[논문]케이블지지 교량의 케이블 점검 로봇 성능 평가

김재환; 서동우; 정규산; 박기태

doi:10.11112/jksmi.2020.24.1.74

케이블지지 교량의 케이블 점검 로봇 성능 평가
Evaluating Performance of Cable-Inspection Robot in Cable-Supported Bridge 원문보기

한국구조물진단유지관리공학회 논문집 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, v.24 no.1, 2020년, pp.74 - 79

김재환 (한국건설기술연구원) , 서동우 (한국건설기술연구원) , 정규산 (한국건설기술연구원) , 박기태 (한국건설기술연구원)

초록
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케이블지지 교량 건설의 증가로 인하여 이러한 시설물의 안전 점검에 대한 관심도 점차 증가하고 있다. 케이블지지 교량에서는 주 부재인 케이블의 성능 평가가 필수적으로 이루어져야 함에 불구하고, 기존의 점검 방식으로는 다양한 제한적인 요인 때문에 적절한 점검이 이루어지지 못하고 있는 실정이다. 이러한 문제점을 보완하기 위해 케이블 점검 로봇 제작이 필요하고, 본 연구에서는 기존의 개발된 케이블 점검 로봇의 성능을 향상시켜서 로봇의 운용 효율성을 높이는데 주목적을 두었다. 성능 보완 요소로는 대 구경 케이블(>200mm)에도 적용할 수 있도록 로봇의 가용범위를 조절할 수 있도록 하였으며, 주행능력도 향상시켜 점검의 효율성을 향상시켰다. 케이블의 내부 손상을 점검하기 위해 전자기센서를 탑재하였고, 실내 실험을 통해 다양한 케이블 손상 유형에 따른 손상 검출 시험을 실시하였다. 추가로 현재 공용중인 교량에서 현장 성능평가를 실시하였다. 그 결과로 본 연구에서 개발된 케이블 점검 로봇은 주행속도에서는 ~0.2m/s로 기존의 점검 로봇에 비해 향상된 주행 능력을 보였으며, 케이블 내부 손상 점검 실험에서는 케이블 손상 부분을 검출을 할 수 있었다. 마지막으로, 케이블 점검 로봇의 현장 검증 실험에서는 실내 실험과 같은 성능을 보이는 것을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Safety inspection of cable-supported bridge has increasingly attention as many cable-supported bridges are currently constructed/operated. Whilst cables as a main component in cable-supported bridge should be inspected regularly, traditional method (visual inspection) has limitation to check the condition of cables properly due to restricted factors. It is evidently necessary to develop cable-inspection robot to overcome this concern. In this respect, the main aim in this study is to manufacture the improved robot compared with the existing robot. The improved functions of the robot in this study were that the robot can be operated in large cable diameter (greater than 200 mm) and climbing ability of the robot increases. In addition, electro-magnetic sensor as a non-destructive method in the robot was added to detect damaged cables and performance of the sensor was evaluated in indoor and field experiments. Consequently, the robot was able to move on the cable with ~0.2m/s and to detect damaged cables using the sensor. It was also confirmed that performance of the robot in field test is similar to that in indoor test.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1 Design process for cable-inspection robot
그림 Fig. 2 3D-image for cable-inspection robot
표 Table 1 Design specification of cable-inspection robot
그림 Fig. 3 Schematic for electro-magnetic sensing principle
그림 Fig. 4 Electro-magnetic sensor added in the robot
그림 Fig. 5 Testing driving ability of cable-inspection robot; (a) indoor test and (b) field test
표 Table 2 Driving performance of cable-inspection robot
그림 Fig. 6 Inspection of cable surface using camera attached on cable-inspection robot; (a) camera 1, (b) camera 2 and (c) camera 3
그림 Fig. 7 Artificial damage of cable for evaluating performance of cable-inspection robot
그림 Fig. 8 Testing for detecting damaged cable using electro-magnetic sensor added in cable-inspection robot
그림 Fig. 9 Detecting damaged cable using electro-magnetic sensor
그림 Fig. 10 Result on cable inspection in site using non-destructive method

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 우선적으로 직경 200 mm 이상의 대구경 케이블 적용이 가능한 무선 시스템의 점검 로봇을 개발하고자 하였다. 또한, 기존 제작된 케이블 점검 로봇에서 발생한 테스트 주행 시 로봇의 회전 등을 방지하여 주행 안정성을 확보하고, 케이블의 내부 손상 여부를 파악하기 위해 전자기센서를 적용하여 케이블 내부 손상 검출 가능성을 확인하는데 주 목적을 두고 있다.
점검 로봇에 무선(Wireless) 시스템을 적용하기 위해서는 자중을 최소화 해야 하며 이를 통하여 직경이 200 mm 이상의 대구경 케이블까지 적용이 용이할 것으로 기대된다. 본 연구에서는 우선적으로 직경 200 mm 이상의 대구경 케이블 적용이 가능한 무선 시스템의 점검 로봇을 개발하고자 하였다. 또한, 기존 제작된 케이블 점검 로봇에서 발생한 테스트 주행 시 로봇의 회전 등을 방지하여 주행 안정성을 확보하고, 케이블의 내부 손상 여부를 파악하기 위해 전자기센서를 적용하여 케이블 내부 손상 검출 가능성을 확인하는데 주 목적을 두고 있다.
본 연구에서는 직경 200 mm 이상의 대구경 케이블에서 측정이 가능한 케이블 점검 로봇을 개발하였다. 그리고 기존 로봇에 비해 성능(주행 시 안정성 및 통신 성능 개선)을 향상 시켰다.
케이블지지 교량의 위치나 규모를 고려하였을 때, 케이블 점검 로봇에 의한 케이블 안전 점검이 필요하지만, 점검 효율성 향상을 위해서는 기존의 점검로봇의 성능을 향상시킬 필요성이 있다. 본 연구에서는 케이블 점검로 봇의 주행능력, 주행 안정성 및 무선 통신 성능을 향상시켜 현장 적용성을 확대시켰다고 판단된다.

제안 방법

로봇 구동을 위해 감속기는 1/100이고, 12 kgf·cm의 토크와 60RPM의 회전속도를 가진 IG-32GM(DC 12V)모델인 모터 총 3개를 장착 하여, 14 kg 로봇이 등반하는데 무리가 없도록 하였다.
로봇은 3개의 구동부 모터와 우레탄 바퀴를 장착하고, 가변 직경 조절부(140 ~ 300 mm)를 만들어 바퀴와 케이블간의 부착력을 향상시켜, 등반 시 로봇의 흔들림을 최소화 하면서 케이블에서 이동 할 수 있도록 제작하였다. 로봇 무게의 경량화와 내구성능을 향상시키기 위하여 로봇의 전체적인 프레임을 알루미늄으로 제작하였다. Fig.
로봇 제작은 크게 기구 부, 카메라 부, 모터 및 모터 컨트롤부, 로봇 컨트롤 부, 통신 부 그리고 소프트웨어로 나누어 개발을 진행하였으며, 진행과정은 Fig. 1과 같다. 제작과정에서 200 mm 이상의 대구경 케이블 적용성 및 로봇 주행 시 안정성 확보에 중점을 두었다.
4에서는 케이블 강선의 손상 검출을 위해 점검 로봇에 부착하기 위한 기구로 센싱 장치를 나타내었다. 로봇과 같이 케이블 표면을 원활하게 이동하기 위한 롤러부와 다양한 케이블 직경에 따라 조절할 수 있는 관경조절 장치부로 구성되며, 롤러부의 중간 내부에 자기센서가 삽입되어 이동시 케이블 강선의 손상여부를 검출 할 수 있게 하였다.
로봇은 3개의 구동부 모터와 우레탄 바퀴를 장착하고, 가변 직경 조절부(140 ~ 300 mm)를 만들어 바퀴와 케이블간의 부착력을 향상시켜, 등반 시 로봇의 흔들림을 최소화 하면서 케이블에서 이동 할 수 있도록 제작하였다. 로봇 무게의 경량화와 내구성능을 향상시키기 위하여 로봇의 전체적인 프레임을 알루미늄으로 제작하였다.
로봇의 무선 원격 제어를 위해 고성능 장비를(IEEE 802.11an/ac 5GHz 2×2 MIMO) 사용, 통신 주파수는 5 GHz 방식으로 일반적인 2.4 GHz에서 발생되는 주파수 간섭을 배제 시켰다.
실내 실험에서는 내부 케이블 손상 검출 실험을 실시하기 위하여 인위적으로 내부 케이블의 손상을 가하였다. 손상유형에 따른 검출 신호의 차이를 확인하기 위하여 다양한 케이블의 손상유형을 가지고 실험을 실시하였다. 손상유형은 절단, 단절, 이탈로 구성하였으며, Fig.
손상유형에 따른 검출 신호의 차이를 확인하기 위하여 다양한 케이블의 손상유형을 가지고 실험을 실시하였다. 손상유형은 절단, 단절, 이탈로 구성하였으며, Fig. 7에서 나타냈듯이, 절단 손상의 경우에는 단면 절단 정도에 따라 30% 절단, 50% 절단 그리고 100% 절단 (파단)으로 세분화 하였다. 이탈 손상은 케이블이 정리된 상태에서 외부로 돌출된 경우를 재현하고, 단절의 경우 1개의 케이블을 짧게 제작하였다.
이탈 손상은 케이블이 정리된 상태에서 외부로 돌출된 경우를 재현하고, 단절의 경우 1개의 케이블을 짧게 제작하였다. 실내 실험에서의 손상 검출 실험에서는 Fig. 8에서와 같이 손상된 내부 케이블이 삽입된 케이블 관을 케이블 점검 로봇과 내부 케이블 손상 검출을 위한 전자기 센싱 장치를 연결하여 견인하는 방법으로 실험을 수행하였다. 케이블 관의 각도는 주행능력 시험과 동일한 45°로 하였다.
7에서 나타냈듯이, 절단 손상의 경우에는 단면 절단 정도에 따라 30% 절단, 50% 절단 그리고 100% 절단 (파단)으로 세분화 하였다. 이탈 손상은 케이블이 정리된 상태에서 외부로 돌출된 경우를 재현하고, 단절의 경우 1개의 케이블을 짧게 제작하였다. 실내 실험에서의 손상 검출 실험에서는 Fig.
1과 같다. 제작과정에서 200 mm 이상의 대구경 케이블 적용성 및 로봇 주행 시 안정성 확보에 중점을 두었다.
케이블 점검 로봇 성능 검증 실험은 직경 200mm, 경사각도 27.3° 케이블 에서 수행하였고, 실내에서 실시된 케이블의 기울기 각도는 45°이다.
케이블 점검 로봇의 성능 검증 중 로봇의 주행 능력에 대해서 실내 및 현장 실험을 각각 실시하였다. 실내 실험을 위하여총 길이 3.
케이블 점검 로봇의 주행 성능 평가 실험 이외에도 케이블 손상 검출 실험을 실시하였다. 실내 실험에서 사용된 케이블 실험체는 현재 교량에 사용되고 있는 케이블의 한 종류로 내부 케이블은 1.
현장 실험에서는 추가로 케이블 표면을 3개의 1920 × 1080 해상도 카메라로 동영상 촬영을 실시하였다.

대상 데이터

로봇의 크기는 510 mm×610 mm×710 mm 이고, 무게는 12.8 kg 이다.
케이블 점검 로봇의 주행 성능 평가 실험 이외에도 케이블 손상 검출 실험을 실시하였다. 실내 실험에서 사용된 케이블 실험체는 현재 교량에 사용되고 있는 케이블의 한 종류로 내부 케이블은 1.57 mm 강연선 7개로 구성된 1개의 번들(Bundle) 20본으로 구성되어 있다. 케이블 케이스의 경우, 주행 능력 실험에서 사용된 동일한 HDPE 관을 사용하였다.
케이블 점검 로봇의 성능 검증 중 로봇의 주행 능력에 대해서 실내 및 현장 실험을 각각 실시하였다. 실내 실험을 위하여총 길이 3.45 m, 직경 162 mm인 케이블 케이스를 제작하였다.
8 kg 이다. 측정 장치로는 IP 카메라, 가속도 센서와 로터리 엔코더를 장착하였다. 그리고 로터리 엔코더도 바퀴의 회전수를 측정 하여 로봇의 이동거리를 계산하는데 사용된다.
케이블 케이스는 HDPE 관을 사용하였다. 현장 실험에서는 테스트베드 교량을 선정하여 실시하였다.
57 mm 강연선 7개로 구성된 1개의 번들(Bundle) 20본으로 구성되어 있다. 케이블 케이스의 경우, 주행 능력 실험에서 사용된 동일한 HDPE 관을 사용하였다.
현장 실험에서는 테스트베드 교량을 선정하여 실시하였다. 테스트베드 교량은 케이블 사고 이력이 있는 교량 중 사장교 1개소를 선정하 였으며, 해당 교량은 단경간 타정식 강합성 사장교로 경간장 400 m, 너비 23.9 m의 왕복 4차로로 되어있다. 케이블 점검 로봇 성능 검증 실험은 직경 200mm, 경사각도 27.
케이블 케이스는 HDPE 관을 사용하였다. 현장 실험에서는 테스트베드 교량을 선정하여 실시하였다. 테스트베드 교량은 케이블 사고 이력이 있는 교량 중 사장교 1개소를 선정하 였으며, 해당 교량은 단경간 타정식 강합성 사장교로 경간장 400 m, 너비 23.

성능/효과

1. 케이블지지 교량의 위치나 규모를 고려하였을 때, 케이블 점검 로봇에 의한 케이블 안전 점검이 필요하지만, 점검 효율성 향상을 위해서는 기존의 점검로봇의 성능을 향상시킬 필요성이 있다. 본 연구에서는 케이블 점검로 봇의 주행능력, 주행 안정성 및 무선 통신 성능을 향상시켜 현장 적용성을 확대시켰다고 판단된다.
2. 케이블 점검 로봇의 주 기능으로는 전자기센서를 이용한 케이블의 내부 손상 유무를 검출하는 것으로, 실내에서 실시한 케이블 손상 검출 실험 결과에서는 이탈의 경우를 제외하고 다른 손상 유형에서 내부 케이블의 손상을 검출 할 수 있었다. 추가로, 현장 실험에서는 케이블 손상 가능성을 확인하였지만, 추가적인 실험을 통해 검증할 필요성이 있다고 판단된다.
우선, 실내 실험 그래프와 같이 X축과 Y축은 각각 시간과 전자기센서 측정값을 나타내었다. 결과값을 보면, 측정값이 급격하게 위상이 변화하는 것을 확인 할 수 있었다. 이때, 이상 신호가 발생되는 지점은 연결부에서 주탑방향으로 대략 1m 지점으로 확인되었다.
본 연구에서는 직경 200 mm 이상의 대구경 케이블에서 측정이 가능한 케이블 점검 로봇을 개발하였다. 그리고 기존 로봇에 비해 성능(주행 시 안정성 및 통신 성능 개선)을 향상 시켰다. 본 연구를 통해서 얻어진 결과는 다음과 같이 기술하였다.
케이블 점검 로봇의 현장 적용에서 있어서 45° 까지는 일정한 주행 속도를 확보할 수 있을 것으로 판단된다.

후속연구

3. 향후 개선 방향으로는 카메라 촬영을 통한 케이블의 표면의 손상 여부 확인은 인력을 통한 방법이기에 이를 개선하기 위한 이미지 분석 알고리즘 개발을 필요할 것으로 판단되며, 케이블 내부 손상 검출 장치에서도 손상 정도 및 손상 종류를 판단할 수 있는 분석 알고리즘 개발을 통한 점검 효율성을 향상 시킬 필요가 있다.
하지만, 실내 실험 결과에 알 수 있듯이 내부 케이블 손상에 따른 전자기센서 측정값의 정량화 작업은 아직 되어 있지 않기 때문에 손상도를 정확하게 확인 할 수는 없었다. 그리고 테스트 베스 교량에서의 손상 진위 여부를 판단하기 위해서는 추가 교차 검증 실험이 필요할 것으로 판단한다.
, 2014). 점검 로봇에 무선(Wireless) 시스템을 적용하기 위해서는 자중을 최소화 해야 하며 이를 통하여 직경이 200 mm 이상의 대구경 케이블까지 적용이 용이할 것으로 기대된다. 본 연구에서는 우선적으로 직경 200 mm 이상의 대구경 케이블 적용이 가능한 무선 시스템의 점검 로봇을 개발하고자 하였다.
케이블 점검 로봇의 주 기능으로는 전자기센서를 이용한 케이블의 내부 손상 유무를 검출하는 것으로, 실내에서 실시한 케이블 손상 검출 실험 결과에서는 이탈의 경우를 제외하고 다른 손상 유형에서 내부 케이블의 손상을 검출 할 수 있었다. 추가로, 현장 실험에서는 케이블 손상 가능성을 확인하였지만, 추가적인 실험을 통해 검증할 필요성이 있다고 판단된다.
마지막으로, 손상(이탈)의 경우는 본 실험 결과로는 확인 할 수 가 없었다. 하지만, 실험결과의 신뢰성 확보를 위해서는 본 연구에 진행된 것 보다 더 다양한 손상 유형 및 반복성을 확보한 추가 실험이 필요하다고 여겨진다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	케이블 점검 로봇의 주 기능은 무엇인가?	2. 케이블 점검 로봇의 주 기능으로는 전자기센서를 이용한 케이블의 내부 손상 유무를 검출하는 것으로, 실내에서 실시한 케이블 손상 검출 실험 결과에서는 이탈의 경우를 제외하고 다른 손상 유형에서 내부 케이블의 손상을 검출 할 수 있었다. 추가로, 현장 실험에서는 케이블 손상 가능성을 확인하였지만, 추가적인 실험을 통해 검증할 필요성이 있다고 판단된다.
	케이블 점검 로봇의 제작이 필요하게 된 배경은?	케이블지지 교량 건설의 증가로 인하여 이러한 시설물의 안전 점검에 대한 관심도 점차 증가하고 있다. 케이블지지 교량에서는 주 부재인 케이블의 성능 평가가 필수적으로 이루어져야 함에 불구하고, 기존의 점검 방식으로는 다양한 제한적인 요인 때문에 적절한 점검이 이루어지지 못하고 있는 실정이다. 이러한 문제점을 보완하기 위해 케이블 점검 로봇 제작이 필요하고, 본 연구에서는 기존의 개발된 케이블 점검 로봇의 성능을 향상시켜서 로봇의 운용 효율성을 높이는데 주목적을 두었다.
	기존 국내 상용화된 케이블 점검 로봇 의 단점은?	기존 국내에서 상용화 된 케이블 점검 로봇은 유선 시스템으로 개발 되었고 자중이 무거운 단점이 있다(Kim et al., 2014).

참고문헌 (7)

KSCE, Specification on Design of Cable-supported bridge, Technical Report, Korean Society of Civil Engineers, Korea, 2006.
Na, H.H., Kim, Y.H. and Shin, S. (2014), Analytical Method to Determine the Dynamic Amplication Factor due to Hanger Cable Rupture of Suspension Bridges, Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea, 18(6), 301-308.

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Gil, H., Hur, H. and Kwon, H. (2016), Cable Fire due to Lightning and Repair of Seohae Bridge, Korean Society of Civil Engineers Magazine, 64(7), 16-19.
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상세보기
Hu, D., Guo, Y., Chen, X., Zhang, C. (2017), Cable Force Health Monitoring of Tongwamen Bridge based on Fiber Bragging Grating, Applied Sciences, 7(4), 384.

상세보기
Kim, J.-W., Choi, J.-S., Lee, E.-C. and Park, S.-H. (2014), Filed Application of a Cable NDT System for Cable-Stayed Bridge Using MFL Sensors Intergrated Climbing Robot, Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing, 34(1), 60-67.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

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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