TWI622691B - 具位置補償功能之斜向拋石落管機構及其運作方法 - Google Patents

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Chun Chia Huang
黃俊家
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Ship And Ocean Industries R&D Center
財團法人船舶暨海洋產業研發中心
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Abstract

本發明提供了一種具位置補償功能之斜向拋石落管機構及其運作方法，該具位置補償功能之斜向拋石落管機構主要透過與水面載具相連接之中空管引導水面載具上欲投放之石塊或其他原料。

Description

具位置補償功能之斜向拋石落管機構及其運作方法
本發明為一種具位置補償功能之斜向拋石落管機構及其運作方法，尤指一種具有補償載具之橫搖(Rolling)、縱搖(Pitching)與舉昇(Heaving)等自由度，且中空管末端出口位置在載具受風浪影響下還可持續保持在一定範圍內運作的具位置補償功能之斜向拋石落管機構及其運作方法。
對於需在海上作業的設施而言，通常必須先在海床的部分做好如打樁或是固定、定位支架等額外加工，才得以施行後續的水下以及水面工程。近年來，該些作業工程主要以造橋、海上作業平台以及離岸風電機的架設為主。
其中，在固定海床基座的部分，使用拋石船進行拋石，讓石頭堆疊於海床上用以支撐部分結構已經是相當普遍的想法與技術。傳統的拋石方法多半分為軟管跟硬管兩種技術。在較深的海域通常以軟管執行，而普通深度的海域則以硬管為之。
然而，拋石此一動作影響到的將會是基座的穩定度。傳統拋石系統具有無法定位的效果，僅能約略將石頭拋置大概的位置。此外，拋 石船也容易受到海流、海浪以及風的影響，使的拋石作業不精準。導致拋石船浪費石料等其他原料，除增加額外的出勤次數外，更加費時且耗費成本。
基於先前技術所提及的問題，本發明提供了一種具位置補償功能之斜向拋石落管機構及其運作方法。其中，該具位置補償功能之斜向拋石落管機構包含一中空管、一滑動模組、一擺管模組以及一擺動控制模組。
該中空管設有至少一第一鋸齒，該滑動模組與該中空管連接，該擺管模組與該中空管連接，而該擺動控制模組與該滑動模組連接。該擺動控制模組控制該中空管之擺動，該滑動模組控制該中空管的滑動。
此外，本發明一實施例提供了一種具位置補償功能之斜向拋石落管機構的運作方法。首先執行步驟(a)，一滑動模組將一中空管升高至該中空管的重心點，使該中空管垂直於一載具的甲板平面，接著執行步驟(b)，一擺動控制模組轉動該滑動模組，使該滑動模組及該中空管與該載具的甲板平面平行。最後執行步驟(c)，該擺動控制模組舉升該滑動模組及該中空管至該載具的甲板平面上。
此外，本發明另一實施例提供了一種具位置補償功能之斜向拋石落管機構的運作方法。首先執行步驟(甲)，一載具產生一角度的偏移，接著執行步驟(乙)，一擺動控制模組根據該角度產生一即時反向角度訊號，最後執行步驟(丙)，該擺動控制模組依照該即時反向角度訊號即時調整一滑動模組、一中空管、一擺管模組或其組合，使該具位置補償功能之斜向拋 石落管機構維持在原本的位置。
以上對本發明的簡述，目的在於對本發明之數種面向和技術特徵作一基本說明。發明簡述並非對本發明的詳細表述，因此其目的不在特別列舉本發明的關鍵性或重要元件，也不是用來界定本發明的範圍，僅為以簡明的方式呈現本發明的數種概念而已。
100‧‧‧中空管
101‧‧‧第一鋸齒
200‧‧‧滑動模組
201‧‧‧固定架
202‧‧‧轉動齒輪
203‧‧‧第二鋸齒
204‧‧‧固定致動器
300‧‧‧擺管模組
301‧‧‧伸縮致動器
302‧‧‧搖擺致動器
303‧‧‧拋頭
304‧‧‧搖擺樞紐
305‧‧‧主擺管
400‧‧‧擺動控制模組
401‧‧‧基座
402‧‧‧控制台
403‧‧‧滑軌
404‧‧‧卡榫滑塊
405‧‧‧轉動架
406‧‧‧第一動力源
407‧‧‧第二動力源
408‧‧‧樞紐支架
409‧‧‧控制致動器
B‧‧‧載具
A1~A11‧‧‧箭頭
(a)~(c)‧‧‧步驟
(甲)~(丙)‧‧‧步驟
圖1(a)係本發明實施例之結構示意圖。
圖1(b)係本發明實施例之伸縮運動示意圖。
圖1(c)係本發明實施例之搖擺運動示意圖。
圖2(a)係本發明實施例擺動控制模組的結構示意圖。
圖2(b)係本發明實施例擺動控制模組的立體結構示意圖。
圖3係本發明實施例滑動模組的結構示意圖。
圖4(a)~圖4(h)係本發明實施例收合方式的詳細結構變化示意圖。
圖5係本發明實施例收合方式的簡易示意圖。
圖6係本發明實施例擺管模組的運動示意圖。
圖7係本發明一運作方法實施例的流程圖。
圖8係本發明另一運作方法實施例的流程圖。
為能瞭解本發明的技術特徵及實用功效，並可依照說明書的內容來實施，茲進一步以如圖式所示的較佳實施例，詳細說明如後：本實施例所稱之載具B一般可以是非固定的海上艦艇、船舶 等，更進一步來說可以是拋石船。當然，載具B亦可以是固定海上作業場所，如海上作業平台等，僅為說明需要而舉例，本發明並不加以限制。
而本實施方式中的載具B載具將以拋石船為例並據以說明。且本實施方式將以載具B船艏方向作為前方，船尾方向作為後方的連線作為中心線，並以此基準在360°的三維空間下做出描述。通常知識者應可知該中心線被包含在載具B的甲板平面上；而以下提及之「上」或「下」的方向，係指以甲板平面作為分界，並與中心線垂直的移偏量；而左右鐘擺搖晃則係指載具B以中心線為基準，使載具B以其左舷或右舷產生的傾斜運動。
此外，本實施例所稱之固定致動器204、伸縮致動器301、搖擺致動器302以及控制致動器409均以液壓缸的方式呈現與實施，其原因在於本實施例為重量較重的大型機具，需透過液壓的力量達到特定的運動功效。然實際上本發明並不限制僅能以液壓缸的方式實現，僅要得以讓本發明達到相同運動功效者，應皆屬於本發明的範圍之內。
首先，請參照圖1(a)，圖1(a)係本發明實施例之結構示意圖。本實施例中，該具位置補償功能之斜向拋石落管機構包含中空管100、滑動模組200、擺管模組300以及擺動控制模組400。
其中，中空管100上設有至少一第一鋸齒101，本實施例之第一鋸齒101分設於中空管100之兩側，然實際上可設置於中空管100更多側之部位，僅需依照滑動模組200的機構設置調整，本發明不加以限制。
而該滑動模組200與中空管100連接，本實施例中，中空管100係透過第一鋸齒101被套合於滑動模組200之中。而擺管模組300與中 空管100連接，擺動控制模組400則與滑動模組200連接。本實施例中，所述擺動控制模組400控制中空管100之擺動(可先參照圖1(c)或圖5)，滑動模組200則用以控制中空管100的滑動(可先參照圖1(b)及圖3)。
接著請參照圖1(b)，圖1(b)係本發明實施例之伸縮運動示意圖。其中，箭頭A1指示的運動方向為中空管100可因滑動模組200操作而伸縮運動的方向。中空管100的伸縮運動自由度取決於第一鋸齒101分布的長度而決定。此外，本實施例之中空管100的頂部設有一個喇叭(或漏斗)狀的開口，除了可增加裝載(loading)石頭時的方便性之外，亦可作為止擋中空管100滑出滑動模組200的機構。
請同時參照圖3，圖3係本發明實施例滑動模組的結構示意圖。如圖3所示，圖3中解釋了為何本實施例之中空管100可於滑動模組200中運動的原理。本實施例之滑動模組200包含固定架201、至少一轉動齒輪202、至少一第二鋸齒203及至少一固定致動器204。
其中，至少一轉動齒輪202與中空管100上的至少一第一鋸齒101相應咬合，且至少一第二鋸齒203可動地與至少一第一鋸齒101咬合。更正確地來說，本實施例之第二鋸齒203可與固定致動器204連接，當然固定致動器204亦可替換為線性馬達或其他線性移動的機械手段裝置，本發明不加以限制。
因此，透過圖3的機械結構示意，可得知當中空管100欲沿著箭頭A5的方向運動時，必須靠第一鋸齒101與轉動齒輪202的咬合。轉動齒輪202的沿著箭頭A4轉動方向可以決定第一鋸齒101牽動中空管100的運動方向。而轉動齒輪202的動力源可以利用伺服馬達等可同步控制的自動 控制馬達，本發明並不加以限制。本實施例中，待轉動齒輪202同步將第一鋸齒101牽動的中空管100帶動到適當位置時，固定致動器204便會沿著箭頭A6的直線啟動並向前推進第二鋸齒203與第一鋸齒101咬合，達到固定或放開中空管100位置的功效。
此外，前述提及轉動齒輪202可利用伺服馬達連接提供轉動動力的技術，可利用伺服馬達配上自動控制的特點，使滑動模組200調控當載具B因海浪等因素產生上下移動時的位置補償。更精確的來說，以本實施例為例，當載具往上移動時，右邊轉動齒輪202可以逆時鐘旋轉；左邊的轉動齒輪202則可以順時鐘旋轉，使中空管100的伸縮方向往下，抵銷載具B向上的位置偏移，反之亦然。
接著請同時參照圖1(c)及圖2(a)~2(b)，圖1(c)係本發明實施例之搖擺運動示意圖；圖2(a)係本發明實施例擺動控制模組的結構示意圖；圖2(b)係本發明實施例擺動控制模組的立體結構示意圖。
如圖1(c)所示，本實施例可達到讓整個中空管100沿著箭頭A3方向搖擺的功效。其原因在於擺動控制模組400中控制致動器409沿著箭頭A2方向伸縮而達成。如圖2(a)及圖2(b)所示，本發明實施例之擺動控制模組400包含基座401、控制台402、至少一滑軌403、卡榫滑塊404、轉動架405、至少一第一動力源406、至少一第二動力源407、樞紐支架408以及樞紐支架409。
其中，控制台402與基座401連接，至少一滑軌403設於基座401上，卡榫滑塊404設於至少一滑軌403上，而轉動架405，設於基座401上，所述轉動架405與卡榫滑塊404可滑動地卡合。
至少一第一動力源406以及至少一第二動力源407與轉動架405連接，樞紐支架408與轉動架405及滑動模組200連接，而至少一控制致動器409同時與樞紐支架405及滑動模組200連接。由圖2(a)可看出，樞紐支架408與轉動架405和滑動模組200連接時皆透過樞紐的方式連接，以方便滑動模組200的擺動。
同於前述提及的位置補償功效，圖1(c)中所載之鐘擺方式也可運用相同的原理達成，僅作動的對象改為至少一控制致動器409而已。即當載具本身因波浪或海浪產生如鐘擺的左右偏移時，擺動控制模組400有能力將該偏移及時修正，達成精準定位的功效，將中空管100固定於不動的位置。
接著請同時參照圖4(a)~圖4(h)，圖4(a)~圖4(h)係本發明實施例收合方式的詳細結構變化示意圖。圖4(a)~圖4(h)中揭示了本實施例在另個方向的運動方式，並同時揭示了本實施例如何將具位置補償功能之斜向拋石落管機構收折於載具B上的方式。
首先如，圖4(a)所示，當本實施例之中空管100必須朝前後方向擺動、旋轉時(即垂直於圖1(c)的運動方向)，卡榫滑塊404會沿著箭頭A7的方向，於至少一滑軌403滑入擺動控制模組400的空腔中。由於本實施例的卡榫滑塊404呈現H字型的緣故，因此在未滑入擺動控制模組400的空腔前，所述卡榫滑塊404會夾住轉動架405，用以限制其轉動，並間接限制滑動模組200及中空管100沿載具B中心線的擺動。
因此，當卡榫滑塊404完全滑入擺動控制模組400的空腔後，便如圖4(b)所示，轉動架405可以自由的如圖4(c)及圖4(d)箭頭A8所指 的方向旋轉。圖4(c)中所示的虛線即以載具B甲板平面平行，且與中心線垂直的方式繪示，更精確來說，圖4(c)中的虛線係根據轉動架405可自旋的中線繪製。而箭頭A8所指之方向即以圖4(c)中的虛線為軸心等距環繞繪製。
本實施例中，轉動架405的轉動動力來源係來自第一動力源406。本實施例之第一動力源406為一種與馬達連接的內嵌齒輪，可以咬合轉動架405中的承軸與齒輪，達到使轉動架405自旋的功效。在其他可能的實施樣態中，第一動力源406中的內嵌齒輪亦可透過拉索或絞鍊間接拉動的方式旋轉，本發明並不加以限制。
因此，滑動模組200以及中空管100便可透過上述機制，如圖4(e)一般轉動，直至如圖4(f)所示，中空管100與載具B的甲板平面平行。在正常情況下，圖4(e)及圖4(f)中所述的運動自由度係可為360°或以上的自旋運動。
本實施例中，圖4(e)及圖4(f)中所示的運動除了用來收折中空管100之外，更可如前述一般用於動態定位的補償。當載具B沿著中心線方向前後擺動時，卡榫滑塊404便會收入擺動控制模組400的空腔中，使轉動架405帶動滑動模組200及中空管100得以做出位置補償運動，抵銷載具B沿著中心線方向的前後擺動偏移量。
而圖4(f)中的箭頭A9係指如何將中空管100收納(舉升)至載具B上。因此，箭頭A9的運動軌跡應是垂直於載具B的中心線的。更精確的來說，可參照圖4(g)中的示意。由於轉動架405更與第二動力源407連接，本實施例之第二動力源407同樣可以用於舉起重物的結構，例如液壓馬達等，用以將整個中空管100、滑動模組200以及擺管模組300舉起。因此， 透過第二動力源407扭動轉動架405，便可使於圖4(f)中已經打平的整個中空管100、滑動模組200以及擺管模組300沿著箭頭A9的方向舉起，收折至如圖4(h)中所示的狀態。
請參照圖5，圖5係本發明實施例收合方式的簡易示意圖。如圖5所示，圖5中簡易的繪示了整個圖4(a)~圖4(h)中達到的功效。本實施例在前述圖1、圖2(a)~2(b)、圖3、圖4(a)~4(h)及圖5中提及的相關運動方式及位置補償運動方式，皆可透過擺動控制模組400中的控制台402達成。本實施例中，控制台402更與一定位模組(圖未示)電性連接，該定位模組包含至少一傾斜感測元件。
在本實施例中，所述定位模組可以直接設置在控制台402中，亦可以設置在載具B的中控電腦中，本發明並不加以限制。因此，控制台402中的電腦或工業用計算機可以根據定位模組中的傾斜感測元件，感測出載具B的位移偏量，以自動控制擺動控制模組400中的所有元件即時運動。此外，定位模組本身更具有全球定位系统(Global Positioning System,GPS)的功能，能夠偵測載具B的位移量。
當然，本實施例中的控制台402亦可切換至手動模式，讓載具B上的工作人員以手動的方式操作，本發明不加以限制。至於佈線的部分，本實施例控制台402與擺動控制模組400中其他元件、滑動模組200及擺管模組300皆可透過基座401直接或間接電性連接，而有關於位置補償運動的運算，則可由控制台402中的電腦或工業計算機即時運算而得，發出自動控制的命令。此外，有關各個參數以及擺動控制模組400的運作狀態，亦可透過螢幕的方式呈現，讓工作人員知曉當前的運作狀態。
接著請參照圖6，圖6係本發明實施例擺管模組的運動示意圖。如圖6所示，本實施例之擺管模組300包含至少一伸縮致動器301、至少一搖擺致動器302、拋頭303、搖擺樞紐304以及主擺管305。
其中至少一伸縮致動器301連接中空管100與主擺管305，至少一搖擺致動器302與主擺管305連接，而拋頭303透過搖擺樞紐304設置於主擺管305上，且至少一搖擺致動器302與拋頭303連接。
圖6中展示了本實施例更進一步的運動精度。更進一步來說，至少一伸縮致動器301可如圖6箭頭A10的方向所示，推動主擺管305沿著中空管100的方向伸縮運動；而至少一搖擺致動器302則可透過各自不同的伸縮方向以及伸縮量，控制拋頭303沿著箭頭A11方向的擺動。
因此，透過圖6的示意，可得而知的是本實施例擺管模組300亦可如前述圖1、圖2(a)~2(b)、圖3、圖4(a)~4(h)及圖5中提及的相關運動方式及位置補償運動方式執行其功能。也就是說，當風浪大到圖1、圖2(a)~2(b)、圖3、圖4(a)~4(h)及圖5中提及的相關運動方式及位置補償運動方式皆無法即時補償及運行時，便可透過圖6中所示的運動機構原理進一步修正拋石的精準度。
此外，針對水下環境水中暗流等較難達到的特定拋石地點的問題，透過圖6中所提供的技術亦可以輕易迎刃而解。
接著請參照圖7，圖7係本發明一運作方法實施例的流程圖。圖7中所載運作方法的實施例係利用圖1~圖6中所繪示的實施例達成。如圖7所示，首先執行步驟(a)，一滑動模組200將一中空管100升高至該中空管100的重心點，使該中空管100垂直於一載具B的甲板平面，接著 執行步驟(b)，一擺動控制模組400轉動該滑動模組200，使該滑動模組200及該中空管100與該載具B的甲板平面平行。最後執行步驟(c)，該擺動控制模組400舉升該滑動模組200及該中空管100至該載具的甲板平面上。
在步驟(a)中的作動方式，可參照圖1(b)以及圖3中的示意及相關說明；而在步驟(b)的運動中，可以參考圖4(a)~4(f)及其相關說明；至於步驟(c)的運動，則可參考圖4(f)~4(h)及其相關說明。整個圖7的流程則可以參照圖5所繪製實施樣態及其相關說明。
接著請參照圖8，圖8係本發明另一運作方法實施例的流程圖。同理，圖8中所載運作方法的實施例亦利用圖1~圖6中所繪示的實施例達成。首先執行步驟(甲)，一載具B產生一角度的偏移，接著執行步驟(乙)，一擺動控制模組400根據該角度產生一即時反向角度訊號，最後執行步驟(丙)，該擺動控制模組400依照該即時反向角度訊號即時調整一滑動模組200、一中空管100、一擺管模組300或其組合，使該具位置補償功能之斜向拋石落管機構維持在原本的位置。
在步驟(甲)中，所述的角度的偏移係指前述定位模組中至少一傾斜感測元件所感測到的偏移角度。更正確地來說也就是載具B甲板平面的傾斜、搖擺以及位移。所述至少一傾斜感測元件可以是傾斜感測晶片或陀螺儀等元件，本發明並不加以限制。
而步驟(乙)中，本實施例擺動控制模組400產生的即時反向角度訊號實際上係由前述控制台402中的電腦或工業用計算機運算而得，更進一步來說其計算用的資料係透過定位模組而取得樣本。在其他實施樣態中，亦可以透過設置在載具B的中控電腦計算而得，並轉換為擺動控制模組 400得以運作的即時反向角度訊號，讓控制台402中的電腦或工業用計算機加以轉換、翻譯及應用。
最後，步驟(丙)中所述的運動方式係依照步驟(乙)中的即時反向角度訊號即時運作。所述即時調整一滑動模組200、一中空管100、一擺管模組300或其組合的運動方式係可參考圖1~圖6及其相關說明。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即依本發明申請專利範圍及說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明涵蓋之範圍內。

Claims (9)

  1. 一種具位置補償功能之斜向拋石落管機構，包含：一中空管，設有至少一第一鋸齒；一滑動模組，與該中空管連接，該中空管透過該第一鋸齒被套於該滑動模組之中；一擺管模組，與該中空管連接，該擺管模組包含：一主擺管；至少一伸縮致動器，連接該中空管與該主擺管；至少一搖擺致動器，與該主擺管連接；一拋頭，透過一搖擺樞紐設置於該主擺管上，且該至少一搖擺致動器與該拋頭連接；以及一擺動控制模組，與該滑動模組連接；其中，該擺動控制模組控制該中空管之擺動，該滑動模組控制該中空管的滑動。
  2. 如請求項1所述之具位置補償功能之斜向拋石落管機構，其中該滑動模組包含：一固定架；至少一轉動齒輪，設於該固定架中；以及至少一第二鋸齒，設於該固定架中；其中，該至少一轉動齒輪與該至少一第一鋸齒相應咬合，該至少一第二鋸齒可動地與該至少一第一鋸齒咬合。
  3. 如請求項2所述之具位置補償功能之斜向拋石落管機構，其中每個該至少一第二鋸齒更與一固定致動器連接。
  4. 如請求項1所述之具位置補償功能之斜向拋石落管機構，其中該擺動控制模組包含：一基座；一控制台，與該基座連接；至少一滑軌，設於該基座上；一卡榫滑塊，設於該至少一滑軌上；一轉動架，設於該基座上，該轉動架與該卡榫滑塊可滑動地卡合；至少一第一動力源，與該轉動架連接；至少一第二動力源，與該轉動架連接一樞紐支架，與該轉動架及該滑動模組連接；以及至少一控制致動器，同時與該樞紐支架及該滑動模組連接。
  5. 如請求項4所述之具位置補償功能之斜向拋石落管機構，其中該控制台更與一定位模組電性連接，該定位模組包含至少一傾斜感測元件。
  6. 如請求項5所述之具位置補償功能之斜向拋石落管機構，其中該至少一傾斜感測元件為傾斜感測晶片或陀螺儀。
  7. 如請求項5所述之具位置補償功能之斜向拋石落管機構，其中該控制台更包含一電腦或一工業用計算機。
  8. 一種具位置補償功能之斜向拋石落管機構的運作方法，包含：(a)一滑動模組將一中空管升高至該中空管的重心點，使該中空管垂直於一載具的甲板平面；(b)一擺動控制模組轉動該滑動模組，使該滑動模組及該中空管與該載具的甲板平面平行；以及(c)該擺動控制模組舉升該滑動模組及該中空管至該載具的甲板平面上；其中，該具位置補償功能之斜向拋石落管機構的運作方法係利用請求項1乃至7中所述的具位置補償功能之斜向拋石落管機構。
  9. 一種具位置補償功能之斜向拋石落管機構的運作方法，包含：(甲)一載具產生一角度的偏移；(乙)一擺動控制模組根據該角度產生一即時反向角度訊號；以及(丙)該擺動控制模組依照該即時反向角度訊號即時調整一滑動模組、一中空管、一擺管模組或其組合，使該具位置補償功能之斜向拋石落管機構維持在原本的位置；其中，該具位置補償功能之斜向拋石落管機構的運作方法係利用請求項1乃至7中所述的具位置補償功能之斜向拋石落管機構。
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