KR20180033330A - 가공 전선로 가설 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 가공 전선로를 가설하는 시스템에 관한 것으로 그 구성의 특징으로서, 적어도 지면으로부터 이동되게 구름 운동하는 궤도나 바퀴가 장착된 프레임과, 상기 프레임에 가설되는 전선이 권취된 드럼이 장착된 가선유닛; 상기 궤도나 바퀴에 연결되어 이동력을 부여하는 이동모터와, 상기 드럼과 연결되어 가동력을 부여하는 작동모터를 구비하는 구동모듈; 상기 이동모터와 전기적으로 연결되어 지령에 따른 이동신호를 출력하는 이동모듈과, 상기 작동모터와 전기적으로 연결되어 이동에 따른 풀림신호를 출력하는 풀림모듈을 구비하는 연산부; 및 상기 이동모듈과 풀림모듈 사이에 전기적으로 연결되어 지령에 따라 실제 이동에 이르기까지 지연되는 시간차와, 이동과 풀림에 따라 가변하는 전선의 장력을 보상하도록 풀림신호를 정정하는 보정신호를 출력하는 보상모듈;을 포함하여 이루어진다.
이에 따라 본 발명은, 가설작업을 자동적으로 수행하는 로봇으로 대체하여 공수를 절감할 수 있도록 함과 함께 작업자의 노하우에 의존하던 다양한 변수를 자동적으로 대처할 수 있도록 하여 전반적인 작업의 완성도를 극대화할 수 있는 것을 주요 요지로 한다.

Description

가공 전선로 가설 시스템 {Overhead electric cable installation system}
본 발명은 트롤리선, 송전선과 같은 가공 전선로를 가설하는 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 높은 공중에서 실시하는 위험한 가설작업을 로봇으로 대체할 수 있도록 하여 공수절감과 함께 작업의 완성도를 향상하는데 기여하는 가공 전선로 가설 시스템에 관한 것이다.
통상, 가공 전선로 가설은 인간이 쉽게 다룰 수 없는 높은 곳에서 행하는 위험한 작업이고 이 작업에서 가장 중요한 문제는 가공 와이어 케이블이 일정한 장력을 유지하도록 설계하고 가설하여야 한다.
전선을 가설한 경우에는 이 장력은 전선을 당기는 힘과 전선 자체의 무게에 의한 힘이 겹쳐지므로 장력은 전선의 지지점 부근에서 최대로 되며, 또 지지점간의 중심위치에서 최소로 된다.
이러한 가공 전선로 가설에서 장력은 너무 크게 하든가 적게 하면, 사고의 원인이 되므로 가설 조건을 만족시켜 주기 위해서는 전선의 기계적 강도의 허용범위 내에 강하게 가선하는 것이 필요하다.
즉, 가공 전선로의 설계, 가설작업에서 장력은 매우 중요한 것이고 장력의 조절은 아래의 문헌과 같은 장치를 이용하고, 삼각 측정법에 의해 윈치 크레인으로 운전자의 경험적 지식에 의해 행해지고 있다. 이러한 작업에서 주된 목적은 드럼에서 와이어 케이블이 풀리는 동안 장력이 일정히 유지되도록 조절하는 것이다.
따라서 가공 전선로의 가설 작업은 높은 공중에서 실시하는 위험한 장소의 작업이므로 작업로봇에 의해 행하게 되고 가설되는 케이블은 일정 장력을 유지하기 위해 정밀한 제어가 필요하다. 그러나 로봇은 위치나 힘의 제어, 힘과 자세 제어와 같은 복합작업에서 서로 간섭이 생겨 부실작업이 발생하게 되는 문제가 있다.
한국 공개특허공보 제10-1999-0042913호 "고압전선의 바이패스 장치" 한국 등록특허공보 제10-0344522호 "공중배선 가선장치" 한국 등록특허공보 제10-0658156호 "케이블 보빈장치가 구비된 공중배선 가선차량" 한국 등록특허공보 제10-0842283호 "장력조정용 가선장치"
이에 따라 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 근본적으로 해결하기 위한 것으로서, 로봇이 이동하면서 전선을 풀어 가설하는 과정 중 길게 풀어질수록 가변하는 전선의 장력을 동일하게 유지시킬 수 있게 처리하여 전반적인 작업의 완성도를 극대화할 수가 있는 가공 전선로 가설 시스템을 제공하려는데 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 가공 전선로를 가설하는 시스템에 있어서: 적어도 지면으로부터 이동되게 구름 운동하는 궤도나 바퀴가 장착된 프레임과, 상기 프레임에 가설되는 전선이 권취된 드럼이 장착된 가선유닛; 상기 궤도나 바퀴에 연결되어 이동력을 부여하는 이동모터와, 상기 드럼과 연결되어 가동력을 부여하는 작동모터를 구비하는 구동모듈; 상기 이동모터와 전기적으로 연결되어 지령에 따른 이동신호를 출력하는 이동모듈과, 상기 작동모터와 전기적으로 연결되어 이동에 따른 풀림신호를 출력하는 풀림모듈을 구비하는 연산부; 및 상기 이동모듈과 풀림모듈 사이에 전기적으로 연결되어 지령에 따라 실제 이동에 이르기까지 지연되는 시간차와, 이동과 풀림에 따라 가변하는 전선의 장력을 보상하도록 풀림신호를 정정하는 보정신호를 출력하는 보상모듈;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
한편, 이에 앞서 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이상의 구성 및 작용에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 높은 공중에서 실시하는 위험한 가설작업을 로봇으로 대체할 수 있게 하여 작업에 필요한 공수를 절감하는데 이어서 로봇이 이동하면서 전선을 풀어 가설하는 과정 중 길게 풀어질수록 가변하는 전선의 장력을 동일하게 유지시킬 수 있게 처리하여 전반적인 작업의 완성도를 극대화할 수 있는 효과를 제공한다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 가선유닛을 나타내는 예시도.
도 3은 본 발명에 따른 가설 시스템을 전체적으로 나타내는 블록도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
본 발명은 가공 전선로를 가설하는 시스템에 관련되며, 도 1 및 도 2처럼 가선유닛(10), 구동모듈(20), 연산부(30), 보상모듈(40)을 주요 구성으로 하는 가공 전선로 가설 시스템이다.
먼저, 가선유닛(10)은 작업자를 대신하여 가설작업을 수행하는 로봇으로, 도 1 및 도 2처럼 적어도 지면으로부터 이동되게 구름 운동하는 궤도나 바퀴가 장착된 프레임(11)과, 프레임(11)에 가설되는 전선(C)이 권취된 드럼(15)이 장착된다. 여기서 드럼(15)에는 피드포워드 제어를 위해 풀어지는 전선(C)의 장력을 측정하는 센서가 부착되어 있다.
이러한 가선유닛(10)에는 작업에 필요한 구동력을 부여하는 구동모듈(20)이 장착된다. 구동모듈(20)은 도 2처럼 궤도나 바퀴에 연결되어 이동력을 부여하는 이동모터(21)와 함께 도 1처럼 드럼(15)과 연결되어 가동력을 부여하는 작동모터(25)로 구성된다. 즉, 이동모터(21)의 작동으로 가선유닛(10)이 지면으로부터 전·후진 이동하고, 작동모터(25)의 작동으로 권취된 전선(C)을 가설되게 풀어준다.
이때, 가선유닛(10)에는 도 1 및 도 2처럼 설정한 시퀀스에 따라 구동모듈(20)로 신호를 출력하는 연산부(30)와 보상모듈(40)이 내장된다. 여기서 연산부(30)는 도 3처럼 이동모듈(31)과 풀림모듈(35)로 구성되는데, 이동모듈(31)은 이동모터(21)와 전기적으로 연결되어 지령에 따른 이동신호를 출력하고, 풀림모듈(35)은 작동모터(25)와 전기적으로 연결되어 이동에 따른 풀림신호를 출력한다.
그리고 보상모듈(40)은 이동모듈(31)과 풀림모듈(35) 사이에 전기적으로 연결되어 지령에 따라 실제 이동에 이르기까지 지연되는 시간차와, 이동과 풀림에 따라 가변하는 전선의 장력을 보상하도록 풀림신호를 정정하는 보정신호를 출력한다.
이러한 시스템은 가설구간 일측에 전선(C)이 고정된 상태에서 작업지령이 호출되면, 이동모터(21)에 의해 프레임(11)이 타측으로 이동함과 함께 작동모터(25)가 드럼(15)에 권취된 전선(C)을 소정의 장력으로 당겨진 상태로 풀어주는 과정을 거쳐 작업을 완료한다.
즉, 작업지령이 호출되면 이동모듈(31)이 아래와 같이 ①이동거리(X), ②전달신호(GM), ③부하토크(TL), ④구동모터 입력전압(Va)의 수식을 통해서 이동모터(31)에 이동신호를 출력한다.
Figure pat00001
R1: 구동륜의 반경 n1: 치차 비
θL: 회전각 변위 θM: 이동모터 회전각 변위
Figure pat00002
Am: 증폭 비 Ra: 전기자 저항
La: 전자기기 인덕턴스 KE: 유도기전력 정수
KT: 토크 정수
Figure pat00003
B: 구름마찰계수 g: 중력가속도
M: 가선유닛 질량
Figure pat00004
Kmp: 비례상수 Tmi: 적분상수
V*: 설정속도 Venco: 검출속도
이와 함께 풀림모듈(35)이 아래와 같이 ⑤전선장력(TW), ⑥이동량과 풀림량 차이(TW), ⑦작동모터 제어신호(G), ⑧관성모멘트(J2)의 수식을 통해서 작동모터(35)에 풀림신호를 출력한다.
Figure pat00005
E: 영률 S: 전선 단면적
l: 고정점에서부터 전선길이 KW: 와이어 탄성정수
C: 동마찰 정수 <ES=1.4ㅧ103kgf>
Figure pat00006
Vro: 가선유닛 속도 VWi: 전선 풀림속도
Figure pat00007
<작동모터의 발생토크는 지령전압에 직접비례하며 비례정수는 C1>
Figure pat00008
N2: 장력전달 치차 비 J2: 장력발생 부분 관성모멘트
TM: 장력발생 작동모터의 토크 R2: 장력발생 토크의 반경
TD: 드럼의 동마찰
여기서 전선(C)은 가설 중 전선(C)의 무게와 이동거리가 변하기 때문에 간섭(interference)하는 문제가 있다. 장력은 가선유닛(10)의 주행속도에 직접관계하고 그 영향은 전선(C)의 길이와 시간에 따라 변화하는 계로 된다.
따라서 이동계와 장력계는 혼합 시스템으로 구성할 때 상호 동작에 간섭이 발생하므로 이를 억제하기 위해서 서로의 영향을 외란으로 취급하여 이것을 보상해야 한다. 즉, 보상모듈(40)이 이동 가속도에 대응하여 장력지령을 피드포워드 제어하기 위해 아래와 같은 ⑨보정신호(VF)를 출력한다.
Figure pat00009
KF: 가속도 계수 a(t): 가선유닛 가속도
KS: 스텝 계수 Tstart: 이동 시작 시간
Tdelay: 지령에 대한 지연시간
이하, 본 발명의 구체적인 실시예를 살펴보고 시스템이 가진 실질적인 효과가 유효함을 알아보고자 한다.
<실험환경>
가설 시스템은 도 3과 같이 구성할 수 있는데, 이동모듈(31)은 앞에서 제시한 수식①, ②, ③, ④에 의해 PID 제어한다. 그리고 풀림모듈(41)은 마찬가지로 앞에서 제시한 수식⑤와 ⑦ 및 토크제어기(Torque Cont.)C1로 제어된다. 또한 장력측정과 유닛의 이동을 포함한 운동방정식은 수식⑤, ⑧에 의해 구성하며 보상모듈(40)은 수식⑨에 의해 구성한다. 장력제어는 장력을 측정하여 지령 치와 비교한 오차에서 제어출력을 구하고 속응성과 정상특성을 개선하기 위해서 PID 보상을 한다. 제어연산결과는 토크지령 치와 비교하여 작동모터(25)의 서보제어기에 출력되고 서보제어기는 지령 토크에 추종하여 작동모터(25)의 토크제어를 행한다.
<실험방법>
아래의 도면과 같이 전선 가설 장치를 이용한다. 제어장치들은 가선유닛 위에 설치되어 있다. PC에서 제어명령이 지령되고 디지털오실로스코프에서 응답결과가 기록된다. 토크 지령치를 계단상으로 입력하는 계단응답의 실험이다. 즉, 전선이 느슨하지 않도록 미리토크를 걸어 놓고 그 상태에서 더욱 더 큰 토크 지령치를 걸어 보았다.
Figure pat00010
<실험조건>
실험에 사용한 가선유닛과 이동모듈의 파라미터 정수는 표 1이고, 전선과 풀림모듈의 파라미터 정수는 표 2와 같다.
Amp 15 KT 0.0647N·m/A
R1 0.078 Ra 1.3Ω
B 0.001 L 1.7mH
n1 1/20 KE 0.0649V/(rad/s)
M 100Kg J1 0.00079㎏·㎡
Kp 4.0 Ti ??0.3sec
g 9.8m/s Kp 3.0
m 0.3 Ti 1.0
ρ 전선 선밀도 0.17 TD 2.0
K1 2/8*30 J2 2.21㎏·㎡
KF 0.5 R2 0.075
kw 1.4e+3N/m Twd 1.0
ca 0.001 f1 10
cb 1.0 f2 10
n2 1/30 C3 ??7.16kgf/V
<실험1>
실험1은 유닛이 이동을 시작할 때 전선길이 l=1m, 목표장력 T*=6kgf, 5㎝/s2, 이동속도 6m/s 상태에서 피드포워드 제어하지 않은(미 보정) 시뮬레이션 결과(a)와 실험 결과(b)의 응답이다.
Figure pat00011
실험결과 이동 시작점에서 장력은 오버슛이 나타나고 있지만 곧 정상상태에 도달함을 알 수 있다.
<실험2>
실험2는 유닛이 이동을 시작할 때 전선길이 l=1m, 목표장력 T*=6kgf, 가속도 5㎝/s2, 이동속도 6m/s 상태에서 피드포워드 혼합제어 한(보정) 시뮬레이션 결과(a)와 실험 결과(b)의 응답이다.
Figure pat00012
실험결과 장력응답은 피드포워드를 하지 않은 것 보다 이동 시작점에서 오버슛이 소멸되는 것을 볼 수 있다. 따라서 본 발명의 피드포워드의 효과가 유효함을 알 수가 있다.
<실험3>
실험3은 유닛이 이동을 시작할 때 전선길이 l=1m, 목표장력 T*=6kgf, 가속도 10㎝/s2, 이동속도 6m/s 상태에서 피드포워드 혼합제어 한(보정) 시뮬레이션 결과(a)와 실험 결과(b)의 응답이다.
Figure pat00013
실험결과 이동 시작점에서 장력은 오버슛이 나타나고 있지만, 곧 정상상태에 도달함을 알 수 있다. 이러한 실험에서 유닛 이동 시 가속도가 다른 경우 출발시작점에서 장력변동이 크게 나타나고 등속운동 상태에서는 다소 진동이 있지만 제어되고 있는 것을 알 수 있다. 따라서 본 발명의 피드포워드의 효과가 유효함을 알 수가 있다.
한편, 본 실험결과의 그래프에서 나타나는 사다리꼴 파형의 실선은 목표속도(ref. of velocity), 점선은 속도(velocity)이고, 가운데 눈금 6에서 횡으로 그린 실선은 목표장력(ref. of tension)이고, 진동하면서 수렴하는 점선은 장력(detect tension)을 나타낸 것이다.
본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.
C: 전선 10: 가선유닛
11: 프레임 15: 드럼
20: 구동모듈 21: 이동모터
25: 작동모터 30: 구동부
31: 이동모듈 35: 풀림모듈
40: 보상모듈

Claims (2)

  1. 가공 전선로를 가설하는 시스템에 있어서:
    적어도 지면으로부터 이동되게 구름 운동하는 궤도나 바퀴가 장착된 프레임과, 상기 프레임에 가설되는 전선이 권취된 드럼이 장착된 가선유닛;
    상기 궤도나 바퀴에 연결되어 이동력을 부여하는 이동모터와, 상기 드럼과 연결되어 가동력을 부여하는 작동모터를 구비하는 구동모듈;
    상기 이동모터와 전기적으로 연결되어 지령에 따른 이동신호를 출력하는 이동모듈과, 상기 작동모터와 전기적으로 연결되어 이동에 따른 풀림신호를 출력하는 풀림모듈을 구비하는 연산부; 및
    상기 이동모듈과 풀림모듈 사이에 전기적으로 연결되어 지령에 따라 실제 이동에 이르기까지 지연되는 시간차와, 이동과 풀림에 따라 가변하는 전선의 장력을 보상하도록 풀림신호를 정정하는 보정신호를 출력하는 보상모듈;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 가공 전선로 가설 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 보상모듈은
    Figure pat00014
    의 수식에 의해 보정신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 가공 전선로 가설 시스템.
    KF: 가속도 계수 a(t): 가선유닛 가속도
    KS: 스텝 계수 Tstart: 이동 시작 시간
    Tdelay: 지령에 대한 지연시간
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