KR101142765B1 - 접힘성이 향상된 이동로봇 - Google Patents

Abstract

본 발명은 구동부의 접힘성이 향상된 이동로봇에 관한 것으로서, 이동로봇의 몸체 축선을 중심으로 둘레방향을 따라 서로 이격되게 배치되어 상기 이동로봇을 구동하는 구동부; 상기 몸체를 향해 상기 구동부를 접힘 가능하게 연결시키는 하나 이상의 링크부; 및 상기 링크부의 관절을 감싸며, 상기 구동부가 상기 몸체에 대해 접힐 때 상기 구동부를 밀어내는 방향으로 복원력을 발생시키는 탄성부재;를 포함하며, 이를 통해 외경 변화율이 대폭 향상되어 다양한 크기의 배관에 적용될 수 있는 이동로봇을 제공할 수 있다.

Description

접힘성이 향상된 이동로봇{MOVABLE ROBOT WITH IMPROVED FOLDABILITY}

본 발명은 이동로봇에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 이동로봇의 몸체 축선을 중심으로 둘레방향을 따라 서로 이격되게 배치된 구동부를 가지는 이동로봇의 접힘성을 향상시킨 이동로봇에 관한 것이다.

가스와 같은 위험한 물질이 유동하는 가스관이나 관경이 작은 옥내급수관의 경우는 위험성과 관 직경의 한계 때문에 배관 내부의 상태를 진단하거나 노후된 관내에 존재하는 이물질을 제거하기에는 곤란한 문제점이 있다.

따라서, 위험성과 관 직경의 한계를 극복하고 배관 내부의 상태를 실시간으로 진단함과 동시에 이물질 제거 및 노후된 관을 갱생할 수 있는 장비의 마련이 절실한 상황이다.

이를 위해, 배관이라고 하는 특이하고 제한된 3차원 공간에서 주행하며 그 내부를 면밀히 검사할 수 있는 배관탐사 이동로봇이 개발되었으며, 현재 많은 연구가 진행중에 있다.

특히, 배관탐사 이동로봇은 배관의 내부에서 배관 관경의 변화 및 장애물이 존재할 경우 등 배관 내부의 상황에 따라 자동적으로 적응하며 이동이 가능하도록 이동휠을 포함하는 구동부가 이동로봇의 몸체에 대해 접힘 기능을 가지도록 설계되어야 한다.

이러한 접힘 기능을 가지는 종래의 배관탐사 이동로봇의 접힘 구조가 도 1에 도시되어 있다. 도 1(a)에 도시된 배관탐사 이동로봇의 접힘 구조는, 이동휠(6)이 축(4)에 대해 접힘이 가능하도록, 도 1(b)에 도시된 4-링크 구조인 가위구조의 관절(1)을 전부(2)와 후부(3)에 설치하고, 전부와 후부 사이의 축(4)에 압축 스프링(5)을 배치함으로써 압축 스프링의 복원력으로 접힘 기능을 구현한 것이다.

하지만, 이와 같이 직선운동을 하는 축과 이에 결합되는 압축 스프링을 이용하여 배관탐사 이동로봇의 접힘 기능을 구현하면 다음과 같은 문제점이 있다.

첫째, 가위구조의 접힘 관절은 특정각도에서 특이점을 가지므로, 접힘성에 제약이 있고,

둘째, 전부와 후부가 완전히 접혔을 때 압축 스프링의 복원력이 작용하지 않는 경우가 있으며,

셋째, 가위구조의 접힘관절 및 압축 스프링으로 인해 이동로봇을 소형화하는데에 어려움이 있다는 문제점이 있었다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 구조적으로 특이점이 존재하지 않으면서도 접힘성이 우수한 이동로봇을 제공하는 것이다.

따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는,

이동로봇의 몸체 축선을 중심으로 둘레방향을 따라 서로 이격되게 배치되어 상기 이동로봇을 구동하는 구동부;

상기 몸체를 향해 상기 구동부를 접힘 가능하게 연결시키는 하나 이상의 링크부; 및

상기 링크부의 관절을 감싸며, 상기 구동부가 상기 몸체에 대해 접힐 때 상기 구동부를 밀어내는 방향으로 복원력을 발생시키는 탄성부재;를 포함하는 접힘성이 향상된 이동로봇을 제공하는 것이다.

여기서, 상기 탄성부재의 복원력은 상기 링크부의 관절의 회전각도에 정비례하는 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 측면에 의하면,

이동로봇의 몸체 축선을 중심으로 둘레방향을 따라 서로 이격되게 배치되어 상기 이동로봇을 구동하는 구동부;

상기 몸체를 향해 상기 구동부를 접힘 가능하게 연결시키는 하나 이상의 링크부; 및

상기 링크부의 관절에 위치하는 중심부를 가지고, 상기 중심부의 일측으로부터 연장된 제1 암이 상기 몸체에 접촉하고 타측으로부터 연장된 제2 암이 상기 구동부에 접촉하도록 설치된 토션 스프링;을 포함하는 접힘성이 향상된 이동로봇을 제공할 수 있다.

여기서, 상기 링크부는 상기 몸체의 선단부 및 후단부에 각각 설치될 수 있다.

또한, 상기 링크부는 상기 몸체에 연결된 내측링크 및 상기 구동부에 연결된 외측링크를 포함하고, 상기 내측링크 및 상기 외측링크의 양단은 회동가능하게 연결될 수 있다.

또한, 상기 내측링크 및 상기 외측링크는 각각 한 쌍으로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 토션 스프링의 제1 암은 상기 내측링크를 따라 연장된 제1 연결부 및 상기 제1 연결부로부터 절곡형성되어 상기 몸체를 따라 연장된 제1 지지부를 포함하고, 상기 토션 스프링의 제2 암은 상기 외측링크를 따라 연장된 제1 연결부 및 상기 제2 연결부로부터 절곡형성되어 상기 구동부를 따라 연장된 제2 지지부를 포함할 수 있다.

또한, 상기 토션 스프링은, 상기 몸체 및 상기 구동부에 슬라이딩 가능하게 연결될 수 있다.

또한, 상기 토션 스프링은 실질적으로 W자 형상인 것이 바람직하다.

또한, 상기 구동부는, 구동모터, 상기 구동모터에 의해 구동되는 능동휠, 및 상기 능동휠과 나란하게 복수개 배치되며 구동벨트에 의해 상기 능동휠과 연결되어 상기 능동휠과 함께 회전가능한 수동휠을 포함할 수 있다.

또한, 상기 구동벨트는 상기 능동휠 및 상기 수동휠의 외주면을 감싸도록 배치될 수 있다.

또한, 상기 구동벨트는 오-링인 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 이동로봇은, 구조적으로 특이점이 존재하지 않으면서도 접힘효율이 우수하며, 각각의 구동부가 독립적으로 이동로봇의 본체에 대해 접힐 수 있다. 또한, 구동부가 접힘으로써 이동로봇이 최소 외경을 가질 때에도 쉽게 복원될 수 있으며 이동로봇의 소형화가 가능한 이점이 있다.

도 1은 압축 스프링을 이용한 종래의 배관탐사 이동로봇의 접힘 구조도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 접힘성이 향상된 이동로봇의 구조도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄성부재의 구조도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 접힘성이 향상된 이동로봇의 구조도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 접힘성이 향상된 이동로봇의 접힘 구조의 확대도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 접힘성이 향상된 이동로봇의 외경변화를 도시한 도면이다.
도 7은 압축 스프링을 사용한 접힘구조의 모델을 도시한 도면이다.
도 8은 토션 스프링을 사용한 접힘구조의 모델을 도시한 도면이다.

이하, 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 의하여 제한되지 않는다는 것은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 접힘성이 향상된 이동로봇(100)의 사시도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄성부재(40)의 구조도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 접힘성이 향상된 이동로봇의 구조도이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 접힘성이 향상된 이동로봇의 접힘 구조의 확대도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 이동로봇은,

이동로봇의 몸체(10) 축선을 중심으로 둘레방향을 따라 서로 이격되게 배치되어 상기 이동로봇을 구동하는 구동부(20);

상기 몸체(10)를 향해 상기 구동부(20)를 접힘 가능하게 연결시키는 하나 이상의 링크부(30); 및

상기 링크부(30)의 관절(33)을 감싸며, 상기 구동부(20)가 상기 몸체(10)에 대해 접힐 때 상기 구동부(20)를 밀어내는 방향으로 복원력을 발생시키는 탄성부재(40);를 포함한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 이동로봇은,

이동로봇의 몸체(10) 축선을 중심으로 둘레방향을 따라 서로 이격되게 배치되어 상기 이동로봇을 구동하는 구동부(20);

상기 몸체(10)를 향해 상기 구동부(20)를 접힘 가능하게 연결시키는 하나 이상의 링크부(30); 및

상기 링크부의 관절(33)에 위치하는 중심부(41)를 가지고, 상기 중심부의 일측으로부터 연장된 제1 암(42a)이 상기 몸체(10)에 접촉하고 타측으로부터 연장된 제2 암(42b)이 상기 구동부(20)에 접촉하도록 설치된 토션 스프링을 포함한다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 이동로봇은 크게 몸체(10), 구동부(20), 몸체와 구동부를 접힘 가능하게 연결시키는 링크부(30), 및 링크부(30)의 관절을 감싸도록 배치된 탄성부재(40)를 포함한다.

구동부(20)는 몸체의 둘레방향을 따라 120도의 등간격으로 3개가 배치되는 것이 바람직하지만, 반드시 이러한 배열 및 개수에 한정되는 것은 아니다.

몸체(10)의 전방에는 이동로봇이 주행하는 방향을 작업자가 시각적으로 인지하거나 또는 배관 탐사의 목적으로 이용될 경우, 배관 내부의 상태를 확인하기 위한 카메라(11) 및 카메라 둘레에 배치된 하나 이상의 광원(12)이 설치될 수 있다.

링크부(30)는 이동로봇의 주행 시 각각의 구동부(20)가 몸체(10)에 대해 독립적으로 접힘 가능하도록 하는 기구부이다.

링크부(30)는 몸체의 선단부 및 후단부에 각각 설치되어 하나의 구동부를 이동로봇의 몸체에 연결시키기 위해 2개의 링크부가 구비될 수 있다.

링크부(30)는 핀과 같은 관절(33)을 통해 힌지 결합되는 2개의 링크, 즉 몸체(10)에 연결된 내측링크(31) 및 구동부에 연결된 외측링크(32)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 관절과 반대쪽에 위치한 내측링크 및 외측링크의 단부 역시 각각 몸체(10) 및 구동부(20)에 연결부재를 통해 회동가능하게 연결되어 있다. 따라서, 링크부는 각각의 구동부(20)가 몸체(10)를 중심으로 특이점이 발생되지 않으면서 손쉽게 접힐 수 있는 구조로 되어 있다.

내측링크(31) 및 외측링크(32)는 구조적 안정성을 확보하기 위해 각각 한쌍의 링크부재를 포함할 수 있다.

탄성부재(40)는 링크부(30)의 관절(33)을 감싸도록 배치되며, 구동부가 몸체를 향해 접히게 될 때, 그 반대방향, 즉 구동부를 밀어내는 방향으로 복원력을 발생시킨다. 이 때, 상기 탄성부재의 복원력은 관절의 회전각도에 정비례하기 때문에, 상기 탄성부재가 가지는 탄성을 보다 효율적으로 활용할 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 탄성부재(40)는 중심부(41) 및 중심부로부터 각각 연장된 제1 암(42a) 및 제2 암(42b)을 포함하는 토션 스프링인 것이 바람직하다.

또한, 상기 토션 스프링의 제1 암 및 제2 암은 중심부(41)로부터 연장 형성된 제1 연결부(43a) 및 제2 연결부(43b)와, 이들로부터 절곡 형성된 제1 지지부(44a) 및 제2 지지부(44b)를 각각 포함할 수 있다.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 토션 스프링은 중심부(41)를 기준으로 대칭형상인 것이 바람직하며, 실질적으로 W자 형상일 수 있다.

도 2 및 도 5에 도시된 바와 같이, 토션 스프링은 그 중심부(41)가 링크부(30)의 관절(33)에 해당하는 고정핀에 의해 위치 고정되며, 제1 암(42a) 및 제2 암(42b)이 각각 몸체 및 구동부에 접촉되도록 설치된다.

즉, 제1 암(42a)의 제1 지지부(44a)가 몸체(10)에 형성된 몸체안내홈(14)에 수용되고, 제2 암의 제2 지지부(44b)가 구동부(20)에 형성된 구동부안내홈(미도시)에 수용될 수 있다. 따라서, 구동부가 접히게 될 때, 제1 및 제2 지지부는 각각 몸체안내홈 및 구동부안내홈 내에서 슬라이딩 가능하게 된다.

한편, 상기 토션 스프링의 제1 지지부 및 제2 지지부가 몸체와 구동부에서 이탈되는 것을 방지하기 위해 별도의 막음재 등이 구비될 수 있다.

또한, 제1 암의 제1 연결부(43a) 및 제2 암의 제2 연결부(43b)는 각각 내측링크(31) 및 외측링크(32)에 대응되는 형상을 가지며, 특히 링크부가 접히거나 펴지게 될 경우에도 그 형상을 따라 토션 스프링이 변형될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 토션 스프링은 스프링 전체에 힘이 분산되는 효과가 있어서 이동로봇의 내구성 확보에 큰 역할을 할 수 있다. 또한, 상술한 바와 같은 형태의 토션 스프링은 완전히 접힌 상태에서도 압축 스프링과 달리 복원성을 유지함으로써 접힘 기능을 충실히 수행할 수 있다.

이외에도, 도 5에 도시된 바와 같이, 구동부가 이동로봇의 몸체에 완전히 접혀졌을 때 링크부가 겹쳐지는 형태가 아니라 링크부의 관절이 이동로봇의 몸체를 감싸는 구조이므로, 이동로봇의 소형화 설계가 가능한 이점이 있다.

예를 들어, 종래의 압축 스프링을 이용한 접힘구조를 가지는 이동로봇은, 최소외경이 80mm, 최대외경이 100mm 으로서 최소외경 대비 약 25%의 접힘효율을 가지지만, 도 6에 도시된 바와 같이 동일한 조건하에서 토션 스프링을 이용한 접힘구조를 가지는 이동로봇은 최소외경이 36.93mm, 최대외경이 73.27mm으로서 최소외경 대비 약 97.3%의 접힘효율을 제공할 수 있다. 이를 통해 단일 이동로봇으로도 다양한 크기의 배관을 이동할 수 있게 되므로 이동로봇의 활용도를 더욱 높일 수 있다.

도 4를 참조하면, 구동부(30)는 구동모터(22), 구동모터에 의해 구동되는 능동휠(21) 및 구동벨트(24)에 의해 능동휠과 연결되어 능동휠과 함께 회전가능한 수동휠(23)을 포함한다. 그리고, 구동부(30)는 구동모터 및 각종 기어를 수용하는 케이싱(25)과 능동휠 및 수동휠의 회전축이 설치되는 휠축가이드(26)를 더 포함할 수 있다.

능동휠(21)은 구동모터(22)와 베벨기어에 의해 연결되어 구동모터에 의해 직접 회전하도록 구성되어 있다.

수동휠(23)은 구동벨트에 의해 능동휠이 회전할 때 함께 회전할 수 있으며, 능동휠과 나란하게 복수개 배열되어 있다.

구동벨트(24)는 구동휠 및 피동휠의 외주면을 감싸도록 배치되며, 바람직하게는 오-링을 이용할 수 있다. 구동벨트로 오-링을 사용하게 되면, 비용이 저렴하여 경제적일 뿐 아니라, 구동부를 소형화할 수 있는 이점이 있다.

이와 같이 구성되는 구동부는, 이동로봇의 구동부에 외력이 가해질 때에도 구동휠과 나란하게 배열된 복수개의 수동휠에 의해 구동부가 일정한 높이를 가져 접촉면을 유지할 수 있는 장점이 있다.

이하에서는 종래 압축 스프링을 이용한 접힘구조를 토션 스프링을 이용한 접힘구조로 설계를 변경할 경우, 토션 스프링의 설계 방법을 설명하기로 한다.

도 7은 압축 스프링을 사용한 배관탐사 이동로봇의 접힘구조 모델이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예와 같이 토션 스프링을 사용한 배관탐사 이동로봇의 접힘구조 모델이다. 압축 스프링을 사용한 배관탐사 이동로봇을 토션 스프링을 이용한 배관탐사 이동로봇으로 변환하여 설계할 때, 기존의 압축 스프링에 대한 정보를 안다면 다음과 같이 토션 스프링의 강성을 계산해 낼 수 있다.

도 7에 도시된 기호를 참고하면, 상기 수학식 1에서 좌변은 압축 스프링의 포텐셜 에너지(potential energy)를 나타낸 것이고, 우변은 토션 스프링의 포텐셜 에너지를 나타낸 것이다.

이를 정리하면 토션 스프링의 강성은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

여기서, 외력은 아래와 같이 표시할 수 있으므로,

토션 스프링의 강성을 나타내는 수학식 2는 아래와 같이 정리될 수 있다.

즉, 종래의 이동로봇에 사용된 압축 스프링의 정보를 통하여 토션 스프링의 제원을 미리 계산하여 적합한 토션 스프링을 선정하여 제작할 수 있다.

본 발명의 단순한 변형 또는 변경은 모두 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.

Claims (12)

1. 몸체;
   상기 몸체의 축선을 중심으로 둘레방향을 따라 서로 이격되게 배치되어 상기 몸체를 구동시키는 구동부;
   일단이 상기 몸체에 연결되고 타단이 상기 구동부에 연결되며, 접힘이 가능하도록 관절을 가지는 하나 이상의 링크부; 및
   상기 관절을 감싸도록 위치하는 중심부, 상기 중심부로부터 각각 연장된 제1 암 및 제2 암을 포함하는 탄성부재;를 포함하고,
   상기 제1 암은 상기 링크부를 따라 연장된 제1 연결부와 상기 제1 연결부로부터 절곡형성되어 상기 몸체를 따라 연장된 제1 지지부를 포함하고,
   상기 제2 암은 상기 링크부를 따라 연장된 제2 연결부와 상기 제2 연결부로부터 절곡형성되어 상기 구동부를 따라 연장된 제2 지지부를 포함하는 것을 특징으로 하는 접힘성이 향상된 이동로봇.
2. 제1항에 있어서,
   상기 탄성부재의 복원력은 상기 링크부의 관절의 회전각도에 정비례하는 것을 특징으로 하는 접힘성이 향상된 이동로봇.
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 링크부는 상기 몸체의 선단부 및 후단부에 각각 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 접힘성이 향상된 이동로봇.
5. 제1항에 있어서,
   상기 링크부는 상기 몸체에 연결된 내측링크 및 상기 구동부에 연결된 외측링크를 포함하고,
   상기 제1 연결부는 상기 내측링크를 따라 연장되고 상기 제2 연결부는 상기 외측링크를 따라 연장되는 것을 특징으로 하는 접힘성이 향상된 이동로봇.
6. 제5항에 있어서,
   상기 내측링크 및 상기 외측링크는 각각 한 쌍으로 이루어진 것을 특징으로 하는 접힘성이 향상된 이동로봇.
7. 제1항에 있어서,
   상기 탄성부재의 제1 지지부 및 제2 지지부는 각각 상기 몸체 및 상기 구동부에 형성된 홈에 수용되는 것을 특징으로 하는 접힘성이 향상된 이동로봇.
8. 제7항에 있어서,
   상기 탄성부재는, 상기 몸체 및 상기 구동부 상에서 슬라이딩 가능한 것을 특징으로 하는 접힘성이 향상된 이동로봇.
9. 제1항에 있어서,
   상기 탄성부재는 실질적으로 W자 형상인 것을 특징으로 하는 접힘성이 향상된 이동로봇.
10. 제1항에 있어서,
    상기 구동부는,
    구동모터, 상기 구동모터에 의해 구동되는 능동휠, 및 상기 능동휠과 나란하게 복수개 배치되며 구동벨트에 의해 상기 능동휠과 연결되어 상기 능동휠과 함께 회전가능한 수동휠을 포함하는 것을 특징으로 하는 접힘성이 향상된 이동로봇.
11. 제10항에 있어서,
    상기 구동벨트는 상기 능동휠 및 상기 수동휠의 외주면을 감싸도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 접힘성이 향상된 이동로봇.
12. 제10항에 있어서,
    상기 구동벨트는 오-링인 것을 특징으로 하는 접힘성이 향샹된 이동로봇.

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