KR101279501B1 - 벽면 이동이 가능한 지능형 로봇 - Google Patents

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김상훈
정명수
장민우
정형우
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한경대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 지능형 로봇에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 상용 모터에 의해 발생되는 강력한 진공흡착방식에 의해 대형 구조물의 벽면에 안정적으로 부착시키면서도 바퀴형 이동수단에 의해 대형 구조물의 벽면을 따라 신속한 이동이 가능하게 함과 아울러, 조도센서와 가스, 불꽃센서에 의해 획득한 환경정보와 카메라에서 촬영된 영상정보를 블루투스나 지그비와 같은 무선통신수단에 의해 격지에 위치한 호스트 피씨로 전송하면서 대형 구조물의 검사 및 유지 보수작업이 가능하게 함으로써, 작업자가 대형 구조물에 올라간 후 내려오면서 검사해야 하였던 위험을 안정적으로 제거하고 검사작업에 소요되는 인력을 최소화할 수 있는 벽면 이동이 가능한 지능형 로봇에 관한 것이다.

Description

벽면 이동이 가능한 지능형 로봇{INTELLIGENT ROBOT FOR WALL CLIMBING}
본 발명은 지능형 로봇에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 상용 모터에 의해 발생되는 강력한 진공흡착방식에 의해 대형 구조물의 벽면에 안정적으로 부착시키면서도 바퀴형 이동수단에 의해 대형 구조물의 벽면을 따라 신속한 이동이 가능하게 함과 아울러, 조도센서와 가스, 불꽃센서에 의해 획득한 환경정보와 카메라에서 촬영된 영상정보를 블루투스나 지그비와 같은 무선통신수단에 의해 격지에 위치한 호스트 피씨로 전송하면서 대형 구조물의 검사 및 유지 보수작업이 가능하게 함으로써, 작업자가 대형 구조물에 올라간 후 내려오면서 검사해야 하였던 위험을 안정적으로 제거하고 검사작업에 소요되는 인력을 최소화할 수 있는 벽면 이동이 가능한 지능형 로봇에 관한 것이다.
최근 고층 건물이나 교량과 같은 대형 구조물들이 점점 증가하게 되면서, 이러한 대형 구조물에 대한 안전성 검사나, 유지, 보수 작업의 필요성도 함께 증가하고 있다. 특히, 과거에 국내외에서 발생하였던 대형 구조물의 붕괴나 파손에 의해 야기되었던 대형 참사를 보면, 대형 구조물에 대한 안전성 검사 등의 중요성은 더욱 절실하다 할 것이다.
그에 따라, 종래에는 고층 건물의 옥상이나 교량 또는 교각에 작업자의 안전을 확보하기 위한 임시 구조물을 설치한 후, 작업자가 위에서 아래로 내려오면서 건물이나 교량 또는 교각의 외면을 일일이 육안으로 확인하거나 각종 계측 장비를 이용하여 검사하는 등 매우 위험한 작업환경에서 시행하곤 하였다.
그러나, 이와 같이 작업자가 대형 구조물에 대한 안전성 검사를 직접 시행할 경우 작업자의 안전 확보를 위한 임시 구조물의 설치와 유지를 위한 비용이 소요됨은 물론 여러 사람들이 함께 협력하여 작업해야 하였는바, 위험성이 증가됨에도 소요되는 비용이 증가하고, 안전성 검사 시간도 많이 소요되는 등 안전성 검사작업이 전형적인 고비용과 저효율의 작업이 되는 문제점이 있었다.
또한, 근래에는 위험한 작업분야에 로봇을 이용하고자 하는 연구가 각 분야에서 활발히 이루어지고 있으며, 그에 따라 평면이 아닌 벽면이나 천정에도 안정적으로 부착되어 주변상황을 감시할 수 있게 한 로봇에 대한 기술들도 대한민국 등록특허공보 제10-0990180호(벽면 이동로봇의 고정장치)나 대한민국 등록특허공보 제10-0888861호(추력형 벽면이동 로봇)등을 통하여 개시되었다.
그러나, 이처럼 근래에 제안되었던 벽면 이동 로봇들은 벽면에의 안정적인 부착을 위해서는 특정 위치에 견고하게 고정되어야 하고, 벽면을 따라 용이하게 이동하기 위해서는 벽면에의 부착력이 약화되어야 하였는바, 벽면에의 부착방식과 이동방식이 갖는 개별적인 특성의 차이나 상반성으로 인하여 부착과 이동 중 어느 한 가지 특징에 치우치게 될 수 밖에 없었는바, 일반 건축물이나 교량과 같은 대형 구조물에의 안전검사를 수행할 수 있는 실용적인 검사로봇의 개발은 여전히 요원한 상태였다.
더욱이, 중력이나 풍력에 계속 노출된 상태에서 불규칙하게 형성된 구조물의 외면을 따라 이동하면서 검사를 수행하고, 직접 유지 보수 작업을 수행하거나, 검사결과 이상이 있는 영역에 대한 추후 유지 보수를 위해 그 위치도 정확하게 파악하여야 하는 대형 구조물의 안전성 검사를 수행할 수 있는 로봇은 제안되지 않았다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 공압이나 특수한 재질에 의존하여 하드웨어가 대형화되어야 하고, 부착되는 벽면의 표면 상태에 크게 의존하였던 종래의 벽면 이동 로봇과는 달리, 상용 모터에 의한 공기흡착방식에 의해 소형화하면서도 로봇을 벽면의 상태에 크게 구애받지 않고 벽면에 안정적으로 부착시킬 수 있게 함과 아울러, 챔버 내부의 압력을 조절하여 흡착력을 변경시키며 바퀴식에 의해 용이하게 이동할 수 있게 하고, 여러 센서에 의해 획득한 환경정보와 카메라에서 촬영된 영상정보를 무선통신수단에 의해 격지에 위치한 호스트 피씨로 전송하면서 대형 구조물의 검사 및 유지 보수작업이 가능하게 하여 작업의 위험성을 제거하고 검사작업에 소요되는 인력을 최소화할 수 있게 한 벽면 이동이 가능한 지능형 로봇을 제공함에 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 벽면 이동이 가능한 지능형 로봇은,
센서와 카메라가 탑재되는 본체 프레임을 이루며 로봇의 이동과 흡착 등의 제어를 수행하는 제어신호를 생성하는 메인보드가 구비된 로봇 본체; 진공흡착방식에 의해 적은 양의 공기로 높은 압력을 상승시켜 챔버 내부와 외부의 기압 차이에 의한 강한 흡착력을 만들어 상기 로봇 본체를 벽면에 부착시키는 부착력을 생성하는 진공흡착부; 상기 로봇 본체의 하부에 위치하여 지면 또는 벽면을 따라 로봇 본체를 이동시키는 바퀴와, 상기 바퀴를 정회전 또는 역회전 시키는 기어드 DC 모터로 이루어진 바퀴구동부; 상기 로봇 본체에 탑재되며 벽면을 따라 이동하며 영상을 획득한 후 무선통신방식에 의해 격지의 호스트 단말기로 전송하는 무선카메라부; 상기 로봇 본체에 탑재되어 이동 중 벽면과 장애물을 인식하고 환경정보를 생성하는 등 각종 환경 정보를 감지하는 센서부; 및 상기 무선카메라부와 센서부에서 전송되는 영상과 환경정보를 무선통신방식에 의해 수신하여 표출하고 로봇의 구동을 위한 제어명령을 생성하여 전송하는 호스트 단말기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 한다.
이때, 상기 진공흡착부는,
임펠러를 구동하는 동력을 생성하는 임펠러 구동모터; 상기 임펠러 구동모터의 동력에 의해 날개차가 회전하면서 유체의 흐름을 만들어 압력을 상승시키는 원심력식 임펠러(Impeller); 플라스틱의 격벽형태로 이루어지며, 상기 임펠러의 회전에 의해 야기된 원심력에 의해 진공상태로 되면서 내부가 저기압으로 변하고, 외부는 고기압으로 변하여, 그로 인한 기압 차이에 의해 벽면과 수직한 방향으로 흡착력이 발생되는 챔버(Chamber); 및 상기 챔버의 상부와 하부에 각각 위치하여 완충작용을 수행하면서 공기를 수축 또는 이완시키는 리폼(Re-Foam)을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 리폼은,
상기 챔버의 상부에서 결합되어 챔버 내부의 부피를 감소시키며 챔버 내부와 외부의 압력 차이를 증가시키는 상부 리폼(Award Re-Foam); 및 상기 챔버의 하부에서 결합되어 챔버 내부의 부피를 감소시키며 챔버 내부와 외부의 압력 차이를 증가시키는 하부 리폼(Bottom Re-Foam)으로 구성되며; 상기 하부 리폼은 외력에 부피가 부분적으로 변형되며 벽면과 로봇의 틈을 감소시키는 유연한 재질로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 메인보드는 일 측에 위치하는 두 개의 모터는 역회전하고, 타 측에 위치하는 두 개의 모터는 정회전하도록 제어신호를 생성하여, 바퀴가 일정한 원의 중심을 기준으로 제자리에서 회전할 수 있도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 메인보드는 블루투스(Bluetooth)나 지그비(Zigbee)와 같은 무선통신망을 통하여 상기 호스트 단말기로부터 전송되는 작업자의 조작신호를 수신하여 그에 적합한 제어신호를 생성하고, 상기 무선카메라부나 센서부에서 전송되는 신호를 무선통신망을 통하여 상기 호스트 단말기로 전송할 수 있는 무선통신수단이 구비되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 센서부는,
벽면과 지면을 구분할 수 있는 3축 가속도 센서; 챔버 내외부의 압력을 측정할 수 있는 차압센서; 및 로봇의 이동방향에 위치하는 장애물이나 벽면의 모서리 등 로봇의 진행하지 못하는 곳을 감지하기 위한 복수의 적외선 센서를 포함하여 구성되며; 로봇이 이용되는 산업분야에 따라, 화재나 가스의 누출을 감지하는 가스불꽃 센서; 로봇이 위치한 주변의 명암을 감지하여 LED의 온오프를 판단하는 조도센서; 생물체나 사람의 존재를 판단하는 PIR 센서 중 적어도 어느 하나 이상의 센서를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
본 발명은 상용 모터에 의한 공기흡착방식에 의해 소형화하면서도 로봇을 벽면의 상태에 크게 구애받지 않고 벽면에 안정적으로 부착시킬 수 있게 함과 아울러, 챔버 내부의 압력을 조절하여 흡착력을 변경시키며 바퀴식에 의해 용이하게 이동할 수 있게 함으로써, 대형 구조물의 검사작업을 소형화된 이동 로봇에 의해 안정적으로 수행할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 소형화된 이동 로봇에 구비된 여러 초소형 센서와 초소형 카메라에 의해 검사가 이루어지는 대형 구조물의 외면에 대한 정보를 실시간으로 모니터링 함으로써, 안정적인 상태에서 보다 정밀한 검사를 수행할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 벽면 이동이 가능한 지능형 로봇의 블록 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 벽면 이동이 가능한 지능형 로봇에 구비된 진공흡착부의 구성도.
도 3은 본 발명에 따른 진공흡착부에 구비된 임펠러의 구성도.
도 4는 본 발명에 따른 벽면 이동이 가능한 지능형 로봇에 구비된 바퀴구동부의 사진.
도 5는 본 발명에 따른 벽면 이동이 가능한 지능형 로봇에 구비된 무선카메라부에서 카메라가 이동하는 것을 나타내는 사진.
도 6은 본 발명에 따라 벽면을 이동하며 안전검사를 수행하는 것을 나타내는 동작 순서도.
도 7은 본 발명에 따른 벽면 이동이 가능한 지능형 로봇의 벽면 흡착과 이동에 대한 물리적 합력의 해석을 나타내는 도면.
도 8은 본 발명에 따른 벽면 이동이 가능한 지능형 로봇이 벽면을 이동하는 것을 나타내는 사진.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명에 따른 벽면 이동이 가능한 지능형 로봇의 블록 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 벽면 이동이 가능한 지능형 로봇(10)은 검사장비와 카메라가 탑재되는 본체 프레임을 이루며 로봇의 이동과 흡착 등의 제어를 수행하는 제어신호를 생성하는 메인보드가 구비된 로봇 본체(100)와, 진공흡착방식에 의해 적은 양의 공기로 높은 압력을 상승시켜 챔버 내부와 외부의 기압 차이에 의한 강한 흡착력을 만들어 상기 로봇 본체를 벽면에 부착시키는 부착력을 생성하는 진공흡착부(200)와, 상기 로봇 본체의 하부에 위치하여 지면 또는 벽면을 따라 로봇 본체를 이동시키는 4개의 바퀴가 구비된 바퀴구동부(300)와, 상기 로봇 본체에 탑재되며 벽면을 따라 이동하며 영상을 획득한 후 무선통신방식에 의해 격지의 호스트 단말기로 전송하는 무선카메라부(400)와, 상기 로봇 본체에 탑재되어 이동 중 벽면과 장애물을 인식하고 환경정보를 생성하는 등 각종 환경 정보를 감지하는 센서부(500)와, 상기 무선카메라부와 센서부에서 전송되는 영상과 환경정보를 무선통신방식에 의해 수신하여 표출하고 로봇의 구동을 위한 제어명령을 생성하여 전송하는 호스트 단말기(600)로 구성된다.
상기 로봇 본체(100)는 대형 구조물의 안전 검사 등을 수행하기 위해 다수의 센서로 이루어진 센서부(500)와, 검사가 이루어지는 벽면 등의 영상을 촬영하는 카메라(410) 등의 장비가 탑재되어 벽면 이동이 가능한 지능형 로봇의 본체 프레임을 이루며, 로봇의 이동을 위해 각 바퀴에 구비된 DC 모터의 정회전 및 역회전을 제어하고 벽면에의 흡착을 위해 임펠러를 회전시키는 임펠러 구동모터의 회전을 제어하는 제어신호를 생성하는 메인보드(110)가 구비되어 구성된다.
이때, 상기 메인보드(110)는 상기 센서부에서 획득한 감지신호와 카메라에서 획득한 영상의 처리, 및 무선통신망을 통한 전송을 위한 신호의 제어를 수행하는 등 로봇의 전체적인 제어를 담당하도록 이루어지며, 상기 실시예에서는 AT91SAM7S256으로 구성하였다.
또한, 상기 메인보드(110)는 블루투스(Bluetooth)나 지그비(Zigbee) 등의 무선통신망을 통하여 상기 호스트 단말기(600)로부터 전송되는 작업자의 조작신호를 수신하여 그에 적합한 제어신호를 생성하도록 구성되어, 로봇 스스로의 자동제어가 가능할 뿐만 아니라, 무선통신망을 통하여 전송된 감지신호와 영상에 의해 작업자가 취하는 적절한 조치도 즉시 수행될 수 있게 하는 것이 바람직하다.
상기 진공흡착부(200)는 도 2에 도시된 바와 같이, 임펠러를 구동하는 동력을 생성하는 임펠러 구동모터(210)와, 상기 임펠러 구동모터의 동력에 의해 날개차가 회전하면서 유체의 흐름을 만들어 압력을 상승시키는 임펠러(Impeller)(220)와, 플라스틱의 격벽형태로 이루어져 상기 임펠러의 회전에 의해 생성된 진공상태를 안정적으로 유지하는 챔버(Chamber)(230)와, 상기 챔버의 상부와 하부에 각각 위치하여 완충작용을 수행하면서 공기를 수축 또는 이완시키는 리폼(Re-Foam)(230)을 포함하여 구성된다.
이때, 상기 임펠러 구동모터(210)는 DC(Direct Current) 모터 중에서 브러쉬가 없는 브러시리스 DC 모터(Blushless DC Motor)로서 일반 DC 모터의 치명적 약점인 수명을 최대한 보강함과 아울러, 속도, 힘, 거리 제어가 가능한 제어형 모터인 BLDC 모터로 구성되는 것이 바람직하다.
상기 임펠러(220)는 적은 양의 공기를 상기 임펠러 구동모터(210)에 의해 고속으로 회전하는 날개차의 깃 사이로 흐르게 하면서 적은 양의 공기로도 높은 압력을 상승시켜 챔버(240) 내부를 저기압으로 만들고, 챔버(240) 외부를 고기압으로 변하게 함으로써, 외부에서 챔버(240)를 밀어주는 힘을 생성하여 로봇(10)을 벽면 등에 부착시킬 수 있게 한 원심력식 임펠러(220)로 구성된다.
일반적으로 임펠러는 도 3에 도시된 바와 같이, 공기, 물, 또는 기름 등의 유체가 모터에 의해 고속으로 회전하는 날개차의 깃 사이를 흐르면서 에너지를 받게 되는데, 날개차는 원심형과 축류형으로 나눌 수 있게 된다. 이때, 원심형 날개차는 유체가 주로 회전축에 수직하게, 즉 원의 중심에서 바깥둘레의 방향으로 흐르고, 축류형 날개차는 유체가 주로 회전축의 방향으로 흐르게 된다.
상기 원심형 날개차는 비교적 적은 양의 유체에 의해 높은 압력을 상승시키는데 적합하므로, 상기 진공흡착부를 이루는 임펠러는 원심형 날개차가 구비된 원심력식 임펠러(220)로 구성되는 것이 바람직하다.
상기 챔버(240)는 임펠러의 회전에 의해 야기된 원심력에 의해 내부가 진공상태로 되면서 저기압으로 변하고, 외부는 고기압으로 변하게 되며, 이러한 챔버 내외부의 기압 변화로 인하여 벽면과 수직한 방향으로 흡착력이 발생하게 되어 로봇이 벽면에 안정적으로 흡착할 수 있게 된다.
상기 리폼(230)은 상기 챔버의 상부에 위치하는 상부 리폼(Award Re-Foam)(231)과, 상기 챔버의 하부에 위치하는 하부 리폼(Bottom Re-Foam)(232)으로 구성된다.
이때, 상기 상부 리폼(231)에 의해 챔버 내부의 부피가 감소하므로 압력이 증가하게 되고, 이러한 압력의 증가로 챔버(240) 내부의 기압과 외부의 기압 차이가 커지게 되어 흡착력이 더 증가하게 된다. 또한, 이처럼 강해진 흡착력에 의해 플라스틱 재질로 이루어진 챔버에 가해지는 부하가 가중되어 챔버가 찌그러지는 현상이나 뒤틀림 현상이 발생하게 되는데, 상기 상부 리폼(231)이 상기 챔버에 가중되는 부하를 흡수하거나 분산시키므로 안정된 동작이 가능하게 된다.
또한, 상기 하부 리폼(232)은 챔버(240) 하부에 위치하여 벽면 등 로봇이 흡착하는 면에 접하며, 상기 상부 리폼과 마찬가지로 챔버 내부의 부피를 감소시켜 압력을 증가시키고, 그로 인하여 챔버(240) 내부와 외부의 기압 차이를 더 크게 하여 흡착력을 증가시킬 뿐만 아니라, 챔버에 가중되는 부하를 흡수하거나 분산시키게 됨은 물론이다.
이와 아울러, 상기 하부 리폼(232)은 흡착력에 의해 눌릴 때 부피가 변형될 수 있는 유연한 재질로 이루어져 로봇이 다양한 종류와 형태의 벽면에 흡착할 경우에도 벽면과 로봇의 틈을 감소시켜 최소화함으로써, 챔버(240) 내부와 외부의 압력 균형이 깨지는 것을 방지하도록 구성되는 것이 바람직하다. 이처럼 유연한 재질로 이루어진 하부 리폼(232)에 의하여 불규칙한 벽면에서도 로봇(10)이 안정적으로 이동할 수 있게 되어 로봇의 작업 영역을 보다 확대할 수 있게 된다.
또한, 상기 임펠러 구동모터(230)의 하부에는 모터 조인트(211)가 더 구비되고, 상기 모터 조인트와 임펠러 사이, 상기 임펠러와 상부 리폼 사이, 및 상기 상부 리폼과 챔버 사이에 커버 플레이트(250)가 위치하도록 구성되는 것이 바람직하다.
상기 바퀴구동부(300)는 도 4에 도시된 바와 같이 로봇 본체(100)의 하부에 구비된 4개의 바퀴(320)와, 상기 4개의 바퀴를 독립적으로 정회전 또는 역회전 시킬 수 있는 4개의 DC 모터(310)를 포함하여 구성된다.
이때, 상기 4개의 DC 모터(310)는 바퀴를 회전시키는 동력을 발생하며, 대형 구조물의 벽면에서의 이동뿐만 아니라, 제자리 회전 등 정밀한 제어가 가능하도록 감속기가 내장된 기어드 DC 모터(Geared DC Motor)로 구성되는 것이 바람직하다.
이와 같이 4개의 기어드 DC 모터(310)가 각 바퀴에 구비되고, 모터의 독립적인 제어가 가능하므로 전진, 후진, 좌턴 및 우턴이 가능함은 물론, 강한 토크와 빠른 반응을 통해서 로봇이 지면, 벽면, 천정 등 다양한 재질로 이루어진 작업공간에서도 안정적이고 정확한 움직임을 구현할 수 있게 된다.
또한, 도 4에 나타난 예시 사진과 같이 가로가 27~30㎝이고, 세로가 30㎝의 크기로 이루어진 로봇 본체의 경우, 최소 회전반경인 지름 40㎝의 공간(로봇을 둘러싸는 곡선으로 표시) 내에서 제자리 회전이 가능하게 되어 보다 정밀한 이동과 제어가 가능하게 된다.
이를 위하여, 상기 메인보드(110)는 왼쪽에 위치하는 두 개의 모터는 역회전하고, 오른쪽에 위치하는 두 개의 모터는 정회전하도록 제어신호를 생성하여, 왼쪽과 오른쪽에 위치하는 바퀴가 일정한 원의 중심을 기준으로 제자리에서 회전할 수 있도록 구성된다. 이처럼 제자리 회전이 가능하게 하여 로봇의 작업공간에 대한 제약이 줄어들게 되어 보다 원활한 구동 및 검사가 가능하게 된다.
상기 무선카메라부(400)는 도 5에 도시된 바와 같이, 검사하고자 하는 벽면 주변의 영상을 촬영하는 카메라(410)와, 상기 카메라를 회전시키거나 상하로 이동시키는 서보모터(420)와, 상기 카메라에서 촬영된 영상을 무선으로 전송하는 무선송신기(430)로 구성된다.
이때, 상기 카메라(410)는 초소형 초경량의 무선 카메라로서, 무선기기 형식등록을 득하여 공중무선망을 통하여 데이터 전송이 가능한 기기로 구성된다. 또한, 상기 카메라(410)와 무선송신기(430)가 일체형으로 이루어져 무게에 대한 제약을 최소화 할 수 있도록 구성되는 것이 바람직하다.
상기 서보모터(420)는 2개가 구비되어 카메라의 상, 하, 좌, 우 회전이 가능하게 함으로써, 로봇이 벽면의 어떤 위치에 있던지 실시간으로 영상을 획득하여 상기 호스트 단말기(600)로 전송할 있도록 구성되는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이 상기 카메라와 송신기가 일체형으로 이루어질 수 있음은 물론, 상기 카메라에서 획득한 영상이 로봇 본체에 구비된 메인보드로 전송되고, 상기 메인보드에 구비된 블루투스나 지그비 등의 무선통신수단에 의해 호스트 단말기로 전송되도록 구성될 수도 있다.
상기 센서부(500)는 벽면과 지면을 구분할 수 있는 가속도 센서(510)와, 챔버 내외부의 압력을 측정할 수 있는 차압센서(520)와, 로봇의 이동방향에 위치하는 장애물이나 벽면의 모서리 등 로봇의 진행하지 못하는 곳을 감지하기 위한 복수의 적외선 센서(530)와, 화재나 가스의 누출을 감지하는 가스불꽃 센서(540)와, 로봇이 위치한 주변의 명암을 감지하여 LED의 온오프를 판단하는 조도센서(550)와, 생물체나 사람의 존재를 판단하는 PIR 센서(560) 등 다수의 센서를 포함하여 구성된다. 이때, 상술한 센서의 종류는 일예일 뿐이며, 본 발명에 따른 벽면 이동이 가능한 지능형 로봇을 이용하고자 하는 분야에 따라 각 이용 분야에 적합한 다수의 센서가 구비될 수 있음은 물론이다.
상기 가속도 센서(510)는 로봇이 벽면이나 지면을 구분하여 벽면에서는 상기 임펠러 구동모터(210)의 회전을 활성화시키고, 지면에서는 회전을 감소시켜 불필요한 전력의 소비를 줄일 수 있도록, 로봇이 중력의 방향에 대해 어떠한 위치에 있는지를 감지할 수 있는 3축 가속도 센서로 구성된다.
상기 차압센서(520)는 챔버(240) 내부와 외부의 압력 차이를 측정하여 벽면 부착시 로봇 스스로 임펠러 구동모터의 회전을 제어하여 챔버 내부와 외부의 압력 차이를 조절함으로써 벽면 등에 안정적으로 부착된 상태를 유지할 수 있게 한다.
상기 복수의 적외선 센서(530)는 3개의 적외선 센서로 이루어져 각 적외선 센서에서 전방으로 적외선을 송출하며 로봇의 이동 평면에 놓여 있는 장애물의 존재를 감지할 뿐만 아니라, 한 개의 적외선 센서를 더 추가하여 로봇의 이동 평면의 전방 아래쪽으로 적외선을 송출하며 낭떠러지나 벽면의 모서리 등 로봇이 진행하지 못하는 곳이 존재하는 가를 감지할 수 있도록 구성된다. 그에 따라, 로봇의 진행이 어려운 것으로 판단될 경우 회피하여 다른 이동로를 탐색할 수 있게 하여 안정적인 벽면 이동이 가능하게 한다.
상기 가스불꽃 센서(540)는 가스나 불꽃의 존재를 감지하고, 그 감지결과인 해당 벽면의 환경정보를 블루투스 통신이나 지그비 통신 등 무선통신방식에 의해 호스트 단말기로 전송하도록 구성된다.
상기 조도센서(550)는 어두운 것으로 판단될 경우 LED를 온(ON)시켜 카메라 촬영을 위한 시야를 확보할 수 있도록 카메라 주변의 명암을 판단하는 CDS 센서로 구성된다.
상기 PIR 센서(560)는 시야가 확보되지 않은 곳에서도 벽면 이동을 통하여 건물 내 생명체나 사람의 존재 여부를 감지하여 인명 구조에 이용되거나, 사람의 침입을 감지하여 감시의 목적으로 이용될 수 있도록 구성된다. 이때. 상기 PIR 센서는 인명 구조나 감시의 목적이 아닐 경우 구비되지 않을 수도 있음은 물론이다.
상기 호스트 단말기(600)는 상기 무선카메라부나 각종 센서들에서 직접 전송되는 영상 또는 감지신호를 수신하거나, 상기 로봇 본체에 구비된 메인보드로 작업자의 제어명령을 전송하든 등 블루투스 통신이나 지그비 통신에 의해 데이터의 송수신이 가능한 무선통신수단을 구비하여 구성된다.
이때, 상기 호스트 단말기(600)는 상기 무선카메라부로부터 전송되는 영상을 수신하여 시각적으로 확인할 수 있도록 디스플레이 수단이 구비된 퍼스널 컴퓨터나 노트북, 태블릿 피씨 또는 스마트폰 등 다양한 수단으로 이루어질 수 있음은 물론이다.
다음에는 이와 같이 구성된 본 발명에 따른 벽면 이동이 가능한 지능형 로봇의 작용을 설명한다.
도 6은 본 발명에 따라 벽면을 이동하며 안전검사를 수행하는 것을 나타내는 동작 순서도이고, 도 7은 본 발명에 따른 벽면 이동이 가능한 지능형 로봇의 벽면 흡착과 이동에 대한 물리적 합력의 해석을 나타내는 도면이며, 도 8은 본 발명에 따른 벽면 이동이 가능한 지능형 로봇이 벽면을 이동하는 것을 나타내는 사진이다.
도 6을 참조하면, 로봇(10)의 전원을 온(ON) 시키고 로봇의 PIN과 ADC를 초기화하고 변속기와 통신수단 및 각종 모터를 설정한 후 동작시키면, 가속도 센서(510)가 활성화되어 중력 가속도 방향을 기준으로 하여 현재 로봇이 위치한 곳이 지면인지, 벽면인지, 아니면 천정인지를 인식하면서 로봇상태를 확인하게 된다. 이후, 지면에서 복수의 적외선 센서(530)를 활성화시켜 주변에 장애물이 있는지 확인하며 이동하게 된다. 또한, 로봇이 벽면에 위치한 경우에는 메인보드에서 임펠러 구동모터를 동작시켜 임펠러(220)를 회전시킴으로써 챔버(240) 내부와 외부 사이의 압력 차이를 만들어 흡착력을 생성하여 벽면에 안정적으로 부착될 수 있게 한다.
이때, 로봇상태가 벽면 등에의 부착을 위해 압력이 필요하지 않은 경우(NO)에는 로봇상태를 지속적으로 파악하면서 임펠러 구동모터(210)의 회전여부를 감지하게 되고, 벽면 등에 부착되어 압력이 필요한 경우(YES)에는 부착을 위해 필요한 압력을 연산함과 아울러 임펠러 구동모터(210)를 회전시켜 벽면 등에의 부착상태를 유지하며 로봇을 대기시키게 된다.
그리고, 메인보드(110)에 구비된 통신수단에 의해 격지의 호스트 단말기(600)와 통신로를 형성하게 된다. 이때, 상기 호스트 단말기와의 통신로를 형성하지 못한 경우(NO)에는 통신로가 형성될 때까지 로봇대기 상태를 유지하게 되며, 통신로를 형성한 경우(YES)에는 센서에서의 감지여부와, 로봇의 이동여부와, 무선카메라의 동작여부를 판단하게 된다.
이때, 상기 센서를 통한 환경정보의 취득이 선택된 경우(YES)에는 로봇에 구비된 센서부(500)를 이루는 불꽃센서에서 불꽃의 발생여부를 감지하고, 가스센서에서 가스의 누출여부를 감지하며, 인체감지센서(PIR 센서)에서 생명체의 존부를 감지하고, 조도센서(CDS 센서)에서 LED의 온오프 여부를 감지하여 메인보드로 전송하게 된다.
또한, 로봇의 이동을 위한 DC 모터(310)의 구동이 선택된 경우(YES)에는 다수의 적외선 센서(530)에 의해 주변에 장애물이 존재하는가를 확인하면서 로봇의 바퀴를 회전시켜 벽면 등을 이동하게 된다. 이때, 로봇의 이동경로에 장애물이 없는 것으로 판단된 경우(NO)에는 해당 위치에서 좌회전, 우회전, 후진, 정지, 및 전진 등 벽면 등에서 다양한 이동이 가능하게 된다.
그러나, 로봇의 이동경로에 장애물이 존재하는 것으로 판단된 경우(YES)에는 전진하고자 하는 전방을 감지한 적외선 센서(적외선1)에서 전방에 낭떠러지나 전방 장애물이 있는 것으로 판단(YES)되면 후진하도록 제어하고, 전방에 낭떠러지나 전방 장애물이 없는 것으로 판단(NO)되면 다른 적외선 센서(적외선2)를 통해 계속하여 장애물 등의 존부를 판단하게 된다.
또한, 로봇은 상기 적외선 센서들(적외선1, 적외선2)에 의해 판단된 장애물 존부 신호에 따라 이동하면서 또 다른 적외선 센서(적외선3)에 의해 전방좌측이나 좌측의 장애물 존부를 판단하여 장애물 등이 존재하는 것으로 판단될 경우에는 우회전하여 장애물 등을 회피하게 하며, 또 다른 적외선 센서(적외선4)에 의해 전방우측이나 우측의 장애물 존부를 판단하여 장애물 등이 존재하는 것으로 판단될 경우에는 좌회전하여 장애물 등을 회피할 수 있게 한다.
이와 같이 4개의 적외선 센서에 의해 전방 또는 좌우측의 장애물 존부를 판단할 뿐만 아니라, 낭떠러지 등의 존부도 판단하면서 대형 구조물의 벽면 등을 안정적으로 이동할 수 있게 된다.
또한, 무선카메라의 동작이 선택된 경우(YES)에는 무선카메라(410)를 활성화시켜 주변 영상을 획득함과 아울러, 카메라의 상하이동 또는 좌우이동 제어신호에 의해 서보모터(420)를 구동시키며 상하 또는 좌우로 회전하면서 대형 구조물의 주변 영상을 획득하게 된다.
이때, 로봇이 벽면에 수직하게 위치한 상태에서의 흡착과 이동을 위해 필요한 힘의 합력에 대한 물리적 해석을 하면 도 7에 도시된 바와 같다.
즉, 로봇이 접하고 있는 벽면이 로봇에 대해 수직 윗방향으로 작용하는 수직항력의 합(∑N)은 로봇에 구비된 진공흡착부에서 흡입하고 있는 흡입력에 의한 흡입의 마찰(Fsuction)과 같아야 하며, 이 흡입력은 각 바퀴에 대한 수직항력, 즉, 4개의 바퀴에 대한 수직항력의 합(∑Nwheel)과 동등해야 한다. 또한, 각 바퀴에 대한 마찰력(Ffwheel)은 마찰계수(μ)에 바퀴에 대한 수직항력(Nwheel)의 곱과 같아야 한다. 그리고, 중력(mg)에 대해 4개의 바퀴의 마찰력(Ffwheel)이 같아야 벽에 흡착하여 벽면을 이동할 수 있게 된다.
이와 같이 로봇이 벽면에 흡착된 상태에서 안정적으로 이동하기 위해 필요한 진공흡착부(200)에서 흡입력이 연산되면, 이 흡입력을 유지할 수 있도록 상기 차압센서(520)에서는 챔버(240) 내부와 외부 사이의 압력 차이를 지속적으로 감지하면서 임펠러를 구동하는 임펠러 구동모터(210)의 속도를 조절하여 압력을 증감시키게 된다.
상기 실시예에서 로봇의 이동을 위해 동작하는 기어드 DC 모터(Geared DC Motor)는 1:210의 기어비를 가지며 30.9RPM으로 동작하는 모터로 구성하고, 바퀴의 크기는 반지름을 3㎝로 하였다. 그에 따라 로봇이 1분 동안 진행할 수 있는 최대거리는 약 5.8m 가 된다.
이때, 하기의 표 1에 나타난 바와 같이, 로봇이 이동하는 장소와 방향에 따라 지면에서 이동하는 지면이동, 도 8에 도시된 바와 같이 중력에 반하여 벽면을 따라 올라가는 상승이동, 중력방향으로 벽면을 따라 내려오는 하강이동, 및 벽면에서 수평방향으로 움직이는 평면이동시 상기 기어드 DC 모터에서 생성된 동력이 로봇에 작용하는 힘이 다르며, 그에 따라 속도도 차이가 있음을 확인할 수 있다.
이동형태 속도(m/min)
지면이동 4.8
상승이동 2.9
하강이동 3.6
수평이동 3
또한, 하기의 표 2는 로봇이 지면, 벽면, 천장의 위치에서 각각 수직방향과 수평방향에서의 로봇의 부착력을 측정한 결과를 나타낸다.
로봇 위치 수직방향 수평방향
지면 8(㎏) 6(㎏)
벽면 7(㎏) 7(㎏)
천장 5(㎏) 6(㎏)
이러한 표 2의 결과에 의할 때 로봇의 무게가 2.5㎏인 경우, 추가적으로 5㎏의 탑재량을 안정적으로 운반할 수 있는 충분한 흡착력을 얻을 수 있음을 확인할 수 있다. 따라서, 대형 구조물의 검사를 위한 다수의 센서와 카메라 등을 로봇 본체에 탑재한 상태에서도 벽면을 따라 안정적으로 이동하며 검사를 수행할 수 있음을 알 수 있다.
그러나, 로봇이 위치하는 장소인 지면, 벽면, 및 천장에 따라 상이함을 알 수 있는바, 로봇의 위치에 따라 손실되는 힘과 전력의 소비를 줄이기 위해 적절한 제어가 이루어짐이 바람직하게 된다.
이때, 로봇이 벽면을 따라 이동하는 도중 장애물이 있거나 벽면의 모서리에 위치하는 등 이동이 어려울 경우에는 복수의 적외선 센서에서 의해 확인한 후 다른 경로로 이동하며 대형 구조물에 대한 검사를 수행하게 된다.
그에 따라, 로봇은 무선카메라부에 구비된 카메라를 활성화시켜 대형 구조물 벽면의 영상을 근접촬영한 후 무선통신방식에 의해 작업자가 확인할 수 있는 호스트 단말기로 전송하여 대형 구조물의 상태를 실시간 영상에 의해 안전하게 확인할 수 있게 된다. 이때, 카메라 주변이 어두운 경우에는 이를 감지한 조도센서(CDS 센서)에 의해 LED 조명을 점등하여 명확한 영상을 획득할 수 있게 된다.
또한, 상기 로봇에 PIR 센서가 구비된 경우에는 해당 대형 구조물의 벽면에 위치하거나 벽면을 통하여 침입하는 사람의 존재를 감지하고 이를 호스트 단말기로 전송할 수 있게 되며, 가스불꽃 센서가 구비된 경우에는 그 벽면에서의 화재 발생여부를 감지하여 호스트 단말기로 전송할 수 있게 된다.
또한, 상기 실시예에서 로봇은 11.1V의 리튬-폴리머(Lithium-Polymer) 배터리를 두 개 사용하였으며, 배터리 하나는 로봇 본체에 구비된 메인보드와 다수의 센서 및 이동을 위한 기어드 DC 모터의 구동을 위하여 사용되고, 다른 배터리는 임펠러의 회전을 위한 임펠러 구동모터의 전원으로 사용한다. 이때, 메인보드와 센서 및 기어드 DC 모터의 구동을 위해 사용된 배터리는 2시간 30분간 지속적으로 사용할 수 있고, 임펠러 구동모터의 회전을 위해 사용되는 배터리는 35분가 지속적으로 사용할 수 있게 된다.
이와 같이, 수직방향의 표면에서 움직일 수 있는 로봇은 고층 건물 점검, 가스탱크 점검, 핵 시설 유지 보수, 항공기 점검, 소방 및 구조 작업 보조, 감시 및 정찰 등 다양한 산업분야에서 노동력을 감소시키면서도 안정적인 검사 장비로서 활용될 수 있게 된다.
이상에서는 본 발명에 대한 기술사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 이라면 누구나 본 발명의 기술적 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.
10 - 로봇
100 - 로봇 본체 110 - 메인보드
200 - 진공흡착부 210 - 임펠러 구동모터
220 - 임펠러 230 - 리폼
231 - 상부 리폼 232 - 하부 리폼
240 - 챔버 300 - 바퀴구동부
310 - DC 모터 320 - 바퀴
400 - 무선카메라부 410 - 카메라
420 - 서보모터 430 - 무선송신기
500 - 센서부 510 - 가속도 센서
520 - 차압센서 530 - 적외선 센서
540 - 가스불꽃센서 550 - 조도센서
560 - PIR 센서 600 - 호스트 단말기

Claims (9)

  1. 센서와 카메라가 탑재되는 본체 프레임을 이루며 로봇의 이동과 흡착 등의 제어를 수행하는 제어신호를 생성하는 메인보드가 구비된 로봇 본체;
    임펠러를 구동하는 동력을 생성하는 임펠러 구동모터와, 상기 임펠러 구동모터의 동력에 의해 날개차가 회전하면서 유체의 흐름을 만들어 압력을 상승시키는 원심력식 임펠러(Impeller)와, 플라스틱의 격벽형태로 이루어지며 상기 임펠러의 회전에 의해 야기된 원심력에 의해 진공상태로 되면서 내부가 저기압으로 변하고, 외부는 고기압으로 변하여, 그로 인한 기압 차이에 의해 벽면과 수직한 방향으로 흡착력이 발생되는 챔버(Chamber) 및 상기 챔버의 상부와 하부에 각각 위치하여 완충작용을 수행하면서 공기를 수축 또는 이완시키는 리폼(Re-Foam)을 구비하여, 상기 로봇 본체를 벽면에 부착시키는 부착력을 생성하는 진공 흡착부;
    상기 로봇 본체의 하부에 위치하여 지면 또는 벽면을 따라 로봇 본체를 이동시키는 바퀴와, 상기 바퀴를 정회전 또는 역회전시키는 기어드 DC 모터로 이루어진 바퀴구동부;
    상기 로봇 본체에 탑재되며 벽면을 따라 이동하며 영상을 획득한 후 무선통신방식에 의해 격지의 호스트 단말기로 전송하는 무선카메라부;
    상기 로봇 본체에 탑재되어 이동 중 벽면과 장애물을 인식하고 환경정보를 생성하는 등 각종 환경 정보를 감지하는 센서부; 및
    상기 무선카메라부와 센서부에서 전송되는 영상과 환경정보를 무선통신방식에 의해 수신하여 표출하고 로봇의 구동을 위한 제어명령을 생성하여 전송하는 호스트 단말기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 벽면 이동이 가능한 지능형 로봇.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 리폼은,
    상기 챔버의 상부에서 결합되어 챔버 내부의 부피를 감소시키며 챔버 내부와 외부의 압력 차이를 증가시키는 상부 리폼(Award Re-Foam); 및
    상기 챔버의 하부에서 결합되어 챔버 내부의 부피를 감소시키며 챔버 내부와 외부의 압력 차이를 증가시키는 하부 리폼(Bottom Re-Foam)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 벽면 이동이 가능한 지능형 로봇.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 하부 리폼은 외력에 부피가 부분적으로 변형되며 벽면과 로봇의 틈을 감소시키는 유연한 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 벽면 이동이 가능한 지능형 로봇.
  5. 제1항이나 제3항 또는 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 메인보드는 일 측에 위치하는 두 개의 모터는 역회전하고, 타 측에 위치하는 두 개의 모터는 정회전하도록 제어신호를 생성하여, 바퀴가 일정한 원의 중심을 기준으로 제자리에서 회전할 수 있도록 제어하는 것을 특징으로 하는 벽면 이동이 가능한 지능형 로봇.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 메인보드는 블루투스(Bluetooth)나 지그비(Zigbee)와 같은 무선통신망을 통하여 상기 호스트 단말기로부터 전송되는 작업자의 조작신호를 수신하여 그 조작신호에 맞는 제어신호를 생성하고, 상기 무선카메라부나 센서부에서 전송되는 신호를 무선통신망을 통하여 상기 호스트 단말기로 전송할 수 있는 무선통신수단이 구비되는 것을 특징으로 하는 벽면 이동이 가능한 지능형 로봇.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 무선카메라부는,
    벽면 주변의 영상을 촬영하는 카메라;
    상기 카메라를 회전시키거나 상하로 이동시키는 서보모터; 및
    상기 카메라에서 촬영된 영상을 무선으로 전송하는 무선송신기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 벽면 이동이 가능한 지능형 로봇.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 센서부는,
    벽면과 지면을 구분할 수 있는 3축 가속도 센서;
    챔버 내외부의 압력을 측정할 수 있는 차압센서; 및
    로봇의 이동방향에 위치하는 장애물이나 벽면의 모서리 등 로봇의 진행하지 못하는 곳을 감지하기 위한 복수의 적외선 센서를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 벽면 이동이 가능한 지능형 로봇.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 센서부는,
    화재나 가스의 누출을 감지하는 가스불꽃 센서;
    로봇이 위치한 주변의 명암을 감지하여 LED의 온오프를 판단하는 조도센서; 및
    생물체나 사람의 존재를 판단하는 PIR 센서 중 적어도 어느 하나 이상의 센서를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 벽면 이동이 가능한 지능형 로봇.
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