DE102008012301A1

DE102008012301A1 - Verfahren zur Steuerung und Regelung der Position eines Arbeitsarmes einer Arbeitsmaschine und Vorrichutng zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE102008012301A1
Application number: DE102008012301A
Authority: DE
Inventors: Dieter Schwarzmann; Oliver Dr. Glitza
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-03-03
Filing date: 2008-03-03
Publication date: 2009-09-10
Also published as: WO2009109276A1

Abstract

Ein Verfahren zur Steuerung und Regelung der Position eines beweglichen Arbeitsarms (3) einer Arbeitsmaschine (1) weist folgende Schritte auf: Es wird zumindest eine Größe A zu einem Zeitpunkt ti gemessen, wobei A eine Aussage über die Position des Arbeitsarms (3) erlaubt. Außerdem wird die Größe A zu einem Zeitpunkt ti+1 gemessen. Der Messwert A(ti+1) wird an ein Empfangsgerät (9) gesendet, fallsist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung und Regelung eines automatisierten Arbeitsarmes einer Arbeitsmaschine, beispielsweise einer Bau- oder Landmaschine oder eines LKW-Aufbaus. Sie betrifft weiter eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
Herkömmliche Arbeitsmaschinen müssen durch einen Bediener über mehrere Steuerhebel gesteuert werden, was verhältnismäßig kompliziert, unkomfortabel und schwer zu erlernen ist. Steuerungen für Arbeitsmaschinen werden daher zunehmend auf eine intuitive Bedienung ausgelegt.
Beispielsweise ist aus der US 24,059,196 A

http://patft.uspto.gov/netacgi/nph-Parser?Sect1=PTO1&Sect2=HITOFF&d=PALL&p=1&u=%2Fnetahtml%2FPTO%2Fsrchnum.htm&r=1&f=G&l=50&s1=4059196.PN.&OS=PN/4059196&RS=PN/h0
http://patft.uspto.gov/netacgi/nph-Parser?Sect1=PTO1&Sect2=HITOFF&d=PALL&p=1&u%2Fnetahtml%2FPTO%2Fsrchnum.htm&r=1&f=G&l=50&s1=4059196.PN.&OS=PN/4059196&RS=PN/h2

Die US 5,941,921 A offenbart einen Bagger, der mit Sensoren ausgestattet ist, die eine Steuerung der Schaufel unter Nutzung des „Force Feedback” erlauben.
Zur Unterstützung des Bedieners werden somit Sensoren an der Arbeitsmaschine vorgesehen, die eine Positionsbestimmung des Arbeitsarmes oder des Werkzeugs erlauben. Dann kann die Bedienung mittels eines ergonomischen Eingabegeräts und eines elektrohydraulischen Systems erfolgen.
Problematisch ist dabei jedoch, dass zur elektrischen Kontaktierung der Sensoren eine Verkabelung an der Arbeitsmaschine vorgesehen werden muss, die im Einsatz stets der Gefahr einer Beschädigung ausgesetzt und zudem schwer nachrüstbar ist.
Bekannt sind auch nachrüstbare, drahtlose Sensormodule, die ihre Energie aus Solarzellen beziehen und ihre Daten über eine drahtlose Funkschnittstelle an eine Empfangseinheit senden. Allerdings ist beim Einsatz solcher Sensormodule die gerade bei Bau- und Landmaschinen bestehende Gefahr der Verschmutzung oder Beschädigung der Solarpaneele nachteilig.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Steuerung und Regelung der Position eines Arbeitsarmes einer Arbeitsmaschine anzugeben, das eine intuitive Bedienung der Arbeitsmaschine erlaubt und gleichzeitig sehr robust ist.
Darüber hinaus ist es eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens anzugeben.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit dem Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Steuerung und Regelung der Position eines beweglichen Arbeitsarms einer Arbeitsmaschine weist folgende Schritte auf: Es wird zumindest eine Größe A zu einem Zeitpunkt t_i gemessen, wobei A eine Aussage über die Position des Arbeitsarms erlaubt. Beispielsweise kann A der Neigungswinkel eines Armabschnitts des Arbeitsarms sein. In diesem Fall werden Neigungswinkel jedes Armabschnitts gemessen und aus diesen zusammen mit bekannten Größen wie der Länge der einzelnen Armabschnitte die Position des Arbeitsarms und/oder eines an ihm angebrachten Werkzeuges bestimmt. Es können jedoch allgemein Inertialsensoren wie Winkelsensoren, Beschleunigungssensoren, Drehratensensoren an Gelenken des Arbeitsarms oder Wegsensoren an Hydraulikzylindern verwendet werden, aus deren Messdaten ebenfalls die Position des Arbeitsarms und/oder des Werkzeugs bestimmt werden kann.
Anschließend wird die Größe A zu einem weiteren auf den Zeitpunkt t_i folgenden Zeitpunkt t_i+1 gemessen. Aus den zu beiden Zeitpunkten genommenen Messwerten A(t_i) und A(t_i+1) wird die Differenz gebildet und es wird geprüft, ob der Betrag dieser Differenz zumindest so groß ist wie ein festgelegter Schwellenwert s, ob also |A(t_i) – A(t_i+1)| = s gilt. Dabei wird der Schwellenwert s derart festgelegt, dass er größer ist als Schwankungen der Größe A, die aufgrund des Rauschens oder anderer statistischer Effekte auftreten.
Falls dann |A(t_i) – A(t_i+1)| = s gilt, hat sich die Größe A im Zeitraum Δt = t_i+1 – t_i um einen signifikanten Betrag geändert und der Arbeitsarm wurde demnach bewegt. In diesem Fall wird zumindest der Messwert A(t_i+1) über eine Funkverbindung an ein Empfangsgerät gesendet.
Einem Grundgedanken der Erfindung zufolge sollten für die Positionsbestimmung des Arbeitsarms Sensoren verwendet werden, die ihre Messwerte über eine drahtlose Funkschnittstelle an eine zentrale Empfangseinheit senden. Derartige Sensoren lassen sich nämlich besonders leicht nachrüsten und weisen keine störenden Kabel zur Datenübertragung auf. Allerdings sollen drahtlose Sensoren auch nicht über Kabel mit Energie versorgt werden. Es ist deshalb in einer vorteilhaften Ausführungsform vorgesehen, die Sensoren energieautark auszubilden, wozu sie eine interne Energieversorgung aufweisen, über die sie mit Energie, insbesondere mit Strom, versorgt werden. Die interne Energieversorgung kann beispielsweise eine Batterie oder ein Akkumulator oder ein Generator wie ein Wandler sein, der kinetische Energie – beispielsweise aus Vibrationen und/oder anderen Bewegungen der Arbeitsmaschine – in elektrische Energie umwandelt und in einem Akkumulator, einem Kondensator oder einem anderen geeigneten Energiespeicher speichert. Selbstverständlich sind auch Kombinationen dieser Möglichkeiten zur Energieversorgung denkbar.
Der größte Teil der für den Betrieb der Sensoren erforderlichen Energie wird für die Funkkommunikation benötigt, die über eine drahtlose Sende- und Empfangseinrichtung erfolgt. Um auf eine aufwendige Energieversorgung verzichten und die Sensoren möglichst energiesparend betreiben zu können, sollte daher die Funkkommunikation möglichst weit eingeschränkt werden. Dazu wird eine möglichst geringe Senderate der einzelnen Sensoren angestrebt. Einem Grundgedanken der Erfindung zufolge sendet ein Sensor daher nur dann ein Messsignal, wenn auch eine hinreichend große, also signifikante, Änderung der Messgröße stattgefunden hat. In der übrigen Zeit überwacht der Sensor lediglich die Messgröße, ohne ihren Wert an die Empfangseinheit zu senden.
Vorteilhafterweise ist die Regelung der Position des Arbeitsarms derart ausgelegt, dass sie mit einer geringen Updaterate der Sensorsignale auskommt. Dazu wird vorteilhafterweise eine Vorsteuerung verwendet. Die Vorsteuerung wird anhand eines Modells des Arbeitsarms berechnet und liefert Ansteuersignale für den Arbeitsarm. Sie steuert im Falle eines fehlerlosen Modells sowie der Abwesenheit äußerer Störungen den Arbeitsarm in der gewünschten Weise an, auch wenn sie keine Messsignale erhält.
Sie erhält dazu Sollsignale w, die über ein Bedienelement zur Ansteuerung des beweglichen Arbeitsarms durch einen Bediener eingegeben werden.
Vorteilhafterweise adaptiert ein Adaptionsalgorithmus die Vorsteuerung, wenn ein Messwert A(t_i+1) an ein Empfangsgerät gesendet wurde. Der Adaptionsalgorithmus kann auch einen Regler adaptieren, wenn ein Messwert A(t_i+1) an ein Empfangsgerät gesendet wurde. Außerdem kann der Adaptionsalgorithmus Ansteuersignale u und Stellsignale y der Regelstrecke verwenden.
Der Adaptionsalgorithmus korrigiert somit Fehler im Modell oder Fehler aufgrund äußerer Störungen aus der Vorsteuerung heraus.
Somit werden Messdaten lediglich benötigt, um Modellfehler zu korrigieren und auf äußere Störungen zu reagieren.
Der Einfluss äußerer Störungen kann beispielsweise dadurch gering gehalten werden, dass die Regelung in Kombination mit einer lastdruckunabhängigen Durchflussverteilung bzw. eines sogenannten Electronic Flow Matching durchgeführt wird. Die lastdruckunabhängige Durchflussverteilung ist beispielsweise aus der DE 197 03 997 A1 bekannt. Das Electronic Flow Matching bezeichnet die elektronische Variante einer solchen Steuerung. Diese Arten der Steuerung sorgen dafür, dass sich die Belastung des Arbeitsarms nicht in seinem Bewegungsverhalten widerspiegelt. In einer Ausführungsform ist es daher vorgesehen, dass eine unterlagerte hydromechanische Regelung Belastungen des Arbeitsarms, d. h. auf den Arbeitsarm wirkende externe Kräfte, vollständig oder teilweise kompensiert. Dazu weist die Arbeitsmaschine in dieser Ausführungsform zumindest einen Sensor zur Messung auf den Arbeitsarm bzw. das Werkzeug wirkender externer Kräfte und eine Einrichtung zur Kompensation dieser Kräfte auf.
Modellfehler können als konstant oder als sehr langsam veränderlich angenommen werden.
Somit sind in unregelmäßigen Zeitabständen aufgenommene und selten vorhandene Messsignale ausreichend, um die für eine präzise Messung und Regelung der Position des Arbeitsarms notwendigen Korrekturen vorzunehmen.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist den Vorteil auf, dass es sensorseitig eine besonders energiesparende Messung und Regelung der Position eines Arbeitsarms einer Arbeitsmaschine erlaubt. Durch die Auslegung der Steuerung bzw. Regelung des Arbeitsarmes derart, dass sie mit einer möglichst geringen Updaterate der Sensorsignale auskommt, wird der Bedarf an Funkkommunikation zwischen den drahtlosen Sende- und Empfangseinrichtungen der Sensoren und einer zentralen Empfangseinheit sehr gering gehalten und der Energiebedarf der Sensoren gegenüber einem herkömmlichen kontinuierlichen Senden von Messsignalen drastisch reduziert.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Steuerung und Regelung der Position eines beweglichen Arbeitsarms einer Arbeitsmaschine weist zumindest einen Sensor zur Messung einer Größe A auf, wobei A eine Aussage über die Position des Arbeitsarms erlaubt und zumindest zu einem Zeitpunkt t_i und zu einem Zeitpunkt t_i+1 gemessen wird. Sie weist ferner einen Schwell-Wertgeber auf zur Überprüfung, ob |A(t_i) – A(t_i+1)| = s gilt, wobei s ein festgelegter Schwellenwert ist. Die Vorrichtung weist außerdem eine drahtlose Sende- und Empfangseinrichtung auf zur Sendung eines Messsignals, wenn |A(t_i) – A(t_i+1)| = s gilt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat den Vorteil, dass sie feststellen kann, wann das Senden eines Messsignals durch die drahtlose Sende- und Empfangseinrichtung an eine zentrale Empfangseinheit sinnvoll ist, wann also eine signifikante Veränderung der Messgröße vorliegt. Die Vorrichtung ist somit besonders energiesparend betreibbar. Sie kann deshalb besonders vorteilhaft als autarke Einheit mit einer internen Energieversorgungseinheit ausgebildet sein.
Vorteilhafterweise ist der Sensor oder zumindest einer der Sensoren im Bereich des Arbeitsarms angebracht. Falls der Arbeitsarm aus verschiedenen Armabschnitten besteht, kann auch ein Sensor für jeden dieser Abschnitte vorgesehen sein. Zu sätzlich kann auch ein Sensor zur Messung der Stellung des Werkzeugs am Werkzeugs oder an dessen Halterung vorgesehen sein.
Eine erfindungsgemäße Arbeitsmaschine mit einem beweglichen Arbeitsarm weist neben einer solchen Vorrichtung ein Empfangsgerät zum Empfang von Messsignalen von der drahtlosen Sende- und Empfangseinrichtung des Sensors oder der Sensoren auf. Typischerweise ist dabei eine zentrale Empfangseinheit vorgesehen, die Messsignale von mehreren Sensoren empfängt.
In einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Arbeitsmaschine eine zentrale Datenverarbeitungs- und Speichereinheit auf, in der Daten eines Modells des beweglichen Arbeitsarms abgelegt sind. Mit Hilfe des Modells wird dann eine Vorsteuerung realisiert, die Ansteuersignale für den Arbeitsarm liefert und im Falle eines fehlerlosen Modells sowie der Abwesenheit äußerer Störungen den Arbeitsarm wie gewünscht ansteuert, auch wenn sie keine Messsignale erhält.
Die Arbeitsmaschine weist zweckmäßigerweise ein Bedienelement zur Ansteuerung des beweglichen Arbeitsarms auf, über das durch einen Bediener Sollsignale w zur Ansteuerung des beweglichen Arbeitsarms eingegeben werden können. Das Bedienelement kann dabei ergonomisch, komfortabel und intuitiv bedienbar sein.
Die erfindungsgemäße Arbeitsmaschine ist in einer Ausführungsform als Bagger ausgebildet. Sie kann jedoch beispielsweise auch als Telehandler, als Lader oder als Kran ausgebildet sein.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.
1 zeigt schematisch eine Arbeitsmaschine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
2 zeigt beispielhaft einen zeitlichen Verlauf für einen Messwert in einem Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
3 zeigt schematisch ein Strukturschaltbild einer Steuerungs- und Regelungsstruktur für einen automatisierten Arbeitsarm gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
4 zeigt schematisch ein Strukturschaltbild einer Steuerungs- und Regelungsstruktur für einen automatisierten Arbeitsarm gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung und
5 zeigt ein Blockschaltbild eines drahtlosen und autarken Sensors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
1 zeigt schematisch eine Arbeitsmaschine 1, die in der gezeigten Ausführungsform ein Bagger ist. Die Arbeitsmaschine 1 weist einen Oberwagen 2 mit einem Arbeitsarm 3 auf, wobei der Arbeitsarm 3 aus mehreren Armabschnitten 6 besteht. An seinem Armende 5 weist der Arbeitsarm 3 ein Werkzeug 4 auf, das in der dargestellten Ausführungsform eine Schaufel ist.
Die Arbeitsmaschine 1 weist an ihren Armabschnitten 6 und gegebenenfalls auch am Oberwagen 2 jeweils Neigungssensoren 7 auf, die die Neigung des jeweiligen Armabschnittes 6 bzw. des Oberwagens gegen die Richtung der Erdbeschleunigung messen. An ihrem Oberwagen 2 weist die Arbeitsmaschine 1 eine Empfangseinheit 9 auf, die Messsignale von den Neigungssensoren 7 empfangen kann.
Die Verbindung zwischen den Neigungssensoren 7 und der Empfangseinheit 9 ist drahtlos als Funkverbindung ausgebildet. Die Neigungssensoren 7 sind autark, das heißt, sie benötigen im Betrieb keine externe Energieversorgung. Sie weisen vielmehr nicht dargestellte Energiespeichermittel wie Akkumulatoren oder Kondensatoren auf, die gelegentlich aufgeladen werden. Zusätzlich zu oder anstelle der Energiespeichermittel können die Neigungssensoren 7 Generatoren wie Wandler aufweisen, die kinetische Energie beispielsweise aus Vibrationen oder anderen Bewegungen der Arbeitsmaschine 1 in elektrische Energie umwandeln. Insbesondere bei der Verwendung eines solchen Wandlers kann es vorteilhaft sein, als Energiespeichereinheit Kondensatoren einzusetzen, die eine Pufferung zwischen der gewonnenen und der nachgefragten Energie bewirken.
2 zeigt beispielhaft einen zeitlichen Verlauf für einen Messwert in einem Verfahren zur Steuerung und Regelung des Arbeitsarmes gemäß 1.
Dabei ist auf der Ordinate als Messgröße eines Neigungssensors 7 ein Winkel a und auf der Abszisse die Zeit t aufgetragen. Der Winkel a wird in Abtastintervallen t_a gemessen, die im gezeigten Beispiel stets gleich groß sind. Üblicherweise schwankt das rauschbehaftete Messsignal des Neigungssensors 7 um einen Mittelwert, wenn sich der Arbeitsarm 3 in einer Ruhestellung befindet. Wird der Arbeitsarm 3 jedoch von einem Bediener in Bewegung gesetzt, so wird sich der zu den darauffolgenden Zeitpunkten gemessene Winkel a signifikant von den zuvor gemessenen Winkeln a unterscheiden. Dies wird dadurch festgestellt, dass der Betrag der Differenz Δα zweier aufeinanderfolgender Messwerte für a gebildet wird.
Ist diese Differenz größer als oder gleich einer geeignet festgelegten Schwelle s, so wird der neue Messwert über eine Funkverbindung des Neigungssensors 7 an das Empfangsgerät 9 übertragen. Ist die Differenz jedoch kleiner als s, so wird die Veränderung des gemessenen Winkels als dem Rauschen zuzuschreibende Schwankung gewertet und es wird kein Messsignal übertragen.
Dabei kann auch so vorgegangen werden, dass der Neigungssensor 7 nach einem Erkennen einer Bewegung des Arbeitsarms 3 periodisch seine Messsignale an die Empfangseinheit 9 zu senden beginnt. Die in den Neigungssensor 7 integrierte Steuereinheit erhält das periodische Senden der Messwerte dann solange aufrecht, bis die Änderung Δα des Messsignals zu zwei aufeinanderfolgenden Zeitpunkten nicht mehr über dem Schwellenwert s liegt. Daneben kann auch eine Erkennung der Bedienung des Arbeitsarms durch geeignete Sensoren an den Bedienelementen erfolgen.
Um die unangemessene Berücksichtigung von Ausreißern zu verhindern, können die Messwerte auch durch eine Filterung wie beispielsweise eine gleitende Mittelwertbildung geglättet werden.
3 zeigt schematisch ein Strukturschaltbild einer Steuerungs- und Regelungsstruktur 10 für den Arbeitsarm 3 und ins besondere auch das Werkzeug 4 der Arbeitsmaschine 1 gemäß 1.
Mittels einer Positionsvorgabe 11 und gegebenenfalls einer Umrechung wie beispielsweise einer Koordinatentransformation werden einer Vorsteuerung 12 Sollwerte w zugeführt. Die Vorsteuerung 12 wird anhand eines Modells berechnet und hat die Aufgabe, im Falle eines fehlerlosen Modells und der Abwesenheit von äußeren Störungen auch ohne Messsignale den Arbeitsarm in der gewünschten Weise anzusteuern.
Die Vorsteuerung 12 wird von dem Adaptionsalgorithmus 13 adaptiert, wobei der Adaptionsalgorithmus 13 dazu sowohl die Ansteuersignale u als auch die Stellsignale y der Regelstrecke 15 verwendet. Die Stellsignale y werden nur zu bestimmten Zeitpunkten zur Verfügung gestellt, so dass auch der Adaptionsalgorithmus 13 typischerweise zu diesen Zeitpunkten agiert. Der Adaptionsalgorithmus 13 kann zusätzlich auch weitere Signale von der Vorsteuerung 12 erhalten, beispielsweise Informationen über das erwartete Verhalten der Regelstrecke 15 bei einem fehlerlosen Modell. Dieser Fall ist in der 3 durch die gepunktete Linie dargestellt.
Außerdem kann in einer Ausführungsform der Adaptionsalgorithmus auch den Regler 14 in der Rückführung adaptieren. Dieser Fall ist in 3 durch die gestrichelte Linie dargestellt.
4 zeigt schematisch ein Strukturschaltbild einer alternativen Ausführungsform der Steuerungs- und Regelungsstruktur 16.
Diese Steuerungs- und Regelungsstruktur 10 weist eine Vorwärtssteuerung 18 auf, die durch den Adaptionsalgorithmus 19 adaptiert wird. Der Adaptionsalgorithmus 19 kann auch den Regler 22 adaptieren, was in 4 durch die gestrichelte Linie dargestellt ist. Außerdem kann der Adaptionsalgorithmus das Sollverhalten des Modells 21 erhalten, was in 4 durch die gepunktete Linie dargestellt ist.
Anders als bei der Steuerungs- und Regelungsstruktur 10 gemäß 3 ist bei der Steuerungs- und Regelungsstruktur 16 der Regelstrecke 20 das Modell 21 parallel geschaltet.
Damit wird erreicht, dass bei perfekter Modellierung kein Rückführsignal entsteht und somit der Regelkreis strukturell auf eine Vorwärtssteuerung zurückfällt. Der Regler 22 greift in dieser Steuerungs- und Regelungsstruktur 16 nur dann ein, wenn eine Abweichung vom nominellen Verhalten vorliegt und gemessen wird.
5 zeigt ein Blockschaltbild eines drahtlosen und autarken Sensors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Der Sensor ist in dieser Ausführungsform als Neigungssensor 7 ausgebildet und weist zumindest einen Messaufnehmer 23 und eine Signalverarbeitung 24 auf. Die durch den Messaufnehmer 23 gewonnenen und durch die Signalverarbeitung 24 aufbereiteten Messsignale werden mittels einer drahtlosen Sende- und Empfangseinrichtung 25 über eine Funkverbindung an eine zentrale Empfangseinheit 9 übertragen.
Die drahtlose Sende- und Empfangseinrichtung kann beispielsweise dem Bluetooth-Standard, dem IEEE 802.11-Standard (WLAN) oder besonders energiesparenden Standards wie IEEE 802.15.4 (ZigBee) genügen.
Der Neigungssensor 7 weist eine eigene Energieversorgung 27, beispielsweise eine Batterie, einen Akkumulator oder einen Generator oder Kombinationen davon auf und ist somit autark. Die Energieversorgung 27 liefert die notwendige elektrische Energie für den Messaufnehmer 23, die Signalverarbeitung 24, eine Steuerungseinheit 26 und die drahtlose Sende- und Empfangseinrichtung 25, die einen verhältnismäßig hohen Energiebedarf hat.
Die Steuerungseinheit 26 überwacht die aufbereiteten Messsignale darauf, ob die Kriterien zum Senden der Messsignale an das Empfangsgerät 9 erfüllt sind, also beispielsweise, ob der Betrag der Differenz zweier zeitlich unmittelbar aufeinanderfolgender Messwerte einen festgelegten Schwellenwert überschreitet. Ist dies der Fall, so veranlasst die Steuerungseinheit 26 die drahtlose Sende- und Empfangseinrichtung 25, das Messsignal an das Empfangsgerät 9 zu senden.
Die Steuerungseinheit 26 entscheidet auch, wie lange das Senden fortgesetzt wird. In einer Ausführungsform wird für jeden neuen Messwert ebenfalls abgefragt, ob die Kriterien zum Senden der Messsignale erfüllt sind. In einer alternativen Ausführungsform wird das Senden zunächst in jedem Fall für einen bestimmten Zeitraum fortgesetzt und erst danach erneut abgefragt, ob die Kriterien zum Senden der Messsignale erfüllt sind.

1: Arbeitsmaschine
2: Oberwagen
3: Arbeitsarm
4: Werkzeug
5: Armende
6: Armabschnitt
7: Neigungssensor
8: Boden
9: Empfangseinheit
10: Steuerungs- und Regelungsstruktur
11: Positionsvorgabe und Umrechnung
12: Vorsteuerung
13: Adaptionsalgorithmus
14: Regler
15: Regelstrecke (Arbeitsarm)
16: Steuerungs- und Regelungsstruktur
17: Positionsvorgabe und Umrechnung
18: Vorwärtssteuerung
19: Adaptionsalgorithmus
20: Regelstrecke (Arbeitsarm)
21: Modell
22: Regler
23: Messaufnehmer
24: Signalverarbeitung
25: drahtlose Sende- und Empfangseinrichtung
26: Steuerungseinheit
27: Energieversorgung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 24059196 A [0003]
- US 5941921 A [0004]
- DE 19703997 A1 [0021]

Claims

Verfahren zur Steuerung und Regelung der Position eines beweglichen Arbeitsarms (3) einer Arbeitsmaschine (1), das folgende Schritte aufweist: – Messung zumindest einer Größe A zu einem Zeitpunkt t_i, wobei A eine Aussage über die Position des Arbeitsarms (3) erlaubt; – Messung der Größe A zu einem Zeitpunkt t_t+1, – Senden des Messwertes A(t_i+1) an ein Empfangsgerät (9), falls |A(t_i) – A(t_i+1)| = s gilt, wobei s ein festgelegter Schwellenwert ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Messung der Größe A durch zumindest einen im Bereich des Arbeitsarms (3) angebrachten Sensor erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Sensor über eine interne Energieversorgungseinheit mit Energie versorgt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei als interne Energieversorgungseinheit für den Sensor eine Batterie oder ein Akkumulator verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei als interne Energieversorgungseinheit (27) für den Sensor ein Generator verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei als Sensor ein Neigungssensor (7) verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei als Sensor ein Winkelsensor an einem Gelenk des Arbeitsarms (3) verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei als Sensor ein Beschleunigungssensor verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei als Sensor ein Drehratensensor verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei als Sensor ein Wegsensor an einem Hydraulikzylinder verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei Sollsignale w über ein Bedienelement zur Ansteuerung des beweglichen Arbeitsarms (3) eingegeben werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei zur Regelung der Position des Arbeitsarms (3) eine Vorsteuerung (12) verwendet wird, die anhand eines Modells (21) des Arbeitsarms (3) berechnet wird und die Ansteuersignale für den Arbeitsarm (3) generiert.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei ein Adaptionsalgorithmus (19) die Vorsteuerung (12) adaptiert, sobald ein Messwert A(t_i+1) an ein Empfangsgerät (9) gesendet wurde.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei ein Adaptionsalgorithmus (19) einen Regler (14) adaptiert, sobald ein Messwert A(t_i+1) an ein Empfangsgerät (9) gesendet wurde.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei der Adaptionsalgorithmus (19) Ansteuersignale u und Stellsignale y der Regelstrecke (15) verwendet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei eine der Steuerung und Regelung der Position des Arbeitsarms (3) unterlagerte hydromechanische Regelung auf den Arbeitsarm (3) wirkende externe Kräfte kompensiert.
Vorrichtung zur Steuerung und Regelung der Position eines beweglichen Arbeitsarms (3) einer Arbeitsmaschine (1), wobei die Vorrichtung folgendes aufweist: – zumindest einen Sensor zur Messung einer Größe A, wobei A eine Aussage über die Position des Arbeitsarms (3) erlaubt und zumindest zu einem Zeitpunkt t_i und zu einem Zeitpunkt t_i ₊₁ gemessen wird; – einen Schwellwertgeber zur Überprüfung, ob |A(t_i) – A(t_i+1)| = s, wobei s ein festgelegter Schwellenwert ist; – eine drahtlose Sende- und Empfangseinrichtung (25) zur Sendung eines Messsignals, wenn |A(t_i) – A(t_i+1)| = s gilt.
Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei der Sensor im Bereich des Arbeitsarms (3) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, wobei der Sensor als autarke Einheit ohne externe Energieversorgung ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 19, wobei der Sensor eine Batterie oder einen Akkumulator als interne Energieversorgungseinheit (27) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 19 oder 20, wobei der Sensor einen Generator als interne Energieversorgungseinheit (27) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 21, wobei der Sensor zumindest einen Kondensator zur Speicherung der durch den Generator erzeugten Energie aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 22, wobei der Sensor als Neigungssensor (7) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 22, wobei der Sensor als Winkelsensor ausgebildet und an einem Gelenk des Arbeitsarms (3) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 22, wobei der Sensor als Beschleunigungssensor ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 22, wobei der Sensor als Drehratensensor ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 22, wobei der Sensor als Wegsensor ausgebildet und an einem Hydraulikzylinder angeordnet ist.
Arbeitsmaschine (1) mit einem beweglichen Arbeitsarm (3), die eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 27 und ein Empfangsgerät (9) zum Empfang von Messsignalen von der drahtlosen Sende- und Empfangseinrichtung (25) aufweist.
Arbeitsmaschine (1) nach Anspruch 28, wobei die Arbeitsmaschine (1) eine zentrale Datenverarbeitungs- und Speichereinheit aufweist, in der Daten eines Modells (21) des beweglichen Arbeitsarms (3) abgelegt sind.
Arbeitsmaschine (1) nach Anspruch 28 oder 29, wobei die Arbeitsmaschine (1) ein Bedienelement zur Ansteuerung des beweglichen Arbeitsarms (3) aufweist, über das Sollsignale w zur Ansteuerung des beweglichen Arbeitsarms (3) eingegeben werden können.
Arbeitsmaschine (1) nach einem der Ansprüche 28 bis 30, wobei die Arbeitsmaschine (1) zumindest einen Sensor zur Messung auf den Arbeitsarm (3) wirkender externer Kräfte und eine Einrichtung zur Kompensation dieser Kräfte aufweist.
Arbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 28 bis 31, die als Bagger ausgebildet ist.
Arbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 28 bis 31, die als Telehandler ausgebildet ist.
Arbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 28 bis 31, die als Lader ausgebildet ist.
Arbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 28 bis 31, die als Kran ausgebildet ist.