KR102032822B1 - 외벽청소 및 도색작업용 케이블 로봇 및 이를 이용한 외벽청소 및 도색 방법 - Google Patents

외벽청소 및 도색작업용 케이블 로봇 및 이를 이용한 외벽청소 및 도색 방법 Download PDF

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박재현
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Abstract

본 발명은 특히 외벽청소 및 도색작업을 할 수 있는 작업모듈 형태의 엔드이펙터를 갖는 케이블 로봇에 관한 것으로서, 복수개의 윈치(10)와, 윈치(10) 사이에 설치되는 작업 모듈(30)과, 윈치(10)와 작업 모듈(30)을 연결시키며, 윈치(10)의 동작으로 길이가 조절됨으로써 작업 모듈(30)을 이동시키는 케이블(20) 및, 윈치(10)와 작업 모듈(30)을 제어시키는 제어부로 이루어지며, 작업 모듈(30)에는 건물 외벽(S)을 향하여 전진하거나 후퇴하며 청소도구 또는 도색도구가 탑재되는 작업기구(35)가 설치되어, 건물 외벽(S) 전체 면적에 걸쳐 수직 2차원면상의 모든 방향으로 이동 가능하여 안전이 도모될 뿐만 아니라, 수직면에 작업 모듈(30)을 가압시킬 수 있는 수단이 탑재되어 건물 외벽(S)에 굴곡 부위가 있더라도 청소 또는 도색이 균일한 품질로 깨끗하게 이루어질 수 있는 외벽청소 및 도색작업용 케이블 로봇 및 이를 이용한 건물 외벽 청소 및 도색 방법을 제공하고자 한다.

Description

외벽청소 및 도색작업용 케이블 로봇 및 이를 이용한 외벽청소 및 도색 방법{Cable robot for cleaning or painting out wall of buildings and the method of cleaning or painting out wall using it}
본 발명은 복수개의 케이블로 길이가 조절됨으로써 위치가 이동되면서 각종 작업을 수행하는 엔드이펙터가 설치된 케이블 로봇에 관한 것으로, 특히 외벽청소 및 도색작업을 할 수 있는 작업모듈 형태의 엔드이펙터를 갖는 케이블 로봇에 관한 것이다.
고층건물의 청소 및 도색작업은 작업자가 직접 줄에 매달리거나 건설용 곤돌라에 탑승하여 진행하는 방식이 보편적으로 수행되고 있다. 그러나 이러한 방식은 작업자가 균형을 잡지 못해 추락하거나, 작업도구가 낙하하여 지나가던 사람이 다치거나 사망하는 등의 높은 위험성을 가지고 있다. 이러한 이유로 인하여 사람을 대신해 안전하게 상기 작업을 수행할 수 있는 장비를 개발할 필요성이 대두되고 있다.
이러한 위험성을 해결하기 위한 종래기술로서, 도 1에 대표도가 도시된 등록특허공보 제10-1814117호(등록일자: 2017.12. 26.) '건물외벽 작업 툴 및 이를 포함하는 곤돌라 유닛'을 들 수 있다. 상기 기술은 도 1에 도시된 바와 같이, 작업 툴(100)이 건물 옥상에 달린 곤돌라유닛(B)과 연동되어 외벽청소 및 도색작업을 수행하는 장비이다. 곤돌라유닛(B)은 건물의 옥상에 설치된 행거 시스템(800)과 케이블로 연결되어 이동되며, 케이블이 이 행거시스템(800)으로부터 바닥까지 수직으로 연장된 형태로 구성된다. 여기서 작업 툴(100)로 상하 방향 작업을 수행할 경우 장비에 탑재된 와인더(300)를 이용하여 곤돌라유닛(B)에 연결된 케이블을 권취 또는 권출하여 이동하고, 좌우 방향 작업의 경우 수평로드부(120)를 이용하여 헤드부(110)(작업툴)을 이동시키거나 무선 조작 시스템(지상제어부(900))을 이용하여 행거시스템(800)을 좌우 방향으로 이동시킨다.
이러한 방식의 경우, 상하 방향 이동의 경우에는 와인더(300)가 케이블을 권취 또는 권출하면서 상하 방향으로 장비를 지지하며 이동하는 것이므로 진동이 일어날 가능성이 적지만, 좌우 방향의 이동인 경우 수평 방향으로 장비를 지지하는 힘이 없이 건물의 옥상에 설치된 이 행거시스템(800)이 장비를 이동시키는 것이므로 이동 도중 장비 자체의 무게로 인해 케이블에 진동이 발생하여 작업을 방해할 수 있고 이러한 작업 방해는 추락으로 연결될 수 있는 위험을 초래할 수 있다.
등록특허공보 제10-1814117호(등록일자: 2017.12. 26.)
이에 본 발명은 종래기술의 문제점을 개선하기 위한 것으로써, 건물 외벽 전체 면적에 걸쳐 수직 2차원면상의 모든 방향으로 이동 가능하여 안전이 도모될 뿐만 아니라, 수직면에 작업 모듈을 가압시킬 수 있는 수단이 탑재되어 건물 외벽에 굴곡 부위가 있더라도 청소 또는 도색이 균일한 품질로 깨끗하게 이루어질 수 있는 외벽청소 및 도색작업용 케이블 로봇을 제공하고자 한다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 외벽청소 및 도색작업용 케이블(20) 로봇은, 건물 외부에 설치되는 복수개의 윈치(10)와, 윈치(10) 사이에 설치되는 작업 모듈(30) 및, 윈치(10)와 작업 모듈(30)을 연결시키며, 윈치(10)의 동작으로 길이가 조절됨으로써 작업 모듈(30)을 이동시키는 케이블(20)로 이루어진다.
여기서 상기 작업 모듈(30)에는 건물 외벽(S)을 향하여 전진하거나 후퇴하며 청소도구 또는 도색도구가 탑재되는 작업기구(35)가 설치된다.
이 경우 상기 작업 모듈(30)에는 바람직하게는 건물 외벽(S)을 향하여 길이방향이 배치되는 슬라이딩 축(324)과, 슬라이딩 축(324)을 따라 건물 외벽(S)을 향하여 전진 또는 후퇴하며 단부에 작업기구(35)가 탑재되는 슬라이딩 부재(325)로 이루어지는 슬라이딩 관절이 설치된다.
이때 상기 슬라이딩 부재(325)는 슬라이딩 축(324)이 회전됨에 따라 슬라이딩 축(324)의 길이방향을 따라 가변되고, 상기 작업 모듈(30)에는 바람직하게는 슬라이딩 축(324)을 회전시키는 서보모터(321)가 설치된다.
특히 상기 서보모터(321) 및 서보모터(321)의 회전축은 슬라이딩 축(324)의 측면에 설치되어 서보모터(321)의 회전축과 슬라이딩 축(324) 방향은 서로 교차되게 배치되고, 서보모터(321)의 회전축과 슬라이딩 축(324)은 바람직하게는 서로 베벨기어 또는 웜기어로 연결되어 서보모터(321) 회전축의 회전운동이 슬라이딩 축(324)의 회전운동으로 전환됨으로써, 작업 모듈(30)의 슬라이딩 축(324) 방향의 크기가 축소된다.
그리고 상기 작업 모듈(30)에는 바람직하게는 작업기구(35) 주위에 설치되며, 건물 외벽(S)에 밀착되는 흡착 판(334)과, 흡착 판(334)과 건물 외벽(S) 사이의 공기를 제거시키는 진공펌프 및 콤프레셔(332)로 이루어지는 밀착 기구부가 설치된다.
여기서 상기 흡착 판(334)은 바람직하게는 작업기구(35)의 중심을 기준으로 작업기구(35) 주위에 방사상 대칭되게 복수개가 설치된다.
또한 상기 흡착 판(334)과 슬라이딩 부재(325)는 바람직하게는 강성 재질로 제작된 강성 관(333)으로 연결되어 함께 전진 또는 후진되고, 강성 관(333)과 진공펌프 및 콤프레셔(332)는 진공 튜브(331)로 연결되되, 진공 튜브(331)와 강성 관(333)은 슬라이딩 부재(325) 내부에서 연결된다.
이 경우 상기 강성 관(333)의 말단과 흡착 판(334) 사이는 바람직하게는 수축 및 신장이 가능한 신축관으로 연결되어, 진공펌프 및 콤프레셔(332)의 작동으로 흡착 판(334)이 건물 외벽(S)에 흡착되면서 신축관이 수축되면, 강성 관(333)과 강성 관(333)에 고정 연결된 슬라이딩 부재(325)가 함께 건물 외벽(S) 방향으로 근접됨으로써, 작업기구(35)에 탑재된 청소도구 또는 도색도구가 건물 외벽(S)을 압착시키는 힘이 증가된다.
또한 상기 슬라이딩 부재(325)의 단부와 작업기구(35) 사이에는 바람직하게는 압축 스프링(335)이 설치되어, 슬라이딩 부재(325) 단부와 건물 외벽(S) 간의 거리에 따라 작업기구(35)가 건물 외벽(S)을 압착시키는 힘의 조절이 가능하며, 강성 관(333)이 슬라이딩 부재(325)와 함께 건물 외벽(S)으로 근접되면서 신축관을 수축시킨 상태에서 진공펌프 및 콤프레셔(332)가 작동됨으로써, 흡착 판(334)의 흡착력이 더욱 증가된다.
이때 상기 작업기구(35)에 탑재되는 청소도구 또는 도색도구는 바람직하게는 유연한 부재로 제작되며, 상기 작업 모듈(30)에는 작업기구(35)와 건물 외벽(S) 간의 거리를 측정하는 거리 센서(342)가 설치되어, 거리 센서(342)의 측정치에 따라 슬라이딩 부재(325)가 작업기구(35)를 일정한 압력으로 건물 외벽(S)에 밀착시키고, 이때 거리 센서(342)의 측정 결과 건물 외벽(S)에 굴곡이 감지될 경우, 바람직하게는 굴곡을 이루는 부위 중 작업기구(35)와의 거리가 가장 먼 부위를 기준으로 하여, 상기 가장 먼 부위와 작업기구(35) 간의 압력이 상기 일정한 압력이 되도록 슬라이딩 부재(325)가 작업기구(35)를 굴곡 부위에 밀착시킨다.
그리고 상기 작업 모듈(30)에는 바람직하게는 슬라이딩 관절을 지지하는 메인 프레임(31)이 설치되고, 메인 프레임(31) 내측에는 메인 프레임(31)에 고정 설치되는 내부 프레임(313)이 설치되며, 내부 프레임(313)에는 슬라이딩 부재(325)가 회전되지 않고 슬라이딩 축(324)을 따라 직선운동 하도록 안내하는 가이드(326)가 고정 설치된다.
여기서 상기 가이드(326) 또는 슬라이딩 부재(325)의 외주면 중 어느 하나에는 바람직하게는 슬라이딩 부재(325)의 길이방향을 따라 길게 제작되는 돌기가 형성되고, 상기 가이드(326) 또는 슬라이딩 부재(325)의 외주면 중 나머지 하나에는 상기 돌기가 삽입될 수 있게 길게 제작되는 홈이 형성되어, 슬라이딩 부재(325)의 운동 자유도가 건물 외벽(S)을 향하여 슬라이딩 가변되는 방향으로만 형성된다.
또한 상기 작업 모듈(30)에는 바람직하게는 렌즈가 건물 외벽(S)을 향하도록 카메라(341)가 설치되어, 상기 흡착 판(334)이 건물 외벽(S)으로부터 이격된 상태에서 건물 전체 외벽에 대한 고속 청소가 이루어진 이후에, 밀착 기구부로 건물 외벽(S)에 작업기구(35)를 밀착시켜 추가적인 강력 세척이 필요한 부위가 카메라(341)로 원격 판별이 가능하다.
한편 본 발명에 따른 케이블(20) 로봇을 이용한 건물 외벽(S) 청소 및 도색 방법은 복수개의 윈치(10)로 케이블(20)을 권취 또는 권출 시키면서 작업 모듈(30)을 건물 외벽(S) 전체에 걸쳐 이동시켜 1차 외벽 청소 또는 도색을 실시하는 단계와, 1차 외벽 청소 또는 도색을 실시하는 단계에서 건물 외벽(S)의 표면 굴곡으로 인하여 외벽 청소 또는 도색이 불완전하게 이루어진 부위를 체크하는 단계와, 체크하는 단계에서 불완전하게 이루어진 부위를 가상의 최단 경로 선으로 연결시키는 단계 및, 최단 경로 선을 따라 작업 모듈(30)을 이동시키면서 2차 외벽 청소 또는 도색을 실시하는 단계로 이루어진다.
이때 1차 외벽 청소 또는 도색을 실시하는 단계와 체크하는 단계는 바람직하게는 함께 이루어진다.
그리고 상기 1차 외벽 청소 또는 도색을 실시하는 단계에서는 바람직하게는 청소도구 또는 도색도구를 슬라이딩 부재(325)로 건물 외벽(S)을 향하여 전진하여 밀착시켜 수행한다.
또한 2차 외벽 청소 또는 도색을 실시하는 단계에서는 바람직하게는 표면 굴곡 부위에 슬라이딩 부재(325)로 청소도구 또는 도색도구를 밀착시킨 다음, 진공펌프 및 콤프레셔(332)를 작동시켜 흡착 판(334)을 건물 외벽(S)에 흡착시키면서 흡착 판(334)과 연결된 신축관을 수축시켜, 청소도구 또는 도색도구가 표면 굴곡 부위에 밀착된 정도를 가압을 통하여 증가시킨다.
본 발명에 따른 외벽청소 및 도색작업용 케이블로봇 및 이를 이용한 건물 외벽 청소 및 도색 방법에는 건물 외벽 전체 면적에 걸쳐 수직 2차원면상의 모든 방향으로 이동 가능하여 안전이 도모될 뿐만 아니라, 수직면에 작업 모듈을 가압시킬 수 있는 수단이 탑재되어 건물 외벽에 굴곡 부위가 있더라도 청소 또는 도색이 균일한 품질로 깨끗하게 이루어질 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래기술인 등록특허공보 제10-1814117호를 나타내는 정면도,
도 2는 본 발명에 따른 케이블로봇의 전체 개념도,
도 3은 본 발명에 따른 케이블로봇에서 작업 모듈의 개념도,
도 4는 도 3에서 슬라이딩 관절의 작동 상태를 나타낸 개념도,
도 5a는 본 발명에 따른 케이블로봇의 작동을 역 기구학 적으로 나타낸 개념도,
도 5b는 도 5a의 개념도에 힘 평형 원리를 적용하여 나타낸 개념도,
도 6은 본 발명에 따른 케이블로봇에서 윈치를 나타낸 개념도,
도 7은 도 3에서 슬라이딩 관절 및 흡착 기구부의 작용을 순서대로 나타낸 개념도,
본 발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 외벽청소 및 도색작업용1 케이블(20) 로봇은 윈치(10)와, 작업 모듈(30)과, 윈치(10) 및 작업 모듈(30)을 연결시키는 케이블(20) 및, 윈치(10)와 작업 모듈(30)을 제어시키는 제어부(미도시)로 이루어진다.
윈치(10)는 도 2에 도시된 바와 같이 건물 외벽(S)에서 청소가 예정된 면적의 최 외곽 부위에 설치된다. 이때 윈치(10)의 개수는 도 2에서와 같이 4개소에 설치되는 것이 작업 모듈(30)의 이동이 전 방향으로 이루어질 수 있으므로 바람직하다. 다만 반드시 4개소에 설치되어야 하는 것은 아니며, 작업 공간의 상황에 따라 3개소 또는 5개소에 설치될 수도 있다.
이와 같이 윈치(10)는 건물 외벽(S)에서 청소 또는 도색이 필요한 구간 주위에 복수개가 설치되고, 각각의 윈치(10)는 케이블(20)로 작업 모듈(30)과 연결되어 각 윈치(10)가 케이블(20)을 권취 또는 권출 시키는 정도에 따라 작업 모듈(30)이 이동된다.
윈치(10)는 구체적으로는 도 6에 도시된 바와 같이 드럼(11)과, 드럼 구동 모터(12)와, 모터 드라이버(13)와, 로드 셀(14)과, 가이드 롤러(16a) 및 가변 롤러(16b)와, 구동 및 피동 롤러(17a,17b)와, 전단 및 후단 타이밍 풀리(18a,18b)와, 벨트(19)로 이루어진다.
드럼(11)은 도 6에 도시된 바와 같이 회전됨으로써 케이블(20)을 권취시키거나 권출시키는 구성이다. 그런데 케이블(20)이 드럼(11)에 무질서하게 권취 되면 케이블(20)이 감긴 정도에 따라 드럼(11) 회전에 따른 케이블(20) 이동속도가 달라지므로 작업 모듈(30)의 정밀한 제어가 어렵게 된다.
따라서 케이블(20)이 가지런하게 병렬로 드럼(11)에 감길 수 있게 권취 직전의 케이블(20) 위치를 이동시키는 수단이 필요하며 이러한 작용을 하는 것이 가변 풀리(14) 이다. 이때 가이드 풀리(15)는 고정된 위치에서 케이블(20)을 가변 풀리(14)로 안내하는 작용을 한다.
또한 케이블(20)의 장력이 변할 경우 케이블(20)이 윈치(10)로부터 이탈될 수 있어 전체 시스템 작동이 정지될 수 있으므로 작업의 효율을 위해서 케이블(20)의 장력을 유지시켜 줄 수단이 필요하다. 이러한 작용을 하는 구성이 바로 구동 롤러(16a)와 피동 롤러(16b)이다.
여기서 구동 롤러(17a)는 드럼(11)과 동축으로 연결된 전단 타이밍 풀리(18a)로 구동되는 후단 타이밍 풀리(18b)와 동축으로 연결되어 구동되며, 피동 롤러(17b)는 케이블(20)과 접촉되는 마찰력으로 회전된다. 이 경우 케이블(20)이 복수의 겹으로 윈치(10)에 권취 되면 케이블(20) 이송 속도는 빨라지지만 구동 롤러(17a)의 회전 속도는 그대로 유지되므로 케이블(20)이 윈치(10)에 두텁게 권취 될수록 케이블(20)이 권취 되는 선속도가 커지면서 장력이 커지므로 부분적인 굴곡 없이 보다 치밀하게 케이블(20)이 윈치(10)에 권취될 수 있다.
또한 도 6에 도시된 바와 같이 케이블(20)의 길이 변화를 검출하는 엔코더 또는 텐션을 검출하기 위한 로드 셀(14)이 설치될 수 있다. 로드 셀(14)에서 검출된 텐션 검출 신호는 후술하게 될 제어부로 전달되며, 별도로 제어부(미도시)가 마련될 경우 제어부(미도시)는 윈치(10)에서 전달된 케이블(20)의 텐션과 엔코더 정보를 활용하여 작업 모듈(30)의 정확한 위치 제어가 이루어질 수 있다.
그리고 모터에는 도 6에 도시된 바와 같이 제어부에서 전달되는 제어신호에 의해 모터의 회전 구동을 제어시키는 모터 드라이버(13)가 설치될 수 있다.
작업 모듈(30)은 메인 프레임(31)과, 슬라이딩 관절과, 흡착 기구부 및, 청소도구 또는 도색도구가 탑재되는 작업기구(35)로 이루어진다.
메인 프레임(31)은 작업 모듈(30)에 설치된 기기들이 서로 상호작용 할 수 있게 지지하는 틀이다. 메인 프레임(31)에는 도 3에 도시된 바와 같이 내부에 내부 프레임(313)이 설치되어 후술하게 될 가이드(326)가 견고하게 유지될 수 있게 고정시키는 작용을 한다.
슬라이딩 관절은 도 3에 도시된 바와 같이 건물 외벽(S)을 향하여 길이방향이 배치되는 슬라이딩 축(324)과, 슬라이딩 축(324)을 따라 건물 외벽(S)을 향하여 전진 또는 후퇴하며 단부에 작업기구(35)가 탑재되는 슬라이딩 부재(325)로 이루어진다.
여기서 슬라이딩 부재(325)는 슬라이딩 축(324)이 회전됨에 따라 슬라이딩 축(324)의 길이방향을 따라 가변되고, 작업 모듈(30)에는 슬라이딩 축(324)을 회전시키는 서보모터(321)가 설치된다. 슬라이딩 관절은 프리즈메틱 관절 또는 프리즈메틱 조인트라고도 한다.
이때 서보모터(321) 및 서보모터(321)의 회전축은 도 3에 도시된 바와 같이 슬라이딩 축(324)의 측면에 설치되어 서보모터(321)의 회전축과 슬라이딩 축(324) 방향은 서로 평행을 이루지 않는다. 왜냐하면 서보모터(321)의 회전축이 직접적으로 슬라이딩 축(324)을 회전시키면 동력전달은 단순하게 되지만, 도 3에서 알 수 있듯이 서보모터(321)가 슬라이딩 축(324)을 직접 회전시키기 위해 슬라이딩 축(324)과 서보모터(321)가 일렬로 배치될 경우 작업 모듈(30) 전체가 건물 외벽(S)으로부터 외부를 향하여 과도하게 돌출되고 작업 모듈(30)의 부피가 증가되어 제어시키기가 힘들어진다. 따라서 작업 모듈(30)의 부피가 최소화될 수 있도록 서보모터(321)는 슬라이딩 축(324)의 측면에 배치된다.
다만 도 3에서와 같이 슬라이딩 축(324)과 서보모터(321)의 회전축이 서로 직교되거나 또는 측면 방향으로 설치되면 서보모터(321)의 회전축의 회전 운동이 슬라이딩 축(324)의 슬라이딩 방식의 직선 운동으로 변환될 수 있게 만드는 구성이 요구된다.
여기서 서보모터(321)의 회전축과 슬라이딩 축(324)은 회전운동을 전 후진 운동으로 변환시키는 운동 전환부재(323)로 연결되어, 서보모터(321) 회전축의 회전운동이 슬라이딩 축(324)의 회전운동으로 전환됨으로써, 작업 모듈(30)의 슬라이딩 축(324) 방향의 크기가 축소될 수 있다.
이때 운동 전환부재(323)는 회전운동을 전 후진 운동으로 변환시키는 부재라면 공지의 어떤 기구든 채용 가능하다. 가령 슬라이더 크랭크일 수도 있고, 또는 랙과 피니언일 수도 있다.(미도시)
이 경우 서보모터(321)는 정밀하게 회전량이 제어되므로 슬라이딩 부재(325)의 직선운동 거리도 정밀하게 제어될 수 있다.
이와 같이 슬라이딩 부재(325)가 슬라이딩 축(324)을 따라 전진하면, 슬라이딩 부재(325)의 단부에 설치된 청소 또는 도색도구가 탑재된 작업기구(35)가 건물 외벽(S)에 밀착될 수 있고, 이로 인하여 건물 외벽(S)의 청소 또는 도색이 이루어질 수 있다.
이처럼 작업기구(35)가 건물 외벽(S)에 밀착되는 과정이 도 4에 도시되어 있다. 도 4의 상부에 도시된 도면은 슬라이딩 부재(325)가 건물 외벽(S) 방향으로 전진하기 전이고, 도 4의 하부에 도시된 도면은 슬라이딩 부재(325)가 건물 외벽(S)으로 전진하여 작업기구(35)가 건물 외벽(S)에 밀착되는 순간을 나타낸 도면이다. 따라서 건물 외벽(S) 청소 또는 도색 작업의 최초 단계는 도 4에 도시된 바와 같이 슬라이딩 부재(325)의 전진으로 작업기구(35)를 건물 외벽(S)에 밀착시킨 상태에서 작업 모듈(30)이 이동되면서 청소 또는 도색이 필요한 부위의 전체 면적에 걸쳐 1차적인 청소 또는 도색이 이루어지는 것이다.
특히 슬라이딩 부재(325)는 오직 슬라이딩 축(324) 방향으로만 가변되어야 한다. 따라서 이러한 슬라이딩 부재(325)의 축 방향 가변을 안정적으로 보장 해 줄 구성이 설치되는 것이 바람직하다. 따라서 도 3에 도시된 바와 같이 내부 프레임(313)에 고정 되는 가이드(326)가 설치된다.
가이드(326)는 슬라이딩 부재(325)의 축 방향 가변을 위해 슬라이딩 부재(325)의 길이방향을 따라 슬라이딩 부재(325)를 감싸는 형태로 설치된다. 이 경우 슬라이딩 부재(325)의 안정적인 직선 운동 안내를 위하여 핀과 요철 형태로 슬라이딩 부재(325)와 가이드(326)가 상호 결합될 수 있다.(미도시) 즉 가이드(326)의 내주면과 슬라이딩 부재(325)의 외주면에는 어느 일방에 홈이 길이방향을 따라 형성되고, 타방에는 홈에 삽입되어 홈을 따라 이동되는 요철이 형성될 수 있다.
이와 같이 가이드(326)가 설치됨으로써 슬라이딩 부재(325)의 가변 자유도는 슬라이딩 축(324)의 길이방향으로만 한정되어 슬라이딩 부재(325)의 슬라이딩 운동이 안정적이고 원활하게 일어날 수 있다.
그런데, 건물 외벽(S)은 완전한 평면인 구간도 있지만, 굴곡 구간이 있을 수 있다. 이러한 구간에서는 작업 모듈(30)의 일부 하중으로 작업기구(35)를 건물 외벽(S)에 밀착시키는 것만으로는 굴곡 구간 전체에 고르게 청소 또는 도색이 이루어지지 못할 수 있다.
따라서 도 3에 도시된 바와 같이 흡착 기구부가 마련되어 흡착력으로 작업기구(35)를 건물 외벽(S)에 더욱 강력하게 가압시킴으로써, 굴곡 부위에서도 빈자리 없이 굴곡 부위의 전체 면적에 걸쳐 균일하게 청소 또는 도색이 이루어질 수 있다.
구체적으로 흡입 기구부는 작업기구(35) 주위에 설치되며, 건물 외벽(S)에 밀착되는 흡착 판(334)과, 흡착 판(334)과 건물 외벽(S) 사이의 공기를 제거시키는 진공펌프 및 콤프레셔(332)로 이루어진다. 이 경우 흡착 판(334)은 작업기구(35)의 중심을 기준으로 하여 작업기구(35) 주위에 방사상 대칭되게 복수개가 설치되어 작업기구(35)가 어느 한쪽만 건물 외벽(S)에 밀착되지 않고 작업기구(35) 전체가 건물 외벽(S)에 고른 힘으로 밀착된다.
그리고 흡착 판(334)은 슬라이딩 부재(325)와 함께 건물 외벽(S)을 향하여 전진 또는 후퇴되어야 하므로, 흡착 판(334)과 슬라이딩 부재(325)는 강성 재질로 제작된 강성 관(333)으로 연결되어 함께 전진 또는 후진된다. 그리고 강성 관(333)과 진공펌프 및 콤프레셔(332)는 진공 튜브(331)로 연결되되, 진공 튜브(331)와 강성 관(333)은 슬라이딩 부재(325) 내부에서 연결된다. 도 3에서는 슬라이딩 부재(325) 내부도 진공으로 형성됨으로써 흡착 판(334)에 이르는 전 구간이 진공으로 형성되는 것으로 보여 질 수도 있다. 물론 슬라이딩 부재(325) 내부 전체가 진공으로 형성될 수도 있지만, 강성 관(333)과 진공 튜브(331)는 슬라이딩 부재(325) 내부에서 연결(미도시)됨으로써, 슬라이딩 부재(325)의 내부 전체가 진공으로 형성될 필요는 없다.
그런데 흡착 판(334)이 건물 외벽(S)에 밀착되면서 작업기구(35)가 건물 외벽(S)에 밀착되는 힘이 더욱 강해지려면, 흡착 판(334)이 흡착되면서 작업기구(35)가 건물 외벽(S)으로 더욱 근접되는 구조가 필요하다. 따라서 도 3의 실시예에서는 강성 관(333)의 말단과 흡착 판(334) 사이는 수축 및 신장이 가능한 신축 관(3332)으로 연결되어, 진공펌프 및 콤프레셔(332)의 작동으로 흡착 판(334)이 건물 외벽(S)에 흡착되면서 신축 관(3332)이 수축되면, 강성 관(333)과 강성 관(333)에 고정 연결된 슬라이딩 부재(325)가 함께 건물 외벽(S) 방향으로 근접됨으로써, 작업기구(35)에 탑재된 청소도구 또는 도색도구가 건물 외벽(S)을 압착시키는 힘이 증가되게 구성된다.
흡착 판(334)이 건물 외벽(S)에 흡착 된 다음, 진공펌프 및 콤프레셔(332)가 진공 튜브(331)를 통하여 계속 공기를 빼내면, 대기압으로 인하여 신축 관(3332)이 수축되면서 그에 따라 강성 관(333)과 슬라이딩 부재(325)를 비롯한 작업 모듈(30) 전체가 건물 외벽(S)을 향하여 신축 관(3332)이 신축 된 길이만큼 전진된다.
특히 이 경우 슬라이딩 부재(325)의 단부와 작업기구(35) 사이에는 도 3에 도시된 바와 같이 압축 스프링(335)이 설치되어, 슬라이딩 부재(325) 단부와 건물 외벽(S) 간의 거리에 따라 작업기구(35)가 건물 외벽(S)을 압착시키는 힘의 조절이 가능하며, 강성 관(333)이 슬라이딩 부재(325)와 함께 건물 외벽(S)으로 근접되면서 신축 관(3332)를 수축시킨 상태에서 진공펌프 및 콤프레셔(332)가 작동됨으로써, 흡착 판(334)의 흡착력이 더욱 증가된다.
즉 슬라이딩 부재(325)와 작업기구(35) 사이에 스프링(335)이 설치되면, 신축 관(3332)이 신축되기 전에 이미 건물 외벽(S)에 작업기구(35)가 밀착 된 상태에서 신축 관(3332)이 신축 된 길이만큼 스프링(335)도 함께 수축되면서 수축됨으로 인하여 축적된 탄성력이 작업기구(35)를 보다 더 강하게 건물 외벽(S)에 밀착시키게 된다.
이러한 작용은 흡착 기구부의 도움 없이 슬라이딩 관절만으로 작업기구(35)를 건물 외벽(S)에 밀착시켜 1차 청소 또는 도색이 끝난 후, 청소 또는 도색이 불완전하게 이루어진 굴곡 면에 작업기구(35)를 보다 더 강하게 밀착시켜 2차 청소 또는 도색을 하고자 할 경우에 굴곡 면의 요철 안쪽 까지도 청소 또는 도색이 고르게 이루어질 수 있도록 한다.
한편, 작업 모듈(30)에는 카메라(341)와 거리 센서(342)가 설치된다. 카메라(341)는 1차 청소 또는 도색 과정에서 건물 외벽(S)의 굴곡으로 인해 청소 또는 도색이 고르게 수행되지 못한 부위를 탐색한다. 이 경우 청소 또는 도색이 고르게 수행되지 못한 부위의 탐지는 작업자가 모니터를 보면서 수행할 수도 있고 또는 자동 인식으로 식별될 수도 있다.
거리 센서(342)는 작업기구(35)와 건물 외벽(S) 간의 거리를 인식하여 작업기구(35)와 건물 외벽(S)이 밀착 될 정도로 충분히 접근되면 청소 또는 도색 작업이 진행되도록 신호를 보내는 작용을 한다. 특히 청소 또는 도색이 고르게 수행되지 못한 부위에 작업 모듈(30)이 다시 접근하여 흡착 기구부를 가동시켜 청소 또는 도색을 수행하고자 할 경우에 신축관의 수축과 스프링(335)의 수축 거리가 충분하여 작업기구(35)가 건물 외벽(S)에 충분한 힘으로 밀착되는지 여부를 판별할 수 있는 기준을 제공한다.
이하에서는 본 발명에 따른 케이블 로봇을 이용한 건물 외벽 청소 및 도색 방법을 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 케이블 로봇을 이용한 건물 외벽 청소 및 도색 방법은 건물 외벽(S)에서 청소 또는 도색이 필요한 면적의 가장자리에 복수개의 윈치(10)를 설치하는 단계와, 복수개의 윈치(10)로 케이블(20)을 권취 또는 권출 시키면서 작업 모듈(30)을 건물 외벽(S) 전체에 걸쳐 이동시켜 1차 외벽 청소 또는 도색을 실시하는 단계와, 1차 외벽 청소 또는 도색을 실시하는 단계에서 건물 외벽(S)의 표면 굴곡으로 인하여 외벽 청소 또는 도색이 불완전하게 이루어진 부위를 체크하는 단계와, 체크하는 단계에서 불완전하게 이루어진 부위를 가상의 최단 경로 선으로 연결시키는 단계 및, 최단 경로 선을 따라 작업 모듈(30)을 이동시키면서 2차 외벽 청소 또는 도색을 실시하는 단계로 이루어진다.
윈치(10)의 설치는 앞서 설명된 바와 같이 청소 또는 도색이 필요한 면적의 가장자리에 설치한다.
제어부(미도시)는 청소 및 도색작업을 실시하기 위한 설정된 경로와, 설정된 경로로 이동하기 위한 각 케이블(20)의 길이와 장력, 작업 대상 면과 작업 모듈(30)의 거리를 명령 형태로 윈치(10)로 전송한다. 여기서 작업 모듈(30)의 위치에 따라 연결된 케이블(20)의 길이를 조절하기 위한 공식은 역기구학 공식과 힘 평형 공식으로 다음과 같이 계산되며, 그림으로 나타내면 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같다.
< 힘 평형 공식>
Figure 112018058852708-pat00001
Figure 112018058852708-pat00002
< 역기구학 공식>
Figure 112018058852708-pat00003
힘 평형 공식에서,
Figure 112018058852708-pat00004
/
Figure 112018058852708-pat00005
는 케이블(20)에 발생하는 장력 벡터를,
Figure 112018058852708-pat00006
는 외력 벡터를,
Figure 112018058852708-pat00007
는 외력으로 인해 발생하는 토크벡터를,
Figure 112018058852708-pat00008
는 케이블(20)의 길이 벡터를,
Figure 112018058852708-pat00009
는 작업모듈의 크기를 나타내는 벡터를 의미한다. 식 (1)은 케이블(20)에 발생하는 장력과 외력을, 식 (2)는 작업모듈 회전 시 발생하는 토크와 외력으로 인해 발생하는 토크를 포함한다. 위 두 식을 연립하면 작업모듈의 움직임에 따라 각 케이블(20)에 발생하는 이론적인 장력(식 (4))을 구해낼 수 있다.
역기구학 공식에서,
Figure 112018058852708-pat00010
는 상기 로봇이 고정되는 프레임의 벡터를,
Figure 112018058852708-pat00011
은 상기 로봇의 기준 좌표계로부터 작업모듈의 중심점까지의 벡터를,
Figure 112018058852708-pat00012
은 회전 행렬을,
Figure 112018058852708-pat00013
는 작업모듈의 크기를 나타내는 벡터를,
Figure 112018058852708-pat00014
는 케이블(20)의 길이를 나타낸다.
청소 또는 도색 작업은 크게 1차 단계와 2차 단계로 구분된다.
1차 단계에서는 도 7의 상부 두 개 도면의 순서로 진행된다. 이때 흡착 기구부의 도움 없이 1차 단계가 수행된다.
1차 외벽 청소는 흡착 기구부의 도움 없이 이루어지므로 신속하게 진행 가능하며, 청소 또는 도색이 필요한 면적 전체에 걸쳐 수행한다.
1차 외벽 청소가 끝나면 건물 외벽(S) 중 굴곡 부위에서는 청소 또는 도색이 고르게 진행되지 않는 부위가 발생될 수 있다. 이때 청소 또는 도색이 고르게 진행되지 않는 부위가 최단 거리로 연결되는 경로가 도출되어야 한다. 이 경로는 제어부를 통하여 작업자가 설정할 수 있다.
최단 거리로 연결되는 경로가 도출되면 그 경로를 따라 작업 모듈(30)을 이동시키면서 청소 또는 도색이 불완전한 지점에서 흡착 기구부를 가동시켜 도 7의 하부 두 도면의 순서대로 요철 부위까지 고르게 청소 또는 도색이 진행될 수 있게 작업을 진행한다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.
B : 건물 S : 건물 외벽
10 : 윈치 11 : 드럼
12 : 드럼 구동 모터 13 : 모터 드라이버
14 : 로드 셀 16a : 가이드 롤러
16b : 가변 롤러 17a : 구동 롤러
17b : 피동 롤러 18a : 전단 타이밍 풀리
18b : 후단 타이밍 풀리 19 : 벨트
20 : 케이블 30 : 작업 모듈
31 : 메인 프레임 35 : 작업기구
313 : 내부 프레임 321 : 서보모터
322 : 모터고정 프레임 323 : 운동 전환부재
324 : 슬라이딩 축 325 : 슬라이딩 부재
326 : 가이드 331 : 진공 튜브
332 : 진공펌프 및 콤프레셔 333 : 강성 관
334 : 흡착 판 335 : 스프링
341 : 카메라 342 : 거리 센서
3332 : 신축 관

Claims (16)

  1. 건물 외부에 설치되는 복수개의 윈치(10)와;
    상기 윈치(10) 사이에 설치되는 작업 모듈(30)과;
    상기 윈치(10)와 작업 모듈(30)을 연결시키며, 윈치(10)의 동작으로 길이가 조절됨으로써 작업 모듈(30)을 이동시키는 케이블(20); 및,
    윈치(10)와 작업 모듈(30)을 제어시키는 제어부;로 이루어지며,
    상기 작업 모듈(30)에는 건물 외벽(S)을 향하여 전진하거나 후퇴되며, 청소도구 또는 도색도구가 탑재되는 작업기구(35)가 설치되고,
    상기 작업 모듈(30)에는 작업기구(35) 주위에 설치되며, 건물 외벽(S)에 밀착되는 흡착 판(334)과, 흡착 판(334)과 건물 외벽(S) 사이의 공기를 제거시키는 진공펌프 및 콤프레셔(332)로 이루어지는 흡착 기구부가 설치되며,
    상기 흡착 판(334)은 작업기구(35)의 중심을 기준으로 작업기구(35) 주위에 방사상 대칭되게 복수개가 설치되고,
    상기 흡착 판(334)과 슬라이딩 부재(325)는 강성 재질로 제작된 강성 관(333)으로 연결되어 함께 전진 또는 후진되고, 강성 관(333)과 진공펌프 및 콤프레셔(332)는 진공 튜브(331)로 연결되되, 진공 튜브(331)와 강성 관(333)은 슬라이딩 부재(325) 내부에서 연결되는 것을 특징으로 하는 외벽청소 및 도색작업용 케이블 로봇.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 작업 모듈(30)에는 건물 외벽(S)을 향하여 길이방향이 배치되는 슬라이딩 축(324)과, 슬라이딩 축(324)을 따라 건물 외벽(S)을 향하여 전진 또는 후퇴하며 단부에 작업기구(35)가 탑재되는 슬라이딩 부재(325)로 이루어지는 슬라이딩 관절이 설치되는 것을 특징으로 하는 외벽청소 및 도색작업용 케이블 로봇.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 슬라이딩 부재(325)는 슬라이딩 축(324)의 길이방향을 따라 가변되고,
    상기 작업 모듈(30)에는 슬라이딩 부재(325)를 가변시키는 서보모터(321)가 설치되는 것을 특징으로 하는 외벽청소 및 도색작업용 케이블 로봇.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 서보모터(321) 및 서보모터(321)의 회전축은 슬라이딩 축(324)의 측면에 설치되고,
    서보모터(321)의 회전축과 슬라이딩 축(324)은 회전운동을 전 후진 운동으로 변환시키는 운동 전환부재(323)로 연결되는 것을 특징으로 하는 외벽청소 및 도색작업용 케이블 로봇.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 강성 관(333)의 말단과 흡착 판(334) 사이는 수축 및 신장이 가능한 신축 관(3332)로 연결되어, 진공펌프 및 콤프레셔(332)의 작동으로 흡착 판(334)이 건물 외벽(S)에 흡착되면서 신축 관(3332)가 수축되면, 강성 관(333)과 강성 관(333)에 고정 연결된 슬라이딩 부재(325)가 함께 건물 외벽(S) 방향으로 근접됨으로써, 작업기구(35)에 탑재된 청소도구 또는 도색도구가 건물 외벽(S)을 압착시키는 힘이 증가되는 것을 특징으로 하는 외벽청소 및 도색작업용 케이블 로봇.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 슬라이딩 부재(325)의 단부와 작업기구(35) 사이에는 압축 스프링(335)이 설치되어, 슬라이딩 부재(325) 단부와 건물 외벽(S) 간의 거리에 따라 작업기구(35)가 건물 외벽(S)을 압착시키는 힘의 조절이 가능하며, 강성 관(333)이 슬라이딩 부재(325)와 함께 건물 외벽(S)으로 근접되면서 신축 관(3332)를 수축시킨 상태에서 진공펌프 및 콤프레셔(332)가 작동됨으로써, 흡착 판(334)의 흡착력이 더욱 증가되는 것을 특징으로 하는 외벽청소 및 도색작업용 케이블 로봇.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 작업기구(35)에 탑재되는 청소도구 또는 도색도구는 유연한 부재로 제작되며,
    상기 작업 모듈(30)에는 작업기구(35)와 건물 외벽(S) 간의 거리를 측정하는 거리 센서(342)가 설치되어,
    거리 센서(342)의 측정치에 따라 슬라이딩 부재(325)가 작업기구(35)를 일정한 압력으로 건물 외벽(S)에 밀착시키고,
    거리 센서(342)의 측정 결과 건물 외벽(S)에 굴곡이 감지될 경우, 굴곡을 이루는 부위 중 작업기구(35)와의 거리가 가장 먼 부위를 기준으로 하여, 상기 가장 먼 부위와 작업기구(35) 간의 압력이 상기 일정한 압력이 되도록 슬라이딩 부재(325)가 작업기구(35)를 굴곡 부위에 밀착시키는 것을 특징으로 하는 외벽청소 및 도색작업용 케이블 로봇.
  11. 제2항에 있어서,
    상기 작업 모듈(30)에는 슬라이딩 관절을 지지하는 메인 프레임(31)이 설치되고, 메인 프레임(31) 내측에는 메인 프레임(31)에 고정 설치되는 내부 프레임(313)이 설치되며, 내부 프레임(313)에는 슬라이딩 부재(325)가 회전되지 않고 슬라이딩 축(324)을 따라 직선운동 하도록 안내하는 가이드(326)가 고정 설치되는 것을 특징으로 하는 외벽청소 및 도색작업용 케이블 로봇.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 가이드(326) 또는 슬라이딩 부재(325)의 외주면 중 어느 하나에는 슬라이딩 부재(325)의 길이방향을 따라 길게 제작되는 돌기가 형성되고,
    상기 가이드(326) 또는 슬라이딩 부재(325)의 외주면 중 나머지 하나에는 상기 돌기가 삽입될 수 있게 길게 제작되는 홈이 형성되어,
    슬라이딩 부재(325)의 운동 자유도가 건물 외벽(S)을 향하여 슬라이딩 가변되는 방향으로만 형성되는 것을 특징으로 하는 외벽청소 및 도색작업용 케이블로봇.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 작업 모듈(30)에는 렌즈가 건물 외벽(S)을 향하도록 카메라(341)가 설치되어, 상기 흡착 판(334)이 건물 외벽(S)으로부터 이격된 상태에서 건물 전체 외벽에 대한 고속 청소가 이루어진 이후에, 밀착 기구부로 건물 외벽(S)에 작업기구(35)를 밀착시켜 추가적인 강력 세척이 필요한 부위가 카메라(341)로 원격 판별이 가능한 것을 특징으로 하는 외벽청소 및 도색작업용 케이블 로봇.
  14. 제10항으로 이루어지는 케이블(20) 로봇을 이용한 건물 외벽(S) 청소 및 도색 방법으로서,
    건물 외벽(S)에서 청소 또는 도색이 필요한 면적의 가장자리에 복수개의 윈치(10)를 설치하는 단계;
    상기 복수개의 윈치(10)로 케이블(20)을 권취 또는 권출 시키면서 작업 모듈(30)을 건물 외벽(S) 전체에 걸쳐 이동시켜 1차 외벽 청소 또는 도색을 실시하는 단계;
    상기 1차 외벽 청소 또는 도색을 실시하는 단계에서 건물 외벽(S)의 표면 굴곡으로 인하여 외벽 청소 또는 도색이 불완전하게 이루어진 부위를 체크하는 단계;
    상기 체크하는 단계에서 불완전하게 이루어진 부위를 가상의 최단 경로 선으로 연결시키는 단계;
    상기 최단 경로 선을 따라 작업 모듈(30)을 이동시키면서 2차 외벽 청소 또는 도색을 실시하는 단계;로 이루어지는 케이블 로봇을 이용한 건물 외벽 청소 및 도색 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 1차 외벽 청소 또는 도색을 실시하는 단계와 체크하는 단계는 함께 이루어지는 것을 특징으로 하는 케이블 로봇을 이용한 건물 외벽 청소 및 도색 방법.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 1차 외벽 청소 또는 도색을 실시하는 단계에서는 청소도구 또는 도색도구를 슬라이딩 부재(325)로 건물 외벽(S)을 향하여 전진하여 밀착시켜 수행하고,
    상기 2차 외벽 청소 또는 도색을 실시하는 단계에서는 표면 굴곡 부위에 슬라이딩 부재(325)로 청소도구 또는 도색도구를 밀착시킨 다음, 진공펌프 및 콤프레셔(332)를 작동시켜 흡착 판(334)을 건물 외벽(S)에 흡착시키면서 흡착 판(334)과 연결된 신축관을 수축시켜, 청소도구 또는 도색도구가 표면 굴곡 부위에 밀착된 정도를 가압을 통하여 증가시키는 것을 특징으로 하는 케이블 로봇을 이용한 건물 외벽 청소 및 도색 방법.
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