KR20210128321A - 보조 암을 이용한 벽면 등반형 무인 항공기 및 그 제어 방법 - Google Patents

보조 암을 이용한 벽면 등반형 무인 항공기 및 그 제어 방법 Download PDF

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Abstract

보조 암을 이용한 벽면 등반형 무인 항공기 및 그 제어 방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 벽면 등반형 무인 항공기는 벽면에 접촉하는 본체의 일면에 부착되고 모터에 의해 회전이 제어되어 상기 벽면에서 무인 항공기를 이동시키기 위한 적어도 하나 이상의 회전 바퀴; 상기 본체의 일부에 연결되어 각도가 변경되는 1 자유도의 링크와 상기 링크의 말단에 부착된 자유 바퀴를 포함하는 보조 암; 상기 본체와 상기 보조 암 사이에 벨트를 연결하여 상기 벨트를 이용한 동력 전달을 제어하는 동력 전달 시스템; 및 상기 벽면에 부착된 상태에서 상기 보조 암과 상기 본체 사이의 각도에 따라 적어도 하나 이상의 추진체 각각의 추진력을 제어하고, 상기 동력 전달 시스템의 동력 전달을 제어하며, 상기 모터의 회전을 제어하여 상기 무인 항공기의 이동을 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

보조 암을 이용한 벽면 등반형 무인 항공기 및 그 제어 방법 {WALL-CLIMBING DRONE USING AUXILIARY ARM AND METHOD FOR CONTROLLING THEREFORE}
본 발명은 보조 암을 이용한 벽면 등반형 무인 항공기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 각도가 변경되는 1 자유도의 링크와 링크의 말단에 부착된 자유 바퀴를 포함하는 보조 암과 본체에 부착된 모터 제어에 의한 회전 바퀴를 이용하여 보조암의 링크 각도를 제어함으로써, 벽면의 부착과 벽면에서의 이동을 용이하게 수행할 수 있는 보조 암을 이용한 벽면 등반형 무인 항공기 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
교량, 고층 건물, 풍력 터빈, 대형 항공기 및 선박과 같은 대형 구조체의 안전성(structural health)은 사회의 안전과 직접 연관되어 있으며, 최근 거대 구조물의 노후화 및 붕괴 사고 등으로 인하여 구조물 안전도 검사에 대한 사회적 관심이 높아지고 있다. 하지만, 현재 구조물의 안전도 검사는 대부분 인력에 의존하고 있으며, 사람이 직접 해당 지역에 접근하여 검사를 수행하므로 인력수급 및 사고 위험성 등의 문제가 있다.
또한 최근 늘어가고 있는 태양광 패널의 유지관리 및 항공기의 상태 점검 역시 대부분 인력에 의존하고 있는데, 이는 전문 인력의 부족이라는 문제점을 가지고 있다. 벽면 등반 로봇은 이러한 문제점을 해결해 줄 수 있기에 벽면 등반 로봇의 필요성이 대두되고 있는 추세이다. 벽면 등반 로봇은 개발 방향에 따라 여러 방식이 있지만, 크게 인프라 기반과 무 인프라 기반으로 분류할 수 있다.
인프라 기반 벽면 등반 로봇의 경우 높은 유효 탑재량과 안정성을 가지고 있으마 해당 벽면 등반 로봇을 사용하기 위해서는 와이어 및 철골 구조물 등의 인프라가 사전에 구축되어 있어야 하며, 이는 해당 인프라 구축에 드는 시간과 노력 그리고 지속적인 유지 관리를 위해서는 건물의 미관을 해치게 된다는 단점이 있어 사용되지 못하고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 인프라가 필요하지 않는 무 인프라 기반 벽면 등반 로봇들의 연구가 이루어지고 있으나, 이러한 방식들은 낮은 유효 탑재량 및 안정성과 이동성의 제한이라는 문제점을 가지고 있다. 최근에는 자유로운 움직임을 강점으로 한 무인항공기를 이용한 벽면 등반 로봇들이 개발되고 있으나 기존의 벽면 등반 무인 항공기는 벽면에서의 화동 시 에너지 사용이 비효율적이며 구조의 특징상 벽면으로의 부착 및 탈착 시 로봇이 받는 충격이 크고 불안정한 동작을 가지게 된다.
또한, 이러한 기존의 방식들은 곡면 및 기울어진 벽면 등의 다양한 형태 및 창문 틀과 같이 장애물이 있는 벽면에는 사용하지 못하는 경우가 많다.
본 발명의 실시예들은, 각도가 변경되는 1 자유도의 링크와 링크의 말단에 부착된 자유 바퀴를 포함하는 보조 암과 본체에 부착된 모터 제어에 의한 회전 바퀴를 이용하여 보조암의 링크 각도를 제어함으로써, 벽면의 부착과 벽면에서의 이동을 용이하게 수행할 수 있는 보조 암을 이용한 벽면 등반형 무인 항공기 및 그 제어 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 벽면 등반형 무인 항공기는 벽면에 접촉하는 본체의 일면에 부착되고 모터에 의해 회전이 제어되어 상기 벽면에서 무인 항공기를 이동시키기 위한 적어도 하나 이상의 회전 바퀴; 상기 본체의 일부에 연결되어 각도가 변경되는 1 자유도의 링크와 상기 링크의 말단에 부착된 자유 바퀴를 포함하는 보조 암; 상기 본체와 상기 보조 암 사이에 벨트를 연결하여 상기 벨트를 이용한 동력 전달을 제어하는 동력 전달 시스템; 및 상기 벽면에 부착된 상태에서 상기 보조 암과 상기 본체 사이의 각도에 따라 적어도 하나 이상의 추진체 각각의 추진력을 제어하고, 상기 동력 전달 시스템의 동력 전달을 제어하며, 상기 모터의 회전을 제어하여 상기 무인 항공기의 이동을 제어하는 제어부를 포함한다.
상기 동력 전달 시스템은 상기 본체의 제1 지점과 상기 링크 사이에 연결되는 일정 탄성을 가지는 탄성 와이어; 상기 링크와 연결되고 상기 본체의 제2 지점에 형성된 가이드 풀리(guide pulley)를 통해 이동하는 풀리 벨트(pully belt); 및 상기 풀리 벨트의 이동 방향을 제어하여 상기 본체와 상기 링크 사이의 각도를 제어하는 풀리 액츄에이터(pulley actuator)를 포함할 수 있다.
나아가, 본 발명의 일 실시예에 따른 벽면 등반형 무인 항공기는 상기 무인 항공기에 전원을 공급하기 위한 배터리를 더 포함하고, 상기 배터리는 상기 보조 암과 상기 본체 사이의 각도에 따라 위치가 이동되어 상기 무인 항공기의 밸런스를 유지할 수 있다.
상기 배터리는 상기 보조 암과 상기 본체 사이의 각도가 커질수록 상기 회전 바퀴 측 방향으로 이동하고, 상기 보조 암과 상기 본체 사이의 각도가 작아질수록 상기 회전 바퀴 반대측 방향으로 이동할 수 있다.
상기 배터리는 상기 보조 암이 형성된 상기 본체의 일면과 반대되는 반대면에 형성되고, 상기 무인 항공기가 바닥으로 내려오는 경우 상기 무인 항공기를 랜딩하기 위한 랜딩 바퀴를 구비할 수 있다.
상기 배터리는 상기 동력 전달 시스템에 구비된, 상기 본체와 상기 보조 암 사이의 각도를 제어하는 풀리 액츄에이터에 의해 위치가 이동될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 벽면 등반형 무인 항공기 제어 방법은 벽면에 접촉하는 본체의 일면에 부착되고 모터에 의해 회전이 제어되어 상기 벽면에서 무인 항공기를 이동시키기 위한 적어도 하나 이상의 회전 바퀴와 상기 본체의 일부에 연결되어 각도가 변경되는 1 자유도의 링크와 상기 링크의 말단에 부착된 자유 바퀴를 포함하는 보조 암 사이의 각도를 추정하는 단계; 상기 보조 암과 상기 본체 사이의 각도에 따라 적어도 하나 이상의 추진체 각각의 추진력을 제어하는 단계; 및 상기 본체와 상기 보조 암 사이에 벨트를 연결하여 상기 벨트를 이용한 동력 전달을 제어함으로써, 상기 보조 암과 상기 본체 사이의 각도를 제어하고, 상기 모터의 회전을 제어하여 상기 무인 항공기의 이동을 제어하는 단계를 포함한다.
상기 무인 항공기의 이동을 제어하는 단계는 상기 본체의 제1 지점과 상기 링크 사이에 연결되는 일정 탄성을 가지는 탄성 와이어, 상기 링크와 연결되고 상기 본체의 제2 지점에 형성된 가이드 풀리(guide pulley)를 통해 이동하는 풀리 벨트(pully belt)와 상기 풀리 벨트의 이동 방향을 제어하여 상기 본체와 상기 링크 사이의 각도를 제어하는 풀리 액츄에이터(pulley actuator)를 포함하는 동력 전달 시스템을 이용하여 동력 전달을 제어할 수 있다.
나아가, 본 발명의 일 실시예에 따른 벽면 등반형 무인 항공기 제어 방법은 상기 보조 암과 상기 본체 사이의 각도에 따라 위치가 이동되는 배터리를 이용하여 상기 무인 항공기의 밸런스를 유지하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 무인 항공기의 밸런스를 유지하는 단계는 상기 배터리가 상기 보조 암과 상기 본체 사이의 각도가 커질수록 상기 회전 바퀴 측 방향으로 이동하고, 상기 보조 암과 상기 본체 사이의 각도가 작아질수록 상기 회전 바퀴 반대측 방향으로 이동함으로써, 상기 무인 항공기의 밸런스를 유지할 수 있다.
상기 무인 항공기의 밸런스를 유지하는 단계는 상기 동력 전달을 제어하는 동력 전달 시스템에 구비된, 상기 본체와 상기 보조 암 사이의 각도를 제어하는 풀리 액츄에이터에 의해 위치가 이동됨으로써, 상기 무인 항공기의 밸런스를 유지할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 벽면 등반형 무인 항공기는 벽면에 접촉하는 본체의 일면에 부착되고 모터에 의해 회전이 제어되어 상기 벽면에서 무인 항공기를 이동시키기 위한 적어도 하나 이상의 회전 바퀴; 상기 본체의 일부에 연결되어 각도가 변경되는 1 자유도의 링크와 상기 링크의 말단에 부착된 자유 바퀴를 포함하는 보조 암; 상기 본체와 상기 보조 암 사이에 벨트를 연결하여 상기 벨트를 이용한 동력 전달을 제어하는 동력 전달 시스템; 상기 무인 항공기에 전원을 공급하며, 상기 보조 암과 상기 본체 사이의 각도가 커질수록 상기 회전 바퀴 측 방향으로 이동하고, 상기 보조 암과 상기 본체 사이의 각도가 작아질수록 상기 회전 바퀴 반대측 방향으로 이동함으로써, 상기 보조 암과 상기 본체 사이의 각도에 따라 위치가 이동되어 상기 무인 항공기의 밸런스를 유지하는 배터리; 및 상기 벽면에 부착된 상태에서 상기 보조 암과 상기 본체 사이의 각도에 따라 적어도 하나 이상의 추진체 각각의 추진력을 제어하고, 상기 동력 전달 시스템의 동력 전달을 제어하며, 상기 모터의 회전을 제어하여 상기 무인 항공기의 이동을 제어하는 제어부를 포함한다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 각도가 변경되는 1 자유도의 링크와 링크의 말단에 부착된 자유 바퀴를 포함하는 보조 암과 본체에 부착된 모터 제어에 의한 회전 바퀴를 이용하여 보조암의 링크 각도를 제어함으로써, 벽면의 부착과 벽면에서의 이동을 용이하게 수행할 수 있다.
따라서, 본 발명은 로봇시스템을 통한 고층 건물 외벽청소 및 대형 구조물 점검의 무인화로 추락 및 안전사고로 인한 인명피해의 가능성을 획기적으로 낮출 수 있고, 기존 드론 시스템의 활용을 통한 제작과 구축 비용을 줄이며, 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 외벽 청소 및 구조 점검의 자동화를 가능하게 하여 관리의 번거로움을 제거할 수 있으며 상시 점검을 통한 대형 사고를 예방할 수 있다.
이러한 본 발명은 태양광 유지보수, 고층빌딩 외벽 청소와 광고물(간판) 청소 등과 같은 각종 시설물 관리에 적용할 수 있으며, 교량 및 대형 구조물의 외벽 균열 등의 점검에도 적용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 벽면 등반형 무인 항공기에 대한 구성을 나타낸 것이다.
도 2는 무인 항공기의 벽면 부착 시 프리 바디 다이어그램을 나타낸 것이다.
도 3은 보조 암의 구동을 위한 메커니즘의 요소와 구동 원리를 설명하기 위한 일 예시도를 나타낸 것이다.
도 4는 배터리의 슬라이딩 메커니즘에 대한 일 실시예의 구조를 나타낸 것이다.
도 5는 무인 항공기의 자세에 따른 배터리 슬라이딩 메커니즘을 설명하기 위한 일 예시도를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 벽면 등반형 무인 항공기 제어 방법에 대한 동작 흐름도를 나타낸 것이다.
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 형 태로 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.
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, 동작 및/또는 소자는 하나 이상 의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또한, 일반적으로 사용되는 사 전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면 상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
본 발명의 실시예들은, 각도가 변경되는 1 자유도의 링크와 링크의 말단에 부착된 자유 바퀴를 포함하는 보조 암과 본체에 부착된 모터 제어에 의한 회전 바퀴를 이용하여 보조암의 링크 각도를 제어함으로써, 벽면의 부착과 벽면에서의 이동을 용이하게 수행하는 것을 그 요지로 한다.
이 때, 본 발명은 특정 센서 예를 들어, 두 개의 초음파 센서를 이용하여 벽면과 무인 항공기 간의 거리를 측정할 수 있으며, 이에 따라 보조 암과 본체 간의 각도를 제어함으로써, 벽면과의 각도를 평형하게 유지할 수 있다.
나아가, 본 발명은 보조 암이 형성된 본체와 다른 면에 형성된 배터리의 위치를 무인 항공기의 자세 또는 링크의 각도에 따라 이동시킴으로써, 무인 항공기의 밸런스를 유지할 수 있다.
더 나아가, 본 발명은 링크의 각도 즉, 보조 암과 본체 간의 각도 및 무인 항공기의 자세를 이용하여 벽면의 기울기를 추정하고 이에 따라 추진력을 제어함으로써, 벽면에서의 자세를 유지할 수 있으며, 회전 바퀴에 부착된 모터를 이용하여 벽면을 등반할 수 있다.
더 나아가, 본 발명은 링크의 각도에 따라 추진체 각각의 추진력을 제어함으로써, 링크의 각도에 따라 벽면에서의 자세를 유지할 수도 있다. 물론, 본 발명은 링크의 각도와 벽면의 각도에 따라 추진체 각각의 추진력을 제어하는 것으로 한정하지 않으며, 배터리의 위치를 반영하여 추진체 각각의 추진력을 제어할 수도 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 벽면 등반형 무인 항공기에 대한 구성을 나타낸 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 벽면 등반형 무인 항공기는 무인 항공기의 본체에서 벽면과 접촉하는 일면에 형성되고 모터에 의해 제어되는 회전 바퀴(front wheel), 본체의 일부 예를 들어, 본체의 중앙 부분에 연결되어 각도가 변경되는 1 자유도의 링크와 링크의 말단에 부착된 자유 바퀴(auxiliary wheel)를 포함하는 보조 암(auxiliary arm), 회전 바퀴(front wheel)의 회전을 제어하여 벽면에서의 이동을 위한 모터(wall-climbing motor)와 벨트, 본체와 보조 암 사이의 동력 전달을 제어하여 본체와 보조 암 사이의 각도를 제어하는 동력 전달 시스템, 무인 항공기에 전원을 공급하기 위한 배터리 및 필요에 따라 보조 암의 회전을 제어하기 위한 모터(motor for auxiliary arm)을 포함할 수 있다.
여기서, 동력 전달 시스템은 도 3에 도시된 바와 같이, 본체의 제1 지점(anchor)과 보조 암의 링크 사이에 연결되는 일정 탄성을 가지는 탄성 와이어(elastic wire), 링크와 연결되고 본체의 제2 지점에 형성된 가이드 풀리(guide pulley)를 통해 이동하는 풀리 벨트(pully belt)와 풀리 벨트의 이동 방향을 제어하여 본체와 링크 사이의 각도를 제어하는 풀리 액츄에이터(pulley actuator)를 포함할 수 있다.
풀리 액츄에이터는 모터에 의해 회전에 제어되는 하부의 풀리 기어와 풀리 기어에 의해 풀리 벨트를 가이드 패스를 통해 이동시키는 두 개의 가이드 풀리 기어를 포함할 수 있으며, 이러한 풀리 액츄에이터는 무인 항공기의 제어 수단에 의해 제어됨으로써, 보조 암과 본체 사이의 각도를 제어할 수 있다.
드론과 같은 무인 항공기의 추진력을 벽면으로 작용시키면 수직항력에 의해 마찰력이 발생하며 이 마찰력을 기반으로 안정적인 벽면 이동이 가능하다.　하지만 접촉면의 마찰 계수가 낮을 경우 마찰력을 발생시키기 위해서는 높은 추진력이 필요하기에 추진력의 방향을 조절할 필요가 있다.
기체의 추진력을 벽면으로 작용시켜 마찰력을 발생시킬 힘과 추진체의 고유 목적인 상승 방향으로의 힘을 적절하게 배분하여 에너지 효율을 최적화하게 되는데, 본 발명의 무인 항공기는 도 2에 도시된 바와 같이 1자유도의 보조 암을 이용하여 벽면에 대한 무인 항공기 즉, 드론의 자세를 제어하는 동시에 추진체의 방향을 조절할 수 있다.
이러한 본 발명은 1자유도의 보조 암을 장착함에 있어　페이로드가 극히 제한된 드론의 특성을 고려하여 경량화 메커니즘을 포함할 수 있고, 비행 안정성을 위해 무인 항공기의 균형을 최적화하기 위한 기능을 포함한다.
이러한 무인 항공기는 도 2에 도시된 바와 같이, 보조 암에 의지하여 벽면에 부착할 경우　무인 항공기의 추진력의 방향으로 인해 보조 암은 벽면에 대한 반작용으로 인해 열리는 방향으로만 큰 힘을 받게 된다.
따라서, 보조 암을 닫는 방향으로의 메커니즘을 경량의 재료로 구현하기 위해, 본 발명은 도 3에 도시된 풀리 벨트, 가이드 풀리, 탄성 와이어 및 풀리 액츄에이터를 포함하는 인장력을 활용한 동력전달 시스템을 이용할 수 있다. 경량/소형 액츄에이터가 제어 수단의 제어에 의해 풀리 벨트를 당기는 방향으로 작용하면 가이드 풀리를 통해 보조 암을 무인 항공기 즉, 드론의 몸체로 당기게 되어 보조 암이 닫히는 방향으로 회전한다.
이를 감속 기어 구조로 보조 암의 회전축에 적용시킬 경우 보조 암의 모든 회전 방향에 대해 대응할 수 있다는 장점은 있으나, 이러한 메커니즘에서는 보조 암이 닫히는 방향으로만 큰 힘이 작용하기 때문에 비효율적일 수 있고,　큰 감속비가 필요하기 때문에 큰 기어 및 여러 개의 감속 모듈이 필요하기 때문에 구조가 복잡해지거나 무게가 증가한다는 단점이 있을 수 있다. 따라서, 본 발명은　 도 3에 도시된 인장력 기반의 동력전달 시스템을 이용한 메커니즘을 통해 이를 극복할 수 있다.
또한, 보조 암은 무인 항공기의 무게 중심 상단에 위치하고, 벽면 이동을 위한 회전 바퀴(front wheel)이 무인 항공기가 벽면에 접촉하는 한 쪽 면에 설치되어 있기 때문에 무인 항공기의 균형을 깨뜨리게 되어 안정적인 비행에 방해요인이 된다. 따라서, 본 발명의 무인 항공기는 무인 항공기 중량의 40~60%를 차지하는 배터리를 무인 항공기의 하단에서 무인 항공기의 자세 또는 보조 암과 본체 사이의 각도에 따라 그 위치가 자동으로 이동되게 함으로써, 카운터 웨이트의 역할을 하고, 이를 통해 벽면 이동을 위한 장치로 인해 깨져버린 무인 항공기의 밸런스를 보상하여 무인 항공기의 밸런스를 유지함으로써, 안정적인 비행을 수행할 수 있다.
이러한 배터리는 도 4에 도시된 바와 같이 슬라이딩 가이드(또는 레일)을 통해 그 위치가 이동 가능하고, 무인 항공기가 벽면에서 바닥으로 내려오는 경우 무인 항공기를 랜딩하기 위한 적어도 하나 이상의 랜딩 바퀴를 구비할 수 있다.
이 때, 배터리는 슬라이딩 가이드에서 위치 이동을 위한 베어링(bearings for sliding)과 연결되어 슬라이딩 가이드 상에서 무인 항공기의 자세 또는 보조 암과 본체 사이의 각도에 따라 그 위치가 자유롭게 이동될 수 있다.
즉, 배터리는 무인 항공기가 벽면 부착을 하며 자세를 변경할 때 무게 중심을 벽면 쪽으로 이동시켜　자세를 변경하기 위한 추진체의 로드를 감소시킴으로써, 무인 항공기의 자세 변경을 용이하게 할 수 있다. 예컨대, 도 5에 도시된 바와 같이, 무인 항공기가 벽면 쪽으로 이동되는 경우 즉, 보조 암과 본체 사이의 각도가 커지는 경우 배터리가 회전 바퀴 방향 측으로 그 위치가 이동됨으로써, 무게 중심으로 벽면 쪽으로 이동시키고, 반대로 무인 항공기가 벽면 쪽에서 멀어지는 경우 즉, 보조 암과 본체 사이의 각도가 작아지는 경우 배터리가 회전 바퀴 방향 반대측으로 그 위치가 이동되어 무인 항공기의 무게 중심을 유지할 수 있다. 도 5에 도시된 예는 무인 항공기의 본체에 고정된 일정 탄성 이상의 와이어와 배터리를 연결함으로써, 무인 항공기의 자세에 따라 배터리가 슬라이딩 가이드를 통해 이동하도록 도시되었지만, 이에 한정하지 않으며 배터리의 위치를 보조 암과 본체 사이의 각도에 따라 자동으로 이동시킬 수 있는 모든 방법을 적용할 수 있다.
예를 들어, 배터리의 위치 이동을 도 3에 도시된 풀리 액츄에이터와 연동되도록 함으로써, 풀리 액츄에이터에 의해 배터리의 위치가 자동으로 이동되도록 할 수도 있다. 즉, 풀리 액츄에이터에 의해 본체와 보조 암 사이의 각도가 커지게 되면 풀리 액츄에이터의 회전 방향에 의하여 배터리가 회전 바퀴 방향 측으로 이동되도록 제어하고, 풀리 액츄에이터에 의해 본체와 보조 암 사이의 각도가 작아지게 되면 풀리 액츄에이터의 회전 방향에 의하여 배터리가 회전 바퀴 반대 방향 측으로 이동되도록 제어함으로써, 무인 항공기의 무게 중심을 제어할 수 있다. 따라서, 본 발명은 풀리 액츄에이터를 포함한 동력 전달 시스템을 이용하여 동력 전달을 수행할 수 있을 뿐만 아니라 배터리의 위치 이동 제어를 통해 밸런스 유지 기능 또한 수행할 수 있다.
본 발명의 무인 항공기에서 동력 전달 시스템이 도 3에 도시된 바와 같이 한정되지 않으며, 제1 지점을 가이드 풀리로 대체하고 풀리 벨트를 제1 지점과 제2 지점을 걸쳐 제1 방향과 제2 방향으로 회전되도록 구현함으로써, 풀리 액츄에이터를 이용하여 보조 암과 본체 사이의 각도를 제어할 수도 있다. 즉, 본 발명의 동력 전달 시스템은 탄성 와이어로 한정하지 않으며, 경량화와 소형화 그리고 제조 비용, 안정성 등을 고려하여 동력 전달 시스템을 다양하게 구현할 수도 있다.
또한, 본 발명의 무인 항공기는 초음파 센서를 이용하여 벽면과의 거리를 추정할 수도 있지만, 이에 한정하지 않으며, 다양한 센서를 이용하여 벽면과의 거리를 추정할 수도 있다. 예를 들어, 보조 암의 길이 그리고 보조 암과 본체 사이의 각도를 통해 벽면과 본체 간의 거리를 추정할 수도 있다.
또한, 본 발명의 무인 항공기는 보조 암과 본체의 각도를 인코딩하기 위한 인코더 예를 들어, rotary encoder가 구비된 경우 해당 인코더를 이용하여 보조 암과 본체의 각도를 파악할 수 있다. 나아가, 본 발명은 동력 전달 시스템을 구현하지 않고 보조 암의 각도를 제어할 수 있는 모터를 이용함으로써, 보조 암과 본체 사이의 각도를 제어할 수도 있다. 즉, 본 발명은 보조 암을 이용하여 벽면 등반을 수행한다는 점이 가장 중요하며, 이러한 보조 암을 제어하기 위한 모든 종류의 방법이 적용될 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 벽면 등반형 무인 항공기는 각도가 변경되는 1 자유도의 링크와 링크의 말단에 부착된 자유 바퀴를 포함하는 보조 암과 본체에 부착된 모터 제어에 의한 회전 바퀴를 이용하여 보조암의 링크 각도를 제어함으로써, 벽면의 부착과 벽면에서의 이동을 용이하게 수행할 수 있다.
따라서, 본 발명의 무인 항공기는 로봇시스템을 통한 고층 건물 외벽청소 및 대형 구조물 점검의 무인화로 추락 및 안전사고로 인한 인명피해의 가능성을 획기적으로 낮출 수 있고, 기존 드론 시스템의 활용을 통한 제작과 구축 비용을 줄이며, 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 벽면 등반형 무인 항공기는 외벽 청소 및 구조 점검의 자동화를 가능하게 하여 관리의 번거로움을 제거할 수 있으며 상시 점검을 통한 대형 사고를 예방할 수 있다.
이러한 본 발명은 태양광 유지보수, 고층빌딩 외벽 청소와 광고물(간판) 청소 등과 같은 각종 시설물 관리에 적용할 수 있으며, 교량 및 대형 구조물의 외벽 균열 등의 점검에도 적용할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 벽면 등반형 무인 항공기 제어 방법에 대한 동작 흐름도를 나타낸 것으로, 도 1 내지 도 5에 도시된 무인 항공기를 제어하는 방법에 대한 것이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 벽면 등반형 무인 항공기 제어 방법은 벽면에 접촉하는 본체의 일면에 부착되고 모터에 의해 회전이 제어되어 벽면에서 무인 항공기를 이동시키기 위한 적어도 하나 이상의 회전 바퀴와 본체의 일부에 연결되어 각도가 변경되는 1 자유도의 링크와 링크의 말단에 부착된 자유 바퀴를 포함하는 보조 암 사이의 각도를 추정한다(S610).
여기서, 단계 S610은 본체와 보조 암 사이의 각도를 추정하기 위한 인코더를 이용하여 해당 각도를 추정할 수 있다.
단계 S610에 의해 본체와 보조 암 사이의 각도가 추정되면 추정된 각도에 따라 적어도 하나 이상의 추진체 각각의 추진력을 제어한다(S620).
여기서, 단계 S620은 보조 암과 본체 사이의 각도, 본체와 벽면 사이의 거리, 벽면의 기울기와 배터리의 위치 중 적어도 하나를 고려하여 무인 항공기에 구비된 추진체들 각각의 추진력을 제어할 수 있다.
단계 S620에 의한 추진력 제어를 통해 무인 항공기가 벽면 상에 부착된 상태를 유지하면, 본체와 보조 암 사이에 벨트를 연결하여 벨트를 이용한 동력 전달을 제어함으로써, 보조 암과 본체 사이의 각도를 제어하고, 모터의 회전을 제어하여 회전 바퀴를 회전시킴으로써, 무인 항공기의 이동을 제어한다(S630).
여기서, 단계 S630은 본체의 제1 지점과 링크(또는 보조 암) 사이에 연결되는 일정 탄성을 가지는 탄성 와이어, 링크와 연결되고 본체의 제2 지점에 형성된 가이드 풀리(guide pulley)를 통해 이동하는 풀리 벨트(pully belt)와 풀리 벨트의 이동 방향을 제어하여 본체와 링크 사이의 각도를 제어하는 풀리 액츄에이터(pulley actuator)를 포함하는 동력 전달 시스템을 이용하여 동력 전달을 제어할 수 있다.
이러한 본 발명의 방법은 보조 암과 본체 사이의 각도에 따라 위치가 이동되는 배터리를 이용하여 무인 항공기의 밸런스를 유지할 수 있으며, 배터리는 보조 암과 본체 사이의 각도가 커질수록 회전 바퀴 측 방향으로 이동하고, 보조 암과 본체 사이의 각도가 작아질수록 회전 바퀴 반대측 방향으로 이동함으로써, 무인 항공기의 밸런스를 유지할 수 있다.
나아가, 무인 항공기의 밸런스는 동력 전달을 제어하는 동력 전달 시스템에 구비된, 풀리 액츄에이터에 의해 배터리의 위치 이동을 제어함으로써, 무인 항공기의 밸런스를 유지할 수도 있다.
비록, 본 발명의 방법에서 그 설명이 생략되었더라도, 본 발명에 따른 방법은 상기 도 1 내지 도 5에서 설명한 모든 내용을 포함할 수 있다는 것은 이 기술 분야에 종사하는 당업자에게 있어서 자명하다.
이상에서 설명된 시스템 또는 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 시스템, 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 어플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
실시예들에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (12)

  1. 벽면에 접촉하는 본체의 일면에 부착되고 모터에 의해 회전이 제어되어 상기 벽면에서 무인 항공기를 이동시키기 위한 적어도 하나 이상의 회전 바퀴;
    상기 본체의 일부에 연결되어 각도가 변경되는 1 자유도의 링크와 상기 링크의 말단에 부착된 자유 바퀴를 포함하는 보조 암;
    상기 본체와 상기 보조 암 사이에 벨트를 연결하여 상기 벨트를 이용한 동력 전달을 제어하는 동력 전달 시스템; 및
    상기 벽면에 부착된 상태에서 상기 보조 암과 상기 본체 사이의 각도에 따라 적어도 하나 이상의 추진체 각각의 추진력을 제어하고, 상기 동력 전달 시스템의 동력 전달을 제어하며, 상기 모터의 회전을 제어하여 상기 무인 항공기의 이동을 제어하는 제어부
    를 포함하는 벽면 등반형 무인 항공기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 동력 전달 시스템은
    상기 본체의 제1 지점과 상기 링크 사이에 연결되는 일정 탄성을 가지는 탄성 와이어;
    상기 링크와 연결되고 상기 본체의 제2 지점에 형성된 가이드 풀리(guide pulley)를 통해 이동하는 풀리 벨트(pully belt); 및
    상기 풀리 벨트의 이동 방향을 제어하여 상기 본체와 상기 링크 사이의 각도를 제어하는 풀리 액츄에이터(pulley actuator)
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 벽면 등반형 무인 항공기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 무인 항공기에 전원을 공급하기 위한 배터리
    를 더 포함하고,
    상기 배터리는
    상기 보조 암과 상기 본체 사이의 각도에 따라 위치가 이동되어 상기 무인 항공기의 밸런스를 유지하는 것을 특징으로 하는 벽면 등반형 무인 항공기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 배터리는
    상기 보조 암과 상기 본체 사이의 각도가 커질수록 상기 회전 바퀴 측 방향으로 이동하고, 상기 보조 암과 상기 본체 사이의 각도가 작아질수록 상기 회전 바퀴 반대측 방향으로 이동하는 것을 특징으로 하는 벽면 등반형 무인 항공기.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 배터리는
    상기 보조 암이 형성된 상기 본체의 일면과 반대되는 반대면에 형성되고, 상기 무인 항공기가 바닥으로 내려오는 경우 상기 무인 항공기를 랜딩하기 위한 랜딩 바퀴를 구비하는 것을 특징으로 하는 벽면 등반형 무인 항공기.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 배터리는
    상기 동력 전달 시스템에 구비된, 상기 본체와 상기 보조 암 사이의 각도를 제어하는 풀리 액츄에이터에 의해 위치가 이동되는 것을 특징으로 하는 벽면 등반형 무인 항공기.
  7. 벽면에 접촉하는 본체의 일면에 부착되고 모터에 의해 회전이 제어되어 상기 벽면에서 무인 항공기를 이동시키기 위한 적어도 하나 이상의 회전 바퀴와 상기 본체의 일부에 연결되어 각도가 변경되는 1 자유도의 링크와 상기 링크의 말단에 부착된 자유 바퀴를 포함하는 보조 암 사이의 각도를 추정하는 단계;
    상기 보조 암과 상기 본체 사이의 각도에 따라 적어도 하나 이상의 추진체 각각의 추진력을 제어하는 단계; 및
    상기 본체와 상기 보조 암 사이에 벨트를 연결하여 상기 벨트를 이용한 동력 전달을 제어함으로써, 상기 보조 암과 상기 본체 사이의 각도를 제어하고, 상기 모터의 회전을 제어하여 상기 무인 항공기의 이동을 제어하는 단계
    를 포함하는 벽면 등반형 무인 항공기 제어 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 무인 항공기의 이동을 제어하는 단계는
    상기 본체의 제1 지점과 상기 링크 사이에 연결되는 일정 탄성을 가지는 탄성 와이어, 상기 링크와 연결되고 상기 본체의 제2 지점에 형성된 가이드 풀리(guide pulley)를 통해 이동하는 풀리 벨트(pully belt)와 상기 풀리 벨트의 이동 방향을 제어하여 상기 본체와 상기 링크 사이의 각도를 제어하는 풀리 액츄에이터(pulley actuator)를 포함하는 동력 전달 시스템을 이용하여 동력 전달을 제어하는 것을 특징으로 하는 벽면 등반형 무인 항공기 제어 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 보조 암과 상기 본체 사이의 각도에 따라 위치가 이동되는 배터리를 이용하여 상기 무인 항공기의 밸런스를 유지하는 단계
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 벽면 등반형 무인 항공기 제어 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 무인 항공기의 밸런스를 유지하는 단계는
    상기 배터리가 상기 보조 암과 상기 본체 사이의 각도가 커질수록 상기 회전 바퀴 측 방향으로 이동하고, 상기 보조 암과 상기 본체 사이의 각도가 작아질수록 상기 회전 바퀴 반대측 방향으로 이동함으로써, 상기 무인 항공기의 밸런스를 유지하는 것을 특징으로 하는 벽면 등반형 무인 항공기 제어 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 무인 항공기의 밸런스를 유지하는 단계는
    상기 동력 전달을 제어하는 동력 전달 시스템에 구비된, 상기 본체와 상기 보조 암 사이의 각도를 제어하는 풀리 액츄에이터에 의해 위치가 이동됨으로써, 상기 무인 항공기의 밸런스를 유지하는 것을 특징으로 하는 벽면 등반형 무인 항공기 제어 방법.
  12. 벽면에 접촉하는 본체의 일면에 부착되고 모터에 의해 회전이 제어되어 상기 벽면에서 무인 항공기를 이동시키기 위한 적어도 하나 이상의 회전 바퀴;
    상기 본체의 일부에 연결되어 각도가 변경되는 1 자유도의 링크와 상기 링크의 말단에 부착된 자유 바퀴를 포함하는 보조 암;
    상기 본체와 상기 보조 암 사이에 벨트를 연결하여 상기 벨트를 이용한 동력 전달을 제어하는 동력 전달 시스템;
    상기 무인 항공기에 전원을 공급하며, 상기 보조 암과 상기 본체 사이의 각도가 커질수록 상기 회전 바퀴 측 방향으로 이동하고, 상기 보조 암과 상기 본체 사이의 각도가 작아질수록 상기 회전 바퀴 반대측 방향으로 이동함으로써, 상기 보조 암과 상기 본체 사이의 각도에 따라 위치가 이동되어 상기 무인 항공기의 밸런스를 유지하는 배터리; 및
    상기 벽면에 부착된 상태에서 상기 보조 암과 상기 본체 사이의 각도에 따라 적어도 하나 이상의 추진체 각각의 추진력을 제어하고, 상기 동력 전달 시스템의 동력 전달을 제어하며, 상기 모터의 회전을 제어하여 상기 무인 항공기의 이동을 제어하는 제어부
    를 포함하는 벽면 등반형 무인 항공기.
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