EP2984254A1 - Regelsystem und verfahren zum steuern der orientierung eines segments eines manipulators - Google Patents

Regelsystem und verfahren zum steuern der orientierung eines segments eines manipulators

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Publication number
EP2984254A1
EP2984254A1 EP14723678.0A EP14723678A EP2984254A1 EP 2984254 A1 EP2984254 A1 EP 2984254A1 EP 14723678 A EP14723678 A EP 14723678A EP 2984254 A1 EP2984254 A1 EP 2984254A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
segment
joint
signal
sensor
orientation
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP14723678.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Wolfgang TEBEEK
Wolfgang KEMMETMÜLLER
Johannes HENIKL
Andreas Kugi
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ttcontrol GmbH
Original Assignee
Ttcontrol GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ttcontrol GmbH filed Critical Ttcontrol GmbH
Publication of EP2984254A1 publication Critical patent/EP2984254A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • E04G21/0445—Devices for both conveying and distributing with distribution hose with booms
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    • B66C13/066—Auxiliary devices for controlling movements of suspended loads, or preventing cable slack for minimising or preventing longitudinal or transverse swinging of loads for minimising vibration of a boom
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B66C13/18—Control systems or devices
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • E04G21/0445—Devices for both conveying and distributing with distribution hose with booms
    • E04G21/0454—Devices for both conveying and distributing with distribution hose with booms with boom vibration damper mechanisms

Definitions

  • the invention relates to a control system for controlling the orientation of a segment of a manipulator, in particular a Popemanipulators for truck-mounted concrete pumps, wherein the segment is connected via a hinge to a base or a predecessor segment of the manipulator and at the joint relative to the base or the predecessor segment by at least one Rotary axis by means of at least one actuator, preferably hydraulic actuator, is pivotable.
  • the invention relates to an electro-hydraulic control circuit for controlling a hydraulically actuated actuator, by means of which a segment of a manipulator, in particular a large manipulator for truck-mounted concrete pumps, is adjustable with respect to its orientation.
  • electro-hydraulic control circuits or related control systems such as those used for example to control multi-unit large manipulators for truck-mounted concrete pumps, generally have a central control block, with individual segments can be controlled individually.
  • hydraulic actuators are assigned to the segments, which can optionally be operated hydraulically by means of pilot valves or manually by means of hand levers.
  • the hydraulic actuators are usually designed as a hydraulic cylinder, wherein the deflection of a piston received in the cylinder correlates with the deflection of an associated segment.
  • For the damping of elastic oscillations algorithms are used in the systems currently used, according to which the pressure difference of the chamber pressure of the respective cylinder is returned to the cylinder associated control valve.
  • known systems are often equipped with geodetic angle or tilt sensors.
  • the electrohydraulic control circuits described at the beginning or the control systems associated therewith have numerous disadvantages, which are discussed as follows.
  • the use of a central control block requires considerable cable lengths, eg up to 70m, between the hydraulic cylinders and the valves controlling them.
  • Long lines degrade the response of the electro-hydraulic control circuit due to delays, increase the susceptibility to line breaks, limit the space available at the segments, and increase the cost of the electro-hydraulic control circuit.
  • Furthermore, to avoid an unwanted sinking of a segment often lowering brake valves must be used, which open only at a corresponding pressure in the associated hydraulic supply lines (and thus actuated control valve).
  • Electrohydraulic control circuits which are implemented exclusively in hardware, are not flexible and can not be adapted to the respective operation.
  • the document EP 1 882 795 B1 shows a large manipulator, in particular for concrete pumps with a frame mounted on a frame, preferably rotatable about a vertical axis of rotation mast block, with a composite of at least three mast arms articulated mast.
  • pressure sensors are provided, wherein a pressure sensor is attached to a bottom end and a rod end of a piston and the pressure difference supplies the corresponding time-dependent measuring signal.
  • the systems used which are typically used for the active damping of elastic vibrations, have the following disadvantages: Pressure sensors used therein do not directly measure the dynamic states of the segment.
  • Vibrations that act on (for example due to static friction) fixed hydraulic cylinder can not be determined. Furthermore, unaccounted for dynamic effects, which are caused for example by a non-ideal pressure supply, have a direct influence on feedback measurement signals and thus reduce the performance of the electro-hydraulic control circuit or the associated control system.
  • this object is achieved with an inventive electrohydraulic control circuit of the type mentioned, in which an electrically controlled first valve, which is connected to hydraulic working lines of the actuator to its control, and provided in the working lines of the actuator check valves, the arranged on the actuator or the actuator associated with this segment and are unlocked for normal operation of the actuator, wherein the unlocking of the check valves is controlled by a separate from the first valve and the check valves electronic control device.
  • the first valve is arranged on the actuator or the actuator associated segment.
  • the line lengths of the working lines between the actuator and the first valve are reduced to a minimum. This improves the response of the electro-hydraulic control circuit, reduces the susceptibility to line breaks, reduces the number of (work) lines routed along a segment or multiple segments, thus increasing the space available on the segment (s) and reducing the cost of the circuit electrohydraulic control circuit.
  • control device is designed as an electronic device dedicated to the segment, which is preferably arranged on the actuator or on the actuator associated segment.
  • the electronic device could also be mounted on an actuator associated with the segment or in its immediate vicinity.
  • the working lines of the actuator are equipped with pressure sensors whose signals are supplied to the control device for monitoring the forces acting on the actuator and / or moments and / or load.
  • the monitoring of the forces acting on the actuator and / or moments and / or load allows the implementation of numerous auxiliary functions.
  • the control circuit can be adapted directly to the operation and / or load of a control variable acting on the actuator (in particular, a state or a position of the electrically controlled first valve).
  • a control variable acting on the actuator in particular, a state or a position of the electrically controlled first valve.
  • servo compensation measures for achieving a constant travel speed of a segment
  • various fail-safe functions for example the automatic detection of overpressure and the initiation of safety-relevant measures
  • control circuit which is supplied by a pressure supply further developed by a pressure sensor is provided for monitoring the pressure supply, for generating a signal, that of the control device for adaptation of the control of the first valve is supplied to detected by the pressure sensor pressure fluctuations.
  • the first valve is designed as a proportional valve, in particular as a proportional valve.
  • the first valve can be designed as a so-called “continuous valve", which is not switched discretely, but allows a steady transition from switching positions.
  • the unlocking of the check valves can be done directly or indirectly.
  • the control device controls a switching valve which supplies hydraulic Unlock lines of the check valves.
  • the control device activates the unlocking of the check valves via electromagnetic actuation. This allows the abandonment of additional hydraulic components / lines.
  • a central electronic control device adapted to control a plurality of control circuits of a plurality of segments of a manipulator.
  • the electronic controller / s enables flexible and efficient consideration of additional parameters that may contribute to improving the performance of the control circuit.
  • the actuator can therefore be assigned sensor means which detect the operating state of the actuator and / or the spatial orientation of the associated segment and generate corresponding measurement signals, which are guided to an orientation control / regulating device associated with the segment and / or the manipulator.
  • an emergency circuit can be provided.
  • this has in an advantageous embodiment, a parallel to the first valve hydraulic emergency circuit.
  • the emergency circuit preferably at least one controllable switching valve, which on the actuator or The actuator associated segment is arranged and is preferably powered by its own pressure supply line, as well as mutually coupled valves to achieve a load-holding function or a Senkbremsfunktion.
  • the emergency circuit additionally has throttles, which are preferably each connected in series with one of the valves of the emergency circuit.
  • a lockable for normal operation check valve whose release is controlled by the electronic control device.
  • the operating lines of the actuator are supplied by a first pressure supply and return system, while a second pressure supply and return system independent of the first system is provided for supplying control lines of the control circuit.
  • the invention according to the first aspect further relates to a manipulator, in particular Popemanipulator for truck-mounted concrete pumps, which at least one segment, preferably two or more segments, and is arranged on a preferably rotatable about a vertical axis of rotation base, wherein the segment or a first of Segments with the base and the segments are each connected to each other via a hinge on which the respective segment relative to the base or to each other by fixed axes of rotation by means of at least one hydraulically actuated actuator are pivotable with an electro-hydraulic control circuit for controlling the actuator or at least one the actuators as discussed above.
  • the object set out above is achieved with a control system according to the invention of the type mentioned at the outset, in which the control system comprises at least the following:
  • a first sensor which is arranged on a segment connected to the joint and supplies a first measuring signal corresponding to a deformation of the segment, referred to as a "deformation signal"
  • a second sensor which supplies a second measuring signal corresponding to the spatial orientation of the segment connected to the joint, referred to as an "orientation signal"
  • control system can preferably be depicted in an electronic control device described below, which detects the measurement signals and processes them efficiently and quickly and outputs the control signals. This allows a digital structure of the control system, which can be quickly and efficiently parameterized and used in a variety of ways.
  • the second sensor comprises a single-axis or multi-axis rotation rate sensor in combination with a two- or three-axis acceleration sensor whose measurement signals are processed to determine the orientation signal.
  • a three-axis rotation rate sensor is used in combination with a three-axis acceleration sensor. This sensor structure allows a particularly accurate determination of the orientation signal.
  • an observer in particular an extended Kalman filter, can be used to process the signals. This can additionally increase the quality of the signals.
  • the second sensor comprises an inertial sensor, preferably an inertial measuring unit (IMU).
  • IMU inertial measuring unit
  • a magnetic field sensor can be used to determine a signal associated with the orientation of the segment, whereby the quality of the measured orientation signal can be further increased.
  • the first sensor comprises a strain sensor, for example a strain gauge.
  • the first sensor is arranged on the segment at a separate position from the hinge associated actuator.
  • the first sensor may be disposed on the body of the segment.
  • the invention according to the second aspect relates to a manipulator, in particular large manipulator for truck-mounted concrete pumps, which at least one segment, preferably two or more segments, and is arranged on a preferably rotatable about a vertical axis of rotation base, wherein the segment or a first of the Segments with the base and the segments are each connected to each other via a hinge on which the respective segment relative to the base or to each other by fixed axes of rotation by means of at least one preferably hydraulic actuator are pivotally, characterized in that at least one of the joints a control system according to a associated with the preceding claims.
  • the problem described above with regard to vibrations of large manipulators is a particularly suitable application of the control system, which allows a significant improvement in the usability of large manipulators.
  • the advantages of the control system according to the invention can be used particularly extensively when a plurality of joints of the manipulator, in particular each of the joints, each associated with a control system.
  • the second aspect of the invention can also be used in the form of a method for controlling the orientation of a segment of a manipulator, in particular a large manipulator for truck-mounted concrete pumps, wherein the segment is connected via a hinge to a base or a predecessor segment of the manipulator, wherein the segment on the Joint with respect to the base or the predecessor segment is pivotable about at least one axis of rotation by means of at least one preferably hydraulic actuator,
  • a first measurement signal corresponding to a deformation of the segment - referred to as a "deformation signal" - is obtained, and
  • a second measuring signal corresponding to the spatial orientation of the segment connected to the joint is obtained in a second sensor, referred to as an "orientation signal"
  • an actuating signal is determined
  • the control signal is supplied to the joint associated actuator.
  • This method is versatile and particularly suitable for controlling (and regulating) the orientation of segments of a manipulator.
  • FIG. 1 is a side view of a transport vehicle with a large manipulator in a transport state
  • FIG. 2 shows a side view of the transport vehicle according to FIG. 1 with the large manipulator in an operating state
  • FIG. 3 is a schematic representation of a first embodiment of an electro-hydraulic control circuit according to the invention
  • 4 is a schematic representation of a second embodiment of an electro-hydraulic control circuit according to the invention
  • Fig. 5 is a schematic representation of a control system according to the invention.
  • FIG. 6 is a side view of a section of a boom of the large manipulator of FIG .. 1
  • a transport vehicle 5.1 is shown in a side view, which has a large manipulator 5.2, wherein the large manipulator 5.2 has a plurality of segments 5.3.
  • Fig. 1 shows a plurality of segments 5.3, wherein for ease of reading in the illustration, only a first segment 5.3 is provided with reference numerals.
  • the further segments 5.3 may be constructed substantially the same, but each additional segment 5.3 is connected to a predecessor segment 5.3.
  • the first segment 5.3 is connected therein to a base 5.4 via a hinge 5.5, the base 5.4 being e.g. is designed as a vehicle-fixed vertical axis rotatable slewing.
  • the base 5.4 could be configured in any other way - it is essential that the first segment 5.3 is connected via a hinge 5.5 with the base 5.4.
  • a first actuator 5.6 is arranged, which is preferably designed as a hydraulic cylinder; Of course, the actuator 5.6 may be designed in other ways, for example as a hydraulic motor.
  • the first actuator 5.6 is adapted to pivot the first segment 5.3. The pivoting position is determined by the structural design of the first segment 5.3, the base 5.4 and the joint 5.5 and by a deflection of the actuator 5.6.
  • a piston arranged with the first segment 5.3 and within the hydraulic cylinder is preferably displaced by means of pressure differences acting on the hydraulic cylinder.
  • the first segment 5.3 is articulated in the embodiment shown with other segments 5.3, wherein in each case an actuator 5.6 is arranged between the predecessor segment and the successor segment, wherein the actuator 5.6 in the manner described above, a United pivoting of the individual segments 5.3 allows each other ,
  • the term "manipulator” means a working device such as an arm, a boom, a hoist, a mast or a mast, for driving the position and / or orientation of at least one by means of at least one actuator 5.6 movable segment 5.3 is suitable, wherein the position and / or orientation is relative to a predecessor segment 5.3 or the base 5.4.
  • FIG. 2 shows the transport vehicle 5.1 with the large manipulator 5.2 in an exemplary operating state.
  • the individual segments 5.3 are pivoted in such a way that they together form a kind of bridge which is suitable for enabling a mass transport via the connection of the individual segments 5.3 to a location remote from the transport vehicle 5.1.
  • This requirement is particularly prevalent in large-scale manipulators for truck-mounted concrete pumps, where liquid concrete is to be pumped over long distances, as will be explained in more detail below.
  • a concrete pipe (not shown), e.g. a delivery pipe out, which has at its end an outlet 5.7, which is designed for example as a hanging end hose and which can be targeted by the orientation of the segments 5.3 brought to a desired location / position.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a first embodiment of an electrohydraulic control circuit according to the invention, as it can be used in particular for the application in the case of large manipulators 5.2 described above.
  • the reference numerals of the preceding figures have been used and Unless defined otherwise, they correspond to the preceding elements. However, this does not mean that the electro-hydraulic control circuit is restricted to the embodiment shown in the preceding figures.
  • This is an electrically controlled first valve 2.4 can be seen, with which an actuator 5.6, in particular the hydraulic cylinder can be moved by this the actuator 5.6 associated working lines AI, A2 subjected to a pressure difference.
  • the working lines are optionally each connected to a first pressure supply system P2 or a first return system T2.
  • the first valve 2.4 can be designed, for example, as an electromechanically actuated 4/3 proportional directional control valve.
  • the control of the first valve 2.4 for example, directly with proportional solenoids or hydraulically via pilot operated pilot valves by an electronic control unit ECU (electronic control unit).
  • the electronic control unit ECU monitors the state of the system, enables the implementation of complex algorithms, provides an interface for communication to the outside via a bus system (for example CAN) and the possibility of connecting a large number of sensors to it.
  • a switching valve 1.1 which is designed for example as an electromechanically actuated 3/2-way switching valve, acts as a central release valve (this function will be discussed in more detail below) and is controlled by the electronic control unit ECU.
  • the switching valve 1.1 When the switching valve 1.1 is energized by the electronic control unit ECU, the switching valve 1.1 switches the control pressure assigned to a second pressure supply system PI to the check valves 2.1, 2.5 and 2.6, thereby opening them (at the same time) and allowing a supply pressure associated with the pressure supply system P2 to be dependent on the supply pressure Position / from the state of the first valve 2.4 to a working line of the first valve 2.4 associated actuator 5.6, in particular a hydraulic cylinder, is acted upon.
  • the check valves 2.1, 2.5 and 2.6 are preferably designed as a pilot-operated check valves.
  • the pilot-operated check valves preferably have a restoring spring, whereby a defined state is established when the electromagnets assigned to the switching valve 1.1 are switched off, by switching on a (low) tank pressure assigned to a second return system T1 to the check valves 2.1, 2.5 and 2.6.
  • the check valves 2.5 and 2.6 perform a load hold function when the control circuit is in an inactive state.
  • the check valve 2.1 also has a safety function, in particular it prevents the check valves 2.5 or 2.6 from being pressed open (by the supply supply pressure) in the case of a clamping piston in the first valve 2.4 outside the middle position.
  • a further check valve 2.2 which is designed as a check valve, serves as mechanical protection of the control circuit against a break in a supply line associated with the first pressure supply system P2.
  • the actuator 5.6 are preceded by two pressure relief valves 2.9 and 2.10, which protect the actuator 5.6, in particular the hydraulic cylinder from damage by excessive chamber pressures and thus serve as overload valves.
  • control circuit further has an optional and particularly advantageous hydraulic emergency circuit (emergency operation branch) connected in parallel with the first valve 2.4, which supply oil for availability via a separate third pressure supply line P3.
  • the emergency circuit allows a method of the cylinder in case of failure of the first valve 2.4 associated (or upstream or downstream) components.
  • the emergency circuit includes a controllable switching valve 3.1, which is provided for example as electromechanically driven 4 / 3- switching valve 3.1 for controlling the direction of travel, and two mutually coupled valves 3.2 and 3.3, which are preferably designed as Senkbremsventile in classic circuit. With the aid of downstream chokes 3.4 and 3.5, the travel speed can be limited.
  • the control circuit furthermore has a first sensor or a first sensor means 4.1, which is arranged on a segment 5.3 and supplies a first measurement signal corresponding to a deformation of the segment 5.3-referred to as a "deformation signal.”
  • a second sensor or a second sensor means 4.2 provided, which provides a spatial orientation of the segment 5.3 corresponding second measuring signal - referred to as "orientation signal” -.
  • a further sensor means 4.3 may be provided, which is also drawn to determine the orientation.
  • the sensor means 4.1, 4.2 and 4.3 can, for example, be connected to the electronic control unit ECU via bus systems (for example CAN).
  • the electronic control unit ECU monitors the state and the behavior of the control circuit or an associated control system by means of the available Sensors. If the electronic control unit ECU detects a malfunction, it automatically switches the control circuit or the control system to a safe state.
  • the electronic control unit ECU is actuated via a BUS system (for example CAN) via which control commands and setpoint values can be transmitted, which can be preset by a user, for example via a user interface (for example with joystick, levers, etc.). Furthermore, status information of the control circuit or the control system can be transmitted to higher-level control devices.
  • the position of the first valve 2.4 necessary for a desired travel speed can be determined by means of software based on measured pressure conditions. Due to the sensors used, the required supply pressure can be transmitted by a local electronic control unit ECU to a higher-level electronic control unit ECU, which controls, for example, a hydraulic pump, via a BUS system.
  • Fig. 4 shows a schematic representation of a second embodiment of an electro-hydraulic control circuit according to the invention.
  • the number of responsible for the load-holding function valves (2.5, 2.6, 3.2 and 3.3) is reduced by the release valve was 1.1 replaced by a 6/2-way switching valve 2.11 as a selector.
  • the control of the emergency circuit via two switching valves 3.1a and 3.1b.
  • the electronic control device ECU is not explicitly shown, however, to be regarded as similar as in Fig. 3 connected.
  • FIG. 5 is a schematic representation of a control system according to the invention can be seen, which preferably, but not necessarily put on the above-described control circuit, and for ease of understanding in a subsequent consequence based on this control circuit is described (with respect to the reference numerals applies already before predicted).
  • a control algorithm associated with the control system runs on the electronic control device ECU, which is set up to control the travel speed of the cylinder, with which it can be recorded as a control variable of the control system.
  • a local feedback of a dynamic portion of a first sensor 4.1 delivering a deformation signal, which is designed in particular as a strain gauge, can be used to dampen
  • the entire cantilever structure (consisting of a series of segments AL (which form a cantilever corresponding to segments 5.3 - but only a single segment AL can be provided) may be used to provide a steady state portion of the deformation signal whose feedback does not provide a damping effect
  • the joint positions of the joints 5.5 or the deflection of at least one control element 5.6 (and thus the orientation of the segments 5.3) can thus be actively influenced by the control system, in particular when elastic oscillations occur
  • Car audio pump could lead to an intervention of the control system to a drift movement of the segments 5.3 and thus to a deviation from a desired nominal position.
  • the local deformation signal s DMS (t) represents the dynamic component of the measured deformation signal (in particular a beam curvature of a segment 5.3), which is separated by a high-pass filter HP from a stationary component s DMS stat .
  • the factors ki and fo are gain factors and serve for the parameterization of the control system. For positive amplification factors ki, ki> 0, the control system has an asymptotically stable behavior. Instead of regulating the deflection of the actuator 5.6, the deflection of a joint 5.5 could also be regulated.
  • the input variable of an actuator 5.6 is represented by the signal s v (t), which describes, for example, the piston position of a control valve.
  • the electronic tax Direction ECU can determine those valve position (s) which cause a desired travel speed u (t) of an actuator 5.6 (ie the rate of change of a deflection) (speed control GS).
  • the signal u d (t) corresponds to a desired travel speed predetermined by a user.
  • inertial sensors in the form of IMUs of known type are preferably arranged on individual segments 5.3, which can serve for determining the position of the joint 5.5 and / or the deflection of the actuator 5.6 and / or the orientation of a segment 5.3. It is also possible for each segment 5.3 to be assigned an inertial sensor. Such an inertial sensor consists for example of a three-axis rotation rate sensor in combination with a three-axis acceleration sensor. In addition, an earth magnetic field sensor can also be provided, which can determine a deviating from the vertical, fixed direction in space.
  • b (t) k 2 ( BS (t) -ij (t)).
  • ⁇ ⁇ ) denotes the estimated inclination angle
  • ⁇ ⁇ $ (t) the measured rate of rotation in the corresponding axis
  • ⁇ ⁇ $ (t) the inclination angle determined by means of the acceleration sensors.
  • the relationship between the deflection s z ⁇ t) of the actuator 5.6 and the joint angle ⁇ ⁇ ) can be determined by a function being represented.
  • the deflection s z (t) can be determined in this way analytically or alternatively by measurement.
  • the described method for measuring the joint angles (p (t) or the deflection s (t) of an actuator 5.6 can significantly reduce the systematic measurement error compared to known arrangements.) This enables the implementation of a position control with a significantly higher quality and robust construction are given in inertial sensors, which are preferably used in the course of the control system according to the invention.
  • inertial sensors offer even more advantages. For attenuation of a segment 5.3, acceleration values can be measured as an alternative to the feedback of the deformation signal measured with strain gauges (for example a beam curvature of a segment 5.3) since these also represent the forces occurring at individual points of a segment 5.3.
  • strain gauges for example a beam curvature of a segment 5.3
  • the sensors can likewise be used to dampen the vibrations in the horizontal plane by measuring the measured horizontal acceleration is fed back to the actuator of the slewing gear.
  • the inertial sensor is additionally equipped with a terrestrial magnetic field sensor, monitoring and thus also regulation of a slewing angle can be realized. Due to this multi-functionality of the inertial sensors, a variety of control and control functions can therefore be met with fewer components overall, which leads to an increase in the availability of the control system.
  • the actuator 5.6 could also be referred to as an "actuator” and at least one segment 5.3 forms a so-called “cantilever”.
  • FIG. 6 shows a side view of a section of a boom of the large manipulator of FIG. 1.
  • the sensors 4.2 and 4.3 are preferably designed as inertial sensors. Alternatively, only one sensor 4.3 may be provided.
  • the provision of both sensors 4.2 and 4.3, which are each arranged before or after the joint 5.5, however, increases the redundancy of the measurement signals for determining the orientation of the segment 5.3, whereby the fault tolerance of the control system can be increased or measurement errors detected and / or corrected can be.
  • the first sensor 4.1 is recognizable, which is preferably designed as a strain gauge and is placed in a region of the segment 5.3 in which a relevant deformation signal assumes the maximum value. This area is often in the first 20% of the longitudinal extent of the respective segment 5.3.
  • the invention can be used in many ways and is not limited to the embodiments shown.
  • the number of segments can be varied and / or the actuators 5.6 pneumatically or electrically executed.
  • the invention is not limited to large manipulators but can be applied in numerous other fields. Essential are the ideas underlying the invention, which in view of this doctrine by a person skilled in many ways executable and still remain maintained as such.

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Abstract

Regelsystem zum Steuern der Orientierung eines Segments (5.3) eines Manipulators, insbesondere eines Großmanipulators für Autobetonpumpen, wobei das Segment (5.3) über ein Gelenk (5.5) mit einer Basis (5.4) oder einem Vorgängersegment (5.3) des Manipulators verbunden ist und an dem Gelenk (5.5) gegenüber der Basis (5.4) bzw. dem Vorgängersegment (5.3) um zumindest eine Drehachse mittels zumindest eines Stellorgans (5.6), vorzugsweise hydraulischen Stellorgans, schwenkbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Regelsystem zumindest umfasst: - einen ersten Sensor (4.1), welcher an einem an dem Gelenk (5.5) angebundenen Segment (5.3) angeordnet ist und ein einer Deformation des Segments (5.3) entsprechendes erstes Messsignal – als „Deformationssignal" bezeichnet – liefert, - einen zweiten Sensor (4.2, 4.3), welcher ein der räumlichen Orientierung des an dem Gelenk (5.5) angebundenen Segments (5.3) entsprechendes zweites Messsignal – als „Orientierungssignal" bezeichnet – liefert, und - zumindest ein dem Gelenk (5.5) zugeordnetes Stellorgan (5.6); und dazu eingerichtet ist, das Deformationssignal und das Orientierungssignal als Eingangsgrößen zu verarbeiten und aus diesen unter Berücksichtigung einer Sollorientierung des dem Gelenk (5.5) zugeordneten Segments (5.3) ein Stellsignal zu bestimmen, welches dem zugeordneten Stellorgan (5.6) zugeführt ist.

Description

REGELSYSTEM UND VERFAHREN ZUM STEUERN DER ORIENTIERUNG EINES SEGMENTS EINES
MANIPULATORS
Die Erfindung betrifft ein Regelsystem zum Steuern der Orientierung eines Segments eines Manipulators, insbesondere eines Großmanipulators für Autobetonpumpen, wobei das Segment über ein Gelenk mit einer Basis oder einem Vorgängersegment des Manipulators verbunden ist und an dem Gelenk gegenüber der Basis bzw. dem Vorgängersegment um zumindest eine Drehachse mittels zumindest eines Stellorgans, vorzugsweise hydraulischen Stellorgans, schwenkbar ist.
Des Weiteren betrifft die Erfindung einen elektrohydraulischen Steuerkreis zum Ansteuern eines hydraulisch betätigten Stellorgans, mittels dessen ein Segment eines Manipulators, insbesondere eines Großmanipulators für Autobetonpumpen, hinsichtlich seiner Orientierung verstellbar ist.
Derzeit eingesetzte elektrohydraulische Steuerkreise bzw. damit in Zusammenhang stehende Regelsysteme, wie diese beispielsweise zum Ansteuern von mehrgliedrigen Großmanipulatoren für Autobetonpumpen verwendet werden, verfügen im Allgemeinen über einen zentralen Steuerblock, wobei einzelnen Segmente einzeln angesteuert werden können. Hierzu sind den Segmenten hydraulische Stellorgane zugeordnet, welche wahlweise elekt- rohydraulisch mittels Pilotventilen oder manuell über Handhebel bedient werden können. Die hydraulischen Stellorgane sind in der Regel als Hydraulikzylinder ausgeführt, wobei die Auslenkung eines im Zylinder aufgenommenen Kolbens mit der Auslenkung eines zugeordneten Segments korreliert. Zur Dämpfung von elastischen Schwingungen werden in den derzeit eingesetzten Systemen Algorithmen verwendet, gemäß welchen die Druckdifferenz des Kammerndruckes des jeweiligen Zylinders auf das dem Zylinder zugehörige Steuerventil rückführt wird. Um einen durch die Rückführung bedingten Drift der Segmente zu verhindern und eine Lastenregelung zu ermöglichen, werden bekannte Systeme häufig mit geodätischen Winkel- bzw. Neigungssensoren ausgerüstet.
Die eingangs beschriebenen elektrohydraulischen Steuerkreise bzw. damit in Zusammenhang stehende Regelsysteme weisen zahlreiche Nachteile auf, die wie folgt erörtert werden. Der Einsatz eines zentralen Steuerblocks erfordert beträchtliche Leitungslängen, z.B. bis zu 70m, zwischen den Hydraulikzylindern und den sie steuernden Ventilen. Lange Leitungen verschlechtern allerdings das Ansprechverhalten des elektrohydraulischen Steuerkreises aufgrund von Verzögerungen, erhöhen die Anfälligkeit für Leitungsbrüche, schränken den an den Segmenten verfügbaren Raum ein und erhöhen die Kosten des elektrohydraulischen Steuer kreises. Weiters müssen zur Vermeidung eines ungewollten Absinkens eines Segmentes häufig Senkbremsventile eingesetzt werden, welche nur bei einem entsprechenden Druck in den zugehörigen hydraulischen Zuleitungen (und damit betätigtem Steuerventil) öffnen. Da jeder Öffnungsvorgang mit einer zeitlichen Dauer behaftet ist, führen diese zu einer zusätzlichen Verzögerung und einer weiteren Verschlechterung des Ansprechverhaltens. Die bei einer aktiven Regelung zu erwartenden häufigen Wechsel der Verfahrrichtung bewirken ein unablässiges Öffnen und Schließen der Senkbremsventile. Insbesondere ein bei langsamen Verfahrgeschwindigkeiten Undefinierter Öffnungszustand der beteiligten Ventile induziert elastische Schwingungen der Segmente. Da die Druckversorgung des elektrohydraulischen Steuerkreises kein Konstantdrucksystem darstellt und der Versorgungsdruck das Ansprechverhalten beeinflusst, können zusätzliche Verzögerungen aufgrund der Höhe des Versorgungsdruckes auftreten. Elektrohydraulischen Steuerkreise, die ausschließlich in Hardware umgesetzt sind, sind nicht flexibel einsetzbar und können nicht an den jeweiligen Betrieb angepasst werden.
Aufgrund dieser Schwächen sind die derzeit eingesetzten elektrohydraulischen Steuerkreise bzw. damit in Zusammenhang stehende Regelsysteme für die Umsetzung von hochdynamischen Regelungsstrategien nicht geeignet. Das durch die beschriebenen Effekte verzögerte Ansprechverhalten wirkt sich insbesondere bei kleinen Verfahrgeschwindigkeiten negativ auf die Steuerung der Segmente aus.
Die Druckschrift EP 1 882 795 Bl zeigt einen Großmanipulator, insbesondere für Betonpumpen mit einem auf einem Gestell angeordneten, vorzugsweise um eine vertikale Drehachse drehbaren Mastbock, mit einem aus mindestens drei Mastarmen zusammengesetzten Knickmast. Zur Bestimmung einer von den mechanischen Schwingungen eines betreffenden Mastarms abgeleiteten zeitabhängigen Messgröße sind Drucksensoren vorgesehen, wobei an einem bodenseitigen und an einem stangenseitigen Ende eines Kolbens je ein Drucksensor angebracht ist und die Druckdifferenz das entsprechende zeitabhängige Messsignal liefert. Die verwendeten Systeme, welche typischerweise zur aktiven Dämpfung von elastischen Schwingungen eingesetzt werden, haben folgende Nachteile: Darin eingesetzte Drucksensoren messen nicht direkt die dynamischen Zustände des Segments. Schwingungen, die auf (beispielsweise aufgrund einer Haftreibung) feststehende Hydraulikzylinder wirken, können so nicht festgestellt werden. Des Weiteren können nicht berücksichtigte dynamische Effekte, welche z.B. durch eine nichtideale Druckversorgung verursacht werden, einen direkten Einfluss auf rückzuführende Messsignale haben und reduzieren damit die Leistungsfähigkeit des elektrohydraulischen Steuerkreises bzw. des zugehörigen Regelsystems.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, einen elektrohydraulischen Steuerkreis zum Ansteuern eines hydraulisch betätigten Stellorgans bzw. ein Regelsystem zu schaffen, mit dem die oben genannten Nachteile des Standes der Technik beseitigt.
In einem ersten Aspekt der Erfindung wird diese Aufgabe mit einem erfindungsgemäßen elektrohydraulischen Steuerkreis der eingangs genannten Art gelöst, bei welchem ein elektrisch angesteuertes erstes Ventil, welches mit hydraulischen Arbeitsleitungen des Stellorgans zu dessen Ansteuerung verbunden ist, sowie in den Arbeitsleitungen des Stellorgans vorgesehenen Sperrventile, die an dem Stellorgan oder dem diesem Stellorgan zugeordneten Segment angeordnet und für den Normalbetrieb des Stellorgans entsperrbar sind, wobei das Entsperren der Sperrventile durch eine von dem ersten Ventil und den Sperrventilen gesonderte elektronische Steuereinrichtung angesteuert wird.
Dank dieser erfindungsgemäßen Lösung ist es möglich, die eingangs angeführten Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und einen elektrohydraulischen Steuerkreis zu schaffen, der sicher und robust ist, eine hohe Zuverlässigkeit aufweist und effizient an den jeweiligen Einsatz angepasst sowie flexibel eingesetzt werden kann. Besonders günstig ist es hierbei, wenn die Sperrventile leckagefrei sind. Der Einsatz einer elektronischen Steuereinrichtung erlaubt die Verwendung von Software, wodurch die Erfindung besonders flexibel einsetzbar ist und rasch an gegebene Erfordernisse angepasst werden kann. Des Weiteren erlaubt die elektronische Steuereinrichtung eine einfache Steuerung/ Regelung der Verfahr- gesch windigkeit sowie der Stellkraft des Stellorgans. Generell sind die Begriffe„Ansteuern", „Steuern" und„Regeln" im Zuge dieser Anmeldung nicht als einschränkend aufzufassen, sofern dies nicht explizit angegeben ist. So kann eine Steuerung durch Rückkopplung von Signalen auch zur Regelung verwendet werden, eine Regelung Steueraufgaben übernehmen und unter dem Begriff „Ansteuern" sowohl ein Regeln als auch ein Steuern verstanden werden.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist das erste Ventil an dem Stellorgan oder dem Stellorgan zugeordneten Segment angeordnet. Hierdurch werden die Leitungslängen der Arbeitsleitungen zwischen dem Stellorgan und dem ersten Ventil auf ein Minimum reduziert. Dies verbessert das Ansprechverhalten des elektrohydraulischen Steuerkreises, senkt die Anfälligkeit für Leitungsbrüche, reduziert die Anzahl der (Arbeits-) Leitungen, die entlang eines Segments oder mehreren Segmenten geführt werden, erhöht somit den an dem Segment/ den Segmenten verfügbaren Raum und senkt die Kosten des elektrohydraulischen Steuer kreises.
Um einen besonders kompakten und robusten Aufbau des Steuerkreises zu realisieren, kann es vorgesehen sein, dass die Steuereinrichtung als eine für das Segment dedizierte elektronische Einrichtung ausgebildet ist, die vorzugsweise an dem Stellorgan oder an dem Stellorgan zugeordneten Segment angeordnet ist. Alternativ dazu könnte die elektronische Einrichtung ebenso an einem dem Segment zugeordneten Stellorgan oder in dessen unmittelbarer Nähe angebracht sein.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die Arbeitsleitungen des Stellorgans mit Drucksensoren ausgestattet sind, deren Signale der Steuereinrichtung zur Überwachung der am Stellorgan wirkenden Kräfte und/ oder Momente und/ oder Belastung zugeführt sind. Die Überwachung der am Stellorgan wirkenden Kräfte und/ oder Momente und/ oder Belastung erlaubt die Implementierung zahlreicher Hilfsfunktionen. So kann der Steuerkreis beispielsweise eine an dem Stellorgan wirkende Stellgröße (insbesondere einen Zustand bzw. eine Stellung des elektrisch angesteuerten ersten Ventils) unmittelbar dem Betrieb und/ oder einer Last angepasst werden. Beispielhaft seien hier Maßnahmen zum Erreichen einer konstanten Verfahrgeschwindigkeit eines Segments („Servokompensation") oder auch diverse Fail-Safe-Funktionen (z.B. die automatische Erkennung von Überdruck und das Einleiten sicherheitsrelevanter Maßnahmen) erwähnt.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Steuerkreis, welcher von einer Druckversorgung versorgt ist weiterentwickelt, indem ein Drucksensor zur Überwachung der Druckversorgung vorgesehen ist, zum Erzeugen eines Signals, das der Steuereinrichtung zur Anpassung der Ansteuerung des ersten Ventils an durch den Drucksensor erfasste Druckschwankungen zugeführt ist. Dies ermöglicht eine Anpassung der Druckversorgung an den Betrieb und/ oder die Last.
Eine einfache und doch besonders zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung ist gegeben, indem das erste Ventil als proportional wirkendes Ventil, insbesondere als Proportionalventil ausgeführt ist. Das erste Ventil kann als sogenanntes„ Stetig ventil" ausgeführt sein, welches nicht diskret geschaltet wird, sondern einen stetigen Übergang von Schaltstellungen zulässt. Damit ist ein Volumenstrom eines Fluids einstellbar.
Die Entsperrung der Sperrventile kann direkt oder indirekt erfolgen. So kann in einer günstigen Variante der Erfindung vorgesehen sein, dass die Steuereinrichtung ein Schaltventil ansteuert, welches hydraulische Entsperrleitungen der Sperrventile versorgt. In einer alternativen Variante steuert die Steuereinrichtung die Entsperrung der Sperrventile über elektromagnetische Betätigung an. Dies erlaubt den Verzicht auf zusätzliche hydraulische Bauteile/Leitungen.
Um die Anzahl der elektrischen Steuereinrichtungen zu minimieren und eine einfache Zugänglichkeit derselben zu ermöglichen, kann es vorteilhaft sein, eine zentrale elektronische Steuereinrichtung, die zum Steuern mehrerer Steuerkreise einer Vielzahl von Segmenten eines Manipulators ausgelegt ist, vorzusehen.
Die elektronische Steuereinrichtung/ en ermöglicht eine flexible und effiziente Berücksichtung von zusätzlichen Parametern, die zur Verbesserung der Performance des Steuerkreises beitragen können. In einer Weiterbildung des Steuerkreises können daher dem Stellorgan Sensormittel zugeordnet sein, die den Betriebszustand des Stellorgans und/ oder die räumliche Orientierung des zugeordneten Segments erfassen und entsprechende Messsignale erzeugen, welche an eine dem Segment und/ oder dem Manipulator zugeordnete Orientierungssteuer/ regeleinrichtung geführt sind.
Um die Betriebssicherheit des Steuerkreises weiter zu erhöhen, kann ein Notkreis vorgesehen sein. Zweckmäßigerweise weist dieser in einer vorteilhaften Ausgestaltung einen zu dem ersten Ventil parallel geschalteten hydraulischen Notkreis auf. Außerdem kann der Notkreis bevorzugt zumindest ein steuerbares Schaltventil, welches an dem Stellorgan oder dem Stellorgan zugeordneten Segment angeordnet ist und vorzugsweise über eine eigene Druckversorgungsleitung versorgt ist, sowie gegenseitig verkoppelte Ventile zum Erreichen einer Lasthaltefunktion bzw. einer Senkbremsfunktion aufweist.
In einer günstigen Weiterbildung des Steuerkreises weist der Notkreis zusätzlich Drosseln auf, die vorzugsweise jeweils in Serie mit je einem der Ventile des Notkreises geschaltet sind.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung, in welcher zumindest das erste Ventil durch eine Druckversorgung über eine Zulaufleitung versorgt ist, kann in der Zulaufleitung ein für den Normalbetrieb entsperrbares Sperrventil angeordnet sein, dessen Entsperrung durch die elektronische Steuereinrichtung gesteuert wird. Dies ermöglicht eine Trennung der dem entsperrbaren Sperrventil nachgeordneten Bauteile/ Leitungen von der Druckversorgung, sodass beispielsweise eine Abschaltung der Druckversorgung bei einem Fehlerfall der Bauteile/ Leitungen (z.B. Leitungsbruch) nicht zwingend erforderlich ist. Somit können andere an die Druckversorgung angeschlossene Bauteile/ Leitungen weiterhin versorgt werden.
Um die Betriebssicherheit des Steuerkreis weiter zu erhöhen, kann es vorgesehen sein, dass die Arbeitsleitungen des Stellorgans durch ein erstes Druckversorgungs- und Rücklaufsystem versorgt sind, während ein von dem ersten System unabhängiges zweites Druckversorgungs- und Rücklaufsystem zur Versorgung von Steuerleitungen des Steuerkreises vorgesehen ist.
Die Erfindung gemäß dem ersten Aspekt betrifft des Weiteren einen Manipulator, insbesondere Großmanipulator für Autobetonpumpen, welcher zumindest ein Segment, vorzugsweise zwei oder mehr Segmente, umfasst und auf einer vorzugsweise um eine vertikale Drehachse drehbaren Basis angeordnet ist, wobei das Segment bzw. ein erstes der Segmente mit der Basis sowie die Segmente miteinander jeweils über ein Gelenk verbunden sind, an dem das betreffende Segment gegenüber der Basis bzw. zueinander um festgelegte Drehachsen mittels zumindest eines hydraulisch betätigten Stellorgans schwenkbar sind, mit einem elektrohydraulischen Steuerkreis zum Steuern des Stellorgans bzw. zumindest eines der Stellorgane, wie vorangehend diskutiert. In einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die oben gestellte Aufgabe mit einem erfindungsgemäßen Regelsystem der eingangs genannten Art gelöst, bei welchem das Regelsystem zumindest Folgendes umfasst:
- einen ersten Sensor, welcher an einem an dem Gelenk angebundenen Segment angeordnet ist und ein einer Deformation des Segments entsprechendes erstes Messsignal - als„Deformationssignal" bezeichnet - liefert,
- einen zweiten Sensor, welcher ein der räumlichen Orientierung des an dem Gelenk angebundenen Segments entsprechendes zweites Messsignal - als„Orientierungssignal" bezeichnet - liefert, und
- zumindest ein dem Gelenk zugeordnetes Stellorgan;
und dazu eingerichtet ist, das Deformationssignal und das Orientierungssignal als Eingangsgrößen zu verarbeiten und aus diesen unter Berücksichtigung einer Sollorientierung des dem Gelenk zugeordneten Segments ein Stellsignal zu bestimmen, welches dem zugeordneten Stellorgan zugeführt ist.
Dank dieser erfindungsgemäßen Lösung ist es möglich, Schwingungen in den Segmenten deutlich zu reduzieren und Segmente dynamisch und exakt zu positionieren bzw. zu orientieren. Das Regelsystem kann dabei vorzugsweise in einer in weiterer Folge beschriebenen elektronischen Steuereinrichtung abgebildet sein, die die Messsignale erfasst und effizient und rasch verarbeitet und die Stellsignale ausgibt. Dies ermöglicht einen digitalen Aufbau des Regelsystems, welches dadurch rasch und effizient parametriert und vielseitig eingesetzt werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann es vorgesehen sein, dass der zweite Sensor einen ein- oder mehr-achsigen Drehratensensor in Kombination mit einem zwei- oder dreiachsigen Beschleunigungssensor umfasst, deren Messsignale zur Bestimmung des Orientierungssignals verarbeitet werden. Bevorzugt wird ein dreiachsiger Drehratensensor in Kombination mit einem dreiachsigen Beschleunigungssensor verwendet. Dieser Sensoraufbau erlaubt eine besonders exakte Bestimmung des Orientierungssignals.
In einer Weiterbildung der Erfindung kann zur Verarbeitung der Signale ein Beobachter, insbesondere ein erweitertes Kaiman-Filter, verwendet werden. Damit kann die Qualität der Signale zusätzlich gesteigert werden. Um eine besonders kompakte und robuste Ausgestaltung der Erfindung zu ermöglichen, kann es vorgesehen sein, dass der zweite Sensor einen Inertialsensor, vorzugsweise eine inertiale Messeinheit (IMU), umfasst.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung kann ein Magnetfeldsensor zur Bestimmung eines der Orientierung des Segments zugeordneten Signals verwendet werden, wodurch die Qualität des gemessenen Orientierungssignals weiter gesteigert werden kann.
Um eine möglichst effiziente, genaue und robuste Messung des Deformationssignals zu ermöglichen, ist es in einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass der erste Sensor einen Dehnungssensor, beispielsweise einen Dehnmessstreifen, umfasst.
Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn der erste Sensor an dem Segment an einer von dem dem Gelenk zugeordneten Stellorgan gesonderten Position angeordnet ist. Der erste Sensor kann an dem Körper des Segments angeordnet sein.
Des weiteren betrifft die Erfindung gemäß dem zweiten Aspekt einen Manipulator, insbesondere Großmanipulator für Autobetonpumpen, welcher zumindest ein Segment, vorzugsweise zwei oder mehr Segmente, umfasst und auf einer vorzugsweise um eine vertikale Drehachse drehbaren Basis angeordnet ist, wobei das Segment bzw. ein erstes der Segmente mit der Basis sowie die Segmente miteinander jeweils über ein Gelenk verbunden sind, an dem das betreffende Segment gegenüber der Basis bzw. zueinander um festgelegte Drehachsen mittels zumindest eines vorzugsweise hydraulischen Stellorgans schwenkbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einem der Gelenke ein Regelsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche zugeordnet ist. Die eingangs beschriebene Problematik im Hinblick auf Schwingungen von Großmanipulatoren ist ein besonders geeignetes Einsatzgebiet des Regelsystems, welches eine deutliche Verbesserung der Einsatzfähigkeit von Großmanipulatoren ermöglicht.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Regelsystems können besonders umfangreich genutzt werden, wenn einer Vielzahl der Gelenke des Manipulators, insbesondere jedem der Gelenke, jeweils ein Regelsystem zugeordnet ist. Der zweite Aspekt der Erfindung kann auch in Form eines Verfahrens zum Steuern der Orientierung eines Segments eines Manipulators, insbesondere eines Großmanipulators für Autobetonpumpen genutzt werden, wobei das Segment über ein Gelenk mit einer Basis oder einem Vorgängersegment des Manipulators verbunden ist, wobei das Segment an dem Gelenk gegenüber der Basis bzw. dem Vorgängersegment um zumindest eine Drehachse mittels zumindest eines vorzugsweise hydraulischen Stellorgans schwenkbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
- in einem ersten Sensor, welcher an einem an dem Gelenk angebundenen Segment angeordnet ist, ein einer Deformation des Segments entsprechendes erstes Messsignal - als„Deformationssignal" bezeichnet - gewonnen wird, und
- in einem zweiten Sensor ein der räumlichen Orientierung des an dem Gelenk angebundenen Segments entsprechendes zweites Messsignal - als„Orientierungssignal" bezeichnet - gewonnen wird,
- unter Verwendung des Deformationssignals und des Orientierungssignals als Eingangsgrößen unter Berücksichtigung einer Sollorientierung des dem Gelenk zugeordneten Segments ein Stellsignal bestimmt wird,
- das Stellsignal einem dem Gelenk zugeordneten Stellorgan zugeführt wird.
Dieses Verfahren ist vielseitig einsetzbar und besonders geeignet, die Orientierung von Segmenten eines Manipulators zu steuern (sowie zu regeln).
Die Erfindung samt weiteren Ausgestaltungen und Vorteilen ist im Folgenden an Hand mehrerer beispielhafter, nicht einschränkender Ausführungsformen näher erläutert, die in den Figuren veranschaulicht sind. Hierbei zeigt
Fig. 1 eine Seitenansicht eines Transportfahrzeuges mit einem Großmanipulator in einem Transportzustand,
Fig. 2 eine Seitenansicht des Transportfahrzeuges gemäß Fig. 1 mit dem Großmanipulator in einem Betriebszustand,
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektrohydraulischen Steuerkreises, Fig. 4 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektrohydraulischen Steuerkreises,
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Regelsystems und
Fig. 6 eine Seitenansicht auf einen Ausschnitt eines Auslegers des Großmanipulator gemäß Fig. 1.
In Fig. 1 ist ein Transportfahrzeug 5.1 in einer Seitenansicht dargestellt, welches einen Großmanipulator 5.2 aufweist, wobei der Großmanipulator 5.2 mehrere Segmente 5.3 aufweist. Fig. 1 zeigt eine Mehrzahl an Segmenten 5.3, wobei zur einfacheren Lesbarkeit in der Darstellung nur ein erstes Segment 5.3 mit Bezugszeichen versehen ist. Die weiteren Segmente 5.3 können im Wesentlichen gleichartig aufgebaut sein, jedoch ist jedes weitere Segment 5.3 mit einem Vorgängersegment 5.3 verbunden. Das erste Segment 5.3 ist darin mit einer Basis 5.4 über ein Gelenk 5.5 verbunden, wobei die Basis 5.4 z.B. als um eine fahrzeugfeste Hochachse drehbares Drehwerk ausgeführt ist. Alternativ dazu könnte die Basis 5.4 allerdings auch auf beliebige andere Art und Weise ausgestaltet sein - wesentlich ist, dass das erste Segment 5.3 über ein Gelenk 5.5 mit der Basis 5.4 verbunden ist.
Zwischen der Basis 5.4 und dem ersten Segment 5.3 ist ein erstes Stellorgan 5.6 angeordnet, das vorzugsweise als Hydraulikzylinder ausgebildet ist; selbstverständlich kann das Stellorgan 5.6 auch in anderer Weise ausgeführt sein, z.B. als Hydraulikmotor. Das erste Stellorgan 5.6 ist dazu eingerichtet, das erste Segment 5.3 zu verschwenken. Die Verschwenkposition wird durch den konstruktiven Aufbau des ersten Segments 5.3, der Basis 5.4 sowie des Gelenks 5.5 und durch eine Auslenkung des Stellorgans 5.6 festgelegt. Um das erste Segment 5.3 zu verschwenken, wird vorzugsweise ein mit dem ersten Segment 5.3 und innerhalb des Hydraulikzylinders angeordneter Kolben mithilfe von auf den Hydraulikzylinder wirkenden Druckdifferenzen verschoben. Das erste Segment 5.3 ist in der gezeigten Ausführungsform mit weiteren Segmenten 5.3 gelenkig verbunden, wobei jeweils ein Stellorgan 5.6 zwischen dem Vorgängersegment und dem Nachfolgesegment angeordnet ist, wobei das Stellorgan 5.6 in der zuvor beschriebenen Art und Weise ein Ver schwenken der einzelnen Segmente 5.3 zueinander ermöglicht. Im Rahmen dieser Offenbarung wird unter dem Begriff „Manipulator" eine Arbeitseinrichtung wie z.B. ein Arm, ein Ausleger, ein Hubwerk, ein Hubgerüst oder ein Mast verstanden, die zum Ansteuern der Position und/ oder einer Orientierung mindestens eines mittels mindestens einem Stellorgan 5.6 bewegbaren Segments 5.3 geeignet ist, wobei die Position und/ oder Orientierung relativ zu einem Vorgängersegment 5.3 oder der Basis 5.4 erfolgt.
Fig. 2 zeigt das Transportfahrzeug 5.1 mit dem Großmanipulator 5.2 in einem beispielhaften Betriebszustand. Die einzelnen Segmente 5.3 sind darin dergestalt verschwenkt, dass diese gemeinsam eine Art Brücke bilden, die dazu geeignet ist, einen Massetransport über die Verbindung der einzelnen Segmente 5.3 hin zu einer von dem Transportfahrzeug 5.1 abgelegenen Stelle zu ermöglichen. Dieses Erfordernis ist insbesondere bei Großmanipulatoren für Autobetonpumpen gegeben, bei welchen flüssiger Beton über weite Strecken gepumpt werden soll, wie folgend genauer ausgeführt wird.
Entlang der Segmente 5.3 ist zu diesem Zwecke eine (nicht gezeigte) Betonleitung, z.B. ein Förderrohr geführt, die an ihrem Ende einen Auslass 5.7 aufweist, der beispielsweise als herabhängender Endschlauch ausgeführt ist und der anhand der Ausrichtung der Segmente 5.3 gezielt an eine gewünschte Stelle/ Position herangeführt werden kann. Aufgrund der großen Entfernungen, die hierbei mittels des Großmanipulators 5.2 und darin angesteuerter Stellorgane 5.6 überbrückt werden, der Elastizität und der Deformation der die Brücke bildenden Bauteile, Änderungen des Druckes in der Betonleitung, äußerer Umwelteinflüsse wie beispielsweise der Einwirkung von Windstößen und dergleichen kommt es zu Schwingungen einschließlich Auf- und Abbewegungen des Großmanipulators 5.2, insbesondere der einzelnen Segmente 5.3 und/oder der Betonleitung, wodurch die Einsatzfähigkeit des Großmanipulators 5.2 eingeschränkt werden kann und/ oder im schlimmsten Fall eine Gefährdung der beteiligten Personen gegeben sein kann. Des Weiteren gilt es bei Großmanipulatoren 5.2 Sicherheitsmaßnahmen vorzusehen, die ein ungewolltes Absenken einzelner Segmente 5.3, wie dies beispielsweise durch einen Leitungsbruch einer Hydraulikleitung eines Hydraulikzylinders verursacht sein könnte, zu verhindern.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektrohydraulischen Steuerkreises, wie dieser insbesondere für die Anwendung bei obig beschriebenen Großmanipulatoren 5.2 verwendet werden kann. Zur einfacheren Lesbarkeit wurden die Bezugszeichen der vorangegangen Figuren weiter verwendet und entsprechen, sofern nicht anders definiert, den vorangegangenen Elementen. Das bedeutet allerdings nicht, dass der elektrohydraulische Steuerkreis auf die in den vorangegangnen Figuren gezeigte Ausführungsform eingeschränkt zu betrachten ist. Darin ist ein elektrisch angesteuertes erstes Ventil 2.4 erkennbar, mit welchem ein Stellorgan 5.6, insbesondere der Hydraulikzylinder verfahren werden kann, indem dieses dem Stellorgan 5.6 zugeordnete Arbeitsleitungen AI, A2 mit einer Druckdifferenz beaufschlagt. Hierfür werden die Arbeitsleitungen wahlweise jeweils mit einem ersten Druckversorgungssystem P2 oder einem ersten Rücklaufsystem T2 verbunden. Das erste Ventil 2.4 kann beispielsweise als elektromechanisch angesteuertes 4/3-Proportionalwegeventil ausgeführt sein. Die Ansteuerung des ersten Ventils 2.4 kann beispielsweise direkt mit Proportionalmagneten oder hydraulisch über vorgesteuerte Pilotventile durch eine elektronische Steuereinrichtung ECU (electronic control unit) erfolgen. Die elektronische Steuereinrichtung ECU überwacht den Zustand des Systems, ermöglicht die Implementierung komplexer Algorithmen, bietet eine Schnittstelle zur Kommunikation nach außen über ein Bus-System (beispielsweise CAN) sowie die Möglichkeit eine Vielzahl an Sensoren mit dieser zu verbinden. Ein Schaltventil 1.1, welches beispielsweise als elektromechanisch aktuiertes 3/2-Schaltventil ausgeführt ist, fungiert als zentrales Freigabeventil (auf diese Funktion wird im Folgenden noch näher eingegangen) und wird von der elektronischen Steuereinrichtung ECU angesteuert. Bei Bestromung des Schaltventils 1.1 durch die elektronische Steuereinrichtung ECU schaltet das Schaltventil 1.1 den einem zweiten Druckversorgungssystem PI zugeordneten Steuerdruck auf die Sperrventile 2.1, 2.5 und 2.6, wodurch diese (zeitgleich) geöffnet werden und ermöglichen, dass ein dem Druckversorgungssystem P2 zugeordneter Versorgungsdruck abhängig von der Stellung/ vom Zustand des ersten Ventils 2.4 auf eine Arbeitsleitung eines dem ersten Ventil 2.4 zugeordneten Stellorgans 5.6, insbesondere eines Hydraulikzylinders, beaufschlagt wird. Die Sperrventile 2.1, 2.5 und 2.6 sind vorzugsweise als entsperrbare Rückschlagventile ausgeführt. Die entsperrbaren Rückschlagventile verfügen vorzugsweise über eine Rückstellfeder, wodurch bei Nichtbestromung von dem dem Schaltventil 1.1 zugeordneten Elektromagneten ein definierter Zustand hergestellt wird, indem ein einem zweiten Rücklaufsystem Tl zugeordneter (niedriger) Tankdruck auf die Sperrventile 2.1, 2.5 und 2.6 aufgeschaltet wird.
Die Sperrventile 2.5 und 2.6 erfüllen eine Lasthaltefunktion, wenn sich der Steuerkreis in einem inaktiven Zustand befindet. Das Sperrventil 2.1 hat ebenfalls eine Sicherheitsfunktion, insbesondere verhindert es ein Aufdrücken der Sperrventile 2.5 oder 2.6 (durch den Versor- gungsdruck) im Falle eines klemmenden Kolbens im ersten Ventil 2.4 außerhalb der Mittellage. Ein weiteres Sperrventil 2.2, das als Rückschlagventil ausgebildet ist, dient als mechanische Absicherung des Steuerkreises gegenüber einem Bruch in einer dem ersten Druckver- sorgungssystem P2 zugeordneten Versorgungsleitung. Dem Stellorgan 5.6 sind zwei Druckbegrenzungsventile 2.9 und 2.10 vorgeschaltet, die das Stellorgan 5.6, insbesondere den Hydraulikzylinder vor Beschädigung durch zu hohe Kammerdrücke schützen und so als Überlastventile dienen. Darüber hinaus sind Drucksensoren 2.3, 2.7 und 2.8 vorgesehen, welche den Versorgungsdruck im aktiven Zustand des Steuerkreises und die Drücke messen, mit welchen das Stellorgan 5.6 (insbesondere die beiden Kammerdrücke/ Arbeitsdrücke des Hydraulikzylinders) beaufschlagt wird. Der Steuerkreis weist in der gezeigten Ausführungsform weiters einen optionalen und besonders vorteilhaften zu dem ersten Ventil 2.4 parallel geschalteten hydraulischen Notkreis (Notbedienungszweig) auf, welcher aus Verfügbarkeitsgründen über eine separates dritte Druckversorgungsleitung P3 mit Öl versorgt. Der Notkreis ermöglicht ein Verfahren des Zylinders bei Ausfall der dem ersten Ventil 2.4 zugeordneten (oder vor- bzw. nachgeschalteten) Bauteile. Der Notkreis beinhaltet ein steuerbares Schaltventil 3.1, welches beispielsweise als elektromechanisch angesteuertes 4/3- Schaltventil 3.1 zur Steuerung der Verfahrrichtung vorgesehen ist, sowie zwei gegenseitig verkoppelte Ventile 3.2 und 3.3, welche vorzugsweise als Senkbremsventile in klassischer Verschaltung ausgeführt sind. Mithilfe nachgeschalteter Drosseln 3.4 und 3.5 kann die Verfahrgeschwindigkeit begrenzt werden.
Der Steuerkreis weist des Weiteren einen ersten Sensor bzw. ein erstes Sensormittel 4.1 auf, welches an einem Segment 5.3 angeordnet ist und ein einer Deformation des Segments 5.3 entsprechendes erstes Messsignal - als„Deformationssignal" bezeichnet - liefert. Zusätzlich ist ein zweiter Sensor bzw. ein zweites Sensormittel 4.2 vorgesehen, welches ein der räumlichen Orientierung des Segments 5.3 entsprechendes zweites Messsignal - als„Orientierungssignal" bezeichnet - liefert. Darüber hinaus kann ein weiteres Sensormittel 4.3 vorgesehen sein, dass ebenfalls zur Feststellung der Orientierung heran gezogen wird. Die Sensormittel 4.1, 4.2 und 4.3 können beispielsweise über Bussysteme (z.B. CAN) an die elektronische Steuereinrichtung ECU angebunden sein.
Die elektronische Steuereinrichtung ECU überwacht den Zustand und das Verhalten des Steuerkreises bzw. eines zugehörigen Regelsystems mittels der zur Verfügung stehenden Sensoren. Wenn die elektronische Steuereinrichtung ECU ein Fehlverhalten erkannt, schaltet sie den Steuerkreis bzw. das Regelsystem eigenständig in einen sicheren Zustand.
Die Ansteuerung der elektronischen Steuereinrichtung ECU erfolgt über ein BUS-System (z.B CAN), über welches Steuerungsbefehle und Sollwerte übertragen werden können, die beispielsweise über eine Benutzerschnittstelle (z.B. mit Joystick, Hebeln usw.) von einem Benutzer vorgegeben werden können. Des Weiteren können Statusinformationen des Steuerkreises bzw. des Regelsystems an übergeordnete Steuerungsgeräte übermittelt werden. Die für eine gewünschte Verfahrgeschwindigkeit notwendige Stellung des ersten Ventils 2.4 kann mittels Software anhand gemessener Druckverhältnisse ermittelt werden. Aufgrund der eingesetzten Sensoren kann der erforderliche Versorgungsdruck durch eine lokale elektronische Steuerungseinrichtung ECU an eine übergeordnete elektronische Steuerungseinrichtung ECU, welche beispielsweise eine Hydraulikpumpe steuert, über ein BUS-System übermittelt werden.
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektrohydraulischen Steuer kreises. Darin ist die Anzahl der für die Lasthaltefunktion zuständigen Ventile (2.5, 2.6, 3.2 und 3.3) dadurch verringert, dass das Freigabeventil 1.1 durch ein 6/ 2-Wegeschaltventil 2.11 als Selektor ersetzt wurde. Die Ansteuerung des Notkreises erfolgt über zwei Schaltventile 3.1a und 3.1b. In Fig. 4 ist die elektronische Steuerungseinrichtung ECU nicht explizit dargestellt, allerdings als gleichartig wie in Fig. 3 angebunden zu betrachten.
In Fig. 5 ist eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Regelsystems erkennbar, welches vorzugsweise, aber nicht zwingenderweise auf den zuvor beschriebenen Steuerkreis aufsetzen kann, und zur besseren Verständlichkeit in weiterer Folge aufbauend auf diesen Steuerkreis beschrieben wird (im Hinblick auf die Bezugszeichen gilt das bereits zuvor Gesagte).
Ein dem Regelsystem zugeordneter Regelalgorithmus läuft auf der elektronischen Steuereinrichtung ECU ab, der zur Steuerung der Verfahrgeschwindigkeit des Zylinders eingerichtet ist, womit diese als eine Stellgröße des Regelsystems aufgenommen werden kann. Eine lokale Rückkopplung eines dynamischen Anteils eines ein Deformationssignal liefernden ersten Sensors 4.1, der insbesondere als Dehnmessstreifen ausgeführt ist, kann zur Dämp- fung der gesamten Auslegerstruktur (bestehend aus einer Aneinanderreihung von Segmenten AL (die einen Ausleger bilden, entsprechend den Segmenten 5.3 - es kann aber auch nur ein einziges Segment AL vorgesehen sein) verwendet werden. Um einen stationären Anteil des Deformationssignals, dessen Rückkopplung keinen Dämpfungseffekt erzielt, zu eliminieren, werden geeignete Hochpassfilter verwendet. Die Gelenkstellungen der Gelenke 5.5 bzw. die Auslenkung zumindest eines Steuerorgans 5.6 (und somit die Ausrichtung der Segmente 5.3) kann somit insbesondere beim Auftreten elastischer Schwingungen durch das Regelsystem aktiv beeinflusst werden. Bei einem Pumpbetrieb beispielsweise einer Autobe- tonpumpe könnte ein Eingriff des Regelsystems zu einer Driftbewegung der Segmente 5.3 und damit zu einer Abweichung von einer gewünschten Sollposition führen. Um eine stationäre Position dauerhaft einhalten zu können, sind daher zusätzliche Sensoren 4.2 und 4.3 vorgesehen, welche ein Orientierungssignal liefern und einen Rückschluss auf die Position einzelner Segmente 5.3 ermöglichen. Ein daraus resultierendes Regelgesetz ist in Fig. 5 erkennbar, in welches eine Rückkopplung eines lokalen Deformationssignals soMs(t) (welches z.B. durch einen lokal an einem Segment 5.3 angeordneten Sensor 4.2 oder 4.3 geliefert wird), einer gemessene Auslenkung s (t) und einem gewünschten Sollwert sd (t) eines Stellorgans 5.6 (insbesondere die Kolbenposition eines Hydraulikzylinders) vorsieht und wie folgt lautet: u (t) = kxsDMS (t) - k2 (sz t) - sz d (0) uc (t) bezeichnet dabei die vom Regelgesetz ermittelte Stellgröße bzw. eine gewünschte Verfahrgeschwindigkeit des Stellorgans 5.6. Das lokale Deformationssignals sDMS (t) repräsentiert den dynamischen Anteil des gemessenen Deformationssignals (insbesondere einer Balkenkrümmung eines Segments 5.3), welches durch einen Hochpassfilter HP von einem stationären Anteil sDMS stat getrennt wird. Die Faktoren ki und fo sind Verstärkungsfaktoren und dienen zur Parametrierung des Regelsystems. Für positive Verstärkungsfaktoren ki, ki > 0 weist das Regelsystem ein asymptotisch stabiles Verhalten auf. Anstelle der Regelung der Auslenkung des Stellorgans 5.6 könnte ebenso die Auslenkung eines Gelenks 5.5 geregelt werden.
Die Eingangsgröße eines Stellorgans 5.6 ist durch das Signal sv(t) dargestellt, welches beispielsweise die Kolbenposition eines Steuerventils beschreibt. Die elektronische Steuerein- richtung ECU kann jene Ventilstellung/ en ermitteln, welche eine gewünschten Verfahrge- schwindigkeit u(t) eines Stellorgans 5.6 (also die Änderungsrate einer Auslenkung) bewirken (Geschwindigkeitssteuerung GS). Das Signal ud(t) entspricht einer von einem Benutzer vorgegebenen gewünschten Verfahrgeschwindigkeit.
Um eine dynamisch anspruchsvolle Positionsregelung zu ermöglichen werden vorzugsweise Inertialsensoren in Form von IMUs bekannter Art an einzelnen Segmenten 5.3 angeordnet, die der Ermittlung der Stellung des Gelenks 5.5 und/ oder der Auslenkung des Stellorgans 5.6 und/ oder der Orientierung eines Segments 5.3 dienen können. Es kann auch jedem Segment 5.3 ein Inertialsensor zugeordnet sein. Ein solcher Inertialsensor besteht beispielsweise aus einem dreiachsigen Drehratensensor in Kombination mit einem dreiachsigen Beschleunigungssensor. Zusätzlich dazu kann auch ein Erdmagnetfeldsensor vorgesehen sein, der eine von der Vertikalen abweichende, feststehende Richtung im Raum bestimmen kann. Da translatorische Bewegungen nur einen sehr geringen Einfluss auf Drehratensensoren haben, können deren Messungen herangezogen werden, um eine Verfälschung (Abweichungen von den realen Werten) eines aus Beschleunigungswerten ermittelten Neigungswinkels zu erkennen und zu korrigieren. Der Neigungswinkel wird durch Integration der gemessenen Drehrate ermittelt und mittels der Messungen der Beschleunigungssensoren stationär abgeglichen. Damit wird bei dynamischen (raschen) Bewegungen der Sensoren der Messfehler minimiert. Zur Umsetzung wird z.B. ein Beobachter der Form ψ(ΐ) = -b(t) + i /DRS (t) + k, {ψΒ8 (t) - ψ(ΐ))
b(t) = k2 ( BS (t) - iJ (t)) verwendet. Dabei bezeichnet ψ ί) den geschätzten Neigungswinkel, ψΒΚ$ (t) die gemessene Drehrate in der entsprechenden Achse und ψΒ$ (t) den mittels der Beschleunigungssensoren ermittelten Neigungswinkel. Durch den Schätzwert b(i) wird der Offset bzw. Bias des
Drehratensensors kompensiert. Mit den beiden Parametern kl und k2 wird die Dynamik des
Beobachters beeinflusst. Werden mit ψη (t) und ψν (t) die geschätzten Neigungswinkel eines
Segments 5.3 nach und vor einem dem Segment 5.3 zugeordneten Gelenk 5.5 bezeichnet, kann durch die Bildung der Differenz ein Gelenkwinkel φ{ΐ) ermittelt werden, φ(ί) = ψη (ί) - ψν (ί) -
Bei Kenntnis der Geometrie einer dem Gelenk 5.5 zugeordneten Gelenkskonstruktion kann der Zusammenhang zwischen der Auslenkung sz {t) des Stellorgans 5.6 und dem Gelenkwinkel φ{ΐ) durch eine Funktion dargestellt werden. Die Auslenkung sz (t) kann auf diese Weise analytisch oder alternativ dazu durch Messung ermittelt werden.
Durch die direkte Applikation von zumindest einem ersten Sensor 4.1 an einem Segment 5.3 wird eine qualitativ bessere Messung von elastischen Schwingungen möglich. So kann selbst bei Auftreten von Haftreibung im Stellorgan 5.6 eine dynamische Bewegung eines Segments 5.3 erfasst werden, im Gegensatz zu Messanordnungen basierend auf Drucksensoren. Des Weiteren wird die Messung systematisch von Störeffekten, welche im hydraulischen System verursacht werden, entkoppelt.
Durch das beschriebene Verfahren zur Messung der Gelenkwinkel (p(t) bzw. der Auslenkung s (t) eines Stellorgans 5.6 kann der systematische Messfehler gegenüber bekannten Anordnungen signifikant reduziert werden. Dies ermöglicht eine Umsetzung einer Positionsregelung mit wesentlich höherer Güte. Die Vorteile einer kompakten und robusten Bauweise sind bei Inertialsensoren gegeben, welche im Zuge des erfindungsgemäßen Regelsystems bevorzugt eingesetzt werden.
Die Verwendung von Inertialsensoren bietet indessen noch weitere Vorteile. Zur Dämpfung eines Segments 5.3 können alternativ zur Rückkopplung des mit Dehnmessstreifen gemessenen Deformationssignals (beispielsweise eine Balkenkrümmung eines Segments 5.3) Beschleunigungswerte gemessen werden, da diese ebenso die auftretenden Kräfte an einzelnen Punkten eines Segments 5.3 repräsentieren. Durch die dreidimensionale Ausführung der Inertialsensoren kann damit mit den Sensoren neben der Dämpfung der Schwingungen sowie der Positionsregelung in der vertikalen Ebene ebenfalls eine Dämpfung der Schwingungen in der horizontalen Ebene erreicht werden, indem die gemessene horizontale Be- schleunigung auf das Stellglied des Drehwerks rückgekoppelt wird. Falls der Inertialsensor zusätzlich mit einem Erdmagnetfeldsensor ausgestattet ist, so kann damit des Weiteren eine Überwachung und damit auch eine Regelung eine Drehwerkwinkels realisiert werden. Durch diese Multifunktionalität der Inertialsensoren können vielfältige Regelungs- und Steuerungsfunktionen daher mit insgesamt weniger Komponenten erfüllt werden, was zu einer Steigerung der Verfügbarkeit des Regelsystems führt.
Abschließend sei in Bezug auf Fig. 5 festgehalten, dass das Stellorgan 5.6 ebenso als„Aktor" bezeichnet werden könnte und zumindest ein Segment 5.3 einen sogenannten„Ausleger" bildet.
Eine bevorzugte Anordnung von Sensoren 4.2 und 4.3 an einem Masten (bzw. an Segmenten 5.3) ist in Fig. 6 dargestellt, welche eine Seitenansicht auf einen Ausschnitt eines Auslegers des Großmanipulator gemäß Fig. 1 zeigt. Die Sensoren 4.2 und 4.3 sind vorzugsweise als Inertialsensoren ausgeführt. Alternativ dazu kann auch lediglich ein Sensor 4.3 vorgesehen sein. Das Vorsehen beider Sensoren 4.2 und 4.3, die je vor bzw. nach dem Gelenk 5.5 angeordnet sind, erhöht allerdings die Redundanz der Messsignale zur Bestimmung der Orientierung des Segments 5.3, wodurch die Fehlertoleranz des Regelsystem erhöht werden kann bzw. Messfehler erkannt und/ oder korrigiert werden können. Des Weiteren ist der erste Sensor 4.1 erkennbar, der vorzugsweise als Dehnmessstreifen ausgeführt ist und in einem Bereich des Segments 5.3 platziert wird, in welchem ein relevantes Deformationssignal den Maximalwert annimmt. Dieser Bereich liegt häufig in den ersten 20 % der Längserstreckung des jeweiligen Segments 5.3.
Die Erfindung kann auf vielfältig eingesetzt werden und ist nicht auf die gezeigten Ausführungsformen beschränkt. So können beispielsweise die Anzahl der Segmente variiert und/ oder die Stellorgane 5.6 pneumatisch oder elektrisch ausgeführt werden. Die Erfindung ist nicht auf Großmanipulatoren beschränkt sondern kann in zahlreichen anderen Bereichen angewendet werden. Wesentlich sind die der Erfindung zugrunde liegenden Gedanken, welche in Anbetracht dieser Lehre durch einen Fachmann in mannigfaltiger Weise ausführbar sind und trotzdem als solche aufrechterhalten bleiben.

Claims

ANSPRÜCHE
1. Regelsystem zum Steuern der Orientierung eines Segments (5.3) eines Manipulators, insbesondere eines Großmanipulators für Autobetonpumpen, wobei das Segment (5.3) über ein Gelenk (5.5) mit einer Basis (5.4) oder einem Vorgängersegment (5.3) des Manipulators verbunden ist und an dem Gelenk (5.5) gegenüber der Basis (5.4) bzw. dem Vorgängersegment (5.3) um zumindest eine Drehachse mittels zumindest eines Stellorgans (5.6), vorzugsweise hydraulischen Stellorgans, schwenkbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass das Regelsystem zumindest umfasst:
- einen ersten Sensor (4.1), welcher an einem an dem Gelenk (5.5) angebundenen Segment (5.3) angeordnet ist und ein einer Deformation des Segments (5.3) entsprechendes erstes Messsignal - als„Deformationssignal" bezeichnet - liefert,
- einen zweiten Sensor (4.2, 4.3), welcher ein der räumlichen Orientierung des an dem Gelenk (5.5) angebundenen Segments (5.3) entsprechendes zweites Messsignal - als „Orientierungssignal" bezeichnet - liefert, und
- zumindest ein dem Gelenk (5.5) zugeordnetes Stellorgan (5.6);
und dazu eingerichtet ist, das Deformationssignal und das Orientierungssignal als Eingangsgrößen zu verarbeiten und aus diesen unter Berücksichtigung einer Sollorientierung des dem Gelenk (5.5) zugeordneten Segments (5.3) ein Stellsignal zu bestimmen, welches dem zugeordneten Stellorgan (5.6) zugeführt ist.
2. Regelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Sensor (4.2, 4.3) einen ein- oder mehr-achsigen Drehratensensor in Kombination mit einem zwei- oder drei-achsigen Beschleunigungssensor umfasst, deren Messsignale zur Bestimmung des Orientierungssignals verarbeitet werden, und bevorzugt einen dreiachsigen Drehratensensor in Kombination mit einem dreiachsigen Beschleunigungssensor.
3. Regelsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verarbeitung der Signale ein Beobachter, insbesondere ein erweitertes Kaiman-Filter, verwendet wird.
4. Regelsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Sensor (4.2, 4.3) einen Inertialsensor, vorzugsweise eine inertiale Messeinheit (IMU), umfasst.
5. Regelsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Magnetfeldsensor zur Bestimmung eines der Orientierung des Segments (5.3) zugeordneten Signals verwendet wird.
6. Regelsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Sensor (4.1) einen Dehnungssensor, beispielsweise einen Dehnmessstreifen, umfasst.
7. Regelsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Sensor (4.1) an dem Segment (5.3) an einer von dem dem Gelenk (5.5) zugeordneten Stellorgan (5.6) gesonderten Position angeordnet ist.
8. Manipulator, insbesondere Großmanipulator für Autobetonpumpen, welcher zumindest ein Segment (5.3), vorzugsweise zwei oder mehr Segmente (5.3), umfasst und auf einer vorzugsweise um eine vertikale Drehachse drehbaren Basis (5.4) angeordnet ist,
wobei das Segment (5.3) bzw. ein erstes der Segmente (5.3) mit der Basis sowie die Segmente (5.3) miteinander jeweils über ein Gelenk (5.5) verbunden sind, an dem das betreffende Segment (5.3) gegenüber der Basis (5.4) bzw. zueinander um festgelegte Drehachsen mittels zumindest eines vorzugsweise hydraulischen Stellorgans (5.6) schwenkbar sind,
dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einem der Gelenke (5.5) ein Regelsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche zugeordnet ist.
9. Manipulator nach Anspruch 8, in welchem einer Vielzahl der Gelenke (5.5) des Manipulators, insbesondere jedem der Gelenke (5.5), jeweils ein Regelsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zugeordnet ist.
10. Verfahren zum Steuern der Orientierung eines Segments (5.3) eines Manipulators, insbesondere eines Großmanipulators für Autobetonpumpen, wobei das Segment (5.3) über ein Gelenk (5.5) mit einer Basis (5.4) oder einem Vorgängersegment (5.3) des Manipulators verbunden ist, wobei das Segment (5.3) an dem Gelenk (5.5) gegenüber der Basis (5.4) bzw. dem Vorgängersegment (5.3) um zumindest eine Drehachse mittels zumindest eines vorzugsweise hydraulischen Stellorgans (5.6) schwenkbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass - in einem ersten Sensor, welcher an einem an dem Gelenk (5.5) angebundenen Segment (5.3) angeordnet ist, ein einer Deformation des Segments (5.3) entsprechendes erstes Messsignal - als„Deformationssignal" bezeichnet - gewonnen wird, und
- in einem zweiten Sensor ein der räumlichen Orientierung des an dem Gelenk (5.5) angebundenen Segments (5.3) entsprechendes zweites Messsignal - als„Orientierungs- signal" bezeichnet - gewonnen wird,
- unter Verwendung des Deformationssignals und des Orientierungssignals als Eingangsgrößen unter Berücksichtigung einer Sollorientierung des dem Gelenk (5.5) zugeordneten Segments (5.3) ein Stellsignal bestimmt wird,
- das Stellsignal einem dem Gelenk (5.5) zugeordneten Stellorgan (5.6) zugeführt wird.
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