KR101531872B1 - 이동장치의 배토판에 가해지는 외부 모멘트의 산출방법 - Google Patents

이동장치의 배토판에 가해지는 외부 모멘트의 산출방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이동장치의 배토판에 가해지는 외부 모멘트의 산출방법에 관한 것으로서, 특히 배토판의 한쪽에 외력이 작용할 경우, 유압실린더의 압력과 각도를 이용하여 이동장치의 배토판에 가해지는 외부 모멘트를 산출하는 방법에 관한 것이다.
본 발명의 이동장치의 배토판에 가해지는 외부 모멘트의 산출방법은, 전방에 배토판이 구비된 이동장치에서 상기 배토판에 가해지는 외부 모멘트를 산출하는 방법에 있어서, 상기 배토판의 좌측에 연결된 제1유압실린더의 압력과, 우측에 연결된 제2유압실린더의 압력과, 상기 제1유압실린더 및 제2유압실린더가 상기 배토판과 이루는 각도를 이용하여, 상기 배토판에 가해지는 외부 모멘트를 산출하는 것을 특징으로 한다.

Description

이동장치의 배토판에 가해지는 외부 모멘트의 산출방법 { METHOD FOR CALCULATING EXTERNAL MOMENT EXERTED ON BLADE OF VEHICLE }
본 발명은 이동장치의 배토판에 가해지는 외부 모멘트의 산출방법에 관한 것으로서, 특히 배토판의 한쪽에 외력이 작용할 경우, 유압실린더의 압력과 각도를 이용하여 이동장치의 배토판에 가해지는 외부 모멘트를 산출하는 방법에 관한 것이다.
도 1은 배토판이 장착된 일반적인 이동장치의 구조도이고, 도 2는 도 1에 도시된 이동장치의 Y축 및 Z축 방향의 회전운동을 설명하기 위한 설명도이며, 도 3은 도 1에 이동장치의 배토판에 가해지는 외력 및 모멘트를 설명하기 위한 설명도이다.
도 1에 도시된 바와 같이 전방에 배토판이 장착된 불도저 등의 이동장치는 건설현장 등의 작업현장에서 많이 사용되고, 또한 수많은 작업종류를 극복하여야 한다.
상기 이동장치의 배토판은 도 2(a)에 도시된 바와 같이 Y축을 중심으로 상하방향으로 회전운동을 하거나, 도 2(b)에 도시된 바와 같이 Z축을 중심으로 좌우방향으로 회전운동을 한다.
이러한 상기 이동장치가 평탄화 작업을 수행할 경우, 도 3에 도시된 바와 같이 상기 배토판의 한쪽면에만 작업물이 계속 누적되는 현상이 빈번하게 발생한다.
이 경우, 도3에 도시된 바와 같이 상기 배토판에 인가되는 외력의 중심이 이동장치의 중심에서 크게 벗어나 존재함으로서, 이동장치에 모멘트를 인가하게 된다.
이는 이동장치의 직선 주행을 어렵게 만드는 주된 원인으로 작용한다.
기존의 이동장치는 이러한 외부 모멘트에 대한 문제를 해결하기 위한 수단으로 몸체(차체)의 자중을 매우 크게 유지하여 이 문제를 해결 또는 무시할 수 있도록 설계되었다.
그러나 이러한 수단은 공학적, 경제적으로 큰 손실을 야기하게 된다.
상기 이동장치에 작용하는 모멘트는 넓은 작업 범위를 작업하는 작업자(이동장치의 운전자)의 피로도를 만성적으로 가중시킬 뿐만 아니라, 작업의 진행 속도를 저하시키는 문제도 야기하며, 또한 작업의 품질 또한 저하시키는 원인으로 작용한다.
아울러 건설장비의 자동화에 있어서 자율주행을 목적으로 하는 시스템(로봇, 장비)의 현장 적용을 어렵게 만드는 주된 원인으로도 작용한다.
대한민국 공개실용신안공보 제20-2000-0015023호
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로써, 이동장치의 배토판에 가해지는 외력에 의한 모멘트를 산출하여 이동장치의 주행기술 및 작업속도 등을 향상시킬 수 있도록 할 수 있는 이동장치의 배토판에 가해지는 외부 모멘트의 산출방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 이동장치의 배토판에 가해지는 외부 모멘트의 산출방법은, 전방에 배토판이 구비된 이동장치에서 상기 배토판에 가해지는 외부 모멘트를 산출하는 방법에 있어서, 상기 배토판의 좌측에 연결된 제1유압실린더의 압력과, 우측에 연결된 제2유압실린더의 압력과, 상기 제1유압실린더 및 제2유압실린더가 상기 배토판과 이루는 각도를 이용하여, 상기 배토판에 가해지는 외부 모멘트를 산출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 산출방법은 보다 구체적으로,
상기 배토판의 좌측에 연결된 제1유압실린더와 우측에 연결된 제2유압실린더의 압력을 각각 측정하는 압력측정단계와; 상기 압력측정단계에서 측정된 압력을 이용하여 상기 제1유압실린더의 로드 및 상기 제2유압실린더의 로드에 가해지는 제1힘과 제2힘을 산출하는 힘산출단계와; 상기 힘산출단계에서 산출된 제1힘 및 제2힘과, 상기 제1유압실린더 및 제2유압실린더가 각각 상기 배토판과 이루는 각도를 이용하여, 상기 배토판에 가해지는 외력을 산출하는 외력산출단계와; 상기 외력과 상기 배토판 중심 사이의 거리인 외력위치를 산출하는 외력위치산출단계와; 상기 외력과 상기 외력위치를 이용하여 상기 배토판에 가해지는 외부 모멘트를 산출하는 외부모멘트산출단계를 포함하여 이루어진다.
상기 압력측정단계에서는, 상기 로드에 연결된 피스톤을 중심으로 양측에 압력센서를 각각 장착하여, 상기 제1유압실린더의 피스톤 양측의 압력과 상기 제2유압실린더의 피스톤 양측의 압력을 각각 측정한다.
상기 힘산출단계에서는 아래의 수식1을 이용하여 상기 제1유압실린더의 로드 및 상기 제2유압실린더의 로드에 가해지는 제1힘과 제2힘을 산출한다.
(수식1)
Figure 112013091440758-pat00001
여기에서, F : 로드에 가해지는 제1힘 또는 제2힘, P1 : 로드가 없는 유압실린더 내부의 압력, P2 : 로드가 있는 유압실린더 내부의 압력, A : 로드가 없는 피스톤의 단면적, Arod : 로드의 단면적임.
상기 외력산출단계에서는, 상기 제1힘과 제2힘의 X축 및 Y축 성분을 계산한 후, 힘 평형의 원리로부터 산출한다.
상기 외력위치산출단계에서는, 상기 외력, 제1힘 및 제2힘을 이용하여, 모멘트 평형의 원리로부터 상기 배토판에 가해지는 외력의 위치를 산출한다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 이동장치의 배토판에 가해지는 외부 모멘트의 산출방법에 따르면, 배토판의 한쪽에 외력이 작용할 경우, 이동장치의 배토판에 가해지는 외력에 의한 모멘트를 산출하여 이동장치의 주행기술 및 작업속도 등을 향상시킬 수 있는 자료로 활용될 수 있다.
도 1은 배토판이 장착된 일반적인 이동장치의 구조도,
도 2는 도 1에 도시된 이동장치의 Y축 및 Z축 방향의 회전운동을 설명하기 위한 설명도,
도 3은 도 1에 이동장치의 배토판에 가해지는 외력 및 모멘트를 설명하기 위한 설명도,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 유압실린더에 압력센서가 장착된 구조의 구성도,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 유압실린더의 로드의 양단면의 단면을 설명하기 위한 설명도,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 배토판에 작용하는 외력을 설명하기 위한 프리바디 다이아그램(free body diagram).
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 유압실린더에 압력센서가 장착된 구조의 구성도이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 유압실린더의 로드의 양단면의 단면을 설명하기 위한 설명도이며, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 배토판에 작용하는 외력을 설명하기 위한 프리바디 다이아그램(free body diagram)이다.
본 발명은 전방에 배토판이 구비된 이동장치(불도저, 굴삭기 등)에서 상기 배토판에 가해지는 외부 모멘트를 산출하는 방법에 관한 것으로써, 배토판에 연결된 유압실린더의 압력과 각도를 이용한다.
본 발명의 이동장치의 본체 전방에는 도 1 내지 도 3에 도시된 종래의 구조와 동일하게, 상기 배토판(10)이 배치되고, 상기 배토판(10)의 좌측에는 제1유압실린더(21)가 연결되고, 우측에는 제2유압실린더(22)가 연결되어 있다.
이러한 구조는 종래의 구조와 동일한바, 자세한 설명은 생략한다.
보다 구체적으로 본 발명은, 입력측정단계와, 힘산출단계와, 외력산출단계와, 외력위치산출단계와, 외부모멘트산출단계 등을 포함하여 이루어진다.
상기 입력측정단계에서는 상기 배토판(10)의 좌측에 연결된 상기 제1유압실린더(21)의 압력과, 우측에 연결된 상기 제2유압실린더(22)의 압력을 각각 측정한다.
상기 제1유압실린더(21) 및 제2유압실린더(22)로 구성된 유압실린더(20)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 중공형상의 하우징(23)과, 상기 하우징(23)의 내부에 배치된 피스톤(24)과, 상기 피스톤(24)의 일단에 연결되어 상기 피스톤(24)을 이동시키는 로드(25)로 이루어진다.
그리고, 상기 유압실린더(20) 내부의 압력을 측정하기 위해, 상기 로드(25)에 연결된 피스톤(24)을 중심으로 양측에 압력센서(29)를 각각 배치되어, 상기 유압실린더(20)의 피스톤(24)을 중심으로 양측의 압력을 각각 측정한다.
보다 구체적으로, 상기 압력센서(29)는 도 4(a)에 도시된 바와 같이 상기 피스톤(24)을 중심으로 상기 하우징(23)의 양측(A-port, B-port)에 장착될 수도 있고, 도 4(b)에 도시된 바와 같이 상기 피스톤(24)을 중심으로 유압공급라인(26) 및 유압배출라인(27)에 장착될 수도 있다.
이러한 상기 압력센서(29)에 의해 상기 유압실린더(20)에서 상기 로드(25)가 없는 쪽(A-port)의 압력과, 상기 로드(25)가 있는 쪽(B-port)의 압력을 각각 측정할 수 있게 된다.
이때, 상기 유압실린더(20)는 상기 제1유압실린더(21)와 제2유압실린더(22)로 이루어져 있는바, 상기 압력센서(29)는 총 4개로 이루어져, 상기 제1유압실린더(21)의 양측의 압력을 측정하고, 상기 제2유압실린더(22)의 양측의 압력을 측정한다.
상기 힘산출단계는 상기 압력측정단계에서 측정된 압력을 이용하여 상기 제1유압실린더(21)의 로드(25) 및 상기 제2유압실린더(22)의 로드(25)에 가해지는 제1힘(F1)과 제2힘(F2)을 산출하는 단계이다.
보다 구체적으로 살펴보면, 상기 힘산출단계에서는 아래의 수식1을 이용하여 상기 제1유압실린더(21)의 로드(25) 및 상기 제2유압실린더(22)의 로드(25)에 가해지는 제1힘과 제2힘을 산출한다.
(수식1)
Figure 112013091440758-pat00002
여기에서, F는 로드(25)에 가해지는 제1힘 또는 제2힘이고, P1은 상기 압력센서(29)에 의해 측정된 로드(25)가 없는 쪽(A-port)의 유압실린더(20) 내부의 압력이며, P2는 상기 압력센서(29)에 의해 측정된 로드(25)가 있는 쪽(B-port)의 유압실린더(20) 내부의 압력이며, A는 로드(25)가 없는 피스톤(24)의 단면적이고, Arod는 로드(25)의 단면적이다.
도 5에는 로드(25)에 연결된 피스톤(24) 및 단면적 'A'와 'Arod'를 도시하여 설명하고 있다.
위와 같은 수식1에 의해 제1힘 'F1'과 제2힘 'F2'를 각각 산출할 수 있게 된다.
상기 외력산출단계는, 상기 힘산출단계에서 산출된 제1힘 및 제2힘과, 상기 제1유압실린더(21) 및 제2유압실린더(22)가 각각 상기 배토판(10)과 이루는 각도(θ)를 이용하여, 상기 배토판(10)에 가해지는 외력을 산출하는 단계이다.
보다 구체적으로, 상기 외력산출단계에서는, 상기 제1힘과 제2힘의 X축 및 Y축 성분을 계산한 후, 힘 평형의 원리로부터 산출한다.
도 6에 도시된 도면을 기초로 제1힘(F1)과 제2힘(F2)의 X축 및 Y축 성분을 계산하면, 아래와 같다.
Figure 112013091440758-pat00003
Figure 112013091440758-pat00004
Figure 112013091440758-pat00005
Figure 112013091440758-pat00006
이러한 제1힘(F1)과 제2힘(F2)의 X축 및 Y축 성분을 계산한 후, 힘 평형의 원리를 적용하면,
Figure 112013091440758-pat00007
이 된다.
이때, Fy1과 Fy2는 서로 상쇄되어 '0'이 된다.
위 식을 정리하면,
Figure 112013091440758-pat00008
가 된다.
따라서, 상기 배토판(10)에 가해진 외력 'F'를 산출할 수 있게 된다.
상기 외력위치산출단계는, 상기 외력(F)과 상기 배토판(10) 중심 사이의 거리(a)인 외력위치를 산출하는 단계이다.
상기 외력위치산출단계는 상기 외력(F), 제1힘(F1) 및 제2힘(F2)을 이용하여, 모멘트 평형의 원리로부터 상기 배토판(10)에 가해지는 외력의 위치를 산출한다.
도 6에 도시된 도면을 기초로 모멘트 평형의 원리를 적용한 식은 아래와 같다.
Figure 112013091440758-pat00009
이때 'b'는 제1유압실린더(21)의 힌지점 또는 상기 제2유압실린더(22)의 힌지점으로부터 배토판(10) 중심까지의 거리이다.
위 식으로부터 외력과 배토판(10) 중심 사이의 거리인 'a'를 아래와 같이 산출할 수 있다.
Figure 112013091440758-pat00010
상기 외부모멘트산출단계는 상기 외력산출단계에서 산출된 상기 외력(F)과, 상기 외력위치산출단계에서 산출된 상기 외력위치(a)를 이용하여, 상기 배토판(10)에 가해지는 외부 모멘트를 산출하는 단계이다.
즉, 상기 배토판(10)에 가해지는 모멘트(M)는,
Figure 112014118199929-pat00019
이 된다.
위와 같이 본 발명은 도 3에 도시된 바와 같이 배토판(10)의 한쪽에 외력이 작용할 경우, 상기 배토판(10)에 가해지는 외부 모멘트를 산출함으로써, 이동장치의 기구적인 구조변경이 없이도, 모멘트를 활용하여 이동장치의 주행기술 및 작업속도를 향상시킬 수 있으며, 특히 무인 장비에서 매우 유용하게 활용될 수 있다.
본 발명인 이동장치의 배토판에 가해지는 외부 모멘트의 산출방법은 전술한 실시예에 국한하지 않고, 본 발명의 기술 사상이 허용되는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수 있다.
10 : 배토판, 20 : 유압실린더, 21 : 제1유압실린더, 22 : 제2유압실린더, 23 : 하우징, 24 : 피스톤, 25 : 로드, 26 : 유압공급라인, 27 : 유압배출라인, 29 : 압력센서,

Claims (6)

  1. 전방에 배토판이 구비된 이동장치에서 상기 배토판에 가해지는 외부 모멘트를 산출하는 방법에 있어서,
    상기 배토판의 좌측 및 우측에 연결된 제1유압실린더 내부의 압력 및 제2유압실린더 내부의 압력을 측정하고, 상기 측정한 압력을 이용하여 상기 제1유압실린더의 로드 및 제2유압실린더의 로드에 가해지는 제1힘 및 제2힘을 산출하고, 상기 산출한 제1힘 및 제2힘과 상기 제1유압실린더 및 제2유압실린더가 상기 배토판과 이루는 각도를 이용하여 상기 배토판에 가해지는 외력 및 상기 외력이 가해지는 위치를 산출하고, 상기 산출한 외력 및 외력이 가해지는 위치를 이용하여 상기 배토판에 가해지는 외부 모멘트를 산출하는 것
    을 특징으로 하는 이동장치의 배토판에 가해지는 외부 모멘트의 산출방법.
  2. 청구항1에 있어서,
    상기 배토판의 좌측에 연결된 제1유압실린더와 우측에 연결된 제2유압실린더의 피스톤을 중심으로 상기 제1 및 제2 유압 실린더의 내부의 양측 압력을 각각 측정하는 압력측정단계와;
    상기 압력측정단계에서 각각 측정된 압력과, 상기 로드의 단면적 및 상기 피스톤의 단면적을 연산하여, 상기 제1유압실린더의 로드 및 상기 제2유압실린더의 로드에 가해지는 제1힘과 제2힘을 산출하는 힘산출단계와;
    상기 힘산출단계에서 산출된 제1힘 및 제2힘과, 상기 제1유압실린더 및 제2유압실린더가 각각 상기 배토판과 이루는 각도를 이용하여, 상기 배토판에 가해지는 외력을 산출하는 외력산출단계와;
    상기 외력과 상기 배토판 중심 사이의 거리인 외력위치를 산출하는 외력위치산출단계와;
    상기 외력과 상기 외력위치를 이용하여 상기 배토판에 가해지는 외부 모멘트를 산출하는 외부모멘트산출단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 이동장치의 배토판에 가해지는 외부 모멘트의 산출방법.
  3. 청구항2에 있어서,
    상기 압력측정단계에서는,
    상기 로드에 연결된 피스톤을 중심으로 양측에 압력센서를 각각 장착하여, 상기 제1유압실린더의 피스톤 양측의 압력과 상기 제2유압실린더의 피스톤 양측의 압력을 각각 측정하는 것을 특징으로 하는 이동장치의 배토판에 가해지는 외부 모멘트의 산출방법.
  4. 청구항2 또는 청구항3에 있어서,
    상기 힘산출단계에서는 아래의 수식1을 이용하여 상기 제1유압실린더의 로드 및 상기 제2유압실린더의 로드에 가해지는 제1힘과 제2힘을 산출하는 것을 특징으로 하는 이동장치의 배토판에 가해지는 외부 모멘트의 산출방법.
    (수식1)
    Figure 112013091440758-pat00012

    여기에서, F : 로드에 가해지는 제1힘 또는 제2힘, P1 : 로드가 없는 유압실린더 내부의 압력, P2 : 로드가 있는 유압실린더 내부의 압력, A : 로드가 없는 피스톤의 단면적, Arod : 로드의 단면적임.
  5. 청구항2에 있어서,
    상기 외력산출단계에서는,
    상기 제1힘과 제2힘의 X축 및 Y축 성분을 계산한 후, 힘 평형의 원리로부터 산출하는 것을 특징으로 하는 이동장치의 배토판에 가해지는 외부 모멘트의 산출방법.
  6. 청구항2에 있어서,
    상기 외력위치산출단계에서는,
    상기 외력, 제1힘 및 제2힘을 이용하여, 모멘트 평형의 원리로부터 상기 배토판에 가해지는 외력의 위치를 산출하는 것을 특징으로 하는 이동장치의 배토판에 가해지는 외부 모멘트의 산출방법.
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