DE102012220036B4

DE102012220036B4 - Bewegungssystem, das ausgestaltet ist, um eine nutzlast inmehrere richtungen zu bewegen

Info

Publication number: DE102012220036B4
Application number: DE102012220036.3A
Authority: DE
Inventors: Alexandre Lecours; Simon Foucault; Thierry Laliberte; Clément Gosselin; Boris Mayer-St-Onge; Dalong Gao; Roland J. Menassa
Original assignee: Universite Laval; GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: Universite Laval; GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2011-11-04
Filing date: 2012-11-02
Publication date: 2017-10-19
Anticipated expiration: 2032-11-03
Also published as: DE102012220036A1; US20130112643A1; US8985354B2

Abstract

Bewegungssystem (10), das ausgestaltet ist, um eine Nutzlast (12) zu bewegen, wobei das Bewegungssystem (10) umfasst: einen Brückenkran (18), der für eine Bewegung entlang einer X-Achse (19) ausgestaltet ist; eine Krankatze (20), die am Brückenkran (18) beweglich angebracht ist und für eine Bewegung entlang einer Y-Achse (17) in einer rechtwinkligen Beziehung zu der X-Achse (19) ausgestaltet ist; eine Bewegungsvorrichtung (22), die von der Krankatze (20) herabhängt, wobei die Bewegungsvorrichtung (22) umfasst: einen Befestigungsabschnitt (50); mehrere Gehäuse (48), die sich vom Befestigungsabschnitt (50) aus wirksam erstrecken; ein erstes gebogenes Element (36) und ein zweites gebogenes Element (38), die sich zwischen jeweiligen Enden (40) erstrecken; wobei die Enden (40) der ersten (36) und zweiten (38) gebogenen Elemente an einem jeweiligen der mehreren Gehäuse (48) drehbar angebracht sind; wobei jedes der ersten (36) und zweiten (38) gebogenen Elemente einen Teilkreis bildet; wobei das erste gebogene Element (36) eine erste Nut (44) definiert und das zweite gebogene Element (38) eine zweite Nut (46) definiert; wobei sich das erste gebogene Element (36) rechtwinklig mit dem zweiten gebogenen Element (38) derart überschneidet, dass sich die erste Nut (44) des ersten gebogenen Elements (36) in einer rechtwinkligen Beziehung zu der zweiten Nut (46) des zweiten gebogenen Elements (38) befindet; wobei das erste gebogene Element (36) ausgestaltet ist, um sich um eine erste Achse (52) zu drehen, und das zweite gebogene Element (38) ausgestaltet ist, um sich um eine zweite Achse (54) zu drehen, die sich in einer rechtwinkligen Beziehung zu der ersten Achse (52) erstreckt; ein Seil (26), das sich von dem Befestigungsabschnitt (50) aus und durch sowohl die erste Nut (44) als auch die zweite Nut (46) hindurch erstreckt; wobei das Seil (26) ausgestaltet ist, um durch Drücken eines Bedieners (33) gegen die Nutzlast (12) relativ zu ...

Description

Diese Anmeldung beansprucht den Nutzen der vorläufigen US-Patentanmeldung mit der Nr. 61/555,859, die am 04. November 2011 eingereicht wurde und in ihrer Gesamtheit hiermit durch Bezugnahme mit aufgenommen ist.
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Bewegungssystem, das ausgestaltet ist, um eine Masse in mehrere Richtungen zu bewegen.
Hängende Brückenkräne werden häufig verwendet, um große Nutzlasten anzuheben und abzusetzen. Das Versetzen in einer Ergreifen- und Absetzen-Operation umfasst allgemein drei translatorische Freiheitsgrade und einen rotatorischen Freiheitsgrad um eine vertikale Achse. Dieser Satz von Bewegungen, die als Selective Compliance Assembly Robot Arm Bewegungen (”SCARA”-Bewegungen) oder ”Schönflies”-Bewegungen bezeichnet wird, wird in der Industrie häufig verwendet. Ein Brückenkran ermöglicht Bewegungen entlang zweier horizontaler Achsen. Mit geeigneten Gelenken ist es möglich, eine vertikale Translationsachse und eine vertikale Rotationsachse hinzuzufügen. Eine erste Bewegung entlang einer horizontalen Achse wird erreicht, indem eine Brücke auf feststehenden Schienen bewegt wird, während die Bewegung entlang der zweiten horizontalen Achse erreicht wird, indem eine Krankatze entlang der Brücke rechtwinklig zu der Richtung der feststehenden Schienen bewegt wird. Die Translation entlang der vertikalen Achse wird unter Verwendung eines vertikalen Schiebegelenks oder durch die Verwendung eines Riemens erreicht. Die Rotation um die vertikale Achse wird unter Verwendung eines Drehgelenks mit einer vertikalen Achse erreicht.
Es gibt teilmotorisierte Versionen von hängenden Brückenkränen, die von einem menschlichen Bediener manuell entlang horizontaler Achsen verschoben werden und manuell um die vertikale Achse gedreht werden, die aber eine motorisierte Hebevorrichtung umfassen, um die Schwerkraft in die vertikale Richtung zu bewältigen. Außerdem werden einige Brückenkräne manuell entlang aller Achsen verschoben, aber das Gewicht der Nutzlast wird durch eine Ausgleichsvorrichtung kompensiert, um die Arbeit des Bedieners zu erleichtern. Derartige Brückenkräne werden manchmal als Unterstützungsvorrichtungen bezeichnet. Ein Ausgleich wird oft durch Druckluftsysteme erreicht. Diese Systeme benötigen Druckluft, um einen Druck oder einen Unterdruck aufrecht zu erhalten – in Abhängigkeit vom verwendeten Prinzip –, was erhebliche Leistung erfordert. Aufgrund der Reibung in den Druckluftzylindern ist die Verschiebung außerdem nicht sehr gleichmäßig und kann sogar ruckelig sein. Ein Ausgleich kann unter Verwendung von Gegengewichten erreicht werden, welche die Massenträgheit des Systems erheblich vergrößern. Obwohl derartige Systeme nützlich und für die vertikale Bewegung sogar notwendig sind, fügen sie, wenn sie an der Krankatze eines Brückenkrans angebracht sind, aufgrund des Bewegens der Masse dieser Systeme eine erhebliche Massenträgheit hinsichtlich einer horizontalen Bewegung hinzu. Im Fall von Ausgleichssystemen, die auf Gegengewichten beruhen, kann die hinzugefügte Masse sehr groß sein, sogar größer als die Nutzlast selbst. Wenn die horizontale Fahrgeschwindigkeit erheblich ist, wird die zu dem System hinzugefügte Massenträgheit ein Hauptnachteil.
Es gibt auch vollständig motorisierte Versionen derartiger Brückenkräne, die leistungsfähige Stellglieder benötigen, speziell für die vertikale Bewegungsachse, die das Gewicht der Nutzlast tragen muss. Die Stellglieder sind im Allgemeinen an der Krankatze oder der Brücke angebracht und sind dann in Bewegung. Das Stellglied für die vertikale Translation ist manchmal an der Brücke angebracht und mit der Krankatze durch ein System gekoppelt, das demjenigen ähnelt, das in Turmkränen verwendet wird.
Die Druckschrift DE 297 19 865 U1 offenbart ein System zum Steuern der Bewegungen einer Lasthebevorrichtung, bei dem Auslenkungen eines vertikal angeordneten Seils, das eine Nutzlast trägt, erfasst werden, die durch eine manuell aufgebrachte Kraft verursacht werden. Die Auslenkungen werden durch Dehnungsmessstreifen oder Abstandssensoren erfasst und verwendet, um die Bewegungen der Lasthebevorrichtung zu steuern.
In der Druckschrift US 6 796 447 B2 ist ein Kransteuerungssystem zum Steuern von Seitwärtsbewegungen einer Seilwinde offenbart, bei dem eine Auslenkung eines Seils der Seilwinde aus einer vertikalen Ruheposition erfasst wird und daraus mithilfe eines linearen Beobachters eine Kraft geschätzt wird, die von einem Bediener auf eine an dem Seil hängende Nutzlast aufgebracht wird. Die geschätzte Kraft wird verwendet, um die Seitwärtsbewegungen der Seilwinde zu steuern.
Die Druckschrift US 6 668 668 B1 offenbart kontaktlose Sensoren zum Messen eines Auslenkungswinkels aus einer vertikalen Ruheposition. Dazu wird das Seil mit einem elektrischen Wechselstrom beaufschlagt, der ein Magnetfeld erzeugt, das von Aufnehmerspulen erfasst wird, die neben dem Seil angeordnet sind. Dabei induziert das Magnetfeld eine Spannung in den Aufnehmerspulen, welche den Auslenkungswinkel anzeigt.
In der Druckschrift US 2004/0 026 349 A1 sind Verfahren und Vorrichtungen zum Manipulieren schwerer Nutzlasten offenbart, bei denen eine auf eine an einem Seil hängende Nutzlast manuell aufgebrachte Kraft zu einer Auslenkung des Seils führt, die erfasst wird. Aus der erfassten Auslenkung wird eine Motorkraft erzeugt, die die Nutzlast entsprechend bewegt.
Die Druckschrift JP H11-255 475 A offenbart einen Hängekran mit einer Vorrichtung zum Verhindern übermäßiger Schwingungen einer an einem Seil hängenden Nutzlast beim Bewegen des Krans. Der Kran wird über ein Bediengerät gesteuert und enthält eine Steuerungsvorrichtung, die anhand einer erfassten Auslenkung des Seils die Kranbewegung derart steuert, dass ein Schwingen/Pendeln der Nutzlast verhindert wird.
In der Druckschrift DE 199 01 330 C2 ist ein Griffelement offenbart, das an einer ortsfest angeordneten Stange befestigt ist. Das Griffelement weist zwei rechtwinklig zueinander angeordnete gebogene Elemente mit Längsnuten auf, durch die ein freies Ende der ortsfesten Stange hindurchgeführt ist. Verschwenkungen des Griffelements relativ zu der ortsfesten Stange werden mithilfe von Messvorrichtungen an den gebogenen Elementen erfasst.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Bewegungssystem für Nutzlasten bereitzustellen, das eine einfache und intuitive Bewegungssteuerung von Nutzlasten durch einen oder mehrere Bediener sowie eine Steuerung mit einer Hand ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Ein Bewegungssystem ist ausgestaltet, um eine Nutzlast zu bewegen. Das Bewegungssystem umfasst einen Brückenkran, eine Krankatze und eine Bewegungsvorrichtung. Der Brückenkran ist für eine Bewegung entlang einer X-Achse ausgestaltet. Die Krankatze ist am Brückenkran beweglich angebracht und für eine Bewegung entlang einer Y-Achse rechtwinklig zu der X-Achse ausgestaltet. Die Bewegungsvorrichtung hängt von der Krankatze herab. Die Bewegungsvorrichtung umfasst einen Befestigungsabschnitt, mehrere Gehäuse, ein erstes gebogenes Element, ein zweites gebogenes Element, ein Seil und einen Seilwinkelsensor. Die Gehäuse erstrecken sich jeweils wirksam vom Befestigungsabschnitt aus. Das erste gebogene Element und das zweite gebogene Element erstrecken sich zwischen jeweiligen Enden. Die Enden des ersten und zweiten gebogenen Elements sind an einem jeweiligen der mehreren Gehäuse drehbar angebracht. Das erste und das zweite gebogene Element bilden jeweils einen Teilkreis. Das erste gebogene Element definiert eine erste Nut und das zweite gebogene Element definiert eine zweite Nut. Das erste gebogene Element überschneidet sich mit dem zweiten gebogenen Element rechtwinklig derart, dass sich die erste Nut des ersten gebogenen Elements in einer rechtwinkligen Beziehung zu der zweiten Nut des zweiten gebogenen Elements befindet. Das erste gebogene Element ist ausgestaltet, um sich um eine erste Achse zu drehen, und das zweite gebogene Element ist ausgestaltet, um sich um eine zweite Achse zu drehen, die sich in einer rechtwinkligen Beziehung zu der ersten Achse erstreckt. Das Seil erstreckt sich vom Befestigungsabschnitt aus und durch sowohl die erste Nut als auch die zweite Nut hindurch. Das Seil ist ausgestaltet, um durch Drücken eines Bedieners gegen die Nutzlast relativ zu dem Befestigungsabschnitt derart ausgelenkt zu werden, dass das Seil das erste und/oder das zweite gebogene Element um die jeweilige erste Achse und zweite Achse um einen Winkel verschiebt. Der Seilwinkelsensor ist ausgestaltet, um die Winkelverschiebung des ersten und/oder zweiten gebogenen Elements zu messen. Die Bewegungsvorrichtung umfasst einen Wagen, der mit der Krankatze und/oder dem Brückenkran wirksam verbunden ist. Der Wagen ist ausgestaltet, um sich entlang der jeweiligen X-Achse und/oder Y-Achse entsprechend zu der Winkelverschiebung des ersten und/oder zweiten gebogenen Elements zu bewegen.
Eine Bewegungsvorrichtung ist ausgestaltet, um eine Richtung einer beabsichtigten Bewegung einer Nutzlast zu bestimmen. Die Bewegungsvorrichtung umfasst einen Befestigungsabschnitt, mehrere Gehäuse, ein erstes gebogenes Element, ein zweites gebogenes Element, ein Seil und einen Seilwinkelsensor. Jedes der Gehäuse erstreckt sich wirksam von dem Befestigungsabschnitt aus. Das erste und zweite gebogene Element erstreckt sich jeweils zwischen jeweiligen Enden. Die Enden der ersten und zweiten gebogenen Elemente sind an einem jeweiligen der mehreren Gehäuse drehbar angebracht. Jedes der ersten und zweiten gebogenen Elemente bildet einen Teilkreis. Das erste gebogene Element definiert eine erste Nut und das zweite gebogene Element definiert eine zweite Nut. Das erste gebogene Element überschneidet sich rechtwinklig mit dem zweiten gebogenen Element derart, dass sich die erste Nut des ersten gebogenen Elements in einer rechtwinkligen Beziehung zu der zweiten Nut des zweiten gebogenen Elements befindet. Das erste gebogene Element ist ausgestaltet, um sich um eine erste Achse zu drehen, und das zweite gebogene Element ist ausgestaltet, um sich um eine zweite Achse zu drehen, welche in einer rechtwinkligen Beziehung zu der ersten Achse verläuft. Das Seil erstreckt sich vom Befestigungsabschnitt aus und durch sowohl die erste als auch die zweite Nut hindurch. Das Seil ist ausgestaltet, um durch Drücken eines Bedieners gegen die Nutzlast relativ zum Befestigungsabschnitt derart ausgelenkt zu werden, dass das Seil das erste und/oder zweite gebogene Element um die jeweilige erste und zweite Achse um einen Winkel verschiebt. Der Seilwinkelsensor ist ausgestaltet, um die Winkelverschiebung des ersten und/oder zweiten gebogenen Elements zu messen. Die Bewegungsvorrichtung umfasst einen Wagen, der mit der Krankatze und/oder dem Brückenkran wirksam verbunden ist. Der Wagen ist ausgestaltet, um sich entlang der jeweiligen X-Achse und/oder Y-Achse entsprechend zu der Winkelverschiebung des ersten und/oder zweiten gebogenen Elements zu bewegen.
Ein Verfahren zum Bewegen einer Bewegungsvorrichtung entlang einer X-Achse und/oder einer Y-Achse umfasst, dass ein Seilwinkelsensor bereitgestellt wird, der ausgestaltet ist, um eine Winkelverschiebung eines ersten und/oder eines zweiten gebogenen Elements um eine jeweilige erste und zweite Achse zu messen. Ein Seil wird durch sowohl eine erste als auch eine zweite Nut hindurch, die in dem jeweiligen ersten und zweiten gebogenen Element definiert sind, vertikal angeordnet. Auf das Seil wird ein Winkel derart ausgeübt, dass das Seil eine Winkelverschiebung des ersten und/oder zweiten gebogenen Elements um die jeweilige erste und zweite Achse verursacht. Die Winkelverschiebung des ersten und/oder zweiten gebogenen Elements um die jeweilige erste und zweite Achse wird bestimmt. Die Bewegungsvorrichtung wird in Ansprechen auf die Bestimmung der Winkelverschiebung des ersten und/oder zweiten gebogenen Elements um die jeweilige erste und zweite Achse entlang der X-Achse und/oder der Y-Achse bewegt, bis das Seil vertikal ist.
Die vorstehenden Merkmale und Vorteile und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden sich leicht aus der folgenden genauen Beschreibung der Ausführungsformen und der besten Arten, um die beschriebene Erfindung auszuführen, ergeben, wenn sie in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen und den beigefügten Ansprüchen gelesen wird.
1 ist eine schematische perspektivische Ansicht eines Bewegungssystems, das eine Bewegungsvorrichtung umfasst, die mit einer Tragestruktur verbunden ist und ausgestaltet ist, um eine Nutzlast zu bewegen, die an einem Seil angebracht ist;
2 ist eine schematische perspektivische Ansicht eines Seilwinkelsensors, der ausgestaltet ist, um eine Winkelverschiebung des Seils zu messen;
3 ist eine schematische perspektivische Explosionsansicht von einem Gehäuse, Sensoren und einer Welle des Seilwinkelsensors von 2;
4 ist eine schematische perspektivische Ansicht der Bewegungsvorrichtung, welche die Nutzlast trägt;
5A–5C sind schematische Diagrammansichten von Parameterdefinitionen des Bewegungssystems;
6 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Hochfrequenzschwingungsschemas, das mit dem Controller verwendet werden kann, der in 1 gezeigt ist;
7 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Steuerungsschemas, das mit dem Controller verwendet werden kann, der in 1 gezeigt ist;
8 ist ein schematisches Blockdiagramm einer Beschleunigungsschätzung mit einem Vereinigungsverfahren;
9 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Steuerungsschemas mit einem Gleitmodus; und
10 ist ein weiteres schematisches Blockdiagramm eines Steuerungsschemas mit dem Gleitmodus.
Mit Bezug auf die Zeichnungen, bei denen gleiche Bezugszeichen gleiche Komponenten bezeichnen, ist in 1 bei 10 ein Bewegungssystem 10 gezeigt, das ausgestaltet ist, um eine Nutzlast 12 in mehrere Richtungen zu bewegen. Das Bewegungssystem 10 ist an einer stationären Tragestruktur 14 montiert, die ausgestaltet ist, um das Bewegungssystem 10 und die Nutzlast 12 zu tragen. Die Tragestruktur 14 umfasst ein Paar paralleler Schienen 16 oder Fahrgleise, ist aber nicht darauf beschränkt.
Mit Bezug auf 1 umfasst das Bewegungssystem 10 einen Brückenkran 18, eine Krankatze 20 und eine Bewegungsvorrichtung 22. Der Brückenkran 18 ist eine Struktur, die mindestens einen Träger 30 umfasst, der das Paar paralleler Schienen 16 überspannt. Der Brückenkran 18 ist ausgelegt, um die Nutzlast 12 entlang einer Y-Achse 17 zu befördern. Die Krankatze 20 ist an Trägern 30 des Brückenkrans 18 beweglich derart angebracht, dass die Krankatze 20 ausgelegt ist, um die Nutzlast 12 entlang einer X-Achse 19 in einer allgemein rechtwinkligen Beziehung zu der Y-Achse 17 zu befördern. Die Bewegungsvorrichtung 22 ist an der Krankatze 20 wirksam angebracht. Eine Z-Achse 21 verläuft in eine vertikale Richtung mit Bezug auf den Boden G und ist am Schnittpunkt der X-Achse 19 und der Y-Achse 17 definiert.
Mit Bezug auf 1 und 2 umfasst die Bewegungsvorrichtung 22 einen Seilwinkelsensor 24, ein herabhängendes Seil 26, einen Wagen 28 und einen Controller 32. Das Seil 26 ist ausgestaltet, um die Nutzlast 12 zu tragen. Der Seilwinkelsensor 24 ist ausgestaltet, um zwei Freiheitsgrade des Seils 26 zu messen. Außerdem ist die Bewegungsvorrichtung 22 ausgestaltet, um es dem Bediener 33 zu ermöglichen, seine Hände 35 an einer beliebigen Stelle direkt auf die Nutzlast 12 zu legen. Dadurch, dass der Bediener in einem engen Kontakt mit der Nutzlast 12 steht, ist es für ihn leichter, die Bewegungsvorrichtung 22 zu manipulieren und zu führen. Wenn der Bediener hinsichtlich der Platzierung seiner Hände 35 nicht eingeschränkt ist, kann eine Platzierung der Hand 35 des Bedieners 33 so eingestellt werden, dass sie effizienter, produktiver und komfortabler ist und dem Bediener einen klareren Blick auf die anstehende Aufgabe gibt. Eine direkte Platzierung der Hände 35 des Bedieners 33 an der Nutzlast 12 kann außerdem ermöglichen, dass der Bediener die Nutzlast 12 mit nur einer Hand 35 manövriert, während er die andere Hand 35 für einen anderen Aspekt der Aufgabe verwendet. Zudem kann der direkte Zugriff auf die Nutzlast 12 ermöglichen, dass viele Bediener 33 die Nutzlast 12 gleichzeitig kontaktieren, da das System ausgestaltet ist, um das Ergebnis von kombinierten aufgebrachten Kräften der Bediener 33 auf die Nutzlast 12 zu messen.
Mit Bezug auf 1 und 5 übt der Bediener 33 im Betrieb einen Winkel θ₁ und θ₂ auf das Seil 26 aus, indem er in einer X-Y-Ebene gegen die Nutzlast 12 drückt oder anderweitig eine Kraft F darauf ausübt. Diese Winkel θ₁ und θ₂ werden vom Seilwinkelsensor 24 gemessen. Der Controller 32 ist mit der Bewegungsvorrichtung 22 wirksam verbunden. Der Controller 32 ist ausgestaltet, um den Wagen 28 entlang der X-Achse 19 und/oder der Y-Achse 17 zu bewegen, um das Seil 26 vertikal (entlang der Z-Achse 21) zu halten. Folglich bewegt sich der Wagen 28 in die vom Bediener 33 gewünschte Richtung (die Richtung der Verschiebung des Seils 26), während das Schwingen des Seils 26 gesteuert wird, was zu einer Unterstützung für den Bediener 33 beim Bewegen der Nutzlast 12 entlang der X-Achse 19 und der Y-Achse 17 führt. Da der Controller 32 sicherstellt, dass das Seil 26 vertikal bleibt, ist es nicht erforderlich, dass der Bediener 33 die Nutzlast 12 manuell stoppt, da der Controller 32 veranlasst, dass bewirkt wird, dass die Nutzlast 12 stoppt. Zudem kann auch ein autonomer Modus bereitgestellt werden, bei dem die Position der Nutzlast 12 vorgegeben wird, wobei das Schwingen des Seils 26 verringert wird.
Der Seilwinkelsensor 24 kann so ausgestaltet sein, dass er absolut, genau, und kostengünstig ist und eine hohe Auflösung bereitstellt, um die Steuerungsziele zu erreichen. Der Controller 32 beruht auf vereinfachten Dynamiken des Seils 26 mit einer Steuerung im Zustandsraum, um eine kooperative Bewegung und eine autonome Bewegung bereitzustellen. Der Controller 32 kann modifiziert werden, um Parameter wie etwa die Länge des Seils 26 zu variieren. Außerdem benötigt der Controller 32 keine Masse des Wagens 28 oder der Nutzlast 12 sondern passt sich stattdessen an variierende Parameter an, wobei er robust ist und für den Bediener 33 intuitiv.
Wieder mit Bezug auf 2 umfasst der Seilwinkelsensor 24 ein erstes gebogenes Element 36 und ein zweites gebogenes Element 38. Jedes gebogene Element erstreckt sich zwischen jeweiligen Enden 40. Die gebogenen Elemente 36, 38 bilden jeweils einen Teilkreis und sind auf eine derartige Weise konzentrisch, dass sie einen gemeinsamen Mittelpunkt aufweisen. Das erste Element 36 definiert eine erste Nut 44 und das zweite Element 38 definiert eine zweite Nut 46. Jede Nut erstreckt sich der Länge nach zwischen den jeweiligen Enden 40. Das erste gebogene Element 36 überschneidet sich mit dem zweiten gebogenen Element 38 rechtwinklig derart, dass die Nut des ersten gebogenen Elements 36 in einer rechwinkligen Beziehung zu der Nut des zweiten gebogenen Elements 38 steht. Die Enden 40 der gebogenen Elemente 36, 38 sind an einem jeweiligen Gehäuse 48 drehbar angebracht. Die Gehäuse 48 sind an einer Montageplatte 50 (4) wirksam derart befestigt, dass sich das erste gebogene Element 36 um eine erste Achse 52 herum dreht und sich das zweite gebogene Element 38 um eine zweite Achse 54 dreht, die in einer rechtwinkligen Schnittbeziehung mit der ersten Achse 52 verläuft. Eine Welle 56 verbindet jedes der Enden 40 drehbar mit dem jeweiligen Gehäuse 48. Mit Bezug auf 3 werden die Wellen 56 insbesondere von zwei Lager 58 in dem jeweiligen Gehäuse 48 abgestützt, was sicherstellt, dass die Drehung der Welle 56 um die jeweilige erste und zweite Achse 52, 54 gerade verläuft und die Reibung gering ist.
Mit Bezug auf 4 verläuft das Seil 26 durch die erste Nut 44 und die zweite Nut 46 hindurch. Ein Drehpunkt 60 des Seils 26 sollte auf jede der Nuten 44, 46 derart ausgerichtet sein, dass das Seil 26 gerade durch die gebogenen Elemente 36, 38 hindurch verläuft, um verzerrte Lesewerte zu verhindern, die sich andernfalls aufgrund dessen ergeben könnten, dass das Seil 26 um die gebogenen Elemente 36, 38 gebogen wird. Zudem überschneidet sich ein Abschnitt der Nut 44 des ersten gebogenen Elements 36 mit einem Abschnitt der Nut 46 des zweiten gebogenen Elements 38 über die Winkelverschiebung θ₁ und θ₂ der ersten und zweiten gebogenen Elemente 36, 38 hinweg, welche durch die Bewegung des Seils 26 verursacht werden, das durch die Nuten 44, 46 hindurch verläuft. Eine Führung 85 kann verwendet werden, um sicherzustellen, dass der Seildrehpunkt 60 gleich bleibt. Die Nuten 44, 46 können so ausgestaltet sein, dass sie ein klein wenig größer als der Durchmessers des Seils 26 sind. In den Nuten 44, 46 können flexible Elemente angeordnet sein, um den Spalt zu schließen. Die flexiblen Elemente können dazu beitragen, eine Gegenbewegung des Seils 26 zu verhindern, wenn es mit der Nut in Kontakt kommt, während eine leichte Bewegung des Seils 26 innerhalb der Nuten 44, 46 beibehalten wird.
Weil es zwei Wellen 56 für sowohl die erste Achse 52 als auch die zweite Achse 54 gibt und jede Welle 56 zwei Seiten 62 aufweist, können für jede Achse mehrere Sensoren 64 verwendet werden. Als ein Beispiel, das nicht einschränken soll, können für sowohl die erste Achse 52 als auch die zweite Achse 54 ein Codierer 66 und ein Halleffektsensor 68 verwendet werden. Obwohl nur ein Sensor pro Achse ausreichen kann, stellt das Kombinieren des Codierers 66 mit dem Halleffektsensor 68 viele Vorteile bereit. Erstens können die Signale vom Codierer 66 und vom Halleffektsensor 68 unter Verwendung einer Datenvereinigung kombiniert werden, um ein Signal mit besserer Qualität zu erhalten. Zweitens ist es möglich, beide Signale zu vergleichen, um Probleme zu detektieren, d. h. Fehler in den Einzelsignalen. Schließlich kann das Absolutsignal des Halleffektsensors 68 verwendet werden, während die Genauigkeit des Codierers 66 vorteilhaft genutzt wird. Es können auch andere Sensoren 64 verwendet werden. Absolutcodierer 66, Potentiometer oder lineare Beschleunigungsmesser (die als Neigungsmessgerät verwendet werden) können als Positionssensor verwendet werden. Ein Gyroskop kann verwendet werden, um die Winkelgeschwindigkeit zu erhalten, während ein Beschleunigungsmesser verwendet werden kann, um eine Winkelbeschleunigung zu erhalten. Beschleunigungsmesser oder Gyroskope, die an den mit Nuten versehenen Teilen platziert sind, können außerdem dazu beitragen, verschiedene dynamische Effekte zu bestimmen. An strategischen Stellen können außerdem Lichtschranken verwendet werden. Schließlich kann das vorstehende Signal abgeleitet/integriert werden, um entsprechende Signale zu erhalten.
Der Wagen 28 ist ausgestaltet, um den Brückenkran 18 und/oder die Krankatze 20 in Ansprechen auf das Aufbringen der Kraft F auf die Nutzlast 12 entlang der jeweiligen X-Achse 19 und Y-Achse 17 zu bewegen. Wenn die Kraft F auf die Nutzlast 12 in eine Richtung entlang der X-Achse 19 und/oder der Y-Achse 17 aufgebracht wird, bewirkt eine Bewegung des Seils 26 in den Nuten 44, 46 der gebogenen Elemente 36, 38, dass sich die gebogenen Elemente 36, 38 um einen Winkel θ₁, θ₂ um die jeweilige erste und zweite Achse 52, 54 drehen. Die Sensoren 64 messen einen Drehwinkel θ₁, θ₂ der gebogenen Elemente 36, 38 um die jeweilige erste und zweite Achse 52, 54.
Um unempfindlich für Genauigkeitsfehler bei kleinen Winkelmessungen zu sein, kann eine Totzone beim Winkel verwendet werden. Die Totzone ist ein Gebiet eines Vorzeichenbereichs, bei dem keine Aktion am System auftritt. Die Bewegungsvorrichtung 22 kann außerdem durch nicht modellierte Dynamiken mit kleiner Amplitude und hoher Frequenz erregt werden oder es kann schwierig für die Steuerung sein, Schwingungen mit hoher Frequenz zu managen. Wenn sich das Seil 26 bei Schwingungen nahe bei einer vertikalen Position befindet, wird es schwierig, die Schwingungen zu unterdrücken, da der Winkelmesswert oft das Vorzeichen ändert. Es wird ein Algorithmus, der als ein Schwingungslogikblock 70 gezeigt ist, bereitgestellt, um Schwingungen mit hoher Frequenz zu kompensieren, während die Genauigkeit und das Verhalten, das Seil 26 vertikal zu halten, beibehalten werden. Es ist festzustellen, dass eines der Signale zum Beispiel θ₁ sein kann. Bei einer kleinen Totzone wird θ_db1 verwendet, um Genauigkeitsfehler der Winkelmessungen zu bewältigen. Es werden zwei weitere Winkel definiert, θ_db2 und θ_db3. Das Signal θ_p0 wird in einem Totzonenblock 72 ermittelt und wie folgt ausgedrückt:
und das Signal θ_p1 wird in einem Totzonen- und Sättigungsblock 74 ermittelt und wie folgt ausgedrückt:
Das Signal θ_p0 entspricht dann dem vorstehenden Eingabewinkelsignal θ_db1, während θ_p1 dem Eingabesignal zwischen θ_db2 und θ_db3 entspricht. Um die Hochfrequenzschwingungen aus θ_p1 zu entfernen, wird das Signal weiter verarbeitet. Da die natürliche Position und die gewünschte Position des Seils 26 vertikal ist, kann ein Filteralgorithmus verwendet werden, wie in 6 bei 70 gezeigt ist. Das Absolutsignal von θ_p1 wird bei einem Absolutlogikblock 76 ermittelt und dann läuft das Absolutsignal durch einen Ratenbegrenzungsblock 78. Die Anstiegsgrenze ist niedrig und die Abfallgrenze ist hoch, so dass das Ausgangssignal Zeit zum Anstieg braucht, wodurch Hochfrequenzschwingungen gefiltert werden. Jedoch kann das Signal von θ_p1 schnell auf Null zurückkehren, wodurch eine Phasenverschiebung vermieden wird. Dieses Signal wird dann mit dem Vorzeichen von θ_p1 multipliziert, das in einem Vorzeichenblock 82 gespeichert ist. Das resultierende Signal kann dann optional bei einem Tiefpassblock 80 mit einem gewöhnlichen Tiefpassfilter leicht gefiltert werden, was zu dem Signal θ_p2 führt. Obwohl θ_p0 und θ_p2 in der Steuerung individuell verwendet werden können, können sie auch gruppiert werden zu: θ_pf = θ_p0 + θ_p2
Mit Bezug auf 5A–5C muss eine Beziehung zwischen den Winkeln β_i und θ_i beschafft werden. Ein Einheitsvektor e ist auf das Seil 26 ausgerichtet und die Koordinaten des Endpunkts des Seils 26 sind [X_S, Y_S, Z_S]^T. Das Kreuzprodukt zwischen e und dem Einheitsvektor [010] ergibt die Normale auf die Ebene σ₁, in welcher das Seil 26 liegt. Das Skalarprodukt dieser Ergebnisse mit dem Einheitsvektor [100] führt zum Kosinus des Winkels θ₁. Der Kosinus des Winkels θ₂ wird auf ähnliche Weise beschafft. Unter Verwendung der Tatsache, dass X² + Y² + Z² = 1 gilt außerdem:
Die Koordinaten des Einheitsvektors e sind: X_S = sinθ₁cosβ₁ Y_S = sinβ₁ Z_S = cosθ₁cosβ₁
Die Entsprechung ist:
Das Bilden der Ableitungen aller Themen der vorherigen Gleichung führt zu:
Im Folgenden werden die Bewegungsgleichungen zuerst mit einem vollständigen Modell beschafft, das gekoppelte Bewegung genannt wird. Dann wird durch Vereinfachungen ein vereinfachtes Modell beschafft. Mit Bezug auf 1–4 und den in den 5A–5C definierten Parametern sind die gemessenen Variablen von den Seilwinkelsensoren 24 θ₁, was der ersten Achse 52 entspricht, und θ₂, was der zweiten Achse 54 entspricht. Die Bewegungsgleichungen für die Position der Nutzlast 12 sind: X_p = X_c + L_psinθ₁cosβ₁ Y_p = Y_c + L_psinβ₁ Z_p = L_pcosθ₁cosβ₁ wobei X_p, Y_p und Z_p die Position des Schwerpunkts 42 der Nutzlast 12 in feststehenden Koordinaten ist und X_C und Y_C die Koordinaten des Wagens 28 in feststehenden Koordinaten sind und L_p der Abstand zwischen dem Seildrehpunkt 60 und dem Schwerpunkt 42 der Nutzlast 12 ist. Die potentielle Energie wird wie folgt bereitgestellt: V = –mgL_pcosβ₁cosθ wobei m die Masse der Nutzlast 12 ist und die kinetische Energie ausgedrückt wird durch: T = 1 / 2M_xẊ 2 / c + 1 / 2M_yẎ 2 / c + 1 / 2m(Ẋ 2 / p + Ẏ 2 / p + Ż 2 / p wobei M_X die Masse des Wagens 28 in X-Richtung ist und M_Y die Masse des Wagens 28 in Y-Richtung ist. Es wird darauf hingewiesen, dass die Masse des Seils 26 vernachlässigt wurde. Die Bewegungsgleichungen werden aus den vorstehenden zwei Gleichungen und dem Lagrange-Verfahren wie folgt beschafft: F_X = M_xẌ_c + m(Ẍ_c + L .._pcosβ₁sinθ₁ – L_psinβ₁sinθ₁β ..₁ – L_pcosβ₁sinθ₁β . 2 / 1 – L_pcosβ₁sinθ₁θ .² + 2cosβ₁cosθ₁L ._pθ .₁ – 2L_psinβ₁cosθ₁β .₁θ .₁ – 2L ._pβ .₁sinβ₁sinθ₁ + L_pcosθ₁cosβ₁θ ..₁) F_Y = M_yŸ_c + m(Ÿ_c + 2L ._pβ .₁cosβ₁ – L_pβ . 2 / 1sinβ₁ + L_pcosβ₁β ..₁ + L .._psinβ₁) F_L = m(Ẍ_ccosβ₁sinθ₁ + L .._p + Ÿ_csinβ₁ – L_pβ . 2 / 1 – L_pθ . 2 / 1cos²β₁ – gcosβ₁cosθ₁) F_Z = 0 = M_zZ .._c + m(Z .._c + Lcosθ₁θ . 2 / 1 + Lsinθ₁θ ..₁ + Lcosθ₂θ . 2 / 2 + Lsinθ₂θ ..₂ + g) F_θ1 = 0 = m(Lθ ..₁ + ẍcosθ₁ + gsinθ₁ + 2L ._pθ .₁cosβ₁ – 2L_pθ .₁β .₁sinβ₁)Lcosβ₁ F_β1 = 0 = m(L_pβ ..₁ + L_py ..cosβ₁ – ẍsinβsinθ + 2β .₁L . + L_pθ . 2 / 1cosβ₁sinβ₁ + mgsinβ₁cosθ₁)L_p
Es wird darauf hingewiesen, dass ähnliche Gleichungen mit den anderen Winkeldarstellungen für (θ₂, β₂) gefunden werden können. Zudem ist für relativ kleine Winkel und Winkelgeschwindigkeiten die Kopplung zwischen den Winkeln θ₁ und θ₂ vernachlässigbar. Folglich wird eine Bewegung entlang der X-Achse 19 und der Y-Achse 17 separat behandelt, wie nachstehend beschrieben ist.
Mit nur einem Freiheitsgrad und einer kleinen Drehrate bzw. -geschwindigkeit, wobei θ θ₁ oder θ₂ bezeichnet, während der andere Winkel feststehend bleibt, sind die Bewegungsgleichungen wie folgt: F = (M + m)ẍ + mθ ..Lcosθ – mLθ .²sinθ + mL ..sinθ + 2mθ .L .cosθ τ = 0 = (ẍcosθ + gsinθ + Lθ .. + 2L .θ .)mL was auf die Pendelgleichungen mit konstanter Länge L des Seils 26 wie folgt vereinfacht werden kann: F = (M + m)ẍ + mθ ..Lcosθ – mLθ .²sinθ τ = 0 = (ẍcosθ + gsinθ + Lθ ..)mL wobei M die Masse des Wagens 28 ist und m die Masse der Nutzlast 12 ist. Unter der Annahme kleiner Winkel und einer langsam variierenden vertikalen Translation und unter Vernachlässigung von θ .² können die Gleichungen wie folgt linearisiert werden: F = (M + m)ẍ + mθ ..L 0 = ẍ + gθ + Lθ .. wobei L über einen Zeitschritt hinweg als konstant betrachtet wird und außerdem L_P entspricht.
Der Bewegungsmechanismus kann in einem Kooperationsmodus betrieben werden, der ermöglicht, dass der Bediener 33 die Bewegungsvorrichtung 22 betätigt, indem er seine Hände 35 direkt auf die Nutzlast 12 legt. Der Bewegungsmechanismus ermöglicht, dass der Bediener 33 einen Winkel auf das Seil 26 ausübt, indem er gegen die Nutzlast 12 drückt, und dieser Winkel wird von den Sensoren 64 als eine Drehung (θ₁ und θ₂) der ersten und zweiten gebogenen Elemente 36, 38 um die jeweiligen ersten und zweiten Achsen 52, 54 gemessen. Das Steuerungssystem bewegt den Wagen 28 in Ansprechen auf die Winkel θ₁ und θ₂ des Seils 26, die von den Sensoren 64 gemessen werden, um das Seil 26 vertikal zu halten. Somit bewegt sich der Wagen 28 in die Richtung, die vom Bediener 33 gewünscht wird, wobei jegliches Schwingen des Seils 26 gesteuert wird, was zur Unterstützung des Bedieners 33 beim Bewegen der Nutzlast 12 in die X- und Y-Richtung führt. Da der Controller 32 sicherstellt, dass das Seil 26 vertikal bleibt, ist es außerdem nicht erforderlich, dass der Bediener 33 die Last manuell stoppt, da das Steuerungssystem selbst das Stoppen der Nutzlast 12 managt. Außerdem kann ein autonomer Modus, bei dem die Position der Nutzlast 12 vorgeschrieben ist, gewünscht sein, wobei ein Schwingen des Seils 26 reduziert wird.
Die Kraft F, die benötigt wird, damit ein Bediener 33 die Nutzlast 12 bewegt, wird verringert sein, da ein Maß der auf die ersten und zweiten gebogenen Elemente 36, 38 um die jeweiligen ersten und zweiten Achsen 52, 54 aufgebrachter Winkel θ₁ und θ₂ präzise und genau gemessen werden kann. Dies führt zu einem System, das sich entlang der entsprechenden X-Achse 19 und/oder Y-Achse 17 bewegt.
Der Controller 32 enthält einen Steuerungsblock 86, der in 7 gezeigt ist, welcher ausgestaltet ist, um bei einer kooperativen Bewegung oder einer autonomen Bewegung zu arbeiten. Unter Verwendung nur der letzten vorstehenden Gleichung wird die Beschleunigung des Wagens 28 als der Eingang betrachtet. Die Masse der Nutzlast 12 und des Wagens 28 müssen nicht bekannt sein. Die folgenden Gleichungen werden daher in einem Laplace-Bereich wie folgt beschafft: Ẍ(s) + gθ(s) + s²Lθ(s) = 0
Die Darstellung im Zustandsraum ist wie folgt:
wobei y_S der Ausgangsvektor ist, x _S der Zustandsvektor ist, u_s der Eingangsskalar ist, A_S eine n × n-Zustandsmatrix ist, B_S eine n × m-Eingangsmatrix ist, C_S eine p × n-Ausgangsmatrix ist, D_S eine p × m-Durchgangsmatrix ist und wobei n die Anzahl der Zustände ist, m die Anzahl der Eingänge ist und p die Anzahl der Ausgänge ist. Hier ist x _S = [x ẋ θ θ .]^T und u_s = ẍ, wobei
Die vorstehende Gleichung, die im Laplace-Bereich beschafft wurde, wird verwendet, wobei u = ẍ, das Steuerungsgesetz u_S = K_Re ist, wobei:
wobei ẋ_d, θ_d und θ ._d gleich Null sind.
Wieder mit Bezug auf den Steuerungslogikblock von 7 ist der Eingang u_S die Beschleunigung des Wagens 28 und da ein Steuern der Beschleunigung nicht praktisch ist, wird im Kooperationsmodus eine Geschwindigkeitssteuerung verwendet und im autonomen Modus wird eine Positionssteuerung verwendet. Der Ausgang des letzteren Controllerblocks 88 auf niedriger Ebene ist in 7 als u₂ gezeigt.
Im Kooperationsmodus wird der Ausgang des Zustandsraumcontrollerblocks 90 von 7 als eine diskrete Geschwindigkeit mit einer Integration mit einem Halteglied nullter Ordnung wie folgt beschafft: ẍ_d(k) = u = K_re ẋ_d(k) = ẋ_d(k-1) + ẍ_d(k)T_s
Auf ähnliche Weise wird im autonomen Modus der Ausgang des Zustandsraumcontrollerblocks 90 von 7 als eine Position beschafft, in dem noch einmal integriert wird, wie folgt: x_d(k) = x_d(k-1) + ẋ_d(k-1)T_S + 0.5ẍ_d(k)T 2 / S
Es wird darauf hingewiesen, dass in den vorstehenden Gleichungen die gemessene Geschwindigkeit anstelle des Sollwerts des letzten Zeitschritts verwendet werden kann. Dieses Integrationsverfahren wird verwendet, um eine Beschleunigungssteuerung in einem Admittanzsteuerungsschema zu erreichen. Die gewünschte Beschleunigung wird dann beschafft, indem eine Geschwindigkeits- oder Positionssteuerung verwendet wird, je nachdem, was praktischer ist. Es ist außerdem möglich, zusätzlich eine Steuerung des berechneten Drehmoments unter Verwendung der vorherigen Kraftgleichungen zu verwenden. Obwohl die Masse der Nutzlast 12 und des Wagens 28 dann benötigt würden, ist eine Näherung ausreichend, da auch eine Rückkopplungssteuerung verwendet wird. Außerdem werden die Masse der Nutzlast 12 und des Wagens 28 nicht benötigt, um die Verstärkungen des Zustandsraumcontrollerblocks 90 an variierende Parameter anzupassen. Zudem kann ein Begrenzungs- und Sättigungsblock 92 für virtuelle Wände und zur Begrenzung der Geschwindigkeit und Beschleunigung des Wagens 28 verwendet werden.
Im Kooperationsmodus wird K_x auf Null gesetzt, weil es keine Referenzposition gibt. Die Steuerungsverstärkung K_θp, d. h. die Verstärkung des Winkelgeschwindigkeitssignals, kann in Abhängigkeit von der Qualität des Winkelableitungssignals optional verwendet werden. Es kann ein adaptiver Controller 32 auf der Grundlage der Polplatzierung und der Zustandsraumsteuerung verwendet werden. Der Pol des Systems kann beschafft werden durch: det[sI – A + BK_r], was zu der Gleichung führt:
wobei K_θ und K_θp als negativ angenommen sind.
Die Transferfunktion von einem Winkel θ zu einer Winkelanfangsbedingung θ₀ ist wie folgt:
Die Pole können wie folgt platziert werden: (s + p₁)(s² + 2ζ₁ω_n1 + ω 2 / n1)
Bei einem ersten Verfahren werden K_v und K_θ verwendet, was zu dem Folgenden führt:
und dann wird das Folgende verwendet:
wobei
und ζ Entwurfsparameter sind. Auf diese Weise werden die Steuerungsverstärkungen beschafft. Die Nullstelle der Transferfunktion beeinflusst die Antwort, aber ohne eine praktische Auswirkung, da sie relativ hoch ist, und ω_n1 wird sehr nahe bei
aber nicht zu nahe, um numerische Probleme zu vermeiden.
Das Steuerungsschema wird dann mit diesen Verstärkungen verwendet, um die Zusammenarbeit mit dem Bediener 33 zu managen, während das Seil 26 stabilisiert wird.
Bei einem zweiten Verfahren werden K_v, K_θ und K_θp verwendet, was zum Folgenden führt:
Das zweite Verfahren ermöglicht, dass die Pole konstant bleiben. Das Verwenden der Verstärkung K_θp ermöglicht, den Wagen 28 im Hinblick auf die Winkel θ₁ und θ₂ und die Winkelgeschwindigkeit zu bewegen. Dann wird das Folgende erhalten:
wobei
ζ und K_θp Entwurfsparameter sind. Auf diese Weise werden die Steuerungsverstärkungen beschafft. Die Nullstelle der Transferfunktion beeinflusst die Antwort, aber ohne eine praktische Auswirkung, da sie relativ hoch ist, ω_n1 wird sehr nahe bei
gewählt, aber nicht zu nahe, um numerische Probleme zu vermeiden.
Das Steuerungsschema wird dann mit diesen Verstärkungen verwendet, um die Zusammenarbeit mit dem Bediener 33 zu managen, während die Bewegungsvorrichtung 22 stabilisiert wird.
Vernachlässigte Terme des vollständigen Modells wie etwa L ., β ., θ .² und die viskose Reibung können beispielsweise durch die Verstärkungen K_θ und K_θp kompensiert werden, indem die Terme über einen Zeitschritt hinweg als konstant aufgefasst werden, ähnlich wie die Länge L des Seils 26.
Steuerungsverstärkungen können auch aus den berechneten Verstärkungen heuristisch modifiziert werden. Zudem können Steuerungsverstärkungen für θ_p0 und θ_p2 und ihre Ableitungen voneinander verschieden sein.
Im autonomen Modus wird K_x verwendet, um die Position des Wagens 28 zu steuern. Die Steuerungsverstärkung K_θp kann optional verwendet werden. Es wird ein adaptiver Controller 32 bereitgestellt, der auf einer Polplatzierung und einer Zustandsraumsteuerung unter Verwendung von K_θp basiert. Ähnlich wie beim Kooperationsmodus sind die Systempole:
wobei K_θ und K_θp als negativ angenommen werden.
Es gibt einen Kompromiss zwischen der Positionstrajektorie des Wagens 28 und der Auslöschung von Schwingungen des Seils 26. Hinsichtlich der Gleichungen liegt dies an den Nullstellen der Transferfunktion.
Eine Polplatzierung wird unter Verwendung der charakteristischen Gleichung verwendet: (s + p₁)²(s² + 2ζ₁ω_n1 + ω 2 / n1)
Ein Gleichsetzen der vorstehenden Gleichungen für die Systempole und die Polplatzierung liefert:
und dann wird das Folgende verwendet:
wobei
und ζ Entwurfsparameter sind und p₁ heuristisch so gewählt wird, dass er gleich ω_n1 ist, damit er auf dem gleichen Kreis wie die anderen Pole liegt. Es ist eine Entwurfswahl, zwei komplexe Pole und zwei gleiche reale Pole zu verwenden, da andere Wahlen möglich sind. Auf diese Weise werden die anzupassenden Zustandsraumcontrollerverstärkungen erhalten. Die Nullstelle der Transferfunktion beeinflusst die Antwort, aber ohne eine praktische Auswirkung, da sie relativ hoch ist. Ein Wert von ω_n1 wird sehr nahe bei
gewählt, aber nicht zu nahe, um numerische Probleme zu vermeiden.
Es wird darauf hingewiesen, dass der Bediener 33 im autonomen Modus die Nutzlast 12 immer noch schieben kann. Die Position des Wagens 28 wird sich in die Richtung bewegen, die vom Bediener 33 gewünscht wird, während sie von ihrer Referenzposition angezogen wird und Schwingungen der Bewegungsvorrichtung 22 ausgelöscht werden. In Abhängigkeit von den Steuerungsverstärkungen wird es mehr oder weniger leicht sein, den Wagen 28 von seiner Referenzposition weg zu bewegen. Mit Bezug auf 7 wird der Steuerungsblock 86 dann mit diesen Verstärkungen verwendet werden, um den autonomen Betrieb und die Zusammenarbeit mit dem Bediener 33 zu managen, wobei die Bewegungsvorrichtung 22 stabilisiert wird.
Vernachlässigte Terme des vollständigen Modells, wie etwa L ., β ., θ .² und die viskose Reibung können beispielsweise durch die Verstärkungen K_θ und K_θp kompensiert werden, indem die Terme über einen Zeitschritt hinweg als konstant betrachtet werden, ähnlich wie mit der Länge L des Seils 26.
Steuerungsverstärkungen können außerdem aus den berechneten Verstärkungen heuristisch modifiziert werden. Zudem können Steuerungsverstärkungen für θ_p0 und θ_p2 und deren Ableitungen voneinander verschieden sein.
Beim Umschalten zwischen den Modi, d. h. dem Kooperationsmodus, dem autonomen Modus, Anhalten und dergleichen, kann ein Profil für grobe Beschleunigung und Stöße benötigt werden. Das häufigste abrupte Profil tritt auf, wenn Modi umgeschaltet werden, während die Winkel θ₁ und θ₂ des Seils 26 von Null verschieden sind. Ein ”stoßfreier” Transfer oder ein sanfter Transfer zwischen den Modi kann erreicht werden. Bei einer Ausführungsform wird der letzte Steuerungseingang gemerkt oder beobachtet. Bei einer anderen Ausführungsform wird die gemessene Geschwindigkeit gemerkt, wenn die Modusumschaltung auftritt. Im Kooperationsmodus ist die stoßfreie Ausgangsgeschwindigkeit wie folgt: v_DesBumpl = a_btv_mem + (1 – a_bt)v_des
Die Variable a_bt wird wieder auf 1 initialisiert, wenn eine Modusumschaltung auftritt, und wird dann bei jedem Zeitschritt mit b_bt multipliziert. Zu Beginn ist dann v_DesBumpl gleich der gemessenen Geschwindigkeit (v_mem) und nach einiger Zeit geht a_bt in Abhängigkeit von dem Parameter b_bt gegen 0 und v_DesBumpl gegen v_des. Das Ziel besteht darin, von der gegenwärtigen Geschwindigkeit im Augenblick der Modusumschaltung (v_mem) auf eine sanfte gefilterte Weise zu der Sollgeschwindigkeit (v_des) überzugehen. Für den autonomen Modus wird die Sollposition zuerst auf die gemessene Position zurückgesetzt und die gewünschte stoßfreie Geschwindigkeit wird integriert, um eine neue Sollposition unter Berücksichtigung dieser Geschwindigkeit zu erhalten. Eine weitere Glättung kann auch möglich sein, indem die Beschleunigung bei der Modusumschaltung berücksichtigt wird.
Zusätzlich zu der Bewegung in die X-Richtung und Y-Richtung kann die Nutzlast 12 außerdem in eine vertikale Richtung, d. h. in die Z-Richtung bewegt werden. Um die vertikale Bewegung des Seils 26 zu steuern, kann eine Seilwinde 94 in Kombination mit einem Kraftaufnehmer 96 (oder Kraftsensor) und ein Beschleunigungsmesser 97 verwendet werden. Die Seilwinde 94 kann einen DC-Motor mit einer Riemenscheibe verwenden, um das Seil 26 auf- bzw. abzurollen und somit die Länge L des Seils 26 zu verändern. Der Beschleunigungsmesser 97 kann in der Nähe des Befestigungspunkts 84 der Nutzlast 12 in einer Reihe mit dem Seil 26 platziert sein.
Damit der Bediener 33 in der Lage ist, Kräfte an einer beliebigen Stelle auf die Nutzlast 12 aufzubringen, muss eine vertikale Kooperation beschafft werden. Insbesondere ist eine vertikale Kooperation eine Bewegung der Nutzlast 12 in vertikaler Richtung. Um eine vertikale Kooperation zu erreichen, wird der Kraftaufnehmer 96 in Reihe mit dem Seil 26 vor der Nutzlast 12 platziert. Ein Signal des Kraftaufnehmers 96 hängt von den Trägheitseffekten der Last ab. Das Signal ist: f_1cell = f_H + m(Ẍ_ccosβ₁sinθ₁ + L .._p – L_pβ . 2 / 1 – L_pθ . 2 / 1cos²β₁ + Ÿ_csinβ₁ – gcosβ₁cosθ₁) = f_H + ma_p wobei f_H die Kraft des Bedieners 33 ist und a_p die Beschleunigung der Nutzlast 12 ist: a_p = (Ẍ_ccosβ₁sinθ₁ + L .._p – L_pβ . 2 / 1 – L_pθ . 2 / 1cos²β₁ + Ÿ_csinβ₁ – gcosβ₁cosθ₁)
Um die Masse der Nutzlast 12 oder die Kraft des Bedieners 33 zu schätzen, müssen die dynamischen Effekte in der Steuerung kompensiert werden. Einige Verfahren, welche die dynamischen Effekte kompensieren, können das individuelle Kompensationsverfahren, das Vereinigungsverfahren, das Beschleunigungsverfahren und dergleichen umfassen.
Das individuelle Verfahren wird verwendet, um jeden Term der vorstehenden Gleichung individuell zu berechnen. Die Schätzung ist dann: a ^_pi = (Ẍ_ccosβ₁sinθ₁ + L .._p – L_pβ . 2 / 1 – L_pθ . 2 / 1cos²β₁ + Ÿ_csinβ₁ – gcosβ₁cosθ₁) wobei a ^_pi die Schätzung der Beschleunigung der Nutzlast mit dem individuellen Verfahren ist.
Für die vorstehende Gleichung werden mehrere Messwerte benötigt. Die Seilwinkel θ₁ und θ₂ (aus welchen β₁ und β₂ hergeleitet werden) werden mit dem Seilwinkelsensor beschafft, wie vorstehend erläutert wurde. Die Seilwinkelgeschwindigkeiten θ .₁ und θ .₂ (aus welchen β .₁ und β .₂ hergeleitet werden) werden aus den Seilwinkelableitungen (hier mit dem Kalman-Filter durchgeführt) beschafft. Jedoch könnten auch Ratengyroskope an den Wellen der Seilwinkelsensoren platziert sein. Die Seillänge L_c wird mit einem Positionssensor an der Welle des Motors der Seilwinde 94 beschafft (was hier mit einem Potentiometer und einem inkrementellen Codierer, die miteinander vereinigt werden, durchgeführt wird). Die Seillänge L_c ist die Länge zwischen dem Seildrehpunkt 60 und dem Nutzlastbefestigungspunkt 84. Die Position L_p der Nutzlast 12 wird beschafft mit: L_p = L_c + δ_cm wobei δ_cm eine Näherung des Schwerpunkts der Nutzlast 12 vom Befestigungspunkt 84 der Nutzlast 12 aus ist. Die vertikale Beschleunigung L .._p des Seils wird aus einer Vereinigung der Sollbeschleunigung und der zweiten Ableitung des Messwerts der Seillänge L beschafft. Eines dieser zwei Signale könnte auch direkt verwendet werden. Außerdem könnte ein Drehbeschleunigungsmesser oder ein Gyroskop an der Welle des Motors der Seilwinde 94 platziert sein. Das Gyroskopsignal sollte abgeleitet werden, um die Winkelbeschleunigung zu erhalten. Daraus kann das Maß der vertikalen Beschleunigung des Seils beschafft werden. Die Beschleunigung des Wagens, Ẍ_C und Ÿ_C wird aus einer Vereinigung der Sollbeschleunigung und der zweiten Ableitung des Messwerts der Seillänge L beschafft. Eines dieser zwei Signale könnte auch direkt verwendet werden. Die Wagenbeschleunigung kann auch beschafft werden, indem ein Drehbeschleunigungsmesser oder ein Gyroskop (Ableitung) an den Motorwellen platziert wird. Außerdem könnten lineare Beschleunigungsmesser am Wagen 28 platziert werden. Die Beschleunigung a ^_pi wird dann beschafft, indem alle diese Messwerte und Schätzwerte in die vorstehende Gleichung eingegeben werden.
Die vertikale Beschleunigung L .._p des Seils und die Wagenbeschleunigung Ẍ_C und Ÿ_C werden beschafft, indem die Sollbeschleunigung mit der zweiten Ableitung des Positionsmesswerts vereinigt wird. Die Verwendung der Sollbeschleunigung alleine kann ungenau sein, während bekannt ist, dass die zweite Ableitung des Positionsmesswerts sehr verrauscht ist. Ein Vereinigen der Signale kann jedoch einen Vorteil aus beiden ziehen, indem eine Kalman-Filterung verwendet wird.
Es wird ein Beschleunigungsmodell dritter Ordnung verwendet:
um den Zustandsschätzwert x ^_i(k) zu finden:
Die Beschleunigungsschätzung wird dann wiederhergestellt mit:
wobei q ^_i,
und
jeweils der endgültige Schätzwert der Position, der Geschwindigkeit und der Beschleunigung ist.
Dies führt zu einem genaueren Schätzwert als wenn das Kalman-Filter auf das Signal q_i direkt angewendet würde. Insbesondere weist das Fehlersignal eine geringere Amplitude und Bandbreite als das Verbundsignal auf, so dass es leichter ist, ein Qualitätssignal zu beschaffen, während Nachteile des Filterns verringert werden. Wenn als ein Beispiel, da nicht einschränken soll, die Filterparameter auf hohe Filterwerte gesetzt werden, wird der Schätzwert nahe bei der Sollbewegung liegen, statt dass er nahe bei Null liegt wie bei einem Filter direkt auf dem Verbundsignal.
Für die Beschleunigung des Wagens ist die Idee ähnlich aber komplexer. Insbesondere sind in einem X- und Y-Kooperationsmodus die Sollgeschwindigkeit und die Beschleunigung bekannt, aber nicht die Sollposition. Es ist nicht wünschenswert, die Sollgeschwindigkeit zu integrieren, um die Sollposition zu beschaffen, da diese mit der Zeit driften würde. Der Fehler ist dann definiert als: e_i = q ._di – q ._i und gefiltert mit einem Geschwindigkeitsmodell eines Kalman-Modells zweiter Ordnung. Die Variable q_i kann direkt eingegeben werden oder nachdem sie etwa mit einem Beschleunigungsmodell eines Kalman-Filters dritter Ordnung leicht gefiltert wurde. Die Verbundbeschleunigung wird dann wie die vertikale Beschleunigung des Seils rekonstruiert.
Das individuelle Verfahren weist den Vorteil auf, dass es im Gegensatz zu dem Beschleunigungsmessverfahren keine Drift aufweist, und die Schätzung des dynamischen Effekts kann genau sein, da sie an der Position des Schwerpunkts der Nutzlast durchgeführt werden kann.
Es wird darauf hingewiesen, dass das individuelle Verfahren und das Vereinigungsverfahren nicht nur für ein herabhängendes Seil, sondern auch für andere Mechanismen, etwa einen Gelenkmechanismus und dergleichen, verwendet werden können.
Bei dem Vereinigungsverfahren werden das Beschleunigungsmesserverfahren und das individuelle Verfahren vereinigt, um die Vorteile jedes Verfahrens zu nutzen, wie in 10 bei 100 gezeigt ist. Die Beschleunigung bei der Position L_a des Beschleunigungsmessers wird zunächst unabhängig durch das Beschleunigungsmesserverfahren und durch das individuelle Verfahren beschafft. In Abhängigkeit von der Konfidenz jedes Terms werden die entsprechenden individuellen Terme und der Beschleunigungsmesser an dieser Position vereinigt. Mit den korrigierten individuellen Termen, die als Ausgang beschafft werden, wird die Beschleunigung am Schwerpunkt der Nutzlast berechnet. Die Vereinigung bei der Beschleunigungsmesserposition wird hier mit einem linearen Datenabgleich mit der Gleichung erledigt: E₁ + E₂ + E₃ + E₄ = E₅ wobei E₁ = L .._a E₂ = –L_aβ . 2 / 1 – L_aθ . 2 / 1cos²β₁ E₃ = –gcosβ₁cosθ₁ E₄ = Ẍ_ccosβ₁sinθ₁ + Ÿ_csinβ₁ E₅ = a_acc wobei a_acc ein Beschleunigungsmessersignal ist und E₁ bis E₄ mit dem individuellen Verfahren beschafft werden (L_a ist aus der Seillänge L und dem Abstand zwischen dem Beschleunigungsmesser und dem Seilendpunkt bekannt).
Unter Verwendung des Lagrange-Verfahrens ist das Kriterium:
wobei E ^₁ eine endgültige Schätzung eines gegebenen Effekts ist, E_im ein Eingangsmesswert oder ein anfänglicher Schätzwert des gegebenen Effekts ist und σ_Ei Konfidenz-Terme sind. Die Lösung ist gegeben durch: E_out = E_in – W^–1H^T(HW^–1H^T)^–1HE_in wobei:
Dann wird der Schätzwert der Nutzlastbeschleunigung mit E ^₁ bis E ^₄ berechnet:
wobei a ^_pf der Schätzwert der Nutzlastbeschleunigung mit dem Vereinigungsverfahren bei 100 in 10 ist.
Mit Bezug nun auf 8 ist ein allgemeines Schema des Vereinigungsverfahrens gezeigt.
Es wäre auch möglich, andere Beschleunigungsmesser oder andere Sensoren hinzuzufügen (oder nur Beschleunigungsmesser zu vereinigen) und sie mit der gleichen Technik zu vereinigen, indem die vorstehenden Vektoren leicht modifiziert werden, oder eine Vereinigung mit einer Kalman-Filterung zu verwenden, und dergleichen. Es ist festzustellen, dass das individuelle Verfahren und das Vereinigungsverfahren auch mit anderen Mechanismen verwendet werden können, wie etwa einem Gelenkmechanismus und dergleichen.
Die Masse der Nutzlast 12 kann auch aus Gründen überwacht werden, welche die Kenntnis, ob die Vorrichtung belastet ist oder ob die Masse die Nutzlastgrenze überschreitet und dergleichen umfassen, aber nicht darauf beschränkt sind. Diese Informationen können außerdem bei der Positions- oder Geschwindigkeitssteuerung verwendet werden, um die Leistungen zu verbessern. Sie können auch verwendet werden, um die Nutzlastmasse zu schätzen, bevor in einen Gleitmodus 102 eingetreten wird. Insbesondere wird die Masse benötigt werden, um die angewendete menschliche Kraft zu schätzen, wie nachstehend in größerem Detail erläutert wird. Wenn der Schätzwert beispielsweise m ^ = F_1cell/g (oder eine gefilterte Version davon) ist, müsste die Masse dennoch ein richtiges Seil aufweisen, damit der Schätzwert genau ist, was in der Praxis nicht brauchbar ist. Die Masse wird dann mit einer gefilterten Version m ^ = F_1cell/a ^_pf (oder einer Identifizierungstechnik) herausgefunden, wobei a ^_pf der Schätzwert des Vereinigungsverfahrens ist, wie vorstehend bereitgestellt wurde.
Der Schätzwert der menschlichen Kraft wird in 9 und 10 in einem Gleitmodus bei 102 verwendet. Vor dem Eintritt in diesen Gleitmodus 102 wird bei 103 die Masse der Nutzlast bestimmt, wie in der vorherigen Sektion erläutert wurde. Die menschliche Kraft wird bei 105 aus der folgenden Gleichung hergeleitet: f ^_H = F_lcell – m ^₀a ^_pf wobei a ^_pf der Schätzwert der Nutzlastbeschleunigung ist, wie vorstehend und beim Vereinigungsverfahren beschrieben, F_1cell das Signal des Kraftaufnehmers 96 ist und m ^₀ der Schätzwert der Nutzlastmasse vor dem Eintritt in den Gleitmodus ist. Das geschätzte Signal der menschlichen Kraft kann auf verschiedene Weisen behandelt werden. Zuerst kann eine Totzone angewendet werden, um Schätzfehlern zu bewältigen:
wobei F_dband eine zu definierende Totzone ist.
Das Signal kann vor und nach der Totzone außerdem tiefpassgefiltert werden. Der Effekt ist unterschiedlich und ist ein Entwurfsparameter.
Die Kompensation der dynamischen Effekte und die Totzone können außerdem eine Funktion jedes individuellen dynamischen Effekts sein. Dies kann verwendet werden, um ein Rauschen bei der Kompensation zu reduzieren und/oder um eine Totzone für einen gegebenen dynamischen Effekt nur hinzuzufügen, wenn dieser Effekt vorhanden ist. Dies ist nützlich, wenn die Totzone aufgrund hoher Ungewissheiten groß sein muss.
Das absolute Signal wird leicht gefiltert, um Hochfrequenzrauschen zu entfernen. Dann wird eine Ratenbegrenzung angewendet, die ermöglicht, dass das Signal schnell ansteigt, aber viel langsamer abnimmt, um den Effekt eine gegebene Zeit lang zu halten. Als ein Beispiel, das nicht einschränken soll, wird das Signal dann, wenn das Signal nur temporär auf Null geht, hier heuristisch mit einer Exponentialfunktion von Null auf Eins umgewandelt, wie etwa:
wobei w_e das verarbeitete Signal ist und a_e ein Entwurfsparameter ist. Die Totzone und/oder die Kompensation des gegebenen dynamischen Effekts werden dann mit diesem Wert multipliziert. Wenn beispielsweise die gesamte Ungewissheit aufgrund von vier Effekten, die jeweils eine Unsicherheit von 5 Newton (N) aufweisen, 20 N beträgt und nur ein Effekt vorhanden ist, etwa die vertikale Beschleunigung des Seils, kann die Totzone auf nur 5 N anstelle von 20 N eingestellt werden. Die Totzone wird nur erhöht, wenn andere Effekte vorhanden sind. Dies muss gut abgestimmt werden, damit es intuitiv für den Bediener bleibt.
Vor dem Eintritt in den Gleitmodus 102 wird die Masse der Nutzlast geschätzt, wie vorstehend beschrieben ist, und wird auf diesen Wert eingefroren, der m ^₀ genannt wird. Im Gleitmodus 102 wird die menschliche Kraft geschätzt und verarbeitet wie ebenfalls vorstehend beschrieben ist. Diese Schätzung wird bei 107 an einen Admittanzcontroller 98 gesendet, der einen Befehl 99 berechnet, der bei 109 zu dem Mechanismus 22 gesendet werden soll. Der allgemeine Gleitmodusprozess ist in 9 gezeigt.
Mit Bezug nun auf 10 ist ein detaillierteres Steuerungsschema gezeigt. Als Positionscontroller wird ein PID-Controller verwendet. Der Schätzwert der Masse der Nutzlast 12 könnte auch verwendet werden, um die Steuerungsleistung zu verbessern.
Der Admittanzcontroller 98 empfängt eine Kraft als Eingang, die gemessen wird, und reagiert bei 104 mit einer Verschiebung, d. h. einer Position oder Geschwindigkeit in der vertikalen Richtung, als Ausgang. Dieser Verschiebungsausgang, d. h. die Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung werden bei 106 auf Sättigung und Grenzwerte verarbeitet und die Ausgangsverschiebungen, d. h. die Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung werden bei 110 an den Positionscontroller gesendet. Die Trajektorie, welcher der Mechanismus 22 folgen soll, kann als eine Solltrajektorie vorgeschrieben sein. Es wird eine Positionssteuerung verwendet, da dynamische Effekte wie etwa die Schwerkraft permanent auf die Last einwirken.
Wieder mit Bezug auf 10 ist ein Steuerungsschema bei 108 gezeigt. Ein PID-Controller wird bei 110 als Positionscontroller verwendet. Der Schätzwert der Masse der Nutzlast 12 kann auch verwendet werden, um die Steuerungsleistung zu verbessern.

Claims

Bewegungssystem (10), das ausgestaltet ist, um eine Nutzlast (12) zu bewegen, wobei das Bewegungssystem (10) umfasst: einen Brückenkran (18), der für eine Bewegung entlang einer X-Achse (19) ausgestaltet ist; eine Krankatze (20), die am Brückenkran (18) beweglich angebracht ist und für eine Bewegung entlang einer Y-Achse (17) in einer rechtwinkligen Beziehung zu der X-Achse (19) ausgestaltet ist; eine Bewegungsvorrichtung (22), die von der Krankatze (20) herabhängt, wobei die Bewegungsvorrichtung (22) umfasst: einen Befestigungsabschnitt (50); mehrere Gehäuse (48), die sich vom Befestigungsabschnitt (50) aus wirksam erstrecken; ein erstes gebogenes Element (36) und ein zweites gebogenes Element (38), die sich zwischen jeweiligen Enden (40) erstrecken; wobei die Enden (40) der ersten (36) und zweiten (38) gebogenen Elemente an einem jeweiligen der mehreren Gehäuse (48) drehbar angebracht sind; wobei jedes der ersten (36) und zweiten (38) gebogenen Elemente einen Teilkreis bildet; wobei das erste gebogene Element (36) eine erste Nut (44) definiert und das zweite gebogene Element (38) eine zweite Nut (46) definiert; wobei sich das erste gebogene Element (36) rechtwinklig mit dem zweiten gebogenen Element (38) derart überschneidet, dass sich die erste Nut (44) des ersten gebogenen Elements (36) in einer rechtwinkligen Beziehung zu der zweiten Nut (46) des zweiten gebogenen Elements (38) befindet; wobei das erste gebogene Element (36) ausgestaltet ist, um sich um eine erste Achse (52) zu drehen, und das zweite gebogene Element (38) ausgestaltet ist, um sich um eine zweite Achse (54) zu drehen, die sich in einer rechtwinkligen Beziehung zu der ersten Achse (52) erstreckt; ein Seil (26), das sich von dem Befestigungsabschnitt (50) aus und durch sowohl die erste Nut (44) als auch die zweite Nut (46) hindurch erstreckt; wobei das Seil (26) ausgestaltet ist, um durch Drücken eines Bedieners (33) gegen die Nutzlast (12) relativ zu dem Befestigungsabschnitt (50) derart ausgelenkt zu werden, dass das Seil (26) das erste (36) und/oder das zweite (38) gebogene Element um die jeweilige erste (52) und zweite (54) Achse um einen Winkel verschiebt; und einen Seilwinkelsensor (24), der ausgestaltet ist, um die Winkelverschiebung des ersten (36) und/oder zweiten (38) gebogenen Elements zu messen; wobei die Bewegungsvorrichtung (22) ferner einen Wagen (28) umfasst, der mit der Krankatze (20) und/oder dem Brückenkran (18) wirksam verbunden ist; wobei der Wagen (28) ausgestaltet ist, um sich entlang der jeweiligen X-Achse (19) und/oder Y-Achse (17) entsprechend der Winkelverschiebung des ersten (36) und/oder zweiten (38) gebogenen Elements zu bewegen.
Bewegungssystem (10) nach Anspruch 1, das ferner einen Controller (32) umfasst, der zwischen dem Sensor (24) und dem Wagen (28) wirksam verbunden ist; wobei der Controller (32) ausgestaltet ist, um ein Signal vom Sensor (24) zu empfangen, welches das Maß der Winkelverschiebung des ersten (36) und/oder zweiten (38) Elements anzeigt, und um wiederum ein Signal an den Wagen (28) zu senden, um den Wagen (28) entlang der X-Achse (19) und/oder der Y-Achse (17) in Ansprechen auf das Signal, das vom Sensor (24) empfangen wurde, zu bewegen.
Bewegungssystem (10) nach Anspruch 2, wobei die Bewegungsvorrichtung (22) ferner umfasst: mehrere Lager (58), wobei jeweils eines der mehreren Lager (58) in jedem der Gehäuse (48) angeordnet ist; und mehrere Wellen (56), wobei jede der mehreren Wellen (56) jeweils eines der Enden (40) eines der ersten (36) und zweiten (38) gebogenen Elemente mit dem jeweiligen Gehäuse (48) drehbar derart verbindet, dass die Wellen (56) durch das jeweilige Lager (58) drehbar gelagert sind.
Bewegungssystem (10) nach Anspruch 3, wobei der Seilwinkelsensor (24) umfasst: ein Codiererpaar (66), das jeweils mit dem ersten gebogenen Element (36) oder dem zweiten gebogenen Element (38) wirksam verbunden ist; und ein Sensorpaar (68), das jeweils mit dem ersten gebogenen Element (36) oder dem zweiten gebogenen Element (38) wirksam verbunden ist; wobei der Sensor (68) und der Codierer (66), die jeweils dem ersten gebogenen Element (36) oder dem zweiten gebogenen Element (38) entsprechen, ausgestaltet sind, um ein Signal an den Controller (32) zu liefern, das der Winkelverschiebung des jeweiligen ersten gebogenen Elements (36) oder zweiten gebogenen Elements (38) entspricht.
Bewegungssystem (10) nach Anspruch 1, wobei die Bewegungsvorrichtung (22) ferner eine Seilwinde (94) umfasst, die ausgestaltet ist, um das Seil (26) in eine Z-Richtung (21) zu bewegen, um eine Länge des Seils (26) zu variieren und um die Nutzlast (12) in die Z-Richtung (21) zu bewegen.
Bewegungssystem (10) nach Anspruch 5, wobei die Bewegungsvorrichtung (22) ferner einen Kraftaufnehmer (96) umfasst, der mit dem Seil (26) wirksam verbunden ist und ausgestaltet ist, um eine Last zu erfassen, die auf die Nutzlast (12) aufgebracht wird.
Bewegungsvorrichtung (22), die ausgestaltet ist, um die Richtung einer beabsichtigten Bewegung einer Nutzlast (12) zu bestimmen, wobei die Bewegungsvorrichtung (22) umfasst: einen Befestigungsabschnitt (50); mehrere Gehäuse (48), die sich vom Befestigungsabschnitt (50) aus wirksam erstrecken; ein erstes gebogenes Element (36) und ein zweites gebogenes Element (38), die sich zwischen jeweiligen Enden (40) erstrecken; wobei die Enden (40) der ersten (36) und zweiten (38) gebogenen Elemente jeweils an einem der mehreren Gehäuse (48) drehbar angebracht sind; wobei jedes der ersten (36) und zweiten (38) gebogenen Elemente einen Teilkreis bildet; wobei das erste gebogene Element (36) eine erste Nut (44) definiert und das zweite gebogene Element (38) eine zweite Nut (46) definiert; wobei sich das erste gebogene Element (36) mit dem zweiten gebogenen Element (38) rechtwinklig derart überschneidet, dass sich die erste Nut (44) des ersten gebogenen Elements (36) in einer rechtwinkligen Beziehung zu der zweiten Nut (46) des zweiten gebogenen Elements (38) befindet; wobei das erste gebogene Element (36) ausgestaltet ist, um sich um eine erste Achse (52) zu drehen, und das zweite gebogene Element (38) ausgestaltet ist, um sich um eine zweite Achse (54) zu drehen, die sich in einer rechtwinkligen Beziehung zu der ersten Achse (52) erstreckt; ein Seil (26), das sich vom Befestigungsabschnitt (50) aus und durch sowohl die erste Nut (44) als auch die zweite Nut (46) erstreckt; wobei das Seil (26) ausgestaltet ist, um durch Drücken eines Bedieners (33) gegen die Nutzlast (12) relativ zu dem Befestigungsabschnitt (50) derart ausgelenkt zu werden, dass das Seil (26) das erste (36) und/oder das zweite (38) gebogene Element um die jeweilige erste (52) und zweite (54) Achse um einen Winkel (θ₁, θ₂) verschiebt; und einen Seilwinkelsensor (24), der ausgestaltet ist, um die Winkelverschiebung des ersten (36) und/oder zweiten (38) gebogenen Elements zu messen; wobei die Bewegungsvorrichtung (22) ferner einen Wagen (28) umfasst, der mit der Krankatze (20) und/oder dem Brückenkran (18) wirksam verbunden ist; wobei der Wagen (28) ausgestaltet ist, um sich entlang der jeweiligen X-Achse (19) und/oder Y-Achse (17) entsprechend zu der Winkelverschiebung des ersten (36) und/oder zweiten (38) gebogenen Elements zu bewegen.
Bewegungsvorrichtung (22) nach Anspruch 7, die ferner einen Controller (32) umfasst, der zwischen dem Sensor (24) und dem Wagen (28) wirksam verbunden ist; wobei der Controller (32) ausgestaltet ist, um ein Signal vom Sensor (24) zu empfangen, welches das Maß der Winkelverschiebung des ersten (36) und/oder des zweiten (38) Elements anzeigt, und um wiederum ein Signal an den Wagen (28) zu senden, um den Wagen (28) in Ansprechen auf das vom Sensor (24) empfangene Signal entlang der X-Achse (19) und/oder der Y-Achse (17) zu bewegen.