本发明涉及一种具位置补偿功能的斜向抛石落管机构及其运作方法，尤其涉及一种具有补偿载具的横摇(rolling)、纵摇(pitching)与举升(heaving)等自由度，且中空管末端出口位置在载具受风浪影响下还可持续保持在一定范围内运作的具位置补偿功能的斜向抛石落管机构及其运作方法。
背景技术：
对于需在海上作业的设施而言，通常必须先在海床的部分做好如打桩或是固定、定位支架等额外加工，才得以施行后续的水下以及水面工程。近年来，这些作业工程主要以造桥、海上作业平台以及离岸风电机的架设为主。
其中，在固定海床基座的部分，使用抛石船进行抛石，让石头堆叠于海床上用以支撑部分结构已经是相当普遍的想法与技术。传统的抛石方法多半分为软管和硬管两种技术。在较深的海域通常以软管执行，而普通深度的海域则以硬管为之。
然而，抛石这一动作影响到的将会是基座的稳定度。传统抛石系统具有无法定位的效果，仅能将石头抛置大概的位置。此外，抛石船也容易受到海流、海浪以及风的影响，使抛石作业不精准。导致抛石船浪费石料等其他原料，除增加额外的出勤次数外，更加费时且耗费成本。
技术实现要素：
基于现有技术所存在的问题，本发明提供了一种具位置补偿功能的斜向抛石落管机构及其运作方法，包括一中空管、一滑动模组、一摆管模组以及一摆动控制模组。
中空管设有至少一第一锯齿，滑动模组与中空管连接，摆管模组与中空管连接，而摆动控制模组与滑动模组连接。摆动控制模组控制中空管之摆动，滑动模组控制中空管的滑动。
本发明的一个实施例为，一种具位置补偿功能的斜向抛石落管机构的运作方法。首先执行步骤(a)，一滑动模组将一中空管升高至中空管的重心点，使中空管垂直于一载具的甲板平面；接着执行步骤(b)，一摆动控制模组转动滑动模组，使滑动模组及中空管与载具的甲板平面平行；最后执行步骤(c)，摆动控制模组举升滑动模组及中空管至载具的甲板平面上。
此外，本发明的另一实施例为，一种具位置补偿功能的斜向抛石落管机构的运作方法。首先执行步骤(甲)，一载具产生一角度的偏移，接着执行步骤(乙)，一摆动控制模组根据该角度产生一即时反向角度讯号，最后执行步骤(丙)，摆动控制模组依照即时反向角度讯号实时调整一滑动模组、一中空管、一摆管模组或其组合，使具位置补偿功能的斜向抛石落管机构维持在原本的位置。
以上对本发明的简述，目的在于对本发明的数种面向和技术特征作一基本说明。发明简述并非对本发明的详细表述，因此其目的不在特别列举本发明的关键性或重要组件，也不是用来界定本发明的范围，仅为以简明的方式呈现本发明的数种概念而已。
附图说明
图1(a)系本发明实施例之结构示意图。
图1(b)系本发明实施例之伸缩运动示意图。
图1(c)系本发明实施例之摇摆运动示意图。
图2(a)系本发明实施例摆动控制模组的结构示意图。
图2(b)系本发明实施例摆动控制模块的立体结构示意图。
图3系本发明实施例滑动模组的结构示意图。
图4(a)～图4(h)系本发明实施例收合方式的详细结构变化示意图。
图5系本发明实施例收合方式的简易示意图。
图6系本发明实施例摆管模组的运动示意图。
图7系本发明一运作方法实施例的流程图。
图8系本发明另一运作方法实施例的流程图。
附图标记：
b：载具；
a1～a11：箭头；
(a)～(c)：步骤；
(甲)～(丙)：步骤；
100：中空管；101：第一锯齿；
200：滑动模组；201：固定架；202：转动齿轮；203：第二锯齿；204：固定致动器；
300：摆管模组；301：伸缩致动器；302：摇摆致动器；303：抛头；304：摇摆枢纽；305：主摆管；
400：摆动控制模组；401：基座；402：控制台；403：滑轨；404：卡榫滑块；405：转动架；406：第一动力源；407：第二动力源；408：枢纽支架；409：控制致动器。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以下将结合附图对本发明实施例的具位置补偿功能的斜向抛石落管机构及其运作方法做详细说明。
本实施例所称的载具b一般可以是非固定的海上舰艇、船舶等，更进一步来说可以是抛石船。当然，载具b亦可以是固定海上作业场所，如海上作业平台等，仅为说明需要而举例，本发明并不加以限制。
而本实施方式中的载具b载具将以抛石船为例并据以说明。且本实施方式将以载具b船艏方向作为前方，船尾方向作为后方的连线作为中心线，并以此基准在360°的三维空间下做出描述。本领域技术人员应可知该中心线被包含在载具b的甲板平面上；而以下提及之「上」或「下」的方向，是指以甲板平面作为分界，并与中心线垂直的移偏量；而左右钟摆摇晃则是指载具b以中心线为基准，使载具b以其左舷或右舷产生的倾斜运动。
此外，本实施例所称的固定致动器204、伸缩致动器301、摇摆致动器302以及控制致动器409均以液压缸的方式呈现与实施，其原因在于本实施例为重量较大的大型机具，需透过液压的力量达到特定的运动功效。然而实际上本发明并不限制仅能以液压缸的方式实现，仅要得以让本发明达到相同运动功效者，应皆属于本发明的范围之内。
首先，请参照图1(a)，图1(a)系本发明实施例之结构示意图。本实施例中，该具位置补偿功能的斜向抛石落管机构包含中空管100、滑动模组200、摆管模组300以及摆动控制模组400。
其中，中空管100上设有至少一第一锯齿101，本实施例的第一锯齿101分设于中空管100的两侧，然而实际上可设置于中空管100更多侧部位，仅需依照滑动模组200的机构设置调整，本发明不加以限制。
而滑动模组200与中空管100连接，本实施例中，中空管100是透过第一锯齿101被套合于滑动模组200之中。而摆管模组300与中空管100连接，摆动控制模组400则与滑动模组200连接。本实施例中，所述摆动控制模组400控制中空管100的摆动(可先参照图1(c)或图5)，滑动模组200则用来控制中空管100的滑动(可先参照图1(b)及图3)。
接着请参照图1(b)，图1(b)是本发明实施例的伸缩运动示意图。其中，箭头a1指示的运动方向为中空管100可因滑动模组200操作而伸缩运动的方向。中空管100的伸缩运动自由度取决于第一锯齿101分布的长度而决定。此外，本实施例的中空管100的顶部设有一个喇叭(或漏斗)状的开口，除了可增加装载(loading)石头时的方便性之外，亦可作为止挡中空管100滑出滑动模组200的机构。
请同时参照图3，图3是本发明实施例滑动模组的结构示意图。如图3所示，图3中解释了为何本实施例的中空管100可于滑动模块200中运动的原理。本实施例的滑动模组200包含固定架201、至少一转动齿轮202、至少一第二锯齿203及至少一固定致动器204。
其中，至少一转动齿轮202与中空管100上的至少一第一锯齿101相应咬合，且至少一第二锯齿203可动地与至少一第一锯齿101咬合。更正确地来说，本实施例的第二锯齿203可与固定致动器204连接，当然固定致动器204亦可替换为线性马达或其他线性移动的机械手段装置，本发明不加以限制。
因此，透过图3的机械结构示意，可得知当中空管100欲沿着箭头a5的方向运动时，必须靠第一锯齿101与转动齿轮202的咬合。转动齿轮202的沿着箭头a4转动方向可以决定第一锯齿101牵动中空管100的运动方向。而转动齿轮202的动力源可以利用伺服马达等可同步控制的自动控制马达，本发明并不加以限制。本实施例中，待转动齿轮202同步将第一锯齿101牵动的中空管100带动到适当位置时，固定致动器204便会沿着箭头a6的直线启动并向前推进第二锯齿203与第一锯齿101咬合，达到固定或放开中空管100位置的功效。
此外，上述提及转动齿轮202可利用伺服马达连接提供转动动力的技术，可利用伺服马达配上自动控制的特点，使滑动模组200可补偿载具b因海浪等因素产生的上下移动。更精确的来说，以本实施例为例，当载具往上移动时，右边转动齿轮202可以逆时钟旋转；左边的转动齿轮202则可以顺时钟旋转，使中空管100的伸缩方向往下，抵消载具b向上的位置偏移，反之亦然。
接着请同时参照图1(c)及图2(a)～2(b)，图1(c)是本发明实施例之摇摆运动示意图；图2(a)是本发明实施例摆动控制模组的结构示意图；图2(b)是本发明实施例摆动控制模组的立体结构示意图。
如图1(c)所示，本实施例可达到让整个中空管100沿着箭头a3方向摇摆的功效。其原因在于摆动控制模组400中控制致动器409沿着箭头a2方向伸缩而达成。如图2(a)及图2(b)所示，本发明实施例的摆动控制模组400包含基座401、控制台402、至少一滑轨403、卡榫滑块404、转动架405、至少一第一动力源406、至少一第二动力源407、枢纽支架408以及枢纽支架409。
其中，控制台402与基座401连接，至少一滑轨403设于基座401上，卡榫滑块404设于至少一滑轨403上，而转动架405，设于基座401上，所述转动架405与卡榫滑块404可滑动地卡合。
至少一第一动力源406以及至少一第二动力源407与转动架405连接，枢纽支架408与转动架405及滑动模组200连接，而至少一控制致动器409同时与枢纽支架405及滑动模组200连接。由图2(a)可看出，枢纽支架408与转动架405和滑动模组200连接时皆透过枢纽的方式连接，以方便滑动模组200的摆动。
同上述提及的位置补偿功效，图1(c)中所载的钟摆方式也可运用相同的原理达成，仅作动的对象改为至少一控制致动器409而已。即当载具本身因波浪或海浪产生如钟摆的左右偏移时，摆动控制模组400有能力将该偏移及时修正，达成精准定位的功效，将中空管100固定于不动的位置。
接着请同时参照图4(a)～图4(h)，图4(a)～图4(h)是本发明实施例收合方式的详细结构变化示意图。图4(a)～图4(h)中揭示了本实施例在另外一个方向的运动方式，并同时揭示了本实施例如何将具位置补偿功能的斜向抛石落管机构收折于载具b上的方式。
首先如，图4(a)所示，当本实施例的中空管100必须朝前后方向摆动、旋转时(即垂直于图1(c)的运动方向)，卡榫滑块404会沿着箭头a7的方向，于至少一滑轨403滑入摆动控制模组400的空腔中。由于本实施例的卡榫滑块404呈现h字型的缘故，因此在未滑入摆动控制模组400的空腔前，所述卡榫滑块404会夹住转动架405，用以限制其转动，并间接限制滑动模块200及中空管100沿载具b中心线的摆动。
因此，当卡榫滑块404完全滑入摆动控制模组400的空腔后，便如图4(b)所示，转动架405可以自由的如图4(c)及图4(d)箭头a8所指的方向旋转。图4(c)中所示的虚线即以载具b甲板平面平行，且与中心线垂直的方式绘示，更精确来说，图4(c)中的虚线是根据转动架405可自旋的中线绘制。而箭头a8所指的方向即以图4(c)中的虚线为轴心等距环绕绘制。
本实施例中，转动架405的转动动力来源是来自第一动力源406。本实施例的第一动力源406为一种与马达连接的内嵌齿轮，可以咬合转动架405中的承轴与齿轮，达到使转动架405自旋的功效。在其他可能的实施样态中，第一动力源406中的内嵌齿轮亦可透过拉索或铰链间接拉动的方式旋转，本发明并不加以限制。
因此，滑动模组200以及中空管100便可透过上述机制，如图4(e)一般转动，直至如图4(f)所示，中空管100与载具b的甲板平面平行。在正常情况下，图4(e)及图4(f)中所述的运动自由度可为360°或以上的自旋运动。
本实施例中，图4(e)及图4(f)中所示的运动除了用来收折中空管100之外，更可如前述一般用于动态定位的补偿。当载具b沿着中心线方向前后摆动时，卡榫滑块404便会收入摆动控制模块400的空腔中，使转动架405带动滑动模组200及中空管100得以做出位置补偿运动，抵销载具b沿着中心线方向的前后摆动偏移量。
而图4(f)中的箭头a9是指如何将中空管100收纳(举升)至载具b上。因此，箭头a9的运动轨迹应是垂直于载具b的中心线的。更精确的来说，可参照图4(g)中的示意。由于转动架405更与第二动力源407连接，本实施例的第二动力源407同样可以用于举起重物的结构，例如液压马达等，用以将整个中空管100、滑动模组200以及摆管模组300举起。因此，透过第二动力源407扭动转动架405，便可使图4(f)中已经打平的整个中空管100、滑动模组200以及摆管模组300沿着箭头a9的方向举起，收折至如图4(h)中所示的状态。
请参照图5，图5是本发明实施例收合方式的简易示意图。如图5所示，图5中简易的绘示了整个图4(a)～图4(h)中达到的功效。本实施例在前述图1、图2(a)～2(b)、图3、图4(a)～4(h)及图5中提及的相关运动方式及位置补偿运动方式，皆可透过摆动控制模组400中的控制台402达成。本实施例中，控制台402更与一定位模组(图未示)电性连接，该定位模组包含至少一倾斜感测组元件。
在本实施例中，所述定位模组可以直接设置在控制台402中，亦可以设置在载具b的中控电脑中，本发明并不加以限制。因此，控制台402中的电脑或工业用计算机可以根据定位模组中的倾斜感测组件，感测出载具b的位移偏量，以自动控制摆动控制模组400中的所有原件即时运动。此外，定位模组本身更具有全球定位系统(globalpositioningsystem,gps)的功能，能够侦测载具b的位移量。
当然，本实施例中的控制台402亦可切换至手动模式，让载具b上的工作人员以手动的方式操作，本发明不加以限制。至于布线的部分，本实施例控制台402与摆动控制模组400中其他元件、滑动模组200及摆管模组300皆可透过基座401直接或间接电性连接，而有关于位置补偿运动的运算，则可由控制台402中的电脑或工业计算机即时运算而得，发出自动控制的命令。此外，有关各个参数以及摆动控制模组400的运作状态，亦可透过荧幕的方式呈现，让工作人员知晓当前的运作状态。
接着请参照图6，图6是本发明实施例摆管模组的运动示意图。如图6所示，本实施例的摆管模组300包含至少一伸缩致动器301、至少一摇摆致动器302、抛头303、摇摆枢纽304以及主摆管305。
其中至少一伸缩致动器301连接中空管100与主摆管305，至少一摇摆致动器302与主摆管305连接，而抛头303透过摇摆枢纽304设置于主摆管305上，且至少一摇摆致动器302与抛头303连接。
图6中展示了本实施例更进一步的运动精度。更进一步来说，至少一伸缩致动器301可如图6箭头a10的方向所示，推动主摆管305沿着中空管100的方向伸缩运动；而至少一摇摆致动器302则可透过各自不同的伸缩方向以及伸缩量，控制抛头303沿着箭头a11方向的摆动。
因此，透过图6的示意，可得知的是本实施例摆管模组300亦可如前述图1、图2(a)～2(b)、图3、图4(a)～4(h)及图5中提及的相关运动方式及位置补偿运动方式执行其功能。也就是说，当风浪大到图1、图2(a)～2(b)、图3、图4(a)～4(h)及图5中提及的相关运动方式及位置补偿运动方式皆无法即时补偿及运行时，便可透过图6中所示的运动机构原理进一步修正抛石的精准度。
此外，针对水下环境水中暗流等较难达到的特定抛石地点的问题，透过图6中所提供的技术亦可以轻易迎刃而解。
接着请参照图7，图7系本发明一运作方法实施例的流程图。图7中所载运作方法的实施例是利用图1～图6中所绘示的实施例达成。如图7所示，首先执行步骤(a)，一滑动模组200将一中空管100升高至该中空管100的重心点，使该中空管100垂直于一载具b的甲板平面，接着执行步骤(b)，一摆动控制模组400转动该滑动模组200，使该滑动模块200及该中空管100与该载具b的甲板平面平行。最后执行步骤(c)，该摆动控制模组400举升该滑动模组200及该中空管100至该载具的甲板平面上。
在步骤(a)中的作动方式，可参照图1(b)以及图3中的示意及相关说明；而在步骤(b)的运动中，可以参考图4(a)～4(f)及其相关说明；至于步骤(c)的运动，则可参考图4(f)～4(h)及其相关说明。整个图7的流程则可以参照图5所绘制实施样态及其相关说明。
接着请参照图8，图8是本发明另一运作方法实施例的流程图。同理，图8中所载运作方法的实施例亦利用图1～图6中所绘示的实施例达成。首先执行步骤(甲)，一载具b产生一角度的偏移，接着执行步骤(乙)，一摆动控制模组400根据该角度产生一即时反向角度讯号，最后执行步骤(丙)，该摆动控制模组400依照该即时反向角度讯号即时调整一滑动模组200、一中空管100、一摆管模组300或其组合，使该具位置补偿功能的斜向抛石落管机构维持在原本的位置。
在步骤(甲)中，所述的角度的偏移是指前述定位模组中至少一倾斜感测组件所感测到的偏移角度。更正确地来说也就是载具b甲板平面的倾斜、摇摆以及位移。所述至少一倾斜感测元件可以是倾斜感测晶片或陀螺仪等元件，本发明并不加以限制。
而步骤(乙)中，本实施例摆动控制模组400产生的即时反向角度讯号实际上是由前述控制台402中的电脑或工业用计算机运算而得，更进一步来说其计算用的资料是透过定位模组而取得样本。在其他实施样态中，亦可以透过设置在载具b的中控电脑计算而得，并转换为摆动控制模组400得以运作的即时反向角度讯号，让控制面板402中的电脑或工业用计算机加以转换、翻译及应用。
最后，步骤(丙)中所述的运动方式是依照步骤(乙)中的即时反向角度讯号即时运作。所述即时调整一滑动模组200、一中空管100、一摆管模组300或其组合的运动方式系可参考图1～图6及其相关说明。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，不能以此限定本发明实施的范围，凡依本发明申请专利范围及说明内容所作的简单等效变化与修饰，皆仍属本发明涵盖的范围内。