3조-노브레인

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 덕트 청소용 궤도 모듈 개발

영문 : Development of a Duct Cleaning Crawler Module

과제 팀명

노브레인

지도교수

윤민호 교수님

개발기간

2025년 9월 ~ 2025년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 기계정보공학과 20204300** 정**(팀장)

서울시립대학교 기계정보공학과 20204300** 김**

서울시립대학교 기계정보공학과 20204300** 조**

서울시립대학교 기계정보공학과 20204300** 홍**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

국내 상수도 관로의 경우 노후됨에 따라 유지 보수 비용 증가 문제를 야기한다. 이때, 보수, 청소를 위해 직접 작업자 투입되는 것이 아닌 로봇을 사용하는데, 이로서 작업자의 사고를 사전에 예방하고자 한다. ㈜ 더브라이트에서 사용하는 로봇 Jettyrobot의 경우 궤도 모듈이 굉장히 고가이고 특수 제작된 부품들로 인해 모듈 자체의 정비성과 유지보수성이 떨어지게 된다. 때문에 본 프로젝트에서는 배관 청소용 로봇에 적용될 수 있는 궤도 모듈을 가격, 정비성, 유지보수적인 측면과 기능적인 측면에서 개선하고자 한다.

개발 과제의 배경 및 효과

1) 개발 배경 및 필요성

국내 상수도 관로는 40년 이상 된 구간이 많고, 그 구간이 약 11만 km에 달한다. 이러한 노후 배관은 내부에 기름, 녹, 슬러지 등이 쌓여 수질 저하 및 유지보수 비용 증가 문제를 야기한다. 기존 방식인 배관 교체는 사회간접자본 차원에서 막대한 비용이 소요되며, 작업 환경의 위험성 및 내부의 리벳·핀 등의 요철 구조로 인한 작업자의 안전 문제도 일으키는 상황이다. 따라서 효율적이고 안전하게 관로 내부를 청소·점검할 수 있는 로봇 기술의 필요성이 요구된다.

2) 기존 기술의 문제점

현재 국내에서는 관로 로봇 기술에 대한 관심이 부족하여 대부분 체코 등 해외 장비를 수입해 사용한다. 기존 장비인 JettyRobot은 다음과 같은 문제점이 존재한다.

1. 궤도 모듈 1개당 가격이 약 1700만원으로 너무 비싼 단가를 가진다.
2. 기존 로봇은 대형 덕트 청소용 로봇으로 크기가 너무 커서 (정확한 수치는 대외비이므로 공개 불가) 소형 배관 및 덕트에 적용할 수 없다.
3. 내부 부품들이 특수 제작된 부품들로 정비성과 유지보수성이 매우 떨어진다.

3) 제안 기술의 우수성 및 독창성

이번 개발 과제에서는 다음과 같은 차별점을 갖는 로봇을 설계하고자 한다.

1. 방수·방진 강화: IP 규격 기반 완전 방수 및 방진 성능 확보. 수중 담금 시험을 통한 완전 방수 검증.
2. 열 관리 시스템 적용: 장기간 작업 활동에도 모터·보드 발열을 효과적으로 처리하기 위한 발열 처리 구조 구현.
3. 고성능 궤도 설계: 100N 수준의 견인력을 가지는 궤도 시스템 설계. 평면 주행에서 미끄럼 없는 주행 안정성 확보 및 곡관/직각 관로 주행 가능. 내부의 장애물을 극복할 수 있는 궤도 모듈 구조 구현.

4) 기대 효과 본 과제가 성공적으로 완수될 경우 다음과 같은 효과가 기대된다.

• 사회적 효과: 노후 상수도 배관의 위생적 관리로 국민 생활 안전 보장, 수돗물 품질 향상.
• 경제적 효과: 관로 교체 대신 로봇 활용 청소·점검으로 사회간접자본 절감. 해외 수입 장비 대체를 통한 비용 절감 및 국산 기술 경쟁력 확보.
• 산업적 효과: 궤도 모듈 기술의 내재화 및 상용화로 새로운 산업 생태계 창출, 향후 상수도 외에도 가스·산업용 덕트 분야로 확장 가능.
• 기술적 효과: 방수/방진, 열관리, 고성능 궤도 설계 등 핵심 기술 확보를 통해 국내 궤도 모듈 기술 전반의 수준 향상.

개발 과제의 목표 및 내용

1) 개발 목표

본 과제의 궁극적인 목표는 상수도·덕트 등 관로 내부를 안전하고 효율적으로 청소·점검할 수 있는 로봇 시스템의 궤도 모듈을 개발하는 것이다. 사람이 직접 청소 방식이 가진 위험성과 비효율성을 극복하고, 해외 수입 장비에 의존하지 않는 국산 관로 로봇에 적용 가능한 궤도 모듈을 개발하는 것을 목표로 삼는다.

1. 방수·방진 성능 확보: IP 등급 기준을 충족하는 완전 방수 및 방진 구조 설계. 수중 및 분진 환경에서 안정적으로 동작 가능하도록 함. (완전 방수 및 방진 시 약 1분 동안 연속 동작)
2. 구동 성능 향상: 모듈 1개 당 100N 수준의 견인력을 가지며(평면 기준), 직선 및 90도 곡관에서 안정적으로 주행할 수 있는 궤도 메커니즘 확보. 관 내부에 존재하는 리벳, 핀 등의 구조에도 이동성을 확보할 수 있도록 약 2cm의 요철을 견딜 수 있는 궤도 메커니즘 구현
3. 열 관리 시스템 구현: 장기간의 작업(약 30분간 연속 동작)에도 모터와 전자 보드의 발열을 효과적으로 처리하기 위한 수냉 또는 고전도 재질 기반 방열 구조 적용.
4. 정비·유지보수 용이성 확보: 궤도 탈착 및 구동부 교체가 간단하도록 모듈화 설계, 기어·풀리 체결부의 안정성을 확보.
5. 경제성 확보: 기존 개발 가격의 약 70프로의 가격의 예산 내에서 모듈을 제작함으로써 모듈에 대한 경제성 확보

2) 개발 단계 및 내용

1. 기초 설계 및 구조 검토

• 현존하는 다양한 궤도 구동 방식에 대한 구조 분석
• 궤도 시스템의 크기·재질·회전반경 설계
• 모터 Spec 선정 및 동력 전달 메커니즘 구상

2. 구동부 및 궤도 메커니즘 개발

• 모터·기어·풀리의 최적 배치와 러버 트랙 체결 방식 연구
• 장력 변화 시 기어 헛돎 방지 설계
• 궤도·모터 등 주요 부품 모듈화 설계로 손쉬운 교체 가능
• 프로토타입 제작 및 평면 100N 하중 조건 검증 테스트 진행

3. 열 관리 및 방열 구조 구현

• 구리선·모터 코일 손상 방지를 위한 발열 관리
• 수냉 방식 및 고열전도성 소재 적용 검토
• Load 없는 상태에서 30 분 이상 연속 동작 가능한 성능 목표

4. 방수·방진 구현 및 검증

• IP 등급을 충족하는 밀폐 구조 및 씰링 설계
• 수중 담금 시험(완전 침수 상태에서 1분 이상 작동)으로 방수 신뢰성 확보
• 먼지·슬러지 환경에서 장시간 동작 시 이물질 유입 방지 테스트

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

• 전 세계적인 기술현황

1) 모듈식 독립 구동 궤도 유닛

Eddyfi Technologies의 모듈식 궤도 유닛은 모터, 감속기, 스포로켓, 트랙, 텐셔너, 씰링 구조까지 하나의 하우징에 집적된 형태로, 외부 장치 없어도 독립적으로 구동이 가능하다. 이러한 독립 트랙 모듈은 필요 시 다양한 로봇 플랫폼에 쉽게 결합할 수 있어 범용성이 높으며, 실제로 Eddyfi Inuktun은 카메라나 센서에 결합 가능하도록 개발이 가능하다. 이는 설계 및 유지 보수의 표준화와 호환성을 제공하여, 향후 파이프나 덕트 환경에서 활용 가능성이 크다.

2) 유연 궤도 모듈

트랙 구조의 직선 구조이기 때문에 곡률이 큰 관이나 덕트에서는 접지력 손실과 구동 불안정 문제가 발생한다. 이를 해결하기 위해 트랙을 작게 여러 조각으로 세그먼트 하여 굽힘이 가능한 트랙 모듈이 연구되었다. CObRaSO와 COCrlP는 곡률을 위해 트랙 전체가 구부러지거나, 옴니휠처럼 전 방향 이동까지 가능하도록 설계되었다.

3) 오염 방지 및 텐셔닝 기술

트랙 모듈의 신뢰성은 장력 유지 기술에서 결정된다. 일반적으로 모터부터 감속기, 스프로켓의 과정을 거쳐 동력이 전달되는데, 이때 트랙 이탈을 방지하기 위한 텐셔닝 장치와 오염 유입을 막는 씰링 기술이 필수적이다. DLR 연구팀은 전동기, 풀리 텐셔너를 집적한 모듈을 제작하여 텐션 조절과 씰 교체가 용이한 구조를 확보했다.

• 특허조사 및 특허 전략 분석

1) 특허 조사

2) 특허 전략

• 기술 로드맵

내용

시장상황에 대한 분석

• 경쟁제품 조사 비교

(표 넣기)

• JettyRobot6

400N의 견인력과 드라이아이스 분사 기능, 브러시 모듈을 갖춘 클리닝 전문 로봇이다. 수평•수직 관내를 이동하며 세척이 가능하다는 장점이 있다. 그러나 최소 적용 관경이 200mm로 크고, 본체 방수 등급이 명시되지 않아 완전 침수 환경에는 부적합하다. 또한 궤도 모듈 1개 당 가격이 1700만원으로 제품 가격이 비싸다는 단점이 있다.

• Inuktun Versatrax

모듈형 설계가 핵심으로, 부품을 교체해 검사, NDT, 이물질 제거 등 다양한 임무에 투입 가능하다. 100mm 소구경까지 적용할 수 있는 높은 범용성이 장점이나 맞춤형 구성에 따른 높은 가격과 시스템의 복잡성이라는 단점이 존재한다.

• 마케팅 전략 제시

현재 국내 상수도 관로는 약 11만 km 이상이 약 40년 이상된 노후화된 관으로, 해당 구간에서 녹, 슬러지, 기름 퇴적에 따른 수질 저하 및 유지보수 비용 증가 문제가 대두되고 있다. 전면적인 관 교체는 막대한 사회간접자본 투자가 필요하며, 작업자 투입 시 안전사고 위험이 높다. 또한 이에 측정된 정부 예산이 약 11조로 책정된 만큼, 사업 확장 가능성 및 그 규모와 시장도 매우 큰 상황이다.

<SWOT> 전략

<Strength>

1. 가격 경쟁력: 기존 제품의 경우 로봇의 궤도 모듈 1개당 약 1700만원의 가격을 가지지만, 현재 개발 예정인 궤도의 경우 최대 200만원의 가격을 보여주어, 기존 대비 약 89% 저렴한 가격으로 구현이 가능하다.

2. 성능 및 목표의 명확성: 100N의 수평 견인력을 가지며, 약 2cm의 장애물을 넘을 수 있으며, 곡관/직관을 통과할 수 있어야 한다. 또한, IP 68 등급의 방수 및 방진을 이루어 내야 한다.

3. 모듈화 및 정비성: 모듈화된 설계를 통해 정비성을 높인다.

<Weakness>

1. 제작 난이도: 내부의 동력 전달 방식의 구현과 여러 단계의 프로토타입 제작 및 개선 과정을 반복하면서 구동력, 방수, 방진, 방열 성능을 검증해야 한다.

2. 성능의 구현 가능성: 불확실한 배관에서 장애물, 직/곡관 주행 및 100N의 견인력을 구현하는데 한계가 존재할 것이다.

<Opportunity>

1. 국산화: 현재 스웨덴에서 수입하는 로봇을 국산 부품들 로만 제작을 진행하여 완전한 배관 로봇의 국산화를 이뤄낸다.

2. 다양한 산업의 확장성: 기존의 배관 산업에서 뿐만이 아닌, 소형화된 궤도를 제작하여 상수도 등 다양한 분야로 확장을 시켜 나갈 수 있다.

<Threat>

1. 인증 등급 만족: IP 68 등급의 인증 및 실증의 요구 난이도가 매우 높다.

2. 부품 수급 리스크: 부품 배송 시간 및 추석 연휴를 고려하여 개발 일정 조절이 어렵고, 그에 따른 부품 수급도 어렵다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

• 청소 로봇 외 분야의 로봇으로의 발전

덕트나 배관 청소에 국한되지 않고 다양한 산업 분야로 확장이 가능하다. 전쟁이나 재난 분야 등에서 궤도 모듈은 매우 중요하다. 궤도형 주행과 방수, 방진 기술을 활용해 군사 시설 정찰이나 제염, 지뢰 탐지 등의 로봇으로 응용할 수 있으며, 고열, 고분진 환경 대응 능력을 바탕으로 화재 진압 및 소방 지원 로봇으로도 발전할 수 있다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

내용

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

내용

구성원 및 추진체계

내용

설계

설계사양

제품의 요구사항

내용

설계 사양

내용

개념설계안

내용

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

상세설계 내용

내용

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

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포스터

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관련사업비 내역서

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완료작품의 평가

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향후계획

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특허 출원 내용

내용