무인화 로봇 시스템을 적용한 상용 굴착기의 원격 작업 효율 향상에 관한 연구

Abstract

굴착기는 세계 건설 장비 판매량의 58%를 차지하고, 국내 건설 기계 등록 대수의 30.1%를 차지하는 만큼 토목/건설 현장에서 사용되고 있지만, 그 사용량만큼 위험한 현장에 노출 빈도가 높아지고 국내 건설 기계 사고사망재해의 23.3%를 차지하고 있다. 따라서 작업자의 안전을 위해 굴착기의 원격 조종에 대한 필요성이 생겼으며, 기존의 유압 굴착기를 전자식 제어 밸브를 사용한 형태로 개조 또는 생산하여 연구를 진행하였다. 또 다른 방법으로는 유압 굴착기를 개조하지 않고 로봇 시스템 등 조작이 가능한 장치를 설치하여 굴삭기의 무인화 연구를 진행하였다. 본 연구에서는 기존의 굴착기의 개조 없이 무인화를 이룬 연구의 진행한 결과의 성능 개선과 기존 제품을 활용하여 작업자에게 멀티 영상 지원 과 조작이 편리한 시스템을 개발하였다. 레버 조작 모듈의 맵핑 알고리즘에 모터 감속기의 백래쉬 및 조인트 구성 부품 간의 공차 영향을 고려하여 모터 전류 제어 방법에 의한 자동 교시를 진행하고 선형 식으로 맵핑하여 활용 가능한 작업 공간 영역을 확장하였다. 또한, 원거리의 굴착기가 과부하 상태에서 엔진이 멈추는 경우를 대비하여 원격 시동 기능을 추가하고, 굴착기의 자세 및 부하 상태에 따라 안전한 자세로 복귀할 수 있는 알고리즘을 적용하였다. 굴착기의 장점인 다양한 어태치먼트를 활용한 작업이 가능하도록 어태치먼트 원격 제어 장치를 개발하였다. 기존 연구의 무인화 로봇 시스템은 굴착기 원격 제어가 가능하지만 작업 상태를 육안으로 확인하였으며, 이는 원격 조작 거리에 제한을 갖는 요소이며, 일시적으로는 작업자가 작업 상태를 확인하기 위하여 이동해야 할 경우도 발생한다. 본 연구에서는 무선 영상 데이터 송수신 모듈과 카메라, 모니터를 통합하여 작업자에게 멀티 영상을 제공하여 작업 효율을 향상시켰다. 지원하는 영상 종류와 영상 전송 시간에 따른 작업 효율을 평가하였다. 무인화 굴착기를 원격 조작하기 위하여 통상적으로 휴대용 리모콘을 사용하였으나 장시간 작업과 작업 효율을 고려하면 굴착기의 캐빈과 유사한 조작 시스템을 작업자에게 제공하는 것이 유리하다. 캐빈 타입의 조작 시스템을 개발하고 조작 방법에 따른 작업 효율을 평가하였다.