eine Vielzahl von Sensoren zur Messung der Haltung, Azimutrichtung und Position der Arbeitsmaschine 100. Im Einzelnen umfasst die Arbeitsmaschine 100 eine Neigungsmessvorrichtung 401, eine Positions- und Azimutrichtungsmessvorrichtung 402, einen Auslegerwinkelsensor 403, einen Armwinkelsensor 404, einen Löffelwinkelsensor 405, einen Neigungswinkelsensor 406 und einen Drehwinkelsensor 407.
• Die Neigungsmessvorrichtung 401misst die Haltung des Schwenkkörpers 140. Die Neigungsmessvorrichtung 401 misst die Neigung (z. B. Rollwinkel, Nickwinkel und Gierwinkel) des Schwenkkörpers 140 in Bezug auf eine horizontale Ebene. Beispiele für die Neigungsmessvorrichtung 401 sind eine inertiale Messeinheit (IMU). In diesem Fall misst die Neigungsmessvorrichtung 401 die Beschleunigung und die Winkelgeschwindigkeit des Schwenkkörpers 140 und berechnet anhand des Messergebnisses die Neigung des Schwenkkörpers 140 in Bezug auf die horizontale Ebene. Die Neigungsmessvorrichtung 401 ist z. B. unterhalb der Fahrerkabine 180 vorgesehen. Die Neigungsmessvorrichtung 401 gibt die Haltungsdaten des Schwenkkörpers 140 als einen Messwert an die Steuervorrichtung 200 aus.
• Die Positions- und Azimutrichtungsmessvorrichtung 402 misst die Position eines repräsentativen Punktes des Schwenkkörpers 140 und eine Azimutrichtung, in die der Schwenkkörper 140 durch ein globales Satellitennavigationssystem (GNSS) ausgerichtet ist. Die Positions- und Azimutrichtungsmessvorrichtung 402 umfasst beispielsweise zwei GNSS-Antennen (nicht dargestellt), die an dem Schwenkkörper 140 angebracht sind, und misst eine Azimutrichtung orthogonal zu einer Geraden, die die Positionen der beiden Antennen als Azimutrichtung verbindet, in die die Arbeitsmaschine 100 weist. Die Positions- und Azimutrichtungsmessvorrichtung 402 gibt Positionsdaten und Azimutdaten des Schwenkkörpers 140, die Messwerte sind, an die Steuervorrichtung 200 aus.
• Der Auslegerwinkelsensor 403 misst einen Auslegerwinkel, der der Winkel des Auslegers 161 in Bezug auf den Schwenkkörper 140 ist. Der Auslegerwinkelsensor 403 kann eine am Ausleger 161 angebrachte IMU sein. In diesem Fall misst der Auslegerwinkelsensor 403 den Auslegerwinkel auf der Grundlage der Neigung des Auslegers 161 gegenüber der Horizontalebene und der Neigung des Schwenkkörpers, die von der Neigungsmessvorrichtung 401 gemessen wird. Der Messwert des Auslegerwinkelsensors 403 zeigt beispielsweise Null an, wenn die Richtung einer durch das Basisende und das distale Ende des Auslegers 161 verlaufenden Geraden mit der Vorwärts-/Rückwärtsrichtung des Schwenkkörpers 140 übereinstimmt. Gemäß einer anderen Ausführungsform kann der Auslegerwinkelsensor 403 ein Hubsensor sein, der am Auslegerzylinder 306 angebracht ist. Darüber hinaus kann der Auslegerwinkelsensor403 gemäß einer anderen Ausführungsform ein Rotationssensor sein, der an einer Gelenkwelle vorgesehen ist, die den Schwenkkörper 140 und den Ausleger 161 drehbar miteinander verbindet. Der Auslegerwinkelsensor 403 gibt Auslegerwinkeldaten, die den Messwert bilden, an die Steuervorrichtung 200 aus.
• Der Armwinkelsensor 404 misst einen Armwinkel, der der Winkel des Arms 162 in Bezug auf den Ausleger 161 ist. Der Armwinkelsensor 404 kann eine am Arm 162 angebrachte IMU sein.
• In diesem Fall misst der Armwinkelsensor 404 den Armwinkel auf der Grundlage der Neigung des Arms 162 in Bezug auf die Horizontalebene und des vom Auslegerwinkelsensor 403 gemessenen Auslegerwinkels. Der Messwert des Armwinkelsensors 404 zeigt z. B. Null an, wenn die Richtung der durch das Basisende und das distale Ende des Arms 162 verlaufenden Geraden mit der Richtung der durch das Basisende und das distale Ende des Auslegers 161 verlaufenden Geraden übereinstimmt. Gemäß einer anderen Ausführungsform kann der Armwinkelsensor 404 einen Winkel berechnen, indem er einen Hubsensor an dem Armzylinder 307 anbringt. Darüber hinaus kann der Armwinkelsensor 404 gemäß einer anderen Ausführungsform ein Rotationssensor sein, der an einer Gelenkwelle vorgesehen ist, die den Ausleger 161 und den Arm 162 drehbar miteinander verbindet. Der Armwinkelsensor 404 gibt die Armwinkeldaten, die den Messwert bilden, an die Steuervorrichtung 200 aus.
• Der Löffelwinkelsensor 405 misst den Löffelwinkel, der der Winkel des Tiltrotators 163 gegenüber dem Arm 162 ist. Der Löffelwinkelsensor 405 kann ein Hubsensor sein, der im Löffelzylinder 308 vorgesehen ist. In diesem Fall misst der Löffelwinkelsensor 405 den Löffelwinkel auf der Grundlage des Hubbetrags des Löffelzylinders 308. Der Messwert des Löffelwinkelsensors 405 zeigt beispielsweise Null an, wenn die Richtung der Geraden durch das Basisende und die Zähne des Löffels 164 mit der Richtung der Geraden durch das Basisende und das distale Ende des Arms 162 übereinstimmt. Im Übrigen kann der Löffelwinkelsensor 405 gemäß einer anderen Ausführungsform ein Rotationssensor sein, der auf einer Gelenkwelle vorgesehen ist, die den Arm 162 und den Anbaugeräteabschnitt 1631 des Tiltrotators 163 drehbar miteinander verbindet. Darüber hinaus kann der Löffelwinkelsensor 405 gemäß einer anderen Ausführungsform eine am Löffel 164 angebrachte IMU sein. Der Löffelwinkelsensor 405 gibt die Löffelwinkeldaten, die den Messwert bilden, an die Steuervorrichtung 200 aus.
• Der Kippwinkelsensor 406 misst einen Kippwinkel, der der Winkel des Kippabschnitts 1632 in Bezug auf den Anbaugeräteabschnitt 1631 des Tiltrotators 163 ist. Der Neigungswinkelsensor 406 kann ein Rotationssensor sein, der in einer Gelenkwelle vorgesehen ist, die den Anbaugeräteabschnitt 1631 und den Kippabschnitt 1632 drehbar miteinander verbindet. Der Messwert des Neigungswinkelsensors 406 zeigt beispielsweise Null an, wenn die Rotationsachse des Arms 162 und die Rotationsachse des Rotationsabschnitts 1633 orthogonal zueinander stehen. Gemäß einer anderen Ausführungsform kann der Neigungswinkelsensor 406 den Winkel durch Anbringen des Hubsensors am Neigungszylinder 309 berechnen. Der Neigungswinkelsensor 406 gibt die Neigungswinkeldaten, die den Messwert bilden, an die Steuervorrichtung 200 aus.
• Der Drehwinkelsensor 407 misst einen Drehwinkel, der der Winkel des Rotationsabschnitts 1633 in Bezug auf den Kippabschnitt 1632 des Tiltrotators 163 ist. Der Drehwinkelsensor 407 kann ein Drehsensor sein, der im Drehmotor 310 vorgesehen ist. Der Messwert des Neigungswinkelsensors 406 zeigt beispielsweise Null an, wenn die Zahnrichtung des Löffels 164 und die Betriebsebene des Anbaugerätes 160 orthogonal zueinander sind. Der Drehwinkelsensor 407 gibt Drehwinkeldaten, die den Messwert bilden, an die Steuervorrichtung 200 aus.
• <<Konfiguration der Steuervorrichtung 200>>
• 4 ist ein schematisches Blockdiagramm, das die Konfiguration der Steuervorrichtung 200 gemäß der ersten Ausführungsform zeigt.
• Die Steuervorrichtung 200 ist ein Computer, der einen Prozessor 210, einen Hauptspeicher 230, einen Speicher 250 und eine Schnittstelle 270 umfasst. Die Steuervorrichtung 200 ist ein Beispiel für ein Steuersystem. Die Steuervorrichtung 200 empfängt Messwerte von der Neigungsmessvorrichtung 401, der Positions- und Azimutrichtungsmessvorrichtung 402, dem Auslegerwinkelsensor 403, dem Armwinkelsensor 404, dem Löffelwinkelsensor 405, dem Neigungswinkelsensor 406 und dem Drehwinkelsensor 407.
• Bei dem Speicher 250 handelt es sich um ein nichttransitorisches, materielles Speichermedium. Als Speicher 250 kommen beispielhaft Magnetplatten, optische Platten, magneto-optische Platten, Halbleiterspeicher und dergleichen in Betracht. Bei dem Speicher 250 kann es sich um interne Medien, die direkt mit einem Bus der Steuervorrichtung 200 verbunden sind, oder um externe Medien, die über die Schnittstelle 270 oder eine Kommunikationsleitung mit der Steuervorrichtung 200 verbunden sind, handeln. Die Betätigungsvorrichtung 271 und die Bildschirmvorrichtung 272 sind über die Schnittstelle 270 mit dem Prozessor 210 verbunden.
• Der Speicher 250 speichert Steuerprogramme zur Steuerung der Arbeitsmaschine 100. Die Steuerprogramme können dazu dienen, einen Teil der Funktionen auszuführen, die die Steuervorrichtung 200 ausführen soll. Zum Beispiel kann das Steuerprogramm in Kombination mit einem anderen, bereits im Speicher 250 gespeicherten Programm oder in Kombination mit einem anderen, in einer anderen Vorrichtung implementierten Programm arbeiten. In einer anderen Ausführungsform kann die Steuervorrichtung 200 zusätzlich oder anstelle der obigen Konfiguration eine kundenspezifische großintegrierte Schaltung (LSI) wie eine programmierbare Logikeinheit (PLD) enthalten. Als PLD können beispielsweise eine programmierbare Array-Logik (PAL), eine generische Array-Logik (GAL), eine komplexe programmierbare Logikvorrichtung (CPLD) und ein feldprogrammierbares Gate-Array (FPGA) verwendet werden. In diesem Fall können einige oder alle Funktionen des Prozessors durch die integrierte Schaltung realisiert werden.
• Im Speicher 250 werden geometrische Daten gespeichert, die die Abmessungen und Positionen der Mitte des Schwenkkörpers 140, des Auslegers 161, des Arms 162 und des Löffels 164 darstellen. Bei den geometrischen Daten handelt es sich um Daten, die eine Position eines Objekts in einem vorgegebenen Koordinatensystem darstellen. Darüber hinaus werden in dem Speicher 250 Gestaltungsflächendaten aufgezeichnet, bei denen es sich um dreidimensionale Daten handelt, die eine Form der Gestaltungsfläche einer Baustelle im globalen Koordinatensystem darstellen. Das globale Koordinatensystem ist ein Koordinatensystem, das aus einer X_g Achse, die sich in einer Breitenrichtung erstreckt, einer Y_g Achse, die sich in einer Längsrichtung erstreckt, und einer Z_g Achse, die sich in einer vertikalen Richtung erstreckt, besteht. Die Gestaltungsflächendaten werden beispielsweise durch TIN-Daten (Triangular irregulär Networks Data) dargestellt.
• <<Software-Konfiguration>>
• Der Prozessor 210 führt das Steuerprogramm aus und umfasst eine Betriebssignalerfassungseinheit 211, eine Eingabeeinheit 212, eine Anzeigesteuereinheit 213, eine Messwerterfassungseinheit 214, eine Positions- und Haltungsberechnungseinheit 215, eine Eingriffsbestimmungseinheit 216, eine Steuersignalausgangseinheit 218, eine Sollhaltungsbestimmungseinheit 219 und eine Rotationsbetragsberechnungseinheit 220.
• Die Betriebssignal-Erfassungseinheit 211 erfasst ein Betriebssignal, das einen Betätigungsbetrag jedes Aktuators von der Betätigungsvorrichtung 271 anzeigt.
• Die Eingabeeinheit 212 empfängt eine Bedienungseingabe des Bedieners von der Bildschirmvorrichtung 272.
• Die Anzeigesteuereinheit 213 gibt die auf der Bildschirmvorrichtung 272 anzuzeigenden Bildschirmdaten an die Bildschirmvorrichtung 272 aus.
• Die Messwerterfassungseinheit 214 erfasst die Messwerte der Neigungsmessvorrichtung 401, der Positions- und Azimutrichtungsmessvorrichtung 402, des Auslegerwinkelsensors 403, des Armwinkelsensors 404, des Löffelwinkelsensors 405, des Neigungswinkelsensors 406 und des Drehwinkelsensors 407.
• Die Positions- und Haltungsberechnungseinheit 215 berechnet die Position der Arbeitsmaschine 100 im globalen Koordinatensystem und in einem Fahrzeugkörper-Koordinatensystem auf der Grundlage verschiedener Messwerte, die von der Messwerterfassungseinheit 214 erfasst werden, und der im Speicher 250 gespeicherten geometrischen Daten. Die Positions- und Haltungsberechnungseinheit 215 berechnet beispielsweise die Positionen der Zähne des Löffels 164 im globalen Koordinatensystem und im Fahrzeugkörper-Koordinatensystem. Das Fahrzeugkörper-Koordinatensystem ist ein kartesisches Koordinatensystem, dessen Ursprung ein repräsentativer Punkt (z. B. ein Punkt, der durch die Mitte des Schwenkkörpers geht) des Schwenkkörpers 140 ist. Die Berechnung durch die Positions- und Haltungsberechnungseinheit 215 wird später beschrieben.
• Die Eingriffsbestimmungseinheit 216 bestimmt auf der Grundlage der Positionsbeziehung zwischen den von der Positions- und Haltungsberechnungseinheit 215 berechneten Positionen der Zähne des Löffels 164 und der durch die Gestaltungsflächendaten angegebenen Gestaltungsfläche, ob die Geschwindigkeit des Anbaugeräts 160 begrenzt werden soll oder nicht. Im Folgenden wird die Begrenzung der Geschwindigkeit des Anbaugerätes 160 durch die Steuervorrichtung 200 auch als Eingriffssteuerung bezeichnet. Insbesondere berechnet die Eingriffssteuereinheit 216 den kürzesten Abstand zwischen der Gestaltungsfläche und dem Löffel 164 und bestimmt, dass die Eingriffssteuerung des Anbaugeräts 160 in einem Fall durchgeführt wird, in dem der kürzeste Abstand gleich oder kleiner als ein vorgegebener Abstand ist. Konkret dreht und konvertiert die Eingriffsbestimmungseinheit 216 die im Speicher 250 aufgezeichneten Gestaltungsflächendaten, basierend auf den Messwerten der Neigungsmessvorrichtung 401 und der Positions- und Azimutrichtungsmessvorrichtung 402, und wandelt die im globalen Koordinatensystem dargestellte Position der Gestaltungsfläche in eine Position im Fahrzeugkörper-Koordinatensystem um. Die Eingriffssteuereinheit 216 gibt als Steuerpunkt den Umrisspunkt mit dem geringsten Abstand zur Gestaltungsfläche aus der Vielzahl der Umrisspunkte des Löffels 164 vor. Die Eingriffssteuereinheit 216 legt eine Fläche (Polygon) fest, die in den Daten der Gestaltungsfläche senkrecht unter dem Steuerpunkt liegt. Die Eingriffssteuereinheit 216 berechnet eine erste Gestaltungslinie, die eine Schnittlinie zwischen einer Ebene parallel zur X_bk-Z_bk-Ebene des Löffel-Koordinatensystems, die durch den Steuerpunkt verläuft, und der angegebenen Ebene ist. Die Eingriffssteuereinheit 216 bestimmt, ob der Abstand zwischen dem Steuerpunkt und der ersten Gestaltungslinie gleich oder kleiner als ein Eingriffsschwellenwert ist oder nicht.
• Die Steuersignalausgangseinheit218 gibt den von der Betriebssignalerfassungseinheit 211 erfassten Betätigungsbetrag oder das Steuersignal jedes Aktuators (des Löffelzylinders 308, des Kippzylinders 309 und des Drehmotors 310) gemäß den von der Rotationsbetragsberechnungseinheit 220 berechneten Sollwerten an das Steuerventil 303 aus.
• Die Funktionen der Sollhaltungsbestimmungseinheit 219 und der Rotationsbetragsberechnungseinheit 220 werden bei der Beschreibung einer Winkelausrichtungsfunktion weiter unten detailliert beschrieben.
• <<Berechnung durch die Positions- und Haltungsberechnungseinheit 215>>
• Im Folgenden wird ein Verfahren zur Berechnung der Position des Punktes auf der Außenhaut der Arbeitsmaschine 100 durch die Positions- und Haltungsberechnungseinheit 215 beschrieben. Die Positions- und Haltungsberechnungseinheit 215 berechnet die Position des Punktes auf der Außenhülle auf der Grundlage verschiedener Messwerte, die von der Messwerterfassungseinheit 214 erfasst werden, und den in dem Speicher 250 gespeicherten geometrischen Daten. In dem Speicher 250 sind geometrische Daten gespeichert, die die Abmessungen des Schwenkkörpers 140, des Auslegers 161, des Arms 162, des Tiltrotators 163 (Anbaugeräteabschnitt 1631, Kippabschnitt 1632 und Rotationsabschnitt 1633) und des Löffels 164 darstellen.
• Die geometrischen Daten des Schwenkkörpers 140 geben die mittlere Position (x_bm, y_bm, z_bm) der Gelenkwelle, durch die der Schwenkkörper 140 den Ausleger abstützt, im Fahrzeugkörper-Koordinatensystem an, das das lokale Koordinatensystem ist. Das Fahrzeugkörper-Koordinatensystem ist ein Koordinatensystem, das sich aus einer X_sb-Achse in Vorwärts-/Rückwärtsrichtung, einer Y_sb-Achse in Links-/Rechtsrichtung und einer Z_sb-Achse in Aufwärts-/Abwärtsrichtung zusammensetzt, wobei die Schwenkmitte des Schwenkkörpers 140 als Referenz dient. Die Aufwärts-/Abwärtsrichtung des Schwenkkörpers 140 fällt nicht unbedingt mit der vertikalen Richtung zusammen.
• Die geometrischen Daten des Auslegers 161 geben die Position (x_am, y_am, z_am) der Gelenkwelle an, durch die der Ausleger 161 den Arm 162 im Auslegerkoordinatensystem abstützt, das das lokale Koordinatensystem ist. Das Ausleger-Koordinatensystem ist ein Koordinatensystem, das sich aus einer X_bm-Achse, die sich in einer Längsrichtung erstreckt, einer Y_bm-Achse, die sich in einer Richtung erstreckt, in der sich die Gelenkwelle erstreckt, und einer Z_bm-Achse, die orthogonal zur X_bm-Achse und zur Y_bm-Achse verläuft, zusammensetzt, wobei eine mittlere Position der Gelenkwelle, die den Schwenkkörper 140 und den Ausleger 161 verbindet, als Referenz dient.
• Die geometrischen Daten des Arms 162 geben die Position (x_t1, y_t1, z_t1) der Gelenkwelle, durch die derArm 162 den Anbaugeräteabschnitt 1631 des Tiltrotators 163 abstützt, in dem Arm-Koordinatensystem an, das das lokale Koordinatensystem ist. Das Arm-Koordinatensystem ist ein Koordinatensystem, das sich aus einer X_am-Achse, die sich in einer Längsrichtung erstreckt, einer Y_am-Achse, die sich in einer Richtung erstreckt, in der sich die Gelenkwelle erstreckt, und einer Z_am-Achse, die orthogonal zur X_am-Achse und zur Y_am-Achse verläuft, zusammensetzt, wobei eine mittlere Position der Gelenkwelle, die den Ausleger 161 und den Arm 162 verbindet, als Referenz dient.
• Die geometrischen Daten des Anbaugeräteabschnitts 1631 des Tiltrotators 163 geben die Position (x_t2, y_t2, z_t2) der Gelenkwelle, an der der Anbaugeräteabschnitt 1631 den Kippabschnitt 1632 trägt, und die Neigung (φ_t) der Gelenkwelle in dem ersten Kipp-Dreh-Koordinatensystem an, das das lokale Koordinatensystem ist. Die Neigung φ_t der Gelenkwelle ist ein Winkel, der mit einem Konstruktionsfehler des Tiltrotators 163 zusammenhängt und durch Kalibrierung des Tiltrotators 163 oder dergleichen ermittelt wird. Das erste Kipp-Dreh-Koordinatensystem ist ein Koordinatensystem, das aus einer Y_t1-Achse, die sich in einer Richtung erstreckt, in der sich die Gelenkwelle, die den Arm 162 und den Anbaugeräteabschnitt 1631 verbindet, erstreckt, einer Z_t1-Achse, die sich in einer Richtung erstreckt, in der sich die Gelenkwelle, die den Anbaugeräteabschnitt 1631 und den Kippabschnitt 1632 verbindet, erstreckt, und einer X_t1-Achse orthogonal zur Y_t1-Achse und zur Z_t1-Achse gebildet ist, wobei die mittlere Position der Gelenkwelle, die den Arm 162 und den Anbaugeräteabschnitt 1631 verbindet, als Referenz dient.
• Die geometrischen Daten des Kippabschnitts 1632 des Tiltrotators 163 geben die distale Endposition (x_t3, yt₃, z_t3) der Rotationsachse des Rotationsmotors 310 und eine Neigung (φ_r) der Rotationsachse in dem zweiten Kipp-Dreh-Koordinatensystem an, das das lokale Koordinatensystem ist. Die Neigung φ_r der Rotationsachse ist ein Winkel, der mit einem Konstruktionsfehler des Tiltrotators 163 zusammenhängt und durch Kalibrierung des Tiltrotators 163 oder dergleichen erhalten wird. Das zweite Kipp-Dreh-Koordinatensystem ist ein Koordinatensystem, das sich aus einer X_t -Achse, die sich in einer Richtung erstreckt, in der sich die Gelenkwelle, die den Anbaugeräteabschnitt 1631 und den Kippabschnitt 1632 verbindet, erstreckt, einer Z_t2-Achse, die sich in einer Richtung erstreckt, in der sich die Rotationsachse des Rotationsmotors 310 erstreckt, und einer Y_t2-Achse orthogonal zur X_t2-Achse und zur Z_t2-Achse zusammensetzt, wobei die mittlere Position der Gelenkwelle, die den Anbaugeräteabschnitt 1631 und den Kippabschnitt 1632 verbindet, als Referenz dient.
• Die geometrischen Daten des Rotationsabschnitts 1633 des Tiltrotators 163 geben die Mitte (x_t4, y_t4, z_t4) der Anbaugerätefläche des Löffels 164 im dritten Kipp-Dreh-Koordinatensystem an, das das lokale Koordinatensystem ist. Das dritte Kipp-Dreh-Koordinatensystem ist ein Koordinatensystem, das sich aus einer Z_t3-Achse, die sich in einer Richtung erstreckt, in der sich die Rotationsachse des Rotationsmotors 310 erstreckt, und einer X_t3-Achse und einer Y_t3-Achse orthogonal zur Rotationsachse zusammensetzt, wobei die mittlere Position der Befestigungsfläche des Löffels 164 als Referenz dient. Der Löffel 164 ist so an dem Rotationsabschnitt 1633 befestigt, dass die Zähne parallel zur Y_t3-Achse verlaufen.
• Die geometrischen Daten des Löffels 164 geben die Positionen (x_bk, y_bk, z_bk) der Vielzahl von Umrisspunkten des Löffels 164 im dritten Kipp-Dreh-Koordinatensystem an. Beispiele für die Umrisspunkte sind die Positionen der beiden Enden und der Mitte der Zähne des Löffels 164, die Positionen der beiden Enden und der Mitte des Bodenabschnitts des Löffels 164 und die Positionen der beiden Enden und der Mitte der Hinterendenabschnitts des Löffels 164.
• Die Positions- und Haltungsberechnungseinheit 215 erzeugt eine Ausleger-Fahrzeugkörper-Umrechnungsmatrix T^bm _sb zur Umrechnung vom Ausleger-Koordinatensystem in das Fahrzeugkörper-Koordinatensystem unter Verwendung des folgenden Ausdrucks (1), basierend auf dem von der Messwerterfassungseinheit 214 erfassten Messwert des Auslegerwinkels θ_bm und den geometrischen Daten des Schwenkkörpers 140. Die Ausleger-Fahrzeugkörper-Umrechnungsmatrix T^bm _sb ist eine Matrix für die Rotation um die Y_bm-Achse um den Auslegerwinkel θ_bm und die Verschiebung um die Abweichung (x_bm, y_bm, z_bm) zwischen dem Ursprung des Fahrzeugkörper-Koordinatensystems und dem Ursprung des Ausleger-Koordinatensystems.
  [Ausdruck 1] $$T_{sb}^{bm}=\left[\begin{array}{cccc}\text{cos}{\theta }_{bm}& 0& \text{sin}{\theta }_{bm}& x_{bm}\\ 0& 1& 0& y_{bm}\\ -\text{sin}{\theta }_{bm}& 0& \text{cos}{\theta }_{bm}& z_{bm}\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$$

  
• Die Positions- und Haltungsberechnungseinheit 215 erzeugt eine Arm-Ausleger-Umrechnungsmatrix T^am _bm zur Umrechnung vom Arm-Koordinatensystem in das Ausleger-koordinatensystem unter Verwendung des folgenden Ausdrucks (2), basierend auf dem von der Messwerterfassungseinheit 214 erfassten Messwert des Armwinkels θ_am und den geometrischen Daten des Auslegers 161. Die Arm-Ausleger-Umrechnungsmatrix T^am _bm ist eine Matrix für die Rotation um die Y_am-Achse um den Armwinkel θ_am und die Verschiebung um die Abweichung (x_am, y_am, z_am) zwischen dem Ursprung des Ausleger-Koordinatensystems und dem Ursprung des Arm-Koordinatensystems. Darüber hinaus berechnet die Positions- und Haltungsberechnungseinheit 215 ein Produkt aus der Ausleger-Fahrzeugkörper-Umrechnungsmatrix T^bm _sb und der Arm-Ausleger-Umrechnungsmatrix T^am _bm, um die Arm-Fahrzeugkörper-Umrechnungsmatrix T^am _sb für die Umrechnung vom Arm-Koordinatensystem in das Fahrzeugkörper-Koordinatensystem zu erzeugen.
  [Ausdruck 2] $$T_{bm}^{am}=\left[\begin{array}{cccc}\text{cos}{\theta }_{am}& 0& \text{sin}{\theta }_{am}& x_{am}\\ 0& 1& 0& y_{am}\\ -\text{sin}{\theta }_{am}& 0& \text{cos}{\theta }_{am}& z_{am}\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$$

  
• Die Positions- und Haltungsberechnungseinheit 215 erzeugt eine erste Kipp-Arm-Umrechnungsmatrix T^t1 _am zur Umrechnung vom ersten Kipp-Dreh-Koordinatensystem in das Arm-Koordinatensystem unter Verwendung des folgenden Ausdrucks (3), basierend auf dem von der Messwerterfassungseinheit 214 erfassten Messwert des Löffelwinkels θ_bk und den geometrischen Daten des Arms 162. Die erste Kipp-Arm-Umrechnungsmatrix T^t1 _am ist eine Matrix, die sich um die Achse Y_t1 um den Löffelwinkel θ_bk dreht, sich um die Abweichung (x_t1, y_t1, z_t1) zwischen dem Ursprung des Arm-Koordinatensystems und dem Ursprung des ersten Kipp-Dreh-Koordinatensystems verschiebt und sich ferner um die Neigung φ_t der Gelenkwelle des Kippabschnitts 1632 kippt. Darüber hinaus berechnet die Positions- und Haltungsberechnungseinheit 215 ein Produkt aus der Arm-Fahrzeugkörper-Umrechnungsmatrix T^am _sb und der ersten Kipp-Arm-Umrechnungsmatrix T^t1 _am, um die erste Kipp-Fahrzeugkörper-Umrechnungsmatrix T^t1 _sb für die Umwandlung vom ersten Kipp-Dreh-Koordinatensystem in das Fahrzeugkörper-Koordinatensystem zu erzeugen.
  [Ausdruck 3] $$T_{am}^{t1}=\left[\begin{array}{cccc}\text{cos}\left({\theta }_{bk}-{\varphi }_t\right)& 0& \text{sin}\left({\theta }_{bk}-{\varphi }_t\right)& x_{t1}\\ 0& 1& 0& y_{t1}\\ -\text{sin}\left({\theta }_{bk}-{\varphi }_t\right)& 0& \text{cos}\left({\theta }_{bk}-{\varphi }_t\right)& z_{t1}\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$$

  
• Die Positions- und Haltungsberechnungseinheit 215 erzeugt eine zweite Kipp-erste Kipp-Umrechnungsmatrix T^t2 _t1 zur Umrechnung vom ersten Kipp-Dreh-Koordinatensystem in das zweite Kipp-Dreh-Koordinatensystem unter Verwendung des folgenden Ausdrucks (4), basierend auf dem von der Messwerterfassungseinheit 214 erfassten Messwert des Tiltwinkels θ_t und den geometrischen Daten des Tiltrotators 163. Die zweite Kipp-erste Kipp-Umrechnungsmatrix T^t2 _t1 ist eine Matrix, die sich um die X_t2-Achse um den Kippwinkel θ_t dreht, sich um die Abweichung (x_t2, y_t2, z_t2) zwischen dem Ursprung des ersten Kipp-Dreh-Koordinatensystems und dem Ursprung des zweiten Kipp-Dreh-Koordinatensystems verschiebt und sich ferner um die Neigung φ_r der Rotationsachse des Rotationsabschnitts 1633 neigt. Darüber hinaus berechnet die Positions- und Haltungsberechnungseinheit 215 ein Produkt der ersten Kipp-Fahrzeugkörper-Umrechnungsmatrix T^t1 _sb und der zweiten Kipp-ersten Kipp-Umrechnungsmatrix T^t2 _t1, um die zweite Kipp-Fahrzeugkörper-Umrechnungsmatrix T^t2 _sb zur Umwandlung vom zweiten Kipp-Dreh-Koordinatensystem in das Fahrzeugkörper-Koordinatensystem zu erzeugen.
  [Ausdruck 4] $$T_{t1}^{t2}=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& x_{t2}\\ 0& \text{cos}{\theta }_t& -\text{sin}{\theta }_t& y_{t2}\\ 0& \text{sin}{\theta }_t& \text{cos}{\theta }_t& z_{t2}\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cccc}\text{cos}{\varphi }_r& 0& \text{sin}{\varphi }_r& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ -\text{sin}{\varphi }_r& 0& \text{cos}{\varphi }_r& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$$

  
• Die Positions- und Haltungsberechnungseinheit 215 erzeugt eine dritte Kipp-zweite Kipp-Umrechnungsmatrix T^t3 _t2 zur Umwandlung vom zweiten Kipp-Dreh-Koordinatensystem in das dritte Kipp-Dreh-Koordinatensystem unter Verwendung des folgenden Ausdrucks (5), basierend auf dem von der Messwerterfassungseinheit 214 erfassten Messwert des Drehwinkels θ_r und den geometrischen Daten des Tiltrotators 163. Die dritte Kipp-zweite Kipp-Umrechnungsmatrix T^t3 _t2 ist eine Matrix, die um die Z_t3-Achse um den Drehwinkel θ_r dreht und um die Abweichung (x_t3, yt₃, z_t3) zwischen dem Ursprung des zweiten Kipp-Dreh-Koordinatensystems und dem Ursprung des dritten Kipp-Dreh-Koordinatensystems verschiebt. Darüber hinaus berechnet die Positions- und Haltungsberechnungseinheit 215 ein Produkt aus der zweiten Kipp-Fahrzeugkörper-Umrechnungsmatrix T^t2 _sb und der dritten Kipp-zweiten Kipp-Umrechnungsmatrix T^t3 _t2, um die dritte Kipp-Fahrzeugkörper-Umrechnungsmatrix T^t3 _sb für die Umrechnung vom dritten Kipp-Dreh-Koordinatensystem in das Fahrzeugkörper-Koordinatensystem zu erzeugen.
  [Gleichung 5] $$T_{t2}^{t3}=\left[\begin{array}{cccc}\text{cos}{\theta }_r& -\text{sin}{\theta }_r& 0& x_{t3}\\ \text{sin}{\theta }_r& \text{cos}{\theta }_r& 0& y_{t3}\\ 0& 0& 1& z_{t3}\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$$

  
• Die Positions- und Haltungsberechnungseinheit 215 kann die Positionen der Vielzahl von Umrisspunkten des Löffels 164 im Fahrzeugkörper-Koordinatensystem berechnen, indem sie die Summe der mittleren Positionen (x_t4, y_t4, z_t4) der Anbaugerätefläche des Löffels 164 und der Positionen (x_bk, y_bk, z_bk) der Vielzahl von Umrisspunkten im dritten Kipp-Dreh-Koordinatensystem, die durch die geometrischen Daten des Löffels 164 angegeben sind, und des Produkts der mittleren Positionen (x_t4, y_t4, z_t4) und der dritten Kipp-Fahrzeugkörper-Umrechnungsmatrix T^bk _sb berechnet.
• Der Winkel der Zähne des Löffels 164 in Bezug auf die Bodenebene der Arbeitsmaschine 100, d.h. der Winkel, der durch die X_ab-Y_ab Ebene des Fahrzeugkörper-Koordinatensystems und die Y_t3-Achse des dritten Kipp-Dreh-Koordinatensystems gebildet wird, wird übrigens durch den Auslegerwinkel θ_bm, den Armwinkel θ_am, den Löffelwinkel θ_bk, den Kippwinkel θ_t und den Drehwinkel θ_r bestimmt. Dementsprechend gibt die Positions- und Haltungsberechnungseinheit 215, wie in 1 dargestellt, das Löffel-Koordinatensystem ausgehend vom Basisendabschnitt des Löffels 164 an, d.h. der mittleren Position der Anbaugerätefläche des Löffels 164 im Tiltrotator 163. Das Löffel-Koordinatensystem ist ein kartesisches Koordinatensystem mit einer X_bk-Achse, die sich in eine Richtung erstreckt, in die die Zähne des Löffels 164 weisen, einer Y_bk-Achse, die orthogonal zur X_bk-Achse ist und sich entlang der Zähne des Löffels 164 erstreckt, und einer Z_bk-Achse, die orthogonal zur X_bk-Achse und der Y_bk-Achse verläuft. Im Folgenden wird die X_bk-Achse auch als Löffelneigungsachse, die Y_bk-Achse auch als Löffelnickachse und die Z_bk-Achse auch als Löffelrotationsachse bezeichnet. Die Löffelneigungsachse X_bk, die Löffelnickachse Y_bk und die Löffelrotationsachse Z_bk sind virtuelle Achsen und unterscheiden sich von der Gelenkwelle des Tiltrotators 163. Wenn die Neigung der Rotationsachse des Rotationsmotors 310 gleich Null ist, fallen übrigens das Löffel-Koordinatensystem und das dritte Kipp-Dreh-Koordinatensystem zusammen.
• Die Positions- und Haltungsberechnungseinheit 215 erzeugt eine Löffel-dritte Kipp-Umrechnungsmatrix T^bk _t3 zur Umrechnung des dritten Kipp-Dreh-Koordinatensystems in das Löffel-Koordinatensystem gemäß dem folgenden Ausdruck (6) auf der Grundlage der geometrischen Daten des Tiltrotators 163. Die Löffel-dritte Kipp-Umrechnungsmatrix T^bk _t3 ist eine Matrix, die um die Y_t3-Achse um die Neigung φ_r der Rotationsachse dreht.
  [Ausdruck 6] $$T_{t3}^{bk}=\left[\begin{array}{cccc}\text{cos}\left(-{\varphi }_r\right)& 0& \text{sin}\left(-{\varphi }_r\right)& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ -\text{sin}\left(-{\varphi }_r\right)& 0& \text{cos}\left(-{\varphi }_r\right)& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$$

  
• <<Winkelausrichtungsfunktion>>
• Nachfolgend wird eine Winkelausrichtungsfunktion gemäß der vorliegenden Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Detail beschrieben. Mit „Winkelausrichtung“ ist hier ein Vorgang gemeint, bei dem der Löffel 164 um die Löffelneigungsachse (X_bk-Achse) gedreht wird, um zu bewirken, dass die Zahnrichtung (Löffelnickachse (Y_bk-Achse)) des Löffels 164 mit einer Bezugsebene des Fahrzeugkörpers um einen vorgegebenen Winkel ausgerichtet wird. Die Bezugsebene des Fahrzeugkörpers ist eine X_sb-Achsen-Y_sb-Achsenebene (siehe 1) im Fahrzeugkörper-Koordinatensystem. In der vorliegenden Ausführungsform ist der vorbestimmte Winkel ein Winkel, bei dem die Zähne und die Fahrzeugkörper-Bezugsebene parallel zueinander sind. Dadurch können die Zähne parallel zur Fahrzeugkörper-Bezugsebene ausgerichtet werden, ohne die Öffnungsrichtung des Löffels 164 (Richtung der Löffel-Kippachse) zu ändern. Der vorgegebene Winkel ist nicht auf einen Winkel beschränkt, bei dem die Zähne und die Fahrzeugkörper-Bezugsebene parallel zueinander sind, sondern kann jeder vom Bediener bestimmte Winkel sein.
• Zunächst werden die Betriebssignalerfassungseinheit 211, die Steuersignalausgangseinheit 218, die Sollhaltungsbestimmungseinheit 219 und die Rotationsbetragsberechnungseinheit 220 in 4 im Detail beschrieben.
• Zusätzlich zu den zuvor beschriebenen Funktionen erfasst die Betriebssignalerfassungseinheit 211 ein Betriebssignal für einen Betätigungsempfangsabschnitt (im Folgenden auch als Winkelausrichtungs-Betätigungsempfangsabschnitt bezeichnet), der für die Verwendung der Winkelausrichtungsfunktion in der Betätigungsvorrichtung 271 vorgesehen ist.
• Wenn ein Betriebssignal zur Durchführung einer Winkelausrichtung vom Betätigungsempfangsabschnitt empfangen wird, bestimmt die Sollhaltungsbestimmungseinheit 219 eine Sollhaltung, die eine Haltung ist, die durch Drehen des Löffels 164 um die virtuelle Rotationsachse von der aktuellen Haltung um einen vorbestimmten Betrag erhalten wird. Die virtuelle Rotationsachse ist eine virtuelle Rotationsachse, die der Öffnungsrichtung des Löffels 164 gegenüberliegt. In der vorliegenden Ausführungsform wird die Neigungsachse des Löffels (X_bk-Achse, siehe 1) im zuvor beschriebenen Löffel-Koordinatensystem als virtuelle Rotationsachse bestimmt. Die Sollhaltung ist eine Haltung, in der eine zur virtuellen Rotationsachse orthogonale Bezugsachse einen vorbestimmten Winkel in Bezug auf eine vorbestimmte Ebene aufweist. Die Bezugsachse ist eine Achse, die sich entlang der Zähne des Löffels 164 erstreckt und in der vorliegenden Ausführungsform eine Löffelnickachse (Y_bk-Achse, siehe 1) in dem zuvor beschriebenen Löffel-Koordinatensystem ist. Die vorgegebene Ebene ist eine Fahrzeugkörper-Bezugsebene.
• Die Rotationsbetragsberechnungseinheit 220 berechnet einen Rotationsbetrag für jeden der mehreren Rotationsmechanismen, der erforderlich ist, um die aktuelle Haltung des Löffels 164 mit der Sollhaltung in Einklang zu bringen. In der vorliegenden Ausführungsform handelt es sich bei den mehreren Rotationsmechanismen um den Löffelzylinder 308, den Kippzylinder 309 und den Drehmotor 310. Wie in den 1 und 2 dargestellt, dreht der Löffelzylinder 308 den Löffel 164 um die Y_t1-Achse. Der Kippzylinder 309 dreht den Löffel 164 um die X_t2-Achse. Darüber hinaus dreht der Drehmotor 310 den Löffel 164 um die Z_t3-Achse.
• Nachfolgend wird ein Ablauf der Verarbeitung der Winkelausrichtungsfunktion durch die Steuervorrichtung 200 der vorliegenden Ausführungsform unter Bezugnahme auf die 5 bis 8 beschrieben.
• 5 ist ein Flussdiagramm, das die Winkelausrichtungsfunktion in der ersten Ausführungsform zeigt. Wenn der Bediener der Arbeitsmaschine 100 mit dem Betrieb der Arbeitsmaschine 100 beginnt, führt die Steuervorrichtung 200 die folgenden Steuerungen in vorgegebenen Steuerzyklen (z. B. 1000 Millisekunden) aus.
• Zunächst erfasst die Messwerterfassungseinheit 214 die Messwerte der Neigungsmessvorrichtung 401, der Positions- und Azimutrichtungsmessvorrichtung 402, des Auslegerwinkelsensors 403, des Armwinkelsensors 404, des Löffelwinkelsensors 405, des Neigungswinkelsensors 406 und des Drehwinkelsensors 407 (Schritt S101).
• Die Positions- und Haltungsberechnungseinheit 215 berechnet die Haltung des Löffels im Fahrzeugkörper-Koordinatensystem auf der Grundlage des in Schritt S101 (Schritt S102) erfassten Messwerts. Die Haltung des Löffels im Fahrzeugkörper-Koordinatensystem wird durch eine Haltungsmatrix R_cur dargestellt, die eine Richtung jeder Achse (X_bk, Y_bk, Z_bk) des Löffel-Koordinatensystems im Fahrzeugkörper-Koordinatensystem angibt. Alle Translationskomponenten der Haltungsmatrix R_cur, die die Haltung des Löffels 164 darstellt, werden auf Null gesetzt.
• Die Betriebssignalerfassungseinheit 211 erfasst ein Betriebssignal vom Winkelausrichtungs-Betätigungsempfangsabschnitt durch den Bediener (Schritt S103).
• In der vorliegenden Ausführungsform ist die Betätigungsvorrichtung 271 beispielsweise mit zwei Hebeln 2710 und 2711 ausgebildet, wie in 6 dargestellt. In der Arbeitsmaschine 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann ein Bediener die beiden Hebel 2710 und 2711 in Vorwärts-/Rückwärtsrichtung und in Links-/Rechtsrichtung kippen, so dass der Bediener den Schwenkvorgang des Schwenkkörpers 140 oder den Auslegerwinkel θ_bm, den Armwinkel θ_am und den Löffelwinkel θ_bk individuell steuern kann. Darüber hinaus kann der Bediener den Kippwinkel θ_t und den Drehwinkel θ_r über den Tiltrotator 163 individuell steuern, indem er Betätigungsempfangsabschnitte (Taster, Schiebeschalter, Wählscheibe, proportionaler Rollentaster und dergleichen) betätigt, die an oberen Flächenabschnitten der Hebel 2710 und 2711 vorgesehen sind.
• Darüber hinaus umfasst die Betätigungsvorrichtung 271 gemäß der vorliegenden Ausführungsform einen Winkelausrichtungs-Betätigungsempfangsabschnitt 2710b in dem Hebel 2710. DerWinkelausrichtungs-Betätigungsempfangsabschnitt2710b ist zum Beispiel ein mechanischer Druckschalter. Der Bediener kann die Steuerung der Winkelausrichtung zu einem gewünschten Zeitpunkt durch Drücken des Schalters ausführen. Wenn ein Signal vom Winkelausrichtungs-Betätigungsempfangsabschnitt 2710b erfasst wird, bestimmt der Prozessor, dass die vorgegebene Startbedingung für die Steuerung erfüllt ist, und fährt mit dem Prozess von Schritt S104 fort.
• Unter erneuter Bezugnahme auf 9 bestimmt als Nächstes die Sollhaltungsbestimmungseinheit 219 die Löffelkippachse X_bk als virtuelle Rotationsachse und legt einen Sollwert θ_{bk_t_tgt} einer Winkelgeschwindigkeit um die Löffelkippachse X_bk fest (Schritt S104). Der Sollwert θ_{bk_t_tgt} kann ein im Voraus festgelegter Wert sein. Die Angabe des Sollwerts θ_{bk_t_tgt} der Winkelgeschwindigkeit um die Löffelkippachse X_bk ist übrigens gleichbedeutend mit der Bestimmung der Sollhaltung, die der Löffel 164 nach Ablauf einer Zeiteinheit ab dem aktuellen Zeitpunkt einnehmen soll.
• Als nächstes berechnet die Rotationsbetragsberechnungseinheit 220 den Sollwert des Rotationsbetrags jedes der mehreren Rotationsmechanismen, der erforderlich ist, um die aktuelle Haltung des Löffels 164 mit der Sollhaltung auszurichten, auf der Grundlage des Sollwerts θ_{bk_t_tgt}, der von der Sollhaltungsbestimmungseinheit 219 bestimmt wird (Schritt S105).
• Insbesondere erstellt die Rotationsbetragsberechnungseinheit 220 eine Rotationsmatrix R^bk_t _bk, die die Rotation um die Löffelkippachse X_bk im Löffel-Koordinatensystem darstellt, indem der Sollwert θ_{bk_t_tgt} der Winkelgeschwindigkeit in den folgenden Ausdruck (7) eingesetzt wird.
  [Ausdruck 7] $$R_{bk}^{bk\_t}=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& \text{cos}{\theta }_{bk\_t\_tgt}& -\text{sin}{\theta }_{bk\_t\_tgt}& 0\\ 0& \text{sin}{\theta }_{bk\_t\_tgt}& \text{cos}{\theta }_{bk\_t\_tgt}& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$$

  
• Die Rotationsbetragsberechnungseinheit 220 berechnet die Sollhaltung R_tgt des Löffels 164 nach einer Zeiteinheit durch Multiplizieren der Matrix R_cur, die die aktuelle Haltung des Löffels 164 darstellt, mit der Rotationsmatrix R^bk_p _bk in Ausdruck (7). Die Rotationsbetragsberechnungseinheit 220 berechnet die Sollwerte (θ_{bk_tgt}, θ_{t_tgt}, θ_{r_tgt}) eines Löffelwinkels θ_bk, eines Kippwinkels θ_t und eines Drehwinkels θ_r unter Verwendung der folgenden Ausdrücke (8), (9) und (10), basierend auf der aktuellen Haltung R_cur des Löffels 164 und der Sollhaltung R_tgt des Löffels 164 nach der Zeiteinheit.
  [Ausdruck 8] $$R_{cur}^{\text{T}}{R}_{tgt}=\left[\begin{array}{cccc}{r}_{11}& r_{12}& r_{13}& 0\\ r_{21}& r_{22}& r_{23}& 0\\ r_{31}& r_{32}& r_{33}& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$$

  

  
  [Ausdruck 9] $$\theta ={\text{cos}}^{-1}\left(\frac{r_{11}+r_{22}+r_{33}-1}{2}\right)$$

  

  
  [Ausdruck 10] $$\left[\begin{array}{l}{\theta }_{t\_tgt}\\ {\theta }_{bk\_tgt}\\ {\theta }_{r\_tgt}\end{array}\right]=\{\begin{array}{cc}{\left[\begin{array}{ccc}0& 0& 0\end{array}\right]}^{\text{T}}& \left(\left|\theta \right|<\epsilon \right)\\ K{R}_{cur}\frac{\theta }{2\text{sin}\theta }\left[\begin{array}{l}{r}_{32}-r_{23}\\ r_{13}-r_{31}\\ r_{21}-r_{12}\end{array}\right]& \left(\left|\theta \right|\ge \epsilon \right)\end{array}$$

  
• Wie zuvor beschrieben, wird durch die Matrixumrechnung der Sollwert (θ_{bk_t_tgt}) der Winkelgeschwindigkeit um eine virtuelle Rotationsachse (Löffelkippachse) in den Sollwert (θ_{bk_tgt}, θ_{t_tgt}, θ_{r_tgt}) der Winkelgeschwindigkeit um die drei Maschinenachsen umgerechnet.
• Als nächstes erzeugt die Steuersignalausgangseinheit 218 das Steuersignal jedes Aktuators (des Löffelzylinders 308, des Kippzylinders 309 und des Drehmotors 310) gemäß den Sollwerten (θ_{bk_tgt}, θ_{t_tgt}, θ_{r_tgt}) des Löffelwinkels θ_bk, des Kippwinkels θ_t und des Drehwinkels θ_r und gibt das Steuersignal jedes Aktuators an das Steuerventil 303 aus (Schritt S106).
• Die Haltung des Löffels 164 ändert sich tatsächlich, indem die Steuersignalausgangseinheit 218 das Steuersignal jedes Aktuators an das Steuerventil 303 ausgibt. Zu diesem Zeitpunkt erfasst die Sollhaltungsbestimmungseinheit 219 die geänderte aktuelle Haltung R_cur und bestimmt, ob die Löffelneigungsachse parallel zur Fahrzeugkörper-Bezugsebene verläuft oder nicht (Schritt S107).
• Wenn die Löffelnickachse (Y_bk-Achse) nicht parallel zur Fahrzeugkörper-Bezugsebene verläuft (Schritt S107; NEIN), kehrt der Prozess zu Schritt S104 zurück, und der Sollwert (θ_{bk_t_tgt}) der Winkelgeschwindigkeit um die Löffelneigungsachse (X_bk-Achse) wird erneut festgelegt. Dementsprechend werden der Vorgang von Schritt S105 durch die Rotationsbetragsberechnungseinheit 220 und der Vorgang von Schritt S106 durch die Steuersignalausgangseinheit 218 erneut ausgeführt.
• Andererseits, wenn die Löffelnickachse (Y_bk-Achse) parallel zur Fahrzeugkörper-Bezugsebene ist (Schritt S107; JA), beenden die Solhaltungsbestimmungseinheit 219, die Rotationsbetragsberechnungseinheit 220 und die Steuersignalausgangseinheit 218 den Prozess. Dementsprechend ist die automatische Winkelausrichtungssteuerung durch die Steuervorrichtung 200 abgeschlossen.
• <<Funktionsweise und Wirkungen>>
• Nachfolgend werden die Funktionsweise und der Effekt der Winkelausrichtungsfunktion unter Bezugnahme auf 7 und 8 beschrieben.
• 7 und 8 zeigen einen Zustand, in dem die Arbeitsmaschine 100 aus dem gleichen Winkel betrachtet wird.
• 7 zeigt einen Zustand unmittelbar nach dem Aushub (Baggern) in einem Zustand, in dem die Zahnrichtung (Löffelnickachse (Y_bk-Achse)) des Löffels 164 in Bezug auf die Fahrzeugkörper-Bezugsebene (X_sb-Y_sb-Ebene) geneigt ist. In diesem Zustand führt der Bediener der Arbeitsmaschine 100 die Beladung des Muldenkippers durch.
• Der Bediener betätigt den Ausleger 161 und den Arm 162, um den Löffel 164 nach oben zu heben und das ausgehobene Erdreich auf einen Muldenkipper zu laden. Wenn jedoch die Zahnrichtung des Löffels 164 geneigt bleibt, fällt ein Teil des ausgehobenen Erdreichs aus dem Löffel 164 heraus. Daher drückt der Bediener auf den Betätigungsempfangsabschnitt 2710b (siehe 6), während er den Ausleger 161 und den Arm 162 über die Hebel 2710 und 2711 bedient. Daraufhin dreht sich der Löffel 164 automatisch um die Löffelneigungsachse (X_bk-Achse), und die Löffelnickachse (Y_bk-Achse) wird so gesteuert, dass sie parallel zur Fahrzeugkörper-Bezugsebene verläuft.
• 8 zeigt einen Zustand unmittelbar nach Abschluss der automatischen Winkelausrichtungssteuerung. Wie in 8 dargestellt, ist die Zahnrichtung des Löffels 164 (Löffelnickachse (Y_bk-Achse)) parallel zur Fahrzeugkörper-Bezugsebene. Die Öffnungsrichtung des Löffels 164 (Löffelneigungsachse (X_bk-Achse)) hat sich dagegen nicht geändert. Wenn der Löffel 164 nach dem Abladen des Erdreichs auf den Muldenkipper wieder auf die Aushubfläche zurückgeführt wird, bleibt daher ein Zustand erhalten, bei dem die Öffnungsfläche des Löffels 164 mit der Aushubfläche ausgerichtet ist.
• Wie zuvor beschrieben, ist es gemäß der Steuervorrichtung 200 der ersten Ausführungsform in der Arbeitsmaschine 100, die das Anbaugerät 160 umfasst, mit dem die mehreren Rotationsmechanismen (der Löffelzylinder 308, der Kippzylinder 309 und der Drehmotor 310) und der Löffel 164 verbunden sind, möglich, den Vorgang, bei dem die Zahnrichtung des Löffels 164 parallel zur Fahrzeugkörper-Bezugsebene gemacht wird, zu vereinfachen.
• (Modifikationsbeispiel der ersten Ausführungsform)
• In der zuvor beschriebenen ersten Ausführungsform wurde beschrieben, dass die Winkelausrichtungssteuerung zu einem gewünschten Zeitpunkt gestartet werden kann, indem der Bediener den Betriebsempfangsabschnitt 2710b drückt. Das heißt, in der ersten Ausführungsform ist die Startbedingung für die Steuerung der Winkelausrichtungsfunktion die Betätigung (Drücken der Taste) durch den Bediener. Eine andere Ausführungsform ist jedoch nicht auf diesen Aspekt beschränkt. Zum Beispiel kann eine Steuervorrichtung 200 gemäß dem Modifikationsbeispiel der ersten Ausführungsform die folgenden Funktionen aufweisen.
• Gemäß einem Modifikationsbeispiel der ersten Ausführungsform startet die Sollhaltungsbestimmungseinheit 219 einen Prozess zur Bestimmung der Sollhaltung, wenn der Löffel 164 als Startbedingung der Winkelausrichtungsfunktion um einen vorbestimmten Abstand vom Boden entfernt ist.
• Zur Bestimmung, ob der Löffel 164 einen vorgegebenen Abstand zum Boden hat oder nicht, kann beispielsweise die zuvor beschriebene Funktion der Eingriffsbestimmungseinheit 216 verwendet werden. Das heißt, die Sollhaltungsbestimmungseinheit 219 ermittelt über die Eingriffsbestimmungseinheit 216 von Moment zu Moment den kürzesten Abstand zwischen der Position der Zähne des Löffels 164 und der Gestaltungsfläche. Dann bestimmt die Sollhaltungsbestimmungseinheit 219, dass eine vorbestimmte Steuerstartbedingung zu einem Zeitpunkt erfüllt ist, wenn der von Moment zu Moment berechnete kürzeste Abstand gleich oder größer als ein vorbestimmter Bestimmungsschwellenwert wird, während sich der Löffel 164, der ausgehoben hat, nach oben bewegt, und startet den Prozess von Schritt S104.
• Auf diese Weise kann eine vom Bediener auszuführende Tätigkeit in einem Fall entfallen, in dem die Winkelausrichtungssteuerung durchgeführt wird, und somit kann die Ladearbeit auf der Ladefläche weiter vereinfacht werden.
• <Andere Ausführungsform>
• Zuvor wurden die Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben; die bestimmten Konfigurationen sind jedoch nicht auf die zuvor beschriebenen Konfigurationen beschränkt, und es können verschiedene Konstruktionsänderungen oder Ähnliches vorgenommen werden. Das heißt, in einer anderen Ausführungsform kann die Reihenfolge der zuvor beschriebenen Verarbeitung in geeigneter Weise geändert werden. Darüber hinaus kann ein Teil der Verarbeitung parallel ausgeführt werden.
• Die Steuervorrichtung 200 gemäß der zuvor beschriebenen Ausführungsform kann von einem einzigen Computer konfiguriert werden, oder die Konfiguration der Steuervorrichtung 200 kann so gestaltet sein, dass sie in eine Vielzahl von Computern aufgeteilt ist, und die Vielzahl von Computern kann als die Steuervorrichtung 200 arbeiten, indem sie miteinander zusammenarbeiten. In diesem Fall kann ein Abschnitt der Computer, die die Steuervorrichtung 200 konfigurieren, innerhalb der Arbeitsmaschine vorgesehen sein, und ein anderer Computer kann außerhalb der Arbeitsmaschine vorgesehen sein. In einer anderen Ausführungsform sind beispielsweise die Betätigungsvorrichtung 271 und die Bildschirmvorrichtung 272 von der Arbeitsmaschine 100 entfernt angeordnet, und die Struktur mit Ausnahme der Messwerterfassungseinheit 214 und der Steuersignalausgangseinheit 218 in der Steuervorrichtung 200 kann in dem entfernten Server vorgesehen sein.
• Ferner handelt es sich bei der Arbeitsmaschine 100 gemäß der zuvor beschriebenen Ausführungsform um einen Hydraulikbagger, doch ist sie nicht darauf beschränkt. Zum Beispiel kann die Arbeitsmaschine 100 gemäß einer anderen Ausführungsform eine Arbeitsmaschine sein, die am Boden befestigt ist und nicht selbstfahrend ist. Ferner kann es sich bei der Arbeitsmaschine 100 gemäß einer anderen Ausführungsform um eine Arbeitsmaschine handeln, die keinen Schwenkkörper aufweist.
• Die Arbeitsmaschine 100 gemäß der zuvor beschriebenen Ausführungsform umfasst den Löffel 164 als Anbaugeräteabschnitt des Anbaugerätes 160, ist aber nicht darauf beschränkt. Beispielsweise kann die Arbeitsmaschine 100 gemäß einer anderen Ausführungsform einen Aufbrechhammer, eine Gabel, einen Greifer und dergleichen als Anbaugeräteabschnitt enthalten. Auch in diesem Fall steuert die Steuervorrichtung 200 den Tiltrotator 163 ähnlich wie das Koordinatensystem des Löffels durch das lokale Koordinatensystem, das sich aus der X_bk-Achse, die sich in der Richtung erstreckt, in der die Zähne der Anbaugerätefläche liegen, der Y_bk-Achse, die sich in der Richtung entlang der Zähne erstreckt, und der Z_bk-Achse, die orthogonal zur X_bk-Achse und zur Y_bk-Achse verläuft, zusammensetzt.
• In einer anderen Ausführungsform müssen die Achsen des Tiltrotators 163 auch nicht orthogonal zueinander sein, solange sich die Achsen in verschiedenen Ebenen schneiden. Insbesondere in Bezug auf eine Achse AX1, die sich auf eine Gelenkwelle bezieht, die den Arm 162 und den Anbaugeräteabschnitt 1631 verbindet, eine Achse AX2, die sich auf eine Gelenkwelle bezieht, die den Anbaugeräteabschnitt 1631 und den Kippabschnitt 1632 verbindet, und eine Rotationsachse AX3 des Rotationsmotors 310 können, wenn der Kippwinkel und der Drehwinkel des Tiltrotators 163 gleich Null sind, eine Fläche parallel zur Achse AX1 und zur Achse AX2, eine Fläche parallel zur Achse AX2 und zur Achse AX3 und eine Fläche parallel zur Achse AX3 und zur Achse AX1 voneinander verschieden sein.
• Ferner muss die Steuervorrichtung 200 gemäß einer anderen Ausführungsform nicht über eine Funktion zur Einstellung der Gestaltungsfläche verfügen. Auch in diesem Fall kann die Steuervorrichtung 200 den Tiltrotator 163 automatisch steuern, indem sie die Löffelhaltungssteuerung durchführt. So kann der Bediener beispielsweise einfache Nivellierungsarbeiten durchführen, ohne die Gestaltungsfläche einzustellen.
• Industrielle Anwendbarkeit
• Gemäß dem obigen Aspekt kann in der Arbeitsmaschine, die das von dem Anbaugerät über den Tiltrotator getragene Arbeitswerkzeug enthält, ein Vorgang zum Ausrichten einer zweiten Bezugsrichtung mit einer vorbestimmten Ebene ohne Änderung einer ersten Bezugsrichtung des Arbeitswerkzeugs vereinfacht werden.
• Bezugszeichenliste

100

Arbeitsmaschine

120

Unterwagen

140

Schwenkkörper

160

Anbaugerät

161

Ausleger

162

Arm

163

Tiltrotator

1631

Anbaugeräteabschnitt

1632

Kippabschnitt

1633

Rotationsabschnitt

164

Löffel

180

Fahrerkabine

200

Steuereinheit

210

Prozessor

211

Betriebssignalerfassungseinheit

212

Eingabeeinheit

213

Anzeigesteuereinheit

214

Messwerterfassungseinheit

215

Positions- und Haltungsberechnungseinheit

216

Eingriffsbestimmungseinheit

218

Steuersignalausgangseinheit

219

Sollhaltungsbestimmungseinheit

220

Rotationsbetragsberechnungseinheit

230

Hauptspeicher

250

Speicher

270

Schnittstelle

271

Betätigungsvorrichtung

272

Bildschirmvorrichtung

301

Motor

302

Hydraulikpumpe

303

Steuerventil

304

Fahrmotor

305

Schwenkmotor

306

Auslegerzylinder

307

Armzylinder

308

Löffelzylinder

309

Kippzylinder

310

Drehbarer Motor

401

Neigungsmessvorrichtung

402

Positions- und Azimutrichtungsmessvorrichtung

403

Auslegerwinkelsensor

404

Armwinkelsensor

405

Löffelwinkelsensor

406

Neigungswinkelsensor

407

Drehwinkelsensor

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• JP 2020125599 [0004]

Claims (8)

1. System zur Steuerung einer Arbeitsmaschine mit einem Anbaugerät, das von einem Fahrzeugkörper getragen wird, einem Tiltrotator, der an einem distalen Ende des Anbaugerätes angebracht ist, und einem Arbeitswerkzeug, das über den Tiltrotator um drei Achsen drehbar gelagert ist, die sich in verschiedenen Ebenen in Bezug auf das Anbaugerät schneiden, wobei das System einen Prozessor umfasst, wobei der Prozessor so konfiguriert ist, dass er: Messwerte von einer Vielzahl von Sensoren erfasst; auf der Basis der Messwerte eine aktuelle Haltung des Arbeitsgeräts berechnet; eine virtuelle Rotationsachse auf der Grundlage der berechneten aktuellen Haltung des Arbeitswerkzeugs bestimmt, wenn eine vorgegebene Steuerstartbedingung erfüllt ist; ein Steuersignal des Tiltrotators zum Drehen des Arbeitswerkzeugs aus der aktuellen Haltung in eine Sollhaltung um einen vorgegebenen Betrag um die virtuelle Rotationsachse erzeugt; und das erzeugte Steuersignal ausgibt.
2. System gemäß Anspruch 1, wobei das Arbeitswerkzeug Zähne aufweist und die virtuelle Rotationsachse eine Achse ist, die sich in die Richtung erstreckt, in die die Zähne des Arbeitswerkzeugs weisen.
3. System gemäß Anspruch 2, wobei der Prozessor ist so konfiguriert, dass er: eine Bezugsachse bestimmt, die orthogonal zur virtuellen Rotationsachse verläuft und sich entlang der Zähne des Arbeitswerkzeugs erstreckt; und eine Haltung, in der die Bezugsachse und eine Bezugsebene des Fahrzeugkörpers parallel zueinander sind, als Sollhaltung festlegt.
4. System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Prozessor ist so konfiguriert, dass er: ein vorbestimmtes Betriebssignal durch einen Bediener erfasst; und das Steuersignal des Tiltrotators zum Drehen des Arbeitswerkzeugs aus der aktuellen Haltung in die Sollhaltung um einen vorbestimmten Betrag um die virtuelle Rotationsachse erzeugt, wenn das vorbestimmte Betriebssignal als Steuerstartbedingung empfangen wird.
5. System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Prozessor so konfiguriert ist, dass er die Sollhaltung bestimmt, wenn das Arbeitswerkzeug um einen vorbestimmten Abstand von einem Boden als Steuerstartbedingung entfernt ist.
6. System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei sich die virtuelle Rotationsachse von einer Gelenkwelle des Tiltrotators unterscheidet.
7. Verfahren zur Steuerung einer Arbeitsmaschine mit einem Anbaugerät, das von einem Fahrzeugkörper getragen wird, einem Tiltrotator, der an einem distalen Ende des Anbaugerätes angebracht ist, und einem Arbeitswerkzeug, das über den Tiltrotator um drei Achsen drehbar gelagert ist, die sich in verschiedenen Ebenen in Bezug auf das Anbaugerät schneiden, wobei das Verfahren umfasst: einen Schritt des Erfassens von Messwerten von einer Vielzahl von Sensoren; einen Schritt des Berechnens einer aktuellen Haltung des Arbeitsgeräts auf der Grundlage der Messwerte; einen Schritt des Bestimmens einer virtuellen Rotationsachse auf der Grundlage der berechneten aktuellen Haltung des Arbeitswerkzeugs, wenn eine vorbestimmte Steuerstartbedingung erfüllt ist; einen Schritt des Erzeugens eines Steuersignals des Tiltrotators zum Drehen des Arbeitswerkzeugs aus der aktuellen Haltung in eine Sollhaltung um einen vorbestimmten Betrag um die virtuelle Rotationsachse; und einen Schritt des Ausgebens des erzeugten Steuersignals.
8. Programm, das einen Computer eines Steuersystems für eine Arbeitsmaschine mit einem Anbaugerät, das von einem Fahrzeugkörper getragen wird, einem Tiltrotator, der an einem distalen Ende des Anbaugeräts angebracht ist, und einem Arbeitswerkzeug, das über den Tiltrotator um drei Achsen drehbar gelagert ist, die sich in verschiedenen Ebenen in Bezug auf das Anbaugerät schneiden, veranlasst, folgende Schritte durchzuführen: einen Schritt des Erfassens von Messwerten von einer Vielzahl von Sensoren; einen Schritt des Berechnens einer aktuellen Haltung des Arbeitsgeräts auf der Grundlage der Messwerte; einen Schritt des Bestimmens einer virtuellen Rotationsachse auf der Grundlage der berechneten aktuellen Haltung des Arbeitswerkzeugs, wenn eine vorbestimmte Steuerstartbedingung erfüllt ist; einen Schritt des Erzeugens eines Steuersignals des Tiltrotators zum Drehen des Arbeitswerkzeugs aus der aktuellen Haltung in eine Sollhaltung um einen vorbestimmten Betrag um die virtuelle Rotationsachse; und einen Schritt des Ausgebens des erzeugten Steuersignals.

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