(57)【要約】知的補助方法および装置を開示する。知的補助方法は、懸垂した物体に手の力を加えることと、懸垂した物体に手の力を加えた角度を決定することと、懸垂した物体に力を加えた角度に従い、物体を移動させる電動力を生成することと、電動力を継続させ、懸垂した物体に手の力を加えた角度に従い、物体が移動し続けられるよう信号を入力することとを含む。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
知的補助方法で、
懸垂した物体に手の力を加えることと、
懸垂した物体に手の力を加えた角度を決定することと、
懸垂した物体に力を加えた角度に従い、物体を移動させる電動力を生成することと、
電動力を継続し、懸垂した物体に手の力を加えた角度に従い、物体を移動し続けることができるよう、信号を入力することとを含む知的補助方法。
【請求項２】
さらに、
懸垂した物体に手の力を加えた角度の変化を感知することと、
感知に基づいて電動力が物体を移動させる方向を変化させることとを含む、請求項１に記載の知的補助方法。
【請求項３】
信号の入力が連続的である、請求項１に記載の知的補助方法。
【請求項４】
信号の入力が１回発生する、請求項１に記載の知的補助方法。
【請求項５】
さらに、最高速度に到達するまで信号の入力が連続している限り、速度を増加させることを含む、請求項１に記載の知的補助方法。
【請求項６】
知的補助方法で、
制御装置で入力補助要求信号を受信することと、
ケーブル角度を測定することと、
ケーブル角度に基づいて初期進行方向を決定することと、
少なくとも１つの動力付きトロリに関して速度指令値を決定することとを含み、速度指令値がケーブル角度に基づき、さらに、
入力補助要求信号に基づいて速度指令値を調節することと、
速度指令値に基づいて更新した進行方向を導き出すことと、
少なくとも１つの動力付きトロリに速度指令値を出力することとを含む知的補助方法。
【請求項７】
さらに、進行方向に対して直角のケーブル角度があれば、それを考慮するために速度指令値を調節することを含む、請求項６に記載の知的補助方法。
【請求項８】
さらに、速度指令値の大きさを予め決定した速度閾値と比較することを含む、請求項６に記載の知的補助方法。
【請求項９】
速度指令を調節することは、入力補助要求信号が存在する場合は、速度指令値を増加させることを含み、入力補助要求信号が存在しない場合は、速度指令値を減少させることを含む、請求項６に記載の知的補助方法。
【請求項１０】
速度指令値の調節が、さらに加速値に基づく、請求項６に記載の知的補助方法。
【請求項１１】
知的補助方法で、
予め決定した軌道に従って懸垂した物体を移動するため、電動力を生成する信号を入力することを含み、予め決定した軌道は、懸垂した物体の初期位置および予め決定した目標位置に基づき、さらに、
軌道を変更するために、懸垂した物体に手の力を加えることと、
懸垂した物体に手の力を加えた角度を感知することと、
感知に基づき、電動力が懸垂した物体を移動させる方向を変更することとを含む知的補助方法。
【請求項１２】
知的補助システムで、
ケーブル付きのクレーンと、
ケーブル角度を測定する角度センサと、
少なくとも１つの動力付きトロリと、
センサおよび少なくとも１つの動力付きトロリに結合された制御装置と、
制御装置に対して入力信号を生成する入力手段とを有し、
制御装置は、少なくとも１つの動力付きトロリの速度指令値を決定するよう制御装置を構成するために、速度決定アプリケーションを含み、制御装置が、ケーブル角度および入力信号に基づいて速度指令値を決定する知的補助システム。
【請求項１３】
入力手段が押しボタン装置を含む、請求項１２に記載の知的補助システム。
【請求項１４】
入力手段が誘導装置を含む、請求項１２に記載の知的補助システム。
【請求項１５】
入力手段が連続信号を生成する装置を含む、請求項１２に記載の知的補助システム。
【請求項１６】
入力信号が信号パルスを生成する装置を含む、請求項１２に記載の知的補助システム。
【請求項１７】
知的補助システムで、
ケーブル付きのクレーンと、
ケーブル角度を測定する角度センサと、
少なくとも１つの動力付きトロリと、
センサおよび少なくとも１つの動力付きトロリに結合された制御装置と、
制御装置に結合されたオペレータ入力装置とを有し、
制御装置は、少なくとも１つの動力付きトロリの速度指令値を決定するよう制御装置を構成するために、速度決定アプリケーションを含み、制御装置が、ケーブル角度および入力装置によって生成された入力信号に基づいて速度指令値を決定する知的補助システム。
【請求項１８】
オペレータ入力装置が少なくとも１つの押しボタンを含む、請求項１７に記載の知的補助システム。
【請求項１９】
オペレータ入力装置がジョイスティックを含む、請求項１７に記載の知的補助システム。
【請求項２０】
オペレータ入力装置がステアリング・ホィールを含む、請求項１７に記載の知的補助システム。
【請求項２１】
一連のプログラムされた命令でコード化されたコンピュータで読み出し可能な媒体で、プロセッサによって実行されると、
制御装置で入力補助要求信号を受信し、
ケーブル角度を測定し、
ケーブル角度に基づいて初期進行方向を決定し、
少なくとも１つの動力付きトロリに関して、速度指令値を決定するよう動作可能であり、速度指令値はケーブル角度に基づき、さらに、
入力補助要求信号の状態に基づいて速度指令値を調節し、
速度指令値に基づいて、更新した進行方向を導き出し、
速度指令値の大きさを、予め決定した速度閾値と比較し、
少なくとも１つの動力付きトロリに対して速度指令値を出力するよう動作可能である媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、「METHOD AND APPARATUS FOR MANIPULATION OF HEAVY PAYLOADS WITH INTELLIGENT ASSIST DEVICES」と題した２００２年５月８日出願の米国暫定特許出願第６０／３７８，８１３号に対する優先権を主張し、これは参照により全体が本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本発明は、プログラム可能なロボット・マニピュレータおよび補助器具の分野に、特に重いペイロードを操作するために人間のオペレータと相互作用することができるロボット・マニピュレータおよび補助器具に関する。
【背景技術】
【０００３】
製造の組立ラインまたは一般的な材料取扱い状況などの産業用途では、ペイロードは、人間のオペレータが傷害の危険を冒さずに移動させるには大きすぎることがある。比較的軽量の荷重でも、より迅速な移動および組み立てを可能にし、緊張および疲労を回避するため、機械的補助を人間のオペレータに提供することが望ましい。したがって、多くの産業の組立および材料取扱い作業が、天井橋形レール・システムなどの補助器具の助けにより実行されている。
【０００４】
天井橋形レール・システムは、当技術分野では「橋形クレーン」または「ｘｙレール・システム」としても知られている。一タイプの動力付き天井橋形クレーンは、Ｉ形鋼上を移動し、通常は重荷重に使用される。動力付き橋形クレーンは比較的低速で、通常は人間が制御しクレーンに結合されたプッシュボタン・タイプの器具で方向を制御する。システムを操作してペイロードを所望の位置にすることは、クレーンの速度が遅く、所望の路を生じるために入力器具の退屈な操作が必要なために、困難なことがある。
【０００５】
また、比較的軽量の荷重に通常使用される動力なしの天井レール・システムがある。動力なし天井レール・システムは、低摩擦レールを使用し、使用者の力をペイロードに直接加えることによって動作する。動力なしレール・システムの方が通常は高速で、簡単に使用でき、オペレータが器用に実行することができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、動力なし天井レール・システムには幾つかの問題がある。第１に、ペイロードを加速することが困難なことがある。これは前方へ押すことに関わることが多く、下半身の大きい筋肉を使用する。それでも、通常は約２００ポンド（９０．８ｋｇ）より上の比較的大きいペイロードを加速するには、多大な労力が必要である。第２に、移動するペイロードの動作の制御または誘導は、さらに大きい問題である。というのは、ペイロードの動作方向に対して横方向の引っ張りを必要とし、通常は上半身および背中の比較的小さい筋肉を使用するからである。第３に、ペイロード、さらにペイロード自体の動作の停止も、大きい問題である。オペレータがペイロードの動作を停止するのに十分なほど強力に引いても、クレーンは移動し続け、それによって余分な瞬時的停止力が必要である。
【０００７】
異方性も、動力なしシステムのさらなる問題である。低摩擦設計を使用するが、摩擦と慣性は両方とも、ペイロードが単純に橋形レールに沿って移動する方向より、ペイロードが橋形レール全体を伴う方向の方が大きい。異方性は、加えられた使用者の力に対してペイロードの非直感的な反応を生じさせ、その結果、使用者はペイロードが移動するにつれ、所望の路を維持するために、継続的な横方向の「牽引」を経験する。
【０００８】
従来のレール・システムでは、オペレータが動力なしレール・システムでペイロードの動作を突然停止させるか、動力付き橋形クレーンで天井キャリッジの動作の指令を停止すると、ペイロードは、支持ポイント下で上下に揺動する傾向がある。揺動は、ペイロードの位置決めに遅延および困難さを引き起こす。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の少なくとも１つの実施形態は、橋形クレーンで通常使用可能な動力付き補助を含むが、以前は動力なしレール・システムでしか使用可能でなかった迅速かつ直感的なオペレータのインタフェースがある両タイプの天井橋形レール・システムの望ましい特徴を含む知的補助器具（「ＩＡＤ」）を提供する。
【００１０】
このような実施形態は、人間工学的性能が改善されたレール・システムを提供することができる。
【００１１】
実施形態は、現在の動力付きレール・システムで可能なものより大きいペイロードに対応することができるＩＡＤも提供することができる。
【００１２】
実施形態では、例えば手の力を懸垂物体に加えること、懸垂物体に手で力を加えた角度を決定すること、懸垂物体に力を加えた角度に従い、物体を移動させる電動力を生成すること、電動力を継続し、物体が懸垂物体に手で力を加えた角度に従って移動し続けられるよう、信号を入力することを含む知的補助方法に関して説明する。
【００１３】
実施形態はさらに、例えばケーブル付きのクレーン、ケーブル角度を測定する角度センサ、少なくとも１つの電動トロリ、センサおよび少なくとも１つの電動トロリに結合した制御装置、および制御装置への入力信号を生成する入力手段などを含む知的補助システムを含むことができる。制御装置は、少なくとも１つの電動トロリに対する速度指令値を決定するよう制御装置を構成する速度決定アプリケーションを含み、制御装置は、ケーブルの角度および入力信号に基づいて、速度指令値を決定する。
【００１４】
本発明の実施形態の以上およびその他の態様は、以下の詳細な説明および図面を組み合わせて考察すると明白になる。
【００１５】
本発明の特徴を図面で示し、これは本明細書のオリジナルな開示の一部を形成する。本発明の実施形態を、図面と組み合わせて説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
知的補助器具（「ＩＡＤ」）は、ペイロードを移動する際に人間の作業者を補助するコンピュータ制御の機械である。ＩＡＤは、人間のオペレータに多様なタイプの補助を提供することができる。例えばペイロードの重量を支持し、摩擦または他の抵抗力の克服を補助し、ペイロード動作の案内および配向を補助し、人間の案内なしにペイロードを移動することである。
【００１７】
約２００〜２５０ポンド（９０．８〜１１３．５ｋｇ）までの重量のペイロードに対して上記で検討した問題を解決するモジュール式ＩＡＤ構成が、並行係続出願で２００１年２月１２日に出願された米国特許出願第０９／７８１，６８３号および２００１年２月１２日に出願された第０９／７８１，８０１号で開示されており、詳細はこれら出願を参照されたい。しかしながら、これらに開示した構成は、約３００ポンド（１３６．２ｋｇ）を超えるペイロードなどの比較的重いペイロードには適切でない。このような構成は、オペレータがペイロード自体を移動させるのに必要な力を提供する必要があるからである。
【００１８】
ＩＡＤには２つのクラスがある。ケーブルをベースにしたものと、剛性直立コンベアである。ケーブルをベースにしたＩＡＤは、ケーブルまたは鎖から荷重を懸垂する。剛性直立コンベアは、剛性部材で荷重を支持し、これによってずれた荷重を支持することができ、張り出しの下に構成要素を配置する必要がある場合に使用することが多い。
【００１９】
ケーブルをベースにしたＩＡＤは、ケーブル角度の感知を使用することができる。例えば従来の動力なしシステムでは、オペレータは、ペイロードばかりでなく、天井構造も加速するために十分な力を加えねばならない。全ての力は、ケーブルの張力を介して天井構造に伝達されるので、オペレータは、十分な力を天井構造に伝達するために非常に大きいケーブル角度を生成しなければならない。これに対して、ＩＡＤでは、クレーンには動力が提供され、ケーブルの角度が測定される。ケーブル角度は、真の角度センサで測定し、ケーブルの水平変位の１つまたは複数の測定値から推論することができる。
【００２０】
オペレータがペイロードに加速し始めると、クレーンを加速し、電動トロリとしても知られる電動ユニットに対する速度指令を形成するのに、測定したケーブル角度を使用することができる。したがって、ペイロードを加速するのはオペレータであり、クレーンを加速するのはトロリである。この方法の一つの結果は、トロリがペイロードの動作に付いていくので、ケーブル角度が垂直から非常に離れることが決してないことである。
【００２１】
ペイロードが動作したら、動力なしクレーンは、慣性のために追加の力がなくても動作し続ける傾向がある。したがって、ケーブルはほぼ垂直姿勢のままである。しかしＩＡＤの場合、クレーンの速度はケーブルの角度に比例し、したがってオペレータは小さいケーブル角度を維持する必要がある。したがって、力は必然的にこの小さいケーブル角度を伴う。
【００２２】
動力なしクレーンの場合は、ペイロードの動作を停止する時になると、オペレータは最初にペイロードを減速しなければならない。しかし、クレーンは、これを減速するのに十分な大きいケーブル角度が生成されるまで、動作し続ける。「オーバートラベル」として知られる現象である。その結果、オペレータは非常に大きい停止力を加えねばならない。しかし、ＩＡＤを使用すると、オペレータは、ペイロードを押すのを停止するだけで、クレーンは迅速に休止し、それによって停止力の必要がなくなる。さらに、ＩＡＤを使用すると、天井キャリッジが、その位置をペイロードの重心の真上に積極的に維持することができ、したがって揺動運動が大幅に減少するか、完全に阻止される。
【００２３】
本発明の少なくとも１つの実施形態では、ＩＡＤは初期動作すると、クレーンばかりでなくペイロードの加速も補助することができる。このような実施形態では、ＩＡＤは、ペイロードが動作し続けるためにオペレータの労力を全く、またはほぼ全く必要とせず、オペレータ側の重大な労力がなくても停止することができる。
【００２４】
本明細書で開示するシステムおよび方法は、例えば既知のタイプのｘｙ天井レール・システムを使用して実現することができる。しかし、この実施形態は、本明細書で開示する天井レール・システムに制限されず、ジブ・クレーンなどの他のクレーン設計にも等しく適用可能であることを理解されたい。しかし、ジブ・クレーンの場合、制御アルゴリズムの細部は、ｒθ幾何学的形状に対応するため、周知の数学に従って変更しなければならない。
【００２５】
図１ａおよび図１ｂは、本発明の知的補助システム１０、つまりＩＡＤの少なくとも１つの実施形態を示す。図１ａおよび図１ｂで示すように、ＩＡＤシステム１０は、橋形クレーン１２を含むことができる。橋形クレーン１２は、相互に対して直角に配置された固定走り道レール１４および橋形レール１６を含む２組のレールを含む。これは、橋形クレーン１２に２つの水平の運動軸線を提供し、第１の運動軸線は橋形レール１６に沿って、第２は固定走り道レール１４に沿って橋形レール１６に直角である。一方または両方の軸線に動力を加えることができるが、図１ａおよび図１ｂで示すように、両方の軸線に動力を加えることが好ましい。
【００２６】
図１ａおよび図１ｂで図示したＩＡＤシステム１０は、レール１４、１６に沿って動く電動トロリ１８も含むことができる。両方の軸線に動力を加える場合、各軸線に沿って作用する電動トロリ１８の相対的速度は、適正な全体的進行方向になるよう制御しなければならない。
【００２７】
橋形クレーン１２は、橋形レール１６上に配置された少なくとも１つの電動トロリ１８と結合する垂直軸線持ち上げ器具２０も含むことができる。ケーブル２２は、一方端で持ち上げ器具２０に、反対端でペイロード取り付け具２４に結合してよい。ケーブル角度センサ２６を、持ち上げ器具２０上にケーブル２２に隣接して配置することができる。
【００２８】
ケーブル角度センサ２６は、垂直面以外のケーブル２２の全ての偏向を感知するよう配置することができる。ケーブル角度センサ２６は、２つの成分の偏向を測定することができる。一方は、橋形レール１６の方向にあるケーブル角度の成分であり、一方は、固定走り道レール１４の方向にあるケーブル角度の成分である。各成文は、関連する電動トロリ１８に対する速度指令の計算に使用することができる。
【００２９】
ケーブル角度センサ２６および電動トロリ１８は、制御装置２８に結合することができる。制御装置２８は、一連のプログラムした指令を含むアプリケーション３０を含む。制御装置２８はコンピュータ・システム２００であることが好ましく、その一例を図２で示す。
【００３０】
図２は、本発明の少なくとも１つの実施形態に使用できるコンピュータ・システム２００を示す。コンピュータ・システム２００は、プロセッサ２０２、読み出し専用メモリ２０４、記憶デバイス２０６、主メモリ２０８、少なくとも１つのオペレータ入力装置２１０、ポインティング・デバイス２１２、ディスプレイ２１４、通信インタフェース２１６、バス２２０およびデータベース２３０を含むことができる。コンピュータ・システム２００の構成要素は、オペレータ入力装置２１０を除いて周知の従来通りのタイプである。例えば、ポインティング・デバイス２１２は、マウス、スタイラス、タッチ・スクリーンなどでよい。少なくとも１つのオペレータ入力装置２１０は、キーボードを含むことができ、以下でさらに詳細に検討するオペレータ入力装置も含むことができる。図２で示すように、コンピュータ・システム２００は、幾つかの実施形態では、通信インタフェース２１６を使用してネットワーク１００と結合することができる。
【００３１】
上述したように、ＩＡＤシステム１０は、例えば図３の制御システム３００で示すように、ケーブル角度センサの読み取り値から所望の進行方向と所望の速度情報との両方を獲得することができる。図３で示すように、オペレータが３１０でペイロードを押すと、ケーブルは、押す方向に応じてｘ方向（θx）およびｙ方向（θy）の両方に偏向する。ケーブル角度センサ（「ＣＡＳ」）は、これらの成分を測定することができ、その結果、推定値
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になる。これらの推定値は、３３０で電動トロリへの速度指令（「iTrolley x」および「iTrolley y」）に変換することができる。特に、これらの推定値は、それぞれ３３２で不感帯関数を通すことができ、その結果
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になる。
【００３２】
不感帯関数は、特定の閾値より低い信号を無視することができ、これはＩＡＤがセンサのノイズまたは他の疑似ノイズ成分に応答して動作してしまうことを防止する。次に、３３４で推定値に利得（Ｇ）を掛け、ｉＴｒｏｌｌｅｙに対してｘおよびｙ方向の速度指令値
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を生成することができる。ｉＴｒｏｌｌｅｙは、３５０で速度指令値をｘおよびｙ方向での速度に変換し、それによってクレーンを所望の速度で所望の方向に移動させることができる。この方法により、進行方向を自動的に決定することができる。オペレータがケーブルを偏向したのと同じ方向に電動トロリが移動するからである。しかし、オペレータは、特に重いペイロードの場合にも、動作の開始および継続の両方に対して多大な力を加える必要があるかも知れない。
【００３３】
上述した制御構造を一切変更せずに実現することができるオペレータの力を軽減する幾つかの方法がある。これらの方法は、積分制御、利得のスケジューリング、および制御可能な制動トロリを含んでよい。
【００３４】
例えば、積分制御の場合は、
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を設定するのではなく、ｘ方向の速度指令値を下定のように設定することができる、これは、ｙ方向についても同様となる。
【数１】
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積分項は、ケーブル角度の速度指令「メモリ」を提供することができる。その結果、角度がゼロに復帰した後も、速度指令が残ることができる。したがって、初期始動後、ＩＡＤは、オペレータ側からのさらなる労力がなくても、動作し続けることができる。この方法では、荷重の停止には、積分項がない場合より多くの力がかかることに留意されたい。積分を「ドレイン」しなければならないからである。これは、例えば
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の記号が変化した時に利得Ｇ2を増加させることによって対処することができる。
【００３５】
少なくとも１つの実施形態では、制御システム３００は、アプリケーション３０のプログラムされた指令を使用して実現し、制御装置２８で実行することができる。
【００３６】
別の実施形態では、ＩＡＤはケーブルと一直線上にあるロード・セルを含むことができる。このロード・セルを使用して、ペイロードの重量を測定することができる。この測定情報を使用して、利得Ｇまたは不感帯のサイズを調節することができる。例えば、比較的大きい荷重の場合は、Ｇを増加し、不感帯を減少させる。ケーブルの長さを、例えばケーブル長センサで測定できると、追加の利得スケジューリングが可能である。特に、ケーブル長が長くなると、それにより振り子の周波数が小さくなるので、より高い利得が可能になる。
【００３７】
上述したように、動作継続する場合に、動力なしクレーンは、ケーブル角度がなくても慣性によって動作し続けるが、ＩＡＤが動作し続けるには何らかの有限のケーブル角度が必要なので、動力なしクレーンが従来のＩＡＤに対して幾つかの利点を有することがある。しかし、ＩＡＤの方が停止が優れている。動力なしクレーンの慣性により、多大なオーバートラベルが引き起こされるからである。別の実施形態では、モータではなく磁気粒子ブレーキなどの制御可能なブレーキを特徴とするトロリを使用することができる。ブレーキは、停止だけのために係合することができる。この方法は、始動および継続動作中は動力なしクレーンを、停止はＩＡＤをエミュレートする。動力なしクレーンをさらにエミュレートするために、クラッチ機構を使用して、始動および継続動作中にブレーキを完全に係合解除することができる。
【００３８】
少なくとも１つの実施形態では、ＩＡＤシステム１０はさらに、図１ａおよび図１ｂで示すようにオペレータ入力装置３２を含むことができる。オペレータ入力装置３２は、電動トロリ１８からの追加の補助を要求するというオペレータの意図を反映する入力信号を制御装置２８に提供することができる任意の装置でよい。このような実施形態では、人間のオペレータが、ＣＡＳ測定値に比例して生成されるものとは全く異なった電動トロリ１８への速度指令を開始することができる。
【００３９】
図３でさらに示すように、オペレータは、例えば押しボタンを起動することにより、速度指令を開始することができ、これは３６０の入力信号を制御装置に提供して、図３の３４０で図示したようにＣＡＳ信号から計算した値に速度指令値を追加するか、これを全く置換することができる。この速度指令により、クレーンはオペレータ側の労力が全くない状態で、動作することができる。これも図３で図示するように、補助速度指令のための進行方向情報は、３２０でＣＡＳから獲得することができ、進行方向推定を３７０で決定することができる。３８０の軌道生成プログラムは、進行方向推定値および入力信号に基づいて追加の速度指令を決定することができる。
【００４０】
ＩＡＤは通常、図１ａおよび図１ｂの２４で示すように、ケーブルの底部をペイロードに接続する何らかの手段を提供する。この接続は、フックほど単純でよいが、通常は何らかの形態の「エンド・エフェクタ」である。エンド・エフェクタは、ペイロードを把持し、解放する働きをする専門の装置であり、ペイロードの再配向など、様々な仕事に固有の機能を提供することが多い。また、エンド・エフェクタはオペレータに取っ手および様々な押しボタン制御機構を提供する。これは把持／解放および上下の押しボタン機能を含むが、これに制限されない。これらの取っ手は、補助ボタンに自然の位置を提供する。取っ手が存在しない場合、ボタンは、エンド・エフェクタに装着するか、吊り下げ形制御機構のようにクレーンから吊すことができる。ボタンは、当技術分野で知られている幾つかの無線技術のいずれかを使用した無線制御機構でよい。
【００４１】
図４は、懸垂した物体を移動する知的補助方法４００の少なくとも１つの実施形態を示す。方法は４０２で開始する。オペレータは、５０４で手の力を懸垂した物体に加えることができる。５０６で、懸垂物体に手で力を加えた角度を、垂直軸線に対して決定する。次に、電動力を４０８で生成して、懸垂した物体に手で力を加えた角度に従い、物体を移動させる。４１０で、信号を入力して、電動力を継続し、懸垂した物体に手で力を加えた角度に従い、物体を移動し続けられるようにする。入力信号が存在する場合、方法は継続することができる。オペレータが、追加の力を物体に加えて、物体が移動する方向を変化させると、４１２で角度の変化を感知することができる。電動力が物体を移動させる方向は、この感知に従い４１４で変更することができる。電動力は、４１０で表すように入力信号がもう存在しなくなるまで、物体が所望の方向に移動するよう維持することができる。入力信号が存在しない場合、方法は４１６で終了する。
【００４２】
入力信号は連続的信号でよい。例えば、オペレータは、物体が動作している間、押しボタンを連続的に起動状態に維持しなければならない。あるいは、オペレータは、信号パルスを生成するだけでよい。例えば、オペレータは、電動力を継続させ、懸垂した物体に手で力を加えた角度に従い、物体を移動し続けられるようにするため、押しボタンを１回起動するだけでよい。
【００４３】
図５ａから図５ｂは、動力付きトロリ１８の速度指令を決定するために制御装置が使用する知的補助方法５００、つまりアプリケーションの１つの実施形態を示す。少なくとも１つの実施形態では、アプリケーション３０のプログラム命令を使用して方法５００を実現することができる。知的補助方法５００は５０２で開始することができる。制御は５０４へと進行し、ここで制御装置はオペレータから入力補助要求信号を受信する。信号は、上記で検討したように、オペレータ入力装置から出力してよい。このような実施形態では、オペレータ入力装置は、補助速度指令の入力が存在してほしいとオペレータが考える限り、オペレータが起動し続けねばならないモメンタリ・スイッチとして作用する補助ボタンでよい。ボタンを最初に起動すると、制御装置は、５０４で入力補助要求信号を受信する。
【００４４】
制御装置は、信号を受信すると、５０６でケーブル角度センサが測定した通りのケーブル角度を測定することができる。次に制御が５０８へと進行し、ここで制御装置は、ケーブル角度が不感帯内にあるか決定する。
【００４５】
不感帯は、不感帯関数をｘ軸線およびｙ軸線のケーブル角度読み取り値に別個に適用して決定するか、好ましくは不感帯関数を複合値に適用して決定することができる。
【数２】
2005524593.tif 000009
その結果、図６で示すような円形の不感帯が画定される。図６では、ケーブルの角度ではなくケーブルの変位を示す。この２つは次のように関連付けることができる。
【数３】
2005524593.tif 000010
｜Θ｜が不感帯値より大きいというケースでない場合は、実行可能な進行方向情報がなく、制御は５３８へと進行し、ここでアプリケーション５００が終了する。したがって、オペレータは、ＩＡＤを動作させるため、ケーブル角度を不感帯の外側へと動かすのに十分なだけペイロードを押さねばならない。
【００４６】
ケーブル角度が不感帯の外側にある場合、制御は５１０へと進行することができ、ここでユニットの進行方向ベクトルｈを、ケーブル角度測定値から決定することができる。ベクトルｈは、図６のΔに関連する方向である。初期速度は、ケーブル角度に基づいて決定する。上記で検討したように、初期速度は、ケーブル角度に比例して決定するか、積分制御を使用して初期速度を決定することができる。
【００４７】
次に、制御は５１４へと進行し、ここでケーブル角度を再度測定して、初期速度指令が可能な限り正確であることを確認する。次に制御装置は、５１６で入力信号がまだ存在するか決定する。押しボタンがまだ起動されているなど、入力信号が存在する場合、制御は５１８へと進行し、ここで速度指令値を増加させることができる。速度指令値の増加は予め決定することができる。例えば、速度指令値は、長さｄｔの各計算時間ステップ中に量Ａｄｔだけ増加することができる。ここで、Ａはクレーンの所望の加速度を表す。この方法で、クレーンは、オペレータ側に追加の労力がなくても、ペイロードの移動を開始することができる。オペレータは単に、押しボタンまたは他の単純な入力装置を起動しながら、ペイロードが移動するにつれ、それと共に歩行するだけでよい。
【００４８】
また、制御装置は、５２０で現在の進行方向
2005524593.tif 000011
に対して直角の方向でケーブル角度を考慮に入れるため、速度指令を調節し続けることができる。この調節は
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に比例する。したがって、ペイロードを横方向に押すか引くことにより、オペレータは進行方向を変更することができる。制御は５２２へと進行し、ここで制御装置は速度指令に基づいて更新した進行方向を導き出すことができる。次に、制御装置は５２４で速度指令値が予め決定した最大値より大きいか決定する。速度指令値が予め決定した最大値より大きい場合、制御装置は、５２６で速度指令値を最大値に設定することができ、制御は５２８へと進行し、ここでループ・カウンタをインクリメントすることができる。速度指令値が最大値より大きくない場合、制御装置は速度指令値を調節することができず、制御は５２８へと進行し、ここでループ・カウンタをインクリメントすることができる。
【００４９】
制御は次に５１４へと戻ることができ、ここでケーブル角度を測定する。次に制御装置は、５１６で入力信号がまだ存在するか決定する。この実施形態では、オペレータが補助ボタンを解放するなどして、入力信号がもう存在しない場合、制御装置は５３０で速度指令値を減少させる。速度指令値の減少量は予め決定することができる。例えば、速度指令値は、長さｄｔの各計算時間ステップ中に量Ａｄｔだけ減少してよい。
【００５０】
また、制御装置は、５３２で現在の進行方向
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に対して直角の方向でケーブル角度を考慮に入れるため、速度指令を調節し続けることができる。この調節は
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に比例する。したがって、ペイロードを横方向に押すか引くことにより、オペレータは進行方向を変更することができる。次に制御は５３４へと進行し、ここで制御装置は、速度指令に基づいて更新した進行方向を導き出すことができる。次に制御装置は、５３６で速度指令値が予め決定した最小値より小さいか決定する。速度指令値が予め決定した最小値より小さい場合、制御装置は５３８でアプリケーションを終了する。速度指令値が最小値より小さくない場合、制御は５２８へと進行し、ここでループ・カウンタをインクリメントすることができる。次に、速度が予め決定した最小値より下に低下すると、アプリケーションは終了し、制御装置は別の入力信号を待つことができる。
【００５１】
言うまでもなく、方法５００には多くの代替実施形態がある。後述するように、方法５００は台形の速度プロフィールを生成する。つまり、一定の加速の後、一定速度があり、その後に一定の減速がある。多くの他のプロフィールが可能であり、それには非対称な加速および減速のプロフィール、および最小ジャーク・プロフィールおよびガウス・プロフィールなどの滑らかな曲線に基づくプロフィールがあるが、それに制限されない。クレーンの現在の状態に依存する速度プロフィールを作成することも可能である。例えば、速度指令の計算は下式の形態をとることができる。
【数４】
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ここでｖmeasはクレーンの速度計算値、τは選択可能な時定数である。このインプリメンテーションは、クレーンが最高速度に近づくにつれ、加速を徐々に低下させる効果を有する。
【００５２】
別の実施形態では、初期進行方向をケーブル角度センサ情報ではなく作業の先験的知識から決定することができる。従ってこのような実施形態では、オペレータが、進行方向の変更以外、ペイロードに力を加える必要は全くない。
【００５３】
別の実施形態では、オペレータがシステムを過剰に誘導しないよう、
2005524593.tif 000016
進行方向の大きさの変化をどの程度にするか、調節可能な制限を設けることができる。
【００５４】
別の実施形態では、進行方向は、指令された速度ではなく実際のクレーン速度の測定値に基づいて決定することができる。
【数５】
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【００５５】
別の実施形態では、速度指令を決定する方法は、瞬間の進行方向に対して直角の成分ばかりでなく、十分なケーブル角度信号に比例する項を含む。この方法で、オペレータはペイロードを押して追加の加速を獲得するか、引いて追加の減速を獲得することができる。このような実施形態では、システムは基本的ＣＡＳ制御装置の「揺れ防止」特徴を維持する。
【００５６】
図７は、懸垂した物体を移動する知的補助方法７００の少なくとも１つの実施形態を示す。方法は７０２で開始する。７０４で、予め決定した軌道に従い懸垂物体を移動させる電動力を生成するため、信号を入力する。つまり、１つまたは複数の以前に記憶した位置に基づいて、所望の速度および進行方向を決定することができる。この方法で、ボタン・スイッチを起動した時点でのシステムの位置を初期位置として扱い、記憶した位置を、制御装置が軌道に沿ってシステムを駆動することができる目標位置として扱う。加速、減速および最高速度などの軌道パラメータは、記憶した位置ごとに異なってよい。記憶した特定の位置は、オペレータが専用のボタンを起動するか、ロード・セルの読み取り、初期位置、または通信リンクによってＩＡＤに接続されたプログラム可能な論理制御装置（「ＰＬＣ」）などの外部装置などの他の手段によって選択することができる。使用者は、操作モードに応じてボタンを解放するか、一時的にボタンを起動することにより、目標位置までの動作を終了するようシステムに指示することができる。さらに、システムは、予め定義された限界を超えるＣＡＳ信号に基づいて、自動的に動作を終了し、制御された停止になるよう構成することができる。
【００５７】
図７の７０６で示すように、物体が軌道の最後にない限り、方法は継続することができる。７０８で、物体が移動する方向を変更したい場合、方法は７１０へと進む。現在の軌道が適切である場合は、物体が現在の軌道に沿って移動し続けることができる。軌道を変更するには、少なくとも１つの実施形態では、オペレータが７１０で懸垂した物体に手の力を加える。懸垂した物体に手の力を加えた角度は、７１２で感知する。電動力が物体を移動させる方向は、この感知に基づいて７１４で変更する。したがって、ケーブルを偏向させることにより、システムを誘導する能力を維持することができる。少なくとも１つの実施形態では、記憶した目標位置を、誘導入力に基づいて動的に変更することができる。また、目標位置は、さらに１対の記憶した位置によって確定された線上に、または記憶した目標位置と初期位置からの予め画定された距離との組み合わせによって画定できる曲線上に限定することができる。
【００５８】
実施形態は、様々な予防チェックも含むことができる。例えば、ＩＡＤにｘおよびｙ座標の位置センサを装備している場合、作業空間の特定の領域で補助軌道を禁ずることが可能である。このような実施形態は、衝突または望ましくない動作を引き起こす可能性がある軌道を禁止する。別のチェックは、ケーブル角度を監視し、過度の角度の場合に措置を執ることを含む。措置は、速度指令をゼロに低下させるか、速度がケーブル角度に比例する標準モードに復帰することができる。
【００５９】
アプリケーションの変更に加えて、オペレータの補助入力を扱う様々な方法がある。少なくとも１つの実施形態では、オペレータは、補助速度指令を有効状態に維持したい限り、モメンタリ・スイッチを起動状態に維持しなければならない。
【００６０】
別の実施形態では、オペレータはモメンタリ・スイッチを起動して、補助軌道の開始信号を送り、これを再び押下して、終了信号を送ることができる。オペレータは、スイッチの起動状態を維持する必要がない。補助軌道の開始信号を送った後、オペレータはＩＡＤにたづさわる必要がない。ＩＡＤは、オペレータが他の何らかの作業に就いている間、自律的に移動することができる。別の実施形態では、軌道は予め画定した継続時間を有するか、ＩＡＤが作業空間の予め画定した領域に到達するなど、他の何らかの状態の結果として終了することができる。
【００６１】
別の実施形態では、オペレータはトグル・スイッチを使用することができる。オフ状態からオン状態へ切り換えると、補助軌道が開始し、オン状態からオフ状態へと切り換えると、これが終了する。
【００６２】
別の実施形態では、オペレータはスイッチではなく比例入力装置を使用することができる。比例入力装置の例は、オペレータの親指で加えた力の測定に使用できるロード・セル、一軸ジョイスティック、または当技術分野でよく知られた多くの他の装置のいずれかを含む。これで、速度指令をこのような装置からの出力信号に比例されることができる。
【００６３】
オペレータが進行方向を制御するには、種々の方法があることを理解されたい。少なくとも１つの実施形態では、オペレータはケーブル角度に基づいて進行方向を制御することができる。ケーブル角度を使用すると、高度に直感的なアプローチが提供される。オペレータが、荷重を再配向したい方向に押すだけだからである。
【００６４】
別の実施形態では、オペレータがジョイスティックまたはスプリング・センタ式ロッカ・スイッチを横方向に押して、「左方向進行」または「右方向進行」を示すことができる。しかし、人間のオペレータは自分の体に対して左および右を解釈する傾向があるが、方位センサ（以下で検討）がないので、ＩＡＤ制御装置にはオペレータがどの方向に面しているかの情報がない。オペレータは、作業の一段階でペイロードを引っ張り、別の段階ではそれを押すことが非常に多い。そのため、移動方向（進行方向）は、必ずしもオペレータが面している方向を示さない。
【００６５】
別の実施形態では、ステアリング・ホィールなどの回転式入力部を使用することができる。回転式入力部は、スプリング・センタ式で、時計回り方向または反時計回り方向に容易に回転することができる。例えば、この入力部を時計回り方向に回転すると、ＩＡＤに対して、進行方向ベクトルも時計回り方向に回転するよう示すことができる。このような入力装置により、オペレータは直感的方法により最小の力で進行方向に影響を及ぼすことができる。
【００６６】
別の実施形態では、方向は、ジョイスティック、ロッカ・スイッチ、比例ロッカ・スイッチ、力を感受する入力部、またはペイロードの現在の前方向に対して画定できる他の制御機構によって指定することができる。例えばジョイスティックを使用する場合、オペレータに面する垂直面になるよう調整されたベース面をこれに装着する。これで、ジョイスティックの起動の上方向を「前」方向とマッピングし、ペイロードが既に移動している方向にさらに移動するよう意味することができる。ジョイスティックの下方向を「逆転」に、ジョイスティックの左方向を、現在の前方向に対するペイロードの左旋回になどとマッピングすることができる。
【００６７】
少なくとも１つの実施形態では、補助ボタンの概念を、以上で提示した利得スケジューリングの概念と組み合わせることができる。オペレータは、モメンタリ・スイッチを起動して、ケーブル角度の次の変更を特別に解釈するよう信号を送る。スイッチを起動した瞬間に、ＣＡＳの出力信号を読み取り、基準値として記憶することができる。スイッチ信号の後の短い間隔で、記憶された基準値からの変化があると、ＣＡＳ不感帯より小さい大きさの変化であっても、それは作用を受ける。異なる利得を、検出されたＣＡＳ信号のインクリメントに適用することができる。あるいは、補助速度指令の概念に加えて、ＣＡＳ信号のインクリメントを使用して、方向および速度を指定することができ、トロリがこれを採用し、将来の何らかの事象が保持された速度を終了するまで、これを保持することができる。このような終了事象の例は、その後のボタンの起動である。
【００６８】
利得スケジューリングの別の代替形態は、図５ａから図５ｂで示したアプリケーションの選択されたパラメータを、ペイロードの重量測定値に従い調節できるものである。このような測定値は、ケーブルの基部に装着したロード・セルから入手可能である。ペイロード重量も、先験的に分かる。より大きなペイロード重量の速度増分Ａｄｔを低減することが望ましい。不感帯のサイズおよび誘導に対する反応性
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も、ペイロードの重量に従い調節することができる。
【００６９】
別の実施形態では、ケーブルまたは鎖ではなく固定直立コンベアに基づいたＩＡＤで補助ボタンの概念を使用することができる。その場合の唯一の違いは、このような装置のＣＡＳがないので、進行方向情報がＣＡＳから得られないことである。代わりに、進行方向情報は、ＩＡＤが使用するオペレータの意図のセンサから得ることができる。例えば、オペレータが押している方向を検出できる６軸センサのようなオペレータ意図センサを使用することができる。ＩＡＤが、ｘ軸およびｙ軸、および垂直軸線を中心とした回転についても監視されたトロリを含む場合、「進行方向」は、オペレータがｘおよびｙ方向にオペレータが加えた量の捻りとともに押している方向と解釈することができる。これで、補助速度は３つの運動軸全て、つまりｘ、ｙおよび捻りについて決定することができる。ＩＡＤが垂直方向に動力付きの持ち上げを含む場合、補助速度は持ち上げについても決定することができる。さらに、ＩＡＤが例えばｘ軸およびｙ軸を中心とする回転などの他の動力軸線を含む場合、補助速度は、他の動力軸線についても決定することができる。
【００７０】
本明細書で開示する技術の幾つかは、ペイロード上か、ペイロードを支持するエンド・エフェクタ上に配置されたセンサでオペレータの動作意図を測定することを含む。オペレータは、ケーブルの周囲でペイロードを恣意的に捻ることがあるので、ペイロード上のセンサは、橋形クレーンの軸線に整列しないことがある。したがって、橋形クレーンに対するペイロードの方位を測定する必要がある。
【００７１】
クレーンに対するエンド・エフェクタおよびペイロードの方位が分かっている場合、ＩＡＤ制御機構に対する幾つかの追加のアプローチが可能になる。「方位」とは、特にクレーン事態上の任意の方向にエンド・エフェクタが「ラインアップ」するのに必要な垂直軸線を中心とした回転を指す。
【００７２】
回転ジョイントの方位を測定するため、幾つかの周知のセンサが存在する。これは、電位計、光学エンコーダなどを含む。しかし、ペイロードおよび天井クレーンが通常はケーブルから数フィート離れているので、ペイロードの方位の測定はさらに困難である。ケーブルの底部に回り継手が含まれている場合、その継手の回転を測定することができるが、全ての回転がその継手のみで発生しているという保証はない。ＩＡＤで通常使用する鋼索は、引っ張り荷重の変化で大幅に捻れる傾向がある。したがって、センサはこの捻れに不感性である必要がある。前述した計器付き回り継手が、そうでないからである。
【００７３】
少なくとも１つの実施形態では、捻れは全て図８で示すように１つの回転ジョイントで分離し、ここで正確に測定することができる。１本のケーブルで達成することは困難であるが、これは図８で示すような「リーブした」ケーブル８２０で達成することができる。「リーブする」とは、ケーブルの端部をプーリ８３０の周囲に通し、元となるホイストまたは釣合装置の本体８４０に締め付けることと定義される。これで、ペイロード８５０はプーリ８３０の車軸から吊り下がることができる。リーブ動作は、２：１の伝達率として作用し、速度を半減させると同時に、ホイストまたは釣合装置の持ち上げ能力を２倍にする。リーブ動作が本明細書の状況で有用であるのは、プーリ車軸が垂直軸線を中心とする捻れをほとんど、または全く呈さないからである。
【００７４】
したがって、オペレータがエンド・エフェクタおよびペイロードを捻ることができる、その中心となる１つの回転ジョイントを生成し、このジョイントの回転を測定することが可能である。一つの実施形態では、回転センサは、絶対角度情報を提供し、１対の導電性プラスチック回転電位計を含むことができる。回転角度が１つのジョイントに、またはその付近に集中していると、レール・システムに相対してペイロードまたはエンド・エフェクタの回転角度を測定するために、多くの他の絶対または増分技術も使用できることが理解される。回転角度は、非常に正確に測定する必要がなく、実際には数十度の正確さまで測定すればよいことに留意されたい。回転角度の推定値は１つしか必要でないので、離散ホール・スイッチのリングなど、他の多くの用途では分解能が低いと見なされているタイプの回転センサ、または当技術分野で知られている他の方法を使用することができる。
【００７５】
この状況では、リーブ動作はケーブルの底部を、またはこのケースではプーリ・アセンブリの底部を捻りに抗するようにすることができる。これで、捻れは、計器付き回転ジョイント内で分離する。言うまでもなく、回転しない鋼索を使用したり、捻れない拡張機構を使用したりするなど、ケーブルの底部が捻れないようにする他の多くの方法がある。
【００７６】
回転に抗するよう設計された鋼索には多くの例がある。これは、複数セットの撚り線を使用し、その一部を右手螺旋に巻き、他を左手螺旋に巻くことによって達成される。
【００７７】
捻れない拡張機構は、ケーブルに平行に設けることができる。この機構は、ケーブルと一緒に上下するが、回転に抗することができねばならない。（非円形区間がある）入れ子式ジョイントおよびシザー・ジャッキ機構など、これを達成する多くの周知の機構がある。別のこのような機構は、関節式ケーブル・キャリアである。回転に抗するばかりでなく、この装置は、天井クレーンからエンド・エフェクタへ電気、空気圧および液圧接続部を経路指示する都合のよい手段を提供することができる。
【００７８】
レール・システムに対するペイロードおよび／またはエンド・エフェクタの垂直軸線を中心とする方位は、ＡＣ電磁気技術で測定することができる。この方法は、例えばレール・システムからエンド・エフェクタなどの数メートル離れた大きな介在距離で、方位の違いを測定する。さらに、例えば釣合装置またはホイストを起動すると、距離が変化することがある。この方法は、１つの計器付きジョイントに測定すべき角度の集中に依存しない。この方法は、ケーブルまたは鎖があるＩＡＤと全く同じように容易に、固定直立コンベアがあるＩＡＤにも適用することができる。
【００７９】
ＡＣ電磁センサは、１つまたは複数の送信コイルおよび１つまたは複数の受信コイルを使用することができる。少なくとも１つの実施形態では、１つの送信コイルおよび２つの受信コイルがあり、送信コイルをエンド・エフェクタに配置し、受信コイルをレール・システム上でその付近に配置する。しかし、２種類のコイルの位置および／または数は交換してもよい。少なくとも１つの実施形態では、ＡＣ「励起」電流を送信コイルに加え、これは直径が約１０ｃｍで、約２０巻を含むことができる。送信コイルの対称軸はほぼ水平でよく、この軸、および受信コイルに対するその感覚を決定することが、開示されたセンサの目的である。「感覚」とは、垂直軸線を中心とするコイル軸線の半回転を１回転から識別可能である、という意味である。励起の周波数は約５０ｋＨｚで、励起電流は約２５０ｍＡでよい。
【００８０】
１つの実施形態では、受信コイルは約２個あってよく、これもほぼ水平な対称軸を有し、２つのコイルの２本の軸線は、両方ともほぼ水平面にありながら、相互に対してほぼ直角でよい。受信コイルは、送信コイルと同様の構成でよい。１つの実施形態では、コイルは全て、コイルの形態でエッチングされたプリント回路基板で構築することができ、コイルはプリント回路基板上の螺旋形状でよい。当技術分野では、コイルを生成する他の多くの方法が知られている。
【００８１】
１つの実施形態では、送信コイルはエンド・エフェクタの近傍にＡＣ磁界を生成することができる。磁界は、数メートル離れても検出可能なよう、十分な強度および空間的範囲を有することができる。磁束線は、対称軸に平行に送信コイルを通過し、どこにあっても磁束線の水平成分は、送信コイルの軸線とほぼ整列した状態を維持する。
【００８２】
したがって、受信コイルを通る磁束線は、コイル内に送信コイルと受信コイルとの角度整列不良のコサインに比例する電圧を誘起することができる。誘起された電圧の大きさおよび位相は、当技術分野で知られている同期（位相感受性）検出技術で決定する。位相感受性検出技術によって使用可能になる位相または記号情報を含む２つのほぼ直角の受信コイルで、このように誘起された２つの電圧を検出することにより、受信コイルの一方に対する送信コイルの軸線を決定し、約ゼロから約３６０°の完全な範囲内で１つの角度に分解することができる。
【００８３】
送信コイルと受信コイルとを分離する距離が刻々と大きく変化できるので、少なくとも１つの実施形態では、自動利得制御（ＡＧＣ）制御機構を使用して、検出器の感度を制御することができる。１つの実施形態では、ＡＧＣ回路は、２つの受信コイルから検出された２つの電圧のうち大きい方によって駆動された連動形ＭＯＳＦＥＴトランジスタを有することができる。しかし、当業者には明白であるように、検出およびＡＧＣを遂行する他の多くの方法が可能である。
【００８４】
（固定直立コンベヤおよびケーブルまたは鎖システムの両方で）エンド・エフェクタおよびペイロードの方位を測定する別のアプローチは、ジャイロスコープ（ジャイロ）によるものである。圧電、シリコン・マイクロマシン、機械、光ファイバ、およびリング・レーザなど、多くのタイプのジャイロがある。これらは全て、基本的に方位ではなく任意の軸線を中心とする回転速度を測定することを意図している。しかし、方位は、ある時間にわたる回転速度信号を積分することによって推定することができる。しかし、回転速度推定値の小さい誤差は、時間の経過とともに累積し、方位の推定にドリフトを生じることがある。このドリフトは、比較的高価なジャイロでは１時間に１°未満しかないこともあるが、比較的安価なジャイロでは、１時間に１００°を十分に超えることもある。
【００８５】
約１０°から約２０°という方位の誤差は、一般に許容可能であるが、これは何らかの方法でドリフトを補正するか、リセットしないと、安価なジャイロが分の単位でしか信頼できる推定値を提供しないことを意味する。したがって、有効な方位センサは、ジャイロとドリフト誤差をリセットする何らかの手段との両方を含むことがある。
【００８６】
リセットする１つの単純な手段は、ＩＡＤが通常は継続時間が約５分以内の反復的作業に使用されるということを利用することである。作業は反復的であるので、方位が非常によそう可能である作業の何らかの位相を識別することが、往々にして可能である。例えば、部品を荷敷から取り上げるか、部品を取付具内に配置するためにＩＡＤを使用する場合、部品（ペイロード）の方位をよく分かっていなければならない。さらに、ＩＡＤは通常、この作業の位相にいつ到達したかを精密に決定するために使用することができる全地球測位センサおよびロード・セルを含むセンサを有する。例えば、取付具は常に同じ位置にあり、したがってＩＡＤがその位置にあることをチェックするだけでよい。これで、このセンサはドリフトのリセットを作動させることができる。
【００８７】
リセットする別の単純な手段は、オペレータにペイロードを既知の方位に回転させ（例えば天井橋形レールと整列させ）、次にリセット・ボタンを起動することである。ペイロードの方位を測定するには、他にも幾つかアプローチがあり、それは光学的アプローチ、コンパス、およびケーブル・バイブレータを含むが、それに制限されない。
【００８８】
例えば、ＣＣＤカメラをクレーンに装着し、エンド・エフェクタ上のハイコントラストのマークまたは光のセットへと下方向に向けることができる。この像から、エンド・エフェクタの方位を計算する。また、ＣＣＤカメラではなく、これより単純な側方効果光ダイオード（ＬＥＰＤ）も使用し、アレイ状の光を調べることができる。ＬＥＰＤは、それに当たる全ての光の中心を計算し、したがって方位を計算するには、少なくとも２つの光源を交互にオンとオフに切り換える必要がある。追加の光源を使用して、幾つかの光源が遮断されても、方位推定の連続性を保証することができる。あるいは、このタイプのシステムを、前述したようなジャイロと一緒に使用することができる。ジャイロは、短い時間スケールで方位の推定を更新し、光学システムがドリフトを解消することができる。この基本的な光学的アプローチに対して、他にも多くの変形が可能である。例えば、受信機をエンド・エフェクタに装着し、照明をクレーンに装着する。また、異なる色の照明を使用して、その識別をさらに単純にすることができる。この方法は、固定直立コンベヤおよびケーブルまたは鎖システムの両方に当てはまる。
【００８９】
磁気コンパスは、地球の磁界に対する方位を確立する単純な方法を提供する。したがってエンド・エフェクタ上に配置されたコンパスは、地球に固定したクレーンのフレームに対して良好な方位の尺度を提供する。このアプローチの１つの問題は、大きい強磁性物体が地球の磁界を局所的に大幅に歪めることである。しかし、このような物体が存在しないか、固定された既知の位置にある場合、コンパスの使用は有効なアプローチである。場合によっては、コンパスをクレーンとエンド・エフェクタとの両方に配置し、この２つの測定値の差を方位の推定値として使用することも可能である。このアプローチは、磁界の歪みがクレーン付近とエンド・エフェクタ付近とで同様である場合に、良好に働く。この方法は、固定直立コンベヤおよびケーブルまたは鎖システムの両方に当てはまる。
【００９０】
図９で示した別のアプローチは、エンド・エフェクタ９２０のフレームに固定した軸線に沿ってケーブル９１０を機械的に振動することを含む。振動は、例えば回転シャフト９４０に装着した偏心カム９３０などによって生成することができる。カム９３０は、図９で示したようにケーブルに押しつけて、回転の周波数で横方向に押しやる。したがってケーブルの振動を、ＣＡＳで検出することができる。ＣＡＳはｘ軸とｙ軸の両方で測定するので、ケーブル９１０が振動する面の方位を決定することが可能である。次に、これをエンド・エフェクタ９２０の方位の推定値として使用することができる。言うまでもなく、ケーブルに振動を与える方法が他にも多くある。１つの小さい変形は、カムの外縁に減摩軸受を装着することを含む。この方法で、カムとケーブルとの間ではなく、カムと軸受との間に滑動が生じる。これで、ケーブルの摩耗を最小限に押さえることができる。別の技術は、電磁トルク・モータ、音声コイル・モータ、リニア・モータ、または慣性振動装置など、多くの周知の振動源のいずれかでカムを置換するか、ケーブルに水平の力を誘起するＡＣ磁界を使用することであり、これはこの場合、磁性材料でなければならない。
【００９１】
例えば上述した技術のいずれかを使用するなどにより、クレーンに対するエンド・エフェクタの方位が分かっている場合は、２軸意図センサをエンド・エフェクタに装着し、方位の違いを考慮するよう適切に回転したこのセンサの出力を使用して、動力付きトロリに指令することが可能である。
【００９２】
図１０で示すように、前後および左右の方向は、人間のオペレータ１０１０の自然の座標系を確立し、橋（ｘ）および走り道（ｙ）は、動力付きトロリが作用する座標系１０２０を表す。この２つの座標系が整列することは滅多にないので、フレーム１０２０内で実行すべき結果のトロリ速度指令を計算する前に、フレーム１０１０内で発信されたオペレータ指令を変形する必要がある。必要な変形は、方位角度φの回転である。
【数６】
2005524593.tif 000019
ここで
2005524593.tif 000020
は、オペレータが生成した指令であり、
2005524593.tif 000021
は動力付きトロリに発行した指令、ｃは利得、サインおよびコサインの行列は回転行列である。この式で示したキーポイントは、フレーム１０１０内で発信した指令からフレーム１０２０内で実行される指令までの回転であることを理解されたい。この式は、これらの回転した指令を係数ｃだけ単純に変倍しているが、積分、微分、閾値設定および飽和などのより複雑な演算を適用してもよい。これらの演算は、当技術分野でよく知られている。
【００９３】
指令
2005524593.tif 000022
は、２軸ジョイスティック、トラックボールまたは２軸ロード・セルなどの比例２軸入力装置をオペレータが起動して生成することができる。しかし、１軸比例センサ、または３本以上の軸線を有するセンサなど、他の多くの構成が可能である。入力装置は、用途に応じて様々な方法で装着することができる。例えば、１組のハンドルの基部に装置を装着する。あるいは、オペレータの親指の下に合うよう、センサは十分に小さくてよい。構成には制限がない。必要なことは、オペレータが独立した２組の指令を生成できることだけである。指令は比例である必要もない。１つの単純な代替構成は、４個で１組のモメンタリ・スイッチを有し、これはそれぞれ前方、後方、右側および左側指令用である。前方ボタンを押下すると、ボタンが押下状態で、最高速度に到達していない限り、図５ａから図５ｂで示したものと同様の方法で、前方に加速することになる。ボタンを解放すると、ゼロの速度まで減速する。他のボタンも同様の方法で作動する。言うまでもなく、このアルゴリズムには他の多くの変形が可能であり、これは当業者には明白である。
【００９４】
フレーム１０１０内で発信された指令をフレーム１０２０内で実行される指令に回転する本明細書で説明した方法は、固定直立コンベアをベースにしたＩＡＤと、ケーブルまたは鎖をベースにしたＩＡＤとの両方に適用可能である。後者の場合は、この方法を、ケーブル角度感知に基づいた制御と組み合わせることが可能である。２つの方法は高度に相補的である。ケーブル角度の感知に基づく制御は、オペレータが単純に行きたい方向および速度でペイロードを押すだけという点で、高度に直感的である。前述したように、このタイプの制御も当然、ペイロードの揺動を防止する。２軸入力装置に基づく制御は、それほど直接的ではない。オペレータがペイロード自体ではなく入力装置を操作する必要があるからである。さらに、２軸入力装置に基づく制御は、必ずしも揺動防止を提供しない。にもかかわらず、２軸入力装置を使用するには１つの大きな理由がある。オペレータ側に必要な労力がゼロに近いことである。組み合わせた方法は、単に２つのタイプの指令を組み合わせることができる。
【数７】
2005524593.tif 000023
【００９５】
２軸入力装置のために、動作の開始、維持、または阻止に必要な労力は非常に小さい。にもかかわらず、オペレータはペイロードを直接押すことができ、ペイロードが応答し、これが微細位置決めに有用であることが多い。さらに、ケーブル角度の感知を使用すると、オペレータがペイロードを押しても、押していなくても、揺動が防止される。ケーブル角度の一体制御など、この基本的アルゴリズムに可能な多くの変形が、当業者には明白である。
【００９６】
天井橋形レール・システムに加えて、様々な幾何学的形状を移用する他のクレーンの設計がある。１つは「ガントリ・クレーン」であり、これは橋形クレーンと同様にｘおよびｙ方向の動作を提供するが、ｙ軸の天井レールの代わりに床に装着したｙ軸軌道がある。逆転したＵ字構造が軌道に載り、この構造の頂部がｘ軸レールである。別の幾何学的形状はジブ・クレーンであり、ここでは１本のレールが垂直軸線の周囲で旋回する。したがって、ジブは、ｘｙの幾何学的形状ではなくｒθの幾何学的形状を有する。
【００９７】
本発明の多くの実施形態を図示し、説明してきたが、本明細書で説明した本発明の範囲内で変形および変更が可能であることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【００９８】
【図１ａ】本発明による知的補助器具の少なくとも１つの実施形態の上斜視図である。
【図１ｂ】図１ａの知的補助器具の少なくとも１つの実施形態の上面図である。
【図２】少なくとも１つの実施形態のコンピュータ・システムの略図である。
【図３】少なくとも１つの実施形態の制御図の略図である。
【図４】本発明の知的補助方法の少なくとも１つの実施形態の略流れ図である。
【図５】図５ａから図５ｂは、少なくとも１つの実施形態の略流れ図である。
【図６】知的補助器具の実施形態により偏向しているケーブルの部分斜視図である。
【図７】本発明の知的補助方法の少なくとも１つの実施形態の略流れ図である。
【図８】知的補助器具の別の実施形態の部分上斜視図である。
【図９】知的補助器具の別の実施形態の部分略図である。
【図１０】知的補助器具の別の実施形態の上斜視図である。
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【手続補正書】
【提出日】平成16年5月7日(2004.5.7)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
知的補助方法で、
懸垂した物体に手の力を加えることと、
懸垂した物体に手の力を加えた角度を決定することと、
懸垂した物体に力を加えた角度に従い、物体を移動させる電動力を生成することと、
電動力を継続し、懸垂した物体にもう手の力を加えていなくても、懸垂した物体に手の力を加えた角度に従い、物体を移動し続けることができるよう、懸垂した物体に手の力を加えることにより生成された信号とは別個の信号をオペレータ入力装置に入力することとを含む知的補助方法。
【請求項２】
さらに、
懸垂した物体に手の力を加えた角度の変化を感知することと、
感知に基づいて電動力が物体を移動させる方向を変化させることとを含む、請求項１に記載の知的補助方法。
【請求項３】
信号の入力が連続的である、請求項１に記載の知的補助方法。
【請求項４】
信号の入力が１回発生する、請求項１に記載の知的補助方法。
【請求項５】
さらに、最高速度に到達するまで信号の入力が連続している限り、速度を増加させることを含む、請求項１に記載の知的補助方法。
【請求項６】
知的補助方法で、
制御装置で入力補助要求信号を受信することと、
ケーブル角度を測定することと、
ケーブル角度に基づいて初期進行方向を決定することと、
少なくとも１つの動力付きトロリに関して速度指令値を決定することとを含み、速度指令値がケーブル角度に基づき、さらに、
入力補助要求信号に基づいて速度指令値を調節することを含み、入力補助要求信号が、ケーブル角度の測定値とは異なり、それとは別個であり、さらに、
速度指令値に基づいて更新した進行方向を導き出すことと、
少なくとも１つの動力付きトロリに速度指令値を出力することとを含む知的補助方法。
【請求項７】
さらに、進行方向に対して直角のケーブル角度があれば、それを考慮するために速度指令値を調節することを含む、請求項６に記載の知的補助方法。
【請求項８】
さらに、速度指令値の大きさを予め決定した速度閾値と比較することを含む、請求項６に記載の知的補助方法。
【請求項９】
速度指令を調節することは、入力補助要求信号が存在する場合は、速度指令値を増加させることを含み、入力補助要求信号が存在しない場合は、速度指令値を減少させることを含む、請求項６に記載の知的補助方法。
【請求項１０】
速度指令値の調節が、さらに加速値に基づく、請求項６に記載の知的補助方法。
【請求項１１】
知的補助方法で、
予め決定した軌道に従って懸垂した物体を移動するため、電動力を生成する信号を入力することを含み、予め決定した軌道は、懸垂した物体の初期位置および予め決定した目標位置に基づき、さらに、
軌道を変更するために、懸垂した物体に手の力を加えることと、
懸垂した物体に手の力を加えた角度を感知することと、
感知に基づき、電動力が懸垂した物体を移動させる方向を変更することとを含む知的補助方法。
【請求項１２】
知的補助システムで、
ケーブル付きのクレーンと、
ケーブル角度を測定する角度センサと、
少なくとも１つの動力付きトロリと、
センサおよび少なくとも１つの動力付きトロリに結合された制御装置と、
制御装置に対して入力信号を生成する入力手段とを有し、入力手段がケーブルおよび角度センサとは別個であり、
制御装置は、少なくとも１つの動力付きトロリの速度指令値を決定するよう制御装置を構成するために、速度決定アプリケーションを含み、制御装置が、ケーブル角度および入力信号に基づいて速度指令値を決定する知的補助システム。
【請求項１３】
入力手段が押しボタン装置を含む、請求項１２に記載の知的補助システム。
【請求項１４】
入力手段が誘導装置を含む、請求項１２に記載の知的補助システム。
【請求項１５】
入力手段が連続信号を生成する装置を含む、請求項１２に記載の知的補助システム。
【請求項１６】
入力信号が信号パルスを生成する装置を含む、請求項１２に記載の知的補助システム。
【請求項１７】
知的補助システムで、
ケーブル付きのクレーンと、
ケーブル角度を測定する角度センサと、
少なくとも１つの動力付きトロリと、
センサおよび少なくとも１つの動力付きトロリに結合された制御装置と、
制御装置に結合されたオペレータ入力装置とを有し、オペレータ入力装置がケーブルおよび角度センサとは別個であり、
制御装置は、少なくとも１つの動力付きトロリの速度指令値を決定するよう制御装置を構成するために、速度決定アプリケーションを含み、制御装置が、ケーブル角度および入力装置によって生成された入力信号に基づいて速度指令値を決定する知的補助システム。
【請求項１８】
オペレータ入力装置が少なくとも１つの押しボタンを含む、請求項１７に記載の知的補助システム。
【請求項１９】
オペレータ入力装置がジョイスティックを含む、請求項１７に記載の知的補助システム。
【請求項２０】
オペレータ入力装置がステアリング・ホィールを含む、請求項１７に記載の知的補助システム。
【請求項２１】
一連のプログラムされた命令でコード化されたコンピュータで読み出し可能な媒体で、プロセッサによって実行されると、
制御装置で入力補助要求信号を受信し、
ケーブル角度を測定し、
ケーブル角度に基づいて初期進行方向を決定し、
少なくとも１つの動力付きトロリに関して、速度指令値を決定するよう動作可能であり、速度指令値はケーブル角度に基づき、さらに、
入力補助要求信号の状態に基づいて速度指令値を調節するよう動作可能であり、入力補助要求信号がケーブル角度とは別個であり、さらに、
速度指令値に基づいて、更新した進行方向を導き出し、
速度指令値の大きさを、予め決定した速度閾値と比較し、
少なくとも１つの動力付きトロリに対して速度指令値を出力するよう動作可能である媒体。
【国際調査報告】
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