Verfahren zur Hubhöhen- und/oder Schwenkwinkelbegrenzung eines Baggers

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Hubhöhen- und/oder Schwenkwinke!begrenzung eines Baggers sowie einen Bagger nach den Merkmalen des jeweiligen Oberbegriffes der unabhängigen Patentansprüche.

Bagger, die einen fahrbaren Unterwagen und einen darauf angeordneten drehbaren Oberwagen aufweisen, wobei an dem Oberwagen schwenkbar ein Grundelement eines Auslegers und an dem Grundelement zumindest ein weiteres Element, insbesondere ein Mittelelement, des Auslegers angeordnet ist, sind bekannt.

Diese Bagger sind mobil und werden beispielsweise auf Rädern oder Ketten bewegt. Wenn an ihrem Einsatzort angekommen sind, können sie aufgrund der Schwenkbewegung des Auslegers und gegebenenfalls einer Rotation des Oberwagens, an dem der Ausleger angeordnet ist, in einem bestimmten Arbeitsraum ihre Arbeit verrichten. Oftmals kann jedoch aufgrund der örtlichen Gegebenheiten dieser grundsätzlich maxima! zur Verfügung stehende Arbeitsraum nicht ausgenutzt werden. Dies kann z. B. daran liegen, dass in einem Teil des möglichen Arbeitsraumes sich Gegenstände (wie z. B. Häuser, Bäume, Oberleitungen, Mauern, Fahrzeuge oder dergleichen) befinden. Es ist aber auch denkbar, dass ein Bagger mit einem Gleisfahrwerk auf Gleisschienen eingesetzt wird und parallel zu den Gleisschienen weitere Gleisschienen vorhanden sind, wo während der Arbeit des Baggers Züge verkehren können. Daher würde es ein sehr großes Sicherheitsrisiko darstellen, wenn der Bediener des Baggers den Ausleger in einen Bereich des maximalen Arbeitsraumes bewegt, in den der Ausleger grundsätzlich nicht hinein bewegt werden darf aufgrund des bestehenden Sicherheitsrisikos. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Hubhöhen- und/oder Schwenkwinkelbegrenzung eines Baggers und einen Bagger selber bereitzustellen, mit dem die eingangs geschilderten Nachteile vermieden werden. Insbesondere soll sichergestellt werden, dass der Bagger in einem Teilbereich des maximal möglichen Arbeitsraumes arbeiten kann und während seiner Arbeiten ein Eindringen in den nicht-zulässigen Teil des Arbeitsraumes wirksam verhindert wird.

Diese Aufgabe ist durch die Merkmal der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Hinsichtlich des Verfahrens ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass mittels eines Winkelsensors ein Anstellwinkel des Grundelements und mittels eines weiteren Winkelsensors ein Anstellwinkel des zumindest einen weiteren Elementes erfasst wird, wobei unter Berücksichtigung der erfassten Anstellwinkel und der Länge der Elemente ein höchster Punkt des Baggers bestimmt wird. Da der Anlenkpunkt des Auslegers an dem Oberwagen und somit der Abstand dieses Punktes zu dem Aufstellboden des Baggers bekannt ist, kann aus den erfassten Anstellwinkeln in Kombination mit der bekannten Höhe des Anlenkpunktes des Auslegers an dem Oberwagen ein maximal höchster Punkt bestimmt werden. Wenn dieser bestimmte höchste Punkt, den der Bagger mit seinem Ausleger bzw. mit seinen Elementen seines Auslegers erreichen kann, noch unterhalb einer unkritischen Ebene liegt, wird das Arbeiten des Baggers bis zu diesem höchsten maximal möglichen Punkt zugelassen. Wird jedoch festgesellt, dass der maximal mögliche höchste erfasste Punkt oberhalb einer vorgegebenen Ebene auf bestimmter Höhe liegt und es somit möglich wäre, dass ein Teil des Auslegers über diese Ebene hinaus in einen kritischen Raum schwenkt, wird der Betrieb des Baggers nur bis zu dem maximal zulässigen höchsten Punkt begrenzt. Damit ist sichergestellt, dass eine Ebene oberhalb des Baggers definiert ist, unterhalb derer ein unkritischer Betrieb des Baggers möglich ist, wobei gleichzeitig verhindert wird, dass Elemente des Auslegers des Baggers oberhalb dieser festgelegten Ebene in einen sicherheitskritischen Raum eindringen. Hierzu wird in vorteilhafter Weise der Anstellwinkel der Ausleger berücksichtigt. Ebenso wird dabei die Aufstellhöhe des Baggers berücksichtigt, so dass dann durch die ermittelte oder bekannte Höhe des Anlenkpunktes des Auslegers an dem Oberwagen und der Berücksichtigung der jeweiligen Anstellwinkel der jeweiligen Elemente und deren bekannte Länge der maximal höchste Punkt berechnet werden kann, ist dieser höchste Punkt errechnet bzw. ermittelt worden, kann verglichen werden, ob er unterhalb oder oberhalb einer vordefinierten Ebene oberhalb des Baggers liegt, wobei diese Ebene oberhalb des Baggers im Raum eine Art virtuelle Decke vorgibt, wobei sicherzustellen ist, dass der Bagger mit seinem Ausleger diese virtuelle Decke nach oben hin nicht durchstößt, um zu verhindern, dass er in einen sicherheitskritischen Bereich eindringt. Gleichzeitig ist sicherzustellen, dass der Betrieb des Baggers nur bis hin zu dieser virtuellen Decke ermöglicht wird, um eben die geschilderten Sicherheitsrisiken auszuschließen.

Das gleiche Verfahren kann nicht nur bezüglich einer Ebene oberhalb des Baggers angewendet werden, sondern unter Berücksichtigung der Drehung des Oberwagens auch nur auf einen seitliche virtuelle Wand und/oder die seitliche virtuelle Wand neben dem Bagger und der virtuellen Decke oberhalb des Baggers eingesetzt werden. Hierzu wird in vorteilhafter Weise mittels eines Rotationssensors eine Verschwenkung des Oberwagens gegenüber dem Unterwagen erfasst und bei der Bestimmung der virtuellen seitlichen Wand berücksichtigt. Wird mittels des Rotationssensors und auch unter Berücksichtigung der Anstellwinkel der Elemente des Auslegers sowie deren bekannter Länge und auch unter Berücksichtigung der Kreisbahn, auf der sich der Anlenkpunkt des Auslegers an dem Oberwagen bewegt, festgestellt, dass zumindest ein Teil des Baggers, insbesondere das vorderste Ende des Auslegers, die vorher definierte virtuelle seitliche Wand (und/oder dabei auch möglicherweise die vorher definierte virtuelle Decke des Baggers) durchstößt, kann ein weiterer Betrieb des Baggers in diesem Bereich dahinter nicht zugelassenen werden, weil es sich um einen sicherheitskritischen Bereich handelt. Das bedeutet, dass dann, wenn die virtuelle Decke oberhalb des Baggers und/oder die seitliche Wand neben dem Bagger definiert worden sind und sich aus der Erfassung der Anstellwinkel der Elemente des Auslegers und/oder der Rotation des Oberwagens, die mittels des Rotationssensors festgestellt wird, ergibt, dass eine Bewegung des Oberwagens zu einem Bewegen eines Elementes des Baggers in einen Bereich oberhalb der virtuellen Decke und/oder seitlich neben der virtuellen Wand führt, dann wird diese Bewegung in diesen unzulässigen Raum hinein sofort unterbunden oder ein Warnsignal abgegeben oder beides. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen angegeben, wobei die weiteren Verfahrensschritte aus den Unteransprüchen im Folgenden im Zusammenhang mit der Figurenbeschreibung näher erläutert werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Hubhöhen- und/oder Schwenkwinkelbegrenzung eines Baggers wird anhand einer Prinzipdarstellung eines Baggers in Figur 1 näher erläutert.

Figur 1 zeigt einen Bagger 1 , der in an sich bekannter Weise einen Unterwagen 2 mit daran angeordneten angetriebenen Rädern 3 aufweist. Anstelle der Räder 3 können auch ein Kettenantrieb bzw. ein Gleisfahrwerk eingesetzt werden. Während der Arbeit des Baggers 1 kann, muss aber nicht, ein Abstützelement 4, möglicherweise auch zwei oder vier Abstützelemente 4, in Betrieb genommen werden. Der Betrieb der Abstützelemente 4 hat, sofern sie vorhanden sind und eingesetzt werden, eine Auswirkung auf die maximal mögliche Höhe des Baggers 1 , worauf später noch eingegangen wird.

Weiterhin weist der Bagger 1 in an sich bekannter Weise einen Oberwagen 5 auf, in dem z. B. eine Kabine für den Baggerfahrer, ein Antrieb, Hydraulikmittel und dergleichen untergebracht sind. An diesen Oberwagen 5 ist ein Grundelement 6 schwenkbar angeordnet. Am Ende dieses Grundelementes 6 ist zumindest ein weiteres Element, insbesondere ein Mittelelement 7, schwenkbar angeordnet. Am Ende des weiteren Elementes kann ein Arbeitswerkzeug angeordnet sein. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 weist der Ausleger des Baggers 1 am Ende des Mittelelementes 7 einen Löffelstiel 8 auf, an dessen Ende wiederum ein betätigbarer Löffel 9 (Baggerschaufel) angeordnet ist. Es sei darauf hingewiesen, dass dieser Ausgestaltung des Auslegers, wie sie in Figur 1 dargestellt ist, lediglich beispieihaft ist und die Anzahl der Elemente und die Art des Arbeitswerkzeuges variieren kann. Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind ein Winkelsensor 10 vorhanden, der einen Anstellwinkel des Grundelementes 6 in Bezug auf den Boden, auf dem der Bagger 1 aufgestellt ist, bzw. beispielsweise die Oberfläche des Unterwagens 2 sowie ein weiterer Winkelsensor 11 vorhanden, der den Anstellwinkel des Mittelelementes 7 in Bezug auf das Grundelement 6 ermittelt. Am Ende des Löffelstieles 8 ist ein Näherungssensor 12 als zusätzliche Sicherungseinrichtung vorhanden. Besonders bevorzugt sind auch ein weiterer Winkelsensor (nicht dargestellt) sowie ein weiterer Winkelsensor (ebenfalls nicht dargestellt) am Ende des Löffelstieles 8 vorhanden. Mittels dieser beiden weiteren Winkelsensoren können auch die Ausienkung des Löffelstieles 8 in Bezug auf die Aufstellfläche des Baggers 1 bzw. des Mittelelementes 7 und mit dem am Ende des Löffelstieles 8 angeordneten Winkelsensors der Anstellwinkel des Arbeitswerkzeuges, insbesondere des Löffels 9, in Bezug auf den Löffelstiel 8 bzw. in Bezug auf die Aufsteilfläche des Baggers 1 ermittelt werden.

Die vorstehend beschriebenen Winkelsensoren werden dazu benötigt, um unter Berücksichtigung der bekannten Längen L1 des Grundelementes 5, L2 des Mittelelementes 7 sowie L3 des Löffelstieles 8 und auch unter Berücksichtigung der maximal möglichen Erstreckung des Arbeitswerkzeuges, insbesondere des Löffels 9, sowie unter Berücksichtigung der Höhe des Anlenkpunktes des Grundelementes 6 an dem Oberwagen 5 (Höhe = BASE) die maximal mögliche Erstreckung des äußersten Punktes des Auslegers mit seinem Arbeitswerkzeug zu bestimmen. Dies ist für das Verfahren zur Schwenkwinkelbegrenzung erforderlich.

Soll alternativ oder ergänzend dazu auch eine Hubhöhenbegrenzung erfolgen, wird hierfür beispielsweise ein Rotationssensor 13 eingesetzt, der die rotatorische Bewegung des Oberwagens 5 in Bezug auf den Unterwagen 2 erfasst.

Zur Steuerung bzw. Regelung und Begrenzung der Bewegung des Baggers 1 (um zu verhindern, dass Elemente des Baggers 1 in unzulässige Bereiche eindringen) ist auch eine Steuereinheit 14 vorhanden, die mit einer Anzeigeeinheit 15 und im Regelfall mit einer Eingabeeinheit (nicht dargestellt) ausgerüstet ist. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Hubhöhenbegrenzung wird anhand der Figur 1 und an anhand eines dort dargestellten höchsten Punktes 16 im Folgenden erläutert.

Wird der Anstellwinkel des Grundelementes 6 und/oder der Anstellwinkel des Mittelelementes 7 und/oder der Anstellwinkel des Löffelstieles 8 verändert und/oder auch der Anstellwinkel des Arbeitswerkzeuges, insbesondere des Löffels 9, verändert, genauso wie möglicherweise die Höhe der Aufstellung des Baggers 1 durch Betätigung des Abstützelementes 4, können aufgrund der Erfassung der Anstellwinkel und der bekannten oder gemessenen Höhe des Baggers 1 über seiner Aufstellfläche ein höchster Punkt 16 bestimmt werden. Dieser höchste Punkt 16 liegt in einer Ebene oberhalb des Baggers, wobei die Bewegung der Elemente des Baggers in der Steuereinheit 14 so vorgegeben wird, dass die Bewegung des Baggers 1 bzw. seiner Elemente nur maximal bis zu dieser Ebene, in dem der höchste Punkt 16 liegt, möglich ist, obwohl eine Bewegung der Elemente über diese Ebene hinaus möglich wäre (aufgrund der Konstruktion des Baggers 1 ) oder das der Baggers 1 mit seinen Elementes so konstruiert ist, dass selbst bei maximal möglichen Anstellwinkeln und maximal möglicher Höhe das äußere Ende des Auslegers (oder möglicherweise auch ein Zwischenbereich) diese Ebene, in dem der höchste Punkt 16 liegt, nicht überschritten werden kann.

Während des Betriebes des Baggers 1 kann es sein, dass diese Ebene (virtuelle Decke) oberhalb des Baggers, in dem höchste Punkt 16 liegt, die maximal zulässige Arbeitshöhe begrenzt, unterhalb der kein Sicherheitsrisiko beim Arbeiten mit dem Bagger 1 besteht. In diesem Fall wären keine weiteren Sicherungsmaßnahmen erforderlich. Liegt diese virtuelle Decke jedoch in einem Raum, in dem sich z. B. sicherheitskritische Einrichtungen (wie z. B. eine elektrische Oberleitung oberhalb von Gleisen) befindet, ist es erforderlich, die Höhe der Ebene, in der sich der höchste Punkt 16 befindet, zu begrenzen. Diese Höhe kann über die Eingabeeinheit der Steuereinheit 14 vorgegeben werden. Mittels der Sensorik, die beschrieben an dem Bagger 1 vorhanden ist, kann dann jederzeit festgestellt werden, ob ein Teil insbesondere des Auslegers des Baggers 1 die jetzt begrenzte Ebene (virtuelle Decke), die unterhalb der sicherheitskritischen Ebene liegt, überschreiten würde. Wird also bei Betrachtung der Figur 1 festgestellt, dass die Ebene, in die der höchste Punkt 16 liegt und die eine sicherheitskritische Ebene darstellt (die unterhalb der maximal möglichen Arbeitshöhe des Baggers 1 liegen wird) festgestellt, dass sich ein Teil des Baggers 1 , insbesondere ein Teil des Auslegers und wiederum insbesondere das am Ende des Auslegers angeordnete Arbeitswerkzeug nicht nur dieser Begrenzungsebene nährt, sondern diese auch durchstoßen würde, wird der weitere Betrieb des Baggers in diesen bei Betrachtung der Figur 1 oberhalb der Ebene mit dem höchsten Punkt 16 liegenden Raum verhindert. Hierbei wird in vorteilhafter Weise eine sich aus der Betätigung zumindest des einen Abstützelementes 4 zusätzlich ergebende Höhe bei der Bestimmung des höchsten Punktes 16 berücksichtigt. Das bedeutet, dass die Höhe BASE des Anlenkpunktes des Grundelementes 6 an dem Oberwagen 4 sich verändern kann (weil z. B. das Abstützeiement 4, aber auch ein Gleisfahrwerk oder dergleichen betätigt wird) berücksichtigt wird.

Wie vorstehend beschrieben kann alternativ oder ergänzend zu der Hubhöhenbegrenzung auch eine Schwenkwinkelbegrenzung durchgeführt werden. Hierzu wird mitteis des Rotationssensors eine Verschwenkung des Oberwagens 5 gegenüber dem Unterwagen 2 erfasst und dann eine weitere Verschwenkung unterbunden, wenn zumindest ein Teil des Oberwagens 5, insbesondere ein Element des Auslegers oder das Arbeitswerkzeug am Ende des Auslegers diese vorher bestimmte und über die Steuereinheit 15 vorgegebene virtuelle seitliche Wand durchstoßen würde. Wird also mittels der Sensorik des Baggers 1 festgestellt, dass eine solche vorgegebene virtuelle Wand, hinter der sich ein sicherheitskritischer Raum befindet, durchstoßen, wird entweder der weitere Betrieb des Baggers 1 unterbunden (vorzugsweise eine Weiterverschwenkung des Oberwagens 5 gestoppt) öder es kann auch ein Warnhinweis gegeben werden oder beides erfolgen.

Außerdem kann es erforderlich sein, auch eine Neigung des Baggers 1 gegenüber seiner Aufstellfläche zu erfassen, da dies ebenfalls einen Einfluss auf die Hubhöhe bzw. die Verschwenkung des Baggers 1 in Richtung der virtuellen Decke oder der virtuellen Wand hat. Ist, wie beispielsweise in Figur 1 dargestellt, nur am vorderen Ende des Unterwagens 2 ein Abstützelement 4 oder seitlich zwei Abstützelemente 4 angeordnet, kann es durchaus passieren, dass durch Betätigung dieses zumindest einen im vorderen Bereich des Unterwagens 2 angeordneten Abstützelementes 4 der Unterwagen 2 nicht nur schräg angestellt wird, sondern dies auch einen Einfluss auf die Höhe BASE hat. Auch dies kann ich vorteilhafter Weise zur Bestimmung des höchsten Punktes 16 oder eines nicht dargestellten maximal möglichen seitlichen Punktes bei der Bewegung des Baggers 1 berücksichtigt werden.

Zur Klarstellung sei noch einmal darauf verwiesen, dass der höchste Punkt 16, wie er in Figur 1 dargestellt ist, in einer Ebene oberhalb des Baggers 1 liegt. Dieser höchste Punkt 16 muss nicht zwangsweise auf einer Gerade liegen, die durch die Längsachse oder eine Achse parallel zu der Längsachse gebildet ist, sondern kann auch seitlich neben diesen Achsen liegen. Dies ist dann der Fall, wenn der Oberwagen 3 gegenüber dem Unterwagen 2 verschwenkt wurde. Ist dieser höchste Punkt 16 der maximal erreichbare Punkt, den der Ausleger des Baggers aufgrund seiner konstruktiven Gegebenheiten und unter Berücksichtigung der Verwendung des Arbeitswerkzeuges maximal erreichen kann und liegt ein sicherheitskritischer Raum oberhalb dieses höchsten Punktes 16, besteht kein Sicherheitsrisiko, da aufgrund der konstruktiven Gegebenheiten des Baggers 1 sichergestellt ist, dass keines seiner Elemente diesen sicherheitskritischen Raum erreichen kann. Liegt jedoch die Ebene, in der sich der höchste Punkt 16 befindet, in einem sicherheitskritischen Raum (also liegt die Ebene, in der sich der höchste Punkt 16 befindet, darunter) wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Hubhöhenbegrenzung sichergestellt, dass aufgrund der Sensorik des Baggers 1 jederzeit die Höhen der einzelnen Elemente des Auslegers unter Berücksichtigung ihrer biometrischen Erstreckungen (insbesondere Länge) bekannt sind und daraus der gerade dann eingenommene höchste Punkt berechnet werden kann, wobei dieser dann berechnete gerade eingenommen höchste Punkt mit der Ebene verglichen wird, ab deren Überschreitung ein Sicherheitsrisiko besteht. Liegt der gerade dann berechnete und eingenommene höchste Punkt des Baggers 1 unterhalb dieser vorgegebenen virtuellen Decke, wird der Betrieb weiter ermöglicht, während er bei Überschreiten dieser virtuellen Decke in einen sicherheitskritischen Bereich hinein unterbunden wird oder ein Warnsignal gegeben wird oder beides. Bezugszeichenliste

1. Bagger

2. Unterwagen

3. Räder

4. Abstützelement

5. Oberwagen

6. Grundelement

7. Mittelelement

8. Löffelstiel

9. Löffel

10. Winkelsensor

11. Winkelsensor

12. Näherungssensor

13. Rotationssensor

14. Steuereinheit

15. Anzeigeeinheit

16. Höchster Punkt