원전 험지 환경 이동을 위한 4족 로봇의 안정 보행 기법에 관한 연구

Abstract

2021년부터 중대재해방지법이 발효됨에 따라 산업장의 안전성 향상에 대한 요구가 높아지고 있는 실정이다. 원자력발전소의 안전한 운영을 위해서는 작업자가 직접 투입되어 주기적으로 점검과 보수를 수행해야 하는 역무가 많은데, 이러한 곳도 무인화, 자동화의 연구개발 및 시설투자를 통해서, 궁극적으로는 안전한 사업장 구현을 목표로 하고 있다. 원자력발전소의 계통은 대부분이 배관으로 연결되어 있으며, 이 중에서는 수백미터의 장거리 지하매설배관에 작업자가 직접 투입되어 원격 점검 및 필요시 보수를 수행하는 작업이 수행되고 있다. 해수배관의 경우에는 작업자 투입으로 검사를 위하여 차수(Water block)를 수행하면, 배관 바닥의 뻘 진흙 등 잔류해수 속에 유기물이 부패를 하여, 유해가스가 발생하고, 산소포화농도도 급격히 떨어진다. 저산소농도를 대비하기 위해 외부에서 공기를 유입하는 별도의 설비를 추가로 설치하고 있다. 이 외에도 지름 90cm 정도의 매우 협소한 지하 매설 공간에서의 공포감은 상상 이상이다. 투입된 작업자는 검사 절차서에 따라 육안으로 점검을 수행할 뿐만 아니라, 소형망치를 배관 내벽에 두들겨, 반향음을 청취하여 음의 높낮이에 따라 배관의 건전성을 평가하고 있다. 한국과학기술원도 한국수력원자력과 공동으로 이러한 목적에 적용하기 위한 로봇(명칭 PRIME, Pipe Robot with Inspection, Modularity, Extendability)을 개발하고 있는데, 4족 보행 몸체에 타격음 청음검사를 위한 다관절 로봇팔이 1개 장착된 구조이다. PRIME이 보행을 하는 이유는 기존의 산업계에서 배관 검사에 투입되는 로봇은 무한궤도나 바퀴로 이동하는 구조인데, 배관 표면 품질을 엄격하게 유지하기 위하여, 무한궤도 이동시 표면에 생기는 스크래치 등의 손상을 방지하기 위함이고, 배관 바닥에 다량의 진흙이 쌓여 있는 경우가 많다. 따라서 마찰력이 유지될 수 있는 상태의 바닥을 찾아가면서 이동하기 위해서는 보행을 이용한 이동이 더 효율적일 수 있다. 그리고 해수배관은 배관 스풀을 연결하는 부위에 단차가 존재할 수 있는 등 기구적 측정이 어려운 환경이다. 본 연구에서는 PRIME 로봇의 全방향 4족 연속 정적보행을 위한 궤적을 자동 생성하는 방법과 모델예측제어기를 기반으로 로봇발의 바닥접지 또는 물체와의 충돌에 따라서 다리의 작동 기작을 선택적으로 변경하는 상위 단계의 제어구조, 마지막으로 기존의 보행로봇이 발목이나 발바닥에 장착하여 접촉상태를 측정하는 F/T센서를 추가하지 않고, 각 관절의 토크 이력을 인공지능 알고리즘으로 분석하여 바닥접촉정보의 상태 추정을 하는 방법을 연구하였다. 본 연구에서 제안한 기법은 오픈소스 동역학 시뮬레이션 및 실험에서 구현하여 성능을 검증하였다. 향후에는 실제 제작된 로봇에 이 알고리즘을 장착하여 원전현장에 직접 투입 할 예정이다.