KR20140042009A - 중수로 원자로 원격육안검사 시스템 및 중수로 원자로 원격육안검사 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 인원출입이 제한되는 고준위 방사선 환경인 중수로 원자로(칼란드리아) 내부 구성품의 육안검사 수행을 위한 중수로 원자로 원격육안검사 시스템을 제공함에 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 다관절의 로봇 암(Arm)으로 구성된 로봇부;와, 상기 로봇부의 로봇 암 끝단에 조명 및 내방사선 카메라가 설치되어, 중수로 원자로의 격자관 내부 출입을 통해 내부 영상정보를 취득하는 영상장치부;와, 상기 격자관과 상기 로봇 암 간의 좌표계를 설정하고, 상기 설정된 좌표값에 따라 상기 로봇 암을 정렬하는 축 정렬 장치부;와, 상기 로봇 암의 각 관절 구동정보와 상기 영상정보를 동기화함과 동시에 상기 로봇부를 원격제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 다관절의 로봇 암(Arm)으로 구성된 로봇부;와, 상기 로봇부의 로봇 암 끝단에 조명 및 내방사선 카메라가 설치되어, 중수로 원자로의 격자관 내부 출입을 통해 내부 영상정보를 취득하는 영상장치부;와, 상기 격자관과 상기 로봇 암 간의 좌표계를 설정하고, 상기 설정된 좌표값에 따라 상기 로봇 암을 정렬하는 축 정렬 장치부;와, 상기 로봇 암의 각 관절 구동정보와 상기 영상정보를 동기화함과 동시에 상기 로봇부를 원격제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 중수로 원자로 원격육안검사 시스템에 관한 것으로, 특히 고준위 방사선 환경인, 중수로 원자로(칼란드리아) 내부에 대한 육안검사를 수행할 수 있도록 하는 중수로 원자로 원격육안검사 시스템에 관한 것이다.
칼란드리아는 중수로형 원자력 발전소의 원자로의 핵연료 주입실린더로 발전소의 정상가동중에 핵연료를 주입하고, 연소된 핵연료 다발을 배출하는 구조를 갖는 원통형태의 파이프 구조를 하고 있는 380개의 칼란드리아관 및 압력관을 내포하고 있는 수평원통형 구조를 갖고 있다.
발전소 운전중에는 해당기기가 있는 장소는 고방사선문제로 인원출입이 제한되어 칼란드리아의 외부에 대한 점검이 불가능한 문제점이 있었다.
또한 고방사선으로 인한 문제와 장비투입구가 없는 문제로 인해 칼란드리아 내부에 대한 점검은 발전소 정지기간에도 불가능하였다.
이에 상기의 칼란드리아 외부에 대한 점검이 불가능한 문제점을 해결하기 위해 국내공개특허 제10-2001-0048485호, 칼란드리아 전면부 점검용 이동로봇이 제안되었다.
위의 종래 특허는 칼란드리아 전면부(외부) 점검용으로만 이용가능하며, 칼란드리아 내부로 투입 및 점검은 불가능하다.
칼란드리아 내부는 점검구가 없기 때문에, 설비개선을 위해 칼란드리아관 및 압력관의 교체를 위해 기존품을 제거하고 신품 설치 이전에 제거된 칼란드리아관 및 압력관(약 6" 원형)이 있던 공간(6")을 이용하여 장비를 투입하여 점검하여야 한다.
상기한 바와 같은 종래의 칼란드리아 전면부 점검용 이동로봇은 칼란드리아 외곽의 전면부 점검용 이동로봇에 한정되며; 상기 이동로봇은 카메라를 구비하고, 카메라의 각도를 조절하는 헤드부와, 상기 헤드부를 상/하로 수직이동시키는 마스트부와, 상기 마스트부 하부에 연결·설치되고, 밸트 및 바퀴를 선택 구동하여 이동로봇을 이동시키는 이동부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
금번 발명에 의해 검사하고자 하는 중수로 원자로(칼란드리아) 내부는 380개의 칼란드리아관과 압력관을 내포한 구조이며, 각 압력관마다 12다발의 핵연료가 장전되어서 중수에 의해 냉각되는 형태이다. 칼란드리아는 종단차폐체와 격자관(Lattice Tube)에 의해 지지되며 내부는 반응도 제어를 위한 중성자 흡수 시스템(액체 및 고체 방식), 발전소 정지를 위한 정지봉(Shutoff Rod), 액체 독물질(Liquid Poison) 제어 시스템, 감속재 입출구 노즐 등의 내장품으로 구성되어 있다.
칼란드리아 튜브 시트는 칼란드리아 용기와 종단차폐체(End Shield)의 경계가 되는데, 종단차폐체를 중심으로 볼 때 노심에 가까운 쪽에는 칼란드리아 관판으로, 노심 반대쪽 연료교환기에 가까운 쪽에는 연료 관판(Fuelling Tube sheet)으로 닫혀있으며, 종단차폐체 내부는 칼란드리아관과 연결되는 380개의 격자관(Lattice tube)을 갖는다. 그래서 내부를 관찰할 수 있는 유일한 통로는 직경 약 6"인 격자관뿐이며, 국내 중수로형 원자력 발전소에 검사 장비를 적용한 경우가 없었다.
중수로 원자로의 사용기간이 길어짐에 따라 원자로 내부의 각 기기 상태를 직접 검사해야 할 필요성이 증대되어 원자로 내부를 직접 육안검사 할 수 있는 장치의 개발이 요구되고 있다.
그리고 중수로 원자로는 가동 중에 검사가 불가능한 구조로 설비개선을 위해 칼란드리아관과 압력관의 교체시에 두 개의 관 제거 후 신품 설치전 기간에만 검사가 가능하며, 통상 이들 설비는 20년 이상 사용하므로 칼란드리아관 및 압력관 교체시에는 교체하지 않는 내부 구성품의 건전성 확인을 위한 칼란드리아 내부에 대한 육안검사가 필수적이다. 이에 따라 기존에 개발된 장비가 없는 고준위 방사선 환경과 복잡한 구조를 갖는 칼란드리아 내부 구성품의 검사를 위한 육안검사 장비의 개발이 요구되고 있다.
이에, 본 발명은 상기한 바와 같은 제문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 장비의 출입구가 없고, 인원 출입이 불가능한 고준위 방사선 환경인 중수로 원자로(칼란드리아) 내부 구성품의 육안검사 수행을 위하여 설비개선 시기(통상 상업운전 후 20년 이상 시점)에 제거기기의 공간을 이용하여 중수로 원자로 내부에 대한 원격육안검사 시스템을 제공함에 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명(중수로 원자로 원격육안검사 시스템)은 복잡한 구조의 칼란드리아 내부의 어느 곳이건 접근 가능한 최적 구조의 다관절의 로봇 암(Arm)으로 구성된 로봇부(100); 상기 로봇부의 로봇 암 끝단에 조명 및 내방사선 카메라가 설치되어, 중수로 원자로의 격자관 내부 출입을 통해 내부 영상정보를 취득하는 영상장치부(200); 상기 격자관과 상기 로봇 암 간의 좌표계를 설정하고, 상기 설정된 좌표값에 따라 상기 로봇 암을 정렬하는 축 정렬 장치부(300); 및 상기 로봇 암의 각 관절 구동정보와 상기 영상정보를 동기화함과 동시에 상기 로봇부를 원격제어하는 제어부(400);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
한편, 중수로 원자로 원격육안검사 방법에 있어서, (a) 제어부가 중수로 원자로의 격자관과 로봇부의 로봇 암 간의 좌표계를 설정하는 단계; (b) 상기 제어부가 상기 설정된 좌표값에 따라 상기 로봇 암의 위치를 정렬하는 단계; (c) 상기 제어부가 상기 정렬된 로봇부 암을 중수로 원자로의 격자관 내부로 출입하여 원자로 내부 영상정보를 영상장치부로부터 입력받는 단계; 및 (d) 상기 제어부가 상기 로봇 암의 각 관절 구동정보와 상기 영상정보를 동기화함과 동시에 상기 로봇부의 로봇 암을 원격제어하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 중수로 원자로 원격육안검사 시스템은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 본 발명에 따른 중수로 원자로 원격육안검사 시스템은 고준위 방사선 환경인 칼란드리아 전단에 로봇부를 설치하고, 인원출입이 자유로운 위치에 제어부를 설치하여 원격으로 로봇이 구동하도록 구성하여 검사자의 방사선 피폭을 최소화하며, 방사선 환경에서도 사용가능한 기계식 축 정렬 장치를 활용한 자동 축 정렬 장치를 이용하여 축정렬을 수행할 수 있도록 고안하여 출입구의 협소함, 내부 구성품의 복잡한 형상에서 로봇 암의 충돌, 끼임을 방지하는 효과가 있다.
둘째, 동기화 개념을 시스템에 도입하여 칼란드리아 3D CAD 도면에서 로봇 암의 각 축이 실제 구동된 만큼 실시간으로 3차원 가상현실 화면에서 구현하도록 하여 운전 보조수단을 제공하며, 검사 카메라 입장의 가상현실 화면 구성으로 평가 보조수단으로 활용하는 효과가 있다.
셋째, 안전 기능 확보를 위해 설정된 칼란드리아 좌표계를 바탕으로 위험구역에서 로봇 암이 정지되는 제어 방식과 로봇부의 전원상실시 수동으로 로봇 암을 직선화 할 수 있는 효과가 있다.
넷째, 고안된 로봇의 제원과 제작한 칼란드리아 3D 도면을 활용하여 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 피검사체인 칼란드리아 내부구성품이 누락 없이 검사되어지게 하며, 절차서에 기술된 바와 같이 로봇의 각 관절을 순서대로 구동하면 검사체와 충돌을 피할 수 있는 로봇의 구동 절차서를 고안하여 칼란드리아 원격육안검사의 신뢰성 및 안전성을 확보할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 중수로 원자로 원격육안검사 시스템을 도시한 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 중수로 원자로 원격육안검사 시스템의 로봇부를 나타낸 측면도.
도 3은 본 발명에 따른 중수로 원자로 원격육안검사 시스템의 로봇부를 나타낸 정면도.
도 4는 본 발명에 따른 중수로 원자로(칼란드리아)를 도시한 예시도.
도 5는 본 발명에 따른 중수로 원자로 원격육안검사 시스템의 축 정렬 장치를 도시한 예시도.
도 6은 본 발명에 따른 중수로 원자로 원격육안검사 시스템의 좌표계 설정을 도시한 예시도.
도 7은 본 발명에 따른 중수로 원자로 원격육안검사 시스템을 이용한 방법의 전체흐름도.
도 8은 본 발명의 중수로 원자로 원격육안검사 방법에 따른 중수로 원자로의 격자관과 로봇부의 로봇 암 간의 좌표계를 설정하는 단계를 나타낸 상세 흐름도.
도 9는 본 발명의 중수로 원자로 원격육안검사 방법에 따른 로봇 암의 위치를 정렬하는 단계를 나타낸 상세 흐름도.
도 10은 본 발명의 중수로 원자로 원격육안검사 방법에 따른 로봇 암의 각 관절 구동정보와 상기 영상정보를 동기화함과 동시에 상기 로봇부의 로봇 암을 원격 제어하는 단계를 나타낸 상세 흐름도.
도 11은 본 발명에 따른 중수로 원자로 원격육안검사 시스템의 일인칭 입장(관찰 카메라 입장) 영상을 도시한 예시도.
도 12는 본 발명에 따른 중수로 원자로 원격육안검사 시스템의 제 3자의 입장(가상현실) 영상을 도시한 예시도.
도 13은 본 발명에 따른 중수로 원자로 원격육안검사 시스템의 로봇 구동 절차를 도시한 예시도.
도 2는 본 발명에 따른 중수로 원자로 원격육안검사 시스템의 로봇부를 나타낸 측면도.
도 3은 본 발명에 따른 중수로 원자로 원격육안검사 시스템의 로봇부를 나타낸 정면도.
도 4는 본 발명에 따른 중수로 원자로(칼란드리아)를 도시한 예시도.
도 5는 본 발명에 따른 중수로 원자로 원격육안검사 시스템의 축 정렬 장치를 도시한 예시도.
도 6은 본 발명에 따른 중수로 원자로 원격육안검사 시스템의 좌표계 설정을 도시한 예시도.
도 7은 본 발명에 따른 중수로 원자로 원격육안검사 시스템을 이용한 방법의 전체흐름도.
도 8은 본 발명의 중수로 원자로 원격육안검사 방법에 따른 중수로 원자로의 격자관과 로봇부의 로봇 암 간의 좌표계를 설정하는 단계를 나타낸 상세 흐름도.
도 9는 본 발명의 중수로 원자로 원격육안검사 방법에 따른 로봇 암의 위치를 정렬하는 단계를 나타낸 상세 흐름도.
도 10은 본 발명의 중수로 원자로 원격육안검사 방법에 따른 로봇 암의 각 관절 구동정보와 상기 영상정보를 동기화함과 동시에 상기 로봇부의 로봇 암을 원격 제어하는 단계를 나타낸 상세 흐름도.
도 11은 본 발명에 따른 중수로 원자로 원격육안검사 시스템의 일인칭 입장(관찰 카메라 입장) 영상을 도시한 예시도.
도 12는 본 발명에 따른 중수로 원자로 원격육안검사 시스템의 제 3자의 입장(가상현실) 영상을 도시한 예시도.
도 13은 본 발명에 따른 중수로 원자로 원격육안검사 시스템의 로봇 구동 절차를 도시한 예시도.
이하, 본 발명에 첨부한 예시도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 중수로 원자로 원격육안검사 시스템을 도시한 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 중수로 원자로 원격육안검사 시스템의 로봇부를 나타낸 측면도이며, 도 3은 본 발명에 따른 중수로 원자로 원격육안검사 시스템의 로봇부를 나타낸 정면도이다.
이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 중수로 원자로 원격육안검사 시스템은 다관절의 로봇 암(Arm)으로 구성된 로봇부(100)와; 상기 로봇부의 로봇 암 끝단에 조명 및 내방사선 카메라가 설치되어, 중수로 원자로의 격자관 내부 출입을 통해 내부 영상을 취득하는 영상장치부(200)와; 상기 격자관과 상기 로봇 암 간의 좌표값을 정렬하는 축 정렬 장치부(300)와; 상기 영상장치부의 취득 영상을 편집함과 동시에 상기 로봇부를 원격제어하는 제어부(400);로 구성된다.
즉, 본 발명에 따른 중수로 원자로 원격육안검사 시스템은 로봇부, 영상장치부, 축 정렬 장치부 및 제어부가 유기적으로 결합되어 이루어진 장치이다.
여기서, 상기 로봇부(100)는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 다관절의 로봇 암(Arm)으로 구성된다.
이러한 로봇부(100)는 소정 형상의 플랫폼(111) 상부에 로봇 베이스(112)를 사이로 연결되는 좌,우 조정 축 유닛(113,114)과 상,하 조정 축 유닛(115,116)으로 이루어지는 축 정렬 관절(110); 상기 축 정렬 관절의 상부에 상기 로봇 암이 상기 중수로 원자로 내부로 전진 또는 후진시키는 F1축 유닛(121)과, 상기 F1축 유닛의 전진 또는 후진 길이를 증가시키는 F2축 유닛(122)으로 이루어지는 슬라이딩 관절(120); 상기 슬라이딩 관절에서 상기 중수로 원자로 방향의 F1축 유닛 끝단 부위에 0 내지 100도로 굽힘회전하는 암(Arm)축(131)과, 상기 암축으로부터 연장되어 0 내지 90도로 굽힘회전하는 틸트(Tilt) 축(132)으로 이루어지는 굽힘관절(130); 및 상기 슬라이딩 관절의 F1축 유닛 상에 위치하고, 상기 굽힘관절에 연결되어 상기 굽힘관절의 암 축 또는 틸트 축을 회전시키는 회전축 유닛(141)으로 이루어지는 회전관절(140);을 포함하는 것을 특징으로 한다.
한편, 로봇부는 로봇부 하부에 위치한 축정렬 수행을 위한 4개의 축과 로봇부 상부에 위치한 외팔보 형태의 7개 축으로 구성된 로봇 암(Arm)으로 구성된다. 로봇 암(Arm)은 검사체(칼란드리아) 내부로 삽입되는 부분으로 복잡한 형상의 칼란드리아 내부에서 전진(4개), 회전(1개), 굽힘(2개) 등을 수행하며, 로봇 암(Arm)의 구조 및 제원은 칼란드리아 모든 내부 구성품의 육안검사 수행이 가능하도록 고안하였다.
여기서, 칼란드리아 양단에서 검사가 가능하므로 한쪽에서 원자로 중간(4m) 까지 검사가 가능하여야 하고, 장비 안착 장소인 플랫폼과 원자로간의 이격 거리(약 1m)를 감안하여 로봇 암의 총 스트로크가 6m인 4개의 슬라이딩 관절, 근접검사 및 장비 투입구 방향의 칼란드리아 튜브 시트를 검사하기 위한 2개의 90도 굽힘 관절, 1개의 회전관절 및 격자관과 로봇 암(Arm)간의 정밀한 축 정렬을 위한 4개의 축 정렬 관절을 갖도록 고안하였다. 이는 칼란드리아 내부가 수직/수평의 각종 내부 구성품으로 매우 복잡한 구조를 갖기 때문에 검사에 최적화하여 고안한 관절 제원이다. 또한 검사체 내부가 고방사선 구역이므로 카메라를 포함하는 모든 칼란드리아 내부 투입부분은 방사선에 안전한 기기(비 전자식 기기)로 고안하였다.
이러한 다관절의 로봇 암은 하부의 플랫폼 레일위에서 이동이 가능하고, 공압에 의해서 레일과 밀착되어 상기 로봇 암을 지지하도록 고안하였다.
한편, 중수로 원전의 원자로(칼란드리아)는 도 4에 도시된 바와 같이 약 길이 8m, 지름 8m인 수평 원통형구조로서, 내부에 각종 기기가 설치되어있는 복잡한 구조이다.
또한, 영상장치부(200)는 로봇 암(Arm) 끝단에 위치하며 조명 및 내방사선 카메라를 장착하여 관찰영상을 취득하게 된다. 즉, 영상장치부는 로봇부의 로봇 암 끝단에 조명 및 내방사선 카메라가 설치되어, 중수로 원자로의 격자관 내부 출입을 통해 내부 영상을 취득하는 구성이다.
이러한 영상장치부는 로봇 암(Arm)의 칼란드리아 내부 출입을 위해서는 <도3>의 내경 6"인 원자로 격자관(Lattice Tube)을 통과해야 하므로, 내방사선 카메라를 포함한 검사체로 삽입되는 암(Arm)의 외경은 5" 이내로 고안하였다.
또한, 축 정렬 장치부(300)는 상기 격자관과 상기 로봇 암 간의 좌표값을 이용하여 로봇 암의 축을 해당 격자관의 축에 정렬하는 구성이다. 안전 및 검사 신뢰성 확보를 위한 부속설비로 자동 축 정렬 장치 및 동기화 프로그램을 고안하였다.
중수로 원자로(칼란드리아) 내부는 각종 수직/수평의 내부 구성품으로 구성되어 위치에 따라 간극이 약 7" 정도로 협소한 부분이 많으므로 직진, 회전 운동시 충돌 끼임 등 안전사고를 주의하여야 한다.
그리고 중수로 원자로(칼란드리아) 원격육안검사는 수명이 다한 칼란드리아관 및 압력관 교체를 위한 기간에만 가능하며, 칼란드리아관의 제거 후 신품 설치 이전에 수행하게 된다.
이러한 중수로 원자로(칼란드리아) 원격 육안검사 시스템의 출입구로 이용되는 380개의 격자관 가운데 어떤 격자관을 이용하더라도, 격자관의 수평방향은 제거된 칼란드리아관이 위치했던 곳으로 내부구성품이 존재하지 않는다. 그래서 격자관과 로봇 암간의 축정렬이 양호하면 칼란드리아 내부구성품과 로봇 암(Arm)간의 접촉, 끼임 등의 사고를 방지할 수 있다.
그러나 축 정렬이 불량하면 로봇 암의 끝단 좌표 오차가 커져서 특히, 관절을 90도 굽히고 회전하는 경우에 검사체(칼란드리아 내부 구성품)와 충돌할 위험이 높아진다. 축 정렬 장치부의 축 정렬 지그 센서 방식 선정은 방사선환경에 취약한 레이저 측정 방식과 광학 영상처리 방식을 배제하고 기계식 접촉 센서를 사용하여 2점에서 측정하는 방식을 고안하여 방사선 영향을 최소화하였다.
도 5에 도시된 바와 같이, 축 정렬 지그를 로봇 암(Arm)의 끝단에 부착시키고 로봇 암을 전진시켜 음영으로 표시된 격자관 입구에 Y축 센서가 접촉하게 되면 제어 프로그램의 Y축 0점을 인식하게 되며, 이 위치에서 제어 프로그램에 의해 자동 축 정렬을 수행하면 아래의 그림 3과 같이 축 정렬 지그가 상/하/좌/우 방향으로 움직여 관 내벽과 센서가 접촉되는 좌표를 찾아 Y축의 첫 번째 좌표인 Y2에서의 X, Z축의 중간 값을 인지하고 로봇 암이 Y축의 두 번째 좌표인 Y1 위치까지 자동 이동하여 상/하/좌/우 방향으로 4개의 축 정렬용 관절이 구동하여 Y1 위치에서의 X, Z축의 중간 값을 자동계산하게 된다.
위와 같이 Y1, Y2 두 곳에서 얻어진 X, Z값을 바탕으로 자동으로 로봇 암이 X, Z축에 대해 격자관 중앙에 오도록 고안하였다. 즉 두 곳에서 얻어진 +Z좌표와 -Z좌표의 중간좌표와 -X좌표와 +X좌표의 중간 좌표를 바탕으로 자동 축 정렬이 수행되는 것이다.
자동 축 정렬은 PC 기반 축정렬 용 프로그램(CIVIS_ALIGNMENT)을 사용하여 제어되며 제어 프로그램은 로봇 암 및 축 정렬 지그의 구동, 연산 및 자동 축 정렬 수행(로봇 암을 격자관 중앙으로 이동) 등을 수행하도록 고안하였다.
즉, 본 발명의 부속설비로 중수로 원자로(칼란드리아) 격자관과 로봇 암(Arm) 간의 축 정렬을 수행하는 자동 축 정렬 장치를 추가로 고안하였으며, 자동 축정렬 장치는 고방사선 구역에서는 전자센서가 매우 취약하고, 카메라를 장착한 암(Arm) 끝단에 축 정렬 지그를 영구적으로 설치시 지그가 카메라 시야를 가리는 2개의 단점을 극복하기 위해 전자센서를 사용하지 않고 기계식 접촉 센서를 사용하는 2점 측정방식과 축 정렬 지그 탈/부착이 가능하여 축 정렬 후에 탈착하여 검사 중에 카메라 시야를 방해하지 않도록 하는 방식을 고안하였다. 기계식 축 정렬 장치로 수집된 정보는 관련 프로그램에 의해 자동 계산되어 4개의 축 정렬 모터에 의해서 자동 축 정렬을 수행할 수 있도록 고안하였다.
즉, 신뢰도 있는 제어를 위해 장비의 출입구인 380개의 격자관 좌표를 제어 프로그램에 내장하여 사용 격자관 번호를 프로그램에 입력하면 도 6의 좌표계 가운데 X, Z축의 좌표를 자동인식하고 자동 축 정렬 지그의 Y축 접촉센서가 격자관에 접촉하면 프로그램이 격자관 입구임을 인식하여 장비의 Y축 0점을 자동 설정하도록 고안하였다.
한편, 제어부(400)는 영상장치부의 취득 영상을 편집함과 동시에 로봇부를 원격제어하는 구성이다.
앞서 설명한 로봇부는 고방사선 구역인 칼란드리아 전단에 설치하고, 제어부는 로봇부와 유선으로 연결하여 인원 출입이 자유스런 안전구역에 설치하여 원격으로 로봇부의 제어가 가능하도록 한다.
이러한 제어부는 로봇의 원격조정을 위한 제어프로그램과 취득영상 편집을 위한 비디오장치로 구성되며 또한 제어부의 부속장치로 동기화 장치를 고안하였다.
동기화 장치는 로봇의 모터 구동정보를 실시간으로 제어장치 내부에 사전에 작성/저장해 놓은 칼란드리아 3D CAD 도면상에 전송하여 칼란드리아 3D 도면 위에 고안된 로봇 암이 중첩되어 표현되도록 하였고, 또 다른 동기화 영상은 검사(관찰)카메라의 예상 화면을 3D CAD 화면으로 구현되도록 고안하였다.
이러한 동기화 장치는 앞서 설명한 설정된 좌표와 연계되어, 로봇 암(Arm)의 중수로 원자로(칼란드리아) 내부 구성품과의 상대 위치를 가상현실 화면에서 구현하도록 고안하였고, 좌표 설정과 동기화 구현을 위해 중수로 원자로(칼란드리아) 관련 2D 도면을 조합하여 중수로 원자로(칼란드리아) 및 내부 구성품의 모든 좌표가 입력된 중수로 원자로(칼란드리아) 3D 도면을 생성하였으며 이것을 제어 및 동기화에 활용하도록 고안하였다.
또한 제어부는 로봇부의 구동을 PC 기반으로, 모든 관절을 현재 좌표에서 증감해서 운전하는 상대변위 이동 방식과 설정된 중수로 원자로(칼란드리아) 절대좌표의 임의의 위치 입력시 해당 절대좌표까지 로봇 암을 구동하게 하는 절대변위 이동 방식이 모두 가능하도록 고안하였다.
한편, 칼란드리아 좌표 설정은 로봇부 제어 측면에서는 로봇 암과 칼란드리아 내부 구성품 간의 상대 좌표값 인식이 가능하여진 것을 의미한다.
제어부는 이러한 종합 좌표계 설정을 바탕으로 로봇 제어 프로그램에서 로봇 암을 내부구성품과 충돌하도록 구동 명령을 내리면, 이에 대한 경고 문구를 발생시키고 안전지역에서 멈추도록 고안하였다.
한편, 중수로 원자로 원격육안검사 시스템을 이용한 방법(이하, 중수로 원자로 원격육안검사 방법)을 도 7을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
우선, 제어부(400)는 중수로 원자로의 격자관과 로봇부의 로봇 암 간의 좌표계를 설정한다(S2).
다음으로 상기 제어부(400)는 상기 설정된 좌표값에 따라 상기 로봇 암 끝단의 위치를 정렬한다(S4).
다음으로 상기 제어부(400)는 상기 정렬된 로봇부 암을 중수로 원자로의 격자관 내부로 출입하여 원자로 내부 영상정보를 영상장치부로부터 입력받는다(S6).
그리고 상기 제어부(400)는 상기 로봇 암의 각 관절 구동정보와 상기 영상정보를 동기화함과 동시에 상기 로봇부의 로봇 암을 원격 제어한다(S8).
또한, 제 S2 단계에 따른 중수로 원자로의 격자관과 로봇부의 로봇 암 간의 좌표계를 설정하는 단계를 도 8을 참조하여 살펴보면 다음과 같다.
제어부(400)는 자동 축 정렬 장치부(300)를 통해 외부로부터 중수로 원자로의 격자관 번호값을 입력받는다(S12).
다음으로 상기 제어부는 상기 중수로 원자로 격자관의 좌표값(X,Z)을 데이터베이스화한다(S14).
다음으로 상기 제어부는 상기 데이터베이스의 중수로 원자로의 격자관 좌표값(X,Z)과 로봇부의 로봇 암 간의 좌표계를 설정한다(S16).
또한, 상기 제 S4 단계에 따른 로봇 암의 위치를 정렬하는 단계를 도 9를 참조하여 살펴보면 다음과 같다.
제어부(400)는 외부로부터 격자관 번호값을 입력받고, 로봇 암 끝단의 상하좌우(+Z,-Z,+X,-X)축 좌표값을 데이터베이스의 격자관 좌표값(X,Z)과 매칭시키도록 상기 로봇 암 끝단의 상하좌우축을 축 정렬 모터를 통해 이동 제어한다(S22).
그리고 상기 제어부(400)는 상기 축 정렬 모터를 통해 정렬된 로봇 암 끝단이 전진 구동하여 상기 격자관에 접촉하면 상기 로봇 암 끝단을 전진, 후진(Y)축의 0점으로 설정한다(S24).
그리고, 상기 제 S8 단계에 따른 로봇 암의 각 관절 구동정보와 상기 영상정보를 동기화함과 동시에 상기 로봇부의 로봇 암을 원격 제어하는 단계를 도 10을 참조하여 살펴보면 다음과 같다.
제어부(400)는 로봇 암의 각 관절 구동정보와 영상장치부의 영상정보와 축 정렬 장치부의 좌표계 정보와 중수로 원자로(칼란드리아)의 2D 도면정보를 수신모듈(410)을 통해 수신한다(S32).
다음으로 상기 제어부(400)는 변환모듈(420)을 통해 상기 2D 도면정보를 조합하여 3D CAD 도면으로 변환한다(S34).
다음으로 상기 제어부(400)는 동기화 모듈(430)을 통해 로봇 암의 각 관절 구동정보를 실시간으로 상기 3D CAD 도면과 합성하여 로봇 암의 실시간 위치를 3D CAD 도면상에 나타내고, 상기 영상정보와 동일한 화면을 가상으로 구현한다(S36).
그리고 상기 제어부(400)는 상기 가상화면을 통해 상기 로봇부를 원격 제어한다(S38).
여기서, 제 S8 단계에서 제어부(400)는 로봇 암과 중수로의 원자로 내부 구성품 간 좌표계의 거리가 기설정된 거리간격 이내인 경우, 원격제어를 정지시키고, 사용자에게 알리도록 경고를 출력하거나 알람을 울릴 수도 있다.
일반적으로 로봇 암을 이용한 원격 육안검사에서는 로봇 암의 운전을 위하여 로봇 암을 관찰하는 보조 카메라를 설치하여 활용하게 된다. 그러나 중수로 원자로(칼란드리아)는 출입구가 협소하고 내부의 간섭물이 많으며, 고방사선 특성상 관찰 카메라를 투입할 수 없으므로 동기화 개념을 제어에 적용하여 로봇 운전의 보조 수단으로 활용하도록 고안하였다.
즉, 동기화는 로봇 끝단에 부착된 관찰 카메라의 정보만으로 로봇 운전을 할 경우 발생하는 제악된 화각에서 오는 운전오류를 보완하기 위한 용도이다.
가상현실을 적용한 실시간 3D 동기화는 동기화 컨트롤러가 로봇의 각 관절 구동 정보(모터 구동수/방향)를 실시간으로 수집/처리하여 칼란드리아 3D 도면과 장비 관절 상태를 중첩하여 3D CAD 화상으로 제공하도록 고안하였다.
즉, 로봇 암의 각 축의 위치가 변함에 따라(각각의 모터가 움직임에 따라) 실시간으로 가상화면이 이를 추종하게 고안하였다.
이와 같이 제3자 입장에서 장비와 칼란드리아 내부 구성품을 보는것과 유사한 동기화 화면과 함께 검사(관찰) 카메라의 입장에서 보는것과 유사한 동기화 화면을 고안하였다. 검사 카메라 입장의 동기화 화면 구현을 위해서는 로봇 암의 관절 구동(모터 구동수/방향) 정보 뿐만 아니라 관찰카메라의 화각 정보를 추가하여 동기화 컨트롤러에 의해 처리하도록 하여 실제 카메라가 본 화면과 동일한 화면을 3D CAD 화면에 구현하도록 고안하였다. 검사 카메라 입장의 실시간 3D 동기화 화면은 육안검사 평가의 보조수단으로 활용이 가능하다.
또한, 제 3자의 입장에서 본 화면은 3D CAD 화면을 자유롭게 확대/회전/이송할 수 있도록 고안하여 도면상의 편한 위치에서 로봇 암과 칼란드리아 내부 구성품 사이의 간극을 볼 수 있도록 하였다.
도 11 및 도 12는 두 입장에서 본 화면을 보여준다. 도 11은 일인칭 입장(관찰 카메라 입장)에서 본 화면이고 도 12는 제 3자의 입장에서 본 화면을 나타낸다.
또한 중수로 원자로(칼란드리아)는 내부에 이물질이 유입되면 이를 인출해 내기가 매우 힘든 구조이다. 그래서 중수로 원자로(칼란드리아) 원격 육안검사 시스템 고안시 로봇 암의 중수로 원자로(칼란드리아) 내부 구조물과 충돌/끼임을 방지하도록 2개의 안전기능을 고안하였다.
첫째로 로봇 암과 칼란드리아 내부 구성품 간의 충돌을 초래하는 동작 명령시 안전구역에서 멈추도록 하고, 둘째로 전원 상실 등 로봇 암의 구동이 불가능한 경우에 검사체 외부에 있는 로봇부의 각 모터에 수동 핸들을 부착하여 모든 암을 직선화할 수 있도록 고안하였다. 이는 비상시 장비를 직선화하여 인출하기 위한 고안이다.
본 발명에 의해 고안된 로봇부의 제원과 제작된 중수로 원자로(칼란드리아) 3D CAD 도면을 이용하여 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 도 9(로봇 구동 절차)와 같이 로봇 암의 각 관절 구동 순서 및 이송량을 규정한 로봇 구동절차를 고안하였으며, 이 고안된 절차에 규정된 순서대로 로봇의 각 관절을 구동하면 칼란드리아 내부 구성품과의 충돌을 피할 수 있고, 일련의 절차를 완료하면 검사범위의 전체를 커버하는 검사가 완료되도록 로봇 구동 절차를 고안하였다.
본 발명에 따른 중수로 원자로 원격육안검사 시스템은 고준위 방사선 환경인 칼란드리아 전단에 로봇부를 설치하고, 인원출입이 자유로운 위치에 제어부를 설치하여 원격으로 로봇이 구동하도록 구성하며, 방사선 환경에서도 사용가능한 기계식 축 정렬 장치를 활용한 자동 축 정렬 장치를 이용하여 축정렬을 수행할 수 있도록 고안하여 출입구의 협소함, 내부 구성품의 복잡한 형상에서 로봇 암의 충돌, 끼임을 방지하는 효과가 있다.
또한, 동기화 개념을 시스템에 도입하여 칼란드리아 3D CAD 도면에서 로봇 암의 각 축이 실제 구동된 만큼 실시간으로 3차원 가상현실 화면에서 구현하도록 하여 운전 보조수단을 제공하며, 검사 카메라 입장의 가상현실 화면 구성으로 평가 보조수단으로 활용하는 효과가 있다.
또한, 안전 기능 확보를 위해 설정된 칼란드리아 좌표계를 바탕으로 위험구역에서 로봇 암이 정지되는 제어 방식과 로봇부의 전원상실시 수동으로 로봇 암을 직선화 할 수 있는 효과가 있다.
그리고 고안된 로봇의 제원과 제작한 칼란드리아 3D 도면을 활용하여 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 피검사체인 칼란드리아 내부구성품이 누락 없이 검사되어지게 하며, 절차서에 기술된 바와 같이 로봇의 각 관절을 순서대로 구동하면 검사체와 충돌을 피할 수 있는 로봇의 구동 절차서를 고안하여 칼란드리아 원격육안검사의 신뢰성 및 안전성을 확보할 수 있는 효과가 있다.
100 : 로봇부 101 : 로봇 암
110 : 축 정렬 관절 111 : 플랫폼
112 : 로봇 베이스 113 : X2축 유닛
114 : X1축 유닛 115 : Z1축 유닛
116 : Z2축 유닛 120 : 슬라이딩 관절
121 : F1축 슬라이드 유닛 122 : F2축 슬라이드 유닛
130 : 굽힘관절 131 : 암 축
132 : 틸트축 133 : 로봇 암 끝단부
140 : 회전관절 141 : 회전축 유닛
200 : 영상장치부 300 : 축 정렬 장치부
310 : 입력모듈 320 : 데이터베이스
330 : 센서모듈 340 : 축 정렬 모터
350 : Y좌표 설정모듈 400 : 수신모듈
420 : 변환모듈 430 : 동기화 모듈
440 ; 원격제어모듈
110 : 축 정렬 관절 111 : 플랫폼
112 : 로봇 베이스 113 : X2축 유닛
114 : X1축 유닛 115 : Z1축 유닛
116 : Z2축 유닛 120 : 슬라이딩 관절
121 : F1축 슬라이드 유닛 122 : F2축 슬라이드 유닛
130 : 굽힘관절 131 : 암 축
132 : 틸트축 133 : 로봇 암 끝단부
140 : 회전관절 141 : 회전축 유닛
200 : 영상장치부 300 : 축 정렬 장치부
310 : 입력모듈 320 : 데이터베이스
330 : 센서모듈 340 : 축 정렬 모터
350 : Y좌표 설정모듈 400 : 수신모듈
420 : 변환모듈 430 : 동기화 모듈
440 ; 원격제어모듈
Claims (11)
- 다관절의 로봇 암(Arm)으로 구성된 로봇부(100);
상기 로봇부의 로봇 암 끝단에 조명 및 내방사선 카메라가 설치되어, 중수로 원자로의 격자관 내부 출입을 통해 내부 영상정보를 취득하는 영상장치부(200);
상기 격자관과 상기 로봇 암 간의 좌표계를 설정하고, 상기 설정된 좌표값에 따라 상기 로봇 암을 정렬하는 축 정렬 장치부(300); 및
상기 로봇 암의 각 관절 구동정보와 상기 영상정보를 동기화함과 동시에 상기 로봇부를 원격제어하는 제어부(400);를 포함하는 것을 특징으로 하는 중수로 원자로 원격육안검사 시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 자동 축 정렬 장치부(300)는 외부로부터 중수로 원자로의 격자관 번호값을 입력받는 입력모듈(310);
상기 중수로 원자로 격자관의 좌표값(X,Z)을 데이터베이스화하는 데이터베이스(320);
상기 로봇 암 끝단에 설치되어 전진,후진(+Y,-Y)축 좌표값을 인식하는 Y축 센서와, 상기 로봇 암 끝단으로부터 소정 길이 연장 설치되어 상하,좌우(+Z,-Z,+X,-X)축 좌표값을 인식하는 X-Y축 센서로 이루어지는 센서모듈(330);
상기 입력모듈로부터 격자관 번호값을 입력받고, 상기 센서모듈을 통해 로봇 암 끝단의 상하좌우(+Z,-Z,+X,-X)축 좌표값을 상기 데이터베이스의 격자관 좌표값(X,Z)과 매칭시키도록 상기 로봇 암 끝단의 상하좌우축을 이동 제어하는 축 정렬 모터(340); 및
상기 축 정렬 모터를 통해 정렬된 로봇 암 끝단이 전진 구동하여 상기 격자관에 접촉하면 상기 로봇 암 끝단을 전진,후진(Y)축의 0점으로 설정하는 Y좌표 설정모듈(350);를 포함하는 것을 특징으로 하는 중수로 원자로 원격육안검사 시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 로봇부(100)는 소정 형상의 플랫폼(111) 상부에 로봇 베이스(112)를 사이로 연결되는 좌,우 조정 축 유닛(113,114)과 상,하 조정 축 유닛(115,116)으로 이루어지는 축 정렬 관절(110);
상기 축 정렬 관절의 상부에 상기 로봇 암이 상기 중수로 원자로 내부로 전진 또는 후진시키는 F1축 유닛(121)과, 상기 F1축 유닛의 전진 또는 후진 길이를 증가시키는 F2축 유닛(122)으로 이루어지는 슬라이딩 관절(120);
상기 슬라이딩 관절에서 상기 중수로 원자로 방향의 F1축 유닛 끝단 부위에 0 내지 100도로 굽힘회전하는 암(Arm)축(131)과, 상기 암축으로부터 연장되어 0 내지 90도로 굽힘회전하는 틸트(Tilt) 축(132)으로 이루어지는 굽힘관절(130); 및
상기 슬라이딩 관절의 F1축 유닛 상에 위치하고, 상기 굽힘관절에 연결되어 상기 굽힘관절의 암 축 또는 틸트 축을 회전시키는 회전축 유닛(141)으로 이루어지는 회전관절(140);을 포함하는 것을 특징으로 하는 중수로 원자로 원격육안검사 시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 제어부(400)는 로봇 암의 각 관절 구동정보와 영상장치부의 영상정보와 축 정렬 장치부의 좌표계 정보와 중수로 원자로(칼란드리아)의 2D 도면정보를 수신하는 수신모듈(410);
상기 수신모듈의 2D 도면정보를 조합하여 3D CAD 도면으로 변환하는 변환모듈(420);
상기 로봇 암의 각 관절 구동정보를 실시간으로 상기 3D CAD 도면과 합성하여 로봇 암 실시간 위치를 3D CAD 도면상에 나타내고, 상기 영상정보와 동일한 화면을 가상으로 구현하는 동기화 모듈(430); 및
상기 동기화 모듈의 가상 화면을 통해 상기 로봇부를 원격 제어하는 원격제어모듈(440);을 포함하는 것을 특징으로 하는 중수로 원자로 원격육안검사 시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 제어부(400)는 로봇 암과 중수로의 원자로 내부 구성품 간 좌표계의 기설정된 거리간격 이내인 경우, 원격제어를 정지시키도록 하는 중수로 원자로 원격육안검사 시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 로봇부(100)는 전원 상실시 수동 인출을 위하여 모든 굽힘 축을 수동으로 직선화할 수 있도록 하는 수동핸들;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 중수로 원자로 원격육안검사 시스템. - 중수로 원자로 원격육안검사 방법에 있어서,
(a) 제어부가 중수로 원자로의 격자관과 로봇부의 로봇 암 간의 좌표계를 설정하는 단계;
(b) 상기 제어부가 상기 설정된 좌표값에 따라 상기 로봇 암의 위치를 정렬하는 단계;
(c) 상기 제어부가 상기 정렬된 로봇부 암을 중수로 원자로의 격자관 내부로 출입하여 원자로 내부 영상정보를 영상장치부로부터 입력받는 단계; 및
(d) 상기 제어부가 상기 로봇 암의 각 관절 구동정보와 상기 영상정보를 동기화함과 동시에 상기 로봇부의 로봇 암을 원격제어하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 중수로 원자로 원격육안검사 방법. - 제 7 항에 있어서,
상기 제 (a) 단계는,
(a-1) 상기 제어부가 자동 축 정렬 장치부를 통해 외부로부터 중수로 원자로의 격자관 번호값을 입력받는 단계;
(a-2) 상기 제어부가 상기 중수로 원자로 격자관의 좌표값(X,Z)을 데이터베이스화하는 단계; 및
(a-3) 상기 제어부가 상기 데이터베이스의 중수로 원자로의 격자관 좌표값(X,Z)과 로봇부의 로봇 암 간의 좌표계를 설정하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 중수로 원자로 원격육안검사 방법. - 제 7 항에 있어서,
상기 제 (b) 단계는,
(b-1) 상기 제어부가 외부로부터 격자관 번호값을 입력받고, 로봇 암 끝단의 상하좌우(+Z,-Z,+X,-X)축 좌표값을 데이터베이스의 격자관 좌표값(X,Z)과 매칭시키도록 상기 로봇 암 끝단의 상하좌우축을 축 정렬 모터를 통해 이동 제어하는 단계; 및
(b-2) 상기 제어부가 상기 축 정렬 모터를 통해 정렬된 로봇 암 끝단이 전진 구동하여 상기 격자관에 접촉하면 상기 로봇 암 끝단을 전진, 후진(Y)축의 0점으로 설정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 중수로 원자로 원격육안검사 방법. - 제 7 항에 있어서,
상기 제 (d) 단계는,
(d-1) 상기 제어부(400)가 로봇 암의 각 관절 구동정보와 영상장치부의 영상정보와 축 정렬 장치부의 좌표계 정보와 중수로 원자로(칼란드리아)의 2D 도면정보를 수신모듈(410)을 통해 수신하는 단계;
(d-2) 상기 제어부(400)가 변환모듈(420)을 통해 상기 2D 도면정보를 조합하여 3D CAD 도면으로 변환하는 단계;
(d-3) 상기 제어부(400)가 동기화 모듈(430)을 통해 로봇 암의 각 관절 구동정보를 실시간으로 상기 3D CAD 도면과 합성하여 로봇 암의 실시간 위치를 3D CAD 도면상에 나타내고, 상기 영상정보와 동일한 화면을 가상으로 구현하는 단계; 및
(d-4) 상기 제어부(400)가 상기 가상화면을 통해 상기 로봇부를 원격 제어하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 중수로 원자로 원격육안검사 방법. - 제 7 항에 있어서,
상기 제 (d) 단계는,
(d-5) 상기 제어부(400)가 로봇 암과 중수로의 원자로 내부 구성품 간 좌표계의 거리가 기설정된 거리간격 이내인 경우, 원격제어를 정지시키도록 하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 중수로 원자로 원격육안검사 방법.
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