울산대학교 - 자동굴삭 시스템 구축

Author(s):
임태형, 천세영 박사과정 - 울산대학교 기계자동차공학부

Industry:
Industrial Controls/ Devices/ Systems

Products:
LabVIEW, PXI/CompactPCI

The Challenge:
굴삭 작업의 정도나 작업효율은 작업자의 능력에 좌우된다고 할 수 있고, 비록 숙련자라 할지라도 장시간 조작할 때 상당한 피로를 느끼게 된다.

The Solution:
유압 굴삭기를 자동화하기 위해 유압식 조작 레버를 전기식 조이스틱으로 대체하고 주제어 밸브의 스풀을 제어하기 위한 전자비례 밸브를 장착하였다.

요약 : 

유압 굴삭기를 자동화하기 위해 유압식 조작 레버를 전기식 조이스틱으로 대체하고 주제어 밸브의 스풀을 제어하기 위한 전자비례 밸브를 장착하였다. 작업장치의 각 변위를 계측하기 위해 리졸버를 장착하였고 센서 및 액츄에이터의 제어를 위해 PXI를 장착하여 시스템을 구성하였다. 원격 통신을 위한 CCD 카메라 및 비전 보드를 추가하였다.

개발 배경 : 

유압 굴삭기는 다양한 종류의 작업에 대한 높은 적용성과 경제성으로 인해 건설현장뿐 아니라 제조업, 농업, 해저영역 등 활동영역은 점점 확대될 것으로 예상되는 복합 기기이다. 한편 굴삭기를 이용하여 수행하는 평탄 작업, 덤핑 작업, 토사 작업 등의 작업들은 작업자가 많은 작업장치들을 동시에 조작해야 하므로 고도의 숙련이 필요하다. 따라서 굴삭 작업의 정도나 작업효율은 작업자의 능력에 좌우된다고 할 수 있고, 비록 숙련자라 할지라도 장시간 조작할 때 상당한 피로를 느끼게 된다. 작업 환경의 개선 및 작업 효율 향상, 작업 편의성 및 안전 등의 요구조건들을 만족시킬 수 있는 방법 중 하나가 굴삭기의 자동화 및 원격 굴삭 시스템이다. 자동 굴삭기를 이용한 원격 조작 시스템은 인간이 작업하기 힘든 화산지대, 지하 현장, 해저 등의 열악한 작업환경에 대한 접근성을 높일 수 있고 덤프트럭, 불도저 등 기타 건설기계와의 협력 작업 등을 통한 무인화 작업이 이미 선진국에서는 이루어지고 있으며, 국내에서는 늦었지만 이 분야의 기초연구가 하루 빨리 이루어져야 할 필요성이 있다.

본론 :

울산대학교에 보유중인 자동굴삭기를 그림 1에 나타내었다. 연구실내에서 실험을 해야 하므로 MCV의 파일럿 압력 제어가 가능한 모델 중 작은 기종인 1.5톤 급 굴삭기이다. 작업장치의 관절에 각도 센서인 리졸버를, 실린더 입출력 포트에 압력 센서를 장착하였다. 유압식 조이스틱을 대신하여 파일럿 압력을 제어하기 위한 전자비례 밸브 블록이 장착되어 있으며 센서들과 전자비례 밸브를 제어하기 위한 컨트롤러가 구비되었다. 컨트롤러는 펜티엄 1G Hz CPU를 사용하고 운영체제는 DOS를 이용한 자동굴삭기용 전용으로 제작되었다.
하지만 본 연구의 내용인 비젼 카메라 장착, 유․무선 통신, GPS 장착 등을 위한 확장성이 좋지 않았고 진동에 약해 이용 중 시스템이 다운되는 일이 많았다. 카메라, 통신 모듈, GPS 등의 모듈 장착이 용이하고 진동에 강한 범용 컨트롤러인 내쇼날인스트루먼트 PXI를 이용하는 것이 연구에 유리하다고 판단하여 시스템을 재구성하게 되었다. 기존의 시스템에 비해 모듈의 확장성을 고려하면 각 센서들과 액츄에이터와 컨트롤러인 PXI와의 연계를 위해 구동 드라이버의 제작이 필요한데 이를 개념적으로 나타내면 그림 2와 같다. 전용 칩을 구동하는 리졸버와 앰프를 가지는 전자비례 밸브는 전용 회로가, 전기식 조이스틱, 압력 센서 등 아날로그 출력 센서 또한 앰프를 필요로 하므로 각각의 드라이버가 필요하다. 드라이버들을 분리하여 제작하면 모듈화가 가능하고 이는 확장형 슬롯을 가지는 PXI와의 연계에도 유리하게 된다. 각각의 드라이버와 PXI, Field에서의 전원 공급을 위한 인버터를 그림 3에 나타내었다. 컨트롤러 및 드라이버가 장착된 전체 모습은 그림 4에 나타냈다. 1.5톤 소형 굴삭기의 공간상의 한계로 굴삭기 프레임에 용접하여 장착하였고 CCD 카메라는 현재 장착되어 있지 않지만 단품 시험 및 코딩은 완료된 상황이며 Pan & Tilt 드라이버의 개발이 완료된 이후 장착할 예정이다.

하드웨어

그림 1. 자동 굴삭 시스템 및 개념도

 

그림 2. PXI, 구동 드라이버, 인버터 장착 

그림 3. PXI를 장착한 시스템

소프트웨어
시스템을 구동하기 위한 소프트웨어는 개발시간의 단축과 유지, 보수에 용이하고 모듈 추가가 쉬운 LabVIEW 7.1 (한글판)을 선택하였다. 가상의 계기판, 조작기 등을 제공하므로 실제의 계기판이나 별도의 설비 없이 시스템을 구성할 수 있는 장점이 있다. LabVIEW는 크게 두 개의 창으로 구성되는데 그림 5, 6과 같은 프론터패널과 블록다이어그램이다. 프론트패널은 작업자가 입력 값을 주고 결과를 모니터링하는 용도로 이용되며 실제 프로그램의 구동은 블록다이어그램에서 이루어진다. 구동 소프트웨어의 가장 기본적인 구성은 작업자가 프론트패널에서 마우스를 드래그하여 붐, 암, 버켓의 방향과 크기를 직접 입력하면 전자비례 밸브를 작동하여 각 실린더를 구동하여 각변위가 발생한다. 리졸버를 통해 계측된 각변위는 시리얼 통신을 통해 프론트패널의 계기에 숫자로 표시된다. 기본 구동 소프트웨어를 바탕으로 일정 궤적 추종 시험을 수행하였고 이 때의 블록다이어그램을 그림 7에 나타내었다. 이외에 step, sine 응답 시험 제어기의 게인 튜닝, 신호 압축법을 이용한 시스템 규명 등의 시험을 수행하였다.

그림 4. 기본 구동 소프트웨어의 프론트패널과 블록다이어그램

그림 5. 일정 궤적 추종 소프트웨어

결론 및 솔루션 개발 후 얻게 된 이점

원격조작 굴삭기를 필드에 적용하기 위해 자동굴삭기용 범용 컨트롤러를 선정하고 센서 및 액츄에이터를 위한 통합 드라이버를 제작하여 시스템을 구축하고 작업장치의 단독 구동을 통한 해석을 수행하고 복합 동작을 위해 궤적 제어를 수행한 결과 다음의 결론을 얻었다.

• 자동굴삭 시스템의 전용으로 제작된 컨트롤러를 PXI로, 소프트웨어를 DOS에서 LabVIEW로 교체한 이후 장점은 센서 및 액츄에이터 처리부의 모듈화가 하드웨어, 소프트웨어적으로 가능해짐으로 인해 개발 기간을 단축하였다.
• 향후 선회, 주행, 원격 제어, 카메라, GPS, 초음파 센서 등의 추가에 모듈을 추가함으로써 간단히 기능을 확장할 수 있을 것으로 판단된다.
• Address setting 등의 로우레벨의 코딩까지 신경쓰지 않고 알고리즘만을 연구할 수 있으므로 기계공학 베이스의 학생들에게 기간 단축, 고급 제어기 구성 등 본연의 업무를 수행할 수 있었다.
• 그래픽 기반 언어이므로 디버깅 과정을 한 눈에 파악할 수 있으므로 별도의 흐름도를 생성하지 않아도 될 정도였고 분야별 전문가의 지원으로 개발 기간을 보다 단축할 수 있었다.

 

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임태형, 천세영 박사과정
울산대학교 기계자동차공학부

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