KR20160093020A - 부하 제어 방법 및 시스템 - Google Patents

Abstract

2개 이상의 플라이휠 유니트(9)들이 배치되고 들어 올려질 부하에 연결가능한 리프팅 프레임(20)을 포함하며, 플라이휠 유니트(9)들은 짐벌(11)에 회전식으로 배치되는 플라이휠(10)을 각각 포함하고, 짐벌(11)은 플라이휠(10)의 회전축(8)에 수직인 회전축(6)을 따라서 짐벌 지지부(15) 내에 회전식으로 배치되며, 플라이휠(10)에는 그 플라이휠(10)을 회전시키기 위한 전기모터(12)가 배치되고, 회전축(6)의 주위로 짐벌을 회전시킴으로써 짐벌을 경동(傾動)하도록 경동모터(13)가 배치되는 매달린 부하의 배향 제어 시스템으로서, 이 시스템은 플라이휠의 회전속도 및 방향과 짐벌들의 경동을 개별적으로 제어하기 위한 제어 유니트를 더욱 포함하고, 이 제어 시스템은, 회전속도를 완전히 또는 부분적으로 감속하고, 짐벌들을 새로운 시동위치로 경동하고, 플라이휠들을 다시 가속회전하거나; 또는 플라이휠들을 정지하고 플라이휠들을 반대방향으로 가속회전함으로써 플라이휠 유니트(9)들의 재초기화를 하도록 채택된다. 매달린 부하의 배향 제어방법 또한 제공된다.

Description

부하 제어 방법 및 시스템 {METHOD AND SYSTEM FOR CONTROLLING A LOAD}

본 발명은 부하의 위치 및 운동을 제어하기 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 리프팅 케이블 (lifting cable)에 매달린 부하의 회동을 제어하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.

부하의 회동 및 정확한 위치설정의 제어는 크레인의 수단에 의하여 부하를 취급하는데 있어서 중요하다. 한 가닥의 리프팅 케이블을 사용할 때, 크레인 운전자는 부하, 또는 부하의 무게 중심을 3차원적으로는 제어할 수 있지만, 4차원적, 즉 수평면에서의 부하의 배향 (背向: orientation)을 제어할 수는 없다. 부하의 배향을 제어하고 조정하기 위해서는, 수작업에 의한 조정 또는 보조적인 줄/와이어를 사용한 조정이 사용되어야만 한다. 부하의 수작업에 의한 취급/배향의 제어는 현저한 위험성을 제기하는 것으로서, 부하가 중량물 및/또는 하나 이상의 축을 따라서 큰 치수를 가지는 것인 경우에는 특히 그러하다. 노르웨이 석유안전 위원회에 따르면, 크레인 및 부하의 취급과 관련된 작업은 연안산업에서의 치명적인 사고 중에서 가장 흔한 원인이다. 따라서, 매달린 부하의 회동을 제어하는 시스템에 대한 산업계의 요구가 있다.

부가적으로, 물리적인 방해물을 피하고 부하의 배향이 실질적으로 내려놓기에 정확한 것으로 확인하여 효율을 증가시키기 위해서는, 들어올리는 위치로부터 내려놓는 위치로 부하를 이송하는 도중에 자주 부하의 배향을 제어하는 것이 중요하다.

크레인에 매달린 부하 등과 같이 상이한 몸체들의 운동을 제어하기 위하여, 자이로스코프 장치, 즉 회전하는 물체에 근거한 장치의 사용은 수십년간 주지되어 있다.

미국특허 제1,645,079호는 항공기 내의 폭격 조준기, 카메라 등을 위한 2개의 자이로스코프식 로터 (gyroscopic rotor)를 가지는 안정기 및 그 안정기의 사용에 관한 것이다. 그 장치는 폭격 조준기, 카메라 등을 안정화시키는 데에는 효과적일 수 있으나, 하나의 배향으로부터 다른 배향으로까지 안정화되어야 하는 물건의 능동적인 재배치에 대해서는 기술하고 있지 않다.

미국특허 제5,871,249호는 매달린 탑재화물용의 안정된 위치설정 시스템을 기술하고 있으며, 동 특허에 있어서는 3개의 직교좌표축과 정렬된 회전축을 가지는 다수의 플라이휠 (flywheel)들을 한 개의 유니트가 포함하고 있다. 이 시스템은 매달린 부하의 안정화는 허용하지만 부하의 위치 및 이동을 제어하는 것은 허용하고 있지 않다.

상술한 종래의 기술은 자이로스코프 효과를 사용하는 안정화에 근거한 것이다. 자이로스코프 효과는 물리학에서는 잘 알려진 것으로서, 회전하는 물체에 토크 (torque)를 가하게 되면 각운동량 (angular momentum)이 토크의 방향으로 이동한다는 사실에 근거한 것이다. 이는, 도 1에서 나타낸 바와 같이 수직면 상에서의 힘 F 를 통하여 토크 τ 가 가해지게 되면, 각운동량 L 이 토크를 향하여 이동하고 회전하는 물체가 수평면 상에서 회동하게 됨을 의미한다. 매달린 부하에 적용되면, 이러한 회동운동은 그 자체의 축 둘레를 회전하는 운동이 된다. 도 2a) 및 도 2b)는 위쪽에서 보았을 때 "X" 에 무게중심을 가지는 부하 A 위의 2개의 회전하는 물체 W, W' 의 2개의 상이한 구성을 도시한다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 힘 F 를 주어진 기간동안 회전하는 물체에 가하게 되면, 화살표로 나타낸 방향으로 토크를 생성하게 된다. 이 토크는 부하의 무게중심 또는 회전하는 물체 상호간으로부터의 거리와 관계없이 부하의 회동을 야기하게 된다. 토크는 회전하는 물체의 회전 및 관성에 종속적이다. 회전하는 물체의 회전을 증가시킴으로써, 회전축으로부터 가능한 한 멀리 가능한 한 많은 중량을 이동시킴으로써, 또한 회전하는 물체의 중량을 증가시킴으로써, 회전하는 물체의 관성을 증가시킬 수 있다. 회전하는 물체의 관성을 증가시키는 것은, 회전하는 물체의 전체 중량 및 얻을 수 있는 회전속도에 있어서와 마찬가지로 그러한 목적을 위하여 가용되는 공간에 있어서 명백한 한계를 가진다.

회전하는 물체를 경동(傾動)시킴으로써 부하 상에 토크를 생성시키는 효과는, 회전하는 물체가 그의 시동위치로부터 90도 이상 경동되었을 때 토크가 반대로 향하게 됨에 따라 제한된다. 그리고 회전하는 물체가 부하 상에 필요한 토크를 지속할 수 있도록 하기 위하여는 제어되는 몸체에 대하여 재배치되어야만 한다. 회전하는 물체의 동작으로부터 부하를 단절시키거나, 또는 재배치를 위하여 회전하는 물체의 속도를 감소시키기 위한 클러치들이 종래 기술에 의하여 제안되어 있다.

미국특허 제5,816,098호는 상기 원리들에 근거하여 만들어진 들어올림 부하 자세 제어시스템을 기술하고 있으며, 이 시스템은 플라이휠 유니트를 형성하도록 자이로 (gyro) 프레임 내에 매달린 플라이휠을 포함한다. 2개 이상의 플라이휠 유니트들이 함께 사용될 수 있어서 가용한 자세 제어력을 증가시킨다. 클러치가 플라이휠 유니트와 부하의 사이에 배치되어 부하를 플라이휠 유니트와 독립적으로 회동시킬 수 있다. 재배치를 위한 클러치를 사용함으로써 플라이휠로부터 부하를 단절시키는 것은, 부하의 제어, 그리고 부하가 단절된 시간 동안 부하의 회동에 대한 제어를 못하게 된다고 하는 부정적인 효과를 불러 일으킨다.

일본특허 제2797912 호에서와 같이 플라이휠로부터의 토크가 의도한 것과는 다른 방향에서 유도되는 회전/경동 주기의 부분에서 플라이휠의 속도를 감소시키는 것은 획득된 회전 토크를 감소시키게 되고, 기껏해야 부하회동용의 교번 토크를 제공할 뿐이다.

본 발명의 목적은 종래 기술의 솔루션에 따라서는 해결되지 않는 문제들을 해결하기 위한 방법 및 시스템을 제공함에 있다. 보다 상세하게는, 본 발명의 목적은 매달린 부하의 회동, 즉 배향을 제어하고, 부하의 회동이 정지되거나 또는 외력에 의하여 방해를 받은 후, 원하는 배향으로 부하의 회동을 다시 시작하도록 하는 방법 및 시스템을 제공하는 것이다.

제1의 실시형태에 따르면, 본 발명은, 2개 이상의 플라이휠 유니트들이 배치되며, 들어올려지는 부하에 연결가능한 리프팅 프레임을 포함하고, 상기 플라이휠 유니트들의 각각은 짐벌 (gimbal)에 회전식으로 배치되는 플라이휠을 포함하고, 짐벌은 플라이휠의 회전축에 수직인 회전축을 따라서 짐벌 프레임 내에 회전식으로 배치되며, 플라이휠에는 그 플라이휠을 회전시키기 위한 전기모터가 배치되고, 회전축의 주위로 짐벌을 회전시킴으로써 짐벌을 경동하도록 경동모터가 배치되는 매달린 부하의 배향 제어용 시스템을 제공하며, 상기 시스템은 플라이휠의 회전속도 및 방향과 짐벌들의 경동을 개별적으로 제어하기 위한 제어 유니트를 더 포함하고, 상기 제어 시스템은 회전 속도를 완전히 또는 부분적으로 감속하고, 짐벌들을 새로운 시동위치로 경동하고, 플라이휠들을 다시 가속회전시키거나; 또는 플라이휠들을 정지하고 반대방향으로 플라이휠들을 가속회전시킴으로써 플라이휠 유니트들을 재초기화하도록 채택된다. 통상의 지식을 가진 자라면, 리프팅 프레임 및 부착된 부하를 필요한 또는 소정의 배향을 향하여 회동시키는 토크를 생성하도록 짐벌의 경동이 제어되는 것을 이해할 것이다. 리프팅 프레임 및 그에 부착된 부하의 배향은 세계적인 또는 지역적인 참조 시스템과 관련한 어떤 실질적으로 수평인 축의 배향이다. "필요한 배향" 또는 "소정의 배향"이라는 표현은 부하가 주어진 시간동안 가져야만 하는 배향을 기술하는데 사용되며, 들어올리기 배향, 내려놓기 배향 또는 영구적인 물체나 일시적으로 현존하거나 또는 부하를 따르는 경로에 인접한 물체와 충돌하는 것을 피하기 위한 배향과 같이 상이한 요인들에 의하여 결정되는 소정의 배향 또는 위치를 표시하는데 사용될 수 있다.

플라이휠 및 플라이휠 유니트와 관련된 "재초기화"이라는 표현은, 플라이휠 유니트의 플라이휠들이 토크를 생성하기 위하여 경동된 후, 더 이상의 경동을 하게 되면 시동 토크와는 반대방향의 수평성분을 가진 토크를 야기하게 될 때까지 플라이휠 유니트들에 부가적인 영향력을 부여하는데 필요한 행위를 기술하는데 사용된다. 플라이휠 유니트를 재초기화하기 위하여는, 플라이휠들이 정지되고 반대방향으로의 회전이 시작되거나, 또는 플라이휠들이 정지되고 시동위치 또는 다른 위치로 복귀하도록 경동되고, 또한 회전이 다시 시작되어야 한다. 플라이휠들은 필요한 방향으로 리프팅 프레임 및 그에 부착된 부하를 회동시키기 위한 토크를 야기하는 방향으로 다시 경동될 수 있다. 시스템이 회전동작중에 있을 때의 플라이휠의 정지 및 시동은, 바람직하게는 플라이휠이 필수적으로 수평방향으로 누워 있고 이들이 측방향으로의 토크에 대하여 낮은 잠재적 영향력을 가지는 위치에 있을 때 행해진다. 통상의 지식을 가진 자라면, 플라이휠이 정지되고, 다른 위치로 경동되고, 회전이 재시작되는 실시예에 있어서, 플라이휠의 회전을 정지하는 것은 완전한 또는 부분적인 정지일 수 있으며, 여기에서 부분적인 정지는 회전속도의 실질적인 감소를 의미하는 것임을 이해할 것이다.

콘트롤 유니트는 회전속도를 제어하도록 채택되며, 따라서 예를 들어 휴식중의 플라이휠은, 원하는 방향으로의 회전력을 야기하는 능력이 소진되었을 때의 플라이휠에 대한 임무를 인수하도록 가속 회전될 수 있다. 그 후 제1 플라이휠은 정지될 수 있고, 새로운 위치로 경동되며, 필요한 방향으로의 회동력을 더 생성하기 위하여 재초기화하거나, 또는 원하는 방향으로 반연속적이거나 연속적인 회전력을 얻거나, 또는 외력이 원하는 방향으로의 회동을 정지시키는 경우 부하의 회동을 다시 시작하도록, 플라이휠이 가속회전된다.

"짐벌 (gimbal)"이라는 용어는 플라이휠로 하여금 회전축의 주위에서 회전하도록 허용하는 플라이휠용의 피버트식 지지부를 표시하는데 사용된다. 짐벌은 플라이휠의 회전축에 대하여 수직인 회전축의 주위에서의 짐벌의 회전을 허용하는 짐벌 지지부 내에 지지된다. 통상의 지식을 가진 자라면, "플라이휠 유니트"라는 용어가, 플라이휠, 짐벌, 짐벌 프레임 및, 플라이휠 유니트 내의 플라이휠의 경동과 플라이휠의 회전을 제어하는데 필요한 모터를 포함하는 유니트에 사용된다는 것을 이해할 것이다.

하나의 실시예에 따르면, 시스템은 쌍으로 배치되는 플라이휠들을 포함하며, 플라이휠들의 각 쌍은 상호간에 반대 방향으로 회전하도록 배치된다. 플라이휠을 경동시킴으로써 생성된 힘은 부하에 대하여 요구되는 회동방향에서 수평면상으로 향하는 힘 및, 부하를 경동시키는 수직으로 향하는 힘으로 분해된다. 한 쌍의 플라이휠들을 반대방향으로 회전시키는 것은 그 쌍으로부터의 경동력이 상호간에 상충작용을 하도록 한다. 따라서, 반대방향으로의 회전이라 함은 본 명세서에 있어서 상호간에 상충적으로 작용하도록 향해지는 수직으로 향하는 힘과 같은 방향을 향하는 수평면에서의 토크를 야기하는 한 쌍의 플라이휠들의 회전을 표현하는데 사용된다.

다른 실시예에 따르면, 상기 시스템은 매달린 부하의 회전, 운동 및/또는 배향을 결정하기 위한 하나 이상의 항법기구를 더 포함하며, 항법기구는 제어 유니트에 접속된다.

한 실시예에 따르면, 하나 이상의 배터리가 전기모터의 운용을 위하여 시스템 내에 배치되며, 전기모터들은 플라이휠의 회전을 정지할 때 배터리를 충전하도록 채택된다. 배터리로 작동하는 모터를 사용함으로써, 외부로부터의 전기적 접속은 필요하지 않다. 배터리를 충전하기 위하여 플라이휠을 정지하는데 사용된 힘을 사용하는 것은, 배터리의 용량을 감소시키거나 및/또는 교환하는 사이의 작업 시간을 연장하는 것이 가능하도록 한다.

일 실시예에 따르면, 시스템은 리모트 콘트롤 유니트와의 통신을 위한 통신유니트를 포함한다.

일 실시예에 따르면, 리모트 콘트롤 유니트는 무선 리모트 콘트롤이다. 선택적으로, 리모트 콘트롤 유니트는 배향을 자동적으로 제어하는 컴퓨터화된 제어시스템이다.

일 실시예에 따르면, 제어 유니트는 시스템 상에 배치된 센서들로부터 수집된 데이터의 함수로서 부하의 배향을 제어하도록 사전에 프로그램된다.

제2 실시형태에 따르면, 본 발명은,

- 2개 이상의 플라이휠 유니트들이 배치되는 리프팅 프레임을 부하에 연결하는 단계로서, 상기 플라이휠 유니트들의 각각은 짐벌에 회전식으로 배치되는 플라이휠을 포함하고, 짐벌은 플라이휠의 회전축에 수직인 회전축을 따라서 짐벌 지지부 내에 회전식으로 배치되며, 플라이휠에 대한 회전속도 및 방향을 제어하도록 전기모터가 배치되고, 회전축의 주위로 짐벌을 회전시킴으로써 짐벌을 경동하도록 경동모터가 배치되는 단계와,

- 리프팅 프레임을 크레인에 연결되는 리프팅 케이블에 연결하는 단계와,

- 크레인 및 리프팅 케이블의 수단에 의하여 리프팅 프레임 및 그에 연결된 부하를 들어올리는 단계와,

- 플라이휠을 가속회전하고 짐벌들을 경동시킴으로써 플라이휠을 경동시켜 리프팅 프레임 및 부하에 작용하는 토크를 생성하는 단계를 포함하는, 매달린 부하의 배향을 제어하는 방법을 제공하며,

상기 방법은,

- 회전 속도를 완전히 또는 부분적으로 감속하고, 짐벌들을 새로운 시동위치로 경동하고, 플라이휠들을 다시 가속회전시키거나, 또는 플라이휠들을 정지하고 플라이휠들을 반대방향으로 가속회전시킴으로써 하나 이상의 플라이휠 유니트들을 재초기화하는 단계를 더 포함한다.

일 실시예에 따르면, 플라이휠들은 플라이휠의 회전속도를 감속하거나 또는 회전을 정지시키고, 플라이휠들을 새로운 시동배향으로 경동하고, 또한 측방향 토크에 대하여 낮은 잠재적인 영향력을 가지는 위치에서 플라이휠의 회전을 재시작함으로써 재초기화된다.

일 실시예에 따르면, 플라이휠들은 측방향 토크에 대하여 낮은 잠재적인 영향력을 가지는 위치에서 플라이휠의 회전을 정지시킴으로써 재초기화되고 반대 방향으로의 회전을 재시작한다.

또 다른 일 실시예에 따르면, 플라이휠들은 플라이휠의 쌍으로 그룹화되고, 2개 이상의 플라이휠의 쌍들은, 한쌍의 플라이휠들이 재초기화하는 동안 다른 쌍의 플라이휠들이 동작됨으로써, 배향 시스템의 실질적으로 연속적인 운용이 될 수 있도록 사용된다.

다른 실시예에 따르면, 플라이휠들의 회전 및 경동은 컴퓨터화된 중앙 유니트의 수단에 의하여 제어된다.

도 1은 회전하는 물체에 토크를 가하는 효과를 나타내는 도면,
도 2는 2개의 회전하는 물체에 토크를 가함에 의한 수평면에서의 회전력을 나타내는 도면,
도 3은 본 발명에서 사용된 것과 같은 플라이휠 유니트의 사시도,
도 4는 리프팅 케이블에 매달린 본 발명에 따른 리프팅 프레임 및 그 리프팅 프레임에 연결된 부하의 사시도,
도 5는 플라이휠 유니트 운용에 있어서의 제1 단계를 나타내는 도면,
도 6은 플라이휠 유니트 운용에 있어서의 제2 단계를 나타내는 도면,
도 7는 플라이휠 유니트 운용에 있어서의 제3 단계를 나타내는 도면,
도 8은 본 발명의 하나의 선택적인 실시예의 도면,
도 9는 본 발명의 한 실시예의 도면,
도 10은 부하를 파지하기 위한 파지수단을 가지는 실시예의 도면,
도 11은 본 발명에 있어서의 리모트 콘트롤의 하나의 선택적인 실시예의 도면이다.

도 3은 짐벌(11)내에 배치된 플라이휠(10)을 포함하는 플라이휠 유니트(9)를 도시한다. 플라이휠의 회전은, 케이블(도시하지 않았음)을 통하여 제어 시스템에 접속된 전기모터(12)에 의하여 제어된다. 플라이휠은 회전축(8)의 둘레에서 회전가능하다. 도시된 실시예에 있어서, 전기모터 및 플라이휠은 공통 회전축(8)을 가진다. 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고서도 전기모터(12)와 플라이휠 축(7)의 사이에 기어 등이 배치될 수 있음을 이해할 것이다. 또한, 통상의 지식을 가진 자라면, "플라이휠"이라는 용어는 회전축의 둘레에서 균형을 유지하는 어떤 편리한 회전물체로서 이해됨을 알 수 있을 것이다.

짐벌(11)은 다시 짐벌 프레임(15) 내에 회전식으로 배치된다. 짐벌(11)은 바람직하게는 플라이휠의 무게중심에 있거나 또는 그에 근접한 플라이휠의 회전축에 대하여 실질적으로 수직인 상태로 짐벌 회전축(6)의 둘레에 회전식으로 배치된다.

프레임(15) 내에서의 짐벌(11)의 회전은 경동모터(13)에 의하여 제어된다. 경동모터(13)는 제어 유니트에 의하여 결정된 바에 따라서 짐벌의 회전축 둘레에서 소정의 각도로 짐벌(11)을 경동시킬 수 있는 어떠한 종류의 전기모터이어도 좋다.

플라이휠(9)은, 경동모터(13)에 의하여는 짐벌 프레임(15)에 대한 짐벌(11)의 경동 또는 회동을, 또한 전기모터(12)에 의하여는 플라이휠의 회전속도 및 회전방향을 조정함으로써 제어될 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 리프팅 프레임(20)을 나타내는 도면이다. 리프팅 프레임(20)은 크레인 또는 기타의 리프팅 장치(도시하지 않았음)로부터 리프팅 케이블(19)에 의하여 매달리게 된다. 통상의 지식을 가진 자라면 그 케이블은 본 발명의 보호범위를 벗어나지 않고서 와이어, 로프, 체인, 로드 (rod) 등으로 대체될 수 있음을 이해할 것이다. 크레인 또는 리프팅 장치는 의도된 부하를 들어올리기에 적절한 어떠한 방식의 크레인일 수 있다. 부하위치 유니트는 연결 링크(25)에 의하여 리프팅 케이블, 와이어, 로프 등에 연결될 수 있다. 통상의 지식을 가진 자라면, 연결 링크(25)는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고서 체인, 와이어, 로프, 로드 등이 될 수 있음을 이해할 것이다. 또는, 리프팅 프레임은 들어 올려질 부하의 형상 및 성질에 따라서 자석, 그립 (grips) 등과 같은 기타 수단에 의하여 부하에 연결될 수도 있다.

도 4의 리프팅 프레임은 도 3에 도시한 방식의 4개의 플라이휠 유니트(9)들을 포함한다. 또한, 플라이휠 유니트(9)와 리프팅 프레임(20)에서 전력을 필요로 하는 어떠한 부가적인 장비를 운용하기 위한 배터리 팩(21)이 마련되어 있다. 상술한 부가적인 장비들로서는, 원하는 동작을 얻도록 플라이휠 유니트(9)들을 제어하기 위한 하나 이상의 제어 유니트(22)와, 원격 운전패널로부터 제어신호를 수신하고 선택적으로는 그 원격 운전패널로 데이터를 발신하기 위한 트랜스미터(23)와, 리프팅 프레임 및 부하의 위치, 배향 및 회전속도의 정확한 결정을 위한 자이로스코프, 가속도계 (accelerometer), 나침반/자력계 또는 GPS와 같은 하나 이상의 항법기구(24), 또는 지역적으로 배치되는 항법 시스템을 포함할 수 있다. 통상의 지식을 가진 자라면, 상술한 장비들의 어느 것이 어느 것과 어떻게 상호접속되어야 하는지 이해할 것이다.

리프팅 프레임(20)은 부하(1)에 연결되기 위한 코넥터(2)를 또한 포함한다. 도 4에 나타낸 코넥터들은 체인이지만, 통상의 지식을 가진 자라면 종래의 광범위하게 사용되는 콘테이너 코넥터라든가, 도 4에서 나타내 바와 같은 로드, 또는 도 12 등에 도시한 바와 같은 파지도구와 같은 어떤 방식의 것도 코넥터로 될 수 있음을 이해할 것이다.

도 5 내지 도 7은 참조부호 (9a), (9b), (9c) 및 (9d)로 각각 표시된 4개의 플라이휠 유니트(9)를 포함하는 본 발명의 리프트 프레임(20)의 일 실시예의 운용시의 각 단계를 나타낸다. 모든 플라이휠 유니트들은 짐벌들의 회전축(6)이 리프팅 프레임의 길이방향 축과 실질적으로 평행하도록 배치된다. 도 5는 2개의 플라이휠 유니트(9a)(9d)의 회전축이 리프팅 프레임과 실질적으로 평행하도록 또는 실질적으로 수평적으로 배치되는 반면, 다른 2개의 플라이휠 유니트(9b)(9c)들은 플라이휠에 대한 회전축이 실질적으로 수직적으로 또는 리프트 프레임에 대하여 수직이 되도록 배치되는 시동위치를 도시한다.

도 5에 나타낸 위치에서 시동되어, 플라이휠들 중의 2개는 운용 중에 필요한 토크를 부여하도록 계산된 소정의 회전속도까지 가속회전하게 된다. 바람직하게는, 플라이휠 유니트(9a)(9d)내의 2개의 플라이휠들은 플라이휠 상의 화살표 a, d 로 표시된 바와 같이 반대방향으로 회전함으로써 리프팅 프레임의 균형을 유지하게 되며, 따라서 회전하는 플라이휠을 경동함에 의하여 야기된 수직방향의 힘들은 상호간에 상충작용을 하게 된다. 회전축들이 실질적으로 수평적일 때 플라이휠 유니트(9a)(9d)의 플라이휠들을 가속회전하게 되면 리프팅 프레임 및 그에 달려 있는 부하에 대한 플라이휠의 배향을 안정화시킨다. 플라이휠들은 회전하는 휠에 의하여 야기되는 자이로스코프 효과에 의하여, 리프팅 케이블 주위에서의 또는 그에 실질적으로 평행한 부하의 회동에 대하여 상충작용을 하게 된다. 통상의 지식을 가진 자라면, 필요한 경우 시동시 플라이휠의 배향은 상술한 배향과는 상이할 수도 있음을 이해할 것이다.

플라이휠 유니트(9a)(9b) 내의 플라이휠들이 소정의 회전속도에 도달하는 즉시, 그 플라이휠들은 리프팅 프레임 및 그 리프팅 프레임에 부착된 부하의 회동에 요구되는 토크를 얻기 위하여 경동될 수 있다. 만약 플라이휠 유니트(9a)(9b) 내의 플라이휠들이 반대방향으로 회전하고 있으면, 플라이휠들이 상호간에 반대방향으로 경동하여 부하를 동일한 방향으로 회동시키는 토크를 얻게 된다.

도 6은 본 발명의 리프팅 프레임 운용시의 2단계를 나타내며, 여기에서 플라이휠 유니트(9a)(9b) 내의 플라이휠들은 화살표 a' 및 d'로 나타낸 방향으로 경동되어 각 플라이휠의 경동에 대하여 상충작용하는 토크를 야기하게 된다. 이 토크는, 리프팅 프레임 및 그에 연결된 부하를 경동시키는 힘과, 리프팅 프레임 및 그에 연결된 부하가 회동하도록 각각 수평면으로 향하는 토크 a" 및 d" 로 분해될 수 있다. 토크 a" 및 d"는 상호간에 합해져서 화살표 e로 나타낸 토크가 되어, 리프팅 프레임 및 부하의 회동을 야기한다. 2개의 플라이휠들을 반대방향으로 회전시킴으로써, 플라이휠의 경동에 의하여 야기된 리프팅 프레임 상의 경동력(傾動力)들이 상호간에 상충작용을 하게 된다.

상세한 설명의 서두 부분에서 상술한 바와 같이, 90°이상으로 플라이휠을 경동하여 야기되는 토크는, 토크의 시동방향과는 반대 방향으로 향하게 된다. 따라서, 플라이휠 유니트들은 90°경동된 후에 동일한 방향으로의 토크를 계속적으로 일으킬 수 있도록 재초기화되어야만 한다.

재초기화는, 플라이휠의 회전속도를 정지하거나 또는 실질적으로 감소시키고, 플라이휠들을 시동위치 또는 다른 위치로 되돌리도록 경동시키고, 또한 원래의 회전방향으로 플라이휠들을 재시동/가속하거나; 또는 플라이휠들을 정지시키고 반대 회전방향으로 플라이휠들을 다시 시동시킴으로써, 수행될 수 있다. 통상의 지식을 가진 자라면, 재초기화에 대한 2가지 선택사양들이 물리적인 관점에서 볼 때 동일한 것이며, 그 선택사양들 사이에서 선택된 것이 가장 실제적인 솔루션을 부여하는 선택임을 이해할 수 있을 것이다.

토크를 유지하거나, 또는 적어도 플라이휠 유니트(9a)(9d)의 재초기화 시에 토크를 야기할 가능성을 유지하기 위하여, 플라이휠 유니트(9a)(9d) 내의 플라이휠들이 도 5의 시동위치로부터 90°의 경동 각도에 도달하는 즉시, 플라이휠 유니트(9b)(9c)의 플라이휠들은, 회전축이 수평인 상태로 시동됨에 따라, 플라이휠 유니트(9a)(9d) 내의 플라이휠들이 하던 일을 떠맡기 위하여 가속 회전하게 된다.

플라이휠 유니트(9b)(9c)의 플라이휠 양자에 대한 회전축들은, 가속회전 운용시에 플라이휠 유니트(9a)(9d)로부터의 토크에 의하여 야기되는 부하의 회전축과 수직 및 평행한 상태로 된다. 따라서, 2개의 플라이휠들의 가속회전은 플라이휠 유니트(9a)(9d) 내의 플라이휠들의 경동에 의하여 야기된 토크에 영향을 주는 토크를 일으키지는 못한다.

도 7은, 플라이휠 유니트(9a 내지 9d)의 모든 플라이휠들이 수직상태의 회전축 주위에서 회전하고, 플라이휠 유니트(9a)(9d)의 플라이휠들이 90°로 경동된 제3 단계를 나타낸다. 플라이휠을 더욱 경동하면 토크가 시동단계에서의 방향과는 반대방향으로 향하게 되며, 또한 요구되는 방향으로의 토크를 더 생성하도록 사용하기 위해서는 플라이휠 유니트들이 재초기화되어야만 한다. 쌍으로 작동하는 4개의 플라이휠 유니트를 가지는 유니트에 있어서, 플라이휠 유니트의 1쌍은 토크의 생성에 있어 활성인 상태이고 다른 1쌍은 비활성인 상태이다. 플라이휠 유니트(9a)(9d)의 플라이휠의 제1 쌍이 시동위치로부터 90°경동위치에 도달하는 즉시, 플라이휠 유니트(9b)(9c)의 플라이휠들이 가속회전하고, 플라이휠 유니트(9a)(9d)의 플라이휠들의 임무를 떠맡으며, 플라이휠 유니트(9a)(9d)의 플라이휠들은 정지한다. 그 후 정지된 플라이휠들은 180°로 경동되고 다시 가속회전하거나, 또는 먼저 경동되지 않은 채 반대방향으로 가속회전하여, 플라이휠 유니트(9b)(9c)의 플라이휠들이 180˚로 경동되었을 때의 임무를 떠맡게 됨으로써 필요에 따른 부하 및 리프팅 프레임의 토크 e)를 야기하게 된다.

한 쌍의 플라이휠이, 시동, 경동, 요구되는 토크의 생성을 다른 쌍의 플라이휠이 떠맡을 동안 재초기화하는 단계들을 반복함으로써, 리프팅 프레임을 회동하기 위한 실질적으로 연속적인 힘이 얻어질 수 있다. 하지만, 통상의 지식을 가진 자라면, 리프팅 프레임 및 부하의 회전을 시작하거나 또는 정지하는데 더 높은 토크가 필요한 경우에는 그 운용을 위한 충분한 토크를 부여하도록 4개의 모든 플라이휠들이 협력하게끔 제어될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 어떤 종류의 작업에 있어서는, 필요한 배향을 얻기 위하여 리프팅 프레임 및 부하의 양자의 회동을 앞뒤로 제어하도록 플라이휠이 사용될 수 있다. 그 때는, 모든 플라이휠들이 리프팅 프레임 및 부하에 신속하고 효과적인 재배향을 부여하기에 충분한 토크를 얻도록 사용될 수 있다. 통상의 지식을 가진 자라면, 플라이휠들이 새로운 시동위치로 경동되기 전에 완전히 정지되어야 할 필요는 없고, 또한 더 높은 회전속도에 있는 플라이휠을 경동함으로써 야기된 토크의 일부만큼, 경동에 의하여 야기된 토크를 충분히 감소하기 위하여 회전속도가 감속될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 통상의 지식을 가진 자라면, 플라이휠의 회전속도는 얻고자 하는 필요한 토크에 따라서 가변될 수 있다는 것을 이해할 것이다.

리프팅의 시작 및 정지 단계에서의 배향을 조정하는 것에 부가하여, 본 발명은 부하의 경로에 있어서 건축물요소 또는 기타 요소들과 충돌하는 것을 회피하도록 부하의 배향을 조정하는 데에도 사용될 수 있다. 위치의 경로내 조정은 리프팅 작업을 보다 효과적으로 하는데 중요할 수 있으며, 부하 및/또는 경로 중의 다른 물체가 손상되는 것을 피하기 위하여 긴 몸체의 리프팅을 함에 있어서는 가장 중요한 것일 수도 있다. 현재 부하에 결박되는 보조적인 로프 또는 와이어들은 이러한 목적으로 자주 사용되는 것이다. 본 발명의 리프팅 프레임은 그러한 보조적인 수단을 사용하지 않고서 자동적으로 또는 수동으로 작동되는 리모트 콘트롤에 의하여 부하/리프팅 프레임의 요구되는 및/또는 미리 정해진 배향을 얻는 것이 가능하도록 한다.

배향을 변경하기 위한 부하의 회동은 바람이나 물체와 충돌함으로써 방해를 받을 수 있고, 회동이 정지되거나 또는 적어도 요구되는 회동에 상당한 영향을 받을 수 있다. 플라이휠 유니트를 포함하는 본 발명의 리프팅 프레임은 플라이휠의 신속하고 효과적인 재배치 및 가속회전을 허용하며, 부하를 가지고 있거나 가지지 않은 리프팅 프레임의 필요한 재배향을 지속하기 위한 토크가 신속하게 얻어질 수 있다.

상술한 바와 같이, 전기모터(12) 및 경동모터(13)에 부가하여, 제어 유니트와, 국지적인 포지셔닝 시스템, GPS, 물체검지 센서 등과 같이 부하와 리프팅 프레임의 정확한 위치 및 배향을 검출하기 위한 센서들을 작동하기 위하여, 리프팅 프레임(20) 상에 배터리 유니트(21)가 마련된다. 배터리의 용량은 본 발명 시스템의 운용시간에 대한 제한적 요인일 수 있다. 그러나, 리프팅 프레임에 접속된 전원 케이블(도시하지 않았음)이 리프팅 프레임에 전력을 공급하기 위하여 마련될 수 있다.

배터리 충전용 전력을 생산하기 위하여, 플라이휠이 정지되거나 또는 회전속도가 감소되어야 할 때, 전기모터(12)를 전기적 브레이크, 즉 발전기로서 사용함으로써 배터리의 용량이 확장될 수도 있다.

도 8 및 도 9는 본 발명의 리프팅 프레임의 선택적인 실시예들을 나타내는 것으로서, 도 8은 도 3 내지 도 7에 도시된 실시예에 대응하는 하나의 프레임 내에 배치된 2개의 플라이휠 유니트 만을 포함하는 리프팅 프레임을 도시한다.

도 9도 역시 2개의 플라이휠 유니트를 포함하는 실시예를 나타내지만, 여기에서 플라이휠 유니트들은 리프팅 프레임의 높고 "날씬한" 형식을 만들기 위하여 하나의 플라이휠이 다른 플라이휠 상에 배치된다.

상술한 실시예들 중의 어느 것에 대해서도, 부하의 배향에 있어서 약간의 수작업에 의한 조정이 필요한 경우에, 회전하는 플라이휠들이 수작업 조정에 대하여 상충작용을 하는 것을 회피하기 위하여 경동모터의 접속을 끊을 수 있도록 경동모터와 짐벌의 사이에 클러치가 마련될 수 있다.

통상의 지식을 가진 자라면, 2개의 플라이휠 유니트만을 포함하는 유니트들은 높고 연속적인 토크를 생성하지 못한다는 것을 이해할 것인데, 그것은 반(半)연속적인 동작을 부여하기 위하여, 이들 플라이휠들이 정지되고 반대방향으로 가속회전하거나, 또는 정지되고 새로운 시동위치로 복귀한 후 다시 가속회전해야 하기 때문이다. 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명의 시스템은 4개 이상의 플라이휠, 예를 들어, 6개, 8개, 10개를 포함할 수도 있다는 것을 이해할 것이다. 플라이휠 유니트의 수를 증가시키면 각각의 플라이휠의 직경을 감소시킬 수 있다. 하지만, 플라이휠 유니트의 수가 많아지면 시스템이 복잡하고 비싸게 된다. 따라서, 대부분의 적용분야에 대해서는 4개의 플라이휠을 가진 것이 바람직할 것으로 추정된다.

도 10은 빔 (beam)을 파지하기 위한 파지도구(26)를 가지는 리프팅 프레임을 도시한다. 그러나, 통상의 지식을 가진 자라면, 파지도구는 파이프, 통나무 등과 같은 기타의 물체를 들어올리기 위하여 변형될 수도 있다는 점을 이해할 것이다.

본 발명의 리프팅 프레임(20)은 바람직하게는 상술한 트랜스미터를 통하여 리프팅 프레임 상의 제어 유니트와 통신하는, 예를 들어 도 11에 도시한 것과 같은 리모트 콘트롤(30) 등에 의하여 원격으로 제어된다. 도 11에 도시한 리모트 콘트롤은 표준 지리 배향에 따르거나 또는 배향을 위한 국부 그리드 (grid)에 따라 리프팅 프레임 및 부하의 배향을 표시하기 위한 배향 표시기(31)를 포함한다. 표시기(31)에 의한 배향의 표시는 리프팅 프레임에 있는 제어 유니트로부터 수신한 정보에 근거할 수 있다. 배향에 관한 정보는 리프팅 프레임 상에 배치된 센서 및/또는 논의가 되고 있는 지역에 배치된 영구적인 센서로부터 선택적으로 수신될 수도 있다. 또 다른 선택사양으로서, 배향정보는 센서들의 조합으로부터 수신할 수도 있고, 물체의 3차원적 위치 및 배향을 결정하기 위하여 GPS 또는 기타 세계적 또는 지역적 시스템으로부터 수신한 정보에 근거한 계산을 수집 및 작성하는 제어 유니트로부터 수신될 수도 있다. 통상의 지식을 가진 자라면, 물체의 위치 및 배향을 결정하기 위해 다양한 시스템들이 결합될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, GPS 시스템은 운용의 한 단계에 충분한 정보를 제공할 수도 있지만, 충분한 정도의 정확성을 제공하기 위하여 부하를 들어올리거나 부하를 내려놓는 단계들에서 국지적이면서 보다 정밀한 시스템들이 사용될 수도 있다.

리모트 콘트롤은 리프팅 크레임 또는 리프팅 프레임 및 부하의 배향을 수동으로 제어하기 위한 수동 콘트롤(32)를 포함하거나, 또는 사전에 정해진 배향들을 설정하기 위한 패널(33)을 포함할 수 있어서, 운용자가 부하의 주어진 위치에 대한 사전에 설정된 배향을 선택할 수 있다. 또한, 리모트 콘트롤은 시작 및 정지 버튼과, 리프팅 프레임 상의 배터리의 충전 상태를 표시하기 위한 표시기가 마련될 수도 있다. 리모트 콘트롤(30)은 리프팅 프레임 및 그에 부착된 어떤 부하의 배향을 조정하기 위한 독립적인 유니트일 수 있다. 선택적으로, 리모트 콘트롤(30)은 크레인과 같은 리프팅 장치를 제어하기 위한 리모트 콘트롤과 결합될 수도 있다.

리모트 콘트롤이 수동방식인지 또는 리프팅 프레임이 자동 혹은 사전에 프로그램된 방식으로 운용되는 것인지 와는 독립적으로, 제어 유니트(22)는 리프팅 프레임의 효과적인 운용에 대한 관건이 된다. 제어 유니트(22)는, 리프팅 프레임 및 그 리프팅 프레임에 부착된 부하의 위치 및 배향을 등록하는 장치 및, 리모트 콘트롤 등으로부터의 입력을 수신하고, 받아들인 데이터에 근거하여 어떤 행동들이 취해져야 하는지를 계산하고, 리프팅 프레임 및 부하를 원하는 위치에 유지하도록 플라이휠 유니트를 제어하거나 및/또는 필요한 리프팅 프레임 및 부하의 재배향을 얻도록 프로그램된다.

부하들이 항상 한정된 수의 위치에서 적재되고, 사전에 정해진 한정된 수의 내려놓는 위치에 놓여지게 되는 특정한 리프팅 목적을 위하여는, 리프팅 작업시에 다양한 위치에서의 배향들이 사전에 프로그램될 수 있고, 이때 운용자는 각 특정한 작업에 대하여 사전에 설정된 프로그램들을 선택하기만 하면 된다.

이상에서는 리프팅 프레임을 참조하여 본 발명을 설명하였지만, 부하에 대한 배향을 제어하기 위한 시스템은 리프팅 프레임의 일부로서가 아닌 부하에 직접적으로 연결될 수도 있다.

통상의 지식을 가진 자라면, 플라이휠 유니트, 제어 유니트, 배터리 등이 바람직하게는 커버, 하우징 등의 수단에 의하여 보호될 수도 있다는 것을 이해할 것이다. 통상의 지식을 가진 자라면, 부하의 배향을 제어하기 위한 시스템의 일부 구성요소들이 Ex-인증되지 않은 것임을 이해할 것이다. 그러나, Ex-인증되지 않은 부품들은 만약 그 시스템이 Ex-인증을 요구하는 곳에서 사용되어야 한다면 Ex-보호상자 내에 넣어질 수 있다.

통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명의 시스템이, 운용자가 플라이휠의 회전속도, 경동, 시동 및 정지와 같은 플라이휠 파라미터들을 수동으로 제어할 수 있는 수동 리모트 콘트롤; 제어 유니트가 리모트 콘트롤을 통하여 운용자의 지시를 얻는데 필요한 플라이휠 파라미터들을 계산하는 반자동 리모트 콘트롤; 또는 리프팅 프레임과 부하가 경로를 따라서 사전에 설정된 위치에 소정의 배향을 가지도록 프로그램된 자동 시스템과 관련하여 사용될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다.

Claims (12)

1. 2개 이상의 플라이휠 유니트(9)들이 배치되고 들어 올려질 부하에 연결가능한 리프팅 프레임(20)을 포함하며, 상기 플라이휠 유니트(9)들은 짐벌(11)에 회전식으로 배치되는 플라이휠(10)을 각각 포함하고, 짐벌(11)은 플라이휠(10)의 회전축(8)에 수직인 회전축(6)을 따라서 짐벌 지지부(15) 내에 회전식으로 배치되며, 플라이휠(10)에는 그 플라이휠(10)을 회전시키기 위한 전기모터(12)가 배치되고, 회전축(6)의 주위로 짐벌을 회전시킴으로써 짐벌을 경동(傾動)하도록 경동모터(13)가 배치되는, 매달린 부하의 배향 제어 시스템으로서,
   상기 시스템은, 플라이휠의 회전속도 및 방향과 짐벌들의 경동을 개별적으로 제어하기 위한 제어 유니트를 더 포함하고,
   상기 시스템은, 회전 속도를 완전히 또는 부분적으로 감속하고, 짐벌들을 새로운 시동위치로 경동하고, 플라이휠들을 다시 가속회전하거나; 또는 플라이휠들을 정지하고 플라이휠들을 반대방향으로 가속회전함으로써 플라이휠 유니트(9)들의 재초기화를 하도록 되어 있는,
   매달린 부하의 배향 제어 시스템.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 플라이휠들은 쌍으로 배치되며, 플라이휠들의 각 쌍은 서로 반대 방향으로 회전하도록 배치되는 시스템.
   
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 시스템은 매달린 부하의 회전, 운동 및/또는 배향을 결정하기 위한 하나 이상의 항법기구를 더 포함하며, 그 항법기구는 제어 유니트에 접속되는 시스템.
   
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중의 어느 한 항에 있어서,
   하나 이상의 배터리가 시스템의 전기모터(12)의 작동을 위하여 리프팅 프레임에 배치되며, 전기모터(12)들은 플라이휠의 회전을 정지할 때 배터리를 충전하도록 되어 있는 시스템.
   
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중의 어느 한 항에 있어서, 리모트 콘트롤 유니트와의 통신을 위한 통신 유니트를 포함하는 시스템.
   
6. 제 5 항에 있어서, 상기 리모트 콘트롤 유니트가 무선 리모트 콘트롤인 시스템.
   
7. 제 1 항 내지 제 4 항 중의 어느 한 항에 있어서,
   상기 제어 유니트는 시스템 상에 배치된 센서들로부터 수집된 데이터의 함수로서 부하의 배향을 제어하도록 미리 프로그램되어 있는 시스템.
   
8. 2개 이상의 플라이휠 유니트(9)들이 배치되는 리프팅 프레임을 부하에 연결하는 단계로서, 상기 플라이휠 유니트(9)들의 각각은 짐벌(11)에 회전식으로 배치되는 플라이휠(10)을 포함하고, 짐벌(11)은 플라이휠(10)의 회전축(8)에 수직인 회전축(6)을 따라서 짐벌 지지부(15) 내에 회전식으로 배치되며, 플라이휠(10)에는 그 플라이휠(10)에 대한 회전속도 및 방향을 제어하도록 전기모터(12)가 배치되고, 회전축(6)의 주위로 짐벌을 회전시킴으로써 짐벌을 경동하도록 경동모터(13)가 배치되는 단계와,
   크레인에 연결된 리프팅 케이블에 상기 리프팅 프레임을 연결하는 단계와,
   크레인 및 리프팅 케이블에 의하여 상기 리프팅 프레임 및 그에 연결된 부하를 들어 올리는 단계와,
   플라이휠을 가속회전시키고 짐벌들을 경동시킴으로써 플라이휠을 경동시켜서 리프팅 프레임 및 부하에 작용하는 토크를 생성하는 단계
   를 포함하는, 매달린 부하의 배향 제어 방법으로서,
   회전속도를 완전히 또는 부분적으로 감속하여 짐벌들을 새로운 시동위치로 경동하고 플라이휠들을 다시 가속회전시킴으로써, 또는 플라이휠들을 정지하고 플라이휠들을 반대방향으로 가속회전시킴으로써, 하나 이상의 플라이휠 유니트들을 재초기화하는 단계
   를 더욱 포함하는, 매달린 부하의 배향 제어 방법.
   
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 플라이휠들은, 플라이휠들의 회전속도를 감속하거나 또는 회전을 정지시키고, 플라이휠들을 새로운 시동배향으로 경동하고, 또한 측방향 토크에 대하여 낮은 잠재적인 영향력을 가지는 위치에서 플라이휠의 회전을 재시작함으로써 재초기화되는 방법.
   
10. 제 8 항에 있어서,
    상기 플라이휠들은, 측방향 토크에 대하여 낮은 잠재적인 영향력을 가지는 위치들에서 플라이휠들의 회전을 정지시킴으로써 재초기화되고 반대 방향으로의 회전을 재시작하는 방법.
    
11. 제 8 항 내지 제 10 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 플라이휠들은 플라이휠의 쌍으로 그룹화되고, 2개 이상의 플라이휠의 쌍들은, 한쌍의 플라이휠들을 재초기화하는 동안 다른 쌍의 플라이휠들이 작동됨으로써 배향 시스템의 실질적으로 연속적인 동작이 얻어지도록 사용되는 방법.
    
12. 제 8 항 내지 제 11 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 플라이휠들의 회전 및 경동은 컴퓨터화된 중앙 유니트에 의하여 제어되는 방법.

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