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ISSN : 1975-6291(Print)
ISSN : 2287-3961(Online)
Journal of Korea Robotics Society Vol.7 No.2 pp.83-91
DOI :

교량 케이블 점검용 이동 로봇 개발

김 호 문1, 조 경 호2, 진 영 훈3, Liu Fengyi3, 최 혁 렬
교신저자:성균관대학교 기계공학부 교수. 1 성균관대학교 기계공학과 박사. 2 성균관대학교 메카트로닉스협동과정 석사과정. 3 성균관대학교 기계공학과 석사과정

Development of a Climbing Robot for Inspection of Bridge Cable

Hyouk Ryeol Choi, Ho Moon Kim1, Kyeong Ho Cho2, Young Hoon Jin3, Fengyi Liu3

Received : Feb. 14. 2012; Reviewed : Feb. 28. 2012; Accepted : Apr. 25. 2012

Abstract

In this paper, we propose a cable climbing robot which can climb up and down the cables inthe bridges. The robot mechanism consists of three parts: a wheel based driving mechanism, adhesionmechanism, and safe landing mechanism. The wheel based driving mechanism is driven by toothclutches and motors. The adhesion mechanism plays the role of maintaining adhesion force by acombination of pantograph, ball screw, and springs even when the power is lost. The safe landingmechanism is developed for guaranteeing the safety of the robot during operations on cables. It canmake the robot fall down with reduced speed by dissipating the gravitational forces. The robotmechanism is designed and manufactured for validating its effectiveness.

04 KRS-12-003-R1.pdf3.80MB

1. 서 론

현수교나 사장교와 같은 교량들의 케이블은 교량의 하중을 지지하는 교량의 주 부재이므로, 주기적인 점검을 통하여 보수, 보강시기를 결정하는 등의 효율적인 유지관리의 필요성이 매우 크다. 하지만 현재까지의 점검 방법은 점검자에 의한 직접적인 육안검사 방법이 대부분이며, 이러한 방법은 점검자의 접근성의 한계가 존재하기 때문에 효과적이지 않다. 또한 점검자의 안전이 보장되지 못할 경우 인명피해가 예상된다. 

따라서 교량 케이블 점검에 로봇을 적용시킬 경우 케이블로의 접근성 문제를 극복하고 점검자의 안전을 확보 할 수 있는 좋은 방법이 될 수 있다. 케이블 점검에 로봇을 적용시키기 위해서는 점검 장비를 운반할 수 있는 수송능력 및 장애물을 극복할 수 있는 능력이 필요하며, 로봇에 문제가 발생했을 경우 추락하지 않도록 하는 추락방지 메커니즘이 반드시 필요하다. 

케이블 이동 로봇 구동형태는 크게 바퀴 구동 형과 Gripper 형으로 나뉠 수 있다. 바퀴 구동 형은 제어가 쉽고 빠르고 지속적인 주행이 가능한 장점이 있으나 이동 방향에 제약을 가진다.[1,2] Gripper 형은 이동 방향에 제약이 없으나 주행 속도가 느리고 제어가 어려운 단점이 있다.[3-5] 교량 케이블은 직선으로 길게 설치되어 있기 때문에, 이동 방향보다는 주행에 초점을 맞추어 바퀴 구동 형으로 개발을 진행하였다. 케이블 정밀 검사장비는 대부분 무겁기 때문에 현재까지 개발되고 있는 로봇의 수송능력으로는 케이블 정밀 검사가 어렵고[6], 상승 시에는 모터를 사용하고 하강 시에는 안전성 확보 메커니즘에 의해 작동되는 구조이기 때문에 로봇의 자유로운 제어가 어려운 점이 있다.[7]

이러한 문제점 개선을 위해 본 연구팀에서는 현수교 행어 케이블과 같은 수직 케이블에서 자유로운 이동이 가능하도록 모터, 팬토그래프, 랙 기어, 웜 기어를 이용한 부착력 발생 메커니즘과 안전성 확보를 위한 추락 방지 메커니즘을 포함한 현수교 행어 케이블 점검용 이동 로봇을 제안하였다.[8] 본 연구에서는 기존의 단점을 개선한 로봇 메커니즘을 제안하고, 개발된 로봇의 이동 성능을 실험을 수행하였다. 

그림 1. 영종대교 행어 로프

2. 케이블 이동 로봇

로봇이 교량 케이블을 이동함에 있어 필요한 힘은 크게 바퀴 표면과 케이블간의 마찰력과 이동 로봇이 케이블을 오르기 위한 구동력으로 나뉜다. 따라서 충분한 마찰력을 만들기 위한 부착력 발생 메커니즘과 이동을 위한 구동력 발생 메커니즘이 필요하다. 또한 교량 케이블에서 로봇을 운행함에 있어 전원 공급 장치 문제로 인한 전원 공급 실패 시, 중력으로 인한 로봇의 추락 혹은 케이블 상에 로봇이 정지되어 회수가 어려운 상황이 발생할 수 있다. 이와 같이 전원 공급 실패 시, 자동적으로 작동되어 로봇이 안전하게 지면으로 내려오도록 하는 안전성 확보 메커니즘이 필요하다.

제안된 케이블 이동 로봇은 총 3개의 이동 모듈로 구성 되어 있으며, 각 모듈은 부착력 발생 메커니즘, 구동력 발생 메커니즘과 안전성 확보 메커니즘을 각각 포함하고 있다. 각 모듈은 구동력을 발생 시키는 Active Wheel과 안전성 확보 메커니즘이 부착된 Passive Wheel을 가지고 있고, 각 모듈은 120°각도를 이루며 케이블을 세 방향에서 둘러싸고 있는 형태로 로봇에 발생하는 모멘트를 최소화 하여 안정적인 이동이 가능하도록 그림 2와 같이 구성하였다. 

그림 2. 케이블 이동 로봇

표 1. 개발된 이동 로봇 성능

2.1 부착력 발생 메커니즘

현수교 행어와 같은 수직 케이블을 이동하기 위해 필요한 구동력은 로봇과 케이블간의 수직항력에 의존한다. 따라서 부착력 발생 메커니즘은 로봇의 이동이 가능하도록 충분한 부착력을 발생시켜야 한다. 기존 연구에서는 팬토그래프 변위를 사용하여 부착력을 발생시켰다. 하지만 실제 케이블은 가공 및 조립 오차로 인해 직경이 일정하지 않으므로 이동하기 위해서는 케이블 직경에 맞게 팬토그래프 변위를 계속적으로 바꿔야 했다. 즉, 실시간으로 케이블 직경을 감지하고 팬토그래프 변위를 제어해야하는 복잡한 구조의 시스템이었다.[8]

본 연구에서는 볼 스크류, 팬토그래프, 스프링, 리쳇기어를 사용하여 초기 팬토그래프 변위 설정 뒤 케이블 직경 변화에도 팬토그래프 변위 변경 없이 이동 할 수 있는 개선된 부착력 발생 매커니즘을 제안한다.

제안된 메커니즘은 구동부에 부착된 스프링의 압착거리를 조절하여 부착력을 얻는 형태로 구성되어 있다. 스프링의 압착거리는 그림 3과 같이 볼 스크류와 팬토그래프를 이용하여 조절할 수 있도록 구성하였다. 구동부 전, 후에 부착된 스프링에 동일한 압착거리를 주기 위해 그림 4와 같이 양손나사산으로 제작된 볼 스크류를 사용하였다. D1방향으로 볼 스크류가 회전 할 때 좌, 우의 슬라이더가 각각 D2와 D3방향으로 동시에 움직임으로써 슬라이더간의 거리를 변경할 수 있다. 각 슬라이더는 동일한 거리를 움직이게 되며, 부착된 팬토그래프를 통해 동일한 변위를 조절할 수 있다.

그림 3. 케이블 이동 로봇 모듈

그림 4. 볼 스크류 작동 원리

그림 5는 부착력 발생 방법을 간략하게 설명하기 위한 것이다. 그림에 나타낸 것과 같은 방향으로 슬라이더를 움직일 경우, 그림 5와 같이 팬토그래프의 기구적 특성에 의해 D2와 D3방향이 D4로 전환되게 된다. 팬토그래프의 출력변위 h는 식(1)과 같다. 

그림 5. 부착력 발생 메커니즘

앞서 언급한대로 기존 연구의 케이블 직경변화 대처 시스템은 제어가 복잡하고 모터 추가로 인한 로봇 무게 증가 등의 단점이 있다. 따라서 본 연구팀은 스프링을 설치하여 별도의 제어 없이 스프링의 압착변위로 직경변화를 대응하도록 하였다. 

또한, 스프링에서 발생되는 힘에 의해 부착력 발생 메커니즘이 역 작동되어 부착력이 감소되지 않도록 그림 6과 같이 볼 스크류 끝에 리쳇기어를 부착하였다. 

그림 6. 부착력 풀림 방지 메커니즘

2.2 부착력 발생 메커니즘 해석

이번 장에서는 제안된 메커니즘을 바탕으로 로봇이 이동하기 위해 필요한 부착력을 계산하고, 해당 부착력을 발생시키기 위한 스프링 상수 및 압착 거리를 계산하고자 한다. 로봇의 무게와 향후 검사 장비를 견인하기 위한 수송 무게, 휠과 케이블간의 마찰계수, 로봇의 이동 속도를 설정하고 동일한 형태의 3개의 모듈이 120°각도로 구성된 점을 고려하면 로봇이 케이블 상에서 이동하기 위한 부착력을 계산할 수 있다.

 

 

 

 

 

 

그림 7. 등반을 위한 필요 수직항력

위 식(2~7)은 로봇의 기본적인 구성을 토대로 한 힘과 모멘트의 평형식이다. 위 식을 통해 각 수직항력과 마찰력 크기가 다를 경우, x축 혹은 y축을 중심으로 회전이 일어나고 로봇의 한쪽 모듈에 무게가 편중되어 모터과부하 및 불안정적 구동이 발생됨을 알 수 있다. 따라서 같은 크기의 수직항력이 부착력 발생 메커니즘으로부터 발생되어야 한다. 각 바퀴에 입력되는 수직항력이 모두 동일하다고 가정하면 식(4)는 식(8)과 같이 정리된다.

하지만 각 모듈의 부착력이 케이블 중심을 지나지 않을 경우, z축을 중심으로 모멘트가 생겨 로봇이 회전할 수 있기 때문에 로봇의 세 모듈은 반드시 120°를 유지하여야 한다. 부착력 발생 메커니즘에서 발생되는 힘이 각 링크를 따라서 전달되는 동안 기구학적 오차가 발생하게 되면 각 모듈 간의 각도가 120°를 유지하기 어려워진다. 따라서 그림 8과 같이 구동력 발생 메커니즘 끝에 간격 고정 장치를 설치하여 구동 시 입력되는 외란에도 로봇의 회전을 방지하고 안전한 주행이 가능하도록 구성하였다.

그림 8. 회전 방지용 간격 고정 장치

부착력은 구동력 발생 메커니즘에 장착되어 있는 스프링 메커니즘에 의해서 최종적으로 발생된다. 즉, 볼 스크류 나사 회전은(D1) 양 슬라이더를 좌우로 동일한 거리를 이동시켜(D2, D3) 입력 변위를 만들고 입력변위는 팬토그래프를 통해 수직방향으로(D4) 출력 변위가 되어 그림 9의 좌측에 위치한 화살표 방향으로 스프링 메커니즘을 밀게 된다. 케이블과 바퀴표면이 접촉하면 부착력 발생 메커니즘으로부터 발생되는 변위는 기구적 특성에 따라 스프링의 길이를 변화시키고 이 길이변화와 스프링 탄성계수의 곱이 부착력을 결정한다. 스프링 메커니즘의 기구적 해석을 진행하면 식(9~13)을 얻을 수 있다. 

그림 9. 스프링 메커니즘

 

 

 

 

그림 9의 바퀴를 기준으로 힘의 평형 식을 세우면 식(14)와 (15)를 얻고 스프링 압착력 F1을 대입하고 정리하면 식(18)을 통해 F3의 값을 알 수 있다. 

 

 

 

l1, l2, l3, l5, k, θ1 : 제작된 로봇에 대한 상수
l4′ : l4 의 초기 값, α′ : α의 초기 값
θ2, θ3, θ4, l4, F1, F2, F3 : α에 대한 함수

스프링 메커니즘은 하측 조인트를 중심으로 l3가 회전하는 구조로, α의 변화에 따라 각 변수 값이 달라진다. 바퀴와 케이블이 접촉 후 필요 부착력을 발생시키기 위한 팬토그래프 이동 변위 Δh는 식(19)를 통해 얻을 수 있다. 

각 상수 값과 중요 변수 값들을 표 2에 정리하였다. 

표 2. α에 따른 각 변수들의 값

2.3 구동력 발생 메커니즘

안전성 확보 메커니즘의 바퀴는 구동력 발생 메커니즘의 바퀴 토크에 의해 견인되는 구조이므로 구동력 발생 메커니즘 바퀴에 존재하는 힘과 토크를 해석하면 필요한 구동력을 계산할 수 있다. 개발된 로봇 시스템은 동일한 3개의 모듈로 구성 되므로 전체 로봇의 무게와 점검 장비를 3으로 나누어 한 모듈을 기준으로 구동을 위해 필요한 토크를 계산하였다. 

 

 

N : 수직항력, FN : 수직항력의 반작용력,
Ff : 마찰력, Fw : 바퀴 토크로 생성 되는 힘,
m : 로봇의 전체 무게, M : 점검 장비 무게,
g : 중력가속도, rw : 바퀴의 반지름, r : 바퀴 토크 

식(22)을 통해 점검 장비를 포함한 로봇이 케이블 상에서 멈춰있기 위한 토크를 구할 수 있으며, 로봇이 미끄러짐 없이 구동되기 위해서는 식(23)과 (25)를 동시에 만족해야 한다.  

 

 

 

구동력 발생 메커니즘의 구성은 그림 11을 통해 확인할 수 있다. 모터는 투스 클러치, 베벨ㆍ평 기어 세트를 거쳐 바퀴에 토크를 전달한다. 베벨기어세트는 모터의 축 방향 변경을 위해, 평 기어세트는 스프링 메커니즘 도입으로 생기는 변위 상에 동력을 전달하기 위하여 사용되었다. 모터 앞에 감속기가 존재하여 모터 출력토크를 높여주지만 전원 미 공급 시 외부로부터 모터로 토크가 입력되는 경우에는 높은 기어비가 모터 회전을 제한할 수 있기 때문에 바퀴가 회전하지 못하여 케이블 상에서 회수하기 어려울 수 있다. 따라서 투스 클러치를 사용하여 전원 인가 시에는 동력이 전달되게 하고 전원 차단 시에는 동력이 전달되지 않게 하여 바퀴가 자유롭게 회전할 수 있도록 하였다.

그림 10. 필요 구동력 계산

그림 11. 구동력 발생 메커니즘 작동원리

2.4 안전성 확보 메커니즘

구동력 발생 메커니즘에서 클러치를 사용함에 따라 로봇 작동 중 전원 차단 및 모터 작동불능 시 중력에 의한 로봇 추락 위험이 생기게 되므로 중력에 의한 가속을 제한해줄 안전성 확보 메커니즘을 제안한다. 

제안하는 안전성 확보 메커니즘은 로봇의 정상 작동 시에는 로봇의 움직임을 방해하지 않으며, 로봇에 이상이 발생할 경우 작동되어 로봇의 추락속도를 줄이는 목적을 가지고 있다. 디스크 댐퍼와 역작동 브레이크를 이용하여 그림 12와 같이 구성하였다.  

그림 12. 안정성 확보 메커니즘 작동원리

그림 13. 디스크 댐퍼의 성능 곡선

로봇이 정상적으로 작동할 때 역작동 브레이크는 디스크 댐퍼에 연결된 회전축을 고정하지 않으므로 디스크 댐퍼자체가 회전하여 마찰력을 발생시키지 않는다. 따라서 로봇의 상, 하 움직임에 영향을 미치지 않는 구조로 되어있다. 로봇 전원에 문제가 발생할 경우 역작동 브레이크는 디스크 댐퍼와 연결된 회전축을 고정하게 되고, 고정된 디스크 댐퍼는 실리콘 오일을 이용하여 바퀴를 통해 전달되는 토크를 일정한 속도로 출력하게 된다. 이로 인해 로봇의 추락속도는 현저하게 감소되며, 안정적으로 지상으로 내려올 수 있게 된다. 또한, 로봇의 수송무게에 따라 디스크 댐퍼에 입력되는 토크가 달라지므로 기어 비를 바꾸어 입력 토크를 조정하면 부하 시에도 로봇은 무부하시와 같은 추락속도로 하강하게 된다.

2.5 장ㆍ탈착 메커니즘

실제 교량에 존재하는 다수의 케이블을 점검하기 위해서는 로봇을 쉽고 빠르게 장ㆍ탈착할 수 있어야 한다. 그림 14와 같이 로봇 외각 프레임은 힌지 조인트를 가지고 있어 1개 모듈이 자유롭게 열리고 닫힐 수 있다. 검은색 화살표 부분에서 볼트를 체결하여 외각 프레임을 일체형으로 고정 시키고, 부착력 발생 메커니즘을 사용하여 로봇을 케이블 상에 부착시키면 장착을 완료하게 된다. 

그림 14. 장·탈착 메커니즘

3. 실 험

 영종대교 행어 직경은 국내 현수교 중 가장 큰 85mm이다. 이를 고려하여 85mm알루미늄 파이프 관을 수직으로 설치하여 실내 실험 환경을 구성하고, 제안된 로봇의 이동 성능 및 안전성 확보 메커니즘의 성능 실험을 실시하였다.

3.1 부착력 발생 메커니즘 성능 실험

개발된 로봇을 케이블에 부착시키기 위하여 필요한 수직항력을 계산하고 적용하였다. 로봇 무게가 27kg이므로 한 모듈 당 88.29N이상의 마찰력이 필요하며 고무바퀴와 알루미늄 파이프 간 마찰계수 0.2를 나누어 필요 수직항력 441.45N을 얻을 수 있다. 표 2를 참고하여 볼 스크류를 회전시켜 약 3.3mm의 판토그래프 변위를 만들어 로봇을 파이프에 부착시켰다. 

15kg의 payload를 수송할 경우 로봇의 총 하중은 42kg이므로 한 모듈 당 686.7N의 수직항력을 만들어야 하고 스프링은 5.2mm 압착되어야한다. 그림 15와 17은 스프링을 약 5.5mm를 압착시키고 로봇을 구동한 실험 모습이다.  

그림 15. 부착력 발생 메커니즘 성능 실험

3.2 이동 성능 실험

이동 성능 실험을 위해 먼저 그림 16과 같이 추가 하중이 없는 상태에서의 로봇의 이동 실험을 진행하였다. 로봇의 이동 속도 검증을 위해 파이프에 25cm의 간격을 표시한 후 이동 실험을 진행 하였다. 하중이 없을 때, 로봇의 최대 이동 속도는 약 0.2m/s로 확인하였다. 

그림 16. 이동 로봇 성능 실험

그림 17. Payload 수송 능력 성능 실험

로봇에 15kg의 추를 추가적으로 부착한 후 실험을 진행하였다. 실험 결과 로봇은 15kg의 payload를 지니고 0.05m/s의 속도로 이동이 가능함을 확인하였다. 

3.3 안전성 확보 메커니즘 성능 실험

케이블 이동 로봇을 케이블 점검에 직접 적용을 시키기 위해선 반드시 로봇의 안전성이 확보되어야 한다. 고장으로 인한 로봇의 추락이나 케이블 위에 정지될 경우를 방지하기 위해 제안한 안전성 확보 메커니즘의 성능 실험을 진행하였다. 로봇에 전원을 인가하지 않은 상태에서 로봇이 지상으로 안전하게 내려오는 것을 확인 할 수 있다. 

3.4 장애물 승월 실험

 실제 케이블은 가공 및 조립의 오차로 각 구간의 직경이 일정하지 않다. 따라서 로봇은 가변적인 케이블 직경에 대응할 수 있어야 한다. 제안된 부착력 발생 메커니즘은 스프링을 포함하고 있어 케이블 직경 변화에 유연하게 대응 할 수 있다. 급격한 직경 변화를 대비하여, 본 실험에서는 85mm 알루미늄 파이프에 직경 10%의 장애물을 설치한 후 로봇의 장애물 승월 성능 실험을 진행하였다. 그림 18과 같이 85mm 파이프 직경이 10% 증가하여 93.5mm로 변화되더라도 주행 중이던 로봇은 스프링 메커니즘을 통해 정상 승월 할 수 있음을 알 수 있다.

그림 18. 안전성 확보 메커니즘 성능 실험

그림 19. 장애물 승월 성능 실험

4. 결 론

본 연구에서는 교량 케이블 점검을 위한 케이블 이동 로봇을 설계하고 현장적용의 필수 요소인 안전성 확보를 위한 메커니즘을 새롭게 제안하였다. 제안된 케이블 이동 로봇은 점검 장비를 수송할 수 있는 수송 능력 및 장애물을 극복할 수 있는 능력을 가지고 있으며, 안전성확보메커니즘을 통해 추락 및 고정을 방지할 수 있다. 실내 실험을 통해 각 메커니즘의 성능을 검증하였고, 향후 케이블 점검을 위한 카메라를 부착하여 실내 환경 및 실제 교량 케이블 환경에서 실험을 진행할 예정이다.  

Reference

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