2.1 점검 로봇 하드웨어 설계 및 제작

로봇 제작은 크게 기구 부, 카메라 부, 모터 및 모터 컨트롤 부, 로봇 컨트롤 부, 통신 부 그리고 소프트웨어로 나누어 개발을 진행하였으며, 진행과정은 Fig. 1과 같다. 제작과정에서 200 mm 이상의 대구경 케이블 적용성 및 로봇 주행 시 안정성 확보에 중점을 두었다.

로봇은 3개의 구동부 모터와 우레탄 바퀴를 장착하고, 가변 직경 조절부(140 ~ 300 mm)를 만들어 바퀴와 케이블간의 부착력을 향상시켜, 등반 시 로봇의 흔들림을 최소화 하면서 케이블에서 이동 할 수 있도록 제작하였다. 로봇 무게의 경량화와 내구성능을 향상시키기 위하여 로봇의 전체적인 프레임을 알루미늄으로 제작하였다. Fig. 2에서는 본 연구에서 제작된 로봇의 3차원 이미지 및 로봇에 장착된 주요 장치에 대해 나타내었다.

Fig. 1. Design process for cable-inspection robot

Fig. 2. 3D-image for cable-inspection robot

IP 카메라는 고해상도(1920 x 1080 pixel)로 케이블 상태를 촬영, 촬영된 이미지를 무선 Wifi 공유기로 무선 전송하여 실시간으로 케이블을 점검하고, 가속도 센서는 측정된 가속도 데이터로 로봇의 기울기를 계산하여 이동거리를 계산하는데 사용한다.

Table 1에서는 로봇의 기본적인 제원을 나타내었다. 로봇의 크기는 510 mm×610 mm×710 mm 이고, 무게는 12.8 kg 이다. 측정 장치로는 IP 카메라, 가속도 센서와 로터리 엔코더를 장착하였다. 그리고 로터리 엔코더도 바퀴의 회전수를 측정하여 로봇의 이동거리를 계산하는데 사용된다. 로봇 구동을 위해 감속기는 1/100이고, 12 kgf·cm의 토크와 60RPM의 회전속도를 가진 IG-32GM(DC 12V)모델인 모터 총 3개를 장착하여, 14 kg 로봇이 등반하는데 무리가 없도록 하였다. 로봇의 무선 원격 제어를 위해 고성능 장비를(IEEE 802.11an/ac 5GHz 2×2 MIMO) 사용, 통신 주파수는 5 GHz 방식으로 일반적인 2.4 GHz에서 발생되는 주파수 간섭을 배제 시켰다. 최대 통신 거리는 10 km이고, 최대 867 Mbps 데이터 전송속도를 낼 수 있다.

2.2 케이블 강선 손상 검출 장치

케이블 강선 손상 검출은 손상 발생 시 전자기센서를 적용하여 검출하는 방식으로 원리는 전도성 물질은 일반적으로 양 끝단에서의 극성은 N극과 S극으로 나눠지며, 파단(혹은 손상)이 발생하였을 경우, 파단(혹은 손상) 부위에서는 양 극성이 다시 나눠지는 원리를 이용한 것으로 개념도는 Fig. 3과 같이 나타낼 수 있다.

Fig. 4에서는 케이블 강선의 손상 검출을 위해 점검 로봇에 부착하기 위한 기구로 센싱 장치를 나타내었다. 로봇과 같이 케이블 표면을 원활하게 이동하기 위한 롤러부와 다양한 케이블 직경에 따라 조절할 수 있는 관경조절 장치부로 구성되며, 롤러부의 중간 내부에 자기센서가 삽입되어 이동시 케이블 강선의 손상여부를 검출 할 수 있게 하였다.

Fig. 3. Schematic for electro-magnetic sensing principle

Fig. 4. Electro-magnetic sensor added in the robot

3.1 주행 능력 실험 결과 및 케이블 현장 평가

케이블 점검 로봇의 성능 검증 중 로봇의 주행 능력에 대해서 실내 및 현장 실험을 각각 실시하였다. 실내 실험을 위하여 총 길이 3.45 m, 직경 162 mm인 케이블 케이스를 제작하였다. 케이블 케이스는 HDPE 관을 사용하였다. 현장 실험에서는 테스트베드 교량을 선정하여 실시하였다. 테스트베드 교량은 케이블 사고 이력이 있는 교량 중 사장교 1개소를 선정하였으며, 해당 교량은 단경간 타정식 강합성 사장교로 경간장 400 m, 너비 23.9 m의 왕복 4차로로 되어있다. 케이블 점검 로봇 성능 검증 실험은 직경 200mm, 경사각도 27.3° 케이블에서 수행하였고, 실내에서 실시된 케이블의 기울기 각도는 45°이다.

Fig. 5에서는 실내와 현장에서 실시된 주행능력 실험장면을 나타내었다. 결과는 각 실험에서 얻어진 등반속도와 하강속도로 나누어 Table 2에 나타내었다.

우선, 주행능력에서 등반속도와 하강속도에서 별 차이가 없음을 알 수 있다. 이는 하강 시 발생될 수 있는 미끄러짐에 의한 속도 증가의 경우 로봇이 효과적으로 제어 하고 있음을 확인 할 수 있다. 특히, 우레탄 바퀴와 가변 직경 조절 장치가 효과적으로 작동하고 있음을 알 수 있다. 그리고 실내 실험에서는 상대적으로 가파른 경사인 45°인 케이블에서 실험을 실시하였지만, 현장 케이블의 각도인 27.3° 에서 실시된 결과와 별 차이가 없음을 알 수 있다. 케이블 점검 로봇의 현장 적용에서 있어서 45° 까지는 일정한 주행 속도를 확보할 수 있을 것으로 판단된다.

Fig. 5. Testing driving ability of cable-inspection robot; (a) indoor test and (b) field test

현장 실험에서는 추가로 케이블 표면을 3개의 1920 × 1080 해상도 카메라로 동영상 촬영을 실시하였다. Fig. 6에서 보는 바와 같이, 케이블 표면을 선명하게 확인 할 수 있었고, 3개의 카메라를 이용하여 다양한 각도에서 촬영할 수 있었다. 그리고 150 m 의 주행거리 동안에는 통신의 장애도 발생하지 않고 원활하게 실험을 수행 할 수 있었다.

3.2 케이블 손상 검출 실험 및 결과

케이블 점검 로봇의 주행 성능 평가 실험 이외에도 케이블 손상 검출 실험을 실시하였다. 실내 실험에서 사용된 케이블 실험체는 현재 교량에 사용되고 있는 케이블의 한 종류로 내부 케이블은 1.57 mm 강연선 7개로 구성된 1개의 번들(Bundle) 20본으로 구성되어 있다. 케이블 케이스의 경우, 주행 능력 실험에서 사용된 동일한 HDPE 관을 사용하였다.

실내 실험에서는 내부 케이블 손상 검출 실험을 실시하기 위하여 인위적으로 내부 케이블의 손상을 가하였다. 손상유형에 따른 검출 신호의 차이를 확인하기 위하여 다양한 케이블의 손상유형을 가지고 실험을 실시하였다. 손상유형은 절단, 단절, 이탈로 구성하였으며, Fig. 7에서 나타냈듯이, 절단 손상의 경우에는 단면 절단 정도에 따라 30% 절단, 50% 절단 그리고 100% 절단 (파단)으로 세분화 하였다. 이탈 손상은 케이블이 정리된 상태에서 외부로 돌출된 경우를 재현하고, 단절의 경우 1개의 케이블을 짧게 제작하였다. 실내 실험에서의 손상 검출 실험에서는 Fig. 8에서와 같이 손상된 내부 케이블이 삽입된 케이블 관을 케이블 점검 로봇과 내부 케이블 손상 검출을 위한 전자기 센싱 장치를 연결하여 견인하는 방법으로 실험을 수행하였다. 케이블 관의 각도는 주행능력 시험과 동일한 45°로 하였다.

Fig. 6. Inspection of cable surface using camera attached on cable-inspection robot; (a) camera 1, (b) camera 2 and (c) camera 3

Fig. 7. Artificial damage of cable for evaluating performance of cable-inspection robot

Fig. 8. Testing for detecting damaged cable using electro-magnetic sensor added in cable-inspection robot

Fig. 9는 실험실에서 실시한 실험 결과로 내부 케이블 손상 검출장치로 부터 얻어진 결과를 나타내었다. 그래프에서 X축은 시간이며, Y축은 전자기센서 측정값으로 나타냈는데, 손상(절단)을 가한 지점에서는 전자기센서 측정값의 위상이 180도 변화함을 알 수 있다. 한편, 손상(단절)에서는 전자기센서 측정값의 위상이 변화하지는 않았지만, 자기장의 크기가 커짐을 알 수 있다. 마지막으로, 손상(이탈)의 경우는 본 실험결과로는 확인 할 수 가 없었다. 하지만, 실험결과의 신뢰성확보를 위해서는 본 연구에 진행된 것 보다 더 다양한 손상 유형 및 반복성을 확보한 추가 실험이 필요하다고 여겨진다.

Fig. 9. Detecting damaged cable using electro-magnetic sensor

Fig. 10. Result on cable inspection in site using non-destructive method

Fig. 10에서는 테스트베드 교량에서 실시한 내부 케이블 점검 결과를 나타내었다. 우선, 실내 실험 그래프와 같이 X축과 Y축은 각각 시간과 전자기센서 측정값을 나타내었다. 결과값을 보면, 측정값이 급격하게 위상이 변화하는 것을 확인 할 수 있었다. 이때, 이상 신호가 발생되는 지점은 연결부에서 주탑 방향으로 대략 1 m 지점으로 확인되었다. 이 지점부에서 반복 실험을 실시하였고, 결과는 동일하게 나타나는 것을 확인 할 수 있었다. 이와 같은 파형은 실내 실험 때 절단 30%와 같은 유형의 파형으로 분석되었다. 하지만, 실내 실험 결과에 알 수 있듯이 내부 케이블 손상에 따른 전자기센서 측정값의 정량화 작업은 아직 되어 있지 않기 때문에 손상도를 정확하게 확인 할 수는 없었다. 그리고 테스트 베스 교량에서의 손상 진위여부를 판단하기 위해서는 추가 교차 검증 실험이 필요할 것으로 판단한다.