Development of the automated excavation system based on mount-type robot manipulators for commercial hydraulic excavator

Abstract

본 연구에서는 토공 작업현장에서 널리 사용되고 있는 일반적인 유압식 상용 굴삭기에 탈부착형 매니퓰레이터를 적용하여 시스템을 원격화한 기존 연구를 확장 및 심화한 내용을 다룬다. 탈부착형 메커니즘을 활용한 원격 굴삭 시스템에 센서 융합을 통하여 굴삭 작업을 자동화하였고, 이때 사용자 혹은 굴삭기 운전자가 보다 쉽고, 직관적으로 자동화 공정을 작업현장에서 수행할 수 있도록 시스템을 특화 하였다. 이를 위하여 최근 생산·제조 현장에 도입되고 있는 로봇직접교시 및 재현 방법론을 굴삭 자동화 시스템에 적용 하였다. 로봇직접교시 및 재현 방법이란 최근 다품종 소량생산 방식의 작업현장에 적용될 수 있는 방법이며, 효율적, 경제적 프로그래밍이 가능하다는 장점을 갖고 있어 작업자(전문가)가 자동화 시스템과 작업 환경의 상황을 자신의 경험을 바탕으로 인지하고, 판단하여 각각의 경우에 맞는 초기화 작업, 예컨대 로봇의 모션, 로봇 말단부에 부착된 툴과 공작물 사이의 접촉력 제어 혹은 다른 공정의 개입 여부 등 다양한 조건들을 적용시킬 수 있는 탄력적인 자동화 구현 전략이다. 이러한 공장 자동화와 같은 생산현장에서 적용된 바 있는 로봇직접교시 및 재현방법론을 굴삭 자율화 작업에 도입함으로써, 작업자가 굴삭 작업 시 반영하고 있는 다양한 경험적 요소들, 예컨대 굴삭 작업 시의 기후상태와 그것을 반영한 토질의 상태, 토공계획에 기초한 토사 적치방향 및 파기공정의 방향성 등을 쉽고 빠르게 프로그래밍하여 자율화 공정의 초기화 과정에 대한 부담을 줄이고, 공정 전체에 대한 효율성을 극대화 할 수 있는 장점을 갖고 있는 것이다. 따라서, 본 연구에서 제안하는 굴삭 시스템의 자동화 주제를 요약하면 다음과 같다. 첫째 앞서 소개한 다양한 연구개발 사례에서 보여온 개별 시스템 단위의 기술들을 크게 주행과 굴삭 공정 수행 둘로 나누어 자동화 프로세스를 진행하고, 2가지 핵심 자동화 기술에 대한 통합 전략과 시스템의 현장적용 및 성능평가를 수행한다. 둘째, 본 연구에서는 기존의 널리 보급되어 있는 일반 유압식 굴 삭기의 원격화를 가능케 하는 기존의 탈부착형 매니퓰레이터를 활용하여 작업자 (전문가)의 경험과 판단을 바탕으로 공정을 자동화 하였다. 마지막으로 생산자동화 공정에 적용된 바 있는 로봇의 직접교시 및 재현 기술의 확장과 적용을 통하여 자동화 공정의 다변화에 대한 탄력적 대응이 가능하게 하였다. 본 연구에서 수행한 자동화 전략은 타 산업, 타 장비, 타 기종의 자동화 가능성을 확장 시킬 수 있는 가능성이 매우 높은 주제로서, 예컨대, 무인 전용 항공기가 아닌 일반 항공기를 무인화 한다거나, 지뢰 제거를 위한 군용 토공 중장비의 적용 가능성을 확보하고, 위험지역에서의 단순 반복 작업을 수행하는 기존의 일반 유압식 운용 장비들을 손쉽게 무인화 할 수 있는 방법으로 활용될 것으로 예상한다.