KR20010009583A - 무인 미장 로봇 - Google Patents

Abstract

본 발명은 무인 미장 로봇에 관한 것으로서, 건축물 바닥면 상의 설정된 작업영역(W) 내에서 자기위치를 인식한 상태로 이동하며 미장작업을 수행하는 시스템에 있어서: 레이저 스캐너(12), 회전 반사경(14), 수동 비콘(18)을 이용하여 360°전 방향에서 레이저 신호를 송수신하는 위치검출수단; 몸체의 자세 변화에 대한 신호를 검출하는 자이로스코프(16); 몸체의 이동과 미장작업을 수행하기 위한 복수의 모터(M)가 각각의 모터 컨트롤러(30)를 통해 분산제어 가능하도록 통신망으로 연결되는 구동수단; 작업자가 선택 및 입력한 정보와 상기 위치검출수단의 신호를 이용하여 장애물과의 충돌을 피하도록 상기 구동수단을 제어하는 메인 컨트롤러(20)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 함에 따라, 콘크리트 건축물의 시공현장에서 바닥을 균일하게 다지는 작업이 무인으로 수행되도록 하여 시공에 따른 제반 비용을 절감하고 시공 품질을 향상하는 효과가 있다.

Description

무인 미장 로봇{UNMANNED TROWELING ROBOT}

본 발명은 무인 미장 로봇에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 콘크리트 건축물의 시공현장에서 바닥을 균일하게 다지는 작업이 무인으로 수행되도록 하여 시공에 따른 제반 비용을 절감하고 시공 품질을 향상하는 무인 미장 로봇에 관한 것이다.

일반적으로 콘크리트 건축물의 바닥작업을 완성하기 위해서는 철근을 이용하여 형성된 바닥에 콘크리트를 타설한 다음 타설된 콘크리트의 펼치기 작업을 하고 자동 또는 수동으로 스크리딩(screeding) 작업을 순차적으로 수행한다. 이후 마무리 작업의 하나로 콘크리트가 완전히 양생되기 전에 불균일한 바닥을 균일하게 만드는 미장작업을 수행하게 된다.

이러한 미장작업을 효율적으로 수행하기 위해 다양한 미장장치가 사용되고 있으며, 전동식 미장장치는 그 중 가장 초보적인 미장시스템이다. 이 시스템에서는 미장작업시 바닥을 고르는 블레이드 부분만 모터에 의한 전동으로 작동할 뿐 작업자가 핸들을 이용하여 작업방향을 수동으로 조정해야 하는 불편이 있었다.

다음으로 엔진이 탑재되고 작업자가 탑승할 수 있는 방식의 미장시스템을 들 수 있다. 이 시스템에서는 엔진의 구동력으로 블레이드를 회전시켜 미장작업을 수행하는 동시에 탑승한 작업자가 블레이드와 바닥면의 접촉특성을 살피면서 핸들을 사용하여 적절한 방향으로 이동하며 작업하는 것이 가능하다.

그러나 상기한 두 가지 미장시스템의 경우 작업자의 숙련도, 작업환경, 신체상태 등에 따라 작업결과가 달라지기 때문에 전체적으로 균일한 상태를 유지하기 어렵다.

상기한 미장시스템보다 조금 더 개선된 것으로서, 미장용 블레이드를 포함한 본체는 작업영역 내에 위치시키고 작업자는 작업영역 밖에서 유선 또는 무선으로 조정하는 반자동 미장시스템이 사용된다. 이 시스템에서는 작업자의 입력에 의해 설정된 패턴으로 블레이드와 핸들이 조작되면서 자동으로 반복 작업을 수행하는데, 미장작업의 방향 및 패턴에 대한 제어가 여전히 작업자의 숙련도에 의존하므로 품질상의 결함이 완전하게 해소되지 않는다.

또한 상기한 반자동 미장시스템의 경우에도 자기 위치를 인식하는 기능이 없어 작업 도중에 발행하는 위치오차에 대한 보정기능이 수행되지 않기 때문에 당초 작업자가 의도한 작업결과를 기대할 수 없게 된다.

이에 따라 본 발명은 상기한 단점을 해소하기 위한 것으로서, 콘크리트 건축물의 시공현장에서 바닥을 균일하게 다지는 작업이 무인으로 수행되도록 하여 시공에 따른 제반 비용을 절감하고 시공 품질을 향상하는 무인 미장 로봇을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 미장 로봇을 작업상태와 함께 나타내는 구성도,

도 2는 본 발명에 따른 미장 로봇의 제어회로를 개략적으로 나타내는 블록도,

도 3은 본 발명에 따른 미장 로봇에서 메인 컨트롤러의 요부를 개략적으로 나타내는 블록도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 *

10: 미장 로봇 12: 레이저 스캐너

14: 회전 반사경 16: 자이로스코프

18: 수동 비콘(Beacon) 20: 메인 컨트롤러

30: 모터 컨트롤러 40: 통신 케이블

M: 모터 W: 작업영역

이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 건축물 바닥면 상의 설정된 작업영역(W) 내에서 주기적으로 자기위치를 인식한 상태로 이동하며 미장작업을 수행하는 시스템이 있어서: 레이저 스캐너(12), 회전 반사경(14), 수동 비콘(18)을 이용하여 360°전 방향에서 레이저 신호를 송수신하는 위치검출수단; 몸체의 자세 변화에 대한 신호를 검출하는 자이로스코프(16); 몸체의 이동과 미장작업을 수행하기 위한 복수의 모터(M)가 각각의 모터 컨트롤러(30)를 통해 분산제어 가능하도록 통신망으로 연결되는 구동수단; 작업자가 선택 및 입력한 정보와 상기 위치검출수단의 신호를 이용하여 장애물과의 충돌을 피하도록 상기 구동수단을 제어하는 메인 컨트롤러(20)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이때 상기 위치검출수단의 수동 비콘(18)은 작업영역(W)내에서 지정된 최소 3개의 지점에서 동시에 반사 신호를 수신할 수 있도록 배치된다.

상기 메인 컨트롤러(20)는 자동·수동운전의 모드를 선택하고 작업영역(W) 내의 벽이나 장애물 위치를 입력하는 입력부(21)와, 상기 입력부(21)의 데이터를 근거로 이동 가능한 경로를 생성하는 동작계획부(22)와, 상기 위치검출수단의 거리 신호를 이용하여 삼각법으로 상대적인 위치를 계산하는 자기위치인식부(24)와, 상기 동작계획부(22)의 궤환신호를 이용하여 상기 동작계획부(22)에 의한 경로를 추적하기 위한 제어신호를 발생하는 제어부(23)를 구비한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 미장 로봇을 작업상태와 함께 나타내는 구성도를 나타내고, 도 2는 본 발명에 따른 미장 로봇의 제어회로를 개략적으로 나타내는 블록도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면 본 발명은 건축물 바닥면 상의 설정된 작업영역(W) 내에서 주기적으로 자기위치를 인식한 상태로 이동하며 미장작업을 수행하는 시스템에 관련된다. 본 발명의 미장 로봇(10)은 몸체의 이동과 미장작업을 수행하기 위한 구동수단 외에 레이저 스캐너(12), 회전 반사경(14) 등의 위치검출수단을 지닌다. 수동 비콘(18)은 작업영역(W) 내의 위치를 알 수 있는 지정된 위치에 설치된다.

레이저 스캐너(12)는 레이저 신호를 송신하고 수동 비콘(18)에서 반사되는 신호를 수신하여 거리를 측정하기 위한 수단으로서 일정하게 회전하는 회전 반사경(14)의 중심에 설치되므로 360°전 방향에서 레이저 신호를 송수신하는 것이 가능하다. 거리측정에는 초음파 신호를 사용할 수도 있으나 레이저 신호가 지향성이 양호하여 동작 신뢰성을 보장하는 측면에서 유리하다.

이때 상기 위치검출수단의 수동 비콘(18)은 작업영역(W)의 지정된 위치 중에서 적어도 3개의 지점에서 동시에 반사 신호를 수신할 수 있도록 배치된다. 미리 알고 있는 3개 지점의 위치를 이용하면 그와의 거리를 비교하여 상대적인 위치를 계산하는 것이 가능하기 때문이다. 계산에 요하는 시간을 단축하고 설치비용을 절감하기 위해 수동 비콘(18)의 수는 최소화되어야 한다. 만일 작업영역(W) 내에 레이저 신호의 송수신을 방해하는 기둥 등의 장애물이 있는 경우라면 불가피하게 수동 비콘(18)을 적절한 지점에 추가로 설치한다. 즉 로봇이 작업영역(W) 내의 어느 위치를 진행하고 있더라도 레이저 스캐너(12)를 통해 최소한 3개의 지점으로부터 반향되는 레이저 신호를 받을 수 있어야 한다.

도 2를 참조하면, 미장 로봇(10)의 구동수단에서 복수의 모터(M)는 각각의 모터 컨트롤러(30)를 통해 분산제어 가능하도록 통신망으로 연결된다. 모터(M)는 몸체를 X축 및 Y축방향으로 이동시키는 것과, 몸체를 좌우로 회전시키는 것과, 미장작업을 위한 한 쌍의 블레이드를 구동하는 것과, 회전 반사경(14)을 회전시키는 것 등으로 구성된다. 도시에는 제 1 모터(M1)부터 제 6 모터(M6)까지 각각의 모터 컨트롤러(30)를 개재하여 동일한 통신 케이블(40)에 연결되어 통신망을 구성함을 나타낸다.

이와 같이 모터 컨트롤러(30)를 후술하는 메인 컨트롤러(20)와 컨트롤러 에어리어 네트워크(Controller Area Network)로 연결하고 적절한 프로토콜을 이용하여 분산제어시키면 최적화된 동작이 실시간으로 신속하게 수행되는 것은 물론 동작의 신뢰성도 향상된다.

또, 도 1을 참조하면 본 발명의 미장 로봇(10)은 몸체의 자세 변화에 대한 신호를 검출하는 자이로스코프(16)를 구비한다. 자이로스코프(16)는 몸체의 전후좌우 기울어짐에 따른 각속도변화의 신호를 발생하는데 이 신호를 적분하면 몸체의 경사각을 판단할 수 있다. 이와 같은 신호를 이용하면 좌우 한 쌍으로 구성되는 미장 블레이드와 바닥면의 마찰이 불균일하거나 바닥면이 고르지 않아 미장 로봇(10)의 자세가 기울어지는 것이 실시간으로 보정된다.

도 3은 본 발명에 따른 미장 로봇에서 메인 컨트롤러의 요부를 개략적으로 나타내는 블록도가 도시된다.

본 발명에 따른 미장 로봇(10)은 작업자가 선택 및 입력한 정보와 상기 위치검출수단의 신호를 이용하여 장애물과의 충돌을 피하도록 상기 구동수단을 제어하는 메인 컨트롤러(20)를 구비한다. 메인 컨트롤러(20)는 입력부(21), 동작계획부(22), 제어부(23), 자기위치인식부(24) 등으로 구성되며 자기위치인식부(24)의 신호는 제어부(23)에 피드백된다.

입력부(21)는 자동·수동운전의 모드를 선택하고 작업영역(W) 내의 벽이나 장애물 위치를 입력하는 조작패널이다. 입력부(21)는 미장 로봇(10) 상에 설치할 수도 있으나 작업자의 안전을 고려하여 미장 로봇(10)에서 분리하고 유선 또는 무선으로 통신하는 것이 바람직하다. 입력부(21)의 스위치를 이용하여 수동모드를 택하는 경우 작업자의 지령에 따라 미장 로봇(10)의 이동이 수행되고, 자동모드를 택하는 경우 미장작업을 수행할 대상 건축물의 설계도면을 입력하면 미장 로봇(10)이 자율이동 한다. 자동모드에서는 미장 로봇(10)이 설계도면을 통하여 작업영역(W)의 코너위치 및 미장 로봇(10)이 통과할 수 없는 기둥이나 벽 등의 장애물의 위치를 인식한다.

동작계획부(22)는 상기 입력부(21)의 데이터를 근거로 이동 가능한 경로를 생성한다. 동작계획부(22)에는 입력부(21)에서 선택되는 복수의 자동모드에 대하여 미장 로봇(10)이 이동하는 각각의 패턴을 지닌다. 미장 로봇(10)은 작업시작점에서 직선으로 전진하면서 미장작업을 수행하고 작업영역(W)의 경계점에 도달하면 입력부(21)의 모드에 따라 좌측 또는 우측으로 회전한 후 다시 직선으로 작업을 실행하는 지그재그 동작을 반복하면서 전 작업영역(W)을 통과하게 된다. 입력부(21)를 통하여 저장된 설계도면의 정보를 이용하면 장애물과의 충돌을 피하면서 작업할 수 있는 이동가능한 경로가 생성된다.

자기위치인식부(24)는 상기 위치검출수단의 거리 신호를 이용하여 삼각법으로 상대적인 위치를 계산한다. 전술한 바와 같이 위치가 정해진 수동 비콘(18)과 미장 로봇(10) 간의 거리를 측정하면 현재의 위치를 계산할 수 있다.

제어부(23)는 상기 동작계획부(22)의 궤환신호를 이용하여 상기 동작계획부(22)에 의한 경로를 추적하기 위한 제어신호를 발생한다. 동작계획부(22)는 자기위치인식부(24)에서 보내오는 현재의 위치와 입력부(21)에서 입력된 작업영역(W)의 위치를 근거로 미장 로봇(10)이 가야할 경로를 생성한 후 그 데이터를 제어부(23)에 보낸다. 제어부(23)는 생성된 경로를 모터(M)가 회전해야 할 데이터로 변환하여 모터 컨트롤러(30)에 보내며 모터 컨트롤러(30)로부터 모터(M)의 현재위치를 궤환받고 모니터링한다. 이와 동시에 제어부(23)는 미장작업용 블레이드를 제어하여 미장작업이 수행되도록 한다.

작동에 있어서, 미장작업을 위한 범위가 주어지면 입력부(21)를 통해 미장작업의 시작점 및 종료점을 입력하고 미장작업의 패턴을 선택한다. 이후에는 미장 로봇(10)의 메인 컨트롤러(20)는 이동 경로를 생성하는 동시에 현재의 위치와 자세를 입력받아 계산한다. 이에 따라 미장 로봇(10)은 작업자의 감독이 없어도 자신의 위치를 실시간으로 보정하며 자율적으로 작업하게 된다.

이상의 구성 및 작용에 따르면 본 발명의 무인 미장 로봇은 콘크리트 건축물의 시공현장에서 바닥을 균일하게 다지는 작업이 무인으로 수행되도록 하여 시공에 따른 제반 비용을 절감하고 시공 품질을 향상하는 효과가 있다.

본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.

Claims (3)

1. 건축물 바닥면 상의 설정된 작업영역(W) 내에서 자기위치를 인식한 상태로 이동하며 미장작업을 수행하는 시스템이 있어서:

   레이저 스캐너(12), 회전 반사경(14), 수동 비콘(18)을 이용하여 360°전 방향에서 레이저 신호를 송수신하는 위치검출수단;

   몸체의 자세 변화에 대한 신호를 검출하는 자이로스코프(16);

   몸체의 이동과 미장작업을 수행하기 위한 복수의 모터(M)가 각각의 모터 컨트롤러(30)를 통해 분산제어 가능하도록 통신망으로 연결되는 구동수단;

   작업자가 선택 및 입력한 정보와 상기 위치검출수단의 신호를 이용하여 장애물과의 충돌을 피하도록 상기 구동수단을 제어하는 메인 컨트롤러(20)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 무인 미장 로봇.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 위치검출수단의 수동 비콘(18)은 작업영역(W)의 지정된 위치 중에서 적어도 3개의 지점에서 동시에 반사 신호를 수신할 수 있도록 배치되는 것을 특징으로 하는 무인 미장 로봇.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 메인 컨트롤러(20)는 자동·수동운전의 모드를 선택하고 작업영역(W) 내의 벽이나 장애물 위치를 입력하는 입력부(21)와, 상기 입력부(21)의 데이터를 근거로 이동가능한 경로를 생성하는 동작계획부(22)와, 상기 위치검출수단의 거리 신호를 이용하여 삼각법으로 상대적인 위치를 계산하는 자기위치인식부(24)와, 상기 동작계획부(22)의 궤환신호를 이용하여 상기 동작계획부(22)에 의한 경로를 추적하기 위한 제어신호를 발생하는 제어부(23)를 구비하는 것을 특징으로 하는 무인 미장 로봇.