KR20040025498A

KR20040025498A - 3차원 운반 견인 장치

Info

Publication number: KR20040025498A
Application number: KR1020020057489A
Authority: KR
Inventors: 홍예선
Original assignee: 홍예선
Priority date: 2002-09-19
Filing date: 2002-09-19
Publication date: 2004-03-24

Abstract

본 발명은 임의의 높이를 갖는 4개의 기둥을 수직으로 세웠을 때 각 기둥의 상단과 하단을 꼭지점으로 하여 형성되는 3차원 공간 내에서 각 기둥의 상단에 와이어 일단을 고정하고 와이어 윈치를 이용하여 각 와이어의 길이를 조절하면 이 4개의 와이어가 모인 점 P의 위치에 물체를 견인하여 임의의 위치로 이동, 운반시킬 수 있는 것이 그 특징이다. 본 발명은 점 P의 위치에 무거운 물체를 견인하여 이동시키거나, 사람의 상체를 부축하여 보행을 보조할 수 있으며, 또한 농약 분무 장치를 설치하여 옥외에서 농약을 살포할 수 있다. 본 발명의 장점은 옥내외에서 이동 설치가 가능하다는 것이다.

Description

3차원 운반 견인 장치{Three-dimensional pulling apparatus for conveyance}

본 발명은 3차원 공간 내에서 물체를 견인하여 이동시킬 수 있는 장치에 관한 것이다. 종래의 유사한 기술로는 천정 크레인을 들 수 있으나 본 발명은 용도 면에서 훨씬 더 큰 다양성을 제공한다.

천정 크레인은 도 1에서 보는 바와 같이 천정 아래에 설치된 두개의 평행한 레일(1a,1b)과 각기 이 레일 위를 이동할 수 있는 전기 구동식 대차(2a,2b)와 천정을 가로 질러 이 두 대의 대차를 연결하는 크로스 빔(3)과, 이 크로스 빔 위에 설치된 레일을 따라 이동할 수 있는 또 하나의 전기 구동 대차(4)와, 그리고 이 대차에 고정된 전기 구동 와이어 윈치(5)로 구성되며, 이 윈치에 의해 견인 물체(6)가 수직 방향으로 이동될 수 있다.

따라서 천정 크레인은 건물의 횡 방향 (x축)과 종 방향(y축), 수직방향(z축)으로 정의된 3차원 직교 좌표계 내에서 각 해당 방향의 전기 구동식 대차를 이동시킴으로써 견인된 물체를 임의의 위치로 이동시킬 수 있다.

이러한 천정 크레인은 무거운 물체를 공장 내에서 이동시키는 수단으로 매우 보편화되어 있으나, 설치비가 많이 들고 일단 설치되면 붙박이 시설로서 고정되어 사용된다.

본 발명은 천정 크레인과 같이 3차원 공간 내에서 물체를 견인하여 이동시킬 수 있는 장치로서, 구조가 단순하여 저렴한 가격으로 제작이 가능하고, 임의의 장소로 용이하게 이동 설치할 수 있으며, 소형으로 제작하여 실내에서도 사용할 수 있는 장치를 제공하는 것이 그 목적이다.

즉, 본 발명은 천정 크레인을 설치하기 곤란한 소규모 공장에서 하역에 사용할 수 있고, 공간이 협소한 건설 현장에서 임시로 가설하여 무거운 자재를 운반하거나, 건물 붕괴 사고 발생 장소에서 인명 구조의 목적으로 장애물을 제거하는 데 사용될 수 있다.

그리고 본 발명을 소형으로 제작하면 주거 실내에서 노약자의 상체를 견인하여 보행을 보조하거나, 노약자가 실내에서 무거운 물건을 운반하는 것을 보조할 때, 또는 병실에서 환자가 원격조종으로 물체를 이동시키는 데 사용할수도 있다.

또한, 본 발명은 야외나 실내의 넓은 공간에 설치하기 쉽기 때문에 농약 분무기를 견인부에 설치하여 논이나 비닐하우스에서 농약을 살포하거나, 소형 카메라를 설치하여 작황을 감시할 수 있는 장치로 사용될 수 있는 것이다.

따라서 본 발명이 이루는 핵심 기술은 이동 설치가 용이한 4개의 와이어 윈치를 이용하여 3차원 공간상에서 물체를 이동시키기 위한 메커니즘의 동작원리와 그 기구적인 구성, 와이어 윈치의 회전각 및 회전속도 제어를 통한 이동 경로의 추종제어, 그리고 견인 물체의 위치를 정확하게 보정하기 위한 계측 기술 등에 있다.

도 1 : 종래 기술의 구성도

도 2 : 와이어 윈치를 이용한 3차원 이동 견인 장치의 원리

도 3 : 와이어 윈치의 구성도

도 4 : 본 발명의 기본 원리

도 5 : 본 발명의 제어시스템의 구성

도 6 : 본 발명의 제2 실시예

도 7 : 본 발명의 제3 실시예

도 8 : 본 발명의 제4 실시예

도 9 : 본 발명의 제5 실시예

1a, 1b : y축 방향 평행 레일, 2a, 2b : y축 방향 전기 구동 대차,

3 : x축 방향 크로스 빔, 4: x축 방향 전기 구동 대차,

5: z축 방향 와이어 윈치, 6 : 견인 물체, 7 : 인체

100a,100b,100c,100d : 와이어 윈치, 101 : 감속 기어, 102 : 전기 모터,

103 : 와이어 드럼, 104 : 와이어 드럼 구동기구, 105 : 가변 길이 와이어,

106 : 고정 길이 와이어, 107 : 와이어 체결용 핀

110 : 와이어 풀림 방지 장치, 111: 로울러, 112a, 112b : 회전 링크,

113 : 회전 핀, 114 : 토숀 스프링,

120 : 왕복 가이드, 121 : 타이밍 기어, 122a,122b : 웜과 기어, 123: 핀,

124 : 안내 홈, 125 : 슬라이드, 126 : 평행 가이드 봉, 127 : 가이드 풀리

130: 마찰 바퀴, 131 : 로터리 인코더, 132 : 입구 풀리, 133 : 출구 풀리

200a,200b,200c,200d : 수직 기둥, 201 : 중앙 고리, 202 : 원치제어기,

203 : 중앙제어기, 204 : 원격조종기, 205 : 배선

300 : 농약 공급 장치, 301 : 호스, 302 : 분무 노즐, 303 : 기구

본 발명은 기본적으로 도 2 에서 보는 바와 같이

4개의 와이어 윈치(100a,100b,100c,100d),

사각형 지면의 모서리에 설치되어 와이어 윈치의 일단으로부터 연장된 와이어를 상단에 고정시킨 4개의 수직 고정대(200a,200b,200c,200d),

와이어 윈치의 다른 일단으로부터 연장된 4개의 와이어를 한점으로 모으고 작업 물체를 견인하기 위한 중앙 고리(201),

3차원 좌표계 내에서 견인 물체의 이동 위치 또는 이동 궤적을 입력받으면 이에 상응하여 와이어 윈치 각각의 회전속도와 회전각을 제어해 주는 윈치제어기(202),

그리고 몸체의 이동 방향을 수동으로 조작할 수 있는 원격조종기(204)로부터 명령 신호를 입력 받아서 견인 물체의 이동 위치 또는 이동궤적을 계산하여 와이어 윈치 각각의 회전속도와 회전각에 대한 명령 신호를 윈치제어기로 출력시키는 중앙 제어기(203)로 구성된다. 여기에서 윈치제어기와 중앙제어기는 일체로 구성될 수 있다. 그리고 윈치제어기와 중앙제어기, 또는 중앙제어기와 원격조종기 간의 신호전달은 무선으로 이루어 질 수도 있다.

각 와이어 윈치는 상세하게는 도3(a)에서와 같이 와이어 드럼(103)을 구동하는 감속기어(101)와 전기모터(102), 와이어 풀림 방지 장치(110), 와이어(105)가 드럼에 한겹씩 고르게 감기도록 안내해주는 왕복 가이드(120), 와이어가 풀린 길이를 측정하기 위한 마찰 바퀴(130)와 로터리 인코더(131), 그리고 와이어가 마찰 바퀴에 수직으로 지나도록 안내하는 입구 풀리(132) 및 출구 풀리(133), 와이어 드럼(103)과 전기 모터의 감속기어(101)를 연결하는 기어 또는 벨트 방식의 와이어 드럼 구동기구(104), 고정 길이 와이어(106)를 와이어 윈치에 체결하기 위한 핀(107)으로 구성된다.

와이어 풀림 방지 장치(110)는 도 3(a)와 도 3(b)에서 보는 바와 같이 로울러(111), 로울러 양단의 회전 링크(112a, 112b), 회전 핀(113), 그리고 토숀 스프링(114)으로 구성되어 토숀 스프링의 탄성에 의해 로울러가 와이어 드럼에 밀착됨으로써 와이어가 드럼에 고르게 감기거나 풀리게 해주며, 와이어의 장력이 느슨해지는 경우 와이어가 스스로 풀림으로써 엉키는 것을 방지한다.

왕복 가이드(120)는 도 3(a)와 도 3(c)에서 보는 바와 같이 와이어 드럼과 왕복 가이드를 동기 구동하기 위한 타이밍 기어(121), 타이밍 기어에 의해 구동되는 웜(122a)과 기어(122b), 기어에 고정된 핀(123)과, 이 핀이 미끄럼 운동을 할 수 있는 안내 홈(124)을 갖는 슬라이드(125), 이 슬라이드가 왕복 이동할 수 있도록 안내해 주는 평행 가이드 봉(126), 와이어를 드럼으로 안내해주는 한 쌍의 가이드 풀리(127)로 구성되어 와이어가 드럼위에 한겹씩 고르게 감길 수 있도록 해 준다. 즉, 와이어 드럼(103)이 회전하면 타이밍 기어(121)를 통해 웜(122a)과 기어(122b)가 회전하고, 슬라이드(125)의 홈(124)에 맞물린 핀(123)이 원주 운동을 하면 스카치 요크의 원리에 의해 슬라이드가 횡방향으로 왕복 운동을 하게 된다. 따라서 타이밍 기어와 웜 기어의 감속비는 와이어 드럼의 직경, 와이어의 두께를 고려하여 정확하게 결정되어야 한다.

본 발명의 기본 원리는 도 4 에서 보는 바와 같이 임의의 높이, H₁, H₂, H₃, H₄를 갖는 4개의 기둥을 수직으로 세웠을 때 각 기둥의 상단과 하단을 꼭지점으로 하여 형성되는 3차원 공간 내에서, 각 기둥의 상단에 와이어의 일단을 고정하고 와이어 윈치를 이용하여 각 와이어의 길이 L₁, L₂, L₃, L₄를 조절하면 이 4개의 와이어가 모인 점 P의 위치에 견인된 무게 W의 물체를 임의의 위치로 이동, 운반시킬 수 있다는 것이다.

3차원 공간 내에서 각 기둥의 상단을 표시하는 점 D, E, F, G의 좌표값(D_x,D_y,D_z), (E_x,E_y,E_z), (F_x,F_y,F_z), (G_x,G_y,G_z)를 기하학적 측량을 통해 측정할 수 있다고 가정하면, 4개의 와이어가 모인 점 P의 좌표 (P_x,P_y,P_z)가 주어질 경우, 각 와이어의 길이 L₁, L₂, L₃, L₄는 다음과 같이 결정된다.

즉, 각 와이어의 길이를 (1)식과 같이 조절하면 점 P를 원하는 위치(P_x,P_y,P_z)로 보낼 수 있는 것이다. 그리고 각 와이어의 길이는 와이어 윈치 내 설치된 마찰 바퀴(130)와 로터리 인코더(131)를 이용하여 와이어가 완전히 와이어 드럼(103)에 감긴 상태로부터 풀려 나가면서 마찰 바퀴를 회전시킨 각도를 측정함으로써 간접적으로 알 수 있는 것이다.

도5는 견인 물체를 원하는 위치로 원하는 궤적을 따라서 보내기 위한 본 발명의 제어 시스템의 구성을 나타낸 것이다. 작업자가 물체가 견인된 P점을 이동시키고자 하는 목표 위치의 좌표값(R_x,R_y,R_z)과 소요시간 △T를 원격조종기(204)에 입력하면, 중앙제어기(203)는 현재의 위치(P_x,P_y,P_z) 로부터 목표 위치까지 이동하기 위한 각 와이어 윈치의 회전속도 ω₁, ω₂, ω₃, ω₄와 회전각 θ₁, θ₂, θ₃, θ₄를 아래 식으로부터 구하여 각 윈치 제어기(202)로 출력한다. 즉,

여기에서

r = 와이어 드럼(103)의 반경

만약 원격조종기(204)에 목표 위치의 좌표값(R_x,R_y,R_z)과 소요시간 △T 대신에 견인 물체가 이동해야 하는 3방향의 속도 성분(V_x,V_y,V_z)와 소요시간 △T를 입력한다면 이 정보로부터 목표 위치의 좌표값(R_x,R_y,R_z)는 다음과 같이 계산될 수 있다. 즉,

이상과 같은 방법으로 회전속도와 회전각에 대한 명령을 입력받은 윈치제어기는 기본적으로 와이어 드럼 구동 모터(102)에 전류를 인가하여 와이어 드럼(103)의 회전속도를 제어하다가 회전각이 명령치에 도달하면 회전을 중지시키게 된다. 이때 와이어 드럼의 실제 회전각도는 앞에서도 설명한 바와 같이 마찰 바퀴(130)의 회전각도를 로터리 인코더(131)에 의해 측정함으로써 알 수 있고, 와이어 드럼의실제 회전속도는 로터리 인코더의 출력 펄스 주파수로부터 측정할 수 있기 때문에 이 정보를 윈치 제어기에 feedback하면 와이어 드럼의 회전속도와 회전각도를 정밀하게 제어할 수 있게 되는 것이다.

위와 같은 작동은 3차원 공간 내 설정된 좌표계의 원점에 대해 4개의 수직기둥 상단의 좌표값을 측량을 통해 정확히 아는 것을 전제로 한다. 따라서 수직 기둥 상단의 좌표값들이 정확하게 입력되었는지를 확인하거나, 와이어 윈치 제어기의 위치 제어 기능이 정상적으로 이루어지는 지를 주기적으로 점검하여 본 발명의 위치 이동 정밀도를 필요할 때 확인할 수 있는 보정 방법이 필요하게 된다.

도 4에서 보인 바와 같이 각 수직 기둥들은 정확히 수직으로 설치할 수 있고 각 기둥의 길이 H₁, H₂, H₃, H₄는 용이하게 측정할 수 있다. 따라서 P점을 좌표계의 원점인 점O로 이동시키고 L₁, L₂, L₃, L₄를 측정하면 다음과 같은 등식이 성립되어야 한다. 즉,

또한 P점을 O에서 A점으로 옮기고 L₁, L₂, L₃, L₄를 측정하면 다음의 관계식을 얻는다.

마찬가지로 P점을 B점으로 옮기고 L₁, L₂, L₃, L₄를 측정하면 다음의 관계식을 얻는다.

또한 P점을 C점으로 옮기고 L₁, L₂, L₃, L₄를 측정하면 다음의 관계식을 얻는다.

여기에서 4개의 기둥이 정확하게 수직으로 세워지고, x축을 O점과 A점을 연결하는 직선과 일치하게 놓는다면

의 관계식이 성립될 것이다. 따라서 만약 점 D, E, F, G의 좌표가 잘못되었다면 식(10)을 이용하여 계산한 식 (6), (7), (8), (9)의 등식이 성립되지 않을 것이다.

본 발명은 와이어 윈치를 장착하는 위치를 변화시킴으로써 다양한 형태로 실시할 수 있다. 도 2는 와이어 윈치(100a,100b,100c,100d)를 수직 기둥의 상단에 가깝게 분산 설치하는 실시 예를 보여 주는 것으로써 이 경우에는 윈치 제어기(202)가 중앙 제어기(203)와 더불어 지상에 설치되고, 따라서 와이어 윈치와 윈치 제어기 간의 배선(205)이 분산되는 단점이 있다. 그러나 물체를 견인하는 중앙 고리 부위(201)는 4 와이어를 한점으로 모으는 기능만 가지면 되므로 그 구조가 매우 단순하게 된다.

본 발명의 다른 실시 예는 도 6과 같이 와이어 윈치(100a,100b,100c,100d)와 원치 제어기(202)를 중앙 고리 부위에 설치한 실시 예를 보인 것이다. 이 실시예의 경우에는 4개의 와이어 윈치(100a,100b,100c,100d)와 윈치 제어기(202)간의 배선이 짧아져 단순화되는 장점이 있다.

도 7은 본 발명을 재활 목적의 보행 훈련기로 사용할 경우의 실시 예를 보여 준다. 이 경우에는 견인 대상이 화물이 아니고 환자(7)의 상체에 해당되고 환자가 이동해야 하는 경로를 중앙제어기(203)에 좌표값으로 미리 프로그램하거나, 환자스스로 가고자 하는 방향을 조이 스틱이나 데이터 글로브와 같은 장치(204)로 조종하면 중앙제어기가 원치 제어기(202)에 명령을 주도록 구성할 수 있다.

도 8은 본 발명을 경작지에 농약 분무에 사용할 경우에 대한 실시 예를 보여 준다. 옥외의 경우에는 수직 기둥(200a,200b,200c,200d)을 설치하면 불의의 외력에 의해 수직 기둥이 쓰러지거나 기울어지기 쉬우므로 수직 기둥의 높이가 낮을수록 유리하다. 수직 기둥의 높이가 낮으면 견인 물체의 이동 공간이 좁아지게 된다. 이것을 해결하기 위해 와이어가 모이는 위치에 기구(303)를 장착, 연결하면 점 P에는 아래로 향하는 힘 대신에 위로 향하는 힘이 작용하므로 와이어가 수직기둥의 상단에서 아래로 향하는 대신에 위로 향하게된다. 따라서 점 P의 이동 공간이 넓어지는 효과가 생긴다. 이렇게 와이어가 위로 향하지만 점 P와 각 수직 기둥 상단의 좌표값 간의 관계는 식(1)과 동일하다. 그리고 견인 물체를 이동시키기 위해 필요한 관계식 (2),(3),(4)도 모두 그대로 적용될 수 있다. 농약 분무를 위해서는 별도의 농약 공급장치(300), 호스(301), 분사 노즐(302)이 요구된다.

도 8의 실시 예에서 농약 분무 작업을 하려면 중앙제어기(203)에서 분무노즐의 이동 경로를 프로그램에 의해 자동으로 제어하거나 조이 스틱(204) 등으로 수동 조작하도록 할 수 있다. 농약 분무 노즐 대신에 무선 CCD 카메라를 설치하면 본 발명을 감시용으로 사용할 수도 있다.

도 9는 배선을 단순화하기 위하여 역시 와이어 윈치를 중앙으로 모으고 윈치 제어기를 중앙 고리 부위에 탑재시킨 또 다른 실시 예를 보여 준다. 이 경우 와이어 윈치와 윈치제어기간의 배선이 단순화되고 위치제어기와 중앙제어기 간의 배선을 농약 분무 호스와 통합할 수 있는 것이 장점이 있다.

이와 같이 본 발명은 소규모 공장에서 물건 하역에 사용할 수 있고,

공간이 협소한 건설 현장에서 임시로 가설하여 무거운 자재를 운반하거나, 건물 붕괴 사고 발생 장소에서 인명을 구조하기 위해 장애물을 제거하는 데 사용할 수 있으며,

소형으로 제작하여 주거 실내에서 노약자의 보행을 보조하거나, 노약자가 실내에서 무거운 물건을 운반하는 것을 보조하거나, 병실에서 환자가 원격조종으로 물체를 이동시키는 데 사용할 수 있고,

또한 견인부에 분무장치를 장착하여 옥외의 논밭이나 실내 원예 작물에 농약을 분무하는 데에도 사용하기 위한 목적으로서,

와이어 윈치를 이용하여 길이가 제어되는 4개의 와이어를 이용하여 피견인 물체를 3차원 공간 내에서 원하는 경로를 따라 원하는 위치로 이동시킬 수 있는 효과가 있다.

옥외에서는 실내와 달리 와이어 윈치를 고정하는 기둥을 설치하기 어려운 경우가 많으므로 이런 조건에서는 낮은 기둥을 세우는 대신에 견인부에 氣球를 부착함으로써 3차원 이동 공간을 확장할 수 있다.

Claims

본 발명은 4개의 와이어 원치, 4개의 수직 기둥, 4개의 와이어를 한점으로 모으고 물체를 견인하기 위한 중앙 고리, 윈치제어기, 중앙제어기, 원격조종기로 구성되어 4개 와이어의 길이를 조절함으로써 3차원 공간 내에서 견인 물체를 임의의 위치로 자유로이 이동, 운반시킬 수 있는 것이 특징이다.
제1항에서 원격 조종기는 견인 물체를 이동시키고자 하는 위치의 3차원 좌표값이나 속도 성분, 이동 소요 시간을 중앙제어기로 출력하고, 중앙제어기는 각 와이어 드럼의 회전속도와 회전각에 대한 명령을 계산하여 윈치 제어기로 출력시키며, 각 윈치제어기는 와이어 드럼의 속도제어기능과 위치제어 기능을 갖는 것이 특징이다. 여기에서 원격조종기와 중앙제어기, 중앙제어기와 윈치제어기 간의 신호 전달은 유선 또는 무선으로 이루어 질 수 있다.
제1항에서 와이어 윈치는 4개의 와이어가 모이는 중앙 고리나 수직 기둥 상단에 근접하여 설치하거나, 또는 그 사이의 임의의 위치에 설치될 수 있는 것이 특징이다.
와이어 윈치는 와이어 드럼을 구동하는 감속기어와 전기모터, 와이어 드럼, 와이어 풀림 방지 장치, 와이어가 드럼에 한겹씩 고르게 감기도록 안내해주는 왕복가이드, 와이어가 풀린 길이를 측정하기 위한 마찰 바퀴와 로터리 인코더, 그리고 와이어가 마찰 바퀴에 수직으로 지나도록 안내하는 입구 풀리 및 출구 풀리, 와이어 드럼과 전기 모터를 연결하는 동력전달기구, 고정 길이 와이어를 와이어 윈치 몸체에 체결하기 위한 핀으로 구성되는 것이 특징이다.
제 4항에서 와이어 풀림 방지 장치는 로울러, 로울러 양단의 회전 링크, 회전 핀, 그리고 토숀 스프링으로 구성되어 토숀 스프링의 탄성에 의해 로울러가 와이어 드럼에 압착됨으로써 와이어가 드럼에 고르게 감기거나 풀리게 해주며, 와이어의 장력이 느슨해지는 경우 와이어가 스스로 풀림으로써 엉키는 것을 방지하는 것이 특징이다.
제 4항에서 왕복 가이드는 와이어 드럼과 왕복 가이드를 동기 구동하기 위한 타이밍 기어, 타이밍 기어에 의해 구동되는 웜과 기어, 기어에 고정된 핀과 이 핀이 미끄럼 운동을 할 수 있는 안내 홈을 갖는 슬라이드, 이 슬라이드가 왕복 이동할 수 있도록 안내해 주는 평행 가이드 봉, 와이어를 드럼으로 안내해 주는 한 쌍의 가이드 풀리로 구성되어 와이어가 드럼위에 한겹씩 고르게 감길 수 있도록 해 주는 것이 특징이다.
본 발명은 물체를 견인하는 위치에 기구(balloon)를 달아서 와이어의 처짐 방향이 반대로 되게 하여 3차원 이동 공간을 확장할 수 있는 것이 특징이다.