KR20110104670A - 부유체 안정화 장치 및 방법과 이에 의하여 안정화되는 부유체 - Google Patents

부유체 안정화 장치 및 방법과 이에 의하여 안정화되는 부유체 Download PDF

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KR20110104670A
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Abstract

본 발명에 따른 부유체 안정화 장치는 부유체에 결합되는 베이스 상에 대칭적인 위치에 마련되고, 베이스 상에서 베이스 상측방향을 축으로 각각 회전가능한 4개 이상의 짐벌(gimbal)과, 상측방향과 수직인 일 방향을 축으로 회전가능하도록 형성되고, 짐벌의 각각에 결합되는 플라이휠을 포함한다. 또한, 본 발명에 따른 부유체 안정화 방법은 부유체에 결합되는 베이스 상에 대칭적인 위치에 마련되고, 베이스 상에서 베이스 상측방향을 축으로 각각 회전가능한 4개 이상의 짐벌(gimbal)과, 상측방향과 수직인 일 방향을 축으로 회전가능하도록 형성되고, 짐벌의 각각에 결합되는 플라이휠을 포함하는 부유체 안정화 장치에 의하여 부유체를 안정화시키는 방법으로써, 짐벌 및 상기 플라이휠은 회전함으로써 부유체의 요동 반대방향으로 토크를 발생시킴으로써, 부유체의 요동을 안정화시킨다. 또한, 본 발명에 따른 부유체는 이러한 부유체 안정화 장치 및 방법에 의하여 안정화된다.
이로써, 부유체 상에서 이루어지는 각종 작업, 예를 들어 크레인 작업이나 화물/물건의 선적 및 하역 작업 등에 있어서 작업의 안정성 및 안전성을 높이고 작업속도를 향상시키는 효과가 있다. 또한, 부유체의 고정밀의 안정화를 실현함으로써, 부유체 상에서 정밀한 작업을 가능하도록 하며, 전력을 적게 소비하면서도 부유체를 안정화시킬 수 있다. 또한, 부유체 승선자의 승선감을 향상시키는 효과가 있다.

Description

부유체 안정화 장치 및 방법과 이에 의하여 안정화되는 부유체{APPARATUS AND METHOD OF FLOATING BODY STABILIZATION AND FLOATING BODY STABILIZED BY USING THEREOF}
본 발명은 부유체 안정화 장치 및 방법과 이에 의하여 안정화되는 부유체에 관한 것으로, 유체에 부유하는 부유체를 동요로부터 안정화시키는 장치 및 방법과 이에 의하여 안정화되는 부유체에 관한 것이다.
원격지의 상품이동수단으로서, 선박을 이용한 해상운송은 타 운송수단에 비하여 에너지를 적게 사용하며, 수송비용도 저렴하여 국제교역의 많은 부분은 해상운송에 의지되고 있다.
최근에는 컨테이너선과 같은 해상운송에 있어서, 운송의 효율을 향상시키기 위하여 대형화된 선박을 이용하게 되는데, 이는 선박의 수송량을 증가시켜 운송의 경제성을 확보하기 위한 것이다. 이에 따라 대형 선박을 접안시킬 수 있는 계류시설 및 하역시설을 구비한 항만이 점점 더 많이 요구되고 있다.
하지만, 대형 컨테이너선이 접안할 수 있는 항구는 국내외에 한정되어 있으며, 이러한 항구의 건설에는 많은 경비가 소요될 뿐만 아니라 넓은 장소가 요구된다. 또한, 대형 항구의 건설로 인하여 주변 교통 체증의 유발이나 해안환경의 파괴 등 주위의 환경에도 많은 영향을 끼치는 바, 대형항구의 건설에는 많은 제약이 따르고 있다.
이에, 선박을 항구 내의 안벽에 접안시키지 않고, 육지로부터 떨어진 해상에 정박시킨 채로 작업할 수 있는 모바일 하버에 대한 기술이 개발되기 시작하였다. 여기서, 화물의 선적 및 하역작업은 수 톤 내지 수십 톤에 이르는 화물을 이동시키는 작업이므로 모바일 하버의 평형유지가 절실히 요구되지만, 해상에서는 바람, 파랑, 또는 조류 등의 영향으로 모바일 하버의 동요가 불가결하다고 할 것인바, 모바일 하버가 해상에서 작업하는 도중에 모바일 하버의 평형을 유지하기 위한 장치가 필요하다.
본 발명은 상기한 필요에 부응하여 안출된 것으로서, 파도, 조류, 및/또는 해류 등으로 인한 부유체의 운동, 예를 들어, 상하동요(heave), 종동요(pitch), 횡동요(roll)를 감소시켜 부유체를 안정화시키는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명에 따른 부유체 안정화 장치는 부유체에 결합되는 베이스 상에 대칭적인 위치에 마련되고, 베이스 상에서 베이스 상측방향을 축으로 각각 회전가능한 4개 이상의 짐벌(gimbal)과, 상측방향과 수직인 일 방향을 축으로 회전가능하도록 형성되고, 짐벌의 각각에 결합되는 플라이휠을 포함한다.
여기서, 베이스의 무게중심이 부유체의 무게중심과 일치할 수 있다.
또한, 인접한 플라이휠의 회전중심을 연결한 선은 부유체의 롤링축 및/또는 피칭축에 평행할 수 있다.
또한, 짐벌 및 플라이휠은 각각 4개 마련되고, 짐벌의 회전중심을 연결한 도형은 직사각형 또는 정사각형이고, 플라이휠의 회전중심을 연결한 도형은 직사각형 또는 정사각형일 수 있다.
또한, 짐벌을 회전시킬 수 있는 모터와, 모터를 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
또한, 부유체의 동요를 감지하는 센서를 더 포함하고, 센서는 감지된 동요에 대한 정보를 제어부로 전달할 수 있다.
여기서, 짐벌 및 플라이휠은 일부만 회전되어 부유체를 안정화시킬 수 있다.
본 발명에 따른 부유체 안정화 방법은 부유체에 결합되는 베이스 상에 대칭적인 위치에 마련되고, 베이스 상에서 베이스 상측방향을 축으로 각각 회전가능한 4개 이상의 짐벌(gimbal)과, 상측방향과 수직인 일 방향을 축으로 회전가능하도록 형성되고, 짐벌의 각각에 결합되는 플라이휠을 포함하는 부유체 안정화 장치에 의하여 부유체를 안정화시키는 방법으로써, 짐벌 및 플라이휠은 회전함으로써 부유체의 요동 반대방향으로 토크를 발생시킴으로써, 부유체의 요동을 안정화시킬 수 있다.
여기서, 짐벌은 부유체의 요동에 의하여 자이로 효과로 회전하게 되는
또한, 부유체 안정화 장치는 모터와, 모터를 제어하는 제어부를 더 포함하고,짐벌은 모터에 의하여 회전하게 될 수 있다.
또한, 부유체 안정화 장치는 부유체의 동요를 감지하는 센서를 더 포함하고,센서는 감지된 동요에 대한 정보를 제어부로 전달할 수 있다.
또한, 짐벌 및 플라이휠은 일부만 회전되어 부유체를 안정화시킬 수 있다.
본 발명에 따른 부유체는 상기의 부유체 안정화 장치 및 방법에 의하여 안정화될 수 있다.
본 발명에 따른 부유체 안정화 장치, 부유체 안정화 방법 및 이에 의하여 안정화되는 부유체는 부유체 상에서 이루어지는 각종 작업, 예를 들어 크레인 작업이나 화물/물건의 선적 및 하역 작업 등에 있어서 작업의 안정성 및 안전성을 높이고 작업속도를 향상시키는 효과가 있다.
또한, 부유체의 고정밀의 안정화를 실현함으로써, 부유체 상에서 정밀한 작업을 가능하도록 하며, 전력을 적게 소비하면서도 부유체를 안정화시킬 수 있다. 또한, 부유체 승선자의 승선감을 향상시키는 효과가 있다.
도 1은 선박의 동요를 나타내는 축계이고,
도 2은 본 발명의 자이로 효과의 개념도이고,
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 부유체 안정화 장치의 사시도이고,
도 4은 본 발명의 일 실시예에 따른 부유체 안정화 장치가 설치된 선박의 사시도이고,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 부유체 안정화 장치의 작동개념도이고,
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 부유체 안정화 장치의 작동개념도이고,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 부유체 안정화 방법의 흐름도이고,
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 부유체 안정화 장치의 저전력상태에서의 작동개념도이고,
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 부유체 안정화 장치의 저전력상태에서의 작동개념도이다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 이하의 구체적인 실시예는 본 발명에 따른 부유체 안정화 장치 및 방법과 이에 의하여 안정화되는 부유체에 대하여 예시적으로 설명하는 것일 뿐, 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 의도되지 아니한다. 아울러 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
부유체는 유체 상에 부유하여 있는 물체를 의미하는 것이며, 선박, 보트, 등 유체에 부유하여 작업 내지 운항이 이루어지는 모든 물체를 의미한다. 부유체는 유체 상에서 고정되지 못하고 파도, 해류, 또는 조류 등의 영향으로 동요하게 되는데, 동요의 형태는 일반적으로 도 1과 같이 정의된다.
도 1에 도시된 바와 같이, X축(선수방향), Y축(좌현방향), 및 Z축(상측방향) 방향의 병진운동은 각각 서지(surge), 스웨이(sway), 및 히브(heave)로 정의되며 각각의 축을 중심으로 한 회전운동은 각각 롤(roll), 피치(pitch), 요(yaw)로 정의된다. 여기서, “선수” 및 “선미”란 각각 부유체의 전방부 및 후미부를 포함하는 개념이며, 좌현, 우현은 선수방향에 있어서 좌우측을 각각 의미하는 개념으로써, 이하에서는 이로써 통칭하도록 한다.
여기서, 파도, 해류, 또는 조류 등으로 인하여 문제시되는 요동은 롤, 피치, 히브 방향의 요동이며, 이는 부유체 상의 작업에 있어서 작업속도 및 안전성 등에 영향을 미치게 되므로, 이러한 요동의 저감은 필수적이다. 더욱이, 해상에서 크레인 작업 등을 하게 되는 모바일 하버에 있어서는 모바일 하버 상의 크레인이 모선의 컨테이너를 선적 내지 하역하는 정밀한 작업을 수행하여야 하므로 이러한 요동은 반드시 제어되어야 하며, 그 안정화 정도에 있어서도 고수준의 안정화가 필요하다.
본 발명의 실시예들에 따른 부유체 안정화 장치 및 방법과 이에 의하여 안정화되는 부유체는 이러한 안정화, 예를 들어 롤과 피치 방향의 요동을 저감 내지 제거하기 위하여 자이로 효과(gyro effect)를 이용한다. 자이로 효과를 이용하여 롤과 피치 방향의 요동에 대하여 선택적으로 대응할 수 있을 뿐만 아니라, 롤과 피치의 혼합요동에 대하여도 사용될 수 있다.
여기서, 도 2에 도시된 바와 같이, 자이로 효과란 회전체(1)가 회전축(3)에 대해 회전(Mr)하고 있을 때, 회전축(3)에 수직한 방향을 축(입력축)으로 하는 회전이 입력(Mi)으로 가해질 경우, 회전체의 회전축과 입력축 모두에 수직인 출력축에 대한 회전(Mo)이 발생하는 현상을 말한다. 본 발명의 실시예들에 따른 부유체 안정화 장치 및 방법과 이에 의하여 안정화되는 부유체는 이러한 자이로 효과를 이용하여 부유체의 동요를 저감 내지 제거하게 된다.
먼저, 도 3 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 부유체 안정화 장치에 대하여 구체적으로 설명하도록 한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 부유체 안정화 장치(100)는 부유체(도 4의 참조번호 200)에 결합되는 베이스(40) 상에 대칭적인 위치에 마련되고, 베이스(40) 상에서 베이스(40) 상측방향을 축으로 회전가능한 짐벌(30)이 4개 이상 포함된다. 또한, 베이스(40) 상측방향과 수직인 일방향으로 마련된 축(20)을 중심으로 회전가능하도록 형성되고, 짐벌(30)의 각각에 결합되는 플라이휠(10)을 포함한다.
먼저, 부유체(200)는 보트, 선박, 모바일 하버 등 유체 상에 부유하고 있는 물체를 모두 지칭할 수 있으며, 해상에 부유하고 있는 물체뿐만 아니라, 산업상 다양한 요구에 의하여 유체에 부유하고 있는 모든 물체를 의미할 수 있다.
베이스(40)는 소정두께를 가지는 판상의 형태일 수 있으며, 부유체(200)에 결합되게 되는데, 부유체(200)의 다양한 위치에 위치할 수 있다. 구체적으로, 부유체(200)의 상부, 하부, 내부에 위치할 수 있을 뿐만 아니라, 부유체(200)의 선수부, 선미부, 또는 좌/우현 등 여러 위치에 위치할 수 있다.
짐벌(30)은 베이스(40) 상에 대칭적인 위치에 마련되는데, 여기서 “대칭적”인것의 의미는 짐벌(30)의 회전을 고려하지 않고 짐벌(30)이 마련되는 위치 만을 특정하기 위한 것으로, 예를 들어 4개의 짐벌(30)이 마련되는 경우에는 각 짐벌은 직사각형 또는 정사각형의 꼭지점의 위치일 수 있다. 또한, 5개의 짐벌(40)이 마련되는 경우에는 정오각형의 꼭지점의 위치에 위치할 수 있으며, 그 이상의 개수가 마련되는 경우에도 각형을 이루면서 각 꼭지점의 위치에 위치할 수 있다.
여기서, 짐벌(30)은 베이스(40) 상에서 회전가능하도록 마련되는데, 짐벌(30)의 회전은 베이스(40)의 상측방향을 축으로 하여 회전할 수 있다. 이를 위하여, 베이스(40)에는 짐벌(30)을 수용하는 수용부(42)가 마련되고, 짐벌(30)의 본체부(32)의 일부가 수용부(42)에 수용될 수 있다.
도면으로 도시하지는 않았으나, 베이스(40)에는 짐벌(30)을 회전시키기 위한 모터 등의 기계구조가 내장될 수 있으며, 또한, 이러한 모터를 제어할 수 있는 제어부가 별도로 마련될 수 있다. 또한, 이러한 모터 및 제어부가 마련되는 경우에는 부유체의 동요를 감지하여 감지된 동요에 대한 정보, 구체적으로 속도 및/또는 각속도의 정보를 제어부로 전달하는 센서가 더 마련될 수 있다. 당업자의 입장에서 이러한 기계구조의 구성은 자명하게 도출 가능한 바, 이하에서는 구체적인 기재는 생략하도록 한다.
짐벌(30)은 본체부(32)와 연결된 플랜지부(34)를 포함할 수 있으며, 본 발명의 일 실시예에 따른 부유체 안정화 장치는 플랜지부(34)에 결합되어 있는 축(20)을 중심으로 하여 회전가능하게 형성되는 플라이휠(10)을 포함할 수 있다.
여기서, 플랜지부(34)는 본체부(32)에 수직으로 연결되어, 플라이휠(10)은 짐벌(30)이 회전하는 방향(베이스 상측방향)에 대하여 수직인 방향을 축으로 하여 회전할 수 있다.
여기서, 플랜지부(34)와 축(20)은 베어링(미도시)을 경유하여 결합되어 있음으로 인하여, 축(20)은 플랜지부(34)에 대하여 회전할 수 있고, 축(20)은 플라이휠(10)에 고정결합되어 플랜지부(34)와 함께 회전할 수 있다. 축(20)은 플라이휠(10)의 회전중심에 결합되어 있을 수 있고, 플라이휠(10)은 원형의 형상을 가질 수 있다.
물론, 플랜지부(34)의 내부에는 축(20)을 회전시키기 위한 모터 등의 기계구조가 내장될 수 있으며, 또한, 이러한 모터를 제어할 수 있는 제어부가 별도로 마련될 수 있다. 당업자의 입장에서 이러한 기계구조의 구성은 자명하게 도출 가능한 바, 이하에서는 구체적인 기재는 생략하도록 한다.
플라이휠(10)은 축(20)을 중심으로 빠르게 회전하게 되며, 짐벌(30)은 플라이휠(10)을 좌우로 회전시키면서 플라이휠(10)이 회전하는 축(20)의 방향을 전환하는 역할을 하게 된다. 플라이휠(10)은 축(20)을 중심으로 하는 관성모멘트가 클수록, 회전속도가 빠를수록 큰 회전관성모멘트를 가지며, 짐벌(30)에 의하여 축(20)의 방향을 조절함으로써, 부유체에 가해지는 파도, 조류, 또는 해류 등에 의한 롤 및/또는 피치의 요동의 반대방향으로 토크를 생성할 수 있게 된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 부유체 안정화 장치(100)는 플라이휠(10) 및 짐벌(30)의 회전에 의하여 발생하는 토크를 베이스(40)를 경유하여 부유체(200)에 전달하게 되는데, 베이스(40)로부터 전달되는 토크에 의한 요동 저감효과를 극대화하기 위하여 부유체 안정화 장치(100)의 무게중심, 예를 들어 베이스(40)의 중점이 부유체(200)의 무게중심에 위치할 수 있다.
이로써, 부유체(200)의 무게중심에서 토크를 발생시킴으로 인하여, 부유체(200)의 빠른 안정화를 기대할 수 있다. 하지만, 본 발명의 일 실시예에 따른 부유체 안정화 장치(100)의 부유체(200) 상의 위치는 여기에 한정되지 않고, 다양한 위치에 위치할 수 있을 뿐만 아니라, 2개 이상 부유체(200)에 마련될 수 있으며, 부유체(200)에 대칭적인 위치에 마련될 수 있다. 예를 들어, 부유체(200)의 좌현(부유체의 좌측), 우현(부유체의 우측)에 각각 위치하거나 부유체(200)의 선수, 선미에 각각 위치할 수도 있으며, 좌현, 우현, 선수, 선미에 각각 위치할 수도 있다.
여기서, 도 4에 도시된 바와 같이, 인접한 플라이휠(10)의 회전중심을 연결한 선은 부유체(200)의 롤링축 및/또는 피칭축에 평행할 수 있다. 예를 들어, 베이스(40) 상에 4개의 플라이휠(10) 및 짐벌(30)이 마련되고 짐벌(30)이 위치하는 위치가 정사각형(또는 직사각형)을 이루는 경우에, 플라이휠(10)의 회전중심을 연결한 선은 정사각형(또는 직사각형)을 형성하게 되고, 여기서, 정사각형(또는 직사각형)의 변은 각각 부유체(200)의 롤링축 또는 피칭축에 평행할 수 있다.
이는 플라이휠(10) 및 짐벌(30)의 회전에 의하여 발생하는 토크를 롤 또는 피치의 방향에 맞추어 발생시키기 위한 것이다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 부유체 안정화 장치의 작용에 대하여 구체적으로 설명하도록 한다.
먼저, 롤 방향 요동이 발생하는 경우에, 선미방향을 축으로 하고 이에 대항할 수 있는 토크 Mtr을 발생시키는 작용을 도 5를 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다. 도 5는 플라이휠(10a, 10b, 10c, 10d) 및 짐벌(30a, 30b, 30c, 30d)가 대칭적으로 4개 마련된 경우를 도시한 것으로서, 대표적으로 구체적으로 설명하도록 한다. 하지만, 플라이휠 및 짐벌의 개수는 이에 한정되는 것이 아니며, 당업자의 입장에서 그 개수는 자유롭게 선택 가능하다.
여기서, 각각의 플라이휠(10a, 10b, 10c, 10d)은 자이로 효과에 의하여 토크의 방향이 결정된다. 각각의 화살표는 각각의 플라이휠(10a, 10b, 10c, 10d) 및 짐벌(30a, 30b, 30c, 30d)의 회전방향을 나타낸다. 도 5에 도시된 플라이휠(10a, 10b, 10c, 10d)의 회전축은 지면과 평행한 방향이 되며, 짐벌(30a, 30b, 30c, 30d)의 회전축은 지면을 뚫고 나오거나 들어가는 방향이 된다.
여기서, 각각의 플라이휠(10a, 10b, 10c, 10d) 및 짐벌(30a, 30b, 30c, 30d)의 회전에 의하여 발생하는 자이로 효과에 의한 토크는 굵은 화살표로 표시된 방향으로 발생하는 Mar, Mbr, Mcr, Mdr과 같다. 여기서, Mar 및 Mbr에 있어서, 좌현 및 우현방향으로 발생하는 각각의 성분은 서로 크기는 같고 방향은 반대가 되어 서로 상쇄되도록, 플라이휠(10a, 10b) 및 짐벌(30a, 30b)의 회전이 제어된다. 또한, Mcr 및 Mdr에 있어서도 마찬가지로, 좌현 및 우현방향으로 발생하는 각각의 성분은 서로 크기는 같고 방향은 반대가 되어 서로 상쇄되도록 플라이휠(10c, 10d) 및 짐벌(30c, 30d)의 회전이 제어된다.
이로써, 각각의 플라이휠(10a, 10b, 10c, 10d) 및 짐벌(30a, 30b, 30c, 30d)의 회전에 의하여 발생하는 합성토크는 선미방향으로 발생하는 Mtr이 되며, 이러한 합성토크 Mtr의 발생으로 인하여 롤 방향의 요동이 저감 내지 제어되게 된다.
또한, 도면으로 도시하지는 않았으나, 롤 방향 요동이 발생하는 경우에, 이에 대항할 수 있도록 선수방향을 축으로 하는 토크를 발생시키기 위해서는 상기 구체적으로 설명한 것과 반대, 즉 플라이휠(10a, 10b, 10c, 10d) 및 짐벌(30a, 30b, 30c, 30d)의 회전방향을 반대로 설정하면 달성될 수 있다.
다음으로, 피치 방향 요동이 발생하는 경우에, 우현방향을 축으로 하고 이에 대항할 수 있는 토크 Mtp 발생시키는 작용을 도 6을 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다. 도 6은 플라이휠(10a, 10b, 10c, 10d) 및 짐벌(30a, 30b, 30c, 30d)이 대칭적으로 4개 마련된 경우를 도시한 것으로서, 대표적으로 구체적으로 설명하도록 한다. 하지만, 플라이휠 및 짐벌의 개수는 이에 한정되는 것이 아니며, 당업자의 입장에서 그 개수는 자유롭게 선택 가능하다.
여기서, 각각의 플라이휠(10a, 10b, 10c, 10d)은 자이로 효과에 의하여 토크의 방향이 결정된다. 각각의 화살표는 각각의 플라이휠(10a, 10b, 10c, 10d) 및 짐벌(30a, 30b, 30c, 30d)의 회전방향을 나타낸다. 도 6에 도시된 플라이휠(10a, 10b, 10c, 10d)의 회전축은 지면과 평행한 방향이 되며, 짐벌(30a, 30b, 30c, 30d)의 회전축은 지면을 뚫고 나오거나 들어가는 방향이 된다.
여기서, 각각의 플라이휠(10a, 10b, 10c, 10d) 및 짐벌(30a, 30b, 30c, 30d)의 회전에 의하여 발생하는 토크는 굵은 화살표로 표시된 방향으로 발생하는 Map, Mbp, Mcp, M에와 같다. 여기서, Map 및 Mcp에 있어서, 선수 및 선미방향으로 발생하는 각각의 성분은 서로 크기는 같고 방향은 반대가 되어 서로 상쇄되도록, 플라이휠(10a, 10c) 및 짐벌(30a, 30c)의 회전이 제어된다. 또한, Mbp 및 M에에 있어서, 선수 및 선미방향으로 발생하는 성분은 서로 크기는 같고 방향은 반대가 되어 서로 상쇄되도록, 플라이휠(10b, 10d) 및 짐벌(30b, 30d)의 회전이 제어된다.
이로써, 각각의 플라이휠(10a, 10b, 10c, 10d) 및 짐벌(30a, 30b, 30c, 30d)의 회전에 의하여 발생하는 합성토크는 우현방향으로 발생하는 Mtp이 되며, 이러한 합성토크 Mtp의 발생으로 인하여 피치 방향의 요동이 저감 내지 제어되게 된다.
또한, 도면으로 도시하지는 않았으나, 피치 방향 요동이 발생하는 경우에, 이에 대항할 수 있도록 좌현방향을 축으로 하는 토크를 발생시키기 위해서는 상기 구체적으로 설명한 것과 반대, 즉 플라이휠(10a, 10b, 10c, 10d) 및 짐벌(30a, 30b, 30c, 30d)의 회전방향을 반대로 설정하면 달성될 수 있다.
또한, 롤 방향 요동과 피치 방향 요동이 동시에 발생되는 경우에는 플라이휠(10a, 10b, 10c, 10d) 및 짐벌(30a, 30b, 30c, 30d)에 상기 구체적으로 설명한 롤 방향 및 피치 방향의 요동을 제어하기 위한 각각의 회전 방향을 합성한 회전방향을 부여하여 회전되도록 함으로써 롤 방향 및 피치 방향 요동을 동시에 감소 내지 제거시키기 위한 토크를 발생시킬 수 있다.
상기에서 구체적으로 설명한 부유체 안정화 장치은 부유체에 마련됨으로써 부유체를 안정화시킬 수 있으며, 이러한 부유체 안정화 장치에 의하여 안정화되는 부유체는 파도, 조류, 및/또는 해류에 의한 동요로부터 안정화되어, 부유체 상의 작업의 안전성 및 작업속도가 향상되게 된다.
다음으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 부유체의 안정화 방법에 대하여 구체적으로 설명하도록 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 부유체의 안정화 방법은 상기 구체적으로 설명한 부유체 안정화 장치에 의하여 부유체를 안정화시키는 방법으로써, 짐벌(도 3의 참조번호 30 참조) 및 플라이휠(도 3의 참조번호 10 참조)은 회전함으로써 부유체의 요동 반대방향으로 토크를 발생시킴으로써, 부유체의 요동을 안정화시키게 된다.
구체적으로, 도 7에 도시된 바와 같이, 파도, 조류, 및/또는 해류에 의하여 부유체에 롤 방향 및/또는 피치 방향 요동이 발생하는 경우에, 회전하고 있는 플라이휠(10)에 대하여 자연스럽게 짐벌(30)이 회전되게 되고, 이러한 짐벌(30)의 회전을 입력으로 하여 자이로 효과에 의한 토크의 발생으로 부유체의 요동을 저감시킬 수 있다(수동제어). 또한, 부유체의 요동이 센서에 의하여 감지되고, 감지된 동요에 대한 정보, 구체적으로 변위, 속도, 및/또는 각속도의 정보를 제어부로 전달하여, 제어부에 의한 모터의 구동을 통해 짐벌(30)을 회전시킴으로써 자이로 효과에 의한 토크의 발생으로 부유체의 요동을 저감시킬 수 있다(능동제어).
여기서, 수동제어에 의하여 부유체의 요동이 저감되는 경우에 대하여 설명하도록 한다. 도 2와 관련하여 구체적으로 설명한 바와 같이, 자이로 효과란 회전체(1)가 회전축(3)에 대해 회전(Mr)하고 있을 때, 회전축(3)에 수직한 방향을 축(입력축)으로 하는 회전이 입력(Mi)으로 가해질 경우, 회전체의 회전축과 입력축 모두에 수직인 출력축에 대한 회전(Mo)이 발생하는 현상을 말한다. 여기서, 플라이휠(10)이 회전하고 있는 중에 파도, 조류, 및/또는 해류에 의하여 부유체에 롤 방향 또는 피치 방향 요동이 발생하는 경우에, 이러한 요동이 입력(Mi) 성분이 되어 자이로 현상에 의한 회전(Mo)이 발생하게 된다. 이렇게 발생된 회전(Mo)은 결국 부유체의 요동을 저감시키는 역할을 하게 되고, 이는 플라이휠(10)의 회전운동량이 보존되려는 성질로 인한 것이다.
다음으로, 능동제어에 의하여 부유체의 요동이 저감되는 경우에 대하여 설명하도록 한다. 능동제어는 앞서 수동제어의 경우와 작동원리는 유사하나, 부유체의 롤 방향 또는 피치 방향 요동이 발생하는 경우에, 능동적으로 짐벌(30)을 회전시키는 것이다. 즉, 센서(미도시)를 이용하여 부유체의 롤 방향 또는 피치 방향 요동을 감지하고, 요동의 각도, 각속도 정보 등을 측정하여 제어기로 전달하고, 제어기는 짐벌(30)에 연결된 모터를 기동시킴으로써 자이로 효과에 의한 토크를 능동적으로 발생시킴으로써, 부유체의 요동을 저감시키게 된다.
이상에서 상세하게 설명한 바와 같이, 부유체 안정화 장치 및 방법은 마련되어 있는 플라이휠(10) 및 짐벌(30)을 모두 회전시키면서 부유체를 안정화시킬 수 있음은 물론이나, 롤 방향 또는 피치 방향 중 어느 하나에 대하여 마련되어 있는 플라이휠(10) 및 짐벌(30)의 일부만을 회전시킴으로써 부유체를 안정화시킬 수 있음은 물론이다. 이는 저전력으로 부유체를 안정화시킬 수 있도록 하며, 부유체의 요동이 심하지 않은 경우나 운항시에 유용하다. 이하에서는 베이스(40) 상에 플라이휠과 짐벌이 각각 4개 대칭적으로 마련되는 경우에 대하여 설명하나, 4개에 한정되는 것이 아니며, 당업자의 입장에서 그 개수는 자유롭게 선택하여 대칭적으로 마련할 수 있음은 물론이다.
즉, 도 8에 도시된 바와 같이, 부유체의 롤 방향 요동을 감소 내지 제거시키기 위하여 합성토크 Mtr을 발생시키고자 하는 경우에 합성토크 Mtr 방향의 일부의 플라이휠(10c, 10d)과 짐벌(30c, 30d) 만을 회전시킴으로써, 저전력으로 부유체의 롤 방향 요동을 감소 내지 제거시키기 위한 토크를 발생시킬 수 있다. 또한, 플라이휠(10c, 10d)과 짐벌(30c, 30d)의 회전방향을 반대로 함으로써, 선수방향으로 합성토크를 생성시킬 수 있음은 물론이다.
또한, 도 9에 도시된 바와 같이, 부유체의 피치 방향 요동을 감소 내지 제거시키기 위하여 합성토크 Mtp을 발생시키고자 하는 경우에 합성토크 Mtp 방향의 일부의 플라이휠(10a, 10c)과 짐벌(30a, 30c) 만을 회전시킴으로써, 저전력으로 부유체의 롤 방향 요동을 감소 내지 제거시키기 위한 토크를 발생시킬 수 있다. 또한, 플라이휠(10a, 10c)과 짐벌(30a, 30c)의 회전방향을 반대로 함으로써, 좌현방향으로 합성토크를 생성시킬 수 있음은 물론이다.
이와 같이 일부의 플라이휠 및 짐벌을 회전시킴으로 인하여 저전력으로 운영될 수 있으며, 도 8, 9에 도시되고 상기 기재된 플라이휠 및 짐벌이 아닌 다른 쌍의 플라이휠 및 짐벌이 회전될 수 있음은 물론이다.
상기에서 구체적으로 설명한 부유체 안정화 방법은 부유체에 적용됨으로써 부유체를 안정화시킬 수 있으며, 이러한 부유체 안정화 방법에 의하여 안정화되는 부유체는 파도, 조류, 및/또는 해류에 의한 동요로부터 안정화되어, 부유체 상의 작업의 안전성 및 작업속도가 향상되게 된다.
이상 본 발명의 구체적인 실시형태를 참조하여 본 발명을 설명하였으나, 이는 예시에 불과하며 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다. 당업자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 설명된 실시형태들을 변경 또는 변형할 수 있다. 본 명세서에서 설명된 각 구성요소들은 공지된 다양한 소자들로 구현 또는 대체될 수 있으며, 각각 별개로 구현되거나 2 이상이 하나로 통합되어 구현될 수도 있다. 본 명세서에서 설명된 각 구성요소들은 공지된 다양한 소자들로 구현 또는 대체될 수 있으며, 각각 별개로 구현되거나 2 이상이 하나로 통합되어 구현될 수도 있다. 따라서, 본 발명의 범위는 설명된 실시형태가 아니라 첨부된 청구범위 및 그 균등물에 의해 정해져야 한다.
10: 플라이휠
20: 축
30: 짐벌
40: 베이스
100: 부유체 안정화 장치
200: 부유체

Claims (14)

  1. 부유체에 결합되는 베이스 상에 대칭적인 위치에 마련되고, 상기 베이스 상에서 상기 베이스 상측방향을 축으로 각각 회전가능한 4개 이상의 짐벌(gimbal)과,
    상기 상측방향과 수직인 일 방향을 축으로 회전가능하도록 형성되고, 상기 짐벌의 각각에 결합되는 플라이휠을 포함하는
    부유체 안정화 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 베이스의 무게중심이 상기 부유체의 무게중심과 일치하는
    부유체 안정화 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 짐벌 및 상기 플라이휠은 각각 4개 마련되고,
    상기 짐벌의 회전중심을 연결한 도형은 직사각형 또는 정사각형이고,
    상기 플라이휠의 회전중심을 연결한 도형은 직사각형 또는 정사각형인
    부유체 안정화 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    인접한 상기 플라이휠의 회전중심을 연결한 선은
    상기 부유체의 롤링축 및/또는 피칭축에 평행한
    부유체 안정화 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 짐벌을 회전시킬 수 있는 모터와,
    상기 모터를 제어하는 제어부를 더 포함하는
    부유체 안정화 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 부유체의 동요를 감지하는 센서를 더 포함하고,
    상기 센서는 감지된 상기 동요에 대한 정보를 상기 제어부로 전달하는
    부유체 안정화 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 짐벌 및 플라이휠은 일부만 회전되어 저전력으로 상기 부유체를 안정화시키는
    부유체 안정화 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 기재되어 있는 부유체 안정화 장치를 구비하는
    부유체.
  9. 부유체에 결합되는 베이스 상에 대칭적인 위치에 마련되고, 상기 베이스 상에서 상기 베이스 상측방향을 축으로 각각 회전가능한 4개 이상의 짐벌(gimbal)과,
    상기 상측방향과 수직인 일 방향을 축으로 회전가능하도록 형성되고, 상기 짐벌의 각각에 결합되는 플라이휠을 포함하는 부유체 안정화 장치에 의하여 상기 부유체를 안정화시키는 방법으로써,
    상기 짐벌 및 상기 플라이휠은 회전함으로써 상기 부유체의 요동 반대방향으로 토크를 발생시킴으로써, 상기 부유체의 요동을 안정화시키는
    부유체 안정화 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 짐벌은 상기 부유체의 요동에 의하여 자이로 효과로 회전하게 되는
    부유체 안정화 방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 부유체 안정화 장치는 모터와,
    상기 모터를 제어하는 제어부를 더 포함하고,
    상기 짐벌은 상기 모터에 의하여 회전하게 되는
    부유체 안정화 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 부유체 안정화 장치는 부유체의 동요를 감지하는 센서를 더 포함하고,
    상기 센서는 감지된 상기 동요에 대한 정보를 상기 제어부로 전달하는
    부유체 안정화 방법.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 짐벌 및 플라이휠은 일부만 회전되어 저전력으로 상기 부유체를 안정화시키는
    부유체 안정화 방법
  14. 제 9 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 기재되어 있는 부유체 안정화 방법에 의하여 안정화되는
    부유체.
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KR101451179B1 (ko) * 2014-02-21 2014-10-15 김석문 부유식 방파제, 부유식 방파제 구조물, 및 부유식 방파제의 제어방법
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