DE69321339T2

DE69321339T2 - Adaptive Steuerung mit einem Mensch-interaktiven System für einen aufgehängten Werkstand

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Publication number: DE69321339T2
Application number: DE69321339T
Authority: DE
Inventors: Francis M. Santa Paula Calif. Fulton
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-03-16
Filing date: 1993-03-19
Publication date: 1999-06-17
Anticipated expiration: 2013-03-20
Also published as: US5390104A; DE69321339D1; CA2092148A1; EP0616275A2; EP0616275A3; CA2092148C; EP0616275B1; JP3343980B2; JPH06271299A

Description

Diese Erfindung betrifft allgemein ein Adaptivsteuerungssystem zur Erweiterung des menschlichen Aktionsradius zur Bewegung und Ausrichtung von einseitig unterstützten Arbeitsstationen. Insbesondere betrifft die Erfindung die aufgabenkoordinierte gesteuerte Bewegung von Lastmanipulatoren.
Ein typisches Beispiel für eine solche Vorrichtung ist die Arbeitsplattform, die einen Obstpflücker trägt, wobei die Erfindung die ständige oder unterbrochene gesteuerte Bewegung und Positionierung einer solchen Plattform entsprechend der Steuerung durch den Pflücker ermöglicht, während dieser gleichzeitig die Aufgaben des Auffindens der Früchte, deren Ernte und Ablage ausführt. In bestimmten Fällen kann es sein, daß sich die Bedienungskraft nicht auf der Arbeitsstation, sondern auf dem Boden oder an einer anderen Stelle auf der Struktur der Maschine befindet. Ein Beispiel für eine solche Anwendung ist die beim Beschneiden, bei dem an der Arbeitsstation ein ferngesteuertes Gelenkmesser angebracht wird und der Vorgang der Positionierung des Messers und der Betätigung des Messers von einer Bedienungskraft an einer anderen Stelle ausgeführt wird, beispielsweise vom Boden aus.
Im weitesten Sinne ist die vorliegende Erfindung bei jeder Gerätesituation von Nutzen, bei der eine Bedienungskraft und/oder andere Aufgabeneffektoren an verschiedenen räumlichen Stellen in die Lage versetzt werden sollen, Aufgabenfunktionen auszuführen. Zu diesen Funktionen gehören die Herstellung oder Überprüfung und Reparatur von mechanischen Strukturen, die Anbringung, Wiederherstellung oder Abnahme von dekorativen Ausschmückungsgegenständen oder das Aufsetzen und Abladen von Ausrüstungen oder Materialien für Transportzwecke und andere Situationen, bei denen die dreidimensionale Positionierung der Arbeitskraft und die räumliche Ausrichtung der Aufgabeneffektoren notwendig ist. Für den Zweck der vorliegenden Beschreibung werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung in der Anwendung bei einer Baum-Ernte- und -pflegevorrichtung, einer Lastmanipulatorvorrichtung und einer Massengut- Umschlagvorrichtung beschrieben.
Bisher wurden verschiedene Strukturen, mobile ebenso wie stationäre, vorgeschlagen, um eine Arbeitskraft in die Nähe der verschiedenen Äste eines Baumes zu heben und sie dort zu positionieren, um solche aus unterschiedlichen Positionen auszuführende Aufgaben wie das Beschneiden, Befruchten und Ernten von Baumfrüchten zu erleichtern. Beispielsweise werden Obstpflücker auf einer Plattform getragen, welche die Form eines Korbes haben kann, und die Plattform kann mittels einer kraftbetriebenen Gelenkstruktur einseitig unterstützt werden, die bewegt werden kann, um den Pflücker in eine Pflückstellung zu bringen. Außerdem wurde auch vorgeschlagen, ein elektrohydraulisches Steuerungssystem zur Betätigung der verschiedenen Elemente der Stützstruktur in Reaktion auf die aufgabenbezogene Positionierung des Körpers eines Pflückers bereitzustellen, um dadurch die Plattform in einer gewünschten Richtung und mit einer gewünschten Rate zu bewegen. Ein solches System wird in US-PS Nr. 3384201 beschrieben. Bei diesem Beispiel ist die Plattform an einem geradlinigen Arm angebracht, der so aufgebaut ist, daß er eine ebene Einwärts-Auswärts-Bewegung ermöglicht. Dieser Arm wiederum ist an einem senkrechten Ausleger angebracht. Die seitliche Bewegung wird durch die Drehung des Auslegers ermöglicht. Die Vorrichtung weist Beschränkungen in der Steuerung auf, wodurch sie nur bei Fahrzeugen mit Stützstrukturen eingesetzt werden kann, die eine geradlinige Bewegung in der senkrechten Ebene ausführen. Die Bewegungen der korbförmigen Plattform werden durch direkte Betätigung der verschiedenen elektrohydraulischen Regler unter Verwendung von Eingaben gesteuert, die durch aufgabenbezogene Bewegungen des Körpers der Person auf der Plattform erzeugt werden. Dadurch werden die Anwendungs- und Anpassungsmöglichkeiten der Vorrichtung eingeschränkt.
Um die aufgabenbezogene Mensch-Maschinen-Effektivität beim Obstpflücken und anderen aus umfangreichen unterschiedlichen Positionen auszuführenden Aufgaben zu optimieren, ist es wesentlich, daß die Bewegungen der Arbeitsstation das Produkt der aufgabenbezogenen Leiteingaben durch die Bedienungskraft unter Nutzung der Vorrichtung sind. Die Bewegungen der Arbeitsstation müssen schnell und genau sein, und sie müssen jederzeit eng auf die natürlichen Fähigkeiten von Stimulus-Entscheidung-Handlung der menschlichen Bedienungskraft abgestimmt sein. Diesen Anforderungen an das Positionierungsverhalten der Plattform steht die Tatsache gegenüber, daß die einfacheren und leistungsfähigeren Tragestrukturen von beweglichen Plattformen in ihrer Richtungs- und Geschwindigkeitsreaktion inhärent nicht-linear sind, wenn sie durch Mehrzweck- Bewegungsstellorgane angetrieben werden. Die durch den Körper des Pflückers ausgelösten Steuerungseingänge und die relativ komplexen Merkmale der Bewegung der Plattform in der geradlinigen senkrechten Ebene, die das in US-PS Nr. 3384201 definierte System aufweist, stellen eine Herangehensweise an die Erfüllung dieser Leistungsanforderungen von mobilen Plattformen dar.
Beim Erreichen des erforderlichen Maßes an Beweglichkeit der Plattform und situationsbedingter Flexibilität muß eine noch wichtigere Forderung beachtet werden. Diese besteht darin, daß die gesamte kraftbetriebene Struktur und deren Steuerungssystem das höchste erreichbare Maß an grundsätzlicher Operationssicherheit aufweisen müssen. Die Schwierigkeiten beim Erreichen dieser grundlegenden Ziele werden noch verstärkt durch die Arbeitsumgebung, in der das Mensch-Maschine-System zu arbeiten in der Lage sein muß. Baum- Ernte- und -pflegeaufgaben gehören zu den anspruchsvollsten dieser Umgebungen. Im typischen Fall muß der Pflücker kontinuierlich von der Plattform aus arbeiten, wobei seine Hauptaufmerksamkeit auf das Auffinden, Abnehmen und Ablegen der Baumfrüchte konzentriert ist. Seine Aufgabe verlangt es, sich um die gesamte Kronenoberfläche jedes Baumes zu bewegen und regelmäßig in das Gefüge der Äste einzudringen, um die innenliegenden Früchte zu ernten. Wenn der an der Plattform angebrachte Produktbehälter gefüllt ist, muß sich der Pflücker schnell zu den Großsammelbehältern bewegen, um seinen Sammelbehälter zu leeren, und dabei jede Beeinträchtigung der Struktur von Baum und Maschine vermeiden. Anschließend muß er schnell und sicher wieder seinen Weg zurück zum gegenwärtigen Erntepunkt finden.
Wenn die Baumfrüchte, die sich innerhalb des gegenwärtigen Arbeitsradius der Maschine befinden, abgeerntet sind, muß die Bedienungskraft ihre Arbeitsstation an die Maschine heranführen und die Einheit zur nächsten Ernteposition bewegen. Die Vorrichtung muß in der Lage sein, auf gepflügten Feldern zu arbeiten, die oft kreuz und quer von Furchen. Absätzen oder Gräben durchzogen sind. Außerdem kann es notwendig sein, daß die Vorrichtung in der Lage ist, in ungepflügten Obstplantagen und auf baumbestandenen Abhängen zu arbeiten. Um ein solches Gelände überqueren zu können, muß sie ein Basisfahrgestell mit ausgezeichneter Zugkraft und niedrigem Schwerpunkt im Zustand mit aufliegender Plattform haben. Um unter allen Geländebedingungen, von denen man vernünftigerweise annehmen kann, daß die mobile Plattform unter diesen eingesetzt wird, ein Höchstmaß an Stabilität gewährleisten zu können, kann die Basisplattform der Vorrichtung mit einem ausfahrbaren Stützfußsystem mit Höhenausgleich ausgerüstet werden. Baumobstgehölze und Obstgärten sind in der Regel durch Baumreihen gekennzeichnet, die so gepflanzt werden, daß die Hektarerträge maximiert werden. Wenn diese Bäume älter werden, nimmt der lichte Raum zwischen den Reihen ab, manchmal bis zu dem Punkt, an dem sich die oberen Äste ineinander verschlingen. Selbst in diesen engen und durch unregelmäßig überhängende Zweige überdachten Korridoren müssen die Maschine und deren mobile Plattform sicher und mit hoher aufgabenbezogener Wirksamkeit zu arbeiten in der Lage sein.
Ausgehend von den vorstehend genannten Anforderungen und Überlegungen ist es eines der Hauptziele der vorliegenden Erfindung, eine stark verbesserte, dreidimensional wirksame, mobile Arbeitsstation-Vorrichtung zu schaffen, eine, die in der Lage ist, die vielfältigen Aufgaben- und Leistungsanforderungen an eine Bedienungskraft in einer dynamischen Arbeitsumgebung voll zu verstärken, und die gleichermaßen in der Lage ist, die Betriebssicherheit auf Situationsgrundlage gleichzeitig zu überwachen und zu unterstützen.
Im einzelnen ist es ein Ziel, eine verbesserte, dreidimensionale, mobile Arbeitsstation-Vorrichtung zu schaffen, die ein multifunktionelles adaptives Steuerungssystem beinhaltet, das in der Lage ist, durch die Überwachung der jeweiligen Position des Körpers der Bedienungskraft räumliche Positionierungsleiteingaben abzuleiten, um dann in einem Prozeß, der die Situationsvariablen der Vorrichtung berücksichtigt und für die gesamte residente Struktur der Betriebskriterien gilt, die Reaktion auf diese Leiteingaben zu konditionieren und dann entweder die entsprechende Reaktion in der Bewegung der Plattform hervorzurufen oder die Ausführung dieser Leiteingaben zu unterbinden, wenn die festgelegten Sicherheits- oder Kapazitätskennwerte verletzt würden.
Das der Erfindung am nächsten kommende Dokument nach dem bekannten technischen Stand, CA-A-2039057, bezieht sich auf ein Adaptivsteuerungssystem zur Erweiterung des menschlichen Aktionsradius nach dem Oberbegriff von Anspruch 1. Das System schließt ein Leitelement ein, das mit Hilfe eines Sitzes und/oder einer Weste am Rumpf der Bedienungskraft befestigt wird und Bewegungen in Übereinstimmung mit den Bewegungen der Bedienungskraft ausführt. Wenn sich die Bedienungskraft in einer Richtung bewegt, wird die Bewegung durch das Leitelement festgestellt und dann in zwei orthogonale Komponenten aufgelöst, um Spannungsausgänge zu erzeugen, die jeweils der Winkelkomponente proportional sind. In Übereinstimmung mit diesen Spannungsausgängen wird die Bewegung der Arbeitsstation gesteuert.
In Proceedings of the 29th IEEE Conference on Decision and Control, Honolulu, Hawaii. USA. 5. - 7. Dezember 1990. S. 85-90. XP 147353. wird von S. Tachi, H. Arai und T. Maeda, "Tele-Existence Master Slave System for Remote Manipulation (II)" ("Tele- Existenz-Master-Slave-System zur Fernmanipulation (II)") ein System zur Fernmanipulation einer Vorrichtung, einschließlich eines Roboterarmes, beschrieben, die für die Nachahmung eines Menschen entwickelt wurde.
US-A-4414537 beschreibt ein Handschuh-Schnittstellen-Gerät, das diskrete Handstellungen in elektrische Signale überträgt, die Digitaldaten zur Eingabe in einen Computer darstellen.
JP-A-61-172008 beschreibt einen Haltungsdetektor-Sensor zum Feststellen der Abweichung eines geschlossenen Behälters im Verhältnis zur Sensorachse.
Die vorliegende Erfindung kann bei verschiedenen Formen von Maschinen mit jedwedem kraftbetriebenen Tragesystem für eine Gelenkarbeitsstation, einschließlich Maschinen mit einem drehbaren, ausziehbaren Ausleger, für eine Vielzahl von Zwecke und mit unterschiedlichen Arbeitsmodi angewendet werden.
Allgemein formuliert wird ein Adaptivsteuerungssystem zur Erweiterung des menschlichen Aktionsradius für die gesteuerte Bewegung eines Lastmanipulators bereitgestellt, das folgende Komponenten umfaßt:
eine Stützstruktur, die wenigstens ein bewegliches Element einschließt, das Lastmanipulationsmittel trägt:
Mittel zur Bewegung des wenigstens einen beweglichen Elements, um die Lastmanipulationsmittel in waagerechter und senkrechter Richtung zu bewegen;
Mittel zur kontinuierlichen Überwachung der Position der Lastmanipulationsmittel im Verhältnis zu einer festgelegten Koordinate der Stützstruktur:
ein Leitelementmittel, das Mittel zur Verbindung des Leitelementmittels mit einem Körperteil der Bedienungskraft zur Bewegung mit diesem einschließt;
Steuerungsmittel zur Bestimmung der Bewegung des Leitelements durch die Bedienungskraft und zur Auflösung der Bewegung im Verhältnis zu zwei senkrecht zueinander stehenden Achsen und in einer im wesentlichen waagerechten Ebene, die ein im wesentlichen festes Verhältnis zu der Stützstruktur haben, wobei die Steuerungsmittel folgendes einschließen:
Mittel zur Erzeugung von Steuerungssignalen, die auf die Richtung der Bewegung im Verhältnis zu den Achsen bezogen sind und die auf die Verschiebung des Leitelements bezogen sind, um die Lastmanipulationsmittel mit einer Rate, die zu der Verschiebung im Verhältnis steht, in der Richtung der Bewegung zu bewegen, und die außerdem folgendes einschließen:
einen Mikroprozessor, der in der Lage ist, Signale zu empfangen, die durch die Positionierung des Körperteils der Bedienungskraft erzeugt werden, und die Steuerungssignale zu erzeugen, wobei der Mikroprozessor programmierbar ist, so daß er die durch den Körperreflex der Bedienungskraft erzeugten Bewegungen in präzise Bewegungen der Arbeitsstation umsetzen kann, wobei der Lastmanipulator in einer festgelegten senkrechten Position gehalten wird, wobei das System dadurch gekennzeichnet ist, daß
das Leitelementmittel ein am Arm getragenes Regler-Schnittstellenelement ist, wobei das am Arm getragene Regler-Schnittstellenelement schalenförmige Abschnitte, die am oberen bzw. unteren Armabschnitt befestigt werden, und in den schalenförmigen Abschnitten auf Bewegung ansprechende Mittel umfaßt, die auf die Bewegung des Ober- und des Unterarmes ansprechen. Mittel zur kontinuierlichen Adaption der Steuerungseingänge an die strukturellen Regler in Übereinstimmung mit den gegenwärtigen Situationsvariablen erzeugen unmittelbare, genaue Bewegungsreaktionen, die auf die Leitbewegungen der Bedienungskraft abgestimmt sind. So stellt das Steuerungssystem die Bewegung eines Leitelements im Verhältnis zu bestimmten Achsen fest und erzeugt Ausgänge, die auf diese Bewegung bezogen sind, um die Bewegung einer Arbeitsstation in demselben oder einem situationsbezogen wählbaren Verhältnis zu diesen Achsen hervorzubringen.
Angewandt auf eine Vorrichtung zum Obstpflücken und im Direktreaktionsmodus betrieben, wird das Leitelement mit dem Körper des Pflückers verbunden, und wenn eine waagerechte Bewegung erforderlich ist, beugt sich der Pflücker in die gewünschte Bewegungsrichtung oder faßt in diese, was zu einer abgestimmten Richtungsbewegung der Plattform mit einer Rate führt, die dem Positionierungswinkel des Körperteils proportional ist. Die senkrechte Bewegung der Plattform und des Pflückers werden auf analoge Weise durch Treppauf- und Treppab-Bewegungen eines der Beine des Pflückers gesteuert. Das Leitelement für die waagerechten Bewegungen ist flexibel mit dem Rest des Steuerungssystems verbunden, wodurch der Pflücker innerhalb des Pflückkorbes vollständige Bewegungsfreiheit hat.
Die Signale, die durch das Leitelement erzeugt werden, werden auf einen zentralen Steuerungsprozessor auf Mikroprozessorbasis übertragen, der die Konfiguration des Plattformtragesystems ständig verfolgt und für die gesteuerten Bewegungen der verschiedenen Elemente einer Maschine sorgt, um die gewünschte Positionierung auf wirksame und sichere Weise auszuführen. Bei anderen Arbeitsgängen kann sich die Bedienerstation an einer anderen Stelle auf der Vorrichtung oder auch am Boden befinden. In diesen Fällen können die Regler-Schnittstelle oder das Leitelement, die zum Steuern der Arbeitsplattform oder anderer Aufgabeneffektoren eingesetzt werden, leicht umstrukturiert werden, um den Einsatz der natürlichen, aufgabenbezogenen Körperbewegungen der Bedienungskraft für die Steuerung der Aktionen der Vorrichtung zur Aufgabenausführung zu optimieren.
Die Flexibilität dieses Typs von Steuerungssystem besteht darin, daß es die einfache Anpassung der Schnittstelle an die speziellen Erfordernisse oder Handicaps der jeweiligen Bedienungskraft ermöglicht.
Bei dem speziellen Beispiel eines Maschinensystems, das für die Anwendung der Erfindung beim Obstpflücken und ähnlichen Arbeitsgängen konfiguriert ist, werden folgende Komponenten bereitgestellt: ein Untergestell zur Drehung um eine senkrechte Achse, ein ausziehbarer Ausleger, der zur Bewegung um eine waagerechte Achse schwenkbar an einem Ende oben auf dem Untergestell angebracht ist; eine Arbeitsplattform, die schwenkbar am anderen Ende des ausziehbaren Auslegers angebracht ist; Mittel zum unabhängigen Drehen des Untergestells, Anheben des Auslegers und Ausziehen und Zurückziehen des Auslegers: und Steuerungsmittel zur Betätigung durch einen Benutzer, um die Bewegungen des Untergestells und des Auslegers zu erzeugen und zu steuern, durch welche die Plattform zu einer gewünschten Position bewegt wird. Vorgesehen werden können auch Mittel zur Bewegung von anderen Elementen, beispielsweise zum Drehen und Positionieren der Plattform und/oder der Aufgabeneffektoren im Verhältnis zum Ausleger. Es können Mittel zur Bewegung dieser Tragestruktur für die Gelenkarbeitsplattform in die, durch die und aus der Aufgabenumgebung in Form eines für das Arbeitsgelände geeigneten, kraftbetriebenen Fahrgestells bereitgestellt werden. Soweit angezeigt, kann dieses Fahrgestell mit einem ausfahrbaren Stützfußsystem versehen werden, das automatisch die Bodenstützfläche vergrößert und den Höhenausgleich der Tragestruktur vornimmt, bevor die Bewegung der Arbeitsplattform aus der aufliegenden Position zulässig ist.
Mit der vorstehenden Anordnung wird eine Sehr einfache, wirksame und zuverlässige technische Struktur geschaffen, bei der das Plattformgestell und damit die auf diesem getragene Person und/oder Aufgabeneffektoren schnell und ohne unangemessene Beanspruchung der verschiedenen Teile räumlich längs jeder aufgabendefinierten, dreidimensionalen Bahn bewegt und positioniert werden können.
Das kontinuierlich adaptive Steuerungsmittel, das in die Tragestruktur und die Regler-Schnittstelle eingebaut ist, vereint in sich folgende Komponenten: ein Mittel zur Ableitung von Bewegungsleiteingaben für das Maschinensystem aus den aufgabenbezogenen Körperbewegungen der Bedienungskraft, wobei diese Leiteingaben mit einem programmierbaren Mikroprozessor verarbeitet werden; ein Mehrkanalmittel zur kontinuierlichen Überwachung eines Netzes von kompatiblen analogen und/oder digitalen Sensoren des physischen Zustands, ein Mehrkanalmittel zur kontinuierlichen Lieferung von variablen analogen Spannungs- oder Stromsteuerungseingängen und ein kompatibles elektrohydraulisches und/oder elektromechanisches Mittel zur proportionalen Betätigung der Elemente der Plattformtragestruktur in Übereinstimmung mit den Steuerungsausgängen. Durch diese Kombination von Struktur und Steuerung ist die Erfindung in der Lage, richtungs- wie auch geschwindigkeitsgesteuerte Reaktionen auf dreidimensionale Bewegungs- und Positionierungsleiteingaben der Bedienungskraft schnell, genau und zuverlässig zu bewirken. Die in diese Erfindung einbezogenen Steuerungsprozesse sind inhärent programmierbar, um die Bewegungsreaktionen der Struktur leicht und kontinuierlich in Übereinstimmung mit den Situationsvariablen, einschließlich wählbarer alternativer Modi der Aufgabenbearbeitung, modifizieren zu können.
Die oben genannten und andere neuartige Merkmale und Vorteile der Erfindung werden besser verständlich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung von bestimmten Ausführungsbeispielen, die als Beispiel gegeben werden, in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, in denen:
Fig. 1 eine Draufsicht einer Form eines Fahrzeugs ist, das die Erfindung verkörpert und für Arbeitsgänge mit einer bemannten Arbeitsstation konfiguriert ist:
Fig. 2 eine Seitenansicht des in Fig. 1 dargestellten Fahrzeugs ist:
Fig. 3 eine andere Seitenansicht des Fahrzeugs in Fig. 1 und 2 ist, wobei aber der Ausleger quer verläuft:
Fig. 4 die verschiedenen Positionen der bemannten Plattform an der Seite des Fahrzeugs darstellt:
Fig. 5 die verschiedenen Positionen der bemannten Plattform an der Rückseite und über dem Fahrzeug darstellt;
Fig. 6A, 6B, 6C und 6D schematisch das Verhältnis zwischen einer Bedienungskraft und einem am Sattel befindlichen Leitelement und anderen Steuerungen darstellen;
Fig. 7 ein Mittel zur Messung und Auflösung der Rumpfneigungshaltung des Körpers einer Bedienungskraft zur Ableitung von Bewegungsleiteingaben für die Plattform darstellt;
Fig. 8 schematisch einen Mikroprozessor mit den Anschlüssen für die erforderlichen Eingabe- und Ausgabekanäle darstellt;
Fig. 9 eine Seitenansicht des Basisfahrzeugs ist, das in Fig. 1 bis einschließlich 5 gezeigt wird, ausgestattet mit einer gelenkigen lastmanipulierenden Arbeitsplattform, die durch eine am Boden befindliche Bedienungskraft gesteuert wird;
Fig. 10A und 10B seitliche Draufsichten einer am Arm angebrachten Konfiguration der am Körper angeordneten Regler-Schnittstelle sind:
Fig. 11A, 11B und 11C schematisch das Verhältnis zwischen der Positionierung des Arms einer Bedienungskraft und den entsprechenden Richtbewegungsreaktionen der Maschine darstellen:
Fig. 12 eine Schnittansicht eines einachsigen hochempfindlichen Neigungsmessers ist, der gemäß den Erfordernissen von am Körper angebrachten Reglern konfiguriert ist:
Fig. 13A und 13B Schnittansichten einer U-förmigen Version des in Fig. 12 dargestellten Neigungsmessers sind;
Fig. 14 eine Seitenansicht des Basisfahrzeugs ist, das in Fig. 1 bis einschließlich 5 gezeigt wird, ausgeführt mit einer Hubgelenkplattform, die durch eine Bedienungskraft in einer Leitstation gesteuert wird, die an der Fahrzeugstruktur angebracht ist:
Fig. 15 eine Draufsicht des in Fig. 14 dargestellten Fahrzeugs ist:
Fig. 16 eine Ansicht einer Regler-Schnittstellen-Konfiguration ist, die sowohl westen- als auch arm-montierte Reglerausgangssensoren einschließt, installiert an einer Reglerplattform:
Fig. 17A, 17B und 17C schematisch die Beziehungen zwischen der Positionierung des Armes und ausgewählten Umsetzungsreaktionen der Maschine veranschaulichen:
Fig. 18A und 18B bildlich und schematisch darstellen, wie die Richtbewegungen der Rumpfbewegungen eines Menschen dazu dienen, biaxiale, proportionale Steuerungsausgangsleiteingaben zur Bewegung des Befestigungspunktes der Arbeitsplattform in der waagerechten Ebene zu erzeugen:
Fig. 19 schematisch und bildlich darstellt, wie der angeschlossene Computer dazu dient, kontinuierlich die Richteingänge in der waagerechten Ebene in diskrete Aktivatorausgänge und damit in die Positionierung der Arbeitsplattform umzusetzen;
Fig. 20 ein Schnittaufriß des westen-montierten Abschnitts der Regler-Schnittstelle ist, um deren mechanische, elektrische und funktionelle Attribute zu definieren.
Fig. 1 bis 5 veranschaulichen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in Form einer Vorrichtung, die aus einem kraftbetriebenen Fahrwerk (10) besteht, an dem an einem Ende (12) auf einem Mittelständer (13) ein längliches Untergestell (11) angebracht ist. Das Untergestell (11) kann auf dem Ständer um eine senkrechte Achse gedreht werden. Am anderen Ende des Untergestells (11) ist ein ausziehbarer Ausleger (15) angebracht. Der Ausleger ist an einem Ende zur Höhenverstellung um eine waagerechte Achse schwenkbar auf einem Drehzapfen (16) montiert. In diesem Beispiel hat der Ausleger (15) eine feststehende (15a) und zwei ausziehbare Sektionen (15b und 15c). An dem vom Drehzapfen (16) entfernten Ende des Auslegers ist eine Plattform oder Arbeitsstation (17) angebracht, die im Beispiel in Form eines Korbes ausgeführt ist.
Das Fahrwerk, das auf Rädern (20) beweglich ist, hat am hinteren Ende eine Antriebsquelle (21). Die Antriebsquelle (21) schließt eine hydraulische Pumpe zur Betätigung von Untergestell, Ausleger, Stabilisatoren und anderen Merkmalen ein. Beispielsweise kann das Untergestell durch einen Hydraulikmotor gedreht werden, während der Ausleger durch Stoßheber (23) angehoben wird und die Sektionen des Auslegers ebenfalls durch Stoßheber (24) ausgezogen werden. Weitere Stoßheber (30) werden dazu genutzt, die Arbeitsplattform in einer konstanten Höhenebene zu halten, während die Tragestruktur in eine beliebige räumliche Position gedreht, angehoben oder abgesenkt wird. Ausfahrbare Stützfüße (22) werden dazu genutzt, eine vergrößerte Stützfläche zu schaffen und die Maschine an jeder Stelle zu nivellieren, an der die Stützstruktur eingesetzt wird.
Fig. 2 zeigt die Vorrichtung von der rechten Seite und mit aufliegender Plattform in der Konfiguration zur Bewegung auf dem Boden. Fig. 3 ist eine rückwärtige Ansicht, die das Untergestell (11) und den Ausleger (15) querliegend zeigt, wobei das Untergestell (11) auf dem Ständer (13) gedreht worden ist.
Fig. 4 und 5 zeigen die Vorrichtung bei der Benutzung. Bei der in Fig. 4 gezeigten Vorderansicht sind das Untergestell und der Ausleger querliegend positioniert, wobei der nicht-ausgezogene Ausleger in zwei unterschiedlichen Positionen gezeigt wird: die eine bei maximaler Höhe mit der Plattform (17) über dem Fahrgestell, die zweite mit dem Ausleger in einer seitlich verlaufenden Zwischenposition in einer mittleren Höhe der Plattform. In Fig. 5 verlaufen Untergestell und Ausleger in der Richtung der Längsachse des Fahrgestells, wobei der Ausleger in vier verschiedenen Positionen gezeigt wird: eine zeigt die Plattform (17) in Maximalhöhe: eine zweite zeigt die Plattform in einer mittleren Höhe und einer nach vorn orientierten Position, und schließlich werden die Auslegerebene und die Plattform, ausgezogen auf eine mittlere und eine voll ausgezogene Position, gezeigt.
Aus der Betrachtung von Fig. 1 bis 5 wird ersichtlich, wie diese Erfindung eine geländegängige Fahrwerkseinheit einsetzt, um die Arbeitsplattform und deren mobile Tragestruktur in einem ausgedehnten Arbeitsbereich, beispielsweise einem Obstgarten, zu transportieren und positionieren. Man kann auch erkennen, wie diese Baugruppe mit einem kraftbetriebenen ausfahrbaren Stützfußsystem ausgestattet ist, das eine ebene, stabile Basis mit der erforderlichen Größe für die Tragestruktur schaffen kann, um einer ausgeprägten Neigung und/oder Oberflächenunregelmäßigkeiten innerhalb dieses Arbeitsbereichs Rechnung zu tragen. Außerdem kann man feststellen, wie eine mechanisch einfache Auslegerstruktur, die um 360º oder mehr um eine senkrechte Achse gedreht, um 90º oder mehr um eine waagerechte Achse angehoben und teleskopartig linear längs der Auslegerachse ausgezogen und zurückgezogen werden kann, eingesetzt wird, um eine konstant nivellierte Arbeitsplattform längs jeder unbehinderten Bahn und zu jedem gewählten Punkt innerhalb des halbkugelförmigen Volumens zu bewegen, das durch den maximalen und minimalen Auszugsradius des Auslegers definiert ist.
Um das volle Potential der Plattform in der Aufgabenausführung bei solchen Anwendungen wie dem Ernten von Baumobst auszuschöpfen, wird in die Arbeitsplattform (17) eine mit einem Menschen verknüpfte Regler-Schnittstelle einbezogen. Diese Schnittstelle bietet die notwendige Spannbreite der die Steuerung betätigenden Sensoren, die gebraucht wird, um Leiteingaben für die Maschinenreaktion, die von einem Pflücker oder einer anderen Bedienungskraft ausgehen, zu empfangen, umzusetzen und an alle Maschinen- Betätigungselemente zu übertragen, die eingesetzt werden müssen, um die jeweilige Leiteingabe auszuführen. Die Regler-Schnittstelle ist so aufgebaut, daß sie die natürlichen, aufgabenbezogenen Bewegungen des Körpers der Pflückers als Quelle für diese Leiteingaben überwacht. Die Mittel zur Herstellung dieser Verknüpfung von Mensch und Maschine werden in Fig. 6A, 6B, 6C und 6D dargestellt.
Ein Mittel zum Feststellen und Auflösen von Leiteingaben vom Pflücker zur Bewegung und Positionierung der Arbeitsplattform in der waagerechten Ebene wird in Fig. 6A und 6B dargestellt. Das Leitelement (31) ist mit Hilfe eines Sitzes (32) und/oder einer Weste (33) am Rumpf des Körpers des Pflückers angebracht und bewegt sich in Übereinstimmung mit den Bewegungen des Pflückers. So kann das Leitelement in Abhängigkeit von den Bewegungen des Pflückers aus einer aufrechten Position (40) in einer Vorwärts- (38) oder Rückwärtsbewegung, in einer seitlichen Bewegung (39) oder in einer Kombination dieser Bewegungen bewegt werden. Bereitgestellt werden auch Mittel zum Feststellen einer Beinbewegung, die den Wunsch einer Aufwärts- oder Abwärtsbewegung anzeigen. Das wird unten im Zusammenhang mit Fig. 6C und 6D beschrieben.
Der Vorgang läuft folgendermaßen ab: Wenn sich die Bedienungskraft in eine Richtung beugt, wird ihre Bewegung durch das Leitelement (31) festgestellt, das sich im Einklang damit bewegt. Dieses Element schließt zwei hebelbetriebene Neigungsmesserelemente ein, die in der waagerechten Ebene im rechten Winkel zueinander angeordnet sind. Ein Element ist feststehend, um die Winkelverschiebung in der senkrechten Ebene, ausgerichtet längs der Achse Stützarm-Arbeitsplattform, zu messen; das zweite Element ist so angeordnet, daß es die Winkelverschiebung in der Querachse der senkrechten Ebene mißt. Die Verbindung von Weste (33) und Sitz (32) mit dem Rumpf des Körpers des Pflückers ist auf einer senkrechten Kugelschwenkachse montiert, die es dem Pflücker erlaubt, sich in jede Richtung zu beugen. Sie ist mit dieser Achse durch ein freidrehendes Lager verbunden, das es ermöglicht, den Körper jederzeit in jede gewünschte Richtung zu drehen. Das auf diese Weise angeordnete Betätigungselement dient dazu, die Winkelpositionen des Körpers des Pflückers kontinuierlich in zwei orthogonale Komponenten aufzulösen und Spannungsausgänge zu erzeugen, die jeder dieser Winkelkomponenten proportional sind.
Der Ausgang des axial ausgerichteten Neigungsmessers wird dann über einen internen Mikroprozessor auf das elektrohydraulische Reglerventil mit Proportionalausgang übertragen, das den Ausleger auszieht und zurückzieht. Gleichzeitig werden dem Reglerventil ebenfalls vom Mikroprozessor erzeugte Signale zugeführt, die das Schwenken des Auslegers um den Zapfen (16) bewirken, so daß die Plattform in derselben Höhe gehalten wird. In gleicher Weise übertragen die Ausgänge des auf der Querachse ausgerichteten Neigungsmessers über den Mikroprozessor ein Signal an das Reglerventil, das die Drehung des Untergestells auf dem Ständer steuert. Das Ergebnis dieser Vorgänge ist die in einer Ebene liegende Bewegung der Plattform, die auf die Beugungsrichtung des Pflückers abgestimmt ist, und bei der die Rate dieser Bewegung dem Grad dieser gerichteten Beugung proportional ist. Auf diese Weise kann die Plattform die gleichen Bewegungsreaktionen hervorbringen, wie sie die Bedienungskraft normalerweise erfährt, wenn sie sich um die eigenen Füße dreht.
Fig. 6C und 6D zeigen, wie die analogen Bewegungen des Körpers des Pflückers genutzt werden, um der Arbeitsplattform senkrechte Bewegungen zu signalisieren und diese zu steuern. Das Leitsignal für die Aufwärtsbewegung der Plattform wird vom Kniedruck des Pflückers gegen eine Sensorfläche (34) abgeleitet, die an der Wand des Innenkorbes angebracht ist. Diese Sensorfläche kann so konfiguriert sein, daß sie je nach Bedarf Ausgangsspannungssignale erzeugt, die dem vom Pflücker ausgeübten Druck proportional sind oder nur einen Ein-Aus-Ausgang darstellen. Die Leiteingaben für die Abwärtsbewegung werden durch den Druck des Fußes des Pflückers auf einen linearen oder runden Sensor (35) erzeugt, der am Boden der Plattform angebracht ist. Auch dieser Sensor kann wieder so konfiguriert werden, daß er einen Proportional- oder einen Ein-Aus-Ausgang hervorbringt. Bereitgestellt wird auch ein "Hauptregler" oder "Totmannschalter" (39), der aktiviert werden muß, bevor eine Bewegung der Tragestruktur ausgeführt werden kann.
Wie bei den Leitsignalen für den waagerechten Bewegungsausgang werden die Signale, die von den Aufwärts- und Abwärts-Sensoren kommen, über den Mikroprozessor dem Reglerventil zugeführt, welches das Schwenken des Auslegers um den Zapfen (16) bewirkt. Der Mikroprozessor wiederum wird dazu genutzt, gleichzeitig Steuerungssignale an das Reglerventil auszugeben, das die Auszugsbewegung des Auslegers (15) hervorbringt, um eine geradlinige Auf- und Abwärtsbewegung der Arbeitsplattform zu erreichen. Durch die Kombination der Auf- oder Abwärts-Leiteingaben mit den gleichzeitigen Beugungsleiteingaben für die in einer Ebene liegende Bewegung wird leicht und auf natürliche Weise eine koordinierte dreidimensionale Bewegungs- und Positionssteuerung erreicht.
Praktischerweise übermittelt das Leitelement, das die Bewegungen des Körpers der Bedienungskraft feststellt und anzeigt, die Signale an einen Mikroprozessor, der wiederum entsprechende elektrische Steuerungssignale an die verschiedenen Stellorgan-Reglerventile sendet. Der Mikroprozessor kann dazu genutzt werden, alle oder fast alle Funktionen der Vorrichtung zu steuern. Beispielsweise kann die Bedienungskraft, wenn das Fahrwerk selbst bewegt oder umgesetzt werden soll, den Modusschalter betätigen, wodurch sie mit ihren Körperbewegungen die Bewegung des Fahrwerks steuern kann. Eine Vorwärtsbewegung bewirkt, daß die Antriebsmotoren des Fahrwerks die gesamte Vorrichtung vorwärtsbewegen. Eine Winkelbewegung bewirkt, daß das Fahrzeug sich in die Richtung der Körperbeugung wendet und bewegt.
Der Mikroprozessor kann auch einen Selbstprogrammierungsmodus beinhalten, der es ermöglicht, die Bewegungen der verschiedenen Komponenten aufzuzeichnen und zu speichern. Anschließend kann die Bedienungskraft dieses Programm wiederaufrufen und aktivieren und die Wiederholung dieser Vorgänge durch die Vorrichtung auslösen. Derartige Programme können mit anderen Programmen kombiniert werden.
Der Mikroprozessor kann kontinuierlich die Position der verschiedenen Komponenten des Auslegers im Verhältnis zu festen Bezugspunkten überwachen und "weiß" daher, wo sich die Plattform im Verhältnis zu diesen Bezugspunkten befindet. Die potentielle Nutzung dieser Fähigkeit wird im folgenden Beispiel veranschaulicht. Beim Obstpflücken kann die Bedienungskraft den Obstbehälter auf der Plattform füllen und möchte diesen dann in einen Feld-Sammelbehälter entleeren, der sich an der Rückseite des Fahrwerks befinden kann. Die Bedienungskraft kann eine Leiteingabe im "Geh-zum-Sammelbehälter"-Modus am Schalter (36) ausführen, und die Plattform wird über eine Reihe von Positionen in eine Position über dem Sammelbehälter bewegt, wo das gepflückte Obst ausgeleert werden kann. Anschließend wird die Leiteingabe im "Rückkehr-zur-Station"-Modus am Schalter (36) ausgeführt, und die Plattform wird durch Computersteuerung in die vorherige Position zurückgeführt, deren Positionskoordinaten bei Auslösung der vorhergehenden Leitangabe für den "Geh-zum- Sammelbehälter"-Modus aufgezeichnet worden sind.
Die Schalter (36) für die Modusleiteingaben können auch dazu genutzt werden, die Plattform in eine Fahrposition zu bewegen, die ausfahrbaren Stützfüße anzuheben und den Steuerungsmodus dann auf "Fahren" zu schalten. Nach dem Umsetzen der Vorrichtung bewirkt die Leiteingabe "Arm aktivieren" das Ausfahren der Stützfüße, sie bringt das Fahrwerk in eine waagerechte Position und gibt dann die Plattform aus der Fahrposition frei, in der sie während des Fahrens unbeweglich gehalten wird.
Bevor der Einsatz der Arbeitsplattform aus der Fahrposition möglich wird, führt die Vorrichtung einen selbsttätigen Horizontalausgleichsvorgang aus. Mit einem geeigneten Detektor, beispielsweise einem Quecksilberschalter, wird die unterste Ecke oder Seite festgestellt. Dann werden der entsprechende ausfahrbare Stützfuß oder Stützfüße eingesetzt, um das Fahrwerk wieder auf die vorherige Höhe zu bringen. Anschließend werden die restlichen ausfahrbaren Stützfüße ausgefahren, um den Höhenausgleich des Fahrwerks vorzunehmen.
Quecksilberschalter oder auf der Schwerkraft basierende Neigungsmesser können auch dazu genutzt werden, die Neigung zu überwachen, wenn die Stützfüße eingezogen worden sind und sich das Fahrwerk im Fahrmodus befindet. Jede über einen festgelegten Winkel hinausgehende Neigung kann ein Warnsignal oder das Anhalten der Bewegung und andere Vorgänge auslösen.
Die Erfindung, besonders wie sie oben beschrieben und in Fig. 1 bis 5 dargestellt worden ist, kann auch auf andere Formen von Vorrichtungen angewendet werden. Beispielsweise kann die Erfindung bei einer Vorrichtung angewendet werden, die eine Scherenvorrichtung oder einen aus mehreren Sektionen bestehenden Gelenkausleger hat.
Die Erfindung kann auch bei Vorrichtungen für andere Anwendungen als das Pflücken von Obst angewendet werden. Beispielsweise kann die Erfindung bei einer Vorrichtung zum Beschneiden und anderweitigen Behandeln von Dattelpalmen und zum Abernten von Dattelpalmen angewendet werden. Dattelpalmen werden frühzeitig im Wachstumszyklus beschnitten, dann durch Bestäubung befruchtet, anschließend gegenüber Feuchtigkeit abgedeckt und schließlich abgeerntet. Einer oder mehrere dieser Vorgänge, beispielsweise das Beschneiden und Bestäuben, können durch eine Art von Vorrichtung ausgeführt werden, die an der Arbeitsplattform angebracht wird. Zum Beschneiden kann eine Schneidvorrichtung angebracht werden. Die Betätigung der Vorrichtung kann dann von einer Position vom Boden aus erfolgen, wobei die Bedienungskraft ein Leitelement in der gewünschten Richtung bewegt, um die entsprechende Bewegung der Arbeitsstation und der Schneidvorrichtung herbeizuführen. Die Schneidvorrichtung würde ebenfalls vom Boden aus betätigt. Das Abdecken und Ernten würde normalerweise durch eine Person auf der Arbeitsplattform ausgeführt werden, wobei deren Bewegungen wie bei der Vorrichtung zum Obstpflücken das Betätigungselement bewegen.
Es versteht sich von selbst, daß die Erfindung in verschiedene Formen von Vorrichtungen für unterschiedliche Anwendungen einbezogen werden kann, wie das in den nachfolgenden Abschnitten dargestellt und beschrieben wird. So sind Fahrzeuge, die im Bauwesen eingesetzt werden, ein Beispiel, und ein anderes ist eine Enteisungsvorrichtung für Flugzeuge. Durch die Erfindung hat die Bedienungskraft beide Hände frei, ganz gleich, welcher Arbeitsgang ausgeführt wird; die Bedienungskraft steuert die Bewegung der Vorrichtung durch Körperbewegungen. Man kann außerdem feststellen, daß das Steuerungssystem in vielfältigen anderen Formen angewendet werden kann, bei denen aufgabenbezogene Arbeitsgänge oder Bewegungen erforderlich sind.
Fig. 7 stellt schematisch eine Form oder Anordnung eines Leitelements (31) dar. Das Leitelement ist schwenk- und drehbar in einem Stützelement (41) angebracht. Die Bewegung des Leitelements durch Beugung in eine beliebige Richtung, wie das durch die Pfeile (42), (43), (44), (45) und (46) angezeigt wird, führt zur Winkelverschiebung des einen oder anderen oder beider Proportionalspannungsteilungs-Neigungsmesser (47a) und (47b), die an den Elementen (31) und (41) angebracht sind. Die Neigungsmesser (47a) und (47b) lösen die Neigung des Leitelements in zwei orthogonale Winkelkomponenten auf und erzeugen Spannungssignale (48a) und (48b), die von der Regler-Schnittstelle (51) (Fig. 8) auf den Mikroprozessor (50) des Steuerungssystems (Fig. 8) übertragen werden. Ausgänge von der "Aufwärts"-Signal-Drucksensorfläche (34), vom "Abwärts"-Signal-Drucksensorstab (35), von den "Modus"-Signal-Wählschaltern (36) und von den "Bereitschaftsmeldungs"- Netzschaltern (37) werden auf analoge Weise über die Regler-Schnittstelle (51) in den Mikrocomputer (50) des Systems eingespeist. Dieser Mikroprozessor (50) wiederum setzt diese Spannungseingänge in situationsgemäße Stellorgan-Befehle um, welche die Bewegungsrichtung und -rate der Arbeitsplattform erzeugen, so daß also die Richtung und der Grad der Rumpfneigung des Körpers des Pflückers und seine Beinbewegungen aufgelöst und in die Bewegungsrichtung der Plattform umgesetzt werden.
Fig. 8 stellt schematisch eine repräsentative Anordnung eines Steuerungssystems dar, das einen Mikroprozessor (50) einschließt, der programmiert werden kann, um die Steuerungsreaktionen der Maschine in Übereinstimmung mit den Situationsvariablen und den Funktionsbeschränkungen kontinuierlich den Leiteingaben der Bedienungskraft für die Aufgabenausführung anzupassen. Die dynamischen Eingaben in den Mikroprozessor (50) werden im typischen Fall von drei Hauptquellen abgeleitet; es sind dies die Regler-Schnittstelle (51), die Schnittstellen (52) zum Status der Ausrüstung und jedwede Aufgabeneffektor- Schnittstelle (53), die installiert werden kann. Das Programm für die Verarbeitung und die Operationslogik, die anzuwenden sind, um diese Eingaben in Systemsteuerungsausgänge zu übertragen, wird mit Hilfe einer Programmier- und Prozeßüberwachungsschnittstelle (54) in den Mikroprozessor (50) eingegeben. Innerhalb des Mikroprozessors (50) wird dieses Programm im typischen Fall in energieunabhängigen Speichereinheiten gespeichert und läuft ständig automatisch ab, wenn der Mikroprozessor eingeschaltet wird. Die Kapazität zur Programmierung und Prozeßüberwachung kann in Form eines integralen Bestandteils des Mikroprozessors (50), als tragbares Steckmodul oder als ferngesteuertes System ausgeführt werden.
Wie in Fig. 8 schematisch dargestellt wird, sind die hauptsächlichen Steuerungsausgänge vom Mikroprozessor (50) elektrische Signale, die zu den einzelnen Stellorganen der Maschine geleitet werden, die zur Speisung der Bewegungen der beweglichen Basis und der Tragestruktur genutzt werden. Bei der Baumobst-Erntemaschine gehören dazu digitale Impulsfolgeausgänge zu den Stellorganen (55) von elektrischen Schrittmotoren, unendlich variable Spannungs-/ Stromausgänge zu proportional gesteuerten Stellorganen (56) von elektrohydraulischen Ventilen und elektrische Ein-Aus-Ausgänge zu relaisgesteuerten Stellorganen (57). Eine zweite Kategorie, die der Informationsausgaben, kann sowohl aussetzend als auch kontinuierlich durch den Mikroprozessor erzeugt und entsprechend an den Benutzer weitergeleitet werden. Informationen über den gegenwärtigen Betriebsstatus, einschließlich der Bereitschaft, des Modus, der gegenwärtigen Konfiguration und begrenzender Warnhinweise des Systems, werden dem Pflücker über die Regler-Schnittstelle (51) zugeführt. Diese Informationen können vorteilhaft über dem gesamten Bereich von Formaten erzeugt und weitergeleitet werden, einschließlich der visuellen Statusanzeige und/oder Datendarstellung, eines akustischen Signals und/oder einer Sprachmeldung und des direkten Eingriffs, einschließlich eines Stoppvorgangs oder einer korrigierenden Reaktion. Eine aufgabenspezifische Programmierung wird dazu genutzt, einen zusätzlichen Block von Informationsausgaben zu erzeugen, die bei Bedarf über den Programmier- und Prozeßmonitor (54) aufgerufen werden können. Dazu gehören solche begleitenden Funktionen wie Fehlerdiagnose, Wartungsstatus und Funktionsprüfung von einzelnen Elementen.
Der Mikroprozessor ist für die Überwachung der auf die Ausführung der entsprechenden aufgabenbezogenen Leitsignale, die vom Rumpf der Bedienungskraft, von Hand- und/oder Fußbewegungen empfangen werden, und für die Reaktion durch die Ausgabe von koordinierten proportionalen Steuerungssignalen an die Stellventile programmiert, die aktiviert werden müssen, um die Leiteingaben der Bedienungskraft auszuführen. Wenn folglich die Bedienungskraft den Rumpf soweit nach vorn beugt, daß die volle Rate der Vorwärtsbewegung signalisiert wird, und sie gleichzeitig den Rumpf leicht nach links neigt, interpretiert der Mikroprozessor die Leiteingaben und sendet gleichzeitige Steuerungssignale an die Ventile, die eine Bewegung der Arbeitsstation in Übereinstimmung mit den Wünschen der Bedienungskraft bewirken. In diesem speziellen Beispiel wären darin das Ventil einbezogen, welches das Ausziehen des Auslegers steuert, das Ventil, das die Höhenverstellung des Auslegers steuert (um die Arbeitsstation auf einer waagerechten Ebene zu halten), und das Ventil, das die Drehung des Auslegers steuert. Wenn die Bedienungskraft jedoch gleichzeitig den Wunsch für eine Aufwärts- oder Abwärtsbewegung der Arbeitsplattform signalisieren würde, würde der Mikroprozessor auch dieses Leitsignal empfangen, es zusammen mit den anderen Leiteingaben verarbeiten und das entsprechende Steuerungssignal an das Höhenverstellventil des Auslegers senden, um gleichzeitig mit den anderen Bewegungen die gewünschte Höheneinstellung vorzunehmen.
Der Mikroprozessor kann mit jeder erforderlichen Zahl von vorprogrammierten Betriebsmodi und/oder aufgabenspezifischen Handlungsfolgen ausgestattet werden, die erforderlich sind, um die Steuerungsreaktionen selektiv und sofort so anzupassen, daß die den Aktionsradius des Menschen verstärkende Funktion über der gesamten Spannbreite der Aufgabenerfordernisse optimiert wird. Bei der Anwendung auf das Baum-Ernte-Maschinensystem schließen diese wählbaren Modi im typischen Fall sowohl Koordinaten-Plattform- Bewegungsreaktionen als auch Polarkoordinaten-Plattform-Bewegungsreaktionen auf die Leiteingaben der Bedienungskraft ein. Sie schließen auch durch Schalter wählbare Automatisierungsmodi ein, die es ermöglichen, die Arbeitsplattform von jeder "Arbeitsposition" innerhalb des Aktionsradius zu einer "Schüttposition" über einem gezogenen Hänger zu bewegen und dann zur "Arbeitsposition" zurückzukehren oder, alternativ dazu, in eine "Aufliegeposition" (Fig. 2) zur Bewegung der mobilen Basis über eine Oberfläche überzugehen.
Der Mikroprozessor kann einen Selbstprogrammiermodus haben, der es erlaubt, eine Folge von durch die Bedienungskraft gesteuerten Bewegungen, die von den verschiedenen Komponenten der Vorrichtung ausgeführt werden, aufzuzeichnen und zu speichern. Die Bedienungskraft ist dann in der Lage, dieses Programm wieder aufzurufen und zu aktivieren und die Wiederholung der Arbeitsgänge der Maschine zu veranlassen, die während der Programmierphase aufgezeichnet worden sind. Diese Programme können mit anderen Programmen kombiniert und als Teil einer aufgabenspezifischen Folge von Bewegungen ausgeführt werden.
Der Mikroprozessor überwacht kontinuierlich die Positionen der verschiedenen Komponenten des Auslegers im Verhältnis zu einem festen Koordinatensystem. Infolgedessen "weiß" er immer, wo sich die Arbeitsstation im Verhältnis zu anderen Teilen der Vorrichtung befindet. Beim Pflücken in Obstbäumen kann die Bedienungskraft den Obstbehälter auf der Arbeitsplattform füllen und möchte diesen dann in einen Feld- Sammelbehälter entleeren, der entweder auf einem hebegabelartigen Zusatzgerät oder einem Sammelhänger an der Rückseite des Fahrwerks mitgeführt wird. Da der Mikroprozessor die Relationen "kennt", kann die Bedienungskraft einen Befehl im "Bewegung-zur- Schüttposition"-Modus auslösen, und die Arbeitsstation bewegt sich automatisch zu einer Position über dem Sammelbehälter, in den die Bedienungskraft das auf der Arbeitsstation gesammelte Obst entleeren kann. Nach Beendigung dieses Vorgangs kann die Bedienungskraft einen Befehl im "Rückkehr-zur-Arbeitsposition"-Modus auslösen, und die Arbeitsstation kehrt automatisch zu der Position unmittelbar vor Ausführung des "Schütt"-Befehls zurück.
Ein ähnlicher Modusbefehl wird dazu genutzt, die Arbeitsstation zu einer im voraus bezeichneten Zielstation zu bewegen, die ausfahrbaren Stützfüße mit selbsttätigem Höhenausgleich anzuheben und dann den Steuerungsmodus auf "Fahren" zu schalten. Die Bedienungskraft kann dann das Antriebssystem des Fahrwerks aktivieren und die Vorrichtung umsetzen. Nach dem Umsetzen kann die Bedienungskraft den Modus "Arm aktivieren" auslösen, und die Stützfüße werden ausgefahren und bringen das Fahrwerk in eine waagerechte Position und geben dann die Arbeitsstation aus dem Fahrmodus frei, in dem diese während der Fahrphase unbeweglich gehalten worden ist.
Die Kombination aus Untergestell und Ausleger wird auf einem beweglichen Fahrwerk montiert. Der Mikroprozessor ist so aufgebaut, daß er allen Aktivierungsventilen und Motoren an der Vorrichtung Signale zuführt. Wenn das Fahrwerk selbst bewegt oder umgesetzt werden soll, aktiviert die Bedienungskraft einen Modus-Betätigungsschalter, der es ermöglicht, daß durch ihre Rumpf-, Arm- und/oder Beinbewegungen die Bewegung des gesamten Fahrwerks auf dem Erdboden gesteuert wird. Wenn sich die Bedienungskraft nach vorn beugt, während sich die Maschine im "Fahrmodus" befindet, wird dadurch ein Signal an den Mikroprozessor übermittelt, der wiederum die Antriebsmotoren des Fahrwerkmechanismus aktiviert und bewirkt, daß sich die gesamte Vorrichtung vorwärtsbewegt. Drehbewegungen des Körpers nach links oder rechts bewirken, daß das Fahrwerk seine Fahrt in die Richtung der Drehung wendet, wobei der Wenderadius dem Drehwinkel proportional ist. Beispielsweise bewirkt eine Drehung des Rumpfes des Körpers der Bedienungskraft um volle 90º ohne Vorwärtsbeugen des Rumpfes, daß das Fahrwerk, in Abhängigkeit von der Richtung der Beugung, die vollständigste Wendung nach links oder rechts ausführt, welche die Konstruktion des Fahrwerks zuläßt.
Der Mikroprozessor kann auch für eine Reihe anderer Funktionen genutzt werden. Einige davon dienen dazu, die Betriebssicherheit zu maximieren. Der Mikroprozessor kann die Betriebsstunden von größeren Komponenten registrieren, ausgeführte Wartungsarbeiten aufzeichnen und eine Systemdiagnose durchführen, um auf Wartungsfehlfunktionen hinzuweisen.
Die Vorrichtung kann über eine Option verfügen, durch welche die Steuerung von der Arbeitsstation auf ein Steuerungshandgerät umgeschaltet werden kann, das dazu genutzt werden kann, die Vorrichtung von einem von der Maschine entfernten Standort aus zu steuern. Ein solches Steuerungssystem kann die Verbindung mit dem Mikroprozessor durch vielfältige Mittel aufnehmen, u. a. pneumatische, elektrische Mittel, optische Fasern und Infrarot- oder Funkfrequenzstrahlung.
Die Vorrichtung kann ein System für den selbsttätigen Höhenausgleich haben. Sie kann mit einem zweiachsigen, auf die Schwerkraft ansprechenden Sensor, beispielsweise einer Quecksilberschalteranordnung, arbeiten, um die unterste Ecke oder Seite der Vorrichtung aufzufinden. Nach dem Signal der Bedienungskraft werden dann an der untersten Ecke oder Seite der Vorrichtung die ausfahrbaren Stützfüße ausgefahren, um die Vorrichtung auf die waagerechte Position der Sensoren zu heben. Dann werden die restlichen Stützfüße ausgefahren, um das gesamte Fahrwerk in der waagerechten Position zu arretieren. Wenn das Fahrwerk waagerecht ausgerichtet ist und alle Stützfüße ausgefahren worden sind, sendet das System ein Signal an den Mikroprozessor, das die Regler der Arbeitsstation aktiviert, die den Ausleger betätigen. Wenn die waagerechte Position nicht erreicht wird, werden auch die Regler für den Ausleger nicht betätigt.
Auf die Schwerkraft ansprechende Sensoren können in Verbindung mit dem Mikrocomputer auch dazu genutzt werden, dynamisch den Grad der Neigung zu überwachen, wenn die Stützfüße eingezogen sind und die Vorrichtung sich im Fahrmodus befindet. Wenn der durch die Sensoren gemessene Neigungswinkel einen vorprogrammierten Punkt erreicht, kann der Mikroprozessor auf vielfältige Weise auf dieses Signal reagieren, er kann akustisch und/oder optisch ein Signal auslösen, die weitere Bewegung durch die Antriebsmotoren des Fahrwerks unterbinden und die Bremsen anziehen oder ähnliche andere Schritte oder Kombinationen von Schritten einleiten.
Der Mikroprozessor kann auch so programmiert werden, daß er eine Reihe von diagnostischen Tests durchläuft, wenn die Vorrichtung nach einer Stillstandszeit von festgelegter Dauer wieder in Betrieb genommen wird. Nachdem der Mikroprozessor den eingebauten Eigentest (BIT) durchlaufen hat, führt er diagnostische Tests an allen von ihm gesteuerten Sicherheitssystemen sowie Tests an den Betriebssystemen durch. Der Mikroprozessor kann so programmiert werden, daß er in einer Reihe unterschiedlicher Formen auf mögliche Fehlfunktionen des Systems reagiert, beispielsweise durch Erstellen einer Wartungsnotiz zur Ausgabe bei einer periodischen Abfrage, durch Signalgebung an die Bedienungskraft, eingreifende Schritte, um das Ausziehen des Auslegers zu unterbinden, oder Abschalten der gesamten Vorrichtung.
Die vorhergehenden Abschnitte dieser Offenlegung haben sich auf den Aspekt der Erfindung dieses adaptiven Steuerungssystems zur Verstärkung des Aktionsradius eines Menschen konzentriert, der Anwendungen von bemannten schwebenden Arbeitsplattformen oder zur Positionierung eines Menschen betrifft. Die folgenden Abschnitte werden sich auf deren Anwendung bei Arbeitsstationen konzentrieren, bei denen der Mensch an einer von der Arbeitsplattform entfernten Position stationiert ist und die Arbeitsplattform einen Materialmanipulator oder anderen Aufgabeneffektor einschließt.
Fig. 9 zeigt und veranschaulicht ein alternatives Ausführungsbeispiel dieser Erfindung gegenüber dem in Fig. 1 bis 5 dargestellten. Es unterscheidet sich dahingehend von der Darstellung in Fig. 1 bis 5, daß die bemannte Arbeitsplattform (17) durch eine gelenkige Lastmanipulator-Arbeitsplattform (58) ersetzt wird. Der in Fig. 9 dargestellte Lastmanipulator setzt sich zusammen aus einer Sektion (59), die eine elektrohydraulisch angetriebene Drehung um die Längsachse des Auslegerarms (15c) ausführen kann, einer Zwischensektion (60), die eine elektrohydraulisch angetriebene Drehung um eine Achse senkrecht zur Längsachse des Auslegerarms (15c) ausführen kann, und eine Endsektion (61) in Form eines elektrohydraulisch angetriebenen mehrgliedrigen Lastgreifers.
Die in Fig. 9 dargestellte Vorrichtung unterscheidet sich von der in Fig. 1 bis 7 gezeigten auch dahingehend, daß sich die Bedienungskraft für die Aufgabenausführung am Boden befindet und daß die Sattelsitz-Westen-Regler-Schnittstelle aus Fig. 6 und 7, die bei der bemannten Arbeitsplattform (17) eingesetzt wird, durch eine am Arm getragene Regler-Schnittstelle (62) ersetzt wird.
Fig. 9 dient zusammen mit Fig. 2 bis 5 dazu, die Vorrichtung in ihrer Anwendung zu veranschaulichen. Die Möglichkeiten des Auslegerarms (15c) im Zusammenhang mit dem räumlichen Positionierungsradius für die Arbeit und der Bewegungsaktivierung sind identisch mit denen bei angebauter bemannter Plattform. Fig. 9 dient zur Veranschaulichung der Art und Weise, in der diese Möglichkeiten des Basissystems leicht auf die Handhabung und Manipulation von Lasten angewendet werden können. In dieser Darstellung ist der anzuhebende, zu positionierende und auszurichtende Gegenstand ein Rohrabschnitt, wie er beispielsweise für umsetzbare Bewässerungssysteme in Obstplantagen eingesetzt wird. Die Fähigkeiten zur Drehung, Höhenverstellung und zum Ausziehen dienen dazu, die Last zu jeder ausgewählten räumlichen Stelle innerhalb des Aktionsradius des Systems zu transportieren. An der ausgewählten räumlichen Position kann dann die axial ausgerichtete Drehsektion (59) so gesteuert werden, daß sie den Gegenstand in eine gewählte Orientierungsebene bringt. Die dazwischenliegende Querachsen-Drehsektion (60) kann dann so gesteuert werden, daß die Last in jeder gewählten Winkelposition innerhalb der Orientierungsebene ausgerichtet wird. Durch die beiden Drehachsen der Greifer-Arbeitsplattform erhöhen sich die Steuerungsanforderungen von drei auf insgesamt fünf.
Fig. 10A und 108 sind rechte und linke Ansichten der am Arm getragenen Regler- Schnittstelle (62). Die strukturelle Basis für den Regler wird durch zwei halbsteife, schalenförmige Sektionen gebildet, die so geformt sind, daß sie an der hinteren Hälfte des Oberarms (63) und an der unteren Hälfte des Unterarms (64) angebracht werden können. Das Oberarm-Basiselement und das Unterarm-Basiselement werden durch Drehgelenke (65) miteinander verbunden, die sich auf beiden Seiten des Ellbogens befinden und so positioniert sind, daß sie längs der Ellbogengelenklinie des Armes zentriert sind.
Die Basisschalen werden mechanisch an einer elastischen Manschette befestigt oder verklebt, die dazu dient, die mechanische Vorrichtung am Arm zu halten. Es ist zu beachten, daß die kombinierten Wechselwirkungen zwischen der Manschette (66), den Gelenken (65) und den Basissektionen (65 und 64) auch dazu dienen, die richtige Positionierung der Regler-Schnittstelle über dem vollen Bereich von Armbewegungen herzustellen und aufrechtzuerhalten.
Wie in Fig. 10A gezeigt wird, werden schwerkraftbetriebene Planar-Neigungsmesser, die elektrische Präzisionsausgänge erzeugen können, die der Winkelausrichtung proportional sind, am Oberarm-Basiselement (67) und am Unterarm-Basiselement (68) befestigt. In der gezeigten Anordnung dient der obere Sensor (67) dazu, die Winkelposition des Oberarmes zu messen, und der untere Sensor (68) mißt die Winkelposition des Unterarmes.
Um das Handgelenk des Benutzers wird ein hufeisenförmiger, schwerkraftbetriebener Neigungsmesser (69) geklemmt, der dazu dient, elektrische Präzisionsausgänge zu erzeugen, die der Winkeldrehung des Handgelenks proportional sind. An der Handgelenkklammer ist die Basis eines elastischen Daumenhandschuhs (70) angebracht, der einen elektrischen Wischkontaktschalter (71) trägt, der oben auf dem ersten Gelenk des Daumens des Benutzers angeklemmt wird. Dieser Schalter dient als "Totmannschalter" oder "Ausführungsschaltknopf" für das Steuerungssystem.
Fig. 10B zeigt die Rückseite der Regler-Schnittstelle. Es wird ein Reaktionswählschalter-Eingabegerät (72) gezeigt, das mittels der Regler-Schnittstelle an der Unterarmschale befestigt wird. Dieses Wählschaltergerät dient dazu. Eingabebefehle an den dazugehörigen Computer, Fig. 8 zu geben, die festlegen, wie dieser die nachfolgenden Reglereingaben in Stellorgan-Steuerungsbefehle und daraus resultierende Funktionsreaktionen durch das Maschinensystem verarbeiten soll. Wie in Fig. 10B gezeigt wird, hat dieser Wählschalter die Form einer Tastatur mit verriegelten Knöpfen (bei der jeweils nur ein Knopf aktiv ist), die eine Auswahlkapazität von zwölf alternativen Reaktionen ermöglicht.
Bei dem Ausführungsbeispiel, das in Fig. 10A und 10B gezeigt wird, werden die Steuersignalausgänge der am Arm getragenen Regler-Schnittstelle mit Hilfe eines flexiblen, isolierten und gegenüber der Umgebung abgeschirmten Kabels (73) an den Computereingang auf dem Fahrwerk der Vorrichtung übertragen. Wenn größere Anforderungen an die Beweglichkeit bei der Positionierung des Menschen, an die elektrische Isolierung oder andere aufgabenbezogene Faktoren gestellt werden, kann diese Steuersignalverbindung durch faseroptische, Funk-, Infrarot- oder andere elektromagnetische Prozesse hergestellt werden.
Die Arbeitsweise dieser am Arm getragenen Regler-Schnittstelle wird in Fig. 11A, 11B und 11C dargestellt. Die Drehung des Oberarmes, wie sie in Fig. 11A dargestellt ist, wird durch den Neigungsmesser (69) festgestellt und gemessen und als ein elektrisches Signal ausgegeben, dessen Größe dem Beugungswinkel des Armes proportional ist. Es bietet sich geradezu an, dieses Signal zur Steuerung der Richtung und Rate der Aktivierung der Bewegung der Systemelemente längs einer waagerechten oder radialen Achse anzuwenden. Bei der vorliegenden Anwendung wird es in drei alternativen Reaktionsmodi angewandt, die durch den Menschen gewählt werden. Im geradlinigen Reaktionsmodus steuert es das waagerechte Ausziehen oder Zurückziehen des am Ende des Auslegers angebrachten Greifers mit Hilfe der vom Computer erzeugten aufgelösten Vektorausgaben an die Auszugs- und Höhenverstellzylinder. Im Polarmodus steuert es die in Radialrichtung verlaufende Auszugsrichtung und -rate durch Ausgabe nur an den Stellorgan-Kolben des Auszugsantriebs (24). Der dritte alternative Modus ist die Anwendung des Ausgangs zur Steuerung der Rate der Vorwärts- oder Rückwärtsbewegung des Fahrzeugs auf dem Grund.
In Fig. 11A wird die Hand eines Menschen im Zustand mit geschlossener Faust gezeigt, wobei die ersten beiden Finger über dem Daumen liegen. In dieser Haltung wird der "Totmann"- oder Ausführungsschalter durch den Druck der Finger aktiviert, wodurch dem Computer signalisiert wird, unter Verwendung der gegenwärtig übertragenen Reaktionsmodusauswahl die Eingangsleiteingaben auszuführen. Wenn der Fingerdruck auf diesen Schalter gelöst wird, signalisiert der Schalter dem Computer, alle Stellorgane anzuhalten und das Maschinensystem in seinem gegenwärtigen Zustand "einzufrieren".
Die in Fig. 11B gegebene Darstellung konzentriert sich auf die Bewegung des Unterarmes, wenn dieser in der senkrechten Ebene gedreht wird. In einem Prozeß, der mit dem für die Betätigung des Eingabesensors beschriebenen identisch ist, mißt der Neigungsmesser (68), der an der Regler-Schnittstelle angebracht ist, kontinuierlich die Winkelposition des Unterarmes und gibt ein elektrisches Signal aus, dessen Größe diesem Signal proportional ist. Es bietet sich geradezu an, dieses Signal zur Steuerung der geradlinigen Bewegung in der senkrechten Ebene oder zur senkrechten Drehung in der Polarebene einzusetzen, d. h., zum Anheben oder Absenken des Tragearms oder zum Drehen des Greifers um die Achse der Mittelsektion (60). Die Auswahl und Betätigung dieser Modi erfolgen durch die Schaltertafel (72) und den "Totmannschalter" (71).
Die Arbeitsweise des am Handgelenk angebrachten Drehungssensors (69) wird in Fig. 11C gezeigt. Der hufeisenförmige, schwerkraftbetriebene Neigungsmesser (69) ist am Handgelenkabschnitt des Armes befestigt und dreht sich im Einklang mit dem Handgelenk. Die Größe des resultierenden elektrischen Signals, das der Winkelausrichtung des Handgelenks proportional ist, ist offensichtlich geeignet, die Drehung des Hubarmes um die senkrechte Achse sowohl im geradlinigen als auch im polaren Modus zu steuern. Es ist durch Aktivierung des Rotationsantriebs, der in die Befestigungssektion (59) einbezogen ist, offensichtlich auch für die Steuerung der Rotationspositionierung der Greiferplattform um die Achse des Tragarms geeignet.
Fig. 12 ist eine Schnittansicht eines schwerkraftbetriebenen Neigungsmessers, der so aufgebaut ist, daß er auf die Erfordernisse der am Körper angebrachten Regler- Schnittstellen abgestimmt ist. Es ist ein Potentiometer- oder Spannungsteiler-Instrument, das einen vorderen Abschnitt (75) aus einem nichtleitenden Material mit einem ebenen, bandförmigen, linearen Widerstandsstreifen (76) hat, der auf dessen Innenfläche bondiert ist. Die Enden oder ausgewählte Punkte längs des Streifens sind elektrisch mit zwei Verdrahtungsklemmanschlüssen (77) verbunden, die dazu dienen, die Speisespannung parallel zum Widerstand zu schalten. Der hintere Abschnitt (78) besteht aus einem nichtleitenden Material. Dieser hintere Abschnitt weist eine Umfangsnut (79) auf, deren Nutzfläche aus einem niederohmigen leitenden Material besteht, das auf diese Oberfläche plattiert oder anderweitig bondiert worden sein kann. Diese Leiterfläche ist elektrisch mit einer Ausgangsklemme (80) verbunden. Ein Kontaktwischer (81), der aus einer Quecksilberkugel besteht, die auch als Schwerkraftsucher funktioniert, dient dazu, einen Strom auf die Ausgangsklemme zu übertragen, der durch die elektrische Position längs des elektrischen Quadranten des Widerstandsstreifens bestimmt ist. Die beiden Sektionen werden luftdicht miteinander verbunden, und bei der abschließenden Montage wird die Innenluft entfernt oder durch ein nichtleitendes, mit Quecksilber kompatibles Gas oder eine ebensolche Flüssigkeit ersetzt. Eine Signalglättung dient dazu, unerwünschte Tendenzen eines Überschwingens oder Oszillierens des Kontaktwischers auszuschließen, das geschieht durch eine äußere Schaltung und/oder das Unterprogramm zur Verarbeitung des Computersignals.
Die in Fig. 13A und 13B gegebenen Schnittansichten zeigen eine alternative Konfiguration eines schwerkraftbetriebenen Neigungsmesser, der für die Anbringung am Handgelenk vorgesehen ist. Wie die in Fig. 12 dargestellte Vorrichtung ist dieser Neigungsmesser ein Spannungsteiler-Instrument des Typs Potentiometer. Bei dieser hufeisenförmigen Konfiguration ist der bandförmige, lineare Widerstandsstreifen (82) in ein nichtleitendes Material in Form eines in Radialrichtung gebogenen Streifenabschnitts (83) eingesetzt und bondiert. Die beiden Verdrahtungsanschlußklemmen (84) werden durch den strukturellen Abschnitt (83) mit den Enden des Widerstandsstreifens verbunden und mechanisch von diesem getragen. Am Abschnitt (83), der den Streifenwiderstand trägt, wird ein abgestimmter, radial gebogener Abschnitt (85) befestigt, der aus einem niederohmigen, elektrisch leitenden Material hergestellt ist und eine ausgekehlte Radialnut (86) aufweist. Mit dem Nutabschnitt (86) ist eine Signalausgangsklemme (87) verbunden, die sich durch einen elektrisch isolierten äußeren Überzug (86) erstreckt, der außen auf den ausgekehlten Nutabschnitt bondiert worden ist. Zum Überbrücken des Raumes zwischen dem Widerstandsstreifen (82) und dem ausgekehlten Leiterring (B5) an der durch die Schwerkraft bestimmten Winkelposition längs des Spannungsteiler-Widerstandsstreifens wird ein Quecksilberkugel-Kontaktwischer (89) eingesetzt. Fig. 13A und 13B zeigen in Form eines Streifens (90), der am Innenradius des den Streifen tragenden Abschnitts (83) angebracht wird, ein Mittel, um den Sensor am Handgelenk zu befestigen und ihn in der Winkelausrichtung zu halten.
Fig. 14 ist eine Seitenansicht und Fig. 15 ist eine Draufsicht einer Massengut- Umschlaganlage, die für den Betrieb durch eine Adaptivsteuerungsschnittstelle mit erweiterter Kapazität vorgesehen ist. Das in Fig. 14 und 15 dargestellte System besteht aus dem in Fig. 1 bis 5 gezeigten System, modifiziert durch den Wegfall der bemannten Plattform am Ende des Tragearms, die Anbringung einer gelenkigen Hubplattform am Ende des Hubarms und die Installation einer Bedienerplattform, die an der Motorseite des Fahrwerks der Maschine angebracht wird.
Wie in Fig. 14 gezeigt wird, ist die gelenkige Arbeitsplattform (91) so aufgebaut, daß sie mit dem gleichen kraftbetriebenen System von hydraulischen Plattform-Hebeelementen (30) arbeitet, wie sie bei der bemannten Plattform eingesetzt worden sind, die im System von Fig. 1 bis 5 gezeigt wird. Die Lastmanipulator-Plattform (91) ähnelt einer Vielzahl von Konfigurationen, die gegenwärtig im Einsatz sind, und besteht aus einer senkrechten Plattform (92), die mit nach unten schwingenden Gabelzinken ausgestattet ist, die für die Handhabung von Schüttgutbehältern oder Lasten auf Paletten geeignet sind. Diese Lastmanipulator-Plattform (91) wird mit Hilfe einer Gelenk-Schnittstelle, die durch elektrohydraulische Aktivatoren angetrieben wird, mit dem Ende des Hubarmes verbunden. Zwei durchführende Kolbenstangen-Befestigungszylinder (94 und 95) dienen zur Aufhängung der Arbeitsplattform und ermöglichen ein begrenztes Maß an senkrechter Bewegung, um die Be- und Entladevorgänge zu erleichtern und zu beschleunigen. Diese Befestigungszylinder sind strukturell mit einer senkrechten Längswelle verbunden, die in einem zylindrischen einfachen Gleitlager (96) angebracht ist. Die Lastplattform kann, durch dieses Befestigungslager längs der Tragearmachse zentriert, eine Drehung um 180º ausführen und wird durch einen Rotationsaktivator (97) um diese Achse positioniert.
Die Bedienerstation (98), die an der Motorseite des Fahrwerks angebracht ist, wird in Fig. 14 und 15 als eine Sektion (99) mit einem rohrförmigen Körper gezeigt, die so konfiguriert ist, daß sie die Bedienungskraft bis zur Taille aufnimmt, um die Bewegungsfreiheit des Oberkörpers zu erleichtern. Der vergrößerte Basisabschnitt (100) ist so bemessen, das genügend Raum für das Aufsetzen und die freie Bewegung der Füße vorhanden ist.
Der Aktionsradius in der Handhabungskapazität, den dieser gelenkige Lastmanipulator bietet, ist mit dem identisch, der in Fig. 1 bis 5 für die Plattform zur Positionierung eines Menschen dargestellt wird. Die Möglichkeiten des Lastmanipulationsvorgangs werden in Fig. 12 und 13 veranschaulicht. Wie in Fig. 14 und 15 gezeigt wird, ermöglicht es die gewählte Bauweise. Be- und Entladungsvorgänge innerhalb des Bereichs aus der unmittelbaren Nähe des Fahrwerks bis zur voll ausgezogenen Position des Armes auszuführen. Die Gelenkbauweise der Lastplattform erleichtert die Abstimmung auf das Be- und Entladen über dem vollen Bereich der Lastpositionierung. Um die Möglichkeiten der oben definierten Maschinenkonfiguration voll und wirksam nutzen zu können und eine gleichmäßige, genaue und schnelle Bearbeitung der Lasten bei minimaler Ablenkung und Beanspruchung der Bedienungskraft zu erreichen, werden eine entsprechend aufgebaute Schnittstelle der Adaptivsteuerung und ein Computer-Steuerungsprogramm gebraucht.
Fig. 16 zeigt eine Ansicht der Bedienerstation (98) mit der Plattform und der Einfassungsstruktur im Schnitt, um die Verknüpfungen von Regler (40) und Schnittstelle zu zeigen. Um den Steuerungsanforderungen dieser Anwendung des Lastmanipulationssystems gerecht werden zu können, besteht die am Körper angebrachte Schnittstelle aus einer an der Westenrückseite angebrachten, biaxialen Neigungsmesser-Sensoreinheit (100), die mit einer am Arm angebrachten triaxialen Einheit (62) integriert ist.
Die biaxiale Einheit ist durch ein flexibles, ausziehbares Speiserohr (101) mit Federrückstellung an der Bedienerplattform befestigt. Dieses geriffelte Speiserohr dient auch dazu, die Längsreferenzausrichtung für das am Rücken angebrachte Neigungsmesser-Paket aufrechtzuerhalten, und es dient als Kabelrohr für die elektrischen Speise- und Signalleitungen. Oben auf der Grundplatte der Plattform ist ein durch Druck zu betätigender Ringschalter "GO" (102) angeordnet, der durch Fußdruck ausgelöst wird.
Die am Arm angebrachte Schnittstelle weist ebenfalls einen am Daumen angebrachten, fingerbetätigten "GO"- oder Ausführungsschalter auf. Bei dieser Anwendung bei einer Massengut-Umschlaganlage ist es funktionell angezeigt, die Computer-Schnittstelle so zu programmieren, daß sie bei Leiteingaben für die Ausrichtung der Arbeitsplattform, für Lastaufnahme- oder Lastabsetzvorgänge auf die Betätigung des am Daumen getragenen "Ausführungsschalters" anspricht, und auf den durch den Fuß betätigten "Ausführungsschalter" bei der Steuerung von schrittweisen Transportbewegungen der Plattform.
Die Art und Weise, in der die am Arm getragene Regler-Schnittstelle zur Steuerung der Arbeitsplattform der Massengut-Umschlaganlage eingesetzt wird, wird in Fig. 17A, 17B und 17C beschrieben und dargestellt. Die Steuerung der gelenkigen Gabeleinheit wird in Fig. 17A gezeigt. Die Drehung der Gabeleinheit um das Drehgelenk wird durch den am Handgelenk angebrachten Sensor (69) gesteuert. Die Drehung des Handgelenks (103a) im Uhrzeigersinn erzeugt einen Leitsignalausgang, der durch den Vektorpfeil (103b) bezeichnet wird und dessen Größe der Winkelposition des Handgelenks proportional ist. Die Drehung des Handgelenks entgegengesetzt zum Uhrzeigersinn über den Mittel-Null-Abschnitt des Sensors (104a) hinaus erzeugt ein vergleichbares Leitsignal (104b) für die Drehung der Gabeleinheit entgegengesetzt zum Uhrzeigersinn. Der resultierende Seitenwinkel zwischen der Mittelachse parallel zu den Gabelzinken und der Längsachse des Tragarmes wird durch den Ausgang eines Positionswinkel-Sensors (98) gemessen, der an der Drehachse angebracht ist.
Die "Einwärts"- und "Auswärts"-Bewegung der Gabeleinheit wird durch die Drehung des Oberarm-Sensors (67) auf die in Fig. 17B gezeigte Weise gesteuert. Durch das Strecken des Armes (105a) wird ein "Auswärts"-Signal (105b) erzeugt, das der Winkelposition des Oberarmes proportional ist. Ein entgegengesetztes "Einwärts"-Signal (106b) von proportionaler Größe wird durch die Rückwärtsdrehung (106a) des Oberarm-Sensors erzeugt.
Die Reaktion des Maschinensystems auf die durch die Armstellung erzeugten "Einwärts"-/"Auswärts"-Leiteingaben (105a und 106a) ist eine Bewegung der Arbeitsplattform längs der durch die Gabel definierten Achse. Dieser aufgabenwirksame Reaktionsmodus der Adaptivsteuerung wird durch das in der Computer-Schnittstelle installierte Programm erreicht. Ein Programm, das die Leiteingaben zu den Eingaben des Positionssensors des Tragesystems ins Verhältnis setzt, um die Kombination von Stellorgan-Ausgängen zu erzeugen, die gebraucht wird, um die geforderte Plattformbewegungsreaktion zu erzeugen.
Fig. 17C veranschaulicht die Art und Weise, in der die Richtung und Rate der senkrechten Bewegung der Arbeitsplattform der Massengut-Umschlaganlage gesteuert wird. Richtung und Rate dieser Bewegung werden durch den Signalausgang des am Unterarm der Bedienungskraft angebrachten Sensors (68) bestimmt. Die Drehung des Unterarmes über die waagerechte "Null"-Stellung (107a) bewirkt, daß das schwerkraftbetriebene System ein "Aufwärts"-Ausgangsleitsignal (107b) erzeugt, das dem Anhebungswinkel des Unterarmes proportional ist. Wird der Unterarm unter die waagerechte "Null"-Stellung (108a) abgesenkt, wird eine äquivalente "Abwärts"-Leiteingabe (108b) erzeugt. Die in Fig. 14 und 17C gezeigte Plattform der Massengut-Umschlaganlage stellt in ihrer Stützstruktur eine Kapazität zur Aufwärts-Abwärts-Feinbewegung (95) bereit, welche die Lastanpassung und -freigabe erleichtert. Diese Feinbewegungskapazität wird durch Drücken des entsprechenden Knopfes auf dem am Unterarm montierten Wählschalter (72) aktiviert, der in Fig. 10B gezeigt wird. Wenn das System ohne den Feinbewegungsmodus arbeitet, wird der Tragearm genutzt, um die Repositionierung in der senkrechten Ebene auszuführen. In diesem Modus spricht der Computer durch die Ausgabe von koordinierten Stellorgan-Steuersignalen, die eine geradlinige senkrechte Bewegung der Arbeitsplattform erzeugen, auf die am Unterarm erzeugten Aufwärts-Abwärts-Leiteingaben (107b und 108b) an.
Die am Rücken angebrachte biaxiale Neigungsmessersensor-Regler-Schnittstelle (100) wird dazu genutzt, die planare waagerechte Rundumbewegung und Positionierung der Arbeitsplattform zu steuern. Das Verfahren, das zur Erzeugung der erforderlichen Steuerungsausgänge angewendet wird, wird in Fig. 18A und 18B dargestellt. Die beiden schwerkraftbetriebenen Neigungsmesser-Sensoren in dieser Regler-Schnittstelle sind so angebracht, daß ihre senkrechten Mittelachsen parallel und die waagerechten Achsen im rechten Winkel verlaufen. Dadurch sind die Neigungsmesser jeweils in der Lage, jeden Grad der Körperneigung der Bedienungskraft in ihrer Bezugsebene zu messen, wie das in Fig. 18B gezeigt wird. Wenn der Körper der Bedienungskraft so ausgerichtet ist, daß er in die waagerechte Achse eines der Sensoren zeigt, dann erzeugt eine seitliche Beugung nach links (109a) oder rechts (111a) einen Sensor-Ausgang (109b) oder (111b), der dem Neigungswinkel des Rumpfes proportional ist. Ebenso erzeugt die Beugung längs der Achse nach vorn oder hinten (110a) oder (112a) proportionale Ausgänge (110b) oder (112b).
Wenn der Rumpf des Körpers der Bedienungskraft in einer anderen als einer der beiden Kardinalebenen gebeugt wird, die in Fig. 18B gezeigt werden, wird durch die Neigungsmesser der Zuwachs der Beugung parallel zu jeder der beiden Kardinalebenen gemessen. Wenn die Planarachsen, die durch die beiden Neigungsmesser definiert sind, in einer bekannten feststehenden (oder kontinuierlich gemessenen) Ausrichtung im Verhältnis zum Hauptkoordinatensystem des Maschinensystems gehalten werden, können die vom Sensor abgeleiteten Zuwachsausgänge durch den Computer leicht mathematisch verarbeitet werden, um sowohl die Richtung als auch die Geschwindigkeit der Plattformbewegung zu definieren, die durch die Bedienungskraft eingegeben wird. Die Anwendung dieses Steuerungsprozesses wird in Fig. 19 dargestellt.
Das nicht-drehbare Speisekabelrohr von dem am Rücken angebrachten Regler wird in der Mitte der Bedienerplattform in einer Winkelausrichtung angebracht, durch welche die waagerechte Planarachse des einen Neigungsmessers parallel mit B-B der Mittellängsachse der mobilen Basis des Systems ausgerichtet ist. Die in Fig. 19 dargestellte Bedienungskraft wird in einer zur Seite gebeugten Haltung gezeigt, welche die Richtung und Rate definiert, mit der sich das an der Arbeitsplattform befindliche Ende des Auslegers bewegen soll. Diese Rumpfhaltung (113a) erzeugt ein Ausgangssignal des axial ausgerichteten Neigungsmessers, das durch den Vektorpfeil (114) dargestellt wird, und ein Ausgangssignal des Querachsen-Neigungsmessers, das durch den Vektorpfeil (115) dargestellt wird. Die mathematische Verarbeitung dieser Signale durch den Computer dient dazu, das Ausgangsleiteingabensignal (113b) zu definieren, das durch die Positionierung des Rumpfes des Körpers der Bedienungskraft erzeugt wird, und das in Begriffen, welche die Erzeugung der Stellorgan-Steuerungsausgänge erleichtern, die zur Ausführung der Leiteingaben der Bedienungskraft gebraucht werden.
Die Stellorgan-Steuerungsausgänge, die durch den Computer in Reaktion auf die durch die Rumpfbewegungen der Bedienungskraft erzeugten Leiteingaben erzeugt werden, werden durch das im angeschlossenen Computer installierte Programm bestimmt. Diese Eigenschaft der Programmierbarkeit des Computers stellt ein neues und außerordentlich flexibles Mittel zur Abstimmung der dynamischen Reaktionen eines Maschinensystems auf die Reglereingaben dar, um den Anforderungen bei der Ausführung der jeweiligen Aufgabe gerecht zu werden. Die Anwendung dieser aufgabenbezogenen Anpassungsfähigkeit auf die waagerechte ebene Bewegung der Arbeitsplattform der Massengut-Umschlaganlage wird in Fig. 19 dargestellt. Bei dieser Aufgabenanwendung besteht die wirksamste Methode darin, die Plattform längs geradliniger Bahnen zu bewegen, die parallel zu der durch den Regler erzeugten Richtungseingabe verlaufen, während die Arbeitsplattform (92) gleichzeitig gedreht wird, um deren bestehende Axialausrichtung beizubehalten.
Die Vektordiagramme (116). (117) und (118), die in Fig. 19 gegeben werden, veranschaulichen die drei sich ständig ändernden Stellorgan-Ausgänge (Auslegerdrehung. Ausziehen des Auslegers und Drehung der Arbeitsplattform), die der Computer steuert, um die gewählte dynamische Reaktion zu erreichen.
Fig. 20 zeigt eine Schnittansicht einer am Rücken angebrachten Regler- Schnittstelle, welche die Funktionsfreiheit ermöglicht und den multiaxialen Ausgängen Rechnung trägt, die ein Mensch zur Betätigung des Aufgabeneffektors von einer Reglerstation aus braucht, die sich nicht an derselben Stelle wie die Arbeitsplattform befindet.
Der Regler (100) arbeitet mit einer Befestigungsstruktur, die an einer Weste oder einem anderen anpassungsfähigen Gurtwerk angebracht werden kann, welche die Einheit in Ausrichtung mit der Achse der Wirbelsäure der Bedienungskraft halten können. Die hier dargestellte Stützstruktur (119) schließt vier Doppelbefestigungsklammern (120a, 120b, 120c und 120d), zwei Gliederstäbe (121a und 121b) und ein in der Mitte befindliches rohrförmiges Gehäuse (122) ein, das am unteren Ende offen und am oberen Ende geschlossen ist. Die obere Endkappe enthält einen zentrierenden Lagerhohlraum (123), der genau mit der Rohrachse zentriert ist. Das Sensor- und Kollektor-Befestigungselement (124) hat die Form eines abgestuften Zylinders mit einer halbkugelförmigen oberen Mitte, die am oberen Ende eine Flanschwelle (125) trägt, eine Sektion mit Gleitpassungsdurchmesser mit geformten Hohlräumen zur Befestigung von zwei der schwerkraftbetriebenen Neigungsmesser-Sensoren mit parallelen senkrechten Meßachsen und den im rechten Winkel ausgerichteten Meßebenen. Die untere Fläche dieser Außendurchmesser-Sektion wird mit einer Drucklager-Ringfläche (126) mit verkleinerter Fläche gebildet. Eine Befestigungssektion (127) mit verkleinertem Durchmesser reicht nach unten über die untere Hülsenstruktur (128) hinaus. Diese Befestigungssektion (127) hat eine Mittelbohrung, die als Drahtführung dient und in einer gepolten Mehrfachsteckdose (129) endet. Das untere äußere Ende der Befestigungssektion (127) ist mit elektrischen Kollektorringen ausgestattet, die mit der Steckdose (129) verdrahtet sind. Die untere Hülsenstruktur (128) ist so aufgebaut, daß sie eine Drucklager-Unterlage für das Sensor- und Kollektor-Befestigungselement (124) und Gehäuse für die Kollektor-Wischerkontakte (130) bereitstellt. Diese untere Hülsenstruktur wird mit Hilfe von Halteschrauben (131) im äußeren Rohrgehäuse (122) befestigt.
Die Steckdose (132) an der Basis des Sensor- und Kollektor-Befestigungselements (124) ist auf einen Anschlußstecker (133) am Ende einer flexiblen Leitung (134) abgestimmt, die der elektrischen Übertragung dient und auch die Drehposition des Elements gegenüber der Drehposition der Leitung arretiert. Die herausragenden Eigenschaften dieser Leitung bestehen darin, daß sie die Flexibilität in der Längsrichtung gewährleistet, die ein Biegen oder Wenden in der Axialrichtung erlaubt, während die Rotationssteifigkeit um die Mittelachse der Leitung beibehalten wird. Diese Leitung wird an einer federgespannten/ausziehbaren Befestigungsvorrichtung (101) angebracht, die so aufgebaut ist, daß sie die Rotationsweiterschaltung der Anschlußleitung herstellt und aufrechterhält.
Diese Erfindung ist nicht auf die in den Zeichnungen gezeigten und in der Beschreibung beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, die als Beispiel und nicht als Einschränkung, aber immer in Übereinstimmung mit den beigefügten Ansprüchen, gegeben werden.

Claims

1. Adaptivsteuerungssystem zur Erweiterung des menschlichen Aktionsradius für die kontrollierte Bewegung eines Lastmanipulators, das folgende Komponenten umfaßt:

eine Stützstruktur (11), die wenigstens ein bewegliches Element (15) einschließt, das Lastmanipulationsmittel (17) trägt:

Mittel (21) zur Bewegung des wenigstens einen beweglichen Elements (15), um die Lastmanipulationsmittel (17) in waagerechter und senkrechter Richtung zu bewegen:

Mittel (52) zur kontinuierlichen Überwachung der Position der Lastmanipulationsmittel (17) im Verhältnis zu einer festgelegten Koordinate der Stützstruktur:

ein Leitelementmittel (62), das Mittel zur Verbindung des Leitelementmittels (62) mit einem Körperteil der Bedienungskraft zur Bewegung mit diesem einschließt:

Steuerungsmittel (50) zur Bestimmung der Bewegung des Leitelements (62) durch die Bedienungskraft und zur Auflösung der Bewegung im Verhältnis zu zwei senkrecht zueinander stehenden Achsen und in einer im wesentlichen waagerechten Ebene, die ein im wesentlichen festes Verhältnis zu der Stützstruktur (11) haben, wobei die Steuerungsmittel (50) folgendes einschließen:

Mittel zur Erzeugung von Steuerungssignalen (55, 56, 57), die auf die Richtung der Bewegung im Verhältnis zu den Achsen bezogen sind und die auf die Verschiebung des Leitelements (62) bezogen sind, um die Lastmanipulationsmittel (17) mit einer Geschwindigkeit, die zu der Verschiebung im Verhältnis steht, in der Richtung der Bewegung zu bewegen, und die außerdem folgendes einschließen:

einen Mikroprozessor, der in der Lage ist, Signale zu empfangen, die durch die Positionierung des Körperteils der Bedienungskraft erzeugt werden, und die Steuerungssignale (55, 56, 57) zu erzeugen, wobei der Mikroprozessor programmierbar ist, so daß er die durch den Körperreflex der Bedienungskraft erzeugten Bewegungen in präzise Bewegungen der Arbeitsstation umsetzen kann, wobei der Lastmanipulator (17) Tn einer festgelegten senkrechten Position gehalten wird: wobei das System dadurch gekennzeichnet ist, daß:

das Leitelementmittel (62) ein am Arm getragenes Regler-Schnittstellenelement ist, wobei das am Arm getragene Regler-Schnittstellenelement (62) schalenförmige Abschnitte (63, 64), die am oberen bzw. unteren Armabschnitt befestigt werden, und in den schalenförmigen Abschnitten auf Bewegung ansprechende Mittel (67, 68) umfaßt, die auf die Bewegung des Ober- und des Unterarmes ansprechen.

2. System nach Anspruch 1, bei dem die auf Bewegung ansprechenden Mittel (67, 68) schwerkraftbetriebene Planar-Neigungsmesser (69) zur Erzeugung von elektrischen Präzisionsausgängen umfassen, die der Winkelausrichtung des Ober- und Unterarmes proportional sind.

3. System nach Anspruch 2, bei dem der schwerkraftbetriebene Planar-Neigungsmesser folgende Komponenten umfaßt: einen nichtleitenden vorderen Abschnitt (75); einen ebenen, bandförmigen, linearen Widerstandsstreifen (76), der mit dem nichtleitenden vorderen Abschnitt (75) bondiert ist; Klemmenanschlußmittel (77), die eine Speisespannung parallel zu dem linearen Widerstandsstreifen (76) schalten: einen hinteren Abschnitt (78), der hinter dem linearen Widerstandsstreifen (76) an dem vorderen Abschnitt (75) befestigt ist, wobei der hintere Abschnitt (78) eine Umfangsnut (79) hat; ein niederohmiges leitendes Material in der Umfangsnut; eine Ausgangsklemme (80), die mit dem niederohmigen leitenden Material verbunden ist; auf die Schwerkraft ansprechende Kontaktwischerarme (81), die den linearen Widerstandsstreifen (76) durch das niederohmige leitende Material in der Umfangsnut (79) mit der Ausgangsklemme (80) verbinden; wodurch die relative Position der auf die Schwerkraft ansprechenden Kontaktwischerarme (81) die Position eines Körperteils angibt.

4. System nach Anspruch 1, bei dem das Leitelementmittel auf die Bewegung ansprechende Mittel (69), die am Handgelenk des Armes getragen werden, zur Erzeugung elektrischer Ausgänge einschließt, die der Winkeldrehung des Handgelenks proportional sind.

5. System nach Anspruch 3 oder 4, bei dem die schwerkraftbetriebenen Planar- Neigungsmessermittel (69) Hufeisenform zur Verbindung mit dem Handgelenk haben, um die Bewegung des Handgelenks anzuzeigen.

6. System nach Anspruch 4, das einen Daumenhandschuh (60) zur Anbringung auf dem Daumen des Armes: und Schaltmittel (71) auf dem Daumenhandschuh zur Aktivierung der Arbeit der Mittel (21) zur Bewegung der Lastmanipulationsmittel (17) einschließt.

7. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Leitelementmittel außerdem eine am Körper getragene Schnittstelle (100) einschließt, die am Oberkörper befestigt ist und auf dessen Bewegungen anspricht, wobei die am Körper getragene Schnittstelle (100) ein Westenrückenteil umfaßt, das an Biaxial-Neigungsmesser- Sensormitteln (100) befestigt ist, wobei die Biaxial-Neigungsmesser-Sensormittel (100) auf Vorwärts-, Rückwärts- und seitliche Bewegungen des Oberkörpers mit der Erzeugung elektrischer Ausgänge reagieren, die den Bewegungen des Oberkörpers proportional sind.

8. System nach Anspruch 7, das ein Reaktionwählschalter-Eingangsmittel (72), das an einem Unterarm einer Bedienungskraft befestigt wird, zur selektiven Zuweisung von Signalen einschließt, um Lastmanipulator- und Last-Orientierungsaufgabenreaktionen zu vermitteln; wobei das Reaktionswählschalter-Eingangsmittel (72) über eine Bedienungskraft- Schnittstelle (51) funktionelle Reaktionen auf einen Mikroprozessor in einem Computer (50) überträgt.

9. System nach Anspruch 8, bei dem das Reaktionswählschalter-Eingangsmittel (72) ein gekoppeltes Knopftastenfeld umfaßt, wobei das gekoppelte Knopftastenfeld eine Vielzahl von Knöpfen zur Auswahl von Eingangsbefehlen über Eingangsschnittflächen (51, 53) an den Computer (50) hat, die den wechselweisen Steuerungssignaleingang zu Stellgliedverbindungen und Reaktionsmodi in Übereinstimmung mit vorprogrammierten Modi und Master-Slave-Operator- Programmen bestimmen, die in dem Mikroprozessor des Computers (50) vorhanden sind.