EP3854943A1

EP3854943A1 - Excavation device

Info

Publication number: EP3854943A1
Application number: EP20153275.1A
Authority: EP
Inventors: Christian Heichel; Tobias Schmidt
Original assignee: ABI Anlagentechnik Baumaschinen Industriebedarf Maschinenfabrik und Vertriebsgesellschaft mbH
Current assignee: ABI Anlagentechnik Baumaschinen Industriebedarf Maschinenfabrik und Vertriebsgesellschaft mbH
Priority date: 2020-01-23
Filing date: 2020-01-23
Publication date: 2021-07-28
Anticipated expiration: 2040-01-23
Also published as: US20210230942A1; US11891893B2; EP3854943B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Tiefbaugerät, insbesondere Ramm- oder Bohrgerät, mit wenigstens einem Positionierer, insbesondere einem Arbeitsschlitten zur Aufnahme eines Arbeitsgerätes, der über mehrere relativ zueinander bewegliche, über Gelenke und/oder Linearversteller verbundene Bewegungsglieder innerhalb einer kinematischen Kette mit einem Trägergerät (1) verbunden ist, wobei die Bewegungsglieder mit wenigstens sechs Aktoren verbunden sind, über die ihre jeweilige Position und/oder Orientierung veränderbar ist und die mit einer Steuer- und Regeleinrichtung (6) verbunden sind, über die sie ansteuerbar sind, wobei die Steuer- und Regeleinrichtung (6) ein Eingabemodul (61) zur Vorgabe einer Zielposition wenigstens eines Positionierers aufweist und mit einem Rechnermodul (62) verbunden ist, das eingerichtet ist, wenigstens einen Verfahrweg zu ermitteln, entlang dessen der Positionierer von seiner aktuellen Position (Startposition) zu der Zielposition verfahrbar ist und mittels inverser Kinematik die hierzu erforderlichen Lagen der einzelnen Aktoren zur Realisierung des Verfahrweges des Positionierers zu ermitteln und zu deren Ansteuerung an die Steuer- und Regeleinrichtung (6) zu übergeben. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur mehrdimensionalen freien Positionierung eines Positionierers eines Tiefbaugerätes.The invention relates to a civil engineering device, in particular a pile-driving or drilling device, with at least one positioner, in particular a work slide for receiving a work device, which is connected to a carrier device (1) within a kinematic chain via several moving elements that are movable relative to one another and are connected by joints and / or linear adjusters. is connected, wherein the moving members are connected to at least six actuators, via which their respective position and / or orientation can be changed and which are connected to a control and regulating device (6) via which they can be controlled, the control and regulating device (6) has an input module (61) for specifying a target position of at least one positioner and is connected to a computer module (62) which is set up to determine at least one travel path along which the positioner from its current position (starting position) to the target position can be moved and by means of inverse K inematics to determine the required positions of the individual actuators for realizing the travel path of the positioner and to transfer them to the control and regulating device (6) for their activation. The invention also relates to a method for the multidimensional free positioning of a positioner of a civil engineering device.

Description

Die Erfindung betrifft ein Tiefbaugerät, insbesondere ein Ramm-, oder Bohrgerät, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur mehrdimensionalen freien Positionierung eines Positionierers eines Tiefbaugerätes nach dem Patentanspruch 16.The invention relates to a civil engineering device, in particular a ramming or drilling device, according to the preamble of claim 1. The invention also relates to a method for the multi-dimensional free positioning of a positioner of a civil engineering device according to claim 16.

Bei der Bedienung eines Tiefbaugerätes, insbesondere eines Spezialtiefbaugerätes wie ein Ramm- oder Bohrgerät, ist die exakte Positionierung des Arbeitsgerätes oder sonstiger Arbeitsmittel wie Winde oder Hilfswinde von besonderer Bedeutung. So ist beispielsweise die Klemmzange eines Rammgerätes möglichst exakt im Raum zu positionieren, um ein Spundwandelement aufzunehmen und um dieses nachfolgend an einer definierten Position im Boden zu platzieren und in diesen einzubringen. Auch das Arbeitsgerät eines Bohrgerätes ist beispielsweise zunächst an einer definierten Stelle zu positionieren, um eine Bohrung zu initiieren. Während der Bohrung muss das Erdmaterial in bestimmten Abständen aus den Gewindegängen des Bohrers entfernt werden, wozu das Bohrwerkzeug aus dem Bohrloch gezogen, anschließend zu einer definierten Position zum Abschleudern des Erdmaterials bewegt und sodann wieder in das Bohrloch zurück positioniert werden muss.When operating a civil engineering device, in particular a special civil engineering device such as a piling or drilling device, the exact positioning of the work device or other work equipment such as a winch or auxiliary winch is of particular importance. For example, the clamping tongs of a pile driving device must be positioned as precisely as possible in the room in order to accommodate a sheet pile wall element and subsequently to place it in a defined position in the ground and to bring it into this. The working device of a drilling device, for example, must first be positioned at a defined point in order to initiate a drilling. During the drilling, the earth material must be removed from the threads of the drill at certain intervals, for which the drilling tool must be pulled out of the borehole, then moved to a defined position to throw off the earth material and then repositioned back into the borehole.

Rammgeräte verfügen über mehrere Bewegungsfreiheitsgrade. Diese sind regelmäßig: Verfahren des Fahrwerks (wobei hier zur Vereinfachung nur lineares Vor- und Zurückfahren angenommen wird), Drehen des Oberwagens, Neigen des Mäklers (vor und zurück), Neigen des Mäklers (links, rechts), Verschwenken des Mäklers um eine vertikale Achse, Vorschub des Arbeitsgeräteschlittens, Verschwenken des Grundarms zur Veränderung der Reichweite, lineare Verschiebung des Mastes. Gegenüber diesen acht Freiheitsgraden weisen Bohrgeräte üblicherweise nur sechs Freiheitsgrade auf, da ein Verschwenken des Mäklers um eine vertikale Achse sowie eine lineare Verschiebung des Mastes nicht erforderlich sind.Piling rigs have several degrees of freedom of movement. These are regular: movement of the chassis (whereby only linear forwards and backwards travel is assumed here for the sake of simplicity), rotating the superstructure, tilting the leader (forwards and backwards), tilting the leader (left, right), pivoting the leader around a vertical one Axis, feed of the implement slide, pivoting of the base arm to change the range, linear displacement of the mast. Compared to these eight degrees of freedom, drilling devices usually only have six degrees of freedom, since a pivoting of the leader about a vertical axis and a linear displacement of the mast are not required.

Für eine freie Positionierungen des Arbeitsgerätes eines Spezialtiefbaugerätes im Raum mit sechs oder acht Freiheitsgraden ist ein erfahrener Bediener erforderlich, der hier als wesentliches "Steuer- und Regelelement" in das Spezialtiefbaugerät eingebunden wird. Durch eine visuelle Positionserfassung führt der Bediener permanent einen Soll-Ist-Abgleich durch und leitet über Steuerhebel des Spezialtiefbaugeräts Steuerbefehle an dessen Aktoren weiter. Durch die komplexen Zusammenhänge zwischen den einzelnen Bewegungsbahnen der Aktoren stellt die exakte Positionierung des Arbeitsgerätes einen interaktiven Vorgang dar, bei dem einzelne Ansteuerungen von Aktoren ausgeführt werden. Die einzelnen Aktoren beschreiben regelmäßig keine linearen Bewegungen in einem kartesischen Koordinatensystem, sondern Bewegungskurven mit zeitgleicher Variation mehrerer Koordinaten.For a free positioning of the working device of a special civil engineering device in space with six or eight degrees of freedom, an experienced operator is required, who is integrated into the special civil engineering device as an essential "control and regulating element". With a visual position detection, the operator constantly carries out a target / actual comparison and forwards control commands to its actuators via the control lever of the special foundation engineering device. Due to the complex relationships between the individual movement paths of the actuators, the exact positioning of the implement is an interactive process in which individual actuation of actuators is carried out. The individual actuators regularly do not describe linear movements in a Cartesian coordinate system, but rather movement curves with simultaneous variation of several coordinates.

Über die Positionierung eines Arbeitsgerätes (bzw. des Arbeitsgeräteschlittens) hinaus kann bei einem Spezialtiefbaugerät auch die Positionierung weiterer Bauteile erforderlich sein, beispielsweise die Positionierung einer Seilrolle, über die ein Seil einer Seilwinde geführt ist. Nachfolgend werden zu positionierende Bauteile des Spezialtiefbaugerätes wie bspw. Schlitten oder Seilrollen unter dem Begriff "Positionierer" zusammengefasst.In addition to the positioning of a work device (or the work device carriage), a special foundation engineering device may also require the positioning of further components, for example the positioning of a pulley over which a cable of a cable winch is guided. In the following, the components of the special foundation engineering device to be positioned, such as sledges or pulleys, are summarized under the term "positioner".

Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Tiefbaugerät, insbesondere ein Spezialtiefbaugerät wie beispielsweise ein Ramm- oder Bohrgerät bereitzustellen, das eine automatisierte freie Positionierung eines Positionierers im Raum ermöglicht. Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Tiefbaugerät mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst.Against this background, the invention is based on the object of providing a civil engineering device, in particular a special civil engineering device such as a piling or drilling device, which enables a positioner to be automatically positioned freely in space. According to the invention, this object is achieved by a civil engineering device having the features of the characterizing part of claim 1.

Mit der Erfindung ist ein Tiefbaugerät, insbesondere ein Spezialtiefbaugerät wie beispielsweise ein Rammgerät bereitgestellt, das eine automatisierte freie Positionierung eines aufgenommenen Arbeitsgerätes ermöglicht. Dabei weist ein solches Rammgerät insbesondere acht Freiheitsgrade bzw. ein solches Bohrgerät insbesondere sechs Freiheitsgrade auf (jeweils unter der vereinfachten Annahme eines lediglich linear verfahrbaren Fahrwerks). Dadurch, dass die Steuer- und Regeleinrichtung ein Eingabemodul zur Vorgabe einer Zielposition wenigstens eines Positionierers aufweist und mit einem Rechnermodul verbunden ist, das eingerichtet ist, wenigstens einen Verfahrweg zu ermitteln, entlang dessen der Positionierer von seiner aktuellen Position (Startposition) zu der Zielposition verfahrbar ist und mittels inverser Kinematik die hierzu erforderlichen Lagen der einzelnen Aktoren zur Realisierung des Verfahrweges des Positionierers zu ermitteln und zu deren Ansteuerung an die Steuer- und Regeleinrichtung zu übergeben, ist eine definierte Positionierung eines Positionierers lediglich durch Vorgabe einer Zielposition ermöglicht. Die Anforderungen an die sensorischen und motorischen Fähigkeiten des Bedieners des Tiefbaugeräts sind hierdurch reduziert. Es ist lediglich eine Zielkoordinate vorzugeben; die Ansteuerung der einzelnen Aktoren erfolgt durch Ermittlung einzelner Lagen der einzelnen Aktoren mit Hilfe der inversen Kinematik.The invention provides a civil engineering device, in particular a special civil engineering device such as, for example, a pile-driving device, which enables an automated free positioning of a working device that has been picked up. Such a pile driving device has in particular eight degrees of freedom and such a drilling device has in particular six degrees of freedom (in each case under the simplified assumption of a chassis that can only be moved linearly). Because the tax and Control device has an input module for specifying a target position of at least one positioner and is connected to a computer module which is set up to determine at least one travel path along which the positioner can be moved from its current position (starting position) to the target position and by means of inverse kinematics To determine the required positions of the individual actuators for realizing the travel path of the positioner and to transfer them to the control and regulating device for their activation, a defined positioning of a positioner is only possible by specifying a target position. The requirements for the sensory and motor skills of the operator of the civil engineering device are thereby reduced. All you have to do is specify a target coordinate; The individual actuators are controlled by determining individual positions of the individual actuators with the aid of inverse kinematics.

Die inverse Kinematik (auch Rückwärtstransformation genannt) ist ein Begriff aus der Robotik. Sie ermöglicht bei einem Roboter die Bestimmung der Gelenkwinkel der Armelemente anhand der Pose (Position und Orientierung) des Endeffektors. Bei der inversen Kinematik wird das letzte Glied der kinematischen Kette, der sogenannte Endeffektor, bewegt und in die gewünschte Lage gebracht. Die übrigen Glieder der Kette müssen dann entsprechend den Freiheitsgraden ihrer Gelenke passende Lagen einnehmen. Methoden der inversen Kinematik sind dem Fachmann aus dem Bereich der Robotik hinreichend bekannt und werden daher an dieser Stelle nicht weiter vertieft.Inverse kinematics (also called backward transformation) is a term from robotics. In a robot, it enables the joint angle of the arm elements to be determined based on the pose (position and orientation) of the end effector. In inverse kinematics, the last link in the kinematic chain, the so-called end effector, is moved and brought into the desired position. The remaining links of the chain must then assume appropriate positions according to the degrees of freedom of their joints. Inverse kinematics methods are sufficiently known to those skilled in the field of robotics and are therefore not discussed in any further detail at this point.

In Weiterbildung der Erfindung ist das Rechnermodul eingerichtet, Bewegungsabläufe der einzelnen Aktoren zur Erzielung des Verfahrweges des Arbeitsgerätes zu ermitteln und zu deren Ansteuerung an die Steuer- und Regeleinrichtung zu übergeben. Hierdurch ist eine gezielte oder auch zeitlich abfolgende Ansteuerung der einzelnen Aktoren zur Bewegung des Positionierers an die vergebene Zielposition ermöglicht.In a further development of the invention, the computer module is set up to determine movement sequences of the individual actuators to achieve the travel path of the working device and to transfer them to the control and regulating device for their activation. This enables the individual actuators to be controlled specifically or sequentially in order to move the positioner to the assigned target position.

In Ausgestaltung der Erfindung sind die wenigstens eine Aufnahme und/oder die Bewegungsglieder und/oder die Gelenke und/oder die Linearversteller mit einem Sensor zur Detektion der Position und/oder der Lage und/oder der Winkelstellung versehen, die mit der Steuer- und Regeleinrichtung verbunden sind. Hierdurch ist eine kontinuierliche Rückmeldung des tatsächlichen Bewegungszustandes ermöglicht. Unter dem Begriff "Gelenk" sind vorliegend Verbindungsstellen zwischen zwei Bauteilen bzw. Bewegungsgliedern zu verstehen, die eine Relativbewegung dieser Bauteile zueinander, insbesondere eine Schwenkbewegung, ermöglichen. Bei Linearverstellern handelt es sich um solche Verbindungsstellen, die eine ausschließlich lineare Bewegung zwischen zwei Bauteilen bzw. Bewegungsgliedern ermöglichen.In an embodiment of the invention, the at least one receptacle and / or the moving members and / or the joints and / or the linear adjuster are with a Sensor for detecting the position and / or the location and / or the angular position, which are connected to the control and regulating device. This enables continuous feedback of the actual state of motion. In the present case, the term “joint” is to be understood as connecting points between two components or moving members which enable these components to move relative to one another, in particular a pivoting movement. Linear adjusters are those connection points that allow an exclusively linear movement between two components or moving members.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist in der Steuer- und Regeleinrichtung ein geometrisch beschreibendes Modell des Tiefbaugerätes und/oder wenigstens ein mathematisches Modell des Systemverhaltens des Tiefbaugerätes hinterlegt. Hierdurch ist die Erfassung des kinematischen Systemverhaltens und dessen Regelung vereinfacht.In a further embodiment of the invention, a geometrically descriptive model of the civil engineering device and / or at least one mathematical model of the system behavior of the civil engineering device is stored in the control and regulating device. This simplifies the recording of the kinematic system behavior and its control.

Bevorzugt ist der Positionierer durch einen Arbeitsschlitten zur Aufnahme eines Arbeitsgerätes gebildet, der an einem Mäkler verfahrbar angeordnet ist, der über eine Schwenk- und/oder Neigevorrichtung mit dem Trägergerät, bevorzugt einem Trägerfahrzeug, verbunden ist.The positioner is preferably formed by a work slide for receiving a work device, which is arranged movably on a leader that is connected to the carrier device, preferably a carrier vehicle, via a pivoting and / or tilting device.

In Weiterbildung der Erfindung ist wenigstens ein System zur Erfassung der Arbeitsumgebung angeordnet, das mit einem Auswertungsmodul verbunden ist, dass zur Ermittlung von Hindernissen eingerichtet ist, und das mit dem Rechnermodul verbunden ist, wobei das Rechnermodul eingerichtet ist, wenigstens einen Verfahrweg unter Vermeidung von durch das Auswertungsmodul identifizierten Hindernissen zu ermitteln. Hierdurch ist einer Kollision eines Positionierers, beispielsweise eines Arbeitsschlittens mit einem von diesem aufgenommenen Arbeitsgerät, mit in der Arbeitsumgebung befindlichen Hindernissen vermieden. Bevorzugt weist das System zur Erfassung der Arbeitsumgebung wenigstens eine Kamera und/oder wenigstens einen Ultraschallsensor und/oder wenigstens einen Radarsensor und/oder wenigstens einen Lidarsensor und/oder wenigstens einem Lasersensor auf. Hierdurch ist eine kontinuierliche, detaillierte Erfassung der Arbeitsumgebung ermöglicht.In a further development of the invention, at least one system for recording the working environment is arranged, which is connected to an evaluation module that is set up to determine obstacles and that is connected to the computer module, the computer module being set up to at least one travel path while avoiding through the evaluation module to determine the obstacles identified. This avoids a collision of a positioner, for example a work sled, with a work device picked up by it, with obstacles in the work environment. The system preferably has at least one camera and / or at least one ultrasonic sensor and / or at least one radar sensor and / or at least one lidar sensor and / or at least for detecting the working environment a laser sensor. This enables a continuous, detailed recording of the working environment.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist wenigstens eine Kamera und/oder wenigstens ein Ultraschallsensor und/oder wenigstens ein Radarsensor und/oder wenigstens ein Lidarsensor und/oder wenigstens ein Lasersensor an wenigstens einem Positionierer und/oder einem Arbeitsgerät und/oder an wenigstens einem mit einem Positionierer verbundenen Bewegungsglied angeordnet. Hierdurch ist eine lückenlose Erfassung der Arbeitsumgebung auch bei verschiedensten Bewegungszuständen des Tiefbaugeräts ermöglicht.In a further embodiment of the invention, at least one camera and / or at least one ultrasonic sensor and / or at least one radar sensor and / or at least one lidar sensor and / or at least one laser sensor is on at least one positioner and / or a working device and / or on at least one with a Positioner connected moving member arranged. This enables the working environment to be recorded without gaps, even with the most varied of movement states of the civil engineering device.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist das Rechnermodul mit einem Speichermodul verbunden, in dem definierte Sperrbereiche hinterlegt sind, die bei der Ermittlung von Verfahrwegen wie Hindernisse zu behandeln sind. Hierdurch ist eine Einschränkung möglicher Verfahrwege des von einer Aufnahme aufgenommenen Arbeitsgerätes ermöglicht.In a further embodiment of the invention, the computer module is connected to a memory module in which defined restricted areas are stored, which are to be treated like obstacles when determining travel paths. This enables possible traverse paths of the working device received by a receptacle to be restricted.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist das Auswertemodul zur kontinuierlichen Ermittlung von Hindernissen auch während der Positionierung eines Positionierers entlang eines Verfahrweges eingerichtet, wobei das Rechnermodul zur kontinuierlichen Kollisionsprüfung ermittelter Hindernisse mit dem Verfahrweg und erforderlichenfalls Korrektur dieses Verfahrweges eingerichtet ist. Hierdurch ist einer Kollision bei veränderten Umgebungssituationen vermieden.In a further embodiment of the invention, the evaluation module is set up for the continuous determination of obstacles even during the positioning of a positioner along a travel path, the computer module being set up for continuous collision checking of obstacles determined with the travel path and, if necessary, correction of this travel path. This avoids a collision when the environmental situation changes.

In vorteilhafter Ausgestaltung ist das Rechnermodul mit einem optischen und/oder akustischen Signalgeber verbunden und eingerichtet, diesen Signalgeber in dem Fall, dass eine Korrektur des Verfahrweges ohne Kollision nicht möglich ist, zu betätigen.In an advantageous embodiment, the computer module is connected to an optical and / or acoustic signal transmitter and is set up to actuate this signal transmitter in the event that a correction of the travel path is not possible without a collision.

In Weiterbildung der Erfindung umfasst das Eingabegerät einen Bildschirm, auf dem die aktuelle Umgebung wiedergegeben ist, wobei ein Transformationsmodul angeordnet ist, das eingerichtet ist, eine Eingabeanweisung in Koordinaten eines vorgegebenen Koordinatensystems umzuwandeln und diese an die Steuer- und Regeleinrichtung als Zielkoordinaten zu übergeben. Vorzugsweise umfasst das Eingabegerät einen Touchscreen, auf den durch Berührung eine Zielposition eingebbar ist. Alternativ kann der Bildschirm auch Bestandteil eines Virtual Reality (VR)-Systems sein, in dem durch definierte Aktionen, beispielsweise Zeigen mit einem Finger, eine gewünschte Zielposition eingebbar ist.In a further development of the invention, the input device comprises a screen on which the current environment is reproduced, with a transformation module being arranged which is set up to convert an input instruction into coordinates of a predefined coordinate system and to send them to the control and To pass control device as target coordinates. The input device preferably comprises a touchscreen on which a target position can be entered by touching it. Alternatively, the screen can also be part of a virtual reality (VR) system in which a desired target position can be entered by means of defined actions, for example pointing with a finger.

In Ausgestaltung der Erfindung ist wenigstens einem Aktor, vorzugsweise allen Aktoren ein separater Aktorregler zugeordnet, über den der jeweilige Aktor auf Basis einer Sollposition und/oder Sollgeschwindigkeit und/oder Sollbeschleunigung als Eingangswert ansteuerbar ist. Die Aktorregler können speziell auf die Bewegungsformen und Freiheitsgrade eines Aktors abgestimmt werden und ermöglichen so eine einfachere Ansteuerung und Regelung des jeweiligen Aktors.In an embodiment of the invention, a separate actuator regulator is assigned to at least one actuator, preferably all actuators, via which the respective actuator can be controlled as an input value on the basis of a setpoint position and / or setpoint speed and / or setpoint acceleration. The actuator controllers can be specially adapted to the forms of movement and degrees of freedom of an actuator and thus enable easier control and regulation of the respective actuator.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Steuer- und Regeleinrichtung zur direkten Lageregelung eingerichtet, bei der den Aktorreglern zeitgleich die Sollpositionen der Gelenke und/oder der Linearversteller vorgegeben werden. Hierdurch ist eine beschleunigte Positionierung eines Positionierers, beispielsweise eines Arbeitsschlitten mit einem von diesem aufgenommenen Arbeitsgerät, ermöglicht.In a further refinement of the invention, the control and regulating device is set up for direct position regulation, in which the target positions of the joints and / or the linear adjusters are given to the actuator controllers at the same time. This enables accelerated positioning of a positioner, for example a work slide with a work device accommodated by it.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Steuer- und Regeleinrichtung zur Kaskadenregelung eingerichtet, bei dem aus der Zielpositionsvorgabe ein zeitabhängiges Geschwindigkeitsprofil mit definierter Beschleunigung und Geschwindigkeit berechnet wird, mit dem die Sollposition angefahren werden soll und diese den Aktorreglern übergeben wird. Dabei ist vorzugsweise ein Lageregelkreis zur Überwachung der aktuellen Position und eine Regelung der jeweiligen Sollposition zu einem jeweiligen Zeitpunkt, die sich aus dem Geschwindigkeitsprofil ergibt, angeordnet.In a further embodiment of the invention, the control and regulating device is set up for cascade regulation, in which a time-dependent speed profile with defined acceleration and speed is calculated from the target position specification, with which the target position is to be approached and this is transferred to the actuator controllers. In this case, a position control loop for monitoring the current position and a control of the respective setpoint position at a respective point in time, which results from the speed profile, are preferably arranged.

Der vorliegenden Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur mehrdimensionalen freien Positionierung eines Positionierers eines Tiefbaugerätes bereitzustellen, das eine automatisierte Positionierung des Positionierers, beispielsweise eines Arbeitsschlittens mit einem von diesem aufgenommenen Arbeitsgerät, lediglich durch Vorgabe einer Zielposition ermöglicht. Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 16 gelöst. Zur Positionierung des Positionierers, der über mehrere relativ zueinander bewegliche, über Gelenke und/oder Linearversteller verbundene Bewegungsglieder innerhalb einer kinematischen Kette mit einem Trägergerät verbunden ist, wobei die Bewegungsglieder mit wenigstens sechs Aktoren verbunden sind, über die ihre jeweilige Position und/oder Orientierung veränderbar ist, wird auf Basis einer Zielposition des Positionierers, beispielsweise des Arbeitsschlittens mit dem von diesem aufgenommenen Arbeitsgerät, ein Verfahrweg ermittelt, auf Basis dessen die Gelenkpositionen der einzelnen Gelenke sowie die Linearpositionen der Linearversteller ermittelt werden. Weiterhin werden die zur Realisierung der einzelnen Gelenkpositionen und Linearpositionen erforderlichen Aktorbewegungen ermittelt und nachfolgend die einzelnen Aktoren zur Durchführung der ermittelten Aktorbewegungen angesteuert.The present invention is also based on the object of providing a method for the multi-dimensional free positioning of a positioner of a civil engineering device, which allows automated positioning of the positioner, for example a work carriage with one received by it Tool made possible only by specifying a target position. According to the invention, this object is achieved by a method having the features of claim 16. For positioning the positioner, which is connected to a carrier device within a kinematic chain via several moving elements that are movable relative to one another and connected via joints and / or linear adjusters, the moving elements being connected to at least six actuators via which their respective position and / or orientation can be changed is, a travel path is determined on the basis of a target position of the positioner, for example the work slide with the work device picked up by it, on the basis of which the joint positions of the individual joints and the linear positions of the linear adjusters are determined. Furthermore, the actuator movements required to implement the individual joint positions and linear positions are determined and the individual actuators are then controlled to carry out the determined actuator movements.

In Weiterbildung der Erfindung ist wenigstens ein System zur Erfassung der Arbeitsumgebung angeordnet, wobei mittels eines Auswertungsmoduls Hindernisse detektiert werden und wobei die Ermittlung des Verfahrweges unter Berücksichtigung der Kollisionsvermeidung mit den detektierten Hindernissen erfolgt. Hierdurch sind Kollisionen mit in der Arbeitsumgebung befindlichen Hindernissen vermieden.In a further development of the invention, at least one system for recording the working environment is arranged, with obstacles being detected by means of an evaluation module and with the determination of the travel path taking into account the avoidance of collisions with the detected obstacles. This avoids collisions with obstacles in the work environment.

In Ausgestaltung der Erfindung werden mehrere mögliche Verfahrwege ermittelt und nachfolgend wird durch Vergleich der ermittelten Verfahrwege auf Basis vorgegebener Parameter wie bspw. "schnellster Weg", "kürzester Weg", "minimale Anzahl an Richtungsänderungen" oder "maximaler Abstand von Punkt (x, y, z)" ein Verfahrweg ausgewählt. Hierdurch ist, je nach Vorgabe, ein besonders schneller oder auch ein besonders schonender Verfahrweg ermöglicht.In an embodiment of the invention, several possible travel paths are determined and subsequently, by comparing the determined travel paths on the basis of specified parameters such as "fastest path", "shortest path", "minimum number of changes in direction" or "maximum distance from point (x, y , z) "a travel path is selected. This enables a particularly fast or also a particularly gentle travel path, depending on the specification.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Ermittlung der Gelenkpositionen der einzelnen Gelenke und der Linearpositionen der Linearversteller durch Anwendung eines Algorithmus auf Basis einer inversen Kinematik. Die aus dem Bereich der Robotik stammende inverse Kinematik, auch als Rückwärtstransformation bezeichnet, ermöglicht die Bestimmung der Gelenkwinkel der Bewegungsglieder innerhalb der kinematischen Kette anhand der Position und Orientierung der gewählten Aufnahme.In a further embodiment of the invention, the joint positions of the individual joints and the linear positions of the linear adjusters are determined by using an algorithm based on inverse kinematics. The inverse kinematics originating from the field of robotics, also as backward transformation called, enables the determination of the joint angle of the moving members within the kinematic chain on the basis of the position and orientation of the selected recording.

Andere Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den übrigen Unteransprüchen angegeben. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird in den Zeichnungen dargestellt und ist nachfolgend im Einzelnen beschrieben. Es zeigen:

Figur 1

die schematische Darstellung einer Drehbohranlage;

Figur 2

die Darstellung der Drehbohranlage aus Figur 1 in einer vereinfachten Ersatzdarstellung;

Figur 3

die Detaildarstellung der Stützstrebenzylinderanordnung der Drehbohranlage aus Figur 2;

Figur 4

eine weiter vereinfachte Ersatzdarstellung der Drehbohranlage aus Figur 2

a) in der Position "Mäkler angehoben";
b) in der Position "Mäkler abgesenkt";
c) in der Position "Mäkler geneigt";

Figur 5

die Darstellung eines vereinfachten Gelenkschemas der Drehbohranlage aus Figur 2

Figur 6

die schematische Darstellung der Lageregelung der mit dem Rechnermodul verbundenen Steuer- und Regeleinrichtung der Bohranlage aus Figur 1.

Other developments and refinements of the invention are specified in the remaining subclaims. An embodiment of the invention is shown in the drawings and is described in detail below. Show it:

Figure 1

the schematic representation of a rotary drilling rig;

Figure 2

the representation of the drilling rig Figure 1 in a simplified substitute representation;

Figure 3

the detailed representation of the strut cylinder arrangement of the rotary drilling rig Figure 2 ;

Figure 4

a further simplified substitute representation of the drilling rig Figure 2

a) in the "leader raised"position;
b) in the "leader lowered"position;
c) in the "leader inclined"position;

Figure 5

the representation of a simplified joint scheme of the drilling rig Figure 2

Figure 6

the schematic representation of the position regulation of the control and regulation device of the drilling rig connected to the computer module Figure 1 .

Die als Ausführungsbeispiel gewählte Drehbohranlage besteht im Wesentlichen aus einem Trägergerät 1, das über eine Schwinge 2 mit einem Mäkler 3 verbunden ist, an dem ein Arbeitsschlitten 4 verfahrbar angeordnet ist, an dem ein Bohrgerät 5 befestigt ist.The rotary drilling rig selected as an exemplary embodiment essentially consists of a carrier device 1, which is connected via a rocker arm 2 to a leader 3, on which a working slide 4 is movably arranged, on which a drilling device 5 is attached.

Die Schwinge 2 umfasst zwei parallel zueinander angeordnete, im Wesentlichen dreieckförmig ausgebildete Schwingenplatten 21, deren Ecken abgerundet sind. Die Schwingenplatten 21 der Schwinge 2 sind gegenüberliegend mit einer Ecke mit jeweils einem Ausleger 22 schwenkbar verbunden, der auf dem Trägergerät 1 schwenkbar befestigt ist. Die Ausleger 22 bilden den Grundarm aus. Mit einer zweiten Ecke sind die Schwingenplatten 21 gegenüberliegend schwenkbar mit dem Mäkler 3 verbunden. Die dritte Ecke der Schwingenplatten 21 ist jeweils mit einem Auslegerzylinder 23 verbunden, der auf dem Trägergerät 1 angeordnet ist. Beabstandet zu dem Auslegerzylinder 23 ist im Bereich der dritten Ecke der Schwingenplatten 21 jeweils ein Stützstrebenzylinder 24 schwenkbar befestigt, dessen Zylinderkolben jeweils schwenkbar an dem Mäkler 3 befestigt ist.The rocker 2 comprises two essentially triangular rocker plates 21 which are arranged parallel to one another and whose corners are rounded. The rocker plates 21 of the rocker 2 are opposite with a corner each pivotably connected to a boom 22 which is pivotably attached to the carrier device 1. The boom 22 form the base arm. With a second corner, the rocker plates 21 are pivotably connected to the leader 3 opposite one another. The third corner of the rocker plates 21 is each connected to a boom cylinder 23 which is arranged on the carrier device 1. At a distance from the boom cylinder 23, a support strut cylinder 24 is pivotably attached in the region of the third corner of the rocker plates 21, the cylinder piston of which is pivotably attached to the leader 3.

Zwischen den Schwingenplatten 21 und den Kolben der Stützstrebenzylinder 24 ist an dem Mäkler 3 eine Vorschubwinde 31 angeordnet, über die der Schlitten 4 entlang dem Mäkler 3 verschiebbar ist. Beabstandet zur Vorschubwinde 31 ist auf der gegenüberliegenden Seite der Schwingenplatten 21 an dem Mäkler 3 eine Hilfswinde 32 sowie beabstandet zu dieser eine Kellywinde 33 an dem Mäkler 3 angeordnet. Das Kellyseil 34 der Kellywinde 33 ist über einen auf dem Mäkler 3 angeordneten Seilrollenkopf 35 geführt und endseitig mit der Kellystange 51 des Bohrgerätes 5 verbunden. Das Bohrgerät 5 weist in bekannter Weise einen Bohrantrieb 52 auf, sowie ein Druckrohr 53, das mit einem Bohrrohr 54 verbindbar ist.Between the rocker plates 21 and the pistons of the support strut cylinders 24, a feed winch 31 is arranged on the leader 3, via which the carriage 4 can be displaced along the leader 3. At a distance from the feed winch 31, an auxiliary winch 32 is arranged on the opposite side of the rocker plates 21 on the leader 3 and a Kelly winch 33 is arranged on the leader 3 at a distance therefrom. The Kelly rope 34 of the Kelly winch 33 is guided over a rope pulley head 35 arranged on the leader 3 and is connected at the end to the Kelly bar 51 of the drilling device 5. The drilling device 5 has, in a known manner, a drill drive 52 and a pressure pipe 53 which can be connected to a drill pipe 54.

In dem Trägergerät 1 ist eine Steuer-und Regeleinrichtung 6 angeordnet, die ein Eingabemodul 61 zur Vorgabe einer Zielposition des Arbeitsschlittens 4 als Positionierer aufweist und mit einem Rechnermodul 62 verbunden ist. Es kann auch vorgesehen sein, über das Eingabemodul einen spezifischen Punkt oder ein bestimmtes Element des Bohrgerätes, beispielsweise des Bohrwerkzeugs des Bohrgerätes 5 oder des das Kellyseil und das Hilfsseil aufnehmenden Seilrollenkopfes 35, als Positionierer auszuwählen, für das eine Zielposition angegeben wird. Die Eingabevorrichtung umfasst im Ausführungsbeispiel einen Touch-Bildschirm, auf dem die virtuelle Umgebung der Drehbohranlage darstellbar ist.A control and regulating device 6 is arranged in the carrier device 1, which has an input module 61 for specifying a target position of the work carriage 4 as a positioner and is connected to a computer module 62. Provision can also be made to use the input module to select a specific point or a certain element of the drilling device, for example the drilling tool of the drilling device 5 or the pulley head 35 receiving the Kelly rope and the auxiliary rope, as a positioner for which a target position is specified. In the exemplary embodiment, the input device comprises a touch screen on which the virtual surroundings of the rotary drilling rig can be displayed.

Die Steuer- und Regeleinrichtung 6 ist mit den Auslegerzylindern 23, den Stützstrebenzylindern 24, der Vorschubwinde 31, der Kellywinde 33, der Hilfswinde 32 sowie auch der Schwenkeinheit des Oberwagens 11 und dem Fahrantrieb des Fahrwerks 12 des Trägergerätes 1 verbunden, welche Aktoren bilden, die über die Steuer- und Regeleinrichtung ansteuerbar sind. Über die Ansteuerung eines oder mehrerer dieser Aktoren ist die Position eines Positionierers, vorliegend dem Arbeitsschlitten 4 mit dem von diesem aufgenommenen Bohrgerät, veränderbar.The control and regulating device 6 is connected to the boom cylinders 23, the strut cylinders 24, the feed winch 31, the Kelly winch 33, the auxiliary winch 32 and also the swivel unit of the superstructure 11 and the drive of the Chassis 12 of the carrier device 1 connected, which form actuators that can be controlled via the control and regulating device. By activating one or more of these actuators, the position of a positioner, in the present case the working slide 4 with the drilling device accommodated by it, can be changed.

Über die Aktoren ist eine Positionierung des Bohrgerätes in sechs Freiheitsgraden ermöglicht: Verfahren des Fahrwerks 12 (wobei hier zur Vereinfachung nur lineares Vor- und Zurückfahren angenommen wird), Drehen des Oberwagens 11, Neigen des Mäklers 3 (vor und zurück), Neigen des Mäklers 3 (links, rechts), Vorschub des Arbeitsschlittens 4 entlang des Mäklers 3, Verschwenken der den Grundarm bildenden Ausleger 22 zur Veränderung der Reichweite.The actuators enable the drilling device to be positioned in six degrees of freedom: moving the chassis 12 (only linear forwards and backwards travel is assumed here for the sake of simplicity), rotating the superstructure 11, tilting the leader 3 (forwards and backwards), tilting the leader 3 (left, right), advance of the work carriage 4 along the leader 3, pivoting of the boom 22 forming the base arm to change the range.

Die Steuer- und Regeleinrichtung 6 ist mit Sensoren 7 verbunden, die zur Detektion von Position, Lage und Winkelstellung an dem Arbeitsschlitten 4 angeordnet sind. Zusätzlich können Sensoren 7 an weiteren Elementen des Bohrgerätes angeordnet sein. Weiterhin ist die Steuer- und Regeleinrichtung mit einem Rechnermodul 62 verbunden, das zur Ermittlung von Verfahrwegen und der zur deren Realisierung erforderlichen Lagen der einzelnen Aktoren mittels inverser Kinematik eingerichtet ist. Hierzu ist in dem Rechnermodul 62 im Ausführungsbeispiel ein geometrisch beschreibendes Modell der Drehbohranlage sowie ein mathematisches Modell des Systemverhaltens der Drehbohranlage hinterlegt.The control and regulating device 6 is connected to sensors 7 which are arranged on the working slide 4 for the detection of position, location and angular position. In addition, sensors 7 can be arranged on other elements of the drilling device. Furthermore, the control and regulating device is connected to a computer module 62 which is set up to determine travel paths and the positions of the individual actuators required for their implementation by means of inverse kinematics. For this purpose, a geometrically descriptive model of the rotary drilling rig and a mathematical model of the system behavior of the rotary drilling rig are stored in the computer module 62 in the exemplary embodiment.

Das Rechnermodul 62 ist mit einem Auswertungsmodul 63 verbunden, das zur Ermittlung von Hindernissen eingerichtet ist und hierzu mit einem System zur Erfassung der Arbeitsumgebung verbunden ist. Im Ausführungsbeispiel umfasst das System zu Erfassung der Arbeitsumgebung Kameras 81 sowie Lidar-Sensoren 82, die auf dem Trägergerät 1 sowie dem Arbeitsschlitten 4 angeordnet und mit dem Auswertungsmodul 63 verbunden sind.The computer module 62 is connected to an evaluation module 63 which is set up to determine obstacles and for this purpose is connected to a system for recording the working environment. In the exemplary embodiment, the system for recording the work environment comprises cameras 81 and lidar sensors 82, which are arranged on the carrier device 1 and on the work carriage 4 and are connected to the evaluation module 63.

Das Rechnermodul 62 ist weiterhin mit einem Speichermodul 63 verbunden, in dem definierte Sperrbereiche hinterlegt sind, die bei der Ermittlung von Verfahrwegen wie Hindernisse zu behandeln sind. Entsprechende Sperrbereiche sind über das Eingabemodul 61 definierbar. Das Rechnermodul 62 ist zur kontinuierlichen Kollisionsprüfung ermittelter und definierter Hindernisse mit ermittelten Verfahrwegen und erforderlichenfalls Korrektur eines Verfahrweges eingerichtet.The computer module 62 is also connected to a memory module 63 in which defined restricted areas are stored, which are to be treated like obstacles when determining travel paths. Corresponding restricted areas are definable via the input module 61. The computer module 62 is set up for the continuous collision check of determined and defined obstacles with determined travel paths and, if necessary, correction of a travel path.

In Figur 2 ist ein vereinfachtes Schaubild der Drehbohranlage gezeigt, bei dem die wesentlichen Funktionsbauteile zur Positionierung des Arbeitsschlittens 4 dargestellt sind. Die Lage des Mäklers 3 mit dem an diesem verfahrbar angeordneten Arbeitsschlitten 4 ist über die Position der Schwinge 2 veränderbar, die über die Ausleger 22 mit dem Oberwagen 11 des Trägergerätes 1 verbunden ist. Die Ausleger 22 bilden Bewegungsglieder, die über Gelenke um eine horizontale Achse schwenkbar mit der Schwinge 2 sowie mit dem Oberwagen 11 des Trägergerätes 1 verbunden sind. Die Schwinge 2 ist über die Ausleger 22 zwangsgeführt und über die Auslegerzylinder 23 entlang einer Kurvenbahn bewegbar. Die Ausleger 22 und die Auslegerzylinder 23 sind gemeinsam mit dem Oberwagen 11 auf dem Fahrwerk 12 um eine vertikale Achse verschwenkbar sowie durch das Fahrwerk 12 horizontal linear verfahrbar.In Figure 2 a simplified diagram of the rotary drilling rig is shown, in which the essential functional components for positioning the work carriage 4 are shown. The position of the leader 3 with the working slide 4 arranged movably on it can be changed via the position of the rocker 2, which is connected to the upper carriage 11 of the carrier device 1 via the boom 22. The arms 22 form movement members which are connected to the rocker 2 and to the upper carriage 11 of the carrier device 1 via joints so that they can pivot about a horizontal axis. The rocker arm 2 is forcibly guided via the boom 22 and can be moved along a curved path via the boom cylinder 23. The booms 22 and the boom cylinders 23 can be pivoted together with the superstructure 11 on the chassis 12 about a vertical axis and can be moved horizontally linearly by the chassis 12.

Der Mäkler 3 ist mit der Schwinge 2 über Gelenke um zwei horizontale Achsen schwenkbar verbunden. Die Einstellung der Schwenklage des Mäklers 3 an der Schwinge 2 erfolgt über die Stützstrebenzylinder 24, die mit dem Mäkler 3 sowie mit der Schwinge 2 über Gelenke um zwei horizontale Achsen schwenkbar verbunden sind. Die Positionierung des Arbeitsschlittens 4, der über einen Linearversteller mit dem Mäkler 3 verbunden ist, erfolgt durch Linearverschiebung entlang des Mäklers 3 über die Vorschubwinde 31.The leader 3 is connected to the rocker arm 2 via joints so that it can pivot about two horizontal axes. The setting of the pivot position of the leader 3 on the rocker arm 2 takes place via the support strut cylinders 24, which are pivotably connected to the leader 3 and to the rocker arm 2 via joints about two horizontal axes. The positioning of the working slide 4, which is connected to the leader 3 via a linear adjuster, is carried out by linear displacement along the leader 3 via the feed winch 31.

In Figur 4 a) ist zur Veranschaulichung der Kinematik dieses Schaubild weiter vereinfacht, ohne Auslegerzylinder 23, Stützstrebenzylinder 24 und Vorschubwinde 31 dargestellt. In Figur 4 b) ist beispielhaft ein Ablassen des durch die Ausleger 22 gebildeten Grundarms dargestellt. Dabei bewegt sich die der Arbeitsschlitten 4 auf einer Kreisbahn um den Drehpunkt der Ausleger 22 herum und erfährt hierdurch Positionsveränderungen durch Vergrößerung des Abstandes zum Trägergerät 1 (Erhöhung der Reichweite) und zeitgleich einer Positionsänderung durch Verkleinerung des Abstandes zum Erdboden. Soll beim Ablassen der Ausleger 22 nur die horizontale Position des Arbeitsschlittens 4 (delta y) verändert werden, wohingegen dessen vertikale Position (detla z) gleich bleiben soll, ist zum Ausgleich der vertikalen Positionsänderung der Arbeitsschlitten 4 über die Vorschubwinde 31 entlang des Mäklers 3 linear nach oben zu verschieben. In Figur 4 c) ist zusätzlich der Mäkler 3 über die Stützstrebenzylinder 24 in einem Winkel zum Boden angestellt. Hierdurch ist die horizontale sowie auch die vertikale Position des Arbeitsschlittens 4 verändert.In Figure 4 a) This diagram is further simplified to illustrate the kinematics, without boom cylinder 23, support strut cylinder 24 and feed winch 31. In Figure 4 b) a lowering of the base arm formed by the boom 22 is shown as an example. The work carriage 4 moves on a circular path around the pivot point of the boom 22 and experiences changes in position by increasing the distance from the carrier device 1 (increasing the range) and at the same time changing the position by reducing the distance to the ground. Should be when draining the boom 22 only the horizontal position of the work slide 4 (delta y) can be changed, whereas its vertical position (detla z) should remain the same, to compensate for the vertical position change, the work slide 4 is linearly upwards via the feed winch 31 along the leader 3 move. In Figure 4 c) the leader 3 is additionally employed via the support strut cylinder 24 at an angle to the ground. As a result, the horizontal and also the vertical position of the work slide 4 is changed.

In Figur 5 ist die kinematische Kette der Anordnung aus Figur 4 dargestellt, die sich aus über Gelenke und Linearversteller verbundenen Bewegungsgliedern zusammensetzt. Danach ergeben sich vorliegend die vorstehend angeführten sechs Freiheitsgrade zur Positionierung des an dem Arbeitsschlitten 4 angeordneten Bohrgerätes 5.In Figure 5 is the kinematic chain of the arrangement Figure 4 shown, which is composed of moving members connected via joints and linear adjusters. Thereafter, the six degrees of freedom listed above for positioning the drilling device 5 arranged on the working slide 4 result in the present case.

Mathematisch wird die Positionierung eines in Form eines definierten Punktes zugrunde gelegten Positionierers, vorliegend des Arbeitsschlittens 4, der das Bohrgerät 5 aufnimmt, durch das Grundprinzip eines inversen kinematografischen Algorithmus in der Steuer- und Regeleinrichtung abgebildet. Dabei wird die Sollposition dieses Punktes relativ zu einem gewählten Grundkoordinatensystem, beispielsweise des Trägergerätes, an den Algorithmus übergeben. Über den Algorithmus werden dann über algebraische, geometrische und numerische Methoden die Sollgrößen der einzelnen Aktoren für die gewünschte Positionierung berechnet. Als Ausgabe des Algorithmus können direkte Positionsgrößen für die Aktoren erfolgen. Es können auch Ableitungen der Positionsgrößen nach der Zeit, beispielsweise Geschwindigkeit oder Beschleunigung verwendet werden. Algorithmen der inversen Kinematik sind aus dem Bereich des Werkzeugmaschinenbaus und der Robotik zur Positionierung bei komplexen Gelenkzusammenhängen bekannt.Mathematically, the positioning of a positioner based in the form of a defined point, in this case the work slide 4, which receives the drilling device 5, is mapped in the control and regulating device by the basic principle of an inverse cinematographic algorithm. The target position of this point is transferred to the algorithm relative to a selected basic coordinate system, for example of the carrier device. The algorithm then uses algebraic, geometrical and numerical methods to calculate the nominal values of the individual actuators for the desired positioning. The algorithm can output direct position variables for the actuators. It is also possible to use derivatives of the position variables with respect to time, for example speed or acceleration. Inverse kinematics algorithms are known from the field of machine tool construction and robotics for positioning in complex joint relationships.

Zur Vereinfachung des Systemdesigns sind in der Steuer- und Regelungseinrichtung 6 sowie dem mit dieser verbundenen Rechnermodul 61 für einzelne Gelenke und Linearversteller separate Regelmodule, die als Aktorregler bezeichnet werden, programmiert. Diese Module, in denen die Besonderheiten des jeweiligen Gelenkes oder Linearverstellers bzw. des mit diesem verbundenen Aktors berücksichtigt sind, erhalten als Eingangswert eine Sollposition oder eine Sollgeschwindgkeit.To simplify the system design, separate control modules, which are referred to as actuator controllers, are programmed in the control and regulation device 6 and in the computer module 61 connected to it for individual joints and linear adjusters. These modules, in which the specifics of the respective Joint or linear adjuster or the actuator connected to it are taken into account, receive a setpoint position or a setpoint speed as the input value.

Die Lageregelung des Positionierers ist in Figur 6 skizziert. Den Aktorreglern werden zeitgleich die Sollstellungen der Gelenke und Linearversteller vorgegeben. Über einen PID (Proportional-Integral-Differential)-Regler regeln sich die einzelnen Aktoren und damit das System auf die vorgegebene Sollposition ein. Dabei können die Positionierzeiten der einzelnen Aktoren stark differenzieren. Soll das Bohrgerät beispielsweise näher an das Trägergerät 1 platziert werden, muss zeitgleich der aus den Auslegern 22 gebildete Grundarm auffahren und die Vorschubwinde 31 abfahren. Da der Vorschub höhere Verfahrgeschwindigkeiten als der Grundarm mit sich bringt, erfolgt eine Vorgabe durch den langsamsten Aktor. Von allen Aktoren ist die maximale Geschwindigkeit bekannt. Vor der Positionierung kann berechnet werden, wieviel Zeit der langsamste Aktor maximal benötigt. Mit diesem Zeitwert wird für alle anderen Aktoren der Geschwindigkeitsund Beschleunigungswert linear angepasst, sodass diese dieselbe Zeit benötigen. Hierdurch werden unnötig hohe Geschwindigkeiten und Beschleunigungen vermieden. Gleichzeitig wird ein gleichzeitiges Positionieren aller Gelenke ermöglicht.The position control of the positioner is in Figure 6 outlined. The target positions of the joints and linear adjuster are given to the actuator controllers at the same time. The individual actuators and thus the system adjust to the specified target position via a PID (proportional-integral-differential) controller. The positioning times of the individual actuators can differ greatly. If the drilling device is to be placed closer to the carrier device 1, for example, the base arm formed from the outriggers 22 must move up and the feed winch 31 must move down at the same time. Since the feed has higher traversing speeds than the base arm, a specification is made by the slowest actuator. The maximum speed of all actuators is known. Before positioning, it can be calculated how much time the slowest actuator needs as a maximum. This time value is used to linearly adjust the speed and acceleration value for all other actuators so that they require the same time. This avoids unnecessarily high speeds and accelerations. At the same time, all joints can be positioned at the same time.

Bei der Anwendung des Kellybohrverfahrens ist es beispielsweise notwendig, in regelmäßigen Zyklen das Bohrwerkzeug aus dem Bohrloch herauszuziehen und auf einem geeigneten Platz zum Abschleudern zu positionieren. Hierzu wird vom Bediener über den Touchscreen des Eingabemoduls eine Zielposition des Bohrgerätes ausgewählt, die dem Rechnermodul als Koordinaten übergeben wird. Auf Basis dieser Koordinaten werden von dem Rechnermodul mögliche Verfahrwege ermittelt. Hierzu werden von dem Auswertungsmodul auf Basis der von den Kameras 81 und den Sensoren 82 übermittelten Echtzeitdaten Hindernisse detektiert und an das Rechnermodul übergeben. Auf Basis zuvor festgelegter Auswahlkriterien, wie beispielsweise minimierte Anzahl an Richtungsänderungen oder schnellster Weg, wird von der Rechnereinheit ein Verfahrweg ausgewählt. Nachfolgend werden durch das Rechnermodul durch Anwendung von Algorithmen der inversen Kinematik die zur Realisierung dieses Verfahrweges erforderlichen Gelenkpositionen und Linearverstellerpositionen und die hierfür erforderlichen Aktorbewegungen über die Zeit ermittelt und an die Steuer- und Regeleinrichtung übergeben, welche die Ansteuerung der Aktoren (Auslegerzylinder 23, Stützstrebenzylinder 24, Vorschubwinde 31, Schwenkantrieb des Oberwagens 11, Fahrwerk 12) zur Realisierung des zum Abschleudern des Bohrwerkzeugs ermittelten Verfahrweges vornimmt. Im Ausführungsbeispiel kann über das Eingabemodul die Rückführung des Bohrwerkzeugs zum Bohrloch auf demselben Verfahrweg ausgelöst werden.When using the Kelly drilling method, for example, it is necessary to pull the drilling tool out of the borehole in regular cycles and to position it in a suitable place for throwing it off. For this purpose, the operator selects a target position of the drilling device via the touchscreen of the input module, which is transferred to the computer module as coordinates. On the basis of these coordinates, possible travel paths are determined by the computer module. For this purpose, obstacles are detected by the evaluation module on the basis of the real-time data transmitted by the cameras 81 and the sensors 82 and transferred to the computer module. A travel path is selected by the computer unit on the basis of previously defined selection criteria, such as the minimized number of changes in direction or the fastest route. The following are carried out by the computer module using algorithms The inverse kinematics determines the joint positions and linear adjuster positions required for realizing this travel path and the actuator movements required for this over time and transfers them to the control and regulation device, which controls the actuators (boom cylinder 23, support cylinder 24, feed winch 31, swivel drive of the superstructure 11, Undercarriage 12) for realizing the travel path determined for throwing off the drilling tool. In the exemplary embodiment, the return of the drilling tool to the borehole on the same travel path can be triggered via the input module.

Claims

Civil engineering device, in particular a piling or drilling device, with at least one positioner, in particular a work slide for receiving a work device, which is connected to a carrier device (1) within a kinematic chain via several moving elements that are movable relative to one another and are connected by joints and / or linear adjusters the moving members are connected to at least six actuators via which their respective position and / or orientation can be changed and which are connected to a control and regulating device (6) via which they can be controlled, characterized in that the control and regulating device ( 6) has an input module (61) for specifying a target position of at least one positioner and is connected to a computer module (62) which is set up to determine at least one travel path along which the positioner can be moved from its current position (starting position) to the target position is and by means of inverse kinem atik to determine the required positions of the individual actuators for realizing the travel path of the positioner and to transfer them to the control and regulating device (6) for their activation.

Civil engineering device according to Claim 1, characterized in that the computer module (62) is set up to determine movement sequences of the individual actuators to achieve the travel path of the positioner and to transfer them to the control and regulating device (6) for their activation.

Civil engineering device according to claim 1 or 2, characterized in that the at least one positioner and / or the moving members and / or the joints and / or the linear adjuster with a sensor (7) for detecting the position and / or the location and / or the angular position are provided, which are connected to the control and regulating device (6).

Civil engineering device according to one of the preceding claims, characterized in that a geometrically descriptive model of the civil engineering device and / or at least one mathematical model of the system behavior of the civil engineering device is stored in the control and regulation device (6) or the computer module (62).

Civil engineering device according to one of the preceding claims, characterized in that a positioner is formed by a working slide for receiving a working device, which is arranged to be movable on a leader (3) which is connected to the carrier device (1) via a pivoting and / or tilting device, is preferably connected to a carrier vehicle.

Civil engineering device according to one of the preceding claims, characterized in that at least one system for recording the working environment is arranged, which is connected to an evaluation module (63) which is set up to determine obstacles and which is connected to the computer module (62), wherein the computer module (62) is set up to determine at least one travel path while avoiding obstacles identified by the evaluation module (63).

Civil engineering device according to claim 6, characterized in that the system for detecting the working environment comprises at least one camera (81) and / or at least one ultrasonic sensor and / or at least one radar sensor and / or at least one lidar sensor (82) and / or at least one laser sensor.

Civil engineering device according to claim 7, characterized in that at least one camera (81) and / or at least one ultrasonic sensor and / or at least one radar sensor and / or at least one lidar sensor (82) and / or at least one laser sensor on at least one positioner and / or one Work device and / or is arranged on at least one moving member connected to a positioner.

Civil engineering device according to one of Claims 6 to 8, characterized in that the computer module (62) is connected to a memory module (64) in which defined restricted areas are stored which are to be treated like obstacles when determining travel paths.

Civil engineering device according to one of claims 6 to 9, characterized in that the evaluation module (63) is set up for the continuous determination of obstacles even during the positioning of the positioner along a travel path, the computer module (62) for continuous collision checking of obstacles determined with the travel path and if necessary, correction of this travel path is set up.

Civil engineering device according to one of the preceding claims, characterized in that the input module (61) comprises a screen, in particular a touch screen, on which the current environment is displayed, wherein a transformation module is arranged which is set up to be activated by an input instruction, in particular a a touchscreen to convert detected contact into coordinates of a predetermined coordinate system and to transfer these to the control and regulating device (6) as target coordinates.

Civil engineering device according to one of the preceding claims, characterized in that a separate actuator controller is assigned to at least one actuator, preferably all actuators, via which the actuator can be controlled as an input value based on a target position and / or target speed and / or target acceleration.

Civil engineering device according to Claim 12, characterized in that the control and regulating device (6) is set up for direct position control, in which the target positions of the joints and / or the linear adjusters are given to the actuator controllers at the same time.

Civil engineering device according to Claim 12, characterized in that the control and regulating device (6) is set up for cascade control, in which a time-dependent speed profile with defined acceleration and speed is calculated from the target position specification, with which the target position is to be approached and this is transferred to the actuator controllers will.

Civil engineering device according to Claim 14, characterized in that a position control loop is arranged for monitoring the current position and adjusting the respective setpoint position at a respective point in time, which results from the speed profile.

A method for the multi-dimensional free positioning of a positioner of a civil engineering device, in particular a civil engineering device according to one of the preceding claims, which is connected to a carrier device (1) within a kinematic chain via several moving elements that are movable relative to one another and connected by joints and / or linear adjusters, the moving elements and / or the linear adjusters are connected to at least six actuators via which their respective position and / or orientation can be changed, a travel path being determined on the basis of a target position of the positioner, on the basis of this travel path the joint positions of the individual joints and the linear positions of the linear adjusters are determined, the actuator movements required to implement the individual joint positions and linear positions are determined, and the individual actuators are then controlled to carry out the determined actuator movements.

The method according to claim 16, characterized in that at least one system is arranged for recording the working environment, with obstacles being detected by means of an evaluation module and with the determination of the travel path taking into account the avoidance of collisions with the detected obstacles.

Method according to Claim 16 or 17, characterized in that several possible travel paths are determined and a travel path is subsequently selected by comparing the determined travel paths on the basis of predetermined parameters.

Method according to one of Claims 16 to 18, characterized in that the joint positions of the individual joints and the linear positions of the linear adjusters are determined using an algorithm based on inverse kinematics.