KR101293312B1 - 등속조인트를 이용한 추력편향 수중 추진장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 등속조인트를 이용한 추력편향 수중 추진장치, 보다 구체적으로는 자율무인잠수정의 추력편향 추진장치에 등속조인트를 적용하여 추진 모터의 하우징은 그대로 두고 프로펠러만을 상하좌우로 기울임으로써 선미의 좁아지는 공간적 제약을 극복하고 엑츄에이터의 용량을 오직 프로펠러만을 기울이는 데 필요한 만큼으로 최적화하여 사용되는 에너지를 최소화 할 수 있는 등속조인트를 이용한 추력편향 수중 추진장치를 제공한다. 본 발명에 따르면, 추진 모터 및 하우징을 상대적으로 부력이 적은 선미보다는 선체 중앙부로 위치시킬 수 있어 밸러스트 측면에서의 설계도 매우 용이하다.

Description

등속조인트를 이용한 추력편향 수중 추진장치{underwater vector thruster using constant speed joint}
본 발명은 등속조인트를 이용한 추력편향 수중 추진장치, 보다 구체적으로는 자율무인잠수정의 추력편향 추진장치에 등속조인트를 적용하여 추진 모터의 하우징은 그대로 두고 프로펠러만을 상하좌우로 기울임으로써 선미의 좁아지는 공간적 제약을 극복하고 엑츄에이터의 용량을 오직 프로펠러만을 기울이는 데 필요한 만큼으로 최적화하여 사용되는 에너지를 최소화 할 수 있는 등속조인트를 이용한 추력편향 수중 추진장치에 관한 것이다.
자율무인잠수정(AUV, autonomous underwater vehicle) 분야에서 근래에 들어 가장 많이 개발되고 있는 형태는 소위 어뢰형(torpedo type) 무인잠수정으로, 이들은 통상 단축 프로펠러와 제어판으로 이루어진 형태(도 1) 또는 추력편향 프로펠러를 갖는 형태(도 2)를 갖는다.
이러한 경향이 나타나는 이유는 자율무인잠수정이 현재 기술 수준으로 볼 때 원격제어무인잠수정(ROV, remotely operated vehicle)에 비해 최대 장점인 광역 탐사를 위해 필요한 자체 전원을 가장 효율적으로 장시간 이용할 수 있는 형태이기 때문이다.
그러나 자율무인잠수정이 해저의 정밀조사를 수행하기 위해서는 저속에서의 자세 제어가 원활하게 이루어져야 하는데, 이 경우 단축 프로펠러와 제어판으로 이루어진 형태의 자율무인잠수정(도 1)은 저속에서의 제어력이 현저히 떨어지는 관계로 결국 추력편향 프로펠러를 갖는 형태의 자율무인잠수정(도 2)들이 대거 개발되고 있다.
그런데 기존에 개발되고 있는 추력편향 프로펠러(도 3)는 대부분이 프로펠러를 작동시키는 추진 모터의 하우징과 함께 프로펠러를 전체적으로 상하좌우로 기울여주는 방식이라는 점에서 문제가 된다. 기존의 기술에 따르면 자율무인잠수정이 대형화 되는 경우 요구되는 추진력의 증대와 더불어 증대되는 추진 모터를 그 하우징과 함께 기울여줘야 하는데, 이는 자율무인잠수정 선체 내의 공간적 제약과 엑츄에이터의 용량 증대에 따른 에너지 낭비의 문제를 유발하기 때문이다.
수중운동체의 추진 제어장치, 이를 구비하는 수중운동체 및 수중운동체의 모멘트 보상방법(특허출원 제10-2009-0133115호)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 자율무인잠수정의 추력편향 추진장치에 등속조인트를 적용하여 추진 모터의 하우징은 그대로 두고 프로펠러만을 상하좌우로 기울임으로써 선미의 좁아지는 공간적 제약을 극복하고 엑츄에이터의 용량을 오직 프로펠러만을 기울이는 데 필요한 만큼으로 최적화하여 사용되는 에너지를 최소화 할 수 있는 등속조인트를 이용한 추력편향 수중 추진장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,
추진 모터의 작동에 따라 회전력을 발생시키는 회전축 및 상기 회전축과 동심을 이루며 상기 회전축의 외곽을 감싸는 원통형의 하우징;
상기 회전축의 선미 끝단에 연결되며, 상기 회전축의 회전력을 임의의 기울어진 각도로 전달하는 등속조인트;
상기 등속조인트와 프로펠러 사이에 체결되어 상기 등속조인트와 상기 프로펠러를 연결시키며, 타이 로드의 작동에 따라 임의의 각도로 기울어지는 경우 상기 프로펠러와 함께 기울어지면서 상기 등속조인트를 경유한 상기 회전축의 회전력을 상기 프로펠러로 전달하는 팬 틸트 암;
상기 하우징의 외주면에서 힌지 결합하는 제 1 타이 링크 암;
상기 하우징의 외주면에서 상기 제 1 타이 링크 암과 90도 만큼 교차한 상태로 힌지 결합하는 제 2 타이 링크 암;
상기 제 1 타이 링크 암과 연결되어 상기 제 1 타이 링크 암을 임의의 각도로 기울이는 제 1 선형 엑츄에이터;
상기 제 2 타이 링크 암과 연결되어 상기 제 2 타이 링크 암을 임의의 각도로 기울이는 제 2 선형 엑츄에이터 및;
상기 제 1 타이 링크 암 및 상기 제 2 타이 링크 암과 상기 팬 틸트 암을 상호 연결하며, 상기 제 1 타이 링크 암 및 상기 제 2 타이 링크 암의 기울어진 각도만큼 상기 팬 틸트 암을 기울이는 타이 로드;
를 포함하는 등속조인트를 이용한 추력편향 수중 추진장치를 제공한다.
본 발명에 따르면, 자율무인잠수정의 추력편향 추진장치를 설계 및 운용함에 있어서 추진 모터의 하우징은 그대로 두고 프로펠러만을 상하좌우로 기울임으로써 선미의 좁아지는 공간적 제약을 극복하고 엑츄에이터의 용량을 오직 프로펠러만을 기울이는 데 필요한 만큼으로 최적화하여 사용되는 에너지를 최소화 할 수 있다. 또한 본 발명에 따르면, 추진 모터 및 하우징을 상대적으로 부력이 적은 선미보다는 선체 중앙부로 위치시킬 수 있어 밸러스트 측면에서의 설계도 매우 용이하다.
도 1은 기존의 단축 프로펠러와 제어판으로 이루어진 형태의 자율무인잠수정을 보여준다.
도 2는 기존의 추력편향 프로펠러를 갖는 형태의 자율무인잠수정을 보여준다.
도 3은 기존의 추력편향 프로펠러의 상세한 구성을 보여준다.
도 4는 일반적인 등속조인트의 구조를 보여준다.
도 5는 본 발명에 따른 등속조인트를 이용한 추력편향 수중 추진장치의 구성을 보여준다(옆에서 바라본 모습).
도 6은 본 발명에 따른 타이 링크 암의 배치를 보여준다.
도 7은 본 발명에 따른 타이 로드가 회전축과 평행을 유지하지 못하는 경우를 보여준다.
도 8은 본 발명에 따른 등속조인트를 이용한 추력편향 수중 추진장치의 구성을 보여준다(위에서 바라본 모습).
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 5 및 도 8은 본 발명에 따른 등속조인트를 이용한 추력편향 수중 추진장치의 구성을 보여준다. 이 때 도 5는 본 발명을 옆에서 바라본 모습이며, 도 8은 본 발명을 위에서 바라본 모습이다. 한편, 도 5 및 도 8을 도시함에 있어서는 도면의 복잡성을 피하기 위하여 일부 요소를 생략하고 본 발명을 바라보는 방향에서 설명에 필요한 부분을 위주로 표현하였음을 미리 밝혀 둔다.
본 발명은 자율무인잠수정의 추력편향 추진장치에 등속조인트를 적용하여 추진 모터의 하우징은 그대로 두고 프로펠러만을 상하좌우로 기울일 수 있도록 하는 등속조인트를 이용한 추력편향 수중 추진장치를 제공하는 것을 목적으로 하는바, 이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 회전축(shaft)(10) 및 하우징(housing)(20), 등속조인트(constant speed joint)(30), 팬 틸트 암(pan tilt arm)(40), 제 1 타이 링크 암(tie link arm)(51), 제 2 타이 링크 암(52), 제 1 선형 엑츄에이터(linear actuator)(61), 제 2 선형 엑츄에이터(62) 및 타이 로드(tie rod)(70)를 포함하여 이루어진다.
본 발명은 프로펠러(120)를 기울이는 링크 구조가 등속조인트(30)의 회전축 방향 변위를 구속하면서 유지되도록 한 것이다. 이하, 도 5 및 도 8을 주로 참조하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명한다.
회전축(10)은 추진 모터(thruster motor)(미도시)의 작동에 따라 회전력을 발생시킨다. 추진 모터는 회전축(10)의 선수 방향, 보다 명확하게는 자율무인잠수정의 선체 중앙부에 위치하며 후술하는 하우징(20)에 의해 선체 구조물에 고정된다. 즉, 본 발명의 경우 추진 모터는 고정된 상태에서 기울어지지 않으며 단지 프로펠러(120)만이 기울어지게 된다.
하우징(20)은 긴 원통형의 방수구조로서 회전축(10)과 동심을 이루면서 회전축(10)의 외곽을 감싼다. 본 발명의 경우 하우징(20)은 추진 모터와 마찬가지로 고정된 상태에서 기울어지지 않으며 단지 프로펠러(120)만이 기울어지게 된다. 이러한 하우징(20)은 후술하는 제 1 타이 링크 암(51) 및 제 2 타이 링크 암(52)이 소정의 간격을 두고 각각 2개씩 연속 배치될 수 있도록 충분한 길이를 갖는 것이 바람직하다.
등속조인트(30)는 회전축(10)의 선미 끝단에 연결되며, 상기 회전축(10)의 회전력을 임의의 기울어진 각도로 전달하는 역할을 한다. 이 때 등속조인트(30)를 경유한 회전축(10)의 회전력은 최종적으로 프로펠러(120)에 전달된다. 도 4는 일반적인 등속조인트의 구조를 보여주는데, 본 발명의 경우 이러한 일반적인 등속조인트의 구조가 그대로 적용될 수 있다. 한편, 본 발명에서 등속조인트(30)는 유적식 주름 고무 캡(oil-filled sealing rubber)(110)에 의해 방수가 되도록 처리하는 것이 바람직하다.
팬 틸트 암(40)은 등속조인트(30)와 프로펠러(120) 사이에 체결되어 등속조인트(30)와 프로펠러(120)를 연결시킨다. 팬 틸트 암(40)은 후술하는 타이 로드(70)의 작동에 따라 임의의 각도로 기울어지는 경우 프로펠러(120)와 함께 기울어지면서 등속조인트(30)를 경유한 회전축(10)의 회전력을 프로펠러(120)로 전달하는 역할을 한다. 이 경우 팬 틸트 암(40)은 등속조인트(30)와 프로펠러(120)의 연결 부위에 볼 베어링(100)을 구비하는 것이 바람직하다. 팬 틸트 암(40) 내부에서의 축 회전 과정이 용이하게 이루어질 수 있도록 하기 위함이다.
제 1 타이 링크 암(51)은 하우징(20)의 외주면에서 힌지 결합한다(도 5). 도 5의 실시 예에서 보면 제 1 타이 링크 암(51)이 하우징(20)의 외주면에 부착된 피봇 포인트(pivot point)(130)에 힌지 결합한 상태를 확인할 수 있다. 따라서 제 1 타이 링크 암(51)은 외력이 작용하면 이 피봇 포인트(130)를 중심으로 소정의 각도만큼 피봇 운동을 하게 된다. 이는 후술하는 제 2 타이 링크 암(52)도 마찬가지이다.
한편, 제 2 타이 링크 암(52)은 제 1 타이 링크 암(51)처럼 하우징(20)의 외주면에서 힌지 결합한다(도 8). 하지만 제 2 타이 링크 암(52)은 제 1 타이 링크 암(51)과 90도 만큼 교차한 상태로 하우징(20)의 외주면에 결합한다(도 6). 이는 후술하는 바와 같이 제 1 타이 링크 암(51) 및 제 2 타이 링크 암(52)이 타이 로드(70)와 상호작용 하여 팬 틸트 암(40)을 기울이게 될 때 제 1 타이 링크 암(51) 및 제 2 타이 링크 암(52)이 팬 틸트 암(40)에 대하여 90도 만큼 교차한 상태로 작동하여 팬 틸트 암(40)의 기울기를 상하 및 좌우 방향으로 제어할 수 있도록 하기 위함이다.
따라서 예를 들어, 제 1 타이 링크 암(51)이 팬 틸트 암(40)(즉, 프로펠러(120))의 상하 방향 기울기를 제어한다면(도 5), 제 2 타이 링크 암(52)은 팬 틸트 암(40)(즉, 프로펠러(120))의 좌우 방향 기울기를 제어하게 되는 것이다(도 8). 그 결과 제 1 타이 링크 암(51)만 작동하는 경우 자율무인잠수정은 상하 방향으로만 수심이 변화하는 이동을 하게 되며(도 5), 제 2 타이 링크 암(52)만 작동하는 경우 자율무인잠수정은 수심의 변화가 없이 좌우 방향으로만 이동을 하게 되며(도 8), 제 1 타이 링크 암(51)과 제 2 타이 링크 암(52)이 동시에 작동하는 경우 자율무인잠수정은 수심의 변화를 동반하는 상하좌우 방향의 이동을 하게 된다.
제 1 선형 엑츄에이터(61)는 제 1 타이 링크 암(51)과 연결되어 제 1 타이 링크 암(51)을 임의의 각도로 기울이는 역할을 한다(도 5). 즉, 제 1 선형 엑츄에이터(61)는 선체 구조물에 고정되는 회전축(10)에 의해 지지된 상태에서 제 1 타이 링크 암(51)을 밀거나 당기게 되는 것이다.
한편, 제 2 선형 엑츄에이터(62)는 제 2 타이 링크 암(52)과 연결되어 제 2 타이 링크 암(52)을 임의의 각도로 기울이는 역할을 한다(도 8). 즉, 제 2 선형 엑츄에이터(62)는 선체 구조물에 고정되는 회전축(10)에 의해 지지된 상태에서 제 2 타이 링크 암(52)을 밀거나 당기게 되는 것이다.
타이 로드(70)는 제 1 타이 링크 암(51) 및 제 2 타이 링크 암(52)과 팬 틸트 암(40)을 상호 연결하며, 제 1 타이 링크 암(51) 및 제 2 타이 링크 암(52)의 기울어진 각도만큼 팬 틸트 암(40)을 기울이는 역할을 한다(도 5, 도 8).
이 경우 팬 틸트 암(40)은 2축 조인트(2-axis joint)(80)를 구비하며, 이 2축 조인트(80)를 매개로 타이 로드(70)와 연결된다. 이처럼 팬 틸트 암(40)과 타이 로드(70)를 2축 조인트(80)를 매개로 연결하는 것은 상술한 예와 같이 팬 틸트 암(40)이 상하좌우로 동시에 기울어지는 경우에도 작동이 가능하도록 하기 위함이다.
또한, 이 경우 제 1 타이 링크 암(51)은 1축 조인트(1-axis joint)(90)를 구비하며, 이 1축 조인트(90)를 매개로 제 1 선형 엑츄에이터(61) 및 타이 로드(70)와 연결된다(도 5). 그리고 제 2 타이 링크 암(52)도 역시 1축 조인트(90)를 구비하며, 이 1축 조인트(90)를 매개로 제 2 선형 엑츄에이터(62) 및 타이 로드(70)와 연결된다(도 8). 이처럼 제 1 타이 링크 암(51) 및 제 2 타이 링크 암(52)과 타이 로드(70)를 1축 조인트(90)를 매개로 연결하는 것은 타이 로드(70)가 제 1 타이 링크 암(51) 및 제 2 타이 링크 암(52)과 상호작용 하여 전진 또는 후진을 하는 과정에서 회전축(10)에 대하여 평행을 유지하도록 제한하기 위함이다(도 5, 도 8).
만약 타이 로드(70)가 전진 또는 후진을 하는 과정에서 회전축(10)에 대하여 평행을 유지하지 못하게 되면 제 1 타이 링크 암(51) 및 제 2 타이 링크 암(52)이 기울어진 각도와 최종적으로 프로펠러(120)가 기울어진 각도가 서로 다르게 되어 결국 프로펠러(120)의 정밀한 각도 제어가 불가능해지게 된다.
도 7은 본 발명에 따른 타이 로드(70)가 회전축(10)과 평행을 유지하지 못하는 경우를 보여주는데, 도 7의 예와 관련하여 볼 때 본 발명은 제 1 타이 링크 암(51)이 소정의 간격을 두고 2개가 연속 배치되도록 함(도 5)과 동시에 제 2 타이 링크 암(52) 역시 소정의 간격을 두고 2개가 연속 배치되도록 하는 것(도 8)이 보다 바람직하다. 이렇게 되면 하우징(20)을 따라 소정의 간격을 두고 이격 배치된 2개의 제 1 타이 링크 암(51) 및 제 2 타이 링크 암(52)이 각각 타이 로드(70)의 양 끝단을 받치는 셈이 되어 타이 로드(70)가 작동 중 회전축(10)과의 평행이 깨지는 것을 최대한 막아낼 수 있기 때문이다. 도 7에서 보면 제 1 타이 링크 암(51) 및 제 2 타이 링크 암(52)이 1개뿐인 관계로 타이 로드(70)의 평행이 깨진 상황을 확인할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 자율무인잠수정의 추력편향 추진장치를 설계 및 운용함에 있어서 추진 모터의 하우징은 그대로 두고 프로펠러만을 상하좌우로 기울임으로써 선미의 좁아지는 공간적 제약을 극복하고 엑츄에이터의 용량을 오직 프로펠러만을 기울이는 데 필요한 만큼으로 최적화하여 사용되는 에너지를 최소화 할 수 있다. 또한 본 발명에 따르면, 추진 모터 및 하우징을 상대적으로 부력이 적은 선미보다는 선체 중앙부로 위치시킬 수 있어 밸러스트 측면에서의 설계도 매우 용이하다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시 예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10 : 회전축 20 : 하우징
30 : 등속조인트 40 : 팬 틸트 암
51 : 제 1 타이 링크 암 52 : 제 2 타이 링크 암
61 : 제 1 선형 엑츄에이터 62 : 제 2 선형 엑츄에이터
70 : 타이 로드 80 : 2축 조인트
90 : 1축 조인트 100 : 볼 베어링
110 : 유적식 주름 고무 캡 120 : 프로펠러
130 : 피봇 포인트

Claims (8)

  1. 추진 모터의 작동에 따라 회전력을 발생시키는 회전축 및 상기 회전축과 동심을 이루며 상기 회전축의 외곽을 감싸는 원통형의 하우징;
    상기 회전축의 선미 끝단에 연결되며, 상기 회전축의 회전력을 임의의 기울어진 각도로 전달하는 등속조인트;
    상기 등속조인트와 프로펠러 사이에 체결되어 상기 등속조인트와 상기 프로펠러를 연결시키며, 타이 로드의 작동에 따라 임의의 각도로 기울어지는 경우 상기 프로펠러와 함께 기울어지면서 상기 등속조인트를 경유한 상기 회전축의 회전력을 상기 프로펠러로 전달하는 팬 틸트 암;
    상기 하우징의 외주면에서 힌지 결합하는 제 1 타이 링크 암;
    상기 하우징의 외주면에서 상기 제 1 타이 링크 암과 90도 만큼 교차한 상태로 힌지 결합하는 제 2 타이 링크 암;
    상기 제 1 타이 링크 암과 연결되어 상기 제 1 타이 링크 암을 임의의 각도로 기울이는 제 1 선형 엑츄에이터;
    상기 제 2 타이 링크 암과 연결되어 상기 제 2 타이 링크 암을 임의의 각도로 기울이는 제 2 선형 엑츄에이터 및;
    상기 제 1 타이 링크 암 및 상기 제 2 타이 링크 암과 상기 팬 틸트 암을 상호 연결하며, 상기 제 1 타이 링크 암 및 상기 제 2 타이 링크 암의 기울어진 각도만큼 상기 팬 틸트 암을 기울이는 타이 로드;
    를 포함하는 등속조인트를 이용한 추력편향 수중 추진장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 팬 틸트 암은 2축 조인트를 구비하며, 상기 2축 조인트를 매개로 상기 타이 로드와 연결되는 것을 특징으로 하는 등속조인트를 이용한 추력편향 수중 추진장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 타이 링크 암은 1축 조인트를 구비하며, 상기 1축 조인트를 매개로 상기 제 1 선형 엑츄에이터 및 상기 타이 로드와 연결되는 것을 특징으로 하는 등속조인트를 이용한 추력편향 수중 추진장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 타이 링크 암은 1축 조인트를 구비하며, 상기 1축 조인트를 매개로 상기 제 2 선형 엑츄에이터 및 상기 타이 로드와 연결되는 것을 특징으로 하는 등속조인트를 이용한 추력편향 수중 추진장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 타이 링크 암은 소정의 간격을 두고 2개가 연속 배치되는 것을 특징으로 하는 등속조인트를 이용한 추력편향 수중 추진장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 타이 링크 암은 소정의 간격을 두고 2개가 연속 배치되는 것을 특징으로 하는 등속조인트를 이용한 추력편향 수중 추진장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 팬 틸트 암은 상기 등속조인트 및 상기 프로펠러와의 체결 부위에 볼 베어링을 구비하는 것을 특징으로 하는 등속조인트를 이용한 추력편향 수중 추진장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 등속조인트는 유적식 주름 고무 캡에 의해 방수가 되도록 처리하는 것을 특징으로 하는 등속조인트를 이용한 추력편향 수중 추진장치.
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