JP6952059B2 - 多関節流体ローディングアームのための動作制御装置、取得・計算方法及びこの方法のための装置、並びに多関節流体ローディングアーム - Google Patents

Description

本発明は、大まかに言えば、１つの場所から別の場所へ流体を輸送（ローディング及び／又はアンローディング）するための多関節流体ローディングアームに関する。

流体は液状又は気体状生成物を意味するものと理解される。流体はより具体的には、船舶とドックとの間、及び２つの船舶間で輸送される液化天然ガス、低圧及び高圧天然ガス、石油又は化学製品を意味する。

より具体的には、本発明は、このようなローディングアームの目標管への運動、位置決め、及びカップリング（「結合（connection）」）という用語も使用される）、又はローディングアームの目標管からの解離を制御するための装置に関する。

大まかに言えば、このようなアームは、支持体上に設けられ、流体供給配管系に結合されている多関節配管系を含む。そしてこの多関節配管系上には、インボード管（inboard pipe）と呼ばれる第１管が、９０°配管エルボー区分を介して設けられている。９０°配管エルボー区分は、その端部のうちの一方で鉛直方向軸線上での回転を可能にし、また他方の端部で水平方向軸線上での回転を可能にする。インボード管の反対側の端部には、アウトボード管（outboard pipe）と呼ばれる第２管が水平方向軸線上に回転可能に設けられている。アウトボード管の端部にはカップリング集成体が設けられている。

従って、カップリング集成体は少なくとも３つの自由度を支持体に対する空間内に有しており、そしてこれらの自由度のそれぞれにおける運動は液圧式、電気式、又は空気式アクチュエータ、例えばジャッキ又はモータによって制御される。

動作制御は、オペレータによって制御されるコマンドインターフェイスによって、又は全自動式に達成される。

上記のアームは例えば、ある特許文献から公知である（例えば、特許文献１〜５参照。）。

仏国特許出願公開第２８１３８７２号 仏国特許出願公開第２８５４１５６号 仏国特許出願公開第２９３１４５１号 仏国特許出願公開第２９６４０９３号 仏国特許出願公開第３００３８５５号 仏国特許出願公開第２８１３８７２号 仏国特許出願公開第２８５４１５６号

本発明の目的は、同じタイプの輸送アームではあるものの、具体的には、輸送をそれらの間で行わなければならない浮遊構造が相対運動することにより常に困難であった外海上の流体輸送という文脈において、結合・解離プロセスの面で性能が改善された輸送アームを提案することである。

本発明の別の目的は、例えば、ある特許文献において知られている物理的連結及びガイドシステムなしに、これを行うことである（例えば、特許文献６及び７参照。）。

本発明のさらなる目的は、ヒューマンインターフェイスが制限された又は存在しない多関節輸送アームを製造し、ひいては、このアームを自動的又は半支援式に結合又は解離するのを可能にすることである。

本発明は、これを目的として、多関節流体ローディングアームの端部のうちの一方の、貯蔵位置から目標管へ、そしてこの目標管から貯蔵位置への運動を制御する装置であって、前記アームがカップリングシステムをこの端部に備えた流体輸送ラインを含み、カップリングシステムが、流体の輸送のために目標管にカップリングされるように構成されており、この装置が、貯蔵位置から、カップリングシステムが目標管にカップリングするためにカップリングシステムが目標管の前に位置決めされるまで、そして目標管から貯蔵位置まで、空間内でアームの運動を制御するためのアクチュエータを含み、そしてこの装置は、装置が計算手段を含み、計算手段が、
カップリングシステムの運動をリアルタイムで監視するように、
カップリングシステムの最後に割り出された位置から、動的ジャーク制限動作法則（dynamic jerk-limited motion law）に基づいて、目標管又は貯蔵位置の方向におけるカップリングシステムの運動の軌道をリアルタイムで生成するように、
この動作法則に基づいて、カップリングシステムの運動を制御するために、アクチュエータのそれぞれに与えられるべきコマンド命令を計算するように、
構成されていることを特徴とする、装置を提案する。

これらの態様の結果として、目標管の方向における運動中にアーム内に振動又は揺動を生じさせることを最小限に低減するか又は回避するのを可能にし、そしてまた下記詳細から判るように他の利点を提供する結合・解離プロセスを実施することができる。

特に製造し易さ及び使用しやすさに基づき、独立して又は組み合わせて実施し得る本発明の他の態様によれば、
カップリングシステムの運動をリアルタイム監視するステップが、運動の少なくとも一部が行われている間に、目標管に対するカップリングシステムの相対運動をリアルタイム監視することを伴い、軌道が、最後に割り出された相対位置から生成される。
目標管に対するカップリングシステムの相対位置をリアルタイム監視するステップがさらに、目標管に対するカップリングシステムの相対配向をリアルタイム監視することを伴い、軌道が、最後に割り出された相対位置及び相対配向から生成される。
目標管が浮遊構造上に取り付けられ、そしてローディングアームが固定構造又は浮遊構造上に取り付けられているときに、計算手段は、６つの全ての自由度における浮遊構造の絶対運動又は相対運動を同時にリアルタイム監視するための測定手段と関連付けられている。
測定手段が、慣性ユニット、ＧＰＳ、相対位置監視を実施するように構成されたＧＰＳ、カメラ、傾斜計、加速度計、電位差計、ソナー、レーザートラッカー、タキオメーター、又はこれらの組み合わせを含む群から選択される。
計算手段が、（ｉ）カップリングシステムの運動の進行、及び／又は（ｉｉ）多関節ローディングアームに付与される動的ジャーク制限運動コマンドに関連する多関節ローディングアームの挙動、を予測するように構成された予測関数を含み、そして動的ジャーク制限動作法則を、法則が予測を考慮に入れるべく調節するように構成されている。
計算手段が、実寸法誤差、変形誤差、及び／又は位置誤差を補償するアームの運動学的モデルを監視のために用いる。
アームの運動学的モデルが、これらの誤差を組み入れたローディングアームのモデルのパラメータに対して較正手順及び調節を施すことによって得られる。
調節が、較正手順により得られた測定値を用いて、非線形最適化アルゴリズムによって、又はニューラルネットワークをトレーニングすることによって、又は同じタイプの任意の他の方法によって実施される。
アクチュエータのそれぞれによって誘発された運動が同時的であり且つ同じ継続時間を有するべく、計算手段がアクチュエータのそれぞれにコマンド命令を付与するように構成されている。
計算手段が、種々の制御モード、すなわち自動モード、又はコマンドインターフェイスを介したオペレータによる手動モード、又は手動モードと自動モードとを組み合わせた半自動モードでジャーク制限動作を維持するためのコマンド命令を付与するように構成されている。
制御装置がさらに能動的振動減衰手段を含み、能動的振動減衰手段が、アクチュエータに付与されるコマンド命令に振動設定点を重ねるように構成されている。
計算手段がさらに、アームと周囲のエレメント又は構造との衝突を回避するべく軌道を生成するように構成されている。

本発明はまた、上記制御装置のためのデータ取得・計算装置であって、データ取得・計算装置が、
目標管に対する結合／解離エレメントの相対位置をリアルタイムで監視するように、
生成された最後の相対位置から、動的ジャーク制限動作法則に基づいて、目標管の方向における結合／解離エレメントの運動の軌道をリアルタイムで生成するように、
この動作法則に基づいて、目標管の方向における結合／解離エレメントの運動を制御するために、アクチュエータのそれぞれに与えられるコマンド命令を計算するように、
構成されていることを特徴とする、データ取得・計算装置に関する。

本発明は、さらに、上記アームによって流体を輸送する方法であって、方法が、
カップリングシステムの運動をリアルタイムで監視し、
カップリングシステムの最後に割り出された位置から、動的ジャーク制限動作法則に基づいて、目標管又は貯蔵位置の方向におけるカップリングシステムの運動の軌道をリアルタイムで生成し、
この動作法則に基づいて、カップリングシステムの運動を制御するために、アクチュエータのそれぞれに与えられるべきコマンド命令を計算する
ことから成るステップを含む、方法に関する。

有利には、この方法はまた、（ｉ）カップリングシステムの運動の進行、及び／又は（ｉｉ）多関節ローディングアームに付与される運動コマンドに関連する多関節ローディングアームの挙動、を予測し、そして動的ジャーク制限動作法則を、法則が予測を考慮に入れるように調節することから成るステップを含む。

最後に、本発明は、上記制御装置を含む多関節流体ローディングアームに関する。

本発明の開示に続いて、添付の図面を参照しながら、非制限的な一例として下に示された模範的実施態様を以下に詳述する。

図１は、本発明による制御装置を備えたローディングアームを概略的に示す斜視図である。 図２は、図１に示された装置の動作を示すブロックダイアグラムである。

図１は、本発明による制御装置１を備えたローディングアーム２を著しく概略的に示している。図面の多関節ローディングアームは、著しく単純化されて示されており、これに相応して、本発明による制御装置は、任意の多関節ローディングアームシステム、具体的には上述の特許出願の海洋用ローディングアームに適応することが注目される。

大まかに見れば、このタイプのローディングアームは本質的に知られており、ここで詳細に説明することはしない。

図１のローディングアームは、流体供給ラインに接続されたベース２１を有する海洋用ローディングアームである。流体供給ラインは、ベースが取り付けられた構造２２の表面の下側に配置されている。この事例では、構造は浮遊構造、例えば船舶であるが、しかし１変更実施態様によれば、これはドックであってもよい。ベースの上端部には管エルボー２３が回転可能に関節結合されている。そして管エルボー２３には、インボード管２４と呼ばれる第１管が関節結合されている。インボード管の反対側の端部には、アウトボード管２５と呼ばれる第２管が関節結合されている。アウトボード管の端部はカップリング集成体２６を担持しており、カップリング集成体２６はまた流体輸送を可能にする。カップリング集成体の、カプラーとも呼ばれるカップリングシステム２６’は目標管３５、この事例ではマニホルドに結合されるように意図されている。マニホルドはこの例では、著しく概略的に図示された船舶３６上に配置されている。図示の実施態様では、本質的に周知の形で、カプラー２６’はまたアウトボード管２５の端部に対する回転において３つの自由度を有している。これらの３つの回転度は、オペレータが１つ（one）を管にカップリングするための最終アプローチ段階中にカプラーの角度を自由に調節し得るように自由であるか、或いは、これらの回転のうちの１つ又は２つ以上がアクチュエータによって制御され、全自動的又は部分自動的に位置決めするためにコントローラに関連づけられ、且つ／又はオペレータがカプラーの最終アプローチ中に直接に回転を制御するのを可能にするためにコマンドインターフェイスに関連づけられる。さらに下で詳述するように、この事例では回転のうちの２つ（複矢印Ｄ及びＥ）が制御されるのに対して、第３の回転（複矢印Ｆ）は自由である。

本質的に周知の形で、この模範的実施態様におけるカプラー２６’はロッククランプ３１を有している。これらのロッククランプは、著しく概略的に図示されたアクチュエータ３０によってロックすることにより、ひとたびカプラーが結合されると目標管３５の周りにカプラー２６’を維持する。

ここで使用される集成体は、スイベルコネクタ又はジョイントとエルボーとから形成されており、具体的には、一方では２つの端部がそれぞれエルボーに溶接されたスイベルコネクタ又はジョイントを含み、そして他方では、第１スイベルコネクタ、これに続いてエルボー、これに続いて第１スイベルコネクタと９０°の角度を成す第２スイベルコネクタ、これに続いてエルボー、の組み合わせを含むタイプのものである。（図１における複矢印Ｄ、Ｅ、Ｆに沿った回転を可能にする集成体のような）別の集成体は、第２コネクタにエルボーによって接合された第３コネクタが加えられた第２集成体に相当する。この事例におけるこれらの集成体のスイベルジョイントは全て極低温用である。

インボード管２４とアウトボード管２５とを互いに結合するため、インボード管２４をベース２１に結合するため、そしてカップリング集成体２６をアウトボード管２５に結合するために使用される上記９０°管エルボー区分もこのタイプの集成体である。

多関節管状区分２４，２５は概ねカウンターウェイト・バランシング・システム（ここでは図示せず）と連携している。カウンターウェイト・バランシング・システムは、バランシングされたパンタグラフのタイプの機構と連携してもしなくてもよい。

カップリング集成体を備えた輸送ラインの端部には、緊急離脱システム（ＥＲＳ）、及びクイック結合／解離カプラー（ＱＣＤＣ）を設けることができる。

本発明による制御装置を備えたこのようなアームの動作について、図１及び２を参照しながら以下に詳述する。

図１及び２に概略的に示された本発明において、ローディングアームの３つの関節（複矢印Ａ，Ｂ，Ｃによって表されている）のそれぞれに対してアクチュエータ２７，２８，２９を設けることにより、直接に又は伝動装置を介して、インボード管及びアウトボード管を駆動し、そして鉛直方向軸線を中心とした回転を生じさせる。より正確に言うと、この事例では、ベース２１の上端部と管エルボー２３との間に第１アクチュエータ２７を設けることにより、ベースに対して水平方向に管エルボーを旋回させ、管エルボー２３の端部とインボード管２４との間に第２アクチュエータ２８を設けることにより、インボード管を鉛直方向に旋回させ、そしてインボード管２４とアウトボード管２５との間に第３アクチュエータ２９を設けることにより、アウトボード管を鉛直方向に旋回させる。

これらの３つのアクチュエータ２７，２８，２９、及び複矢印Ｄ，Ｅ，Ｆを巡って集成体２６のスイベルジョイントを駆動するアクチュエータは、この事例では、図１に著しく概略的に示された液圧式ジャッキである。図示されていない変更実施態様では、液圧式ジャッキのうちの１つ又は２つ以上の代わりに他のタイプの液圧式、空気圧式、又は電気式アクチュエータ、例えばモータ、ジャッキ、又は任意の他のタイプのアクチュエータが使用される。

船舶３６上に設けられた目標管３５はこの事例では、測定手段を含むハウジング３４を備えている。測定手段はこの模範的実施態様では、ＧＰＳと連携する慣性ユニットである。

同じことがベース２１（ローディングアームの支持体）にも当てはまる。支持体はこの事例では、ＧＰＳと連携する別の慣性ユニットを含むハウジング３３を有している。

制御装置の計算手段は、電気制御ボックス４０内に配置されたコントローラ４１内に組み入れられている。

より正確に言えば、コントローラはプログラマブル・ロジック・コントローラ（ＰＬＣ）である。このコントローラは、予めプログラミングされたアルゴリズムを用いて、測定手段から受信された信号を処理するように構成されている。変形実施態様では、コントローラは産業用コンピュータタイプのデータ取得・計算ユニットであってよく、より大まかに言えば、データ取得・計算装置であってよい。

アクチュエータの動作のために必要となる液圧エネルギーをアクチュエータに供給するために、液圧パワーユニット４２が設けられている。液圧パワーユニットはコントローラ４１によって制御される。もちろんこれは、当該アクチュエータが液圧式である場合にのみ適用することができる。

慣性ユニットとＧＰＳとから形成された集成体のそれぞれは、測定情報を含む信号を伝送するための無線伝送装置３３Ａ及び３４Ａをそれぞれ備えている。

一変更実施態様では、ユニット３３はコントローラ４１へ直接に有線接続することができる。

コントローラ４１は受信装置４０Ａに接続されている。受信装置４０Ａは、それぞれの船舶のハウジング３３及び３４にそれぞれ接続された無線伝送装置３３Ａ及び３４Ａと通信するように構成された無線受信機である。

制御装置はこの事例ではさらに、オペレータのためのコマンドインターフェイス６０を含む。

この事例では慣性ユニットとＧＰＳとの組み合わせによって形成された測定システムはこうして、各船舶の配向（ヨー、ピッチ、及びロール）及び運動（ヒーブ、スウェイ、及びサージ）をリアルタイムで提供する。換言すれば、これらの慣性ユニット及びＧＰＳは、６つの全ての自由度における両船舶の運動を同時に監視するのを可能にする。

別の実施態様では、慣性ユニット及びＧＰＳの代わりに、例えばレーザートラッカー、カメラ、又は目標管に対するカプラーの相対位置、及び必要な場合には他方に対する一方の相対配向（この例におけるような浮遊構造の場合）を割り出すための任意の他の測定手段を設けることもできる（使用し得る手段に関しては上記も参照）。また、慣性ユニット又はＧＰＳのような測定手段が絶対位置監視から相対位置監視へ切り換えるための付加的な手段を備えることができることも注目される。これは例えば移動ベースＧＰＳであってもよい。

ローディングアーム自体は、構造及び／又はアクチュエータ上に配置されたセンサを備えており、その形態をいかなるときにも割り出すのを可能にする。この場合、センサは傾斜計３８であるが、しかし１変更実施態様ではこれらはエンコーダ、又は他の同等の測定手段であってもよい。

アームに取り付けられたセンサ（エンコーダ、傾斜計、又はその他のセンサ）からの情報に基づく幾何学的計算を利用し、そして下記較正の結果としてローディングアームの実際の寸法を知ると、この事例ではアームの支持体に対するカプラー２６’の理論位置を計算することは比較的容易である。このように、アームの形態の測定と船舶の配向及び運動の測定とを組み合わせることによって、目標管３５に対するカプラー２６’の相対位置はコントローラによって割り出される（デカルト座標）。

事実、上述の測定を介して、我々はベースに対する目標管３５の相対位置、同じベースに対するカプラー２６’の相対位置、ひいては目標管３５に対するカプラー２６’の相対位置を有する。

カップリング集成体がこの事例では測定手段、例えばエンコーダ及び傾斜計をも備えているので、ここでもまた我々は、目標管に対するカプラー２６’の相対配向を有する（目標管の配向はハウジング３４の慣性ユニットによって割り出される）。より正確に言えば、この事例において測定されるものは、複矢印Ｄ及びＥを巡る回転を可能にするスイベルジョイントの角度位置である。

以下に詳述するように、カプラーの高さのカメラ、及び管の高さのターゲットが使用される唯一の測定手段である場合、相対位置は、慣性ユニットとＧＰＳとの組み合わせを用いるこの実施態様とは異なり直接に測定される。

測定手段の組み合わせ（例えば慣性ユニットとＧＰＳ）は、カルマンフィルタ又はニューラルネットワークのタイプのデータ統合アルゴリズムによって、精度、ひいては安全性を高めるために用いられる。このことはまた信頼性を高めることを可能にする。

本発明によれば、コントローラ４１のコマンドプログラムは、具体的には「滑らかさ（smoothness）」によって特徴付けられる特別な軌道に沿ってローディングアームを案内するために使用される。この事例では、これは（加速度から導き出される）ジャーク制限軌道（jerk-limited trajectory）である。ジャーク制限軌道の特性は、通常の軌道と比較して低周波の成分を有し、ひいてはローディングアーム、具体的にはカップリング集成体のスイベルジョイントにおける揺動を少なくすることである。

さらに、これらの軌道は、ローディングアームの振動周波数を考慮に入れるように計算することによって、振動周波数の励起を回避することができる。

加えて、本発明によるこれらの軌道はこれらの動的発生によって特徴付けられる。これらの軌道は実際に、環境（具体的には目標管の運動）に適応するためにリアルタイムで発生させることができなければならない。換言すれば、軌道生成コントローラは、ローディングアームの現在の速度及び加速度を考慮するように構成されることにより、振動をもたらすおそれのある加速度のいかなる不連続性も生み出さない軌道を形成する。

事実、海洋環境内でローディングアームを駆動するためには、特定の軌道が必要とされる。「動的（dynamic）」（又は「オンライン（online）」）とは、軌道計画アルゴリズムがゼロでない初期状態を承認することを意味する。換言すれば、動的軌道計画は、システムが停止する必要なしに、追従されている軌道をローディングアームが更新するのを可能にする。マニホルドの未来の動作が未知であるので動的軌道計画が必要とされ、従ってカプラーの軌道は絶えず更新されなければならない。

ローディングアームは特に可撓性の構造を有している。このような可撓性の構造は、これらの作動システム又は外乱のもとで極めて容易に揺動する。このような揺動はシステムが働かないようにする。なぜならば揺動は精度の重大な損失を招くからである。そのような理由から、ローディングアームを駆動するために用いられる軌道計画アルゴリズムは、ローディングアームの構造内に誘発される振動を制限するために、ジャーク制限軌道を生成するべきである。

総合して見ると、ローディングアームを駆動するための適切な軌道は動的であり且つジャーク制限されているべきである。科学文献は、このような動的ジャーク制限軌道をコンピューティングするための種々異なるアプローチを提案している［１，２］。しかしながらこれらの方法よりもここでは、［３］に提示された方法が好ましい。実際に、［３］は、システム内の振動を大幅に低減するのを可能にする追加の減衰特性を含む動的ジャーク制限軌道を生成する方法を提案している。

参考文献
［１］ HASCHKE, Robert, WEITNAUER, Erik, et RITTER, Helge. On-line planning of time-optimal, jerk-limited trajectories. In: Intelligent Robots and Systems, 2008. IROS 2008. IEEE/RSJ International Conference on. IEEE, 2008. p. 3248-3253.
［２］ KROGER, Torsten, TOMICZEK, Adam, et WAHL, Friedrich M. Towards on-line trajectory computation. In: Intelligent Robots and Systems, 2006 IEEE/RSJ International Conference on. IEEE, 2006. p. 736-741.
［３］ BESSET, Pierre, BEAREE, Richard, et GIBARU, Olivier. FIR filter-based online jerk-controlled trajectory generation. In: Industrial Technology (ICIT), 2016 IEEE International Conference on. IEEE, 2016. p. 84-89.

同様に有利には、スイベルジョイントの軌道（すなわちカプラーの軌道がアームの種々のアクチュエータに取り入れられるように分割される場合）が、カプラーの運動を「滑らか」にするために同じ継続時間を有することが望ましい。コントローラのコマンドプラグラムは、このような同期機能を組み入れるようにパラメータ化することもできる。

従って、選択されたコントローラはリアルタイムで動作するのに充分に高速でなければならない。

しかしながら、上記のように割り出されるカプラーの位置に関して言うならば、以下の点に注意するべきである。すなわち、
実寸法は一般に公称寸法とは異なる。従ってカプラーの位置の評価において誤差が存在する。
ローディングアームのエレメントの変形、及び屈曲・捩れ現象によってもたらされる偏向が付加的な誤差を誘発する。
熱膨張も作用し始める。そして、
回転軸線は理論上は共線的であるが、しかし正確にはそうではない。

これらの誤差は蓄積し、実地においては、合計で数十センチメートルまでになるおそれがある。

従って、本実施態様は較正を可能にする。この較正は、より正確な位置決めのために、これらの誤差を補償するのを可能にする数式を見いだすことから成る試験手順である。

実地では、この較正手順は、アームの数多くの形態に対応して（例えばレーザートラッカー、カメラ、又は別の適切な測定手段によって）カプラーの位置を直接に測定することから成る。これらの測定に基づいて、非線形最適化アルゴリズム（例えばLevenberg-Maquardt タイプのアルゴリズム）を用いて、誤差を組み込んだアームのモデルのパラメータが調節される。別の手段は、これらの測定に基づいてニューラルネットワークをトレーニングすることから成る。

実地では、コントローラ４１は、較正中に割り出された誤差を補償するためのプログラムを組み込んでいる。

下で詳述するコントローラのコマンドプログラムは、こうしてローディングアームの運動学モデルを含むことにより、上記運動の計画後の較正から生じた誤差を補償するためのプログラムを介してこのローディングアームの運動の精度を改善することができる。一変形実施態様では、単純化されたモデルにおいて、これらのコマンドプログラムは、ローディングアームの理論パラメータだけを考慮に入れることができる。

本発明のこの実施態様の場合、目標管に対するカプラーの相対位置の進行を予測するための手段も提供され、情報ストリーム及びアームの動的特性に関連づけられた遅延を補償することが可能になる。アームの動的特性が目標管の運動に対して遅い場合にはこのような予測はより重要になり得る。このような手段は自己回帰統計モデル、フーリエ分解分析、又は好ましくは所与のこれらのパフォーマンス、ニューラルネットワークを実行することができ、そしてこのような手段を用いて、カプラーによって追従される動作プロフィールを調節することができる。

実地では、軌道計画アルゴリズムにおいて、アームを担持する船舶の（アームの運動の計画時に行われる運動の測定から）予測される配向及び運動を用いることにより、生じ得る慣性効果を活用して、アームのエネルギー消費量及びスイベルジョイント内の応力を低減することもできる。

これらの予測手段はまた、これ（コントロール）に付与される運動コマンドに関連する多関節ローディングアームの動的挙動を予測するように構成されており、これによりカプラーの動作プロフィールを相応に調節する。

実地では、予測手段は具体的には上述のような、アームの運動の実際の測定値と、その寸法特徴とに基づいている。

本発明のこの実施態様はまた、コントローラによって能動的振動減衰プログラムを実行する。このようなプログラムは、外乱（風など）によって誘発されるいかなる振動をも減衰、又は排除するために用いられる。

このような事例において、アームのアクチュエータはこれらの振動を排除するために使用されると有利である。実地では、コントローラは、アクチュエータの通常のコマンド命令に振動設定点を重ねるようにパラメータ化される。この振動設定点は、アーム内に既に存在する測定された振動と等しく且つ対向する振動を生成することにより、これらを相殺するように構成されている。

この実施態様では、カップリング集成体２６のスイベルジョイント及びエルボーの揺動は、具体的には結果として得られる情報をこれらの揺動の能動的減衰のために使用できるようにセンサによって測定される。センサはエンコーダ、傾斜計、又は任意の他の同等の測定手段であってよい。

集成体のスイベルジョイントが１つ又は２つ以上のアクチュエータによって制御されない場合、管２５を運動させることによってこれらの揺動に対して作用することが可能である。

別の実施態様では、アーム内に既に存在するアクチュエータが不充分である場合には、付加的なアクチュエータ、例えば圧電素子を使用することができる。これらの付加的なアクチュエータは例えば管２４及び２５上又はジョイント内に配置することができる。

実地では、振動信号が測定される。この信号を減衰又は相殺するために、逆位相振動（１８０°の位相差）が発生させられるので、合計はゼロになる。この位相差は「減衰（damping）」という派生語に相当する。振動／揺動するアーム部分に応じて１つ又は２つ以上のアクチュエータを使用して適切な振動を発生させる。

有利には、コントローラ内には衝突回避プログラムを組み込むことにより、そのような場合には、いくつかのローディングアーム間の衝突、又はローディングアームの作業領域内に配置されたエレメントとの衝突を防止することもできる。

さらに注目されるのは、アクチュエータ２７，２８，２９はコントローラ３９に接続されており、コントローラ３９自体はコントローラ４１に接続されていることである。より正確に言うと、これは、流動設定点を発生させるＰＩＤ（比例、積分、微分）補正装置である。

アクチュエータを制御するのを可能にする弁は、明確さを期すために図示されていない。

別の実施態様では、アクチュエータからコントローラへ情報を戻すことにより、これらのアクチュエータが実際に設定点位置に達したか否かを示すこともできる。

また注目されるのは、液圧パワーユニット４２がアクチュエータに、これらの動作に必要とされる液圧エネルギーを提供することである。液圧パワーユニットはまた、液圧ユニットの始動及び遮断を制御するためのパワーリレーを介して、コントローラによって制御される。液圧ユニットは、アクチュエータに供給するための液圧流体を圧送するためのポンプ（図示せず）を含む。

もちろん、これは液圧アクチュエータの事例だけに適用することができる。

コマンドインターフェイス６０をコントローラに接続することにより、オペレータが目標管に対するカプラーのカップリングを制御するのを可能にする。実地では、この実施態様の場合のように、コマンドインターフェイス６０は自動接続手順のためのシンプルなボタン６１であってよい。

一変形実施態様では、コマンドインターフェイス６０上のボタンの代わりに、手動カップリングのためにジョイスティックを設けることができる。最適な軌道はオペレータによって与えられた命令に基づいて計算される。

半自動結合も可能である。半自動モードのための軌道はコントローラによって定義され、オペレータはこの軌道に沿って前方又は後方に動くように命令を与えるだけである（リアルタイムで再計算される）。

従って実地では、コントローラ４１は目標管に対するカプラーの相対位置を、そしてこの事例ではこれらの相対配向をもリアルタイムで監視し、次いで最後に割り出された相対位置及び配向から、ジャーク制限動作プロフィールに基づいて、目標管の方向におけるカプラーの運動軌道をリアルタイムで生成する。コントローラ４１は次いでアクチュエータのそれぞれに与えられるべきコマンド命令を計算することにより、この動作プロフィールと上述の具体的な特徴とに基づいて、アームの貯蔵位置からの目標管の方向におけるカプラーの運動を制御する。

従ってコントローラ４１は、図１に概略的に示された軸線Ｘ，Ｙ及びＺに沿ったカプラーと目標管との間の残りの距離をリアルタイムで計算する。

これら３つの距離がゼロでないか、又はカップリングのための既知の基準距離としてパラメータ化された距離に等しくない場合（例えば最終アプローチがコントローラ自体によっては取り扱われない場合）、コントローラは、アクチュエータの組み合わせ運動の結果として３つの軸線に沿って目標管に向かってカプラーを動かすためのカプラーの運動を生じさせるように、アームのアクチュエータのそれぞれに対してコマンド命令を計算する。コントローラは次いで各アクチュエータに対して計算されたコマンド命令をアクチュエータに付与する。コントローラ４１はまた、軸線Ｘ，Ｙ及びＺに沿ったこのカプラーと目標管との間の残りの距離をリアルタイムで計算する。これら３つの距離がまだゼロでないか、又はパラメータ化された距離に等しくない場合、コントローラはアクチュエータに対する命令を再計算し、これらの距離がゼロになるか、又はパラメータ化された距離に等しくなるまで、命令を付与する。

３つの全ての距離がゼロであるか、又はパラメータ化された距離に等しい場合、これはカプラーがカップリング位置で目標管に対面していることを意味する。コントローラは、具体的には全自動結合手順の部分として、カプラーを目標管にロックするようにカプラーのアクチュエータ３０にコマンド命令を送り、これに続いて、ひとたびカプラーが目標管に結合されてこれにロックされたら、アームの運動を自由にするために、アクチュエータをアームから解放するように命令を送ることもできる。

反対の方向では、解離プロセス中（カプラーをその貯蔵位置に戻すプロセス中）、振動がカップリング集成体内に生成されるのを防止するためにジャーク制限動作プロフィールがやはり適用される。このような振動によって、具体的には、カップリング集成体が戻り運動開始時に目標管３５を担持する船舶にぶつかるおそれがある。さらに、軌道は、目標管３５、又は船舶の任意の他のエレメントと衝突するいかなるリスクをも回避するように定義される。

従って、目標管３５に対するカプラー２６’の相対位置は、貯蔵位置への戻りプロセス開始時に監視される。

環境に応じて多くの他の変形実施態様が考えられ、従って、本発明が、記載され解説された例に制限されないことが留意される。

例えばレーザートラッカーの場合、レーザー装置はレーザー伝送装置及びターゲットを含み、装置はレーザービームによって、目標管に対するカプラーの相対位置を割り出すように構成されている。別の実施態様では、これを目的として、カメラ及びターゲット、例えば反射テストターゲットが使用されてもよい。

さらに、アームの形態を割り出すことなしに、目標管に対するカプラーの相対位置を割り出すためにただ２つの慣性ユニット、又は同等の手段を使用することによって、この相対位置をリアルタイムで監視し、次いでジャーク制限動作プロフィールに基づいて運動軌道をリアルタイムで生成することが可能である。

加えて、ローディングアームは、上記シールされたジョイントによって互いに接続された２つ又は３つ以上の区分を有する１つ又は２つ以上の輸送ラインを含むこともできる。

コントローラの代わりに、より一般的にはコンピュータを設けることもできる。

注目すべきは、本発明による制御装置はあらゆる多関節ローディングアームに適応すること、そして本発明による制御装置を任意の他のタイプのローディングシステムに適応させることは、当業者の能力の範囲に含まれることである。

Claims (17)

1. 多関節流体ローディングアームの端部のうちの一方の、貯蔵位置から目標管（３５）へ、そして前記目標管（３５）から前記貯蔵位置への運動を制御する装置であって、前記多関節流体ローディングアームがカップリングシステム（２６）を前記端部に備えた流体輸送ラインを含み、前記カップリングシステム（２６）が、流体の輸送のために前記目標管（３５）にカップリングされるように構成されており、前記装置が、前記貯蔵位置から、前記カップリングシステムが前記目標管にカップリングするために前記カップリングシステム（２６）が前記目標管（３５）の前に位置決めされるまで、そして前記目標管（３５）から前記貯蔵位置まで、空間内で前記多関節流体ローディングアームの運動を制御するためのアクチュエータ（２７〜２９）を含み、前記装置は、前記装置が計算手段（４１）を含み、前記計算手段が、
   前記カップリングシステム（２６）の運動をリアルタイムで監視するように、
   前記カップリングシステム（２６）の最後に割り出された位置から、ジャーク制限動作プロフィールに基づきかつオンラインで計画し、前記目標管（３５）又は前記貯蔵位置の方向における前記カップリングシステム（２６）の運動の軌道をリアルタイムで生成するように、
   前記ジャーク制限動作プロフィールに基づいて、前記カップリングシステム（２６）の運動を制御するために、前記アクチュエータ（２７〜２９）のそれぞれに与えられるべきコマンド命令を計算するように、構成されており、
   前記計算手段が、（ｉ）前記カップリングシステム（２６）の運動の進行、及び／又は、（ｉｉ）前記多関節流体ローディングアームに付与されるジャーク制限運動コマンドに関連する前記多関節流体ローディングアームの挙動、を予測するように構成された予測関数であって、前記ジャーク制限動作プロフィールがこの予測を考慮に入れるべく前記ジャーク制限動作プロフィールを調節するように構成されている予測関数を備えることを特徴とする、装置。
2. 前記カップリングシステム（２６）の運動をリアルタイム監視するステップが、前記運動の少なくとも一部が行われている間に、前記目標管（３５）に対する前記カップリングシステム（２６）の相対運動をリアルタイム監視することを伴い、前記軌道が、前記最後に割り出された相対位置から生成されることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 前記目標管（３５）に対する前記カップリングシステム（２６）の相対位置をリアルタイム監視するステップがさらに、前記目標管（３５）に対する前記カップリングシステム（２６）の相対配向をリアルタイム監視することを伴い、前記軌道が、最後に割り出された相対位置及び相対配向に基づいて生成されることを特徴とする、請求項２に記載の装置。
4. 前記目標管（３５）が浮遊構造上に取り付けられ、そして前記多関節流体ローディングアームが固定構造又は浮遊構造上に取り付けられており、前記計算手段は、６つの全ての自由度における前記浮遊構造の絶対運動又は相対運動を同時にリアルタイム監視するための測定手段と関連付けられていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置。
5. 前記測定手段が、ＧＰＳ、相対位置監視を実施するように構成されたＧＰＳ、カメラ、傾斜計、加速度計、電位差計、ソナー、レーザートラッカー、タキオメーター、又はこれらの組み合わせを含む群から選択されることを特徴とする、請求項４に記載の装置。
6. 前記計算手段が、実寸法誤差、変形誤差、及び／又は位置誤差を補償する前記多関節流体ローディングアームの運動学的モデルを前記監視のために用いることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の装置。
7. 前記多関節流体ローディングアームの前記運動学的モデルが、前記実寸法誤差、前記変形誤差、及び／又は、前記位置誤差を組み入れた前記多関節流体ローディングアームのモデルのパラメータに対して較正手順及び調節を施すことによって得られることを特徴とする、請求項６に記載の装置。
8. 前記調節が、前記較正手順により得られた測定値を用いて、非線形最適化アルゴリズムによって、又はニューラルネットワークをトレーニングすることによって実施されることを特徴とする、請求項７に記載の装置。
9. アクチュエータのそれぞれによって誘発された運動が同時的であり且つ同じ継続時間を有するべく、前記計算手段が前記アクチュエータ（２７〜２９）のそれぞれにコマンド命令を付与するように構成されていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の装置。
10. 前記計算手段が、種々の制御モード、すなわち自動モード、又はコマンドインターフェイスを介したオペレータによる手動モード、又は手動モードと自動モードとを組み合わせた半自動モードでジャーク制限動作を維持するためのコマンド命令を付与するように構成されていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の装置。
11. 前記制御する装置がさらに能動的振動減衰手段を含み、前記能動的振動減衰手段が、前記アクチュエータ（２７〜２９）に付与されるコマンド命令に振動設定点を重ねるように構成されていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の装置。
12. 前記計算手段がさらに、前記多関節流体ローディングアームと周囲のエレメント又は構造との衝突を回避するべく前記軌道を生成するように構成されていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の装置。
13. 前記測定手段がいくつかの慣性ユニットを備える、請求項４に記載の装置。
14. 請求項１〜１３のいずれか１項に記載の装置のためのデータ取得・計算装置（４１）において、前記データ取得・計算装置（４１）が、
    前記カップリングシステムの運動をリアルタイムで監視するように、
    前記カップリングシステムの最後に割り出された位置から、ジャーク制限動作プロフィールに基づきかつオンラインで計画し、前記目標管又は前記貯蔵位置の方向における前記カップリングシステムの運動の軌道をリアルタイムで生成するように、
    前記ジャーク制限動作プロフィールに基づいて、前記カップリングシステムの運動を制御するために、前記アクチュエータのそれぞれに与えられるべきコマンド命令を計算するように、構成されており、
    前記データ取得・計算装置（４１）が、（ｉ）前記カップリングシステム（２６）の運動の進行、及び／又は、（ｉｉ）前記多関節流体ローディングアームに付与されるジャーク制限運動コマンドに関連する前記多関節流体ローディングアームの挙動、を予測するように構成された予測関数であって、前記ジャーク制限動作プロフィールがこの予測を考慮に入れるべく前記ジャーク制限動作プロフィールを調節するように構成されている予測関数を備えることを特徴とする、データ取得・計算装置（４１）。
15. 請求項１〜１３のいずれか一項に記載の装置のためのデータ取得・計算装置の計算方法において、前記計算方法が、
    前記カップリングシステムの運動をリアルタイムで監視し、
    前記カップリングシステムの最後に割り出された位置から、ジャーク制限動作プロフィールに基づきかつオンラインで計画し、前記目標管又は前記貯蔵位置の方向における前記カップリングシステムの運動の軌道をリアルタイムで生成し、
    前記ジャーク制限動作プロフィールに基づいて、前記カップリングシステムの運動を制御するために、前記アクチュエータのそれぞれに与えられるべきコマンド命令を計算することから成るコンピューティングステップを含み、
    前記データ取得・計算装置が、（ｉ）前記カップリングシステム（２６）の運動の進行、及び／又は、（ｉｉ）前記多関節流体ローディングアームに付与されるジャーク制限運動コマンドに関連する前記多関節流体ローディングアームの挙動、を予測するように構成された予測関数であって、前記ジャーク制限動作プロフィールがこの予測を考慮に入れるべく前記ジャーク制限動作プロフィールを調節するように構成されている予測関数を備えることを特徴とする、計算方法。
16. 前記計算方法が、さらに、（ｉ）前記カップリングシステムの運動の進行、及び／又は、（ｉｉ）前記多関節流体ローディングアームに付与される運動コマンドに関連する前記多関節流体ローディングアームの挙動、を予測し、そして前記ジャーク制限動作プロフィールがこの予測を考慮に入れるように前記ジャーク制限動作プロフィールを調節することから成るステップを含むことを特徴とする、請求項１５に記載の方法。
17. 目標管にカップリングされるように構成されたカップリングシステムを複数の端部のうちの一方に備えた流体輸送ラインと、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の装置とを含む多関節ローディングアーム。

Images