KR102277074B1 - 로봇암을 구비하는 구난 작업 차량 - Google Patents

Abstract

재난현장에 작업자를 안전하게 이송할 수 있도록 하며, 재난현장에서 필요한 작업을 수행할 수 있도록 다양한 툴을 사용할 수 있는 로봇암을 구비하여, 구난활동을 효율적으로수행할 수 있도록 한 로봇암을 구비하는 구난 작업 차량에 관한 것이다.

Description

로봇암을 구비하는 구난 작업 차량{Rescue work vehicle including robot arm}

본 발명은 로봇암을 구비하는 구난 작업 차량에 관한 것으로, 특히 재난현장에 작업자를 안전하게 이송할 수 있도록 하며, 재난현장에서 필요한 작업을 수행할 수 있도록 다양한 툴을 사용할 수 있는 로봇암을 구비하여, 구난활동을 효율적으로수행할 수 있도록 한 로봇암을 구비하는 구난 작업 차량에 관한 것이다.

재난은 태풍, 홍수, 지진 등의 자연재해 및 산업 설비나 시설에서 발생하는 사고를 포함한다. 이러한 재난은 대형건물, 발전소, 공장과 같은 시설 또는 건축물의 화재, 붕괴, 침수와 같은 다양한 형태로 발생될 수 있으며, 일반적으로 복합적으로 발생되는 경우가 많다.

이와 같은 재난이 발생되면 인명 구조, 화재 진화, 복구를 위해 인력과 장비가 투입된다. 하지만, 재난상황이라는 특수한 환경 속에서 인명을 구하거나, 진화, 복구를 위해 인력이 투입되면 투입되는 인력들에게도 위험이 발생될 수 있으며, 경우에 따라서는 인력이 투입되기 어렵거나, 인력의 투입전에 재난 현장의 상태를 확인할 필요가 생긴다.

이를 위해, 최근에는 인력의 직접적인 투입이 어렵거나, 인력의 투입 전 재난 현장을 살피기 위해 로봇을 투입하여 선행 작업 또는 선행 탐사를 수행하고 있다. 때문에, 다양한 로봇들이 개발되어 이용되고 있다.

그러나, 로봇들의 기능적 한계, 예를 들어, 원격 조종시 신호단절이 발생하여 지속적인 작업이 곤란한 경우, 로봇의 작업 규모를 초과하는 작업 상황 발생과 같이 로봇이 처리할 수 없는 상황이 발생된다. 때문에, 이러한 경우 인력의 투입이 이루어져야 하지만, 재난 현장에 투입되는 인력들을 보호하면서, 구난 작업을 수행할 수 있는 장비가 부재하여 인력의 손실이 크게 발생하는 문제점이 있다.

대한민국 등록특허 제10-1589133호(등록일 2016년 01월 21일) 재난구조로봇을 이용한 재난구조 시스템

따라서, 본 발명의 목적은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 재난현장에 작업자를 안전하게 이송할 수 있도록 하며, 재난현장에서 필요한 작업을 수행할 수 있도록 다양한 툴을 사용할 수 있는 로봇암을 구비하여, 구난활동을 효율적으로수행할 수 있도록 한 로봇암을 구비하는 구난 작업 차량을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 고온환경의 재난현장에서도 안정적인 작업이 가능하도록 냉각기능을 구비하여, 고온에 의한 손상을 방지하도록 하는 로봇암을 구비하는 구난 작업 차량을 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 구난작업차량은 작업자의 탑승을 위한 탑승공간이 마련되고, 상기 탑승공간에 차량의 조작을 위한 조작장치가 마련되는 몸체; 상기 몸체에 결합되어, 상기 몸체를 이송시키기 위한 이송수단; 및 재난현장에서의 작업을 위해 상기 몸체 결합되고, 상기 작업자에 의해 조작되는 마스터암으로부터 조작명령에 따라 동작하며, 다자유도를 갖도록 구성되는 슬레이브 암;을 포함한다.

본 발명에 따른 로봇암을 구비하는 구난 작업 차량은 재난현장에 작업자를 안전하게 이송할 수 있도록 하며, 재난현장에서 필요한 작업을 수행할 수 있도록 다양한 툴을 사용할 수 있는 로봇암을 구비하여, 구난활동을 효율적으로 수행할 수 있다.

본 발명에 따른 로봇암을 구비하는 구난 작업 차량은 고온환경의 재난현장에서도 안정적인 작업이 가능하도록 냉각기능을 구비하여, 고온에 의한 손상을 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 로봇암을 구비하는 구난 작업 차량을 개략적으로 도시한 예시도.
도 2는 마스터암과 슬레이브암의 예시도.
도 3은 도 2에 도시된 슬레이브암의 동작영역과 마스터암의 지령영역을 예시한 도면.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 재난 구조 로봇 제어시스템의 블록 구성도.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 재난 구조 로봇 제어시스템의 제어방법을 단계별로 설명하는 흐름도.
도 6은 일 실시 예에 따른 냉각 기능을 갖는 슬레이브암을 개략적으로 도시한 예시도.
도 7은 냉각 기능을 갖는 슬레이브암의 블록 구성도.
도 8은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 냉각 기능을 갖는 로봇팔을 개략적으로 도시한 예시도.
도 9는 구난 작업 차량을 전방에서 바라본 사시도.
도 10은 슬레이브 암의 그리퍼와 작업용 툴을 확대한 도면.
도 11은 슬레이브 암이 툴을 그리핑하여 작업 할 때 유압튜브의 길이변화를 보여주는 예시도.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명하기로 한다. 첨부된 도면들에서 구성에 표기된 도면번호는 다른 도면에서도 동일한 구성을 표기할 때에 가능한 한 동일한 도면번호를 사용하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지의 기능 또는 공지의 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고 도면에 제시된 어떤 특징들은 설명의 용이함을 위해 확대 또는 축소 또는 단순화된 것이고, 도면 및 그 구성요소들이 반드시 적절한 비율로 도시되어 있지는 않다. 그러나 당업자라면 이러한 상세 사항들을 쉽게 이해할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 로봇암을 구비하는 구난 작업 차량을 개략적으로 도시한 예시도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 로봇암을 구비하는 구난 작업 차량은 재난현장에 투입되어 복구 및 구조 동작을 수행하는 구난 작업 차량(20), 이 재난 구조로봇(20)과의 통신을 통해 재난현장의 상황파악 및 작업을 관제하며, 필요에 따라 구난 작업 차량(20)을 원격 제어하는 관제서버(10)를 포함하여 구성된다.

구난 작업 차량(20)은 몸체와 몸체를 이동시키기 위해 마련되는 이동수단, 재난현장에서 구난 작업을 수행하기 위한 로봇암, 이동수단 및 로봇암에 동력을 공급하는 동력수단을 포함하여 구성된다.

구난 작업 차량(20)의 몸체에는 작업자가 탑승할 수 있도록 하고, 탑승한 작업자가 구난 작업 차량(20)을 조종할 수 있도록 하는 탑승공간이 마련된다. 탑승공간에는 구난 작업 차량(20)의 조작을 위한 조작장치, 관제서버(10)와의 통신을 수행하기 위한 통신장치, 재난현장을 모니터링하기 위한 모니터링 장치가 마련된다. 이러한 구난 작업 차량(20)은 내열 및 단열 재질로 제작되어 고온의 재난현장에서 작업자를 보호할 수 있게 구성된다.

또한, 구난 작업 차량(20)에는 작업을 위한 로봇암이 마련된다. 이 로봇암은 탑승공간에 마련되는 조작장치에 의해 조작되거나, 관제서버(10)에 연결되는 조작장치에 의해 원격제어되어 재난현장에서 작업을 수행한다. 이를 위해, 구난 작업 차량(20)의 로봇암은 다양한 툴을 교체할 수 있도록 마련되며, 고온환경에서 로봇암의 구동을 보장하기 위한 냉각수단이 마련된다. 이에 대해서는 하기에서 각각 다른 도면을 참조하여 좀 더 상세히 설명하기로 한다.

이 구난 작업 차량(20)은 내연기관 또는 배터리 및 모터와 같은 동력원에 의해 구동되는 바퀴, 무한궤도, 보행용 다리를 이동수단으로 구비할 수 있다. 바퀴, 무한궤도, 보행용 다리는 복수로 마련될 수 있으며, 이들을 혼용하여 구비할 수 있다.

관제서버(10)는 구난 작업 차량(20)과 무선 통신에 의해 원격으로 연결된다. 이 관제서버(10)는 통합관제차량(11) 또는 통제센터와 같이 구난 작업 차량(20)과 떨어진 원격지에 마련될 수 있다.

관제서버(10)는 구난 작업 차량(20)을 통해 수신되는 재난현장의 상황정보를 수집하여 다른 시스템에 전달하거나, 출력하여 관제 권한을 가진 사용자에게 제공한다.

또한, 관제서버(10)는 구난 작업 차량(20)이 차량에 승차한 작업자에 의한 조작이 불가능한 경우 원격지에서 구난 작업 차량(20)을 원격조작할 수 있게 마련된다. 이를 위해 관제서버(10)는 구난 작업 차량(20)의 조작을 위한 조정 장치가 마련될 수 있다.

도 2 및 도 3을 참조하여 마스터암과 슬레이브암의 구성을 상세하게 설명한다.

도 2는 마스터암과 슬레이브암의 예시도이고, 도 3은 도 2에 도시된 슬레이브암의 동작영역과 마스터암의 지령영역을 예시한 도면이다.

도 3의 (a)에는 슬레이브암의 동작영역이 도시되어 있고, 도 3의 (b)에는 마스터암의 지령영역이 도시되어 있다.

본 실시 예에서 구난 작업 차량(20)에는 재난 환경에서 복구 및 구조 활동을 수행하기 위한 로봇암(이하 '슬레이브암'이라 함)(40)이 마련되고, 구난 작업 차량(20)의 내부에 마련되는 탑승공간(21)이나 통합관제차량(11) 또는 관제센터에는 구난 작업 차량(20)에 마련되는 슬레이브암(40)의 동작을 제어하기 위한 원격조종장치(이하 '마스터암'이라 함)(45)이 마련된다.

기본적으로, 작업자가 마스터암(45)을 조작하면, 마스터암(45)의 동작에 연동해서 슬레이브암(40)의 위치가 마스터암(45)의 위치로 대응되도록 동작한다.

마스터암(45)에 의해 생성되는 위치 지령의 영역(이하 '지령영역'이라 함)과 슬레이브암(40)의 동작영역(work space)은 좌우 방향, 전후 방향, 상하 방향으로 이동 및 회전 동작하는 전체 영역을 모두 포함할 수 있다. 하에서는 '좌측', '우측', '전방', '후방', '상방' 및 '하방'과 같은 방향을 지시하는 용어들은 각 도면에 도시된 상태를 기준으로 각각의 방향을 지시하는 것으로 정의한다.

마스터암(45)에 의해 생성되는 위치 지령의 영역(이하 '지령영역'이라 함)과 슬레이브암(40)의 동작 가능한 영역(이하 '동작영역'이라 함)은 슬레이브암의 각 관절에 대한 공간(이하 '관절공간'(joint space)이라 함)에서도 표현될 수 있으며,슬레이브암 끝단의 위치 및 방향에 대한 공간(이하 '작업공간'(task space)이라 함)에서도 표현될 수 있다.

즉, 마스터암(45)의 위치는 상기 관절공간에서 슬레이브암(40)의 관절 위치 벡터 θ_s에 각 관절별로 대응하여 조작하기 위한 마스터암(45)의 관절 위치 벡터 θ_m일 수 있다. 이때, 슬레이브암(40)의 각 관절 위치는 마스터암(40)의 각 관절 위치를 추종하도록 제어되고, 슬레이브암(40)의 동작영역은 관절공간에서 θ_simin<θ_si<θ_simax (i=1, 2, 3, …)와 같이 표현될 수 있다.

또는, 마스터암(45)의 위치는 상기 작업공간에서 슬레이브암(40)의 끝단 위치 x_s에 대응하여 조작하기 위한 마스터암(45)의 끝단 위치 x_m일 수 있다. 여기서, 마스터암(45)의 끝단위치 x_m은 마스터암(45)의 관절 위치 벡터 θ_m 에 대한 함수 x_m=f_m(θ_m)로 표현될 수 있는 마스터암(45) 끝단의 위치 및 방향 벡터를 의미한다. 그리고 슬레이브암(40)의 끝단 위치 x_s는 슬레이브암(40)의 관절 위치 벡터 θ_s에 대한 함수 x_s=f_s(θ_s)로 표현될 수 있는 슬레이브암(45) 끝단의 위치 및 방향 벡터를 의미한다. 이때, 슬레이브암(40)의 끝단 위치 x_s는 마스터암(45)의 끝단 위치 x_m에 의해 생성되는 지령을 추종하도록 제어되며, 슬레이브암(45)의 동작영역은 작업공간에서 x_simin<x_si<x_simax (i=1, 2, 3, …)이다.

여기서, 마스터암(45)과 슬레이브암(40)의 물리적인 형상 및 크기가 상이하고, 각 암에 마련된 각 축의 동작영역이 상이함에 따라, 마스터암(45)의 지령영역과 슬레이브암(40)의 동작영역은 대부분 일치하지 않는다. 즉, 마스터암(45)의 지령영역과 슬레이브암(40)의 동작영역이 서로 불일치하는 경우가 발생한다.

예를 들어, 관절공간에서 도 3의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이, 마스터암(45)의 지령영역(B)이 슬레이브암(40)의 동작영역(A)에 비해 큰 경우, 마스터암(45)을 조작하는 조작자는 슬레이브암(40)이 도달 불가능한 영역으로 동작하도록 마스터암(45)을 조작할 수 있다.

도 3은 관절공간에 대응하여 조작하는 경우에는 하나의 관절에 대한 영역을 예시한 것이고, 작업공간에 대응하여 조작될 경우에는 3차원 공간에서의 3자유도 위치 및 3자유도 방향 중 어느 한 자유도의 위치 또는 방향에 대한 영역을 예시한 것이다.

즉, 본 발명은 도 3을 참조하여 관절공간에 대한 마스터암의 지령영역과 슬레이브암의 동작영역에 대해 설명할 수도 있고, 작업공간에서 마스터암의 지령영역과 슬레이브암의 동작영역에 대해 설명할 수도 있다.

이와 같이 슬레이브암(40)의 도달 불가능한 영역으로 마스터암(45)을 조작하는 경우, 마스터암(45)의 지령에 의해 슬레이브암(40)이 도달하지 못하게 되어 마스터암(45)과 슬레이브암(40)의 동작 불일치로 인해 제어적으로 모순이 발생할 수 있으며, 작업자의 조작성이 저하될 뿐만 아니라, 슬레이브암(40)이 파손될 수 있다.

따라서 본 발명은 도 3에 도시된 바와 같이, 마스터암(45)의 지령영역(B)을 슬레이브암(40)의 동작영역(A)에 대응되는 영역(A')을 벗어나는 양측의 영역을 마스터암(45)을 동작하지 않도록 제한하는 제한영역(E)으로 설정한다.

그리고 본 발명은 슬레이브암(40)의 전체 동작영역(A)에 대응되는 영역(A')을 경계 내부의 안전구간(C)과 경계에 인접한 경계구간(D1,D2)으로 구분하고, 경계구간(D1,D2)에서 마스터암(45)의 동작을 제한하는 반력을 제공한다.

예를 들어, 안전구간(C)은 슬레이브암(40)의 전체 동작영역(A) 중에서 약 60% 내지 90%로 설정되고, 양측의 경계구간(D1,D2)은 각각 슬레이브암(40)의 전체 동작영역(A) 중에서 약 5% 내지 20%로 설정될 수 있다.

물론, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 슬레이브암(40) 및 마스터암(45)의 길이, 전체 동작영역의 크기, 회전가능 각도 등 다양한 조건에 따라 안전구간(C)과 경계구간(D1,D2)을 설정하도록 변경될 수 있다.

다음, 도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 재난 구조 로봇 제어시스템의 블록 구성도이다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 재난 구조 로봇 제어시스템(10)은 도 4에 도시된 바와 같이, 재난 구조 로봇(20)에 설치되고 재난 환경에서 복구 및 구조 동작을 수행하는 슬레이브암(40), 작업자의 조작명령을 입력받는 마스터암(45), 마스터암(45)의 동작에 연동해서 슬레이브암(40)의 동작을 제어하는 제어부(60) 및 마스터암(45)의 지령이 슬레이브암(40)의 동작영역 내부에서 발생하도록, 슬레이브암(40)의 동작영역을 기준으로 마스터암(45)의 동작을 제한하는 동작 제한부(70)를 포함한다.

그래서 슬레이브암(40)은 재난 구조 로봇(20)에 마련되고, 마스터암(40)은 재난 구조 로봇(20)의 탑승공간(21) 또는 별도의 원격지에 위치한 통합관제차량(11)나 관제센터와 같은 곳에 설치될 수도 있다.

슬레이브암(40)은 재난 환경에서 복수의 관절을 이용해서 진입로 확보, 잔해물 제거와 같은 복구 작업 및 인명 구조 동작의 수행이 가능하도록 다자유도를 갖는 로봇팔로 마련될 수 있다.

마스터암(45)은 슬레이브암(40) 및 슬레이브암(40)이 설치된 재난 구조 로봇(20)을 동작시키기 위한 조작명령을 입력받는 원격조종장치로서, 슬레이브암(40)에 대응되는 복수의 관절을 이용해서 다자유도를 갖도록 구성될 수 있다.

이러한 마스터암(45)에는 각 관절의 각도 및 위치 변화를 감지하는 복수의 감지센서(51)가 설치되고, 각 감지센서(51)에서 출력되는 감지신호는 제어부(60)로 전달된다.

그래서 제어부(60)는 각 감지센서(51)의 감지신호에 기초해서 마스터암(45)의 끝단 위치를 산출하고, 산출된 위치에 대응되는 위치로 슬레이브암(40)을 이동하도록 동작시키는 제어신호를 발생한다.

상세하게 설명하면, 제어부(60)는 도 3에 도시된 바와 같이, 마스터암(45)의 지령영역(B)을 슬레이브암(40)의 동작영역(A)에 대응되도록 제한한다.

따라서, 마스터암(45)의 지령영역(B)이 슬레이브암(40)의 동작영역(A)에 비해 크더라도, 마스터암(45)은 슬레이브암(40)의 동작영역(A)에 대응되는 영역에서만 동작할 수 있다.

제어부(60)는 슬레이브암(40)의 전체 동작영역(A)에서 중심점의 양측으로 일정 구간을 설정한 안전구간(C)과 안전구간(C) 양측의 경계구간(D1,D2)으로 구분해서 경계구간(D1,D2)에서 마스터암(45)의 동작을 제한하는 반력을 제공하도록 제어할 수 있다.

여기서, 안전구간(C)의 좌측과 우측에 설정된 각 경계구간(D1,D2)에서 작용하는 반력(F)은 아래의 수학식 1과 수학식 2와 같이 정의될 수 있다.

[수학식 1]

[수학식 2]

여기서, x_b- 와 x_b+ 는 각각 작업공간에서 표현된 안전구간(C)의 하한 및 상한 위치에 해당한다. k_(x) 는 경계구간(D1,D2)에서의 스프링 계수를 작업공간에 대한 함수로 표현한 것으로, 안전구간(C)에서는 k_(x)=0으로 설정할 수 있다. 또한, b_(x) 는 제어 안정성을 위한 마찰 계수를 작업공간에 대한 함수로 표현한 것이다.

수학식 1 및 수학식 2와 같이 반력을 계산하여 마스터암(45)에 인가하면, 경계구간(D1,D2)에서 마스터암(45)은 수학식 3 및 수학식 4와 같은 임피던스 거동을 보인다.

[수학식 3]

[수학식 4]

여기서, m_(x) 는 마스터암(45)이 가진 고유의 관성을 작업공간에서 표현한 것이며, F_ext 는 작업자에 의해 마스터암(45)에 가해지는 작업공간 상의 외력을 의미한다.

만약, 안전구간(C)에서 k_(x)=0 으로 설정되어 있다면, 마스터암(45)이 안전구간(C)에 있을 때 스프링 반력이 제외된 수학식 5와 같은 임피던스 거동을 보이게 된다.

[수학식5]

그리고 안전구간(D1,D2)의 좌측과 우측에 설정된 각 경계구간(D1,D2)에서 마스터암(45)에 작용하는 반력(T)을 관절공간에서 아래의 수학식 6과 수학식 7과 같이 인가할 수 있다.

[수학식 6]

[수학식 7]

여기서, θ_b-와 θ_b+는 각각 관절공간에서 표현된 안전구간(C)의 하한 및 상한 위치에 해당하며, k_(x) 는 경계구간(D1,D2)에서의 스프링 계수를 관절공간에 대한 함수로 표현한 것으로, 안전구간(C)에서는 k_(θ)=0으로 설정할 수 있다. 또한, b_(θ)는 제어 안정성을 위한 마찰 계수를 관절공간에 대한 함수로 표현한 것이다.

수학식 6 및 수학식 7과 같이 반력을 계산하여 마스터암(45)에 인가하면, 경계구간(D1,D2)에서 마스터암(45)은 수학식 8 및 수학식 9와 같은 임피던스 거동을 보인다.

[수학식8]

[수학식9]

여기서, m_(x) 는 마스터암(45)이 가진 고유의 관성을 관절공간에서 표현한 것이며, T_ext 는 작업자에 의해 마스터암(45)에 가해지는 관절공간 상의 외력을 의미한다.

만약, 안전구간(C)에서 k_(θ)=0 으로 설정되어 있다면, 마스터암(45)이 안전구간(C)에 있을 때 스프링 반력이 제외된 수학식 10과 같은 임피던스 거동을 보이게 된다.

[수학식10]

이와 같이, 경계구간(D1,D2)에서 마스터암(45)에 작용하는 반력은 마스터암(45)과 안전구간(40)의 거리에 따라 동작 제한부(70)에 작용하는 임피던스 기반 수학식으로 발생될 수 있으며, 이때 임피던스는 마스터암(45)의 위치에 따라 계수가 변동되는 가변 임피던스 형태를 가질 수 있다.

상기 수학식 1, 수학식 2, 수학식 6, 수학식 7과 같이, 경계구간(D1,D2)에서 마스터암(45)에 작용하는 스프링 반력은 안전구간(C)에 가까워질수록 작아지고, 안전구간(C)에서 멀어질수록, 즉 경계구간(D1,D2)의 양단으로 갈수록 커진다. 그래서 마스터암(45)에 작용하는 스프링 반력은 경계구간(D1,D2)의 한계점에 도달하면 최대가 된다.

이러한 제어부(60)는 재난 구조 로봇(20)에 마련된 각 장치의 구동을 제어하는 중앙제어유닛으로 마련될 수 있다.

물론, 제어부(60)는 무인 로봇을 원격으로 조정하는 경우에는 원격지에 위치한 통합관제차량(11) 등에 마련될 수도 있다.

동작 제한부(70)는 마스터암(45)의 지령영역을 슬레이브암(40)의 동작영역에 대응되도록 제한하고, 마스터암(45)의 지령영역 양측의 경계구간(D1,D2)에서 마스터암(45)에 반력을 제공한다.

예를 들어, 동작 제한부(70)는 제어부(60)의 제어신호에 따라 구동되어 구동력을 발생하는 구동모터(71)와 구동모터(71)에서 발생한 구동력을 마스터암(45)에 전달하는 전달유닛(72)을 포함할 수 있다.

이와 함께, 동작 제한부(70)는 마스터암(45)과 안전구간(40) 사이의 거리에 따라 구동모터(71)에 의해 발생하는 반력의 크기를 가변 임피던스 기반으로 조절하는 임피던스 조절부(73)를 더 포함할 수 있다. 따라서 구동모터(71)에서 발생하는 구동력은 경계구간에서 마스터암(45)과 안전구간(C) 사이의 거리에 따라 가변되는 임피던스에 따라 조절된다.

전달유닛(72)은 복수의 기어와 풀리, 체인이나 벨트 등으로 구성될 수 있다.

이와 같이, 본 발명은 슬레이브암과 마스터암의 지령영역이 서로 불일치하는 경우, 슬레이브암의 동작영역에 기초해서 마스터암의 지령영역을 제한한다.

특히, 본 발명은 마스터암의 지령영역이 슬레이브암의 동작영역보다 큰 경우, 마스터암의 지령영역을 슬레이브암의 동작영역에 대응되도록 제한하고, 제한된 동작영역 중앙의 안전구간과 안전구간 양측의 경계구간으로 구분해서 경계구간에서 마스터암에 동작을 제한하는 반력을 제공한다.

다음, 도 5를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 재난 구조 로봇 제어시스템의 제어방법을 상세하게 설명한다.

도 5는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 재난 구조 로봇 제어시스템의 제어방법을 단계별로 설명하는 흐름도이다.

도 5의 S10단계에서 재난 구조 로봇(20)에 전원이 공급되면, 재난 구조 로봇(20)에 마련된 제어부(60)는 각 장치를 초기화하고, 복구 및 구조 활동을 수행하도록 각 장치를 구동한다(S12).

S14단계에서 제어부(60)는 조작자로부터 마스터암(45)에 가해지는 조작을 통해 조작 명령을 입력받는다.

그래서 마스터암(45)에 설치된 복수의 감지센서(51)는 마스터암(40)에 마련된 각 관절의 각도 및 위치 변화를 감지하고, 각 감지센서(51)에서 출력되는 감지신호는 제어부(60)로 전달된다.

제어부(60)는 각 감지센서(51)의 감지신호에 기초해서 마스터암(45)의 끝단 위치를 산출하고, 산출된 위치에 대응되는 위치로 슬레이브암(40)을 이동하도록 동작시키는 제어신호를 발생한다.

이때, 제어부(60)는 마스터암(45)의 끝단 위치가 슬레이브암(40)의 동작영역(A) 중에서 안전구간(C)을 벗어나 경계구간(D1,D2)에 배치된 상태이면, 마스터암(45)의 동작을 제한하는 반력을 제공하도록 동작 제한부(70)의 구동을 제어한다.

상세하게 설명하면, S16단계에서 마스터암(45)의 끝단 위치가 안전구간(C)에 해당하는지를 검사한다.

만약, S16단계의 검사결과 마스터암(45)의 끝단 위치가 안전구간(C)을 벗어나 경계구간(D1,D2)에 해당하면, 동작 제한부(70)는 마스터암(45)과 안전구간(40) 사이의 거리에 따라 마스터암(45)에 반력을 제공한다(S18).

이때, 동작 제한부(70)에 마련된 임피던스 조절부(73)는 임피던스를 가변해서 구동모터(71)에 의해 발생하는 반력의 크기를 조절한다.

이에 따라, 본 발명은 슬레이브암과 마스터암의 지령영역이 서로 불일치하더라고, 슬레이브암의 동작 영역 외부에서 마스터암의 지령이 발생하지 않도록 제한할 수 있다.

한편, S16단계의 검사결과 마스터암(45)의 끝단 위치가 안전구간(C)에 해당하거나, S18단계에서 마스터암(45)에 반력을 제공한 후, 제어부(60)는 마스터암(45)의 끝단 위치에 대응되는 위치로 슬레이브암(40)을 동작시키도록 제어한다.

이와 같은 과정을 통해, 슬레이브암(40)은 재난 환경에서 진입로 확보, 잔해물 제거와 같은 다양한 방식의 복구 및 구조 동작을 수행할 수 있다(S22).

S24단계에서 제어부(60)는 재난 구조 로봇(20)에 전원 공급이 중지되는지를 검사하고, 전원 공급이 중지될 때까지 S14단계 내지 S24단계를 반복하여 복구 및 구조 동작을 수행하도록 제어한다.

한편, S24단계의 검사결과 전원 공급이 중지되면, 제어부(60)는 재난 구조 로봇(20)에 마련된 각 장치의 구동을 중지하고 종료한다.

상기한 바와 같은 과정을 통하여, 본 발명은 마스터암에 가해지는 조작에 기초해서 슬레이브암을 동작시켜 재난 환경에서 복구 및 구조 동작을 수행할 수 있다.

그리고 본 발명은 슬레이브암의 동작영역과 마스터암의 지령영역이 서로 불일치하더라도 마스터암의 지령이 슬레이브암의 동작영역 외부에 생성되지 않도록 제한할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 마스터암의 지령이 슬레이브암의 동작영역 경계 부근에 있을 때 마스터암에 반력을 발생시킴으로써, 마스터암의 지령을 경계 안쪽으로 자연스럽게 제한할 수 있다.

이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.

상기의 실시 예에서는 마스터암이 슬레이브암의 동작영역 중 경계구간 대응되면, 동작 제한부를 이용해서 반력을 제공하고, 경계구간을 벗어나면 마스터암의 동작을 제한하는 것으로 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

즉, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 재난 구조 로봇 제어시스템에서, 제어부(60)는 마스터암(45)이 슬레이브암(40)의 동작영역을 벗어나는 경우, 슬레이브암(40)의 동작영역을 벗어난 마스터암(45)의 동작을 무시하고, 슬레이브암(40)이 동작 가능한 영역에서만 동작하도록 제어할 수 있다.

이를 위해, 제어부(60)는 마스터암(45)의 동작에 대해 최소자승법(method of least squares)을 기반으로 슬레이브암(40)의 동작 궤적을 생성하고, 생성된 동작 궤적에 따라 슬레이브암(40)을 동작영역 내에서 동작시키도록 제어할 수 있다.

한편, 본 발명의 슬레이브암은 고온환경에서 작업을 할 수 있도록 냉각 기능이 제공된다.

도 6은 일 실시 예에 따른 냉각 기능을 갖는 슬레이브암을 개략적으로 도시한 예시도이다. 그리고, 도 7은 냉각 기능을 갖는 슬레이브암의 블록 구성도이다.

도 6 및 도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 구난 작업 차량에 마련되는 슬레이브암(40)은 암 프레임(110), 외피(120), 센서부(130), 제어부(140) 및 냉각부(150)를 포함하여 구성된다.

암 프레임(110)은 로봇의 일측에 구비되어 화재와 같은 고온의 재난환경속에서 인명구조를 위해 사용된다. 즉, 암 프레임(110)은 원격으로 조종하며 작업을 할 수 있고 대상물을 직접 움켜잡거나 푸는 집게부(111), 로봇팔이 수평 수직으로 힌지 회동하도록 하는 중간부(112) 및 로봇팔이 로봇본체(미도시)에 구비된 조종부(미도시)에 연결되도록 하는 몸통부(113)를 포함하여 구성된다. 이러한 암 프레임(110)은 통상적인 로봇팔과 동일한 구성을 가질 수 있는 것이고, 해당 분야의 기술자가 쉽게 구현할 수 있으며, 본 발명에서 설명하고자 하는 대상은 아니므로, 상세한 설명은 생략하기로 한다.

외피(120)는 분리수단(미도시)을 이용하여 암 프레임(110)과 일정 거리 분리된 상태로 암 프레임(110)을 감싼다. 여기서, 분리수단은 도면에는 도시되어 있지 않으나, 암 프레임(110)의 외면 일측에 복수개 구비될 수 있고, 일단이 외피(120)의 내측 면을, 타단이 암 프레임(110)의 외면 일측을 각각 지지하도록 구성되어 외피(120)와 암 프레임(110)을 분리시키는 역할을 한다. 예컨대, 분리수단은 'I' 형태의 고정바로 이루어질 수 있다. 이러한 분리수단의 설치 위치는 암 프레임(110)이 외피(120)의 내측에서 원활하게 움직일 수 있도록 하는 위치에 설치되는 것이 바람직하다.

한편, 분리 수단은 'I' 형태의 고정바로 이루어질 수 있으나, 이는 설명의 편의를 위한 일례일 뿐, 외피(120)와 암 프레임(110)을 일정간격 이격 되도록 하기위한 구성이면 어떠한 구성을 적용하던 문제가 되지 않는다.

상기 외피(120)는 유연성이 우수한 단열재로 이루어짐에 따라, 화재와 같은 고온의 재난 환경 또는 작업환경에서 암 프레임(110)에 열기가 침입하지 못하도록 하는 역할을 한다. 다시 말해, 외피(120)는 암 프레임(110)의 온도상승을 억제하는 역할을 한다.

이때, 외피(120)는 내부의 암 프레임(110)이 무리 없이 재난 구조작업을 수행할 수 있도록 형성되는 것이 바람직하다. 이를 위해, 도면에는 자세하게 도시되어 있지 않으나, 외피(120)는 수평 수직으로 힌지 회동되는 암 프레임(110)의 관절부분이 자바라 형태로 이루어질 수 있다. 그러나 이는 일례일 뿐, 암 프레임(110)이 외피(120) 내에서 원활하게 움직일 수 있는 구성이면 어떠한 구성이던 문제가 되지 않는다.

한편, 도면에는 외피(120)가 암 프레임(110)을 전부 감싸는 것으로 도시되어 있으나, 이는 설명의 편의를 위한 일례일 뿐이다. 즉, 외피(120)의 일단은 암 프레임(110)의 끝단에 구비된 집게부(111)와 대응되는 형상으로 형성되어 집게부(111)가 원활하게 움직일 수 있도록 형성되는 것이 바람직하다.

센서부(130)는 암 프레임(110) 또는 외피(120)에 복수 개 설치되어 암 프레임(110)의 온도를 측정하여 센싱값을 작성하고, 작성한 센싱값을 제어부(140)에 전달한다. 이를 위해, 센서부(130)는 암 프레임(110)의 온도를 측정하기 위한 온도센서로 정의될 수 있고, 암 프레임(110)의 외면 또는 외피(120)의 내측면에 복수 개 설치될 수 있다.

한편, 센서부(130)는 온도센서에 한정되지 않는다. 즉, 센서부(130)에 구성되는 센서는 복수로 구성되어 전방에 장애물을 감지하기 위한 근접센서, 환경상황 및 정보 수집 기능을 위한 센서로 구성되거나, 이를 더 포함하도록 구성될 수 있다. 그러나, 본 발명에서는 온도센서로 가정하여 설명한다.

제어부(140)는 센서부(130)로부터 상기 센싱값을 전달받아 미리 저장된 설정값과 비교하고, 상기 센싱값이 상기 설정값보다 높다고 판단되면 냉각제어신호를 출력한다. 좀 더 구체적으로 제어부(140)는 도면에는 자세하게 도시되어 있지 않으나, 암 프레임(110) 또는 로봇본체(미도시)에 내장될 수 있고, 센서부(130)에서 측정된 감지결과를 이용하여 냉각여부를 결정하거나, 냉각 정도를 결정하고, 냉각부(150)의 냉각수행을 제어하게 된다.

이러한 제어부(140)는 상기 센싱값을 전달받아 저장하거나, 상기 설정값이 미리 저장되는 저장부(141)를 포함하고, 상기 센싱값과 상기 설정값을 비교하여 냉각제어신호를 출력하기 위한 비교부(142) 및 출력부(143)를 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 제어부(140)는 통신부(144)를 포함하여 구섬됨에 따라 센서부(130) 및 냉각부(150)와 통신 가능하게 연결되는 것이 바람직하다.

한편, 제어부(140)에 미리 저장된 설정값은 상기 센싱값과 비교하여 유압식 슬레이브암(40)의 온도가 저온인지 고온인지 즉, 냉각을 수행해야하는 온도인지 아닌지를 판단하기 위한 비교값 또는 기준값으로 정의할 수 있다.

예를 들어, 상기 설정값이 60℃이고, 상기 센서부(130)에서 측정된 센싱값 즉, 암 프레임(110)의 온도가 200℃인 경우, 상기 제어부(140)는 상기 설정값(60℃)과 상기 센싱값(200℃)을 비교하여 상기 센싱값이 상기 설정값 이하를 충족하도록 냉각부(150)의 냉각수행을 제어 하는 것이다.

또한, 제어부(140)는 외부단말(미도시)을 통해 냉각부(150)의 냉각수단을 선택하기 위한 모니터링 신호를 생성할 수 있다. 이러한 모니터링 신호는 센서부(130)의 센싱값을 포함할 수 있고, 통신부(144)를 통해 제어부(140)에서 외부단말(미도시)로 전달된다.

이때, 통신부(144)는 원거리 통신 모듈인 LORA 및 근거리 통신 모듈인 WIFI, 블루투스를 사용하여 외부단말(미도시)과 연결되고, 모니터링 신호를 송신하는 것이 바람직하다.

한편, 외부단말(미도시)은 통신부(144)로부터 모니터링 신호를 수신하여 센서부(130)의 센싱값을 이미지나 그래프 또는 영상으로 출력하거나, 스피커를 통하여 소리 등으로 출력하는 등 다양한 방식으로 출력한다. 이러한 외부단말(미도시)은 PC 또는 스마트폰을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.

따라서, 본 발명에 따른 냉각 기능을 갖는 슬레이브암(40)은 암 프레임(110)에서 센싱된 온도 데이터를 외부단말(미도시)을 통해 실시간 모니터링 하고, 상승되는 온도에 대하여 냉각부(150)가 적절한 냉각수단을 사용할 수 있도록 함에 따라, 냉각 에너지를 저감시킬 수 있다.

냉각부(150)는 제어부(140)의 냉각제어신호에 따라 냉각수단을 이용하여 외피(120)의 내부에 있는 암 프레임(110)의 온도를 제어부(140)에 미리 저장된 설정값보다 낮은 온도로 냉각시키는 역할을 한다. 여기서, 냉각수단은 냉각공기, 냉각수 및 급속 냉각제 중 적어도 하나일 수 있다.

냉각부(150)는 도면에는 자세하게 도시되어 있지 않으나, 하우징 형태로 형성되고 외피(120)에 내장되어 한쪽에서 다른 쪽 방향으로 냉각공기, 냉각수 및 급속 냉각제 중 적어도 하나를 공급하도록 구성될 수 있다.

좀 더 구체적으로, 냉각부(150)는 냉각공기, 냉각수 및 급속 냉각제 중 적어도 하나를 공급하는 냉각 공급부(151)가 구비되는 것이 바람직하다. 여기서 냉각 공급부(151)는 제어부(140)의 냉각제어신호에 따라 미리 설정된 양의 냉각공기, 냉각수 및 급속 냉각제 중 적어도 하나를 공급하는 역할을 한다.

한편, 냉각부(150)는 냉각 공급부(151)뿐만 아니라, 냉각공기, 냉각수 및 급속 냉각제 중 적어도 하나를 설정된 양으로 저장하는 냉각수단 저장부(152)와, 냉각수단 저장부(152)에 저장되어 있는 냉각공기, 냉각수 및 급속 냉각제 중 적어도 하나를 배출하기 위한 구동부(153)와, 상기 구동부(153)에 의해 배출되는 상기 냉각공기, 냉각수 및 급속 냉각제 중 적어도 하나를 외피 내측에 비산시켜 공급하는 비산형 노즐(154)로 구성될 수 있다.

반면, 냉각부(150)가 냉각공기, 냉각수 및 급속 냉각제 중 적어도 하나를 비산 시키는 것으로 설명하였지만, 이로써 본 발명을 한정하는 것은 아니다.

즉, 실시 예에 따라서는 상기 비산형 노즐(154) 대신에 암 프레임(110)의 외측면에 유연한 재질로 형성된 관로(154a, 154b, 도 3 참조)를 설치하여 냉각공기, 냉각수 및 급속 냉각제 중 적어도 하나를 비산시키는 방식으로 구성함에 따라, 암 프레임(110)을 냉각할 수도 있다. 이에 대한 설명은 하기에서 다른 도면과 다른 실시 예를 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

한편, 냉각부(150)는 센서부(130)에서 작성된 센싱값에 따라 냉각수단의 냉각량을 조절하는 조절부(155))를 더 포함할 수 있다. 여기서, 조절부(155)는 비산형 노즐(154) 또는 관로(154a, 154b, 도 3참조) 상에 설치되는 솔레노이드 밸브로 이루어질 수 있다. 이때, 제어부(140)는 센서부(130)에서 작성된 센싱값을 기초로 조절부(155)를 제어하는 것이다. 다시 말해, 조절부(155)는 제어부(140)의 개폐제어에 따라 개폐되어 상기 냉각수단이 외피(120) 내측으로 공급되는 냉각량을 조절한다.

따라서, 냉각부(150)는 외피(120) 내측으로 상기 냉각수단을 공급하여 암 프레임(110)을 냉각시킴으로써, 고온의 작업 환경에서도 암 프레임(110)이 정상적으로 동작할 수 있도록 한다.

한편, 냉각부(150)는 상기와 같이 냉각공기, 냉각수 및 급속 냉각제 중 적어도 하나를 사용하여 암 프레임(110)을 계속해서 냉각시키도록 구성할 수도 있지만, 센서부(130)에서 측정된 센싱값을 이용하여 암 프레임(110)의 온도상태에 대응될 때에만 구동되도록 구성할 수도 있다. 즉, 고온, 중온 및 저온 상태에 따라 최적의 냉각 방식을 선택함으로써 냉각에너지의 소비를 저감할 수 있다.

보다 구체적으로 설명하면, 외피(120)의 내측이나 암 프레임(110)에 복수 개 설치된 센서부(130)가 외피(120) 내측에 침투되는 외부 열기 즉, 암 프레임(110)의 온도를 실시간으로 측정하여 센싱값을 작성하게 되면, 제어부(140)가 이를 이용하여 암 프레임(110)의 상태를 고온상태, 중온상태 및 저온상태 중 어느 하나로 판단하고, 판단상태에 대응되는 냉각제어신호를 출력하게 된다.

이때, 저온상태는 60℃~200℃일 수 있고, 중온상태는 저온상태보다 온도가 높은 200℃~400℃일 수 있으며, 고온상태는 중온상태보다 높은 온도일 수 있다. 그러나 이는 설명의 편의를 위한 일례일 뿐, 제시된 바에 의해 본 발명을 한정하는 것은 아니다.

냉각부(150)는 제어부(140)의 냉각제어신호에 따라 냉각공기, 냉각수 및 급속 냉각제를 하나 또는 복수 개 선택하여 선택적으로 사용하게 된다.

일례로, 제어부(140)에서 암 프레임(110)의 온도가 저온상태라고 판단한 경우, 냉각부(150)는 제어부(140)의 냉각제어신호에 따라, 1차적으로 냉각공기만을 외피(120) 내부에 공급시킨다. 여기서, 냉각부(150)가 냉각공기만을 외피(120) 내부에 공급시키는 방식은 상기와 같이 비산형 노즐(154) 또는 관로(154a, 154b, 도 3참조)를 통한 비산방식을 적용할 수 있다.

이후, 제어부(140)에서 암 프레임(110)의 온도가 중온상태 즉, 1차 공기 냉각의 범위를 상회한다고 판단한 경우, 냉각부(150)는 제어부(140)의 제어에 따라 냉각공기와 더불어 냉각수를 외피(120) 내부에 더 공급시킨다. 이를 위해, 제어부(140)에는 암 프레임(110)의 온도가 중온상태인지 판단하기 위한 즉, 1차 공기 냉각의 범위를 상회하는 것을 판단하기 위한 비교값이 미리 저장되는 것이 바람직하다.

한편, 제어부(140)에서 암 프레임(110)의 온도가 고온상태 즉, 급하게 온도를 낮춰야할 정도의 고온까지 올라갔다고 판단한 경우, 냉각부(150)는 제어부(140)의 제어에 따라 급속 냉각제를 자동으로 공급하도록 구성될 수 있다. 이를 위해, 제어부(140)에는 상기 고온상태를 판단하기 위한 비교값이 미리 저장되는 것이 바람직하다.

따라서, 본 발명에 따른 냉각 기능을 갖는 로봇팔은 냉각공기, 냉각수 및 급속 냉각제 중 적어도 하나를 사용하여 외피(120) 내부 즉, 암 프레임(110)을 냉각시킬 수도 있지만, 암 프레임(110)의 온도가 냉각이 요구되는 온도에 도달하는 경우에 대응하여 냉각공기, 냉각수 및 급속 냉각제를 선택적으로 사용할 수도 있다.

이와 같이, 암 프레임(110)의 온도가 냉각이 요구되는 온도에 도달하는 경우에 대응하여 냉각공기, 냉각수 및 급속 냉각제를 선택적으로 사용함에 따라, 효율적인 냉각을 수행할 수 있게 된다.

한편, 본 발명에 따른 냉각 기능을 갖는 슬레이브암(40)은 고온의 재난환경 또는 작업환경 속에서 작업을 수행하는 것이 일반적이다. 이때, 슬레이브암(40)은 냉각을 수행 함에도 불구하고 온도가 한계온도에 달하여 파손될 수 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명에 따른 냉각 기능을 갖는 슬레이브암(40)은 소화액을 이용하여 화재와 같은 고온의 재난환경 또는 작업환경 속에서 슬레이브암(40)의 탈출 시간을 확보할 수 있도록 하였다.

보다 상세하게 설명하면, 제어부(140)는 센서부(130)의 센싱값을 이용하여 암 프레임(110)의 온도가 한계온도를 초과했다고 판단한다. 이를 위해, 제어부(140)에는 암 프레임(110)의 한계온도가 미리 저장되는 것이 바람직하다.

제어부(140)는 암 프레임(110)의 온도가 한계온도를 초과했다고 판단한 경우에 냉각부(150)를 제어하게 된다. 냉각부(150)는 제어부(140)의 제어에 따라 냉각수단인 소화액을 사용하여 외피(120) 내부의 온도를 낮춰 탈출 시간을 확보한다.

여기서, 소화액은 냉각수단 저장부(152)에 저장되는 것이 바람직하고, 제어부(140)의 제어에 따라 비산형 노즐(154) 또는 관로(154a, 154b, 도 3참조)를 통해 외피(120) 내측으로 공급된다.

따라서, 본 발명에 따른 냉각 기능을 갖는 슬레이브암(40)은 고온의 작업환경 속에서 한계온도에 다다랐을 때, 소화액을 사용하여 외피(120) 내부의 온도를 냉각시킴에 따라 탈출시간을 확보할 수 있게 된다.

도 8은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 냉각 기능을 갖는 로봇팔을 개략적으로 도시한 예시도이다.

도 8을 설명함에 있어 도 6 및 도 7과 동일한 부분 또는 도 6 및 도 7을 참조하여 용이하게 이해될 수 있는 부분에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

도 8을 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 냉각 기능을 갖는 로봇팔은 냉각에 우선순위를 두어 냉각순서를 결정함으로써 높은 온도부터 낮은 온도 순으로 순차적으로 냉각하기 위한 것이다.

이를 위해, 제어부(140)는 센서부(130)의 센싱값을 이용하여 암 프레임(110)의 온도에 따라 냉각순서를 결정한다. 이러한 제어부(140)는 암 프레임(110)의 온도에 따라 냉각순서를 결정하기 위한 비교값 또는 기준값이 미리 저장되어 있는 것이 바람직하며, 냉각순서를 결정한 후 결정된 냉각순서에 따라 냉각부(150)를 제어하게 된다.

냉각부(150)는 제어부(140)의 제어에 따라 암 프레임(110)의 온도가 높은 부분인 제1 영역(A)만을 냉각하거나, 제1 영역(A)을 우선 냉각한 후, 제1 영역(A)보다 온도가 낮은 부분인 제2 영역(B)을 냉각한다.

이때, 제1 영역(A)은 고온의 재난환경 또는 작업환경에 투입된 슬레이브암(40)이 화염과 근접하여 슬레이브암(40)의 부위 중 온도가 가장 높은 영역을 의미할 수 있다.

그리고 제2 영역(B)은 제1 영역(A) 보다 화염으로부터 영향을 덜 받아 온도가 낮은 영역을 의미할 수 있다.

한편, 본 발명에서는 슬레이브암(40)의 영역을 제1 영역(A) 및 제2 영역(B)으로 구분하여 설명하였으나, 이는 설명의 편의를 위한 일례일 뿐, 제시된 바에 의해 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 즉, 제1 영역(A) 및 제2 영역(B)뿐만 아니라 다른 영역을 더 구분하여 필요한 영역만 선택적으로 냉각을 수행할 수 있도록 할 수 있다.

이와 같은 냉각부(150)는 제어부(140)의 제어에 따라 암 프레임(110)의 온도가 높은 부분인 제1 영역(A)만을 냉각하거나, 제1 영역(A)을 우선 냉각한 후, 제1 영역(A)보다 온도가 낮은 부분인 제2 영역(B)을 냉각하기 위하여, 냉각공급부(151), 냉각수단 저장부(152), 구동부(153), 제1 관로(154a), 제2 관로(154b), 조절부(155) 및 고정부재(156)를 포함하여 구성된다.

즉, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 냉각 기능을 갖는 슬레이브암(40)은 암 프레임(110)에 복수개의 고정부재(156)가 설치되고, 그 고정부재(156)의 끝단에 제1 관로(154a) 또는 제2 관로(154b) 중 적어도 하나가 체결되는 형태로 구성된다.

도면에는 자세하게 도시되어 있지 않으나, 제1 관로(154a) 및 제2 관로(154b)는 유연성을 갖는 통상적인 호스형태로 이루어져, 냉각 공급부(151)로부터 공급되는 냉각수단을 외피(120) 내부에 비산시켜 공급하는 역할을 한다.

일 실시 예로, 제1 관로(154a) 및 제2 관로(154b)는 냉각공기, 냉각수, 급속 냉각제 및 소화액 중 적어도 하나를 비산시키는 방식으로 구성될 수 있다. 즉, 제1,2 관로(154a, 154b)에 홈을 일정간격을 두고 형성하여, 압력에 의해 냉각수단을 외피(120) 내부에 공급할 수 있다.

그러나 이는 설명의 편의를 위한 일례일 뿐, 냉각 공급부(151)로부터 공급되는 냉각수단을 분사하기 위한 구성이면 어떠한 구성이던 문제가 되지 않는다.

한편, 제1 관로(154a) 및 제2 관로(154b)에는 상술한 조절부(155)가 구비되어 제어부(140)의 제어에 따라 제1 영역(A)을 냉각할 때에는 제1 관로(154a)만 개방되고, 제2 영역(B)을 냉각할 때에는 제2 관로(154b)만 개방되도록 할 수 있다. 그러나 이는 일례일 뿐, 제1 관로(154a) 및 제2 관로(154b)는 전부 개방될 수도 있다.

또, 고정부재(156)는 일단이 유압식 슬레이브암(40)의 외면 일측에 볼팅 또는 용접과 같은 통상적인 고정방식에 의해 고정되고, 타측은 제1 관로(154a) 및 제2 관로(154b) 중 적어도 하나가 안착되어 이를 지지할 수 있도록 구성된다. 일례로, 제1 관로(154a) 및 제2 관로(154b) 중 적어도 하나가 안착되는 고정부재(156)의 타측은 제1 관로(154a) 및 제2 관로(154b) 중 적어도 하나가 체결될 수 있는 홀이 복수개 형성되는 것이 바람직하다.

따라서, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 냉각 기능을 갖는 슬레이브암(40)은 고온의 작업환경 또는 재난환경에서 인명구조와 같은 작업을 수행하는 경우, 우선적으로 온도가 올라가는 제1 영역(A)을 냉각하기 위해 제1 관로(154a)를 개방하여 냉각을 수행하고, 이후 제2 영역(B)의 온도가 올라가면 제2 관로(154b) 또한 개방하여 냉각을 수행한다.

냉각 우선순위 즉, 냉각순서를 결정하여 필요에 따라 순차적으로 냉각을 수행할 수 있으므로, 냉각 효율이 증가되고, 냉각에너지의 소비를 저감시킬 수 있다.

도 9는 구난 작업 차량을 전방에서 바라본 사시도이다. 도 10은 슬레이브 암의 그리퍼와 작업용 툴을 확대한 도면이다. 도 11은 슬레이브 암이 툴을 그리핑하여 작업 할 때 유압튜브의 길이변화를 보여주는 예시도이다.

도 9를 참조하면, 본 발명에 따른 구난 작업 차량은 툴 트레이(220), 작업용 툴(260)을 포함하여 구성된다.

구난 작업 차량(20)에는 전방에 툴 트레이(220)가 설치된다. 툴 트레이(220)는 절곡 작업, 절단 작업, 파쇄 작업 등 재난 현장에서 사용하는 여러 종류의 툴(260)을 수용한다. 툴 트레이(220)는 슬레이브 암(40)에서 툴 교체가 쉽게 이뤄지도록 슬레이브 암(40)과 인접한 곳에 배치된다.

도 10을 같이 참조하면, 툴 트레이(220)에는 여러 개의 툴(260)을 수용할 수 있도록 수납홀(미도시)이 구성된다. 수납홀에는 툴(260)의 공구부(262)가 수납되고, 헤드부(261)는 툴 트레이(220)의 외부로 돌출하여 노출된다.

슬레이브 암(40)은 구난 작업 차량(20)에 설치된다. 슬레이브 암(40)은 작업용 툴(260)이 장착된 상태로 작업을 수행한다. 작업은 구난 작업 차량(20)에 탑승한 작업자의 조종으로 수행될 수도 있고, 구난 작업 차량(20) 외부에서 원격으로 이뤄질 수도 있다.

작업자가 구난 작업 차량(20) 내부에 탑승하여 슬레이브 암(40)을 구동하는 경우, 구난 작업 차량(20) 및 구난 작업 차량(20)의 주위를 촬영하여 작업자에게 디스플레이 하는 영상수단(미도시)을 더 포함할 수 있다. 이러한 영상수단은 구난 작업 차량(20)에 설치될 수도 있고, 슬레이브 암(40)에 설치될 수도 있다.

실질적인 작업을 수행해야 하는 슬레이브 암(40)은 구난 작업 차량(20)의 전방에 설치된다. 그리고 슬레이브 암(40)은 툴(260)의 교체를 용이하게 하기 위해서 툴 트레이(220)와 인접한 곳에 설치된다. 슬레이브 암(40)이 보통 두개가 설치되는 것을 고려하면, 슬레이브 암(40)은 툴 트레이(220)를 사이에 두고 양쪽에 배치된다. 하지만 슬레이브 암(40)의 개수가 제한되는 것은 아니며, 재난 구조 로봇에 따라서 변경될 수 있다.

슬레이브 암(40)은 툴 트레이(220)에 인접한 곳에 설치되는 것이 바람직하며, 이는 급박한 재난현장에서 슬레이브 암(40)이 툴(260) 교체를 빠르게 수행할 수 있도록 하여 작업효율을 높여줄 수 있다.

다시 도 10을 참조하면, 슬레이브 암(40)은 일단에 작업용 툴(260)을 그리핑하는 그리퍼(231)를 구비한다. 그리퍼(231)는 슬레이브 암(40)이 툴(260)을 교체하기 위해 사용되는 것이다. 그리퍼(231)는 다관절을 가지는 집게 구조로 형성될 수 있다. 집게 구조의 그리퍼(231)가 툴(260)을 집어 작업을 수행한다. 이러한 슬레이브 암(40)은 큰 힘을 발휘할 수 있도록 유압을 사용한 유압팔일 수 있다. 하지만 이에 한정되지는 않고, 모터를 적용하여 슬레이브 암(40)을 구성할 수도 있다.

작업용 툴(260)은 작업을 수행하는 공구부(262)와 그리퍼(231)가 집는 부위인 헤드부(261)로 구성된다. 그리퍼(231)가 헤드부(261)를 집음으로써 툴(260)이 슬레이브 암(40)에 장착되는 것이다. 헤드부(261)는 공구부(262)에서 반대방향으로 돌출되어 형성되는데 그 단면이 육각 모양을 가질 수 있다. 헤드부(261)는 그리퍼(231)가 툴(260)을 집었을 때 툴(260)이 작업방향인 전면을 향하도록 해주고, 툴(260)이 그리퍼(231)에서 이탈하는 것을 방지해준다.

도 9 내지 도 11을 참조하면, 툴(260)에는 공구부(262)를 구동하는 유압튜브(250)가 설치된다. 유압튜브(250)는 개별 툴(260)마다 각각 설치된다. 유압튜브(250)는 툴(260)이 툴 트레이(220)에 수납되어 있을 때에는 구난 작업 차량(20) 내부에 수용된다. 툴(260)이 슬레이브 암(40)에 장착되어 작업을 수행하면 유압튜브(250)는 구난 작업 차량(20) 외부로 나온다. 유압튜브(250)의 길이는 작업 유무에 따라 가변된다.

유압튜브(250)는 슬레이브 암(40)이 툴(260)을 장착하여 작업을 수행하면 그 길이가 늘어나며, 툴(260)이 툴 트레이(220)에 꽂혀 수용되면 구난 작업 차량(20) 내부로 말려들어가 길이가 줄어들어 외부로 노출되지 않는다.

구난 작업 차량(20)은 내부에 유압튜브(250)를 감아서 수용할 수 있는 회수장치(미도시)를 더 포함할 수 있다. 회수장치는 롤형태로 구성되어 유압튜브(250)를 권취할 수 있도록 구성될 수 있다. 툴(260)이 사용될 때는 회수장치에서 유압튜브가(50)가 풀리고, 툴(260)이 툴 트레이(220)에 회수되면 회수장치로 유압튜브가(50)가 감긴다. 유압튜브(250)는 툴(260)마다 연결되기 때문에 회수장치도 툴 트레이(220)에 수용되는 툴(260) 개수에 대응하여 구성될 수 있다.

유압튜브(250)는 고내열성, 내마모성이 뛰어나 재질로 구성된다. 이는 작업용 툴(260)이 슬레이브 암(40)에 장착되어 작업을 수행함에 따라 유압튜브(250)가 외부로 노출되어도 외부 환경을 견딜 수 있도록 한다.

이상에서 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위해 구체적인 예로 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기와 같이 구체적인 실시 예와 동일한 구성 및 작용에만 국한되지 않고, 여러가지 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 실시될 수 있다. 따라서, 그와 같은 변형도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주해야 하며, 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의해 결정되어야 한다.

10: 관제서버 20: 구난 작업 차량
21: 탑승공간 40: 슬레이브 암
45: 마스터 암 51: 감지센서
60: 제어부 70: 동작 제어한부
71: 구동모터 72: 전달유닛
73: 임피던스 조절부 110: 암프레임
120: 외피 130: 센서부
140: 제어부 150: 냉각부
220: 툴트레이 231: 그리퍼
260: 작업용 툴 261: 헤드부
262: 공구부 250: 유압튜브

Claims (6)

1. 작업자의 탑승을 위한 탑승공간이 마련되고, 상기 탑승공간에 차량의 조작을 위한 조작장치가 마련되는 몸체;
   상기 몸체에 결합되어, 상기 몸체를 이송시키기 위한 이송수단;
   재난현장에서의 작업을 위해 상기 몸체 결합되고, 상기 작업자에 의해 조작되는 마스터암으로부터 조작명령에 따라 동작하며, 다자유도를 갖도록 구성되는 슬레이브 암;
   분리수단을 이용하여 상기 슬레이브 암의 암프레임과 일정 거리 분리된 상태로 상기 암프레임을 감싸는 외피;
   상기 암프레임 또는 외피에 설치되어 상기 암프레임의 온도를 측정하여 센싱값을 작성하는 센서부;
   상기 센싱값을 전달받아 상기 암프레임의 냉각 필요 여부를 판단하고, 판단결과에 따른 냉각제어신호를 출력하는 제어부; 및
   상기 제어부의 냉각신호에 따라 냉각을 위한 물질을 상기 외피 내부에 공급하는 냉각부를 포함하고,
   상기 슬레이브 암은 작업용 툴의 탈부착을 위한 그리퍼가 마련되며,
   상기 몸체는 교체를 위한 복수의 툴과, 상기 툴 각각에 동작을 위한 동력을 제공하기 위해 툴에 연결된 유압튜브를 가지는 툴 트레이가 마련되는 것을 특징으로 하는 구난 작업 차량.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 조작장치에 포함되는 무선통신 장치와 통신에 의해 연결되고, 원격지에서 상기 차량으로부터 전달되는 정보를 전달받거나, 상기 차량의 조작을 위한 제어명령을 생성하는 관제서버;를 더 포함하여 구성되는 구난 작업 차량.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 마스터암은 상기 관제서버 또는 상기 탑승공간에 마련되는 것을 특징으로 하는 구난 작업 차량.
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