초록 ▼

본 연구는 교량의 유지관리 자동화를 위한 첨단로봇시스템 개발을 목표로, 첨단로봇기술, 센서·말단장치기술과 구조물 평가기술의 융합을 통한 선진건설기술 개발 및 실용화·사업화를 추구한다.
1. 이송기구 및 로봇제어 기술 개발
■ 첨단 자동탐사 굴절차
차량의 전복 안전성을 고려하여 5톤급 차대와 작업 장치로 구성되어 있으며 작업장치는 차체를 안전하게 지지시켜주는 차체 지지대와 작업대를 360도 연속 선회시켜주는 선회대, 고장력 강재로 제작된 3개의 붐과 수평유지 시스템, 작업의 효율성을 높여주는 저속 주행시스템, 비례제어

본 연구는 교량의 유지관리 자동화를 위한 첨단로봇시스템 개발을 목표로, 첨단로봇기술, 센서·말단장치기술과 구조물 평가기술의 융합을 통한 선진건설기술 개발 및 실용화·사업화를 추구한다.
1. 이송기구 및 로봇제어 기술 개발
■ 첨단 자동탐사 굴절차
차량의 전복 안전성을 고려하여 5톤급 차대와 작업 장치로 구성되어 있으며 작업장치는 차체를 안전하게 지지시켜주는 차체 지지대와 작업대를 360도 연속 선회시켜주는 선회대, 고장력 강재로 제작된 3개의 붐과 수평유지 시스템, 작업의 효율성을 높여주는 저속 주행시스템, 비례제어밸브에 의한 죠이스틱 붐 조작방식을 채용하여 안전한 교량점검 작업이 이루어 질 수 있도록 설계하였다.
■ 탐사 로봇 플랫폼 개발
로봇 시스템은 굴절 로봇차의 Multi-Linkage 끝 단에 위치하여 머신 비전 시스템이 교량 하부 상판의 정확한 영상을 획득하도록 하는 로봇을 개발하는 것을 목표로 한다. 교량 하부 상판과 머신 비전 시스템의 카메라 사이의 거리를 유지하도록
레이져 센서에서 측정된 교량 하부 상판과의 거리를 참조하여 Z축으로 카메라의 이동을 제어하도록 설계되어 있으며, 카메라가 교량 하부 상판을 보는 방향을 유지 하도록 자이로 센서에서 측정된 각도를 참조하여 Pan-Tilt 모터에 의해 X-Y 2방
향 회전구동을 제어 하도록 설계되었다.
■ 비행 로봇 시스템
교량 검사용 비행로봇은 교량 검사를 보다 안전하고 빠르게, 효과적이고 저비용으로 하기 위해 개발되었다. 비행 로봇과 이동 로봇을 접목시켜 교량에 거꾸로 붙어 있는 상태에서 이동 메카니즘이 움직이면서 검사를 할 수 있도록 하였다. 비행 메
카니즘은 정지비행을 할 수 있고, 동체를 줄일 수 있는 동축로터 헬리콥터 형태로 이다. 그리고 이동 메카니즘은 로봇의 자세가 유지된 상태로 전방향으로 움직일 수있는 형태로 되어있다. 이러한 로봇 플랫폼은 감시, 정찰등의 용도로 대부분 사용
되던 비행로봇을 변형시켜 새로운 임무를 줄 수 있는 가능성이 있음을 보여주고있다.
■ 벽면이동 검사로봇
벽면 이동 로봇 플랫폼은, 교량이나 교각과 같은 산업 구조물의 검사작업 자동화를 위해 개발되었다. 이러한 검사작업을 위해 벽면 부착 메커니즘과 이동 메커니즘을 기반으로 로봇이 디자인되었다. 벽면 부착메커니즘은 진공 흡착방식을 이용하
며, 이를 생성하기 위해 모터와 임펠러를 이용하여, 로봇 내부공간에 진공을 생성함으로써, 지면에 수직인 벽면과 수평인 벽면에 대하여 높은 부착력을 얻을 수 있다. 두 개의 바퀴를 이용하는 차륜 구동형 방식에 서스펜션을 적용하여, 로봇이 벽
면을 이동함과 동시에, 표면상에 존재하는 장애물을 극복할 수 있도록 설계되었다. 로봇의 자세와 부착력을 제어하기 위하여 자이로스코프와 압력센서가 사용되었으며, Single Board computer가 로봇의 전체 제어를 담당한다. Wireless LAN 방식의 통신을 통하여 사용자와 로봇간의 정보 교환 및 명령이 전달된다. 이러한 메커니즘과 장치를 통하여 프로토타입을 제작하였으며, 수직면과 수평면에서의 이동 실험과, 적재량 실험, 그리고 장애물 극복 실험을 통하여 그 성능을 입증함과 동시에로봇이 검사로봇으로서 충분한 능력을 가지고 있음을 확인하였다.
■ 레일이송 시스템
현재 개발 된 시스템은 경량레일 이송 자동 검사시스템이다. 교량하부에 경량 가이드레일을 설치하고 이 위에 레일을 타고 교축방향으로 이송 및 회전이 가능한 붐을 설치한 뒤, 카메라 모듈이 붐 위에 장착되게 된다. 붐은 교축방향으로 이송하
고 동시에 카메라 모듈은 교량하부에서 붐을 따라 교축직각방향으로 이송하면서 교량하부의 균열과 같은 결함의 영상을 메인컴퓨터에 무선으로 전송한다. 이와 같이 획득된 영상들은 균열의 폭과 길이와 같은 물리량 분석에 사용되며 또한 나중
의 검사결과와의 비교를 위하여 저장하게 된다.
2. 센싱기법 및 말단장치 개발
■ 머신 비전 시스템 개발
머신 비전 하드웨어 시스템과 이와 연관된 영상 처리 알고리즘은 교량 하부의 수동 측정을 대체하기 위해 개발되었다. 카메라 사양은 영상 개선, 크랙 검출, 영상모자이크 등의 영상 처리와 같은 영상처리 알고리즘에 적합하도록 결정되었다. 이
러한 시스템 사양을 충족하도록 교량의 결함 발견을 위한 하드웨어 시스템이 설계되었다. 하드웨어 시스템으로부터 획득된 영상을 처리하기 위한 알고리즘이 설계 및 구현되었다. 획득된 교량의 영상들은 개발된 자동 균열 검출 알고리즘에 의해
처리되고, CAD에서 호환되는 dxf 파일 포맷으로의 변환과 교량 관리 시스템의 데이터베이스로 사용되는 파노라마 영상으로 변환되어 저장된다. 또한, 교량 점검 후에 3차원 교량 모델이 생성되어 서버 컴퓨터의 데이터베이스에 저장된다.
？ 열화상 기법
본 열화상 기법은 콘크리트 구조물의 비파괴 검사를 위해 개발되었다. 개발된 열 화상 기법은 상세한 콘크리트 구조물의 결함 검출을 위해 레이더, 초음파 장비 등 다른 비파괴 검사 기술과 혼용된다. 본 연구에서는 초음파 레이더 기법과 혼용하여
교량의 비파괴 검사에 적용하였다. 열화상 기법을 이용하여 실제 교량 현장적용성을 검토하고 이러한 적용성을 바탕으로 열화상 기법의 로봇을 연계한 탐사 원형과 자동화 시스템을 연구 개발한다.
■ 초음파 단층촬영을 이용한 진단시스템
비파괴 시험법은 최근 교량구조물의 재료특성 뿐 아니라 댐이나 방사능 차폐구조물로 그 활용도가 확장되고 있다. 초음파 단층촬영기법을 활용한 평가법은 기존 비파괴 기법들에 비해 장점을 갖는다. 즉, 초음파를 사용하여 재료 및 구조물의 결함
을 표면뿐만아니라 깊은 단층까지 탐상이 가능하게 한다는 점이다. 또한, 기존 비파괴 기법들은 손상부위에 대한 하나 혹은 특정위치에 국한된 기법이었음에 비해,초음파 탐상기법은 면적에 기초하여 손상부위에 대한 보다 광범위한 분석이 가능
하다.
■ 보수 로봇 시스템
보수 로봇 플랫폼과 제어기술은 콘크리트 슬래브교 하부에서 Epoxy 주입 공법을 사용하여 균열을 보수하기 위하여 개발하였다. 로봇 메커니즘은 특수한 용도로 제작된 크레인 트럭과 manipulator에 의해 교량 상부에서 하부의 지정된 위치로 이동 되어진다. 그 다음에 로봇 메커니즘은 안전한 작업을 위해 교량 하부 천정에 suction 시스템을 이용하여 부착되어진다. 로봇은 주사기를 부착할 부위를 제외한 균열에 Sealing 작업을 한다. Sealing 작업 후에 주사기를 부착한 후 24시간 경과
후 Rotator를 이용하여 주사기 안의 Epoxy를 주입한다. 로봇에 보수공정을 적용하기 위한 제어 기술은 크게 두 가지로 분류할 수 있다. 하나는 교량 하부에 로봇이 안전하게 부착되어 작업이 가능하도록 하는 Suction 시스템이다. 로봇 각각의 다리 에 3개의 진공 패드가 달려있어 그 중 하나가 진공 파기 된다 하여도 로봇의 작업에는 지장이 없도록 개발하였다. 나머지 하나는 로봇의 Sealing 작업 시에 콘크리트 표면을 일정한 힘으로 작업을 하기 위해 Force 제어 알고리즘을 적용하였다.
3. 구조물 평가기술개발
■ 웹기반 모니터링 시스템
머신 비전 시스템과 병행하여 수행한 또 다른 연구개발은 무선통신을 이용하여 데이터를 전송하고 이를 웹을 기반으로 하여 원격으로 모니터링하고 제어하는 시스템에 대한 것이다. 본 시스템은 사용자들이 임의의 인터넷 접속 기기를 이용하여
중앙 웹 사이트에 접속하여 로봇(굴절차량에 부착된 영상기기)으로부터 수신되는 자료를 수집 입수하여 이용하고, 쉽고 볼 수 있도록 도와준다. 본 웹 기반 모니터링 시스템의 사용자 환경은 사용자들이 데이터를 쉽게 확인하고, 비교하거나 분석
할 있도록 하며 리포트 출력할 수 있도록 해준다. 사용자들은 본 시스템을 통해서 시간절약적 기능과 이에 대응하는 데이터 출력 및 안전성 등의 이점을 제공받을 수 있을 것이다. 모든 H/W와 관련 S/W는 본 BIRDI 시스템에 맞춰 최적으로 설계
개발되었으며, 기술 발전에 따라 시스템 업데이트도 쉽게 진행된다. 게다가 BIRDI 시스템은 사용되는 기기들의 설치 및 조종의 용이성 확보뿐만 아니라 원격 데이터수집 및 관리와 신뢰할 수 있는 동적 수단을 제공할 수 있도록 디자인하였다.
■ 자료관리 표준화 및 기존 BMS와 연계
BMS의 구성은 소프트웨어와 하드웨어 시스템으로 이루어진다. 소프트웨어시스템은 모든 교량의 유지관리에 소프트웨어를 적용하여 데이터베이스를 덮어 씌운다.
데이터베이스 시스템은 형상묘사, 구조 검사보고 ,결과도출, 보수와 외관망도 역사등을 다룬다. 적용 프로그램은 전체의 교량 유지관리 작용 프로그램, 데이타 베이스를 위한 입력과 출력 프로그램, 사용할 수 있는 정보를 저장하기 위한 데이터를
변환시키기 위한 평가와 분석프로그램, 그리고 기록 프로그램이 설계된 소프트웨어로 구성되어 있다. 프로그램의 핵심은 교량관리를 위한 유용한 정보의 데이타 베이스 안에 숨겨진 각각의 저장된 항목의 평가와 분석 프로그램이다. BMS 작동의 핵
심부분은 현장 조사로부터의 모든 정보가 잘 보관되는 데이터 체계가 될 것이고 그래서 시스템은 교량 평가 직무를 실행할 수 있다.
■ DB 구축 및 현장 적용성 시험
교량을 점검할 때 우리는 “어떤 손상과 결함이 교량에 발생하였는지? 또 어디에 발생하였는지?”를 확인하여야 한다. 많은 교량 점검절차 중에서 결함과 손상을 찾는 것이 가장 기본적이면서 중요한 과정이다. 만약에 점검자의 육안으로 결함과 손
상을 발견하기 어려울 경우에는 점검로봇이 훌륭한 대안이 된다. 본 연구는 점검결과, 특히 로봇시스템에 의한 점검결과에 대한 데이터베이스를 구축하는 것이 목적이며, 실제 교량현장에서 현장적용성 시험을 하는 것도 포함하고 있다.

Abstract ▼

Research efforts in bridge inspection at the Bridge Inspection Robot Development Interface (BIRDI) focus on the development of a robot system that will allow remote inspection of bridges, The inspection robot system is consisted of three major components, namely, the advanced inspection robot and

Research efforts in bridge inspection at the Bridge Inspection Robot Development Interface (BIRDI) focus on the development of a robot system that will allow remote inspection of bridges, The inspection robot system is consisted of three major components, namely, the advanced inspection robot and
motion control system, the sensing technologies for monitoring and assessment, and the integrated system for maintenance of bridges,
1) Advanced inspection robot and motion control system
■ Advanced auto-inspection crane truck Considering overdraw safety, the equipment is consisted of 5-ton vehicle and the working device. The working device was designed for safe bridge inspection
adopting; joystick boom manipulation system by proportional control valve, slow navigation system enhancing workability, stabilizing system with 3 high tension steel booms, rotation table system which enables 360-degree continuous rotation of the working plate, and vehicle outrigger system for the
support.
■ Robot platform and control
The robot system has been developed for gathering accurate data in order to record the biennial changes of the bridge’s safety circumstances as well as check the safety status of bridges. the robot system consists of three parts; a specially designed car, a robot mechanism and control system for mobility and a machine vision system for an automatic detection of cracks. The most of
bridge inspections have been manually done by counting the number of cracks, measuring their lengths and widths and taking their pictures. Thus the quality and reliability of diagnosis reports on bridges are greatly dependent upon the diligence and education of inspection workers.
■ Flying robot platform
A robotic aerial bridge inspection platform is under development that will make bridge inspection safer, faster, more efficient, and less expensive. The flight mechanism and mobile mechanism were combined to examine with moving when they were attaching to bridges up and down. The flight mechanism is a
co-axial-rotor-helicopter shape that cut the body down and can be done hovering. The mobile mechanism was shaped to move every direction with holding the position of a robot. These robot platforms showed possibilities to use them not only for observation and patrol but they could be used for a new usage with transformation of flying robots.
■ Wall climbing robot platform
A wall climbing robot platform is developed for autonomous inspection of industrial structures such as decks and piers of bridge. To pursuit this task, robot platform is design based on the adhesion mechanism and locomotion mechanism. Vacuum suction method, which uses motor-impeller to generate the vacuum inside of robot chamber, makes large adhesion force to attach to the wall which is vertical and horizontal to the ground. Two wheel differential driving mechanism and suspension mechanism serve the robot to move on irregular surface. Several devices such like gyroscope, pressure gage and a
Single Board Computer is used to control the robot's posture, adhesion force, and overall control. Wireless LAN type communication is also used to communicate with robot and user. With these mechanisms, devices, the prototype of wall climbing robot platform for inspection purpose is designed.
And its climbing performance surface was proofed on horizontal and vertical wall surface by carrying double of robot's weight and overcoming the obstacles on surface. Also it shows that the robot has enough capability to be a inspection robot.
■ Rail driven robot platform
Another robot platform under development is a light-weight rail-driven automated inspection system. A guide rail is installed to the under side of bridge superstructure. Attached to the rail is a boom on which a camera unit is mounted. The camera unit can move along the boom scanning the underside of
the bridge deck in the transverse direction while the boom travels along the rail in the longitudinal direction. It has image transmission circuit and transmits visual images to the main computer via wireless communication. They are processed to calculate the width and length of cracks and saved for future references and comparisons.
2) Sensing technologies for monitoring and assessment
■ Machine vision system
A machine vision hardware system and related image processing algorithms have been developed to replace the manual inspection of the underside of the bridge deck. Specification of the camera unit has been determined along with some image processing algorithms, such as image enhancement, crack detection and image mosaicing. Conforming to the system specifications, the hardware
system for inspecting defects of bridges is designed. Associated algorithms for processing the images captured from the hardware system are designed and implemented. The captured images are processed using the developed automatic crack detection algorithm and finally saved as the both forms of the dxf CAD files and the corresponding panorama images for the database of Korean BMS.
In addition, the 3-dimensional perspective view of the inspected bridge could be made after finishing the bridge inspection by using the stored images in the database of server computer.
■ Diagnosis system using ultrasonic tomograph
Non-Destructive Tests (NDT) are increasingly popular not only for assessing the physical properties of materials in bridges, but also for investigating nuclear power plant, dam structures, etc. Assessing method using ultrasonic tomograph has advantages than other NDT methods. It can assess a defect of material or structures at deeper layer using ultrasonic wave. And this method is an
area-dependant investigating technique, whereas most of the other NDT methods have been considered only for point-dependent investigation.
■ Infrared thermography
The infrared thermography technique is being investigated so as to be applied to NDT of concrete structures. Any damage or defect identified from the thermographic information may be investigated in detail using other non-destructive evaluation techniques such as radar, ultrasonic device, etc. In
this research effort, ultrasonic technique is adopted to complement the infrared thermography for application to NDT of bridge decks. Some preliminary studies have been performed to demonstrate its potential for field application. The research effort will focus on the development of a prototype probing module which will be mounted on the robot platform developed at BIRDI.
■ Repair robot system
A repair robot platform and corresponding control technologies have been developed to repair cracks using epoxy injection on the bottom of a concrete slab. With the help of a specially designed crane truck and manipulator, the robot mechanism moves from above bridge to designated area of bottom part of
upper plate. Then the robot mechanism is tied up at the plate for the secure work of robot. Robot seals the crack first, and attaches injector to the hole for charging liquid resin into the crack. The control technology to apply the progress of repair is classified by two ways. One is that an efficient way of
tied-up on the surface of bottom is adopted at the Vacuum technology that four legs of the robot frame using three pads. The vacuum level is controlled according to the air leaks into the rough concrete surface. The other is that the repair robot seals on the concrete surface with regular force by using force
control algorithm.
3) Integrated system for maintenance of bridges
■ Web based monitoring system
Another system under development in parallel with the machine vision system is a wireless, web-based remote monitoring and control system which will allow users to collect, access, and easily view data from the robot 24-hours a day from any Internet-connected appliance via a secure, central web site. This web-based interface allows users to monitor, report, and configure with ease.
Users will benefit from the system’s timesaving functionality, relevant data reports and security features. All hardware and interface software have been designed and developed to be used exclusively for BIRDI so that the system can easily make updates as the technology grows. In addition, BIRDI designed the web interface to provide users with a reliable and dynamic means to gather
remote data, manage the generation, delivery, as well as to allow for easy equipment configuration and manipulation.
■ Standardization and BMS
The BMS consists of software and hardware system. Software system covers database software for managing all bride maintenance related items, and application software. The database system manages overall physical description, structural and inspection reports, repair and strengthening history, assessmentresults. The application program consists of software engineered overall bridge
maintenance work program, input and output program for database, assessment and analysis program to convert stored data to usable information, and reporting program. The heart of the program is the assessment and analysis program that covert individual items stored in the database to useful
information for the bridge managers. The core part of BMS operation will be on the data structure in which all the information from the field inspection is well archived, so that the system could perform the bridge assessment tasks. Conventional systems have been relied on the hand writing data for the damage aspects by field engineers. In this study, an advanced technique is introduced to
acquire damage aspects of the bridge members from the image data which are taken by the robotic systems.
■ Inspection database management
When we inspect a bridge we have to check "what kind of damages and faults were occurred on the bridge? and where are they located?". Among lots of processes of inspecting bridge, finding the faults and damages is basic and the most important process. If it is difficult to check the faults and damages
with inspector's eyes, the inspection robot system will be one of the powerful substitute. This study is performed for establishment of database of inspection results, especially for the data taken from the robot system, and for applicability test of the robot system at the bridge site.

목차 Contents

• 표지...1
• 제 출 문...3
• 요 약 문...11
• SUMMARY...19
• 목 차...29
• 제 1 장 서 론 ...33
• 제 1 절 연구개발의 정의 및 필요성 ...33
• 제 2 절 연구개발의 목적 및 비전 ...38
• 제 3 절 연구개발의 핵심기술 및 기술의 범위 ...40
• 제 2 장 국내.외 기술개발 현황 ...43
• 제 1 절 국내 동향 ...43
• 제 2 절 국외 동향 ...66
• 제 3 장 연구개발수행 내용 및 결과 ...83
• 제 1 절 이론적, 실험적 접근방법 ...83
• 제 2 절 연구내용 및 결과 ...97
• 제 4 장 연구개발목표 달성도 및 관련분야에의 기여도 ...1001
• 제 1 절 연차별 연구목표 및 내용 ...1001
• 제 2 절 연차별 연구 평가 착안점 ...1004
• 제 3 절 연구개발 목표의 달성도 ...1032
• 제 4 절 관련분야의 기술 발전에의 기여도 ...1055
• 제 5 장 연구개발결과의 활용계획 ...1065
• 제 1 절 추가 연구의 필요성 ...1065
• 제 2 절 타 연구에의 응용방안 ...1068
• 제 3 절 기업화 추진 방안 ...1071
• 제 6 장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 ...1073
• 제 1 절 유지관리 자동화 로봇시스템 모듈 및 인터페이스 개발 ...1073
• 제 2 절 자동화 로봇과 센서.말단장치가 연계된 시스템 통합 ...1089
• 제 3 절 이송기구로봇 제작 ...1091
• 제 7 장 참고문헌 ...1103