WO2024088882A1 - Verfahren zur steuerung eines gelenkarms mit einer räumlich von diesem entfernten mobilen fernsteuereinheit sowie saugbagger - Google Patents

Verfahren zur steuerung eines gelenkarms mit einer räumlich von diesem entfernten mobilen fernsteuereinheit sowie saugbagger Download PDF

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WO2024088882A1
WO2024088882A1 PCT/EP2023/079192 EP2023079192W WO2024088882A1 WO 2024088882 A1 WO2024088882 A1 WO 2024088882A1 EP 2023079192 W EP2023079192 W EP 2023079192W WO 2024088882 A1 WO2024088882 A1 WO 2024088882A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
coordinate system
control unit
articulated arm
remote control
machine
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Application number
PCT/EP2023/079192
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English (en)
French (fr)
Inventor
Alexander Kulik
Anne Graber
Patrick Renger
Original Assignee
Rsp Gmbh & Co. Kg
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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
    • E02F3/88—Dredgers; Soil-shifting machines mechanically-driven with arrangements acting by a sucking or forcing effect, e.g. suction dredgers
    • E02F3/8816—Mobile land installations

Definitions

  • the invention initially relates to a method for controlling an articulated arm using a mobile remote control unit spatially distant from it.
  • Such an articulated arm can be used on different, preferably mobile work machines, in particular be part of a suction excavator, namely as an articulated hose carrier.
  • the invention thus also relates to a suction excavator with a remote-controlled articulated hose carrier.
  • a suction excavator is a vehicle with a vehicle frame that carries a preferably tippable material collection container.
  • Multi-link articulated arms are used in many machines to bring an end piece or end effector (e.g. drill head, suction nozzle or lifting platform) into a certain position and orientation, or to move it along a defined path.
  • the machine-level operation by controlling the pressure in hydraulic cylinders or similar drives to move individual links of the articulated arm is relatively difficult for the user to learn and prone to errors.
  • specific requirements must be met, e.g. keeping the end piece in a defined orientation or ensuring optimal distribution of the bending angles of individual joints.
  • DE 3837 670 A1 discloses a suction excavator comprising a pneumatic suction nozzle, a collecting container for the sucked-up soil, into which the suction nozzle opens and in which the soil is separated from the suction air flow, and ⁇ PATENT PROTECTIONengel 0184/23#3-11 RSP 17.10.2023 - 2 - a suction fan connected to the collection container to generate the suction air flow.
  • DE 19851 111 C1 describes a suction excavator with a collection chamber arranged at the front in the direction of travel in the material collection container and a filter located at the rear in the direction of travel.
  • the telescopic hose carrier only partially guides the hose, so that the suction nozzle, at which the material is picked up, has to be guided manually by an operator.
  • the articulated hose carrier also known as a power arm, guide arm or articulated boom
  • It offers the advantage of complete hydraulic guidance and good stability. This enables more precise control of the work movements without manual effort and using a preferably mobile remote control unit that the operator can carry.
  • a suction excavator with a remote-controlled articulated boom is known from DE 9016 448 U1.
  • the suction head can be controlled into a desired suction position by means of individual control arms using hydraulic pressure cylinders via a remote control unit.
  • JP 2010-228905 A describes a remote control and a method for controlling machines.
  • CN 102 561 700 A describes a machine control technology, namely a mechanical arm control system and a method and a machine for this.
  • the mechanical arm to be controlled consists of at least two links.
  • the ⁇ PATENT PROTECTIONengel 0184/23#3-11 RSP 17.10.2023 - 3 - Machine comprises a drive unit, a remote control and a direction setting unit.
  • the control method provides for two coordinate systems to be used, with one coordinate system being assigned to the remote control and the other coordinate system to the last link of the arm.
  • DE 102016 106 427 A1 describes a method for controlling the movement of an articulated hose carrier with several links, whereby an angle change can be effected between adjacent links using a drive.
  • the starting position of the links is determined using sensors, a direction vector and a speed parameter are read in, and a target position is determined that a suction crown should assume at the free end of the last link. Angle changes are then determined that must be carried out on the links in order to reach the target position, such that the suction crown moves along a straight path to the target position.
  • the drives assigned to the links are controlled in order to achieve the previously determined angles. 0184/23#3-11 RSP 17.10.2023 - 4 - to bring about a certain angle change on the links.
  • One object of the invention is to provide an improved method for controlling an articulated arm, in particular an articulated hose carrier, with a mobile remote control unit spatially distant from it, with which operation is easier and thus also possible for largely inexperienced users.
  • the invention is intended to provide a suction excavator for carrying out such a method. This object is achieved by a method according to the appended claim 1 and by a suction excavator according to claim 12.
  • the method according to the invention for controlling an articulated arm with a mobile remote control unit spatially distant from it initially comprises the following steps:
  • a stationary machine coordinate system is defined which is tied to the articulated arm or the machine unit (suction excavator) supporting it.
  • the machine coordinate system is (quasi) stationary during operation as long as the machine unit is not changed in location.
  • the machine coordinate system is rotated arbitrarily far from the input coordinate system of the remote control and from generic reference directions such as gravity and the earth's magnetic field.
  • the movement of the articulated arm can be represented, for example, by vectors in the machine coordinate system. In this way, the position of at least one end piece at the free end of the articulated arm can be determined in this machine coordinate system, preferably as the end point of a direction vector.
  • a suction nozzle serves as the end piece on a suction dredger; on other units, the end piece can be represented by a tool, a ⁇ PATENT PROTECTIONengel 0184/23#3-11 RSP 17.10.2023 - 6 - gripper, a piece of pipe or a similar element that is to be positioned at a work location for a work task to be carried out.
  • a dynamic input coordinate system is defined which is linked to the mobile remote control unit. During operation, there can therefore be situations in which the stationary machine coordinate system of the articulated arm has the same orientation as the dynamic input coordinate system of the remote control unit, but as a rule these two coordinate systems will not coincide, so that there is a deviation in one or more coordinates.
  • a deviation between the spatial orientation of the input coordinate system and the machine coordinate system is determined.
  • This deviation can be determined, for example, as a deviation vector or a transformation matrix.
  • the deviation thus also represents the spatial position of the dynamic input coordinate system within the stationary machine coordinate system, which can therefore also be understood as a higher-level coordinate system.
  • a separate higher-level world coordinate system can be defined in which the orientations of the machine coordinate system and the input coordinate system can be determined and compared to one another in order to determine a deviation.
  • a target movement direction and target movement angle entered by the user via control elements of the remote control unit are entered in the dynamic input coordinate system.
  • ⁇ PATENT PROTECTIONengel 0184/23#3-11 RSP 17.10.2023 - 7 - speed of the articulated arm is recorded, preferably as a target motion vector.
  • the user operates a joystick on the remote control unit and sensors on the remote control unit record the speed and direction of the joystick deflection as a target motion vector.
  • the target motion vector or the target motion direction is transformed into the stationary machine coordinate system, using the previously determined deviation between the input coordinate system and the machine coordinate system, in order to generate a transformed motion vector or a transformed motion direction in the machine coordinate system.
  • This transformation is preferably carried out using a computing unit, which can be part of the remote control unit or the machine unit comprising the articulated arm.
  • the target motion speed only needs to be transformed if the operator's perspective has also been scaled in relation to the situation on site at the machine. This can occur in telematics use cases.
  • the transformed motion vector is transmitted to an articulated arm control unit, which then controls at least one drive unit of the articulated arm in order to move the end piece to the target position specified by the transformed motion vector. This movement can be initiated by controlling one, several or all drives on the articulated arm.
  • a particularly preferred control of the articulated arm is described in detail in DE 102016 106 427 A1 cited above, which is expressly included in the disclosure of the invention explained here.
  • the present invention takes into account regularly occurring tilts between the coordinate systems of the machine (machine coordinate system) and the remote control (input coordinate system). Therefore, the three-dimensional rotations of the machine/vehicle and the remote control are completely measured and preferably also the determination of a reference surface independent of this, e.g. by evaluating the gravitational vector. Compared to the prior art, this leads to a more robust method in which the respective reference coordinate system is preferably mutually confirmed by at least two measuring methods in order to enable automatic compensation of the rotation between the input and machine coordinate systems.
  • the articulated arm is preferably an articulated hose carrier, which particularly preferably comprises several structural elements, preferably five or six links (also referred to as carrier sections), hydraulic cylinders for driving the individual carrier sections, and a mount on the frame of the suction dredger structure. Furthermore, a swivel drive is advantageously provided for generating a working radius of the articulated hose carrier.
  • a suction dredger according to the invention is characterized in that it comprises a control unit for controlling the movement of the articulated hose carrier, which is configured to ⁇ PATENT PROTECTIONengel 0184/23#3-11 RSP 17.10.2023 - 9 - to carry out the method according to the invention.
  • a material collection container is attached to the suction excavator in such a way that it can be tipped out.
  • the suction excavator that carries out the described method for controlling the movement of the articulated hose carrier has a sensor on each link of the articulated hose carrier that is directly or indirectly suitable for determining the angle that is set when two adjacent links move around the joint between them under the action of an associated drive.
  • the drives are controlled by means of the control electronics in such a way that setting angles are obtained that, within the framework of so-called inverse kinematics, allow the last link (end piece) or the suction crown or the suction nozzle to be moved freely at least in an XY plane, but preferably in a 3D coordinate system.
  • a specification via the control for a change in the position of the suction crown, which represents the end piece, is made in the dynamic input coordinate system of the remote control unit and with subsequent transformation into the stationary machine coordinate system of the articulated hose carrier or the suction excavator. In this way, the suction crown or the end piece of the articulated hose carrier can be brought to the specified position in a targeted and direct manner by the operator using only one control element (e.g.
  • the method according to the invention advantageously allows the control of the position of an end piece on a movable articulated arm with any number of links, each with a one-dimensional rotation around the joints of the articulated arm, by directly entering the direction of movement and the speed of movement, preferably as a movement vector ⁇ ⁇ ⁇ in ⁇ PATENT PROTECTIONengel 0184/23#3-11 RSP October 17, 2023 - 10 - dynamic input coordinate system M I of a mobile remote control unit.
  • the method described here allows the automation of complex operating processes based on movement inputs in the dynamic input coordinate system of the remote control unit and thus simplifies the operating processes for the user.
  • the inputs for the desired movement of the end piece are interpreted in the dynamic input coordinate system of the remote control unit and are therefore independent of the relative orientation between the machine and the remote control unit, or of the position and orientation of the user.
  • the input coordinate system of the remote control unit is defined by determining a gravitational vector ⁇ , whereby the detected target direction of movement is corrected in order to compensate for a deviation between the position of the vertical axis of the remote control unit and the gravitational axis.
  • Knowledge of the gravitational vector preferably in both coordinate systems, is relevant in order to execute inputs that are desired to be planar on a horizontal plane in the input coordinate system, in a planar manner, i.e.
  • the definition of the input vector on the remote control unit is therefore preferably carried out taking the gravitational vector into account in order to determine a desired direction of movement of the end piece regardless of the inclination of the remote control unit relative to the gravitational vector, while the rotation of the remote control unit around the gravitational axis (also known as the yaw angle in aviation) influences the desired direction of movement.
  • the measurement of the earth's magnetic field and gravity can be uncertain or even impossible, for example in construction site situations.
  • the earth's magnetic field is easily superimposed by local magnetic fields (e.g. from electric motors) and the measurement of gravity is disturbed by local shocks and vibrations.
  • a local reference coordinate system with at least three reference points is therefore used.
  • This reference coordinate system can preferably be integrated into construction site furniture, such as construction fences or the like.
  • a computational leveling of the rotation in the joint of the end piece is also possible in order to automatically maintain its angle of inclination relative to the gravitational vector or to another reference angle.
  • the above-mentioned method steps are specified, supplemented and carried out as follows: - the target movement direction and target movement speed (target movement vector ⁇ ⁇ ⁇ ) are recorded in the dynamic input coordinate system M R on the remote control unit; ⁇ PATENT PROTECTIONengel 0184/23#3-11 RSP 17.10.2023 - 12 - - the target motion vector V I defined in this way is transformed into the stationary machine coordinate system M M of the articulated arm; - in the stationary machine coordinate system M M, a new target position of the end piece is calculated through a specified time window of the movement; - spherical coordinates ( ⁇ , ⁇ , r) of this target position are calculated; - based on current values, a binary search is carried out for a reference angle ⁇ R to achieve the length r at predefined ratios of the joint angles to ⁇ n ; - adjustment of the first joint angle ⁇ 0 to achieve the correct polar angle ⁇ ; - adjustment of the angle to the end piece
  • Various 3D measuring systems known per se can generally be used to record the measured values in order to record the required data at high frequency.
  • additional restrictions must be taken into account, for example: - ultrasound-based systems work unreliably if there is too much noise and variable sound reflectors; - electromagnetic systems are disturbed by the metal housings and electric motors of construction machines; - radio-based systems and radar are inaccurate and are disturbed by high local dynamics; - optical systems are easily outshone by sunlight (including infrared); passively illuminated markers are more robust here; - optical systems generally suffer from dust and visual obscuration by moving components, tools and machines; in the dark they require artificial lighting; ⁇ PATENTSCHUTZengel 0184/23#3-11 RSP 17.10.2023 - 14 - - mechanical measuring systems are generally susceptible to interference on moving parts, but especially in environments with strong environmental influences; - inertial sensors are disturbed by vibrations of the machine units when measuring accelerations (e.g.
  • Various measuring systems are preferably used to detect the orientation of the input coordinate system in relation to the orientation of the machine coordinate system, in particular optical measuring systems with which passively or actively illuminated markers can be detected; inertial sensors with which the gravitational vector and the earth's magnetic field can be determined. The operator can also manually adjust the relative orientation.
  • the relative rotation around the gravitational axis of the input coordinate system and the machine coordinate system is preferably derived from a position measurement of at least two points.
  • Optical systems based on passively illuminated markers in the spectrum of the visible ⁇ PATENT PROTECTIONengel are preferably used for this purpose. 0184/23#3-11 RSP 17.10.2023 - 15 -
  • Light or laser-based position measurement systems are used. Such systems are known as "lighthouse”; they are laser-based inside-out position tracking systems. Such systems are described, for example, in US 10338 186 B2. Although they use active light (usually infrared), this can be bright enough in a pulsed laser to stand out from sunlight as a signal.
  • a camera can be placed on the machine unit (e.g. suction excavator) that carries the articulated arm, on a tripod, on construction site furniture (e.g. fences) and/or on the remote control unit.
  • machine unit e.g. suction excavator
  • construction site furniture e.g. fences
  • a single camera does not provide depth information.
  • High-performance stereo cameras can therefore preferably be installed on a tripod and/or on the vehicle.
  • a camera can be attached to the remote control unit in particular with little effort and is easy to clean.
  • a preferred embodiment uses mechanical rotary encoders.
  • a modified embodiment uses hydraulic cylinders with linear position sensors on the articulated arm to determine the position of the individual joints. The resulting articulation angles between articulated arm members can also be derived from the deflection of the hydraulics by taking the mechanical geometry into account. Potential errors from high-frequency mechanical measurements can be detected and corrected by low-frequency measurements from the inertial sensors.
  • High- and low-frequency measurements are therefore preferably combined.
  • optical measurements on passively illuminated markers are also included using a camera, preferably in the remote control unit, in particular for regular calibration of the entire system.
  • continuous optical tracking of the end piece can also be carried out.
  • one or more cameras in the remote control unit can measure the relative orientation of the remote control unit to the end piece of the articulated arm and/or to the vehicle (suction excavator).
  • the remote control unit can preferably be equipped with a 3D inertial sensor (IMU) just like the entire machine and the end piece.
  • IMU 3D inertial sensor
  • Fig. 1 a symbolic representation of a suction excavator that is operated by a user on a construction site with a remote control unit; Fig.
  • FIG. 2 a symbolic first representation of an articulated arm and a remote control unit for carrying out a method according to the invention for controlling the articulated arm; ⁇ PATENT PROTECTIONengel 0184/23#3-11 RSP October 17, 2023 - 18 - Fig. 3 a symbolized second representation of the articulated arm to illustrate the position of an end piece relative to a root joint; Fig. 4 a graph representation of possible relations between a dynamic input coordinate system of the remote control unit and a stationary machine coordinate system of the articulated arm with the position of the end piece; Fig. 5 a flow chart of a process chain for calculating all angles of the articulated arm from a target motion vector in the dynamic input coordinate system; Fig.
  • FIG. 6 a symbolized third representation of the articulated arm to illustrate the division of angles between the links of the articulated arm;
  • Fig. 7 an illustration of the chaining of vectors for calculating a point and its distance from the root joint.
  • Fig. 1 illustrates a typical application situation in which a suction excavator 10 with an articulated arm 01 is used on a construction site.
  • a stationary machine coordinate system M M of the suction excavator 10, an end effector coordinate system M E of an end effector 04 and a dynamic input coordinate system M I of a remote control unit 02 are rotated three-dimensionally relative to one another and also deviate from a world coordinate system M W based on the gravitational vector and the earth's magnetic field.
  • FIG. 2 shows a schematic diagram of the articulated arm 01, which in the embodiment considered as an example below is an articulated hose carrier of a suction excavator (Fig. 1).
  • the articulated arm 01 has several articulated arm links L n , which are each connected to one another via joints J n .
  • the remote control unit 02 with which a user 03 can control the desired movements of the articulated arm 01, is provided spatially separated from the articulated arm 01.
  • the remote control unit 02 and an articulated arm control work together to carry out the method according to the invention for controlling the articulated arm.
  • the aim is to move the end effector 04 (also called the end piece), which is located at the free end of the articulated arm 01, to a desired target position in order to carry out a work task there.
  • this work task usually consists of picking up material, e.g. excavated soil, using the negative pressure generated by a fan unit of the suction excavator, and passing the material through a suction hose carried by the articulated arm into a material collection container.
  • the end piece 04 is attached to the last joint J E and can also be understood as an end effector whose position P E is at the last joint J E.
  • the movement of the position P E of the end effector is shown in Fig. 3 relative to the root joint J 0 or to the first joint J 1 , which on the suction dredger can only be rotated about the Z axis relative to the root joint J 0 (no change in angle between J 0 and J 1 ), in spherical coordinates ( ⁇ , ⁇ , r).
  • the following explanations for the implementation of the method also refer to this type of representation.
  • the articulated arm 01 consists exclusively of one-dimensional rotation joints J n , whereby all joints J 1 to J i are identically oriented and only at the root joint J 0 or J 1 an additional rotation with a rotation axis rotated by 90° is possible.
  • the movement of the end effector P E relative to the root joint J 0 or J 1 can be in spherical coordinates ( ⁇ , r), where the azimuth angle ⁇ is determined exclusively by the angle of the root joint J 0 on the suspension of the arm and the angles ⁇ n of all other joints J 1 to J i together determine the length (or the ball ⁇ PATENT PROTECTION angel 0184/23#3-11 RSP October 17, 2023 - 21 - radius r) and the polar angle ⁇ (see Fig. 3).
  • the ratios of the individual joint angles ⁇ 2 to ⁇ i are predefined by weights ⁇ and offsets ⁇ (e.g. evenly distributed), so that the radius r, i.e.
  • the orientation of the input coordinate system M I of the remote control unit and the machine coordinate system M M are defined together in a higher-level coordinate system (here world coordinate system MW) (see Fig. 4a).
  • M I can be defined in M M (Fig. 4b) or M M in M I (Fig. 4c).
  • the position of the end effector P E must be defined in the machine coordinate system M M.
  • a reference coordinate system can be determined by measuring at least three reference points (see P 1 -P 3 in Fig. 1) ⁇ PATENT PROTECTIONengel 0184/23#3-11 RSP October 17, 2023 - 22 - Fig. 4 shows possible relations between the input coordinate system M I and the machine coordinate system M M with the position of the end effector P E as a graph.
  • control of at least one drive unit of the articulated arm 01 to move the end piece 04 or end effector P E to a target position specified by the transformed motion sector can be carried out using a previously known control system, as described, for example, in DE 102016 106 427 A1.
  • a control system can also be referred to as inverse kinematics, since it always controls the individual joints depending on the target position of the end piece.
  • a possible technical implementation of this inverse kinematics on an articulated hose carrier of a suction dredger can be carried out as follows: 1.
  • the control commands of the remote control unit are first processed algorithmically in order to indirectly manipulate the oil pressure in the hydraulic cylinders to move the articulated arm links, so that controlled movements of the end effector result. 2.
  • the articulated arm consists exclusively of one-dimensional rotation joints, with all joints being oriented identically and only the root joint J 0 having a rotation axis rotated by 90°. 3.
  • the movement of the articulated arm can be defined in spherical coordinates, with the azimuth angle is determined exclusively by the angle of the root joint J 0 on the arm suspension and the angles of all other joints ⁇ PATENT PROTECTION angel 0184/23#3-11 RSP October 17, 2023 - 23 - J n jointly determine the length (or the sphere radius r) and the polar angle ⁇ . 4.
  • the ratios of individual joint angles are predefined (e.g. evenly distributed) so that the desired arm length r can be determined by specifying a single angle value. 5.
  • the angles of the articulated arm links are recorded simultaneously using different sensors and measuring methods in order to eliminate the respective systematic measurement errors.
  • sensors preferably two or more of the following sensors: a. Rotary angle sensors in the joints of the multi-link articulated arm; b. linear position sensors in the hydraulic cylinders; c. Inertial sensors for measuring the gravitational vector; d. camera-based or laser-based sensors for the absolute measurement of the position and orientation of the individual articulated arm links, including the end effector, relative to an external measuring station, e.g.: i. on the machine, ii. mobile on a tripod or integrated into construction site furniture such as fences, iii. mobile on the remote control unit. 6.
  • the relative orientation of the articulated arm and the remote control unit is recorded by a combination of sensors in order to eliminate systematic measurement errors here too.
  • sensors preferably: a. 3D inertial sensors in or on the remote control unit and on the articulated arm; ⁇ PATENT PROTECTIONengel 0184/23#3-11 RSP October 17, 2023 - 24 - b. Redundant 3D inertial sensors with the greatest possible distance and an immobile mechanical connection in order to detect and evaluate disruptive effects of local magnetic fields on the electronic compasses.
  • camera-based or laser-based sensors for the absolute measurement of the orientation of the remote control unit, articulated arm and end effector to each other or relative to an external measuring station, e.g.: i. on the machine, ii.
  • the position of the end effector is recorded simultaneously using two measuring methods in order to detect systematic measurement errors. These are preferably: a. mechanical measurement of the end effector based on the orientation of all links of the articulated arm; b. camera-based or laser-based sensors for the absolute measurement of the orientation of the remote control unit, articulated arm and end effector to each other or relative to an external measuring station, e.g. B.: i. on the machine, ii. mobile on a tripod or integrated into construction site furniture such as fences, iii. mobile on the remote control unit.
  • FIG. 5 shows a flow chart of the process chain for calculating all angles ⁇ ⁇ of the articulated arm 01 from a target motion vector ⁇ ⁇ ⁇ recorded on the remote control unit 02 in the input coordinate system ⁇ ⁇ .
  • the control commands of the remote control unit 02 are processed in the sequence shown in Fig. 5 in order to determine all target angles ⁇ n of the joints J n , ⁇ PATENT PROTECTIONengel 0184/23#3-11 RSP October 17, 2023 - 25 - so that a controlled movement of the end effector P E along a transformed motion vector ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ results.
  • the transformation of the target motion vector ⁇ ⁇ ⁇ into the transformed motion vector takes place using the previously determined deviation between the input coordinate system M I and the machine coordinate system M M .
  • One possibility of this transformation is explained in detail below for the case of mapping M M and M I in a common reference coordinate system M W (see Fig. 4a): I.
  • Leveling (optional): The target motion vector ⁇ ⁇ ⁇ is given in the input coordinate system M I of the remote control unit. Before the transfer (transformation) of ⁇ ⁇ ⁇ into the machine coordinate system M M M, the input coordinate system M I is aligned or leveled according to the previously determined gravitational vector ⁇ , so that only the rotation of the remote control unit 02 about the gravitational axis needs to be taken into account.
  • the axes of the leveled input coordinate system M IU are constructed by calculating cross products between the x or y axis of the input coordinate system and the gravitational vector (in the common world coordinate system ⁇ ⁇ ) (here using the example of the y axis, i.e. a unit vector along the y axis ⁇ ⁇ ).
  • ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ 3.
  • Input transformation The input vector ⁇ ⁇ or the leveled input vector can now be expressed by the following calculation rule in the machine coordinate system: III.
  • New target position If the current position of the end effector is known as point ⁇ ⁇ in the machine coordinate system ⁇ ⁇ , the new target position ⁇ ⁇ ⁇ can be calculated by shifting along the transformed motion vector in the machine coordinate system.
  • ⁇ PATENT PROTECTIONengel 0184/23#3-11 RSP 17.10.2023 - 27 - ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ + ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ IV.
  • the orientation of the machine coordinate system must be taken into account and the resulting angle values must be shifted by a multiple of ⁇ 2 if necessary.
  • all three values of the spherical coordinates can also be determined by vector calculations.
  • the radius r, or the distance of the target position ⁇ ′ ⁇ from the root joint, is the length of the vector between both points.
  • the vector component of the dimension to be ignored can be set to zero.
  • the projection can be written using cross products, e.g.: ⁇ PATENTPROTECTIONangel 0184/23#3-11 RSP 17.10.2023 - 28 - ⁇ is the dot product of a unit vector along a reference axis in the machine coordinate system ⁇ ⁇ (e.g.
  • the length of the vector ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ is determined by the lengths of the links ⁇ ⁇ , ⁇ ⁇ , ⁇ ⁇ as well as the included angles ⁇ ⁇ and ⁇ ⁇ . Fig.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Gelenkarms mit einer räumlich von diesem entfernten mobilen Fernsteuereinheit. Dazu wird ein Maschinenkoordinatensystem definiert, welches an den Gelenkarm gebunden ist, und ein Eingabekoordinatensystem, welches an die Fernsteuereinheit gebunden ist. Nachfolgend wird eine Abweichung zwischen der Raumorientierung des Eingabekoordinatensystems gegenüber der Raumorientierung des Maschinenkoordinatensystems bestimmt. Über Bedienelemente der Fernsteuereinheit werden Soll-Bewegungsrichtung und Soll-Bewegungsgeschwindigkeit des Endstücks des Gelenkarms im Eingabekoordinatensystem erfasst. Die Soll-Bewegungsrichtung wird in eine transformierte Bewegungsrichtung unter Anwendung der bestimmten Abweichung transformiert und die transformierte Bewegungsrichtung sowie die Bewegungsgeschwindigkeit werden an eine Gelenkarm-Steuereinheit zur Ansteuerung von mindestens einer Antriebseinheit des Gelenkarms übertragen. Die Erfindung betrifft außerdem einen Saugroboter, der zur Ausführung dieses Verfahrens konfiguriert ist.

Description

0184/23#3-11 RSP 17.10.2023 - 1 - Verfahren zur Steuerung eines Gelenkarms mit einer räumlich von diesem entfernten mobilen Fernsteuereinheit sowie Saugbagger Die Erfindung betrifft zunächst ein Verfahren zur Steuerung eines Gelenkarms mithilfe einer räumlich von diesem entfernten mobilen Fernsteuereinheit. Ein solcher Gelenkarm kann an unterschiedlichen, bevorzugt mobilen Arbeitsmaschinen zum Einsatz kommen, insbesondere Bestandteil eines Saugbaggers sein, nämlich als Gelenkschlauchträger. Die Erfindung betrifft somit auch einen Saugbagger mit einem ferngesteuerten Gelenk- schlauchträger. Bei einem Saugbagger handelt es sich um ein Fahrzeug mit einem Fahrzeuggestell, welches einen vorzugsweise auskippbaren Materialsammelbehälter trägt. Mehrgliedrige Gelenkarme werden in vielen Maschinen verwendet, um ein Endstück oder Endeffektor (z. B. Bohrkopf, Saugstutzen oder Hebebühne) in eine bestimmte Position und Orientierung zu bringen, bzw. entlang eines definierten Pfades zu bewegen. Die maschinennahe Bedienung über eine Steuerung des Drucks in Hydraulikzylindern oder ähnlichen Antrieben zur Bewegung einzelner Glieder des Gelenkarms ist dabei für den Benutzer relativ schwer zu erlernen und fehleranfällig. Zudem sind spezifische Anforderungen einzuhalten, z. B. das Endstück in einer definierten Orientierung zu halten oder eine optimale Verteilung der Knickwinkel einzelner Gelenke zu gewährleisten. Aus der DE 3837 670 A1 ist ein Saugbagger bekannt, umfassend einen pneumatischen Saugrüssel, einen Sammelbehälter für das aufgesaugte Erdreich, in den der Saugrüssel mündet und in dem das Erdreich aus dem Saugluftstrom abgeschieden wird, sowie © PATENTSCHUTZengel 0184/23#3-11 RSP 17.10.2023 - 2 - ein an den Sammelbehälter angeschlossenes Sauggebläse zur Erzeugung des Saugluftstroms. Die DE 19851 111 C1 beschreibt einen Saugbagger mit einer im Materialsammelbehälter in Fahrtrichtung vorn angeordneten Sammelkammer und in Fahrtrichtung hinten liegendem Filter. Für die Führung des Saugschlauches eines Saugbaggers haben sich zwei Varianten etabliert, der Teleskopschlauchträger und der Gelenkschlauchträger, welcher eine besondere Ausführung eines Gelenkarms darstellt. Der Teleskopschlauchträger führt den Schlauch nur teilweise, sodass der Saugstutzen, an welchem das Material aufgenommen wird, durch einen Bediener manuell geführt werden muss. Seit einigen Jahren wird deshalb der Gelenkschlauchträger (auch als Kraftarm, Führungsarm oder Gelenkausleger bezeichnet) bevorzugt. Er bietet den Vorteil einer vollständigen hydraulischen Führung und guter Stabili- tät. Dies ermöglicht eine genauere Ansteuerung der Arbeits- bewegungen ohne manuellen Kraftaufwand und unter Nutzung einer bevorzugt mobilen, vom Bediener tragbaren Fernsteuereinheit. Aus der DE 9016 448 U1 ist ein Saugbagger mit einem fern- steuerbaren Gelenkausleger bekannt. Durch einzelne Lenker lässt sich der Saugkopf mittels hydraulischer Druckzylinder per Fernsteuereinheit in eine gewünschte Saugstellung steuern. In der JP 2010-228905 A ist eine Fernsteuerung und ein Verfahren zum Maschinensteuern beschrieben. Die CN 102 561 700 A beschreibt eine Maschinensteuerungs- technik, nämlich ein mechanisches Armkontrollsystem sowie ein Verfahren und eine Maschine dafür. Der zu steuernde mechanische Arm besteht aus mindestens zwei Gliedern. Die © PATENTSCHUTZengel 0184/23#3-11 RSP 17.10.2023 - 3 - Maschine umfasst eine Antriebseinheit, eine Fernsteuerung und eine Richtungseinstelleinheit. Das Steuerverfahren sieht vor, dass zwei Koordinatensysteme zur Anwendung kommen, wobei ein Koordinatensystem der Fernsteuerung und das andere Koordinatensystem dem letzten Glied des Arms zugeordnet ist. Am Beispiel einer Betonpumpe wird weiterhin beschrieben, wie die horizontale Verdrehung zwischen der Maschinenplattform des Mehrgelenkarms und der Fernbedienung durch die jeweilige Messung des Erdmagnetfeldes als gemeinsame Referenzrichtung ausgeglichen werden kann. Als Alternative zum Erdmagnetfeld wir die Messung von zwei Referenzpunkten vorgeschlagen. Abweichungen der Orientierung der beiden Koordinatensysteme können verrechnet werden, soweit sie auf eine gemeinsame Referenzebene bezogen werden können. In der Praxis zeigt sich aber, dass die Vernachlässigung einer möglichen vertikalen Verkippung der beiden Koordinatensysteme zueinander, d.h. wenn die beiden Koordinatensysteme nicht in einer gemeinsamen Referenzebene liegen, zu Fehleingaben führt, was die Steuerung unpräzise werden lässt. Die DE 102016 106 427 A1 beschreibt ein Verfahren zur Steuerung der Bewegung eines Gelenkschlauchträgers mit mehreren Gliedern, wobei zwischen benachbarten Gliedern jeweils mithilfe eines Antriebs eine Winkeländerung bewirkbar ist. Dabei wird die Ausgangsstellung der Glieder mithilfe von Sensoren ermittelt, ein Richtungsvektor und ein Geschwindig- keitsparameter eingelesen, sowie eine Zielposition bestimmt, die eine Saugkrone am freien Ende des letzten Glieds einnehmen soll. Nachfolgend werden Winkeländerungen bestimmt, die an den Gliedern ausgeführt werden müssen, um die Zielposition zu erreichen, derart dass die Saugkrone entlang einer geraden Bewegungsbahn in die Zielposition verfährt. Die den Gliedern zugeordneten Antriebe werden angesteuert, um die zuvor © PATENTSCHUTZengel 0184/23#3-11 RSP 17.10.2023 - 4 - bestimmte Winkeländerung an den Gliedern zu bewirken. Es folgt ein zyklisches Wiederholen der genannten Verfahrensschritte, bis der Richtungsvektor und/oder der Geschwindigkeitsparameter gleich Null sind. Wenngleich sich die Bedienung eines Gelenkarms, insbesondere eines Gelenkschlauchträgers mit dem in der DE 102016 106 427 A1 beschriebenen Verfahren deutlich vereinfacht, da der Benutzer nicht mehr zahlreiche Einzelantriebe des Gelenk- schlauchträgers direkt steuern muss, sondern z. B. durch Auslenken eines Joysticks an der Fernbedieneinheit einen Richtungsvektor vorgeben kann, welchen die Steuereinheit dann in Ansteuersignale für die Einzelantriebe überführt, verbleibt die Schwierigkeit, dass der Bediener diesen Richtungsvektor bezogen auf die jeweils vom Saugstutzen eingenommene Position selbst bestimmen muss. Befindet sich der Bediener beispiels- weise in einem Winkel von 90° zur Bewegungsebene des Gelenk- schlauchträgers, so muss er für eine in dieser Ebene auszu- führende Verlagerung der Saugkrone den Joystick rechtwinklig zu der Ebene verlagern, da der vom Benutzer an der Fern- bedienung eingeprägte Richtungsvektor die Position bzw. Orientierung der mobilen Fernsteuereinheit nicht berück- sichtigt. Dies erfordert für eine korrekte Steuerung weiterhin viel Übung und ein gutes räumliches Abstraktionsvermögen des Benutzers. In telematischen Anwendungsszenarien kann diese Herausforderung durch freie Perspektivwahl des Bedieners (z.B. Perspektive von oben), Skalierung (z.B. Miniaturansicht für Überblick oder Vergrößerung für mehr Detailansicht) und eingeschränkte Sicht (z.B. begrenzter Öffnungswinkel einer Kamera) zusätzlich verschärft sein, da die Orientierung der Referenzkoordinatensysteme von Maschinensteuerung und Nutzereingaben erheblich und in allen Dimensionen voneinander abweichen können. © PATENTSCHUTZengel 0184/23#3-11 RSP 17.10.2023 - 5 - Eine Aufgabe der Erfindung ist ausgehend von der DE 102016 106 427 A1, ein verbessertes Verfahren zur Steuerung eines Gelenkarms, insbesondere eines Gelenkschlauchträgers, mit einer räumlich von diesem entfernten mobilen Fernsteuereinheit bereitzustellen, mit welchem die Bedienung erleichtert und damit auch für weitgehend ungeübte Benutzer möglich wird. Außerdem soll die Erfindung einen Saugbagger zur Ausführung eines solchen Verfahrens bereitstellen. Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß dem beigefügten Anspruch 1 sowie durch einen Saugbagger gemäß Anspruch 12. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Steuerung eines Gelenkarms mit einer räumlich von diesem entfernten mobilen Fernsteuer- einheit umfasst zunächst die folgenden Schritte: Es wird ein stationäres Maschinenkoordinatensystems definiert, welches an den Gelenkarm bzw. die diesen tragenden Maschineneinheit (Saugbagger) gebunden ist. Das Maschinenkoordinatensystem ist währende der Bedienung (quasi) stationär, soweit die Maschineneinheit nicht örtlich verändert wird. Typischerweise ist das Maschinenkoordinatensystem aber zum Eingabekoordinatensystem der Fernbedienung als auch zu generischen Referenzrichtungen wie Gravitation und Erdmagnetfeld beliebig weit verdreht. Die Bewegung des Gelenkarms lässt sich beispielsweise durch Vektoren in dem Maschinenkoordinatensystem darstellen. Auf diese Weise wird die Position mindestens eines Endstücks am freien Ende des Gelenkarms in diesem Maschinenkoordinatensystem bestimmbar, vorzugsweise als Endpunkt eines Richtungsvektors. Als Endstück dient beispielsweise an einem Saugbagger ein Saugstutzen; an anderen Einheiten kann das Endstück durch ein Werkzeug, einen © PATENTSCHUTZengel 0184/23#3-11 RSP 17.10.2023 - 6 - Greifer, ein Rohrstück oder ein ähnliches Element gebildet sein, welches zu einer auszuführenden Arbeitsaufgabe an einem Arbeitsort positioniert werden soll. In einem weiteren Schritt wird ein dynamisches Eingabe- koordinatensystems definiert, welches an die mobile Fernsteuereinheit gebunden ist. Im Betrieb kann es somit Situationen geben, in denen das stationäre Maschinen- koordinatensystem des Gelenkarms dieselbe Orientierung aufweist wie das dynamische Eingabekoordinatensystem der Fern- steuereinheit, im Regelfall werden diese beiden Koordinaten- systeme aber nicht deckungsgleich sein, sodass eine Abweichung in einer oder mehreren Koordinaten besteht. Nachdem die beiden Koordinatensysteme definiert sind, wird eine Abweichung zwischen der Raumorientierung des Eingabe- koordinatensystems gegenüber dem Maschinenkoordinatensystem bestimmt. Diese Abweichung kann beispielsweise als ein Abweichungsvektor oder eine Transformationsmatrix bestimmt werden. Die Abweichung repräsentiert damit auch die räumliche Lage des dynamischen Eingabekoordinatensystems innerhalb des stationären Maschinenkoordinatensystems, welches daher auch als übergeordnetes Koordinatensystem verstanden werden kann. Alternativ dazu kann ein eigenes übergeordnetes Weltkoordi- natensystem definiert werden, in welchem die Orientierungen des Maschinenkoordinatensystems und des Eingabekoordinaten- systems bestimmbar sind und zueinander ins Verhältnis gesetzt werden können, um eine Abweichung zu ermitteln. Um eine gesteuerte Bewegung des Endstücks des Gelenkarms zu veranlassen, wird im dynamischen Eingabekoordinatensystem eine über Bedienelemente der Fernsteuereinheit vom Benutzer eingegebene Soll-Bewegungsrichtung und Soll-Bewegungs- © PATENTSCHUTZengel 0184/23#3-11 RSP 17.10.2023 - 7 - geschwindigkeit des Gelenkarms erfasst, vorzugsweise als ein Soll-Bewegungsvektor. Der Benutzer betätigt dabei beispiels- weise einen Joystick an der Fernsteuereinheit und Sensoren der Fernsteuereinheit erfassen Geschwindigkeit und Richtung der Joystickauslenkung als Soll-Bewegungsvektor. In einem folgenden Schritt wird der Soll-Bewegungsvektor bzw. die Soll-Bewegungsrichtung in das stationäre Maschinenkoordi- natensystem transformiert, unter Anwendung der zuvor bestimmten Abweichung zwischen dem Eingabekoordinatensystem und dem Maschinenkoordinatensystem, um einen transformierten Bewegungsvektor bzw. eine transformierte Bewegungsrichtung im Maschinenkoordinatensystem zu erzeugen. Diese Transformation erfolgt vorzugsweise mithilfe einer Recheneinheit, die Bestandteil der Fernsteuereinheit oder der den Gelenkarm umfassenden Maschineneinheit sein kann. Die Soll- Bewegungsgeschwindigkeit muss nur dann transformiert werden, wenn die Perspektive des Bedieners im Verhältnis zur Situation vor Ort an der Maschine auch skaliert wurde. Dies kann in telematischen Anwendungsfällen vorkommen. Schließlich wird der transformierte Bewegungsvektor an eine Gelenkarm-Steuereinheit übertragen, welche sodann mindestens eine Antriebseinheit des Gelenkarms ansteuert, um das Endstück zu der durch den transformierten Bewegungsvektor vorgegebenen Zielposition zu bewegen. Diese Bewegung kann durch Ansteuerung eines, mehrerer oder sämtlicher Antriebe am Gelenkarm veranlasst werden. Eine besonders bevorzugte Steuerung des Gelenkarms ist in der oben bereits zitierten DE 102016 106 427 A1 detailliert beschrieben, die insoweit in die Offen- barung der hier erläuterten Erfindung ausdrücklich einbezogen wird. © PATENTSCHUTZengel 0184/23#3-11 RSP 17.10.2023 - 8 - Vorteilhaft ist, dass die vorliegende Erfindung regelmäßig auftretenden Verkippungen zwischen den Koordinatensystemen der Maschine (Maschinenkoordinatensystem) und der Fernbedienung (Eingabekoordinatensystem) berücksichtigt. Daher erfolgt die vollständige Messung der dreidimensionalen Verdrehungen von Maschine/Fahrzeug und Fernbedienung sowie bevorzugt auch die Bestimmung einer davon unabhängigen Referenzfläche, z.B. durch Auswertung des Gravitationsvektors. Die führt gegenüber dem Stand der Technik zu einer robusteren Methode, bei der das jeweilige Referenzkoordinatensystem vorzugsweise von mindestens zwei Messmethoden gegenseitig bestätigt wird, um einen automatischen Ausgleich der Verdrehung zwischen Eingabe- und Maschinenkoordinatensystem zu ermöglichen. Durch die Verwendung eines dreidimensionalen Referenzkoordi- natensystems ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren auch die automatische Ausrichtung des Endeffektors und die Reduktion von Fehleingaben, z.B. wenn die Beziehung von Eingabe- und Maschinenkoordinatensystem durch starke Verkip- pung zueinander nicht mehr eindeutig nachvollziehbar ist. Der Gelenkarm ist bevorzugt ein Gelenkschlauchträger, der besonders bevorzugt mehrere Tragwerkselemente, vorzugsweise fünf oder sechs Glieder (auch als Trägerabschnitte bezeichnet), Hydraulikzylinder zum Antrieb der einzelnen Trägerabschnitte, sowie eine Aufnahme am Rahmen des Saug- baggeraufbaus umfasst. Des Weiteren ist vorteilhaft ein Schwenkantrieb vorgesehen, zum Erzeugen eines Arbeitsradius des Gelenkschlauchträgers. Ein erfindungsgemäßer Saugbagger zeichnet sich dadurch aus, dass er eine Steuereinheit zur Steuerung der Bewegung des Gelenkschlauchträgers umfasst, die konfiguriert ist, um das © PATENTSCHUTZengel 0184/23#3-11 RSP 17.10.2023 - 9 - erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Vorzugsweise ist ein Materialsammelbehälter so am Saugbagger befestigt, dass er ausgekippt werden kann. Vorzugsweise besitzt der Saugbagger, der das beschriebene Verfahren zur Steuerung der Bewegung des Gelenkschlauchträgers ausführt, an jedem Glied des Gelenk- schlauchträgers einen Sensor, der direkt oder indirekt zur Bestimmung des Winkels geeignet ist, der sich einstellt, wenn zwei einander benachbarte Glieder sich um das zwischen ihnen liegende Gelenk unter der Einwirkung eines zugeordneten Antriebs bewegen. Die Ansteuerung der Antriebe mittels der Steuerelektronik erfolgt dabei derart, dass sich Einstell- Winkel ergeben, die es im Rahmen einer sogenannten inversen Kinematik erlauben, dass das letzte Glied (Endstück) oder die Saugkrone bzw. der Saugstutzen mindestens in einer X-Y-Ebene, vorzugsweise jedoch in einem 3D-Koordinatensystem, frei bewegt werden kann. Eine Vorgabe über die Steuerung für eine Änderung der Position der Saugkrone, die das Endstück darstellt, erfolgt dabei in dem dynamischen Eingabekoordinatensystem der Fernsteuereinheit und mit nachfolgender Transformation in das stationäre Maschinenkoordinatensystem des Gelenkschlauch- trägers bzw. des Saugbaggers. Dergestalt lässt sich mit nur einem Stellteil (z.B. ein Joystick) und einer Steuereingabe an diesem durch die Bedienperson zielgerichtet und auf direktem Weg die Saugkrone bzw. das Endstück des Gelenkschlauchträgers an die vorgegebene Position bringen. Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet vorteilhafterweise die Steuerung der Position eines Endstücks an einem beweg- lichen Gelenkarm mit beliebig vielen Gliedern mit jeweils ein- dimensionaler Rotation um die Gelenke des Gelenkarms durch die direkte Eingabe von Bewegungsrichtung und Bewegungs- geschwindigkeit, vorzugsweise als eine Bewegungsvektor ^ ^^^ ^ im © PATENTSCHUTZengel 0184/23#3-11 RSP 17.10.2023 - 10 - dynamischen Eingabekoordinatensystem MI einer mobilen Fernsteuereinheit. Das hier beschriebene Verfahren gestattet die Automatisierung komplexer Bedienvorgänge auf Basis von Bewegungseingaben im dynamischen Eingabekoordinatensystem der Fernsteuereinheit und vereinfacht dadurch die Bedienprozesse für den Benutzer. Die Eingaben zur gewünschten Bewegung des Endstücks werden im dynamischen Eingabekoordinatensystem der Fernsteuereinheit interpretiert und sind dadurch unabhängig von der relativen Orientierung zwischen Maschine und Fernsteuereinheit, bzw. von der Position und Orientierung des Benutzers. Bei einer vorteilhaften Ausführungsform erfolgt die Definition des Eingabekoordinatensystems der Fernsteuereinheit unter Bestimmung eines Gravitationsvektors ^, wobei die erfasste Soll-Bewegungsrichtung korrigiert wird, um eine Abweichung zwischen der Lage der Vertikalachse der Fernsteuereinheit und der Gravitationsachse auszugleichen. Die Kenntnis über den Gravitationsvektor, vorzugsweise in beiden Koordinatensystemen ist relevant, um Eingaben, die im Eingabekoordinatensystem planar auf einer horizontalen Ebene gewünscht sind, entsprechend planar, also orthogonal zum Gravitationsvektor, an der Maschine bzw. dem Gelenkarm auszuführen, auch wenn das Eingabekoordinatensystem (also die Fernsteuereinheit) gegenüber der Horizontalen geneigt ist. Damit soll verhindert werden, dass das Endstück durch einen horizontalen Eingabevektor diagonal nach oben oder unten bewegt wird, nur weil die Fernsteuereinheit im Moment der Eingabe geneigt ist. Vorzugsweise werden Eingaben nur angewandt, wenn die Fernbediendung weniger als 45 Grad geneigt ist, die Eingaben also interpretierbar sind und dann nur die abweichende Rotation um die Gravitationsachse berücksichtigt wird. Als © PATENTSCHUTZengel 0184/23#3-11 RSP 17.10.2023 - 11 - Referenz kann z.B. das Erdmagnetfeld genutzt werden. Die Definition des Eingabevektors an der Fernsteuereinheit erfolgt somit bevorzugt unter Berücksichtigung des Gravitations- vektors, um eine Soll-Bewegungsrichtung des Endstücks unabhängig von der Neigung der Fernsteuereinheit relativ zum Gravitationsvektor zu bestimmen, während die Rotation der Fernsteuereinheit um die Gravitationsachse (im Flugwesen auch als Gierwinkel bekannt) die Soll-Bewegungsrichtung beeinflusst. Die Messung von Erdmagnetfeld und Gravitation kann allerdings z.B. in Baustellensituationen unsicher bis unmöglich sein. Das Erdmagnetfeld wird leicht durch lokale Magnetfelder (z.B. von Elektromotoren) überlagert und die Messung der Gravitation durch lokale Erschütterungen und Vibrationen gestört. In einer abgewandelten bevorzugten Ausführungsform, wird daher ein lokales Referenzkoordinatensystem mit mindestens drei Referenzpunkten verwendet. Dieses Referenzkoordinatensystem kann vorzugsweise in Baustellenmobiliar, wie Bauzäune oder dergleichen, integriert werden. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist auch eine rechnerische Nivellierung der Rotation im Gelenk des Endstücks möglich, um dessen Neigungswinkel relativ zum Gravitations- vektor oder zu einem anderen Referenzwinkel automatisch beizubehalten. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform werden die oben genannten Verfahrensschritte wie folgt konkretisiert, ergänzt und ausgeführt: - an der Fernsteuereinheit werden Soll-Bewegungsrichtung und Soll-Bewegungsgeschwindigkeit (Soll-Bewegungsvektor ^ ^^^ ^) im dynamischen Eingabekoordinatensystem MR erfasst; © PATENTSCHUTZengel 0184/23#3-11 RSP 17.10.2023 - 12 - - der so definierte Soll-Bewegungsvektors VI wird in das stationäre Maschinenkoordinatensystem MM des Gelenkarms transformiert; - im stationären Maschinenkoordinatensystem MM wird eine neue Zielposition des Endstücks durch ein vorgegebenes Zeitfenster der Bewegung berechnet; - es werden Kugelkoordinaten (ϕ, ϑ, r) dieser Zielposition berechnet; - ausgehend von aktuellen Werten wird eine binäre Suche nach einem Referenzwinkel αR zur Erreichung der Länge r bei vordefinierten Verhältnissen der Gelenkwinkel
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bis αn ausgeführt; - Anpassung des ersten Gelenkwinkels α0 zur Erreichung des korrekten Polarwinkels ϑ; - Anpassung des Winkels zum Endstück αE, um eine gleich- bleibende Orientierung im kartesischen stationären Maschinenkoordinatensystem MM des Gelenkarms bzw. der ihn tragenden Maschineneinheit zu gewährleisten; - Prüfung aller Zielwinkel auf mechanische Erreichbarkeit (valide Wertebereiche); - wenn ein Zielwinkel nicht valide ist, Stopp oder Neu- berechnung durch erneute binäre Suche mit angepassten Winkelverhältnissen; - wenn alle Zielwinkel valide sind, gleichzeitige Anpassung aller Gelenkwinkel durch Öffnung der Hydraulikventile des Gelenkarms im Verhältnis zur jeweils verbleibenden Abweichung vom Zielwinkel (und bei Bedarf unter Berück- sichtigung des bestehenden Drucks) in einem Regelkreis bis alle Zielwinkel erreicht wurden. Es wurde oben gezeigt, dass es für die Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wesentlich ist, dass eine Abweichung zwischen dem stationären Maschinenkoordinatensystem © PATENTSCHUTZengel 0184/23#3-11 RSP 17.10.2023 - 13 - des Gelenkarms (der Maschineneinheit) und dem dynamischen Eingabekoordinatensystem der Fernsteuereinheit bestimmt und bei der Transformation des Soll-Bewegungsvektors angewendet wird. Die Genauigkeit der Steuerung hängt somit davon ab, dass die Orientierung der beiden Koordinatensysteme präzise bestimmt wird. Dies kann insbesondere unter den rauen Bedingungen einer Baustelle zu Problemen führen. Nachfolgend werden daher bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung dargestellt, die dieses Teilproblem ansprechen und lösen, insbesondere die präzise Messung der Position und Orientierung der Fernsteuereinheit, des Endstücks sowie der Stellung bzw. eingenommenen Winkel der einzelnen Gelenke des Gelenkarms. Zur Erfassung der Messwerte können generell verschiedene, an sich bekannte 3D-Messsysteme genutzt werden, um die erforder- lichen Daten hochfrequent zu erfassen. Beim Einsatz von Baumaschinen auf Baustellen müssen jedoch zusätzliche Einschränkungen berücksichtigt werden, beispielsweise: - ultraschallbasierte Systeme arbeiten unzuverlässig, wenn zu viele Störgeräusche und variable Schallreflektoren vorhanden sind; - elektromagnetische Systeme werden durch die Metallgehäuse und Elektromotoren von Baumaschinen gestört; - funkbasierte Systeme und Radar sind ungenau und werden von hoher lokaler Dynamik gestört; - optische Systeme werden leicht durch Sonnenlicht überstrahlt (auch Infrarot), passiv beleuchtete Marker sind hier robuster; - optische Systeme leiden generell unter Verstaubung und visuellen Verdeckungen durch bewegte Bauelemente, Werk- zeuge und Maschinen; bei Dunkelheit benötigen sie künst- liche Beleuchtung; © PATENTSCHUTZengel 0184/23#3-11 RSP 17.10.2023 - 14 - - mechanische Messsysteme sind generell störanfällig an beweglichen Teilen, insbesondere jedoch in Umgebungen mit starken Umwelteinflüssen; - Inertialsensoren werden bei der Messung von Beschleunigungen (z. B. bei der Erfassung des Gravitationsvektors) durch Vibrationen der Maschinen- einheiten gestört und die Messung des Erdmagnetfeldes kann durch lokale elektromagnetische Felder, z. B. von Elektromotoren, gestört werden. Zur Überwindung der genannten Schwierigkeiten und Beschränkungen werden nachfolgend verschiedene Lösungen aufgezeigt, die einzeln oder in Kombination im Rahmen der Erfindung einsetzbar sind. Sie stellen somit bevorzugte Ausführungsformen dar, die insbesondere an einem erfindungs- gemäßen Saugbagger einsetzbar sind. Vorzugsweise werden zur Erfassung der Orientierung des Eingabekoordinatensystems in Relation zur Orientierung des Maschinenkoordinatensystems verschiedene Messsysteme angewendet, insbesondere optische Messsysteme, mit denen passiv oder aktiv beleuchtete Marker erfassbar sind; Inertialsensoren, mit denen der Gravitationsvektor und das Erdmagnetfeld bestimmenbar sind. Ebenso kann eine manuelle Einstellung der relativen Orientierung durch den Bediener vorgenommen werden. Bevorzugt wird zur Definition des Eingabekoordinatensystems die relative Rotation um die Gravitationsachse des Eingabekoordinatensystems und des Maschinenkoordinatensystem aus einer Positionsmessung von mindestens zwei Punkten abgeleitet. Dazu werden vorzugsweise optische Systeme auf Basis passiv beleuchteter Marker im Spektrum des sichtbaren © PATENTSCHUTZengel 0184/23#3-11 RSP 17.10.2023 - 15 - Lichts bzw. laserbasierte Positionsmesssysteme eingesetzt. Solche Systeme sind bekannt als „Lighthouse“; es handelt sich um laserbasierte Inside-Out-Positionsverfolgungssysteme. Solche Systeme sind beispielsweise in der US 10338 186 B2 beschrieben. Sie nutzen zwar aktives Licht (meist Infrarot), dieses kann in einem gepulsten Laser jedoch hell genug sein, um sich von Sonnenlicht als Signal abzuheben. Hochenergetische Laser bergen allerdings auch die Gefahr der Blendung umstehender Personen. Die Kombination passiv beleuchteter Marker und hochauflösender Kameras im sichtbaren Lichtspektrum ist aus Gründen der Arbeitssicherheit und der Kosten eine besonders bevorzugte Variante. Außerdem kann eine Kamera an der Maschineneinheit (z. B. Saug- bagger), welche den Gelenkarm trägt, auf einem Stativ, an Baustellenmobiliar (z.B. Zäunen) und/oder an der Fernsteuereinheit platziert sein. Eine einzelne Kamera bietet jedoch keine Tiefeninformationen. Auf einem Stativ und/oder am Fahrzeug können daher vorzugsweise leistungsfähige Stereokameras installiert werden. Insbesondere an der Fernsteuereinheit kann eine Kamera mit wenig Aufwand angebracht und leicht gereinigt werden. Eine robuste Erfassung von 3D-Informationen ist hier durch Bewegung erreichbar, während die aufgenommenen Elemente (Maschinen- einheit, Gelenkarmglieder und Endstück) still stehen. Die Nutzung optischer 3D-Messsysteme eignet sich daher besonders für eher seltene Vergleichsmessungen zur Kalibrierung anderer Messungen. Ein mechanisches Messsystem bietet sich an, da der Gelenkarm bereits die mechanische Grundstruktur bietet und dieser auch robust genug für den rauen Baustelleneinsatz ausgeführt ist. © PATENTSCHUTZengel 0184/23#3-11 RSP 17.10.2023 - 16 - Die Messung der Winkel zwischen einzelnen Gelenkgliedern ist sowohl mechanisch als auch durch den Einsatz von Inertial- sensoren realisierbar. Letztere können jedoch durch Vibrationen an der Maschineneinheit gestört werden. Diese Störungen können durch entsprechende Tiefpassfilter korrigiert werden, was jedoch auch eine Reduktion der erreichbaren Aufnahmefrequenz mit sich bringt und dadurch den Regelkreis zur Reduktion von Winkelfehlern für die Zielposition des End- stücks beeinträchtigt. Bei der Nutzung von Inertialsensoren muss auch die Neigung der kompletten Maschineneinheit beachtet werden, um aus den gemessenen Gravitationsvektoren korrekte Knickwinkel der Gelenkarmglieder abzuleiten. Eine bevorzugte Ausführungsform verwendet mechanische Dreh- winkelgeber. Eine abgewandelte Ausführungsform verwendet am Gelenkarm Hydraulikzylinder mit linearen Positionssensoren, um die Stellung der einzelnen Gelenke zu bestimmen. Aus der Auslenkung der Hydraulik lassen sich durch Berücksichtigung der mechanischen Geometrie auch die resultierenden Knickwinkel zwischen Gelenkarmgliedern ableiten. Potenzielle Fehler aus hochfrequenten mechanischen Messungen können durch niederfrequente Messungen der Inertialsensoren erkannt und korrigiert werden. Bevorzugt werden daher hoch- und niederfrequente Messungen miteinander kombiniert. Vorzugs- weise werden außerdem (in noch geringerer Häufigkeit) optische Messungen an passiv beleuchteten Markern durch eine Kamera, vorzugsweise in der Fernsteuereinheit hinzugenommen, insbesondere für eine regelmäßige Kalibrierung des Gesamt- systems. In besonders sensiblen bzw. kritischen Momenten kann zusätzlich eine kontinuierliche optische Verfolgung des Endstücks erfolgen. © PATENTSCHUTZengel 0184/23#3-11 RSP 17.10.2023 - 17 - Bei einer abgewandelten Ausführungsform können eine oder mehrere Kameras in der Fernsteuereinheit die relative Orientierung der Fernsteuereinheit zum Endstück des Gelenkarms und/oder zum Fahrzeug (Saugbagger) messen. Die Fernsteuereinheit kann vorzugsweise ebenso wie die Gesamt- maschine und auch das Endstück mit einem 3D-Inertialsensor (IMU) ausgestattet werden. Für die richtige Interpretation der Bewegungseingaben ist außerdem die Messung des Erdmagnetfeldes relevant. Um Störungen und daraus resultierende Fehler schnell zu erkennen, können die Werte mehrerer IMUs an möglichst weit entfernten, aber mechanisch fest gekoppelten Positionen miteinander verglichen werden. Vorzugsweise werden die vorgeschlagenen automatischen Transformationen vom Eingabe- ins Maschinenkoordinatensystem nur dann angewandt, wenn die Messung eines gemeinsamen Referenzkoordinatensystems von mindestens zwei unabhängigen Messsystemen bestätigt wird. Weitere Einzelheiten, Vorteile und Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen: Fig. 1 eine symbolisierte Darstellung eines Saugbaggers, der auf einer Baustelle von einem Nutzer mit einer Fernsteuereinheit bedient wird; Fig. 2 eine symbolisierte erste Darstellung eines Gelenkarms und einer Fernsteuereinheit zur Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Steuerung des Gelenkarms; © PATENTSCHUTZengel 0184/23#3-11 RSP 17.10.2023 - 18 - Fig. 3 eine symbolisierte zweite Darstellung des Gelenkarms zur Verdeutlichung der Position eines Endstücks relativ zu einem Wurzelgelenk; Fig. 4 eine Graphen-Darstellung möglicher Relationen zwischen einem dynamischen Eingabekoordinatensystem der Fernsteuereinheit und einem stationären Maschinenkoordinatensystem des Gelenkarms mit der Position des Endstücks; Fig. 5 ein Ablaufdiagramm einer Prozesskette zur Berechnung aller Winkel des Gelenkarms aus einem Soll-Bewegungs- vektor im dynamischen Eingabekoordinatensystem; Fig. 6 eine symbolisierte dritte Darstellung des Gelenkarms zur Verdeutlichung der Teilung von Winkeln zwischen den Gliedern des Gelenkarms; Fig. 7 eine Illustration der Verkettung von Vektoren zur Berechnung eines Punktes und dessen Abstand vom Wurzelgelenk. Fig. 1 illustriert eine typische Anwendungssituation, in der ein Saugbagger 10 mit einem Gelenkarm 01 auf einer Baustelle eingesetzt wird. Ein stationäres Maschinenkoordinatensystem MM des Saugbaggers 10, ein Endeffektorkoordinatensystem ME eines Endeffektors 04 und ein dynamisches Eingabekoordinatensystem MI einer Fernsteuereinheit 02 sind zueinander dreidimensional verdreht und weichen auch von einem auf Gravitationsvektor und Erdmagnetfeld basierenden Weltkoordinatensystem MW ab. Ein alternatives Referenzkoordinatensystem kann durch Messung von drei Referenzpunkten P1, P2, P3, die z.B. an Baustellenmobiliar wie Bauzäunen angebracht sind, realisiert werden. © PATENTSCHUTZengel 0184/23#3-11 RSP 17.10.2023 - 19 - Fig. 2 zeigt als Prinzipskizze den Gelenkarm 01, bei dem es sich in der nachfolgend beispielhaft betrachteten Ausführungs- form um einen Gelenkschlauchträger eines Saugbaggers (Fig. 1) handelt. Der Gelenkarm 01 besitzt mehrere Gelenkarmglieder Ln, die jeweils über Gelenke Jn miteinander verbunden sind. Räumlich getrennt vom Gelenkarm 01 ist die Fernsteuereinheit 02 vorgesehen, mit der ein Benutzer 03 die gewünschten Bewegungen des Gelenkarms 01 steuern kann. In telematischen Anwendungen kann diese auch außerhalb der Sicht und direkten Reichweite, also beliebig weit entfernt, sein. Die Fernsteuereinheit 02 und eine Gelenkarm-Steuerung (nicht gezeigt) wirken zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Steuerung des Gelenkarms zusammen. Letztlich ist es dabei das Ziel, den Endeffektor 04 (auch Endstück genannt), welcher sich am freien Ende des Gelenkarms 01 befindet, an eine gewünschte Zielposition zu verfahren, um dort eine Arbeitsaufgabe zu verrichten. Beim Saugbagger besteht diese Arbeitsaufgabe regelmäßig in der Aufnahme von Material, z. B. Bodenaushub, mithilfe des von einer Ventilatoreinheit des Saugbaggers erzeugten Unterdrucks, und der Weiterleitung des Materials durch einen vom Gelenkarm getragenen Saugschlauch in einen Materialsammelbehälter. In den Figuren 1, 2, 3, 6, 7 sind für das leichtere Verständnis jeweils Koordinatensystemsymbole eingezeichnet, wobei Koordinatensystemsymbole ohne Pfeilspitzen ausschließlich eine Orientierung repräsentieren aber keine relevante Position. Die Gelenkarmglieder Ln rotieren um die Gelenke Jn. Die Orientierung des Gelenkarms 01 wird in dem stationären Maschinenkoordinatensystems MM abgebildet, während die © PATENTSCHUTZengel 0184/23#3-11 RSP 17.10.2023 - 20 - Orientierung der Fernsteuereinheit 02 in dem dynamischen Eingabekoordinatensystem MI definiert ist. Fig. 3 zeigt ebenfalls den prinzipiellen Aufbau des Gelenkarms 01 gemäß Fig. 2. Die hier eingezeichneten Winkelbereiche dienen vor allem der Darstellung der Position des Endstücks 04. Das Endstück 04 ist am letzten Gelenk JE angebracht und kann auch als Endeffektor verstanden werden, dessen Position PE am letzten Gelenk JE liegt. Die Bewegung der Position PE des Endeffektors ist in Fig. 3 relativ zum Wurzelgelenk J0 oder auch zum ersten Gelenk J1, welches am Saugbagger gegenüber dem Wurzelgelenk J0 lediglich um die Z-Achse rotierbar ist (keine Winkelveränderung zwischen J0 und J1), in Kugelkoordinaten (ϕ, ϑ, r) dargestellt. Auf diese Darstellungsart beziehen sich auch die nachfolgenden Erläuterungen zur Ausführung des Verfahrens. Zur funktionalen Umsetzung des Verfahrens zur Steuerung des Gelenkarms in der Ausführungsform des Gelenkschlauchträgers eines Saugbaggers werden folgende Annahmen zugrunde gelegt: a) Der Gelenkarm 01 besteht ausschließlich aus eindimensionalen Rotationsgelenken Jn, wobei alle Gelenke J1 bis Ji identisch orientiert sind und nur am Wurzelgelenk J0 oder J1 eine zusätzliche Rotation mit einer um 90° gedrehten Rotationsachse möglich ist. b) Die Bewegung des Endeffektors PE relativ zum Wurzel- gelenk J0 oder J1 kann in Kugelkoordinaten (ϕ,
Figure imgf000022_0001
r) definiert werden, wobei der Azimutwinkel ϕ ausschließ- lich vom Winkel des Wurzelgelenks J0 an der Aufhängung des Arms bestimmt wird und die Winkel αn aller weiteren Gelenke J1 bis Ji gemeinsam die Länge (bzw. den Kugel- © PATENTSCHUTZengel 0184/23#3-11 RSP 17.10.2023 - 21 - radius r) und den Polarwinkel ϑ bestimmen (siehe Fig. 3). c) Die Verhältnisse der einzelnen Gelenkwinkel α2 bis αi sind durch Gewichte ^ und Offsets ^vordefiniert (z. B. gleichverteilt), so dass der Radius r, d. h. der Abstand der Endeffektorposition PE zum Wurzelgelenk J1 durch die Vorgabe eines einzelnen Referenzwinkels ^ bestimmt werden kann: ^^ = ^^ ∗ ^ + ^^ wobei im Folgenden von einer Gleichverteilung der Winkel α2 bis α5 ausgegangen wird, d. h.: ^^ = 1 und ^^ = 0. d) Die Orientierung des Eingabekoordinatensystems MI der Fernsteuereinheit als auch des Maschinenkoordinaten- systems MM sind gemeinsam in einem übergeordneten Koordinatensystem (hier Weltkoordinatensystem MW) definiert (vgl. Fig. 4a). Alternativ kann auch MI in MM (Fig. 4b) oder MM in MI (Fig. 4c) definiert sein. Zudem muss die Position des Endeffektors PE im Maschinen- koordinatensystem MM definiert sein. Die folgenden Beschreibungen basieren auf einer räumlichen Struktur (Fig. 4a). MW muss dabei keine Ursprungsposition aus- weisen, es genügt ein Referenzrahmen zur Orientierung, z. B. anhand der Gravitation und des Nordpols des Erdmagnetfeldes (siehe Fig. 2 oder Fig. 3). Alternativ kann ein Referenzkoordinatensystem durch Messung von mindestens drei Referenzpunkten bestimmt werden (siehe P1-P3 in Fig. 1) © PATENTSCHUTZengel 0184/23#3-11 RSP 17.10.2023 - 22 - Fig. 4 zeigt mögliche Relationen zwischen dem Eingabe- koordinatensystem MI und dem Maschinenkoordinatensystem MM mit der Position des Endeffektors PE als Graph. Wie oben bereits erläutert wurde, kann die Ansteuerung mindestens einer Antriebseinheit des Gelenkarms 01 zur Bewegung des Endstücks 04 bzw. Endeffektors PE zu einer durch den transformierten Bewegungssektor vorgegebenen Zielposition mithilfe einer an sich vorbekannten Steuerung erfolgen, wie sie beispielsweise in der DE 102016 106 427 A1 beschrieben ist. Eine derartige Steuerung kann auch als inverse Kinematik bezeichnet werden, da sie die einzelnen Gelenke immer in Abhängigkeit von der Zielposition des Endstücks ansteuert. Eine mögliche technische Umsetzung dieser inversen Kinematik an einem Gelenkschlauchträger eines Saugbaggers kann wie folgt vorgenommen werden: 1. Die Steuerbefehle der Fernsteuereinheit werden zunächst algorithmisch verarbeitet, um den Öldruck in den Hydraulikzylindern zur Bewegung der Gelenkarmglieder indirekt zu manipulieren, sodass kontrollierte Bewegungen des Endeffektors daraus resultieren. 2. Der Gelenkarm besteht ausschließlich aus eindimensionalen Rotationsgelenken, wobei alle Gelenke identisch orientiert sind und nur das Wurzelgelenk J0 eine um 90° gedrehte Rotationsachse aufweist. 3. Die Bewegung des Gelenkarms kann in Kugelkoordinaten definiert werden, wobei der Azimutwinkel
Figure imgf000024_0001
ausschließlich vom Winkel des Wurzelgelenks J0 an der Aufhängung des Arms bestimmt wird und die Winkel aller weiteren Gelenke © PATENTSCHUTZengel 0184/23#3-11 RSP 17.10.2023 - 23 - Jn gemeinsam die Länge (bzw. den Kugelradius r) und den Polarwinkel ϑ bestimmen. 4. Die Verhältnisse einzelner Gelenkwinkel sind vordefiniert (z. B. gleichverteilt), sodass die gewünschte Armlänge r durch die Vorgabe eines einzelnen Winkelwertes bestimmt werden kann. 5. Die Winkel der Gelenkarmglieder werden mit unterschied- lichen Sensoren und Messmethoden simultan erfasst, um die jeweiligen systematischen Messfehler zu eliminieren. Bevorzugt sind dies zwei oder mehr der folgenden Sensoren: a. Drehwinkelgeber in den Gelenken des mehrgliedrigen Gelenkarms; b. lineare Positionssensoren in den Hydraulikzylindern; c. Inertialsensoren zur Messung des Gravitationsvektors; d. kamerabasierte oder laserbasierte Sensoren zur absoluten Messung von Position und Orientierung der einzelnen Gelenkarmglieder, inkl. des Endeffektors, relativ zu einer externen Messstation, z. B.: i. an der Maschine, ii. mobil auf einem Stativ oder integriert in Baustellenmöblierung wie z.B. Zäune, iii. mobil an der Fernsteuereinheit. 6. Die relative Orientierung von Gelenkarm und Fernsteuer- einheit werden durch eine Kombination von Sensoren erfasst, um auch hier systematische Messfehler zu eliminieren. Bevorzugt sind dies: a. 3D-Inertialsensoren in oder an der Fernsteuereinheit und am Gelenkarm; © PATENTSCHUTZengel 0184/23#3-11 RSP 17.10.2023 - 24 - b. Redundante 3D-Inertialsensoren mit möglichst großem Abstand und unbeweglicher mechanischer Verbindung, um Störeffekte lokaler Magnetfelder auf die elektronischen Kompasse zu erkennen und zu bewerten. c. kamerabasierte oder laserbasierte Sensoren zur absoluten Messung der Orientierung von Fernsteuer- einheit, Gelenkarm und Endeffektor zueinander oder relativ zu einer externen Messstation, z. B.: i. an der Maschine, ii. mobil auf einem Stativ oder integriert in Baustellenmöblierung wie z.B. Zäune, iii. mobil an der Fernsteuereinheit. 7. Die Position des Endeffektors wird mit zwei Messverfahren simultan erfasst, um systematische Messfehler zu erkennen. Bevorzugt sind dies: a. mechanische Messung des Endeffektors auf Basis der Orientierung aller Glieder des Gelenkarms; b. kamerabasierte oder laserbasierte Sensoren zur absoluten Messung der Orientierung von Fernsteuer- einheit, Gelenkarm und Endeffektor zueinander oder relativ zu einer externen Messstation, z. B.: i. an der Maschine, ii. mobil auf einem Stativ oder integriert in Baustellenmöblierung wie z.B. Zäune, iii. mobil an der Fernsteuereinheit. Fig. 5 zeigt ein Ablaufdiagramm der Prozesskette zur Berechnung aller Winkel ^^ des Gelenkarms 01 aus einem an der Fernsteuereinheit 02 erfassten Soll-Bewegungsvektor ^ ^^^ ^ im Eingabekoordinatensystem ^^. Die Steuerbefehle der Fernsteuer- einheit 02 werden in der in Fig. 5 gezeigten Sequenz prozessiert, um alle Zielwinkel αn der Gelenke Jn zu ermitteln, © PATENTSCHUTZengel 0184/23#3-11 RSP 17.10.2023 - 25 - sodass eine kontrollierte Bewegung des Endeffektors PE entlang eines transformierten Bewegungsvektors ^ ^^^ ^ ^^ ^ ^^^ ^ ^ resultiert. Dabei erfolgt die Transformation des Soll-Bewegungsvektors ^ ^^^ ^ in den transformierten Bewegungsvektor unter Anwendung der zuvor bestimmten Abweichung zwischen dem Eingabekoordinatensystem MI und dem Maschinenkoordinatensystem MM. Eine Möglichkeit dieser Transformation wird nachfolgend für den Fall der Abbildung von MM und MI in einem gemeinsamen Referenzkoordinatensystems MW (siehe Fig. 4a) im Einzelnen erläutert: I. Nivellierung (optional): Der Soll-Bewegungsvektor ^ ^^^ ^ ist im Eingabekoordinatensystem MI der Fernsteuereinheit gegeben. Vor der Übertragung (Transformation) von ^ ^^^ ^ in das Maschinenkoordi- natensystem MM wird das Eingabekoordinatensystem MI nach dem zuvor ermittelten Gravitationsvektor ^ ausgerichtet bzw. nivelliert, sodass nur die Drehung der Fernsteuereinheit 02 um die Gravitationsachse berücksichtigt werden muss. Dazu wird in folgenden Teilschritten ein neues nivelliertes Eingabe- koordinatensystem MI-U konstruiert: 1. Zunächst wird überprüft, ob das Eingabekoordinatensystem MI zum Gravitationsvektor ^ weniger als 90° geneigt ist, d. h. dass das Skalarprodukt eines Einheitsvektors entlang der z-Achse des Eingabekoordinatensystems ^^ = (0, 0, 1) mit dem Inversen des normierten Gravitations- vektors ^^ = (^) ⁄ ‖^‖ in einem gemeinsamen Weltkoordi- natensystem ^^ kleiner als null ist, also beide in unterschiedliche Richtungen zeigen: ^^ ∗ ( ^^ ∗ ^^ ) < 0 (unter der Annahme, dass ^ bereits im Weltkoordinaten- system ^^ definiert ist) © PATENTSCHUTZengel 0184/23#3-11 RSP 17.10.2023 - 26 - Andernfalls ist die Fernsteuereinheit nach unten gekippt und keine eindeutige Interpretation des Eingabevektors möglich. Die Steuerung des Gelenkarms sollte in diesem Fall unterbrochen werden. 2. Wenn die Vorbedingung ^^ ∗ (^^ ∗ ^^) < 0 erfüllt ist, werden die Achsen des nivellierten Eingabekoordinatensystems MI-U durch die Berechnung von Kreuzprodukten zwischen der x- oder y-Achse des Eingabekoordinatensystems und dem Gravitationsvektor (im gemeinsamen Weltkoordinatensystem ^^) konstruiert (hier am Beispiel der y-Achse, also eines Einheitsvektors entlang der y-Achse ^^).
Figure imgf000028_0001
^^^^ = ^^^^ × ^^^^ ^^^^ = ^^^^ 3. Um den Soll-Bewegungsvektors ^ ^^^ ^ entsprechend zu nivellieren, wird dieser einfach mit identischen Werten im nivellierten Eingabekoordinatensystem MI-U ausgedrückt.
Figure imgf000028_0002
II. Eingabetransformation: Der Eingabevektor ^^ oder der nivellierte Eingabevektor
Figure imgf000028_0003
kann nun durch folgende Berechnungsvorschrift im Maschinenkoordinatensystem ausgedrückt werden:
Figure imgf000028_0004
III. Neue Zielposition: Ist die aktuelle Position des Endeffektors als Punkt ^^ im Maschinenkoordinatensystem ^^ bekannt, so kann die neue Zielposition ^^ ^ durch Verschiebung entlang des transformierten Bewegungsvektors im Maschinen- koordinatensystem berechnet werden. © PATENTSCHUTZengel 0184/23#3-11 RSP 17.10.2023 - 27 - ^^ ^ = ^^ + ^ ^^^^^^^^^^^^ IV. Sphärische Koordinaten: Die Zielposition des Endeffektors ist in Kugelkoordinaten umzurechnen
Figure imgf000029_0005
an^ ^ ^ = t ^ ^^^ + ^^ Dabei ist die Orientierung des Maschinenkoordinatensystems zu beachten und die resultierenden Winkelwerte bei Bedarf um ein Vielfaches von ^⁄ 2 zu verschieben. Alternativ können alle drei Werte der Kugelkoordinaten auch durch Vektorberechnungen ermittelt werden. Dabei ist der Radius r, bzw. die Entfernung der Zielposition ^′^ vom Wurzelgelenk
Figure imgf000029_0001
die Länge des Vektors zwischen beiden Punkten.
Figure imgf000029_0002
Der Schwenkwinkel ^^ = φ ist das Skalarprodukt eines Einheits- vektors entlang einer Referenzachse im Maschinenkoordinaten- system ^^ (z. B. die x-Achse
Figure imgf000029_0003
in den Fig. 2 und 3) und der normierten Projektion von ^ ^^ ^ ^^^^^^^′^^ ^ auf die Horizontalebene des Maschinenkoordinatensystems ^^ (z. B. die x/y-Ebene in den Fig. 2 und 3). Zur Projektion von ^ ^^ ^ ^^^^^^^′^^ ^ auf die gewünschte Ebene, kann die Vektorkomponente der zu ignorierenden Dimension (z. B. z) auf null gesetzt werden. Die Projektion kann durch Kreuzprodukte notiert werden, z. B.:
Figure imgf000029_0004
© PATENTSCHUTZengel 0184/23#3-11 RSP 17.10.2023 - 28 - ^ist das Skalarprodukt eines Einheitsvektors entlang einer Referenzachse im Maschinenkoordinatensystems ^^ (z. B. die z- Achse ^^ in den Fig. 2 und 3) und des normierten Vektors ^^^′^ im Maschinenkoordinatensystem ^^.
Figure imgf000030_0001
Der Schwenkwinkel ist als Ergebnis dieses Verfahrensschrittes bereits gegeben: ^^ = φ Wenn ^^ = ^^, teilt der Vektor ^ ^^ ^ ^^^^^^ ^ den Winkel ^^in die Bestand- teile ^^^und ^^^ sowie ^^in ^^^und ^^^ (siehe Fig. 6) wobei gilt:
Figure imgf000030_0002
V. 2D Inverse Kinematik: Die Berechnung der Winkel ^^ bis ^^ kann in einem zweidimensionalen Koordinatensystem gelöst werden, da alle Gelenke ^^bis ^^ auf der gleichen Ebene liegen und um parallele Achsen rotieren. Die Größen der Winkel ^^ bis
Figure imgf000030_0003
definieren zusammen mit den Längen der anliegenden Glieder ^^bis ^^ die Länge des Vektors ^^ ^^ ^ ^^^^^^ ^ ^. Gesucht werden die Winkel ^^ bis ^^ mit denen gilt:
Figure imgf000030_0004
Eine analytische Lösung gibt es nur in Spezialfällen. Als generischen Lösungsweg für eine quasi beliebige Anzahl von Gliedern, variierende Verhältnisse der Winkel ^^ bis
Figure imgf000030_0005
sowie unterschiedlichen Längen der anliegenden Glieder ^^bis ^^ wird der folgende mögliche Lösungsweg beschrieben: © PATENTSCHUTZengel 0184/23#3-11 RSP 17.10.2023 - 29 - 1. Die geometrischen Beziehungen der längenrelevanten Glieder ^^bis ^^ werden isoliert in einem unabhängigen 2D- Koordinatensystem ausgedrückt, wobei L1 an der x-Achse ausgerichtet wird (da ^^ keinen Einfluss auf die Vektorlänge ^^ ^^ ^ ^^^^^^ ^ ^ hat; siehe Fig. 6 und 7). 2. Jedes der längenrelevanten Glieder ^^bis ^^ wird nun als 2D-Vektor in diesem Koordinatensystem ausgedrückt und entsprechend der Winkel ^^mit ^^ = ^^ − ^ rotiert (siehe Fig. 7). Für ^^gilt dabei ^^ = 0, da ^^entlang der x-Achse ausgerichtet ist. Die Koordinaten der Vektoren
Figure imgf000031_0001
bis
Figure imgf000031_0002
berechnen sich jeweils wie folgt (mit ^^ bis ^^ als Längen der Glieder ^^bis ^^): ^^^ = ^ cos(^^) ^^^ = ^ sin(^^) ^^^ = ^ cos( ^^ + ^^ ) ^^^ = ^ sin(^^ + ^^) … …
Figure imgf000031_0003
3. Aus der Verkettung der resultierenden 2D Vektoren ^ ^^^^ ^ bis ^ ^^^ ^ resultiert ein Punkt ^^ (siehe Fig. 7). ^^ = ^ ^^^^ ^ + ^ ^^^^ ^ + ⋯ + ^ ^^^^ 4. Nun gilt es die passenden Werte ^^ zu finden, bei denen der Abstand ^ ^^^ ^ ^^^^^^^ ^ ^ dem Zielabstand
Figure imgf000031_0004
entspricht. Alle Werte ^^ werden durch einen gemeinsamen Referenzwinkel ^ © PATENTSCHUTZengel 0184/23#3-11 RSP 17.10.2023 - 30 - definiert, da ^^ = ^^ − ^ und ^^ nur durch vordefinierte Gewichte ^^ und Offsets ^^ von ^ abweichen. ^^ = ^^ ∗ ^ + ^^ Zur Suche nach dem passenden ^ wird ein binärer Suchalgorithmus eingesetzt. Neben den globalen Parametergrenzen ^^^^und ^^^^ sind hier auch lokale Begrenzungen ^^^^^^ und ^^^^^^ zu berücksichtigen. Bei Bedarf ermöglichen lokale Gewichte ^^ und Offsets ^^ eine Optimierung des Bewegungsspielraums des gesamten Gelenkarms. 5. Aus dem gefundenen Wert von ^ lassen sich nun unter Berücksichtigung der lokalen Gewichte ^^ und Offsets ^^ alle Winkelwerte von ^^ bis
Figure imgf000032_0001
ableiten. ^^ setzt sich zusammen aus ^^^, welches bereits im Schritt IV. bei der Übersetzung in Kugelkoordinaten gefunden wurde, und ^^^. Letzterer ist der Winkel, also das Skalarprodukt zwischen dem normierten Vektor ^^ ^^^ und einem Einheitsvektor entlang der x-Achse des hier genutzten Hilfskoordinatensystems: ^^^ = ^^ ^^^ ∗ ^ VI. Ausrichtung Endstück: Für die Berechnung des letzten verbliebenen Winkels ^^, ist nach der Ermittlung von ^ ^^ ^ ^^^^^^^ ^ und der Einzelvektoren
Figure imgf000032_0002
bis
Figure imgf000032_0003
auch bereits ein Teil berechenbar: ^^^ = ^^ ^^^ ∗ ^^^^ ^^^ lässt sich als Skalarprodukt von ^^ ^^^ und einem Vektor in der Zielorientierung des letzten Gliedes ^ ^^^^ ^ beschreiben. Da letzteres relativ zu einem Vektor im Referenzkoordinaten- © PATENTSCHUTZengel 0184/23#3-11 RSP 17.10.2023 - 31 - system, z.B. zum Gravitationsvektor ^ definiert wird, nutzen wir dessen normierte Repräsentation im Maschinenkoordinatensystem ^^ als Referenz:
Figure imgf000033_0001
Gewünschte Abweichungen der Orientierung von ^ ^^^^ ^ vom Gravitationsvektor ^ können im Anschluss direkt mit dem ermittelten Winkel ^^ verrechnet werden. Fig. 6 zeigt die Teilung von ^1 in ^1^ und ^1^ sowie von ^^ in ^^^ und ^^^ durch den Vektor ^ ^^^ 1 ^^^^^ ^ . Die Länge des Vektors ^^ ^^^^^^^^^^ ^ wird von den Längen der Glieder ^^, ^^, ^^ sowie den eingeschlossenen Winkeln ^^ und ^^ bestimmt. Fig. 7 zeigt die Verkettung der Vektoren
Figure imgf000033_0002
bis ^ ^^^ ^ zur Berech- nung eines Punktes ^^ und dessen Abstand vom Wurzelgelenk
Figure imgf000033_0003
© PATENTSCHUTZengel 0184/23#3-11 RSP 17.10.2023 - 32 - Bezugszeichen 01 – Gelenkarm / Gelenkschlauchträger 02 – Fernsteuereinheit 03 – Benutzer 04 – Endstück /Endeffektor Ln – Gelenkarmglieder Jn – Gelenke PE – Position des Endeffektors P1, P2, P3 - Referenzpunkte MI - Eingabekoordinatensystem MM – Maschinenkoordinatensystem ME – Endeffektorkoordinatensystem MW – Weltkoordinatensystem ^ ^^^ ^ ^^ ^ ^^^ ^ ^ – transformierter Bewegungsvektor ^ ^^^ ^ - Soll-Bewegungsvektor © PATENTSCHUTZengel

Claims

0184/23#1-11 RSP 17.10.2023 - 33 - Patentansprüche 1. Verfahren zur Steuerung eines Gelenkarms (01) mit einer räumlich von diesem entfernten mobilen Fernsteuereinheit (02), folgende Schritte umfassend: - Definition eines Maschinenkoordinatensystems (MW), welches an den Gelenkarm gebunden ist, sodass die Position mindestens eines Endstücks (04) am freien Ende des Gelenkarms in diesem Maschinenkoordinatensystem bestimmbar ist; - Definition eines Eingabekoordinatensystems (MI), welches an die Fernsteuereinheit (02) gebunden ist; - Bestimmung einer dreidimensionalen Abweichung zwischen der 3D-Raumorientierung des Eingabekoordinatensystems gegenüber der 3D-Raumorientierung des Maschinenkoordi- natensystems; - Erfassung einer über Bedienelemente der Fernsteuer- einheit (02) eingegebenen Soll-Bewegungsrichtung und Soll-Bewegungsgeschwindigkeit des Endstücks (04) des Gelenkarms im Eingabekoordinatensystem; - Transformation der Soll-Bewegungsrichtung in eine transformierte Bewegungsrichtung unter Anwendung der bestimmten 3D-Abweichung zwischen dem Eingabekoordina- tensystem (MI) und dem Maschinenkoordinatensystem (MM); - Übertragung der transformierten Bewegungsrichtung und der Bewegungsgeschwindigkeit an eine Gelenkarm- Steuereinheit und Ansteuerung von mindestens einer Antriebseinheit des Gelenkarms zur Bewegung des Endstücks (04) zur vorgegebenen Zielposition. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Definition des Eingabekoordinatensystems der Fernsteuer- einheit unter Bestimmung einer Referenzebene erfolgt, wobei © PATENTSCHUTZengel 0184/23#1-11 RSP 17.10.2023 - 34 - die erfasste Soll-Bewegungsrichtung korrigiert wird, um eine Abweichung zwischen der Lage der Vertikalachse der Fernsteuereinheit und der auf der Referenzebene stehenden Referenzachse auszugleichen. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Referenzebene unter Zugrundlegung eines Gravitationsvektors erfolgt, wobei die erfasste Soll- Bewegungsrichtung korrigiert wird, um eine Abweichung zwischen der Lage der Vertikalachse der Fernsteuereinheit und der Gravitationsachse auszugleichen. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Soll-Bewegungsrichtung und die Soll-Bewegungsgeschwindigkeit des Endstücks als ein Soll- Bewegungsvektor im Eingabekoordinatensystem erfasst werden; und dass der Soll-Bewegungsvektor in einen transformierten Bewegungsvektor unter Anwendung der bestimmten Abweichung zwischen dem Eingabekoordinatensystem und dem Maschinenkoordinatensystem transformiert wird; und dass der transformierte Bewegungsvektors an die Gelenkarm- Steuereinheit übertragen wird. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass basierend auf dem transformierten Bewegungsvektor im Maschinenkoordinatensystem Kugelkoordinaten der Zielposition berechnet werden. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Transformation vom Eingabe- koordinatensystem in das Maschinenkoordinatensystem unter Berücksichtigung der bestimmten dreidimensionalen Abweichung nur dann ausgeführt wird, wenn die dreidimen- © PATENTSCHUTZengel 0184/23#1-11 RSP 17.10.2023 - 35 - sionale Abweichung zwischen der 3D-Raumorientierung des Eingabekoordinatensystems gegenüber der 3D-Raumorientierung des Maschinenkoordinatensystems durch Messungen mit mindestens zwei unabhängigen Messsystemen bestätigt ist. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Definition des Eingabekoordinatensystems dessen Orientierung in Relation zum Maschinenkoordinatensystem gemessen wird, vorzugsweise unter Anwendung eines oder mehrere Messsysteme aus der folgenden Liste: - optische Messsysteme, mit denen passiv oder aktiv beleuchtete Marker erfassbar sind; - Inertialsensoren, mit denen der Gravitationsvektor und das Erdmagnetfeld bestimmenbar sind. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Definition des Eingabekoordinatensystems die relative Rotation um die Gravitationsachse des Eingabekoordinatensystems und des Maschinenkoordinatensystem aus einer Positionsmessung von mindestens drei Punkten abgeleitet wird, vorzugsweise unter Anwendung eines oder mehrere Messsysteme aus der folgenden Liste: - laserbasierte Positionsmesssysteme, vorzugsweise mit gepulstem Licht; - optische Messsysteme, mit denen passiv oder aktiv beleuchtete Marker erfassbar sind; - Stereokameras, die vorzugsweise an der den Gelenkarm tragenden Maschineneinheit oder an stationärem Baustellenmobiliar angeordnet sind; - eine oder mehrere Kameras, die an der Fernsteuereinheit oder an stationärem Baustellenmobiliar angeordnet sind. © PATENTSCHUTZengel 0184/23#1-11 RSP 17.10.2023 - 36 - 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Position des Endstücks Positionsmessungen ausgeführt werden, vorzugsweise unter Anwendung eines oder mehrere Messsysteme aus der folgenden Liste: - optische Messsysteme, mit denen passiv oder aktiv beleuchtete Marker erfassbar sind; - laserbasierte Positionsmesssysteme, vorzugsweise mit gepulstem Licht; - Stereokameras, die vorzugsweise an der den Gelenkarm tragenden Maschineneinheit angeordnet sind; - eine oder mehrere Kameras, die an der Fernsteuereinheit angeordnet sind; - ein mechanisches Messsystem am Gelenkarm, vorzugsweise mit Drehwinkelgebern; - Inertialsensoren an den Gelenken des Gelenkarms und/oder an der Fernsteuereinheit. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Definition des Eingabekoordinaten- systems und des Maschinenkoordinatensystems das Erdmagnetfeld gemessen und berücksichtigt wird. 11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Gelenkarm eine Komponente einer der folgenden Vorrichtungen ist: ^ Saugbagger; ^ Betonpumpe; ^ Kanalreinigungsmaschine; ^ Kanalinspektionsmaschine; ^ Bohrmaschine; ^ Hebebühne. © PATENTSCHUTZengel 0184/23#1-11 RSP 17.10.2023 - 37 - 12. Saugbagger mit einem Fahrzeuggestell, einer Ventilatoreinheit zur Erzeugung eines Saugstroms für die Aufnahme von Material, einer Filtereinheit, einem Materialsammelbehälter zur Sammlung des aufgenommenen Materials, einem mehrgliedrigen Gelenkschlauchträger und mit einer mobilen Fernsteuereinheit zur Steuerung der Bewegung des Gelenkschlauchträgers, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinheit des Saugbaggers und die Fernsteuereinheit konfiguriert sind, um ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 auszuführen. © PATENTSCHUTZengel
PCT/EP2023/079192 2022-10-23 2023-10-19 Verfahren zur steuerung eines gelenkarms mit einer räumlich von diesem entfernten mobilen fernsteuereinheit sowie saugbagger WO2024088882A1 (de)

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