KR101260389B1 - A multi-legged seabed walking robot for survey of high current and high turbidity underwater environment - Google Patents

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Abstract

프로펠러 방식으로 추력을 얻는 기존의 해저로봇과는 달리 여러 개의 관절로 이루어진 다리를 이용하여 해저면에 근접해서 보행으로 이동하고 초음파 카메라등 악시계 극복 수단을 장착하는 것으로 하는 새로운 개념의 다관절 해저 보행 로봇에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 다관절 해저 보행 로봇은 유선형의 몸체; 상기 몸체 좌우측에 각각 한 쌍씩 복수개가 장착되며 다수개의 관절로 구성된 다관절 보행다리; 상기 몸체내에 장착되고, 상기 다관절 보행다리를 통해 보행상태를 제어하는 제어수단; 상기 제어수단에 의해 제어되며 상기 다관절 보행다리를 구동시키는 구동신호를 발생하는 보행다리 구동수단; 상기 몸체내에 장착되어 몸체의 자세 및 외부 물체와의 접촉을 감지하는 감지수단; 및 외부장치와 유무선 신호를 송수신하는 통신수단;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
Unlike conventional submarine robots that propel thrust by propeller method, multi-joint seabed walking is a new concept that moves with walking legs close to the sea floor by using legs consisting of several joints and is equipped with a means of overcoming a bad watch such as an ultrasonic camera. The robot starts.
Multi-joint seabed walking robot according to the present invention is a streamlined body; A multi-jointed walking leg having a plurality of pairs mounted on the left and right sides of the body and composed of a plurality of joints; Control means mounted in the body and controlling a walking state through the articulated walking leg; Walking leg driving means controlled by the control means for generating a driving signal for driving the articulated walking leg; Sensing means mounted in the body to sense a posture of the body and contact with an external object; And communication means for transmitting and receiving wired and wireless signals with an external device.

Description

강조류 악시계 수중 환경 탐사용 다관절 해저 보행 로봇{A MULTI-LEGGED SEABED WALKING ROBOT FOR SURVEY OF HIGH CURRENT AND HIGH TURBIDITY UNDERWATER ENVIRONMENT}A MULTI-LEGGED SEABED WALKING ROBOT FOR SURVEY OF HIGH CURRENT AND HIGH TURBIDITY UNDERWATER ENVIRONMENT}

본 발명은 다관절 해저 보행 로봇에 관한 것으로, 보다 상세하게는 프로펠러 방식으로 추력을 얻는 기존의 해저로봇과는 달리 여러 개의 관절로 이루어진 다리를 이용하여 해저면에 안착해서 보행 이동할 수 있고, 해저면에 착지하여 착지 자세를 제어하면서 조류를 극복할 수 있는 새로운 개념의 다관절 해저 보행 로봇에 관한 것이다.The present invention relates to a multi-joint seabed walking robot, and more specifically, unlike a conventional seabed robot that obtains thrust by a propeller method, it is able to walk on the sea bottom using a leg composed of several joints, and move and walk on the sea bottom. The present invention relates to a new articulated undersea walking robot capable of overcoming algae while controlling the landing posture by landing on the ground.

바다의 평균수심은 3800m로 지구에서 생명이 살 수 있는 공간의 99%를 차지하고, 심해는 이 공간의 85%를 차지하지만, 인간은 아직 심해의 1%도 관찰하지 못하였다. 또한, 지구상에는 아직 발견되지 않은 생명의 종의 수가 1000만∼3000만 종으로 추산되며 현재까지 140만종만이 발견되었을 뿐이다. 아직 발견되지 않은 대다수의 종은 바다에 살고 있다. 이는 지난 25년간 심해에서는 평균 2주에 한 종 꼴로 새로운 생명이 발견되었다는 사실이 반증해 주고 있다. 또한, 육상 자원의 고갈에 따라 심해 석유 및 가스시추사업은 2002년 전체 석유생산량의 2%에서 2009년 8%로 매년 증가하고 있으며 2015년에는 15%에 이를 것으로 예상된다. 2009년 우리나라는 국토해양부와 4개 민간기업이 '해저 열수광상 개발사업단’을 구성하여 통가 광구에서 2012년 이후 본격 상업개발 착수할 계획이다. 이처럼 해양은 거대한 탐사의 가치를 갖고 있지만, 위험한 해양 환경은 인류가 쉽게 바다 속에 접근할 수 있도록 허용하지 않는다. 무인 해저로봇은 이러한 문제점에 대한 하나의 대안으로 개발되고 있으며, 현재까지 전 세계적으로 널리 활용되어 왔고 그 활용 범위가 점점 확대되어 가고 있다. 해저로봇은 역할에 따라 주로 넓은 영역을 탐사하는 자율무인잠수정(AUV)과 상대적으로 좁은 영역에서 정밀 작업을 수행하는 원격무인잠수정(ROV)로 나누어 질 수 있고, 대부분의 해저로봇은 프로펠러를 추진장치로 이용하고 있다. 프로펠러는 오랜 기간 동안 수중 추진기로 사용되어 왔으며, 그 추진 메카니즘에 대한 이론이 잘 확립되어 있으며, 특정 영역에서는 그 효율 또한 높다. 그러나, 우리나라의 서해안은 조수간만의 차가 크고 조류가 세며, 시계가 나쁜 특수한 지역으로 일반적으로 사용되는 프로펠러 추진방식의 해저로봇으로는 해저 정밀 작업에 많은 어려움을 겪고 있다. 또한, 퇴적토양으로 이루어진 심해를 정밀 현장 조사할 경우, 프로펠러 유동에 의한 해저의 교란이 문제가 되기도 한다.
The average depth of the sea is 3800m, which occupies 99% of the space where life can live on Earth, and the deep sea occupies 85% of this space, but humans have not yet observed 1% of the deep sea. In addition, the number of species of life that has not yet been found on the earth is estimated at 10 million to 30 million, and only 1.4 million have been found to date. The vast majority of species not yet discovered live in the oceans. This is a testament to the fact that in the last 25 years, a new life has been discovered in the deep sea on average every two weeks. In addition, due to the depletion of terrestrial resources, deep sea oil and gas drilling projects are increasing every year from 2% of total oil production in 2002 to 8% in 2009, and are expected to reach 15% in 2015. In 2009, the Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs and four private companies will form a 'undersea hydrothermal deposit development project group' and will start full-scale commercial development in 2012 in Tonga. As such, the oceans are of great exploration value, but dangerous marine environments do not allow humans to easily access them. Unmanned submarine robots are being developed as an alternative to these problems, and they have been widely used all over the world until now, and their scope of use is expanding. Submarine robots can be divided into autonomous unmanned submersibles (AUVs), which mainly explore large areas, and remote unmanned submersibles (ROV), which perform precise operations in relatively narrow areas, and most submarine robots propel propellers. I use it. Propellers have been used as underwater propellers for a long time, and the theory of their propulsion mechanisms is well established and, in certain areas, their efficiency is also high. However, the west coast of Korea has a lot of difficulties in precision operation of the seabed with propeller-propelled submarine robots, which are generally used as a special area where tidal wave difference is big, tide is high, and clock is bad. In addition, when the site is closely investigated deep seas consisting of sedimentary soils, disturbance of the seabed due to propeller flow may be a problem.

프로펠러와는 다른 형태의 해저로봇으로 무한궤도를 이용하는 방법과 여러 개의 다리를 이용하는 방법이 있다. 생체모사 연구의 일환으로 가재로봇이 개발된 바 있다[Joseph, A. (2004). "Underwater walking", Arthropod Structure & Development Vol 33, pp 347-360.]. 이를 통해 가재의 기구학적 구조와 걸음걸이를 분석하였고, 인공근육 액츄에이터와 명령뉴런에 기초한 중앙제어기를 구현하였다. 상기 로봇은 실제 작업용 보다는 생체모사 인식 및 보행 연구에 초점을 두고 있다. 또한, 해안선을 조사할 목적으로 수륙 양용 6족 보행 로봇이 연구된 바 있다[Tanaka, T., Sakai, H., Akizono, J. (2004). "Design concept of a prototype amphibious walking robot for automated shore line survey work", Oceans '04 MTS/IEEE Techno-Ocean '04, pp 834-839.]. 상기 로봇을 통해 방수형 수중관절을 개발하였고, 여러 차례에 걸쳐 로봇을 개선하여 경량화 하였다. 그러나, 육상의 로봇을 수중으로 확장하는 데에 초점을 두고 있어 유체역학적 관점에서의 적극적인 접근은 이루지 못하였다. 한편, 페달을 이용하여 보행과 유영을 하도록 설계된 6개의 페달을 가진 수륙양용 로봇이 개발된 바 있지만, 각각 페달은 1자유도의 단순한 형태로 다관절 다족 로봇의 형태는 아니다[Christina, G., Meyer, N., Martin, B., "Simulation of an underwater hexapod robot," Ocean Engineering, Vol 36, pp 39-47, 2009, Theberge, M. and Dudek, G., "Gone swimming [seagoing robots]", IEEE spectrum, Vol 43, No 6, pp 38-43, 2006.].There are two different types of submarine robots, one with a crawler and the other with a bridge. Lobster robots have been developed as part of bio simulation studies [Joseph, A. (2004). "Underwater walking", Arthropod Structure & Development Vol 33, pp 347-360.]. Through this, we analyzed the kinematic structure and gait of the crawfish and implemented a central controller based on artificial muscle actuators and command neurons. The robot focuses on biomimetic recognition and gait research rather than actual work. In addition, amphibious six-legged walking robots have been studied for the purpose of investigating shorelines [Tanaka, T., Sakai, H., Akizono, J. (2004). "Design concept of a prototype amphibious walking robot for automated shore line survey work", Oceans '04 MTS / IEEE Techno-Ocean '04, pp 834-839.]. The robot developed a waterproof underwater joint, and improved the robot several times to reduce the weight. However, the focus on expanding land-based robots underwater has not been a positive approach from a hydrodynamic perspective. On the other hand, amphibious robots with six pedals designed to walk and walk using pedals have been developed, but each pedal is a simple form of one degree of freedom and is not a form of a multi-joint multipedal robot [Christina, G., Meyer, N., Martin, B., "Simulation of an underwater hexapod robot," Ocean Engineering, Vol 36, pp 39-47, 2009, Theberge, M. and Dudek, G., "Gone swimming [seagoing robots]", IEEE spectrum, Vol 43, No 6, pp 38-43, 2006.].

해저로봇(underwater robot)은 무인잠수정(UUV; unmanned underwater vehicle)이라고도 하며, 크게 자율무인잠수정(AUV)과 원격무인잠수정(ROV)으로 나누어진다. 자율무인잠수정은 수백미터에서 수백킬로미터까지의 영역에 해당하는 과학적 조사나 탐색에 주로 사용된다. 현재까지 개발된 대부분의 AUV는 과학조사나 군사용 목적으로 활용되고 있다. 원격무인잠수정은 수십 센티미터 이하의 위치 정밀도로 해저 조사나 정밀작업에 활용된다. 원격무인잠수정은 해저케이블 매설을 비롯하여, 해저파이프라인, 해저구조물의 유지보수 등 다양한 작업에 활용되고 있다.Underwater robots, also known as unmanned underwater vehicles (UUVs), are largely divided into autonomous unmanned submersibles (AUVs) and remote unmanned submersibles (ROVs). Autonomous unmanned submersibles are mainly used for scientific investigations or exploration covering an area from hundreds of meters to hundreds of kilometers. Most AUVs developed to date are used for scientific research or military purposes. Remote unmanned submersibles are used for underwater surveys and precision work with positional precision of several tens of centimeters or less. Remote unmanned submersibles are used for various tasks such as submarine cable laying, subsea pipelines and maintenance of subsea structures.

원격무인잠수정의 활용분야는 다음과 같이 요약된다. 첫째, 침몰선 탐사 및 인양작업과 침몰선으로 인한 유류 유출 방지작업, 둘째, 해양과학 조사와 해양 자원 탐사 및 개발, 셋째, 해저구조물 설치, 조사 지원 및 유지보수, 넷째, 기뢰 탐사, 기뢰 제거 등 군사적 목적에 활용된다.The applications of remote unmanned submersibles are summarized as follows. (1) exploration and salvage of sunken ships and prevention of oil spills due to sunken ships; (2) marine scientific research and marine resource exploration and development; (3) installation of subsea structures, investigation support and maintenance; and (4) military purposes such as mine exploration and mine removal. Is utilized.

해저작업용 원격무인잠수정은 크게 두 가지 형태로 이동성을 얻는다. 첫째, 프로펠러 방식은 AUV와 같은 항주형에서는 효과적이나 정밀작업을 요구하는 ROV에서는 제어 안정성을 얻기 쉽지 않다. 이는 수중에서 ROV에 작용하는 유체력이 비선형적이고 추력 또한 불감대, 응답지연, 포화 등의 강한 비선형성을 내재하고 있기 때문이다. 특히, 우리나라 서해안의 조류와 같이 강한 해류에 노출될 경우 자세 안정성과 이동성을 확보하기 어려우며, 이로 인해 위치정밀도, 조작정밀도 그리고 선명한 초음파 영상을 얻기 어려워 해저작업이 불가한 경우가 많다. 조류의 방향은 하루에 네 번씩 바뀌고, 우리나라 서해안은 조류에 의한 최대 유속이 3노트에서 7노트에 달한다. 프로펠러를 이용하는 기존의 잠수정에서는, 강한 조류 환경에서 필연적으로 불안정한 조종성과 높은 에너지 소모 등의 문제를 가진다.Submarine remote unmanned submersibles gain mobility in two main ways. First, the propeller method is effective in the molds such as AUV, but it is not easy to obtain control stability in ROV which requires precise work. This is because the fluid force acting on the ROV in water is nonlinear, and the thrust also has strong nonlinearity such as deadband, response delay, and saturation. In particular, it is difficult to secure posture stability and mobility when exposed to strong currents such as tidal currents on the west coast of Korea, which makes it difficult to obtain positional precision, operational precision, and clear ultrasound images. The direction of algae changes four times a day, and the maximum flow rate of algae in Korea is 3 to 7 knots. In conventional submersibles using propellers, there are problems such as unstable maneuverability and high energy consumption in a strong algal environment.

둘째, 무한궤도 형태의 추진방식은 불규칙한 해저지형이나 장애물 지역을 주행하기 어려우며 주행방식의 특성상 해저를 교란시키는 단점을 갖고 있다. 해저는 침몰선, 어장, 로프, 폐그물 등 각종 장애물과 암초, 연약지반 등 해저지형의 제약조건이 항상 존재하므로 무한궤도 방식의 주행에 어려움이 있다. 또한, 해저조사의 경우 교란되지 않은 환경에서 교란을 최소화 하면서 이루어져야 하는 현장조사(in-situ survey)가 많은데 이런 용도에 사용하기가 어려운 문제점이 있다.
Second, the caterpillar type propulsion method is difficult to travel irregular seabed terrain or obstacle area and has the disadvantage of disturbing the seabed due to the characteristics of the driving method. The seabed has difficulty in traveling in the caterpillar system because there are always various obstacles such as sunken ships, fishing grounds, ropes, and closed nets, and seabed topography such as reefs and soft ground. In addition, there are many in-situ surveys that need to be conducted while minimizing disturbance in an undisturbed environment in the case of subsea surveys, but there is a problem that it is difficult to use them for this purpose.

기존 해저작업의 기술적 한계 또는 문제점들을 다시 한번 정리하면 다음과 같다.The technical limitations or problems of the existing subsea work are summarized as follows.

안전성 문제Safety issues

다이버가 직접 작업에 참여하는 경우, 잠수병을 비롯한 여러 가지 위험요소에 의한 안전문제가 존재한다.If divers are involved in the work, there are safety risks from divers and other hazards.

작업시간 문제Work time problem

다이버가 작업할 경우 감압 없이 작업할 수 있는 시간은 21m 수심에서 30분, 40m에서는 5분으로 제한된다.When divers work, the time to work without decompression is limited to 30 minutes at 21m depth and 5 minutes at 40m.

조류 문제Bird problems

조류의 방향은 하루에 네 번씩 바뀌고, 우리나라 서해안은 조류에 의한 최대 유속이 3노트에서 7노트에 달한다. 다이버는 물론 해저로봇에 있어서도 조류는 가장 극복하기 어렵고 위험한 대상이다. 프로펠러를 이용하는 기존의 잠수정에서는, 강한 조류 환경에서 필연적으로 불안정한 조종성과 높은 에너지 소모 등의 문제점을 갖는다.The direction of algae changes four times a day, and the maximum flow rate of algae in Korea is 3 to 7 knots. For divers as well as for underwater robots, algae is the most difficult and dangerous object to overcome. In a conventional submersible using a propeller, there are problems such as unstable maneuverability and high energy consumption inevitably in a strong algal environment.

악시계Clock 문제 Problem

서해의 특성 중 하나는 나쁜 시계이다. 지역과 시간에 따라 차이가 있으나 시계가 불과 20~30cm에 불과한 곳도 많다.One of the characteristics of the West Sea is the bad clock. Depending on the region and time, there are many places where the clock is only 20-30cm.

장애물과 불규칙 해저지형 문제Obstacles and Irregular Undersea Issues

해저는 침몰선, 어장, 로프, 폐그물 등 각종 장애물과 암초 등 불규칙한 해저지형이 항상 존재하고 있어 다이버와 해저로봇의 작업을 방해하고 심지어는 생명을 위협한다.In the seabed, there are always obstacles such as sunken ships, fishing grounds, ropes, and waste nets, and irregular seabeds such as reefs, which prevents divers and submarine robots from working and even threatens lives.

환경간섭 문제Environmental interference problem

프로펠러나 캐터필러 방식의 해저로봇은 필연적으로 해저면을 교란시킨다. 해저조사의 경우, 교란되지 않은 환경에서 이루어져야 하는 조사가 많다.
A propeller or caterpillar submarine robot inevitably disturbs the seabed. In the case of seabed surveys, there are many surveys that must be conducted in an undisturbed environment.

기존의 천해역 해저작업 기술 중 로봇(무인잠수정)을 이용하는 기술의 가장 큰 한계 및 문제점은 강한 조류와 악시계로 요약될 수 있다. 프로펠러방식을 이용하는 해저작업용 원격무인잠수정인 해미래(L3.3m×W1.8m×H2.2m)의 경우 2노트의 조류에서 약 200kg의 저항력을 받으며, 200m 길이의 지름 20mm 케이블은 약 240kg의 저항력을 받는다. 이를 극복하기 위해 추력을 증가시키는 것은 전체 중량과 크기의 증가로 이어져 근본적인 해결책이 되지 못한다.
The biggest limitations and problems of the existing submarine work techniques using robots (unmanned submersibles) can be summarized as strong tides and clocks. In the case of Haemirae (L3.3m × W1.8m × H2.2m), which is a remote unmanned submersible for the subsea operation using the propeller method, it receives about 200kg of resistance in 2 knots of birds, and a 200m diameter 20mm cable has a resistance of about 240kg. Receive. To overcome this, increasing thrust leads to an increase in overall weight and size, which is not a fundamental solution.

종래 프로펠러 방식의 수중로봇은 프로펠러 자체의 응답지연과 비선형 특성으로 인해 해저작업에서 필요한 안정된 자세제어 특성을 얻기가 어려웠다. 특히, 우리나라 서해안과 같이 조류가 강한 해역에서는 투입자체가 거의 불가능하다. 또 다른 이동 방식인 무한궤도로 이동하는 수중로봇의 경우 역시, 강조류 환경에서는 조류에 떠밀려 위치 유지가 쉽지 않으며, 수중에서 자세제어도 불가능하여 지형이 불규칙한 해역에서는 안정된 자세를 유지할 수 없고, 무한궤도에 의한 해저의 교란을 필연적으로 수반하는 문제점을 가지고 있다. 또한, 우리나라 서해안은 탁도가 높아 시계가 불량한 악시계 환경이 대부분이므로 기존의 광학 카메라만을 장착한 수중로봇으로는 해저 환경의 확인과 작업이 불가능한 문제점이 있었다.Underwater propeller type robots in the related art have difficulty in obtaining stable attitude control characteristics required for subsea operations due to the response delay and nonlinear characteristics of the propeller itself. In particular, the input itself is almost impossible in the strong seas such as the west coast of Korea. In the case of underwater robot, which moves to the endless track, which is another method of movement, it is not easy to maintain the position by being pushed by the birds in the heavy current environment, and it is impossible to control the attitude in the water. There is a problem inevitably accompanied by disturbance of the seabed by the orbit. In addition, the west coast of Korea has a problem that it is impossible to check and work in the subsea environment with the underwater robot equipped only with the conventional optical camera because most of the bad clock environment has a poor turbidity.

본 발명의 하나의 목적은 종래 프로펠러 방식이나 무한궤도 방식의 문제점을 보완하기 위한 수단으로 자세조절과 해저밀착 보행을 통하여 강조류(High tidal current)를 극복하며 해저 환경을 탐사할 수 있는 다관절 해저 보행 로봇을 제공하는 것이다.One object of the present invention is to overcome the problems of the conventional propeller method or the caterpillar method, the articulated seabed that can overcome the high tidal current through posture control and seabed close walking and explore the seabed environment. It is to provide a walking robot.

본 발명의 또 하나의 목적은 우리나라 서해안과 같이 시계(Visibility)가 나쁜 해저에서 주위 환경을 인식하며 작업할 수 있고, 해저의 환경 교란을 최소화하면서 수중 이동 기능을 수행하는 다관절 해저 보행 로봇을 제공하는 것이다.
Another object of the present invention is to provide a multi-joint seabed walking robot that can work while recognizing the surrounding environment in a seabed with poor visibility, such as the west coast of Korea, and performs the underwater movement function while minimizing the disturbance of the seabed. It is.

상기 하나의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 다관절 해저 보행 로봇은 유선형의 몸체; 상기 몸체 좌우측에 각각 한 쌍씩 복수개가 장착되며 다수개의 관절로 구성된 다관절 보행다리; 상기 몸체내에 장착되고, 상기 다관절 보행다리를 통해 보행상태를 제어하는 제어수단; 상기 제어수단에 의해 제어되며 상기 다관절 보행다리를 구동시키는 구동신호를 발생하는 보행다리 구동수단; 상기 몸체내에 장착되어 몸체의 자세 및 외부 물체와의 접촉을 감지하는 감지수단; 및 외부장치와 신호를 송수신하는 통신수단;을 포함하는 것을 특징으로 한다.Multi-joint seabed walking robot according to an embodiment of the present invention for achieving the above object is a streamlined body; A multi-jointed walking leg having a plurality of pairs mounted on the left and right sides of the body and composed of a plurality of joints; Control means mounted in the body and controlling a walking state through the articulated walking leg; Walking leg driving means controlled by the control means for generating a driving signal for driving the articulated walking leg; Sensing means mounted in the body to sense a posture of the body and contact with an external object; And communication means for transmitting and receiving a signal with an external device.

바람직하게는, 상기 몸체 전면에는 초음파 카메라가 장착된 것을 특징으로 한다.Preferably, the front of the body is characterized in that the ultrasonic camera is mounted.

또한 바람직하게는, 상기 감지수단은 자세 및 운동 계측센서를 포함하는 것을 특징으로 한다.Also preferably, the sensing means comprises a posture and a motion measuring sensor.

또한 바람직하게는, 상기 감지수단은 수중위치추적장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.Also preferably, the sensing means comprises an underwater position tracking device.

또한 바람직하게는, 상기 몸체 전면에 장착되어 수중 영상을 촬영하는 촬영수단을 포함하며, 상기 촬영수단은 팬/틸팅 기능 수중카메라 및 조명장치인 것을 특징으로 한다.Also preferably, it includes a photographing means mounted on the front of the body to take an underwater image, wherein the photographing means is a pan / tilt function underwater camera and lighting device.

또한 바람직하게는, 상기 통신수단은 광섬유 및 전원선 내장 2차케이블을 통해 완충기와 연결되는 것을 특징으로 한다.Also preferably, the communication means is connected to the shock absorber through the optical fiber and the power cable built-in secondary cable.

또한 바람직하게는, 상기 몸체는 경량 고강도 복합 섬유소재로 제작된 것을 특징으로 한다.Also preferably, the body is characterized in that made of lightweight high strength composite fiber material.

또한 바람직하게는, 상기 감지수단은 해저로봇의 몸체 저면에 설치된 힘/모멘트 센서를 포함하는 것을 특징으로 한다.Also preferably, the sensing means is characterized in that it comprises a force / moment sensor installed on the bottom of the body of the subsea robot.

또한 바람직하게는, 상기 감지수단은 해저로봇의 다리의 발끝에 설치되어 접지감지를 수행하는 접지력센서를 포함하는 것을 특징으로 한다.Also preferably, the sensing means is characterized in that it comprises a grounding force sensor which is installed at the tip of the leg of the subsea robot to perform the ground detection.

또한 바람직하게는, 상기 보행다리 구동수단은 모터구동신호를 발생하는 모터구동부; 상기 모터구동부의 신호에 따라 동작하는 제1 내지 제N 전동모터; 및 상기 전동모터에 따라 동작되고 상기 다관절 보행다리에 링크 연결되어 각각의 전동모터의 동작을 전달하는 제1 내지 제N 감속기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Also preferably, the walking leg driving means includes a motor driving unit for generating a motor driving signal; First to N-th electric motors operating according to signals of the motor driver; And first to N-th speed reducers operated according to the electric motors and connected to the articulated walking legs to transfer the motions of the respective electric motors.

본 발명에 따른 다관절 해저 보행 로봇은 프로펠러 추진과는 전혀 다른 새로운 개념의 6개의 다리로 구성된 해저로봇으로서 6개의 다리를 해저에 밀착시켜 착지하고 이동하며 자세 및 운동감지센서를 이용하여 자세를 유지하면서 조류를 극복하고 해저에서 보행할 수 있는 효과가 있다.The articulated undersea walking robot according to the present invention is a submarine robot composed of six legs, which is a completely different concept from propeller propulsion, and lands and moves six legs in close contact with the sea floor and maintains posture using a posture and a motion sensor. While overcoming algae and walking on the sea is effective.

또한, 본 발명에 따른 다관절 해저 보행 로봇은 초음파영상장비를 탑재하여 탁도가 높은 수중에서도 탐색이 가능하고 앞의 두 다리는 로봇팔로도 사용하게 됨으로써 기능이 향상된 효과가 있다.
In addition, the multi-joint seabed walking robot according to the present invention is equipped with ultrasonic imaging equipment can be searched in the water with high turbidity, and the front two legs are also used as a robot arm, thereby improving the function.

도 1은 본 발명에 따른 다관절 해저 보행 로봇을 이용한 해저탐사시스템에 관한 개략적인 개념도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 다관절 해저 보행 로봇을 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 다관절 해저 보행 로봇의 블록구성도이다.
도 4는 본 발명에 따른 다관절 해저 보행 로봇의 개념설계를 이용하여 CFD 방법으로 유속이 있는 유체 속에 놓인 해저로봇에 작용하는 압력의 분포를 추정한 시뮬레이션 상태를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 다관절 해저 보행 로봇의 수중 링크의 벡터도와 링크 좌표계를 나타낸 것이다.
도 6은 유체흐름에 대한 자세의 보상을 개념적으로 나타낸 도면으로서 각각 저유속, 고유속 및 후측유속상태를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 다관절 해저 보행 로봇의 유체력 대응 자세 보상 개념도이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다관절 해저 보행 로봇을 이용한 해저탐사시스템의 구체적인 블록구성도이다.
도 9 는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다관절 해저 보행 로봇의 로봇다리의 관절부분을 나타낸 상세도이다.
도 10은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다관절 해저 보행 로봇의 전동모터와 하모닉 감속기로 이루어지는 내압방수 관절구조의 일부 측단면도이다.
도 11은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 로봇팔 겸용다리의 관절부분을 나타낸 상세도이다.
도 12는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 로봇다리 및 로봇팔 겸용다리의 기구학적 구조를 나타낸 도면이다.
1 is a schematic conceptual diagram of a seabed exploration system using a multi-joint seabed walking robot according to the present invention.
2 is a perspective view schematically showing a multi-joint seabed walking robot according to an embodiment of the present invention.
3 is a block diagram of a multi-joint seabed walking robot according to the present invention.
4 is a diagram illustrating a simulation state of estimating the distribution of pressure acting on a subsea robot placed in a fluid having a flow rate using a CFD method by using a conceptual design of a multi-joint subsea walking robot according to the present invention.
Figure 5 shows a vector diagram and the link coordinate system of the underwater link of the articulated undersea walking robot according to the present invention.
6 is a view conceptually showing the compensation of the posture for the fluid flow, showing the low flow rate, high flow rate and the rear flow rate state, respectively.
7 is a conceptual diagram of a fluid force response posture compensation of a multi-joint seabed walking robot according to the present invention.
8 is a detailed block diagram of a seabed exploration system using a multi-joint seabed walking robot according to a preferred embodiment of the present invention.
9 is a detailed view showing the joint portion of the robot leg of the articulated undersea walking robot according to an embodiment of the present invention.
10 is a partial side cross-sectional view of a pressure-resistant waterproof joint structure consisting of an electric motor and a harmonic reducer of a multi-joint seabed walking robot according to a preferred embodiment of the present invention.
Figure 11 is a detailed view showing the joint portion of the robot arm combined leg according to a preferred embodiment of the present invention.
12 is a view showing the kinematic structure of the robot leg and robot arm combined leg according to a preferred embodiment of the present invention.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The advantages and features of the present invention, and the manner of achieving them, will be apparent from and elucidated with reference to the embodiments described hereinafter in conjunction with the accompanying drawings. It should be understood, however, that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but is capable of many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, To fully disclose the scope of the invention to those skilled in the art, and the invention is only defined by the scope of the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다관절 해저 보행 로봇에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
Hereinafter, a multi-joint seabed walking robot according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명에 따른 다관절 해저 보행 로봇을 이용한 해저탐사시스템에 관한 개략적인 개념도이다.1 is a schematic conceptual diagram of a seabed exploration system using a multi-joint seabed walking robot according to the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 다관절 해저 보행 로봇을 이용한 해저탐사시스템(1000)은 다관절 해저 보행 로봇 (100)이 해저 200m에 도달하여 보행하는 상태를 나타내고, 상기 다관절 해저로봇(100)은 완충기(depressor)(200)에 2차 케이블(240)로 연결되고, 완충기(200)는 모선(300)에 1차 케이블(220)로 연결된다. 1차 케이블(220)의 저항력은 완충기(200)까지 걸리며 해저로봇(100)으로 전달되지 않는다.
Referring to FIG. 1, the sea floor exploration system 1000 using the articulated seabed walking robot according to the present invention shows a state in which the articulated seabed walking robot 100 reaches 200m below sea level and walks, and the articulated seabed robot ( 100 is connected to the depressor 200 by a secondary cable 240, and the shock absorber 200 is connected to the bus bar 300 by a primary cable 220. The resistance of the primary cable 220 takes up to the shock absorber 200 and is not transmitted to the subsea robot 100.

상기 200m 급 탐사용 다관절 해저로봇(100)을 이용한 해저탐사시스템(1000)은 강조류 환경에서 테더 케이블에 작용하는 유체력이 로봇에 주는 영향을 최소화하기 위하여 완충기(depressor)(200)를 두어 운용하는 개념이다. 상기 해저탐사시스템(1000)은 다음과 같이 두 가지 임무를 갖는다.The seabed exploration system 1000 using the 200m class articulated undersea robot 100 has a depressor 200 to minimize the influence of the fluid force acting on the tether cable to the robot in the heavy current environment. The concept of operation. The subsea exploration system 1000 has two tasks as follows.

해저 구조물이나 침몰선박의 조사·관찰Investigation and observation of subsea structures and sinking ships

2 노트까지의 강조류 환경에서 해저에 밀착 이동함으로써 해저구조물이나 침몰선박 등에 접근하고, 광학 및 음향 장비를 이용하여 악시계 해저환경에 존재하는 구조물을 조사·관찰한다.It moves closely to the sea floor in the heavy current environment up to 2 knots to approach seabed structures, sinking ships, etc., and to investigate and observe the structures existing in the dark clock seabed environment using optical and acoustic equipment.

해저구조물이나 침몰선박의 조사·관찰을 위해 필요한, 와이어 절단, 그라인딩, 드릴링 등의 작업을 로봇팔로 수행한다.Robotic arms are used to cut, grind and drill wires, which are necessary for the investigation and observation of subsea structures and sinking ships.

천해역Cheonhae Station 해양과학 조사 Marine Science Research

200m 이내의 해저환경에서 다족 보행으로 이동함으로써 해저의 교란을 최소화하면서 해양 물리, 화학, 생물, 지질 등의 연구에 필요한 과학조사 데이터를 취득한다.By moving to a multi-pedestrian walk within 200m of the seabed, it acquires scientific research data necessary for research on marine physics, chemistry, biology and geology while minimizing disturbance of the seabed.

200m 이내의 해저에서 과학조사를 위해 필요한 생물, 토양, 해수 등의 샘플을 채취한다.
Samples of organisms, soil, and seawater needed for scientific investigations are taken within 200 meters of the seabed.

본 발명에서는 기존의 프로펠러 방식의 잠수정과는 다른 새로운 개념의 해저로봇으로 기존 한계를 극복하고자 하며, 이를 위하여 도 2와 같은 다관절 해저 보행 로봇을 개시한다. 종래기술에서 언급된 기존의 한계는 아래와 같은 개념으로 극복한다.In the present invention, to overcome the existing limitations with a new concept of a submarine robot different from the existing propeller type submersible, for this purpose is disclosed a multi-joint subsea walking robot as shown in FIG. The existing limitations mentioned in the prior art are overcome by the following concept.

안전성 문제에 관하여, 다이버가 직접 작업하기에 위험한 환경에서는 다이버 대신 해저로봇을 작업에 이용한다.In terms of safety concerns, undersea robots are used instead of divers in environments where it is dangerous for divers to work on their own.

작업시간 문제에 관하여, 해저로봇을 이용함으로써 다이버의 잠수시간 한계를 극복한다.On working time issues, the diver's diving time limit is overcome by using a subsea robot.

조류 문제에 관하여, 로봇은 해저에 밀착하여 접지력이 커지는 자세를 유지함으로써 조류를 극복하고, 해저로봇(100)과 모선(300) 사이에 완충기(200)를 두어 케이블에 걸리는 조류력이 해저로봇(100)에 미치는 영향을 줄인다.Regarding the algae problem, the robot overcomes the algae by maintaining a posture in which the grounding force is increased by being in close contact with the seabed, and by placing the buffer 200 between the subsea robot 100 and the mothership 300, the algae force applied to the cable is a submarine robot ( Reduce the impact on

악시계 문제에 관하여, 비교적 탁도의 영향을 덜 받는 다양한 초음파 영상장치를 활용하고 광학카메라는 근접 확인용으로 활용한다.Regarding the clock problem, various ultrasonic imaging apparatuses, which are relatively less affected by turbidity, are utilized, and optical cameras are used for proximity checking.

장애물과 불규칙 해저지형 문제에 관하여, 스스로 장애물에 얽히지 않도록 다족을 이용하여 해저에 착지하여 정적 안정성을 유지하고 불규칙 해저지형에서도 다관절 다리를 이용하여 원하는 몸체의 자세를 유지하며 보행이동 한다.Regarding obstacles and irregular undersea terrain problems, use a multi-legged landing on the sea floor to maintain static stability so as not to be entangled with obstacles.

환경간섭 문제에 관하여, 해저의 교란을 최소화 할 수 있도록 해저 보행의 방법으로 이동 및 작업한다.
Regarding the problem of environmental interference, move and work in the way of seabed walking to minimize the disturbance of the seabed.

본 발명에 따른 다관절 해저 보행 로봇을 개발하기 위한 네 가지 핵심기술을 정의하며, 기술개발의 접근방법을 제안한다. 새로이 제안되는 해저로봇은 프로펠러 방식으로 추력을 얻는 기존의 해저로봇과는 달리 여러 개의 관절로 이루어진 다리를 이용하여 해저면에 근접해서 보행으로 이동하는 새로운 개념의 해저로봇을 제공하는 것이다.We define four core technologies for developing multi-joint seabed walking robot according to the present invention, and propose an approach for technology development. The newly proposed submarine robot provides a new concept of submarine robot that moves to walking near the sea floor by using a leg composed of several joints, unlike the existing submarine robot that propels the thrust by a propeller method.

이 해저로봇의 개념은 마치 게(Crab)와 가재(Lobster)가 해저면에서 이동하고 작업하는 형태와 유사하여 로봇의 이름을 'Crabster'라고 명명하였다.The concept of undersea robots is similar to the way crabs and lobsters move and work on the bottom of the sea, so the robot is named 'Crabster'.

본 발명에 따른 해저로봇은 우리나라 연근해 200m 수심까지의 해저에서 침몰선 탐사와 해양과학 조사를 수행한다(또한 6000m 수심까지의 해저에서 해양과학 조사를 수행한다). 특히, 조류(Tidal current)가 세고, 시계(Visibility)가 나쁜 서해안의 환경에서 작업할 수 있고, 또한 퇴적 토양에서 환경교란 없이 보행기능을 갖는 형태이다.
The subsea robot according to the present invention performs a sunken ship exploration and marine science survey in the seabed up to 200m deep offshore in Korea (also performs marine science survey in the seabed up to 6000m depth). In particular, it is able to work in the environment of the west coast where tidal current is strong and visibility is poor, and also it has a walking function without disturbing the environment in the sedimented soil.

표 1은 본 발명에 따른 다관절 해저 보행 로봇의 구현 예인 도 1 에 대한 개략적인 제원을 각각 나타낸 것이다.Table 1 shows the schematic specifications of FIG. 1, which is an example of the implementation of the articulated undersea walking robot according to the present invention.

Figure 112011027647394-pat00001
Figure 112011027647394-pat00001

표 1에 도시된 바와 같이, 다리수는 보행다리가 4개이고, 로봇팔겸용다리는 2개이다.As shown in Table 1, the number of legs is four walking legs and two robot arm combined legs.

또한 본 발명에 따른 200m탐사용 다관절 해저 보행 로봇은 해저에서 악시계를 탐지할 수 있는 장치를 구비한다. 기본제원(다리를 접었을 때)은 길이 2.2m, 폭 1m, 높이 1.1m, 최대중량 300kg(적재하중 포함), 최대지상고 0.5m, 다리수는 보행다리 4 DOF 4개, 로봇팔 겸용다리 6 DOF 2개, 최대사양은 최대보행속도 0.5m/sec(1.8km/h), 최대작동수심 200m, 최대극복조속 2 knots, 최대전력 소모량 20kW이하이다. 해상상태 극복능력은 최대작업조건 Sea state 3, 최대생존조건 Sea state 4 이다. 악시계 탐지능력은 탐지거리 100m이상 및 10m이상 두 가지 형태를 수행할 수 있다. 즉, 최대탐지거리 100m이상으로 해저에서 전방을 스캐닝할 수 있는 전방스캐닝 소나와 최대탐지거리 10m이상으로 실시간 소나 영상을 제공하는 초음파카메라가 장착되어 악시계 환경에서의 시계를 확보한다. 제어방식은 유선원격제어방식이 사용되고, 전원공급은 테더케이블을 이용한다.
In addition, the 200m exploration articulated undersea walking robot according to the present invention includes a device capable of detecting a bad watch from the sea floor. The basic specifications (when the legs are folded) are 2.2m in length, 1m in width, 1.1m in height, maximum weight 300kg (including load capacity), 0.5m above ground level, 4 feet of walking legs, 4 DOF legs, 6 DOF legs Two, the maximum specification is a maximum walking speed of 0.5m / sec (1.8km / h), a maximum operating depth of 200m, a maximum bimodulation speed of 2 knots, and a maximum power consumption of 20kW or less. The ability to overcome sea conditions is the maximum working condition Sea state 3 and the maximum survival condition Sea state 4. The bad watch detection capability can be performed in two types, a detection distance of 100m or more and a 10m or more. In other words, it is equipped with a front scanning sonar that can scan the front from the sea floor with a maximum detection distance of more than 100m and an ultrasonic camera that provides a real-time sonar image with a maximum detection distance of more than 10m. The control method is wired remote control method, and the power supply uses a tether cable.

상기 복합이동이 가능한 해저로봇의 필요기능을 다시 한번 정리한다.The necessary functions of the combined robot can be summarized again.

기능function

- 해저에 착지하여 다관절 다족으로 몸체의 자세를 조절하고 보행 이동.-Adjust the posture of the body with multi-joint multi-legs by walking on the sea floor and moving the gait.

- 해저에서 작업용 로봇팔 2기 장착.-Equipped with two robotic arms for working on the sea floor.

- 악시계를 극복하기 위하여 초음파 영상장비 장착.-Equipped with ultrasonic imaging equipment to overcome the bad clock.

- 탁도, 용존산소량, 전도도, 온도, 심도, pH 계측센서 내장.-Built in turbidity, dissolved oxygen, conductivity, temperature, depth and pH measurement sensor.

- 해저로봇의 모든 정보는 실시간으로 원격모니터링.-All information of the submarine robot is remotely monitored in real time.

- 불규칙 지형, 조류 등 외란에 의한 전복위험 대응 자세 안정화 및 걸음새 보정 기능.-Posture stabilization and footstep correction function for overturning risk due to disturbance such as irregular terrain, bird, etc.

내압 Withstand pressure 수밀Watertightness 방식 system

- 200m의 수심에서 구조적으로 안정한 내압,수밀 성능.-Structurally stable pressure and watertight performance at a depth of 200m.

- 회전축계 등 유적식 수밀의 경우, 절연유 내 작동보장.-In case of watertight water tightness such as rotating shaft system, guarantee operation in insulating oil.

- 해수와 염분에 의한 부식에 대한 방식 기능.-Anticorrosive function against corrosion by sea water and salt.

강인성Toughness

- 해상상태 3에서 동작, 해상상태 4에서 생존.-Operation in Sea State 3, Survive in Sea State 4.

- 2노트의 해류에서 이동 및 작업, 3노트의 해류에서 생존.-Move and work in 2 knots of current, survive in 3 knots of current.

- 영하 10도에서 영상 40도까지의 온도 환경에서 정상 작동, 영하 30도에서 영상 75도까지의 환경에서 생존.-Normal operation in temperatures from minus 10 degrees to imaging 40 degrees, survival in minus 30 degrees to imaging 75 degrees.

신뢰성responsibility

- 수중 및 해상에서 24시간 연속으로 사용 가능.-Can be used continuously for 24 hours underwater and at sea.

- 과학조사 데이터는 국제사회 공인 신뢰도 유지.-Scientific research data maintain internationally recognized credibility.

운용편의성Operational Convenience

- 해상상태 3 이하에서 진수 인양 가능-Launching at sea below 3 is possible.

- 조작자 편리를 위한 사용자 그래픽 인터페이스 장착-User graphic interface for operator convenience

- 일부 자동기능을 제공하여 조작자의 부담 경감-Reduced operator burden by providing some automatic functions

유지보수성Maintainability

- 해저로봇(100)과 그 지원장치는 장비의 분해,조립,교체 용이.-The subsea robot 100 and its supporting devices are easy to disassemble, assemble and replace.

- 모듈화 제작, 충분한 여유품 확보.-Modular production, sufficient spare parts.

- 다양한 모선을 활용가능, 포장, 이동, 설치 용이성 확보.-Various buses can be utilized, and easy to pack, move and install.

확장성Scalability

- 추가 장비를 위한 여유 채널의 통신라인과 전원라인 확보.-Secure communication channel and power line of extra channel for additional equipment.

- 수중 작업 공구들의 로봇팔 교체 장착.-Robot arm replacement of underwater work tools.

비상상태 대처기능Emergency response function

- 해저로봇(100)과 원격시스템의 모선(300)과의 기계적 연결 장치가 끊어졌을 경우 해저로봇(100)은 3일 이상 자체 전원을 이용하여 자신의 수중위치를 초음파로 송신.-When the mechanical connection device between the submarine robot 100 and the bus system 300 of the remote system is broken, the submarine robot 100 transmits its own underwater position by ultrasonic wave over 3 days.

-해저로봇(100)이 수중에서 과도한 해저의 급경사나 순간적인 해류 또는 운용의 실수로 전복되었을 경우, 스스로 또는 원격 지원장치의 도움을 받아 그 자세를 회복할 수 있는 기능 확보.
-When the subsea robot 100 is overturned due to excessive seabed steepness or instantaneous current flow or operation mistake, it is possible to recover the posture by itself or with the aid of a remote support device.

본 발명에 따른 해저로봇의 수중관절 메커니즘 개발의 접근방법에 대한 내용은 아래 표 2에 정리하였다.Details of the approach to the development of underwater joint mechanism of the subsea robot according to the present invention are summarized in Table 2 below.

Figure 112011027647394-pat00002
Figure 112011027647394-pat00002

표 2에 따르면, 수중관절 메커니즘에 주요 요구기능으로서 먼저 기계분야에서는 내압/수밀이 요구되고, 모터/기어/베어링 일체 방수형 관절 모듈이 개발되었으며, 유적식 오링구조에 의한 회전 축계의 내압방식 구조 개발을 수행한다. 방식에 있어서, 알루미늄, 스텐레스등 내식성 재료가 적용되었고, 절연유 충전 방식의 유적식 설계가 적용되었으며, 희생양극 설치에 의한 방식 구조를 가진다. 또한, 하모닉 드라이브 감속기를 채택하여 제로 백래쉬가 되도록 하였고, 구조해석 기반 최적 설계를 수행하였으며, 경량 고강도 재질을 사용하였다.According to Table 2, as the main demanding function of the underwater joint mechanism, first, pressure / watertight is required in the mechanical field, and a motor / gear / bearing integrated waterproof joint module was developed. Perform development. In the anticorrosion method, corrosion resistant materials such as aluminum and stainless steel were applied, and oil repellent design of the insulating oil filling method was applied, and the anticorrosive structure was installed by installing a sacrificial anode. In addition, it adopts harmonic drive reducer to achieve zero backlash, performs structural analysis based optimal design, and uses lightweight high strength material.

전기분야에서는 소형 경량 고출력 관절을 가진 해저로봇을 제공하기 위하여, 저속 고토크 비엘디씨(BLDC)모터를 채택하였으며, 해수와 충진유를 이용한 방열구조를 설계하였고, 관절위치 피드백을 위하여, 홀센터 타입 근접 리미트 센서 및 전기식 절대위치 엔코더를 적용하였다. 제어분야에서는 충격으로 인한 기계적 마모를 방지하고 안전성을 향상시키기 위하여 컴플라이언스 제어기 설계를 적용하였다.In the electric field, to provide a submarine robot with a small, lightweight, high-power joint, a low-speed, high-torque BDC motor is adopted, a heat dissipation structure is designed using sea water and filling oil, and a hole center type for joint position feedback. A proximity limit sensor and an electric absolute position encoder are applied. In the control field, compliance controller design is applied to prevent mechanical wear due to impact and to improve safety.

본 발명에 따른 다관절 해저 보행 로봇의 구조를 도 2 및 도 3에서 보다 상세히 설명하기로 한다.The structure of the articulated undersea walking robot according to the present invention will be described in more detail with reference to FIGS. 2 and 3.

우선, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 다관절 해저 보행 로봇을 개략적으로 나타낸 사시도이다. 도 2의 다관절 해저 보행 로봇 (100)의 형태는 실시예에 불과하며, 외형은 변형가능하다.First, Figure 2 is a perspective view schematically showing a multi-joint seabed walking robot according to an embodiment of the present invention. The shape of the articulated undersea walking robot 100 of FIG. 2 is merely an embodiment, and its appearance is deformable.

도 2를 참조하면, 다관절 해저 보행 로봇 (100)은 유선형의 몸체(110); 상기 몸체 좌우측에 각각 한 쌍씩 복수개가 장착되며 다수개의 관절로 구성된 다관절 보행다리; 상기 몸체내에 장착되고, 상기 다관절 보행다리를 통해 보행상태 및 수중에서의 유영상태를 제어하는 제어수단; 상기 제어수단에 의해 제어되며 상기 다관절 보행다리를 구동시키는 구동신호를 발생하는 보행다리 구동수단; 상기 몸체내에 장착되어 몸체의 자세 및 외부 물체와의 접촉을 감지하는 감지수단; 및 외부장치와 유무선 신호를 송수신하는 통신수단;을 포함하는 것을 특징으로 한다.2, the articulated undersea walking robot 100 is a streamlined body (110); A multi-jointed walking leg having a plurality of pairs mounted on the left and right sides of the body and composed of a plurality of joints; Control means mounted in the body and controlling a walking state and a swimming state in the water through the articulated walking leg; Walking leg driving means controlled by the control means for generating a driving signal for driving the articulated walking leg; Sensing means mounted in the body to sense a posture of the body and contact with an external object; And communication means for transmitting and receiving wired and wireless signals with an external device.

상기 감지수단은 자세 및 운동 계측센서(42), 수중위치추적장치(50), 및 상기 몸체 저면에 설치된 힘/모멘트 센서(43)를 포함하는 것을 특징으로 한다.The sensing means is characterized in that it comprises a posture and motion measurement sensor 42, the underwater position tracking device 50, and a force / moment sensor 43 installed on the bottom of the body.

상기 몸체 전면에 장착되어 수중 영상을 촬영하는 촬영수단을 포함하며, 상기 촬영수단은 초음파 카메라(20) 및 팬/틸팅 기능 수중카메라(22) 및 조명장치(22a, 미도시)를 포함하는 것을 특징으로 한다.It is mounted on the front of the body includes a photographing means for photographing the underwater image, wherein the photographing means comprises an ultrasonic camera 20 and the pan / tilt function underwater camera 22 and the lighting device (22a, not shown) It is done.

상기 통신수단은 광통신모뎀(60)을 포함하는 것을 특징으로 한다.The communication means is characterized in that it comprises an optical communication modem (60).

상기 통신수단은 광섬유 및 전원선 내장 2차케이블(240)을 통해 완충기와 연결되는 것을 특징으로 한다.The communication means is characterized in that connected to the shock absorber through the optical fiber and the power cable built-in secondary cable 240.

상기 몸체는 경량 고강도 복합 섬유소재로 제작된 것을 특징으로 한다.The body is characterized in that made of lightweight high strength composite fiber material.

또한, 상기 감지수단은 해저로봇의 앞쪽 전방 두 개의 다리에 설치되어 접지감지를 수행하는 모멘트센서를 포함하는 것을 특징으로 한다.
In addition, the sensing means is characterized in that it comprises a moment sensor is installed on the two front front legs of the subsea robot to perform the ground detection.

상기 해저로봇(100)의 몸체부(110)의 측면에는 복수개의 다관절 보행다리(121,122,123(미도시),124,125(미도시),126)가 총 6개가 구비되는데, 양측면에 각각 두 개씩 구비되고(123,124,125,126), 전방측에 두개(121,122)가 구비된다. 이중 전방측에 부착된 두 개의 다관절 보행다리(121,122)는 로봇팔 겸용 다리로써 다리와 팔의 기능을 수행한다. 각각의 다관절 보행다리(121,122,123,124,125,126)는 각각 복수개의 관절부(예를 들면, 121a,121b,122a,122b 등)로 구성된다.
A plurality of articulated walking legs 121, 122, 123 (not shown), 124, 125 (not shown), and 126 are provided on the side of the body portion 110 of the subsea robot 100, and two are provided on each side thereof. (123, 124, 125, 126), two (121, 122) are provided on the front side. Two articulated walking legs (121, 122) attached to the double front side is a robot arm combined legs to perform the functions of the legs and arms. Each articulated walking leg 121, 122, 123, 124, 125, 126 is composed of a plurality of joints (for example, 121a, 121b, 122a, 122b, etc.).

본 발명에 따른 다관절 해저 보행 로봇 (100)은 6족 또는 4족으로 해저보행하고, 두 개의 앞다리는 로봇팔로도 활용될 수 있다. 네 개의 다리(123,124,125,126)는 각각 전동모터(도 9)에 의해 능동적으로 제어되는 네 개의 관절구조를 가지고, 앞 두 다리는 각각 6개의 관절과 1개의 그리퍼(도 11)를 가진다. 이러한 개념은 생체기능 모사에 초점을 둔 가재로봇과 각각의 다리가 하나의 관절과 페달로 구성된 기술[Christina, G., Meyer, N., Martin, B., "Simulation of an underwater hexapod robot," Ocean Engineering, Vol 36, pp 39-47, 2009.]과 차별화된다. 또한, 유체력에 대응하여 능동적으로 자세를 제어하는 새로운 해저로봇이다.The articulated undersea walking robot 100 according to the present invention walks undersea with 6 or 4 groups, and two front legs may be utilized as robot arms. The four legs 123, 124, 125 and 126 each have four joint structures actively controlled by an electric motor (Fig. 9), and the front two legs each have six joints and one gripper (Fig. 11). This concept is based on lobster robots, which focus on biomechanical simulation, and a technique in which each leg consists of a joint and a pedal [Christina, G., Meyer, N., Martin, B., "Simulation of an underwater hexapod robot," Ocean Engineering, Vol 36, pp 39-47, 2009.]. In addition, it is a new submarine robot that actively controls posture in response to fluid force.

다관절 해저로봇의 다리의 구조는 도 12에 나타난 것과 같다. 해저로봇이 이동할 경우에는 6개의 다리를 이용하여 자세의 안정성을 확보하면서 빠른 보행이 가능하다. 로봇팔겸용 다리를 이용하여 작업하거나 물건을 옮길 경우 네 다리로 몸체를 지지하거나 보행 이동한다. 해저 로봇이 네 다리로 이동할 경우에는 여섯 다리로 이동할 경우에 비해 보행 안정성과 속도가 상대적으로 떨어지지만 수중에서 필요한 작업과 이동 기능은 모두 달성될 수 있다.
The leg structure of the articulated undersea robot is as shown in FIG. When the submarine robot moves, it is possible to walk quickly while securing posture stability using six legs. When working or moving things using the robot arm combined legs, support the body or walk with four legs. When the submarine robot moves on four legs, walking stability and speed are relatively lower than when moving on six legs, but all the necessary work and moving functions can be achieved underwater.

본 발명에 따른 다관절 해저 보행 로봇 (100)은 강조류 환경에서 작업하기 적합하도록 유선형의 몸체(110)와 다관절 구조의 다리 형상을 가지며, 유체력 등에 의한 외란을 감지하고 이에 따른 영향을 최소화하도록 몸과 다리의 자세를 제어하는 기능을 갖는다.
The multi-joint seabed walking robot 100 according to the present invention has a streamlined body 110 and a leg shape of a multi-joint structure so as to be suitable for working in a stress-based environment, and detects disturbance due to fluid force and minimizes the effect thereof. To control body and leg posture.

다음으로, 도 3은 본 발명에 따른 다관절 해저 보행 로봇의 블록구성도이다.Next, Figure 3 is a block diagram of a multi-joint seabed walking robot according to the present invention.

도 3을 참조하면, Referring to Figure 3,

초음파로 100m까지의 전방을 촬영하는 전방스캐닝 소나(20)Front-scanning sonar 20 to shoot up to 100m ahead with ultrasound

초음파로 10m까지의 전방영상을 실시간으로 촬영하는 초음파카메라(20a),Ultrasonic camera 20a for capturing a front image up to 10m with ultrasound in real time,

수중상태를 촬영하고 회전 및 각도전환이 가능한 팬/틸팅기능 수중카메라(22) 및 조명장치 (22a, 미도시),Pan / tilting function underwater camera 22 and lighting device (22a, not shown) that can shoot underwater and rotate and switch angles,

유영 및 보행과정시 센싱된 데이터 및 촬영된 영상데이터를 저장하는 데이터저장부(30),Data storage unit 30 for storing the sensed data and the captured image data during the swimming and walking process,

해저로봇의 자세를 감지하고 운동상태를 계측하는 자세 및 운동계측센서(42),Posture and motion measurement sensor 42 for detecting the posture of the subsea robot and measuring the state of movement,

해저로봇의 보행다리에 작용하는 힘과 모멘트를 센싱하는 힘/모멘트센서(43),Force / moment sensor 43 for sensing the force and moment acting on the walking leg of the subsea robot,

관절 각도의 리미트를 감지하기 위한 근접센서 (44),Proximity sensor (44) for detecting the limit of the joint angle,

로봇의 속도와 유속을 센싱하는 속도센서(48),Speed sensor 48 for sensing the speed and flow rate of the robot,

수행로봇의 수중위치를 실시간으로 추적하고 센싱하는 수중위치추적장치 (50),Underwater position tracking device for tracking and sensing the underwater position of the performing robot in real time (50),

완충기와의 신호 송수신을 처리하는 광통신모뎀(60),Optical communication modem 60, which handles the signal transmission and reception with the buffer,

모터구동신호를 발생하는 모터구동부(70),A motor driving unit 70 for generating a motor driving signal,

모터구동부의 신호에 따라 동작하는 제1 내지 제N전동모터(72-1,...,72-N),First to Nth electric motors 72-1, ..., 72-N operating in accordance with the signal of the motor driver,

전동모터에 따라 동작되고 모터의 동작을 전달하는 제1 내지 제N감속기(74-1,...,74-N),First to N-th reduction gears 74-1, ..., 74-N operating in accordance with the electric motor and transmitting the motion of the motor,

관절각도를 센싱하는 전기식 엔코더(76-1,...,76-N),Electric encoders for sensing joint angles (76-1, ..., 76-N),

관절각도에 따른 리미트 신호를 발생하는 리미트센서(78-1,...,78-N), Limit sensors (78-1, ..., 78-N) for generating a limit signal according to the joint angle,

광통신모뎀을 통해 완충기 및 지상 모선과 신호를 송수신하고, 상기 다관절 해저로봇(100)의 보행과정시 감지된 센싱신호를 수신하고, 보행시 입수된 데이터의 전송을 제어하는 제어시스템(10); 및A control system (10) for transmitting and receiving signals with a buffer and a ground bus through an optical communication modem, receiving a sensing signal sensed during the walking process of the articulated subsea robot (100), and controlling the transmission of data received during walking; And

전원을 공급하는 전원부(80),Power supply unit 80 for supplying power,

를 포함한다..

기타 각각의 다리부분 단부에는 접지 감지를 위한 힘센서 혹은 감지센서가 장착된다(도시안됨).
Each other leg end is equipped with a force sensor or a sensing sensor for ground sensing (not shown).

본 발명에 따른 다관절 해저 보행 로봇은 해저에 설치되며 완충기에 중간 연결되고 지상모선과 완충기를 통해 연결된다. 지상모선은 해저 지형에 대한 촬영된 영상정보를 해저로봇을 통해 전송받아 저장하며, 특정 지역의 탐색을 위해 이동 명령신호를 송신한다.The articulated undersea walking robot according to the present invention is installed on the sea floor and is connected to the middle of the shock absorber and is connected through the ground bus and the shock absorber. The ground bus receives and stores the photographed image information of the seabed topography through the seabed robot, and transmits a movement command signal to search for a specific area.

해저로봇은 특정 지역을 향해 해저 지면을 따라 이동하며, 이동시 보행이 가능하다. 조류에 따라 감지수단인 유속센서와 접지력센서 및 자세센서를 통해 조류에 따른 해저의 외란을 감지하고, 이에 대응하여 해저로봇의 자세를 제어한다(도 6 및 도 7참조). 이때, 전방에서 밀려오는 조류에 의한 저항력과 양력에 대항하여 전복되지 않도록 자세의 안정성이 커지는 방향으로 자세를 제어함으로써 뒤집어지는 등의 사고를 방지하게 된다. 보행시에는 다관절 보행다리에 설치된 감지수단인 모멘트센서와 발끝에 설치된 접지력 센서를 통해 다리의 접지상태를 확인하여 보행 안정성을 확보할 수 있는 수단을 제공한다. 악시계를 극복하기 위하여 촬영수단인 초음파카메라를 장착하여 탁도가 높은 해역에서 실시간 동영상 이미지를 얻을 수 있다. 또한 다관절 다리를 이용하여 자세를 변화시켜 광학 카메라를 근접시킴으로써 물체를 근접 확인할 수 있다. 이때는 조명장치를 통해 전방 주위를 밝게 비춘다.
The subsea robot moves along the sea floor to a specific area and can walk while moving. The flow rate sensor, the grip force sensor, and the attitude sensor, which detects the disturbance of the seabed according to the current, are detected according to the current, and the attitude of the seabed robot is controlled in response thereto (see FIGS. 6 and 7). At this time, by controlling the posture in the direction of increasing the stability of the posture so as not to be overturned against the resistance and lift caused by the tidal current coming from the front to prevent the accident such as flipping. When walking, it provides a means to secure walking stability by checking the grounding state of the leg through a moment sensor, which is a sensing means installed on the articulated walking leg, and a traction sensor installed on the toe. In order to overcome the bad clock, it is possible to obtain a real-time video image in the sea with high turbidity by mounting an ultrasonic camera as a photographing means. In addition, by using the articulated leg to change the posture to approach the optical camera, you can check the object closer. In this case, the surroundings of the front are brightly illuminated by the lighting device.

해저로봇에 작용하는 Acting on the seabed robot 유체력의Fluid 해석 및  Interpretation and 모델링modelling

본 발명에 따른 다관절 해저 보행 로봇에 작용하는 유체력에 대하여 살펴본다. 물은 공기의 1000배에 달하는 밀도를 가지는 유체이므로 수중환경에서 동작해야 하는 해저로봇은 유체력을 무시할 수 없는 동역학특성을 갖는다. 본 발명에서는 유체력의 해석방법으로 ANSYS 등의 수치계산 툴을 이용하는 전산유체역학(CFD; computational fluid dynamics)방법을 적용한다.
It looks at the fluid force acting on the articulated undersea walking robot according to the present invention. Since water is a fluid having a density of 1000 times that of air, subsea robots operating in the underwater environment have dynamic characteristics that cannot ignore fluid force. In the present invention, a computational fluid dynamics (CFD) method using a numerical calculation tool such as ANSYS is applied.

도 4는 본 발명에 따른 해저로봇의 개념설계를 이용하여 CFD 방법으로 유속이 있는 유체 속에 놓인 해저로봇에 작용하는 압력의 분포를 추정한 시뮬레이션 상태를 나타낸 도면이다. 이러한 과정을 통하여 해저로봇에 작용하는 유체력을 자세와 유체의 방향에 따라 계산 분석할 수 있다.4 is a view showing a simulation state of estimating the distribution of pressure acting on a subsea robot placed in a fluid having a flow rate by the CFD method using the conceptual design of the subsea robot according to the present invention. Through this process, the fluid force acting on the seabed robot can be calculated and analyzed according to the attitude and the direction of the fluid.

도 4에서, 보행다리 중 로봇팔 겸용다리 (121a,121b,122a,122b), 및 나머지 우측 보행다리(124a,124b,126a,126b), 및 좌측 보행다리(123a,123b,125a,125b 미도시)로 구성된다.In FIG. 4, the robot arm combined legs 121a, 121b, 122a and 122b, and the remaining right walking legs 124a, 124b, 126a and 126b, and the left walking legs 123a, 123b, 125a and 125b are not shown. It is composed of

도 5는 본 발명에 따른 다관절 해저 보행 로봇의 수중 링크의 벡터도와 링크 좌표계를 나타낸 것이다.Figure 5 shows a vector diagram and the link coordinate system of the underwater link of the articulated undersea walking robot according to the present invention.

도 5를 참조하면, 유속이 있는 수중에서 다관절 다족을 이용하여 보행 또는 유영할 경우 유체력을 고려한 관절의 경로계획과 제어가 필요하며 이를 위해 필수적으로 선행되어야 할 것이 바로 다리 링크에 작용하는 유체력의 모델링이다. 수중 로봇팔의 동역학식은 육상의 로봇팔 동역학 식에 유체력을 첨가하여 수학식(1)과 같이 표현할 수 있다.Referring to FIG. 5, when walking or swimming with multi-joint multi-foot in water with flow velocity, path planning and control of a joint considering fluid force is necessary, and for this purpose, an essential action must be performed on the leg link. Modeling of fitness. The underwater robot arm kinematic equation can be expressed as Equation (1) by adding a fluid force to the robot arm kinematic equation of the land.

Figure 112011027647394-pat00003
Figure 112011027647394-pat00003

여기서, M은 부가질량을 포함한 관성행렬이고, C는 코리올리와 원심력, D는 유체저항 및 양력, G는 부력과 중력,

Figure 112011027647394-pat00004
는 관절 토크이다. 유체저항력과 양력은 관절의 각도, 관절 각속도, 유체의 속도, 링크의 형상에 따른 유체력 계수의 함수가 된다. 이를 정의하기 위하여 먼저 링크를 얇은 원판으로 쪼개고 각 원판에 작용하는 유체력을 근사적으로 표현함으로써 이들의 적분에 의해 링크에 작용하는 유체력을 근사화한다. 해저로봇의 링크의 좌표와 속도 및 힘 벡터도를 도 5와 같이 정의하면, j번째 링크에 작용하는 유체저항력은 i번째 좌표에 대해 수학식(2)와 같이 근사적으로 표현할 수 있다.Where M is the inertia matrix with added mass, C is Coriolis and centrifugal force, D is fluid resistance and lift, G is buoyancy and gravity,
Figure 112011027647394-pat00004
Is the joint torque. The fluid resistance and lift are functions of the fluid force coefficient according to the joint angle, joint angular velocity, fluid velocity, and link shape. To define this, first, the link is divided into thin disks and the fluid forces acting on the disks are approximated to approximate the fluid forces acting on the links by their integration. If the coordinates, velocity and force vector of the link of the submarine robot are defined as shown in FIG. 5, the fluid resistance force acting on the j- th link can be expressed approximately as in Equation (2) with respect to the i- th coordinate.

Figure 112011027647394-pat00005
Figure 112011027647394-pat00005

여기서, CDj는 j번째 링크의 2차원 유체저항계수이고,

Figure 112011027647394-pat00006
j번째 링크의 원판의 속도벡터와 유체 속도벡터 사이의 각도이다. dpj는 원판을
Figure 112011027647394-pat00007
에 직각인 벡터에 투영한 길이이다.
Figure 112011027647394-pat00008
j번째 링크의 길이방향에 직각인 원판의 병진 속도성분이다. 이로부터 i번째 관절에 작용하는 유체력토크는 원판의 위치벡터 irj를 고려하여 다음 수학식 3과 같이 표현할 수 있다. Where C Dj is the two-dimensional fluid resistance coefficient of the j th link,
Figure 112011027647394-pat00006
Is the angle between the velocity vector and the fluid velocity vector of the disk of the j th link. d pj is the original
Figure 112011027647394-pat00007
The length projected on the vector perpendicular to.
Figure 112011027647394-pat00008
Is the translational velocity component of the disc perpendicular to the longitudinal direction of the j th link. From this, the fluid force torque acting on the i- th joint can be expressed by Equation 3 considering the position vector i r j of the disc.

Figure 112011027647394-pat00009
Figure 112011027647394-pat00009

이들 유체력과 유체력토크를 결정짓는 속도벡터

Figure 112011027647394-pat00010
를 관절 각속도 벡터로 표현하면 일반화 토크를 얻을 수 있고, 수학식(1)식의 유체저항력 항 D를 근사적으로 구할 수 있다.
Velocity vector to determine these fluid forces and torques
Figure 112011027647394-pat00010
Is expressed as a joint angular velocity vector, and a generalized torque can be obtained, and the fluid resistivity term D of Equation (1) can be approximately obtained.

유체력Fluid 최적 보행 경로 계획 Optimal Pedestrian Path Planning

수중에서 링크에 작용하는 유체력을 최적화하도록 경로를 계획한다면, 보행이나 유영에 소요되는 에너지의 효율을 높일 수 있을 것이다. 공기중에 비해 수중에서는 1000배에 달하는 유체력을 받기 때문에 유체력을 최적화함으로써 시스템의 효율을 향상시키는 것을 또 하나의 핵심기술로 정의한다. 보행에 있어서는 걸음새의 계획에 유체력을 고려하여 여유 자유도를 활용하고, 유영에서는 관절에 작용하는 유체력에 의해 작용하는 몸체의 추진력이 최대가 되도록 관절의 각도와 속도를 계획하는 것이다. 이러한 유체력 최적 보행 경로 계획의 문제는 다음과 같이 정형화될 수 있다. 즉, 아래 수학식(4)로 주어지는 아래의 부등식 조건들을 만족하고 걸음새에 따라 주어지는 관절 제약조건을 만족하면서, 수중에서 움직이는 다리에 작용하는 수학식 5와 같은 유체력 목적함수 g를 최소로 하는 관절경로 파라미터를 구한다.If you plan your route to optimize the hydrodynamic forces on the links underwater, you can increase the efficiency of the energy required for walking or swimming. The core technology is to improve the efficiency of the system by optimizing the fluid force because it receives 1000 times as much fluid force in water than in air. In walking, the degree of freedom is taken into account in the planning of the step, and the angle and speed of the joint are planned to maximize the propulsion of the body acting by the fluid force acting on the joint. This problem of fluid force optimum walking path planning can be formulated as follows. That is, a joint that satisfies the following inequality conditions given by Equation (4) below and satisfies the joint constraint given according to the step, and minimizes the fluid force objective function g as shown in Equation 5 acting on the legs moving underwater. Get the path parameters.

Figure 112011027647394-pat00011
Figure 112011027647394-pat00011

Figure 112011027647394-pat00012
Figure 112011027647394-pat00012

이렇게 정식화된 유체력 최적화 문제는 일반적으로 잘 알려진 최적화 기법을 이용하면 풀 수 있다. 예를 들면 유전자 알고리즘이나 SQP(Sequential quadratic programming) 등을 이용할 수 있다.
This formalized fluid force optimization problem can be solved using commonly known optimization techniques. For example, genetic algorithms or sequential quadratic programming (SQP) can be used.

외력대응External force response 자세보상 제어 Posture Compensation Control

프로펠러 방식과 달리 조류 속에서 안정한 자세를 유지하는 것이 CRABSTER의 주요 개념이므로 조류와 같은 외력에 대응하기 위한 자세 보상 제어기술이 또 하나의 핵심기술이 된다. Maintaining stable posture in algae, unlike propeller method, is the main concept of CRABSTER. Therefore, posture compensation control technology to cope with external force such as algae becomes another core technology.

도 6은 유체흐름에 대한 자세의 보상을 개념적으로 나타낸 도면으로서 각각 저유속, 고유속 및 후측유속상태를 나타낸 도면이다.6 is a view conceptually showing the compensation of the posture for the fluid flow, showing the low flow rate, high flow rate and the rear flow rate state, respectively.

도 7은 본 발명에 따른 다관절 해저 보행 로봇의 유체력 대응 자세 보상 개념도이다.7 is a conceptual diagram of a fluid force response posture compensation of a multi-joint seabed walking robot according to the present invention.

해류가 존재하는 바다 속에서 해류에 의해 전복되거나 날려 가지 않으면서 안정한 자세를 유지하기 위한 접근방법으로 도 6과 같이 가재의 자세보상 방법을 도입한다. 가재는 유속의 크기와 방향에 따라 자세를 변화하면서 접지력을 조절한다. 상기에서 언급한 전산유체역학 해석방법을 통하여 몸체의 자세별로 얻을 수 있는 양력과 저항력을 얻는다면 이를 이용하여 해저에서 전복되지 않고 작업할 수 있는 조건을 도출할 수 있다. 로봇이 해류에 날려가지 않을 조건은 로봇의 자중과 양력에 의해 발생하는 접지 발끝의 마찰력이 유체저항력 보다 큰 것이다. 즉, 도 7로부터 다음 수학식 6의 관계를 얻을 수 있다.As an approach to maintain a stable posture without being overturned or blown over by the current in the sea where the current is present, the attitude compensation method of the crawfish is introduced as shown in FIG. Lobsters adjust their grip by varying their posture depending on the size and direction of the flow rate. If the above-mentioned computational fluid dynamics analysis method obtains the lift and the resistance obtained by body posture, it can be used to derive the conditions to work without overturning on the sea floor. The condition that the robot will not be blown by the current is that the frictional force of the ground tip generated by the weight and lift of the robot is greater than the fluid resistance. That is, the relationship of the following equation (6) can be obtained from FIG.

Figure 112011027647394-pat00013
Figure 112011027647394-pat00013

여기서, m은 로봇의 질량, g는 중력가속도, B는 로봇의 부력이고, fF는 로봇의 해저면 접지 마찰력, fD는 유체저항력 fE는 그 밖의 기타 외력 성분이며, μ는 접지마찰계수, fL은 로봇에 작용하는 양력이다. 수학식(6)식에서 fD와 fE는 유속과 로봇 자세에 대한 함수 이므로 수학식(6)의 부등식이 만족되도록 자세를 보상함으로써 조류를 극복할 수 있다. 해저로봇에서 자세보상기능을 구현하기 위하여 유속센서(혹은 속도센서), 힘/토크센서, 자세센서(혹은 자세 및 운동계측센서), 접지력 감지 센서 등이 장착된다. 도 7을 참조하면, 다관절 해저로봇(100)은 다관절 보행다리를 이용하여 자세를 변화시킴으로써 조류를 극복하는 모습을 볼 수 있다. 다관절 해저로봇은 몸체를 앞으로 수그려서 전방에서의 조류에 대응하고 있다.
Where m is the mass of the robot, g is the acceleration of gravity, B is the buoyancy of the robot, f F is the bottom ground friction force of the robot, f D is the fluid resistive force f E is any other external force component, and μ is the ground friction coefficient. , f L is the lift on the robot. In Equation (6), f D and f E are functions of flow velocity and robot posture, so the tide can be overcome by compensating the attitude so that the inequality of Equation (6) is satisfied. In order to implement the posture compensation function in the submarine robot, the flow velocity sensor (or speed sensor), force / torque sensor, posture sensor (or posture and motion measurement sensor), and ground force sensor are installed. Referring to FIG. 7, the articulated subsea robot 100 may be seen to overcome a bird by changing its posture using a multi-articulated walking leg. The articulated submarine robot responds to currents from the front by protruding the body forward.

본 발명에 따른 다관절 해저 보행 로봇은 6개의 다리를 가지며, 두 앞다리는 로봇팔 기능을 겸한다. 또한, 해저에 밀착하여 보행 이동하며 몸체의 형상과 자세를 이용하여 조류에 의한 외란을 극복하고 안정된 자세로 해저 작업을 수행하는 개념의 해저로봇이다. 본 발명에 따른 해저로봇의 핵심기술은 수중관절 메카니즘, 유체력의 해석 및 모델링, 유체력 최적 보행 경로계획 그리고 외력대응 자세보상 제어 등 네 가지이다.
The articulated undersea walking robot according to the present invention has six legs, and both front legs also function as robot arms. In addition, it is a seabed robot of the concept of moving in close contact with the seabed to overcome the disturbance caused by birds by using the shape and posture of the body and perform the subsea work in a stable posture. The core technologies of the subsea robot according to the present invention are four such as underwater joint mechanism, fluid force analysis and modeling, fluid force optimal walking path planning, and external force response attitude compensation control.

도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다관절 해저 보행 로봇을 이용한 해저탐사시스템의 구체적인 블록구성도이다.8 is a detailed block diagram of a seabed exploration system using a multi-joint seabed walking robot according to a preferred embodiment of the present invention.

도 8을 참조하면, 해저로봇(100)은 도 3에 도시된 구성외에, 복수개의 신호를 스위칭하는 스위칭허브(150), 광파이버 컨버터(152)를 포함하고, 상기 스위칭허브(150)에는 RS232 및 RS485장치, USB 및 CAN장치가 연결된 입력 및 출력신호를 처리하는 컴퓨터(162), 복수개의 네트워크 카메라가 연결된 스위칭허브(164), 복수개의 아날로그 카메라가 연결된 비디오엔코더(166), 전방주시소나(Forward Looking Sonar: FLS, 20) 혹은 전방스캐닝 소나, 초음파카메라(20a)가 연결된다.Referring to FIG. 8, in addition to the configuration shown in FIG. 3, the subsea robot 100 includes a switching hub 150 and an optical fiber converter 152 for switching a plurality of signals, and the switching hub 150 includes RS232 and Computer 162 processing input and output signals connected to RS485 device, USB and CAN devices, switching hub 164 connected to a plurality of network cameras, video encoder 166 connected to a plurality of analog cameras, forward Looking Sonar: FLS, 20) or front scanning sonar, ultrasonic camera 20a is connected.

완충기(200)는 복수개의 신호를 스위칭하는 스위칭허브(210), 광파이버 컨버터(222), 입력 및 출력신호를 처리하고 RS232가 연결된 컴퓨터(230), 복수개의 아날로그 카메라(242,243,244,245)가 연결된 비디오엔코더(240), 및 복수개의 네트워크 카메라(252,254)가 연결된다.The buffer 200 includes a switching hub 210 for switching a plurality of signals, an optical fiber converter 222, a computer 230 for processing input and output signals and a RS232 connection, and a video encoder having a plurality of analog cameras 242, 243, 244 and 245 connected thereto. 240, and a plurality of network cameras 252 and 254 are connected.

모선(300)은 복수개의 컴퓨터(331 내지 339)가 연결되며, 상기 광파이버 컨버터(322,324)가 연결된 스위칭 허브(310)를 포함한다. 상기 광파이버 컨버터(322)는 상기 완충기(200)의 광파이버 컨버터(222)와 연결되고, 상기 광파이버 컨버터(324)는 상기 해저로봇(100)의 광파이버 컨버터(152)와 연결된다.
The bus bar 300 includes a switching hub 310 to which a plurality of computers 331 to 339 are connected and to which the optical fiber converters 322 and 324 are connected. The optical fiber converter 322 is connected to the optical fiber converter 222 of the buffer 200, the optical fiber converter 324 is connected to the optical fiber converter 152 of the subsea robot 100.

상기와 같이 연결된 해저로봇(100), 완충기(200) 및 모선(300)을 포함한 해저탐사시스템을 통해 해저지형을 관찰하기 위한 시스템을 구축하고, 해저로봇(100)을 제어하여 해저환경에 대한 데이터를 확보할 수 있다.
Through the seabed exploration system including the seabed robot 100, the buffer 200 and the mothership 300 connected as described above to build a system for observing the seabed topography, and controls the seabed robot 100 to the data about the seabed environment Can be secured.

도 9 는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다관절 해저 보행 로봇의 로봇다리의 관절부분을 나타낸 상세도이고, 도 10은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다관절 해저 보행 로봇의 전동모터와 하모닉 감속기로 이루어지는 내압방수 관절구조의 일부 측단면도이고, 도 11은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 로봇팔 겸용다리의 관절부분을 나타낸 상세도이고, 도 12는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 로봇다리 및 로봇팔 겸용다리의 기구학적 구조를 나타낸 도면이다.9 is a detailed view showing the joint portion of the robot leg of the articulated undersea walking robot according to a preferred embodiment of the present invention, Figure 10 is an electric motor and a harmonic reducer of the articulated undersea walking robot according to a preferred embodiment of the present invention Partial cross-sectional side view of the pressure-resistant waterproof joint structure consisting of, Figure 11 is a detailed view showing the joint portion of the robot arm combined leg according to a preferred embodiment of the present invention, Figure 12 is a robot leg according to a preferred embodiment of the present invention and Figure shows the kinematic structure of the robot arm combined leg.

도 9를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다관절 해저 보행 로봇의 로봇다리의 관절부분은 제1관절(125a), 제2관절(125b), 제3관절(125c) 및 제4관절(125d)로 구성된다. 상기 제4 관절(125d) 단부에 로봇다리(124a)가 연결되며, 제3 관절(125c) 및 제4 관절(125d)에 사이에 로봇다리(124b)가 연결된다.9, the joint portion of the robot leg of the multi-joint seabed walking robot according to a preferred embodiment of the present invention is the first joint (125a), the second joint (125b), the third joint (125c) and the fourth joint And 125d. The robot leg 124a is connected to the end of the fourth joint 125d, and the robot leg 124b is connected between the third joint 125c and the fourth joint 125d.

상기 제1관절(125a), 제2관절(125b), 및 제3관절(125c)은 내압방수 관절구조에 의해 방수 조립되어 있다(도 10참조).The first joint 125a, the second joint 125b, and the third joint 125c are waterproof assembled by the pressure-resistant waterproof joint structure (see FIG. 10).

도 10을 참조하면, 상기 제1관절(125a), 제2관절(125b), 및 제3관절(125c)은 내압방수 관절구조에 의해 방수 조립되어 있는데, 구체적으로는 제1 방수몸체(410), 제2 방수몸체(420) 및 제3 방수몸체(430)으로 구성되며, 제1 방수몸체(410)에는 프레임리스 BLDC모터(72-1)가 방수용오링(414)에 의해 감싸져서 내압방수 하우징(418)에 내접되어 베어링(412)을 매개로 장착된다. 상기 프레임리스 BLDC모터(72-1)의 구동력을 감속시키는 감속기(74-1)는 베어링(412)을 매개로 상기 내방방수 하우징(418)내에 회전가능하게 연결된다.Referring to FIG. 10, the first joint 125a, the second joint 125b, and the third joint 125c are waterproof-assembled by the pressure-resistant waterproof joint structure, specifically, the first waterproof body 410. , The second waterproof body 420 and the third waterproof body 430, and the first waterproof body 410 is frameless BLDC motor 72-1 is wrapped by the waterproof O-ring 414, pressure-resistant waterproof housing Inscribed to 418 is mounted via the bearing 412. The speed reducer 74-1 for reducing the driving force of the frameless BLDC motor 72-1 is rotatably connected to the waterproof housing 418 through a bearing 412.

도 11을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 로봇팔 겸용다리의 관절부분은 제1관절(125a), 제2관절(125b), 제3관절(125c), 제4관절(125d), 제5관절(125e) 및 제6 관절(125f)로 구성된다. 상기 제6 관절(125f) 단부에 그리퍼(122a-1)가 연결되며, 제3 관절(125c) 및 제4 관절(125d)에 사이에 로봇다리(121c)가 연결되고, 제4 관절(125d) 및 제5 관절(125e)에 사이에 로봇다리(121b)가 연결되고, 제5 관절(125e) 및 제6 관절(125f)에 사이에 로봇다리(121a)가 연결된다.11, the joint portion of the robot arm combined leg according to a preferred embodiment of the present invention is the first joint 125a, the second joint 125b, the third joint 125c, the fourth joint 125d, It consists of the 5th joint 125e and the 6th joint 125f. A gripper 122a-1 is connected to an end of the sixth joint 125f, a robot leg 121c is connected between the third joint 125c and the fourth joint 125d, and a fourth joint 125d. And a robot leg 121b is connected between the fifth joint 125e and a robot leg 121a is connected between the fifth joint 125e and the sixth joint 125f.

상기 제1관절(125a), 제2관절(125b), 및 제3관절(125c)은 내압방수 관절구조에 의해 방수 조립되어있다(도 10참조). 기타 관절 또한 내압방수구조로 조립된다. 각각의 관절각도의 피드백(feedback)은 전기식 절대 엔코더(76-1) 통해 감지될 수 있으며, 관절에 설치된 리미트센서를 이용하여 관절의 파손을 방한다. 리미트 센서는 유적식 방수 구조를 고려하여 홀센서(미도시)가 사용된다.
The first joint 125a, the second joint 125b, and the third joint 125c are waterproof assembled by the pressure-resistant waterproof joint structure (see FIG. 10). Other joints are also assembled in a pressure-resistant waterproof structure. The feedback of each joint angle can be detected by the electric absolute encoder 76-1, and the joint is prevented by using a limit sensor installed in the joint. In the limit sensor, a hall sensor (not shown) is used in consideration of a watertight waterproof structure.

도 12를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 로봇다리 및 로봇팔 겸용다리의 기구학적 구조를 살펴보면, 해저로봇 몸체(110)에 4개의 로봇다리가 연결되며, 해저로봇 몸체(110)의 전방에 2개의 로봇팔 겸용다리가 연결된다. 각각 X,Y, Z축을 중심으로 롤(ROLL), 피치(PITCH) 및 요축(YAW) 회전운동 한다.
Referring to Figure 12, looking at the kinematic structure of the robot leg and the robot arm combined leg according to a preferred embodiment of the present invention, four robot legs are connected to the subsea robot body 110, of the subsea robot body 110 Two robotic arms are connected to the front. Roll, pitch and yaw rotations are rotated around X, Y and Z axes, respectively.

다시한번 정리하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다관절 해저 보행 로봇 (100)은 총 6개의 다리에 28개의 관절을 가지고 능동적으로 해저 보행을 수행하는 구조이다. 각 관절은 제1 내지 제 N 전동모터(74-1,...,74-N)에 의해 구동된다. 해저로봇(100)의 관절을 기계적, 전기적으로 설계하고 제어하는 기술은 수중 메커니즘 기술로 정의한다. 육상에서 적용되는 관절 메커니즘 기술이 수압이 존재하는 해수 중에서 적용될 수 있도록 확장 또는 재설계 되었다.
To sum up again, the articulated undersea walking robot 100 according to a preferred embodiment of the present invention has a structure that actively performs subsea walking with 28 joints on a total of six legs. Each joint is driven by first to Nth electric motors 74-1, ..., 74-N. The technique of mechanically and electrically designing and controlling the joints of the subsea robot 100 is defined as an underwater mechanism technology. The articulation mechanisms applied on land have been extended or redesigned to be applied in seawater with hydraulic pressure.

상기 관절메카니즘은 도 2에 도시된 바와 같은, 본 발명에 따른 다관절 링크 해저로봇의 6개의 다리 각각에 구성된 관절메카니즘을 말하며, 각각의 다리는 4개의 관절로 연결되며, 전방 두개의 다리는 6개의 관절로 연결된다. 전방 두 개의 다리에 연결된 관절은 각각 로봇팔 역할을 겸한다.
The joint mechanism refers to a joint mechanism composed of each of the six legs of the articulated link subsea robot according to the present invention, as shown in Figure 2, each leg is connected to four joints, the front two legs are 6 Connected to the joints of the dog. Joints connected to the two anterior legs each serve as a robot arm.

각 관절 메커니즘은 관절구동을 위한 제1 내지 제N 전동 모터(72-1,...,72-N), 하모닉 감속기 즉 제1 내지 제N감속기(74-1,...,74-N), 관절각도센서(76-1,...,76-N), 관절 리미트센서(78-1,...,78-N)로 구성된다. 관절구동 모터는 소형 경량 저속 고토크를 얻기 위하여 프레임리스 BLDC 모터를 사용하여, 내압방수하우징을 설계하여 그 안에 장착하였다. 내압방수 하우징은 오링을 이용하여 수밀하였다. 관절의 백래쉬를 최소화하고 적절한 감속비를 얻기 위하여 하모닉드라이브 감속기를 채택하였다. 또한 절대각도를 제공하는 전기식 엔코더 즉, 관절각도센서를 관절의 감속기 출력 측에 장착함으로써 관절의 절대 각도를 얻을 수 있다. 수중 방수를 위한 유적식 적용을 고려하여 관절 각도 리미트센서는 마그네틱 형식의 근접 스위치로 구성된다. 도 10에는 이러한 관절 구조를 나타내었다.Each articulation mechanism comprises a first to Nth electric motors 72-1, ..., 72-N for joint driving, a harmonic reducer, i.e., a first to Nth reducer 74-1, ..., 74-N. ), Joint angle sensors (76-1, ..., 76-N), joint limit sensors (78-1, ..., 78-N). The joint drive motor was designed and mounted in a pressure resistant waterproof housing using a frameless BLDC motor to obtain a small, light weight, low speed and high torque. The pressure-resistant waterproof housing was watertight using an O-ring. The harmonic drive reducer is adopted to minimize the backlash of the joint and to obtain the proper reduction ratio. In addition, the absolute angle of the joint can be obtained by installing an electric encoder that provides an absolute angle, that is, a joint angle sensor on the reducer output side of the joint. The joint angle limit sensor is composed of a magnetic type proximity switch, considering the oil drop application for underwater waterproofing. Figure 10 shows such a joint structure.

상기 로봇팔 겸용다리 부분에는 설치된 제6 관절(125f)의 전동모터는 감속기는 그리퍼를 작동시키기 위한 것이다.
The electric motor of the sixth joint 125f installed in the robot arm combined leg portion is for operating the gripper.

이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
Although the preferred embodiments of the present invention have been disclosed for illustrative purposes, those skilled in the art will appreciate that various modifications, additions and substitutions are possible, without departing from the scope and spirit of the invention as disclosed in the accompanying claims. These changes and modifications may be made without departing from the scope of the present invention. Accordingly, the scope of the present invention should be determined by the following claims.

10: 제어시스템(제어수단)
20: 전방스캐닝 소나
20a: 초음파카메라
30: 데이터저장부
42: 자세 및 운동계측센서
50: 수중위치추적장치
60: 광통신모뎀
70: 모터구동부
80: 전원부
100: 해저로봇
110: 몸체
200: 완충기
300: 모선
10: control system (control means)
20: Forward scanning sonar
20a: ultrasound camera
30: data storage
42: posture and motion measurement sensor
50: underwater position tracking device
60: optical communication modem
70: motor drive part
80: power supply
100: submarine robot
110: body
200: shock absorber
300: Mothership

Claims (10)

유선형의 몸체;
상기 몸체 좌우측에 각각 한 쌍씩 복수개가 장착되며 다수개의 관절로 구성된 다관절 보행다리;
상기 몸체내에 장착되고, 상기 다관절 보행다리를 통해 보행상태를 제어하는 제어수단;
상기 제어수단에 의해 제어되며 상기 다관절 보행다리를 구동시키는 구동신호를 발생하는 보행다리 구동수단;
상기 몸체내에 장착되어 몸체의 자세 및 외부 물체와의 접촉을 감지하는 감지수단; 및
외부장치와 신호를 송수신하는 통신수단;을 포함하며,
전방 한 쌍의 다리는 6자유도로 구성되어 로봇팔 겸용으로 사용할 수 있고, 후 방 두 쌍의 다리는 4자유도로 구성되어 보행 전용으로 사용할 수 있어, 6족 보행과 4족 보행이 가능한 것을 특징으로 하는 다관절 해저 보행 로봇.
Streamlined body;
A multi-jointed walking leg having a plurality of pairs mounted on the left and right sides of the body and composed of a plurality of joints;
Control means mounted in the body and controlling a walking state through the articulated walking leg;
Walking leg driving means controlled by the control means for generating a driving signal for driving the articulated walking leg;
Sensing means mounted in the body to sense a posture of the body and contact with an external object; And
It includes; communication means for transmitting and receiving a signal with an external device,
A pair of front legs can be used as a robot arm combined with six degrees of freedom, and two pairs of rear legs can be used for walking only because of four degrees of freedom. Articulated undersea walking robot.
제 1 항에 있어서, 상기 몸체 전면에는 초음파 카메라가 장착된 것을 특징으로 하는 다관절 해저 보행 로봇.The multi-joint seabed walking robot according to claim 1, wherein an ultrasonic camera is mounted on the front of the body. 제 1 항에 있어서, 상기 감지수단은 자세 및 운동 계측센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 다관절 해저 보행 로봇.The multi-joint subsea robot according to claim 1, wherein the sensing means comprises a posture and a motion measuring sensor. 제 1 항에 있어서, 상기 감지수단은 수중위치추적장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 다관절 해저 보행 로봇.The multi-joint seabed walking robot according to claim 1, wherein the sensing means includes an underwater position tracking device. 제 1 항에 있어서, 상기 몸체 전면에 장착되어 수중 영상을 촬영하는 촬영수단을 포함하며, 상기 촬영수단은 팬/틸팅 기능 수중카메라 및 조명장치인 것을 특징으로 하는 다관절 해저 보행 로봇.The multi-joint seabed walking robot according to claim 1, further comprising photographing means mounted on the front of the body to photograph an underwater image, wherein the photographing means is a pan / tilting function underwater camera and a lighting device. 제 1 항에 있어서, 상기 통신수단은 광섬유 및 전원선 내장 2차케이블을 통해 완충기와 연결되는 것을 특징으로 하는 다관절 해저 보행 로봇.The multi-joint seabed walking robot according to claim 1, wherein the communication means is connected to the shock absorber through a fiber optic cable and a built-in secondary cable. 제 1 항에 있어서, 상기 몸체는 경량 고강도 복합 섬유소재로 제작된 것을 특징으로 하는 다관절 해저 보행 로봇.The multi-joint seabed walking robot according to claim 1, wherein the body is made of a lightweight, high strength composite fiber material. 제 1 항에 있어서, 상기 감지수단은 해저로봇의 몸체와 다리 사이에 설치된 힘/모멘트 센서와 발끝에 설치된 접지력 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 다관절 해저 보행 로봇.The multi-joint subsea robot according to claim 1, wherein the sensing means includes a force / moment sensor installed between the body and the leg of the subsea robot and a grounding force sensor installed at the toe. 삭제delete 제 1 항에 있어서, 상기 보행다리 구동수단은
모터구동신호를 발생하는 모터구동부;
모터구동부의 신호에 따라 동작하는 전동모터, 및
상기 전동모터에 따라 동작되고 상기 다관절 보행다리에 링크 연결되어 각각의 전동모터의 동작을 전달하는 감속기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 다관절 해저 보행 로봇.
According to claim 1, wherein the walking leg drive means
A motor driving unit generating a motor driving signal;
An electric motor operated according to a signal of a motor driving unit, and
And a reducer operated according to the electric motor and connected to the articulated walking leg to transmit the operation of each electric motor.
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