교량 안전성 탐사용 로봇{Visual safety inspection robot for bridges}

도 1은 종래의 교량 안전 검사 방법을 설명하기 위해 나타낸 예시도,

도 2는 종래의 교량 안전 검사 방법에 적용되는 굴절 사다리차의 예시도,

도 3은 종래의 다른 교량 결함 조사 장치를 설명하기 위해 나타낸 예시도,

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 교량 안전성 탐사용 로봇을 설명하기 위해 나타낸 기능블록도,

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 교량 안전성 탐사용 로봇에서의 비행탐사로봇의 구성을 설명하기 위해 나타낸 사시도,

도 6은 도 5에 따른 비행탐사로봇의 평면도,

도 7은 도 5에 따른 비행탐사로봇의 단면도,

도 8은 도 5에 따른 비행탐사로봇에서 이동로봇의 구성을 설명하기 위해 나타낸 사시도,

도 9는 본 발명에 따른 교량 안전성 탐사용 로봇의 사용상태를 설명하기 위해 나타낸 개략 사시도 이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 비행탐사로봇 101 : 몸체 하우징

110 : 비행로봇 111 : 구동부

112 : 덕트(Duct) 113 : 링크

114 : 어댑터 축 115 : 로터

116 : 프로펠러 120 : 이동로봇

121 : 이동로봇 프레임 122 : 모터

123 : 옴니알파휠(Omni-alpha wheel) 124 : 디지털 신호처리기

125 : 모터 드라이버 130 : 항법센서모듈

131 : 관성측정센서 132 : 초음파 위성수신기

140 : 카메라모듈 141 : 카메라

142 : 송신기 150 : 통신모듈

160 : 제어모듈 200 : 지상 통제모듈

201 : 조작 패널부 202 : 지상통신모듈

203 : 카메라 영상표시부 204 : 메모리

210 : RC 제어기

본 발명은 교량 안전성 탐사용 로봇에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 비행로 봇과 이동로봇이 하나로 구성된 비행탐사로봇을 이용하여 반자율 또는 자율로 비행하며, 교량의 상판 하부에 부착된 상태에서는 이동로봇의 주행을 통해 이동하면서 안전점검을 위해 탑재한 장비를 통해 교량 상판의 하부의 안전성을 정밀하게 검사할 수 있도록 하는 교량 안전성 탐사용 로봇에 관한 것이다.

일반적으로 교량과 같은 산업기간 시설물들은 안전성 확보를 위하여 주기적으로 안전점검 및 진단을 수행하고 있으며 1차적으로 외관검사에 의존하여 구조물의 균열 및 부식 여부를 검사하고 있다.

종래 교량의 안전점검 및 진단을 위한 안전 검사 방법은 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이 다양한 검사 방법이 사용되고 있으며, 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 도 1에 도시된 바와 같은 종래의 교량의 안전 검사 방법은, 물이 흐르는 교량의 하부에 비계(3)와 같은 작업대를 설치하고 그 작업대 위에서 작업자(2)가 교량의 부식 및 균열상태를 직접 조사하는 것으로, 교량 하부의 수면상에 비계(3)와 같은 작업대를 설치하는데 많은 경비가 들고 바람이 많이 부는 경우에는 작업대가 흔들리게 됨으로써 작업자의 안전성이 확보되지 못하는 단점이 있다.

또한, 도 2에 도시된 바와 같이 굴절 사다리차를 이용한 교량의 안전 검사 방법은, 굴절 사다리차를 이용하여 작업자를 사다리에 태우고 교량 상판(1) 하부를 검사하는 것으로서, 굴절 사다리차의 크기가 커서 작업시 차선통제로 인해 교통 흐름이 방해되고 작업자의 안전성 확보 및 객관적 자료의 확보가 어려운 문제가 있 다.

또한, 도 3에 도시된 종래의 비젼 시스템을 이용한 교량의 결함조사 방법 및 장치(공개특허 2002-13671호)는, 유압으로 작동되는 4절 링크부(6,7,8,9)를 탑재한 교량용 점검차를 조사대상인 교량의 외측에 설치하고, 4절 링크부 끝단에 2축 스칼라 로봇(10)을 부착하고, 2축 스칼라 로봇(10) 위에 상하 및 좌우방향으로 제어가 가능한 카메라를 부착하고, 4절 링크부(6,7,8,9)와 2축 스칼라 로봇(10)을 교량 상부에서 유선 또는 무선으로 제어하고, 교량 점검차가 이동하면서 원하는 지점의 영상을 카메라로 촬영한 후 이를 유선 또는 무선으로 전송하고, 상기 전송된 데이터를 비젼 시스템을 사용하여 영상 처리하여 균열의 폭과 길이를 판별한 후 이를 파일 형태로 저장한다.

이러한 비젼 시스템을 이용한 교량의 결함조사 방법 및 장치의 경우, 도 1 및 도 2에 비해서는 작업 효율 및 안전성이 확보되기는 하나, 여전히 많은 장비를 필요로하는 문제가 있고 또한 탑재 점검차량의 이동에 따른 교량의 결함조사 방법으로서 작업범위가 제한적이고 번거로운 문제가 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명은 비행과 주행을 모두 수행하는 비행탐사로봇을 이용하여 교량 상판의 하부 안전성을 정밀하게 검사할 수 있도록 하는 교량 안전성 탐사용 로봇을 제공하는 데에 그 목적이 있다.

상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 몸체 하우징과 결합하며 반자율 또는 자율 비행에 필요한 추력을 발생시키는 구동부를 구비한 비행로봇과, 상기 몸체 하우징과 결합하며 상기 비행로봇의 추력 및 호버링에 의해 교량 상판 하부에 부착된 상태에서 주행하는 이동로봇과, 상기 비행로봇의 비행상태를 감지하기 위한 항법센서모듈과, 교량 상판 하부를 촬영하고 그 촬영된 영상을 제공하기 위한 카메라모듈과, 지상 통제모듈과의 통신을 수행하기 위한 통신모듈과, 상기 통신모듈을 통해 제공되는 지상 통제모듈의 각종 제어신호를 입력받아 상기 비행로봇과 이동로봇의 비행 및 운행을 제어하는 제어모듈을 포함하는 비행탐사로봇; 및 상기 비행탐사로봇의 비행로봇 및 이동로봇의 비행 및 운행에 필요한 각종 제어신호를 송출하고, 상기 비행탐사로봇의 카메라모듈로부터 교량 상판 하부가 촬영된 영상을 제공받아 디스플레이하는 지상 통제모듈;을 포함하여 구성되는 교량 안전성 탐사용 로봇을 제공한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경 우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 교량 안전성 탐사용 로봇을 설명하기 위해 나타낸 기능블록도 이고, 도 5 내지 도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 교량 안전성 탐사용 로봇에서의 비행탐사로봇의 구성을 설명하기 위해 나타낸 사시도와 평면도와 단면도이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 교량 안전성 탐사용 로봇은 도 4에 도시된 바와 같이, 비행로봇(110)과 이동로봇(120)과 항법센서모듈(130)과 카메라모듈(140)과 통신모듈(150)과 제어모듈(160)을 포함하는 비행탐사로봇(100), 지상 통제모듈(200)을 포함하여 구성된다.

상기 비행로봇(110)은 도 5 내지 도 7에서 도시되는 바와 같이, 몸체 하우징(101)과 결합하며 반자율 또는 자율 비행에 필요한 추력을 발생시키는 4개의 구동부(111)를 구비한다. 이때, 상기 구동부(111)는 본 발명에서는 일 예로 4개를 예시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며 설계자에 의해 2개 또는 1개로 구현될 수도 있다.

또한, 상기 비행로봇(110)은 반자율 또는 자율 비행에 필요한 추력을 발생시키기 위한 구동부(111)를 구비하되, 상기 구동부(111)는 상부 및 하부가 개방된 덕트(112)를 포함하며, 상기 덕트(112)와 비행탐사로봇(100)의 몸체 하우징(101)을 관통하여 결합되는 링크(113)와, 상기 링크(113)의 중심에서 어댑터 축(114)을 통해 체결되는 로터(115)와, 상기 로터(115)에 체결되는 프로펠러(116)를 포함하여 구성된다.

그리고, 상기 프로펠러(116)는 고속에서 큰 추력을 발생시키는 2엽 또는 3엽의 프로펠러로 구성될 수 있다.

상기 비행로봇(110)의 4개의 구동부(111)는 도 5 내지 도 7에서 도시하는 바와 같이, 상기 몸체 하우징(101)의 상하좌우 90도의 각을 이루면서 마주하여 형성된다.

또한, 이동로봇(120)은 상기 몸체 하우징(101)과 결합하며 상기 비행로봇(110)의 추력 및 호버링에 의해 교량 상판 하부에 부착된 상태에서 주행한다.

이러한 이동로봇(120)은 도 4 또는 도 8에서 도시하는 바와 같이, 상기 몸체 하우징(101)의 내부에 체결되는 이동로봇 프레임(121)과, 상기 이동로봇 프레임(121)의 하부에 각각 설치되는 4개의 모터(122)와, 상기 4개의 모터(122)와 각각 축 연결되며 상기 몸체 하우징(101)의 외부에 위치하는 4개의 옴니알파휠(123)과, 상기 제어모듈(160)로부터 모터제어신호를 제공받는 디지털신호처리기(124)와, 상기 디지털신호처리기(124)로부터 모터구동 제어신호를 입력받아 상기 4개의 모터(122)를 구동시키는 모터 드라이버(125)를 포함하여 구성된다.

그리고, 상기 옴니알파휠(123)은 도 5 또는 도 7에서 도시하는 바와 같이, 상기 비행로봇(110)의 덕트(112)와 비교하여 상부로 돌출되게 형성된다.

이는, 상기 비행탐사로봇(100)이 상기 비행로봇(110)의 추력 및 호버링에 의해 교량 상판의 하부에 부착되는 경우, 이동로봇(120)의 주행이 용이하게 수행될 수 있도록 하기 위함이다.

그리고, 상기 항법센서모듈(130)은 상기 비행로봇(110)의 비행상태를 감지하 기 위한 것으로서, 상기 비행로봇(110)의 안정적인 비행 항법에 필요한 관성측정센서(131)(IMU : Inertial Measurement Unit)와, 초음파 위성수신기(132)를 포함하여 구성되며, 상기 항법센서모듈(130)의 관성측정센서(131)와 초음파 위성수신기(132)는 상기 제어모듈(160)과 RS-232C로 통신한다.

또한, 카메라모듈(140)은 교량 상판 하부를 촬영하고 그 촬영된 영상을 제공하기 위한 것으로서, 상기 몸체 하우징(101)의 중심에서 상부로 돌출된 카메라(141)와, 상기 카메라(141)가 촬영한 영상신호를 송출하기 위한 송신기(142)로 구성되며, 상기 카메라(141)는 마이크로 카메라로 구성할 수 있다.

그리고, 통신모듈(150)은 상기 지상 통제모듈(200)과의 통신을 수행하기 위한 기능을 수행하며, 제어모듈(160)은 상기 통신모듈(150)을 통해 제공되는 지상 통제모듈(200)의 각종 제어신호를 입력받아 상기 비행로봇(110)과 이동로봇(120)의 비행 및 운행을 제어하는 기능을 수행하며, 그 외에도 상기 비행탐사로봇(100)의 각 구성모듈을 전체적으로 제어 관리하는 역할을 한다.

상기 지상 통제모듈(200)은 교량의 안전점검을 수행하는 조작자가 상기 비행탐사로봇(100)을 원격 제어하기 위한 구성으로서, 상기 비행탐사로봇(100)의 비행로봇(110) 및 이동로봇(120)의 비행 및 운행에 필요한 각종 제어신호를 상기 비행탐사로봇(100)으로 송출하고, 상기 비행탐사로봇(100)의 카메라모듈(140)로부터 교량 상판 하부가 촬영된 영상을 제공받아 디스플레이하는 역할을 한다.

또한, 지상 통제모듈(200)의 구성은 도 4에 도시되는 바와 같이, 상기 비행탐사로봇(100)의 비행 및 운행에 필요한 각종 제어신호 발생을 위한 조작 패널 부(201)와, 상기 비행탐사로봇(100)과 무선 데이터 통신을 수행하기 위한 지상 통신모듈(202)과, 상기 비행탐사로봇(100)의 카메라모듈(140)로부터 제공받은 영상을 디스플레이하기 위한 카메라 영상표시부(203)를 포함하여 구성된다.

또한, 상기 지상 통제모듈(200)은 제공받은 영상을 저장 관리하는 메모리를 더 포함하며, 상기 비행탐사로봇(100)의 비행상태 모니터링 프로그램을 탑재한다.

그리고, 상기 지상 통제모듈(200)은 백업용의 RC(Radio Control) 제어기(210)를 더 포함하여 구성할 수 있다.

도 9는 본 발명에 따른 교량 안전성 탐사용 로봇의 사용상태를 설명하기 위해 나타낸 개략 사시도로서, 초음파 위성을 이용한 위치인식을 수행할 수 있다. 이를 위해서는 RF 발신기(33)의 RF 신호와 복수의 초음파 송신기(32)의 초음파 신호가 동시에 송출되도록 제어한 후, 비행탐사로봇(100)의 수신기에서 RF 신호와 초음파 신호를 수신하고 그 수신되는 신호의 시간 차이를 이용하여 거리를 계산하고, 다수의 센서로부터의 거리 값을 이용하여 비행탐사로봇(100)의 위치 추정을 할 수 있다.

그러면, 상기와 같은 구성을 가지는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 교량 안전성 탐사용 로봇의 동작과정을 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

본 발명의 교량 안전성 탐사용 로봇의 동작을 설명하기에 앞서, 반자율 운용 및 자율 운용의 비행에 대해 설명한다.

본 발명에서의 반자율 운용 비행이란, 조작자의 조작에 의해 비행로봇(110)이 비행하여 교량 하부 상판에 이동로봇(120)을 부착시킨 상태에서 연속적으로 추 력을 발생시키고, 이후 조작자의 지상통제모듈(200)의 조작에 의해 이동로봇(120)이 주행 이동하면서 카메라(141)로 교량 하부 상판의 상태를 촬영하고, 그 촬영된 영상을 송신기(142)를 통해 지상통제모듈(200)로 전송하도록 하는 것이다.

한편, 자율 운용 비행이란, 탑재된 각종 센서를 이용하여 비행로봇(110)이 자율적으로 비행하여 교량 하부 상판에 이동로봇(120)을 부착시킨 상태에서 연속적으로 추력을 발생시키고, 이후 상기 이동로봇(110)이 RFID(Radio Frequency IDentification) 등을 자동 인식하여 자율주행하면서 카메라(141)로 교량 하부 상판의 상태를 촬영하고, 그 촬영된 영상을 송신기(142)를 통해 지상통제모듈(200)로 전송하도록 하는 것이다.

먼저, 교량 하부의 안전점검을 수행하기 위해, 조작자는 지상통제모듈(200)의 조작 패널부(201)의 비행기능을 제어하여 상기 비행탐사로봇(100)의 비행로봇(110)의 4개의 구동부(111)를 구동시켜 추력을 발생시키고, 비행 제어를 통해 도 9에 도시되는 바와 같이 점검하고자 하는 교량의 상판 하부로 비행탐사로봇(100)의 이동로봇(120)을 부착시킨다.

이때, 상기 비행로봇(110)은 상기 이동로봇(120)이 교량의 상판 하부에 부착된 상태에서도 연속적으로 추력을 발생시킨다.

여기서, 상기 비행로봇(110)의 비행 제어신호는 비행로봇의 자세와 위치 및 상태를 제어하기 위한 신호로서, Roll, Pitch, Yaw, Throttle 신호를 포함한다.

이어서, 상기 조작자는 지상통제모듈(200)의 조작 패널부(201)의 주행기능을 제어하여 상기 비행탐사로봇(100)내 이동로봇(120)의 구동을 제어하여 주행 되도록 한다.

이때, 상기 이동로봇(120)의 주행을 위한 구동을 보면, 상기 지상통제모듈(200)로부터 제공된 주행기능 제어신호를 통신모듈(150)을 통해 수신한 제어모듈(160)이 모터제어신호를 상기 디지털 신호처리기(124)로 전달하고, 상기 디지털 신호처리기(124)는 모터제어신호에 대응하여 모터구동 제어신호를 모터 드라이버(125)로 출력한다.

상기 이동로봇(120)은 4개의 옴니알파휠(123)을 장착하고 있는 전방향(omni-directional) 이동로봇으로, 각 휠의 속도 벡터의 합 방향으로 이동로봇이 이동된다.

상기 디지털 신호처리기(124)로부터 모터구동 제어신호를 입력받은 상기 모터 드라이버(125)는 4개의 모터(122)를 구동시키게 되고, 그 모터(122)의 구동에 따라 축 연결된 옴니알파휠(123)이 회전한다.

상기 비행탐사로봇(100)내 이동로봇(120)은 상기 교량의 상판 하부에 부착된 상태에서 상기의 제어동작 과정으로 통해 진행 방향이 설정되고 여러 방향으로 주행한다.

이어서, 상기 카메라모듈(140)의 카메라(141)는 상기 교량 상판 하부를 촬영하고, 그 촬영된 영상을 송신기(142)를 통해 지상통제모듈(200)로 전송한다.

상기 지상통제모듈(200)로 제공된 영상은 카메라 영상표시부(203)를 통해 디스플레이되어 조작자에게 제공되고, 조작자는 상기 카메라 영상표시부(203)를 통해 제공되는 영상으로 교량 상판 하부의 안전성을 검사하고, 결함의 정도를 판단하게 된다. 상기와 같은 과정을 연속하여 수행함으로써 조작자는 점검하고자 하는 교량 하부의 안전성을 정밀하게 검사할 수 있게 된다.

이상에서 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시예로 국한되는 것이 아니고 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형실시될 수 있다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의한 교량 안전성 탐사용 로봇에 의하면, 비행로봇의 추력을 통해 이동로봇을 교량의 상판 하부에 부착하고, 교량의 상판 하부에 부착된 이동로봇의 주행 중에 탑재된 카메라를 통해 교량 상판 하부를 촬영하고, 그 촬영된 영상을 제공함으로써 교량 상판 하부의 안전성을 정밀하게 검사할 수 있는 효과를 제공한다.

또한, 본 발명은 종래와 비교하여 작업범위가 넓고 많은 장비를 필요로 하지 않을 뿐만 아니라, 작업 효율과 안정성 및 편의성이 증대되는 효과를 제공한다.