KR102507441B1 - 수중 오염물질의 샘플링 기능이 구비된 수중 드론 - Google Patents

수중 오염물질의 샘플링 기능이 구비된 수중 드론 Download PDF

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Abstract

본 발명은 수중 오염물질의 샘플링 기능이 구비된 수중 드론에 관한 것으로, 보다 상세하게는 하나 이상의 수평 프레임과 하나 이상의 수직 프레임을 포함하는 프레임부; 상기 프레임부를 수계 바닥에 일시적으로 고정하기 위한 고정부재; 중금속류 또는 영양염류를 흡착하는 프로브; 상기 프로브를 지지하기 위한 파지부; 상기 프레임부를 수평 및 수직방향으로 이동시키기 위한 추진기; 상기 프로브의 설치 위치를 모니터링하기 위한 제1 카메라; 상기 프로브 부근을 향해 빛을 조사하는 램프; 및 상기 파지부, 추진기, 제1 카메라 및 램프를 제어하기 위한 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 수중 오염물질의 샘플링 기능이 구비된 수중 드론에 관한 것이다.

Description

수중 오염물질의 샘플링 기능이 구비된 수중 드론{Remotely Operated Vehicle With the Function of Pollutant Sampling}
본 발명은 수중 오염물질의 샘플링 기능이 구비된 수중 드론에 관한 것으로, 보다 상세하게는 퇴적층에 설치되어 영양염류와 중금속 등 다종의 오염물질을 동시에 흡착 농축할 수 있으며, 또한 원거리에서도 장치를 조작하고 모니터링할 수 있는 수중 오염물질의 샘플링 기능이 구비된 수중 드론에 관한 것이다.
산업화 및 도시화에 기인한 각종 오염물질의 발생량, 예를 들어 가정 하수나 공장 폐수의 배출량은 지속적으로 증가하고 있으며, 이들 하수나 폐수에 포함되어 있는 질소 및 인과 같은 영양염류, 중금속 등은 환경 생태계를 파괴하는 원인으로 작용한다.
예를 들어, 대표적인 영양염류로 구분되는 질소와 인은 주로 가정하수나 경작지유출 등에서 발생하는 것으로 알려져 있으며, 이들 물질이 하천이나 호수에 과도하게 유입되면 물속의 영양분이 많아진다는 의미인 부영양화(eutrophication)를 초래한다.
만약 부영양화가 일어나면 광합성을 하는 생산자 생물의 양이 급격하게 늘어나 남세균 등 식물성플랑크톤의 대발생으로 물 빛이 녹색으로 바뀌어 보이는 현상인 녹조(green tide), 그리고 와편모조류 등 식물플랑크톤의 대발생으로 물 빛이 붉은 색으로 바뀌어 보이는 현상인 적조(red tide)가 발생하게 되고, 결과적으로 어패류의 집단 폐사 등 심각한 생태계 문제를 초래한다.
이외에도 비중이 4.0 이상의 무거운 금속으로 정의되는 중금속, 특히 Hg(수은), Pb(납), Cd(카드뮴), Cr(크롬) 등은 자연에서 쉽게 분해되지 않을 뿐만 아니라 생태계를 순환하면서 먹이사슬을 통해 생물농축 현상을 일으키기 때문에 엄격한 관리와 모니터링이 매우 중요하다.
이들과 관련하여 한국공개특허공보 제2016-0120568호에는 토양, 수계 또는 퇴적물 내 생물학적 이용가능한 다환방향족탄화수소(PAHs) 농도 측정을 위한 기술이 개시되어 있다.
구체적으로, 하부 베이스; 상기 하부 베이스 상에 배치되고, 아가로스 겔 및 상기 아가로스 겔 내부에 분산된 폴리(2,6-디페닐페닐렌 옥사이드)의 다공성 비드를 포함하는 레진젤을 포함하는 제1 박막; 상기 제1 박막 상에 형성되고, 아가로스 겔을 포함하는 제2 박막; 상기 제2 박막 상에 배치되고, 고분자로 형성된 멤브레인 필터; 및 상기 하부 베이스 상에 상기 제1 박막, 제2 박막 및 상기 멤브레인 필터가 고정되도록 상기 하부 베이스와 결합하는 상부 캡을 포함하는 토양, 수계 또는 퇴적물 내 생물학적 이용가능한 다환방향족탄화수소(PAHs) 농도 측정을 위한 수동형 샘플러이다.
상기 선행기술의 수동형 샘플러에 의하면, 중금속뿐만 아니라 유기물에 대해서도 높은 흡수능을 갖기 때문에 수계를 포함한 오염 토양에도 적용할 수 있다는 이점이 있다.
한편, 수계, 예를 들어 하천이나 강 등에 함유되어 있는 영양염류나 중금속의 거동을 확인하기 위해서는 일정 시간 동안 해당 위치에 설치해 두어야 하는데, 이때 조류 등에 의해 유실되지 않도록 안정적으로 고정되어야 한다.
한국공개특허공보 제2016-0120568호
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 설치 및 회수가 용이한 수중 오염물질의 샘플링 기능이 구비된 수중 드론을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명에서는 하천이나 강 등에 설치시 견고하게 고정됨으로써 조류 등으로부터 유실을 최소화할 수 있는 구조를 갖는 수중 오염물질의 샘플링 기능이 구비된 수중 드론을 제공하는 것을 목적으로 한다.
게다가 본 발명에서는 일회의 설치만으로도 다종의 오염물질을 한 번에 흡착 및 농축할 수 있는 수중 오염물질의 샘플링 기능이 구비된 수중 드론을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 수중 오염물질의 샘플링 기능이 구비된 수중 드론은, 하나 이상의 수평 프레임(110)과 하나 이상의 수직 프레임(120)을 포함하는 프레임부(100); 상기 프레임부(100)를 수계 바닥에 일시적으로 고정하기 위한 고정부재(200); 중금속류 또는 영양염류를 흡착하는 프로브(300); 상기 프로브(300)를 지지하기 위한 파지부(400); 상기 프레임부(100)를 수평 및 수직방향으로 이동시키기 위한 추진기(500); 상기 프로브(300)의 설치 위치를 모니터링하기 위한 제1 카메라(600); 상기 프로브(300) 부근을 향해 빛을 조사하는 램프(700); 상기 파지부(400), 추진기(500), 제1 카메라(600) 및 램프(700)를 제어하기 위한 제어부(800); 및 상기 제1 수평 프레임(111) 상면에 구비된 복수개의 부력체(900);를 포함하되, 상기 수평 프레임(110)은 소정 간격 이격된 채 위에서부터 순차적으로 위치하는 제1 수평 프레임(111), 제2 수평 프레임(112) 및 제3 수평 프레임(113)을 포함하되, 상기 제1 수평 프레임(111), 제2 수평 프레임(112) 및 제3 수평 프레임(113)의 중앙은 정팔각형 모양의 개구부가 구비되며, 상기 개구부는 동일한 수직선상에 일치하도록 위치하고, 상기 수직 프레임(120)은 양측 단부가 내측으로 절곡된 채 상기 제1 수평 프레임(111) 내지 제3 수평 프레임(113) 외측 가장자리와 고정되는 4개로 이루어진 제1 수직 프레임(121), 상기 제1 수평 프레임(111) 내지 제3 수평 프레임(113)의 중앙 개구부 가장자리와 고정되는 2개 또는 3개로 이루어진 플레이트 형상의 제2 수직 프레임(122), 및 상기 제2 수직 프레임(122)이 위치하는 않는 상기 제1 수평 프레임(111)과 제2 수평 프레임(112)의 중앙 개구부 가장자리에 고정되는 플레이트 형상의 제3 수직 프레임(123)을 포함하고, 상기 고정부재(200)는 상기 제3 수평 프레임(113) 각 모서리 인근에 위치하는 4개의 스크류(210)와 4개의 제1 기어부(220)로 이루어지며, 상기 스크류(210)는 상기 제3 수평 프레임(113) 가장자리를 관통한 상태로 아래를 향해 연장되어 수계 바닥면 일정 깊이까지 삽입되고, 상기 제1 기어부(220)는 상기 제2 수평 프레임(112)과 제3 수평 프레임(113) 사이 공간부에 위치하면서 일측은 상기 제2 수평 프레임(112) 저면에 고정되고 타측은 상기 스크류(210)와 연결되어 상기 스크류(210)를 구동시키고, 상기 프로브(300)는, 복수개의 관통홀(311)이 가장자리에 마련되는 한편 막대 형상의 복수개 수용홈(312)이 구비된 프로브 베이스(310), 상기 수용홈(312)에 안착되는 수지층(320), 상기 수지층(320) 상부에 안착되는 확산층(330), 상기 확산층(330) 상부에 안착되는 필터층(340), 및 프로브 베이스(310) 상면에 안착되는 프로브 커버(350)를 포함하고, 상기 파지부(400)는 상기 수평 프레임(110)의 중앙 개구부에 위치하며, 상기 프로브(300)를 탈부착하기 위한 집게 모양의 그리퍼(410), 상기 그리퍼(410)를 고정하기 위한 홀더(420), 상기 제2 수직 프레임(122)에 고정된 채 상기 홀더(420)와 연결된 구동축(430), 및 상기 홀더(420)를 상하로 이동시키기 위한 제2 기어부(440)를 포함하고, 상기 추진기(500)는 소정 간격 이격된 상기 제2 수평 프레임(112)과 제3 수평 프레임(113) 사이 공간부에 위치하는 4개의 수평 추진기(510), 및 상기 제1 수평 프레임(112)을 관통하는 모양으로 위치하는 4개의 수직 추진기(520)를 포함하되, 시계 방향 및 반시계 방향으로 움직일 수 있도록 상기 수평 추진기(510) 방향은 서로 번갈아 가면서 배치되고, 상기 수평 추진기(510) 및 수직 추진기(520)는 축이 없는 림 구동 인러너(in-ruuner) 방식 추진기이고, 상기 제어부(800)는 전원 컨버터, 제어회로, 펌웨어, 제2 카메라, 누수 센서, 온도 센서 및 수심 센서가 수납되며 밀폐된 케이스로 이루어진 메인 제어부(810), 상기 추진기(500)의 작동을 제어하는 추진기 제어부(820), 및 상기 메인 제어부(810)와 추진기 제어부(820)로 전원을 공급하는 전원 공급부(830)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
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본 발명의 수중 오염물질의 샘플링 기능이 구비된 수중 드론에 의하면, 프레임부에는 퇴적층에 일정 깊이 삽입될 수 있는 다수개의 고정부재가 구비되어 있어 샘플링 시 수중 드론의 움직임을 최소화할 수 있다는 장점이 있다.
또 본 발명의 수중 오염물질의 샘플링 기능이 구비된 수중 드론에 의하면, 다수개의 고정부재로 인해 프로브가 퇴적층에 수직하게 삽입될 수 있어 측정결과의 신뢰성을 높일 수 있다는 이점이 있다.
또 본 발명의 수중 오염물질의 샘플링 기능이 구비된 수중 드론에 의하면, 집게 모양의 파지부가 구비되어 있어 프로브의 탈부착이 매우 용이하다는 장점이 있다.
게다가 본 발명의 수중 오염물질의 샘플링 기능이 구비된 수중 드론에 의하면, 무게 중심이 어느 한 부분으로 치우지지 않도록 프레임부와 각 단위 부품들의 배치와 형상이 최적화됨으로써, 수상 드론이 안정적으로 움직일 수 있다는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수중 오염물질의 샘플링 기능이 구비된 수중 드론의 시제품 사진이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수중 드론의 모식도로서 일측 방향에서 바라본 사시도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수중 드론을 타측 방향에서 바라본 사시도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수중 드론을 상부에서 바라본 사시도이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수중 드론을 상부 측면에서 바라본 사시도이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수중 드론에서 고정부재를 확대한 사시도이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 프로브의 시제품 사진이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수중 드론에서 프로브를 일측에서 바라본 사시도이다.
도 9는 도 8에 도시한 프로브의 분해 사시도이다.
도 10은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수중 드론에서 파지부를 확대한 사시도이다.
이하, 본 발명에 따른 수중 오염물질의 샘플링 기능이 구비된 수중 드론에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
본 출원에서 “포함한다”, “가지다” 또는 “구비하다” 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 다르게 정의되지 않는 한 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 발명에 따른 수중 오염물질의 샘플링 기능이 구비된 수중 드론은 수체 내의 중금속이나 영양염류 등을 측정 분석하기 위한 것으로, 보다 상세하게는 강이나 하천 등 퇴적층에 일정시간 고정시켜 두면 중금속이나 영양염류 등 특정 물질들이 프로브에 흡착 농축됨으로써 해당 지점에서의 오염물질 종류와 농도를 측정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수중 오염물질의 샘플링 기능이 구비된 수중 드론의 시제품 사진이다. 또 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수중 드론의 모식도로서 일측 방향에서 바라본 사시도, 도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수중 드론을 타측 방향에서 바라본 사시도, 도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수중 드론을 상부에서 바라본 사시도이고, 도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수중 드론을 상부 측면에서 바라본 사시도이다.
이들 도 1 내지 5를 참조하면서 설명하면, 수중 오염물질의 샘플링 기능이 구비된 수중 드론은 프레임부(100), 고정부재(200), 프로브(300), 파지부(400), 추진기(500), 카메라(600), 램프(700), 제어부(800), 및 부력체(900)를 포함하여 구성된다.
먼저 프레임부(100)는 수중 드론의 외형을 유지하기 위한 것으로, 하나 이상의 수평 프레임(110)과 하나 이상의 수직 프레임(120)을 포함하여 구성된다.
상세하게, 수평 프레임(110)은 위에서부터 제1 수평 프레임(111), 제2 수평 프레임(112) 및 제3 수평 프레임(113)이 순차적으로 위치하며, 각종 부품들이 수납 고정될 수 있는 공간을 제공할 수 있도록 이들 제1 수평 프레임(111), 제2 수평 프레임(112) 및 제3 수평 프레임(113)은 서로 일정 간격 이격된 상태이다.
또 제1 수평 프레임(111), 제2 수평 프레임(112) 및 제3 수평 프레임(113)은 가운데 부분이 개구된 상태인데, 이는 프로브(300)가 가급적 수중 드론의 중앙부근에 위치하면서, 프로브(300)를 지지하기 위한 파지부(400)가 상하로 이동하기 위한 공간부를 확보하기 위함이다.
게다가 제1 수평 프레임(111)의 외형은 정팔각형이면서 중앙의 개구부도 8각형 모양인 것이 바람직하고, 제2 수평 프레임(112)과 제3 수평 프레임(113)의 중앙 개구부도 정팔각형 모양인 것이 보다 바람직하고, 제1 수평 프레임(111) 내지 제3 수평 프레임(113)의 중앙 개구부를 형성하는 8개의 각 변들은 동일한 수직선상에 일치하도록 위치하면서 제2 수평 프레임(112)과 제3 수평 프레임(113)의 가장자리가 제1 수평 프레임(111) 가장 자리 밖으로 돌출하지 않는 것이 가장 바람직하다.
본 발명의 수중 드론은 물속에서 수평 및 수직방향으로 이동해야 하므로 가급적 어느 한쪽으로 기울어지지 않으면서 안정적으로 움직여야 한다. 따라서 가장 상부에 위치하는 제1 수평 프레임(111)의 외형과 중앙의 개구부, 그리고 제2 수평 프레임(112)과 제3 수평 프레임(113)의 중앙 개구부가 정팔각형일 경우 좌우 평형을 유지하는 것이 유리하다.
또 제1 수평 프레임(111), 제2 수평 프레임(112) 및 제3 수평 프레임(113)은 서로 견고하게 고정되어야 하는데, 이때 각 프레임의 정팔각형 모양의 중앙 개구부가 동일한 수직선상에 일치하도록 위치하기 때문에 후술할 제2 수직 프레임(122)과 제3 수직 프레임(123)이 용이하게 결합될 수 있다.
수직 프레임(120)은 제1 수직 프레임(121), 제2 수직 프레임(122), 및 제3 수직 프레임(123)으로 구성될 수 있다. 제1 수직 프레임(121)은 소정의 폭과 길이를 가지며 양측 단부는 내측으로 절곡되어 있으며, 제1 수평 프레임(111) 내지 제3 수평 프레임(113)의 외측 가장자리와 고정되는데, 서로 마주 보는 2쌍, 즉 총 4개로 이루어질 수 있다.
제2 수직 프레임(122)은 소정의 폭과 길이를 가진 플레이트 형상으로, 제1 수평 프레임(111) 내지 제3 수평 프레임(113)의 중앙 개구부 가장자리와 고정되며, 2개 또는 3개로 구성될 수 있다.
그리고 제3 수직 프레임(123)은 소정의 폭과 길이를 가진 플레이트 형상으로, 제1 수평 프레임(111)과 제2 수평 프레임(112)의 중앙 개구부 가장자리와 고정되는데, 이때 제2 수직 프레임(122)이 위치하지 않는 가장자리에 구비되는 것이 바람직하다.
한편 전술한 제1 수평 프레임(111) 내지 제3 수평 프레임(113) 그리고 제1 수직 프레임(121) 내지 제3 수직 프레임(123)에는 소정 면적을 가지는 하나 이상의 관통구들이 구비되는 것이 좋은데, 이는 물에 대한 저항을 줄이기 위한 것이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수중 드론에서 고정부재를 확대한 사시도로서, 도 1 내지 6을 함께 참고하면서 고정부재에 관해 설명하기로 한다.
퇴적층의 수중 오염물질을 샘플링하고 분석하기 위해서는 프로브(300)가 퇴적층을 향해 수직하게 일정 깊이 삽입될 필요가 있는데, 프레임부(100)를 이동시키기 위한 추진기(500) 만으로 한계가 있다. 물론 대용량의 추진기(500)를 사용함으로써 프로브(300)를 일정 깊이 삽입하는 것도 가능하지만, 이 경우 수중 드론의 전체적인 무게와 함께 제조비용도 크게 증가하게 되고, 무엇보다도 프로브(300)를 수직하게 삽입하는 데에는 한계가 있다.
고정부재(200)는 전술한 문제점들을 극복하기 위한 것으로, 프레임부(100)를 수계 바닥, 즉 퇴적층에 일시적으로 고정하기 위한 구성이다.
상세하게, 고정부재(200)는 복수개의 스크류(210)와 스크류(210)를 구동시키는 제1 기어부(220)로 구성될 수 있다. 스크류(210)는 제3 수평 프레임(113) 가장자리를 관통한 상태로 아래를 향해 연장되어 있으며, 제1 기어부(220)는 제2 수평 프레임(112)과 제3 수평 프레임(113) 사이 공간부에 위치하는데, 일측은 제2 수평 프레임(112) 저면에 고정되어 있고 타측은 스크류(210)와 연결되어 있다.
따라서 제1 기어부(220)가 작동하면 스크류(210)가 회전하게 되고, 결과적으로 프레임부(100)가 일시적으로 움직임이 제한된다. 물론 스크류(210)의 회전에 의해 프로브(300)는 퇴적층의 일정 깊이까지 삽입되는 것은 자명하다.
여기서, 스크류(210)와 제1 기어부(220)는 서로 마주보면서 위치하도록 2쌍이 구비되는 것이 바람직하고, 한층 안정감을 부여하면서 프로브(300)가 퇴적층을 향해 수직하게 삽입될 수 있도록 대략 십자(+) 모양의 외형을 갖는 제3 수평 프레임(113) 각 모서리 인근에 위치하는 총 4쌍이 구비되는 것이 보다 바람직하다.
한편, 스크류(210)가 상하로 이동할 수 있다면 제1 기어부(220)의 종류나 구체적인 구성은 특별히 제한하지 않는다.
계속해서 프로브에 관해 설명하기로 한다. 도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 프로브의 시제품 사진이고, 도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수중 드론에서 프로브를 일측에서 바라본 사시도 그리고 도 9는 도 8에 도시한 프로브의 분해 사시도이다.
파지부(400)에 탈부착가능하게 결합되어, 퇴적층의 각종 중금속이나 질소, 인 등과 같은 영양염류를 흡착 농축하는 프로브(300)에 관해 설명하기로 한다.
프로브(300)는 프로브 베이스(310), 수지층(320), 확산층(330), 필터층(340), 및 프로브 커버(350)를 포함하여 구성된다.
먼저 프로브 베이스(310)는 소정 두께와 면적을 갖는 대략 평판 모양인데, 일측면에는 막대 형상으로 이루어지며 소정 깊이 함몰한 상태인 복수개 수용홈(311), 예를 들어 5개가 형성되며, 이들 수용홈(311)에는 전술한 수지층(320), 확산층(330) 및 필터층(340)이 순차적으로 수납됨으로써, 하나의 프로브(300)를 설치하여도 5종의 물질을 동시에 흡착 농축할 수 있다는 이점이 있다.
프로브(300)는 퇴적층의 중금속이나 영양염류 측정을 위한 DGT(Diffusive Gradient in thin Film) 원리를 이용한 것으로, 흡착 및 농축하고자 하는 대상물질들에 따라 수지층을 구성하는 성분들을 달리한다.
예를 들어, 중금속(Heavy Metals) 분석을 위한 수지층은 아크릴아마이드 파우더, DATD(N,N-diallyltartardiamide), Chelex-100, ammonium persulfate, TEMED (tetramethylethy-lenediamine), 인산염(PO4 3-) 분석을 위한 수지층은 아크릴아마이드 파우더, Bisacrylamide, ferrihydrite Slurry, ammonium persulfate, TEMED (tetramethylethy-lenediamine)를 사용한다.
또 황화물(S2-) 분석을 위한 수지층은 Agarose Solution과 AgI powder, 암모니아(NH3) 분석을 위한 수지층은 Agarose Solution과 Zeolite powder, 그리고 음이온 분석을 위한 수지층은 Agarose Solution을 사용한다.
한편 확산층(330)은 대상 물질과 상관없이 아크릴 아마이드(Acrylamide)로 구성되고, 필터층(340)은 입자상 물질이 수지층(320)이나 확산층(330)으로 유입되는 것을 차단하기 위하여 0.45μm 입경을 갖는 것이 바람직하다.
한편 물질별 수지층을 구성하는 성분들과 함량, DGT(Diffusive Gradient in thin Film)를 이용한 측정원리 등은 이미 공지된 기술에 해당되므로 보다 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
각 수용홈(311)에 전술한 수지층(320), 확산층(330) 및 필터층(340)이 순차적으로 위치한 이후, 이들을 보호하기 위한 프로브 커버(350)가 프로브 베이스(310) 상면에 구비된다.
도 10은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수중 드론에서 파지부를 확대한 사시도이다. 도 1 내지 5, 및 도 10을 함께 참조하면, 파지부(400)는 프로브(300)를 탈부착하기 위한 그리퍼(410), 그리퍼(410)를 고정하기 위한 홀더(420), 홀더(420)와 연결된 구동축(430), 및 홀더(420)를 상하로 이동시키기 위한 제2 기어부(440)를 포함하여 구성된다.
여기서, 그리퍼(410)는 집게 모양인 것으로 도시하고 있으나 이는 일예시에 불과하며, 프로브(300)를 파지할 수 있다면 형상은 얼마든지 변경이 가능하다.
제2 기어부(440)는 구동축(430)을 상하로 이동할 수 있다면 제2 기어부(440)의 종류나 구체적인 구성은 특별히 제한하지 않는다.
다시 도 1 내지 5를 참조하면서, 추진기(500), 카메라(600), 램프(700), 제어부(800), 및 부력체(900)에 관해 상세하게 설명하기로 한다.
추진기(500) 프레임부(100)를 수평 및 수직방향으로 이동시키기 위한 구성으로, 수평 추진기(510)와 수직 추진기(520)로 구성된다.
수평 추진기(510)는 본 발명에 따른 수중 드론이 수평 방향으로 이동할 수 있도록 하나 이상 구비되는 것이 바람직하고, 4개 이상이 구비되는 것이 보다 바람직하고, 수평 이동시 쏠림 현상을 최소화할 수 있도록 제2 수평 프레임(112)과 제3 수평 프레임(113) 사이 공간부에 일정 간격 이격된 채 4개 이상 구비되는 것이 가장 바람직하다.
위에서 바라 볼 때, 수중 드론이 시계 방향 뿐만 아니라 반시계 방향으로도 움직일 수 있도록, 수평 추진기(510) 방향이 서로 번갈아 가면서 배치되는 것이 좋다.
수직 추진기(520)는 본 발명에 따른 수중 드론이 수직 방향으로 이동할 수 있도록 제1 수평 프레임(112)을 관통하는 모양으로 하나 이상 구비되는 것이 바람직하고, 4개 이상 구비되는 것이 보다 바람직하다.
한편 전술한 수평 추진기(510)와 수직 추진기(520)는 축이 없는 림 구동 인러너(in-ruuner) 방식 추진기인 것이 좋다. 일반적으로 가운데에 축이 있는 프로펠러 타입의 추진기가 많이 알려져 있지만, 수초가 많은 지역에서 수중 드론을 작동시킬 시에는 프로펠러에 수초가 끼어 일부의 추진기 또는 모든 추진기가 작동하지 못함으로 인해 오염물질의 샘플링이 불가능할 수 있다.
하지만, 중앙에 축이 없고 블레이드(blade)가 결착된 로터 링이 회전하는 림 구동 인러너(in-ruuner)방식의 추진기를 사용할 시에는, 수초나 부유이물질 등이 추진기 축에 결려 엉키지 않고 그대로 통과하여 지나가기 때문에, 수평 추진기(510)와 수직 추진기(520)는 축이 없는 림 구동 인러너(in-ruuner) 방식의 추진기가 바람직하다.
제1 카메라(600)는 프로브(300)가 원하는 위치에 제대로 삽입되었는지를 확인하기 위한 것으로 원거리에서도 관측이 가능하다. 비록 도면에서는 제1 카메라(600)가 제3 수평 프레임(113)에 고정된 것으로 도시하고 있으나, 설치 위치는 얼마든지 변경이 가능하다.
제3 수평 프레임(113)에 고정되면서 램프(700) 인근에 위치하는 제1 카메라(600)는 프로브(300) 부근을 향해 빛을 조사함으로써 주변이 어둡더라도 제1 카메라(600)가 선명한 화상을 촬영 및 저장하는 것을 가능하게 한다.
제어부(800)는 절술한 고정부재(200), 파지부(400), 추진기(500), 제1 카메라(600) 및 램프(700)를 제어하기 위한 구성이다. 상세하게, 상기 제어부(800)는 소정의 공간부가 마련되고 밀폐된 케이스로 이루어진 메인 제어부(810), 추진기 제어부(820) 및 전원 공급부(830)를 포함하여 구성된다.
메인 제어부(810)는 전원 컨버터, 제어회로, 펌웨어 그리고 수중 드론이 상하 및 좌우로 이동할 때 주변 환경을 식별하기 위한 제2 카메라가 수납되어 있다. 게다가 메인 제어부(810)에는 케이스의 누수 센서, 온도 센서, 및 수심 센서 등이 구비되어 있어, 수상 드론이 한층 안정적인 운전을 가능하게 한다. 물론 메인 제어부(810)에 한정하지 않고, 추진기 제어부(820)와 전원 공급부(830)에도 누수 센서와 온도 센서가 구비될 수 있다.
추진기 제어부(820)는 메인 제어부(810)로부터 신호를 수신하여 추진기의 작동 여부를 결정하며, 이러한 메인 제어부(810)에는 추진기를 구동시키기 위한 모터(미도시) 등이 함께 수납되어 있다.
그리고 전원 공급부(830)는 메인 제어부(810)와 추진기 제어부(820)가 작동하는데 필요한 전원을 공급하며, 일예로 충전이 가능한 이차전지일 수 있으나 이에 제한하지 않는다.
한편 전술한 메인 제어부(810), 추진기 제어부(820) 및 전원 공급부(830)가 하나의 케이스에 수납되는 것도 가능하지만, 도 1 내지 3에서와 같이 일측에는 메인 제어부(810)가 위치하는 한편 타측에 추진기 제어부(820)와 전원 공급부(830)를 별도로 구비하는 것이 좋은데, 이는 수상 드론의 균형과 안전성을 높이기 위함이다.
다시 말해, 메인 제어부(810), 제어부(820) 및 전원 공급부(830)가 어느 일측에 모여서 위치할 경우, 이들이 있는 위치로 무게 중심이 과도하게 쏠려 수상 드론이 상하 및 좌우로 안정적으로 이동하기 어려울 수 있다. 또 추진기 제어부(820)를 구성하는 모터 작동 시 발생하는 열과, 제어부(820)의 배터리 방전 시 발생하는 열이 자칫 메인 제어부(810)의 전원 컨버터, 제어회로, 및 펌웨어를 손상시킬 수 있다.
따라서 메인 제어부(810), 추진기 제어부(820) 및 전원 공급부(830)는 각 밀폐된 케이스에 별도로 마련되는 것이 바람직하고, 무게 중심을 고려하여 분산시켜 위치하는 것이 보다 바람직하다.
마지막으로 부력체(900)는 샘플링이 끝난 후 신속하게 다음 장소로 이동하거나 물 밖으로 부상하도록 도와주기 위한 것으로, 제1 수평 프레임(111) 상면에 구비되어 있다.
이때에도 전체적인 무게 중심을 고려하여 부력체(900)의 크기와 배치 위치를 결정하는 것이 바람직하다.
전술한 구성을 갖는 본 발명에 따른 수중 드론은 하천이나 강 등의 퇴적층에 소정 시간 고정시키고, 프로브에 중금속이나 영양염류를 충분히 흡착 및 농축을 유도하고, 이후 흡착 농축된 중금속 및 영양염류를 공지의 수단으로 탈착시켜 각 물질들의 함량을 측정함으로써, 해당 퇴적층에 포함된 오염물질을 정량화할 수 있다.
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것은 아니며, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연하다.
100: 프레임부
110: 수평 프레임
111: 제1 수평 프레임 112: 제2 수평 프레임
113: 제3 수평 프레임
120: 수직 프레임
121: 제1 수직 프레임 122: 제2 수직 프레임
123: 제3 수직 프레임
200: 고정부재
210: 스크류 220: 제1 기어부
300: 프로브
310: 프로브 베이스 311: 수용홈
320: 수지층 330: 확산층
340: 필터층 350: 프로브 커버
400: 파지부
410: 그리퍼 420: 홀더
430: 구동축 440: 제2 기어부
500: 추진기
510: 수평추진기 520: 수직추진기
600: 카메라
700: 램프
800: 제어부
810: 메인 제어부 820: 추진기 제어부
830: 전원공급부
900: 부력체

Claims (6)

  1. 수평 프레임(110)과 수직 프레임(120)을 포함하는 프레임부(100);
    상기 프레임부(100)를 수계 바닥에 일시적으로 고정하기 위한 고정부재(200);
    중금속류 또는 영양염류를 흡착하는 프로브(300);
    상기 프로브(300)를 지지하기 위한 파지부(400);
    상기 프레임부(100)를 수평 및 수직방향으로 이동시키기 위한 추진기(500);
    상기 프로브(300)의 설치 위치를 모니터링하기 위한 제1 카메라(600);
    상기 프로브(300) 부근을 향해 빛을 조사하는 램프(700);
    상기 파지부(400), 추진기(500), 제1 카메라(600) 및 램프(700)를 제어하기 위한 제어부(800); 및
    제1 수평 프레임(111) 상면에 구비된 복수개의 부력체(900);를 포함하되,
    상기 수평 프레임(110)은 소정 간격 이격된 채 위에서부터 순차적으로 위치하는 제1 수평 프레임(111), 제2 수평 프레임(112) 및 제3 수평 프레임(113)을 포함하되, 상기 제1 수평 프레임(111), 제2 수평 프레임(112) 및 제3 수평 프레임(113)의 중앙은 정팔각형 모양의 개구부가 구비되며, 상기 개구부는 동일한 수직선상에 일치하도록 위치하고,
    상기 수직 프레임(120)은 양측 단부가 내측으로 절곡된 채 상기 제1 수평 프레임(111) 내지 제3 수평 프레임(113) 외측 가장자리와 고정되는 4개로 이루어진 제1 수직 프레임(121), 상기 제1 수평 프레임(111) 내지 제3 수평 프레임(113)의 중앙 개구부 가장자리와 고정되는 2개 또는 3개로 이루어진 플레이트 형상의 제2 수직 프레임(122), 및 상기 제2 수직 프레임(122)이 위치하는 않는 상기 제1 수평 프레임(111)과 제2 수평 프레임(112)의 중앙 개구부 가장자리에 고정되는 플레이트 형상의 제3 수직 프레임(123)을 포함하고,
    상기 고정부재(200)는 상기 제3 수평 프레임(113) 각 모서리 인근에 위치하는 4개의 스크류(210)와 4개의 제1 기어부(220)로 이루어지며, 상기 스크류(210)는 상기 제3 수평 프레임(113) 가장자리를 관통한 상태로 아래를 향해 연장되어 수계 바닥면 일정 깊이까지 삽입되고, 상기 제1 기어부(220)는 상기 제2 수평 프레임(112)과 제3 수평 프레임(113) 사이 공간부에 위치하면서 일측은 상기 제2 수평 프레임(112) 저면에 고정되고 타측은 상기 스크류(210)와 연결되어 상기 스크류(210)를 구동시키고,
    상기 프로브(300)는, 복수개의 관통홀(311)이 가장자리에 마련되는 한편 막대 형상의 복수개 수용홈(312)이 구비된 프로브 베이스(310), 상기 수용홈(312)에 안착되는 수지층(320), 상기 수지층(320) 상부에 안착되는 확산층(330), 상기 확산층(330) 상부에 안착되는 필터층(340), 및 프로브 베이스(310) 상면에 안착되는 프로브 커버(350)를 포함하고,
    상기 파지부(400)는 상기 수평 프레임(110)의 중앙 개구부에 위치하며, 상기 프로브(300)를 탈부착하기 위한 집게 모양의 그리퍼(410), 상기 그리퍼(410)를 고정하기 위한 홀더(420), 상기 제2 수직 프레임(122)에 고정된 채 상기 홀더(420)와 연결된 구동축(430), 및 상기 홀더(420)를 상하로 이동시키기 위한 제2 기어부(440)를 포함하고,
    상기 추진기(500)는 소정 간격 이격된 상기 제2 수평 프레임(112)과 제3 수평 프레임(113) 사이 공간부에 위치하는 4개의 수평 추진기(510), 및 상기 제1 수평 프레임(112)을 관통하는 모양으로 위치하는 4개의 수직 추진기(520)를 포함하되, 시계 방향 및 반시계 방향으로 움직일 수 있도록 상기 수평 추진기(510) 방향은 서로 번갈아 가면서 배치되고, 상기 수평 추진기(510) 및 수직 추진기(520)는 축이 없는 림 구동 인러너(in-ruuner) 방식 추진기이고,
    상기 제어부(800)는 전원 컨버터, 제어회로, 펌웨어, 제2 카메라, 누수 센서, 온도 센서 및 수심 센서가 수납되며 밀폐된 케이스로 이루어진 메인 제어부(810), 상기 추진기(500)의 작동을 제어하는 추진기 제어부(820), 및 상기 메인 제어부(810)와 추진기 제어부(820)로 전원을 공급하는 전원 공급부(830)를 포함하는 것을 특징으로 하는 수중 오염물질의 샘플링 기능이 구비된 수중 드론.
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