산업배관의 이물질 청소를 위한 배관청소로봇의 개발

3.1. PCR-1

배관청소를 위한 PCR은 모듈화 설계를 통하여 크게 주행과 청소모듈을 구분한 단위 설계를 진행하여 개발 하였다.

설계된 PCR은 전방 청소 모듈, 중앙 구동 모듈, 후방 구동 모듈과 후방 연결 모듈로 구성하고 각 모듈은 2자 유도 관절 유닛으로 연결하였으며, Fig. 3에 나타내었다. PCR의 구동 모듈은 유지보수 효율을 높이고 주행 및 청소 성능 시험 중 발생되는 문제에 빠르게 대응하기 위하여 단위 유닛 형태로 설계, 제작 하였다. Fig. 4는 중앙 구동 모듈의 3개 유닛에 대해 나타내었으며, 메인 하우징 유닛, 관절 구동 유닛 그리고 링크 동작 유닛(구 동 캐터필러 유닛 포함)으로 구성되었다.

Fig. 3

Constitution of the pipe cleaning robot system by modules

Fig. 4

Constitution of the center driving module by units

3.2. 구동 모듈의 관절 유닛의 기구 개발

곡관 주행을 위하여 개발된 관절 유닛의 구성은 Fig. 5와 같이 구성되었으며, 2자유도 관절의 구동을 위하여 입력 된 2개의 개별동력을 이용하여 구동 원점에서 베벨기어 를 구동 기준점으로부터 ±45° 구동 범위를 가지도록 개 발되었다. 관절의 위치 제어를 위하여 절대각 엔코더를 기어 구동부에 고정 배치하였고, 오동작의 방지를 위하 여 우레탄 각도 제한 블록을 장착하고 근접센서를 부착 하여 관절 각도에 대한 정보를 인식하도록 하였다.

Fig. 5

Constitution of the joint driving unit

흡입 장치의 효율 적인 로봇의 구성 배치를 위하여 관절 유닛은 중공 타입으로 개발하였으며, 관절 사이에 케블라 섬유가 포함된 우레탄소재의 유연호스를 성형 제작하여 관절 이음에도 흡입 장치가 유연하게 구성될 수 있도록 개발하였다. Fig. 6은 중공 형태로 구성된 배 관로봇의 단면을 나타내었으며, 점선은 이물질의 흡입 및 이송 경로를 나타내었다.

Fig. 6

Section view of pipe cleaning robot system

3.3. 구동 모듈의 링크 동작 유닛의 기구 개발

배관 내부에서 청소로봇의 주행을 위한 구동유닛은 Fig. 7(a)에 나타낸 링크 메커니즘으로 개발되었으며, 견 인력을 높이고 배관 관경의 변화에 대응하기 위하여 공 압 실린더를 이용한 링크 구동부를 구현하고 링크 연결 부에 스프링을 장착하여 주행 시 구동 캐터필러의 배관 접지면이 항상 평행하도록 구성하였다. 또한, 베이스 링 크의 회전각을 인식하여 접지면 정보를 인식하기 위하 여 절대각 엔코더를 장착하였다.

Fig. 7

Development of the link actuation unit

적용된 링크 동작 유닛과 구동 캐터필러의 형태는 Fig. 7(b)와 같으며, 공압 실린더의 추력을 기준으로 동역학 해석을 통해 구동 캐터필러와 배관 내벽에 작용하는 접 지력을 계산하였다. 공압 실린더의 추력 330 N이 작용할 경우 링크의 각도에 따라 최소 30 kg에서 최대 78 kg 까지 접지 하중 성능을 갖는 것으로 Fig. 7(c)와 같이 확인하였 다. Fig. 7(d)는 강체 동역학 해석 결과를 바탕으로 유연 체 동역학 해석을 수행하여 링크 작동 하중에 대한 강성 및 강도 평가를 수행한 결과를 나타내었다. 링크에 적용 된 소재는 AL6061-T6 소재를 적용하였으며, 해석 결과 를 판단하기 위하여 재료의 항복강도(276 MPa)를 기준 으로 최대 등가 응력은 주 링크에서 182 MPa의 값이 계 산되었다. 평가 결과 소재의 소성 변형 또는 파손의 위험 은 없는 것으로 파악되었다.

3.4. 대상 이물질에 따른 청소 모듈의 기구 개발

배관 내부에 고착된 이물질의 형태는 Fig. 2, 8과 같이 배관 단면 방향으로 폐색된 형태와 배관 하단에 적층된 형태로 나누어 질 수 있으며, 퇴적물의 고착화 정도 및 유분과 수분의 포함 여부에 따라 퇴적경도가 환경에 따 라 매우 다양하게 존재한다.

Fig. 8

Pilling of impurity (type 1 and 2)

청소 모듈의 개발은 청소 대상물 인 이물질의 형태에 따라 구성하였고, 공기압 증폭기를 이용하는 방법과 진 공 흡입을 이용하는 방법 및 스크레이퍼 시스템을 구현 하는 방법으로 나누어 개발하였다. 공기압증폭기는 좁 은 틈새에 대기압 이상의 압력을 작용하여 틈으로 분출 되는 공기장을 이용하여 압력흐름을 생성하고 베르누이 및 코안다 효과(bernoulli and coanda effect)를 이용한 흡입 장치이다.

본 연구에서는 Fig. 9와 같이 설계/유동해석 및 제작 후 성능 시험을 거쳐 로봇에 적용하였다. 시험 결과 10 m 이내 호스 길이에서는 제공 압축공기의 압력이 8~10 bar 인 경우 원활한 흡입 및 이송 성능을 보이는 것으로 확인 되었으나 10 m를 넘는 흡입 호스에서는 원활한 이송 특 성을 얻을 수 없었다. 이송호스의 길이가 길어지면 유동 마찰로 인하여 이송효율을 급격히 떨어지는 것을 확인 하였다. 10 m 이상의 흡입/이송이 필요한 경우에는 진공 흡입장치를 이용하여 배출하는 방법을 고려하였다.

Fig. 9

Development of air mover system

다양한 이물질의 형태를 극복하고 배관 내부의 이물 질을 원활하게 제거하기 위한 메커니즘은 물리적 힘으 로 이물질을 분쇄하고 흡입하여 배출하는 방법과 이물 질을 절단하여 배관 외부로 강제 이송 시키는 방법으로 구상하고 Fig. 10과 같이 세가지 청소모듈을 개발하였다.

Fig. 10

Design of cleaning modules

Fig. 10(a)는 내부 이물질의 형성이 Fig. 8의 Type 1과 같은 형태로 생성된 경우 배관 내부의 이물질을 원활히 제거하기 위한 청소모듈로 전방 그라인딩 툴에서 이물 질을 분쇄하고 회전 브러쉬를 통해 이물질을 집하하여 분쇄된 이물질을 공압 증폭기를 이용하여 흡입 후 호스 내부로 이동 시켜 이물질을 배출하는 개념으로 설계되 었다. 이물질이 청소모듈 넘어가는 현상을 최대한 방지 하기 위하여 회전 스크레이퍼 유닛을 장착하여 배관 내 벽에 밀착 시키는 메커니즘 또한 구성하였다. Fig. 10(b, c)는 내부 이물질의 형성이 Fig. 8의 Type 2과 같은 형태 로 생성된 경우 배관 내부의 이물질을 원활히 제거하기 위한 청소모듈로 Fig. 10(b)는 전방 공기압 그라인더에 서 이물질을 분쇄하고 흡입구를 통해 이물질을 진공 흡 입하여 분쇄된 이물질을 배출하는 시스템이다. Fig. 10(c) 는 스크레이퍼를 부착한 형태로 이물질을 절단 후 이송 하여 외부로 배출하는 장치를 구성하였다.

3.5. 로봇스테이션 및 외부 장치의 개발

PCR을 제어부는 현장이동 시 원활한 이동과 작업 효 율을 높이기 위하여 휴대가 가능한 형태의 로봇 스테이 션(portable robot control station)을 개발하였다. 경량화 를 목적으로 대부분의 재료를 ABS 플라스틱으로 제작 하고, 방수/방진 설계를 수행하여 외부 현장에서 발생되 는 먼지 및 기타 이물질로부터 스테이션을 유지보수 효 율을 증대하였다. 내부에는 SBC (Single Board Computer) 를 탑재하고 로봇의 카메라 통신을 위한 이더넷 및 CAN 인테페이스 모듈을 장착되었으며, 로봇의 원활한 제어 를 위한 다양한 형태의 스위치 적용하였다. Fig. 11은 개발된 제어 스테이션과 사용자 구동 소프트웨어를 나 타내었다.

Fig. 11

Portable robot control station and GUI software

PCR의 현장 투입을 위한 장치의 구성은 로봇과 제어 스테이션 그리고 외부보조장치로 구성된다. 개발된 PCR 의 외부보조장치는 청소방법에 따라 대용량/압축공기 (7~10 bar)가 필요하고, 로봇에 공급되는 전원의 안정적 인 공급 및 전압 강하 조건을 만족하기 위한 전원안정기 등이 필요하게 된다. 또한 PCR과 컨트롤 스테이션과 통 신 및 데이터 저장, 보조장치 구성품의 전원제어 및 공기 압 제어 등을 위하여 산업용 컴퓨터를 장착하였다. Fig. 12는 외부보조장치의 구성에 대해 나타내었고, PCR 및 제어 스테이션 그리고 외부보조장치를 이용한 시험장치 구성은 Fig. 13에 나타내었다.

Fig. 12

Design of the ASU (auxiliary support unit)

Fig. 13

Test environment of pipe cleaning robot with robot, control station and ASU

3.6. 곡관 주행을 위한 모션 해석

배관로봇은 적용된 배관의 곡관 및 분기관에 크기에 따라 배관 로봇의 모듈간의 길이 및 최소 배관로봇 직경 이 결정된다. 개발된 PCR의 모듈 관절 간의 길이 및 최 소 로봇 직경은 300A 1.5D 곡관을 기준으로 설계되었으 며, Fig. 14에 나타내었다.

Fig. 14

Size of the driving module for negotiation the elbow

청소모듈을 장착한 PCR의 곡관 주행 가능성을 분석 하기 위하여 각 관절 및 구동 링크의 구동 각도를 선정하 고 300A 좁은 곡관 주행 가능성을 Fig. 15와 같이 가상공 간상의 CAD Mock-up 모델을 사용하여 검증하였다.

Fig. 15

Motion analysis for drive 300A short elbow pipe

3.7. 관경 변화에 대응하기 위한 로봇의 구성

개발된 PCR은 300A 곡관 통과를 기준으로 높이 270 mm~300 mm 그리고 길이 422 mm로 설계되었다. 제철 소 내에 설치되어있는 PCR의 적용이 필요한 배관은 250A 에서 500A의 배관이 있는 것을 확인하였고 이를 위한 관경 대응형 링크부의 개발이 필요하다.

개발된 링크 동작 유닛은 Fig. 16과 같이 Link A와 Link B 그리고 Compliant link C로 구성되어있으며, 변화된 관경에 대하여 3개 링크의 길이 변화를 통한 링크 동작 유닛을 확장하여 적용할 수 있다. 확장된 링크 동작 유닛 의 빠른 교체를 위해 메인 하우징 유닛과 슬라이딩 형태 로 체결이 되도록 설계를 하였으며, 모터케이블의 경우 원터치 커넥터를 사용하여 쉽게 분해 조립이 가능하다. 링크 동작 유닛의 변경으로 적용 가능한 배관의 관경은 250A의 직관과 300A, 350A, 400A, 500A 배관의 직관 및 곡관에 적용 가능하다.

Fig. 16

Composition of linkage for response of pipe size

4.1. 하드웨어 시스템 구조

Fig. 17(a)는 3가지 청소 방식을 가지는 개발 청소 모듈 에 공용으로 사용된 전자 하드웨어 블록 다이어 그램 (Block diagram)이며, Fig. 17(b)는 2개의 구동 모듈의 하드웨어 블록 다이어그램을 나타내었다. 두 모듈은 주 제어기로서 고성능의 32Bit MCU (Micro controller unit) 를 적용하고, 주 통신 장치는 CAN을 사용하였다. IP 카 메라는 이더넷(Ethernet) 통신을 이용하여 영상 정보를 전달하고, 각 하부 제어 모듈에는 전원관리 기능이 포함 하여 전체 시스템에 DC 24V를 공급하면 모터 및 각 논 리회로(Logical circuit)에 전원을 공급한다.

Fig. 17

Block diagram of PCR controllers

청소모듈은 청소 공구(그라인더, 브러쉬, 스크레이퍼) 동작을 위한 모터제어, 공기압제어, IMU (Inertial Measurement Unit)센서 정보를 이용한 로봇의 자세 확인, 조명을 이용한 카메라의 영상획득, 구동기 센서(위치 및 회전각 센서 등)에 의한 주변환경 인식을 할 수 있도록 구성하였 다. 구동 모듈은 2개의 MCU (Micro controller unit)를 이용하여 구동을 위한 모터의 속도제어, 관절운동을 위 한 위치제어, 링크 동작을 위한 공기압 제어, 자동 주행 을 위한 주행 기록계(Odometer)측정, 링크의 구동 각도 확인을 위한 센서 등 다양한 인터페이스 방법을 통하여 외부 모듈과 연결 할 수 있도록 설계되었다.

4.2. PCR의 회로 설계

PCR은 배관로봇의 구조적 단점을 극복하기 위하여 제한된 공간 내부에 전자, 제어, 센서계측 등 다양한 부 품을 포함해야 함으로 시스템이 복잡하게 구성된다. 복 잡한 시스템은 로봇의 개발, 현장적용, 유지보수에 있어 서 많은 시간소요로 인한 임무 효율성을 저하시키며, 문 제 발생시 원인 파악 및 수정의 어려움을 겪을 수 있다. 유지보수 효율의 극대화 및 부품 구성의 단순화를 위하 여 Fig. 18과 같이 구동모듈의 주 제어기와 구동부 제어 기를 모듈화하여 인터페이스 보드에 연결할 수 있도록 설계하였다. PCB에 직접 패턴을 삽입하여 슬롯 형태로 제어기를 탈-부착이 용이하도록 설계 되었으며, 제어기 의 문제 발생 시 해당 제어기에 대한 쉬운 교체를 통하여 유지보수에 용이하며 중공형태의 PCR의 공간을 효율적 으로 사용할 수 있다.

Fig. 18

Composition of Center Driving Module controller

4.3. PCR의 회로 개발

Fig. 19는 청소모듈과 구동모듈에 적용된 제어회로를 이며, Fig. 19(a)는 청소 모듈에 적용되는 제어회로, Fig. 19(b)는 구동모듈에 적용되는 제어회로를 나타내었다. 두 제어회로는 통신, 센서 계측, 공기압제어 등의 기능은 동일하다. 청소모듈은 2가지로 개발되었으며, Fig. 10(a) 와 같이 Air mover가 적용된 청소모듈의 경우에는 그라 인더의 구동을 위한 모터드라이버가 추가 되어있고, Fig. 10(b, c)와 같이 브러쉬 및 스크레이퍼를 포함한 청소모 듈의 경우에는 청소 툴의 각도 확인 및 공기압 모터를 이용한 브러쉬의 회전속도를 확인하기 위하여 회전각센 서가 추가하였다.

Fig. 19

Composition of pipe cleaning robot controller

구동모듈은 주 제어기를 통하여 모든 제어가 이루어 지며, 구동부 제어기는 모터 구동을 위한 모터드라이버 와 부가회로를 포함하였다. 주 제어기는 I2C, SPI 통신 인터페이스를 통하여 구동을 위한 모터제어, 곡관 주행 을 위한 관절의 모터제어를 담당하고 링크의 각도에 따 른 공기압 실린더의 가동 여부를 결정하는 솔레노이드 벨브 제어, 주행거리에 대한 누적 이동 거리를 산출하기 위한 회전각 센서에 의한 이동거리 확인, IMU를 통한 로봇의 자세유지를 위한 회로를 설계 및 구성 하였다.

5.1. PCR의 주행 성능 시험

PCR의 주행은 배관 내벽에 관경 대응 링크 체계의 작동으로 밀착되는 고무궤도를 포함한 구동 장치에서 발생되는 출력으로 견인력이 발생하게 된다. 배관 내부 는 퇴적된 이물질의 형태에 따라 유분 또는 수분을 포함 한 타르 형태로 대부분 존재하게 되는데 이를 극복할 수 있는 주행 능력이 필요하게 된다. 주행 중 견인력 시 험을 위하여 300A 배관 내벽에 이물질이 없는 상태와 수분을 포함한 이물질(소결 분진)을 배관 내벽에 부착하 고 수평 및 수직 배관에서 로봇의 주행 속도와 견인하중 을 측정하였다. 시험된 결과는 Table 1에 나타내었다. 시험 결과 수평 배관을 이동하는 경우 최대 속도는 11 m/min, 최대 견인하중은 168 kg이고, 수직 관을 이동하 는 경우 최대 속도는 9.2 m/min, 최대 견인하중은 131 kg의 특성을 나타내었다.

Table 1

Test results of driving speed and traction weight

PCR의 곡관 주행 통과를 위하여 Fig. 22와 같이 곡관 주행 시험 장치를 구성하였다. PCR의 곡관 진입에서 배 관 내벽과 청소모듈과의 접촉으로 관절 구동 모터의 부 하를 인식하고 전류제어 방식을 통해 관절의 능동 제어 가 가능하도록 구성하였다. 또한, 곡관 내부의 구동 궤도 의 위치에 따른 주행 속도를 IMU 정보를 기준으로 곡관 진입 시 로봇의 기울기를 인식하고 곡관 내벽과 구동 궤도의 접촉 위치에 따른 주행 속도비를 다르게 적용하 여 각 구동 유닛의 궤도 주행 속도를 결정하였다.

Fig. 22

Driving test of 300A elbow pipe using pipe cleaning robot

5.2. PCR의 청소 성능 시험

PCR에 대한 청소 성능 시험은 청소 모듈의 형태와 청소 방법에 따라 시험을 진행하였다. 청소 대상 이물질 은 제철 설비 배관에서 배관 이물질과 철광석 및 수분이 함유된 슬러지(Sludge) 형태의 이물질을 적용하였고, 이 에 대한 PCR을 이용한 흡입 및 이송 시험을 수행하였다. 정량적 시험 평가를 위하여 300A 배관 내부의 폐색률 40%를 가정하고 험 설비 중 아크릴 배관 내부에 적재하 여 퇴적 및 폐색을 모사하였다.

Fig. 23의 시험은 Fig. 20(a)의 구성으로 이물질을 제거 하기 위한 청소모듈과 공기압증폭기를 사용하여 이물질 의 흡입 및 이송을 시험하였다. 시험 결과 청소모듈의 전방의 이물질을 분쇄 후 측면 흡입구로 이동이 청소 대상물의 입자가 작은 경우 흡입이 원활 하였으나, 입자 가 크거나 밀도가 큰 경우 흡입 되지 못하고 배관에 잔존 하는 경향이 보였다. 또한, 전방 분쇄 기구의 특성 상 이물질이 주행방향으로 밀려 쌓이는 현상이 발생하였다.

Fig. 23

Cleaning test of pipe cleaning robot with air mover system

Fig. 24는 Fig 20(b)의 구성으로 이물질을 제거하기 위한 청소 모듈과 진공흡입장치를 사용하여 이물질의 흡입 및 이송하는 배관 청소 방법을 시험하였다. 시험 결과 청소모듈의 브러쉬의 이물질 분쇄 후 진공 흡입구 로 이송이 원활히 진행되는 것을 확인하였다.

Fig. 24

Cleaning test of pipe cleaning robot with vacuum suction system

Fig. 25는 Fig 20(c) 의 구성으로 이물질을 제거하기 위한 청소모듈을 사용하여 이물질의 절단 및 이송하는 배관 청소 방법을 시험하였다. 시험 결과 청소모듈의 스 크레이퍼 공구의 이물질 절단 이후 이송 과정이 원활히 진행되는 것을 확인하였다.

Fig. 25

Cleaning test of pipe cleaning robot with scraper moving system

5.3. PCR의 산업 현장 적용을 위한 효율성

PCR에 배관 내부 이물질 제거를 위한 시험을 진행하 기 위하여 3가지 청소 방법에 대한 설비는 Table 2와 같이 구성되었다.

Table 2

Test results of driving speed and traction weight

공기압증폭기를 이용하여 이물질을 이송하는 PCR 시 스템은 고압의 공기압을 이용하여야 함으로 적용 산업 현장에서 공기압 공급이 가능한 경우와 이물질 제거 거 리가 20 m 이내에서 배관 폐색률이 높은 경우 적용 효율 이 높을 것으로 사료된다. 배관 내부 이물질 제거 거리가 20 m 이상이고 현장 설비에 공기압 제공이 어려운 경우 그리고, 실외 설비인 경우에는 진공흡입장치를 적용하 는 것이 효율적이다.

이 두 가지 방법은 Fig. 12와 같이 설비의 제공이 반드 시 필요한 PCR 시스템으로 배관청소를 위한 설비가 복 잡하고 양이 많아 현장 적용을 활발히 적용하기 어려운 문제가 있다. Fig. 20(c)의 구성의 경우 물리적 청소 방법 을 이용한 배관 내부의 이물질을 외부로 배출되는 시스 템으로 로봇을 운영하는 설비와 보조도구 정도만 필요 하기에 현장 이동성은 우수한다. 하지만 주행 후 이물질 을 회수 해야 하는 작업이 반복되므로 청소 시간이 길어 지는 단점이 있다.

현장 모사 시험을 바탕으로 제철 설비 중 소결공장의 가열로 연료가스관의 내부 이물질 제거를 위한 현장 적 용 시험을 Fig. 26와 같이 진행하였다. 구성된 PCR 시스 템은 Fig. 20(c)로 구성하였고, PCR을 적용하기 전과 후 로 청소 성능을 확인하였다.

Fig. 26

Field test of the PCR using scraper moving system