IT201800006471A1 - METHOD AND DEVICE FOR CHECKING THE DIGGING DEPTH OF AN EXCAVATOR. - Google Patents
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Description
METODO E DISPOSITIVO PER IL CONTROLLO DELLA PROFONDITÀ DI SCAVO DI UN ESCAVATORE METHOD AND DEVICE FOR CHECKING THE DIGGING DEPTH OF AN EXCAVATOR
DESCRIZIONE DELL'INVENZIONE DESCRIPTION OF THE INVENTION
La presente invenzione si inquadra nel settore tecnico concernente le macchine per l’edilizia e per la movimentazione di terra ed in particolare si riferisce ad un metodo e dispositivo di controllo della profondità di scavo di un escavatore. Nel documento EP 1 186 720 viene descritto un dispositivo di monitoraggio della profondità di scavo, associato ad un escavatore, dotato di un’unità di controllo e di sensori angolari in grado di inviare valori proporzionali alle variazioni angolari dei relativi bracci mutuamente articolati e della collegata benna dell’escavatore. The present invention is part of the technical sector concerning construction and earth moving machinery and in particular it refers to a method and device for controlling the excavation depth of an excavator. Document EP 1 186 720 describes a device for monitoring the excavation depth, associated with an excavator, equipped with a control unit and angular sensors capable of sending values proportional to the angular variations of the relative mutually articulated arms and of the connected excavator bucket.
Un sensore laser, esterno al dispositivo di monitoraggio, rileva ed invia alla unità di controllo un valore corrispondente alla cosiddetta “quota zero di scavo”. L’unità di controllo confronta i valori rilevati corrispondenti alle variazioni angolari dei bracci e della benna con il valore della quota zero per determinare la quota di scavo a cui è posizionata la benna. A laser sensor, external to the monitoring device, detects and sends to the control unit a value corresponding to the so-called “zero excavation height”. The control unit compares the detected values corresponding to the angular variations of the arms and the bucket with the value of the zero altitude to determine the excavation altitude at which the bucket is positioned.
Tale quota di scavo è visualizzata su un visore affinché un operatore ne possa fare un uso proficuo. This excavation height is displayed on a viewer for an operator to make profitable use of.
Il principale svantaggio del dispositivo di controllo noto consiste nel fatto che il dispositivo laser risulta separato dal dispositivo di monitoraggio stesso, risulta ingombrante e di difficile fruizione oltre che richiedere spesso l’impiego di un operatore dedicato. The main disadvantage of the known control device consists in the fact that the laser device is separated from the monitoring device itself, it is bulky and difficult to use as well as often requiring the use of a dedicated operator.
Lo scopo principale della presente invenzione è quello di proporre un metodo ed un dispositivo di controllo della profondità di scavo di un escavatore in grado di rilevare in maniera autonoma la quota zero di scavo, cioè quella di partenza, e conseguentemente rilevare la profondità istantanea dello scavo eseguito. Altro scopo è quello di proporre un dispositivo di facile installazione, con costo ridotto dei sensori e che permetta di sfruttare mezzi di visualizzazione ed elaborazione di uso comune e di ridotto ingombro. The main purpose of the present invention is to propose a method and a device for controlling the excavation depth of an excavator capable of autonomously detecting the zero excavation height, i.e. the starting point, and consequently detecting the instantaneous depth of the excavation. performed. Another object is to propose a device which is easy to install, with reduced cost of the sensors and which allows to take advantage of commonly used display and processing means and of reduced bulk.
Le caratteristiche dell'invenzione sono nel seguito evidenziate con particolare riferimento agli allegati disegni in cui: The characteristics of the invention are highlighted below with particular reference to the attached drawings in which:
- fa figura 1 illustra una vista schematica del dispositivo di monitoraggio della profondità di una benna di un escavatore; Figure 1 illustrates a schematic view of the depth monitoring device of an excavator bucket;
- la figura 2 illustra il dispositivo di figura 1 in una condizione iniziale di determinazione della quota zero dello scavo e sono illustrate tratteggiate, in cui sono asportate delle parti per meglio evidenziarne altre, la posizione della benna in una condizione intermedia ed in una finale di determinazione di tale quota zero; - figure 2 illustrates the device of figure 1 in an initial condition for determining the zero height of the excavation and illustrated by broken lines, in which parts are removed to better highlight others, the position of the bucket in an intermediate and final condition of determination of this zero share;
- la figura 3 illustra il dispositivo di figura 1 in una condizione di scavo. Figure 3 illustrates the device of Figure 1 in an excavated condition.
Con riferimento alle figure da 1 a 3, con 1 viene indicato il dispositivo oggetto della presente invenzione che viene associato ad un escavatore 2 per determinare in maniera automatica la profondità desiderata di uno scavo. With reference to Figures 1 to 3, 1 indicates the device object of the present invention which is associated with an excavator 2 to automatically determine the desired depth of an excavation.
L’escavatore 2 essenzialmente comprende i seguenti elementi direttamente inerenti alla presente invenzione: The excavator 2 essentially comprises the following elements directly related to the present invention:
- un primo braccio 3 avente una prima lunghezza L1 e che è incernierato, ad una sua estremità al telaio 15 dell’escavatore 2, in una prima cerniera 11 posta ad una prima distanza D1 dal suolo su cui scorre un treno di movimentazione 16, costituito da cingoli o ruote, dell’escavatore stesso; - un secondo braccio 4 avente una seconda lunghezza L2 e che è incernierato, ad una sua estremità alla restante estremità del primo braccio 3, in una seconda cerniera 12; - a first arm 3 having a first length L1 and which is hinged, at one of its ends to the frame 15 of the excavator 2, in a first hinge 11 located at a first distance D1 from the ground on which a movement train 16 runs, consisting of from tracks or wheels, of the excavator itself; - a second arm 4 having a second length L2 and which is hinged, at one end thereof, to the remaining end of the first arm 3, in a second hinge 12;
- una benna 5, atta a raccogliere porzioni di suolo, incernierata alla restante estremità del secondo braccio 4 tramite una terza cerniera 13 il cui asse è posto ad una seconda distanza D2 dal bordo di scavo 10 della benna 5; - a bucket 5, adapted to collect portions of soil, hinged to the remaining end of the second arm 4 by means of a third hinge 13 whose axis is placed at a second distance D2 from the excavation edge 10 of the bucket 5;
- un primo sensore angolare 6 associato al primo braccio 3; - a first angular sensor 6 associated with the first arm 3;
- un secondo sensore angolare 7 associato al secondo braccio 4; - a second angular sensor 7 associated with the second arm 4;
- un’unità centrale 8, a cui sono collegati i sensori, primo 6 e secondo 7; - a central unit 8, to which the first 6 and second 7 sensors are connected;
- un visore 9 collegato all’unità centrale 8, ad esempio del tipo touch per la visualizzazione ed immissione di dati. - a viewer 9 connected to the central unit 8, for example of the touch type for viewing and entering data.
I bracci, primo 3 e secondo 4, e la benna 5 sono movimentati attorno alle cerniere, prima 11, seconda 12 e terza 13 tramite relativi pistoni idraulici 17. Dalla geometria è noto come a partire dalla conoscenza dei parametri dimensionali della benna 5, dei bracci 3, 4 e dell’angolo zenitale di questi ultimi, sia possibile calcolare istante per istante la posizione e l’orientamento della benna 5. Tale problematica viene identificata in campo robotico come problema cinematico diretto. The arms, first 3 and second 4, and the bucket 5 are moved around the hinges, first 11, second 12 and third 13 by relative hydraulic pistons 17. From the geometry it is known how starting from the knowledge of the dimensional parameters of the bucket 5, of the arms 3, 4 and the zenith angle of the latter, it is possible to calculate instant by instant the position and orientation of the bucket 5. This problem is identified in the robotic field as a direct kinematic problem.
Gli angoli di giunto sono variabili e dipendenti dall’estensione dei pistoni idraulici 17 che azionano i rispettivi bracci 3, 4. Tali angoli vengono misurati dai sensori, primo 6 e secondo 7, ad esempio di tipo inerziale IMU o altra tipologia di sensore angolare assoluto ovvero in grado di fornire l’angolo di altezza azimutale od il suo reciproco. The joint angles are variable and dependent on the extension of the hydraulic pistons 17 which operate the respective arms 3, 4. These angles are measured by the sensors, first 6 and second 7, for example of the inertial type IMU or other type of absolute angle sensor that is, capable of providing the azimuthal height angle or its reciprocal.
Questi sensori, primo 6 e secondo 7 rappresentano una soluzione di massima flessibilità, in quanto forniscono l’orientamento di ciascun sensore 6, 7 rispetto ad un sistema di riferimento inerziale terrestre. These sensors, first 6 and second 7 represent a solution of maximum flexibility, as they provide the orientation of each sensor 6, 7 with respect to a terrestrial inertial reference system.
Ciò consente di posizionare i sensori 6, 7 in qualsiasi punto dei bracci 3, 4 e della benna 5 e non necessariamente in corrispondenza del giunto di rotazione o cerniera evitando così di collocare lo strumento di misurazione tra due organi in movimento, semplificando enormemente l’installazione, l’affidabilità e l’adattabilità consentendo infatti l’implementazione successiva e quindi l’installazione del dispositivo di controllo 1 in qualsiasi momento della vita dell’escavatore 2. This allows to position the sensors 6, 7 in any point of the arms 3, 4 and of the bucket 5 and not necessarily in correspondence with the rotation joint or hinge thus avoiding to place the measuring instrument between two moving parts, greatly simplifying the installation, reliability and adaptability allowing the subsequent implementation and therefore the installation of the control device 1 at any time in the life of the excavator 2.
I sensori angolari, primo 6 e secondo 7, sono fissati all’escavatore 2 tramite mezzi di fissaggio, ad esempio staffe, fascette, od anche per incollaggio o mezzi amovibili di fissaggio. The angle sensors, first 6 and second 7, are fixed to the excavator 2 by means of fixing, for example brackets, clamps, or also by gluing or removable fixing means.
I sensori, primo 6 e secondo 7, sono alimentati direttamente dall’escavatore 2 tramite cablaggi dedicati o sono di tipo autoalimentato. The sensors, first 6 and second 7, are powered directly by the excavator 2 through dedicated wiring or are self-powered.
In un escavatore 2 avente rotazione assiale del telaio 15 rispetto al treno di movimentazione 16, un sensore di orientamento 18, fissato al telaio 15 (od anche al treno movimentazione 16), è collegato all’unità centrale 8 ed è destinato a misurare l’angolo di rotazione tra il treno di movimentazione 16 ed il telaio 15 o porzione di supporto. In an excavator 2 having axial rotation of the frame 15 with respect to the movement train 16, an orientation sensor 18, fixed to the frame 15 (or also to the movement train 16), is connected to the central unit 8 and is intended to measure the angle of rotation between the drive train 16 and the frame 15 or support portion.
Il valore di tale angolo di rotazione è inviato all’unità centrale 8 che lo elabora e trasmette al visore 9 per consentire all’operatore di riportare la benna 5 nella posizione di scavo, ad esempio dopo una rotazione laterale per lo scarico del materiale asportato dal suolo. The value of this angle of rotation is sent to the central unit 8 which processes it and transmits it to the viewer 9 to allow the operator to return the bucket 5 to the excavation position, for example after a lateral rotation to unload the material removed from the soil.
Il dispositivo 1 comprende quindi i sensori angolari, primo 6 e secondo 7, l’unità centrale 8 ed il visore 9 che sono mutuamente collegati e rispettivamente rilevano, elaborano e visualizzano dati al fine di determinare dapprima una quota zero Q dello scavo, normalmente la quota del suolo, e quindi il raggiungimento di una profondità P di scavo durante una condizione di scavo S. Il funzionamento del dispositivo 1 prevede quindi che l’unità centrale 8 acquisisca i dati principali dell’escavatore 2 corrispondenti alla prima distanza D1, alla prima lunghezza L1, alla seconda lunghezza L2 ed alla seconda distanza D2. Tali dati possono essere immessi manualmente dall’utente attraverso il visore 9 o tramite altro supporto informatico del tipo chiavetta USB o via Wi-Fi o via Bluetooth. The device 1 therefore comprises the angle sensors, first 6 and second 7, the central unit 8 and the viewer 9 which are mutually connected and respectively detect, process and display data in order to first determine a zero level Q of the excavation, normally the height of the ground, and therefore the reaching of an excavation depth P during an excavation condition S. The operation of the device 1 therefore provides that the central unit 8 acquires the main data of the excavator 2 corresponding to the first distance D1, to the first length L1, at the second length L2 and at the second distance D2. These data can be entered manually by the user through the viewer 9 or through other IT support such as a USB key or via Wi-Fi or via Bluetooth.
Quindi l’unità centrale 8 acquisisce dei valori iniziali provenienti dal primo sensore 6 e dal secondo sensore 7 che corrispondono alle disposizioni angolari rispettivamente del primo braccio 3 e del secondo braccio 4, ad esempio rispetto alla verticale, almeno in corrispondenza di una condizione iniziale C1, una condizione intermedia C2 ed una condizione finale C3 in cui rispettivamente la benna 5 viene posizionata sul suolo e quindi viene movimentata sul suolo per un determinato tratto T di quest’ultimo ed infine è arrestata sul suolo, sempre mantenendo la terza cerniera 13 pressoché costantemente alla seconda distanza D2 dal suolo. In altre parole l’operatore, facendo scorrere parallelamente al ed in appoggio sul suolo il bordo di scavo 10 della benna 5, permette all’unità centrale 8 di attivare la procedura di calibratura e di determinazione della quota zero Q di scavo da cui verrà conteggiata la desiderata profondità P dello scavo. Then the central unit 8 acquires initial values from the first sensor 6 and from the second sensor 7 which correspond to the angular arrangements of the first arm 3 and the second arm 4 respectively, for example with respect to the vertical, at least in correspondence with an initial condition C1 , an intermediate condition C2 and a final condition C3 in which respectively the bucket 5 is positioned on the ground and then is moved on the ground for a determined section T of the latter and finally it is stopped on the ground, always keeping the third hinge 13 almost constantly at the second distance D2 from the ground. In other words, the operator, by sliding the excavation edge 10 of the bucket 5 parallel to and resting on the ground, allows the central unit 8 to activate the procedure for calibrating and determining the zero excavation height Q from which it will be counted. the desired depth P of the excavation.
L’unità centrale 8 interpola i valori iniziali al fine di correlarli con i dati principali delle distanze D1 e D2 e delle lunghezze L1 ed L2 per determinare la quota zero di scavo Q. The central unit 8 interpolates the initial values in order to correlate them with the main data of the distances D1 and D2 and of the lengths L1 and L2 to determine the zero excavation height Q.
In una condizione di scavo S in cui l’operatore azione la benna 5 tramite i bracci 3, 4 i sensori, primo 6 e secondo 7, inviano in continuo all’unità centrale 8 i valori angolari corrispondenti alle disposizioni angolari rispettivamente del primo braccio 3 e del secondo braccio 4. Quindi l’unità centrale 8 può integrare continuamente i valori iniziali ed i valori continui provenienti dai sensori, primo 6 e secondo 7, con i dati principali dell’escavatore 2 finché rileva che la benna 5 ha raggiunto una profondità di scavo P uguale a quella prefissata calcolata dalla quota zero Q di scavo. A tale punto il dispositivo 1 ha raggiunto lo scopo di informare l’operatore dell’escavatore del raggiungimento della desiderata profondità di scavo P. In an excavation condition S in which the operator operates the bucket 5 through the arms 3, 4 the sensors, first 6 and second 7, continuously send to the central unit 8 the angular values corresponding to the angular arrangements respectively of the first arm 3 and of the second arm 4. Then the central unit 8 can continuously integrate the initial values and the continuous values coming from the sensors, first 6 and second 7, with the main data of the excavator 2 until it detects that the bucket 5 has reached a depth of excavation P equal to the predetermined one calculated from the zero excavation height Q. At this point the device 1 has achieved the purpose of informing the excavator operator of the achievement of the desired excavation depth P.
Da ultimo l’unità centrale 8 invia, anche continuamente e non solo al raggiungimento della profondità P, al visore 9 il valore della quota Q di scavo, in particolare la desiderata profondità P dello scavo al suo raggiungimento. Finally, the central unit 8 sends, even continuously and not only upon reaching depth P, the value of the excavation quota Q to the viewer 9, in particular the desired depth P of the excavation upon reaching it.
Rimane inteso che sul visore 9 possono essere visualizzati, anche con continuità, dati, valori e parametri che si dovessero rendere necessari all’operatore dell’escavatore 2. It is understood that the viewer 9 can display, even continuously, data, values and parameters that may be necessary for the operator of the excavator 2.
I sensori, primo 6 e secondo 7, e l’unità centrale 8 e/o il visore 9 comunicano tramite wireless, preferibilmente con sistemi Bluetooth, WIFI o simili. The sensors, first 6 and second 7, and the central unit 8 and / or the viewer 9 communicate via wireless, preferably with Bluetooth, WIFI or similar systems.
Il visore 9 è un dispositivo mobile del tipo tablet, smartphone e simili, dotato di collegamento wireless, preferibilmente tramite sistemi Bluetooth, WIFI o simili, per colloquiare con l’unità centrale 8. The viewer 9 is a mobile device such as a tablet, smartphone and the like, equipped with a wireless connection, preferably via Bluetooth, WIFI or similar systems, to communicate with the central unit 8.
Il visore 9 e l’unità centrale 8 sono integrati in un unico dispositivo mobile del tipo tablet, smartphone, o simili. The viewer 9 and the central unit 8 are integrated into a single mobile device such as a tablet, smartphone, or the like.
Una variante del dispositivo 1 prevede che nel primo braccio 3 o nel secondo braccio 4 o in entrambi, sia inserita una prolunga telescopica 19, illustrata ad esempio in tratteggio in figura 1 sul secondo braccio 4, a cui è associato un sensore di lunghezza 14 collegato all’unità centrale 8 per inviare il valore di allungamento della porzione telescopica 19 al fine di determinare correttamente la lunghezza, prima L1 o seconda L2. A variant of the device 1 provides that in the first arm 3 or in the second arm 4 or in both, a telescopic extension 19 is inserted, illustrated for example in broken lines in Figure 1 on the second arm 4, to which a connected length sensor 14 is associated to the central unit 8 to send the elongation value of the telescopic portion 19 in order to correctly determine the length, first L1 or second L2.
L’invenzione si riferisce altresì ad un metodo per determinare e controllare la profondità P di scavo di un escavatore 2 dotato degli elementi essenziali descritti precedentemente. The invention also refers to a method for determining and controlling the excavation depth P of an excavator 2 equipped with the essential elements described above.
In particolare il metodo prevede i passi fondamentali di acquisire dapprima i dati principali dell’escavatore 2, quindi i valori iniziali dei sensori, primo 6 e secondo 7, in corrispondenza della determinazione della quota zero Q di scavo ed infine i valori continui dai sensori, primo 6 e secondo 7, fino al raggiungimento della desiderata profondità P di scavo. In particular, the method involves the fundamental steps of acquiring first the main data of the excavator 2, then the initial values of the sensors, first 6 and second 7, in correspondence with the determination of the zero Q excavation height and finally the continuous values from the sensors, first 6 and second 7, until the desired excavation depth P is reached.
Le principali fasi del metodo sono quindi di: The main steps of the method are therefore:
- acquisire nell’unità centrale 8 i dati principali dell’escavatore 2 corrispondenti alla prima distanza D1, alla prima lunghezza L1, alla seconda lunghezza L2 ed alla seconda distanza D2; - acquire in the central unit 8 the main data of the excavator 2 corresponding to the first distance D1, the first length L1, the second length L2 and the second distance D2;
- posizionare il bordo di scavo 10 della benna 5 sul terreno da scavare cosicché la terza cerniera 13 si trovi alla seconda distanza D2 dal suolo; - positioning the excavation edge 10 of the bucket 5 on the ground to be excavated so that the third hinge 13 is at the second distance D2 from the ground;
- acquisire nell’unità centrale 8 i valori iniziali dal primo sensore 6 e dal secondo sensore 7 corrispondenti alle disposizioni angolari rispettivamente del primo braccio 3 e del secondo braccio 4 almeno in corrispondenza della condizione iniziale C1, della condizione intermedia C2 e della condizione finale C3 in cui rispettivamente la benna 5 è posizionata sul suolo, movimentata sul suolo per un determinato tratto T ed arrestata sul suolo al termine del tratto T, sempre mantenendo la terza cerniera 13 pressoché costantemente alla seconda distanza D2 dal suolo; - acquire in the central unit 8 the initial values from the first sensor 6 and from the second sensor 7 corresponding to the angular arrangements respectively of the first arm 3 and of the second arm 4 at least in correspondence with the initial condition C1, the intermediate condition C2 and the final condition C3 in which the bucket 5 is respectively positioned on the ground, moved on the ground for a determined portion T and stopped on the ground at the end of the portion T, always keeping the third hinge 13 almost constantly at the second distance D2 from the ground;
- interpolare nell’unità centrale 8 tali valori iniziali al fine di correlarli con i dati principali per determinare la quota zero di scavo Q; - interpolate these initial values in the central unit 8 in order to correlate them with the main data to determine the zero excavation height Q;
- acquisire nell’unità centrale 8 i valori continui dai sensori, primo 6 e secondo 7, corrispondenti alle disposizioni angolari rispettivamente del primo braccio 3 e del secondo braccio 4 in corrispondenza della condizione di scavo S; - integrare nell’unità centrale 8 continuamente i valori iniziali ed i valori continui con i dati principali dell’escavatore 2 fino a calcolare un valore di profondità della benna 5 uguale alla desiderata profondità P di scavo che viene visualizzata sul visore 9, anche assieme ai dati e valori via via elaborati dall’unità centrale 8. - acquire in the central unit 8 the continuous values from the sensors, first 6 and second 7, corresponding to the angular arrangements of the first arm 3 and the second arm 4 respectively in correspondence with the excavation condition S; - continuously integrate in the central unit 8 the initial values and the continuous values with the main data of the excavator 2 until calculating a depth value of the bucket 5 equal to the desired excavation depth P which is displayed on the display 9, also together with the data and values gradually processed by the central unit 8.
Il metodo prevede di trasmettere i dati principali, i valori iniziali ed i valori continui tra i sensori, primo 6 e secondo 7, e l’unità centrale 8 e/o tra quest’ultima ed il visore 9 tramite wireless, preferibilmente con sistemi Bluetooth, WIFI o simili. The method involves transmitting the main data, the initial values and the continuous values between the sensors, first 6 and second 7, and the central unit 8 and / or between the latter and the viewer 9 via wireless, preferably with Bluetooth systems. , WIFI or similar.
Il vantaggio principale dell’invenzione è quello di fornire un metodo ed un dispositivo di controllo della profondità di scavo di un escavatore in grado di rilevare in maniera autonoma la quota zero di scavo e di rilevare la profondità istantanea dello scavo eseguito rispetto a questa quota zero. The main advantage of the invention is to provide a method and a device for controlling the excavation depth of an excavator capable of autonomously detecting the zero excavation level and detecting the instantaneous depth of the excavation performed with respect to this zero level. .
Altro vantaggio è quello di fornire un dispositivo di facile installazione, con costo ridotto dei sensori e che permetta di sfruttare mezzi di visualizzazione e di elaborazione di uso comune e con ridotto ingombro. Another advantage is that of providing a device which is easy to install, with a reduced cost of the sensors and which allows to exploit commonly used display and processing means with reduced overall dimensions.
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