[논문]교량 케이블 점검용 이동 로봇 개발

김호문; 조경호; 진영훈; 최혁렬

doi:10.7746/jkros.2012.7.2.083

[국내논문] 교량 케이블 점검용 이동 로봇 개발
Development of a Climbing Robot for Inspection of Bridge Cable 원문보기

로봇학회논문지 = The journal of Korea Robotics Society, v.7 no.2, 2012년, pp.83 - 91

김호문 (성균관대학교 기계공학과) , 조경호 (성균관대학교 메카트로닉스협동과정) , 진영훈 (성균관대학교 기계공학과) , (성균관대학교 기계공학과) , 최혁렬 (성균관대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

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

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

[8] 본 연구에서는 기존의 단점을 개선한 로봇 메커니즘을 제안하고, 개발된 로봇의 이동 성능을 실험을 수행하였다.
본 연구에서는 볼 스크류, 팬토그래프, 스프링, 리쳇기어를 사용하여 초기 팬토그래프 변위 설정 뒤 케이블 직경 변화에도 팬토그래프 변위 변경 없이 이동할 수 있는 개선된 부착력 발생 매커니즘을 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.
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.

제안 방법

^[1,2] Gripper 형은 이동 방향에 제약이 없으나 주행 속도가 느리고 제어가 어려운 단점이 있다.^[3-5] 교량 케이블은 직선으로 길게 설치 되어 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.
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.
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 Wheel 을 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.
제안된 메커니즘은 구동부에 부착된 스프링의 압착 거리를 조절하여 부착력을 얻는 형태로 구성되어 있다. 스프링의 압착거리는 그림 3과 같이 볼 스크류와 팬토그래프를 이용하여 조절할 수 있도록 구성하였다.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
개발된 로봇을 케이블에 부착시키기 위하여 필요한 수직항력을 계산하고 적용하였다. 로봇 무게가 27kg이므로 한 모듈 당 88.
이동 성능 실험을 위해 먼저 그림 16과 같이 추가하중이 없는 상태에서의 로봇의 이동 실험을 진행하였다. 로봇의 이동 속도 검증을 위해 파이프에 25cm의 간격을 표시한 후 이동 실험을 진행 하였다.
이동 성능 실험을 위해 먼저 그림 16과 같이 추가하중이 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.
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.
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.

대상 데이터

각 모듈은 구동력을 발생 시키는 Active Wheel과 안전성 확보 메커니즘이 부착된 Passive Wheel 을 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.
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.

성능/효과

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

후속연구

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.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	케이블 이동 로봇 구동형태는 어떻게 나눌 수 있는가?	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.
	바퀴 구동 형의 장점은?	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.
	충분한 마찰력을 만들기 위한 부착력 발생 메커니즘과 이동을 위한 구동력 발생 메커니즘이 필요한 이유는?	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.

참고문헌 (8)

Fengyu Xu, Xingsong Wang, "A Wheel-Based Cable Climbing Robot With Descending Speed Restriction", Control and Descision conference (CCDC), pp.1570-1575, 2008.
Xingsong Wang, Fengyu Xu, "Design and Experiments on Cable Inspection Robot", Industrial Electronics Society, (IECON), pp.2870-2875, 2007.
Mahmoud Tavakoli, Ali Marjovi, Lino Marques, Anibal T. de Almeida, "3DCLIMBER: A climbing robot for inspection of 3D human made structures" Intelligent Robot sand Systems, (IROS), pp.4130-4135, 2008.
Li Jiang, Xianmin Zhang, Hong Zhang, "climbing gaits of a modular biped climbing robot", Advanced Intelligent Mechatronics, (AIM), pp.532-537, 2009.
Li Jiang; Yisheng Guan; Xuefeng Zhou; Xianmin Zhang; Hong Zhang, "Grasping analysis for a biped climbing robot", Robotics and Biomimetics (ROBIO), pp.579-584, 2010.
F. Xu, X. Wang and L. Wang, "Cable Inspection Robot for Cable-Stayed Bridges: Design, Analysis, and Application", J. of Field Robotics, 23(3), 441-459, 2011.
J. Yuan, X. Wu, Y. Kang, A. Ben, "Research on Reconfigurable Robot Technology for Cable Maintenance of Cable-stayed Bridges In-service", Mechanic Automation and Control Engineering (MACE), pp.1019-1022, 2010.
Ho Moon Kim, Kyeong Ho Cho, Fengyi Liu and HyoukRyeol Choi, "DEVELOPMENT OF CABLE CLIMBING ROBOTIC SYSTEM FOR INSPECTION OF SUSPENSION BRIDGE", International Symposium on Automation and Robotics in Construction, pp.1422-1423, 2011.

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표제어: PCR

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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