관로 탐사로봇의 개발 및 제어

Abstract

본 연구에서는 원자력 발전소 냉각수용 해수 유입 배관을 탐사하기 위하여 무한궤도 바퀴형과 벽면 압착형의 결합형태인 새로운 구조의 관로 탐사로봇을 설계 및 개발하였다. 이를 위해 관로내벽 압착력생성 알고리즘과 압착력 관측기 및 PD제어기를 제시하였고, 실험으로 이들을 검증하였다. 본 연구의 결론을 요약하면 다음과 같다. ◈ 로봇 몸체 둘레에 간격으로 팬토그래프형 링크구조가 부착되어 직경 600mm~800mm의 관로 내벽과 밀착해서 무한궤도로 주행할 수 있는 새로운 구조를 가진 벽면 압착형 관로 탐사로봇을 Solid Works를 이용하여 3D설계하였다. 두랄루민을 가공하여 프로토타입 모델을 제작하였으며, 로봇을 제어하기 위한 마이크로 컨트롤러 (TMS320F28335)부와 센서 인터페이스부, 모터 드라이버 부를 개발하였다. 그리고 DC모터를 이용하여 벽면 압착력 을 발생시키는 메커니즘을 제시하였다. ◈ 관로 탐사로봇을 모델링하기 위하여 간단한 Mass-Spring-Damper구조를 제시하였고, 프로세스 모델 동정법으로 약 91%의 동정률을 가지는 공칭모델을 유도하였다. ◈ 관로 탐사로봇의 무한궤도 바퀴와 관로내변간의 일정한 마찰력을 발생시키기 위해, 관경의 변화에 따라 미지의 압착력을 추정하는 압착력 관측기를 공칭모델의 역함수를 이용하여 설계하였다. 그리고 실험을 통하여 압착력 관측기의 성능을 검증하였다. ◈ 기준 압착력 생성 알고리즘을 통하여 적절한 기준 압착력 을 제시하였고, 기준 압착력과 관측된 압착력의 오차를 이용한 압착력 PD제어기를 제시하여 기준 압착력을 추종하였다. 그리고 실험결과를 통해 제어기의 성능을 검증하였다. ◈ 관로주행 실험은 지면에 수평한 직진관과 지면과 의 경사각을 가지는 직진관에서 하였고 주행실험 결과 관로내에서 부드러운 주행결과를 보였다. 그리고 원형 관로를 회전시킬 때, 관로 탐사로봇의 각 팬토그래프형 링크구조가 압착력을 유지하는지 확인하기 위한 실험을 한 결과, 관로 탐사로봇의 링크구조는 기준 압착력을 추정하면서 로봇 자체 질량을 성공적으로 지탱하였으며, 모든 실험과정은 연속 촬영하여 실험결과로 제시하였다. ※ 앞으로의 계획은 다음과 같다. ◈ 무한궤도 바퀴속도 제어를 통해 곡관을 주행하기 위한 알고리즘의 개발 및 고급제어기 적용과 지면에서 수직인 관을 주행하기 위한 연구. ◈ 관로 탐사로봇의 팬토그래프형 링크구조 각각의 협력 제어를 통해 로봇의 무게중심 제어. ◈ 영상데이터의 장거리 유선 통신을 위한 모듈 개발. ◈ 관로 탐사로봇의 고장진단 및 위기 대처능력에 대한 연구.

The domestic and foreign pipe equipments have been installed from the late 70's. So their safety is doubted by corrosion and defect due to their deterioration. Recently, to overcome these problems, several types of pipe inspection robots such as PIG type, wheel type and wall-press type caterpillar type are being introduced. Wall-press type pipe inspection robots of them have high performance to inspect vertical pipelines and curved pipelines. However, because most of wall-press type robots use spring tension to press the inside wall of pipelines, these robots have many restrictions to control the wall-pressing force. A caterpillar type robot has high mobility. However, it has big problem to move when objects get in caterpillar pads. To solve this problem, a new inspection robot for pipelines with large variable diameters is needed. In this thesis, a new pipe inspection robot hybridized caterpillar and wall-press type is designed and developed. The developed pipe inspection robot is to inspect the sea-water pipelines such as horizontal linear pipelines and slope linear pipelines with large variable diameters from 600mm to 800mm. The developed pipe inspection robot has three pantograph link mechanisms spaced in 120° with DC geared motors to control the wall-pressing force. Three caterpillars are installed to the end effectors of the link mechanisms for driving in pipeline. The above design is to realize the adaptation to pipe diameter and control the pantograph link independently. All mechanical units are designed by Solid Workds which is 3D machine design program. And a prototype of the robot is developed based on the 3D designed module. A control system is developed based on DSP TMS320F28335, DC motor driver and sensor interface to implement the following PD controller. To control the pipe inspection robot, firstly, the pipe inspection robot is considered as a mass-spring-damper system. The dynamic model of the system is obtained by processing model identification method. Secondly, an observer is designed to estimate the unknown wall-pressing force to sustain the pipe inspection robot in pipeline. Thirdly, the algorithm of wall-pressing force generator is discussed to find out an appropriate wall-pressing force to sustain the inspection robot in pipeline and the generated wall-pressing force is given as a reference wall-pressing force. Fourthly, PD controller is designed to make the estimated wall-pressing force track the reference wall-pressing force irrelatively to variable diameter of pipeline. Finally, the driving tests of the pipe inspection robot are performed in horizontal pipelines and slope pipelines of 30°. The wall-pressing force test is performed when the pipeline is rotated. The test results are shown to prove the effectiveness of the developed pipe inspection robot.