ES2913215T3

ES2913215T3 - Simulador de grúa

Info

Publication number: ES2913215T3
Application number: ES17700314T
Authority: ES
Inventors: Thomas Steib; Sven Brandt; Michael Palberg; Jürgen Resch
Original assignee: Liebherr Werk Biberach GmbH
Current assignee: Liebherr Werk Biberach GmbH
Priority date: 2016-01-14
Filing date: 2017-01-11
Publication date: 2022-06-01
Anticipated expiration: 2037-01-11
Also published as: US20210134175A1; EP3403253A1; RU2018129455A; US11455905B2; BR112018014294A2; CN108885842A; BR112018014294B1; US20190019430A1; RU2730796C2; RU2018129455A3; DE102016000351A1; WO2017121639A1; US10909874B2; EP3403253B1

Abstract

Simulador para una grúa con: un puesto de control (2) que presenta al menos un medio de entrada (18) para la carga de comandos de control; un módulo de simulación gráfica (9) para el cálculo de una representación virtual del entorno de la máquina y componentes visibles de la máquina desde el puesto de control (2), así como un dispositivo de visualización (3) para mostrar la representación virtual calculada, en donde un módulo de simulación de movimiento (10) que está diseñado para, dependiendo de los comandos de control de entrada, proporcionar movimientos y deformaciones de los componentes de la máquina, incluidos las plumas de la grúa y los ganchos de carga; el módulo de simulación gráfica (9) está diseñado para calcular la representación virtual en función de los movimientos y/o deformaciones determinadas; el puesto de control (2) está montado de forma móvil, y se proporciona un dispositivo de accionamiento (8) para mover el puesto de control (2) en función de los movimientos y/o deformaciones determinadas por el módulo de simulación de movimiento (10); caracterizado porque en el puesto de control (2) está provista una cámara (16) de captura de imágenes en directo y al, por lo menos un, dispositivo de visualización (3) se le asigna un dispositivo de superposición (17) que está proporcionado en el dispositivo de visualización (3) para superponer la representación virtual generada por el módulo de simulación gráfica (9) con la representación virtual generada por la imagen en directo proporcionada por la cámara (16); el puesto de control (2) comprende una pared de la cabina del conductor, en la cual se conforman ventanas de visualización, en donde dichas ventanas se colorean de un color específico, en donde el módulo de simulación gráfica (9) y/o el dispositivo de superposición (17) presenta una unidad de visualización sensible al color para mostrar la representación virtual en las áreas de imagen de la imagen en directo proporcionada por la cámara (16), que están coloreadas con el color específico antes mencionado; y el puesto de control (2) está montado sobre una plataforma de movimiento (7) prevista debajo del puesto de control, en la cual está integrado el dispositivo de accionamiento (8), en donde el puesto de control está montado de modo que pueda moverse en múltiples ejes y el dispositivo de accionamiento comprende al menos un eje de rotación vertical y al menos un eje de abatimiento horizontal y dos ejes de traslación alineados horizontalmente.

Description

DESCRIPCIÓN

Simulador de grúa

Simulador de grúa, de maquinaria de construcción o de carretilla elevadora. La presente invención hace referencia a un simulador para una grúa, que se define de acuerdo con el texto de la reivindicación 1, que incluye, entre otras cosas, un medio de entrada para la carga comandos de control, un módulo de simulación gráfica para el cálculo de una representación virtual del entorno de la máquina y componentes de la máquina visibles desde el puesto de control, tales como pluma y gancho de carga, así como un dispositivo de visualización para mostrar la representación virtual calculada; en donde está previsto un módulo de simulación de movimiento para determinar movimientos y/o deformaciones de los componentes de la máquina en función de los comandos de control cargados, en función de los cuales el módulo de simulación gráfica calcula la representación virtual.

La solicitud US 2003/0224333 A1 divulga un simulador de grúa en el cual una réplica de la cabina del operador de la grúa está suspendida desde su parte superior y se puede mover mediante actuadores para que también se puedan colocar pantallas debajo de la cabina del operador de la grúa, que simulan la vista desde la cabina del operador de la grúa hacia abajo y muestran imágenes del entorno de la grúa.

Las grúas y equipos de gran tamaño similares, como plataformas de perforación, mineras de superficie o excavadoras de cables, son muy complejos de operar y controlar y, por ello también el entrenamiento necesario para utilizarlos, por lo cual los materiales de entrenamiento y de capacitación convencionales, como fotografías, planos o películas, no son suficientes para transmitir claramente y así aprender con facilidad la manipulación y el monitoreo. No sólo son un problema la gran cantidad de funciones de control y su interacción, así como los dispositivos de entrada asociados, en su totalidad bastante complejos, como joysticks, pedales e interruptores de control; sino también las reacciones a menudo inusuales y específicas de la estructura de la máquina a los movimientos de los actuadores. Las grúas, como las grúas torre o las grúas telescópicas de pluma abatible, pero también las grúas portuarias o marítimas presentan componentes estructurales largos y delgados, como estructuras de pluma o torre, que se tuercen y son relativamente flexibles, de modo que las deformaciones estructurales y los movimientos pendulares están asociados con la aceleración o el frenado, que hacen que la operación segura sea difícil incluso para operadores de grúa experimentados cuando cambian a un nuevo tipo de grúa. A diferencia de los dispositivos pequeños con estructuras que se pueden suponer rígidas, en las grúas torre, por ejemplo, la estructura de la torre y el sistema de pluma se pueden deformar cuando se levanta una carga, o bien la carga puede oscilar cuando gira alrededor del eje vertical y la pluma puede girar en consecuencia. Lo mismo puede ocurrir con las excavadoras de cable o las plataformas de perforación, de modo que un operador de grúa o de máquina experimenta inseguridad cuando aplica los procesos de control teóricamente aprendidos en la práctica y experimenta las correspondientes reacciones de la grúa.

Para que la instrucción y la práctica sean más realistas, ya se ha propuesto el uso de simuladores de grúa, en los cuales el usuario de la grúa a entrenar, en una estación de control aproximadamente realista, que puede corresponder, por ejemplo, a la cabina del conductor de la grúa de un tipo particular de grúa, puede ingresar comandos de control a través de los medios de entrada allí provistos, como joysticks, pedales, interruptores de control o pantallas táctiles, para para experimentar las reacciones de la grúa a estos comandos de control de la manera más realista posible. Para ello, en un dispositivo de visualización que, como es sabido, puede comprender múltiples pantallas dispuestas en el campo de visión del puesto de control, se visualiza una representación virtual del entorno de la grúa, así como, de los componentes de la grúa visibles desde el puesto de control, tales como la pluma y los ganchos de carga, en donde la representación virtual del entorno de la grúa y de los componentes de la grúa se calcula mediante un módulo de simulación gráfica en función de los comandos de control cargados.

Cuando, por ejemplo, la grúa gira sobre el eje vertical o se ingresa el comando de control correspondiente, el módulo de simulación gráfica calcula la representación del entorno de la grúa de tal manera que la misma se mueve de derecha a izquierda o viceversa en la pantalla, de modo que el entorno de la grúa virtual que se muestra en el dispositivo de visualización se presenta frente al operador de la grúa de manera similar a como ocurre ante un giro "real" de una grúa en su cabina de grúa. Cuando, por otro lado, se ingresa un comando de control que, por ejemplo, baja el gancho de carga y/o balancea la pluma, el módulo de simulación gráfica cambia la representación virtual de tal manera que el gancho de la grúa se mueve hacia abajo en el dispositivo de visualización o la pluma se balancea. Una simulación tan realista de la operación de la grúa hace que sea más sencillo para el operador de la grúa tener una idea de cuáles son las reacciones a una actuación de los medios de entrada del puesto de control.

Un simulador de grúa de este tipo se conoce, por ejemplo, de la solicitud DE 102013 011 818 A1. Allí, una cabina de conductor de grúa está prevista como puesto de control con medios de entrada correspondientes, en donde la ventana de visualización o el acristalamiento de la cabina del conductor de grúa se reemplaza mediante pantallas en las que se muestra la representación virtual del entorno de la grúa. Mediante un módulo de simulación técnica también se debe simular el comportamiento dinámico de los componentes de control y de accionamiento y considerarse en la pantalla, en donde aquí en especial se deben representar los movimientos de posición de los componentes de la grúa que se presentan durante ciertos movimientos de la grúa, como, por ejemplo, el mecanismo de elevación.

En el caso de este simulador de grúa previamente conocido, sin embargo, el realismo de la representación virtual resulta todavía limitado. Por un lado, los complejos procesos informáticos necesarios para determinar el comportamiento dinámico pueden dar lugar a un comportamiento de respuesta retardado o a una representación de la realidad virtual de la grúa que se retrasa en comparación con las reacciones reales de la grúa que se producen en tiempo real, especialmente cuando se han implementado virtualmente múltiples movimientos de accionamiento al mismo tiempo. Por otro lado, la capacidad de sentir intuitivamente las reacciones de la grúa a ciertos comandos de control está limitada por las representaciones del entorno virtual de la grúa que se pueden generar en las pantallas.

A partir de lo anteriormente mencionado, la presente invención tiene por objeto crear un simulador de grúa mejorado de la clase mencionada en la introducción, que evite las desventajas del estado del arte y que perfeccione dicho simulador de manera ventajosa. En particular, se debe lograr una simulación más realista del funcionamiento de la grúa o de la máquina, que mejore el efecto del entrenamiento y transmita mejor el comportamiento real de la grúa o de la máquina y facilite el aprendizaje.

Este objeto se resuelve, conforme a la invención, mediante un simulador de acuerdo con la reivindicación 1. Los acondicionamientos preferidos de la presente invención son objeto de las reivindicaciones relacionadas.

Por lo tanto, se propone mostrar las reacciones de la grúa o de la máquina a los comandos de control ingresados en el puesto de control, por ejemplo, en forma de movimientos y/o deformaciones de la grúa, no sólo en forma de una representación virtual en el dispositivo de visualización, sino también convertirlo en un movimiento real del puesto de control asociado con la reacción de la grúa o la máquina, para transmitir y hacer experimentar las reacciones dinámicas de la máquina de manera más realista al usuario del simulador. Para ello, el puesto de control, que puede comprender, por ejemplo, una silla para el conductor, ya no está montado estáticamente rígido en el espacio o en el suelo, sino que puede moverse en el espacio mediante un dispositivo de accionamiento. De acuerdo con la invención, el puesto de control está montado de forma móvil y puede ser movido mediante un dispositivo de accionamiento dependiendo de los movimientos y/o de la deformación de los componentes de la máquina determinados por el módulo de simulación de movimiento. Cuando el módulo de simulación de movimiento determina desviaciones de componentes de la máquina como la torre de la grúa mediante movimientos de ajuste o deformaciones que afectarían la posición de la cabina del conductor de la grúa real, el dispositivo de accionamiento es controlado en consecuencia mediante un dispositivo de control de accionamiento para simular el movimiento de la cabina del conductor de la grúa y mover correspondientemente el puesto de control. Cuando, por ejemplo, en el puesto de control se ingresa un comando para girar la grúa alrededor de un eje vertical, el puesto de control gira correspondientemente alrededor del eje vertical mediante el dispositivo de accionamiento. Cuando, por ejemplo, se ingresa el comando de control para levantar una carga pesada, lo que en la realidad puede provocar un ligero cabeceo de la estructura de la grúa con una ligera torsión de la torre, el dispositivo de accionamiento mueve el puesto de control ligeramente hacia adelante y/o lo inclina ligeramente hacia adelante.

Con el fin de permitir la simulación más realista posible de los movimientos del puesto de control que se producen en el funcionamiento real, el dispositivo de accionamiento está diseñado para poder moverse en múltiples ejes y realizar movimientos tanto de rotación como de traslación. En particular, el puesto de control está montado móvil sobre múltiples ejes y el dispositivo de accionamiento comprende al menos un eje de rotación vertical y al menos un eje de abatimiento horizontal y dos ejes de traslación alineados horizontalmente.

Para poder simular también movimientos complejos del puesto de control, el dispositivo de accionamiento puede presentar tres ejes de rotación o balanceo o estar diseñado para trabajar en tres ejes en rotación y para trabajar en tres ejes en traslación, de modo que el puesto de control pueda girar o inclinarse sobre los tres ejes espaciales y en las tres direcciones espaciales.

Según otro aspecto, el módulo de simulación de movimiento está diseñado de tal manera que la estructura de la grúa o de la máquina no se considera como una estructura rígida infinitamente rígida, por así decirlo, sino como una estructura elásticamente deformable y/o flexible y/o como una estructura relativamente blanda que - además de los ejes de movimiento de ajuste de la máquina, como el eje de abatimiento de la pluma o el eje de rotación de la torre -admite movimientos y/o cambios de posición debidos a la deformación de los componentes estructurales. La consideración de la movilidad de la estructura de la máquina como resultado de deformaciones estructurales bajo carga o cargas dinámicas es particularmente importante en las grúas en el caso de estructuras largas y esbeltas que se agotan en términos de condiciones límite estáticas y dinámicas, considerando la seguridad necesaria, ya que hay componentes de movimiento notables, por ejemplo para la cabina del conductor de la grúa, pero también para la posición del gancho de carga debido a la deformación de los componentes estructurales. Para poder permitir un entrenamiento realmente realista o cercano a la realidad, el módulo de simulación de movimiento considera tales deformaciones de la estructura de la máquina bajo cargas estáticas o dinámicas.

En particular, el dispositivo de determinación para determinar tales deformaciones estructurales puede presentar una unidad de cálculo que calcule dichas deformaciones estructurales utilizando un modelo de cálculo almacenado en función de los comandos de control cargados en el puesto de control. Este tipo de modelo se puede construir de manera similar a un modelo de elementos finitos o ser un modelo de elementos finitos, en donde, sin embargo, se utiliza ventajosamente un modelo significativamente simplificado en comparación con un modelo de elementos finitos, que se puede determinar empíricamente, por ejemplo, detectando deformaciones estructurales con ciertos comandos de control y/o condiciones de carga en la grúa real o la máquina real. Tal modelo de cálculo, por ejemplo, puede trabajar con tablas en las que se asignan deformaciones específicas a comandos de control específicos, en donde es posible convertir valores intermedios de los comandos de control en correspondientes deformaciones a través de un dispositivo de interpolación.

El uso de un modelo de cálculo de este tipo, que se simplifica en comparación con un modelo de elementos finitos, permite determinar las deformaciones estructurales más rápidamente en términos de tiempo y, por lo tanto, una simulación más realista de los movimientos de la máquina en tiempo real o casi real con menor potencia informática.

Las deformaciones de la parte estructural que considera el módulo de simulación de movimiento se pueden tener en cuenta, por un lado, al controlar el dispositivo de accionamiento para mover el puesto de control, de modo que el puesto de control simule los movimientos del puesto de control que se producen debido a las deformaciones de la parte estructural. Alternativa o adicionalmente, las deformaciones específicas de la parte estructural también se pueden considerar al calcular la representación virtual del entorno de la máquina y/o de los componentes de la máquina visibles en él, por ejemplo, en el sentido de que la desviación de la pluma se muestra en la representación virtual o el horizonte del área alrededor de la grúa se mueve un poco hacia arriba para simular una ligera inclinación hacia adelante de la cabina del operador de la grúa, por ejemplo, debido a la deformación de la torre.

Con el fin de aumentar aún más el sentido de la realidad del usuario del simulador, según otro aspecto, se prevé que las representaciones virtuales del mundo de simulación proporcionadas a través del módulo de simulación gráfica se superpongan en el dispositivo de visualización con imágenes en directo del puesto de control, que pueden mostrar, por ejemplo, los movimientos del usuario del simulador. En particular, las representaciones virtuales del entorno de la máquina generadas por el módulo de simulación gráfica y/o los componentes de la máquina visibles en él y las imágenes en directo de una cámara en directo grabadas en el puesto de control pueden se mostrar en simultáneo y superponerse en el dispositivo de visualización. Una superposición así de imágenes del mundo de la simulación e imágenes en vivo le da al usuario del simulador una sensación de realismo particularmente fuerte.

Como dispositivo de visualización se puede utilizar ventajosamente un dispositivo de visualización que se puede portar en la cabeza, en particular, configurado como gafas, por ejemplo, en forma de gafas de realidad virtual, y también una cámara que también se puede llevar ventajosamente en la cabeza, por ejemplo, diseñada como una cámara de casco o integrada en las gafas de realidad virtual mencionadas, que proporciona las imágenes en directo mencionadas, que se muestran junto con la representación virtual generada artificialmente en el dispositivo de visualización, en particular, en las gafas de realidad virtual.

La cámara mencionada para proporcionar las imágenes en directo puede consistir ventajosamente en una cámara estereoscópica, que proporciona imágenes estereoscópicas preferentemente en una dirección de visión de la cámara que al menos coincide aproximadamente con la dirección de visión del par de ojos de un usuario, que se puede visualizar en la correspondiente ubicación del dispositivo de visualización, en particular, de las gafas de realidad virtual. De esta manera, se puede conseguir una experiencia del usuario particularmente realista.

En principio, sin embargo, también sería posible superponer imágenes del mundo de simulación y las imágenes en directo mencionadas en una pantalla convencional, en cuyo caso, por ejemplo, un usuario podría llevar una cámara de imágenes en directo en la cabeza, que proporcione imágenes que corresponden al menos aproximadamente a la dirección de visión del usuario, de modo que en el dispositivo de visualización también se puede mostrar, por ejemplo, en forma de varias pantallas, un brazo de usuario registrado en directo o la parte del puesto de control registrada en directo. Sin embargo, se puede lograr una simulación más realista y, por lo tanto, de una aprehensión más significativa mediante la superposición en las áreas de visualización de unas gafas de realidad virtual.

El dispositivo de superposición para superponer las imágenes en directo de la cámara con la representación virtual del módulo de simulación gráfica puede estar diseñado ventajosamente para trabajar según la denominada técnica croma, en donde el dispositivo de superposición reconoce zonas de color de un color predeterminado en la imagen en directo y después, reemplaza dichas áreas de la imagen a través de la representación virtual del módulo de simulación. Para ello, el puesto de control puede comprender ventajosamente una pared de la cabina del conductor en la cual las áreas de ventana, por ejemplo, correspondientes a las mirillas de una cabina de conductor de grúa real, están coloreadas en un color clave que difiere lo más claramente posible de los colores restantes de los otros componentes en el campo de visión de la cámara, como, por ejemplo, el color de los marcos de las ventanas, de los medios de entrada y del color de la ropa y la piel del operador, de modo que la imagen en directo grabada en el puesto de control muestra las áreas coloreadas mencionadas en una reproducción de color específica, mientras que todas las demás áreas de la imagen se muestran en otros colores. Las áreas de imagen en vivo o áreas parciales coloreadas en el color clave mencionado, por ejemplo, verde, se reemplazan después por la representación virtual del entorno de la máquina y/o los componentes de la máquina visibles en él, de modo que la imagen superpuesta o la representación superpuesta muestra, por un lado, el puesto de control del simulador, cuyos componentes y extremidades del usuario ubicados en el campo de visión de la cámara en directo se muestran realmente como una imagen en vivo y, por otro lado, muestra la representación virtual del entorno de la máquina y los componentes de la máquina visibles en las áreas de ventana de la pared de la cabina del conductor registrados por la cámara en directo.

Dicha representación virtual del entorno de la máquina puede cambiarse ventajosamente mediante el módulo de simulación gráfica y adaptarse a diferentes escenarios dependiendo de diferentes conjuntos de datos que pueden importarse al módulo de simulación a través de una interfaz. En particular, los datos de planificación, como los datos CAD de un edificio que se va a construir y/o los datos reales del sitio de construcción, que, dependiendo el progreso de la construcción, reflejan el estado real de un edificio o estructura que se está construyendo, se pueden importar al módulo de simulación a través de una correspondiente interfaz de datos y ser utilizados por el módulo de simulación para generar o adaptar la representación virtual del entorno de la máquina de acuerdo con el conjunto de datos importados, en particular, en función de los datos de planificación importados y/o los datos reales del sitio de construcción.

La vinculación del módulo de simulación gráfica con el sitio de construcción o la información del edificio hace posible utilizar el simulador específicamente para entrenar el trabajo a realizar para un edificio específico o un sitio de construcción específico. Cuando, por ejemplo, se debe realizar un movimiento de elevación de grúa complicado, que tiene que hacer malabarismos con una carga para sortear varios obstáculos y, por ejemplo, colocarla en un área no visible del edificio, esto también se puede entrenar reiteradamente en el simulador.

El sitio de construcción o la información del edificio mencionado pueden consistir en datos CAD u otros datos geométricos del edificio o del sitio de construcción tal como fue mencionado, en donde eventualmente también se pueden utilizar datos de imágenes digitales que reflejen la construcción real y su progreso de construcción. Dichos datos de imagen se pueden importar como datos del entorno de la máquina a través de la interfaz CAD mencionada o una interfaz de datos de imagen adecuada al módulo de simulación gráfica, que después adapta la representación virtual a estos datos CAD y/o de imagen que se han adoptado.

El modelado de un sitio de construcción planificado o ya existente o parcialmente terminado y la correspondiente generación de la representación virtual del entorno de la máquina a través del módulo de simulación gráfica también resulta una herramienta valiosa, en particular, para garantizar la logística en un sitio de construcción y para simular y poder practicar procesos críticos incluso antes del comienzo de la obra.

En un perfeccionamiento de la invención, el simulador también se puede usar como un dispositivo de control remoto para controlar a distancia una grúa, una máquina de construcción o un camión industrial "reales"; en donde, ventajosamente, entre la grúa, la máquina de construcción y/o el camión industrial, por un lado, y el simulador, por otro, puede estar proporcionado un enlace de comunicaciones, a través del cual los comandos de control introducidos en el puesto de control del simulador se pueden transmitir al dispositivo de control de la grúa, la máquina de construcción y/o el camión industrial. La grúa "real" o el respectivo dispositivo "real" controlado a distancia ejecuta los comandos de control cargados en el puesto de control del simulador; en simultáneo, la representación virtual del entorno de la grúa generada por el simulador y los componentes de la grúa allí visibles muestran cómo la grúa implementa los comandos de control. Aquí, puede estar previsto que los parámetros de movimiento y las señales de sensores registrados en la grúa real se retroalimenten al simulador y se utilicen allí para generar la representación virtual del entorno de la grúa, con el fin de garantizar que en el dispositivo de visualización del simulador se muestre una representación que realmente corresponda al entorno y la posición reales de la grúa.

Independientemente de la opción de uso mencionada, como estación de control a distancia, ventajosamente, el simulador puede no tener todos los parámetros de movimiento requeridos para la simulación de movimiento calculados a través de un ordenador de simulación, pero al menos en parte mediante la emulación de datos utilizando componentes de hardware móviles reales que pueden formar parte del simulador. Este tipo de módulo de emulación de datos del simulador puede comprender, en particular, componentes actuadores y/o componentes electrónicos de potencia, mediante los cuales se realizan movimientos de accionamiento reales, que simulan los movimientos reales de una grúa o una máquina y proporcionan datos que caracterizan dichos movimientos, por ejemplo, en forma de señales de sensor, que reflejan los movimientos de accionamiento de los componentes de accionamiento mencionados. Mediante una emulación de datos de este tipo, los parámetros de movimiento y/o de posición, que después se pueden usar para la simulación de movimiento, se pueden proporcionar significativamente más rápido y con menos potencia informática, lo que permite una simulación más realista en tiempo real o prácticamente en tiempo real.

Para conseguir una determinación particularmente rápida y realista de los movimientos de los componentes de la máquina en función de los comandos de control cargados en el puesto de control, según otro aspecto, dicho módulo de simulación de movimiento puede estar diseñado como un dispositivo híbrido o módulo híbrido que, por un lado, presenta un ordenador para simular parámetros de movimiento y/o de posición y, por otro lado, comprende componentes de hardware que son al menos similares a los actuadores reales de grúas o máquinas, tales como unidades de accionamiento, codificadores rotatorios o convertidores de frecuencia, mediante los cuales se simulan movimientos de accionamiento y se determinan parámetros de movimiento y/o de posición. En particular, se utilizan componentes de hardware "reales", que también están integrados en la grúa que se va a simular o en la máquina que se va a simular como componentes del dispositivo de accionamiento y/o control.

En particular, el módulo de simulación de movimiento puede comprender el armario de control o al menos una parte del armario de control y sus componentes, que también se utilizan en la máquina a simular y que forma parte del control de la máquina. En particular, la electrónica de potencia y/o al menos una parte de la electrónica de potencia, como un convertidor de frecuencia, se puede utilizar para simular los movimientos de accionamiento que se activan mediante entradas de comandos de control en el puesto de control.

Además, en un perfeccionamiento de la invención se pueden utilizar unidades de accionamiento, por ejemplo en forma de servomotores, que sirven para emular los movimientos del actuador de la máquina o de los componentes de la máquina a simular. De manera ventajosa, para cada eje de actuador se utiliza una unidad de accionamiento, por ejemplo, en forma de una unidad de servoaccionamiento, que se controla de acuerdo con un comando de control - en particular, a través del convertidor de frecuencia mencionado anteriormente - y también se puede acoplar ventajosamente con otra unidad de accionamiento, por ejemplo, en forma de una unidad de servoaccionamiento, mediante la cual se puede aplicar un par de carga y/o una contracarga para simular cargas, resistencias o inercias reales. Por ejemplo, mediante la mencionada segunda unidad de accionamiento se puede simular una carga que contrarresta un mecanismo de elevación, o se puede simular un momento de viento, que contrarresta un mecanismo de giro.

El movimiento de accionamiento de la unidad de accionamiento mencionada en primer lugar, que se realiza considerando eventualmente el par de carga aplicado o la contracarga aplicada, se puede detectar mediante un adecuado dispositivo de detección; en donde una correspondiente señal de detección refleja el movimiento de ajuste realmente obtenido y se puede utilizar como señal de sensor en la posterior simulación, en particular, para determinar movimientos y/o posiciones y/o deformaciones de las partes estructurales de la manera mencionada anteriormente y/o la representación virtual del entorno de la máquina y/o para simular los componentes de la máquina visibles.

Ventajosamente, se utilizan múltiples unidades de accionamiento de este tipo o múltiples pares de unidades de accionamiento de este tipo que comprenden accionamiento y accionamiento de contracarga, así como un dispositivo de detección respectivamente asociado, para poder determinar los diferentes ejes de movimiento de ajuste y los movimientos de ajuste del funcionamiento de la máquina que deben simularse.

De acuerdo con otro aspecto, los valores de sensores de las unidades de accionamiento de los ejes de movimiento de ajuste, que se activan y mueven en función de los comandos de control cargados en el puesto de control, no se simulan ni calculan utilizando un modelo informático, sino que se emulan o ajustan utilizando componentes de hardware que se acercan lo más posible a los componentes reales del actuador de la máquina para simularlos y emitirlos directamente como valores reales del sensor.

Con un sistema de emulación de datos de este tipo, el módulo de simulación de movimiento puede determinar movimientos y/o posiciones de los componentes de la máquina mucho más rápido y con menos potencia informática, de modo que la representación virtual del entorno de la máquina y/o de los componentes de la máquina y también los movimientos de ajuste asociados del soporte de la máquina se pueden lograr de forma mucho más rápida y realista. Además, las señales de sensor generadas se pueden mostrar en el puesto de control y/o usarse para otras medidas de monitoreo, como para el monitoreo de carga o limitaciones del área de trabajo, que pueden mostrarse y/o simularse en el puesto de control.

Cuando el simulador de grúa se utiliza para simular una grúa torre y su funcionamiento, los pares de unidades de accionamiento antes mencionados para ejecutar los correspondientes movimientos de accionamiento y proporcionar el par de carga o la contracarga correspondiente pueden corresponder, en particular, al mecanismo de giro de la torre - o en el caso de una grúa de giro superior, al mecanismo de giro de la pluma -, al mecanismo de elevación y al carro.

A continuación, la presente invención se explica en detalle de acuerdo con un ejemplo de ejecución preferido y sus correspondientes dibujos. En los dibujos se muestra:

Figura 1: una representación esquemática de los componentes de un simulador de grúa según una ejecución ventajosa de la presente invención.

Figura 2: una representación esquemática de los componentes de hardware para la emulación de datos del módulo de simulación de movimiento.

Figura 3: una representación esquemática en diagrama de bloques del concepto general del simulador de las figuras precedentes y la interacción funcional de los componentes del mismo.

Como se muestra en la figura 1, el simulador 1 puede estar diseñado como un simulador de grúa, que comprende un puesto de control 2 en forma de una cabina de conductor de grúa, que consiste esencialmente en una cabina de conductor de grúa "real", como la que se encuentra en una grúa, por ejemplo, en una grúa torre, una grúa portuaria o una grúa marítima o una grúa telescópica móvil.

Dicho puesto de control 2 puede comprender en este caso, como se conoce, un asiento para el operador 21, por ejemplo, en forma de una silla de operador 20, alrededor del cual están dispuestos múltiples medios de entrada 18 para introducir comandos de control. Dichos medios de entrada 18 pueden presentar, por ejemplo, un joystick, una pantalla táctil, palancas de control, botones e interruptores de entrada, controles giratorios, controles deslizantes y similares.

El puesto del operador está rodeado en este caso por una pared de la cabina del conductor 22, que puede corresponder a un cerramiento de la cabina y puede presentar áreas de ventana 23 que, en las cabinas reales del conductor de la grúa están acristaladas, pero en el presente caso presentan un color específico, por ejemplo, están recubiertas con una película verde para poder mostrar un entorno de máquina virtual utilizando tecnología de pantalla verde, tal como se explicará a continuación.

El puesto de control 2 está montado sobre una plataforma de movimiento 7, mediante la cual el puesto de control 2 se puede mover en múltiples ejes. La plataforma de movimiento 7 está diseñada ventajosamente móvil en múltiples ejes, en particular, basculante o giratoria alrededor de los tres ejes espaciales x, y, z y desplazable en traslación a lo largo de dichos ejes.

A los ejes de movimiento x, y y z de la plataforma de movimiento 7 están asociados actuadores de un dispositivo de accionamiento 8, por ejemplo, en forma de motores eléctricos y/o cilindros hidráulicos y/o motores hidráulicos, para poder mover el puesto de control 2 alrededor o a lo largo de dichos ejes.

El dispositivo de accionamiento 8 está controlado mediante un dispositivo de control de movimiento 24, que puede implementarse, por ejemplo, mediante un PC industrial.

El dispositivo de control de movimiento 24 mencionado puede, en particular, ser parte de un módulo de simulación de movimiento 10, mediante el cual se pueden determinar los movimientos de grúa y/o las posiciones y/o las orientaciones de los componentes de la grúa, como la pluma o la torre, así como la torsión de los componentes estructurales, como la pluma o la torre, dependiendo de los comandos de control ingresados en puesto de control 2. Dicho módulo de simulación de movimiento 10 determina, por así decirlo, los efectos de los comandos de control ingresados en la grúa a simular, es decir, qué movimientos, posiciones, orientaciones y torsiones de los componentes de la grúa resultarán como resultado de los comandos de control ingresados en la grúa a simular y envía las correspondientes señales de movimiento que caracterizan las variables indicadas.

Dicho módulo de simulación de movimiento 10 no determina o no determina completamente las variables de movimiento indicadas mediante el cálculo utilizando un modelo informático, sino que utiliza componentes de hardware reales en forma de componentes de accionamiento y de control que realizan movimientos reales e imitan los correspondientes componentes de hardware de una grúa real.

Como muestran las figuras 2 y 3 con mayor detalle, el módulo de simulación de movimiento 10 comprende al menos los componentes esenciales de un controlador de grúa 25, como el que puede implementarse, por ejemplo, en el armario de control de una grúa. En particular, dicho controlador de grúa 25 comprende el convertidor de frecuencia 15 de diferentes accionamientos de grúa, por ejemplo, el mecanismo de giro, el mecanismo de carro y el mecanismo de elevación. Dicho controlador de grúa 25 puede incluir eventualmente otros componentes electrónicos de control y/o de potencia, en particular, componentes de monitoreo de carga, componentes de limitación del área de trabajo, etc.

El controlador de grúa 25 está conectado para comunicaciones con el puesto de control 2 y sus medios de entrada 18, de modo que el controlador de grúa 25 puede seguir procesando los comandos de control de entrada, en donde, en particular, el convertidor de frecuencia 15 controla las unidades de accionamiento 12, por ejemplo, en forma de servoaccionamientos en función de los comandos de control de entrada. Los comandos de control cargados en el puesto de control 2 se convierten así en movimientos reales o pares de accionamiento y fuerzas de accionamiento de las unidades de accionamiento 12.

Dichas unidades de accionamiento 12 se pueden acoplar aquí con unidades de contraaccionamiento 14, a través de las cuales se pueden conectar resistencias de movimiento a las unidades de accionamiento 12 para poder simular resistencias reales como cargas de elevación, fuerzas del viento, inercia o cargas dinámicas. Dichas unidades de contraaccionamiento 14 pueden ser controladas por el PC industrial mencionado anteriormente, que también implementa el dispositivo de control de movimiento 24. El control de las unidades de contraaccionamiento 14 puede basarse en diferentes especificaciones o programas, por ejemplo, mediante cargas de elevación especificables, programas de viento especificables o en función de tablas o funciones predeterminadas, como reacciones dinámicas al frenar el carro o el movimiento giratorio. Para ello, en un módulo de memoria del dispositivo de control se pueden almacenar modelos, tablas o funciones correspondientes para controlar las unidades de contraaccionamiento 14.

Como muestran las figuras 2 y 3, a las unidades de accionamiento 12 están asociados dispositivos de detección 13, por ejemplo, en forma de codificadores rotatorios u otros sensores de posición y/o de movimiento, mediante los cuales se proporcionan señales de movimiento o de posición que caracterizan los movimientos de accionamiento de las unidades de accionamiento 12. El módulo de simulación de movimiento 10 proporciona así señales de sensor reales como parámetros de movimiento que, por un lado, se pueden mostrar en el puesto de control 2 y, por otro lado, también se pueden utilizar para otras funciones de simulación. En particular, dependiendo de las señales de movimiento mencionadas, que son proporcionadas por los codificadores rotatorios, la torsión estructural, como las curvas de la torre, las curvas de la pluma y deformaciones similares se pueden determinar usando un modelo de cálculo y el dispositivo de accionamiento 8 de la plataforma de movimiento 7 para mover el puesto de control 2 puede ser controlado y la representación virtual del entorno de la grúa puede ser generada, en cada caso, dependiendo de las mencionadas señales de sensor realmente generadas.

Como se muestra en la figura 3, el módulo de simulación de movimiento 10 puede comprender una unidad informática 11, que a su vez puede estar realizada mediante el PC industrial antes mencionado; en donde dicha unidad informática 11, en función de los comandos de control cargados en el puesto de control 2 y/o los datos emulados generados a través del dispositivo de emulación de datos 19 o las señales de sensor generadas a través de las unidades de accionamiento 12 asociadas al dispositivo de detección 13, se puede determinar la torsión estructural, en particular, la flexión y torsión en la torre de la grúa y en la pluma de la grúa, en donde la unidad informática 11 utiliza un modelo informático que considera las rigideces estructurales, tal como se explicó anteriormente.

Usando los datos de movimiento emulados mencionados y los datos de deformación determinados a partir de ellos, el dispositivo de control de movimiento 24 controla el dispositivo de accionamiento 8 de la plataforma de movimiento 7 para mover el puesto de control 2 y simular los movimientos reales de la cabina del operador de grúa que ocurrirían en una grúa real al introducir los correspondientes comandos de control.

Por otro lado, los datos de movimiento mencionados y eventualmente también los datos de deformación mencionados se utilizan para considerar las reacciones de la grúa en una representación virtual, que se genera mediante un módulo de simulación gráfica 9 y se muestra en un dispositivo de visualización 3. La representación virtual mencionada muestra particularmente el entorno de la grúa y los componentes visibles de la grúa, como la pluma de la grúa y el gancho de carga, y puede corresponder esencialmente a la imagen que vería un conductor de grúa desde la cabina del conductor de la grúa. Dicha representación virtual puede presentar la forma de una imagen digital similar a una foto o película, por ejemplo, una representación pixelada en múltiples colores. Alternativamente, sin embargo, también se puede proporcionar una representación gráfica simplificada, aunque se prefiere una imagen de representación que sea lo más realista posible, similar a una fotografía o una película.

De manera ventajosamente, la representación virtual mencionada del entorno de la grúa y de los componentes de la grúa visibles allí se superpone con una imagen en directo que muestra los componentes reales del puesto de control 2, en particular, los componentes visibles desde la cabeza del usuario del simulador en su línea de visión, tales como, por ejemplo, los medio de entrada 18, las manos y el antebrazo del usuario y otros componentes presentes en el campo visual.

Para ello, está prevista ventajosamente una cámara 16, que puede estar configurada como una cámara de cabeza que puede portarse en la cabeza del usuario y puede presentar medios de fijación y/o sujeción adecuados para la fijación a la cabeza, por ejemplo, en forma de un cámara de casco Cuando el dispositivo de visualización 3 está configurado ventajosamente en forma de gafas de realidad virtual 4 que el usuario porta, la cámara 16 puede integrarse en estas gafas de realidad virtual.

La cámara 16 está diseñada ventajosamente como una cámara estereoscópica para poder proporcionar imágenes estereoscópicas correspondientes a los ejes de visión de los dos ojos del usuario.

El dispositivo de superposición 17 para superponer la representación virtual del entorno de la grúa generada por el módulo de simulación gráfica 9 y la imagen en directo de la cámara 16 puede comprender, en particular, un módulo de procesamiento de imágenes basado en colores 26 que puede funcionar de acuerdo con la así llamada como técnica croma (también conocida como técnica de pantalla verde). En particular, el mencionado módulo de procesamiento de imágenes basado en colores 26 puede reconocer áreas de imagen en la imagen en directo de la cámara 16 que presentan un color específico que difiere de las áreas de imagen parcial restantes, y después reemplazar estas áreas de imagen con la representación virtual del módulo de simulación 9.

Para ello, el puesto de control 2 puede comprender ventajosamente una pared de la cabina del conductor 22 en la cual las áreas de ventana 23, por ejemplo, correspondientes a las mirillas de una cabina de conductor de grúa real, están coloreadas en un color clave que difiere lo más claramente posible de los colores restantes de los otros componentes en el campo de visión de la cámara, como, por ejemplo, el color de los marcos de las ventanas, de los medios de entrada 18 y del color de la ropa y la piel del operador, de modo que la imagen en directo grabada en el puesto de control 2 muestra las áreas coloreadas mencionadas en una reproducción de color específica, mientras que todas las demás áreas de la imagen se muestran en otros colores. Las áreas de imagen en vivo o áreas parciales coloreadas en el color clave mencionado, por ejemplo, verde, se reemplazan después por la representación virtual del entorno de la máquina y/o los componentes de la máquina visibles en él, que es generada por el módulo de simulación gráfica 9, de modo que la imagen superpuesta o la representación superpuesta muestra, por un lado, el puesto de control 2 del simulador, cuyos componentes y extremidades del usuario ubicados en el campo de visión de la cámara en directo se muestran realmente como una imagen en vivo y, por otro lado, muestra la representación virtual del entorno de la máquina y los componentes de la máquina visibles en las áreas de ventana 23 de la pared de la cabina del conductor 22 registrados por la cámara en directo 16.

Dicha representación virtual del entorno de la máquina puede cambiarse ventajosamente mediante el módulo de simulación gráfica y adaptarse a diferentes escenarios dependiendo de diferentes conjuntos de datos que pueden importarse al módulo de simulación a través de una interfaz. En particular, los datos de planificación, como los datos CAD de un edificio que se va a construir y/o los datos reales del sitio de construcción y/o los datos de imagen, que, dependiendo del progreso de la construcción, reflejan el estado real de un edificio o estructura que se está construyendo, pueden ser transmitidos a través de una correspondiente interfaz de datos, por ejemplo, una interfaz CAD y/o una interfaz de datos de imagen, se importan al módulo de simulación 9 y el módulo de simulación 9 los utiliza para generar o adaptar la representación virtual del entorno de la máquina de acuerdo con los datos importados establecidos, en particular, en función de los datos de planificación importados y/o los datos reales del sitio de construcción.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Simulador para una grúa con:

un puesto de control (2) que presenta al menos un medio de entrada (18) para la carga de comandos de control;

un módulo de simulación gráfica (9) para el cálculo de una representación virtual del entorno de la máquina y componentes visibles de la máquina desde el puesto de control (2), así como un dispositivo de visualización (3) para mostrar la representación virtual calculada, en donde

un módulo de simulación de movimiento (10) que está diseñado para, dependiendo de los comandos de control de entrada, proporcionar movimientos y deformaciones de los componentes de la máquina, incluidos las plumas de la grúa y los ganchos de carga;

el módulo de simulación gráfica (9) está diseñado para calcular la representación virtual en función de los movimientos y/o deformaciones determinadas;

el puesto de control (2) está montado de forma móvil, y se proporciona un dispositivo de accionamiento (8) para mover el puesto de control (2) en función de los movimientos y/o deformaciones determinadas por el módulo de simulación de movimiento (10);

caracterizado porque

en el puesto de control (2) está provista una cámara (16) de captura de imágenes en directo y al, por lo menos un, dispositivo de visualización (3) se le asigna un dispositivo de superposición (17) que está proporcionado en el dispositivo de visualización (3) para superponer la representación virtual generada por el módulo de simulación gráfica (9) con la representación virtual generada por la imagen en directo proporcionada por la cámara (16);

el puesto de control (2) comprende una pared de la cabina del conductor, en la cual se conforman ventanas de visualización, en donde dichas ventanas se colorean de un color específico, en donde el módulo de simulación gráfica (9) y/o el dispositivo de superposición (17) presenta una unidad de visualización sensible al color para mostrar la representación virtual en las áreas de imagen de la imagen en directo proporcionada por la cámara (16), que están coloreadas con el color específico antes mencionado;

y el puesto de control (2) está montado sobre una plataforma de movimiento (7) prevista debajo del puesto de control, en la cual está integrado el dispositivo de accionamiento (8), en donde el puesto de control está montado de modo que pueda moverse en múltiples ejes y el dispositivo de accionamiento comprende al menos un eje de rotación vertical y al menos un eje de abatimiento horizontal y dos ejes de traslación alineados horizontalmente.

2. Simulador según la reivindicación precedente, en donde la cámara (16) presenta un soporte de cabeza para portar la cámara sobre la cabeza del usuario del simulador y/o porque está configurada como una cámara de cabeza y/o de casco, en particular, como cámara estereoscópica para proporcionar imágenes estereoscópicas, al menos aproximadamente, en la línea de visión del usuario del simulador.

3. Simulador según una de las reivindicaciones precedentes, en donde el, al menos un, dispositivo de visualización (3) presenta un soporte para la cabeza para portar sobre la cabeza del usuario del simulador y/o está configurado como gafas de visualización, en particular, en forma de gafas de realidad virtual con una cámara integrada (16).

4. Simulador según una de las reivindicaciones precedentes, en donde está previsto un enlace de comunicaciones para transmitir comandos de control cargados en el puesto de control (2) a una grúa y recibir parámetros de movimiento y señales de sensores registradas en la grúa; en donde el módulo gráfico de simulación (9) está diseñado para adaptar la representación virtual del entorno de la máquina en función de los parámetros de movimiento y de las señales del sensor recibidas por la grúa a través del enlace de comunicaciones.

5. Simulador según una de las reivindicaciones precedentes, en donde el módulo de simulación gráfica (9) presenta una interfaz de datos para importar datos geométricos de un edificio y datos reales del sitio de construcción, que reflejan el estado real del edificio en función del progreso de la construcción, así como, un dispositivo de procesamiento de imágenes que está diseñado para adaptar la representación virtual del entorno de la máquina en función de los datos geométricos importados de la estructura y los datos reales del sitio de construcción importados.

6. Simulador según la reivindicación precedente, en donde dicha interfaz de datos consiste en una interfaz CAD y el dispositivo de procesamiento de imágenes está diseñado para generar y/o adaptar la representación virtual del entorno de la máquina en función de los datos CAD importados a través de la interfaz CAD, y/o una interfaz de datos de imágenes y el dispositivo de procesamiento de imágenes está diseñado para generar y/o adaptar la representación virtual del entorno de la máquina en función de los datos de imagen preferentemente digitales importados a través de la interfaz de datos de imagen.

7. Simulador según una de las reivindicaciones precedente, en donde el módulo de simulación de movimiento (10) presenta un dispositivo de determinación para determinar deformaciones de componentes estructurales de la máquina a simular en función de comandos de control cargados en el puesto de control (2); en donde dicho dispositivo de determinación presenta una unidad informática (11) para calcular las deformaciones en base a un modelo de deformación almacenado de los componentes estructurales.

8. Simulador según la reivindicación precedente, en donde el módulo de simulación gráfica (9) está diseñado para generar la representación virtual en función de las deformaciones calculadas de los componentes estructurales y/o está proporcionado un dispositivo de control para controlar el dispositivo de accionamiento (8) en función de las deformaciones calculadas de los componentes estructurales.

9. Simulador según una de las reivindicaciones precedentes, en donde el módulo de simulación de movimiento (10) comprende un dispositivo de emulación de datos (19) para emular datos de movimiento de la máquina a simular, en donde dicho dispositivo de emulación de datos (19) comprende al menos un componente actuador para ejecutar un movimiento del actuador en función de un comando de control cargado en el puesto de control (2), así como, un dispositivo de detección para detectar dicho movimiento del actuador y proporcionar una correspondiente señal de movimiento.

10. Simulador según la reivindicación precedente, en donde el dispositivo de emulación de datos (19) comprende al menos una unidad de accionamiento (12) para la ejecución de los movimientos del actuador en función de los comandos de control cargados en el puesto de control (2) y un dispositivo de detección (13) para la detección de los movimientos de la unidad de accionamiento (12) y la provisión de una señal de movimiento y/o de posición, en donde el módulo de simulación de movimiento (10) presenta al menos:

• otra unidad de accionamiento (14) para la provisión de un par de carga y/o una contracarga, en donde dicha unidad de accionamiento adicional (14) se puede acoplar con la unidad de accionamiento antes mencionada (12);

• un componente de control de potencia, en particular, en forma de un convertidor de frecuencia (15), para el control de la, al menos una, unidad de accionamiento (12); y

• el armario de control y/o la unidad de control que corresponde o imita el armario de control y/o la unidad de control de la máquina a simular.

11. Uso de un simulador según una de las reivindicaciones precedentes como dispositivo de control remoto para el control a distancia de una grúa, en donde entre la grúa por un lado y el simulador (1) por otro lado está proporcionado un enlace de comunicaciones a través del cual los comandos de control ingresados a través de la conexión en el puesto de control (2) del simulador (1) se pueden transmitir al dispositivo de control de la grúa.

12. Sistema que comprende un simulador (1), que está diseñado según una de las reivindicaciones 1-10, así como una grúa, en donde entre la grúa por un lado y el simulador (1) por otro lado está proporcionado un enlace de comunicaciones a través del cual los comandos de control ingresados a través de la conexión en el puesto de control (2) del simulador (1) se pueden transmitir al dispositivo de control de la grúa.