WO2022117485A2 - Bedieneinheit für eine mobile arbeitsmaschine, verfahren zur positionierung eines arbeitspunktes einer mobilen arbeitsmaschine, und mobile arbeitsmaschine - Google Patents

Bedieneinheit für eine mobile arbeitsmaschine, verfahren zur positionierung eines arbeitspunktes einer mobilen arbeitsmaschine, und mobile arbeitsmaschine Download PDF

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WO2022117485A2
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Tobias Loeffler
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Robert Bosch Gmbh
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    • G05G2009/04781—Manually-actuated control mechanisms provided with one single controlling member co-operating with two or more controlled members, e.g. selectively, simultaneously the controlling member being movable in different independent ways, movement in each individual way actuating one controlled member only in which movement in two or more ways can occur simultaneously the controlling member being movable by hand about orthogonal axes, e.g. joysticks with additional rotation of the controlling member

Definitions

  • Operating unit for a mobile working machine method for positioning an operating point of a mobile working machine, and mobile working machine
  • the invention relates to an operating unit for a mobile working machine according to the preamble of patent claim 1, a method for positioning an operating point of a mobile working machine according to the preamble of claim 14 and a mobile working machine according to claim 15.
  • a mobile work machine such as an excavator, a crane or a forklift, has an operating point that can be positioned in space.
  • This is, for example, a characteristic point on a piece of equipment, for example a tip of a digging vessel, a gripper, a hammer or a fork or, in the case of a crane, a suspension point for goods to be transported.
  • the working point is at the end of a row or chain of multiple-articulated, rigid segments, which are articulated by actuators and can therefore be adjusted in their position.
  • HMI user interfaces
  • joystick controls have become established for this purpose, in which an operating element can be pivoted in two axes, ie in two rotational degrees of freedom of the operating element.
  • a linear movement of the working point along the X-axis and a left/right swiveling of the joystick is associated with a linear movement of the working point along the Z-axis of the Cartesian coordinate system of the working machine.
  • a rotary movement of the excavator superstructure around the Z-axis is displayed either by an additional control panel or by a setting wheel on the joystick.
  • the invention is based on the ongoing task of creating an even more intuitive control of the operating point of a mobile work machine.
  • a control unit for a mobile work machine has a control element designed to be deflectable, in particular tangible, for movement control of a working point (TCP) of the work machine in three-dimensional space, in particular Cartesian space.
  • the working point is, for example, a characteristic point on an implement of the working machine, for example a tip of a digging vessel, a gripper, a hammer or a fork or, in the case of a crane, a suspension point. It may alternatively be a coupling point of the implement at the end of the remaining chain of segments.
  • the control element is mounted in such a way that it can be deflected in three degrees of freedom for this positioning. In particular, one of three degrees of freedom of the operating point is assigned to each of these three degrees of freedom of the operating element.
  • the working point can be moved and positioned in space in a clearly defined manner with just one operating element to be deflected, instead of with several operating elements.
  • the operating unit according to the invention thus enables a more intuitive, and therefore also safer and more efficient, movement control by an operator.
  • the degrees of freedom of the operating element are linear or translational and/or rotational and are preferably based on a Cartesian coordinate system.
  • the at least three degrees of freedom two are translational and one is rotational.
  • three translational degrees of freedom possible.
  • a selection is made as to whether the respective degree of freedom of the operating point is assigned a translational or a rotational degree of freedom of the control element, depending on the type of work machine and its basic structure with regard to segments that can be actuated, as well as a preferred ergonomics for an operator of the control unit.
  • a first of the at least three degrees of freedom of the operating element is its translation in x forwards and backwards, with the associated degree of freedom of the operating point then being a translation in x.
  • a second of the at least three degrees of freedom is a translation in y to the left and right, i.e. to the side, with the associated degree of freedom of the operating point then being one rotation about Z is.
  • the deflection to the side which is easy for the operator to trigger, is then assigned, for example, to a rotation of the superstructure about its vertical axis Z.
  • a displacement of the operating point in Y is assigned, for example with a forklift.
  • a third of the at least three degrees of freedom of the operating element is a rotation around the y-axis of the second degree of freedom, or around at least a axis extending in a directional component of the second degree of freedom.
  • the associated degree of freedom is then a translation in Z.
  • the tangible operating element or gripping element is preferably designed ergonomically with respect to a human left and/or right hand. This improves the haptic sensitivity for the operator.
  • an embodiment comparable to a computer or gaming mouse is advantageous.
  • the operating element preferably extends longitudinally at least in the direction of its first translational degree of freedom and comparatively narrow transversely to it. It can be designed symmetrically or asymmetrically to a spanned plane. In a neutral position of the third, rotational degree of freedom, it is preferably positioned with its longitudinal axis against the axis of its translational, first degree of freedom.
  • the second of the at least three degrees of freedom of the operating element is a rotation about a perpendicular to the first translational degree of freedom and the assigned degree of freedom of the operating point is a rotation about Z.
  • the third of the at least three degrees of freedom of the operating element is a translation in z up and down and the associated degree of freedom of the operating point is a translation in Z.
  • a deflection of the operating element in its respective degree of freedom is assigned a target speed of the operating point in the assigned degree of freedom.
  • the dependency of the setpoint speed on the deflection is preferably proportional, but can alternatively be designed to be progressive.
  • the control is particularly simple and intuitive if, in a development, at least one of the deflections is assigned a control of all actuators that bring about the movement of the operating point in the assigned degree of freedom.
  • the operator does not have to control each segment individually in its individual degrees of freedom in order to achieve the desired movement of the operating point, but instead each deflection is directly assigned a deflection of the operating point, which is understandable for the operating personnel.
  • the operating unit has sensors for detecting the deflections and for detecting the actual positions and/or actual speeds of the operating point and/or the actuators and segments in the assigned degrees of freedom.
  • the operating unit has a control unit in which both the kinematics of the actuators, joints and segments and the assignments mentioned above and below are stored, or at least for storing such Kinematics and the assignments is designed.
  • control unit has a control device, via which the actuators can be controlled as a function of the setpoint and actual speeds, the actual positions and the kinematics.
  • the operating element has a neutral position in at least one of its at least three degrees of freedom, preferably in all.
  • This neutral position is preferably associated with a constant speed, in particular a zero speed or rest of the working point in the associated degree of freedom.
  • the neutral position is designed to snap or latch by corresponding snap or latching means.
  • a snap-in device such as a tightened ball or a tightened bolt, is provided for this purpose in engagement with a groove, a recess or a depression. This ensures that the control element remains safely in the neutral position without operator intervention and thus the working point remains at rest.
  • deflections on both sides of the respective neutral position are associated with opposite directions of movement of the operating point in the associated degree of freedom.
  • the first of the three degrees of freedom of the operating element is realized via a first linear guide of the operating unit, in particular in x.
  • a second linear guide is provided, in particular in y, to which the second of the three degrees of freedom is assigned.
  • These linear guides allow an operating hand to be guided smoothly, separated according to degrees of freedom.
  • the respective linear guide can be designed with roller bearings or plain bearings.
  • the respective linear guide has parallel rails or rods, which form a guide, and a carriage or carriage or a bridge (hereinafter referred to as carriage) running on them.
  • a guide for the second linear guide is formed on the carriage of the first linear guide, in particular in such a way that the guide for the second linear guide is movement-coupled to the carriage of the first linear guide.
  • Each movement of said carriage thus leads to the same movement of the guide of the second linear guide.
  • the operating element is preferably rotatably mounted on the carriage of the second linear guide.
  • a chain is thus made up of: a guide for the first linear guide, its carriage, a guide for the second linear guide coupled with movement, its carriage and an operating element which is coupled for movement and can be rotated on it.
  • the respective mounting of the carriage and the operating element is in particular formed by a roller bearing or a plain bearing.
  • At least one switching element is provided in a further development, via which a movement or position alone of the working device can be controlled.
  • the at least one switching element is provided for activating/deactivating a constant-angle control or a standard movement of the implement.
  • the switching element is provided on the operating element that can in any case be permanently touched or grasped by the operating personnel, so that it is always within reach.
  • a constant angle control is implemented, for example, in a so-called “travel mode” activated via the switching element.
  • a standard movement is, for example, tipping the bucket up or down.
  • the at least one switching element has a neutral position, into which it is biased against actuation. The deactivation is preferably assigned to this neutral position.
  • the operating element and/or the switching element is or are spring-loaded or spring-centered in the respective neutral position.
  • the return to the neutral position always takes place, which leads to the above-mentioned resting of the operating point or to deactivation.
  • the deflections of the operating element are damped in one development, in particular by a damper that interacts with the respective spring provided for resetting.
  • Interfaces of the control unit are, on the one hand, an HMI using the control or handle element and the optional switching element(s) and, on the other hand, mechanical interfaces for attachment to an operator station.
  • the operating unit can have interfaces that can be screwed, plugged in, snapped in, or clipped in easily to be detached and fastened.
  • electrical/electronic interfaces with the sensors for recording the actual values of the operating point and/or with the sensors for recording the actual values of the segments and actuators, as well as electrical/electronic interfaces for controlling the actuators.
  • the operating unit has additional functions which are stored in the control unit for execution and for which a respective switch or control element is preferably provided for activation on the operating unit.
  • An additional function is, for example, a movement limitation (“virtual walls”) of the operating point in its Cartesian coordinates, which can be stored in parameterized form in the control unit.
  • a further possibility is the additional function of a proximity alarm via a vibration means which, controlled by the control unit, causes the operating element to vibrate when the working point or the working device approaches the movement limit.
  • Another possibility is the additional function of slowing down movement when approaching the Working point or the implement to this movement limit.
  • Another possible additional function is a recording or memory function including a playback function of a working movement of the working point and/or the working device. In this way, a repetitive work movement can take place automatically at the same or a different location.
  • a further development of this includes in particular an interruption or at least deceleration of the playback function through manual intervention by the operating personnel.
  • the operating unit has a transmitting and receiving device so that it can be used as a remote operating unit from outside the operator station.
  • the operating unit has an information system for actual values of the working machine, in particular the working point or working device, in particular a display of a current working weight at the working point (payload weighing system).
  • a method for positioning a working point of a mobile machine in three-dimensional space, which can be articulated by actuators via articulated segments, has steps for adjusting the working point in three of its degrees of freedom. These steps can be sequential, partially sequential, or simultaneous. According to the invention, the adjustment takes place depending on a deflection of only one control element of a control unit in three of its degrees of freedom. In other words, each degree of freedom in which the operating element can be deflected is assigned a degree of freedom of the operating point in which it is designed to be adjustable.
  • the method according to the invention enables a more intuitive positioning and motion control.
  • the method has at least one sequential or simultaneous step of activating/deactivating an additional function of the implement, in particular a constant angle regulation and/or a standard movement of the implement by switching on at least one switching element arranged on the operating element.
  • a mobile work machine in particular an excavator or crane, has an operating unit that is designed in accordance with at least one aspect of the preceding description.
  • the working machine has a chain of segments connected with one or more joints, at the end section of which a working point (TCP) is arranged.
  • the segments are, for example, an upper carriage which can be rotated about the vertical axis, a boom which is pivotally connected thereto, a stick which is in turn pivotally connected thereto and a bucket which can be pivoted at its end section.
  • Its digging tip represents the working point (TCP) of the excavator.
  • the working point can of course deviate from this and be defined in particular depending on the working device used.
  • the segments are, for example, a rotatable superstructure with a fixed boom, a carriage that can be moved horizontally thereon and a hook that can be moved vertically with respect to it, the working point being its suspension point.
  • the segments can be actuated by electric motor or hydraulic actuators depending on the deflections of the control element.
  • the TCP of the work machine can be clearly moved and controlled in Cartesian space with only one control element to be deflected, instead of with several control elements (2-axis joystick in cooperation with additional element according to the prior art). Compared to the prior art, this enables a more intuitive movement control of the TCP.
  • a sensor device is provided in a further development, via which changes in the position of the TCP can be detected in its degrees of freedom.
  • a sensor for detecting an inclination of the segment and/or an angle between pivotally connected segments is provided for rotatable segments.
  • a sensor is provided for detecting a position or relative position of the segment involved in the joint.
  • a setpoint speed of the operating point is stored in the associated degree of freedom in the control unit.
  • control device has a regulating device, via which actuators of the work machine, by which the segments are articulated, can be controlled as a function of the respective setpoint speed and the position changes of the operating point detected by the sensor device.
  • FIG. 1 shows a side view of a mobile work machine with an operating point and its degrees of freedom, according to an exemplary embodiment
  • FIG. 2 shows an operating unit for positioning the working point, according to an exemplary embodiment, in a perspective view
  • FIG. 3 shows the operating unit according to FIG. 2 in a schematic representation, in a plan view
  • FIGS. 2 and 3 shows the operating unit according to FIGS. 2 and 3 in a schematic representation, in a side view
  • FIG. 5 shows the operating unit according to FIGS. 2 to 4 in a rear view.
  • a mobile work machine is designed as an excavator 1 with an undercarriage 2 on which an uppercarriage 4 is attached. At its end designed as a bucket 12 work tool is pivotally mounted operable. A tip of bucket 12 represents the working point TCP of working machine 1.
  • superstructure 4, boom 6, stick 8 and the implement of the bucket 12 form a chain of segments, starting from the previous segment of are linked to an actuator.
  • the superstructure 4 can be actuated in rotation by a hydrostatic rotary motor (not shown) arranged on the undercarriage 2 .
  • Boom 6 can be pivoted or rotated by a hydrostatic boom cylinder 14 attached to superstructure 4
  • stick 8 can be pivoted or rotated by a hydrostatic stick cylinder 16 attached to boom 6
  • bucket 12 can be activated by a bucket cylinder 18 attached to stick 8 via a rocker 20 and a coupler 22 pivotable about a pivot point 10 actuated.
  • the sum of the movements of the segments 4, 6, 8, 12 leads to the movement of the working point TCP in three-dimensional space and enables it to be positioned therein.
  • An inclination sensor is provided on the respective segment 4, 6, 8, 12 to detect an actual position of the working point.
  • angle and/or path sensors can be provided.
  • a control unit processes signals from at least two of the sensors to determine the position of the working point TCP and thereby regulates a respective volume flow for the hydraulic cylinders 14, 16, 18 by calculating the necessary cylinder travel distances be adjusted using the control unit described below.
  • an operating unit 24 has a tangible, ergonomically designed operating element 26.
  • This has a support section 28 for an operating hand and a functional section with two switching elements 30, 32 on its distal section.
  • the storage section 28 faces the operator when the operating unit is in use
  • the functional section faces the working device 12 according to FIG.
  • the operating element 24 is mounted such that it can be deflected in three of its degrees of freedom x, y and rot y.
  • a translational deflection in “x, back” according to FIG. 2 corresponds to a pulling of the operating element 24 towards the operator. This deflection triggers a pulling of the working point TCP according to FIG. 1 in “X, back” towards the superstructure 4.
  • the other correspondences are according to Figures 1 and 2: - Translational deflection of the operating element 24 according to Figure 2 in the direction "x, forward” triggers a shifting of the operating point TCP according to Figure 1 in "X, forward", away from the superstructure 4,
  • the degrees of freedom of the operating element 24 are assigned to the degrees of freedom of the operating point TCP.
  • control unit has several additional functions that supplement the movement control of the working point.
  • a switching element can be provided on the operating element 26, when it is operated and the operating element 26 is simultaneously deflected to “y, right” or “y, left” instead of the one described above Rotational movement of the superstructure 4 (and thus the TCP) a linear movement of the TCP along the Y-axis according to Figure 1, or along another predetermined line in Cartesian space, is triggered.
  • the control unit is designed in such a way that the actuators 14, 16, 18 and the rotary drive can be controlled via it in such a way that Y of the TCP remains constant when the superstructure 4 rotates.
  • up to three sliders or wheels or the like can be provided for an additional function of tilting, rolling and/or yawing of the implement 12 .
  • FIG. 3 shows the mechanical-sensory structure of the operating unit 24 according to FIG. 2 in a schematic representation in a plan view, with the operating part 26 being represented transparently and its outer contour being represented by dashed lines.
  • the operating unit 24 has a first linear guide 36 with a first guide formed by two parallel first rods 38 and a first slide 40 guided in a translatory manner in y.
  • a first track channel 39 extends parallel to the first rods 38.
  • the first carriage 40 in turn carries two parallel second rods 42 of a second linear guide 44.
  • the second rods 42 thus form a second guide of the second linear guide 44.
  • a second carriage 46 is guided translationally in x on the second rods 42, on which the operating element 26 is rotatably deflected (see FIG. 4).
  • a second track channel 42 extends parallel to the second rods 42.
  • track channels 39, 43 interact with sensors 48, 50 which are motion-coupled to the respective carriage 40, 46 and which are each embodied as Hall sensors, for example .
  • the Carriages 40 and 46 are each spring-centered in the neutral position and are also damped in terms of their deflection via damping elements.
  • only one spring-damper assembly 52 is provided with a reference number.
  • the operating element 26 can thus be linearly displaced in two translatory degrees of freedom x, y.
  • One direction is technically implemented by the first linear guide 36 and the other by the second linear guide 44 .
  • the operating element 26 automatically returns to the neutral position in both degrees of freedom x, y due to the spring-damper assemblies 52 .
  • the spring-damper packages 52 can either be integrated into the rods 38, 42 or attached to the side thereof.
  • FIG. 4 shows the operating unit 24 in a schematic representation in a side view. It has a base 54 with a dome-shaped recess 56 in which a spring-loaded dome-shaped slider 58 coupled to the second carriage 46 engages in the neutral position with respect to the translations in x and .
  • This provides an additional safety function with regard to an accidental deflection of the second carriage 46 in both degrees of freedom x, y, since a minimum force then has to be overcome for a deflection in these directions in order to be able to move the operating element 26 .
  • this has the advantage that the neutral position is reached quickly and reliably when resetting from the deflections in x and y.
  • two orthogonal track channels can be provided centered on the dome-shaped recess (or crossing it) in a plane spanned by x and y, in which a , In particular spring-loaded slider can run.
  • the linear movement of the operating element can then only be carried out along one of the track channels with little resistance, while for the movement in the direction transverse thereto a minimum force must be overcome in order to lift the slider from the track channel.
  • This also offers the advantage that the operating element can be returned to the neutral position quickly and reliably in one degree of freedom, while it is still deflected in the other degree of freedom.
  • a handle is attached to the carriage 46 .
  • This extends in z, with a lever carrying the operating element 26 being fastened eccentrically to it via a hinge joint 60, so that the lever extends longer forwards than backwards.
  • the hinge joint 60 allows the control element 26 to rotate about the handle.
  • the angular position of the operating element 26 is detected by a sensor 62 .
  • An initial angle in the neutral position relative to the rotational degree of freedom rot y of the operating element 26 is slightly tilted for ergonomic reasons, greater than 90°.
  • the switching element 32 can be actuated in stages. It is designed in such a way that the rotational speed of the implement 12 increases with each additional activated stage.
  • the structure of the switching element 32 is formed by a number of spring elements corresponding to the number of steps, which are actuated in succession in order to change the stepping. This means that an additional spring has to be tensioned for each stage, and more force is therefore required to shift the stage.
  • a single multi-stage spring element can be used.
  • FIG. 5 shows the operating unit according to FIGS. 2 to 4 in a sectional view through the handle viewed from behind.
  • an operating unit for positioning an operating point of a mobile working machine that can be articulated by actuators via articulated segments three-dimensional space that has a control element that can be deflected in three degrees of freedom, with each of these degrees of freedom being assignable, in particular assigned, to one of the degrees of freedom of the operating point.
  • a mobile working machine which has a chain of articulated segments, at the end section of which the working point is arranged, the segments being articulated by actuators. Activation of the actuators for positioning the working point is dependent on the kinematics of the segments and actuators stored in a control unit, on deflections of the operating element that correspond to target values for the speed of the working point in the assigned degrees of freedom, on recorded actual values and on a determined one control difference dependent.

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Abstract

Offenbart ist eine Bedieneinheit zur Positionierung eines von Aktoren über gelenkig verbundene Segmente anlenkbaren Arbeitspunktes einer mobilen Arbeitsmaschine im dreidimensionalen Raum. Offenbart sind zudem ein Verfahren zur Positionierung des Arbeitspunktes, sowie eine mobile Arbeitsmaschine mit einem über eine Bedieneinheit positionierbaren Arbeitspunkt.

Description

Bedieneinheit für eine mobile Arbeitsmaschine, Verfahren zur Positionierung eines Arbeitspunktes einer mobilen Arbeitsmaschine, und mobile Arbeitsmaschine
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Bedieneinheit für eine mobile Arbeitsmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 , ein Verfahren zur Positionierung eines Arbeitspunktes einer mobilen Arbeitsmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 14 und eine mobile Arbeitsmaschine gemäß Anspruch 15.
Eine mobile Arbeitsmaschine, wie beispielsweise ein Bagger, ein Kran oder ein Stapler, hat einen im Raum positionierbaren Arbeitspunkt. Dieser ist beispielsweise ein charakteristischer Punkt an einem Arbeitsgerät, beispielsweise eine Spitze eines Grabgefäßes, eines Greifers, Hammers oder einer Gabel oder im Falle eines Krans ein Aufhängepunkt für ein Transportgut. Der Arbeitspunkt befindet sich dabei am Ende einer Reihe oder Kette mehrgelenkig verbundener, starrer Segmente, die von Aktoren angelenkt und somit in ihrer Position verstellbar sind.
Der räumlichen Bewegung und Positionierung kommt eine große Bedeutung zu, sodass Benutzerschnittstellen (HMI) hierfür möglichst intuitiv bedienbar sein sollten.
Durchgesetzt haben sich hierfür sogenannte Joysticksteuerungen, bei denen ein Bedienelement zweiachsig, also in zwei rotatorischen Freiheitsgraden des Bedienelements, verschwenkbar ist. Dabei ist einer Verschwenkung des Joysticks nach vorne/hinten eine lineare Bewegung des Arbeitspunktes entlang der X-Achse und einer Verschwenkung nach links/rechts eine lineare Bewegung des Arbeitspunktes entlang der Z-Achse des kartesischen Koordinatensystems der Arbeitsmaschine zugeordnet. Eine Drehbewegung des Baggeroberwagens um die Z-Achse wird entweder durch ein weiteres Bedienteil oder durch ein Stellrad am Joystick abgebildet. Dem gegenüber liegt der Erfindung die fortwährende Aufgabe zu Grunde, eine noch intuitivere Steuerung des Arbeitspunktes einer mobilen Arbeitsmaschine zu schaffen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Bedieneinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1 , ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 14 und eine mobile Arbeitsmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 15.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindungen sind in den jeweils abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Eine Bedieneinheit für eine mobile Arbeitsmaschine hat ein auslenkbar, insbesondere greifbar gestaltetes Bedienelement zur Bewegungssteuerung eines Arbeitspunktes (TCP) der Arbeitsmaschine im dreidimensionalen, insbesondere kartesischen Raum. Der Arbeitspunkt ist beispielsweise ein charakteristischer Punkt an einem Arbeitsgerät der Arbeitsmaschine, beispielsweise eine Spitze eines Grabgefäßes, eines Greifers, Hammers oder einer Gabel oder im Falle eines Krans eines Aufhängepunktes. Er kann alternativ ein Koppelpunkt des Arbeitsgerätes am Endabschnitt der restlichen Kette von Segmenten sein. Erfindungsgemäß ist das Bedienelement derart gelagert ausgestaltet, dass es für diese Positionierung in drei Freiheitsgraden auslenkbar ist. Insbesondere ist jedem dieser drei Freiheitsgrade des Bedienelementes je einer von drei Freiheitsgraden des Arbeitspunktes zugeordnet.
Auf diese Weise kann der Arbeitspunkt mit bereits nur einem auszulenkenden Bedienelement - anstatt mit mehreren Bedienelementen - im Raum eindeutig bestimmt bewegt und positioniert werden. Gegenüber einem 2-Achsen-Joystick mit Zusatzelement gemäß dem Stand der Technik ermöglicht die erfindungsgemäße Bedieneinheit so eine intuitivere, und somit auch sicherere und effizientere, Bewegungssteuerung durch ein Bedienpersonal.
Die Freiheitsgrade des Bedienelements sind linear oder translatorisch und/oder rotatorisch und basieren vorzugsweise auf einem kartesischen Koordinatensystem.
In einer bevorzugten Weiterbildung sind von den wenigstens drei Freiheitsgraden zwei translatorisch und einer ist rotatorisch. Alternativ sind drei translatorische Freiheitsgrade möglich. Bei Ausgestaltung der Bedieneinheit erfolgt eine Auswahl, ob dem jeweiligen Freiheitsgrad des Arbeitspunktes ein translatorischer oder ein rotatorischer Freiheitsgrad des Bedienelements zugeordnet ist, in Abhängigkeit der Art der Arbeitsmaschine und deren grundsätzlichem Aufbau bezüglich aktuierbarer Segmente, sowie einer bevorzugten Ergonomie für einen Bediener der Bedieneinheit.
In einer Weiterbildung, die unabhängig von der Art der Arbeitsmaschine als intuitiv gilt, ist ein erster der wenigstens drei Freiheitsgrade des Bedienelements dessen Translation in x nach Vorne und Zurück, wobei der zugeordnete Freiheitsgrad des Arbeitspunktes dann eine Translation in X ist.
In einer Weiterbildung, die insbesondere für eine als Bagger oder Kran ausgestaltete Arbeitsmaschine mit drehbarem Oberwagen als intuitiv gilt, ist ein zweiter der wenigstens drei Freiheitsgrade eine Translation in y nach Links und Rechts, also jeweils zur Seite, wobei der zugeordnete Freiheitsgrad des Arbeitspunktes dann eine Rotation um Z ist. Der für den Bediener einfach auszulösenden Auslenkung zur Seite ist dann beispielsweise eine Drehung des Oberwagens um dessen Hochachse Z zugeordnet. Alternativ ist eine Verschiebung des Arbeitspunktes in Y zugeordnet, beispielsweise bei einem Stapler.
Um eine Bewegung des Arbeitspunktes in Richtung der Hochachse Z der Arbeitsmaschine oder in Z des kartesischen Raumes zu bewirken, ist in einer Weiterbildung ein dritter der wenigstens drei Freiheitsgrade des Bedienelements eine Rotation um die y-Achse des zweiten Freiheitsgrades, oder um eine sich zumindest mit einer Richtungskomponente des zweiten Freiheitsgrades erstreckende Achse. Der zugeordnete Freiheitsgrad ist dann eine Translation in Z. Diese Art Höhensteuerung des Arbeitspunktes gleicht intuitiv dem Zurückschwenken und Vorschwenken eines Joysticks zur Höhensteuerung.
Das greifbare Bedienelement oder Griffelement ist vorzugsweise ergonomisch bezüglich einer menschlichen linken und/oder rechten Hand ausgebildet. So ist die haptische Sensitivität für den Bediener verbessert. Insbesondere ist eine Ausgestaltung vergleichbar einer Computer- oder Gaming-Maus vorteilhaft. Das Bedienelement erstreckt sich vorzugsweise länglich zumindest in Richtung seines ersten translatorischen Freiheitsgrades und vergleichsweise schmal quer dazu. Es kann symmetrisch oder asymmetrisch zu einer aufgespannten Ebene ausgebildet sein. Vorzugsweise ist es in einer Neutralstellung des dritten, rotatorischen Freiheitsgrades mit seiner Längsachse gegen die Achse seines translatorischen, ersten Freiheitsgrades angestellt.
Insbesondere ist es außermittig rotatorisch gelagert, wobei ein längerer Abschnitt nach Vorne und ein kürzerer Abschnitt nach Zurück weist, oder umgekehrt.
Alternativ zu der oben ausgeführten Zuordnung von Freiheitsgraden ist eine mögliche, dass der zweite der wenigstens drei Freiheitsgrade des Bedienelements eine Rotation um eine Senkrechte zum ersten translatorischen Freiheitsgrad ist und der zugeordnete Freiheitsgrad des Arbeitspunktes eine Rotation um Z ist. Eine weitere Alternative ist, dass der dritte der wenigstens drei Freiheitsgrade des Bedienelements eine Translation in z nach Oben und Unten ist und der zugeordnete Freiheitsgrad des Arbeitspunktes eine Translation in Z.
In einer Weiterbildung ist einer Auslenkung des Bedienelements in seinem jeweiligen Freiheitsgrad eine Soll-Geschwindigkeit des Arbeitspunktes im zugeordneten Freiheitsgrad zugeordnet. Die Abhängigkeit der Soll-Geschwindigkeit von der Auslenkung ist vorzugsweise proportional, kann alternativ progressiv ausgestaltet sein.
Die Steuerung ist besonders einfach und intuitiv, wenn in einer Weiterbildung wenigstens einer der Auslenkungen eine Ansteuerung aller Aktoren zugeordnet ist, die die Bewegung des Arbeitspunktes im zugeordneten Freiheitsgrad bewirken. So muss vom Bedienpersonal nicht jedes Segment einzeln in seinen individuellen Freiheitsgraden angesteuert werden, um die gewünschte Bewegung des Arbeitspunktes zu erzielen, sondern für das Bedienpersonal nachvollziehbar ist jeder Auslenkung direkt eine Auslenkung des Arbeitspunktes zugeordnet.
In einer Weiterbildung weist die Bedieneinheit Sensoren zur Erfassung der Auslenkungen und zur Erfassung von Ist-Positionen und/oder Ist-Geschwindigkeiten des Arbeitspunktes und/oder der Aktoren und Segmente in den zugeordneten Freiheitsgraden auf. Zur Verarbeitung der Ist- mit den Soll-Werten weist die Bedieneinheit in einer Weiterbildung eine Steuereinheit auf, in der sowohl eine Kinematik der Aktoren, Gelenke und Segmente als auch die zuvor und weiter unten genannten Zuordnungen abgelegt sind, oder die zumindest zur Ablage einer solchen Kinematik und der Zuordnungen ausgestaltet ist.
In einer Weiterbildung hat die Steuereinheit eine Regeleinrichtung, über die die Aktoren in Abhängigkeit der Soll- und Ist-Geschwindigkeiten, der Ist-Positionen und der Kinematik ansteuerbar sind.
Um die Orientierung und Bedienung zu erleichtern weist das Bedienelement in wenigstens einem seiner wenigstens drei Freiheitsgrade, vorzugsweise in allen, eine Neutralstellung auf. Dieser Neutralstellung ist vorzugsweise eine konstante Geschwindigkeit, insbesondere eine Null-Geschwindigkeit oder Ruhe des Arbeitspunktes im zugeordneten Freiheitsgrad zugeordnet.
In einer Weiterbildung ist die Neutralstellung schnappend oder rastend durch entsprechende Schnapp- oder Rastmittel ausgebildet. Insbesondere ist hierfür eine Schnappeinrichtung, wie beispielsweise eine gespannte Kugel oder ein gespannter Bolzen in Eingriff mit einer Nut, einer Ausnehmung oder einer Vertiefung vorgesehen. Hierdurch ist sichergestellt, dass das Bedienelement ohne Bedienereinwirkung sicher in der Neutralstellung und somit der Arbeitspunkt in Ruhe verbleibt.
Um die Bedienung zu erleichtern sind Auslenkungen beidseitig der jeweiligen Neutralstellung gegensätzliche Bewegungsrichtungen des Arbeitspunktes im zugeordneten Freiheitsgrad zugeordnet.
Der erste der drei Freiheitsgrade des Bedienelements ist in einer Weiterbildung über eine erste Linearführung der Bedieneinheit, insbesondere in x, realisiert. Dazu gekreuzt, insbesondere orthogonal, ist eine zweite Linearführung, insbesondere in y vorgesehen, der der zweite der drei Freiheitsgrade zugeordnet ist. Diese Linearführungen erlauben eine ruhige Führung einer Bedienhand, getrennt nach Freiheitsgraden. Die jeweilige Linearführung kann wälzkörper- oder gleitgelagert ausgebildet sein.
Die jeweilige Linearführung weist in einer Weiterbildung parallele Schienen oder Stangen, die eine Führung bilden, und einen daran laufenden Schlitten oder Wagen oder eine Brücke (im Folgenden Schlitten) auf.
In einer Weiterbildung ist am Schlitten der ersten Linearführung eine Führung der zweiten Linearführung ausgebildet, insbesondere derart, dass die Führung der zweiten Linearführung mit dem Schlitten der ersten Linearführung bewegungsgekoppelt ist. Jede Bewegung des genannten Schlittens führt somit zur gleichen Bewegung der Führung der zweiten Linearführung. Vorzugsweise ist am Schlitten der zweiten Linearführung das Bedienelement rotierbar gelagert. So ist eine Kette aus: Führung der ersten Linearführung, deren Schlitten, mit diesem bewegungsgekoppelter Führung der zweiten Linearführung, deren Schlitten und mit diesem bewegungsgekoppeltem und an diesem rotierbarem Bedienelement ausgebildet.
Die jeweilige Lagerung der Schlitten und des Bedienelements ist insbesondere über ein Wälz- oder ein Gleitlager ausgebildet.
Um den Funktionsumfang der Bedieneinheit jenseits der bisher beschriebenen Bewegungssteuerung des Arbeitspunktes zu erweitern, ist in einer Weiterbildung wenigstens ein Schaltelement vorgesehen, über das eine Bewegung oder Stellung allein des Arbeitsgerätes steuerbar ist.
In einer Weiterbildung ist das wenigstens eine Schaltelement zur Aktivierung/Deaktivierung einer Konstantwinkel-Regelung oder einer Standardbewegung des Arbeitsgerätes vorgesehen. Insbesondere ist das Schaltelement am ohnehin dauerhaft vom Bedienpersonal berühr- oder greifbaren Bedienelement vorgesehen, sodass es stets in dessen Reichweite ist. Im Falle des als Baggerschaufel ausgebildeten Arbeitsgerätes ist eine Konstantwinkel-Regelung beispielsweise in einem übers Schaltelement aktivierten, sogenannten „Verfahrmodus“ realisiert. Eine Standardbewegung ist beispielsweise das An- oder Auskippen der Schaufel. Um die Bedienung zu erleichtern und eine ungewollte Aktivierung einfach zu unterbrechen, weist das wenigstens eine Schaltelement eine Neutralstellung auf, in die es entgegen einer Betätigung vorgespannt ist. Dieser Neutralstellung ist vorzugsweise die Deaktivierung zugeordnet.
Das Bedienelement und/oder das Schaltelement ist oder sind in einer Weiterbildung in die jeweilige Neutralstellung federgespannt oder federzentriert. So erfolgt ohne die willentliche Betätigung des Bedienelementes und/oder das Schaltelementes durch den Bediener immer die Rückstellung in die Neutralstellung, was zur oben genannten Ruhe des Arbeitspunktes oder zur Deaktivierung führt.
Insbesondere die Auslenkungen des Bedienelements sind in einer Weiterbildung gedämpft, insbesondere durch einen mit der jeweiligen für die Rückstellung vorgesehenen Feder zusammenwirkenden Dämpfer.
Schnittstellen der Bedieneinheit sind zum einen ein HMI mittels dem Bedien- oder Griffelement und dem(n) optionalen Schaltelement(en) und zum anderen mechanische Schnittstellen zur Befestigung an einem Bedienplatz. Dazu kann die Bedieneinheit einfach zu lösende und zu befestigende schraubbare, steckbare, rastbare oder clipsbare Schnittstellen aufweisen. Hinzu kommen elektrische/elektronische Schnittstellen mit der Sensorik zur Erfassung der Ist-Werte des Arbeitspunktes und/oder mit der Sensorik zur Erfassung der Ist-Werte der Segmente und Aktoren, sowie elektrische/elektronische Schnittstellen zur Ansteuerung der Aktoren.
In einer Weiterbildung weist die Bedieneinheit Zusatzfunktionen auf, die insbesondere in der Steuereinheit zur Ausführung abgelegt sind und für die vorzugsweise ein jeweiliges Schalt- oder Steuerelement zur Aktivierung an der Bedieneinheit vorgesehen ist. Eine Zusatzfunktion ist beispielsweise eine Bewegungsbegrenzung („virtual walls“) des Arbeitspunktes in seinen kartesischen Koordinaten, die insbesondere in der Steuereinheit parametriert ablegbar ist. Eine weitere Möglichkeit ist die Zusatzfunktion eines Annäherungsalarms über ein Mittel zur Vibration, das, von der Steuereinheit angesteuert, bei Annäherung des Arbeitspunktes oder des Arbeitsgerätes an die Bewegungsbegrenzung eine Vibration des Bedienelements bewirkt. Eine weitere Möglichkeit ist die Zusatzfunktion einer Bewegungsverlangsamung bei Annäherung des Arbeitspunktes oder des Arbeitsgerätes an diese Bewegungsbegrenzung. Eine weitere mögliche Zusatzfunktion ist eine Aufzeichnungs- oder Memory-Funktion inklusive Abspielfunktion einer Arbeitsbewegung des Arbeitspunktes und/oder des Arbeitsgerätes. So kann eine sich wiederholende Arbeitsbewegung automatisiert an gleicher oder anderer Stelle erfolgen. Eine Weiterbildung dazu beinhaltet insbesondere eine Unterbrechung oder zumindest Abbremsung der Abspielfunktion durch manuellen Eingriff des Bedienpersonals.
In einer Weiterbildung weist die Bedieneinheit eine Sende- und Empfangseinrichtung auf, sodass es als Fern-Bedieneinheit von außerhalb des Bedienplatzes verwendbar ist.
In einer Weiterbildung weist die Bedieneinheit in Informationssystem zu Ist-Werten der Arbeitsmaschine, insbesondere des Arbeitspunktes oder Arbeitsgerätes auf, insbesondere eine Anzeige einer aktuellen Arbeitsmasse am Arbeitspunkt (Payload Weighing System).
Ein Verfahren zur Positionierung eines von Aktoren über gelenkig verbundene Segmente anlenkbaren Arbeitspunktes einer mobilen Arbeitsmaschine im dreidimensionalen Raum hat Schritte zur Verstellung des Arbeitspunktes in dreien seiner Freiheitsgrade. Diese Schritte können sequentiell, teilweise sequentiell oder gleichzeitig erfolgen. Erfindungsgemäß erfolgt die Verstellung in Abhängigkeit einer Auslenkung nur eines Bedienelements einer Bedieneinheit in dreien von dessen Freiheitsgraden. In anderen Worten ist jedem Freiheitsgrad, in dem das Bedienelement auslenkbar ist, ein Freiheitsgrad des Arbeitspunktes zugeordnet, in dem dieser verstellbar ausgestaltet ist.
Da die drei Verstellungen, die notwendig sind, den Arbeitspunkt eindeutig bestimmt zu positionieren, mit lediglich einem auszulenkenden Bedienelement erfolgen, ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren gegenüber der Durchführung dieser drei Schritte mit einem 2-Achsen-Joystick und einem Zusatzelement gemäß dem Stand der Technik, eine intuitivere Positionierung und Bewegungssteuerung.
In einer Weiterbildung weist das Verfahren wenigstens einen sequentiellen oder gleichzeitigen Schritt Aktivieren/Deaktivieren einer Zusatzfunktion des Arbeitsgerätes, insbesondere eine Konstantwinkel-Regelung und/oder eine Standardbewegung des Arbeitsgerätes mittels Schalten wenigstens eines am Bedienelement angeordneten Schaltelements auf.
Eine mobile Arbeitsmaschine, insbesondere ein Bagger oder Kran, hat eine Bedieneinheit, die gemäß wenigstens einem Aspekt der vorhergehenden Beschreibung ausgestaltet ist. Die Arbeitsmaschine hat eine Kette ein- oder mehrgelenkig verbundener Segmente, an deren Endabschnitt ein Arbeitspunkt (TCP) angeordnet ist. Im Falle eines Baggers sind die Segmente beispielsweise ein um die Hochachse drehbarer Oberwagen, ein damit drehgelenkig verbundener Ausleger, ein damit wiederum drehgelenkig verbundener Stiel und ein an dessen Endabschnitt schwenkbarer Löffel. Dessen Grabspitze stellt den Arbeitspunkt (TCP) des Baggers dar. Der Arbeitspunkt kann natürlich davon abweichend und insbesondere in Abhängigkeit des verwendeten Arbeitsgerätes definiert sein. Im Falle eines Kranes sind die Segmente beispielsweise ein drehbarer Oberwagen mit festem Ausleger, einem daran horizontal verfahrbaren Schlitten und einem zu diesem vertikal verfahrbaren Haken, wobei der Arbeitspunkt dessen Aufhängepunkt ist. Die Segmente sind in Abhängigkeit der Auslenkungen des Bedienelements von elektromotorischen oder hydraulischen Aktoren betätigbar.
Der TCP der Arbeitsmaschine ist im kartesischen Raum erfindungsgemäß anstatt mit mehreren Bedienelementen (2-Achsen-Joystick in Zusammenwirken mit Zusatzelement gemäß dem Stand der Technik), erfindungsgemäß mit lediglich einem auszulenkenden Bedienelement eindeutig bestimmt beweg- und steuerbar. Gegenüber dem Stand der Technik ermöglicht dies eine intuitivere Bewegungssteuerung des TCPs.
Um eine Regelung der Bewegungssteuerung, Bewegungsgeschwindigkeit und/oder Positionierung zu ermöglichen, ist in einer Weiterbildung eine Sensoreinrichtung vorgesehen, über die Positionsänderungen des TCP in seinen Freiheitsgraden erfassbar sind.
Dabei ist für drehbare Segmente ein Sensor zur Erfassung einer Neigung des Segments, und/oder eines Winkels zwischen drehgelenkig verbundenen Segmenten vorgesehen. Für linear verfahrbare Segmente oder schubgelenkig verbundene Segmente ist ein Sensor zur Erfassung einer Position oder Relativposition der am Gelenk beteiligten Segments vorgesehen.
In der Steuereinheit ist in Abhängigkeit der jeweiligen Auslenkung eine Soll- Geschwindigkeit des Arbeitspunktes im zugeordneten Freiheitsgrad abgelegt.
In einer Weiterbildung weist die Steuereinrichtung eine Regeleinrichtung auf, über die in Abhängigkeit der jeweiligen Soll-Geschwindigkeit und der von der Sensoreinrichtung erfassten Positionsänderungen des Arbeitspunktes Aktuatoren der Arbeitsmaschine, von denen die Segmente angelenkt sind, ansteuerbar sind.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Bedieneinheit, eines erfindungsgemäßen Verfahrens und einer erfindungsgemäßen mobilen Arbeitsmaschine in Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine mobile Arbeitsmaschine mit Arbeitspunkt und dessen Freiheitsgraden, gemäß einem Ausführungsbeispiel, in einer Seitenansicht,
Figur 2 eine Bedieneinheit zur Positionierung des Arbeitspunktes, gemäß einem Ausführungsbeispiel, in einer perspektivischen Ansicht,
Figur 3 die Bedieneinheit gemäß Figur 2 in schematischer Darstellung, in einer Draufsicht,
Figur 4 die Bedieneinheit gemäß Figur 2 und 3 in schematischer Darstellung, in einer Seitenansicht,
Figur 5 die Bedieneinheit gemäß den Figuren 2 bis 4 in einer Ansicht von hinten.
Gemäß Figur 1 ist eine mobile Arbeitsmaschine als Bagger 1 mit Unterwagen 2 ausgeführt, auf dem ein Oberwagen 4. An diesem setzt ein Ausleger 6 drehgelenkig an, der zusammen mit einem an ihm drehbar gelagert Stiel 8 einen Arbeitsarm des Baggers 1 bildet. An dessen Ende ist ein als Löffel 12 ausgebildetes Arbeitsgerät schwenkbar betätigbar gelagert. Eine Spitze des Löffels 12 stellt den Arbeitspunkt TCP der Arbeitsmaschine 1 dar.
Unterwagen 2, Oberwagen 4, Ausleger 6, Stiel 8 und das Arbeitsgerät des Löffels 12 bilden eine Kette von Segmenten, die vom jeweils vorherigen Segment ausgehend von einem Aktor angelenkt sind. So ist der Oberwagen 4 von einem am Unterwagen 2 angeordneten hydrostatischen Drehmotor (nicht dargestellt) drehend betätigbar. Der Ausleger 6 ist von einem am Oberwagen 4 ansetzenden, hydrostatischen Auslegerzylinder 14 schwenkend oder drehend betätigbar, der Stiel 8 ist von einem am Ausleger 6 ansetzenden, hydrostatischen Stielzylinder 16 schwenkend oder drehend betätigbar und der Löffel 12 ist über einen am Stiel 8 ansetzenden Löffelzylinder 18 über eine Schwinge 20 und eine Koppel 22 um einen Drehpunkt 10 verschwenkbar betätigbar. Die Summe der Bewegungen der Segmente 4, 6, 8, 12 führt zur Bewegung des Arbeitspunktes TCP im dreidimensionalen Raum und ermöglicht dessen Positionierung darin.
Zur Erfassung eines Ist-Position des Arbeitspunktes ist am jeweiligen Segment 4, 6, 8, 12 ein Neigungssensor vorgesehen. Alternativ oder ergänzend können Winkel und/oder Wegsensoren vorgesehen sein. Eine Steuereinheit verarbeitet Signale von mindestens zwei der Sensoren zur Bestimmung der Position des Arbeitspunktes TCP und regelt dadurch mittels Berechnung notwendiger Zylinderverfahrwege einen jeweiligen Volumenstrom für die Hydraulikzylinder 14, 16, 18. So kann eine Ist-Position des Arbeitspunktes TCP gemäß einer Sollwert-Vorgabe einer im Folgenden beschriebenen Bedieneinheit eingeregelt werden.
Gemäß Figur 2 hat eine Bedieneinheit 24 ein greifbares, ergonomisch ausgestaltetes Bedienelement 26. Diese hat einen Auflageabschnitt 28 für eine Bedienhand und einen an seinem distalen Abschnitt dazu einen Funktionsabschnitt mit zwei Schaltelementen 30, 32. Der Ablageabschnitt 28 ist in Verwendung der Bedieneinheit dem Bedienpersonal zugewandt, Der Funktionsabschnitt ist in Sichtrichtung des Bedienpersonals dem Arbeitsgerät 12 gemäß Figur 1 zugewandt.
Das Bedienelement 24 ist in drei seiner Freiheitsgrade x, y und rot y auslenkbar gelagert. Eine translatorische Auslenkung in „x, zurück“ gemäß Figur 2 entspricht einem Ziehen des Bedienelementes 24 hin zum Bedienpersonal. Diese Auslenkung löst ein Ziehen des Arbeitspunktes TCP gemäß Figur 1 in „X, Zurück“, hin zum Oberwagen 4 aus. Die Weiteren Entsprechungen sind gemäß den Figuren 1 und 2: - Translatorische Auslenkung des Bedienelementes 24 gemäß Figur 2 in Richtung „x, vor“ löst ein Schieben des Arbeitspunktes TCP gemäß Figur 1 in „X, Vor“, weg vom Oberwagen 4 aus,
- Translatorische Auslenkung des Bedienelementes 24 gemäß Figur 2 in Richtung „y, rechts“ löst eine Rotation des Arbeitspunktes TCP gemäß Figur 1 mittels Drehen des Oberwagens 4 in rot Z, Rechts aus,
- Translatorische Auslenkung des Bedienelementes 24 gemäß Figur 2 in Richtung y, links löst eine Rotation des Arbeitspunktes TCP gemäß Figur 1 mittels Drehen des Oberwagens 4 in rot Z, Links aus,
- Rotatorische Auslenkung des Bedienelementes 24 gemäß Figur 2 in Richtung rot y, vor löst ein Absenken des Arbeitspunktes TCP gemäß Figur 1 in Z, Runter aus,
- Rotatorische Auslenkung des Bedienelementes 24 gemäß Figur 2 in Richtung rot y, zurück löst ein Anheben des Arbeitspunktes TCP gemäß Figur 1 in Z, Rauf aus,
So sind Zuordnungen der Freiheitsgrade des Bedienelements 24 zu den Freiheitsgraden des Arbeitspunktes TCP realisiert.
Des Weiteren hat die Bedieneinheit mehrere Zusatzfunktionen, mit denen die Bewegungssteuerung des Arbeitspunktes ergänzt ist.
- Betätigen des Schaltelements 30 aktiviert eine Konstantwinkelregelung des Löffels 12, beispielsweise um diesen beim Verfahren der Arbeitsmaschine 1 in konstantem Winkel zur Schwerkraft zu halten und so aufgenommenes Schüttgut nicht zu verschütten,
- Betätigen des Schaltelements 32 aktiviert ein automatisches An- oder Auskippen des Löffels 12, beispielsweise um den Löffel zu entleeren
- Betätigen eines seitlichen Schiebers oder Rades 34 dient der proportionalen, also nicht schaltenden, Steuerung einer Kippung des Arbeitsgerätes 12.
Ergänzend oder alternativ zu diesen Zusatzfunktionen kann am Bedienelement 26 ein Schaltelelement vorgesehen sein, bei dessen Bedienung und gleichzeitigem Auslenken des Bedienelements 26 in „y, rechts“ oder „y, links“ anstatt der oben beschriebenen Rotationsbewegung des Oberwagen 4 (und damit des TCPs) eine lineare Bewegung des TCP entlang der Y-Achse gemäß Figur 1 , oder entlang einer anderen, vorbestimmten Linie im kartesischen Raum, ausgelöst wird. Hierzu ist die Steuereinheit derart ausgebildet, dass über sie die Aktoren 14, 16, 18 und der rotatorische Antrieb derart ansteuerbar sind, dass bei Rotation des Oberwagens 4 Y des TCP konstant bleibt.
Ergänzend oder alternativ zu diesen Zusatzfunktionen können für eine Zusatzfunktion des Tiltens, Rollens und/oder Gierens des Arbeitsgerätes 12 bis zu drei Schieber oder Räder oder dergleichen vorgesehen sein.
Figur 3 zeigt den mechanisch-sensorischen Aufbau der Bedieneinheit 24 gemäß Figur 2 in schematischer Darstellung in einer Draufsicht, wobei das Bedienteil 26 transparent, bzw. seine Außenkontur gestrichelt dargestellt ist. Die Bedieneinheit 24 hat eine erste Linearführung 36 mit einer von zwei parallelen ersten Stangen 38 gebildeten ersten Führung und einem daran in y translatorisch geführten ersten Schlitten 40. Parallel zu den ersten Stangen 38 erstreckt sich ein erster Spurkanal 39.
Der erste Schlitten 40 trägt wiederum zwei parallele zweite Stangen 42 einer zweiten Linearführung 44. Die zweiten Stangen 42 bilden somit eine zweite Führung der zweiten Linearführung 44. An den zweiten Stangen 42 ist ein zweiter Schlitten 46 in x translatorisch geführt, an dem das Bedienelement 26 rotierbar auslenkbar gelagert ist (vgl. Figur 4). Parallel zu den zweiten Stangen 42 erstreckt sich ein zweiter Spurkanal 42.
Zur Erfassung der Auslenkungen des Bedienelements 26 in seinen beiden translatorischen Freiheitsgraden x und y bezüglich einer in Figur 3 dargestellten Neutralstellung wirken die Spurkanäle 39, 43 mit mit dem jeweiligen Schlitten 40, 46 bewegungsgekoppelten Sensoren 48, 50 zusammen, die beispielsweise jeweils als Hallsensor ausgebildet sind.
Für ein verbessertes haptisches Gefühl beim Auslenken des Bedienelements 26 und zur Sicherstellung, dass der Löffel 12 keine zu starken Beschleunigungsbewegungen (Sicherheitsaspekt) durchführen kann, sind im gezeigten Ausführungsbeispiel die Schlitten 40 und 46 jeweils federzentriert in die Neutralstellung vorgespannt und zudem über Dämpfungselemente in ihrer Auslenkung gedämpft. Der Übersicht halber ist hierzu lediglich eins Feder-Dämpfer-Pakete 52 mit Bezugszeichen versehen.
Das Bedienelement 26 lässt sich somit in zwei translatorischen Freiheitsgraden x, y linear verschieben. Die eine Richtung wird technisch durch die erste Linearführung 36, die andere durch die zweite Linearführung 44 realisiert. Das Bedienelement 26 stellt sich in beiden Freiheitsgraden x, y aufgrund der Feder-Dämpfer-Pakete 52 automatisch in die Neutralstellung zurück. Die Feder-Dämpfer-Pakete 52 können entweder in die Stangen 38, 42 integriert oder seitlich davon angebracht sein.
Figur 4 zeigt die Bedieneinheit 24 in einer schematischen Darstellung in einer Seitenansicht. Sie hat eine Basis 54 mit einer kalottenförmigen Ausnehmung 56, in die ein mit dem zweiten Schlitten 46 gekoppeltes, federvorgespanntes, kalottenförmiges Gleitstück 58 in der Neutralstellung bezüglich der Translationen in x und eingreift. So ist eine zusätzliche Sicherheitsfunktion bezüglich einer versehentlichen Auslenkung des zweiten Schlittens 46 in beiden Freiheitsgraden x, y gegeben, da für eine Auslenkung in diesen Richtungen dann eine Mindestkraft überwunden werden muss, um das Bedienelement 26 bewegen zu können. Zum anderen bringt dies den Vorteil, dass bei Rückstellung aus den Auslenkungen in x und y die Neutralstellung schnell und zuverlässig erreicht wird.
Für den Fall, dass das Bedienelement entlang der Freiheitsgrade x, y geführt bewegbar sein soll, können zentriert zur kalottenförmigen Ausnehmung (oder diese kreuzend) in einer von x und y aufgespannten Ebene zwei orthogonal zueinanderstehende Spurkanäle vorgesehen sein, in denen ein mit dem Bedienelement gekoppeltes, insbesondere federbelastetes Gleitstück laufen kann.
Die lineare Bewegung des Bedienelements kann dann mit geringem Widerstand immer nur entlang eines der Spurkanäle ausgeführt werden, während für die Bewegung in der der Richtung quer dazu eine Mindestkraft überwunden werden muss, um das Gleitstück aus dem Spurkanal zu heben. Auch bietet das den Vorteil, dass eine Rückstellung des Bedienelements in die Neutralstellung im einen Freiheitsgrad schnell und zuverlässig erreicht wird, während es im anderen Freiheitsgrad noch ausgelenkt ist.
Auf dem Schlitten 46 ist gemäß Figur 4 ein Stiel befestigt. Dieser erstreckt sich in z, wobei an ihm über ein Scharniergelenk 60 ein das Bedienelements 26 tragender Hebel außermittig befestigt ist, sodass sich der Hebel nach vorne länger erstreckt als nach hinten. Das Scharniergelenk 60 ermöglicht eine Drehbewegung des Bedienelements 26 um den Stiel. Die Winkelposition des Bedienelements 26 wird durch einen Sensor 62 erfasst. Ein initialer Winkel in der Neutralstellung bezüglich des rotatorischen Freiheitsgrades rot y des Bedienelements 26 ist aus ergonomischen Gründen leicht gekippt, größer als 90°.
Auch hier ist über zwei einander entgegenwirkende Feder-Dämpfer-Pakete 52 ein Rückstellmechanismus der rotatorischen Auslenkung des Bedienelementes 26 im Freiheitsgrad rot y in beiden Richtungen gegeben.
Damit auch diese rotatorische Auslenkung nicht versehentlich ausgeführt wird, ist ein Mechanismus analog zur vorangegangenen Beschreibung mittels federvorgespanntem Gleitstück und Nut vorgesehen.
Das Schaltelement 32 ist stufig betätigbar. Es ist so ausgestaltet, dass sich die Rotationsgeschwindigkeit des Arbeitsgeräts 12 mit jeder zusätzlichen, aktivierten Stufe steigert. Der Aufbau des Schaltelementes 32 ist dabei von einer der Anzahl der Stufen entsprechenden Anzahl Federelemente gebildet, die nacheinander betätigt werden, um die Stufung zu verändern. Somit muss für jede Stufe eine weitere Feder gespannt und somit mehr Kraft zum Schalten der Stufe aufgewendet werden. Alternativ kann ein einziges mehrstufiges Federelement verwendet werden.
Figur 5 zeigt die Bedieneinheit gemäß Figur 2 bis 4 in einer Schnittansicht durch den Stiel mit Blickrichtung von hinten.
Offenbart ist eine Bedieneinheit zur Positionierung eines von Aktoren über gelenkig verbundene Segmente anlenkbaren Arbeitspunktes einer mobilen Arbeitsmaschine im dreidimensionalen Raum, die ein in drei Freiheitsgraden auslenkbares Bedienelement hat, wobei jedem dieser Freiheitsgrade einer von Freiheitsgraden des Arbeitspunktes zuordenbar, insbesondere zugeordnet ist.
Offenbart ist des Weiteren ein Verfahren zur Positionierung eines derartigen Arbeitspunktes, das auf der Auslenkung nur eines Bedienelementes in drei seiner Freiheitsgrade beruht.
Des Weiteren ist eine mobile Arbeitsmaschine offenbart, die eine Kette von gelenkig verbundenen Segmenten hat, an deren Endabschnitt der Arbeitspunkt angeordnet ist, wobei die Segmente von Aktoren angelenkt sind. Eine Ansteuerung der Aktoren zur Positionierung des Arbeitspunktes ist dabei abhängig von in einer Steuereinheit hinterlegten Kinematik der Segmente und Aktoren, von Auslenkungen des Bedienelements, die Soll-Werten der Geschwindigkeit des Arbeitspunktes in den zugeordneten Freiheitsgraden entsprechen, von erfassten Ist-Werten und von einer ermittelten Regeldifferenz abhängig.

Claims

Patentansprüche
1 . Bedieneinheit zur Positionierung eines von Aktoren über gelenkig verbundene Segmente (4, 6, 8, 12) anlenkbaren Arbeitspunktes (TCP) einer mobilen Arbeitsmaschine (1 ) im dreidimensionalen Raum, gekennzeichnet durch nur ein Bedienelement (26), das für diese Positionierung in drei Freiheitsgraden (x, y, rot y) auslenkbar gelagert ist.
2. Bedieneinheit nach Anspruch 1 , wobei den drei Freiheitsgraden (x, y, rot y) des Bedienelements (26) jeweils ein Freiheitsgrad (X, rot Z, Z) des Arbeitspunktes (TCP) zugeordnet ist.
3. Bedieneinheit nach Anspruch 2, wobei Auslenkungen des Bedienelements (26) in den drei Freiheitsgraden (x, y, rot y) jeweils eine Soll-Geschwindigkeit des Arbeitspunktes (TCP) im zugeordneten Freiheitsgrad (X, rot Z, Z) zugeordnet ist.
4. Bedieneinheit nach Anspruch 3 mit Sensoren (48, 50, 62) zur Erfassung der Auslenkungen.
5. Bedieneinheit nach einem der Ansprüche 2 bis 4 mit Sensoren zur Erfassung von Ist-Positionen und/oder Ist-Geschwindigkeiten des Arbeitspunktes (TCP) in den zugeordneten Freiheitsgraden (X, rot Z, Z).
6. Bedieneinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer Steuereinheit, in der eine Kinematik der Aktoren (14, 16, 18), Gelenke und Segmente (4, 6, 8, 12) und die Zuordnungen abgelegt sind, oder die zumindest zur Ablage einer solchen Kinematik und der Zuordnungen ausgestaltet ist.
7. Bedieneinheit nach Anspruch 6, wobei die Steuereinheit eine Regeleinrichtung hat, über die die Aktoren (14, 16, 18) in Abhängigkeit der Soll- und Ist- Geschwindigkeiten, der Ist-Positionen und der Kinematik ansteuerbar sind.
8. Bedieneinheit zumindest nach Anspruch 2, wobei ein erster der drei Freiheitsgrade (x, y, rot y) eine „Translation in x nach vorne und zurück“ und der zugeordnete Freiheitsgrad eine „Translation in X nach Vorne und Zurück“ ist, und wobei ein zweiter der drei Freiheitsgrade (x, y, rot y) eine „Translation in y nach links und rechts“ ist und der zugeordnete Freiheitsgrad eine „Rotation um Z nach Links und Rechts“ ist, und wobei ein dritter der drei Freiheitsgrade (x, y, rot y) eine „Rotation um y nach vorne und zurück“ ist und der zugeordnete Freiheitsgrad eine „Translation in Z Runter und Rauf1 ist. Bedieneinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bedienelement (26) in wenigstens einem seiner drei Freiheitsgrade (x, y, rot y) eine Neutralstellung aufweist, der eine Ruhe des Arbeitspunktes (TCP) im zugeordneten Freiheitsgrad (X, rot Z, Z) zugeordnet ist. Bedieneinheit nach einem mit einer ersten Linearführung (36), der ein erster der drei Freiheitsgrade (x, y, rot y) des Bedienelements (26) zugeordnet ist, und mit einer zur ersten Linearführung (36) gekreuzten zweiten Linearführung (44), der ein zweiter der drei Freiheitsgrade (x, y, rot y) des Bedienelements (26) zugeordnet ist. Bedieneinheit nach Anspruch 10, wobei an einem Schlitten (40) der ersten Linearführung (36) eine Führung (42) der zweiten Linearführung (44) ausgebildet ist. Bedieneinheit nach Anspruch 11 , wobei unmittelbar oder mittelbar an einem Schlitten (46) der zweiten Linearführung (44) das Bedienelement (26) rotierbar gelagert ist. Bedieneinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit wenigstens einem, insbesondere am Bedienelement (26) angeordneten, Schalt- oder Schiebe- oder Drehelement (30, 32, 34) zur Aktivierung und/oder Deaktivierung einer Konstantwinkel-Regelung und/oder einer Standardbewegung eines den Arbeitspunkt (TCP) aufweisenden Arbeitsgerätes. Verfahren zur Positionierung eines von Aktoren (14, 16, 18) über gelenkig verbundene Segmente (4, 6, 8, 12) anlenkbaren Arbeitspunktes (TCP) einer mobilen Arbeitsmaschine (1 ) im dreidimensionalen Raum, durch Verstellung des Arbeitspunktes (TCP) in dreien seiner Freiheitsgrade (X, rot Z, Z), dadurch 19 gekennzeichnet, dass die Verstellung in Abhängigkeit einer Auslenkung nur eines Bedienelements (26) einer Bedieneinheit (24) in dreien (x, y, rot y) von dessen Freiheitsgraden erfolgt. Mobile Arbeitsmaschine mit einer Bedieneinheit (24), die gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13 ausgestaltet ist, und mit einer Kette ein- oder mehrgelenkig verbundener, in Abhängigkeit der Auslenkung des Bedienelements (26) von Aktoren (14, 16, 18) der Arbeitsmaschine (1 ) betätigbarer, Segmente (4, 6, 8, 12), an deren Endabschnitt der Arbeitspunkt (TCP) eines Arbeitsgerätes oder Transportgerätes angeordnet ist, und mit einer Steuereinheit, die derart ausgestaltet ist, dass über sie in Abhängigkeit der Auslenkungen des Bedienelements (26) in seinen drei Freiheitsgraden (x, y, rot y) eine Geschwindigkeit des Arbeitspunktes (TCP) in dessen zugeordneten Freiheitsgraden (X, rot Z, Z) steuer- und/oder regelbar ist.
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