KR20220103216A

KR20220103216A - 다목적 소형 로봇

Info

Publication number: KR20220103216A
Application number: KR1020210004990A
Authority: KR
Inventors: 천민우
Original assignee: 동신대학교산학협력단
Priority date: 2021-01-14
Filing date: 2021-01-14
Publication date: 2022-07-22
Also published as: KR102537049B1

Abstract

본 발명은 다목적 소형 로봇에 관한 것으로서, 본원은 농업 및 다목적으로 사용할 수 있는 소형 로봇은 무인 다목적 소형로봇을 원격으로 조종하거나 경로 주행시 스스로 장애물 회피가 가능하도록 발명된 장치로서 작업자의 농약중독 등을 예방할 수 있는 로봇 기술을 제공한다.

Description

다목적 소형 로봇{Multipurpose Miniature Robot}

일반적으로, 현재 농촌에서 수행되고 있는 농약 및 비료의 살포방식은 농약을 물에 희석시켜 분무기 등에 담아 살포하거나 길다란 비닐봉지에 농약을 담아 양끝에서 비닐봉지를 잡고 살포하는 방식으로 수행되고 있다.

그러나, 이러한 재래적인 살포방식은 다수의 인력이 농약에 중독되어 건강을 해칠 수 있는 가장 원시적인 작업방식이며, 농촌인력이 격감되고 있는 현재 살포인력을 용이하게 구할 수 없다는 문제점이 있다. 또한 비행기가 헬리콥터와 같은 농기계를 사용하여 농약 및 비료를 살포하는 방식도 있으나 이러한 방식은 대규모 영농에 적합할 뿐 우리나라와 같은 협소한 면적을 경작하는 영세농가에는 적합한 방식이 될 수 없다.

더 나아가, 농약사의 질병자 수 및 질병 유병률과 질병 중증도를 살펴봐도 농약의 유해성으로 인해 비닐하우스나 스마트팜과 같은 밀폐된 공간에서의 농약 사용이 농축산업 종사자에게 매우 치명적임을 확인할 수 있음.

기존의 궤도차량의 경우, 가솔린 및 경유를 사용하는 엔진을 사용하므로 매우 큰 소음 및 환경오염을 초래하므로 본 발명자는 배터리를 사용하여 구동할 수 있는 친환경적이며 소음이 작은 궤도 차량을 제공함.

또, 본 발명자는 소경작지 및 소로를 다니며 움직일 수 있는 소형화되고 사람이 직접 운전을 하지 않고도 방제 및 농약 살포가 가능함. 포장되지 않은 농로 및 수로 그리고 비닐하우스 내에서 주행이 용이하도록 궤도를 도입함 하우스 및 축사 진입이 용이하도록 지형이 고르지 못한 곳을 이동하기 위해 구동부를 궤도차량을 채택함.

또한 적재부에 고령의 작업자 및 부녀자가 손쉽게 무거운 자재를 이동할 수 있도록 슬라이딩 트레이를 설치 하였음. 해당 본 발명은 적재부에 분무모듈을 탑재하였지만 슬라이딩 트레이를 통해 세척 및 이동성이 간편하고 고령자 및 부녀자가 탈부착이 쉽도록 원터치 손잡이를 설치 하였음.

상기 종래의 문제점을 감안하여 안출한 것으로서, 기존은 작업자가 무거운 약제통을 이용해서 약제를 분사 하였고 그로 인해 작업자들의 농약 중독 및 각종 질병에 노출 되었다.

따라서 본 발명은 무인 다목적 소형로봇을 원격으로 조종하거나 경로 주행시 스스로 장애물 회피가 가능하도록 발명된 장치로서 작업자의 농약중독 등을 예방 할 수 있는 로봇을 제공한다.

상기 이상의 과제는 구체적인 내용에서 더 밝혀진다.

첨부도면에 의해 구성을 살펴보면 다음과 같다.

자율주행 제어에 사용되는 가속도센서(211), 자이로센서(212), 지자기센서(213), 위성안테나(215), 통신수단(230)이 장착된 자율주행 로봇몸체(15)는

베이스프레임(10), 회전속도를 가변할 수 있는 BLDC 구동모터(11), 상기 구동모터(11)의 구동부(12)와 연결되어 지면을 주행하는 궤도(13), 상기 구동모터(11)에 전원을 공급하는 배터리(미도시), 상기 베이스프레임(10) 상측에 슬라이드레일(14)을 포함하여 장착하고

상기 슬라이드레일(14)에 결합되는 슬라이드레일부(20)는 슬라이드레일(20)에 가이드되어 슬라이드 이동하면서 결합되고 분리되되 상기 슬라이드레일부(20)에 엑추레이터(21,201)와 로드(22)가 연결되고

상기 엑추레이터(21)는 약제탱크프레임(23)에 연결되며,

상기 약제탱크프레임(23)은 약제탱크(30)와, 상기 약제탱크(30)의 약제를 펌프하는 모터펌프(31)와, 상기 모터펌프(31)로부터 약제가 복수의 약제배관(32)과 노즐(33)을 탑재시켜 상기 궤도(13)를 통해 주행하면서 상기 노즐(33)에 의해 약제를 살포하는 구성이다.

상술한 바와 같이, 기존은 작업자가 무거운 약제통을 이용해서 약제를 분사 하였고 그로 인해 작업자들의 농약 중독 및 각종 질병에 노출 되었다.

따라서 본 발명은 무인 다목적 소형로봇을 원격으로 조종하거나 경로 주행시 스스로 장애물 회피가 가능하도록 발명된 장치로서 작업자의 농약중독 등을 예방 할 수 있다.

상기 이상의 효과는 구체적인 내용에서 더 밝혀진다.

도 1의 가)는 본 발명의 다목적 소형로봇 일부 분해사시도,
나)는 본 발명의 다목적 소형 로봇 일부 사시도.
도 2의 가), 나)는 본 발명의 설명도.
도 3은 본 발명의 측면도로서,
가)는 엑추레이터의 로드를 축소한 상태의 측면도,
나)는 엑추레이터의 로드를 축소한 신장한 상태의 측면도.
도 4는 본 발명의 흐름도.

첨부도면에 의해 구성을 제차 살펴보고 그에 따른 실시예를 살펴본다.

본 발명의 다목적 로봇은 베이스프레임(10), 회전속도를 가변할 수 있는 BLDC 구동모터(11), 상기 구동모터(11)의 구동부(12)와 연결되어 지면을 주행하는 궤도(13), 상기 구동모터(11)에 전원을 공급하는 배터리(미도시), 상기 베이스프레임(10) 상측에 슬라이드레일(14)을 형성한 로봇몸체(15);

상기 로봇몸체(15)의 슬라이드레일(20)에 가이드 되어 슬라이드 이동하면서 결합되고 분리되는 슬라이드레일부(20), 상기 슬라이드레일부(20)에 엑추레이터(21)와 로드(22)가 연결되고

상기 엑추레이터(21)는 약제탱크프레임(23)에 연결되며,

상기 약제탱크프레임(23)은 약제탱크(30)와, 상기 약제탱크(30)의 약제를 펌프하는 모터펌프(31)와, 상기 모터펌프(31)로부터 약제가 복수의 약제배관(32)과 노즐(33)을 탑재시켜 상기 궤도(13)를 통해 주행하면서 상기 노즐(33)에 의해 약제를 살포하는 구성을 포함한다.

상기 배터리의 전원을 제어부(210c)를 통해 구동모터(11)와 모터펌프(31)에 인가하거나 차단하도록 구성한다.

더 나아가, 상기 로봇몸체(15)의 슬라이드레일(20)이 상기 약제탱크프레임(23) 하단에 위치한 슬라이드레일부(20)에서 서로 슬라이드 이동하여 결합되고 분리되도록 함으로써 약제살포 도중 배터리부족 경고 메세지 또는 경고음을 발생하면 중량감이 있는 상기 약제탱크프레임(23)에서 상기 로봇몸체(15)를 분리한 후 배터리 충전을 위해 상기 로봇몸체(15)가 로봇충전실(미도시)로 이동하는 구성이다.

이때 약제탱크프레임(23)의 테두리 사방에 복수의 실린더 로드(미도시)가 신장하면서 지면에 지탱하도록 한다. 그 후 로봇몸체(15)를 분리하면 분리가 가능하다.

상기 로봇충전실에서 배터리 충전 후 로봇몸체(15)가 약제탱크프레임(23)으로 되돌아 갈 수 있도록 지속적으로 신호를 송수신한다.

상기 로봇몸체(15)가 약제탱크프레임(23)으로 되돌아 가는 시점은 배터리충전이 완충되는 경우 되돌아가도록 설정한다. 이처럼 함으로써 되돌아갈 수 있는 위치가 명확해진다.

즉, 예를 들어 잔류 전력이 10%인 경우 로봇몸체(15)가 약제탱크프레임(23)에서 분리되고 충전이 완료되면 로봇몸체(15)는 약제탱크프레임(23)으로 되돌아가도록 프로그램 입력될 수 있다.

이처럼 서로 분리되도록 함으로써 중량감이 있는 약제탱크프레임(액재탱크 포함)을 먼 거리에 있는 로봇충전실까지 이동할 필요가 없어 배터리의 전력을 절약할 수 있다.

본 발명의 구성을 첨부도면 1에 의해 살펴보면 다음과 같다.

상기 구동모터(200)의 회전속도를 제어하거나 자이로센서, 가속도센서, 지자기센서, 고도센서의 신호를 읽어들여 신호처리하는 제어부(210),

상기 로봇(200a)에 가속도를 감지하기 위한 가속도센서(211)와; 상기 로봇(200a)의 기울기를 감지하기 위한 자이로센서(212)와;

상기 로봇(200a)의 진행방향을 인식하는 지자기센서(213)와;

상기 기체 위치정보 데이터를 주고받은 위성안테나(215);

상기 로봇(200a)의 정보를 통신하는 통신수단(230)과;

상기 가속도센서(211)와 자이로센서(212)로부터 제공되는 가속도와 기울기를 획득하여 PID 제어를 통해 균형을 제어하기 위한 균형제어부(210a)와;

여기서 균형제어부(210a)는 약제탱크프레임(23)과 로봇몸체(15) 사이에 엑추레이터(21)가 구비되어 있어 엑추레이터(21)의 로드(22) 신장과 축소 여부에 따라 약제탱크프레임(23)이 균형을 유지한다. 이처럼 균형을 유지함으로써 중량감이 있는 약제탱크(30)의 약제가 흔들리더라도 로봇이 넘어지지 않는다.

상기 균형제어부(210a)의 제어에 따라 구동하기 위한 복수의 엑추레이터(201)와;

상기 균형제어부(210a)는, 상기 가속도센서(211)와 자이로센서(212)로부터 제공되는 가속도와 기울기를 획득하여 PID 제어를 수행하기 위한 균형제어모듈(210b)로 구성된다.

상기 통신수단(230)은 IOT 통신수단으로서 기지국에 위치, 속도 등 주행데이터의 패턴을 실시간으로 제공하는 구성이다.

상기 지자기센서는 지구에서 발생하는 자기장의 흐름을 파악해 나침반처럼 방위를 탐지할 수 있는 센서로서 로봇의 진행방향을 인식할 수 있다.

이로 인해 로봇이 자신의 진행방향을 인식할 수 있어 안정적인 주행이 가능하다.

통신수단(230)은 상기 제어부(210c)의 연산처리결과를 WAP을 이용하여 관리자나 사용자의 이동 통신단말기 및 PC에 전송하는 무선 모듈(250)과,

상기 무선모듈(250)과 기존 이동통신 통신망을 통하여 원격지의 관리자나 사용자의 이동통신 단말기(감시자 pc)로 로봇(200a)의 고유번호와 정해진 문자 및 기억장치에 저장된 측정데이터를 원격지의 사용자에게 전송하는 것으로 어느 로봇의 정보를 원격지에서 알 수 있게 해준다.

이러한 원격감시 시스템의 능동적인 작동을 간략하게 설명하면, 원격감시를 원하는 관리자나 사용자가 이동통신 단말기에 설치되어 있는 응용프로그램을 구동하여 제어부(210c)에 접속하고, 제어부(210c)로 상태확인 요청을 전송하면 제어부(210c)는 관리자나 사용자로부터의 상태확인 요청에 의하여 추출된 현재 또는 과거의 결과를 관리자나 사용자의 이동통신 단말기로 전송해준다.

본 실시예에서는 제어부(210c) 및 관리자나 사용자의 이동통신 단말기에 설치되어, 양 장비 사이의 무선 데이터통신을 가능하게 하는 WAP(무선 응용 프로토콜)을 이용함으로써, 별도의 장비 없이 원격감시를 수행할 수 있다.

WAP는 하나의 통신에뮬레이터의 역할을 하는 것으로, 미리 정해진 프로토콜에 따라 상대방으로부터 수신·복조된 신호를 의미 있는 정보로 변환하는 역할을 하여, 이동통신 단말기로 원격지에 있는 로봇(200a)의 상태를 감시할 수 있게 해준다.

본 발명의 실시예에 따른 자율주행 트랙터의 경심 제어장치는 도 4에 나타낸 바와 같이 자율주행 제어에 사용되는 감지부(210)가 장착된 자율주행 로봇(200a)은 복수의 엑추레이터(201)를 포함하는 구성으로 이루어진다.

자율주행 로봇(200a)은 자율주행 제어에 사용되는 관성측정장비(300) 및 관성항법장비(310)를 이용하여 자율주행 로봇 측 경심 제어 및 수평 제어를 수행하도록 구비된다.

상기 관성측정장비(IMU; Inertial Measurement Unit)는 자율주행 로봇(200a)의 속도와 방향, 중력, 가속도를 측정할 수 있는 장치로서, 가속도계, 자이로스코프 또는 자이로센서, 지자계센서로 축을 이루어 3차원 공간에서 자유로운 움직임을 측정하도록 구비된다.

여기에서, 상기 가속도계는 이동 관성을 자이로스코프 또는 자이로센서는 회전 관성을, 지자계센서는 방위각을 측정할 수 있다.

상기 관성측정장비를 통해서는 주로 자세 측정을 수행할 수 있다.

상기 관성항법장비(INS; Intertial Navigation System)는 자이로스코프나 가속도계 등의 관성센서와 기준방향 및 초기 위치를 사용하여 방향, 거리 및 속도를 정하는 자립추측항법장치로서, 가속도는 관성공간에 대해 안정화된 요소를 동적으로 검출하고 항법량(자율주행 로봇의 속도, 각도위치 또는 위치정보)은 계산에 따라 정해 진다.

상기 관성항법장비를 통해서는 주로 자세 측정과 거리 측정을 수행할 수 있다.

이를 통해 상기 자율주행 로봇(200a)에서는 약제탱크(30) 등의 적재물 및 자율주행 로봇(200a)의 제원을 입력하고 이를 활용하여 보정값을 산출한 후, 자율주행 로봇 측 경심 제어 및 수평 제어를 수행하도록 구비된다.

상기 엑추에이터(201)는 감지부(210c)의 감지값에 의해 제어부(210c)를 통해 제어되어 움직임은 제한하면서도 자율주행 로봇(200a)의 경심 및 수평을 용이하게 제어하게 하는 구성으로서, 알고리즘을 이용하여 동작을 실시간으로 제어하도록 구비된다.

상기 복수의 엑추에이터(201)는 좌우측에 위치하여 간격 배치되는 2개 1조의 한쌍의 구성으로 구비된다.

본 발명의 로봇(200a)에 의해 약제살포가 완료되면 프로그램에 의해 차고지로 이동한다.

주행중 자동모드에서 배터리가 부족한 경우에는 경고 메시지 또는 경고음을 내면서 로봇충전실로 이동한다. 이동한 후에 배터리 충전이 완료되면 설정한 프로그램에 의해 이동한다.

로봇(200a) 전방에 설치된 카메라는 전방 연상을 수집하여 지속적으로 관리자 측에 전송할 수 있다.

참고로 더 설명하면, 로봇몸체(15) 상부에 라이다를 포함하고 제어부의 초소형컴퓨터와 연동하는 기울기를 측정하는 자이로센서를 포함하며 속도를 감지하는 가속도센서를 포함하고 FC와 연동할 수 있다.

또한, 주변 지형 및 물체를 탐지 및 회피하고 맵핑된 맵을 초소형컴퓨터로 연동, 전송하고 제어부의 초소형컴퓨터는 컨트롤러(태블릿, RC 컨트롤러, 노트북 등) LTE(3G,4G)시스템을 사용하여 양방향 통신 및 자율주행이 가능할 수 있다.

상기 제어부와 연동되며, 상기 실내 재배시설 내에 설치되고 초음파센서를 이용한 실내 네비게이션 시스템은 고정식초음파 비콘을 탐색하고 양약 또는 물 공급기로 탐색 보충할 수 있다.

또한, 초음파 및 적외선센서를 통한 전면 충돌 방지 및 낙하 방지를 할 수 있다.

또한, 주변을 촬영할 수 있는 카메라를 포함하며 상기 카메라는 자이로센서(FC)의 신호와 연동되어 짐벌 모터를 구동하고 지면과 수평을 유지할 수 있으며, 컨트롤러를 통해 짐벌모터를 원격조정 할 수 있다.

또한, LTE 모듈시스템은 컨트롤러와 원격으로 연동되어 음성제어로 제어부를 구동 할 수 있다.

상기 컨트롤러는 태블릿, RC컨트롤 노트북 등을 포함할 수 있다.

또한, 제어부와 GPS 모듈은 연동되며, 컨트롤러를 통해 현재 위치를 파악하고 경로 설정 및 경로 주행을 할 수 있다.

또한, 상부에 외부 환경의 습도, 온도, 미세먼지 및 가스를 측정하는 환경측정모듈을 포함하고 원격으로 전송할 수 있다.

구동부; 상기 다목적 소형 로봇은 다수의 바퀴 및 궤도를 구동시키는 DC모터 및 BLDC 모터를 포함하는 구동부

분사부; FC의 자이로센서와 연동하는 분사조절대는 지면과의 수평을 유지하기 위해 서보모터로 자동 유지하고 컨트롤러로 원격 제어가 될 수 있다.

또한, 물을 저장하는 저장탱크 및 상기 저장탱크와 연결되어 가동하는 BLDC 펌프 및 DC 펌프를 사용할 수 있다.

또한 펌프를 사용하지 않은 원심형노즐을 더 포함할 수 있다.

상기 가이드 레일에 맞물려 가동할 수 있는 슬라이딩 레일 상기 슬라이딩 레일은 약제 분사, 연막, 소독, 파종 등을 적재하고 상기 전력부와 제어부를 사용하고 가동할 수 있다.

또한 사용자가 상기 적재 트레이를 잡아당기거나, 격납시 상기 적재 트레이를 밀어 넣을 수 있다.

또한 차체 배터리가 일정 전압 이하인 경우 컨트롤과 연동하여 알림을 하고 상기 GPS 및 고정식초음파 비콘을 연동하여 출발 지점으로 자동 복귀하고 차체 리튬폴리머 충전기가 탑재되어 자동으로 충전할 수 있다.

또한 양액 및 물탱크의 외부에 유량센서를 적용하고 약량이 일정 이하 조건인 경우 상기 GPS 및 초음파식 비컨을 탐색하여 출발 지점이나 충전스테이지로 복귀하고 자동 급유를 할 수 있다.

또한 발전기를 탑재 전력이 공급되지 않는 노지에서 사용이 가능할 수 있다.

또한 연료를 사용할 수 있다.

10 : 베이스프레임
11 : 구동모터
12 : 구동부
15 : 로봇몸체
20 : 슬라이드레일
21 : 엑추레이터
22 : 로드
23 : 약제탱크프레임
30 : 약제탱크
31 : 모터펌프
32 : 약제배관
33 : 노즐
200: 구동모터
200a: 로봇
211 : 가속도센서
212 : 자이로센서
213 : 지자기센서
215 : 위성안테나
230 : 통신수단

Claims

자율주행 제어에 사용되는 가속도센서(211), 자이로센서(212), 지자기센서(213), 위성안테나(215), 통신수단(230)이 장착된 자율주행 로봇몸체(15)는,
베이스프레임(10) 회전속도를 가변할 수 있는 BLDC 구동모터(11), 상기 구동모터(11)의 구동부(12)와 연결되어 지면을 주행하는 궤도(13), 상기 구동모터(11)에 전원을 공급하는 배터리, 상기 베이스프레임(10) 상측에 슬라이드레일(14)을 포함하여 장착하고,

상기 슬라이드레일(14)에 결합되는 슬라이드레일부(20)는 슬라이드레일(20)에 가이드되어 슬라이드 이동하면서 결합되고 분리되되 상기 슬라이드레일부(20)에 엑추레이터(21)와 로드(22)가 연결되고
상기 엑추레이터(21)는 약제탱크프레임(23)에 연결되며,
상기 약제탱크프레임(23)은 약제탱크(30)와, 상기 약제탱크(30)의 약제를 펌프하는 모터펌프(31)와, 상기 모터펌프(31)로부터 약제가 복수의 약제배관(32)과 노즐(33)을 탑재시켜 상기 궤도(13)를 통해 주행하면서 상기 노즐(33)에 의해 약제를 살포하는 구성을 포함한 것을 특징으로 하는 다목적 소형 로봇.
제 1항에 있어서,
로봇몸체(15)의 슬라이드레일(14)이 상기 약제탱크프레임(23) 하단에 위치한 슬라이드레일부(20)에서 서로 슬라이드 이동하여 결합되고 분리되도록 하여 약제살포 도중 배터리부족 경고 메세지 또는 경고음을 발생하면 중량감이 있는 상기 약제탱크프레임(23)에서 상기 로봇몸체(15)를 분리한 후 배터리 충전을 위해 상기 로봇몸체(15)가 로봇충전실로 이동하는 구성을 특징으로 하는 다목적 소형 로봇.
제 2항에 있어서,
잔류 전력이 5%~10%인 경우 로봇몸체(15)가 약제탱크프레임(23)에서 분리되고 충전이 완료되면 상기 로봇몸체(15)는 약제탱크프레임(23)으로 되돌아가도록 프로그램 설정된 것을 특징을 하는 다목적 소형 로봇.