KR100473093B1 - Hoist system, method of improving responsiveness of hoist and system therefor, method of controlling hoist, control system for hoist and method of preventing slack in hoist line - Google Patents

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KR100473093B1 KR10-2001-7014403A KR20017014403A KR100473093B1 KR 100473093 B1 KR100473093 B1 KR 100473093B1 KR 20017014403 A KR20017014403 A KR 20017014403A KR 100473093 B1 KR100473093 B1 KR 100473093B1
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Abstract

A human power amplifier assist device (10) includes an end-effector (14) tha t is grasped by a human operator and applied to a load (25). The end-effector (14) is suspended, via a line (13), from a take-up pulley (11), winch or dru m that is driven by an actuator (12) to lift or lower the load (25). The end- effector (14) includes a force sensor (31) that measures the vertical force imposed on the end-effector (14) by the operator and delivers a signal to a controller (20). The controller (20) and actuator (12) are structured in suc h a way that a predetermined percentage of the force necessary to lift or lowe r the load (25) is applied by the actuator (12), with the remaining force bein g supplied by the operator. The load (25) thus feels lighter to the operator, but the operator does not lose the sense of lifting against both the gravitation and inertial forces originating in the load (25).

Description

호이스트 시스템, 호이스트 응답성을 개선하기 위한 방법 및 시스템, 호이스트 제어방법, 호이스트용 제어시스템 및 호이스트 줄의 슬랙방지 방법 {HOIST SYSTEM, METHOD OF IMPROVING RESPONSIVENESS OF HOIST AND SYSTEM THEREFOR, METHOD OF CONTROLLING HOIST, CONTROL SYSTEM FOR HOIST AND METHOD OF PREVENTING SLACK IN HOIST LINE}Hoist system, method and system for improving hoist responsiveness, hoist control method, hoist control system and slack prevention method of hoist cord {HOIST SYSTEM, METHOD OF IMPROVING RESPONSIVENESS OF HOIST AND SYSTEM THEREFOR, METHOD OF CONTROLLING HOIST, CONTROL SYSTEM FOR HOIST AND METHOD OF PREVENTING SLACK IN HOIST LINE}

본 출원은 1999년 5월 13일에 출원한 미국특허 가출원 제60/134,002호, 1999년 7월 30일에 출원한 미국특허 가출원 제60/146,538호 및 1999년 7월 30일에 출원한 미국특허 가출원 제60/146,541호에 대하여 우선권을 주장하며, 이들 가출원을 인용하여 본 명세서에 포함한다.This application is directed to U.S. Provisional Application No. 60 / 134,002, filed May 13, 1999, U.S. Provisional Application No. 60 / 146,538, filed July 30, 1999 and U.S. Patent Application, July 30, 1999 Priority is claimed on provisional application 60 / 146,541, which is incorporated herein by reference.

본 발명은 작업자의 인력에 의해 하물을 인상 및 하강하는 자재 취급 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a material handling apparatus for lifting and lowering loads by a worker's manpower.

본 명세서에 기재되는 장치는 자동 조립 및 창고 작업자들이 사용하고 있는 종래의 자재 취급 장치와는 상이하다. 종래의 장치로는 현재 시장에서 구입할 수 있는 3가지 종류의 자재 취급 장치가 있다.The apparatus described herein is different from the conventional material handling apparatus used by automated assembly and warehouse workers. Conventional devices include three types of material handling devices currently available on the market.

밸런서(balancer)라고 하는 종류의 자재 취급 장치는 전동식 권취 풀리, 풀 리가 회전함에 따라 풀리 둘레에 감기는 줄, 그리고 줄의 단부에 부착되어 있는 단부 작동체(end-effector)로 이루어진다. 단부 작동체는 인상되는 하물에 연결되는 부품을 갖는다. 풀리가 회전함으로써 줄을 감거나 풀어서 단부 작동체에 연결된 하물을 인상 또는 하강하도록 한다. 이러한 종류의 자재 취급 시스템에서, 액추에이터는 인상되는 물체의 중력과 동일한 인상력을 줄에 발생시켜서 물체의 중량과 평형을 이루는 장력이 줄에 걸리게 된다. 따라서 작업자가 물체의 이동을 위해 가해주어야 하는 힘은 단지 물체의 가속력뿐이다. 이러한 힘은 물체의 중량이 클 경우에 상당히 클 수 있다. 그러므로 무거운 물체의 가속 및 감속은 작업자의 힘에 의해 제한된다.A material handling device of the kind called balancer consists of an electric winding pulley, a string wound around the pulley as the pulley rotates, and an end-effector attached to the end of the string. The end effector has a part that is connected to the article to be pulled up. As the pulley rotates, the rope is wound or unrolled to raise or lower the load connected to the end effector. In this kind of material handling system, the actuator generates a pulling force on the string equal to the gravity of the object being pulled so that the tension is in line with the weight of the object. Therefore, the only force that the operator must apply for the movement of the object is the acceleration force of the object. This force can be quite large if the weight of the object is large. Therefore, acceleration and deceleration of heavy objects are limited by the force of the operator.

물체의 중량과 정확하게 평형을 이루도록 줄에 장력을 부여하는 방법에는 2가지가 있다. 첫째로, 상기 시스템이 공압으로 작동하는 경우 인상력이 하물의 무게와 평형을 이루도록 공기압이 조절된다. 둘째로, 상기 시스템이 전기적으로 작동하는 경우 인상력이 하물의 무게와 평형을 이루도록 증폭기에 적정량의 전압이 제공된다. 밸런서의 고정적으로 설정된 장력은 실시간적으로 변화되기 용이하지 않으며, 따라서 이러한 종류의 시스템은 다양한 무게의 물체를 이동하는데 적당하지 않다. 이것은 각 물체가 자신의 중력을 상쇄하기 위해 상이한 편향력을 필요로 하기 때문이다. 이러한 사실은 작업자의 수작업 또는 물체의 무게를 측정하여 전기적으로 조절하여야 하므로 번거롭다. 예를 들어, Zimmerman International Corporation사 또는 Knight Industries사가 만든 공압식 밸런서는 상기와 같은 원리를 기반으로 한다. 공기압은 밸브에 의해 설정되고 제어되어 일정한 하중 밸런스를 유지하도록 한다. 작업자는 수작업으로 액추에이터에 접근하여 소정의 압력으로 시스템을 설정함으로써 줄에 일정한 장력이 발생되도록 한다. Scaglia사가 만든 LIFTRONIC 시스템 기계 또한 밸런서의 종류에 속하나, 전기적으로 작동한다. 시스템이 하물을 집으면, LIFTRONIC 기계는 잡힌 물체의 무게와 반대 방향의 동일한 인상력을 줄에 부여한다. 이 기계는 시스템에 의해 하물이 집혔을 때 초기에 하물의 균형을 잡아주는 전자 회로를 가지고 있기 때문에 Zimmerman 공압식 밸런서보다 우수하다. 따라서 작업자는 액추에이터의 위로 접근하여 줄의 초기 장력을 조절할 필요가 없다. 이러한 시스템에서, 하물의 중량은 먼저 시스템의 힘 센서에 의해 측정된다. 이러한 측정이 이루어지는 동안 작업자는 하물을 건드리지 말아야 하며 그 대신에 시스템이 물체의 무게를 찾아낼 수 있도록 해야 한다. 작업자가 물체를 건드리면 장력을 측정하는 것이 부정확해진다. 이로 인해 LIFTRONIC 기계는 잡힌 물체의 무게와 반대 방향의 동일하지 않은 인상력을 줄에 부여하게 된다. 본 출원의 보조 장치와는 달리, 밸런서는 작업자가 하물을 들어올리는데 필요한 힘을 육체적으로 느끼도록 하지 못한다. 또한 본 출원의 장치와 달리, 밸런서는 줄의 장력에서 물체의 중력을 상쇄할 뿐이며 하물의 무게가 무거운 경우에 사용되기에는 다용도로 충분하지 못하다.There are two ways to tension a string so that it is exactly balanced with the weight of the object. First, when the system is operated at pneumatic pressure, the air pressure is adjusted so that the pulling force is in balance with the weight of the load. Secondly, when the system is electrically operated, an appropriate amount of voltage is provided to the amplifier so that the pulling force is balanced with the weight of the load. The statically set tension of the balancer is not easy to change in real time, so this kind of system is not suitable for moving objects of varying weight. This is because each object needs a different deflection force to offset its gravity. This is cumbersome because the operator must manually adjust the weight of the object or weigh it. For example, pneumatic balancers made by Zimmerman International Corporation or Knight Industries are based on this principle. The air pressure is set and controlled by the valve to maintain a constant load balance. The operator manually accesses the actuator and sets the system to the desired pressure so that a constant tension is produced in the cord. Scaflia's LIFTRONIC system machine is also a balancer, but it works electrically. When the system picks up the load, the LIFTRONIC machine gives the rope the same pulling force in the opposite direction as the weight of the object caught. This machine is superior to Zimmerman pneumatic balancers because it has an electronic circuit that initially balances the load when it is picked up by the system. Thus, the operator does not have to approach the actuator and adjust the initial tension of the string. In such a system, the weight of the load is first measured by the force sensor of the system. During these measurements, the operator should not touch the load and instead allow the system to determine the weight of the object. If the operator touches an object, measuring the tension becomes inaccurate. This causes the LIFTRONIC machine to give the rope an unequal pulling force in the opposite direction to the weight of the object caught. Unlike the auxiliary device of the present application, the balancer does not allow the worker to physically feel the force required to lift the load. Also, unlike the device of the present application, the balancer only offsets the gravity of the object at the tension of the string and is not versatile enough to be used when the load is heavy.

제2 종류의 자재 취급 장치는 상술한 밸런서와 유사하나, 작업자가 밸브, 푸시-버튼, 키보드, 스위치 또는 티치 펜던트(teach pendant)와 같은 매개 장치를 사용하여 이동되는 물체의 상승 및 하강 속도를 조절한다. 예를 들어 작업자가 밸브를 더욱 많이 개방하면 물체의 상승 속도는 더욱 커지게 된다. 매개 장치를 사용함으로써, 작업자는 인상되는 하물과 육체적으로 접촉하지 않으나, 밸브나 스위치를 조작하느라 번거롭다. 작업자는 자신의 손이 물체와 접촉하고 있지 않으므로 얼만큼이나 인상하고 있는지 알 수가 없다. 다양한 무게의 물체를 인상하기에 적합하기는 하지만, 이러한 종류의 시스템은 작업자가 매개 장치(즉, 밸브, 푸시-버튼, 키보드 또는 스위치)에 집중을 해야하기 때문에 작업자에게는 편리하지 못하다. 그러므로 작업자는 물체의 속도보다는 매개 장치의 작동에 더욱 집중을 해야 하고, 이것은 인상 조작을 부자연스럽게 한다.The second type of material handling device is similar to the balancer described above, but the operator adjusts the rate of rise and fall of the object being moved using an intermediary device such as a valve, push-button, keyboard, switch or teach pendant. do. For example, if the operator opens the valve more, the lifting speed of the object becomes higher. By using the intermediary device, the operator does not have physical contact with the load to be raised, but is cumbersome to operate the valve or the switch. The worker does not know how much he raises because his hand is not in contact with the object. Although suitable for lifting objects of varying weights, this type of system is not convenient for the operator since the operator must concentrate on the intermediate device (ie valve, push-button, keyboard or switch). The operator therefore has to concentrate more on the operation of the intermediary device than on the speed of the object, which makes the impression manipulation unnatural.

제3 종류의 자재 취급 장치는 힘 센서 또는 운동 센서를 구비한 단부 작동체를 사용한다. 이러한 장치는 작업자의 힘 또는 동작을 측정하고 이를 근거로 액추에이터의 속도를 변화시킨다. 이러한 장치의 예로는 Yasuhiro Kojima에게 허여된 미국특허 제4,917,360호가 있다. 이러한 장치 및 이와 유사한 장치를 사용함으로써, 작업자가 단부 작동체를 위쪽으로 밀면 풀리가 회전하여 하물을 인상하며, 작업자가 단부 작동체를 아래쪽으로 밀면 풀리가 회전하여 하물을 하강시킨다. 작업자가 단부 작동체를 아래쪽으로 눌러서 흡인 컵과 결합하도록 하는 경우에 문제가 발생하는데, 컨트롤러 및 액추에이터가 이러한 동작을 하물을 하강시키려는 것으로 이해한다. 이로 인해 액추에이터는 필요 이상으로 줄을 풀도록 회전하여 줄에 "슬랙(slack)"이 발생하게 된다. 이하, 용어 "슬랙"을 줄의 초과된 길이로 이해하되, 줄이 단지 완전히 팽팽하지 않은 경우를 포함하는 것으로 해석해서는 안 된다. 슬랙이 발생한 줄은 작업자의 목이나 손에 감길 수 있다. 이러한 또는 다른 환경에 의해 줄에 슬랙이 발생한 후, 작업자가 핸들을 위쪽으로 누르면 슬랙이 발생한 줄은 작업자의 목이나 손에 밀착되게 감겨서 치명상을 줄 수 있다. 슬랙은 하물을 쥐는 수단으로서 흡인 컵이 사용되지 않는 경우에도 발생할 수 있으며, 안전을 위해 항상 슬랙을 방지하는 것이 중요하다. 빠른 이동 중에는 작업자가 실수로 하물을 인상하거나 주변 장치(예를 들어 컨베이어 벨트)에 올려놓으려고 단부 작동체의 바닥을 건드릴 수 있다. 팰릿 작업에서, 작업자는 제자리에 놓기 어려운 상자의 위치를 미세하게 조정하기 위해 단부 작동체의 바닥을 매우 자주 사용한다. 이러한 현상은 작업자가 단부 작동체를 아래쪽으로 밀어서 상자의 위치를 조정하고 이때 단부 작동체는 아래쪽으로 이동하는 것이 제한되기 때문에 줄에 슬랙이 발생하게 된다. 일반적으로, 줄의 슬랙은 작업자 및 다른 동일한 작업 환경에 있어서 위험하게 될 수 있다. 본 발명의 수동식 자재 취급 장치는 줄에 절대로 슬랙이 발생하지 않는다.The third kind of material handling apparatus uses an end effector with a force sensor or a motion sensor. Such a device measures the force or motion of an operator and changes the speed of the actuator based on it. An example of such a device is US Pat. No. 4,917,360 to Yasuhiro Kojima. By using such and similar devices, the pulley rotates to raise the load when the operator pushes the end actuator upwards, and the pulley rotates to lower the load when the operator pushes the end actuator downward. Problems arise when the operator pushes the end effector downwards to engage the suction cup, which the controller and actuator understand this to lower the load. This causes the actuator to rotate to loosen the line more than necessary, causing "slack" in the line. Hereinafter, the term "slack" is understood to be the excess length of the string, but not to be construed to include the case where the string is not only fully taut. Slack cords can be wound around the operator's neck or hands. After slack has occurred in the rope due to this or other circumstances, the worker may press the handle upwards and the strap may be wound close to the operator's neck or hand to cause fatal injury. Slack may occur even when a suction cup is not used as a means of holding a load, and it is important to prevent slack at all times for safety. During fast movement, the operator may accidentally lift the load or touch the bottom of the end effector to place it on a peripheral device (eg conveyor belt). In pallet work, the operator uses the bottom of the end effector very often to finely adjust the position of the box that is difficult to place in place. This phenomenon causes a slack in the string because the operator pushes the end actuator downward to adjust the position of the box, where the end actuator is restricted from moving downward. In general, slack in strings can be dangerous for workers and other identical working environments. In the manual material handling apparatus of the present invention, no slack occurs in the string.

이러한 종류의 힘 센서 장치 또한 인상되는 하물의 무게를 작업자가 실제로 느끼도록 하지 못한다. 이것은 하물의 이동을 부자연스럽고 위험하게 할 수 있다.This type of force sensor device also does not allow the operator to actually feel the weight of the load being lifted. This can make the movement of goods unnatural and dangerous.

도 1은 본 발명에 따른 단부 작동체를 포함하는 인력 증폭기의 일 실시예를 도시하는 도면.1 shows an embodiment of an attraction amplifier comprising an end effector according to the invention.

도 2는 작업자의 힘을 측정하는 힘 센서의 특정 구조를 도시하는, 본 발명에 사용가능한 단부 작동체의 일 실시예에 대한 단면도.FIG. 2 is a cross-sectional view of one embodiment of an end effector usable in the present invention, showing a particular structure of a force sensor measuring force of an operator. FIG.

도 3은 작업자에 의해 단부 작동체에 가해지는 힘을 측정하기 위한 변위 검출기를 포함하는 다른 단부 작동체의 일 실시예에 대한 단면도.3 is a cross sectional view of one embodiment of another end actuator including a displacement detector for measuring a force exerted on the end actuator by an operator;

도 4는 도 3의 단부 작동체가 작업자에 의해 상자를 인상하기 위해 사용되는 경우의 사시도.4 is a perspective view when the end effector of FIG. 3 is used to lift a box by an operator;

도 5는 하물을 이동시키기 위해 인력 증폭기의 부품과 상호작용하는 작업자의 힘 및 하물 부하를 도시하는 블록도.5 is a block diagram showing the force and load of a worker interacting with a component of the attraction amplifier to move the load.

도 6은 상자를 쥐기 위해 흡인 컵을 사용하는 종래 기술에서 발생할 수 있는 줄의 슬랙 문제를 도시하는 도면.FIG. 6 illustrates the problem of slack in strings that may occur in the prior art using suction cups to grasp the box.

도 7a는 작업자에 의해 단부 작동체에 가해지는 힘을 측정하기 위한 변위 검출기 및 줄의 장력을 측정하기 위한 힘 센서를 포함하는 단부 작동체의 일 실시예를 도시하는 부분단면도.FIG. 7A is a partial cross-sectional view of one embodiment of an end actuator including a displacement detector for measuring the force exerted by the operator on the end actuator and a force sensor for measuring the tension of the string; FIG.

도 7b는 작업자에 의해 단부 작동체에 가해지는 힘을 측정하기 위한 변위 검출기 및 하물만의 무게 및 가속도와 관련한 힘을 측정하기 위한 힘 센서를 포함하는 단부 작동체의 일 실시예를 도시하는 부분단면도.FIG. 7B is a partial cross-sectional view of one embodiment of an end actuator including a displacement detector for measuring the force exerted on the end actuator by a worker and a force sensor for measuring the force associated with the weight and acceleration of the load only; .

도 8은 인력 증폭기가 천장 또는 오버헤드 크레인에 가하는 전체 힘을 측정하기 위해 사용될 수 있는 힘 센서의 용도를 개략적으로 도시하는 도면.8 schematically illustrates the use of a force sensor that can be used to measure the total force exerted on a ceiling or overhead crane by the attraction amplifier.

도 9는 줄의 장력을 측정하기 위한 기구 및 운동 센서를 포함하는 액추에이터의 일 실시예를 개략적으로 도시하는 도면.9 shows schematically an embodiment of an actuator comprising a mechanism for measuring the tension of a string and a motion sensor.

도 10a 및 도 10b는 작업자에 의해 단부 작동체에 가해지는 힘을 측정하기 위한 변위 검출기 및 줄의 장력을 검출하기 위한 기구를 포함하는 단부 작동체의 일 실시예를 도시하는 부분단면도.10A and 10B are partial cross-sectional views illustrating one embodiment of an end actuator including a displacement detector for measuring the force exerted by the operator on the end actuator and a mechanism for detecting the tension of the string.

도 11a 및 도 11b는 줄의 장력을 검출하기 위한 기구 및 스위치를 포함하는 액추에이터의 일 실시예를 도시하는 도면.11A and 11B illustrate an embodiment of an actuator including a switch and a mechanism for detecting the tension of a string.

도 12a 및 도 12b는 작업자에 의해 단부 작동체 상에 가해지는 힘을 측정하기 위한 변위 검출기를 포함하는 단부 작동체, 그리고 단부 작동체가 아래쪽으로 이동하는 제한되는 경우 신호를 전달하는 스위치의 일 실시예를 도시하는 도면.12A and 12B illustrate an embodiment of an end actuator comprising a displacement detector for measuring a force exerted on the end actuator by an operator and a switch that transmits a signal when the end actuator is constrained to move downward; Drawing showing.

도 13은 액추에이터가 소비하는 전류를 검출하기 위해 사용될 수 있는 클램프-온 전류 센서의 용도를 도시하는 도면.FIG. 13 illustrates the use of a clamp-on current sensor that can be used to detect the current consumed by an actuator. FIG.

도 14는 줄의 슬랙이 방지된 상태에서 하물을 이동하기 위해 인력 증폭기의 부품과 상호작용하는 작업자의 힘 및 하물 부하를 도시하는 블록도.FIG. 14 is a block diagram showing the force and load of a worker interacting with a component of the attraction amplifier to move the load while the slack of the string is prevented.

도 15a, 15b, 15c, 15d는 호이스트 줄에 있어서 장력의 함수인 제어 변수 KM 값을 나타내는 그래프.15A, 15B, 15C, and 15D are graphs showing control variable K M values as a function of tension in hoist strings.

도 16은 단부 작동체가 아래쪽으로 이동하는 것이 제한되어 있는 동안 단부 작동체가 작업자에 의해 아래쪽으로 눌려지는 경우에도 줄의 슬랙을 방지하는 인력 증폭기의 일 실시예를 도시하는 도면.FIG. 16 illustrates one embodiment of an attraction amplifier that prevents slack in the string even when the end actuator is pressed down by an operator while the end actuator is restricted from moving downward;

도 17은 줄의 슬랙이 방지된 상태에서 하물을 이동시키기 위한 피드백 신호로서 사용되는 작업자의 힘 및 하물 부하를 도시하는 블록도.FIG. 17 is a block diagram showing the force and load of an operator used as a feedback signal for moving the load while the slack of the string is prevented.

도 18a 및 도 18b는 본 발명을 실시하는데 있어서 컨트롤러를 구동하기 위해 사용될 수 있는 소프트웨어의 플로차트.18A and 18B are flowcharts of software that can be used to drive a controller in practicing the present invention.

본 발명의 보조 장치는 3가지 종류의 자재 취급 장치와 관련하여 상술한 문제를 해결해준다. 본 발명의 호이스트는 작업자가 쥐는 단부 작동체, 전동기와 같은 액추에이터, 액추에이터를 제어하기 위한 컴퓨터 또는 다른 종류의 컨트롤러, 그리고 줄, 케이블, 체인, 로프, 와이어 또는 액추에이터와 단부 작동체 사이에서 인상 장력을 전달하기 위한 다른 종류의 줄을 포함한다. 이하, 용어 "인상"은 하물의 상하 양쪽으로의 이동을 포함하는 것으로 이해하여야 한다. 단부 작동체는 작업자와 인상될 물체 사이에서 인터페이스를 제공한다. 풀리, 드럼 또는 윈치와 같은 힘의 전달 기구는 액추에이터에 의해 발생된 힘을 단부 작동체에 인상력을 전달하는 줄에 가하도록 사용된다.The auxiliary device of the present invention solves the problems described above with respect to three kinds of material handling devices. The hoist of the present invention is designed to provide an end tension between the operator, an actuator such as an electric motor, a computer or other type of controller for controlling the actuator, and a tension between the cord, cable, chain, rope, wire or actuator and the end actuator. Contains a different kind of line for passing. Hereinafter, the term "impression" should be understood to include the movement of both the up and down of the article. The end effector provides an interface between the operator and the object to be raised. Force transmission mechanisms, such as pulleys, drums or winches, are used to apply the force generated by the actuator to the string that transmits the pulling force to the end effector.

작업자에 의해 단부 작동체 상에 가해지고 센서에 의해 측정되는 수직력을 나타내는 신호는 액추에이터와 관련된 컨트롤러에 전달된다. 작동에 있어서, 컨트롤러는 액추에이터가 적절하게 풀리를 회전하고 단부 작동체를 이동하여, 액추에이터에 의한 나머지 힘이 제공되는 동안 작업자가 단지 하물 부하의 사전 프로그램된 작은 부분을 들어올리도록 한다. 그러므로 액추에이터는 작업자의 손의 힘에 응답하여 인상 이동하는 동안 작업자를 보조한다. 또한 줄의 장력은 검출 또는 측정되며, 예를 들어 액추에이터가 소비하는 에너지 또는 전류에 의해 검출된다. 또한 하물 부하가 장력의 크기를 결정하는 주 요소이기 때문에, 하물 부하는 장력을 대략 어림잡는데 사용될 수 있으며 그 반대도 가능하다. 이하, 장력은 하물 부하를 사용하여 계산될 수 있고 하물 부하는 장력을 사용하여 계산될 수 있음을 이해하여야 한다. 하물 부하 또는 줄의 장력을 나타내는 신호는 컨트롤러에 전송되고, 컨트롤러는 하물 부하 신호 또는 장력 신호를 사용하여 작업자의 입력에 따라 액추에이터를 효과적으로 구동하도록 한다. 이것은 예를 들어, 하물 부하 또는 장력이 0인 경우에 액추에이터가 줄을 풀어주지 않도록 할 수 있어서 줄이 느슨해지더라도(즉, 팽팽하지 않더라도) 줄에 슬랙(상기 정의된 대로)이 절대로 발생하지 않게 된다.A signal indicative of the vertical force exerted on the end effector by the operator and measured by the sensor is transmitted to a controller associated with the actuator. In operation, the controller causes the actuator to properly rotate the pulley and move the end effector so that the operator only lifts a small, pre-programmed portion of the load while the remaining force is provided by the actuator. The actuator therefore assists the operator during the hike movement in response to the force of the operator's hand. The tension of the cord is also detected or measured, for example by the energy or current consumed by the actuator. Also, because load loading is the main factor in determining the magnitude of tension, load loading can be used to approximate the tension and vice versa. Hereinafter, it should be understood that the tension can be calculated using the load and the load can be calculated using the tension. A signal indicative of the load or string tension is transmitted to the controller, which uses the load load signal or tension signal to effectively drive the actuator according to the operator's input. This can, for example, prevent the actuator from releasing the string in the event of a zero load or tension, so that no slack (as defined above) occurs on the string even if the string is loose (i.e. not taut). do.

이러한 하물 공유 개념에 의해, 작업자는 하물을 인상하는 느낌을 가지지만 정상적으로 필요한 힘보다 훨씬 작다. 액추에이터에 의해 가해지는 힘은 하물을 이동하는데 필요한 중력 및 관성력 모두를 고려한다. 액추에이터에 의해 가해지는 힘은 줄의 힘 및 작업자에 의해 단부 작동체에 가해지는 힘에 의해 자동으로 결정되기 때문에, 상이한 무게를 갖는 하물에 대하여 인력 증폭기를 설정 또는 조절할 필요가 없다. 인력 증폭기에는 하물의 인상 속도를 제어하기 위한 스위치, 밸브, 키보드, 티치 펜던트(teac pendent) 또는 푸시-버튼이 없다. 작업자의 손과 줄의 힘과 결합된 단부 작동체 핸들 사이의 접촉력이 하물의 인상 속도를 결정하는데 사용된다. 작업자 손의 힘은 줄의 힘과 협력하여 컨트롤러에 의해 측정 및 사용되어 풀리의 필요한 각속도를 부여하여 줄을 상승 및 하강시키며, 이로 인해 인상 작업을 하고 있는 작업자에게 충분한 기계적 강도를 보조한다. 이러한 방법에서, 상기 장치는 "자연스러운" 방식으로 작업자의 팔 동작에 따른다. 작업자가 이러한 장치를 사용하여 하물을 다루는 경우, 전체 하물 부하(중력과 가속도의 합) 중 적절하게 정해진 일부가 작업자에 의해 인상된다. 이러한 힘은 작업자가 얼마나 큰 무게를 들어올리고 있는가를 느끼도록 해준다. 반대로, 작업자가 단부 작동체 핸들에 어떠한 수직력(위쪽 또는 아래쪽)도 가하지 않는 경우에는 액추에이터가 풀리를 전혀 회전시키지 않으며 하물은 풀리에 움직이지 않고 매달리게 된다.By this bag sharing concept, the worker has a feeling of lifting the load but is much smaller than the normally required force. The force exerted by the actuator takes into account both the gravity and the inertia forces required to move the load. Since the force exerted by the actuator is automatically determined by the force of the joule and the force exerted on the end effector by the operator, there is no need to set or adjust the attraction amplifier for loads of different weight. The attraction amplifiers do not have switches, valves, keyboards, teach pendents or push-buttons to control the lifting speed of the load. The contact force between the end effector handle coupled with the operator's hand and string force is used to determine the speed of pulling up the load. The force of the operator's hand is measured and used by the controller in cooperation with the force of the rope, giving the required angular velocity of the pulley to raise and lower the rope, thereby providing sufficient mechanical strength for the worker working on the lifting. In this way, the device follows the operator's arm movement in a "natural" manner. When an operator uses these devices to handle a load, an appropriately defined portion of the total load (sum of gravity and acceleration) is lifted by the operator. This force allows the operator to feel how much weight is lifting. Conversely, if the operator does not apply any vertical force (up or down) to the end effector handle, the actuator does not rotate the pulley at all and the load hangs without moving on the pulley.

전술한 종래의 장치가 하물을 인상하기는 하지만, 이들 장치는Although the conventional apparatus described above raises a load, these apparatuses

작업자가 인상 이동을 육체적으로 느끼도록 하지 않고,Do not let the worker feel the impression movement physically,

관성력을 보상하지 않으며,Does not compensate for inertia,

다양한 하물 부하에 대한 보정이 없고,No compensation for various loads,

인간공학적 관심을 다루지 않으며,Does not address ergonomic concerns,

줄의 슬랙을 방지하지 못한다.It does not prevent slack in the line.

본 발명의 장치는 상기와 같은 단점을 갖지 않는다.The device of the present invention does not have the above disadvantages.

도 1은 본 발명의 제1 실시예를 도시한 것으로, 인력 증폭기(human power amplifier)(10)를 보여준다. 장치 상부에 액추에이터(12)에 의해 구동되는 권취 풀리(11)가 천장, 벽 또는 오버헤드 크레인에 직접 장착되어 있다. 권취 풀리(11)에는 줄(13)이 감겨 있다. 풀리(11)가 회전하는 경우, 줄(13)은 하물(25)을 인상하거나 하강시킬 수 있다. 줄(13)은 풀리 주위에 감겨 하물을 인상하는 힘을 제공할 수 있는 것으로서, 모든 종류의 선, 와이어, 케이블, 벨트, 로프, 와이어 줄, 코드, 연사(twine), 스트링 또는 다른 부재일 수 있다. 줄(13)에는 핸들(16)을 포함하는 작업자 인터페이스 서브시스템(human interface subsystem)(15)과 하물 인터페이스 서브시스템(load interface subsystem)(17)을 포함하는 단부 작동체(end-effector)(14)가 부착되어 있으며, 본 실시예에서 이 단부 작동체(14)는 한 쌍의 흡인 컵(suction cup)(18)을 포함한다. 또 이 흡인 컵(18)에 저압 공기를 공급하는 에어 호스(19)를 구비한다. 1 shows a first embodiment of the present invention, which shows a human power amplifier 10. A winding pulley 11 driven by an actuator 12 is mounted directly on the ceiling, wall or overhead crane at the top of the device. A string 13 is wound around the winding pulley 11. When the pulley 11 is rotated, the rope 13 can raise or lower the article 25. The string 13 can be wound around the pulley to provide the force to raise the load, which can be any type of wire, wire, cable, belt, rope, wire string, cord, twist, string or other member. have. The row 13 has an end-effector 14 comprising a human interface subsystem 15 comprising a handle 16 and a load interface subsystem 17. Is attached, and in this embodiment this end effector 14 comprises a pair of suction cups 18. Moreover, the suction cup 18 is provided with the air hose 19 which supplies low pressure air.

바람직한 실시예에서, 액추에이터(12)는 변속 장치를 구비한 전동기이나 변속 장치가 없는 전동기로 대체할 수도 있다. 또, 액추에이터(12)는 공압, 유압 및 다른 대체 가능한 형태의 에너지를 포함하는 다른 유형의 에너지를 사용하여 동력을 공급받을 수 있다. 본 실시예에 사용한 바와 같이, 변속 장치는 줄의 장력(tensile force)을 증가시키거나 감소시키는 풀리 및 줄과 같은 기계 장치이다. 풀리(11)는 액추에이터(12)가 제공하는 운동을 줄(13)을 인상하거나 하강하는 수직 운동으로 변환할 수 있는 드럼이나 윈치(winch) 또는 다른 메커니즘으로 교체될 수 있다. 본 실시예에서는 액추에이터(12)가 권취 풀리(11)에 직접 동력을 공급하지만, 권취 풀리(11)가 액추에이터(12)의 다른 위치에 장착되고 체인 및 스프로킷 어셈블리와 같은 다른 변속 장치 시스템을 통하여 동력을 권취 풀리(11)에 전달할 수도 있다. 액추에이터(12)는 신호 케이블(21)을 통하여 단부 작동체(14)로부터 신호를 수신하는 전자 컨트롤러(20)에 의해 구동된다. 전기 신호의 전송에는 몇 가지 방법이 있기 때문에 신호 케이블(21)은 다른 대체 가능한 신호 전송 수단(예를 들면 RF, 광 등)으로 교체될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 컨트롤러(20)는 다음 3가지 주요 구성요소를 필수적으로 포함한다.In a preferred embodiment, the actuator 12 may be replaced by an electric motor with a transmission or an electric motor without a transmission. In addition, actuator 12 may be powered using other types of energy, including pneumatic, hydraulic, and other alternative forms of energy. As used in this embodiment, the transmission is a mechanical device such as a pulley and a string that increases or decreases the tensile force of the string. The pulley 11 may be replaced by a drum, winch or other mechanism capable of converting the movement provided by the actuator 12 into a vertical movement that raises or lowers the rope 13. In this embodiment, the actuator 12 powers the winding pulley 11 directly, but the winding pulley 11 is mounted at another position of the actuator 12 and powered through other transmission systems such as chain and sprocket assemblies. It may be delivered to the winding pulley (11). The actuator 12 is driven by the electronic controller 20 which receives a signal from the end effector 14 via the signal cable 21. Since there are several ways of transmitting electrical signals, the signal cable 21 can be replaced with other alternative signal transmission means (e.g. RF, light, etc.). In a preferred embodiment, the controller 20 essentially includes the following three main components.

1. 입출력 기능과 표준 주변장치를 구비한 컴퓨터, 아날로그 회로 또는 디지털 회로. 이 부분에 대한 컨트롤러의 기능은 여러 센서 및 스위치로부터 수신한 정보를 처리하여 액추에이터로 명령 신호를 발생시키는 것이다.1. Computers, analog or digital circuits with input / output capability and standard peripherals. The controller's function in this area is to process the information received from the various sensors and switches to generate a command signal to the actuator.

2. 상기한 컴퓨터의 명령에 기초하여 액추에이터로 동력을 전달하는 동력 증폭기. 일반적으로, 이 동력 증폭기는 동력원(power supply)으로부터 동력을 받아 액추에이터에 적정량의 동력을 전달한다. 이 동력 증폭기가 액추에이터(12)로 공급하는 전력량은 컴퓨터에서 계산되는 명령 신호에 의해 결정된다. 2. A power amplifier that transmits power to the actuator based on the computer's instructions. Typically, this power amplifier receives power from a power supply and delivers the right amount of power to the actuator. The amount of power supplied by the power amplifier to the actuator 12 is determined by the command signal calculated by the computer.

3. 일련의 가능한 사건(event)에 따라 시스템을 시동하고 정지시키는 전자기계식 릴레이 또는 고상(solid state) 릴레이로 이루어진 논리회로. 예를 들면, 릴레이는 컨트롤러나 단부 작동체 상에 설치된 2개의 푸시 버튼을 사용하여 전체 시스템의 동작을 시작하고 종료시킨다. 이 릴레이는 전력 장애가 발생하거나 작업자가 시스템을 방치한 경우에 마찰 브레이크(friction brake)를 연동시킨다. 3. Logic circuit consisting of an electromechanical relay or a solid state relay that starts and stops the system according to a series of possible events. For example, a relay uses two push buttons installed on a controller or end actuator to start and end the operation of the entire system. This relay engages a friction brake in the event of a power failure or operator left the system.

작업자 인터페이스 서브시스템(15)은 작업자가 손으로 잡을 수 있고 작업자의 힘, 즉 작업자 인터페이스 서브시스템(15)에 가해지는 작업자의 힘을 측정하도록 설계된다. 하물 인터페이스 서브시스템(17)은 하물과 접촉되고 여러 홀딩 장치(holding device)를 수용하도록 설계된다. 이 하물 인터페이스 서브시스템의 설계는 하물의 기하학적 구조와 인상 동작과 관련한 다른 요소들에 의존한다. 도 1에 도시한 흡인 컵(18) 외에, 하물 인터페이스 서브시스템에 연결되는 후크 및 그리퍼(gripper)를 다른 수단의 예로 들 수 있다. 무거운 물체를 들어올리는 경우, 이 하물 인터페이스 서브시스템은 2개 이상의 흡인 컵을 포함할 수 있다.The operator interface subsystem 15 is designed to measure the force of the operator, that is, the force exerted on the operator interface subsystem 15, by the operator. The load interface subsystem 17 is designed to be in contact with the load and to accommodate various holding devices. The design of this load interface subsystem depends on the load geometry and other factors related to the pulling behavior. In addition to the suction cup 18 shown in FIG. 1, hooks and grippers connected to the load interface subsystem are examples of other means. When lifting a heavy object, this article interface subsystem may include two or more suction cups.

단부 작동체(14)의 작업자 인터페이스 서브시스템(15)은 작업자가 가하는 수직력(vertical force)의 크기를 측정하는 센서(후술함)를 포함한다. 만약 작업자의 손이 핸들(16)을 위쪽으로 미는 경우 권취 풀리(11)는 단부 작동체(14)를 위쪽으로 이동시킨다. 만약 작업자의 손이 핸들(16)을 아래쪽으로 미는 경우, 권취 풀리는 단부 작동체(14)를 아래쪽으로 이동시킨다. 측정된 작업자의 손 힘은 신호 케이블(21)(또는 다른 대체 가능한 신호 전송 수단)을 통하여 컨트롤러(20)로 전송된다. 또 본 발명의 바람직한 실시예의 시스템은 단부 작동체(14)에 근접 배치된 센서를 포함하는 한편, 작업자 인력을 추정하는 데 단부 작동체(14)에 근접하지 않는 작업자의 작용력(operator-applied force) 추정 구성요소를 사용할 수 있다.The operator interface subsystem 15 of the end actuator 14 includes a sensor (described below) that measures the amount of vertical force exerted by the operator. If the operator's hand pushes the handle 16 upwards, the winding pulley 11 moves the end actuator 14 upwards. If the operator's hand pushes the handle 16 downward, the take-up pulley moves the end effector 14 downward. The measured hand force of the operator is transmitted to the controller 20 via the signal cable 21 (or other replaceable signal transmission means). The system of the preferred embodiment of the present invention also includes a sensor disposed proximate to the end actuator 14 while an operator-applied force that is not proximate to the end actuator 14 for estimating operator attraction. Estimation components may be used.

이 측정 장치들을 사용하여 컨트롤러(20)는 작업자의 인상 작업에 필요한 만큼을 보조하는 데 충분한 기계적인 힘을 발생시키는 줄(13)을 인상 또는 하강하는 데 필요한 풀리 속도를 할당한다. 컨트롤러(20)는 그런 다음 동력 케이블(23)을 통하여 동력을 액추에이터(12)에 공급하여 풀리(11)가 회전하도록 한다. 이런 모든 동작은 매우 빨리 일어나 작업자의 인상 시도와 장치의 인상 시도는 완전히 동시에 일어난다. 따라서 작업자의 물리적인 움직임은 기계 장치의 물리적인 보조로 바뀌고, 기계 장치의 힘은 작업자에 의해 직접적으로 그리고 동시에 제어된다. 요약하면, 작업자와 풀리 모두가 수직으로 이동하기 때문에 하물은 수직으로 이동한다. 본 발명에 따른 장치의 가장 중요한 특성 중의 하나는 작업자의 상하로의 손동작에 따라 단부 작동체가 액추에이터와 풀리를 회전시키는 것이고, 또 단부 작동체가 아래쪽으로 이동하는 것이 제한되고 작업자에 의해 단부 작동체가 아래쪽으로 밀리더라도 줄은 느슨해지지 않는다. Using these measuring devices, the controller 20 assigns a pulley speed necessary to raise or lower the string 13 which generates enough mechanical force to assist as necessary for the operator's pulling operation. The controller 20 then supplies power to the actuator 12 via the power cable 23 to cause the pulley 11 to rotate. All of these actions take place so quickly that the operator's attempts to raise and the device's attempts to happen at the same time occur completely simultaneously. Thus, the physical movement of the operator is changed to the physical assistance of the mechanism, and the force of the mechanism is controlled directly and simultaneously by the operator. In summary, the load moves vertically because both the worker and the pulley move vertically. One of the most important characteristics of the device according to the invention is that the end effector rotates the actuator and pulley according to the hand movement of the operator up and down, and the movement of the end effector downward is restricted and the end effector is moved downward by the operator. The line does not loosen even if it is pushed.

핸들(16)(후술함) 상에 레버(26)를 구비한 데드맨(dead-man) 스위치는 신호를 신호 케이블(22)(또는 다른 대체 가능한 신호 전송 수단)을 통하여 컨트롤러(20)로 전송한다. 작업자가 핸들(16)을 잡고 있는 경우에, 데드맨 스위치는 단부 작동체가 작업자의 손을 따라 움직이도록 하는 논리 신호를 컨트롤러(20)로 전송한다. 작업자가 핸들(16)을 놓으면, 데드맨 스위치는 단부 작동체가 정지한 채로 유지되도록하는 다른 논리신호를 컨트롤러(20)로 전송한다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 액추에이터(12) 상에 마찰 브레이크(24)가 설치된다. 이 마찰 브레이크는 작업자가 데드맨 스위치를 해제하거나 전력 장애가 발생한 경우에 항상 연동된다. 2개의 핸들을 구비한 단부 작동체를 사용할 수 있지만, 그 중 하나만 작업자의 작용력을 측정하기 위한 센서와 같이 설치될 필요가 있다. 무거운 물체를 인상하는 경우, 도 1에 도시한 인력 증폭기(10)와 유사한 2개의 인력 증폭기를 사용할 수 있으며, 하나는 왼손용이고 다른 하나는 오른손용이다.A dead-man switch with a lever 26 on the handle 16 (described below) sends a signal to the controller 20 via a signal cable 22 (or other alternative signal transmission means). do. When the operator is holding the handle 16, the deadman switch transmits a logic signal to the controller 20 that causes the end effector to move along the operator's hand. When the operator releases the handle 16, the deadman switch transmits another logic signal to the controller 20 that causes the end effector to remain stationary. In a preferred embodiment of the invention, a friction brake 24 is installed on the actuator 12. This friction brake always engages when the operator releases the deadman switch or a power failure occurs. It is possible to use an end effector with two handles, but only one of them needs to be installed as a sensor for measuring the operator's action. When lifting a heavy object, two attraction amplifiers similar to the attraction amplifier 10 shown in FIG. 1 can be used, one for the left hand and the other for the right hand.

먼저, 작업자의 힘 측정을 고려하여 두 종류의 단부 작동체의 아키텍쳐를 상세하게 설명한다. 그런 다음 시스템의 작동과 줄의 슬랙 방지를 고려한 제어 알고리즘을 설명한다. 이 제어 알고리즘의 구현을 설명하기 위하여 흐름도도 주어진다.First, the architecture of two types of end effectors will be described in detail in consideration of the force measurement of the operator. The control algorithm then considers the operation of the system and the prevention of line slack. A flowchart is also given to illustrate the implementation of this control algorithm.

여기서 두 종류의 단부 작동체를 설명한다. 도 2는 힘 센서를 통하여 사람의 힘을 측정하는 단부 작동체(31)의 한 예이다. 힘 센서(31)는 핸들(32)과 브래킷(33) 사이에 설치되고, 신호 케이블(21)을 통하여 컨트롤러(20)에 연결된다. 힘 센서(31)는 작업자가 움켜잡는 핸들(32) 내의 보어(bore) 안쪽에 나사 고정되는 나사부(34)를 갖는다. 힘 센서(31)의 반대편은 실린더(35)를 통하여 브래킷(33)에 연결된다. 실린더(35)의 외경은 핸들(32)의 내경보다 약간 작다. 이러한 클리어런스(clearance)는 핸들(32)과 실린더(35) 사이의 슬라이딩 동작을 가능하게 하고, 아무런 저항 없이 힘 센서(31)에 전해지는 수직 방향의 작업자의 힘과 브래킷(33)에 전달되고 힘 센서(31)에는 전달되지 않는 수직 방향이 아닌 작업자의 힘을 보증한다. 수직 방향 외의 힘이 힘 센서(31)에 전해지면, 센서의 오 판독(false reading)이나 힘 센서 어셈블리의 손상을 유발시킨다.Two types of end effectors are described here. 2 is an example of an end effector 31 which measures the force of a person via a force sensor. The force sensor 31 is installed between the handle 32 and the bracket 33 and is connected to the controller 20 via the signal cable 21. The force sensor 31 has a threaded portion 34 that is screwed into the bore in the handle 32 that the operator grabs. The opposite side of the force sensor 31 is connected to the bracket 33 via the cylinder 35. The outer diameter of the cylinder 35 is slightly smaller than the inner diameter of the handle 32. This clearance enables the sliding action between the handle 32 and the cylinder 35 and is transmitted to the force of the operator in the vertical direction and to the bracket 33 and transmitted to the force sensor 31 without any resistance. The sensor 31 ensures the operator's force in a non-vertical direction that is not transmitted. If a force other than the vertical direction is transmitted to the force sensor 31, it may cause a false reading of the sensor or damage of the force sensor assembly.

본 발명의 실시예에 사용된 힘 센서는 압전형 기반(piezoelectric based) 힘 센서, 금속 스트레인 게이지 힘 센서, 반도체 스트레인 게이지 힘 센서, 휘스톤 브리지 내장형 스트레인 게이지 힘 센서 및 힘 감지 저항(force sensing resistor)를 포함하는 다양한 상용 힘 센서 중에서 선택할 수 있다. 선택된 힘 센서의 특정 유형 및 그 설치 과정에 관계없이, 힘 센서(31)는 작업자가 단부 작동체(30)에 가한 힘만을 측정하도록 설계되어야 한다. 브래킷(33)은 실린더(35)에 견고하게 연결되고, 하물과 접촉하는 후크(36)와 줄(13)에 연결되는 아일릿(eyelet)(37)을 포함한다.Force sensors used in embodiments of the present invention include piezoelectric based force sensors, metal strain gauge force sensors, semiconductor strain gauge force sensors, Wheatstone bridge built strain gauge force sensors, and force sensing resistors. You can choose from a variety of commercial force sensors, including. Regardless of the particular type of force sensor selected and its installation process, the force sensor 31 should be designed to measure only the force exerted by the operator on the end actuator 30. The bracket 33 is rigidly connected to the cylinder 35 and includes an eyelet 37 which is connected to the hook 13 and the string 13 in contact with the load.

실시예의 두 번째 그룹에서는 작업자가 단부 작동체에 가한 힘을, 앞서 설명한 종류의 힘 센서가 아닌 핸들의 변위(displacement)로 측정한다. 변위 측정 시스템의 저 비용 및 사용의 용이함은 이러한 유형의 단부 작동체가 경우에 따라 훨씬 더 매력적인 것이 되게 한다. 이 두 번째 그룹의 단부 작동체의 일 실시예에 대한 부분 단면도를 도 3에 도시하였다. 도 4는 작업자가 상자(25)를 들어올리기 위하여 사용하는 경우의 도 3의 단부 작동체의 사시도를 나타낸 것이다. 앞서 설명한 단부 작동체와 유사하게, 단부 작동체(40)는 작업자 인터페이스 서브시스템(41)과 하물 인터페이스 서브시스템(42)을 포함한다. 작업자 인터페이스 서브시스템은 작업자가 움켜쥐는 핸들(16)을 포함하고, 따라서 하물 부하가 아닌 작업자의 힘을 측정한다. In the second group of embodiments, the force exerted by the operator on the end effector is measured by the displacement of the handle rather than the force sensor of the kind described above. The low cost and ease of use of the displacement measuring system make this type of end effector in some cases even more attractive. A partial cross sectional view of one embodiment of this second group of end effectors is shown in FIG. 3. FIG. 4 shows a perspective view of the end effector of FIG. 3 when the operator uses it to lift the box 25. Similar to the end effector described above, the end effector 40 includes an operator interface subsystem 41 and a load interface subsystem 42. The operator interface subsystem includes a handle 16 that the operator grabs and thus measures the force of the operator rather than the load.

하물 인터페이스 서브시스템(42)은 후크(45), 흡인 컵 또는 물체를 붙잡을 수 있는 다른 형태의 장치에 볼트로 고정되는 브래킷(44)을 포함한다. 아일릿(46)은 브래킷(47)에 장착되어 브래킷(47)을 줄(13)에 연결한다.The load interface subsystem 42 includes a bracket 44 that is bolted to a hook 45, a suction cup or other type of device capable of holding an object. Eyelets 46 are mounted to brackets 47 to connect brackets 47 to strings 13.

핸들(16)은 작업자에 의해 잡혀지고 볼 스플라인 샤프트 메커니즘의 볼나사부(49)에 견고하게 연결된다. 스플라인 샤프트(51)의 홈에 위치한 볼(50)은 스플라인 샤프트(51)와 관련된 회전 없이 볼나사(49) 및 핸들(16)이 스플라인 샤프트(51)를 따라 자유롭게 직선 운동할 수 있도록 한다. 스플라인 샤프트(51)는 아일릿(46)을 통하여 줄(13)에 연결된 브래킷에 고정된다.The handle 16 is held by the operator and firmly connected to the ball screw portion 49 of the ball spline shaft mechanism. The ball 50 located in the groove of the spline shaft 51 allows the ball screw 49 and the handle 16 to freely move along the spline shaft 51 without rotation associated with the spline shaft 51. The spline shaft 51 is secured to a bracket connected to the string 13 via eyelets 46.

본 실시예에서, 스플라인 샤프트(51)는 브래킷(47)에 압입 고정된다. 후크(45)를 지탱하는 브래킷(44)는 볼트(52)로 브래킷(47)에 연결된다. 브래킷(44)는 흡인 컵 기구, 후크 또는 물체를 유지하는 다른 장치를 연결할 수 있는 홀 패턴을 갖는다. 코일 스프링(53)은 볼 스플라인 샤프트 메커니즘의 볼나사부(49)와 스토퍼(54) 사이의 스플라인 샤프트(51) 둘레에 위치하며, 핸들(16)을 위쪽으로 향하게 한다. 스토퍼(54)는 스플라인 샤프트(51)에 견고하게 고정되는 클램프 링일 수 있음에 주의해야 한다.In this embodiment, the spline shaft 51 is press-fitted to the bracket 47. The bracket 44 supporting the hook 45 is connected to the bracket 47 with bolts 52. The bracket 44 has a hole pattern to which a suction cup mechanism, a hook or other device for holding an object can be connected. The coil spring 53 is located around the spline shaft 51 between the ball screw portion 49 and the stopper 54 of the ball spline shaft mechanism and directs the handle 16 upwards. It should be noted that the stopper 54 may be a clamp ring firmly fixed to the spline shaft 51.

본 실시예에서, 선형 엔코더는 브래킷(47)에 상대적인 핸들(16)의 이동을 측정한다. 이 엔코더 시스템은 신호 케이블(21) 상에 전기적인 신호를 발생시키는 센서(48)를 포함한다. 이 엔코더는 핸들(16) 상에 접착제로 부착되는 반사 스트립(55)을 갖는다. 이 반사 스트립은 어두운 가로줄을 갖는다. 핸들이 브래킷(47)에 상대적으로 직선 운동을 함에 따라 센서(48)는 스트립(55)의 밝은 영역과 어두운 영역을 검출하고, 스트립(55)의 밝은(또는 어두운) 영역을 검출함에 따라 적절한 펄스를 신호 케이블(21)을 통하여 전송한다. 펄스 신호의 상승 및 하강 에지는 컨트롤러(20)에서 카운트된다. 도 3은 핸들(16)이 그 상한(볼나사부(49)가 브래킷(47)을 압박함)까지 위쪽으로 밀어 올려지는 경우의 단부 작동체를 도시한다. 어두운 줄을 갖는 반사 스트립을 핸들(16) 상에 접착제로 붙이는 것보다 핸들(16) 자체에 레이저로 표시하는 것이 낫다. 컨트롤러는 이 위치에서 핸들(16)의 영점(zero position)을 가정하고, 신호 케이블(21)을 통하여 전송되어온 펄스를 세어 핸들 변위를 계산한다. 핸들 변위와 스프링 강성 모두를 고려하여 작업자의 힘에 대한 값을 산출한다. 본 실시예에서 사용된 직선 운동 검출기는 마그네틱 선형 엔코더, 선형 퍼텐쇼미터, LVDT(Linear Variable Differential Transformer), 용량성 변위 센서(capacitive displacement sensor), 와전류 근접 센서(eddy current proximity sensor) 또는 가변 인턱턴스(variable-inductance) 근접 센서일 수 있다.In this embodiment, the linear encoder measures the movement of the handle 16 relative to the bracket 47. This encoder system comprises a sensor 48 for generating an electrical signal on the signal cable 21. This encoder has a reflective strip 55 attached with an adhesive on the handle 16. This reflective strip has dark horizontal lines. As the handle makes a linear movement relative to the bracket 47, the sensor 48 detects bright and dark areas of the strip 55, and detects the bright (or dark) areas of the strip 55 as appropriate pulses. Is transmitted through the signal cable 21. The rising and falling edges of the pulse signal are counted at the controller 20. FIG. 3 shows the end effector when the handle 16 is pushed upwards to its upper limit (the ball screw portion 49 presses the bracket 47). It is better to laser mark the handle 16 itself than to glue the reflective strip with dark stripes onto the handle 16. The controller assumes the zero position of the handle 16 at this position and counts the pulses transmitted through the signal cable 21 to calculate the handle displacement. Both the handle displacement and the spring stiffness are considered to calculate the value for the operator's force. The linear motion detector used in this embodiment is a magnetic linear encoder, a linear potentiometer, a linear variable differential transformer (LVDT), a capacitive displacement sensor, an eddy current proximity sensor, or a variable inductance. (variable-inductance) proximity sensor.

이와는 달리, 도 3에 도시된 볼 스플라인 샤프트 메커니즘은 선형 부싱(bushing) 메커니즘으로 대체될 수 있으며, 부싱(슬라이더)과 샤프트는 볼을 구비하지 않는 다른 것에 대해 슬라이딩한다. 이 부싱(슬라이더)와 샤프트 사이에 약간은 마찰력이 존재한다.Alternatively, the ball spline shaft mechanism shown in FIG. 3 can be replaced by a linear bushing mechanism, with the bushing (slider) and the shaft sliding against another without the ball. There is some friction between this bushing and the shaft.

핸들(16) 상에 설치된 데드맨 스위치(56)는 신호 케이블(22)(또는 다른 대체 가능한 신호 전송 수단)을 통하여 컨트롤러(20)로 신호를 전송한다. 힌지(58) 주위를 선회하는 레버(26)는 핸들(16) 상에 설치되고 작업자가 핸들(16)을 잡을 때 스위치(56)를 누른다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 마찰 브레이크(24)는 액추에이터(12) 위에 설치되어 있다. 이 마찰 브레이크는 작업자가 데드맨 스위치를 해제할 때 그리고 전원 장애가 발생하는 경우 언제나 연동한다. 게다가, 선택적인 특징으로서, 작업자가 핸들(16)에서 손을 떼는 경우에 컨트롤러가 액추에이터를 위치 제어 모드로 전환하도록 하는 보조 장치 컨트롤러를 설계할 수 있다. 위치 제어 모드에서, 컨트롤러는 액추에이터(결과적으로 단부 작동체)를 작업자가 놓아둔 그 위치를 유지하도록 한다. 작업자가 돌아와 핸들(16)을 쥐자마자 액추에이터는 위치 제어 모드에서 벗어난다. 바람직한 실시예에서, 위치 제어 모드는 피드백 신호에 따라 액추에이터 상의 엔코더를 사용하여 작업자가 놓아둔 위치로 액추에이터의 위치를 유지하는 표준 피드백 시스템을 포함한다. 비록 이 선택적인 특징이 작업자가 핸들에서 손을 뗐을 때 액추에이터와 단부 작동체를 정지한 채로 유지하지만, 앞서 설명한 마찰 브레이크를 이러한 특징으로 대체할 것을 당업자에게 권유하지는 않는다. 위치 제어 특징은 센서, 컴퓨터 도는 전원 장애가 존재한다면 작용하지 않을 것이다.Deadman switch 56 installed on handle 16 transmits a signal to controller 20 via signal cable 22 (or other alternative signal transmission means). A lever 26 pivoting around the hinge 58 is installed on the handle 16 and presses the switch 56 when the operator grasps the handle 16. In a preferred embodiment of the present invention, the friction brake 24 is mounted on the actuator 12. This friction brake engages whenever the operator releases the deadman switch and in the event of a power failure. In addition, as an optional feature, an auxiliary device controller can be designed that causes the controller to put the actuator into position control mode when the operator releases the handle 16. In the position control mode, the controller keeps the actuator (and consequently the end actuator) in its position where the operator has left it. As soon as the operator returns and grabs the handle 16, the actuator leaves the position control mode. In a preferred embodiment, the position control mode includes a standard feedback system that maintains the position of the actuator in a position the operator has left using an encoder on the actuator in accordance with the feedback signal. Although this optional feature keeps the actuator and end actuator stationary when the operator releases the handle, it is not recommended to those skilled in the art to replace the previously described friction brake with this feature. The position control feature will not work if there is a sensor, computer or power failure.

단부 작동체에 설치된 스프링의 유일한 목적은 핸들의 위치를 작업자가 핸들에 힘을 가하지 않은 경우의 평형 위치로 되돌리는 것이다. 도 3은 압축 스프링을 사용하는 단부 작동체를 도시한다. 단부 작동체에 캔틸레버 빔 스프링, 인장 스프링 또는 접시 스프링과 같은 다른 종류의 스프링을 사용할 수 있다. 기본적으로는 핸들을 평형 위치로 되돌릴 수 있는 모든 탄성 소자로 충분하다. 예를 들어, 단부 작동체를 먼지와 습기로부터 보호할 뿐 아니라 핸들을 평형 위치로 되돌리는 벨로(bellow)를 사용할 수 있다. 탄성 소자(예; 스프링)의 구조적인 감쇠 또는 단부 작동체의 이동 소자(예: 베어링)의 마찰은 시스템에 충분한 감쇠를 제공하여 안정성을 부여한다. 도 3에 도시한 바와 같이, 핸들을 위쪽으로 미는 데 스프링을 하나만 사용한다. 그러나 핸들을 중앙 위치에 유지하도록 2개의 스프링을 사용할 수도 있다. 이 두 번째 스프링은 볼 스플라인 샤프트 메커니즘의 볼나사부(49)와 브래킷(47) 사이의 스플라인 샤프트(51) 둘레에 위치할 수 있으며, 핸들(16)을 위쪽으로 향하게 한다. 도 4에 도시한 바와 같이 선택적인 브레이스(59)는 작업자에게 안정성과 편의성을 주도록 핸들(16)에 연결될 수 있다. 이 브레이스(59)는 힌지(57)를 가지며 화살표(43)를 따른 회전 운동이 가능하도록 한다. 브레이스(59)는 작업자의 손에 가해진 모든 힘을 작업자의 손목을 통과하여 작업자의 팔 하부로 전달하기 때문에, 작업자는 브레이스(59)가 작업을 더 편안하게 한다는 것을 알 수 있다.The sole purpose of the spring mounted on the end effector is to return the handle position to the equilibrium position when the operator has not applied the handle. 3 shows an end effector using a compression spring. Other types of springs can be used for the end effector, such as cantilever beam springs, tension springs or disc springs. Basically any elastic element that can return the handle to the equilibrium position is enough. For example, a bellow can be used that not only protects the end actuator from dust and moisture, but also returns the handle to the equilibrium position. Structural damping of the elastic element (eg spring) or friction of the moving element (eg bearing) of the end effector provides sufficient damping to the system to impart stability. As shown in Figure 3, only one spring is used to push the handle upwards. However, two springs can be used to keep the handle in the center position. This second spring can be located around the spline shaft 51 between the ball screw portion 49 and the bracket 47 of the ball spline shaft mechanism, with the handle 16 facing upwards. As shown in FIG. 4, an optional brace 59 may be connected to the handle 16 to give the operator stability and convenience. This brace 59 has a hinge 57 and enables rotational movement along the arrow 43. Since the brace 59 transmits all the force applied to the hand of the worker through the wrist of the worker and below the arm of the worker, the worker can see that the brace 59 makes the work more comfortable.

위에서 설명한 바와 같이, 다른 형태의 작업자 입력 추정 소자를 상기한 실시예 대신에 사용할 수 있다. 작업자 입력 추정 소자의 대체 가능한 예로는 인상하는 동안에 액추에이터가 소비하는 에너지를 구하는 센서 또는 단부 작동체에 근접하지 않고 하물 부하나 작업자의 작용력을 추정하는 장력을 추정할 수 있는 센서를 포함할 수 있다.As described above, other types of operator input estimation elements can be used in place of the above embodiments. Alternative examples of operator input estimation elements may include sensors that obtain the energy consumed by the actuator during pulling, or sensors that can estimate the load to load or the tension to estimate the operator's action without being close to the end actuator.

도 5의 블록도는 장치의 기본 제어 기술을 도시한다. 앞서 설명한 바와 같이, 바람직한 실시예에서 단부 작동체의 힘 센서 또는 변위 센서는 신호를 액추에이터(12)를 제어하고 적절한 토크를 풀리(11)에 인가하는 데 사용되는 컨트롤러(20)로 전달한다. 만약 (e)가 엑추에이터(12)에 대한 입력 명령이면 액추에이터에 다른 모든 외부 토크가 없으므로 풀리 최외곽 점의 선속도 또는 단부 작동체의 속도 (v)는 다음과 같이 나타낼 수 있다.The block diagram of FIG. 5 shows the basic control technique of the device. As described above, in a preferred embodiment the force sensor or displacement sensor of the end effector transmits a signal to the controller 20 which is used to control the actuator 12 and apply the appropriate torque to the pulley 11. If (e) is an input command to the actuator 12, since there are no other external torques in the actuator, the linear velocity at the outermost point of the pulley or the velocity v of the end actuator can be expressed as:

여기서, (G)는 액추에이터 전달 함수이다. 양의 (v) 값은 단부 작동체의 아래쪽 속도를 의미한다. 그리고 컨트롤러로부터의 입력 명령 (e), 줄 장력 (fR)은 단부 작동체 속도에 다음과 같이 기여한다.Where (G) is the actuator transfer function. A positive (v) value means the velocity below the end effector. And the input command (e), joule tension (f R ) from the controller contributes to the end effector speed as follows.

여기서 (S)는 단부 작동체 속도 (v)에 대한 줄 장력 (fR)과 관련된 액추에이터 감도 전달 함수이다. 만약 (S)가 작아지도록 액추에이터에 대해 폐루프 속도 컨트롤러가 설계된다면, 액추에이터는 줄 장력에 대해 작은 응답만을 갖는다. 폐루프 속도 시스템의 고 이득 컨트롤러는 작은 (S)를 낳고, 결과적으로 와이 장력에 응답하는 속도 (v)의 작은 변화를 낳는다. 또한 후진 구동 불가능(non-back-driveable) 감속기(일반적으로 높은 변속비)는 시스템에 대해 작은 (S)를 발생시킨다.Where (S) is the actuator sensitivity transfer function associated with the joule tension (f R ) for the end effector speed (v). If a closed loop speed controller is designed for the actuator such that (S) is small, the actuator has only a small response to joule tension. The high gain controller of the closed loop speed system results in a small (S), resulting in a small change in the speed (v) in response to the wye tension. In addition, non-back-driveable speed reducers (typically high transmission ratios) generate a small (S) for the system.

줄 장력 (fR)은 식 3으로 나타낼 수 있다.Joule tension (f R ) can be represented by Eq.

여기서 (f)는 단부 작동체 상의 작업자 작용력이고, 힘 (p)는 하물과 단부 작동체에 의해 인가된 힘으로 여기서는 줄에 대한 "하물 부하"라 한다. 양의 값 (f) 및 (p)는 하방향 힘을 나타낸다. (p)는 줄에 인가된 힘이며, 하물 및 단부 작동체의 무게와 관성력을 모두 고려한 것임을 주의해야 한다. Where (f) is the operator action on the end effector, and force (p) is the force applied by the load and the end effector here referred to as the "load load" on the string. Positive values (f) and (p) represent the downward force. Note that (p) is the force applied to the string, taking into account both the weight and the inertia forces of the load and end actuator.

여기서 W는 전체로서 단부 작동체와 하물을 모두 고려한 무게이며, 은 단부 작동체의 가속도이다. 만약 단부 작동체와 하물이 소정의 가속도나 감속도를 갖지 않으면 (p)는 단부 작동체와 하물의 무게와 같다. 또한 도 5 및 식 4의 조사는 도 5의 블록도에서 변수 (E)가 식 4의 를 나타내는 것임을 보여주는 것에 주의하여야 한다. 그러므로 p = W - Ev.Where W is the total weight of both the end effector and the load, Is the acceleration of the end effector. (P) is equal to the weight of the end effector and the load if the end effector and the load do not have the desired acceleration or deceleration. 5 and 4, the variable (E) in the block diagram of FIG. Care should be taken to show that the Therefore p = W-Ev.

작업자의 힘 (f)는 측정되어 출력신호 (e)를 발생시키는 컨트롤러(20)로 전달된다. 컴퓨터에서, 작업자의 힘 (f)의 측정값에서 양수 (fup)를 뺀다. (fup)의 역할에 대해서는 이하에 설명한다. 컨트롤러의 전달 함수를 (K)로 나타내면 컨트롤러의 출력 (e)는 다음과 같다.The force f of the operator is measured and transmitted to the controller 20 which generates the output signal e. On the computer, subtract a positive number f up from the measurement of the operator's force f. The role of f up is described below. If the transfer function of the controller is represented by (K), the output (e) of the controller is as follows.

식 (3) 및 식 (5)의 (fR) 및 (e)를 식 (2)에 대입하여 단부 작동체 속도 (v)에 대한 다음 식을 얻는다.Substituting (f R ) and (e) of equations (3) and (5) into equation (2) yields the following equation for the end effector speed (v).

단부 작동체에 대한 작업자의 위쪽 힘은 단부 작동체의 무게에 의해 줄이 장력을 받을 때에만 측정 가능하다. 단부 작동체가 가벼우면 전체 범위의 작업자의 위쪽 힘은 단부 작동체의 센서에 의해 측정될 수 없을 수도 있다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 양의 수 (fup)를 식 (5)에 도입한다. 식 (6)에 나타난 것처럼, (f), (p) 및 (fup)의 부존재는 단부 작동체를 위쪽으로 이동시킨다. 작업자가 인가한 최대 하방향 힘을 fmax로 가정한다. 그러면 (fup)는 대략 fmax의 반으로 설정하는 것이 바람직하다. 식 (6)에 (fup)를 대입한 식 (7)은 하물 속도를 나타낸다.The operator's upward force on the end effector can only be measured when the string is tensioned by the weight of the end effector. If the end actuator is light, the upward force of the full range of operators may not be measurable by the sensors of the end actuator. To solve this problem, a positive number f up is introduced in equation (5). As shown in equation (6), the absence of (f), (p) and (f up ) moves the end effector upwards. The maximum downward force applied by the operator is assumed to be f max . Then it is preferable to set (f up ) to about half of f max . Equation (7) substituted with (f up ) in equation (6) represents the article speed.

작업자가 f = fmax가 되도록 아래쪽으로 밀면 단부 작동체의 최대 하강 속도는 다음과 같다.When the operator pushes downward so that f = f max , the maximum descending speed of the end effector is

작업자가 전혀 누르지 않으면 단부 작동체의 최대 상승 속도는 다음과 같다.If the operator does not press at all, the maximum ascent rate of the end effector is:

따라서, 식 (5)에 (fup)를 도입함으로써 작업자의 상방향 힘의 측정에 대해 걱정하지 않아도 된다. 만약 S = 0이면, 상방향 및 하방향 최대 속도는 이상적인 크기이다. 그러나 주어진 하물과 동일한 조건하에서 0(zero)이 아닌 S가 나타나는 경우, 최대 상방향 속도의 크기는 최대 하방향 속도의 크기보다 작다. 이것은 작업자에 대해 매우 당연한 것이며 직관적인 것이다.Therefore, it is not necessary to worry about the measurement of the upward force of the operator by introducing (f up ) into equation (5). If S = 0, the upward and downward maximum speeds are the ideal magnitude. However, if S, other than zero, appears under the same conditions as a given load, the magnitude of the maximum upward velocity is less than the magnitude of the maximum downward velocity. This is very natural and intuitive for the worker.

다시 식 (6)으로 돌아가서, 식 (6)에서 작업자가 단부 작동체에 힘을 더 많이 가할수록 하물 속도가 더 커질 것이라는 것을 알 수 있다. 측정한 작업자의 힘을 이용하여 컨트롤러는 작업자의 인상 작업을 보조하는 데 충분한 기계적인 힘이 발생하도록 풀리 속도를 적절하게 정한다. 이러한 방식으로, 단부 작동체는 작업자의 팔 운동을 "자연스럽게" 따른다. 다시 말해, 풀리, 줄 및 단부 작동체는 작업자의 인상/하강 움직임을 모방하고, 작업자는 다른 매개 장치를 사용하지 않고 무거운 물체를 더 쉽게 조작할 수 있게 된다.Returning to equation (6) again, it can be seen from equation (6) that the greater the force the operator exerts on the end effector, the higher the cargo speed will be. Using the measured operator force, the controller properly sets the pulley speed to generate enough mechanical force to assist the operator in lifting. In this way, the end effector "naturally" follows the arm movements of the operator. In other words, the pulleys, strings and end actuators mimic the operator's lifting / lowering movements, and the operator can more easily manipulate heavy objects without using other intermediary devices.

이제, 이 장치의 몇 가지 중요한 특성을 3가지 실험을 통하여 설명한다. 식 (6)에 p를 대입하고 항들을 다시 정리하면 식 (10)이 된다.Now, some important characteristics of the device will be explained through three experiments. Substituting p into equation (6) and rearranging terms yields equation (10).

식 (11)은 하물 무게의 변화 (ΔW)와 작업자가 단부 작동체에 가한 힘의 변화 (Δf)가 단부 작동체의 속도 변화 (Δv)를 초래함을 보여준다. Equation (11) shows that the change in load weight (ΔW) and the change in force (Δf) that the operator exerts on the end actuator result in a speed change (Δv) of the end actuator.

실험 1Experiment 1

이동 중인 2개의 상이한 물체의 Δv = 0 이면, 즉 작업자가 비슷한 작동 속도를 유지하면, If Δv = 0 of two different objects in motion, that is, the operator maintains a similar operating speed,

식 (12)의 항들을 다시 정리하여 식 (13)을 얻는다.Arrange the terms in equation (12) again to get equation (13).

식 (13)은 작업 속도가 변화되지 않을 것으로 예상되는 경우, 하물 무게의 증가나 감소는 작업자의 상방향 힘의 증가나 감소를 초래한다는 것을 나타낸다. 다시 말해, 하물 무게가 증가하면 작업자는 자신의 상방향 손 힘을 증가시키거나 동일한 작동 속도를 유지하기 위하여 하방향 힘을 감소시켜야 한다. 식 (13)에서 항 (GK/S + 1)은 힘 증폭 계수(force amplification factor)이다. 더 큰 (K)를 선택하면, 시스템에서 더 큰 힘이 증폭될 것이다. 결과적으로 힘의 증폭이 크면 작업자는 하물 무게 변화에 대해 적은 비율만을 "느낀다". 본래, 작업자는 자유 질량(free mass)의 동적 특징에 대한 감각을 계속 유지하고 있으면 하물은 여전히 본질적으로 더 가볍게 "느껴진다". 이 하물 분배 방법은 작업자가 어떠한 정도의 무게를 인상하고 있는 지에 대한 감각을 제공한다. 식 (13)을 살펴보면, (S)가 작은 양이면 하물 무게의 변화 (ΔW)가 작업자의 힘에 작은 변화 (ΔW)를 가져온다는 것을 알 수 있다. 다시 말해, (S)가 작은 양이면 작업자는 하물 무게 변화에 대해 적게 느낄 것이다. 어떻게 이 문제를 해결하는지에 대해서는 후술하며, (S)가 작은 양인 경우에 작업자는 하물의 변화를 더 뚜렷하게 느낄 것이다. 또한 매우 낮은 주파수(약간 느리고 완만한 이동)에서 식 (13)의 왼쪽은 큰 수에 접근한다는 것에 주의해야 한다. 이것은 작동 속도가 변화되지 않을 것으로 예상되는 경우, 하물 무게의 증가나 감소 (ΔW)는 작업자의 상방향 힘을 (눈에 띄지 않을 정도로) 매우 적게 증가시키거나 감소시킨다는 것을 나타낸다. 그러나 높은 주파수(약간 빠르고 거친 이동)에서 작업자는 하물의 무게 변화를 더 뚜렷하게 느낄 것이다. 다시 말해, 작업자가 비교적 느린 인상 운동을 수행한다면 더 가벼운 하물에 대한 더 무거운 하물의 작동 속도를 유지하는 데 필요한 추가적인 힘은 눈에 띄지 않을 것이다. 그러나 작업자가 빠른 인상 운동을 수행한다면 더 가벼운 하물에 대한 더 무거운 하물의 작동 속도를 유지하는 데 필요한 추가적인 힘은 더 눈에 띄게 될 것이다.Equation (13) indicates that if the work speed is not expected to change, an increase or decrease in weight will result in an increase or decrease in the upward force of the operator. In other words, as the load weight increases, the operator must increase his upward hand force or reduce the downward force to maintain the same operating speed. In equation (13), the term (GK / S + 1) is the force amplification factor. Choosing a larger (K) will amplify the greater force in the system. As a result, when the force amplification is large, the operator "feels" only a small percentage of the load weight change. Inherently, the load is still "lightly felt" inherently lighter if the operator continues to maintain a sense of the dynamic characteristics of the free mass. This baggage distribution method provides a sense of how much weight the operator is lifting. Looking at Eq. (13), it can be seen that if (S) is a small amount, the change in load weight (ΔW) produces a small change in operator force (ΔW). In other words, if (S) is a small amount, the operator will feel less about load weight changes. How to solve this problem will be described later, and when (S) is a small amount, the operator will feel the change of load more clearly. It should also be noted that at very low frequencies (slightly slow and gentle movement) the left side of equation (13) approaches a large number. This indicates that if the operating speed is not expected to change, the increase or decrease of the load weight (ΔW) increases or decreases the operator's upward force very little (not noticeably). However, at high frequencies (slightly fast and rough movement), the operator will feel the weight change more noticeably. In other words, if the worker performs a relatively slow pulling exercise, the additional force required to maintain the heavier load speed for lighter loads will not be noticeable. However, if the worker performs a quick pull exercise, the additional force needed to maintain the heavier load speed for lighter loads will be more noticeable.

실험 2Experiment 2

Δf = 0 이면(즉 무게가 상이한 2개의 하물에 대해 단부 작동체에 작업자가 비슷한 힘을 유지하기로 하면), 식 (11)을 다음과 같이 줄일 수 있다.If Δf = 0 (that is, the operator decides to maintain a similar force on the end effector for two different weights), Eq. (11) can be reduced to

이것은 작업자가 일정한 손 힘을 유지하면, 하물 무게의 증가 (ΔW)는 하강 속도의 증가를 초래한다는 것을 의미한다. 더욱이 하물 무게의 증가나 감소 (ΔW)는 단부 작동체에 주어진 작업자의 힘에 대한 단부 작동체의 상승 속도의 감소나 증가를 각각 유발할 것이다. 본질적으로, 주어진 작업자의 힘에 대한 하물 무게의 증가가 존재하면 하물은 더 빨리 하강하고 더 느리게 인상된다. 식 (13) 및 (14)로부터 하물 무게가 증가하는 경우 작업자는 동일한 작동 속도를 유지하기 위해 상방향 힘을 증가시키거나 동일한 작업자 자신의 손 힘을 유지하기 위해 상승 작동 속도를 줄일 필요가 있다는 것을 추론할 수 있다. 이러한 동적 작용은 작업자에게 매우 편안하고 자연스러운 것이다. This means that if the operator maintains a constant hand force, the increase in load weight (ΔW) results in an increase in the descending speed. Furthermore, an increase or decrease in load weight (ΔW) will result in a decrease or increase in the ascending speed of the end actuator relative to the operator's force given to the end actuator, respectively. In essence, if there is an increase in the weight of a load for a given operator's force, the load will descend faster and lift more slowly. If the load weight increases from equations (13) and (14), the operator needs to either increase the upward force to maintain the same operating speed or decrease the upward operating speed to maintain the same operator's own hand force. Can deduce. This dynamic action is very comfortable and natural for the operator.

실험 3Experiment 3

끝으로, ΔW = 0, 즉 하물 무게가 일정하면:Finally, ΔW = 0, i.e. the load weight is constant:

이것은 하물의 무게가 변화하지 않으면 작업자의 하방향 힘의 증가나 감소 (Δf)는 각각 하강 작동 속도의 증가나 감소를 초래한다는 것을 의미한다. 또한 식 (15)을 달리 해석할 수도 있는데, 주어진 하물 무게에 대해 작동 속도의 증가는 더 큰 작동력을 필요로 한다. 일반적으로 더 큰 (K)를 선택하면 작동력은 더 작아질 것이다.This means that if the weight of the load does not change, an increase or decrease in the downward force of the operator (Δf) results in an increase or decrease in the lowering operating speed, respectively. Equation (15) can also be interpreted differently, where an increase in operating speed for a given load weight requires a larger operating force. In general, the larger (K) the smaller the operating force will be.

도 5에 나타낸 바와 같이 (K)는 임의로 클 수는 없다. 오히려, (K)의 선택은 도 5에 나타낸 시스템의 폐루프 안정성(closed-loop stability)을 보증해야 한다. 작업자의 힘 (f)는 작업자 팔의 임피던스 함수 (H)이므로 하물 부하 (p)는 하물 동역학(dynamics)의 함수 (E), 즉 하물에 의해 생기는 무게와 관성력이다. 컨트롤러 전달 함수 (K)를 설계하는 많은 방법을 알 수 있다. 시스템의 폐루프 안정성의 조건을 기술한 "A Case Study on Dynamics of Haptic Devices: Human Induced Instability in Powered Hand Controllers"라는 명칭의 Kazerooni와 Snyder가 게재한 논문[AIAA Journal of Guidance, Control, and Dynamics, Vol. 18, No. 1, 1995, pp. 108-113]은 본 명세서에 인용되어 본 명세서의 일부를 이룬다. 당업자는 컨트롤러의 선택에 제한 받지 않으며, 많은 경우에 컨트롤러로 단순 저역 통과 필터(simple low pass filter)가 도 5의 시스템 안정화에 적당하다. 선형 또는 비선형 컨트롤러에 대한 몇 가지 선택은 작업자 팔 임피던스 (H)와 하물 동역학 (E)의 변화 앞에서 전체 성능의 향상(큰 힘 증폭과 고속 작동)을 가져 올 수 있다.As shown in Fig. 5, (K) cannot be arbitrarily large. Rather, the choice of (K) should ensure the closed-loop stability of the system shown in FIG. Since the operator's force (f) is the impedance function (H) of the operator's arm, the load (p) is a function of the load dynamics (E), i.e. the weight and inertial forces produced by the load. There are many ways to design a controller transfer function (K). A paper by Kazerooni and Snyder entitled "A Case Study on Dynamics of Haptic Devices: Human Induced Instability in Powered Hand Controllers" describing the conditions of closed loop stability of the system [AIAA Journal of Guidance, Control, and Dynamics, Vol. . 18, No. 1, 1995, pp. 108-113, which is incorporated herein by reference and forms a part of this specification. Those skilled in the art are not limited to the choice of controller, and in many cases a simple low pass filter with the controller is suitable for system stabilization of FIG. Several choices for linear or nonlinear controllers can lead to overall performance improvements (large force amplification and high speed operation) before changes in operator arm impedance (H) and load dynamics (E).

(K)의 선택은 유효한 계산 능력(computational power)에 또한 의존하는 데, 도 5의 폐 시스템(closed system)을 안정화하는 정교한 제어 알고리즘과 고속의 이동을 갖는 큰 힘 증폭을 낳는 고속 컴퓨터 및 대용량 메모리를 필요로 한다. 폐루프 시스템의 안정성 및 (K) 설계 방법을 기술한 "Human Extenders"라는 명칭의 H. Kazerooni와 J. Guo가 게재한 논문[ASME Journal of Dynamic Systems, Measurements, and Control, Vol. 115, No. 2(B), June 1993, pp. 281-289]은 본 명세서에 인용되어 본 명세서의 일부를 이룬다.The choice of (K) also depends on the effective computational power: high speed computer and large memory resulting in sophisticated control algorithms that stabilize the closed system of FIG. 5 and large power amplification with high speed movement. Need. A paper by H. Kazerooni and J. Guo entitled "Human Extenders" describing the stability of closed-loop systems and (K) design method [ASME Journal of Dynamic Systems, Measurements, and Control, Vol. 115, No. 2 (B), June 1993, pp. 281-289, which is incorporated herein by reference, forms a part of this specification.

표준 모델링 기술을 사용하여 이론적인 (G) 및 (S) 값을 얻을 수 있다. 더 나은 결과를 낳는 (S)와 (G)를 측정하는 실험적인 주파수 영역과 시간 영역 방법이 많이 있다. (G) 및 (S)의 확인에 주파수 영역 기술을 사용할 것을 추천한다. 예를 들어, G. Franklin, D. Powell 및 A. Emami-Naeini, Addison Wesley가 펴낸 "Feedback Control of Dynamic Systems"라는 제목의 책은 다양한 전달 함수들을 증명하는 주파수 영역과 시간 영역 방법을 상세하게 기술한다.Theoretical (G) and (S) values can be obtained using standard modeling techniques. There are many experimental frequency- and time-domain methods for measuring (S) and (G) that produce better results. It is recommended to use the frequency domain technique to identify (G) and (S). For example, a book titled "Feedback Control of Dynamic Systems" by G. Franklin, D. Powell and A. Emami-Naeini, Addison Wesley describes in detail the frequency and time domain methods of demonstrating various transfer functions. do.

시스템 구성요소의 동적 작용을 모델링하기 위하여 본 실시예에서는 선형 시스템 이론을 사용하였음을 주의해야 한다. 이것은 가장 단순하고 가장 일반적으로 사용된 형태로 시스템 특성을 공개할 수 있도록 한다. 대부분의 당업자는 선형 시스템 이론에 친숙하기 때문에 선형 시스템 이론(즉, 전달 함수)의 수학적 도구를 사용하는 본 발명의 기초 이론을 이해할 수 있을 것이다. 그러나, 비선형 모델을 사용할 수도 있으며 시스템의 동적 작용을 설명하기 위해 앞서 기술한 수학적 절차에 따를 수도 있다.Note that the linear system theory is used in this embodiment to model the dynamic behavior of system components. This allows for the disclosure of system features in the simplest and most commonly used form. Most skilled artisans will be familiar with linear system theory and will be able to understand the basic theory of the present invention using the mathematical tools of linear system theory (ie transfer function). However, nonlinear models can also be used and the mathematical procedures described above can be followed to account for the dynamic behavior of the system.

작업자가 단부 작동체를 아래쪽으로 미는 경우, 장치에 특별한 문제가 발생할 수 있지만 단부 작동체가 아래쪽으로 이동되는 것은 방지된다. 이러한 상태는 하물을 움켜잡는 흡인 컵을 이용하는 다음의 예로 설명될 수 있다. 도 6에 도시된 바와 같은 단부 작동체(14)는, 작업자가 핸들(16)을 아래쪽으로 밀면 상자(25)와 흡인 컵(18)의 결합을 견고하게 하기 위하여 액추에이터(도 6에 도시하지 않음)는 줄(13)을 풀 것이다. 이것은, 단부 작동체(14)에 작용하는 작업자의 하방향 힘에 대해 반작용하여, 작업자가 단부 작동체를 하강시키기를 원해서 액추에이터가 줄(13)을 풀도록 하는 명령 신호를 액추에이터로 전송하는 것으로 컨트롤러가 잘못 판단함으로써 일어나는 것이다. 몇 가지 예에서 줄의 풀린 "슬랙" 부분은 몇 피트에 달한다. 상자(25)가 부착된 흡인 컵(18)을 결합한 후, 작업자가 상자를 인상하기 위해 핸들(16)을 위쪽으로 밀면, 액추에이터와 풀리는 상자를 인상하기 전에 줄(13)의 슬랙을 처리해야 한다. 이것은 액추에이터가 줄(13)의 슬랙을 감을 동안에 작업자가 기다려야 하므로 작업자를 방해한다. 게다가 줄의 장력이 0(zero)인 상태(즉, 줄이 느슨한 상태)에서 갑자기 0이 아닌 값(즉 줄이 느슨하지 않는 상태)으로 변하면 단부 작동체(14)가 갑자기 움직일 것이다. 이러한 갑작스런 움직임은 상자를 떨어뜨릴 수 있다. 요컨대 인상 작업 동안의 작업자의 움직임은 줄(13)의 불필요한 슬랙 때문에 방해를 받고 줄이 느슨한 상태에서 팽팽한 상태로 갑자기 변화함에 따라 상자가 떨어질 수 있다.If the operator pushes the end actuator downward, special problems may arise in the apparatus but the end actuator is prevented from moving downward. This condition can be illustrated by the following example using a suction cup to grab the article. The end actuator 14 as shown in FIG. 6 has an actuator (not shown in FIG. 6) to secure the engagement of the box 25 and the suction cup 18 when the operator pushes the handle 16 downward. Will loosen the line (13). This is in response to the downward force of the operator acting on the end actuator 14, which transmits a command signal to the actuator which causes the operator to lower the end actuator so that the actuator releases the string 13 Is caused by misjudgement. In some instances, the loose "slack" portion of the string is several feet. After engaging the suction cup 18 with the box 25 attached, the operator pushes the handle 16 upward to raise the box, the slack of the string 13 must be treated before the actuator and the unwinding box are raised. . This hinders the operator because the operator has to wait while the actuator winds up the slack of the rope 13. In addition, the end actuator 14 will move suddenly if the tension of the string changes from zero (i.e. the string is loose) to a sudden non-zero value (i.e. the string is not loose). This sudden movement can drop the box. In short, the worker's movement during the pulling operation may be disturbed due to unnecessary slack of the rope 13 and the box may fall as the rope suddenly changes from a loose state to a tight state.

줄의 슬랙은 작업자의 작업을 느리게 하는 것보다 훨씬 더 심각한 결과, 즉 느슨한 줄이 작업자의 목이나 손을 감는 것과 같은 결과를 초래할 수 있다. 상기한 바와 같이, 줄에 슬랙이 발생된 후 작업자가 핸들을 위쪽으로 밀면 슬랙 상태의 줄이 작업자의 목이나 손을 꽉 죄어 중상이나 치명상을 입힐 수 있다. 따라서 줄(13)에 슬랙이 발생하지 않도록 하는 것이 중요하다.  String slack can have far more serious consequences than slowing a worker's work, such as a loose string wrapping the worker's neck or hands. As described above, when the worker pushes the handle upward after the slack is generated in the string, the string in the slack state may cause severe injury or fatal injury by tightening the operator's neck or hand. Therefore, it is important not to cause slack in the string 13.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 작업자가 흡인 컵(18)과 상자(25)를 강하게 결합시키기 위하여 단부 작동체의 핸들(16)을 아래로 미는 경우에 액추에이터가 줄(13)을 풀지 않는 것이다. 바꾸어 말하면, 본 발명의 장치는 작업자가 흡인 컵(18)에 상자를 결합시키기 위해 단순히 아래쪽으로 미는 것이고 작업자가 자신의 손을 더 아래쪽으로 움직일 의도가 없다는 것을 인식하는 "지능"을 갖는 것이다. 한편, 작업자가 단부 작동체 핸들(16)을 아래쪽으로 밀면, 상자가 없을 때는 단부 작동체의 움직임이 영향을 받지 않도록 하기 위하여 본 발명의 액추에이터는 줄(13)을 풀어 아래쪽으로의 작업자 움직임이 방해받지 않도록 할 것이다. 전술한 보조 장치는 2가지 경우, 즉 액추에이터가 줄(13)을 풀지 않는 경우와 액추에이터가 줄(13)을 푸는 경우로 구별지을 수 있다.According to another feature of the invention, the actuator does not loosen the string 13 when the operator pushes down the handle 16 of the end effector to strongly engage the suction cup 18 and the box 25. In other words, the device of the present invention has "intelligence" to recognize that the operator simply pushes down to engage the box to the suction cup 18 and that the operator does not intend to move his hand further down. On the other hand, when the operator pushes the end actuator handle 16 downward, the actuator of the present invention unscrews the string 13 so that the movement of the end actuator is not affected when there is no box, thereby preventing the worker movement downward. I will not accept. The above-described auxiliary device can be distinguished into two cases, namely, the case in which the actuator does not loosen the string 13 and the case in which the actuator loosens the string 13.

줄(13)의 슬랙을 방지하기 위하여, 줄의 장력 (fR)을 검출해야 한다. 그런 다음, 알게 된 줄의 장력으로 풀리 속도를 조정하여 줄이 쓸데없이 풀리지 않도록 하여야 하며, 이로써 줄의 슬랙이 방지된다. 줄의 슬랙을 방지하기 위한 가장 간단한 형태로는 (fR)이 0이 되면 액추에이터와 풀리를 멈추게 하는 것이다. 줄의 슬랙을 원활하게 방지하기 위한 좀더 복잡한 형태는 줄의 장력 (fR)이 0에 접근할 때 풀리의 회전 속도가 0에 접근하도록 하여야 하며, 줄의 컨트롤러에 장력이 0인 제한 상태가 등록되면 풀리 회전 속도를 0이 되도록 한다. 다시 말해 장력이 0인 경우에 풀리 속도를 0으로 적절히 감소시켜 줄의 슬랙을 방지한다.In order to prevent slack of the string 13, the tension f r of the string must be detected. Then, the pulley speed should be adjusted with the tension of the known rope so that the rope does not loosen unnecessarily, thereby preventing slack in the rope. The simplest form to prevent line slack is to stop the actuator and pulley when (f R ) reaches zero. A more complex form to prevent string slack smoothly requires the pulley's rotational speed to approach zero when the tension (f R ) of the rope approaches zero, and a zero-tension limit is registered in the controller of the rope. The pulley rotation speed to zero. In other words, if the tension is zero, the pulley speed is properly reduced to zero to prevent string slack.

앞서, 풀리 속도가 작업자의 힘만을 나타내는 신호에 의존한다고 기술하였다. 그러나 줄의 슬랙이 발생하지 않게 될 장치의 경우 단부 작동체 핸들에 대한 작업자의 힘을 나타내는 신호 외에 줄의 장력을 나타내는 신호에 의존한다. 줄의 장력을 검출하는 데는 다음의 두가지 방법이 바람직하다. 첫 번째 방법은 장력을 직접 검출하는 것이고, 두 번째 방법은 줄의 장력을 액추에이터가 소비한 전력 또는 전류를 측정하고 이것에 기초하여 줄의 장력을 추정하는 것이다. 알게 된 줄의 장력은 그런 다음 액추에이터와 풀리의 속도가 0이 되도록 하는 데 사용할 수 있어 줄의 슬랙을 방지한다.Earlier, it was described that the pulley speed depends on a signal indicating only the force of the operator. However, in the case of a device in which no string slack will occur, it relies on a signal indicating the tension of the string in addition to the signal indicating the operator's force on the end effector handle. The following two methods are preferable for detecting the tension of the string. The first method is to directly detect the tension, and the second method is to measure the tension of the string by measuring the power or current consumed by the actuator and estimating the tension of the string based on it. Known string tension can then be used to bring the actuator and pulley to zero speed to prevent string slack.

줄의 장력을 직접 검출하는 경우, 힘 센서를 줄의 장력을 직접 측정하는 데 사용할 수 있다. 도 7a는 단부 작동체(60)와 줄(13) 사이의 단부 작동체 상에 힘 센서(61)가 설치된 단부 작동체(60)를 도시한다. 나사(62)를 사용하여 단부 작동체의 브래킷(47)에 힘 센서(61)를 설치한다. 나사(63) 세트를 사용하여 브래킷을 힘 센서(61)에 연결한다. 아일릿(16)은 브래킷(64)에 나사 고정되고 줄(13)과의 인터페이스를 제공한다. 줄(13)과 단부 작동체(6) 간의 힘은 힘 센서(61)에 전달되므로, 힘 센서(61)는 항상 줄의 장력을 측정한다. 신호 케이블(65)은 줄의 장력을 나타내는 신호를 컨트롤러(20)에 전달한다.If the tension of the string is detected directly, the force sensor can be used to directly measure the tension of the string. FIG. 7A shows the end actuator 60 with a force sensor 61 installed on the end actuator between the end actuator 60 and the string 13. The force sensor 61 is attached to the bracket 47 of the end effector using the screw 62. Connect the bracket to the force sensor 61 using a set of screws 63. Eyelet 16 is screwed to bracket 64 and provides an interface with string 13. Since the force between the string 13 and the end effector 6 is transmitted to the force sensor 61, the force sensor 61 always measures the tension of the string. The signal cable 65 transmits a signal indicating the tension of the string to the controller 20.

이와는 달리, 힘 센서는 도 7b에 도시한 바와 같이 하물과 관련된 힘만을 측정하도록 단부 작동체 상에 설치될 수 있다. 힘 센서(61)는 나사(62)로 브래킷(44)에 연결된다. 나사(63) 세트를 사용하여 브래킷(64)을 힘 센서(61)에 연결한다. 흡인 컵(18)은 브래킷(64)에 연결되고 상자(25)와의 인터페이스를 제공한다. 이 경우에 힘 센서(61)는 항상 하물만의 무게와 가속도에 기인하는 관성력과 동일한 힘을 측정한다. 신호 케이블(65)은 이 힘을 나타내는 신호를 컨트롤러(20)로 전달하므로 하물의 무게와 관성력으로 나타나는 힘(pL로 표시)을 컨트롤러에서 알 수 있다. 단부 작동체 가속도의 계산(또는 직접 측정)과 함께 pL 및 f의 측정은 아래의 식 (16)에 따라 줄의 장력 계산에 도달한다.Alternatively, a force sensor can be installed on the end effector to measure only the force associated with the load as shown in FIG. 7B. The force sensor 61 is connected to the bracket 44 with screws 62. Connect the bracket 64 to the force sensor 61 using a set of screws 63. The suction cup 18 is connected to the bracket 64 and provides an interface with the box 25. In this case, the force sensor 61 always measures the same force as the inertial force due to the weight and acceleration of the article only. Since the signal cable 65 transmits a signal representing this force to the controller 20, the controller can know the force (indicated by p L ) represented by the weight of the load and the inertia force. The measurement of p L and f together with the calculation of the end effector acceleration (or direct measurement) leads to the calculation of the tension of the string according to equation (16) below.

여기서 WE는 단부 작동체 자체의 무게이고 미리 알려져 있다. 낮은 가속도로 이동하는 경우, 센서로 측정한 힘은 줄이 슬랙 상태가 아닌 한 항상 장력(예: 양의 값)이다. 하물과 단부 작동체가 아래쪽으로의 이동을 가로막는 방해물을 만나는 순간, 센서는 압축력(예: 음의 값)을 나타낸다. pL을 측정하는 동안의 이러한 부호의 변화는 줄의 장력이 0인 상태가 존재한다는 것을 표시한다. 또한 하물 부하 (pL)가 통상 작업자의 작동력 (f)보다 크기 때문에 식 (16)에서 f를 무시함으로써 장력 (fR)을 대략 추정할 수 있다. 결국, 낮은 가속도로 이동하는 경우 줄의 장력은 단부 작동체의 무게와 하물 무게의 합과 대략 같다. 여기서, 당업자는 줄의 장력이 0을 나타내는 임의의 신호를 사용하여 식 (16)의 충족된다는 것을 확인하기 바란다.Where W E is the weight of the end effector itself and is known in advance. When traveling at low accelerations, the force measured by the sensor is always tension (e.g. positive value), unless the string is slack. The moment the load meets the obstruction blocking the downward movement, the sensor shows a compressive force (eg a negative value). This change in sign while measuring p L indicates that there is a state of zero tension in the string. In addition, since the load load p L is usually larger than the operator's operating force f, the tension f R can be roughly estimated by ignoring f in equation (16). After all, when moving at low acceleration, the tension of the string is approximately equal to the sum of the weight of the end actuator and the weight of the load. Here, those skilled in the art should assure that the tension of the string is satisfied of equation (16) using any signal representing zero.

본 발명에 사용하기 적합한 힘 센서는 압전형 기반 힘 센서, 금속 스트레인 게이지 힘 센서, 반도체 스트레인 게이지 힘 센서, 휘스톤 브리지 내장형 스트레인 게이지 힘 센서 및 힘 감지 저항를 포함하는 다양한 상용 힘 센서 중에서 선택할 수 있다. 선택된 힘 센서의 특정 유형 및 그 설치 과정에 관계없이, 힘 센서는 적당한 정확도로 하물 부하나 장력을 추정할 수 있도록 설계되어야 한다.Force sensors suitable for use in the present invention can be selected from a variety of commercial force sensors including piezoelectric based force sensors, metal strain gauge force sensors, semiconductor strain gauge force sensors, strain gauge built-in Wheatstone bridge strain gauge force sensors, and force sensing resistors. Regardless of the particular type of force sensor selected and its installation process, the force sensor must be designed to estimate load or tension with reasonable accuracy.

이와는 달리, 도 8의 인력 증폭기(70)에 도시한 바와 같이, 힘 센서를 액추에이터(12)와 레일이나 트롤리 사이에 직접 설치할 수 있다. 힘 센서(71)는 인상장치가 레일(72)에 가하는 전체 힘을 측정한다. 이 측정된 힘을 나타내는 신호는 신호 케이블(73)을 통하여 컨트롤러(20)로 전송된다. 중의 장력이 0이면 힘 센서의 출력 신호는 액추에이터, 풀리, 브레이크 및 레일(72)에 연결된 모든 구성요소의 무게를 나타낸다. 이 값은 미리 측정되어 컨트롤러 메모리에 저장될 수 있다. 줄의 장력이 0이 아니면, 힘 센서의 출력신호는 줄의 장력을 포함하여 증가한다. 그러므로 힘 센서의 출력 신호에서 일정한 값(메모리에 저장된 값)을 감산함으로써 줄의 장력을 검출할 수 있다.Alternatively, as shown in the attraction amplifier 70 of FIG. 8, the force sensor can be installed directly between the actuator 12 and the rail or trolley. The force sensor 71 measures the total force exerted by the pulling device on the rails 72. The signal indicative of this measured force is transmitted to the controller 20 via the signal cable 73. If the tension is zero, the output signal of the force sensor indicates the weight of all components connected to the actuator, pulley, brake, and rail 72. This value can be measured in advance and stored in the controller memory. If the tension of the string is not zero, the output signal of the force sensor increases including the tension of the string. Therefore, the tension of the string can be detected by subtracting a constant value (stored in memory) from the output signal of the force sensor.

도 9는 운동 센서(motion sensor) 또는 추정 장치(estimator)가 줄의 장력을 측정하는데 어떻게 사용되는지를 보여준다. 줄(13)은 풀리(11)에 감겨져 있고 액추에이터(12)는 트롤리(81)에 볼트(82)로 연결되어 있다. 바(bar)(83)는 액추에이터 몸체 상의 포인트(84) 주위를 자유롭게 회전하며, 일 단부(one end) 상에 공회전 풀리(85)를 유지하고, 타 단부 상에 인장 스프링(86)을 연결한다. 인장 스프링(86)은 포인트(87)에서 액추에이터 몸체에 고정된다. 공회전 풀리(85)는 스프링(86)의 힘에 의해 줄(13)을 민다. 바(83)의 회전은 각 운동 센서(angular motion sensor)(88)로 측정한다. 액추에이터 몸체에 비례하여 바(83)의 회전을 측정하기 위하여 광학 엔코더(optical encoder), 리졸버(resolver), 또는 포텐쇼미터와 같은 다양한 운동 센서를 사용할 수 있다. 줄의 장력이 보다 크면 바(83)는 반시계 방향으로 더 많이 회전한다. 줄의 장력이 작은 값인 경우, 바(83)는 인장 스프링(89)의 힘에 의해 시계방향으로 회전한다. 신호 케이블(89)은 운동 센서988)의 출력을 컨트롤러로 전달한다. 운동 센서(88)의 출력 신호는 줄의 장력 값을 측정하거나 추정하기 위하여 조정할 수 있다. 이것은 바 상에 병진 운동을 하는 공회전 풀리를 설치함으로써 달성된다. 이 때, 선형 엔코더 또는 LVDT를 이 선형 운동을 검출하는 데 사용할 수 있다.9 shows how a motion sensor or estimator is used to measure string tension. The string 13 is wound around the pulley 11 and the actuator 12 is connected to the trolley 81 by bolts 82. Bar 83 freely rotates around point 84 on the actuator body, holds idle pulley 85 on one end, and connects tension spring 86 on the other end. . Tension spring 86 is secured to the actuator body at point 87. The idle pulley 85 pushes the string 13 by the force of the spring 86. The rotation of the bar 83 is measured with an angular motion sensor 88. Various motion sensors can be used, such as optical encoders, resolvers, or potentiometers, to measure the rotation of the bar 83 relative to the actuator body. If the string tension is greater, the bar 83 rotates more counterclockwise. When the tension of the string is a small value, the bar 83 rotates clockwise by the force of the tension spring 89. The signal cable 89 delivers the output of the motion sensor 988 to the controller. The output signal of the motion sensor 88 can be adjusted to measure or estimate the tension value of the string. This is accomplished by installing an idle pulley that translates on the bar. At this time, a linear encoder or LVDT can be used to detect this linear motion.

줄의 장력의 크기를 나타내는 신호를 생성하는 대신에 신호 중 하나는 줄의 장력이 0임을 나타내는 신호이고, 다른 한 신호는 줄의 장력이 0이 아님을 나타내는 이진 신호를 발생시키는 검출 장치에 관심이 있을 수 있다. 이 장치는 줄의 장력에 대한 제한된 정보를 제공하기 때문에 비용이 더 저렴하다. 도 10a 및 도 10b는 브래킷(47) 상에 설치된 이진 신호를 발생시키는 순간 스위치(momentary switch)(91)를 포함하는 장력 검출기를 갖는 단부 작동체(90)를 도시한다. 줄은(13)은 브래킷(47)에 단단히 연결되어 있으며, 플레이트(92)는 힌지(93)를 따라 회전할 수 있다. 인장 스프링(94)은 플레이트(92)를 화살표(95) 방향을 따라 회전하도록 하는 플레이트(92)와 브래킷(47) 사이에 연결된다. 플레이트(92)는 또한 줄(13)을 관통시키는 구멍을 가지고 있다. 신호 케이블(96)은 순간 스위치의 출력을 컨트롤러로 전달한다. 스토퍼(97)는 플라스틱 구가 바람직하며, 줄(13)에 단단히 연결된다. 스토퍼(97)는 줄의 장력이 0이 아닌 경우(도 10a), 플레이트(92)가 화살표(95) 방향을 따라 회전하지 못하도록 한다. 실제로, 줄(13)의 장력이 0이 아닌 것으로 나타나면 스토퍼(97)는 플레이트(92)가 스위치(91)를 밀지 않는 도 10a에 도시한 위치에 있도록 한다. 줄의 장력이 0인 경우(도 10b), 플레이트(92)는 스프링(94)의 힘으로 스위치(91)를 민다. 따라서, 이 제한된 힘 검출 장치는 줄에 존재하는 장력을 검출하지만 줄의 장력의 크기를 측정할 수는 없다. 기본적으로 이 방법은 줄의 장력을, 줄의 장력의 존재 유무를 나타내는 이진 전기 신호, 즉 하나는 줄의 장력이 0이 아님을 나타내고, 다른 신호는 줄의 장력이 0임을 나타내는 신호를 컨트롤러로 발생시키는 데 사용된다. Instead of generating a signal indicating the magnitude of the tension in the string, one of the signals is a signal indicating that the tension in the string is zero, and the other signal is of interest to a detection device that generates a binary signal indicating that the tension in the string is not zero. There may be. The device is cheaper because it provides limited information about the tension of the string. 10A and 10B show an end effector 90 having a tension detector that includes a momentary switch 91 for generating a binary signal installed on the bracket 47. The string 13 is firmly connected to the bracket 47, and the plate 92 can rotate along the hinge 93. The tension spring 94 is connected between the plate 92 and the bracket 47 which causes the plate 92 to rotate in the direction of the arrow 95. The plate 92 also has a hole through the string 13. Signal cable 96 delivers the output of the momentary switch to the controller. The stopper 97 is preferably a plastic sphere and is firmly connected to the string 13. The stopper 97 prevents the plate 92 from rotating along the direction of the arrow 95 when the string tension is not zero (FIG. 10A). In fact, if the tension of the string 13 is found to be non-zero, the stopper 97 causes the plate 92 to be in the position shown in FIG. 10A where the switch 91 does not push the switch 91. If the tension of the string is zero (FIG. 10B), plate 92 pushes switch 91 with the force of spring 94. Thus, this limited force detection device detects the tension present in the string but cannot measure the magnitude of the tension in the string. Basically, this method generates a string tension, a binary electrical signal indicating the presence or absence of tension on the string, one indicating that the tension of the string is not zero, and the other signal to the controller indicating that the tension of the string is zero. It is used to make.

이와는 달리, 줄의 장력의 존재를 검출하는 데 줄 상의 다른 위치에서의 줄의 장력을 사용하는 것에 관심이 있을 수 있다. 이를 도 11a 및 도 11b에 도시하며, 여기서 액추에이터(12) 근처 장치 상단(top)에서의 줄의 장력을 사용하여 컨트롤러로 이진 신호(binary signal)를 발생시킨다. 줄(13)은 풀리(11)에 감겨져 있으며 액추에이터(12)는 볼트(82)로 트롤리(81)에 연결된다. 바(83)는 액추에이터 몸체 상의 포인트(84)를 따라 자유롭게 회전하며, 하나의 암(arm) 상에 공회전 풀리(85)를 유지하고, 다른 암 상에는 인장 스프링(86)을 연결한다. 인장 스프링(86)은 포인트(87)에서 액추에이터 몸체에 고정된다. 공회전 풀리(85)는 스프링(86)의 힘에 의해 줄(13)을 민다. 줄의 장력이 도 11a에 도시한 바와 같이 0이 아닌 경우, 줄의 장력은 스프링 힘을 능가하여 스위치(98)로부터 바(83)가 떨어지도록 한다. 도 11b에 도시한 바와 같이 줄의 장력이 0인 경우, 공회전 풀리(85)는 인장 스프링(86)의 힘에 의해 왼쪽으로 밀린다. 이것은 스위치(98)가 바(83)에 의해 활성화되게 한다. 따라서 줄의 장력이 0인 경우 스위치가 신호를 발생시킨다. 신호 케이블(99)은 순간 스위치의 출력을 컨트롤러로 전달한다. 도 11a 및 도 11b와 같이 장력을 회전 운동으로 변환하는 대신에, 줄의 장력을 직선 운동으로 변환할 수 있다. 이것은 병진 운동을 하고 선형 베어링 상에 지지되는 바 상에 공회전 풀리(85)를 설치함으로써 달성될 수 있다. 공회전 풀리는 줄(13)과 접촉되고 줄의 장력은 바가 병진 운동을 일으키도록 한다. 바의 운동은 그 응답으로 스위치(98)를 활성화시킨다.Alternatively, one may be interested in using the tension of the string at other locations on the string to detect the presence of the tension of the string. This is illustrated in FIGS. 11A and 11B, where a binary signal is generated to the controller using the tension of the string at the top of the device near the actuator 12. The string 13 is wound around the pulley 11 and the actuator 12 is connected to the trolley 81 by bolts 82. The bar 83 rotates freely along the point 84 on the actuator body, holds the idle pulley 85 on one arm and connects the tension spring 86 on the other arm. Tension spring 86 is secured to the actuator body at point 87. The idle pulley 85 pushes the string 13 by the force of the spring 86. If the tension of the string is not zero as shown in FIG. 11A, the tension of the string exceeds the spring force to cause the bar 83 to fall from the switch 98. When the tension of the string is zero as shown in FIG. 11B, the idle pulley 85 is pushed to the left by the force of the tension spring 86. This causes switch 98 to be activated by bar 83. Thus, if the string tension is zero, the switch generates a signal. The signal cable 99 delivers the output of the momentary switch to the controller. Instead of converting the tension into the rotational motion as shown in FIGS. 11A and 11B, the tension of the string may be converted into the linear motion. This can be accomplished by doing translational movement and installing the idle pulley 85 on a bar supported on the linear bearing. The idle pulley is in contact with the string 13 and the tension of the string causes the bar to translate. The movement of the bar activates the switch 98 in response.

줄의 장력 상태를 검출하는 다른 바람직한 방법은 도 12a 및 도 12b에 도시한 바와 같은 스위치를 구비한 단부 작동체(79) 수단을 포함한다. 스위치(74)는 브래킷(44)의 수평 부분에 설치되는 것이 바람직하다. 2개의 흡인 컵(18)을 유지하는 브래킷(75)은 브래킷(44)에 대해 수직 방향으로 자유롭게 슬라이딩한다. 도 12a는 단부 작동체(79)를 도시하며, 여기서 단부 작동체는 어떠한 물체에 의해서도 아래쪽으로의 이동이 제한되지 않고 스위치(74)는 눌려지지 않는다. 선택적인 압축 스프링(78)은 브래킷(75)과 브래킷(44) 사이에 설치되어 브래킷(44)과 브래킷(75) 간의 거리를 유지한다. 단부 작동체가 하강하면(도 12b) 브래킷(75)은 상자(25)에 의해 아래쪽으로의 이동이 방지되며, 이것은 브래킷(75)이 스위치(74)를 눌러 전기 신호를 발생시키게 한다. 이 때, 단부 작동체의 무게와 관성과 관련된 전체 힘 그리고 작업자의 힘(식 16의 오른쪽 편)은 상자(25)에 의해 지지되고 줄(13)에 의해 지지되지는 않는다. 이것은 줄의 장력(식 16의 왼쪽 편)이 0임을 의미한다. 따라서, 스위치(74)에 의해 발생되는 신호는 방해물의 존재 뿐 아니라 0인 줄 장력의 존재도 결정한다. 그러므로 도 12a 및 도 12b의 센서 시스템은 방해물 검출기일 뿐 아니라 장력 검출기이기도 하다. 이 신호는 신호 케이블(77)에 의해 컨트롤러(20)로 전달되어 줄의 장력이 0임을 나타내는 데 사용될 수 있다. 단부 작동체의 하강 운동을 방해하는 물체가 없는 경우, 브래킷(75)은 자체 무게나 압축 스프링(780의 힘에 의해 아래로 내려간다. 따라서, 이 단부 작동체는 이진 신호를 발생시킬 수 있으며, 그 하나는 줄의 장력이 0인 경우에, 그리고 다른 하나는 줄의 장력이 0이 아닌 경우에 발생된다.Another preferred method of detecting the tension state of the strings comprises end effector 79 means with a switch as shown in Figs. 12A and 12B. The switch 74 is preferably installed in the horizontal portion of the bracket 44. The bracket 75 holding the two suction cups 18 slides freely in the vertical direction with respect to the bracket 44. FIG. 12A shows the end actuator 79, where the end actuator is not restricted downward by any object and the switch 74 is not pressed. An optional compression spring 78 is installed between the bracket 75 and the bracket 44 to maintain the distance between the bracket 44 and the bracket 75. When the end effector is lowered (FIG. 12B), the bracket 75 is prevented from moving downward by the box 25, which causes the bracket 75 to press the switch 74 to generate an electrical signal. At this time, the total force associated with the weight and inertia of the end effector and the operator's force (right hand side of Eq. 16) are supported by the box 25 and not by the string 13. This means that the string tension (left side of equation 16) is zero. Thus, the signal generated by switch 74 determines not only the presence of obstructions, but also the presence of zero joule tension. Therefore, the sensor system of FIGS. 12A and 12B is not only an obstacle detector but also a tension detector. This signal can be transmitted by the signal cable 77 to the controller 20 to indicate that the tension of the cord is zero. If no object obstructs the downward movement of the end effector, the bracket 75 is lowered down by its own weight or by the force of the compression spring 780. Thus, this end effector can generate a binary signal, One occurs when the tension of the string is zero, and the other when the tension of the string is not zero.

두 번째 바람직한 방법은 단부 작동체와 줄 상에 연결된 모든 하물을 지지하는 액추에이터가 소비하는 전류나 에너지에 기초하여 줄의 장력을 추정한다. 단부 작동체와 그것에 연결된 하물을 지지하기 위하여 시스템이 소비하는 에너지는 전기 에너지, 공압 에너지, 유압 에너지 및 다른 대체 가능한 형태의 에너지를 포함한 여러 다른 형태의 에너지를 포함할 수 있다. 공압 또는 유압 엑추에이터를 시스템에서 사용하는 경우, 액추에이터의 하물 압력은 줄의 장력을 추정하는 데 사용될 수 있다. 특정한 바람직한 실시예에서, 전기 액추에이터의 전류는 줄의 장력과 관련이 있기 때문에 줄의 장력은 전기 액추에이터의 전류를 측정함으로써 결정될 수 있다. 게다가, 전기 액추에이터를 구동하는 여러 전자 증폭기를 사용하여 전류를 측정할 수 있기 때문에, 전기 액추에이터에서 사용된 전류의 측정하는 것은 비용면에서 효과적인 줄 장력 추정 방법이다. 비록 모터용 전자 증폭기로 전류를 측정할 수 없다고 하더라도, 전류를 측정하는 데 모터에 사용되는 클램프 온 전류 센서(clamp-on current sensor)를 사용할 수 있다. 클램프 온 전류 센서는 전기 액추에이터(12)에 전력을 공급하는 케이블의 임의 부분에 설치될 수 있다. 클램프 온 전류 센서는 본래 전류 흐름에 비례하는 전선(wire) 주위의 자계 강도를 검출하는 홀 효과(Hall effect) 센서이다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 전기 모터에 전력을 공급하는 증폭기는 액추에이터(12)의 전기 모터가 소비하는 전류를 측정하는 내장형(built-in) 센서를 가지며, 그것에 의해 줄의 장력을 추정한다. The second preferred method estimates the tension of the string based on the current or energy consumed by the actuators supporting the end actuators and any articles connected on the string. The energy consumed by the system to support the end effector and the articles connected thereto may include several different forms of energy, including electrical energy, pneumatic energy, hydraulic energy and other alternative forms of energy. If pneumatic or hydraulic actuators are used in the system, the load pressure of the actuator can be used to estimate the tension of the cord. In a particular preferred embodiment, the tension of the string can be determined by measuring the current of the electric actuator since the current of the electric actuator is related to the tension of the string. In addition, since the current can be measured using several electronic amplifiers driving the electric actuator, measuring the current used in the electric actuator is a cost-effective method of estimating joule tension. Although the electronic amplifier for the motor cannot measure the current, the clamp-on current sensor used in the motor can be used to measure the current. The clamp on current sensor may be installed in any portion of the cable that powers the electric actuator 12. Clamp-on current sensors are Hall effect sensors that detect magnetic field strength around wires that are proportional to the original current flow. In a preferred embodiment of the present invention, the amplifier powering the electric motor has a built-in sensor that measures the current consumed by the electric motor of the actuator 12, thereby estimating the tension of the string.

도 13은 액추에이터에서 사용한 전류를 검출하는 데 사용되는 클램프 온 전류 센서(100)를 구비하는 독창적인 보조 장치를 도시한다. 컨트롤러(20)의 전원(power supply)으로부터 액추에이터(12)로 케이블(23)에 의해 전달되는 전류와 모터가 사용한 전류를 측정한 값을 나타내는 신호는 신호 케이블(101)을 통해 컨트롤러로 전송된다. 전류 측정이 어떻게 줄의 장력을 검출하거나 추정하는 데 사용될 수 있는지에 대해서는 후술하겠지만, 먼저 알아낸 줄의 장력이 어떻게 줄의 슬랙 방지를 위해 사용될 수 있는지를 설명한다.FIG. 13 shows a unique auxiliary device with a clamp on current sensor 100 used to detect the current used in the actuator. Signals representing the measured values of the current transmitted by the cable 23 from the power supply of the controller 20 to the actuator 12 and the current used by the motor are transmitted to the controller via the signal cable 101. How the current measurement can be used to detect or estimate the tension of the string will be described later, but first we will describe how the tension of the found string can be used to prevent slack of the string.

일단 전술한 방법에 의해 줄의 장력이 측정되거나 추정되면, 액추에이터 속도는 그 측정되거나 추정된 줄의 장력에 따라 수정되어야 한다. 만약 줄의 장력이 0이면, 액추에이터로의 입력은 액추에이터의 속도가 0이 되도록 수정되어야 하며, 그 결과 풀려진 여분의 줄이 없게 한다. 이것은 도 14에 도시한 바와 같이, 제어 블록도에 변수 KM을 도입함으로써 이루어질 수 있다. 컨트롤러의 전달함수가 (K)로 표현되는 경우, 컨트롤러의 출력 (e)는 다음과 같다.Once the tension of the string is measured or estimated by the method described above, the actuator speed should be modified in accordance with the measured or estimated string tension. If the tension of the string is zero, the input to the actuator should be modified so that the speed of the actuator is zero, so that there is no extra string released. This can be done by introducing the variable K M in the control block diagram, as shown in FIG. When the transfer function of the controller is expressed as (K), the output (e) of the controller is as follows.

도 14는 선 속도(line velocity)는 식 (18)로 나타낼 수 있음을 보여준다. 14 shows that the line velocity can be represented by equation (18).

여기서, KM은 줄의 장력 (fR)이 0이 아닌 경우에 KM = 1이 되도록 하는 변수이다. 줄의 장력이 0이 아닌 경우에, 식 (18)에 KM = 1을 대입하면 식 (19)를 얻는다.Here, K M is a variable such that K M = 1 when the string tension f R is not zero. If the tension of the string is not zero, substituting K M = 1 into equation (18) yields equation (19).

식 (19)는 식 (6)과 유사하며, 따라서 3가지 실험에서 앞서 기술한 작용이 여전히 유효하다는 것을 말한다. 전술한 소정의 방법에 의해 줄의 장력 (fR)이 0으로 검출된 경우, (KM)은 0으로 변경되어야 한다. 식 (18)에서 (fR)과 (KM)에 0을 대입하여 줄 속도 (v)에 대한 0 값을 얻는다. 이것은 풀려지는 줄이 없을 것이며 (fR)이 0으로 검출되는 경우에 줄의 슬랙이 방지되리라는 것을 의미한다. 예를 들어, 작업자가 단부 작동체를 아래쪽으로 이동하는 경우, 그것에 하물이 연결되어 있든 아니든 간에 줄의 장력은 0이 아닌 값이 될 것이다. 만약 작업자가 단부 작동체를 방해물과 접촉시키면 단부 작동체(및 그것에 연결된 임의의 하물)의 무게는 그 하물 또는 방해물에 의해 지지될 것이고, 줄의 장력은 0이 될 것이다. 그와 동시에 작업자의 작동력이 검출될 수 있고, 이것은 순간적으로 줄이 풀리게 하여 줄이 더 이상 팽팽하지 않도록(즉, 줄의 장력이 0) 하며, 작업자의 작동력 (f)은 더 이상 줄의 운동에 기여하지 않고 줄의 슬랙이 방지된다.Equation (19) is similar to Eq. (6), thus saying that the action described above is still valid in three experiments. When the tension f R of the string is detected as zero by the above-described predetermined method, (K M ) should be changed to zero. In Eq. (18) we substitute 0 for (f R ) and (K M ) to get a value of zero for the line speed (v). This means that there will be no unwrapped lines and slack of the lines will be prevented if (f R ) is detected as zero. For example, if the operator moves the end actuator downwards, the tension of the string will be non-zero, whether or not a load is connected to it. If the operator contacts the end effector with the obstruction, the weight of the end effector (and any load connected to it) will be supported by the load or obstruction and the tension of the string will be zero. At the same time the operator's operating force can be detected, which causes the rope to unwind momentarily so that the rope is no longer taut (i.e. the tension of the rope is zero) and the operator's operating force (f) is no longer dependent on the movement of the rope. Slack in the line is prevented without contributing.

본 발명에서는 비록 줄의 장력을 구하여 슬랙을 방지하도록 시스템을 프로그램하는 것을 선호하지만, 줄의 슬랙을 방지하는 것에는 다른 방법도 있다. 준 정지 동작(quasi static operation)(낮은 가속도와 감속도 운동) 동안에 줄의 슬랙을 검색하는 다른 방법은 단부 작동체가 줄에 의해 지지되는 여부를 검출하기 위하여 작업자의 작동력 (f)와 장력 (fR)을 동시에 구하는 것을 포함한다. 첫 번째 단계는 단부 작동체의 무게 (WE)로부터 오로지 유래된 줄의 장력을 구하는 작업(operation) 이전에 시스템을 조정하는 것이다. 작업하는 동안에, 단부 작동체에 작업자의 작동력 (f)과 줄의 장력 (fR)의 값은 동시에 구해진다. 그런 다음, 줄의 장력 (fR)에서 작업자의 작동력 (f)를 감산함으로써 컨트롤러는 식 (3)을 사용하여 하물 부하 (p)를 분리할 수 있다. 끝으로, (p)의 값과 저장된 값 (WE)를 비교함으로써 단부 작동체가 줄에 의해 지지되고 있는지 아닌지를 결정할 수 있다. 하물 부하 (p)가 단부 작동체의 무게 (WE)와 대략 같기만 하면, 시스템은 단부 작동체가 하물에 결합되어 있지도 방해물에 의해 지지되지도 않는다는 것과 줄을 푸는 것이 안전하다는 것을 알게 될 것이다. 임의의 순간에 하물 부하 (p)가 작동체의 무게 (WE)와 어쨌든 같지 않으면, 시스템은 단부 작동체가 어떤 방해물에 의해 지지되고 있다는 것을 알게 될 것이며, 줄의 슬랙을 방지하기 위하여 액추에이터의 속도를 0으로 조정할 것이다.Although the present invention prefers to program the system to obtain tension of the string to prevent slack, there are other ways to prevent string slack. Another method of searching for slack in a string during quasi static operation (low acceleration and deceleration movement) is to determine the operator's operating force (f) and tension (f R ) to detect whether the end effector is supported by the string. ) At the same time. The first step is to calibrate the system before operation to obtain the tension of the string derived solely from the weight W E of the end effector. During operation, the values of the operator's operating force f and the string tension f R at the end operator are obtained simultaneously. Then, by subtracting the operator's operating force (f) from the tension (f R ) of the string, the controller can separate the load (p) using equation (3). Finally, it is possible to determine whether the end effector is supported by the string by comparing the value of (p) with the stored value W E. As long as the load load p is approximately equal to the weight W E of the end effector, the system will know that the end effector is neither coupled to the load nor supported by the obstruction and that it is safe to unwind. If at any moment the load (p) is not equal to the weight of the actuator (W E ) anyway, the system will know that the end actuator is supported by some obstruction, and the speed of the actuator to prevent slack of the string Will be adjusted to zero.

도 15a에 (fR)의 함수로서 (KM)의 변화를 도시하였으며, 여기서 (KM)은 줄의 장력이 0이 아닌 값에서 0으로 변화하는 경우, 1에서 0까지 변화한다. 줄의 장력이 0으로 검출된 경우, 액추에이터의 속도는 0으로 될 것이고 액추에이터는 줄을 풀지 않을 것이다. 이것은 작업자가 단부 작동체에 대해 상방향으로 운동을 시작하는 경우에 시스템이 슬랙 제어로부터 벗어날 수 있다는 것을 확인하는 데 중요하다. 그러나, KM = 0 이므로 작업자의 상방향 운동은 어떠한 줄의 장력도 발생시키지 않고, 도 15a가 (KM)을 모델링하는데 항상 사용되는 경우에 슬랙 제어 모드를 종료시킨다. 이것은 도 15a 플롯(plot)의 사용은 시스템이 슬랙을 방지하도록 한다는 것을 암시하지만 시스템은 슬랙 제어로부터 벗어날 수 없다.15A shows the change in (K M ) as a function of (f R ), where (K M ) changes from 1 to 0 when the tension of the string changes from a non-zero value to zero. If the tension of the string is detected as zero, the actuator speed will be zero and the actuator will not loosen the string. This is important to ensure that the system can deviate from slack control if the operator starts moving upward relative to the end effector. However, because K M = 0, the upward movement of the operator does not generate any string tension and terminates the slack control mode when FIG. 15A is always used to model (K M ). This suggests that the use of the FIG. 15A plot allows the system to prevent slack but the system cannot escape slack control.

이 문제를 해결하기 위하여, 작업자의 힘을 나타내는 신호가 상방향으로의 이동을 의미하는 경우에는 도 15b의 플롯을 사용하고, 작업자의 힘을 나타내는 신호가 하방향으로의 이동을 의미하는 경우에는 도 15a의 플롯을 사용한다. 도 15b의 플롯은 줄의 장력이 0인 경우 (KM)에 대한 C1이 0이 아닌 값을 가진다. 0이 아닌 (KM)의 값은 작업자에 의해 상방향으로의 이동이 시작되는 경우에, 액추에이터 속도 값을 0은 아니지만 작은 값이 되도록 한다. 이것은 시스템이 슬랙 제어로부터 벗어나도록 하며, 그 결과 작업자가 상방향으로의 이동을 시작하는 경우 단부 작동체가 들어올려진다. 원활한 이동을 위하여 (KM) 값들 사이에 다양한 함수를 사용할 수 있다.In order to solve this problem, the plot of FIG. 15B is used when the signal representing the force of the operator means upward movement, and when the signal representing the force of the operator means downward movement, FIG. Use the plot of 15a. The plot of FIG. 15B has a non-zero value of C1 for (K M ) when the tension of the string is zero. A non-zero (K M ) value causes the actuator speed value to be a non-zero but small value when an upward movement is initiated by the operator. This leaves the system out of slack control, so that the end effector is lifted when the operator starts moving upwards. Various functions can be used between (K M ) values for smooth movement.

힘 검출 장치가 줄의 장력을 완벽하게 측정할 수 있도록 제공하면(예: 도 8a, 도 7b, 도 8, 도 9 및 도 13), 도 15c는 단부 작동체 상의 작업자의 힘을 나타내는 신호가 하방향으로의 이동을 의미하는 경우, 줄의 장력의 함수인 (KM)의 변화를 나타내는 데 사용될 수 있다. 줄의 장력의 함수인 (KM)의 두 값 사이의 매끄러운 이동은 장치의 갑작스런 작동을 줄인다. 도 15d는 단부 작동체 상의 작업자의 힘을 나타내는 신호가 상방향으로의 이동을 의미하는 경우, 줄의 장력의 함수인 (KM)의 변화를 도시한다. 줄의 장력이 0인 경우에 (KM)의 C1 값이 0이 아닌 것은 단부 작동체 상의 작업자의 힘을 나타내는 신호가 상방향으로의 이동을 의미할 때 시스템이 슬랙 제어로부터 벗어 날 것이라는 것에 주의하여야 한다. 도 15c 및 도 15d의 플롯을 나타내기 위하여 다양한 수학적 함수를 사용할 수 있다. 예를 들어, 식 (20)은 도 15c 및 도 15d의 플롯을 수학적으로 나타내는 데 좋은 후보이다.Provided that the force detection device is able to measure the tension of the string perfectly (e.g., FIGS. 8A, 7B, 8, 9 and 13), FIG. 15C is a signal representing the force of the operator on the end effector. When meant in the direction, it can be used to indicate a change in (K M ) which is a function of the tension of the string. Smooth movement between two values of (K M ) as a function of string tension reduces the device's sudden operation. FIG. 15D shows the change in (K M ) as a function of the tension of the string when a signal indicative of the operator's force on the end effector implies upward movement. Note that a non-zero C1 value of (K M ) when the string tension is zero will cause the system to deviate from slack control when a signal representing the operator's force on the end actuator implies upward movement. shall. Various mathematical functions may be used to represent the plots of FIGS. 15C and 15D. For example, equation (20) is a good candidate for mathematically representing the plots of FIGS. 15C and 15D.

여기서, C1은 단부 작동체 상의 작업자의 힘을 나타내는 신호가 상방향으로의 이동을 의미하는 경우에 0이 아닌 값이지만 1(unity)보다 작다. 식 (20)은 C1이 0으로 선택되는 경우에 도 15c의 플롯을 얻는다. C2는 슬롯이 적절한 경사를 갖도록 선택될 수 있다. C2가 큰 값이면 식 (20)의 플롯의 경우 더 큰 경사를 얻는다. 일 실시예에서 C1과 C2는 각각 0.4와 600으로 선택되었다. 도 15a 내지 도 15d에 도시한 바와 같은 (KM)의 변화는 컨트롤러(20)에서 프로그램될 수 있다.Here, C 1 is a value other than 0 when the signal representing the force of the operator on the end effector implies upward movement, but is less than 1 (unity). Equation (20) obtains the plot of FIG. 15C when C 1 is selected as zero. C 2 may be chosen such that the slot has an appropriate slope. If C 2 is a large value, a larger slope is obtained for the plot of equation (20). In one embodiment, C 1 and C 2 were chosen to be 0.4 and 600, respectively. The change in K M as shown in FIGS. 15A-15D can be programmed in the controller 20.

줄의 장력이 0임을 검출함에 따른 슬랙 방지는 줄을 감아 올리는 수고 없이 줄이 풀리는 것만을 방지하는 데 사용될 수 있다. 작업자의 상방향 힘 신호는 그 상방향 신호가 발생한 때에 줄의 힘이 0이더라도 위쪽으로 감기는 줄에 의해 작용될 수 있다.Preventing slack from detecting that the string tension is zero can be used to prevent only the string loosening without the effort of rolling up the string. The upward force signal of the operator can be acted upon by the upward winding line even if the upward force of the rope is zero when the upward signal occurs.

도 16은 슬랙 방지를 제공하고 팰릿으로부터 하물을 내리는 데(depalletizing) 사용될 수 있는 본 발명의 일 실시예를 도시한다.16 illustrates one embodiment of the present invention that can be used to provide slack protection and depalletizing from a pallet.

도 16에 도시 된 바와 같이, 단부 작동체가 작업자에 의해 아래쪽으로 밀리는 경우에 줄의 슬랙이 발생하지 않으면서 단부 작동체가 아래쪽으로 이동하는 제한되는 것을 보여준다. 단부 작동체(14)는 천장이나 오버헤드 크레인에 장착된 전기 액추에이터(12)에 연결된다. 샤프트가 풀리를 회전시킴에 따라, 풀리의 회전은 줄(13)을 감거나 풀어 줄(13)이 단부 작동체(14)와 상자(25)를 인상하거나 하강시키도록 한다. 2개의 흡인 컵(18)은 상자(25)를 단부 작동체(14)에 결합시키는 데 사용된다. 액추에이터(12)는 전자 컨트롤러(20)에 의해 제어된다. 컨트롤러(20)에 위치한 컴퓨터는 2개의 신호, 즉 단부 작동체(14)로부터의 작업자의 힘을 나타내는 신호와 전류 센서로부터의 액추에이터(12)가 소비하는 전류를 나타내는 신호를 케이블(21)을 통하여 수신한다. 본 실시예에서 사용한 전류 센서는 전기 액추에이터(12)에 전력을 공급하는 전력 증폭기(컨트롤러(20) 내에 위치) 내에 있기 때문에, 액추에이터(12)가 소비한 전류를 나타내는 신호는 도 16에 도시하지 않았다. 컨트롤러(20) 내의 컴퓨터는 단부 작동체(14) 상의 작업자의 힘과 줄(13)의 장력을 나타내는 2개의 신호에 기초하여 풀리(11)가 회전해야 하는 속도를 설정한다. 컨트롤러(20)는 케이블(23)을 통하여 액추에이터(12)에 전력을 공급한다. 액추에이터(12)와 풀리(11)의 이동 결과는 필요에 따라 작업자의 인상 또는 하강 작업을 보조하기에 충분한 기계적인 힘을 충분히 발생시키는 정확한 거리로 줄(13)을 인상하거나 하강하는 데 충분하다. 작업자의 손이 핸들(16)을 위쪽으로 밀면, 풀리(11)는 줄(13)을 위쪽으로 끌어올리도록 회전하여 상자(25)를 들어올린다. 작업자의 손이 핸들(16)을 아래쪽으로 밀면, 풀리(11)는 줄(13)이 아래쪽으로 이동하도록 회전하여 상자(25)를 하강시킨다. 그러나 도 16에 도시한 바와 같이, 단부 작동체가 아래쪽으로 이동하는 것이 제한되는 동안, 단부 작동체가 작업자에 의해 아래쪽으로 밀리게 되면 줄은 느슨해지지 않는다.As shown in Fig. 16, it is shown that the end actuator is restricted to move downward without the occurrence of slack in the string when the end actuator is pushed downward by the operator. The end actuator 14 is connected to an electric actuator 12 mounted to a ceiling or overhead crane. As the shaft rotates the pulley, the rotation of the pulley causes the string 13 to raise or lower the end actuator 14 and the box 25. Two suction cups 18 are used to couple the box 25 to the end effector 14. The actuator 12 is controlled by the electronic controller 20. The computer located in the controller 20 transmits two signals through the cable 21, signals representing the operator's force from the end actuator 14 and signals representing the current consumed by the actuator 12 from the current sensor. Receive. Since the current sensor used in this embodiment is in a power amplifier (located in the controller 20) for supplying the electric actuator 12, a signal representing the current consumed by the actuator 12 is not shown in FIG. . The computer in the controller 20 sets the speed at which the pulley 11 should rotate based on two signals representing the operator's force on the end effector 14 and the tension of the string 13. The controller 20 supplies power to the actuator 12 via a cable 23. The result of the movement of the actuator 12 and the pulley 11 is sufficient to raise or lower the string 13 to an exact distance that generates sufficient mechanical force to assist the lifting or lowering operation of the operator as needed. When the worker's hand pushes the handle 16 upwards, the pulley 11 rotates to pull the string 13 upwards to lift the box 25. When the worker's hand pushes the handle 16 downward, the pulley 11 rotates so that the string 13 moves downward to lower the box 25. However, as shown in Fig. 16, while the end actuator is restricted from moving downward, the string is not loosened when the end actuator is pushed downward by the operator.

여기서, 시스템에 전기 액추에이터가 사용되는 경우에 액추에이터가 소비한 전류의 측정이 어떻게 줄의 장력을 추정하는 데 사용될 수 있는지를 설명한다. 풀리(11)를 회전시키고 하물을 인상하기 위해 액추에이터(12)에 의해 발생되는 토크의 크기는 액추에이터(12)가 사용하는 전류에 비례한다. 이것은 식 (21)으로 나타난다.Here, we describe how the measurement of the current consumed by the actuator when the electric actuator is used in the system can be used to estimate the tension of the string. The amount of torque generated by the actuator 12 to rotate the pulley 11 and raise the load is proportional to the current used by the actuator 12. This is represented by equation (21).

여기서, (TT)는 액추에이터(12)에 의해 발생되는 전체 토크이고, (I)는 액추에이터(12)가 사용한 전류이며, (KT)는 비례 상수이다. (KT)의 값은 일반적으로 액추에이터 제조자가 제공한다. (KT)는 또한 액추에이터 상에 소정의 알려진 하물에 대해 액추에이터가 소비한 전류를 측정함으로써 실험적으로 측정될 수 있다. 비록 식 (21)이 액추에이터가 발생시키는 토크와 액추에이터가 소비하는 전류 사이의 실제 관계로서 폭 넓게 보고되었지만, 액추에이터에 전력을 공급하는 전력 증폭기의 특성(quality)에 따라 토크가 발생되지 않는 경우에 소정의 잉여 전류(residual current)가 측정될 수 있다. 전력 증폭기는 이 잉여 바이어스 전류 측정을 고려하여 조정되어야 한다. 하물 및 단부 작동체를 들어올리는 데 이용 가능한 토크의 양 (TL)은 액추에이터(12)가 발생시키는 전체 토크와 풀리(11)와 액추에이터의 모든 회전 구성요소를 회전시키는 데 필요한 토크간 차이와 같다. 이것은 식 (22)로 나타난다.Here, (T T ) is the total torque generated by the actuator 12, (I) is the current used by the actuator 12, and (K T ) is a proportional constant. The value of (K T ) is usually provided by the actuator manufacturer. (K T ) can also be measured experimentally by measuring the current consumed by the actuator for any known load on the actuator. Although Equation (21) is widely reported as the actual relationship between the torque generated by the actuator and the current consumed by the actuator, certain torques do not occur depending on the quality of the power amplifier that powers the actuator. The residual current of can be measured. The power amplifier must be adjusted to account for this redundant bias current measurement. The amount of torque T L available for lifting the load and end actuators is equal to the difference between the total torque generated by the actuator 12 and the torque required to rotate the pulley 11 and all rotating components of the actuator. . This is represented by equation (22).

여기서, TP는 풀리(11)와 액추에이터의 모든 회전 구성요소를 회전시키는 데 필요한 토크이다. 토크 TP는 식 (23)로 계산된다.Here, T P is the torque required to rotate the pulley 11 and all rotating components of the actuator. The torque T P is calculated by equation (23).

여기서, here,

IP = 모터 샤프트 상에 반영된 액추에이터의 모든 회전 구성요소(모터 및 변속 장치)와 풀리의 관성 모멘트I P = moment of inertia of the pulley and all rotating components of the actuator (motor and transmission) reflected on the motor shaft

BP = 위의 동일한 구성요소들의 마찰 계수B P = coefficient of friction of the same components above

α= 전기 모터 샤프트의 각 가속도α = angular acceleration of the electric motor shaft

ω= 전기 모터 샤프트의 각 속도 ω = angular speed of electric motor shaft

TO = 시스템의 쿨롱 마찰력(coulomb firction)에 기인한 상수 토크(constant torque)이다.T O = constant torque due to the coulomb firction of the system.

(α) 및 (ω)(모터 샤프트의 각 가속도 및 각 속도) 모두는 여러 표준 추정 기술의 사용하여 모터 샤프트 각을 측정함으로써 추정될 수 있다.Both α and ω (angular acceleration and angular velocity of the motor shaft) can be estimated by measuring the motor shaft angle using several standard estimation techniques.

(IP) 및 (BP)는 액추에이터와 연관된 2개의 파라메터이며, 실험적으로 측정할 수 있다. (BP)는 정상 상태로 작용(즉 일정한 액추에이터 속도)하는 동안의 모터 속도가 갖는 토크의 비례 상수를 나타낸다. 당업자는 모터 샤프트를 일정한 속도로 회전시키는 데 필요한 토크를 측정해야 한다. (BP)는 모터의 정상 상태 속도와 필요 토크 사이의 비례 상수이다. (IP)는 높은 가속도로 운동하는 동안에 모터 가속도가 갖는 토크의 비례 상수이다. 표준 파라메터 추정 기술을 사용하여 (IP)와 (BP)를 측정하는 방법은 다양하다. 예를 들어, 확장 칼만 필터(Extended Kalman Filter)는 파라미터 추정에 있어 잘 알려진 방법이며, 제어 과학 문헌(contro sciences literature)에서 찾을 수 있다. Shankar Sastry와 Marc의 저서 "Adaptive Control"[Prentice Hall, 1989] 그리고 George Box와 Gwilym Jenkins의 저서 "Time Series Analysis"[Hgolden-Day, 1976]는 추정 모델에 있어 훌륭한 참고자료이다. 2가지 간단한 실험으로 BP와 IP를 측정할 수 있다.(I P ) and (B P ) are two parameters associated with the actuator and can be measured experimentally. (B P ) represents the proportional constant of the torque of the motor speed during its steady state operation (ie constant actuator speed). One skilled in the art must measure the torque required to rotate the motor shaft at a constant speed. (B P ) is the proportional constant between the steady state speed of the motor and the required torque. (I P ) is a proportional constant of the torque with motor acceleration during movement at high accelerations. There are various ways to measure (I P ) and (B P ) using standard parameter estimation techniques. For example, Extended Kalman Filter is a well known method for parameter estimation and can be found in the contro sciences literature. Shankar Sastry and Marc's book "Adaptive Control" [Prentice Hall, 1989] and George Box and Gwilym Jenkins' book "Time Series Analysis" [Hgolden-Day, 1976] are excellent references for estimating models. Two simple experiments can be used to measure BP and IP.

높은 주파수의 사인형 입력 토크를 갖는 액추에이터를 구동함으로써 (IP)를 측정할 수 있다. 높은 주파수에서, 마찰 토크를 능가하는 토크는 가속도에 기인하는 관성 토크에 비해 오히려 작고, (IP)는 모터 가속도와 모터 토크 사이에서 비례적으로 일정하다. 모터 샤프트의 가속도와 토크를 측정함으로써 (IP)의 값을 얻을 수 있다. (BP)를 측정하여 액추에이터를 일정 속도로 구동할 수 있다. 일정한 속도에서, 가속도에 기인한 관성 토크와 관련된 토크는 0이고, (BP)는 모터 속도와 모터 토크 사이에서 비례적으로 일정하다. 모터 샤프트 속도와 토크를 측정함으로써 (BP)의 값을 얻을 수 있다.(I P ) can be measured by driving an actuator having a high frequency sinusoidal input torque. At high frequencies, the torque over frictional torque is rather small compared to the inertial torque due to acceleration, and (I P ) is proportionally constant between motor acceleration and motor torque. The value of (I P ) can be obtained by measuring the acceleration and torque of the motor shaft. By measuring (B P ), the actuator can be driven at a constant speed. At a constant speed, the torque associated with the inertial torque due to acceleration is zero, and (B P ) is proportionally constant between the motor speed and the motor torque. The value of (B P ) can be obtained by measuring the motor shaft speed and torque.

(TO)는 액추에이터(특히 전기 액추에이터의 변속 장치 부분에서의)의 건조 마찰에 기인한 작고 일정한 토크이다. 고 성능이고 윤활이 양호한(well-lubricated) 전기 액추에이터는 마찰력이 작고, (TO)는 무시할 수 있을 정도의 작은 양이며 실험적으로 측정될 수 있다. (TO) is a small and constant torque due to dry friction of the actuator (especially in the transmission portion of the electric actuator). High performance, well-lubricated electric actuators have low frictional forces and (TO) are negligibly small amounts and can be measured experimentally.

식 (23)의 (TP)와 식 (21)의 (TT)를 식 (22)에 대입하여 하물을 인상하는 데 필요한 토크에 대한 다음 식을 얻는다.Substituting (T P ) of Equation (23) and (T T ) of Equation (21) into Equation (22) gives the following equation for the torque required to raise the load.

액추에이터(12)의 전류와 액추에이터 샤프트의 속도 및 가속도를 측정함으로써 식 (24)로부터 (TL)을 계산할 수 있다. 줄의 장력 (fR)은 다음과 같다.(T L ) can be calculated from Equation (24) by measuring the current of the actuator 12 and the speed and acceleration of the actuator shaft. The tension (f R ) of the string is

여기서, R은 풀리(11)의 반경이다. 액추에이터가 매우 큰 변속비(transmission ratio)(후진 구동이 불가능한 시스템)를 갖는 기어 헤드를 구비하는 경우, 줄의 장력을 지지하는 모터 토크는 대개 액추에이터의 회전 부품을 가속(또는 감속)하는 모터 토크에 비해 작다. 다시 말해, 높은 변속비가 이용되는 경우 줄의 장력을 유지하기 위한 토크를 제공하는 데 사용되는 전류는 전기 모터가 소비하는 전류의 적은 부분만을 구성하도록 한다. 더욱이, 낮은 변속비를 갖는 액추에이터는 높은 변속비를 갖는 액추에이터가 장력 변화에 기인한 전류 시도(reading)에 대한 것보다 더 큰 범위의 전류 시도를 가져올 것이다.Where R is the radius of the pulley 11. When the actuator has a gear head with a very large transmission ratio (a system in which reverse operation is impossible), the motor torque supporting the tension of the string is usually compared to the motor torque that accelerates (or decelerates) the rotating part of the actuator. small. In other words, the current used to provide the torque to maintain the tension of the string when high transmission ratios are used allows only a small fraction of the current consumed by the electric motor. Moreover, actuators with low transmission ratios will result in a larger range of current attempts than actuators with high transmission ratios for current readings due to changes in tension.

식 (23)은 액추에이터의 동력학(dynamics)에 대한 기본적이고 선형적인 형태를 도시함에 주의하여야 한다. 액추에이터가 적절하게 설계되어 윤활이 양호한 경우, 식 (23)은 시스템의 동력학을 적절하게 결정한다. 더 높은 정밀도를 필요로 하는 예에서, 비 선형 관계에 의해 모델링되는 마찰력을 g(ω)를 갖는 식 (25)와 유사한 아래의 식 (26)을 사용할 수 있다.It should be noted that Eq. (23) shows the basic and linear form of the dynamics of the actuator. If the actuator is properly designed and lubrication is good, Equation (23) properly determines the dynamics of the system. In examples that require higher precision, the following equation (26) can be used, which is similar to equation (25) with a frictional force modeled by a non-linear relationship g (ω).

g(ω)의 구조는 표준 시스템 식별 기술을 사용하여 실험적으로 추정될 수 있다. 역시, 파라미터 추정에 있어 확장된 칼만 필터(Extended Kalman Filter)가 잘 알려져 있으며, 제어 과학 문헌들에서 찾을 수 있다.The structure of g (ω) can be estimated experimentally using standard system identification techniques. Again, the Extended Kalman Filter in parameter estimation is well known and can be found in the control scientific literature.

본 명세서에서 기술한 슬랙 제어 방법들은 흡인 컵을 사용하는 장치의 응용예를 토대로 하여 고안었다. 비록 인력 증폭기 장치가 흡인 컵을 구비하는 경우에 채용되지는 않더라도, 전술한 슬랙 제어 방법은 이 장치에서 구현되는 것이 바람직하다. 작업자가 이동될 물체를 포함하는 주변의 여러 물체 위의 하물 인터페이스 일부를 우연하게 밀 수 있는 경우에 여러 상태가 존재한다. 작업자의 하방 잔류 힘은 단부 작동체가 아래쪽으로 이동하는 것이 방해되면 줄의 슬랙을 발생시킬 것이다. 그러므로 줄의 슬랙을 방지하는 것이 항상 중요하다.The slack control methods described herein are designed based on the application of a device using a suction cup. Although the attraction amplifier device is not employed in the case with a suction cup, the above-described slack control method is preferably implemented in this device. There are several states where an operator may accidentally push a portion of the load interface over several surrounding objects, including the object to be moved. The downward residual force of the operator will generate slack in the string if the end effector is prevented from moving downward. Therefore, it is always important to prevent line slack.

도 (13)의 조사는 하물 무게의 변화 (ΔW)는 (S)가 작은 양인 경우에 작업자의 힘 (Δf)에 작은 변화를 가져온다는 것을 가르쳐 준다. 바꾸어 말하면, 작업자는 (S)가 작은 양이면 하물 무게의 변화에 대해 거의 느낌이 없을 것이다. 슬랙 방지를 위하여 전술한 바와 같이 줄의 장력 (fR)이 측정되거나 추정되면, (fR)을 사용하여 하물의 무게가 변하는 경우 작업자의 느낌을 더 뚜렷하게 발생시킴으로써 시스템을 더 향상시킬 수 있다. 여기서 이러한 향상을 달성하는 방법에 대해 설명한다. 일단 줄의 장력 (fR)을 알면 식 (3)으로부터 하물 부하 (p)를 계산할 수 있다. 하물 부하 (p)는 그 다음에 피드백 신호로 사용될 수 있다.The investigation in FIG. 13 teaches that the change in load weight (ΔW) brings a small change in the operator's force (Δf) when (S) is a small amount. In other words, the operator would have little feel for the change in load weight if (S) is a small amount. If the tension (f R ) of the string is measured or estimated as described above to prevent slack, the system can be further improved by using (f R ) to more clearly produce the operator's feeling when the weight of the load changes. Here is how to achieve this improvement. Once the string tension (f R ) of the string is known, the load (p) can be calculated from equation (3). The load load p can then be used as a feedback signal.

여기서, (Q)는 하물 부하 (p)에 대해 작용하는 컨트롤러 전달 함수이다. 이러한 식을 통ㅎ, (Q)는 하물 부하를 컨트롤러로 피드백하기 때문에 시종일관 힘의 피드백 전달 함수로 또한 지칭될될 수 있다. 식 (17)과 식 (27)의 비교는 작동력(operator force)과 하물 부하 모두가 어떻게 식 (27)에서 피드백 신호로 사용되는지를 나타낸다. 식 (2)에 식 (27)을 대입하고 전술한 동일한 수학적인 프로세스를 수행하여 선 속도 (v)에 대한 식 (28)을 얻는다.Where (Q) is the controller transfer function that acts on the load (p). Through this equation, (Q) can also be referred to as the feedback transfer function of the consistent force because it feeds the load back to the controller. The comparison of equations (17) and (27) shows how both the operator force and the load are used as feedback signals in equation (27). Substituting equation (27) into equation (2) and performing the same mathematical process described above yields equation (28) for line speed v.

식 (29)는 하물 무게의 소정 변화 (ΔW)와 작업자가 단부 작동체에 가한 힘의 소정 변화 (Δf)가 단부 작동체 속도의 변화 (Δv)에 변화를 초래할 것임을 보여 준다.Equation (29) shows that a predetermined change (ΔW) of the load weight and a predetermined change (Δf) of the force exerted by the operator on the end actuator will result in a change in the end actuator speed change (Δv).

하물 힘 피드백 전달 함수 (Q)는 하물에 대한 시스템의 전체 감도를 (S)에서 (S+GQ)로 증가시킨다. 하물에 대한 가시 감도(apparent sensitivity)를 S'라고 하면 S'는 다음과 같다.The load force feedback transfer function (Q) increases the overall sensitivity of the system to the load from (S) to (S + GQ). S 'is the following when the apparent sensitivity of the article is S'.

식 (29)는 다음과 같이 다시 쓸 수 있다.Equation (29) can be rewritten as

식 (31)은 식 (11)과 유사한 식이지만, 시스템의 하물 부하에 대한 감도는 (S)에서 (S')로 증가된다. 더욱이, 전술한 3가지 실험에서의 모든 특성은 여전히 유효하다. 예를 들면, 실험 1에서의 선택적인 하물 피드백의 효과가 그것이다. 하물 부하 피드백 전달 함수 (Q)가 사용되는 경우, 식 (13) 은 식 (32)로 고쳐 쓸 수 있다.Equation (31) is similar to Equation (11), but the sensitivity to load in the system is increased from (S) to (S '). Moreover, all the properties in the three experiments described above are still valid. For example, the effect of selective load feedback in Experiment 1. When the load load feedback transfer function Q is used, equation (13) can be rewritten to equation (32).

식 (13)과 식 (32)의 비교는 (S')가 (S)보다 크기 때문에 작동 속도가 변화하지 않고 유지될 것으로 기대되면 소정의 하물 무게 증가는, 하물 부하 피드백 (Q)가 사용되는 경우에 필요한 작업자의 상방향 힘을 더 많이 증가시키게 될 것이라는 것을 설명한다. 다시 말해, 하물 무게의 증가가 주어진 경우, 하물 부하 피드백이 사용되는 경우에 작업자는 더 큰 힘을 느낀다. 하물 부하 피드백의 사용은 선택적이다. (S)가 작업자에게 하물 부하의 변화에 대해 적당한 감각을 줄 수 있을 정도로 충분히 크면, 하물 부하 피드백을 실시할 필요는 없고, (S)가 작으면 하물 부하 피드백의 실시는 작업자가 하물 부하의 변화에 대한 감각을 보다 뚜렷하게 느끼게 되므로 감각에 있어 시스템의 성능을 향상시킬 것이다.The comparison of equations (13) and (32) shows that a predetermined load weight increase is expected if the operating speed is to remain unchanged because (S ') is greater than (S), where load load feedback (Q) is used. Explain that you will increase the upward force of the worker as needed. In other words, given the increase in load weight, the operator feels more force when load load feedback is used. The use of load load feedback is optional. If (S) is large enough to give the operator a proper sense of the load load change, there is no need to perform the load load feedback. If (S) is small, the load load feedback is performed by the operator. It will improve the system's performance in the senses as it makes the senses more clear.

여기서 식 (27)의 간단한 변형을 2가지 설명한다. 작업자의 힘 (f)는 대개 하물 부하 (p)에 비해 작기 때문에 식 (27)에서 (p)는 (fR)로 대체될 수 있다.Here, two simple modifications of equation (27) will be described. Since the force (f) of the operator is usually small compared to the load (p), (p) in equation (27) can be replaced by (f R ).

또한 피드백으로서 하물 부하를 사용하기 보다는 도 7b의 예에서 도시된 바와 같이 (pL)을 쉽게 이용할 수 있다면 pL(하물의 무게와 관성에만 기인한 부하)을 사용할 수 있다.It is also possible to use pL (load only due to the weight and inertia of the load) if (p L ) is readily available as shown in the example of FIG. 7B rather than using the load as feedback.

도 18a 및 도 18b는 컨트롤러(20)에서 사용될 수 있는 컴퓨터 프로그램의 흐름도를 도시한다. 이 제어 프로그램은 시스템에서 먼저 모든 입력 및 출력 하드웨어를 초기화한다. 이것은 컨트롤러의 다른 모든 주변장치 외에 아날로그-디지털 변환기, 디지털-아날로그 변환기 및 쿼더러처 카운터(quadrature counter)를 포함한다. 컨트롤러에 필요한 모든 상수를 계산 후에 컨트롤러는 액추에이터 상의 마찰 브레이크를 해제하고, 시스템이 동작할 준비가 되었음을 나타내는 컨트롤러 상의 녹색 전등을 켤 것이다. 그런 다음 컨트롤러는 주 제어 루프로 들어가서 액추에이터의 위치, 작업자의 힘, 액추에이터의 전류 및 데드맨 스위치를 판독한다. 그러고 나서 컨트롤러는 작업자의 힘을 나타내는 신호에 대해 전달 함수 (K)를 이행한다. 전달 함수 (K)는 폐루프 시스템 안정성을 보증하도록 선택되어야 한다. 액추에이터 위치 값을 사용하여, 컨트롤러는 상기한 식 (17)로 줄의 장력을 추정한다. 작업자의 힘 값을 사용하여 소프트웨어는 가해진 작업자의 힘이 아래쪽으로(+) 인지 위쪽으로(-) 인지 결정한다. 작업자 힘의 방향에 따라 소프트웨어는 도 15b 및 도 15c와 유사한 플롯으로 KM 값을 계산한다. KM의 값이 도 15b 또는 도 15c와 유사한 플롯으로부터 얻어지기 때문에 KM의 크기 계산에는 불연속성(discontinuity)이 존재할 것이다. 여러 KM 값으로의 이동은 디지털 필터를 사용함으로써 원활하게 이루어질 수 있다. 따라서 디지털 필터는 KM과 관련하여 고주파 부품으로 설계된다. 본 실시예에서, 디지털 저역 통과 필터가 KM 값을 원활하게 하기 위해 소프트웨어에서 쓰여졌다.18A and 18B show a flow chart of a computer program that can be used in the controller 20. The control program first initializes all input and output hardware in the system. This includes analog-to-digital converters, digital-to-analog converters and quadrature counters in addition to all other peripherals in the controller. After calculating all the constants needed for the controller, the controller will release the friction brake on the actuator and turn on the green light on the controller indicating that the system is ready for operation. The controller then enters the main control loop to read the position of the actuator, the operator's force, the actuator's current, and the deadman switch. The controller then implements a transfer function (K) on a signal representing the operator's force. The transfer function (K) should be chosen to ensure closed loop system stability. Using the actuator position value, the controller estimates the tension of the string by equation (17) above. Using the operator's force value, the software determines whether the operator's force applied is downward (+) or upward (-). Depending on the direction of the operator force, the software calculates the K M value in a plot similar to FIGS. 15B and 15C. Since the value of K M is obtained from a plot similar to FIG. 15B or FIG. 15C, there will be a discontinuity in the calculation of the size of K M. Moving to different K M values can be done smoothly by using digital filters. Digital filters are therefore designed as high frequency components in relation to K M. In this embodiment, a digital low pass filter has been written in software to smooth the K M value.

소프트웨어는 그런 다음 데드맨 스위치가 눌려졌는지 아닌지를 확인한다. 데드맨 스위치가 눌려졌으면 소프트웨어는 (e)의 수정된 값을 액추에이터로 전송한다. 데드맨 스위치가 눌려지지 않았으면 소프트웨어는 위치 컨트롤러를 사용하여 액추에이터를 현재 위치로 유지하고 마찰 브레이크를 연동시킨다. 이 마찰 브레이크는 연동되어 데드맨 스위치가 해제되는 경우에 액추에이터가 회전하는 것을 방지한다. 이 마찰 브레이크는 작업자가 장치를 돌보지 않는 경우에 시스템에 더 큰 강성(rigidity)을 부가한다. 추가적인 안전 특성으로서, 전원 장애가 있는 때에는 언제나 마찰 브레이크를 연동시키는 것이 좋다.The software then checks whether the Deadman switch is pressed or not. If the deadman switch is pressed, the software sends the modified value of (e) to the actuator. If the deadman switch is not pressed, the software uses the position controller to keep the actuator in its current position and engage the friction brake. This friction brake interlocks to prevent the actuator from rotating when the deadman switch is released. This friction brake adds greater rigidity to the system when the operator does not care for the device. As an additional safety feature, it is advisable to engage the friction brake whenever there is a power failure.

이동될 물체를 들어올리거나 내리는 속도를 조정하는 데 밸브, 푸시 버튼, 키보드, 스위치 또는 티치 펜던트(teach pendent)와 같이 매개 장치를 사용하는 호이스트가 많이 있다. 예를 들어 밸브 제어형 호이스트에서, 작업자가 밸브를 더 많이 개방할수록 물체의 상승 속도는 더욱 커진다. 매개 장치를 구비함으로써 작업자는 자신의 손이 물체에 접촉하지 않기 때문에 어느 정도의 하물 부하를 인상하였는지에 대해 아무런 느낌을 갖지 않는 한편 밸브나 스위치를 작동하기에 바쁘다. 그러나 작업자는 하물이 아래쪽으로 이동하는 것이 제한되어 있는 동안 하물을 내려놓기 위하여 매개 장치(예를 들어 내림 푸시 버튼)를 활성화시킬 수 있다. 전술한 슬랙 방지 방법은 이러한 보편적인 호이스트와 같이 사용될 수 있다. 다시 말해, 여기서 설명한 스위치와 센서(예를 들면 도 9, 도 10a 및 도 10b, 도 11a 및 도 11b)는 줄의 장력에 대한 정보(예를 들어 줄 장력의 크기 또는 줄 장력의 결핍)를 컨트롤러에 전송하기 위하여 이러한 장치와 같이 사용될 수 있다. 게다가, 이러한 장치들이 전력을 공급받는 경우에는 앞서 설명한 바와 같이 전류 측정으로부터 줄의 장력은 또한 추정될 수 있다.Many hoists use intermediary devices such as valves, push buttons, keyboards, switches or teach pendents to adjust the speed of lifting or lowering the object to be moved. In a valve controlled hoist, for example, the more the operator opens the valve, the higher the lift speed of the object. By providing the intermediary device, the operator is busy to operate the valve or switch while having no sense of how much load load has been raised because his hand is not in contact with the object. However, the operator can activate an intermediary device (eg lowering push button) to lower the load while the load is restricted to move downward. The slack prevention method described above can be used with such a universal hoist. In other words, the switches and sensors described herein (e.g., Figures 9, 10a and 10b, 11a and 11b) provide information about the tension of the string (e.g. the magnitude of the string tension or lack of the string tension). It can be used with these devices to send to. In addition, when these devices are powered up, the tension of the cord from the current measurement can also be estimated as described above.

비록 본 발명의 특정 실시예가 첨부 도면에 도시되고 앞의 상세한 설명에 기술되었지만, 본 발명은 기재된 실시예로 제한되지 않고 첨부한 청구범위로 규정되는 발명의 범위 내에 포함되는 모든 대체물, 동등물, 변형물 및/또는 요소들의 정렬을 포함하도록 의도되었음을 알아야 한다. 예를 들어 전술한 많은 실시예에서는 작업자의 작동력을 시스템의 입력으로 사용하지만 본 발명이 제공하는 이점들, 특히 하물 무게 감도 및 슬랙 방지는 하물을 이동시키는 데 밸브나 승강(up-down) 스위치를 사용하는 호이스트에 또한 유익하다. 또한 비록 시스템 동작을 설명하기 위하여 특정 식을 공표하였지만 목적하는 특정 기능을 달성하기 위하여 시스템을 프로그램하는 대체 가능한 방법들이 있다. 첨부한 청구범위는 이러한 변형물과 대체물들을 모두 포함하도록 의도된 것이다.Although specific embodiments of the invention have been shown in the accompanying drawings and described in the foregoing detailed description, the invention is not limited to the embodiments described, but all alternatives, equivalents, and modifications fall within the scope of the invention as defined by the appended claims. It should be understood that it is intended to include alignment of water and / or elements. For example, in many of the embodiments described above, the operator's operating force is used as the input to the system, but the advantages provided by the present invention, particularly load weight sensitivity and slack protection, require the use of valves or up-down switches to move loads. It is also beneficial for the hoist to use. There are also alternative ways to program the system to achieve the desired specific function, although specific equations have been published to explain system operation. The appended claims are intended to cover all such modifications and alternatives.

Claims (90)

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estimation device for transmitting a signal indicating the load of the load to the controller, 상기 컨트롤러는 상기 추정된 하물 부하 신호 및 작업자가 가한 힘의 신호의 함수로서 상기 액추에이터를 제어하는The controller controls the actuator as a function of the estimated load load signal and a signal of the force exerted by the operator. 호이스트 시스템.Hoist system. 제36항에 있어서,The method of claim 36, 상기 액추에이터의 속도는 v=GK(f-fup)+GQp+S(f+p)의 식에 따라 추정된 하물 부하 신호 및 작업자가 가한 힘의 신호의 함수로서 제어되며, 여기서 v는 단부 작동체의 속도, G는 액추에이터 전달 함수, K는 f에 대해 작동하는 컨트롤러의 전달 함수, f는 작업자가 가한 힘, fup는 상수, Q는 p에 대해 작동하는 컨트롤러의 전달 함수, p는 추정된 하물 부하, 그리고 S는 액추에이터 감도 전달 함수인 것을 특징으로 하는 호이스트 시스템.The speed of the actuator is controlled as a function of the load load signal estimated by the equation v = GK (ff up ) + GQp + S (f + p) and the signal of the force exerted by the operator, where v is the Speed, G is the actuator transfer function, K is the transfer function of the controller operating for f, f is the force exerted by the operator, f up is constant, Q is the transfer function of the controller operating for p, p is the estimated load load And S is an actuator sensitivity transfer function. 제36항에 있어서,The method of claim 36, 상기 하물 부하 추정장치가 힘 센서인 것을 특징으로 하는 호이스트 시스템.Hoist system, characterized in that the load load estimation device is a force sensor. 제38항에 있어서,The method of claim 38, 상기 힘 센서가 상기 줄의 장력의 함수로서 하물 부하를 추정하는 것을 특징으로 하는 호이스트 시스템.Hoist system, characterized in that the force sensor estimates a load of load as a function of the tension of the string. 제38항에 있어서,The method of claim 38, 상기 힘 센서가 상기 호이스트 상의 인장 응력의 함수로서 하물 부하를 추정하는 것을 특징으로 하는 호이스트 시스템.Hoist system, characterized in that said force sensor estimates loads as a function of tensile stress on said hoist. 제36항에 있어서,The method of claim 36, 상기 하물 부하 추정장치는 상기 하물 부하를 추정하기 위해 상기 액추에이터가 소비하는 전류를 사용하는 것을 특징으로 하는 호이스트 시스템.And the load-bearing estimator uses the current consumed by the actuator to estimate the load-bearing. 제41항에 있어서,The method of claim 41, wherein 상기 하물 부하 추정장치는 상기 액추에이터로 흐르는 전류를 검출하는 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 호이스트 시스템.And the load-bearing estimator includes a sensor for detecting a current flowing to the actuator. 제36항에 있어서,The method of claim 36, 상기 컨트롤러는, 인상 이동중에 상기 작업자가 하물을 느끼도록 상기 하물이 이동하는 동안 작업자가 항상 하물 부하의 일부를 부담하도록 프로그램되어 있는 것을 특징으로 하는 호이스트 시스템.And the controller is programmed so that the worker always bears a part of the load while the load moves so that the worker feels the load during the lifting movement. 제36항에 있어서,The method of claim 36, 상기 컨트롤러는, 작업자가 가하는 힘 및 하물 부하의 변화가 하물 부하의 변화에 반응하여 인상 속도 또는 작업자가 가하는 힘의 변화를 요구하도록 함수적으로 상호연관되도록, 프로그램 되는 것을 특징으로 하는 호이스트 시스템.Wherein the controller is programmed such that a change in force and load applied by the operator is functionally correlated to require a change in pulling speed or force applied in response to the change in load. 제36항에 있어서,The method of claim 36, 상기 컨트롤러는, 작업자가 가하는 하방향 힘에 반응하여 상기 줄의 풀림을 방지함으로써, 상기 줄의 장력이 부족하다고 검출된 것에 대하여 응답하는 것을 특징으로 하는 호이스트 시스템.And the controller responds to the detection that the tension of the string is insufficient by preventing the string from loosening in response to a downward force applied by an operator. 작업자에 의해 쥐어지고 인상될 하물에 연결되는 단부 작동체, 작업자가 가한 힘을 측정하고 작업자가 가한 힘을 나타내는 신호를 컨트롤러에 전송하는 단부 작동체 내의 센서, 그리고 작업자가 하물을 인상하는 것을 보조하기 위해 액추에이터로부터 단부 작동체로 장력을 전달하는 줄의 이동 속도를 변화시키 호이스트 액추에이터를 포함하는 호이스트의 응답성을 개선하는 방법에 있어서,An end actuator that is connected to the load to be held and lifted by the operator, a sensor in the end actuator that measures the force exerted by the operator and sends a signal to the controller indicating the force exerted by the operator, and assists the operator in lifting the article A method of improving the responsiveness of a hoist comprising a hoist actuator by varying the speed of movement of the string that transmits tension from the actuator to the end effector. 하물 부하 추정장치로 하물의 부하를 추정하는 단계,Estimating the load of the load with the load load estimating apparatus, 상기 하물 부하 추정장치로부터의 하물 부하 신호를 상기 컨트롤러에 전달하는 단계, 및Transmitting a load load signal from the load load estimator to the controller, and 상기 하물 부하 신호 및 상기 작업자가 가하는 힘의 신호의 함수로서 상기 액추에이터의 속도를 제어하도록 상기 컨트롤러를 프로그램하는 단계Programming the controller to control the speed of the actuator as a function of the load load signal and a signal of the force exerted by the operator. 를 포함하는 호이스트 응답성 개선 방법.Hoist responsiveness improvement method comprising a. 제46항에 있어서,47. The method of claim 46 wherein 하물 부하 신호 및 작업자가 가한 힘의 함수로서 액추에이터의 속도를 제어하도록 상기 컨트롤러를 프로그램하는 단계는 e=K(f-fup)+Qp의 식에 따라 실시되며, 여기서 e는 컨트롤러의 출력, K는 f에 대해 작동하는 컨트롤러의 전달 함수, f는 작업자가 가한 힘, fup는 상수, Q는 p에 대해 작동하는 컨트롤러의 전달 함수, 그리고 p는 추정된 하물 부하인 것을 특징으로 하는 호이스트 응답성 개선 방법.Programming the controller to control the speed of the actuator as a function of the load load signal and the force exerted by the operator is performed according to the formula e = K (ff up ) + Qp, where e is the output of the controller, K is f The transfer function of the controller operating for, f is the force exerted by the operator, f up is the constant, Q is the transfer function of the controller operating for p, and p is the estimated load load. . 제46항에 있어서,47. The method of claim 46 wherein 상기 하물 부하를 추정하기 위해 힘 센서를 사용하는 것을 특징으로 하는 호이스트 응답성 개선 방법.And using a force sensor to estimate the load. 제48항에 있어서,The method of claim 48, 하물 부하를 추정하기 위해 줄의 장력을 측정하는 센서를 사용하는 것을 특징으로 하는 호이스트 응답성 개선 방법.A method for improving hoist responsiveness, comprising using a sensor to measure the tension of a string to estimate load loading. 제48항에 있어서,The method of claim 48, 하물 부하를 추정하기 위해 상기 호이스트 상의 기계적인 인장 응력을 측정하는 센서를 사용하는 것을 특징으로 하는 호이스트 응답성 개선 방법.A method for improving hoist responsiveness, comprising using a sensor to measure mechanical tensile stress on the hoist to estimate load loading. 제46항에 있어서,47. The method of claim 46 wherein 하물 부하를 추정하기 위해 상기 하물을 인상할 때 상기 액추에이터가 소모하는 에너지를 측정하는 장치를 사용하는 것을 특징으로 하는 호이스트 응답성 개선 방법.A method for improving hoist responsiveness, comprising using a device to measure the energy consumed by the actuator when raising the load to estimate the load. 제46항에 있어서,47. The method of claim 46 wherein 상기 단부 작동체 상의 데드맨 스위치가 비활성인 경우에 상기 액추에이터가 상기 하물을 고정 위치에 유지하도록 상기 컨트롤러를 프로그램하는 것을 특징으로 하는 호이스트 응답성 개선 방법.And said actuator programs said controller to hold said load in a fixed position when a deadman switch on said end effector is inactive. 작업자에 의해 쥐어지고 인상될 하물에 연결되는 단부 작동체, 인상되는 동안 작업자가 가한 힘을 감지하고 작업자가 가한 힘을 나타내는 신호를 컨트롤러에 전송하는 단부 작동체 내의 센서, 상기 컨트롤러에 의해 설정되는 작동 속도를 갖는 호이스트 액추에이터, 그리고 작업자가 하물을 인상하는 것을 보조하기 위해 액추에이터와 단부 작동체 사이에서 장력을 전달하는 줄을 포함하는 호이스트의 작업자의 입력에 대한 호이스트 응답성을 개선하기 위한 시스템에 있어서,An end effector connected to the load to be held and lifted by the operator, a sensor in the end effector that senses the force exerted by the operator during the lift and transmits a signal to the controller indicating the force exerted by the operator, the operation set by the controller A system for improving hoist responsiveness to an operator's input of a hoist comprising a hoist actuator having a speed, and a string transferring tension between the actuator and the end actuator to assist the operator in lifting the load. 인상되는 하물에 의해 발생하는 줄의 힘을 측정하는 하물 부하 추정장치를 더 포함하며,It further includes a load load estimator for measuring the force of the string generated by the lifting load, 상기 하물 부하 추정장치는 하물 부하 신호를 상기 컨트롤러에 전송하며,The load load estimating apparatus transmits a load load signal to the controller. 상기 컨트롤러는 작업자가 가하는 힘에 응답하여 상기 하물 부하 신호의 함수로서 인상 속도를 변화시키는The controller changes the pulling speed as a function of the load load signal in response to the force exerted by the operator. 호이스트 응답성을 개선하기 위한 시스템.System for improving hoist responsiveness. 제53항에 있어서,The method of claim 53, 상기 하물 부하 신호는 상기 단부 작동체에 의해 발생한 줄의 힘을 포함하는 것을 특징으로 하는 호이스트 응답성을 개선하기 위한 시스템.And the load load signal includes the force of the string generated by the end effector. 제53항에 있어서,The method of claim 53, 상기 하물 부하 추정장치가 상기 줄의 장력을 측정하는 것을 특징으로 하는 호이스트 응답성을 개선하기 위한 시스템.And said baggage load estimator measures the tension of said string. 제53항에 있어서,The method of claim 53, 상기 하물 부하 추정장치가 상기 호이스트 상의 기계적인 인장 응력을 측정하는 것을 특징으로 하는 호이스트 응답성을 개선하기 위한 시스템.And said baggage load estimator measures mechanical tensile stress on said hoist. 제53항에 있어서,The method of claim 53, 상기 하물 부하 추정장치가 상기 하물을 지지하고 있는 액추에이터에 의해 소모되는 에너지를 측정하는 것을 특징으로 하는 호이스트 응답성을 개선하기 위한 시스템.And the load-bearing estimator measures the energy consumed by the actuator supporting the load. 하물에 연결되고 줄에 의해 호이스트에 연결되는 단부 작동체에 작업자가 가한 힘으로써 작업자에 의해 지시된 인상 작업의 실제감이 작업자에게 부여되고, 상기 인상 작업을 하는 동안 작업자가 가한 힘을 나타내는 신호는 컨트롤러에 의해 실행되어, 상기 줄에 의해 상기 단부 작동체에 연결된 액추에이터가 작동하게 되는 호이스트 시스템에 있어서,The force exerted by the operator on the end effector connected to the load and connected to the hoist by the rope gives the operator a real sense of the lifting work instructed by the worker, and a signal indicative of the force exerted by the worker during the lifting operation A hoist system, executed by a controller, in which an actuator connected to the end actuator by the string is operated. 상기 호이스트 시스템은 상기 컨트롤러에 하물 부하 신호를 공급하는 하물 부하 측정장치를 포함하며,The hoist system includes a load load measuring device for supplying a load load signal to the controller, 상기 컨트롤러는, 상기 하물 부하 신호 및 상기 작업자의 힘의 신호에 응답하여 작업자에 의해 지시되는 인상 작업을 가변적으로 수행하도록 상기 액추에이터를 작동시키며, The controller operates the actuator to variably perform the pulling operation indicated by the operator in response to the load load signal and the signal of the operator's force, 가벼운 하물을 인상하는데 필요한 힘보다 무거운 하물에 대하여 동일한 속도로 인상하기 위해 더욱 큰 작업자의 힘이 가해지도록 프로그램되는 것을 특징으로 하는 호이스트 시스템.A hoist system, characterized in that it is programmed to exert a greater operator force to pull at the same speed for a load that is heavier than necessary for lifting a light load. 제58항에 있어서,The method of claim 58, 상기 하물 부하 추정장치는 하물 부하를 검출하도록 배치된 힘 센서인 것을 특징으로 하는 호이스트 시스템.And the load load estimating device is a force sensor arranged to detect the load of the load. 제58항에 있어서,The method of claim 58, 상기 하물 부하 추정장치는 상기 단부 작동체 및 상기 단부 작동체에 연결된 하물을 지지하기 위해 상기 액추에이터가 필요로 하는 전류로부터 상기 하물 부하 신호를 추정하는 것을 특징으로 하는 호이스트 시스템.And the load load estimating apparatus estimates the load load signal from a current required by the actuator to support the end actuator and the load connected to the end actuator. 제58항에 있어서,The method of claim 58, 주어진 작업자의 하방향 힘에 대하여, 하물 무게의 증가는 하물의 하강 속도를 증가시키는 것을 특징으로 하는 호이스트 시스템.For a given operator's downward force, an increase in load weight increases the rate of descent of the load. 제58항에 있어서,The method of claim 58, 하물의 이동 속도의 변화 없는 하물 무게의 증가는 하물의 상승을 위해 작업자의 더욱 많은 힘을 필요로 하고 하물의 하강을 위해 작업자의 더욱 적은 힘을 필요로 하는 것을 특징으로 하는 호이스트 시스템.A hoist system, characterized in that an increase in weight without changing the speed of the load requires more force of the operator to raise the load and less force of the operator to lower the load. 인상되는 하물에 의해 발생되는 힘을 나타내는 하물 부하 신호를 발생하는 단계, 및Generating a load load signal indicative of the force generated by the load being lifted, and 가벼운 하물의 경우와 동일한 속도로 무거운 하물을 상승시키기 위해 작업자가 가하는 힘을 증가시켜야 하도록 호이스트를 구동하기 위해 상기 하물 부하 신호를 사용하는 단계Using the load load signal to drive the hoist to increase the force exerted by the operator to lift the heavy load at the same speed as the light load 를 포함하며, Including; 호이스트 작업자의 인력 입력 및 인상 작업 신호가 상기 호이스트에 의해 이루어져서 작업자가 인상되는 하물의 무게를 실감하게 되는 The hoist operator's manpower input and pulling work signal is made by the hoist to realize the weight of the load on which the worker is to be lifted. 호이스트 제어 방법.Hoist control method. 제63항에 있어서,The method of claim 63, wherein 상기 하물을 지지하기 위해 상기 호이스트가 필요로 하는 전류로부터 상기 하물 부하 신호를 얻는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 호이스트 제어 방법.And obtaining the load load signal from the current required by the hoist to support the load. 제63항에 있어서,The method of claim 63, wherein 힘 센서로부터 상기 하물 부하 신호를 얻는 것을 특징으로 하는 호이스트 제어 방법.The load control signal is obtained from a force sensor. 제63항에 있어서,The method of claim 63, wherein 가벼운 하물의 경우와 동일한 속도로 무거운 하물을 하강시키기 위해 필요한 작업자의 힘을 감소시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 호이스트 제어 방법.And reducing the force of the operator required to lower the heavy load at the same speed as the light load. 제63항에 있어서,The method of claim 63, wherein 작업자가 가하는 힘의 변화 없는 하물 무게의 증가는 하물의 상승 속도를 감소시키고 하물의 하강 속도를 증가시키는 것을 특징으로 하는 호이스트 제어 방법.An increase in the weight of a load without changing the force exerted by an operator reduces the speed of rise of the load and increases the rate of descent of the load. 제63항에 있어서,The method of claim 63, wherein 하물의 이동 속도의 변화 없는 하물 무게의 증가는 하물의 상승을 위해 작업자의 더욱 많은 힘을 필요로 하고 하물의 하강을 위해 작업자의 더욱 적은 힘을 필요로 하는 것을 특징으로 하는 호이스트 제어 방법.A method of controlling a hoist, characterized in that an increase in the weight of a load without a change in the moving speed of the load requires more force of the operator to raise the load and less force of the operator to lower the load. 하물 부하 추정장치가 상기 호이스트에 의해 지지되는 하물 부하 함수로서 신호를 발생하는 단계, 및A load load estimating device generating a signal as a load load function supported by the hoist, and 컨트롤러가, 하물 부하가 증가함에 따라 주어진 작업자의 힘이 하물의 상승 속도를 감소시키고 하물의 하강 속도를 증가시키도록 작업자에 대한 호이스트 보조를 변화시키도록 상기 호이스트의 액추에이터를 구동하는 단계를 포함하는The controller driving the actuator of the hoist to change the hoist assistance for the operator such that as the load of the load increases the force of a given operator reduces the rate of rise of the load and increases the rate of descent of the load. 호이스트 제어 방법.Hoist control method. 제69항에 있어서,The method of claim 69, wherein 상기 하물 부하는 상기 하물을 지지하기 위해 상기 액추에이터에 필요한 전류로부터 추정되는 것을 특징으로 하는 호이스트 제어 방법.And the load load is estimated from the current required for the actuator to support the load. 제69항에 있어서,The method of claim 69, wherein 상기 하물 부하는 상기 하물을 지지하기 위해 상기 액추에이터가 소모하는 에너지로부터 추정되는 것을 특징으로 하는 호이스트 제어 방법.And said load is estimated from energy consumed by said actuator to support said load. 제69항에 있어서,The method of claim 69, wherein 상기 하물 부하는 힘 센서로부터 추정되는 것을 특징으로 하는 호이스트 제어 방법.And said load is estimated from a force sensor. 하물 부하 신호 및 작업자의 힘을 나타내는 신호를 받는 컨트롤러를 포함하여 작업자의 입력에 응답하여 하물의 인상 속도를 제어하는 호이스트 시스템에 있어서,A hoist system for controlling a pulling speed of a load in response to a worker input, including a controller receiving a load load signal and a signal indicative of the force of the worker. 상기 컨트롤러는, 상기 두 가지 신호의 함수로서 상승 속도를 제어하도록 프로그램되며, 또한 하물 무게의 증가 및 작업자의 힘의 변화가 (1+SE+GQE)Δv=(GK+S)Δf+(S+GQ)(ΔW)의 식에 따라 하물의 속도 변화를 일으키도록 추가로 프로그램되며,The controller is programmed to control the rate of rise as a function of the two signals, and also the increase in load weight and the change in force of the operator is (1 + SE + GQE) Δv = (GK + S) Δf + (S + GQ Is further programmed to cause a speed change of the load according to the formula 여기서 S는 액추에이터 감도 전달 함수, E는 하물의 운동에너지, G는 액추에이터 전달 함수, Q는 p에 대해 작동하는 컨트롤러 전달 함수, Δv는 단부 작동체 속도의 변화, Δf는 작업자 힘의 변화, K는 f에 대해 작동하는 컨트롤러의 전달 함수, 그리고 ΔW는 하물 무게의 변화를 나타내는Where S is the actuator sensitivity transfer function, E is the kinetic energy of the load, G is the actuator transfer function, Q is the controller transfer function that acts on p, Δv is the change in end actuator velocity, Δf is the change in operator force, and K is The transfer function of the controller operating for f, and ΔW represents the change in load weight 호이스트 시스템.Hoist system. 제73항에 있어서,The method of claim 73, 상기 컨트롤러는, 0=(GK+S)Δf+(S+GQ)(ΔW)의 식으로 증명되듯이, 무거운 하물에 대하여 동일한 속도에서 가벼운 하물을 이동하는데 필요한 것보다 더욱 큰 상방향 힘 및 더욱 작은 하방향 힘을 작업자가 가해야 하도록 프로그램되며, 여기서 G는 액추에이터 전달 함수, K는 f에 대해 작동하는 컨트롤러의 전달 함수, S는 액추에이터 감도 전달 함수, Δf는 작업자가 가하는 힘의 변화, Q는 p에 대해 작동하는 컨트롤러 전달 함수, 그리고 ΔW는 하물 무게의 변화를 나타내는 것을 특징으로 하는 호이스트 시스템.The controller has a higher upward force and smaller than necessary to move the light load at the same speed with respect to the heavy load, as evidenced by the formula 0 = (GK + S) Δf + (S + GQ) (ΔW). The operator is programmed to apply downward force, where G is the actuator transfer function, K is the transfer function of the controller operating for f, S is the actuator sensitivity transfer function, Δf is the change in force applied by the operator, and Q is p A controller transfer function operating for, and ΔW, wherein the hoist system is characterized by a change in load weight. 제73항에 있어서,The method of claim 73, 상기 컨트롤러는, 주어진 무게에 대하여 상기 하물의 이동 속도의 임의의 증가가 (1+SE+GQE)Δv=(GK+S)Δf의 식에 따라 추가적인 작업자의 힘을 필요로 하도록 프로그램되며, 여기서 S는 액추에이터 감도 전달 함수, E는 하물의 운동에너지, G는 액추에이터 전달 함수, Q는 p에 대해 작동하는 컨트롤러 전달 함수, Δv는 단부 작동체 속도의 변화, K는 f에 대해 작동하는 컨트롤러의 전달 함수, 그리고 Δf는 작업자 힘의 변화를 나타내는 것을 특징으로 하는 호이스트 시스템.The controller is programmed such that for any given weight any increase in the speed of movement of the load requires additional operator force according to the formula (1 + SE + GQE) Δv = (GK + S) Δf, where S Is the actuator sensitivity transfer function, E is the kinetic energy of the load, G is the actuator transfer function, Q is the controller transfer function operating for p, Δv is the change in end effector velocity, and K is the transfer function of the controller operating for f And Δf represents a change in operator force. 제73항에 있어서,The method of claim 73, 주어진 작업자의 힘에 대하여 하물 무게의 변화는 (1+SE+GQE)Δv=(S+GQ)(ΔW)의 식에 따라 단부 작동체의 대응되는 속도 변화를 일으키며, 여기서 S는 액추에이터 감도 전달 함수, E는 하물의 운동에너지, G는 액추에이터 전달 함수, Q는 p에 대해 작동하는 컨트롤러 전달 함수, Δv는 단부 작동체 속도의 변화, 그리고 ΔW는 하물 무게의 변화를 나타내는 것을 특징으로 하는 호이스트 시스템.The change in load weight for a given operator force results in a corresponding speed change of the end effector according to the formula (1 + SE + GQE) Δv = (S + GQ) (ΔW), where S is the actuator sensitivity transfer function Where E is the kinetic energy of the load, G is the actuator transfer function, Q is the controller transfer function operating for p, Δv is the change in the end effector speed, and ΔW is the change in the load weight. 제73항에 있어서,The method of claim 73, 힘 센서로서 형성되는 하물 부하 추정장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 호이스트 시스템.A hoist system comprising a load load estimator formed as a force sensor. 제73항에 있어서,The method of claim 73, 하물 부하를 추정하기 위해 액추에이터가 소모한 전류를 사용하는 하물 부하 추정장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 호이스트 시스템.And a load load estimator using the current consumed by the actuator to estimate the load. 액추에이터의 컨트롤러 및 상기 액추에이터로부터 하물에 연결될 수 있는 단부 작동체로 연장되는 호이스트 줄을 갖는 호이스트용 제어 시스템에 있어서,A control system for a hoist having a controller of an actuator and a hoist string extending from the actuator to an end effector that can be connected to a load. 상기 줄에 장력이 부재할 때마다 상기 컨트롤러에 신호를 발생하는 검출기를 포함하며,A detector which generates a signal to the controller whenever there is no tension in the string, 상기 컨트롤러는, 상기 줄에 장력이 부재임을 나타내는 신호가 발생될 때마다, 작업자의 하방향 이동 입력에 응답하여 액추에이터의 줄이 풀리는 것을 방지하는The controller prevents the actuator from unwinding in response to an operator's downward movement input whenever a signal is generated indicating the absence of tension in the string. 호이스트용 제어 시스템.Control system for hoist. 제79항에 있어서,The method of claim 79, 상기 검출기가 줄과 연결된 스위치인 것을 특징으로 하는 호이스트용 제어 시스템.Hoist control system, characterized in that the detector is a switch connected to the cord. 제79항에 있어서,The method of claim 79, 상기 검출기는 하물 부하 및 작업자의 입력을 검출함으로써 줄의 장력 감소를 측정하는 것을 특징으로 하는 호이스트용 제어 시스템.And said detector measures a decrease in tension of the cord by detecting a load of load and an operator input. 제79항에 있어서,The method of claim 79, 상기 검출기는 상기 줄을 지지하는 액추에이터가 필요로 하는 전류로부터 줄의 장력 감소를 측정하는 것을 특징으로 하는 호이스트용 제어 시스템.And the detector measures a decrease in tension of the string from the current required by the actuator supporting the string. 제79항에 있어서,The method of claim 79, 상기 검출기가 줄의 장력이 0인 경우의 제1 상태 및 줄의 장력이 0이 아닌 경우의 제2 상태를 갖는 이진 신호를 발생할 수 있는 것을 특징으로 하는 호이스트용 제어 시스템.And said detector is capable of generating a binary signal having a first state when the tension of the string is zero and a second state when the tension of the string is not zero. 제79항에 있어서,The method of claim 79, 상기 검출기는 상기 단부 작동체가 아래쪽으로 이동하는 제한되는 경우의 제1 상태 및 상기 단부 작동체가 아래쪽으로 이동하는 것이 제한되지 않는 경우의 제2 상태를 갖는 이진 신호를 발생할 수 있는 것을 특징으로 하는 호이스트용 제어 시스템.The detector is capable of generating a binary signal having a first state in which the end actuator is restricted to move downward and a second state in which the end actuator is not restricted to move downward. Control system. 제79항에 있어서,The method of claim 79, 상기 검출기는 상기 줄에 슬랙이 발생되는 경우에 하나의 포지션으로 이동할 수 있고 상기 줄에 슬랙이 발생되지 않는 경우에 다른 포지션으로 이동할 수 있는 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 호이스트용 제어 시스템.And the detector includes a switch that can move to one position if slack occurs in the string and to a different position if slack does not occur in the string. 제79항에 있어서,The method of claim 79, 상기 컨트롤러는, 상기 검출기의 신호가 상기 줄에 장력이 부재임을 나타낼 때마다 작업자의 상방향 이동 입력에 응답하여 상기 줄에 0이 아닌 장력을 발생하도록 상승 속도 명령 신호를 발생시키는 것을 특징으로 하는 호이스트용 제어 시스템.Wherein the controller generates a rising speed command signal to generate a non-zero tension in the string in response to an upward movement input of the operator whenever the signal from the detector indicates that the string is absent in the hoist. Control system. 호이스트 시스템에 이용되는 호이스트 줄에 슬랙이 발생하는 것을 방지하는 방법에 있어서,A method of preventing slack from occurring in a hoist string used in a hoist system, 상기 줄의 장력 부재를 검출하는 단계,Detecting the tension member of the string; 상기 줄에 장력이 부재일 때마다 상기 호이스트의 액추에이터의 컨트롤러에 신호를 발생하는 단계, 및Generating a signal to the controller of the actuator of the hoist each time there is no tension in the string, and 상기 줄의 장력이 감소되면 작업자의 하방향 이동 입력에 응답하여 상기 액추에이터가 줄을 풀어내지 못하도록 상기 컨트롤러를 프로그램하는 단계Programming the controller to prevent the actuator from releasing the string in response to an operator's downward movement input when the tension of the string is reduced. 를 포함하는 방법.How to include. 제87항에 있어서,88. The method of claim 87 wherein 상기 줄과 연결된 스위치로 줄의 장력을 검출하는 것을 특징으로 하는 방법.Detecting the tension of the string with a switch connected to the string. 제87항에 있어서,88. The method of claim 87 wherein 하물 부하 및 작업자의 입력으로부터 줄의 장력을 검출하는 것을 특징으로 하는 방법.Detecting the tension of the string from the load and operator input. 제87항에 있어서,88. The method of claim 87 wherein 상기 줄을 지지하고 있는 액추에이터가 소모한 에너지로부터 줄의 장력을 검출하는 것을 특징으로 하는 방법.Detecting the tension of the string from the energy consumed by the actuator supporting the string.
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