KR20230105806A - 무게중심의 이동이 가능한 드론 - Google Patents

Abstract

본 발명의 한 실시예에 따른 드론은 비행동작을 제어하는 제어부를 구비하고 페이로드(payload)가 장착되는 본체와, 상기 본체로부터 분기된 복수 개의 모터암과, 상기 모터암에 각각 구비된 모터와, 상기 모터의 회전축에 결합하여 추력을 내는 프로펠러를 포함하며, 상기 페이로드를 상기 본체에 상대적으로 직선이동 또는 회전시켜 상기 드론의 무게중심을 이동시킬 수 있는 이동회전부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 이동회전부는, 상기 페이로드의 직선이동을 위한 직선이송부와, 상기 페이로드의 회전을 위한 회전구동부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

무게중심의 이동이 가능한 드론{Drone which center of gravity can be relocated}

본 발명은 드론에 관한 것으로, 상세하게는 무게중심의 이동을 통하여 제어력, 승차감 등을 개선한 드론에 관한 것이다.

최근, 드론(멀티콥터)은 그 용도가 감시뿐만 아니라 물류 배달, 고공 촬영, 측량 또는 사고 수습 등의 용도로 점점 확대되고 있는 실정이다.

멀티콥터형 드론은 보통, 프로펠러의 개수에 따라 바이콥터(2개), 트리콥터(3개), 쿼드콥터(4개) 등으로 분류할 수 있으며, 특히 네 개의 프로펠러를 사용해 이착륙하고 추진하는 쿼드콥터(quadcopter)는 대중적으로 널리 보급되고 있으며 비행조건이 상대적으로 안정적인 것으로 알려져 있다.

또한, 드론의 비행 제어를 위해, 각각의 로터(프로펠러)가 상황에 따른 회전수(rpm)로 회전되며, 이를 통한 추력과 모멘트의 발생으로 드론의 비행 제어를 수행한다. 그리고 드론의 비행 상황 및 특정 제어를 위해 필요한 힘과 모멘트의 생성을 각각의 로터의 회전수 조합으로 생성한다.

그런데, 로터에 의해 생성되는 힘과 모멘트는 항상 커플링 되어 있어 드론에 의도하지 않은 기동이 수반될 수 있다. 특히, 무거운 페이로드(payload)가 장착되거나 대형 기체의 경우 특정 모터와 ESC에 큰 부하가 집중될 수 있다. 또한, 6자유도 운동 중 이동(translation)과 회전(rotation)이 커플링 된 경우가 많아, 드론의 기동시 기체의 자세 변화가 수반된다.

기존에는 패스트 다이나믹스(fast dynamics)를 제외한 동체부를 강체(rigid body)로 하여, 공력중심(aerodynamics center)와 무게중심(center of gravity)이 기체에 고정된다. 따라서, 기체의 기동 및 제어를 위해 작동기(조종면, 로터, 프롭 등)를 작동하여 공력적 힘(추력, 양력, 항력)을 조절하여 비행 수행을 하는 상황이었다.

한국등록특허 제10-2321351호(2021.10.28.)

본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 무게중심의 이동을 통하여 제어력, 승차감 등을 개선한 드론을 제공하는 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 한 실시예에 따른 드론은 비행동작을 제어하는 제어부를 구비하고 페이로드(payload)가 장착되는 본체와, 상기 본체로부터 분기된 복수 개의 모터암과, 상기 모터암에 각각 구비된 모터와, 상기 모터의 회전축에 결합하여 추력을 내는 프로펠러를 포함하며, 상기 페이로드를 상기 본체에 상대적으로 직선이동 또는 회전시켜 상기 드론의 무게중심을 이동시킬 수 있는 이동회전부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 이동회전부는, 상기 페이로드의 직선이동을 위한 직선이송부와, 상기 페이로드의 회전을 위한 회전구동부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 직선이송부는 상기 본체의 하면에 고정된 직선이송부 고정부, 상기 직선이송부 고정부에 상대적으로 회동 가능하게 상기 직선이송부 고정부에 결합하는 스크류 로드(screw rod), 상기 스크류 로드를 회동 시키는 스크류 로드 구동용 모터, 상기 직선이송부 고정부에 연결된 가이드부, 상기 스크류 로드와 결합하고, 상기 스크류 로드의 회동에 따라 상기 스크류 로드에 대해 상대적으로 상기 가이드부를 따라 직선이동하는 이송부재, 그리고 상기 이송부재에 고정되고, 상기 페이로드가 연결되는 페이로드 연결부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 회전구동부는, 상기 페이로드 연결부와 상기 페이로드 사이에 장착되어, 상기 페이로드를 상기 페이로드 연결부에 가까워지거나 멀어지게 하는 리니어 액츄에이터, 그리고 상기 페이로드 연결부에 상기 페이로드를 피봇 가능하게 고정하는 피봇체결부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 리니어 액츄에이터는 4개가 등간격으로 구비되어, 상기 페이로드를 전후좌우의 네 방향으로 회전시킬 수 있는 것을 특징으로 한다.

상술한 구성을 가진 본 발명의 실시예에 따른 드론은 다음과 같은 효과를 가진다.

드론의 기동 및 제어를 위해 필요한 경우 무게중심 자체를 변경함으로써 드론을 제어할 수 있도록 한다.

또한, 드론 택시 개발에 있어 평행이동(translation)시 회전(rotation)이 수반됨에 따라 발생하는 콕핏에서의 불편함과 시야문제를 해결할 수 있다.

또한, 고중량 페이로드 장착시, 모터와 ESC에 큰 부담을 주지 않고 페이로드 자체를 이용하여 드론의 제어력과 조종력을 향상시킬 수 있다.

또한, 직선이송부와 회전구동부의 조합을 통해 점진적이나 영향성이 큰 무게중심의 이동을 만들면서 그 위치 변화량 또한 제어가 가능하다.

한편, 본 발명은 명시적으로 기재되지는 않았지만 상술한 구성으로부터 기대할 수 있는 다른 효과도 물론 포함한다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 드론의 주요 구성의 모식도이다.
도 2는 도 1의 드론에서, 직선이송부에 의해 페이로드가 평행이동하여 무게중심이 이동된 상태를 나타낸다.
도 3은 도 1의 드론에서, 회전구동부의 주요 구성을 나타낸 것으로, 도 3의 (a)는 초기 위치, 도 3의 (b)는 페이로드의 후방에 위치한 리니어 액츄에이터를 신장시키고, 페이로드의 전방에 위치한 리니어 액츄에이터를 단축시킨 상태, 도 3의 (c)는 페이로드의 후방에 위치한 리니어 액츄에이터를 단축시키고, 페이로드의 전방에 위치한 리니어 액츄에이터를 신장시킨 상태를 각각 나타낸다.
도 4는 도 1의 드론에서, 페이로드를 전방으로 직선이동 시킨 후, 반시계방향으로 회전시킨 상태를 나타낸다.
도 5의 (a)는 종래의 드론의 비행 상태를, 도 5의 (b)는 도 1의 드론의 비행 상태를 각각 나타낸다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 한 실시예에 따른 드론(이하, 간단히 '본 드론'이라 지칭한다)은 비행동작을 제어하는 제어부를 구비하고 페이로드(payload)(5)가 장착되는 본체(1)와, 본체(1)로부터 분기된 복수 개의 모터암(2)과, 모터암(2)에 각각 구비되는 모터(3)와, 모터(3)의 회전축에 결합하여 추력을 내는 프로펠러(로터)(4)를 포함한다. 여기서, 본 실시예에서는 페이로드(5)는 사람이 탑승할 수 있는 콕핏(cockpit)를 포함하는 개념으로 사용된다.

특히, 본 드론은, 페이로드(5)를 본체(1)에 대하여 상대적으로 직선이동(translation) 및/또는 회전(rotation)시켜 드론의 무게중심(G)을 이동시킬 수 있는 이동회전부(6)를 포함한다.

이동회전부(6)는 페이로드(5)의 직선이동을 위한 직선이송부(7)와, 페이로드(5)의 회전을 위한 회전구동부(8)를 포함한다.

구체적으로, 직선이송부(7)는 직선이송부 고정부(71), 스크류 로드(screw rod)(72), 모터(73), 가이드부(74), 이송부재(75), 그리고 페이로드 연결부(76)를 포함한다.

직선이송부 고정부(71)는 드론 본체(1)의 하면에 고정될 수 있다. 스크류 로드(72)의 양단이 각각 지지되도록 스크류 로드 1개당 2개가 설치될 수 있다.

스크류 로드(screw rod)(72)는 로드의 표면에 스크류(수나사)가 형성되어, 직선이송부 고정부(71)에 상대적으로 회동 가능하게 직선이송부 고정부(71)에 결합한다.

스크류 로드 구동용 모터(73)는 스크류 로드(72)를 회동시킨다.

가이드부(74)는 직선이송부 고정부(71)에 연결되어 고정된다.

이송부재(75)는 스크류 로드(72)와 결합하고, 스크류 로드(72)의 회동에 따라 스크류 로드(72)에 대해 상대적으로 가이드부(74)를 따라 직선이동한다.

페이로드 연결부(76)는 이송부재(75)에 고정되어 이송부재(75)와 함께 가이드부(74)를 따라 직선이동할 수 있고, 페이로드(5)가 이에 연결된다.

회전구동부(8)는 리니어 액츄에이터(81)와 피봇체결부(82)를 포함한다.

리니어 액츄에이터(81)는 페이로드 연결부(76)와 페이로드(5) 사이에서 이들을 연결하도록 장착되어, 그 길이가 신장 또는 단축됨으로써 페이로드(5)를 페이로드 연결부(76)에 가까워지거나 멀어지게 할 수 있다. 리니어 액츄에이터(81)는 공지의 구성으로서, 유압, 모터, 공압 등을 사용할 수 있다. 또한, 리니어 액츄에이터(81)는 4개가 등간격으로 구비되어, 페이로드(5)를 전후좌우의 네 방향으로 피봇(회전)시킬 수 있다. 한편, 본 실시예에서 도 1을 기준하여, 탑승자가 바라보는 방향을 전방, 그 반대방향을 후방, 탑승자의 왼손 방향을 좌측, 탑승자의 오른손 방향을 우측으로 가리킨다.

피봇체결부(82)는 페이로드 연결부(76)에 페이로드(5)를 피봇 가능하게 고정한다. 이를 통하여, 페이로드(5)는 페이로드 연결부(76)에 대하여 전후좌우로 피봇될 수 있다.

이하에서는 도 2 내지 도 5를 참고하여, 상술한 구성을 가진 본 발명의 한 실시예에 따른 드론의 작용에 대하여 설명한다.

도 2는 도 1의 드론에서, 직선이송부에 의해 페이로드가 평행이동하여 무게중심이 이동된 상태를 나타낸다.

이를 위하여, 스크류 로드 구동용 모터(73)를 구동하면, 스크류 로드(72)가 회동하고, 이때 스크류 로드와 나사결합된 이송부재(75)가 가이드부(74)를 따라 전방으로 이동한다. 이때, 드론의 무게중심(G)은 초기 무게중심 라인(L1)으로부터 전방으로 이동하여 무게중심 라인(L2)에 위치한다.

또한, 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이 페이로드(5)를 회전시키기 위해서, 페이로드(5)의 후방에 위치한 리니어 액츄에이터(81)를 신장시키고, 페이로드(5)의 전방에 위치한 리니어 액츄에이터를 단축시킨다. 만일, 도 3의 (c)에 도시된 바와 같이 페이로드(5)를 회전시키기 위해서는 페이로드(5)의 후방에 위치한 리니어 액츄에이터(81)를 단축시키고, 페이로드(5)의 전방에 위치한 리니어 액츄에이터(81)를 신장시킨다.

또한, 도 4의 상태를 구현하기 위해서는 도 2와 같이 페이로드(5)의 직선이동과 도 3의 (b)와 같이 페이로드(5)를 회전시키면 된다. 이때, 드론의 무게중심(G)은 전방으로 더 이동하여 무게중심 라인(L3)에 위치한다.

도 5의 (a)는 종래의 드론에서 무게중심이 고정된 경우를 나타내고, 도 5의 (b)는 본 발명의 한 실시예에 따라 무게중심이 이동된 경우를 나타낸다.

이와 같이, 본 실시예에 따른 드론은, 드론의 기동 및 제어를 위해 필요한 경우 무게중심 자체를 변경함으로써 드론을 제어할 수 있도록 한다.

특히, 드론 택시 개발에 있어 평행이동(translation)시 회전(rotation)이 수반됨에 따라 발생하는 콕핏에서의 불편함과 시야문제를 해결할 것으로 기대된다. 즉, 유인 드론, 드론 택시의 경우 사람의 승차감이 중요한데, 기울임을 통한 무게 중심 이동을 통해 제어의 용이함을 증가시킬뿐만 아니라 탑승자의 승차감을 향상시킬 수 있다.

또한, 종래의 드론에서는 고중량 비행일 경우 특정 모터에 과부하가 걸릴 수 있으나, 본 실시예에서는 고중량 페이로드 장착시, 모터와 ESC(Electronic Speed Controller)에 큰 부담을 주지 않고 페이로드 자체를 이용하여 드론의 제어력과 조종력을 향상시킬 수 있다.

또한, 직선이송부와 회전구동부의 조합을 통해 점진적이나 영향성이 큰 무게중심의 이동을 만들면서 그 위치 변화량 또한 제어가 가능하다.

한편, 본 실시예에서는 콕핏의 전후방으로 콕핏을 평행이동 시킬 수 있는 1개의 직선이송부(7)가 구비된 경우를 예시하고 있으나, 이에 더하여 콕핏의 좌우측으로 콕핏을 평행이동 시킬 수 있는 직선이송부를 추가로 구비하는 구성도 본 발명의 기술적 사상에 포함됨은 자명한 사실이다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

1...본체
2...모터암
3...모터
4...프로펠러(로터)
5...페이로드(payload)
6...이동회전부
7...직선이송부
71...직선이송부 고정부
72...스크류 로드(screw rod)
73...스크류 로드 구동용 모터
74...가이드부
75...이송부재
76...페이로드 연결부
8...회전구동부
81...리니어 액츄에이터
82...피봇체결부

Claims (5)

1. 비행동작을 제어하는 제어부를 구비하고 페이로드(payload)가 장착되는 본체와, 상기 본체로부터 분기된 복수 개의 모터암과, 상기 모터암에 각각 구비된 모터와, 상기 모터의 회전축에 결합하여 추력을 내는 프로펠러를 포함하는 드론에서,
   상기 페이로드를 상기 본체에 상대적으로 직선이동 또는 회전시켜 상기 드론의 무게중심을 이동시킬 수 있는 이동회전부를 포함하는 것
   을 특징으로 하는 드론.
2. 제1항에서,
   상기 이동회전부는,
   상기 페이로드의 직선이동을 위한 직선이송부와,
   상기 페이로드의 회전을 위한 회전구동부
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 드론.
3. 제2항에서,
   상기 직선이송부는
   상기 본체의 하면에 고정된 직선이송부 고정부,
   상기 직선이송부 고정부에 상대적으로 회동 가능하게 상기 직선이송부 고정부에 결합하는 스크류 로드(screw rod),
   상기 스크류 로드를 회동 시키는 스크류 로드 구동용 모터,
   상기 직선이송부 고정부에 연결된 가이드부,
   상기 스크류 로드와 결합하고, 상기 스크류 로드의 회동에 따라 상기 스크류 로드에 대해 상대적으로 상기 가이드부를 따라 직선이동하는 이송부재, 그리고
   상기 이송부재에 고정되고, 상기 페이로드가 연결되는 페이로드 연결부
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 드론.
4. 제3항에서,
   상기 회전구동부는,
   상기 페이로드 연결부와 상기 페이로드 사이에 장착되어, 상기 페이로드를 상기 페이로드 연결부에 가까워지거나 멀어지게 하는 리니어 액츄에이터, 그리고
   상기 페이로드 연결부에 상기 페이로드를 피봇 가능하게 고정하는 피봇체결부
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 드론.
5. 제4항에서,
   상기 리니어 액츄에이터는 4개가 등간격으로 구비되어, 상기 페이로드를 전후좌우의 네 방향으로 회전시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 드론.

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