원자력발전소 각종 탱크와
Sump내 슬러지 제거용 로봇 및 처리장비 개발 [下]
“슬러지 제거용 로봇은 어떻게 만들까”
전력산업연구개발사업으로 (주)한국원자력엔지니어링이 수행한 ‘원자력발전소 각종 탱크와 Sump내 슬러지 제거용 로봇 및 처리장비 개발’에 관한 연구개발사업이 지난 2010년 완료됐다. 이 사업의 최종보고서에는 이와 관련한 국내외 기술개발 현황을 살펴본 내용과 함께 로봇의 개발과정이 포함되어 있어 눈길을 끌고 있는데, 본지에서는 로봇에 초점을 맞춰 발췌해 소개하도록 하겠다.
슬러지 제거로봇 기구부 개발
1. 1차 이동로봇 설계
슬러지 제거를 위한 로봇 기구부는 슬러지 내부에서 작업을 수행하게 되므로 10m 방수가 되도록 트랙 모듈의 방수를 위해 외부 노출되는 회전축에는 실(Seal)을 장착하고 결합부에는 O링 또는 고무 가스켓을 부착할 수 있는 구조로 설계하였다. 또한 로봇에 연결된 흡입관을 통해 많은 양의 슬러지를 흡입하게 될 경우 연결된 흡입관에 의해 로봇의 이동성이 저해될 것으로 예상되므로 로봇의 중량은 작업자가 취급할 수 있는 한 최대한 무겁게 하였으며, 트랙을 구성함에 있어서 체인/스프라킷 방식을 사용함으로써 내구성을 높이며체인에 갈퀴형의 패드를 부착함으로써 트랙과 바닥면의 슬립을 이용하여 슬러지를 바닥으로부터 이탈시킬 수 있는 구조로 설계하였다. 슬러지 상태와 종류에 따라 다양한 형태의 슬러지 이탈 툴 탈착이 가능하도록 설계했다.
2. 1차 이동로봇 제작
트랙모듈의 몸체 및 케이스 등은 알루미늄으로 제작하였고, 체인 및 스프라킷은 스테인리스 스틸로 제작했다. 체인의 회전에 따른 미끄러짐을 통해 슬러지 이탈을 시킬 수 있도록 ㄷ자형 패드를 제작하여 부착하였다. 트랙모듈 외측부를 통해 내부 제어기의 분해조립이 가능하며 트랙 모듈 내측부에 툴 구동을 위한 회전축이 돌출됐고, 트랙모듈 후면에 모터 구동전원 및 통신을 위한 방수 커넥터가 배치되었다. 전후방에 수차형의 슬러지 제거 툴을 기어를 통해 구동하도록 제작했으며 트랙모듈 중간부에는 슬러지 흡입구를 장착했다. 슬러지 흡입구의 형태를 갈퀴형으로 하여 측면으로도 슬러지 흡입이 가능하도록 제작했다. 슬러지 흡입구 노즐은 ㄱ자로 구부려서 외부 펌프와 호스로 연결되도록 제작했고, 흡입구 노즐은 360° 자유로이 회전하도록 하여 로봇의 회전에도 흡입호스가 꼬이지 않도록 제작했다. 슬러지 로봇의 동작시험 및 구동전력의 확인을 위해 PC를 통해 조이스틱으로 구동되는 간이 제어기를 제작했다.
3. 1차 로봇 성능시험
이동성능 확인을 위해 황토를 이용하여 슬러지를 모사하고 슬러지 상에서의 이동시험을 수행한다. 황토를 물과 혼합 후 건조시켜서 고화 슬러지를 모사하고 슬러지 분쇄/이탈 성능시험을 수행했다. 스크루형 제거툴을 통해 덩어리진 슬러지가 분쇄되고, 수차형 툴에 의해 잘게 분쇄되며 브러시형 툴에 의해 고운 슬러지가 됨을 확인했다. 슬러지 흡입시험을 위해 공압 구동방식의 진공 펌프를 사용했으며, 황토를 물과 혼합하여 액화 슬러지를 모사한 후 슬러지 흡입시험을 수행하였다.
4. 1차 로봇성능 개선 및 시험
먼저 1차 제작로봇 성능 시험 결과를 바탕으로 성능개선을 수행했다. 이를 통해 바닥면 손상 방지를 위해 스테인리스 스틸 패드를 우레탄 고무패드로 수정했으며, 툴 위치를 전후방으로 이격시키고 체인 구동방식으로 변경했다. 툴 지지부에 스프링을 장착하여 툴의 지지력을 조절 가능하도록 하고, 제작성/제염작업성 증대를 위해 외형을 단순화했다. 다음으로 목업환경에서 이동 및 슬러지 이탈 시험을 수행했다. 탱크를 모사한 원통형 목업과 집수조를 모사한 사각형 목업에서 시험했는데, 원통형 목업에는 비교적 입자가 작은 슬러지를, 사각 목업에는 입자가 굵고 단단한 슬러지를 사용했다. 원통형 목업의 경우 바닥면이 구면이라 흡입구와 바닥과의 거리가 크기 때문에 흡입이 용이하지 않았고, 툴과 바닥과의 접촉으로 궤도와 바닥과의 접촉이 원활하지 못했다. 사각형 목업의 굵고 단단한 슬러지가 분쇄/이탈됨을 확인했다.
5. 2차 로봇작업
<주요 설계 요구사항>
슬러지 제거로봇을 구성함에 있어서 몸체에 좌우 트랙을 일체화하여 설계할 경우 설계 변경 및 기능추가 시 몸체를 새로 제작해야 하는 어려움이 있으므로 좌우 트랙을 모듈화 했다. 트랙 구동 기능뿐만 아니라 슬러지 제거 툴 구동 기능까지 일체화함으로써 설계 변경시 대응을 용이하도록 한 것이다. 또한 일체화된 트랙 모듈 내에 고용량의 모터를 장착함으로써 이동 및 툴 제거시 충분한 구동력을 발생시키도록 했으며, 모터를 구동/제어하는 제어기를 모듈 내에 일체화시킴으로써 외부에서 전원 및 통신선만을 연결함으로써 동작할 수 있도록 했다. 탱크 바닥과 같은 비평탄면 이동시 전후방 툴 및 흡입구와 바닥면 간섭에 따른 이동성 저해문제 해결을 위해 전후방 툴 및 흡입구의 상하이송이 가능토록 했고, 내부 환경관측 및 운전을 위한 카메라 및 조명을 로봇 전면부에 설치했다.
<1차 제작로봇 및 성능개선 시험결과를 바탕으로 2차 시작품 설계/제작>
이로써 이동속도 증대를 위해 궤도 구동부의 감속비는 변경됐고, 툴과 흡입구의 높이 조정기능, 그리고 전면부 카메라, 운반/취급이 용이하도록 하는 인양용 고리 등이 추가됐다.
<트랙모듈의 형상 단순화 설계/제작>
제어기 케이스와 트랙축 지지판을 분리/조립가능하도록 설계 개선했다.
<툴 상하 구동 메커니즘>
툴 상하 구동이 가능하도록 메커니즘 변경하고, 툴 회전 구동을 위한 체인에 슬러지 입자가 고착되는 경우를 방지하기 위해 체인구동부 커버를 추가했다.
<흡입구 상하 구동 메커니즘>
바닥과의 높이차에 따라서 흡입구를 상하로 이동시킬 수 있는 메커니즘을 추가했다.
<전방카메라>
작업 중 전방 환경 확인을 위해 소형 카메라를 장착하고, 방사선 영향을 줄이기 위해 카메라 신호 처리부를 몸체 내부로 이동시켰으며, 카메라 틸트 구동 메커니즘을 추가했다.
6. 원격 모니터링 장치 제작
원격 모니터링 장치제작에 있어 주요 설계 요구사항으로는 ▲슬러지 제거작업을 확인하기 위한 컬러 영상제공 ▲팬/틸트 구동 ▲조명제공 ▲인입구 설치용이 ▲방수 등이 있었다.
7. 세정수 분사 장치 제작
또한 세정수 분사장치 제작에 있어 주요 설계 요구사항으로는 ▲고착되어 있는 슬러지를 액체 상태로 만들어 흡입하기 위한 세정수 분사 ▲인입구에 설치용이 ▲수동 조작에 의해 상하로 이동 가능 ▲몸체 회전에 의한 모든 방향으로 세정수 분출 가능 등의 조건이 있었다.
8. 로봇 제어장치 설계/제작
<트랙모듈 구동제어 장치>
트랙구동과 툴 구동을 위해 상용제어기 사용해 동작이상시 교체가 용이하도록 했다. Encoder type 200Watt DC 모터 2채널 구동과 Real-time 위치/속도/전류제어 기능, Direct FET 채용으로 방열성능극대화 및 초소형화를 실현했으며, 다중모터제어 통신방식(RS232/485/CAN), User Programmable Sequence 제어 기능을 추가했다. 외부입출력은 4×2 Analog/Digital I/O 포트를 사용했다.
<툴/흡입구/카메라 상하구동 제어 장치>
4개의 모터를 구동하기 위한 DSP 기반 소형 제어기를 설계/제작했다. CAN 통신에 의한 모터 구동명령을 전송한다.
9. 원격제어반 설계/제작
원격에서 작업 상황을 관측하기 위한 모니터와 작업 상황을 녹화하기 위한 DVD 장치 및 로봇조작을 위한 제어 판넬로 구성되었다. 제어반은 이동 및 설치가 용이하도록 경량화하여 제작했고, 제어판넬의 I/O 신호처리를 위한 프로세서는 상용 DSP 보드를 사용했다. 로봇제어기와는 CAN 통신방식으로 연결되도록 했으며, 영상에 문자 캡션 오버레이를 위한 OSD 장치를 내장했다.
슬러지 제거로봇의 성능 비교
기존에 해외에서 개발되어 사용된 슬러지 제거용 로봇들
과의 사양 비교는 다음과 같다. 본 과제에서 개발된 슬러지 제거용 로봇은 작은 탱크 인입구에도 투입 가능하고 작은 중량으로 취급이 용이하며 동등이상의 이동속도/등판능력을 가짐으로 알 수 있다. 전면과 후면에 다양한 회전형 슬러지 제거도구를 부착할 수 있도록 설계되었으므로 향후 실제 사용시 슬러지 종류 및 성질에 적합한 도구를 적용할 수 있다. 내방사화한 제어기를 로봇 내부에 내장시킴으로써 로봇과의 연결 케이블 직경을 감소시킴으로써 케이블에 의한 이동성 제약을 줄일 수 있다. 또한 원격 제어반을 일체화하고 이동이 용이하게 설계함으로써 현장에서 설치 시 시간/인력을 절감할 수 있다.
목표달성도 및 관련분야에의 기여도
본 연구개발의 최종 목표는 슬러지 제거로봇 개발, 슬러지 포집 및 분리, 건조 등 처리장비 개발, 처리장비 차폐 및 슬러지 처리시 발생되는 액체, 기체폐기물 처리 장비를 개발하는 것이다.
연구개발결과의 활용계획
본 연구개발을 통해 슬러지 제거용 로봇, 원격 모니터링 시스템, 원격 제어반 구축, 고압수 분사장비, 폐액 이송장치, 슬러지 분리장비, 슬러지 처리장비 통합시스템, 유수분리장비, 건조장비, 기체 방사성폐기물 처리장비, 차폐 운반용기 등 슬러지를 탱크나 Sump내에서 제거하여 분리하고, 건조하여 운반, 저장하는 것까지 슬러지 처리와 관련된 일련의 전과정을 처리할 수 있는 시스템을 개발 완료하였다.
로봇의 무게가 30kg 정도로 탱크나 Sump의 상부로 운반하고 내부에 안전하게 안착시키기 위한 보조 장비에 대한 보완이 필요한 것으로 보인다. 또한 제거한 농축 폐액의 수거, 운반, 처리 등을 원격 제어할 수 있도록 함으로써 작업자의 방사선 피폭을 최소화하는 방법에 대해서도 상용화 전에 검토 보완이 되어야 할 것으로 보인다. 지금 현 단계에서도 슬러지 제거용 로봇 및 처리장비에 대한 수요가 있다면 바로 상업화가 가능할 것으로 판단되며, 상업용 완제품 제작은 6개월 이내에 제작 가능하다.
