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표제지

목차

초록 11

Abstract 13

Nomenclatures 16

제1장 서론 19

1.1. 연구 배경 19

1.2. 연구 동향 22

1.3. 연구 내용 및 구성 26

제2장 진공흡입식 배관 청소로봇 시스템 27

2.1. 배관 청소로봇 시스템 개요 27

2.2. 배관 청소로봇 구성 29

2.2.1. 세척부 31

2.2.2. 주행부 37

2.2.3. 로터리 조인트 41

2.2.4. 유니버설 조인트 41

2.2.5. 진공 흡입부 42

2.2.6. 외부 연결부 43

2.2.7. 보조 캐리어 44

2.2.8. 배관 청소로봇 설계사양 45

2.3. 외부 지원시스템 46

2.3.1. 워터제트 장치 46

2.3.2. 진공 지원 장치 47

2.3.3. 공기 압축기 49

제3장 구조해석 및 유동해석 50

3.1. 개요 50

3.2. 로봇 구조해석 51

3.2.1. 선형 구조 및 유한요소 이론 51

3.2.2. 구조해석 55

3.2.3. 구조해석 및 고찰 60

3.3. 지원 장치 유동해석 62

3.3.1. 유동해석 62

3.3.2. 유동해석 및 고찰 63

제4장 제어 및 모니터링 시스템 64

4.1. 통합 제어 및 모니터링 시스템 64

4.2. 데이터 수집 및 신호처리 시스템 69

4.2.1. 압력측정 장치 70

4.2.2. 영상취득 장치 75

4.2.3. 전원공급 장치 81

4.2.4. 장치 구성 82

4.3. GUI 기반 모니터링 시스템 83

4.3.1. 장치 구성 85

제5장 실험 및 실험 결과 87

5.1. 실험 환경 87

5.2. 주행 시뮬레이션 89

5.3. 실험 및 고찰 90

5.3.1. 로봇 성능 실험 90

5.3.2. 주행 속도 실험 93

5.3.3. 세척 속도 실험 94

5.3.4. 워터제트 분사 실험 94

5.3.5. 통합 제어 및 모니터링 시스템 실험 95

5.3.6. 성능 실험 및 고찰 102

제6장 결론 103

참고 문헌 105

표목차

Table 1.1. Aggressive cleaning methods for water pipe 21

Table 2.1. Dimension of applicable pipes 27

Table 2.2. Characteristics of various spray patterns 31

Table 2.3. Theoretical spray range of the injection distance 34

Table 2.4. Specifications for the injection nozzle 35

Table 2.5. Trade-off study of the driving motors 40

Table 2.6. Specifications of the air motor 40

Table 2.7. Specifications of the vacuum suction pipe cleaning robot 45

Table 2.8. Specifications for the water-jet system 46

Table 2.9. Specifications for the vacuum support system 49

Table 2.10. Specifications for the air compressor 49

Table 3.1. Mechanical properties for SUS 304 56

Table 3.2. Deformation results of the driving unit 57

Table 3.3. Deformation results of the universal joint 58

Table 3.4. Deformation results of the small ball joint 59

Table 3.5. Deformation results of the large ball joint 60

Table 3.6. Structural analysis results of the major parts 60

Table 3.7. Flow analysis conditions for the cyclone 62

Table 4.1. Specifications of the PLC controller 67

Table 4.2. Pressure measuring positions and ranges 70

Table 4.3. Error rate of the communication rate 72

Table 4.4. Specifications of MCU (PIC16F873) to the DAQ module 75

Table 4.5. Specifications of the camera module 77

Table 4.6. Specifications of the remote video transmitter and receiver 78

Table 4.7. Comparative study on FTP cable and UTP cable 79

Table 4.8. Specifications of the frame grabber 80

Table 5.1. Test results for the pipe cleaning robot system 102

그림목차

Fig. 1.1. Flow rate reduction rate due to pipe aging 20

Fig. 1.2. Configuration of robo series 23

Fig. 1.3. Configuration of MRINSPECT series 24

Fig. 1.4. Conventional pipe cleaning method with the scrapping tools 25

Fig. 1.5. Configuration of the water-jet cleaning robot for WARECO 25

Fig. 2.1. Layout of the pipe cleaning procedure 28

Fig. 2.2. Configuration of the cleaning robot 29

Fig. 2.3. Principle of the vacuum suction and discharge for the scale 30

Fig. 2.4. Various spray patterns of the nozzle orifice 33

Fig. 2.5. Theoretical spray range from the nozzle orifice 34

Fig. 2.6. Configuration of the injection nozzles and the scrapping tools 36

Fig. 2.7. Angle of the injection nozzle and spray 36

Fig. 2.8. Configuration of the screw driving wheel units 37

Fig. 2.9. Configuration of the support wheel set 38

Fig. 2.10. Stroke of air cylinder for the screw driving unit 39

Fig. 2.11. Stroke of air cylinder for the auxiliary wheel set 39

Fig. 2.12. Configuration of the rotary joint 41

Fig. 2.13. Configuration of the universal joint 42

Fig. 2.14. Configuration of the vacuum suction part 42

Fig. 2.15. Principle of the vacuum pressure control 43

Fig. 2.16. Structure of the external connection devices 44

Fig. 2.17. Configuration of the auxiliary carrier 44

Fig. 2.18. Prototype of the pipe cleaning robot 45

Fig. 2.19. Flow diagram of the water-jet system 47

Fig. 2.20. Vacuum suction principle in the pipe 48

Fig. 2.21. Configuration of the vacuum support system 48

Fig. 3.1. Structural analysis procedure 50

Fig. 3.2. Structural analysis for the major components 55

Fig. 3.3. 3D modeling of the driving unit 56

Fig. 3.4. 3D modeling of the universal joint 57

Fig. 3.5. 3D modeling of the small ball joint 58

Fig. 3.6. 3D modeling of the large ball joint 59

Fig. 3.7. Equivalent stress of the major parts 61

Fig. 3.8. Cone angles of the cyclone 62

Fig. 3.9. Streamlines at particle tracking 63

Fig. 4.1. Diagram of the integrated control system 64

Fig. 4.2. Flowchart of the integrated control system 65

Fig. 4.3. P & ID of the integrated control system 66

Fig. 4.4. Concept of the integrated monitoring system 68

Fig. 4.5. Configuration of the integrated monitoring system 69

Fig. 4.6. Data rate and cable length of RS-485 71

Fig. 4.7. Concept of the pressure measuring equipment 73

Fig. 4.8. PCB design of the DAQ module 73

Fig. 4.9. Schematic of the DAQ module 74

Fig. 4.10. Configuration of the image acquisition device 76

Fig. 4.11. Power supply system of the signal processing module 81

Fig. 4.12. Prototype of the signal processing module 82

Fig. 4.13. Prototype of the video frame grabber and receiving device 83

Fig. 4.14. GUI-based monitoring program 84

Fig. 4.15. Source code of the GUI-based monitoring program 85

Fig. 4.16. Prototype console of the integrated control and monitoring system 86

Fig. 4.17. Prototype of the DAQ module 86

Fig. 5.1. Major test equipments of the pipe cleaning robot system 87

Fig. 5.2. Dimension of test bench for the pipe cleaning robot 88

Fig. 5.3. Configuration of test bench for the pipe cleaning robot 88

Fig. 5.4. Configuration of the vacuum suction type pipe cleaning robot 89

Fig. 5.5. Movement in the elbow (Max. 45˚) 89

Fig. 5.6. Layout of performance test for the pipe cleaning robot 91

Fig. 5.7. Dimension of the observation pipe (300A) 91

Fig. 5.8. Observation pipes in the test bench 92

Fig. 5.9. Configuration of the performance tests 92

Fig. 5.10. Driving speed test of the pipe cleaning robot 93

Fig. 5.11. Cleaning speed test of the pipe cleaning robot 94

Fig. 5.12. Injection pressure test of the water-jet unit 95

Fig. 5.13. Water-jet injection test of the pipe cleaning robot 95

Fig. 5.14. SPI Communication waveform of the DAQ module 96

Fig. 5.15. SPI Communication expanded waveform of the DAQ module 97

Fig. 5.16. SPI Communication requests waveform of the DAQ module 97

Fig. 5.17. SPI Communication response waveform of the DAQ module 98

Fig. 5.18. RS-485 Communication to transmit pressure data waveform 99

Fig. 5.19. RS-485 Communication to transmit pressure data expanded waveform 99

Fig. 5.20. GUI-based integrated management monitoring 100

Fig. 5.21. Pneumatic pressures of the air motor - forward direction 101

Fig. 5.22. Pneumatic pressures of the air motor - backward direction 101

Fig. 5.23. Internal state of pipe after cleaning by pipe cleaning robot 102

초록보기

 산업현장에 적용되고 있는 배관시스템으로는 상수도관, 하수도관, 송유관, 가스관, 선박의 배관 등이 있으며, 각각의 사용 목적에 따라 직간접적으로 매우 다양하게 우리 생활에 영향을 미치고 있다. 이 중에 상수도관은 우리 실생활에 직접적으로 관계하는 주요 사회기반시설로 양질의 수돗물을 공급하기 위해서는 노후화를 예방하고 최적의 상태로 보수 유지하여야 한다.

전 세계 수많은 국가에서 상수도 배관의 노화화란 문제에 직면하고 있어서 보다 효율적으로 상수도 배관을 유지보수하기 위한 청소로봇기술 개발에 상당한 노력을 기울이고 있으며, 우리나라도 정부 차원에서 '배관 청소로봇에 대한 국산화 개발' 을 산업핵심기술개발사업으로 선정하여 적극 지원하고 있는 실정이다.

본 연구에서는 상수도 배관내부의 청소공정과 세척공정을 단일화하고, 배관을 정량적으로 깨끗하게 청소할 수 있도록 배관청소와 동시에 슬러지를 외부로 배출할 수 있는 신개념의 진공흡입식 배관 청소로봇에 대하여 연구하였다.

진공흡입 및 배출기술은 기존의 다른 배관청소 로봇 연구에서는 제시되지 않은 새로운 방식이며, 본 진공흡입 및 배출기술에 대한 보다 지속적이고 심도 있는 연구를 진행하여 최대 45° 곡관에서의 주행성능, 세척성능 및 배출성능에 대한 성능개량이 이루어 질 경우 실제 상수도 유지보수 현장에서 능률적인 갱생작업이 가능할 것으로 기대한다.

본 연구를 통하여 개발한 배관 청소로봇 및 관련 지원 장치들의 작동 및 청소작업 상태 등을 통합적으로 제어 및 감시할 수 있으며, 향후 다른 로봇 시스템으로도 확장 적용이 가능한 'GUI 기반의 통합 제어 및 모니터링시스템' 을 개발하였다.

최대 45° 곡관이 있는 상수도관내에서 배관 청소로봇의 주요 부품 상호간의 간섭도 및 작동 상태 확인하기 위하여 시제품 제작 전에 컴퓨터 시뮬레이션을 수행한 결과를 설계에 반영하였다. 또한 실제 시제품을 제작하여 매설 상수도관과 같은 조건의 테스트벤치에서 아래 주요 성능실험을 수행한 결과, 초기 연구 목표를 만족함을 확인하였다.

- 상수도 배관 내 주행 성능

- 청소 성능

- 슬러지 배출 성능

- 통합 제어 및 감시시스템 성능

본 연구의 진공흡입 배출기술을 통하여 상수도관 갱생작업 공정 단축 및 효율적인 배관 청소작업이 가능할 것으로 확인하였으며, 향후 진공흡입기술에 대한 보다 많은 연구를 수행할 경우 2000A 이상의 대형배관 청소로봇 등 다양한 분야에 활용 가능할 것으로 기대한다.

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