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Durch die
WO 2014/165888 A1 ist ein elektrohydraulischer Steuerkreis zum Ansteuern eines hydraulisch betätigbaren Stellorgans bekannt, mittels dessen ein Glied einer kinematischen Kette eines Manipulators, insbesondere in Form eines Großmanipulators für Autobetonpumpen, hinsichtlich seiner Orientierung einstellbar ist. Dabei ist ein elektrisch angesteuertes erstes Ventil, welches mit hydraulischen Arbeitsleitungen des Stellorgans zu dessen Ansteuerung verbunden ist, sowie in den Arbeitsleitungen des Stellorgans vorgesehene Sperrventile vorhanden, die an dem Stellorgan oder dem diesem Stellorgan zugeordneten Glied angeordnet und für den Normalbetrieb des Stellorgans entsperrbar sind, wobei das Entsperren der Sperrventile durch eine von dem ersten Ventil und den Sperrventilen gesonderte elektronische Auswerteelektronik (ECU) angesteuert wird.
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Zum Stand der Technik verweist diese Lösung auf derzeit eingesetzte elektrohydraulische Steuerkreise und damit in Zusammenhang stehende Regelsysteme, wie diese beispielsweise zum Ansteuern von mehrgliedrigen Großmanipulatoren für Autobetonpumpen verwendet werden, die im Allgemeinen über einen zentralen Steuerblock verfügen, mit dem einzelne Segmente oder Glieder einzeln angesteuert werden können. Hierzu sind den Segmenten hydraulische Stellorgane oder Aktuatoren zugeordnet, welche wahlweise elektrohydraulisch mittels Pilotventilen oder manuell über Handhebel bedient werden können. Die hydraulischen Stellorgane sind in der Regel als Hydraulikzylinder ausgeführt, wobei die Auslenkung eines im Zylinder aufgenommenen Kolbens mit der Auslenkung eines zugeordneten Segmentes oder Gliedes der kinematischen Kette korreliert. Zur Dämpfung von elastischen Schwingungen werden in den derzeit eingesetzten Systemen Algorithmen eingesetzt, gemäß welchen die Druckdifferenz des Kammerdruckes des jeweiligen Hydraulikzylinders auf das dem Zylinder zugehörige Steuerventil rückgeführt wird.
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Bei den bekannten Lösungen werden für die Bewegungssteuerung des letzten Gliedes einer solchen kinematischen Kette und mithin des Endpunkts, der fachsprachlich auch mit Endeffektor bezeichnet wird, bei vier Armsegmenten oder Gliedern insgesamt fünf Achsen mit einbezogen, wobei für das Verschwenken der kinematischen Kette mit den einzelnen Gliedern oder Armsegmenten um eine Hochachse ein Drehgelenk verwendet wird, und zwischen den Gliedern oder Armsegmenten sind vier Gelenkstellen vorhanden, wobei für die Schwenkbewegung jedes Gliedes oder Armsegmentes um die jeweilige Gelenkstelle jeweils ein Aktuator in Form eines Hydraulikzylinders zum Einsatz kommt. Jede angesprochene Bewegungsachse wird dabei regelmäßig durch ein 4/3-Wegeventil angesteuert, wobei hier auch andere Ventilkonstruktionen zum Einsatz kommen können. Der Bediener der Arbeitsmaschine hat dabei zwei Joysticks zum Steuern der gesamten kinematischen Kette zur Verfügung, wobei die Joysticks mehrfach belegt sind, und die Auswahl der jeweils angesteuerten Glieder oder Armsegmente der kinematischen Kette erfolgt über Wahlschalter am Bedienelement. Da dergestalt nicht alle Glieder respektive Armsegmente der kinematischen Kette gleichzeitig bewegt werden können, ist eine harmonische Bewegung des Gesamtarbeitsarmes, sprich also der kinematischen Kette als Ganzes nicht möglich, und insgesamt sind schon sehr erfahrene Bediener notwendig, um auch einfachste Bewegungen bezogen auf das letzte Glied der Kette in Form des Endeffektors realisieren zu können.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eine vereinfachte Bedienung für den Bediener zu realisieren, damit dieser das letzte Glied einer kinematischen Kette respektive den Endeffektor ruck- und hemmnisfrei an eine vorgegebene Position (x, y) unmittelbar verfahren kann.
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Eine dahingehende Aufgabe löst ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 in seiner Gesamtheit. Das erfindungsgemäße Verfahren dient dem Bewegen des letzten Gliedes respektive des Endeffektors einer kinematischen Kette zu einer vorgegebenen Position (X, Y), wobei die kinematische Kette aus mindestens drei Gliedern besteht, die jeweils über Gelenkstellen schwenkbar miteinander verbunden sind und die über mindestens einen Aktuator zueinander bewegt werden können. Das erfindungsgemäße Verfahren setzt Sensoren ein, die die Neigung sowie die Drehrate des jeweiligen Gliedes als Sensormesswerte erfassen können, wobei eine Auswerteelektronik die Sensormesswerte in eine Bewegungsabfolge für den jeweiligen Aktuator derart umsetzt, dass eine stetige, harmonische Bewegung vorzugsweise aller Glieder der kinematischen Kette erfolgt, indem alle Aktuatoren entsprechend sinnfällig angesteuert werden und zwar so lange, bis das letzte Glied oder der Endeffektor die vorgegebene Position (X, Y) erreicht hat. Der Endeffektor selbst bewegt sich dabei stetig differenzierbar, was vorzugsweise auch für die Glieder der kinematischen Kette gilt.
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Die vorstehend beschriebene Aufgabe wird auch durch eine Vorrichtung gemäß der Merkmalsausgestaltung des Patentanspruches 8 gelöst sowie mit einer vorzugsweise mobil gehaltenen Arbeitsmaschine gemäß der Merkmalsausgestaltung des Patentanspruches 10.
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Der Begriff „Endeffektor” ist der Robotik entlehnt und wird dort laut Wikipedia-Eintrag als das letzte Element einer kinematischen Kette bezeichnet. Bei Industrie-Robotern kann es sich hierbei z. B. um eine Einheit zum Schweißen von Autokarosserien oder allgemein um einen einfachen Greifer handeln. Der im Englischen als „TCP (tool center point)” bezeichnete ausgezeichnete Punkt am Ende der kinematischen Kette ist das Zielsystem, für das die aus der gestellten Aufgabe resultierenden Positionieranforderungen gelten. Aufgabenspezifisch kann der TCP dabei auch außerhalb der eigentlichen kinematischen Kette liegen; Beispiele wären der Fokus eines gegriffenen Lasers oder auch die Mitte des gerade transportierten Objekts.
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Sofern nach der vorliegenden Erfindung von dem sogenannten letzten Glied der kinematischen Kette die Rede ist, schließt dies auch die folgenden Bedeutungen mit ein. Das letzte Glied kann ein Armsegment eines mehrgliedrigen betätigbaren Arbeitsarmes sein; es kann aber auch ausschließlich als das freie Ende des dahingehend letzten Endgliedes in der kinematischen Kette betrachtet werden. Das dahingehend freie Ende kann dann unmittelbar den Endeffektor darstellen; es besteht aber auch die Möglichkeit, dass das letzte Glied das freie Ende eines flexiblen Abgabeschlauches oder einer Abgabeöffnung für Fluidmedium, wie Beton, darstellt, so dass insoweit das freie Ende des Abgabeschlauchs respektive die Abgabeöffnung den vorstehend beschriebenen Endeffektor darstellen.
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Dabei ist insgesamt die Steuerung und die Regelung für den genannten Endeffektor oder das letzte Glied der kinematischen Kette, die den Arbeitsarm einer mobilen Arbeitsmaschine bildet, u. a. dadurch charakterisiert, dass man jedem Glied oder Arbeitsarmsegment einen Sensor zuordnet, der direkt oder indirekt zur Bestimmung des Winkels geeignet ist, der sich einstellt, wenn zwei einander benachbarte Glieder oder Armsegmente sich um die zwischen ihnen liegende Gelenkstelle unter der Einwirkung eines zugeordneten Aktuators bewegen. Die Ansteuerung der Aktuatoren mittels einer Steuer- oder Auswerteelektronik erfolgt dabei derart, dass sich Einstell-Winkel ergeben, die im Rahmen einer sogenannten inversen Kinematik es erlauben, dass das letzte Glied der kinematischen Kette oder der Endeffektor frei im kartesischen Koordinatensystem bewegt werden kann. Eine Vorgabe über die Steuerung für eine Änderung der Position des Endeffektors oder des letzten Gliedes erfolgt in mindestens einem dahingehenden kartesischen Koordinatensystem. Dergestalt lässt sich mit nur einem Joystick und einer Steuereingabe an ihm durch die Bedienperson zielgerichtet und auf direktem Weg der Endeffektor respektive das letzte Glied in der kinematischen Kette an die gewünschte, vorgegebene Position bringen.
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Die Steuerung ist vorzugsweise derart ausgeführt, dass ein interner Regelkreis vorhanden ist und dass der zeitliche Verlauf der von den Armsegmenten oder Gliedern eingeschlossenen Winkel stetig differenzierbar ist. Alternativ kann beim Verfahren des letzten Gliedes oder des Endeffektors die Winkelgeschwindigkeit auch stetig sein. Die Geschwindigkeitsvorgaben, X und Y-Richtung für den Endeffektor, kann bevorzugt über den Joystick einer Arbeitsmaschine oder Arbeitsvorrichtung erfolgen oder die Vorgaben für die Position X und Y werden über eine andere Eingabemethode vorgegeben, beispielsweise, indem man den Endeffektor oder das letzte Glied von Hand in vorgegebene Positionen verbringt, was auch von außen über Steuereingaben an einem Eingabependel oder dergleichen erfolgen kann.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lösung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Im Folgenden wird die erfindungsgemäße Lösung anhand eines Ausführungsbeispieles nach der Zeichnung näher erläutert.
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Dabei zeigen in prinzipieller und nicht maßstäblicher Darstellung die
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1 in Prinzipdarstellung eine Autobetonpumpe;
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2 in abstrakter Darstellung eine Kinematik mit vier schwenkbaren Gliedern I1, I2 ... In-1, In, entsprechend den schwenkbaren Armsegmenten oder Gliedern der Autobetonpumpe nach der 1;
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3 und 4 in Form einer Regeldarstellung eine Geschwindigkeitsregelung bzw. eine Positionsregelung mit Geschwindigkeitsregelung für das letzte Glied respektive den Endeffektor einer kinematischen Kette, insbesondere gebildet aus Gliedern oder Armsegmenten eines Arbeitsarmes für eine Autobetonpumpe nach der 1.
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Die 1 zeigt in prinzipieller Darstellung eine Betonpumpeneinrichtung, die als Autobetonpumpe ausgebildet ist, mit einer mobilen Arbeitsmaschine, wie einem Lastkraftwagen 10. Der Lastkraftwagen 10 trägt einen Arbeitsarm 12, der mit seinen einzelnen Armsegmenten oder Gliedern 14, 16, 18, 20 bei abstrakter Betrachtungsweise eine Art kinematische Kette ausbildet. Entlang des Arbeitsarmes 12 ist ein durchgehender Schlauch 22 geführt, der in Blickrichtung auf die 1 gesehen an seinem unteren freien Ende der Abgabe von Beton dient, das den Endeffektor P bildet. Die Zufuhr des Betons für den Lastkraftwagen 10 erfolgt in üblicher und daher nicht mehr näher beschriebener Art und Weise. Die einzelnen Glieder 14, 16, 18, 20 der kinematischen Kette in Form des Arbeitsarmes 12 sind schwenkbar entlang einzelner Gelenkstellen 24, 26, 28 und 30 endseitig gelagert.
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In die 1 ist in Analogie zur prinzipiellen Gliederdarstellung einer kinematischen Kette nach der 2 ein kartesisches Koordinatensystem X, Y eingezeichnet. Der Arbeitsarm 12 lässt sich über eine nicht näher dargestellte Mastdreheinrichtung 32 um die vertikal verlaufende Hochachse X in Blickrichtung auf die 1 gesehen aus der Bildebene heraus und hinein verschwenken. Ferner ist für jedes Armsegment oder Glied zu dessen Verschwenken um eine zuordenbare Gelenkstelle ein Aktuator 34, 36, 38 und 40 vorgesehen in Form hydraulischer Arbeitszylinder respektive Hydraulikzylinder, die der einfacheren Darstellung wegen in der 1 nicht vollständig abgebildet sind. Jeder Aktuator ist sowohl kolben- als auch stangenseitig schwenkbar mit dem jeweiligen Armsegment verbunden, wobei die Kolbenseite des ersten Aktuators 34 schwenkbar mit der Mastdreheinrichtung 32 verbunden ist. Des Weiteren weist jedes Armsegment oder Glied an geeigneter Position Sensoren 42 auf, die in der Art einer Blackbox-Darstellung für die einzelnen Armsegmente oder Glieder schematisch wiedergegeben sind.
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Jeder Sensor 42, der auch an einer anderen Stelle am jeweiligen Armsegment platziert sein könnte, ermöglicht bei aktueller Messwerterfassung die Feststellung der Neigung sowie der Drehrate eines jeweiligen Gliedes oder Armsegmentes 14, 16, 18, 20. Als besonders geeignet für die dahingehende Messwerterfassung erweisen sich sogenannte Neigungsgeber, die die Schutzrechtsinhaberin unter den Bestellnummern HIT 1000 und HIT 1500 anbietet. Die angesprochenen Neigungsgeber dienen der präzisen, schnellen und langzeitstabilen Erfassung der aktuellen Neigungen respektive Neigungswinkel der angesprochenen Armsegmente oder Glieder in zwei Achsen X, Y. Die eingesetzten Neigungsgeber als Sensoren 42 basieren dabei auf einem Multisensorsystem, das die Messwerte von sechs Freiheitsgraden erfasst. Anschließend werden die erfassten Messdaten digitalisiert und über ein sogenanntes CANopen-Protokoll einem CAN-Feldbussystem hochdynamisch aufbereitet zur Weiterverarbeitung durch eine nicht näher dargestellte Auswerteelektronik zur Verfügung gestellt. Die Neigungs-Messwerterfassung des jeweiligen Sensors 42 erfolgt dabei über eine Beschleunigungswerterfassung in drei Achsen bezogen auf das Erdschwerefeld, und die Drehraten oder Winkelgeschwindigkeiten für die einzelnen Glieder werden über ein sogenanntes Gyroskop in drei Achsen erfasst.
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Die vorstehenden Ausführungen lassen sich als allgemeine Systemanforderungen zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe wie folgt zusammenfassen:
- – Arbeitsarm als kinematische Kette ausgebildet mit mehr als drei Armsegmenten oder Gliedern;
- – Jedes Armsegment oder Glied besitzt einen eigenen Aktuator in Form eines Hydraulikzylinders;
- – Jedes Armsegment oder Glied besitzt einen eigenen Neigungs- und Drehratensensor;
- – Jeder Neigungssensor gibt den absoluten Winkel bezogen zum Horizont oder der Y-Achse über CAN-Bus aus;
- – Jeder Drehratensensor gibt die Winkelgeschwindigkeit über CAN-Bus aus; und
- – Ein zentrales Steuergerät respektive die Auswerteelektronik übernimmt eine Sollwertgenerierung über eine inverse Kinematik sowie die Regelung oder Ansteuerung der einzelnen Aktuatoren.
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Zur Erläuterung der vorstehend genannten Begriffe inverse Kinematik und Sollwertgenerierung soll nunmehr auf die abstrakte Darstellung einer kinematischen Kette nach der 2 zurückgegriffen werden. Dabei entspricht das Glied I1 dem Armsegment 14, das Glied 12 dem Segment 16, das Glied In-1 dem Armsegment 18 und das Glied In mit dem Endeffektor P dem letzten Armsegment 20 nach der 1. Zwischen den Gliedern I1, I2, In-1 und In verlaufen die Gelenkstellen 26, 28 und 30, und das erste Glied I1 ist an seinem unteren Ende über die Gelenkstelle 24 innerhalb des kartesischen Koordinatensystems X, Y schwenkbar an der Mastdreheinrichtung 32 angelenkt. Die Schnittstellenwiedergabe zwischen dem Glied I2 und In-1 über drei Punkte macht deutlich, dass hier modellgemäß weitere Glieder oder Armsegmente im Rahmen der Bildung der kinematischen Kette mit hinzutreten können.
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Unter Bezugnahme auf die Modelldarstellung nach der
2 für die kinematische Kette respektive den Arbeitsarm
12 lässt sich nun die Position des Endeffektors P oder des letzten Gliedes
20 in X und Y-Richtung innerhalb des in
2 gezeigten kartesischen Systems wie folgt berechnen:
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Ziel der Ansteuerung in einer Art Automatikmodus ist es nun, durch Vorgabe der Werte X und Y die Winkel ϕ
1 ... ϕ
n derart zu erhalten, dass die kinematische Kette mit ihren einzelnen Gliedern respektive der Arbeitsarm
12 eine stetige Bewegung ausführt. Eine analytische Lösung ist hier nicht möglich, da nur zwei Gleichungen zur Verfügung stehen, um n Unbekannte zu bestimmen. Um diesem Problem zu begegnen, denkt man sich jedes Gelenk durch Federn der Steifigkeit s
1 ... s
n in den Positionen ϕ
1,0 ... ϕ
n,0 gehalten. Dies ist nur ein möglicher Lösungsansatz; eine Alternative könnte auch darin bestehen, den Weg zwischen P
1 und P
2 zu minimieren, was im Folgenden jedoch nicht näher ausgeführt wird. Die Bewegung von P gestalten wir dann durch die Kräfte F
x und F
y, die im Punkt P am letzten Glied
20 der kinematischen Kette angreifen sollen. Unter Vernachlässigung von Reibung und Gewicht der Glieder oder Armsegmente ergeben sich dann die Bewegungsgleichungen:
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Da wir nur stationäre Zustände betrachten wollen, gilt:
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Zusammen mit den Gleichungen aus (1) erhält man so ein Gleichungssystem mit n + 2 Gleichungen und den n + 2 Unbekannten ϕ
1 ... ϕ
n, F
x und F
y. Zur Reduktion des System auf Ordnung n löst man die beiden letzten Gleichungen aus (3) nach F
x und F
y auf, wozu man sie in die Form bringt:
0 = a1 + Fxa2 – Fya3 0 = b1 + Fxb2 – Fyb3 (4) mit
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Die Kräfte ergeben sich dann zu
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Die Divisionen sind jederzeit durchzuführen, denn Resubsitutieren und Anwenden der Additionstheoreme
[sin(x ± y) = sinxcosy ± sinycosx] ergibt dann für den Nenner
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Da durch die Winkelbegrenzung des Arbeitsarmes
12 mit dem Betonschlauch ϕ
n ≠ 0 gilt, ist der Nenner von 0 verschieden, woraus sich folgendes Gleichungssystem ergibt:
mit F
x und F
y aus (6) und x = [ϕ
1 ... ϕ
n]
T. Dieses Gleichungssystem ist wiederum analytisch nicht lösbar, weshalb bei der Lösung ein Newton-Verfahren oder ein sonstiges adäquates Verfahren anzuwenden ist.
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Dazu ersetzt man die Funktion f(x + Δ) in der Gleichung durch eine Taylor-Reihenentwicklung erster Ordnung
und erhält die Iterationsvorschrift
mit der Jacobi-Matrix J von f. Statt der Berechnung der Inversen der Jabobi-Matrix wird das Gleichungssystem
JΔ = –f (11) mit Hilfe einer Gauß-Elimination oder einem anderen sonstigen adäquaten Verfahren nach Δ gelöst.
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Zur Vorsteuerung der Winkelgeschwindigkeit in den einzelnen Elementen kann durch Ableitung von
nach der Zeit berechnet werden
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Durch Lösen des linearen Gleichungssystems
nach x . können aus den zeitlichen Änderungen der Positionen X . und Y . die Winkeländerungen
berechnet werden.
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Von dem Endeffektor P oder dem letzten Glied 20 der kinematischen Kette 12 ausgehend, ist es also anhand der damit einhergehenden inversen Kinematik und durch die mit der Regelung hinterlegten Steuerung möglich, eine gleichzeitige Ausführung von Bewegungen aller Glieder oder Armsegmente durchzuführen und dergestalt einen zeitlich stetig differenzierbaren Verlauf der Winkel zu erhalten, den die Armsegmente oder die Glieder jeweils miteinander einschließen. Dergestalt kann eine stetige Bewegung des Arbeitsarmes 12 im Raum entlang von kartesischen Koordinaten (X, Y-Ebene) mit der gezielten Ansteuerung nur eines Joy-Sticks gewährleistet werden. Dies hat so keine Entsprechung im Stand der Technik.
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Unter Einsatz der vorstehend vorgestellten inversen Kinematik ist es nun möglich, beispielsweise gemäß der Darstellung nach der 3 eine Geschwindigkeitsregelung für den Endeffektor P zu realisieren. Als Eingangswerte für den Regler, beispielsweise in Form eines Proportionalreglers dienen die aus der inversen Kinematik erhaltene Solldrehrate [rad/s] sowie die mittels den Sensoren 42 aktuell gemessenen Winkelgeschwindigkeiten oder Drehraten [rad/s] für die einzelnen Armsegmente oder Glieder. Dabei ist vorgesehen, dass jedes Armsegment oder Glied 14, 16, 18, 20 einen eigenen Regler besitzt, welcher anhand von Soll- und Ist-Größe das jeweils zuordenbare Hydraulikventil für einen Aktuator so stellt, dass sich der Soll-Winkel sowie die Soll-Winkelgeschwindigkeit am jeweiligen Armsegment oder Glied einstellen.
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Bei der Regelungsausführung nach der 4 ist die bereits vorgestellte Geschwindigkeitsregelung noch um eine Positionsregelung ergänzt, bei der für einen weiteren oben dargestellten Regler als Eingangsgröße über die inverse Kinematik eine Sollwinkel-Vorgabe für jedes Armsegment oder Glied erfolgt, unter Einbezug von aktuell gemessenen Neigungs- oder Sensorwinkeln (°) für jedes Armsegment oder Glied 14, 16, 18, 20. Die Ausgabegrößen beider Regler bilden dann zusammen die bereits angesprochene Sollwertvorgabe (‰).
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Die jeweilige Steuerung oder Regelung lässt sich auch derart ausführen, dass der Endeffektor P in X- und Y-Richtung sich unabhängig steuern lässt. Ferner kann der Endeffektor P sich auch von einer ersten Position in eine vorgebbare zweite Position auf der kürzesten Wegstrecke bewegen.
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Die vorliegende Lösung ist nicht auf die Verwendung von Autobetonpumpen eingeschränkt. Sie lässt sich auch für mehrgliedrige Telehandlersysteme einsetzen sowie für Handhabungsgeräte und Roboter einschließlich in Bereichen der Prothetik.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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mit der Jacobi-Matrix J von f. Statt der Berechnung der Inversen der Jabobi-Matrix wird das Gleichungssystem
berechnet werden.