KR20110052102A - 다자유도 무인 수상 로봇 기반의 수중 작업 로봇 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수중 작업 로봇에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 비용이 저렴하고 설치 및 운반이 간편하며 안정적인 원격 제어와 정확한 위치 제어 및 자세 유지가 가능하여 수중 구조물의 보수 유지와 생태계의 감시 및 조사가 가능한 다자유도 무인 수상 로봇 기반의 수중 작업 로봇에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 저가의 센서를 이용하더라도 수중 작업 로봇의 정밀 위치 제어가 가능하게 되며, 비용이 높고 저속이며 항해 및 위치 제어가 어려운 수중 작업 로봇의 이송을 저가의 수상 로봇을 이용하여 고속 정밀하게 제어할 수 있게 된다.

수중 작업 로봇, 무인 잠수정, ROV, AUV

Description

다자유도 무인 수상 로봇 기반의 수중 작업 로봇{Multi degree-of-freedom underwater operation robot based on unmanned surface vehicle}

본 발명은 수중 작업 로봇에 관한 것이다.

무인 잠수정은 사람이 직접 깊은 바다를 조사하는 것이 어려워 인간을 대신하여 바다 조사에 활용되기 시작하였다. 이러한 무인 잠수정은 크게 ROV(Remotely Operated Vehicle, 유선 원격 제어 무인 잠수정)와 AUV(Autonomous Underwater Vehicle, 자율 무인 잠수정)의 두 가지로 나누어진다.

ROV는 모선에 연결된 케이블을 통한 수동적인 제어로 구동하고, 보통의 경우 작업을 위한 매니퓰레이터(Manipulator)가 달려 있어 수저면 혹은 저속의 운동 상태에서 작업을 수행한다. AUV는 '스스로 움직이는 잠수정'을 뜻한다. 즉, 인간이 타지 않고, 원격 조종 및 동력 전달을 하기 위한 별다른 장치 없이, 동력원과 스스로 움직이기 위한 제어장치를 갖추고 수중에서 탐사 작업을 수행하므로 수중 로봇이라고도 명명된다.

하지만, 이러한 형태의 수중 로봇의 경우 수중에서 이들의 정확한 위치를 측정해 내는 것이 어려워, 수중 로봇을 이용하여 수중의 구조물이나 생태계의 정확한 위치를 측정하는 것이 매우 어렵게 된다. 또한, AUV는 로봇 자체에 배터리를 싣고 동작하므로 운항시간이 매우 짧은 단점이 있고, ROV는 외부의 테더 케이블(Tether Cable)에 의해 전원이 공급되어 동작하지만 대부분이 해저 면에 부착된 매니퓰레이터를 이용하여 수중 작업을 하도록 설계되어 있고 대형인 것이 부담된다.

이들의 절대 위치는 관성항법 장치나 3개 이상의 소나센서를 이용한 상대위치로 관측되나, 관성항법 장치는 매우 고가이고 소나센서들은 설치가 매우 어렵고 고가에 속한다. 그럼에도 불구하고 이들 센서의 정확도는 많이 떨어져서 이를 이용한 수중 로봇의 위치 제어는 매우 어려운 것이 현실이다. 이와 같이 수중 로봇은 고가, 부정확한 위치 제어, 센서 설치의 어려움, 전원 공급의 어려움, 무거운 중량 등의 어려움을 가지고 있다.

최근 들어 교량, 댐 등의 인공구조물의 보수 유지와 양식장의 감시, 생태계의 조사, 수중의 위험물 제거 등과 같이 강, 호수 및 연근해에서의 보수 유지, 감시 및 조사 관련 작업이 급증하고 있다. 이러한 작업은 대다수가 보수, 감시 및 조사 대상의 정확한 위치 정보를 파악하는 것이 매우 중요하며, 저비용, 간편한 설치 및 운반 등을 요구하고 있다. 하지만, 기존에 개발된 AUV나 ROV 등의 로봇은 이러한 작업에 상당히 부적합하다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 비용이 저렴하고 설치 및 운반이 간편하며 안정적인 원격 제어와 정확한 위치 제어 및 자세 유지가 가능하여 수중 구조물의 보수 유지와 생태계의 감시 및 조사가 가능한 다자유도 무인 수상 로봇 기반의 수중 작업 로봇을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 기타 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 이는 본 발명의 청구범위에 기재된 사항 및 그 실시예의 개시 내용뿐만 아니라, 이들로부터 용이하게 추고할 수 있는 범위 내의 수단 및 조합에 의해 보다 넓은 범위로 포섭될 것임을 첨언한다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 수중에서 구조물이나 생태계의 조사 및 측정이 가능한 2자유도 카메라를 장착한 3자유도의 수중 작업 로봇 및; 수중 작업 로봇과 테더 케이블로 연결되어 있어 수중 작업 로봇을 이송하는 한편 수중 작업 로봇에 대하여 안정적으로 전원을 공급하며, 수중 작업 로봇의 정확한 위치를 측정하고 테더 케이블의 길이를 제어하는 4자유도의 무인 수상 로봇이 일체화된 다자유도 무인 수상 로봇 기반의 수중 작업 로봇을 제시한다.

본 발명에 따르면, 저가의 센서를 이용하더라도 수중 작업 로봇의 정밀 위치 제어가 가능하게 되며, 비용이 높고 저속이며 항해 및 위치 제어가 어려운 수중 작 업 로봇의 이송을 저가의 수상 로봇을 이용하여 고속 정밀하게 제어할 수 있게 된다.

본 발명의 다른 효과는, 이상에서 설명한 실시예 및 본 발명의 청구범위에 기재된 사항뿐만 아니라, 이들로부터 용이하게 추고할 수 있는 범위 내에서 발생할 수 있는 효과 및 산업 발전에 기여하는 잠정적 장점의 가능성들에 의해 보다 넓은 범위로 포섭될 것임을 첨언한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.

도 1은 본 발명에 따른 다자유도 무인 수상 로봇 기반의 수중 작업 로봇이 수중에서 작업하는 모습을 보여주고 있으며, 도 2는 본 발명에 따른 다자유도 무인 수상 로봇 기반의 수중 작업 로봇의 전체적인 구성을 상세하게 보여주고 있다.

본 발명에 따른 다자유도 무인 수상 로봇 기반의 수중 작업 로봇은, 무인 수 상 로봇(20)이 수중 작업 로봇(10)과 테더 케이블(Tether Cable)(30)로 연결되어 일체를 이루고 있다.

본 발명에서는 수중에서의 이동이 어려운 수중 작업 로봇(10)을 기동성과 제어성이 좋은 무인 수상 로봇(20)에 테더 케이블(30)로 연결하여 원하는 수중 위치의 수면으로 이송하고, 그 자리에 무인 수상 로봇(20)을 위치 제어 시킨 후에, 무인 수상 로봇(20)이 테더 케이블(30)을 제어(늘어뜨리거나 끌어당김)하여 수중 작업 로봇(10)을 원하는 수중 위치로 근접시키고(도 1 참조), 소나센서(40)로 수중 작업 로봇(10)의 위치를 파악하면서 수중 작업 로봇(10)의 자세 제어용 모터(51, 52)를 제어하여 수중의 목표 지점에 수중 작업 로봇(10)이 정확히 위치하도록 정밀 제어하게 된다.

따라서 본 발명은 수중 작업 로봇(10)에 부착된 2자유도 카메라(60)를 이용하여 교량, 댐 등의 인공구조물의 유지 보수와 양식장의 감시, 생태계의 조사 작업 등에 쉽게 활용될 수 있을 뿐만 아니라, 수중 작업 로봇(10)을 이용하여 수중에 설치된 기뢰와 같은 위험물을 탐지 및 제거하는 장비로도 쉽게 활용될 수 있다.

이하에서는 수중 작업 로봇(10)과 무인 수상 로봇(20)을 구분하여 상세하게 설명한다.

1. 수중 작업 로봇

3자유도의 수중 작업 로봇(10)은 수중에서 구조물이나 생태계의 조사 및 측 정이 가능한 2자유도 카메라(60)를 장착하고 있다.

수중 작업 로봇(10)의 선체는 도 1 및 도 2와 같이 전체적으로 구 형태로 설계하여 높은 내압 구조를 갖도록 한다.

수중 작업 로봇(10)에는 3개의 자세 제어용 모터(51, 52)를 배치하여 선회 및 위치 제어와 자세 제어가 가능하도록 하였으며, 이러한 자세 제어용 모터(51, 52)의 실린더 배치는 수중 작업 로봇(10) 선체의 롤링(Rolling)과 피칭(Pitching)에 대응하여 평형을 유지하도록 설계하였다. 이때, 종축 방향의 2개의 자세 제어용 모터(51)는 전후방 운동과 회전 운동을 가능하게 하며, 측방의 1개의 자세 제어용 모터(52)는 측방 운동을 제어한다. 이로써 수중 작업 로봇(10)은 수중의 조류 속에서도 자기 위치를 일정하게 유지할 수 있게 된다.

한편, 수중 작업 로봇(10)은 무인 수상 로봇(20)이 이들 자세 제어용 모터(51, 52)를 정밀하게 제어할 수 있도록 자체 자세 정보를 구하기 위한 2축 기울기 센서(71) 및 방향 정보를 구하기 위한 자이로 센서(72)를 구비하고 있다.

무인 수상 로봇(20)이 수중 작업 로봇(10)을 제어하기 위한 전체 제어 시스템은 크게 제어기, 모터 제어기, 모터 드라이버 및 센서부로 구성된다.

여기서 제어기는 ROV처럼 원격 조정이 가능한데, 원칩 마이크로프로세서를 사용하여 구성되고, 원격 제어를 통하거나 자체의 제어 법칙에 의하여 구동하며, 수중 작업 로봇(10)에 부착된 틸팅(Tilting) 및 피칭(Pitching) 방향의 2축 기울기 센서(71)를 통해 모터 제어 시스템에 명령을 보내거나 2자유도 카메라(60)로부터 영상을 받아 수상의 무인 수상 로봇(20)으로 전송한다. 도 3은 본 발명에 따른 수 중 작업 로봇을 제어하기 위한 전체 제어 시스템의 구성의 일예를 보여주고 있다.

2. 무인 수상 로봇

4자유도의 무인 수상 로봇(20)은 원격으로 제어가 가능하며, 수중 작업 로봇(10)과 테더 케이블(30)로 연결되어 있어 수중 작업 로봇(10)을 이송하는 한편 수중 작업 로봇(10)에 대하여 안정적으로 전원을 공급하며, 수중 작업 로봇(10)의 정확한 위치를 측정하고 테더 케이블(30)의 길이를 제어한다.

무인 수상 로봇(20)은 수상의 조류나 파도에서도 목적지로 이동하고 목적지에서 자기 위치를 정확히 제어할 수 있도록 3축의 추진체(81, 82)를 구비한다. 이때, 이러한 3축의 추진체(81, 82)의 부착 방향 및 기능은 상기 수중 작업 로봇(10)에 구비된 3개의 자세 제어용 모터(51, 52)의 경우와 동일하다. 즉, 종축 방향의 2축의 추진체(81)는 전후방 운동과 회전 운동을 가능하게 하며, 측방의 1축의 추진체(82)는 측방 운동을 제어한다.

무인 수상 로봇(20)은 수상에서의 정확한 위치 제어를 위한 dGPS(90)와, 무인 수상 로봇의 원격제어를 위한 무선 송수신 장치(100)와, 수중 작업 로봇(10)의 위치를 측정할 수 있는 소나센서(40)를 구비한다. 그리고 수중 작업 로봇(10)에 전원을 공급하는 테더 케이블(30)을 이용하여 수중 작업 로봇(10)의 수중 위치(깊이)를 제어할 수 있는 테더 케이블 길이 제어용 모터를 구비한다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 무인 수상 로봇 기반의 수중 작업 로봇이 수중에서 작업하는 모습을 보여주고 있다.

도 2는 본 발명에 따른 무인 수상 로봇 기반의 수중 작업 로봇의 전체적인 구성을 상세하게 보여주고 있다.

도 3은 본 발명에 따른 수중 작업 로봇을 제어하기 위한 전체 제어 시스템의 구성의 일예를 보여주고 있다.

<도면의 주요부호에 대한 설명>

10 : 수중 작업 로봇

20 : 무인 수상 로봇

30 : 테더 케이블

40 : 소나센서

51, 52 : 자세 제어용 모터

60 : 2자유도 카메라

71 : 2축 기울기 센서

72 : 자이로 센서

81, 82 : 추진체

90 : dGPS

100 : 무선 송수신 장치

Claims (7)

1. 수중에서 구조물이나 생태계의 조사 및 측정이 가능한 2자유도 카메라를 장착한 3자유도의 수중 작업 로봇 및; 수중 작업 로봇과 테더 케이블로 연결되어 있어 수중 작업 로봇을 이송하는 한편 수중 작업 로봇에 대하여 안정적으로 전원을 공급하며, 수중 작업 로봇의 정확한 위치를 측정하고 테더 케이블의 길이를 제어하는 4자유도의 무인 수상 로봇이 일체화된 다자유도 무인 수상 로봇 기반의 수중 작업 로봇.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 수중 작업 로봇에는 3개의 자세 제어용 모터를 배치하여 선회 및 위치 제어와 자세 제어가 가능하도록 하며, 이러한 자세 제어용 모터의 실린더 배치는 수중 작업 로봇 선체의 롤링(Rolling)과 피칭(Pitching)에 대응하여 평형을 유지하도록 하는 것을 특징으로 하는 다자유도 무인 수상 로봇 기반의 수중 작업 로봇.
3. 제 2 항에 있어서,

   종축 방향의 2개의 자세 제어용 모터는 전후방 운동과 회전 운동을 가능하게 하며, 측방의 1개의 자세 제어용 모터는 측방 운동을 제어하는 것을 특징으로 하는 다자유도 무인 수상 로봇 기반의 수중 작업 로봇.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 수중 작업 로봇은 자체 자세 정보를 구하기 위한 2축 기울기 센서와 방향 정보를 구하기 위한 자이로 센서를 구비하는 것을 특징으로 하는 다자유도 무인 수상 로봇 기반의 수중 작업 로봇.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 무인 수상 로봇은 3축의 추진체를 구비하되, 종축 방향의 2축의 추진체는 전후방 운동과 회전 운동을 가능하게 하며, 측방의 1축의 추진체는 측방 운동을 제어하는 것을 특징으로 하는 다자유도 무인 수상 로봇 기반의 수중 작업 로봇.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 무인 수상 로봇은 수상에서의 정확한 위치 제어를 위한 dGPS와, 무인 수상 로봇의 원격제어를 위한 무선 송수신 장치와, 수중 작업 로봇의 위치를 측정할 수 있는 소나센서를 구비하는 것을 특징으로 하는 다자유도 무인 수상 로봇 기반의 수중 작업 로봇.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 무인 수상 로봇은 테더 케이블을 이용하여 수중 작업 로봇의 수중 위치를 제어할 수 있는 테더 케이블 길이 제어용 모터를 구비하는 것을 특징으로 하는 다자유도 무인 수상 로봇 기반의 수중 작업 로봇.

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