DE102005024676A1

DE102005024676A1 - System zur Lageerfassung und -regelung für Arbeitsarme mobiler Arbeitsmaschinen

Info

Publication number: DE102005024676A1
Application number: DE102005024676A
Authority: DE
Inventors: Markus Dr. Kliffken; Sorn Dr. Stoll
Original assignee: Bosch Rexroth AG
Current assignee: Bosch Rexroth AG
Priority date: 2004-12-21
Filing date: 2005-05-30
Publication date: 2006-07-06
Also published as: US20080134547A1; JP2008524480A; WO2006066853A1; EP1828491A1

Abstract

Ein System zur Lageerfassung und -regelung für an Arbeitsarmen (2) mobiler Arbeitsmaschinen (1) angeordnete Arbeitseinrichtungen (3) umfaßt zumindest einen Sensor (4) und eine Sende-/Empfangseinheit (5). Die Erfassung und Übermittlung von Lagekoordinaten (x, y) und/oder einer Neigung (phi) der Arbeitseinrichtung (3) zwischen dem zumindest einen Sensor (4) und der Sende-/Empfangseinheit (5) erfolgt berührungsfrei.

Description

Die Erfindung betrifft ein System zur Lageerfassung und -regelung für Arbeitsarme mobiler Arbeitsmaschinen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei lagegeregelten Arbeitsarmen mobiler Arbeitsmaschinen wird die Lage der Arbeitseinrichtungen gewöhnlich indirekt durch Längensensoren in Zylindern des hydraulischen Systems oder durch Winkelsensoren erfaßt. Ein Beispiel für die Lageerfassung durch Winkelsensoren ist aus der DE 100 00 771 A1 bekannt. Die Druckschrift beschreibt eine Vorrichtung zur Lageregelung für Arbeitseinrichtungen mobiler Arbeitsmaschinen, welche eine Meßeinrichtung zur Messung eines Winkels umfaßt, welcher zwischen einer durch die Lage der Arbeitseinrichtung bestimmten Ebene und der Richtung der Gravitationskraft gebildet ist, einen Winkelgeber zur Vorgabe eines Winkels, welcher zwischen einer durch die Lage der Arbeitseinrichtung bestimmten Ebene und der Richtung der Gravitationskraft gebildet ist, und eine Regeleinrichtung zum Regeln des Winkels zwischen der Ebene der Arbeitseinrichtung und der Richtung der Gravitationskraft, so daß der gemessene Winkel mit dem vorgegebenen Winkel in Übereinstimmung gebracht wird.

Nachteilig an derartigen Systemen ist insbesondere die nur sehr begrenzte Möglichkeit der Erfassung von Störungen und Ungenauigkeiten, so daß die Möglichkeiten zur Ausregelung ebenfalls eingeschränkt sind.

Weiterhin ist es bekannt, die Position mobiler Arbeitsmaschinen im Gelände mittels Positionierungssystemen (z.B. GPS, Global Positioning System) zu erfassen. Ein mit einem derartigen Erfassungssystem ausgestattetes Arbeitsgerät geht beispielsweise aus der WO 95/30799 hervor.

Nachteilig an derartigen Positionserfassungssystemen ist dabei insbesondere der Kostenfaktor und die Genauigkeit. Ein zur Anwendung hierfür geeigneter Sender/Empfänger ist kosten- und wartungsintensiv.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, ein System zur Lageerfassung und -regelung für Arbeitsarme mobiler Arbeitsmaschinen bereitzustellen, welches eine einfache, kostengünstige und genaue Lagemessung und Neupositionierung der an dem Arbeitsarm bereitgestellten Arbeitseinrichtung ermöglicht.

Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafterweise erfolgt die Übermittlung bzw. Erfassung von Lagekoordinaten und/oder einer Neigung der Arbeitseinrichtung zwischen zumindest einem Sensor und einer Sende-/Empfangseinheit berührungsfrei durch Übertragung der Signale durch elektromagnetische Wellen.

Die Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.

Nachfolgend werden anhand der Figuren vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt. In der Zeichnung zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Systems zur Lageerfassung und Lageregelung beweglicher Arbeitsarme mobiler Arbeitsmaschinen; und
2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Systems.
1 zeigt in einer stark schematischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß ausgestalteten Systems zur Lageerfassung und Lageregelung für einen Arbeitsarm 2 einer mobilen Arbeitsmaschine 1. Die Arbeitsmaschine 1 im vorliegend beschriebenen Ausführungsbeispiel ist dabei ein Erdbewegungsgerät, wie z.B. ein Bagger, mit einer an dem Arbeitsarm 2 angeordneten Arbeitseinrichtung 3, im Ausführungsbeispiel einer Grabschaufel. Die Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt, sondern auch für andere Anwendungen wie z.B. für Kräne, Betonpumpen, Telehändler etc. anwendbar.
Die Lageerfassung der Arbeitseinrichtung 3 erfolgt erfindungsgemäß über berührungsfreie Sensoren 4 vorzugsweise auf Basis von Funksignalen mit Mikrowellentechnik oder höherfrequenter elektromagnetischer Wellen. Die Sensoren 4 werden dort an dem Arbeitsarm 2 bzw. an der Arbeitseinrichtung 3 positioniert, wo die Lage erfaßt werden soll. In dem in 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel ist einer der Sensoren 4 in der an dem Arbeitsarm 2 angeordneten Arbeitseinrichtung 3 und ein weiterer Sensor 4 in einer Hydraulik 6 des Arbeitsarms 2 angeordnet.
Als Sensoren 4 sind aktive und besonders vorteilhaft passive Sensoren 4 geeignet. Aktive Sensoren 4 werden dabei z. B. von einer Batterie gespeist, wodurch mehrere Jahre Wartungsfreiheit erzielt werden können. Gegebenenfalls kann Umgebungsenergie zum Aufladen herangezogen werden. Bei Verwendung passiver Sensoren 4 wird an der mobilen Arbeitsmaschine 1 eine Sende-/Empfangseinheit 5 installiert. Die durch die Sende-/Empfangseinheit 5 gesendeten Signale werden in dem passiven Sensor 4 umgewandelt und in codierter Form zurückgegeben. Die Meßgenauigkeit derartiger Systeme liegt bei aktueller Mikrowellentechnik bei wenigen Zentimetern, die Reichweite ist im Sinne der Anwendung unbegrenzt. Die Übertragung von Signalen aus anderen Arten von Sensoren 4, beispielsweise aus Drucksensoren, kann mit vergleichbarer Technik durchgeführt werden.
Die Lage und Orientierung der Arbeitseinrichtung 3 wird durch das Zusammenwirken der Sensoren 4 sowie der Sende-/Empfangseinheit 5 ermittelt. Der erste, an der Arbeitseinrichtung 3 angeordnete Sensor 4 nimmt dabei die Lage und Orientierung beispielsweise in Form der Variablen x und y für die Ortsbestimmung und φ für die Neigungsbestimmung der Arbeitseinrichtung 3 auf und leitet die Signale berührungsfrei an die Sende-/Empfangseinheit 5 weiter. Die absolute Position und Orientierung des Bezugssystems, i.e. der Arbeitsmaschine 1, kann durch GPS (Global Positioning System), Neigungs- oder Beschleunigungssensoren ermittelt werden. Ebenso können beispielsweise Drucksignale der Hydraulik 6 oder andere physikalische Größen wie z. B. Geschwindigkeit bzw. Beschleunigung der Arbeitseinrichtung 3 sowie die Temperatur des Fluids und der Volumenstrom durch das System berührungsfrei weitergegeben werden. In 1 ist beispielhaft ein Drucksensor 4 in der Hydraulik 6 dargestellt.
Die Sende-/Empfangseinheit 5 steht in der Arbeitsmaschine 1 mit weiteren Bauteilen wie z.B. einer Steuerungseinheit 9 und einem Schalthebel 10 zur Bedienung durch den Maschinenführer der Arbeitsmaschine 1 in Verbindung. Durch den Maschinenführer über den Schalthebel 10 ausgeführte Bewegungen werden durch die Steuerungseinheit 9 in entsprechende Signale und Bewegungen der Arbeitseinrichtung 3 umgesetzt.
Die Signale zur Ermittlung der Lage und Orientierung der Arbeitseinrichtung 3 werden dabei von zumindest einem Sensor 4 in der Arbeitseinrichtung 3 auf Basis von Laufzeitmessungen zwischen den einzelnen Teilen der Vorrichtung ermittelt. Die Signale der weiteren physikalischen Größen wie z. B. Druck, Geschwindigkeit, Beschleunigung, Temperatur und Volumenstrom können direkt an die Sende-/Empfangseinheit 5 übermittelt werden.
Die Kommunikation der Sensoren 4 mit der Sende-/Empfangseinheit 5 kann jedoch durch Hindernisse wie beispielsweise eine in 2 dargestellte Mauer 7 erschwert oder unmöglich gemacht werden.
Um dem zu begegnen, kann das System gemäß 1, wie in einem zweiten Ausführungsbeispiel in 2 dargestellt, vorteilhafterweise mit einer Verstärkereinheit 8 versehen sein, welche die Kommunikation zwischen den Sensoren 4 und der eigentlichen Sende-/Empfangseinheit 5 an der Arbeitsmaschine 1 unterstützt. Zur Ermittlung der Lage und Orientierung des Arbeitsgerätes 3 ist die Verstärkereinheit 8 so angeordnet, daß sie eine direkte Sichtverbindung zu beiden Einheiten hat. Sie kann, wie im Ausführungsbeispiel gemäß 2 dargestellt, am Arbeitsarm 2 der Arbeitsmaschine 1 oder auch an einer geeigneten Position außerhalb der Arbeitsmaschine 1 angeordnet sein. Die Verstärkereinheit 8 kann dabei so konzipiert sein, daß sie auf Basis der gleichen Technologie wie das Hauptsystem zusätzlich eigene Daten wie beispielsweise die Lageinformationen aufnimmt und an die Sende-/Empfangseinheit 5 weitergibt. Die Daten können zur Regelung oder für die Bedienerunterstützung eingesetzt werden.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern kann auch bei beliebigen Arbeitsmaschinen 1 unter Verwendung unterschiedlicher Sensoren 4 für verschiedene Arbeitseinrichtungen 3 angewandt werden. Die Merkmale der Erfindung sind dabei beliebig kombinierbar.

Claims

System zur Lageerfassung und -regelung für an Arbeitsarmen (2) mobiler Arbeitsmaschinen (1) angeordnete Arbeitseinrichtungen (3), umfassend zumindest einen Sensor (4) und eine Sende-/Empfangseinheit (5), dadurch gekennzeichnet, daß die Übermittlung und Erfassung von Lagekoordinaten (x, y) und/oder einer Neigung (φ) der Arbeitseinrichtung (3) zwischen dem zumindest einen Sensor (4) und der Sende-/Empfangseinheit (5) berührungsfrei erfolgt.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zumindest eine Sensor (4) als aktiver Sensor (4) ausgebildet ist.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zumindest eine Sensor (4) als passiver Sensor (4) ausgebildet ist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zumindest eine Sensor (4) in der Arbeitseinrichtung (3) angeordnet ist.
System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß über einen Schalthebel (10) der Arbeitsmaschine (1) ausgegebene Signale durch die Sende-/Empfangseinheit (5) und den zumindest einen Sensor (4) an die Arbeitseinrichtung (3) übermittelbar sind.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein weiterer Sensor (4) in einer Hydraulik (6) des Arbeitsarms (2) angeordnet ist.
System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der in der Hydraulik (6) angeordnete Sensor (4) ein Drucksignal (p) übermittelt.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das System eine Verstärkereinheit (8) aufweist.
System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkereinheit (8) in Form von zumindest einer Sende-/Empfangseinheit (5) ausgebildet ist.
System nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkereinheit (8) an dem Arbeitsarm (2) der Arbeitsmaschine (1) angeordnet ist.
System nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkereinheit (8) getrennt von der Arbeitsmaschine (1) angeordnet ist.
System nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkereinheit (8) in direktem Blickkontakt zu dem zumindest einen Sensor (4) und der Sende-/Empfangseinheit (5) steht.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Übermittlung der Signale auf Basis eines Funksignals, insbesondere auf der Basis von Mikrowellen erfolgt.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich physikalische Größen (p) über das System zu der Sende-/Empfangseinheit (5) übertragbar sind.