원자로의 포스트텐셔닝 텐던 덕트 내부 검측을 위한 스크류형 추진 로봇 연구 :Screw-Propelled robot for internal inspection of tendon duct in Atomic pile

김동선

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자료유형: 학위논문

저자정보: 김동선 (서울과학기술대학교, 서울과학기술대학교 대학원)

지도교수: 김진현

발행연도: 2022

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2022

스크류 추진형 검측 로봇의 효율적인 검측을 위한 스크류 구조 변화 메커니즘

김동선 , 김호중 , 김진현 로봇학회 논문지 2022.06 학술저널

원자로의 포스트텐셔닝 텐던 덕트 내부 검측을 위한 스크류형 추진 로봇 연구

김동선 2022.01 학위논문

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본 연구에서는 원자로 격납 구조물에 사용된 포스트텐셔닝 텐던 덕트에 삽입하여 덕트 내부를 직접 검측할 수 있는 스크류 추진형 로봇을 개발하고자 하였다. 원자로 격납 구조물에 사용된 텐던 덕트 내부에 채워진 그리스가 누유되어 공극이 발생하면, 덕트 내부의 강연선은 이물질에 의해 쉽게 부식되고 심한 경우 강연선의 파단까지 발생할 수 있다. 이를 예방하고자 정기적인 검사를 실시하고 있지만, 현재 사용중인 검사 방법은 강연선의 추출이 필수적이다. 텐던 덕트 내부에 삽입할 수 있는 로봇을 이용하면 강연선의 추출 없이 덕트 내부 검사가 가능하며, 직접적인 검측을 통하여 높은 정확도를 확보할 수 있다. 하지만 텐던 덕트 내부를 이동하며 검측하기 위해선, 덕트에 채워진 그리스를 관통하며 이동할 수 있는 구조가 필수적이다. 기존 배관 로봇의 경우 그리스를 파낼 수 있는 구조가 없거나, 덕트를 손상시킬 가능성이 존재한다.
본 연구에서는 로봇의 스크류 디자인을 텐던 덕트 내부에서 움직일 수 있도록 최적화 하였다. 스크류의 개수를 다양하게 바꿔가며 그리스를 효과적으로 파낼 수 있는 디자인을 선정하였고, 최종적으로 2-Screw 디자인을 로봇에 적용하여 제작하였다. 실험을 통해 로봇이 그리스와 15 봉 42개로 채워진 내경 150 덕트에서 이동할 수 있는 것을 확인하였다.
또한 공극 검측을 위해 사용되는 평평한 형태의 초음파 센서가 로봇의 가장 앞에 위치함으로써 발생하는 그리스의 단면 저항을 줄이고자 스크류 구조 변화 메커니즘을 제안하였다. 구조 변화 메커니즘을 통해 로봇 추진 시에는 스크류가 그리스의 단면 저항을 최소화할 수 있는 날카로운 형태를 유지하고, 그리스 공극 검측 시에는 스크류가 절개되며 초음파 센서 모듈을 전개시켜 로봇의 가장 앞부분에 위치시킬 수 있다. 메커니즘을 작동시키는 액추에이터는 소형 Magnetic Clutch System을 적용하여 최소화하였고, 결과적으로 각 스크류에 액추에이터 하나만을 사용하여 로봇을 구동시킬 수 있게 하였다.
추후 로봇의 크기를 더욱 소형화하여 Milli-Scale Screw-Propelled Robot으로 소형 배관과 같이 협소한 공간에서 탐사 로봇으로 사용할 수 있고, 다양한 재질을 적용하여 해저나 우주 등 여러 극한 환경에서 응용할 수 있다.

This study attempted to develop a screw propulsion robot that can be inserted into the post-tension tendon duct used in the reactor containment structure to directly detect the inside of the duct. When grease filled in the tendon duct used in the reactor containment structure leaks and voids occur, the strands inside the duct can easily corrode by foreign substances and, in severe cases, breakage. Regular tests are being conducted to prevent this, but the currently used examination method requires extraction of the strands.
By using a robot that can be inserted into the tendon duct, it is possible to inspect the inside of the duct without extraction of the strands, and high accuracy can be secured through direct inspection. However, in order to move and inspect the inside of the tendon duct, a structure that can move through the grease filled in the duct is essential. In the case of existing pipe robots, there is no structure capable of digging out grease or there is a possibility of damaging the duct.
In this study, the screw design of the robot was optimized to move inside the tendon duct. A design that can effectively dig out grease by varying the number of screws was selected, and finally, 2-Screw design was applied to robots to manufacture. Through the experiment, it was verified that the robot can move from duct filled with grease and 42 strands.
In addition, a screw structure change mechanism was proposed to reduce the cross-sectional resistance of Grease caused by the position of a flat ultrasonic sensor used for void detection at the front of the robot. When propulsion of a robot through the structural change mechanism, the screw could maintain a sharp shape to minimize the cross-sectional resistance of Grease, and when detecting Grease void, the screw is cut, and the ultrasonic sensor module could be deployed to be placed at the front of the robot. Actuators operating the mechanism were minimized by applying a small magnetic clutch system and consequently allowed the robot to be driven with one actuator per screw.
In the future, by further miniaturizing the size of the robot, it can be used as a probe robot in a narrow space such as a small pipe with Milli-Scale Screw-Proved Robot, and can be applied in various extreme environments such as the sea floor and space by applying various materials.

#로봇

요약 ⅰ
표목차 iv
그림목차 v
I. 서 론 1
1. 연구 배경 1
1) 원자로 구조물 내 포스트텐셔닝 환경 1
2) 원자로 구조물 내 포스트텐셔닝의 결함 검측 방법 현황 2
3) 텐던 덕트 환경 4
2. 연구 목적 및 내용 5
3. 관련 선행 연구 조사 7
1) 배관 검측 로봇 7
2) 스크류 추진 로봇 8
3) Digging bot (Mole-bot) 9
II. 소구경 Screw-Propelled 로봇 설계 10
1. Screw Design Parameter 10
1) 스크류 추진력 계산 10
2) 스크류의 개수 14
2. Screw-Propelled Design 15
1) Main & 4-Sub Screw 타입 15
2) 3-Screw 타입 18
3) 2-Screw 타입 20
3. 로봇 추진력 실험 25
4. 결론 27
III. 스크류 구조 변화 메커니즘 28
1. 구조 변화 메커니즘의 필요성 28
2. 구조 변화 메커니즘 모델링 29
1) 스크류 이동형 구조 변화 29
2) 스크류 개폐형 구조 변화 30
3) Clutch System 32
3. 결론 34
IV. 결 론 37
참고문헌 38
영문초록(Abstract) 41
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