KR101876346B1 - 무인 비행체 - Google Patents

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KR101876346B1
KR101876346B1 KR1020180008562A KR20180008562A KR101876346B1 KR 101876346 B1 KR101876346 B1 KR 101876346B1 KR 1020180008562 A KR1020180008562 A KR 1020180008562A KR 20180008562 A KR20180008562 A KR 20180008562A KR 101876346 B1 KR101876346 B1 KR 101876346B1
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rotor
driven
pulley
gear
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KR1020180008562A
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Inventor
장세영
김광년
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(주) 에이티디랩
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    • B64C2201/024—
    • B64C2201/044—
    • B64C2201/108—

Abstract

본 발명은 무인 비행체에 관한 것으로서, 중앙에 구비되는 동체부; 동체부의 사방으로 각각 돌출되게 구비되는 아암; 각 아암에 각각 구비되어 비행을 위한 추력을 발생시키는 로터부; 동체부에 구비되어 로터부를 구동시키는 타이밍풀리를 갖는 엔진; 엔진에 연결되어 엔진을 회전시켜 시동을 거는 시동장치; 및 엔진에서 발생되는 동력을 로터부로 전달하는 동력전달부;를 포함하는 무인 비행체를 제공한다.

Description

무인 비행체{Unmanned air vehicle}
본 발명은 무인 비행체에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 동력원을 소형 엔진으로 구성하여 고중량의 물품을 탑재할 수 있고 장기 체공이 가능한 무인 비행체에 관한 것이다.
일반적으로, 무인 비행체 특히, 드론(drone)은 무선 전파로 조종할 수 있는 무인 항공기이다.
이러한 드론은 프로펠러의 회전에 의해 공중에 뜰 수 있으며, 무선 전파의 유도에 의해서 원거리에서 원격 조정되어 비행될 수 있도록 설계된다.
이와 같은 드론에는 카메라, 센서, 통신시스템 등이 탑재될 수 있으며, 탑재되는 물품에 따라 25g부터 1200kg까지 무게와 크기도 다양하다.
드론은 군사용도로 처음 개발되었지만, 최근엔 고공 촬영과 배달 등으로 확대되어 사용되며, 농약을 살포하거나, 공기질을 측정하는 등 다방면에 활용되고 있다.
게다가, 최근 들어서는 값싼 키덜트(kidult) 제품으로 재탄생되어 개인도 부담 없이 드론을 구매하는 시대를 맞이했다.
한편, 대부분의 드론은 배터리에 의해 전원을 공급을 받아서 각각의 DC 모터를 회전시켜서 이륙을 하고 비행을 하는 방식을 취하고 있다.
이때, 각 DC 모터로 각각의 프로펠러를 고속으로 회전시키기 위해서는 많은 전원이 필요하며 드론의 비행시간은 20분 내지 30분 정도가 대부분이다.
국내 등록특허 제10-1042200호(이하 '선행기술문헌'이라 한다)에는 몸체부에서 사방으로 돌출되는 각 프레임에 각각의 프로펠러가 회전가능하게 구비되고, 이 프로펠러에는 각각의 모터가 구비되어 프로펠러를 고속 회전시킴으로써 비행체를 이륙시켜 비행시키는 무인 비행체가 개시되어 있다.
하지만, 선행기술문헌에 개시된 종래의 무인 비행체는 배터리에 저장된 전기에 의해 각각의 모터가 작동되어 무인 비행체가 비행하게 되므로, 비행시간이 단시간으로 짧고, 배터리의 충전에 시간이 많이 걸리는 단점이 있다.
한국 등록특허 제10-1042200호
따라서, 본 발명은 소형 엔진을 동력원으로 구성하여 엔진의 동력을 각 아암의 로터에 동일하게 전달하여 무인 비행체를 비행할 수 있도록 구성함으로써 고중량의 물품을 탑재할 수 있고 장기 체공이 가능한 무인 비행체를 제공하는데 그 목적이 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 무인 비행체는, 중앙에 구비되는 동체부; 동체부의 사방으로 각각 돌출되게 구비되는 아암; 각 아암에 각각 구비되어 비행을 위한 추력을 발생시키는 로터부; 동체부에 구비되어 로터부를 구동시키는 타이밍풀리를 갖는 엔진; 엔진에 연결되어 엔진을 회전시켜 시동을 거는 시동장치; 및 엔진에서 발생되는 동력을 로터부로 전달하는 동력전달부;를 포함한다.
그리고, 엔진에는 시동된 엔진의 동력을 동력전달부로 전달 또는 차단하는 클러치가 구비됨이 바람직하다.
또한, 동력전달부는 동체부에 회전가능하게 구비되고 엔진의 타이밍풀리와 타이밍벨트로 연결되는 구동풀리를 갖는 구동기어; 동체부에 회전가능하게 구비되고 구동기어와 치합되어 연동되는 제 1 종동기어; 제 1 종동기어와 동축으로 구비되어 함께 회전되는 제 2 종동기어; 및 제 2 종동기어와 각각 치합되어 연동되고 각 로터부에 벨트로서 연결되어 각 로터부를 동시에 회전시키는 제 3 종동기어들;을 포함할 수 있다.
게다가, 제 3 종동기어들 중 동일선상으로 구비되는 한쌍의 제 3 종동기어는 제 2 종동기어와 각각 전달기어를 매개로 연결되게 구비되어, 다른 쌍의 제 3 종동기어와는 반대 방향으로 회전되게 구비됨이 바람직하다.
또한, 로터부는 아암에 회전가능하게 결합되어 구비되는 로터축; 로터축에 고정되게 구비되고 동력전달부와 연결되어 회전되는 로터풀리; 로터축의 양단부에 각각 회전가능하게 결합되어 구비되는 그립퍼; 및 각 그립퍼에 고정되게 구비되어 비행을 위한 추력을 발생시키는 블레이드;를 포함할 수 있으며, 다수의 블레이드는 이웃한 블레이드가 정회전과 역회전을 교번되게 하도록 구비됨이 바람직하다.
본 발명의 무인 비행체에 따르면, 본체에 엔진을 탑재하여 구비하고, 엔진의 동력을 각 아암에 구비된 로터에 동일하게 전달하여 동일한 출력으로 각각의 블레이드를 고속 회전시킴으로써 무인 비행체를 비행시킬 수 있고, 이와 같이 비행되는 무인 비행체에 고중량의 물품을 탑재할 수 있으며, 장기 비행이 가능한 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 무인 비행체의 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 엔진과 시동장치의 연결 구조도이다.
도 3은 본 발명에 따른 엔진과 구동풀리의 연결 구조도이다.
도 4는 본 발명에 따른 본체 내부에 구성되는 동력전달부의 구성도이다.
도 5는 도 4에서 제 1 종동기어를 분리한 상태의 동력전달부의 구성도이다.
도 6은 본 발명에 따른 로터의 구성도이다.
도 7은 본 발명에 따른 동력전달부의 작동도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
첨부도면 도 1 내지 도 7은 본 발명에 따른 무인 비행체 및 이에 구성되는 동력전달부 및 로터의 구성을 보인 도면들이다.
본 발명에 따른 무인 비행체(100)는 도 1에 도시된 바와 같이, 중앙의 동체부(200)와, 동체부(200)의 사방 즉 동서남북의 네 방향으로 돌출되게 구비되는 아암(400)과, 아암(400)의 단부에 구비되는 로터부(500)를 포함한다.
동체부(200)는 무인 비행체(100)의 중앙부에 구비되는 것으로, 동체부(200) 하부에 구비되는 엔진(210)과, 동체부(200) 내에 구비되는 동력전달부(300)를 포함한다.
이러한 동체부(200)의 하면에는 엔진(210)을 받쳐 지지할 수 있는 받침대(201)가 구비되고, 이 받침대(201)는 후술될 스키드(410)와 더불어서 지면과 접촉되어 무인 비행체(100)의 이착륙시 충격으로부터 비행체(100)를 보호하도록 구비될 수도 있다.
엔진(210)은 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 동체부(200)의 하면에 고정되게 구비되고, 그 상부에는 링기어(211)와 타이밍풀리(212)가 회전가능하게 구비된다.
링기어(211)는 후술될 시동장치(230)와 연결되어 정지된 엔진(210)을 회전시켜 시동을 걸고, 엔진(210)이 구동되면 이의 회전력 즉 구동력에 의해 타이밍풀리(212)가 회전되며, 타이밍풀리(212)는 타이밍벨트(213)로서 후술될 구동기어(310)의 구동풀리(312)와 연결되어 구동기어(310)를 회전시키게 된다.
한편, 링기어(211)와 타이밍풀리(212) 사이에는 타이밍풀리(212)로 전달되는 엔진(210)의 구동력을 단속하는 클러치(220)가 구비된다.
이러한 클러치(220)는 시동 초기 즉 엔진(210)이 저속 회전되는 경우(예를 들어 100rpm 전후로 회전되는 경우)엔 클러치(220)가 작동되지 않아 타이밍풀리(212)로 엔진(210)의 동력전달을 차단하게 되고, 시동 후 엔진(210)이 고속 회전되는 경우(예를 들어 1000rpm 이상으로 회전되는 경우)에는 클러치(220)가 작동되어 타이밍풀리(212)에 엔진(210)의 동력을 전달하게 된다. 또한, 이와 같은 클러치(220)는 엔진(210)이 아이들링 상태인 경우에도 동력전달을 차단하도록 설계됨이 바람직하다.
그리고, 상기와 같은 엔진(210)과 이격된 동체부(200)의 하면에는 시동장치(230)가 구비되고, 시동장치(230)에는 엔진(210)의 링기어(211)와 치합되는 시동기어(231)가 구비된다.
이러한 시동장치(230)의 하부에는 시동기어(231)와 동축으로 연결되는 시동풀리(미도시)가 구비되고, 시동풀리에는 시동모터(미도시)가 벨트로서 연결되어 구비된다.
따라서, 시동모터에 의해 시동풀리가 회전되고, 시동풀리의 회전과 더불어 시동기어(231)가 회전되면서 엔진(210)의 링기어(211)를 회전시켜 엔진(210)을 구동시켜 시동을 걸게 된다.
한편, 상기와 같은 시동모터는 동체부(200)의 하면에 고정되게 구비할 수도 있지만, 본 실시예에서는 시동모터 자체가 중량체이므로 무인 비행체(100)의 경량화를 위해 동체부(200)에 고정하지 않고 분리되게 구비하여, 필요시에만 시동장치(230)에 연결하도록 한다.
또한, 동체부(200) 하면의 가장자리 측에는 엔진(210)의 타이밍풀리(212)와 타이밍벨트(213)로서 연결되는 동력전달부(300)의 구동풀리(312)가 회전가능하게 구비되고, 구동풀리(312)에는 이와 동축으로 연결되어 동체부(200)의 상면에 회전가능하게 위치되는 구동기어(310)가 구비된다.
구동풀리(312)와 구동기어(310)를 연결하는 축은 하나의 구동축(311)으로서, 이 구동축(311)은 동체부(200)에 베어링을 매개로 관통되게 구비되고, 구동축(311)의 하단부에 고정된 구동풀리(312)는 동체부(200)의 하면으로 돌출되게 구비되며, 구동축(311)의 상단부에 고정된 구동기어(310)는 동체부(200)의 상면으로 돌출되게 구비된다. 따라서, 구동풀리(312) 및 구동기어(310)의 회전시 동체부(200)와의 저항을 최소화할 수 있게 된다.
그리고, 구동풀리(312)는 타이밍벨트(213)로 연결되는 엔진(210)의 타이밍풀리(212)와 감속비를 갖도록 연결되어, 엔진(210)의 동력을 구동기어(310)에 감속 전달함이 바람직하다.
상기와 같은 구동기어(310)는 동체부(200) 상에 구비되는 동력전달부(300)와 연결되게 구비되어, 엔진(210)의 동력을 각 로터부(500) 측으로 감속 전달하게 된다.
동력전달부(300)는 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 동체부(200)에 회전가능하게 구비되는 구동풀리(312)를 갖는 구동기어(310)와, 동체부(200)의 상면 중앙부에 회전가능하게 구비되고 구동기어(310)와 치합되어 연동되는 제 1 종동기어(320)와, 제 1 종동기어(320)와 동축으로 구비되어 함께 회전되는 제 2 종동기어(330)와, 제 2 종동기어(330)와 각각 치합되어 연동되고 후술될 각 로터부(500)에 연결벨트(360)로서 연결되어 각 로터부(500)를 동시에 회전시키는 제 3 종동기어(340)들을 포함한다.
상기와 같이 구비되는 제 1 종동기어(320)는 구동기어(310)보다 큰 직경으로 구비되어 감속비를 갖도록 구비된다.
그리고, 제 1 종동기어(320)와 제 2 종동기어(330)는 하나의 종동축(321)으로 연결되어 동시에 회전되게 구비되고, 제 2 종동기어(330)는 제 3 종동기어(340)와 1:1 또는 감속비를 갖도록 구비됨이 바람직하다.
이와 같은 제 1,2,3 종동기어(320)(330)(340)에 의해 엔진(210)의 동력이 각 로터부(500)로 균일하게 출력됨으로써 동일한 출력으로 각 로터부(500)를 작동시킬 수 있게 된다.
한편, 상기와 같은 동력전달부(300)에 의한 각 로터부(500)가 모두 동일한 방향으로 회전되면, 동체부(200)에는 로터부(500)의 회전방향과 반대방향으로 회전되는 관성력이 작용하게 되므로 이를 상쇄시키고 안정적인 이착륙과 비행을 위해서는 각 로터부(500)가 교대로 정회전과 역회전되어야 한다.
따라서, 동력전달부(300)의 제 3 종동기어(340)들 중 동일선상으로 구비되는 한쌍의 제 3 종동기어(340)는 제 2 종동기어(330)와 각각 전달기어(350)를 매개로 연결되게 구비되어, 다른 쌍의 제 3 종동기어(340)와는 반대 방향으로 회전되게 구성된다.
즉, 제 2 종동기어(330)의 외주에 일정간격을 두고 각각 치합된 4개의 제 3 종동기어(340)는 동일선상으로 위치된 2개의 제 3 종동기어(340)를 한쌍으로 연결하면, 두 쌍의 제 3 종동기어(340)들이 서로 직교하는 형태로 위치되어 구비된다.
이 중, 한쌍의 제 3 종동기어(340)들을 제 2 종동기어(330)와의 사이에 전달기어(350)를 각각 구비한 상태로 연결하면, 도 7에서와 같이 제 2 종동기어(330)가 반시계방향으로 회전될 시 전달기어(350)를 매개로 연결된 한쌍의 제 3 종동기어(340)들은 제 2 종동기어(330)와 같이 반시계방향으로 회전되고, 나머지 다른 한쌍의 제 3 종동기어(340)들은 시계방향으로 회전되어, 동체부(200)에서 발생되는 관성력을 상쇄시키게 된다.
그리고, 이와 같은 제 3 종동기어(340)들이 동일한 출력으로 교대로 정회전과 역회전 됨으로써 무인 비행체(100)는 흔들림이 최소화된 상태로 안정적으로 이륙 및 비행할 수 있게 된다.
또한, 상기와 같은 제 3 종동풀리(341)들에는 동축으로 연결되어 동시에 회전되는 종동풀리(341)가 각각 구비되고, 각 종동풀리(341)는 연결벨트(360)를 매개로 후술될 각 로터부(500)의 로터풀리(550)와 연결되어 구비된다.
아암(400)은 도 1에 도시된 바와 같이, 그 내부가 노출되는 앵글과 같은 형태로 형성되어, 동체부(200)의 사방 즉 네 방향으로 돌출되게 구비된다.
이러한 아암(400)은 그 일단부가 동체부(200)에 결합 고정되고, 타단부는 동체부(200)에서 돌출되어 그 상부에는 로터부(500)가 구비되며, 하부에는 스키드(410)가 구비된다.
특히, 스키드(410)는 아암(400)의 하방향으로 수직하게 구비되고, 그 길이는 동체부(200)의 받침대(201)와 동일하거나 또는 받침대(201)보다 더 길게 형성되어, 무인 비행체(100)의 이착륙시 충격으로부터 비행체(100)를 보호하게 된다. 한편, 이하에서는 스키드(410)와 동체부(200)의 받침대(201)가 동일한 길이로 구비된 것을 일례로 예시하여 설명한다.
로터부(500)는 도 6에 도시된 바와 같이, 동체부(200)에서 외측으로 돌출된 각 아암(400)의 단부에 구비되어, 비행을 위한 추력을 발생시킨다.
이러한 로터부(500)는 각 아암(400)에 회전가능하게 결합되어 구비되는 로터축(540)과, 로터축(540)의 하단부에 고정되게 구비되고 각 제 3 종동기어(340)의 종동풀리(341)와 각각 연결벨트(360)로서 연결되는 로터풀리(550)와, 로터축(540)의 상단부에 고정되게 구비되는 로터헤드(510)와, 로터헤드(510)의 양단부에 각각 회전가능하게 결합되어 구비되는 그립퍼(520)와, 각 그립퍼(520)에 고정되게 구비되어 비행을 위한 추력을 발생시키는 블레이드(530)를 포함한다.
로터축(540)은 아암(400)에 베어링을 매개로 관통되게 구비되어 로터축(540)의 회전시 저항을 최소화한다.
그리고, 로터풀리(550)와 종동풀리(341)를 연결하는 연결벨트(360)의 외주면에는 이의 장력을 조절하는 텐셔너(미도시)가 아암(400)에 회전가능하게 결합되어 구비될 수 있다.
또한, 블레이드(530)가 결합 고정된 그립퍼(520)는 로터헤드(510)에서 회전가능하게 구비됨으로써 블레이드(530)의 피치 즉 블레이드(530)의 각도를 조절하여, 양력을 조절할 수 있게 된다.
이상과 같은 본 발명에 따른 무인 비행체의 작동관계를 설명한다.
무인 비행체(100)의 이륙시는 시동모터로서 시동장치(230)를 구동시켜 시동장치(230)의 시동기어(231)를 회전시키고, 시동기어(231)가 회전됨에 따라 이에 치합된 엔진(210)의 링기어(211)가 회전되면서 엔진(210)을 회전 구동시키게 된다.
이후, 엔진(210)이 일정 회전수 이상으로 회전되면 클러치(220)에 의해 엔진(210)의 동력이 타이밍풀리(212)로 전달되어 타이밍풀리(212)가 고속 회전되고, 타이밍풀리(212)와 타이밍벨트(213)로 연결된 동체부(200)의 구동풀리(312)가 회전하게 되며, 구동풀리(312)의 회전에 의해 구동축(311)으로 연결된 구동기어(310)가 동체부(200)에서 시계방향으로 회전된다.
그러면, 도 7에 도시된 바와 같이, 구동기어(310)와 치합된 제 1 종동기어(320)는 반시계방향으로 회전되고, 제 1 종동기어(320)와 종동축(321)으로 연결된 제 2 종동기어(330) 역시도 반시계방향으로 회전되며, 제 2 종동기어(330)에 직접 치합된 제 3 종동기어(340)들은 시계방향으로 회전되고, 제 2 종동기어(330)에 전달기어(350)를 매개로 연결된 다른 제 3 종동기어(340)들은 제 2 종동기어(330)와 마찬가지로 반시계방향으로 회전된다.
그리고, 각 제 3 종동기어(340)의 종동풀리(341)에 연결벨트(360)로서 연결된 각 로터부(500)의 로터풀리(550) 역시도 각각의 종동풀리(341)와 같이 회전되고, 이에 각 로터축(540)의 상단부에 구비된 로터헤드(510)가 각각 회전된다.
따라서, 동체부(200)의 사방으로 구비된 각 로터부(500)의 블레이드(530)는 대각 방향을 기준으로 하여 한쌍은 시계방향으로 정회전되고, 다른 한쌍은 반시계방향으로 역회전되며, 이와 같이 정회전 및 역회전되는 각각의 블레이드(530)는 동일한 출력으로 회전됨으로써 무인 비행체(100)는 흔들림이 최소화된 상태로 안정적으로 이륙 및 비행할 수 있게 된다.
또한, 상기와 같은 무인 비행체(100)는 아암(400)의 하방향으로 엔진(210)보다 더 길게 돌출되는 스키드(410)와 동체부(200)의 받침대(201)에 의해 이착륙시 충격으로부터 안전하게 보호된다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 범주에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 명확해질 것이다.
100 : 비행체 200 : 동체부
201 : 받침대 210 : 엔진
211 : 링기어 212 : 타이밍풀리
213 : 타이밍벨트 220 : 클러치
230 : 시동장치 231 : 시동기어
300 : 동력전달부 310 : 구동기어
311 : 구동축 312 : 구동풀리
320 : 제 1 종동기어 321 : 종동축
330 : 제 2 종동기어 340 : 제 3 종동기어
341 : 종동풀리 350 : 전달기어
360 : 연결벨트 400 : 아암
410 : 스키드 500 : 로터부
510 : 로터헤드 520 : 그립퍼
530 : 블레이드 540 : 로터축
550 : 로터풀리

Claims (6)

  1. 중앙에 구비되는 동체부;
    동체부의 사방으로 각각 돌출되게 구비되는 아암;
    각 아암에 각각 구비되어 비행을 위한 추력을 발생시키는 로터부;
    동체부에 구비되어 로터부를 구동시키는 타이밍풀리를 갖는 엔진;
    엔진에 연결되어 엔진을 회전시켜 시동을 거는 시동장치; 및
    엔진에서 발생되는 동력을 로터부로 전달하는 동력전달부;를 포함하고,
    동력전달부는 동체부에 회전가능하게 구비되고 엔진의 타이밍풀리와 타이밍벨트로 연결되는 구동풀리를 갖는 구동기어;
    동체부에 회전가능하게 구비되고 구동기어와 치합되어 연동되는 제 1 종동기어;
    제 1 종동기어와 동축으로 구비되어 함께 회전되는 제 2 종동기어; 및
    제 2 종동기어와 각각 치합되어 연동되고 각 로터부에 벨트로서 연결되어 각 로터부를 동시에 회전시키는 제 3 종동기어들;을 포함하는 무인 비행체.
  2. 청구항 1에 있어서,
    엔진에는 시동된 엔진의 동력을 동력전달부로 전달 또는 차단하는 클러치가 구비되는 무인 비행체.
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    제 3 종동기어들 중 동일선상으로 구비되는 한쌍의 제 3 종동기어는 제 2 종동기어와 각각 전달기어를 매개로 연결되게 구비되어, 다른 쌍의 제 3 종동기어와는 반대 방향으로 회전되는 무인 비행체.
  5. 청구항 1에 있어서,
    로터부는 아암에 회전가능하게 결합되어 구비되는 로터축;
    로터축에 고정되게 구비되고 동력전달부와 연결되어 회전되는 로터풀리;
    로터축의 양단부에 각각 회전가능하게 결합되어 구비되는 그립퍼; 및
    각 그립퍼에 고정되게 구비되어 비행을 위한 추력을 발생시키는 블레이드;를 포함하는 무인 비행체.
  6. 청구항 5에 있어서,
    다수의 블레이드는 이웃한 블레이드가 정회전과 역회전을 교번되게 하도록 구비되는 무인 비행체.
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