KR101402318B1 - 수중 작업 로봇 - Google Patents

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KR101402318B1
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박창용
최훈
오상진
강정민
최한용
김수원
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Abstract

본 발명은 수중 작업 로봇에 관한 것이다.
본 발명의 수중 작업 로봇은, 중성부력을 갖도록 하기 위한 부력장치가 일측에 설치되어 있는 본체와; 상기 본체에 설치되어 있고, 다수 개의 바퀴가 구비되어 물체의 표면을 따라 이동할 수 있도록 하는 주행장치와; 상기 본체의 하부에 설치되어 있으며, 배관에 의해 진공펌프와 연결되어 있어 진공펌프를 통해 물을 흡입하여 대상물의 표면과의 사이에 흡착력을 갖도록 하는 흡착패드와; 상기 흡착패드의 저부 둘레에 설치되어 있는 다수 개의 볼트랜스퍼;를 포함하여 구성된다.
본 발명에 의해, 진공펌프와 흡착패드를 이용하여 수영장 등의 벽면에 흡착되어 원할한 움직임으로 벽면상에서 청소 등의 작업을 할 수 있는 수중 작업 로봇이 제공된다. 보다 구체적으로, 진공펌프의 흡입 압력에 의한 유체의 진공력을 갖도록 하여 벽면에서 로봇이 이탈하지 않고 작업을 유지할 수 있게 되고, 부력장치를 본체에 설치함으로써 로봇이 물속에서 중성부력 상태를 갖도록 하여 로봇의 무게에 영향 없이 벽에 부착되어 작동할 수 있게 되며, 흡착패드 저부 둘레에 하향되게 돌출된 간극조절부를 설치하여 흡착패드와 대상물의 표면 사이의 간격을 최소화하여 압력차를 흡착패드 내외부의 압력차를 크게 하여 흡입력이 커질 수 있게 되고, 부력장치는 조절밸브에 의해 부력의 조절이 가능하도록 하여 수심이나 로봇 중량 변화에 따른 중성부력 상태를 원할히 유지할 수 있게 된다.

Description

수중 작업 로봇{UNDERWATER WORKING ROBOT}
본 발명은 수중 구조물의 바닥면은 물론, 수영장의 벽면, 선박의 벽면이나 저부, 수중 구조물의 벽면이나 저부 등과 같이 작업이 어려운 부분에서 청소 등의 작업을 할 수 있도록 한, 수중 작업 로봇에 관한 것이다.
현재 시중에 유통되고 있는 수영장 청소 로봇은 부유형 청소 로봇과 수중 바닥형 청소 로봇이 있으며, 시중에 있는 청소 로봇 중에는 벽면을 청소하는 로봇이 전무한 실정이다.
수중에서 작업하는 수중 작업 로봇에 관한 종래 기술로, "청소로봇, 수중 청소장치 및 수중 청소방법"(한국 등록특허공보 제10-1133091호, 특허문헌 1)에는 저수조의 바닥을 청소하는 수중 로봇이 공개되어 있다.
상기 특허문헌 1은 바퀴가 구비되어 저수조의 바닥면을 청소할 수 있도록 구성되어 있다.
그러나, 상기 기술은 저수조의 벽면 등에는 표면 청소가 불가능한 문제점이 있었다.
이러한 문제점을 해소하기 위한 기술로, "수중청소로봇"(한국 등록특허공보 제10-1194580호, 특허문헌 2)에는 자석을 구비하여 자성에 의해 인력이 작용할 수 있는 대상물 표면에 고정될 수 있도록 하는 기술이 공개되어 있다.
그러나, 상기와 같은 자성에 의한 인력 작용이 불가능한 재질, 예를 들면 수영장 벽면 등의 청소나 부유 시설물의 저부, 비철 재질의 선박 저부 등은 이를 적용하기 어려운 문제점이 있었다.
이에 따라 수중 물체의 벽면이나 저부를 따라 움직이며 청소 등의 작업을 하는 로봇의 수요가 요구되는 실정이다.
KR 10-1133091 (2012.03.28) KR 10-1194580 (2012.10.19)
본 발명의 수중 작업 로봇은 상기와 같은 종래 기술에서 발생하는 문제점을 해소하기 위한 것으로, 진공펌프와 흡착패드를 이용하여 수영장 등의 벽면에 흡착되어 원할한 움직임으로 벽면상에서 청소 등의 작업을 할 수 있는 수중 작업 로봇을 제공하려는 것이다.
보다 구체적으로, 진공펌프의 흡입 압력에 의한 유체의 진공력을 갖도록 하여 벽면에서 로봇이 이탈하지 않고 작업을 유지할 수 있도록 하려는 것이다.
더불어, 부력장치를 본체에 설치함으로써 로봇이 물속에서 중성부력 상태를 갖도록 하여 로봇의 무게에 영향 없이 벽에 부착되어 작동할 수 있게 하려는 것이다.
또한, 흡착패드 저부 둘레에 하향되게 돌출된 간극조절부를 설치하여 흡착패드와 대상물의 표면 사이의 간격을 최소화하여 압력차를 흡착패드 내외부의 압력차를 크게 하여 흡입력이 커질 수 있게 하려는 것이다.
또한, 부력장치는 조절장치에 의해 부력의 조절이 가능하도록 하여 수심이나 로봇의 중량 변화에 따른 중성부력 상태를 원할히 유지할 수 있게 하려는 것이다.
본 발명의 수중 작업 로봇은 상기와 같은 과제를 해결하기 위하여, 중성부력을 갖도록 하기 위한 부력장치가 일측에 설치되어 있는 본체와; 상기 본체에 설치되어 있고, 다수 개의 바퀴가 구비되어 물체의 표면을 따라 이동할 수 있도록 하는 주행장치와; 상기 본체의 하부에 설치되어 있으며, 배관에 의해 진공펌프와 연결되어 있어 진공펌프를 통해 물을 흡입하여 대상물의 표면과의 사이에 흡착력을 갖도록 하는 흡착패드와; 상기 흡착패드의 저부 둘레에 설치되어 있는 다수 개의 볼트랜스퍼;를 포함하여 구성된다.
이때, 상기 흡착패드의 저부 둘레에는 하향되게 돌출된 간극조절부가 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 부력장치는 본체 내부에 형성되어 있고, 내부에 물 또는 공기가 충진되는 탱크와; 상기 탱크 내부로 물 또는 공기를 충진 및 배출시키는 조절장치;로 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 조절장치는, 상기 탱크 일측에 설치되어 탱크 내부의 물을 외부로 배출하는 제1밸브와, 상기 탱크 타측에 설치되어 탱크 외부의 물을 탱크 내부로 유입시키는 제2밸브로 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 주행장치는, 바퀴의 회전수를 제어하는 회전구동모터;를 포함하여 구성되어 있으며, 상기 조절장치, 회전구동모터 및 진공펌프와 전기적으로 연결되어 각 장치의 작동을 제어하는 컨트롤장치가 더 구비되어 있는 것을 특징으로 하는,
본 발명에 의해, 진공펌프와 흡착패드를 이용하여 수영장 등의 벽면에 흡착되어 원할한 움직임으로 벽면상에서 청소 등의 작업을 할 수 있는 수중 작업 로봇이 제공된다.
보다 구체적으로, 진공펌프의 흡입 압력에 의한 유체의 진공력을 갖도록 하여 벽면에서 로봇이 이탈하지 않고 작업을 유지할 수 있게 된다.
더불어, 부력장치를 본체에 설치함으로써 로봇이 물속에서 중성부력 상태를 갖도록 하여 로봇의 무게에 영향 없이 벽에 부착되어 작동할 수 있게 된다.
또한, 흡착패드 저부 둘레에 하향되게 돌출된 간극조절부를 설치하여 흡착패드와 대상물의 표면 사이의 간격을 최소화하여 압력차를 흡착패드 내외부의 압력차를 크게 하여 흡입력이 커질 수 있게 된다.
또한, 부력장치는 조절장치에 의해 부력의 조절이 가능하도록 하여 수심이나 로봇 중량 변화에 따른 중성부력 상태를 원할히 유지할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 수중 작업 로봇의 일 실시예를 나타낸 단면 개략도.
도 2는 본 발명의 수중 작업 로봇의 벽면 청소 상태를 나타낸 단면 개략도.
도 3은 본 발명의 수중 작업 로봇의 주요 부분을 나타낸 분해 사시도.
도 4는 본 발명에서 컨트롤장치의 연결 상태를 나타낸 구성도.
이하, 첨부된 도면을 통해 본 발명의 수중 작업 로봇에 대해 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 수중 작업 로봇은 본체(10), 주행장치(20), 흡착패드(30), 볼트랜스퍼(40) 및 컨트롤장치(50)를 포함하여 구성되어 있다.
본체(10)는 도시된 바와 같이 로봇이 수중에서 중성부력을 가질 수 있도록 부력장치(11)가 일측에 설치되어 있다.
부력장치(11)의 예로는 본체(10) 일측에 스티로폼과 같은 부구(31a)를 설치하는 구성 등이 일반적으로 실시할 수 있는 구성이나, 이 경우 수심에 따라 중성부력을 정확히 유지하는 데 어려움이 있는 바, 도시된 바와 같이 본체(10) 내부에 형성되어 있고, 내부에 물 또는 공기가 충진되는 탱크(11a)와; 상기 탱크(11a) 내부로 물 또는 공기를 충진 및 배출시키는 조절장치(11b);로 구성될 수 있다.
이때의 조절장치(11b)는 도면에는 조절장치(11b)가 하나의 밸브로 표시되어 있으나, 기본적으로 상기 탱크(11a) 일측에 설치되어 탱크(11a) 내부의 물을 외부로 배출하는 제1밸브와, 상기 탱크(11a) 타측에 설치되어 탱크(11a) 외부의 물을 탱크 내부로 유입시키는 제2밸브로 구성됨이 바람직하다.
이때의 밸브는 전자식 밸브로 구성됨이 바람직하며, 조절밸브의 개폐여부 및 개폐량에 따라 탱크(11a) 내부로 유입되는 물의 양을 조절하여 중성부력을 유지할 수 있도록 구성될 수 있다.
아울러, 조절장치(11b)는 공기를 강제로 공급하는 컴프레셔가 외측으로 연결되도록 구성될 수도 있고, 또는 물을 강제로 배출하기 위함 펌프 등이 연결될 수 있다.
또, 내부에 액체질소탱크를 내장한 후 이를 기화시키는, 잠수함 등에서 사용되는 다양한 공지의 부력 조절 장치가 적용될 수도 있다 할 것이다.
이러한 본체(10)에는 작업의 성격에 따라 공지된 각종 청소장비나 견인장비 등이 추가로 설치될 수 있다 할 것이다.
주행장치(20)는 도시된 바와 같이 상기 본체(10)에 설치되어 있고, 다수 개의 바퀴(21)가 구비되어 물체의 표면을 따라 이동할 수 있도록 구성되어 있다.
이러한 주행장치(20)는 바퀴(21)의 회전수를 제어하는 회전구동모터(22)가 상기 바퀴(21)와 연결되어 있음이 바람직하다.
아울러, 주행장치(20)는 본체(10)로 하여금 방향 전환이 이루어질 수 있도록 회전을 위한 모터나 실린더 장치 등이 추가로 구성될 수 있으며, 이는 공지의 기술에 적용된 방식이 적용될 수 있다.
아울러, 바퀴(21)는 우레탄 재질로 이루어져 벽면과의 마찰 및 밀착이 잘 이루어지게 하는 것이 바람직하다.
흡착패드(30)는 본 발명에서 중요한 구성 요소로 도시된 바와 같이 본체(10)의 하부에 설치되어 있으며, 배관에 의해 외부의 진공펌프(31)와 연결되어 있다.
이에 따라 직공펌프의 작동시 흡착패드(30)에는 빨아들이는 흡착력이 작용하게 되어 수영장의 벽면 등과의 사이에 흡착력을 갖게 해준다.
볼트랜스퍼(40)는 도시된 바와 같이 상기 흡착패드(30)의 저부 둘레에 설치되어 있으며, 도시된 바와 같이 볼트랜스퍼(40)는 흡착패드(30)의 저부로 돌출되어 있어 주행장치(20)의 작동에 의한 방향전환 및 이동이 자유롭게 이루어질 수 있게 해준다.
아울러, 볼트랜스퍼(40)는 흡착패드(30) 저부와 흡착 대상이 되는 물체 표면과의 사이의 간격을 유지시켜 로봇이 수직 벽면에서 원할히 움직일 수 있게 해준다.
상기와 같은 구성에 있어서 상기 흡착패드(30)의 저부 둘레에는 하향되게 돌출된 간극조절부(32)가 형성되어 흡착패드(30)와 물체의 표면 사이의 거리를 최소화시키는 것이 바람직하다.
즉, 본체(10)의 원할한 이동을 위해 흡착패드(30)가 저부에 밀착되면 안되나, 반대로 너무 이격되어 있는 경우 본체(10)가 벽면 등에서 이탈하지 않을 정도의 충분한 흡입력을 갖게 하지 못하므로 간극조절부(32)가 이 간격을 최소화시키는 것이다.
한편, 컨트롤장치(50)는 도 4에 도시된 바와 같이 상기 조절장치(11b), 회전구동모터(22) 및 진공펌프(31)와 전기적으로 연결되어 각 장치의 작동을 제어하게 된다.
아울러, 흡착패드(30)는 하나로 이루어지는 것 보다는 최소 두 개 이상의 다수 개로 이루어짐이 바람직하며, 이는 본체(10) 바닥의 2점 이상에서 흡착력이 발생하도록 하여 균형을 유지할 수 있게 하려는 것이다.
또한, 진공펌프(31)와 흡입패드를 연결하는 배관의 일단에는 도시된 바와 같이 배관을 띄우는 부구(31a)를 설치하여 작업 과정에서 배관에 의해 방해를 받지 않도록 함이 바람직하다.
상기와 같은 구성에 따른 본 발명의 수중 작업 로봇이 원할히 작동하기 위한 진공펌프(31)의 압력 계산 예는 아래와 같다.
Fdrive = μ·Fsuction
Fsuction = (Po-Pi)A + Fetc
여기서, Fdrive 는 로봇의 추진력이며, Fsuction 는 흡착력(평면 방향)이고, Po-Pi 는 진공컵 내/외부 간의 압력차이고, A는 단면적이며, Fetc는 기타 진공컵의 유효 단면적 방향으로의 힘, 예를 들어 중력이나 부력 등이 해당되며, μ는 마찰계수이다.
즉, 상기와 같은 공식에 의해 진공펌프(31)의 흡입압력이 계산되고, 여기에 마찰계수를 감안하게 되면 본 발명의 로봇의 추진력을 계산하여 구동시킬 수 있게 된다.
상기 공식은 최소한의 변수를 적용한 사례로 상기 공식에 의해서만 작동되는 것은 아니며, 여기에 여러 환경 변수 및 다수의 실험을 통해 펌프의 출력, 흡착패드(30)의 단면적, 볼트랜스퍼(40)나 간극조절부(32)의 조절을 통해 로봇이 벽면에서 작업을 유지할 수 있도록 조절할 수 있다 할 것이다.
10 : 본체 11 : 부력조절장치
11a : 탱크 11b : 조절장치
20 : 주행장치 21 : 바퀴
22 : 회전구동모터 30 : 흡착패드
31 : 진공펌프 31a : 부구
32 : 간극조절부 40 : 볼트랜스퍼
50 : 컨트롤장치

Claims (5)

  1. 수중 작업 로봇에 있어서,
    중성부력을 갖도록 하기 위한 부력장치(11)가 일측에 설치되어 있는 본체(10)와;
    상기 본체(10)에 설치되어 있고, 다수 개의 바퀴(21)가 구비되어 물체의 표면을 따라 이동할 수 있도록 하는 주행장치(20)와;
    상기 본체(10)의 하부에 설치되어 있으며, 배관에 의해 진공펌프(31)와 연결되어 있어 진공펌프(31)를 통해 물을 흡입하여 대상물의 표면과의 사이에 흡착력을 갖도록 하는 흡착패드(30)와;
    상기 흡착패드(30)의 저부 둘레에 설치되어 있는 다수 개의 볼트랜스퍼(40);를 포함하여 구성되며,
    상기 흡착패드(30)의 저부 둘레에는 하향되게 돌출된 간극조절부(32)가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는,
    수중 작업 로봇.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 부력장치(11)는,
    본체(10) 내부에 형성되어 있고, 내부에 물 또는 공기가 충진되는 탱크(11a)와;
    상기 탱크(11a) 내부로 물 또는 공기를 충진 및 배출시키는 조절장치(11b);로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는,
    수중 작업 로봇.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 조절장치(11b)는,
    상기 탱크(11a) 일측에 설치되어 탱크(11a) 내부의 물을 외부로 배출하는 제1밸브와,
    상기 탱크(11a) 타측에 설치되어 탱크(11a) 외부의 물을 탱크 내부로 유입시키는 제2밸브로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는,
    수중 작업 로봇.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 주행장치는, 바퀴의 회전수를 제어하는 회전구동모터(22);를 포함하여 구성되어 있으며,
    상기 조절장치(11b), 회전구동모터(22) 및 진공펌프(31)와 전기적으로 연결되어 각 장치의 작동을 제어하는 컨트롤장치(50)가 더 구비되어 있는 것을 특징으로 하는,
    수중 작업 로봇.
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