EP4327447A1 - Verfahren, system und elektronisches modul zum ausgleich einer gewichtskraft eines gegenstands - Google Patents

Verfahren, system und elektronisches modul zum ausgleich einer gewichtskraft eines gegenstands

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Publication number
EP4327447A1
EP4327447A1 EP22720641.4A EP22720641A EP4327447A1 EP 4327447 A1 EP4327447 A1 EP 4327447A1 EP 22720641 A EP22720641 A EP 22720641A EP 4327447 A1 EP4327447 A1 EP 4327447A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
motor
weight
speed
traction cable
electronic module
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP22720641.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Roland Schaer
Michael Wierer
Dragan Stevic
Georg Braml
Christian Metzler
Antonios DRAGANIS
Guenther Veik
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hilti AG
Original Assignee
Hilti AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hilti AG filed Critical Hilti AG
Publication of EP4327447A1 publication Critical patent/EP4327447A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23B—TURNING; BORING
    • B23B45/00—Hand-held or like portable drilling machines, e.g. drill guns; Equipment therefor
    • B23B45/02—Hand-held or like portable drilling machines, e.g. drill guns; Equipment therefor driven by electric power
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23B—TURNING; BORING
    • B23B35/00—Methods for boring or drilling, or for working essentially requiring the use of boring or drilling machines; Use of auxiliary equipment in connection with such methods
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B66—HOISTING; LIFTING; HAULING
    • B66C—CRANES; LOAD-ENGAGING ELEMENTS OR DEVICES FOR CRANES, CAPSTANS, WINCHES, OR TACKLES
    • B66C13/00—Other constructional features or details
    • B66C13/04—Auxiliary devices for controlling movements of suspended loads, or preventing cable slack
    • B66C13/08—Auxiliary devices for controlling movements of suspended loads, or preventing cable slack for depositing loads in desired attitudes or positions
    • B66C13/085—Auxiliary devices for controlling movements of suspended loads, or preventing cable slack for depositing loads in desired attitudes or positions electrical
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16M—FRAMES, CASINGS OR BEDS OF ENGINES, MACHINES OR APPARATUS, NOT SPECIFIC TO ENGINES, MACHINES OR APPARATUS PROVIDED FOR ELSEWHERE; STANDS; SUPPORTS
    • F16M13/00—Other supports for positioning apparatus or articles; Means for steadying hand-held apparatus or articles
    • F16M13/04—Other supports for positioning apparatus or articles; Means for steadying hand-held apparatus or articles for supporting on, or holding steady relative to, a person, e.g. by chains, e.g. rifle butt or pistol grip supports, supports attached to the chest or head
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P3/00—Arrangements for stopping or slowing electric motors, generators, or dynamo-electric converters
    • H02P3/02—Details of stopping control
    • H02P3/025—Details of stopping control holding the rotor in a fixed position after deceleration
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Program-controlled manipulators
    • B25J9/0006—Exoskeletons, i.e. resembling a human figure
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B66—HOISTING; LIFTING; HAULING
    • B66D—CAPSTANS; WINCHES; TACKLES, e.g. PULLEY BLOCKS; HOISTS
    • B66D3/00—Portable or mobile lifting or hauling appliances
    • B66D3/18—Power-operated hoists

Definitions

  • the present invention relates to a method for compensating for a weight of an object in a system, wherein the object can be attached to a traction cable and wherein the system is set up to perform a compensating process in relation to the weight of the object.
  • This compensation process can be carried out by determining a speed of the motor and/or a derivation of the speed of the motor, with a current setpoint being stored in the system as a control variable, preferably when the speed of the motor or its derivation falls below a limit value for a long time.
  • the speed of the engine or its derivative corresponds to a weight of the object to be balanced in the context of the present invention.
  • a current value required to maintain the first position of the object or a motor torque required for this can be stored in the system and the weight of the object can be compensated for using the previously stored current values or torques.
  • the invention relates to a system and an electronic module for carrying out the proposed compensation method.
  • tool devices such as chisels, hammer drills, core drills or the like
  • tool devices such as chisels, hammer drills, core drills or the like
  • Tools are often strenuous and tiring, especially when working with these devices for a long period of time.
  • Tools are often heavy and the downward weight of such a tool towards the ground means that work with such tools can only be performed for a limited period of time before a break is required. However, this can delay the progress of work on a construction site, which is undesirable for various reasons.
  • Passive assistance systems for example, are known in the prior art.
  • an object can be attached to a component of the assistance system, with the object then being held by the assistance system.
  • a passive suspension cannot provide sufficient support for the user in some applications.
  • the object on which the present invention is based is therefore to overcome the above-described shortcomings and disadvantages of the prior art and to provide a method and a system for compensating for a weight of an object which is particularly easy to handle.
  • the system to be provided and the method should effectively and reliably compensate for the weight of an object in different applications and situations. Experts would also appreciate it if the system to be provided could enable not only static but also dynamic support for the system user.
  • a further object on which the invention is based is to provide an electronic module as the drive and control unit of such a system.
  • a method for compensating for the weight of an object in a system in which the object can be attached to a traction cable, the method being characterized by the following method steps: a) fastening the object to the traction cable, b) determining a speed of the motor and/or a derivation of the speed of the motor, c) determination of a desired current value, d) compensation of the weight of the object using the previously determined desired current value.
  • the speed of the motor or its derivation corresponds to the weight of the object that is to be compensated with the proposed method.
  • the weight of the object is compensated in particular This is because the previously determined current setpoint is used as the controlled variable.
  • this preferably means that the weight of the object is compensated for by the motor current of the motor of the system being regulated to the desired current value.
  • the desired current value is determined when the speed of the motor falls below a limit value for a longer period of time.
  • a desired current value S is determined in the context of the proposed method.
  • that current value is defined as the desired current value at which the speed of the motor or its derivation falls below a previously defined limit value. It is preferred within the meaning of the invention that a current current value is recorded as the desired current value and regulated to this as soon as the object is fastened to the traction cable or suspended from the system.
  • the current setpoint is determined in particular when the speed of the motor and/or its derivative falls below a limit value for a defined period of time.
  • the desired current value determined in this way is then preferably used to compensate for the weight of the object, with the desired current value representing in particular the controlled variable. The weight of the object is thus compensated in particular by using the previously determined desired current value.
  • the motor current assumes a constant value essentially at all times in which the weight of the object is to be balanced.
  • the wording that the current setpoint is used "as a controlled variable" is not an unclear term for the expert, because the expert knows that this means regulation to this specific current value.
  • a current setpoint value is recorded if the speed of the system motor or its derivative falls below a limit value.
  • This current setpoint is then used as the control variable, i.e. it is used for control.
  • the desired current value is preferably used in order to compensate for the weight of the object or its weight.
  • the speed of the motor of the system correlates with a speed of the traction cable of the system. In other words, there is a link between the motor speed of the system and the speed of the cable. In other words, the speed of the motor corresponds to a speed of the cable of the system.
  • position control can be switched to when the speed of the motor of the system exceeds a limit value. It is preferred within the meaning of the invention that the determination of a first position X of the object in The meaning of the invention is preferably referred to as position control. A position controller can advantageously be used for this. It is preferred within the meaning of the invention that the position regulation is completed when a speed of the object or the derivation of the speed of the object assumes the value "zero" for a defined length of time.
  • the invention relates to a method for compensating for the weight of an object in a system, in which the object can be fastened to a traction cable, the method being characterized by the following method steps: a) determining a current position of the object , b) determining a speed of the motor and/or a derivation of the speed of the motor, c) storing the current position as a controlled variable in the system if the speed of the motor and/or the derivation of the speed of the motor exceeds a limit value, d) regulation of the current position of the object until a speed of the object is essentially “zero” for a period of time delta t, e1) storage of a current value l_X required to maintain the current position in the system or e2) storage of a current value l_X for maintenance the current position of required torque M_X in the system, f) Au equal to the weight force using the current value l_X stored in step e1 or the torque M_X stored in step
  • the weight of the object can be compensated for by controlling the previously determined or stored current and torque data. In this way, in particular, a possibility can be provided of working with the object essentially without any force, since the weight of the object is “taken from” the user of the system as a particular advantage of the invention.
  • the method regulates the position of the object to a stored position until the position of the object is constant.
  • the wording that a "velocity is essentially 0" preferably means that the velocity of the attached object is less than 10 mm/s, more preferably less than 5 mm/s and most preferably approx. 3.7mm/s. This corresponds to a motor speed value of less than 1 rad/s.
  • the invention relates to a system, the system comprising an electronic module with an energy source for supplying the system with electrical energy, a device for winding up the traction cable, a motor for driving the device for winding up the traction cable and a control device.
  • the system in particular its control device, is set up to carry out a balancing process in relation to the weight of the object.
  • the compensation process preferably represents a control and regulation process in relation to the position of an object attached to the traction cable of the system, it being possible for this control and regulation process to be described by the method steps mentioned above.
  • the Be handled compensation process relates in particular to the compensation of a weight of an object in a system, wherein the object can be attached to a traction cable of the system.
  • the electronic module can include a transmission that is preferably set up to enable high torques of the motor.
  • the motor, the gear and a roller at the output of the gear are located on the user's back, ie in a back area.
  • the reel may be part of or form a winding unit.
  • the components mentioned can together form an electronic module, in which case the electronic module can also have an energy supply and a control device.
  • the traction cable is preferably routed via guides to the front of the user of the system.
  • the object can be attached to this traction cable.
  • the object can be, for example, a drill or a chisel. It is preferred within the meaning of the invention that the weight of the object can be compensated for by the system, in particular its motor, so that the user only has to expend a little force to move and work with the object.
  • a current position of the object is first determined. This can be done, for example, by the object being fastened to the traction cable, as a result of which a current position of the object is defined. In the sense of the invention, however, it can also be preferred that the object is first placed on the ground, attached to the traction cable and brought into a current position by the system. In addition, it may be preferable for an object already attached to the traction cable to be lowered or driven down to the ground and there to be detached from the traction cable.
  • the current position within the meaning of the invention can preferably be the original position of the object before it was lowered or lowered. In the context of the invention, it can preferably also be referred to as “first position”.
  • the object can then also be moved (back) into its original or another position.
  • the object that is already fastened to the traction cable can be detached from the system or the traction cable, with the position at which the system registers the removal of the object being used as the first position within the meaning of the invention becomes.
  • the detection of whether an object is attached to the traction cable of the system is preferably carried out by recognizing a change in the speed, such a change in speed being caused in particular by the hanging of an object.
  • the attachment of the object to the system can result in an increase in RPM, which is recognized by the system and associated with the "object mounted" information.
  • Controlling the position of the object preferably includes a position control, which can be switched hard or soft.
  • This setting of the severity of the regulation can be carried out in particular as a function of a speed of the engine of the electronic module of the system or as a function of a derivative of the engine speed.
  • a position controller is used to implement the control.
  • the position controller can be designed, for example, as a PIDT1 controller or PDT1 controller.
  • a current position of the object is stored and then used as a controlled variable in the control and regulation calculation method can be used when the speed of the motor or its derivative exceeds a certain value.
  • This value is preferably also referred to as a “limit value” or “switching value”, this limit or switching value being in a range from 40 to 1000 rad/s for the engine speed and 100 to 4000 rad/s 2 for the derivation of the speed of the engine can lie. Of course, values outside of these ranges can also occur.
  • This limit can be the same or similar for the first proposed method. However, other values can also come into consideration as limit values for the first proposed method.
  • this previously stored current position of the object which is also referred to as the "first position” and with the reference symbol "X" in the context of the invention, is used in particular when the object is attached to the traction cable by a user of the system .
  • the weight or the weight of the object can be balanced particularly well.
  • the object whose weight is to be compensated for by the proposed system and the proposed method can be picked up lying on the ground.
  • the object in this first mode, the object is placed on a surface such as the ground.
  • the object can then, for example, using an acquisition or suspension device attached to the traction cable and lifted to a certain height.
  • the lifting process can be started, for example, using an input device on the system.
  • push buttons, switches or potentiometers can be used to initiate the lifting of the object to a specific height. The use of a potentiometer is particularly preferred when a variable stroke or lifting speed is desired.
  • the object which in this embodiment of the inventions is already attached to the traction cable, can be moved downwards in a spatial direction, in particular in the direction of the ground. In terms of this embodiment of the invention, it is particularly preferred that the object is lowered to the ground and then detached.
  • the user of the proposed system releases the object from the traction cable and in this way the object from the system removed.
  • the recording or suspension device or the pull rope remains in the position that she / it had occupied when the object was removed, so that this position of the recording or hanging device or the pull rope as a controlled variable for the proposed equalization procedure can be used.
  • the current setpoint is stored in the system as a control variable.
  • the limit or switching value was established before the system was put into operation. For example, it can be stored in the system. This storage can take place, for example, in the control device of the system. Storage means for storing the first or the current position of the object can also be provided in the system. Furthermore, lookup tables or similar means of comparison can be used. It is preferred within the meaning of the invention that the limit or switching values are stored in the system.
  • the formulation that the position of an object is used "as a control variable" is not an unclear term for the person skilled in the art, because the person skilled in the art knows that this means a control on this position.
  • these method steps are referred to as "storing a current value I_X required for balancing the attached device in the system” or "storing a torque M_X required for balancing the attached device in the system”.
  • the current value I_X required for maintaining the first or current position is preferably the output of the position controller or the data and measured values output by it.
  • the stored current and torque preferably represent the values required for the system to balance the attached object.
  • the stored current value I_X can, for example, correspond to the desired current value of the first proposed method.
  • the position controller is set up to allow the object to be moved upwards or downwards by a user. It is preferred within the meaning of the invention that in the case of hard position control, the controller reacts by requesting a higher or lower torque or a higher or lower current when the user tries to move the attached device up or down move. This reaction preferably takes place promptly or immediately after the system has detected the movement of the object.
  • the additional force of the user is compensated and the object that is hung on the traction cable of the system remains in place. In soft position control, this demand for more or less torque is fed back proportionally or integrally, changing the position command.
  • the changed current value is referred to as DELTAJ and the changed torque as DELTA_M, with the respective difference between the changed value and the initial value being able to be further processed using information technology.
  • the current value I_X stored in method step d) or the value M_X for the torque stored in method step d) is subtracted from the respective value DELTAJ or DELTA_M, with the respective difference being integrated , damped integrated and/or Pl-reinforced. This can preferably provide a very soft position control, which allows the user of the proposed system to work with the balanced object only against very little resistance.
  • the force that the user has to exert when working with the object whose weight is intended to be balanced by the proposed system can be significantly reduced.
  • Tests have shown that the force to be applied by the user can be practically reduced to 0.
  • this preferably means that the user only has to apply the force that is required for working with the machine tool, but not a force to hold the machine tool. It is preferred within the meaning of the invention that a size of this resistance can be adjusted with the aid of amplification or amplification control, in which case the amplification or amplification control can be connected upstream of the integrator.
  • a difference between the changed current value DELTAJ and the stored current value I_X is integrated, with the setpoint value for the position being able to be corrected as a result.
  • the integration can preferably be carried out by the integrator.
  • the integrator can be set up to integrate a difference between the changed current value DELTAJ and the stored current value I_X, as a result of which the position setpoint can be corrected.
  • the user of the system attaches the object to his pull cable, with the system preferably being in a reset state.
  • the system switches to weak or soft position control.
  • This fixed position of leveled object can also be referred to as "first position X".
  • the first position X of the object preferably corresponds to a certain current value, which is dependent on the weight of the attached object. It is preferred within the meaning of the invention that the current current or torque value is stored and forwarded to the integrator when the state of weak or soft position control is entered.
  • the speed w_MOTOR of the motor or its derivative div_w_MOTOR can rise rapidly as a result, with the system preferably being set up to detect an increase or a change in the motor speed or the derivative of engine speed and to switch to a "position control" state.
  • the recognition is preferably carried out by a comparison with reference values that were previously determined in tests. When this state is entered, the current position of the object is measured and subsequently adjusted to this. It is preferred within the meaning of the invention that a few sampling steps are carried out when the rotational speed w_MOTOR of the motor falls below a specific, very small value. This very small value can be in a range of, for example, 0 to 0.1 rad/s.
  • the system can then return to the weak or soft position control state, where the sampling steps can have a length of 1 millisecond (ms), for example. According to the invention, it is preferred that 10 to 300 scanning steps are carried out. According to the invention, it is preferred that during the sampling steps it is waited to see whether the speed w_MOTOR of the motor has stabilized at the very low level. If this is the case, the changeover to the weak or soft position control state follows.
  • the value of the engine speed during the ten sampling steps for example, is always less than a limit value, which can be 0.1 rad/s, for example.
  • the system can be in a "pull-down" or "pullj p" state, with a position setpoint changing essentially continuously in these states can be.
  • essentially continuous change is not an unclear concept for the person skilled in the art, because he knows that it means, for example, change rates or change steps in a range of 0.05 rad/ms. This advantageously allows the object to be lifted or lowered. As soon as the user stops moving the object down or up, it is preferred in the context of the invention that a small value for the motor speed w_MOTOR or a certain number of sampling steps is reached again waiting until a return to the weak or soft position control state occurs.
  • the position controller helps the user of the system to slow down a movement of the object, with the user having to work against a slight, preferably adjustable, resistance of the object.
  • This embodiment of the invention is particularly preferred when the object is to be lifted from an underground, with the hanging in particular taking place while the object is still lying on the underground. It can also be used in cases where the object is to be lowered onto a substrate in order to be suspended there.
  • the position control is carried out essentially continuously while the object is being worked on or when the object is fastened to the traction cable of the system.
  • the data that are determined during the compensation process are preferably used in order to compensate for the weight of the object.
  • a new compensation process preferably takes place when another object is attached to the pull cable of the system or the original object is detached and re-attached, for example due to a tool change on the object.
  • the transmission of the system which in particular has a gear ratio between 2 and 15 and preferably between 4 and 12.
  • the transmission can have a roller at its output, the roller having a diameter in a range from 10 to 200 mm, preferably in a range from 20 to 150 mm and particularly preferably in a range from 40 to 120 mm.
  • Tests have shown that a combination of a gear ratio in a range of 4 to 12 and a roller diameter of 40 to 120 mm represents a good compromise so that the system's motor is able to generate a sufficiently large torque on the
  • it can be made compact to be used in a body-worn balancing system.
  • the motor is an external rotor motor.
  • high torques can be achieved at low speeds by using an external rotor motor.
  • the motor has a number of poles that is greater than 6. This allows a continuously high torque to be provided. Compensation of user movements:
  • forces act on the object as a result of movements by the user, with these forces and their effects on the weight of the object being able to be compensated for by positive or negative changes in the torque of the system's motor.
  • the term “positive change in torque” is preferably understood as an increase in torque
  • the term “negative change in torque” is preferably understood for the purposes of the invention as a reduction in torque.
  • changes in torque can be used to compensate for movements of the user connected to the object via the system. In particular, this can prevent undesired, uncontrolled movements of the object, which may pose a risk to the system user.
  • the up and down movement caused by the user moving, in particular running, and the bending movements of the user in a spatial direction forwards or backwards can be compensated for by the proposed system and with the proposed method.
  • This is preferably done by additional accelerations that act on the object and affect its weight.
  • the object can be subjected to additional accelerations in order to compensate for movements by the user.
  • These additional accelerations preferably counteract the movements of the user, ie they are suitable for compensating for the movements of the user. It is preferred within the meaning of the invention that these additional accelerations can be compensated for by positive and negative changes in the torque.
  • the proposed system preferably has acceleration sensors that are set up to determine these additional accelerations.
  • acceleration sensors are used that can measure acceleration primarily in the Z axis.
  • a movement of the object along the Z-axis corresponds to the object moving up and down. This axis is shown, for example, in FIG. 1 as the O or U axis.
  • the acceleration sensors are preferably set up to also detect movements of the object in the X and/or Y axis. These movements correspond to lateral movements of the object or movements of the object forwards or backwards.
  • yaw rate sensors can be used, which can detect bending movements.
  • the rotation rate sensors are preferably set up to detect such bending movements in all three spatial directions X, Y and Z.
  • the at least one sensor for detecting the acceleration is arranged in a vertical spatial direction. If the acceleration sensor is not arranged exactly in the vertical direction, it is preferred within the meaning of the invention that a correction factor is used to compensate for this deviation from the vertical spatial direction. In this case two sensors are preferably used.
  • the correction factor can preferably be determined as a function of the angle of inclination beta of the bending movement of the user forwards or backwards.
  • the vertical direction in space preferably corresponds to a movement of the object along the Z axis (cf. Fig. 1: O and U axis), i.e. preferably an up and down movement of the object.
  • the angle of inclination beta is preferably the angle that is enclosed by an imaginary vertical axis, which runs, for example, through the system user and essentially parallel to his spine, and the inclined upper body of the user. For example, if the user leans forward by 20 degrees from the usual straight posture, which is represented by the imaginary vertical axis, then the angle of inclination beta is 20 degrees. In other words, it is preferred within the meaning of the invention that the user's bending movements in a spatial direction forwards or backwards can be described by an angle of inclination beta.
  • the angle of inclination beta can be measured by a frequency-based complementary filter of the yaw rate and acceleration measurement, with the frequency preferably being determined in such a way that it effectively dampens the stepping frequency of the user. Tests have shown that the frequency is preferably in a range from 0.4 to 2 Hz in order to achieve particularly good damping of the user's step frequency.
  • sensors are used that are set up to detect both a rate of rotation and an acceleration.
  • rotation rate is to be understood as the bending speed of the user, ie as the speed at which the user bends forwards or backwards.
  • the system comprises at least one sensor for detecting a position of the motor of the balancing device.
  • a position of the rotor of the motor can be determined by the sensors if the motor of the device is designed as an electric motor, which preferably comprises a rotor and a stator.
  • the at least one sensor for detecting the motor position can preferably be designed as a Hall sensor.
  • the system is set up to determine a speed of the motor. This motor speed is preferably determined as a function of the determined position of the motor or its rotor. According to the invention, it is particularly preferred that a motor speed is determined and made available to the balancing device for controlling or setting the position of the attached object.
  • the motor speed can preferably be determined using the Hall sensor. It is preferred within the meaning of the invention that the balancing device is set up to determine that motor current that is required to regulate the position and/or the weight of the suspended object. This determination of the motor current can take place in particular as a function of a set or determined operating mode of the system. It is preferred within the meaning of the invention that the balancing device is able to recognize whether a load is attached to or suspended from the system. This detection is preferably based on the engine speed, which can be determined, for example, with the Hall sensor.
  • the motor current required to keep the object suspended is determined.
  • the phrase “hold in suspension” preferably means that a weight of the object is balanced or neutralized by a holding or tensile force of the system. In the context of the present invention, this state is preferably referred to as the balancing or equilibrium state. It is preferred within the meaning of the invention that the holding or pulling force that is required to compensate for the weight of the object can be generated by the motor of the system. In other words, the motor of the system can be used to force the weight to balance the item.
  • the motor current is preferably regulated with the aid of a motor controller or with the aid of motor electronics.
  • the system has at least one additional sensor, this additional sensor being provided for determining the motor current.
  • the additional sensor can therefore preferably also be referred to as a current sensor.
  • the current or a current value for the new position of the object can be readjusted so that the user can move the object without applying the actual weight force if the position of the object is changed by the user by lifting or lowering the object is changed.
  • the position of the attached object can be controlled via an input device.
  • the input device may include, but is not limited to, a display, touch screen, buttons, switches, controls, and/or other actuators.
  • the wording that the "position of the attached object can be controlled via an input device" means in the context of the invention that the input device can have, for example, an "up switch” and a “down switch", with actuation of the up switch preferably results in the object being pulled up by the system, while actuation of the «down switch results in the object being lowered by moving it down.
  • the input device may include an on/off switch that can be used to turn the system on or off.
  • the input device can include output means, such as light-emitting diodes (LEDs), for example, with which, for example, an operational readiness of the system or a state of charge of the battery of the system can be displayed.
  • LEDs can, for example, have different colors or emit light in different colors or flash. It is preferred within the meaning of the invention that forces caused by other movements by the user can be compensated for by similar or analogous methods.
  • the system can be operated in different operating modes.
  • a possible mode of operation relates, for example, to detaching or removing the object.
  • this mode is referred to as "unhook" or hang-up mode.
  • the position of the object is fixed in the suspension mode, so that the object can be removed from the pull cable of the system particularly easily and without force.
  • the suspension module thus makes it easier for the user to detach the object or remove the object from the system.
  • the user must Detaching the object does not apply the weight of the object, but this is taken from it by the system.
  • the current position of the object in the suspension mode is controlled independently of the suspended load, ie the weight of the object.
  • the various operating modes of the system can be set using the input device, for example.
  • the input device can have different keys, switches or knobs, with the individual operating modes being switched on or off by actuating a switch or a plurality of switches. It can also be preferred within the meaning of the invention that the input of a specific key combination or a sequence of keys in a specific order can be used to switch operating modes on or off.
  • the hang-up module can be switched on by preferably simultaneously pressing the "up" and "down" buttons of the input device.
  • the input device can also have LEDs that can be used to indicate that a specific operating mode is switched on. For example, a specific LED can flash or change color in this case.
  • the various operating modes can also be deactivated using the input device. For example, individual keys or key combinations can be pressed to disable hang mode. Another mode of operation of the system is, for example, the balancing state or mode.
  • the user of the system works with the object, ie for example chisels or drills a hole
  • part of the weight of the object is taken up by the subsoil that the object is working on.
  • This absorption of force by the subsoil to be processed can lead to the object being pulled upwards because the reduced weight of the object is not compensated for in any other way.
  • the user would now have to work downwards against the tensile force acting upwards. This can be prevented if the system includes a force sensor or a torque sensor, the force sensor being set up to detect the force on the traction cable (“cable force”), while the torque sensor is set up to detect the actually acting torque.
  • the torque sensor can preferably be located between a roll of the take-up unit and the gearbox of the electronic module or between the motor and the gearbox. In terms of the invention, it is particularly preferred that contactless sensors are used. It is preferred within the meaning of the invention that the motor of the system is impressed with as much current as is required to compensate for the force actually acting. The force actually acting can be determined as the difference between the weight of the object and the force absorbed by the substrate.
  • the system can preferably also implement overload detection.
  • the system is set up to recognize large weights, i.e. heavy loads, and to react accordingly in order to protect itself.
  • the system can display an error if an object weighing more than 20 kg, for example, is attached to the traction cable.
  • the short-circuit brake of the system described below can be activated so that the object recognized as “too heavy” is carefully lowered to the floor or subsurface after a short-circuit in the motor phases or the motor windings of the system motor. This effectively protects the system from excessive mechanical loads that could possibly damage the system.
  • a braking function is provided with which the object can be prevented from falling undesirably, which can happen if the power supply to the electronic module of the system is interrupted.
  • the braking function can preferably be realized by short-circuiting the three phases of the motor of the system. This short-circuiting of the three motor phases or the motor windings is carried out in particular when the motor is de-energized.
  • a short-circuit brake can be provided, which advantageously makes it possible for the falling speed of the object to be minimized to non-critical values and for higher falling speeds to be ruled out.
  • the motor phases can be short-circuited, in particular, by two relays that are switched on when the motor is in a currentless state.
  • the short-circuit brake is used, for example, when a power failure or another error in the system is detected.
  • the object that is attached to the system can be carefully set down or lowered onto the floor or onto the substructure with the aid of the short-circuit brake.
  • Another error can be, for example, the detection of a large load, for example a load that is greater than 20 kg.
  • a mechanical brake can also be used to prevent the object from falling down quickly.
  • the system represents a battery-operated, body-worn balancing system in which the weight of an object is compensated for by generating a counter-force, with the counter-force being transmitted by a traction cable.
  • the object can in particular be a tool with which work is to be performed.
  • it can be a chisel, a drill hammer, a fastening device or a similarly large and/or heavy device that is used, for example, to work on a wall or to drive an object to be fastened into a wall or underground.
  • a tool with which work is to be performed can be a chisel, a drill hammer, a fastening device or a similarly large and/or heavy device that is used, for example, to work on a wall or to drive an object to be fastened into a wall or underground.
  • Those skilled in the art are familiar with such tools.
  • the object or tool can be attached to a traction cable of the system using suitable attachment or recording devices. It is preferred within the meaning of the invention that the traction cable connects the object to a device for winding up the traction cable, with the device for winding up the traction cable preferably being provided in the area of the back structure of the system.
  • the winding device is preferably directed to lengthening or shortening an effective length of the traction cable. This is done as part of the balancing process, in which the weight or weight of the object is determined and used to set and control the effective length of the traction cable.
  • the device for winding up the traction cable can thus release the traction cable or shorten its length and in this way balance out or compensate for the weight of the suspended object.
  • the user of the proposed system is considerably relieved when working with the object, because when using the system he only has to apply the force required to carry out the work, but no longer the force to hold the power tool.
  • the balancing of the weight of the object is transferred from the user to the system, so that the system user is relieved.
  • the force that has to be applied to carry out the work can, for example, be a pressing force in order to propel the power tool or its tool into a wall or a substrate to be worked on.
  • the traction cable is guided in or on a cantilever arm of the system in the direction of a back structure.
  • the traction cable runs from the object in the direction of a first end of the cantilever arm, with the first end of the cantilever arm preferably also being able to be referred to as the front end of the cantilever arm.
  • the cantilever is essentially L-shaped.
  • the cantilever includes a back portion and a head portion, the back portion and the head portion being substantially perpendicular to each other.
  • the back section of the cantilever arm runs essentially parallel to a spine of the system user, while the head section of the cantilever arm runs above or next to the head of the user, essentially perpendicular to the back section and/or the spine of the user user. It is preferred within the meaning of the invention that the cantilever arm or its head section can be guided over the user's head or next to the user's head. As a result, a particularly flexible and versatile system can be provided.
  • the transition area between the back and head sections of the cantilever can be L-shaped, include a transition section or be designed as a joint.
  • a transition area designed as a transition section between the back and head sections of the cantilever arm leads to a particularly stable structure of the proposed system, while a joint that can be provided in the transition area between the back and head sections of the cantilever arm allows the system to be folded, thereby Pack size of the combined system can be significantly reduced.
  • top, bottom, front and rear do not represent unclear terms for the person skilled in the context of the present invention, since the terms and the associated spatial directions “up”, “down”, “Forward” and “to the rear” are explained, for example, in FIG.
  • the weight of the object usually acts “down” in a spatial direction, ie in the direction of the ground on which the user of the system is standing.
  • the “upward” spatial direction corresponds to the direction in which the object is moved when the effective length of the traction cable is shortened by the traction cable winding device.
  • the object is in front of the user, for example at head, chest or stomach level.
  • the head section of the cantilever usually represents the highest point of the system, so that in the terminology of the invention it forms the top of the system.
  • the rear section of the cantilever forms the rear area of the system.
  • the back structure with the electronic module, the motor for driving the winding device and the control device is provided in the rear, lower area of the system.
  • the bottom end of the system can be formed, for example, by a hip belt with which the system can be attached to the user. According to the invention, this hip belt forms a first contact area on which a there is physical contact between the system user and the system.
  • a second contact area can be formed by a back pad.
  • the cantilever arm of the system can be accommodated by the back structure.
  • the system includes an electronic module, wherein the electronic module can be arranged in particular in the area of the back structure of the system.
  • the electronic module can be part of the proposed system.
  • the electronic module includes an energy source for supplying the system with electrical energy.
  • the energy source can be a battery or an accumulator ("accumulator"), with the accumulator preferably being rechargeable. If the object whose weight is compensated with the proposed system is a battery or accumulator-operated tool, it is preferred within the meaning of the invention that the energy source is similar or the same as the energy source of the tool. In other words, it is preferred within the meaning of the invention if essentially the same batteries and accumulators can be used for the power supply of the proposed system and the power tool.
  • the electronic module also includes a device for winding up the traction cable and a motor for driving it. It is preferred within the meaning of the invention that the device for winding up the traction cable is arranged in an area of the back structure and that the traction cable can be wound up using the motor.
  • the motor of the proposed system is designed to generate torque to balance the weight of the object.
  • the balancing process takes place in particular when a new object is attached to the cable of the system. This can be the case, for example, when a tool device is replaced because another job needs to be done.
  • the static weight or the weight of the object is controlled, with the controlled variable being the desired current value in particular.
  • the compensation process represents an essentially continuously running open-loop and closed-loop control process, in which in particular the engine speed is controlled to the speed “zero”, i.e. a standstill.
  • the compensation process is designed in particular as an automatic compensation process, in which the system preferably automatically on the weight of the object or its Responds to changes by adjusting the torque on the system's motor accordingly.
  • the electronic module also includes a control device that is set up to carry out the compensation process in relation to the weight of the object.
  • a control device that is set up to carry out the compensation process in relation to the weight of the object.
  • the device for winding up the traction cable, the motor and the control device are supplied with electrical energy.
  • a counterforce for the weight of the object is determined during the compensation process, so that the weight of the object is balanced or compensated for by the counterforce acting in the opposite direction to the weight.
  • the counterforce can be transferred to the object using the traction cable.
  • the weight of the object can be «taken from» a user of the system, so that the user - for example while working with the object - does not have to hold it at a certain height, but only has to apply the force that is required to do the specific work to be done with the item.
  • the traction cable is guided by means of rollers and/or a Bowden cable.
  • the Bowden cable can in particular include a Bowden cable or be formed by one.
  • the traction cable is guided in or on the cantilever arm and thus leads from the object to be held, whose weight is to be compensated, to the winding device.
  • the back structure comprises a first contact area and a second contact area, with contact being provided between the user of the system and the system at least in the contact areas.
  • the first contact area can preferably be designed as a hip belt, while the second contact area can be designed as a back padding.
  • the weight of the system can be optimally transferred to a stable body area of the system user by using a hip belt as the first contact area. In other words, a large proportion of the weight of the system is carried in the hip belt and distributed by this to a stable body area of the user. As a result, the wearing comfort of the proposed system can be significantly increased.
  • a distance between the first contact area and the second contact area is preferably designed to be adjustable in order to adapt the system to the user and a to compensate for the overturning moment caused by the object.
  • This tilting moment preferably acts in the “forward” spatial direction, so that the user of the system can be pulled “forward” in the spatial direction when using it and in particular when a heavy object is attached to the traction cable.
  • the distance between the first contact area and the second contact area of the back structure of the system is chosen to be as large as possible in order to achieve good leverage. This is made possible in particular by the adjustability of the distance between the first contact area and the second contact area of the back structure.
  • the proposed system has a linear guide that can be used to adjust the distance between the back padding and the hip belt.
  • the user can set a possible maximum distance between the first and the second contact area of the back structure, adapted to his body size.
  • the linear guide thus makes a significant contribution to compensating for the tilting moment of the object whose weight is to be compensated for by the system.
  • the system has a strut in order to introduce a tilting moment caused by the object into a first contact area of the system.
  • the tilting moment is preferably directed particularly into the hip belt of the system, where it is distributed over a stable part of the user's body.
  • the derivation of the tilting moment can be further improved by the provision of the strut.
  • the strut connects the back structure to the hip belt.
  • the strut can be stiffened with a flexible plate to improve the transmission of force to the hip belt.
  • the cantilever arm is designed to be foldable.
  • the cantilever arm can include at least one joint.
  • the invention thus relates to a system that can be carried by a user like a backpack, the system having a cantilever arm which runs above the head of a user when the system is used, with a pull rope being guided on the cantilever arm can be.
  • An object can be attached or attached to the cable, the weight of which can be compensated with the help of the system.
  • the object can in particular be a machine tool with which a user can perform applications such as drilling, chiseling, hammering, etc.
  • the compensation of Ge weight forces in a moving object, such as a machine tool, with the From a technical point of view, working is a different challenge than transporting an object from a first position to a second position with the help of a pull rope.
  • the proposed system With the proposed system, not only objects with a static, ie constant weight force can advantageously be moved or raised or lowered. Rather, the proposed system is set up to react to a dynamic change in the weight of the object and to adapt the tensile or holding force to the change. In this way, the user of the system can work with the object or the machine tool can be significantly simplified.
  • the invention turns away from the prior art due to the ability to adjust the tensile or holding force to a dynamically changing weight force, in which objects can be transported by Switzerlandseilsys system.
  • the adjustment of the tensile or holding force to a dynamically changing weight of a suspended object can preferably be done by determining a speed of the motor or its derivation, as well as a current setpoint value. In this case, the weight of the object can then be compensated using the determined desired current value.
  • the invention can relate to a stand-alone solution in which the electronic module can be placed on a subsurface, for example.
  • the traction cable can be guided over traction rollers which, for example, can be attached to a ceiling, ceiling beams, struts or columns on a construction site.
  • the invention thus relates to an electronic module for compensating for the weight of an object.
  • the terms, definitions and technical advantages introduced for the proposed system and its components preferably apply analogously to the electronic module.
  • the object whose weight is to be balanced is attached to the module with a traction cable.
  • the electronic module has the following components to compensate for the weight of an object:
  • control device includes a control device, wherein the control device is set up to carry out a compensation process in relation to the weight of the object.
  • FIG. 1 View of a preferred embodiment of the proposed system
  • FIG. 3 schematic view of a preferred embodiment of the proposed system
  • FIG. 1 shows a preferred embodiment of the proposed system 1, which is worn by a user 20.
  • the system 1 comprises a cantilever arm 5 which, in the example of the invention shown in FIG. 1, runs above the head 21 of the user 20 .
  • the cantilever 5 may have sections referred to as the back section 15, head section 16 and transition section.
  • the back section 15 is arranged in a back or rear area of the system 1 and runs essentially parallel to a spine of the user 20.
  • the head section 16 runs essentially perpendicular to the back section 15 of the cantilever arm 5, so that the back section 15 and head section 16 enclose a substantially right angle.
  • the cantilever 5 can be L-shaped or have a transition area which has a transition section arranged obliquely between the back section 15 and the head section 16 .
  • the cantilever 5 has a front or first end 7 and a second or rear end 8, which opens into the back structure 6 of the system 1 Sys.
  • the back structure 6 makes it possible for the user 20 to carry the system 1 on his back.
  • An electronic module 10 is provided in the back area of the user 20 and contains various components of the system 1 .
  • an energy source 11 , a device 12 for winding up a traction cable 4 , a control device 14 and a motor 13 are accommodated in the electronic module 10 .
  • the device 12 for winding up the traction cable 4 can comprise a pulley which is arranged at the output of a transmission 34 .
  • the transmission 34 can also be part of the electronic module 10's.
  • the back structure 6 or the electronic module 10 can be attached to the user 20 with a first contact area 17 and a second contact area 18 .
  • the first contact area 17 can be designed as a hip belt, while the second contact area 18 is preferably designed as a back pad.
  • An object 3 having a weight 2 can be fastened to the traction cable 4 . When the weight 2 han it is preferably the weight of the object 3, the weight 2 pointing in the direction of the ground. For the purposes of the invention, this direction is preferably referred to as the “down U” spatial direction.
  • the other spatial directions “up O", "before ne V” or “backwards H” are also shown in FIG.
  • the downward arrow which is provided with the reference number 2, symbolizes the weight force 2 of the object 3 and indicates its direction.
  • the object 3 can preferably be in the form of a tool and can be attached to the system 1 via the traction cable 4 .
  • simple fastening means such as snap hooks, or special fastening means or recording devices can be used.
  • the traction cable 4 leads from the object 3 in the direction of the cantilever 5 and is then guided in or on the cantilever 5 in the direction of the back structure 6 or the electronic module 10 .
  • the electronic module 10 In the electronic module 10 is the winding device 12, with which the traction cable 4 can be wound up.
  • the effective length of the traction cable 4 can be lengthened or shortened.
  • the length of the traction cable 4 can be adapted to the weight 2 of the object 3, with the weight 2 of the object 3 being determined in a compensation process.
  • the winding device 12 is driven by a motor 13 which can also be arranged in the electronic module 10 .
  • the compensation process represents a regulation and control process, the aim of which is that the motor 13 is at a standstill. In other words, the motor 13 is regulated to a speed of zero by the compensation process.
  • the proposed system 1 enables a weight force 2 of the object 3 to be compensated for, so that the proposed system 1 can preferably also be referred to as a balancing system.
  • the compensation of the weight 2 is preferably done by an interaction of winding device 12, motor 13 and control device 14, wherein the ge mentioned components of the system 1 are provided by the energy source 11 with electrical energy ver.
  • the energy source 11 is preferably a battery or an accumulator.
  • the weight force 2 of the object 3 is compensated in particular by a counterforce 9 which is exerted on the object 3 and transmitted to the object 3 by means of the traction cable 4 .
  • the counterforce 9 balances the weight 2 of the object 3 and thus ensures that the user 20 of the system 1 does not have to hold the object 3 against gravity, but only has to apply the force required to work with the object 3 . As a result, the system 1 can make the work with the object 3 much easier for the user 20 .
  • the counterforce 9 is marked in the figures with an arrow in the spatial direction "up" and the reference number 9 .
  • a compensation process takes place in particular when a (new) object 3 is fastened to the traction cable 4 or when the object 3 is replaced.
  • the compensation of the weight 2 of the object 3 can be regulated statically on its weight.
  • Fig. 2 shows a preferred embodiment of the proposed system 1 with a length-adjustable back structure 6.
  • the distance A between a hip belt 17 and a back pad 18 of the back structure 6 can be adjusted.
  • a tilting moment 19 generated by the object 3 can be compensated for.
  • the tilting moment 19 is shown in FIG. 2 with a hatched arrow and the reference number 19 .
  • the tilting moment 19 is caused by the weight of the object 2 3, which pulls the system 1 in the spatial direction down U.
  • a tilting moment 19 acts overall, which acts downwards and forwards and in particular pulls the cantilever 5 of the system 1 in this direction. It has been shown that a particularly large distance A between the hip belt 17 and the back padding 18 as the contact surfaces between the back structure 6 and the user 20 compensates for this tilting moment 19 particularly effectively, since particularly good leverage conditions prevail in this way.
  • the left half of FIG. 2 shows a large distance A between hip belt 17 and back pad 18, which is symbolized by a capital letter A, while the right half of FIG. 2 shows a small distance a between hip belt 17 and back pad 18 , which is symbolized by a lowercase letter a.
  • the individual sections 15, 16 of the cantilever 5 are shown in FIG.
  • the cantilever 5 having a back section 15, a head section 16 and a transition section. While the back section 15 and the head section 16 are arranged essentially perpendicularly to one another, the transition section is in a transition area between the back section 15 and the head section 16 of the cantilever arm 5 .
  • the adjustability of the distance A can be made possible in particular by the provision of a linear guide (not shown).
  • FIG. 3 shows a schematic view of a preferred embodiment of the proposed system 1.
  • the system 1 has an electronic module 10 and a control device 14, the electronic module 10 of the system 1 providing the weight compensation function of the system 1 in particular.
  • the electronic module 10 can send control commands to the control device 14, which can in particular include information regarding the motor current to be set.
  • the information and control commands that are passed on from the electronic module 10 to the control device 14 can include current values for compensating for the weight of the object 3 and/or current values for the position of the object 3.
  • the incoming control commands of the electronic module 10 are further processed by the Steuerein device 14 in the sense that they are passed on to the motor controller 44 via the current controller 46 .
  • the engine controller 44 is preferably configured to control the engine 13 .
  • Another input variable of the control device 14 is the data from the current sensor 42, which can be further processed by the control device 14 or by the current controller 46. Data from Hall sensor 40 are also sent to control device 14.
  • Control device 14 is set up in particular to evaluate the incoming signals from Hall sensor 40 and to forward control commands from electronic module 10 in order to control motor 13 of system 1 .
  • the control device 14 can also be part of the electronic module 10 or integrated into the electronic module 10 .
  • the control device 14 can in particular forward the evaluated data and information from the Hall sensor 40 to the electronic module 10 .
  • This data and information can in particular be the speed of the motor 13 and/or a position of the motor 13 or its rotor (not shown).
  • the speed of the motor 13 can be given in particular in the unit rad/s, while the position of the motor 13 or its rotor can be given in the unit rad.
  • the system 1 may include an input device 48 .
  • An input can be made by the user 20 at the input device 48 .
  • the input device 48 can include keys, switches, knobs and other input means, which are shown in FIG. 3 as rectangular components of the input device 48 .
  • the input device 48 can also be set up to output information.
  • the input device 48 can include displays and/or LEDs, which are shown in FIG. 3 as round or circular components of the input device 48 .

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zum Ausgleich einer Gewichtskraft eines Gegenstands in einem System, wobei der Gegenstand an einem Zugseil befestigt werden kann und wobei das System dazu eingerichtet ist, einen Ausgleichsvorgang in Bezug auf die Gewichtskraft des Gegenstands durchzuführen. Dieser Ausgleichsvorgang kann dadurch erfolgen, dass eine Drehzahl des Motors und/oder eine Ableitung der Drehzahl des Motors ermittelt wird, wobei ein Stromsollwert als Regelgröße in dem System hinterlegt werden kann. Die Drehzahl des Motors oder ihre Ableitung korrespondieren mit einer Gewichtskraft des Gegenstands, die im Kontext der vorliegenden Erfindung ausgeglichen werden soll. Alternativ kann ein zur Aufrechterhaltung der ersten Position des Gegenstands erforderlich Stromwert oder ein dafür erforderliches Motor-Drehmoment im System hinterlegt werden und ein Ausgleich der Gewichtkraft des Gegenstands unter Verwendung der zuvor hinterlegten Stromwerte oder Drehmomente erfolgen. In weiteren Aspekten betrifft die Erfindung ein System und ein elektronisches Modul zur Durchfüh- rung der vorgeschlagenen Ausgleichsverfahren. Fig. 115

Description

VERFAHREN, SYSTEM UND ELEKTRONISCHES MODUL ZUM AUSGLEICH EINER GEWICHTSKRAFT EINES GEGENSTANDS
Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zum Ausgleich einer Gewichtskraft eines Gegen stands in einem System, wobei der Gegenstand an einem Zugseil befestigt werden kann und wobei das System dazu eingerichtet ist, einen Ausgleichsvorgang in Bezug auf die Gewichts kraft des Gegenstands durchzuführen. Dieser Ausgleichsvorgang kann dadurch erfolgen, dass eine Drehzahl des Motors und/oder eine Ableitung der Drehzahl des Motors ermittelt wird, wobei ein Stromsollwert als Regelgröße in dem System vorzugsweise dann hinterlegt wird, wenn die Drehzahl des Motors oder ihre Ableitung längere Zeit einen Grenzwert unterschreitet. Die Dreh zahl des Motors oder ihre Ableitung korrespondieren mit einer Gewichtskraft des Gegenstands, die im Kontext der vorliegenden Erfindung ausgeglichen werden soll. Alternativ kann ein zur Aufrechterhaltung der ersten Position des Gegenstands erforderlich Stromwert oder ein dafür erforderliches Motor-Drehmoment im System hinterlegt werden und ein Ausgleich der Gewicht kraft des Gegenstands unter Verwendung der zuvor hinterlegten Stromwerte oder Drehmomente erfolgen. In weiteren Aspekten betrifft die Erfindung ein System und ein elektronisches Modul zur Durchführung der vorgeschlagenen Ausgleichsverfahren.
Hintergrund der Erfindung:
Die Benutzung von Werkzeuggeräten, wie Meißelgeräte, Bohrhämmer, Kernbohrgeräte oder Ähnliches, ist oft anstrengend und ermüdend, vor allem, wenn mit diesen Geräten über einen längeren Zeitraum gearbeitet wird. Werkzeuggeräte sind häufig schwer und die nach unten Richtung Erdboden wirkende Gewichtskraft eines solches Geräts führt dazu, dass Arbeiten mit solchen Geräten lediglich für einen begrenzten Zeitraum ausgeführt werden können, bevor eine Pause eingelegt werden muss. Dadurch kann allerdings ein Arbeitsfortschritt auf einer Baustelle verzögert werden, was aus verschiedenen Gründen unerwünscht ist.
Ferner kann das Arbeiten mit schweren Werkzeuggeräten über Jahre hinweg zu körperlichen Einschränkungen führen. Es besteht daher ein Bedürfnis, Mittel bereitzustellen, die die Arbeit mit schweren Werkzeuggeräten erleichtern und die Nutzer solcher Werkzeuggeräte wirksam vor gesundheitlichen Beeinträchtigungen schützen. Im Stand der Technik sind beispielsweise passive Assistenzsysteme bekannt. Bei diesen passi ven Assistenzsystemen kann ein Gegenstand an einem Bestandteil des Assistenzsystems be festigt werden, wobei der Gegenstand dann von dem Assistenzsystem gehalten wird. Gerade bei der Arbeit mit Werkzeuggeräten, die an einem Assistenzsystem befestigt werden sollen und mit denen mitunter sehr dynamisch gearbeitet wird, kann eine solche passive Aufhängung in manchen Anwendungsfällen keine ausreichende Unterstützung für den Nutzer bereitstellen.
Die Aufgabe, die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt, besteht somit darin, die vorstehend beschriebenen Mängel und Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und ein Verfah ren und ein System zum Ausgleich einer Gewichtskraft eines Gegenstands bereitzustellen, das insbesondere einfach zu handhaben ist. Darüber hinaus soll das bereitzustellende System und das Verfahren die Gewichtskraft eines Gegenstands in unterschiedlichen Anwendungsfällen und -Situationen wirksam und zuverlässig ausgleichen. Die Fachwelt würde es ferner begrüßen, wenn das bereitzustellende System nicht nur eine statische, sondern auch eine dynamische Unterstützung des Systemnutzers ermöglichen könnte. Eine weitere Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, ist die Bereitstellung eines elektronischen Moduls als Antriebs- und Steuereinheit eines solchen Systems.
Die Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Aus führungsformen zu dem Gegenstand der unabhängigen Ansprüche finden sich in den abhängi gen Ansprüchen.
Beschreibung der Erfindung:
Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zum Ausgleich einer Gewichtskraft eines Gegenstands in einem System, wobei der Gegenstand an einem Zugseil befestigt werden kann, wobei das Ver fahren durch die folgenden Verfahrensschritte gekennzeichnet ist: a) Befestigen des Gegenstands an dem Zugseil, b) Ermitteln einer Drehzahl des Motors und/oder einer Ableitung der Drehzahl des Mo tors, c) Ermitteln eines Stromsollwerts, d) Ausgleich der Gewichtskraft des Gegenstands unter Verwendung des zuvor ermittel ten Stromsollwerts.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Drehzahl des Motors oder ihre Ableitung mit der Gewichtskraft des Gegenstands korrespondiert, die mit dem vorgeschlagenen Verfahren ausgeglichen werden soll. Der Ausgleich der Gewichtskraft des Gegenstands erfolgt insbeson- dere dadurch, dass der zuvor ermittelte Stromsollwerts als Regelgröße verwendet wird. Das bedeutet im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Gewichtskraft des Gegenstands ausgegli chen wird, indem der Motorstrom des Motors des Systems auf den Stromsollwerts geregelt wird. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass der Stromsollwert bei längerem Unterschreiten eines Grenzwerts der Drehzahl des Motors ermittelt wird.
Im Kontext des vorgeschlagenen Verfahrens wird ein Stromsollwerts S ermittelt. Dabei wird ins besondere derjenige Stromwert als Stromsollwerts festgelegt, bei dem die Drehzahl des Motors oder ihre Ableitung einen zuvor festgelegten Grenzwert unterschreitet. Es ist im Sinne der Erfin dung bevorzugt, dass ein aktueller Stromwert als Stromsollwerts festgehalten und fix auf diesen geregelt wird, sobald der Gegenstand an dem Zugseil befestigt bzw. an dem System eingehängt ist. Die Ermittlung des Stromsollwerts erfolgt insbesondere dann, wenn die Drehzahl des Motors und/oder ihre Ableitung eine definiert lange Zeit einen Grenzwert unterschreitet. Der so ermittel te Stromsollwerts wird dann vorzugsweise zum Ausgleich der Gewichtskraft des Gegenstands verwendet, wobei der Stromsollwerts insbesondere die Regelungsgröße bzw. Regelgröße dar stellt. Der Ausgleich der Gewichtskraft des Gegenstands erfolgt somit insbesondere unter Ver wendung des zuvor ermittelten Stromsollwerts. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass der Motorstrom im Wesentlichen zu allen Zeiten, in denen das Gewicht des Gegenstands aus geglichen werden soll, einen konstanten Wert annimmt. Die Formulierung, dass der Stromsoll werts «als Regelgröße» verwendet wird, stellt für den Fachmann keinen unklaren Begriff dar, weil der Fachmann weiß, dass damit eine Regelung auf diesen spezifischen Stromwert gemeint ist.
Im Kontext des vorgeschlagenen Verfahrens wird ein aktueller Stromsollwert festgehalten, wenn die Drehzahl des Motors des Systems oder ihre Ableitung einen Grenzwert unterschreitet. An schließend wird dieser Stromsollwert als Regelgröße verwendet, d.h. es wird auf ihn geregelt. Vorzugsweise wird dadurch der Stromsollwert verwendet, um die Gewichtskraft des Gegen stands bzw. sein Gewicht auszugleichen.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Drehzahl des Motors des Systems mit einer Geschwindigkeit des Zugseils des Systems korreliert. Mit anderen Worten besteht eine Verknüp fung zwischen der Motordrehzahl des Systems und der Geschwindigkeit des Zugseils. Mit noch anderen Worten entspricht die Drehzahl des Motors einer Geschwindigkeit des Zugseils des Systems. Im Kontext der vorliegenden Erfindung kann auf eine Positionsregelung umgeschaltet werden, wenn die Drehzahl des Motors des Systems einen Grenzwert überschreitet. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Ermittlung einer ersten Position X des Gegenstands im Sinne der Erfindung bevorzugt als Positionsregelung bezeichnet wird. Dafür kann vorteilhafter weise ein Positionsregler verwendet werden. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Positionsregelung abgeschlossen ist, wenn eine Geschwindigkeit des Gegenstands oder die Ableitung der Geschwindigkeit des Gegenstands eine definiert lange Zeit den Wert «null» an nimmt.
In einer alternativen Ausgestaltung betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Ausgleich einer Ge wichtskraft eines Gegenstands in einem System, wobei der Gegenstand an einem Zugseil be festigt werden kann, wobei das Verfahren durch die folgenden Verfahrensschritte gekennzeich net ist: a) Ermitteln einer aktuellen Position des Gegenstands, b) Ermitteln einer Drehzahl des Motors und/oder einer Ableitung der Drehzahl des Mo tors, c) Hinterlegen der aktuellen Position als Regelgröße in dem System, wenn die Drehzahl des Motors und/oder die Ableitung der Drehzahl des Motors einen Grenzwert überschrei tet, d) Regelung der aktuellen Position des Gegenstandes, bis eine Geschwindigkeit des Gegenstands für einen Zeitraum Delta t im Wesentlichen «null» ist, e1) Hinterlegen eines für eine Aufrechterhaltung der aktuellen Position erforderlichen Stromwerts l_X in dem System oder e2) Hinterlegung eines für eine Aufrechterhaltung der aktuellen Position erforderlichen Drehmoments M_X in dem System, f) Ausgleich der Gewichtskraft unter Verwendung des in Schritt e1 hinterlegten Strom werts l_X oder des in Schritt e2 hinterlegten Drehmoments M_X.
Es ist in dieser Ausgestaltung der Erfindung bevorzugt, dass durch die Regelung der zuvor er mittelten bzw. hinterlegten Strom- und Drehmomentdaten, ein Ausgleich der Gewichtskraft des Gegenstands ermöglicht werden kann. Dadurch kann insbesondere eine Möglichkeit bereitge stellt werden, im Wesentlichen kraftfrei mit dem Gegenstand zu arbeiten, da dem Nutzer des Systems als besonderer Vorteil der Erfindung die Gewichtskraft des Gegenstands «abgenom men» wird.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass das Verfahren eine Regelung der Position des Gegenstandes auf eine hinterlegte Position erfolgt, solange bis die Position des Gegenstands konstant ist. Eine Position des Gegenstands wird vorzugsweise dann als konstant angesehen, wenn seine Geschwindigkeit für eine längere Zeit im Wesentlichen 0 ist. Es kann im Sinne der Erfindung beispielsweise bevorzugt sein, dass eine solche Zeitspanne Delta t in einem Bereich von 50 bis 500 ms liegt. Als besonders geeignet zur Feststellung, dass die Position des Gegen stands konstant ist, hat sich eine Zeitspanne von Delta t = 300 ms gezeigt. Die Formulierung, dass eine «Geschwindigkeit im Wesentlichen 0» ist, bedeutet im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Geschwindigkeit des angehängten Gegenstandes kleiner als 10 mm/s ist, mehr bevor zugt kleiner als 5 mm/s und am meisten bevorzugt bei ca. 3,7 mm/s liegt. Dies entspricht einem Wert für die Motordrehzahl von kleiner als 1 rad/s.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein System, wobei das System ein elektronisches Modul mit einer Energiequelle zur Versorgung des Systems mit elektrischer Energie, einer Vor richtung zum Aufwickeln des Zugseils, einem Motor zum Antrieb der Vorrichtung zum Aufwickeln des Zugseils und einer Steuereinrichtung umfasst. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass das System, insbesondere seine Steuereinrichtung, dazu eingerichtet ist, einen Ausgleichsvor gang in Bezug auf die Gewichtskraft des Gegenstands durchzuführen. Der Ausgleichsvorgang stellt vorzugsweise einen Steuerungs- und Regelungsprozess in Bezug auf die Position eines an dem Zugseil des Systems befestigten Gegenstand dar, wobei dieser Steuerungs- und Rege lungsprozess durch die oben genannten Verfahrensschritte beschrieben werden kann. Der Be griff Ausgleichsvorgang betrifft insbesondere den Ausgleich einer Gewichtskraft eines Gegen stands in einem System, wobei der Gegenstand an einem Zugseil des Systems befestigt werden kann. Darüber hinaus kann das elektronische Modul ein Getriebe umfassen, das vorzugsweise dazu eingerichtet ist, hohe Drehmomente des Motors zu ermöglichen.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass sich der Motor, das Getriebe und eine Rolle am Ausgang des Getriebes auf dem Rücken, d.h. in einem Rückenbereich des Nutzers, befinden. Die Rolle kann Teil einer Aufwickeleinheit sein oder sie bilden. Die genannten Komponenten können zusammen ein elektronisches Modul bilden, wobei das elektronische Modul darüber hinaus eine Energieversorgung, sowie eine Steuereinrichtung aufweisen kann. Das Zugseil wird vorzugsweise über Führungen an die Vorderseite des Nutzers des Systems geführt. An dieses Zugseil kann der Gegenstand befestigt werden. Bei dem Gegenstand kann es sich beispielswei se um ein Bohrgerät oder um ein Meißelgerät handeln. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Gewichtskraft des Gegenstands von dem System, insbesondere seinem Motor, ausge glichen werden kann, so dass der Nutzer lediglich ein wenig Kraft zum Bewegen und zur Arbeit mit dem Gegenstand aufwenden muss. Das notwenige Drehmoment M, welches vom Motor aufzubringen ist, um die Gewichtskraft des Gegenstands zu kompensieren, kann wie folgt be rechnet werden: M = - (r / i) · m · g wobei m die Masse des Gegenstands, r der Radius der Rolle, g die Gravitationskraft und i die Getriebeübersetzung ist.
Bei den vorgeschlagenen Verfahren wird zunächst eine aktuelle Position des Gegenstands er mittelt. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass der Gegenstand an dem Zugseil befes tigt wird, wodurch eine aktuelle Position des Gegenstands festgelegt wird. Es kann aber im Sin ne der Erfindung auch bevorzugt sein, dass der Gegenstand zunächst auf einen Erdboden ab gelegt, an dem Zugseil befestigt und von dem System in eine aktuelle Position gebracht wird. Es kann darüber hinaus bevorzugt sein, dass ein bereits an dem Zugseil befestigter Gegenstand auf den Erdboden herabgelassen bzw. herabgefahren wird und dort von dem Zugseil gelöst wird. Die aktuelle Position im Sinne der Erfindung kann vorzugsweise die ursprüngliche Position des Gegenstands vor dem Herunterfahren bzw. Herablassen sein. Sie kann im Sinne der Erfin dung bevorzugt auch als «erste Position» bezeichnet werden. Alternativ kann der Gegenstand anschließend auch wieder in seine ursprüngliche oder eine andere Position (zurück-)gefahren werden. In einerweiteren Ausgestaltung kann der Gegenstand, der bereits an dem Zugseil be festigt ist, von dem System bzw. dem Zugseil gelöst werden, wobei die Position, an der das Sys tem das Entfernen des Gegenstands registriert, als erste Position im Sinne der Erfindung ver wendet wird. Die Detektion, ob ein Gegenstand an dem Zugseil des Systems befestigt ist, erfolgt vorzugsweise dadurch, dass eine Veränderung der Drehzahl erkannt wird, wobei eine solche Drehzahländerung insbesondere durch das Einhängen eines Gegenstands hervorgerufen wer den kann. Mit anderen Worten kann die Befestigung des Gegenstands an dem System zu einer Erhöhung der Drehzahl führen, die von dem System erkannt und mit der Information «Gegen stand eingehängt» assoziiert wird.
Die Regelung der Position des Gegenstands umfasst vorzugsweise einen Positionsregelung, welche hart oder weich geschaltet werden kann.
Diese Einstellung der Härte der Regelung kann insbesondere in Abhängigkeit einer Drehzahl des Motors des elektronischen Moduls des Systems erfolgen oder in Abhängigkeit von der einer Ableitung der Motordrehzahl. Für die Umsetzung der Regelung wird insbesondere ein Positions regler eingesetzt. Der Positionsregler kann beispielsweise als PIDT1-Regler oder PDT1-Regler ausgestaltet sein.
Es ist der alternativen Ausgestaltung der Erfindung bevorzugt, dass eine aktuelle Position des Gegenstands abgespeichert und anschließend als Regelgröße in dem Steuerungs- und Rege- lungsverfahren verwendet werden kann, wenn die Drehzahl des Motors bzw. ihre Ableitung ei nen gewissen Wert überschreitet. Dieser Wert wird vorzugsweise auch als «Grenzwert» bzw. «Schaltwert» bezeichnet, wobei dieser Grenz- oder Schaltwert beispielsweise in einem Bereich von 40 bis 1000 rad/s für die Motordrehzahl und 100 bis 4000 rad/s2 für die Ableitung der Dreh zahl des Motors liegen kann. Selbstverständlich können auch Werte außerhalb dieser Bereiche Vorkommen. Dieser Grenzwert kann für das erste vorgeschlagene Verfahren gleich oder ähnlich sein. Es können für das erste vorgeschlagene Verfahren aber auch andere Werte als Grenzwert in Frage kommen.
Die Regelung auf diese zuvor abgespeicherte aktuelle Position des Gegenstands, die im Sinne der Erfindung auch als «erste Position» und mit dem Bezugszeichen «X» bezeichnet wird, wird insbesondere dann angewendet, wenn der Gegenstand durch einen Nutzer des Systems an dem Zugseil befestigt wird. Vorteilhafterweise wird mit der Erfindung in dieser Ausgestaltung der Erfindung erreicht, dass das Gewicht bzw. die Gewichtskraft des Gegenstands besonders gut ausbalanciert werden kann.
Darüber hinaus können im Kontext der vorliegenden Erfindung weitere Möglichkeiten bzw. Modi zur Aufnahme des Gegenstands vorgesehen sein. Beispielsweise kann der Gegenstand, des sen Gewicht von dem vorgeschlagenen System und mit dem vorgeschlagenen Verfahren aus geglichen werden soll, liegend von einem Untergrund aufgenommen werden. Mit anderen Wor ten wird der Gegenstand in diesem ersten Modus auf einen Untergrund, wie zum Beispiel dem Erdboden, abgelegt. Der Gegenstand kann dann, beispielsweise unter Verwendung einer Auf nahme- oder Aufhängevorrichtung an dem Zugseil befestigt und in eine bestimmte Höhe ange hoben werden. Der Hubvorgang kann beispielsweise unter Verwendung eines Eingabemittel an dem System gestartet werden. Beispielsweise können Druck-Knöpfe, Schalter oder Potentiome ter verwendet werden, um das Anheben des Gegenstands auf eine bestimmte Höhe in Gang zu setzen. Die Verwendung eines Potentiometers ist insbesondere dann bevorzugt, wenn eine va riable Hub- oder Hebegeschwindigkeit gewünscht wird.
In einer Ausgestaltung der Erfindung kann der Gegenstand, der in dieser Ausführung der Erfin dung bereits am Zugseil befestigt vorliegt, in eine Raumrichtung nach unten, insbesondere in Richtung des Erdbodens, bewegt werden. Es ist im Sinne dieser Ausgestaltung der Erfindung insbesondere bevorzugt, dass der Gegenstand bis auf den Erdboden herabgelassen und dann abgehängt wird.
Es kann im Sinne der Erfindung auch bevorzugt sein, dass der Nutzer des vorgeschlagenen Systems den Gegenstand von dem Zugseil löst und auf diese Weise den Gegenstand aus dem System entfernt. In dieser Ausgestaltung der Erfindung ist es bevorzugt, dass die Aufnahme oder Aufhängevorrichtung bzw. das Zugseil an der Position verbleibt, die sie/es bei Entfernung des Gegenstands eingenommen hatte, damit diese Position der Aufnahme- oder Aufhängevor richtung bzw. des Zugseils als Regelgröße für das vorgeschlagene Ausgleichsverfahren ver wendet werden kann.
Wenn die Drehzahl des Motors und/oder ihre Ableitung für eine gewisse Zeit einen Grenzwert unterschreitet, wird der Stromsollwert als Regelgröße in dem System hinterlegt. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass der Grenz- oder Schaltwert vor Inbetriebnahme des Systems festgelegt wurde. Er kann beispielsweise in dem System hinterlegt sein. Diese Hinterlegung kann beispielsweise in der Steuereinrichtung des Systems erfolgen. Es können in dem System auch Speichermittel für die Hinterlegung der ersten bzw. der aktuellen Position des Gegen stands vorgesehen sein. Ferner können Lookup-Tabellen oder ähnliche Vergleichsmittel zum Einsatz kommen. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Grenz- oder Schaltwerte in dem System hinterlegt sind.
Die Formulierung, dass die Position eines Gegenstands «als Regelgröße» verwendet wird, stellt für den Fachmann keinen unklaren Begriff dar, weil der Fachmann weiß, dass damit eine Rege lung auf diese Position gemeint ist. Sobald der Regelvorgang abgeschlossen ist, wird der dazu notwendige Strom bzw. das notwenige Drehmoment des Motors gespeichert. Diese Verfahrens schritte werden im Sinne der Erfindung als «Hinterlegung eines für die Ausbalancierung des angehängeten Gerätes erforderlichen Stromwerts l_X in dem System» oder «Hinterlegung eines für die Ausbalancierung des angehängten Gerätes erforderlichen Drehmoments M_X in dem System» bezeichnet. Bei dem für die Aufrechterhaltung der ersten oder aktuellen Position erfor derlichen Stromwerts l_X handelt es sich vorzugsweise um den Ausgang des Positionsreglers bzw. um die von ihm ausgegebenen Daten und Meßwerte. Der abgespeicherte Strom bzw. das abgespeicherte Drehmoment stellen vorzugsweise die Werte dar, die für das System erforder lich sind, um den angehängten Gegenstand auszubalancieren. Der abgespeicherte Stromwert l_X kann beispielsweise dem Stromsollwert des ersten vorgeschlagenen Verfahrens entspre chen.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass der Positionsregler dazu eingerichtet ist, eine Be wegung des Gegenstands nach oben oder nach unten durch einen Nutzer zu zulassen. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass bei einer harten Positionsreglung der Regler mit der Anfor derung eines höheren oder kleineren Drehmomentes oder eines höheren und niedrigeren Stroms reagiert, wenn der Benutzer versucht, das angehängte Gerät nach unten oder oben zu bewegen. Diese Reaktion erfolgt vorzugsweise zeitnah bzw. sofort, nachdem das System die Bewegung des Gegenstands detektiert hat. Vorteilhafterweise wird die zusätzlich Kraft des Be nutzers ausgeglichen und der Gegenstand, der an dem Zugseil des Systems eingehängt vor liegt, bleibt an Ort und Stelle. Bei einerweichen Positionsreglung wird diese Anforderung eines höheren oder kleineren Drehmoments proportional oder integral rückgekoppelt und ändert damit den Sollwert für die Position.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass der geänderte Stromwert als DELTAJ und das geänderte Drehmoment als DELTA_M bezeichnet wird, wobei die jeweilige Differenz zwischen geänderten Wert und Ausgangswert informationstechnologisch weiterverarbeitet werden kann. Es ist im Sinne der Erfindung ganz besonders bevorzugt, dass der in Verfahrensschritt d) hinter legte Stromwert l_X bzw. der in Verfahrensschritt d) hinterlegte Wert M_X für das Drehmoment von dem jeweiligen Wert DELTAJ bzw. DELTA_M abgezogen wird, wobei die jeweilige Diffe renz integriert, gedämpft integriert und/oder Pl-verstärkt werden kann. Dadurch kann vorzugs weise eine sehr weiche Positionsregelung bereitgestellt werden, die es ermöglicht, dass der Nutzer des vorgeschlagenen Systems lediglich gegen einen sehr geringen Widerstand bei der Arbeit mit dem ausbalancierten Gegenstand arbeiten muss. Mit anderen Worten kann die Kraft, die der Nutzer bei der Arbeit mit dem Gegenstand, dessen Gewicht von dem vorgeschlagenen System ausgeglichen werden soll, aufbringen muss, deutlich reduziert werden. Tests haben gezeigt, dass die vom Nutzer aufzubringende Kraft praktisch bis auf 0 reduziert werden kann. Das bedeutet im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass der Nutzer lediglich die Kraft aufbringen muss, die für die Arbeit mit der Werkzeugmaschine erforderlich ist, nicht aber eine Kraft, um die Werkzeugmaschine zu halten. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass eine Größe dieses Widerstands mit Hilfe einer Verstärkung bzw. einer Verstärkungsregelung eingestellt werden kann, wobei die Verstärkung bzw. die Verstärkungsregelung dem Integrator vorgeschalter wer den kann. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass eine Differenz zwischen dem geänder ten Stromwert DELTAJ und dem hinterlegten Stromwert l_X integriert wird, wobei dadurch der Sollwert für die Position korrigiert werden kann. Die Integration kann vorzugsweise durch den Integrator erfolgen. Mit anderen Worten kann der Integrator dazu eingerichtet sein, eine Diffe renz zwischen dem geänderten Stromwert DELTAJ und dem hinterlegten Stromwert l_X zu integrieren, wodurch eine Korrektur des Positions-Sollwerts erhalten werden kann.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der Gegenstand vom Nutzer des Systems an dessen Zugseil befestigt, wobei sich das System dabei vorzugsweise in einem reset-Zustand befindet. Sobald sich der Gegenstand auf eine fixe Position eingependelt hat, wechselt das Sys tem in den Zustand der schwachen bzw. weichen Positionsregelung. Diese fixe Position des eingependelten Gegenstands kann auch als «erste Position X» bezeichnet werden. Die erste Position X des Gegenstands korrespondiert vorzugsweise mit einem gewissen Stromwert, wel cher abhängig vom Gewicht des angehängten Gegenstands ist. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass der aktuelle Strom- bzw. Drehmomentwert bei Eintritt in den Zustand der schwachen bzw. weichen Positionsregelung gespeichert und an den Integrator weitergeleitet wird. Wenn der Nutzer des vorgeschlagenen Systems ein Gegenstand an das Zugseil einhängt, kann als Folge darauf die Drehzahl w_MOTOR des Motors bzw. ihre Ableitung div_w_MOTOR schnell ansteigen, wobei das System vorzugsweise dazu eingerichtet ist, einen Anstieg bzw. eine Änderung der Motordrehzahl bzw. der Ableitung der Motordrehzahl zu erkennen und in einen Zustand «Positionssteuerung» zu wechseln. Die Erkennung erfolgt vorzugsweise durch einen Vergleich mit Referenzwerten, die zuvor bei Versuchen ermittelt wurden. Beim Eintritt in diesen Zustand wird die aktuelle Position des Gegenstands gemessen und in der Folge auf die se geregelt. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass einige Abtastschritte durchgeführt werden, wenn die Drehzahl w_MOTOR des Motors unter einen bestimmten, sehr kleinen Wert fällt. Dieser sehr kleine Wert kann beispielsweise in einem Bereich von beispielsweise 0 bis 0,1 rad/s liegen. Anschließend kann das System in den Zustand der schwachen bzw. weichen Posi tionsregelung zurückkehren, wobei die Abtastschritte beispielsweise eine Länge von 1 Millise kunde (ms) haben können. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass 10 bis 300 Abtast schritte durchgeführt werden. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass während der Ab tastschritte abgewartet wird, ob sich die Drehzahl w_MOTOR des Motors auf dem sehr niedri gen Niveau stabilisiert. Wenn dies der Fall ist, folgt der Wechsel in den Zustand der schwachen bzw. weichen Positionsregelung. Vorzugsweise ist der Wert der Motordrehzahl während der beispielsweise zehn Abtastschritte stets kleiner als ein Grenzwert, der zum Beispiel bei 0,1 rad/s liegen kann.
Wenn das vorgeschlagene Verfahren ein Herablassen bzw. Hinausziehen des Gegenstands umfasst, ist es im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass das System einen Zustand «pull-down» oder «pullj p» vorliegen kann, wobei ein Positionssollwert in diesen Zuständen im Wesentli chen kontinuierlich verändert werden kann. Der Begriff der «im Wesentlichen kontinuierlichen Veränderung» stellt für den Fachmann keinen unklaren Begriff dar, weil er weiß, dass damit bei spielsweise Änderungsraten bzw. Änderungsschritte in einem Bereich von 0,05 rad/ms gemeint sind. Dadurch wird es vorteilhafterweise ermöglicht, dass der Gegenstand angehoben oder her abgelassen werden kann. Sobald das Herab- bzw. Hinauffahren des Gegenstands durch den Nutzer beendet wird, ist es im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass erneut das Erreichen eines kleinen Werts für die Motordrehzahl w_MOTOR bzw. eine gewisse Anzahl von Abtastschritten abgewartet wird, bis eine Rückkehr in den Zustand der schwachen bzw. weichen Positionsrege lung erfolgt. Bei dieser Ausgestaltung der Erfindung hilft der Positionsregler dem Nutzer des Systems bei einem Abbremsen einer Bewegung des Gegenstands, wobei der Nutzer gegen einen leichten, bevorzugt einstellbaren Widerstand des Gegenstand anarbeiten muss. Diese Ausgestaltung der Erfindung ist besonders bevorzugt, wenn der Gegenstand von einem Unter grund aufgehoben werden soll, wobei das Einhängen insbesondere dann erfolgt, während der Gegenstand noch auf dem Untergrund liegt. Sie kann auch in solchen Fällen eingesetzt werden, in denen der Gegenstand auf einen Untergrund herabgelassen werden soll, um dort abgehängt zu werden.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Positionsregelung im Wesentlichen kontinuier lich durchgeführt wird, während mit dem Gegenstand gearbeitet wird bzw. wenn der Gegen stand an dem Zugseil des Systems befestigt ist. Dazu werden vorzugsweise die Daten, die beim Ausgleichsvorgang ermittelt werden, verwendet, um die Gewichtskraft des Gegenstands zu kompensieren. Ein neuer Ausgleichsvorgang findet vorzugsweise dann statt, wenn ein anderer Gegenstand an dem Zugseil des Systems befestigt wird oder der ursprüngliche Gegenstand abgehängt und wieder eingehängt wird, beispielsweise bedingt durch einen Werkzeugwechsel an dem Gegenstand.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass das Getriebe des Systems, das insbesondere eine Übersetzung zwischen 2 und 15 und bevorzugt zwischen 4 und 12 aufweist. Darüber hin aus kann das Getriebe an seinem Ausgang eine Rolle aufweisen, wobei die Rolle einen Durch messer in einem Bereich von 10 bis 200 mm aufweist, bevorzugt in einem Bereich von 20 bis 150 mm und besonders bevorzug in einem Bereich von 40 bis 120 mm. Tests haben gezeigt, dass eine Kombination aus einer Getriebeübersetzung in einem Bereich von 4 bis 12 und einem Rollendurchmessen von 40 bis 120 mm einen guten Kompromiss darstellen, damit der Motor des Systems zwar in der Lage ist, ein ausreichend großes Drehmoment zu erzeugen, auf der anderen Seite aber kompakt ausgebildet sein kann, um in einem körpergetragenen Ausgleichs system verwendet zu werden.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass der Motor ein Außenläufermotor ist. Vorteilhafter weise können durch die Verwendung eines Außenläufermotors hohe Drehmomente bei kleinen Drehzahlen erreicht werden.
Darüber hinaus ist es im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass der Motor eine Polzahl aufweist, die größer als 6 ist. Dadurch kann ein kontinuierlich hohes Drehmoment bereitgestellt werden. Kompensation von Bewequnqen des Nutzers :
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass aufgrund von Bewegungen des Nutzers Kräfte auf den Gegenstand einwirken, wobei diese Kräfte und ihre Auswirkungen auf die Gewichtskraft des Gegenstands durch positive oder negative Änderungen des Drehmoments des Motors des Sys tems ausgeglichen werden können. Der Begriff «positive Änderung des Drehmoments» wird im Sinne der Erfindung bevorzugt als eine Erhöhung des Drehmoments verstanden, während der Begriff «negative Änderung des Drehmoments» im Sinne der Erfindung bevorzugt als eine Ver ringerung des Drehmoments verstanden wird. Mit anderen Worten können Änderungen des Drehmoments verwendet werden, um Bewegungen des Nutzers, der über das System mit dem Gegenstand verbunden ist, auszugleichen. Dadurch können insbesondere unerwünschte unkon trollierte Bewegungen des Gegenstands verhindert werden, die ggf. ein Risiko für den System nutzer darstellen können.
Bewegungen des Nutzers, die mit Hilfe des vorgeschlagenen Systems ausgeglichen werden können, sind insbesondere die Folgenden:
• Auf- und Abbewegung durch eine Fortbewegung des Nutzers, insbesondere Laufen,
• Beugebewegungen des Nutzers in eine Raumrichtung nach vorne oder nach hinten,
• Beugebewegungen des Nutzers in seitliche Raumrichtungen («seitwärts»),
• Drehbewegungen des Nutzers um eine vertikale Körperachse.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass insbesondere die Auf- und Abbewegung durch eine Fortbewegung des Nutzers, insbesondere Laufen, und die Beugebewegungen des Nutzers in eine Raumrichtung nach vorne oder nach hinten durch das vorgeschlagene System und mit dem vorgeschlagenen Verfahren ausgeglichen werden können. Dies geschieht vorzugsweise durch zusätzliche Beschleunigungen, die auf den Gegenstand wirken und seine Gewichtskraft beeinflussen. Mit anderen Worten kann der Gegenstand mit zusätzlichen Beschleunigungen beaufschlagt werden, um Bewegungen des Nutzers auszugleichen. Vorzugsweise wirken diese zusätzlichen Beschleunigungen den Bewegungen des Nutzers entgegen, d.h. sie sind dazu ge eignet, die Bewegungen des Nutzers zu kompensieren. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass diese zusätzlichen Beschleunigungen durch positive und negative Änderungen des Dreh moments kompensiert werden können. Vorzugsweise weist das vorgeschlagene System Be schleunigungssensoren auf, die dazu eingerichtet sind, diese zusätzlichen Beschleunigungen zu ermitteln. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass Beschleunigungssensoren verwendet werden, die die Beschleunigung vor allem in der Z-Achse messen können. Eine Bewegung des Gegenstands entlang der Z-Achse entspricht im Sinne der Erfindung einer Auf- und Abbewe gung des Gegenstands. Diese Achse ist beispielsweise in Fig. 1 als O- bzw. U-Achse darge stellt. Vorzugsweise sind die Beschleunigungssensoren darüber hinaus dazu eingerichtet, auch Bewegungen des Gegenstands in derX- und/oder Y-Achse zu erfassen. Diese Bewegungen entsprechen seitlichen Bewegungen des Gegenstands oder Bewegungen des Gegenstands nach vorne oder hinten. Ferner können Drehratensensoren eingesetzt werden, die Beugebewe gungen erfassen können. Vorzugsweise sind die Drehratensensoren dazu eingerichtet, solche Beugebewegungen in allen drei Raumrichtungen X, Y und Z zu detektieren.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass der mindestens eine Sensor zur Erfassung der Beschleunigung in einer vertikalen Raumrichtung angeordnet vorliegt. Wenn der Beschleuni gungssensor nicht exakt in vertikaler Richtung angeordnet vorliegt, ist es im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass ein Korrekturfaktor verwendet wird, um diese Abweichung von der vertikalen Raumrichtung auszugleichen. In diesem Fall werden vorzugsweise zwei Sensoren verwendet. Vorzugsweise kann der Korrekturfaktor in Abhängigkeit von dem Neigungswinkel beta der Beu gebewegung des Nutzers nach vorne oder nach hinten bestimmt werden. Die vertikale Raum richtung entspricht vorzugsweise einer Bewegung des Gegenstands entlang der Z-Achse (vgl. Fig. 1 : O- und U-Achse), d.h. vorzugsweise einer Auf- und Abbewegung des Gegenstands.
Der Neigungswinkel beta ist vorzugsweise derjenige Winkel, der von einer gedachten vertikalen Achse, die beispielsweise durch den Systemnutzer und im Wesentlichen parallel zu seiner Wir belsäule verläuft, und dem geneigten Oberkörper des Nutzers eingeschlossen wird. Wenn sich der Nutzer beispielsweise um 20 Grad ausgehend von der üblichen geraden Körperhaltung, die durch die gedachte vertikale Achse dargestellt wird, nach vorne beugt, so beträgt der Nei gungswinkel beta 20 Grad. Mit anderen Worten ist es im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Beugebewegungen des Nutzers in eine Raumrichtung nach vorne oder nach hinten durch einen Neigungswinkel beta beschrieben werden können. Vorzugsweise kann der Neigungswin kel beta durch einen frequenzbasierten Komplementärfilter der Drehraten- und Beschleuni gungsmessung erfolgen, wobei die Frequenz vorzugsweise so bestimmt wird, dass sie eine Schrittfrequenz des Nutzers gut dämpft. Tests haben gezeigt, dass die Frequenz bevorzugt in einem Bereich von 0,4 bis 2 Hz liegt, um eine besonders gute Dämpfung der Schrittfrequenz des Nutzers zu erreichen.
Es ist im Sinne der Erfindung ganz besonders bevorzugt, dass Sensoren verwendet werden, die dazu eingerichtet sind, sowohl eine Drehrate, als auch eine Beschleunigung zu erfassen. Der Begriff «Drehrate» ist im Sinne der Erfindung als Beugegeschwindigkeit des Nutzers zu verste hen, d.h. als die Geschwindigkeit, mit der sich der Nutzer nach vorne oder nach hinten beugt.
Durch die Verwendung eines Sensors, der sowohl eine Drehrate, als auch Beschleunigungen erfassen kann, kann insbesondere die unerwünschte Berücksichtigung eines Drifts vermieden werden, die bei Verwendung von reinen Drehratensensoren auftreten kann.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass das System mindestens einen Sensor zur Erfas sung einer Position des Motors der Balancing-Vorrichtung umfasst. Insbesondere kann durch die Sensoren eine Position des Rotors des Motors ermittelt werden, wenn der Motor der Vorrich tung als Elektromotor ausgebildet ist, der vorzugsweise einen Rotor und einen Stator umfasst. Der mindestens eine Sensor zur Erfassung der Motorposition kann vorzugsweise als Hall- Sensor ausgebildet sein. Das System ist insbesondere dazu eingerichtet, eine Geschwindigkeit des Motors zu bestimmen. Diese Bestimmung der Motorgeschwindigkeit erfolgt vorzugsweise in Abhängigkeit von der ermittelten Position des Motors bzw. seines Rotors. Es ist im Sinne der Erfindung ganz besonders bevorzugt, dass eine Motorgeschwindigkeit ermittelt und der Balan cing-Vorrichtung zur Regelung bzw. Einstellung der Position des angehängten Gegenstands zur Verfügung gestellt wird. Die Ermittlung der Motorgeschwindigkeit kann vorzugsweise mit dem Hall-Sensor erfolgen. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Balancing-Vorrichtung dazu eingerichtet ist, denjenigen Motorstrom zu ermitteln, der erforderlich ist, um die Position und/oder das Gewicht des angehängten Gegenstands zu regeln. Diese Ermittlung des Motor stroms kann insbesondere in Abhängigkeit von einem eingestellten oder ermittelten Betriebs modus des Systems erfolgen. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Balancing- Vorrichtung dazu in der Lage ist, zu erkennen, ob eine Last an dem System an- bzw. eingehängt ist. Diese Erkennung erfolgt vorzugsweise anhand der Motorgeschwindigkeit, die beispielsweise mit dem Hall-Sensor ermittelbar ist.
Es ist im Sinne der Erfindung ganz besonders bevorzugt, dass bei der Erkennung, ob ein Ge genstand angehängt ist, der Motorstrom bestimmt wird, der erforderlich ist, um den Gegenstand in der Schwebe zu halten. Die Formulierung «in der Schwebe halten» bedeutet im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass eine Gewichtskraft des Gegenstands durch eine Halte- oder Zugkraft des Systems ausgeglichen bzw. neutralisiert wird. Dieser Zustand wird im Kontext der vorlie genden Erfindung vorzugsweise als Balancing- oder Gleichgewichtszustand bezeichnet. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Halte- oder Zugkraft, die zum Ausgleich der Ge wichtskraft des Gegenstands benötigt wird, von dem Motor des Systems erzeugt werden kann. Mit anderen Worten kann der Motor des Systems dazu verwendet werden, die Gewichtskraft des Gegenstands auszugleichen. Vorzugsweise erfolgt die Regelung des Motorstroms mit Hilfe einer Motor-Steuerung bzw. mit Hilfe einer Motor-Elektronik. Es ist im Sinne der Erfindung be vorzugt, dass das System mindestens einen weiteren Sensor aufweist, wobei dieser weitere Sensor zur Ermittlung des Motorstroms vorgesehen ist. Der weitere Sensor kann daher vor zugsweise auch als Strom-Sensor bezeichnet werden.
Es stellt einen wesentlichen Vorteil der Erfindung dar, dass der Strom bzw. ein Stromwert für die neue Position des Gegenstands so nachgeregelt werden kann, dass der Nutzer ohne Aufbrin gen der tatsächlichen Gewichtskraft den Gegenstand bewegen kann, wenn die Position des Gegenstands vom Nutzer durch Heben oder Senken des Gegenstands verändert wird.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Position des angehängten Gegenstands über ein Eingabegerät gesteuert werden kann. Das Eingabegerät kann beispielsweise ein Display, einen Touch-Bildschirm, Knöpfe, Schalter, Regler und/oder andere Betätigungselemente umfas sen, ohne darauf beschränkt zu sein. Die Formulierung, dass die «Position des angehängten Gegenstands über ein Eingabegerät gesteuert werden kann» bedeutet im Sinne der Erfindung, dass das Eingabegerät beispielsweise einen «Hoch-Schalter» und einen «Runter-Schalter» aufweisen kann, wobei eine Betätigung des Hoch-Schalters vorzugsweise dazu führt, dass der Gegenstand durch das System nach oben gezogen wird, während eine Betätigung des «Runter- Schalter dazu führt, dass der Gegenstand abgesenkt wird, indem er nach unten bewegt wird. Darüber hinaus kann das Eingabegerät einen Ein-/Ausschalter umfassen, mit dem das System ein- oder ausgeschaltet werden kann. Ferner kann das Eingabegerät Ausgabemittel, wie bei spielsweise Light Emitting Diodes (LEDs) umfassen, mit denen beispielsweise eine Einsatzbe reitschaft des Systems oder ein Ladezustand der Batterie des Systems angezeigt werden kann. Dazu können die LEDs beispielsweise unterschiedliche Farben aufweisen oder Licht in unter schiedlichen Farben abgeben oder blinken. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass Kräf te, die durch andere Bewegungen des Nutzers hervorgerufen werden, durch ähnliche oder ana loge Verfahren ausgeglichen werden können.
Das System kann in verschiedenen Betriebsmodi betrieben werden. Ein möglicher Betriebsmo dus betrifft beispielsweise das Abhängen oder Entfernen des Gegenstands. Dieser Modus wird im Sinne der Erfindung als «Unhook»- oder Abhängmodus bezeichnet. Es ist im Sinne der Er findung bevorzugt, dass die Position des Gegenstands im Abhängmodus fixiert wird, so dass der Gegenstand besonders einfach und kraftfrei von dem Zugseil des Systems entfernt werden kann. Somit erleichtert der Abhängmoduls das Abhängen des Gegenstands bzw. die Entnahme des Gegenstands aus dem System durch den Nutzer. Vorteilhafterweise muss der Nutzer beim Abhängen des Gegenstands nicht die Gewichtskraft des Gegenstands aufbringen, sondern die se wird ihm vielmehr vom System abgenommen. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die aktuelle Position des Gegenstands im Abhängmodus unabhängig von der angehängten Last, d.h. dem Gewicht des Gegenstands, geregelt wird.
Die verschiedenen Betriebsmodi des Systems können beispielsweise mit Hilfe des Eingabege räts eingestellt werden. Beispielsweise kann das Eingabegerät verschiedene Tasten, Schalter oder Knöpfe aufweisen, wobei die einzelnen Betriebsmodi durch die Betätigung eines Schalters oder mehrerer Schalter ein- oder ausgeschaltet werden. Es kann im Sinne der Erfindung auch bevorzugt sein, dass die Eingabe einer bestimmten Tastenkombination oder eine Abfolge von Tasten in einer bestimmten Reihenfolge zum Ein- oder Ausschalten von Betriebsmodi verwen det werden kann. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann der Abhängmodul einge schaltet werden, indem vorzugsweise gleichzeitig der «Hoch»- und «Runter»-Knopf des Einga begeräts gedrückt wird. Das Eingabegerät kann darüber hinaus LEDs aufweisen, mit denen an gezeigt werden kann, dass ein bestimmter Betriebsmodus eingeschaltet ist. Beispielsweise kann eine bestimmte LED in diesem Fall blinken oder einen Farbwechsel ausführen. Die verschiede nen Betriebsmodi können mit Hilfe des Eingabegeräts auch deaktiviert werden. Beispielsweise können einzelne Tasten oder Tastenkombinationen betätigt werden, um den Abhängmodus zu deaktivieren. Ein anderer Betriebsmodus des Systems ist beispielsweise der Balancing- oder Ausgleichszustand oder -modus.
Kompensation realer Kräfte:
Wenn der Nutzer des Systems mit dem Gegenstand arbeitet, d.h. zum Beispiel meißelt oder ein Loch bohrt, wird ein Teil der Gewichtskraft des Gegenstands von dem Untergrund aufgenom men, der mit dem Gegenstand bearbeitet wird. Diese Kraftaufnahme durch den zu bearbeiten den Untergrund kann dazu führen, dass der Gegenstand nach oben gezogen wird, weil die re duzierte Gewichtskraft des Gegenstands nicht anderweitig kompensiert wird. Ohne entspre chende Gegenmaßnahme würde der Nutzer nun durch eine Kraft nach unten gegen die nach oben wirkende Zugkraft anarbeiten müssen. Dies kann verhindert werden, in dem das System einen Kraftsensor oder einen Drehmomentsensor umfasst, wobei der Kraftsensor dazu einge richtet ist, die Kraft am Zugseil («Seilkraft») zu erfassen, während der Drehmomentsensor dazu eingerichtet ist, das real wirkende Drehmoment zu erfassen. Der Drehmomentsensor kann vor zugsweise zwischen einer Rolle der Aufwickeleinheit und dem Getriebe des elektronischen Mo duls angeordnet vorliegen oder zwischen dem Motor und dem Getriebe. Es ist im Sinne der Er findung besonders bevorzugt, dass kontaktlos arbeitenden Sensoren verwendet werden. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass dem Motor des Systems jeweils soviel Strom ein geprägt wird, wie es für die Kompensation des tatsächlich angreifenden Kraft erforderlich ist. Dabei kann die tatsächlich angreifende Kraft als Differenz der Gewichtskraft des Gegenstands und der vom Untergrund aufgenommenen Kraft bestimmt werden.
Das System kann vorzugsweise auch eine Überlasterkennung umsetzen. Mit anderen Worten ist das System dazu eingerichtet, große Gewichte, d.h schwere Lasten, zu erkennen und entspre chend zu reagieren, um sich zu schützen. Beispielsweise kann das System einen Fehler anzei- gen, wenn ein Gegenstand mit einem Gewicht von beispielsweise mehr als 20 kg an dem Zug seil befestigt wird. In diesem Fall kann beispielsweise die weiter unten beschriebene Kurz schlussbremse des Systems aktiviert werden, so dass der als «zu schwer» erkannte Gegen stand nach Kurzschluss der Motorphasen bzw. der Motorwicklungen des Systemmotors vorsich tig auf den Boden oder Untergrund abgesenkt wird. Dadurch wird das System wirksam vor zu hohen mechanischen Belastungen geschützt, die möglicherweise zu Schäden an dem System führen können.
Sicherheit bei Ausfall der Elektronik·.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass eine Bremsfunktion vorgesehen, mit der ein un- terwünschtes Herabfallen des Gegenstands verhindert werden kann, was passieren kann, wenn es zu einer Unterbrechung der Energieversorgung des elektronischen Moduls des Systems kommt. Die Bremsfunktion kann vorzugsweise dadurch realisiert werden, dass die drei Phasen des Motors des Systems kurzgeschlossen werden. Dieser Kurzschluss der drei Motorphasen bzw. der Motorwicklungen wird insbesondere im stromlosen Zustand des Motors durchgeführt. Durch das Kurzschließen kann eine Kurzschlußbremse bereitgestellt werden, die es vorteilhaf terweise ermöglicht, dass eine Fallgeschwindigkeit des Gegenstands auf unkritische Werte mi nimiert wird und höhere Fallgeschwindigkeiten ausgeschlossen werden. Der Kurzschluss der Motorphasen kann insbesondere durch zwei Relais erreicht werden, die in einem stromlosen Zustand des Motors eingeschaltet sind. Eine andere Möglichkeit besteht darin, Halbleiter zu verwenden, die sich ähnlich wie die Relais verhalten. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Kurzschlussbremse beispielsweise dann zum Einsatz kommt, wenn ein Stromausfall oder ein anderer Fehler im System detektiert wird. Vorzugsweise kann der Gegenstand, der am System angehängt ist, mit Hilfe der Kurzschlussbremse vorsichtig auf den Boden bzw. auf dem Untergrund abgestellt bzw. abgesenkt werden. Ein anderer Fehler kann beispielsweise in der Erkennung einer großen Last, zum Beispiel einer Last, die größer als 20 kg ist, bestehen. In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung kann auch eine mechanische Bremse verwendet werden, um ein schnelles Herabfallen des Gegenstands zu verhindern.
Das System stellt insbesondere ein batteriebetriebenes, körpergetragenen Ausgleichs- bzw. Balancing-System dar, bei dem die Gewichtskraft eines Gegenstands durch Erzeugen einer Gegenkraft kompensiert wird, wobei die Gegenkraft durch ein Zugseil übertragen wird.
Bei dem Gegenstand kann es sich insbesondere um ein Werkzeuggerät handeln, mit dem eine Arbeit verrichtet werden soll. Beispielsweise kann es sich um ein Meißelgerät, einen Bohrham mer, ein Befestigungsgerät oder ein ähnlich großes und/oder schweres Gerät handeln, mit dem beispielsweise eine Mauer bearbeitet oder ein Befestigungsgegenstand in eine Mauer oder ei nen Untergrund hineingetrieben werden soll. Der Fachmann kennt solche Werkzeuggeräte.
Der Gegenstand bzw. das Werkzeuggerät können mit geeigneten Befestigungs- oder Aufnah mevorrichtungen an einem Zugseil des Systems befestigt werden. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass das Zugseil den Gegenstand mit einer Vorrichtung zum Aufwickeln des Zugseils verbindet, wobei die Vorrichtung zum Aufwickeln des Zugseils vorzugsweise im Bereich der Rü ckenstruktur des Systems vorgesehen ist. Die Aufwickelvorrichtung ist vorzugsweise dazu ein gerichtet, eine effektive Länge des Zugseils zu verlängern oder zu verkürzen. Dies geschieht im Rahmen des Ausgleichsvorgangs, bei dem das Gewicht bzw. die Gewichtskraft des Gegen stands festgestellt und zur Einstellung und Regelung der effektiven Länge des Zugseils verwen det wird. Die Vorrichtung zum Aufwickeln des Zugseils kann somit Zugseil freigeben oder seine Länge verkürzen und auf diese Weise die Gewichtskraft des eingehängten Gegenstands aus- gleichen bzw. kompensieren. Dadurch wird der Nutzer des vorgeschlagenen Systems bei der Arbeit mit dem Gegenstand erheblich entlastet, weil er bei Nutzung des Systems lediglich die für die Durchführung der Arbeit erforderliche Kraft aufbringen muss, nicht mehr aber die Kraft zum Halten des Werkzeuggeräts. Mit anderen Worten wird der Ausgleich der Gewichtskraft des Ge genstands vom Nutzer auf das System übertragen, so dass der Systemnutzer davon befreit wird. Bei der Kraft, die für die Durchführung der Arbeit aufgebracht werden muss, kann es sich beispielsweise um eine Presskraft handeln, um einen Vortrieb des Werkzeuggeräts oder seines Werkzeugs in eine Mauer oder einen zu bearbeitenden Untergrund zu bewirken.
Das Zugseil wird in oder an einem Kragarm des Systems in Richtung einer Rücken Struktur ge führt. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass das Zugseil von dem Gegenstand in Rich tung eines ersten Endes des Kragarms verläuft, wobei das erste Ende des Kragarms vorzugs weise auch als vorderes Ende des Kragarms bezeichnet werden kann. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Kragarm im Wesentlichen L-förmig ausgebildet. Vorzugsweise umfasst der Kragarm einen Rückenabschnitt und einen Kopfab schnitt, wobei der Rückenabschnitt und der Kopfabschnitt im Wesentlichen senkrecht zueinan der angeordnet sind. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass der Rückenabschnitt des Kragarms im Wesentlichen parallel zu einer Wirbelsäule des Systemnutzers verläuft, während der Kopfabschnitt des Kragarms oberhalb oder neben einem Kopf des Nutzers verläuft, im We sentlichen senkrecht zu dem Rückenabschnitt und/oder der Wirbelsäule des Nutzers. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass der Kragarm bzw. sein Kopfabschnitt über den Kopf des Nutzers oder neben dem Kopf des Nutzers geführt werden kann. Dadurch kann ein besonders flexibles und vielfältig einsetzbares System bereitgestellt werden. Der Übergangsbereich zwi schen Rücken- und Kopfabschnitt des Kragarms kann L-förmig ausgebildet sein, einen Über gangsabschnitt umfassen oder als Gelenk ausgebildet sein. Ein als Übergangsabschnitt ausge bildeter Übergangsbereich zwischen Rücken- und Kopfabschnitt des Kragarms führt zu einer besonders stabilen Struktur des vorgeschlagenen Systems, während ein Gelenk, das im Über gangsbereich zwischen Rücken- und Kopfabschnitt des Kragarms vorgesehen sein kann, eine Klappbarkeit des Systems ermöglicht, wodurch eine Packgröße des zusammengelegten Sys tems erheblich reduziert werden kann.
Die Begriffe „oben“, „unten“, „vorne“ und „hinten“ stellen für den Fachmann im Kontext der vor liegenden Erfindung keine unklaren Begriffe dar, da die Begriffe und die damit verbundenen Raumrichtungen „nach oben“, „nach unten“, „nach vorne“ und „nach hinten“ beispielsweise in Figur 1 erläutert werden. Beispielsweise wirkt die Gewichtskraft des Gegenstands in der Regel in eine Raumrichtung „nach unten“, d.h. in Richtung des Erdbodens, auf dem der Nutzer des Systems steht. Die Raumrichtung „nach oben“ entspricht der Richtung, in die der Gegenstand bewegt wird, wenn die effektive Länge des Zugseils von der Vorrichtung zum Aufwickeln des Zugseils verkürzt wird. Der Gegenstand befindet bei einer üblichen Verwendung des vorge schlagenen Systems vor dem Nutzer, beispielsweise auf Kopf-, Brust- oder Bauchhöhe. Der Kopfabschnitt des Kragarms stellt in der Regel den höchsten Punkt des Systems da, so dass es in der Sprechweise der Erfindung den oberen Abschluss des Systems bildet. Der Rückenab schnitt des Kragarms bildet den hinteren Bereich des Systems. Im hinteren, unteren Bereich des Systems ist die Rückenstruktur mit dem elektronischen Modul, dem Motor zum Antrieb der Auf wickelvorrichtung und der Steuereinrichtung vorgesehen. Den unteren Abschluss des Systems kann beispielsweise ein Hüftgurt bilden, mit dem das System an dem Nutzer befestigt werden kann. Dieser Hüftgurt bildet im Sinne der Erfindung einen ersten Kontaktbereich, an dem ein physischer Kontakt zwischen den Systemnutzer und dem System besteht. Ein zweiter Kontakt bereich kann von einem Rückenpolster gebildet wird.
Vorzugsweise kann der Kragarm des Systems von der Rückenstruktur aufgenommen werden. Das System umfasst ein elektronisches Modul, wobei das elektronische Modul insbesondere im Bereich der Rückenstruktur des Systems angeordnet vorliegen kann. Das elektronische Modul kann Bestandteil des vorgeschlagenen Systems sein.
Das elektronische Modul umfasst eine Energiequelle zur Versorgung des Systems mit elektri scher Energie. Bei der Energiequelle kann es sich um eine Batterie oder einen Akkumulator («Akku») handeln, wobei der Akku vorzugsweise wieder aufladbar ist. Wenn es sich bei dem Gegenstand, dessen Gewicht mit dem vorgeschlagenen System ausgeglichen wird, um ein bat- terie- oder akkubetriebenes Werkzeuggerät handelt, ist es im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Energiequelle ähnlich oder gleich zu der Energiequelle des Werkzeuggeräts ist. Mit anderen Worten ist es im Sinne der Erfindung bevorzugt, wenn für die Energieversorgung des vorgeschlagenen Systems und des Werkzeuggeräts im Wesentlichen gleiche Batterien und Ak kus verwendet werden können.
Das elektronische Modul umfasst darüber hinaus eine Vorrichtung zum Aufwickeln des Zugseils, sowie einen Motor zu deren Antrieb. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Vorrich tung zum Aufwickeln des Zugseils in einem Bereich der Rückenstruktur angeordnet ist und das Zugseil unter Verwendung des Motors aufwickelbar ist. Der Motor des vorgeschlagenen Sys tems ist dazu eingerichtet, ein Drehmoment zu erzeugen, um die Gewichtskraft des Gegen stands auszugleichen.
Der Ausgleichsvorgang findet insbesondere dann statt, wenn ein neuer Gegenstand an dem Zugseil des Systems befestigt wird. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn ein Werkzeug gerät ausgetauscht wird, weil eine andere Arbeit erledigt werden soll. Im Rahmen des Aus gleichsvorgangs erfolgt eine Regelung auf das statische Gewicht bzw. die Gewichtskraft des Gegenstands, wobei die Regelgröße insbesondere der Stromsollwert ist. Es kann im Sinne der Erfindung allerdings auch bevorzugt sein, dass der Ausgleichsvorgang einen im Wesentlichen kontinuierlich ablaufenden Steuer- und Regelungsprozess darstellt, bei dem insbesondere die Motordrehzahl auf die Drehzahl „null“, d.h. einen Stillstand, geregelt wird.
Der Ausgleichsvorgang ist insbesondere als automatischer Ausgleichsvorgang ausgestaltet, bei dem das System vorzugsweise automatisch auf die Gewichtskraft des Gegenstands bzw. seine Änderungen reagiert, indem das Drehmoment am Motor des Systems entsprechend geregelt wird.
Das elektronische Modul umfasst darüber hinaus eine Steuereinrichtung, dazu eingerichtet ist, den Ausgleichsvorgang in Bezug auf die Gewichtskraft des Gegenstands durchzuführen. Im Kontext der Erfindung ist es bevorzugt, dass vor allem die Vorrichtung zum Aufwickeln des Zug seils, der Motor und die Steuervorrichtung mit elektrischer Energie versorgt werden.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass bei dem Ausgleichsvorgang eine Gegenkraft für die Gewichtskraft des Gegenstands ermittelt wird, so dass die Gewichtskraft des Gegenstands durch die der Gewichtskraft entgegengerichtete Gegenkraft ausgeglichen bzw. kompensiert wird. Vorzugsweise kann die Gegenkraft unter Verwendung des Zugseils auf den Gegenstand übertragen werden. Dadurch kann einem Nutzer des Systems das Gewicht des Gegenstands «abgenommen» werden, so dass der Nutzer - beispielsweise während der Arbeit mit dem Ge genstand - diesen nicht in einer bestimmten Höhe halten muss, sondern lediglich die Kraft auf bringen muss, die erforderlich ist, um die konkret zu erledigende Arbeit mit dem Gegenstand zu verrichten.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass eine Führung des Zugseils mittels Rollen und/ oder eines Bowdenzugs realisiert wird. Der Bowdenzug kann insbesondere ein Bowdenkabel umfassen oder von einem solchen gebildet werden. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass das Zugseil in oder an dem Kragarm geführt wird und so von dem zu haltenden Gegen stand, dessen Gewicht kompensiert werden soll, zu der Aufwickelvorrichtung führt.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Rückenstruktur einen ersten Kontaktbereich und einen zweiten Kontaktbereich umfasst, wobei zumindest in den Kontaktbereichen ein Kon takt zwischen dem Nutzer des Systems und dem System gegeben ist. Vorzugsweise kann der erste Kontaktbereich als Hüftgurt ausgebildet sein, während der zweite Kontaktbereich als Rü ckenpolster ausgebildet sein kann. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass das Gewicht das Systems durch die Verwendung eines Hüftgurts als ersten Kontaktbereich optimal auf einen stabilen Körperbereich des Systemnutzers übertragen werden kann. Mit anderen Worten wird ein großer Anteil des Gewichts des Systems in den Hüftgurt eingetragen und durch diesen auf einen stabilen Körperbereich des Nutzers verteilt. Dadurch kann der Tragekomfort des vorge schlagenen Systems deutlich erhöht werden.
Vorzugsweise ist ein Abstand zwischen dem ersten Kontaktbereich und dem zweiten Kontaktbe reich einstellbar ausgebildet, um das System an den Nutzer anzupassen und ein durch den Ge- genstand hervorgerufenes Kippmoment auszugleichen. Dieses Kippmoment wirkt vorzugsweise in die Raumrichtung „nach vorne“, so dass der Nutzer des Systems bei dessen Verwendung und insbesondere, wenn ein schwerer Gegenstand an dem Zugseil befestigt ist, in die Raumrichtung „nach vorne“ gezogen werden kann. Um dieses Kippmoment optimal auszugleichen, ist es im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass der Abstand zwischen dem ersten Kontaktbereich und dem zweiten Kontaktbereich der Rücken Struktur des Systems möglichst groß gewählt wird, um eine gute Hebelwirkung zu erreichen. Dies wird insbesondere durch die Einsteilbarkeit des Abstands zwischen dem ersten Kontaktbereich und dem zweiten Kontaktbereich der Rückenstruktur er möglicht.
Insbesondere weist das vorgeschlagene System einen Linearführung auf, über die der Abstand zwischen Rückenpolster und Hüftgurt eingestellt werden kann. Damit kann der Nutzer, ange passt an seine Körpergröße, einen jeweils möglichen maximalen Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Kontaktbereich der Rückenstruktur einstellen. Die Linearführung leistet somit einen wesentlichen Beitrag, um das Kippmoment, das von dem Gegenstand, dessen Gewicht durch das System ausgeglichen werden soll, zu kompensieren.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass das System eine Strebe aufweist, um ein durch den Gegenstand hervorgerufenes Kippmoment in einen ersten Kontaktbereich des Systems einzuleiten. Vorzugsweise wird das Kippmoment insbesondere in den Hüftgurt des Systems geleitet, wo es auf einen stabilen Körperbereich des Nutzers verteilt wird. Durch die Vorsehung der Strebe kann die Ableitung des Kippmoments weiter verbessert werden. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Strebe die Rückenstruktur mit dem Hüftgurt verbindet. Für eine verbesserte Krafteinleitung in den Hüftgurt kann die Strebe mit einem Biegeblech versteift wer den.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass der Kragarm klappbar ausgebildet ist. Dazu kann der Kragarm mindestens ein Gelenk umfassen.
Die Erfindung betrifft somit in einem ersten Aspekt ein System, das von einem Nutzer wie ein Rucksack getragen werden kann, wobei das System einen Kragarm aufweist, der bei Verwen dung des Systems oberhalb des Kopfes eines Nutzers verläuft, wobei an dem Kragarm ein Zug seil geführt werden kann. An dem Zugseil kann ein Gegenstand angehängt oder befestigt wer den, dessen Gewichtskraft mit Hilfe des Systems ausgeglichen werden kann. Bei dem Gegen stand kann es sich insbesondere um eine Werkzeugmaschine handeln, mit denen ein Nutzer Applikationen, wie Bohren, Meißeln, Hämmern usw., durchführen kann. Der Ausgleich von Ge wichtskräften bei einem sich bewegenden Gegenstand, wie einer Werkzeugmaschine, mit der gearbeitet wird, stellt technisch betrachtet eine andere Herausforderung dar, als mit Hilfe eines Zugseils einen Gegenstand von einer ersten Position an eine zweite Position zu transportieren. Mit dem vorgeschlagenen System können vorteilhafterweise nicht nur Gegenstände mit einer statischen, d.h. konstanten Gewichtskraft bewegt oder angehoben oder abgesenkt werden. Vielmehr ist das vorgeschlagene System dazu eingerichtet, auf eine dynamische Veränderung der Gewichtskraft des Gegenstands zu reagieren und die Zug- bzw. Haltekraft an die Verände rung anzupassen. Auf diese Weise kann dem Nutzer des Systems die Arbeit mit dem Gegen stand bzw. der Werkzeugmaschine erheblich vereinfacht werden. Insbesondere wendet sich die Erfindung durch die Fähigkeit zur Anpassung der Zug- oder Haltekraft an eine sich dynamisch verändernde Gewichtskraft vom Stand der Technik ab, bei dem Gegenstände durch Zugseilsys tem transportiert werden können. Die Anpassung der Zug- oder Haltekraft an eine sich dyna misch verändernde Gewichtskraft eines angehängten Gegenstands kann vorzugsweise dadurch erfolgen, dass eine Drehzahl des Motors oder ihre Ableitung ermittelt wird, sowie ein Stromsoll werts. Dabei kann anschließend die Gewichtskraft des Gegenstands unter Verwendung des ermittelten Stromsollwerts ausgeglichen.
Die Erfindung kann in einem weiteren Aspekt eine alleinstehende Lösung betreffen, bei der das elektronische Modul beispielsweise auf einem Untergrund abgestellt werden kann. Das Zugseil kann in einem solchen System über Zugrollen geführt werden, die beispielsweise an einer Raumdecke, Deckenbalken, Streben oder Säulen auf einer Baustelle angebracht vorliegen kön nen.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung somit ein elektronisches Modul zum Ausgleich einer Gewichtskraft eines Gegenstands. Die für das vorgeschlagene System und seine Kompo nenten eingeführten Begriffe, Definitionen und technischen Vorteile gelten vorzugsweise für das elektronische Modul analog. Im Kontext des elektronischen Moduls wird der Gegenstand, des sen Gewichtskraft ausgeglichen werden soll, mit einem Zugseil an dem Modul befestigt. Das elektronische Modul weist die folgenden Komponenten zum Ausgleich einer Gewichtskraft eines Gegenstands auf:
- eine Energiequelle zur Versorgung des Systems mit elektrischer Energie,
- eine Vorrichtung zum Aufwickeln eines Zugseils,
- einen Motor zum Antrieb der Vorrichtung zum Aufwickeln eines Zugseils und
- eine Steuereinrichtung umfasst, wobei die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, einen Ausgleichsvorgang in Bezug auf die Gewichtskraft des Gegenstands durchzuführen.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Figurenbeschreibung. Die Figuren, die Be schreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen. In den Figuren sind gleiche und gleichartige Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Es zeigen:
Fig. 1 Ansicht einer bevorzugten Ausgestaltung des vorgeschlagenen Systems
Fig. 2 Ansicht einer bevorzugten Ausgestaltung des vorgeschlagenen Systems mit längen einstellbarer Rückenstruktur
Fig. 3 schematische Ansicht einer bevorzugten Ausgestaltung des vorgeschlagenen Sys tems
Ausführungsbeispiele und Figurenbeschreibung:
Figur 1 zeigt eine bevorzugte Ausgestaltung des vorgeschlagenen Systems 1 , das von einem Nutzer 20 getragen wird. Das System 1 umfasst einen Kragarm 5, der in dem in Fig. 1 abgebil deten Beispiel der Erfindung oberhalb des Kopfes 21 des Nutzers 20 verläuft. Der Kragarm 5 kann Abschnitte aufweisen, die als Rückenabschnitt 15, Kopfabschnitt 16 und Übergangsab schnitt bezeichnet werden. Der Rückenabschnitt 15 ist in einem Rück- oder hinterem Bereich des Systems 1 angeordnet und verläuft im Wesentlichen parallel zu einer Wirbelsäule des Nut zers 20. Der Kopfabschnitt 16 verläuft im Wesentlichen senkrecht zu dem Rückenabschnitt 15 des Kragarms 5, so dass Rückenabschnitt 15 und Kopfabschnitt 16 einen im Wesentlichen rech ten Winkel einschließen. Der Kragarm 5 kann L-förmig ausgebildet sein oder einen Übergangs bereich aufweisen, der einen schräg zwischen dem Rückenabschnitt 15 und dem Kopfabschnitt 16 angeordneten Übergangsabschnitt aufweist. Der Kragarm 5 weist ein vorderes oder ersten Ende 7, sowie ein zweites oder hinteres Ende 8 auf, welches in die Rückenstruktur 6 des Sys tems 1 einmündet. Mit der Rückenstruktur 6 wird es ermöglicht, dass das System 1 von dem Nutzer 20 auf dem Rücken getragen wird. Im Rückenbereich des Nutzers 20 ist ein elektroni sches Modul 10 vorgesehen, dass verschiedene Komponenten des Systems 1 beinhaltet. Ins besondere sind eine Energiequelle 11 , eine Vorrichtung 12 zum Aufwickeln eines Zugseils 4, eine Steuereinrichtung 14 und ein Motor 13 in dem elektronischen Modul 10 untergebracht. Die Vorrichtung 12 zum Aufwickeln des Zugseils 4 kann eine Rolle umfassen, die am Ausgang eines Getriebes 34 angeordnet vorliegt. Das Getriebe 34 kann ebenfalls Bestandteil des elektroni schen Moduls 10 sein. Die Rückenstruktur 6 bzw. das elektronische Modul 10 können mit einem ersten Kontaktbereich 17 und einem zweiten Kontaktbereich 18 an dem Nutzer 20 befestigt werden. Der erste Kontaktbereich 17 kann als Hüftgurt ausgebildet sein, während der zweite Kontaktbereich 18 vorzugsweise als Rückenpolster ausgebildet ist. An dem Zugseil 4 kann ein Gegenstand 3 befestigt werden, der eine Gewichtskraft 2 aufweist. Bei der Gewichtskraft 2 han delt es sich vorzugsweise um das Gewicht des Gegenstands 3, wobei die Gewichtskraft 2 in Richtung des Erdbodens zeigt. Diese Richtung wird im Sinne der Erfindung bevorzugt als Raum richtung «nach unten U» bezeichnet. Die anderen Raumrichtungen «nach oben O», «nach vor ne V» oder «nach hinten H» sind ebenfalls in Fig. 1 dargestellt. Der Pfeil nach unten, der mit dem Bezugszeichen 2 versehen ist, symbolisiert die Gewichtskraft 2 des Gegenstand 3 und gibt ihre Richtung an. Der Gegenstand 3 kann vorzugsweise als Werkzeuggerät ausgebildet sein und über das Zugseil 4 an dem System 1 befestigt werden. Dazu können einfache Befesti gungsmittel, wie Karabinerhaken, oder spezielle Befestigungsmittel oder Aufnahmevorrichtun gen verwendet werden. Das Zugseil 4 führt von dem Gegenstand 3 in Richtung des Kragarms 5 und wird dann in oder an dem Kragarm 5 in Richtung der Rückenstruktur 6 bzw. des elektronischen Moduls 10 geführt. In dem elektronischen Modul 10 befindet sich die Aufwickelvorrichtung 12, mit der das Zugseil 4 aufgewickelt werden kann. Dadurch kann die effektive Länge des Zugseils 4 verlängert oder verkürzt werden. Insbesondere kann die Länge des Zugseils 4 an die Gewichtskraft 2 des Ge genstands 3 angepasst werden, wobei die Gewichtskraft 2 des Gegenstands 3 in einem Aus gleichsvorgang bestimmt wird. Die Aufwickelvorrichtung 12 wird von einem Motor 13 angetrie ben, der ebenfalls in dem elektronischen Modul 10 angeordnet vorliegen kann. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass der Ausgleichsvorgang einen Regel- und Steuerprozess darstellt, dessen Ziel es ist, dass der Motor 13 im Stillstand ist. Mit anderen Worten wird der Motor 13 durch den Ausgleichsvorgang auf eine Drehzahl null geregelt. Das vorgeschlagene System 1 ermöglicht mit dem Ausgleichsvorgang, dass eine Gewichtskraft 2 des Gegenstands 3 kompen siert wird, so dass das vorgeschlagene System 1 bevorzugt auch als Balancing System be zeichnet werden kann. Die Kompensation der Gewichtskraft 2 geschieht vorzugsweise durch ein Zusammenspiel von Aufwickelvorrichtung 12, Motor 13 und Steuereinrichtung 14, wobei die ge nannten Komponenten des Systems 1 von der Energiequelle 11 mit elektrischer Energie ver sorgt werden. Vorzugsweise handelt es sich bei der Energiequelle 11 um eine Batterie oder um einen Akku. Die Kompensation der Gewichtskraft 2 des Gegenstands 3 erfolgt insbesondere durch eine Gegenkraft 9, die auf den Gegenstand 3 ausgeübt und mittels des Zugseils 4 auf den Gegenstand 3 übertragen wird. Mit anderen Worten gleicht die Gegenkraft 9 die Gewichtskraft 2 des Gegenstands 3 aus und sorgt somit dafür, dass der Nutzer 20 des Systems 1 den Gegen standstand 3 nicht entgegen der Schwerkraft halten muss, sondern lediglich die zur Arbeit mit den Gegenstand 3 erforderlich Kraft aufbringen muss. Dadurch kann das System 1 die Arbeit mit dem Gegenstand 3 für den Nutzer 20 wesentlich erleichtern. Die Gegenkraft 9 ist in den Fi guren mit einem Pfeil in die Raumrichtung «nach oben» und dem Bezugszeichen 9 markiert.
Ein Ausgleichsvorgang findet insbesondere dann statt, wenn ein (neuer) Gegenstand 3 an dem Zugseil 4 befestig wird oder bei Austausch des Gegenstands 3. Insbesondere kann die Kom pensation der Gewichtskraft 2 des Gegenstands 3 statisch auf dessen Gewicht geregelt werden. Es kann aber im Sinne der Erfindung auch bevorzugt sein, dass der Ausgleichsvorgang kontinu ierlich stattfindet und dass die Gegenkraft 9 dynamisch an Änderungen der Gewichtskraft 2, die bei der Arbeit mit dem Gegenstand 3 kurzfristig auftreten können, angepasst wird.
Fig. 2 zeigt eine bevorzugte Ausgestaltung des vorgeschlagenen Systems 1 mit einer längen einstellbaren Rückenstruktur 6. Insbesondere kann bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungs beispiel der Erfindung ein Abstand A zwischen dem ersten Kontaktbereich 17 und dem zweiten Kontaktbereich 18 der Rückenstruktur 6 eingestellt werden. Es ist im Sinne der Erfindung ganz besonders bevorzugt, dass der Abstand A zwischen einem Hüftgurt 17 und einem Rückenpols ter 18 der Rückenstruktur 6 eingestellt werden kann. Durch die Einsteilbarkeit des Abstandes A zwischen Hüftgurt 17 und Rückenpolster 18 kann ein Kippmoment 19, das von dem Gegenstand 3 erzeugt wird, kompensiert werden. Das Kippmoment 19 ist in Fig. 2 mit einem schraffierten Pfeil und dem Bezugszeichen 19 dargestellt. Das Kippmoment 19 entsteht durch die Gewichts kraft 2 des Gegenstands 3, der das System 1 in die Raumrichtung nach unten U zieht. Dadurch wirkt insgesamt ein Kippmoment 19, das nach unten und nach vorne wirkt und insbesondere den Kragarm 5 des Systems 1 in diese Richtung zieht. Es hat sich gezeigt, dass ein besonders großer Abstand A zwischen dem Hüftgurt 17 und dem Rückenpolster 18 als Kontaktflächen zwi schen Rückenstruktur 6 und Nutzer 20 dieses Kippmoment 19 besonders wirksam ausgleicht, da auf diese Weise besonders gute Hebelverhältnisse herrschen. In der linken Hälfte von Fig. 2 wird ein großer Abstand A zwischen Hüftgurt 17 und Rückenpolster 18 dargestellt, der durch einen Großbuchstaben A symbolisiert wird, während in der rechten Hälfte von Fig. 2 ein kleiner Abstand a zwischen Hüftgurt 17 und Rückenpolster 18 dargestellt wird, der durch einen Klein buchstaben a symbolisiert wird. Darüber hinaus werden in Fig. 2 die einzelnen Abschnitte 15, 16 des Kragarms 5 dargestellt, wobei der Kragarm 5 einen Rückenabschnitt 15, einen Kopfab schnitt 16 und einen Übergangsabschnitt umfassen kann. Während der Rückenabschnitt 15 und der Kopfabschnitt 16 im Wesentlichen senkrecht zueinander angeordnet sind, liegt der Über gangsabschnitt in einem Übergangsbereich zwischen Rückenabschnitt 15 und Kopfabschnitt 16 des Kragarms 5 vor. Die Einsteilbarkeit des Abstandes A kann insbesondere durch die Vorse hung einer Linearführung (nicht dargestellt) ermöglicht werden.
Figur 3 zeigt eine schematische Ansicht einer bevorzugten Ausgestaltung des vorgeschlagenen Systems 1. Das System 1 weist ein elektronisches Modul 10 und eine Steuereinrichtung 14 auf, wobei das elektronische Modul 10 des Systems 1 insbesondere die Gewichtsausgleichs-Funk- tion des Systems 1 bereitstellt. Dazu kann das elektronische Modul 10 Steuerungsbefehle an die Steuereinrichtung 14 senden, die insbesondere Informationen hinsichtlich des einzustellen den Motorstroms umfassen können. Beispielsweise können die Informationen und Steuerungs befehle, die von dem elektronischen Modul 10 an die Steuereinrichtung 14 weitergegeben wer den, Stromwerte zum Ausgleich des Gewichts des Gegenstands 3 umfassen und/oder Strom werte für die Position des Gegenstands 3.
Die Steuereinrichtung 14 umfasst in dem in Figur 3 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfin dung eine Motorsteuerung 44 und eine Stromsteuerung 46. Bei der Stromsteuerung 46 kann es sich insbesondere um eine Steuereinrichtung für den Strom des Motors 13 des Systems 1 han- dein. Die eingehenden Steuerbefehle des elektronischen Moduls 10 werden von der Steuerein richtung 14 in dem Sinne weiterverarbeitet, dass sie über die Stromsteuerung 46 an die Motor steuerung 44 weitergegeben werden. Die Motorsteuerung 44 ist vorzugsweise dazu eingerich tet, den Motor 13 zu steuern. Eine weitere Eingangsgröße der Steuereinrichtung 14 sind die Daten des Strom-Sensors 42, die von der Steuereinrichtung 14 bzw. von der Stromsteuerung 46 weiterverarbeitet werden können. Ebenfalls an die Steuereinrichtung 14 gesendet werden Daten des Hall-Sensors 40. Die Steuereinrichtung 14 ist insbesondere dazu eingerichtet, die einge henden Signale des Hall-Sensors 40 auszuwerten, sowie Steuerungsbefehle des elektronischen Moduls 10 weiterzuleiten, um den Motor 13 des Systems 1 zu steuern. Selbstverständlich kann die Steuereinrichtung 14 auch Bestandteil des elektronischen Moduls 10 sein oder in dem elekt ronischen Modul 10 integriert vorliegen. Die Steuereinrichtung 14 kann insbesondere die aus gewerteten Daten und Informationen des Hall-Sensors 40 an das elektronische Modul 10 wei tergeben. Bei diesen Daten und Informationen kann es sich insbesondere um die Geschwindig keit des Motors 13 und/oder um eine Position des Motors 13 bzw. seines Rotors (nicht darge- stellt) handeln. Die Geschwindigkeit des Motors 13 kann insbesondere in der Einheit rad/s an gegeben werden, während die Position des Motors 13 bzw. seines Rotors in der Einheit rad an gegeben werden kann.
Das System 1 kann ein Eingabegerät 48 umfassen. An dem Eingabegerät 48 kann eine Eingabe des Nutzers 20 vorgenommen werden. Dazu kann das Eingabegerät 48 Tasten, Schalter, Knöp- fe und andere Eingabemittel umfassen, die in Figur 3 als rechteckige Komponenten des Einga begeräts 48 dargestellt sind. Das Eingabegerät 48 kann auch dazu eingerichtet sein, Informatio nen auszugeben. Dazu kann das Eingabegerät 48 Displays und/oder LEDs umfassen, die in Figur 3 als runde bzw. kreisförmige Komponenten des Eingabegeräts 48 dargestellt sind.
Bezuqszeichenliste
1 System
2 Gewichtskraft
3 Gegenstand
4 Zugseil
5 Kragarm
6 Rückenstruktur
7 erstes, vorderes Ende des Kragarms
8 zweites, hinteres Ende des Kragarms
9 Gegenkraft
10 elektronisches Modul
11 Energiequelle
12 Vorrichtung zum Aufwickeln des Zugseils
13 Motor
14 Steuereinrichtung
15 Rückenabschnitt des Kragarms
16 Kopfabschnitt des Kragarms
17 erster Kontaktbereich, Hüftgurt
18 zweiter Kontaktbereich, Rückenpolster
19 Kippmoment
20 Nutzer
21 Kopf des Nutzers
34 Getriebe
40 Hall-Sensor 42 Strom-Sensor
44 Motor-Steuerung
46 Strom-Steuerung
48 Eingabegerät
A Abstand
V vorne
H hinten
O oben
U unten
X aktuelle Position des Gegenstands

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Ausgleich einer Gewichtskraft (2) eines Gegenstands (3) in einem Sys tem (1), wobei der Gegenstand (3) an einem Zugseil (4) befestigt werden kann, wobei das Verfahren durch die folgenden Verfahrensschritte gekennzeichnet ist: a) Befestigen des Gegenstands (3) an dem Zugseil (4), b) Ermitteln einer Drehzahl des Motors (13) und/oder einer Ableitung der Drehzahl des Motors (13), c) Ermitteln eines Stromsollwerts (S), d) Ausgleich der Gewichtskraft (2) des Gegenstands (3) unter Verwendung des zuvor ermittelten Stromsollwerts (S).
2. Alternatives Verfahren zum Ausgleich einer Gewichtskraft (2) eines Gegenstands (3) in einem System (1), wobei der Gegenstand (3) an einem Zugseil (4) befestigt werden kann, wobei das Verfahren durch die folgenden Verfahrensschritte gekennzeichnet ist: a) Ermitteln einer ersten Position (X) des Gegenstands (3), b) Ermitteln einer Drehzahl des Motors (13) oder einer Ableitung der Drehzahl des Mo tors (13), c) Hinterlegen der ersten Position (X) als Regelgröße in dem System (1), wenn die Dreh zahl des Motors (13) und/oder die Ableitung der Drehzahl des Motors (13) einen Grenz wert überschreitet, d) Regelung der aktuellen Position des Gegenstandes (3), bis eine Geschwindigkeit des Gegenstands (3) für einen Zeitraum Delta t im Wesentlichen «null» ist, e1) Hinterlegen eines für eine Aufrechterhaltung der ersten Position (X) erforderlichen Stromwerts l_X in dem System (1) oder e2) Hinterlegung eines für eine Aufrechterhaltung der ersten Position (X) erforderlichen Drehmoments M_X in dem System (1), f) Ausgleich der Gewichtskraft unter Verwendung des in Schritt e1 hinterlegten Strom werts l_X oder des in Schritt e2 hinterlegten Drehmoments M_X.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl des Motors (13) einer Geschwindigkeit des Zugseils (4) entspricht.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren eine Bremsfunktion umfasst, um ein unerwünschtes Herabfallen des Ge genstands (3) zu verhindern.
5. System (1) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, dass das System (1) ein elektronisches Modul (10) mit
- einer Energiequelle (11) zur Versorgung des Systems (1) mit elektrischer Energie,
- einer Vorrichtung (12) zum Aufwickeln des Zugseils (4),
- einem Motor (13) zum Antrieb der Vorrichtung (12) zum Aufwickeln des Zugseils (4), und
- einer Steuereinrichtung (14) umfasst.
6. System (1) nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass das elektronische Modul (10) ein Getriebe (34) aufweist, wobei das Getriebe (34) eine Übersetzung zwischen 2 und 15 und bevorzugt zwischen 4 und 12 aufweist.
7. System (1) nach einem der Ansprüche 5 oder 6 dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (34) an seinem Ausgang eine Rolle aufweist, wobei die Rolle einen Durch messer in einem Bereich von 10 bis 200 mm aufweist, bevorzugt in einem Bereich von 20 bis 150 mm und besonders bevorzug in einem Bereich von 40 bis 120 mm.
8. System (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass der Motor (13) ein Außenläufermotor ist.
9. System (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass der Motor (13) eine Polzahl aufweist, die größer als 6 ist.
10. System (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass das System (1) mindestens einen Sensor zur Erfassung einer Beschleunigung und/in ei ner Drehrate umfasst.
11. System (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 10 dadurch gekennzeichnet, dass das System (1) mindestens einen Sensor zur Erfassung einer Position des Motors (13) und/in einen Sensor zur Ermittlung des Motorstroms umfasst.
12. Elektronisches Modul (10) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass das elektronische Modul (10)
- eine Energiequelle (1) zur Versorgung des elektronischen Moduls (10) mit elektrischer Energie,
- eine Vorrichtung (12) zum Aufwickeln des Zugseils (4),
- einen Motor (13) zum Antrieb der Vorrichtung (12) zum Aufwickeln des Zugseils (4) und
- eine Steuereinrichtung (14) umfasst.
13. Elektronisches Modul (10) nach Anspruch 12 dadurch gekennzeichnet, dass das elektronische Modul (10) ein Getriebe (34) umfasst.
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