KR20170092068A - 공중 및 지상에서 운용 가능한 무인 로봇 - Google Patents

공중 및 지상에서 운용 가능한 무인 로봇 Download PDF

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KR20170092068A
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김종형
고현준
임승용
장동휘
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서울과학기술대학교 산학협력단
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Abstract

공중 및 지상에서 운용 가능한 무인 로봇은, 본체, 본체에 결합된 주행용 허브리스 휠, 허브리스 휠에 의해 규정된 내부 공간에 위치한 비행용 프로펠러 및 허브리스 휠에 구동력을 제공하는 휠 모터를 포함하고, 허브리스 휠 중에서 본체의 전방 또는 후방에 위치한 한 쌍의 허브리스 휠의 회전 속도의 차이를 통해 주행 경로를 변경한다.

Description

공중 및 지상에서 운용 가능한 무인 로봇 {A UNMANNED ROBOT CAPARABLE OF OPERATING IN THE AIR AND ON THE GROUND}
본 발명은 공중 및 지상에서 운용 가능한 무인 로봇에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 구조 및 재질의 개선을 통해 주행 및 비행을 효과적으로 수행할 수 있는 공중 및 지상에서 운용 가능한 무인 로봇에 관한 것이다.
현재 전세계에는 조작자의 간단한 조작만으로 비행을 할 수 있는 무인 로봇, 즉 드론이 큰 이슈를 몰고 다니며 현재의 기술 트랜드로 자리잡고 있으며, 이 드론은 군사용, 상업용 및 놀이용 등 다양한 분야에서 사용되고 있으며 많은 연구 개발이 이루어지고 있는 실정이다. 또한, 종래에는 드론이 단순히 비행만을 하는 등 그 작동 범위가 제한적이었으나 근래에 들어서는 수륙 양용 또는 주행과 비행을 동시에 할 수 있는 드론이 개발 과정에 있다.
이와 관련하여, 종래의 드론(한국등록특허 제10-1437323호 참조)은 비행이 주목적이었기 때문에 비행에 필요한 구성만을 갖추거나 바퀴를 가지고 있다 하더라고 이러한 바퀴는 주행을 위한다기 보다는 착륙에 사용되는 형식적인 바퀴에 지나지 않았다. 또한, 지상 주행 능력이 있는 드론일지라도 지상 구동부와 항공 구동부가 본체 내의 서로 다른 위치에 설치되거나 별개의 구성으로 결합된 형태를 취하고 있어 드론의 무게 및 부피가 늘어나는 문제점이 있으며, 또한 지상 주행에 특히 필요한 경로 변경이 용이하지 못하다는 문제점이 있다. 따라서, 기존의 드론은 험지 내지 산지와 같은 지상에서 정찰 등의 임무 수행을 만족스럽게 할 수 없다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 비행뿐만 아니라 지상에서의 훌륭한 업무 수행이 가능하도록 하는 무인 로봇의 필요성이 대두되고 있다.
본 발명이 해결하려는 과제는, 지상 구동부와 항공 구동부의 효율적인 결합이 이루어지고, 경로 변경이 용이하며 내구성이 뛰어난 무인 로봇을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하려는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 공중 및 지상에서 운용 가능한 무인 로봇은, 본체, 본체에 결합된 주행용 허브리스 휠, 허브리스 휠에 의해 규정된 내부 공간에 위치한 비행용 프로펠러 및 허브리스 휠에 구동력을 제공하는 휠 모터를 포함하고, 허브리스 휠 중에서 본체의 전방 또는 후방에 위치한 한 쌍의 허브리스 휠의 회전 속도의 차이를 통해 주행 경로를 변경한다.
본 발명에 따르면, 비행뿐만 아니라 지상에서의 훌륭한 업무 수행이 가능하도록 하는 무인 로봇을 제공할 수 있다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 무인 로봇의 간략 사시도이다.
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 무인 로봇의 저면도이다.
도 3 는 본 발명의 일 실시예에 따른 무인 로봇의 측면도이다.
도 4 는 본 발명의 일 실시예에 따른 무인 로봇의 허브리스 휠을 나타낸 도면이다.
도 5 는 본 발명의 일 실시예에 따른 무인 로봇의 주행 경로 변경 과정을 나타낸 도면이다.
도 6 은 본 발명의 일 실시예에 따른 무인 로봇의 제어 과정을 나타낸 개념도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계 및 동작은 하나 이상의 다른 구성요소, 단계 및 동작의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
도 1 내지 6 을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 무인 로봇을 설명한다. 도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 무인 로봇의 간략 사시도이다. 도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 무인 로봇의 저면도이다. 도 3 는 본 발명의 일 실시예에 따른 무인 로봇의 측면도이다. 도 4 는 본 발명의 일 실시예에 따른 무인 로봇의 허브리스 휠을 나타낸 도면이다. 도 5 는 본 발명의 일 실시예에 따른 무인 로봇의 주행 경로 변경 과정을 나타낸 도면이다. 도 6 은 본 발명의 일 실시예에 따른 무인 로봇의 제어 과정을 나타낸 개념도이다.
도 1 내지 6 을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 무인 로봇(100)은 공중 및 지상에서 운용 가능한 무인 로봇(100)으로서, 본체(10), 허브리스 휠(20), 휠 모터(60, 70), 프로펠러(40), 센서 통합 모듈(120) 및 제어부(50)를 포함한다.
본체(10)는 무인 로봇(100)의 전체 틀을 형성하는 부재로서, 이 본체(10)에 후술할 여러 구성들이 장착될 수 있다. 특히 본체(10) 상에는 제어부(50)가 설치될 수 있으며, 이 제어부(50)는 무인 로봇(100)의 주행 및 비행에 관련된 움직임을 제어할 수 있다.
허브리스 휠(20)은 무인 로봇(100)의 지상 주행 시에 바퀴 역할을 하는 것으로서, 이 허브리스 휠(20)은 용어에서 알 수 있듯이 바퀴살이 없다는 점을 특징으로 하고 있다. 이렇게 휠에 바퀴살이 없는 바 허브리스 휠(20)에 의해 둘러싸인 부분에 공간이 생기게 되며 이 공간에 후술할 프로펠러(40)를 위치시킬 수 있다. 따라서, 본 발명의 경우는 지상 주행에 사용되는 허브리스 휠(20)과 비행에 사용되는 프로펠러(40)를 별도의 장소에 설치할 경우 발생하는 전체 부피가 커지는 문제점이 발생하지 않으며 공간 절약을 가져오는 바 무인 로봇(100)의 부피를 줄일 수 있다는 장점이 발생하고, 또한 무인 로봇(100) 전체의 대칭이 만족되어 지상 구동부와 항공 구동부의 효율적인 결합이 달성될 수 있다.
즉, 허브리스 휠(20)은 지름을 크게 하여 무인 로봇(100)이 지상 주행을 할 때에 높이차가 큰 험지 및 장애물을 쉽게 넘을 수 있고, 그 형상으로 인해 가볍고 내부 공간에 프로펠러(40)를 위치시킬 수 있어 비행 및 주행에 드는 동력이 작으며 휴대하기 편리하다.
도 4 를 참조하여, 허브리스 휠(20)의 구조를 살펴보면, 허브리스 휠(20)은 노면 접촉부(35), 내치 기어(37), 휠 케이스(23) 및 기어 유닛을 포함할 수 있다. 구체적으로, 허브리스 휠(20)의 외측 원주에는 외측 원주를 감싸는 노면 접촉부(35)가 설치되어 있으며 이 노면 접촉부(35)는 재질이 고무로 될 수 있는 바 상공에서 지상으로 하강시에 발생할 수 있는 충격을 흡수하고 지상의 장애물로부터의 충격을 흡수할 수 있는 바 외부의 충격으로부터 무인 로봇(100)을 보호할 수 있다. 또한, 허브리스 휠(20)의 내측 원주에는 내측 원주를 따라 내치로 이루어져 있는 내치 기어(37)가 형성되어 있으며(도 1 참조), 허브리스 휠(20)의 양 측면을 덮기 위해서 허브리스 휠(20)의 양 측면에는 한 쌍의 휠 케이스(23)가 존재하고, 한 쌍의 휠 케이스(23) 사이에 위치하고 내치 기어(37)에 휠 모터(60, 70)의 동력을 전달하여 허브리스 휠(20)을 회전시키는 기어 유닛이 설치될 수 있다.
또한, 기어 유닛은 휠 모터(60, 70)와 연결된 동력 전달 기어(25), 동력 전달 기어(25) 및 내치 기어(37) 사이에 위치하며 이들과 기어 결합되어 있는 피니언 기어(30) 및 내치 기어(37)와 기어 결합되어 있는 서브 기어(37)를 포함할 수 있고, 이 때 서브 기어(37)는 4개일 수 있으며 4개의 서브 기어(37)는 허브리스 휠(20)의 내측 원주를 따라 동일한 간격으로 이격되어 있을 수 있다. 즉, 각 서브 기어(37)가 동일하게 90도의 각거리를 형성하고 있는 바 허브리스 휠(20)의 전체 균형이 잡히게 되어 작동 안전성을 확보할 수 있다.
한편, 동력 전달 기어(25)와 피니언 기어(30)의 경우 험지 극복시 모터에 직접적으로 가해지는 부하를 줄이고 험지를 극복하기 위한 토크를 주기 위해서 피니언 기어(30)와 동력 전달 기어(25)의 비를 2:1로 설정할 수 있고, 전반적인 기어 강성을 고려하여 두 기어의 모듈값을 1.5로 선정할 수 있다. 다만, 이러한 기어비 및 모듈값은 다르게 설정될 수 있다.
아울러, 허브리스 휠(20)의 재질은 폴리프로필렌, 주조 나일론 또는 MC 나일론일 수 있으며, 이들 재료는 밀도는 낮으면서 강성은 높은 바 무인 로봇(100)의 무게를 줄일 수 있어 무인 로봇(100)을 이륙시키는데 많은 동력이 필요하지 않고 휴대하기 용이하며, 또한 외부 충격에 강하여 무인 로봇(100)의 내구성을 높일 수 있다. 한편, 허브리스 휠(20)의 제조 방법을 살펴보면, 본 발명의 허브리스 휠(20)은 전술한 폴리프로필렌, 주조 나일론 또는 MC 나일론으로 제조되는 바 이 재료들의 특성을 고려하여 레이저 가공을 통해 허브리스 휠(20)을 제조할 수 있으나, 반드시 레이저 가공에 제한되는 것은 아니며 다양한 제조 방법이 사용될 수 있다.
추가적으로, 본체(10)에 허브리스 휠(20)을 장착하는 방법을 보면, 허브리스 휠(20)의 휠 케이스(23)는 허브리스 휠(20)의 내부 공간으로 돌출된 부분이 존재할 수 있으며, 이 돌출된 부분과 본체(10)는 나사 결합 방식을 통해 결합하게 되는 바, 허브리스 휠(20)의 장착이 쉽고 분리도 용이하다는 장점이 있다.
휠 모터(60, 70)는 주행에 사용되는 허브리스 휠(20)에 회전력을 제공하는 것으로서, 이 휠 모터(60, 70)로는 DC 모터가 사용될 수 있다. 본 발명의 경우는 2개의 휠 모터(60, 70)가 적용될 수 있으며, 이 2개의 휠 모터(60, 70)는 무인 로봇(100)의 전방에 위치한 한 쌍의 허브리스 휠(20) 또는 후방에 위치한 한 쌍의 허브리스 휠(20)에 회전력을 제공할 수 있다. 이렇게 한 쌍의 허브리스 휠(20)에만 횔 모터(60, 70)가 장착되는 경우 휠 모터(60, 70)가 제공되지 않는 나머지 한 쌍의 허브리스 휠(20)은 회전축으로 연결될 수 있다. 한편, 경우에 따라서는 4개의 휠 모터가 사용되어 전후방 두 쌍의 허브리스 휠(20)에 회전력을 제공할 수도 있다.
도 5 를 참조하여, 무인 로봇(100)의 경로 변경 과정을 살펴보면, 도 5(a)와 같이 도면 상의 좌측으로 경로(L)를 변경할 경우 도면 상의 우측에 위치한 휠 모터(60)의 회전력(A)이 좌측에 위치한 휠 모터(70)의 회전력(B)보다 크도록 제어하여 그 결과 우측에 위치한 허브리스 휠(20)이 좌측에 위치한 허브리스 휠(20)보다 더 많이 회전하게 되고 무인 로봇(100)은 이러한 회전력의 차이로 인해서 좌측으로 이동하게 된다. 또한, 우측의 휠 모터(60)만이 작동하도록 할 경우 무인 로봇(100)은 급하게 좌측으로 이동할 수 있을 것이다.
반대로, 도 5(b)와 같이 도면 상의 우측으로 경로(R)를 변경할 경우 도면 상의 좌측에 위치한 휠 모터(70)의 회전력(B)이 우측에 위치한 휠 모터(60)의 회전력(A)보다 크도록 제어하여 그 결과 좌측에 위치한 허브리스 휠(20)이 우측에 위치한 허브리스 휠(20)보다 더 많이 회전하게 되고 무인 로봇(100)은 이러한 회전력의 차이로 인해서 우측으로 이동하게 된다. 또한, 좌측의 휠 모터(70)만이 작동하도록 할 경우 무인 로봇(100)은 급하게 우측으로 이동할 수 있을 것이다.
즉, 본 발명의 경우는 허브리스 휠(20) 중에서 가상 또는 실제 동일 회전축 선 상에 위치한 한 쌍의 허브리스 휠(20)의 회전 속도의 차이를 통해 주행 경로를 변경하며, 다시 말해서 휠 모터(60, 70)의 회전력 또는 허브리스 휠(20)의 회전정도의 차이로 인해 발생하는 피벗 움직임을 통해 무인 로봇(100)의 주행 경로를 변경하게 된다.
프로펠러(40)는 무인 로봇(100)의 이륙 및 비행에 사용되는 부재로서, 이러한 프로펠러(40)는 전술한 바와 같이 허브리스 휠(20)에 의해 규정된 내부 공간에 위치할 수 있다. 프로펠러(40)를 가동시키기 위해서 본 발명의 경우는 프로펠러(40) 모터인 BLDC 모터를 사용할 수 있으며 4개의 프로펠러(40)를 위해 4개의 BLDC 모터가 사용될 수 있다. 4개의 BLDC 모터의 가동 여부 및 BLDC 모터에 의한 프로펠러(40)의 회전 방향에 따라 무인 로봇(100)은 이륙 및 착륙을 하고 전진 및 후진 등을 하게 된다. 한편, 본 발명의 경우는 BLDC 모터 중에서 작은 크기와 가벼운 무게를 갖는 FLYCAM1000이 사용될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
아울러, BLDC 모터는 본체(10)에 장착될 때 나사 체결 방식을 이용할 수 있는 바 진동 및 떨림 발생을 최소화할 수 있다.
추가적으로, 본체(10)에는 BLDC 모터를 제어하기 위해서 ESC(electronic speed control)가 설치될 수 있으며, 이 ESC는 BLDC 모터와 연결되어 전기적으로 BLDC 모터의 속도를 제어할 수 있다.
센서 통합 모듈(120)은 무인 로봇(100)의 비행 및 주행을 보조하는 모듈로서, 센서 통합 모듈(120)에는 자이로 센서(121), 가속도 센서(123) 및 초음파 센서(125)가 포함될 수 있다. 자이로 센서(121)는 비행시 무인 로봇(100)의 수평을 잡아주는 센서이며 가속도 센서(123)는 무인 로봇(100)의 속도를 측정하는 센서이고 초음파 센서(125)는 장애물의 회피에 사용되는 센서이다. 자이로 센서(121) 및 가속도 센서(123)는 본체(10)의 중앙에 설치될 수 있으며 초음파 센서(125)는 본체(10)의 앞부분에 설치될 수 있으나 이러한 설치 위치에 제한되는 것은 아니며 경우에 따라서는 각 센서들이 다양한 위치에 설치될 수 있다.
제어부(50)는 무인 로봇(100)의 주행 및 비행에 관련된 모든 과정을 제어하는 부재로서, 이 제어부(50)는 본체(10) 중앙에 위치할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 제어부(50)로는 아두이노 기반(예를들어, Arduino Mega 2569 R3)의 제어기가 사용될 수 있으며, 이러한 제어기로는 ArduCopter(APM 2.5)가 이용될 수 있고 이 ArduCopter는 비용이 저렴하고 다양한 오픈 소스 및 기능의 수가 많다는 장점이 있다. 특히, ArduCopter는 호버링 기능과 네비게이션 기능이 있어서 본 발명의 주행 및 비행이 가능한 무인 로봇(100)에 적합하다.
제어부(50)는 허브리스 휠(20)의 휠 모터(60, 70) 및 프로펠러(40)의 BLDC 모터를 PWM 방식으로 제어할 수 있다. 즉, 제어부(50)는 휠 모터의 가동 여부, 회전력 및 회전방향을 제어하여 무인 로봇(100)의 주행 경로를 변경하거나 주행 속도를 조절할 수 있다. 또한, 제어부(50)는 BLDC 모터의 가동 여부, 회전력 및 회전방향을 제어하여 무인 로봇(100)의 이륙, 착륙 및 비행 방향을 제어할 수 있다.
또한, 제어부(50)는 자이로 센서(121), 가속도 센서(123) 및 초음파 센서(125)로부터 정보를 전달받은 후, 무인 로봇(100)의 수평을 유지하기 위해서 BLDC 모터를 제어하고, 비행 및 주행 속도를 제어하기 위해서 휠 모터(60, 70) 및 BLDC 모터를 제어하고, 주행 및 비행 경로 상의 장애물의 위치를 파악하여 이를 회피하기 위해서 휠 모터(60, 70) 및 BLDC 모터를 제어할 수 있다.
아울러, 무인 로봇(100)의 원격 제어 방식으로서, 조작자 핸드폰(110)(스마트폰)이나 무선 조정기(115)를 사용하여 무인 로봇(100)을 제어하게 되는 데, 이 때 핸드폰(110) 및 무선 조정기(115)는 블루투스를 통해 제어부(50)와 무선 통신을 하게 되며, 이 과정에서 사용자의 제어 명령이 제어부(50)에 전달되고 제어부(50)는 이 명령에 따라 무인 로봇(100)을 제어할 수 있다. 한편, 무선 통신 방식은 블루투스 방식에 제한되는 것은 아니며 다양한 무선 통신 방식이 적용될 수 있다.
또한, 제어부(50)는 무인 로봇(100)을 자율 주행 모드로 설정할 수 있으며, 이 자율 주행 모드를 통해 조작자의 조작이 없더라도 무인 로봇(100)은 장애물을 피하며 주행 및 비행을 실시할 수 있다.
추가적으로, 본 발명의 무인 로봇(100)은 베터리를 더 포함할 수 있으며 이 베터리는 충전식 베터리일 수 있고, 본 발명의 경우는 허브리스 휠(20)이 밀도가 작은 재질로 이루어지고 또한 허브리스 휠(20) 내부에 프로펠러가 위치하고 있는 등 전체 무게 및 부피를 줄이고 있는 바, 충전식 베터리를 사용하더라도 무인 로봇(100)의 작동에 지장이 없고, 또한 적은 용량의 소형 충전식 베터리를 사용할 수 있는 바 무인 로봇(100) 전체의 무게 및 부피를 줄일 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
10: 본체 20: 허브리스 휠
23: 휠 케이스 25: 동력 전달 기어 30: 피니언 기어 33: 서브 기어
35: 노면 접촉부 37: 내치 기어
40: 프로펠러 45: 프로펠러 모터
50: 제어부 60, 70: 휠 모터
100: 무인 로봇 110: 핸드폰
115: 무선 조정기 120: 센서 통합 모듈
121: 자이로 센서 123: 가속도 센서
125: 초음파 센서

Claims (5)

  1. 본체;
    상기 본체에 결합된 주행용 허브리스 휠;
    상기 허브리스 휠에 의해 규정된 내부 공간에 위치한 비행용 프로펠러; 및
    상기 허브리스 휠에 구동력을 제공하는 휠 모터를 포함하고,
    상기 허브리스 휠 중에서 상기 본체의 전방 또는 후방에 위치한 한 쌍의 허브리스 휠의 회전 속도의 차이를 통해 주행 경로를 변경하는, 공중 및 지상에서 운용 가능한 무인 로봇.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 허브리스 휠은 외측 원주를 감싸는 노면 접촉부, 내측 원주를 따라 형성된 내치로 이루어져 있는 내치 기어, 양 측면에 형성된 한 쌍의 휠 케이스 및 상기 한 쌍의 휠 케이스 사이에 위치하고 상기 내치 기어에 상기 휠 모터의 동력을 전달하여 상기 허브리스 휠을 회전시키는 기어 유닛을 포함하는, 공중 및 지상에서 운용 가능한 무인 로봇.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 기어 유닛은 상기 휠 모터와 연결된 동력 전달 기어, 상기 동력 전달 기어 및 상기 내치 기어 사이에 위치하며 이들과 기어 결합되어 있는 피니언 기어 및 상기 내치 기어와 기어 결합되어 있는 서브 기어를 포함하는, 공중 및 지상에서 운용 가능한 무인 로봇.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 서브 기어는 4개이며, 상기 4개의 서브 기어는 상기 허브리스 휠의 내측 원주를 따라 동일한 간격으로 이격되어 있는, 공중 및 지상에서 운용 가능한 무인 로봇.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 허브리스 휠의 재질은 폴리프로필렌, 주조 나일론 또는 MC 나일론인, 공중 및 지상에서 운용 가능한 무인 로봇.
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