塔攀登辅助设备的制作方法
专利名称：塔攀登辅助设备的制作方法
技术领域：
本发明通常涉及梯子上的攀登者，并且具体地涉及一种攀登者在梯子上上升和 下降期间为攀登者的部分重量提供支撑的装置。
背景技术：
已知很多上升和下降设备，其中一些使用例如4458781、4997064、6161639、 684562、7198134、DE20216895和FR2440906中的配重。可以将这些引用文献描述为 具有选自以下几个属性中的至少一个配重、机动化(motorized)、滚筒式提升机、滑轮 牵引设备、单或双滑轮以及无端环(endless loop)。虽然配重设备可以保持恒定的辅助负 载，但是攀登者通常需要通过手动选择物理配重来调整这样的辅助力。这些设备代表比 如可以在起重机、钻油塔、建筑物等中见到的用于攀梯的辅助方法。专利DE20216895公开了无端环机动辅助设备，其具有可移除的电动机和使用滑 动离合器设备的负载限制。一般而言，这种类型的系统局限于维持恒定的速度直到达到 特定负载量级。更近来在W02005088063中的公开披露了机动化、无端环、使用对牵引滑轮进 行可变频率驱动的系统，并且包括具有负载限制和控制的运动检测装置。虽然所述系统 试图将张力保持在恒定的量级，但是却未向攀登者提供辅助速率的动态调整。另外，相关上升和下降没备的控制机构通常通过在系统的底部附近的控制单元 中设置传感器来对停止和执行攀登动作进行控制。例如，Tractel公开了通过使得下滑轮 转动并移位开关来启动电动机从而启动或者停止设备的系统。其它比如Avanti的系统采 用了基于定时事件的控制算法。
发明内容
本发明对于辅助攀登者攀登梯子特别有用。例如，风力发电塔内部的梯子可以 具有50至350英尺的高度。因而，当攀登这样的梯子时，攀登者可能经历疲劳。在此 描述的辅助系统提供辅助，当被应用到如此费力的攀登时，所述辅助减少疲劳并且增强 攀登者的安全性。当然，可以将在此公开的方法和系统应用到包括攀岩、建筑物逃生或 者援救方法的很多其它使用领域、或者要求人的垂直或者接近垂直运送的其它应用。本发明的一方面在于，在横越梯子的过程期间，提供对攀登者辅助的速率和量 级的动态调整。系统允许执行在从恒定速度(较不理想的)至恒定负载(较理想的)范 围内的不同控制策略、或者两种策略的混合。一方面，将传感器附着在由人所穿着的装具上，以提供直接负载感测。另外的方面，可以规定辅助的度，并且辅助的度选择地依 赖于攀登者的属性，即健康度(fitness)的量级以及休息的需要、由例如100磅(lbs)至 3001bs的合理范围所表示为低或者高的体重、攀登快慢的能力、以及在长的攀登期间攀 登者随着因而发生的攀登辅助的度的优选变化而可能疲倦的程度。一般而言，系统提供 在攀登中的任何点上对辅助的度进行选择的能力。此外，在攀登期间，攀登者可以从任 何地方与控制器进行通信。另外，当一方面提供了间接负载感测时，优选的是通过以下描述的系统和方 法对所施加的负载进行直接感测。
当连同附图一起阅读时，前述的发明内容以及以下详细描述的优选实施例就更 好理解。为了说明的目的，图中示出了示例性的实施例；然而，本公开不限于所公开的 特定方法和手段。图中图1示出了根据本发明的梯子攀登辅助设备的示意性的侧面图；图2a-图2e示出了根据本发明的绳子负载传感器设备的图解的实施例；图3a_图3b示出了根据本发明的攀登辅助系统的主要部件的图示；图4示出了根据本发明的机动化传动系统的优选示意图；图5示出了根据本发明的发送器的优选实施例的示意图；图6示出了根据本发明的接收器的优选实施例的示意图；图7示出了用于电动机控制的典型传动的参考示意图；图8是示出根据本发明的发送器算法的优选实施例的流程图；图9是示出根据本发明的接收器算法的优选实施例的流程图；图10示出了根据本发明的超速调节器的图解实施例。
具体实施例方式在此公开的实施例在应用中不限于在以下描述中所提出的或者在图中所示出的 具体结构和部件的布置。本公开可以涵盖其它的实施例，并且能够以各种方式加以实行 或者执行。同时，在此使用的措辞或者术语是为了描述的目的，并且不应当被认为是限 制。在一个实施例中，提供了用于对攀登者的状态进行检测的传感器。具体地，为 了对辅助攀登者所需的功率量(the amount of power)进行控制，将用于对攀登者施加在辅 助绳子上的负载进行检测的传感器合并入系统中。另外，系统还包括将负载数据发送给 接收器的发送器、传输通路、对来自发送器的数据进行接收的接收器、对所接收的数据 进行解释的监督控制器、以及为辅助绳子提供能量的控制电动机和传动机构。本公开详 细说明了用于系统控制的单向无线或者开环通信，但是当接收器也将数据发送给所述发 送器时全双工通信也是可能的，以实现包括例如如下的目的向攀登者通告信息、无线 链路的完整性双向确认以及消息错误校正。如以下所描述的，本发明使用开环通信被认 为是适当的简化。当然，用于检测人的负载变化的传感器仅是确定攀登者状态的一个示 例。作为用于检测负载变化的传感器的替代或者除了用于检测负载变化的传感器之外，可以使用用于检测人的状态的其它变化的传感器。例如，眼睛移动、身体温度、心跳速 率或者其它生理数据的变化也是攀登者的状态和身体属性的好的指示器。图1示出了攀登辅助系统1的示意性侧面图，其中在上塔或者下塔期间攀登者3 位于梯子2上。例如，在风力发电塔(windgeneratingtower)的日常维护期间，攀登梯子 的维护人员。通过抓绳器7将所述攀登者附着在辅助绳子4上，所述辅助绳子4优选地 是以例如柔性金属丝或者天然或合成的绳子经过适当的改造或者涂覆的材料制成的连续 的环的形式，以确保应用中的功效，所述柔性金属丝或者绳子在辅助设备的指定的上水 平位的滑轮11和辅助设备的指定的下水平位的滑轮12之间延伸。优选的对攀登者的辅 助范围在50磅力(lbsf)至1201bsf的范围内。也可以同样地指定其它更高或者更低的限 制。当然，所公开的系统对于辅助攀登者上或下例如信号塔、桥、水坝和摩天大楼的其 它建筑物也是有用的。在本实施例中，传动系统5的优选位置是在较低水平位，并且为较低水平位滑 轮12提供传动。当然，也可以使用传动系统的可替换位置。通过系索6附着在辅助绳子4上，所述系索6连接在由攀登者穿着的商业可得到 的身体装具和抓绳器7之间。当然，所述系索可以可选地由所述抓绳器和所述装具之间 的其它耦接来代替，并且在此被看作是等同的装置。另外，并且如职业安全与健康管理 (Occupational Safety and Health Administration, OSHA)规则所要求的那样，应当将所述攀
登者连接至本公开中未进一步讨论的适当的防坠落设备。本发明的一些方面涉及对表现为辅助绳子4的速度的辅助速率和对表现为对攀 登者施加在辅助绳子4上的负载的支撑的攀登者辅助量级的动态调整。由于攀登者需要 比辅助绳子的速度攀登更慢或者更快，因此在横越梯子期间，攀登者的需求可能变化， 并且会随着攀登者的重量而变化。因此，所公开的系统考虑到攀登者的健康、重量以及 想要的攀登速度。图2e示出了与抓绳器7合并的负载传感器系统15。当由附着在攀登者装具上的 系索6将负载施加到附着点9时，杆13相对于结构14移动。因此，如以下进一步详细 描述地，产生并且传送表示负载的信号。图2a示出了被并入结构14的传感器系统15的示意图。当将负载施加到所述杆 13时，例如在装具附着点9上，弹簧16被压缩。优选地，弹簧16是绕线压缩弹簧，但 是同样地可以使用其它类型的弹簧系统用于此目的，所述其他弹簧系统包括但非必要地 是由金属或者其它可压缩材料构成的膨胀或者扭转类型，以及例如橡胶、弹性、液压或 者气动系统之类的系统，或者可以将杆9构造为悬臂式。随着弹簧16在增加的负载的作 用下压缩，磁体17在由箭头所指示的方向上朝着霍尔效应设备(HED) 18移动。可以对 来自HED 18的变化的电信号进行测量作为所施加的负载的表示。对于从事传感器设计 和方法领域的那些技术人员，HED 18的操作很好理解，因此对其将不做进一步描述。当 然，可以实现替代HED的其它方法，比如使用应变计作为负载传感器的一部分。可设想出可替代的结构以执行上述功能，所述功能包括但不限于从光学的、交 变磁的、应变式或者电阻式部件中进行选择。中性或者零外部负载位置也可以不同于所 公开内容，因为磁体17相对于所述HED 18的位置可以是朝着HED 18或者在其中心，或 者被布置到HED 18的另一侧，使得增加的负载将使磁体17从HED 18离开。然后，电信号对于磁体17的运动的相对方向将因此变化，但是仍代表所施加的负载。图2b示出了用于感测负载的另外的可能布置。再次，因为弹簧16随着所施加 的负载的增加而压缩，所以附着在弹簧16上的磁体17被布置成相对于HED 18移动，并 且如之前，将在HED 18中生成表示负载的电信号。相似地，以上所讨论的可替换的感 测方法也适用于本感测配置。可以将图2a和图2b中所公开的传感器配置用于附着在抓绳器7或者系索6上。 两种方法传感器都将直接对施加在攀登者3和辅助绳子4之间的负载做出响应。图2c还示出了用于直接负载感测布置的另外的实施例。本实施例中，负载反应 或者可伸长的材料127被配置成与连接在抓绳器7和身体装具之间的系索121串联，并 且对施加在攀登者3和辅助绳子4之间的负载进行直接响应。在优选实施例中，将磁体 17嵌入可伸长的材料127中。基部122的一端在126处被紧固于系索121上，并且承载 HED 18。基部122的标号18处的一端相对于系索121没有受约束。定位HED 18和磁 体17使得当负载施加时，磁体17相对于HED 18的移动生成如上所述的表示负载的电信 号。当然，可以将HED 18和磁体17的位置调换，并且另外可以将HED 18和磁体17 二 者均放置在可伸长的材料127上，以确保相对位移为所施加负载的函数。当负载变化时，为了确保来自HED 18的电信号不被错误地解释，可以将引导系 统并入结构中，以确保磁体17对于HED 18的相对位置不会进行由定向、振动或者其它 考虑所引起的变化。由于这被认为是在有经验的机械系统设计者的设计能力之内，所以 没有对这些进行详细的描述。图2d也示出了用于直接负载感测布置的另外的实施例。在本实施例中，负载反 应的或者可伸长的材料130被配置成附着在外壳131和内壳132之间。壳131、132被约 束成响应于被施加的负载而相对于彼此移动。在一个应用中，可以将外壳131在孔133 处附着到系索6上，并且可以将内壳132在孔134处附着到抓绳器7上。优选地，附着 是使用例如竖勾的传统装置。由于壳131、132相对于彼此移位，因此可伸长的材料130 提供恢复力。当然，也可以使用材料130在压缩时起作用的可替换布置。平面性的约束和在壳131、132之间可获得的移位的度可以通过销136、138分别 在槽137、139内移动来提供。被相对于外壳131固定的磁体17响应于负载改变其对于被相对于内壳132固定 的HED 18的相对位置，并且如同之前，提供负载响应的电信号。另外，磁体17相对于 与内壳132相对固定的线圈63进行移动，并且，因此，通过众所周知的法拉第电磁感应 定律原理，能够生成电流。如以下所公开的，可以将电流施加到整流器64和充电电路42 以增加储能。如果攀登者想要终止辅助，也可以增加所述负载传感器上的负载以将内壳132 延长至相对于外壳131的最大程度，并且激活开关(未显示)，例如，通过销138操作开 关，并且立刻发送停止消息。作为在任何上述负载感测布置中可能的配置，可以将以下进一步描述的电子部 件布置在例如135的印刷电路板上，另外，可以包括可操作的控制装置60以允许辅助 模式的直接选择。例如，所述可操作的控制装置可以是按钮，以从被确定为所想要的速 度、负载支持、时间响应性或者其它参数的菜单中进行选择。然后这样的选择被传送给所述电动机和传动装置，以提供所选择量级的所述辅助。另外，如果包括例如发光二极
管的显示装置(未示出)，则指示控制装置的选定状态和攀登者的活动。 图3a和图3b示出了用于控制攀登辅助系统1的主要部件的图解的表示。图3a
示出了发送器的图解的表示，以及图3b示出了接收器的图解的表示。 为了对由攀登者3施加在辅助绳子4上的负载进行直接地感测，结合有发送器55
的如上所述的传感器18生成表示负载的电信号，该电信号被施加到线49上的微处理器
31。微处理器31在线52上将信号发送给发送装置32，并且因此将其从天线57发送至图
4的监督系统22的天线34。在所述监督系统中对由接收器36从天线34接收的信号进行
转换，并且将其传递给微处理器37以用于转换来控制基于特定的接收信号和控制算法的
动作。传动装置38将来自主电源线25的功率转换成由微处理算法所确定的形式，以确
定电动机20的活动。图4示出了所述机动化传动系统5，所述机动化传动系统5包括电动机20、传动 装置38和监督系统22以及可选的变速箱21。优选地，电动机20和变速箱21安装在基 板23上。电动机类型可以从以下中进行选择如交流或者直流、同步、非同步、永磁 体、有刷或者无刷、步进以及绕线转子和或定子类型以及其它众所周知的类型。本优选 实施例中的电动机20是同步交流型，但是其它类型的(包括单相和多相的)电动机将满 足本发明的要求。输送给电动机20的功率来自传动装置38，所述传动装置38可以选自 可商业得到的类型，包括可变频率(VF)、脉宽调制(PWM)、相位控制、电压控制或 者电流限制类型。为了在电动机20的转速和下水平位滑轮12之间转换，可以置入变速箱 21。变速箱21可以从蜗杆传动、行星式的(planetary)、谐波以及其它众所周知的类型中 来选择。这些变速箱类型每个具有不同的属性，并且取决于所选择的电动机传动装置， 可以被省略，例如，如果所选择的电动机类型能够不需要变速箱而输送所需扭矩的话， 并且也能够提供在故障和紧急状态下系统的安全操作。为了方便描述，将电动机20、变 速箱21和滑轮12描述为同轴布置，但是也可根据由各结构所确定的机械便利性的要求来 定位。尽管对于攀登辅助系统的操作来说电动机的选择不是关键的，但是在一个实施 例中，使用利用变速箱来减速的感应电动机是可以理解的，并且所述感应电动机可选地 可以包括制动器，以在电动机的电源被终止时确实地锁住系统。当实施了蜗杆传动时， 由于众所周知的反向传动的高摩擦，可以省略制动器。另外，可以理解如电动机和传 动系统设计领域的那些技术人员所周知的，传动系统也可以包括确定电动机速度和转动 方向的装置。传动装置38提供从外部电源到电动机20所需功率特性的变换以驱动滑轮12。 在发明的本实施例中，系统的电源为230伏特交流电压(Vac)，并且电动机所需动力是从 零至120Hz的可变频率，以及零至230Vac之间的可变电压。可以提供其它的外部电源 值，并且为了电动机控制(包括电流限制、超载感测以及超速感测)，可以另外施加其它 特定的限制。这允许控制电动机速度和扭矩二者，以提供所需的辅助特性。另外，监督系统22包括从所述负载传感器系统接收信号的信号接收器。在本优 选实施例中，用于信号的传输方法是无线的，并且是从传感器55至传动装置38单向的。 当然，可以使用用于信号传输的其它实施方案，比如有线、声音(超声)、光(UV、可见的或者IR)、感应(如果是金属的，则经由辅助绳耦合)、或者其它可用的方法。为了简 单起见，指定了单向传输，但是包括双工传输的双向也是可行的，并且可以提供从其它 源传送信息的能力，所述信息例如但非必要地是电动机或传动状态、通信链路的完整性 以及其它通报信息。对于信号传输的性质，本发明中将不再进一步考虑，并且信号传输 可以包括安全传输方法，以及其被认为是本领域的那些技术人员所周知的。图5示出了图3a的发送器的优选实施例的示意图。根据图5所进一步描述的图 2中的负载传感器包括响应于磁体17的HED 18。HED 18的特性是使得其响应于进入的 磁场而具有在场强范围内近似每高斯2mV的输出电压。将来自HED 18的模拟输出电压 施加到位于线49上的微处理器31的模数转换器的输入。图8的软件算法在微处理器31上执行，并且将线49上的模拟电压转换成数字模 式，所述数字模式被传递至用于向远程监督系统传输的线52上的发送装置32，所述远程 监督系统响应于所感测的负载而对攀登辅助进行控制。可替换地，为了作为模拟信号传 输而不做数字化处理，可以将微处理器31省略，并且可以将线49上的信号直接施加到适 当的发送装置。并入微处理器的好处是更可靠地确定所传输信号的特性，以及合并关于 系统的其它信息。为了对用于传感器的操作时间的可用持续时间进行扩展，理想的是使得传感器 的功耗最小化。可以在传感器中使用几种机构，以获得可以接受的低平均功耗，例如仅 在数据要被收集并传输时将HED 18和发送装置32开启，并且以充分高的比特速率来传 输数据包。当将线48设置成低以接通PNP晶体管47时，功率被施加到HED18。同样， 微处理器软件可以被配置成仅当需要传输信号时开启发送装置32，而在传输完成时可将 其关闭。为了达到这个目的，发送装置32具有使能输入，所述使能输入将其从非常低功 耗的睡眠状态转至较高功率的传输状态。当微处理器31将线53设置成使能状态时，其 开启发送装置。然后用于传输的信号被施加到线52。在经由线61和天线57传播的传输 完成时，接着可以将线53设置成非使能状态，然后发送装置32进入低功率状态，并且减 小了功耗。此外，为了在没有信息要被测量或者传递时进一步减小功率，可以将微处理器 设置成各种模式，其中一个模式是仅受限制的内部时钟在工作。因此，可以将微处理器 的功耗减小至最小值，直到内部时钟计时时间到为止，其中可以将软件算法配置成给 HED 18和发送装置32通电、传输所测量的数据，然后重新开始低功率状态，HED 18和 发送装置32处于断开状态，并且微处理器31处于受限制的时钟状态，直到下一次时钟时 间到为止。对测量和传输阶段之间的负载采样间隔可以设置成从名义上的零至任何想要 的值。在负载采样的本实现中，间隔在0.1至10秒之间，优选间隔为0.2秒。需要指出 的是间隔越短平均功耗就越高，并且储能设备再充电循环之间或者电池更换之间所需 的时间就越短。在整个攀登期间，负载采样间隔可以动态地变化，以例如在攀登辅助的 开始期间，以适应快速设置所需速度或者扭矩的重大的变化，而提供有效的攀登辅助。在发送器中可以设置用于信息显示和操作员传信的另外的设备。根据软件算 法，可以将来自微处理器31的线54设置成输入或者输出状态。在本实施中，通常将线 54设置为输入。如果操作员闭合开关51，则线54变高，所述微处理器可以被配置成如果 处于受限制的时钟模式则对信号电平的变化做出响应而醒来，否则所述微处理器是醒着的。当所述微处理器被配置成将线54上的转变识别为中断时，所述微处理器将立刻对此 变化做出响应，并且通过软件算法将信号传输，以实现例如辅助电动机的即刻停止，提 供紧急停止功能。当闭合开关51时，经由FET 50点亮LED 56，以显示即刻停止状态。同样，如果通过软件算法将来自微处理器的线54设置为高，则LED56将经由 FET 50设置为高。可以将其用于指示软件算法是否被适当地编程以识别操作员感兴趣 的特定状态，例如低的电池或者储能设备电压。当然，可替换地，或者附加地，可以将 LED 56实施为例如发声器设备以吸引操作员的注意。经由LED 56的传信可以被编码以 表示不同的状态，例如LED 56可以以一定速率或者开关时间比的脉冲驱动，以对例如低 储能设备电压、HED故障、超负载等的状态进行区分。可替换地，可以包括多个指示器。同样示出了来自开关60的附加输入62。可以将这些开关用于设置例如辅助速 度、负载的各种操作模式，或者设置在应用辅助中的变化速率的时间延迟。注意可由任何合适的微处理器做可替代的功能指派。本实施例显示了微处理器 系统方面的任何技术人员所能构思的很多布置中的一个。尽管传感器30执行单向传输，在发送器能够接收信号以及发射信号时双向通信 也是可能的。使用双向系统的原因在于，例如，可以快速地确保通信的完整性，或者向 攀登者发送警报或者信息。然而，由于辅助系统中提供的设备，这未被认为在辅助系统 的本实施中是有利的，例如，对于监督系统，如果在特定时间内，例如但非必要地在从 发送器的最后发送的3秒内，未从传感器接收信号，则监督系统关闭辅助系统能力。如 果发送器每秒发送信号5次，则3秒等待时间将提供通信路径已经失败的指示，并且传动 系统可以进入安全状态，直到通信重新开始。在传感器包括双向通信时也是可能的，那 样可能增加取自储能设备的平均功率，潜在地将再充电循环之间的持续时间减小而损害 可用性，并且也可能增加辅助系统的费用。在优选实施例中，电源包括例如可充电电池和电压变换逆变器43的储能设备 45，以从所述储能设备的一系列电压中，为系统的操作提供想要的工作电压。当例如负载响应磁体17移动到开关41的范围内时，发送器55被开启。例如， 放置于磁体17邻近的簧片开关41将储能设备45连接至逆变器43，以向发送器提供例如 5V的所需电压。为了向发送装置供电，可以提供其它装置，并且优选地，仅当辅助系统 需要用于操作时施加电力。作为另外的可替换地，开关可以是手工操作的机械开关，或 者机械地耦合以响应于如之前所公开的传感器的附着和移动。根据图5，传感器优选地由例如可再充电电池的集成储能设备来供电。可选的 充电系统42可以取决于所述储能装置的类型来提供，所述储能装置例如从如下类型来选 择〇每单元具有1.52V的碱性&锌-碳(不可再充电)〇每单元具有1.35V的汞(不可再充电)〇每单元具有1.86V的银锌(不可再充电)〇每单元具有1.2V的镍金属氢化物(电力可再充电)〇每单元具有1.2V的镍镉(电力可再充电)〇每单元具有3.6V的锂离子(电力可再充电)
〇超级电容器(电力可再充电)〇燃料电池(化学可再充电)这是示例列表，并且可以使用其它类型的储能装置。每个储能装置具有特定的 放电特性，其中电压输出随时间的降低具有特殊的特性。需要指出的是，虽然描述了单 个单元，但是也可以指定多个单元以将总电压提高到所需的操作电平，从而消除使用逆 变器的需要。也可以使用例如锌碳单元的需要周期性更换的非可再充电储能设备，或者当使 用可再充电电池时，充电系统的功能在于对电池重新充电，以确保无论何时操作所需的 充足的能量。很多已知可能的充电系统是可用的，其中一些可以从以下选择〇感应能量传递，其中，当不使用传感器时，传感器被存放在邻近承载交变电 流的线圈附近，以将能量感应至传感器中的能量接收器线圈中，或者〇从能量源到储能设备的直接连接，或者〇周围能量搜寻，使用来自周围振动的压电发电、热电效应、光电发生器、杂 散电场等，以提供能量输入，或者〇如使用法拉第电磁感应定律在图2d中所描述的，并且参考17、63、64和42 在图5中所示例出的，其中磁体17相对于线圈63的运动生成电荷，由64进行整流，并 且作为充电电流经由充电系统42被施加到储能设备45，这一点对于电子系统方面的那些 技术人员来说是明显的。逆变器43的功能在于将例如1.2V的电池电压转换成用于传感器部件的例如 5V的所需工作电压。转换电压的众所周知的方法是使用例如由诸如国家半导体公司 (National Semiconductor Corporation)的很多半导体厂商所制造的升压开关电容调节器或
者升压开关调节器。在此所描述的发送器的示例中，优选电压是5V。为了提供关于储能设备45的状态的信息，线44上的电压可以被采样并且被施加 到线46上的微处理器31的模数转换器的输入。通过这样的方式，传感器可以将关于电 源状况的附加信息传输给监督系统。作为对储能设备45使用的另外的替换，可以使用商业上可获得的能量获取设 备，其中可使用例如从 http://www.adhocelectronics.net/download/EnOcean/PTM230_ Datasheet.pdf可以获得的发送装置。在这种情况下，从环境所获取的能量是来自由移动、 变化的压力或者温度、或者其它物理事件所产生的电-动电力发电机的能量。图6是接收器70的优选实施例。电源86为接收器的部件提供5V。接收器36 在天线72上接收来自发送器55的信号，并且在线73上将接收信号转换成解调数据，解 调的数据进入微处理器37，用于通过软件根据优选控制算法来处理。所接收数据通过控 制算法来解释，所述控制算法反过来又生成表征辅助绳子的优选速度以及通过电动机20 输送的优选扭矩的信号。在一个实施例中，可以根据在微处理器上执行的PWM方法来生成速度和扭矩信 号。在那种情况下，可以分别通过低通网络78、79和77、81，将线76和77上的PWM 信号分别转换成线97、98上的基本稳定的信号。也可以使用生成速度和扭矩信号的其它方法，例如使用数模转换器以提供信号97和98。当然，如果所接收的信号已经是模拟形式，可以使用适当的比例算法来提供信 号97和98。参考图7并且以控制电动机20的几种可能的实现方式中的一种为例，传动控制 器99从线97和98上的信号生成信号104和信号105，以分别控制给电动机20的电源的 电压和频率。例如，可以设置信号104的时序触发SCR 87、88、89、90，以生成线106 上的电容器105上想要的平均直流电压。为了操作电动机，电源开关设备91、92、93、 94、95、96可以通过信号105以一定顺序来开关，以为线100、101、102上的所述电动机 提供恰当的定相电源。该示意图仅是图表的，并且其它配置是可能的，例如信号104和 105可以是多相的。当然，如果电动机是不同类型的电动机，例如直流系列电动机，则控制器将适 合于电动机以提供所需速度和扭矩控制。例如，作为相当的简化，可以将例如97的单输 出施加到商业可用的SCR传动装置，以为DC类型的电动机提供电压控制，从而根据用 于攀登者支持的想要的算法提供速度和扭矩控制。当接收到来自发送器的开始传输时，电动机20将在例如1秒的期间内自举以提 供初始扭矩和速度，以提供例如501bs的具有由攀登者来决定的相应的攀登速度的受限辅 助。在本发明的该实施例中，攀登辅助负载支持和绳环速度二者可能在控制算法中 受限制。另外，虽然图中没有描述，根据众所周知的原理，可以通过滑动离合器将滑轮 12耦接于系统，这将防止例如大于1201bf的过度攀登辅助负载被施加到绳环上。如果被 施加的负载超过离合器的额定值，则滑轮转动速度将不同于离合器的输入传动，由此限 制了辅助的输送。当然，通过选择具有特定最大可输送扭矩的电动机也可以来设置辅助的最大 值。可替换地，可以使用传动中的电流限制来限制施加的辅助力。作为终止绳环辅助的一种可行的方法，例如，当攀登者想要停止系统时，攀登 者逆着辅助方向下沉特定的最小时间，由此施加大于特定最大负载的负载。当控制算法 感测到超过特定最大负载的负载持续例如3秒的特定时间时，将从绳环上移除辅助，并 且将提供制动以限制进一步的转动。可选地，攀登者操作发送器上的控制装置以终止辅 助。图8是示出发送器算法的优选实施例的流程图。发送器55的功能在于向接收器 70发送表示攀登者的活动和发送器55的状态的信息。当发送器被攀登者激活时，通过施加例如引起开关41闭合的负载，发送器在 201被上电。然后微处理器31在202处初始化，并且在203处开始内部时钟。时钟被配 置成优选但非必要地是每秒5次的特定时间间隔生成时钟报时信号。当然，也可以选择 其它时间间隔。在204处，开始命令被发送给接收器以启动辅助，然后在205处，例程 发送208被调用，这样就将有关负载状态和发送器设置的数据提供给接收器。一旦例程 完成，微处理器在206处进入低功率的休眠状态，在206处，功耗被最小化直到下一时钟 报时在207处出现。在每个报时情况下，调用子例程发送，之后在206处重新进入休眠 模式。当调用子例程208时，在209处发送任何操作员控制装置51、60的状态，例如，但非必要地是攀登者想要向上或者向下移动的指示。可以使用指挥想要的方向的例 如系索上的多个拖轮的可替换装置，以使得传感器将此解释为向下方向的命令，而单个 拖轮将被解释为向上方向的命令。HED在210处经由晶体管47激活，来自HED的表示由攀登者施加的负载的信 号由微处理器在211处读取，并且在212处将HED去使能以保存能量。在213处发送表 示所测量负载的消息。在214处，对所测量负载的值进行评估，并且如果该值超过特定值LStop，则在 215处发送停止消息给接收器以终止辅助传动。这样的事件可以通过如攀登者故意逆着辅 助绳子下沉以停止辅助来引起。如果在214a处测量电池状态为低，则在215处发送低电池告警消息，并且在216 处接通LED 56，以警告攀登者低电池状态。当然，所述LED吸收额外的功率，因此可 以以脉冲方式来对其进行操作，以使得额外功耗最小化。所述循环在每个时钟报时重复。在每个循环中，附加的功率从储能设备45排 出，并且特别地，在每个发送期间的耗电比较高。尽管前面的描述包括在204、209、213 和215处的传输的多个例子，但是将每个种类的消息编译成单个发送包可以使得功率需 求显著地减小。如果要求即刻停止，并且要防止辅助系统的进一步操作，则可以配置对应地提 供“停止”功能的开关以在219a处引起中断，并且即刻发送“停止”命令218a。为了 提高正在被执行的命令的确信度，发送器可选地可发送“停止”命令多次。为了扩展电源的可用性，提供对例如之前所描述的对可获得的能量进行增强的 装置是有利的。图9是示出接收器算法的优选实施例的流程图。接收器70的功能在于接收来自 发送器55的消息和命令，并且相应地控制电动机20，以为攀登者提供想要量级的辅助。当电源在步骤221被施加到接收器时，将微处理器37在步骤222初始化，并且 将时钟开始。时钟被配置成以优选但非必要地是每一秒的特定时间间隔生成时钟报时信 号。当然，也可以选择其它时间间隔。程序然后在步骤223的循环中等待事件的发生。在初始化期间，可以对例如用于辅助的开始速度和/或扭矩的主要参数进行设 置。这些最小值被设置为使得攀登者不会遭受意外冲击或者过量的力或者可能引起攀登 者疲劳和受伤风险的辅助速度。优选但非必要地使用中断来开始对时钟报时事件的响应，以及对接收来自所述 发送器的消息的响应。例如传动系统处的操作员的控制动作或者如果提供了控制装置时 来自控制装置的其它事件也可以引起动作。在中断驱动系统中，并且如在此所描述的， 中断将起作用以引起特定的服务例程的执行并且完成。此后，操作返回到在中断时刻正 在操作的功能。在所描述的实施例中，非常有可能的是中断将在接收器正在执行等待循 环223时出现。在接收到消息时，从循环进入224处的程序段。如果消息包含停止命令，则传 动系统被停止，并且辅助被移除。虽然即刻停止消息和停止命令消息之间存在区别，但是优选的是即刻停止将 去使能所有进一步的操作，直到接收器的电源被再循环地断开接通，或者进行一些其它的干预动作，然而停止命令将停止辅助传动，通过来自发送器的正常命令进一步启动是 可能的。一旦在224处接收不属于停止类的消息，则值“计数值”被重新置零，以防止 辅助的过早停止，并且将包含在消息中的数据记录，例如负载、从负载样本和开关设置 的历史中所计算的负载倾向，在228处进行更新，然后退出例程。在生成时钟报时时，在230处例程被初始化，并且在231处增加计数器。计数 器的目的是提供计时器，以在如果没有从所述发送器接收到进一步的消息时，计时时 间到并终止辅助。在232处检查计数，并且如果计数超过例如但非必要地是3的限定值 时，则传动系统被停止，并且辅助被移除。可以对各种随后的控制动作进行定义，包括 基于来自攀登者的命令，通过重新开始所述传动系统来重新使能辅助。可替换地，可以 将传动系统的电力再循环，以重新初始化系统来正常继续操作。如果计数还未到达限定的值，则基于在247处感测到的攀登者所要求的辅助方 向，在248和250处设置参数K和滑移(Slip)，并且在249处设置值TMax。具体地，K 确定了用于辅助的扭矩和速度的修正方向，并且滑移设置了根据正在向上或者向下的攀 登者的方向，电动机传动可以被允许向前或者向后运行的度。当被加载到特定量时，电 动机的扭矩限制TMax将决定被定义作为无负载和有负载速度之间的偏差的电动机滑移。 因此，在251处设置TMax，或例如0至255的范围内的其它值。在234处，所测量负载的值与被表述为LMax的、例如但非必要地是1201bs的特 定值进行比较，并且如果所述所测量负载的值大于LMax，则传动系统扭矩TMax在235 处被设置成最大值。在236处，所测量负载的值再次与表述为LMax的所述特定值进行比较，并且如 果所述所测量负载的值小于LMax，则在237处以因子K * N对传动系统扭矩进行改变。 因子N可以被选择为例如但非必要地是LMax的最大特定值的10%。因而，所述辅助扭 矩可以逐步地朝着想要的最大值LMax逐渐地进行变化，而攀登者不会感觉到冲击。需 要指出的是当方向是向上或者向下时，K相应地是+1或者-1。当然，如果攀登者逆着向上方向的辅助而下沉，并且负载超过所述值LStop，则 如之前所描述的，辅助将被终止。在向下的方向上，一旦传感器上的负载被移除或者通 信停止，则在延迟之后，辅助将停止，并且附加地，一旦所述抓绳器被卸载，则其可以 被设计成不再具有作为商业可用抓绳器特性的对于所述辅助绳子的摩擦附着，因此将停 止对于攀登者的支持。在238处，评估负载倾向的值，并且如果对于向上的方向该值是增加的，则表 示攀登者可能疲劳，并且不能够跟上所提供的辅助的量级，因而，可以在239处以因子 M(K= 1)减小辅助的速度。在向下的方向上，负载倾向的增加表示攀登者可能想要更 快地下降，因此以因子M(K = -1)增加速度。可以将因子M选择为例如但非必要地是速度的最大特定值的10%。因而，所述 辅助速度可以朝着想要的最小值逐渐地减小，而攀登者不会感到冲击。需要指出的是 当方向是向上或者向下时，最小值也可以相应地包括零速度并且K是+1或者-1。在240处，评估负载倾向的值，并且如果对于向上的方向，该值是减小的，则 表示攀登者可能比正在提供支持的辅助移动得更快。因而，可以在241处以因子P增加辅助的速度。在向下的方向上，负载的增加表示攀登者想要更快地下降，因此以因子M(K =-1)减小速度以允许更快的滑动。可以将因子P选择为例如但非必要地是速度的最大特定值的10%。因而，辅助 速度可以朝着想要的最大值SMax逐渐地进行增大，而攀登者不会感受到“冲击”。在242处，评估辅助速度的值，并且如果该值超过特定最大值SMax，则在243 处将速度设置成SMax。在244处，评估速度的值，并且如果该值小于例如但非必要地是5英尺/分钟 (ft/min)的特定最小值SMin，则如之前所描述的，将终止辅助。在时钟报时处理完成之后，接收器在246处返回，以继续223处的等待循环，直 到下一事件发生。在以上中，可以理解扭矩TMax的最大值是例如但非必要地如要给攀登者输 送1201bsf。同样，最大速度SMax使得辅助绳子4的速度是例如但非必要地100ft/min。另外，可以理解可以有不同动作所导致的几类定义的停止状态，所述停止状 态例如〇即刻状态，其中传动系统从进一步辅助完全被去使能，例如在219a处；以 及，〇正常停止状态，例如其中攀登者逆着所述辅助绳子进行下沉。在这种状态 下，例如在214处，当攀登者发命令时，系统可以重新开始；以及，〇其中辅助速度小于特定最小值，例如在244处。在这种状态下，当攀登者发 命令时，系统可以重新开始。对于微处理器37中的用于控制向攀登者输送辅助的算法的进一步改进，是使用 电动机的功率(P)、扭矩(T)和转动速度(R)之间众所周知的关系P = kTR，其中k是 常量。在使用扭矩和速度进行控制的以上描述中，其中电动机的速度与辅助绳子速度具 有直接关系，这样，如果其中一个参数被调整成适合攀登者的需要，那么，另一参数也 将被设置成保持方程P = kTR平衡。当然，负载和所输送功率之间的其它关系可以是特 定的，优选地以使得攀登者对所输送辅助的值感知最大化。例如，当速度(R)被改变时，如果功率P是由攀登者可选择(可能作为攀登者重 量的函数)的参数，则可以使用T = P/(kR)来调整扭矩。类似地，当扭矩变化时，则 使用R = P/ (kT)来调整速度R。而且，理想的是，通过仅改变例如速度或者扭矩的一个参数，同时保持其它参 数恒定来提供对系统的进一步的简化，但是期望通过保持所选择的功率量级恒定，攀登 者可以经历更满意的辅助系统。当使用DC电动机时可以作为这种控制的示例，如在前 面所公开的，根据施加的电压来应用控制。此外，当攀登者从梯子的一档至一档移动时，由于如传感器所感测到的攀登者 的负载不是常数，因此需要附加的信号处理以补偿这些攀登者所导致的负载中的循环变 化，并且使用表示负载的测量信号的过滤的值。在这样做时，可以预期使用如以上所优 选的一秒的采样速率可能是不够的。相应地，系统可以被设置成不同的采样速率，由另 外的信号处理来可选地动态地进行选择，以提供对攀登者负载的最佳表示。作为操作上的进一步改进，可能有利的是包括时间延迟，以防止辅助的不理想的变化，例如当感测到负载或者负载速率的小变化时，则在改变辅助之前，可以施加例 如但非必要地是3秒的更长的时间延迟，然而，如果出现大的变化，则可以在辅助改变 中使用例如但非必要地是1秒的更短的延迟。根据系统的状态，可以将其它时间延迟应 用到开始和停止辅助，例如即刻停止应当是即刻的，而正常停止花费较长时间，例如通 过将速度下降至零例如但非必要地是1秒。类似地，当辅助开始时，理想的是逐渐变化 到想要的速度以防止冲击开始，类似地用于停止状态。需要指出的是软开始和软停止 对于电动机控制是众所周知的。当然，也可以为在发送器微处理器31中运行的算法提供任何想要量级的处理， 包括对用于向用于电动机控制的接收器进行发送的功率、扭矩和速度之间的关系进行管 理；但是，为了使得由发送器所消耗的功率最小化，期望最小化所述发送器处理要求将 降低功耗是合理的。图10示出了根据本发明的超速调节器的图示的实施例。在发生使得辅助速度增 加超过安全值的故障的情况下，为了防止对攀登者产生危险的超速状况，与任一滑轮相 关地布置有超速调节器，用于终止或者限制辅助，或者随系统中任何位置上的滑轮而改变。例如图10示出了与比例调节器相关联的顶部滑轮11，其中超过例如lOOft/min 的攀登速度的滑轮转动的阈值速度时，离合器148啮合制动器149以逐渐地加载或者使得 传动系统停机，并且限制来自所述电动机的可用的传动。其中制动器发生作用以逐渐地 给传动系统加载，可以设置例如但非必要地是120ft/min的极限最大速度。当然，也可以通过电动机的适当控制，例如当以本领域的那些技术人员所周知 的四象限模式来使用电动机时，为攀登者的上升或者下降速度提供限制。可以禁止进一步传动，例如通过在相反的方向上即刻地运行滑轮，直到重置辅 助系统。作为另外的设备，所述调节器可以包括发电机150，以在检测到超速或者任何 其它故障状态时，为经由天线152从关联的发送器151到在别处的所述接收器的通信提 供电力。所述调节器也可以包括开关153，以使得可以从顶部位置启动援救模式，以防 止需要首先下降来设置想要的模式。在援救模式中，有用的是包括提供以受控速度相 对独立于负载无动力下降的设备。在再生模式中使用电动机将提供这样的能力，例如由 SafeWorks LLC的子公司Power Climber所制造和出售的升降机系统所公开的。作为用于控制辅助系统的系统的另外实施例，该系统基于攀登者负载的感测， 以控制所输送的功率来辅助攀登者；可以在具有适当负载测量装置的任一滑轮上对负载 进行感测。但是，这被认为是显然的，并且不具有如在本公开中所描述的直接感测方法 的优点，因此还未被进一步考虑。可以理解的是本公开全文使用的术语电路可以包括专门的硬件部件。在相同 的或者其它实施例中，线路可以包括被配置成由固件或者开关来执行功能的微处理器。 在相同的或者其它示例的实施例中，电路可以包括一个或者多个通用处理单元和/或多 核处理单元等，当具体化逻辑操作以执行功能的软件指令被加载到例如RAM和/或虚 拟存储器的存储器中时，可以对上述处理单元进行配置。在电路包括硬件和软件的组合 的示例的实施例中，实施者可以写体现逻辑的源代码，并且源代码可以被编译成可以由一个或者多个通用处理单元来进行处理的机器可读代码。另外，可以将具体化本发明 的方面的计算机可执行指令存储在ROM EEPROM、硬盘(未示出)、RAM、可移动磁 盘、光盘、和/或处理单元的高速缓存中。可以将大量的程序模块，包括操作系统、一 个或者多个应用程序、其它程序模块或者程序数据，存储在硬盘、磁盘、光盘、ROM、 EEPROM 或者 RAM 上。 经由图表和示例的使用，前面的描述已经提出了该装置和方法的各种实施例。 尽管已经对本公开结合各种图的优选实施例进行了描述，可以理解可以使用其它类似 的实施例，或者可以在不偏离本公开的情况下，对用于执行本公开的相同功能的所描述 的实施例进行修改和添加。此外，应当强调的是在此设想到包括攀岩、建筑物逃生 或者援救方法的各种应用，或者要求人的垂直或者接近垂直的运输的任何其它应用。因 此，本公开不应当被限制于任何单个实施例，而是依照所附权利要求书，在宽度和范围 上对其进行解释。在所附权利要求书中提出了本公开的附加特征。
权利要求
1.一种用于辅助人的基本上垂直上升或者下降的系统，包括索具，其在垂直方向上是可移动的；耦接到所述索具的装置，所述装置适合于将索具的移动转换成对所述人的上升或者 下降的辅助；传感器，其可操作地检测所述装置上的人的状态的改变；以及控制机构，其被耦接至电源并且与所述传感器进行电通信，以基于所检测的所述人 的状态的改变，控制输送给所述索具的功率。
2.如权利要求1所述的用于辅助人的垂直上升或者下降的系统，其中，所述传感器被 耦接至所述装置，所述传感器检测所述装置上的负载的变化。
3.如权利要求2所述的用于辅助人的垂直上升或者下降的系统，包括霍尔效应设备 (HED)以生成表示所述负载的电信号。
4.如权利要求2所述的用于辅助人的垂直上升或者下降的系统，包括应变计以生成表 示所述负载的电信号。
5.如权利要求1所述的用于辅助人的垂直上升或者下降的系统，其中，所述装置被附 接至所述人。
6.如权利要求3所述的用于辅助人的垂直上升或者下降的系统，包括负载反应材料， 其适合于将所述HED相对于磁场进行移动。
7.如权利要求1所述的用于辅助人的垂直上升或者下降的系统，其中，所述控制机构 包括处理器；以及计算存储器，其通信地耦合至所述处理器，所述计算存储器具有存储在其中的计 算机可执行指令，所述计算指令在被执行时进行操作以引起功率随所述负载的变化而变 化。
8.如权利要求7所述的用于辅助人的垂直上升或者下降的系统，其中，其中功率的变 化也随所述索具的方向而变化。
9.如权利要求1所述的用于辅助人的垂直上升或者下降的系统，其中，包括超速调节 器以防止超速状况。
10.如权利要求1所述的用于辅助人的垂直上升或者下降的系统，包括无动力的下降 模式，其使得所述索具独立于负载进行受控移动。
11.如权利要求1所述的用于辅助人的垂直上升或者下降的系统，包括人上升或者下 降的梯子，并且其中所述索具被布置成接近所述梯子。
12.—种辅助人的基本上垂直上升或者下降的方法，包括，提供在基本上垂直的方向上可移动的索具；提供用于将所述索具的移动转换成对所述人的上升或者下降的辅助的装置；对指示所述人的状态的改变的传感器进行读取；以及基于所检测的所述人的状态的改变，对从电源至所述索具的功率输送进行控制，以 调节对所述人的辅助量。
13.根据权利要求12所述的辅助人的垂直上升或者下降的方法，其中所述传感器被耦 接至所述装置，并且所述传感器生成表示所述装置上的负载变化的电信号。
14.根据权利要求13所述的辅助人的垂直上升或者下降的方法，其中通过将磁体相对 于霍尔效应设备(HED)进行移位来生成所述电信号。
15.根据权利要求12所述的辅助人的垂直上升或者下降的方法，其中通过使用应变计 对电阻的变化进行测量来生成所述电信号。
16.根据权利要求13所述的辅助人的垂直上升或者下降的方法，包括在外壳和内壳之间安置负载反应材料，所述外壳和内壳被约束为响应于所述负载而 彼此相对移动。
17.根据权利要求13所述的辅助人的垂直上升的方法，包括随着所述装置上的所述负载的倾向而改变所述功率的量。
18.根据权利要求17所述的辅助人的垂直上升的方法，其中随着所述索具的行进方向 而增大或者减小所述功率的量。
19.根据权利要求12所述的辅助人的垂直上升的方法，包括用超速调节器来防止超速状况。
20.根据权利要求12所述的辅助人的垂直上升的方法，其中所述装置将所述人耦接至 所述索具。
21.—种塔，包括梯子，其被安置成允许人对所述塔的部件进行维修；索具，其在垂直方向上是可移动的并且布置成接近所述梯子；耦接至所述索具的装置，所述装置适合于将索具的移动转换成对所述人的上升或者 下降的辅助；传感器，其可操作地检测所述装置上的人的状态的改变；以及控制机构，其被耦接至电源并且与所述传感器进行电通信，以基于所检测的所述人 的状态的改变，控制对所述索具的功率输送。
22.根据权利要求21所述的塔，其中，所述塔是风力发电塔，并且所述传感器被耦接 至所述装置。
全文摘要
公开了一种攀登辅助系统，由于在攀登者在横越梯子的期间攀登者的需要是变化的，因此所述攀登辅助系统动态地调整攀登者的辅助的速率和量级。传感器检测人的状态，例如由与辅助绳子关联的梯子上的攀登者所施加的负载，以在攀登者身上提供向上的支持力，以抵消攀登者的重量。另外，设置有发送器和接收器，发送器将负载数据发送给接收器，并且接收器从发送器接收数据。控制器对所接收的数据进行解释，并且其后通过受控电动机和传动装置来提供控制，以向辅助绳子提供能量。
文档编号A62B1/10GK102015031SQ200980116458
公开日2011年4月13日 申请日期2009年4月3日 优先权日2008年4月7日
发明者克里斯多佛·加文·布里克尔, 约翰·杰罗姆·黑格 申请人:安全工程有限公司
技术领域：
本发明通常涉及梯子上的攀登者，并且具体地涉及一种攀登者在梯子上上升和 下降期间为攀登者的部分重量提供支撑的装置。
背景技术：
已知很多上升和下降设备，其中一些使用例如4458781、4997064、6161639、 684562、7198134、DE20216895和FR2440906中的配重。可以将这些引用文献描述为 具有选自以下几个属性中的至少一个配重、机动化(motorized)、滚筒式提升机、滑轮 牵引设备、单或双滑轮以及无端环(endless loop)。虽然配重设备可以保持恒定的辅助负 载，但是攀登者通常需要通过手动选择物理配重来调整这样的辅助力。这些设备代表比 如可以在起重机、钻油塔、建筑物等中见到的用于攀梯的辅助方法。专利DE20216895公开了无端环机动辅助设备，其具有可移除的电动机和使用滑 动离合器设备的负载限制。一般而言，这种类型的系统局限于维持恒定的速度直到达到 特定负载量级。更近来在W02005088063中的公开披露了机动化、无端环、使用对牵引滑轮进 行可变频率驱动的系统，并且包括具有负载限制和控制的运动检测装置。虽然所述系统 试图将张力保持在恒定的量级，但是却未向攀登者提供辅助速率的动态调整。另外，相关上升和下降没备的控制机构通常通过在系统的底部附近的控制单元 中设置传感器来对停止和执行攀登动作进行控制。例如，Tractel公开了通过使得下滑轮 转动并移位开关来启动电动机从而启动或者停止设备的系统。其它比如Avanti的系统采 用了基于定时事件的控制算法。
发明内容
本发明对于辅助攀登者攀登梯子特别有用。例如，风力发电塔内部的梯子可以 具有50至350英尺的高度。因而，当攀登这样的梯子时，攀登者可能经历疲劳。在此 描述的辅助系统提供辅助，当被应用到如此费力的攀登时，所述辅助减少疲劳并且增强 攀登者的安全性。当然，可以将在此公开的方法和系统应用到包括攀岩、建筑物逃生或 者援救方法的很多其它使用领域、或者要求人的垂直或者接近垂直运送的其它应用。本发明的一方面在于，在横越梯子的过程期间，提供对攀登者辅助的速率和量 级的动态调整。系统允许执行在从恒定速度(较不理想的)至恒定负载(较理想的)范 围内的不同控制策略、或者两种策略的混合。一方面，将传感器附着在由人所穿着的装具上，以提供直接负载感测。另外的方面，可以规定辅助的度，并且辅助的度选择地依 赖于攀登者的属性，即健康度(fitness)的量级以及休息的需要、由例如100磅(lbs)至 3001bs的合理范围所表示为低或者高的体重、攀登快慢的能力、以及在长的攀登期间攀 登者随着因而发生的攀登辅助的度的优选变化而可能疲倦的程度。一般而言，系统提供 在攀登中的任何点上对辅助的度进行选择的能力。此外，在攀登期间，攀登者可以从任 何地方与控制器进行通信。另外，当一方面提供了间接负载感测时，优选的是通过以下描述的系统和方 法对所施加的负载进行直接感测。
当连同附图一起阅读时，前述的发明内容以及以下详细描述的优选实施例就更 好理解。为了说明的目的，图中示出了示例性的实施例；然而，本公开不限于所公开的 特定方法和手段。图中图1示出了根据本发明的梯子攀登辅助设备的示意性的侧面图；图2a-图2e示出了根据本发明的绳子负载传感器设备的图解的实施例；图3a_图3b示出了根据本发明的攀登辅助系统的主要部件的图示；图4示出了根据本发明的机动化传动系统的优选示意图；图5示出了根据本发明的发送器的优选实施例的示意图；图6示出了根据本发明的接收器的优选实施例的示意图；图7示出了用于电动机控制的典型传动的参考示意图；图8是示出根据本发明的发送器算法的优选实施例的流程图；图9是示出根据本发明的接收器算法的优选实施例的流程图；图10示出了根据本发明的超速调节器的图解实施例。
具体实施例方式在此公开的实施例在应用中不限于在以下描述中所提出的或者在图中所示出的 具体结构和部件的布置。本公开可以涵盖其它的实施例，并且能够以各种方式加以实行 或者执行。同时，在此使用的措辞或者术语是为了描述的目的，并且不应当被认为是限 制。在一个实施例中，提供了用于对攀登者的状态进行检测的传感器。具体地，为 了对辅助攀登者所需的功率量(the amount of power)进行控制，将用于对攀登者施加在辅 助绳子上的负载进行检测的传感器合并入系统中。另外，系统还包括将负载数据发送给 接收器的发送器、传输通路、对来自发送器的数据进行接收的接收器、对所接收的数据 进行解释的监督控制器、以及为辅助绳子提供能量的控制电动机和传动机构。本公开详 细说明了用于系统控制的单向无线或者开环通信，但是当接收器也将数据发送给所述发 送器时全双工通信也是可能的，以实现包括例如如下的目的向攀登者通告信息、无线 链路的完整性双向确认以及消息错误校正。如以下所描述的，本发明使用开环通信被认 为是适当的简化。当然，用于检测人的负载变化的传感器仅是确定攀登者状态的一个示 例。作为用于检测负载变化的传感器的替代或者除了用于检测负载变化的传感器之外，可以使用用于检测人的状态的其它变化的传感器。例如，眼睛移动、身体温度、心跳速 率或者其它生理数据的变化也是攀登者的状态和身体属性的好的指示器。图1示出了攀登辅助系统1的示意性侧面图，其中在上塔或者下塔期间攀登者3 位于梯子2上。例如，在风力发电塔(windgeneratingtower)的日常维护期间，攀登梯子 的维护人员。通过抓绳器7将所述攀登者附着在辅助绳子4上，所述辅助绳子4优选地 是以例如柔性金属丝或者天然或合成的绳子经过适当的改造或者涂覆的材料制成的连续 的环的形式，以确保应用中的功效，所述柔性金属丝或者绳子在辅助设备的指定的上水 平位的滑轮11和辅助设备的指定的下水平位的滑轮12之间延伸。优选的对攀登者的辅 助范围在50磅力(lbsf)至1201bsf的范围内。也可以同样地指定其它更高或者更低的限 制。当然，所公开的系统对于辅助攀登者上或下例如信号塔、桥、水坝和摩天大楼的其 它建筑物也是有用的。在本实施例中，传动系统5的优选位置是在较低水平位，并且为较低水平位滑 轮12提供传动。当然，也可以使用传动系统的可替换位置。通过系索6附着在辅助绳子4上，所述系索6连接在由攀登者穿着的商业可得到 的身体装具和抓绳器7之间。当然，所述系索可以可选地由所述抓绳器和所述装具之间 的其它耦接来代替，并且在此被看作是等同的装置。另外，并且如职业安全与健康管理 (Occupational Safety and Health Administration, OSHA)规则所要求的那样，应当将所述攀
登者连接至本公开中未进一步讨论的适当的防坠落设备。本发明的一些方面涉及对表现为辅助绳子4的速度的辅助速率和对表现为对攀 登者施加在辅助绳子4上的负载的支撑的攀登者辅助量级的动态调整。由于攀登者需要 比辅助绳子的速度攀登更慢或者更快，因此在横越梯子期间，攀登者的需求可能变化， 并且会随着攀登者的重量而变化。因此，所公开的系统考虑到攀登者的健康、重量以及 想要的攀登速度。图2e示出了与抓绳器7合并的负载传感器系统15。当由附着在攀登者装具上的 系索6将负载施加到附着点9时，杆13相对于结构14移动。因此，如以下进一步详细 描述地，产生并且传送表示负载的信号。图2a示出了被并入结构14的传感器系统15的示意图。当将负载施加到所述杆 13时，例如在装具附着点9上，弹簧16被压缩。优选地，弹簧16是绕线压缩弹簧，但 是同样地可以使用其它类型的弹簧系统用于此目的，所述其他弹簧系统包括但非必要地 是由金属或者其它可压缩材料构成的膨胀或者扭转类型，以及例如橡胶、弹性、液压或 者气动系统之类的系统，或者可以将杆9构造为悬臂式。随着弹簧16在增加的负载的作 用下压缩，磁体17在由箭头所指示的方向上朝着霍尔效应设备(HED) 18移动。可以对 来自HED 18的变化的电信号进行测量作为所施加的负载的表示。对于从事传感器设计 和方法领域的那些技术人员，HED 18的操作很好理解，因此对其将不做进一步描述。当 然，可以实现替代HED的其它方法，比如使用应变计作为负载传感器的一部分。可设想出可替代的结构以执行上述功能，所述功能包括但不限于从光学的、交 变磁的、应变式或者电阻式部件中进行选择。中性或者零外部负载位置也可以不同于所 公开内容，因为磁体17相对于所述HED 18的位置可以是朝着HED 18或者在其中心，或 者被布置到HED 18的另一侧，使得增加的负载将使磁体17从HED 18离开。然后，电信号对于磁体17的运动的相对方向将因此变化，但是仍代表所施加的负载。图2b示出了用于感测负载的另外的可能布置。再次，因为弹簧16随着所施加 的负载的增加而压缩，所以附着在弹簧16上的磁体17被布置成相对于HED 18移动，并 且如之前，将在HED 18中生成表示负载的电信号。相似地，以上所讨论的可替换的感 测方法也适用于本感测配置。可以将图2a和图2b中所公开的传感器配置用于附着在抓绳器7或者系索6上。 两种方法传感器都将直接对施加在攀登者3和辅助绳子4之间的负载做出响应。图2c还示出了用于直接负载感测布置的另外的实施例。本实施例中，负载反应 或者可伸长的材料127被配置成与连接在抓绳器7和身体装具之间的系索121串联，并 且对施加在攀登者3和辅助绳子4之间的负载进行直接响应。在优选实施例中，将磁体 17嵌入可伸长的材料127中。基部122的一端在126处被紧固于系索121上，并且承载 HED 18。基部122的标号18处的一端相对于系索121没有受约束。定位HED 18和磁 体17使得当负载施加时，磁体17相对于HED 18的移动生成如上所述的表示负载的电信 号。当然，可以将HED 18和磁体17的位置调换，并且另外可以将HED 18和磁体17 二 者均放置在可伸长的材料127上，以确保相对位移为所施加负载的函数。当负载变化时，为了确保来自HED 18的电信号不被错误地解释，可以将引导系 统并入结构中，以确保磁体17对于HED 18的相对位置不会进行由定向、振动或者其它 考虑所引起的变化。由于这被认为是在有经验的机械系统设计者的设计能力之内，所以 没有对这些进行详细的描述。图2d也示出了用于直接负载感测布置的另外的实施例。在本实施例中，负载反 应的或者可伸长的材料130被配置成附着在外壳131和内壳132之间。壳131、132被约 束成响应于被施加的负载而相对于彼此移动。在一个应用中，可以将外壳131在孔133 处附着到系索6上，并且可以将内壳132在孔134处附着到抓绳器7上。优选地，附着 是使用例如竖勾的传统装置。由于壳131、132相对于彼此移位，因此可伸长的材料130 提供恢复力。当然，也可以使用材料130在压缩时起作用的可替换布置。平面性的约束和在壳131、132之间可获得的移位的度可以通过销136、138分别 在槽137、139内移动来提供。被相对于外壳131固定的磁体17响应于负载改变其对于被相对于内壳132固定 的HED 18的相对位置，并且如同之前，提供负载响应的电信号。另外，磁体17相对于 与内壳132相对固定的线圈63进行移动，并且，因此，通过众所周知的法拉第电磁感应 定律原理，能够生成电流。如以下所公开的，可以将电流施加到整流器64和充电电路42 以增加储能。如果攀登者想要终止辅助，也可以增加所述负载传感器上的负载以将内壳132 延长至相对于外壳131的最大程度，并且激活开关(未显示)，例如，通过销138操作开 关，并且立刻发送停止消息。作为在任何上述负载感测布置中可能的配置，可以将以下进一步描述的电子部 件布置在例如135的印刷电路板上，另外，可以包括可操作的控制装置60以允许辅助 模式的直接选择。例如，所述可操作的控制装置可以是按钮，以从被确定为所想要的速 度、负载支持、时间响应性或者其它参数的菜单中进行选择。然后这样的选择被传送给所述电动机和传动装置，以提供所选择量级的所述辅助。另外，如果包括例如发光二极
管的显示装置(未示出)，则指示控制装置的选定状态和攀登者的活动。 图3a和图3b示出了用于控制攀登辅助系统1的主要部件的图解的表示。图3a
示出了发送器的图解的表示，以及图3b示出了接收器的图解的表示。 为了对由攀登者3施加在辅助绳子4上的负载进行直接地感测，结合有发送器55
的如上所述的传感器18生成表示负载的电信号，该电信号被施加到线49上的微处理器
31。微处理器31在线52上将信号发送给发送装置32，并且因此将其从天线57发送至图
4的监督系统22的天线34。在所述监督系统中对由接收器36从天线34接收的信号进行
转换，并且将其传递给微处理器37以用于转换来控制基于特定的接收信号和控制算法的
动作。传动装置38将来自主电源线25的功率转换成由微处理算法所确定的形式，以确
定电动机20的活动。图4示出了所述机动化传动系统5，所述机动化传动系统5包括电动机20、传动 装置38和监督系统22以及可选的变速箱21。优选地，电动机20和变速箱21安装在基 板23上。电动机类型可以从以下中进行选择如交流或者直流、同步、非同步、永磁 体、有刷或者无刷、步进以及绕线转子和或定子类型以及其它众所周知的类型。本优选 实施例中的电动机20是同步交流型，但是其它类型的(包括单相和多相的)电动机将满 足本发明的要求。输送给电动机20的功率来自传动装置38，所述传动装置38可以选自 可商业得到的类型，包括可变频率(VF)、脉宽调制(PWM)、相位控制、电压控制或 者电流限制类型。为了在电动机20的转速和下水平位滑轮12之间转换，可以置入变速箱 21。变速箱21可以从蜗杆传动、行星式的(planetary)、谐波以及其它众所周知的类型中 来选择。这些变速箱类型每个具有不同的属性，并且取决于所选择的电动机传动装置， 可以被省略，例如，如果所选择的电动机类型能够不需要变速箱而输送所需扭矩的话， 并且也能够提供在故障和紧急状态下系统的安全操作。为了方便描述，将电动机20、变 速箱21和滑轮12描述为同轴布置，但是也可根据由各结构所确定的机械便利性的要求来 定位。尽管对于攀登辅助系统的操作来说电动机的选择不是关键的，但是在一个实施 例中，使用利用变速箱来减速的感应电动机是可以理解的，并且所述感应电动机可选地 可以包括制动器，以在电动机的电源被终止时确实地锁住系统。当实施了蜗杆传动时， 由于众所周知的反向传动的高摩擦，可以省略制动器。另外，可以理解如电动机和传 动系统设计领域的那些技术人员所周知的，传动系统也可以包括确定电动机速度和转动 方向的装置。传动装置38提供从外部电源到电动机20所需功率特性的变换以驱动滑轮12。 在发明的本实施例中，系统的电源为230伏特交流电压(Vac)，并且电动机所需动力是从 零至120Hz的可变频率，以及零至230Vac之间的可变电压。可以提供其它的外部电源 值，并且为了电动机控制(包括电流限制、超载感测以及超速感测)，可以另外施加其它 特定的限制。这允许控制电动机速度和扭矩二者，以提供所需的辅助特性。另外，监督系统22包括从所述负载传感器系统接收信号的信号接收器。在本优 选实施例中，用于信号的传输方法是无线的，并且是从传感器55至传动装置38单向的。 当然，可以使用用于信号传输的其它实施方案，比如有线、声音(超声)、光(UV、可见的或者IR)、感应(如果是金属的，则经由辅助绳耦合)、或者其它可用的方法。为了简 单起见，指定了单向传输，但是包括双工传输的双向也是可行的，并且可以提供从其它 源传送信息的能力，所述信息例如但非必要地是电动机或传动状态、通信链路的完整性 以及其它通报信息。对于信号传输的性质，本发明中将不再进一步考虑，并且信号传输 可以包括安全传输方法，以及其被认为是本领域的那些技术人员所周知的。图5示出了图3a的发送器的优选实施例的示意图。根据图5所进一步描述的图 2中的负载传感器包括响应于磁体17的HED 18。HED 18的特性是使得其响应于进入的 磁场而具有在场强范围内近似每高斯2mV的输出电压。将来自HED 18的模拟输出电压 施加到位于线49上的微处理器31的模数转换器的输入。图8的软件算法在微处理器31上执行，并且将线49上的模拟电压转换成数字模 式，所述数字模式被传递至用于向远程监督系统传输的线52上的发送装置32，所述远程 监督系统响应于所感测的负载而对攀登辅助进行控制。可替换地，为了作为模拟信号传 输而不做数字化处理，可以将微处理器31省略，并且可以将线49上的信号直接施加到适 当的发送装置。并入微处理器的好处是更可靠地确定所传输信号的特性，以及合并关于 系统的其它信息。为了对用于传感器的操作时间的可用持续时间进行扩展，理想的是使得传感器 的功耗最小化。可以在传感器中使用几种机构，以获得可以接受的低平均功耗，例如仅 在数据要被收集并传输时将HED 18和发送装置32开启，并且以充分高的比特速率来传 输数据包。当将线48设置成低以接通PNP晶体管47时，功率被施加到HED18。同样， 微处理器软件可以被配置成仅当需要传输信号时开启发送装置32，而在传输完成时可将 其关闭。为了达到这个目的，发送装置32具有使能输入，所述使能输入将其从非常低功 耗的睡眠状态转至较高功率的传输状态。当微处理器31将线53设置成使能状态时，其 开启发送装置。然后用于传输的信号被施加到线52。在经由线61和天线57传播的传输 完成时，接着可以将线53设置成非使能状态，然后发送装置32进入低功率状态，并且减 小了功耗。此外，为了在没有信息要被测量或者传递时进一步减小功率，可以将微处理器 设置成各种模式，其中一个模式是仅受限制的内部时钟在工作。因此，可以将微处理器 的功耗减小至最小值，直到内部时钟计时时间到为止，其中可以将软件算法配置成给 HED 18和发送装置32通电、传输所测量的数据，然后重新开始低功率状态，HED 18和 发送装置32处于断开状态，并且微处理器31处于受限制的时钟状态，直到下一次时钟时 间到为止。对测量和传输阶段之间的负载采样间隔可以设置成从名义上的零至任何想要 的值。在负载采样的本实现中，间隔在0.1至10秒之间，优选间隔为0.2秒。需要指出 的是间隔越短平均功耗就越高，并且储能设备再充电循环之间或者电池更换之间所需 的时间就越短。在整个攀登期间，负载采样间隔可以动态地变化，以例如在攀登辅助的 开始期间，以适应快速设置所需速度或者扭矩的重大的变化，而提供有效的攀登辅助。在发送器中可以设置用于信息显示和操作员传信的另外的设备。根据软件算 法，可以将来自微处理器31的线54设置成输入或者输出状态。在本实施中，通常将线 54设置为输入。如果操作员闭合开关51，则线54变高，所述微处理器可以被配置成如果 处于受限制的时钟模式则对信号电平的变化做出响应而醒来，否则所述微处理器是醒着的。当所述微处理器被配置成将线54上的转变识别为中断时，所述微处理器将立刻对此 变化做出响应，并且通过软件算法将信号传输，以实现例如辅助电动机的即刻停止，提 供紧急停止功能。当闭合开关51时，经由FET 50点亮LED 56，以显示即刻停止状态。同样，如果通过软件算法将来自微处理器的线54设置为高，则LED56将经由 FET 50设置为高。可以将其用于指示软件算法是否被适当地编程以识别操作员感兴趣 的特定状态，例如低的电池或者储能设备电压。当然，可替换地，或者附加地，可以将 LED 56实施为例如发声器设备以吸引操作员的注意。经由LED 56的传信可以被编码以 表示不同的状态，例如LED 56可以以一定速率或者开关时间比的脉冲驱动，以对例如低 储能设备电压、HED故障、超负载等的状态进行区分。可替换地，可以包括多个指示器。同样示出了来自开关60的附加输入62。可以将这些开关用于设置例如辅助速 度、负载的各种操作模式，或者设置在应用辅助中的变化速率的时间延迟。注意可由任何合适的微处理器做可替代的功能指派。本实施例显示了微处理器 系统方面的任何技术人员所能构思的很多布置中的一个。尽管传感器30执行单向传输，在发送器能够接收信号以及发射信号时双向通信 也是可能的。使用双向系统的原因在于，例如，可以快速地确保通信的完整性，或者向 攀登者发送警报或者信息。然而，由于辅助系统中提供的设备，这未被认为在辅助系统 的本实施中是有利的，例如，对于监督系统，如果在特定时间内，例如但非必要地在从 发送器的最后发送的3秒内，未从传感器接收信号，则监督系统关闭辅助系统能力。如 果发送器每秒发送信号5次，则3秒等待时间将提供通信路径已经失败的指示，并且传动 系统可以进入安全状态，直到通信重新开始。在传感器包括双向通信时也是可能的，那 样可能增加取自储能设备的平均功率，潜在地将再充电循环之间的持续时间减小而损害 可用性，并且也可能增加辅助系统的费用。在优选实施例中，电源包括例如可充电电池和电压变换逆变器43的储能设备 45，以从所述储能设备的一系列电压中，为系统的操作提供想要的工作电压。当例如负载响应磁体17移动到开关41的范围内时，发送器55被开启。例如， 放置于磁体17邻近的簧片开关41将储能设备45连接至逆变器43，以向发送器提供例如 5V的所需电压。为了向发送装置供电，可以提供其它装置，并且优选地，仅当辅助系统 需要用于操作时施加电力。作为另外的可替换地，开关可以是手工操作的机械开关，或 者机械地耦合以响应于如之前所公开的传感器的附着和移动。根据图5，传感器优选地由例如可再充电电池的集成储能设备来供电。可选的 充电系统42可以取决于所述储能装置的类型来提供，所述储能装置例如从如下类型来选 择〇每单元具有1.52V的碱性&锌-碳(不可再充电)〇每单元具有1.35V的汞(不可再充电)〇每单元具有1.86V的银锌(不可再充电)〇每单元具有1.2V的镍金属氢化物(电力可再充电)〇每单元具有1.2V的镍镉(电力可再充电)〇每单元具有3.6V的锂离子(电力可再充电)
〇超级电容器(电力可再充电)〇燃料电池(化学可再充电)这是示例列表，并且可以使用其它类型的储能装置。每个储能装置具有特定的 放电特性，其中电压输出随时间的降低具有特殊的特性。需要指出的是，虽然描述了单 个单元，但是也可以指定多个单元以将总电压提高到所需的操作电平，从而消除使用逆 变器的需要。也可以使用例如锌碳单元的需要周期性更换的非可再充电储能设备，或者当使 用可再充电电池时，充电系统的功能在于对电池重新充电，以确保无论何时操作所需的 充足的能量。很多已知可能的充电系统是可用的，其中一些可以从以下选择〇感应能量传递，其中，当不使用传感器时，传感器被存放在邻近承载交变电 流的线圈附近，以将能量感应至传感器中的能量接收器线圈中，或者〇从能量源到储能设备的直接连接，或者〇周围能量搜寻，使用来自周围振动的压电发电、热电效应、光电发生器、杂 散电场等，以提供能量输入，或者〇如使用法拉第电磁感应定律在图2d中所描述的，并且参考17、63、64和42 在图5中所示例出的，其中磁体17相对于线圈63的运动生成电荷，由64进行整流，并 且作为充电电流经由充电系统42被施加到储能设备45，这一点对于电子系统方面的那些 技术人员来说是明显的。逆变器43的功能在于将例如1.2V的电池电压转换成用于传感器部件的例如 5V的所需工作电压。转换电压的众所周知的方法是使用例如由诸如国家半导体公司 (National Semiconductor Corporation)的很多半导体厂商所制造的升压开关电容调节器或
者升压开关调节器。在此所描述的发送器的示例中，优选电压是5V。为了提供关于储能设备45的状态的信息，线44上的电压可以被采样并且被施加 到线46上的微处理器31的模数转换器的输入。通过这样的方式，传感器可以将关于电 源状况的附加信息传输给监督系统。作为对储能设备45使用的另外的替换，可以使用商业上可获得的能量获取设 备，其中可使用例如从 http://www.adhocelectronics.net/download/EnOcean/PTM230_ Datasheet.pdf可以获得的发送装置。在这种情况下，从环境所获取的能量是来自由移动、 变化的压力或者温度、或者其它物理事件所产生的电-动电力发电机的能量。图6是接收器70的优选实施例。电源86为接收器的部件提供5V。接收器36 在天线72上接收来自发送器55的信号，并且在线73上将接收信号转换成解调数据，解 调的数据进入微处理器37，用于通过软件根据优选控制算法来处理。所接收数据通过控 制算法来解释，所述控制算法反过来又生成表征辅助绳子的优选速度以及通过电动机20 输送的优选扭矩的信号。在一个实施例中，可以根据在微处理器上执行的PWM方法来生成速度和扭矩信 号。在那种情况下，可以分别通过低通网络78、79和77、81，将线76和77上的PWM 信号分别转换成线97、98上的基本稳定的信号。也可以使用生成速度和扭矩信号的其它方法，例如使用数模转换器以提供信号97和98。当然，如果所接收的信号已经是模拟形式，可以使用适当的比例算法来提供信 号97和98。参考图7并且以控制电动机20的几种可能的实现方式中的一种为例，传动控制 器99从线97和98上的信号生成信号104和信号105，以分别控制给电动机20的电源的 电压和频率。例如，可以设置信号104的时序触发SCR 87、88、89、90，以生成线106 上的电容器105上想要的平均直流电压。为了操作电动机，电源开关设备91、92、93、 94、95、96可以通过信号105以一定顺序来开关，以为线100、101、102上的所述电动机 提供恰当的定相电源。该示意图仅是图表的，并且其它配置是可能的，例如信号104和 105可以是多相的。当然，如果电动机是不同类型的电动机，例如直流系列电动机，则控制器将适 合于电动机以提供所需速度和扭矩控制。例如，作为相当的简化，可以将例如97的单输 出施加到商业可用的SCR传动装置，以为DC类型的电动机提供电压控制，从而根据用 于攀登者支持的想要的算法提供速度和扭矩控制。当接收到来自发送器的开始传输时，电动机20将在例如1秒的期间内自举以提 供初始扭矩和速度，以提供例如501bs的具有由攀登者来决定的相应的攀登速度的受限辅 助。在本发明的该实施例中，攀登辅助负载支持和绳环速度二者可能在控制算法中 受限制。另外，虽然图中没有描述，根据众所周知的原理，可以通过滑动离合器将滑轮 12耦接于系统，这将防止例如大于1201bf的过度攀登辅助负载被施加到绳环上。如果被 施加的负载超过离合器的额定值，则滑轮转动速度将不同于离合器的输入传动，由此限 制了辅助的输送。当然，通过选择具有特定最大可输送扭矩的电动机也可以来设置辅助的最大 值。可替换地，可以使用传动中的电流限制来限制施加的辅助力。作为终止绳环辅助的一种可行的方法，例如，当攀登者想要停止系统时，攀登 者逆着辅助方向下沉特定的最小时间，由此施加大于特定最大负载的负载。当控制算法 感测到超过特定最大负载的负载持续例如3秒的特定时间时，将从绳环上移除辅助，并 且将提供制动以限制进一步的转动。可选地，攀登者操作发送器上的控制装置以终止辅 助。图8是示出发送器算法的优选实施例的流程图。发送器55的功能在于向接收器 70发送表示攀登者的活动和发送器55的状态的信息。当发送器被攀登者激活时，通过施加例如引起开关41闭合的负载，发送器在 201被上电。然后微处理器31在202处初始化，并且在203处开始内部时钟。时钟被配 置成优选但非必要地是每秒5次的特定时间间隔生成时钟报时信号。当然，也可以选择 其它时间间隔。在204处，开始命令被发送给接收器以启动辅助，然后在205处，例程 发送208被调用，这样就将有关负载状态和发送器设置的数据提供给接收器。一旦例程 完成，微处理器在206处进入低功率的休眠状态，在206处，功耗被最小化直到下一时钟 报时在207处出现。在每个报时情况下，调用子例程发送，之后在206处重新进入休眠 模式。当调用子例程208时，在209处发送任何操作员控制装置51、60的状态，例如，但非必要地是攀登者想要向上或者向下移动的指示。可以使用指挥想要的方向的例 如系索上的多个拖轮的可替换装置，以使得传感器将此解释为向下方向的命令，而单个 拖轮将被解释为向上方向的命令。HED在210处经由晶体管47激活，来自HED的表示由攀登者施加的负载的信 号由微处理器在211处读取，并且在212处将HED去使能以保存能量。在213处发送表 示所测量负载的消息。在214处，对所测量负载的值进行评估，并且如果该值超过特定值LStop，则在 215处发送停止消息给接收器以终止辅助传动。这样的事件可以通过如攀登者故意逆着辅 助绳子下沉以停止辅助来引起。如果在214a处测量电池状态为低，则在215处发送低电池告警消息，并且在216 处接通LED 56，以警告攀登者低电池状态。当然，所述LED吸收额外的功率，因此可 以以脉冲方式来对其进行操作，以使得额外功耗最小化。所述循环在每个时钟报时重复。在每个循环中，附加的功率从储能设备45排 出，并且特别地，在每个发送期间的耗电比较高。尽管前面的描述包括在204、209、213 和215处的传输的多个例子，但是将每个种类的消息编译成单个发送包可以使得功率需 求显著地减小。如果要求即刻停止，并且要防止辅助系统的进一步操作，则可以配置对应地提 供“停止”功能的开关以在219a处引起中断，并且即刻发送“停止”命令218a。为了 提高正在被执行的命令的确信度，发送器可选地可发送“停止”命令多次。为了扩展电源的可用性，提供对例如之前所描述的对可获得的能量进行增强的 装置是有利的。图9是示出接收器算法的优选实施例的流程图。接收器70的功能在于接收来自 发送器55的消息和命令，并且相应地控制电动机20，以为攀登者提供想要量级的辅助。当电源在步骤221被施加到接收器时，将微处理器37在步骤222初始化，并且 将时钟开始。时钟被配置成以优选但非必要地是每一秒的特定时间间隔生成时钟报时信 号。当然，也可以选择其它时间间隔。程序然后在步骤223的循环中等待事件的发生。在初始化期间，可以对例如用于辅助的开始速度和/或扭矩的主要参数进行设 置。这些最小值被设置为使得攀登者不会遭受意外冲击或者过量的力或者可能引起攀登 者疲劳和受伤风险的辅助速度。优选但非必要地使用中断来开始对时钟报时事件的响应，以及对接收来自所述 发送器的消息的响应。例如传动系统处的操作员的控制动作或者如果提供了控制装置时 来自控制装置的其它事件也可以引起动作。在中断驱动系统中，并且如在此所描述的， 中断将起作用以引起特定的服务例程的执行并且完成。此后，操作返回到在中断时刻正 在操作的功能。在所描述的实施例中，非常有可能的是中断将在接收器正在执行等待循 环223时出现。在接收到消息时，从循环进入224处的程序段。如果消息包含停止命令，则传 动系统被停止，并且辅助被移除。虽然即刻停止消息和停止命令消息之间存在区别，但是优选的是即刻停止将 去使能所有进一步的操作，直到接收器的电源被再循环地断开接通，或者进行一些其它的干预动作，然而停止命令将停止辅助传动，通过来自发送器的正常命令进一步启动是 可能的。一旦在224处接收不属于停止类的消息，则值“计数值”被重新置零，以防止 辅助的过早停止，并且将包含在消息中的数据记录，例如负载、从负载样本和开关设置 的历史中所计算的负载倾向，在228处进行更新，然后退出例程。在生成时钟报时时，在230处例程被初始化，并且在231处增加计数器。计数 器的目的是提供计时器，以在如果没有从所述发送器接收到进一步的消息时，计时时 间到并终止辅助。在232处检查计数，并且如果计数超过例如但非必要地是3的限定值 时，则传动系统被停止，并且辅助被移除。可以对各种随后的控制动作进行定义，包括 基于来自攀登者的命令，通过重新开始所述传动系统来重新使能辅助。可替换地，可以 将传动系统的电力再循环，以重新初始化系统来正常继续操作。如果计数还未到达限定的值，则基于在247处感测到的攀登者所要求的辅助方 向，在248和250处设置参数K和滑移(Slip)，并且在249处设置值TMax。具体地，K 确定了用于辅助的扭矩和速度的修正方向，并且滑移设置了根据正在向上或者向下的攀 登者的方向，电动机传动可以被允许向前或者向后运行的度。当被加载到特定量时，电 动机的扭矩限制TMax将决定被定义作为无负载和有负载速度之间的偏差的电动机滑移。 因此，在251处设置TMax，或例如0至255的范围内的其它值。在234处，所测量负载的值与被表述为LMax的、例如但非必要地是1201bs的特 定值进行比较，并且如果所述所测量负载的值大于LMax，则传动系统扭矩TMax在235 处被设置成最大值。在236处，所测量负载的值再次与表述为LMax的所述特定值进行比较，并且如 果所述所测量负载的值小于LMax，则在237处以因子K * N对传动系统扭矩进行改变。 因子N可以被选择为例如但非必要地是LMax的最大特定值的10%。因而，所述辅助扭 矩可以逐步地朝着想要的最大值LMax逐渐地进行变化，而攀登者不会感觉到冲击。需 要指出的是当方向是向上或者向下时，K相应地是+1或者-1。当然，如果攀登者逆着向上方向的辅助而下沉，并且负载超过所述值LStop，则 如之前所描述的，辅助将被终止。在向下的方向上，一旦传感器上的负载被移除或者通 信停止，则在延迟之后，辅助将停止，并且附加地，一旦所述抓绳器被卸载，则其可以 被设计成不再具有作为商业可用抓绳器特性的对于所述辅助绳子的摩擦附着，因此将停 止对于攀登者的支持。在238处，评估负载倾向的值，并且如果对于向上的方向该值是增加的，则表 示攀登者可能疲劳，并且不能够跟上所提供的辅助的量级，因而，可以在239处以因子 M(K= 1)减小辅助的速度。在向下的方向上，负载倾向的增加表示攀登者可能想要更 快地下降，因此以因子M(K = -1)增加速度。可以将因子M选择为例如但非必要地是速度的最大特定值的10%。因而，所述 辅助速度可以朝着想要的最小值逐渐地减小，而攀登者不会感到冲击。需要指出的是 当方向是向上或者向下时，最小值也可以相应地包括零速度并且K是+1或者-1。在240处，评估负载倾向的值，并且如果对于向上的方向，该值是减小的，则 表示攀登者可能比正在提供支持的辅助移动得更快。因而，可以在241处以因子P增加辅助的速度。在向下的方向上，负载的增加表示攀登者想要更快地下降，因此以因子M(K =-1)减小速度以允许更快的滑动。可以将因子P选择为例如但非必要地是速度的最大特定值的10%。因而，辅助 速度可以朝着想要的最大值SMax逐渐地进行增大，而攀登者不会感受到“冲击”。在242处，评估辅助速度的值，并且如果该值超过特定最大值SMax，则在243 处将速度设置成SMax。在244处，评估速度的值，并且如果该值小于例如但非必要地是5英尺/分钟 (ft/min)的特定最小值SMin，则如之前所描述的，将终止辅助。在时钟报时处理完成之后，接收器在246处返回，以继续223处的等待循环，直 到下一事件发生。在以上中，可以理解扭矩TMax的最大值是例如但非必要地如要给攀登者输 送1201bsf。同样，最大速度SMax使得辅助绳子4的速度是例如但非必要地100ft/min。另外，可以理解可以有不同动作所导致的几类定义的停止状态，所述停止状 态例如〇即刻状态，其中传动系统从进一步辅助完全被去使能，例如在219a处；以 及，〇正常停止状态，例如其中攀登者逆着所述辅助绳子进行下沉。在这种状态 下，例如在214处，当攀登者发命令时，系统可以重新开始；以及，〇其中辅助速度小于特定最小值，例如在244处。在这种状态下，当攀登者发 命令时，系统可以重新开始。对于微处理器37中的用于控制向攀登者输送辅助的算法的进一步改进，是使用 电动机的功率(P)、扭矩(T)和转动速度(R)之间众所周知的关系P = kTR，其中k是 常量。在使用扭矩和速度进行控制的以上描述中，其中电动机的速度与辅助绳子速度具 有直接关系，这样，如果其中一个参数被调整成适合攀登者的需要，那么，另一参数也 将被设置成保持方程P = kTR平衡。当然，负载和所输送功率之间的其它关系可以是特 定的，优选地以使得攀登者对所输送辅助的值感知最大化。例如，当速度(R)被改变时，如果功率P是由攀登者可选择(可能作为攀登者重 量的函数)的参数，则可以使用T = P/(kR)来调整扭矩。类似地，当扭矩变化时，则 使用R = P/ (kT)来调整速度R。而且，理想的是，通过仅改变例如速度或者扭矩的一个参数，同时保持其它参 数恒定来提供对系统的进一步的简化，但是期望通过保持所选择的功率量级恒定，攀登 者可以经历更满意的辅助系统。当使用DC电动机时可以作为这种控制的示例，如在前 面所公开的，根据施加的电压来应用控制。此外，当攀登者从梯子的一档至一档移动时，由于如传感器所感测到的攀登者 的负载不是常数，因此需要附加的信号处理以补偿这些攀登者所导致的负载中的循环变 化，并且使用表示负载的测量信号的过滤的值。在这样做时，可以预期使用如以上所优 选的一秒的采样速率可能是不够的。相应地，系统可以被设置成不同的采样速率，由另 外的信号处理来可选地动态地进行选择，以提供对攀登者负载的最佳表示。作为操作上的进一步改进，可能有利的是包括时间延迟，以防止辅助的不理想的变化，例如当感测到负载或者负载速率的小变化时，则在改变辅助之前，可以施加例 如但非必要地是3秒的更长的时间延迟，然而，如果出现大的变化，则可以在辅助改变 中使用例如但非必要地是1秒的更短的延迟。根据系统的状态，可以将其它时间延迟应 用到开始和停止辅助，例如即刻停止应当是即刻的，而正常停止花费较长时间，例如通 过将速度下降至零例如但非必要地是1秒。类似地，当辅助开始时，理想的是逐渐变化 到想要的速度以防止冲击开始，类似地用于停止状态。需要指出的是软开始和软停止 对于电动机控制是众所周知的。当然，也可以为在发送器微处理器31中运行的算法提供任何想要量级的处理， 包括对用于向用于电动机控制的接收器进行发送的功率、扭矩和速度之间的关系进行管 理；但是，为了使得由发送器所消耗的功率最小化，期望最小化所述发送器处理要求将 降低功耗是合理的。图10示出了根据本发明的超速调节器的图示的实施例。在发生使得辅助速度增 加超过安全值的故障的情况下，为了防止对攀登者产生危险的超速状况，与任一滑轮相 关地布置有超速调节器，用于终止或者限制辅助，或者随系统中任何位置上的滑轮而改变。例如图10示出了与比例调节器相关联的顶部滑轮11，其中超过例如lOOft/min 的攀登速度的滑轮转动的阈值速度时，离合器148啮合制动器149以逐渐地加载或者使得 传动系统停机，并且限制来自所述电动机的可用的传动。其中制动器发生作用以逐渐地 给传动系统加载，可以设置例如但非必要地是120ft/min的极限最大速度。当然，也可以通过电动机的适当控制，例如当以本领域的那些技术人员所周知 的四象限模式来使用电动机时，为攀登者的上升或者下降速度提供限制。可以禁止进一步传动，例如通过在相反的方向上即刻地运行滑轮，直到重置辅 助系统。作为另外的设备，所述调节器可以包括发电机150，以在检测到超速或者任何 其它故障状态时，为经由天线152从关联的发送器151到在别处的所述接收器的通信提 供电力。所述调节器也可以包括开关153，以使得可以从顶部位置启动援救模式，以防 止需要首先下降来设置想要的模式。在援救模式中，有用的是包括提供以受控速度相 对独立于负载无动力下降的设备。在再生模式中使用电动机将提供这样的能力，例如由 SafeWorks LLC的子公司Power Climber所制造和出售的升降机系统所公开的。作为用于控制辅助系统的系统的另外实施例，该系统基于攀登者负载的感测， 以控制所输送的功率来辅助攀登者；可以在具有适当负载测量装置的任一滑轮上对负载 进行感测。但是，这被认为是显然的，并且不具有如在本公开中所描述的直接感测方法 的优点，因此还未被进一步考虑。可以理解的是本公开全文使用的术语电路可以包括专门的硬件部件。在相同 的或者其它实施例中，线路可以包括被配置成由固件或者开关来执行功能的微处理器。 在相同的或者其它示例的实施例中，电路可以包括一个或者多个通用处理单元和/或多 核处理单元等，当具体化逻辑操作以执行功能的软件指令被加载到例如RAM和/或虚 拟存储器的存储器中时，可以对上述处理单元进行配置。在电路包括硬件和软件的组合 的示例的实施例中，实施者可以写体现逻辑的源代码，并且源代码可以被编译成可以由一个或者多个通用处理单元来进行处理的机器可读代码。另外，可以将具体化本发明 的方面的计算机可执行指令存储在ROM EEPROM、硬盘(未示出)、RAM、可移动磁 盘、光盘、和/或处理单元的高速缓存中。可以将大量的程序模块，包括操作系统、一 个或者多个应用程序、其它程序模块或者程序数据，存储在硬盘、磁盘、光盘、ROM、 EEPROM 或者 RAM 上。 经由图表和示例的使用，前面的描述已经提出了该装置和方法的各种实施例。 尽管已经对本公开结合各种图的优选实施例进行了描述，可以理解可以使用其它类似 的实施例，或者可以在不偏离本公开的情况下，对用于执行本公开的相同功能的所描述 的实施例进行修改和添加。此外，应当强调的是在此设想到包括攀岩、建筑物逃生 或者援救方法的各种应用，或者要求人的垂直或者接近垂直的运输的任何其它应用。因 此，本公开不应当被限制于任何单个实施例，而是依照所附权利要求书，在宽度和范围 上对其进行解释。在所附权利要求书中提出了本公开的附加特征。
权利要求
1.一种用于辅助人的基本上垂直上升或者下降的系统，包括索具，其在垂直方向上是可移动的；耦接到所述索具的装置，所述装置适合于将索具的移动转换成对所述人的上升或者 下降的辅助；传感器，其可操作地检测所述装置上的人的状态的改变；以及控制机构，其被耦接至电源并且与所述传感器进行电通信，以基于所检测的所述人 的状态的改变，控制输送给所述索具的功率。
2.如权利要求1所述的用于辅助人的垂直上升或者下降的系统，其中，所述传感器被 耦接至所述装置，所述传感器检测所述装置上的负载的变化。
3.如权利要求2所述的用于辅助人的垂直上升或者下降的系统，包括霍尔效应设备 (HED)以生成表示所述负载的电信号。
4.如权利要求2所述的用于辅助人的垂直上升或者下降的系统，包括应变计以生成表 示所述负载的电信号。
5.如权利要求1所述的用于辅助人的垂直上升或者下降的系统，其中，所述装置被附 接至所述人。
6.如权利要求3所述的用于辅助人的垂直上升或者下降的系统，包括负载反应材料， 其适合于将所述HED相对于磁场进行移动。
7.如权利要求1所述的用于辅助人的垂直上升或者下降的系统，其中，所述控制机构 包括处理器；以及计算存储器，其通信地耦合至所述处理器，所述计算存储器具有存储在其中的计 算机可执行指令，所述计算指令在被执行时进行操作以引起功率随所述负载的变化而变 化。
8.如权利要求7所述的用于辅助人的垂直上升或者下降的系统，其中，其中功率的变 化也随所述索具的方向而变化。
9.如权利要求1所述的用于辅助人的垂直上升或者下降的系统，其中，包括超速调节 器以防止超速状况。
10.如权利要求1所述的用于辅助人的垂直上升或者下降的系统，包括无动力的下降 模式，其使得所述索具独立于负载进行受控移动。
11.如权利要求1所述的用于辅助人的垂直上升或者下降的系统，包括人上升或者下 降的梯子，并且其中所述索具被布置成接近所述梯子。
12.—种辅助人的基本上垂直上升或者下降的方法，包括，提供在基本上垂直的方向上可移动的索具；提供用于将所述索具的移动转换成对所述人的上升或者下降的辅助的装置；对指示所述人的状态的改变的传感器进行读取；以及基于所检测的所述人的状态的改变，对从电源至所述索具的功率输送进行控制，以 调节对所述人的辅助量。
13.根据权利要求12所述的辅助人的垂直上升或者下降的方法，其中所述传感器被耦 接至所述装置，并且所述传感器生成表示所述装置上的负载变化的电信号。
14.根据权利要求13所述的辅助人的垂直上升或者下降的方法，其中通过将磁体相对 于霍尔效应设备(HED)进行移位来生成所述电信号。
15.根据权利要求12所述的辅助人的垂直上升或者下降的方法，其中通过使用应变计 对电阻的变化进行测量来生成所述电信号。
16.根据权利要求13所述的辅助人的垂直上升或者下降的方法，包括在外壳和内壳之间安置负载反应材料，所述外壳和内壳被约束为响应于所述负载而 彼此相对移动。
17.根据权利要求13所述的辅助人的垂直上升的方法，包括随着所述装置上的所述负载的倾向而改变所述功率的量。
18.根据权利要求17所述的辅助人的垂直上升的方法，其中随着所述索具的行进方向 而增大或者减小所述功率的量。
19.根据权利要求12所述的辅助人的垂直上升的方法，包括用超速调节器来防止超速状况。
20.根据权利要求12所述的辅助人的垂直上升的方法，其中所述装置将所述人耦接至 所述索具。
21.—种塔，包括梯子，其被安置成允许人对所述塔的部件进行维修；索具，其在垂直方向上是可移动的并且布置成接近所述梯子；耦接至所述索具的装置，所述装置适合于将索具的移动转换成对所述人的上升或者 下降的辅助；传感器，其可操作地检测所述装置上的人的状态的改变；以及控制机构，其被耦接至电源并且与所述传感器进行电通信，以基于所检测的所述人 的状态的改变，控制对所述索具的功率输送。
22.根据权利要求21所述的塔，其中，所述塔是风力发电塔，并且所述传感器被耦接 至所述装置。
全文摘要
公开了一种攀登辅助系统，由于在攀登者在横越梯子的期间攀登者的需要是变化的，因此所述攀登辅助系统动态地调整攀登者的辅助的速率和量级。传感器检测人的状态，例如由与辅助绳子关联的梯子上的攀登者所施加的负载，以在攀登者身上提供向上的支持力，以抵消攀登者的重量。另外，设置有发送器和接收器，发送器将负载数据发送给接收器，并且接收器从发送器接收数据。控制器对所接收的数据进行解释，并且其后通过受控电动机和传动装置来提供控制，以向辅助绳子提供能量。
文档编号A62B1/10GK102015031SQ200980116458
公开日2011年4月13日 申请日期2009年4月3日 优先权日2008年4月7日
发明者克里斯多佛·加文·布里克尔, 约翰·杰罗姆·黑格 申请人:安全工程有限公司
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