KR101935414B1 - 부유물 수거용 자율 수상로봇 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수면에 산재한 부유물을 자동으로 수거할 수 있는 부유물 수거용 자율 수상로봇에 관한 기술임.
본 발명은 구동부(700)에 의해 이동하는 본체(200)와, 상기 본체(200)에 구비되는 촬영부(800)와, 상기 촬영부(800)에 의해 촬영된 정보를 바탕으로 상기 본체(200)의 이동경로를 생성하는 제어부와, 상기 본체(200)에 구비되어 본체의 이동경로 상에 위치한 부유물을 포집하는 이물질 포집부(500)를 포함하며, 상기 촬영부(800)는 상대적으로 상기 본체(200)의 근거리를 촬영하는 제1촬영부(820)와, 상기 제1촬영부(820) 보다 원거리를 촬영하는 제2촬영부(840)를 포함하고, 상기 제어부에서는 상기 제2촬영부(840)에 의해 획득되는 정보를 바탕으로 전역(Global) 이동 경로를 생성하고, 상기 제1촬영부(820)에 의해 획득되는 정보를 바탕으로 지역(Local) 이동경로를 생성한다.
이와 같은 본 발명에 따르면 최적의 이동경로를 따라 본체가 자율 운항하면서 부유물을 수거하게 되어 에너지 소모를 줄이고 보다 효율적인 부유물의 수거가 이루어질 수 있는 이점을 가진다.

Description

부유물 수거용 자율 수상로봇{ Autonomous surface robot for floating debris removal }

본 발명은 수면에 산재한 부유물을 자동으로 수거할 수 있는 부유물 수거용 자율 수상로봇에 관한 기술이다.

지구 표면의 약 70%를 차지하는 해양은 지구에서 가장 큰 쓰레기장으로 사용되어 오면서 세계 곳곳에서 심각한 사회 문제를 일으키고 있다.

특히, 해류는 각 나라의 하천에서 유입되는 쓰레기를 국경을 초월하여 운반하고 있으며, 이로 인해 대만과 중국 남부의 쓰레기는 우리나라의 남·동해와 일본 서해 쪽으로 유입되고, 중국 북부에서 나온 쓰레기는 우리 나라의 서해안을 오염시키고 있다.

또한, 최근에는 기상이변으로 인해 태풍, 해일 등의 자연재해가 빈번하게 일어나고 있으며, 그 결과 강이나 호수 등을 통해 각종 자재 및 쓰레기 등의 폐기물이 해양으로 유입되고 있다.

이와 같이 해양으로 유입되는 쓰레기는 크게 수면에 뜨는 부유쓰레기와, 수중으로 가라앉는 침적쓰레기로 구분될 수 있으며 해양을 오염시키는 쓰레기 중 가장 큰 비중을 차지하는 것은 플라스틱 류와 스티로폼 류, 목재 등과 같이 주로 물에 뜨는 부유쓰레기이다.

한편, 해양으로 유입된 부유쓰레기는 중장비와 선박 등을 이용하여 수거되며, 항만 안의 오염물질을 제거하기 위해 운항하는 대표적인 선박에는 청항선(淸港船)이 있으며, 대한민국 등록특허 10-0944399 “부상수문이 구비된 청항선”, 대한민국 등록특허 10-1102359 “청항선”, 대한민국 공개특허 10-2016-0117981 “ 해상 유출기름 회수장치” 등과 같이 다양한 구조의 청항선이 연구 개발되고 있다.

일반적으로 청항선은 부유물의 수거 및 양륙작업, 기름 유출 오염사고 시 방제 업무 등을 수행할 수 있는 선박으로, 필터벨트(Filter belt)를 이용하여 수면에 있는 부유물을 선체로 끌어올려 수거가 이루어지도록 구성된다.

상기와 같은 구성 및 기능의 청항선은 탑승자가 부유물을 직접 확인하고 선박의 이동 경로를 직접 제어하여 부유물을 수거하게 된다.

즉, 상기 청항선에서는 탑승자의 직관에 의해 부유물의 수거를 위한 이동 경로가 결정되는데 여러 방면으로 분포되어 있는 부유물을 수거하는 경우 탑승자는 선체의 운용에 어려움을 겪게 되며, 이로 인해 불필요한 이동과 이에 따른 에너지 소비가 발생하여 효율적인 운용이 이루어지지 못하는 문제점을 가진다.

한편, 본 발명의 발명자는 상기와 같은 구조의 청항선을 참조하여 원격제어가 가능한 부유물 수거용 수상로봇을 개발해온 바 있다.

상세히, 상기 부유물 수거용 수상로봇은 탑승자 없이 원격제어가 이루어질 수 있도록 무선 카메라 모듈을 장착하여 로봇의 전방을 촬영하고 촬영 정보를 실시간으로 원격제어 서버로 전송할 수 있도록 구성된다.

즉, 상기 부유물 수거용 수상로봇은 무선카메라 모듈을 통해 수집되는 촬영정보를 원격제어 서버에서 실시간으로 확인하고, 확인된 촬영정보를 기반으로 로봇의 이동경로를 원격으로 제어할 수 있도록 하였다.

하지만, 이와 같은 경우에도 촬영정보를 바탕으로 사용자가 이동경로를 결정하게 되어 불필요한 이동과 이에 따른 에너지 소모 등의 문제점을 여전히 가지고 있었다.

KR 10-0944399 B1 KR 10-1102359 B1 KR 10-2016-0117981 A

김현식 외 1인. "부유물 수거용 수상로봇 개발" Journal of Korean Institute of Intelligent Systems Vol. 25, No. 4, August 2015, pp. 342-348

본 발명의 목적은 복수의 촬영부를 이용하여 다각적 정보를 획득하고, 획득된 정보를 바탕으로 최적의 이동경로를 생성함으로써 부유물을 자동으로 수거할 수 있는 부유물 수거용 자율 수상로봇을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 항공 촬영부를 포함하도록 구성되어 항공 촬영부에 의해 획득되는 정보로 전역(Global) 이동 경로를 생성하고, 본체에 구비되는 촬영부를 이용하여 지역(Local) 이동 경로를 생성함으로써 보다 효율적인 이동경로를 생성하고, 생성된 이동경로에 따라 부유물의 수거가 자동으로 이루어질 수 있는 부유물 수거용 자율 수상 로봇을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 수거되는 부유물을 수거 부재를 구비한 이물질 수거부에서 포장된 형태로 배출할 수 있도록 함으로써 자율 운항이 완료된 이후 부유물의 처리가 보다 용이하게 이루어질 수 있도록 하는 부유물 수거용 자율 수상 로봇을 제공하는 것이다.

본 발명은 구동부에 의해 이동하는 본체와, 상기 본체에 구비되는 촬영부와, 상기 촬영부에 의해 촬영된 정보를 바탕으로 상기 본체의 이동경로를 생성하는 제어부와, 상기 본체에 구비되어 본체의 이동경로 상에 위치한 부유물을 포집하는 이물질 포집부를 포함하며, 상기 촬영부는 상대적으로 상기 본체의 근거리를 촬영하는 제1촬영부와, 상기 제1촬영부 보다 원거리를 촬영하는 제2촬영부를 포함하고, 상기 제어부에서는 상기 제2촬영부에 의해 획득되는 정보를 바탕으로 전역(Global) 이동 경로를 생성하고, 상기 제1촬영부에 의해 획득되는 정보를 바탕으로 지역(Local) 이동경로를 생성하는 것을 특징으로 한다.

상기 제어부에서는 상기 제2촬영부를 통해 부유물 정보가 확인될 경우 생성된 전역(Global) 이동경로를 따라 이동하고, 전역(Global) 이동경로를 따라 이동하는 과정에서 상기 제1촬영부를 통해 부유물 정보가 확인될 경우에는 지역(Logal) 이동경로를 따라 이동하는 것을 특징으로 한다.

다른 측면에서 본 발명은 구동부에 의해 이동하는 본체와, 상기 본체에 구비되는 촬영부와, 상기 촬영부에 의해 촬영된 정보를 바탕으로 상기 본체의 이동경로를 생성하는 제어부와, 상기 본체에 구비되어 본체의 이동경로 상에 위치한 부유물을 포집하는 이물질 포집부를 포함하며, 상기 촬영부는 상대적으로 상기 본체의 근거리를 촬영하는 제1촬영부와, 상기 제1촬영부 보다 원거리를 촬영하는 제2촬영부 및 상기 제2촬영부 보다 원거리를 촬영하는 제3촬영부를 포함하고, 상기 제어부에서는 상기 제3촬영부에 의해 획득되는 정보를 바탕으로 전역(Global) 이동 경로를 생성하고, 상기 제2촬영부(840)에 의해 획득되는 정보를 바탕으로 중역( Intermediate) 이동경로를 생성하며, 상기 제1촬영부에 의해 획득되는 정보를 바탕으로 지역(Local) 이동경로를 생성하는 것을 특징으로 한다.

상기 제3촬영부는 항공촬영이 가능한 수단인 것을 특징으로 한다.

상기 본체에는 상기 이물질 포집부를 통해 포집되는 부유물을 일정량씩 단위 포장하여 보관하는 이물질 수거부가 더 구비되는 것을 특징으로 한다.

상기 이물질 수거부에는 상기 이물질 포집부를 통해 포집되는 부유물이 자중에 의해 낙하하여 수용되는 공간을 제공하기 위한 수거프레임과, 상기 수거프레임 내부에 구비되어 부유물을 수용하는 수거부재와, 상기 수거프레임 일측에 구비되어 상기 수거부재의 상측이 개방된 형태를 유지하도록 고정시키는 거치구와, 상기 수거프레임 일측에 구비되어 상기 수거부재 내부로 수용되는 부유물의 무게를 측정하는 무게측정 소자 및 상기 무게측정 소자에 의해 감지되는 부유물의 무게에 따라 상기 거치구를 이동시켜 상기 수거부재의 상측이 차폐되도록 하는 포장수단이 포함되는 것을 특징으로 한다.

상기 제어부는 상기 촬영부에 의해 획득되는 다양한 색상의 부유물을 기 지정된 단일 색상으로 구분함으로써 다수의 이종 부유물이 하나의 객체로 인식되도록 하는 영상처리과정을 수행하고, 상기 영상처리과정에서는 인식된 객체의 최외곽점을 추출하고,

하기 (수식)을 통해 객체의 중심값(Xc)을 계산하여 상기 본체의 이동경로를 형성하는 것을 특징으로 한다.

Xc[i] = ( Xl[i] + Xr[i] )/2 .................................... (수식)

(여기서, Xc는 객체의 중심값, Xl 및 Xr은 객체의 최외곽점 X축의 좌측값 및 우측값 임)

상기 제어부에서는 상기 촬영부8에 의해 획득되는 영상정보를 3개의 수직분할 영역으로 구분하고, 구분된 영역에서 계산된 중심값(Xc)의 분포(밀집도)에 따라 상기 본체의 이동경로를 결정하는 것을 특징으로 한다.

상기 이물질 포집부에는 적어도 일부분이 수상에 위치된 상태로 포집모터에 의해 회전하면서 부유물을 픽업하여 이송시키는 이송부재와, 상기 이송부재의 일단과 연결부재를 통해 연결되어 이송부재의 위치를 가변시키는 위치조절수단이 포함되는 것을 특징으로 한다.

상기 위치조절수단은 상기 본체가 전역(Globle) 이동경로를 따라 이동하는 경우 이송부재를 대기중에 위치시키는 것을 특징으로 한다.

상기 위치조절수단은 상기 본체가 지역(Local) 이동경로를 따라 이동하는 경우 이송부재의 일단을 수중에 위치시키는 것을 특징으로 한다.

상기 제어부에서는 상기 이물질 수거부에 포집되는 부유물이 수거용량에 도달할 경우 서버를 통해 복귀 경로를 제공받아 이동하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 복수의 촬영부가 서로 다른 거리 영역의 촬영정보를 획득하고, 이를 바탕으로 전역(Global) 경로 알고리즘 및 지역(Local) 경로 알고리즘을 통해 최적의 이동경로를 생성하게 된다. 그리고, 이와 같이 생성된 최적의 이동경로를 따라 본체가 자율 운항하면서 부유물을 수거하게 되어 에너지 소모를 줄이고 보다 효율적인 부유물의 수거가 이루어질 수 있는 이점을 가진다.

또한, 본 발명에서는 자율 운항하면서 수거되는 부유물을 수거 부재를 이용하여 일정단위로 포장할 수 있도록 함으로써 자율 운항이 완료된 이후 부유물의 처리가 보다 용이하게 이루어질 수 있는 이점을 가진다.

뿐만 아니라, 본 발명에서는 복수의 촬영부를 통해 획득되는 다각적 촬영정보에서 확인된 물체를 영상 처리를 통해 특정한 색으로 구분하여 불규칙하게 배열된 복수의 부유물을 하나의 큰 덩어리 물체로 인식하도록 한다. 그리고, 이와 같이 인식된 물체의 중심값을 추출하여 이동경로를 형성하도록 함으로써 데이터의 처리가 보다 빠르고 용이하게 이루어질 수 있는 이점을 가진다.

도 1 은 본 발명에 따른 부유물 수거용 자율 수상로봇의 일실시 예를 보인 도면.
도 2 는 도 1 의 상세 구조를 보이기 위한 부분 분해 사시도.
도 3 은 본 발명의 요부구성인 본체의 결합구조를 보이기 위한 도면.
도 4 내지 도 6 은 본 발명의 요부구성인 이물질 포집부의 상세 구조를 설명하기 위한 도면.
도 7 은 본 발명의 요부구성인 이물질 수거부의 작동 구조를 설명하기 위한 도면.
도 8 은 본 발명의 요부구성인 구동부의 상세 구조를 설명하기 위한 도면.
도 9 는 본 발명에 따른 부유물 수거용 자율 수상로봇의 다른 실시 예를 보인 도면.
도 10 내지 도 12 은 본 발명에 따른 부유물 수거용 자율 수상로봇의 부유물 수거 과정을 설명하기 위한 도면.

이하에서는 도면을 참조하여, 본 발명의 구체적인 실시 예를 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이다.

도 1 에는 본 발명에 따른 부유물 수거용 자율 수상로봇의 일실시 예를 보인 도면이 도시되어 있고, 도 2 에는 도 1 의 상세 구조를 보이기 위한 부분 분해 사시도가 도시되어 있으며, 도 에는 은 본 발명의 요부구성인 본체의 결합구조를 보이기 위한 도면이 도시되어 있고, 도 4 내지 도 6 에는 본 발명의 요부구성인 이물질 포집부의 상세 구조를 설명하기 위한 도면이 도시되어 있다.

이들 도면을 참조하면, 본 발명에 따른 부유물 수거용 자율 수상로봇(100)은 구동부(700)에 의해 이동하는 본체(200)와, 상기 본체(200)에 구비되는 촬영부(800)와, 상기 촬영부(800)에 의해 촬영된 정보를 바탕으로 상기 본체(200)의 이동경로를 생성하는 제어부 및 상기 본체(200)에 구비되어 본체의 이동경로 상에 위치한 부유물을 포집하는 이물질 포집부(500)를 포함하여 구성된다.

상세히, 상기 본체(200)는 다수의 판재로 성형되는 입체 구조물로 대략“⊃”와 같이 전측의 중앙 일부분이 개구된 형태로 형성되어 개구된 중앙 부분을 통해 포집대상 부유물이 유입된다.

그리고, 상기와 같이 개구된 본체(200)의 중앙 부분 상측에는 상기 이물질 포집부(500)가 구비되어 유입되는 부유물을 픽업하여 이송시킨다.

또한, 상기 본체(200)의 개구된 중앙 부분을 감싸는 본체(200)의 전반부 양측 단부에는 유체의 흐름을 생성하여 부유물이 보다 원활하게 유입될 수 있도록 하는 포집유도부(400)가 더 구비된다.

즉, 상기 포집유도부(400)는 터빈(420)의 회전을 이용하여 개구된 본체(200)의 중앙 부분을 향하도록 유체의 흐름을 형성함으로써 넓게 퍼져 있는 부유물이 보다 용이하게 포집될 수 있도록 한다.

한편, 상기 본체(200)의 후반부에는 상기 이물질 포집부(500)와 동일 선상에 구비되어 이물질 포집부(500)를 통해 이송되는 부유물을 보관하기 위한 이물질 수거부(600)가 구비된다.

그리고, 상기 본체(200)의 상면에는 상기 이물질 포집부(500)의 설치 위치와 촬영부(800)의 설치 위치를 제공하기 위한 데크(300)가 더 구비되며, 상기 데크(300)는 개구된 중앙 부분과 상기 이물질 수거부(600)를 제외한 나머지 본체의 영역을 모두 차폐하도록 상기 본체(200)에 결합된다.

한편, 상기 본체(200)는 소형으로 제작될 경우 다수의 구성이 조합되는 모듈형 바디로 형성될 수 있다.

도 3 을 참조하면, 상기 모듈형 바디는 전술한 포집유도부(400)와, 이에 차례로 연결되는 복수의 단위 모듈(210)로 구분되며, 체결이 완료된 상태에서 데크(300)가 결합된다.

이를 위해 상기 포집유도부(400)와 단위 모듈에(210)는 각각 모듈체결홈(414, 214)이 형성되고, 단위 모듈(210)에는 상기 모듈체결홈(414, 214)에 대응되는 형상으로 끼움 장착되는 모듈체결돌기(212)가 더 형성된다.

즉, 본 실시 예에서 모듈형 바디는 도 3 에 도시된 바와 같이 모듈체결홈(414, 214)의 상측으로 모듈체결돌기(212)를 대응시켜 상측에서 하측으로 끼움 장착하여 결합되어 전체적으로 도 2와 같은 형상을 갖추게 되며, 이와 같은 상태에서 데크(300)가 결합되어 견고한 결합관계를 유지할 수 있도록 한다.

상기 데크(300)는 상기 이물질 포집부(500) 및 촬영부(800)의 설치를 위한 평탄면을 제공하는 데크바디(310)와, 상기 데크바디(310)의 가장자리에서 하측으로 연장되어 상기 본체(200)의 측면에 결합되는 체결리브(340)를 포함하도록 구성된다.

그리고, 데크바디(310)의 상면에는 체결 위치를 가이드 하기 위한 체결홀(320)이 더 형성되고, 도시되지는 않았지만 상기 본체(200)의 상단에는 상기 체결홀(320)에 대응되는 가이드돌기(미도시)를 더 형성하여 데크(300)와 본체(200)의 결합이 보다 용이하게 이루어질 수 있다.

한편, 상기 포집유도부(400)에 구비되는 터빈(400)의 경우에도 유도부 하우징(410)에 마련된 터빈 수용부(412)에 착탈 가능하게 결합될 수 있다.

이를 위해 상기 터빈(420)은 상기 터빈 수용부(412)와 대응되는 형상의 터빈 하우징(424)과, 상기 터빈 하우징(424) 내부에 수용되는 블레이드(422) 및 상기 블레이드(422)를 회전시키기 위한 터빈모터(426)의 조합으로 구성되어 상기 터빈 하우징(424)을 터빈 수용부(412)에 대응시켜 끼움 장착된다.

상기 이물질 포집부(500)는 상기 데크바디(310)에 고정 설치되는 포집모터(520)에 의해 회전하면서 부유물을 픽업하여 이송시키는 이송부재(540)와, 상기 이송부재(540)의 위치를 가변시키기 위한 위치조절수단(510)을 포함하여 구성된다.

상세히, 상기 이송부재(540)는 전후 길이방향을 따라 소정의 길이를 가지는 컨베이어 벨트가 적용될 수 있으며, 후단부가 상기 포집모터(520)에 회전가능하도록 고정된다.

그리고, 상기 이송부재(540)의 전단부는 상기 데크바디(310)에서 상측으로 소정 높이에 설치공간을 제공하기 위한 제1마운트(822)에 구비되는 위치조절수단(510)과 연결부재(560)를 통해 연결된다.

본 실시 예에서 상기 위치조절수단(510)은 정역회전이 가능한 모터가 적용되고, 상기 연결부재(560)는 소정 길이의 와이어가 적용되어 모터축(512)에 연결부재(560)가 권취 또는 권출되면서 이송부재(540)의 전단부 위치를 상하로 가변시킨다.

또한, 상기 이송부재(540)와 모터축(5812) 사이에는 이송부재(540)의 상하 이동 시 평형이 유지될 수 있도록 상기 이송부재(540)의 폭과 대응되는 평판 형상의 수평유지부재(562)가 더 구비될 수 있으며, 상기 연결부재(560)는 상기 모터축(512)과 수평유지부재(562), 수평유지부재(562)와 연결부재(560)를 연결하는 형태로 설치될 수 있다.

한편, 상기와 같이 상하로 위치가 가변되는 이송부재(540)의 후측에는 이송부재(540)를 통해 포집되어 이송되는 부유물이 낙하하여 포집되는 이물질 수거부(600)가 구비된다.

상기 이물질 수거부(600)는 부유물이 수용되는 공간을 제공하기 위한 수거프레임(610) 내부에 부유물을 수용하는 수거부재(620)를 구비하고, 수거부재(620)에 수용되는 부유물의 무게를 측정하여 설정 무게 이상일 경우 수거부재(620)에 더 이상 부유물이 수용되지 못하도록 포장하여 보관한다.

이를 위해, 상기 이물질 수거부(600)에는 상기 수거프레임(610) 일측에서 상기 수거부재(620)의 상측이 개방된 형태를 유지하도록 고정시키는 거치구(660)와, 상기 거치구(660)를 이동시키기 위한 포장수단(640) 및 하중 측정을 위한 무게측정 소자(미도시)가 더 구비된다.

도 7 에는 본 발명의 요부구성인 이물질 수거부의 작동 구조를 설명하기 위한 도면이 도시되어 있고, 도 8 에는 본 발명의 요부구성인 구동부의 상세 구조를 설명하기 위한 도면이 도시되어 있다.

이들 도면을 참조하면, 본 실시 예에서 상기 수거부재(620)는 상단 가장자리를 따라 탄성부재가 구비되는 형태로 구성될 수 있으며, 상기 거치구(660)는 상기 수거부재(620)을 걸림 고정시킬 수 있는 후크 형상으로 형성될 수 있다.

상세히, 본 실시 예에서 상기 거치구(660)는 도 7의 (a)에 도시된 바와 같이 상기 수거부재(620)의 상단 4곳을 걸림 고정시켜 수거부재(620)의 상단에 구비되는 탄성부재가 변형되면서 수거부재(620)의 상측 개구부를 확장하도록 고정시킨다.

이를 위해 상기 거치구(660)는 두 개씩 쌍을 이루어 서로 마주보도록 배치되며, 쌍을 이루는 두 개의 거치구(660)는 프레임에 의해 소정 거리 이격된 위치를 유지할 수 있도록 구비된다. 그리고, 상기 프레임은 상기 포장수단(640)과 연결되어 회전 가능하며, 회전 방향에 따라 상기 거치구(660)가 회전하면서 수거부재(620)와 걸림 고정이 해지되어 도 7의 (b)와 같이 수거부재(620)의 상측이 차폐되도록 한다.

한편, 본 실시 예에서 상기 촬영부(800)는 상대적으로 상기 본체(200)의 근거리를 촬영하는 제1촬영부(820)와, 상기 제1촬영부(820) 보다 원거리를 촬영하는 제2촬영부(840)를 포함하도록 구성된다.

상세히, 상기 제1촬영부(820)는 상기 제1마운트(822)의 중앙 부분에 구비되어 본체(200)의 전방 하측을 향해 소정의 기울기를 가지도록 설치된다.

상기 제2촬영부(840)는 상기 제1마운트(822)의 후측에서 상기 제1마운트(822) 보다 높은 위치에서 설치공간을 제공하기 위한 제2마운트(824)에 설치되며, 상기 제1촬영부(820) 보다 적은 크기의 기울기를 가지도록 설치되어 상기 본체(200)의 전방 원거리 지역을 촬영한다.

그리고, 도시되지는 않았지만, 상기 본체(200)에는 상기 제1촬영부(820) 및 제2촬영부(840)와 전술한 이물질 포집부(500) 및 포집유도부(400) 그리고, 본체(200)의 이동을 위한 구동부(700)를 제어하기 위한 제어부가 더 구비된다.

상기 제어부에서는 상기 제2촬영부(840)에 의해 획득되는 정보를 바탕으로 전역(Global) 이동 경로를 생성하고, 상기 제1촬영부(820)에 의해 획득되는 정보를 바탕으로 지역(Local) 이동경로를 생성한다.

그리고, 상기와 같이 생성되는 이동경로는 상기 구동부(700)를 제어하여 본체(200)를 부유물 부근으로 이동시키게 되며, 상기 제어부에서는 부유물에 접근하면서 상기 포집유도부(400)와 이물질 포집부(500)를 제어하여 부유물을 자동으로 수거하는 작업이 수행되도록 한다.

상기 구동부(700)는 상기 본체(200)의 하면 후단에 위치되어 본체(200)의 전/후진을 위한 추진력을 발생시키는 전후진 모터(740) 및 이에 결합되는 전후진 프로펠러(720)와, 상기 본체(200)의 하면 측방에 위치되어 본체(200)의 좌우 이동을 위한 추진력을 발생시키는 방향전환 모터펌프(760)를 포함하여 구성된다.

따라서, 상기 제어부에서는 상기 전후진 모터(740)와 방향전환 모터펌프(760)를 제어하여 부유물 수거작업을 위한 이동경로를 따라 본체(200)를 용이하게 이동시킬 수 있다.

한편, 전술한 바와 같은 부유물의 수거작업은 아래에서 본 발명의 다른 실시 예를 통해 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 9 에는 본 발명에 따른 부유물 수거용 자율 수상로봇의 다른 실시 예를 보인 도면이 도시되어 있다.

도면을 참조하면, 본 실시 예에서는 전술한 실시 예와 같은 구조에 제3촬영부(860)가 더 구비된다.

본 실시 예에서 상기 제3촬영부(860)는 드론(Drone)과 같이 항공촬영이 가능한 수단을 적용하여 보다 넓은 영역을 촬영할 수 있도록 함으로써 자동 수거 가능 범위를 확장시킨다.

상세히, 상기 제3촬영부(860)는 상기 데크바디(310)에 안착될 수 있으며, 상기 본체(200)의 상측으로 비상하여 본체(200)의 전방을 촬영하게 된다.

따라서, 보다 원거리에 위치한 부유물을 확인할 수 있으며, 확인된 정보를 바탕으로 본체(200)의 이동경로가 생성된다.

그리고, 도시되지는 않았지만, 상기 제어부 및 제3촬영부(860)에는 GPS(Global Positioning System)가 구비되어 서로 교신하면서 위치 정보를 공유할 수 있으며, 공유된 위치정보를 이용하여 제3촬영부(860)가 다양한 위치에서 보다 넓은 영역의 촬영정보를 확보하고 데크바디(310)로 복귀할 수 있다.

이하에서는 전술한 실시 예들에서 촬영된 정보를 이용하여 본체(200)의 이동경로를 생성하고, 생성된 이동경로를 바탕으로 부유물을 수거하는 과정에 대하여 설명한다.

도 10 내지 도 12 에는 본 발명에 따른 부유물 수거용 수상로봇의 부유물 수거 과정을 설명하기 위한 도면이 도시되어 있다.

이들 도면을 참조하면, 우선, 제1촬영부(820)와 제2촬영부(840)만 구비되는 실시 예의 경우, 상대적으로 원거리 촬영이 가능한 제2촬영부(840)의 촬영정보는 상기 본체(200)를 부유물(10)을 향해 이동시키기 위한 전역(Global) 이동경로를 생성한다.

상세히, 상기 제2촬영부(840)를 통해 촬영된 영상정보는 도 11의 (a)와 같은 촬영화면(520)을 제어부로 전송한다.

한편, 실제 필드에서 수거대상 부유물(10)은 도시된 바와 같이 다양한 색상과 크기를 가지는 경우가 대부분이며, 이와 같은 부유물(10)을 인식하여 이동경로를 형성하고자 할 경우에는 이동을 위한 기준지점을 결정하기에 어려움이 있다.

따라서, 본 발명에서 제어부는 상기와 같은 촬영화면(520)에 포함된 다양한 색상의 부유물(10)을 기 지정된 단일 색상으로 구분함으로써 다수의 이종 부유물이 하나의 객체로 인식되도록 하는 영상처리과정을 수행한다.

즉, 도 11의 (b)에 도시된 바와 같이 상기 제어부를 통해 영상처리된 부유물(10')은 변환화면(540)에 도시된 바와 같이 하나의 색상으로 통일되며, 상기 제어부에서는 이를 하나의 객체로 인식하여 최외곽점을 추출하고, 하기 (수식)을 통해 인식된 객체의 중심값(Xc)을 계산하게 된다.

Xc[i] = ( Xl[i] + Xr[i] )/2 .................................... (수식)

(여기서, Xc는 객체의 중심값, Xl 및 Xr은 객체의 최외곽점 X축의 좌측값 및 우측값 임)

한편, 상기와 같은 영상처리과정을 거쳐 계산된 중심값(Xc)은 본체(200)가 이동하는 동안 지속적으로 계산되면서 본체(200)의 이동경로를 형성하게 되며, 상기 제2촬영부(840)를 통한 원거리의 중심값(Xc) 조합은 본체(200)의 전역(Global) 이동경로를 생성한다.

상기와 같이 생성된 전역(Global) 이동경로를 따라 본체(200)가 이동하게 되면, 부유물(10)에 본체(200)가 접근하면서 상기 제1촬영부(820)에 부유물(10)이 노출되면서 제어부에서는 상기 제1촬영부(820)의 촬영정보를 바탕으로 전역(Global) 이동경로와 동일한 방법으로 지역(Local) 이동경로를 생성하여 본체(200)가 부유물(10)의 중심값(Xc)를 향해 이동하면서 부유물(10)이 수거될 수 있도록 한다.

즉, 본 발명에서는 본체(200)가 부유물(10)과 원거리에 위치할 경우 전역(Global) 이동경로를 생성하여 구동부(700)를 제어하면서 본체(200)를 부유물(10)로 이동시킨다.

그리고, 본체(200)가 부유물(10)가 상당부분 인접한 위치에 접근하게 될 경우에는 지역(Local) 이동경로를 생성하여 부유물(10)을 수거를 위한 이동이 이루어진다.

또한, 상기 제어부에서는 전역(Global) 이동경로를 따라 본체(200)가 이동할 경우 보다 빠른 이동을 위해 구동부(700)의 출력을 높이고, 지역(Local) 이동경로를 따라 이동할 경우에는 구동부(700)의 출력을 줄여 안정적인 수거가 이루어질 수 있도록 한다.

뿐만 아니라, 상기 제어부에서는 전역(Global) 이동경로를 따라 본체(200)가 이동할 경우 상기 이물질 포집부(500)의 전측을 들어올린 상태가 유지되록 하면서 포집유도부(400)의 동작을 중지시켜 저항을 줄이고, 지역(Local) 이동경로를 따라 이동할 경우에는 상기 포집유도부(400)를 구동시키고 이물질 포집부(500)의 전측이 수중에 위치되도록 이동시켜 부유물(10)이 수거되도록 한다.

한편, 상기 제어부에서는 도 11의 (b)와 같이 변환화면(540)에 직교 좌표계를 형성하고, 수거반경(542)을 설정하여 3개의 수직영역(A, B, C)을 구분한다.

즉, 본 발명에서는 영상처리된 부유물(10')이 3개의 수직영역(A, B, C)으로 구분된 상태에서 각 영역의 계산된 중심값(Xc) 분포(밀집도)에 따라 상기 본체(200)의 이동경로를 결정하게 된다.

상세히, 영상처리된 부유물(10')이 A 영역에 위치될 경우에는 영상처리된 부유물(10')이 B 영역에 위치될 때까지 본체(200)를 좌측 방향으로 이동시킨다.

그리고, 영상처리된 부유물(10')이 C 영역에 위치될 경우에는 영상처리된 부유물(10')이 B 영역에 위치될 때까지 본체(200)를 우측 방향으로 이동시키며, B영역에 영상처리된 부유물(10')이 위치하는 경우에는 본체(200)를 직진시킴으로써 부유물(10)을 향해 본체(200)가 이동하게 된다.

한편, 제3촬영부(860)를 포함하는 실시 예의 경우에는 상기 제3촬영부(860)가 가장 넓은 영역을 촬영할 수 있으므로, 제3촬영부(860)에 의해 획득되는 정보를 바탕으로 전역(Global) 이동 경로를 생성하고, 상기 제2촬영부(840)에 의해 획득되는 정보를 바탕으로 중역(Intermediate) 이동경로를 생성하며, 상기 제1촬영부(820)에 의해 획득되는 정보를 바탕으로 지역(Local) 이동경로를 생성한다.

즉, 본 발명의 다른 실시 예에서는 보다 원거리에서 전역(Global) 이동경로를 통해 본체(200)를 빠른 속도로 부유물(10)에 접근시키고, 제2촬영부(840)에 의해 부유물(10)이 확인될 경우 중역(Intermediate) 이동경로를 따라 본체(200)의 출력을 줄이면서 부유물(10)에 접근시켜 부유물(10)과 지근 거리에 접근한 상태에서 지역(Local) 이동경로를 통해 부유물(10)을 수거하도록 제어한다.

그리고, 수거되는 부유물(10)은 전술한 바와 같이 이물질 수거부(600)에 수용가능한 수거용량까지 부유물(10)을 수거하게 되고, 무게측정 소자를 통해 수거용량에 도달하였음이 감지되면, 수거부재(620)를 통해 부유물(10)을 단위 포장하여 보관하게 된다.

한편, 본 발명에 따른 부유물 수거용 자율 수상로봇(100)은 상기와 같은 제어를 통해 상기 이물질 수거부(600)에 포집된 부유물(10)이 수거용량에 도달할 경우 제어서버(900)를 통해 복귀 경로를 제공받아 이동할 수 있다.

이를 위해 상기 제어부에서는 제어서버(900)로부터 수신된 GPS 좌표에 따라 상기 구동부(700)를 제어하면서 복귀를 위한 이동이 수행된다.

100........ 부유물 수거용 자율 수상로봇 200........ 본체
300........ 데크 400........ 포집유도부
500........ 이물질 포집부 600........ 이물질 수거부
700........ 구동부 800........ 촬영부
820........ 제1촬영부 840........ 제2촬영부
860........ 제3촬영부 900........ 제어서버

Claims (12)

1. 구동부(700)에 의해 이동하는 본체(200);
   상기 본체(200)에 구비되는 촬영부(800);
   상기 촬영부(800)에 의해 촬영된 정보를 바탕으로 상기 본체(200)의 이동경로를 생성하는 제어부;
   상기 본체(200)에 구비되어 본체의 이동경로 상에 위치한 부유물을 포집하는 이물질 포집부(500);를 포함하며,
   상기 촬영부(800)는 상대적으로 상기 본체(200)의 근거리를 촬영하는 제1촬영부(820)와, 상기 제1촬영부(820) 보다 원거리를 촬영하는 제2촬영부(840); 및 상기 제2촬영부(840)보다 원거리를 촬영하는 제3촬영부(860)를 포함하고,
   상기 제어부에서는,
   상기 제3촬영부(860)에 의해 획득되는 정보를 바탕으로 전역(Global) 이동 경로를 생성하고, 상기 제2촬영부(840)에 의해 획득되는 정보를 바탕으로 중역( Intermediate) 이동경로를 생성하며, 상기 제1촬영부(820)에 의해 획득되는 정보를 바탕으로 지역(Local) 이동경로를 생성하며, 상기 제어부는, 상기 촬영부(800)에 의해 획득되는 다양한 색상의 부유물을 기 지정된 단일 색상으로 구분함으로써 다수의 이종 부유물이 하나의 객체로 인식되도록 하는 영상처리과정을 수행하고, 상기 영상처리과정에서는 인식된 객체의 최외곽점을 추출하고, 하기 (수식)을 통해 객체의 중심값(Xc)을 계산하여 상기 본체(200)의 이동경로를 형성하고, 상기 촬영부(800)에 의해 획득되는 영상정보를 3개의 수직분할 영역으로 구분하고, 구분된 영역에서 계산된 중심값(Xc)의 분포(밀집도)에 따라 상기 본체(200)의 이동경로를 결정하는 것을 특징으로 하며,
   상기 본체(200)에는 상기 이물질 포집부(500)를 통해 포집되는 부유물을 일정량씩 단위 포장하여 보관하는 이물질 수거부(600)가 더 구비되고,
   상기 이물질 수거부(600)에는,
   상기 이물질 포집부(500)를 통해 포집되는 부유물이 자중에 의해 낙하하여 수용되는 공간을 제공하기 위한 수거프레임(610)과,
   상기 수거프레임(610) 내부에 구비되어 부유물을 수용하는 수거부재(620)와,
   상기 수거프레임(610) 일측에 구비되어 상기 수거부재(620)의 상측이 개방된 형태를 유지하도록 고정시키는 거치구(660)와,
   상기 수거프레임(610) 일측에 구비되어 상기 수거부재(620) 내부로 수용되는 부유물의 무게를 측정하는 무게측정 소자; 및
   상기 무게측정 소자에 의해 감지되는 부유물의 무게에 따라 상기 거치구(660)를 이동시켜 상기 수거부재(620)의 상측이 차폐되도록 하는 포장수단(640)이 포함되고,
   상기 이물질 포집부(500)에는,
   적어도 일부분이 수상에 위치된 상태로 포집모터(520)에 의해 회전하면서 부유물을 픽업하여 이송시키는 이송부재(540)와,
   상기 이송부재(540)의 일단과 연결부재(560)를 통해 연결되어 이송부재(540)의 위치를 가변시키는 위치조절수단(510)이 포함하여 구성되고,
   상기 이물질 포집부(500)는 데크바디(310)에 고정 설치되는 포집모터(520)에 의해 회전하면서 부유물을 픽업하여 이송시키는 이송부재(540)와, 상기 이송부재(540)의 위치를 가변시키기 위한 위치조절수단(510)을 포함하여 구성되고, 상기 이송부재(540)는 전후 길이방향을 따라 소정의 길이를 가지는 컨베이어 벨트가 적용될 수 있으며, 후단부가 상기 포집모터(520)에 회전가능하도록 고정되며, 상기 이송부재(540)의 전단부는 데크바디(310)에서 상측으로 소정 높이에 설치공간을 제공하기 위한 제1마운트(822)에 구비되는 위치조절수단(510)과 연결부재(560)를 통해 연결되고, 상기 위치조절수단(510)은 정역회전이 가능한 모터가 적용되고, 상기 연결부재(560)는 소정 길이의 와이어가 적용되어 모터축(512)에 연결부재(560)가 권취 또는 권출되면서 이송부재(540)의 전단부 위치를 상하로 가변시시켜서, 상기 이송부재(540)와 모터축(5812) 사이에는 이송부재(540)의 상하 이동 시 평형이 유지될 수 있도록 상기 이송부재(540)의 폭과 대응되는 평판 형상의 수평유지부재(562)가 더 구비될 수 있으며, 상기 연결부재(560)는 상기 모터축(512)과 수평유지부재(562), 수평유지부재(562)와 연결부재(560)를 연결하는 형태로 설치가능하고, 상하로 위치가 가변되는 이송부재(540)의 후측에는 이송부재(540)를 통해 포집되어 이송되는 부유물이 낙하하여 포집되는 이물질 수거부(600)가 구비되고, 상기 이물질 수거부(600)는 부유물이 수용되는 공간을 제공하기 위한 수거프레임(610) 내부에 부유물을 수용하는 수거부재(620)를 구비하고, 수거부재(620)에 수용되는 부유물의 무게를 측정하여 설정 무게 이상일 경우 수거부재(620)에 더 이상 부유물이 수용되지 못하도록 포장하여 보관되는 것을 특징으로 하는 부유물 수거용 자율 수상로봇.
   Xc[i] = ( Xl[i] + Xr[i] )/2 .................................... (수식)
   (여기서, Xc는 객체의 중심값, Xl 및 Xr은 객체의 최외곽점 X축의 좌측값 및 우측값 임)
   
2. 제 1항에 있어서, 상기 위치조절수단(510)은,
   상기 본체(200)가 전역(Globle) 이동경로를 따라 이동하는 경우 이송부재(540)를 대기중에 위치시키는 것을 특징으로 하는 부유물 수거용 자율 수상로봇.
   
3. 제 2항에 있어서, 상기 위치조절수단(510)은,
   상기 본체(200)가 지역(Local) 이동경로를 따라 이동하는 경우 이송부재(540)의 일단을 수중에 위치시키는 것을 특징으로 하는 부유물 수거용 자율 수상로봇.
   
4. 제 1항에 있어서,
   상기 제어부에서는 상기 이물질 수거부(600)에 포집된 부유물이 수거용량에 도달할 경우 서버를 통해 복귀 경로를 제공받아 이동하는 것을 특징으로 하는 부유물 수거용 자율 수상로봇.
   
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