KR20220139776A - 시트형 수중 로봇 - Google Patents

Abstract

본 발명은 시트형 수중 로봇에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 시트형 수중 로봇은 얇은 시트 형태의 베이스 바디, 상기 베이스 바디에 고정되어 열을 발생시키는 발열부 및 상기 발열부로부터 열을 전달받아 기화하는 액체를 내부에 수용하고 상기 액체의 기액 변화에 의해 부피 변화를 하는 부력 발생부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

시트형 수중 로봇{SHEET TYPE UNDERWATER ROBOT}

본 발명은 시트형 수중 로봇에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 종이처럼 얇은 시트 형태로 형성되어 부력 변화를 제어하여 수중에서 유영할 수 있는 시트형 수중 로봇에 관한 것이다.

해양 환경의 유지보수, 해양 탐사, 수질 관리 등의 작업을 수행하도록 수중에서 유영하는 수중 로봇의 개발이 활발하게 진행되고 있다.

기존에 알려진 수중 로봇은 잠수정과 같이 동력을 이용하여 직접적인 추진력을 발생시키는 방식과 글라이더와 같이 크고 넓은 날개를 이용하여 수중에서 글라이딩하는 방식을 주된 동력 메커니즘으로 활용한다.

하지만, 이를 위해서는 부피가 크고 무거운 장치가 필수적으로 내장되어야 하고, 구성이 복잡하여 제작 비용 및 시간이 많이 소요된다는 문제점이 있다.

이에, 본 발명에서는 얇은 시트 형태로 다양한 크기로 만들 수가 있고 제작 공정이 간단한 수중 유영 로봇을 제안하고자 한다.

대한민국 공개특허 제10-2019-0088754호

따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 열전달에 의한 액체의 기액 변화로 부력의 크기를 제어하여 수중에서 방향을 제어하여 유영할 수 있는 얇은 시트 형태의 시트형 수중 로봇을 제공함에 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 목적은, 본 발명에 따라, 얇은 시트 형태의 베이스 바디; 상기 베이스 바디에 고정되어 열을 발생시키는 발열부; 및 상기 발열부로부터 열을 전달받아 기화하는 액체를 내부에 수용하고 상기 액체의 기액 변화에 의해 부피 변화를 하는 부력 발생부를 포함하는 시트형 수중 로봇에 의해 달성될 수 있다.

여기서, 상기 발열부는 전기가 인가될 때 열을 발생시키는 히팅회로로 형성될 수 있다.

여기서, 상기 발열부는 구역에 따라서 서로 다른 온도로 불균등하게 가열시키는 다자유도 히팅회로로 형성될 수 있다.

여기서, 상기 부력 발생부는 상기 발열부의 각 구역 상부에 구획되어 고정되는데, 구획된 각각의 부력 발생부는 상기 발열부로부터 불균등하게 열을 전달받을 수 있다.

여기서, 상기 부력 발생부는 탄성중합체(elastormer)로 형성될 수 있다.

여기서, 상기 액체는 에탄올일 수 있다.

여기서, 상기 부력 발생부는 비닐로 형성될 수 있다.

여기서, 상기 발열부 및 부력 발생부로 구성되는 구동부가 상기 베이스 바디 상에 복수의 지점에 배치될 수 있다.

상기한 바와 같은 본 발명의 시트형 수중 로봇에 따르면 얇은 시트 형태로 차지하는 공간이 작기 때문에 기존의 주중 로봇보다 좁은 공간에서 효율적으로 구동이 가능하다는 장점이 있다.

또한, 넓은 표면적으로 해양 기름 제거 작업과 같이 외부 환경과 접촉하며 물질적인 교환이 발생하는 다양한 임무에 효율적으로 사용될 수 있다는 장점도 있다.

또한, 대면적으로 쉽게 제작이 가능하므로, 수중 오염물질을 제거하기 위한 패드를 부착하거나 발전소자를 부착하는 것과 같이 표면적이 성능에 비례하는 임무를 수행할 때에 효과적인 form factor를 가지고 있다.

또한, 구조적으로 얇은 두께를 가지므로 기존의 수중 로봇들과 비교하여 훨씬 큰 유연성을 가지기 때문에 외력에 적응하여 견실성이 확보되고 쉽게 구부러져 로봇의 크기보다 더 작은 공간을 통과할 수 있다는 장점도 있다.

또한, 부력을 이용하므로 수직 이착륙기와 같이 한정된 공간 속에서 쉽게 상하 방향의 이동이 가능하다는 장점도 있다.

또한, 제작 공정이 간단하여 저렴한 비용으로 대량으로 제작할 수 있다는 장점도 있다.

또한, 표면적이 넓기 때문에 별도의 동력 없이도 물 표면에서 표면장력을 이용하여 안정적으로 floating이 가능하다는 장점도 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 시트형 수중 로봇의 분리 사시도이다.
도 2는 탄성중합체로 구성되는 부력 발생부 내부 액체의 상변화에 따른 변화를 설명하는 도면이다.
도 3은 세 구역으로 나뉘어지는 다자유도 히팅회로의 일 예(b) 및 이에 대응하는 부력 발생부의 일 예(a)를 도시한다.
도 4는 비대칭적인 가열에 의한 시트형 수중 로봇의 유영 동작을 설명하는 도면이다.
도 5는 세 구역으로 나뉘어지는 다자유도 히팅회로에 의해 가열 조건에 따른 수중 유영을 시뮬레이션한 결과를 도시한다.
도 6은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 시트형 수중 로봇의 평면도이다.

실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.

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 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 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

이하, 본 발명의 실시예들에 의하여 시트형 수중 로봇을 설명하기 위한 도면들을 참고하여 본 발명에 대해 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 시트형 수중 로봇의 분리 사시도이고, 도 2는 탄성중합체로 구성되는 부력 발생부 내부 액체의 상변화에 따른 변화를 설명하는 도면이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 시트형 수중 로봇은 베이스 바디(110), 발열부(120) 및 부력 발생부(130)를 포함하여 구성될 수 있다.

베이스 바디(110)는 얇은 시트 형태로 수중 로봇의 몸체를 형성한다. 도 1에서는 나뭇잎 형태로 형성되어 있는 것을 도시하나, 이는 예시적인 것일 뿐이고 얇은 시트 형태이면 어떠한 형태라도 무방하다.

베이스 바디(110)가 얇은 시트 형태로 형성됨에 따라서 날개 역할을 하여 수중 로봇의 유영을 극대화시킬 수 있다.

또한, 베이스 바디(110)가 얇은 시트 형태로 형성됨에 따라서 부피 대비 큰 표면적을 제공할 수 있다. 따라서, 해상 기름 때 제거, 수중 쓰레기 처리 작업 등과 같이 넓은 표면적이 필요한 분야에 효과적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 베이스 바디(110)에 기름 제거를 위한 유흡착패드를 부착하고 수중에서 유영을 하면서 해상 기름 때를 제거할 수 있다.

본 발명에 따른 시트형 수중 로봇의 크기는 아주 다양하게 제작할 수 있어서, 베이스 바디(110)의 크기는 수 센티미터에서 미터 스케일까지 다양한 크기일 수 있다. 또한, 베이스 바디(110)의 두께는 마이크로 미터 스케일에서 밀리미터 스케일까지 다양한 두께로 얇게 제작될 수 있다.

발열부(120)는 베이스 바디(110)에 고정되어 열을 발생시켜 부력 발생부(130)에 열을 전달한다. 발열부(120)는 전기를 공급받아 열을 발생시키는 히팅회로로 형성될 수 있다. 따라서, 도시되어 있지 않지만 히팅회로에 전원을 공급하는 별도의 전원부가 베이스 바디(110) 또는 히팅회로가 형성되는 기판에 배치될 수 있다. 또는, 수면 위에서 유선으로 히팅회로에 전기를 공급하도록 구성될 수도 있다.

이때, 상기 발열부(120)는 연성 접착제를 가지고 (열)접착에 의해 베이스 바디(110) 상에 고정될 수 있다.

부력 발생부(130)는 발열부(120)로부터 열을 전달받아 기화하는 액체가 밀폐된 내부에 수용되고, 액체의 기액 변화에 의해 부피 변화를 하도록 팽창하는 재질로 형성될 수 있다.

부력 발생부(130)는 탄성중합체(elastormer)로 형성될 수 있으며, 일 예로 실리콘으로 형성될 수 있다. 또는, 부력 발생부(130)는 접착층인 TPU 층이 형성된 PEN과 같은 비닐을 TPU 층이 마주보게 두 겹으로 중첩시킨 상태에서 비닐의 가장자리를 고온의 노즐로 heat drawing하는 방법으로 부력 발생부(130)를 형성할 수도 있다.

이때, 부력 발생부(130) 내부에 수용되는 액체는 끓는점이 매우 낮은 물질을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 액체는 예를 들어 에탄올일 수 있다. 또는, 끓는점이 34℃로 매우 낮은 것으로 알려진 3M 사의 NOVEC 7000이 사용될 수 있다. 상기 에탄올과 NOVEC 7000은 예시적인 것일 뿐 끊는점이 낮은 다른 물질도 사용될 수 있다.

부력 발생부(130)는 시트 형태로 얇게 제작될 수 있는데, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 부력 발생부(130)도 발열부(120) 상부에 (열)접착에 의해 고정될 수 있다.

도 2에 도시되어 있는 것과 같이 부력 발생부(130) 내부에 밀봉된 액체는 발열부(120)로부터 전달받은 열에 의해 기화되어 부력 발생부(130)의 부피를 증가시킬 수가 있다. 따라서, 부력 발생부(130)의 부피 증가에 의해 시트형 수중 로봇의 부력을 증가시켜, 부력에 의한 힘으로 수중에서 유영을 할 수가 있다. 반대로, 발열부(120)로부터 열공급이 중단되면 수중의 유체와 열교환을 통해 자연 냉각되어 부력 발생부(130)의 부피는 다시 원래대로 복구되며 부력은 감소하게 된다.

이와 같이, 본 발명의 시트형 수중 로봇은 발열부(120)를 제어하여 부력 발생부(130) 내부에 수용된 액체에 열을 전달하여 기액 변화에 따른 부력 발생부(130)의 부력의 크기를 제어하는 방법으로 수중 로봇의 유영을 제어할 수 있다.

또한, 본 발명에서는 부력의 비대칭성을 이용하여 토크를 발생시켜 수중 로봇의 진행 방향을 제어할 수 있다.

이하, 본 발명에 따라 수중 로봇의 진행 방향을 다양하게 제어할 수 있는 시트형 수중 로봇의 구조에 대하여 설명하기로 한다.

도 3은 세 구역으로 나뉘어지는 다자유도 히팅회로의 일 예(b) 및 이에 대응하는 부력 발생부(130)의 일 예(a)를 도시하고, 도 4는 비대칭적인 가열에 의한 시트형 수중 로봇의 유영 동작을 설명하는 도면이고, 도 5는 세 구역으로 나뉘어지는 다자유도 히팅회로에 의해 가열 조건에 따른 수중 유영을 시뮬레이션한 결과를 도시한다.

베이스 바디(110)에 고정되는 발열부(120)는 구역에 따라서 서로 다른 온도로 불균등하게 가열될 수 있다. 예를 들어, 도 3의 (b)에 도시되어 있는 것과 같이 다자유도 히팅회로로 형성되어 히팅회로는 3개의 영역으로 나뉠 수가 있고, 각 영역에 서로 다른 전압(V1, V2, V3)을 인가하여 서로 다른 온도로 불균등하게 가열시킬 수가 있다.

또한, 발열부(120) 상부에 배치되는 부력 발생부(130)도 도 3의 (a)에 도시되어 있는 것과 같이 발열부(120)의 각 구역 상부에 구획되어 배치될 수 있다. 따라서, 구획된 각각의 부력 발생부(130)는 아래에 배치되는 다자유도 히팅회로에서 서로 다른 온도의 열을 공급받아 가열될 수 있다. 따라서, 구획된 각 부력 발생부(130)에서 기화되는 양이 달라져 부력을 비대칭적으로 발생시킬 수 있다.

예를 들어, 도 4에 도시되어 있는 것과 같이 3개의 영역 중 좌측의 일 영역을 더 높은 온도로 가열시키는 경우, 해당 위치의 부력 발생부(130)에서 더 큰 부력이 발생하므로 화살표로 도시된 방향으로 회전하며 수중에서 유영을 할 수 있다.

도 5에서는 삼각형의 각 변이 위치하는 세 영역으로 발열부(120)를 나누고 각 영역을 일정하게 가열시키는 경우(a), 일 영역만 다른 온도로 가열시키는 경우(b), 높은 온도로 가열되는 영역이 세 영역을 따라 주기적으로 바뀌는 경우(c)의 시트형 수중 로봇의 수중 유영을 시뮬레이션한 결과(B)를 보여준다.

발열부(120)에 의한 가열 영역을 원주 방향으로 세 영역으로 나눈다. 그리고, 세 영역을 균일하게 가열하는 경우(uniform)(a), 불균일하게 가열하고 유지시키는 경우(Non-uniform)(b), 불균일 분포를 시간에 따라 변화시키는 경우(time varying non-uniform)(c)에 대해서 직접 실험(시뮬레이션 x)을 하여 로봇의 운동 방향과 fluttering 하는 방향의 결과를 도출해 내었다.

시뮬레이션 결과(B)는 부력에 의해 상승할 때의 수평 방향 위치를 도시하는데, Uniform의 경우 수평면 상의 알짜 이동은 없고 무작위적으로 fluttering 하며 상승하는 유영을 하고, non-uniform의 경우는 부력토크의 모멘트 팔이 생기는 방향(우측)으로 이동하며 상승하는 유영을 하고, time varying non uniform의 경우에는 부력토크의 모멘트팔이 회전하는 방향으로 로봇의 이동경로가 꺾이며 상승하는 유영을 하는 것을 볼 수 있다.　

즉, 발열부에 의한 가열 조건에 따라서 (a)의 경우 수평이동이 거의 없이 유영을 하며 상승하는 것을 확인할 수 있고, (b)의 경우 일 방향(우측)으로 이동하는 유영을 하며 상승하는 것을 확인할 수 있으며, (c)의 경우 일 방향(시계 방향)으로 회전 이동을 하는 유영을 하며 상승하는 것을 확인할 수 있다.

이와 같이, 본 발명에서는 다자유도 히팅회로를 이용하여 분할된 영역을 불균등하게 가열시켜 부력의 비대칭성을 발생시킬 수 있다. 따라서, 비대칭성을 제어하여 수중에서 부력에 의해 유영하는 수중 로봇의 유영 방향을 제어할 수가 있다.

도 6은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 시트형 수중 로봇의 평면도이다.

도 6에 도시되어 있는 것과 같이 베이스 바디(110) 상의 서로 다른 위치에 발열부(120) 및 부력 발생부(130)로 구성되는 구동부(200)를 배치시킬 수 있다.

이 경우, 각 구동부(200)의 발열부(120)는 도 3과 같이 다자유도 히팅회로로 형성되지 않고서도, 각 구동부(200)의 발열부(120)에 온도를 서로 다르게 제어하여 각 구동부(200)에서 발생하는 부력의 크기를 서로 다르게 제어할 수가 있다. 따라서, 도 3 내지 도 5를 참조로 전술한 수중 로봇과 마찬가지로 서로 다른 위치의 각 구동부(200)에 발생하는 부력을 비대칭적으로 서로 다르게 발생시킬 수 있으므로 수중 로봇의 유영 방향을 제어할 수가 있다.

본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.

110: 베이스 바디
120: 발열부
130: 부력 발생부
200: 구동부

Claims (8)

1. 얇은 시트 형태의 베이스 바디;
   상기 베이스 바디에 고정되어 열을 발생시키는 발열부; 및
   상기 발열부로부터 열을 전달받아 기화하는 액체를 내부에 수용하고 상기 액체의 기액 변화에 의해 부피 변화를 하는 부력 발생부를 포함하는 시트형 수중 로봇.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 발열부는 전기가 인가될 때 열을 발생시키는 히팅회로로 형성되는 시트형 수중 로봇.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 발열부는 구역에 따라서 서로 다른 온도로 불균등하게 가열시키는 다자유도 히팅회로로 형성되는 시트형 수중 로봇.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 부력 발생부는 상기 발열부의 각 구역 상부에 구획되어 고정되는데,
   구획된 각각의 부력 발생부는 상기 발열부로부터 불균등하게 열을 전달받을 수 있는 시트형 수중 로봇.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 부력 발생부는 탄성중합체(elastormer)로 형성되는 시트형 수중 로봇.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 액체는 에탄올인 시트형 수중 로봇.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 부력 발생부는 비닐로 형성되는 시트형 수중 로봇.
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 발열부 및 부력 발생부로 구성되는 구동부가 상기 베이스 바디 상에 복수의 지점에 배치되는 시트형 수중 로봇.

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