이 글에서는 좁고 협소한 환경에서 활약하는 로봇으로서 빌딩 내에 설치되어 있는 주방 덕트 화재를 방지하기 위한 유분 분진 청소·점검 로봇에 대해서 해설한다.

 

음식점 화재는 해마다 증가하는 추세이며, 그 가장 큰 원인은 주방 덕트에서 발화이다. 그림 1에 주방 덕트의 화재 메커니즘을 나타냈다. 빌딩 천장 내부와 같은 좁은 공간에는 둥근형이나 사각형 등 다양한 형태의 덕트가 존재한다. 특히 고기구이집 등의 주방에 설치된 덕트는 장시간 사용으로 내부에 유분 분진이 쌓인다. 유분 분진이란 조리 시에 발생한 기름 연기가 공기 중의 먼지 등과 혼합되어 식어 굳어진 기름때이다. 이 유분 분진에 어떤 원인으로 발화가 되면 불은 유분 분진에 의해 덕트 전체로 전파되기 때문에 덕트 화재라고 불리는 대규모의 화재로 이어질 가능성이 높다. 화재 예방 조례에서도 덕트 내 청소의 실시를 규정하고 있으며, 덕트의 정기적인 청소가 필수로 요구된다.

 

 

현재 일반적으로 행해지는 덕트 청소는 청소원이 덕트에 침입하여 스크레이퍼로 쌓인 유분 분진을 긁어내는 방식이다. 그러나 유분 분진은 벽면에 대한 부착력이 커서 시간과 노력이 많이 든다. 또한 덕트가 배치되어 있는 장소는 좁은 공간으로, 청소 작업은 작업자에게 위험이 따른다(그림 2). 더구나 고기구이집 테이블의 흡입 덕트 등은 덕트 지름 자체가 작아서 사람 손이 닿지 않는 장소가 많이 존재한다. 따라서 덕트 내 전역을 충분히 청소하는 것은 어려웠다.

 

 

그러나 현재까지 다양한 형상을 가진 덕트 내를 이동․점검하면서 유분 분진 등의 끈적한 오염을 청소하는 로봇은 제안되지 않았다. 따라서 이 글에서는 지렁이를 규범으로 한 연동운동을 덕트 내의 이동 기구로 채용하고, 유성기어에 의한 브러시의 회전 기구를 청소 기구로 채용한 덕트 내 유분 분진 청소 점검 로봇에 대해서 소개하고, 실제 시험 등을 포함한 사회 실장의 대응에 대해서도 설명한다.

 

덕트 내 유분 분진 청소 점검 로봇

 

덕트 내의 유분 분진 청소 점검 로봇의 개략도를 그림 3에 나타냈다. 이 그림에서 동 로봇은 이동부, 청소부, 카메라·센서부로 나뉜다. 이하에서는 각각의 구조와 기능에 대해서 설명한다.

 

 

1. 유분 분진 청소의 사양과 목표값

주방 덕트에서 이용되는 덕트는 둥근 덕트와 사각 덕트가 존재하기 때문에 양쪽 덕트의 청소가 요구된다. 먼저 둥근 덕트는 주로 고기구이집 등에서 사용되는 직경 150～200mm 크기와 빌딩 설비에서 사용되는 직경 250～300mm 크기에 대해 대응할 수 있는 사양을 검토한다. 또한 사각 덕트에 대해서는 사람이 들어가기 어려운 크기로, 300mm 제곱 이하의 청소가 가능한 사양으로 한다.

 

한편, 유분 분진 청소의 목표값으로서 일본 도쿄 소방청 조사에 따르면 덕트 화재가 발생한 고기구이집의 유분 분진 두께는 모두 0.4mm 이상이었다고 한다. 또한 JADCA(일본 공조시스템 클리닝 협회)에 따르면 주방 환기 시스템은 유분 분진의 두께 0.1mm마다 청소가 권장된다. 따라서 평균 두께를 0.5mm의 유분 분진을 0.1mm 이하(청소율 80% 이상)로 청소할 수 있는 로봇을 개발하는 것으로 목표로 삼았다.

 

 

2. 청소부의 기본 구조

청소부 상세도를 그림 4에 나타냈다. 이 그림에서 청소부는 유성기어의 태양기어를 고정하고, 유성기어를 공전/자전시킨다. 유성기어 주변에는 브러시가 부착되어 있으며, 이 브러시로 덕트 내벽의 유분 분진을 긁어 떨어트려 간다. 또한 유성기어 사이에는 유분 분진 회수 박스가 장착되어 있다. 이 박스는 브러시에 부착된 유분 분진을 박스에 부착된 블레이드로 긁어 떨어트림으로써 실시간으로 유분 분진을 회수하면서 청소하는 기능을 가지고 있다(그림 5).

 

 

또한 유성기어에 부착된 브러시 형상을 변형시킴으로써(브러시부를 교환함으로써) 덕트 크기에 대응할 수 있을 뿐만 아니라, 둥근형이나 사각형 등의 다양한 덕트 형상의 청소가 가능해진다.

 

(1) 둥근 덕트관 청소 기구의 모델화와 청소 실험

그림 6 상단에 둥근 덕트관의 청소 기구를 나타냈다. 동 청소 기구는 100A 관을 대상으로 했다. 또한 브러시 계열은 청소 효율과 유분 분진 흡착 성능을 양립할 수 있는 나선형 계열(이하 : 나선 브러시)로 했다.

 

 

또한 제안 기구를 이용하여 관 내를 틈새 없이 청소할 수 있는 청소 조건에 대해서 설명한다. 나선 브러시의 피치 사이에는 틈새가 있기 때문에 공전 속도와 병진 속도를 적절한 속도로 동작시켜 틈새를 메우면서 청소할 필요가 있다. 따라서 이하의 식을 이용하여 관 내를 틈새 없이 청소할 수 있는 공전 속도와 병진 속도를 구할 수 있다.

 

 

여기서 v는 병진 속도, ω는 공전 속도, M은 브러시의 나선 수, f는 동일한 장소를 청소하는 횟수, s는 1주당 청소되는 분할 수이다.

 

동 장치를 이용하여 유분 분진 청소 실험을 실시했다. 또한 유분 분진은 도쿄 소방청이 정한 레시피에 따라 작성되었으며, 그림 6 하단에 유분 분진 청소의 실험 결과를 나타냈다. 이 그림에서 덕트 내에 부착시킨 유분 분진을 약 90% 회수할 수 있었던 것으로부터 충분한 청소 기능이 갖추어져 있다는 것을 알 수 있다.

 

 

(2) 사각 덕트 관 청소 기구의 모델화와 청소 실험

다음으로 사각 덕트의 청소 기구에 대해서 설명한다. 그림 7 상단에 사각 덕트용 청소 기구의 개략도를 나타냈다. 이 그림에서 사각 덕트도 둥근 덕트와 마찬가지로 유성기어 기구와 브러시에 의한 청소 기구를 이용하지만, 이하에 나타낸 몇 가지 차이점이 존재한다. 또한 브러시의 상세한 형상 모델 구축이나 토크 계산에 대해서는 생략한다(문헌 「Proposal of a Square-Duct Cleaning Mechanism Using a Noncircular Brush with a Planetary Gear Mechanism」이나 「Evaluation of Cleaning Performance of Square-Duct Cleaning Machine with Planetary Gear Mechanism」에서 상세 기술).

 

· 2종류의 달걀형 브러시 형상 : 둥근 덕트와 달리 사각 덕트는 모서리의 구석과 평탄한 부분이 존재하며, 각각의 영역을 충분히 청소할 필요가 있다. 따라서 브러시 형상이 ‘2종류의 달걀형(2쌍)’으로 되어 있다.

· 복합형 유성기어 기구 : 각 브러시의 청소면에 대한 상대 속도를 향상시키기 위해 자전 방향을 반전시킬 필요가 있다. 따라서 동축에 싱글 피니언과 더블 피니언 기구를 가진 복합형 유성기어 기구를 채용한다. 그림 7 하단에서 피니언이 반대 방향으로 회전하는 모습을 알 수 있다.

 

해당 장치를 이용하여 둥근형 덕트와 마찬가지로 유분 분진 청소 실험을 실시했다. 그림 8에 사각 덕트를 가정한 한 변이 300mm인 관의 청소 실험 모습을 나타냈다. 이 그림에서 식 (1)의 f를 3 이상으로 설정함으로써 각 벽의 청소율이 평균 85% 이상이 되어 사각 덕트에서도 충분한 청소 기능이 얻어지고 있다는 것을 알 수 있다.

 

 

3. 연동운동에 의한 이동 기구

이동부에 요구되는 사양은 이하의 3가지이다.

 

· 직각 곡관이나 수직관을 포함한 배관을 이동 가능

· 청소 기구가 유분 분진을 긁어내기 위한 토크를 지지할 수 있는 파지 토크를 발생 가능

· 둥근 덕트나 사각 덕트 등의 다양한 형상의 관 내를 이동 가능

 

위의 조건을 만족하는 이동 방법으로서 지렁이의 이동 수단을 규범으로 한 연동운동 기구를 채용한다.

 

 

(1) 지렁이 연동운동의 특징에 대해서

그림 9 (a)에 실제 지렁이의 연동운동에 의한 이동 모습을 나타냈다. 지렁이는 약 150개의 체절로 이루어져 있으며, 종주근과 환상근이라는 두 개의 근육층을 사용하여 이 체절을 ‘가늘고 길게’ 또는 ‘굵고 짧게’ 만들 수 있다. 지렁이는 처음에 머리부 체절을 수축시키고, 이 수축을 순차적으로 뒤쪽 체절로 전파시키면서 머리부의 체절을 신장시켜 간다. 이때 수축한 체절과 지면 사이에 마찰이 발생하여 신장한 체절이 앞으로 뻗기 위한 반력을 얻을 수 있다. 이 수축과 신장의 반복에 의해 종파의 후진파가 발생하며, 지렁이는 전진할 수 있다. 이 연동운동에는 이하의 4가지 장점이 있다.

 

· 이동에 필요한 공간이 다른 이동 수단(예를 들어 보행, 바퀴 주행, 사행 등)에 비해 가장 작다.

· 주변 환경에 대해 접지 면적을 크게 확보할 수 있다. 따라서 안정적인 이동과 큰 견인력․파지력이 얻어진다(관 내의 등반 등도 가능).

· 지렁이 내부는 식도로 되어 있으며 속이 비어 있다. 따라서 그 공동부에 기존의 카메라나 메인티넌스 장비 등을 넣고 뺄 수 있게 된다.

· 골격과 같은 단단한 요소가 없기 때문에 곡률 반경이 작은 90° 숏 엘보가 연속된 복잡 배관도 스트레이트와 동일한 운동 패턴으로 통과할 수 있다.

 

(2) 공기압 액추에이터에 의한 연동운동의 구현화

저자 등은 지렁이의 연동운동을 구현화하는 수단으로서 축방향 섬유강화형 인공근육을 이용한 기법을 제안하고 있다. 동 인공근육은 공기압으로 구동하며, 튜브 내부에 인가된 압력의 변화로 지렁이의 체절과 같은 거동을 재현할 수 있다. 이것을 그림 9 (b)와 같이 직렬로 배치함으로써 지렁이의 연동운동과 같은 움직임을 재현할 수 있다. 현재 가스관·하수관 등의 인프라 배관과 공장 배관 등에 폭넓게 적용될 것으로 기대되고 있다.

 

덕트 내 청소 점검 로봇의 실제 실험

 

1. 실제 실험용 덕트 청소 점검 로봇의 외관

개발한 청소 장치의 외관을 그림 10 (a)에 나타냈다. 동 장치는 대상으로 하는 실제 환경으로서 직경이 250mm인 둥근 덕트를 청소 대상으로 한다. 동 장치는 청소 기구와 이동 기구로 구성된다. 동 장치는 인력으로 천장 내부의 덕트에 삽입하는 것을 가정하여 장치 무게를 10kg으로 했다.

 

 

청소 기구의 외관을 그림 10 (b)에 나타냈다. 동 기구는 주로 A) 모터, B) 유성기어 기구, C) 브러시, D) 중심 유지 기구, E) 카메라 유닛, F) 회수 기구로 구성된다. A) 모터는 유성기어 기구의 유성 캐리어를 회전시킨다. B) 유성기어 기구는 싱글 피니언식 유성기어 기구, 유성 캐리어로 구성된다. 유성기어 기구의 중심축은 모터에 접속되어 있으며, 모터 동력을 중심축에 고정된 유성 캐리어에 전달함으로써 작동한다. C) 브러시는 유성기어에 고정되어 있다. 모터가 2회전하면 유성 캐리어가 회전을 전달하여 유성기어는 2회전 공전, 5회전 자전한다. D) 중심 유지 기구는 주로 바퀴와 스프링으로 구성된다. 동 기구는 스프링으로 벽면을 밀어붙여 청소 기구를 덕트 중심으로 유지할 수 있다. E) 카메라 유닛은 내시경 카메라 및 녹화용 소형 카메라, 카메라 렌즈 김서림 방지 장치, 라이트로 구성된다. F) 회수 기구를 그림 10 (c)에 나타냈다. 회수 기구는 청소 중에 브러시에 부착된 기름때를 실시간으로 제거하여 장거리 덕트 청소 시에 브러시의 오염 확산을 방지하는 기구이다. 기름때가 부착된 브러시는 회전에 의해 털 끝이 블레이드에 문질러지게 된다. 이 마찰력으로 브러시 털 끝에서 기름때를 긁어 떨어트린다. 회수한 기름때는 탱크로 회수된다.

 

2. 덕트 내 유분 분진 청소 실험

해당 실험에서는 2종류의 실험을 했다.

 

· 실제 덕트를 모의한 목업 내의 기름때 장거리 청소 실험

· 실제 환경에서 사용되는 덕트 내의 기름때 청소 실험

 

먼저 개발한 청소 기능이 목업에서 동작하여 내벽에 쌓인 기름때를 제거할 수 있는지 검증한다. 다음으로 실제 환경에서 사용된 덕트에 쌓인 기름때를 제거하는 청소 실험을 실시하여 유성기어 기구를 이용한 청소 장치의 실제 환경의 청소 성능을 검증할 수 있다.

 

(1) 목업 내의 장거리 덕트 내 청소 실험

동 실험은 실제 환경에서 사용된 덕트 내 청소 실험의 전단계로서 실제로 덕트에 사용되는 배관을 이용해 제작한 목업 덕트 내에서 청소 장치가 덕트 내벽의 기름때를 제거할 수 있는지 검증하는 것을 목적으로 한다. 또한 동 실험에서는 회수 기구에 의한 브러시의 오염 제거 성능을 검증한다.

 

 

실험 환경을 그림 11에 나타냈다. 실험 방법은 이하와 같다. 먼저 직경 250mm, 길이 1,000mm의 둥근 덕트에 2종류의 그리스를 도포하고, 덕트 질량을 1개씩 측정했다. 또한 이 덕트를 10개 직렬로 연결해 고정하고 이것을 모의 덕트로 삼았다. 모의 덕트 내에서 장치를 구동시키고 장치를 왕복 자주 주행시키면서 청소를 했다(그림 11 (a)). 실험 종료 후에 덕트의 질량을 1개씩 측정하여 청소 전후에 측정한 덕트 질량으로부터 청소율을 산출했다.

 

청소 장치는 계측한 9m 전 구간을 한 번도 정지하지 않고 추진하여 평균 86% 이상의 청소율로 그리스를 제거할 수 있었다. 이것은 회수 기구에 의한 브러시 오염 제거로 브러시의 그리스 흡착 성능이 청소 중에 항상 유지된 것이 요인이라고 할 수 있다. 한편 후반 8m 이후의 덕트 H, I에서는 청소율이 저하했다. 또한 장거리에 걸쳐 청소율 80% 이상을 유지하면서 청소하기 위해서는 회수 기구의 블레이드에 의한 브러시 오염 제거가 더욱 필요하다고 생각된다.

 

(2) 실제 환경 하의 덕트 내 청소 실험

이번 실험은 동 청소 장치가 실제 환경에서 사용되는 덕트 내의 기름때를 자주 주행하면서 긁어 떨어트릴 수 있는지에 대해서 실제 환경에 대한 청소 성능의 검증을 목적으로 한다. 또한 장착된 카메라로 내부 덕트의 청소 상황 파악에 대해서도 검증한다.

 

 

동 실험은 ‘고기 전문점 스기모토 키타센주 마루이점’에서 실시했다. 실험 환경을 그림 12 (a)에 나타냈다. 실험 방법은 다음과 같다. 주방 천장의 점검구에서 천장 내부에 설치된 직경 250mm의 둥근 덕트 내에 장치를 삽입했다. 덕트 내에서 장치를 구동하여 덕트 내를 2m 자주 주행하면서 청소를 실시했다.

 

그림 12 (b)에 장치의 전방 카메라로 촬영한 청소 전후의 덕트 내 모습을 나타냈다. 청소 장치는 장거리 덕트 내를 이동하며 벽면의 오염 대부분을 긁어 떨어트렸다. 또한 장치 전방 카메라 영상으로 장치가 덕트 내를 전진․후퇴한 것을 확인했다. 이상으로부터 청소 장치는 실제 환경에서 사용된 둥근 덕트 내를 자주 주행하면서 내벽에 쌓인 기름때의 대부분을 제거할 수 있으며, 유성기어 기구와 브러시를 이용한 청소 기구의 실제 환경에 대한 청소 성능을 확인할 수 있었다.

 

정리와 앞으로의 과제

 

이 글에서는 주로 주방 내 덕트의 화재 예방을 위한 덕트 청소 점검 로봇 개발과 그 실용화를 위한 대응을 설명했다. 사각 덕트나 둥근 덕트 등의 좁고 협소한 환경으로 여겨지는 다양한 덕트에 대해서 내부의 유분 분진을 효율적으로 청소하기 위해서는 유성기어를 이용한 브러시 기구가 유효하다는 것을 보였다.

 

현재 이 프로젝트는 마루이 패실리티즈 주식회사와 도쿄 소방청이 공동으로 고기구이집의 흡입 덕트 청소․점검에 초점을 맞추어 실용화를 목표로 하고 있다.

 

좁고 협소한 환경에서는 단순히 카메라만으로 관찰·점검하는 것뿐만 아니라, 청소나 수리 등과 같은 능동적인 메인티넌스를 동반함으로써 로봇의 우위성을 나타낼 수 있다고 생각한다.