Baumaschinen wie etwa Bagger werden im Zuge der technischen Weiterentwicklung zum Werkzeugträger, welcher verschiedene Anbaugeräte schnell und einfach wechseln und einsetzen kann. Ziel ist es, die Effizienz im Baustelleneinsatz weiter zu erhöhen sowie die Einsatzmöglichkeiten zu erweitern. Was heißt das aber für die Steuerung der Maschinen? Zum Ausführen der Arbeitsfunktionen kommen heute Standard-Joysticks an den Enden der Armlehnen des Fahrersitzes zum Einsatz.

Üblicherweise besitzen diese zwei Freiheitsgrade: seitliches bewegen (links/rechts) und bewegen entlang der Längsachse des Unterarmes (vor/zurück) – so wie man es von Computerspielen kennt. Gefahren werden Maschinen mit Kettenfahrwerk überwiegend mit zwei Fußpedalen, wobei jedes Pedal eine Kette ansteuert. Maschinen mit Rädern hingegen werden über Gaspedal, Bremse und Lenkrad bewegt. Soviel zum Status quo.

Die Weiterentwicklung der Maschine zu immer mehr Arbeitsmöglichkeiten – zum Beispiel Rotation und seitliches Schwenken des Werkzeugs – führt dazu, dass die verwendeten Standard-Joysticks mit Tasten, Knöpfen, proportionalen Rollern und Kreuzschaltern versehen werden müssen, um diese zusätzlichen Maschinenfunktionen ansteuern zu können. Da der Bediener in den Händen und Fingern mehr Gefühl für die Maschine hat, als in den Füßen, geht der Trend sogar dahin, auch die Fahrfunktion der Maschine auf den Joysticks zu legen und die komplette Maschine somit mit Händen und Fingern zu steuern.

Das Unigrip-Modul mit ergonomischem Bediengriff und Faltenbalg (links). Daneben die 3D-Ansicht des Moduls mit Einblick in den kinematischen Aufbau des Bediengeräts.

© Vemcon

Diese Überladung der Standard-Joysticks mit Tasten und Rollern erschwert die ohnehin wenig intuitive Bedienung bisheriger Maschinen weiter. Bauunternehmer haben somit oft große Schwierigkeiten, fähiges Personal zu akquirieren. Vor diesem Hintergrund kam beim Startup-Unternehmen Vemcon die Idee auf, ein neues Bedienkonzept zu entwickeln, welches eine völlig intuitive Bedienung des Baggerwerkzeugs samt Anbaugerät ermöglichen soll. Entstanden ist dabei das so genannte Unigrip-Modul, welches über sechs unabhängige und kombinierbare Freiheitsgrade verfügt, wodurch es alle natürlichen Handbewegungen ermöglicht.

Im Detail funktioniert dieses Konzept wie folgt: Die Freiheitsgrade sind jeweils in die positive und negative Richtung bedienbar und können somit bis zu sechs proportionale Maschinenfunktionen in positive und negative Richtung ansteuern – nach vorne drücken oder nach hinten ziehen, links oder rechts bewegen, nach oben oder unten bewegen, nach vorne oder hinten kippen, nach links oder rechts kippen und um die Hochachse nach links oder rechts drehen. Jede Achse ist mit Federn vorgespannt, so dass das Modul bei ausbleibender Bedienbewegung seine Neutralstellung einnimmt. Federkräfte und Amplituden der Bewegung lassen sich je nach Anforderungen des Benutzers beziehungsweise der Maschine einstellen. So ist es beispielsweise ergonomisch wichtig, die Zieh-Bewegung nach oben deutlich leichter zu gestalten als die Drück-Bewegung nach unten. Die Amplitude der translatorischen Freiheitsgrade (gerade Bewegungen) sind mit ±15 mm begrenzt und die rotatorischen Freiheitsgrade (Drehbewegungen) mit ±10°. Der ergonomische Handgriff bildet schließlich die natürliche, menschliche Handstellung ab und ein Gelenk in der Hochachse des Uni­grip ermöglicht es, die Ausrichtung des Bedienorgans im Einsatz ergonomisch einzustellen.

Kurzum: Der Ansatz des neuen Bedienkonzeptes ist, dass jede Handbewegung des Maschinenführers auf eine ähnliche Werkzeugbewegung übertragen wird. So führt zum Beispiel das Heben der Hand zu einem Heben des Auslegers und das Kippen nach vorne zu einem Schließen des Baggerlöffels. Der linke Joystick bleibt im Bagger eingebaut und erlaubt das intuitive Fahren der Maschine. Drücken nach vorne führt zum Fahren nach vorne und das seitliche Bewegen führt zum Lenken des Baggers. Ein Touch-Sensor stellt dabei kontinuierlich fest, ob die Hand des Bedieners am Bedienmodul ist. Falls die Hand nicht detektiert wird, ist das gesamte Steuerungssystem inaktiv. Dies verhindert, dass die Joysticks ungewollt bewegt werden – etwa beim Ein- und Aussteigen – und es somit zu Unfällen kommt.

Für hydraulische Vorsteuerung nachrüstbar

Prinzipiell werden alle mobile Arbeitsmaschinen auf zwei Arten vorgesteuert: hydraulisch oder elektrisch. Hy­draulisch vorgesteuerte Maschinen haben neben dem eigentlichen Arbeitskreis einen hydraulischen Vorsteuerkreis (Pilot Circuit), welcher den Arbeitskreis der Maschine über den Hauptsteuerblock ansteuert. Bei solchen Maschinen steuert der Fahrer über die hydraulischen Ventile unterhalb der Standard-Joysticks den Vorsteuerkreis. Bei elektrisch vorgesteuerten Maschinen kommen elektronische Standard-Joysticks zum Einsatz, die mit dem CAN-Bus der mobilen Arbeitsmaschine kommunizieren und somit die Bedienbefehle übertragen. Der Mikrocontroller des Unigrips kom­muniziert in diesem Fall direkt per CAN-Bus mit den Steuergeräten der Baumaschine.

Bei elektrisch vorgesteuerten mobilen Arbeitsmaschinen kommuniziert der Unigrip direkt mit dem CAN-Bus der Maschine.

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Da ungeachtet des Trends zur Elektrifizierung der Baumaschine die große Mehrheit der Bagger aber immer noch hydraulisch vorgesteuert wird, hat das Unternehmen Vemcon ein Nachrüst-Set entwickelt, welches sowohl für hydraulisch als auch für elektrisch vorgesteuerte Bagger anwendbar ist. Im Detail besteht das System für hy­draulisch vorgesteuerte Bagger aus drei Modulen: dem Unigrip, einem von Vemcon selbst entwickelten Steuer­gerät „Vio“ und einem Ventilblock „PowerBlock 10+“.

Wie bereits erläutert, gibt der Baggerfahrer mit dem Unigrip den Steuerbefehl vor. Die hier eingesetzten Halleffekt-Sensoren nehmen den Steuerbefehl auf. Der Mikrocontroller des Unigrips kommuniziert via CAN-Bus mit dem Microcontroller des Vio-Steuergeräts. Die Leistungsausgänge (PWM-Signale) des Controllers steuern schließlich die Magnetspulen der Druckminderventile im PowerBlock 10+, der wiederum in die Vorsteuerleitung (Pilot Circuit) der Maschine integriert wird.
Auf dem Mikrocontroller des Unigrip-Moduls lassen sich verschiedene, an die Wünsche des Fahrers angepasste Kennlinien hinterlegen. Durch die elektronische Steuerung ist es aber auch möglich, ein adaptives Bedienverhalten zu realisieren, welches die Kennlinie entsprechend der Bedien­geschwindigkeit anpasst. Dadurch sind erstmalig neue Konzepte realisierbar, die beispielsweise bei schneller Bediengeschwindigkeit viel Maschinenleistung abrufen und bei langsamer Bediengeschwindigkeit ein feinfühligeres Arbeiten mit dem Maschinenwerkzeug ermöglichen – ähnlich dem adaptiven Getriebeverhalten moderner PKW.

Das Sicherheitskonzept

Ein wichtiger Punkt bei der Realisierung des neuen Bedienkonzeptes ist das Thema Safety. In mobilen Baumaschinen relevante Sicherheitsfunktionen nach ISO 13849 sind beispiels­weise der sichere Halt oder der Schutz gegen unerwünschten Anlauf. Um den geforderten Performance-Level für diese Sicherheitsfunktionen zu realisieren, wurden in der Steuerung diverse Maßnahmen implementiert: So werden im Unigrip zunächst die Stellungen in jeder Achse durch redundante Sensorik gemessen. Algorithmen zur Fehlererkennung stellen dabei fest, ob alle Sensoren einwandfrei funktionieren.

Für hydraulisch vorgesteuerte mobile Arbeitsmaschinen existiert ein Nachrüst-Set, bestehend aus drei Modulen, welche in die Vorsteuerung der Maschine eingreifen.

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Weiterhin wird überprüft, ob der Mikrocontroller auf der Unigrip-Platine die Messwerte korrekt erfasst und verarbeitet hat und sie fehlerfrei über den Sicherheits-Bus sendet. Um eine geringe Restfehlerrate auf dem CAN-Bus zu erreichen, wird eine laufende Nummer in den CAN-Nachrichten eingefügt und jedes Telegramm zweifach versendet.

Innerhalb des Vio-Steuergeräts arbeiten zwei Mikrocontroller, die einerseits die Leistungsstufen und anderseits sich gegenseitig überwachen und im Fehlerfall unter anderem mittels übergeordnetem Abschaltpfad sofort die Maschine in den sicheren Zustand überführen, ergo alle Bewegungen stoppen. Innerhalb des Ventilblocks fungiert ein Sicherheitsventil als Abschaltpfad. Es ist den Druckminderventilen vorgeschaltet und kann so die gesamte Vorsteuerung drucklos schalten und damit ebenfalls die Maschine stoppen.

Derzeit erfüllen die hydraulischen Arbeitsfunktionen mobiler Arbeitsmaschinen höchstens Performance-Level c. Zukünftig könnte der Trend hier aber zur Sicherheitssteigerung auf Performance-Level d gehen. Letzterer lässt sich elektronikseitig mit dem Unigrip-System abbilden, womit das Konzept in puncto Safety für zukünftige Entwicklungen gewappnet ist.

Die möglichen Anwendungsfälle

Der Einsatz des beschriebenen Systems ist neben der beschriebenen Anwendung auf dem Bagger insbesondere dort sinnvoll, wo viele Funktionen gleichzeitig und proportional gesteuert werden müssen.

Im eingebauten Zustand ersetzt das Modul den rechten Standard-Joystick eines Hydraulikbaggers. Der Fahrer übernimmt rechts intuitiv alle Arbeitsbewegungen der Maschine, während er links die Maschine per Standard-Joystick fahren und lenken kann.

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So zum Beispiel bei Maschinen, bei denen ein Schild als Werkzeug zum Einsatz kommt, welches gleichzeitig um alle Raumachsen bewegt werden soll – etwa bei Gradern beziehungsweise Planiermaschinen und Pistenraupen.

Ein anderes Beispiel sind Maschinen wie Gabelstapler und Hubarbeitsbühnen, die ihr Werkzeug – respektive ihre Gabeln beziehungsweise ihren Korb – im Raum positionieren. Gerade der Funktionsumfang von Gabelstaplern wurde in den letzten Jahren deutlich weiterentwickelt, so dass moderne Maschinen die Gabeln heben, senken, seitlich verfahren, zueinander hin und voneinander weg bewegen sowie den Gabelturm nach vorne und hinten neigen können. All diese Funktionen sind teilweise während der Fahrt zu bedienen. Auch hier ermöglicht eine Lösung wie Unigrip, mehr Funktionen gleichzeitig mit einer Hand zu steuern.

Autor: Bakir Kreso ist Mitgründer des Unternehmens Vemcon.