KR101693199B1

KR101693199B1 - 티타늄 밴드를 포함하는 유리구 내압 용기

Info

Publication number: KR101693199B1
Application number: KR1020160073416A
Authority: KR
Inventors: 심형원; 전봉환; 유승열; 박진영; 백혁; 이판묵
Original assignee: 한국해양과학기술원
Priority date: 2016-06-13
Filing date: 2016-06-13
Publication date: 2017-01-06

Abstract

본 발명은 티타늄 밴드를 포함하는 유리구 내압 용기에 관한 것으로서, 다관절 해저 로봇, 디프레서 및 모선을 포함한 해저 탐사 시스템에 있어서, 상기 다관절 해저 로봇이 심해의 수압을 견디게 하고 내장된 장치들을 해수의 침수로부터 막는 복수개의 제1 및 제2 내압 용기; 및 상기 디프레서가 심해의 수압을 견디게 하고 내장된 장치들을 해수의 침수로부터 막는 제3 내압 용기; 상기 해저 로봇에 장착되는 배터리에 적용되는 한 쌍의 반구 형태의 유리구 사이에 소정 높이의 띠가 구비된 내압구;를 포함하고, 상기 복수개의 제1 내압 용기는 구형으로서 로봇 몸체 프레임에 장착되고, 상기 복수개의 제2 내압 용기는 실린더형으로서 복수개의 좌우 로봇 다리 사이 각각에 장착되며, 상기 제3 내압 용기는 실린더형으로서 디프레서 플랫폼 내에 장착되는 것을 특징으로 한다.

Description

티타늄 밴드를 포함하는 유리구 내압 용기{A glass sphere type pressure housing including titanium band}

본 발명은 내압 용기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 심해의 수압을 견디고 수밀을 유지하여 용기 내 장치들을 해수의 침수로부터 막으며, 티타늄 밴드에 장착되는 수중 커넥터와 수중 케이블을 통해 복수 개의 심해용 내압용기와 연결되어 해저 탐사 시스템에 구비되는 티타늄 소재의 연결확장용 밴드가 구비된 유리구를 이용한 티타늄 밴드를 포함하는 유리구 내압 용기에 관한 것이다.

일반적으로 해저 로봇은 역할에 따라 주로 넓은 영역을 탐사하는 자율무인잠수정과 상대적으로 좁은 영역에서 정밀 작업을 수행하는 원격무인잠수정(ROV)로 나누어 질 수 있고, 대부분의 해저 로봇은 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.

또한, 퇴적토양으로 이루어진 심해를 정밀 현장 조사할 경우, 프로펠러 유동에 의한 해저의 교란이 문제가 되기도 한다.

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 한계 또는 문제점들을 다시 한번 정리하면 다음과 같다.

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

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

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

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

또한, 해저 작업시 정밀한 위치 유지의 어려움 등의 문제로 경사지, 침리 등의 해저 지형 탐사 시 종래의 프로펠러형 원격무인잠수정은 정밀탐사에 어려운 한계가 있다.

종래의 원격무인잠수정은 경사면에 안착해야 정밀탐사 및 시료채취 등에 유리하기 때문에 경사면 탐사 시 제약이 따르고, 연속적인 해저면 조사를 위해서는 종래의 원격무인잠수정은 일정한 고도 유지가 필요하다.

한편, 통상적인 압력용기는 내압 및 외압 조건에서 변형과 응력에 의한 구조적인 파괴를 막기 위해 특정 규격(예컨대, KS B 6750)에 준하여 특정한 압력을 견디기 위해 두께, 길이, 내부 용기 및 외부 용기의 반경, 용접조건, 성형조건 등을 특정하여 어떠한 상황에서도 구조적인 안전성을 보장할 수 있도록 설계 및 제작되고 있다.

이와 같이, 압력용기는 구조의 안전성을 최우선으로 하기 때문에 하나의 연속체(즉, 일체화된 구조체)로 제작할 필요가 있다.

이에 따라, 본 발명자들은 로봇 몸체 프레임을 다리 및 실린더형 내압 용기 고정을 위해서만 연결부를 구비하고, 압력용기의 구조적 안전성을 위해 별도의 연결부 없는 일체형으로 로봇 몸체를 제작함과 동시에, 다관절 해저 로봇 및 디프레서가 심해의 수압을 견디고 방수 처리를 통해 내장된 장치들을 해수의 침수로부터 막으며 해양 연구 데이터 및 수중 상태 데이터를 모선에 송신할 수 있도록 해주는 복수개의 내압 용기를 고안하기에 이르렀다.

JP 4820804 B2 KR 1989-0002990 B1

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.

본 발명의 목적은 가벼운 내압용 유리 반구를 이용하여 수중에서 운용되는 탐사 장비인 다관절 해저 로봇 및 디프레서가 심해의 수압을 견디고 방수 처리를 통해 내장된 장치들을 해수의 침수 및 수압으로부터 보호하며 해양 연구 데이터 및 수중 상태 데이터를 모선에 송신을 가능하게 하는 티타늄 밴드를 포함하는 유리구 내압 용기를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 티타늄 밴드를 포함하는 유리구 내압 용기는 다관절 해저 로봇, 디프레서 및 모선을 포함한 해저 탐사 시스템에 있어서, 상기 다관절 해저 로봇이 심해의 수압을 견디게 하고 내장된 장치들을 해수의 침수로부터 막는 복수개의 제1 및 제2 내압 용기; 및 상기 디프레서가 심해의 수압을 견디게 하고 내장된 장치들을 해수의 침수로부터 막는 제3 내압 용기; 상기 해저 로봇에 장착되는 배터리에 적용되는 한 쌍의 반구 형태의 유리구 사이에 소정 높이의 티타늄 재질의 띠가 구비된 내압구;를 포함하고, 상기 복수개의 제1 내압 용기는 구형으로서 로봇 몸체 프레임에 장착되고, 상기 복수개의 제2 내압 용기는 실린더형으로서 복수개의 좌우 로봇 다리 사이 각각에 장착되며, 상기 제3 내압 용기는 실린더형으로서 디프레서 플랫폼 내에 장착되는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 티타늄 밴드를 포함하는 유리구 내압 용기의 상기 복수개의 제1 내압 용기 각각은 한 쌍의 내압 유리 반구; 상기 한 쌍의 내압 유리 반구 사이에 위치하여 복수개의 수중 커넥터가 각각 장착되는 복수개의 커넥터 연결 실린더; 상기 내압 유리 반구의 파손을 방지하는 조립부; 및 상기 내압 유리 반구 내부에 장비를 장착시키는 지그 고정부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 티타늄 밴드를 포함하는 유리구 내압 용기의 상기 복수개의 커넥터 연결 실린더는 티타늄 재질이고, 상기 내압 유리 반구는 PE 소재인 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 티타늄 밴드를 포함하는 유리구 내압 용기의 상기 복수개의 제2 내압 용기 각각은 실린더 중앙부에 위치하는 수중 커넥터; 모터 드라이버를 탑재하는 모터 드라이버 고정 지그; 실린더 캡과 실린더 내벽의 접촉 부위의 수밀을 보장하는 이중 오링; 및 상기 복수개의 좌우 로봇 다리 사이 각각에 상기 복수개의 제2 내압 용기 각각을 고정하는 플랜지;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 티타늄 밴드를 포함하는 유리구 내압 용기의 상기 제3 내압 용기는 실린더 양측에 장착되는 실린더 캡; 상기 제3 내압 용기와 상기 실린더 캡을 연결하여 체결하는 V-밴드; 상기 V-밴드에 장착되는 수중 커넥터; 및 전기전자부를 탑재하는 전기전자부 고정 지그;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 티타늄 밴드를 포함하는 유리구 내압 용기의 상기 해저 로봇은 연결부를 통하여 상기 복수개의 제1 내압 용기를 탑재하는 로봇 몸체 프레임; 내압 수밀을 위한 유적식 관절 링크를 구비하고 4자 유도로 작동되는 세 쌍의 다리 및 로봇 팔; 플랜지를 통하여 상기 로봇 몸체 프레임에 상기 복수개의 제1 내압 용기를 결합하는 몸체 및 다리 연결부; 및 상기 2차 케이블의 전원선, 광 케이블, 이더넷 케이블을 분배하는 로봇 본체 정션 박스;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 티타늄 밴드를 포함하는 유리구 내압 용기의 상기 복수개의 제1 내압 용기는 수중 전자 장비, 카메라 전자 장비, 팬틸트 HD 카메라, 모터 및 정션 박스 전자 장비 및 조명 전자 장비 각각을 내부에 장착하여 내압 및 수밀 기능을 수행하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 티타늄 밴드를 포함하는 유리구 내압 용기는 상기 복수개의 제1 내압 용기 중 상기 카메라 전자 장비 및 상기 팬틸트 HD 카메라가 내부에 장착되는 경우, 상기 한 쌍의 내압 유리 반구는 투과성을 가지며, 왜곡 방지를 위해 폴리싱 처리되는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 티타늄 밴드를 포함하는 유리구 내압 용기의 상기 디프레서는 1차 케이블을 통해 전원과 광 통신을 인가받아 분리하여 상기 전원을 트랜스포머로 전달하고, 상기 광 통신을 상기 제3 내압 용기로 분배하는 디프레서 정션 박스; 및 상기 트랜스포머를 실장 및 보호하는 트렌스포머 박스;를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 티타늄 밴드를 포함하는 유리구 내압 용기는 다관절 해저 로봇, 디프레서 및 모선을 포함한 해저 탐사 시스템에 있어서, 상기 다관절 해저 로봇이 심해의 수압을 견디게 하고 내장된 장치들을 해수의 침수로부터 막는 복수개의 제1 및 제2 내압 용기; 및 상기 디프레서가 심해의 수압을 견디게 하고 내장된 장치들을 해수의 침수로부터 막는 제3 내압 용기; 상기 해저 로봇에 장착되는 배터리에 적용되는 한 쌍의 반구 형태의 유리구 사이에 소정 높이의 띠가 구비된 내압구;를 포함하고, 상기 복수개의 제1 내압 용기는 구형으로서 로봇 몸체 프레임에 장착되고, 상기 복수개의 제2 내압 용기는 실린더형으로서 복수개의 좌우 로봇 다리 사이 각각에 장착되며, 상기 제3 내압 용기는 실린더형으로서 디프레서 플랫폼 내에 장착되고, 상기 복수개의 제1 내압 용기는 수중 커넥터를 장착하기 위하여 면수가 확장 가능한 다각형 외형의 티타늄 밴드를 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의할 경우, 다관절 해저 로봇의 제1 내압 용기가 구형으로 설계되어 부력재를 최소화할 수 있고, 상용 내압 유리 반구를 사용하여 무게를 최소화하며, 내압 용기의 내부 상태를 확인할 수 있다.

또한, 제1 내압 용기 외곽의 다각형 면 수가 필요에 따라 확장될 수 있어 수중 커넥터 사용 제한을 극복 할 수 있다.

또한, 다관절 해저 로봇의 실린더형 제2 내압 용기가 좌우 2개의 다리를 연결하는 형태로 설계되어 배선을 간소화시키고 유지 보수성을 향상시킨다.

또한, 로봇 몸체 프레임이 다리 및 실린더형 제2 내압 용기의 고정을 위해서만 연결부를 구비하고, 별도의 다른 연결부가 없어 압력용기의 구조적 안전성 및 강도를 향상시키고, 제작 소요 시간을 단축시킬 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 티타늄 밴드를 포함하는 유리구 내압 용기를 이용한 해저 탐사 시스템에 관한 개략적인 개념도이다.
도 2는 도 1에 도시된 해저 탐사 시스템 내 다관절 해저 로봇의 몸체 및 다리가 조립된 외장 사진이다.
도 3은 도 2에 도시된 다관절 해저 로봇의 몸체 프레임의 상부 사시도 및 하부 사시도이다.
도 4는 도 2에 도시된 다관절 해저 로봇의 실린더형 내압 용기 및 다리가 조립된 외장 사진이다.
도 5는 도 2에 도시된 다관절 해저 로봇의 몸체 프레임, 구형 내압 용기 및 다리의 연결구조에 대한 사시도이다.
도 6은 도 5에 도시된 몸체 프레임, 구형 내압 용기 및 다리의 연결구조에 장착되는 몸체 프레임 및 구형 내압 용기의 사시도이다.
도 7은 도 5에 도시된 몸체 프레임, 구형 내압 용기 및 다리의 연결구조에 장착되는 구형 내압 용기의 분해 사시도(a) 및 사시도(b)이다.
도 8은 도 7에 도시된 구형 내압 용기의 내부 장비 고정 방식을 나타내는 분해 사시도(a) 및 고정 완료 상태의 내부 사시도(b)이다.
도 9는 도 4에 도시된 다관절 해저 로봇의 실린더형 내압 용기의 내부 사시도이다.
도 10은 도 1에 도시된 해저 탐사 시스템 내 디프레서에 장착되는 실린더형 내압 용기의 내부 사시도이다.
도 11 내지 도 13은 도 1에 도시된 해저 탐사 시스템 내 내압 수밀 정션 박스(Junction Box)들이다.
도 14는 도 1에 도시된 해저 탐사 시스템 내 전원을 분배하는 구성요소들의 블록도이다.
도 15는 도 1에 도시된 해저 탐사 시스템 내 로봇 본체에 장착되는 배터리의 정면도(a) 및 사시도(b)이다.
도 16은 도 1에 도시된 해저 탐사 시스템 내 디프레서 플랫폼의 사시도이다.

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 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 티타늄 밴드를 포함하는 유리구 내압 용기를 이용한 해저 탐사 시스템에 관한 개략적인 개념도로서, 다관절 해저 로봇(100), 디프레서(200) 및 모선(300)을 포함한다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예인 6,000 m까지 복합이동으로 탐사가 가능한 심해용 해저 탐사 시스템이 해저 6000 m에 도달하여 유영하고 보행하는 상태를 나타낸다.

디프레서(depressor, 200)는 모선(300)에 1차 케이블(220)로 연결되고, 다관절 해저 로봇(100)은 디프레서(200)에 2차 케이블(240)로 연결된다.

디프레서(200)와 다관절 해저 로봇(100)은 유선 통신 또는 무선 통신이 가능하다.

상기 복합이동이 가능한 6,000m 탐사용 다관절 해저 로봇(100)을 이용한 해저 탐사 시스템은 조류가 거의 없는 심해환경을 상정하여 고안되었으나, 테더 케이블의 중량이 로봇에 주는 영향을 최소화하기 위하여 디프레서(200)를 두어 운용하는 개념이다.

상기와 같이 연결된 다관절 해저 로봇(100), 디프레서(200) 및 모선(300)을 포함한 해저 탐사 시스템을 통해 해저지형을 관찰하기 위한 시스템을 구축하고, 다관절 해저 로봇(100)을 제어하여 해저지형에 대한 데이터를 확보할 수 있다.

심해용 다관절 해저 로봇(100)은 심해의 퇴적층에 대한 교란을 최소화하고, 로봇의 발이 해저 토양에 빠지는 것을 방지하고, 유영을 하기 위해 부력조절 기능을 갖는다.

상기 해저 탐사 시스템은 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.

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

장기 정밀 해저 조사

해저 열수광상 등 불규칙한 해저지형을 근접 정밀 탐사한다.

무선자율제어 모드에서는 디프레서(200) 없이 단독으로 운용되며 에너지를 최소화 하면서 정해진 지역을 장기 관측한다.

본 발명에서는 기존의 프로펠러 방식의 잠수정과는 다른 새로운 개념의 해저 로봇으로 아래와 같은 개념으로 극복한다.

안전성에 관하여, 다이버가 직접 작업하기에 위험한 환경에서는 다이버 대신 해저 로봇(100)을 작업에 이용한다.

작업시간에 관하여, 해저 로봇(100)을 이용함으로써 다이버의 잠수시간 한계를 극복한다.

해저 로봇(100)과 모선(300) 사이에 디프레서(200)를 두어 케이블에 걸리는 조류력이 해저 로봇(100)에 미치는 영향을 줄인다.

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.

새로이 제안되는 해저 로봇(100)은 프로펠러 방식으로 추력을 얻는 기존의 해저 로봇과는 달리 여러 개의 관절로 이루어진 다리를 이용하여 해저면에 근접해서 보행과 유영으로 이동하는 새로운 개념의 해저 로봇을 제공한다.

이 해저 로봇(100)의 개념은 마치 게(Crab)와 가재(Lobster)가 해저면에서 이동하고 작업하는 형태와 유사하여 로봇의 이름을 'Crabster CR6000'이라고 명명하였다.

도 2는 도 1에 도시된 해저 탐사 시스템 내 다관절 해저 로봇(100)의 몸체 및 다리가 조립된 외장 사진이다.

도 3은 도 2에 도시된 다관절 해저 로봇(100)의 몸체 프레임(110)의 상부 사시도 및 하부 사시도이다.

도 4는 도 2에 도시된 다관절 해저 로봇(100)의 실린더형 내압 용기 및 다리가 조립된 외장 사진이다.

도 5는 도 2에 도시된 다관절 해저 로봇(100)의 몸체 프레임(110), 구형 내압 용기 및 다리의 연결구조에 대한 사시도이다.

도 1 내지 도 5를 참조하여 본 발명에 따른 티타늄 밴드를 포함하는 유리구 내압 용기를 이용한 해저 탐사 시스템 내 다관절 해저 로봇의 구조 및 기능을 설명하면 다음과 같다.

로봇 몸체 프레임(110)

먼저, 로봇 몸체 프레임(110)은 해저 로봇(100) 하중 감량 및 고강성을 위해 카본 복합소재를 채택하고, 구형 제1 내압 용기(120) 탑재를 위한 고정 프레임을 장착한다.

또한, 다리 및 실린더형 제2 내압 용기(130) 고정을 위해서만 연결부를 구비하고, 제작 소요 시간 단축 및 강도 향상을 위해 별도의 다른 연결부가 없는 일체형으로 성형을 제작한다.

또한, 프레임 강성의 증대를 위해 탄소섬유 결방향 회전을 증착하고, 연결부위 및 응력 집중 부위는 두께를 증대시킨다.

다리 및 로봇 팔

본 발명의 다리 및 로봇 팔은 6,000 m 내압 수밀을 위한 유적식 관절 링크로 설계되고, 내부식성 및 가공성을 위해 기구부 부분은 알루미늄 합금을 사용한다.

다리 관절 구조는 4자 유도로 작동되고, 로봇 팔은 다리 끝에 선형 구동기로 작동되는 그리퍼만을 적용하여 시스템을 간소화한다.

오일 주입을 위한 벤트 홀 및 압력 보상을 위한 오일 팩, 멤브레인 및 릴리프 벨브를 장착하고, 내부 배선을 위한 케이블 패스를 구비한다.

경량화를 위한 프레임리스 모터 및 백 레쉬 제거를 위한 하모닉 드라이브 감속기를 사용하고, 모터-감속기 직결 구조를 적용한다.

수밀 방식은 다리 내부에 절연유를 충전하고 연결부에 오링을 적용하는 구조이고, 회전부위는 이중 오링 구조이며, 내부식성을 위해 마그네슘 소재의 희생 양극이 부착된다.

몸체 및 다리 연결부

본 발명의 몸체 및 다리 연결부는 로봇 몸체 프레임(110)에 내압용기 결합체의 플랜지가 장착될 수 있는 구조이고, 다리 베이스-내압용기 플랜지-로봇 몸체 프레임 플랜지로 연결되는 구조이다.

로봇 몸체 프레임(110) 및 실린더형 제2 내압 용기(130)가 동시에 다리를 지탱할 수 있는 구조이고, 연결 방식은 로봇 몸체 프레임 플랜지를 따라 원형으로 배치된 탭에 볼트로 체결되는 방식이다.

몸체 및 다리 외장은 프레임 보호, 유체 저항 감소, 기구적 강성 보완을 고려한 형상으로서, 유체 저항을 줄이기 위해 유선형으로 설계되고, 소재는 유리 강화 섬유소재(FRP)를 이용한다.

도 6은 도 5에 도시된 로봇 몸체 프레임(110), 구형 제1 내압 용기(120) 및 다리의 연결구조에 장착되는 로봇 몸체 프레임(110) 및 구형 제1 내압 용기(120)의 사시도이다.

도 7은 도 5에 도시된 로봇 몸체 프레임(110), 구형 제1 내압 용기(120) 및 다리의 연결구조에 장착되는 구형 제1 내압 용기(120)의 분해 사시도(a) 및 사시도(b)이다.

도 8은 도 7에 도시된 구형 제1 내압 용기(120)의 내부 장비 고정 방식을 나타내는 분해 사시도(a) 및 고정 완료 상태의 내부 사시도(b)이다.

본 발명의 해저 6,000 m급 구형 제1 내압 용기(120)는 HD 카메라 및 모터/정션 박스, 조명 장치 등의 각종 전기/전자 부품, 배터리를 각각 내장한다.

구형으로 설계되고, 무게 최소화를 위해 한 쌍의 상용 내압 유리 반구를 구비한다.

본 발명의 구형 제1 내압 용기(120)에는 복수개의 수중 커넥터 장착을 위한 커넥터 연결 실린더, 내압 유리 반구의 파손 방지를 위한 조립부, 내압용기 내부 장비 장착을 위한 지그 고정부를 구비한다.

카메라 탑재용 내압용기의 유리 반구는 투과성 및 왜곡 방지를 위해 폴리싱 처리가 된다.

또한, 본 발명의 구형 제1 내압 용기(120)는 심해 6000 미터 수심에서의 600 bar 의 압력을 견디고, 방수가 가능하며, 유리구를 이용하여 무게가 가볍고 내부 공간에 의한 부력이 큰 내압 용기로서, 내부에 장착되는 전기 전자 장치의 전력 공급, 장비간 통신을 위한 수중 커넥터를 장착하기 위한 다각형 외형을 가지는 티타늄 밴드를 가진다.

이때, 티타늄 밴드 외곽의 다각형 면은 필요에 따라 확장될 수 있으며 다각형 면에 수중 커넥터를 장착할 수 있다.

도 9는 도 4에 도시된 다관절 해저 로봇(100)의 실린더형 제2 내압 용기(130)의 내부 사시도이다.

본 발명의 다관절 해저 로봇(100)의 실린더형 제2 내압 용기(130)는 모터 드라이버 고정 지그에 심해용 유적식 다리 및 로봇팔의 구동용 모터 드라이버를 탑재하고, 좌우 2개의 다리를 연결하는 형태로 설계되어 배선을 간소화시키고 유지 보수성을 향상시킨다.

다리와-내압 용기 연결부는 다리와 내압 용기를 로봇 몸체 프레임(110)에 고정하기 위한 티타늄 재질의 플랜지를 이용하고, 다리 베이스와 내압 용기의 연결은 공간 최소화를 위해 수중 커넥터 직결 방식을 채택한다.

도 10은 도 1에 도시된 해저 탐사 시스템 내 디프레서(200)에 장착되는 실린더형 제3 내압 용기(230)의 내부 사시도이다.

본 발명의 디프레서(200)에 장착되는 실린더형 제3 내압 용기(230)는 디프레서(200) 전기/전자 인터페이스 탑재용으로서, 티타늄 소재인 것이 바람직하고, ABS룰 및 상용 해석툴을 이용하여 설계된다.

실린더 캡의 플랜지 부분과 실린더 내벽의 접촉면에 오링을 삽입하여 수밀을 보장하고, 제3 내압 용기(230)와 실린더 캡의 연결부는 V-밴드를 이용하여 체결하며, 실린더 캡에는 복수개의 수중 커넥터가 장착된다.

도 11 내지 도 13은 도 1에 도시된 해저 탐사 시스템 내 내압 수밀 정션 박스(Junction Box)들로서, 로봇 본체 정션 박스, 디프레서 정션 박스 및 트렌스포머 박스를 포함한다.

로봇 본체 정션 박스

도 11에서 보는 바와 같이, 로봇 본체 정션 박스는 디프레서(200)와 연결되는 2차 케이블(240)의 전원선, 광 케이블, 이더넷 케이블을 분배한다.

내압 수밀 및 제작, 분해 및 조립성을 위해 유적식 타입의 직육면체로 설계되고, 유량 상태 확인 및 배선 연결을 위해 개방 면에 투명 강화 플라스틱을 적용한다.

연결은 로봇 몸체 프레임 플랜지를 따라 원형으로 배치된 탭에 볼트로 체결되는 방식이고, 내부에 제1 누수 센서가 장착된다.

디프레서 정션 박스

도 12에서 보는 바와 같이, 디프레서 정션 박스는 1차 케이블(220)-디프레서(200)-2차 케이블(240) 간 전원 및 통신을 분배한다.

유적식 구조로 설계되어 내, 외부 압력이 평형을 이루는 구조이며, 인입되는 1차 케이블(220)에서 전원과 광통신을 분리하여 고압 전원은 트랜스포머로 연결하고, 광 통신은 제3 내압 용기로 분배된다.

강압된 전원을 다시 인가받아 직류 전원으로 변환할 수 있도록 내부에 정류기가 설치되고, 제2 누수 센서가 장착된다.

트렌스포머 박스

도 13에서 보는 바와 같이, 트렌스포머 박스는 1차 케이블(220)로 전송되는 고전압의 교류를 저전압의 교류로 변환하는 트랜스포머를 실장하고 보호한다.

직육면체의 형상으로 전면 알루미늄으로 제작되고, 내부에 제3 누수 센서가 장착된다.

도 14는 도 1에 도시된 해저 탐사 시스템 내 전원을 분배하는 구성요소들의 블록도이다.

도 15는 도 1에 도시된 해저 탐사 시스템 내 로봇 본체에 장착되는 배터리 내압구의 정면도(a) 및 사시도(b)이다.

도 16은 도 1에 도시된 해저 탐사 시스템 내 디프레서 플랫폼의 사시도이다.

도 14에서 보는 바와 같이, 모선(300)과 디프레서(200)를 연결하는 1차 케이블(220) 및 디프레서(200)와 로봇 본체를 연결하는 2차 케이블(240)은 전원과 광통신을 포함하고 있으며, 2차 케이블(240)에는 이더넷 통신 케이블이 추가로 포함된다.

여기에서, 2차 케이블(240)은 직경 축소를 위해 저용량 케이블을 다수 이용하여 고용량 케이블로 구현되고, 광통신 라인 중앙 배치를 통해 곡률 반경을 축소시킨다.

이더넷 라인의 분할 배치로 내부 대칭성을 확보하고, 케이블 보호를 위해 내부 피복이 추가된다.

장력 증대를 위해 케블라 구조를 적용하고, 부력 증대를 위해 외피를 부력재로 대체할 수 있다.

케이블에서의 전압 강하와 안정적인 로봇의 동작을 고려하여 모선(300) 측에서는 고압의 3상 교류를 전송하도록 연구선(Research Vessel)에서 많이 사용되는 440 VAC, 60 Hz, 3상 전력을 이용할 수 있는 승압기를 적용한다.

승압된 전원은 1차 케이블(220)을 통해 디프레서(200)로 전송되고, 디프레서(200)에서는 감압 및 정류한다.

정류된 DC 전압을 적절히 DC/DC변환하여 각 장비의 요구 전압으로 변환되도록 하여 2차 케이블(240)을 통해 로봇 본체로 전송하여 실장되는 각종 장치에 공급한다.

로봇 본체로의 전원 공급 및 분배

배터리는 로봇 본체에 내장되어 디프레서 정션 박스 내 정류기에서 변환된 직류 전원를 인가받아 충전로봇 본체가 자율 모드로 동작할 수 있도록 설계 및 배치된다.

즉, 탐사 모드에서 8시간 이상 운용 가능하도록 설계되고, 출력 전압은 DC이다.

안전을 위한 온도, 전압, 누수 모니터링 기능을 갖는 배터리 관리 시스템(battery management system, BMS)를 추가하고, 셀은 리튬이온을 적용한다

1차 케이블(220)을 통해 송전했을 때 케이블 자체에 의한 전압강하까지 고려하여 설계한다.

DC/DC 컨버터는 소형, 고용량, 저발열의 상용 컨버터로서, 로봇 본체와 디프레서(200)에 공통으로 적용되며, 2차 케이블(240)을 통해 로봇 본체의 각 장비에 적절히 공급한다.

디프레서(200)의 전원 분배 및 통신

전원 분배는 1차 케이블(220) ⇒ 강압 변압기 ⇒ 정류기 ⇒ DC/DC 변환기 및 2차 케이블(240)(로봇 본체) ⇒ 각 장비 순으로 분배된다.

1차 케이블(220)을 통해 송전된 전원 변환을 위한 트랜스포머를 설계하고, 교류-직류 정류를 위하여 3상 브릿지 정류기를 이용한다.

한편, 해저 로봇(100), 디프레서(200), 모선(200) 내 원격 제어실 내부 통신은 기본적으로 이더넷(Ethernet)을 기반으로 하고, 광통신 변환 장치는 광통신-이더넷 변환을 기반으로 설계된다.

천해용 다관절 해저 로봇(100)의 원격 제어실을 활용하기 위해 광 컨버터와 같은 기존의 광통신 변환 장치가 도입된다.

선형 구동기 및 링크 시스템을 이용한 로봇 본체 고정부, 1차 및 2차 케이블 터미네이션 연결부, 내압 용기, 정션 박스, 트랜스포머 박스, USBL, 팬 틸트, 고도계, 팔라스팅 웨이트 고정부가 설계된다.

프레임은 내부식성을 위해 알루미늄 합금을 사용하고, 해수에 의한 부식 방지를 위해 희생 양극을 부착하며, 로봇 본체 고정 장치 및 200kg 이상 발라스팅 웨이드 장착이 가능하다.

이와 같이, 본 발명의 티타늄 밴드를 포함하는 유리구 내압 용기는 다관절 해저 로봇 및 디프레서가 심해의 수압을 견디고 방수 처리를 통해 내장된 장치들을 해수의 침수로부터 막으며 해양 연구 데이터 및 수중 상태 데이터를 모선에 송신을 가능하게 한다.

이를 통하여, 다관절 해저 로봇의 제1 내압 용기가 구형으로 설계되어 부력재를 최소화할 수 있고, 상용 내압 유리 반구를 사용하여 무게를 최소화할 수 있다.

또한, 다리 및 로봇 팔의 연결부에 오링을 적용하고, 회전부위는 이중 오링을 적용하여 확실한 수밀을 보장하고, 수중 커넥터 직결 방식으로 다리 베이스와 내압 용기를 연결하여 공간을 최소화한다.

또한, 2차 케이블은 저용량 케이블을 다수 이용하여 직경을 축소시키고, 광통신 라인 중앙 배치를 통해 곡률 반경을 축소시키며, 이더넷 라인의 분할 배치로 내부 대칭성이 확보된다.

또한, 로봇 본체 및 디프레서의 내압 용기 별 필요기능 요구 사양을 공통적으로 사용될 수 있도록 제어 보드를 사용하는 전원에 따라 타입을 구분하므로 공간 사용 효율을 향상시킨다.

이상, 일부 실시예를 들어서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명하였지만, 이와 같은 설명은 예시적인 것에 불과한 것으로서, 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수 없다 할 것이며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이상의 설명으로부터 본 발명을 다양하게 변형하거나 수정 또는 치환하여 실시하거나 본 발명과 균등한 실시를 행할 수 있다는 점을 잘 이해하고 있을 것이다.

100: 다관절 해저 로봇
110: 로봇 몸체 프레임
120: 제1 내압 용기
130: 제2 내압 용기
200: 디프레서
230: 제3 내압 용기

Claims

다관절 해저 로봇, 디프레서 및 모선을 포함한 해저 탐사 시스템의 유리구 내압 용기에 있어서,
상기 다관절 해저 로봇이 심해의 수압을 견디게 하고 내장된 장치들을 해수의 침수로부터 막는 복수개의 제1 및 제2 내압 용기; 및
상기 디프레서가 심해의 수압을 견디게 하고 내장된 장치들을 해수의 침수로부터 막는 제3 내압 용기;
상기 해저 로봇에 장착되는 배터리에 적용되는 한 쌍의 반구 형태의 유리구 사이에 소정 높이의 띠가 구비된 내압구;를 포함하고,
상기 복수개의 제1 내압 용기는 구형으로서 로봇 몸체 프레임에 장착되고, 상기 복수개의 제2 내압 용기는 실린더형으로서 복수개의 좌우 로봇 다리 사이 각각에 장착되며, 상기 제3 내압 용기는 실린더형으로서 디프레서 플랫폼 내에 장착되는 것을 특징으로 하는 티타늄 밴드를 포함하는 유리구 내압 용기.
제 1 항에 있어서,
상기 복수개의 제1 내압 용기 각각은
한 쌍의 내압 유리 반구;
상기 한 쌍의 내압 유리 반구 사이에 위치하여 복수개의 수중 커넥터가 각각 장착되는 복수개의 커넥터 연결 실린더;
상기 내압 유리 반구의 파손을 방지하는 조립부; 및
상기 내압 유리 반구 내부에 장비를 장착시키는 지그 고정부;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 티타늄 밴드를 포함하는 유리구 내압 용기.
제 2 항에 있어서,
상기 복수개의 커넥터 연결 실린더는 티타늄 재질이고,
상기 내압 유리 반구는 PE 소재인 것을 특징으로 하는 티타늄 밴드를 포함하는 유리구 내압 용기.
제 1 항에 있어서,
상기 복수개의 제2 내압 용기 각각은
실린더 중앙부에 위치하는 수중 커넥터;
모터 드라이버를 탑재하는 모터 드라이버 고정 지그;
실린더 캡과 실린더 내벽의 접촉 부위의 수밀을 보장하는 이중 오링; 및
상기 복수개의 좌우 로봇 다리 사이 각각에 상기 복수개의 제2 내압 용기 각각을 고정하는 플랜지;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 티타늄 밴드를 포함하는 유리구 내압 용기.
제 1 항에 있어서,
상기 제3 내압 용기는
실린더 양측에 장착되는 실린더 캡;
상기 제3 내압 용기와 상기 실린더 캡을 연결하여 체결하는 V-밴드;
상기 V-밴드에 장착되는 수중 커넥터; 및
전기전자부를 탑재하는 전기전자부 고정 지그;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 티타늄 밴드를 포함하는 유리구 내압 용기.
제 1 항에 있어서,
상기 해저 로봇은
연결부를 통하여 상기 복수개의 제1 내압 용기를 탑재하는 로봇 몸체 프레임;
내압 수밀을 위한 유적식 관절 링크를 구비하고 4자 유도로 작동되는 세 쌍의 다리 및 로봇 팔;
플랜지를 통하여 상기 로봇 몸체 프레임에 상기 복수개의 제1 내압 용기를 결합하는 몸체 및 다리 연결부; 및
상기 디프레서와 연결되는 2차 케이블의 전원선, 광 케이블, 이더넷 케이블을 분배하는 로봇 본체 정션 박스;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 티타늄 밴드를 포함하는 유리구 내압 용기.
제 1 항에 있어서,
상기 복수개의 제1 내압 용기는
수중 전자 장비, 카메라 전자 장비, 팬틸트 HD 카메라, 모터 및 정션 박스 전자 장비 및 조명 전자 장비 각각을 내부에 장착하여 내압 및 수밀 기능을 수행하는 것을 특징으로 하는 티타늄 밴드를 포함하는 유리구 내압 용기.
제 7 항에 있어서,
상기 복수개의 제1 내압 용기 중
상기 카메라 전자 장비 및 상기 팬틸트 HD 카메라가 내부에 장착되는 경우,
상기 한 쌍의 내압 유리 반구는 투과성을 가지며, 왜곡 방지를 위해 폴리싱 처리되는 것을 특징으로 하는 티타늄 밴드를 포함하는 유리구 내압 용기.
제 1 항에 있어서,
상기 디프레서는
1차 케이블을 통해 전원과 광 통신을 인가받아 분리하여 상기 전원을 트랜스포머로 전달하고, 상기 광 통신을 상기 제3 내압 용기로 분배하는 디프레서 정션 박스; 및
상기 트랜스포머를 실장 및 보호하는 트렌스포머 박스;
를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 티타늄 밴드를 포함하는 유리구 내압 용기.
다관절 해저 로봇, 디프레서 및 모선을 포함한 해저 탐사 시스템의 유리구 내압 용기에 있어서,
상기 다관절 해저 로봇이 심해의 수압을 견디게 하고 내장된 장치들을 해수의 침수로부터 막는 복수개의 제1 및 제2 내압 용기; 및
상기 디프레서가 심해의 수압을 견디게 하고 내장된 장치들을 해수의 침수로부터 막는 제3 내압 용기;
상기 해저 로봇에 장착되는 배터리에 적용되는 한 쌍의 반구 형태의 유리구 사이에 소정 높이의 띠가 구비된 내압구;를 포함하고,
상기 복수개의 제1 내압 용기는 구형으로서 로봇 몸체 프레임에 장착되고, 상기 복수개의 제2 내압 용기는 실린더형으로서 복수개의 좌우 로봇 다리 사이 각각에 장착되며, 상기 제3 내압 용기는 실린더형으로서 디프레서 플랫폼 내에 장착되고,
상기 복수개의 제1 내압 용기는 수중 커넥터를 장착하기 위하여 면수가 확장 가능한 다각형 외형의 티타늄 밴드를 구비하는 것을 특징으로 하는 티타늄 밴드를 포함하는 유리구 내압 용기.