KR20220049229A - 벽면 부착식 등반로봇 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 측면에 따른 이동식장치는 벽면에 부착되어 이동하는 이동식장치로서, 상기 이동식장치를 공기의 유입 및 유출에 의해 상기 벽면 방향으로 부착시키기 위한 추력을 발생시키는 추력발생부; 및 상기 벽면상에서 상기 이동식장치를 이동하게 하는 이동부; 를 포함하고, 상기 추력발생부는 상기 공기의 유입을 위한 유입구, 상기 공기의 유출을 위한 유출구, 상기 유입구와 상기 유출구의 사이에 구비되어 상기 공기를 이송시키는 유체이송수단 및 상기 유입구에서 상기 유체이송수단으로 흐르는 상기 공기의 방향을 전환시키는 유체방향전환부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

벽면 부착식 등반로봇{Robot for wall climbing}

본 발명의 일 측면은 벽면 부착식 등반로봇에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 건물 등의 벽면에 부착되어 이동할 수 있는 벽면 부착식 등반로봇에 관한 것이다.

세계 산업 고도화와 경제발전으로 도시를 기반으로 고층 초고층 건물이 증가추세에 있으며, 그중 고층 아파트와 같은 콘크리트 건물은 유지보수가 요구되는데, 유지관리를 인력으로 충당하기에는 안전성, 실용성, 경제성에서 한계에 이르고 있다.

특히, 건물 준공 후, 건물 외 벽면 균열검사, 청소, 도장, 외벽마감 등의 유지관리 작업 수요 증가되고, 건설 산업은 노동집약적이며 노동의존율이 높은 특성과 숙련공의 노령화와 3D업종이라는 인식으로 신규인력 유입감소에 따라 인력수급에 불균형이 발생하고 있으며, 건설관련 직종 평균 노임이 매년 상승하는 추세이다.

건설산업의 재해통계에서 사망사고는 여타 사업에 대비 높은 실정이고, 특히 고층건물 외벽의 검사, 청소, 도장 등 유지보수작업에서 로프에 의지해 작업을 수행하므로 위험에 노출되는 작업으로 외벽을 자율 주행하는 로봇의 필요성 증대되고, 초고층 건설시공 및 유지보수용 지능형 로봇활용이 요구된다.

이에 고층건물 유지관리의 자동화기술에 대한 연구가 많이 진행되고 있으나 건물 외벽등반 방식의 기술적인 한계로 새로운 기술이 제안되고 있는 실정이다.

건물 및 구조물 외벽등반에서 등반물체가 갖는 중량과 중력에 의한 영향을 받는데, 최근 건물 외벽등반 방식으로 분류하면 건물옥상에 행거에 케이블을 연결한 곤돌라 방식, 건물옥상과 바닥에 레일을 설치하고 곤돌라 승강시키는 레일방식, 벽체에 닿은 흡입판에 공기 혹은 액체(물)로 흡입해서 부착시키는 흡착방식, 전자석으로 제어하면서 등반하는 자석방식 및 정전기 부착특성을 이용한 정전기부착방식 등 다양한 방법들이 연구되어 왔다.

그러나, 전술한 방법들은 건물외벽 등반방법에서 전후좌우 방향의 움직임이 자유롭지 못하고, 현재까지 안정성, 경제성, 실용성이 일정 수준까지 도달하지 못하여 현실적으로 적용이 어려운 실정이다.

대한민국 등록특허 제10-1785439호

본 발명의 목적은, 건물 등 구조물의 벽체(1)에 부착되어 벽면을 따라 이동할 수 있는 벽면 부착식 등반로봇을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 목적은, 추진 장치를 이용한 추진력을 통하여 벽면에 부착될 수 있으며, 벽면에서의 마찰력을 통해 아래로 추락하지 않으면서 벽면에서 자유롭게 이동이 가능한 벽면 부착식 등반로봇을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명은 벽면 부착식 등반로봇에 벽면의 상태를 촬영하거나 도료를 분사하여 도장을 수행할 수 있는 수단을 추가하여 벽면을 따라 이동하며 벽면의 균열이나 보수가 필요한 부분을 촬영해 분석하거나 직접 도장을 수행할 수 있는 이동식 장치 및 벽면 부착식 등반로봇을 활용한 작업 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 일 측면은 벽면에 부착되어 이동하는 이동식장치로서,

상기 이동식장치를 공기의 유입 및 유출에 의해 상기 벽면 방향으로 부착시키기 위한 추력을 발생시키는 추력발생부; 및

상기 벽면상에서 상기 이동식장치를 이동하게 하는 이동부; 를 포함하고,

상기 추력발생부는 상기 공기의 유입을 위한 유입구, 상기 공기의 유출을 위한 유출구, 상기 유입구와 상기 유출구의 사이에 구비되어 상기 공기를 이송시키는 유체이송수단 및 상기 유입구에서 상기 유체이송수단으로 흐르는 상기 공기의 방향을 전환시키는 유체방향전환부를 포함하는 벽면 부착식 등반로봇이다.

여기에서 상기 추력발생부는 상기 공기가 상기 유출구로부터 상기 유체이송수단 방향으로 유입되는 것을 방지하는 유체역류방지부를 포함하는 것이 좋고,

상기 유체방향전환부에서 상기 공기가 흐르는 방향이 전환되는 각도는 75°내지 105°인 것이 좋으며,

상기 유입구에서의 유체유입방향이 상기 벽면과 이루는 각도는 0°내지 30°인 것이 좋다.

또한, 상기 유출구의 직경과 상기 유입구의 직경의 비율은 0.9 내지 1.1 인 것이 좋으며, 상기 유체역류방지부의 길이는 상기 유출구의 직경의 0.2 내지 0.7배인 것이 바람직하다.

또, 상기 추력발생부가 3 내지 10개 구비되는 것이 바람직하며,

상기 유체이송수단은 추진모터 및 상기 추진모터에 결합된 프로펠러이고, 상기 프로펠러는 인접한 상기 추력발생부의 프로펠러와 회전방향이 서로 반대인 것이 좋다.

또, 상기 이동부는 상기 벽면에 접촉되는 바퀴 또는 무한궤도를 포함하는 것이 좋고, 상기 유체방향전환부는 길이 및 각도의 조절이 가능한 것이 좋으며, 상기 벽면에 도료를 분사하는 도료분사수단을 더 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명의 일 측면에 따른 벽면 부착식 등반로봇은 벽면을 향해 추력을 발생시키면서, 추력발생부와 벽면 사이에서 공기흐름에 의해 추력의 반대방향으로 발생하여 벽면 부착식 등반로봇의 벽체부착을 방해하는 항력을 상쇄 또는 감소시켜 벽체에 벽면 부착식 등반로봇이 안정적으로 부착될 수 있도록 한다.

또한, 벽면 부착식 등반로봇은 추력발생부의 유입구에서 유입되는 공기의 흐름을 변화시키는 유체방향전환부를 포함하여 유입구와 벽면 사이에서 발생하는 와류를 감소시켜 항력의 효과를 감소시키고, 벽면 부착식 등반로봇의 벽체 부착을 안정화시킬 수 있다.

또한, 유체방향전환부는 유체의 흐름을 자연스럽게 변화시킬 수 있으며 유체의 저항이 적은 곡면형태로 구비되어 내부에서 와류나 저항 및 진동을 감소시키는 효과가 있다.

또한, 추력발생부의 유입구는 복수의 유입공을 유입구면에 포함하거나 외부로 돌출된 복수의 유입관을 포함하는 구조로 이루어져 유입되는 공기의 유입각도가 좁아 저항이 적어 효율적으로 추력을 발생시키면서 추력발생부의 고장을 예방할 수 있다.

또한, 추력발생부는 유체역류방지부를 포함하여 유체가 유출구에서 역방향으로 유입되어 추력발생부 내부에서 와류를 형성하는 현상을 방지함으로써 추력발생부의 추력발생 효율을 향상시켜 벽면 부착식 등반로봇이 안정적으로 벽면에 부착될 수 있다.

또한, 복수개의 추력발생부에 구비되는 유입구는 서로 대칭형태로 배치되며, 유입구 방향 또한 대칭구조를 가져 발생하는 항력의 벽면과 평행한 성분이 서로 상쇄되고, 벽면 부착식 등반로봇이 안정적으로 벽체에 부착될 수 있도록 한다.

본 발명의 또 다른 측면인 벽체 관리 시스템은 클라우드 플랫폼을 활용하며 빅데이터를 활용한 이미지분석 방식을 사용하므로 빠르고 효율적인 데이터분석이 가능하며, 사용자의 개입 없이도 머신러닝을 통해 데이터 분석 및 작업이 가능한 장점이 있다.

도 1은 수평비행이 가능한 통상적인 드론에 작용하는 힘을 비행방향과 함께 나타낸 도면이다.
도 2는 구조물 등의 벽체에 부착되어 벽면을 따라 이동하기 위한 벽면 부착식 등반로봇에 작용하는 힘을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예인 벽면 부착식 등반로봇의 외관을 나타낸 도면이다.
도 4는 벽면 부착식 등반로봇의 추력발생부에 의해 주위에 발생하는 유체의 흐름을 유입구의 방향에 따라 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 추력발생부의 유입구와 유체수송부를 연결하는 중공형 관의 형상에 따른 내부 유체의 흐름을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 추력발생부의 유입구의 형태에 따른 내부 유체의 흐름을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 7은 4개의 추력발생부가 구비되는 경우 각 추력발생부의 유체이송수단의 프로펠러가 회전하는 방향을 나타낸 도면이다.
도 8은 추력발생부의 유체수송수단과 유출구의 구조에 따른 유체의 흐름을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 9는 추력발생부에서 유체방향전환부의 구비 여부에 따라 발생하는 추력의 차이를 측정하는 실험장면을 촬영한 사진이다.
도 10은 본 발명의 제2측면인 벽면 부착식 등반로봇을 활용한 작업 시스템을 개략적으로 나타낸 블록다이어그램이다.
도 11은 건물의 옥상에서 작업시 벽면 부착식 등반로봇 및 고정장치를 정면에서 바라본 도면이다.
도 12는 건물의 옥상에서 작업시 벽면 부착식 등반로봇 및 고정장치를 저면에서 바라본 도면이다.

이하에 본 발명을 상세하게 설명하기에 앞서, 본 명세서에 사용된 용어는 특정의 실시예를 기술하기 위한 것일 뿐 첨부하는 특허청구의 범위에 의해서만 한정되는 본 발명의 범위를 한정하려는 것은 아님을 이해하여야 한다. 본 명세서에 사용되는 모든 기술용어 및 과학용어는 다른 언급이 없는 한은 기술적으로 통상의 기술을 가진 자에게 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다.

본 명세서 및 청구범위의 전반에 걸쳐, 다른 언급이 없는 한 포함(comprise, comprises, comprising)이라는 용어는 언급된 물건, 단계 또는 일군의 물건, 및 단계를 포함하는 것을 의미하고, 임의의 어떤 다른 물건, 단계 또는 일군의 물건 또는 일군의 단계를 배제하는 의미로 사용된 것은 아니다.

한편, 본 발명의 여러 가지 실시예들은 명확한 반대의 지적이 없는 한 그 외의 어떤 다른 실시예들과 결합될 수 있다. 특히 바람직하거나 유리하다고 지시하는 어떤 특징도 바람직하거나 유리하다고 지시한 그 외의 어떤 특징 및 특징들과 결합될 수 있다.

도면들에 있어서, 구성 요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 전체적으로 도면 설명시 관찰자 시점에서 설명하였고, 일 구성요소가 다른 구성요소 "위에/아래에" 또는 "상에/하에" 있다고 할 때, 이는 다른 구성요소 "바로 위에/바로 아래에" 있는 경우 뿐 아니라, 그 중간에 또 다른 구성요소가 있는 경우도 포함한다.

본 명세서에서 중력, 항력, 추력, 마찰력과 같은 힘은 크기와 방향을 모두 가지는 벡터로서, 힘의 크기는 힘벡터의 크기(절대값)를 의미하며, 서로 다른 방향의 벡터의 크기를 서로 비교하는 경우 수평, 수직방향 등의 가상의 축성분에 대한 크기의 차이를 의미하는 것으로 넓게 해석한다.

또한, 본 명세서에서 면에 대한 수직방향이라는 표현이 사용되는 경우, 평면에 대하여 외부를 향하는 방향의 법선벡터 방향을 의미하고, 곡면 상의 한 점에서 곡면에 접하는 접평면에 대하여 외부를 향하는 방향의 법선벡터 방향을 의미하며, 수평방향이라는 표현이 사용되는 경우, 면에 대한 수직방향과 직각을 이루는 방향들을 의미하는 것으로 넓게 해석한다.

본 발명의 제1측면은 건물이나 구조물 등의 벽체(1) 또는 수직 벽면 등의 표면을에 접촉하여 이동할 수 있는 벽면 부착식 등반로봇(100)이다.

벽면 부착식 등반로봇(100)은 공기와 같은 유체의 흐름을 발생시킴으로써 벽면 또는 벽체(1)를 향하여 추력을 발생시키고 벽면에 접촉시 수직항력을 제공하는 추력발생부(110) 및 추력에 의해 상기 벽체(1)의 벽면과 접촉점 또는 접촉면을 형성하며 부착되고, 접촉점 또는 접촉면에서 마찰력을 발생시키며 벽체(1)의 벽면을 따라 2차원적인 운동을 수행가능하게 하는 이동부(130)를 포함한다.

추력(Thrust)이란, 프로펠러(111)와 같은 추진체가 주위의 유체를 밀어내거나 연소된 공기를 분사함으로써 그에 대한 반작용으로 받는 추진력을 의미한다. 예를들어 프로펠러(111)의 경우 엔진 또는 모터의 작동으로 주위 유체를 밀어내면 작용 반작용의 법칙으로 알려진 뉴턴의 제3법칙에 따라 밀려난 유체가 추진체에 반작용으로 추력을 가한다.

추력발생부(110)는 공기와 같은 유체를 유입 및 유출하여 추력을 발생시키는 구성요소로서, 본 발명의 일 측면에 따른 벽면 부착식 등반로봇(100)과 같이 공중에 부양하거나 공중을 비행하는 목적이 아닌 벽면에 부착되어 이동하는 2차원적 움직임을 수행하기 위하여 추력의 방향을 중력의 방향으로 발생시키는 것보다 벽면을 향해 이동시키고 벽면 부착식 등반로봇(100)이 벽면을 미는 방향으로 하는 것이 바람직하다.

즉, 추력발생부(110)는 중력을 극복하기 위한 추력을 발생하는 통상적인 드론이나 비행체와는 달리 벽면 부착식 등반로봇(100)을 구조물이나 벽 등의 벽면으로 이동시키는 방향으로 발생하는 특징이 있다.

추력을 중력의 반대방향이 아닌 벽면방향(주로 수평방향)으로 발생시키는 경우 이동식 장치가 안정적으로 부착되어 벽면과 벽면 부착식 등반로봇(100) 사이의 간격이 일정하게 유지될 수 있으므로, 벽면을 따라 접촉하며 안정적으로 이동함과 동시에 벽면을 촬영하거나 도장하는 등의 추가적인 작업을 수행할 수 있게 된다.

추력발생장치는 벽면 부착식 등반로봇(100)이 벽체(1)에 부착되게 하는 역할을 하고, 벽체(1)에 부착된 상태로 벽체(1)를 밀어냄으로써 반작용에 의해 벽으로부터 벽면 부착식 등반로봇(100)이 받는 수직항력을 증가시킴으로써 벽과 벽면 부착식 등반로봇(100) 사이의 마찰력을 증가시켜 벽체부착식 등반 로봇에 장착되어 구동되는 바퀴로 벽체(1)를 자유롭게 이동하게 한다.

추력발생부(110)는 공기가 유입되는 유입구(117), 공기가 유출되는 유출구(118)를 포함하며, 내부에 유체가 흐르는 중공을 가지는 중공체 형태인 것이 좋다.

또한, 추력발생부(110)는 추력을 발생하는 추력발생수단을 포함하며, 예를들어 프로펠러(111) 또는 팬(fan)과 같은 추력발생수단이 사용되는 것이 좋다.

프로펠러(111)는 추진모터(112)에 결합되어 작동할 수 있으며, 프로펠러(111)의 날개 또는 엽의 수 및 길이 등은 크게 제한되는 것은 아니나, 강한 추력을 얻을 수 있으면서도 중량이 가벼운 2엽 내지 4엽의 프로펠러(111)를 사용하는 것이 좋다.

추진모터(112)는 출력 또는 회전수를 제어할 수 있는 모터를 사용하는 것이 좋으며, 모터의 구체적인 사양, 출력은 제한되지 않으나 대체적으로 고출력이면서 저중량인 모터가 사용되는 것이 바람직하다.

추진모터(112)는 예를들어 브러쉬모터 또는 브러쉬리스 모터(Brushless motor)가 사용될 수 있으며, 브러쉬리스 모터가 사용되는 경우 고정자와 회전자의 위치관계에 따라 인러너(in-runner) 방식 또는 아웃런너(out-runner) 방식의 모터가 사용될 수 있다.

추력발생부(110)는 벽면 부착식 등반로봇(100)에 2개 내지 12개로 포함되며, 벽면 부착식 등반로봇(100)의 전체적인 균형을 맞추면서도 높은 추력을 얻기 위하여 3개 내지 9개의 추력발생부(110)가 구비되는 것이 좋고, 더욱 바람직하게는 4개 내지 8개의 짝수개인 것이 좋다.

추력발생부(110)가 해당 범위보다 적게 포함되는 경우 추력이 부족하거나 로봇의 균형을 잡기 어려워 벽체(1)에 안정적인 부착이 어려운 문제가 있으며, 추력발생부(110)의 수가 너무 많아지는 경우 생산이 복잡하고 중량이 증가되며, 고장이 잘 일어나는 문제가 있을 수 있다.

본 발명의 바람직한 일 실시예는 4개의 추력발생부(110)를 포함하는 벽면 부착식 등반로봇(100)을 제공한다.

추력발생부(110)의 위치는 벽면 부착식 등반로봇(100)의 내부 또는 외부가 모두 가능하지만, 추력발생부(110)가 내부에 위치하는 경우 유체의 흐름 제어가 복잡하며 고장의 우려가 높아 벽면 부착식 등반로봇(100)의 외부에 추력발생부(110)가 위치하는 것이 바람직하며, 예를들어 벽면 부착식 등반로봇(100)의 몸체로부터 지지대(114)를 통해 외부로 돌출되는 구조가 사용될 수 있다.

추력발생부(110)의 배열 또는 배치는 제한되지 않으나, 예를들어 벽면 부착식 등반로봇(100)의 무게중심을 기준으로 할 때 3개 이상의 추력발생부(110)가 대칭구조를 이루는 것이 바람직하다. 구체적으로는 3개의 추력발생부(110)가 무게중심을 기준으로 정삼각형을 이루는 배치, 4개의 추력발생부(110)가 무게중심을 기준으로 정사각형, 직사각형 또는 마름모 형태를 이루는 배치가 사용될 수 있으며, 5개 이상의 추력발생부(110)가 사용되는 경우 다각형 배치 또는 직사각형 구조의 배치가 바람직하다.

추력발생부(110)가 벽면 부착식 등반로봇(100)의 몸체로부터 떨어진 거리는 추력발생부(110)가 벽면 부착식 등반로봇(100)의 몸체와 지지대(114)를 통하여 연결되는 경우 그 지지대(114)의 길이로 계산될 수 있으며, 프로펠러(111)의의 날개 길이의 1배 내지 3배, 바람직하게는 1.5 내지 2.5배 인 것이 바람직하다.

또한, 추력발생부(110)와 벽면 부착식 등반로봇(100)의 몸체의 결합 방식에 따라 추력발생부(110)가 벽면 부착식 등반로봇(100)의 몸체로부터 떨어진 거리는 벽면 부착식 등반로봇(100)의 몸체의 크기의 1배 내지 2배, 바람직하게는 1.5내지 2.5배 인 것이 바람직하다. 추력발생부(110)가 몸체로부터 일정거리 떨어진 거리에서 벽면 부착식 등반로봇(100)에 대한 상대적인 한정감이 확보되지만, 1배 이하에서는 안정감이 상대적으로 떨어지므로 울퉁불퉁한 바닥 이동시 이동체의 안정감이 상대적으로 떨어지며, 2.5배 이상일 경우 떨어질 경우 떨림 및 소음의 원인이 된다.

떨어진 거리가 해당 범위보다 큰 경우 벽면 부착식 등반로봇(100)의 부피가 커지고, 지지대(114)의 진동이나 흔들림이 커지며, 중량이 증가하는 문제점이 있고, 떨어진 거리가 해당 범위보다 작은 경우 추력발생부(110)에서 형성되는 유체의 흐름에 의해 벽면 부착식 등반로봇(100)이 흔들리거나 유체의 흐름제어가 어려워지는 문제가 있다.

본 발명의 일 측면인 벽면 부착식 등반로봇(100)은 추력발생의 방향에서 일반적인 드론과 차이가 있다.

도 1은 일반적인 드론이 공중에 부양되어 이동하는 경우 드론에 작용하는 힘들을 나타낸 도면이다.

비행체 및 드론은 엔진 또는 프로펠러(111) 등을 통해 진행방향으로 나아가기 위한 추력을 얻고, 진행에 의해 유체 속을 지나가면서 이에 대한 항력을 받는다.

비행기 등의 날개 형태는 진행에 따라 발생하는 항력 등을 이용해 양력을 발생시킬 수 있으며, 양력은 중력의 반대방향으로 작용함으로써 비행체가 공중으로 떠오를 수 있게 한다.

도 2는 본 발명의 일 측면에 따른 벽면 부착식 등반로봇(100)과 같이 벽체(1)에 부착되기 위한 추력을 발생시키는 경우 장치에 작용하는 힘을 나타낸 도면이다.

추력은 벽면을 향하여 발생하며, 장치가 벽면에 접촉되어 해당 방향으로 진행이 불가능한 경우 추력에 의해 장치가 벽면을 미는 힘에 대한 반작용으로서 추력의 반대방향으로 항력이 발생하며, 이는 중력에 대한 수직항력과 대응되는 관계로 이해될 수 있다.

항력(Drag force)은 물체가 유체 내에서 운동하거나 유체가 움직이거나 물체와 유체가 동시에 움직일 때 받는 저항력으로 물체가 유체 내에서 운동하거나 흐르거나, 정지하거나 할 때, 유체에 의해서 운동에 방해되는 힘의 성분이다. 항력에는 유해항력, 유도항력으로 나뉘며 유해항력에는 형상항력과 간섭항력, 조파항력으로 구분되며, 형상항력에는 압력항력과 마찰항력으로 구분되는데, 항력의 크기 D는 유체에 대한 상대속력을 v, 유체의 밀도를 ρ, 물체의 단면적을 S라고 할 때, 하기 식 1과 같이 나타낼 수 있다.

(식 1)

여기서 C는 물체형태나 표면의 상태에 의해서 결정되는 상수로 보통 이것을 항력계수(drag coefficient)라 한다.

즉, 추력과 항력은 모두 중력과 다른 방향인 수평에 가까운 방향으로 작용하며, 벽이 장치를 미는 힘인 항력에 대하여 벽면과 장치가 접촉하는 접촉점 또는 접촉면에서는 마찰력이 작용하여 장치가 벽면을 따라 중력방향으로 미끄러지는 것을 막아준다.

위와 같은 경우, 마찰력의 크기는 중력보다 작거나 같으며, 4개의 힘의 합력이 0에 근접할 경우 장치가 벽면 상에서 안정적으로 부착될 수 있게 되며, 이 때, 항력은 추력의 변화에 따라 변화하고, 마찰력은 물체가 정지해 있는 경우 중력과 같은 크기로 일정하게 유지된다.

마찰력은 물체가 정지해 있는 경우에도 중력의 반대방향으로 작용하고 있으며, 물체가 바퀴 등을 구동시켜 이동하는 경우, 접촉면에서 바퀴가 벽면을 미는 방향의 반대방향인 이동방향으로 작용한다.

물체에 작용하는 마찰력은 정지마찰력과 운동마찰력으로 나누어질 수 있는데, 정지해 있거나 바퀴의 회전에 따라 장치가 이동하는 경우에는 정지마찰력이 작용하며, 이 때 정지마찰력은 외력의 크기와 항상 같은 크기이고 방향이 반대이다. 정지상태에서 운동상태로 변화하는 순간에서의 마찰력을 최대정지마찰력이라 하고, 이때의 마찰계수가 최대정지마찰계수이다.

마찰계수는 접촉면에서 두 물체의 소재, 접합면의 특성 등에 따라 달라질 수 있으며, 최대정지마찰계수가 큰 경우 주어지는 항력이 낮더라도 물체가 잘 미끄러지지 않으므로, 벽면과 벽면 부착식 등반로봇(100) 이동부 사이의 최대정지마찰계수가 클수록 동일한 중력에 대하여 요구되는 추력 (또는 추력과 항력의 합력)이 낮아지거나, 동일한 추력(또는 추력과 항력의 합력)에 대하여 높은 중량의 장치가 사용되는 것이 가능한 장점이 있다.

항력 및 추력은 각각 상기 벽면에 수직한 방향의 가상의 축에 평행한 수직성분과, 벽면에 평행한 가상의 축에 평행한 수평성분을 포함하고, 항력의 수직성분의 크기는 추력의 수직성분의 크기보다 작은 것이 좋으며, 수직성분과 추력은 하기 식 2를 만족하는 것이 좋다.

(식 2)

(단, FdN은 추력의 수직성분, FRN은 항력의 수직성분, μs 는 이동부와 벽면의 최대정지마찰계수, m은 벽면 부착식 등반로봇의 질량, g는 중력가속도)

벽면 부착식 등반로봇(100)이 벽면에 부착된 상태에서 지속적으로 추력을 발생시키는 경우 추력발생부(110) 근처의 유체의 흐름에 따라 와류가 형성될 수 있다. 벽면 근방에 유체가 유입되는 과정에서 형성되는 흐름은 유동에너지를 가지게 되며, 일부 와류가 발생하는 경우 항력으로 작용하여 벽면 부착식 등반로봇(100)의 부착을 방해하는 결과가 얻어질 수 있다.

본 명세서에서 공기의 흐름이나 흐름방향이라는 용어가 사용되는 경우, 모든 공기의 흐름을 의미하는 것이 아니라 해당 영역이나 면적에서 유동하는 공기의 평균적인 이동방향을 의미하는 것으로, 통상적으로 유체가 흐르는 방향이라고 이해할 수 있는 방향을 의미한다.

도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 벽면 부착식 등반로봇(100)의 외관을 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 4는 추력발생부(110)에 의한 유체의 이송에 따라 유입구(117) 및 벽면의 주변에서 발생하는 유체의 흐름을 나타낸 도면이다.

도 4 (a)는 일반적인 추력발생부(110)의 형태로서, 공기가 벽면방향에서 유입되므로 벽면에 의해 유입되는 공기의 흐름이 영향을 받으며, 벽면과 표면에서 마찰 등이 발생하므로 와류(Vortex)가 발생하게 되며, 방생하는 항력은 추력과 반대방향이 된다.

도 4 (b)는 추력발생부(110)에서 유입되는 공기의 방향을 변화시킨 경우에 공기의 흐름을 나타낸 것으로서, 유입되는 방향은 벽면에 직접적인 영향을 거의 받지 않으므로 와류의 발생이 크게 감소하고, 유입되는 공기의 흐름 방향이 변화됨으로써 공기의 충돌 등에 의한 항력의 방향이 변화하여 추력과 반대방향의 성분이 감소하고, 벽면과 평행한 방향의 항력성분이 증가할 수 있다.

추력발생부(110)는 유체의 흐름을 형성함으로써 추력을 발생시키며, 유체의 흐름을 발생시키기 위한 유체이송수단, 외부의 유체가 흡입되는 유입구(117), 유체가 빠져나가는 유출구(118)를 포함하여 이루어진다.

유체이송수단에 의하여 외부의 유체는 유입구(117)를 통하여 유입된 후 유출구(118)를 통하여 빠져나가는 일정한 유체의 흐름이 만들어지고, 그 과정에서 추력이 발생한다.

본 발명의 일 측면인 벽면 부착식 등반로봇(100)은 추력발생부(110)에 유체방향전환부(120) 및 유체역류방지부(125)를 더 포함하는 것이 좋다.

유체방향전환부(120) 및 유체역류방지부(125)는 추력발생부(110)에서 형성되는 유체의 흐름을 제어함으로써 벽면 부착식 등반로봇(100)이 벽면에 안정적으로 부착되는 데에 방해가 되는 항력을 효과적으로 줄일 수 있으며, 예를 들어 유체방향전환부(120)는 유입구(117)를 통하여 유입되는 유체가 추력발생방향과 수직에 가까운 방향인 벽면과 평행한 방향으로 유입될 수 있도록 하여 추력에 저항하는 항력의 효과를 줄일 수 있으며, 유체역류방지부(125)는 유출구(118)의 가장자리를 통해 유체가 역방향으로 유입되어 추력방지부 내에서 와류를 형성하고, 추력발생 효율을 감소시키는 현상을 방지함으로써 항력의 효과를 줄이고 추력발생 효율을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 바람직한 일 실시예의 추력발생부(110)는, 내부에 유체가 지날 수 있는 통로가 구비되는 관상체(管狀體)또는 중공체이다.

벽면 부착식 등반로봇(100)이 벽면에 부착되는 방향을 아래방향이라고 보았을 때, 측면방향으로 유입구(117)가 구비되고, 위방향으로 유출구(118)가 구입되는 형태인 것이 바람직하고, 관상체의 내부에 추진모터(112) 및 프로펠러(111)를 포함하는 유체이송수단이 수비되는 것이 좋다.

유체이송수단이 위치하는 지점으로부터 유입구(117)까지의 부분은 유체방향전환부(120)로서, 유입구(117)로 유입되는 유체의 흐름방향이 전환되어 유체이송수단까지 이송되고, 유체이송수단이 위치하는 지점으로부터 유출구(118)까지의 부분은 유체역류방지부(125)로서, 유체이송수단으로부터 내보내진 유체가 유출구(118)까지 일정하게 배출되며, 유출구(118)에서 추력발생부(110)의 가장자리 내주면을 따라 역류하는 유체의 흐름을 최소화한다.

이를 구체적으로 표현하면, 유입구(117)가 형성된 유입구면에서 유입되는 공기의 흐름방향을 유체유입방향, 유출구(118)가 형성된 유출구면에서 유출되는 공기의 흐름방향을 유체유출방향, 유체이송수단에서 공기를 이송하는 방향을 유체이송방향이라고 정의할 때, 유체유입방향과 공기 이송방향이 유체방향전환부(120)에 의해 달라지는 것이 좋고, 유체이송방향과 유체유출방향은 유체역류방지부(125)의 형태에 따라 달라질 수 있으나 동일한 것이 바람직하다.

이 때, 유체방향부에서 전환되는 유체의 흐름방향 각도는 75° 내지 105°, 바람직하게는 80 내지 100°, 더욱 바람직하게는 85 내지 95°인 것이 바람직하다.

공기의 흐름방향 전환 각도가 해당 범위보다 작은 경우 방향전환에 의한 효과가 미미하여 벽면측에 와류가 발생하는 문제가 있으며, 공기의 흐름방향 전환 각도가 해당 범위보다 큰 경우 방향전환에 의해 추력이 상쇄되거나 유입구(117)와 유출구(118)가 가까워져 공기의 흐름 제어가 어려워지는 문제가 있다.

유체방향전환부(120)의 구조에 의해 유입되는 공기의 흐름방향을 변화시킴으로 인하여, 유입구(117) 외부에서 공기의 흐름에 의한 유입구(117)와 벽면 사이에서의 와류형성이 억제되고, 유입되는 공기에 의한 항력의 방향이 변화되는 효과가 있으며, 방향이 변화된 항력은 추력과 반대방향으로 작용해 추력을 상쇄시키는 성분의 크기가 감소하므로 실질적으로 추력과 항력의 합력에 의한 실질적인 추력이 증가하는 효과가 있으므로, 벽면 부착식 등반로봇(100)을 벽면에 부착하기에 더욱 용이해진다.

즉, 유체유입방향과 유체유출방향이 서로 반대 방향이거나 유입구면과 유출구면이 서로 평행하여 이루는 각도가 180°에 가까운 경우 발생하는 항력은 추력과 방향이 반대이거나 추력과 반대방향의 성분이 크므로 추력을 크게 상쇄하는 결과를 가져오지만, 유입구(117)와 유출구에서 공기가 흐르는 방향의 각도를 달리하는 경우 발생하는 항력의 방향이 달라지므로 추력과 반대방향의 성분이 감소하고 추력과 수직방향의 성분이 증가하여 추력의 작용방향에서의 상쇄효과가 줄어들게 된다.

유체방향전환부(120)는 추력발생부(110)에서 유입구(117)가 측면 또는 벽면과 평행한 방향을 향하도록 하여 유입구(117)가 구비되는 유입구면이 벽면과 수직에 가까운 방향으로 구비되며, 유체유입방향이 벽면을 향하지 않고 벽면을 따라 구비되게 한다.

유입구(117)가 형성하는 유입구면은 유입구(117)의 구조에 따라 다르게 보일 수 있으나, 공기가 유입되는 홀인 유입공들이 위치하는 가상의 평면이며, 유입구면이 벽면과 이루는 각도는 60° 내지 120°, 바람직하게는 75° 내지 105°인 것이 좋다.

유입구면과 벽면이 이루는 각도가 해당 범위보다 작은 경우 벽면으로부터 유입되는 공기에 의한 와류가 발생하거나 항력의 방향 변화가 작아지는 문제가 있으며, 유입구면과 벽면이 이루는 각도가 해당 범위보다 큰 경우 유체방향전환부(120)의 구조가 복잡해지며 유입구(117)와 유출구(118)가 가까워져 추력이 감소되는 문제가 있다.

유입구면의 방향에 따라 유체유입방향이 달라질 수 있고, 유체유입방향과 벽면이 이루는 각도는 0 내지 30°, 바람직하게는 0 내지 15°인 것이 좋다.

유체유입방향과 벽면이 이루는 각도가 해당 범위보다 큰 경우 유체방향전환부(120)의 구조가 복잡해지며 유입구(117)와 유출구(118)가 가까워져 추력이 감소되는 문제가 있다.

유출구(118)는 벽면의 반대방향을 향하여 구비되는 것이 좋고, 유출구(118)가 구비되는 유출구면은 벽면에 평행하게 구비되는 것이 바람직하나, 벽면과 일부 각도를 이루는 구조일 수도 있으며, 그 각도는 10°이내인 것이 좋다.

본 발명의 일 실시예의 벽면 부착식 등반로봇(100)에 포함되는 추력발생부(110)는 유출구(118)가 구비되는 유출구면이 일부 기울어져, 유체이송방향과 유체유출방향이 서로 다르고, 추력발생부(110)에서 발생하는 추력이 벽면방향 성분과 중력 반대방향의 성분을 포함한다.

도 5는 유체방향전환부(120)의 형태에 따른 공기의 흐름을 도시한 것으로서, 도 5의 (a)와 같은 직각 형태의 유체방향전환부(120)의 경우 관상체의 내부공간에서 유체의 흐름이 복잡하고 와류가 생겨 효율성이 떨어질 수 있으며, 도 5의 (b)와 같이 내부에 부드러운 곡면형태의 유체방향전환부(120)가 구비되는 경우 유체의 흐름이 안정적이고 와류의 형성이 억제되며, 소음과 진동이 감소하는 장점이 있다.

유입구(117)는 먼지나 이물질이 유체방향전환부(120)의 내부로 들어오거나 유체이송수단 등에 유입되어 고장이 유발되는 현상을 방지하기 위해 여러개의 홀(구멍)이 뚫린 구조, 메시(mesh) 또는 외부로 돌출된 유입관(119)을 포함하는 판 또는 플레이트 구조로 구비될 수 있으며, 통상의 기술자가 채용할 수 있는 기타 형상이나 구조 또한 포함될 수 있다.

도 6는 유입구(117)의 형태를 달리한 실시예들을 도시한 것으로, 도 6의 (a)는 복수의 홀 형태의 유입공을 포함하는 유입구(117)를 나타낸 것이고, 도 6의 (b)는 외부로 돌출된 유입관(119) 형태의 유입구(117)를 나타낸 것이다.

본 발명의 일 실시예는 도 6의 (b)와 같이 유입구(117)에 유입구면으로부터 돌출된 유입관(119)을 포함하는데, 서로 평행하게 구비되는 중공관체인 유입관(119)을 구비하는 경우 유입관(119)의 끝부분에서 유입되는 공기의 유입각도범위가 홀이나 메시의 공극을 통해 유입되는 공기의 유입각도범위보다 좁아 공기의 유입시 항력의 영향이 적으며, 오염물질이나 이물질에 의해 막히거나 오염될 가능성이 적으므로 고장이 줄어들 수 있는 장점이 있다.

복수개의 돌출된 유입관(119)을 포함하는 유입구(117)의 경우 유입관(119)의 파손 및 오염을 방지하기 위하여 유입관(119)이 구비된 유입관고정판이 유체방향전환부(120) 내부에서 움직여 위치가 조절될 수 있도록 구비될 수 있다. 유입관고정판은 유체방향전환부(120)의 내부면과 접촉하며 유출구(118)에 가까워지도록 관상체의 내측으로 이동될 수 있으며, 관상체의 내측으로 유입관고정판이 이동되어 고정되는 경우 유입관(119)의 외부는 유입구(117)의 바깥방향으로 돌출되지 않게 되어 이물질이 묻거나 파손되는 위험을 줄일 수 있다.

또한, 유입구(117)에 구비되는 복수개의 홀 또는 유입관(119)은 유체유입방향이나 유출방향을 조절할 수 있도록 구비될 수 있으며, 그 구조 및 조절방식은 통상의 기술자가 채택할 수 있는 기술내용이라면 제한되지 않고 사용될 수 있다.

복수의 추력발생부(110)가 배치되는 상태에서 각 추력발생부(110)에 구비된 유입구(117)의 방향은 서로 대칭을 이루는 것이 바람직하다. 예를들어 직사각형 형태로 배치된 4개의 추력발생부(110)가 있는 경우, 좌상측, 우상측, 좌하측, 우하측 추력발생부(110)로 구별할 수 있는데, 각 추력발생부(110)에 구비된 유입구(117)의 방향은 예를 들어 좌상측과 우하측 추력발생부(110)가 서로 대칭이고, 좌하측, 우상측 추력발생부(110)가 서로 대칭일 수 있다.

유입구(117)의 방향이 서로 대칭으로 이루어지는 경우 유입되는 공기가 충돌하며 발생시키는 항력 또한 서로 대칭적으로 발생하므로 벽면과 평행한 방향의 성분들끼리 상쇄될 수 있고, 벽면 부착식 등반로봇(100)이 벽면을 따라 흔들리지 않고 안정적으로 균형을 이룰 수 있게 된다.

유입구(117)의 방향이 서로 대칭적이지 않거나, 무게중심을 기준으로 회전대칭을 이루는 경우(시계방향 또는 반시계방향), 발생하는 항력의 벽면에 평행한 방향 성분이 상쇄되지 않아 벽면 부착식 등반로봇(100)의 균형이 무너지거나, 상쇄되더라도 토크가 발생하여 벽면 부착식 등반로봇(100)이 안정적으로 이동하기 어려운 문제가 발생할 수 있다.

본 발명의 일 실시예는 4개의 추력발생부(110)를 직사각형 배열로 포함하며, 벽면에 부착된 상태의 벽면 부착식 등반로봇(100)을 벽면에 수직한 방향으로 바라보았을 때, 좌상측, 우상측 추력발생부(110)는 위쪽, 좌하측, 우하측 추력발생부(110)는 아래쪽으로 구비되는 유입구(117)를 포함하고, 다른 실시예는 좌상측, 좌하측 추력발생부(110)가 왼쪽, 우상측, 우하측 추력발생부(110)는 오른쪽으로 구비되는 유입구(117)를 포함한다.

추가적으로, 도 7은 위 실시예에 따른 유체이송부의 프로펠러(111) 회전방향을 나타낸 도면이다. 추력발생방향은 프로펠러(111)의 회전방향과 프로펠러(111)의 날개 형태에 따라 달라지는 것이므로, 프로펠러(111)의 회전방향이 서로 다르더라도 동일한 방향의 추력이 발생될 수 있는 것이나, 프로펠러(111)의 회전에 의해 추력발생부(110)에서 발생하는 회전힘(토크, Torque)에 의한 영향이 존재할 수 있다.

프로펠러(111)의 회전방향은 도 7 의 (a) 및 (b) 와 같이 서로 인접하는 프로펠러(111)와 반대의 회전방향을 가지며, 전체 프로펠러(111)의 수 중 절반이 시계방향, 나머지 절반이 반시계방향인 것이 바람직하다.

도 7의 (c), (d)와 같이 모든 프로펠러(111)의 회전방향이 동일한 경우, 회전힘의 합이 증가하여 안정성이 떨어지고 추력이 감소하는 문제가 발생하였다.

본 발명의 일 실시예는 추가적으로 유체방향전환부(120)에서 유입구(117)가 벽면과 이루는 각도를 변화시키는 구성을 더 포함할 수 있다. 유체방향전환수단은 예를들어 벨로우즈와 같이 확장 가능한 구조로 형성되어 외부에서 유입구 부분을 잡아당겨 유체방향전환부(120)를 연장시키며 벽면과 유입구면이 이루는 각도를 증가시킬 수 있으며, 반대로 유입구면을 밀어넣어 벽면과 유입구면이 이루는 각도를 감소시키는 것도 가능하다.

유체방향전환부(120)의 길이 및 각도를 변화시키는 수단은 통상의 기술자가 해당 기술분야에서 도출할 수 있는 모든 기술을 포함한다.

도 8은 추력발생부(110)의 유체역류방지부(125)의 길이에 따른 유체의 흐름을 개략적으로 나타낸 도면이다.

유체역류방지부(125)는 유체이송수단이 구비되는 위치로부터 유출구(118)까지 구비되는 중공체 형태이며, 구체적으로 유체역류방지부(125)는 직경과 길이를 가지는 원통형으로 이루어질 수 있고, 직경은 외경이나 내경, 또는 외경과 내경의 평균으로 측정될 수 있다.

유체역류방지부(125)는 유체이송수단에서 내보내는 유체가 이동하는 통로가 되며 이 때, 외부에서 유체가 유출구(118)를 통하여 유입되어 역류하는 것을 막을 수 있다.

유체역류방지부(125)의 길이는 직경의 0.2 배 내지 0.7 배, 바람직하게는 0.3 내지 0.5 배 인 것이 좋다. 길이가 너무 짧은 경우 유체역류방지부(125)의 직경을 따라 유체가 유입되어 유체이송수단 및 유체방향전환부(120)에서 와류를 일으키고 추력발생효율을 감소시키는 문제가 발생할 수 있으며, 길이가 너무 긴 경우 추력발생부(110)의 중량이 증가하고 실용성이 떨어지는 문제가 있다.

유체역류방지부(125)가 원통형으로 이루어지는 경우 그 직경은 유출구(118)의 직경으로 계산되며, 유출구(118)의 직경과 유입구(117)의 직경은 서로 유사한 것이 바람직하다.

구체적으로는 유출구(118)와 유입구(117)의 직경 비율 값이 0.9 내지 1.1 정도로 그 차이가 10% 이내인 것이 좋으며, 바람직하게는 유출구(118)와 유입구(117)의 직경 비율 값이 0.95 내지 1.05 정도로 그 차이가 5% 이내인 것이 좋다.

유출구(118)와 유입구(117)의 직경 비율 값이 해당 범위를 벗어나는 경우 추력발생부(110)에서 유입되는 유체와 유출되는 유체의 부피가 동일한데, 통과하여야하는 유입구(117) 또는 유출구(118)의 단면적 차이가 커져 유체의 유속이 달라지게되므로, 일정한 유체의 흐름을 형성하기 어렵고, 추력의 발생효율이 감소하는 문제가 있다.

또, 본 발명의 일 실시예는 추력발생부(110)에 포함되는 유체이송수단, 예를들어 프로펠러(111)의 위치를 조절하는 수단을 포함할 수 있다. 추력발생부(110)의 프로펠러(111)의 각도 및 위치를 조절하는 경우 추력의 방향을 조절할 수 있으며, 추력의 방향을 조절함으로써 중력을 일부 상쇄시키거나 항력의 방향과 추력의 방향을 더욱 달라지게 하는 효과를 얻을 수 있어 벽면 부착식 등반로봇(100)이 벽면에 더욱 안정적으로 부착될 수 있는 조건을 만들 수 있다.

위와 같은 추력발생부(110)를 포함하는 벽면 부착식 등반로봇(100)은 벽면방향으로 발생하는 추력에 대하여 유입구(117)에서 유입되는 유체의 흐름에 의해 발생하는 항력이 크게 감소하므로 동일한 추력발생장치의 출력 조건에서도 추력발생효율이 향상될 수 있으며, 안정적인 벽체부착이 가능하다.

도 9 는 본 측면의 일 실시예에 따른 추력발생부(110) 및 일반적으로 사용되는 추력발생장치에 의해 발생하는 추력의 비교실험결과를 촬영한 사진이다.

유체방향전환부가 구비된 로봇과 유체방향전환부가 구비되지 않은 로봇을 전자저울에 올려둔 후 자체 중량을 영점으로 설정하고, 유체이송수단 또는 프로펠러를 15,000 rpm으로 회전시키며 측정되는 중량을 측정하였다.

유체유입방향과 유체이송방향이 90°가 되도록 유체의 흐름방향을 전환시키는 유체방향전환부가 구비된 경우 측정된 중량은 약 393g 정도였고, 유체방향전환부기 구비되지 않은 경우 측정된 중량은 약 193g 이었다.

즉, 동일한 추진장치를 사용하는 경우라도 유체방향전환부가 구비되는 경우 발생한 추력은 약 2.03배(=393/193)로 높게 얻어짐을 확인할 수 있고, 이는 유입구(117)의 방향 및 유체유입방향의 전환에 따른 항력 차이에 의한 것으로 볼 수 있다.

한편, 벽면 부착식 등반로봇(100)은 이동부를 포함하며, 이동부는 벽면에 부착된 벽면 부착식 등반로봇(100)을 벽면을 따라 이동시키며, 바퀴 또는 무한궤도를 포함하는 것이 좋다.

벽면 부착식 등반로봇(100)은 구동모터를 구비하여 바퀴 또는 무한궤도의 기동륜을 구동시키고, 이동식 작치가 벽면에서 이동할 수 있게 한다.

이동부는 벽면에서 접촉하며 마찰력을 발생시키고, 마찰력은 중력의 반대방향으로 작용하여 벽면 부착식 등반로봇(100)이 벽면에서 미끄러져 추락하는 것을 방지하므로, 마찰계수 및 최대정지마찰계수가 높은 폴리머 등의 소재를 사용하는 것이 바람직하다.

벽면 부착식 등반로봇(100)이 벽면을 따라 원활하게 이동하기 위해서는 벽면 방향으로 로봇이 벽면을 미는 부착력, 부착력에 비례하여 중력방향으로 로봇이 미끄러지지 않게하는 마찰력, 로봇을 원하는 방향으로 이동시키는 구동력이 모두 요구된다.

부착력이 충분하지 않은 경우 그에 비례해 마찰력이 감소하고, 바퀴가 구동되더라도 로봇이 벽면을 따라 이동하기 어려워진다.

내부에 공기가 충전된 유압 방식의 타이어를 이동부의 바퀴로 사용하는 경우에는 타이어와 벽면과의 접촉면이 형성될 수 있으며, 타이어의 접촉면적은 아래 식3에 의해 계산될 수 있다.

(식 3)

P(압력)=F(힘) / A(면적)

타이어의 접촉면적에 영향을 미치는 요소는 타이어의 공기압과 로봇이 벽면을 미는 힘(추력)이고, 타이어의 내부 공기압에 따라 접촉면적이 달라질 수 있어 공기압의 조절에 따라 접촉면적 조절에 따른 이동부의 구동 효율을 조절하는 것도 가능하다.

벽면 부착식 등반로봇(100)은 벽면에 부착되며 안정적인 이동이 가능하므로, 벽면을 이동하면서 사람이 직접 하기 어려운 작업을 수행하는 용도로 사용되는 것도 가능하며, 예를들어 고층 빌딩의 외벽을 이동하며 외벽의 균열이나 하자를 탐지, 보수 하기 위한 용도, 도료를 분사하여 외벽의 도장 또는 재도장을 실시하는 용도, 외벽이나 유리창의 청소 등의 용도로 사용될 수 있다.

이 때, 벽면 부착식 등반로봇(100)의 몸체에는 도장을 위한 도료 분사 노즐, 벽면을 촬영하기 위한 카메라 및 감지수단, 외부와 데이터를 송수신할 수 있는 통신수단 등이 더 포함될 수 있고, 도장 시 발생하는 분진의 비산을 막기위한 집진수단 등이 포함되는 것도 가능하다.

본 발명의 제2측면은 벽면 부착식 등반로봇(100)을 활용한 벽체 관리 시스템으로서, 벽체(1)에 부착되어 이동하며 정보를 수집하여 전송 및 송신하는 벽면 부착식 등반로봇(100), 송신된 신호를 받아 저장하며 실시간 모니터링하는 모니터링 플랫폼, 모니터링 플랫폼에 저장된 데이터를 분석하는 데이터 분석 플랫폼, 데이터 분석 플랫폼에서 분석된 데이터를 수신해 저장하고 정보를 사용자에 제공하는 서버 및 사용자가 명령을 입력하거나 정보를 수신할 수 있는 관리앱(App)을 포함한다.

도 10은 본 발명의 제2측면인 벽체 관리 시스템을 개략적으로 나타낸 블록다이어그램이다.

본 측면에 포함되는 벽면 부착식 등반로봇(100)은 벽체(1)에 부착된 상태로 이동하며 벽체(1)에 관한 정보를 탐지하며, 예를들어 벽면의 표면을 촬영, 샘플 채취, 도료의 도장 등과 같은 역할을 수행할 수 있으며, 주변의 풍향, 풍속 등의 정보를 센서로 감지하여 외부에 송신하는 역할을 수행할 수 있다.

벽면 부착식 등반로봇(100)은 전술한 제1측면의 벽면 부착식 등반로봇(100)을 사용하는 것이 좋으며, 전술한 사항과 동일한 내용에 대하여는 기재를 생략하였다.

벽면 부착식 등반로봇(100)은 센서모듈, 제어모듈, 구동모듈, 통신모듈을 포함한다.

센서모듈은 카메라, 적외선카메라. 초음파센서, 라이다(Lidar), SAR 등을 포함하며, 벽면의 표면을 촬영하여 영상데이터를 수집하거나 도장면을 촬영하여 도장의 품질을 검사하기 위한 영상 및 사진자료, 또는 작업환경정보 데이터를 입력받는 입력모듈이다.

풍향 또는 풍속 정보는 벽면 부착식 등반로봇(100)의 안전성과 작업가능 여부를 판단하기 위한 자료로 사용되며, 미리 정해진 수치의 풍속을 넘어가는 경우 자체적인 위험신호를 발생시키는 것도 가능하다.

센서모듈은 벽면 부착식 등반로봇(100)의 바퀴 등에 가해지는 압력을 측정하는 압력센서를 포함하는 것이 좋으며, 압력센서는 가해지는 압력을 실시간으로 측정하여 제어모듈로 전달할 수 있다.

센서모듈은 추가적으로 벽면 부착식 등반로봇(100)의 떨림, 불균형, 조향 등을 감시하는 수단을 포함할 수 있으며, 수집된 정보를 제어모듈에 전달할 수 있다.

제어모듈은 연산부와 제어부를 포함하며, 센서모듈에서 입력된 데이터, 정보를 연산 및 처리하여 후술할 통신모듈에 전달할 수 있고, 통신모듈로부터 전달받은 신호를 처리하여 제어모듈이나 구동모듈에 신호를 전달할 수 있다.

제어모듈은 바퀴에 가해지는 압력 정보를 수신받아 정해진 압력범위보다 압력이 낮아지는 경우 마찰력을 계산하여 추가적인 추력을 더욱 발생시키기 위한 신호를 구동모듈에 전달할 수 있으며, 정해진 압력범위보다 압력이 높아지는 경우 추진모터(112)의 출력을 낮추는 신호를 구동모듈에 전달할 수 있다.

구동모듈은 벽면 부착식 등반로봇(100)의 구동부인 이동부 또는 바퀴를 제어하며, 구체적으로는 구동모터의 작동상태, 출력, 회전방향 등을 제어할 수 있고, 추진력을 발생시키기 위한 추력발생부(110)의 추진모터(112)의 작동상태, 출력을 제어할 수 있으며, LED 등의 작동을 제어할 수 있다.

벽체부착등반로봇은 지상에서 원격조정기를 이용해 벽체부착 상태를 조정하거나, 미리 입력된 GPS 벽체이동경로를 따라 스스로 이동할 수 있으며, 기존 드론에 적용하는 비행제어기를 벽면 부착식 등반로봇(100)에 장착하여 수신기로부터 전달받은 원격 벽체부착등반명령어(혹은 GPS 비행경로)를 센서 융합기에서 보내온 상태 추정치를 비교하여, 그 차이 값을 이용해 모터들의 회전 속도를 계산하고, 계산된 결과들을 PWM 신호로 변환해 구동모듈로 전달해준다.

구동모듈은 리튬폴리머와 같은 짧은 시간 작업에 적용되는 배터리를 포함하는 것도 가능하여 외부전원이 없이도 일정 시간 모터의 구동을 지원할 수 있다.

구동모듈은 모터변속기를 포함할 수 있으며, 모터변속기는 로터의 프로펠러 제어기로부터 신호를 받아 모터를 구동시키고, 전원의 공급원에 따라 각각의 모터에 장착된 별도의 모터변속기로 모터가 구동된다.

통신모듈은 제어모듈로부터 전달받은 데이터 또는 신호를 외부로 송신하는 역할을 수행한다. Wifi, LTE, 텔레메트리, 비디오, PC 송수신방식 등이 사용될 수 있고, 통신 방식에 따라 안테나가 포함되는 것도 가능하다.

통신모듈은 주로 외부에 위치하는 실시간 모니터링 플랫폼에 데이터를 전달한다.

실시간 모니터링 플랫폼은 벽면 부착식 등반로봇(100)의 작동상태 및 작업을 실시간으로 모니터링하며 입력되는 데이터를 전달받아 저장하는 역할을 수행한다.

통신모듈로부터 전달받은 데이터는 무선통신에 의해 실시간 모니터링 플랫폼으로 전달되고 모니터링 데이터베이스 (이하, 모니터링 DB)에 저장된다.

실시간 모니터링 플랫폼은 벽면 부착식 등반로봇(100)에서 전송된 측정데이터, 전력공급 데이터, 벽면 부착식 등반로봇(100)의 상태데이터, 도장작업 데이터 및 장치의 기타 정보를 실시간으로 분석 및 저장하며, 풍속이 너무 세거나 이동식 장치가 작업이 불가능한 상태로 판단되면 직접 벽면 부착식 등반로봇(100)의 동작을 제어하여 작업을 중단시키거나 벽면 부착식 등반로봇(100)의 위험신호를 수신하여 작업중단 신호를 전달할 수 있다.

구체적으로는, 실시간 모니터링 플랫폼은 통계 및 추적, 정보해석 및 분석, 이상상태감지, 통신제어, 로그 및 DB관리 역할을 수행할 수 있으며, 고층건물 유지보수 작업과 관계된 구조물 진단, 도장, 청소 작업시 상하좌우 조향, 노즐제어, 브러쉬 제어 등 각종 데이터에 대해서 정보를 해석 및 분석하고, 통계화해서 추적하게 할 수 있다.

또한, 돌풍, 작업자의 조종실수, 부품고장 등 갑작스러운 이상 상태로 전개되기 전에 머신러닝 알고리즘을 이용하여 이상 상태를 미리 감지하여 알림으로써, 심각한 위기 상황에 빠지지 않게 관리하는 것도 가능하다.

실시간 모니터링 플랫폼에서 실시간으로 분석 및 저장된 데이터는 데이터 분석 플랫폼에 전달될 수 있다.

데이터 분석 플랫폼은 머신러닝 기반의 빅데이터를 활용 가능한 분석 플랫폼인 것이 좋으며, 실시간 모니터링 플랫폼에서 전달된 데이터를 자체적으로 분석 수행할 수 있다.

또한, 데이터 분석 플랫폼은 클라우드 기반의 빅데이터를 활용할 수 있어 빠르고 효과적인 데이터의 처리가 가능하다.

예를들어, 벽면 부착식 등반로봇(100)에서 촬영한 영상 및 이미지 정보는 실시간 모니터링 플랫폼에 저장된 후 데이터 분석 플랫폼에서 영상분석 알고리즘을 통해 분석될 수 있으며, 머신러닝 기반의 이미지 분석을 수행하여 촬영된 영상 및 이미지에 대한 평가를 수행하고, 평가결과를 다시 실시간 모니터링 플랫폼에 전달하는 것도 가능하다.

구체적으로는 촬용된 영상 및 이미지에서 자체적인 분석을 통해 균열이나 파단부분을 특정하고 크기, 폭 등의 세부정보를 계산하며, 도장면의 품질, 균일도 등을 계산, 분석하는 것도 가능하다.

분석된 데이터 및 분석결과는 빅데이터 분석 데이터베이스(이하, 빅데이터 분석 DB)에 저장된다.

데이터 분석 플랫폼은 벽면 부착식 등반로봇(100)과 건물의 마찰계수 데이터를 빅데이터 분석 DB에 저장, 활용하는 기능을 수행할 수 있다.

특정 건물의 벽면이나 외벽의 작업시 벽면 부착식 등반로봇(100)의 압력센서 및 실시간 모니터링 플랫폼에서 실시간으로 수집되어 연산, 처리되는 대이터를 통하여 벽면 부착식 등반로봇(100)과 특정 건물 벽면에서의 마찰계수 데이터가 누적되며, 이후 해당 건물에 대한 작업명령을 받아 작업을 수행하는 경우 빅데이터 분석 DB에 저장된 마찰계수 데이터를 활용하여 작업에 필요한 벽면 부착식 등반로봇(100)의 중량 및 최소 요구 추력, 최소 요구 추진모터출력이 계산될 수 있고, 풍향 및 풍속 정보 등의 데이터가 추가적으로 반영되어 벽면 부착식 등반로봇(100)의 필요 추력이 연산되어 제공될 수 있으며, 해당 작업에 요구되는 추력 조건을 만족하는 벽면 부착식 등반로봇(100)이 작업에 제공된다.

서버는 벽면 부착식 등반로봇(100) 및 사용자의 정보를 관리하는 웹 서버로서, 서버 데이터베이스 (이하 서버 DB)를 포함하여 이루어지며, 데이터를 웹사이트 등을 통해 제공할 수 있다.

서버에서는 사용자 및 건물 관리 데이터, 벽면 부착식 등반로봇 데이터 및 작업스케쥴 및 진행상태 관리 데이터 등이 저장될 수 있다.

사용자는 관리앱(App)을 활용하여 서버에 정보를 제공하거나 서버로부터 정보를 전달받을 수 있으며, 회원가입 및 로그인을 통해 사용자 정보를 등록한 후, 해당 사용자 정보에 연동된 작업정보 및 건물, 벽면 부착식 등반로봇 정보를 서버로부터 전달받거나 작업명령을 서버에 전달할 수 있다.

사용자가 관리앱을 통하여 전달한 작업명령은 서버에서 처리되어 실시간 모니터링 플랫폼을 통해 벽면 부착식 등반로봇(100)에 전달되는 것도 가능하며, 관련 작업이 3초 이내에 실행될 수 있다.

이는 클라우드 플랫폼의 평균데이터 처리량은 JMeter로 측정하여 1,000 TPS 이상으로, 관리앱으로 사용자가 1,000,000 번 서비스를 요청했을 때, 3초 이내에 처리할 수 있는 데이터 처리량이기 때문이다.

또한, 관리앱에서 작업명령을 JMeter로 측정하여 1,000,000건 전송 시, 전송 오류없이 전송하는 정확도는 99.9% 이상으로 확보될 수 있다.

사용자는 작업명령 전달 이후 벽면 부착식 등반로봇(100)의 작업 상태 및 관련 정보를 실시간 모니터링 플랫폼, 서버 등을 통하여 전달받아 확인할 수 있다.

이동식 장치의 현장 작업을 위하여 추가적인 장치들이 활용될 수 있다.

이동식 장치는 배터리를 포함하는 것이 좋으나, 경량화 등을 위하여 외부 전원을 공급받기 위한 케이블이 연결될 수 있고, 도료를 분사하는 도장작업시에는 도료를 공급받기 위한 관이 연결될 수 있다.

초고층 빌딩에서 작업하는 경우, 이러한 케이블이나 관의 길이가 길어지고 흔들리는 현상을 방지하기 위하여 케이블고정로봇이 함께 작업에 사용될 수 있다.

또한 벽면 부착식 등반로봇(100)의 이동시 추력발생부(110) 및 지지대(114)의 파손을 방지하면서 작업 시작시 벽면 부착식 등반로봇(100)의 추락을 방지하고 안정적인 벽체부착을 확인하기 위하여 벽면 부착식 등반로봇(100) 고정장치(500)가 사용될 수 있다.

도 11은 건물의 외부에 벽면 부착식 등반로봇(100)을 활용하는 경우 옥상의 난간에 고정된 행거(410)와 릴, 케이블(420)에 연결된 벽면 부착식 등반로봇(100) 등을 나타낸 도면이고, 도 12는 벽면 부착식 등반로봇(100) 작업의 시작 및 종료 시 벽면 부착식 등반로봇(100) 을 회수하거나 안정적으로 벽면에 부착시키기 위하여 사용되는 고정장치(500)를 나타낸 도면이다.

고정장치(500)는 벽면 부착식 등반로봇(100)을 벽체(1)에 고정시키며, 고정된 벽면 부착식 등반로봇(100)에서 추력발생부(110)를 작동시켜 안정적인 벽체부착이 확인되는 경우에 고정장치(500)가 벽면 부착식 등반로봇(100)의 고정을 해제하여 바퀴의 구동에 의한 벽체이동이 이루어질 수 있다.

고정장치(500)는 건물의 옥상, 난간에 고정되어 전원이나 도료를 공급하는 행거(410)와 함께 연결되는 것이 좋으며, 내구성이 좋고 경량의 소재인 알루미늄합금 또는 폴리카보네이트나 탄소섬유폴리머 등과 같은 소재가 사용되는 것이 좋다.

고정장치(500)는 양 측면에 구비되는 고정날개(510)를 구비하며, 고정날개(510)는 벽면 부착식 등반로봇(100)을 고정하는 고정상태 및 양측으로 벌어져 벽면 부착식 등반로봇(100)을 고정해제시키는 해제상태로 작동되며, 작업시작시 고정상태에서 추력발생 확인후 해제상태로 작동하고, 작업의 종료시에는 해제상태에서 벽면 부착식 등반로봇의 정위치 확인 후 고정성태로 작동되어 벽면 부착식 등반로봇을 고정한다.

날개의 작동 원리 및 구조는 제한되지 않으며, 통상의 기술자가 채택할 수 있는 기술수단이라면 제한되지 않고 활용 가능하다.

유선전원공급 시 작업시간의 제한은 없으며, 지속적으로 작동이 가능하지만, 유선으로 인한 제약이 있으며, 유선전원공급이 없는 경우에는 균열검사 등 짧은 시간 작업에 내장된 배터리가 사용될 수 있는데, 배터리 사용시 1시간 이상 작업이 가능한 것이 바람직하며, 무선조정 통신거리는 10~2,000m가 바람직하다.

이 때, 벽면 부착식 등반로봇의 활용에 따라 안전하고 신뢰성 있는 운용을 위해서 지상통제시스템(GCS Ground Control System)과 벽체부착 이동체 부품 간의 통신링크가 유지되어야 한다.

벽체부착 이동체 조종 제어용 주파수는 지상통제센터에서 이용하는 ‘지상제어 주파수’와 위성에 탑재된 통제설비에서 이용하는 ‘위성제어 주파수’로 구분되어 사용이 바람직하며, 기존 지상제어용 주파수는 신규주파수로 C-band 대역 5,030-5,091MHz(61MHz)가 분배되었으며, 전용대역으로서 전파혼선으로 인한 추락, 충돌 등 사고위험을 억제하고, 최대 10W까지 운용이 가능하다.

경우에 따라서 위성제어 주파수는 고정위성(FFS Fixed Satellite Service)을 이용한 Ka/Ku-band 대역의 초고주파(Super High Frequency)데이터링크 이용이 바람직하다.

전술한 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

1 : 벽체
100 : 벽면 부착식 등반로봇
110 : 추력발생부
111 : 프로펠러
112 : 추진모터
114 : 지지대
117 : 유입구
118 : 유출구
119 : 유입관
120 : 유체방향전환부
125 : 유체역류방지부
130 : 이동부
410 : 행거
420 : 케이블
500 : 고정장치
510 : 고정날개

Claims (11)

1. 벽면에 부착되어 이동하는 이동식장치로서,
   상기 이동식장치를 공기의 유입 및 유출에 의해 상기 벽면 방향으로 부착시키기 위한 추력을 발생시키는 추력발생부; 및
   상기 벽면상에서 상기 이동식장치를 이동하게 하는 이동부; 를 포함하고,
   상기 추력발생부는 상기 공기의 유입을 위한 유입구, 상기 공기의 유출을 위한 유출구, 상기 유입구와 상기 유출구의 사이에 구비되어 상기 공기를 이송시키는 유체이송수단 및 상기 유입구에서 상기 유체이송수단으로 흐르는 상기 공기의 방향을 전환시키는 유체방향전환부를 포함하는 벽면 부착식 등반로봇.
2. 제1항에 있어서,
   상기 추력발생부는 상기 공기가 상기 유출구로부터 상기 유체이송수단 방향으로 유입되는 것을 방지하는 유체역류방지부를 포함하는 벽면 부착식 등반로봇.
3. 제2항에 있어서,
   상기 유체방향전환부에서 상기 공기가 흐르는 방향이 전환되는 각도는 75°내지 105°인 벽면 부착식 등반로봇.
4. 제3항에 있어서,
   상기 유입구에서의 유체유입방향이 상기 벽면과 이루는 각도는 0°내지 30°인 벽면 부착식 등반로봇.
5. 제4항에 있어서,
   상기 유출구의 직경과 상기 유입구의 직경의 비율은 0.9 내지 1.1 인 벽면 부착식 등반로봇.
6. 제5항에 있어서,
   상기 유체역류방지부의 길이는 상기 유출구의 직경의 0.2 내지 0.7 배인 벽면 부착식 등반로봇.
7. 제6항에 있어서,
   상기 추력발생부가 3 내지 10개 구비되는 벽면 부착식 등반로봇.
8. 제7항에 있어서,
   상기 유체이송수단은 추진모터 및 상기 추진모터에 결합된 프로펠러이고, 상기 프로펠러는 인접한 상기 추력발생부의 프로펠러와 회전방향이 서로 반대인 벽면 부착식 등반로봇.
9. 제8항에 있어서,
   상기 이동부는 상기 벽면에 접촉되는 바퀴 또는 무한궤도를 포함하는 벽면 부착식 등반로봇.
10. 제9항에 있어서,
    상기 유체방향전환부는 길이 및 각도의 조절이 가능한 벽면 부착식 등반로봇.
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 벽면에 도료를 분사하는 도료분사수단을 더 포함하는 벽면 부착식 등반로봇.

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