KR102107174B1 - 방향전환 구조를 개선한 드론 - Google Patents

방향전환 구조를 개선한 드론 Download PDF

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허정규
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허정규
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Abstract

본 발명은 방향전환 구조를 개선한 드론에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 회전하는 로터에 발생된 추력의 흐름을 바꾸는 방식으로 방향전환 구조를 개선함으로써 방향전환을 빠르고 정밀하게 제어할 수 있으며 체공시간을 늘릴 수 있는 드론에 관한 것이다.
본 발명의 방향전환 구조를 개선한 드론은 상하 방향으로 개방된 통로가 내측에 형성된 바디부와, 통로에 설치되어 상기 바디부를 이동시키기 위한 추력을 발생시키는 추력발생유닛과, 추력발생유닛으로부터 발생된 추력의 방향을 변화시켜 상기 바디부의 이동방향을 전환시키는 방향전환수단을 구비하고, 방향전환수단은 상기 추력발생유닛의 하방에 설치되어 통로 내에서 유체의 흐름을 변화시켜 바디부의 이동방향을 전환시킨다.

Description

방향전환 구조를 개선한 드론{drone with improved direction change}
본 발명은 방향전환 구조를 개선한 드론에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 회전하는 로터에 발생된 추력의 흐름을 바꾸는 방식으로 방향전환 구조를 개선함으로써 방향전환을 빠르고 정밀하게 제어할 수 있으며 체공시간을 늘릴 수 있는 드론에 관한 것이다.
드론은 조종사가 직접 탑승하지 않고 무선전파를 이용해 원격 조종이 가능한무인 비행체를 말한다.
드론은 일반비행체와는 달리 조종사를 위한 공간과 안전장치를 별도로 구비하지 않기 때문에 소형화, 경량화가 가능하며, 사람의 접근이 어려운 곳의 정보 수집과 정찰을 위한 정찰용이나, 여러 다양한 용도로의 산업용으로 활용되고 있다. 특히, 요즘은 작의 소형 드론들이 보급되면서 일반인들의 취미생활 도구로도 활용되고 있는 실정이다.
대한민국 공개특허 제10-2018-0066376호에 개시된 바와 같이 통상적인 드론은 비행체의 골격을 구성하는 본체와, 본체로부터 방사상으로 돌출되는 지지 프레임과, 지지 프레임에 직접 연결되어 프로펠러를 고속 회전시키는 모터가 구비되는 다수의 추진체를 통해 본체를 추진 비행시키게 된다.
이와 같이 본체의 주변에 방사상으로 설치된 다수의 프로펠러를 이용한 드론은 외부 장애물과의 충돌로 인하여 모터가 손상되거나, 고속 회전하던 프로펠러가 파손되는 문제점이 빈번하게 발생된다.
또한, 종래의 드론은 프로펠러에서 배출되는 공기의 배출방향이 고정된 상태에서, 각 프로펠러의 회전속도를 조정하여 드론의 이동방향을 전환하나 빠르고 정밀하게 조정되지 못하는 문제점이 있다. 또한, 드론을 전,후진 또는 측면 이동시키는 경우, 드론이 전, 후방이나 측면으로 기울어진 상태에서 이동하게 되어 드론을 수평으로 유지한 상태에서 이동시키기 어렵다.
또한, 드론에서 가장 중요한 요소 중 하나로서 체공시간을 들 수 있다. 지금까지 드론의 체공시간을 늘리기 위해 배터리에 중점적인 연구를 하고 있을 뿐 본체의 주위에 방사상으로 4개의 프로펠러를 설치하는 구조에는 변함이 없다.
대한민국 공개특허 제10-2018-0066376호
본 발명은 상기의 문제점을 개선하고자 창출된 것으로서, 드론의 하드웨어 측면에서 구조적 개선을 통해 체공시간을 크게 늘릴 수 있을 뿐만 아니라 방향전환을 빠르고 정밀하게 제어할 수 있는 드론을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 방향전환 구조를 개선한 드론은 상하 방향으로 개방된 통로가 내측에 형성된 바디부와; 상기 통로에 설치되어 상기 바디부를 이동시키기 위한 추력을 발생시키는 추력발생유닛과; 상기 추력발생유닛으로부터 발생된 추력의 방향을 변화시켜 상기 바디부의 이동방향을 전환시키는 방향전환수단;을 구비하고, 상기 방향전환수단은 상기 추력발생유닛의 하방에 설치되어 상기 통로 내에서 유체의 흐름을 변화시켜 상기 바디부의 이동방향을 전환시킨다.
상기 추력발생유닛은 동일한 회전중심을 갖는 제 1 및 제 2회전축과, 상기 제 1회전축에 결합되는 제 1로터와, 상기 제 2회전축에 결합되어 상기 제 1로터의 하방에 위치하며 상기 제 1로터의 회전방향과 반대로 회전하는 제 2로터와, 상기 제 1 및 제 2회전축을 회전시키기 위한 구동부를 구비한다.
상기 방향전환수단은 상기 통로에 고정되도록 설치되며 상부와 하부가 개방된 고정하우징과, 상기 고정하우징의 내측에 설치되며 상부와 하부가 개방되어 유체가 통과할 수 있는 유동하우징과, 상기 유동하우징의 회전 및 기울기를 조절하는 위치조절부를 구비한다.
상기 위치조절부는 상기 바디부에 고정되어 상기 통로를 가로지르는 지지대와, 상기 지지대에 고정되어 상기추력발생유닛과 결합되며 구동축이 하방을 향하는 방향조절모터와, 상기 구동축에 결합되어 회전이 가능한 회전플레이트와, 상기 유동하우징에 고정되어 상기 유동하우징의 내측을 가로지르도록 설치되는 가로대와, 상기 회전플레이트에 설치되어 상기 가로대의 기울기를 조절하기 위한 틸팅부를 구비한다.
상기 틸팅부는 상기 회전플레이트에 설치되며 각각 독립적으로 작동하여 상기 가로대의 기울기를 조절하는 다수의 액츄에이터들을 포함한다.
상기 드론은 공중 또는 수중에서 이동이 가능하다.
상술한 바와 같이 본 발명은 방사상으로 다수의 로터를 배치하는 종래의 드론과 달리 바디부의 중앙에 로터를 설치하여 추력을 발생시킨다. 이러한 구조적 개선을 통해 본 발명은 체공시간을 크게 늘릴 수 있다.
또한, 본 발명은 통로에 설치된 유동하우징을 이용하여 로터에서 발생된 추력의 흐름을 바꾸는 방식으로 방향을 전환하는 구조이므로 방향전환을 빠르고 정밀하게 제어할 수 있다.
또한, 본 발명은 바디부의 내부에 회전하는 로터가 설치되므로 로터의 파손이나 주변의 사람이나 물건 등에 대한 피해가 없고, 다양한 디자인으로 제작이 가능하므로 설계자유도가 높다.
또한, 본 발명은 공중과 수중에서 이동이 가능하여 수중양용 드론으로 활용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 예에 따른 드론을 나타낸 사시도이고,
도 2는 도 1의 단면도이고,
도 3은 도 1의 요부를 발췌한 단면도이고,
도 4 및 도 5는 도 1의 작동을 보여주기 위한 작동 상태도이고,
도 6은 본 발명의 일 예에 따른 드론을 나타낸 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 방향전환 구조를 개선한 드론에 대하여 구체적으로 설명한다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 드론(10)은 상하 방향으로 개방된 통로(13)가 내측에 형성된 바디부(11)와, 통로(13)에 설치되어 바디부(11)를 이동시키기 위한 추력을 발생시키는 추력발생유닛(20)과, 추력발생유닛(20)으로부터 발생된 추력의 방향을 변화시켜 바디부(11)의 이동방향을 전환시키는 방향전환수단을 구비한다.
바디부(11)는 내측에 통로(13)가 형성된 환형 구조로 이루어진다. 통로(13)는 바디부(11)의 중앙에 형성된다. 통로(13)는 상하방향으로 바디부(13)를 관통하도록 형성된다. 따라서 통로(13)의 상부와 하부는 외부를 향해 개방되어 있다. 이러한 통로(13)는 추력발생유닛(20)이 설치되어 유체가 이동하는 유로를 이룬다. 본 발명의 드론(10)이 공중에서 사용될 경우 공기가 통로를 통해 이동하고, 수중에서 사용될 경우 공기 대신 물이 통로를 통해 이동한다.
바디부(11)는 내구성 및 내식성이 우수한 합성수지 소재로 형성될 수 있다. 바디부(11)의 무게를 줄이기 위해 바디부(11)는 내부가 비어있는 중공구조로 이루어질 수 있다.
바디부(11)의 상부에는 추력발생유닛(20)을 보호하기 위한 커버(15)가 설치된다. 커버(15)는 유체가 원활하게 통과할 수 있도록 망 구조 또는 타공 구조로 이루어질 수 있다.
회전하는 로터를 갖는 추력발생유닛(20)은 통로(13)에 설치된다. 따라서 본 발명은 바디부(11)의 내측에 회전하는 로터가 설치되므로 로터의 파손이나 주변의 사람이나 물건 등에 대한 피해를 최소화시킬 수 있다.
추력발생유닛은(20) 바디부(11)를 공중 또는 수중에서 이동시키기 위한 추력을 발생시킨다. 본 발명에서 추력발생유닛(20)은 바디부(11)의 중앙에 위치한다.
추력발생유닛(20)은 모터를 이용하여 로터를 회전시켜 추력을 얻는다. 도시된 추력발생유닛(20)은 이중반전로터 타입을 이용한다. 이중반전로터는 바디부(11)의 회전을 방지함과 동시에 양력을 증대시켜 추력을 높일 수 있는 장점을 갖는다.
도시된 추력발생유닛(20)의 일 예로 동일한 회전중심을 갖는 제 1 및 제 2회전축(21)(25)과, 제 1회전축(21)에 결합되는 제 1로터(23)와, 제 2회전축(25)에 결합되어 제 1로터(23)의 하방에 위치하며 제 1로터(23)의 회전방향과 반대로 회전하는 제 2로터(27)와, 제 1 및 제 2회전축(21)(25)을 회전시키기 위한 구동부를 구비한다.
제 1회전축(21)은 일정한 높이로 수직하게 형성되고, 제 1회전축(21)에는 제 1로터(23)가 결합된다. 그리고 제 1회전축(21)을 감싸는 제 2회전축(25)이 제 1회전축(21)과 동축상으로 설치된다. 제 2회전축은 제 1회전축보다 더 낮게 형성된다. 제 1회전축(21)과 제 2회전축(25) 사이에는 베어링이 설치된다. 제 2회전축(25)에는 제 2로터(27)가 설치된다.
구동부는 제 1회전축(21)을 회전시키기 위한 제 1모터(31)와, 제 2회전축(25)을 회전시키기 위한 제 2모터(33)를 구비한다. 제 1모터(31)와 제 1회전축(21)은 기어로 연결되고, 제 2모터(33)와 제 2회전축(25)은 기어로 연결된다. 제 1 모터(31)와 제 2모터(33)는 서로 반대 방향으로 회전한다. 따라서 제 1로터(23)와 제 2로터(27) 역시 서로 반대 방향으로 회전한다.
제 1모터(31)와 제 2모터(33)는 구동하우징(37)에 내장될 수 있다. 도시된 예에서 사각의 박스 형태로 구동하우징(37)이 형성된다. 구동하우징(37)은 후술할 방향조절모터와 결합된다.
방향전환수단은 추력발생유닛으로부터 발생된 추력의 방향을 변화시켜 바디부(11)의 이동방향을 전환시킨다.
방향전환수단은 통로(13)에 고정되도록 설치되며 상부와 하부가 개방된 고정하우징(40)과, 고정하우징(40)의 내측에 설치되며 상부와 하부가 개방되어 유체가 통과할 수 있는 유동하우징(50)과, 유동하우징(50)의 회전 및 기울기를 조절하는 위치조절부(60)를 구비한다.
고정하우징(40)은 통로(13)에 설치된 고정대(41)에 의해 통로상에 고정되어 설치된다. 고정하우징(40)은 속이 빈 구의 상부와 하부를 절단한 형태로 이루어진다. 이러한 고정하우징(40)은 상하로 대칭된 구조이다. 고정하우징(40)은 중심에서 상단까지의 수직거리와, 중심에서 하단까지의 수직거리가 동일하다. 고정하우징(40)의 최대 외경은 통로(13)의 직경보다 더 작게 형성된다.
고정하우징(40)의 하부측 외측면에는 분산가이드(43)가 형성된다. 분산가이드(43)는 유체의 흐름을 통로의 바깥으로 퍼지도록 하는 역할을 한다.
그리고 분산가이드(43)의 가장자리에는 다수의 착지대(45)가 일정 간격으로 다수 설치될 수 있다.
유동하우징(50)은 고정하우징(40)의 내부에 유동이 가능하도록 설치된다. 곡면으로 이루어진 유동하우징(50)과 고정하우징(40)의 곡률반경은 동일하나 유동하우징(50)의 외경이 고정하우징(40)의 내경보다 더 크게 형성된다.
유동하우징(50)은 속이 빈 구의 상부와 하부를 절단한 형태로 이루어진다. 유동하우징(50)은 구의 중심에서 상단까지의 수직거리보다 구의 중심에서 하단까지의 수직거리가 더 길도록 형성된다. 따라서 유동하우징(50)의 내측 빈 공간은 상부는 넓고 하부는 좁게 형성된다.
유동하우징(50)이 고정하우징(40) 내부에서 원활하게 움직일 수 있도록 유동하우징(50)과 고정하우징(40) 사이에는 다수의 베어링이 설치될 수 있음은 물론이다.
위치조절부(60)는 유동하우징(50)의 회전 및 기울기를 조절하여 유동하우징(50)을 유동시키는 역할을 한다.
위치조절부(60)는 바디부(11)에 고정되어 통로(13)를 가로지르는 지지대(61)와, 지지대(61)에 고정되어 추력발생유닛(20)과 결합되며 구동축(64)이 하방을 향하는 방향조절모터(63)와, 구동축(64)에 결합되어 회전이 가능한 회전플레이트(65)와, 유동하우징(50)에 고정되어 유동하우징(50)의 내측을 가로지르도록 설치되는 가로대(67)와, 회전플레이트(65)에 설치되어 가로대(67)의 기울기를 조절하기 위한 틸팅부를 구비한다.
지지대(61)는 고정하우징(40)의 상방에 설치된다. 지지대(61)는 바디부(11)에 고정되어 방향조절모터(63)를 고정하는 역할을 한다.
방향조절모터(63)는 구동부의 구동하우징(37) 하부에 고정되도록 결합된다. 방향조절모터(63)는 지지대(61)에 의해 통로 상에 고정된다. 방향조절모터(63)는 구동축(64)이 하방을 향한다.
회전플레이트(65)는 방향조절모터의 구동축(64)에 결합된다. 회전플레이트(65)는 원판형으로 형성될 수 있다. 회전플레이트(65)는 방향조절모터(63)에 의해 회전한다.
가로대(67)는 내부하우징(50)에 고정되어 내부하우징(50)의 내측을 가로지르도록 설치된다.
틸팅부는 회전플레이트(65)에 설치되어 가로대(67)의 기울기를 조절하는 역할을 한다.
틸팅부는 다수의 액츄에이터들(68)을 포함한다. 액츄에이터들(68)은 회전플레이트(65)에 설치되며 각각 독립적으로 작동하여 가로대(67)의 기울기를 조절한다.
도시된 예에서 2개의 액츄에이터(68)가 구비된다. 2개의 액츄에이터(68)는 좌우 또는 전후로 벌어져 일정 거리 이격된다. 액츄에이터들(68)은 각각 독립적으로 승강로드(69)의 상하이동이 가능하다. 승강로드(69)는 가로대(67)와 볼조인트에 의해 연결될 수 있다.
액츄에이터(68)는 가로대(67)를 상하 방향으로 움직일 수 있는 구조라면 다양한 방식을 이용할 수 있다. 가령, 액츄에이터(68)로 솔레노이드밸브 또는 스풀밸브 또는 실린더를 적용할 수 있다. 또한, 액츄에이터(68)로 리니어 모터를 이용할 수도 있다.
액츄에이터들(68)은 회전플레이트(65)에 설치된다. 각 액츄에이터들(68)은 회전플레이트(65)와 볼조인트에 의해 연결될 수 있다.
이와 같이 2개의 액츄에이터(68)에 의해 유동하우징(50)의 기울기를 용이하게 조절할 수 있다. 그리고 기울어진 상태에서 유동하우징(50)은 방향조절모터(63)에 의해 360도 회전이 가능하다. 따라서 사방으로 정밀한 방향 제어가 가능하다.
액츄에이터(68)와 방향조절모터(63)에 의해 움직이는 가로대(67)를 안정적으로 지지할 수 있도록 센터지지축(71)이 구비될 수 있다.
센터지지축(71)은 회전플레이트(65)에 설치되어 가로대(67)와 연결된다. 센터지지축(71)과 가로대(67)는 볼조인트(73)에 의해 연결된다. 이에 따라 볼조인트(73)를 중심으로 하여 가로대(67)는 전후좌우로 자유롭게 움직임이 가능하다.
로터(23)(27)가 회전하면 통로(13) 내부에서 공기의 흐름이 발생하고, 발생된 공기의 흐름은 유동하우징(50)을 통과하면서 강력한 추진력을 형성한다.
유동하우징(50)이 고정하우징(40)의 내부에 반듯하게 위치한 상태에서 유체의 흐름은 수직하게 형성된다. 그리고 도 4 및 도 5와 같이 유동하우징(50)의 특정 방향으로 기울어질 경우 유체의 흐름이 변화되면서 드론의 이동 방향이 전환된다.
이와 같이 본 발명은 유체의 흐름을 변화시켜 추력의 방향을 조절함으로써 드론의 방향전환을 빠르고 정밀하게 제어할 수 있다.
상술한 본 발명의 드론은 방사상으로 다수의 로터를 배치하는 종래의 드론과 달리 바디부의 중앙에 로터를 설치하여 추력을 발생시키는 구조이므로 동일한 배터리를 사용하더라도 종래에 비해 체공시간을 크게 늘릴 수 있다. 또한, 본 발명은 바디부의 내측에 회전하는 로터가 설치되므로 로터의 파손이나 주변의 사람이나 물건 등에 대한 피해가 없고, 다양한 디자인으로 제작이 가능하므로 설계자유도가 높다.
또한, 본 발명은 공중과 수중에서 이동이 가능하여 수중양용 드론으로 활용될 수 있다.
한편, 본 발명은 다른 예로 도 6에 도시된 바와 같이 구멍이 형성되지 않은 커버(80)를 구비할 수 있다. 이 경우 유체가 통로(13)의 내부로 유입될 수 있도록 커버(80)는 바디부(11)로부터 이격되도록 설치된다. 이를 위해 바디부(11)의 상부에 일정 간격으로 고정바(85)가 설치되고, 고정바(85)의 상부에 커버(80)가 결합된다.
도 6에서 설명되지 않은 구성요소는 도 2의 실시예와 동일하다.
이상, 본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
11: 바디부 20: 추력발생유닛
23: 제 1로터 27: 제 2로터
31: 제 1모터 33: 제 2모터
40: 고정하우징 50: 유동하우징

Claims (6)

  1. 상하 방향으로 개방된 통로가 내측에 형성된 바디부와;
    상기 통로에 설치되어 상기 바디부를 이동시키기 위한 추력을 발생시키는 추력발생유닛과;
    상기 추력발생유닛으로부터 발생된 추력의 방향을 변화시켜 상기 바디부의 이동방향을 전환시키는 방향전환수단;을 구비하고,
    상기 방향전환수단은 상기 추력발생유닛의 하방에 설치되어 상기 통로 내에서 유체의 흐름을 변화시켜 상기 바디부의 이동방향을 전환시키며,
    상기 방향전환수단은 상기 통로에 고정되도록 설치되며 상부와 하부가 개방된 고정하우징과, 상기 고정하우징의 내측에 설치되며 상부와 하부가 개방되어 유체가 통과할 수 있는 유동하우징과, 상기 유동하우징의 회전 및 기울기를 조절하는 위치조절부를 구비하는 것을 특징으로 하는 방향전환 구조를 개선한 드론.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 추력발생유닛은 동일한 회전중심을 갖는 제 1 및 제 2회전축과, 상기 제 1회전축에 결합되는 제 1로터와, 상기 제 2회전축에 결합되어 상기 제 1로터의 하방에 위치하며 상기 제 1로터의 회전방향과 반대로 회전하는 제 2로터와, 상기 제 1 및 제 2회전축을 회전시키기 위한 구동부를 구비하는 것을 특징으로 하는 방향전환 구조를 개선한 드론.
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서, 상기 위치조절부는 상기 바디부에 고정되어 상기 통로를 가로지르는 지지대와, 상기 지지대에 고정되어 상기추력발생유닛과 결합되며 구동축이 하방을 향하는 방향조절모터와, 상기 구동축에 결합되어 회전이 가능한 회전플레이트와, 상기 유동하우징에 고정되어 상기 유동하우징의 내측을 가로지르도록 설치되는 가로대와, 상기 회전플레이트에 설치되어 상기 가로대의 기울기를 조절하기 위한 틸팅부를 구비하는 것을 특징으로 하는 방향전환 구조를 개선한 드론.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 틸팅부는 상기 회전플레이트에 설치되며 각각 독립적으로 작동하여 상기 가로대의 기울기를 조절하는 다수의 액츄에이터들을 포함하는 것을 특징으로 하는 방향전환 구조를 개선한 드론.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 드론은 공중 또는 수중에서 이동이 가능한 것을 특징으로 하는 방향전환 구조를 개선한 드론.
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