KR20090010697A - 배관 내부 검사용 이동로봇 - Google Patents

Abstract

독립된 동력원 및 동력장치와 제어장치를 가지며 수평 및 수직으로 설치된 직선 관로 및 곡선 관로와 배관의 단면이 변하는 관로에서 용이하게 이동하며 배관 내부를 검사할 수 있는 배관 내부 검사용 이동 로봇에 관한 것으로, 전방 및 후방에 설치되어 견인력 및 추진력을 발생시킴과 동시에 분기관에서 각 구동모듈의 각속도 차를 이용하여 조향이 가능한 2개의 구동모듈, 독립적인 컨트롤 장치 및 전원 공급 장치인 배터리를 각각 탑재하는 컨트롤 모듈 및 배터리 모듈 및 각 모듈 간 견인력 및 추진력을 전달하며 비틀림을 방지함과 동시에 곡관 및 분기관 등 배관 내 형상에 따라 유연하게 변형되어 원활한 배관 내 주행이 가능하게 하여 주는 링크 모듈을 가지는 구성을 마련한다.

상기와 같은 배관 내부 검사용 이동 로봇을 이용하는 것에 의해, 제어 모듈 및 배터리 모듈을 장착함으로써 독립적인 배관 내 자율주행이 가능하며, 제한된 배관 내 공간에서 최대의 적재공간을 확보함과 동시에 원활한 배관 내 이동이 가능한 중간모듈과 각 모듈 간 견인력 및 추진력을 전달하며 배관의 형상에 따라 적절히 변형되는 링크 모듈을 제공함으로써 상기 제어 모듈 및 배터리 모듈의 적재는 물론 추가적인 검사장비의 탑재 및 확장이 용이하다.

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Description

배관 내부 검사용 이동로봇{Robot for Internal Inspection of Pipeline }

본 발명은 배관 내부 검사용 이동 로봇에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 독립된 동력원 및 동력장치와 제어장치를 가지며 수평 및 수직으로 설치된 직선 관로 및 곡선 관로와 배관의 단면이 변하는 관로에서 용이하게 이동하며 배관 내부를 검사할 수 있는 배관 내부 검사용 이동 로봇에 관한 것이다.

일반적으로 산업 기반시설의 구조물 중 하나인 배관(Pipeline)은 가스/석유등과 같은 각종 에너지 자원을 이송하여 적재적소에 고루 분배하여 주는 대표적인 시설이다. 이와 같은 각종 배관들은 마치 인체 내의 혈관처럼 국토 곳곳에 분포하여 각종 도시기반 시설 및 공장시설로 석유/가스등과 같은 에너지자원을 끊임없이 공급하여 주는 핵심 기반시설로 자리 잡고 있다. 또한 석유화학공장과 같은 대규모 플랜트에서의 파이프라인은 각종 화학물질을 정제 및 처리할 수 있도록 이송시켜 주는 주요시설로 이용되고 있다.

그러나 설비 설치 후 일정기간이 지남에 따라 수분 및 각종 화학물질에 의한 부식, 외부 환경에 의한 작용 등으로 배관이 파손되는 경우가 발생할 수 있으며, 배관의 파손에 의해 내부물질이 외부로 누출되는 문제점이 발생할 수 있다. 석유 및 화학물질의 누출은 심각한 환경오염을 야기할 수 있으며 가스의 누출은 대형 가스 폭발 사고 등의 원인이 될 수 있다. 따라서 일정기간이 경과한 배관은 주기적인 검사 및 교체를 요구하게 된다.

배관들은 설치 형상에 따라 광범위 형과 밀집형의 두 가지로 나눌 수 있다. 광범위 형은 주로 상/하수도, 가스공급배관, 석유공급배관 등의 용도로 사용되며 주로 도시 및 국가 기반 시설에 이용된다. 이와 같은 배관들은 외부로부터의 훼손 및 도시미관 정비, 부식방지 등의 목적으로 주로 지하에 매설되는데 매 보수 및 검사 시마다 매설되어 있는 배관을 파내야 하는 단점을 지니고 있다. 밀집형의 경우는 주로 석유화학공장과 같은 플랜트에서 사용되며 복잡한 이송시스템에 의해 각종 배관들이 꼬여있는 형상을 가지는 경우가 많다. 이와 같은 배관들은 내측 배관 검사 시 외측 배관을 분리해야 하는 수고를 감수하여야 하며, 높은 곳에 설치된 배관의 경우 접근의 어려움을 가지는 등의 단점이 있다.

이런 이유로 인하여, 보다 간편하고 저렴한 방법으로 배관에 접근가능하며 배관요소가 갖고 있는 입체적 형상에서 적합한 주행을 통해 배관 내부를 이동하며 검사할 수 있는 검사장비에 대한 필요성이 대두되어 왔다.

결국, 배관이라고 하는 특이하고 제한된 3차원 공간에서 주행하며 그 내부를 면밀히 검사할 수 있는 이동 로봇이 개발되었으며 현재 많은 연구가 진행 중에 있다.

상기 배관의 내부 검사용 이동 로봇은 그 이동 방법에 따라 보행형, 바퀴형, 무한궤도형, 신축형 등으로 분류된다.

이 중, 직관에서는 매우 효율적인 이동을 보여주며 주행 시 많은 에너지를 필요로 하지 않는 바퀴형 이동 로봇이 널리 사용되고 있으며, 하기 문헌 1의 한국공개특허공보 제2000-0073460호에 그 대표적인 구성이 개시되어 있다.

이러한 종래의 배관 내부 검사용 이동 로봇은 하나의 구동모터를 몸체로 하고, 한 쌍의 몸체가 조향장치인 이중능동 유니버설조인트로 연결되어 있다. 그리고 각 구동모터의 둘레에는 배관의 이동경로를 따라 이동하는 복수의 바퀴가 장착되어 있으며, 구동모터와 각 바퀴는 동력전달장치로 연결되어 있다. 또한, 종래의 이동 로봇은 조향장치에 의해 수평 및 수직으로 설치되는 직선관로 및 곡선관로를 이동할 수 있으며, 또한 배관의 단면이 변화하는 배관 내에서도 원활하게 이동할 수 있다.

그러나 종래의 배관의 내부 검사용 이동 로봇은 곡선관로를 원활하게 이동할 수 있도록 별도의 조향장치가 필요하게 되어 기계적 구성요소가 많아지므로 그 구조가 복잡해지는 문제점이 있었다.

이를 해결하기 위해, 본 발명자는 하기 문헌 2의 한국등록특허공보 제0467792호에 개시된 바와 같이, 이동 로봇의 구조를 단순화하면서 별도의 조향장치 없이 곡선 관로를 원활하게 이동할 수 있는 이동 로봇을 개발하였다.

그러나 하기 문헌 2에 개시된 기술은 곡관에서의 주행을 위해서 3개의 구동부를 동시에 작동시켜야 함으로 발생하는 과도한 전력소모의 문제점과, 곡관 주행을 위한 복잡한 자세제어 알고리즘이 요구되는 문제점 및 로봇의 배관 내 돌발 상 황 발생 시 견인 및 회수가 용이하지 않은 문제점이 있었다.

또 상기 배관 로봇이 가지는 한계점으로 지적되는 곡관에서의 주행을 위해서 3개의 구동부를 동시에 작동시켜야 함으로 발생하는 과도한 전력소모의 문제점, 곡관 주행을 위한 복잡한 자세제어 알고리즘이 요구되는 문제점 및 로봇의 배관 내 돌발 상황 발생 시 견인 및 회수가 용이하지 않은 문제점을 보완하여 개발된 8인치 배관 검사용 이동 로봇이 현재 출원번호 제10-2006-0065530호에 개시된 바와 같이 출원 중에 있다.

또 이와 같은 이동 로봇에 대해서는 하기 문헌 3 내지 문헌 6에 개시되어 있다.

하기 문헌 문헌 3 내지 문헌 6에는 기존의 배관 내부 검사용 이동로봇에 대한 개발 내용. (차동구동방식, 관절형 조향방식, 벽면압착방식 등)

배관 로봇의 이동을 위해 차동구동방식을 사용함으로써 곡관 및 분기관을 보다 원활하게 주행할 수 있으며 조향성능을 높이기 위한 방법으로 관절형 조인트를 사용하여 원하는 이동방향으로의 조향할 수 있다. 또 로봇이 배관 면에 원활히 적응 및 고정할 수 있기 위해 벽면압착방식을 사용할 수 있다.

배관 로봇을 조향을 단 한 개의 구동모터만으로도 가능하게 함으로써 동력손실을 줄였고, 바퀴로의 동력전달을 베벨기어를 기본으로 사용함으로써 로봇이 배관 내부에서 고장이 발생하거나 장애물에 갇혔을 경우 조작자가 원활히 로봇을 배출시킬 수 있게 하였다.

[문헌 1] 대한민국 공개특허공보 제2000-0073460호(200.12.05 공개)

[문헌 2] 대한민국 등록특허공보 제0467792호(2005.01.13 등록)

[문헌 3] Se-gon Roh, Hyouk Ryeol Choi, “Differential Drive Inpipe Robot Moving Inside of Urban Gas Pipeline,” IEEE Transactions on Robotics and Automation, Vol. 21, No. 1, pp.1-17, 2005

[문헌 4] H. Choi, S. Ryew, "Robotic system with active steering capability for internal inspection of urban gas pipelines," Mechatronics, Vol. 26, No. 1, pp.105-112, 2002

[문헌 5] S. Ryew, S. Baik, S. Ryu, K. Jung, S. Roh, and H. Choi, “Inpipe inspection robot system with active steering mechanism,”in Proc. IEEE Int. Conf. Intelligent Robots, Systems, 2000, pp. 1652-1657

[문헌 6] S. Nagano and Y. Oka, “Application of in-pipe visual inspection robot to piping internal surface lining,” in Proc. 5th Int. Symp. Robotics in Construction, pp. 897-906, 1988

그러나 상기 문헌에 개시된 검사용 이동 로봇들은 단순히 배관을 이동할 수 있는 구동모듈에 속하며 동력의 공급 및 로봇의 제어가 외부 케이블을 통해서 이루어져야 하기에 케이블 길이에 따른 이동 및 탐사에 제한사항이 따를 수밖에 없다.

이에 따라, 배관 탐사 로봇을 실제 환경에 투입하여 적용할 수 있고 배관형상에 보다 적합한 주행이 가능하도록 하는 통합적인 이동 로봇의 필요성이 커지게 되었다.

본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 독립된 제어장치와 전력 공급 장치를 갖추고 스스로 배관내부를 탐사하며 배관의 매설 분포를 알 수 있으며, 나아가 자율적으로 배관을 탐사하며 배관의 이상 유무를 검사할 수 있는 안정된 자율 주행 시스템을 가지는 배관 내부 검사용 이동로봇을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 한정된 배관 내 공간에서 최대한의 적재공간의 확보와 동시에 배관 내 원활한 이동이 가능하여 상기 제어장치 및 전원 공급원인 배터리를 탑재함은 물론 비파괴 검사장비와 같은 추가적인 배관 검사장비의 장착이 용이한 중간모듈을 가지는 검사용 이동로봇을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 배관 굴곡에 따른 각 모듈의 각도 및 위치 변화에 적절하게 대처하고 견인력 및 추진력을 유지하며 각 모듈 간 비틀림을 방지하는 유연한 링크 메커니즘과 제어 장치 및 배터리를 탑재하는 중간모듈이 항상 배관 중심에 위치하도록 하여 배관에 접촉하지 않게 하여주는 연동 링크 메커니즘을 사용하는 배관 내부 검사용 이동 로봇을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에서는 배관 내부 검사용 이동로봇에 있어서, 전방 및 후방에 설치되어 견인력 및 추진력을 발생시킴과 동시에 분기관에서 각 구동모듈의 각속도 차를 이용하여 조향이 가능한 2개의 구동모듈, 독립적인 컨트롤 장치 및 전원 공급 장치인 배터리를 각각 탑재하는 컨트롤 모듈 및 배터리 모듈 및 각 모듈 간 견인력 및 추진력을 전달하며 비틀림을 방지함과 동시에 곡관 및 분기관 등 배관 내 형상에 따라 유연하게 변형되어 원활한 배관 내 주행이 가능하게 하여 주는 링크 모듈을 가지는 것을 특징으로 하는 모듈형 배관 내부 검사용 이동로봇을 마련한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 본 발명에 따른 배관 내부 검사용 이동로봇은 제어 모듈 및 배터리 모듈을 장착함으로써 독립적인 배관 내 자율주행이 가능하며, 제한된 배관 내 공간에서 최대의 적재공간을 확보함과 동시에 원활한 배관 내 이동이 가능한 중간모듈과 각 모듈 간 견인력 및 추진력을 전달하며 배관의 형상에 따라 적절히 변형되는 링크 모듈을 제공함으로써 상기 제어 모듈 및 배터리 모듈의 적재는 물론 추가적인 검사장비의 탑재 및 확장이 용이하다.

본 발명의 상기 및 그 밖의 목적과 새로운 특징은 본 명세서의 기술 및 첨부 도면에 의해 더욱 명확하게 될 것이다.

먼저 본 발명의 개념에 대해 설명한다.

본 발명에서 개발된 배관 내부 검사용 로봇은 제어 모듈과 배터리 모듈을 장착함으로써 독립된 제어 시스템과 전원 공급 장치를 갖추어 스스로 배관 내부를 탐사하고 배관 지도를 작성할 수 있는 주행 시스템의 기반을 마련하고, 배관 내 한정된 공간 내에서 최대한의 적재공간을 가지는 중간 모듈을 설치하여 비파괴 검사 장비 등 각종 검사 및 시험 장비를 탑재하고 배관 내부를 원활히 주행할 수 있게 하였다.

또한 각 모듈 간 견인력 및 추진력을 전달하며 비틀림을 방지하고 곡관 및 분기관 등의 배관의 형상에 따라 적절히 변형되는 링크 모듈을 설치하여 목적에 따라 추가 장착 및 변형이 가능한 모듈형 배관 내부 검사용 로봇을 개발하였다.

케이블에 의해 제한사항이 발생하는 기존의 배관 내부 검사용 이동로봇의 한계점을 극복하여 제어 모듈과 배터리 모듈을 가지고 독립적으로 배관 내부 탐사가 가능하며 목적에 따라 추가적인 시험 장비의 장착 및 변경이 가능하다.

이하, 본 발명의 구성을 도면에 따라서 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 배관 내부 검사용 이동 로봇의 전체 사시도이고, 도 2는 도 1에서 구동모듈을 나타내는 사시도이고, 도 3은 도 1에서 컨트롤모듈을 나타내는 사시도이고, 도 4는 도 1에서 배터리모듈을 나타내는 사시도이고, 도 5는 도 1에서 중간모듈 간 링크모듈을 나타내는 사시도이고, 도 6은 도 1에서 구동모듈 및 중간모듈 간 링크모듈을 나타내는 사시도이고, 도 7a는 도 3및 도 4에서 연동 링크부의 주요부를 나타내는 사시도이고, 도 7b는 도 7a의 정면도이고, 도 7c는 도 7a의 연동 링크부의 작동을 보여주는 설명도이며, 도 7d는 도 7a의 분해도이고, 도 8은 본 발명에 따른 배관 내부 검사용 이동 로봇의 배관 내에서의 주행상태도이고, 도 9는 로봇이 배관 내에 잠기거나 고장발생시 조작자의 대처 상황 설명도이다.

본 발명에서는 도 1내지 도 9에 도시된 바와 같이, 배관 내부 검사용 이동로봇에 있어서, 전방 및 후방에 설치되어 견인력 및 추진력을 발생시킴과 동시에 분기관에서 각 구동모듈의 각속도 차를 이용하여 조향이 가능한 2개의 구동모듈, 독립적인 컨트롤 장치 및 전원 공급 장치인 배터리를 각각 탑재하는 컨트롤 모듈 및 배터리 모듈 및 각 모듈 간 견인력 및 추진력을 전달하며 비틀림을 방지함과 동시에 곡관 및 분기관 등 배관 내 형상에 따라 유연하게 변형되어 원활한 배관 내 주행이 가능하게 하여 주는 링크 모듈을 가지는 것을 특징으로 하는 모듈형 배관 내부 검사용 이동로봇을 마련한다.

여기서 상기 구동모듈은 현재 본 발명자가 출원중인 출원번호 제10-2006-0065530호의 배관 내부 검사용 이동로봇에 개시된 바와 같이, 몸체부, 상기 몸체의 축선을 중심으로 방사상으로 120°각도를 이루며 상호 배치되어 동력을 발생시키는 3개의 구동부, 상기 몸체와 상기 각 구동부 사이에서 상기 몸체와 상기 각 구동부를 연결하는 복수의 링크부 및 전방 감시용 CCD카메라를 탑재하는 카메라부로 구성되며, 각기 전방 및 후방에 배치되어 진다.

또 상기 로봇의 중간모듈 간 연결용 링크모듈은 전 후 2개의 유니버셜 조인트부 및 연결링크로 구성되며, 각각의 유니버셜 조인트는 2축의 자유도를 가지고 있어 로봇이 곡관 및 분기관에 진입함에 따라 발생하는 각 모듈 간 각도 변화에 맞추어 형상이 변경되어 각 모듈 간 견인력 및 추진력을 유지하며 비틀림을 방지하여 부드러운 주행을 가능하게 한다.

또한 상기 로봇의 구동모듈 및 중간모듈 연결용 링크모듈은 전 후 2개의 유니버셜 조인트부 및 연결스프링으로 구성되며, 각각의 유니버셜 조인트는 2축의 자유도를 가지고 있고 연결스프링 또한 추가적인 2축의 자유도를 제공함으로써 분기관에서 구동모듈이 각속도차를 이용한 조향을 실시할 때에 요구되는 복잡한 링크구조물의 형상변형을 만족함과 동시에 각 모듈 간 견인력 및 추진력을 유지하며 비틀림을 방지하여 부드러운 주행을 가능하게 한다.

또한 상기 컨트롤 모듈 및 배터리 모듈은 중간모듈을 기반으로 동일한 구조형상을 가지며 다만 컨트롤 모듈은 추가적인 컨트롤 부를 가지고 있다. 상기 중간모듈은 배관 내부 주행 간 적재공간이 배관 내부에 접촉하거나 간섭받지 않는 범위 내에서 최적화된 크기를 가지는 원통형상의 모듈 탑재부와 전 방 및 후방에서 원통의 축선을 중심으로 방사상으로 120°각도를 이루며 상호 배치되어 모듈탑재부를 지지하도록 구성된 6개의 구동부와 각 구동부가 동일한 압력으로 배관 내 밀착이 되어 모듈 탑재부가 항상 배관 내 중심에 자리 잡을 수 있도록 하여 주는 2개의 연동 링크부로 구성된다.

상기 연동링크부는 원통의 중심축을 기준으로 내측 와셔, 내측 링 링크, 외측 와셔, 외측 링 링크 순으로 삽입되어 내측 링 링크 및 외측 링 링크는 각각 반대되는 방향으로 회전하여 지며 1개의 구동부를 기준으로 내측 링 링크 및 외측 링 링크는 각각 좌측 지지 링크 및 우측 지지 링크와 연결되어 구동부에 연결되게 된다.

상기 구동부는 구동부 지지 마운트의 슬립 와셔에 삽입된 실린더에 의해 지지되며, 지지 마운트와 보조 바퀴 샤프트 바디에 의해 지지되는 2개의 스프링에 의해 탄성력을 가지게 되므로 배관 내 상기 중간모듈의 위치 시 구동부의 배관 내 접촉부에 대한 압력을 발생시켜 배관 내 밀착이 가능토록 하게 한다.

또한 상기 구동부는 상기 연동 링크부와 결합되어 중간모듈의 중심축을 중심으로 120°각도를 이루며 설치된 주변의 2개의 구동부와 연동되어 3개의 구동부가 동일한 지지력을 발생시켜 중간모듈이 항상 배관 내 중심에 위치할 수 있도록 한다.

배관 내 주행 시 각 구동모듈 및 중간모듈의 바퀴가 배관 내면에 동일한 압력으로 접하면서 구동모듈 몸체 및 모듈탑재부가 배관 내면에 닫지 않고 항상 중심에 위치하도록 하며 곡관 및 분기관 등 배관요소에 따라 적절히 그 형상이 변경되어 원활한 주행이 가능토록 하며, 상기 전방 및 후방의 구동모듈과 링크모듈을 통해 추진력 및 견인력을 발생시켜 원활한 주행이 가능하다.

이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.

본 발명의 배관 내부 검사용 이동로봇은 배관 기반의 인프라 시설의 유지/보수 분야, 상하수도시설관리업체, 도시가스업체, 석유화학공업 분야에 유용하다.

도 1은 본 발명에 따른 배관 내부 검사용 이동 로봇의 전체 사시도.

도 2는 도 1에서 구동모듈을 나타내는 사시도.

도 3은 도 1에서 컨트롤모듈을 나타내는 사시도.

도 4는 도 1에서 배터리모듈을 나타내는 사시도.

도 5는 도 1에서 중간모듈 간 링크모듈을 나타내는 사시도.

도 6은 도 1에서 구동모듈 및 중간모듈 간 링크모듈을 나타내는 사시도.

도 7a는 도 3및 도 4에서 연동 링크부의 주요부를 나타내는 사시도이고, 도 7b는 도 7a의 정면도이고, 도 7c는 도 7a의 연동 링크부의 작동을 보여주는 설명도이며, 도 7d는 도 7a의 분해도.

도 8은 본 발명에 따른 배관 내부 검사용 이동 로봇의 배관 내에서의 주행상태도.

도 9는 로봇이 배관 내에 잠기거나 고장발생시 조작자의 대처 상황 설명도.

Claims (4)

1. 배관 내부 검사용 이동로봇에 있어서,

   전방 및 후방에 설치되어 견인력 및 추진력을 발생시킴과 동시에 분기관에서 각 구동모듈의 각속도 차를 이용하여 조향이 가능한 2개의 구동모듈,

   독립적인 컨트롤 장치 및 전원 공급 장치인 배터리를 각각 탑재하는 컨트롤 모듈 및 배터리 모듈과

   각 모듈 간 견인력 및 추진력을 전달하며 비틀림을 방지하고 곡관 및 분기관 등 배관 내 형상에 따라 유연하게 변형되어 원활한 배관 내 주행이 가능하게 하여 주는 링크 모듈을 가지는 것을 특징으로 하는 모듈형 배관 내부 검사용 이동로봇.
2. 제1항에 있어서,

   상기 목적 달성을 위해 배관 굴곡에 따른 각 모듈의 각도 및 위치 변화에 적절하게 대처하고 견인력 및 추진력을 유지하며 각 모듈 간 비틀림을 방지하기 위해 전 후방 각각 2자 유도를 가지는 유니버셜 조인트 및 유연한 스프링을 가지는 링크모듈을 가지는 것을 특징으로 하는 배관 내부 검사용 이동로봇.
3. 제1항에 있어서,

   상기 목적 달성을 위해 한정된 배관 내 공간에서 최대한의 적재공간의 확보와 동시에 배관 내 원활한 이동이 가능하여 상기 제어장치 및 전원 공급원인 배터리를 탑재함은 물론 비파괴 검사장비와 같은 추가적인 배관 검사장비의 장착 및 탈 거가 용이한 중간모듈을 가지는 것을 특징으로 하는 배관 내부 검사용 이동로봇.
4. 제3항에 있어서,

   중간모듈이 곡관 및 분기관과 같은 제한된 배관 내 공간에서 벽면에 접촉 등의 간섭을 받지 않고 원활이 이동할 수 있도록 항상 배관 내 중심에 위치할 수 있도록 구동부가 동일한 압축력으로 벽면에 밀착할 수 있게 하여주는 연동링크부를 가지는 것을 특징으로 하는 배관 내부 검사용 이동로봇.

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