KR101714704B1 - 이물질수거장치 및 이를 포함하는 수중청소로봇 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수중청소로봇의 이물질수거장치를 제공한다. 본 발명의 이물질수거장치는 피여과수로부터 이물질을 순차적으로 걸러내는 여과부재; 피여과수로부터 중금속을 제거하는 중금속 흡착부재; 및 이물질에 의한 여과부재의 막힘을 방지하는 제1막힘 방지부재를 포함한다.

Description

이물질수거장치 및 이를 포함하는 수중청소로봇{APPARATUS FOR COLLECTING OF FOREIGN SUBSTANCE, AND UNDERWATER CLEANING ROBOT INCLUDING THE SAME}

본 발명은 이물질수거장치 및 이를 포함하는 수중청소로봇에 관한 것이다.

선박은 하측이 물에 잠긴 상태에서 운용되므로 수중에 위치하는 저면이나 측면에 물이끼, 따개비 등과 같은 수중생물이 부착될 수 있다. 이처럼 선체에 부착되는 이물질은 선박이 운항할 때 저항으로 작용하여 속도를 저하시키고 연료소모량의 증가시킨다. 따라서 선체에 부착되는 이물질은 주기적인 청소를 통하여 제거할 필요가 있다.

선체에 부착된 이물질을 제거하기 위해 종래에는 선박을 육상의 도크(Dock)로 옮긴 후 작업자가 선체 외면에 고압의 세척수를 분사하는 방식으로 청소를 하기도 하였다. 하지만 이러한 방식은 선체를 도크로 옮기는 절차 등으로 인해 작업시간이 오래 걸릴 뿐 아니라 세척 과정에서 많은 작업인원을 동원해야 했다.

다른 방법으로는 다이버가 직접 물 속으로 들어가 청소장비를 운용하며 선체 청소를 하기도 하였다. 하지만 이 방식도 다이버가 수중에서 이동하며 작업을 해야 하기 때문에 작업시간이 많이 걸릴 뿐 아니라 작업환경도 열악하였다. 청소과정에서 일어나는 이물질들로 인해 작업영역의 시계확보가 어렵고, 열악한 해저환경으로 인해 안전사고에 대한 부담도 있었다.

이러한 점들을 고려해, 최근에는 수중에서 선체를 따라 주행하는 가운데 선체 외면의 청소를 수행할 수 있는 수중청소로봇이 제안된 바 있다. 이러한 수중청소로봇은 한국공개특허 제10-2011-0062248호(2011.06.10. 공개)의 예를 참고할 수 있다.

종래의 수중청소로봇은 청소브러시를 이용하여 선체 외면의 청소를 수행하면서 물과 함께 이물질을 흡입하고, 이물질을 걸러낸 후, 물을 외부로 배출시킨다. 그러나, 이러한 청소 과정에서 구리성분(화합물 및 이온)이 다량 배출될 수 있고, 이는 해수의 구리성분 허용치보다 높을 수 있어 해양 오염을 발생시킬 수 있다. 이에 일부 국가에서는 선저 청소를 금지하고 있는 나라도 있다.

한국공개특허 제10-2011-0062248호(2011.06.10. 공개)

본 발명의 일 과제는, 선체 외면의 청소 작업 중 흡입된 물로부터 이물질 및 구리 화합물(Cu2O and CuO)을 제거하여 해양 오염을 방지할 수 있는 이물질수거장치 및 이를 포함하는 수중청소로봇을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 과제는, 필터의 막힘 현상을 방지할 수 있는 이물질수거장치 및 이를 포함하는 수중청소로봇을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 과제는, 곡면을 가진 작업대상면을 따라 안정적으로 주행할 수 있는 이물질수거장치 및 이를 포함하는 수중청소로봇을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 과제는, 주행 중 작업대상면의 곡면에 대응하여 청소유닛의 높이가 조절될 수 있는 이물질수거장치 및 이를 포함하는 수중청소로봇을 제공하고자 한다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 여기에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 수중청소로봇의 동작에 의해 작업대상면으로부터 이탈하는 이물질이 포함된 피여과수를 흡입하는 이물질수거장치에 있어서, 상기 피여과수로부터 상기 이물질을 순차적으로 걸러내는 여과부재; 상기 피여과수로부터 중금속을 제거하는 중금속 흡착부재; 및 상기 이물질에 의한 상기 여과부재의 막힘을 방지하는 제1막힘 방지부재를 포함하는 이물질수거장치를 제공하고자 한다.

또한, 상기 여과부재는 상기 피여과수가 유입되는 1차 여과 공간을 제공하는 제1필터; 상기 제1필터를 감싸도록 설치되고, 상기 제1필터와의 사이에 제2여과공간을 제공하는 제2필터; 및 상기 제2필터를 감싸도록 설치되고, 상기 제2필터와의 사이에 제3여과공간을 제공하는 제3필터를 포함할 수 있다.

또한, 상기 제1막힘 방지부재는 상기 1차 여과 공간에 제공되고, 상기 제1필터의 표면에 충돌하여 상기 이물질을 상기 제1필터의 표면으로부터 분리하고 분쇄하는 적어도 하나의 구슬체를 포함할 수 있다.

또한, 상기 구슬체는 구형상의 구체; 및 상기 구체의 외주면 전체에 돌출되어 형성된 다수의 돌기를 포함할 수 있다.

또한, 상기 돌기는 원뿔형상으로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 제3필터에 흔들림을 유발시켜 상기 제3필터의 표면으로부터 막힘의 원인이 되는 이물질이 떨어지도록 하는 제2막힘 방지 부재를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 제2막힘 방지 부재는 상기 제3필터가 상기 제2필터에 탄력 지지되어 공중에 떠있는 상태로 흔들리도록 상기 제3필터와 상기 제2필터를 연결하는 탄성체를 포함할 수 있다.

또한, 상기 중금속 흡착부재는 상기 제2여과공간에 제공되며 중금속을 흡착하는 흡착볼들을 포함하되; 상기 흡착볼들은 석탄계 활성탄과 폐수용 킬레이트수지가 6:4 비율로 혼합된 혼합물일 수 있다.

또한, 상기 제1필터와 상기 제2필터 그리고 상기 제3필터는 서로 다른 메쉬크기를 가질 수 있다.

또한, 상기 제1필터와 상기 제2필터 그리고 상기 제3필터는 순차적으로 메쉬 크기가 작아질 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 프레임; 상기 프레임의 후방 양측에 각각 설치되고, 자력에 의해 작업대상면에 부착되는 구동휠과, 상기 프레임에 틸팅(tilting) 가능하게 지지된 상태로 상기 구동휠을 구동하는 주행구동부를 갖춘 두 구동유닛; 상기 프레임의 전방에 설치되어 상기 각 구동휠과 함께 상기 프레임의 3점지지를 구현하며 자력에 의해 작업대상면에 부착되는 조향휠과, 조향휠을 동작시키는 조향구동부를 갖춘 조향유닛; 상기 조향유닛과 상기 두 구동유닛 사이의 상기 프레임에 설치되며 작업대상면을 청소하는 청소유닛; 및 상술한 이물질수거장치를 포함하되, 상기 청소유닛은 상기 프레임 하부에 승강 가능하게 설치되는 청소유닛프레임과, 상기 프레임에 설치되며 상기 청소유닛프레임을 승강시키는 승강장치와, 상기 청소유닛프레임에 설치된 적어도 하나의 청소모터와, 상기 청소모터의 축에 결합되며 회전에 의해 작업대상면을 청소하는 적어도 하나의 청소브러시를 포함하는 수중청소로봇이 제공될 수 있다.

또한, 상기 이물질수거장치는 상기 청소유닛프레임에 결합되고, 상기 청소브러시의 상면과 둘레부분을 덮으며, 주행하여 나아가는 전방 둘레에 개구가 형성된 커버부재와, 상기 커버부재 내측의 이물질을 피여과수와 함께 흡입하여 상기 여과부재로 배출시키는 이물질수거펌프를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 의하면, 선체 외면의 청소 작업 중 흡입된 물로부터 이물질 및 구리 화합물을 제거하여 해양 오염을 방지할 수 있는 각별한 효과를 갖는다.

본 발명의 실시예에 의하면, 구슬체와의 충돌로 제1필터 표면에 부착된 이물질을 털어냄으로써 필터 막힘 현상을 방지할 수 있다.

본 발명의 실시예에 의하면, 제3필터가 탄성체들에 의해 제2필터에 탄력 지지되어 공중에 떠있는 상태로 흔들림으로써 필터 막힘 현상을 방지할 수 있다.

본 발명의 실시예에 의하면, 작업대상면을 주행할 때 두 구동휠과 조향휠이 3점지지를 구현하고, 구동휠이 작업대상면의 기울기에 대응하여 틸팅되기 때문에 곡면을 가진 작업대상면을 안정적으로 주행할 수 있다.

또, 곡면을 가진 작업대상면을 주행하는 과정에서 작업대상면의 높이나 기울기에 대응하여 청소유닛의 높이가 조절될 수 있기 때문에 늘 최적의 청소조건을 유지할 수 있다.

본 발명의 효과가 상술한 효과들로 제한되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 수중청소로봇을 이용하여 선박의 외면에 부착된 이물질을 청소하는 예를 나타낸다.
도 2와 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 수중청소로봇의 외형을 나타낸 사시도로, 도 2는 상부, 도 3은 저면부 구성을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 수중청소로봇의 전체적인 구성을 나타낸 분해 사시도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 수중청소로봇의 프레임에 장착된 주요 부품들을 나타낸 사시도이다.
도 6은 도 5의 측면도이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 수중청소로봇의 구동유닛 사시도이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 수중청소로봇의 조향유닛 사시도이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 수중청소로봇의 청소유닛 사시도이다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 수중청소로봇 청소유닛의 승강장치 사시도이다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 수중청소로봇의 이물질수거장치를 나타낸 사시도이다.
도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 수중청소로봇의 제어유닛과 견인부재의 구성을 나타낸 사시도이다.
도 13은 도 11에 도시된 이물질수거장치의 이물질포집유닛의 구성을 보여주는 단면 구성도이다.
도 14는 도 13에 도시된 이물질포집유닛의 사시도이다.
도 15는 도 13에 도시된 구슬체를 보여주는 사시도이다.
도 16은 도 14의 요부 확대도이다.
도 17은 여과부재의 다른 예를 보여주는 도면이다.
도 18은 필터와 케이스 사이를 보여주는 요부 확대도이다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어 도면 부호에 상관없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 수중청소로봇을 이용하여 선박 외면에 부착된 이물질(물이끼, 따개비 등)을 청소하는 예를 나타낸다.

도시한 바와 같이, 본 실시 예의 수중청소로봇(100)은 물에 잠긴 선체(10)의 외면에 부착된 상태로 주행하면서 선체(10) 외면을 청소할 수 있다.

도 1은 수중청소로봇이 선체(10) 외면을 청소하는 경우를 예시하고 있으나, 수중청소로봇(100)의 이용범위가 이에 한정되는 것은 아니다. 해상에 침수상태로 존재하는 각종 해양플랜트나 해상 부유구조물의 외면을 청소하는 경우에도 이용될 수 있다.

수중청소로봇(100)에는 도면에 나타내지는 않았지만, 별도의 조종설비와 전원공급설비로부터 연장되는 케이블(20)이 연결될 수 있다. 조종설비와 전원공급설비는 육상에 비치된 상태에서 운용되거나 청소가 이루어지는 선박의 갑판 또는 다른 선박의 갑판에 비치된 상태로 운용될 수 있다

도 2 내지 도 4를 참조하면, 수중청소로봇(100)은 그 외면을 덮는 상부커버(101)와 하부커버(102)를 포함한다. 상부커버(101)와 하부커버(102)는 각각 상부과 하부에서 수중청소로봇(100)의 외측을 덮도록 결합됨으로써 내장되는 부품들을 보호한다. 상부커버(101)와 하부커버(102)는 도면에 도시한 예처럼 유체의 저항을 최소화하여 수중에서 안정적으로 주행할 수 있도록 그 형태가 유선형으로 마련될 수 있다.

수중청소로봇(100)은 도 3 내지 6에 도시한 바와 같이, 상부커버(101)와 하부커버(102)의 내측에 설치되는 프레임(110), 프레임(110)의 양측의 후방 쪽에 각각 설치된 두 구동유닛(120), 프레임(110)의 전방 쪽 중앙에 설치된 조향유닛(140), 작업대상면을 청소하는 청소유닛(150), 청소과정에서 작업대상면으로부터 이탈하는 이물질을 수거하여 포집하는 이물질수거장치, 동작제어를 위한 제어유닛(190)을 구비한다. 여기서 전방이라는 표현은 청소로봇(100)이 주행하여 나아가는 방향, 후방은 그 반대편을 의미한다.

또 본 실시 예의 수중청소로봇(100)은 상부커버(101)와 하부커버(102)의 내측공간에 설치되어 부력을 발생시키는 다수의 부력체(103a~103e)를 포함할 수 있다. 다수의 부력체(103a~103e)는 청소로봇이 적정 수심에서 중성부력을 유지하도록 할 수 있다.

프레임(110)은 도 5와 도 6에 도시한 바와 같이, 무게의 경감 및 부품들의 설치를 위해 일부가 절개된 평판형태로 마련될 수 있다. 여기서는 일 예로써 평판형 프레임(110)을 예시하지만, 프레임(110)은 이에 한정되지 않고 기기들을 지지하기 용이하고, 유체의 저항을 줄이기 위한 형태로 다양하게 변경될 수 있다. 프레임(110)은 강철이나 알루미늄과 같은 금속소재로 마련되거나, 엔지니어링 플라스틱처럼 강성이 높은 복합수지소재에 의해 마련될 수 있다.

두 구동유닛(120)은 도 3과 도 6에 도시한 바와 같이, 프레임(110) 후방의 하면 양측에 상호 대칭을 이루도록 각각 장착된다. 도 6과 도 7을 참조하면, 각 구동유닛(120)은 지지브래킷(121), 주행구동부(122), 구동휠(123)을 포함할 수 있다.

지지브래킷(121)은 프레임(110)의 하면에 고정되는 고정부(121a)와, 고정부(121a)의 전단과 후단으로부터 하방으로 연장되도록 마련된 전방지지부(121b) 및 후방지지부(121c)를 구비한다. 주행구동부(122)는 구동휠(123)을 구동하는 모터(122a)와, 모터(122a)를 지지한 상태로 지지브래킷(121)의 전방지지부(121b) 및 후방지지부(121c)에 틸팅(tilting) 가능하게 연결되는 연결브래킷(122b)을 구비한다. 연결브래킷(122b)과 지지브래킷(121)을 연결하는 연결축(125)은 그 축선이 청소로봇(100)이 주행하는 방향으로 배치됨으로써 주행구동부(122)가 연결축(125)을 중심으로 회전할 수 있다.

구동휠(123)은 지지브래킷(121) 내측에 위치한 상태로 주행구동부(122)의 모터(122a)에 연결되고, 모터(122a)의 동작에 의해 회전한다. 또 구동휠(123)은 자석을 내장함으로써 자력에 의해 작업대상면에 부착될 수 있다. 구동휠(123)에 내장되는 자석은 영구자석이거나 전자석일 수 있다.

이러한 구동유닛(120)은 구동휠(123)을 구동하는 주행구동부(122)가 연결축(125)에 의하여 지지브래킷(121)에 회전 가능하게 연결되기 때문에 주행구동부(122)에 연결된 구동휠(123)이 작업대상면의 기울기나 곡면변화에 대응하여 틸팅될 수 있다. 즉 구동휠(123)과 주행구동부(122)가 연결축(125)을 중심으로 회전함으로써 구동휠(123)이 곡면을 가진 작업대상면을 주행하는 경우에도 작업대상면에 안정적으로 부착된 상태에서 주행할 수 있다.

두 구동유닛(120)은 프레임(110)의 양측에 대칭을 이루도록 배치되므로 양측 구동휠(123)의 회전방향이나 회전속도를 달리하는 방식으로 청소로봇(100)의 회전이나 선회주행을 구현할 수 있다.

지지브래킷(121)의 전방지지부(121b) 및 후방지지부(121c)와 주행구동부(122)의 연결브래킷(122b)에는 주행구동부(122)의 틸팅을 설정범위로 제한하는 틸팅범위 제한장치가 마련될 수 있다. 틸팅범위 제한장치는 전방지지부(121b) 및 후방지지부(121c)에 형성된 원호형의 틸팅제한공(126a)과, 연결브래킷(122b)에 결합된 상태에서 틸팅제한공(126a)으로 진입하는 걸림핀(126b)을 포함할 수 있다. 이는 걸림핀(126b)이 틸팅제한공(126a)의 범위 내에서 이동하도록 함으로써 주행구동부(122)의 과도한 틸팅을 방지하기 위함이다.

도 3, 도 6, 도 8을 참조하면, 조향유닛(140)은 두 구동유닛(120)의 각 구동휠(123)과 이격된 상태로 프레임(110)의 전방 중앙부분에 설치된다. 조향유닛(140)은 도 8에 도시한 바와 같이, 동일축선 상에 인접하여 배치되는 두 개의 조향휠(141), 두 조향휠(141)을 지지하며 프레임(110)에 회전 가능하게 지지되는 조향축(142), 조향축(142)을 회전시켜 조향을 구현하는 조향구동부(143)를 포함한다. 조향구동부(143)는 조향모터(143a)와 조향모터(143a)의 회전을 조향축(142)으로 전달하는 동력전달부(143b)를 포함할 수 있다.

조향유닛(140)은 조향모터(143b)의 동작에 의해 조향축(142)이 정방향 또는 역방향으로 회전함으로써 이동방향을 제어할 수 있다. 또 작업대상면과 접하는 두개의 조향휠(141)은 조향축(142)의 양측에 장착됨으로써 조향을 위해 회전하는 순간 상호 회전속도가 달라지거나 역으로 회전하는 방식으로 동작한다. 따라서 작업대상면과 조향휠의 마찰 및 슬립을 최소화한 상태에서 원활한 조향을 구현할 수 있다.

조향휠(141)도 구동휠(123)과 마찬가지로 내장된 자석의 자력에 의해 작업대상면에 부착된 상태에서 구름운동을 할 수 있다. 따라서 작업 중 청소로봇(100)이 작업대상면으로부터 이탈하는 것을 방지할 수 있다.

조향유닛(140)은 도 3에 도시한 바와 같이, 프레임(110)의 후방 양측에 각각 배치되는 두 구동유닛(120)과 함께 프레임(110)의 3점지지를 구현한다. 즉 조향휠(141)은 각 구동휠(123)과 등거리를 유지하는 삼각구도로 배치됨으로써 프레임(110)의 3점지지를 구현한다. 이러한 구성은 선체(10)의 외면처럼 작업대상면이 곡면으로 이루어진 경우에도 각 구동휠(123)과 조향휠(141)이 항상 작업대상면에 부착된 상태를 유지하도록 할 수 있다. 따라서 본 실시 예의 청소로봇(100)은 작업대상면에 곡면이나 요철면이 존재하는 경우에도 작업대상면에 안정적으로 부착된 상태에서 주행할 수 있다.

청소유닛(150)은 도 3, 도 5, 도 6에 도시한 바와 같이, 조향유닛(140)과 두 구동유닛(120) 사이에 설치된다. 즉 청소유닛(150)은 조향유닛(140)과 두 구동유닛(120) 사이의 대략 중간부분에 배치됨으로써 청소로봇(100)이 전체적으로 균형을 유지하며 주행하는 가운데 청소작업을 수행할 수 있다.

도 6과 도 9를 참조하면, 청소유닛(150)은 프레임(110) 하부에 승강 가능하게 설치되는 청소유닛프레임(151), 청소유닛프레임(151)의 승강을 안내하는 승강안내유닛(152), 프레임(110) 위에 설치되며 청소유닛프레임(151)을 승강시키는 승강장치(160), 청소유닛프레임(151)의 양측에 대칭을 이루도록 각각 설치된 두 개의 청소모터(153), 각 청소모터(153)의 축에 결합되며 회전에 의해 작업대상면을 청소하는 두 개의 청소브러시(154)를 포함할 수 있다. 여기서는 양측에 대칭을 이루도록 배치된 두 개의 청소모터(153)와 두 개의 청소브러시(154)를 갖춘 청소유닛(150)을 예시하지만, 청소모터(153)와 이에 결합되는 청소브러시(154)는 하나 이상일 수 있다.

청소유닛프레임(151)의 승강을 안내하는 승강안내유닛(152)은 프레임(110)에 고정되는 실린더부재(152a)와, 실린더부재(152a)에 승강이 안내되도록 결합되며 그 하단이 청소유닛프레임(151)에 연결된 승강로드(152b)를 포함한다. 이러한 승강안내유닛(152)은 청소유닛프레임(151)의 안정된 승강을 안내하기 위해 승강장치(160)의 양측에 두 개씩 대칭을 이루도록 설치될 수 있다. 물론 승강안내유닛(152)도 청소유닛프레임(151)에 설치되는 청소모터(153)의 수 등을 고려해 하나 이상으로 구성될 수 있다.

청소브러시(154)는 각 청소모터(153)의 축에 결합되는 회전판(154a)과, 회전판(154a)의 하면으로부터 작업대상면 쪽으로 연장된 브러시부(154b)를 구비한다.

승강장치(160)는 도 9와 도 10에 도시한 바와 같이, 프레임(110) 상부에 설치된 기어박스(161)와, 그 하단이 청소유닛프레임(151)에 연결되고 기어박스(161) 하측에 마련된 지지부재(162)에 승강 가능하게 지지되며 기어박스(161) 내에 위치하는 부분에 랙기어부(163a)가 형성된 복수의 승강부재(163)와, 복수 승강부재(163)의 랙기어부(163a)에 각각 치합되며 기어축(164)에 의해 상호 연결된 복수의 피니언기어(165)와, 기어축(164)에 결합된 피동베벨기어(166)와, 피동베벨기어(166)와 치합된 구동베벨기어(167)와, 기어박스(161)에 장착되어 구동베벨기어(167)를 구동시키는 승강구동부(168)를 포함한다. 승강구동부(168)는 승강모터(168a)와, 승강모터(168a)의 회전력을 구동베벨기어(167)로 전달하는 동력전달부(168b)를 포함할 수 있다.

기어축(164)은 복수의 승강부재(163)와 교차하는 방향으로 배치되고, 양단이 기어박스(161)의 양측에 회전 가능하게 지지된다. 본 실시 예에서 승강장치(160)는 안정된 승강을 구현하도록 복수의 승강부재(163)와 복수의 피니언기어(165)를 채용하고 있으나, 승강부재(163)와 피니언기어(165)는 하나 이상으로 구성될 수 있다.

승강장치(160)는 승강모터(168a)의 동작에 의해 구동베벨기어(167)가 회전하고, 구동베벨기어(167)의 회전에 의해 피동베벨기어(166)가 회전하며, 피동베벨기어(166)의 회전에 의해 피니언기어(165)가 회전한다. 따라서 승강모터(168a)의 동작에 의해 피니언기어(165)가 정회전 또는 역회전을 하면, 승강부재(163)가 상승하거나 하강하고 이에 연결된 청소유닛프레임(151)이 승강한다. 그리고 청소유닛프레임(151)이 승강하면, 청소모터(153)에 연결된 청소브러시(154)가 승강한다.

청소유닛(150)은 청소로봇(100)이 주행하는 가운데, 청소모터(153)가 동작하여 청소브러시(154)가 회전함으로써 작업대상면의 이물질을 청소할 수 있다. 또 청소과정에서 작업대상면의 곡면이나 기울기 변화에 대응하여 승강장치(160)가 청소유닛프레임(151)을 승강시키므로, 두 청소브러시(153)의 높이가 청소환경에 부합하여 적절히 조절될 수 있다.

도 3을 참조하면, 두 청소브러시(154)는 조향휠(141)과 두 구동휠(123) 사이에 배치됨으로써 청소로봇(100)이 주행할 때 두 구동휠(123)이 부착되는 작업대상면을 미리 청소할 수 있다. 즉 두 청소브러시(154)에 의해 이루어지는 청소면적의 최대 폭(W, 한쪽 청소브러시의 외측 단으로부터 다른 쪽 청소브러시의 외측단까지의 거리)이 두 구동휠(123)의 최대 이격거리(L)보다 넓게 구성됨으로써 구동휠(123)이 지나는 작업대상면이 청소브러시(154)에 의해 미리 청소될 수 있다. 따라서 구동휠(123)은 늘 청소가 완료된 작업대상면에 부착된 상태에서 주행하게 되므로 작업대상면에 안정적으로 부착될 수 있어 주행 중 슬립을 최소화할 수 있다. 즉 안정된 주행이 가능하다.

이물질수거장치는 도 11과 도 12에 도시한 바와 같이, 두 청소브러시(154)의 상면과 둘레를 덮으며 두 청소브러시(154)와 함께 승강하도록 청소유닛프레임(151)에 설치되는 커버부재(171)와, 프레임(110)에 장착되어 커버부재(141) 내측의 이물질이 포함된 물(이하 피여과수라고 함)과 함께 흡입하여 배출시키는 이물질수거펌프(172)와, 이물질수거펌프(172)의 출구와 연결되며 이물질을 걸러서 수거하는 하나 이상의 이물질포집유닛(300)을 포함한다.

커버부재(171)는 두 청소브러시(154) 상측을 덮으며 청소유닛프레임(151)에 고정되는 상측커버부(171a)와, 상단이 상측커버부(171a)에 연결되고 하단이 작업대상면에 접하도록 두 청소브러시(154)의 둘레부분을 덮되 청소로봇(100)이 주행하여 나아가는 방향인 전방에 개구(171c)를 형성하는 스커트부(171b)를 구비한다. 스커트부(171b)는 작업대상면의 손상방지를 위해 고무나 연질의 수지소재로 마련될 수 있다.

이물질수거펌프(172)는 도 11에 도시한 바와 같이, 피여과수를 펌핑하는 펌프부(172a)와, 펌프부(172a) 내의 임펠러를 구동하는 모터부(172b)를 구비한다. 펌프부(172a)의 흡입 측은 흡입관(172d)을 통하여 커버부재(171)의 내부와 연통하도록 연결되고, 펌프부(172a)의 토출 측은 토출관(172e)을 통하여 이물질포집유닛(300)과 연결된다. 흡입관(172d)은 커버부재(171)의 승강에 대응할 수 있도록 신축이 가능한 관 또는 텔레스코픽(telescopic) 방식으로 길이 조절이 가능한 관으로 구성될 수 있다.

도 11과 도 13을 참조하면, 이물질포집유닛(300)은 프레임(110)의 상부의 상부커버(101) 내측에 탑재될 수 있다.

이물질포집유닛(300)은 프레임(110) 상부에 장착되는 케이스(302)와, 케이스(302) 내에 수용되며 이물질수거펌프(172)로부터 토출되는 피여과수에 포함된 이물질을 순차적으로 걸러서 수거하는 여과부재(310)와, 피여과수로부터 중금속을 제거하는 중금속 흡착부재(320), 이물질에 의한 여과부재(310)의 막힘을 방지하는 제1,2막힘 방지 부재를 포함한다.

케이스(302)는 내부에 여과부재(310)가 설치되며, 이물질과 중금속이 제거된 피여과수는 배출관(304)을 통해 배출된다. 본 실시예에서는 케이스(302) 내에 여과부재(310)가 설치된 것으로 도시하고 설명하였으나, 필요에 따라서는 케이스(302)를 생략할 수 있다.

여과부재(310)는 이물질과 함께 토출되는 피여과수가 그 내부를 통과하여 배출되는 과정에서 이물질이 걸러져 그 내부에 수거되고 외측으로 물만 배출되도록 한다. 이러한 여과부재(310)는 이물질이 축적될 경우 케이스(302)를 열어 교체할 수 있다.

좀 더 구체적으로 살펴보면, 여과부재(310)는 복수의 필터들을 포함한다. 필터들은 이물질의 크기가 큰 순서대로 순차 여과하기 위해 서로 다른 메쉬(mesh) 크기를 갖는다. 일 예로, 여과부재(310)는 제1필터(312)와 제2필터(314) 그리고 제3필터(316)를 포함한다. 제1필터(312)는 박스 형상으로 피여과수가 유입되는 1차 여과 공간을 제공한다. 피여과수는 토출관(172e)과 연결된 토출 포트(306)를 통해 제1필터(312)의 1차 여과 공간으로 제공된다. 제2필터(314)는 제1필터(312)를 감싸도록 설치된다. 제1필터(312)와 제2필터(314) 사이에는 제2여과공간이 제공된다.

제3필터(316)는 제2필터(314)를 감싸도록 설치된다. 제2필터(314)와 제3필터(316) 사이에는 제3여과공간이 제공된다.

제1필터(312)와 제2필터(314) 그리고 제3필터(316)는 순차적으로 메쉬 크기가 작아진다. 예를 들어, 제1필터(312)는 1mm 메쉬 크기를 갖고, 제2필터(314)는 200um 메쉬 크기를 가지며, 제3필터(316)는 50um 메쉬 크기를 갖는다. 이와 같이, 여과부재(310)는 메쉬 크기가 각기 다른 필터들을 이용하여 압력손실을 최소화할 수 있다.

중금속 흡착부재(320)는 제2여과공간에 제공된다. 중급속 흡착부재(320)는 중금속을 흡착하는 흡착볼들을 포함한다. 흡착볼들은 석탄계 활성탄과 폐수용 킬레이트수지가 6:4 비율로 혼합된 혼합물로 이루어질 수 있다. 중금속 흡착부재(320)는 수중청소로봇이 선체 외면을 청소하는 과정에서 선체로부터 떨어져 나온 AF(anti-Fouling)도료의 주성분인 구리 성분(구리 화합물)을 흡착함으로써 해양 오염을 방지할 수 있다. 본 실시예에서는 중금속 흡착부재(320)가 제2여과공간에 제공되는 것으로 도시하고 설명하였으나, 중금속 흡착부재(320)는 제1여과공간이나 제3여과공간 또는 이물질이 제거된 피여과수가 배출되는 배출경로 상에 제공될 수 있다.

제1막힘 방지 부재는 1차 여과 공간에 제공된다. 제1막힘 방지 부재는 구슬체(330)로 이루어진다. 구슬체(330)는 토출 포트(306)를 통해 1차 여과 공간으로 유입되는 피여과수의 토출압에 의해 1차 여과 공간 내에서 이동하면서 제1필터(312)의 표면과 충돌한다. 제1필터(312)의 표면에 부착된 이물질들은 구슬체(330)와의 충돌로 발생되는 충격 에너지에 의해 제1필터(312)의 표면으로부터 이탈됨으로써 제1필터(312)의 막힘을 방지할 수 있다. 또한, 구슬체(330)는 1차 여과 공간에서 이동하면서 큰 사이즈의 이물질과 부딪치게 되고, 구슬체(330)와 충돌한 큰 사이즈의 이물질은 좀 더 작은 사이즈로 쪼개지는 분쇄 효과를 기대할 수 있다.

도 15에서와 같이, 구슬체(330)는 구형상의 구체(332)와 구체(332)의 외주면 전체에 돌출되어 형성된 다수의 돌기(334)를 포함할 수 있다. 돌기(334)는 원뿔형상으로 이루어질 수 있다. 본 실시예에서는 구체의 표면에 원뿔형상의 돌기들이 형성된 구슬체를 도시하고 설명하였으나, 구슬체는 이에 한정되지 않고 표면 거칠기가 높은 구체 또는 다양한 형상의 돌기들을 갖는 구체와 같이 다양하게 변경될 수 있다.

도 16은 도 14의 요부 확대도이다.

도 14 및 도 16을 참조하면, 제2막힘 방지 부재는 제3필터(316)의 표면으로부터 막힘의 원인이 되는 이물질이 떨어지도록 제3필터(316)에 흔들림을 유발시키는 탄성체(340)들을 포함한다.

탄성체(340)들은 제2필터(314)의 모서리와 제3필터(316)의 모서리를 상호 연결한다. 이에 따라, 제3필터(316)는 탄성체(340)들에 의해 제2필터(314)에 탄력 지지되어 공중에 떠있는 상태로 위치되고, 청소유닛(150)이 동작할 때 발생되는 흔들림에 순응하여 움직이게 된다.

한편, 제3필터(316)의 흔들림이 원활하게 이루어지도록 토출 포트(306)와 제3필터(316)의 연결부분(309)은 탄성력을 갖는 소프트한 소재(예를 들면 고무 소재의 패킹)로 연결될 수 있다. 또한, 토출 포트(306)의 일부분(307)은 신축 또는 유동이 가능한 관(자바라 관)으로 구성될 수 있다. 여기서, 토출 포트(306)의 일부분은 케이스(302)와 제3필터(316) 사이에 위치되는 부분일 수 있다.

이물질수거장치는 청소유닛(150)이 동작할 때 작업대상면으로부터 이탈하는 이물질을 물(피여과수)과 함께 흡입하는 방식으로 수거한 후 이물질포집유닛(300)에서 걸러서 수거하기 때문에 이물질에 의한 작업수역의 오염을 최소화할 수 있다. 또 청소를 하면서 이물질을 수거하기 때문에 작업영역의 시계확보가 가능하여 원활한 청소작업을 수행하도록 할 수 있다.

제어유닛(190)은 도 12에 도시한 바와 같이, 프레임(110) 후방 상면 양측에 각각 탑재되는 두 제어박스(191)와, 두 제어박스(191) 사이에 설치되는 케이블연결블록(192)을 포함할 수 있다. 두 제어박스(191) 내에는 프레임(110)에 설치되는 기기들의 동작제어를 위한 제어패널을 포함한 각종 제어기기들이 수용된다. 케이블연결블록(192)에는 외부의 조종설비와 전원공급설비로부터 연장되는 케이블(20)이 연결된다.

또 본 실시 예의 수중청소로봇(100)은 도 5와 도 6에 도시한 바와 같이, 작업대상면을 주행하는 과정에서 전방 및 후방 상황을 감시하는 카메라들이 설치된다. 즉 프레임(110)의 전방에 설치된 전방카메라(201)와, 프레임(110)의 후방에 설치된 후방카메라(202)를 포함한다. 전방 및 후방카메라(201,202)는 넓은 각도를 촬영할 수 있는 파노라마카메라일 수 있다. 또 프레임(110)의 전방 및 후방에는 다수의 조명장치(205)가 설치되고, 프레임(110) 전방에는 청소로봇(100)이 주행하는 과정에서 전방의 장애물을 탐지할 수 있는 탐지장치(206)가 설치된다. 탐지장치(206)로는 소나시스템(sonar system)이 채용될 수 있다.

도 6과 도 12를 참조하면, 프레임(110)의 후단부에는 청소로봇(100)의 진수 및 회수를 위한 견인부재(180)가 설치된다. 견인부재(180)는 프레임(110)의 후단에 고정된 상태에서 후방으로 소정길이 연장되는 연장부(181)와, 연장부(181)에 연결되며 케이블(20)이 통과하는 원형의 걸림고리부(182)를 구비한다. 이러한 견인부재(180)는 청소로봇을 수중으로 진입시키거나 회수할 때 크레인과 같은 인양수단의 연결장치를 연결하기 위한 용도로 이용될 수 있다.

도 17은 여과부재의 다른 예를 보여주는 도면이다. 도 18은 필터와 케이스 사이를 보여주는 요부 확대도이다.

도 17 및 도 18을 참조하면, 여과부재(600)는 원통형의 케이스(602)의 이동통로 상에 이물질을 크기별로 각각 여과할 수 있도록 서로 다른 크기의 메쉬를 갖는 제1,2,3필터(612,614,616)가 순차적으로 설치된다. 제1,2,3필터(612,614,616)의 외경은 케이스(602)의 내경보다 작고, 그 사이 틈새는 플렉시블한 가림막(680)에 의해 차단된다. 그리고 제1,2,3필터(612,614,616) 각각은 다수의 스프링(340)들에 의해 케이스(602)에 탄력 지지되게 설치된다. 또한,제1필터(612)에 의해 제공되는 1차 여과공간에는 도 15에 도시된 구슬체(330)가 제공되고, 제1필터(612)와 제2필터(614) 사이의 2차 여과공간에는 중금속 흡착부재(320)가 제공된다.

다음은 이러한 수중청소로봇의 동작 및 사용법에 관하여 설명한다.

선박의 외면에 부착된 물이끼, 따개비 등과 같은 이물질을 청소할 때는 선박을 부두에 정박시킨다. 이 상태에서 지상이나 선박의 갑판에 비치된 조종설비 및 전원공급설비와 청소로봇(100)을 케이블(20)로 연결한다. 케이블(20)은 권취드럼에 권취된 상태를 유지함으로써 수중으로 진입하는 청소로봇(100)의 위치에 따라 그 길이를 길거나 짧게 조절할 수 있다. 케이블(20)을 연결한 후에는 청소로봇(100)을 수중으로 진입시킨다. 이때는 선박이나 육상에 비치된 크레인 등의 인양수단을 이용해 청소로봇을 들어 올린 상태에서 수중으로 진수시킬 수 있다.

진수된 청소로봇(100)은 두 구동휠(123)과 조향휠(141)이 자력에 의해 작업대상면에 부착될 수 있고, 이 상태에서 정해진 프로그램 또는 조종설비를 이용한 관리자의 지령에 따라 작업대상면을 주행하면서 청소를 수행할 수 있다. 이때는 두 구동유닛(120)의 동작에 의해 주행이 이루질 수 있고, 조향유닛(140)의 동작에 의해 주행방향이 제어될 수 있다. 또 주행하는 가운데 청소유닛(150)이 동작함으로써 작업대상면의 청소가 이루어지고, 청소과정에서 이탈하는 이물질은 이물질수거장치에 의해 수거될 수 있다.

주행과정에서 각 구동휠(123)과 조향휠(141)은 3점지지를 구현하기 때문에 이들이 항상 작업대상면에 부착된 상태를 유지할 수 있다. 따라서 작업대상면에 곡면이나 요철면이 존재하는 경우에도 청소로봇(100)이 안정적으로 주행할 수 있다. 또 작업대상면에 곡면이 존재하여 작업대상면의 높이나 기울기가 변할 때는 청소브러시(154)의 높이조절이 이루어지기 때문에 늘 최상의 청소조건을 유지할 수 있다. 이 경우 구동휠(123)도 작업대상면에 대응하여 틸팅이 이루어지기 때문에 안정적으로 주행할 수 있다.

청소과정에서 청소로봇(100)을 원격조종하는 관리자는 전방 및 후방카메라(201,202)를 통하여 획득되는 영상을 보면서 청소전과 청소후 상태를 판단할 수 있고, 필요 시 주행속도, 주행경로, 청소유닛(150) 동작 등을 원격 제어할 수 있다. 특히 본 실시 예는 청소과정에서 이탈하는 이물질을 흡입방식으로 수거하여 포집하기 때문에 청소영역 및 그 주위의 시계확보가 용이하다. 따라서 관리자는 청소로봇(100)이 주행하는 방향이나 청소상태 등을 카메라를 통해 쉽게 확인할 수 있다.

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 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 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.

100: 수중청소로봇 110: 프레임
120: 구동유닛 123: 구동휠
140: 조향유닛 141: 조향휠
150: 청소유닛 151: 청소유닛프레임
152: 승강안내유닛 153: 청소모터
154: 청소브러시 160: 승강장치
161: 기어박스 163: 승강부재
164: 기어축 165: 피니언기어
166: 피동베벨기어 167: 구동베벨기어
168: 승강구동부 171: 커버부재
172: 이물질수거펌프 300: 이물질포집유닛
302 : 케이스 310 : 여과부재
312 : 제1필터 314 : 제2필터
316 : 제3필터 320 : 중금속 흡착부재
330 : 구슬체 340 :탄성체

Claims (10)

1. 프레임;
   상기 프레임의 후방 양측에 각각 설치되고, 자력에 의해 작업대상면에 부착되는 구동휠과, 상기 프레임에 틸팅(tilting) 가능하게 지지된 상태로 상기 구동휠을 구동하는 주행구동부를 갖춘 두 구동유닛;
   상기 프레임의 전방에 설치되어 상기 각 구동휠과 함께 상기 프레임의 3점지지를 구현하며 자력에 의해 작업대상면에 부착되는 조향휠과, 조향휠을 동작시키는 조향구동부를 갖춘 조향유닛;
   상기 조향유닛과 상기 두 구동유닛 사이의 상기 프레임에 설치되며 작업대상면을 청소하는 청소유닛; 및
   청소 과정에서 작업대상면으로부터 이탈하는 이물질이 포함된 피여과수를 흡입하는 이물질수거장치;를 포함하되,
   상기 청소유닛은
   상기 프레임 하부에 승강 가능하게 설치되는 청소유닛프레임과,
   상기 프레임에 설치되며 상기 청소유닛프레임을 승강시키는 승강장치와,
   상기 청소유닛프레임에 설치된 적어도 하나의 청소모터와,
   상기 청소모터의 축에 결합되며 회전에 의해 작업대상면을 청소하는 적어도 하나의 청소브러시를 포함하며,
   상기 승강장치는
   상기 프레임 상부에 설치된 기어박스;
   하단이 청소유닛프레임에 연결되고 상기 기어박스 하측에 마련된 지지부재에 승강 가능하게 지지되며 상기 기어박스 내에 위치하는 부분에 랙기어부가 형성된 복수의 승강부재; 및
   상기 복수의 승강부재의 랙기어부에 각각 치합되며 기어축에 의해 상호 연결된 복수의 피니언기어와, 상기 기어축에 결합된 피동베벨기어와, 상기 피동베벨기어와 치합된 구동베벨기어와, 상기 기어박스에 장착되어 상기 구동베벨기어를 구동시키는 승강구동부를 포함하는 수중청소로봇.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 이물질수거장치는
   피여과수로부터 이물질을 걸러내는 여과부재와,
   상기 피여과수로부터 중금속을 제거하는 중금속 흡착부재 그리고
   상기 이물질에 의한 상기 여과부재의 막힘을 방지하는 제1막힘 방지부재를 포함하고,
   상기 여과부재는
   상기 피여과수가 유입되는 1차 여과 공간을 제공하는 제1필터;
   상기 제1필터를 감싸도록 설치되고, 상기 제1필터와의 사이에 제2여과공간을 제공하는 제2필터; 및
   상기 제2필터를 감싸도록 설치되고, 상기 제2필터와의 사이에 제3여과공간을 제공하는 제3필터를 포함하는 수중청소로봇.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 제1막힘 방지부재는
   상기 1차 여과 공간에 제공되고, 상기 제1필터의 표면에 충돌하여 상기 이물질을 상기 제1필터의 표면으로부터 분리하고 분쇄하는 적어도 하나의 구슬체를 포함하는 수중청소로봇.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 구슬체는
   구형상의 구체; 및
   상기 구체의 외주면 전체에 돌출되어 형성된 다수의 돌기를 포함하는 수중청소로봇.
5. 제 2 항에 있어서,
   상기 제3필터에 흔들림을 유발시켜 상기 제3필터의 표면으로부터 막힘의 원인이 되는 이물질이 떨어지도록 하는 제2막힘 방지 부재를 더 포함하는 수중청소로봇.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 제2막힘 방지 부재는
   상기 제3필터가 상기 제2필터에 탄력 지지되어 공중에 떠있는 상태로 흔들리도록 상기 제3필터와 상기 제2필터를 연결하는 탄성체를 포함하는 수중청소로봇.
7. 제 3 항에 있어서,
   상기 중금속 흡착부재는
   상기 제2여과공간에 제공되며 중금속을 흡착하는 흡착볼들을 포함하되;
   상기 흡착볼들은 석탄계 활성탄과 폐수용 킬레이트수지가 6:4 비율로 혼합된 혼합물인 수중청소로봇.
8. 제 2 항에 있어서,
   상기 제1필터와 상기 제2필터 그리고 상기 제3필터는 서로 다른 메쉬크기를 갖는 수중청소로봇.
9. 삭제
10. 제2항에 있어서,
    상기 이물질수거장치는
    상기 청소유닛프레임에 결합되고, 상기 청소브러시의 상면과 둘레부분을 덮으며, 주행하여 나아가는 전방 둘레에 개구가 형성된 커버부재와,
    상기 커버부재 내측의 이물질을 피여과수와 함께 흡입하여 상기 여과부재로 배출시키는 이물질수거펌프를 더 포함하는 수중청소로봇.

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