KR101150855B1 - 덕트형 비행로봇의 비행제어구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수직 이착륙과 제자리비행 및 수평 비행이 가능하며 원격 및 자동비행에 의해 이동하면서 감시 정찰 등의 기능을 수행하되 착륙시 컨트롤 베인 등의 손상을 방지하여 내구성을 향상시킨 덕트형 비행로봇의 비행제어구조에 관한 것으로서,
한 방향으로 회전하는 프로펠러를 구비한 로터 조립체(20)와, 양력 발생을 위하여 상기 로터 조립체(20)를 회전시키는 엔진(30)과, 정찰 및 비행 제어를 위한 전자장치가 구비된 전장부(40) 및 상기 엔진(30)이 설치된 본체(10)와, 상기 본체(10)를 지지하고 내부에 위치한 로터 조립체(20)를 보호함과 아울러 기류를 안내하는 덕트(50)와, 상기 덕트(50)의 내부에 설치되어 요우 회전을 방지하는 스테이터 조립체(60)와, 상기 스테이터 조립체(60)의 하부에 설치되어 기류의 흐름을 안내하는 자세 제어용의 컨트롤 베인 조립체를 포함하는 비행로봇에 있어서, 상기 스테이터 조립체(60)는, 상기 덕트(50)의 중심에 배치된 허브(65)와, 상기 허브(65)에 방사상으로 설치되어 상기 덕트(50)의 내면에 고정되는 4개의 스테이터 날개(63)로 이루어지고, 상기 컨트롤 베인 조립체는, 상기 스테이터 조립체(60)의 허브(65) 하부에 회전 가능하게 결합된 회전축(75)이 설치된 중심 날개(71) 및 그 좌우에 각각 위치되는 보조 날개(72)를 포함하고 상기 덕트(50) 내에 완전히 수납되는 4개의 컨트롤 베인(70)으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
이와 같이 스테이터 조립체 및 컨트롤 베인 조립체가 모두 덕트 내에 수납됨에 따라 착륙 과정에서 손상을 입지 않음은 물론 스테이터 조립체를 이용한 비행 자세의 제어가 용이하게 된다.

Description

덕트형 비행로봇의 비행제어구조{Flying Control Structure for Duct Type Flying Robot}

본 발명은 수직 이착륙과 제자리비행 및 수평 비행이 가능한 비행로봇에 관한 것으로서, 특히 원격 및 자동비행에 의해 이동하면서 감시 정찰 등의 기능을 수행할 수 있으며 착륙시 컨트롤 베인 등의 손상을 방지하여 내구성을 향상시킨 덕트형 비행로봇의 비행제어구조에 관한 것이다.

일반적으로 비행기는 빠른 속도로 공중을 이동할 수 있도록 프로펠러 엔진 또는 가스터빈 엔진을 사용하고 있으며, 기체가 공중에 떠 있도록 하는 양력을 발생시키기 위하여 주익을 구비하고 있다. 그러나 이러한 통상의 비행기는 안전한 이륙이나 착륙을 위하여 충분한 길이의 활주로를 필요로 한다. 이에 따라 함선 등의 협소한 공간에서는 캐터펄트(Catapult)나 네트(Net) 등의 특별한 장치가 없다면 이착륙이 불가능하다.

이러한 이유로 인해 좁은 공간에서 이착륙을 할 수 있는 수직 이착륙 비행기가 개발되었으며, 비교적 단거리에서 승무원이나 화물을 운반할 수 있는 비행체로서 헬리콥터(Helicopter)가 개발되었다. 헬리콥터는 수직 이착륙이 가능하기 때문에 함선의 갑판이나 건물의 옥상과 같은 협소한 구역에서도 사용할 수 있는 장점이 있으나, 연료의 소비량이 많고 비행 속도가 느리기 때문에 장시간 또는 장거리 비행에는 적합하지 않다는 단점도 있다.

헬리콥터는 로터 블레이드의 회전력을 이용하여 이동하기 때문에 로터 블레이드에 의한 토크가 작용하여 기체를 안정적으로 유지할 수 없게 된다. 따라서, 이러한 토크를 해소하기 위하여 대형 헬리콥터에서는 대체로 긴 테일 로터를 사용하고 있으며, 경우에 따라서는 서로 다른 방향으로 회전하는 2개의 로터 블레이드를 설치하여 기체에 작용하는 토크를 해소하고 있다. 그러나 소형 헬리콥터의 경우에는 테일 로터 또는 2개의 로터 블레이드를 설치하기가 어렵기 때문에, 동일 축에 의해 서로 다른 방향으로 회전되는 2개의 로터 블레이드를 한 조로 설치하고 있지만, 이는 소형 헬리콥터의 시스템을 복잡하게 하는 원인이 되고 있다.

한편, 협소한 공간에서 이착륙이 가능하고 공중의 일정 공간에서 머무를 수 있는 제자리비행 기능을 구비한 헬리콥터의 장점은 다양하게 이용할 수 있다. 최근에는 이러한 헬리콥터의 장점을 이용하여 장치의 구조를 소형화하고 무인화 함으로써 감시 정찰 등의 용도로 사용할 수 있도록 하는 소형 비행로봇이 개발되었다.

이러한 소형 비행로봇은, 무인 비행체로서 비교적 간단한 구조로 만들 수 있으며, 경량 구조물로서 항속거리가 길고, 카메라 등을 장착하여 감시 정찰 등의 용도로 사용하고 있다. 이러한 무인 비행체로서의 소형 비행로봇에 대한 기술로는 미국 특허 제479511호(특허문헌 1) 및 제5295643호(특허문헌 2)가 알려져 있다.
그러나, 상기한 특허문헌 1에 기재된 비행 로봇은 덕트의 내부 구성이 복잡하고 자세 제어를 위한 컨트롤 베인 및 블레이드의 제어 방식 역시 복잡할 뿐만 아니라 컨트롤 베인의 일부가 덕트의 외부로 노출되어 있어 착륙시 바닥면과의 충돌로 인해 컨트롤 베인이 손상될 수 있는 문제점을 구비하고 있다.
또, 상기한 특허문헌 2에 기재된 '수직 이착륙 및 수평 순항 비행하는 무인 항공기'는 꼬리날개를 비롯한 컨트롤 베인 구조물들이 덕트의 외부로 노출되어 착륙 과정에서 손상될 수 있는 문제점이 있다

US 4795111 B US 5295643 B

본 발명은 상기한 종래 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 스테이터 및 컨트롤 베인을 모두 덕트 내에 수납하여 착륙 과정에서 손상을 입지 않도록 함과 아울러 스테이터 날개 및 컨트롤 베인이 각각 방사상으로 설치되어 무선 조종 및 자동비행제어기 의한 자세 제어가 용이한 덕트형 비행로봇의 비행제어구조를 제공하는데 그 목적이 있다.

또, 본 발명은 컨트롤 베인을 조작할 때 서로 간섭을 일으키지 않도록 함과 아울러 중심 날개와 그 양측의 보조 날개를 일체 구조로 형성하여 링크와 같은 동력 전달수단을 이용하지 않고도 컨트롤 베인 전체를 동시에 제어할 수 있고 인접한 다른 컨트롤 베인과의 간섭이 발생하지 않도록 한 덕트형 비행로봇의 비행제어구조를 제공하는데 목적이 있다.

또한, 본 발명은 컨트롤 베인의 중심 날개와 보조 날개를 대칭 형태로 구성하여 유체의 흐름이 있을 경우 항력에 의한 컨트롤 베인의 회전축에 걸리는 토크를 최소화할 수 있는 덕트형 비행로봇의 비행제어구조를 제공하는데 목적이 있다.

또, 본 발명은 스스테이터 조립체와 컨트롤 베인 조립체를 적절하게 배치함으로써 스테이터에 의해 발생하는 후류의 난류가 컨트롤 베인에 영향을 주지 않도록 구성된 덕트형 비행로봇의 비행제어구조를 제공하는데 목적이 있다.

또한, 본 발명은 덕트의 하부 형상을 개선하여 이륙시 유체의 흐름이 원활하게 한 덕트형 비행로봇의 비행제어구조를 제공하는데 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 덕트형 비행로봇의 비행제어구조는, 한 방향으로 회전하는 프로펠러를 구비한 로터 조립체와, 양력 발생을 위하여 상기 로터 조립체를 회전시키는 엔진과, 정찰 및 비행 제어를 위한 전자장치가 구비된 전장부 및 상기 엔진이 설치된 본체와, 상기 본체를 지지하고 내부에 위치한 로터 조립체를 보호함과 아울러 기류를 안내하는 덕트와, 상기 덕트의 내부에 설치되어 요우 회전을 방지하는 스테이터 조립체와, 상기 스테이터 조립체의 하부에 설치되어 기류의 흐름을 안내하는 자세 제어용의 컨트롤 베인 조립체를 포함하는 비행로봇에 있어서; 상기 스테이터 조립체는, 상기 덕트의 중심에 배치된 허브와, 상기 허브에 방사상으로 설치되어 상기 덕트의 내면에 고정되는 4개의 스테이터 날개로 이루어지고; 상기 컨트롤 베인 조립체는, 상기 스테이터 조립체의 허브 하부에 회전 가능하게 결합된 회전축이 설치된 중심 날개 및 그 좌우에 각각 위치되는 보조 날개를 포함하고 상기 덕트 내에 완전히 수납되는 4개의 컨트롤 베인으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 덕트형 비행로봇의 비행제어구조에 따르면, 상기 컨트롤 베인은, 상기 중심 날개의 선단부와 상기 보조 날개의 선단부를 연결하되 다른 컨트롤 베인과의 간섭이 일어나지 않도록 경사지게 배치되는 경사 연결편과, 상기 중심 날개의 끝단부와 상기 보조 날개의 끝단부를 연결하는 만곡 연결편을 더 포함하여, 상기 중심 날개와 보조 날개가 일체로 형성된 3엽 일체형 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 덕트형 비행로봇의 비행제어구조에 따르면, 상기 중심 날개 및 보조 날개는 상하 대칭 및 좌우 대칭형의 익형 구조를 갖고, 상기 회전축은 상기 중심날개의 중앙 부분에 위치되는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 덕트형 비행로봇의 비행제어구조에 따르면, 상기 컨트롤 베인 조립체는, 상기 스테이터 날개와 상기 중심 날개 사이의 각도가 45도가 되도록 배치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 덕트형 비행로봇의 비행제어구조에 따르면, 상기 덕트는 이륙시 유체의 흐름이 위에서 아래로 형성되도록 그 하단에 형성된 복수개의 아치형 홈을 구비한 것을 특징으로 한다.

본 발명의 덕트형 비행로봇의 비행제어구조는, 스테이터 조립체 및 컨트롤 베인 조립체가 모두 덕트 내에 수납되어 착륙 과정에서 손상을 입지 않음은 물론 스테이터 조립체를 이용한 비행 자세의 제어가 용이한 효과가 있다.

또, 본 발명의 덕트형 비행로봇의 비행제어구조에 따르면, 컨트롤 베인을 구성하는 날개들이 일체로 형성됨에 따라 링크를 사용할 필요가 없고 컨트롤 베인 사이의 간섭이 생기지 않는 효과가 있다.

또, 본 발명의 덕트형 비행로봇의 비행제어구조에 따르면, 컨트롤 베인의 중심 날개와 보조 날개가 모두 좌우대칭 및 상하대칭으로 형성되고 중심날개의 중간 부분에 회전축이 설치되므로 유체의 흐름이 있을 때 항력에 의한 컨트롤 베인의 회전축에 걸리는 토크가 최소화되는 효과가 있다.

또, 본 발명의 덕트형 비행로봇의 비행제어구조에 따르면, 스테이터 조립체의 스테이터 날개와 컨트롤 베인의 중심 날개가 서로 엇갈리게 배치됨에 따라 스테이터로 인해 발생하는 후류의 난류가 컨트롤 베인에 거의 영향을 주지 않게 되고 그에 따라 비행 자세의 제어가 용이해지는 효과가 있다.

또, 본 발명의 덕트형 비행로봇의 비행제어구조에 따르면, 덕트의 하부에 일정 간격으로 아치형 홈이 형성되므로 이륙시 아래쪽으로의 유체 흐름이 원활하게 되는 효과가 있다.

도 1은 본 발명이 적용되는 덕트형 소형 비행로봇이 도시된 외관 사시도.
도 2는 도 1에 도시된 덕트형 소형 비행로봇의 축방향 단면도.
도 3은 본 발명의 덕트형 비행로봇의 비행제어구조를 개략적으로 도시한 도면으로, 스테이터 조립체 및 컨트롤 베인 조립체의 배치 형태를 설명하기 위한 평면도.
도 4는 본 발명의 요부 구성인 컨트롤 베인 조립체의 평면도.
도 5는 본 발명의 요부 구성인 컨트롤 베인의 사시도.
도 6은 도 5의 "A-A" 단면도.
도 7은 본 발명의 요부 구성인 덕트의 하부 구조가 도시된 참고도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 덕트형 비행로봇의 비행제어구조를 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 덕트형 비행로봇의 비행제어구조는, 도 1과 도 2에 도시된 바와 같이, 한 방향으로 회전하는 1개 또는 2개 이상의 프로펠러를 구비한 로터 조립체(20)와, 양력 발생을 위하여 상기 로터 조립체(20)를 회전시키는 엔진(30)과, 정찰 및 비행 제어를 위한 전자장치가 구비된 전장부(40) 및 상기 엔진(30)이 설치된 본체(10)와, 상기 본체(10)를 지지하고 내부에 위치한 로터 조립체(20)를 보호함과 아울러 기류를 안내하는 덕트(50)와, 상기 덕트(50)의 내부에 설치되어 요우 회전을 방지하는 스테이터 조립체(60)와, 상기 스테이터 조립체(60)의 하부에 설치되어 기류의 흐름을 안내하는 자세 제어용의 컨트롤 베인 조립체를 포함하여 구성된 덕트형 비행로봇에 적용된다.

즉, 본 발명은 상기한 덕트형 비행로봇의 안정적인 비행제어를 위한 상기 스테이터 조립체(60) 및 컨트롤 베인 조립체의 구조에 관한 것이다. 구체적으로, 상기 스테이터 조립체(60)는 도 3과 같이, 상기 덕트(50)의 중심에 배치된 허브(65)와, 상기 허브(65)에 방사상으로 설치되어 상기 덕트(50)의 내면에 고정되는 4개의 스테이터 날개(63)로 이루어진다. 그리고, 상기 컨트롤 베인 조립체는, 도 3과 도 4에 도시된 바와 같이 상기 스테이터 조립체(60)의 허브(65) 하부에 회전 가능하게 결합된 회전축(75)이 설치된 중심 날개(71) 및 그 좌우에 각각 위치되는 보조 날개(72)를 포함하고 상기 덕트(50) 내에 완전히 수납되는 4개의 컨트롤 베인(70)으로 이루어진다.

이때, 상기 컨트롤 베인(70)은 도 5와 같이, 상기 중심 날개(71)의 선단부와 보조 날개(72)의 선단부를 연결하되 다른 컨트롤 베인과의 간섭이 일어나지 않도록 경사지게 배치되는 경사 연결편(73)과, 상기 중심 날개(71)의 끝단부와 보조 날개(72)의 끝단부를 연결하는 만곡 연결편(74)을 더 포함하며, 상기 중심 날개(71)와 보조 날개(72)가 일체로 형성된 3엽 일체형 구조를 갖는다. 그리고, 상기 중심 날개(71) 및 보조 날개(72)는 도 6에 도시된 바와 같이상하 대칭 및 좌우 대칭형의 익형 구조를 가지며, 상기 회전축(75)은 상기 중심 날개(71)의 중앙 부분에 위치된다.

또, 상기 컨트롤 베인 조립체는 도 3과 같이, 상기 스테이터 날개(63)와 상기 중심 날개(71) 사이의 각도가 45도가 되도록 배치되는 것이 바람직하다. 그리고, 상기 덕트(50)는 도 7에 도시된 바와 같이, 이륙시 유체의 흐름이 위에서 아래로 형성되도록 그 하단에 복수개의 아치형 홈(55)이 일정 간격으로 형성된 구조를 갖는다. 그리고, 상기 아치형 홈(55)이 형성되지 않은 부분에는 착륙시 상기 전장부(40)에 가해지는 충격을 완화시킬 수 있도록 유압이나 공압 또는 스프링 방식의 완충수단을 구비한 받침대(80)가 설치될 수 있다.

한편, 상기 컨트롤 베인 조립체의 컨트롤 베인(70)의 위치를 조절하여 이착륙이나 수평비행 및 호버링할 수 있도록 하는 액츄에이터와 이를 제어하기 위한 각종 제어회로 등이 더 포함되지만, 이들 부분은 본 발명에 속하지 아니하므로 이에 대한 설명은 생략하기로 한다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 덕트형 비행로봇의 비행제어구조는 비행로봇의 스테이터 조립체 및 컨트롤 베인 조립체를 덕트 내부에 수납하여 외부로 노출되지 않도록 함으로써 착륙시 스테이터 조립체 및 컨트롤 베인 조립체가 손상되지 않도록 하며, 이에 따라 제품의 내구성이 향상되고 동일한 성능을 구비하면서도 운용성을 향상시킬 수 있게 된다.

엔진(30)에 의해 구동되는 로터 조립체(20)의 회전에 의하여 덕트(50) 내에 유체의 흐름이 발생하고, 이 유체의 흐름은 컨트롤 베인 조립체의 컨트롤 베인(70)에 의해 그 유동 방향이 변화되어 비행 자세를 결정하게 된다. 이때, 상기 컨트롤 베인(70)은 회전축(75)을 중심으로 정해진 범위 내에서 회전하면서 유체의 흐름을 안내하게 되지만, 상기 컨트롤 베인(70)의 회전 위치 등 비행 제어와 관련한 부분은 본 발명에 속하지 않으므로 이에 대한 설명은 생략한다.

다만, 상기 컨트롤 베인(70)을 구성하는 중앙 날개(71)와 그 양측에 각각 위치하는 2개의 보조 날개(72)가 경사 연결편(73) 및 만곡 연결편(74)에 의해 일체화되어 회전축(75)을 중심으로 회전하게 되므로 상기 컨트롤 베인(70)의 조작이 용이하게 된다. 그리고, 각 컨트롤 베인(70)의 선단부가 상기 경사 연결편(73)에 의해 삼각 형상으로 형성되므로 컨트롤 베인(70) 사이에서 간섭이 발생하는 일이 일어나지 않게 된다. 또, 상기 컨트롤 베인(70)을 구성하는 상기 중앙 날개(71) 및 보조 날개(72)가 모두 좌우대칭 및 상하대칭의 익형 구조를 구비하고 있으므로, 상기 컨트롤 베인(70)을 따라 유체가 흐르더라도 항력에 의한 상기 회전축(75)에 걸리는 토크를 최소화할 수 있게 된다.

이때, 스테이터 조립체(60)의 스테이터 날개(63)와 상기 컨트롤 베인(70)의 중앙 날개(71)가 서로 겹치지 않도록 45도 각도로 엇갈려 배치되어 있으므로, 상기 스테이터 날개(63)에 의해 발생한 후류의 난류가 상기 컨트롤 베인(70)을 조작하는데 큰 영향을 주지 않게 되고, 그에 따라 비행 자세의 제어가 용이하게 된다. 그리고, 상기 덕트(50)의 하단에 형성된 복수개의 아치형 홈(55)은 이륙시 상기 로터 조립체(20)에 의해 발생한 유체의 흐름이 위에서 아래로 작용할 수 있도록 하여, 비행체의 이륙을 용이하게 한다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이 같은 특정 실시 예에만 한정되지 않으며, 해당분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 특허청구범위 내에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경이 가능할 것이다.

10: 본체
20: 로터 조립체
30: 엔진
40: 전장부
50: 덕트
55: 아치형 홈
60: 스테이터 조립체
63: 스테이터 날개
65: 허브
70: 컨트롤 베인
71: 중심 날개
72: 보조 날개
73: 경사 연결편
74: 만곡 연결편
75: 회전축
80: 받침대

Claims (5)

1. 한 방향으로 회전하는 프로펠러를 구비한 로터 조립체(20)와, 양력 발생을 위하여 상기 로터 조립체(20)를 회전시키는 엔진(30)과, 정찰 및 비행 제어를 위한 전자장치가 구비된 전장부(40) 및 상기 엔진(30)이 설치된 본체(10)와, 상기 본체(10)를 지지하고 내부에 위치한 로터 조립체(20)를 보호함과 아울러 기류를 안내하는 덕트(50)와, 상기 덕트(50)의 내부에 설치되어 요우 회전을 방지하는 스테이터 조립체(60)와, 상기 스테이터 조립체(60)의 하부에 설치되어 기류의 흐름을 안내하는 자세 제어용의 컨트롤 베인 조립체를 포함하는 비행로봇에 있어서,
   상기 스테이터 조립체(60)는, 상기 덕트(50)의 중심에 배치된 허브(65)와, 상기 허브(65)에 방사상으로 설치되어 상기 덕트(50)의 내면에 고정되는 4개의 스테이터 날개(63)로 이루어지고,
   상기 컨트롤 베인 조립체는, 상기 스테이터 조립체(60)의 허브(65) 하부에 회전 가능하게 결합된 회전축(75)이 설치된 중심 날개(71) 및 그 좌우에 각각 위치되는 보조 날개(72)를 포함하고 상기 덕트(50) 내에 완전히 수납되는 4개의 컨트롤 베인(70)으로 이루어지고,
   상기 컨트롤 베인(70)은, 상기 중심 날개(71)의 선단부와 보조 날개(72)의 선단부를 연결하되 다른 컨트롤 베인과의 간섭이 일어나지 않도록 경사지게 배치되는 경사 연결편(73)과, 상기 중심 날개(71)의 끝단부와 보조 날개(72)의 끝단부를 연결하는 만곡 연결편(74)을 더 포함하여, 상기 중심 날개(71)와 보조 날개(72)가 일체로 형성된 3엽 일체형 구조를 가지며,
   상기 중심 날개(71) 및 보조 날개(72)는 상하 대칭 및 좌우 대칭형의 익형 구조를 갖고, 상기 회전축(75)은 상기 중심 날개(71)의 중앙 부분에 위치되며,
   상기 컨트롤 베인 조립체는, 상기 스테이터 날개(63)와 상기 중심 날개(71) 사이의 각도가 45도가 되도록 배치되며,
   상기 덕트(50)는 이륙시 유체의 흐름이 위에서 아래로 형성되도록 그 하단에 일정 간격으로 형성된 복수개의 아치형 홈(55)을 구비하며, 서로 이웃하는 아치형 홈(55) 사이에는 착륙시 상기 전장부(40)에 가해지는 충격을 완화시킬 수 있도록 유압이나 공압 또는 스프링 방식의 완충수단을 구비한 받침대(80)가 설치되는 것을 특징으로 하는 덕트형 비행로봇의 비행제어구조.
   
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