KR20190106093A

KR20190106093A - 해저탐사를 위한 수중 정보수집 장치

Info

Publication number: KR20190106093A
Application number: KR1020180027070A
Authority: KR
Inventors: 이학; 유홍열
Original assignee: 주식회사 하이드로봇테크앤리서치
Priority date: 2018-03-07
Filing date: 2018-03-07
Publication date: 2019-09-18
Also published as: KR102034037B1

Abstract

본 발명은 해저 탐사를 위한 수중 정보수집 장치에 있어서: 수밀된 공간에 지지대(15)를 구비하는 본체(10); 상기 본체(10)의 하측에 다수의 다리(21)를 구비하고, 본체(10)의 내부에 스튜어트 플랫폼(25)을 구비하는 지지수단(20); 상기 본체(10)의 외부에 팽창 가능한 부력체(35)를 구비하는 부상수단(30); 상기 본체(10)와 스튜어트 플랫폼(25) 상에 탐사수집기(42), GPS 수신기(44), 자이로센서(46), 촬영기(48)를 탑재하는 검출수단(40); 및 상기 지지수단(20), 부상수단(30), 검출수단(40)을 설정된 알고리즘으로 제어하는 제어수단(50);을 포함한다.
따라서, 해저 탐사를 위한 수중 정보수집 장치는 해저로 투입한 이후의 지면 안착, 유속, 조속, 파랑, 부유사, 수온, 염분의 수중 정보 수집, 압력계(수압계)에 의한 압력 보정 수압 측정, 스튜어트 플랫폼에 의한 수평 유지 장치 사용, 카메라와 조명을 구비한 촬영기의 해저 탐사 영상 촬영, 튜브의 가스주입(질소, 압축 공기)에 의한 수면 상승 등의 동작을 외부의 개입 없이 자동으로 수행하기 때문에 해저 탐사 로봇에 의해 해양 물리 탐사와 수중 정보 수집이 가능하게 되었다.

Description

해저탐사를 위한 수중 정보수집 장치 {Data collection apparatus for exploring seabed}

본 발명은 수중 정보수집 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 상대적으로 고비용 구조인 잠수정, 해저 탐사 로봇, CTD(Conductivity, Temperature, Depth) 등을 대체하기 위한 해저탐사를 위한 수중정보수집 장치에 관한 것이다.

해저를 탐사하는 과정에서 심해(대수심)의 위험한 장소에 잠수복을 착용한 사람을 직접 투입하는 대신에 해저 탐사 로봇을 투하하여 작업을 진행하면 정보를 보다 안전하게 해저 탐사 정보를 수집할 수 있다. 이를 통해 해저 탐사시에 인명피해를 최소화하면서 장기적으로 해저 탐사 데이터를 수집하여 보다 정확하고 세밀한 해양 물리 탐사 데이터 분석이 가능하다.

종래의 경우 잠수정, 수중로봇, CTD와 같은 다양한 형태와 기능을 지닌 해저 탐사 장비들이 사용되지만 이들은 특수한 환경에서 사용자의 조작이나 개입이 필요하여 제약이 수반된다. 잠수정은 초기 투자비가 막대할뿐더러 많은 연료와 인력이 소모된다. 그리고 CTD는 해양에서 전기적인 방법으로 전기전도도(염분으로 환산), 수온, 수심을 연속적으로 측정하는 기기로 사용되며, CTD 등의 장비는 사람이 직접 해저에 투입해야 하고 회수 또한 사람이 직접 해야 한다.

이와 관련하여 한국 등록특허공보 제0936468호, 일본 공개특허공보 평7-035582호 등의 선행기술문헌을 참조할 수 있다.

전자는 부력체설치부에 배치되는 신축재질의 부력체, 탐지기바디에 내설되어 부력체와 연통되는 부양장치압축탱크, 수압을 측정하여 수압신호를 출력하는 수압센서, 거리측정신호 및 위치측정신호를 수신하여 측정해저영상을 생성하고 기존 해저영상을 업데이트하는 제어부 등을 구비한다. 이에, 연결이 끊어지더라도 수중탐지기를 용이하게 찾는 효과를 기대한다.

후자는 센서 유닛을 갖춘 관측스테이션 내에 데이터 축적용 데이터 뱅크 및 전송부를 설치하고, 회수용 데이터 박스를 설치한 메신저 부표를 여러개 수납하여, 데이터 뱅크 및 전송부와 데이터 케이블로 접속하고, 데이터 박스에 데이터 뱅크와 발신기를 배치한다. 이에, 심해에서 측정 데이터를 용이하게 장기간 걸쳐 회수하는 효과를 기대한다.

그러나, 상기한 선행특허에 의하면 변화하는 수중 환경에 대응하여 설정된 자세를 유지하면서 정보를 수집하기 미흡하고, 장기간에 걸친 정보수집 이후 회수하는 과정에서 신속성을 높이기 위한 인력 의존도가 여전이 높은 편이다.

한국 등록특허공보 제0936468호 "해저지형의 변동 및 해수에 … 수중의 환경변화를 관측하는 해저정보 확인시스템" (공개일자 : 2010.01.20.) 일본 공개특허공보 평7-035582호 "海中觀測デ-タ回收裝置" (공개일자 : 1995.02.07.)

상기와 같은 종래의 문제점들을 개선하기 위한 본 발명의 목적은, 해저 탐사를 위한 수중 정보 수집 로봇을 심해(대수심)로 자유낙하로 투하하여 장기간 안정적으로 울퉁불퉁한 해저 지형에서 해양 물리 탐사와 수중 데이터 수집이 가능하고, 튜브에 공기 주입(질소, 압축 공기)으로 수면 상승을 하며, 설정된 시점의 자동 상승을 통하여 간편한 회수를 유도하여 인력을 비롯한 제반 자원의 소모를 줄이는 해저탐사를 위한 수중 정보수집 장치를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 해저 탐사를 위한 수중 정보수집 장치에 있어서: 수밀된 공간에 지지대를 구비하는 본체; 상기 본체의 하측에 다수의 다리를 구비하고, 본체의 내부에 스튜어트 플랫폼을 구비하는 지지수단; 상기 본체의 외부에 팽창 가능한 부력체를 구비하는 부상수단; 상기 본체와 스튜어트 플랫폼 상에 탐사수집기, GPS수신기, 자이로센서, 촬영기를 탑재하는 검출수단; 및 상기 지지수단, 부상수단, 검출수단을 설정된 알고리즘으로 제어하는 제어수단;을 포함한다.

본 발명의 변형예로서, 상기 지지수단의 다리는 본체의 고정대에 힌지와 회동기를 개재하여 각도변동이 가능하게 연결되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 부상수단은 각각의 다리 상에 고압의 팽창 가스를 저장한 가스통을 구비하고, 가스통과 부력체를 연결하는 가스도관 상에 개폐밸브를 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 검출수단은 탐사수집기를 통하여 유속, 유향, 파랑, 부유사, 수온, 염분, 수압을 검출하고, 촬영기를 통하여 카메라와 조명을 사용하여 각각의 다리의 방향으로 해저 탐사 영상을 검출하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 제어수단은 스튜어트 플랫폼의 자세를 실시간으로 감지하면서 평형기를 가동하여 수평을 유지하고, 탐사기간의 종료 또는 배터리의 저전압 조건에서 부력체의 팽창을 유발하는 것을 특징으로 한다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 해저 탐사를 위한 수중 정보수집 장치는 해저로 투입한 이후의 지면 안착, 심해(대수심)/바다/연안의 울퉁불퉁한 해저 지형에서 고정 정지 관측 탐사로 로봇으로써 실시간 수평 유지를 위한 스튜어트 플랫폼에 의한 수평 유지 장치를 구비하며, 해양 물리 탐사를 위한 유속, 조속, 파랑, 부유사, 수온, 염분의 수중 정보 수집, 압력계(수압계)에 의한 압력 보정 수압 측정, 카메라와 조명을 구비한 촬영기의 해저 탐사 영상 촬영, 튜브의 가스주입(질소, 압축 공기)에 의한 수면 상승, 스튜어트 플랫폼과 튜브를 사용한 수중 정보수집 장치가 수면 위로 상승시 GPS 위치 검출 등의 동작을 해저 탐사 로봇 또는 수중 정보 수집 로봇에 의해 외부의 개입 없이 자동으로 수행하기 때문에 보다 편리하게 심해(대수심)/바다/연안 해양 물리 탐사와 수중 정보 수집이 가능하게 되었다.

도 1은 본 발명에 따른 장치를 전체적으로 나타내는 사시도
도 2는 본 발명에 따른 장치를 평면에서 나타내는 구성도
도 3은 본 발명에 따른 장치의 지지수단을 나타내는 모식도
도 4는 본 발명에 따른 장치의 부상수단을 나타내는 모식도
도 5는 본 발명에 따른 장치의 제어수단을 나타내는 블록도
도 6은 본 발명에 따른 장치의 사용상태를 나타내는 모식도

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명한다.

본 발명은 해저에서 탐사작업을 수행하기 위한 정보수집 장치에 관하여 제안한다. 해저를 탐사하는 과정에서 각종 정보를 수집하는 장치를 대상으로 하지만 반드시 이에 국한되는 것은 아니다.

본 발명에 따른 본체(10)는 수밀된 공간에 지지대(15)를 구비하는 구조이다. 도 1에서 본체(10)는 원통형 구조로 수밀되고 상단에 커버(12)가 장착된 상태를 예시한다. 본체(10)의 소재는 금속을 기반으로 하면서 내압성을 지닌 강화 플라스틱을 병용할 수 있다. 지지대(15)는 본체(10)의 하부 영역에 배치되어 전체 골격의 베이스로 작용한다.

또, 본 발명에 따르면 지지수단(20)이 상기 본체(10)의 하측에 다수의 다리(21)를 구비하고, 본체(10)의 내부에 스튜어트 플랫폼(25)을 구비하는 구조이다. 지지수단(20)는 외부의 다리(21)와 내부의 스튜어트 플랫폼(25)을 이용하여 후술하는 검출수단(40)의 주요부가 수평 상태를 이루도록 한다. 도 2에서 4개의 다리(21)가 본체(10)의 하단에 방사상으로 배치된 상태를 예시한다. 스튜어트 플랫폼(25)은 지지대(15) 상에 평형기(27)를 개재하여 지지된다. 평형기(27)는 본체(10)의 기울어짐에 대응하여 스튜어트 플랫폼(25)의 수평을 유지하도록 다수의 엑츄에이터로 구성된다. 보다 정밀한 평형기(27)의 일예로서 병렬평행기구(Stewart Flatform)를 사용할 수 있다.

본 발명의 변형예로서, 상기 지지수단(20)의 다리(21)는 본체(10)의 고정대(11)에 힌지(22)와 회동기(23)를 개재하여 각도변동 가능하게 연결되는 것을 특징으로 한다. 장치가 투입되는 당시나 투입 후의 환경변황에 의한 해저 굴곡 등의 이유로 본체(10)가 다소 기울어지더라도 평형기(27)에 의한 스튜어트 플랫폼(25)의 수평유지가 가능하다. 그러나, 심해(대수심)에서 해저의 굴곡이나 경사가 심해지면 고정대(11) 상에서 적어도 일부의 다리(21)의 각도를 변동하는 것이 바람직하다. 도 3에서 우측 다리(21)가 힌지(22)를 중심으로 하향된 상태를 예시한다. 회동기(23)는 웜과 웜휠을 지닌 웜기어에 구동모터를 연결하여 구성할 수 있다. 웜은 구동모터의 구동축에 연결하고 웜휠은 힌지(22)와 동심으로 연결한다.

한편, 도 3에 나타내는 우측의 다리(21)처럼 고정대(11)에서 일정 거리 이격되도록 이동하는 구성을 더 부가할 수도 있다. 이는 전술한 회동기(23)처럼 별도의 구동모터에 웜기어와 래크-피니언 등을 연결하여 구성된다.

또, 본 발명에 따르면 부상수단(30)이 상기 본체(10)의 외부에 팽창 가능한 부력체(35)를 구비하는 구조이다. 부력체(35)는 본체(10)의 하부 영역에 장착되지만 팽창 후에는 본체(10)의 반경방향과 상측으로 부풀어 본체(10)를 전체적으로 감싸는 것이 좋다. 부력체(35)는 기계적 강도와 신축성 외에 내염수성, 내후성, 내마모성 등을 지닌 소재로 형성한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 부상수단(30)은 각각의 다리(21) 상에 고압의 팽창 가스를 저장한 가스통(31)을 구비하고, 가스통(31)과 부력체(35)를 연결하는 가스도관(33) 상에 개폐밸브(37)를 구비하는 것을 특징으로 한다. 도 4를 참조하면 각각의 다리(21)에 탑재된 가스통(31)을 각각의 가스도관(33)으로 연결하고, 가스도관(33)의 중심과 부력체(35) 사이에 하나의 개폐밸브(37)를 설치한 상태를 예시한다. 가스통(31)은 압축 공기 또는 질소 등의 가스를 고압으로 충전하고 다리(21)의 프레임 부재들 사이에 수용한다. 가스도관(33)은 내염수성이 우수한 금속이나 수지재를 사용하여 십자형으로 형성한다. 개폐밸브(37)는 전자식 구동을 위한 솔레노이드를 탑재한다.

또, 본 발명에 따르면 검출수단(40)이 상기 본체(10)와 플랫폼(25) 상에 탐사수집기(42), GPS 수신기(44), 자이로센서(46), 촬영기(48)를 탑재하는 구조이다. 탐사수집기(42)는 탐사 목적에 부합하는 정보와 탐사 환경과 관련되는 정보를 검출한다. GPS 수신기(44)는 해저의 탐사중이나 부력체(35)에 의하여 수면으로 부상시 GPS 위치를 수신한다. GPS 수신기(44)는 수면 위로 상승시 GPS 위치를 검출한다. 자이로센서(46)는 스튜어트 플랫폼(25)에 탑재되고 중력 방향에 대하여 기울어진 자세를 검출한다. 촬영기(48)는 카메라와 조명을 사용하여 각각의 다리(21)의 방향으로 카메라와 해저 탐사에 필요한 조명을 작동하면서 해저 탐사 영상을 검출한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 검출수단(40)은 탐사수집기(42)를 통하여 유속, 유향, 파랑, 부유사, 수온, 염분, 수압을 검출하고, 촬영기(48)를 통하여 각각의 다리(21)의 방향으로 영상을 검출하는 것을 특징으로 한다. 도 2와 같이 탐사수집기(42)와 촬영기(48)는 본체(10)의 표면에 분산적으로, 예컨대 적어도 각각의 다리(21)의 상측 영역으로 배치된다. 특히 유속, 유향, 파랑, 부유사의 측정에 있어서 센서의 분산적 배치가 바람직하다. 반면, 수온, 염분, 수압은 본체(10)의 어느 일측 또는 상면에서 검출할 수도 있다. 압력 신호는 보정을 거쳐 장치가 투입되어 탐지하는 깊이(수심)에 대한 기록으로 활용될 수 있다.

또, 본 발명에 따르면 제어수단(50)이 상기 지지수단(20), 부상수단(30), 검출수단(40)을 설정된 알고리즘으로 제어하는 구조이다. 도 5에서 제어수단(50)은 마이크로프로세서, 메모리, 입출력인터페이스를 탑재한 제어기(52)를 기반으로 한다. 설정된 제어 알고리즘은 메모리에 프로그램과 데이터 형태로 저장되고 실행된다. 탐사수집기(42), GPS수신기(44), 자이로센서(46), 촬영기(48) 등은 제어기(52)의 입력인터페이스에 연결된다. 회동기(23), 평형기(27), 개폐밸브(37) 등은 구동기(56)를 개재하여 출력인터페이스에 연결된다. 본체(10)의 상단에 설치되는 송수신기(54)는 입출력인터페이스에 연결된다. 배터리(58)는 안정적 출력이 가능한 리튬폴리머(Li-Po) 방식을 탑재할 수 있다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 제어수단(50)은 스튜어트 플랫폼(25)의 자세를 실시간으로 감지하면서 평형기(27)를 가동하여 수평을 유지하고, 탐사기간의 종료 또는 배터리(58)의 저전압 조건에서 튜브에 공기 주입(질소, 압축 공기)으로 부력체(35)의 팽창을 유발하는 것을 특징으로 한다.

탐사중에 조류 등의 영향으로 본체(10)의 자세가 기울어지면 일차적으로 평형기(27)를 가동하여 스튜어트 플랫폼(25)의 수평을 유지하지만, 만일 설정된 경사 범위를 초과하면 전술한 회동기(23)를 이차적으로 가동하여 스튜어트 플랫폼(25)의 수평을 유지한다.

설정된 조건에 도달하면 임무를 종료하고 개폐밸브(37)를 가동하여 가스통(31)의 가스를 부력체(35)로 보내어 해수면으로 상승을 유도한다.

* 수중 정보 수집 및 탐사 로봇

심해(대수심)에서 고정 정지 관측 해저 탐사 로봇

- 탐사수집기: 센서(유속, 조속, 파랑, 부유사, 수온, 염분)

- 촬영기: 카메라(해저탐사영상), 조명

- GPS 수신기(수면 위로 상승시 GPS 위치 검출)

- 압력계(수압계): 압력 보정 수압 -> 깊이 측정, 자기 기록

- 스튜어트 플랫폼(수평 유지 장치)

- 로봇 다리(진발)- 10cm 간격으로 다리 이동

- 수면 상승시에, 튜브(질소, 압축 공기 가스 주입) 사용

내압성(강화 플라스틱)

해저 탐사를 위한 수중 정보수집 장치는 해저로 투입한 이후의 지면 안착, 심해(대수심)/바다/연안의 울퉁불퉁한 해저 지형에서 고정 정지 관측 탐사로 로봇으로써 실시간 수평 유지를 위한 스튜어트 플랫폼에 의한 수평 유지 장치를 구비하며, 해양 물리 탐사를 위한 유속, 조속, 파랑, 부유사, 수온, 염분의 수중 정보 수집, 압력계(수압계)에 의한 압력 보정 수압 측정(깊이를 자기 기록), 카메라와 조명을 구비한 촬영기의 해저 탐사 영상 촬영, 튜브의 가스주입(질소, 압축 공기)에 의한 수면 상승, 스튜어트 플랫폼과 튜브를 사용한 수중 정보수집 장치가 수면 위로 상승시 GPS 위치 검출 등의 동작을 해저 탐사 로봇 또는 수중 정보 수집 로봇에 의해 외부의 개입 없이 자동으로 수행하기 때문에 보다 편리하게 심해(대수심)/바다/연안 해양 물리 탐사와 수중 정보 수집이 가능하게 되었다.

로봇 다리는 울퉁불퉁한 해저 지형에서 안착되도록 4-10개의 다리(진발)을 구비할 수 있다.

로봇의 재질은 스테인레스를 사용하며, 로봇 프레임과 다리(진발)의 부식을 방지하기 위해 SUS-316 계열 합금을 사용하거나, 부식 시간을 지연시키도록 아연 덩어리를 부착시킬 수 있다.

도 6를 참조하면 본 발명의 전체적인 작동을 이해하기 용이하다. 도 6(a)처럼 모선에서 해저에 수중 정보 수집 장치(해저 탐사 로봇, 수중 탐사 로봇)를 자유낙하로 투입하여도 도 6(b)와 같이 해저면에 안착된 후에 설정된 알고리즘에 의하여 자동으로 스튜어트 플랫폼(25)이 실시간으로 수평을 잡는다. 종래의 부표, 잠수정 등과는 다르게 해저에 고정되어 장기간 정보를 수집할 수 있어 접근이 어려웠던 해저의 정해진 지점에서의 많은 수중 정보를 메모리에 저장하는 동시에 송수신기(54)를 통하여 전송하기도 한다. 도 6(c)에 나타내는 것처럼 장치의 임무 종료나 이상 발생시 튜브 등의 부력체(35)가 팽창하면 자동으로 수면에 상승되고, 수중 정보 수집 장치(해저 탐사 로봇, 수중 탐사 로봇)가 상승시에 그 로봇에 부착된 GPS 수신기(44)에 의해 검출된 GPS 위치 신호를 송수신기(54)를 통해 컴퓨터/노트북으로 전송한다.

송수신기(54)는 RF 통신부, 또는 Wi-Fi 통신부 또는 LED 4G/5G 모뎀을 사용할 수 있다.

컴퓨터/노트북은 RF 통신부, 또는 Wi-Fi 통신부 또는 LED 4G/5G 모뎀을 구비하며, 해저 탐사 소프트웨어를 구비한다.

본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음이 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.

10: 본체 11: 고정대
15: 지지대 20: 지지수단
21: 다리 22: 힌지
23: 회동기 25: 스튜어트 플랫폼
27: 평형기 30: 부상수단
31: 가스통 33: 가스도관
35: 부력체 37: 개폐밸브
40: 검출수단 42: 탐사수집기
44: GPS수신기 46: 자이로센서
48: 촬영기 50: 제어수단
52: 제어기 54: 송수신기
56: 구동기

Claims

해저 탐사를 위한 수중 정보수집 장치에 있어서:
수밀된 공간에 지지대(15)를 구비하는 본체(10);
상기 본체(10)의 하측에 다수의 다리(21)를 구비하고, 본체(10)의 내부에 스튜어트 플랫폼(25)을 구비하는 지지수단(20);
상기 본체(10)의 외부에 팽창 가능한 부력체(35)를 구비하는 부상수단(30);
상기 본체(10)와 스튜어트 플랫폼(25) 상에 탐사수집기(42), GPS수신기(44), 자이로센서(46), 촬영기(48)를 탑재하는 검출수단(40); 및
상기 지지수단(20), 부상수단(30), 검출수단(40)을 설정된 알고리즘으로 제어하는 제어수단(50);을 포함하는 해저탐사를 위한 수중 정보수집 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 지지수단(20)의 다리(21)는 본체(10)의 고정대(11)에 힌지(22)와 회동기(23)를 개재하여 각도변동이 가능하게 연결되는 것을 특징으로 하는 해저탐사를 위한 수중 정보수집 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 부상수단(30)은 각각의 다리(21) 상에 고압의 팽창 가스를 저장한 가스통(31)을 구비하고, 가스통(31)과 부력체(35)를 연결하는 가스도관(33) 상에 개폐밸브(37)를 구비하는 것을 특징으로 하는 해저탐사를 위한 수중 정보수집 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 검출수단(40)은 탐사수집기(42)를 통하여 유속, 유향, 파랑, 부유사, 수온, 염분, 수압을 검출하고, 촬영기(48)를 통하여 카메라와 조명을 사용하여 각각의 다리(21)의 방향으로 해저 탐사 영상을 검출하는 것을 특징으로 하는 해저탐사를 위한 수중 정보수집 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 제어수단(50)은 스튜어트 플랫폼(25)의 자세를 실시간으로 감지하면서 평형기(27)를 가동하여 수평을 유지하고, 탐사기간의 종료 또는 배터리(58)의 저전압 조건에서 부력체(35)의 팽창을 유발하는 것을 특징으로 하는 해저탐사를 위한 수중 정보수집 장치.