Design and Motion Plan of Pipeline Inspection Robot with Steerability and Foldability

Abstract

최근 각종 다양한 제조 설비 및 건물에서의 배관 탐사 및 세척의 수요는 끊임없이 계속 이어지고 있다. 제조 설비에서의 배관 청결 여부는 제품의 품질과 직결되고 있고, 주택 및 빌딩 등의 건물의 배관 청결은 급수 및 배수에 직결되어 생활의 질에 영향을 미치게 된다. 노후화된 주택 및 빌딩 등의 건물에서도 배관의 오염으로 인해 많은 피해들이 있지만, 배관을 교체할 경우 많은 비용을 필요로 하기 때문에 벽체의 손상 없이 노후 된 배관의 생태를 진단하고 갱생할 수 있는 기술의 개발이 필요하다. 이를 위해서는 배관 손상 없이 배관의 탐사를 가능 하게 하는 자동화 탐사장비와 갱생 및 수리를 수행할 수 있는 도구, 그리고 이러한 장비들을 장착하고 이동 할 수 있는 자동화 머신이 필요하다. 이러한 요구를 충족하는 자동화 머신은 배관 탐사로봇이다. 배관 탐사로봇의 장점은 전기 또는 다양한 에너지를 활용한 환경 친화적인 시스템이며, 좁은 공간에서 이동 및 조향이 가능하며 다양한 센싱 기능을 탑재할 수 있다. 그러나 지금까지 개발되어 활용중인 로봇은 능동적으로 원하는 방향으로 로봇의 방향을 조절 할 수 있는 기기가 없다. 그리고 수직방향으로 조성되어 있는 배관에서 자유롭게 조향 할 수 있는 로봇의 개발은 전무 하다고 할 수 있다. 1부에서는 80~100mm의 배관에서 외경이 변화 가능하고 전 방향으로 조향이 가능한 파이프 탐사로봇을 개발 하였다. 이 로봇은 캐터필러 바퀴 체인이 120도의 각도로 배치되어 있으며 초소형 DC 모터의 속도의 차이를 이용하여 방향을 조절하며 많은 수의 Elbow와 T-branch에서 수평방향의 조향, 수직방향의 조향이 모두 가능하도록 개발 되었다. 정역학 해석을 통하여 로봇의 구동에 필요한 모터의 용량을 계산 하였다. 로봇은 로봇 하나가 하나의 모듈이 되어 여러 개의 모듈이 합동으로 일을 수행할 수 있다. 하나의 모듈로 동작하기 힘든 곳에서는 2개 이상의 모듈들이 협력하여 일을 수행 할 수 있음을 보여준다. 유선형으로 디자인한 초소형 카메라와 자이로 센서의 사용, 영상처리 알고리즘과 자이로 센서의 정보로부터 로봇의 자세를 알아내고 이와 더불어 엔코더의 정보를 취합해 로봇의 위치를 알아낸다. 이를 바탕으로 프로그래밍을 통해 관망의 지도를 작성할 수 있다. 2부에서는 현장에서 사용할 수 있는 형태의 로봇의 설계 및 특징을 모여준다. 현장에서 다양한 관에서 사용할 수 있도록 로봇의 외경은 250 ~ 380mm까지 변화 가능하다. 고압 세척노즐의 추진력으로 이동 가능하며, 자체 동력으로 이동할 수도 있다. 전자클러치를 내장하여 배관내부에서 고장발생 시에 회수를 가능하게 설계하였다.; Recently, many pipeline inspection robot systems have been developed. However, previously developed pipeline robot systems have been tested at straight or slightly inclined or simply curved pipelines. Navigation through a pipeline with multiple curves or T-branch is still a difficult problem. As the initial effort of this thesis, a reconfigurable robot that can be used for inspection of 80-100mm pipelines was developed. This robot was designed to pass through multiple elbows or T-branch by collaboration of two robot modules. The robot can be operated at various pipelines. Singular motion happens in particular situations. This singular motion can be solved by co-working of the two robot modules. Controlling the speed of caterpillar independently provides a steering capability so that it can go through at elbow and T-Branch. This robot consists of two connecting modules and each module consists of three pairs of caterpillar, which is operated by micro DC motor. The robot is foldable by using an embedded four-bar mechanism and compression of a spring connected to the four-bar allows the robot to maintain contact with the wall of pipelines. The robot system has been developed and the validity of this mechanism was proved by experimentation. As the second effort, a reconfigurable pipeline inspection robot is introduced, which is designed for inspecting 250 to 300mm pipelines. The robot is able to move either by driving force caused by high-powered cleaning nozzle or self power. The robot with an electronic clutch is also designed to be withdrawn when some problems happen while moving in pipelines.