KR20020021634A

KR20020021634A - 인상 케이블의 슬랙 방지 장치를 포함하는 하물 인상용인력 증폭기

Info

Publication number: KR20020021634A
Application number: KR1020017014403A
Authority: KR
Inventors: 호메이윤 카제루니
Original assignee: 호메이윤 카제루니
Priority date: 1999-05-13
Filing date: 2000-02-17
Publication date: 2002-03-21
Also published as: AU3234600A; DE60040663D1; KR100473093B1; ATE412605T1; KR20040097389A; CA2373247C; CA2373247A1; MXPA01011489A; EP1183206A1; KR20040097388A; EP1183206B1; KR100545695B1; KR100478396B1; AU762907B2

Abstract

인력 증폭기 보조 장치(10)는 작업자에 의해 쥐어지고 하물(25)에 작용되는 단부 작동체(14)를 포함한다. 단부 작동체(14)는 줄(13)을 통해 액추에이터(12)에 의해 구동되는 권취 풀리(11), 윈치 또는 드럼에 현수되어 하물(25)을 상승 또는 하강시킨다. 단부 작동체(14)는 작업자가 단부 작동체(14)에 가한 수직력을 측정하고 컨트롤러에 신호를 전송하는 힘 센서(31)를 포함한다. 컨트롤러(20) 및 액추에이터(12)는 하물(25)을 상승 또는 하강시키는데 필요한 힘의 소정의 비율이 액추에이터(12)에 의해 가해지고, 나머지 힘은 작업자에 의해 공급되도록 구성된다. 그러므로 하물(25)은 작업자에게 더욱 가볍게 느껴지지만, 작업자는 하물(25)에 발생하는 중역 및 관성력 모두에 대한 인상 감각을 잃지 않는다.

Description

인상 케이블의 슬랙 방지 장치를 포함하는 하물 인상용 인력 증폭기 {HUMAN POWER AMPLIFIER FOR LIFTING LOAD INCLUDING APPARATUS FOR PREVENTING SLACK IN LIFTING CABLE}

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.

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 연결된하물을 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.

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.

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.

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 변화한다. 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 이동하여 압박되기 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.

이러한 종류의 힘 센서 장치 또한 인상되는 하물의 무게를 작업자가 실제로 느끼도록 하지 못한다. 이것은 하물의 이동을 부자연스럽고 위험하게 할 수 있다.

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 제60/146,541호의 이점에 대하여 권리를 청구하는 것이며, 이들 가출원은 본 명세서의 일부로서 참조된다.

본 발명은 작업자의 인력에 의해 하물을 인상 및 하강하는 자재 취급 장치에 관한 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 단부 작동체를 포함하는 인력 증폭기의 일 실시예를 도시하는 도면.

도 2는 작업자의 힘을 측정하는 힘 센서의 특정 구조를 도시하는, 본 발명에 사용가능한 단부 작동체의 일 실시예에 대한 단면도.

도 3은 작업자에 의해 단부 작동체에 가해지는 힘을 측정하기 위한 변위 검출기를 포함하는 다른 단부 작동체의 일 실시예에 대한 단면도.

도 4는 도 3의 단부 작동체가 작업자에 의해 상자를 인상하기 위해 사용되는 경우의 사시도.

도 5는 하물의 이동을 제공하기 위해 인력 증폭기의 부품과 상호작용하는 작업자의 힘 및 하물의 힘을 도시하는 블록도.

도 6은 상자를 쥐기 위해 흡인 컵을 사용하는 종래 기술에서 발생할 수 있는 줄의 슬랙 문제를 도시하는 도면.

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.

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.

도 8은 인력 증폭기가 천장 또는 오버헤드 크레인에 가하는 전체 힘을 측정하기 위해 사용될 수 있는 힘 센서의 용도를 개략적으로 도시하는 도면.

도 9는 줄의 장력을 측정하기 위한 기구 및 운동 센서를 포함하는 액추에이터의 일 실시예를 개략적으로 도시하는 도면.

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.

도 11a 및 도 11b는 줄의 장력을 검출하기 위한 기구 및 스위치를 포함하는 액추에이터의 일 실시예를 도시하는 도면.

도 12a 및 도 12b는 작업자에 의해 단부 작동체 상에 가해지는 힘을 측정하기 위한 변위 검출기를 포함하는 단부 작동체, 그리고 단부 작동체가 아래쪽으로 이동하여 압박되었을 때 신호를 전달하는 스위치의 일 실시예를 도시하는 도면.

도 13은 액추에이터가 소비하는 전류를 검출하기 위해 사용될 수 있는 클램프-온 전류 센서의 용도를 도시하는 도면.

도 14는 줄의 슬랙이 방지된 상태에서 하물을 이동하기 위해 인력 증폭기의 부품과 상호작용하는 작업자의 힘 및 하물의 힘을 도시하는 블록도.

도 15a, 15b, 15c, 15d는 호이스트 줄에서 장력의 함수인 제어 변수 K_M값을 나타내는 그래프.

도 16은 단부 작동체가 아래쪽으로 이동하여 압박되는 동안 단부 작동체가 작업자에 의해 아래쪽으로 눌려지는 경우에도 줄의 슬랙을 방지하는 인력 증폭기의일 실시예를 도시하는 도면.

도 17은 줄의 슬랙이 방지된 상태에서 하물의 이동을 제공하기 위한 피드백 신호로서 사용되는 작업자의 힘 및 하물의 힘을 도시하는 블록도.

도 18a 및 도 18b는 본 발명을 실시하는데 있어서 컨트롤러를 구동하기 위해 사용될 수 있는 소프트웨어의 플로차트.

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.

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 힘의 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 하물의 힘이 장력의 크기를 결정하는 주 요소이기 때문에, 하물의 힘은 장력을 대략 어림잡는데 사용될 수 있으며 그 반대도 가능하다. 이하, 장력은 하물의 힘을 사용하여 계산될 수 있고 하물의 힘은 장력을 사용하여 계산될 수 있음을 이해하여야 한다. 하물의 힘 또는 줄의 장력을 나타내는 신호는 컨트롤러에 전송되고, 컨트롤러는 하물의 힘 신호 또는 장력 신호를 사용하여 작업자의 입력에 따라 액추에이터를 효과적으로 구동하도록 한다. 이것은 예를 들어, 하물의 힘 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.

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 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 하물의 힘(중력과 가속도의 합)이 잘 정의된 작은 부분이 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.

전술한 종래의 장치가 하물을 인상하는데 있어서, 이들은

작업자가 인상 이동을 육체적으로 느끼도록 하지 않고,

관성력을 보상하지 않으며,

다양한 하물을 보상하지 않고,

인간공학적 관심을 다루지 않으며,

줄의 슬랙을 방지하지 못한다.

본 발명의 장치는 상기와 같은 단점을 갖지 않는다.

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)는 줄(13)을 감고 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.

바람직한 실시예에서, 액추에이터(12)는 변속 장치를 구비한 전동기이나 변속 장치가 없는 전동기로 대체할 수도 있다. 또, 액추에이터(12)는 공압, 유압 및다른 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.

1. 입출력 기능과 표준 주변장치를 구비한 컴퓨터, 아날로그 회로 또는 디지털 회로. 컨트롤러의 이 부분에 대한 책임은 여러 센서 및 스위치로부터 수신한 정보를 처리하여 액추에이터로 명령 신호를 발생시키는 것이다.

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.

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.

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.

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 배치된센서를 포함하는 한편, 작업자 인력을 추정하는 데 단부 작동체(14)에 근접하지 않는 작업자의 작용력(operator-applied force) 추정 구성요소를 사용할 수 있다.

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 노력과 장치의 인상 노력은 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 이동함에 따라 물리적으로 압박 받고 작업자에 의해 단부 작동체가 아래쪽으로 밀리더라도 줄은 느슨해지지 않는다.

핸들(16)(후술함) 상에 레버(26)를 구비한 데드맨(dead-man) 스위치는 신호를 컨트롤러(20)로 신호 케이블(22)(또는 다른 대체 가능한 신호 전송 수단)을 통하여 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.

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.

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. 이 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 오판독(false reading)이나 힘 센서 어셈블리의 손상을 유발시킨다.

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.

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 작동체를 어떤 경우에 훨씬 더 매력있게 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 하물의 힘이 아닌 작업자의 힘을 측정한다.

하물 인터페이스 서브시스템(42)은 후크(45), 흡인 컵 또는 물체를 붙잡을수 있는 다른 형태의 장치에 볼트로 고정되는 브래킷(44)을 포함한다. 아일릿(46)은 브래킷(47)에 장착되어 브래킷(47)을 줄(13)에 연결한다.

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.

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 있음을 주의하라.

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 검출함에따라 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.

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.

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 피벗하는 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 특징으로, 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.

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.

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 하물의 힘이나 작업자의 작용력을 추정하는 장력을 추정할 수 있는 센서를 포함할 수 있다.

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.

여기서, (G)는 액추에이터 전달 함수이다. 양의 (v) 값은 단부 작동체의 아래쪽 속도를 의미한다. 그리고 컨트롤러로부터의 입력 명령 (e), 줄 장력 (f_R)은 단부 작동체 속도에 다음과 같이 기여한다.

여기서 (S)는 단부 작동체 속도 (v)에 대한 줄 장력 (f_R)과 관련된 액추에이터 감도 전달 함수이다. 만약 (S)가 작아지도록 액추에이터에 대해 폐루프 속도 컨트롤러가 설계된다면, 액추에이터는 줄 장력에 대해 작은 응답만을 갖는다. 폐루피 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.

줄 장력 (f_R)은 식 3으로 나타낼 수 있다.

여기서 (f)는 단부 작동체 상의 작업자 작용력이고, 힘 (p)는 하물과 단부 작동체에 의해 인가된 힘으로 여기서는 줄에 대한 "하물의 힘"이라 한다. 양의 값(f) 및 (p)는 아래쪽 힘을 나타낸다. (p)는 줄에 인가된 힘이며, 하물 및 단부 작동체의 무게와 관성력을 모두 고려한 것임을 주의하라.

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 4의를 나타내는 것임을 보여주는 것에 주의하여야 한다. 그러므로 p = W - Ev.

작업자의 힘 (f)는 측정되어 출력신호 (e)를 발생시키는 컨트롤러(20)로 전달된다. 컴퓨터에서, 작업자의 힘 (f)의 측정값에서 양수 (f_up)를 뺀다. (f_up)의 역할에 대해서는 이하에 설명한다. 컨트롤러의 전달 함수를 (K)로 나타내면 컨트롤러의 출력 (e)는 다음과 같다.

식 (3) 및 식 (5)의 (f_R) 및 (e)를 식 (2)에 대입하여 단부 작동체 속도 (v)에 대한 다음 식을 얻는다.

단부 작동체에 대한 작업자의 위쪽 힘은 단부 작동체의 무게에 의해 줄이 장력을 받을 때에만 측정 가능하다. 단부 작동체가 가벼우면 전체 범위의 작업자의위쪽 힘은 단부 작동체의 센서에 의해 측정될 수 없을 수도 있다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 양의 수 (f_up)를 식 (5)에 도입한다. 식 (6)에 나타난 것처럼, (f), (p) 및 (f_up)의 부존재는 단부 작동체를 위쪽으로 이동시킨다. 작업자가 인가한 최대 아래쪽 힘을 f_max로 가정한다. 그러면 (f_up)는 대략 f_max의 반으로 설정하는 것이 바람직하다. 식 (6)에 (f_up)를 대입한 식 (7)은 하물 속도를 나타낸다.

작업자가 f = f_max가 되도록 아래쪽으로 밀면 단부 작동체의 최대 아래쪽 속도는 다음과 같다.

작업자가 전혀 누르지 않으면 단부 작동체의 최대 위쪽 속도는 다음과 같다.

따라서, 식 (5)에 (f_up)를 도입함으로써 작업자의 위쪽 힘의 측정에 대해 걱정하지 않아도 된다. 만약 S = 0이면, 위쪽 및 아래쪽 최대 속도는 이상적인 크기이다. 그러나 주어진 하물과 동일한 조건하에서 0(zero)이 아닌 S가 나타나는 경우, 최대 위쪽 속도의 크기는 최대 아래쪽 속도의 크기보다 작다. 이것은 작업자에 대해 매우 당연한 것이며 직관적인 것이다.

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.

이제, 이 장치의 몇 가지 중요한 특성을 3가지 실험을 통하여 설명한다. 식 (6)에 p를 대입하고 항들을 다시 정리하면 식 (10)이 된다.

식 (11)은 하물 무게의 변화 (ΔW)와 작업자가 단부 작동체에 가한 힘의 변화 (Δf)가 단부 작동체의 속도 변화 (Δv)를 초래함을 보여준다.

실험 1

이동 중인 2개의 상이한 물체의 Δv = 0 이면, 즉 작업자가 비슷한 작동 속도를 유지하면,

식 (12)의 항들을 다시 정리하여 식 (13)을 얻는다.

식 (13)은 작업 속도가 변화되지 않을 것으로 예상되는 경우, 하물 무게의증가나 감소는 작업자의 위쪽 힘의 증가나 감소를 초래한다는 것을 나타낸다. 다시 말해, 하물 무게가 증가하면 작업자는 자신의 위쪽 손 힘을 증가시키거나 동일한 작동 속도를 유지하기 위하여 아래쪽 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 얼마나 많이 인상하여야 하는지에 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 주의하라. 이것은 작동 속도가 변화되지 않을 것으로 예상되는 경우, 하물 무게의 증가나 감소 (ΔW)는 작업자의 위쪽 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.

실험 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.

이것은 작업자가 일정한 손 힘을 유지하면, 하물 무게의 증가 (ΔW)는 아래쪽 속도의 증가를 초래한다는 것을 의미한다. 더욱이 하물 무게의 증가나 감소 (ΔW)는 단부 작동체에 주어진 작업자의 힘에 대한 단부 작동체의 위쪽 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 위쪽 힘을 증가시키거나 동일한 작업자 자신의 손 힘을 유지하기 위해 위쪽 작동 속도를 줄일 필요가 있다는 것을 추론할 수 있다. 이러한 동적 작용은 작업자에게 매우 편안하고 자연스러운 것이다.

실험 3

끝으로, ΔW = 0, 즉 하물 무게가 일정하면:

이것은 하물의 무게가 변화하지 않으면 작업자의 아래쪽 힘의 증가나 감소 (Δf)는 각각 아래쪽 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 작동력을 더 작아질 것이다.

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 하물의 힘 (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 참조되어 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.

(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 기술하는 "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 참조되어 본 명세서의 일부를 이룬다.

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.

시스템 구성요소의 동적 작용을 모델링하기 위하여 본 실시예에서는 선형 시스템 이론을 사용하였음을 주의하라. 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.

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 도시된바와 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 힘에 대해 아래쪽으로 반작용하는 컨트롤러 때문에 발생하며, 작업자가 더 낮은 단부 작동체를 원하여 액추에이터가 줄(13)을 풀도록 하는 명령 신호를 액추에이터로 전송함으로써 부정확하게 끝난다. 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.

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.

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.

줄(13)의 슬랙을 방지하기 위하여, 줄의 장력 (f_R)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 (f_R)이 0이 되면 액추에이터와 풀리를 멈추게 하는 것이다. 줄의 슬랙을 원활하게 방지하기 위한 좀더 복잡한 형태는 줄의 장력 (f_R)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.

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.

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.

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(p_L로 표시)을 컨트롤러에서 알 수 있다. 단부 작동체 가속도의 계산(또는 직접 측정)과 함께 p_L및 f의 측정은 아래의 식 (16)에 따라 줄의 장력 계산에 도달한다.

여기서 W_E는 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. p_L을 측정하는 동안의 이러한 부호의 변화는 줄의 장력이 0인 상태가 존재한다는 것을 표시한다. 또한 하물의 힘 (p_L)이 통상 작업자의 작동력 (f)보다 크기 때문에 식 (16)에서 f를 무시함으로써 장력 (f_R)을 대략 추정할 수 있다. 결국, 낮은 가속도로 이동하는 경우 실의 장력은 단부 작동체의 무게와 하물 무게의 합과 대략 같다. 여기서, 당업자는 실의 장력이 0을 나타내는 임의의 신호를 사용으로 식 (16)의 충족된다는 것을 확인하기 바란다.

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 선택할수 있다. 선택된 힘 센서의 특정 유형 및 그 설치 과정에 관계없이, 힘 센서는 적당한 정확도로 하물의 임이나 장력을 추정할 수 있도록 설계되어야 한다.

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.

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 퍼텐쇼미터와 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.

줄 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 줄 장력의 크기를 측정할 수는 없다. 기본적으로 이 방법은 줄의 장력을, 줄 장력의 존재 유무를 나타내는 이진 전기 신호, 즉 하나는 줄 장력이 0이 아님을 나타내고, 다른 신호는 줄 장력이 0임을 나타내는 신호를 컨트롤러로 발생시키는 데 사용된다.

이와는 달리, 줄 장력의 존재를 검출하는 데 줄 상의 다른 위치에서의 줄 장력을 사용하는 것에 관심이 있을 수 있다. 이를 도 11a 및 도 11b에 도시하며, 여기서 액추에이터(12) 근처 장치 상단(top)에서의 줄 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. 신호케이블(99)은 순간 스위치의 출력을 컨트롤러로 전달한다. 도 11a 및 도 11b와 같이 장력을 회전 운동으로 변환하는 대신에, 줄의 장력을 직선 운동으로 변화할 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.

줄 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 아래쪽으로 이동하여 어떠한 물체에 의해 압박되지 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 하갇되면(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 검출기일뿐 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 아래쪽 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 힘이 0인 경우에, 그리고 다른 하나는 힘이 0이 아닌 경우에 발생된다.

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. 클램프온 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.

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 중의 장력을 검출하거나 추정하는 데 사용될 수 있는지에 대해서는 후술하겠지만, 먼저 어떻게 알아낸 줄의 장력이 줄의 슬랙 방지를 위해 사용될 수 있는지를 설명한다.

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 K_M을 도입함으로써 이루어질 수 있다. 컨트롤러의 전달함수가 (K)로 표현되는 경우, 컨트롤러의 출력 (e)는 다음과 같다.

도 14는 선 속도(line velocity)는 식 (18)로 나타낼 수 있음을 보여준다.

여기서, K_M은 줄의 장력 (f_R)이 0이 아닌 경우에 K_M= 1이 되도록 하는 변수이다. 줄의 장력이 0이 아닌 경우에, 식 (18)에 K_M= 1을 대입하면 식 (19)를 얻는다.

식 (19)는 식 (6)과 유사하며, 따라서 3가지 실험에서 앞서 기술한 작용이 여전히 유효하다는 것을 말한다. 전술한 소정의 방법에 의해 줄의 장력 (f_R)이 0으로 검출된 경우, (K_M)은 0으로 변경되어야 한다. 식 (18)에서 (f_R)과 (K_M)에 0을 대입하여 줄 속도 (v)에 대한 0 값을 얻는다. 이것은 풀려지는 줄이 없을 것이며 (f_R)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 방해물로 가져가 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.

본 발명에서는 비록 줄의 장력을 구하여 슬랙을 방지하도록 시스템을 프로그램하는 것을 선호하지만, 줄의 슬랙을 방지하는 것에는 다른 방법이다. 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 (f_R)을 동시에 구하는 것을 포함한다. 첫 번째 단계는 단부 작동체의 무게 (W_E)로부터 오로지 유래된 줄의 장력을 구하는 작업(operation) 이전에 시스템을 조정하는 것이다. 작업하는 동안에, 단부 작동체에 작업자의 작동력 (f)과 줄 장력 (f_R)의 값은 동시에 구해진다. 그런 다음, 줄의 장력 (f_R)에서 작업자의 작동력 (f)를 감산함으로써 컨트롤러는 식 (3)을 사용하여 하물의 힘 (p)를 분리할 수 있다. 끝으로, (p)의 값과 저장된 값 (W_E)를 비교함으로써 단부 작동체가 줄에 의해 지지되고 있는지 아닌지를 결정할 수 있다. 하물의 힘 (p)가 단부 작동체의 무게 (W_E)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 하물의 힘 (p)가 작동체의 무게 (W_E)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.

도 15a에 (f_R)의 함수로서 (K_M)의 변화를 도시하였으며, 여기서 (K_M)은 줄의장력이 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 위쪽으로 운동을 시작하는 경우에 시스템이 슬랙 제어로부터 벗어날 수 있다는 것을 확인하는 데 중요하다. 그러나, K_M= 0 이므로 작업자의 위쪽 운동은 어떠한 줄의 장력도 발생시키지 않고, 도 15a가 (K_M)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.

이 문제를 해결하기 위하여, 작업자의 힘을 나타내는 신호가 위쪽으로의 이동을 의미하는 경우에는 도 15b의 플롯을 사용하고, 작업자의 힘을 나타내는 신호가 아래쪽으로의 이동을 의미하는 경우에는 도 15a의 플롯을 사용한다. 도 15b의 플롯은 줄의 장력이 0인 경우 (K_M)에 대한 C1이 0이 아닌 값을 가진다. 0이 아닌 (K_M)의 값은 작업자에 의해 위쪽으로의 이동이 시작되는 경우에, 액추에이터 속도 값을 0은 아니지만 작은 값이 되도록 한다. 이것은 시스템이 슬랙 제어로부터 벗어나도록 하며, 그 결과 작업자가 위쪽으로의 이동을 시작하는 경우 단부 작동체가 들어올려진다. 원활한 이동을 위하여 (K_M) 값들 사이에 다양한 함수를 사용할 수 있다.

힘 검출 장치가 줄 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 아래쪽으로의 이동을 의미하는 경우, 줄 장력의 함수인 (K_M)의 변화를 나타내는 데 사용될 수 있다. 줄 장력의 함수인 (K_M)의 두 값 사이의 매끄러운 이동은 장치의 갑작스런 작동을 줄인다. 도 15d는 단부 작동체 상의 작업자의 힘을 나타내는 신호가 위쪽으로의 이동을 의미하는 경우, 줄 장력의 함수인 (K_M)의 변화를 도시한다. 줄의 장력이 0인 경우에 (K_M)의 C1 값이 0이 아닌 것은 단부 작동체 상의 작업자의 힘을 나타내는 신호가 위쪽으로의 이동을 의미할 때 시스템이 슬랙 제어로부터 벗어 날 것이라는 것에 주의하라. 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.

여기서, C₁은 단부 작동체 상의 작업자의 힘을 나타내는 신호가 위쪽으로의 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 (K_M)의 변화는 컨트롤러(20)에서 프로그램될 수 있다.

줄의 장력이 0임을 검출함에 따른 슬랙 방지는 줄을 감아 올리는 수고 없이 줄이 풀리는 것만을 방지하는 데 사용될 수 있다. 작업자의 위쪽 힘 신호는 그 위쪽 신호가 발생한 때에 줄의 힘이 0이더라도 위쪽으로 감기는 줄에 의해 작용될 수 있다.

도 16은 슬랙 방지를 제공하고 팰릿으로부터 하물을 내리는 데(depalletizing) 사용될 수 있는 본 발명의 일 실시예를 도시한다.

도 16에 도시 된 바와 같이, 단부 작동체가 작업자에 의해 아래쪽으로 밀리는 경우에 줄의 슬랙이 발생하지 않으면서 단부 작동체가 아래쪽으로 이동하여 압박되는 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 줄은 단부 작동체가 작업자에 의해 아래쪽으로 밀리는 한편 단부 작동체가 아래쪽으로 이동하여 압박되는 경우에, 느슨해지지 않는다.

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.

여기서, (T_T)는 액추에이터(12)에 의해 발생되는 전체 토크이고, (I)는 액추에이터(12)가 사용한 전류이며, (K_T)는 비례 상수이다. (K_T)의 값은 일반적으로 액추에이터 제조자가 제공한다. (K_T)는 또한 액추에이터 상에 소정의 알려진 하물에 대해 액추에이터가 소비한 전류를 측정함으로써 실험적으로 측정될 수 있다. 비록식 (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 (T_L)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.

여기서, T_P는 풀리(11)와 액추에이터의 모든 회전 구성요소를 회전시키는 데 필요한 토크이다. 토크 T_P는 식 (23)로 계산된다.

여기서,

I_P= 모터 샤프트 상에 반영된 액추에이터의 모든 회전 구성요소(모터 및 변속 장치)와 풀리의 관성 모멘트

B_P= 위의 동일한 구성요소들의 마찰 계수

α= 전기 모터 샤프트의 각 가속도

ω= 전기 모터 샤프트의 각 속도

T_O= 시스템의 쿨롱 마찰력(coulomb firction)에 기인한 상수 토크(constant torque)이다.

(α) 및 (ω)(모터 샤프트의 각 가속도 및 각 속도) 모두는 여러 표준 추정 기술의 사용하여 모터 샤프트 각을 측정함으로써 추정될 수 있다.

(I_P) 및 (B_P)는 액추에이터와 연관된 2개의 파라메터이며, 실험적으로 측정할 수 있다. (B_P)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. (B_P)는 모터의 정상 상태 속도와 필요 토크 사이의 비례 상수이다. (I_P)는 높은 가속도로 운동하는 동안에 모터 가속도가 갖는 토크의 비례 상수이다. 표준 파라메터 추정 기술을 사용하여 (I_P)와 (B_P)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.

높은 주파수의 사인형 입력 토크를 갖는 액추에이터를 구동함으로써 (I_P)를 측정할 수 있다. 높은 주파수에서, 마찰 토크를 능가하는 토크는 가속도에 기인하는 관성 토크에 비해 오히려 작고, (I_P)는 모터 가속도와 모터 토크 사이에서 비례적으로 일정하다. 모터 샤프트의 가속도와 토크를 측정함으로써 (I_P)의 값을 얻을 수 있다. (B_P)를 측정하여 액추에이터를 일정 속도로 구동할 수 있다. 일정한 속도에서, 가속도에 기인한 관성 토크와 관련된 토크는 0이고, (B_P)는 모터 속도와 모터 토크 사이에서 비례적으로 일정하다. 모터 샤프트 속도와 토크를 측정함으로써 (B_P)의 값을 얻을 수 있다.

(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.

식 (23)의 (T_P)와 식 (21)의 (T_T)를 식 (22)에 대입하여 하물을 인상하는 데 필요한 토크에 대한 다음 식을 얻는다.

액추에이터(12)의 전류와 액추에이터 샤프트의 속도 및 가속도를 측정함으로써 식 (24)로부터 (T_L)을 계산할 수 있다. 줄의 장력 (f_R)은 다음과 같다.

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.

식 (23)은 액추에이터의 동력학(dynamics)에 대한 기본적이고 선형적인 형태를 도시함에 주의하라. 액추에이터가 적절하게 설계되어 윤활이 양호한 경우, 식 (23)은 시스템의 동력학을 잘 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.

g(ω)의 구조는 표준 시스템 식별 기술을 사용하여 실험적으로 추정될 수 있다. 역시, 파라미터 추정에 있어 화강 칼만 필터가 잘 알려져 있으며, 제어 과학 문헌들에서 찾을 수 있다.

본 명세서에서 기술한 슬랙 제어 방법들은 흡인 컵을 사용하는 장치의 응용의 근거하는 동기가 된다. 비록 인력 증폭기 장치가 흡인 컵을 구비하는 경우에 채용되는 않더라도, 전술한 슬랙 제어는 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 아래쪽 잔류 힘은단부 작동체가 아래쪽으로 이동하는 것이 방지되면 줄의 슬랙을 발생시킬 것이다. 그러므로 줄의 슬랙을 방지하는 것이 항상 중요하다.

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 (f_R)이 측정되거나 추정되면, (f_R)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 (f_R)을 알면 식 (3)으로부터 하물의 힘 (p)를 계산할 수 있다. 하물의 힘 (p)는 그 다음에 피드백 신호로 사용될 수 있다.

여기서, (Q)는 하물 힘 (p)에 대해 작용하는 컨트롤러 전달 함수이다. 이 응용 (Q)는 하물의 힘을 컨트롤러로 피드백하기 때문에 시종일관 힘의 피드백 전달 함수로 또한 참조될 수 있다. 식 (17)과 식 (27)의 비교는 어떻게 작동력(operator force)과 하물의 힘 모두가 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.

식 (29)는 하물 무게의 소정 변화 (ΔW)와 작업자가 단부 작동체에 가한 힘의 소정 변화 (Δf)가 단부 작동체 속도의 변화 (Δv)의 변화를 초래할 것임을 보여 준다.

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.

식 (29)는 다음과 같이 다시 쓸 수 있다.

식 (31)은 식 (11)과 유사한 식이지만, 시스템의 하물 힘에 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 피드백 전달 함수 (Q)가 사용되는 경우, 식 (13) 은 식 (32)로 고쳐 쓸 수 있다.

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 힘 피드백 (Q)가 사용되는 경우에 필요한 위쪽으로의 작업자의 힘을 더 많이 증가시키게 될 것이라는 것을 설명한다. 다시 말해, 하물 무게의 증가가 주어진 경우, 하물 힘 프드백이 사용되는 경우에 작업자는 더 큰 힘을 느낀다. 하물 힘 피드백의 사용은 선택적이다. (S)가 작업자에게 하물 힘의 변화에 대해 적당한 감각을 줄 수 있을 정도로 충분히 크면, 하물 힘 피드백을 실시할 필요는 없고, (S)가 작으면 하물 힘 피드백의 실시는 작업자가 하물 힘의 변화에 대한 감각을 보다 뚜렷하게 느끼게 되므로 감각에 있어 시스템의 성능을 향상시킬 것이다.

여기서 식 (27)의 간단한 변형을 2가지 설명한다. 작업자의 힘 (f)는 대개 하물의 힘 (p)에 비해 작기 때문에 식 (27)에서 (p)는 (f_R)로 대체될 수 있다.

또한 피드백으로서 하물의 힘을 사용하기 보다는 도 7b의 예에서 도시된 바와 같이 (p_L)을 쉽게 이용할 수 있다면 pL(하물의 무게와 관성에만 기인한 힘)을 사용할 수 있다.

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 K_M값을 계산한다. K_M의 값이 도 15b 또는 도 15c와 유사한 플롯으로부터 얻어지기 때문에 K_M의 크기 계산에는 불연속성(discontinuity)이 존재할 것이다. 여러 K_M값으로의 이동은 디지털 필터를 사용함으로써 원활하게 이루어질 수 있다. 따라서 디지털 필터는 K_M과 관련하여 고주파 부품으로 설계된다. 본 실시예에서, 디지털 저역 통과 필터가 K_M값을 원활하게 하기 위해 소프트웨어에서 쓰여졌다.

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 장치에 돌보지 않는 경우에 시스템이 더 큰강성(rigidity)을 부가한다. 추가적인 안전 특성으로서, 전원 장애가 있는 때에는 언제나 마찰 브레이크를 연동시키는 것이 좋다.

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 얼마나 많이 물체를 인상하였는지에 대해 아무런 느낌을 갖지 않는 한편 밸브나 스위치를 작동하기에 바쁘다. 그러나 작업자는 하물이 아래쪽으로 이동하여 압박되는 동시에 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 컨트롤러를 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.

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 실시예에서는작업자의 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.

Claims

풀리를 회전하기 위해 배열된 액추에이터, 상기 액추에이터의 작동을 제어하는 컨트롤러, 상기 풀리에 감긴 줄에 연결되고 하물에 연결될 수 있으며 작업자에 의해 쥐어지는 핸들을 포함하는 단부 작동체, 그리고 상기 핸들 상에 가해지는 작업자의 힘을 검출하는 센서를 포함하는 인력 증폭기 보조 장치에 있어서,

작업자가 가한 힘을 나타내는 센서로부터의 제1 신호 및 상기 줄의 장력을 나타내는 제2 신호, 그리고

상기 제1 및 제2 신호의 함수로서 상기 액추에이터를 회전하기 위해 프로그램되는 컨트롤러

를 포함하는 장치.
제1항에 있어서,

상기 단부 작동체가 아래쪽으로 이동하여 압박되는 동안 작업자가 상기 단부 작동체를 아래쪽으로 누르는 경우에 상기 컨트롤러가 상기 줄의 슬랙을 방지하는 장치.
제1항에 있어서,

상기 단부 작동체가 아래쪽으로 이동하여 압박되는 동안 작업자가 상기 단부 작동체를 아래쪽으로 누르는 경우에 상기 풀리가 회전을 정지하여 줄이 풀려나오지않도록 하는 장치.
제1항에 있어서,

상기 줄의 장력이 0인 경우에 작업자가 상기 단부 작동체를 아래쪽으로 누르면 상기 풀리가 회전을 정지하여 상기 줄이 풀려나오는 것을 방지하는 장치.
제1항에 있어서,

상기 단부 작동체가 아래쪽으로 이동하여 압박되지 않는 경우에 작업자가 상기 단부 작동체 상의 아래쪽 힘을 증가 또는 감소시키면 주어진 하물에 대하여 상기 단부 작동체의 하강 속도에서 대응의 증가 또는 감소가 일어나는 장치.
제1항에 있어서,

상기 단부 작동체가 아래쪽으로 이동하여 압박되지 않는 경우에 하물의 무게의 증감에 대하여 주어진 속도에서 상기 단부 작동체의 이동을 유지하기 위해 작업자가 위쪽으로의 힘을 증가 또는 감소시킬 필요가 있는 장치.
제1항에 있어서,

상기 단부 작동체가 아래쪽으로 이동하여 압박되지 않는 경우에 상기 하물 무게의 증가 또는 감소는 상기 단부 작동체에 주어지는 작업자의 힘에 대한 상기 단부 작동체의 상승 속도의 감소 또는 증가를 일으키는 장치.
제1항에 있어서,

상기 액추에이터는 브레이크를 포함하여 상기 브레이크가 맞물렸을 때 풀리의 회전을 방지해주는 장치.
제8항에 있어서,

상기 액추에이터에 전원이 공급되지 않는 경우에 브레이크가 맞물려서 전원 공급이 중단되는 동안 풀리의 회전이 방지되는 장치.
제1항에 있어서,

상기 단부 작동체가 데드맨 스위치를 포함함으로써 작업자가 상기 단부 작동체의 핸들을 잡는 경우 상기 데드맨 스위치가 동작하여 상기 데드맨 스위치로부터의 신호가 상기 풀리의 회전을 방지하도록 브레이크가 맞물리는 것을 방지하는 장치.
제1항에 있어서,

상기 단부 작동체가 데드맨 스위치를 포함함으로써 작업자가 상기 단부 작동체의 핸들에서 손을 떼는 경우 상기 데드맨 스위치가 동작하여 상기 데드맨 스위치로부터의 신호가 상기 풀리의 회전을 방지하도록 브레이크가 맞물리게 하는 장치.
제1항에 있어서,

상기 단부 작동체가 데드맨 스위치를 포함함으로써 작업자가 상기 단부 작동체의 핸들에서 손을 떼는 경우 상기 컨트롤러로 보내질 신호가 상기 액추에이터를 제 위치에 유지하도록 하는 장치.
제1항에 있어서,

상기 제2 신호의 검출기는 상기 줄의 장력을 추정하기 위해 상기 액추에이터에 공급되는 전류를 측정하는 전류 센서를 포함하는 장치.
제1항에 있어서,

상기 제2 신호의 검출기는 상기 줄의 장력을 나타내는 신호를 발생하기 위해 배열되는 힘 센서를 포함하는 장치.
제1항에 있어서,

상기 제2 신호의 검출기는 줄의 장력이 0인 경우의 제1 상태 및 줄의 장력이 0이 아닌 경우의 제2 상태를 갖는 이진 신호를 발생할 수 있는 장치.
제1항에 있어서,

상기 제2 신호의 검출기는 상기 단부 작동체가 아래쪽으로 이동하여 압박되는 경우의 제1 상태 및 상기 단부 작동체가 아래쪽으로 이동하여 압박되지 않는 경우의 제2 상태를 갖는 이진 신호를 발생할 수 있는 장치.
제1항에 있어서,

상기 제2 신호의 검출기는 상기 줄에 슬랙이 발생되는 경우에 하나의 포지션으로 이동할 수 있고 상기 줄에 슬랙이 발생되지 않는 경우에 다른 포지션으로 이동할 수 있는 스위치를 포함하는 장치.
제1항에 있어서,

상기 제2 신호의 검출기는 상기 하물에 의해 상기 단부 작동체 상에 가해지는 하물의 힘을 나타내는 신호를 발생하기 위해 배열되는 힘 센서를 포함하는 장치.
풀리식 호이스트 장치용 컨트롤러에 있어서,

여러 신호 중에서, 하물을 지지하고 풀리에 감기는 줄에 연결가능한 단부 작동체 상의 작업자의 힘을 나타내는 제1 전기적 신호, 그리고 상기 줄의 장력을 나타내는 제2 신호를 받아들이며, 상기 제1 및 제2 신호의 함수로서 상기 풀리의 회전 속도를 제어하기 위해 출력 단자를 갖도록 배열되는 컨트롤러.
제19항에 있어서,

상기 풀리의 회전 속도는 상기 단부 작동체가 아래쪽으로 이동하여 압박되지않았을 때 상기 단부 작동체가 작업자의 손 동작에 따르도록 하는 상기 제1 신호 및 상기 제2 신호 모두의 함수인 컨트롤러.
제19항에 있어서,

상기 컨트롤러는 상기 제2 신호가 상기 줄의 장력이 0인 것을 나타내고 상기 단부 작동체가 작업자에 의해 아래쪽으로 눌려져 있는 경우에 상기 풀리를 정지시키는 컨트롤러.
제19항에 있어서,

상기 컨트롤러는 상기 단부 작동체가 작업자에 의해 아래쪽으로 눌려져 있는 경우에 상기 제2 신호가 상기 줄의 장력 감소를 나타내면 상기 줄에 슬랙이 발생하는 것을 방지하기 위해 상기 풀리의 회전 속도를 감소시키는 컨트롤러.
제19항에 있어서,

상기 컨트롤러는 상기 단부 작동체를 인상하기 위해 상기 줄에 위쪽 편향력을 가하는 컨트롤러.
제19항에 있어서,

상기 컨트롤러에 의해 발생된 출력 신호는 상기 제1 신호가 작업자의 아래쪽 이동을 나타내고 상기 제2 신호가 상기 줄의 장력이 0인 것을 나타내는 경우에 상기 풀리의 회전 속도가 0이 되도록 하는 컨트롤러.
제19항에 있어서,

상기 제2 신호는 상기 줄의 장력이 0인 것을 나타내고 상기 제1 신호는 작업자가 위쪽으로 이동시키려는 의도를 나타내는 경우, 상기 컨트롤러로부터의 상승 속도 명령 신호가 상기 줄의 장력을 0이 아니도록 해주는 컨트롤러.
제19항에 있어서,

상기 단부 작동체가 아래쪽으로 이동하여 압박되지 않고 상기 제2 신호가 상기 줄의 장력이 0이 아닌 것을 나타내는 경우, 상기 컨트롤러에 의해 발생된 출력 신호는 상기 단부 작동체가 작업자의 손 동작을 따라서 작업자의 아래쪽 힘의 임의의 증가 또는 감소가 주어진 하물에 대하여 상기 단부 작동체의 하강 속도의 대응되는 증가 또는 감소를 일으키는 컨트롤러.
제19항에 있어서,

상기 단부 작동체가 아래쪽으로 이동하여 압박되지 않고 상기 제2 신호가 상기 줄의 장력이 0이 아닌 것을 나타내는 경우, 상기 컨트롤러에 의해 발생된 출력 신호는 상기 단부 작동체가 작업자의 손 동작을 따라서 상기 하물 무게의 증가 또는 감소가 상기 단부 작동체 상에 주어지는 작업자의 힘에 대하여 상기 단부 작동체의 대응되는 상승 속도의 감소 또는 증가 및 하강 속도의 증가 또는 감소를 일으키는 컨트롤러.
제19항에 있어서,

상기 단부 작동체가 아래쪽으로 이동하여 압박되지 않고 상기 제2 신호가 상기 줄의 장력이 0이 아닌 것을 나타내는 경우, 상기 컨트롤러에 의해 발생된 출력 신호는 상기 단부 작동체가 작업자의 손 동작을 따라서 상기 하물 무게의 증가 또는 감소가 주어진 단부 작동체의 속도를 유지하기 위해서 상기 단부 작동체 상에 작업자의 대응되는 위쪽 힘의 증가 또는 감소 및 아래쪽 힘의 감소 또는 증가를 필요로 하는 컨트롤러.
제19항에 있어서,

상기 단부 작동체가 아래쪽으로 이동하여 압박되지 않고 상기 제2 신호가 상기 줄의 장력이 0이 아닌 것을 나타내는 경우, 상기 컨트롤러에 의해 발생되는 속도 명령 신호 e는 e=K(f-f_up)의 식으로 표현되며, 여기서 f는 작업자가 가하는 힘을 나타내는 제1 신호, f_up는 상수, 그리고 K는 작업자의 아래쪽 힘의 증가 또는 감소가 주어진 하물에 대하여 단부 작동체의 대응되는 하강 속도의 증가 또는 감소를 일으키도록 선택되는 전달 함수인 컨트롤러.
제19항에 있어서,

상기 단부 작동체가 아래쪽으로 이동하여 압박되지 않고 상기 제2 신호가 상기 줄의 장력이 0이 아닌 것을 나타내는 경우, 상기 컨트롤러에 의해 속도 명령 신호가 상기 제1 및 제2 신호의 함수로서 발생되어 액추에이터가 회전함으로써 상기 단부 작동체가 작업자의 손 동작에 따라 상기 하물 무게의 증가 또는 감소가 주어진 작업자의 힘에 대하여 단부 작동체의 대응되는 상승 속도의 감소 또는 증가를 일으키며 이 때 하물 무게의 증가 또는 감소는 주어진 단부 작동체의 속도를 유지하기 위해 상기 단부 작동체 상에 작업자의 대응되는 위쪽 힘의 증가 또는 감소가 필요한 컨트롤러.
제19항에 있어서,

상기 단부 작동체가 아래쪽으로 이동하여 압박되지 않고 상기 제2 신호가 상기 줄의 장력이 0이 아닌 것을 나타내는 경우, 상기 컨트롤러에 의해 발생되는 출력 신호는 e=K(f-f_up)+Q(f_R)의 식으로 표현되며, 여기서 e는 출력 신호, f는 작업자의 힘을 나타내는 제1 신호, f_up는 상수, f_R은 줄의 장력을 나타내는 신호, 그리고 K 및 Q는 작업자의 아래쪽 힘의 증가 또는 감소가 주어진 하물에 대하여 단부 작동체의 대응되는 하강 속도의 증가 또는 감소를 일으키도록 선택되는 전달 함수인 컨트롤러.
제19항에 있어서,

상기 단부 작동체가 아래쪽으로 이동하여 압박되지 않고 상기 제2 신호가 상기 줄의 장력이 0이 아닌 것을 나타내는 경우, 출력 신호가 e=K(f-f_up)+Q(f_R)의 식에 따라 상기 컨트롤러에 의해 발생되며, 여기서 e는 출력 신호, f는 작업자의 힘을 나타내는 제1 신호, f_up는 상수, f_R은 줄의 장력을 나타내는 신호, 그리고 K 및 Q는 작업자의 아래쪽 힘의 증가 또는 감소가 주어진 하물에 대하여 단부 작동체의 대응되는 하강 속도의 증가 또는 감소를 일으키도록 선택되는 전달 함수인 컨트롤러.
제19항에 있어서,

상기 단부 작동체가 아래쪽으로 이동하여 압박되지 않고 상기 제2 신호가 상기 줄의 장력이 0이 아닌 것을 나타내는 경우, 상기 컨트롤러에 의해 발생되는 출력 신호는 e=K(f-f_up)+Q(P_L)의 식으로 표현되며, 여기서 e는 출력 신호, f는 작업자의 힘을 나타내는 제1 신호, f_up는 상수, P_L은 상기 단부 작동체 상의 하물에 의해 가해지는 힘을 나타내는 제2 신호, 그리고 K 및 Q는 작업자의 아래쪽 힘의 증가 또는 감소가 주어진 하물에 대하여 단부 작동체의 대응되는 하강 속도의 증가 또는 감소를 일으키도록 선택되는 전달 함수인 컨트롤러.
제19항에 있어서,

상기 단부 작동체가 아래쪽으로 이동하여 압박되지 않고 상기 제2 신호가 상기 줄의 장력이 0이 아닌 것을 나타내는 경우, 출력 신호가 e=K(f-f_up)+Q(f_R)의 식에 따라 상기 컨트롤러에 의해 발생되며, 여기서 e는 출력 신호, f는 작업자의 힘을 나타내는 제1 신호, f_up는 상수, P_L은 상기 단부 작동체 상의 하물에 의해 가해지는 힘을 나타내는 제2 신호, 그리고 K 및 Q는 하물 무게의 증가 또는 감소가 주어진 단부 작동체의 속도를 유지하기 위해 작업자의 대응되는 위쪽 힘의 증가 또는 감소를 일으키도록 선택되는 전달 함수인 컨트롤러.
제19항에 있어서,

추정 장력은 f_R=[K_TI-(I_Pα+B_Pω+T_O)]/R의 식에 의해 계산되며, 여기서 f_R은 상기 줄의 장력, I_P는 액추에이터의 모든 회전 부품 및 모터 샤프트 상의 풀리의 전체 관성모멘트, B_P는 액추에이터의 회전 부품 및 풀리의 전체 마찰계수, α는 전동기 구동 샤프트의 각가속도, ω는 전동기 구동 샤프트의 각속도, K_T는 상기 액추에이터가 소비하는 전류 1암페어에 대한 액추에이터 토크, T_O는 상기 액추에이터 및 풀리에서 쿨롱 마찰에 의한 불변 토크, 그리고 R은 상기 풀리의 반경인 컨트롤러.
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, 그리고 작업자가 하물을 인상하는 것을 보조하기위해 액추에이터로부터 단부 작동체로 장력을 전달하는 줄의 이동 속도를 변화하는 호이스트 액추에이터를 포함하는 호이스트의 응답성을 개선하는 호이스트 시스템에 있어서,

상기 컨트롤러에 하물의 힘을 나타내는 신호를 전송하는 하물 힘의 추정장치, 그리고

상기 추정된 하물 힘의 신호 및 작업자가 가한 힘의 신호 함수로서 상기 액추에이터를 제어하는 컨트롤러

를 포함하는 호이스트 시스템.
제36항에 있어서,

상기 액추에이터의 속도는 v=GK(f-f_up)+GQp+S(f+p)의 식에 따라 추정된 하물 힘의 신호 및 작업자가 가한 힘의 신호의 함수로서 제어되며, 여기서 v는 단부 작동체의 속도, G는 액추에이터 전달 함수, K는 f로 작동하는 컨트롤러의 전달 함수, f는 작업자가 가한 힘, f_up는 상수, Q는 p로 작동하는 컨트롤러의 전달 함수, p는 추정된 하물의 힘, 그리고 S는 액추에이터 감도 전달 함수인 호이스트 시스템.
제36항에 있어서,

상기 하물 힘의 추정장치가 힘 센서인 호이스트 시스템.
제38항에 있어서,

상기 힘 센서가 상기 줄의 장력의 함수로서 하물의 힘을 추정하는 호이스트 시스템.
제38항에 있어서,

상기 힘 센서가 상기 호이스트 상의 인장 응력의 함수로서 하물의 힘을 추정하는 호이스트 시스템.
제36항에 있어서,

상기 하물 힘의 추정장치는 상기 하물의 힘을 추정하기 위해 상기 액추에이터가 소비하는 전류를 사용하는 호이스트 시스템.
제41항에 있어서,

상기 하물 힘의 추정장치는 상기 액추에이터로 흐르는 전류를 검출하는 센서를 포함하는 호이스트 시스템.
제36항에 있어서,

상기 컨트롤러는 상기 하물이 이동하는 동안 작업자가 항상 하물의 힘 일부를 지지하도록 프로그램되어서 상기 작업자가 인상 이동 중에 하물을 느끼도록 하는 호이스트 시스템.
제36항에 있어서,

상기 컨트롤러는 인상 속도가 변화되도록 프로그램되어서 작업자가 가하는 힘 및 하물의 힘이 하물의 힘의 변화에 따른 인상 속도 또는 작업자가 가하는 힘의 변화를 명령하도록 함수적으로 상호연관되어 있는 호이스트 시스템.
제36항에 있어서,

상기 컨트롤러는 상기 줄의 장력에서 슬랙이 검출된 것에 대하여 작업자가 가하는 아래쪽 힘에 따른 상기 줄의 풀림을 방지함으로써 응답하는 호이스트 시스템.
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 변화하는 호이스트 액추에이터를 포함하는 호이스트의 응답성을 개선하는 방법에 있어서,

하물의 힘 추정장치로 하물의 힘을 추정하는 단계,

상기 하물의 힘 추정장치로부터의 하물의 힘의 신호를 상기 컨트롤러에 전달하는 단계, 그리고

상기 하물의 힘의 신호 및 상기 작업자가 가하는 힘의 신호의 함수로서 상기액추에이터의 속도를 제어하도록 상기 컨트롤러를 프로그램하는 단계

를 포함하는 방법.
제46항에 있어서,

e=K(f-f_up)+Qp의 식에 따른 하물의 힘의 신호 및 작업자가 가한 힘의 함수로서 액추에이터의 속도를 제어하도록 상기 컨트롤러를 프로그램하는 단계를 포함하며, 여기서 e는 컨트롤러의 출력, K는 f로 작동하는 컨트롤러의 전달 함수, f는 작업자가 가한 힘, f_up는 상수, Q는 p로 작동하는 컨트롤러의 전달 함수, 그리고 p는 추정된 하물의 힘인 방법.
제46항에 있어서,

힘 센서를 사용하여 상기 하물의 힘을 추정하는 단계를 포함하는 방법.
제48항에 있어서,

하물의 힘을 추정하기 위해 줄의 장력을 측정하는 센서를 사용하는 단계를 포함하는 방법.
제48항에 있어서,

하물의 힘을 추정하기 위해 상기 호이스트 상의 기계적인 인장 응력을 측정하는 센서를 사용하는 단계를 포함하는 방법.
제46항에 있어서,

하물을 인상할 때 상기 액추에이터가 소모하는 에너지를 측정하는 장치를 사용하여 상기 하물의 힘을 추정하는 단계를 포함하는 방법.
제46항에 있어서,

상기 단부 작동체 상의 데드맨 스위치가 비활성인 경우에 상기 액추에이터가 상기 하물을 고정 포지션에서 쥐도록 상기 컨트롤러를 프로그램하는 단계를 포함하는 방법.
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 응답성을 개선하는 시스템에 있어서,

하물의 힘 추정장치는 인상되는 하물에 의해 발생하는 줄의 힘을 측정하고,

상기 하물의 힘 추정장치는 하물의 힘의 신호를 상기 컨트롤러에 전송하며,

상기 컨트롤러는 작업자가 가하는 힘에 응답하여 상기 하물의 힘의 신호의함수로서 인상 속도를 변화시키는

시스템.
제53항에 있어서,

상기 하물의 힘의 신호는 상기 단부 작동체에 의해 발생한 줄의 힘을 포함하는 시스템.
제53항에 있어서,

상기 하물의 힘 추정장치가 상기 줄의 장력을 측정하는 시스템.
제53항에 있어서,

상기 하물의 힘 추정장치가 상기 호이스트 상의 기계적인 인장 응력을 측정하는 시스템.
제53항에 있어서,

상기 하물의 힘 추정장치가 상기 하물을 지지하고 있는 액추에이터에 의해 소모되는 에너지를 측정하는 시스템.
하물에 연결되고 줄에 의해 호이스트에 연결되는 단부 작동체에 작업자가 힘을 가하여 인상 작업을 하는 것을 작업자가 실제로 느끼도록 하고, 상기 인상 작업을 하는 동안 작업자가 가한 힘을 나타내는 신호는 컨트롤러에 의해 실행되며, 상기 줄에 의해 상기 단부 작동체에 연결된 액추에이터를 작동하는 호이스트 시스템에 있어서,

상기 컨트롤러에 하물의 힘의 신호를 공급하는 하물의 힘 측정장치,

상기 하물의 힘의 신호 및 상기 작업자의 힘의 신호에 응답하여 작업자가 인상 작업을 가변적으로 하도록 상기 액추에이터를 작동하는 컨트롤러, 그리고

가벼운 하물을 인상하는데 필요한 힘보다 무거운 하물에 대하여 동일한 속도로 인상하기 위해 더욱 큰 작업자의 힘이 가해지도록 프로그램되는 컨트롤러

를 포함하는 시스템.
제58항에 있어서,

상기 하물의 힘의 추정장치는 하물의 힘을 검출하도록 배열되는 힘 센서인 시스템.
제58항에 있어서,

상기 하물의 힘 추정장치는 상기 단부 작동체 및 상기 단부 작동체에 연결된 하물을 지지하기 위해 상기 액추에이터가 필요한 전류로부터 상기 하물의 힘의 신호를 추정하는 시스템.
제58항에 있어서,

주어진 작업자의 아래쪽 힘에 대하여, 하물 무게의 증가는 하물의 하강 속도를 증가시키는 시스템.
제58항에 있어서,

하물의 이동 속도의 변화 없는 하물 무게의 증가는 하물의 상승을 위해 작업자의 더욱 많은 힘이 필요하고 하물의 하강을 위해 작업자의 더욱 적은 힘이 필요한 시스템.
호이스트 조작자의 인력 입력 및 인상 작업의 신호를 보내는 것이 상기 호이스트에 의해 이루어져서 작업자가 인상되는 하물의 무게를 느끼도록 상기 호이스트를 제어하는 방법에 있어서,

인상되는 하물에 의해 발생되는 힘을 나타내는 하물의 힘의 신호를 발생하는 단계, 그리고

가벼운 하물의 경우와 동일한 속도로 무거운 하물을 상승시키기 위해 작업자가 가하는 힘을 증가시켜야 하도록 상기 호이스트를 구동하기 위해 상기 하물의 힘의 신호를 사용하는 단계

를 포함하는 방법.
제63항에 있어서,

상기 하물을 지지하기 위해 상기 호이스트가 필요한 전류로부터 상기 하물의힘의 신호를 얻는 단계를 포함하는 방법.
제63항에 있어서,

힘 센서로부터 상기 하물의 힘의 신호를 얻는 단계를 포함하는 방법.
제63항에 있어서,

가벼운 하물의 경우와 동일한 속도로 무거운 하물을 하강시키기 위해 필요한 작업자의 힘을 감소시키는 단계를 포함하는 방법.
제63항에 있어서,

작업자가 가하는 힘의 변화 없는 하물 무게의 증가는 하물의 상승 속도를 감소시키고 하물의 하강 속도를 증가시키는 방법.
제63항에 있어서,

하물의 이동 속도의 변화 없는 하물 무게의 증가는 하물의 상승을 위해 작업자의 더욱 많은 힘이 필요하고 하물의 하강을 위해 작업자의 더욱 적은 힘이 필요한 방법.
호이스트의 제어를 개선하는 방법에 있어서,

하물의 힘 추정장치가 상기 호이스트에 의해 지지되는 하물의 힘의 함수로서신호를 발생하고,

컨트롤러는 호이스트가 작업자를 보조하도록 상기 호이스트의 액추에이터를 가변적으로 구동하여 하물의 힘이 증가함에 따라 주어진 작업자의 힘이 하물의 상승 속도를 감소시키고 하물의 하강 속도를 증가시키도록 하는

개선 방법.
제69항에 있어서,

상기 하물의 힘은 상기 하물을 지지하기 위해 상기 액추에이터에 필요한 전류로부터 추산되는 개선 방법.
제69항에 있어서,

상기 하물의 힘은 상기 하물을 지지하기 위해 상기 액추에이터가 소모하는 에너지로부터 추산되는 개선 방법.
제69항에 있어서,

상기 하물의 힘은 힘 센서로부터 추산되는 개선 방법.
작업자의 입력에 응답하여 하물의 인상 속도를 제어하는 호이스트 시스템에 있어서,

하물의 힘 및 작업자의 힘을 나타내는 신호를 받는 컨트롤러,

상기 양 신호의 함수로서 상승 속도를 제어하도록 프로그램되는 컨트롤러, 그리고

하물 무게의 증가 및 작업자의 힘의 변화가 (1+SE+GQE)Δv=(GK+S)Δf+(S+GQ)(ΔW)의 식에 따른 하물의 속도 변화를 일으키도록 추가로 프로그램되는 컨트롤러

를 포함하며,

여기서 S는 액추에이터 감도 전달 함수, E는 하물의 운동에너지, G는 액추에이터 전달 함수, Q는 p로 작동하는 컨트롤러 전달 함수, Δv는 단부 작동체 속도의 변화, Δf는 작업자 힘의 변화, K는 f로 작동하는 컨트롤러의 전달 함수, 그리고 ΔW는 하물 무게의 변화를 나타내는

시스템.
제73항에 있어서,

상기 컨트롤러는 무거운 하물에 대하여 동일한 속도에서 가벼운 하물을 이동하는데 필요한 것보다 더욱 큰 위쪽 힘 및 더욱 작은 아래쪽 힘을 작업자가 가해야 하도록 프로그램되며, 0=(GK+S)Δf+(S+GQ)(ΔW)의 식으로 증명되며, 여기서 G는 액추에이터 전달 함수, K는 f로 작동하는 컨트롤러의 전달 함수, S는 액추에이터 감도 전달 함수, Δf는 작업자가 가하는 힘의 변화, Q는 p로 작동하는 컨트롤러 전달 함수, 그리고 ΔW는 하물 무게의 변화를 나타내는 시스템.
제73항에 있어서,

상기 컨트롤러는 주어진 무게에 대하여 상기 하물의 이동 속도의 임의의 증가가 (1+SE+GQE)Δv=(GK+S)Δf의 식에 따른 추가적인 작업자의 힘을 필요로 하도록 프로그램되며, 여기서 S는 액추에이터 감도 전달 함수, E는 하물의 운동에너지, G는 액추에이터 전달 함수, Q는 p로 작동하는 컨트롤러 전달 함수, Δv는 단부 작동체 속도의 변화, K는 f로 작동하는 컨트롤러의 전달 함수, 그리고 Δf는 작업자 힘의 변화를 나타내는 시스템.
제73항에 있어서,

주어진 작업자의 힘에 대하여 하물 무게의 변화는 (1+SE+GQE)Δv=(S+GQ)(ΔW)의 식에 따른 단부 작동체의 대응되는 속도 변화를 일으키며, 여기서 S는 액추에이터 감도 전달 함수, E는 하물의 운동에너지, G는 액추에이터 전달 함수, Q는 p로 작동하는 컨트롤러 전달 함수, Δv는 단부 작동체 속도의 변화, 그리고 ΔW는 하물 무게의 변화를 나타내는 시스템.
제73항에 있어서,

힘 센서로서 형성되는 하물의 힘 추정장치를 포함하는 시스템.
제73항에 있어서,

하물의 힘을 추정하기 위해 액추에이터가 소모한 전류를 사용하는 하물의 힘추정장치를 포함하는 시스템.
액추에이터의 컨트롤러 및 상기 액추에이터로부터 하물에 연결될 수 있는 단부 작동체로 연장되는 호이스트 줄을 갖는 호이스트용 제어 시스템에 있어서,

상기 줄에 장력이 감소되면 상기 컨트롤러에 신호를 발생하는 검출기, 그리고

상기 신호가 상기 줄에 장력이 감소된 것을 나타내면 작업자의 아래쪽 이동 입력에 응답하여 액추에이터가 줄이 풀리는 것을 방지하는 컨트롤러

를 포함하는 제어 시스템.
제79항에 있어서,

상기 검출기가 줄과 연결된 스위치인 제어 시스템.
제79항에 있어서,

상기 검출기는 하물의 힘 및 작업자의 입력을 검출함으로써 줄의 장력 감소를 측정하는 제어 시스템.
제79항에 있어서,

상기 검출기는 상기 줄을 지지하는 액추에이터가 필요한 전류로부터 줄의 장력 감소를 측정하는 제어 시스템.
제79항에 있어서,

상기 검출기가 줄의 장력이 0인 경우의 제1 상태 및 줄의 장력이 0이 아닌 경우의 제2 상태를 갖는 이진 신호를 발생할 수 있는 측정 시스템.
제79항에 있어서,

상기 검출기는 상기 단부 작동체가 아래쪽으로 이동하여 압박되는 경우의 제1 상태 및 상기 단부 작동체가 아래쪽으로 이동하여 압박되지 않는 경우의 제2 상태를 갖는 이진 신호를 발생할 수 있는 제어 시스템.
제79항에 있어서,

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 제어 시스템.
제79항에 있어서,

상기 컨트롤러는 상기 줄에 장력이 감소된 것을 나타내는 검출기의 신호가 발생되면 작업자의 위쪽 이동 입력에 응답하여 상기 줄에 0이 아닌 장력을 발생하도록 위쪽 속도 명령 신호를 내리는 제어 시스템.
호이스트 줄에 슬랙이 발생하는 것을 방지하는 방법에 있어서,

상기 줄의 장력 감소를 검출하는 단계,

상기 줄의 장력이 감소되면 상기 호이스트 액추에이터의 컨트롤러에 신호를 발생하는 단계, 그리고

상기 줄의 장력이 감소되면 작업자의 아래쪽 이동 입력에 응답하여 상기 액추에이터가 줄을 푸는 것을 방지하도록 상기 컨트롤러를 프로그램하는 단계

를 포함하는 방법.
제87항에 있어서,

상기 줄과 연결된 스위치로 줄의 장력을 검출하는 단계를 포함하는 방법.
제87항에 있어서,

하물의 힘 및 작업자의 입력으로부터 줄의 장력을 검출하는 단계를 포함하는 방법.
제87항에 있어서,

상기 줄을 지지하고 있는 액추에이터가 소모한 에너지로부터 줄의 장력을 검출하는 단계를 포함하는 방법.