상 하수도, 해양플랜트 등 다양한 배관이 산업현장에 이용되고 있으며, 이러한 배관의 유지보수 작업은 필수적이다. 특히 산업현장에서 배관 유지보수 작업은 전문 인력이 배관 내 투입되어 작업이 진행되거나, 인력 투입이 불가능한 경우 와이어에 연결된 스크래퍼를 배관에 삽입하는 방식을 이용한다. 그러나 이 방식은 교통체증, 막대한 예산의 투입 등의 문제를 야기한다. 이런 문제점을 해결하기 위한 배관 청소 로봇의 연구, 개발이 진행되고 있다. 현재 배관청소 로봇은 작업 및 운용 상태를 실시간으로 확인할 수 없는 문제점이 있다. 본 논문에서는 배관 청소로봇의 운용, 배관 내부 및 청소 상태를 확인할 수 있도록 카메라로부터 촬영된 영상을 수집하며, 수집된 데이터는 RS-485 통신을 이용하여 모니터링 시스템에 전송하여 사용자가 실시간으로 상태를 확인할 수 있게 구성하였다.
상 하수도, 해양플랜트 등 다양한 배관이 산업현장에 이용되고 있으며, 이러한 배관의 유지보수 작업은 필수적이다. 특히 산업현장에서 배관 유지보수 작업은 전문 인력이 배관 내 투입되어 작업이 진행되거나, 인력 투입이 불가능한 경우 와이어에 연결된 스크래퍼를 배관에 삽입하는 방식을 이용한다. 그러나 이 방식은 교통체증, 막대한 예산의 투입 등의 문제를 야기한다. 이런 문제점을 해결하기 위한 배관 청소 로봇의 연구, 개발이 진행되고 있다. 현재 배관청소 로봇은 작업 및 운용 상태를 실시간으로 확인할 수 없는 문제점이 있다. 본 논문에서는 배관 청소로봇의 운용, 배관 내부 및 청소 상태를 확인할 수 있도록 카메라로부터 촬영된 영상을 수집하며, 수집된 데이터는 RS-485 통신을 이용하여 모니터링 시스템에 전송하여 사용자가 실시간으로 상태를 확인할 수 있게 구성하였다.
Various pipes are used in the many industrial field such as water supply, drainage system and marine plants, so a maintenance of these pipes is essential. Especially, the maintenance of the piping in the industrial field, some professional staffs enter and clean the pipe. If the professional staffs ...
Various pipes are used in the many industrial field such as water supply, drainage system and marine plants, so a maintenance of these pipes is essential. Especially, the maintenance of the piping in the industrial field, some professional staffs enter and clean the pipe. If the professional staffs can not enter and clean the pipe, the workers has to use the method of inserting a scraper connected to wire inside the pipe. However, this method demands huge budget and causes a number of problems such as traffic congestion. To solve these problems, pipe cleaning robot has been researching and developing. Many Pipe cleaning robots have a problem, that is impossible to confirm the operating condition of the robot in a real time. This paper suggest pipe cleaning robot with RS-485 which transmit operating and cleaning condition of robot and inner pipe filmed by camera, that user can check.
Various pipes are used in the many industrial field such as water supply, drainage system and marine plants, so a maintenance of these pipes is essential. Especially, the maintenance of the piping in the industrial field, some professional staffs enter and clean the pipe. If the professional staffs can not enter and clean the pipe, the workers has to use the method of inserting a scraper connected to wire inside the pipe. However, this method demands huge budget and causes a number of problems such as traffic congestion. To solve these problems, pipe cleaning robot has been researching and developing. Many Pipe cleaning robots have a problem, that is impossible to confirm the operating condition of the robot in a real time. This paper suggest pipe cleaning robot with RS-485 which transmit operating and cleaning condition of robot and inner pipe filmed by camera, that user can check.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
본 논문에서는 배관청소 로봇의 모니터링시스템을 제안하였다. 현재 배관청소 로봇은 로봇의 운용 상태를 실시간으로 확인할 수 없으며, 배관 청소용 로봇에 문제가 발생할 경우 즉각적인 대응이 불가능하다는 단점이 있다.
본 연구에서는 스크류 주행방식을 채택한 배관 청소로봇의 모니터링 시스템을 제안한다. 배관 청소로봇의 모니터링 시스템은 배관청소 로봇의 운용 상태를 감시하기 위하여 로봇의 구동에 사용되는 공압, 워터제트 공급압력, 스케일 흡입 진공압력을 파악하고, 배관 내부의 상태감시와 청소 상태를 확인할 수 있게 카메라로부터 촬영된 배관 내부 영상을 수집한다.
실험은 신호처리 모듈과 GUI 기반의 모니터링 프로그램에서 정상적으로 배관청소 로봇의 신호를 수신하고, 배관청소 로봇의 사용자에게 데이터를 출력하는지 확인하였다. 신호처리 모듈의 MCU는 ADC chip에 SPI 통신으로 압력데이터를 취득하며, 이를 위해서는 MCU가 클럭을 생성하여 ADC chip에게 공급하여 주어야 한다.
제안 방법
현재 배관청소 로봇은 로봇의 운용 상태를 실시간으로 확인할 수 없으며, 배관 청소용 로봇에 문제가 발생할 경우 즉각적인 대응이 불가능하다는 단점이 있다. 그러므로 배관청소 로봇의 모니터링을 위하여 신호처리 모듈과 GUI 기반의 모니터링 시스템을 제안하고 직접 제작, 실험을 진행하였다. 배관청소 로봇의 실험 결과 로봇의 동작 데이터 및 영상 데이터를 정상적으로 출력 하는 것을 확인할 수 있었다.
이물질을 흡입을 위하여 진공압력을 사용하고, 배관 내부청소 작업을 위하여 고압의 워터젯을 이용한다. 그러므로 배관청소 로봇의 상태를 판단하기 위하여 전진 및 후진 그리고 스크류 주행파트와 보조 바퀴 파트에 부착된 가변 실린더의 공압 3개, 스케일의 진공흡입 압력 1개, 워터젯 분사압력 1개로 구성되어 있다. 위의 표 2는 배관청소 로봇의 압력센서 구성이다.
DAQ Module은 압력 센서로 부터 수신된 전류 값을 1~5[V]의 전압신호로 변환한다. 그리고 변환된 전압 신호를 ADC(Analog-to-Digital Converter) chip을 이용하여 12-bit의 정밀도로 인식하고, ADC chip 으로부터 수신된 데이터를 SPI(Serial Peripheral Interface) 통신을 이용하여 DAQ Module의 MCU(Micro-Controller Unit)로 전송한다.
수집된 다양한 데이터는 RS-485 통신을 이용하여 모니터링 시스템에 전달되고 최종적으로 GUI 기반의 모니터링 시스템을 통하여 사용자에게 로봇의 운용 상태를 확인할 수 있게 구성되어 있다. 또한 로봇에 문제가 발생할 경우 자동 시스템 정지를 수행하며, 문제가 발생한 부분에 대한 정보를 사용자에게 통보할 수 있도록 구성하였다.
출력된 값 은 현재 날자와 시간을 파일명으로 하는 CSV파일로 저장된다. 또한 이와 더불어, 영상을 실시간으로 LabVIEW로 작성된 모니터링 프로그램에 디스플레이 하기 위해서 NI(National Instrument)社의 영상처리 소프트웨어인 IMAQdx를 활용하여 영상을 GUI 기반의 모니터링 프로그램에 출력 하였으며, 출력한 영상을 AVI(Audio Video Interleave file) 포맷으로 저장하였다. 영상을 저장하는 과정에서는 저장되는 용량을 최소화하기 위하여 압축코덱(compression codec) Microsoft MPEG-4 Video Codec V2를 사용하였다.
마지막으로 MCU에서 수신된 데이터는 정해진 프로토콜에 맞춰 RS-485통신을 이용하여 GUI 기반의 모니터링 프로그램으로 데이터를 전송한다. 다음 그림 5는 신호처리 모듈의 구성도 이다.
본 연구에서는 스크류 주행방식을 채택한 배관 청소로봇의 모니터링 시스템을 제안한다. 배관 청소로봇의 모니터링 시스템은 배관청소 로봇의 운용 상태를 감시하기 위하여 로봇의 구동에 사용되는 공압, 워터제트 공급압력, 스케일 흡입 진공압력을 파악하고, 배관 내부의 상태감시와 청소 상태를 확인할 수 있게 카메라로부터 촬영된 배관 내부 영상을 수집한다. 수집된 다양한 데이터는 RS-485 통신을 이용하여 모니터링 시스템에 전달되고 최종적으로 GUI 기반의 모니터링 시스템을 통하여 사용자에게 로봇의 운용 상태를 확인할 수 있게 구성되어 있다.
배관청소 로봇의 모니터링 시스템의 실험을 위하여 신호처리 모듈을 제작하였다. 신호처리 모듈은 다습한 상수도 배관 내부에서 사용되기 때문에 신호처리 모듈을 ABS 재질의 박스 내부에 설치하였다.
GUI 기반의 모니터링 프로그램은 NI社의 LabVIEW로 제작되었다. 신호처리 모듈에서 수신된 압력 데이터는 사용자가 인식하기 쉬운 압력 값인 kPa 또는 mPa로 변환하며, 변환된 압력 값은 인디케이터 및 숫자 값으로 출력할 수 있게 구성 하였다. 출력된 값 은 현재 날자와 시간을 파일명으로 하는 CSV파일로 저장된다.
영상취득 장치는 배관청소 로봇이 배관 내부의 이물질을 제거한 뒤의 배관 상태를 관찰하기 위하여 카메라 모듈 2대를 이용하여 운용된다. 우선 배관청소 로봇에 설치된 카메라에서 영상신호를 영상전송장치를 거쳐 원거리 전송을 진행한다. 전송된 신호는 영상 수신 장치를 이용하여 취득, Frame Grabber로 입력된다.
그러나 배관청소 로봇 같은 경우에는 다른 청소 로봇과 달리 로봇의 운용 및 작업 상황 등이 외부로 노출되어 있지 않기 때문에 관리자가 작업 상황을 알 수 없는 상황에 놓이게 된다[7]. 이에 본 논문에서 제안하고 있는 배관 청소 로봇은 위의 구성을 바탕으로 로봇의 운용, 배관내부, 청소 상태를 확인하기 위한 영상 촬영용 카메라, 및 그와 관련된 통신 장비 등이 추가적으로 구성되어 있다. 다음 그림 2는 본 논문의 배관 청소로봇의 형상을 보여주고 있다.
대상 데이터
배관 청소로봇의 모니터링 시스템은 배관청소 로봇의 운용 상태를 감시하기 위하여 로봇의 구동에 사용되는 공압, 워터제트 공급압력, 스케일 흡입 진공압력을 파악하고, 배관 내부의 상태감시와 청소 상태를 확인할 수 있게 카메라로부터 촬영된 배관 내부 영상을 수집한다. 수집된 다양한 데이터는 RS-485 통신을 이용하여 모니터링 시스템에 전달되고 최종적으로 GUI 기반의 모니터링 시스템을 통하여 사용자에게 로봇의 운용 상태를 확인할 수 있게 구성되어 있다. 또한 로봇에 문제가 발생할 경우 자동 시스템 정지를 수행하며, 문제가 발생한 부분에 대한 정보를 사용자에게 통보할 수 있도록 구성하였다.
영상취득 장치는 배관청소 로봇이 배관 내부의 이물질을 제거한 뒤의 배관 상태를 관찰하기 위하여 카메라 모듈 2대를 이용하여 운용된다. 우선 배관청소 로봇에 설치된 카메라에서 영상신호를 영상전송장치를 거쳐 원거리 전송을 진행한다.
이론/모형
또한 이와 더불어, 영상을 실시간으로 LabVIEW로 작성된 모니터링 프로그램에 디스플레이 하기 위해서 NI(National Instrument)社의 영상처리 소프트웨어인 IMAQdx를 활용하여 영상을 GUI 기반의 모니터링 프로그램에 출력 하였으며, 출력한 영상을 AVI(Audio Video Interleave file) 포맷으로 저장하였다. 영상을 저장하는 과정에서는 저장되는 용량을 최소화하기 위하여 압축코덱(compression codec) Microsoft MPEG-4 Video Codec V2를 사용하였다. 다음 그림 8은 GUI 기반의 모니터링 프로그램이다.
성능/효과
배관청소 로봇의 실험 결과 로봇의 동작 데이터 및 영상 데이터를 정상적으로 출력 하는 것을 확인할 수 있었다. 또한 배관 내부의 상태와 로봇의 정상 유무를 사용자가 직접 확인할 수 있어 유지, 보수에 이점을 지님을 알 수 있었다. 추후 많은 연구를 통하여 대한민국에서 운용 중인 배관청소 로봇의 모니터링을 위하여 많은 연구가 필요하다.
그러므로 배관청소 로봇의 모니터링을 위하여 신호처리 모듈과 GUI 기반의 모니터링 시스템을 제안하고 직접 제작, 실험을 진행하였다. 배관청소 로봇의 실험 결과 로봇의 동작 데이터 및 영상 데이터를 정상적으로 출력 하는 것을 확인할 수 있었다. 또한 배관 내부의 상태와 로봇의 정상 유무를 사용자가 직접 확인할 수 있어 유지, 보수에 이점을 지님을 알 수 있었다.
후속연구
또한 배관 내부의 상태와 로봇의 정상 유무를 사용자가 직접 확인할 수 있어 유지, 보수에 이점을 지님을 알 수 있었다. 추후 많은 연구를 통하여 대한민국에서 운용 중인 배관청소 로봇의 모니터링을 위하여 많은 연구가 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
기존의 배관 청소용 로봇이 가지고 있는 단점은 무엇인가?
그러나 현재 연구, 개발 중인 배관 청소로봇은 대부분 불투명한 배관 내부를 주행하면서 청소작업을 수행한다. 그러므로 로봇의 운용 상태를 실시간으로 확인할 수 없으며 배관 청소용 로봇에 문제가 발생할 경우 즉각적인 대응이 불가능 하며 많은 시간과 인력이 소모되는 단점이 있다[2-5].
배관청소 로봇이란 무엇인가?
최근 산업현장에서는 선체청소 로봇이나 배관청소 로봇 등이 많이 사용되고 있는 추세이다. 그 중 배관청소 로봇은 배관 내부에 부착된 스케일이나 바닥에 침전된 슬러지와 같은 이물질을 워터젯을 분사함으로써 청소작업을 수행하는 장비이며, 더불어 배관내부에서 발생하는 이물질을 진공 흡입하여 외부로 배출하는 작업을 수행한다. 배관 내부에서 발생하는 이물질은 외부에 설치된 진공 지원 장치를 가동함으로써 배출할 수 있는데, 이는 로봇에 부착된 진공씰(vacuum seal)과 배관 끝단부에 부착된 진공 브레이커 사이에 진공을 형성하여 구간 내에 있는 이물질을 로봇의 흡입구에서부터 진공이 형성된 배관을 거쳐 외부로 배출하게 된다.
배관의 유지보수 작업 중 와이어에 연결된 스크래퍼를 배관에 삽입하는 방식의 문제점은 무엇인가?
특히 산업현장에서 배관 유지보수 작업은 전문 인력이 배관 내 투입되어 작업이 진행되거나, 인력 투입이 불가능한 경우 와이어에 연결된 스크래퍼를 배관에 삽입하는 방식을 이용한다. 그러나 이 방식은 교통체증, 막대한 예산의 투입 등의 문제를 야기한다. 이런 문제점을 해결하기 위한 배관 청소 로봇의 연구, 개발이 진행되고 있다.
참고문헌 (7)
C. D. Jung, W. J. Chung, J.S. Ahn, G. S. SHin, S. J. Kwon "Optimal Mechanism Design of In-pipe Cleaning Robot", Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, vol. 21, no. 1, pp. 123-129, Feb. 2012.
W. Neubauer, "A Spider-like Robot that Climbs Vertically in Ducts or Pipes," Proc. of the IEEE/RSJ/GI Int. Conf. of Intelligent Robots and Systems, vol. 2, pp. 1178-1185, Sep.1994.
F. Pfeiffer, T. Robmann, and K. Loffer, "Control of a Tube Crawling Robot", Proc. of IEEE Int. Conf. of Control of Oscillations and Chaos, vol. 3, pp. 586-591, 2000.
S. Horose, H. Ohno, T. Mitsue, and K. Suyama, "Design of In-pipe Inspection Vehicles for ${\phi}25$ , ${\phi}50$ , ${\phi}150$ Pipes", Proc. of IEEE Int. Conf. of Robotics and Automation, pp. 2309-2314, May 1999.
I. Hayashi, and N. Iwatsuki, "Micro Moving Robotics", Proc. of IEEE International Symposium of Micro mechatronics and Human Science, vol. 2, pp. 41-50, Nov. 1998.
K. U. Scholl, V. Kepplin, K. Berns, and A. Dillmann, "An Articulated Service Robot Autonomous Sewer Inspection Tasks", Proc. of IEEE/RSJ Int. Conf. of Intelligent Robots and Systems, vol. 2, pp. 1075-1080, 1999.
H. T. Roman, B. A. Pellegrino, G. R. Sigrist, "Pipe Crawling Inspection Robots: An Overview", IEEE Trans. of Energy Conversion, vol. 8, no. 3, pp. 576-583, Sep.1993.
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