상부 LM 가이드위에서 이동부로 로프 장력의 작용점을 옮겨 무게 중심을 제어하고, 돌출된 창틀 앞에서 일부 휠만 벽면에서이격시켜 멈춤 없이 청소를 이어 간다.
발명의 배경과 필요성
도심의 스카이라인이 높아질수록 건물의 겉모습을 좌우하는 것은 외벽, 그중에서도 유리 커튼월이다. 이 유리벽은 시간이 지나면 먼지와 매연, 빗물 자국으로 뒤덮이기 때문에 주기적인 청소가 필수적이지만, 수십 층 높이의 외벽 작업은 여전히 대부분 사람의 몫으로 남아 있다. 작업자가 옥상에서 내린 로프나 곤돌라에 몸을 싣고 벽면을 오르내리는 방식이 대표적인데, 이는 높은 곳에서 이루어지는 만큼 추락 위험이 상존하는 대표적인 고위험 작업으로 꼽힌다.
여기에 숙련 인력의 고령화와 인력난, 그리고 갈수록 강화되는 산업안전 규제가 맞물리면서, 사람을 대신해 외벽을 청소하는 로봇에 대한 수요가 빠르게 커지고 있다. 시장 조사기관들도 건물 외벽 청소·유지관리의 자동화 시장이 고층 건축물 증가와 안전 규제 강화에 힘입어 꾸준히 성장할 것으로 전망한다. 문제는 로봇을 수직의 유리벽에 안정적으로 붙여 놓고 원하는 대로 이동시키는 일이 생각만큼 간단하지 않다는 데 있다.
벽면에 로봇을 밀착시키는 방식은 여러 가지다. 진공으로 빨아들이는 흡착식, 철제 구조에만 쓸 수 있는 자석식, 벽에 레일을 미리 설치하는 방식, 그리고 프로펠러의 추력으로 로봇을 벽에 눌러 붙이는 방식 등이 있다. 그러나 진짜 난제는 다른 데 있다. 건물 외벽은 결코 매끈한 평면이 아니라는 점이다. 창틀과 멀리언(창을 나누는 세로 부재), 층을 가르는 띠 장식, 패널 사이의 이음매처럼 크고 작은 돌출물이 곳곳에 있다. 수직으로 오르내리는 청소 로봇은 이 장애물들을 벽면과의 접촉을 잃지 않고 넘어야 하는데, 바로 여기서 기존 방식들이 한계에 부딪힌다.
실제로 바퀴로 벽을 타는 로봇은 장애물을 넘으려면 바퀴 지름이 장애물보다 커야 하고, 프로펠러에만 의존하는 로봇은 자세를 잡기 위한 제어가 복잡해지는 데다 에너지 효율이 떨어진다. 다리로 걷는 로봇은 장애물을 넘을 수는 있지만 속도가 느리고 효율이 낮다. 결국 커다란 바퀴도, 복잡한 능동 제어도, 느린 다리도 없이 돌출 장애물을 매끄럽게 넘으면서 청소를 멈추지 않는, 새로운 접근이 필요했다.
기술 원리 및 구현 방법
본 발명은 로봇이 스스로 몸을 살짝 기울여 장애물을 넘는다는 발상에서 출발한다. 로봇은 옥상에서 내려온 두 가닥의 로프에 매달리고, 커다란 덕트형 프로펠러가 만들어 내는 추력이 로봇 바디를 유리벽 쪽으로 눌러 붙인다. 덕분에 바디에 달린 휠이 벽면에 밀착된 채 구르며, 가운데의 청소 기구가 벽을 닦아 나간다. 마치 공기의 힘으로 벽에 붙은 자석처럼, 로봇은 유리벽 위를 안정적으로 이동한다.
핵심은 로봇 바디 위쪽에 있다. 소정 길이의 LM 가이드가 바디에 결합되고, 그 위를 볼 스크류로 움직이는 이동부가 앞뒤로 오간다. 로프는 바디에 직접 묶이는 것이 아니라 이 이동부에 연결된다. 즉, 로프의 장력이 실제로 로봇을 끌어당기는 지점 — ‘장력 작용점’ — 을 가이드를 따라 좌우로 옮길 수 있는 것이다.
쟁반을 실 하나로 들어 올리는 장면을 떠올리면 이해가 쉽다. 실을 무게 중심 바로 위에서 잡으면 쟁반은 수평을 유지하지만, 잡는 지점을 한쪽 끝으로 옮기면 그쪽이 위로 들린다. 이 로봇도 마찬가지다. 로프의 작용점을 로봇의 무게 중심에서 벗어나게 옮기면 그 힘의 불균형만큼 로봇이 기울고, 벽에 닿아 있던 한쪽 휠이 들린다. 별도의 큰 힘을 계속 가하지 않고, 매달린 로프의 힘을 ‘어디서 받을지’만 바꿔 자세를 제어하는 셈이다.
이 원리가 빛을 발하는 순간이 바로 장애물을 만났을 때다. 로봇의 장애물 감지 센서가 앞쪽에 돌출된 창틀을 감지하면, 제어부는 장애물의 높이에 맞춰 이동부를 이동시켜 장력 작용점을 옮긴다. 그러면 로봇이 필요한 만큼 기울어지면서 앞쪽 휠이 벽면에서 살짝 이격되어 창틀을 타고 넘고, 반대쪽 휠은 벽에 닿은 채 균형을 잡는다. 장애물을 넘고 나면 다시 작용점을 되돌려 휠을 벽에 붙이고 청소를 이어 간다. 커다란 바퀴도 복잡한 제어도 없이, 로프를 받는 지점 하나만 옮겨 창틀을 넘는 것이다.
기술의 장점 및 기대 효과
기술의 장점 가장 큰 강점은 장애물을 넘는 방식이 놀랄 만큼 단순하다는 데 있다. 무거운 바퀴를 키우거나, 자세를 잡기 위해 프로펠러를 쉴 새 없이 정교하게 제어하거나, 느린 다리를 움직이는 대신, 로봇은 그저 로프의 장력 작용점을 옮겨 무게 중심을 조절한다. LM 가이드와 볼 스크류라는 검증된 기계 요소로 이동부를 움직여 원하는 휠만 선택적으로 들어 올리므로, 창틀이나 멀리언 같은 실제 외벽의 돌출물 위에서도 청소를 끊김 없이 안정적으로 이어 갈 수 있다.
이는 기존 외벽 청소 로봇들이 안고 있던 한계를 정면으로 피해 간다. 바퀴형은 장애물보다 큰 바퀴가 필요하고, 프로펠러형은 제어가 복잡하고 에너지 효율이 낮으며, 다리형은 느리고 효율이 떨어졌다. 본 기술은 ‘벽에 붙는 일’(프로펠러 추력)과 ‘장애물을 넘는 일’(장력 작용점을 이용한 무게 중심 제어)을 분리해, 각각의 기능을 단순하게 유지한다. 그 결과 바퀴를 키우거나 제어를 복잡하게 만들지 않고도 실제 건물 외벽의 요철을 넘어서는, 성능과 단순함을 동시에 갖춘 구조가 완성된다.
활용 방안 고층 건물의 유리 외벽 청소가 가장 직접적인 활용처다. 초고층 오피스와 호텔, 병원, 주상복합 아파트처럼 사람이 접근하기 어렵고 위험한 고층 외벽 작업 전반에 적용할 수 있다. 청소뿐 아니라 외벽 도장(페인팅)이나, 돌출물을 넘나들며 벽면을 연속적으로 살펴야 하는 외벽 점검·진단 작업으로도 응용 범위가 넓다. 창틀 같은 장애물 앞에서 멈추지 않고 작업을 이어 간다는 점이, 이런 임무에서 특히 큰 값어치를 갖는다.
무엇보다 사람이 로프나 곤돌라에 의지해 고공에서 벌이던 위험한 작업을 로봇이 대신함으로써, 추락 사고의 위험을 근본적으로 줄일 수 있다. 장애물마다 멈추거나 우회하지 않고 청소를 연속으로 수행하니 작업 효율도 높아진다. 게다가 LM 가이드와 볼 스크류처럼 널리 쓰이는 부품으로 구현해 제작과 유지 비용을 낮출 수 있어, 인력난과 안전 규제라는 두 과제를 동시에 안고 있는 외벽 유지관리 분야의 자동화를 앞당기는 데 기여할 것으로 기대된다.
특허매물 IBL-26-1374
발명자 한양대학교 기계공학부 서태원교수, 이경욱, 채호병, 문예철, 최명진, 안사훈, 김경민
