KR101727410B1

KR101727410B1 - 변속기를 이용한 배관 검사용 이동 로봇

Info

Publication number: KR101727410B1
Application number: KR1020150159754A
Authority: KR
Inventors: 문형필; 박정열; 박세원; 김영훈; 김태유; 최혁렬; 구자춘
Original assignee: 성균관대학교산학협력단
Priority date: 2015-11-13
Filing date: 2015-11-13
Publication date: 2017-04-27
Anticipated expiration: 2035-11-13

Abstract

본 발명은 변속기를 이용한 배관 검사용 이동 로봇에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 변속기를 이용한 배관 검사용 이동 로봇은, 주행 동력 공급부가 구비되는 로봇 본체;와, 상기 로봇 본체에 회동 가능하게 연결되는 제1지지암과, 상기 주행 동력 공급부로부터 출력되는 회전력을 전달받아 배관의 내벽을 따라 주행하도록 상기 제1지지암의 말단부에 배치되는 능동 휠을 구비한 능동 주행부;와, 상기 주행 동력 공급부로부터 제공되는 회전력의 회전속도를 변속비에 따라 조절하여 상기 능동 주행부로 전달하는 변속부; 및 일단부는 상기 제1지지암에 연결되고 타단부는 상기 변속부에 연결되어 상기 제1지지암의 회동각에 따라 변속부의 변속비를 조절하는 변속비 조절부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

변속기를 이용한 배관 검사용 이동 로봇{MOVING ROBOT FOR INSPECTING PIPELINES USING TRASMISSION}

본 발명은 변속기를 이용한 배관 검사용 이동 로봇에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 배관의 곡선구간을 효과적으로 통과할 수 있는 변속기를 이용한 배관 검사용 이동 로봇에 관한 것이다.

배관은 가스나 유류 등과 같이 일상 생활 및 산업 전반에 필요한 연료의 운송수단으로 생활의 편의와 산업발전에 중요한 역할을 하는 기초 기반시설이다. 이러한 배관은 석유화학산업 및 발전소 등과 같은 장치산업에서뿐만 아니라, 우리의 일상생활과도 밀접한 관련이 있는 냉난방 설비 및 상하수도관에도 적용되어 사용되고 있다.

그러나, 배관의 설치 후 오랜 시간이 지나는 과정에서 노화 및 부식으로 인해 배관 자체의 안전성에 많은 문제점이 발생되고 있으며 대형사고로 이어질 수 있는 위험성을 내재하고 있다. 특히, 일상 생활에 밀접한 도시가스관이나 석유화학시설 및 원자력 발전소에서 사용되어지는 배관의 경우에 배관의 손상에 따른 인명피해 및 재산피해가 천문학적일 수 있다.

따라서, 배관설비는 설계, 시공 및 운전뿐만 아니라 시간의 경과와 환경의 변화에 따른 배관 내부의 상태 및 배관의 균열 등을 수시로 검사 및 진단하여 설비의 안전성을 확보할 필요가 있다.

그러나, 이러한 배관의 안전점검을 위한 필요성에도 불구하고 배관을 검사하는데 어려움이 많다. 특히, 배관검사를 위한 작업을 진행하는데 현재 설치된 배관 주변의 시설은 검사부위까지 접근하는데 장애가 되며, 또한 매설된 배관의 경우에는 보다 어려운 부대작업을 요한다는 단점을 갖고 있다. 즉, 공사를 진행하기 위해 배관내의 유류를 제거하고 굴착에서부터 재시공에 이르는 부대작업을 필요로 하며 그 결과 막대한 시간적, 경제적 손실을 초래한다. 또한, 정확한 손상위치를 파악하는 것이 어렵기 때문에 작업기간이 장기화될 가능성도 크다.

이런 이유로 인하여, 보다 간편하고 저렴한 방법으로 배관에 접근가능하며 배관요소가 갖고 있는 입체적 형상에서 적합한 주행을 통해 배관 내부를 이동하며 검사할 수 있는 검사장비에 대한 필요성이 대두되어 왔다.

결국, 배관이라고 하는 특이하고 제한된 3차원 공간에서 주행하며 그 내부를 면밀히 검사할 수 있는 이동 로봇이 개발되었으며 현재 많은 연구가 진행중에 있다.

상기 배관의 내부 검사용 이동 로봇은 그 이동 방법에 따라 보행형, 바퀴형, 무한궤도형, 신축형 등으로 분류된다.

이 중, 직관에서는 매우 효율적인 이동을 보여주며 주행시 많은 에너지를 필요로 하지 않는 바퀴형 이동 로봇이 널리 사용되고 있으며, 한국공개특허공보 제2000-0073460호에 그 대표적인 구성이 개시되어 있다.

이러한 종래의 배관 내부 검사용 이동 로봇은 하나의 구동모터를 몸체로 하고, 한 쌍의 몸체가 조향장치인 이중 능동 유니버설조인트로 연결되어 있다. 그리고, 각 구동모터의 둘레에는 배관의 이동경로를 따라 이동하는 복수의 바퀴가 장착되어 있으며, 구동모터와 각 바퀴는 동력전달장치로 연결되어 있다. 또한, 종래의 이동 로봇은 조향장치에 의해 수평 및 수직으로 설치되는 직선관로 및 곡선관로를 이동할 수 있으며, 또한 배관의 단면이 변화하는 배관 내에서도 원활하게 이동할 수 있다.

그러나, 이러한 종래의 배관의 내부 검사용 이동 로봇은 곡선관로를 원활하게 이동할 수 있도록 별도의 조향장치가 필요하게 되어 기계적 구성요소가 많아지므로 그 구조가 복잡해지는 문제점이 있었다.

이를 해결하기 위해, 본 발명자는 한국등록특허공보 제0467792호에 개시된 바와 같이, 이동 로봇의 구조를 단순화하면서 별도의 조향장치 없이 곡선관로를 원활하게 이동할 수 있는 이동 로봇을 개발하였으며, 도 1을 참조하여 그 개략적인 구성을 설명하도록 한다.

도시된 바와 같이, 종래의 배관 내부 검사용 이동 로봇(1)은, 몸체(11)와, 몸체(11)의 외측에 몸체(11)의 축선에 대해 방사상으로 대략 120도 등간격으로 배치되는 복수의 구동부(43)와, 몸체(11)와 각 구동부(43) 사이에 마련되어 몸체(11)와 각 구동부(43)를 연결하는 복수의 링크부(33)와, 상기 몸체(11)의 일단부에서 배관의 내부 상태를 촬영하기 위해 설치된 카메라 장치(81)를 포함한다.

여기서, 상기 몸체(11)는, 내주면에 카메라용 케이블 및 구동 모터용 케이블이 통과하는 원통형상의 본체(13)와, 본체(13)의 양단부에 상호 대향하게 외주면으로부터 돌출된 한쌍의 돌출단(15)과, 각 돌출단(15) 사이의 대략 중앙영역에 마련되며 본체(13)의 외주면으로부터 돌출된 스톱퍼(21)를 포함한다.

그리고, 각 돌출단(15)과 스톱퍼(21) 사이에는 본체(13)의 외주면을 따라 슬라이딩 이동하는 한쌍의 슬라이딩링(23)이 마련되어 있으며, 각 슬라이딩링(23)과 스톱퍼(21) 사이에는 각 슬라이딩링(23)을 탄성 부세하는 한 쌍의 스프링(29)이 설치되어 있다.

또한, 본체(13)의 일단부에는 카메라 장치(81)가 연결되는 카메라 결합부(31)가 마련되어 있다. 여기서, 각 돌출단(15)에는 후술할 링크부(33)의 지지링크(39)가 연결되는 제1연결부(17)가 마련되어 있으며, 제1연결부(17)는 본체(13)의 축선에 대해 방사상으로 대략 120도 등간격으로 배치된다.

또한, 각 슬라이딩링(23)에는 후술할 링크부(33)의 연동링크(35) 및 보조 연동링크(41)가 연결되는 제2연결부(25)가 마련되어 있으며, 제2연결부(25) 역시 본체(13)의 축선에 대해 방사상으로 대략 120도 등간격으로 배치된다.

그러나, 이러한 종래의 배관 내부 검사용 이동 로봇의 경우, 곡관에서의 주행을 위해서 3개의 구동부(43)를 동시에 작동시켜야 했기 때문에, 전력소모가 클 뿐만 아니라 곡관의 주행을 위한 알고리즘과 제어가 복잡해진다는 문제가 있었다.

또한, 이러한 이동 로봇의 구조에서는, 웜(63)-웜휠(67) 기어를 기본으로 동력이 주바퀴(47)에 전달되기 때문에, 로봇이 배관 내에 갇힐 경우 역회전이 곤란하여 조작자가 용이하게 대처할 수 없다는 단점이 있었다.

또한, 이동 로봇의 곡관 통과시 구동부(43)의 중앙이 배관과 접촉하기 때문에 주행과정에서 발생되는 회전 운동이 원활하지 못하였다.

이에 따라, 로봇의 구조를 실제에 보다 유용하게 적용할 수 있고 배관의 형상에 보다 적합한 주행이 가능하도록 하는 이동 로봇의 필요성이 커지게 되었다.

따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 배관의 곡선구간을 효과적으로 통과할 수 있는 변속기를 이용한 배관 검사용 이동 로봇을 제공함에 있다.

또한, 로봇 본체로부터 능동 휠을 지지하는 제1지지암의 회동각도에 대응하여 변속부의 변속비가 연속적으로 가변되도록 함으로써, 배관의 내벽 형상에 따라 능동적으로 변속할 수 있는 변속기를 이용한 배관 검사용 이동 로봇을 제공함에 있다.

상기 목적은, 본 발명에 따라, 주행 동력 공급부가 구비되는 로봇 본체;와, 상기 로봇 본체에 회동 가능하게 연결되는 제1지지암과, 상기 주행 동력 공급부로부터 출력되는 회전력을 전달받아 배관의 내벽을 따라 주행하도록 상기 제1지지암의 말단부에 배치되는 능동 휠을 구비한 능동 주행부;와, 상기 주행 동력 공급부로부터 제공되는 회전력의 회전속도를 변속비에 따라 조절하여 상기 능동 주행부로 전달하는 변속부; 및 일단부는 상기 제1지지암에 연결되고 타단부는 상기 변속부에 연결되어 상기 제1지지암의 회동각에 따라 변속부의 변속비를 조절하는 변속비 조절부;를 포함하는 변속기를 이용한 배관 내부 검사용 이동 로봇에 의해 달성된다.

여기서, 상기 변속부는 연속 가변 변속기(CVT;Continuously Variable Transmission)인 것이 바람직하다.

또한, 상기 변속부는, 외주면에 테이퍼면이 형성되고 상기 주행 동력 공급부의 회전력에 의해 회전하는 제1회전체와, 상기 제1회전체의 테이퍼면 중 일부영역으로부터 회전력을 전달받아 회전하는 제2회전체를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 변속부는, 상기 제1회전체의 축방향 길이보다 상대적으로 짧은 폭으로 이루어지고 일측이 상기 제1회전체의 테이퍼면 중 일부 영역에 권취되어 상기 제2회전체로 회전력을 전달하는 벨트를 더 포함하고, 상기 변속비 조절부재는 상기 벨트를 제1회전체의 테이퍼면을 따라 이동시켜 변속비를 조절하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제2회전체의 외주면에는 제1회전체의 테이퍼면과 반대방향의 테이퍼면이 형성되고, 상기 제2회전체의 테이퍼면 중 일부 영역에 벨트의 타측이 권취되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 변속비 조절부재는, 상기 제1회전체의 회전축과 나란한 방향으로 이동 가능하게 배치되는 제1샤프트와, 상기 제1샤프트에 마련되어 상기 벨트의 위치를 안내하는 가이드부와, 상기 제1샤프트의 말단부와 제1지지암을 연결하는 제1연결링크를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 능동 휠을 배관의 내벽에 밀착하는 방향으로 탄성지지하는 탄성가압부;를 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 탄성가압부는 상기 제1샤프트를 축방향으로 탄성가압하는 것이 바람직하다.

또한, 일단부가 몸체부에 회동가능하게 연결된 제2지지암과, 상기 제2지지암의 말단부에 배치되어 배관의 내벽에 밀착하는 수동 휠을 구비한 수동 주행부;를 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 수동 휠을 배관의 내벽에 밀착하는 방향으로 탄성지지하는 탄성가압부;를 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 수동 주행부는, 축방향으로 이동 가능하게 배치되는 제2샤프트와, 상기 제2샤프트와 제2지지암을 연결하여 제2지지암의 회동각도에 따라 제2샤프트의 이동 위치를 결정하는 제2연결링크를 포함하며, 상기 탄성가압부는 상기 제2샤프트를 축방향으로 탄성가압하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 변속부와 상기 능동 주행부의 능동 휠을 연결하여 상기 변속부로부터 출력되는 회전력을 능동 휠로 전달하는 동력전달부;를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 주행 동력 공급부는 고압의 압축공기를 동력으로 하여 회전력을 제공하는 에어 모터인 것이 바람직하다.

또한, 상기 능동 주행부와 변속부는 복수 마련되어 상기 로봇 본체의 둘레를 따라 이격 배치되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 배관의 곡선구간을 효과적으로 통과할 수 있는 변속기를 이용한 배관 검사용 이동 로봇을 제공함에 있다.

도 1은 종래 배관 내부 검사용 이동 로봇의 사시도,
도 2는 본 발명 변속기를 이용한 배관 검사용 이동 로봇의 사시도,
도 3은 본 발명 변속기를 이용한 배관 검사용 이동 로봇의 배면 사시도,
도 4는 본 발명 변속기를 이용한 배관 검사용 이동 로봇의 정면도,
도 5는 본 발명 변속기를 이용한 배관 검사용 이동 로봇의 평면도,
도 6은 도 4의 A-A'선 단면도,
도 7은 도 5의 B-B'선 단면도,
도 8 내지 도 9는 본 발명 변속기를 이용한 배관 검사용 이동 로봇에 따른 변속작용을 나타내는 작용도이고,
도 10은 본 발명 변속기를 이용한 배관 검사용 이동 로봇이 배관의 곡선구간을 통과하는 상태를 나타낸 도면이다.

설명에 앞서, 여러 실시예에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 제1실시예에서 설명하고, 그 외의 실시예에서는 제1실시예와 다른 구성에 대해서 설명하기로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 제1실시예에 따른 변속기를 이용한 배관 검사용 이동 로봇에 대하여 상세하게 설명한다.

지금부터는 상술한 변속기를 이용한 배관 검사용 이동 로봇의 제1실시예의 작동에 대하여 설명한다.

첨부도면 중, 도 2는 본 발명 변속기를 이용한 배관 검사용 이동 로봇의 사시도이고, 도 3은 본 발명 변속기를 이용한 배관 검사용 이동 로봇의 배면 사시도이고, 도 4는 본 발명 변속기를 이용한 배관 검사용 이동 로봇의 정면도이고, 도 5는 본 발명 변속기를 이용한 배관 검사용 이동 로봇의 평면도이다.

상기 도면에서 도시하는 바와 같은 본 발명 변속기를 이용한 배관 검사용 이동 로봇은 크게 배관(P)의 내부에서 배관(P)을 따라 이동할 수 있는 로봇 본체(110)와, 주행 동력 공급부(111), 능동 주행부(120), 변속부(130), 변속비 조절부(140), 수동 주행부(150), 탄성가압부(160), 동력전달부(170)를 포함하여 구성된다.

상기 로봇 본체(110)는 외주면에 세 개의 능동 주행부(120)가 안정적으로 조립될 수 있도록 대략 삼각형의 단면을 갖는 길이부재로 이루어지며, 일단부에는 주행 동력 공급부(111)가 연결된다.

상기 주행 동력 공급부(111)는 고압의 압축공기를 동력으로 하여 구동축을 통해 회전력을 제공하는 에어 모터로 이루어진다.

상기 능동 주행부(120)는 상기 로봇 본체(110)에 회동 가능하게 연결되는 제1지지암(122)과, 상기 주행 동력 공급부(111)로부터 출력되는 회전력을 전달받아 배관(P)의 내벽을 따라 주행하도록 상기 제1지지암(122)의 말단부에 배치되는 능동 휠(121)을 포함한다.

상기 변속부(130)는 상기 주행 동력 공급부(111)로부터 제공되는 회전력의 회전속도를 변속비에 따라 조절하여 상기 능동 주행부(120)로 전달하는 것으로서, 상기 변속부(130)는, 외주면에 테이퍼면이 형성된 원뿔 형상의 외관을 가지며 상기 주행 동력 공급부(111)의 회전력에 의해 회전하는 제1회전체(131)와, 외주면에 상기 제1회전체(131)의 테이퍼면과 반대방향의 테이퍼면이 형성되어 상기 제1회전체(131)와 나란하게 배치되는 제2회전체(132)와, 상기 제1회전체(131)의 축방향 길이보다 상대적으로 짧은 폭으로 이루어지고 상기 제1회전체(131)와 제2회전체(132)의 권취되어 제1회전체(131)의 회전력을 제2회전체(132)로 전달하는 벨트(133)를 포함한다.

상기 변속비 조절부(140)는, 상기 제1회전체(131)의 회전축과 나란한 방향으로 이동 가능하게 배치되는 제1샤프트(141)와, 상기 제1샤프트(141)에 마련되어 상기 벨트(133)의 위치를 안내하는 가이드부(142)와, 상기 제1샤프트(141)의 말단부와 제1지지암(122)을 연결하는 제1연결링크(143)를 포함한다. 이러한 변속비 조절부(140)재는 제1지지암(122)의 회동각에 따라 벨트(133)를 축방향으로 이동시켜 변속비가 조절되도록 한다. 구체적으로, 제1지지암(122)이 펼쳐진 상태에서는 벨트(133)가 제1회전체(131)의 직경이 큰 영역과 제2회전체(132)의 직경이 작은 영역에 권취되어 회전력을 전달하도록 하고, 제1지지암(122)이 접힌 상태에서는 벨트(133)가 제1회전체(131)의 직경이 작은 영역과 제2회전체(132)의 직경이 큰 영역에 권취되어 회전력을 전달하도록 함으로써, 제1회전체(131)로부터 제2회전체(132)로 전달되는 회전력의 회전속도를 조절할 수 있다.

상기 탄성가압부(160)는 고압의 압축공기를 동력으로 하는 에어 서스펜션(air suspension)으로 이루어지며, 상기 능동 주행부(120)의 능동 휠(121)이 배관(P)의 내벽에 탄력적으로 밀착될 수 있도록, 상기 제1샤프트(141)를 축방향으로 탄성지지한다.

상기 수동 주행부(150)는, 일단부가 로봇 본체(110)의 후단에 회동가능하게 연결된 제2지지암(152)과, 상기 제2지지암(152)의 말단부에 배치되어 배관(P)의 내벽에 밀착하는 수동 휠(151)을 포함한다.

상기 수동 주행부(150)의 수동 휠(151)은 배관(P)의 내벽에 탄력적으로 밀착될 수 있도록 상기 탄성가압부(160)에 의해 탄성지지된다. 구체적으로, 상기 수동 주행부(150)에는 축방향으로 이동 가능하게 배치되는 제2샤프트(154)와, 상기 제2샤프트(154)와 제2지지암(152)을 연결하여 제2지지암(152)의 회동각도에 따라 제2샤프트(154)의 이동 위치를 결정하는 제2연결링크(153)가 마련되며, 상기 탄성가압부(160)는 제2샤프트(154)를 축방향으로 탄성지지한다. 즉, 상기 탄성가압부(160)는 능동 주행부(120)와 수동 주행부(150)의 사이영역에 배치되며, 고압의 압축공기를 이용해 양측에 각각 배치된 제1샤프트(141)와 제2샤프트(154)를 각각 탄성 지지한다.

상기 동력전달부(170)는 상기 변속부(130)와 상기 능동 주행부(120)의 능동 휠(121)을 연결하여 상기 변속부(130)로부터 출력되는 회전력을 능동 휠(121)로 전달하기 위한 것으로서, 상기 제2회전체(132)의 제2축(A2)에 설치된 제1베벨기어(171)와, 상기 제1지지암(122)과 로봇 본체(110)를 연결하는 제3축(A3)에 설치되어 상기 제1베벨기어(171)와 맞물리는 제2베벨기어(172)와, 상기 제1지지암(122) 상에 배치되어 상기 제3축(A3)과 능동 휠(121)이 설치된 제4축(A4)을 연결하는 다수의 스퍼기어(173)를 포함한다. 한편, 본 실시예에서는 한 쌍의 베벨기어와 다수의 스퍼기어(173)를 통해 회전력이 전달되는 것으로 예를 들어 설명하였으나 이에 한정하는 것은 아니며, 능동 휠(121)의 위치나 형태에 따라 동력을 전달하기 위한 다양한 형태로 구성하는 것도 가능하다.

상기 변속부(130)와 주행 동력 공급부(111)의 사이에는 회전속도를 감소시키고 토크를 상승시키는 감속부(180)가 배치될 수 있다. 이러한 감속부(180)는 주행 동력 공급부(111)의 구동축에 설치된 구동기어(181)와, 상기 구동기어(181)에 비해 상대적으로 작은 직경으로 이루어지고 상기 제1회전체(131)의 제1축(A1)에 설치되어 상기 구동기어(181)와 맞물리는 종동기어(182)로 구성될 수 있다.

한편, 상기 능동 주행부(120)와 변속부(130)와 변속비 조절부(140)와 탄성가압부(160)와 동력전달부(170)와 수동 주행부(150)는 복수 마련되어 상기 로봇 본체(110)의 둘레를 따라 이격 배치되며, 하나의 구동기어(181)에 복수의 종동기어(182)가 맞물려 주행 동력 공급부(111)의 회전력을 복수의 능동 주행부(120)에 각각 전달하도록 구성하는 것이 바람직하다.

첨부도면 중, 도 6은 도 4의 A-A'선 단면도이고, 도 7은 도 5의 B-B'선 단면도이고, 도 8 내지 도 9는 본 발명 변속기를 이용한 배관 검사용 이동 로봇에 따른 변속작용을 나타내는 작용도이고, 도 10은 본 발명 변속기를 이용한 배관 검사용 이동 로봇이 배관의 곡선구간을 통과하는 상태를 나타낸 도면이다.

도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 능동 주행부(120)의 능동 휠(121)은 로봇 본체(110)의 선단부에 회동 가능하게 설치된 제1지지암(122)의 말단부에 설치되어 배관(P)의 내벽에 접촉한다.

상기 제1지지암(122)은 제1연결링크(143)를 통해 상기 로봇 본체(110)의 일측에 축방향으로 이동 가능하게 배치된 제1샤프트(141)와 연결되고, 상기 제1샤프트(141)는 탄성가압부(160)에 의해 전방을 향해 탄력적으로 가압 지지된다. 따라서 상기 제1지지암(122)은 탄성가압부(160)에 의해 펼쳐지는 방향으로 탄성 지지되므로 능동 휠(121)이 배관(P)의 내벽에 탄력적으로 접촉한 상태가 유지된다.

수동 주행부(150)의 수동 휠(151)은 로봇 본체(110)의 후단부에 회동가능하게 설치된 제2지지암(152)의 말단부에 배치되어 상기 능동 휠(121)로부터 이격된 위치에서 배관(P)의 내벽에 접촉한다.

상기 제2지지암(152)은 제2연결링크(153)를 통해 상기 제1샤프트(141)와 동일축선상에 배치되어 축방향으로 이동 가능하게 배치된 제2샤프트(154)와 연결되고, 상기 제2샤프트(154)는 탄성가압부(160)에 의해 후방을 향해 탄력적으로 가압 지지된다. 따라서 상기 제2지지암(152)은 탄성가압부(160)에 의해 펼쳐지는 방향으로 탄성 지지되므로 수동 휠(151)이 배관(P)의 내벽에 탄력적으로 접촉한 상태가 유지된다.

이하에서는, 주행 동력 공급부(111)로부터 제공되는 회전력이 능동 휠(121)로 전달되는 과정에 대해 설명한다.

제1축(A1)과 제2축(A2)은 주행 동력 공급부(111)의 구동축과 나란하게 배치되고, 상기 제1축(A1)에는 변속부(130)의 제1회전체(131)가 고정되고, 상기 제2축(A2)에는 제2회전체(132)가 고정된다. 이때, 상기 제1회전체(131)와 제2회전체(132)는 테이퍼면이 서로 반대방향으로 배치되고, 벨트(133)를 통해 연결되어 제1회전체(131)에 인가되는 회전력이 제2회전체(132)로 전달된다. 상기 제1회전체(131)는 감속부(180)의 구동기어(181)와 종동기어(182)를 통해 주행 동력 공급부(111)의 구동축과 연결된다. 따라서, 주행 동력 공급부(111)로부터 제공되는 회전력은 감속부(180)의 구동기어(181)와 종동기어(182), 그리고 제1회전체(131)와 벨트(133)를 통해 제2회전체(132)로 전달된다.

제2회전체(132)로 전달된 회전력은 제1베벨기어(171)와 제2베벨기어(172)를 통해 제3축(A3)으로 전달되며, 제3축(A3)으로 전달된 회전력은 능동 휠(121)이 설치된 제4축(A4)과 제3축(A3) 사이에 배치된 다수의 스퍼기어(173)를 통해 능동 휠(121)로 전달된다. 이와 같이 능동 주행부(120)의 능동 휠(121)은 주행 동력 공급부(111)로부터 제공되는 회전력에 의해 회전하면서 배관(P)의 내벽을 따라 주행하게 된다.

여기서, 상기 제1지지암(122)은 일단부가 제3축(A3)을 통해 로봇 본체(110)에 회동 가능한 상태로 연결되며, 제1지지암(122)의 타단부에는 제4축(A4)을 통해 능동 휠(121)이 회전 가능한 상태로 배치된다. 이러한 상태에서 제1지지암(122)은 제1연결링크(143)를 통해 로봇 본체(110) 상에서 상기 제1축(A1) 및 제2축(A2)과 나란한 방향으로 이동하는 제1샤프트(141)와 연결되고, 제1샤프트(141)는 탄성가압부(160)에 의해 로봇 본체(110)의 전방을 향해 탄력적으로 가압된다.

즉, 상기 제1지지암(122)은 탄성가압부(160)의 탄성력으로 인해 펼쳐지는 방향으로 탄성지지되는 것이므로, 제1지지암(122)의 말단부에 배치된 능동 휠(121)이 배관(P)의 내벽에 밀착된 상태가 유지될 수 있으며, 제1지지암(122)의 회동각은 로봇 본체(110)와 배관(P) 내벽의 사이간격에 따라 조절될 수 있다.

또한, 상기 제1지지암(122)은 제1연결링크(143)를 통해 제1샤프트(141)와 연결되어 있으므로 상기 제1샤프트(141)의 축방향 위치는 제1지지암(122)의 회동각에 의해 결정된다. 또한, 상기 제1샤프트(141)는 가이드부(142)를 통해 벨트(133)와 연결되어 있으므로 상기 벨트(133)의 위치는 제1샤프트(141)의 축방향 위치에 의해 결정된다.

특히, 상기 제1회전체(131)와 제2회전체(132)의 외주면에는 각각 서로 반대방향으로 기울어지는 테이퍼면이 형성되어 있고, 벨트(133)는 제1회전체(131) 및 제2회전체(132)의 축방향 길이보다 짧은 폭으로 이루어져 있으므로, 벨트(133)의 위치에 따라 제2회전체(132)의 회전속도가 조절될 수 있다.

구체적으로, 제1지지암(122)의 회동각에 따라 변속부(130)의 변속비가 조절되는 과정을 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 도 8은 제1지지암(122)이 접히는 방향으로 회동한 상태에서 변속부(130)의 동력전달 상태를 나타낸 것이다.

도 8의 (a)와 같이 배관(P)의 내경이 작아지거나 배관(P)의 내벽과 로봇 본체(110)의 사이간격이 좁아지면, 능동 휠(121)을 지지하고 있는 제1지지암(122)이 제3축(A3)을 중심으로 회동하면서 제1지지암(122)과 로봇 본체(110)의 사이각이 작아지게 된다.

즉, 제1지지암(122)의 접히는 방향으로 회동하면, 제1연결링크(143)로 연결된 제1샤프트(141)가 연동하여 로봇 본체(110)의 후단부를 향해 이동하게 되며, 이 과정에서 제1샤프트(141)의 가이드부(142)에 걸려있는 벨트(133)가 제1샤프트(141)와 함께 이동하게 된다.

또한, 도 8의 (b)와 같이 벨트(133)의 양측이 각각 제1회전체(131)와 제2회전체(132)의 테이퍼면을 따라 슬라이딩하면, 제1회전체(131)의 벨트(133)가 권취된 부분의 직경은 작아지고, 제2회전체(132)의 벨트(133)가 권취된 부분의 직경은 커지게 된다. 즉, 직경이 작은 제1회전체(131)를 통해 상대적으로 직경이 큰 제2회전체(132)를 회전시키게 되므로, 제2회전체(132)의 회전속도가 감소하게 된다. 따라서, 동력전달부(170)를 통해 제2회전체(132)로부터 회전력을 전달받아 회전하는 능동 휠(121)의 회전속도가 감소하게 된다.

다음으로, 도 9는 제1지지암(122)이 펼쳐지는 방향으로 회동한 상태에서 변속부(130)의 동력전달 상태를 나타낸 것이다.

도 9의 (a)와 같이 배관(P)의 내경이 커지거나 배관(P)의 내벽과 로봇 본체(110)의 사이간격이 커지면, 능동 휠(121)을 지지하고 있는 제1지지암(122)이 제3축(A3)을 중심으로 회동하면서 제1지지암(122)과 로봇 본체(110)의 사이각이 커지게 된다. 즉, 제1지지암(122)이 펼쳐지는 방향으로 회동하면, 제1지지암(122)과 연동하는 제1샤프트(141)가 벨트(133)를 로봇 본체(110)의 전단부를 향해 이동시킨다.

이어, 도 9의 (b)와 같이 벨트(133)에 의해 연결되는 제1회전체(131)의 직경이 커지고 제2회전체(132)의 직경이 작아지면, 제2회전체(132)의 회전속도가 증가하게 된다. 따라서, 동력전달부(170)를 통해 제2회전체(132)로부터 회전력을 전달받아 회전하는 능동 휠(121)의 회전속도가 증가하게 된다.

상기와 같은 본 실시예에 따르면, 로봇 본체(110)의 외주면에 다수의 능동 주행부(120)가 배치된 상태에서, 각각의 능동 주행부(120)의 능동 휠(121)이 접촉하게 되는 배관(P) 내벽과 로봇 본체(110)의 사이 간격에 따라, 제1지지암(122)이 접히는 방향으로 회동하면 변속비가 낮아져 능동 휠(121)의 회전속도가 감소하고, 제1지지암(122)이 펼쳐지는 방향으로 회동하면 변속비가 높아져 능동 휠(121)의 회전속도가 증가한다.

따라서, 주행 로봇이 직선관로를 따라 이동을 하는 경우, 로봇 본체(110)의 외주면에 다수 배치된 능동 주행부(120)의 능동 휠(121)은 각각 탄성가압부(160)의 탄성력에 의해 배관(P)의 내벽에 밀착 접촉하면서 이동하고, 로봇 본체(110)의 중심이 배관(P)의 단면 중심과 일치하게 된다. 이때, 다수의 능동 주행부(120)는 제1지지암(122)의 회동각이 서로 동일하게 설정되어 서로 동일한 속도로 회전하므로, 배관(P) 내에서 안정적으로 전진 및 후진 이동할 수 있다. 특히, 직선관로의 내경이 변화되더라도 각 능동 주행부(120)의 제1지지암(122)이 탄성지지부의 탄성력에 의해 배관(P)의 내벽을 향해 펼쳐지면서 각 능동 주행부(120)의 능동 휠(121)이 배관(P)의 내벽에 밀착하게 되므로 안정적인 이동이 가능하게 된다.

다음으로, 도 10을 참조하여 주행 로봇이 곡선관로를 따라 이동하는 경우를 살펴보면 다음과 같다. 곡선관로를 가지는 곡관은 곡관의 곡률중심에 대해 곡률반경이 상이하므로, 곡률반경이 큰 외측 내벽(P1)의 이동거리는 곡률반경이 작은 내측 내벽(P2)의 이동거리보다 길다.

즉, 주행 로봇이 곡선관로를 따라 이동하는 과정에서, 로봇 본체(110)의 외주면에 다수 배치된 제1지지암(122)들은, 각각의 능동 휠(121)이 접촉하고 있는 곡관 내벽의 곡률반경에 따라 회동각이 조절되며, 능동 휠(121)은 제1지지암(122)의 회동각에 따라 회전속도가 조절된다.

구체적으로, 곡률중심의 바깥쪽에 위치하는 제1지지암(122)은 곡률중심의 안쪽에 위치하는 제1지지암(122)보다 상대적으로 더 펼쳐진 상태가 된다. 이때, 변속부(130)는 제1지지암(122)이 펼쳐지는 방향으로 회동하면 능동 휠(121)의 회전속도를 증가시키도록 설정되어 있으므로, 곡률반경이 큰 외측 내벽(P1)에 접촉하고 있는 외측 능동 휠(121)은 곡률반경이 작은 내측 내벽(P2)에 접촉하고 있는 내측 능동 휠(121) 보다 상대적으로 빠른 속도로 회전하게 된다.

따라서, 능동 휠(121)이 접촉한 위치의 곡률반경에 따라 이동거리가 서로 다른 곡선관로를 안정적으로 이동할 수 있다.

본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.

110:로봇 본체, 111:주행 동력 공급부, 120:능동 주행부,
121:능동 휠, 122:제1지지암, 130:변속부,
131:제1회전체, 132:제2회전체, 133:벨트,
140:변속비 조절부, 141:제1샤프트, 142:가이드부,
143:제1연결링크, 150:수동 주행부, 151:수동 휠,
152:제2지지암, 153:제2연결링크, 154:제2샤프트,
160:탄성가압부, 170:동력전달부, 171:제1베벨기어,
172:제2베벨기어, 173:스퍼기어, 180:감속부,
181:구동기어, 182:종동기어, A1:제1축,
A2:제2축, A3:제3축, A4:제4축,
P:배관, P1:외측 내벽, P2:내측 내벽

Claims

주행 동력 공급부가 구비되는 로봇 본체;
상기 로봇 본체에 회동 가능하게 연결되는 제1지지암과, 상기 주행 동력 공급부로부터 출력되는 회전력을 전달받아 배관의 내벽을 따라 주행하도록 상기 제1지지암의 말단부에 배치되는 능동 휠을 구비한 능동 주행부;
상기 주행 동력 공급부로부터 제공되는 회전력의 회전속도를 변속비에 따라 조절하여 상기 능동 주행부로 전달하는 변속부; 및
일단부는 상기 제1지지암에 연결되고 타단부는 상기 변속부에 연결되어 상기 제1지지암의 회동각에 따라 변속부의 변속비를 조절하는 변속비 조절부;를 포함하는 변속기를 이용한 배관 내부 검사용 이동 로봇.
제 1항에 있어서,
상기 변속부는 연속 가변 변속기(CVT;Continuously Variable Transmission)인 것을 특징으로 하는 변속기를 이용한 배관 내부 검사용 이동 로봇.
제 1항에 있어서,
상기 변속부는, 외주면에 테이퍼면이 형성되고 상기 주행 동력 공급부의 회전력에 의해 회전하는 제1회전체와, 상기 제1회전체의 테이퍼면 중 일부영역으로부터 회전력을 전달받아 회전하는 제2회전체를 포함하는 것을 특징으로 하는 변속기를 이용한 배관 내부 검사용 이동 로봇.
제 3항에 있어서,
상기 변속부는, 상기 제1회전체의 축방향 길이보다 상대적으로 짧은 폭으로 이루어지고 일측이 상기 제1회전체의 테이퍼면 중 일부 영역에 권취되어 상기 제2회전체로 회전력을 전달하는 벨트를 더 포함하고,
상기 변속비 조절부는 상기 벨트를 제1회전체의 테이퍼면을 따라 이동시켜 변속비를 조절하는 것을 특징으로 하는 변속기를 이용한 배관 내부 검사용 이동 로봇.
제 4항에 있어서,
상기 제2회전체의 외주면에는 제1회전체의 테이퍼면과 반대방향의 테이퍼면이 형성되고, 상기 제2회전체의 테이퍼면 중 일부 영역에 벨트의 타측이 권취되는 것을 특징으로 하는 변속기를 이용한 배관 내부 검사용 이동 로봇.
제 5항에 있어서,
상기 변속비 조절부는, 상기 제1회전체의 회전축과 나란한 방향으로 이동 가능하게 배치되는 제1샤프트와, 상기 제1샤프트에 마련되어 상기 벨트의 위치를 안내하는 가이드부와, 상기 제1샤프트의 말단부와 제1지지암을 연결하는 제1연결링크를 포함하는 것을 특징으로 하는 변속기를 이용한 배관 내부 검사용 이동 로봇.
제 6항에 있어서,
상기 능동 휠을 배관의 내벽에 밀착하는 방향으로 탄성지지하는 탄성가압부;를 더 포함하는 변속기를 이용한 배관 내부 검사용 이동 로봇.
제 7항에 있어서,
상기 탄성가압부는 상기 제1샤프트를 축방향으로 탄성가압하는 것을 특징으로 하는 변속기를 이용한 배관 내부 검사용 이동 로봇.
제 1항에 있어서,
일단부가 몸체부에 회동가능하게 연결된 제2지지암과, 상기 제2지지암의 말단부에 배치되어 배관의 내벽에 밀착하는 수동 휠을 구비한 수동 주행부;를 더 포함하는 변속기를 이용한 배관 내부 검사용 이동 로봇.
제 9항에 있어서,
상기 수동 휠을 배관의 내벽에 밀착하는 방향으로 탄성지지하는 탄성가압부;를 더 포함하는 변속기를 이용한 배관 내부 검사용 이동 로봇.
제 10항에 있어서,
상기 수동 주행부는, 축방향으로 이동 가능하게 배치되는 제2샤프트와, 상기 제2샤프트와 제2지지암을 연결하여 제2지지암의 회동각도에 따라 제2샤프트의 이동 위치를 결정하는 제2연결링크를 포함하며,
상기 탄성가압부는 상기 제2샤프트를 축방향으로 탄성가압하는 것을 특징으로 하는 변속기를 이용한 배관 내부 검사용 이동 로봇.
제 1항에 있어서,
상기 변속부와 상기 능동 주행부의 능동 휠을 연결하여 상기 변속부로부터 출력되는 회전력을 능동 휠로 전달하는 동력전달부;를 포함하는 변속기를 이용한 배관 내부 검사용 이동 로봇.
제 1항에 있어서,
상기 주행 동력 공급부는 고압의 압축공기를 동력으로 하여 회전력을 제공하는 에어 모터인 것을 특징으로 하는 변속기를 이용한 배관 내부 검사용 이동 로봇.
제 1항 내지 제 13항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 능동 주행부와 변속부는 복수 마련되어 상기 로봇 본체의 둘레를 따라 이격 배치되는 것을 특징으로 하는 변속기를 이용한 배관 내부 검사용 이동 로봇.