KR102538809B1

KR102538809B1 - 지면충격 저감형 드론

Info

Publication number: KR102538809B1
Application number: KR1020210064243A
Authority: KR
Inventors: 김영진; 판반한; 박예진; 박형모; 정상훈; 리꽝응옥; 최영호; 신동철; 김정환
Original assignee: 주식회사 라스트마일
Priority date: 2021-05-18
Filing date: 2021-05-18
Publication date: 2023-06-02
Also published as: KR20220156342A

Abstract

지면충격 저감형 드론이 개시된다. 본 발명에 따른 지면충격 저감형 드론은, 몸체 주변으로 추력을 발생시키는 복수의 회전익이 구비된 드론본체; 상기 몸체에 구비되어 상기 드론본체의 착륙 또는 추락을 감지하는 센싱부; 상기 몸체의 하단부에 구비되어 다축의 작동관절을 통해 공중작업을 수행하고, 상기 드론본체의 착륙 또는 추락이 상기 센싱부에 의해 감지되면 지면에 대하여 랜딩자세로 변환작동하는 한 쌍의 매니퓰레이터; 및 상기 랜딩자세에서 지면의 충격을 완충하는 방향으로 회전하는 상기 작동관절의 회전을 억제하도록 상기 매니퓰레이터에 구비되어 상기 드론본체의 착륙 충격을 저감하는 댐핑부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 랜딩자세에서 지면의 충격을 완충하는 방향으로 회전하는 작동관절의 회전을 억제하는 댐핑부가 매니퓰레이터에 구비됨으로 인해 드론의 착륙 또는 추락시 충격이 효과적으로 저감될 수 있어 드론의 내부 고장이나 손상이 방지될 수 있다.

Description

지면충격 저감형 드론{DRONE THAT CAN REDUCE IMPACT WHEN LANDING ON THE GROUND}

본 발명은, 지면충격 저감형 드론에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 드론에 장착되어 공중작업을 수행하는 매니퓰레이터를 드론의 착륙시 충격을 흡수하는 랜딩기어로 활용되도록 한 드론에 관한 것이다.

드론(Drone, 수벌)은 미군의 사격 훈련을 위한 무인비행체의 프로젝트명으로, 2010년대에 페럿사가 기존의 조종기 대신 아이폰을 컨트롤러로 사용하는 에어드론을 출시한 이래로 RC 멀티콥터를 지칭하는 용어로 통용되고 있다.

이러한 RC 멀티콥터 형태의 드론은, 레저용도로 대중에게 소개된 이래로 항공 탐사, 방송 촬영, 아마존이나 구글 등에서 추진하고 있는 택배업, 배달업, 농약 살포 등과 같은 공중작업 등의 다양한 분야로 점차 확대되고 있다.

다만, 현재의 드론은 대부분 5kg 이상의 중량물을 들 수 없을 정도로 출력이 약하고, 고도 제한이 심하며, 비행시간이 15분 내외로 짧기 때문에 초소형의 고출력 배터리가 개발되지 않는 한 드론을 다양한 산업분야에 광범위하게 활용하는 데에는 일정한 제한이 있다.

그럼에도 불구하고, 높은 활용도로 인해 대한민국공개특허 제10-2016-0126358호(공개일:2016년11월02일)에 개시된 바와 같이, 드론의 안전한 착륙을 위해 지면에 지지되는 착륙용 레그와 물체 등을 잡기 위한 다관절의 로봇 암(manipulator) 등이 결합된 형태의 드론 등이 다양하게 제안되고 있다.

그러나 상술한 선행기술에서 제시되고 있는 착륙용 레그는, 지면 착지시 드론 본체의 파손을 방지한다는 점에서 유용성이 있으나, 로봇 암과 함께 드론의 무게를 가중시킬 뿐만 아니라 로봇 암의 작동범위를 일정부분 제한하고 간섭하며, 추락하거나 긴급한 착륙시 발생하는 충격에 대한 흡수 능력이 거의 없기 때문에 오히려 드론 본체로 충격을 전달하여 내부 고장을 유발하는 등의 문제가 있다.

따라서 드론의 추락이나 조종 미숙에 따른 긴급한 착륙에도 지면충격을 적절하게 완충할 수 있는 기술적 해결방안이 필요한 실정이다.

대한민국공개특허 제10-2016-0126358호(공개일: 2016년11월02일)

본 발명의 목적은, 공중작업을 위해 드론에 장착된 매니퓰레이터의 작동범위를 제한하거나 무게를 가중시키지 않으면서도, 매니퓰레이터 자체를 드론의 착륙시 충격을 흡수할 수 있는 랜딩기어로 활용할 수 있는 지면충격 저감형 드론을 제공하는 것이다.

상기 목적은, 몸체 주변으로 추력을 발생시키는 복수의 회전익이 구비된 드론본체; 상기 몸체에 구비되어 상기 드론본체의 착륙 또는 추락을 감지하는 센싱부; 상기 몸체의 하단부에 구비되어 다축의 작동관절을 통해 공중작업을 수행하고, 상기 드론본체의 착륙 또는 추락이 상기 센싱부에 의해 감지되면 지면에 대하여 랜딩자세로 변환작동하는 한 쌍의 매니퓰레이터; 및 상기 랜딩자세에서 지면의 충격을 완충하는 방향으로 회전하는 상기 작동관절의 회전을 억제하도록 상기 매니퓰레이터에 구비되어 상기 드론본체의 착륙 충격을 저감하는 댐핑부를 포함하는 것을 특징으로 하는 지면충격 저감형 드론에 의해 달성된다.

상기 댐핑부는, 상기 드론본체의 착륙과정에서 상기 작동관절을 기준으로 상기 매니퓰레이터의 작동로드가 접히는 방향의 반대편에 위치하도록 설치되는 코일형상의 형상기억체로 이루어질 수 있다.

상기 형상기억체는, 양단에 전기적으로 접속된 리드선을 통한 제어전원의 인가로 저항 가열되면, 수축변형과 함께 강성을 발현하여 상기 작동관절을 기준으로 한 상기 작동로드의 회전을 억제하고, 제어전원의 단전으로 냉각되면, 자유롭게 변형되며 상기 작동로드의 자유로운 회전이 이루어지도록 할 수 있다.

상기 댐핑부는, 상기 작동관절을 구동시키는 모터에 일체화되어 상기 모터에 대한 제어전원의 단전시 상기 작동로드의 회전을 억제하는 전자브레이크를 더 포함할 수 있다.

상기 센싱부는, 상기 드론본체와 지면과의 거리를 측정하는 거리측정센서; 상기 드론본체의 기울기를 측정하는 자세센서; 및 상기 몸체의 하단부와 상기 거리측정센서 사이에 설치되어 상기 거리측정센서가 지면을 향하도록 회전하는 유니버설조인트를 포함하여 이루어질 수 있다.

상기 랜딩자세는, 상기 센싱부에서 감지된 정보에 기반하여 한 쌍의 상기 매니퓰레이터가 지면을 향하여 펴진상태에서 '〈 ' 또는 '〉'형상으로 접힘작동하여 이루어질 수 있다.

상기 랜딩자세는, 상기 드론본체의 안정적인 착륙이 이루어지도록, 상기 센싱부에 의해 감지된 착륙지점의 경사도에 대응하여 한 쌍의 상기 매니퓰레이터가 서로 다르게 접힘작동하여 이루어질 수 있다.

본 발명에 의하면, 드론의 몸체에 구비되어 드론의 착륙 또는 추락을 감지하는 센싱부와, 몸체의 하단부에 구비되어 다축의 작동관절을 통해 공중작업을 수행하고, 드론의 착륙 또는 추락이 센싱부에 의해 감지되면 지면에 대하여 랜딩자세로 변환작동하는 한 쌍의 매니퓰레이터와, 랜딩자세에서 지면의 충격을 완충하는 방향으로 회전하는 작동관절의 회전을 억제하는 댐핑부가 매니퓰레이터에 구비됨으로 인해 드론의 착륙 또는 추락시 충격이 효과적으로 저감될 수 있어 드론의 내부 고장이나 손상이 방지될 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 지면충격 저감형 드론의 공중작업시 작동상태를 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 지면충격 저감형 드론의 랜딩자세를 위에서 바라본 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 지면충격 저감형 드론의 랜딩자세를 아래에서 바라보며 주요 구성을 각각 도시한 도면이다.
도 4a 내지 도 4c는, 도 2를 기준으로 본 발명에 따른 드론이 착륙하며 지면 충격을 완충하는 과정을 단계별로 도시한 도면이다.
도 5는 도 2를 기준으로 본 발명에 따른 드론이 경사면 또는 계단 등과 같이 불규칙한 착륙지점에 착지한 상태를 각각 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 지면충격 저감형 드론의 공중작업시 사용상태를 도시한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세하게 설명하면 다음과 같다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 이미 공지된 기능 혹은 구성에 대한 설명은, 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 지면충격 저감형 드론의 공중작업시 작동상태를 도시한 사시도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 지면충격 저감형 드론의 랜딩자세를 위에서 바라본 사시도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 지면충격 저감형 드론의 랜딩자세를 아래에서 바라보며 주요 구성을 각각 도시한 도면이고, 도 4a 내지 도 4c는, 도 2를 기준으로 본 발명에 따른 드론이 착륙하며 지면 충격을 완충하는 과정을 단계별로 도시한 도면이고, 도 5는 도 2를 기준으로 본 발명에 따른 드론이 경사면 또는 계단 등과 같이 불규칙한 착륙지점에 착지한 상태를 각각 도시한 도면이고, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 지면충격 저감형 드론의 공중작업시 사용상태를 도시한 도면이다.

발명의 설명 및 청구범위 등에서 방향을 지칭하는 상(위쪽), 하(아래쪽), 좌우(옆쪽 또는 측방), 전(정,앞쪽), 후(배,뒤쪽) 등은 권리의 한정의 용도가 아닌 설명의 편의를 위해서 도면 및 구성 간의 상대적 위치를 기준으로 정한 것으로, 3개의 축은 서로 대응되게 회전하여 바뀔 수 있으며, 특별히 다르게 한정하는 경우 외에는 이에 따른다.

본 발명에 따른 지면충격 저감형 드론(100)은, 무게를 가중시키지 않고 공중작업을 위해 드론본체(110)에 장착된 매니퓰레이터(130)의 작동범위를 제한하지 않으면서도 매니퓰레이터(130) 자체를 착륙시 충격을 흡수하는 랜딩기어로 활용하기 위해 안출된 발명이다.

상술한 바와 같은 기능 내지 작용을 구체적으로 구현하기 위해, 본 발명의 실시예에 따른 지면충격 저감형 드론(100)은, 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 드론본체(110), 센싱부(120), 매니퓰레이터(130) 및 댐핑부(140) 등을 포함하여 구성될 수 있다.

이하에서는 상술한 각 구성들에 대하여 구체적으로 설명하기로 한다.

먼저, 드론본체(110)는, 이미 다양한 분야에서 상용화되어 이용되고 있으며 그 활용도가 점차 증대되고 있는 무인비행체로서, 도면에서는 6개의 회전익(114)이 구비된 형태를 일례로 예시하고 있지만, 회전익(114)의 개수는 특별히 제한되지 않는다.

다만, 본 발명에 적용될 수 있는 드론본체(110)는, 중앙쪽의 몸체(112), 몸체(112) 주변으로 배치되는 복수의 회전익(114), 몸체(112) 내에 장착되는 배터리(미도시) 및 통신모듈이 구비된 제어패널(미도시) 등으로 구성될 수 있다.

이때, 복수의 회전익(114)은, 적어도 드론본체(110), 후술할 센싱부(120), 한 쌍의 매니퓰레이터(130) 및 댐핑부(140) 등을 모두 포함한 중량을 자유자재로 상승시킬 정도의 회전력을 갖는 동력장치와 결합되어 추력(推力)을 발생시키게 된다.

이러한 드론본체(110)의 세부 구성이나 작동방식은 이미 공지된 기술이므로, 이에 대한 구체적인 설명은 생략하고, 본 발명과 관련하여 특별하게 언급할 필요가 있는 경우에만 설명하기로 한다.

센싱부(120)는, 드론본체(110)의 착륙 또는 추락을 감지하기 위해 몸체(112)에 마련되는 구성요소로서, 도 3에 도시된 바와 같이 거리측정센서(122), 자세센서(124) 및 유니버설조인트(126) 등을 포함하여 구성될 수 있다.

거리측정센서(122)는, 드론본체(110)의 착륙 또는 추락 여부를 판별하는 데의 기초정보가 되는 드론본체(110)와 지면(G)과의 거리를 실시간 또는 일정 간격으로 측정하고, 착륙지점의 지형상태 즉, 경사도 등도 측정하기 위해 마련된 구성요소이다.

여기서 거리측정센서(122)는, 물체로부터 매체(소리, 적외선, 레이저, 전파, 가시광선 등)가 반사되어 돌아는 시간을 측정하여 거리를 측정하고, 반사면의 상태 정보를 획득할 수 있는 초음파센서, 적외선센서, 라이다(LIDAR)센서, 레이더(RADAR)센서, 카메라센서 등과 같이 상용화된 제품일 수 있다.

자세센서(124)는, 상술한 거리측정센서(122)와 함께 드론본체(110)의 착륙 또는 추락 여부를 판별하는 데의 기초정보가 되는 드론본체(110)의 기울기를 측정하기 위해 마련된 구성요소이다.

이러한 자세센서(124)는, 3축 방향의 가속도를 검출하는 가속도센서 및 3축 방향의 각속도를 검출하는 자이로센서 중 적어도 어느 하나로 이루어져 몸체(112)에 별도로 설치되는 상용화된 제품일 수 있고, 드론본체(110)의 비행을 위해 탑재된 센서로 대체될 수 있음은 물론이다.

유니버설조인트(126)는, 드론본체(110)의 자세와 무관하게 거리측정센서(122)가 일정하게 지면(G)을 향할 수 있도록 하기 위해 몸체(112)의 하단부와 거리측정센서(122) 사이에 설치되어 회전하는 구성요소이다.

이러한 유니버설조인트(126)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 몸체(112)에 설치된 볼하우징(126a)과, 일측이 볼하우징(126a)에 수납되어 자유 회전하고 타측에 거리측정센서(122)가 결합되는 가동부(126b)로 이루어질 수 있고, 도시된 바와 달리 다양한 구조나 형상으로 상용화된 제품일 수도 있다.

이상에서 살펴본 센싱부(120) 중 거리측정센서(122) 및 자세센서(124)는, 드론본체(110)의 비행을 위해 탑재된 제어패널 또는 이와 별개로 본 발명을 위해서 마련된 제어패널과 각각 전기적으로 연결되어 측정된 거리정보, 지면상태 정보와 기울기정보 등을 제어패널에 전송하게 된다.

이때, 제어패널은, 본 발명의 실시예에서 구체적으로 도시하지 않았지만, 상술한 거리측정센서(122), 자세센서(124), 후술할 매니퓰레이터(130) 및 댐핑부(140) 등과 전기적으로 연결되어 각각의 작동을 사용자의 조작이나 입력에 따라 제어하고, 필요한 정보 등을 송수신하며 처리하는 구성요소이다.

이러한 제어패널은, MCU(micro controller unit), 마이컴(microcomputer), 아두이노(Arduino) 또는 PLC(Programmable Logic Controller) 등과 같이 프로그래밍을 통해 정보 연산과 시퀀스처리가 가능한 정보처리장치와 통신을 위한 유무선모듈 등을 포함하여 이루어질 수 있다.

상술한 제어패널의 일련의 정보처리 과정은, 상술한 정보처리장치나 유무선모듈을 통해 읽힐 수 있는 C, C++, JAVA, 기계어 등의 프로그래밍 언어로 코딩됨으로써 이루어지는 것으로, 다양한 형태와 방식으로 구현되고 변형될 수 있는 부분이므로, 이에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

다만, 본 발명의 드론본체(110)에 장착된 매니퓰레이터(130) 자체를 착륙 또는 추락시 충격을 흡수하는 랜딩기어로 활용하기 위한 일련의 제어과정과 관련하여, 제어패널(미도시)은, 거리측정센서(122)로부터 측정되어 전송된 거리정보와 자세센서(124)로부터 측정되어 전송된 기울기정보에 기초하여 사용자의 의도된 착륙인지 의도치 않은 추락인지를 판별하게 된다.

일례로, 제어패널은, 기울기정보가 수평상태 수준을 유지하고 지면(G)에 대한 거리정보가 일정하게 감소하는 경우, 사용자의 의도된 착륙으로 판단할 수 있다.

반대로 기울기정보가 수평상태 수준을 넘어 15° 이상 기울어지고, 지면(G)에 대한 거리정보가 급격하게 감소하는 경우, 제어패널은 사용자가 의도하지 않은 추락으로 판단할 수 있다.

위와 같이 드론본체(110)의 착륙 또는 추락이 센싱부(120)에 기초하여 제어패널에 의해 판단되면, 제어패널은 후술할 매니퓰레이터(130)가 랜딩자세를 취하도록 작동제어하게 된다.

매니퓰레이터(130)는, 몸체(112)의 하단부에 한 쌍으로 구비되어 다축의 작동관절(132a,132b,132c)을 통해 공중작업을 수행하고, 드론본체(110)의 착륙 또는 추락이 센싱부(120)에 의해 감지되면 지면(G)에 대하여 랜딩자세로 변환작동하는 구성요소이다.

이러한 매니퓰레이터(130)는, 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 3개의 작동관절(132a,132b,132c), 작동관절(132a,132b,132c) 사이에 결합되어 작동관절(132a,132b,132c)에 의해 접히거나 펴지며 회전작동을 하는 작동로드(134), 드론본체(110) 하단부에서 매니퓰레이터(130)를 좌우방향으로 회전시키는 회전부(131), 매니퓰레이터(130)의 끝단에 위치하여 물체를 파지하는 그립퍼(136) 등으로 구성되어 공중에서 일반적인 로봇팔과 같은 다양한 작업을 수행하게 된다.

일례로, 한 쌍의 매니퓰레이터(130)는, 도 6에 도시된 바와 같이 하나의 매니퓰레이터(130)(그립퍼(136))로 전신주를 파지하여 드론본체(110)를 공중에 고정 지지하고, 다른 하나의 매니퓰레이터(130)로 종래 인력에 의해 이루어지던 다양한 작업(까치집 제거)을 수행하게 된다.

이때, 매니퓰레이터(130)를 구성하는 다축 구조와 구체적인 작동제어는, 로봇팔 분야에서 이미 공지된 기술이므로, 자세한 설명은 생략하고 본 발명에서 특징적인 구동인 랜딩자세를 위주로 설명하기로 한다.

본 발명의 실시예에서 매니퓰레이터(130)가 취하게 되는 랜딩자세는, 도 6과 같은 공중 작업 또는 비행 중에 드론본체(110)의 착륙이나 추락이 센싱부(120)에 의해 감지된 경우, 도 4a에 도시된 바와 같이 한 쌍의 매니퓰레이터(130)가 지면(G)을 향하여 펴진 상태에서 '〈 ' 또는 '〉'형상으로 접힘작동하여 이루어지는 자세를 말한다.

이러한 랜딩자세는, 중앙에 배치된 작동관절(132b)을 기준으로 양측의 작동로드(134)가 대략 70° 내지 120°의 각도를 이루도록 3개의 작동관절(132a,132b,132c)을 상술한 제어패널(미도시)을 통해 각각 개별제어함으로써 이루어질 수 있다.

이때, 그립퍼(136)를 회전시키는 하단의 작동관절(132a)은, 드론본체(110)의 착륙시 그립퍼(136)를 이용한 충격완충이 이루어질 수 있도록, 도 4a에 도시된 바와 같이 그립퍼(136)가 지면(G)에 대하여 90°보다 작은 예각을 이루도록 회전작동하게 된다.

한편, 한 쌍의 매니퓰레이터(130)는, 도 5에 도시된 바와 같이, 상술한 센싱부(120)에 의해 측정된 착륙지점의 경사도에 대응하여 상술한 제어패널(미도시)의 작동제어를 통해 서로 다르게 접힘작동함으로써 변형된 랜딩자세를 취할 수 있다.

이렇게 착륙지점의 경사도에 따라 변형된 랜딩자세를 취하도록, 한 쌍의 매니퓰레이터(130)가 작동제어됨으로써, 드론본체(110)는 경사면 또는 계단 등과 같이 불규칙한 착륙지점에서도 전복이나 미끌림 없이 안정적으로 착륙할 수 있게 되는 것이다.

또한, 한 쌍의 매니퓰레이터(130)가 도시된 바와 달리 4개의 작동관절(132)로 구성된 경우, 랜딩자세는 '

' 또는 '

'형상으로 접힘작동하여 이루어질 수 있고, 5개의 작동관절(132)로 구성된 경우,'

' 또는 '

'형상으로 접힘작동하여 이루어질 수도 있다.

댐핑부(140)는, 상술한 매니퓰레이터(130)의 랜딩자세에서 지면(G)의 충격을 완충하는 방향으로 각각 회전하는 작동관절(132a,132b,132c)의 회전을 억제하도록 매니퓰레이터(130)에 구비되는 구성요소로서, 이로 인해 드론본체(110)의 착륙 충격이 효과적으로 저감될 수 있게 된다.

이러한 댐핑부(140)는, 앞서 언급한 바와 같은 랜딩자세에서 지면(G)의 충격을 완충하는 방향으로 각각 회전하는 작동관절(132a,132b,132c)에 대하여 억지력을 발휘하는 탄성스프링, 유압 또는 공압댐퍼 등과 같은 다양한 완충장치로 구현될 수 있다.

다만, 본 발명의 실시예에 따른 댐핑부(140)는, 드론본체(110)에 가중되는 중량을 최소화하면서도 매니퓰레이터(130)의 작동변위를 제한하지 않고 조절가능한 강한 억지력의 구현을 위해, 형상기억체(142)와 전자브레이크(144)의 조합으로 구성하게 된다.

형상기억체(142)는, 1방향 형상기억효과 즉, 마르텐사이트 상태(냉각)일 때 강성이 약화되며 자유롭게 변형되고, 오스테나이트 상태(가열시)일 때 강성이 증대되며 원래 형상으로 수축 복원되는 성질을 갖는 형상기억합금(비자성체의 금속합금 또는 고분자 소재 등)으로 제작되는 구성요소이다.

이러한 형상기억체(142)는, 위와 같은 작동 특성을 갖는 것이라면, 판형상, 막대형상 등 그 구체적인 형상은 특별하게 제한되지 않지만, 마르텐사이트 상태에서 상술한 작동관절(132a,132b,132c)의 회전을 제한하지 않으며 더욱 넓은 변위로 변형될 수 있도록, 코일형상으로 제작하게 된다.

상술한 바와 같이 코일형상으로 제작된 형상기억체(142)는, 도 4a 내지 도 4c에 도시된 바와 같이, 드론본체(110)의 착륙과정에서 작동관절(132a,132b,132c)을 기준으로 작동로드(134) 또는 그립퍼(136)가 접히는 방향의 반대편에 각각 위치 하도록 설치하게 된다.

즉, 상단에 위치한 작동관절(132c)에 연결되어 드론본체(110)의 착륙시 시계방향으로 회전하는 상단 작동로드(134)의 경우, 해당 접힘(회전)방향의 반대편에 코일형상의 형상기억체(142)가 설치될 수 있다.

그리고 중앙에 위치한 작동관절(132b)에 연결되어 드론본체(110)의 착륙시 반시계방향으로 회전하는 하단 작동로드(134)의 경우, 해당 접힘(회전)방향의 반대편에 코일형상의 형상기억체(142)가 설치될 수 있다.

그리고 하단에 위치한 작동관절(132a)에 연결되어 드론본체(110)의 착륙시 반시계방향으로 회전하는 그립퍼(136)의 경우, 해당 접힘(회전)방향의 반대편에 코 일형상의 형상기억체(142)가 설치될 수 있다.

위와 같이 배치되어 설치된 형상기억체(142)는, 한 쌍의 리드선(미도시)을 통해 드론본체(110)의 배터리와 전기적으로 접속된 상태에서 상술한 제어패널(미도시)의 제어에 따라 소정의 제어전원을 인가받아 저항체로서 저항가열됨으로써, 수축변형과 함께 강성을 발현하는 작동을 하게 된다.

이로 인해, 드론본체(110)의 착륙시 충격을 완충하는 방향으로 회전하는 작동로드(134)나 그립퍼(136)는, 지면(G)으로부터 전달되는 충격에 저항하며 억제된 회전작동을 수행함으로써 드론본체(110)에 가해지는 충격을 완충하게 된다.

반면에 형상기억체(142)는, 리드선을 통해 인가된 제어전원이 단전되어 냉각되면 강성이 약화되어 자유로운 변형이 가능해짐에 따라 작동로드(134)나 그립퍼(136)는 작동범위에 대한 제한 없이 자유롭게 회전하며 공중작업을 수행할 수 있게 된다.

나아가 위와 같이 형상기억체(142)에 인가되는 제어전원의 크기를 상황에 따라 다양하게 조절하는 방식으로, 형상기억체(142)의 수축 및 강성의 정도를 자유롭게 가변시키게 되면, 드론본체(110)의 착륙시 충격을 단계적이고 효과적으로 저감시킬 수 있게 된다.

전자브레이크(144)는, 드론본체(110)의 착륙시 충격을 완충하는 방향으로 회전하는 작동로드(134)나 그립퍼(136)의 작동을 상술한 형상기억체(142)와 함께 중첩적으로 억제하기 위해 마련된 구성요소이다.

이러한 전자브레이크(144)는, 작동관절(132a,132b,132c)을 구동시키는 모터(M)에 일체화된 구조로 이루어져 제어패널(미도시)의 작동제어에 따라 모터(M)에 대한 제어전원이 단전되면, 작동로드(134)의 회전을 억제 즉, 제동하는 작동을 수행하게 된다.

구체적으로, 본 발명의 실시예에 따른 전자브레이크(144)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 브레이크 드럼, 전자석, 아마추어 및 탄성스프링 등으로 구성될 수 있다.

여기서 브레이크 드럼은 모터축의 후단에 결합되어 모터축과 함께 회전하는 구성요소이고, 전자석은 모터(M)에 인가되는 제어전원을 공유하여 자기력을 발생시키는 구성요소이다.

그리고 아마추어는 상술한 전자석에 의해 발생된 자기력에 의해 브레이크 드럼으로부터 이격작동하는 구성요소이다.

그리고, 탄성스프링은 전자석에 공유된 제어전원의 단전으로 자기력이 소멸될 때 아마추어를 브레이크 드럼 쪽으로 가압하여 모터축의 회전을 억제하는 구성요소로서, 이로 인해 작동관절(132a,132b,132c) 및 이와 연결된 작동로드(134) 등은 현재의 회전된 위치에서 제동상태를 유지할 수 있게 된다.

이때, 전자브레이크(144)의 회전 억지력 내지 제동능력은, 탄성스프링의 탄성력, 개수, 아마추어와 브레이크 드럼 간에 작용하는 마찰력 등의 조절을 통해 다양하게 가변시킬 수 있다.

상술한 구조의 전자브레이크(144)가 탑재된 모터(M)로 구동되는 각각의 작동관절(132a,132b,132c)이, 제어패널(미도시)의 제어에 의해 랜딩자세를 형성하도록 회전제어된 후 제어전원이 모두 단전되면, 각각의 작동관절(132)(작동로드(134)나 그립퍼(136))은 회전이 억제된 제동상태에서 드론본체(110)의 착륙 충격에 대응하여 서서히 회전하며 충격을 완충하는 작용을 수행하게 된다.

이렇게 전자브레이크(144)에 의한 회전억제 작용이, 상술한 형상기억체(142)의 수축 및 강성 증대 작용과 함께 드론본체(110)의 착지시 지면(G)의 충격을 완충하는 방향으로 회전하는 작동로드(134)나 그립퍼(136)에 대하여 상호 보완적이고 중첩적으로 적용됨으로 인해 댐핑부(140)의 완충범위 내지 완충능력은 더욱 세밀하게 증감 및 조절될 수 있게 된다.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 지면충격 저감형 드론(100)이, 지면(G)으로 착륙 또는 추락하는 과정에서 수행하는 일련의 제어작동 과정과 지면(G)에 대한 충격완충 과정을 도 4a 내지 도 4c를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 도 4a에 도시된 바와 같이, 사용자의 조작이나 의도치 않은 원인에 의한 드론본체(110)의 착륙 또는 추락이 상술한 센싱부(120)에 의해 감지된 경우, 제어패널(미도시)은 매니퓰레이터(130)가 상술한 바와 같은 랜딩자세를 취하도록, 작동관절(132a,132b,132c), 회전부(131) 및 그립퍼(136) 등의 모터(M)에 소정의 제어전원을 각각 인가하는 작동제어를 수행하게 된다.

이때, 각 모터(M)에 인가된 제어전원은, 매니퓰레이터(130)의 랜딩자세가 완료된 때에 각 모터(M)에 구비된 전자브레이크(144)가 작동하도록 제어패널에 의해 단전됨으로써, 작동로드(134)나 그립퍼(136)에 대한 회전억제가 1차로 이루어지게 된다.

다음으로, 모터(M)의 전자브레이크(144)에 의해 작동로드(134)나 그립퍼(136)가 1차로 회전억제된 이후 또는 동시에 제어패널(미도시)은, 상술한 형상기억체(142)가 저항가열되어 수축변형과 함께 강성을 발현하도록, 형상기억체(142)에 소정의 제어전원을 인가하는 작동제어를 수행함으로써, 작동로드(134)나 그립퍼(136)에 대한 회전억제가 2차로 이루어지게 된다.

이때, 제어패널을 통해 형상기억체(142)에 인가되는 제어전원의 크기는, 랜딩자세에서 1차로 회전억제된 작동관절(132a,132b,132c)이 형상기억체(142)의 수축에 의해 영향을 받지 않는 범위 내에서 형상기억체(142)를 최대로 수축시키는 크기로 제한될 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같은 제어패널(미도시)의 작동제어 과정을 통해 댐핑부(140)가 작동관절(132a,132b,132c) 등에 대하여 1차 및 2차로 회전억제 작동을 수행하게 되면, 랜딩자세의 매니퓰레이터(130)는 드론본체(110)의 착륙에 따른 충격을 흡수할 수 있는 랜딩기어로서의 역할을 수행할 수 있게 된다.

다음으로, 랜딩자세에서 지면(G)으로 낙하하는 매니퓰레이터(130)가, 도 4b에 도시된 바와 같이, 그립퍼(136)부터 지면(G)에 착지하게 되면, 그립퍼(136)와 연결된 하단 작동관절(132a)이 1차 및 2차로 회전억제된 상태에서 착륙 충격에 대응하며 가장 먼저 서서히 회전하여 충격을 완충하는 작용을 수행하게 된다.

그리고 중앙에 위치한 작동관절(132b)과 상단의 작동관절(132c)이 1차 및 2차로 회전억제된 상태에서 각각 순차적으로 착륙 충격에 대응하며 서서히 회전하여 충격을 완충하는 작용을 수행하게 된다.(착지 및 완충 1)

마지막으로, 매니퓰레이터(130)가 지면(G)에 착지되며 완충 1 상태로 변형된 이후, 하단, 중앙, 상단의 작동관절(132a,132b,132c)은 도 4c에 도시된 바와 같이, 연이어서 드론본체(110)의 낙하 하중에 대응하여 서서히 회전함으로써, 충격을 추가로 완충하는 작용을 수행하게 된다.(완충 2)

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명의 매니퓰레이터(130)와 댐핑부(140)가 서로 연계되어 지면(G)에 대한 완충 작동을 단계별로 수행함에 따라 드론본체(110)의 착륙 또는 추락시 충격이 효과적으로 저감될 수 있어 드론본체(110)의 내부 고장이나 손상이 방지될 수 있게 된다.

앞에서, 본 발명의 특정한 실시예가 설명되고 도시되었지만 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 일이다. 따라서, 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 기술적 사상이나 관점으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 되며, 변형된 실시예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.

100: 지면충격 저감형 드론
110: 드론본체
112: 몸체
114: 회전익
G: 지면
120: 센싱부
122: 거리측정센서
124: 자세센서
126: 유니버설조인트
126a: 볼하우징
126b: 가동부
130: 매니퓰레이터
131: 회전부
132a,132b,132c: 작동관절
134: 작동로드
136: 그립퍼
M: 모터
140: 댐핑부
142: 코일형상의 형상기억체
144: 전자브레이크

Claims

몸체 주변으로 추력을 발생시키는 복수의 회전익이 구비된 드론본체; 상기 몸체에 구비되어 상기 드론본체의 착륙 또는 추락을 감지하는 센싱부; 상기 몸체의 하단부에 구비되어 다축의 작동관절을 통해 공중작업을 수행하고, 상기 드론본체의 착륙 또는 추락이 상기 센싱부에 의해 감지되면 지면에 대하여 랜딩자세로 변환작동하는 한 쌍의 매니퓰레이터; 및 상기 랜딩자세에서 지면의 충격을 완충하는 방향으로 회전하는 상기 작동관절의 회전을 억제하도록 상기 매니퓰레이터에 구비되어 상기 드론본체의 착륙 충격을 저감하는 댐핑부를 포함하되,
상기 댐핑부는,
상기 드론본체의 착륙시 상기 작동관절을 기준으로 상기 매니퓰레이터의 작동로드가 접히는 방향의 반대편에 위치하도록 설치되는 코일형상의 형상기억체; 및
상기 작동관절을 구동시키는 모터에 일체화되어 상기 모터에 대한 제어전원의 단전시 상기 작동로드의 회전을 억제하는 전자브레이크를 포함하고,
상기 형상기억체는,
양단에 전기적으로 접속된 리드선을 통한 제어전원의 인가로 저항 가열되면, 수축변형과 함께 강성을 발현하여 상기 작동관절을 기준으로 한 상기 작동로드의 회전을 억제하고, 제어전원의 단전으로 냉각되면, 자유롭게 변형되며 상기 작동로드의 자유로운 회전이 이루어지도록 작동하고,
상기 전자브레이크는,
상기 모터의 모터축 후단에 결합되어 상기 모터축과 함께 회전하는 브레이크 드럼; 상기 모터에 인가되는 제어전원을 공유하여 자기력을 발생시키는 전자석; 상기 전자석에 의해 발생된 자기력에 의해 상기 브레이크 드럼으로부터 이격작동하는 아마추어; 및 상기 전자석에 공유된 제어전원의 단전으로 자기력이 소멸될 때 상기 아마추어를 상기 브레이크 드럼 쪽으로 가압하여 상기 모터축의 회전을 억제하는 탄성스프링을 포함하는 것을 특징으로 하는 지면충격 저감형 드론.
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제1항에 있어서,
상기 센싱부는,
상기 드론본체와 지면과의 거리를 측정하는 거리측정센서;
상기 드론본체의 기울기를 측정하는 자세센서; 및
상기 몸체의 하단부와 상기 거리측정센서 사이에 설치되어 상기 거리측정센서가 지면을 향하도록 회전하는 유니버설조인트를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 지면충격 저감형 드론.
제1항에 있어서,
상기 랜딩자세는,
상기 센싱부에서 감지된 정보에 기반하여 한 쌍의 상기 매니퓰레이터가 지면을 향하여 펴진상태에서 '〈 ' 또는 '〉'형상으로 접힘작동하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 지면충격 저감형 드론.
제6항에 있어서,
상기 랜딩자세는,
상기 드론본체의 안정적인 착륙이 이루어지도록, 상기 센싱부에 의해 감지된 착륙지점의 경사도에 대응하여 한 쌍의 상기 매니퓰레이터가 서로 다르게 접힘작동하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 지면충격 저감형 드론.