WO1997046767A1 - Verfahren und anordnung zur überwachung des arbeitsbereiches beim bewegen eines fortbewegbaren arbeitsgerätes - Google Patents

Verfahren und anordnung zur überwachung des arbeitsbereiches beim bewegen eines fortbewegbaren arbeitsgerätes Download PDF

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WO1997046767A1
WO1997046767A1 PCT/DE1997/000847 DE9700847W WO9746767A1 WO 1997046767 A1 WO1997046767 A1 WO 1997046767A1 DE 9700847 W DE9700847 W DE 9700847W WO 9746767 A1 WO9746767 A1 WO 9746767A1
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azu
working
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Inventor
Uwe Wienkop
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Siemens Aktiengesellschaft
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Classifications

    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02F—DREDGING; SOIL-SHIFTING
    • E02F3/00—Dredgers; Soil-shifting machines
    • E02F3/04—Dredgers; Soil-shifting machines mechanically-driven
    • E02F3/28—Dredgers; Soil-shifting machines mechanically-driven with digging tools mounted on a dipper- or bucket-arm, i.e. there is either one arm or a pair of arms, e.g. dippers, buckets
    • E02F3/36—Component parts
    • E02F3/42—Drives for dippers, buckets, dipper-arms or bucket-arms
    • E02F3/43—Control of dipper or bucket position; Control of sequence of drive operations
    • E02F3/435—Control of dipper or bucket position; Control of sequence of drive operations for dipper-arms, backhoes or the like
    • E02F3/437—Control of dipper or bucket position; Control of sequence of drive operations for dipper-arms, backhoes or the like providing automatic sequences of movements, e.g. linear excavation, keeping dipper angle constant

Definitions

  • the object on which the invention is based is therefore to specify a further arrangement and a further method by means of which it is possible to monitor the working area of a mobile working device.
  • a particular advantage of the method according to the invention is that an exact position determination of the device is possible with the help of a global positioning system and that a defined work area for an implement can be monitored in a simple manner by specifying a work area.
  • a signal can preferably be triggered which, for example, causes the control of the device to slow down or stop the movements.
  • An alarm can preferably also be triggered for a human operator of this device, which then signals to the user that this may can collide with an obstacle that is in the vicinity of the work area.
  • the movements of attachments attached to the implement are also monitored particularly advantageously, in order to be able to determine whether a boom or another movable part which is attached to the implement threatens to leave the work area.
  • it can preferably be provided that the movements of the boom are automatically limited to the specified work area.
  • the data required for evaluating the position and location of the device and its attachments are preferably output and evaluated by angle sensors or similar sensors provided on the device for control measures. Collisions with obstacles can preferably be avoided by the method according to the invention by defining the work area in such a way that it does not contain obstacles or that it definitely circumscribes them.
  • a reference position is preferably assumed at the start of a work process, and changes in movement of the work tool and any attachments that may be present are registered, for example, by outputting signals from rotary angle sensors, so that an exact statement can be made at any point in which position the implement and any attachments intended for it are located. It can thus be ensured in a simple manner that no part of the device leaves the working area.
  • This monitoring is particularly simple if the kinematics of the device or existing add-on parts are taken into account, since the kinematics only allow certain movement processes and therefore not all theoretically conceivable movements have to be examined, but only those which are due to the kinematics of the device and its add-on parts possible are.
  • volume elements In order to facilitate automatic evaluation during the monitoring process, individual movable parts of the Work equipment and its attachments enclosed by volume elements, since a good approximation to the real state is achieved with as little computation effort as possible, and in addition the advantage is achieved that a safety distance to the boundary of the working area can be achieved in that the volume elements which circumscribe to be enlarged.
  • the work area or the permitted and permissible work volume in the form of a teach-in becomes particularly advantageous.
  • the data on the permissible work area can also be obtained particularly advantageously in the form of CAD design data, since the exact geometry of the work area or the surroundings of the building often has to be recorded anyway when building buildings or tunnels and an exact description is therefore available, which means that a teach-in procedure can be saved.
  • An arrangement for carrying out the method according to the invention particularly advantageously provides means for determining the global position and simple means for detecting movements of the implement and, in some cases, existing attachments.
  • these motion sensors are in the form of rotary angle sensors and odometers provided on a propulsion axis of the device.
  • This data is preferably related to one another by an evaluation unit and it is determined whether a predefined work area is maintained by the implement or by attachments present thereon. This condition can be particularly advantageous in the event of violations if the working area is observed, an alarm is triggered, or the control unit can influence the movements of the device, which means that the device can be stopped, or that the movements are adapted so that the outermost point of the device matches the contour of the device Work volume follows.
  • FIG. 1 shows an example of an implement in the form of an excavator.
  • FIG. 2 shows an example of an implement in a work space.
  • FIG. 1 shows an implement AG in the form of an excavator. If excavators are mentioned in the following, this should not mean that the invention is only restricted to excavators. Other land-moving devices are also conceivable in connection with the invention, or the use of agricultural devices can thus be monitored. In connection with agricultural machines, it is conceivable, for example, that during the processing of a field, it is monitored whether its boundaries are strictly observed.
  • the excavator AG shown in FIG. 1 has, for example, antennas AI and A2 with which data can be received from a global positioning system.
  • a control computer of the unit for example, the position of the excavator structure is determined to within a few centimeters.
  • axes 10 to 50 can be controlled separately by a control of the excavator. Suitable position sensors are provided on these axes, which allow the control to determine the exact position of the respective attachment parts AT.
  • excavator AG is to be used to excavate soil on a floor BO.
  • the axes 10 to 50 described allow any degree of freedom.
  • Variable parameters of the device should preferably be tes are monitored for all degrees of freedom of the excavator, so that it is known at all times in what position the excavator is and which contour the attachment AT provided, for example, assumes. It can be said about attachments AT that they cannot generally be moved as desired, since they have kinematics given by their geometry. This kinematics is indicated here, for example, by the degrees of freedom on axes 10 to 30. If a control computer or other means is to be used to check whether the implement AG or an add-on part is leaving a predefined work area, the control can use the kinematics and angle sensors or other measuring means, which are located on the corresponding axes are intended to be determined very easily which final geometry is taken up by the attachment.
  • a position of a most distant point, the far point can be determined, which is preferably to be monitored.
  • two such distant points are entered FP1 and FP2.
  • possibilities are preferably exhausted with which the position of a mobile vehicle, such as, for example, the working device AG, can be determined as precisely as possible.
  • FIG. 2 shows the working device AG from FIG. 1 in connection with a permissible working area AZU, essential parts of the working device being circumscribed by volume elements V10 to WO.
  • volume elements V10 to WO volume elements
  • the permitted working area AZU is shown here simplified as a cuboid or as a flat.
  • any three-dimensional structures are also conceivable and predeterminable.
  • a permissible work area can be entered in the form of a teach-in process, in which an operator with the implement AG and attached parts travels through the entire work area, which is to be permitted afterwards, in one learning step and thereby Existing attachments moved so that they do not violate the desired limit of the work area.
  • the movements specified in this way can be stored by a controller of the device, and in later operation when working with the device, these control positions can be compared with the currently entered control positions of the operator.
  • the current position of the working device AG also plays a role in learning, which is obtained via the global positioning system and is preferably stored in connection with each movement that is currently being carried out.
  • the control can issue an alarm signal or cause the device with its extension AT to remain in the permissible working area AZU at any time by the control automatically modifying control commands from the operator.
  • the permissible working area AZU can, for example, also be specified mvers by only explicitly marking obstacles which are to be avoided.
  • the permissible working area AZU can preferably also be entered in the form that Data from an existing CAD model of the work area are available. Here, for example, construction data are conceivable, which an architect has already entered during the measurement of the terrain and in the construction of a building or an excavation, which then only the
  • Control of the device must be communicated or supplied electronically.
  • the method according to the invention is preferably carried out cyclically.
  • a first step for example, the position and location of the device is determined using GPS receivers.
  • the orientation of the implement can preferably also be determined by comparing their positions.
  • the positional inaccuracy of 2 cm results in angular errors of approximately 0.4 ° in the case of large excavators, this inaccuracy can, however, be taken into account when warning or deregulating possible collisions.
  • the maximum inaccuracy can expand up to 12 cm at the tip of the bucket.
  • joint angles of the implement are preferably recorded, this being possible in various ways, for example using potentiometers or resolvers. It is, however, only important for the method according to the invention that the changes in movement of the implement are measured exactly and are known.
  • knowledge of the own position and the orientation of the implement, as well as the articulation angle and the dimensions of the individual elements, such as the volume elements V10 to V50 and on the basis of the kinematics of the implement, for example, can then be used its attachments the exact spatial position of the implement can be determined.
  • a collision test of each of these excavator room elements can then preferably be carried out with the specified work area.
  • a remote point FP1 can also be determined, which can be derived, for example, in a suitable manner from the kinematics of the add-on part and the implement AG. For example, this is a point which is furthest away from the working device AG. Such points are described in FIG. 1 with FP1 and FP2. If such points have been determined, it is ensured that no other points of the device can be located closer to the limit of the work area than this.
  • warning tone can be emitted, which, for example, first brakes the movement of the implement and ultimately prevents it.
  • the individual steps of the method according to the invention can be carried out cyclically in a recurring order.

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Abstract

Mit der Erfindung wird ein Verfahren und eine Anordnung bestimmt, mit welcher Arbeitsbereiche (AZU) von Baggern, Erdbewegungsmaschinen und Landwirtschaftsmaschinen überwacht werden können. Hierzu werden einzelne Teile von Arbeitsgeräten durch Volumenmodelle (V10-V70) beschrieben und am Arbeitsgerät (AG) selbst Antennen (A1, A2) für ein globales Positionierungssystem vorgesehen. In einer Steuerung des Gerätes wird anhand der Bewegungsdaten und der aktuellen Positionsdaten von Anbauteilen (AT) des Arbeitsgerätes, welche beispielsweise durch Sensoren ermittelt werden, deren exakte Raumlage ermittelt. Diese exakte Raumlage wird mit einem Arbeitsbereich (AZU) verglichen, der z.B. zuvor durch ein teach-in-Verfahren, oder durch CAD-Daten eingegeben wurde. Falls die Maschine oder ein Anbauteil (AT) droht, den Arbeitsbereich (AZU) zu verlassen, so wird die Bewegung abgestoppt verlangsamt, oder ein Alarmton ausgegeben.

Description

Beschreibung
Verfahren und Anordnung zur Überwachung des Arbeitsbereiches beim Bewegen eines fortbewegbaren Arbeitsgerätes
Im vermehrten Maße wird versucht auch außerhalb dem Ferti- gungsbereich und automatisierter Fertigungsstraßen in anderen Bereichen, in denen die Automatisierung bisher noch nicht so- weit fortgeschritten ist, ebenfalls einen höheren Grad von
Automatisierung zu erzielen. Im Zusammenhang mit Landbearbei¬ tungsgeräten, wie z. B. Traktoren, Baggern oder Erdbewegungs- maεchinen, gibt es bislang allenfalls Tendenzen zur Automati¬ sierung. Um auch in solchen Bereichen die Produktivität stei- gern zu können, erscheint es sinnvoll menschliche Bediener von unnötigen Arbeiten bzw Überwachungsaufgaben zu entla¬ sten. Ein solcher Aspekt ist beispielsweise Überwachung eines Einsatzbereiches eines solchen Arbeitsgerätes, um beispiels¬ weise beim manuellen Bedienen des Gerätes Kollisionen mit Ge- genständen in der Umgebung zuverlässig vermeiden zu können. Dieser Vorgang gestaltet sich schwierig, denn heute werden beispielsweise bei Baggern die einzelnen Achsen und der An¬ trieb des Baggers typisch manuell durch einen Gerateführer gesteuert. Hierbei ist es insbesondere in engen Arbeitsgebie- ten, wie z. B. beim Ausheben einer Baugrube zwischen zwei
Häusern, etc. leicht möglich, daß der Bagger bei Dreh- oder Fahrbewegungen gegen ein Hindernis stößt. Ein weiteres Pro¬ blem besteht darin, daß ein Anbauteil eines solchen Gerätes, wie beispielsweise eine Schaufel oder ein anderer bewegbarer Ausleger, in Kontakt mit einem Hindernis gerat und so eine Kollision herbeifuhrt.
Da der Trend für die Zukunft auch bei Baubearbeitungsmaschi- nen, Traktoren und anderen Erdbewegungsgeräten zu einem immer höheren Grad der Automatisierung führen wird, werden sich auch mit zunehmender Automatisierung immer mehr computersteu¬ erbare Servoantriebe, oder zumindest elektrisch angesteuerte Hydraulikventile durchsetzen. Um eine definierte Bewegungε- steuerung eines solchen Gerätes zu ermöglichen, sind bevor¬ zugt einzelne Achsen dieser Fahrzeuge steuerbar und vermehrt werden auch beispielsweise Winkelgeber eingesetzt, um den Steuerungen solcher Geräte definierte Angaben über die aktu¬ elle Lage und Position der Maschine und ihrer Ausleger geben zu können.
Bisher ist kein Stand der Technik bekannt, der sich mit der Überwachung des Arbeitsbereiches eines solchen mobilen Ar¬ beitsgerätes befaßt.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht deshalb darin, eine weitere Anordnung und ein weiteres Verfahren an- zugeben, mit welchen die Überwachung des Arbeitsbereiches ei¬ nes fortbewegbaren Arbeitsgerätes möglich ist.
Diese Aufgabe wird für das Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1 und für die Anordnung gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 9 gelöst.
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhangigen Ansprüchen.
Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens be¬ steht darin, daß mit Hilfe eines globalen Positionierungssy¬ stems eine genaue Positionsbestimmung des Gerätes möglich ist und daß damit in einfacher Weise nämlich durch Vorgabe eines Arbeitsbereiches ein definierter Arbeitsbereich für ein Ar- beitsgerat überwacht werden kann. Bevorzugt kann für den Fall daß der Arbeitsbereich droht von dem Gerät verlassen zu wer¬ den, ein Signal ausgelost werden, welches beispielsweise die Steuerung des Gerätes veranlaßt die Bewegungen zu verlangsa¬ men oder abzustoppen. Vorzugsweise kann auch für einen menschlichen Bediener dieses Gerätes ein Alarm ausgelöst wer¬ den, welcher dann dem Benutzer signalisiert, daß dieses mog- licherweise mit einem Hindernis kollidieren kann, welches sich in der Umgebung des Arbeitsbereiches befindet.
Besonders vorteilhaft werden auch die Bewegungen am Arbeits- gerät angebrachter Anbauteile überwacht, um so feststellen zu können ob ein Ausleger oder ein anderes bewegbares Teil, wel¬ ches am Arbeitsgerät angebracht ist droht, den Arbeitsbereich zu verlassen. Vorzugsweise kann es für diesen Fall vorgesehen sein, die Bewegungen des Auslegers automatisch auf den vorge- gebenen Arbeitsbereich zu beschränken. Die Daten, welche zur Auswertung der Position und der Lage des Gerätes und seiner Anbauteile erforderlich sind, werden bevorzugt durch am Gerät für Steuerungsmaßnahmen vorgesehene Winkelgeber oder ähnliche Sensoren abgegeben und ausgewertet. Bevorzugt können durch das erfindungsgemäße Verfahren Kollisionen mit Hindernissen vermieden werden, indem der Arbeitsbereich so definiert wird, daß er Hindernisse nicht enthält, bzw. daß er diese definitiv umschreibt.
Bevorzugt wird beim Start eines Arbeitsvorgangs eine Refe¬ renzlage eingenommen und Bewegungsveranderungen des Arbeits¬ gerätes und eventuell vorhandener Anbauteile werden bei¬ spielsweise durch Abgabe von Signalen von Drehwinkelgebern, registriert, damit zu jedem Zeitpunkt eine exakte Aussage ge- macht werden kann, in welcher Lage sich das Arbeitsgerät und eventuell daran vorgesehene Anbauteile befinden. Auf einfache Weise kann so sichergestellt werden, daß kein Teil des Gerä¬ tes den Arbeitsbereich verläßt. Besonders einfach gestaltet sich diese Überwachung, wenn die Kinematik des Gerätes bzw. vorhandener Anbauteile berücksichtigt wird, da die Kinematik nur bestimmte Bewegungsvorgänge erlaubt und somit nicht alle theoretisch denkbaren Bewegungen untersucht werden müssen, sondern nur solche, welche aufgrund der Kinematik des Gerätes und seiner Anbauteile möglich sind.
Um eine automatische Auswertung beim Uberwachungsvorgang zu erleichtern, werden bevorzugt einzelne bewegbare Teile des Arbeitsgerätes und seiner Anbauteile durch Volumenelemente umschlossen, da so mit möglichst wenig Rechenaufwand eine gu¬ te Annäherung an den Realzustand erreicht wird und zusätzlich noch der Vorteil erzielt wird, daß ein Sicherheitsabstand zu der Grenze des Arbeitsbereiches dadurch erreicht werden kann, daß die Volumenelemente, welche umschreiben vergrößert vorge¬ geben werden.
Besonders vorteilhaft wird der Arbeitsbereich, bzw. das er- laubte und zulässige Arbeitsvolumen in Form eines teach-in-
Verfahrens vorgegeben, wobei beispielsweise ein Bediener ein¬ mal das gesamte Arbeitsvolumen abfährt und beispielsweise An¬ bauteile entsprechend dem definierten und erlaubten Arbeits- volumen bewegt, so daß sich die gesamten daraus ergebenden Steuerungsvorgänge in einer Steuerungseinheit des Arbeitsge¬ rätes abspeichern lassen, um damit für den späteren Arbeit¬ seinsatz Vergleiche durchführen zu können.
Besonders vorteilhaft können die Daten über den zulässigen Arbeitsbereich aber auch in Form von CAD-Konstruktionsdaten gewonnen werden, da häufig beim Bau von Gebäuden oder Tunneln sowieso die exakte Geometrie des Arbeitsbereiches bzw. der Umgebung des Gebäudes erfaßt werden muß und damit eine genaue Beschreibung vorliegt, was bedeutet daß ein teach-in- Verfahren eingespart werden kann.
Besonders vorteilhaft sieht eine Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens Mittel zur Bestimmung der globalen Position vor und einfache Mittel zur Erfassung von Bewegungen des Arbeitsgerätes und fallweise vorhandener An¬ bauteile. Beispielsweise sind dieses Bewegungsgeber in Form von Drehwinkelgebern und an einer Vortriebsachse des Gerätes vorgesehene Odometer. Bevorzugt werden diese Daten durch eine Auswerteeinheit zueinander in Bezug gesetzt und es wird fest- gestellt, ob ein vordefinierter Arbeitsbereich durch das Ar¬ beitsgerät oder daran vorhandene Anbauteile eingehalten wird. Besonders vorteilhaft kann bei Verletzungen dieser Bedingung der Einhaltung des Arbeitsbereiches ein Alarm ausgelöst wer¬ den, oder die Steuereinheit kann die Bewegungen des Gerätes beeinflussen, was bedeutet, daß das Gerät abgestoppt werden kann, oder daß die Bewegungen so angepaßt werden, daß der äu- ßerste Punkt des Gerätes der Kontur des Arbeitsvolumens folgt.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren weiter er¬ läutert . Figur 1 zeigt ein Beispiel eines Arbeitsgerätes in Form eines Baggers Figur 2 zeigt ein Beispiel eines Arbeitsgerätes in einem Ar¬ beitsraum.
In Figur 1 ist ein Arbeitsgerät AG in Form eines Baggers dar¬ gestellt. Wenn in der Folge von Baggern die Rede ist, so soll dies nicht bedeuten, daß die Erfindung lediglich auf Bagger beschränkt ist. Ebenfalls sind im Zusammenhang mit der Erfin¬ dung andere Landbewegungsgeräte denkbar, oder kann damit der Einsatz von landwirtschaftlichen Geräten überwacht werden. Im Zusammenhang mit landwirtschaftlichen Maschinen ist es bei¬ spielsweise denkbar, daß bei der Bearbeitung eines Feldes überwacht wird, ob dessen Grenzen genau eingehalten werden.
Der in Figur 1 gezeigte Bagger AG weist beispielsweise Anten¬ nen AI und A2 auf, mit welchem Daten von einem globalen Posi¬ tionierungssystem empfangen werden können. In einem Steuer¬ rechner der Einheit wird beispielsweise auf wenige cm genau festgestellt in welcher Position sich der Aufbau des Baggers befindet. Von einer Steuerung des Baggers können beispiels¬ weise Achsen 10 bis 50 separat angesteuert werden. An diesen Achsen sind geeignete Weggeber vorgesehen, welche es der Steuerung erlauben die exakte Position der jeweiligen Anbau¬ teile AT festzustellen. Beispielsweise soll mit dem Bagger AG ein Erdaushub an einem Boden BO durchgeführt werden. Die be¬ schriebenen Achsen 10 bis 50 erlauben hierzu beliebige Frei- heitsgrade. Vorzugsweise sollten variable Parameter des Gera- tes für alle Freiheitsgrade des Baggers überwacht werden, da¬ mit zu jeder Zeit bekannt ist, in welcher Lage sich der Bag¬ ger befindet und welche Kontur das beispielsweise vorgesehene Anbauteil AT einnimmt. Über Anbauteile AT ist zu sagen, daß diese im allgemeinen nicht beliebig bewegbar sind, da sie ei¬ ne durch ihre Geometrie gegebene Kinematik aufweisen. Diese Kinematik ist hier beispielsweise durch die Freiheitsgrade an den Achsen 10 bis 30 angedeutet. Falls durch einen Steuer¬ rechner oder durch sonstige Mittel überprüft werden soll, ob das Arbeitsgerät AG oder ein Anbauteil einen vordefinierten Arbeitsbereich verläßt, so kann von der Steuerung mit Hilfe der Kinematik und anhand von Winkelgebern oder anderen Me߬ mitteln, welche an den entsprechenden Achsen vorgesehen sind, sehr leicht bestimmt werden, welche endgültige Geometrie von dem Anbauteil eingenommen wird. In Verbindung mit der exakten Position des Arbeitsgerätes, welche über das globale Positio¬ nierungssystem bestimmt wird, kann eine Position eines am weitesten entfernten Punktes, des Fernpunktes, bestimmt wer¬ den, der vorzugsweise zu überwachen ist. In Figur 1 sind zwei solche Fernpunkte eingetragen FP1 und FP2. Bevorzugt werden bei der Positionsbestimmung GPS/DGPS Möglichkeiten ausge¬ schöpft, mit welchen die Position eines mobilen Fahrzeugs, wie beispielsweise des Arbeitsgerätes AG, möglichst genau be¬ stimmt werden kann. Durch Kenntnis der Eigenposition und Ori- entierung des beispielsweise Baugerätes, sowie eines durch beispielsweise einem Bediener eingegebenen Arbeitsbereiches, die Kenntnis der Gelenkwinkel und der Abmessungen des Bauge¬ rätes und fallweise anderer Parameter ist es zu jedem Zeit¬ punkt möglich zu entscheiden, ob sich das Arbeitsgerät AG im zulässigen Arbeitsbereich befindet oder im Begriff ist, die¬ sen zu verlassen. Für diesen Fall kann bevorzugt ein Warnsi¬ gnal, welches an den Bediener des Gerätes gerichtet ist, ab¬ gegeben werden und/oder die Bewegung des Gerätes zunächst verlangsamt und dann ganz abgebrochen werden, um beispiels- weise einen Unfall zu vermeiden. Figur 2 zeigt das Arbeitsgerät AG aus Figur 1 in Verbindung mit einem zulässigen Arbeitsbereich AZU, wobei wesentliche Teile des Arbeitsgerätes durch Volumenelemente V10 bis WO umschrieben sind. Die Verwendung von Volumenelementen bei der Überwachung des Arbeitsbereiches AZU gestattet es, den Re¬ chenaufwand für die durchzuführenden Berechnungen zu verein¬ fachen, da nicht die realen Abmessungen, sondern angenäherte Abmessungen zu berücksichtigen sind. Insbesondere muß dann nur mit Quadern und einfachen Volumenblöcken gerechnet wer- den. Der dargestellte zulassige Arbeitsbereich AZU ist hier vereinfacht als Quader bzw. als Flache dargestellt. Es sind aber auch beliebige dreidimensionale Strukturen denkbar und vorgebbar. Beispielsweise kann ein zulässiger Arbeitsbereich in Form eines teach-in-Verfahrens eingegeben werden, bei wel- chem eine Bedienperson mit dem Arbeitsgerät AG und daran vor¬ handenen Anbauteilen in einem Lernschritt den gesamten Ar¬ beitsbereich, welcher hinterher zulässig sein soll, abfährt und dabei vorhandene Anbauteile so bewegt, daß sie die ge¬ wünschte Grenze des Arbeitsbereiches nicht verletzen. Von ei- ner Steuerung des Gerätes können die so vorgegebenen Bewegun¬ gen abgespeichert werden und im späteren Betrieb beim Arbei¬ ten mit dem Gerat können diese Steuerpositionen mit aktuell eingegebenen Steuerpositionen der Bedienperson verglichen werden. Bei der Eingabe dreidimensionaler Strukturen spielt beim Lernen auch die aktuelle Position des Arbeitsgerätes AG eine Rolle, welche über das globale Positionierungssystems erhalten wird und vorzugsweise in Verbindung mit jeder aktu¬ ell durchgeführten Bewegung abgespeichert wird. Falls eine Verletzung des zulassigen Arbeitsbereiches eintritt, so kann die Steuerung ein Alarmsignal abgeben, bzw. veranlassen, daß das Gerät zu jeder Zeit mit seinem Ausleger AT im zulässigem Arbeitsbereich AZU verbleibt, indem die Steuerung automatisch Steuerbefehle des Bedieners abwandelt. Der zulässige Arbeits¬ bereich AZU kann beispielsweise auch mvers vorgegeben wer- den, indem lediglich Hindernisse, welche vermieden werden sollen, explizit markiert werden. Bevorzugt kann der zulassi¬ ge Arbeitsbereich AZU auch in der Form eingegeben werden, daß Daten aus einem bereits vorhandenen CAD-Modell des Arbeitsbe¬ reiches vorliegen. Denkbar sind hier beispielsweise Konstruk¬ tionsdaten, welche ein Architekt bei der Vermessung des Ter¬ rains und bei der Konstruktion eines Gebäudes oder eines Aus- hubes bereits eingegeben hat, welche dann lediglich der
Steuerung des Gerätes mitgeteilt oder elektronisch zugeführt werden müssen.
Bevorzugt wird das erfindungsgemäße Verfahren zyklisch durch- geführt. In einem ersten Schritt erfolgt beispielsweise die Positions- und Ortsbestimmung des Gerätes mittels GPS- Empfängern. Heutige Hochleistungssysteme, wie beispielsweise das DGPΞ erlauben eine Genauigkeit bei der Positionsbestim¬ mung von etwa 2 cm [Quelle: Fa. Trimble: 7400Msi: High preci- sion GPS receiver for dynamic control Systems] . Bevorzugt kann durch die Anbringung von zwei Antennen, wie in Figur 1 mit AI und A2 dargestellt, durch Vergleich deren Positionen auch die Orientierung des Arbeitsgerätes ermittelt werden. Zwar entstehen durch die Positionsungenauigkeit von 2 cm bei Großbaggern Winkelfehlern von etwa 0,4°, diese Ungenauigkeit kann jedoch beim Warnen bzw. Abregein von möglichen Kollisio¬ nen berücksichtigt werden. Bei Großbaggern beispielsweise mit einer Reichweite von 15 m kann sich dadurch die maximale Un¬ genauigkeit bis zu 12 cm an der Schaufelspitze ausweiten.
In einem zweiten Schritt werden bevorzugt Gelenkwinkel des Arbeitsgerätes aufgenommen, wobei diese auf verschiedene Wei¬ se beispielsweise mit Potentiometern oder Resolvern erfolgen kann. Wichtig ist es für das erfindungsgemäße Verfahren je- doch nur, daß die Bewegungsveränderungen des Arbeitsgerätes exakt vermessen werden und bekannt sind.
In einem weiteren Schritt kann dann beispielsweise aus der Kenntnis der Eigenposition und der Orientierung des Arbeitε- gerätes, sowie der Gelenkwinkel und der Abmessungen der ein¬ zelnen Elemente, wie beispielsweise der Volumenelemente V10 bis V50 und anhand der Kinematik des Arbeitsgerätes, sowie seiner Anbauteile die exakte Raumposition des Arbeitsgerätes bestimmt werden.
In einem weiteren Schritt kann dann bevorzugt ein Kollsion- stest jedes einzelnen dieser Bagger-Raumelemente mit dem vor¬ gegebenen Arbeitsbereich durchgeführt werden. Hierzu ist be¬ vorzugt jedesmal zu überprüfen, ob sich ein Bagger- Raumelement kritisch nah an die Arbeitsbereichs bzw. Arbeits¬ volumenbegrenzung angenähert hat. Vorzugsweise kann aber auch lediglich ein Fernpunkt FPl, ermittelt werden, welcher sich beispielsweise auf geeignete Weise aus der Kinematik des An- bauteiles und des Arbeitsgerätes AG ableiten läßt. Beispiels¬ weise ist dies ein Punkt, welcher sich am weitesten entfernt vom Arbeitsgerät AG befindet. In Figur 1 sind solche Punkte mit FPl und FP2 beschrieben. Falls solche Punkte ermittelt wurden so ist sichergestellt, daß sich andere Punkte des Ge¬ rätes auf keinen Fall näher an der Grenze des Arbeitsberei¬ ches befinden können als diese.
In einem weiteren Schritt kann eine solche kritische Annähe¬ rung detektiert werden und ein Warnton ausgegeben werden, welcher beispielsweise die Bewegung des Arbeitsgerätes zu¬ nächst abbremst und schließlich unterbindet.
Die einzelnen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens kön¬ nen zyklisch in immer wiederkehrender Reihenfolge durchge¬ führt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Überwachung des Arbeitsbereiches beim Bewe¬ gen eines Arbeitsgerätes, a) bei dem ein zulässiger Arbeitsbereich (AZU) des Arbeitsge¬ rätes (AG) vorgegeben wird, b) bei dem die aktuelle Position des Arbeitsgerätes (AG) an¬ hand von Daten aus einem globalen Positionierungs System (AI, A2) bestimmt wird, c) und bei dem der Arbeitsbereich (AZU) überwacht wird, indem anhand der Abmessungen des Arbeitsgerätes (V10-V70) in Verbindung mit der aktuellen Position des Arbeitsgerätes (AG)es (AG) überprüft wird, ob sich das Arbeitsgerät (AG) im Arbeitsbereich (AZU) aufhält.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Arbeitsbereich
(AZU) des Arbeitsgerätes (AG) begrenzt wird, indem ein Si¬ gnal ausgelöst wird, bevor das Arbeitsgerät (AG) den zu¬ lässigen Arbeitsbereich (AZU) verläßt und über dieses Si- gnal die Begrenzung veranlaßt wird.
3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Arbeitsbereich (AZU) des Arbeitsgerätes (AG) in Form eines dreidimensionalen Arbeitεraumes (AZU) vorgegeben wird und mindestens ein am Arbeitsgerät (AG) angebrachtes bewegbares Anbauteil (AT) in Verbindung mit dem Arbeitsge¬ rät (AG) überwacht wird, indem aus der Kinematik des be¬ wegbaren Teiles sowie seinen Abmessungen und dem Ort sei¬ ner Anbringung am Arbeitsgerät (AG) mindestens ein Ort ma- ximaler Entfernung zum Arbeitsgerät (AG) , der sich am be¬ wegbaren Teil befindet, als Fernpunkt (FPl, FP2) ermittelt wird und dieser Fernpunkt FPl, FP2) überwacht wird.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem eine Kollision des Arbeitsgerätes (AG) mit einem Hindernis ausgeschlossen wird, indem der Arbeitsbereich (AZU) so vorgegeben wird, daß er das Hindernis nicht enthält.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem ausgehend von einer Ausgangslage des Arbeitsgerätes (AG) im Arbeitsbereich (AZU) alle Bewegungen des Arbeitsgerätes (AG) und fallweise vorhandener Anbauteile (AT)ein den je¬ weiligen Bewegungsfreiheitεgraden (10-50) überwacht werden und Lageveränderungen vermerkt werden, so daß für die Überwachung jederzeit Position und Lage im Arbeitsbereich (AZU) bekannt sind.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Abmessungen von mindestens ein Teil des Arbeitsgerätes
(AG) , zur Erleichterung des Rechenvorganges bei einer au¬ tomatischen Überwachung, durch die Abmessungen eines die- seε Teil umschließenden Volumenelementes (V10-V70) angenä¬ hert werden.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der zuläsεige Arbeitεbereich (AZU) durch ein Lernverfahren in Form eines teach-in Verfahrens vorgegeben wird, indem ein Bediener manuell durch Abfahren deε zuläεsigen Ar¬ beitsbereiches (AZU) und eventuelles Bewegen von bewegba¬ ren Anbauteilen (AT) desεen Abmeεεungen vorgibt und dieεe geεpeichert werden.
8. Verfahren nach einem der Anεprüche 1 biε 6, bei dem der zulässige Arbeitsbereich (AZU) in Form von Daten aus einem CAD-Konstruktionssystem vorgegeben wird.
9. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, a) bei der erste Mittel zur Bestimmung einer globalen Positi¬ on vorgesehen sind (AI, A2), b) bei der zweite Mittel zur Erfassung von Bewegungen des Arbeitsgerät (AG)es und fallweise vorhandener Anbauteile
(AT) vorgesehen sind, c) und bei der dritte Mittel zum Auswerten vorgesehen sind, welche anhand der Daten, welche von den ersten und von den zweiten Mitteln abgegeben werden und gespeicherter Infor¬ mation über den zulässigen Arbeitsbereich (AZU) , die Über- wachung vornehmen.
10. Anordnung nach Anspruch 9, bei der die dritten Mittel mit Mitteln zum Steuern des Arbeitsgerätes (AG) verbunden sind und falls die Überwachung ergibt daß der Arbeitsbereich (AZU) droht verlasεen zu werden, die Bewegung deε Arbeitε- gerätes (AG) verändert wird.
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