KR101373799B1 - 공중 부양 로봇의 벌집 구조로 형성된 조립형 프로펠러 가이드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기존의 사용되는 공중부양 로봇의 자체중량을 최소화해야 하기 때문에 프로펠러 가이드가 설치되지 않아 작동 중 조작미숙이나 기계적 오류로 인해 빠른 속도로 회전하는 프로펠러에 의한 인명피해의 위험이 있고, 공중비행 시 외부의 장애물과 충돌하게 될 경우 프로펠러가 손상되거나 파손되고 추락하게 되면 추락하는 지점에서 2차의 사고발생의 위험이 있는 문제점을 개선하고자, 케이스 본체, 구동모듈, 프로펠러 프레임이 구성됨으로써, 프로펠러 날개로 인한 인체를 보호하고 안전 사고를 예방할 수 있고, 벌집형상의 육각 중공형 구조로 자체중량을 최소화하여 작은 동력으로도 사용이 가능하고 연료소비를 줄일 수 있으며 비행로봇의 비행 최대 무게에 영향을 주지 않는 범위에서 제작할 수 있고, 외부와 충돌하였을 경우 충격을 흡수할 수 있도록 외부 충격에 강하고, 프로펠러 가이드 조립식으로 탈부착이 용이하여 휴대성이 우수한 좋은 효과가 있다.

Description

공중 부양 로봇의 벌집 구조로 형성된 조립형 프로펠러 가이드{Levitation of a robot-assembled honeycomb structure formed by propeller guide}

본 발명은 프로펠러의 로터 블레이드 외곽에 보호가이드를 장착하여 사용자의 안전성을 확보할 수 있고, 비행 중 외부의 장애물과 충돌하여 기기의 파손을 방지하고, 파손되어 추락하며 발생하는 2차 사고의 발생을 방지하는 공중 부양 로봇의 벌집 구조로 형성된 조립형 프로펠러 가이드에 관한 것이다.

공중부양 로봇은 프로펠러가 회전하며 추력을 발생시켜 비행할 수 있는 소형 비행체로 사람이 근접하기 어려운 곳이나 위험한 곳에 빠르게 투입되어 용도에 맞는 장치를 부가하여 사용하게 된다.

기존에 사용되는 공중부양 로봇은 소형으로 제작되어 출력을 좋게 하고, 동작시간을 높이려면 자체중량을 최소화해야 하기 때문에 중량이 상대적으로 높아 동력손실이 많은 프로펠러 가이드가 설치되지 않았다.

이러한 공중부양 로봇은 4개 이상의 프로펠러를 사용하는데 프로펠러의 회전반경에 따라 크기가 결정되며 중립에서 약 5000rpm 이상의 빠른 속도로 회전하게 되어 작동 중 조작미숙이나 기계적 오류로 인해 사람에 접근할 경우 심각한 부상을 당할 위험이 있고, 공중비행 시 외부의 장애물과 충돌하게 될 경우 프로펠러가 손상되거나 파손되고 추락하게 되면 추락하는 지점에서 2차의 사고발생의 위험이 있는 문제점이 있었다.

상기의 문제점을 해결하기 위해 본 발명에서는 다수개의 프로펠러를 설치하는 멀티형 비행 로봇의 프로펠러 회전시 프로펠러 날개로 인한 안전 사고를 예방할 수 있고, 벌집형상의 육각 중공형 구조로 자체중량을 최소화하여 작은 동력으로도 사용이 가능하고 연료소비를 줄일 수 있으며 비행로봇의 비행 최대 무게에 영향을 주지 않는 범위에서 제작할 수 있고, 외부와 충돌하였을 경우 충격을 흡수할 수 있도록 외부 충격에 강하고, 조립식으로 탈부착이 용이하여 휴대성이 우수한 공중 부양 로봇의 벌집 구조로 형성된 조립형 프로펠러 가이드를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 공중 부양 로봇의 벌집 구조로 형성된 조립형 프로펠러 가이드는,

곡선으로 이루어진 원통형상으로 중앙에 형성되어 공중 부양 로봇의 내부기기를 지지하고 보호하는 케이스 본체와,

케이스 본체의 내부공간에 수용되면서 전기적 에너지를 프로펠러 프레임에 전달시키는 구동모듈과,

케이스 본체의 측면 둘레를 따라 돌출된 구동모듈에 설치되어 전기적 에너지를 회전 에너지로 변환시켜 공중부양 로봇에 양력을 발생시키는 프로펠러 프레임으로 구성됨으로써 달성된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 다수개의 프로펠러를 설치하는 멀티형 비행 로봇의 프로펠러 작동시 회전되는 프로펠러 날개로 인해 발생하는 안전 사고를 예방할 수 있고, 벌집형상의 육각 중공형 구조로 자체중량을 최소화하여 작은 동력으로도 사용이 가능하고 연료소비를 줄일 수 있으며 비행로봇의 비행 최대 무게에 영향을 주지 않는 범위에서 제작할 수 있고, 외부와 충돌하였을 경우 충격을 흡수할 수 있도록 외부 충격에 강하고, 조립식으로 탈부착이 용이하여 휴대성이 우수한 좋은 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 공중 부양 로봇의 벌집 구조로 형성된 조립형 프로펠러 가이드의 전체적인 형상을 도시한 사시도,
도 2는 본 발명에 따른 공중 부양 로봇의 구성요소를 도시한 분해사시도,
도 3은 본 발명에 따른 케이스 본체 내부에 삽입된 구동모듈에 프로펠러 프레임이 삽입되는 것을 도시한 투영 사시도,
도 4는 본 발명에 따른 프로펠러 가이드의 벌집구조형상몰드를 확대하여 도시한 확대도.
도 5는 본 발명에 따른 육각구동모듈이 형성된 헥사곤(Hexagon) 타입의 공중 부양 로봇의 형상을 도시한 사시도,
도 6은 본 발명에 따른 팔각구동모듈이 형성된 옥타곤(Octogon) 타입의 공중 부양 로봇의 형상을 도시한 사시도.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 도면을 첨부하여 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 공중 부양 로봇의 벌집 구조로 형성된 조립형 프로펠러 가이드의 전체적인 형상을 도시한 사시도에 관한 것으로, 이는 케이스 본체(100), 구동모듈(200), 프로펠러 프레임(300)으로 구성된다.

먼저, 본 발명에 따른 케이스 본체(100)에 관해 설명한다.

상기 케이스 본체(100)는 상단과 하단의 모서리 부분이 라운딩처리되어 이루어진 원통형상으로 공중부양로봇(1)의 중앙에 형성되어 외부로부터 내부기기를 지지하고 보호하는 것으로, 이는 도 2에서 도시한 바와 같이, 케이스 본체의 상부를 이루는 상부 케이스(110)와 하부를 이루는 하부 케이스(120)가 분리 및 결합할 수 있도록 형성되고, 내부에 삽입되는 구동모듈(200)의 형상에 따라 상부 케이스(110)의 측면 하단과 하부 케이스(120)의 측면 상단의 둘레에 일정한 간격으로 형성된 홈을 일치시켜 형성되는 지지 프레임 홀(101)이 이루어진다.

여기서, 지지 프레임 홀(101)은 상부 케이스(110)의 하단에 형성된 반원형의 상단홈(111)과 하부 케이스(120)의 상단에 형성된 반원형의 하단홈(121)을 일치시켜 형성되는 홀로, 도 3에서 도시한 바와 같이 상단홈(111)과 하단홈(121)을 일치시켰을 때 지지 프레임(310)과 동일한 크기의 지름으로 형성되어 케이스 본체 내부에 결합되는 지지 프레임(310)의 일측을 잡아주어 흔들리지 않고 안정적으로 고정될 수 있도록 하는 역할을 한다.

이때, 케이스 본체(100)에 삽입되는 프레임 고정부(220)가 사각형상일 경우, 지지 프레임 홀은 케이스 본체의 중심을 기준으로 둘레에 직각방향으로 총 4개가 형성되고,

프레임 고정부(220)가 육각형상일 경우, 지지 프레임 홀은 케이스 본체의 중심을 기준으로 둘레에 60°의 간격으로 총 6개가 형성되고,

프레임 고정부(220)가 팔각형상일 경우, 지지 프레임 홀은 케이스 본체의 중심을 기준으로 둘레에 45°의 간격으로 총 8개가 형성된다.

다음으로, 본 발명에 따른 구동모듈(200)에 관해 설명한다.

상기 구동모듈(200)은 케이스 본체의 내부에 삽입되어, 제어부의 신호를 전달받아 프로펠러 프레임에 구동동력을 전달시키는 역할을 하는 것으로, 이는 PCB 기판(210), 프레임 고정부(220), 지지판(230)으로 구성된다.

상기 PCB 기판(210)은 프레임 고정부(220)의 상단에 위치하여 프레임 고정부와 전기적으로 연결되어 콘덴서, 저항 등의 여러 부품을 고정시키고 전기적 신호를 전달하는 역할을 한다.

상기 프레임 고정부(220)는 상단면 형태의 기둥으로 측면에 지지 프레임(310)이 삽입될 수 있는 홈이 형성되어 이루어지며, 지지판(230)의 상단에 회전끼움식으로 결합되고, 상단에 PCB 기판(210)과 연결되어 전원을 공급하고 제어신호를 프로펠러 프레임(300)에 전달하는 역할을 하는 것으로 사각프레임 고정부(220a), 육각프레임 고정부(220b), 팔각프레임 고정부(220c) 중 어느 하나의 형태로 형성된다.

여기서, 본 발명에 따른 공중부양 로봇(1)은 내부에 형성되는 프레임 고정부(220)의 형태에 따라 결합되는 프로펠러 프레임(300)의 개수가 결정되며 테트라곤(Tetragon) 타입(1a), 헥사곤(Hexagon) 타입(1b), 옥타곤(Octogon) 타입(1c) 중 어느 하나의 타입이 선택되어 구성된다.

상기 공중부양 로봇(1)은 도 2에서 도시한 바와 같이, 상단이 정사각형태를 띄는 사각기둥으로 형성된 사각프레임 고정부(220a) 각각의 측면 중심에 프로펠러 프레임(300)이 수직으로 삽입되어 평면에서 바라봤을 때 사각형상을 띄는 테트라곤(Tetragon) 타입으로 이루어진다.

이는 상대적으로 작은 양력이 발생하므로 하중이 적게 나가는 소형 카메라를 장착하여 정찰용으로 사용되거나 시험비행용으로 사용된다.

상기 공중부양 로봇(1)은 도 5에서 도시한 바와 같이, 상단이 정육각형태를 띄는 육각기둥으로 형성된 육각프레임 고정부(220b) 각각의 측면 중심에 프로펠러 프레임(300)이 수직으로 삽입되어 평면에서 바라봤을 때 육각형상을 띄는 헥사곤(Hexagon) 타입으로 이루어진다.

이는 상대적으로 중간크기의 양력이 발생하므로 소형 물체 운반용으로 사용된다.

상기 공중부양 로봇(1)은 도 6에서 도시한 바와 같이, 상단이 정팔각형태를 띄는 팔각기둥으로 형성된 팔각프레임 고정부(220c) 각각의 측면 중심에 프로펠러 프레임(300)이 수직으로 삽입되어 평면에서 바라봤을 때 팔각형상을 띄는 옥타곤(Octogon) 타입으로 이루어진다.

이는 상대적으로 큰 양력이 발생하므로 물체 운반용으로 사용된다.

상기 지지판(230)은 하부 케이스(120)의 내부에 위치하여 결합되고, 상단에 회전끼움식으로 프레임 고정부(220)를 사용 용도에 따라 사각프레임 고정부(220a), 육각프레임 고정부(220b), 팔각프레임 고정부(220c)를 선택적으로 결합하여 호환될 수 있도록 형성된다.

다음으로 프로펠러 프레임(300)에 관해 설명한다.

상기 프로펠러 프레임(300)는 케이스 본체의 측면 둘레에 일정한 간격을 두며 프레임 고정부의 형상에 따라 측면에 수직방향으로 삽입되어 회전력을 바탕으로 공중 부양 로봇에 양력을 발생시키는 것으로, 이는 지지 프레임(310), 프로펠러 가이드(320), 동력모터(330), 프로펠러(340)로 구성된다.

상기 지지 프레임(310)은 케이스 본체(100)의 내부에 삽입된 프레임 고정부(220)의 측면에 결합되어 케이스 본체(100)와 프로펠러(340)를 이격시키고 지지하여 다수개의 프로펠러가 케이스 본체와 충돌하지 않고 균형을 맞추며 동시에 회전될 수 있도록 하는 역할을 하는 것으로, 이는 고정프레임(311)과 가이드 받침부(312)로 구성된다.

상기 고정프레임(311)은 프레임 고정부(220)의 형상에 따라 둘레에 형성된 평면의 중앙부분에 각각 수직방향으로 회전식 삽입되어 구동모듈(200)과 프로펠러 프레임(300)의 탈부착이 용이하도록 고정되고 케이스 본체의 지지 프레임 홀(101)에 일측이 지지되며 흔들림이 방지되는 것으로 외부에 돌출된 끝단에 가이드 받침부(312)가 형성된다.

상기 가이드 받침부(312)는 고정프레임(311)의 외부방향 끝단에 형성된 직사각형상의 박스형태로 프로펠러 가이드(320)를 지지하며 구동모터(330)에 전기적 에너지를 전달해주는 역할을 한다.

상기 프로펠러 가이드(320)는 가이드 받침부의 상단에 결합되고 프로펠러의 회전반경보다 크게 형성되어 프로펠러를 보호하는 역할을 하는 것으로, 이는 도 2에서 도시한 바와 같이, 결합부(321), 곡선형 받침판(322), 벌집구조형상 몰드(323)로 구성된다.

상기 결합부(321)는 가이드 받침부의 상단에 위치하고 원판형상으로 형성되며 하단에 걸림턱이 형성된 끼움부가 형성되어 가이드 받침부와 탈착 끼움식으로 결합되어 지지 프레임(310)과 프로펠러 가이드(320)를 연결시켜주는 역할을 한다.

상기 곡선형 받침판(322)은 결합부의 측면 둘레에 120°의 간격으로 3개의 곡선으로 굴곡진 받침판이 상단방향으로 방사형으로 뻗어나가도록 형성되어 결합부와 벌집구조형상몰드를 일체화시키는 역할을 한다.

여기서, 곡선형 받침판(322)이 상단방향으로 굴곡진 이유는 프로펠러 가이드와 프로펠러가 동일한 높이를 가지도록 벌집구조형상몰드의 높이를 맞춰주는 역할을 한다.

상기 벌집구조형상몰드(323)는 육각형을 이루는 몰드가 조밀하게 맞닿아 결합하여 원형태로 2중이나 3중의 두께를 형성하는 링 형상의 벌집구조형상몰드를 격자형으로 적층하여 결합시키고, 프로펠러의 회전반경보다 넓게 형성하여 프로펠러의 회전시 외부충격이나 부딪침으로부터 보호하는 역할을 한다.

여기서, 벌집구조형상몰드(323)의 형상을 육각형의 몰드를 조밀하게 결합시켜 형성하는 이유는 벌집이나 정육각형의 구조물의 변을 서로 붙여놓았을 때 빈틈이 발생되지 않고, 외부의 충격시 힘이 쉽게 분산될 수 있는 구조로 최소한의 재료로 최대한의 공간을 확보하는 가장 경제적인 구조이며, 사고로 인한 외력을 가장 균형있게 배분할 수 있는 안정적인 구조를 형성하기 때문이다.

또한, 벌집구조형상몰드(323)의 재질은 공중부양로봇에 사용되는 부품의 무게를 최소화하기 위하여 종이, 나무, 복합 재료를 소재로 하여 기초적인 틀을 형성한 후, 표면에 카본 소재를 코팅함으로써 자중이 낮고 내구성을 높일 수 있도록 형성된다.

상기 벌집구조형상몰드(323)는 종이류, 목재류, 금속류, 합성수지류 중 선택되는 어느 1종의 몰드재료를 카본용액에 함침시킨 후 함침시킨 몰드재료에 80~140℃의 열을 가하여 카본이 표면에 정착되도록 한다.

상기 종이류, 목재류, 금속류, 합성수지류는 특별히 한정을 두지는 않으나, 상기 금속류의 경우에는 99.9% 순도를 갖는 알루미늄 99.5 ~ 99.9wt%와 0.1 ~ 0.5wt%의 티탄의 조성을 갖는 알루미늄 합금을 사용하고,

상기 합성수지류의 경우에는 열가소성 ABS 수지 80 ~ 90wt%에 구리(copper) 10 ~ 20wt%를 첨가하여 조성된 것을 사용하는 것이 바람직하다.

상기 알루미늄 합금 및 합성수지는 경량이면서 내구성이 향상될 수 있도록 그 성분 및 수치한정 이유를 한정한 것이기 때문에 상기의 제시된 성분 및 조성비율을 따르는 것이 바람직하다.

상기 카본용액은 카본입자 30~40wt%;와 아세톤, 메틸에틸케톤, 메틸부틸케톤, 시클로헥사논 중 선택되는 어느 1종 이상의 용제 60~70wt%;의 혼합으로 조성된 것으로서, 카본외에 유리섬유를 이용하여 코팅하는 것도 가능하다.

상기 카본을 코팅하는 이유는 경량의 재료를 선택함에 따라 내구성이 떨어지는 문제가 발생할 수 있기 때문에 이를 보완하기 위하여, 카본을 코팅함으로써 경량의 내구성을 향상시킨 벌집구조형상몰드를 제공하기 위함이다.

상기 카본입자의 사용량이 30wt% 미만인 경우에는 벌집구조형상몰드의 표면에 코팅되는 카본의 밀도가 떨어져 내구성 향상을 기대하기 어렵고, 40wt%를 초과하게 되는 경우에는 점도가 높아져 균일한 코팅이 이루어지지 않아 균일한 내구성을 보이기 어렵기 때문에 상기 카본입자의 사용량은 용제에 대해 30~40wt%의 범위 내로 한정하는 것이 바람직하다.

상기 동력모터(330)는 지지 프레임의 가이드 받침부의 상단에 결합되어 구동모듈의 전기적 제어신호를 받아 회전력으로 변환하여 상단에 결합된 프로펠러에 회전력을 전달시키는 역할을 한다.

여기서, 동력모터(330)의 회전축에 결합되는 프로펠러(340)가 회전되며 이탈하려는 힘을 억제하기 위해 프로펠러(340)의 회전방향과 반대방향으로 회전하여 끼우는 회전끼움식의 탈착방지 캡(331)이 형성된다.

이때, 탈착방지 캡(331)은 프로펠러(340)의 반대방향으로 회전되어 결합되므로 프로펠러(340)가 회전될수록 강하게 결합되어 회전중 프로펠러(340)가 이탈하는 것을 방지한다.

상기 프로펠러(340)는 동력모터(330) 상단의 회전축에 결합되어 위치하고 2엽의 로터 블레이드가 대칭으로 형성되어 동력모터의 상단에 결합되고 회전되며 공중부양 로봇에 양력을 발생시켜 공중으로 띄워주는 역할을 한다.

여기서 로터 블레이드는 원심력, 공기력에 의한 굽힘 모멘트, 자이로 모멘트, 진동 등에 충분히 견딜 수 있도록 설계된다.

이하, 본 발명에 따른 벌집구조로 형성된 공중부양 로봇의 조립형 프로펠러 가이드의 구체적인 설치과정에 관해 설명한다.

먼저, 상부 케이스와 하부 케이스 내부에 구동모듈을 삽입시켜 고정시킨다.

다음으로, 상단홈과 하단홈이 일치되어 형성된 지지프레임 홀에 지지 프레임을 삽입시키고 내부에 형성된 프레임 고정부의 고정홀에 회전식으로 삽입하여 고정시킨다.

다음으로, 지지프레임의 가이드 받침부에 탈부착이 용이한 프로펠러 가이드의 결합부를 결합하여 고정시킨다.

다음으로, 프로펠러 가이드의 결합부 상단에 구동모터를 고정시킨다.

마지막으로, 구동모터의 회전축에 프로펠러를 장착하고 탈착방지 캡을 결합시킨다.

100 : 케이스 본체 200 : 구동모듈
300 : 프로펠러 프레임 310 : 지지 프레임
320 : 프로펠러 가이드 330 : 동력모터
340 : 프로펠러

Claims (5)

1. 상단과 하단의 모서리 부분이 라운딩처리되어 이루어진 원통형상으로 공중부양 로봇의 중앙에 형성되어 외부로부터 내부기기를 지지하고 보호하는 케이스 본체(100)와,
   케이스 본체의 내부에 삽입되어 제어부의 신호를 전달받아 프로펠러 프레임에 구동동력을 전달시키는 구동모듈(200)과,
   케이스 본체의 측면 둘레에 일정한 간격을 두며 프레임 고정부의 형상에 따라 측면에 수직방향으로 삽입되도록 지지 프레임(310), 프로펠러 가이드(320)
   , 동력모터(330), 프로펠러(340)로 이루어진 프로펠러 프레임(300)으로 구성되되;,
   상기 프로펠러 가이드(320)가
   가이드 받침부의 상단에 위치하고 원판형상으로 형성되며 하단에 걸림턱이 형성된 끼움부가 형성되어 가이드 받침부와 탈착 끼움식으로 결합되어 지지 프레임(310)과 프로펠러 가이드(320)를 연결시켜주는 결합부(321)와,
   결합부의 측면 둘레에 120°의 간격으로 3개의 곡선으로 굴곡진 받침판이 상단방향으로 방사형으로 뻗어나가도록 형성되어 결합부와 벌집구조형상몰드를 일체화시키는 곡선형 받침판(322)과,
   육각형을 이루는 몰드가 조밀하게 맞닿아 결합하여 원형태로 2중이나 3중의 두께를 형성하는 링 형상의 벌집구조형상몰드를 격자형으로 적층하여 결합시키고, 프로펠러의 회전반경보다 넓게 형성하여 프로펠러의 회전시 외부충격이나 부딪침으로부터 보호하는 벌집구조형상몰드(323)로 구성되는 공중 부양 로봇의 벌집 구조로 형성된 조립형 프로펠러 가이드에 있어서,
   상기 벌집구조형상몰드(323)는 종이류, 목재류, 금속류, 합성수지류 중 선택되는 어느 1종의 몰드재료를 카본입자 30~40wt%;와 아세톤, 메틸에틸케톤, 메틸부틸케톤, 시클로헥사논 중 선택되는 어느 1종 이상의 용제 60~70wt%;의 혼합으로 조성된 카본용액에 함침시켜 꺼낸 다음 80~140℃의 열을 가하여 카본을 몰드재료의 표면에 정착시킨 것으로서,
   상기 금속류는 99.9% 순도를 갖는 알루미늄 99.5 ~ 99.9wt%와 0.1 ~ 0.5wt%의 티탄의 조성을 갖는 알루미늄 합금이며,
   상기 합성수지류는 열가소성 ABS 수지 80 ~ 90wt%에 구리(copper) 10 ~ 20wt%를 첨가하여 조성된 것임을 특징으로 하는 공중 부양 로봇의 벌집 구조로 형성된 조립형 프로펠러 가이드.
   
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