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KR101554487B1 - 멀티 로터 비행체 - Google Patents

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KR101554487B1
KR101554487B1 KR1020130161531A KR20130161531A KR101554487B1 KR 101554487 B1 KR101554487 B1 KR 101554487B1 KR 1020130161531 A KR1020130161531 A KR 1020130161531A KR 20130161531 A KR20130161531 A KR 20130161531A KR 101554487 B1 KR101554487 B1 KR 101554487B1
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shaft
rotor
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motor
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Abstract

본 발명은, 몸체; 프로펠러와, 상기 프로펠러를 구동하기 위한 동력부를 각각 구비하는, 복수의 로터 유닛; 및 상기 복수의 로터 유닛을 상호 연결하는 연결부재와, 상기 몸체에 설치되고 상기 연결부재를 가동하여 상기 복수의 로터 유닛을 상기 몸체에 대해 일제히 동일한 각도로 기울어지게 하는 액츄에이터를 갖는, 스티어링 유닛을 포함하는, 멀티 로터 비행체를 제공한다.

Description

멀티 로터 비행체{MULTI ROTOR AERIAL VEHICLE}
본 발명은 물건 등을 적재하여 수송하거나 놀이용으로 이용 가능한 멀티 로터 비행체에 관한 것이다.
최근 들어 전자장치들의 빠른 발전으로 인해 무인 비행체의 사용 영역 또한 급격히 넓어졌다. 과거에는 주로 군사용의 크기가 큰 무인 비행체들이 주류를 이루었지만, 최근에는 소형 무인 비행체들이 민간용으로 많이 제작되고 있으며, 그 활용도 또한 영상 촬영에서부터 물건 수송에 이르기 까지 다양하게 확대되고 있다.
다양한 형태의 소형 무인 비행체 중에 특히 쿼드로터라 칭해지는 멀티 로터 비행체는 다른 비행체에 비해 많은 장점을 지닌다. 가장 큰 장점은 기계적인 매커니즘이 매우 간단하다는 사실이다. 쿼드로터의 경우 비행 전 트림을 맞추어야 될 필요도 없고, 기계적인 진동도 크지 않을 뿐 아니라, 피로에 의한 부품 파손의 확률도 낮다. 그리고 쿼드로터는 간단한 형태 때문에 수학적으로 모델링하기도 쉬우므로 자동 비행에 적합하며, 비행체를 조절하기 위해 많은 시간의 훈련을 요구하는 다른 소형 비행체들과 달리, 초보자들도 쉽게 조정할 수 있다. 또한, 작은 프로펠러를 여럿 사용하기 때문에 조종이나 관리가 서툰 사람에게도 상대적으로 안전하다. 즉, 비행체에 대한 전문적인 지식이 없거나, 사전에 많은 훈련을 하지 않더라도 누구나 쿼드로터를 쉽게 조종, 유지, 보수, 관리를 할 수 있는 것이다. 이런 쿼드로터의 장점 덕분에 민간용 소형 무인 비행체 중에서 쿼드로터가 그 영향력을 점차 넓혀 가고 있다.
쿼드로터의 제어와 유도에 관해서는 이미 많은 연구자들에 의해 연구가 이루어져 왔다. 우선, 제어 분야에 있어서, 쿼드로터의 비선형적인 모델의 특성을 효과적으로 다루기 위해서 Backstepping 기법이나, Sliding Mode 기법을 이용해서 비선형 시스템을 직접 제어하는가 하면, Feedback Linearization을 이용해 쿼드로터 모델을 선형화 시킨 후 제어 하려는 시도도 있었다. 또한 유도 분야에 있어서도, 쿼드로터의 동체를 한쪽 방향으로 360도 혹은 그 이상 회전시키는 Flip동작을 수행 하거나, 특정한 궤도와 자세를 따라가는 급격한 기동은 물론, 공을 서로 주고 받는 등의 정교한 기동도 가능하게 되었다.
많은 연구자들의 공헌으로 쿼드로터와 같은 멀티 로터 비행체를 정밀하게 제어 및 유도할 수 있게 된 현재 시점이지만, 여전히 기능적으로 개선해야 할 부분이 있다. 3차원 공간상에 있는 비행체의 정확한 위치와 자세는 6개의 변수에 의해 표현된다는 사실을 상기해 보면, 결국 멀티 로터 비행체 시스템은 입력의 차원이 출력의 차원보다 작은 Under Actuated 시스템이 된다. 이러한 사실이 멀티 로터 비행체의 제어와 유도에 제약으로 작용한다. 예컨대, 멀티 로터 비행체를 앞쪽으로 가속시키기 위해서는 그의 몸체를 반드시 앞쪽으로 기울여야지, 멀티 로터 비행체를 뒤쪽으로 기울인 상태에서는 절대로 앞쪽으로의 가속도가 발생하지 않는 것이다. 즉, 멀티 로터 비행체의 자세와 가속도는 완전히 독립적일 수 없다는 것을 의미한다.
이에 따라, 멀티 로터 비행체의 몸체에 카메라를 부착하여 대상물을 촬영하는 경우, 멀티 로터 비행체가 방향을 전환하게 되면 그의 몸체가 함께 기울어지게 되어 카메라의 촬영 방향이 촬영 대상물로부터 벗어나게 된다. 또한, 방향 전환시에도 멀티 로터 비행체 전체의 기울어짐이 요구되므로, 응답성이 상대적으로 낮아 급격한 기동이 쉽지 않다.
본 발명의 목적은, 신속하게 진행 방향을 변경할 수 있으면서도 진행 방향 변경시에 몸체의 수평 유지가 가능한, 멀티 로터 비행체를 제공하는 것이다.
상기 과제를 실현하기 위한 본 발명의 측면과 관련된 멀티 로터 비행체는, 몸체; 프로펠러와, 상기 프로펠러를 구동하기 위한 동력부를 각각 구비하는, 복수의 로터 유닛; 및 상기 복수의 로터 유닛을 상호 연결하는 연결부재와, 상기 몸체에 설치되고 상기 연결부재를 가동하여 상기 복수의 로터 유닛을 상기 몸체에 대해 일제히 동일한 각도로 기울어지게 하는 액츄에이터를 갖는, 스티어링 유닛을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 복수의 로터 유닛은, 상기 몸체를 중심으로 상호 대칭 배치될 수 있다.
여기서, 상기 연결부재는, 상기 로터 유닛의 무게 중심에 연결될 수 있다.
여기서, 상기 액츄에이터는, 제1 모터와, 제2 모터를 포함하고, 상기 연결부재는, 상기 제1 모터에 의한 회전력을 상기 로터 유닛으로 전달하여, 상기 복수의 로터 유닛을 제1 방향을 따르는 축을 중심으로 회전시킬 수 있게 형성되는 제1 연결부; 및 상기 제2 모터에 의한 회전력을 상기 로터 유닛으로 전달하여, 상기 복수의 로터 유닛을 상기 제1 방향과 교차하는 방향인 제2 방향을 따르는 축을 중심으로 회전시킬 수 있게 형성되는 제2 연결부를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제2 방향은, 상기 제1 방향 및 상기 동력부의 회전축 방향과 각각 수직을 이루는 방향일 수 있다.
여기서, 상기 제1 연결부와 상기 제2 연결부는, 상기 몸체를 중심으로 각각 대칭 배치되어 상기 몸체가 수평을 유지하도록 할 수 있다.
여기서, 상기 제1 연결부는, 상기 로터 유닛에 고정되고, 상기 몸체에 상기 제1 방향을 따르는 축을 중심으로 회전 가능하게 설치되는 제1 링크부; 및 상기 제1 모터에 의한 회전력을 상기 제1 링크부로 전달하도록 형성되는 제2 링크부를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제2 링크부는, 상기 제1 모터의 회전축 및 상기 제1 링크부에 각각 연결되어, 상기 로터 유닛이 상기 제1 방향을 따르는 축을 중심으로 회전하는 각도가 상기 제1 모터의 회전축의 회전각과 동일한 각도를 이루도록 할 수 있다.
여기서, 상기 제2 링크부는, 상기 제1 모터의 회전축에 고정되는 제1 샤프트; 상기 제1 링크부에 고정되고, 상기 제1 샤프트와 동일한 길이를 갖는 제2 샤프트; 및 상기 제1 모터의 회전축 및 상기 제1 링크부를 지나는 평면과 평행하게 배치되고, 상기 제1 샤프트 및 상기 제2 샤프트와 각각 회전 가능하게 연결되어, 상기 제1 모터의 회전축이 회전하는 경우 상기 제1 샤프트의 기울임각이 상기 제2 샤프트의 기울임각과 동일한 각도를 이루도록 하는 제3 샤프트를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제2 연결부는, 상기 로터 유닛과 상기 제2 방향을 따르는 축을 중심으로 회전 가능하게 연결되는 제3 링크부; 및 상기 제2 모터에 의한 회전력을 상기 로터 유닛으로 전달하여 상기 로터 유닛이 기울어지도록 하는 제4 링크부를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제4 링크부는, 상기 제2 모터의 회전축 및 상기 로터 유닛에 각각 연결되어, 상기 로터 유닛이 상기 제2 방향을 따르는 축을 중심으로 회전하는 각도가 상기 제2 모터의 회전축의 회전각과 동일한 각도를 이루도록 할 수 있다.
여기서, 상기 제3 링크부는, 상기 로터 유닛의 무게 중심을 지나는 평면 상의 일 지점과 회전 가능하게 연결되고, 상기 제4 링크부는, 상기 제2 모터의 회전축에 고정되는 제4 샤프트; 상기 제4 샤프트와 회전 가능하게 연결되는 제5 샤프트; 상기 제5 샤프트와 회전 가능하게 연결되고, 상기 제1 방향을 따라 슬라이딩 가능하게 형성되는 제6 샤프트; 및 상기 제5 샤프트와 동일한 길이를 가지며, 상기 제6 샤프트 및 상기 로터 유닛과 각각 회전 가능하게 연결되어, 상기 제2 모터의 회전축이 회전하는 경우 상기 제6 샤프트의 슬라이딩에 의해 변위되어 상기 제5 샤프트의 기울임각에 대응하는 각도를 이루게 되는 제7 샤프트를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 복수의 로터 유닛의 동력부들 각각의 회전 속도를 개별 제어하기 위한 제어 유닛이 더 구비될 수 있다.
여기서, 상기 스티어링 유닛을 제어하기 위한 제어 신호를 수신하는 통신 유닛; 및 상기 통신 유닛으로부터 수신되는 상기 제어 신호에 기초하여, 상기 액츄에이터의 회전축의 회전각을 조절하기 위한 제어 유닛이 더 구비될 수 있다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 관련된 멀티 로터 비행체에 의하면, 비행시에 신속하게 진행 방향을 변경할 수 있음은 물론, 진행 방향 변경시에도 몸체의 수평 유지가 가능하다. 따라서, 물품을 적재하여 수송하는 경우 심한 기울어짐을 피할 수 있어 보다 안전하게 물품을 수송할 수 있다. 아울러, 몸체에 카메라를 부착하여 대상물을 촬영하는 경우, 진행 방향 변경시에도 몸체의 수평이 유지되므로 보다 안정적인 출력 영상을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 로터 비행체(100)의 사시도이다.
도 2는 제1 방향(X1)을 따르는 축을 중심으로 로터 유닛(120)을 회전시키기 위한 스티어링 유닛(150)의 구성을 도시한, 도 1의 멀티 로터 비행체(100)의 사시도이다.
도 3은 로터 유닛(120)이 제1 방향(X1)을 따르는 축을 중심으로 회전하는 모습을 도시한, 도 1의 멀티 로터 비행체(100)의 측면도이다.
도 4는 제2 방향(X2)을 따르는 축을 중심으로 로터 유닛(120)을 회전시키기 위한 스티어링 유닛(150)의 구성을 도시한, 도 1의 멀티 로터 비행체(100)의 사시도이다.
도 5는 로터 유닛(120)이 제2 방향(X2)을 따르는 축을 중심으로 회전하는 모습을 도시한, 도 1의 멀티 로터 비행체(100)의 정면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 멀티 로터 비행체(100)의 사시도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 멀티 로터 비행체에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일·유사한 구성에 대해서는 동일·유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 로터 비행체(100)의 사시도이다.
본 도면을 참조하면, 멀티 로터 비행체(100)는 몸체(110), 로터 유닛(120), 통신 유닛(130), 제어 유닛(140), 및 스티어링 유닛(150)을 포함할 수 있다.
몸체(110)는 멀티 로터 비행체(100)의 기본 뼈대를 이루는 프레임이다.
로터 유닛(120)은 멀티 로터 비행체(100)에 추력을 제공하는 구성이다. 로터 유닛(120)은 복수로 구성될 수 있으며, 구체적으로는 4개로 구성될 수 있다. 이들 4개의 로터 유닛(120)은 몸체(110)를 중심으로 하여 상호 대칭 배치될 수 있고, 이에 의해 멀티 로터 비행체(100)의 비행시 몸체(110)가 용이하게 수평을 유지하도록 할 수 있다. 로터 유닛(120)은 프로펠러(121), 및 동력부(123)를 포함할 수 있다.
프로펠러(121)는 복수의 블레이드로 구성될 수 있다. 동력부(123)는 프로펠러(121)를 구동하기 위한 구성이다. 동력부(123)는 DC 모터 등으로 구성될 수 있고, 프로펠러(121)의 중심에 고정되는 회전축(125)을 통해 블레이드에 동력을 제공할 수 있다.
통신 유닛(130)은 동력부(123) 및 스티어링 유닛(150)을 제어하기 위한 제어 신호를 수신하는 구성이다. 통신 유닛(130)은 사용자가 휴대한 원격 조종장치 등에 의해 송신되는 제어 신호를 수신할 수 있고, 수신된 제어 신호를 제어 유닛(140)으로 다시 송신하여, 제어 유닛(140)이 동력부(123) 및 스티어링 유닛(150)을 제어하도록 할 수 있다.
제어 유닛(140)은 동력부(123) 및 스티어링 유닛(150)을 제어하기 위한 구성이다. 제어 유닛(140)은 상술한 통신 유닛(130)으로부터 수신되는 제어 신호에 기초하여, 후술할 스티어링 유닛(150)의 제1 모터(152)의 회전축(153) 및 제2 모터(154)의 회전축(155)의 회전각을 조절할 수 있다. 또한, 제어 유닛(140)은 동력부(123)들 각각의 회전 속도를 개별 제어할 수도 있다. 구체적으로, 제어 유닛(140)은 어느 하나의 동력부(123)의 회전 속도를 증감시켜 복수의 로터 유닛(120) 사이의 추력을 변화시킴으로써, 몸체(110)가 로터 유닛(120)과 함께 기울어지면서 그의 진행 방향을 바꾸어 비행하도록 할 수 있다.
스티어링 유닛(150)은 멀티 로터 비행체(100)의 비행시 그의 진행 방향을 조절하기 위한 구성이다. 스티어링 유닛(150)은 액츄에이터(151), 및 연결부재(157)를 포함할 수 있다.
액츄에이터(151)는 몸체(110)에 설치될 수 있고, 제1 모터(152), 및 제2 모터(154)를 포함할 수 있다. 여기서, 제1 모터(152) 및 제2 모터(154)는 제어 신호를 입력받아 그의 회전량을 정밀하게 조절할 수 있는 서보 모터(servo-motor) 등으로 구성될 수 있다.
연결부재(157)는 액츄에이터(151)에 의한 회전력을 로터 유닛(120)으로 전달하는 구성이다. 연결부재(157)는 액츄에이터(151) 및 4개의 로터 유닛(120)과 각각 연결되어, 액츄에이터(151)의 구동에 따라 4개의 로터 유닛(120)을 상호 동일한 각도로 기울어지도록 할 수 있다. 연결부재(157)는 제1 연결부(160), 및 제2 연결부(170)를 포함할 수 있다.
제1 연결부(160)는 제1 모터(152)와 연결되어 4개의 로터 유닛(120)을 제1 방향(X1)을 따르는 축을 중심으로 회전시킬 수 있다. 제2 연결부(170)는 제2 모터(154)와 연결되어 4개의 로터 유닛(120)을 제1 방향(X1)과 교차하는 방향인 제2 방향(X2)을 따르는 축을 중심으로 회전시킬 수 있다. 여기서, 제1 방향(X1)은 몸체(110)와 소정의 각도를 이루는 임의의 방향일 수 있고, 제2 방향(X2)은 제1 방향(X1) 및 동력부(123)의 회전축 방향(Xr)과 각각 수직을 이루는 방향일 수 있다. 아울러, 제1 연결부(160)와 상기 제2 연결부(170)는 몸체(110)를 중심으로 각각 대칭 배치되어 멀티 로터 비행체(100)가 비행하는 경우 몸체(110)가 용이하게 수평을 유지하도록 할 수 있다. 스티어링 유닛(150)에 대해서는 도 2 내지 도 6을 참조하여 구체적으로 후술한다.
이하에서는, 멀티 로터 비행체(100)의 구체적인 구성 및 작동 방식에 대해 도 2 및 도 3을 참조하여 설명한다.
도 2는 제1 방향(X1)을 따르는 축을 중심으로 로터 유닛(120)을 회전시키기 위한 스티어링 유닛(150)의 구성을 도시한, 도 1의 멀티 로터 비행체(100)의 사시도이다. 본 도면에서는 설명의 편의상, 로터 유닛(120)을 제1 방향(X1)을 기준으로 회전시키기 위한 구성에 대해서만 도시한다.
본 도면을 참조하면, 스티어링 유닛(150)은 제1 모터(152)와, 제1 연결부(160)를 포함할 수 있다.
제1 모터(152)는 그의 회전축(153)이 제1 방향(X1)을 향하도록 배치될 수 있다.
제1 연결부(160)는 제1 링크부(161), 및 제2 링크부(162)를 포함할 수 있다.
제1 링크부(161)는 2개가 구비될 수 있으며, 각각 몸체(110)의 양단에 제1 방향(X1)을 따르는 축을 중심으로 회전 가능하게 설치될 수 있다. 제1 링크부(161)의 양단에는 후술하는 제3 링크부(171)가 각각 연장 형성될 수 있고, 이들 제3 링크부(171)는 각각 로터 유닛(120)의 무게 중심을 지나는 평면 상의 일 지점과 회전 가능하게 연결될 수 있다.
제2 링크부(162)는 제1 모터(152)에 의한 회전력을 제1 링크부(161)로 전달하기 위한 구성이다. 제2 링크부(162)는 제1 샤프트(163), 제2 샤프트(164), 및 제3 샤프트(165)를 포함할 수 있다. 제1 샤프트(163)는 제1 모터(152)의 회전축(153)과 수직을 이루며 연장 형성될 수 있다. 제2 샤프트(164)는 제1 링크부(161)와 수직을 이루며 연장 형성될 수 있다. 제3 샤프트(165)는 제1 샤프트(163)와 2개의 제2 샤프트(164)를 상호 연결하도록 구성될 수 있다.
이하에서는, 도 3을 참조하여 제2 링크부(162)의 보다 구체적인 구성 및 그의 작동 방식에 대해 구체적으로 설명한다.
도 3은 로터 유닛(120)이 제1 방향(X1)을 따르는 축을 중심으로 회전하는 모습을 도시한, 도 1의 멀티 로터 비행체(100)의 측면도이다.
본 도면을 참조하면, 제1 샤프트(163) 및 제2 샤프트(164)는 상호 평행하게 배치될 수 있고, 또한 동일한 길이를 가질 수 있다. 제3 샤프트(165)는 힌지 등의 구성을 통해 제1 샤프트(163) 및 제2 샤프트(164)와 각각 회전 가능하게 연결될 수 있다. 아울러, 제1 링크부(161)는 제1 모터(152)의 회전축(153)과 하나의 평면(F) 상에 배치될 수 있고, 제3 샤프트(165)는 이 평면(F)과 평행한 방향을 따라 연장 형성될 수 있다.
이하에서는, 스티어링 유닛(150)의 제1 모터(152) 및 제1 연결부(160)의 작동 방식에 대해 설명한다.
멀티 로터 비행체(100)의 작동 전, 로터 유닛(120)은 동력부(123)의 회전축(125)이 지면과 수직을 이루는 방향인 제3 방향(X3)과 평행하도록 배치될 수 있다. 이 경우, 로터 유닛(120)의 자세는 '제1 위치(P1)'라 칭할 수 있다. 제1 위치(P1)에서, 제1 샤프트(163) 및 제2 샤프트(164)는 제3 방향(X3)과 평행하게 배치될 수 있다.
사용자가 원격 조종장치 등을 통해 멀티 로터 비행체(100)로 제어 신호를 송신하면, 제어 유닛(140)은 이 제어 신호를 수신하여 동력부(123)의 구동을 개시할 수 있다. 여기서, 로터 유닛(120)이 제1 위치(P1)에 있는 경우, 멀티 로터 비행체(100)는 제3 방향(X3)을 따라 수직 이착륙 또는 수직 방향 비행을 할 수 있다.
사용자가 다시 원격 조종장치를 통해 멀티 로터 비행체(100)의 진행 방향과 관련된 제어 신호를 송신하면, 제어 유닛(140)은 이에 기초하여 제1 모터(152)를 가동시킬 수 있다. 제1 모터(152)가 가동되어 그의 회전축(153)이 제1 각도(α)만큼 회전하게 되면, 제1 샤프트(163)도 제3 방향(X3)을 따르는 축과 제1 각도(α)를 이루며 기울어질 수 있다. 여기서, 샤프트들이 제3 방향(X3)을 따르는 축과 이루는 각도는 '기울임각'이라 칭할 수 있다.
제1 샤프트(163)가 기울어지면, 제3 샤프트(165)를 통해 제1 샤프트(163)와 연결된 제2 샤프트(164)도 함께 기울어질 수 있다. 여기서, 제2 샤프트(164)는 상술한 것과 같이 제1 샤프트(163)와 동일한 길이를 가지며, 제3 샤프트(165)는 제1 모터(152)의 회전축(153) 및 제1 링크부(161)를 지나는 평면(F)과 평행하게 배치될 수 있으므로, 제2 샤프트(164)의 기울임각도 제1 각도(α)를 이룰 수 있다. 이러한 구성에 의하면, 로터 유닛(120)이 제1 방향(X1)을 따르는 축을 중심으로 회전하는 각도가 제1 모터(152)의 회전축(153)의 회전각과 동일한 각도를 이루게 되므로, 로터 유닛(120)의 조향 각도를 손쉽게 제어할 수 있다. 여기서, 동력부(123)의 회전축(125)이 제3 방향(X3)과 제1 각도(α)를 이루며 기울어진 로터 유닛(120)의 자세는 '제2 위치(P2)'라 칭할 수 있다. 상술한 것과 같이, 제2 방향(X2)은 동력부(123)의 회전축 방향(Xr)과 수직을 이루므로, 제2 위치(P2)일 때 제2 방향(X2)을 따르는 축도 제3 방향(X3)을 따르는 축과 제1 각도(α)를 이루며 기울어질 수 있다.
상술한 구성에 의하면, 스티어링 유닛(150)이 몸체(110)에 영향을 미치지 않으면서 4개의 로터 유닛(120) 만을 일제히 한 방향으로 기울일 수 있어, 몸체(110)가 수평을 유지하며 비행하도록 할 수 있다. 여기서, 제1 링크부(161)는 상술한 것과 같이 제3 링크부(171)를 통해 로터 유닛(120)의 무게 중심과 연결되므로, 제1 링크부(161)의 회전에 의해 로터 유닛(120)이 기울어지는 경우에도 로터 유닛(120)의 기울어짐에 의해 몸체(110)에 가해지는 힘의 변화량이 최소화될 수 있어 몸체(110)의 수평에 거의 영향을 미치지 않게 된다.
이상에서는 하나의 로터 유닛(120)에 대해서만 그 작동 방식을 설명하였으나, 제1 모터(152)를 기준으로 상술한 로터 유닛(120)의 반대편에 배치되는 또 다른 로터 유닛(120, 도 2 참조)도 상술한 작동 방식과 동일한 방식으로 구동될 수 있다. 이 경우, 또 다른 로터 유닛(120)의 회전 중심인 제1 링크부(161, 도 2 참조)는 상술한 평면(F) 상에 배치될 수도 있으나, 이와 달리 상술한 평면(F)과는 다른 위치에 배치될 수도 있다.
도 4는 제2 방향(X2)을 따르는 축을 중심으로 로터 유닛(120)을 회전시키기 위한 스티어링 유닛(150)의 구성을 도시한, 도 1의 멀티 로터 비행체(100)의 사시도이다. 본 도면에서는 설명의 편의상, 로터 유닛(120)을 제2 방향(X2)을 기준으로 회전시키기 위한 구성에 대해서만 도시한다.
본 도면을 참조하면, 스티어링 유닛(150)은 제2 모터(154)와, 제2 연결부(170)를 포함할 수 있다.
제2 모터(154)는 회전축(155)을 포함할 수 있고, 이 회전축(155)은 제1 방향(X1) 및 제3 방향(X3)과 각각 수직을 이루는 방향을 중심축으로 하여 회전하도록 구성될 수 있다.
제2 연결부(170)는 제3 링크부(171), 및 제4 링크부(173)를 포함할 수 있다.
제3 링크부(171)는 제1 링크부(161)의 양단에 고정되며, C형으로 형성되어 로터 유닛(120)과 제2 방향(X2)을 따르는 축을 중심으로 회전 가능하게 연결될 수 있다. 여기서, 제3 링크부(171)가 로터 유닛(120)과 연결되는 지점은 로터 유닛(120)의 무게 중심을 지나는 평면 상의 일 지점일 수 있다.
제4 링크부(173)는 제2 모터(154)에 의한 회전력을 로터 유닛(120)으로 전달하기 위한 구성이다. 제4 링크부(173)는 제4 샤프트(174), 제5 샤프트(175), 제6 샤프트(176), 제7 샤프트(177), 제8 샤프트(178), 고정 샤프트(179), 제1 베어링(181), 제2 베어링(182), 및 제3 베어링(183)을 포함할 수 있다.
제4 샤프트(174)는 제2 모터(154)의 회전축(155)과 수직을 이루며 연장 형성될 수 있다.
제5 샤프트(175)는 제4 샤프트(174)와 힌지 등을 통해 회전 가능하게 연결될 수 있다.
제6 샤프트(176)는 제5 샤프트(175)와 힌지 등을 통해 회전 가능하게 연결되고, 제1 방향(X1) 및 제3 방향(X3)과 각각 수직을 이루는 방향을 따라 연장 형성되어 그의 양단이 제1 링크부(161)와 슬라이딩 가능하게 연결될 수 있다. 이에 따라, 제6 샤프트(176)는 제1 방향(X1)을 따라 슬라이딩하도록 구성될 수 있다.
제7 샤프트(177)는 로터 유닛(120)에 고정된 고정 샤프트(179)와 회전 가능하게 연결될 수 있다. 제7 샤프트(177)는 제5 샤프트(175)와 동일한 길이를 가질 수 있다.
제8 샤프트(178)는 제6 샤프트(176)와 제7 샤프트(177)를 상호 연결하도록 구성될 수 있다. 이를 위해, 제8 샤프트(178)는 제1 방향(X1)을 따라 연장 형성될 수 있다.
고정 샤프트(179)는 로터 유닛(120)의 하단에 고정되며, 동력부(123)의 회전축 방향(Xr)과 동일한 방향을 따라 연장 형성될 수 있다.
제1 베어링(181), 제2 베어링(182), 및 제3 베어링(183)은 각각 제1 링크부(161)에 제1 방향(X1)을 따라 슬라이딩 가능하게 끼워질 수 있다. 제1 베어링(181)에는 제8 샤프트(178)의 일 단부 및 제6 샤프트(176)가 고정된다. 제2 베어링(182)에는 제8 샤프트(178)의 타 단부가 고정된다. 제3 베어링(183)에는 제7 샤프트(177)가 힌지 등을 통해 회전 가능하게 연결될 수 있다.
구성의 간소화를 위해, 제6 샤프트(176)는 제8 샤프트(178)와 함께 일체형으로 형성될 수 있으며, 이 경우 제6 샤프트(176)는 전체적으로 'L'자 형의 형태를 가질 수 있다.
이하에서는, 도 5를 참조하여 제2 모터(154) 및 제2 연결부(170)의 작동 방식에 대해 구체적으로 설명한다.
도 5는 로터 유닛(120)이 제2 방향(X2)을 따르는 축을 중심으로 회전하는 모습을 도시한, 도 1의 멀티 로터 비행체(100)의 정면도이다. 제4 링크부(173)는 몸체(110)를 중심으로 대략 대칭 배치될 수 있으므로, 본 도면에서는 설명의 편의상 제4 링크부(173)의 일측 구성에 대해서만 도시 및 설명한다.
본 도면을 참조하면, 멀티 로터 비행체(100)의 작동 전, 로터 유닛(120)의 자세는 전술한 것과 같이 제1 위치(P1)에 있을 수 있다. 제1 위치(P1)에서, 제4 샤프트(174) 및 고정 샤프트(179)는 제3 방향(X3)과 평행을 이룰 수 있다.
사용자가 원격 조종장치를 통해 제어 신호를 송신하면, 제어 유닛(140)은 이에 기초하여 제2 모터(154)를 가동시킬 수 있다. 제2 모터(154)가 가동되어 그의 회전축(155)이 제2 각도(β)만큼 회전하게 되면, 제4 샤프트(174)도 제3 방향(X3)을 따르는 축과 제2 각도(β)를 이루며 기울어질 수 있다.
제4 샤프트(174)가 기울어지면, 제4 샤프트(174)와 연결된 제5 샤프트(175)도 변위되고, 이에 의해 제5 샤프트(175)와 연결된 제6 샤프트(176)도 제1 베어링(181)과 함께 제1 방향(X1)을 따라 슬라이딩하게 된다. 이에 따라, 제1 베어링(181)에 연결된 제8 샤프트(178)도 제1 방향(X1)을 따라 이동하게 되며, 제8 샤프트(178)와 연결된 제2 베어링(182) 및 제3 베어링(183)도 동일한 방향으로 슬라이딩하게 된다. 여기서, 제3 베어링(183)이 슬라이딩하게 되면, 제7 샤프트(177)가 변위되어 고정 샤프트(179)와 연결된 로터 유닛(120)도 함께 기울어지게 된다.
이 경우, 제7 샤프트(177)는 상술한 것과 같이 제5 샤프트(175)와 동일한 길이를 가지며, 로터 유닛(120)의 무게 중심으로부터 고정 샤프트(179)의 단부까지의 길이는 제4 샤프트(174)의 길이와 동일하게 이루어지므로, 제7 샤프트(177)의 기울임각은 제5 샤프트(175)의 기울임각과 동일한 각도를 가질 수 있다. 이러한 구성에 의하면, 로터 유닛(120)이 제2 방향(X2)을 따르는 축을 중심으로 회전하는 각도가 제2 모터(154)의 회전축(155)의 회전각과 대응하는 각도인 제2 각도(β)를 이루게 되므로, 로터 유닛(120)의 조향 각도를 손쉽게 제어할 수 있다. 여기서, 동력부(123)의 회전축(125)이 제3 방향(X3)과 제2 각도(β)를 이루면서 기울어지는 로터 유닛(120)의 자세는 '제3 위치(P3)'라 칭할 수 있다. 아울러, 본 도면에서는 제1 모터(152)가 구동되지 아니한 상태에서 로터 유닛(120)의 작동 방식을 설명하였으나, 제1 모터(152)가 구동된 상태에서 제2 모터(154)가 구동되는 경우에 동력부(123)의 회전축(125)이 이루는 상술한 제2 각도(β)는, 제1 방향(X1) 및 제3 방향(X3)을 축으로 하여 이루어지는 평면에 대한 각도일 수 있다.
이상과 같이, 본 실시예에 따르면, 스티어링 유닛(150)에 의해 로터 유닛(120) 만이 몸체(100)에 대하여 제1 방향(X1) 및 제2 방향(X2)을 따르는 축을 중심으로 회전할 수 있고, 이에 의해 6자유도의 운동이 가능하다. 다시 말해, 본 실시예에 의하면, 로터 유닛(120)이 오일러각 Theta와 Phi 방향으로도 회전할 수 있어, 제어 입력의 차원과 출력의 차원이 6차원으로 같은 Fully Actuated 시스템이 구현될 수 있다.
이와 같이 구성되는 멀티 로터 비행체(100)의 구성에 의하면, 몸체(110)의 기울임 없이도 프로펠러(121)에 의한 추진력을 원하는 방향으로 조종할 수 있다. 따라서, 몸체(110)의 자세각을 몸체(110)의 가속도 방향과 관계 없이 자유롭게 조종할 수 있어, 보다 다양한 기동을 가능케 할 수 있다. 또한, 관성 모멘트가 큰 멀티 로터 비행체(100) 전체를 움직이는 것보다 관성 모멘트가 상대적으로 작은 로터 유닛(120) 만을 움직이는 것이 제어의 응답성 측면에서 우수한 특성을 보이고, 가속도를 바꿀 때마다 멀티 로터 비행체(100) 전체의 자세를 변경할 필요도 없기 때문에 보다 안정적이면서도 급격한 기동을 가능케 할 수 있다.
구체적으로, 몸체(110)에 카메라를 부착하여 대상물을 촬영하는 경우, 몸체(110)의 방향 전환시에도 카메라의 촬영각의 변화량이 최소화되어 카메라의 수평을 유지하기 위한 별도의 장치가 구비될 필요가 없으며, 또한 목표 대상물을 지속적으로 추적할 수도 있다. 뿐만 아니라, 멀티 로터 비행체(100)를 향해 급격히 접근하는 외부 물체를 신속히 피할 수 있고, 물품을 수송할 때에도 심한 기울어짐을 피할 수 있어 보다 안전하게 임무를 수행할 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 멀티 로터 비행체(100')의 사시도이다.
본 도면을 참조하면, 멀티 로터 비행체(100')의 제4 링크부(173')는 제9 샤프트(185)를 포함할 수 있다. 제9 샤프트(185)는 2개로 구성될 수 있고, 각각 제1 방향(X1)을 따라 인접한 로터 유닛(120)들의 고정 샤프트(179)를 상호 연결할 수 있다. 이에 따라, 4개의 로터 유닛(120)은 제2 방향(X2)을 따르는 축을 중심으로 동일한 각도로 기울어질 수 있다.
본 실시예에 따르면, 상호 대칭 배치되는 한 쌍으로 구성되는 전술한 실시예에서의 제4 링크부(173)와 달리, 제5 샤프트(175), 제6 샤프트(176), 및 제7 샤프트(177)가 각각 하나만 구비될 수 있어, 제조 과정 및 그 구성을 보다 간소화할 수 있다.
상기와 같은 멀티 로터 비행체는 위에서 설명된 실시예들의 구성과 작동 방식에 한정되는 것이 아니다. 상기 실시예들은 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 구성될 수도 있다.
100: 멀티 로터 비행체
110: 몸체
120: 로터 유닛
130: 통신 유닛
140: 제어 유닛
150: 스티어링 유닛

Claims (14)

  1. 몸체;
    프로펠러와, 상기 프로펠러를 구동하기 위한 동력부를 각각 구비하는, 복수의 로터 유닛; 및
    상기 복수의 로터 유닛을 상호 연결하는 연결부재와, 상기 몸체에 설치되고 상기 연결부재를 가동하여 상기 복수의 로터 유닛을 상기 몸체에 대해 일제히 동일한 각도로 기울어지게 하는 액츄에이터를 갖는, 스티어링 유닛을 포함하고,
    상기 액츄에이터는, 제1 모터와, 제2 모터를 포함하며,
    상기 연결부재는,
    상기 제1 모터에 의한 회전력을 상기 로터 유닛으로 전달하여, 상기 복수의 로터 유닛을 제1 방향을 따르는 축을 중심으로 회전시킬 수 있게 형성되는 제1 연결부; 및
    상기 제2 모터에 의한 회전력을 상기 로터 유닛으로 전달하여, 상기 복수의 로터 유닛을 상기 제1 방향과 교차하는 방향인 제2 방향을 따르는 축을 중심으로 회전시킬 수 있게 형성되는 제2 연결부를 포함하고,
    상기 제2 연결부는,
    상기 로터 유닛과 상기 제2 방향을 따르는 축을 중심으로 회전 가능하게 연결되는 제3 링크부; 및
    상기 제2 모터에 의한 회전력을 상기 로터 유닛으로 전달하여 상기 로터 유닛이 기울어지도록 하는 제4 링크부를 포함하며,
    상기 제4 링크부는,
    상기 제2 모터의 회전축에 고정되는 제4 샤프트;
    상기 제4 샤프트와 회전 가능하게 연결되는 제5 샤프트;
    상기 제5 샤프트와 회전 가능하게 연결되고, 상기 제1 방향을 따라 슬라이딩 가능하게 형성되는 제6 샤프트; 및
    상기 제6 샤프트 및 상기 로터 유닛과 각각 회전 가능하게 연결되어, 상기 제2 모터의 회전축이 회전하는 경우 상기 제6 샤프트의 슬라이딩에 의해 변위되어 상기 제5 샤프트의 기울임각에 대응하는 각도를 이루게 되는 제7 샤프트를 포함하는, 멀티 로터 비행체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 로터 유닛은,
    상기 몸체를 중심으로 상호 대칭 배치되는, 멀티 로터 비행체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 연결부재는,
    상기 로터 유닛의 무게 중심에 연결되는, 멀티 로터 비행체.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2 방향은,
    상기 제1 방향 및 상기 동력부의 회전축 방향과 각각 수직을 이루는 방향인, 멀티 로터 비행체.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 연결부와 상기 제2 연결부는,
    상기 몸체를 중심으로 각각 대칭 배치되어 상기 몸체가 수평을 유지하도록 하는, 멀티 로터 비행체.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 연결부는,
    상기 로터 유닛에 고정되고, 상기 몸체에 상기 제1 방향을 따르는 축을 중심으로 회전 가능하게 설치되는 제1 링크부; 및
    상기 제1 모터에 의한 회전력을 상기 제1 링크부로 전달하도록 형성되는 제2 링크부를 포함하는, 멀티 로터 비행체.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제2 링크부는,
    상기 제1 모터의 회전축 및 상기 제1 링크부에 각각 연결되어, 상기 로터 유닛이 상기 제1 방향을 따르는 축을 중심으로 회전하는 각도가 상기 제1 모터의 회전축의 회전각과 동일한 각도를 이루도록 하는, 멀티 로터 비행체.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제2 링크부는,
    상기 제1 모터의 회전축에 고정되는 제1 샤프트;
    상기 제1 링크부에 고정되고, 상기 제1 샤프트와 동일한 길이를 갖는 제2 샤프트; 및
    상기 제1 모터의 회전축 및 상기 제1 링크부를 지나는 평면과 평행하게 배치되고, 상기 제1 샤프트 및 상기 제2 샤프트와 각각 회전 가능하게 연결되어, 상기 제1 모터의 회전축이 회전하는 경우 상기 제1 샤프트의 기울임각이 상기 제2 샤프트의 기울임각과 동일한 각도를 이루도록 하는 제3 샤프트를 포함하는, 멀티 로터 비행체.
  10. 삭제
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제4 링크부는,
    상기 제2 모터의 회전축 및 상기 로터 유닛에 각각 연결되어, 상기 로터 유닛이 상기 제2 방향을 따르는 축을 중심으로 회전하는 각도가 상기 제2 모터의 회전축의 회전각과 동일한 각도를 이루도록 하는, 멀티 로터 비행체.
  12. 삭제
  13. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 로터 유닛의 동력부들 각각의 회전 속도를 개별 제어하기 위한 제어 유닛을 더 포함하는, 멀티 로터 비행체.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 스티어링 유닛을 제어하기 위한 제어 신호를 수신하는 통신 유닛; 및
    상기 통신 유닛으로부터 수신되는 상기 제어 신호에 기초하여, 상기 액츄에이터의 회전축의 회전각을 조절하기 위한 제어 유닛을 더 포함하는, 멀티 로터 비행체.
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