KR102376965B1 - 거더 정밀 거치용 다중 유압 로봇 시스템 - Google Patents

거더 정밀 거치용 다중 유압 로봇 시스템 Download PDF

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KR102376965B1
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김효곤
이효준
김종찬
노경석
최영호
황정환
박지현
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한국로봇융합연구원
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Abstract

본 발명의 거더 정밀 거치용 다중 유압 로봇 시스템은, 교각 사이에 거치되는 거더의 상면 양단부에 결합되고 크레인의 케이블이 연결되는 두 대의 연결대의 양측에 연결되어, 상기 거더를 수평방향 및 수직방향으로 이동시키는 네 대의 유압 로봇; 상기 네 대의 유압 로봇의 구동부들을 작동시키는 유압 시스템; 및 원격 조작으로 작동되는 상기 네 대의 유압 로봇을 동기화 제어 알고리즘을 통해 제어하여 상기 거더의 거치 위치를 정밀하게 조정하는 제어부를 포함할 수 있다.

Description

거더 정밀 거치용 다중 유압 로봇 시스템{Multiple hydraulic robot system for precise installing of girder}
본 발명은 거더 정밀 거치용 다중 유압 로봇 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 크레인을 이용하여 교각에 무거운 거더를 거치할 때 거더 주위에 설치되어 거더 위치를 정밀하게 이동하는 복수의 매니퓰레이터 로봇을 포함하는 거더 정밀 거치용 다중 유압 로봇 시스템에 관한 것이다.
교량 건설 현장에서 교각 위에 거더(girder)를 거치하는 작업은 작업자가 높은 교각 위에 올라가 거더를 옮겨주는 크레인과 교신하고, 고중량의 거더 옆에서 목표 위치를 눈으로 직접 보면서 거치해야 하다 보니 작업자의 안전이 매우 취약하였다.
일반적으로 교각 위에 거더를 거치하는 작업은 다음과 같다. 먼저 지상에 있는 거더의 양 끝단을 두 대의 크레인으로 연결하고 설치하고자 하는 교량 위의 목표위치 근처로 옮긴다. 다음으로 교각 위의 작업자가 거더와 목표 위치를 눈으로 직접 확인하고 크레인과 교신하며 천천히 목표 위치로 이동시키고 거더를 내려 거치한다. 필요시 거더를 완전히 안착하기 전에 작업자가 각종 공구를 사용하여 거더를 직접 정밀 거치하기도 한다. 이 작업은 작업자가 교각 위의 고소 현장에 올라가서 고중량의 물체를 직/간접적으로 다루는 작업이 필요하기 때문에 안전이 매우 취약할 수밖에 없다.
거더 거치 작업 현장에서 작업자를 대신하기 위해서는 로봇 기술을 활용할 수 있다. 하지만, 거더의 크기(약 50m)가 크고, 무게(약 150ton)가 무겁기 때문에, 일반적인 매니퓰레이터 로봇으로는 작업이 불가능하다.
공개특허공보 제10-2012-0118696호
본 발명은 크레인을 이용하여 교각에 무거운 거더를 거치할 때 거더 주위에 설치되어 거더 위치를 정밀하게 이동하는 복수의 매니퓰레이터 로봇을 포함하는 거더 정밀 거치용 다중 유압 로봇 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 거더 정밀 거치용 다중 유압 로봇 시스템은, 교각 사이에 거치되는 거더의 상면 양단부에 결합되고 크레인의 케이블이 연결되는 두 대의 연결대의 양측에 각각 연결되어, 두 대가 한 쌍을 이루고 상기 거더를 수평방향 및 수직방향으로 이동시키는 네 대의 유압 로봇; 상기 네 대의 유압 로봇의 구동부들을 작동시키는 유압 시스템; 및 원격 조작으로 작동되는 상기 네 대의 유압 로봇을 동기화 제어 알고리즘을 통해 제어하여 상기 거더의 거치 위치를 정밀하게 조정하는 제어부를 포함할 수 있다.
상기 유압 로봇은 상기 연결대의 일측면에 회전가능하게 결합되는 제1구동링크를 이동시키는 제1수평구동부와, 상기 연결대의 일측면에 회전가능하게 결합되는 제2구동링크를 이동시키고 상기 제1수평구동부의 측면에 회전가능하게 연결되는 제2수평구동부와, 상기 제1수평구동부의 일단에 결합되어 상하로 이동되는 수직구동부와, 상기 수직구동부의 상하 이동을 안내하는 수직축과, 상기 수직축의 하단에 회전가능하게 결합되는 지지대를 포함할 수 있다.
상기 네 대의 유압 로봇은 x축으로 이동, y축으로 이동, 요(yaw), z축으로 이동, 롤(roll), 피치(pitch)의 6 자유도로 상기 거더의 거치 위치를 정밀하게 조정할 수 있다.
상기 유압 시스템은 상기 유압 시스템 내에 유량을 공급하는 유압공급장치와, 상기 구동부들에 유량을 개별적으로 공급하는 유압밸브장치와, 상기 유압밸브장치에 개별적으로 연결되는 3개의 유압실린더를 포함할 수 있다.
상기 유압공급장치는 압력센서와 유량센서를 포함하여 로드 센싱에 의한 유량 제어 기능을 가질 수 있다.
상기 유압밸브장치는 구동부들의 부하에 대한 로드 센싱 기능을 지원하며, 구동부를 정밀하게 작동하기 위한 솔레노이드 기반의 비례방향제어밸브와, 고부하 조건 외력에 대한 유압실린더 보호를 위한 릴리프밸브를 포함할 수 있다.
상기 유압 시스템은 두 시스템이 한 쌍을 이루며 한 쌍의 유압밸브장치 사이에 연결되는 이중화 밸브장치를 더 포함할 수 있다.
상기 이중화 밸브장치는 상기 한 쌍의 유압밸브장치의 유압공급 라인을 선택적으로 공유할 수 있도록 연결되는 ON/OFF 포펫밸브와, 원격으로 이중화 기능을 활성화 또는 비활성화하기 위한 방향제어밸브와, 상기 ON/OFF 포펫밸브의 ON/OFF에 따라 로드 센싱 압력을 선택적으로 공유하기 위한 셔틀밸브와 체크밸브를 포함할 수 있다.
상기 제어부는 상기 거더의 x, y, θz(=yaw) 변위를 제어하는 수평방향 제어기와, 상기 거더의 z, θx(=roll), θy(=pitch) 변위를 제어하는 수직방향 제어기를 포함할 수 있다.
상기 수평방향 제어기는 제1 유압 로봇의 제어기가 제1수평구동부 및 제2수평구동부에 대한 제어값을 산출하고, 제2 유압 로봇의 제어기가 제1 유압 로봇의 상태 정보를 피드백 받아 동기화를 위한 로봇 위치를 보상하여 제1수평구동부 및 제2수평구동부에 대한 제어값을 산출하며, 제3 유압 로봇의 제어기가 제1 유압 로봇 및 제2 유압 로봇의 상태 정보를 피드백 받아 동기화를 위한 로봇 위치를 보상하여 제1수평구동부 및 제2수평구동부에 대한 제어값을 산출하고, 제4 유압 로봇의 제어기가 제1 유압 로봇, 제2 유압 로봇 및 제3 유압 로봇의 상태 정보를 피드백 받아 동기화를 위한 로봇 위치를 보상하여 제1수평구동부 및 제2수평구동부에 대한 제어값을 산출할 수 있다.
상기 수직방향 제어기는 제1 유압 로봇의 제어기가 수직구동부에 대한 제어값을 산출하고, 제2 유압 로봇의 제어기가 제1 유압 로봇의 상태 정보를 피드백 받아 동기화를 위한 로봇 위치 및 힘을 보상하여 수직구동부에 대한 제어값을 산출하며, 제3 유압 로봇의 제어기가 제1 유압 로봇 및 제2 유압 로봇의 상태 정보를 피드백 받아 동기화를 위한 로봇 위치 및 힘을 보상하여 수직구동부에 대한 제어값을 산출하고, 제4 유압 로봇의 제어기가 제1 유압 로봇, 제2 유압 로봇 및 제3 유압 로봇의 상태 정보를 피드백 받아 동기화를 위한 로봇 위치 및 힘을 보상하여 수직구동부에 대한 제어값을 산출할 수 있다.
상기한 본 발명의 거더 정밀 거치용 다중 유압 로봇 시스템에 의하면, 크레인을 이용하여 교각에 무거운 거더를 거치할 때 거더 주위에 설치되어 거더 위치를 정밀하게 이동할 수 있다.
또한, 거더 상면에 한 쌍의 연결대를 결합하고 각 연결대의 양측에 아웃트리거 형태의 한 쌍의 매니퓰레이터 유압 로봇을 설치함으로써, 거더를 6 자유도에 따라 정밀하게 이동하여 거치할 수 있다.
또한, 복수의 유압 로봇 사이에 선택적 이중화 유압 시스템을 적용하여, 하나의 유압 발생 장치가 고장을 일으키더라도 다른 유압 발생 장치에 유압 소스를 공급할 수 있고, 이중화 밸브장치를 비활성화함으로써 각각의 유압 시스템의 서로 다른 부하 조건에 따른 부정적인 영향을 최소화하여 복수의 유압 로봇을 정밀하게 작동시킬 수 있다.
그리고, 본 발명의 제어부는 각 유압 로봇의 구동부를 제어할 때 다른 유압 로봇들의 상태 정보를 피드백 받아 동기화를 위해 로봇 위치 및 힘을 보상함으로써, 유압 로봇을 더욱 정밀하게 제어할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 거더 정밀 거치용 다중 유압 로봇 시스템을 나타내는 사시도이다.
도 2는 거더에 결합되는 연결대를 나타내는 사시도이다.
도 3은 연결대의 양측에 결합되는 유압 로봇을 나타내는 사시도이다.
도 4는 도 3의 유압 로봇에서 수직구동부와 두 수평구동부가 구동되는 것을 나타내는 사시도이다.
도 5는 네 대의 유압 로봇이 거더를 수평방향으로 3 자유도를 갖고 이동시키는 것을 나타내는 상면도이다.
도 6은 네 대의 유압 로봇이 거더를 수직방향으로 3 자유도를 갖고 이동시키는 것을 나타내는 측면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 유압 로봇 한 쌍의 유압 시스템을 나타내는 회로도이다.
도 8은 도 7에서 제1(또는 제3) 유압 로봇의 유압 시스템과 이중화 밸브장치를 나타내는 회로도이다.
도 9는 도 7에서 제2(또는 제4) 유압 로봇의 유압 시스템을 나타내는 회로도이다.
도 10은 네 대의 유압 로봇에 의해 거더를 수평방향 목표 위치로 이동시키는 것을 나타내는 개략도이다.
도 11은 각 유압 로봇은 다른 유압 로봇들의 수평방향 상태 정보를 피드백 받아 로봇 위치를 보상함으로써, 유압 로봇들을 동기화하는 것을 나타내는 제어 알고리즘이다.
도 12는 네 대의 유압 로봇에 의해 거더를 수직방향 목표 변위로 이동시키는 것을 나타내는 개략도이다.
도 13은 각 유압 로봇은 다른 유압 로봇들의 수직방향 상태 정보를 피드백 받아 로봇 위치 및 힘을 보상함으로써, 유압 로봇들을 동기화하는 것을 나타내는 제어 알고리즘이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이 때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 거더 정밀 거치용 다중 유압 로봇 시스템을 나타내는 사시도이고, 도 2는 거더에 결합되는 연결대를 나타내는 사시도이며, 도 3은 연결대의 양측에 결합되는 유압 로봇을 나타내는 사시도이고, 도 4는 도 3의 유압 로봇에서 수직구동부와 두 수평구동부가 구동되는 것을 나타내는 사시도이며, 도 5는 네 대의 유압 로봇이 거더를 수평방향으로 3 자유도를 갖고 이동시키는 것을 나타내는 상면도이고, 도 6은 네 대의 유압 로봇이 거더를 수직방향으로 3 자유도를 갖고 이동시키는 것을 나타내는 측면도이다.
일 실시예에 따른 거더 정밀 거치용 다중 유압 로봇 시스템은, 교각(10) 사이에 거치되는 거더(20)의 상면 양단부에 결합되고 크레인의 케이블이 연결되는 두 대의 연결대(120), 두 대의 연결대의 양측에 연결되어 거더를 수평방향 및 수직방향으로 이동시키는 네 대의 유압 로봇(130), 네 대의 유압 로봇의 구동부들을 작동시키는 유압 시스템(200), 및 원격 조작으로 작동되는 상기 네 대의 유압 로봇을 동기화 제어 알고리즘을 통해 제어하여 거더의 거치 위치를 정밀하게 조정하는 제어부(350)를 포함한다.
교각(10)은 현장에서 시공되어 다리를 받치는 철근 콘크리트 구조물이다.
거더(20, girder)는 두 교각(10) 사이에 복수개가 거치되어 다리 상판을 지지하는 철골 또는 철근 콘크리트 구조물이다. 거더(20)는 공장에서 미리 제작되는 프리캐스트 콘크리트(precast concrete) 구조물일 수 있다. 거더(20)의 크기는 현장 상황 및 다리의 설계 형태에 따라 다양하게 형성될 수 있다. 예를 들면, 거더(20)는 약 50m의 길이와 약 150톤의 무게를 가질 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 연결대(120)는 거더(20)의 상면 양단부에 탈착가능하게 결합될 수 있다. 연결대(120)의 상면에는 크레인(110)의 케이블(112)이 연결되는 고리 형태의 케이블 연결부(121)가 일체로 형성될 수 있다. 연결대(120)의 측부에는 유압 로봇(130)의 링크들이 회전가능하게 결합되는 4개의 링크 연결부(124)를 구비할 수 있다.
크레인(110)은 원동기를 내장하는 이동식 크레인으로서, 복수의 아웃트리거와 신축가능한 붐대와 붐대의 경사 각도를 조절하는 유압 실린더와 윈치에 의해 권취되는 케이블(112), 즉 호이스트 라인(hoist line)을 포함할 수 있다. 본 발명에서는 2개의 크레인(110)이 하나의 거더(20)를 들어올릴 수 있다.
유압 로봇(130)은 연결대(120)의 양측에 한 쌍이 서로 대칭으로 연결되어 거더(20)를 수평방향 및 수직방향으로 이동시킬 수 있다. 그래서, 하나의 거더(20)의 거치 위치를 정밀하게 조정하기 위해 4개의 유압 로봇(130)이 설치될 수 있다.
유압 시스템(200, 도 7 참조)은 네 대의 유압 로봇(130)의 구동부들을 제어하여 거더(20)의 거치 위치를 정밀하게 조정할 수 있다. 유압 시스템(200)의 구체적인 구성은 후술하기로 한다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 유압 로봇(130)은 연결대(120)의 일측면에 회전가능하게 결합되는 제1구동링크(134)를 이동시키는 제1수평구동부(133)와, 연결대(120)의 일측면에 회전가능하게 결합되는 제2구동링크(136)를 이동시키고 제1수평구동부(133)의 측면에 회전가능하게 연결되는 제2수평구동부(135)와, 제1수평구동부(133)의 일단에 결합되어 상하로 이동되는 수직구동부(137)와, 수직구동부(137)의 상하 이동을 안내하는 수직축(132)과, 수직축의 하단에 회전가능하게 결합되는 지지대(131)를 포함할 수 있다.
지지대(131)는 거더(20)의 상면에 거더(20)의 일부 무게에 의해 고정적으로 장착될 수 있다. 지지대(131)는 원형으로 형성될 수 있다.
수직축(132)은 지지대(131)에 중력방향으로 자유로이 회전가능하게 장착되어 지지될 수 있다. 즉, 수직축(132)은 지지대(131)의 중심에 있는 z축을 기준으로 자유로이 회전될 수 있으나, 상하방향으로는 이동되지 않도록 장착될 수 있다.
수직구동부(137)는 수직축(132)의 외주면에 상하로 이동가능하게 장착될 수 있다. 수직구동부(137)는 정사각 파이프 형태로 형성되고, 수직축(132)과의 사이에 마련되는 유압실린더에 의해 상하로 구동될 수 있다.
제1수평구동부(133)는 수직구동부(137)의 측면에 결합되고 내측에 제1구동링크(134)가 신축가능하게 연결될 수 있다. 제1수평구동부(133)는 전체적으로 직사각 파이프 형태로 이루어질 수 있다. 제1구동링크(134)는 일단부가 제1수평구동부(133)의 내부에 삽입될 수 있도록 직사각기둥 형태로 이루어지고, 타단부에 연결대(120)의 링크 연결부(124)에 회전가능하게 결합되는 연결단이 일체로 마련될 수 있다.
제2수평구동부(135)의 일단부는 제1수평구동부(133)의 일측면에 소정 각도 범위에서 자유로이 회전가능하게 연결될 수 있다. 제2수평구동부(135)의 중간부는 원기둥 형태로 형성될 수 있다. 제2구동링크(136)는 일단부가 제2수평구동부(135)의 외주면이 삽입되도록 원형관 형태로 이루어지고, 타단부에 연결대(120)의 링크 연결부(124)에 회전가능하게 결합되는 연결단이 일체로 마련될 수 있다.
제1수평구동부(133)와 제2수평구동부(135)는 연결대(120)와 이에 결합된 거더(20)를 x-y 평면 상에서 수평방향으로 이동시키고, 수직구동부(137)는 거더(20)를 z축 방향으로 이동시킬 수 있다. 제1수평구동부(133)와 제2수평구동부(135)가 구동됨에 따라 제1구동링크(134)의 연결단과 제2구동링크(136)의 연결단 및 수직축(132)은 종속적으로 z축을 중심으로 회전될 수 있다.
네 대의 유압 로봇(130)은 x축으로 이동, y축으로 이동, 요(yaw), z축으로 이동, 롤(roll), 피치(pitch)의 6 자유도로 거더(20)의 거치 위치를 정밀하게 조정할 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 네 대의 유압 로봇(130)에서 제1수평구동부(133)와 제2수평구동부(135)가 두 대의 연결대(120)를 수평방향으로 이동시킴에 따라, 거더(20)를 x축으로 이동, y축으로 이동, z축에 대해 회전하는 요(yaw) 운동의 3 자유도로 움직일 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 네 대의 유압 로봇(130)에서 수직구동부(137)가 두 대의 연결대(120)를 수직방향으로 이동시킴에 따라, 거더(20)를 z축으로 이동, x축에 대해 회전하는 롤(roll) 운동, y축에 대해 회전하는 피치(pitch) 운동의 3 자유도로 움직일 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 유압 로봇 한 쌍의 유압 시스템을 나타내는 회로도이고, 도 8은 도 7에서 제1(또는 제3) 유압 로봇의 유압 시스템과 이중화 밸브장치를 나타내는 회로도이며, 도 9는 도 7에서 제2(또는 제4) 유압 로봇의 유압 시스템을 나타내는 회로도이다.
도 7 내지 도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 유압 시스템(200)은 유압 로봇(130)의 구동부들에 유량을 공급하는 유압공급장치(210, 220)와, 구동부들에 유량을 개별적으로 공급하는 유압밸브장치(230, 240)와, 유압밸브장치에 개별적으로 연결되는 3개의 유압실린더(250, 260, 270, 280, 290, 300)를 포함할 수 있다.
도 7은 제1(또는 제3) 유압 로봇(130-1)과 제2(또는 제4) 유압 로봇(130-2)에 유체 공급을 제어하는 유압 시스템(200)을 도시한 것이다. 즉, 제1 유압공급장치(210)가 제1 유압밸브장치(230)를 통해 제1(또는 제3) 유압 로봇(130-1)에 유체를 공급하고, 제2(또는 제4) 유압공급장치(220)가 제2 유압밸브장치(240)를 통해 제2 유압 로봇(130-2)에 유체를 공급할 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 제1 유압공급장치(210)는 유압모터와 각종 밸브를 구비하여 제1(또는 제3) 유압 로봇(130-1)의 구동부들, 즉 유압실린더들(250, 260, 270)에 비압축성 유체를 고압으로 공급할 수 있다. 제1 유압공급장치(210)는 압력센서(212)와 유량센서(214)를 포함하여 로드 센싱에 의한 유량 제어, 즉 부하에 따른 유압공급장치 제어 기능을 가진다. 압력센서(212)는 유압모터에 의해 공급되는 유체의 압력을 측정하고, 유량센서(214)는 공급되는 유체의 유량을 측정할 수 있다.
도 9에 도시된 바와 같이, 제2 유압공급장치(220)도 유압모터와 각종 밸브를 구비하여 제2(또는 제4) 유압 로봇(130-2)의 구동부들, 즉 유압실린더들(280, 290, 300)에 비압축성 유체를 고압으로 공급할 수 있다. 제2 유압공급장치(220)는 압력센서(222)와 유량센서(224)를 포함하여 로드 센싱에 의한 유량 제어, 즉 부하에 따른 유압공급장치 제어 기능을 가진다. 압력센서(222)는 유압모터에 의해 공급되는 유체의 압력을 측정하고, 유량센서(224)는 공급되는 유체의 유량을 측정할 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 제1 유압밸브장치(230)는 구동부들의 부하에 대한 로드 센싱(load sensing) 기능을 지원하며, 구동부를 정밀하게 작동하기 위한 솔레노이드 기반의 비례방향제어밸브(235)와, 고부하 외력에 대한 유압실린더 보호를 위한 릴리프밸브(237)를 포함할 수 있다. 비례방향제어밸브(235)는 정밀 솔레노이드 기반의 7/3 비례방향제어밸브로서 각 구동부의 유압실린더를 정밀하게 제어할 수 있다. 릴리프밸브(237)는 안전밸브로서, 유압 시스템 내부적으로 작용하는 압력이 소정 압력 이상으로 올라가지 않도록 시스템을 보호할 수 있다.
제1(또는 제3) 유압 로봇(130-1)의 유압실린더들(250, 260, 270)의 입구단 및 출구단에는 각각 압력센서(252, 262, 272)를 구비하여, 각 유압실린더에 걸리는 부하를 감지할 수 있다.
도 9에 도시된 바와 같이, 제2 유압밸브장치(240)도 구동부들의 부하에 대한 로드 센싱(load sensing) 기능을 지원하며, 구동부를 정밀하게 작동하기 위한 솔레노이드 기반의 비례방향제어밸브(245)와, 고부하 외력에 대한 유압실린더 보호를 위한 릴리프밸브(247)를 포함할 수 있다. 비례방향제어밸브(245)는 정밀 솔레노이드 기반의 7/3 비례방향제어밸브로서 각 구동부의 유압실린더를 정밀하게 제어할 수 있다. 릴리프밸브(247)는 안전밸브로서, 유압 시스템 내부적으로 작용하는 압력이 소정 압력 이상으로 올라가지 않도록 시스템을 보호할 수 있다.
제2(또는 제4) 유압 로봇(130-2)의 유압실린더들(280, 290, 300)의 입구단 및 출구단에는 각각 압력센서(282, 292, 302)를 구비하여, 각 유압실린더에 걸리는 부하를 감지할 수 있다.
본 발명의 한 쌍의 유압 시스템(200)은 한 쌍의 유압밸브장치(230, 240) 사이에 연결되어 로드 센싱 기능을 가진 이중화 밸브장치(320)를 더 포함하는 것이 바람직하다. 이중화 밸브장치(320)는 어느 하나의 유압 시스템의 유압공급장치가 고장을 일으키더라도 다른 유압 시스템의 유압공급장치에 의해 유압 소스를 공급받도록 할 수 있고, 이중화 밸브장치를 비활성화함으로써 각각의 유압 시스템의 서로 다른 부하 조건에 따른 부정적인 영향을 최소화하여 복수의 유압 로봇을 정밀하게 제어할 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 이중화 밸브장치(320)는 한 쌍의 유압밸브장치(230, 240)의 유압공급 라인을 선택적으로 공유할 수 있도록 연결되는 ON/OFF 포펫밸브(322)와, 원격으로 이중화 기능을 활성화 또는 비활성화하기 위한 방향제어밸브(326)와, 로드 센싱 압력을 선택적으로 공유하기 위한 셔틀밸브(324)와 체크밸브(325)를 포함할 수 있다.
두 유압밸브장치(230, 240)의 유압공급 라인들을 선택적으로 공유할 수 있도록 ON/OFF 포펫밸브(322) 사이로 각 유압밸브장치의 유압 라인이 서로 연결된다. ON/OFF 포펫밸브(322)는 선택적 이중화(redundancy)를 위해 방향제어밸브(326)를 통하여 원격으로 유압 라인들을 서로 연결하거나 차단할 수 있다.
원격으로 이중화 기능을 활성화 또는 비활성화하기 위해 솔레노이드 기반의 4/2 방향제어밸브(326)를 적용할 수 있다. 또한, 두 유압밸브장치(230, 240) 사이에 로드 센싱 압력도 4/2 방향제어밸브(326)에 의해 선택적으로 공유하기 위해 셔틀밸브(324)와 체크밸브(325)로 구성된 회로를 적용할 수 있다.
이중화 밸브장치(320)를 적용하면 어느 한 기의 유압밸브장치가 고장을 일으켜도 다른 유압밸브장치를 통해 유량을 공급하여 연결된 유압 시스템 내의 유압실린더를 구동할 수 있다. 다만, 이러한 이중화 기능은 하나의 연결대(120)에 연결된 두 유압밸브장치에서만 공유하며, 거더의 반대쪽에 있는 연결대(120)에 연결된 두 유압밸브장치와는 서로 공유하지 않는다.
도 10은 네 대의 유압 로봇에 의해 거더를 수평방향 목표 위치로 이동시키는 것을 나타내는 개략도이고, 도 11은 각 유압 로봇은 다른 유압 로봇들의 수평방향 상태 정보를 피드백 받아 로봇 위치를 보상함으로써, 유압 로봇들을 동기화하는 것을 나타내는 제어 알고리즘이며, 도 12는 네 대의 유압 로봇에 의해 거더를 수직방향 목표 변위로 이동시키는 것을 나타내는 개략도이고, 도 13은 각 유압 로봇은 다른 유압 로봇들의 수직방향 상태 정보를 피드백 받아 로봇 위치 및 힘을 보상함으로써, 유압 로봇들을 동기화하는 것을 나타내는 제어 알고리즘이다.
본 발명의 제어부(350)는 거더의 x, y, θz(=yaw) 변위를 제어하는 수평방향 제어기와, 거더의 z, θx(=roll), θy(=pitch) 변위를 제어하는 수직방향 제어기를 포함할 수 있다.
도 10에 도시된 바와 같이, 수평방향 제어기는 4개의 유압 로봇(130-1, 130-2, 130-3, 130-4)의 제1수평구동부(133) 및 제2수평구동부(135)를 각각 제어함으로써, 거더(20)를 수평방향 목표 위치로 이동시킬 수 있다. 즉, 수평방향 제어기는 거더(20)를 x축으로 이동, y축으로 이동, z축을 중심으로 회전시키는 요(θz) 변위를 제어할 수 있다.
도 12에 도시된 바와 같이, 수직방향 제어기는 4개의 유압 로봇(130-1, 130-2, 130-3, 130-4)의 수직구동부(137)를 각각 제어함으로써, 거더(20)를 수직방향 목표 위치로 이동시킬 수 있다. 즉, 수직방향 제어기는 거더(20)를 z축으로 이동, x축을 중심으로 회전시키는 롤(θx), y축을 중심으로 회전시키는 피치(θy) 변위를 제어할 수 있다.
도 11에 도시된 바와 같이, 수평방향 제어기는 제1 유압 로봇(로봇 #1)의 제어기가 제1수평구동부(구동부 1) 및 제2수평구동부(구동부 2)에 대한 제어값을 산출하고, 제2 유압 로봇(로봇 #2)의 제어기가 제1 유압 로봇의 상태 정보를 피드백 받아 동기화를 위한 로봇 위치를 보상하여 제1수평구동부 및 제2수평구동부에 대한 제어값을 산출하며, 제3 유압 로봇(로봇 #3)의 제어기가 제1 유압 로봇 및 제2 유압 로봇의 상태 정보를 피드백 받아 동기화를 위한 로봇 위치를 보상하여 제1수평구동부 및 제2수평구동부에 대한 제어값을 산출하고, 제4 유압 로봇(로봇 #4)의 제어기가 제1 유압 로봇, 제2 유압 로봇 및 제3 유압 로봇의 상태 정보를 피드백 받아 동기화를 위한 로봇 위치를 보상하여 제1수평구동부 및 제2수평구동부에 대한 제어값을 산출할 수 있다.
4기의 유압 로봇으로 하나의 거더를 정밀하게 이동하기 위해, 제어부(350)는 수평방향 및 수직방향으로 동기화 제어 알고리즘을 적용할 수 있다. 즉, 제어부(350)는 수평방향 제어기가 될 수도 있고, 수직방향 제어기가 될 수도 있다. 이 알고리즘에 의하면 원격지에서 조작자 한 명이 조작하는 거더의 위치 이동 정보에 의존하여 4기의 로봇을 자동으로 제어할 수 있다. 동기화 제어 알고리즘은 로봇의 우선 순위를 지정하고 상대적으로 순위가 높은 로봇의 상태에 맞추어 순차적으로 다음 로봇의 제어를 수행할 수 있다.
수평방향 제어기는 거더를 목표로 하는 거치 위치로 정밀하게 이동하기 위해 거더의 수평방향 위치 및 방향 동작을 담당한다. 원격지에서 조작기를 통해 전달되는 거더의 x, y, θz(=yaw) 변위 정보를 받아 우선 순위가 가장 높은 로봇의 제어기가 가장 먼저 구동부 1, 2에 대한 제어값을 산출할 수 있다. 로봇의 목표 위치가 산출되면, 역 기구학(Inverse kinematics)에 의해 구동부 1, 2의 제어값을 산출할 수 있다. 구동부 1, 2의 목표 위치가 입력되면 유압 밸브 제어기는 구동부 1, 2를 구동하여 목표 위치로 이동시키고, 구동부 1, 2의 현재 위치를 피드백 제어하여 위치 오차를 보정함으로써 정밀하게 제어할 수 있다. 그리고 순위에 따라 단계적으로 상대적으로 순위가 높은 로봇의 상태 정보들을 피드백 받아 동기화를 위한 로봇 위치를 보상하여 구동부 1, 2에 대한 제어값을 산출할 수 있다.
도 13에 도시된 바와 같이, 수직방향 제어기는 제1 유압 로봇(로봇 #1)의 제어기가 수직구동부(구동부 3)에 대한 제어값을 산출하고, 제2 유압 로봇(로봇 #2)의 제어기가 제1 유압 로봇의 상태 정보를 피드백 받아 동기화를 위한 로봇 위치 및 힘을 보상하여 수직구동부에 대한 제어값을 산출하며, 제3 유압 로봇(로봇 #3)의 제어기가 제1 유압 로봇 및 제2 유압 로봇의 상태 정보를 피드백 받아 동기화를 위한 로봇 위치 및 힘을 보상하여 수직구동부에 대한 제어값을 산출하고, 제4 유압 로봇(로봇 #4)의 제어기가 제1 유압 로봇, 제2 유압 로봇 및 제3 유압 로봇의 상태 정보를 피드백 받아 동기화를 위한 로봇 위치 및 힘을 보상하여 수직구동부에 대한 제어값을 산출할 수 있다.
수직방향 제어기는 거더를 교각에 안착하기 전까지 거더의 높이와 자세를 안정적으로 유지하는 동작을 담당한다. 원격지에서 조작기를 통해 전달되는 거더의 z, θx(=roll), θy(=pitch) 변위 정보를 받아 우선 순위가 가장 높은 로봇의 제어기가 가장 먼저 구동부 3에 대한 제어값을 산출한다. 로봇의 목표 위치가 산출되면, 역 기구학(Inverse kinematics)에 의해 구동부 3의 제어값을 산출할 수 있다. 구동부 1, 2의 목표 위치가 입력되면 유압 밸브 제어기는 구동부 3을 구동하여 목표 위치로 이동시키고, 구동부 3의 현재 위치를 피드백 제어하여 위치 오차를 보정함으로써 정밀하게 제어할 수 있다. 그리고 순위에 따라 단계적으로 상대적으로 순위가 높은 로봇의 상태 정보들을 피드백 받아 동기화를 위한 로봇 위치 및 힘을 보상하여 구동부 1, 2에 대한 제어값을 산출한다. 여기서, 수평방향 제어기와 다른 점은 수직방향 제어기의 경우 고 중량 거더에 의한 부하를 감당하면서 제어를 수행해야 하기 때문에 위치 및 힘에 대한 제어를 동시에 한다는 점이다.
본 발명의 유압 시스템은 각 유압 로봇의 구동부를 제어할 때 다른 유압 로봇들의 상태 정보를 피드백 받아 동기화를 위해 로봇 위치 및 힘을 보상함으로써, 유압 로봇을 더욱 정밀하게 제어할 수 있다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경할 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
10: 교각 20: 거더
100: 거더 정밀 거치용 다중 유압 로봇 시스템
110: 크레인 112: 케이블
120: 연결대 121: 케이블 연결부
124: 링크 연결부 130: 유압 로봇
131: 지지대 132: 수직축
133: 제1수평구동부 134: 제1구동링크
135: 제2수평구동부 136: 제2구동링크
137: 수직구동부
200: 유압 시스템
210: 제1 유압공급장치 212: 압력센서
214: 유량센서 220: 제2 유압공급장치
222: 압력센서 224: 유량센서
230: 제1 유압밸브장치 235: 비례방향제어밸브
237: 릴리프밸브 240: 제2 유압밸브장치
245: 비례방향제어밸브 247: 릴리프밸브
250: 제1-1 유압실린더 252: 압력센서
260: 제1-2 유압실린더 262: 압력센서
270: 제1-3 유압실린더 272: 압력센서
280: 제2-1 유압실린더 282: 압력센서
290: 제2-2 유압실린더 292: 압력센서
300: 제2-3 유압실린더 302: 압력센서
320: 이중화 밸브장치 322: ON/OFF 포펫밸브
324: 셔틀밸브 325: 체크밸브
326: 방향제어밸브 350: 제어부

Claims (11)

  1. 교각 사이에 거치되는 거더의 상면 양단부에 결합되고 크레인의 케이블이 연결되는 두 대의 연결대의 양측에 각각 연결되어, 두 대가 한 쌍을 이루고 상기 거더를 수평방향 및 수직방향으로 이동시키는 네 대의 유압 로봇;
    상기 네 대의 유압 로봇의 구동부들을 작동시키는 유압 시스템; 및
    원격 조작으로 작동되는 상기 네 대의 유압 로봇을 동기화 제어 알고리즘을 통해 제어하여 상기 거더의 거치 위치를 정밀하게 조정하는 제어부를 포함하는 거더 정밀 거치용 다중 유압 로봇 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유압 로봇은
    상기 연결대의 일측면에 회전가능하게 결합되는 제1구동링크를 이동시키는 제1수평구동부와,
    상기 연결대의 일측면에 회전가능하게 결합되는 제2구동링크를 이동시키고 상기 제1수평구동부의 측면에 회전가능하게 연결되는 제2수평구동부와,
    상기 제1수평구동부의 일단에 결합되어 상하로 이동되는 수직구동부와,
    상기 수직구동부의 상하 이동을 안내하는 수직축과, 상기 수직축의 하단에 회전가능하게 결합되는 지지대를 포함하는 것을 특징으로 하는 거더 정밀 거치용 다중 유압 로봇 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 네 대의 유압 로봇은
    x축으로 이동, y축으로 이동, 요(yaw), z축으로 이동, 롤(roll), 피치(pitch)의 6 자유도로 상기 거더의 거치 위치를 정밀하게 조정하는 것을 특징으로 하는 거더 정밀 거치용 다중 유압 로봇 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 유압 시스템은
    상기 유압 시스템 내에 유량을 공급하는 유압공급장치와,
    상기 구동부들에 유량을 개별적으로 공급하는 유압밸브장치와,
    상기 유압밸브장치에 개별적으로 연결되는 3개의 유압실린더를 포함하는 것을 특징으로 하는 거더 정밀 거치용 다중 유압 로봇 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 유압공급장치는 압력센서와 유량센서를 포함하여 로드 센싱에 의한 유량 제어 기능을 가진 것을 특징으로 하는 거더 정밀 거치용 다중 유압 로봇 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 유압밸브장치는 구동부들의 부하에 대한 로드 센싱 기능을 지원하며,
    구동부를 정밀하게 작동하기 위한 솔레노이드 기반의 비례방향제어밸브와,
    고부하 조건 외력에 대한 유압실린더 보호를 위한 릴리프밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 거더 정밀 거치용 다중 유압 로봇 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 유압 시스템은 두 시스템이 한 쌍을 이루며 한 쌍의 유압밸브장치 사이에 연결되는 이중화 밸브장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 거더 정밀 거치용 다중 유압 로봇 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 이중화 밸브장치는
    상기 한 쌍의 유압밸브장치의 유압공급 라인을 선택적으로 공유할 수 있도록 연결되는 ON/OFF 포펫밸브와,
    원격으로 이중화 기능을 활성화 또는 비활성화하기 위한 방향제어밸브와,
    상기 ON/OFF 포펫밸브의 ON/OFF에 따라 로드 센싱 압력을 선택적으로 공유하기 위한 셔틀밸브와 체크밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 거더 정밀 거치용 다중 유압 로봇 시스템.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 거더의 x, y, θz(=yaw) 변위를 제어하는 수평방향 제어기와,
    상기 거더의 z, θx(=roll), θy(=pitch) 변위를 제어하는 수직방향 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 거더 정밀 거치용 다중 유압 로봇 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 수평방향 제어기는
    제1 유압 로봇의 제어기가 제1수평구동부 및 제2수평구동부에 대한 제어값을 산출하고,
    제2 유압 로봇의 제어기가 제1 유압 로봇의 상태 정보를 피드백 받아 동기화를 위한 로봇 위치를 보상하여 제1수평구동부 및 제2수평구동부에 대한 제어값을 산출하며,
    제3 유압 로봇의 제어기가 제1 유압 로봇 및 제2 유압 로봇의 상태 정보를 피드백 받아 동기화를 위한 로봇 위치를 보상하여 제1수평구동부 및 제2수평구동부에 대한 제어값을 산출하고,
    제4 유압 로봇의 제어기가 제1 유압 로봇, 제2 유압 로봇 및 제3 유압 로봇의 상태 정보를 피드백 받아 동기화를 위한 로봇 위치를 보상하여 제1수평구동부 및 제2수평구동부에 대한 제어값을 산출하는 것을 특징으로 하는 거더 정밀 거치용 다중 유압 로봇 시스템.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 수직방향 제어기는
    제1 유압 로봇의 제어기가 수직구동부에 대한 제어값을 산출하고,
    제2 유압 로봇의 제어기가 제1 유압 로봇의 상태 정보를 피드백 받아 동기화를 위한 로봇 위치 및 힘을 보상하여 수직구동부에 대한 제어값을 산출하며,
    제3 유압 로봇의 제어기가 제1 유압 로봇 및 제2 유압 로봇의 상태 정보를 피드백 받아 동기화를 위한 로봇 위치 및 힘을 보상하여 수직구동부에 대한 제어값을 산출하고,
    제4 유압 로봇의 제어기가 제1 유압 로봇, 제2 유압 로봇 및 제3 유압 로봇의 상태 정보를 피드백 받아 동기화를 위한 로봇 위치 및 힘을 보상하여 수직구동부에 대한 제어값을 산출하는 것을 특징으로 하는 거더 정밀 거치용 다중 유압 로봇 시스템.
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