WO2017174184A1

WO2017174184A1 - Method for moving the last element of a kinematic chain, as well as device and working machine for carrying out the method

Info

Publication number: WO2017174184A1
Application number: PCT/EP2017/000398
Authority: WO
Inventors: Peter Kohl; Felix PFEIFFER
Original assignee: Hydac Electronic Gmbh
Priority date: 2016-04-08
Filing date: 2017-03-31
Publication date: 2017-10-12
Also published as: EP3439833A1; DE102016004466A1

Abstract

The invention relates to a method for moving the last element (20) of a kinematic chain (12) or an end-effector (P) from a position (X, Y), wherein the chain is formed of at least three elements (14, 16, 18, 20), each pivotally connected to one another via joint points (26, 28, 30) and moved via at least one actuator (34, 36, 38, 40), wherein the inclination and rotational speed of at least one portion of the respective elements are detected as sensor measurement values by means of sensors (42), and wherein an evaluation electronics system converts the sensor measurement values into a sequence of movements for each actuator in such a way that, within the kinematic chain (12), a continuous movement from the current position (X, Y) occurs with a speed and direction specified by a operator.

Description

Verfahren zum Bewegen des letzten Gliedes einer kinematischen Kette sowie Vorrichtung und Arbeitsmaschine zum Durchführen des Verfahrens Method for moving the last link of a kinematic chain and device and working machine for carrying out the method

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 Nor- malbetrieb des Stellorgans entsperrbar sind, wobei das Entsperren der Sperrventile durch eine von dem ersten Ventil und den Sperrventilen gesonderte elektronische Auswerteelektronik (ECU) angesteuert wird. WO 2014/165888 A1 discloses an electrohydraulic control circuit for actuating a hydraulically actuatable actuator, by means of which a limb of a kinematic chain of a manipulator, in particular in the form of a large manipulator for truck-mounted concrete pumps, can be adjusted in terms of its orientation. In this case, an electrically controlled first valve, which is connected to hydraulic working lines of the actuator for its control, as well as provided in the working lines of the actuator check valves provided which are arranged on the actuator or the actuator associated with this member and unlocked for normal operation of the actuator are, wherein the unlocking of the check valves is controlled by a separate from the first valve and the check valves electronic evaluation (ECU).

Zum Stand der Technik verweist diese Lösung auf derzeit eingesetzte elekt- rohydraulische 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. 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 Bewegungs- achse 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 Arm- segmente 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. Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eine vereinfachte Bedienung für den Bediener zu real isieren, damit dieser das letzte Glied einer kinematischen Kette respektive den Endeffektor ruck- und hemmnisfrei verfahren kann. In the prior art, this solution refers to currently used electro-hydraulic control circuits and related control systems, such as those used to drive multi-unit large manipulators for truck-mounted concrete pumps, which generally have a central control block with individual segments or links individually can be controlled. For this purpose, the segments hydraulic actuators or actuators are assigned, which optionally electro-hydraulically by means of pilot valves or manually via Hand lever can be operated. The hydraulic actuators are usually designed as a hydraulic cylinder, wherein the deflection of a piston received in the cylinder correlates with the deflection of an associated segment or member of the kinematic chain. For the damping of elastic vibrations algorithms are used in the currently used systems, according to which the pressure difference of the chamber pressure of the respective hydraulic cylinder is returned to the cylinder associated control valve. In the known solutions for the motion control of the last term of such a kinematic chain and thus the endpoint, which is also technically referred to with end effector, four arm segments or links a total of five axes are included, for the pivoting of the kinematic chain with the individual members or arm segments about a vertical axis a hinge is used, and between the links or arm segments four joints are present, wherein for the pivotal movement of each member or arm segment to the respective joint point in each case an actuator in the form of a hydraulic cylinder is used. Each addressed movement axis is controlled regularly by a 4/3-way valve, whereby other valve designs can be used here. The operator of the work machine has two joysticks for controlling the entire kinematic chain available, the joysticks are occupied multiple times, and the selection of each controlled limbs or arm segments of the kinematic chain via selector switch on the control. Since not all members or arm segments of the kinematic chain can be moved at the same time, a harmonious movement of the Gesamtarbeitsarmes, ie the kinematic chain as a whole is not possible, and overall very experienced operators are necessary to even the simplest movements with respect to the last link To realize the chain in the form of the end effector. Based on this prior art, it is an object of the invention to implement a simplified operation for the operator to be real, so that it can move the last link of a kinematic chain respectively the end effector jerk and inhibitor-free.

Eine dahingehende Aufgabe löst ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 in seiner Gesamtheit. Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Bewegen des letzten Gliedes einer kinematischen Kette oder eines Endeffektors ausgehend von einer Position (X, Y), wobei die Kette aus mindestens drei Gliedern besteht, die jeweils über Gelenkstellen schwenkbar miteinander verbunden sind und die über mindestens einen Aktuator bewegt werden, wobei mittels Sensoren die Neigung sowie die Drehrate zumindest eines Tei ls der jeweiligen G lieder als Sensormesswerte erfasst werden, und wobei eine Auswerteelektronik die Sensormesswerte in eine Bewegungsabfolge für den jeweiligen Aktuator derart umsetzt, dass innerhalb der kinematischen Kette eine stetige Bewegung aus der aktuellen Position (X, Y) mit von einer Bedienperson vorgegebener Geschwindigkeit und Richtung erfolgt. This object is achieved by a method having the features of claim 1 in its entirety. The method according to the invention serves for moving the last link of a kinematic chain or an end effector starting from a position (X, Y), the chain consisting of at least three links, which are pivotally connected to each other via linkages and which are moved via at least one actuator , wherein by means of sensors, the inclination and the rate of rotation of at least a Tei ls of the respective songs as sensor measured values are detected, and wherein a transmitter converts the sensor measured values into a sequence of movements for the respective actuator such that within the kinematic chain a steady movement from the current position (X, Y) takes place with an operator specified speed and direction.

Die vorstehend beschriebene Aufgabe wird auch durch eine Vorrichtung gemäß der Merkmalsausgestaltung des Patentanspruches 8 gelöst sowie mit einer vorzugsweise mobi l gehaltenen Arbeitsmaschine gemäß der Merkmalsausgestaltung des Patentanspruches 10. The object described above is also achieved by a device according to the feature configuration of claim 8 and with a preferably mobi l held work machine according to the feature embodiment of claim 10th

Der Begriff „Endeffektor" ist der Robotik entlehnt und wird dort laut Wi- kipedia-Eintrag als das letzte Element einer kinematischen Kette bezeichnet. Bei Industrie-Robotern kann es sich hierbei z.B. um eine Einheit zum The term "end effector" is borrowed from robotics and, according to the Wikipedia entry, is referred to as the last element of a kinematic chain

Schweißen von Autokarosserien oder allgemein um einen einfachen Greifer handeln. Der im Englischen als„TCP (tool center point)" bezeichnete Punkt am Ende der kinematischen Kette ist das Zielsystem, für das die aus der ge- stellten 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. Welding car bodies or generally act around a simple gripper. The point at the end of the kinematic chain, referred to in English as "TCP (tool center point)", is the target system for which task to perform resulting positioning requirements. Task specific, the TCP can also be outside the actual kinematic chain; Examples would be the focus of a gripped laser or the center of the object being transported.

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 mehr- gliedrigen 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. If according to the present invention of the so-called last term of the kinematic chain is mentioned, this also includes the following meanings. The last member may be an arm segment of a multi-member actuatable working arm; but it can also be considered exclusively as the free end of the latter end member in the kinematic chain. The free end can then directly represent the end effector; However, there is also the possibility that the last member represents the free end of a flexible dispensing tube or a dispensing opening for fluid medium, such as concrete, so far as the free end of the dispensing tube and the dispensing opening constitute the end effector described above.

Dabei ist insgesamt die Steuerung und die Regelung für den genannten Endeffektor oder das letzte Glied der kinematischen Kette, die den Arbeits- arm 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 zuge- ordneten 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 Vor- gäbe über die Steuerung für eine Änderung der Position des Endeffektors oder des letzten Gliedes erfolgt in mindestens einem dahingehenden karte- sischen 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 Position bringen. Overall, the control and regulation for said end effector or the last link of the kinematic chain forming the working arm of a mobile work machine is characterized, inter alia, by assigning to each link or working arm segment a sensor which is directly or indirectly determinative is suitable for the angle that occurs when two adjacent links or arm segments move about the articulation point between them under the action of an associated actuator. The actuation of the actuators by means of a control or evaluation electronics takes place in such a way that setting angles result, which allow within a so-called inverse kinematics that the last link of the kinematic chain or the end effector can be moved freely in the Cartesian coordinate system. A provision via the controller for changing the position of the end effector or of the last member takes place in at least one pertinent card position. sic coordinate system. In this way, with just a joystick and a control input to it by the operator can be targeted and bring the end effector respectively the last link in the kinematic chain to the desired position directly.

Die Steuerung ist vorzugsweise derart ausgeführt, dass ein interner Regelkreis vorhanden ist und dass der zeitliche Verlauf der von den Armsegmenten oder Gliedern eingeschlossene Winkel stetig differenzierbar ist. Alternativ kann beim Verfahren des letzten Gliedes oder des Endeffektors die Win- kelgeschwindigkeit 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 vorgebbare Positionen verbringt, was auch von außen über Steuereingaben an einem Eingabependel oder dergleichen erfolgen kann. Eine Regelung mittels PTP ist somit nicht notwendig. Die jeweiligen Drehraten werden direkt gemessen. Die erfindungsgemäße Lösung sieht vor, dass man sich von einer Position mit einer Geschwindigkeit in eine Richtung bewegt bei an sich unbekannter Endposition, wobei die Bewegung solange erfolgt, wie die Bedienperson diese vorgibt. The control is preferably carried out such that an internal control loop is present and that the time profile of the angle enclosed by the arm segments or members is continuously differentiable. Alternatively, in the process of the last member or the end effector, the angular velocity may also be continuous. The speed settings, X and Y direction for the end effector, may preferably be via the joystick of a work machine or implement, or the constraints for position X and Y may be set via another input method, for example by manually handing the end effector or the last link spends in predeterminable positions, which can be done from the outside via control inputs to an input pendulum or the like. A regulation by means of PTP is therefore not necessary. The respective rotation rates are measured directly. The solution according to the invention provides that one moves from one position at a speed in one direction at an end position known per se, wherein the movement takes place as long as the operator prescribes it.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lösung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Im Folgenden wird die erfindungsge- mäße Lösung anhand eines Ausführungsbeispieles nach der Zeichnung näher erläutert. Further advantageous embodiments of the solution according to the invention will become apparent from the dependent claims. In the following, the solution according to the invention will be explained in greater detail on the basis of an exemplary embodiment according to the drawing.

Dabei zeigen in prinzipieller und nicht maßstäblicher Darstellung die Fig. 1 in Prinzipdarstellung eine Autobetonpumpe; Fig. 2 in abstrakter Darstellung eine Kinematik mit vier schwenkbaren Gliedern entsprechend den schwenkbaren In principle and not to scale, FIG. 1 is a schematic illustration of a truck-mounted concrete pump; Fig. 2 in an abstract representation of a kinematics with four pivotable members corresponding to the pivotable

Armsegmenten oder Gl iedern der Autobetonpumpe nach der Fig. 1 ; Arm segments or elements of the truck-mounted concrete pump according to FIG. 1;

Fig. 3 und 4 in Form einer Regeidarsteilung eine Geschwindigkeitsregelung bzw. eine Positionsregelung mit Geschwindigkeitsregelung für das letzte G l ied respektive den Endeffektor einer kinematischen Kette, insbesondere gebi ldet aus Gliedern oder Armsegmenten eines Arbeitsarmes für eine Autobetonpumpe nach der Fig. 1 . 3 and 4 in the form of a Regeidarsteilung a speed control or a position control with speed control for the last G lied respectively the end effector of a kinematic chain, in particular gebi from limbs or arm segments of a working arm for a truck-mounted concrete pump according to FIG.

Die Fig. 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 Ar- beitsarm 1 2, der mit seinen einzelnen Armsegmenten oder Gliedern 14, 1 6, 18, 20 bei abstrakter Betrachtungsweise eine Art kinematische Kette ausbildet. Entlang des Arbeitsarmes 1 2 ist ein durchgehender Schlauch 22 geführt, der in Blickrichtung auf die Fig. 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 übl icher 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 einzel ner Gelenkstellen 24, 26, 28 und 30 endseitig gelagert. In die Fig. 1 ist in Analogie zur prinzipiel len Gliederdarstellung einer kinematischen Kette nach der Fig. 2 ein kartesisches Koordinatensystem X, Y eingezeichnet. Der Arbeitsarm 1 2 lässt sich über eine nicht näher dargestellte Mastdreheinrichtung 32 um die vertikal verlaufende Hochachse X in Blickrichtung auf die Fig. 1 gesehen aus der Bildebene heraus und hinein verschwenken. Ferner ist für jedes Armsegment oder Glied zu dessen Ver^ schwenken 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 Fig. 1 nicht vollständig abgebildet sind. Jeder Aktuator ist sowohl kolben- als auch stangen- seitig 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. 1 shows a schematic representation of a concrete pump device, which is designed as a truck-mounted concrete pump, with a mobile working machine, such as a truck 10. The truck 10 carries a working arm 1 2, which with its individual arm segments or members 14, 16, 18, 20 forms an abstract kinematic chain. Along the working arm 1 2, a continuous hose 22 is guided, which, viewed in the direction of FIG. 1, serves at its lower free end for dispensing concrete, which forms the end effector P. The supply of concrete for the truck 10 takes place in übl icher and therefore not described in more detail way. The individual members 14, 16, 18, 20 of the kinematic chain in the form of the working arm 12 are pivotally mounted along individual ner joints 24, 26, 28 and 30 end. In Fig. 1, a Cartesian coordinate system X, Y is in analogy to the principle len len representation of a kinematic chain of FIG. 2 is located. The working arm 1 2 can be pivoted out of the picture plane out of the picture plane via a mast turning device 32 (not shown) about the vertically extending vertical axis X in the direction of looking at FIG. Furthermore, for each arm segment or link for pivoting about an associable joint point, an actuator 34, 36, 38 and 40 provided in the form of hydraulic power cylinder respectively hydraulic cylinder, which are not completely shown for the sake of simplicity in FIG. 1. Each actuator is both piston and rod side pivotally connected to the respective arm segment, wherein the piston side of the first actuator 34 is pivotally connected to the Mastdreheinrichtung 32. Furthermore, each arm segment or member has a suitable position sensors 42, which are shown in the manner of a black box representation for the individual arm segments or members schematically.

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 dieEach sensor 42, which could also be placed at a different location on the respective arm segment, allows for current measured value detection, the determination of the inclination and the rotation rate of each member or arm segment 14, 16, 18, 20. prove to be particularly suitable for the pertinent data acquisition so-called inclination donors, who are the

Schutzrechtsinhaberin unter den Bestellnummern HIT 1000 und HIT 1 500 anbietet. Die angesprochenen Neigungsgeber dienen der präzisen, schnellen und langzeitstabilen Erfassung der aktuellen Neigungen respektive Neigungswinkel der angesprochenen Armsegmente oder Glieder in zwei Ach- sen 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 darge- stellte Auswerteelektronik zur Verfügung gestellt. Die Neigungs-Proprietor under the order numbers HIT 1000 and HIT 1 500. The mentioned tilt sensors are used for precise, fast and long-term stable detection of the current inclinations or inclination angle of the addressed arm segments or links in two axes X, Y. The inclinometers used as sensors 42 are based on a multi-sensor system that records the measured values of six degrees of freedom. Subsequently, the acquired measured data are digitized and provided via a so-called CANopen protocol to a CAN fieldbus system highly dynamically prepared for further processing by means of evaluation electronics (not shown). The inclination

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. 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 G liedern; Measurement of the respective sensor 42 takes place via an acceleration value detection in three axes with respect to the earth's gravity field, and the rotation rates or angular velocities for the individual members are detected by a so-called gyroscope in three axes. The above statements can be summarized as general system requirements for achieving the object according to the invention as follows: working arm designed as a kinematic chain with more than three arm segments or links;

- Jedes Armsegment oder Glied besitzt einen eigenen Aktuator in Each arm segment or limb has its own actuator in

Form eines Hydraulikzyl inders; Form of a Hydraulikzyl inder;

- Jedes Armsegment oder Glied besitzt einen eigenen Neigungs- und Drehratensensor; Each arm segment or link has its own pitch and yaw rate sensor;

- Jeder Neigungssensor gibt den absoluten Winkel bezogen zum Horizont oder der Y-Achse über CAN-Bus aus; - Each tilt sensor outputs the absolute angle with respect to the horizon or the Y axis via CAN bus;

- Jeder Drehratensensor gibt die Winkelgeschwindigkeit über CAN- Bus aus; und - Each rate of rotation sensor outputs the angular velocity via CAN bus; and

Ein zentrales Steuergerät respektive die Auswerteelektronik übernimmt eine Sollwertgenerierung über eine inverse Kinematik sowie die Regelung oder Ansteuerung der einzelnen Aktuatoren. A central control unit or the evaluation electronics assumes a setpoint generation via an inverse kinematics as well as the regulation or control of the individual actuators.

Zur Erläuterung der vorstehend genannten Begriffe inverse Kinematik und Sollwertgenerierung soll nunmehr auf die abstrakte Darstellung einer kinematischen Kette nach der Fig. 2 zurückgegriffen werden. Dabei entspricht das Glied Ii dem Armsegment 14, das Glied b dem Segment 1 6, das Glied ln-i dem Armsegment 18 und das Glied In mit dem Endeffektor P dem letzten Armsegment 20 nach der Fig. 1. Zwischen den G liedern Ii, I2, ln-i und In verlaufen die Gelenkstellen 26, 28 und 30, und das erste Glied Ii ist an seinem unteren Ende über die Gelenkstelle 24 innerhalb des kartesischen Koordinatensystems X, Y schwenkbar an der Mastdreheinrichtung 32 angelenkt. Die Schnittstel lenwiedergabe zwischen dem G lied b 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. Unter Bezugnahme auf die Modelldarstellung nach der Fig. 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 Fig. 2 gezeigten kartesischen Systems wie folgt berechnen: To explain the above terms inverse kinematics and setpoint generation will now be made to the abstract representation of a kinematic chain of FIG. 2. In this case, the term Ii corresponds to the arm segment 14, the limb b to the segment 1 6, the limb ln-i to the arm segment 18 and the limb In with the end effector P to the last arm segment 20 according to FIG. 1. Between the limbs Ii, I2 , ln-i and In, the hinge points 26, 28 and 30 extend, and the first member Ii is pivotally hinged at its lower end via the hinge point 24 within the Cartesian coordinate system X, Y to the mast rotator 32. The reproduction of the interface between the song b and In 1 over three points makes it clear that, according to the model, further links or arm segments can also be added during the formation of the kinematic chain. With reference to the model illustration according to FIG. 2 for the kinematic chain or the working arm 12, the position of the end effector P or the last member 20 in the X and Y directions within the Cartesian system shown in FIG. 2 can now be calculated as follows:

Ziel der Ansteuerung in einer Art Automatikmodus ist es nun, durch Vorgabe der Werte X und Y die Winkel derart zu erhalten, dass die kinema

The aim of the control in a kind of automatic mode, it is now, by specifying the values X and Y to obtain the angles such that the kinema

tische 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 be- stimmen. Um diesem Problem zu begegnen, denkt man sich jedes Gelenk durch Federn der Steifigkei in den Positionen gehalten. Dies

Table chain with their individual members respectively the working arm 12 performs a steady movement. An analytic solution is not possible here, since only two equations are available to determine n unknowns. To counter this problem, one thinks each joint is held in place by springs of rigidity. This

ist nur ein möglicher Lösungsansatz; eine Alternative könnte auch darin bestehen, den Weg zwischen P1 und P2 zu minimieren, was im Folgenden jedoch nicht näher ausgeführt wird. Die Bewegung von P gestalten wir dann durch die Kräfte Fx 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: is just one possible approach; An alternative could also be to minimize the path between P1 and P2, which will not be discussed further below. The movement of P we then make by the forces Fx and F _y , which are to attack at the point P on the last link 20 of the kinematic chain. Neglecting the friction and weight of the limbs or arm segments, the equations of motion result:

Da wir nur stationäre Zustände betrachten wollen, gilt: Since we only want to consider stationary states, we have:

Zusammen mit den Gleichungen aus (1) erhält man so ein Gleichungssystem mit n + 2 Gleichungen und den n + 2 Unbekannten Fx und F_y.Together with the equations of (1) one obtains a system of equations with n + 2 equations and the n + 2 unknown Fx and F _y .

Zur Reduktion des Systems auf Ordnung n löst man die beiden letzten Gleichungen aus (3) nach Fx und F_y auf, wozu man sie in die Form bringt: To reduce the system to order n, we solve the last two equations (3) for Fx and F _y , for which we put them in the form:

Die Kräfte ergeben sich dann zu The forces then arise

Die Divisionen sind jederzeit durchzuführen, denn Resubsitutieren^' und Anwenden der Additionstheoreme

ergibt dann für den Nenner

The divisions are always carried out because Resubsitutieren ^'and applying the addition theorems

then yields for the denominator

Da durch die Winkelbegrenzung des Arbeitsarmes 1 2 mit dem Betonschlauch gilt, ist der Nenner von 0 verschieden, woraus sich folgen

Since 1 2 applies to the concrete hose by the angle limitation of the working arm, the denominator of 0 is different, from which follow

des Gleichungssystem ergibt: of the equation system yields:

mit Fx und F_y aus (6) und Dieses Gleichungssystem ist wiede

with Fx and F _y from (6) and this system of equations is again

rum analytisch nicht lösbar, weshalb bei der Lösung ein Newton-Verfahren oder ein sonstiges adäquates Verfahren anzuwenden ist. Dazu ersetzt man die Funktion f(x + Δ) in der Gleichung durch eine Taylor-Reihenentwicklung erster Ordnung can not be solved analytically, which is why the solution is a Newton method or any other appropriate method to apply. To do this, replace the function f (x + Δ) in the equation by a first-order Taylor series expansion

und erhält die Iterationsvorschrift

and receives the iteration rule

mit der Jacobi-Matrix J von f. Statt der Berechnung der Inversen der Jabobi- Matrix wird das G leichungssystem

mit Hilfe einer Gauß-Elimination oder einem anderen sonstigen adäquaten Verfahren nach Δ gelöst.

with the Jacobi matrix J of f. Instead of computing the inverse of the Jabobi matrix, the equation system becomes

with the aid of a Gaussian elimination or another other adequate method according to Δ.

Zur Vorsteuerung der Winkelgeschwindigkeit in den einzelnen Elementen kann durch Ableitung von

nach der Zeit berechnet werden For precontrol of the angular velocity in the individual elements can by derivation of

be calculated according to the time

Durch Lösen des linearen Gleichungssystems By solving the linear equation system

nach x können aus den zeitlichen Änderungen der Positionen

after x can from the temporal changes of positions

die Winkeländerungen berechnet werden. the angle changes are calculated.

Von dem Endeffektor P oder dem letzten Glied 20 der kinematischen Kette 1 2 ausgehend, ist es also anhand der damit einhergehenden inversen Ki- nematik 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 durch eine Bedienperson gewährleistet werden. Dies hat so keine Entsprechung im Stand der Technik. Starting from the end effector P or the last member 20 of the kinematic chain 1 2, it is thus based on the associated inverse ki nematik and controlled by the control possible to perform a simultaneous execution of movements of all limbs or arm segments and thus obtain a temporally continuous differentiable course of the angle, the arm segments or the members each include each other. In this way, a steady movement of the working arm 12 in the space along Cartesian coordinates (X, Y plane) with the targeted control of only one joy stick can be ensured by an operator. This has no equivalent in the prior art.

Unter Einsatz der vorstehend vorgestellten inversen Kinematik ist es nun möglich, beispielsweise gemäß der Darstellung nach der Fig. 3 eine Geschwindigkeitsregelung für den Endeffektor P zu realisieren. Als Eingangswerte für den Regler, beispielsweise in Form eines Proportional reglers die- nen 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 zu- ordenbare Hydraulikventil für einen Aktuator so stellt, dass sich der Soll- Winkel sowie die Soll-Winkelgeschwindigkeit am jeweiligen Armsegment oder Glied einstellen. Using the inverse kinematics presented above, it is now possible, for example according to the representation of FIG. 3, to realize a speed control for the end effector P. As input values for the controller, for example in the form of a proportional controller, the desired rotational rate [rad / s] obtained from the inverse kinematics and the angular velocities or yaw rates [rad / s] currently measured by the sensors 42 for the individual arm segments or links. It is provided that each arm segment or member 14, 16, 18, 20 has its own controller, which sets based on the target and actual size the respectively assignable hydraulic valve for an actuator so that the target angle and the Set target angular velocity at the respective arm segment or link.

Bei der Regelungsausführung nach der Fig. 4 ist die bereits vorgestellte Ge- schwindigkeitsregelung 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 Ausgabegrö- ßen beider Regler bilden dann zusammen die bereits angesprochene Sollwertvorgabe (%o). Die jeweilige Steuerung oder Regelung Iässt sich auch derart ausführen, dass der Endeffektor P in X- und Y-Richtung sich unabhängig steuern Iässt. Ferner kann der Endeffektor P sich auch von einer ersten Position in eine vorgebbare zweite Position auf der kürzesten Wegstrecke bewegen. In the closed-loop control embodiment according to FIG. 4, the speed control already presented is supplemented by a position control in which a setpoint angle specification for each arm segment or limb is taken as the input variable via an inverse kinematics for a further controller shown above, taking current into account measured inclination or sensor angles (°) for each arm segment or member 14, 16, 18, 20. The output variables of both controllers then together form the already mentioned setpoint specification (% o). The respective control or regulation can also be carried out in such a way that the end effector P is controlled independently in the X and Y directions. Furthermore, the end effector P can also move from a first position to a predefinable second position on the shortest path.

Die vorliegende Lösung ist nicht auf die Verwendung von Autobetonpum- pen eingeschränkt. Sie Iässt sich auch für mehrgliedrige Telehandlersysteme einsetzen sowie für Handhabungsgeräte und Roboter einschließlich in Be- reichen der Prothetik. The present solution is not limited to the use of truck-mounted concrete pumps. It can also be used for multi-unit telehandler systems, as well as for handling equipment and robots, including in the field of prosthetics.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e Patent claims

1. Verfahren zum Bewegen des letzten Gliedes (20) einer kinematischen Kette (12) oder eines Endeffektors (P) ausgehend von einer Position (X, Y), wobei die Kette aus mindestens drei Gliedern (14, 16, 18, 20) besteht, die jeweils über Gelenkstellen (26, 28, 30) schwenkbar miteinander verbunden sind und die über mindestens einen Aktuator (34, 36, 38, 40) bewegt werden, wobei mittels Sensoren (42) die Neigung sowie die Drehrate zumindest eines Teils der jeweiligen Glieder als Sensormesswerte erfasst werden, und wobei eine Auswerteelektronik die Sensormesswerte in eine Bewegungsabfolge für den jeweiligen Aktuator derart umsetzt, dass innerhalb der kinematischen Kette (12) eine stetige Bewegung aus der aktuellen Position (X, Y) mit von einer Bedienperson vorgegebener Geschwindigkeit und Richtung erfolgt. A method of moving the last member (20) of a kinematic chain (12) or an end effector (P) from a position (X, Y), the chain consisting of at least three links (14, 16, 18, 20) , which are each pivotally connected to each other via hinge points (26, 28, 30) and which are moved via at least one actuator (34, 36, 38, 40), wherein by means of sensors (42) the inclination and the rate of rotation of at least a portion of the respective Members are detected as sensor measured values, and wherein a transmitter converts the sensor measured values into a sequence of movements for the respective actuator such that within the kinematic chain (12) a steady movement from the current position (X, Y) with specified by an operator speed and direction he follows.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteelektronik aus den Sensormesswerten der Neigungssensoren (42) zweier benachbarter, über eine Gelenkstelle (26, 28, 30) miteinander verbundener Glieder (14, 16; 1 6, 18; 18, 20), deren Winkelstellungen (φ_\ ,φ₂... φ_η__χ ,φ_η) zueinander ermittelt. 2. The method according to claim 1, characterized in that the evaluation electronics from the sensor readings of the inclination sensors (42) of two adjacent, via a hinge point (26, 28, 30) interconnected members (14, 16, 1 6, 18, 18, 20 ) whose angular positions (φ _\ , φ ₂ ... φ _η _ _χ , φ _η ) to each other determined.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Neigungssensor (42) den absoluten Neigungswinkel (grad) bezogen auf den Horizont und jeder Drehratensensor (42) die Winkelgeschwindigkeit (rad/s) über ein CAN-B US-System an die Auswerteelektronik weitergibt. 3. The method of claim 1 or 2, characterized in that each inclination sensor (42) the absolute inclination angle (degrees) relative to the horizon and each rotation rate sensor (42) the angular velocity (rad / s) via a CAN-B US system the transmitter passes on.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteelektronik eine Sollwertgenerierung für eine Regelstrecke über eine inverse Kinematik ausgehend von dem letzten zu positionierenden Glied (20) oder dem Endeffektor (P) der ki- nematischen Kette (1 2) und die Regelung für die einzelnen Aktuatoren (34, 36, 38, 40) vornimmt. 4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the evaluation a setpoint generation for a controlled system via an inverse kinematics starting from the last member to be positioned (20) or the end effector (P) of the ki nematic chain (1 2) and the regulation for the individual actuators (34, 36, 38, 40) makes.

5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für eine Geschwindigkeitsregelung unter Einsatz der einzelnen Aktuatoren (34, 36, 38, 40) als Eingangsgrößen für die Regelstrecke die Soll-Drehrate (rad/s) für jedes Glied (14, 16, 18, 20) der kinematischen Kette aus der inversen Kinematik erhalten sowie die von den Sensoren (42) gemessenen Ist-Drehraten (rad/s) von jedem Glied (14, 16, 18, 20) verwendet werden. 5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that for a speed control using the individual actuators (34, 36, 38, 40) as input variables for the controlled system, the desired rate of rotation (rad / s) for each member (14, 16, 18, 20) of the inverse kinematics kinematic chain and the actual yaw rates (rad / s) of each link (14, 16, 18, 20) measured by the sensors (42) are used.

6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für eine Positions- und Geschwindigkeitsregelung unter Einbezug der einzelnen Aktuatoren (34, 36, 38, 40) neben den Eingangsgrößen für die Geschwindigkeitsregelung als Eingangsgrößen für die Positionsregelung der Soll-Neigungswinkel (grad) für jedes Glied (14, 16, 18, 20) der kinematischen Kette (12) aus der inversen Kinematik erhalten sowie der von den Sensoren (42) gemessene Ist- Neigungswinkel (grad) von jedem Glied (14, 16, 18, 20) verwendet werden. 6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that for a position and speed control with the inclusion of the individual actuators (34, 36, 38, 40) in addition to the input variables for the speed control as input variables for the position control of the desired inclination angle (grad ) for each member (14, 16, 18, 20) of the inverse kinematics kinematic chain (12) and the actual inclination angle (grad) of each member (14, 16, 18, 20) measured by the sensors (42) ) be used.

7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteelektronik die jeweiligen Aktuatoren (34, 36, 38, 40) derart ansteuert, dass 7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the transmitter controls the respective actuators (34, 36, 38, 40) such that

ein interner Regelkreis realisiert wird, und/oder an internal control loop is realized, and / or

der zeitliche Verlauf der von den Gliedern (14, 16, 18, 20) begrenzten Neigungswinkel stetig differenzierbar sind, und/oder beim Verfahren des letzten Gliedes (20) oder des Endeffektors (P) der kinematischen Kette (12) die Drehraten stetig gehalten werden. the temporal course of the angles of inclination bounded by the links (14, 16, 18, 20) are continuously differentiable, and / or the rates of rotation are kept constant during the movement of the last link (20) or the end effector (P) of the kinematic chain (12) ,

8. Vorrichtung zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Glieder (14, 16, 18, 20) einer kinematischen Kette, die über Gelenkstellen (26, 28, 30) schwenkbar miteinander verbunden sind, jeweils einen Neigungssensor (42) und einen Drehratensensor (42) aufweist. 8. An apparatus for performing a method according to any one of the preceding claims, characterized in that the individual members (14, 16, 18, 20) of a kinematic chain, which are pivotally connected to each other via hinge points (26, 28, 30), one each Tilt sensor (42) and a rotation rate sensor (42).

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Nei- gungs- und der Drehratensensor zu einem Neigungsgeber (42) zu- sammengefasst sind und ein Multisensorsystem ausbilden, das unter Einsatz eines bewegungs- und beschleunigungskompensierten Messverfahrens die Messwerte von sechs Freiheitsgraden miteinander kombiniert, und dass die Messwerte an ein CAN-B US-System weiterleitbar sind. 9. Device according to claim 8, characterized in that the inclination and yaw rate sensors are combined to form a tilt transmitter (42) and form a multi-sensor system which combines the measured values of six degrees of freedom using a motion and acceleration compensated measuring method , and that the measured values can be forwarded to a CAN-B US system.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem jeweiligen Drehratensensor (42) die jeweilige Drehrate für die einzelnen Armsegmente oder Glieder (14, 16, 18, 20) der kinematischen Kette (12) direkt gemessen wird. 10. The device according to claim 8 or 9, characterized in that with the respective rotation rate sensor (42) the respective rotation rate for the individual arm segments or members (14, 16, 18, 20) of the kinematic chain (12) is measured directly.

11. Arbeitsmaschine mit einer Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9 zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Glieder (h, h, l_n-i , In) der kinematischen Kette aus Armsegmenten (14, 16, 18, 20) eines Arbeitsarmes (12) und die Aktuatoren aus hydraulischen Arbeitszylin- dem (34, 36, 38, 40) gebildet sind. 11. A work machine with a device according to claim 8 or 9 for carrying out a method according to one of claims 1 to 7, characterized in that the individual members (h, h, l _n -i, In) of the kinematic chain of arm segments (14, 16, 18, 20) of a working arm (12) and the actuators of hydraulic Arbeitszylin- the (34, 36, 38, 40) are formed.