KR101283415B1

KR101283415B1 - 복합이동이 가능한 다관절 해저로봇을 이용한 해저탐사시스템

Info

Publication number: KR101283415B1
Application number: KR1020110135194A
Authority: KR
Inventors: 전봉환; 심형원; 박진영; 김방현; 백혁; 이판묵
Original assignee: 한국해양과학기술원
Priority date: 2011-12-15
Filing date: 2011-12-15
Publication date: 2013-07-08
Also published as: KR20130068045A

Abstract

프로펠러 방식으로 추력을 얻는 기존의 해저로봇과는 달리 여러 개의 관절로 이루어진 다리를 이용하여 해저면에 근접해서 보행과 유영으로 이동하는 새로운 개념의 복합이동이 가능한 다관절 해저로봇을 이용한 해저탐사시스템이 개시된다.
본 발명에 따른 복합이동이 가능한 다관절 해저로봇을 이용한 해저탐사시스템은 복합이동이 가능한 다관절 해저로봇과, 완충기와, 상기 해저로봇으로부터 송신된 수중 상태 데이터를 저장하고 해저로봇의 이동방향을 모니터링하고 제어하는 모선을 포함하고, 상기 완충기는 모선에 1차 케이블로 연결되고, 상기 다관절 해저로봇은 완충기(depressor)에 2차 케이블로 연결되어, 1차 케이블의 저항력은 완충기까지 걸리며 해저로봇으로 전달되지 않는 것을 특징으로 한다.

Description

복합이동이 가능한 다관절 해저로봇을 이용한 해저탐사시스템{SEABED SURVEY SYSTEM USING MULTI-LEGGED UNDERWATER ROBOT WITH HYBRID MOVING FUNCTION OF WALKING AND SWIMMING}

본 발명은 보행과 유영의 복합 이동 기능을 갖는 다관절 해저 로봇을 이용한 해저탐사시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 프로펠러 방식으로 추력을 얻는 기존의 해저로봇과는 달리 여러 개의 관절로 이루어진 다리를 이용하여 해저면에 근접해서 보행과 유영으로 이동하는 새로운 개념의 복합이동이 가능한 다관절 해저로봇을 이용한 해저탐사시스템에 관한 것이다.

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 자율무인잠수정과 상대적으로 좁은 영역에서 정밀 작업을 수행하는 ROV로 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.

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.].

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.

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.

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.

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.

기존 해저작업의 기술적 한계를 다시 한번 정리하면 다음과 같다.

안전성 문제

다이버가 직접 작업에 참여하는 경우, 잠수병을 비롯한 여러 가지 위험요소에 의한 안전문제가 존재한다.

작업시간 문제

다이버가 작업할 경우 감압 없이 작업할 수 있는 시간은 21m 수심에서 30분, 40m에서는 5분으로 제한된다.

조류 문제

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.

악시계 문제

서해의 특성 중 하나는 나쁜 시계이다. 지역과 시간에 따라 차이가 있으나 시계가 불과 20~30cm에 불과한 곳도 많다.

장애물과 불규칙 해저지형 문제

해저는 침몰선, 어장, 로프, 폐그물 등 각종 장애물과 암초 등 불규칙한 해저지형이 항상 존재하고 있어 다이버와 해저로봇의 작업을 방해하고 심지어는 생명을 위협한다.

환경간섭 문제

프로펠러나 캐터필러 방식의 해저로봇은 필연적으로 해저면을 교란시킨다. 해저조사의 경우, 교란되지 않은 환경에서 이루어져야 하는 조사가 많다.

기존의 천해역 해저작업 기술 중 로봇(무인잠수정)을 이용하는 기술의 가장 큰 한계는 강조류와 악시계의 극복으로 요약될 수 있다. 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.

본 발명의 하나의 목적은 종래 프로펠러 방식이나 무한궤도 방식의 문제점을 보완하기 위한 수단으로 복합이동이 가능한 다관절 해저로봇을 이용한 해저탐사시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 프로펠러에 의한 유동에 의해 교란되기 쉬운 해저의 퇴적 토양에서 환경 교란 없이 해저작업을 수행할 수 있도록 유영과 보행기능을 갖는 복합이동이 가능한 다관절 해저로봇을 이용한 해저탐사시스템을 제공하는 것이다.

상기 하나의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 복합이동이 가능한 다관절 해저로봇을 이용한 해저탐사시스템은 복합이동이 가능한 다관절 해저로봇과, 완충기와, 상기 해저로봇으로부터 송신된 수중 상태 데이터를 저장하고 해저로봇의 이동방향을 모니터링하고 제어하는 모선을 포함하고, 상기 완충기는 모선에 1차 케이블로 연결되고, 상기 다관절 해저로봇은 완충기(depressor)에 2차 케이블로 연결되어, 1차 케이블의 저항력은 완충기까지 걸리며 해저로봇으로 전달되지 않는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 다관절 해저로봇은

복수개의 신호를 스위칭하는 제1 스위칭허브;

수신신호를 광신호로 변환하는 광파이버 컨버터;

상기 제1 스위칭 허브에 연결되어 입력 및 출력신호를 처리하는 컴퓨터;

상기 컴퓨터에 연결된 RS232, RS485, USB 및 CAN장치;

상기 제1 스위칭허브에 일단이 연결되며, 타단에는 복수개의 네트워크 카메라가 연결된 제2 스위칭허브;

상기 제1 스위칭허브에 일단이 연결되며, 타단에는 복수개의 아날로그 카메라가 연결된 비디오엔코더;

상기 제1 스위칭허브에 연결되며, 전방을 스캐닝하여 영상신호를 촬영하고 전송하는 전방주시소나(Forward Looking Sonar: FLS, 20) 혹은 전방스캐닝 소나; 및

상기 제1 스위칭허브에 연결되며 전방영상을 촬영하고 전송하는 초음파카메라;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 바람직하게는, 상기 완충기는

복수개의 신호를 스위칭하는 스위칭허브;

상기 스위칭허브에 연결되어 스위칭허브를 통해 전송된 수신신호를 광신호로 변환하여 모선으로 전송하는 광파이버 컨버터;

입력 및 출력신호를 처리하고 일단에는 RS232가 연결되고 타단은 상기 스위칭허브에 연결된 컴퓨터;

일단에는 복수개의 아날로그 카메라가 연결되고 타단은 상기 스위칭허브에 연결된 비디오엔코더; 및

상기 스위칭허브에 연결된 복수개의 네트워크 카메라;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 바람직하게는, 상기 모선은

일단에는 복수개의 컴퓨터가 연결되며, 타단에는 광신호를 전송하는 제1 및 제2 광파이버 변환기;를 포함하고

상기 제1 및 제2 광파이버 변환기는 상기 해저로봇의 광파이버 변환기 및 상기 완충기의 광파이버 변환기와 각각 연결된 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 다관절 해저로봇은 유선형의 몸체; 상기 몸체 좌우측에 각각 한 쌍씩 복수개가 장착되며 다수개의 관절로 구성된 다관절 보행다리; 상기 몸체내에 장착된 제어수단; 상기 제어수단에 의해 제어되며 상기 다관절 보행다리를 구동시키는 보행다리 구동수단; 상기 몸체내에 장착되어 몸체의 자세 및 외부 물체와의 접촉을 감지하는 감지수단; 부력감지수단; 및 외부장치와 유무선 신호를 송수신하는 통신수단;을 포함하고, 상기 제어수단은 상기 보행다리를 통해 보행상태 및 수중에서의 유영상태를 제어하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 부력감지수단은 상기 해저 로봇의 중량을 -10kg 내지 +10kg로 가변 조절하고, 상기 다관절 보행다리 중, 전방측의 두 개의 보행 다리는 로봇팔 기능을 선택적으로 갖도록 그리퍼를 구비하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 복합이동이 가능한 다관절 해저로봇을 이용한 해저탐사시스템은 프로펠러 추진과는 전혀 다른 새로운 개념의 6개의 다리로 구성된 해저로봇을 이용함으로써 해저로봇이 해저에 밀착되어 이동하며 자세 및 운동감지센서를 이용하여 자세를 유지하면서 조류를 극복하고 해저에서 유영 및 보행할 수 있고 해저로봇을 통한 해저 데이터를 실시간으로 완충기를 경유하여 모선으로 유무선 통신수단을 통해 전송됨으로써 천해 및 심해에서의 해저탐사를 할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 복합이동이 가능한 다관절 해저로봇을 이용한 해저탐사시스템은 해저로봇에 초음파영상장비를 탑재하여 탁도가 높은 수중에서도 탐색이 가능하고 앞의 두 다리는 로봇팔로도 사용하게 됨으로써 천해 및 심해에서 해저탐사가 효과적으로 수행되는 효과가 있다.

도 1a 및 도 1b는 본 발명에 따른 복합이동이 가능한 다관절 해저로봇을 이용한 해저탐사시스템에 관한 개략적인 개념도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 복합이동이 가능한 다관절 해저로봇을 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 복합이동이 가능한 다관절 해저로봇의 블록구성도이다.
도 4는 본 발명에 따른 해저로봇의 개념설계를 이용하여 CFD 방법으로 유속이 있는 유체 속에 놓인 해저로봇에 작용하는 압력의 분포를 추정한 시뮬레이션 상태를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 복합이동이 가능한 다관절 수중로봇의 수중 링크의 벡터도와 링크 좌표계를 나타낸 것이다.
도 6은 유체흐름에 대한 자세의 보상을 개념적으로 나타낸 도면으로서 각각 저유속, 고유속 및 후측 유속상태를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 복합이동이 가능한 다관절 해저로봇의 유체력 대응 자세 보상 개념도이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다관절 해저로봇을 이용한 해저탐사시스템의 구체적인 블록구성도이다.
도 9 는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다관절 해저로봇의 로봇다리의 관절부분을 나타낸 상세도이다.
도 10은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다관절 해절로봇의 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.

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.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 복합이동이 가능한 다관절 해저로봇에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1a 및 도 1b는 본 발명에 따른 복합이동이 가능한 다관절 해저로봇을 이용한 해저탐사시스템에 관한 개략적인 개념도이다.

도 1a를 참조하면, 본 발명에 따른 복합이동이 가능한 다관절 해저로봇을 이용한 해저탐사시스템(1000)은 복합이동이 가능한 다관절 해저로봇(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.

상기 복합이동이 가능한 200m 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.

해저 구조물이나 침몰선박의 조사·관찰

강조류 환경에서 해저에 밀착 이동함으로써 해저구조물이나 침몰선박 등에 접근하고, 광학 및 음향 장비를 이용하여 악시계 해저환경에 존재하는 구조물을 조사·관찰한다.

해저구조물이나 침몰선박의 조사·관찰을 위해 필요한, 와이어 절단, 그라인딩, 드릴링 등의 작업을 로봇팔로 수행한다.

천해역 해양과학 조사

200m 이내의 해저환경에서 다족 보행으로 이동함으로써 해저의 교란을 최소화하면서 해양 물리, 화학, 생물, 지질 등의 연구에 필요한 과학조사 데이터를 취득한다.

200m 이내의 해저에서 과학조사를 위해 필요한 생물, 토양, 해수 등의 샘플을 채취한다.

도 1b를 참조하면, 본 발명의 또 다른 구현예인 6,000m까지 복합이동으로 탐사가 가능한 심해용 해저탐사시스템(1000-1)이 해저 6000m에 도달하여 유영하고 보행하는 상태를 나타내고, 상기 다관절 해저로봇(100-1)은 완충기(depressor)(200)에 케이블로 연결되고, 완충기(200)는 모선(300)에 케이블로 연결된다. 완충기(200)와 다관절 해저로봇(100-1)은 유선 통신 또는 무선 통신이 가능하다.

상기 복합이동이 가능한 6,000m 탐사용 다관절 해저로봇(100)을 이용한 해저탐사시스템(1000)은 조류가 거의 없는 심해환경을 상정하여 고안되었으나, 테더 케이블의 중량이 로봇에 주는 영향을 최소화하기 위하여 완충기(depressor)(200)를 두어 운용하는 개념이다. 심해용 다관절 해저롭로봇은 심해의 퇴적층에 대한 교란을 최소화하고, 로봇의 발이 해저 토양에 빠지는 것을 방지하기 위해 부력조절 기능을 갖는다. 상기 해저탐사시스템(1000)은 다음과 같이 두 가지 임무를 갖는다.

심해 해양과학 조사

퇴적 토양으로 이루어진 연약지반의 심해저 환경에서 해저교란을 최소화 하면서 해양 물리, 화학, 생물, 지질 등의 연구에 필요한 과학조사 데이터를 취득한다.

6,000m 까지의 해저에서 과학조사를 위해 필요한 생물, 토양, 해수 등의 샘플을 채취한다.

장기 정밀 해저 조사

해저 열수광상 등 불규칙한 해저지형을 근접 정밀 탐사한다.

무선자율제어 모드에서는 완충기 없이 단독으로 운용되며 에너지를 최소화 하면서 정해진 지역을 장기 관측한다.

본 발명에서는 기존의 프로펠러 방식의 잠수정과는 다른 새로운 개념의 해저로봇으로 기존 한계를 극복하고자 하며, 이를 위하여 도 2와 같은 복합이동이 가능한 다관절 해저로봇을 개시한다. 종래기술에서 언급된 기존의 한계는 아래와 같은 개념으로 극복한다.

안전성에 관하여, 다이버가 직접 작업하기에 위험한 환경에서는 다이버 대신 해저로봇을 작업에 이용한다.

작업시간에 관하여, 해저로봇을 이용함으로써 다이버의 잠수시간 한계를 극복한다.

조류에 대하여, 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.

악시계에 관하여, 비교적 탁도의 영향을 덜 받는 다양한 초음파 영상장치를 활용하고 광학카메라는 근접 확인용으로 활용한다.

장애물과 불규칙 해저지형에 관하여, 스스로 장애물에 얽히지 않도록 다족을 이용하여 해저에 착지하여 정적 안정성을 유지하고 불규칙 해저지형에서도 다관절 다리를 이용하여 원하는 몸체의 자세를 유지하며 보행이동 한다.

환경간섭에 관하여, 해저의 교란을 최소화 할 수 있도록 해저 보행의 방법으로 이동 및 작업한다.

본 발명에 따른 복합이동이 가능한 다관절 해저로봇을 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 보행과 유영으로 이동하는 새로운 개념의 해저로봇을 제공하는 것이다.

이 해저로봇의 개념은 마치 게(Crab)와 가재(Lobster)가 해저면에서 이동하고 작업하는 형태와 유사하여 로봇의 이름을 'Crabster'라고 명명하였다.

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 유영과 보행기능을 갖는 형태이다.

표 1은 본 발명에 따른 복합이동이 가능한 다관절 해저로봇의 구현 예인 도 1a와 도 1b 에 대한 개략적인 제원을 각각 나타낸 것이다.

[표 1]

표 1 에 도시된 바와 같이, 다리수는 보행다리가 4개이고, 로봇팔겸용다리는 2개이다.

또한 본 발명에 따른 해저로봇은 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.

상기 복합이동이 가능한 해저로봇의 필요기능을 다시 한번 정리한다.

기능

- 해저에 착지하여 다관절 다족으로 몸체의 자세를 조절하고 보행 이동.

- 해저에서 작업용 로봇팔 2기 장착.

- 악시계를 극복하기 위하여 초음파 영상장비 장착.

- 탁도, 용존산소량, 전도도, 온도, 심도, pH 계측센서 내장.

- 해저로봇의 모든 정보는 실시간으로 원격모니터링.

- 불규칙 지형, 조류 등 외란에 의한 전복위험 대응 자세 안정화 및 걸음새 보정 기능.

내압 수밀 방식

- 200m의 수심에서 구조적으로 안정한 내압,수밀 성능.

- 회전축계 등 유적식 수밀의 경우, 절연유 내 작동보장.

- 해수와 염분에 의한 부식에 대한 방식 기능.

강인성

- 해상상태 3에서 동작, 해상상태 4에서 생존.

- 2노트의 해류에서 이동 및 작업, 3노트의 해류에서 생존.

- 영하 10도에서 영상 40도까지의 온도 환경에서 정상 작동, 영하 30도에서 75도까지의 환경에서 생존.

신뢰성

- 수중 및 해상에서 24시간 연속으로 사용 가능.

- 과학조사 데이터는 국제사회 공인 신뢰도 유지.

운용편의성

- 해상상태 3 이하에서 진수 인양 가능

- 조작자 편리를 위한 사용자 그래픽 인터페이스 장착

- 일부 자동기능을 제공하여 조작자의 부담 경감

유지보수성

- 해저로봇(100)과 그 지원장치는 장비의 분해,조립,교체 용이.

- 모듈화 제작, 충분한 여유품 확보.

- 다양한 모선을 활용가능, 포장, 이동, 설치 용이성 확보.

확장성

- 추가 장비를 위한 여유 채널의 통신라인과 전원라인 확보.

- 수중 작업 공구들의 로봇팔 교체 장착.

비상상태 대처기능

- 해저로봇(100)과 원격시스템과의 기계적 연결 장치가 끊어졌을 경우 해저로봇(100)은 3일 이상 자체 전원을 이용하여 자신의 수중위치를 초음파로 송신.

-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.

본 발명에 따른 6,000m 탐사용 해저로봇은 200m 탐사용 해저로봇과 유사하나 조류의 영향이 거의 없고 시계가 좋은 안정된 심해 환경에서 과학조사를 수행하는 것을 목적으로 하므로, 부력조절 기능을 추가로 내장하고 유영기능을 가짐으로써, 퇴적토양의 교란을 최소화 한다. 또한, 무선통신기능과 자율제어기능을 추가하여 탐사의 종류와 방식을 확장하였다.

본 발명에 따른 해저로봇의 수중관절 메커니즘 개발의 접근방법에 대한 내용은 아래 표 2에 정리하였다.

[표 2]

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.

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 컴플라이언스 제어기 설계를 적용하였다.

본 발명에 따른 다관절 해저로봇의 구조를 도 2 및 도 3에서 보다 상세히 설명하기로 한다.

우선, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 다관절 해저로봇을 개략적으로 나타낸 사시도이다. 도 2의 다관절 해저로봇의 형태는 실시예에 불과하며, 외형은 변형가능하다.

도 2를 참조하면, 다관절 해저로봇(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; 상기 몸체내에 장착되어 몸체의 부력을 감지하는 부력감지수단 및 외부장치와 유무선 신호를 송수신하는 통신수단;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 부력감지수단은 부력감지기능을 제공하기 위한 부력감지센서를 구비하며, 부력을 감지센서에 의해 감지된 감지신호 따라 몸체의 부력을 조절할 수 있는 기능을 제공한다.

상기 감지수단은 자세 및 운동 계측센서(42), 수중위치추적장치(50), 및 상기 몸체 저면에 설치된 힘/모멘트 센서(43)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

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.

상기 통신수단은 광통신모뎀(60)을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 통신수단은 광섬유 및 전원선 내장 2차케이블(240)을 통해 완충기와 연결되는 것을 특징으로 한다.

상기 몸체는 경량 고강도 복합 섬유소재로 제작된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 감지수단은 해저로봇의 앞쪽 전방 두 개의 다리에 설치되어 접지감지를 수행하는 모멘트센서를 포함하는 것을 특징으로 한다.

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.

본 발명에 따른 복합이동이 가능한 다관절 해저로봇(100)은 6족 또는 4족으로 해저보행하고, 두 개의 앞다리는 로봇팔로도 활용될 수 있다. 네 개의 다리(123,124,125,126)는 전동모터에 의해 능동적으로 제어되는 네 개의 관절구조를 가지고, 앞 두 다리는 6개의 관절과 1개의 그리퍼를 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.

다관절 해저로봇의 다리의 구조는 이하 도 9 내지 도 12에서 자세히 설명한다. 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.

본 발명에 따른 복합이동이 가능한 다관절 해저로봇(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.

다음으로, 도 3은 본 발명에 따른 복합이동이 가능한 다관절 해저로봇의 블록구성도이다.

도 3을 참조하면, 복합이동이 가능한 다관절 해저로봇(100)의 유영 및 보행과정을 제어하는 제어시스템(10)과,

초음파로 100m까지의 전방을 촬영하는 전방스캐닝 소나(20)

초음파로 10m까지의 전방영상을 실시간으로 촬영하는 초음파카메라(20a),

수중상태를 촬영하고 회전 및 각도전환이 가능한 팬/틸팅기능 수중카메라(22) 및 조명장치 (22a, 미도시),

유영 및 보행과정시 센싱된 데이터 및 촬영된 영상데이터를 저장하는 데이터저장부(30),

해저로봇의 자세를 감지하고 운동상태를 계측하는 자세 및 운동계측센서(42),

해저로봇의 보행다리에 작용하는 힘과 모멘트를 센싱하는 힘/모멘트센서(43),

관절 각도의 리미트를 감지하기 위한 근접센서 (44),

로봇의 속도와 유속을 센싱하는 속도센서(48),

수행로봇의 수중위치를 실시간으로 추적하고 센싱하는 수중위치추적장치 (50),

완충기와의 신호 송수신을 처리하는 광통신모뎀(60),

전동모터의 구동신호를 발생하는 모터구동부(70),

모터구동부의 신호에 따라 동작하는 제1 내지 제N전동모터(72-1,....72-N),

전동모터에 따라 동작되고 관절메카니즘과 연결되어 모터의 동작을 전달하는 제1 내지 제N감속기(74-1,...74-N),

광통신모뎀을 통해 완충기 및 모선과 신호를 송수신하고, 해저로봇의 유영 및 보행시 입수된 데이터를 전송하는 기능을 제어하는 제어시스템(10); 및

전원을 공급하는 전원부(80),

를 포함한다.

기타 각각의 다리부분 단부에는 접지 감지를 위한 힘센서 혹은 감지센서가 장착된다(도시안됨).

본 발명에 따른 복합이동이 가능한 다관절 해저로봇은 해저에 설치되며 완충기에 중간 연결되고 모선과 완충기를 통해 연결된다. 모선은 해저 지형에 대한 촬영된 영상정보를 해저로봇을 통해 전송받아 저장하며, 특정 지역의 탐색을 위해 이동 명령신호를 송신한다.

해저로봇은 특정 지역을 향해 해저 지면을 따라 이동하며, 이동시 보행 또는 유영이 가능하다. 조류에 따라 감지수단인 자세 센서를 통해 자세를 변형시킨다(도 6 및 도 7참조). 이때, 전방에서 밀려오는 조류에 대항하여 수그린 자세를 취함으로써 뒤집어지는 등의 사고를 방지하게 된다. 보행시에는 다관절 보행다리에 설치된 감지수단인 모멘트센서를 통해 다리의 접지상태를 확인하면서 해저 지면을 따라 이동하거나 정지하여 대기한다. 유영시에는 다관절 보행다리의 모든 관절을 일자로 쭉 펴서 헤엄치듯 이동한다. 악시계를 극복하기 위하여 촬영수단인 초음파카메라, 팬/틸팅 수중카메라(광학카메라)를 통해 탐사지역을 촬영하며 멀티-빔(multi-beam) 조명장치를 통해 전방 주위를 밝게 비추면서 이동한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 복합이동이 가능한 다관절 해저로봇(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. 해저로봇의 관절을 기계적, 전기적으로 설계하고 제어하는 기술은 수중 메커니즘 기술로 정의한다. 육상에서 적용되는 관절 메커니즘 기술은 수압이 존재하는 해수 중에서 적용될 수 있도록 확장 또는 재설계 되었다.

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.

각 관절 메커니즘은 관절구동 모터, 하모닉 감속기, 관절각도센서, 관절 리미트센서로 구성된다. 관절구동 모터는 소형 경량 저속 고토크를 얻기 위하여 프래임리스 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 엔코더를 관절에 감속기 출력 측에 착함으로써 관절의 절대 각도를 얻을 수 있다. 안전을 위하여 관절 각도 리미트에는 마그네틱 형식의 근접 스위치를 장착하였다. 도 10에는 이러한 관절 구조를 나타내었다.

해저로봇에 작용하는 유체력의 해석 및 모델링

본 발명에 따른 복합이동이 가능한 다관절 해저로봇에 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.

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.

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)로 구성된다.

도 5는 본 발명에 따른 복합이동이 가능한 다관절 수중로봇의 수중 링크의 벡터도와 링크 좌표계를 나타낸 것이다.

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.

[수학식 1]

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

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.

[수학식 2]

여기서, C_Dj는 j번째 링크의 2차원 유체저항계수이고,

는 j번째 링크의 원판의 속도벡터와 유체 속도벡터 사이의 각도이다. d_pj는 원판을

에 직각인 벡터에 투영한 길이이다.

는 j번째 링크의 길이방향에 직각인 원판의 병진 속도성분이다. 이로부터 i번째 관절에 작용하는 유체력토크는 원판의 위치벡터 ⁱr_j를 고려하여 다음 수학식 3과 같이 표현할 수 있다.

[수학식 3]

이들 유체력과 유체력토크를 결정짓는 속도벡터

를 관절 각속도 벡터로 표현하면 일반화 토크를 얻을 수 있고, 수학식(1)식의 유체저항력 항 D를 근사적으로 구할 수 있다.

유체력 최적 보행 경로 계획

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.

[수학식 4]

[수학식 5]

외력대응 자세보상 제어

프로펠러 방식과 달리 조류 속에서 안정한 자세를 유지하는 것이 CRABSTER의 주요 개념이므로 조류와 같은 외력에 대응하기 위한 자세 보상 제어기술을 핵심기술로 정의한다.

도 6은 유체흐름에 대한 자세의 보상을 개념적으로 나타낸 도면으로서 각각 저유속, 고유속 및 후측유속상태를 나타낸 도면이다.

도 7은 본 발명에 따른 복합이동이 가능한 다관절 해저로봇의 유체력 대응 자세 보상 개념도이다.

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 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.

[수학식 6]

여기서, m은 로봇의 질량, g는 중력가속도, B는 로봇의 부력이고, f_F 는 로봇의 해저면 접지 마찰력, f_D 는 유체저항력, f_E 는 그 밖의 기타 외력 성분이며, μ는 접지마찰계수, f_L 은 로봇에 작용하는 양력이다. 수학식(6)식에서 f_D 와 f_E 는 유속과 로봇 자세에 대한 함수이므로 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(혹은 모멘트 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.

본 발명에 따른 복합이동이 가능한 다관절 해저로봇은 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.

도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다관절 해저로봇을 이용한 해저탐사시스템의 구체적인 블록구성도이다.

도 8을 참조하면, 해저로봇(100)은 도 3에 도시된 구성외에, 복수개의 신호를 스위칭하는 스위칭허브(150), 광신호를 전송하는 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.

완충기(200)는 복수개의 신호를 스위칭하는 스위칭허브(210), 광신호를 전송하는 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.

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(100-1)의 광파이버 컨버터(152)와 연결된다. 상기 복수개의 컴퓨터는 해저로봇용 컴퓨터(331), 완충기용 컴퓨터(332), 비디오 컴퓨터(333), 소나용 컴퓨터(334), Hypack용 컴퓨터(335), USBL 컴퓨터(336), 멀티빔 컴퓨터(337), UC용 컴퓨터(338), 예비컴퓨터(339)를 나타낸다.

상기와 같이 연결된 해저로봇(100), 완충기(200) 및 모선(300)을 포함한 해저탐사시스템을 통해 해저지형을 관찰하기 위한 시스템을 구축하고, 해저로봇(100-1)을 제어하여 해저지형에 대한 데이터를 확보할 수 있다.

도 9 는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다관절 해저로봇의 로봇다리의 관절부분을 나타낸 상세도이고, 도 10은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다관절 해절로봇의 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.

도 9를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다관절 해저로봇의 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.

상기 제1관절(125a), 제2관절(125b), 및 제3관절(125c)은 내압방수 관절구조에 의해 방수 조립되어있다(도 10참조).

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.

도 11을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 로봇팔 겸용다리의 관절부분은 제1관절(125a), 제2관절(125b), 제3관절(125c), 제4관절(124d), 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.

상기 제1관절(125a), 제2관절(125b), 및 제3관절(125c)은 내압방수 관절구조에 의해 방수 조립되어있다(도 10참조). 기타 관절 또한 내압방수구조로 조립된다. 각각의 관절의 피드백(feedback)은 관절에 설치된 리미트센서를 통해 감지될 수 있으며, 리미트 센서는 홀센서(미도시)가 사용될 수 있다.

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.

다시한번 정리하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다관절 해저로봇(100-1)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(100-1)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.

각 관절 메커니즘은 관절구동 모터(72-1,...., 72-N), 하모닉 감속기(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. 안전을 위하여 관절 각도 리미트센서는 마그네틱 형식의 근접 스위치로 구성된다.

상기 로봇팔 겸용다리 부분에 설치된 제6 관절(125f)의 전동모터는 감속기는 그리퍼를 작동시키기 위한 것이다.

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.

10: 제어시스템(제어수단)
20: 초음파카메라
30: 데이터저장부
42: 자세 및 운동계측센서
50: 수중위치추적장치
60: 광통신모뎀
70: 모터구동부
80: 전원부
100: 해저로봇
110: 몸체
200: 완충기
300: 모선

Claims

복합이동이 가능한 다관절 해저로봇;
완충기;
상기 해저로봇으로부터 송신된 수중 상태 데이터를 저장하고 해저로봇의 이동방향을 모니터링하고 제어하는 모선;을 포함하고,
상기 완충기는 모선에 1차 케이블로 연결되고, 상기 다관절 해저로봇은 완충기(depressor)에 2차 케이블로 연결되어, 1차 케이블의 저항력은 완충기까지 걸리며 해저로봇으로 전달되지 않으며,
상기 다관절 해저로봇은 복수개의 신호를 스위칭하는 제1 스위칭허브;
수신신호를 광신호로 변환하는 광파이버 컨버터;
상기 제1 스위칭 허브에 연결되어 입력 및 출력신호를 처리하는 컴퓨터;
상기 컴퓨터에 연결된 RS232, RS485, USB 및 CAN장치;
상기 제1 스위칭허브에 일단이 연결되며, 타단에는 복수개의 네트워크 카메라가 연결된 제2 스위칭허브;
상기 제1 스위칭허브에 일단이 연결되며, 타단에는 복수개의 아날로그 카메라가 연결된 비디오엔코더;
상기 제1 스위칭허브에 연결되며, 전방을 스캐닝하여 영상신호를 촬영하고 전송하는 전방주시소나(Forward Looking Sonar: FLS, 20) 혹은 전방스캐닝 소나; 및
상기 제1 스위칭허브에 연결되며 전방영상을 촬영하고 전송하는 초음파카메라;를 포함하는 복합이동이 가능한 다관절 해저로봇을 이용한 해저탐사시스템.
삭제
제 1 항에 있어서, 상기 완충기는
복수개의 신호를 스위칭하는 스위칭허브,
상기 스위칭허브에 연결되어 스위칭허브를 통해 전송된 수신신호를 광신호로 변환하여 모선으로 전송하는 광파이버 컨버터;
입력 및 출력신호를 처리하고 일단에는 RS232가 연결되고 타단은 상기 스위칭허브에 연결된 컴퓨터;
일단에는 복수개의 아날로그 카메라가 연결되고 타단은 상기 스위칭허브에 연결된 비디오엔코더; 및
상기 스위칭허브에 연결된 복수개의 네트워크 카메라;를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합이동이 가능한 다관절 해저로봇을 이용한 해저탐사시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 모선은
일단에는 복수개의 컴퓨터가 연결되며, 타단에는 광신호를 전송하는 제1 및 제2 광파이버 변환기;를 포함하고
상기 제1 및 제2 광파이버 변환기는 상기 해저로봇의 광파이버 변환기 및 상기 완충기의 광파이버 변환기와 각각 연결된 것을 특징으로 하는 복합이동이 가능한 다관절 해저로봇을 이용한 해저탐사시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 다관절 해저로봇은
유선형의 몸체;
상기 몸체 좌우측에 각각 한 쌍씩 복수개가 장착되며 다수개의 관절로 구성된 다관절 보행다리;
상기 몸체내에 장착된 제어수단;
상기 제어수단에 의해 제어되며 상기 다관절 보행다리를 구동시키는 보행다리 구동수단;
상기 몸체내에 장착되어 몸체의 자세 및 외부 물체와의 접촉을 감지하는 감지수단;
상기 몸체내에 장착되어 몸체의 부력을 감지하는 부력감지수단;
외부장치와 유무선 신호를 송수신하는 통신수단; 및
상기 제어수단은 상기 보행다리를 통해 보행상태 및 수중에서의 유영상태를 제어하고,
상기 부력감지수단은 상기 해저 로봇의 중량을 -10kg 내지 +10kg로 가변 조절하고,
상기 다관절 보행다리 중, 전방측의 두 개의 보행 다리는 로봇팔 기능을 선택적으로 갖도록 그리퍼를 구비하는 것을 특징으로 하는 복합이동이 가능한 다관절 해저로봇을 이용한 해저탐사시스템.
제 5 항에 있어서, 상기 몸체 전면에는 초음파 카메라가 장착된 것을 특징으로 하는 복합이동이 가능한 다관절 해저로봇을 이용한 해저탐사시스템.
제 6 항에 있어서, 상기 감지수단은 자세센서 및 운동 계측센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합이동이 가능한 다관절 해저로봇을 이용한 해저탐사시스템.
제 5 항에 있어서, 상기 감지수단은 수중위치추정장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합이동이 가능한 다관절 해저로봇을 이용한 해저탐사시스템.
제 5 항에 있어서, 상기 몸체 전면에 장착되어 수중 영상을 촬영하는 촬영수단을 포함하며, 상기 촬영수단은 팬/틸팅 기능 수중카메라 및 조명장치인 것을 특징으로 하는 복합이동이 가능한 다관절 해저로봇을 이용한 해저탐사시스템.
제 5 항에 있어서, 상기 통신수단은 광통신모뎀인 것을 특징으로 하는 복합이동이 가능한 다관절 해저로봇을 이용한 해저탐사시스템.
제 5 항에 있어서, 상기 통신수단은 광섬유 및 전원선 내장 2차 케이블을 통해 완충기와 연결되는 것을 특징으로 하는 복합이동이 가능한 다관절 해저로봇을 이용한 해저탐사시스템.
제 5 항에 있어서, 상기 몸체는 경량 고강도 복합 섬유소재로 제작된 것을 특징으로 하는 복합이동이 가능한 다관절 해저로봇을 이용한 해저탐사시스템.
제 5 항에 있어서, 상기 감지수단은 해저로봇의 몸체 저면에 설치된 힘/모멘트 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합이동이 가능한 다관절 해저로봇을 이용한 해저탐사시스템.
제 5 항에 있어서, 상기 감지수단은 해저로봇의 앞쪽 전방 두 개의 다리에 설치되어 접지감지를 수행하는 모멘트센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합이동이 가능한 다관절 해저로봇을 이용한 해저탐사시스템.
제 5 항에 있어서, 상기 보행다리 구동수단은
모터구동신호를 발생하는 모터구동부;
모터구동부의 신호에 따라 동작하는 제1 내지 제N전동모터; 및
전동모터에 따라 동작되고 관절메카니즘과 연결되어 모터의 동작을 전달하는 제1 내지 제N감속기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합이동이 가능한 다관절 해저로봇을 이용한 해저탐사시스템.