KR20170054896A - 탄성 접이식 몸체 구조 메커니즘을 가지는 공중-지상 이동 로봇 - Google Patents

Abstract

본 발명의 목적은 험지 이동이 필요한 소형 로봇에 있어서 공중 이동 및 지상 이동의 전환이 가능하도록 이루어지도록 하는 메커니즘을 도입하되, 탄성 접이식 몸체 구조를 이용하여 이동 모드 전환을 위한 메커니즘을 최대한 단순화하고 또한 추가 요구 동력을 최소화할 수 있도록 하는, 탄성 접이식 몸체 구조 메커니즘을 가지는 공중-지상 이동 로봇을 제공함에 있다.

Description

탄성 접이식 몸체 구조 메커니즘을 가지는 공중-지상 이동 로봇 {Small aerial-ground mobile robot having elastic folding mechanism}

본 발명은 탄성 접이식 몸체 구조 메커니즘을 가지는 공중-지상 이동 로봇에 관한 것으로, 보다 상세하게는 험지 이동이 필요한 소형 로봇에 있어서 공중 이동 및 지상 이동의 전환이 가능하도록 이루어지되, 이동 모드 전환을 위한 메커니즘의 단순화 및 추가 요구 동력의 최소화를 통해 소형 이동 로봇을 더욱 소형화 및 경량화할 수 있도록 하는, 탄성 접이식 몸체 구조 메커니즘을 가지는 공중-지상 이동 로봇에 관한 것이다.

자동화 기계 장치로서의 로봇은 기존에도 산업 현장에서 오랫동안 널리 사용되어 왔으며, 기술의 발전에 따라 이동 로봇의 사용도 점차 늘어가고 있다. 이처럼 이동 로봇 기술이 발전함에 따라 그 쓰임새로 확장되고 있는데, 특히 사람이 직접 이동하기 힘든 지역이나 상황, 즉 행성 탐사, 전쟁 시 위험 전장을 통과하여 보급품 등을 전달, 재해 시 구조 대상 인명 탐지 및 신속한 구호품 전달 등과 같은 경우에 있어서의 이동 로봇의 효용성이 더욱 주목받고 있다.

이와 같은 소형 이동 로봇에 있어서 가장 중요한 것은 예측 불가의 지형을 가지는 험지에서의 이동이 원활하게 이루어질 수 있도록 하는 것이다. 이를 실현하기 위해서는, 크게는 인공지능 관련 기술 및 이동 관련 기술의 발전이 이루어져야 한다. 인공지능 관련 기술은, 실시간으로 현재 위치에서 목표 지점 방향으로의 지형을 인지하고, 이에 따라 최적의 이동 경로를 판단하고, 또한 추후 유사 지형이 나타났을 경우 보다 판단을 빠르게 수행할 수 있도록 학습하는 등과 같은 동작이 가능하도록 한다. 한편 이동 관련 기술은, 다양한 경사, 장애물, 단차 등이 존재하는 지형에서 이동 로봇의 원활한 이동이 이루어질 수 있도록 하는 실질적인 이동 장치 자체에 관한 기술이다.

지상 이동 로봇이 소형화될수록 이동 시 상대적으로 극복해야 하는 높낮이의 차이가 커지며, 이러한 장애물 극복 능력을 향상하기 위해 이동 관련 기술에 대한 연구가 꾸준히 이루어지고 있다. 일반적으로 소형 지상 이동 로봇은, 가장 간단한 형태로서 좌우 양단에 바퀴가 하나씩 부착되고, 자세 안정화를 위해 꼬리부가 추가된 형태를 취하는데, 이러한 형태의 로봇의 경우 로봇 전체 높이의 절반 이상의 높이를 가지는 장애물을 극복할 수 없다.

인간이나 동물의 경우 이족보행 또는 사족보행으로 이동을 수행하는데, 이러한 이동 방식은 상술한 바와 같이 다양한 경사, 장애물, 단차 등에 대해 매우 잘 대처할 수 있는 뛰어난 이동 방식이다. 반면 기계적으로 이를 구현하는 것은 굉장한 계산량, 정교한 제어, 다수의 액추에이터 등이 필요하기 때문에, 소형 지상 이동 로봇에 이러한 이동 방식을 채용하는 것은 실질적으로 용이하지 않다.

이처럼 소형 지상 이동 로봇에 있어서 장애물 극복 능력을 향상하기 위하여, 라커-보기(Rocker-Bogie) 메커니즘이나 캐터필러 메커니즘 등을 활용하고 있다. 라커-보기 메커니즘이란 6개의 바퀴로 이루어진 주행 메커니즘으로서 지형에 따라 유동적으로 대응하여 항상 6개의 바퀴가 지면에 접촉한 상태로 이동할 수 있게 이루어진다. 라커-보기 메커니즘은 실제로 화성 탐사 로봇에 채용되어 그 효용성이 입증된 바 있다. 그러나 라커-보기 메커니즘의 경우에도 바퀴 사이의 공간이 존재하기 때문에 구멍과 같은 장애물을 극복하기 어려우며, 계단과 같이 단차가 지속적으로 나타나는 지형에서는 이동이 취약하다는 단점 또한 가지고 있다. 캐터필러 메커니즘은 다수 개의 바퀴들 사이에 벨트를 연결하여 이동성을 향상시킨 것으로, 구멍이나 반복적 단차 지형의 극복 능력이 뛰어난 장점이 있으며, 과거로부터 전차나 중장비 등에도 널리 채용되어 온 주행 메커니즘이다. 그런데 캐터필러 메커니즘도 극복 가능한 장애물 높이가 상대적으로 낮다는 한계가 있으며, 울퉁불퉁한 지형 이동 시 지면과의 접지 면적이 작아져서 이동성이 저하되고 몸체 진동이 커지는 등과 같은 단점이 있다.

상술한 바와 같은 라커-보기, 캐터필러 등과 같은 기존의 주행 메커니즘들은 저마다의 장단점이 있지만 앞서 설명한 소형 지상 이동 로봇에서의 극복 가능한 장애물 높이 제약 문제를 상당 부분 해소할 수 있다. 그러나 이러한 기존의 주행 메커니즘들 역시 상당히 기계적으로 복잡한 구조를 가지고 있고 또한 이를 구성하기 위해 많은 구성요소들을 필요로 하기 때문에 소형화 및 경량화에 한계가 있다. 따라서 소형 지상 이동 로봇에 이러한 메커니즘을 적용하기에는 어려움이 있어, 새로운 방식의 메커니즘이 필요한 실정이다.

소형 이동 로봇에 있어서 소형화 및 경량화를 추구하면서도 장애물 높이에 상관없이 모든 장애물들을 극복할 수 있도록 하기 위하여, 다양한 각도에서 새로운 매커니즘을 개발하고자 하는 노력이 이루어지고 있다. 그러한 연구 개발 노력의 한 방향으로서, 이동 로봇이 공중-지상 전환 이동이 가능하도록 하는 메커니즘이 제시된 바 있다. 구체적으로 설명하자면, 극복 가능한 높이의 장애물들을 넘어 이동할 때에는 기존의 소형 이동 로봇에서의 바퀴 구조를 그대로 이용하여 이동하고, 극복이 불가능한 높이(즉 로봇 전체 높이의 절반 이상의 높이)를 가지는 장애물을 만났을 때에는 공중 이동 모드로 전환하여 몸체를 띄움으로써 장애물을 넘어갈 수 있도록 하는 것이다.

이와 같이 공중-지상 전환 이동이 가능하도록 하는 메커니즘들이, 미국특허등록 제7,959,104호("Flying device with improved movement on the ground", 이하 선행문헌 1), 미국특허등록 제8,167,234호("Insect-like micro air vehicle having perching, energy scavenging, crawling, and offensive payload capabilities", 이하 선행문헌 2), 미국특허공개 제2014/0131507호("Hybrid aerial and terrestrial vehicle", 이하 선행문헌 3) 등에 개시된 바 있다.

선행문헌 1에 개시된 로봇의 경우, 프로펠러와 바퀴를 결합하여 단일 모터로 프로펠러와 바퀴를 같이 회전시키는 구조로 4개의 모터로 지상 이동 모드와 공중 이동 모드에서 각각 움직일 수 있다. 하지만 몸체를 접어 모터의 회전축을 변경하기 위해 추가적인 액추에이터가 필요 하며 도면상의 구조로는 변환 과정에서 고토크의 모터가 요구된다. 선행문헌 2에 개시된 로봇의 경우, 프로펠러와 바퀴를 결합하여 단일 모터로 프로펠러와 바퀴를 같이 회전시키는 구조는 동일하나 2개의 프로펠러를 이용하여 공중 이동을 한다는 특징이 있다. 하지만 공중 이동 모드에서의 자세안정화와 지상 이동 모드와 공중 이동 모드 사이의 모드변환을 위해 한쪽에 2개씩 총 4개의 모터가 추가로 필요하다. 선행문헌 3에 개시된 로봇의 경우, 모터의 개수를 줄이기 위해 4개의 모터를 활용한 쿼드콥터에 회전 조인트로 연결된 외부 바퀴로 이루어진 메커니즘이다. 쿼드콥터 제어를 통해 로봇을 기울임으로써 지상 이동이 가능하지만 지상 이동 모드에서도 4개의 모터가 항상 기동되어야 한다는 특징이 있다.

이처럼, 기존의 복잡한 구조를 가지는 주행 메커니즘을 개선하고자 도입된 공중-지상 전환 이동을 이용한 메커니즘의 경우에도 그 구조의 복잡성이 충분히 단순화되지 못하여, 소형화 및 경량화에 있어서 아직 한계가 있는 실정이다.

1. 미국특허등록 제7,959,104호("Flying device with improved movement on the ground"), 2. 미국특허등록 제8,167,234호("Insect-like micro air vehicle having perching, energy scavenging, crawling, and offensive payload capabilities") 3. 미국특허공개 제2014/0131507호("Hybrid aerial and terrestrial vehicle")

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 험지 이동이 필요한 소형 로봇에 있어서 공중 이동 및 지상 이동의 전환이 가능하도록 이루어지도록 하는 메커니즘을 도입하되, 탄성 접이식 몸체 구조를 이용하여 이동 모드 전환을 위한 메커니즘을 최대한 단순화하고 또한 추가 요구 동력을 최소화할 수 있도록 하는, 탄성 접이식 몸체 구조 메커니즘을 가지는 공중-지상 이동 로봇을 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 탄성 접이식 몸체 구조 메커니즘을 가지는 공중-지상 이동 로봇은, 동력원 및 제어부를 포함하는 본체(100); 상기 본체(100)의 좌우 방향으로 구비되는 한 쌍의 프로펠러-휠(210) 및 상기 본체(100)의 전후 방향으로 구비되는 한 쌍의 프로펠러(220)를 포함하는 이동부(200); 상기 본체(100) 및 상기 이동부(200)를 연결하는 두 쌍의 연결부(300); 를 포함하여 이루어지며, 상기 연결부(300)는 적어도 2개의 링크로 이루어지는 링크부(310), 적어도 1개의 회전관절(320) 및 상기 회전관절(320)에 구비되는 탄성체(330)를 포함하여 이루어져 펼침 및 접힘이 가능하도록 형성되되, 상기 이동부(200)의 프로펠러 회전에 따라 발생되는 추력에 의하여 펼침이 이루어지고, 상기 탄성체(330)의 복원력에 의하여 접힘이 이루어질 수 있다.

보다 구체적으로는, 상기 이동 로봇은, 상기 연결부(300)의 펼침 또는 접힘 전환에 의하여 공중 이동 모드 및 지상 이동 모드의 전환이 이루어지되, 공중 이동 모드 시, 상기 이동부(200)의 프로펠러 회전에 따라 발생되는 추력이 상기 탄성체(330)의 탄성력보다 커짐에 의하여 상기 연결부(300)가 펼쳐져, 상기 이동 로봇이 4개의 프로펠러 회전에 의해 공중을 비행 이동하며, 지상 이동 모드 시, 상기 이동부(200)의 프로펠러 회전에 따라 발생되는 추력이 상기 탄성체(330)의 복원력보다 작아짐에 의하여 상기 연결부(300)가 접혀져, 상기 이동 로봇이 2개의 프로펠러-휠 회전에 의해 지상을 주행 이동하도록 이루어질 수 있다.

한 실시예로서, 상기 연결부(300)는, 상기 링크부(310)가 순차적으로 연결된 2개의 링크로 이루어지며, 상기 링크부(310) 1개당 상기 회전관절(320)이 1개, 상기 탄성체(330)가 1개 포함되어 이루어질 수 있다.

또는 상기 연결부(300)는, 상기 링크부(310)가 순차적으로 연결된 2개의 링크로 이루어지며 서로 병렬 배치되는 적어도 2개의 링크 세트로 이루어지며, 상기 링크 세트 1개당 상기 회전관절(320)이 1개, 상기 탄성체(330)가 1개 포함되어 이루어질 수 있다.

이 때 상기 연결부(300)는, 상기 회전관절(320)이 0~90도 범위 내에서 회전 가능하도록 이루어질 수 있다.

다른 실시예로서, 상기 연결부(300)는, 상기 링크부(310)가 순차적으로 연결된 3개의 링크로 이루어지며, 상기 회전관절(320)이 2개, 상기 탄성체(330)가 2개 포함되어 이루어질 수 있다.

또는 상기 연결부(300)는, 상기 링크부(310)가 순차적으로 연결된 3개의 링크로 이루어지며 서로 병렬 배치되는 적어도 2개의 링크 세트로 이루어지며, 상기 링크 세트 1개당 상기 회전관절(320)이 3개, 상기 탄성체(330)가 3개 포함되어 이루어질 수 있다.

이 때 상기 연결부(300)는, 상기 회전관절(320)이 0~45도 범위 내에서 회전 가능하도록 이루어질 수 있다.

본 발명에 의하면, 기본적으로는 험지 이동이 필요한 소형 로봇에 있어서 공중 이동 및 지상 이동의 전환이 가능하도록 함으로써, 소형 이동 로봇의 장애물 극복 능력을 비약적으로 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

이 때 기존의 경우 이러한 이동 모드 전환에 필요한 구조의 복잡성 및 추가 액추에이터 필요 등과 같은 문제 때문에, 이동 모드 전환 개념을 채용함과 동시에 소형 이동 로봇의 소형화 및 경량화를 달성하기에는 제약이 있었던 문제가 있었다.

그러나 본 발명에 의하면, 이동 모드 전환을 위한 메커니즘을 기존에 비해 훨씬 단순화할 수 있고, 또한 추가 요구 동력을 최소화할 수 있는 큰 효과가 있다. 보다 구체적으로 설명하자면, 기존에는 이동 모드 전환 시 별도로 추가적인 액추에이터를 구비하도록 하였으나, 본 발명에서는 이동 모드 전환 시 접히거나 펼쳐지는 회전 관절 부분에 탄성체를 구비하여, 펼쳐지는 동작은 프로펠러의 추력에 의해 이루어지고 접히는 동작은 탄성체의 복원력에 의해 이루어지도록 함으로써 추가적인 액추에이터 없이도 접히거나 펼쳐지는 동작이 원활하게 이루어질 수 있도록 하는 것을 실현하는 큰 효과가 있는 것이다.

이처럼 본 발명에 의하면, 기존에 비해 소형 이동 로봇의 구조가 단순화됨과 동시에 필요 액추에이터 개수 자체가 줄어들기 때문에, 소형 이동 로봇을 기존보다 더욱 소형화 및 경량화할 수 있도록 하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 공중-지상 이동 로봇의 한 실시예의 개념도.
도 2는 본 발명의 탄성 접이식 몸체 구조의 한 실시예의 개념도.
도 3은 본 발명의 공중-지상 이동 로봇의 한 실시예.
도 4는 본 발명의 탄성 접이식 몸체 구조의 다른 실시예의 개념도.
도 5는 본 발명의 공중-지상 이동 로봇의 다른 실시예.

이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 탄성 접이식 몸체 구조 메커니즘을 가지는 공중-지상 이동 로봇을 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 공중-지상 이동 로봇의 한 실시예의 개념도를 도시하고 있다. 본 발명의 공중-지상 이동 로봇은, 도 1에 도시되어 있는 바와 같이 본체(100), 이동부(200), 연결부(300)를 포함하여 이루어지는 간소한 구성으로 되어 있다. 이하 각부에 대하여 보다 상세히 설명한다.

상기 본체(100)는 말 그대로 상기 이동 로봇의 몸체로서, 상기 이동부(200)에 전달될 동력원 및 상기 이동부(200) 또는 다른 장치들의 움직임을 제어하는 제어부 등이 탑재된다. 보다 구체적인 예시를 들어 설명하자면, 상기 동력원은 배터리 등과 같이 전력을 저장하는 장치가 될 수도 있고, 또는 태양 전지 등과 같이 외부 환경으로부터 전력을 생산하는 장치가 될 수도 있다. 또한 상기 제어부는, 원활한 이동을 위해 지형 및 지면의 상태 등을 파악하기 위한 다양한 정보 획득 장치를 포함할 수 있는데, 예를 들어 영상 획득 장치나 다양한 방향으로의 거리 측정 장치 등이 될 수 있다. 물론 상기 제어부는 이러한 여러 센싱 장치들의 움직임 역시 제어하도록 이루어지며, 센싱 장치들에서 획득된 정보를 바탕으로 다양한 연산 및 판단을 수행하는 역할도 할 수 있다. 이처럼 상기 제어부는 다양한 역할을 수행하는 것으로, 본 발명은 이동 로봇의 이동 장치 및 구조와 관련된 것인바 상기 제어부의 구체적인 구성에 대한 설명은 생략하며, 상기 제어부의 구체적인 구성으로서는 기존에 개시된 제어부의 구성을 필요에 따라 적절히 채용하면 된다.

부연하자면, 상기 이동 로봇의 용도에 따라 상기 본체(100)에는 다양한 장치나 구조물이 더 구비될 수 있음은 당연하다. 예를 들어 상기 이동 로봇이 다른 행성 등과 같이 사람이 가기 힘든 지역이나 장기간 꾸준한 탐사가 이루어져야 하는 등과 같은 특수한 목적의 탐사용으로 사용될 경우, 상기 본체(100)에는 영상 녹화 장치, 음향 녹음 장치, 환경변수(온도, 습도, 조도, 대기 구성 물질 등) 측정 장치 등과 같은 다양한 정보 수집 장치들이 더 구비될 수 있을 것이다. 또는 상기 이동 로봇이 전쟁 지역에서 보급품 등을 전달하는 목적으로 사용되거나, 재해 지역에서 인명을 탐색하고 필요 시 긴급 구호품을 전달하는 목적으로 사용될 경우, 상기 본체(100)에는 이러한 보급품, 구호품 등을 안전하게 수용 보관하는 구조물이 더 구비될 수 있을 것이다.

상기 이동부(200)는, 도시된 바와 같이 상기 본체(100)의 좌우 방향으로 구비되는 한 쌍의 프로펠러-휠(210) 및 상기 본체(100)의 전후 방향으로 구비되는 한 쌍의 프로펠러(220)를 포함하여 이루어진다(이하에서, "프로펠러(220)" 및 "프로펠러-휠(210)"을 한꺼번에 칭하고자 할 경우 "이동부(200)"라고 통칭하기로 한다). 상기 이동부(200) 각각(즉 상기 프로펠러(220)들 및 상기 프로펠러-휠(210)들)의 회전축에는 각각을 회전시키기 위한 회전 모터가 구비되며, 이러한 회전 모터들의 회전 방향, 회전 속도 등은 상기 본체(100)에 구비되는 상기 제어부에 의해 적절히 조절될 수 있다. 또한 프로펠러-휠이란 프로펠러 및 휠이 결합된 것으로서 동일한 액추에이터로 프로펠러와 휠을 같이 회전시킬 수 있도록 된 것이다.

상기 연결부(300)는 상기 본체(100) 및 상기 이동부(200)를 연결하며, 상기 이동부(200)가 한 쌍의 프로펠러-휠(210) 및 한 쌍의 프로펠러(220)로 구성되어 있으므로 상기 연결부(300) 역시 두 쌍 구비된다. 이 때 상기 연결부(300)는, 적어도 2개의 링크로 이루어지는 링크부(310), 적어도 1개의 회전관절(320) 및 상기 회전관절(320)에 구비되는 탄성체(330)를 포함하여 이루어져 펼침 및 접힘이 가능하도록 형성된다. 상기 탄성체(330)로서는 회전에 대하여 탄성력 및 복원력이 작용하는 요소라면 어떤 것이든 채용될 수 있으며, 구체적으로 가장 간단한 요소로서 토션 스프링이 채용될 수 있다.

앞서도 설명하였듯이, 가장 간단한 구조로 된 소형 이동 로봇의 경우 몸체, 몸체 좌우에 구비되는 한 쌍의 바퀴, 몸체의 균형을 잡기 위한 꼬리부를 포함하여 이루어진다. 본 발명의 이동 로봇에 대응시키자면, 도 1에 도시된 바와 같은 상태 즉 상기 연결부(300)가 접힘 상태일 때인 지상 이동 모드에서는, 상기 본체(100)가 몸체가 되고, 한 쌍의 상기 프로펠러-휠(210)이 한 쌍의 바퀴가 되어 주행하며, 상기 프로펠러(220)가 꼬리부 역할을 하여 몸체의 균형을 잡는다. 한편 공중 이동 모드에서는, 상기 연결부(300)가 펼쳐짐으로써 한 쌍의 상기 프로펠러-휠(210) 및 한 쌍의 상기 프로펠러(220), 즉 총 4개의 프로펠러 모두의 회전축이 상하 방향과 나란하게 된다. 이에 따라 4개의 프로펠러 회전에 의해 발생되는 추력에 의하여 상기 본체(100)가 공중으로 떠올라 비행할 수 있게 된다. 또한 이 경우 4개의 프로펠러를 가지는 비행체, 즉 쿼드콥터 형태를 취함으로써 동적 자세가 효과적으로 안정화될 수 있다.

공중-지상 이동 전환이 가능하도록 구성된 기존의 이동 로봇의 경우, 지상 이동 모드 및 공중 이동 모드 간을 전환하기 위해서 상기 연결부(300)에 해당하는 부분을 펼치거나 접기 위해 별도의 액추에이터를 사용하였다. 그러나 본 발명에서는 상기 연결부(300)에 별도의 액추에이터를 구비하지 않고 단지 탄성체(330)만을 구비하여, 상기 이동부(200)의 프로펠러 회전에 따라 발생되는 추력에 의하여 펼침이 이루어지고, 상기 탄성체(330)의 복원력에 의하여 접힘이 이루어지도록 한다. 상기 이동 로봇은 상기 연결부(300)의 펼침 또는 접힘 전환에 의하여 공중 이동 모드 및 지상 이동 모드의 전환이 이루어지는데, 이 점은 공중-지상 이동 전환이 가능한 기존의 이동 로봇과 크게 다르지 않다. 그러나 본 발명에서는 상기 연결부(300)의 펼침 및 접힘 동작을 구현하기 위해(즉 지상 이동 모드 및 공중 이동 모드를 전환하기 위해) 별도의 액추에이터를 필요로 하지 않는다는 점에서, 기존의 이동 로봇에 비해 별도의 액추에이터를 구비하는데 드는 중량, 부피 등을 배제할 수 있으며 구조 역시 기존에 비해 훨씬 단순화시킬 수 있다. 이에 따라 본 발명에 의하면, 기존에 비하여 이동 로봇의 소형화 및 경량화 한계를 훨씬 낮출 수 있는 큰 효과를 얻을 수 있다.

상기 연결부(300)의 펼침 및 접힘 동작 원리에 대하여 보다 구체적으로 설명하자면 다음과 같다. 도 2는 상기 연결부(300)가, 상기 링크부(310)가 순차적으로 연결된 2개의 링크로 이루어지며, 상기 링크부(310) 1개당 상기 회전관절(320)이 1개, 상기 탄성체(330)가 1개 포함되어 이루어지는 한 실시예를 도시하고 있다. 이 때 상기 회전관절(320)은 0~90도 범위 내에서 회전 가능하도록 이루어진다. 도 2를 기반으로 상기 연결부(300)의 작동 원리를 설명하면 다음과 같다.

도 2(A)는 지상 이동 모드일 때 즉 상기 연결부(300)가 접힘 상태일 때를 도시한 것이다. 지상 이동 모드일 때는 상기 프로펠러(220)는 회전하지 않고 상기 프로펠러-휠(210)만이 회전하며, 즉 상기 이동 로봇이 2개의 프로펠러-휠 회전에 의해 지상을 주행 이동하게 된다. 이 때 상기 프로펠러-휠(210)의 프로펠러 부분에서 도시된 바와 같이 약간의 추력이 발생하겠으나 회전 속도가 저속이기 때문에 그 추력의 크기는 상대적으로 작으며, 따라서 상기 이동부(200)의 프로펠러 회전에 따라 발생되는 추력이 상기 탄성체(330)의 탄성력을 이기지 못하기 때문에 상기 연결부(300)는 접힘 상태를 유지하게 된다.

도 2(B)는 모드 전환 중인 때를 도시한 것이다. 지상 이동 모드에서 공중 이동 모드로 전환하고자 할 때에는, 먼저 상기 이동부(200) 중 (지상 이동 모드 상태에서는 정지해 있던) 한 쌍의 상기 프로펠러(220)를 회전시킨다. 상기 프로펠러(220)의 회전 속도가 충분히 빨라지기 전까지는 도 2(A)에서처럼 추력 < 탄성력 상태로서 상기 연결부(300)가 접힘 상태를 유지하겠으나, 상기 프로펠러(220)의 회전 속도가 어느 수준 이상으로 빨라질수록 점차 추력이 탄성력을 이기게 되어, 도 2(B)에서처럼 상기 연결부(300)가 점차 펼쳐지게 된다. 한편, 상기 프로펠러(220)가 연결된 연결부(300)가 펼쳐지는 중일 때에는 상기 프로펠러-휠(210)은 안정적인 모드 전환이 이루어질 수 있도록 멈추어 있게 하는 것이 바람직하다.

도 2(C)는 공중 이동 모드일 때 즉 상기 연결부(300)가 펼침 상태일 때를 도시한 것이다. 상술한 바와 같이 도 2(B)의 과정을 거쳐, 상기 프로펠러(220)의 회전에 따라 발생되는 추력이 상기 탄성체(330)의 탄성력보다 커짐에 의하여 상기 연결부(300)가 완전히 펼쳐질 수 있게 된다. 상기 프로펠러(220)가 완전히 펼쳐져 하측 방향으로 추력이 작용하면 상기 본체(100)가 지면으로부터 공중으로 떠오를 수 있게 된다. 한편 이처럼 상기 본체(100)가 공중으로 약간 떠오른 상태에서 상기 프로펠러-휠(210) 역시 빠르게 회전시키면, 상기 프로펠러-휠(210)에 연결된 상기 연결부(300) 역시 도 2(B)의 과정을 거쳐 도 2(C)와 같이 완전히 펼쳐진다. 즉 최종적으로 한 쌍의 상기 프로펠러-휠(210) 및 한 쌍의 상기 프로펠러(220) 휠 모두가 완전히 펼쳐짐으로써, 상기 이동 로봇은 4개의 프로펠러에 의해 비행하는 쿼드콥터 형태를 이루게 된다.

도 2(A) 내지 도 2(C)는 순차적으로 지상 이동 모드에서 공중 이동 모드로 전환하는 과정을 도시한 것으로, 전체적으로 이 과정을 다시 한 번 정리하면 다음과 같다. 지상 이동 모드에서, 한 쌍의 상기 프로펠러(220)는 정지 상태에 있고, 한 쌍의 상기 프로펠러-휠(210)은 저속으로 회전하면서 지상을 주행 이동한다. 이 때에는 상기 프로펠러-휠(210)의 프로펠러 회전에 따라 발생되는 추력이 상기 탄성체(330)의 탄성력보다 작기 때문에 상기 연결부(330)는 접힘 상태를 유지한다. 모드 전환 시, 상기 프로펠러(220)는 회전을 시작하며, 이 때 안정적인 모드 전환을 위해 상기 프로펠러-휠(210)은 멈추어 있는 것이 바람직하다. 상기 프로펠러(220)의 회전 속도가 커짐에 따라 프로펠러 회전에 따라 발생되는 추력이 상기 탄성체(330)의 탄성력보다 커지면, 상기 프로펠러(220)에 연결된 상기 연결부(330)는 펼침 상태가 된다. 이 상태에서 상기 프로펠러-휠(210) 역시 회전을 재시작하며, 상기 프로펠러(220)와 동일한 과정을 거쳐 상기 프로펠러-휠(210)에 연결된 상기 연결부(220) 역시 펼침 상태가 된다. 이 상태가 되면 상기 이동 로봇은 완전한 쿼드콥터 형태가 되어 안정적인 비행 이동을 실현할 수 있게 된다.

거꾸로 도 2(C) 내지 도 2(A)를 되짚어 가면, 공중 이동 모드에서 지상 이동 모드로 전환하는 과정이 된다. 공중 이동 모드에서 상기 연결부(300)는 펼침 상태인데, 이 때 상기 탄성체(330)에서는 복원력이 발생되어 작용하고 있는 상태이다. 다만 상기 이동부(200)의 프로펠러 회전에 따라 발생되는 추력이 상기 탄성체(330)의 복원력보다 크기 때문에 펼침 상태가 유지되는 것이다. 이 상태에서 먼저 상기 프로펠러-휠(210)의 회전 속도를 저감시키면, 상기 프로펠러-휠(210)에서의 추력이 상기 탄성체(330)의 복원력보다 작아짐에 의하여 상기 연결부(300)가 접혀지게 된다. 상기 프로펠러-휠(210)에 연결된 상기 연결부(300)가 완전히 접힘 상태가 되면, 상기 프로펠러-휠(210)의 회전을 멈추고 이제 상기 프로펠러(220)의 회전 속도를 저감시킨다. 그러면 상기 프로펠러(220)에 연결된 상기 연결부(300)도 점차 접히면서 상기 이동 로봇은 공중에 뜬 상태에서 지면으로 내려온다. 이 과정에서 상기 프로펠러-휠(210)이 지면에 접촉하면, 이 때부터는 상기 프로펠러(220)에 연결된 상기 연결부(300)가 완전히 접힘 상태가 될 때까지 상기 프로펠러-휠(210)에 의해 상기 이동 로봇이 지지된다. 상기 프로펠러(220)에 연결된 상기 연결부(300)가 완전히 접히고 상기 프로펠러(220)의 회전 역시 완전히 멈추면, 이제 지상 이동 모드로의 전환이 완료되었으므로, 상기 프로펠러-휠(210)이 저속으로 회전하면서 지면을 주행 이동하게 된다.

앞서 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 상기 연결부(300)의 펼침 및 접힘 동작을 수행함에 있어서 별도의 액추에이터를 추가로 구비하는 것이 아니라, 상기 이동부(200)에 포함된 프로펠러에 의한 추력과 상기 연결부(300)에 포함된 상기 탄성체(330)의 복원력을 이용하여 접고 펼치는 구조를 택하고 있다. 즉 공중-지상 이동 모드의 전환에 드는 토크를, 추력과 복원력의 형태로 바꾸어 (도 1의 실시예를 기준으로) 4개의 모터에 나누어 부담하게 하는 것이다. 이동 모드 변환에 필요한 토크를 나누어 부담함으로써 각각의 모터에 요구되는 용량이 늘어날 수도 있겠지만, 메커니즘이 간단하기 때문에 별도 액추에이터를 추가 구비하는 경우에 비해 훨씬 더 소형화 및 경량화 제작이 가능해지며, 또한 이러한 이동 로봇 자체가 원래부터 소형 경량인 경우 추가로 요구되는 모터 용량이 작기 때문에 충분히 상용 모터의 범주에서 제작이 가능하다. 즉 본 발명에 의한 이동 로봇은 기존 기술들이나 다른 상용품들과 비교할 때, 공중-지상 이동 모드 전환 능력을 갖춤으로써 장애물 극복 능력이 향상됨은 물론이고, 이에 더불어 기존 기술 등에 비해 훨씬 단순화된 구조를 가짐으로써 더욱 소형화 및 경량화가 가능한 것이다.

더불어 본 발명에서는 지상 이동 모드에서 프로펠러-휠을 구동하는 2개의 모터만으로도 충분히 이동할 수 있기 때문에 소모되는 동력을 더욱 절약할 수 있다. 만일 동력원이 배터리일 경우라면, 소모 동력이 절약되기 때문에 동작 시간이 더욱 길어지는 효과 또한 부가적으로 얻을 수 있다.

도 3은 본 발명의 공중-지상 이동 로봇의 구체적인 한 실시예를 도시한 것으로, 도 1 및 도 2의 실시예와 개념적으로는 거의 동일한 구성을 가진다. 다만 도 3의 실시예에서는, 상기 연결부(300)의 구성이 보다 안정적인 구조로 이루어진다. 도 3의 실시예에서 상기 연결부(300)는, 상기 링크부(310)가 순차적으로 연결된 2개의 링크로 이루어지며 서로 병렬 배치되는 적어도 2개의 링크 세트로 이루어지며, 상기 링크 세트 1개당 상기 회전관절(320)이 1개, 상기 탄성체(330)가 1개 포함되어 이루어진다(즉 도 1, 2에 도시된 개념도에서의 연결부 형태가 도 3의 실시예에서는 하나의 링크 세트에 해당한다). 상기 연결부(300)가 도 1, 2의 개념도에서와 같이 구현될 경우, 물론 이상적으로는 문제가 없겠으나 실제로는 제작 오차에 의하여 비틀림이나 불균형이 필연적으로 발생하며, 이에 따라 특정 부위로의 응력 집중이 일어나거나 불완전한 동작이 이루어지는 등의 문제가 발생할 가능성이 있다. 그러나 도 3의 실시예에서와 같이 상기 연결부(300)가 서로 병렬 배치되는 2개의 링크 세트로 이루어지게 하면, 지지하는 부분이 늘어남으로써 구조적으로도 더욱 안정적이 되고, 또한 2개의 링크 세트로 부하가 분산됨으로써 응력 집중 등의 문제도 훨씬 완화될 수 있게 된다. 도 3의 실시예에서는 상기 연결부(300)가 2개의 링크 세트로 이루어지는 것으로 도시되었지만, 필요에 따라 링크 세트의 개수를 더 늘릴 수도 있는 등 적절한 범위 내에서 변경 실시될 수 있음은 당연하다.

도 4는 본 발명의 탄성 접이식 몸체 구조의 다른 실시예의 개념도를 도시하고 있다. 도 1 내지 도 3에서는 상기 연결부(300)(또는 링크 세트)가 2개의 링크로 이루어지는 경우를 도시하고 있는데, 도 4의 실시예에서는 상기 연결부(300)가 3개의 링크를 포함하여 이루어진다. 즉, 도 4는 상기 연결부(300)가, 상기 링크부(310)가 순차적으로 연결된 3개의 링크로 이루어지며, 상기 회전관절(320)이 2개, 상기 탄성체(330)가 2개 포함되어 이루어지는 다른 실시예를 도시하고 있다.

도 1 내지 도 3의 실시예에서는 상기 링크부(310)가 2개의 링크로 이루어지기 때문에, 상기 회전관절(320)이 0~90도 범위 내에서 회전하도록 이루어져야 했다. 그런데 이처럼 회전 범위가 클 경우 상기 탄성체(330)에 걸리는 부하도 커지는 등 부담이 발생할 수 있다. 한편 도 4의 실시예에서와 같이 상기 링크부(310)가 3개의 링크로 이루어지게 할 경우, 하나의 연결부(300)당 상기 회전관절(320)은 2개가 포함되기 때문에, 동일하게 배분할 경우 상기 회전관절(320)은 0~45도 범위 내로만 회전하면 된다. 이에 따라 도 1 내지 도 3의 실시예에 비해 회전 범위가 훨씬 줄어들며, 따라서 각각의 상기 회전관절(320)마다 구지되는 상기 탄성체(330)에 걸리는 부하도 훨씬 저감할 수 있게 되는 것이다.

도 4의 실시예에서도, 상기 연결부(300)의 펼침 및 접힘 동작의 구현 즉 공중 이동 모드 및 지상 이동 모드의 전환 원리 등은 앞서 도 3의 실시예에서의 설명과 거의 동일하므로 반복 설명은 생략한다.

한편 이 경우, 2개의 상기 회전관절(320)에 회전 범위가 반드시 동일하게 분배되어야만 하는 것은 아니다. 예를 들어 어느 하나의 회전관절은 0~30도 범위 내에서 회전하게 하고 나머지 하나의 회전관절은 0~60도 범위 내에서 회전하게 할 수도 있는 등, 두 회전관절의 회전범위를 합쳐 0~90도 범위가 되기만 한다면 분배 정도는 필요에 따라 적절히 조절할 수 있다.

도 5는 본 발명의 공중-지상 이동 로봇의 구체적인 다른 실시예를 도시한 것으로, 도 4의 실시예와 개념적으로는 거의 동일한 구성을 가지되, 상기 연결부(300)가 링크 세트들로 이루어진다는 점에서만 상이하다. 즉 도 5의 실시예에서 상기 연결부(300)는, 상기 링크부(310)가 순차적으로 연결된 3개의 링크로 이루어지며 서로 병렬 배치되는 적어도 2개의 링크 세트로 이루어지며, 상기 링크 세트 1개당 상기 회전관절(320)이 3개, 상기 탄성체(330)가 3개 포함되어 이루어진다. 링크 세트 구조를 도입함으로써 얻을 수 있는 장점 등은 앞서 도 3의 실시예에서의 설명과 동일하므로 반복 설명은 생략한다.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.

100: 본체 200: 이동부
210: 프로펠러 220: 프로펠러-휠
300: 연결부 310: 링크부
320: 회전관절 330: 탄성체

Claims (8)

1. 동력원 및 제어부를 포함하는 본체(100); 상기 본체(100)의 좌우 방향으로 구비되는 한 쌍의 프로펠러-휠(210) 및 상기 본체(100)의 전후 방향으로 구비되는 한 쌍의 프로펠러(220)를 포함하는 이동부(200); 상기 본체(100) 및 상기 이동부(200)를 연결하는 두 쌍의 연결부(300); 를 포함하여 이루어지며,
   상기 연결부(300)는 적어도 2개의 링크로 이루어지는 링크부(310), 적어도 1개의 회전관절(320) 및 상기 회전관절(320)에 구비되는 탄성체(330)를 포함하여 이루어져 펼침 및 접힘이 가능하도록 형성되되,
   상기 이동부(200)의 프로펠러 회전에 따라 발생되는 추력에 의하여 펼침이 이루어지고, 상기 탄성체(330)의 복원력에 의하여 접힘이 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄성 접이식 몸체 구조 메커니즘을 가지는 공중-지상 이동 로봇.
   
2. 제 1항에 있어서, 상기 이동 로봇은
   상기 연결부(300)의 펼침 또는 접힘 전환에 의하여 공중 이동 모드 및 지상 이동 모드의 전환이 이루어지되,
   공중 이동 모드 시, 상기 이동부(200)의 프로펠러 회전에 따라 발생되는 추력이 상기 탄성체(330)의 탄성력보다 커짐에 의하여 상기 연결부(300)가 펼쳐져, 상기 이동 로봇이 4개의 프로펠러 회전에 의해 공중을 비행 이동하며,
   지상 이동 모드 시, 상기 이동부(200)의 프로펠러 회전에 따라 발생되는 추력이 상기 탄성체(330)의 복원력보다 작아짐에 의하여 상기 연결부(300)가 접혀져, 상기 이동 로봇이 2개의 프로펠러-휠 회전에 의해 지상을 주행 이동하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄성 접이식 몸체 구조 메커니즘을 가지는 공중-지상 이동 로봇.
   
3. 제 1항에 있어서, 상기 연결부(300)는
   상기 링크부(310)가 순차적으로 연결된 2개의 링크로 이루어지며, 상기 링크부(310) 1개당 상기 회전관절(320)이 1개, 상기 탄성체(330)가 1개 포함되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄성 접이식 몸체 구조 메커니즘을 가지는 공중-지상 이동 로봇.
   
4. 제 3항에 있어서, 상기 연결부(300)는
   상기 링크부(310)가 순차적으로 연결된 2개의 링크로 이루어지며 서로 병렬 배치되는 적어도 2개의 링크 세트로 이루어지며, 상기 링크 세트 1개당 상기 회전관절(320)이 1개, 상기 탄성체(330)가 1개 포함되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄성 접이식 몸체 구조 메커니즘을 가지는 공중-지상 이동 로봇.
   
5. 제 3항 또는 제 4항에 있어서, 상기 연결부(300)는
   상기 회전관절(320)이 0~90도 범위 내에서 회전 가능하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄성 접이식 몸체 구조 메커니즘을 가지는 공중-지상 이동 로봇.
   
6. 제 1항에 있어서, 상기 연결부(300)는
   상기 링크부(310)가 순차적으로 연결된 3개의 링크로 이루어지며, 상기 회전관절(320)이 2개, 상기 탄성체(330)가 2개 포함되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄성 접이식 몸체 구조 메커니즘을 가지는 공중-지상 이동 로봇.
   
7. 제 6항에 있어서, 상기 연결부(300)는
   상기 링크부(310)가 순차적으로 연결된 3개의 링크로 이루어지며 서로 병렬 배치되는 적어도 2개의 링크 세트로 이루어지며, 상기 링크 세트 1개당 상기 회전관절(320)이 3개, 상기 탄성체(330)가 3개 포함되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄성 접이식 몸체 구조 메커니즘을 가지는 공중-지상 이동 로봇.
   
8. 제 6항 또는 제 7항에 있어서, 상기 연결부(300)는
   상기 회전관절(320)이 0~45도 범위 내에서 회전 가능하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄성 접이식 몸체 구조 메커니즘을 가지는 공중-지상 이동 로봇.

Images