KR102384669B1 - 관절식 유체 로딩 아암의 운동 제어 장치，그 취득 및 계산 방법과 장치, 및 관절식 유체 로딩 아암 - Google Patents

Abstract

저장 위치로부터 타겟 파이프(35)로의 그리고 이 타겟 파이프(35)로부터 저장 위치로의, 관절식 유체 로딩 아암의 단부 중 하나의 이동을 제어하는 장치이며, 상기 아암은 이 단부에 커플링 시스템(26)을 구비한 유체 전달 라인을 포함하고, 유체 전달 라인은 유체의 전달을 위해 상기 타겟 파이프(35)에 커플링되도록 구성되고, 이 장치는 저장 위치로부터 커플링 시스템(26)이 타겟 파이프에 대한 그 커플링을 위해 타겟 파이프(35)의 전방에 위치될 때까지 그리고 타겟 파이프(35)로부터 저장 위치로의 공간에서의 아암의 이동을 제어하기 위한 작동기(27-29)를 포함한다. 이 장치는 계산 수단(41)을 포함하고, 이 계산 수단은 - 커플링 시스템(26)의 이동을 실시간으로 모니터링하고, - 동적 저크-제한 운동 법칙에 기초하여, 커플링 시스템(26)의 최종 결정 위치로부터 실시간으로 커플링 시스템(26)의 타겟 파이프(35) 또는 저장 위치의 방향으로의 이동 궤적을 생성하며, - 이 운동 법칙에 기초하여 커플링 시스템(26)의 이동을 제어하기 위해 작동기(27-29) 각각에 제공될 명령 지시를 계산하도록 구성된다.

Description

관절식 유체 로딩 아암의 운동 제어 장치，그 취득 및 계산 방법과 장치, 및 관절식 유체 로딩 아암

본 발명은 일반적으로 한 위치로부터 다른 위치로 유체를 전달(로딩 및/또는 언로딩)하기 위한 관절식 로딩 아암에 관한 것이다.

유체는 액체 또는 기체 제품을 의미하는 것으로 이해된다. 이는 특히 선박과 선착장 사이 또는 두 척의 선박 사이에서 전달되는 액화 천연 가스, 저압 및 고압 천연 가스 및 석유 또는 화학 제품을 지칭한다.

특히, 본 발명은 타겟 파이프에 대한 이러한 로딩 아암의 이동, 위치설정 및 커플링("연결"이라는 용어도 사용됨) 또는 그로부터의 분리를 제어하는 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 이러한 아암은 지지부 상에 장착되고 유체 공급 배관 시스템에 연결된 관절식 배관 시스템을 포함하고, 이 관절식 배관 시스템에는 내부 파이프라 불리는 제1 파이프가 90° 파이프 엘보 섹션을 통해 장착되어 그 단부 중 하나에서 수직축 상에서의 회전을 가능하게 하고, 다른 단부에서 수평축 상에서의 회전을 가능하게 한다. 내부 파이프의 반대쪽 단부에는 외부 파이프라고 불리는 제2 파이프가 수평축 상에 회전 가능하게 장착된다. 커플링 조립체가 외부 파이프의 단부에 장착된다.

따라서, 커플링 조립체는 지지부에 대해 공간에서 적어도 3 자유도를 가지며, 이 각각의 자유도에서의 이동은 잭 또는 모터와 같은 유압, 전기 또는 공압 작동기에 의해 제어된다.

운동 제어는 조작자가 제어하는 명령 인터페이스에 의해 또는 완전히 자동으로 달성된다.

이러한 아암은, 예를 들어 특허 출원 FR2813872, FR2854156, FR2931451, FR2964093 및 FR3003855로부터 공지되어 있다.

본 발명의 목적은, 동일한 유형의, 그러나, 특히, 전달이 그 사이에서 이루어져야 하는 부유 구조의 상대 이동으로 인해 항상 어려움이 존재하는 외양(open sea)에서의 유체 전달에 관하여 연결 및 분리 프로세스에 관한 성능이 개선된, 전달 아암을 제안하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 예를 들어, 출원 FR2813872 및 FR2854156으로부터 공지된 물리적 연동 및 안내 시스템 없이 이를 수행하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 휴먼 인터페이스가 제한되거나 존재하지 않는 관절식 전달 아암을 생성하여, 이 아암의 자동 또는 반-지원 연결 또는 분리를 수행하는 것을 가능하게 하는 것이다.

본 발명은 저장 위치로부터 타겟 파이프로의 그리고 이 타겟 파이프로부터 저장 위치로의, 관절식 유체 로딩 아암의 단부 중 하나의 이동을 제어하기 위한 장치를 제안하고, 상기 아암은 이 단부에 커플링 시스템을 구비한 유체 전달 라인을 포함하며, 커플링 시스템은 유체의 전달을 위해 타겟 파이프에 커플링되도록 구성되고, 이 장치는 저장 위치로부터 커플링 시스템이 타겟 파이프에 대한 그 커플링을 위해 타겟 파이프의 전방에 위치될 때까지 그리고 타겟 파이프로부터 저장 위치로의 공간에서의 아암의 이동을 제어하기 위한 작동기를 포함하고, 이 장치는:

- 커플링 시스템의 이동을 실시간으로 모니터링하고,

- 동적 저크-제한 운동 법칙에 기초하여, 커플링 시스템의 최종 결정 위치로부터 실시간으로 커플링 시스템의 타겟 파이프 또는 저장 위치의 방향으로의 이동 궤적을 생성하며,

- 이 운동 법칙에 기초하여 커플링 시스템의 이동을 제어하기 위해 각 작동기에 부여될 명령 지시를 계산하도록 구성된 계산 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.

이러한 특징의 결과로서, 타겟 파이프의 방향으로의 그 이동 동안 아암의 진동 또는 발진 생성을 최소치로 감소 또는 심지어 회피하는 것을 가능하게 하고, 또한 아래에 더 상세히 설명된 바와 같이 다른 이점을 제공하는 연결 및 분리 프로세스를 수행하는 것이 가능하다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 특히 생산 및 사용 용이성 때문에, 독립적으로 또는 조합하여 다음이 구현될 수 있다:

- 커플링 시스템의 이동의 실시간 모니터링을 위한 단계는 타겟 파이프에 대한 커플링 시스템의 상대 위치의, 이동 중 적어도 일부 동안의, 실시간 모니터링을 수반하며, 궤적은 최종 결정된 상대 위치로부터 생성된다.

- 타겟 파이프에 대한 커플링 시스템의 상대 위치를 실시간으로 모니터링하는 단계는 또한 타겟 파이프에 대한 커플링 시스템의 상대 배향의 실시간 모니터링을 수반하며, 궤적은 최종 결정된 상대 위치 및 배향으로부터 생성된다;

- 타겟 파이프가 부유 구조에 설치되고 로딩 아암이 고정 또는 부유 구조에 설치되는 경우, 계산 수단은 모든 6 자유도에서 동시에 부유 구조 또는 구조들의 절대 또는 상대 이동의 실시간 모니터링을 위해 측정 수단에 링크된다;

- 측정 수단은 관성 유닛, GPS, 상대 위치 모니터링을 수행하도록 구성된 GPS, 카메라, 경사계, 가속도계, 전위차계, 음파 탐지기, 레이저 트래커, 타코미터 또는 이의 조합을 포함하는 그룹으로부터 선택된다;

- 계산 수단은 예측 기능을 포함하고, 이 예측 기능은 (i) 커플링 시스템의 이동의 진행 및/또는 (ii) 그에 적용되는 저크-제한 이동 명령과 관련한 관절식 로딩 아암의 거동을 예측하도록 구성되고; 그리고, 예측을 고려하도록 동적 저크-제한 운동 법칙을 조절하도록 구성된다;

- 계산 수단은 모니터링을 위해 실제 치수, 변형 및/또는 위치 오차를 보상하는 아암의 운동학적 모델을 사용한다;

- 아암의 운동학적 모델은 교정 절차와 이러한 오차를 통합한 로딩 아암 모델의 파라미터의 조절에 의해 얻어진다;

- 조절은, 교정 절차로 얻은 측정치를 사용하여, 비선형 최적화 알고리즘에 의해, 또는 신경망 훈련에 의해, 또는 동일한 유형의 임의의 다른 방법에 의해 수행된다;

- 계산 수단은 각각의 작동기에 의해 유도된 이동이 동시적이고 동일한 기간을 갖도록 각 작동기에 명령 지시를 적용하도록 구성된다;

- 계산 수단은 다양한 제어 모드, 즉 자동 또는 명령 인터페이스를 통해 조작자에 의한 수동 또는 수동 및 자동 명령을 조합하는 반자동 모드에서 저크-제한 운동을 유지하기 위한 명령 지시를 적용하도록 구성된다;

- 제어 장치는 또한 작동기에 적용된 명령 지시에 진동 설정점을 중첩시키도록 구성된 액티브 진동 감쇠 수단을 포함한다;

- 계산 수단은 아암과 주변의 요소 또는 구조 사이의 충돌을 피하도록 궤적을 생성하기 위해 또한 구성된다.

본 발명은 또한 앞서 설명한 제어 장치용 데이터 취득 및 계산 장치에 관한 것으로, 이는

- 타겟 파이프에 대한 연결/분리 요소의 상대 위치를 실시간으로 모니터링하고,

- 동적 저크-제한 운동 법칙에 기초하여, 타겟 파이프의 방향으로 연결/분리 요소의 이동의 궤적을 생성된 최종 상대 위치로부터 실시간으로 생성하며,

- 이 운동 법칙에 기초하여 타겟 파이프의 방향으로 연결/분리 요소의 이동을 제어하기 위해 각 작동기에 주어진 명령 지시를 계산하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 또한 앞서 정의된 바와 같은 아암을 사용하여 유체를 전달하는 방법에 추가로 관련하며, 이는

- 커플링 시스템의 이동을 실시간으로 모니터링하는 단계;

- 동적 저크-제한 운동 법칙에 기초하여, 커플링 시스템의 최종 결정 위치로부터 실시간으로 커플링 시스템의 타겟 파이프 또는 저장 위치의 방향으로의 이동 궤적을 생성하는 단계;

- 이 운동 법칙에 기초하여 커플링 시스템의 이동을 제어하기 위해 각 작동기에 부여될 명령 지시를 계산하는 단계로 구성되는 단계들을 포함한다.

바람직하게는, 방법은 또한,

- (i) 커플링 시스템의 이동의 진행 및/또는 (ii) 이에 적용된 이동 명령에 관한 관절식 로딩 아암의 거동을 예측하는 단계 및 예측을 고려하도록 동적 저크-제한 운동 법칙을 조절하는 단계로 구성되는 단계를 포함한다.

마지막으로, 본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 제어 장치를 포함하는 관절식 로딩 아암에 관한 것이다.

이제, 첨부 도면을 참조하여 비제한적인 예시로서 아래에 주어진 예시적인 실시예에 대한 상세한 설명에 의거한 본 발명의 개시내용이 이어질 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 제어 장치가 구비된 로딩 아암의 개략적인 사시도이다.
도 2는 도 1에 따른 장치의 동작의 블록도이다.

도 1은 본 발명에 따른 제어 장치(1)가 구비된 로딩 아암(2)을 매우 개략적으로 도시한다. 여기서 관절식 로딩 아암은 매우 단순화된 방식으로 도시되어 있으며, 따라서, 본 발명에 따른 제어 장치는 임의의 관절식 로딩 아암 시스템, 특히 앞서 설명한 특허 출원의 해양 로딩 아암에 적용된다는 것에 유의하여야 한다.

일반적으로, 이러한 유형의 로딩 아암은 본질적으로 알려져 있으므로 여기서는 상세히 설명하지 않을 것이다.

도 1의 로딩 아암은 베이스가 부착되는 구조(22)의 표면 아래에 위치되는 유체 공급 라인에 연결된 베이스(21)를 갖는 해양 로딩 아암이다. 본 경우에, 선박과 같은 부유 구조이지만, 변형에 따라 선착장일 수 있다. 베이스의 상단 단부에 파이프 엘보(23)가 회전 가능하게 관절 연결되어 있으며, 파이프 엘보에는 차례로 내부 파이프(24)라 불리는 제1 파이프가 관절 연결되고, 그 반대쪽 단부에는 외부 파이프(25)라 불리는 제2 파이프가 관절 연결된다. 외부 파이프의 단부는 또한 유체 전달을 가능하게 하는 커플링 조립체(26)를 지니고, 커플러라고도 불리는 그 커플링 시스템(26')은 타겟 파이프(35)에 연결되도록 의도되며, 타겟 파이프는 이 경우, 본 예에서는 매우 개략적으로 도시된 선박(36) 상에 배치되는 매니폴드이다. 도시된 실시예에서, 본질적으로 공지된 방식으로, 커플러(26')는 또한 외부 파이프(25)의 단부에 대해 3개의 회전 자유도를 갖는다. 이 3개의 회전이 또한 자유롭기 때문에 조작자가 파이프에 대한 커플러의 커플링의 최종 접근 페이즈 동안 커플러의 각도를 자유롭게 조절할 수 있거나, 이들 회전 중 하나 이상이 작동기에 의해 제어되며, 커플러의 최종 접근 동안 직접적으로 조작자가 회전을 제어할 수 있도록 명령 인터페이스에 및/또는 완전 또는 부분 자동 위치설정을 위해 제어기에 링크된다. 추가로 후술하는 바와 같이, 이 경우 2개의 회전(이중 화살표 D 및 E)이 제어되고, 제3 회전(이중 화살표 F)은 자유롭다.

본질적으로 공지된 방식으로, 이 예시적인 실시예에서의 커플러(26')는 일단 연결되면 타겟 파이프(35) 둘레에 커플러(26')를 유지하도록 매우 개략적으로 도시된 작동기(30)에 의해 로킹되는 로킹 클램프(31)를 갖는다.

여기에서 사용된 조립체는 스위블 커넥터 또는 조인트와 엘보로 형성되며, 특히 한편으로는 2개의 단부가 각각 엘보에 용접되는 스위블 커넥터 또는 조인트를 포함하는 유형으로 그리고 다른 한편으로는 제1 스위블 커넥터, 후속 엘보, 상기 제1 커넥터와 90° 각도를 형성하는 후속 제2 스위블 커넥터 및 후속 엘보의 조합을 포함하는 유형이다. 다른 조립체(도 1의 이중 화살표 D, E, F를 따른 회전을 허용할 수 있는 것 같은)는 엘보로 제2 조립체에 결합된 제3 커넥터가 추가된 제2 조립체에 해당한다. 이 경우 이 조립체의 스위블 조인트는 모두 극저온식이다.

앞서 설명한 그리고 내부(24) 및 외부(25) 파이프를 서로 연결, 내부 파이프(24)를 베이스(21)에 연결 및 커플링 조립체(26)를 외부 파이프(25)에 연결하기 위해 사용되는 90° 파이프 엘보 섹션들도 이들 유형의 조립체이다.

관절식 관형 섹션(24, 25)은 일반적으로 균형 팬토그래프 유형의 메커니즘과 연관될 수도 있고 그렇지 않을 수도 있는 평형추 균형 시스템(여기에 도시되지 않음)과 연관된다.

커플링 조립체가 구비된 전달 라인의 단부에는 ERS(Emergency Release System) 및 QCDC(Quick Connect/Disconnect Coupler)가 제공될 수 있다.

이제 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명에 따른 제어 장치가 구비된 이러한 아암의 동작을 더 상세히 설명할 것이다.

도 1 및 도 2에 개략적으로 도시된 본 발명에서, 내부 파이프 및 외부 파이프를 직접 또는 트랜스미션을 통해 구동하고 수직축을 중심으로 회전을 발생시키기 위해 로딩 아암(이중 화살표 A, B, C로 표시됨)의 3개의 관절부 각각에 작동기(27, 28, 29)가 제공된다. 보다 정확하게는, 이 경우 베이스(21)의 상단 단부와 파이프 엘보(23) 사이에 제1 작동기(27)가 베이스에 대하여 수평으로 파이프 엘보를 피봇시키도록 제공되고, 내부 파이프(24)와 파이프 엘보(23)의 단부 사이에 내부 파이프를 수직으로 피봇시키기 위해 제2 작동기(28)가 제공되고, 내부 파이프(24)와 외부 파이프(25) 사이에 외부 파이프를 수직으로 피봇시키기 위해 제3 작동기(29)가 제공된다.

이 경우에 3개의 작동기(27, 28, 29) 및 이중 화살표(D, E, F) 둘레에서 조립체(26)의 스위블 조인트를 구동하는 작동기들은 도 1에 매우 개략적으로 도시된 유압 잭이다. 도시되지 않은 변형예에서, 하나 이상의 유압 잭은 모터, 잭 또는 임의의 다른 유형의 작동기와 같은 다른 유형의 유압, 공압 또는 전기 작동기로 대체된다.

이 경우 선박(36) 상에 제공된 타겟 파이프(35)는 본 예시적인 실시예에서 GPS와 연관된 관성 유닛인 측정 수단을 포함하는 하우징(34)을 구비한다.

이는 이 경우 GPS와 연관된 다른 관성 유닛을 포함하는 하우징(33)을 갖는 베이스(21)(로딩 아암의 지지부)에 대해서도 마찬가지이다.

제어 장치의 계산 수단은 전기 제어 박스(40)에 배치된 제어기(41)에 통합된다.

보다 정확하게는 제어기는 PLC(Programmable Logic Controller)이다.

이는 미리 프로그래밍된 알고리즘을 사용하여 측정 수단으로부터 수신된 신호를 처리하도록 구성된다. 변형예에서, 이는 산업용 컴퓨터 유형의 데이터 취득 및 계산 유닛, 보다 일반적으로는 데이터 취득 및 계산 장치일 수 있다.

유압 동력 유닛(42)은 그 동작에 필요한 유압 에너지를 작동기에 공급하기 위해 제공된다. 제어기(41)에 의해 제어된다. 물론, 이는 관련 작동기가 유압식인 경우에만 적용될 수 있다.

관성 유닛과 GPS로 형성된 각각의 조립체에는 측정 정보를 포함하는 신호를 송신하는 무선 송신 장치(33A, 34A)가 각각 제공된다.

변형예에서, 유닛(33)은 제어기(41)에 직접 배선연결될 수 있다.

제어기(41)는 각각의 선박의 하우징(33 및 34)에 각각 연결된 무선 송신 장치(33A 및 34A)와 통신하도록 구성된 무선 수신기인 수신 장치(40A)에 연결된다.

이 경우 제어 장치는 또한 조작자를 위한 명령 인터페이스(60)를 포함한다.

이 경우, 관성 유닛과 GPS의 조합으로 형성된 측정 시스템은 따라서 실시간으로 각 선박의 배향(요, 피치 및 롤) 및 이동(상하동요(heave), 좌우동요(sway) 및 전후동요(surge))을 제공한다. 달리 말하면, 이 관성 유닛과 GPS를 통해 모든 6 자유도에서 양 선박의 이동을 동시에 모니터링할 수 있다.

대안 실시예에서, 관성 유닛 및 GPS는, 예를 들어, 레이저 트래커, 카메라, 또는 타겟 파이프에 대한 커플러의 상대 위치 그리고 필요하다면, (이 예에서와 같이 부유 구조의 경우) 다른 것에 대한 하나의 상대 배향을 결정하기 위한 임의의 다른 측정 수단으로 대체될 수 있다(사용될 수 있는 수단에 대해서는 앞서 설명한 바를 또한 참조한다). 또한 관성 유닛 또는 GPS와 같은 측정 수단에는 절대 위치 모니터링에서 상대 모니터링으로 전환하기 위한 추가 수단이 구비될 수 있다는 것을 유의하여야 한다. 이는 예를 들어 이동 베이스 GPS일 수 있다.

로딩 아암 자체에는 구조 및/또는 작동기에 배치된 센서가 구비되어 있어 언제든지 그 구성을 결정할 수 있게 한다. 이 경우, 센서는 경사계(38)이지만, 이들은 또한 변형예에서는 인코더 또는 다른 등가의 측정 수단일 수도 있다.

아암에 설치된 센서(인코더, 경사계 또는 기타 센서)로부터의 정보에 기초한 기하학적 계산을 사용하고 아래에 설명된 교정의 결과로 로딩 아암의 실제 치수를 알고 있으면 이 경우 아암의 지지부에 대한 커플러(26')의 이론적 위치를 계산하는 것이 비교적 간단하다. 따라서, 아암의 구성의 측정치와 선박의 배향 및 이동의 측정치를 조합함으로써, 타겟 파이프(35)에 대한 커플러(26')의 상대 위치는 제어기(데카르트 좌표로)에 의해 결정된다.

실제로, 앞서 설명한 측정을 통해, 베이스에 대한 타겟 파이프(35)의 상대 위치, 그 동일한 베이스에 대한 커플러(26')의 상대 위치, 및 결과적으로 타겟 파이프(35)에 관한 커플러(26')의 상대 위치를 알게 된다.

이 경우의 커플링 조립체는 또한 인코더 및 경사계와 같은 측정 수단을 구비하고 있으며, 여기서, 또한 타겟 파이프에 대한 커플러(26')의 상대 배향을 알게 된다(그 배향은 하우징(34)의 관성 유닛에 의해 결정된다). 보다 정확하게는, 이 경우에 측정되는 것은 이중 화살표 D 및 E 주위의 회전을 가능하게 하는 스위블 조인트의 각도 위치이다.

아래에서 상세히 설명되는 바와 같이, 커플러의 레벨에 있는 카메라 및 파이프의 레벨에 있는 타겟이 사용되는 유일한 측정 수단 일 때, 관성 유닛과 GPS의 조합을 사용하는 본 실시예와는 달리, 상대 위치는 직접적으로 측정된다.

칼만(Kalman) 필터 또는 신경망 유형의 데이터 병합 알고리즘 덕분에 측정 수단(예를 들어, 관성 유닛 및 GPS)의 조합을 사용하여 정밀도 그리고 결과적으로 안전성이 증가된다. 이는 또한 신뢰성을 증가시키는 것을 가능하게 한다.

본 발명에 따르면, 제어기(41)의 명령 프로그램은 특히 "평활도"를 특징으로 하는 특수한 궤적을 따라 로딩 아암을 안내하도록 사용된다. 이 경우, 이는 저크-제한 궤적(가속도로부터 유도됨)이며, 통상적인 궤적과 비교하여 저주파수 성분을 갖는 특성을 가지고, 따라서 로딩 아암 및 특히 커플링 조립체의 스위블 조인트에서 보다 적은 발진을 유도한다.

또한, 이 궤적은 진동의 여기를 피하기 위해 로딩 아암의 진동 주파수를 고려하여 계산될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 이 궤적은 그 동적 생성을 특징으로 한다. 이들은 실제로 환경(특히 타겟 파이프의 이동)에 적응하기 위해 실시간으로 생성될 수 있어야 한다.

달리 말하면, 궤적 생성 제어기는 진동을 생성할 수 있는 가속도의 임의의 불연속성을 유발하지 않는 궤적을 생성하기 위해 로딩 아암의 현재 속도 및 가속도를 고려하도록 구성된다.

실제로, 해양 환경에서 로딩 아암을 구동하기 위해서는 특수한 궤적이 필요하다. "동적"(또는 "온라인")은 궤적 계획 알고리즘이 0이 아닌 초기 상태를 허용함을 의미한다. 달리 말하면, 동적 궤적 계획은 로딩 아암이 시스템이 정지될 필요 없이 따르고 있는 궤적을 업데이트할 수 있게 한다. 매니폴드의 미래의 운동이 알려지지 않기 때문에, 따라서, 커플러의 궤적이 지속적으로 업데이트되어야 하므로 동적 궤적 계획이 필요하다.

로딩 아암은 그 작동 시스템 또는 외부 교란 하에서 매우 쉽게 발진하는 특히 유연한 구조를 가지고 있다. 이러한 발진은 중요한 정확도 손실을 초래하므로 시스템이 동작하지 못하게 한다. 이러한 이유로 로딩 아암을 구동하는 데 사용되는 궤적 계획 알고리즘은 로딩 아암의 구조에 유도된 진동을 제한하기 위해 저크-제한 궤적을 생성해야 한다.

이와 함께, 로딩 아암을 구동하기 위한 적절한 궤적은 동적이고 또한 저크-제한적이어야 한다. 과학 문헌은 이러한 동적 저크-제한 궤적을 계산하는 다양한 접근법을 제안한다[1, 2]. 그러나, 후자의 방법이 선호되며, 여기서는 [3]에 제시된 방법이 선호된다. 실제로 [3]은 추가적 감쇠 특성을 포함하는 동적 저크-제한 궤적을 생성하는 방법을 제안하며, 이는 시스템의 진동을 크게 감소시킬 수 있게 한다.

참고 문헌:

[1] HASCHKE, Robert, WEITNAUER, Erik, et RITTER, Helge. On-line planning of time-optimal, jerk-limited trajectories. In: Intelligent Robots and Systems, 2008. IROS 2008. IEEE/RSJ International Conference on. IEEE, 2008. p. 3248-3253.

[2] KROGER, Torsten, TOMICZEK, Adam, et WAHL, Friedrich M. Towards on-line trajectory computation. In: Intelligent Robots and Systems, 2006 IEEE/RSJ International Conference on. IEEE, 2006. p. 736-741.

[3] BESSET, Pierre, BEAREE, Richard, et GIBARU, Olivier. FIR filter-based online jerk-controlled trajectory generation. In: Industrial Technology (ICIT), 2016 IEEE International Conference on. IEEE, 2016. p. 84-89.

마찬가지로 유리하게는, 스위블 조인트의 궤적은 (즉, 커플러의 궤적이 아암의 다양한 작동기에 주입되도록 분할될 때) 커플러의 "매끄러운" 이동을 위해 동일한 기간을 갖는 것이 바람직하다. 제어기의 명령 프로그램은 또한 그러한 동기화 기능을 통합하도록 파라미터화될 수 있다.

그러므로 선택된 제어기는 실시간으로 동작하기에 충분하게 빨라야 한다.

그러나 위에서 설명한 바와 같이 결정된 커플러 위치에 관해서는 다음 사항에 유의해야 한다.

- 실제 치수는 일반적으로 공칭 치수와 다르다. 따라서 커플러의 위치 추정에 오차가 있음;

- 로딩 아암의 요소는 변형되고, 굴곡 및 비틀림 현상으로 인한 편향이 추가 오차를 유도함;

- 열팽창 또한 작용함; 및

- 회전 축은 이론적으로 동일선상에 있지만 그렇게 정확하지는 않음.

이러한 오차는 누적되어 실제로는 수십 센티미터까지 증가할 수 있다.

따라서, 본 실시예는 교정을 제공하며, 이는 보다 정확한 위치설정을 위해 이 오차를 보상할 수 있게 하는 수학 공식을 발견하는 것으로 구성된 경험적 절차이다.

실제로 이 교정 절차는 아암의 많은 수의 구성에 대해 커플러의 위치를 직접적으로 측정하는 것(예를 들어, 레이저 트래커, 카메라 또는 다른 적절한 측정 수단에 의해)으로 구성된다.

이러한 측정에 기초하여 그리고 비선형 최적화 알고리즘(예를 들어, 레벤버그-마쿼트(Levenberg-Maquardt) 유형)의 도움으로, 오차가 통합된 아암의 모델의 파라미터가 조절된다. 다른 해결책은 이러한 측정에 기초하여 신경망을 훈련시키는 것으로 구성된다.

실제로, 제어기(41)는 교정 중에 결정된 오차를 보상하기 위한 프로그램이 통합되어 있다.

이하에서 더 상세히 설명되는 제어기의 명령 프로그램은 따라서 전술한 이동의 계획 이후 교정으로부터 초래되는 오차를 보상하기 위한 프로그램을 통해 이 로딩 아암의 이동 정밀도를 향상시키기 위해, 로딩 아암의 운동학적 모델을 포함할 수 있다. 변형예에서, 단순화된 모델에서, 이러한 명령 프로그램은 로딩 아암의 이론적인 파라미터만을 고려할 수 있다.

본 발명의 본 실시예의 경우에, 타겟 파이프에 대한 커플러의 상대 위치의 진행을 예측할 수 있게 하는 수단이 또한 제공되어, 정보 스트림 및 아암의 동역학에 링크된 지연을 보상하는 것을 가능하게 한다. 이러한 예측은 아암이 타겟 파이프의 이동에 비교하여 느린 동역학을 가질 때 훨씬 더 중요할 수 있다. 이러한 수단은 자동회귀 통계 모델, 푸리에 분해 분석 또는 바람직하게는 그 성능이 주어지면, 신경망을 구현할 수 있으며 커플러가 따르는 운동 프로파일을 조절하는 데 사용될 수 있다.

실제로, 궤적 계획 알고리즘에서 아암을 보유하는 선박의 예측된 배향 및 이동(아암 이동을 계획할 때 수행된 이동의 측정으로부터)을 사용함으로써, 가능한 관성 효과의 이점을 스위블 조인트에서의 응력 및 아암의 에너지 소비를 감소시키기 위해 이용하는 것이 가능하다.

이 예측 수단은 또한 그에 따라 커플러의 운동 프로파일을 조절하기 위해 그에 적용된 이동 명령(제어)과 관련하여 관절식 로딩 아암의 동적 거동을 예측하도록 구성된다.

실제로, 이들은 앞서 설명한 바와 같이 아암 이동의 실제 측정 및 그 치수 특성에 구체적으로 기초한다.

본 발명의 본 실시예는 또한 제어기에 의해 액티브 진동 감쇠 프로그램을 구현한다. 이러한 프로그램은 외부 교란(바람 등)에 의해 유도된 임의의 진동을 감쇠하거나 심지어 제거하는 데 사용된다.

이 경우, 아암의 작동기는 이러한 진동을 제거하는 데 유리하게 사용된다. 실제로, 제어기는 작동기의 정상 명령 지시에 진동 설정점을 중첩시키도록 파라미터화된다. 이 진동 설정점은 아암에 이미 존재하는 측정된 진동과 동일하고 반대되는 진동을 생성하도록 구성되어 이를 소거한다.

본 실시예에서, 커플링 조립체(26)의 스위블 조인트 및 엘보의 발진은 특히 센서에 의해 측정되어 결과 정보가 그 발진의 액티브 감쇠에 사용될 수 있다. 센서는 인코더, 경사계 또는 임의의 다른 등가의 측정 수단일 수 있다.

조립체의 스위블 조인트가 하나 이상의 작동기에 의해 제어되지 않는 경우, 파이프(25)를 이동시킴으로써 이러한 발진에 대응하는 것이 가능하다.

대안적인 실시예에서, 아암에 이미 존재하는 작동기가 불충분하다면, 예를 들어 압전 요소와 같은 추가적인 작동기가 사용될 수 있다. 이는 예를 들어 파이프(24, 25) 또는 조인트에 배치될 수 있다.

실제로, 진동 신호가 측정된다. 이것을 감쇠시키거나 소거하기 위해, 반대 위상 진동(180°의 위상차)이 발생되어 합계가 0이 된다. 이 위상차는 미분 "감쇠" 항에 대응한다.

진동/발진하는 아암 부분에 따라 하나 이상의 작동기가 올바른 진동을 생성하는 데 사용된다.

유리하게는, 다수의 로딩 아암이 사용되는 경우, 충돌 회피 프로그램이 또한 제어기에 통합되어 다수의 로딩 아암 사이의 또는 로딩 아암의 동작 영역에 위치된 요소와의 충돌을 방지할 수 있다.

또한, 작동기(27, 28, 29)는 제어기(41)에 그 자체가 연결된 제어기(39)에 연결된다는 점에 유의해야 할 것이다. 보다 정확하게는 유동 설정점을 생성하는 PID(비례, 적분, 미분) 교정기이다.

명확성을 위해 작동기를 제어할 수 있게 하는 밸브는 도면에 도시되어 있지 않다.

대안 실시예에서, 작동기로부터 제어기로의 정보의 반환이 또한 그가 그 설정점 위치에 실제로 도달했는지 여부를 나타내기 위해 제공될 수 있다.

또한, 유압 동력 유닛(42)은 그 동작에 필요한 유압 에너지를 작동기에 제공한다는 것에 유의하여야 한다. 또한 유압 유닛의 시동 및 차단을 제어하기 위해 전원 릴레이를 통해 제어기에 의해 제어된다. 유압 유닛은 유압 유체를 펌핑하여 작동기에 급송하는 펌프(도시되지 않음)를 포함한다.

물론, 이는 유압 작동기의 경우에만 적용될 수 있다.

명령 인터페이스(60)는 조작자가 타겟 파이프에 대한 커플러의 커플링을 제어할 수 있게 하기 위해 제어기에 연결된다. 실제로, 본 실시예의 경우와 같이, 자동 연결 절차를 위한 간단한 버튼(61)일 수 있다.

변형예에서, 명령 인터페이스(60) 상의 버튼은 수동 커플링의 목적을 위해 조이스틱으로 대체될 수 있으며, 최적의 궤적은 조작자에 의해 주어진 지시에 기초하여 계산된다.

반자동 연결도 가능하다. 반자동 모드의 궤적은 제어기에 의해 정의되며, 조작자는 단순히 이 궤적을 따라 전후로 이동하도록 지시를 제공한다(실시간으로 재계산됨).

따라서, 실제로, 제어기(41)는 타겟 파이프에 대한 커플러의 상대 위치 및 이 경우에는 또한 그 상대 배향을 실시간으로 모니터링하고, 그후, 최종 결정된 상대 위치 및 배향으로부터 실시간으로, 저크-제한 운동 프로파일에 기초하여 타겟 파이프의 방향으로의 커플러의 이동 궤적을 생성한다. 그런 다음, 이 운동 프로파일 및 앞서 설명한 특정 특성에 기초하여, 아암의 저장 위치로부터 타겟 파이프의 방향으로 커플러의 이동을 제어하기 위해 각 작동기에 제공될 명령 지시를 계산한다.

따라서 도 1에 개략적으로 도시된 축 X, Y 및 Z를 따라 커플러와 타겟 파이프 사이의 나머지 거리를 실시간으로 계산한다.

이 3개의 거리가 0이거나 커플링에 대한 공지된 기준 거리로서 파라미터화된 거리와 같지 않은 경우(예를 들어, 최종 접근법이 제어기 자체에서 처리되지 않는 경우), 제어기는 3개의 축을 따라 타겟 파이프를 향하여 커플러를 이동시키기 위해 그 조합된 이동이 커플러의 이동을 초래하도록 아암의 작동기 각각에 대한 명령 지시를 계산한다. 그런 다음 제어기는 각 작동기에 대해 계산된 명령 지시를 작동기에 적용한다. 또한, 이는 커플러와 타겟 파이프 사이의 나머지 거리를 축 X, Y 및 Z를 따라 실시간으로 계산한다. 이 거리가 여전히 0이거나 파라미터화된 거리와 같지 않은 경우, 제어기는 작동기에 대한 지시를 재계산하고 이들 거리가 0이 되거나 파라미터화된 거리와 같아질 때까지 이들을 적용한다.

3개의 거리가 모두 0이거나 파라미터화된 거리와 같으면, 이는 커플러가 커플링 위치에서 타겟 파이프에 대면함을 의미한다. 또한, 제어기는 특히 완전 자동 연결 절차의 일부로서 커플러를 타겟 파이프에 로킹하도록 커플러의 작동기(30)에 명령 지시를 전송하고, 그후, 커플러가 타겟 파이프 상에 연결 및 로킹되고 나면 아암의 이동을 자유롭게 하도록 아암으로부터 작동기를 해제하도록 지시를 전송할 수 있다.

반대 방향에서, 분리 프로세스(커플러의 그 저장 위치로의 복귀) 동안, 저크-제한 운동 프로파일이 또한 커플링 조립체에서 진동이 발생하는 것을 방지하기 위해 적용되며, 이러한 진동은 특히 커플링 조립체가 복귀 시작시에 타겟 파이프(35)를 보유하는 선박에 대해 충돌하게 할 수 있다. 또한, 궤적은 타겟 파이프(35) 또는 선박의 임의의 다른 요소와의 임의의 충돌 위험을 회피하도록 정의된다.

따라서, 타겟 파이프(35)에 대한 커플러(26')의 상대 위치는 저장 위치로 복귀하는 프로세스의 시작시에 모니터링된다.

환경에 따라 많은 다른 변형예가 가능하며, 따라서 본 발명은 설명된 예시된 예에 제한되지 않는다는 것을 유의해야 한다.

예를 들어, 레이저 트래커의 경우에, 레이저 장치는 레이저 송신기 및 타겟을 포함하고, 장치는 레이저 빔에 의해 타겟 파이프에 대한 커플러의 상대 위치를 결정하도록 구성된다. 다른 실시예에서, 카메라 및 반사 테스트 타겟과 같은 타겟이 이러한 목적으로 사용될 수 있다.

또한, 이 상대 위치를 실시간으로 모니터링하기 위해, 아암의 구성을 결정하지 않고, 타겟 파이프에 대한 커플러의 상대 위치를 결정하기 위해 단지 2개의 관성 유닛 또는 등가의 수단을 사용할 수 있으며, 그런 다음 저크-제한 운동 프로파일에 기초하여 실시간으로 이동 궤적을 생성할 수 있다.

또한, 로딩 아암은 앞서 정의된 밀봉된 조인트에 의해 서로 연결된 2개 이상의 섹션을 갖는 하나 이상의 전달 라인을 포함할 수 있다.

제어기는 보다 일반적으로 컴퓨터로 대체될 수도 있다.

본 발명에 따른 제어 장치는 모든 관절식 로딩 아암에 적용되며, 본 발명에 따른 제어 장치를 임의의 다른 유형의 로딩 시스템에 적응시키는 것은 본 기술 분야의 통상의 숙련자의 능력 내에 있음을 유의해야 한다.

Claims (17)

1. 저장 위치로부터 타겟 파이프(35)로의 그리고 이 타겟 파이프(35)로부터 저장 위치로의, 관절식 유체 로딩 아암의 단부 중 하나의 이동을 제어하는 장치이며, 상기 아암은 이 단부에 커플링 시스템(26)을 구비한 유체 전달 라인을 포함하며, 커플링 시스템은 유체의 전달을 위해 타겟 파이프(35)에 커플링되도록 구성되고, 이 장치는 저장 위치로부터 커플링 시스템(26)이 타겟 파이프에 대한 그 커플링을 위해 타겟 파이프(35)의 전방에 위치될 때까지 그리고 타겟 파이프(35)로부터 저장 위치로의 공간에서의 아암의 이동을 제어하기 위한 작동기(27-29)를 포함하는, 장치에 있어서, 이 장치는 계산 수단(41)을 포함하고, 이 계산 수단은
   - 커플링 시스템(26)의 이동을 실시간으로 모니터링하고,
   - 제한된 저크를 갖고 온라인으로 계획된 운동 프로파일에 기초하여, 커플링 시스템(26)의 최종 결정 위치로부터, 실시간으로, 커플링 시스템(26)의 타겟 파이프(35) 또는 저장 위치의 방향으로의 이동 궤적을 생성하며,
   - 이 운동 프로파일에 기초하여 커플링 시스템(26)의 이동을 제어하기 위해 작동기(27-29) 각각에 제공될 명령 지시를 계산하도록 구성되고,
   계산 수단은 예측 기능을 포함하며, 이 예측 기능은 (ⅰ) 커플링 시스템(26)의 이동의 진행 및/또는 (ⅱ) 그에 적용되는 저크-제한 이동 명령과 관련한 유체 로딩 아암의 거동을 예측하도록 구성되고; 그리고 예측을 고려하도록 운동 프로파일을 조절하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 장치.
2. 제1항에 있어서, 커플링 시스템(26)의 이동의 실시간 모니터링을 위한 단계는 타겟 파이프(35)에 대한 커플링 시스템(26)의 상대 위치의, 이동 중 적어도 일부 동안의, 실시간 모니터링을 수반하며, 궤적은 최종 결정된 상대 위치로부터 생성되는 것을 특징으로 하는, 장치.
3. 제2항에 있어서, 타겟 파이프(35)에 대한 커플링 시스템(26)의 상대 위치의 실시간 모니터링을 위한 단계는 또한 타겟 파이프(35)에 관한 커플링 시스템(26)의 상대 배향의 실시간 모니터링을 수반하며, 궤적은 최종 결정된 상대 위치 및 상대 배향에 기초하여 생성되는 것을 특징으로 하는, 장치.
4. 제1항에 있어서, 타겟 파이프(35)가 부유 구조에 설치되고 로딩 아암이 고정 또는 부유 구조에 설치되는 경우, 계산 수단은 모든 6 자유도에서 동시에 부유 구조 또는 구조들의 절대 또는 상대 이동의 실시간 모니터링을 위해 측정 수단에 링크되는 것을 특징으로 하는, 장치.
5. 제4항에 있어서, 측정 수단은 관성 유닛, GPS, 상대 위치 모니터링을 수행하도록 구성된 GPS, 카메라, 경사계, 가속도계, 전위차계, 음파 탐지기, 레이저 트래커, 타코미터 또는 이의 조합을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 장치.
6. 삭제
7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 계산 수단은 모니터링을 위해 실제 치수, 변형 및/또는 위치 오차를 보상하는 아암의 운동학적 모델을 사용하는 것을 특징으로 하는, 장치.
8. 제7항에 있어서, 아암의 운동학적 모델은 교정 절차 및 이들 오차를 통합한 로딩 아암의 모델의 파라미터의 조절에 의해 얻어지는 것을 특징으로 하는, 장치.
9. 제8항에 있어서, 조절은, 교정 절차에 의해 얻어진 측정치를 사용하여, 신경망을 훈련시키는 것에 의해, 또는 비선형 최적화 알고리즘에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는, 장치.
10. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 계산 수단은 작동기 각각에 의해 유도된 이동이 동시적이고 동일한 기간을 갖도록 작동기(27-29) 각각에 명령 지시를 적용하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 장치.
11. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 계산 수단은 다양한 제어 모드, 즉 자동, 또는 명령 인터페이스를 통해 조작자에 의한 수동, 또는 수동 및 자동 명령을 조합하는 반자동 모드에서, 저크-제한 운동을 유지하기 위한 명령 지시를 적용하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 장치.
12. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 제어 장치는 또한 작동기(27-29)에 적용된 명령 지시에 진동 설정점을 중첩시키도록 구성된 액티브 진동 감쇠 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는, 장치.
13. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 계산 수단은 또한 아암과 주변의 요소 또는 구조 사이의 충돌을 피하도록 궤적을 생성하기 위해 구성되는 것을 특징으로 하는, 장치.
14. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 장치를 위한 데이터 취득 및 계산 장치(41)에 있어서,
    - 커플링 시스템의 이동을 실시간으로 모니터링하고,
    - 제한된 저크를 갖고 온라인으로 계획된 운동 프로파일에 기초하여, 커플링 시스템의 최종 결정 위치로부터, 실시간으로, 커플링 시스템의 타겟 파이프 또는 저장 위치의 방향으로의 이동 궤적을 생성하며,
    - 이 운동 프로파일에 기초하여 커플링 시스템의 이동을 제어하기 위해 각 작동기에 부여될 명령 지시를 계산하도록 구성되고,
    예측 기능을 포함하고, 이 예측 기능은 (ⅰ) 커플링 시스템(26)의 이동의 진행 및/또는 (ⅱ) 그에 적용되는 저크-제한 이동 명령과 관련한 유체 로딩 아암의 거동을 예측하도록 구성되고; 그리고
    예측을 고려하도록 운동 프로파일을 조절하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 데이터 취득 및 계산 장치.
15. 제14항에 따른 데이터 취득 및 계산 장치의 계산 방법에 있어서,
    - 커플링 시스템의 이동을 실시간으로 모니터링하는 단계,
    - 제한된 저크를 갖고 온라인으로 계획된 운동 프로파일에 기초하여, 커플링 시스템의 최종 결정 위치로부터, 실시간으로, 커플링 시스템의 타겟 파이프 또는 저장 위치의 방향으로의 이동 궤적을 생성하는 단계;
    - (i) 커플링 시스템의 이동의 진행 및/또는 (ⅱ) 이에 적용된 이동 명령에 관한 관절식 로딩 아암의 거동을 예측하는 단계, 및 예측을 고려하도록 운동 프로파일을 조절하는 단계; 및
    - 이 운동 프로파일에 기초하여 커플링 시스템의 이동을 제어하기 위해 각 작동기에 부여될 명령 지시를 계산하는 단계로 구성되는 연산 단계들을 포함하는 것을 특징으로 하는, 방법.
16. 삭제
17. 관절식 로딩 아암이며,
    제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 제어 장치와, 타겟 파이프에 커플링되도록 구성된 커플링 시스템을 그 단부들 중 하나에 구비하는 유체 전달 라인을 포함하는, 관절식 로딩 아암.

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