KR20160062972A - 추진기 배치가 변경 가능한 가변구조 수중로봇 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 원격조정 무인 잠수정(Remotely Operated Vehicles ; ROV) 및 자율 무인잠수정(Autonomous Underwater Vehicles ; AUV)과 같은 무인화 기술의 연구를 위해, 인공지능 기반의 고정밀 임무수행을 위한 알고리즘의 개발 및 검증을 수행할 수 있도록 구성되는 지능형 수중로봇(underwater robot)에 관한 것으로, 본 발명에 따르면, 추진기가 특정위치에 고정 배치되는 구조를 가짐으로 인해 특정한 운동특성만을 가지게 되어 결과적으로 수중 로봇의 연구과정에서 수행되는 다양한 알고리즘의 개발과 검증을 제한하게 되는 한계가 있었던 종래의 수중로봇의 단점을 해결하여, 적용하고자하는 알고리즘의 성격에 따라 추진기의 위치를 변경할 수 있도록 구성됨으로써, 다양한 운동성능을 가지는 것에 의해 보다 다양한 알고리즘의 개발 및 검증이 가능하도록 구성되는 추진기의 배치가 변경 가능한 가변 구조 수중로봇이 제공된다.
Description
본 발명은 수중로봇(underwater robot)에 관한 것으로, 더 상세하게는, 원격조정 무인 잠수정(Remotely Operated Vehicles ; ROV) 및 자율 무인잠수정(Autonomous Underwater Vehicles ; AUV)과 같은 무인화 기술의 연구를 위해, 인공지능 기반의 고정밀 임무수행을 위한 알고리즘의 개발 및 검증을 수행할 수 있도록 구성되는 지능형 수중로봇에 관한 것이다.
또한, 본 발명은, 추진기가 특정위치에 고정 배치되는 구조를 가짐으로 인해 특정한 운동특성만을 가지게 되어 결과적으로 수중 로봇의 연구과정에서 수행되는 다양한 알고리즘의 개발과 검증을 제한하게 되는 한계가 있었던 종래의 수중로봇의 단점을 해결하여, 적용하고자하는 알고리즘의 성격에 따라 추진기의 위치를 변경할 수 있도록 구성됨으로써, 다양한 운동성능을 가지는 것에 의해 보다 다양한 알고리즘의 개발 및 검증이 가능하도록 구성되는 추진기 배치가 변경 가능한 가변 구조 수중로봇에 관한 것이다.
최근, 자원 고갈 및 에너지 절약에 관한 문제가 사회적인 문제로 부각되면서 기존의 에너지원을 대신할 수 있는 차세대 에너지원으로서, 예를 들면, 해양 풍력발전, 조력발전, 파력발전, 조류발전, 온도차 발전 등과 같이, 해양에너지 대한 관심이 급증하고 있으며, 또한, 심해 자원의 채취도 점점 구체화되고 있다.
여기서, 이러한 해양에너지의 구현을 위해서는 지상과는 다른 수중 환경에서 작업이 가능해야 한다는 난점이 있으며, 이를 위해, 현재까지는, 예를 들면, 수중 작업을 위한 원격조정 무인잠수정(ROV)이나, 또는, 광범위 탐사를 위한 자율 무인잠수정(AUV)과 같이, 수중에서 사람 대신에 활동이 가능한 수중로봇이 많이 사용되어 왔다.
더 상세하게는, 상기한 바와 같은 수중로봇에 대한 종래기술의 예로는, 예를 들면, 한국 등록특허공보 제10-1381218호에 제시된 바와 같은 "수중 로봇의 주변 영상 생성 장치 및 수중 로봇의 주변 영상 생성 방법"에 따르면, 송신된 음파의 응답 음파를 분석하여 피측정 영역에 대한 3차원 위치 정보를 검출하는 소나 센서와, 상기 피측정 영역 중의 적어도 일부를 포함하는 서로 다른 영역에 대한 영상 데이터를 획득하는 복수 개의 영상촬영장치 및 소나 센서에 의해 검출된 3차원 위치 정보에 영상 촬영 장치에 의해 획득된 복수 개의 영상 데이터를 정합 처리하여 3차원 영상 정보를 생성하는 데이터 처리장치를 포함하여 수중로봇의 주변 영상(AROUND VIEW)을 생성하는 장치 및 방법이 제시된 바 있다.
또한, 상기한 바와 같은 수중로봇에 대한 종래기술의 다른 예로는, 예를 들면, 한국 등록특허공보 제10-1260389호에 제시된 바와 같은 "강조류 악시계 수중 환경 탐사용 다관절 해저 보행 로봇"에 따르면, 프로펠러 방식으로 추력을 얻는 기존의 해저로봇과는 달리 여러 개의 관절로 이루어진 다리를 이용하여 해저면에 근접해서 보행으로 이동하고 초음파 카메라 등의 악시계 극복수단을 장착하는 다관절 해저 보행로봇이 제시되어 있고, 아울러, 한국 공개특허공보 제10-2011-0077784호에 제시된 바와 같은 "장애물 감지 및 회피를 위한 수중로봇의 장애물 감지기와 수중로봇 및 그 방법"에 따르면, 바퀴의 회전 운동을 제어하여 몸체의 이동 방향을 제어하는 이동 제어부, 몸체의 이동시 전방의 장애물과 접촉되는 적어도 하나의 덧판, 덧판과 타측이 연결되어 장애물이 접촉된 덧판으로부터 가해지는 압력에 따라 눌려지는 스프링 및 스프링의 일측과 연결되어 스프링이 눌려짐에 따라 가해지는 압력에 대응하여 몸체의 장애물과의 충돌을 감지하는 근접 센서를 포함하여 수중에서 이동중에 장애물의 감지 성능을 높일 수 있도록 구성되는 수중로봇에 대한 기술내용이 제시된 바 있다.
더욱이, 상기한 바와 같은 수중로봇에 대한 종래기술의 또 다른 예로는, 예를 들면, 한국 등록특허공보 제10-0576796호에 제시된 바와 같은 "원자로 내부구조물 검사 및 이물질제거용 수중로봇 시스템"에 따르면, 상부면에 설치되는 고휘도 LED와, 원자로 내부공간의 임의의 위치로 이동토록 추력을 발생하는 수직 및 수평방향의 추력기와, 원자로 내부공간을 관측하는 수중카메라를 구비하는 수중로봇, 상기 수중로봇의 위치와 자세를 측정하는 측정부, 센서와 영상처리기로부터 측정된 상기 수중로봇의 위치와 자세를 제어하는 원격제어부 및 상부구조물과 하부구조물을 검사하고 이물질을 제거하는 로봇암을 포함하여, 원자로의 검사시간을 단축하여 작업자의 방사선 쪼임량을 저감하고 고도의 정밀도로 원하는 부분을 정확하게 검사할 수 있도록 구성되는 원자로 내부구조물 검사 및 이물질제거용 수중로봇 시스템이 제시된 바 있다.
상기한 바와 같이, 종래, 사람의 투입이 불가능한 환경에 투입되어 다양한 작업을 수행하기 위한 수중로봇에 대한 여러 가지 기술내용이 제시된 바 있으나, 상기한 바와 같은 수중로봇에 관한 종래기술들은, 주로 해저 지형탐사와 같은 순수 과학적인 목적의 탐사나, 유전탐사와 같은 해양자원 개발 관련 작업, 또는, 군사적인 특수한 목적에만 국한되어 사용되어 왔으며, 그 적용 범위와 인공지능의 수준 또한, 예를 들면, 무인 항공기나 무인 자동차와 같은 지상의 로봇 기술에 비하면 상당히 제한적이었다.
즉, 사람의 투입이 불가능한 환경이나 기술적으로 통신환경이 열악한 지역에 사람 대신 투입되어 작업을 수행하기 위하여는, 높은 수준의 인공지능을 가지는 자율형 수중로봇에 대한 요구가 점점 높아지고 있으나, 아직까지도 이러한 고성능의 인공지능을 가지는 수중로봇에 대한 연구는 부족한 실정이다.
더 상세하게는, 상기한 바와 같이, 최근, 수중로봇에 있어서 여러 가지 응용 분야의 무인화 기술이 적용되어 더욱 고도화된 임무를 수행하고 높은 수준의 지능을 가지는 수중로봇의 개발이 요구되고 있으며, 이러한 기술적 흐름에 따라, 본 발명의 출원인인 한국해양과학기술원에서는, 인공지능 기반의 고정밀 임무수행을 위한 인공지능 알고리즘을 구현하고 실험으로 검증하기 위해 설계된 지능형 수중로봇을 개발하였다(선행기술문헌 5 참조).
그러나 상기한 기존의 수중로봇은, 추진기의 위치가 고정되어 있음으로 인해, 일반적인 무지향성 운동 성능은 충족되었지만 고속에서의 운동 성능은 만족스럽지 못하였고, 이로 인해 다양한 알고리즘의 검증과 구현이 쉽지 않았던 단점이 있었다.
이에, 다양한 알고리즘의 개발 및 검증을 수행할 수 있도록 하기 위해서는, 다양한 알고리즘의 성향에 폭넓게 적용 가능하도록 무지향성 운동성능뿐만 아니라 고속에서의 운동성능도 확보할 수 있는 수중로봇의 개발이 요구되고 있다.
따라서 상기한 바와 같이, 추진기의 위치가 고정되어 있음으로 인해 다양한 알고리즘의 검증과 구현이 쉽지 않았던 종래기술의 수중로봇의 단점을 해결하여 보다 효율적이고 다양한 알고리즘의 개발 및 검증을 수행할 수 있도록 하기 위해서는, 추진기의 위치를 필요에 따라 변경 배치할 수 있도록 가변적인 기구부 구조가 적용됨으로써 다양한 운동성능을 가지도록 구성되고, 그것에 의해 보다 다양한 알고리즘의 개발 및 검증이 가능하도록 구성되는 가변적 기구부가 적용된 새로운 형태의 수중로봇을 제공하는 것이 바람직하나, 아직까지 그러한 요구를 모두 만족시키는 장치나 방법은 제공되지 못하고 있는 실정이다.
[선행기술문헌]
1. 한국 등록특허공보 제10-1381218호 (2014.03.26.)
2. 한국 등록특허공보 제10-1260389호 (2013.04.26.)
3. 한국 공개특허공보 제10-2011-0077784호 (2011.07.07.)
4. 한국 등록특허공보 제10-0576796호 (2006.04.27.)
5. 최현택, 한경민, 이종무, 이정원, 김기훈, "지능 수중 로봇, yShark 개발", 2011 한국수중로봇기술연구회 춘계학술대회 논문집 p25 ~ 29
본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 하는 것으로, 따라서 본 발명의 목적은, 보다 고도화된 임무를 수행하고 높은 수준의 지능을 가지는 수중로봇의 개발을 위하여, 인공지능 기반의 고정밀 임무수행을 위한 다양한 알고리즘의 개발 및 검증을 수행할 수 있도록 구성되는 추진기 배치가 변경 가능한 가변구조 수중로봇을 제공하고자 하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 인공지능 알고리즘을 구현하고 실험으로 검증하기 위한 종래기술의 지능형 수중로봇은 추진기의 위치가 고정되어 있음으로 인해 일반적인 무지향성 운동 성능은 충족되나 고속에서의 운동 성능은 만족스럽지 못하여 다양한 알고리즘의 검증과 구현이 쉽지 않았던 단점을 해결하기 위해, 추진기의 위치를 필요에 따라 변경 배치할 수 있도록 구성되어 다양한 운동성능을 가지는 것에 의해 보다 효율적이고 다양한 알고리즘의 개발 및 검증을 수행할 수 있도록 구성되는 추진기 배치가 변경 가능한 가변구조 수중로봇을 제공하고자 하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따르면, 인공지능 알고리즘의 개발 및 검증을 수행할 수 있도록 구성되는 추진기 배치가 변경 가능한 가변구조 수중로봇에 있어서, 운동성의 향상을 위해 유체의 저항을 줄일 수 있는 어뢰 형태의 유선형 타입으로 형성되는 동체; 상기 동체 내부에 설치되는 메인 프레임; 상기 수중로봇의 수중에서의 주행 및 방향 결정을 위해 상기 메인프레임에 각각 방향 및 배치 위치를 변경 가능하도록 설치되는 복수의 추진기; 일단측이 상기 메인 프레임의 측면을 따라 슬라이드 방식으로 이동 가능하도록 상기 메인 프레임에 장착되어 고정되는 프레임 장착부와, 상기 프레임 장착부에 연장하여 각도 조절이 가능하도록 고정되며 타단에는 상기 추진기가 고정 설치되는 추진기 장착부를 포함하여 이루어지는 고정브라켓; 상기 메인 프레임의 상부를 덮도록 반원형으로 형성되고, 양 끝단에는 상기 메인 프레임의 측면에 결합하기 위한 장착홈부가 형성되며, 미리 정해진 일정 크기로 모듈화되어 형성되는 것에 의해 탈부착이 용이한 동시에 부력량을 분산하여 균형적으로 배치할 수 있도록 형성되는 복수의 부력재; 상기 수중로봇의 전체적인 동작을 제어하기 위한 제어시스템이 탑재되어 상기 메인프레임의 선두부에 장착되는 시스템 내압용기; 상기 제어시스템과 상기 추진기에 전력을 공급하기 위한 배터리가 탑재되어 상기 메인프레임의 선미부에 장착되는 배터리 내압용기; 및 상기 메인프레임에 각각 장착되는 복수의 센서 및 카메라를 포함하여 이루어지는 기구부를 포함하여 구성되고, 상기 수중로봇은, 상기 고정브라켓을 이용하여 각각의 상기 수평 추진기를 상기 메인 프레임의 측면에 장착하는 것에 의해 각각의 상기 수평 추진기의 방향이나 각도를 자유로이 설정 가능한 동시에, 상기 메인 프레임의 측면에 형성된 가이드홈을 따라 상기 부력재의 위치를 이동하여 장착함으로써 상기 수중로봇의 무게중심과 부력중심을 교정하여 자세 제어의 효율성을 높일 수 있고, 장착되는 센서나 장비의 종류나 위치가 달라짐으로 인한 부력의 변화량을 용이하게 변경 및 조절할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 추진기 배치가 변경 가능한 가변구조 수중로봇이 제공된다.
여기서, 상기 수중로봇은, 각각의 상기 추진기를 보호하기 위하여 상기 동체에 지느러미 형상으로 형성되는 덕트를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 메인 프레임은, 상기 시스템 내압용기와 상기 배터리 내압용기를 수용하고 상기 기구부에 설치되는 각종 센서와 장비들을 운용목적에 따라 위치를 변경하여 장착할 수 있도록 복수의 관통공과 개구부 및 가이드홈이 형성되어 있는 한 쌍의 판형 프레임; 및 상기 판형 프레임을 상기 동체 내부에 고정하기 위한 복수의 환형 프레임을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 판형 프레임은, AL 6061과 POM(Polyoxymethylene)의 두 가지 재질을 사용하여 구성되며, 상기 환형 프레임은, 플라스틱 재질의 POM으로 제작되고, 전체 하중으로 인한 처짐과 비틀림을 방지하기 위해 SUS304 재질의 파이프로 관통하여 보강하도록 구성됨으로써, 전체 강도는 유지하면서 불필요한 무게를 절감할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 기구부는, 상기 메인프레임의 상기 시스템 내압용기와 상기 배터리 내압용기 사이에 각각 적어도 하나 이상 설치되는 관성센서(Inertial Measurement unit; IMU), DVL(Doppler Velocity Log), 하향 카메라 및 좌우 측면에 각각 배치되는 한 쌍의 소나(sonar)와, 상기 메인프레임의 선두부에 각각 설치되는 전방 카메라, 상기 전방카메라의 좌우측에 각각 장착되는 한 쌍의 라이트, 전방과 하방 및 좌우 측방으로 각각 배치되는 복수의 소나, 수중청음기(hydrophone) 및 통신모듈과, 상기 메인프레임의 선미부에 후방과 상방으로 각각 설치되는 한 쌍의 소나를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
더욱이, 상기 추진기는, 상기 메인프레임의 선두부와 선미부에 각각 설치되는 한 쌍의 수직 추진기; 및 상기 메인프레임의 좌우 측면에 위치 및 방향을 변경 가능하도록 각각 배치되는 복수의 수평 추진기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 시스템 내압용기는, 상기 수중로봇의 제어를 위한 주제어 컴퓨터, 영상분석을 위한 영상분석 전용 컴퓨터 및 음향분석을 위한 음향분석 전용 컴퓨터를 포함하는 적어도 3대의 컴퓨터가 내부프레임에 적층식으로 탑재되고, 내부 센서로서 온도센서, 습도센서, 배터리 잔량 측정센서, 심도센서 및 PCB 기판이 별도의 브라켓에 장착되는 것에 의해, 장착위치를 각각 변경하여 조립할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 배터리 내압용기는, 상기 배터리 내압용기는, 상기 배터리 내압용기를 밀폐하기 위한 엔드캡(End Cap)에 설치되는 적어도 하나의 방수 스위치; 및 상기 방수 스위치의 누수를 방지하기 위해 상기 엔드캡의 내측에서 상기 방수 스위치를 수용하도록 형성되는 방수케이스를 포함하는 이중 방수구조로 구성됨으로써, 상기 배터리가 물과 직접 접촉하는 것을 방지하여 배터리 폭발의 위험을 방지할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
더욱이, 상기 방수케이스는, 투명한 재질로 형성되어 상기 방수 스위치의 파손이나 누수를 포함하는 이상 여부를 분해하지 않고도 눈으로 보고 판단할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 시스템 내압용기 및 상기 배터리 내압용기는, AL6061 합금을 사용하여 부식방지와 수밀 및 방수가 가능한 구조로 설계되며, SUS 재질의 V 벨트(v-belt)를 사용하여 덮개와 체결됨으로써 조립과 해체가 용이하도록 구성되어 상기 메인 프레임의 선두부에 탈부착 가능하도록 탑재되는 것을 특징으로 한다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 인공지능 기반의 고정밀 임무수행을 위한 다양한 알고리즘의 개발 및 검증을 수행할 수 있도록 구성되는 추진기 배치가 변경 가능한 가변구조 수중로봇이 제공됨으로써, 보다 고도화된 임무를 수행하고 높은 수준의 지능을 가지는 수중로봇의 개발을 가능하도록 할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 추진기의 위치를 필요에 따라 변경 배치할 수 있도록 구성되어 다양한 운동성능을 가지는 것에 의해 보다 효율적이고 다양한 알고리즘의 개발 및 검증을 수행할 수 있도록 구성되는 추진기 배치가 변경 가능한 가변구조 수중로봇이 제공됨으로써, 인공지능 알고리즘을 구현하고 실험으로 검증하기 위한 종래기술의 지능형 수중로봇은 추진기의 위치가 고정되어 있음으로 인해 일반적인 무지향성 운동 성능은 충족되나 고속에서의 운동 성능은 만족스럽지 못하여 다양한 알고리즘의 검증과 구현이 쉽지 않았던 문제점을 해결할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 추진기 배치가 변경 가능한 가변구조 수중로봇의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 추진기 배치가 변경 가능한 가변구조 수중로봇의 추진기 배치를 변경하는 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 도 1에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 추진기 배치가 변경 가능한 가변구조 수중로봇의 구체적인 제원을 표로 정리하여 나타내는 도면이다.
도 4는 도 1에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 추진기 배치가 변경 가능한 가변구조 수중로봇의 구체적인 내부 구조를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 5는 도 1에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 추진기 배치가 변경 가능한 가변구조 수중로봇의 메인 프레임의 구체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 6은 도 1에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 추진기 배치가 변경 가능한 가변구조 수중로봇의 추진기의 위치를 변경하기 위한 구체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 7은 도 1에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 추진기 배치가 변경 가능한 가변구조 수중로봇에 설치되는 부력재의 구체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 추진기 배치가 변경 가능한 가변구조 수중로봇의 배터리 내압용기에 적용된 이중 방수구조의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 추진기 배치가 변경 가능한 가변구조 수중로봇의 추진기 배치를 변경하는 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 도 1에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 추진기 배치가 변경 가능한 가변구조 수중로봇의 구체적인 제원을 표로 정리하여 나타내는 도면이다.
도 4는 도 1에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 추진기 배치가 변경 가능한 가변구조 수중로봇의 구체적인 내부 구조를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 5는 도 1에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 추진기 배치가 변경 가능한 가변구조 수중로봇의 메인 프레임의 구체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 6은 도 1에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 추진기 배치가 변경 가능한 가변구조 수중로봇의 추진기의 위치를 변경하기 위한 구체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 7은 도 1에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 추진기 배치가 변경 가능한 가변구조 수중로봇에 설치되는 부력재의 구체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 추진기 배치가 변경 가능한 가변구조 수중로봇의 배터리 내압용기에 적용된 이중 방수구조의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 추진기 배치가 변경 가능한 가변구조 수중로봇의 구체적인 실시예에 대하여 설명한다.
여기서, 이하에 설명하는 내용은 본 발명을 실시하기 위한 하나의 실시예일 뿐이며, 본 발명은 이하에 설명하는 실시예의 내용으로만 한정되는 것은 아니라는 사실에 유념해야 한다.
또한, 이하의 본 발명의 실시예에 대한 설명에 있어서, 종래기술의 내용과 동일 또는 유사하거나 당업자의 수준에서 용이하게 이해하고 실시할 수 있다고 판단되는 부분에 대하여는, 설명을 간략히 하기 위해 그 상세한 설명을 생략하였음에 유념해야 한다.
즉, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 보다 고도화된 임무를 수행하고 높은 수준의 지능을 가지는 수중로봇의 개발을 위하여, 인공지능 기반의 고정밀 임무수행을 위한 다양한 알고리즘의 개발 및 검증을 수행할 수 있도록 구성되는 추진기 배치가 변경 가능한 가변구조 수중로봇에 관한 것이다.
또한, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 인공지능 알고리즘을 구현하고 실험으로 검증하기 위한 종래기술의 지능형 수중로봇은 추진기의 위치가 고정되어 있음으로 인해 일반적인 무지향성 운동 성능은 충족되나 고속에서의 운동 성능은 만족스럽지 못하여 다양한 알고리즘의 검증과 구현이 쉽지 않았던 단점을 해결하기 위해, 추진기의 위치를 필요에 따라 변경 배치할 수 있도록 구성되어 다양한 운동성능을 가지는 것에 의해 보다 효율적이고 다양한 알고리즘의 개발 및 검증을 수행할 수 있도록 구성되는 추진기 배치가 변경 가능한 가변구조 수중로봇에 관한 것이다.
계속해서, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 추진기 배치가 변경 가능한 가변구조 수중로봇의 구체적인 실시예에 대하여 설명한다.
여기서, 본 발명에 따른 추진기 배치가 변경 가능한 가변구조 수중로봇의 구체적인 내용에 대하여 설명하기 전에, 이해를 돕기 위해, 먼저, 인공지능 기반의 고정밀 임무수행을 위한 알고리즘 개발 및 검증을 수행하기 위해 본 발명자들에 의해 제시된 기존의 수중로봇의 구성에 대하여 설명하면 다음과 같다.
또한, 이하에 설명하는 기존의 수중로봇의 보다 구체적인 구성 및 동작은, 상기한 선행기술문헌(선행기술문헌 5 참조)에 기재된 내용을 통하여 당업자가 용이하게 이해할 수 있으므로, 여기서는 세부적인 구성에 대한 상세한 설명까지는 생략하였음에 유념해야 한다.
즉, 인공지능 알고리즘을 구현하고 실험으로 검증하기 위해 본 발명의 발명자들에 의해 제시된 기존의 수중로봇은, 평면에서의 무지향성 제어 구조를 위해 수평 추진기 4대를 정사각형 위치에 배치하여 평면상에서 1대의 여유 자유도가 있으며, 수직 추진기는 앞뒤에 장착하여 롤(roll) 운동을 제외한 5 자유도 운동이 가능하도록 구성된다.
또한, 상기한 기존의 수중로봇은, 리튬 폴리머 배터리를 사용하여 알고리즘 개발과 검증에 필요한 컴퓨터 배터리를 충분한 용량으로 확보하였고, 2대의 수중 카메라를 구비하여 1대는 전방, 다른 한 대는 바닥의 영상을 수신할 수 있도록 설치되며, 필요에 따라 2대를 전방의 스테레오 카메라 형태로 장착할 수 있도록 구성된다.
아울러, 상기한 기존의 수중로봇은, 수중 음향신호를 감지하여 신호의 특성과 신호의 방향을 실시간으로 분석할 수 있는 스테레오 하이드로폰과 증폭 앰프를 장착하는 동시에, 시스템 제어와 동작 제어를 위한 주제어 컴퓨터 이외에 영상분석 전용 컴퓨터와, 음향분석 전용 컴퓨터를 추가로 장착하여 복잡한 알고리즘 충분히 처리할 수 있는 연산능력을 확보할 수 있도록 구성된다.
더욱이, 상기한 기존의 수중로봇은, 수중로봇의 알고리즘의 개발에 있어서 가장 난점이 되는 실시간 디버깅을 위해, 유선 랜과, USB 장치를 장착할 수 있는 USB 포트와, 수면에서 운동중 통신이 가능한 무선 랜 및 근거리에서 수중 운동중에도 케이블의 영향을 최소로 하면서 빠른 통신이 가능한 광통신 포트를 포함하는 다양한 디버깅 포트를 구비하도록 구성된다.
또한, 상기한 기존의 수중로봇은, AHRS(Attitude Heading Reference System)로서 최소한의 성능만을 가지는 2대의 저가형 AHRS를 구비하여 데이터 퓨전(data fusion)이 가능하도록 구성되거나, 또는, 저가형 AHRS와 고가의 관성센서(Inertial Measurement unit; IMU)를 동시에 구비하도록 구성되고, 이때, AHRS는 제어용기에 장착되고 IMU 센서는 별도의 내압용기에 탑재하여 수중로봇의 가장 중심축에 장착되며, 수중 평면에서의 구체적인 운동성능인 속도를 측정하기 위해 DVL(Doppler Velocity Log)을 장착함으로써 환경과의 관계에 의해 얻어지는 정보와 관성 항법에 의해 얻어지는 정보를 융합하는 연구가 가능하도록 구성되는 동시에, 광학 카메라에 의한 수중 영상은 탁도에 크게 종속되고 통상 그 범위가 넓지 않음을 보완하기 위한 방법으로 다중 주사 소나(Multi-beam Sonar)를 장비하여 수중로봇의 수중 시각 측정범위를 넓힐 수 있도록 구성된다.
그러나 기존의 수중로봇은, 추진기의 위치가 고정되어 있음으로 인해 일반적인 무지향성 운동 성능은 충족되나 고속에서의 운동 성능은 만족스럽지 못하여 다양한 알고리즘의 검증과 구현이 쉽지 않았던 단점이 있었으며, 이에, 본 발명자들은, 상기한 바와 같은 기존의 수중로봇의 단점을 해소하기 위해, 다양한 알고리즘의 성향에 폭넓게 적용 가능하도록 무지향성 운동성능뿐만 아니라 고속에서의 운동성능도 확보할 수 있는 새로운 구조의 수중로봇을 개발하였다.
계속해서, 도면을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 추진기 배치가 변경 가능한 가변구조 수중로봇의 구체적인 구성에 대하여 설명한다.
여기서, 이하에 설명하는 본 발명의 실시예에 있어서, 상기한 기존의 수중로봇과 유사 내지 동일하게 하여 구성 가능한 내용에 대하여는, 상기한 기존의 수중로봇에 관한 기술내용(선행기술문헌 5 참조) 및 그 밖의 다른 종래기술 문헌들을 통하여 당업자가 용이하게 이해하고 실시할 수 있으므로, 설명을 간략히 하기 위해, 여기서는 그러한 종래기술과 유사한 부분에 대한 상세한 설명은 생략하고, 다른 부분에 대하여만 중점적으로 설명하였음에 유념해야 한다.
먼저, 도 1을 참조하면, 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 추진기 배치가 변경 가능한 가변구조 수중로봇(10)의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 추진기 배치가 변경 가능한 가변구조 수중로봇(10)은, 고정밀 임무수행을 위한 다양한 인공지능 알고리즘의 효율적인 개발 및 검증을 위해 센서와 장비의 장착위치와 형태를 변경할 수 있도록 설계된 가변 구조의 수중로봇으로서 설계된 것으로, 도 1에 나타낸 바와 같이, 동체(11)는 운동성의 향상을 위해 유체의 저항을 줄일 수 있는 어뢰 형태의 유선형 타입으로 형성되고, 이와 함께, 수중에서의 주행과 방향을 결정하는 복수의 추진기(12) 및 각각의 추진기(12)를 보호하기 위한 지느러미 형상의 덕트(13)가 양 측면에 장착되어 있다.
여기서, 상기한 동체(11)는, 엄밀히 말해, 수중로봇(10)의 내부를 포함하지 않는 단순한 외부 표면을 형성하는 부분만을 의미하는 것임에 유념해야 하며, 구체적으로는, 예를 들면, 전체 길이 1950mm, 외형지름 386mm 크기이고, 무게는 약 7kg으로 형성되고, 그 재질은, 예를 들면, 섬유 강화 플라스틱(fiberglass reinforced plastics ; FRP)과 같은 플라스틱계 복합재료를 이용하여 경량이고 내식성 및 성형성이 뛰어난 고성능 고기능성 재질로 구성될 수 있으나, 본 발명은 반드시 이러한 구성으로만 한정되는 것은 아님에 유념해야 한다.
또한, 상기한 수중로봇(10)에는, 도시되지는 않았으나, 각종 센서, 라이트, 카메라, 통신 및 제어장치 등이 내장되어 있으며, 여기에 후술하는 바와 같이 하여 추진기의 위치를 변경할 수 있도록 하는 가변형 구조의 기구부적 특징을 부가함으로써, 기존의 수중로봇에 비해 다양한 운동성능을 가지도록 구성되어 더욱 다양한 알고리즘의 개발 및 검증이 가능하도록 구성되어 있다.
즉, 도 2를 참조하면, 도 2는 도 1에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 추진기 배치가 변경 가능한 가변구조 수중로봇(10)의 추진기 배치를 변경하는 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 수중로봇(10)에는 추진기(21)와 시야 확보를 위한 라이트(22)가 복수 개 설치되며, 더 상세하게는, 먼저, 도 2a에 나타낸 바와 같은 추진기의 배치는 기존의 수중로봇과 같은 형태로 무지향성 운동을 구현하기에 적합하나 고속 주행이 어려운 형태이며, 도 2b 및 도 2c의 경우는 선두부의 추진기 위치가 앞쪽으로 이동되고 추진기 방향이 변경되면서 조정성능이 뛰어난 형태로 변경된 경우이며, 도 2d와 같은 추진기의 배치를 적용했을 경우에는 추력이 좋아져 고속 주행에 적합한 형태의 수중 로봇이 된다.
따라서 이와 같이 여러 가지 형태의 추진기의 배치가 가능하도록 구성됨으로써, 개발 또는 검증하고자 하는 알고리즘에 적합한 수중로봇의 운동 특성을 다양하게 구현할 수 있다.
아울러, 도 3을 참조하면, 도 3은 도 1에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 추진기 배치가 변경 가능한 가변구조 수중로봇(10)의 구체적인 제원을 표로 정리하여 나타내는 도면이다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 수중로봇(10)의 구체적인 제원은, 예를 들면, 전체길이는 1,950mm이고, 외형지름은 386mm이며, 장착되는 모든 센서를 탑재했을 때 무게는 공기 중에서 약 93kg이고, 수중에서 중성 부력을 유지할 수 있도록 약간의 양성을 가지도록 제작될 수 있다.
여기서, 도 3의 표에 나타낸 제원은 본 발명에 따른 추진기 배치가 변경 가능한 가변구조 수중로봇의 구성을 설명하기 위한 하나의 구성예를 나타내는 것으로, 즉, 본 발명은 반드시 도 3에 나타낸 바와 같은 구성으로만 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 얼마든지 다른 제원 및 구성을 가지도록 구성될 수 있는 것임에 유념해야 한다.
계속해서, 도 4를 참조하면, 도 4는 도 1에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 추진기 배치가 변경 가능한 가변구조 수중로봇(10)의 구체적인 내부 구조를 개략적으로 나타내는 도면이다.
더 상세하게는, 도 4에 나타낸 바와 같이, 메인프레임(41)을 기준으로 수중로봇(10)의 선두부에는 수중로봇(10)의 전체적인 동작을 제어하기 위한 각종 제어시스템이 탑재되는 시스템 내압용기(42)가 배치되고, 선미부에는 배터리가 설치되는 배터리 내압용기(43)가 각각 배치되며, 이와 같이 가장 중요한 장비이자 무게가 큰 장비인 두 내압용기(42, 43)가 선두와 선미에 각각 배치됨으로써 수중로봇(10)의 전체적인 균형을 유지할 수 있도록 구성된다.
또한, 두 내압용기(42, 43) 사이인 기구부의 중심축에는, 도 4에 나타낸 바와 같이, 관성센서(Inertial Measurement unit; IMU)(44), DVL(Doppler Velocity Log)(45) 및 하향 카메라(46)와 같은 측정 및 관측장비가 각각 장착되고, 한 쌍의 소나(47)가 좌우 양측면에 각각 장착된다.
아울러, 선두부에는, 도 4에 나타낸 바와 같이, 전방 카메라(48)와 전방을 밝혀줄 수 있도록 좌우측에 라이트(49)가 각각 장착되며, 전방과 하방 및 좌우 측방으로 각각 소나(50)가 장착되고, 이에 더하여, 수중청음기(hydrophone)(51) 및 통신모듈(52)이 장착되어 있다.
더욱이, 수중로봇(10)의 전후 양단에는, 도 4에 나타낸 바와 같이, 수중로봇(10)이 정지상태에서 심도를 유지할 수 있도록 수직 추진기(53)가 각각 배치되고, 수중로봇(10)의 중심점을 기준으로 평면상의 정사각형의 꼭짓점이 되는 위치에 각각 수평 추진기(54)를 4개 배치하여 무지향성 움직임이 가능하도록 구성된다.
또한, 수중로봇(10)의 선미부에는, 도 4에 나타낸 바와 같이, 후방과 상방으로 각각 소나(55)가 설치되어 있다.
여기서, 상기한 수중로봇(10)에 장착되는 모든 센서 및 장비들은, 바람직하게는, 수중로봇(10) 전체의 무게와 간섭을 고려하여 메인 프레임(41)을 기준으로 전후 및 좌우 대칭으로 균형적으로 배치된다.
계속해서, 도 5를 참조하면, 도 5는 도 1에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 추진기 배치가 변경 가능한 가변구조 수중로봇(10)의 메인 프레임(41)의 구체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 5에 나타낸 바와 같이, 상기한 메인 프레임(41)은, 크게 나누어, 시스템 내압용기(42)와 배터리 내압용기(43)를 수용하고 각종 센서와 장비들을 운용목적에 따라 그 위치를 변경하여 장착할 수 있도록 복수의 관통공 및 개구부를 포함하여 구성되는 한 쌍의 판형 프레임(56)과, 판형 프레임(56)을 동체(11) 내부에 고정하기 위한 복수의 환형 프레임(57)으로 이루어진다.
여기서, 상기한 메인 프레임(41)은, 시스템 내압용기(42)와 배터리 내압용기(43)를 수용하는 동시에 전후 및 좌우 대칭으로 균형적으로 각종 센서와 장비들을 장착할 수 있도록 그 위치와 크기를 고려하여 설계되며, 그 크기는, 예를 들면, 외경지름 약 380mm, 길이 약 1715mm, 공기 중 무게는 약 18.5kg, 수중 무게는 약 9.8kg으로 구성될 수 있으나, 반드시 이러한 구성으로만 한정되는 것은 아니다.
아울러, 상기한 메인 프레임(41)의 재질은, 전체 무게와 강도를 고려하여 세 가지 종류의 재질이 적용되며, 먼저, 내압용기(42, 43)와 같이 하중의 영향을 많이 받는 판형 프레임(51)은, AL(알루미늄) 6061과 POM(Polyoxymethylene)의 두 가지 재질을 사용하여 프레임의 전체 강도는 유지하면서 불필요한 무게를 절감할 수 있도록 구성되며, 이때, 각 위치에 따라 작용하는 하중을 고려하여, 예를 들면, AL6061은 5mm, POM은 5 ~ 10mm 두께의 재질을 이용하여 구성될 수 있다.
반면, 환형 프레임(57)은 하중을 견디기 위한 역할보다는 판형 프레임(56)의 고정을 위한 부분이므로 무게를 줄이기 위해 전체적으로는 플라스틱 재질의 POM으로 제작되고, 이때, 전체 하중으로 인한 프레임의 처짐과 비틀림을 방지하기 위해 환형의 프레임을 SUS304 파이프로 관통하여 보강하도록 구성된다.
따라서 이러한 POM 재질의 복수의 환형 프레임(57)과 알루미늄 재질의 판형 프레임(56)을, 예를 들면, M4 크기 이상의 볼트로 체결하여 도 5에 나타낸 바와 같은 메인 프레임(41)을 구성함으로써, 세 종류의 다른 재질을 적용하여 전체 프레임을 구성하는 것에 의해 프레임의 전체 강도는 유지하면서 불필요한 무게를 절감할 수 있다.
여기서, 수중로봇의 운동성과 속도는 장착된 추진기의 방향과 위치에 따라 결정되고, 이때, 추진기는 앰프 내장형이며 속도 제어가 가능하도록 구성되어, 예를 들면, 전방향 8.2kg, 후방향 3.2kg의 출력을 내도록 구성될 수 있다.
또한, 기존의 수중로봇은, 상기한 도 2a에 나타낸 바와 같이, 4개의 수평 추진기가 평면상에 정사각형 꼭짓점에 각각 위치하고 있고, 수직 추진기 2개가 선수와 선미부에 각각 장착되어 총 6개의 추진기로 5 DOF(자유도) 운동이 가능한 호버링(Hovering) 타입의 수중로봇으로서, 각각의 추진기가 고정되어 있어 다양한 알고리즘의 개발과 검증에 어려운 점이 있었다.
그러나 본 발명의 실시예에 따른 수중로봇(10)은, 예를 들면, 도 2b 및 도 2c에 나타낸 바와 같이, 메인 프레임(41) 측면에 장착된 각각의 추진기의 위치와 방향을 변경 가능하도록 구성되어, 알고리즘의 성향에 따라 추진기 장착위치를 변경함으로써 수중 운동특성을 변화시킬 수 있는 가변적 구조로 구성되는 것을 특징으로 하는 것이다.
더 상세하게는, 도 6을 참조하면, 도 6은 도 1에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 추진기 배치가 변경 가능한 가변구조 수중로봇(10)의 추진기의 위치를 변경하기 위한 구체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
즉, 도 6에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 수중로봇(10)은, 일단측이 판형 프레임(56)의 측면을 따라 슬라이드 방식으로 이동 가능하도록 판형 프레임(56)에 장착되어 임의의 위치에 고정되는 프레임 장착부(61)와, 상기한 프레임 장착부(61)에 연장하여, 예를 들면, 볼트나 리벳 등으로 각도 조절이 가능하도록 고정되며, 타단에는 추진기(54)가 고정 설치되는 추진기 장착부(62)를 포함하여 이루어지는 고정브라켓(63)에 의해, 각각의 추진기(54)의 방향이나 각도를 자유로이 설정 가능하도록 구성된다.
따라서 상기한 바와 같은 구성을 통하여, 본 발명의 실시예에 따른 수중로봇(10)을 이용하면, 검증 또는 개발하고자 하는 알고리즘의 성향에 따라 추진기의 형태나 각도 및 위치를 원하는 운동성능을 위한 형태로 변경하여 장착이 가능하므로, 다양한 수중 운동특성을 구현 가능하여 여러 가지 다양한 알고리즘의 개발 및 검증에 폭넓게 활용할 수 있다.
계속해서, 도 7을 참조하면, 도 7은 도 1에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 추진기 배치가 변경 가능한 가변구조 수중로봇(10)에 설치되는 부력재의 구체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
즉, 도 7에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 수중로봇(10)은, 전체적으로 메인 프레임(41)의 상부를 덮도록 반원형으로 형성되고, 양 끝단에는 판형 프레임(56)의 측면에 길게 형성된 가이드홈을 통하여 인서트나 결합볼트 등으로 판형 프레임(56)에 결합하기 위한 장착홈부(71)가 형성되어 미리 정해진 일정 크기로 모듈화되어 형성되는 복수의 부력재(72)를 포함하여 구성된다.
여기서, 상기한 부력재(72)는, 바람직하게는, 해수의 흡수로 인한 손상을 방지할 수 있도록 코팅처리를 행하도록 구성될 수 있다.
따라서 상기한 바와 같은 모듈화된 부력재(72)의 구성에 따르면, 부력량을 분산하여 균형적으로 배치할 수 있고, 탈부착이 용이한데 더하여, 판형 프레임(56)의 측면에 길게 형성된 가이드홈을 따라 부력재(72)의 위치를 앞뒤로 이동하여 장착할 수 있으므로, 수중로봇(10)의 무게중심과 부력중심을 교정하여 자세 제어의 효율성을 높일 수 있을 뿐만 아니라, 알고리즘의 성향에 따라 장착되는 센서나 장비의 종류나 위치가 달라짐으로 인한 부력의 변화량을 용이하게 변경 및 조절할 수 있다.
즉, 일반적으로, 수중로봇은, 수중에서의 운용 목적에 맞도록 설계 사양이 설정되고 각종 부품 및 장비의 배치가 결정되며, 이러한 부품 및 장비의 배치와 동시에 수중로봇의 무게 중심과 부력중심을 고려하여 부력재를 배치하게 되고, 이와 같이 수중로봇의 발라스트(균형)가 맞춰질 때 비로소 수중로봇은 목적에 맞는 기본적인 운동 성능을 구현할 수 있다.
그러나 만약 운동 특성을 변경하기 위해 추진기의 배치를 변경할 경우는 기존에 설정된 발라스트가 깨지게 되어 기본적인 운동 성능조차 구현해낼 수 없게 되며, 종래의 일반적인 수중로봇은 추진기와 부력재의 배치가 특정 운동 성능에 맞추어 그 위치가 고정되어 있으므로 배치의 변경이 어려움으로 인해 다양한 운동성능을 구현해 내기 어려운 단점이 있는 것이었다.
따라서 종래에는, 운동 특성을 변경하기 위하여는 대부분 새로운 기구부를 제작하여 수중로봇의 구조를 변경해야 하고, 추진기의 배치 변경에 따라 달라지는 발라스트를 맞추기 위해 부력재도 그 양을 재분배하여 위치를 재설정해야 하는 어려움이 있었다.
이에, 본 발명자들은, 특정한 운동 특성만을 구현하는데 국한되지 않고 다양한 운동 성능을 구현해 낼 수 있도록 하기 위해, 상기한 바와 같이 수중로봇의 추진기 배치의 변경이 가능한 데 더하여, 추진기의 배치에 따라 달라지는 발라스트를 위해 부력의 양과 위치 또한 손쉽게 변경 가능한 구조를 함께 적용하여 가변구조를 가지는 수중로봇을 설계하였다.
즉, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 수중로봇(10)에 장착된 네 개의 수평 추진기(54)는 별도의 고정브라켓(63)을 가지고, 이러한 고정브라켓(63)은 수중로봇(10)의 전체 기구부의 중심인 메인 프레임(41)의 측면에 길게 가공된 홀과 조립됨으로써, 메인 프레임(41)의 측면에 가공된 홀을 이용하여 고정브라켓(63)이 앞뒤로 슬라이딩하는 것에 의해 각각의 추진기 배치가 변경 가능하게 된다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 수중로봇(10)에 장착되는 부력재(72)는, 각각 형상은 동일하되 부력의 양에 따라 크기를 다르게 형성하여 세 가지 타입으로 모듈화되어 구성되며, 이러한 부력재(72)는 별도의 고정브라켓이 필요 없이 끝단에 인서트를 가공하고, 양 측면에서 메인 프레임(41)의 홀에 장착되어 그 위치를 이동하여 배치할 수 있는 가변구조를 적용하였다.
따라서 상기한 바와 같이 가변구조가 적용된 본 발명의 실시예에 따른 수중로봇(10)은, 별도의 기구부의 제작이 필요 없이 추진기의 배치를 변경할 수 있고, 변경된 추진기의 배치에 맞는 부력재의 이동 또한 손쉽게 이루어짐으로써, 항상 수중로봇의 발라스트가 만족되어 검증하고자 하는 알고리즘의 성향 및 운용 목적에 맞게 다양한 운동성능을 구현해 낼 수 있게 된다.
계속해서, 도 1에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 추진기 배치가 변경 가능한 가변구조 수중로봇(10)의 시스템 내압용기(42)에 설치되는 제어시스템의 구체적인 구성에 대하여 설명한다.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 추진기 배치가 변경 가능한 가변구조 수중로봇(10)의 시스템 내압용기(42)에는, 시스템 제어와 동작 제어를 위한 주제어 컴퓨터, 영상분석 전용 컴퓨터, 음향분석 전용 컴퓨터를 포함하는 적어도 3대의 컴퓨터가 장착되고, 이를 통해 복잡한 알고리즘을 충분히 처리할 수 있는 연산능력을 확보할 수 있도록 구성된다.
더 상세하게는, 먼저, 수중로봇(10)의 시스템과 동작 제어를 위한 주제어 컴퓨터는, AD/DA/DIO와 전체 시스템 장치의 전원 단속을 위한 릴레이(Relay)를 포함하여 구성되고, 영상분석 전용 컴퓨터는, NTSC-USB 변환기를 통해 영상을 입력받아 처리하도록 구성되며, 음향분석 전용 컴퓨터는, 수중청음기(51)의 신호를 증폭한 신호를 AD를 통해 수신받아 처리하도록 구성된다.
또한, 상기한 시스템 내압용기(42)에는, 내부 센서로서, 온도센서, 습도센서, 배터리 잔량 측정센서, 심도센서 및 기타 PCB 기판이 설치될 수 있다.
여기서, 상기한 시스템 내압용기(42)는, 예를 들면, AL6061 합금을 사용하여 부식을 방지하고 수밀 및 방수가 가능한 구조로 설계되며, 그 체결방식은, SUS 재질의 V 벨트(v-belt)를 사용하여 다수의 볼트를 다루어야 하는 조립과 해체 방식을 보다 단순화함으로써, 내부 시스템의 접근이 용이하도록 설계된다.
아울러, 시스템 내압용기(42) 내부에 장착되는 컴퓨터 및 PCB는 내부프레임에 적층식으로 탑재되고, 내장 센서들은 별도의 브라켓에 장착되며, 시스템 내압용기(42)가 메인 프레임(41)에 탈부착 가능한 형태로 탑재되고, 이러한 내부 배치는, PCB와 센서의 수량이나 형상이 달라질 경우 내부프레임에 장착되는 위치를 변경하여 조립할 수 있도록 하여 공간과 배선에 따라 각각의 장착위치를 변경 가능하도록 구성된다.
다음으로, 배터리 내압용기(43)에 설치되는 배터리 시스템에 대하여 설명하면, 먼저, 배터리는, 예를 들면, 리튬 폴리머 배터리를 사용하여, 컴퓨터용과 추진기용이 각각 별도로 장착된다.
또한, 배터리 내압용기(43) 내부의 배터리는 별도의 내부프레임에 장착되고, 이러한 내부 프레임이 엔드캡(Endcap)에 고정되어 배터리가 내부에서 움직이지 않도록 구성되며, 이와 같이 구성되는 배터리 내압용기(43)는, 충전된 새로운 배터리 용기와 교체가 용이하도록 메인 프레임(41)의 선미부에 장착된다.
아울러, 배터리 내압용기(43)는, 부식에 강한 AL6061 합금 재질을 사용하여 수밀 및 방수가 가능한 구조로 설계되고, 배터리 내압용기(43)의 체결방식도, 상기한 시스템 내압용기(42)와 마찬가지로, SUS 재질의 V 벨트(v-belt)를 사용하여 내부에 설치된 배터리의 수리 및 교체가 용이하도록 구성된다.
더욱이, 도 8을 참조하면, 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 추진기 배치가 변경 가능한 가변구조 수중로봇의 배터리 내압용기에 적용된 이중 방수구조의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
즉, 도 8에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 수중로봇(10)의 배터리 내압용기(43)는, 엔드캡(End Cap)(81)과 회전체를 포함하는 방수 스위치(82) 및 방수 스위치(82)를 내부에 수용하는 방수케이스(83)의 이중 방수구조로 구성되어 있다.
더 상세하게는, 일반적으로, 고정체의 방수구조의 경우, 고정용 정적 오링(o-ring) 만을 사용하여 완벽한 수밀 및 방수가 가능하지만, 방수 스위치와 같이 회전체를 포함하는 부품의 방수구조를 설계하는 경우는, 누수를 방지하기 위해 부품 내부에 오일을 채우거나, 관통되는 회전부에 다중 구조의 실링(sealing) 또는 다이나믹 실링(운동용 동적 오링)을 적용하여 누수를 방지하는 것이 일반적인 설계이다.
그러나 이러한 일반적인 회전체의 방수설계를 수중로봇에 적용할 경우, 시간이 경과함에 따라 사용 빈도수가 증가하게 되면서 오일 또는 오링 등과 같은 소모품을 주기적으로 교체해야하는 유지 보수의 번거로움이 있으며, 예를 들면, 오일을 사용하는 경우, 시간이 지나면서 오일이 새어나오기도 하고, 주기적으로 오일을 교체해야 하는 번거로움이 있으며, 오링의 경우, 손상의 여부를 눈으로 확인하기 어려워 교체 시기를 인지하지 못하는 경우도 많고, 이를 방지하기 위해서는 손상 여부와 관계없이 일정 주기가 되면 무조건 교체해야 하므로 비용이 낭비되는 단점이 있다.
또한, 최근 널리 사용되고 있는 리튬 이온 배터리와 같이, 물과 직접적인 접촉이 발생할 경우 부품의 치명적인 손상이나 폭발의 위험성이 있는 경우에는, 일반적인 방수 설계보다 더욱 철저하고 섬세한 방수 설계가 요구된다.
이에, 본 발명자들은, 도 8에 나타낸 바와 같이, 배터리 내압용기(43)에 장착된 전원 스위치에 다중 실링 구조를 적용하여, 회전체를 포함하는 방수 스위치(82)를 배터리 내압용기(43)의 엔드캡(81)에 장착하였으며, 이에 더하여, 방수 스위치(82)의 일반적인 실링 구조와 더불어 고정체(정적 오링)의 실링 구조를 가지는 하우징으로서 방수케이스(83)를 설치하여 방수 스위치(82)의 누수를 한 번 더 방지할 수 있는 이중 방수구조를 적용하였다.
여기서, 상기한 방수케이스(83)는, 투명한 재질로 형성되어 배터리 내압용기(43)의 엔드캡(81) 내측에서 방수 스위치(82)를 수용하도록 구성됨으로써, 일일이 분해하지 않고도 방수 스위치(82)의 파손이나 누수 등과 같은 이상 여부를 눈으로 보고 쉽게 판단할 수 있도록 구성된다.
따라서 상기한 바와 같이 이중 방수구조를 적용하게 되면, 소모품의 교체시기가 도달하지 않았더라도 누수가 발생할 경우 직관적으로 인지할 수 있어 유지보수 및 교체의 시기적인 부담을 덜 수 있고, 배터리(84)가 물과 직접 접촉하는 것을 방지하여 배터리 폭발의 위험성으로부터 안전이 보장될 수 있다.
이상, 상기한 바와 같이 하여 본 발명에 따른 추진기 배치가 변경 가능한 가변구조 수중로봇을 구현할 수 있다.
또한, 상기한 바와 같이 하여 본 발명에 따른 추진기 배치가 변경 가능한 가변구조 수중로봇을 구현하는 것에 의해, 본 발명에 따르면, 인공지능 기반의 고정밀 임무수행을 위한 다양한 알고리즘의 개발 및 검증을 수행할 수 있도록 구성되는 추진기 배치가 변경 가능한 가변구조 수중로봇이 제공됨으로써, 보다 고도화된 임무를 수행하고 높은 수준의 지능을 가지는 수중로봇의 개발을 가능하도록 할 수 있다.
아울러, 본 발명에 따르면, 추진기의 위치를 필요에 따라 변경 배치할 수 있도록 구성되어 다양한 운동성능을 가지는 것에 의해 보다 효율적이고 다양한 알고리즘의 개발 및 검증을 수행할 수 있도록 구성되는 추진기 배치가 변경 가능한 가변구조 수중로봇이 제공됨으로써, 인공지능 알고리즘을 구현하고 실험으로 검증하기 위한 종래기술의 지능형 수중로봇은 추진기의 위치가 고정되어 있음으로 인해 일반적인 무지향성 운동 성능은 충족되나 고속에서의 운동 성능은 만족스럽지 못하여 다양한 알고리즘의 검증과 구현이 쉽지 않았던 문제점을 해결할 수 있다.
이상, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예를 통하여 본 발명에 따른 추진기 배치가 변경 가능한 가변구조 수중로봇의 상세한 내용에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 기재된 내용으로만 한정되는 것은 아니며, 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 설계상의 필요 및 기타 다양한 요인에 따라 여러 가지 수정, 변경, 결합 및 대체 등이 가능한 것임은 당연한 일이라 하겠다.
10. 수중로봇
11. 동체
12. 추진기 13. 덕트
21. 추진기 22. 라이트
41. 메인프레임 42. 시스템 내압용기
43. 배터리 내압용기 44. 관성센서(IMU)
45. DVL 46. 하향 카메라
47. 소나 48. 전방 카메라
49. 라이트 50. 소나
51. 수중청음기 52. 통신모듈
53. 수직 추진기 54. 수평 추진기
55. 소나 56. 판형 프레임
57. 환형 프레임 61. 프레임 장착부
62. 추진기 장착부 63. 고정브라켓
71. 장착홈부 72. 부력재
81. 엔드캡 82. 방수 스위치
83. 방수케이스 84. 배터리
12. 추진기 13. 덕트
21. 추진기 22. 라이트
41. 메인프레임 42. 시스템 내압용기
43. 배터리 내압용기 44. 관성센서(IMU)
45. DVL 46. 하향 카메라
47. 소나 48. 전방 카메라
49. 라이트 50. 소나
51. 수중청음기 52. 통신모듈
53. 수직 추진기 54. 수평 추진기
55. 소나 56. 판형 프레임
57. 환형 프레임 61. 프레임 장착부
62. 추진기 장착부 63. 고정브라켓
71. 장착홈부 72. 부력재
81. 엔드캡 82. 방수 스위치
83. 방수케이스 84. 배터리
Claims (10)
- 인공지능 알고리즘의 개발 및 검증을 수행할 수 있도록 구성되는 추진기 배치가 변경 가능한 가변구조 수중로봇에 있어서,
운동성의 향상을 위해 유체의 저항을 줄일 수 있는 어뢰 형태의 유선형 타입으로 형성되는 동체;
상기 동체 내부에 설치되는 메인 프레임;
상기 수중로봇의 수중에서의 주행 및 방향 결정을 위해 상기 메인프레임에 각각 방향 및 배치 위치를 변경 가능하도록 설치되는 복수의 추진기;
일단측이 상기 메인 프레임의 측면을 따라 슬라이드 방식으로 이동 가능하도록 상기 메인 프레임에 장착되어 고정되는 프레임 장착부와, 상기 프레임 장착부에 연장하여 각도 조절이 가능하도록 고정되며 타단에는 상기 추진기가 고정 설치되는 추진기 장착부를 포함하여 이루어지는 고정브라켓;
상기 메인 프레임의 상부를 덮도록 반원형으로 형성되고, 양 끝단에는 상기 메인 프레임의 측면에 결합하기 위한 장착홈부가 형성되며, 미리 정해진 일정 크기로 모듈화되어 형성되는 것에 의해 탈부착이 용이한 동시에 부력량을 분산하여 균형적으로 배치할 수 있도록 형성되는 복수의 부력재;
상기 수중로봇의 전체적인 동작을 제어하기 위한 제어시스템이 탑재되어 상기 메인프레임의 선두부에 장착되는 시스템 내압용기;
상기 제어시스템과 상기 추진기에 전력을 공급하기 위한 배터리가 탑재되어 상기 메인프레임의 선미부에 장착되는 배터리 내압용기; 및
상기 메인프레임에 각각 장착되는 복수의 센서 및 카메라를 포함하여 이루어지는 기구부를 포함하여 구성되고,
상기 수중로봇은,
상기 고정브라켓을 이용하여 각각의 상기 수평 추진기를 상기 메인 프레임의 측면에 장착하는 것에 의해 각각의 상기 수평 추진기의 방향이나 각도를 자유로이 설정 가능한 동시에,
상기 메인 프레임의 측면에 형성된 가이드홈을 따라 상기 부력재의 위치를 이동하여 장착함으로써 상기 수중로봇의 무게중심과 부력중심을 교정하여 자세 제어의 효율성을 높일 수 있고, 장착되는 센서나 장비의 종류나 위치가 달라짐으로 인한 부력의 변화량을 용이하게 변경 및 조절할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 추진기 배치가 변경 가능한 가변구조 수중로봇.
- 제 1항에 있어서,
상기 수중로봇은,
각각의 상기 추진기를 보호하기 위하여 상기 동체에 지느러미 형상으로 형성되는 덕트를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 추진기 배치가 변경 가능한 가변구조 수중로봇.
- 제 1항에 있어서,
상기 메인 프레임은,
상기 시스템 내압용기와 상기 배터리 내압용기를 수용하고 상기 기구부에 설치되는 각종 센서와 장비들을 운용목적에 따라 위치를 변경하여 장착할 수 있도록 복수의 관통공과 개구부 및 가이드홈이 형성되어 있는 한 쌍의 판형 프레임; 및
상기 판형 프레임을 상기 동체 내부에 고정하기 위한 복수의 환형 프레임을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 추진기 배치가 변경 가능한 가변구조 수중로봇.
- 제 3항에 있어서,
상기 판형 프레임은, AL 6061과 POM(Polyoxymethylene)의 두 가지 재질을 사용하여 구성되며,
상기 환형 프레임은, 플라스틱 재질의 POM으로 제작되고, 전체 하중으로 인한 처짐과 비틀림을 방지하기 위해 SUS304 재질의 파이프로 관통하여 보강하도록 구성됨으로써,
전체 강도는 유지하면서 불필요한 무게를 절감할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 추진기 배치가 변경 가능한 가변구조 수중로봇.
- 제 1항에 있어서,
상기 기구부는,
상기 메인프레임의 상기 시스템 내압용기와 상기 배터리 내압용기 사이에 각각 적어도 하나 이상 설치되는 관성센서(Inertial Measurement unit; IMU), DVL(Doppler Velocity Log), 하향 카메라 및 좌우 측면에 각각 배치되는 한 쌍의 소나(sonar)와,
상기 메인프레임의 선두부에 각각 설치되는 전방 카메라, 상기 전방카메라의 좌우측에 각각 장착되는 한 쌍의 라이트, 전방과 하방 및 좌우 측방으로 각각 배치되는 복수의 소나, 수중청음기(hydrophone) 및 통신모듈과,
상기 메인프레임의 선미부에 후방과 상방으로 각각 설치되는 한 쌍의 소나를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 추진기 배치가 변경 가능한 가변구조 수중로봇.
- 제 1항에 있어서,
상기 추진기는,
상기 메인프레임의 선두부와 선미부에 각각 설치되는 한 쌍의 수직 추진기; 및
상기 메인프레임의 좌우 측면에 위치 및 방향을 변경 가능하도록 각각 배치되는 복수의 수평 추진기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 추진기 배치가 변경 가능한 가변구조 수중로봇.
- 제 1항에 있어서,
상기 시스템 내압용기는,
상기 수중로봇의 제어를 위한 주제어 컴퓨터, 영상분석을 위한 영상분석 전용 컴퓨터 및 음향분석을 위한 음향분석 전용 컴퓨터를 포함하는 적어도 3대의 컴퓨터가 내부프레임에 적층식으로 탑재되고,
내부 센서로서 온도센서, 습도센서, 배터리 잔량 측정센서, 심도센서 및 PCB 기판이 별도의 브라켓에 장착되는 것에 의해, 장착위치를 각각 변경하여 조립할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 추진기 배치가 변경 가능한 가변구조 수중로봇.
- 제 1항에 있어서,
상기 배터리 내압용기는,
상기 배터리 내압용기를 밀폐하기 위한 엔드캡(End Cap)에 설치되는 적어도 하나의 방수 스위치; 및
상기 방수 스위치의 누수를 방지하기 위해 상기 엔드캡의 내측에서 상기 방수 스위치를 수용하도록 형성되는 방수케이스를 포함하는 이중 방수구조로 구성됨으로써, 상기 배터리가 물과 직접 접촉하는 것을 방지하여 배터리 폭발의 위험을 방지할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 추진기 배치가 변경 가능한 가변구조 수중로봇.
- 제 8항에 있어서,
상기 방수케이스는,
투명한 재질로 형성되어 상기 방수 스위치의 파손이나 누수를 포함하는 이상 여부를 분해하지 않고도 눈으로 보고 판단할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 추진기 배치가 변경 가능한 가변구조 수중로봇.
- 제 1항에 있어서,
상기 시스템 내압용기 및 상기 배터리 내압용기는,
AL6061 합금을 사용하여 부식방지와 수밀 및 방수가 가능한 구조로 설계되며,
SUS 재질의 V 벨트(v-belt)를 사용하여 덮개와 체결됨으로써 조립과 해체가 용이하도록 구성되어 상기 메인 프레임의 선두부에 탈부착 가능하도록 탑재되는 것을 특징으로 하는 추진기 배치가 변경 가능한 가변구조 수중로봇.
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| KR1020140166365A KR101642494B1 (ko) | 2014-11-26 | 2014-11-26 | 추진기 배치가 변경 가능한 가변구조 수중로봇 |
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