현재 수행 중인 1,000 mm 이상 노후 상수관에 대한 일반적인 갱생 건설은 배관 내부에 존재하는 슬라임, 민물담치, 박리된 도장재, 결절 등 부식생성물을 고압수 세정 장비로 세정 제거하고, 잔존 도장재를 제거한 후 통상 저비산형 폴리우레아 라이닝 방식을 통해 2액형의 폴리우레아 도료를 신관 수준으로 형성하여 내면 부식을 방지하고, 갱생관의 수명을 신관 수준으로 연장하는 건설 공법으로 주요 공정은 공정 준비단계를 제외한 다섯 가지 단계로 이루어지며 [Fig. 2]에 나타내었다.

[Fig. 2] 
Picture of the rehabilitation construction process

기존 장비 및 인력 기반 노후 상수관의 갱생 건설은 목표 관경인 500~800 mm 배관에 적용하기 어려운 상황으로 로봇을 통한 무인 시공이 요구되며 지하에 매설된 노후 상수관의 비굴착 갱생 공법을 적용하기 위한 요구 조건으로 시점부와 종점부의 배관 로봇과 갱생 장비의 투입을 위한 작업구, 경제적인 측면과 작업 계획을 위한 배관 로봇의 최대 작업 거리, 배관 작업 직경 및 관내 장애물 등에 대한 고려와 갱생 작업 모듈 및 작업 호스 등을 견인하기 위한 최소 작업 견인력과 공정 속도에 대해 고려하여야 한다.

주행 및 상수관 갱생 건설 공정을 위한 배관 갱생 건설 로봇의 주요 요구 사양은 [Table 1]과 같이 정의하였으며, 인력 기반 시공이 불가능한 관경 500 mm~800 mm의 배관을 대상으로 상수관 인프라 조건을 고려하여 로봇을 이용한 배관 갱생 건설 공정을 수행하기 위한 개발 요구 조건을 정의하였다. 주행 거리는 매설된 상수관 연장 구간에 공기 밸브 실 사이 거리를 고려하여 최대 300 m 이동 거리를 목표로 선정하였다. 개발 로봇의 중량은 현장 이동 및 투입을 고려하여 2명의 작업자가 일반적인 투입 보조 장비를 이용하여 투입할 수 있도록 60 kg 이하의 개발 중량을 목표로 하고 갱생 건설 공정상 필요한 작업장비의 견인과 케이블 및 호스의 견인 중량을 시공 재료 기준으로 최대 400 kg의 중량을 고려하였다. 통상적인 수도관의 시공은 90° 수직부가 존재하지 않고 45° 상하향 및 수평식 배관으로 설치됨으로 45° 주행 조건으로 정의하였다. 주행 속도는 갱생 공정을 수행하기 위한 종래 운영 장비 기준으로 분당 0.6 m의 주행 속도를 목표로 설정하였다.

400 kg 견인력을 만족하는 구동모터를 선정하기 위한 자유물체도를 [Fig. 3]과 같이 나타내었다. 원점은 계산의 편의성을 위해 로봇의 무게 중심으로 기울어진 각도와 동일한 조건을 고려하였다. 로봇의 주행 방향 힘을 F_t [N], 구동 모듈 무게 m_d [kg]의 중력 g [m/s²]에 의한 저항 F_g [N], 경사면의 로봇 수직항력 m_dgcosθ [N]와 바퀴 접지력을 증가시키기 위해 인위적으로 바퀴에 가하는 힘 F_w [N]에 의한 마찰력 F_f [N], 요구 견인력 F₀ [N]의 관계로 모터 한 개에 필요한 최소 토크를 계산하였다.

[Fig. 3] 
Free body diagram of driving module

식 (1)은 비탈면에서 생기는 자중에 의한 주행 저항이다. 식 (2)는 바퀴의 구름마찰력을 계산하기 위한 식으로 경사면에 작용하는 수직항력과 바퀴 접지력을 높이기 위해 인위적으로 가하는 힘으로 기술된다. 식 (3)은 요구 견인력에 의한 주행 저항을 표현한 식으로 견인 물체를 수평으로 끄는 힘이므로 정지마찰력 이상의 힘으로 주행해야 한다. 이와 같은 식으로 로봇의 운동 상태를 식 (4)로 판단할 수 있고 로봇이 주행하기 위한 최소 힘을 구하기 위한 조건을 식 (5)로 정의 할 수 있다. 식 (5)에서 계산된 F_t와 바퀴 반경을 이용하여 모터 한 개에 필요한 토크를 식 (6)으로 계산하고, F_t와 요구 조건의 주행 속도를 이용하여 모터 한 개에 필요한 동력을 계산하여 모터 규격을 특정한다. 여기서 μ_r은 구름마찰계수, μ_s는 정지마찰계수, T_m은 모터에 필요한 토크 [Nm], n은 설계에 반영할 모터 개수, P는 동력 [kW], v는 로봇의 속도 [m/s], ω는 모터의 회전 속도 [rad/s]이다.

요구 조건을 충족하는 모터 용량 선정을 위하여 m_d= 60 kg, m₀= 450 kg, θ= 45°, μ_r= 0.6, μ_s= 0.8, F_w = 1,000 N, r = 120 mm로 계산하면, T_m은 37.41 Nm, ω는 0.17 rad/s, P는 6.13W로 계산된다. 이때 계산된 T_m에 1.5배를 상회하는 모터로 선정하여 배관 내에서 발생하는 불확실한 상황에 대한 대응이 가능하다.

배관 갱생 건설 로봇의 개발 요구 사양을 반영하여 최대 작업거리 300 m 기준 모듈 당 중량은 60 kg 이하로 최대 견인력 400 kg 이상 도출되며 작업 관경 500~800 mm를 대응할 수 있는 형태로 [Fig. 4]의 구성으로 배관 건설 로봇의 설계를 수행하였다. 제안된 설계 구성은 테더(tether) 케이블 방식으로 전원 및 광통신 케이블이 연결되는 케이블 리더와 유압 발생 장치와 통합 제어기가 구성된 보조 모듈, 관경 대응을 통한 고견인력 구동을 위한 구동 모듈 및 갱생 건설 작업을 위한 세척 모듈, 표면처리 모듈, 라이닝 모듈 3종을 구성하여 기구 개발을 수행하였다.

[Fig. 4] 
The whole composition of pipe construction robot

[Fig. 5]는 보조 모듈의 구성을 나타내었으며 케이블 리더를 통해 300 m 이상 전원과 통신을 위한 220V 단상 전원과 광케이블 통합 케이블을 적용하여 전원 공급과 외부 제어스테이션과의 통신을 위한 체계를 구성하였다. 내부 유압 공급장치에서 공급되는 유압 작동유는 유압 매니폴드를 통해 구동 모듈의 상부 링크의 확장을 위한 유압실린더와 하부 관경 대응을 위한 링크 하부 실린더에 전달되도록 구성하였다. 보조 모듈과 구동 모듈은 모듈 링크를 통해 롤과 피치 방향으로 자유롭게 동작할 수 있도록 가변 조인트로 결합하며 직선부 배관, 상승 및 하강 이형부 곡관에서 주행 상황을 고려하여 상승 곡관 주행 시 보조 모듈의 배관 충돌을 방지하기 위해 모듈 상부에 가이드 휠이 부착된다.

[Fig. 5] 
Outer components of the support module

배관 갱생 건설 로봇의 보조 모듈의 내부구성은 [Fig. 6], [Fig. 7]에 나타내었으며 유압발생장치, 유압서보벨브 블록, 작동유 및 전자부품 냉각을 위한 냉각장치, 전원공급장치, 통신 및 제어 회로 등을 구성하였다. 유압 공급장치는 [Fig. 6]에 도시되어 있듯 유압 펌프, 모터, 탱크, 서보 밸브 등으로 구성된다. 모터는 협소한 공간에 설치하기 위해 모터 취부와 동력 계통 설계가 용이한 프레임리스 BLDC 모터로 선정하고 감속비 4:1의 타이밍 벨트 동력 전달 방식으로 유압 펌프와 연결해 유체 점도에 상관없이 높은 회전력을 발생시킨다. 유압 펌프는 기어 펌프를 적용하였으며 고점도 작동유에 적합한 상용 펌프를 적용하였다. 펌프에서 압송하는 작동유는 매니폴드를 통해 필터와 압력센서를 거쳐 서보 밸브에 이른다. 이때, 작동유의 압력이 필터와 압력센서 사이에 있는 릴리프 밸브의 크래킹 압력(Cracking pressure)보다 높으면 유체 중 일부는 탱크로 복귀한다. 서보 밸브는 토출 압력을 조절한 후 외부 매니폴드를 통해 각 실린더에 작동유를 공급하는 구조를 적용하였다. 토출 압력은 서보 밸브 후단에 위치한 압력 센서로 측정할 수 있고 각 압력 센서와 서보 밸브는 서보 컨트롤러에서 제어되도록 하드웨어를 구성하였다.

[Fig. 6] 
Inner components of the support module

[Fig. 7] 
HPU components of the support module

보조 모듈의 유압 공급장치의 작동유, 모터, 전원공급장치, 제어기의 방열을 위한 방열 장치는 수냉식 냉각장치를 고려하여 냉각수 펌프, 냉각수 탱크, 라디에이터 및 방열팬 등으로 구성된다. 냉각수 펌프는 탱크 내 냉각수를 작동유 탱크와 모터에 부착된 냉각 자켓에 압송하고 방열을 끝낸 고온의 냉각수를 라디에이터와 방열팬으로 냉각 후 냉각수 탱크로 복귀시키는 과정을 반복하며 주요 구성품을 냉각할 수 있도록 적용하였다. [Fig. 8]은 보조 모듈 내부의 유압 공급장치의 회로 구성을 나타내었다.

[Fig. 8] 
The diagram of hydraulic power supply

[Fig. 9]는 최종 설계된 구동 모듈을 나타내었으며 센터를 중심으로 상부 구동 바퀴 2개와 하부 구동 바퀴 4개로 구성된다. 상부 실린더 2개와 하부 실린더 2개로 각 바퀴를 배관 내면에 밀착시켜 견인 구동을 가능하게 구성하고 각 바퀴에는 배관 주행 중 요철, 용접 비드, 이물질 등을 극복하기 위한 스프링 체계를 구성하였다. 500~800 mm 배관에 적용하기 위해 상부 링크의 가변형태로 조절할 수 있게 구성하고 배관 내면에서 구동 바퀴의 접지력을 극대화하기 위한 우레탄 타이어를 제작하여 적용하였다.

[Fig. 9] 
Components of the drive module

설계된 유압공급장치 및 유압실린더의 제어를 위하여 [Fig. 10]과 같이 비례 · 적분 · 미분 제어기를 적용하였다. 유압실린더의 제어를 위한 방법으로 공급압력을 직접 제어하는 방법과 링크의 절대각 엔코더를 통한 위치 제어 방법이 사용된다.

[Fig. 10] 
Block diagram of Proportional · Integral · Differential controller

공급압력 직접 제어 방법은 BLDC모터의 속도제어를 통한 필요한 생성압력을 수렴하도록 적용하였고, 각각의 유압실린더의 압력센서를 통해 개별제어도 가능하다. 위치 제어 방법은 링크에 부착된 절대각 엔코더를 통해 각도를 측정하고 측정된 각도를 배관의 관경 값으로 변환하여 설정위치 값을 수렴하도록 적용하였다.

상수도 배관 갱생 건설 로봇의 제어시스템은 [Fig. 11]과 같이 제어스테이션과 보조 모듈 그리고 구동 모듈로 구분된다. 제어스테이션은 로봇의 제어 및 상태를 확인하기 위한 UI (User Interface)를 개발하였으며, 전원 공급 및 통신을 위한 기능과 주변장치를 동작하기 위한 제어기를 적용하였다. 보조 모듈은 메인 제어기와 서보 제어기 그리고 이더넷 허브로 구성되며, 메인 제어기는 유압 공급 장치, 구동 바퀴, 관경 대응 링크 등 제어를 수행한다. 서보 제어기는 관경 대응 링크의 유압 실린더의 제어를 수행하고, 이더넷 허브는 네트워크 카메라와 메인 제어기 그리고 제어스테이션과 통신을 중계한다. 구동 모듈은 보조 모듈로부터 공급되는 전원, 통신, 센서 등의 연결을 위한 인터페이스 보드와 구동 모터의 제어를 위한 모터드라이버로 구성된다.

[Fig. 11] 
Block diagram of controller system

[Fig. 12]와 같이 외부로부터 공급되는 220 VAC 전원과 광통신은 각각 48 VDC와 이더넷 통신으로 변환되어 메인 제어기에 연결되며, 메인 제어기는 서보 제어기와 인터페이스 보드에 48 VDC 전원 및 내부 CAN (Controller Area Network)통신을 사용한다. 구동모듈의 상부와 하부의 4개의 유압실린더 제어를 위해 4개의 서보 제어기를 적용하였고, 상부 유압실린더의 위치제어를 위해 절대각 엔코더가 연결된다.

[Fig. 12] 
Connection of controller system

메인 제어기는 공급되는 48VDC (Direct Current)를 서보 제어기와 인터페이스 보드에 전달하며, 레귤레이터로 변환되어 주변센서 및 내부회로에 공급된다. 제어스테이션과 통신을 위한 이더넷 통신 인터페이스를 포함하며, 두 개의 CAN통신을 사용하여 서보 제어기와 모터 드라이버의 제어를 수행한다. 또한 유압실린더 동작을 위한 유압 발생 장치의 모터를 제어하며, 발생된 압력은 압력센서를 통해 측정한다. 방수 구조로 인한 내부에 발생되는 열을 방출하기 위한 쿨링시스템과 배관 내부 상태 확인을 위한 조명장치 등 제어를 위한 기능을 포함한다. 메인 제어기는 [Fig. 13]과 같이 제작하였고, 쉬운 탈부착을 위해 커넥터와 높은 전자부품은 상단에 배치하였다.

[Fig. 13] 
Development of main controller

[Fig. 14]는 4개의 유압실린더를 제어하기 위해 개발된 서보 제어기이며, 서보 드라이버IC (Integrated Circuit)을 적용하여 서보 벨브를 제어한다. 유압 실린더의 힘 제어를 위한 A · B 포트의 압력을 측정하며, 위치 제어를 위한 절대각 엔코더를 측정하여 제어를 수행한다.

[Fig. 14] 
Development of servo controller

메인제어기와 제어스테이션의 통신을 위하여 이더넷 통신을 사용하며, UDP (User Datagram Protocol)을 적용하였다. UDP 프로토콜은 비 연결형 서비스로 정보를 주고 받을 때 보내거나 받는다는 신호절차를 거치지 않음으로 낮은 신뢰성을 보이지만 속도가 빠르며 네트워크 부하가 작고 주기적으로 반복된 데이터를 전송하는 연속성이 중요한 시스템에 적합하다.

[Fig. 15]와 같이 정의된 프로토콜은 명령어와 데이터로 구분되며, 제어기의 고유 값과 송신 · 수신 상태 그리고 객체를 명령어로 정의한다. 명령어에 따라 데이터의 크기가 정의되고 이더넷 통신을 송 · 수신한다. 6개의 구동바퀴의 동기화를 위해 하나의 명령어에 6개의 모터제어를 위한 데이터를 포함하도록 정의하였다.

[Fig. 15] 
Definition of communication protocol

[Fig. 16]은 갱생 작업을 위해 개발된 UI이며, 로봇의 조작을 위한 컨트롤 파트와 로봇 상태를 확인하기 위한 피드백 파트로 구성된다. 배관 갱생 건설 로봇은 최대 0.75 m/min의 속도로 주행 가능하며, 실제 주행 속도와 이동 거리를 확인할 수 있으며, 유압 공급 장치의 모터 회전 속도와 전류 그리고 생성압력을 확인 할 수 있다. 관경 대응을 위한 유압 실린더는 유압 서보 벨브로 동작하며 유압 서보 벨브의 제어를 위한 컨트롤 및 상부 링크의 각도를 확인 할 수 있다. 단위 모터에 대한 속도, 전류, 위치, 에러 등을 확인 할 수 있으며, 제어 모드 변경을 통한 개별 동작 기능을 포함한다. 공급되는 유압에 대한 A · B 포트의 압력을 확인 할 수 있으며, 적용된 자세센서를 통해 배관 내부에서 로봇의 자세 정보를 확인 할 수 있다.

[Fig. 16] 
Development of user interface

개발된 UI는 사용자의 직관적인 수치 입력 및 조작을 할 수 있으며, 제어스테이션의 조이스틱, 버튼 등 주변장치와 연동되어 동작한다. 멀티스레드 방식을 적용하여 로봇으로 전달되는 이더넷 통신에 대한 처리 스레드와 주기적인 로봇의 제어를 위한 스레드 그리고 수신되는 로봇의 정보를 저장하기 위한 스레드로 구성된다.

[Fig. 17]과 같이 개발된 제어스테이션은 배관 갱생 건설 로봇의 전원 공급과 갱생 공정에 따른 로봇의 조작 및 로봇의 상태 및 영상 정보를 확인할 수 있다. 작업자의 편의와 직관성을 고려하여 컨트롤 패널을 구성하였고, 자동 및 수동 조작이 가능하도록 개발하였다.

[Fig. 17] 
Remote control station

통신속도 100 Mbps 기준의 이더넷 통신 최대거리는 100 m이며, 목표하는 300 m를 만족하기 위해 광통신을 적용하였다. 적용된 광통신은 멀티모드로 최대 2 km 통신이 가능하고 100 Mbps로 동작된다. 배관 로봇과 제어스테이션에 광 이더넷 컨버터를 적용하여 이더넷 통신에서 광통신으로 다시 이더넷 통신으로 변환하여 시스템을 구성하였다. 공급 전원은 단상 220 VAC를 사용하며 최대 8 A의 전류를 소모한다. 전원과 통신을 일체형 케이블을 적용하여 무게를 줄이고 갱생 공정의 편의와 유지보수를 간소화하였다. [Fig. 18]은 개발된 전원 · 통신 통합 케이블 릴과 광 이더넷 컨버터의 개념도이다.

[Fig. 18] 
Integrated cable reel (fiber optic module)