‘HYDRA-UW3’ 수중건설로봇에 장착
베트남 가스배관 설치공사에 투입, 드디어 첫 해외 진출 쾌거

knrrnd

㈜케이엔알시스템 기술연구소/로봇사업본부에서 개발한 수중 유압 로봇팔 ‘HYDRA-UW3’는 ㈜KOC의 경작업용 수중건설로봇 ROV인 URI-T에 장착되어 2020년 7월 15일부터 약 85일간 베트남 남동쪽 해역 수심 약 120m의 바닷속에서 가스배관을 설치하는 작업에 투입되었습니다. 이로써 ‘HYDRA-UW3’는 개발 완료 후 여러 시험을 거쳐 드디어 처음으로 실전에 투입, 해외시장에 진출하는 쾌거를 이뤘습니다.

<ROV에 장착된 수중 유압 로봇팔 ‘HYDRA-UW3’ (500msw 급 실 해역 시험 당시)>

베트남 해저 가스배관 설치공사는 베트남 국영기업인 PTSC (Petro Vietnam Technical Services Corporation) 가 추진하는 ‘SAO VANG and DAI NGUYET GAS Fields 개발사업’ 의 일환으로, ㈜케이엔알시스템의 수중 유압 로봇팔 ‘HYDRA-UW3’는 기술협력으로 참여한 ㈜KOC의 ROV(Remotely Operated underwater Vehicle)인 URI-T (Underwater Robot It’s Trencher) 에 장착되어 관로 굴착과 가스관 매설작업에 투입되었습니다.

해당 공사의 위치는 베트남 남부 호찌민시에서 남동쪽으로 약 350km 떨어진 해상으로, 작업 환경은 해저 수심 약 120m에서 부근에서 이뤄졌습니다. 이 작업은 수중 무인 잠수정 ROV를 이용하여 콘크리트로 코팅된 26인치, 18인치 가스관을 0.8m 깊이로 각각 약 22.5km (총 45km) 구간을 설치하는 공사로, 이를 위해 바다 위 선상 조종실에서는 수중 유압 로봇팔 ‘HYDRA-UW3’가 장착된 ROV를 원격으로 조종하여 관로를 굴착하고 가스관을 매설하는 작업을 진행하였습니다. 

<베트남 해저 배관 설치 모습_해양수산부 제공>

이 작업에 소요된 기간은 이동 기간 등을 제외하고 24시간 연속 작업 기준으로 약 50일 소요되었습니다. 이번 첫 실전에 투입된 베트남 가스배관 설치공사를 통해 ‘HYDRA-UW3’는 다시 한번 안정성을 입증하고 정밀성을 높이는 계기가 되었습니다. 또한 국내외 건설시장을 위한 시장 경쟁력을 점차 확보할 것으로 기대하고 있습니다.

‘HYDRA-UW3’는 최근 2021년 8월 26일 경남 하동에 위치한 부산대학교 선박해양플랜트 기술연구원에서 전체 로봇 팔의 2800msw 급 가압 시험에 성공하였으며, 앞으로 올해 말까지 ROV에 장착하여 2,500msw 급 실 해역에서의 실증 시험을 계획하고 있습니다.

‘HYDRA-UW3 280bar 가압시험을 성공적으로 수행’하여 수심 2,800msw 급 성능을 확보

knrrnd

㈜케이엔알시스템 기술연구소/로봇사업본부는 2021년 8월 26일 경남 하동에 위치한 부산대학교 선박해양플랜트 기술연구원에서 전체 로봇 팔의 2,500msw 급 가압 챔버 시험을 수행하였습니다. 이번 가압 시험에서 HYDRA-UW3는 처음 목표했던 2,500msw(250bar)를 뛰어넘어 2,830msw(283bar)의 가압 상태에서도 안정적으로 작동하는 모습을 보여줌으로써 수심 2,800msw 급 성능을 확보하게 되었습니다.

㈜케이엔알시스템은 2017년 7DOF와 5DOF의 수중 작업용 유압 로봇 팔을 각각 개발하였습니다. HYDRA-UW3는 수중 원격무인잠수정(ROV: Remotely Operated underwater Vehicle)의 전단에 탑재되어 원격 조정이 가능한 수중(심해) 작업용 유압 로봇 팔입니다.

<7DOF, 5DOF 수중 유압 로봇팔 HYDRA-UW3>

HYDRA-UW3는 세계 유수의 심해 작업용 로봇 팔과 비교하여도 우수한 성능(가반하중 120kg)을 가지고 있을 뿐만 아니라 우수한 제어 성능과 높은 정밀도(19bit 이상), 빠른 역기구학 계산(1kHz)으로 섬세하고 정확한 작업이 가능합니다. 이 밖에 다양한 카메라 관점을 갖추고 있어 사용자(조작자)편의 좌표계 적용이 가능하고, 각 축마다 압력 센서가 있어 힘 제어 및 컴플라이언스 제어 적용이 가능합니다. HYDRA-UW3 최대 장점은 타사의 심해용 수중 로봇 팔과 달리 로봇 팔 조작 명령에 속도 벡터 명령을 직접 사용할 수 있어서 ROV 탑재 시 다양한 인터페이스 형태를 활용 가능하여 타사의 제품보다 높은 유연성을 가지고 있습니다.

HYDRA-UW3는 높은 자유도의 원격 작업 시스템으로 수중(심해)에서의 작업뿐만 아니라 방수를 요구하는 작업이나 방재/재난 대응 작업, 해양 플랜트 건설 등 사람이 작업하기 어려운 위험 지역에서 그 쓰임과 활용도가 다양하게 적용될 수 있습니다. 현재, 원전 취수구 뻘 제거 로봇, 원전 해체 실증 시험, 베트남 가스 파이프라인 프로젝트 등 다양한 산업 분야에서 활용하고 있으며, 점차 적용 분야의 범위를 넓혀 나갈 예정입니다.

<가압 챔버 내 7DOF HYDRA-UW3>

㈜케이엔알시스템은 앞서 로봇 팔의 개발 완료 후 500msw 및 2,500msw 급 요소부품 시험을 완료하였고, 전체 로봇 팔의 500msw 급 가압 챔버 시험 및 대한민국 동해, 베트남 등 실 해역에서의 구동 시험을 완료한 바 있습니다.

앞으로 올해 말까지 ROV에 장착하여 실 해역에서 수행하는 2,500msw 급 실증 시험을 계획하고 있습니다.

유압시스템의 정의와 기초적 원리

knrrnd

유압시스템의 정의

액상의 유체를 사용하여 동력을 전달하는 시스템은 크게 나누어서 유체 정역학(hydrostatics)의 원리에 의하여 작동하는 시스템, 그리고 유체 커플링이나 토크 컨버터와 같이 유체 동역학(hydrodynamics)의 원리에 의하여 작동하는 시스템으로 구분할 수 있습니다.

유체 정역학의 원리를 응용하는 시스템은 높은 압력으로 동력을 전달하며, 일반적으로 낮은 유속을 유지합니다. 이에 비해 유체 동역학을 이용하는 시스템은 유체의 높은 속도 에너지가 동력 전달의 수단이지 때문에 비교적 낮은 압력과 높은 유속을 가지는 것이 특징입니다.

유압 시스템에서 동력의 전달이 유체 정역학의 원리에 의하여 이루어지지만, 유압 부품 내부의 유체 흐름, 펌프, 모터 내부의 흐름, 밸브 내부의 흐름, 관로 내부의 흐름 등을 고려하여 유압 부품들을 설계하려면 유체 동역학의 지식을 충분히 활용해야 한다는 점에도 유의할 필요가 있습니다.

유압시스템의 기초적 원리

파스칼의 원리 (Pascal's principle)

요약
: 밀폐된 용기 속에 담겨 있는 액체의 한쪽 부분에 주어진 압력은 그 세기에는 변함없이 같은 크기로 각 부분에 골고루 전달된다는 법칙

1653년 B.파스칼이 정리한 원리로, 밀폐된 공간에 채워진 유체에 힘을 가하면, 내부로 전달된 압력은 공간의 각 면에 동일한 압력으로 작용한다는 원리입니다. 치약의 끝을 누르면 치약이 나오는 것도 이러한 원리로 나타나는 현상입니다.

아래 그림과 같이 단면적이 A1인 피스톤에 F1의 힘을 가하면 A1에 가해진 압력(P1)이 유체를 통해 같은 압력(P2)으로 단면적이 A2인 피스톤에 F2의 힘이 전달 됩니다.
이를 식으로 니타내면,

따라서 F2는 A2/A1의 면적비만큼 큰 힘을 낼 수 있음을 알 수 있습니다. 즉, 족은 면적에서는 작은 힘(F1)을 가하더라도 전달되는 다른 쪽의 단면적을 넓히면 큰 힘으로 작용할 수 있음을 알 수 있다. 이러한 원리는 자동차에서 사용하는 유압식 브레이크, 자동차 정비소의 유압식 승강기, 기압계 등의 분야에서 적용되고 있습니다.

베르누이 방정식 (Bernoulli's equation)

요약
: 흐르는 유체에 대하여 유선(streamline) 상에서 모든 형태의 에너지의 합은 언제나 일정하다는 점을 설명

유체 동역학에서 베르누이 방정식은 이상 유체(ideal fluid)에 대하여, 유체에 가해지는 일이 없는 경우에 대해, 유체의 속도와 압력, 위치 에너지 사이의 관계를 나타내는 식입니다. 이 식은 1738년 다니엘 베르누이가 그의 저서 《유체역학》(hydrodynamica)에서 발표하였습니다.

위 식을 보면, 어떤 속도에서는 압력이 0이 되거나, 혹은 음수의 압력이 될 수도 있다는 것처럼 보입니다. 그러나 실제로 기체나 액체에서 0이나 음수의 압력은 있을 수 없고, 베르누이 방정식은 압력이 0이 되기 훨씬 전부터 적용이 불가해집니다.

또한 위의 식을 보면, 속도의 제곱과 압력이 선형적인 관계에 있다. 실제 기체에서는 속도가 낮을 경우에만 이런 관계가 성립합니다. 액체의 경우, 속도가 높아지면 공동현상(cavitation)과 같은 비선형 과정들이 발생합니다. 기체의 경우, 속도가 높아지면 밀도가 달라져, 밀도가 일정하다는 가정이 맞지 않게 됩니다.

여기서,

는 동압력(dynamic pressure)이라고 부릅니다.
베르누이 방정식을 쓸 때는 유선(streamline) 상의 유동에서 가 0이거나 무시할 만큼 작은 경우가 많다. 이런 경우 위 식은 다음과 같이 간략해집니다.

여기서 는 전압력(total pressure)라 부르며, 는 전압력 및 동압력과 구별하기 위하여 정압력(static pressure) 또는 정체압력이라 부릅니다. 또한, 보통 그냥 “압력”이라 하면 정압력을 지칭하는 경우가 많습니다. 

따라서 단순화된 베르누이 방정식은 다음과 같이 요약될 수 있습니다.

즉, 베르누이 방정식은 “유선 상에서의 전압력은 일정하다”는 말로 해석될 수 있습니다. 또한 만약 그 유동이 한 곳에서 출발하였다면, “그 유동 내의 모든 점에서의 전압력은 일정하다”고 할 수 있습니다. 그러나 앞서도 언급하였듯이 이 식은 경계층 내에는 적용되지 않음을 기억하여야 합니다. 

[참고자료 : “베르누이 방정식”, 위키백과, 베르누이 방정식 – 위키백과, 우리 모두의 백과사전 (wikipedia.org), 2021/07/30]