KR20130037056A - 뱀형 탐사 로봇 및 그 구동 방법 - Google Patents

뱀형 탐사 로봇 및 그 구동 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 복수개의 관절로 이루어지며 뱀의 이동 알고리즘을 구현하여 인간이 직접 탐사를 할 수 없는 비정형화된 공간(예: 건물 붕괴 현장, 하수도, 동굴, 비무장지대 등)에서 지정된 임무를 수행할 수 있도록 주행모듈과 각 주행모듈을 연결되며, 움직임을 제어할 수 있는 관절모듈로 구성된 뱀을 형상화한 로봇 및 로봇의 작동방법에 관한 것으로, 기본적으로 머리부, 몸통부, 꼬리부(프레임으로 통칭)로 구성된다.

Description

뱀형 탐사 로봇 및 그 구동 방법{Snake type reconnaissance exploration robot and operation method thereof}
본 발명은 뱀형 탐사 로봇에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 뱀을 형상화한 탐사 로봇에 관한 것이다.
전자 기기가 발전하면서 로봇 기술이 비약적으로 향상되고 있다. 특히, 의료용 로봇, 산업용 로봇, 군사용 로봇, 가정용 로봇 등 다양한 용도와 기능으로 로봇을 이용하고 있다.
또한, 로봇을 이용하여 사람이 진입하기 어려운 환경에서도 운용이 가능하기 때문에 이른바 탐사 로봇은 향후 다양한 환경에서 더욱 많은 용도로 사용될 것으로 예측되고 있다.
그런데, 종래의 알려진 대부분의 탐사 로봇은 상황처리를 위한 이동이 가능하나, 지형적으로 사람이 접근하기 힘든 작은 크기의 하수관이나 이와 비슷한 동굴과 같은 상황에서 시야와 작업환경을 확보하지 못하여 작업 수행에 용이하지 않다는 문제점을 갖고 있다.
아울러, 종래의 로봇은 모터가 구동을 멈출 경우 부분적으로 동작을 할 수 없는 경우가 있으며 심한 경우 전체 자세 제어에 중요한 모터가 구동을 멈출 경우 로봇 자체가 정지해 버리는 상황도 발생한다.
예를 들면, 주행모듈의 구동모터가 고장 났을 경우, 해당 주행모듈은 주행 불능 상태가 될 수 있어 장애물을 넘어 운행하기 어려운 단점이 있다.
종래 로봇은 또한 모터나 관절 등의 구성에 있어서 단수하여 로봇의 움직임의 자유로움(즉, 자유도) 구현에 한계가 있었다. 이와 같이 구현의 한계가 있기 때문에 영상 취득 장치가 촬영할 수 있는 범위도 넓지 않았다.
그리고, 주행모듈이 고장났을 경우, 로봇을 회수하기 힘들고, 회수를 하더라도 전체 주행모듈을 분해해야 하는 어려움이 있다.
따라서, 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 시야와 작업 환경의 확보가 우수한 뱀형 탐사 로봇 및 그 구동 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 구동 장치 중 일부가 고장나더라도 상당한 동작이 가능한 뱀형 탐사 로봇 및 그 구동 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 움직임의 자유도를 높인 뱀형 탐사 로봇을 효과적으로 구동하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 뱀형 탐사 로봇의 시야 및 작업 환경 확보와 일부 고장시에도 유의미한 동작을 할 수 있도록 하며, 또한 움직임의 자유도를 높여 뱀형 탐사 로봇을 효과적으로 구동하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명에 의한 뱀형 탐사 로봇은 머리부, 몸통부, 꼬리부(프레임으로 통칭)로 구성되는 뱀형 탐사 로봇에 있어서, 상기 프레임의 좌우측 및/또는 상하 2방면에서 구동축과 기어와 연결되어 바퀴에 구동력을 제공하는 구동 모터; 상기 몸통부와 꼬리부 프레임 각각에 좌우 및/또는 상하 방면에 한 쌍이 상기 구동축 양끝에 연결된 바퀴; 상기 머리부와 몸통부를 연결하는 제1 관절부; 상기 몸통부와 몸통부를 꼬리부에 연결하는 제2 관절부; 상기 제1 및 제2 관절부 내에 포함되어 해당 관절부를 움직이기 위한 제1 서보 모터 및 제2 서보 모터; 및 상기 프레임 내에 부착되어 외부로부터의 제어 신호를 수신하여 이에 따라 상기 구동 모터 및 상기 제1 및 제2 서보 모터를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 몸통부를 2개 이상의 파트로 구성하여 해당 파트 사이를 상기 관절부로 연결하고, 해당 관절부에 배치된 서보 모터로서 구동되는 것을 특징으로 한다.
상기 머리부는 외부의 영상을 취득, 처리하여 영상 신호로 저장하는 영상취득장치 및 영상 저장부를 갖는 것을 특징으로 한다.
상기 머리부에는 뱀형 탐사 로봇의 위치를 추적하고 외부로 그 위치 정보를 송신하기 위한 GPS 유닛 및 통신유닛이 장착된 것을 특징으로 한다.
상기 제어부는 자이로센서와 가속도센서를 구비하여 뱀의 움직임과 자세 제어를 할 수 있도록 하여 움직임의 자유도를 높이는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 본 발명에 의한 뱀형 탐사 로봇의 구동 방법은 상기 제어부의 제어 신호에 따라 상기 좌우바퀴를 각각 정/역 회전의 구동을 시켜 전/후진 구동을 하게 하는 단계; 및 상기 제어부의 제어 신호에 따라 제1 서보 모터 및 제2 서보 모터를 구동하여 관절부를 상하/좌우로 움직이는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 뱀형 탐사 로봇에는 상기 프레임의 좌우측에 배치된 좌우바퀴와 상하에 배치된 상하바퀴를 각각 1쌍 포함하는 구조를 가지며, 상기 제어부의 제어 신호에 따라 상기 프레임이 좌/우로 90도만큼 돌아갔을 경우 상기 자이로센서와 상기 가속도센서를 이용하여 상기 좌우바퀴는 구동을 멈추고 상기 상하바퀴가 전/후진 구동을 진행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 머리부를 몸통부와 별도로 구성하고 그 사이를 관절부로 연결시켜 서보 모터를 배치함으로써, 뱀형 로봇의 머리부가 용이하게 들어 올려질 수 있도록 구성하고 머리부에 있는 영상 취득 장치를 통해 로봇의 시야 확보와 자세 제어에 따른 작업 환경의 확보가 우수한 뱀형 탐사 로봇을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 몸통부를 2개 이상의 파트로 구성하여 해당 파트 사이를 관절로 연결하고 거기에 배치된 서보 모터로 구동하는 구조를 통해 구동 장치(바퀴, 서보모터, 구동 모터 등) 중 일부가 고장나더라도 상당한 동작이 가능한 뱀형 탐사 로봇을 제공할 수 있다.
또한, 좌우바퀴(주행바퀴)의 배치를 90도로 엇갈려 배치하고 지면과 바닥에 접촉되어 구동되고 넘어져도 자이로센서와 가속도센서를 이용하여 엇갈린 좌우바퀴를 바꾸어 전/후진 구동이 가능하게 하여 높은 자유도의 주행성을 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 뱀형 탐사 로봇의 개략 구성도.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 도 1에 도시된 머리부의 구성도.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 도 1에 도시된 프레임의 내부 사시도.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 도 1에 도시된 관절부의 구성 사시도.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 도 1에 도시된 프레임과 관절부 간의 결합을 나타낸 사시도.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 도 1에 도시된 프레임과 관절부 간의 결합을 나타낸 개략 사시도.
도 7 및 도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 뱀형 탐사 로봇의 구동을 설명하기 위한 순서도.
도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 뱀형 탐사 로봇의 구동방법을 설명하기 위한 순서도.
이하에서는 본 발명에 따른 뱀을 형상화한 로봇을 첨부되어진 도과 더불어 상세한 설명을 하기로 한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명된 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고 도들에 있어서 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 뱀형상 탐사 로봇의 개략 구성도이고, 도 2는 도 1에 도시된 로봇의 머리부(100)의 구성을 나타낸 사시도이다. 도 3은 도 1에 도시된 프레임(500)의 사시도이고, 도 4는 도 1에 도시된 관절부(700)의 사시도이며, 도 5는 도 3 및 도 4 즉 프레임(500)과 관절부(700) 간의 결합을 나타낸 사시도이다. 관절부(700)는 2개 이상의 서보 모터(도시 생략)를 구비하고 있다. 도 6은 도 2의 전체적인 프레임과 관절간의 결합을 나타낸 개략 사시도이며, 도 7 및 도 8은 뱀을 형상화한 로봇의 구동 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 3 및 도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 뱀형 탐사 로봇은 다수의 프레임(500)과 관절부(700)를 연결시키되, 프레임(500)의 각각에 좌우 및/또는 상하 방면의 상하바퀴(202)와 좌우바퀴(201)(주행바퀴)로 구성되어 로봇이 뒤집히더라도 지면과 벽이 바퀴와 접촉되는 부분의 바퀴를 구동시킬 수 있다. 또한, 프레임(500) 속에 연결되어 구동되는 기어(501)와 구동축 기어(502)를 통하여 주행에 필요한 적절한 토크와 속도를 얻을 수 있으며, 또한 각종 로봇제어에 필요한 제어부, 자이로센서, 가속도센서 및 무선통신 모듈과 배터리 저장장치, GPS같은 기기들을 각 프레임(500)의 내부에 충분히 수용할 수 있는 구조의 뱀을 형상화한 로봇이 제공된다.
도 1 및 도 2, 도 6에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 뱀형 탐사 로봇은 다수의 프레임(500)과 관절부(700)의 구성에서 관절부(700)는 머리부(100)와 몸통부(200)을 연결하며, 또한 몸통부(200)와 꼬리부(300)를 연결하고 있다. 머리부(100)가 영상취득장치(101)와 발광부(102)를 수용하고 있으며 영상취득장치(101)를 통하여 얻은 영상이나 사진은 프레임(500)에 수용된 저장장치(도시 생략)와 무선통신모듈(도시 생략)을 통하여 외부로 전송된다. 머리부(100) 내의 발광부(102)는 주변이 어두워 영상취득이 어려운 경우 작동시켜 영상취득장치(101)가 원할한 영상과 사진을 취득할 수 있도록 지원한다.
꼬리부(300) 내의 꼬리(400)와 머리부(100)는 프레임(500)과 같은 바퀴를 가지고 있지는 않지만 볼캐스터(401)를 통하여 구동과 무게중심을 잡아준다. 꼬리(400)와 프레임(500) 간의 연결은 연결봉(402)과 꼬리연결부(403)를 이용하여 연결하며, 다수 프레임(500)의 움직임에 따라 구동된다.
도 1, 도 4 및 도 5에서 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 뱀형 탐사 로봇은 다수의 관절부(700)를 포함하고 있으며, 각 관절부(700)는 전방 및 후방의 해당 프레임(500)에 연결되어 있으며 관절부(700) 내에 포함된 상하운동모터(703)와 좌우운동모터(704)는 도 4에서와 같이 서로 연결되어 있으며, 각 상하운동모터(703)와 좌우운동모터(704)는 연결축(706)으로 연결되어 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 뱀형 탐사 로봇의 관절부의 세부 구성예를 보면, 각 상하운동모터(703)와 좌우운동모터(704)의 관절 회전부(상/하)(701)와 관절 회전부(좌/우)(702), 관절부(700)를 중심으로 앞뒤의 프레임(500)의 전/후 프레임에 관절 접합부(상/하)(602)와 관절 접합부(좌/우)(601)로 구성되어 각 프레임(500)과 연결된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 뱀형 탐사 로봇의 머리부(100) 내의 영상취득장치(101)와 함께 로봇을 제어하는 제어부, 자세제어를 위한 가속도센서와 자이로센서 및 무선통신모듈과 GPS, 저장장치의 구성 및 제어방법에 대해서는 당업자라면 충분히 이해할 수 있을 것이므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 뱀형 탐사 로봇의 구동에 관하여 예를 들어, 간단히 설명하기로 한다. 도 9는 본 발명에 따른 탐사 로봇의 구동 방법 순서도이다.
상기 프레임(500)은 각각에 좌우 및/또는 상하 방면의 상하바퀴(202)와 좌우바퀴(201)를 통하여 각각 정/역 회전의 구동을 하면서 전/후진을 할 수 있으며 기본적인 구동은 좌우바퀴(201)가 전/후 구동을 하고 있고, 상하바퀴(202)는 멈추어 있다.
상기 프레임(500)이 좌/우로 약 90도로 돌아갔을 경우 자이로센서와 가속도센서를 이용하여 제어부에서 좌우바퀴(201)는 구동을 멈추고 상하바퀴(202)가 전/후진 구동을 진행시킨다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 다수 관절부(700)는 도 4와 같은 구성이 되어 있으며 관절 회전부(상/하)(701)와 관절 회전부(좌/우)(702)가 도 5의 프레임(500)에 연결되는 관절 접합부(상/하)(602)와 관절 접합부(좌/우)(601)로 연결되어 각 프레임(500)에 간섭이 생기지 않는 범위내의 상/하/좌/우 운동을 하게 된다.
로봇의 다수의 관절부(700)가 상/하/좌/우 운동을 할 수 있어서 영상취득장치(101)의 높은 시안성을 얻어 먼 곳과 주변의 환경들에 대한 영상과 사진을 얻을 수 있으며 다수 관절부(700)의 상/하 운동을 통하여 장애물의 높이나 형태 대한 높은 자유도를 얻으며 프레임(500)에 구성된 기어비에 따라 장애물을 타고 진행시킬 수 있다.
프레임(500)에 구성된 두 가지의 기어(501)와 구동축 기어(502)를 기어비 1:4.21로 맞추어 속도와 토크의 적정한 비율을 구성한다.
영상 취득 장치(101)에서는 주변 인물의 얼굴을 인식하여 사진을 찍거나 영상을 무선 통신부로 전송해주어 탐사 로봇의 구동을 원활하게 할 수 있다.
본 발명에서는 제어부에서 뱀을 형상화한 로봇의 자동제어를 하는 것으로 설명되었으나 무선통신모듈이나 블루투스모듈을 통하여 사용자가 컨트롤 할 수 있다.
본 발명의 권리범위는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.
100 : 머리부 200 : 몸통부
201 : 좌우바퀴 202 : 상하바퀴
300 : 꼬리부 400 : 꼬리
500 : 프레임 600 : 관절 접합부
700 : 관절부

Claims (7)

  1. 머리부, 몸통부, 꼬리부(프레임으로 통칭)로 구성되는 뱀형 탐사 로봇에 있어서,
    상기 프레임의 좌우측 및 상하 2방면에서 구동축과 기어와 연결되어 바퀴에 구동력을 제공하는 구동 모터;
    상기 몸통부와 꼬리부 프레임 각각에 좌우 및 상하 방면에 한 쌍이 상기 구동축 양끝에 연결된 바퀴;
    상기 머리부와 몸통부를 연결하는 제1 관절부;
    상기 몸통부와 몸통부를 꼬리부에 연결하는 제2 관절부;
    상기 제1 및 제2 관절부 내에 포함되어 해당 관절부를 움직이기 위한 제1 서보 모터 및 제2 서보 모터; 및
    상기 프레임 내에 부착되어 외부로부터의 제어 신호를 수신하여 이에 따라 상기 구동 모터 및 상기 제1 및 제2 서보 모터를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 뱀형 탐사 로봇.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 몸통부를 2개 이상의 파트로 구성하여 해당 파트 사이를 상기 관절부로 연결하고, 해당 관절부에 배치된 서보 모터로서 움직이는 것을 특징으로 하는 뱀형 탐사 로봇.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 머리부는 외부의 영상을 취득, 처리하여 영상 신호로 저장하는 영상취득장치 및 영상 저장부를 갖는 것을 특징으로 하는 뱀형 탐사 로봇.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 머리부에는 뱀형 탐사 로봇의 위치를 추적하고 외부로 그 위치 정보를 송신하기 위한 GPS 유닛 및 통신유닛이 장착된 것을 특징으로 하는 뱀형 탐사 로봇.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는 자이로센서와 가속도센서를 구비하여 뱀의 움직임과 자세 제어를 할 수 있도록 하여 움직임의 자유도를 높이는 것을 특징으로 하는 뱀형 탐사 로봇.
  6. 상기 제 1 항의 구성을 갖춘 뱀형 탐사 로봇의 구동 방법에 있어서,
    상기 제어부의 제어 신호에 따라 상기 좌우바퀴를 각각 정/역 회전의 구동을 시켜 전/후진 구동을 하게 하는 단계; 및
    상기 제어부의 제어 신호에 따라 제1 서보 모터 및 제2 서보 모터를 구동하여 관절부를 상하/좌우로 움직이는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 뱀형 탐사 로봇의 구동 방법.
  7. 상기 제 5 항의 구성을 갖춘 뱀형 탐사 로봇의 구동 방법에 있어서,
    상기 뱀형 탐사 로봇에는 상기 프레임의 좌우측에 배치된 좌우바퀴와 상하에 배치된 상하바퀴를 각각 1쌍 포함하는 구조를 가지며,
    상기 제어부의 제어 신호에 따라 상기 프레임이 좌/우로 90도만큼 돌아갔을 경우 상기 자이로센서와 상기 가속도센서를 이용하여 상기 좌우바퀴는 구동을 멈추고 상기 상하바퀴가 전/후진 구동을 진행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 뱀형 탐사 로봇의 구동 방법.
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