KR20130009305A - 선체 벽면 작업용 로봇 및 그 제어방법 - Google Patents

Abstract

선체 벽면을 주행하는 로봇의 수심과 방위각에 근거한 추측 항법을 이용하여 선체 벽면에서의 로봇의 현재 위치를 실시간으로 인식함으로써 별도의 LBL 시스템을 설치하지 않고서도 로봇 내부에 설치된 압력센서와 관성센서만을 이용하여 선체 벽면에서의 로봇의 현재 위치를 효율적이고 신뢰성 있게 인식할 수 있는 선체 벽면 작업용 로봇 및 그 제어방법을 개시한다.

Description

선체 벽면 작업용 로봇 및 그 제어방법{SHIP HULL WORKING ROBOT AND CONTROL METHOD THE SAME}

본 발명은 선체 벽면 작업용 로봇 및 그 제어방법에 관한 것이다.

일반적으로, 건조 된지 1년 이상의 모든 선박은 경제적 운항 및 안전 항해를 위하여 선급의 검사규정에 따라 검사를 반드시 받아야 하며 검사를 위한 선체 청소도 필수적이다.

선체 청소는 선박의 하부 및 측면에 붙은 해양생물 등의 이물질을 떼어내는 작업이다.

선박은 선체의 하부 및 측면이 물에 잠긴 상태에서 운항되거나 정박된 상태를 유지한다. 바닷물에는 따개비등의 많은 해양생물이 살고 있다. 따라서, 시간이 지남에 따라 선체의 하부 및 측면에는 조개류인 따개비(Barnacle) 등의 해양생물이 부착되어 서식한다. 최근에는 친환경적인 페인트 도료의 사용으로 인해 선체에 더욱 많은 해양생물이 부착되는 실정이다.

선체에 부착된 해양생물은 선박의 표면 저항력을 증가시키기 때문에 선박의 운행 속도가 떨어지며, 연료 소모량을 증가시키는 요인이 되어 전체적인 운항비용을 증가시킨다. 또한, 선체에 부착된 해양생물은 선체의 페인트를 떨어지게 하여 선체 부식의 요인이 되고 있다.

이러한 해양생물을 떼어내기 위해서는 해양생물이 꺼려하는 물질을 넣은 유독성의 방오 페인트를 사용하여 선체 외벽을 도장하거나, 잠수부가 선체에 줄을 달고 수중으로 직접 내려가 선체 외벽에 붙은 해양생물을 제거하는 등 여러 방안이 제시되어 있다.

하지만, 유독성의 방오 페인트는 해양 환경 규제가 강화됨에 따라 그 사용이 제한될 뿐만 아니라 그 효력 또한 지속적으로 유지되기 어렵다. 더욱이, 선체 외벽에 붙은 해양생물은 눈에 잘 보여 미관상의 목적으로도 더욱 확실한 제거가 필요하다. 또한, 잠수부를 이용하여 선체 외벽에 붙은 해양생물을 제거할 경우, 안전사고에 부담과 작업시간 및 비용이 많이 소요되는 문제점이 있다.

최근에는 선체를 보다 효율적이고 안전하게 청소할 수 있도록 선체 벽면 작업용 로봇을 이용하여 선체에 붙은 해양생물을 청소하고 있다.

종래에는 선체 벽면 작업용 로봇에 설치되는 수신기와 선체 벽면 작업용 로봇이 청소하는 영역의 적어도 3개의 지점에 설치되는 음향 신호 장비를 가진 LBL(Long Baseline) 시스템을 이용하여 선체 벽면 작업용 로봇의 현재 위치를 인식한다. LBL 시스템은 수중에서 수신기를 통해 수중 음향 신호를 송출한 다음, 이 신호를 다시 받아 그 시간차를 이용해 거리를 계측하고 이를 3지점 이상에서 반복 수행하여 삼각측량방식으로 수중 음향 신호가 송출된 수신기의 위치를 추적해내는 시스템이다.

하지만, 이러한 LBL 시스템은 비교적 고가이기 때문에 전체 제조 비용이 증가하고, 선박에는 음향 신호 장치를, 선체 벽면 작업용 로봇에는 수신기를 추가적으로 설치해야 하기 때문에 추가 설치에 따른 번거로움이 있다.

본 발명의 일 측면은 선체 벽면을 주행하는 로봇의 수심과 방위각에 근거한 추측 항법(Dead-Reckoning)을 통해 로봇의 현재 위치를 실시간으로 인식하는 선체 벽면 작업용 로봇 및 그 제어방법을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 측면은 선체 벽면의 모든 청소구간에서 로봇의 수심과 방위각에 근거한 추측 항법에 의해 로봇 위치를 인식할 수 있도록 로봇을 수평 주행 없이 사선 주행 및 수직 주행시키는 선체 벽면 작업용 로봇 및 그 제어방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여 이하의 구성을 갖는다.

로봇을 수중의 선체 벽면에서 직진 주행 및 회전 주행 중 적어도 어느 하나를 수행시키는 이동부; 상기 로봇을 선체 벽면에 밀착시키는 벽면 밀착부; 상기 이동부에 의해 이동된 상기 로봇의 수심과 방위각을 감지하는 센서부; 및 수심의 변화가 일어나는 방향으로 상기 로봇이 상기 선체 벽면을 주행하도록 상기 이동부를 제어하는 제어부를 포함한다.

상기 제어부는 수심의 변화가 일어나도록 상기 로봇을 사선 주행과 수직 주행 중 적어도 어느 하나를 수행하는 것을 포함한다.

상기 선체 벽면의 이물질을 제거하는 청소부를 더 포함한다.

상기 센서부는, 상기 이동부에 의해 이동된 상기 로봇의 수심을 감지하는 압력센서; 및 상기 이동부에 의해 이동된 상기 로봇의 방위각을 감지하는 관성센서;를 포함한다.

상기 관성센서는 광섬유 자이로 센서 또는 자세방위측정장치(Attitude and Heading Reference System ; AHRS) 중 어느 하나를 포함한다.

상기 제어부는 상기 로봇이 어느 한 지점에서부터 수심이 깊어지는 제1주행과, 수심이 얕아지는 제2주행을 반복적으로 수행하도록 상기 이동부를 제어하는 것을 포함한다.

상기 제어부는 상기 제1주행과 제2주행 사이에, 상기 로봇이 수직 주행을 수행하도록 상기 이동부를 제어하는 것을 포함한다.

본 발명의 다른 측면에 따른 선체 벽면 작업용 로봇의 제어방법은 수중의 선체 벽면을 주행하는 선체 벽면 작업용 로봇의 제어방법에 있어서, 상기 로봇을 선체 벽면에 밀착시키고, 상기 로봇의 수심과 방위각을 감지하고, 상기 감지된 수심과 방위각을 근거로 하여 상기 로봇의 현재 위치를 인식하고, 수심의 변화가 일어나는 방향으로 상기 로봇을 상기 선체 벽면에 주행시키는 것을 포함한다.

상기 로봇을 상기 선체 벽면에 주행시키는 것은, 수심의 변화가 일어나도록 상기 로봇을 사선 주행과 수직 주행 중 적어도 어느 하나로 주행시키는 것을 포함한다.

상기 로봇이 상기 선체 벽면을 주행하면서 상기 선체 벽면의 이물질을 제거하는 것을 더 포함한다.

상기 로봇을 상기 선체 벽면에 주행시키는 것은, 상기 로봇이 어느 한 지점에서부터 수심이 깊어지는 제1주행과, 수심이 얕아지는 제2주행을 반복적으로 수행시키는 것을 포함한다.

상기 제1주행과 제2주행 사이에, 상기 로봇을 수직 주행시키는 것을 포함한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 로봇 본체의 수심과 방위각에 근거한 추측 항법을 이용하여 로봇 본체의 위치를 실시간으로 인식함으로써 별도의 LBL 시스템을 설치하지 않고서도 로봇 본체 내부에 마련된 수심센서와 관성센서만을 이용하여 로봇이 선체 벽면 중 어느 위치를 주행하고 있는지를 보다 효율적이고 정확히 파악할 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 선체 벽면에서 로봇을 수평 주행시키지 않고 사선 주행 및 수직 주행시키기 때문에 로봇의 수심과 방위각에 근거한 추측 항법에 의해 선체 벽면의 모든 청소 구간에서 로봇 위치를 인식할 수 있어 LBL 시스템 없이도 선체 벽면을 자율 이동하면서 청소할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 선체 벽면 작업용 로봇이 적용되는 선박의 개략적인 측면도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 선체 벽면 작업용 로봇의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 선체 벽면 작업용 로봇의 분해 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 선체 벽면 작업용 로봇의 이동부를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 선체 벽면 작업용 로봇의 벽면 밀착부를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예 따른 선체 벽면 작업용 로봇의 청소부를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 선체 벽면 작업용 로봇의 제어블록도이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 선체 벽면 작업용 로봇이 출발지점에서 목표지점으로 이동하는 동안 로봇 위치를 인식하는 것을 설명하기 위한 제어흐름도이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 선체 벽면 작업용 로봇이 출발지점 P0로부터 목표지점 Pn로 이동하는 과정을 설명하기 위한 제어흐름도이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 선체 벽면 작업용 로봇이 출발지점 P0로부터 목표지점 Pn로 이동할 경우, 로봇의 수심과 방위각을 이용하여 로봇 위치를 실시간으로 인식하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 선체 청소용 로봇이 선체 측면의 모든 청소구간에서 로봇 위치를 인식할 수 있도록 선체 측면을 수평 주행 없이 사선 주행 및 수직 주행시키는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 12은 본 발명의 일실시예에 따른 선체 청소용 로봇이 선체 측면을 사선 주행 및 수직 주행하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 13는 도 12에 도시된 사선 주행 및 수직 주행을 설명하기 위한 제어흐름도이다.
도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 선체 청소용 로봇이 수직인 선체 측면을 주행하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 15는 본 발명의 일실시예에 따른 선체 청소용 로봇이 하측으로 갈수록 경사진 선체 측면을 주행하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 16는 본 발명의 일실시예에 따른 선체 청소용 로봇이 곡면으로 이루어진 선체 측면을 주행하는 것을 설명하기 위한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 설명한다. 여기서, 이하의 설명에 있어서, 『전』, 『후』 『좌』, 『우』, 『상』, 『하』의 단어는, 선체의 전후 방향, 좌우(폭)방향 및 상하 방향에 각각 대응한 것이다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 선체 벽면 작업용 로봇이 적용되는 선박의 선체구조의 개략적인 측면을 나타낸 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 최근에는 좀 더 많은 양의 화물을 신속하게 운반하기 위해 선박의 대형화 및 고속화가 진행되고 있다.

이러한 선박은 중앙부위에 물건을 저장하기 위한 저장탱크가 위치하고 이 저장 탱크의 후미에 선실과 엔진룸이 위치하는 선체(1)와, 이 선체(1)의 후미에 엔진룸과 연결된 프로펠터(2)와, 이 프로펠러(2)의 후미에 마련된 선박의 조향장치인 방향키(3)를 포함한다.

선체(3)의 측면부는 좌우대칭 구조의 평면으로 이루어져 있으며, 수직하거나 하측으로 갈수록 경사진 형태로 배치되어 있다. 또한, 선체(3)의 측면부는 평면이 아닌 곡면을 가질 수도 있다.

상술한 바와 같이, 수중에 존재하는 해양물질 등의 이물질은 정박 또는 운행 중인 선박의 선체 측면부에 부착되게 되고, 부착된 이물질은 운행 중에 바닷물과의 마찰력을 증가시켜 연료비를 증가시킬 뿐만 아니라, 심지어는 선박의 속도까지도 저하시킨다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 선체 벽면 작업용 로봇의 사시도이다. 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 선체 벽면 작업용 로봇의 분해 사시도이다.

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 선체 벽면 작업용 로봇은 로봇 본체(10)와, 이동부(20)와, 벽면 밀착부(30) 및 청소부(40)를 포함한다.

이동부는 선체 벽면 작업용 로봇을 이동시키기 위한 것이다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 선체 벽면 작업용 로봇의 이동부를 설명하기 위한 도면이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 로봇 본체(10)의 프레임 양 측면 전방에 위치하는 전방바퀴(21)와 양 측면 후방에 위치하는 후방바퀴(22)를 포함한다. 전방바퀴(21)와 후방바퀴(22)는 이동부 타이밍 벨트(23)에 의해 연결되어 있다.

전방바퀴(21)에는 2개의 이동부 샤프트(24)가 연결되어 있는데, 이동부 샤프트 지지대(25)가 전방바퀴(21)의 사이 중앙에 위치하여 이동부 샤프트(24)를 지지해 준다.

이동부 샤프트(24)의 일 측에는 기어가 형성되어 있고, 이 기어와 베벨기어를 형성하는 기어가 일 단에 형성된 2개의 이동부 모터(26)가 이동부 타이밍벨트(23)의 사이에 위치하고 있다.

로봇이 직진하는 경우 2개의 이동부 모터(26)는 동일한 속도로 회전하지만, 로봇이 좌측이나 우측으로 회전하거나 제자리에서 회전하는 경우에는 2개의 이동부 모터(26)는 각기 다른 속도로 회전한다. 따라서 로봇은 제자리에서 방향 전환이 가능하고 전진 주행할 수 있다.

벽면 밀착부(30)는 로봇이 주행하는 동안 선체 벽면으로부터 떨어지지 않고 선체 벽면에 밀착된 상태로 주행할 수 있도록 로봇을 선체 벽면에 밀착시키기 위한 것으로, 밀착력으로 자기력을 이용하는 자석 부착부와, 밀착력으로 진공 흡입력을 이용하는 진공 흡착부 중 어느 하나 혹은 둘 다를 포함할 수 있다.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 선체 벽면 작업용 로봇의 벽면 밀착부를 설명하기 위한 도면이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 벽면 밀착부(30)가 자석 부착부(30)인 경우, 자석 부착부(30)는 선체 벽면의 부착 대상면 방향으로 자력을 증가시키며, 로봇 본체(10)의 하부 중앙에 연결되는 영구자석 본체(31)와, 이 영구자석 본체(31)와 부착 대상면과의 간격을 조절하기 위한 높이 조절부(32)를 포함한다.

영구자석 본체(31)에는 영구 자석(31a)이 최적의 부착력을 가지도록 N극과 S극을 번갈아 배치되어 있다. 또한, 로봇 본체(10)에 자력의 영향을 없애기 위해 영구 자석 뒷면에 철판을 덧댄 자석 장착판이 설치될 수 있다.

높이 조절부(32)는 부착 대상면이 갖는 최대 요철 높이, 영구자석의 자기력, 그리고 로봇의 무게 등을 고려하여 로봇이 선체 벽면으로부터 이탈되지 않도록 영구자석 본체(31)와 부착 대상면과의 간격을 조절한다.

이에 따라, 선체 청소용 로봇은 최소한의 벽면 부착력을 확보하면서 원활한 벽면 주행을 할 수 있다. 물론, 높이조절부를 사용하지 않고, 자력 조절이 가능한 전자석을 적용하여 전자석의 자력을 조절하는 것에 의해서도 자석 부착부와 부착 대상면사이의 부착력을 조절할 수 있다.

청소부(40)는 브러쉬를 회전시켜 선체 벽면에 붙은 이물질을 제거하는 브러쉬부 혹은 고압의 물을 분사시켜 선체 벽면에 붙은 이물질을 제거하는 워터제트분사부 중 어느 하나 혹은 둘 다를 모두 포함할 수 있다.

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 선체 벽면 작업용 로봇의 청소부를 설명하기 위한 도면이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 청소부(40)가 브러쉬부(40)인 경우, 브러쉬부(40)는 브러쉬 본체부(410)와 브러쉬 작동부(420)를 포함하고 있다.

브러쉬 본체부(410)는 두 개의 브러쉬부 장착부(411)가 부착되어 있다. 브러쉬 본체부(410)는 두 개의 브러쉬부 장착부(411)가 대칭되는 위치에 마련되어 있고, 대략 'ㄷ'의 형상을 하고 있으며 개구부(412)가 전방을 향하고 있다.

브러쉬 본체부(410)의 브러쉬부 장착부(411)에는 브러쉬 작동부(420)가 장착된다.

브러쉬 작동부(420)는 이물질을 선체 벽면으로부터 분리하는 브러쉬(421)를 포함하고 있다. 이 브러쉬(421)는 로봇의 선체 벽면 주행시 선체 벽면에 접할 수 있도록 마련된다.

브러쉬(421)의 일 측면에는 일 단에 기어가 형성된 브러쉬 샤프트(422)가 부착되어 있고, 브러쉬(421)는 브러쉬 샤프트(422)의 일 단에 형성된 기어와 맞물리는 기어가 일 단에 형성된 브러쉬 회전 모터(423)에 의해 회전한다.

따라서, 로봇은 브러쉬 회전모터(423)를 통해 브러쉬(421)를 회전시켜 선체 벽면에 부착되어 있는 이물질을 제거한다.

한편, 청소부(40)가 워터제트분사부인 경우, 로봇 본체(10)의 일측에 고정 설치되고 수압펌프로부터 물을 소정의 압력으로 공급받아서 선체 벽면에 도장된 페인트를 손상시키지 않을 정도의 물의 분사속도 및 분사량으로 선체 벽면에 부착된 해양생물을 제거한다. 참고로, 워터제트분사장치는 분사노즐이 장착된 로봇 암의 길이 및 분사각도가 조절될 수 있다. 이러한 경우, 선체의 곡선, 위치 및 부착된 물질에 따라서 분사노즐과 청소면과의 거리가 조절되고 분사되는 물의 각도 및 분사속도가 조절됨으로써 선체 벽면에 붙은 해양생물을 더욱 신속하고 효율적으로 제거할 수 있다.

상기한 구성을 가진 선체 청소용 로봇은 벽면 밀착부에 의해 선체 벽면에 밀착되고, 이러한 상태에서 이동부에 의해 선체 벽면을 따라 주행하며, 주행과 함께 청소부에 의해 선체 벽면에 붙은 이물질을 제거함으로써 선체 벽면을 청소한다.

도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 선체 벽면 작업용 로봇의 제어블록을 나타낸 도면이다.

도 7에 도시된 바와 같이, 선체 벽면 작업용 로봇은 로봇의 전반적인 제어를 수행하는 제어부(50)를 포함한다.

이 제어부(50)의 입력측에는 이동부(20), 벽면밀착부(30), 청소부(40)의 작동상태 혹은 로봇의 움직임을 감지하기 위한 센서부(60)가 전기적으로 연결되어 있다.

센서부(60)는 로봇이 수중에 위치한 장소의 깊이를 감지하는 압력센서(61)와, 로봇의 방위각을 감지하는 관성센서(62)를 포함한다.

압력센서(61)는 로봇이 수중에 위치한 장소의 깊이에 대응하는 압력값을 출력하는 방식으로, 로봇의 수심을 측정한다. 따라서 제어부(50)는 이 압력센서(61)를 이용하여 로봇이 위치한 장소의 깊이에 해당하는 압력값을 수신하고, 이 압력값으로부터 그에 해당하는 로봇의 수심을 인식한다.

관성센서(62)는 1축 센서인 광섬유 자이로 센서 혹은 3축 혹은 3축 이상의 센서인 자세방위측정장치 중 어느 하나일 수 있다.

일반적으로, 광섬유 자이로 센서는 레이저빔을 방출하는 레이저 다이오드와, 이 레이저 다이오드에서 방출되는 레이저빔을 편광시키는 편광판과, 이 편광판에서 편광된 레이저빔이 진행하는 광섬유 및 이 광섬유를 통과한 빛을 편광판을 통해 수광하는 수광기를 포함한다.

상기한 구성을 가진 광섬유 자이로 센서는 예를 들면, 오른쪽으로 회전하는 레이저빔과 왼쪽으로 회전하는 레이저빔의 진행거리가 동일한 경우에는 위상차가 발생하지 않으므로 신호를 출력하지 않는다.

하지만, 광섬유 자이로 센서의 우측방향의 회전거리가 소정의 각도만큼 길어졌을 경우에는 오른쪽으로 진행하는 레이저빔의 진행거리가 왼쪽으로 진행하는 레이저빔의 진행거리보다 길어져 두 개의 레이저 빔 사이에는 위상차가 발생한다.

따라서 수광기는 이 위상차를 검출하여 그에 따른 신호를 출력하게 된다. 이때, 수광기로부터 출력된 신호에 대응하는 각도는 방위각을 나타낸다. 방위각은 기준점에서 현재 향하고 있는 방향사이의 각을 시계방향으로 측정한 각도이다.

이러한 방식으로 광섬유 자이로 센서는 로봇의 방위각을 감지한다. 따라서 제어부(50)는 이 광섬유 자이로 센서를 이용하여 로봇의 방향 전환을 인식하고, 방향 전환된 로봇의 방위각을 인식한다.

자세방위측정장치(Attitude and Heading Reference System ; AHRS)는 가속도계 센서(Accelerometer), 각속도계 센서(gyro) 및 지자계 센서(compass)를 포함하고, 이 세 개의 센서들에 의해 감지된 정보를 근거로 하여 로봇의 롤(roll), 피치(pitch), 요각(yaw) 등의 로봇 자세와 방위각을 측정한다.

후술하겠지만, 로봇이 주행하는 선체 벽면이 2차원 평면인 경우에는 로봇 위치 인식에 압력센서와 함께 1축 센서인 광섬유 자이로 센서만으로 충분하지만, 로봇이 주행하는 선체 벽면이 3차원 곡면인 경우에는 방위각뿐만 아니라, 로봇의 롤, 피치, 요각 등의 로봇 자세까지도 알아야 위치 인식이 가능하므로, 광섬유 자이로 센서 대신에 방위각은 물론 로봇 자세까지도 측정 가능한 자세방위측정장치(AHRS)를 사용한다.

한편, 제어부(50)는 압력센서(61)로부터 감지된 로봇의 수심정보와 관성센서(62)로부터 감지된 로봇의 방위각정보를 근거로 하여 로봇의 현재 위치를 인식한다.

이하에서는 선체 벽면에서의 로봇의 위치 인식 및 청소를 위한 제어부(50)의 구체적인 작동을 설명한다.

도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 선체 벽면 작업용 로봇이 출발지점에서 목표지점으로 이동하는 동안 로봇 위치를 실시간으로 인식하는 것을 설명하기 위한 제어흐름도이다.

도 8을 살펴보면, 먼저 제어부(50)는 이동부(20) 및 벽면 밀착부(30)을 제어하여 로봇을 선체 벽면에 밀착된 상태로 선체 벽면을 따라 주행시키고(100), 로봇이 주행하는 동안 관성센서(62)를 통해 주행 중인 로봇의 방위각을 감지하며(110), 로봇의 방위각을 감지함과 함께 압력센서(61)를 통해 주행 중인 로봇의 수심을 감지한다(120).

그리고, 작동모드 110 및 120에서 감지된 로봇의 방위각과 수심을 근거로 하여 로봇의 현재 위치를 인식한다(130).

도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 선체 벽면 작업용 로봇이 출발지점 P0로부터 목표지점 Pn로 이동하는 과정을 설명하기 위한 제어흐름도이다. 도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 선체 벽면 작업용 로봇이 출발지점 P0로부터 목표지점 Pn로 이동할 경우, 로봇의 수심과 방위각을 이용하여 로봇 위치를 실시간으로 인식하는 것을 설명하기 위한 도면이다.

도 10을 참조하여 도 9을 살펴보면, 로봇의 출발지점 P0의 위치좌표가 (X0, Y0, Z0)이고, 목표지점인 Pn의 위치좌표가 (Xn, Yn, Zn)라고 가정하고, 이러한 상태에서 로봇을 P0(X0, Y0, Z0)로부터 Pn(Xn, Yn, Zn)로 이동시킬 경우, 제어부(50)는 먼저 이동부(20)를 통해 로봇을 출발지점인 P0로 이동시킨다(200). 이때, 로봇을 출발지점으로 이동시키는 것은 원격제어에 의해서 수행할 수 있다.

이러한 상태에서 제어부(50)는 이동부(20)를 통해 로봇을 제자리에서 회전시킨다(210). 이때, 제어부(50)는 이동부(20)의 2개의 이동부 모터(26)를 각기 다른 속도로 제어하여 로봇을 제자리에서 회전시킨다.

로봇을 제자리 회전시킨 후 제어부(50)는 관성센서(62)를 통해 로봇의 방위각()을 감지한다(220). 이때, 방위각은 로봇이 현재 위치한 지점을 기준으로 어느 특정지점이나 방향이 북쪽으로부터 시계방향으로 돌아간 각도이다. 이때, 기준이 되는 북쪽은 진북, 도북, 자북이 있는데, 보통 자북방위각을 많이 사용한다. 시계를 예를 들어 설명하면, 12시 방향은 자북 즉 방위각이 0도 혹은 360도, 3시 방향은 방위각 90도, 6시는 180도, 9시는 270도, 5시는 150도이다.

로봇의 방위각을 감지한 후 제어부(50)는 감지된 방위각()과 미리 설정된 방위각()이 일치하는지를 판단한다(230).

만약, 작동모드 230에서의 판단결과 감지된 방위각()과 미리 설정된 방위각(ref)이 일치하지 않으면, 제어부(50)는 작동모드 210으로 리턴하여 이하의 작동모드를 수행한다.

한편, 작동모드 230에서의 판단결과 감지된 방위각()과 미리 설정된 방위각(ref)이 일치하면, 제어부(50)는 이동부(20)를 통해 로봇의 회전을 중지시킨다(240).

로봇의 회전을 중지시킨 후 제어부(50)는 이동부(20)를 통해 로봇의 방위각을 미리 설정된 방위각(ref)으로 유지하면서 직진 주행시킨다(250).

로봇을 직진 주행시킴과 함께 제어부(50)는 압력센서(61)를 통해 수심(h)을 감지한다(260).

로봇의 수심을 감지한 후 제어부(50)는 감지된 수심(h)과 미리 설정된 수심(href)이 일치하는지를 판단한다(270).

만약, 작동모드 270에서의 판단결과 감지된 수심과 미리 설정된 수심이 일치하지 않으면, 제어부(50)는 작동모드 250으로 리턴하여 이하의 작동모드를 수행한다.

한편, 작동모드 270에서의 판단결과 감지된 수심과 미리 설정된 수심이 일치하면, 제어부(50)는 이동부(20)를 통해 로봇의 직진 주행을 정지시킨다.

이와 같은 일련의 과정을 통해 로봇을 출발지점 P0(X0, Y0, Z0)에서 목표지점 Pn(Xn, Yn, Zn)로 이동시킨다.

도 10에 도시된 바와 같이, 로봇의 방위각과 수심을 알면, 삼각함수의 원리에 의해 로봇의 현재 위치를 알 수 있다.

설명의 편의상 로봇을 출발지점이 P0의 2차원 위치좌표가 (X0, Y0)이고, 목표지점인 Pn의 위치 좌표가 (Xn, Yn)이며, 방위각이 이며, 로봇의 수심이 h이며, P0와 Pn의 직선거리가 R이라고 가정할 때, 삼각 함수의 원리에 의해 Pn(Xn, Yn, Zn)의 위치좌표는 다음의 식 [1] 내지 [3]로 나타낼 수 있다.

Xn = X0 + R con 식 [1]

Yn = Y0 + R sin 식 [2]

h = R sin 식 [3]

여기서, 는 자북방향을 기준으로 로봇이 목적지를 향해 진행하는 각도를 나타낸 각도이다.

따라서 출발지점 P0의 위치좌표, 수심 및 방위각을 알 수 있다면, 선체 벽면을 주행하는 지점마다의 로봇 위치를 실시간으로 인식할 수 있다. 그런데, 로봇을 미리 설정된 출발지점 P0에서 이동시킨다면, P0의 위치좌표는 주행 시작단계에서 이미 알고 있으므로, 수심과 방위각만을 감지한다면 선체 벽면을 주행하는 로봇의 위치를 인식할 수 있게 된다. 이 수심과 방위각은 로봇 내부에 있는 압력센서(61)와 관성센서(62)에 의해 감지할 수 있으므로, 결국 로봇은 자신의 현재 위치를 실시간으로 인식하면서 선체 벽면을 주행할 수 있게 된다. 이때, Pn의 위치는 공간좌표계상의 절대 위치이거나, 혹은 P0의 위치에 대한 상대 위치일 수도 있다.

상기한 로봇은 선체 벽면 특히 선체 측면부를 청소하는데 주로 사용된다.

로봇이 선체 측면부를 수평방향으로 주행하는 경우, 수심의 변화가 생기지 않기 때문에 방위각과 수심에 근거한 추측 항법만으로는 로봇의 위치를 알기 어려울 수 있다.

따라서, 로봇을 이용하여 선체 벽면의 모든 청소 구간을 청소하기 위해서는 로봇이 수평방향으로 이동하지 않고, 수심의 변화가 생길 수 있도록 로봇을 사선 주행하거나, 수직 주행하거나 혹은 이 둘을 혼합하여 주행하도록 제어한다.

도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 선체 청소용 로봇이 선체 측면의 모든 청소구간에서 로봇 위치를 인식할 수 있도록 선체 측면을 수평 주행 없이 사선 주행 및 수직 주행시키는 것을 설명하기 위한 도면이다.

도 11에 도시된 바와 같이, 로봇은 선체의 벽면에 밀착된 상태에서 선체의 외측 벽면을 따라 예를 들면 좌측 방향에서 우측 방향으로 주행하면서 선체 벽면에 붙은 이물질을 제거한다.

이때, 로봇의 주행은 수평 주행은 없고 사선 주행과 수직 주행을 반복하는 주행 패턴으로 선체 벽면을 주행하면서 선체 벽면에 붙어 있는 이물질을 떼어낸다.

도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 선체 청소용 로봇이 선체 측면을 사선 주행 및 수직 주행하는 것을 설명하기 위한 도면이다. 도 13은 도 12에 도시된 사선 주행 및 수직 주행을 설명하기 위한 제어흐름도이다.

도 12를 참조하여, 도 13을 살펴보면, 먼저, 로봇은 수심 ho에 위치한 출발지점인 P0에서 출발하여, 출발지점 P0로부터 방위각 의 방향에 위치하고 수심 h0보다 깊은 수심 h1에 위치한 P1까지 사선 주행한다(300). 이에 따라, 로봇이 P0에서 P1으로 주행하는 동안 방위각은 일정하지만, 수심은 h0에서 h1에 도달할 때까지 계속해서 낮아진다. 이에 따라, 로봇의 위치 인식이 가능하여 로봇은 방위각과 수심을 근거로 하여 P1에 도착하는 것을 인식할 수 있다.

로봇이 P1에 도착하면, 로봇은 수심 h1인 P1에서 방위각 90도의 방향에 위치하고 수심 h1보다 깊은 수심 h2에 위치한 P2까지 수직 주행한다(310).

로봇이 P2에 도착하면, 로봇은 수심 h2인 P2에서 방위각 180도+의 방향에 위치하고 수심 h1에 위치한 P3까지 사선 주행한다(320).

로봇이 P3에 도착하면, 로봇은 수심 h1인 P3에서 방위각 90도의 방향에 위치하고 수심 h2에 위치한 P4까지 수직 주행한다(330).

로봇이 P4에 도착하면, 로봇은 수심 h2에 위치한 P4에서 방위각 의 방향에 위치하고 수심 h2보다 깊은 수심 h3에 위치한 P5까지 사선 주행한다(340).

로봇이 P5에 도착하면, 로봇은 수심 h3인 P5에서 270도의 방향에 위치하고 수심 h0에 위치한 P6까지 수직 주행한다(340).

이때, P5는 P1 혹은 P2보다 우측으로 더 이동된 위치이다. 이는 우측의 다음 블록으로 청소가 진행될 수 있도록 진행시키기 위함이다.

로봇은 P0 내지 P6로 사선 주행 및 수직 주행하는 지그재그 주행 패턴을 다음 블록인 P7 내지 P12에 대해서도 동일한 지그재그 주행 패턴으로 주행하는 방식으로 다음, 그 다음 블록의 순서대로 선체 벽면을 주행하면서 청소하여 선체 벽면에 붙은 이물질을 제거한다.

즉, 로봇은 청소영역의 어느 한 지점에서 수심이 깊어지도록 향하는 제1주행과, 이 제1주행을 수행한 후 수심이 얇아지도록 향하는 제2주행을 반복적으로 수행하는 지그재그 주행을 통해 선체 벽면의 청소 영역을 청소한다.

도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 선체 청소용 로봇이 수직인 선체 측면을 주행하는 것을 설명하기 위한 도면이다. 도 15는 본 발명의 일실시예에 따른 선체 청소용 로봇이 하측으로 갈수록 경사진 선체 측면을 주행하는 것을 설명하기 위한 도면이다. 도 16은 본 발명의 일실시예에 따른 선체 청소용 로봇이 곡면으로 이루어진 선체 측면을 주행하는 것을 설명하기 위한 도면이다.

본 발명의 일실시예에 따른 선체 청소용 로봇(R)에 사용되는 관성센서(62)는 1축 센서인 광섬유 자이로 센서 혹은 3축 혹은 3축 이상의 센서인 자세방위측정장치(AHRS) 중 어느 하나가 사용될 수 있다.

선체 측면이 수직 벽면(W1)이거나 경사진 벽면(W2)의 경우에는 선체 측면은 2차원 평면이므로, 관성센서(62)는 1축 센서인 광섬유 자이로 센서로도 충분히 로봇의 위치 인식에 사용될 수 있다.

하지만, 선체 측면이 곡선(W3)인 경우에는 선체 측면은 3차원 곡면이므로, 관성센서(62)로는 방위각 측정만이 가능한 광섬유 자이로 센서만으로는 충분하지 않고, 로봇의 자세까지도 측정이 가능한 자세방위측정장치(AHRS)가 필요하다. 따라서, 이러한 경우에는 관성센서로서 자세방위측정장치(AHRS)를 사용함으로써 3차원 곡면에서의 로봇 위치를 인식한다.

10 : 로봇 본체 20 : 이동부
30 : 벽면 밀착부 40 : 청소부
50 : 제어부 60 : 센서부
61 : 압력센서 62 : 관성센서

Claims (12)

1. 로봇을 수중의 선체 벽면에서 직진 주행 및 회전 주행 중 적어도 하나를 수행시키는 이동부;
   상기 로봇을 선체 벽면에 밀착시키는 벽면 밀착부;
   상기 이동부에 의해 이동된 상기 로봇의 수심과 방위각을 감지하는 센서부; 및
   수심의 변화가 일어나는 방향으로 상기 로봇이 상기 선체 벽면을 주행하도록 상기 이동부를 제어하는 제어부;를 포함하는 선체 벽면 작업용 로봇.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제어부는 수심의 변화가 일어나도록 상기 로봇을 사선 주행과 수직 주행 중 적어도 어느 하나를 수행하는 것을 포함하는 선체 벽면 작업용 로봇.
3. 제1항에 있어서,
   상기 선체 벽면의 이물질을 제거하는 청소부를 더 포함하는 선체 벽면 작업용 로봇.
4. 제1항에 있어서,
   상기 센서부는,
   상기 이동부에 의해 이동된 상기 로봇의 수심을 감지하는 압력센서; 및
   상기 이동부에 의해 이동된 상기 로봇의 방위각을 감지하는 관성센서;를 포함하는 선체 벽면 작업용 로봇.
5. 제4항에 있어서,
   상기 관성센서는 광섬유 자이로 센서 또는 자세방위측정장치(Attitude and Heading Reference System ; AHRS) 중 어느 하나를 포함하는 선체 벽면 작업용 로봇.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제어부는 상기 로봇이 어느 한 지점에서부터 수심이 깊어지는 제1주행과, 수심이 얕아지는 제2주행을 반복적으로 수행하도록 상기 이동부를 제어하는 선체 벽면 작업용 로봇.
7. 제6항에 있어서,
   상기 제어부는 상기 제1주행과 제2주행 사이에, 상기 로봇이 수직 주행을 수행하도록 상기 이동부를 제어하는 선체 벽면 작업용 로봇.
8. 수중의 선체 벽면을 주행하는 선체 벽면 작업용 로봇의 제어방법에 있어서,
   상기 로봇을 선체 벽면에 밀착시키고;
   상기 로봇의 수심과 방위각을 감지하고;
   상기 감지된 수심과 방위각을 근거로 하여 상기 로봇의 현재 위치를 인식하고; 및
   수심의 변화가 일어나는 방향으로 상기 로봇을 상기 선체 벽면에 주행시키는 선체 벽면 작업용 로봇의 제어방법.
9. 제8항에 있어서,
   상기 로봇을 상기 선체 벽면에 주행시키는 것은, 수심의 변화가 일어나도록 상기 로봇을 사선 주행과 수직 주행 중 적어도 어느 하나로 주행시키는 선체 벽면 작업용 로봇의 제어방법.
10. 제8항에 있어서,
    상기 로봇이 상기 선체 벽면을 주행하면서 상기 선체 벽면의 이물질을 제거하는 것을 더 포함하는 선체 벽면 작업용 로봇의 제어방법.
11. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 로봇을 상기 선체 벽면에 주행시키는 것은, 상기 로봇이 어느 한 지점에서부터 수심이 깊어지는 제1주행과, 수심이 얕아지는 제2주행을 반복적으로 수행시키는 선체 벽면 작업용 로봇의 제어방법.
12. 제11항에 있어서,
    상기 제1주행과 제2주행 사이에, 상기 로봇을 수직 주행시키는 선체 벽면 작업용 로봇의 제어방법.

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