KR20000036904A - 설비 배관내의 탐사 및 도장을 위한 로봇장치 - Google Patents

설비 배관내의 탐사 및 도장을 위한 로봇장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 산업용 설비의 배관(P) 내부를 이동하면서 배관 상태를 탐사하고 보수하는 장치에 있어서: 가압롤러(11)에 의해 배관내에 지지된 상태로 주행롤러(12)에 의해 이동하는 전방로봇(10); 상기 전방로봇(10)과 플렉시블 조인트(18)로 연결되고, 상기 가압롤러(21) 및 주행롤러(22)를 구비하는 후방로봇(20); 상기 전방로봇(10) 상에 탈착 가능하게 장착되고, 배관에 대한 소정의 작업을 수행하는 작업수단; 상기 전방로봇(10) 및 후방로봇(20)에 전원을 공급하고, 상기 작업수단에 전원 및 전처리용 모래나 도료를 공급하도록 연결되는 플렉시블 튜브(61); 상기 배관의 입구에 가변적 높이로 고정되고, 안내롤러(41)를 개재하여 플렉시블 튜브(61)를 지지하는 고정대(40); 그리고 상기 전방로봇(10)과 후방로봇(20)의 전진, 후진, 회전 등 주행상태를 조절하고, 상기 작업수단으로부터 데이터를 수신하여 저장하는 컨트롤러(50)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 함에 따라, 상하수관 및 가스관을 포함한 각종 산업용 설비 배관에서 내부 상태를 정확히 진단하는 동시에 필요한 도장을 수행하여 공기 및 비용을 단축하는 효과가 있다.

Description

설비 배관내의 탐사 및 도장을 위한 로봇장치{Robot apparatus for monitoring and repairing a utility pipe}
본 발명은 설비 배관내의 탐사 및 도장을 위한 로봇장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 상하수관 및 가스관을 포함한 각종 산업용 설비 배관에서 내부 상태를 정확히 진단하는 동시에 필요한 도장을 수행하여 공기 및 비용을 단축하는 설비 배관내의 탐사 및 도장을 위한 로봇장치에 관한 것이다.
대표적인 설비 배관으로는 가스관, 상하수관 등을 들 수 있으며 이들 모두 우리 생활에 없어서는 안될 중요한 것들이다. 국내의 배관 시설은 70년대 후반부터 설치되기 시작하여 약 20년이 지난 지금 배관의 노후화에 따른 부식 및 결함 등이 나타나기 시작하고 있다. 이러한 시설물에 대한 검사 및 보수작업이 허술하게 이루어질 경우 대형사고가 발생하게 되며 수많은 인명 및 재산의 손실과 자연환경의 파기도 야기할 수 있게 된다.
따라서 배관설비는 설계, 시공, 운전단계 뿐만 아니라 시간의 경과, 환경의 변화에 따른 성능의 저하를 수시로 검사하고 진단하여 설비의 건전성을 확보할 필요가 있다.
그런데 기존 검사전용 로봇 시스템의 경우 미끄러운 철관 내부의 구동과 굴곡부 배관의 방향전환 등에 어려움이 있으며, 특히 전처리 및 도장 작업시 분사노즐의 흔들림이 없이 로봇작동의 확실함과 도장작업의 완벽화를 기할 수 없어 배관 내부의 도장용 로봇이 개발 및 실용화되지 못한 실정이다.
그러므로 본 발명의 목적은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 상하수관 및 가스관을 포함한 각종 산업용 설비 배관에서 내부 상태를 정확히 진단하는 동시에 필요한 도장을 수행하여 공기 및 비용을 단축하는 설비 배관내의 탐사 및 도장을 위한 로봇장치를 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 장치를 사용상태와 함께 나타내는 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 로봇의 내부상태를 평면에서 나타내는 구성도,
도 3은 본 발명에 따른 로봇의 주행상태를 정면에서 나타내는 구성도,
도 4는 도 2의 로봇에 제 1 작업수단이 설치된 상태를 나타내는 구성도,
도 5는 도 2의 로봇에 제 2 작업수단이 설치된 상태를 나타내는 구성도,
도 6은 본 발명에 따른 컨트롤러의 주요부 회로를 나타내는 블럭도,
도 7은 도 6의 컨트롤러의 주요 기능을 분류하여 나타내는 도표.
* 도면의 주 요 부분에 대한 부호 설명 *
10 : 전방로봇 11, 21 : 가압롤러
12, 22 : 주행롤러 13, 23 : 모터
14, 24 : 기어열 15 : 압력센서
18 : 플렉시블 조인트 20 : 후방로봇
30 : 탐색기 31, 32 : 카메라
30': 분사기 40 : 고정대
50 : 컨트롤러 60 : 서비스탱크
이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 설비 배관내의 탐사 및 도장을 위한 로봇장치는 산업용 설비의 배관(P) 내부를 이동하면서 배관 상태를 탐사하고 보수하는 장치에 있어서: 가압롤러(11)에 의해 배관내에 지지된 상태로 주행롤러(12)에 의해 이동하는 전방로봇(10); 상기 전방로봇(10)과 플렉시블 조인트(18)로 연결되고, 상기 가압롤러(21) 및 주행롤러(22)를 구비하는 후방로봇(20); 상기 전방로봇(10) 상에 탈착 가능하게 장착되고, 배관에 대한 소정의 작업을 수행하는 작업수단; 상기 전방로봇(10) 및 후방로봇(20)에 전원을 공급하고, 상기 작업수단에 전원 및 전처리용 모래나 도료를 공급하도록 연결되는 플렉시블 튜브(61); 상기 배관의 입구에 가변적 높이로 고정되고, 안내롤러(41)를 개재하여 플렉시블 튜브(61)를 지지하는 고정대(40); 그리고 상기 전방로봇(10)과 후방로봇(20)의 전진, 후진, 회전 등 주행상태를 조절하고, 상기 작업수단으로부터 데이터를 수신하여 저장하는 컨트롤러(50)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이때 상기 전방로봇(10) 및 후방로봇(20)은 각각의 모터(13)(23)와 기어열(14)(24)에 연결되는 한 쌍의 원추형 주행롤러(12)(22)에 의해 이동 가능하다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 장치를 사용상태와 함께 나타내는 구성도가 도시된다.
본 발명은 산업용 설비의 배관(P) 내부를 이동하면서 배관 상태를 탐사하고 도장하는 장치에 관련되는 바, 전방로봇(10) 및 후방로봇(20)으로 이루어지는 본체상에 다양한 작업수단을 탑재하는 구성이다.
전방로봇(10)은 가압롤러(11)에 의해 배관내에 지지된 상태로 주행롤러(12)에 의해 이동하고, 후방로봇(20)도 상기와 동일한 구성의 가압롤러(21) 및 주행롤러(22)를 구비하여 이동한다. 전방로봇(10)과 후방로봇(20)은 플렉시블 조인트(18)로 연결되어 곡선 배관상을 이동하는 것도 가능하다.
본 발명에 따르면 배관 내부 사진촬영, 화면 전송, 전처리, 도장처리, 도장두께 측정 등 배관에 대한 소정의 작업을 수행하는 작업수단이 상기 전방로봇(10) 상에 탈착 가능하게 장착된다. 플렉시블 튜브(61)는 상기 전방로봇(10) 및 후방로봇(20)에 전원공급용 전선, 전처리용 모래함유 압축공기 및 도료의 공급이 가능한 호스로 연결된다. 플렉시블 튜브(61)에는 전원을 공급하는 부호 61a의 케이블과 도료가 통과되는 부호 61b의 호스 및 모래함유 압축공기 공급되는 호스(도시 생략)도 내장된다. 플렉시블 튜브(61)는 이러한 케이블(61a)과 호스(61b)를 보호할 수 있을 정도의 강도 뿐 아니라 내마모성, 내화학성 등이 요구된다.
또, 본 발명에 따르면 안내롤러(41)를 개재하여 플렉시블 튜브(61)를 지지하는 고정대(40)가 상기 배관의 입구에 가변적 높이로 고정된다. 작업대상인 배관의 직경에 관계없이 고정대(40)는 플렉시블 튜브(61)의 장력을 받는 안내롤러(41)를 견실하게 지지할 수 있어야 한다. 부호 42의 안내롤러는 배관 외부에서 별도로 고정되고 플렉시블 튜브(61)를 출입 가능하게 지지한다.
또, 본 발명에 따르면 상기 전방로봇(10)과 후방로봇(20)의 전진, 후진, 회전 등 주행상태를 조절하고 상기 작업수단으로부터 데이터를 수신하여 저장하는 컨트롤러(50)가 사용된다.
미설명 부호 60은 전처리를 위한 모래 또는 도장을 위한 도료를 저장하고 고압으로 분사하는 서비스탱크이다. 서비스탱크(60)는 소정의 분사 압력을 형성하고, 분사를 단속하고, 분사 압력을 조절하도록 펌프, 밸브 등을 구비한다.
도 2는 본 발명에 따른 로봇의 내부상태를 평면에서 나타내는 구성도이고, 도 3은 본 발명에 따른 로봇의 주행상태를 정면에서 나타내는 구성도이다.
본 발명에 따른 전방로봇(10) 및 후방로봇(20)은 각각의 모터(13)와 기어열(14)에 연결되는 한 쌍의 원추형 주행롤러(12)(22)에 의해 이동 가능하다. 전진 및 후진 기능을 수행하는 전방로봇(10)에서 좌우측에 설치되는 한 쌍의 주행롤러(12)는 각각의 모터(13) 및 기어열(14)에 의해 독립적으로 회전한다. 전진 및 후진 기능을 수행하는 후방로봇(20)에서 좌우측에 설치되는 한 쌍의 주행롤러(22)도 각각의 모터(23) 및 기어열(24)에 의해 독립적으로 회전한다.
이때 각각의 주행롤러(12)(22)의 원추형 외주면은 배관과 넓은 면적으로 접촉되는 것을 가능하게 한다. 이와 동시에 외주면 상에 치차를 형성하여 마찰력을 증대시킴으로써 슬립(slip) 없이 주행하는데 유리하도록 한다. 주행롤러(12)(22)는 회전축 상의 임의의 지점에 구경에 따라 길거나 짧은 핀으로 교체 조립되도록 하여 배관의 직경에 따라 간격이 조절될 수 있게 한다.
전방로봇(10)의 상부와 양측면에서 배관과 접촉하는 3개의 가압롤러(11)는 각각 스프링이 내장되어 배관상으로 일정한 압력을 작용한다. 도 3에 나타내는 바와 같이 3개의 가압롤러(11)와 2개의 주행롤러(12)가 배관에 밀착되므로 전방로봇(10)은 흔들림 없이 이동할 수 있다. 후방로봇(20)에서 가압롤러(21), 주행롤러(22)의 구성 및 기능도 전방로봇(10)과 동일하다.
이때 상기 전방로봇(10) 및 후방로봇(20)은 배관의 굴곡을 감지하도록 양측의 가압롤러(11)(21) 상에 각각 압력센서(15)를 구비한다. 직선의 배관상을 전진 이동하는 경우에는 양측의 압력센서(15)에서 검출되는 압력이 동일하지만 배관이 좌측 또는 우측으로 굽어지는 곡선의 배관 지점에 진입하는 순간 양측 가압롤러(11)의 압력센서(15)에서 검출되는 압력 차이에 의해 양측의 주행롤러(12)의 구동모터(13)의 회전수 차이를 유발하여 곡관의 이동이 가능해진다. 배관 상을 후진이동시는 후방로봇(20)의 가압롤러(21)에 설치된 압력센서(15)를 이용한다. 압력센서(15)를 이용한 좌우편차 보정제어는 후술하는 도 6을 참조한다.
도 4는 도 2의 로봇에 제 1 작업수단이 설치된 상태를 나타내는 구성도가 도시된다.
상기 작업수단은 카메라(31)(32) 및 라이트(33)(34)를 탑재하고 모터(35)에 의해 회전 가능한 탐색기(30)를 사용한다. 제 1 작업수단으로 설치되는 탐색기(30)는 전방 및 수직방향을 향한 카메라(31)(32)와 동일한 방향으로 촬영을 위한 조도를 유지하는 각각의 라이트(33)(34)를 구비한다. 탐색기(30)가 전방로봇(10) 상에 모터(35)를 개재하여 회전 가능하게 탑재되는 구성에 의해 전방을 향한 카메라(31)는 전방의 상태만 촬영하는 반면 수직방향을 향한 카메라(32)는 배관의 모든 부분을 촬영할 수 있다.
도 5는 도 2의 로봇에 제 2 작업수단이 설치된 상태를 나타내는 구성도가 도시된다.
상기 작업수단은 분출되는 유체압에 의해 자력으로 회전하는 임펠러를 구비하는 분사기(30')를 사용한다. 분사기(30')는 전방로봇(10)에 회전 가능하게 장착되지만 탐색기(30)처럼 구동을 위한 모터(35)를 구비하지 않는다. 분사기(30')의 임펠러는 방사상으로 복수의 곡선 유로가 형성된 부분으로서 도료 또는 모래가 고압으로 이송되어 분출될 때 회전력을 발생한다.
모래는 도장전의 전처리 작업을 위한 것으로서 그리트(grit)를 사용할 수도 있다. 전처리를 위한 분사기(30')는 분사되는 말단에 유연한 재질의 비산 방지용 커버를 부착한다. 전처리를 위하여 분사된 그리트는 계속하여 수집되어 재사용 공급된다. 전처리 작업이 종료되면 도장분사용 분사기(도시 생략)로 교체하여 작업하는 것도 가능하다. 물론 도장을 위해서는 서비스 탱크(60)도 도장용으로 교체하여야 한다.
한편 전방로봇(10)에는 탐색기(30) 및 분사기(30') 외에 다른 작업수단을 탑재하는 것도 가능하다. 예를 들어 도막의 두께로 도장 상태를 판단하기 위한 초음파 측정기를 탑재할 수도 있다.
도 6은 본 발명에 따른 컨트롤러의 주요부 회로를 나타내는 블럭도가 도시된다.
본 발명에 따른 컨트롤러(50)는 마이콤, 저장부, 입출력부, 구동부를 구비하고 입력키를 통한 명령을 수행하면서 그 상태를 디스플레이에 표시한다. 입력부는 입력 인테페이스 회로를 의미하며 입력키, 압력센서(15), 카메라(31)(32)로부터 발생되는 신호를 수신하여 디지털 데이터로 변환한다. 저장부는 본 발명에 따른 알고리즘 수행을 위한 제어프로그램이 기록되고, 카메라(31)(32)의 영상 데이터가 일시 저장되는 메모리이다. 출력부는 출력 인터페이스 회로를 의미하며 마이콤의 제어신호를 해당 포트를 통해 디스플레이, 모터(13)(23)(35), 라이트(33)(34)로 보낸다. 구동부는 마이콤의 미약한 출력이 적절히 증폭된 상태로 모터(13)(23)(35) 및 라이트(33)(34)에 인가되도록 한다.
이때 별도의 컨트롤러(50) 대신 PC를 사용하는 것도 가능하다. 이 경우 입력키는 키보드 및 마우스가 되고 디스플레이는 모니터가 된다.
마이콤의 중요한 기능 중 하나는 압력센서(15)의 신호를 이용하여 로봇이 곡선 배관상을 주행하도록 양측 모터의 회전수를 차등화하는 좌우편차 보정제어이다. 양측의 압력센서(15)로부터 입력되는 신호의 차이를 검출한 마이콤은 양측 모터(13)의 rpm이 달라지도록 출력하고 압력센서(15)의 신호가 동일해지면 양측 모터(13)의 rpm을 동일하게 유지한다. 물론 전진 작업시 제어출력은 전방로봇(10) 및 후방로봇(20)에 동일하게 주어진다. 곡선 배관상을 주행할 때 전방로봇(10)이 통과하면 뒤이어 후방로봇(20)이 전방로봇(10)이 곡선상을 이동한 제어기능을 반복하여 곡선 배관상을 무리없이 통과하게 된다.
한편 상기한 모터(13)(23)(35)는 저속 고토크를 발생하는 서보모터를 사용하며 정역회전으로 전진과 후진이 가능하도록 한다. 일측의 모터(13)에는 총 회전수를 카운트하기 위한 센서가 설치되어 컨트롤러(50)의 입력부로 신호를 보낸다. 모터의 회전수는 전방로봇(10)의 이동 거리를 계산하기 위한 데이터로 활용된다.
도 7은 도 6의 컨트롤러의 주요 기능을 분류하여 나타내는 도표가 도시된다.
본 발명에 따른 컨트롤러(50)의 구동 프로그램은 초기모드, 진단모드, 환경설정모드, 운영모드, 재생모드 등을 구비한다. 초기모드에서는 사용자가 비밀번호를 입력하도록 하여 인가된 사람만 작동할 수 있게 한다. 진단모드에서는 모터, 카메라 뿐만 아니라 컨트롤러(50)의 주요부 시스템을 진단할 수 있다. 환경설정모드에서는 카메라의 화질, 감도, 초점 등의 조절상태 및 조명의 조절상태를 설정할 수 있다. 이외에도 환경설정모드에서는 백업방식, 백업 디렉토리 지정, 자동백업 설정 등 데이터의 백업을 위한 다양한 입력창을 제공한다.
실제 작업을 위한 운영모드에서는 로봇의 이동상태, 모래 또는 도료의 분사 상태, 디스플레이 상태, 조명의 조도 등을 조절할 수 있다. 즉, 운영모드를 통하여 로봇 전진 및 후진을 지시하고, 모래 또는 도료의 분사를 온오프하고, 디스플레이의 기능을 변경하고, 조명의 밝기를 조절한다.
재생모드에서는 녹화된 화면을 탐색하고, 재생하고, 정지하는 기능을 수행할 수 있다. 저장된 녹화화면은 자성테이프, 플라피 디스크, CD롬 등에 출력하여 저장하는 것이 가능하다.
본 발명에 따르면 영상처리 알고리즘(Image Processing Algorithm)에 의해 자동적으로 내부의 상태를 점검할 수 있으며 디지털 영상압축 방식에 의한 데이터 베이스를 이용하는 녹화 시스템(Recording System)을 적용하여 거리가 표시된 기록자료의 효율적 관리 및 녹화, 재생시에 선명한 화질을 얻을 수 있다.
도 1 내지 도 7을 참조하여 본 발명에 따른 작용을 설명한다.
전방로봇(10) 및 후방로봇(20)을 플렉시블 조인트(18)로 연결하고 탐색기(30)를 탑재시킨 다름 배관(P) 상에 진입시킨 후 고정대(40)를 설치하고 플렉시블 튜브(61)를 안내롤러(41)에 건다. 배관(P) 외측에서는 플렉시블 튜브(61)를 컨트롤러(50) 및 서비스탱크(60)에 연결하여 준비를 완료한다.
다음으로 컨트롤러(50)를 온시켜 소정의 설정을 마치고 운영모드로 들어가 라이트(33)(34) 및 카메라(31)(32)를 켜고 입력되는 화면상태를 조절한다. 화면상태가 양호하면 녹화를 시작하면서 전방로봇(10)을 전진시킨다. 전방의 카메라(31)로부터 입력되는 화상을 통해 배관을 전체적으로 관찰하다가 이상이 있는 지점이 발견되면 수직방향의 카메라(32)를 회전시켜 보다 정밀하게 관찰한다. 이때 마이콤은 모터(13)가 회전된 수를 이용하여 계산된 이상발견 지점의 거리를 화면상에 출력하여 녹화 저장되도록 한다.
이후 탐사가 완료되면 전방로봇(10)과 후방로봇(20)의 모터(13)(23)을 역회전하여 후진시켜 로봇을 원위치시키고 탐색기(30)를 전처리용 분사기(30')로 교체한 후 다시 배관(P)에 투입한다. 다른 한편으로는 기 녹화된 화면 및 데이터를 이용하여 보수해야 할 지점의 위치를 컨트롤러(50)상에 설정한다. 투입된 로봇이 설정된 지점에 도달하면 서비스탱크(60)에서 모래를 고압으로 보내어 분사기(30')를 통한 분사압으로 전처리 작업을 수행한다. 전처리가 완료되면 다시 로봇을 인출하여 도장용 분사기(도시 생략)로 교체하고 같은 방식으로 도료를 분사하여 도장을 수행한다.
도장이 건조된 후에 전방로봇(10)에 초음파 측정기를 탑재한 로봇을 배관(P) 상으로 이동시켜 도장된 부분의 도막 두께를 측정하여 보수 상태를 확인하고 재 도장 여부를 결정할 수 있다.
이상의 구성 및 작용에 따르면 본 발명은 도로의 파헤침이나 이에 따른 교통장애 없이 상하수관 및 가스관을 포함한 각종 산업용 설비 배관에서 내부 상태를 정확히 진단하는 동시에 필요한 도장을 수행하여 공기 및 비용을 단축하는 효과가 있다.
본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.

Claims (6)

  1. 산업용 설비의 배관(P) 내부를 이동하면서 배관 상태를 탐사하고 보수하는 장치에 있어서:
    가압롤러(11)에 의해 배관내에 지지된 상태로 주행롤러(12)에 의해 이동하는 전방로봇(10);
    상기 전방로봇(10)과 플렉시블 조인트(18)로 연결되고, 상기 가압롤러(21) 및 주행롤러(22)를 구비하는 후방로봇(20);
    상기 전방로봇(10) 상에 탈착 가능하게 장착되고, 배관에 대한 소정의 작업을 수행하는 작업수단;
    상기 전방로봇(10) 및 후방로봇(20)에 전원을 공급하고, 상기 작업수단에 전원 및 전처리용 모래나 도료를 공급하도록 연결되는 플렉시블 튜브(61);
    상기 배관의 입구에 가변적 높이로 고정되고, 안내롤러(41)를 개재하여 플렉시블 튜브(61)를 지지하는 고정대(40); 그리고
    상기 전방로봇(10)과 후방로봇(20)의 전진, 후진, 회전 등 주행상태를 조절하고, 상기 작업수단으로부터 데이터를 수신하여 저장하는 컨트롤러(50)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 설비 배관내의 탐사 및 도장을 위한 로봇장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전방로봇(10) 및 후방로봇(20)은 각각의 모터(13)(23)와 기어열(14)(24)에 연결되는 한 쌍의 원추형 주행롤러(12)(22)에 의해 이동 가능한 것을 특징으로 하는 설비 배관내의 탐사 및 도장을 위한 로봇장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 전방로봇(10) 및 후방로봇(20)은 배관의 굴곡을 감지하도록 양측의 가압롤러(11)(21) 상에 각각 압력센서(15)를 구비하는 것을 특징으로 하는 설비 배관내의 탐사 및 도장을 위한 로봇장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 작업수단은 카메라(31)(32) 및 라이트(33)(34)를 탑재하고 모터(35)에 의해 회전 가능한 탐색기(30)인 것을 특징으로 하는 설비 배관내의 탐사 및 도장을 위한 로봇장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 작업수단은 분출되는 유체압에 의해 자력으로 회전하는 임펠러를 구비하는 분사기(30')인 것을 특징으로 하는 설비 배관내의 탐사 및 도장을 위한 로봇장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 컨트롤러(50)는 마이콤, 저장부, 입출력부, 구동부를 구비하고 입력키를 통한 명령을 수행하면서 그 상태를 디스플레이에 표시하는 것을 특징으로 하는 설비 배관내의 탐사 및 도장을 위한 로봇장치.
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