DE112022003139T5 - System und Verfahren zur Steuerung einer Arbeitsmaschine - Google Patents

Abstract

Eine Messwerterfassungseinheit erfasst Messwerte von einer Vielzahl von Sensoren. Eine Positionsberechnungseinheit berechnet die Position eines Anbaugeräteelements in Bezug auf einen Fahrzeugkörper auf der Grundlage der Messwerte. Eine Eingriffssteuereinheit bestimmt eine virtuelle Rotationsachse auf der Grundlage der berechneten Position des Anbaugeräteelements. Eine Betriebssignalerfassungseinheit erfasst ein Betriebssignal zur Betätigung des Stützabschnitts von einer Betätigungsvorrichtung. Eine Eingriffssteuereinheit erzeugt ein Steuersignal für den Tiltrotator, um das Anbaugeräteelement um die virtuelle Rotationsachse zu drehen, so dass eine axiale Richtung der virtuellen Rotationsachse in einem globalen Koordinatensystem beibehalten wird und eine Gestaltungsfläche und Zähne des Anbaugeräteelements annähernd parallel zueinander sind, basierend auf der berechneten Haltung des Anbaugeräteelements und einem Betätigungsbetrag, der durch das Betriebssignal zum Betätigen des Stützabschnittes angezeigt wird. Eine Ausgabeeinheit gibt das erzeugte Steuersignal aus.

Description

• Technisches Gebiet
• Die vorliegende Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zur Steuerung einer Arbeitsmaschine.
• Es wird die Priorität der am 30. September 2021 eingereichten japanischen Patentanmeldung Nr. 2021-161 376 beansprucht, deren Inhalt hier durch Bezugnahme aufgenommen ist.
• Stand der Technik
• Das Patentdokument 1 offenbart eine Technik zum Bewegen des Löffels in einer Arbeitsmaschine, die einen Kipplöffel aufweist, dessen Zahnwinkel geneigt werden kann, entlang einer geneigten Gestaltungsfläche. Eine Neigungsachse des Kipplöffels erstreckt sich in einer Öffnungsrichtung des Löffels.
• Zitationsliste
• Patentdokument
• [Patentdokument 1] Internationale PCT-Veröffentlichung Nr. WO 2016 / 186 219
• Zusammenfassung der Erfindung
• Technisches Problem
• Herkömmlicherweise ist ein Bauteil bekannt, das als Tiltrotator bezeichnet wird und ein Anbaugeräteelement der Arbeitsmaschine um drei zueinander orthogonale Achsen drehbar lagert. Durch Anbringen des Tiltrotators an der Arbeitsmaschine kann das Anbaugeräteelement in jede beliebige Richtung ausgerichtet werden. Obwohl der Tiltrotator einen hohen Grad an Drehfreiheit aufweist, ist es für einen Bediener jedoch schwierig, den Tiltrotator zu bedienen. Das Patentdokument 1 ermöglicht die Automatisierung von Vorgängen um die Tiltrotatorachse, offenbart aber nicht die Steuerung der Arbeitsmaschine mit dem Tiltrotator.
• Somit ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System und ein Verfahren bereitzustellen, das in der Lage ist, den Betrieb einer Arbeitsmaschine zu unterstützen, die mit einem Anbaugeräteelement ausgestattet ist, das von einem Stützabschnitt über einen Tiltrotator getragen wird.
• Lösung des Problems
• Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein System zur Steuerung einer Arbeitsmaschine bereitgestellt, das einen von einer Fahrzeugkarosserie funktionsfähig getragenen Stützabschnitt, einen an einer Spitze des Stützabschnitts angebrachten Tiltrotator und ein Anbaugeräteelement mit Zähnen umfasst, das von dem Stützabschnitt über den Tiltrotator um drei Achsen, die sich in verschiedenen Ebenen schneiden, drehbar getragen wird. Das System umfasst einen Prozessor. Der Prozessor erfasst Messwerte von einer Vielzahl von Sensoren. Der Prozessor berechnet auf der Basis der Messwerte eine Haltung eines Anbaugeräteelements in Bezug auf einen Fahrzeugkörper. Der Prozessor bestimmt auf der Basis der berechneten Haltung des Anbaugeräteelements eine virtuelle Rotationsachse. Der Prozessor erzeugt ein Steuersignal für den Tiltrotator, um das Anbaugeräteelement um die virtuelle Rotationsachse zu drehen, so das seine axiale Richtung der virtuellen Rotationsachse in einem globalen Koordinatensystem gehalten wird und eine Gestaltungsfläche und Zähne des Anbaugeräteelements ungefähr parallel zueinander sind, basierend auf der berechneten Haltung des Anbaugeräteelements, und einem Betätigungsbetrag, der durch das Betriebssignal zur Betätigung des Stützabschnittes angezeigt wird, und gibt das erzeugte Steuersignal aus.
• Vorteilhafte Auswirkungen der Erfindung
• Gemäß dem zuvor beschriebenen Aspekt kann das System den Betrieb einer Arbeitsmaschine unterstützen, die mit einem Anbaugeräteelement ausgestattet ist, das von einem Stützabschnitt über einen Tiltrotator getragen wird.
• Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• 1 ist eine schematische Ansicht, die eine Konfiguration einer Arbeitsmaschine gemäß einer ersten Ausführungsform zeigt.
• 2 ist eine schematische Ansicht der Konfiguration eines Tiltrotators gemäß der ersten Ausführungsform.
• 3 ist eine schematische Ansicht eines Antriebssystems der Arbeitsmaschine gemäß der ersten Ausführungsform.
• 4 ist ein schematisches Blockdiagramm, das eine Konfiguration einer Steuereinheit gemäß der ersten Ausführungsform zeigt.
• 5 ist ein Flussdiagramm (Teil 1), das die Eingriffssteuerung der Arbeitsmaschine gemäß der ersten Ausführungsform zeigt.
• 6 ist ein Flussdiagramm (Teil 2), das die Eingriffssteuerung der Arbeitsmaschine gemäß der ersten Ausführungsform zeigt.
• 7 ist ein Flussdiagramm, das eine Zahnausrichtungssteuerung gemäß der ersten Ausführungsform zeigt.
• 8 ist ein Flussdiagramm, das die Gestaltungsflächen-Folgesteuerung gemäß der ersten Ausführungsform zeigt.
• Beschreibung der Ausführungsformen
• <Erste Ausführungsform>
• <<Konfiguration der Arbeitsmaschine>>
• Nachfolgend werden die Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Einzelnen beschrieben.
• 1 ist eine schematische Ansicht, die eine Konfiguration einer Arbeitsmaschine 100 gemäß einer ersten Ausführungsform zeigt. Die Arbeitsmaschine 100 gemäß der ersten Ausführungsform ist z. B. ein Hydraulikbagger. Die Arbeitsmaschine 100 umfasst einen Unterwagen 120, einen Schwenkkörper 140, eine Anbaugerät 160, eine Fahrerkabine 180 und eine Steuereinheit 200. Die Arbeitsmaschine 100 gemäß der ersten Ausführungsform wird so gesteuert, dass sich die Zähne eines Löffels 164 nicht über eine Gestaltungsfläche hinaus bewegen.
• Der Unterwagen 120 trägt die Arbeitsmaschine 100 verfahrbar. Der Unterwagen 120 ist z. B. ein Paar linker und rechter Raupenbänder.
• Der Schwenkkörper 140 ist um eine Mitte schwenkbar auf dem Unterwagen 120 gelagert. Der Schwenkkörper 140 ist ein Beispiel für einen Fahrzeugkörper. Der Unterwagen 120 ist ein Beispiel für einen Basisabschnitt, der den Schwenkkörper 140 schwenkbar abstützt.
• Das Anbaugerät 160 ist am Schwenkkörper 140 funktionsfähig gelagert. 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 Anbaugeräteelement darstellt. Ein Basisendabschnitt des Auslegers 161 ist drehbar mit dem Schwenkkörper 140 verbunden. Ein Basisendabschnitt des Arms 162 ist drehbar an einem Spitzenabschnitt des Auslegers 161 angebracht. Der Tiltrotator 163 ist drehbar an einem Spitzenabschnitt des Arms 162 angebracht.
• Der Löffel 164 ist an dem Tiltrotator 163 angebracht. Der Löffel 164 wird von dem Anbaugerät 160 über den Tiltrotator 163 um drei Achsen, die sich in verschiedenen Ebenen schneiden, drehbar gelagert. Hier wird ein Abschnitt des Schwenkkörpers 140, an dem das Anbaugerät 160 befestigt ist, als vorderer Abschnitt bezeichnet. Darüber hinaus wird in Bezug auf den Schwenkkörper 140, ausgehend vom vorderen Abschnitt, ein gegenüberliegender Teil als hinterer Abschnitt, ein linker Teil als linker Abschnitt und ein rechter Teil als rechter Abschnitt bezeichnet. Der Ausleger 161 und der Arm 162 sind Beispiele für einen Stützabschnitt, der durch den Schwenkkörper 140 funktionsfähig gehalten wird.
• 2 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration des Tiltrotators 163 gemäß der ersten Ausführungsform zeigt. Der Tiltrotator 163 ist an einer Spitze des Arms 162 angebracht, um den Löffel 164 zu tragen. Der Tiltrotator 163 umfasst einen Anbaugeräteabschnitt 1631, einen Kippabschnitt 1632 und einen Rotationsabschnitt 1633. Der Anbaugeräteabschnitt 1631 ist an der Spitze des Arms 162 so angebracht, dass er um eine Achse drehbar ist, die sich in der Zeichnung in Links-/Rechtsrichtung erstreckt. Der Kippabschnitt 1632 ist an dem Anbaugeräteabschnitt 1631 so angebracht, dass er um eine Achse drehbar ist, die sich in der Zeichnung in Vorwärts-/Rückwärtsrichtung erstreckt. Der Rotationsabschnitt 1633 ist an dem Kippabschnitt 1632 so angebracht, dass er um eine Achse drehbar ist, die sich in der Zeichnung in einer Aufwärts-/Abwärtsrichtung erstreckt. Idealerweise stehen die Rotationsachsen des Anbaugeräteabschnitts 1631, des Kippabschnitts 1632 und des Rotationsabschnitts 1633 orthogonal zueinander. Ein Basisendabschnitt des Löffels 164 ist an dem Rotationsabschnitt 1633 befestigt. Dementsprechend kann sich der Löffel 164 um drei zueinander orthogonale Achsen in Bezug auf den Arm 162 drehen. Es ist zu beachten, dass die Rotationsachsen des Anbaugeräteabschnitts 1631, des Kippabschnitts 1632 und des Rotationsabschnitts 1633 in der Praxis Konstruktionsfehler enthalten können und nicht unbedingt orthogonal zueinander sind.
• Die Fahrerkabine 180 ist im vorderen Abschnitt des Schwenkkörpers 140 angeordnet. In der Fahrerkabine 180 befinden sich eine Betätigungsvorrichtung 271, mit der eine Bedienungsperson die Arbeitsmaschine 100 bedienen kann, und eine Bildschirmvorrichtung 272, die eine Mensch-Maschine-Schnittstelle der Steuervorrichtung 200 darstellt. Die Betätigungsvorrichtung 271 empfängt von der Bedienungsperson Eingaben eines Betätigungsbetrags eines Fahrmotors 304, eines Betätigungsbetrags eines Schwenkmotors 305, eines Betätigungsbetrags eines Auslegerzylinders 306, eines Betätigungsbetrags eines Armzylinders 307, eines Betätigungsbetrags eines Löffelzylinders 308, eines Betätigungsbetrags eines Kippzylinders 309 und eines Betätigungsbetrags eines Drehmotors 310. Die Betätigungsvorrichtung 271 gibt ein Betriebssignal aus, das den Betätigungsbetrag der Arbeitsmaschine anzeigt. Die Betätigungsvorrichtung 271 wird von der Bedienungsperson betätigt und gibt Betriebssignale zur Betätigung des Auslegers 161 und des Arms 162 aus. Die Betätigungsvorrichtung 271 wird von der Bedienungsperson bedient und gibt ein Betriebssignal zum Schwenken des Schwenkkörpers 140 gegenüber dem Unterwagen 120 aus. Die Betätigungsvorrichtung 271 wird von der Bedienungsperson bedient und gibt ein Betriebssignal zur Betätigung des Tiltrotators 163 aus. Die Bildschirmvorrichtung 272 erhält von der Bedienungsperson eine Eingabe zum Einstellen und Freigeben eines Löffelhaltungs-Haltemodus. Der Löffelhaltungs-Haltemodus ist ein Modus, in dem die Steuervorrichtung 200 automatisch den Löffelzylinder 308, den Kippzylinder 309 und den Drehmotor 310 steuert, um eine Haltung des Löffels 164 in einem globalen Koordinatensystem zu halten. Die Bildschirmvorrichtung 272 wird beispielsweise durch einen Computer mit Touchpanel realisiert.
• Die Steuereinheit 200 steuert den Unterwagen 120, den Schwenkkörper 140 und das Anbaugerät 160 in Abhängigkeit von der Betätigung der Betätigungsvorrichtung 271 durch den Fahrer. Die Steuereinheit 200 ist zum Beispiel in der Fahrerkabine 180 angeordnet.
• <<Antriebssystem der Arbeitsmaschine 100>>
• 3 ist eine schematische Ansicht eines Antriebssystems der Arbeitsmaschine 100 gemäß der ersten Ausführungsform.
• 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 Armzylinder 307, 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 durch den 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 Hydrauliköls, das von der Hydraulikpumpe 302 zum Fahrmotor 304, zum Schwenkmotor 305, zum Auslegerzylinder 306, zum Armzylinder 307 und zum Löffelzylinder 308 geleitet wird.
• Der Fahrmotor 304 wird durch das von der Hydraulikpumpe 302 zugeführte Hydrauliköl angetrieben, um den Unterwagen 120 zu steuern.
• Der Schwenkmotor 305 wird durch das von der Hydraulikpumpe 302 zugeführte Hydrauliköl angetrieben, um den Schwenkkörper 140 in Bezug auf den Unterwagen 120 zu schwenken.
• Der Auslegerzylinder 306 ist ein Hydraulikzylinder für den Antrieb des Auslegers 161. Ein Basisendabschnitt des Auslegerzylinders 306 ist an dem Schwenkkörper 140 angebracht. Ein Spitzenabschnitt des Auslegerzylinders 306 ist an dem Ausleger 161 angebracht.
• Der Armzylinder 307 ist ein Hydraulikzylinder für den Antrieb des Arms 162. Ein Basisendabschnitt des Auslegerzylinders 307 ist am Ausleger 161 befestigt. Ein Spitzenabschnitt des Armzylinders 307 ist am Arm 162 angebracht.
• Der Löffelzylinder 308 ist ein Hydraulikzylinder zum Antrieb des Tiltrotators 163 und des Löffels 164. Ein Basisendabschnitt des Löffelzylinders 308 ist an dem Arm 162 befestigt. Ein Spitzenabschnitt des Löffelzylinders 308 ist über ein Verbindungselement mit dem Tiltrotator 163 verbunden.
• Der Kippzylinder 309 ist ein Hydraulikzylinder zum Antrieb des Kippabschnitts 1632. Ein Basisendabschnitt des Kippzylinders 309 ist an dem Anbaugeräteabschnitt 1631 befestigt. Ein Spitzenabschnitt des Kippzylinders 309 ist an dem Kippabschnitt 1632 befestigt.
• Der Drehmotor 310 ist ein Hydraulikmotor zum Antrieb des Rotationsabschnitts 1633. Eine Halterung und ein Stator des Drehmotors 310 sind an dem Kippabschnitt 1632 befestigt. Eine Drehwelle und ein Rotor des Drehmotors 310 sind so vorgesehen, dass sie sich in der Zeichnung in Aufwärts-/Abwärtsrichtung erstrecken und an dem Rotationsabschnitt 1633 befestigt sind.
• <<Messsystem der Arbeitsmaschine 100>>
• Die Arbeitsmaschine 100 umfasst eine Vielzahl von Sensoren zur Messung einer Haltung, einer Azimutrichtung und einer Position der Arbeitsmaschine 100. Im Einzelnen umfasst die Arbeitsmaschine 100 eine Neigungsmessvorrichtung 401, einen Positions- und Azimutrichtungsmessvorrichtung 402, einen Auslegerwinkelsensor 403, einen Armwinkelsensor 404, einen Löffelwinkelsensor 405, einen Neigungswinkelsensor 406 und einen Rotationswinkelsensor 407.
• Die Neigungsmessvorrichtung 401 misst die Haltung des Schwenkkörpers 140. Die Neigungsmessvorrichtung 401 misst eine Neigung (z. B. einen Rollwinkel, einen Nickwinkel und einen Gierwinkel) des Schwenkkörpers 140 in Bezug auf eine horizontale Ebene. Als Neigungsmessvorrichtung 401 kann beispielsweise eine inertiale Messeinheit (IMU) verwendet werden. In diesem Fall misst die Neigungsmessvorrichtung 401 eine Beschleunigung und eine Winkelgeschwindigkeit des Schwenkkörpers 140 und berechnet aus einem Messergebnis die Neigung des Schwenkkörpers 140 gegenüber der Horizontalebene. Die Neigungsmessvorrichtung 401 ist z.B. unterhalb der Fahrerkabine 180 montiert. Die Neigungsmessvorrichtung 401 gibt Haltungsdaten des Schwenkkörpers 140 als Messwert an die Steuereinheit 200 aus.
• Der Positions- und Azimutrichtungsmessvorrichtung 402 misst die Position eines repräsentativen Punktes des Schwenkkörpers 140 und eine Azimutrichtung, in die der Schwenkkörper 140 weist, mit Hilfe eines globalen Satellitennavigationssystems (GNSS). Der Positions- und Azimutrichtungsmessvorrichtung 402 umfasst beispielsweise zwei GNSS-Antennen (nicht dargestellt), die an dem Schwenkkörper 140 angebracht sind, und erfasst eine Azimutrichtung orthogonal zu einer geraden Linie, die die Positionen der beiden Antennen verbindet, als die Azimutrichtung, in die die Arbeitsmaschine 100 weist. Die Positions- und Azimutrichtungsmessvorrichtung 402 gibt Positionsdaten und Azimutrichtungsdaten des Schwenkkörpers 140 als Messwerte an die Steuereinheit 200 aus.
• Der Auslegerwinkelsensor 403 misst den Winkel des Auslegers 161 in Bezug auf den Schwenkkörper 140. 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 horizontalen Ebene und der von der Neigungsmessvorrichtung 401 gemessenen Neigung des Schwenkkörpers. Der Messwert des Auslegerwinkelsensors 403 zeigt beispielsweise Null an, wenn die Richtung einer durch ein Basisende und eine Spitze 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 Auslegerwinkelsensor 403 gemäß einer anderen Ausführungsform ein Rotationssensor sein, der auf einer Gelenkwelle vorgesehen ist, die den Schwenkkörper 140 und den Ausleger 161 drehbar miteinander verbindet. Der Auslegerwinkelsensor 403 gibt Auslegerwinkeldaten als Messwert an die Steuereinheit 200 aus.
• Der Armwinkelsensor 404 misst einen Armwinkel, d. h. den Winkel des Arms 162 in Bezug auf den Ausleger 161. 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 horizontale Ebene und des vom Auslegerwinkelsensor 403 gemessenen Auslegerwinkels. Der Messwert des Armwinkelsensors 404 zeigt beispielsweise Null an, wenn die Richtung einer Geraden, die durch ein Basisende und eine Spitze des Arms 162 verläuft, mit der Richtung der Geraden übereinstimmt, die durch das Basisende und die Spitze des Auslegers 161 verläuft. Gemäß einer anderen Ausführungsform kann der Armwinkelsensor 404 einen Winkel durch Anbringen eines Hubsensors am Armzylinder 307 berechnen. Darüber hinaus kann der Armwinkelsensor 404 gemäß einer anderen Ausführungsform ein Rotationssensor sein, der auf einer Gelenkwelle vorgesehen ist, die den Ausleger 161 und den Arm 162 drehbar miteinander verbindet. Der Armwinkelsensor 404 gibt Armwinkeldaten als Messwert an die Steuereinheit 200 aus.
• Der Löffelwinkelsensor 405 misst den Winkel des Löffels, d. h. den Winkel des Tiltrotators 163 gegenüber dem Arm 162. Der Löffelwinkelsensor 405 kann ein Hubsensor sein, der am Löffelzylinder 308 angebracht ist. In diesem Fall misst der Löffelwinkelsensor 405 den Löffelwinkel auf der Grundlage eines Hubbetrags des Löffelzylinders 308. Der Messwert des Löffelwinkelsensors 405 zeigt beispielsweise Null an, wenn die Richtung einer Geraden, die durch ein Basisende und die Zähne des Löffels 164 verläuft, mit der Richtung der Geraden übereinstimmt, die durch das Basisende und die Spitze des Arms 162 verläuft. Der Löffelwinkelsensor 405 gemäß einer anderen Ausführungsform kann ein Rotationssensor sein, der auf einer Gelenkwelle vorgesehen ist, die den Arm 162 und den Anbaugeräteabschnitt 1631 des Tiltrotators 163 drehbar verbindet. Darüber hinaus kann der Löffelwinkelsensor 405 gemäß einer anderen Ausführungsform eine am Löffel 164 angebrachte IMU sein. Der Löffelwinkelsensor 405 gibt Löffelwinkeldaten als Messwert an die Steuereinheit 200 aus.
• Der Neigungswinkelsensor 406 misst einen Neigungswinkel, der ein Winkel des Kippabschnitts 1632 in Bezug auf den Anbaugeräteabschnitt 1631 des Tiltrotators 163 ist. Der Neigungswinkelsensor 406 kann ein Rotationssensor sein, der auf einer Gelenkwelle vorgesehen ist, die den Anbaugeräteabschnitt 1631 und den Kippabschnitt 1632 drehbar verbindet. Der Messwert des Neigungswinkelsensors 406 zeigt z. B. 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 einen Winkel berechnen, indem er einen Hubsensor an den Neigungszylinder 309 anbringt. Der Neigungswinkelsensor 406 gibt Neigungswinkeldaten als Messwert an die Steuereinheit 200 aus.
• Der Rotationswinkelsensor 407 misst einen Rotationswinkel, der ein Winkel des Rotationsabschnitts 1633 in Bezug auf den Kippabschnitt 1632 des Tiltrotators 163 ist. Der Rotationswinkelsensor 407 kann ein Drehsensor sein, der am Drehmotor 310 vorgesehen ist. Der Messwert des Neigungswinkelsensors 406 zeigt beispielsweise Null an, wenn eine Richtung, in die die Zähne des Löffels 164 weisen, und eine Betriebsebene des Anbaugerätes 160 parallel zueinander sind. Der Rotationswinkelsensor 407 gibt Rotationswinkeldaten als Messwert an die Steuereinheit 200 aus.
• <<Konfiguration der Steuereinheit 200>>
• 4 ist ein schematisches Blockdiagramm, das eine Konfiguration der Steuereinheit 200 gemäß der ersten Ausführungsform zeigt.
• Die Steuereinheit 200 ist ein Computer, der einen Prozessor 210, einen Hauptspeicher 230, einen Speicher 250 und eine Schnittstelle 270 umfasst. Die Steuereinheit 200 ist ein Beispiel für ein Steuersystem. Die Steuereinheit 200 empfängt die Messwerte der Neigungsmessvorrichtung 401, der Positions- und Azimutrichtungsmessvorrichtung 402, des Auslegerwinkelsensors 403, des Armwinkelsensors 404, des Löffelwinkelsensors 405, des Neigungswinkelsensors 406 und des Rotationswinkelsensors 407.
• Bei dem Speicher 250 handelt es sich um ein nicht-übertragbares und materielles Speichermedium. Als Speicher 250 kommen beispielweise eine Magnetplatte, eine optische Platte, eine magneto-optische Platte und ein Halbleiterspeicher in Betracht. Der Speicher 250 kann ein internes Medium, das direkt mit einem Bus der Steuereinheit 200 verbunden ist, oder ein externes Medium, das über die Schnittstelle 270 oder eine Kommunikationsleitung mit der Steuereinheit 200 verbunden ist, sein. Die Betätigungsvorrichtung 271 und die Bildschirmvorrichtung 272 sind über die Schnittstelle 270 mit dem Prozessor 210 verbunden.
• Der Speicher 250 speichert ein Steuerprogramm zur Steuerung der Arbeitsmaschine 100. Das Steuerprogramm kann zur Realisierung einiger Funktionen verwendet werden, die von der Steuereinheit 200 ausgeführt werden sollen. 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 montierten 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 Irregular Networks Data) dargestellt.
• <<Software-Konfiguration>>
• Der Prozessor 210 führt das Steuerprogramm aus und umfasst eine Betriebssignal-Erfassungseinheit 211, eine Eingabeeinheit 212, eine Anzeigesteuereinheit 213, eine Messwerterfassungseinheit 214, eine Positions- und Haltungsberechnungseinheit 215, eine Eingriffsbestimmungseinheit 216, eine Eingriffssteuereinheit 217 und eine Steuersignalausgabeeinheit 218.
• Die Betriebssignal-Erfassungseinheit 211 erfasst ein Betriebssignal, das einen Betriebsbetrag jedes Aktuators von der Betätigungsvorrichtung 271 anzeigt.
• Die Eingabeeinheit 212 empfängt eine Bedienungseingabe der Bedienungsperson 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 Rotationswinkelsensors 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. Beispielsweise berechnet die Positions- und Haltungsberechnungseinheit 215 eine Position der Zähne des Löffels 164 im globalen Koordinatensystem und im Fahrzeugkörper-Koordinatensystem. Das Fahrzeugkörper-Koordinatensystem ist ein orthogonales 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 im Folgenden beschrieben. Die Positions- und Haltungsberechnungseinheit 215 ist ein Beispiel für eine Haltungsberechnungseinheit, die die Haltung des Löffels 164 in Bezug auf den Schwenkkörper 140 berechnet.
• Die Eingriffsbestimmungseinheit 216 bestimmt, ob eine Geschwindigkeit der Anbaugeräte 160 begrenzt werden soll oder nicht, und zwar auf der Grundlage einer Positionsbeziehung zwischen der von der Positions- und Haltungsberechnungseinheit 215 berechneten Position der Zähne des Löffels 164 und der durch die Gestaltungsflächendaten angegebenen Gestaltungsfläche. Im Folgenden wird die Geschwindigkeitsbegrenzung der Anbaugeräte 160 durch die Steuereinheit 200 auch als Eingriffssteuerung bezeichnet. Insbesondere ermittelt die Eingriffsbestimmungseinheit 216 den kürzesten Abstand zwischen der Gestaltungsfläche und dem Löffel 164 und bestimmt, dass die Eingriffssteuerung an der Anbaugerät 160 in einem Fall durchgeführt wird, in dem der kürzeste Abstand gleich oder kleiner als ein vorgegebener Abstand ist.
• In einem Fall, in dem die Eingriffsbestimmungseinheit 216 bestimmt, die Eingriffssteuerung durchzuführen, steuert die Eingriffssteuereinheit 217 einen Betätigungsbetrag eines Eingriffsziels unter den Betätigungsbeträgen, die von der Betriebssignal-Erfassungseinheit 211 erfasst werden. Bei der Eingriffssteuerung steuert die Eingriffssteuereinheit 217 einen Betätigungsbetrag des Auslegers 161 so, dass das Anbaugerät 160 nicht in eine Gestaltungslinie eindringt. Dementsprechend arbeitet der Ausleger 161 so, dass eine Geschwindigkeit des Löffels 164 eine Geschwindigkeit wird, die einem Abstand zwischen dem Löffel 164 und der Gestaltungslinie entspricht. Mit anderen Worten, wenn die Bedienungsperson den Arm 162 betätigt, um Aushubarbeiten durchzuführen, begrenzt die Eingriffssteuereinheit 217 die Geschwindigkeit der Zähne des Löffels 164, indem sie den Ausleger 161 gemäß der Gestaltungsfläche anhebt.
• Die Steuersignalausgabeeinheit 218 gibt den von der Betriebssignal-Erfassungseinheit 211 erfassten Betätigungsbetrag oder den von der Eingriffssteuereinheit 217 gesteuerten Betätigungsbetrag an das Steuerventil 303 aus.
• <<Berechnung der Positions- und Haltungsberechnungseinheit 215>>
• Im Folgenden wird ein Verfahren zur Berechnung einer Position eines Punktes auf einer Außenhülle der Arbeitsmaschine 100 durch die Positions- und Haltungsberechnungseinheit 215 beschrieben. Die Positions- und Haltungsberechnungseinheit 215 berechnet die Position des Punktes an der Außenhülle auf der Basis verschiedener Messwerte, die von der Messwerterfassungseinheit 214 erfasst werden, und der im Speicher 250 gespeicherten geometrischen Daten. In dem Speicher 250 werden geometrische Daten aufgezeichnet, 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 eine Mitte (x_bm, y_bm, z_bm) der Gelenkwelle an, durch die der Schwenkkörper 140 den Ausleger 161 im Fahrzeugkörper-Koordinatensystem abstützt, das ein lokales Koordinatensystem ist. Das Fahrzeugkörper-Koordinatensystem ist ein Koordinatensystem, das aus einer X_sb-Achse, die sich in Vorwärts-/Rückwärtsrichtung erstreckt, einer Y_sb-Achse, die sich in Links-/Rechtsrichtung erstreckt, und einer Z_sb-Achse, die sich in Aufwärts-/Abwärtsrichtung erstreckt, gebildet wird und auf der Schwenkmitte des Schwenkkörpers 140 basiert. Die Aufwärts-/Abwärtsrichtung des Schwenkkörpers 140 muss nicht unbedingt mit der vertikalen Richtung übereinstimmen.
• Die geometrischen Daten des Auslegers 161 geben eine Position (x_am, y_am, z_am) der Gelenkwelle an, mit der der Ausleger 161 den Arm 162 in einem Ausleger-Koordinatensystem trägt, das ein lokales Koordinatensystem ist. Das Ausleger-Koordinatensystem ist ein Koordinatensystem, das 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 zu der X_bm-Achse und der Y_bm-Achse ist, gebildet wird, basierend auf der mittleren Position der Gelenkwelle, durch die der Schwenkkörper 140 und der Ausleger 161 verbunden sind.
• Die geometrischen Daten des Arms 162 geben eine Position (x_t1, y_t1, z_t1) der Gelenkwelle an, durch die derArm 162 den Anbaugeräteabschnitt 1631 des Tiltrotators 163 in einem Arm-Koordinatensystem, das ein lokales Koordinatensystem ist, trägt. Das Arm-Koordinatensystem ist ein Koordinatensystem, das aus einer X_am-Achse, die sich in 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 zu der X_am-Achse und der Y_am-Achse ist, gebildet ist, basierend auf der mittleren Position der Gelenkwelle, durch die der Ausleger 161 und derArm 162 verbunden sind.
• Die geometrischen Daten des Anbaugeräteabschnitts 1631 des Tiltrotators 163 geben eine Position (x_t2, y_t2, z_t2) der Gelenkwelle an, mit der der Anbaugeräteabschnitt 1631 das Kippabschnitt 1632 trägt, sowie eine Neigung (φ_t) der Gelenkwelle in einem ersten Kipp-Dreh-Koordinatensystem, 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, durch die der Arm 162 und der Anbaugeräteabschnitt 1631 verbunden sind, erstreckt, einer Z_t1-Achse, die sich in einer Richtung erstreckt, in der sich die Gelenkwelle, durch die der Anbaugeräteabschnitt 1631 und der Kippabschnitt 1632 verbunden sind, erstreckt, und einer X_t1-Achse, die orthogonal zur Y_t1-Achse und der Z_t1-Achse ist, auf der Grundlage der mittleren Position der Gelenkwelle, durch die der Arm 162 und der Anbaugeräteabschnitt 1631 verbunden sind, gebildet ist.
• Die geometrischen Daten des Kippabschnitts 1632 des Tiltrotators 163 geben eine Spitzenposition (x_t3, y_t3, z_t3) der Drehwelle des Drehmotors 310 und eine Neigung (φ_r) der Drehwelle in einem zweiten Kipp-Dreh-Koordinatensystem an, das das lokale Koordinatensystem ist. Die Neigung φ_r der Drehwelle ist ein Winkel, der mit einem Konstruktionsfehler des Tiltrotators 163 zusammenhängt und durch Kalibrierung des Tiltrotators 163 oder dergleichen ermittelt wird. Das zweite Kipp-Dreh-Koordinatensystem ist ein Koordinatensystem, das aus einer X_t-Achse, die sich in einer Richtung erstreckt, in der sich die Gelenkwelle, durch die der Anbaugeräteabschnitt 1631 und der Kippabschnitt 1632 verbunden sind, erstreckt, einer Z_t2-Achse, die sich in einer Richtung erstreckt, in der sich die Drehwelle des Drehmotors 310 erstreckt, und einer Y_t2-Achse, die orthogonal zur X_t2 -Achse und zur Z_t2 -Achse ist, auf der Grundlage der mittleren Position der Gelenkwelle, durch die der Anbaugeräteabschnitt 1631 und der Kippabschnitt 1632 verbunden sind, gebildet ist.
• Die geometrischen Daten des Rotationsabschnitts 1633 des Tiltrotators 163 geben eine mittlere Position (x_t4, y_t4, z_t4) der Anbaugeräte des Löffels 164 in einem dritten Kipp-Dreh-Koordinatensystem an, das das lokale Koordinatensystem ist. Das dritte Kipp-Dreh-Koordinatensystem ist ein Koordinatensystem, das aus einer Z_t3-Achse, die sich in einer Richtung erstreckt, in der sich die Drehwelle des Drehmotors 310 erstreckt, und einer X_t3-Achse und einer Y_t3-Achse, die orthogonal zur Drehwelle sind, auf der Grundlage der mittleren Position der Anbaugerätefläche des Löffels 164 gebildet ist. Der Löffel 164 ist an dem Rotationsabschnitt 1633 so angebracht, 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. Als Umrisspunkte sind beispielhaft die Positionen beider Enden und der Mitte der Zähne des Löffels 164, die Positionen beider Enden und der Mitte eines Bodenabschnitts des Löffels 164 und die Positionen beider Enden und der Mitte eines Hinterendenabschnitts des Löffels 164 zu nennen.
• Die Positions- und Haltungsberechnungseinheit 215 erzeugt eine Ausleger-Fahrzeugkörper-Transformationsmatrix T^bm _sb zur Durchführung einer Transformation vom Ausleger-Koordinatensystem in das Fahrzeugkörper-Koordinatensystem unter Verwendung von Ausdruck (1), basierend auf dem Messwert des Auslegerwinkels θ_bm, der von der Messwerterfassungseinheit 214 erfasst wird, und den geometrischen Daten des Schwenkkörpers 140. Die Ausleger-Fahrzeugkörper-Transformationsmatrix T^bm _sb ist eine Matrix für die Rotation um die Achse Y_bm um den Auslegerwinkel θ_bm und die Translation um eine Abweichung (x_bm, y_bm, z_bm) zwischen dem Ursprung des Fahrzeugkörper-Koordinatensystems und dem Ursprung des Ausleger-Koordinatensystems. $$T_{sb}^{bm}=\left[\begin{array}{cccc}\text{cos}{\theta }_{bm}& 0& \text{sin}{\theta }_{bm}& x_{bm}\\ 0& 1& 0& y_{bm}\\ -\text{sin}{\theta }_{bm}& 0& \text{cos}{\theta }_{bm}& z_{bm}\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$$

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

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

  
• Die Positions- und Haltungsberechnungseinheit 215 erzeugt eine zweite Kipp-erste Kipp-Transformationsmatrix T^t2 _t1 zur Durchführung der Transformation von dem ersten Kipp-Dreh-Koordinatensystem in das zweite Kipp-Dreh-Koordinatensystem unter Verwendung von Ausdruck (4), basierend auf dem Messwert des Kippwinkels θ_t, der von der Messwerterfassungseinheit 214 erfasst wurde, und den geometrischen Daten des Tiltrotators 163. Die zweite Kipp-erste Kipp-Transformationsmatrix T^t2 _t1 ist eine Matrix für die Rotation um den Neigungswinkel θ_t um die Achse X_t2, die Translation um eine Abweichung (x_t2, y_t2, z_t2) zwischen dem Ursprung des ersten Kipp-Dreh-Koordinatensystems und dem Ursprung des zweiten Kipp-Dreh-Koordinatensystems und ferner die Neigung um die Neigung φ_r der Rotationsachse des Rotationsabschnitts 1633. Darüber hinaus erzeugt die Positions- und Haltungsberechnungseinheit 215 eine zweite Kipp-Fahrzeugkörper-Transformationsmatrix T^t2 _sb zur Durchführung der Transformation von dem zweiten Kipp-Dreh-Koordinatensystem in das Fahrzeugkörper-Koordinatensystem, indem ein Produkt der ersten Kipp-Fahrzeugkörper-Transformationsmatrix T^t1 _sb und der zweiten Kipp-Erste Kipp-Transformationsmatrix T^t2 _t1 erhalten wird. $$T_{t1}^{t2}=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& x_{t2}\\ 0& \text{cos}{\theta }_t& -\text{sin}{\theta }_t& y_{t2}\\ 0& \text{sin}{\theta }_t& \text{cos}{\theta }_t& z_{t2}\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cccc}\text{cos}{\varphi }_r& 0& \text{sin}{\varphi }_r& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ -\text{sin}{\varphi }_r& 0& \text{cos}{\varphi }_r& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$$

  
• Die Positions- und Haltungsberechnungseinheit 215 erzeugt eine dritte Kipp-zweite Kipp-Transformationsmatrix T^t3 _t2 zur Durchführung einer Transformation von dem zweiten Kipp-Dreh-Koordinatensystem in das dritte Kipp-Dreh-Koordinatensystem unter Verwendung von Ausdruck (5), basierend auf dem Messwert des Rotationswinkels θ_r, der von der Messwerterfassungseinheit 214 erfasst wird, und den geometrischen Daten des Tiltrotators 163. Die dritte Kipp-zweite Kipp-Transformationsmatrix T^t3 _t2 ist eine Matrix für die Rotation um den Rotationswinkel θ_r um die Achse Z_t3 und die Translation um eine Abweichung (x_t3, yt₃, z_t3) zwischen dem Ursprung des zweiten Kipp-Dreh-Koordinatensystems und dem Ursprung des dritten Kipp-Dreh-Koordinatensystems. Darüber hinaus erzeugt die Positions- und Haltungsberechnungseinheit 215 eine dritte Kipp-Fahrzeugkörper-Transformationsmatrix T^t3 _sb zur Durchführung der Transformation von dem dritten Kipp-Dreh-Koordinatensystem in das Fahrzeugkörper-Koordinatensystem, indem sie ein Produkt aus der zweiten Kipp-Fahrzeugkörper-Transformationsmatrix T^t2 _sb und der dritten Kipp-zweiten Kipp-Transformationsmatrix T^t3 _t2 erhält. $$T_{t2}^{t3}=\left[\begin{array}{cccc}\text{cos}{\theta }_r& -\text{sin}{\theta }_r& 0& x_{t3}\\ \text{sin}{\theta }_r& \text{cos}{\theta }_r& 0& y_{t3}\\ 0& 0& 1& z_{t3}\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$$

  
• Die Positions- und Haltungsberechnungseinheit 215 kann die Positionen der Vielzahl von Umrisspunkten des Löffels 164 im Fahrzeugkörper-Koordinatensystem ermitteln, indem sie ein Produkt aus einer Summe der Positionen (x_bk, y_bk, z_bk) der Vielzahl von Umrisspunkten in dem dritten Kipp-Dreh-Koordinatensystem, das durch die Mitte (x_t4, y_t4, z_t4) der Anbaugerätefläche des Löffels 164 und die geometrischen Daten des Löffels 164 angegeben wird, und der dritten Kipp-Fahrzeugkörper-Transformationsmatrix T^bk _sb erhält.
• Im Übrigen wird der Winkel der Zähne des Löffels 164 in Bezug auf eine Bodenfläche der Arbeitsmaschine 100, d.h. ein Winkel, der durch eine X_ab-Y_ab Ebene des Fahrzeugkörper-Koordinatensystems und die Y_t3-Achse des dritten Kipp-Dreh-Koordinatensystems gebildet wird, durch den Auslegerwinkel θ_bm, den Armwinkel θ_am, den Löffelwinkel θ_bk, den Kippwinkel θ_t und den Rotationswinkel θ_r bestimmt. Dementsprechend bestimmt die Positions- und Haltungsberechnungseinheit 215, wie in 1 gezeigt, das Löffel-Koordinatensystem ausgehend vom Basisendabschnitt des Löffels 164, d.h. die Mitte der Anbaugerätefläche des Löffels 164 im Tiltrotator 163. Das Löffel-Koordinatensystem ist ein orthogonales Koordinatensystem, das aus einer X_bk-Achse, die sich in einer 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 zur Y_bk-Achse ist, gebildet ist. 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 einer Gelenkwelle des Tiltrotators 163. Wenn die Neigung der Drehwelle des Rotationsmotors 310 gleich Null ist, stimmen das Löffel-Koordinatensystem und das dritte Kipp-Dreh-Koordinatensystem überein.
• Die Positions- und Haltungsberechnungseinheit 215 erzeugt eine Löffel-dritte Kipp-Transformationsmatrix T^bk _t3 zur Durchführung der Transformation vom dritten Kipp-Dreh-Koordinatensystem in das Löffel-Koordinatensystem unter Verwendung von Ausdruck (6), basierend auf den geometrischen Daten des Tiltrotators 163. Die Löffel-dritte Kipp-Transformationsmatrix T^bk _t3 ist eine Matrix für die Drehung um die Neigung φ_r der Drehwelle um die Y_t3-Achse. $$T_{t3}^{bk}=\left[\begin{array}{cccc}\text{cos}\left(-{\varphi }_r\right)& 0& \text{sin}\left(-{\varphi }_r\right)& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ -\text{sin}\left(-{\varphi }_r\right)& 0& \text{cos}\left(-{\varphi }_r\right)& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$$

  
• <<Verfahren zur Steuerung der Arbeitsmaschine 100>>
• Nachfolgend wird ein Verfahren zur Steuerung der Arbeitsmaschine 100 gemäß der ersten Ausführungsform beschrieben. 5 und 6 sind Flussdiagramme, die die Eingriffssteuerung der Arbeitsmaschine 100 gemäß der ersten Ausführungsform zeigen. Wenn die Bedienungsperson der Arbeitsmaschine 100 beginnt, die Arbeitsmaschine 100 zu bedienen, führt die Steuereinheit 200 für jeden vorbestimmten Steuerzyklus (z.B. 1000 Millisekunden) die folgende Steuerung 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 Rotationswinkelsensors 407 (Schritt S101).
• Die Positions- und Haltungsberechnungseinheit 215 berechnet die Positionen der mehreren Umrisspunkte des Löffels 164 im Fahrzeugkörper-Koordinatensystem auf der Grundlage der in Schritt S101 (Schritt S102) erfassten Messwerte. Darüber hinaus berechnet die Positions- und Haltungsberechnungseinheit 215 die Haltung des Löffels im Fahrzeugkörper-Koordinatensystem auf der Grundlage der in Schritt S101 erfassten Messwerte (Schritt S103). Die Position des Löffels im Fahrzeugkörper-Koordinatensystem wird durch eine Positionsmatrix R_cur dargestellt, die die Richtungen der jeweiligen Achsen (X_bk, Y_bk, z_bk) des Löffel-Koordinatensystems im Fahrzeugkörper-Koordinatensystem angibt. Alle Translationskomponenten der Positionsmatrix R_cur, die die Lage des Löffels 164 darstellt, werden auf Null gesetzt.
• Als Nächstes dreht und konvertiert die Eingriffsbestimmungseinheit 216 die im Speicher 250 aufgezeichneten Gestaltungsflächendaten auf der Grundlage der in Schritt S101 erfassten Messwerte der Neigungsmessvorrichtung 401 und der Positions- und Azimutrichtungsmessvorrichtung 402, wodurch die durch das globale Koordinatensystem dargestellte Position der Gestaltungsfläche in die Position des Fahrzeugkörper-Koordinatensystems transformiert wird (Schritt S104). Die Eingriffsbestimmungseinheit 216 spezifiziert als einen Steuerpunkt einen Umrisspunkt, der unter der Vielzahl von Umrisspunkten des Löffels 164 der Gestaltungsfläche am nächsten liegt, basierend auf den in Schritt S102 berechneten Positionen der Vielzahl von Umrisspunkten des Löffels 164 in dem Fahrzeugkarosserie-Koordinatensystem und der in Schritt S104 transformierten Position der Gestaltungsfläche in dem Fahrzeugkarosserie-Koordinatensystem (Schritt S105). Die Eingriffsbestimmungseinheit 216 gibt eine Gestaltungsfläche (Polygon) an, die sich vertikal unterhalb des in Schritt S105 angegebenen Steuerpunkts in den Gestaltungsflächendaten befindet (Schritt S106). Die Eingriffsbestimmungseinheit 216 berechnet eine erste Gestaltungslinie, die eine Schnittlinie zwischen der in Schritt S106 angegebenen Gestaltungsfläche und einer Fläche parallel zu einer X_bk-Z_bk Ebene eines Löffel-Koordinatensystems ist, die durch den Steuerpunkt verläuft (Schritt S107). Außerdem berechnet die Eingriffsbestimmungseinheit 216 eine zweite Gestaltungslinie, die eine Schnittlinie zwischen der Gestaltungsfläche und einer Fläche parallel zu einer Y_bk-Z_bk Ebene des Löffel-Koordinatensystems ist, die durch den Steuerpunkt verläuft (Schritt S108).
• Als nächstes bestimmt die Eingriffsbestimmungseinheit 216, ob der Abstand zwischen dem Steuerpunkt und der ersten Gestaltungslinie gleich oder kleiner als ein Eingriffsschwellenwert ist oder nicht (Schritt S109). In einem Fall, in dem der Abstand zwischen dem Steuerpunkt und der ersten Gestaltungslinie gleich oder kleiner als der Eingriffsschwellenwert ist (Schritt S109: JA), bestimmt die Eingriffsbestimmungseinheit 216, ob eine Betätigung von etwas anderem als dem Ausleger 161 empfangen wurde oder nicht, basierend auf dem Betriebssignal von der Betätigungsvorrichtung 271, das von der Betriebssignal-Erfassungseinheit 211 erfasst wurde (Schritt S110). In einem Fall, in dem die Eingriffsbestimmungseinheit 216 bestimmt, dass nur die Betätigung des Auslegers 161 empfangen wurde, oder in einem Fall, in dem die Eingriffsbestimmungseinheit 216 bestimmt, dass keine Betätigung empfangen wurde (Schritt S110: NEIN), weil gefolgert wird, dass die Bedienungsperson bereit ist, die Zähne des Löffels 164 in die Nähe der Gestaltungsfläche zu bringen, erzeugt die Eingriffssteuereinheit 217 Steuersignale für den Löffelzylinder 308, den Kippzylinder 309 und den Drehmotor 310, indem sie die unten beschriebene Zahnausrichtungssteuerung durchführt (Schritt S111).
• Andererseits, in einem Fall, in dem die Eingriffsbestimmungseinheit 216 bestimmt, dass eine Betätigung von etwas anderem als dem Ausleger 161 empfangen wurde (Schritt S110: JA), bestimmt die Eingriffsbestimmungseinheit 216 auf der Grundlage des von der Betriebssignal-Erfassungseinheit 211 erfassten Betriebssignals von der Betätigungsvorrichtung 271, ob eine Betätigung von etwas anderem als dem Schwenkmotor 305 und dem Arm 162 empfangen wurde oder nicht (Schritt S112). In einem Fall, in dem die Eingriffsbestimmungseinheit 216 bestimmt, dass eine Betätigung von etwas anderem als dem Schwenkmotor 305 und dem Arm 162 nicht empfangen wurde (Schritt S112: NEIN), weil gefolgert wird, dass die Bedienungsperson bereit ist, die Baustelle entlang der Gestaltungsfläche auszuheben, erzeugt die Eingriffssteuereinheit 217 Steuersignale für den Löffelzylinder 308, den Kippzylinder 309 und den Drehmotor 310, indem sie die unten beschriebene Gestaltungsflächen-Folgesteuerung durchführt (Schritt S113).
• In einem Fall, in dem der Abstand zwischen dem Steuerpunkt und der ersten Gestaltungslinie gleich oder kleiner als der Eingriffsschwellenwert ist, legt die Eingriffssteuereinheit 217 eine Geschwindigkeitsbegrenzung der Zähne des Löffels 164 auf der Grundlage des Abstands zwischen dem Steuerpunkt und der ersten Gestaltungslinie und einer vorgegebenen Geschwindigkeitsbegrenzungstabelle fest (Schritt S114). Die Geschwindigkeitsbegrenzungstabelle ist eine Funktion, die eine Beziehung zwischen dem Abstand zwischen den Zähnen und der Gestaltungslinie und der Geschwindigkeitsbegrenzung der Zähne angibt, wobei die Geschwindigkeitsbegrenzung umso kleiner ist, je geringer der Abstand ist. Die Eingriffssteuereinheit 217 bestimmt, ob die Geschwindigkeit der Zähne die in Schritt S114 (Schritt S115) angegebene Geschwindigkeitsbegrenzung überschreitet oder nicht. Wenn die Geschwindigkeit der Zähne die Geschwindigkeitsbegrenzung überschreitet (Schritt S115: JA), berechnet die Eingriffssteuereinheit eine Geschwindigkeit des Auslegers 161, um die Geschwindigkeit der Zähne an die Geschwindigkeitsbegrenzung anzupassen, und erzeugt ein Steuersignal für den Auslegerzylinder 306 (Schritt S116). Wenn die Geschwindigkeit der Zähne die Geschwindigkeitsbegrenzung nicht überschreitet (Schritt S115: NEIN), führt die Eingriffssteuereinheit 217 die Eingriffssteuerung für den Auslegerzylinder 306 nicht durch.
• Dann erzeugt die Steuersignalausgabeeinheit 218 ein Steuersignal, das dem Betätigungsbetrag entspricht, der durch das von der Betriebssignal-Erfassungseinheit 211 erfasste Betriebssignal von der Betätigungsvorrichtung 271 für den Aktuator ohne das von der Eingriffssteuereinheit 217 erzeugte Steuersignal angezeigt wird, und gibt das Steuersignal für jeden Aktuator an das Steuerventil 303 aus (Schritt S117).
• <<Zahnausrichtungssteuerung>>
• 7 ist ein Flussdiagramm, das die Steuerung der Zahnausrichtung gemäß der ersten Ausführungsform zeigt.
• Die Steuereinheit für die Zahnausrichtung steuert, dass die Zähne des Löffels 164 und die Gestaltungsfläche annähernd parallel zueinander ausgerichtet werden. Konkret bedeutet die Steuerung der Zahnausrichtung die Bestimmung der Löffelneigungsachse X_bk als virtuelle Rotationsachse, die sich in der Richtung erstreckt, in die die Zähne des Löffels 164 weisen, und die Betätigung des Löffelzylinders 308, des Kippzylinders 309 und/oder des Drehmotors 310 in der Weise, dass die Löffelnickachse Y_bk orthogonal zur Löffelneigungsachse X_bk verläuft und die Zähne des Löffels 164 und die Gestaltungsfläche annähernd parallel zueinander sind. Bei der Steuerung der Zahnausrichtung wird der Löffel 164 um die Löffelneigungsachse X_bk gedreht. Daher erhält die Eingriffssteuereinheit 217 einen Sollwert θ_{bk_tgt} des Löffelwinkels, einen Sollwert θ_{t_tgt} des Neigungswinkels und einen Sollwert θ_{r_tgt} des Rotationswinkels, um die Zähne des Löffels 164 und die zweite Gestaltungslinie ungefähr parallel zueinander zu machen, während ein Winkel um die Löffelnickachse Y_bk und ein Winkel um die Löffeldrehachse Z_bk im Löffel-Koordinatensystem beibehalten wird. Im Einzelnen ermittelt die Eingriffssteuereinheit die Sollwerte für den Löffelwinkel θ_bk, den Neigungswinkel θ_t und den Rotationswinkel θ_r durch das folgende Verfahren.
• Die Eingriffssteuereinheit 217 bestimmt einen Sollwert θ_{bk_t_tgt} einer Winkelgeschwindigkeit um die Löffelneigungsachse X_bk auf der Grundlage eines Winkels, der durch die Löffelnickachse Y_bk im Löffel-Koordinatensystem und die in Schritt S108 erhaltene zweite Gestaltungslinie gebildet wird, und einer vorgegebenen Löffelneigungstabelle (Schritt S301). Der Sollwert θ_{bk_t_tgt} der Winkelgeschwindigkeit wird durch einen Rotationswinkel pro Zeiteinheit dargestellt. Die Löffelneigungstabelle ist eine Funktion, die eine Beziehung zwischen dem von der Löffelnickachse Y_bk und der Gestaltungslinie gebildeten Winkel und der Winkelgeschwindigkeit um die Löffelneigungsachse X_bk angibt, wobei die Winkelgeschwindigkeit umso kleiner ist, je kleiner der Winkel ist. Die Eingriffssteuereinheit 217 erstellt eine Rotationsmatrix R^bk_t _bk des Löffel-Koordinatensystems, die den Sollwert θ_{bk_t_tgt} der Winkelgeschwindigkeit unter Verwendung des Ausdrucks (7) darstellt (Schritt S302). $$R_{bk}^{bk\_t}=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& \text{cos}{\theta }_{bk\_t\_tgt}& -\text{sin}{\theta }_{bk\_t\_tgt}& 0\\ 0& \text{sin}{\theta }_{bk\_t\_tgt}& \text{cos}{\theta }_{bk\_t\_tgt}& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$$

  
• Die Eingriffssteuereinheit berechnet eine Sollhaltung R_tgt des Löffels 164 nach einer Zeiteinheit durch Multiplikation der Matrix R_cur, die die in Schritt S103 berechnete aktuelle Haltung des Löffels 164 darstellt, mit der Rotationsmatrix R^bk_t _bk (Schritt S303). Die Eingriffssteuereinheit 217 ermittelt die Sollwerte des Löffelwinkels θ_bk, des Kippwinkels θ_t und des Rotationswinkels θ_r unter Verwendung der Ausdrücke (8) bis (10) auf der Grundlage der aktuellen Haltung R_cur des Löffels 164 und der Sollhaltung R_tgt des Löffels 164 nach einer Zeiteinheit (Schritt S304). $$R_{cur}^{\text{T}}{R}_{tgt}=\left[\begin{array}{cccc}{r}_{11}& r_{12}& r_{13}& 0\\ r_{21}& r_{22}& r_{23}& 0\\ r_{31}& r_{32}& r_{33}& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$$

  

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

  

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

  
• Gemäß den Ausdrücken (8) bis (10) kann die Eingriffssteuereinheit 217 die Winkelgeschwindigkeiten θ_{bk_tgt}, θ_{t_tgt} und θ_{r_tgt} erhalten, um eine Differenz zwischen der aktuellen Position R_cur des Löffels 164 und der Sollhaltung R_tgt des Löffels 164 auszugleichen. Die Eingriffssteuereinheit 217 erzeugt Steuersignale für den Löffelzylinder 308, den Kippzylinder 309 und den Drehmotor 310 auf der Grundlage der in Schritt S304 (Schritt S305) erhaltenen Sollwerte der Winkelgeschwindigkeiten.
• <<Gestaltungsflächen-Folgesteuerung>>
• 8 ist ein Flussdiagramm, das die Gestaltungsflächen-Folgesteuerung gemäß der ersten Ausführungsform zeigt.
• Die Gestaltungsflächen-Folgesteuerung ist eine Steuereinheit, die bewirkt, dass die Zähne des Löffels 164 bei Aushub- oder Bodennivellierungsarbeiten der Gestaltungsfläche folgen. Insbesondere besteht die Gestaltungsflächen-Folgesteuerung in der Bestimmung der Löffelneigungsachse X_bk als virtuelle Rotationsachse, die sich in der Richtung erstreckt, in die die Zähne des Löffels 164 weisen, und in der Betätigung des Löffelzylinders 308, des Neigungszylinders 309 und den Drehmotor 310 so zu steuern, dass die zur Löffelneigungsachse X_bk orthogonale und entlang der Zähne des Löffels 164 verlaufende Löffelnickachse Y_bk und die Gestaltungsfläche annähernd parallel zueinander sind, wobei die Achsrichtung der Löffelneigungsachse X_bk im globalen Koordinatensystem beibehalten wird. Bei der Gestaltungsflächen-Folgesteuerung wird der Löffel 164 um die Löffelneigungsachse X_bk gedreht, wobei die Achsrichtung der Löffelneigungsachse X_bk im globalen Koordinatensystem beibehalten wird. Daher erhält die Eingriffssteuereinheit einen Sollwert θ_{bk_tgt} des Löffelwinkels, einen Sollwert θ_{t_tgt} des Neigungswinkels und einen Sollwert θ_{r_tgt} des Rotationswinkels, um die Zähne des Löffels 164 und die zweite Gestaltungslinie durch die Drehung um die Löffelneigungsachse X_bk annähernd parallel zueinander zu machen, während eine Änderung einer Öffnungsrichtung in Bezug auf das globale Koordinatensystem aufgrund der Bedienung der Arbeitsmaschine 100 durch die Bedienungsperson aufgehoben wird. Konkret erhält die Eingriffssteuereinheit 217 die Sollwerte des Löffelwinkels θ_bk, des Neigungswinkels θ_t und des Rotationswinkels θ_r durch das folgende Verfahren.
• Die Eingriffssteuereinheit 217 erhält eine Haltungsmatrix R_man, die die Haltung des Löffels 164 nach einer Zeiteinheit (Steuerungszyklus) darstellt, indem sie die Matrix dreht, die die in Schritt S103 berechnete aktuelle Haltung des Löffels 164 darstellt, basierend auf den von der Betriebssignal-Erfassungseinheit 211 erfassten Betätigungsbeträgen des Schwenkmotors 305 und des Armzylinders 307 und dem von der Messwerterfassungseinheit 214 erfassten Messwert der Neigungsmessvorrichtung 401 (Schritt S401).
• Als Nächstes bestimmt die Eingriffssteuereinheit 217 einen Sollwert θ_{bk_t_tgt} einer Winkelgeschwindigkeit um die Löffelneigungsachse X_bk auf der Grundlage eines Winkels, der durch die Löffelnickachse Y_bk im Löffel-Koordinatensystem und die in Schritt S108 erhaltene zweite Gestaltungsmöglichkeit gebildet wird, und einer vorgegebenen Löffelneigungstabelle (Schritt S402). Die Eingriffssteuereinheit 217 erstellt eine Rotationsmatrix R^bk_t _bk des Löffel-Koordinatensystems, die den Sollwert θ_{bk_t_tgt} der Winkelgeschwindigkeit unter Verwendung des Ausdrucks (7) darstellt (Schritt S403).
• Die Eingriffssteuereinheit 217 berechnet eine Sollhaltung R_tgt des Löffels 164 nach einer Zeiteinheit durch Multiplikation der Haltungsmatrix R_man, die die Haltung des Löffels 164 nach einer in Schritt S401 berechneten Zeiteinheit (Steuerungszyklus) darstellt, mit der Rotationsmatrix R^bk_t _bk (Schritt S404). Die Eingriffssteuereinheit 217 ermittelt die Sollwerte des Löffelwinkels θ_bk, des Kippwinkels θ_t und des Rotationswinkels θ_r unter Verwendung der Ausdrücke (11) bis (13), basierend auf der Haltungsmatrix R_man und der Sollhaltung R_tgt (Schritt S405). $$R_{man}^{\text{T}}{R}_{tgt}=\left[\begin{array}{cccc}{r}_{11}& r_{12}& r_{13}& 0\\ r_{21}& r_{22}& r_{23}& 0\\ r_{31}& r_{32}& r_{33}& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$$

  

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

  

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

  
• Gemäß den Ausdrücken (11) bis (13) kann die Eingriffssteuereinheit 217 die Winkelgeschwindigkeiten θ_{bk_tgt}, θ_{t_tgt} und θ_{r_tgt} erhalten, um eine Differenz zwischen der aktuellen Position R_cur des Löffels 164 und der Sollhaltung R_tgt des Löffels 164 auszugleichen. Die Eingriffssteuereinheit 217 erzeugt Steuersignale für den Löffelzylinder 308, den Kippzylinder 309 und den Drehmotor 310 auf der Grundlage der in Schritt S405 (Schritt S406) erhaltenen Sollwerte der Winkelgeschwindigkeiten.
• <<Funktionsweise und Wirkungen>>
• Gemäß der ersten Ausführungsform steuert die Steuereinheit 200, wenn die Bedienungsperson den Auslegerzylinder 306 betätigt, um den Löffel 164 näher an die Gestaltungsfläche zu bringen, den Tiltrotator 163 so, dass die Zähne des Löffels 164 parallel zur Gestaltungsfläche stehen. In diesem Fall steuert die Steuereinheit 200 den Tiltrotator 163 so, dass er sich im Löffel-Koordinatensystem um die Löffelneigungsachse dreht, so dass die Richtung, in die die Zähne des Löffels 164 weisen, nicht verändert wird. Dementsprechend kann die Steuereinheit 200 die Zähne mit der Gestaltungsfläche ausrichten und dabei den Willen der Bedienungsperson berücksichtigen. Wenn die Bedienungsperson dann den Armzylinder 307 und den Schwenkmotor 305 betätigt, wobei die Zähne des Löffels 164 in Kontakt mit einem Aushubziel stehen, um die Arbeitsmaschine 100 zu veranlassen, das Aushubziel auszuheben, steuert die Steuereinheit 200 den Tiltrotator 163 so, dass die Zähne des Löffels 164 der Gestaltungsfläche folgen. In diesem Fall steuert die Steuereinheit 200 so, dass die Richtung, in die die Zähne des Löffels 164 weisen, vom globalen Koordinatensystem aus gesehen nicht verändert wird, selbst wenn der Schwenkkörper 140 durch die Betätigung der Bedienungsperson geschwenkt wird. Dementsprechend kann die Steuereinheit 200 die Zähne automatisch in Aushubrichtung ausrichten.
• Darüber hinaus kann gemäß der ersten Ausführungsform die Haltung des Löffels 164 vom globalen Koordinatensystem aus gesehen konstant gehalten werden, auch wenn der Schwenkkörper 140, der Ausleger 161 und der Arm 162 betätigt werden, wenn die Bedienungsperson den Haltungshaltemodus einstellt. Wenn beispielsweise eine Stelle ausgehoben wird, die ausreichend höher liegt als die Gestaltungsfläche, können die Zähne durch Beibehaltung der Haltung des Löffels 164 leicht in Aushubrichtung ausgerichtet werden. Außerdem kann beispielsweise in einem Fall, in dem ein Anbaugeräteelement wie ein Greifer anstelle des Löffels 164 an dem Anbaugerät 160 angebracht ist, um eine Last zu bewegen, ein Herabfallen der Last aufgrund der Haltungsänderung verhindert werden, indem die Haltung des Anbaugeräteelements beibehalten wird.
• Außerdem veranlasst die Steuervorrichtung 200 die Eingriffssteuereinheit 217, das Steuersignal für den Tiltrotator 163 nicht zu erzeugen, wenn ein Betriebssignal für den Betrieb des Löffelzylinders 308, des Kippzylinders 309 oder des Drehmotors 310 eingegeben wird. Die Tatsache, dass das Betriebssignal für den Betrieb des Tiltrotators 163 von der Bedienungsperson eingegeben wird, bedeutet, dass die Bedienungsperson mit hoher Wahrscheinlichkeit den Willen hat, in der Richtung zu arbeiten, in die der Löffel 164 zeigt. Daher erzeugt die Steuereinheit 200 in einem solchen Fall kein Steuersignal für den Tiltrotator, so dass die Bedienung durch die Bedienungsperson nicht behindert wird.
• <Andere Ausführungsformen>
• Obwohl zuvor eine Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert beschrieben wurde, ist die bestimmte Konfiguration nicht auf die zuvor beschriebene beschränkt, und es können verschiedene Konstruktionsänderungen und dergleichen vorgenommen werden. Das heißt, in einer anderen Ausführungsform kann die Reihenfolge der zuvor beschriebenen Prozesse in geeigneter Weise geändert werden. Darüber hinaus können einige der Prozesse parallel ausgeführt werden.
• Die Steuereinheit 200 gemäß der zuvor beschriebenen Ausführungsform kann aus einem einzigen Computer bestehen, oder die Konfigurationen der Steuereinheit 200 können aufgeteilt und in einer Vielzahl von Computern angeordnet sein, und die Vielzahl von Computern kann miteinander zusammenarbeiten, um als die Steuereinheit 200 zu arbeiten. In diesem Fall können einige Computer, die die Steuereinheit 200 bilden, innerhalb der Arbeitsmaschine vorgesehen sein, und andere Computer können 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 Konfigurationen der Steuervorrichtung 200 mit Ausnahme der Messwerterfassungseinheit 214 und der Steuersignalausgabeeinheit 218 können in dem entfernten Server angeordnet sein.
• Darüber hinaus ist die Arbeitsmaschine 100 ein Hydraulikbagger gemäß der zuvor beschriebenen Ausführungsform, ist aber nicht darauf beschränkt. Beispielsweise kann es sich bei der Arbeitsmaschine 100 gemäß einer anderen Ausführungsform um eine bodenfeste, nicht automatisch fahrende Arbeitsmaschine handeln. Darüber hinaus kann die Arbeitsmaschine 100 gemäß einer anderen Ausführungsform eine Arbeitsmaschine sein, die keinen Schwenkkörper aufweist.
• Die Arbeitsmaschine 100 umfasst den Löffel 164 als Anbaugeräteelement des Anbaugeräts 160 gemäß der zuvor beschriebenen Ausführungsform, ist aber nicht darauf beschränkt. Beispielsweise kann die Arbeitsmaschine 100 gemäß einer anderen Ausführungsform einen Aufbrechhammer, eine Gabel, einen Greifer oder dergleichen als Anbaugeräteelement aufweisen. Auch in diesem Fall steuert die Steuereinheit 200 den Tiltrotator 163 ähnlich wie das Löffel-Koordinatensystem durch das lokale Koordinatensystem, das aus der Achse X_bk, die sich in die Richtung erstreckt, in die die Zähne des Anbaugeräteelements zeigen, der Achse Y_bk, die sich in Richtung der Zähne erstreckt, und der Achse Z_bk, die orthogonal zur Achse X_bk und zur Achse Y_bk verläuft, gebildet wird.
• In einer anderen Ausführungsform müssen die Achsen des Tiltrotators 163 nicht orthogonal zueinander sein, solange sich die Achsen in verschiedenen Ebenen schneiden. Konkret bedeutet dies, dass in Bezug auf eine Achse AX1, die sich auf die Gelenkwelle bezieht, durch die der Arm 162 und der Anbaugeräteabschnitt 1631 verbunden sind, eine Achse AX2, die sich auf die Gelenkwelle bezieht, durch die der Anbaugeräteabschnitt 1631 und der Kippabschnitt 1632 verbunden sind, und eine Rotationsachse AX3 des Rotationsmotors 310, wenn der Neigungswinkel und der Rotationswinkel des Tiltrotators 163 gleich Null sind, eine zu den Achsen AX1 und AX2 parallele Ebene, eine zu den Achsen AX2 und AX3 parallele Ebene und eine zu den Achsen AX3 und AX1 parallele Ebene nur voneinander verschieden sein müssen.
• Darüber hinaus muss die Steuereinheit 200 gemäß einer anderen Ausführungsform keine Einstellfunktion in Bezug auf die Gestaltungsfläche aufweisen. Auch in diesem Fall kann die Steuereinheit 200 den Tiltrotator 163 automatisch steuern, indem sie die Löffelhaltungs-Haltesteuerung durchführt. So kann der Bediener beispielsweise einfache Nivellierungsarbeiten durchführen, ohne die Gestaltungsfläche einzustellen.
• Industrielle Anwendbarkeit
• Gemäß dem zuvor beschriebenen Aspekt kann das System den Betrieb einer Arbeitsmaschine unterstützen, die mit einem Anbaugeräteelement ausgestattet ist, das von einem Stützabschnitt über einen Tiltrotator getragen wird.
• 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

Betriebssignal-Erfassungseinheit

212

Eingabeeinheit

213

Anzeigesteuereinheit

214

Messwerterfassungseinheit

215

Positions- und Haltungsberechnungseinheit

216

Eingriffsbestimmungseinheit

217

Eingriffssteuereinheit

218

Steuersignalausgabeeinheit

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

Position und Azimutrichtungsmessvorrichtung

403

Auslegerwinkelsensor

404

Armwinkelsensor

405

Löffelwinkelsensor

406

Neigungswinkelsensor

407

Rotationswinkelsensor

• 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 2021161376 [0002]
• WO 2016186219 [0004]

Claims (7)

1. System zur Steuerung einer Arbeitsmaschine mit einem von einem Fahrzeugkörper betriebsfähig getragenen Stützabschnitt, einem an einer Spitze des Stützabschnitts angebrachten Tiltrotator und einem Anbaugeräteelement mit Zähnen, das von dem Stützabschnitt über den Tiltrotator um drei sich in verschiedenen Ebenen schneidende Achsen drehbar getragen wird, wobei das System umfasst: einen Prozessor, wobei der Prozessor so konfiguriert ist, dass er Messwerte von einer Vielzahl von Sensoren erfasst, auf der Grundlage der Messwerte eine Haltung des Anbaugeräteelements in Bezug auf den Fahrzeugkörper berechnet, eine virtuelle Rotationsachse auf der Grundlage der berechneten Haltung des Anbaugeräteelements bestimmt, ein Betriebssignal zur Betätigung des Stützabschnitts von einer Betätigungseinrichtung erfasst, ein Steuersignal für den Tiltrotator erzeugt, um das Anbaugeräteelement um die virtuelle Rotationsachse zu drehen, so dass eine axiale Richtung der virtuellen Rotationsachse in einem globalen Koordinatensystem gehalten wird und eine Gestaltungsmöglichkeit und die Zähne des Anbaugeräts annähernd parallel zueinander sind, basierend auf der berechneten Haltung des Anbaugeräts und einem Betätigungsbetrag, der durch das Betriebssignal zum Betätigen des Stützabschnitts angezeigt wird, und das erzeugte Steuersignal ausgibt.
2. System gemäß Anspruch 1, wobei wobei die Arbeitsmaschine ferner einen Basisabschnitt aufweist, der so konfiguriert ist, dass er den Fahrzeugkörper schwenkbar trägt, und der Prozessor konfiguriert so ist, dass er ein Betriebssignal zum Schwenken des Fahrzeugkörpers in Bezug auf den Basisabschnitt von der Betätigungsvorrichtung erfasst, und ein Steuersignal für den Tiltrotator erzeugt, um das Anbaugerät um die virtuelle Rotationsachse zu drehen, so dass die axiale Richtung der virtuellen Rotationsachse in dem globalen Koordinatensystem gehalten wird und die Gestaltungsfläche und die Zähne des Anbaugeräteelements ungefähr parallel zueinander sind, basierend auf der berechneten Haltung des Anbaugeräteelements und einem Betätigungsbetrag, der durch das Betriebssignal zum Schwenken des Fahrzeugkörpers angezeigt wird.
3. System gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die virtuelle Rotationsachse eine Achse ist, die sich in eine Richtung erstreckt, in die die Zähne des Anbaugeräteelements weisen.
4. System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Steuereinheit so konfiguriert ist, dass sie das Steuersignal für den Tiltrotator in einem Fall ausgibt, in dem ein Abstand zwischen der Gestaltungsfläche und den Zähnen des Anbaugeräteelements gleich oder kleiner als ein Eingriffsschwellenwert ist.
5. System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Prozessor so konfiguriert ist, dass er in einem Fall, in dem ein Betriebssignal zum Betreiben des Tiltrotators von der Betätigungsvorrichtung eingegeben wird, ein Steuersignal auf der Grundlage des eingegebenen Betriebssignals ausgibt, ohne das erzeugte Steuersignal für den Tiltrotator auszugeben.
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 von einem Fahrzeugkörper betriebsfähig getragenen Stützabschnitt, einem an einer Spitze des Stützabschnitts gestützten Tiltrotator und einem Anbaugeräteelement mit Zähnen, das von dem Stützabschnitt über den Tiltrotator um drei sich in verschiedenen Ebenen schneidende Achsen drehbar getragen wird, wobei das Verfahren umfasst: einen Schritt des Erfassens von Messwerten von einer Vielzahl von Sensoren; einen Schritt des Berechnens einer Haltung des Anbaugeräteelements in Bezug auf den Fahrzeugkörper auf der Grundlage der Messwerte; einen Schritt des Bestimmens einer virtuellen Rotationsachse auf der Grundlage der berechneten Haltung des Anbaugeräteelements; einen Schritt des Erfassens eines Betriebssignals zum Betreiben der Arbeitsmaschine von einer Betätigungsvorrichtung; einen Schritt des Erzeugens eines Steuersignals für den Tiltrotator, um das Anbaugeräteelement um die virtuelle Rotationsachse zu drehen, so dass eine axiale Richtung der virtuellen Rotationsachse in einem globalen Koordinatensystem gehalten wird und eine Gestaltungsfläche und die Zähne des Anbaugeräteelements ungefähr parallel zueinander sind, basierend auf der berechneten Haltung des Anbaugeräteelements und einem Betätigungsbetrag, der durch das Betätigungssignal zum Betätigen des Stützabschnitts angezeigt wird; und einen Schritt des Steuerns des Tiltrotators gemäß dem erzeugten Steuersignal.

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