Recently, interests on cleaning robots workable in pipes (termed as in-pipe cleaning robot) are increasing because Garbage Automatic Collection Facilities (i.e, GACF) are widely being installed in Seoul metropolitan area of Korea. So far research on in-pipe robot has been focused on inspection rathe...
Recently, interests on cleaning robots workable in pipes (termed as in-pipe cleaning robot) are increasing because Garbage Automatic Collection Facilities (i.e, GACF) are widely being installed in Seoul metropolitan area of Korea. So far research on in-pipe robot has been focused on inspection rather than cleaning. In GACF, when garbage is moving, the impurities which are stuck to the inner face of the pipe are removed (diameter: 300 mm or 400 mm). Thus, in this paper, by using TRIZ (Inventive Theory of Problem Solving in Russian abbreviation), an in-pipe cleaning robot of GACF with the 6-link sliding mechanism will be proposed, which can be adjusted to fit into the inner face of pipe using pneumatic pressure(not spring). The proposed in-pipe cleaning robot for GACF can have forward/backward movement itself as well as rotation of brush in cleaning. The robot body should have the limited size suitable for the smaller pipe with diameter of 300 mm. In addition, for the pipe with diameter of 400 mm, the links of robot should stretch to fit into the diameter of the pipe by using the sliding mechanism. Based on the conceptual design using TRIZ, we will set up the initial design of the robot in collaboration with a field engineer of Robot Valley, Inc. in Korea. For the optimal design of in-pipe cleaning robot, the maximum impulsive force of collision between the robot and the inner face of pipe is simulated by using RecurDyn(R) when the link of sliding mechanism is stretched to fit into the 400 mm diameter of the pipe. The stresses exerted on the 6 links of sliding mechanism by the maximum impulsive force will be simulated by using ANSYS$^{(R)}$ Workbench based on the Design Of Experiment(in short DOE). Finally the optimal dimensions including thicknesses of 4 links will be decided in order to have the best safety factor as 2 in this paper as well as having the minimum mass of 4 links. It will be verified that the optimal design of 4 links has the best safety factor close to 2 as well as having the minimum mass of 4 links, compared with the initial design performed by the expert of Robot Valley, Inc. In addition, the prototype of in-pipe cleaning robot will be stated with further research.
Recently, interests on cleaning robots workable in pipes (termed as in-pipe cleaning robot) are increasing because Garbage Automatic Collection Facilities (i.e, GACF) are widely being installed in Seoul metropolitan area of Korea. So far research on in-pipe robot has been focused on inspection rather than cleaning. In GACF, when garbage is moving, the impurities which are stuck to the inner face of the pipe are removed (diameter: 300 mm or 400 mm). Thus, in this paper, by using TRIZ (Inventive Theory of Problem Solving in Russian abbreviation), an in-pipe cleaning robot of GACF with the 6-link sliding mechanism will be proposed, which can be adjusted to fit into the inner face of pipe using pneumatic pressure(not spring). The proposed in-pipe cleaning robot for GACF can have forward/backward movement itself as well as rotation of brush in cleaning. The robot body should have the limited size suitable for the smaller pipe with diameter of 300 mm. In addition, for the pipe with diameter of 400 mm, the links of robot should stretch to fit into the diameter of the pipe by using the sliding mechanism. Based on the conceptual design using TRIZ, we will set up the initial design of the robot in collaboration with a field engineer of Robot Valley, Inc. in Korea. For the optimal design of in-pipe cleaning robot, the maximum impulsive force of collision between the robot and the inner face of pipe is simulated by using RecurDyn(R) when the link of sliding mechanism is stretched to fit into the 400 mm diameter of the pipe. The stresses exerted on the 6 links of sliding mechanism by the maximum impulsive force will be simulated by using ANSYS$^{(R)}$ Workbench based on the Design Of Experiment(in short DOE). Finally the optimal dimensions including thicknesses of 4 links will be decided in order to have the best safety factor as 2 in this paper as well as having the minimum mass of 4 links. It will be verified that the optimal design of 4 links has the best safety factor close to 2 as well as having the minimum mass of 4 links, compared with the initial design performed by the expert of Robot Valley, Inc. In addition, the prototype of in-pipe cleaning robot will be stated with further research.
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문제 정의
문제의 로봇 몸통을 기술시스템 분석표로 표현하고 각 관의 직경에 맞도록 가변이 가능한 로봇 설계하는 것을 목표로 정하였다.
본 논문에서는 관내 청소로봇을 개발하고 실험계획법을 이용하여 각 인자를 분석하고 로봇의 안정성을 검증하였다. 그 결과는 다음과 같다.
제안 방법
쓰레기 자동집하시설의 안정적이고 장기간 유지를 위해서는 관로의 청소가 중요하다. 쓰레기 자동집하시설의 300～400 mm 직경의 관로에 쓰레기 이동시 발생하는 관내 불순물 제거를 위해 청소로봇을 사용하여 관내 청소 작업을 한다.
본 논문에서는TRIZ를 이용하여, 로봇의 기초설계를 하고, 로봇이 관의 직경에 맞게 링크가 변할 때 관과 로봇의 링크가 충돌할 때의 충격량을 RecurdynⓇ으로 계산한다. 계산된 값을 ANSYSⓇ Workbench로 링크가 받는 응력을 구조해석한다.
계산된 값을 ANSYSⓇ Workbench로 링크가 받는 응력을 구조해석한다. 그 값을 토대로 실험계획법을 이용하여 로봇링크를 최적 설계한다.
관내 청소로봇의 3D 모델링을 간략화 하여 시뮬레이션을 수행한다. 그림 9는 간략화 한 로봇의 슬라이드 메커니즘이다.
Minitab®을 이용하여 로봇 링크의 설계변수들을 직교 배열표를 만들어 구조해석을 수행하며 최적인자를 찾아 최초로 설계된 로봇 링크부의 안전율을 비교 검증 한다.
공압의 경우 2m/s2의 가속도로 sliding한다. 스프링 force의 조건을 스프링 상수 5, 변위 40mm로 조건을 주어 프로그램을 시뮬레이션 해보니 1.97m/s2의 가속도로 sliding 한다는 사실을 알게 되어 스프링 제약조건을 아래와 같이 주고 시뮬레이션을 한다.
본 실험에서는 청소로봇 링크부의 최적설계를 하기 위해 링크부에 작용하는 힘을 구하여, 그 힘을 로봇 링크부에 가하여 구조해석을 한다. 구조해석의 결과를 가지고 실험계획법을 이용하여 로봇링크의 최적설계를 한다.
본 실험에서는 청소로봇 링크부의 최적설계를 하기 위해 링크부에 작용하는 힘을 구하여, 그 힘을 로봇 링크부에 가하여 구조해석을 한다. 구조해석의 결과를 가지고 실험계획법을 이용하여 로봇링크의 최적설계를 한다.
최적 설계를 위해 로봇 링크의 두께를 조절하여 가벼우면서 안전율 2이상의 조건에 만족하기위하여 실험계획법을 이용하여 문제를 해결하고자 한다. Minitab®을 이용하여 로봇 링크의 설계변수들을 직교 배열표를 만들어 구조해석을 수행하며 최적인자를 찾아 최초로 설계된 로봇 링크부의 안전율을 비교 검증 한다.
최적 설계된 링크를 증명하기 위하여, 6-Link Slide mechanism 을 재설계하여, ANSYS Workbench를 이용하여 안정성을 검증 한다. 위의 실험에서 한쪽 바퀴의 최대 충격 100N을 Fig.
(1) 청소로봇의 초기모델의 문제점을 해결하기 위하여 TRIZ를 이용하여 로봇의 기초설계를 수행하였다.
(3) 충격값을 토대로 최적설계를 위하여 실험계획법을 이용하여 각 인자들을 분석하여 각 인자를 ANSYS Workbench로 해석하여 로봇 링크부의 최적인자를 도출하였다. 그 결과 관내 청소로봇의 링크부 안전률이 2.
로봇의 개발에 있어 진행되지 않는 로봇의 제어가 필요 하고, 기존의 청소툴은 역회전 브러쉬의 메커니즘이 복잡하여 재설계 및 검증이 필요로 한다. 전용 소프트웨어를 프로그래밍하여 로봇을 제어하고 역회전 브러쉬의 메커니즘을 간단하게 할 수 있게 재설계를 한다. 앞으로 이 두 가지를 해결하기 위한 연구를 진행해 나가야 할 것이다.
대상 데이터
모순을 해결하기위한 해결책을 찾기 위해 “300mm관과 400 mm관 각각의 로봇 설계를 하고, 두 로봇을 합쳐 하나의 로봇으로 만든다.
로봇 링크의 안전율에 영향을 미치는 로봇 링크의 제어인자는 Fig. 14 와 같이 Link1, 2, 3, 4의 두께 개수로 총 4가지로 선정 하였고 혼합 수준 설계이며 Table 2와 같다.
15와 같이 적용하고, 중력 가속도를 적용한다. 물성치는 Al-7075를 적용하여 구조해석을 수행한다.
성능/효과
로봇의 직경 유지를 위하여 공압을 이용한 Slide Mechanism을 적용하여, 로봇의 링크가 3개중 2개만 고정되어 있으면 로봇의 링크 하나가 분기관 등 관의 이상점에 빠지게 되어도 직경이 유지되어 안정적인 구동이 가능하다.
7065라는 값을 얻을 수 있었다. 이 값은 우리가 목표로 하였던 2이상의 값을 만족 하므로, 6-Link Slide Mechanism은 최적 설계가 되었다고 결론을 내릴 수 있다.
(2) 링크부의 최적설계를 위하여 관과 로봇의 링크부의 충격을 RccurDyn으로 시뮬레이션을 수행하여 100N의 충격이 한 개의 바퀴에 받는다는 것을 확인 할 수 있었다.
(3) 충격값을 토대로 최적설계를 위하여 실험계획법을 이용하여 각 인자들을 분석하여 각 인자를 ANSYS Workbench로 해석하여 로봇 링크부의 최적인자를 도출하였다. 그 결과 관내 청소로봇의 링크부 안전률이 2.7065로써 최적화 설계가 되었다는 것을 확인할 수 있었다.
후속연구
전용 소프트웨어를 프로그래밍하여 로봇을 제어하고 역회전 브러쉬의 메커니즘을 간단하게 할 수 있게 재설계를 한다. 앞으로 이 두 가지를 해결하기 위한 연구를 진행해 나가야 할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
쓰레기 자동집하시설의 특징은 무엇인가?
쓰레기 자동집하시설은 일정 간격으로 설치된 전용 투입구를 두고 지하에 관로를 배설하여 집하장 시설과 연결하여 사용자는 언제나 쓰레기를 투입할 수 있으며 투입된 쓰레기는 투입구하부에 임시저장 된 후 집하장에서 정기적으로 수거함으로써 수거인력이 필요 없으며 쓰레기가 외부로 노출되지 않는 친환경적인 시스템이다. 쓰레기 자동집하시설은 종래의 인력과 차량에 의한 수거방식과는 달리 쓰레기를 투입구에 버리면 중앙 제어 시스템의 통제에 의하여 지하 매설관로에 흐르는 약 60～70km/h의 고속 공기와 함께 중앙 집하시설로 운반되어 쓰레기의 종류에 따라 소각장에 직접 투입시키거나 컨테이너에 자동 적재 후 최종 처리장까지 운송하는 시스템이다.
현재 쓰레기 자동집하시설에서 사용되는 대부분의 관내 주행 로봇의 목적은 무엇인가?
현재 관내 주행 로봇으로는 단순히 관 내부를 주행하며 검사를 목적으로 하는 관내 주행로봇이 대부분이다.
국내 자동집하시설이 안고 있는 과제는 무엇인가?
한국의 자동집하시설은 아직까지는 도입 초기단계로 기존 수거 방식에 의한 환경과 미관상의 문제를 해결함으로 인하여 주민 만족도는 높게 조사되었으나, 높은 시설 설치 및 운영비용, 음식물 쓰레기의 수거율 및 재활용율 저하 등 안정적인 운영을 위한 기술력 개선 등의 과제를 안고 있다. 이러한 기술력 개선의 하나로서 안정적인 쓰레기 수거를 위한 관로의 청소는 중요한 과제이다.
참고문헌 (8)
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Choi H. S., Na, W. H., Kang, D. W., Kang, H. S., and Jeon, J. G., 2007, "Development of an In-pipe Inspection and Cleaning Robot," Journal of KSME, Vol. 33, No. 5, pp. 662-671.
Lee, K. S., 2007, "A Study Development of a Continuously Variable Transmission for Bicycles by Theory of Inventive Problem Solving (TRIZ)," Journal of the KSPE, Vol. 24, No. 7, pp. 75-82.
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Genichi, T., and Yuin, W., 2001, TAGUCHI`s Quality Engineering Handbook, Wiley, Japan.
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