用于对装载物定位和定向的设备和方法与流程

本发明涉及操纵器领域，更特别地涉及系索驱动式操纵器，所述系索驱动式操纵器包括在本文中通常被称作“系索(tendon)”的多个长形且弹性的牵引元件。

背景技术：

大型和重型部件或机器的操作和组装是在许多工业中必须执行的最艰巨的任务中的两个任务。这些任务不仅涉及将物体从一个位置移动到另一个位置，物体的重量和尺寸决定了移动它们所需的功率和空间的大小，而且通常还需要将物体相对精确地定位在特定的场所或位置中。

物体的正确放置涉及空间位置——即，角度位置——和定向两者。这意味着必须考虑三个不同的几何坐标和三个不同的角度，使得该系统可以说是由六个自由度(6-dof)表征。由于待被处理的通常非常大且重的物体的物理特性，经常需要大量的技术技能或灵活度来正确地调整六个变量。

因此，在操作和组装的背景下必须处理至少两个不同的问题：提升和移动大且重的物体所需的功率或力以及使物体精确地旋转和定位以例如使物体相对于工作空间中存在的其他物体或结构件而正确地定位所需的精细度。在例如除其他之外的风力涡轮机、飞机、机床、用于建筑物的重型结构、重型设备等的运输和组装的情况下，充分的提升能力和适当的定位的重要性是显而易见的。

已经进行了许多尝试来设计和生产能够操纵重型装载物的操纵器。这些操纵器必须具有的必要能力中的一些能力除其他之外包括：以六个自由度进行控制、在空间中的精确调整和角度位置、在装载物运动期间摇摆减少、工作空间的有效利用、装载物的最大支承重量和尺寸等。

美国专利no.3081884教示了一种起重机，其包括用于解决装载物在其处理期间所经受的摇摆的机构。该起重机据称代表了对据说是效率低或复杂且造价昂贵的现有技术组件的改进。所公开的起重机包括具有防摆动机构的移动小车，该防摇摆机构包括通过旋转装置以垂悬的方式保持装载物提升构件的一组绳索。

国际专利申请公开no.wo97/19888a1提出了据称在起重操作期间约束装载物的摇摆的另一种起重机。该起重机包括使下支承结构从上支承结构件垂悬的六根绳索，其中，两个结构件中的每一个结构件上的附接点布置成梯形几何形状。附接点的特定几何形状可以约束摇摆运动，并且可以通过控制六根绳索中的每一根的长度来对下部支承结构件的位置和姿态进行调节。

在美国专利no.4883184中公开了一种具有六个自由度控制的装载物操作装置。该装置适用于高架塔或对角悬臂式起重机并且包括一个附接支架，该附接支架包括，收线绞盘对连接至其的所有六根线缆的长度进行调节的单个的收线绞盘；提升平台通过六根线缆从支架垂悬，所述六根线缆以等距离且共面的布置方式固定至附接框架并且构造成在水平面内的对装载物的不平衡进行调节。通过包括在升降平台下方的用于旋转的装置来执行装载物在六个自由度上的角度调节。

美国专利no.5585707中公开了能够在六个自由度中处理装载物的自动机械。该自动机械包括至少六个卷轴和系索，所述系索附接至操纵平台并且在工作空间的几个位置处附接至多个锚点。一些锚点位于比平台高的高度处，并且一些锚点位于比平台低的高度处，因此平台通过上下系索垂悬。平台由于支承其的系索而被移动和旋转，所述系索由对分别使系索伸展或缩回的驱动装置进行控制的计算机控制。

美国专利no.6566834中公开了包括具有多个附接和独立控制的绞盘的绞盘支承结构件的模块化可重新配置的操纵器。通过从绞盘延伸的线缆借助于绞盘的伺服轴来使得操纵器的支承件垂悬，使线缆卷绕以及展开以将支承件定位在选定位置处。操纵器的若干构型可以根据所使用的电缆的数目来实现：六个、七个或九个，基于操纵平台的物理特性来设定线缆的数目。即使六线缆配置可以实现六自由度的控制，但是仅可以提供有限的旋转稳定性。

美国专利no.4666362涉及一种平行连杆操纵器，其包括基部，中央柱体和多个线缆的一端安装在该基部上，柱体和线缆的另一端直接或间接地连接在一起。位于操纵器的基部中的电动或液压绕线筒通过调节线缆的长度来改变线缆中的张力，并且因此在中央柱体上产生压缩。产生的压缩力拉动柱体，从而使操纵器移动。

最后，美国专利7267240b2公开了一种用于保持装载物在提升齿轮上的位置的方法，其中，经由至少四根线缆从提升齿轮的小车垂悬的装载物的位置被确定并且装载物的摆动运动通过调节线缆中至少一根线缆的长度被抵消。

对于在活动过程中需要移动和旋转大的和/或重的物体的工业来说，具有以安全、受控且精确的方式将支承、移动装载物并对装载物进行定位和定向的系统或设备将是非常便利的，并且可以对该系统以自动的、半自动的或手动的操作模式较容易地进行操作。

技术实现要素：

为了避免在前述部分中指出的问题，本发明提供了用于对装载物特别地重型装载物进行定位和定向的设备和方法，该设备和方法使用至少6个系索的系统通过提供对设备的不同的元件的独立且同步的致动以使这种装载物稳定或抑制了这种装载物的震荡，该设备还包括升降机构，装载物从升降机构悬吊；设备控制如下方面：升降机构支承装载物的重量的至少51％。设备提供对装载物在宽的工作区域中的在六个自由度上的定位和运动方面进行控制。这意味着在装载物的运动期间对空间和角度位置以及减小的摇动进行精确调节。

本发明的第一方面涉及用于对装载物进行定位和定向的设备，该设备包括：

-支承结构件，该支承结构件沿第一方向(例如，x方向)可移动，该支承结构件在其中设定了装载物能够被定位和定向的区域；

-系索系统，该系索系统包括：

-安装在支承结构件上的至少六个绞盘；以及

-至少六个系索，至少六个系索中的每个系索的第一端连接至至少六个绞盘的相应的一个绞盘。

该设备还包括：

-升降机构，该升降机构安装在支承结构件上并且能够沿与第一方向垂直的第二方向(例如，y方向)移动，该升降机构包括另外的系索；

-附接装置，装载物能够以从上方悬吊的方式附接至附接装置，该附接装置连接至至少六个系索中的每个系索的第二端并且连接至另外的系索的自由端；以及

-控制模块，控制模块能够以同步地且独立的进行如下操作：

-对至少六个绞盘进行操作以对连接至相应的绞盘的系索的自由长度和/或由系索提供的张力进行调节，

-对支承结构件进行操作以控制该支承结构件的沿第一方向的运动；以及

-对升降机构进行操作以控制该升降机构的沿第二方向的运动，以及对升降机构进行操作以对连接至升降机构的另外的系索的自由长度和/或由另外的系索提供的张力进行调节；

其中，控制模块配置成将关于装载物的取向和/或位置的指令传递至对至少六个绞盘的致动中、对升降机构的致动中以及对支承结构件的致动中，使得装载物的至少51％由升降机构承受并且装载物以基本上竖向的方式悬吊。

即，本发明的设备提供了用于系统的各元件中的每个元件的独立的控制。根据本发明的该方面的设备提供了对装载物在六个自由度中的控制，而使得装载物不会在宽的工作区域中摆动。

本发明的包括升降机构的设备是有利的，因为由于装载物的重量的至少51％由升降机构承受，系索系统能够主要用于将装载物定位和旋转，而不是用于承受装载物。由于重量的仅一部分由系索系统承受，系索将不会频繁地破损，或系索可以在没有非常大的张力强度的情况下使用，从而得到成本高效的解决方案。通过在装载物的可变的部分从升降系统传递至系索系统，系索系统的6个自由度上的总体刚度还根据将要执行的任务来调节。

升降机构的运动和绞盘的运动由控制模块同步地且独立地控制。一旦装载物从升降机构的另外的系索悬吊时，这种另外的系索被保持处于大致竖向的位置并且承受装载物的至少51％。

此外，对线缆长度的适当的控制允许根据需要对该装载物定位和定向，或者允许在可行的工作区域内完成任何规定的轨迹。系索张力还可以被调节以便使装载物与基部支承件之间的合适的力和力矩平衡或在装载物与基部支承件之间产生合适的力和力矩。

在本发明的各实施方式中的一些实施方式中，装载物的重量的大于80％且小于100％由升降机构承受。在一些这种实施方式中，升降机构承受装载物的重量的90％以上。

在一些实施方式中，系索系统是主导装置并且升降机构和支承结构件“跟随”系索系统；即，控制模块配置成首先将关于装载物的取向和/或位置的指令传递至对系索系统的各元件中的一个或更多个元件的致动中，并且随后升降机构和支承结构件被致动。请注意，传递至支承结构件的指令可以包括使其不移动的指令。这种配置是有利的，因为对系索系统的致动提供了对在第二方向(y)上平移的控制以及沿着与第一方向和第二方向垂直的第三方向(z)的平移的控制，还提供对三个旋转(横摆、俯仰和侧倾)的控制，并且随后对升降机构的后续的致动提供了控制以释放系索系统对装载物的重量的至少51％或51％以上的承载。在这些实施方式中，升降机构能够是重力补偿系统，即被动元件。

在一些其他实施方式中，升降机构是主导装置并且系索系统和支承结构件“跟随”升降机构。在这些实施方式中，控制模块配置成首先将关于装载物的取向和/或位置的指令传递至对升降机构的致动中，并且随后在将指令传递至对系索系统的各元件的一个或跟多个元件的致动中，并且传递至对支承结构件的致动中。请注意，传递至支承结构件的指令可以包括使其不移动的指令。在这些实施方式中，升降装置能够是升降机或具有马达的任何类型的绞盘，并且升降装置还可以是重量平衡器、配重系统或缩放器。

升降机构可以包括在现有技术中公知的用于保持和抵抗较大的力和张力——比如由重型装载物的重量产生的力——的部件或机器。当使用该设备时，升降机构用于附接至装载物的至少一个附接点。

控制模块还提供了对装载物的运动和旋转的稳定的控制；这种方式，使得抑制或减小了摇动或摆动运动。这种摇动运动可能由于如下原因：例如装载物的质量中心的移位，从而在装载物上产生力的力矩或转矩；在装载物上的剧烈的运动，从而产生振动或钟摆式的运动；以及风的存在。

系索系统的至少六个绞盘——所述绞盘优选地成对分布——中的每个绞盘安装在设备的支承结构件上，从而当使用设备时，绞盘定位在比装载物的高度高的高度处。

系索系统的绞盘中的每个绞盘优选地包括张力传感器和/或长度传感器。

在绞盘中包括有用于测量系索所经受的张力或系索的长度——系索卷绕在绞盘的鼓状物中的长度——的传感器可以特别地用于对系索系统进行控制和监控。在本发明的一些实施方式中，由传感器产生的数据被供给至软件和系统的运算法则，以例如允许或阻止特别的动作、输出警报或警告、作用在绞盘或升降机构的伺服马达上，以另外执行特别的动作。

在本发明的一些实施方式中，各绞盘中的每个绞盘直接地附接至支承结构件。在本发明的一些其他实施方式中，系索系统的各绞盘中的每个绞盘被间接地附接至支承结构件，在这种情况下，绞盘中的每个绞盘附接至紧固至设备的支承结构件的支承件。在这些实施方式中，借助于例如液压气缸、缩放器或剪刀式机构，一个或更多个支承件的位置能够被调节。在一些其他实施方式中，一个或更多个支承件可以被固定，而不需要用于调节支承件的位置的装置。

当由控制模块接收到对应的指令时，至少六个绞盘中的每个绞盘通过使系索的一部分卷绕或展开可以调节系索的张力，或系索的自由长度，即，系索和装载物的附接点与绞盘之间的系索的长度，其中，装载物连接至系索，因此，至少六个系索中的每个系索的自由长度能够通过相应的绞盘而独立地改变。

在优选的实施方式中，附接装置当附接至装载物时在空间上布置成使得至少六个系索是交叉连结的，即，至少六个系索中的每个系索的在由第一方向和第二方向限定的平面上的投影与至少六个系索中的另一系索的在所述平面上的投影相交。

在优选的实施方式中，本发明的设备还包括三维附接构件，三维附接构件附接至附接装置，该附接装置在平行的平面中分布在附接构件上。

在本发明的其他实施方式中，设备还进一步包括二维附接构件(比如可动平台或工作平台)，该二维附接构件又包括附接装置，该附接装置在同一平面中分布在附接构件上。

在这些实施方式中，物体(该物体将被移动、定位和/或定向)能够通过真空装置或磁性装置或一些其他合适的紧固设备从附接构件悬吊。这些实施方式的构型可以在如下情况下是合适的：其中，对于在物体上设置附接点是复杂的情况，或由于在新的装载物被操纵时系索不必被拆卸和再次附接从而简化了升降操纵。

为了清楚起见，在这些实施方式中，通过本发明的设备可定位和可定向的装载物包括从附接装置悬吊的任何东西，即，包括将被移动的物体和附接构件。在一些实施方式中，关于装载物的取向和/或位置的指令由预先设定的轨迹给定；即，由先前编程的运行轨迹而自动地控制设备。

或者本发明的设备能够经由无线电控制装置比如接收指令的外部输入的机械或电气系统来控制，例如远程控制，关于装载物的取向和/或位置的指令通过由这种无线电控制的装置提供的顺序给出。

在本发明的一些实施方式中，系索系统的绞盘中的每个绞盘连接至伺服马达。伺服马达配置成作用在绞盘上以便调节系索的张力或自由长度，使得当伺服马达被操纵时，系索系统的各系索的张力或自由长度将被调节，从而使装载物运动或旋转。此外，伺服马达可以有利地提供指令的外部输入，从而允许操作经由远程控制来执行和/或通过运行先前编程的轨迹而自动地执行。在通过运行先前编程的轨迹而自动地执行的情况下，不需要操作者的干预。

这种外部输入的支承还可以使得能够使用特别地编程用于控制根据本发明的另一方面的设备的软件和运算规则。软件和/或运算规则可以包括需要用于简化设备的操纵且避免系索的碰撞和干涉的逻辑。

在本发明中，所有的绞盘位于绞盘的工作区域上，重力用于保持线缆拉紧；这种构型被称作起重机式构型。没有线缆搅乱工作区域的下部分，从而避免了线缆碰撞。

替代性地，在本发明的一些实施方式中，附接装置位于至少六个系索的相应的第二端和另外的系索的自由端。在这些实施方式中，附接装置可以包括环端螺栓、旋转吊环螺栓以及/或安全钩，并且物体(待被移动、定位和/或定向)被直接地附接至附接装置；即，装载物仅包括待被移动的物体。

当使用该设备时，附接装置附接至设置在装载物(包括待被移动的物体和在一些实施方式中的附接构件)上的多个附接点中的一个附接点，该一个附接点将由设备操纵和定向。

控制模块可以附加地构造成限定(或设定)将由设备操纵的装载物上的多个附接点。

多个附接点至少包括与系索系统中的系索数量一样的许多附接点，使得系索系统能够在一个附接点——系索系统的其他系索不附接在该附接点处——处附接至装载物或附接装置。除了多个附接点之外，由设备操纵的装载物包括由升降机构使用的至少附加的附接点。因此，装载物包括许多附接点，许多附接点的数量等于在系索系统中的系索的数量加上由升降机构需要的许多附接点的数量。

在本发明的一些实施方式中，设备的系索系统包括：

-至少八个绞盘；以及

-至少八个系索，至少八个系索中的每个系索连接至至少八个绞盘中的相应的一个绞盘。

在这种实施方式中，由于八个绞盘可以直接地或间接地以对称的布置方式附接至支承结构件以形成例如矩形的几何形状，所以设备的操作会更简单且更易懂。当系索和绞盘总体上对称布置时，定位和定向的任务会对个人负责的情况而言更简单。这对于操纵以类似于矩形棱柱或方形棱柱的几何形状为特征的装载物而言是便利的，该矩形或方形棱柱具有八个较好限定的拐角或顶点，当设备使用时，系索系统的各系索可以附接至八个较好限定的拐角或顶点，然而，在本发明的一些其他实施方式中，以这种几何形状为特征的装载物通过包括六个系索的系索系统和六个绞盘来定位和定向。

在本发明的一些实施方式中，支承结构件包括移动结构件。在这些实施方式中的一些实施方式中，移动结构件是推车或可动梁。升降机构可以连接至推车或可动梁，使得机构可以由于推车或可动梁的运动而移动。除了系索系统的定位能力之外，移动结构件可以有利地用于更好地使装载物移动和定位、特别地用于使装载物移动相对长地距离，使得最终的且精确的位置调节通过系索系统执行。

在本发明的一些实施方式中，支承结构件包括一个或两个或更多个梁。在一些其他实施方式中，支承结构件包括一个、两个或更多个桁架。在本发明的一些实施方式中，支承结构件可以构造成安装在起重系统的轨道上。

在一些实施方式中，系索系统包括至少六个系索导引装置，至少六个系索中的每个系索从相应的绞盘布线至至少六个系索导引装置中的相应的一个系索导引装置，并且至少六个系索导引装置中的每个系索导引装置构造成朝向相应的方向导引相应的系索。

在本发明的一些实施方式中，系索系统的各系索中的每个系索从相应的绞盘朝向待被直接操纵的装载物导引。在本发明的一些其他实施方式中，系索系统在系统中包括数量与许多系索导引装置的数量相同的系索，并且系索中的每个系索从相应的绞盘布线至系索导引装置中的一个系索导引装置，该系索导引装置又朝向装载物导引系索。系索导引装置的使用可以是有利的以避免系索与设备的其他部分干涉或碰撞，例如，避免系索与支承结构件或与其他系索的干涉或碰撞。在一些实施方式中，系索导引装置附接至绞盘。在一些其他实施方式中，系索导引装置附接至支承结构件，或附接至紧固至支承结构件的一个或更多个附加结构件。

根据本发明的一方面的系索系统不限于绞盘，并且因此，替代性地，可以使用现有技术中公知的其他类似的工具或器件，比如绞车。

本发明的另一方面涉及用于对装载物进行定位和定向的方法，包括：

-将装载物附接至用于对装载物进行定位和定向的设备的附接装置，设备包括支承结构件、系索系统和安装在支承结构件上的升降机构；附接装置连接至系索系统的至少六个系索，至少六个系索的每个系索连接至系索系统的至少六个系索的相应的一个系索，并且连接至升降机构；

-使装载物从升降机构的另外的系索的自由端悬吊；

-将关于装载物的取向和/或位置的指令传递至对至少六个绞盘的致动中、对升降机构的致动以及支承结构件的致动中，使得装载物的重量的至少51％由升降机构承受并且装载物通过如下同步且独立地操作而以大致竖向的方式悬吊：

-对至少六个绞盘进行操作以对连接至相应的绞盘的系索的自由长度和/或由系索提供的张力进行调节，以及

-对支承结构件进行操作以对支承结构件沿第一方向的运动进行控制，以及；

-对升降机构进行操作以对升降机构沿第二方向的运动进行控制，并且对升降机构进行操作以对连接至升降机构的另外的系索的自由长度和/或由另外的系索提供的张力进行，从而该设备提供对装载物的在六个自由度上的控制。

在本发明的一些实施方式中，装载物的重量的大于80％且小于100％由升降机构承受。在一些实施方式中，升降机构承受装载物的重量的90％以上。

在优选的实施方式中，至少六个系索以交叉式的系索构型附接至装载物或附接构件，其暗含的意思是，至少六个系索中的每个系索在由第一方向和第二方向限定的平面上的投影与至少六个系索中的另一系索在该平面上的投影相交。

该交叉连结式构型以如下方式实现：

-在装载物或附接构件上设定第一区域和第二区域，第一区域和第二区域分别为如下中的一者：

-当装载物位于支承表面上时对装载物进行操纵之前，第一区域和第二区域分别为装载物或附接构件的顶表面和底表面；以及

-当装载物位于支承表面上时对装载物进行操纵之前，第一区域和第二区域分别为装载物或附接构件的顶表面或底表面的靠内区域和靠外区域；

-在装载物上设定多个附接点以用于附接系索系统，该系索系统包括位于第一区域上的至少两个附接点的第一组附接点，以及位于第二区域上的至少两个附接点的第二组附接点；

-如下将至少六个系索附接至装载物或附接构件的附接点：

(a)将系索系统的第一系索附接至附接点的第一组附接点的选择的点，其中，导引点与第一组附接点的选择的点之间的距离大于至少相应的导引点与第一组中的与所述选择的点不同的点之间的另一距离；

(b)将系索系统的还未附接至装载物的系索附接至与用于先前附接的系索所附接的附接点所在的第一附接组不同的附接组中的选择的点，并且使得相应的导引点最靠近用于先前附接的系索的导引点；其中，所选择的点不是相应的附接组的最靠近用于先前附接的系索的附接点的点；所选择的点不是用于已附接至装载物的任何其他系索的附接点；以及相应的导引点与所选择的点之间的距离大于至少相应的导引点与同一附接组中的与所选择的点不同的点之间的另一距离；以及

(c)重复步骤(b)，直到系索系统的至少六个系索附接至第一附接组或第二附接组中的附接点为止。

包括用于将系索附接至装载物或附接构件的步骤的方法提供了装载物在工作区域的大体积中的定位和定向能力，其中系索之间没有干涉。在这些实施方式中的一些实施方式中，系索附接至装载物的两个表面使得附接点安置于至少两个不相交的平面并且不是共面的。在本发明的一些其他实施方式中，系索在多个附接点处附接至装载物或附接构件的表面，多个附接点的特征在于至少两组附接点：在表面的靠内区域中的至少第一组附接点，以及在表面的靠外区域中的至少第二组附接点。在这些实施方式中的一些实施方式中，表面的靠内区域包括表面的几何形状中心，并且靠外区域环绕靠内区域并且包括表面的周边。

在本发明的一些实施方式中，系索系统包括如与系索系统中的系索一样多的许多系索导引装置，并且至少六个系索中的每个系索从相应的导引装置朝向装载物导引，其中，系索中的每个系索从系索的相应的绞盘布线至系索的相应的导引装置；导引点可以限定用于系索中的每个系索，其中，系索朝向装载物离开相应的导引装置。在本发明的一些实施方式中，导引装置中的每个导引装置在绞盘的附近；在一些情况下，导引装置可以已经结合至绞盘。在一些其他实施方式中，导引装置中的每个导引装置可以直接地或类似间接地附接至支承结构件，例如，每个导引装置附接至紧固至支承结构件的其他结构件。

系索导引装置的使用可以是有利的以避免系索与结构件、平台等之间的碰撞，结构件、平台等包括设备的对应于本发明的另一方面的部件，例如该设备的支承结构件。此外，有用的是避免系索之间的碰撞。系索导引装置还可以特别地当装载物被定位和旋转时减少在设备的操作期间由系索经受的摩擦。系索导引装置的一些非限制性示例例如是滑轮或皮带轮。

该方法优选地还包括对系索系统进行第一致动的步骤，即，首先关于装载物的取向和/或位置的指令被传递至对至少六个绞盘的致动，并且随后传递至对升降机构的致动，并且传递至对支承结构件的致动。

或方法还可以包括对升降机构进行第一致动的步骤，无论何时，升降机构是主导装置，以加长和/或缩短升降机构的长度或升降机构的部件的长度，以使装载物竖向地移动，并且随后对系索系统进行致动并且对支承结构件进行致动。

升降机构可以卷绕或展开系索的一部分，即例如系索的一部分围绕机构的鼓状部卷起，并且改变附接至机构的装载物的高度或竖向位置。在本发明的一些实施方式中，用于改变自由长度的装置可以适于例如通过接收指令的外部输入的机械或电气系统对改变自由长度的装置进行远程控制。在本发明的其他实施方式中，用于改变自由长度的装置通过运行先前编程的轨迹而自动地调节。

在本发明的一些实施方式中，系索系统的绞盘——和导引装置，如果存在导引装置——的位置在绞盘的操纵期间处于比装载物更高的高度，这不仅有利于由于重量的一部分重量被承受而保持装载物拉紧，而且还用于保持工作区域的大体积无障碍。在这些实施方式中的一些实施方式中，工作区域的体积——该工作区域的体积低于装载物的最小高度、由装载物的一个或多个点限定——可以实际上不受设备的元件的影响，并且因此在对装载物进行定位和定向期间几乎不产生与设备的干涉。例如，当仅存在于工作区域的一部分中的元件是飞机的机身时，堆叠集装箱或组装飞机的机翼或涡轮是特别有利的。

限定在前述部分中的本发明的不同的方面和各实施方式能够彼此结合，只要不同的方面和各实施方式彼此兼容即可。

根据下文的详细描述，本发明的附加的优点和特征将变得明显，并且在所附权利要求中特别地指出。

附图说明

为了完成描述并且为了更好地理解本发明，提供了一组附图。所述附图形成本说明书的整体部分并且示出了本发明的实施方式，其不应被解释为限制本发明的范围，而仅作为如何实施本发明的示例。附图包括以下图示：

图1是根据本发明的示例性实施方式的系索驱动式操纵器的示意性立体图。

图2是根据本发明的另一示例性实施方式的系索驱动式操纵器的示意性立体图。

图3是根据本发明的另一示例性实施方式的系索驱动式操纵器的示意性立体图。

图4a和4b以俯视图和立体图部分地示出了根据本发明的类似于图3的示例性实施方式附接系索系统的系索的方法。

图5a和5b以俯视图和立体图部分地示出了根据本发明的类似于图2的示例性实施方式附接系索系统的系索的方法。

图6a和6b以俯视图和立体图部分地示出了根据本发明的类似于图1的示例性实施方式附接系索系统的系索的方法。

具体实施方式

以下描述不是在限制意义上进行，而是仅仅出于描述本发明的广泛原理的目的而给出的。现将参照示出根据本发明的元件和结果的上述附图通过示例的方式描述本发明的实施方式。

图1示出了本发明的系索驱动操纵器的第一示例性实施方式的立体图。支承结构件101a包括在两个桁架之间平行布置的两个梁，这两个桁架也平行布置且垂直于梁。支承结构件101a安装在起重机框架(为了清楚起见未在附图中示出)的顶部上；支承结构件101a设置成具有沿着两个桁架的纵向方向、即图1中的x方向的移动能力。

升降机构102附接至呈推车114形式的移动结构，并且连接至支承结构件101a。推车114可以通过例如穿过固定至梁的一些轨道的移动机构沿着两个梁的纵向轴线(图1中的y方向)移动。

本发明的设备还包括附接装置，装载物可以以从上方悬吊的方式附接至附接装置。

在图1中示出的实施方式中，该设备还包括作为附接构件的可移动平台112，该可移动平台112包括附接装置。线缆108附接至可移动平台112，可移动平台112又直接地或间接地附接至物体110a，并且线缆108还连接至升降机构102。在一些其他实施方式中，该线缆108可以是具有足以承受由升降机构102支承的装载物的重量的拉伸强度的链、绳索或任何长形元件。

在这种情况下，物体110a通过位于物体110a与可移动平台112之间的中间支承件113附接至可移动平台112。系索系统的八个系索103附接至可移动平台112的八个附接点，在这种情况下，八个附接点是可移动平台112的顶点或相对靠近顶点的位置；物体110a可以因此随着可移动平台112的运动而移动和旋转。当例如由于易碎或不规则的表面原因而难以将附接点布置在物体上时，使用可移动平台112或任何其他附接构件是有利的。该可移动平台112或附接构件还可以减少从一个物体变换到另一物体所需的时间，因为系索可能已经附接至附接构件，这避免了将系索从物体拆除并将系索附接至另一个物体。

尽管未示出，但本发明的物体110a也可以直接地连接至附接构件。

在图1的实施方式中，升降机构102包括升降机，升降机被构造成将线缆108在升降机的鼓状物中卷绕和展开。通过卷绕和展开线缆108的自由长度、也就是说线缆108附接至可移动平台112的点与升降机之间的长度，物体110a沿着线缆108的对应于竖向方向(图1中的z方向)的纵向轴线移动。因此，在这种情况下，物体110a竖向地移动，即其高度变化。

本发明的设备还包括具有八个系索103的系索系统，八个系索103中的每个系索连接至八个绞盘104中的一个绞盘。如下所述，绞盘中的每个绞盘由控制模块单独控制，以通过反馈控制来调节系索的长度和/或张力；也就是说，所有的系索是可独立致动的。

在优选实施方式中，绞盘104被传感器化，也就是说，绞盘包括用于测量例如在系索中的张力或自由长度或者绞盘与第二端之间的长度的传感器。

系索103从相应的绞盘104布线至相应的导引装置105，并且从导引装置105被导引朝向装载物、也就是说朝向可移动平台112，可移动平台112通过中间支承件113保持物体110a。在图1中示出的设备的实施方式中，每对绞盘104及其相应的导引装置105附接至相应的板106，板106固定至支承结构件101a的桁架。板也可以固定至梁或支承结构件的其他部分。尽管可以优选地成对地布置绞盘和/或导引装置，也就是说，每个绞盘和/或导引装置中的两者相对接近，但是在本发明的一些实施方式中，绞盘和/或其导引装置各自单独地附接至板106或绞盘和/或导引装置可附接至的任何其他结构。

绞盘104中的一些绞盘或全部绞盘和/或导引装置105中的一些导引装置或全部导引装置也可以(参见图3)直接地附接至支承结构件101a，并且一些其他的绞盘和/或导引装置附接至比如连接至支承结构件的板106的结构。

如在图1中示意性地示出的，绞盘104包括导引装置105。可以在系索改变其方向并且基本上朝向装载物定向的位置处限定用于系索系统的每个系索103的导引点。在该实施方式中，用于相应的系索的导引点限定在相应的导引装置105处，因为这些导引点是系索103朝向装载物重新定向的位置。在其中系索系统可以不包括导引装置105的本发明的一些实施方式中，相应的导引点可以限定在相应的绞盘104处，因为绞盘可能已经使系索103朝向装载物定向。在该特定示例中，导引装置105是包括用于旋转以便当物体110a被定位和定向时改变滑轮所面向的方向的装置的滑轮。

如前所述，在通过控制模块接收相应的指令时，绞盘104中的每个绞盘可以通过卷绕和展开绞盘的卷筒中的系索来调节相应的系索的张力或自由长度，并且因此改变施加至装载物的力。结果是，装载物可以被移动和旋转，并且因此物体110a也可以被移动和旋转。当系索系统的系索中的一些系索或者所有系索的张力被适当地修改时，装载物可以以受控且安全的方式被定位和定向。还可以调节张力或自由长度以便在部件被移动时和在其不被移动时抑制装载物的摆动运动。

另外，该控制模块还可操作以在支承结构件101a上方致动，以便控制其在桁架的纵向方向上或x方向上的移动以及在升降机构102上的移动，从而控制其在z方向上的移动，并且以便调节由升降机构的线缆108支承的自由长度和/或张力。

该控制模块单独且同步地致动上述元件，使得系索系统支承使所有系索处于张力下所需的重量的一部分，并且由升降机构支承的其余部分是大部分重量；换句话说，装载物(在这种情况下为物体110a、可移动平台112和中间支承件113的总和)的重量的至少51％由升降机构102承受。优选地，升降机构102承受大于80％且小于100％的装载物的重量。

在图1中示出的该优选实施方式中，系索系统根据由控制模块基于预编程的轨迹或者基于用户在希望移动和定向装载物的遥控装置上的输入而给出的指令被用作主导装置并且升降机构和支承结构件遵循该主导装置。

在本实施方式中：

-系索系统与仅在x方向上提供运动的支承结构件(台架)结合提供如下所示装载物的运动：y-z平移和所有旋转——横摆、俯仰和侧倾。

-推车114提供沿y方向的运动。

-升降机构102(在这种情况下是升降机)提供沿z方向的运动。

因此，系索系统负责运动。推车被认为是从动装置，升降机也是从动装置。装载物的y位置由系索系统给出且推车114复制该位置。升降机将系索系统从装载物的至少51％中释放；无论装载物的z位置是什么，控制模块都指示升降机将恒定的力施加在装载物上，以便承受其重量的至少51％。

图2中示出了本发明的设备的另一示例性实施方式。该设备包括支承结构件101b，该支承结构件101b包括呈矩形布局的多个桁架。升降机构102通过附接至可移动梁116而连接至支承结构件101b，所述梁连接至支承结构件101b。可移动梁116可以沿着垂直于其纵向轴线的方向移动。线缆108连接至升降机构102。待被移动和/或定向的物体110b设置成具有用于升降机构102的至少一个附接点。在这种情况下，装载物仅为物体110b。所述至少一个附接点优选地位于物体110b的顶部表面上，并且基本上靠近所述表面上的装载物的质心的投影，以减小导致不期望的旋转或摆动运动的力矩。

在图2中，系索系统还包括八个系索103、八个绞盘104和八个导引装置105。八个绞盘104紧固至支承结构件101b，并且八个导引装置105也固定至支承结构件101b，与相应的绞盘略微间隔开。导引装置105布置成形成矩形几何形状的基本对称布局。在本发明的一些实施方式中，在导引装置105(例如，在图1的实施方式中)之间没有对称性，并且形成的几何形状也可以与矩形不同，即使为了简化装载物的操作形成基本上规则的几何形状和保持对称性是优选的。可以考虑待被移动的装载物的形状以定位导引装置，以便使潜在的工作空间最大。

在图2的实施方式中，附接装置是环形螺栓(在附图中未示出)，环形螺栓附接到至少八个系索103的相应的第二端(每个系索103的第一端卷绕在相应的绞盘104上)和线缆108的自由端。

在该实施方式中，所有的系索103通过环形螺栓附接至分布在物体110b的同一表面上的附接点。尽管物体110b具有厚度但是其基本上是平面的，并且除了用于升降机构102的至少一个附接点之外，将八个附接点布置在同一表面上是方便的。在这种情况下，优选地，附接点的第一子集布置在物体110b的顶部表面的靠内区域上，并且附接点的第二子集布置在靠外区域上，该靠外区域是围绕所述顶部表面的靠内区域。

装载物或物体110b的形状特征可以对应于例如金属板的形状特性。

在图3中示出了根据本发明的另一可能的实施方式。支承结构件101c包括多个桁架。桁架被布置成形成共享中间的桁架的两个矩形布局。升降机构102固定至移动结构115，移动结构115在这种情况下环绕中间的桁架。移动结构115可以沿着被环绕的桁架移动，并且因此，升降机构102可以移动。

在图3的实施方式中，这些附接装置是六个旋转吊环螺栓(图中未示出)，每个旋转吊环螺栓附接到至少六个系索103的相应第二端和附加系索108的自由端。

在图3示出的示例性实施方式中，物体110c具有带六个顶点的三角形形状。此外，在这种情况下，装载物仅是物体110c。物体110c上的附接点被布置在每个顶点中或者布置在基本上靠近每个顶点的可以比顶点支承更大的张力的位置中。在系索103的第二端处和在缆索108的自由端处的旋转吊环螺栓(未示出)附接至物体110c上的这些附接点。具有六个系索的在图3中示出的设备的实施方式特别适合于移动和旋转具有六个顶点的装载物。

在该实施方式中，升降机构102用作主导装置，系索系统和移动结构115由控制模块同步且独立地致动，以将物体110c例如从码头或装载车厢移动至拖车或用于车辆、机器或设备的组件的区域，并且系索系统可以在装载物操作的最后阶段中精确地定位和定向装载物或物体110c。

使用升降机构作为主导装置可以简化用于移动装载物的控制指令，因为只有一个长度或自由长度必须被修改，而通过系索系统执行相同动作可能需要作用在系索系统的所有的系索的长度上。此外，通过系索系统提升装载物可能导致系索所经受的张力的增加，并且因此增加由于系索的断裂而导致失败的机会。

在图4a和图4b中分别以俯视图和立体图示出了根据本发明的方面的附接至物体的系索的示意图。被操纵的物体210a具有包括六个顶点的三棱柱的形状，特别适于在所述顶点上布置附接点。在操纵物体210a之前将物体放置在支承表面290上时，可以在物体210a上限定顶表面251和底表面252。在一些实施方式中，支承表面290可以是地面。在一些其他的实施方式中，支承表面290可以是卡车的拖车、容器(例如，可以在作为支承表面的容器的顶部上作为装载物的另一容器)。在顶表面251上还布置有另一附接点220，使得被操纵的物体210a从升降机构悬吊下来，该升降机构保持该被操纵的物体210a的至少51％的重量。顶表面251包括用于系索系统的第一组附接点261a、262a和263a，并且底表面252包括用于系索系统的第二组附接点261b、262b和263b。

系索系统包括六个系索211-216，所述六个系索中的每个系索具有对应的导引点201-206。该系索系统还包括六个绞盘，所述绞盘在图4a和图4b中未示出。仅为了说明的目的，系索212、214和216用虚线表示，所述虚线表示系索212、214和216附接至下表面252上的附接点，所述系索的材料和性能类似于以实线示出的系索211、213、215，其中，所述实线表示系索211、213、215附接至顶表面251的点。在本发明的一些实施方式中，导引点210-206限定在系索系统的对应的导引装置上。在本发明的一些其他的实施方式中，导引点210-206限定在系索系统的对应的绞盘上。

系索211-216中的任一系索可以是在用于将系索附接至物体210a的方法中的第一系索。考虑将系索211作为第一系索，当对应的导引点210与选择的点261a之间的距离大于对应的导引点210与第一组附接点中的不同于选择的点261a的点之间的至少另一距离——例如，对应的导引点210与选择的点261a之间的距离大于导引点210与点262a之间的距离——时，该系索附接至第一组的选择的点261a。

将被附接至物体210a的下一个系索是系索212，因为系索212的对应的导引点202最接近与先前附接的系索211对应的导引点201。由于系索211附接至第一组的点，系索212将附接至替代第一组的组——即，第二组附接点——的点。系索212的选择的点是263b，因为这样的点不是第二组的最接近点261a的最接近点(最接近点是261b，在该实施方式中，点261b与点261a共享物体210a的边缘)，选择的点263b不是已经附接的任何其他系索的附接点，并且导引点202与选择的点263b之间的距离大于导引点202与点261b和262b(第二组的不同于选择的点263b的点)中的一者之间的距离——在本情况中，是至少到点262b的距离。

因为每个系索使其对应的导引点203-206最接近先前附接的系索——导引点203最接近导引点202、导引点204最接近导引点203等，因此其他系索附接至物体210a的顺序是：系索213、系索214、系索215和系索216。根据前面描述的相同标准，所述系索替代性地附接至第一组和第二组的点，因此，系索213附接至选择的点262a、系索214附接至选择的点261b、系索215附接至选择的点263a并且系索216附接至选择的点262b。

实际上，附接至物体210a的第一系索211可以已经附接至点263a，因为它也将满足所有标准，导致用于其他系索的其他选择的点；这可以是本发明的一些实施方式的情况。第一系索211也可以已经附接至第二组选择的点，而不是根据相同方式附接至第一组选择的点。因此，在本发明的一些实施方式中，该方法导致附接至物体210a的系索的不同但类似的构型。在图4a和图4b中示出的系索布置可以例如应用至图3的实施方式。

现在，图5a和5b分别以俯视图和立体图示出了根据本发明的示例性实施方式的系索的布置。物体210b将由包括系索221-228的系索系统操纵，所述系索中的每个系索具有限定的对应的导引点201-208。物体210b包括六个侧面但基本上是平面的，即物体的厚度相对较小。在这样的实施方式中，系索221-228优选地附接至物体的同一表面。特别地，当物体210将要被操纵并且仍然位于支承表面290上时，可以在物体210b上限定顶表面。该顶表面包括用于升降机构的至少一个附接点220，该附接点220优选地尽可能靠近在所述表面上的物体210b的质量中心的投影，以便减小由质量中心的移位产生的扭矩。

此外，可以在顶表面上限定靠内区域254和靠外区域253。靠外区域253包括在靠外区域253的外周边的顶点或大致接近所述顶点的位置处的第一组附接点271a、272a、273a和274a。靠内区域254包括位于多边形209(为了说明的目的，用虚线表示)的顶点处的第二组附接点271b、272b、273b和274b。在该实施方式中，多边形209可以建立靠外区域253的内周边，因此靠外区域完全围绕靠内区域254。靠内区域254和靠外区域253的限定是相当任意的，并且实际上，与靠内区域对应的点可以不围绕显然也是以任意方式限定的多边形比如多边形209布置。靠内区域表示附接点比靠近靠外区域上的附接点更靠近中心的表面的一部分，其中，靠外区域上的附接点可以位于顶表面的顶点处。因此，靠内区域和靠外区域可以以许多其它几何形状、形状和尺寸表示。

如果系索221被认为是附接至物体210b的第一系索，则即使可以替代地使用系索222-228中的任一个系索，但是附接点也是第一组附接点——在本示例中，所述附接点布置在靠外区域253上——的选择的点271a，这是因为对应的导引点201与点271a之间的距离大于导引点201与第一组的另一附接点(点271a)之间的至少另一距离并且小于导引点201与第一组的另一点(点273a或点274a)之间的至少另一距离。在本发明的一些其他实施方式中，代替点271a，选择的点可以是点273a，因为点273a满足相同的要求。并且在本发明的一些其它实施方式中，第一系索根据相同过程附接至第一组附接点的选择的点，而不是附接至第一组的选择的点。

由于与还未附接的系索222对应的导引点202最接近与在本方法的前述步骤中附接的系索对应的导引点201，因此，系索222附接至靠近替代先前附接的系索221的选择的点271a的组的选择的点附近。系索222的选择的点是点274b，点274b没有被任何其他已经附接的系索使用并且不是第二组中最靠近第一组的选择的点271a的点(最靠近的是点271b)，并且对应的导引点202与选择的点274b之间的距离大于对应的导引点202与第二组的另一点(点272b)之间的至少另一距离并且小于对应的导引点202与第二组的另一点(点273b)之间的至少另一距离。

在该过程之后，系索系统的其他系索附接至物体210b，使得在每个步骤中，选择其导引点最接近先前附接的系索的导引点的系索，并且每个系索附接至替代先前附接的系索所属的组的组的点。以这种方式，系索223附接至点272a、系索224附接至点273b、系索225附接至点273a、系索226附接至点271b、系索227附接至点274a、系索228附接至点272b。在本发明的一些实施方式中，应用相同的方法导致附接至物体210a的系索的不同但相似的构型，这是因为例如第一系索具有两个可能的将被附接的点(在第一组中)，并且还可以附接至第二组的两个可能的点；附接至第一组而不是第二组的点的第一系索的限定是任意的。图5a和5b所示的系索布置可以例如应用至图2的实施方式。

图6a和6b中以俯视图和立体图表示了物体210c，所述附图示出了将系索231-238附接至所述物体210c的方法。当物体210c放置在支承表面290上并且当系索231-238将要附接至该物体时，在物体210c上限定了顶表面255和底表面256。在顶表面255上布置至少一个附接点220，使得升降机构可以承受物体的一部分重量。

在本发明的一些实施方式中，在定位和定向装载物的整个过程中，导引点201-208不处于相同的位置中，因为对应的导引装置或绞盘(在图4a、4b、5a、5b、6a、6b中的任一图中未示出)可以由于例如其所固定的结构的位置的变化(使用例如液压缸、受电弓或剪刀机构)而改变其位置。在这种情况下，如果导引点的位置在系索已经附接时大体上改变，可以重新调节系索至物体或装载物的附接。

为了更清楚地解释所使用的附接点(位于底部表面256上)，系索232、234、236和238用虚线表示，但是除此之外，系索232、234、236和238类似于系索231、233、235和237(用实线表示)。

包括点281a、282a、283a和284a的第一组附接点布置在顶表面255上。包括点281b、282b、283b和284b的第二组附接点布置在底表面256上。应用与以上关于图5a和图5b所述的方法类似的方法，系索的可能构型是：具有导引点201的系索231附接至点281a、具有导引点202的系索232附接至点283b、具有导引点203的系索233附接至点282a、具有导引点204的系索234附接至点284b、具有导引点205的系索235附接至点283a、具有导引点206的系索236附接至点281b、具有导引点207附接至点284a并且具有导引点208的系索238附接至点282b。在本发明的一些实施方式中，应用下述方法导致其他的系索构型：使用另一系索作为第一系索、或者导引点限定在其他位置处、或者使用在方法的每个步骤处满足标准的其他选择的点。

系索231-238连接至对应的绞盘(在图6a和6b中未示出)，使得系索的拉力或自由长度可以被单独调节，以便对物体210c进行定位和定向。

在本发明的一些实施例中，导引点201-208限定在相应的导引装置上。在本发明的绞盘具有已经结合的导引装置或者系索系统不再包括导引装置的其它实施方式中，导引点201-208限定在相应的绞盘上。

在本发明的一些实施方式中，物体210a、210b和210c中的任一物体是将被操纵的装载物。在一些其它的实施方式中，物体210a、210b和210c中的任一物体是具有连接至附接构件的物体的附接构件；是物体与附接构件的总和的装载物。在一些其他的实施方式中，物体210a、210b和210c中的任一物体是具有连接至附接构件和中间支承件的物体的附接构件和中间支承件；是物体、中间支承件和附接构件的总和的装载物。在任何情况下，控制模块调节装置的不同元件，使得升降机构至少维持连接构件、物体以及可以有助于物体连接至附接构件的任何中间支承件的总重量的至少51％。

术语“系索”已经用于涵盖可以在本发明的上下文中使用的任何类型的柔性牵引元件，例如线缆、绳、线、链、带等。

在本文中，术语“包括”及其派生词(例如“包括有”等)不应该被理解为具有排除含义，也就是说，这些术语不应该被解释为排除所描述和所定义的内容包括其他元件、步骤等的可能性。

本发明显然不限于本文所述的具体实施方式，而是还包括在权利要求中限定的本发明的一般范围内本领域技术人员可以考虑到的任何变型(例如，关于材料、尺寸、部件、构型等的选择)。