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Driving Performance Simulation of Mining Robot for SMS deposits
Driving Performance Simulation of Mining Robot for SMS deposits
Journal of Ocean Engineering and Technology. 2013. Apr, 27(2): 80-86
Copyright © 2013, Korean Society of Ocean Engineers
  • Received : November 27, 2012
  • Accepted : April 19, 2013
  • Published : April 30, 2013
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창호 이
형우 김
섭 홍
성수 김

Abstract
KIOST developed a deep-sea mining robot called "MineRo" to collect manganese nodules in 2007. MineRo operates on flat ground. SMS (seafloor massive sulfide) deposits are shaped like undulating mountains. This paper deals with a numerical analysis model of a mining robot for SMS deposits. The mining robot consists of a tracked vehicle, chassis structure with a turntable, boom arm with 2 articulations, excavation tool, discharging unit, hydro-electric system, and sensing-and-monitoring system. In order to compare and analyze the dynamic responses of the driving mechanism, various tracked vehicles are modeled using commercial software. Straight driving simulations are conducted under undulating ground conditions. A conceptual design of a mining robot with four track systems for SMS deposits is modeled on the basis of these results.
Keywords
1. 서 론
심해저에는 망간단괴, 망간각, 열수광상 등 많은 광물자원이 Fig. 1 에서와 같이 다양한 형태로 존재하고 있으며, 여러 나라들이 광물자원의 형태에 맞게 심해에서 광물자원을 채광하는 기술을 개발해오고 있다. 현재 한국해양과학기술원에서는 1994년부터 망간단괴 상업채광을 위한 파일럿 집광로봇 개발을 수행 중이다( Hong et al., 2008 ). 파일럿 집광로봇은 자주식 원격제어집광시스템 형태로 개발되었으며, 공리적 설계기법( Choi et al., 2008 )을 이용하여 이러한 원격 제어집광시스템의 개념설계를 평가하였다. 또한, 집광시스템 파쇄기의 설계기능전개(QFD, Quality function deployment)를 통해 수요자의 요구사항을 개념설계에 반영하였다. 이밖에도 주행시스템의 연약지반 주행 시뮬레이션( Kim et al., 2006 ; Kim et al., 2007 )과 모형실험( Choi et al., 2006 ; Yeu et al., 2007 ) 등이 이루어졌다. 근해역 통합채광성능실증시험을 위하여 시험 집광시스템을 제작하여 그 성능시험을 수행하였다. 시험 집광시스템의 근해역 성능시험을 바탕으로, 상업용량의 1/5규모인 5,000m급 파일럿 집광시스템의 설계 및 제작이 완료되었으며 역시 근해역에서의 성능 실증시험을 수행하였다.
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Hydrothermal deposits, Manganese nodules and Cobaltrich manganese crust
또한 한국해양과학기술원에서는 망간단괴뿐만 아니라 다양한 심해 자원을 채광하는 기술을 개발하기 위한 노력을 수행하고 있다. 이 중 하나가 해저열수광상이다. 해저열수광상이란 마그마챔버의 영향으로 열수광화용액이 만들어지고 순환되는 과정에 의해 형성되는 광상을 말한다. 이러한 해저열수광상은 망간단괴가 있는 지역과는 달리 평지가 아니라 Fig. 1 과 같이 산과 같은 불규칙한 지형인 해저 언덕에 분포를 하고 있기 때문에, 채광 시스템은 파일럿 집광로봇과는 다른 형태의 채집 장치가 필요하며, 또한 이러한 지역 주변을 주행하기 위한 특성화된 주행 메커니즘의 개발이 반드시 필요하다.
이에 본 논문은 해저열수광상 지형에 대한 분석을 수행하여 해저열수광상 지형에서 주행하기 용이한 메커니즘을 분석하고, 기존의 육상 주행 메커니즘의 장단점을 비교함으로써 해저 열수광상에 가장 적합한 주행 방식을 도출하고자 한다. 또한 불규칙한 해저지형 모델을 완성하고 직진 주행 시뮬레이션을 통하여 지면에 대한 응답특성을 비교 분석함으로써, 해저 열수광상용채광 로봇의 개념 모델링을 수행하고자 한다.
2. 해저열수광상 지형 분석
해저열수광상은 Fig. 2 에서 보듯이 지각활동이 활발한 지역에 주로 분포되어 있다.
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Distribution of known hydrothermal plumes and sites
Fig. 2 의 지형 중에서 본 논문에서는 경제성 있는 해저열수광상을 탐지하기 위해 실시된 KODOS07-H 탐사에서 조사된 라우분지에 대한 지형자료를 분석하였다. Fig. 3 의 라우 분지는 태평양 지각판과 인도-호주 지각 판이 섭입 하는 경계에 위치한 지형으로, 수심은 2000~3000m로 비교적 얕은 활동성 호상열도분지이다( KIOST, 2007 ).
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(a) Regional bathymetry map and tectonic setting of the Lau Basin, from Zellmer and Taylor. (b) Detailed bathymetry map of the Lau Basin.
Fig. 4 Fig. 3 (b) 에서 조사된 3곳의 지역 중에서 TA12 지역의 정밀 해저지형을 나타낸 그림이다. Fig. 5 와 같이 A, B, C, D 4곳의 단면도에 대한 분석을 수행하여 지형의 경사도를 예측하였다. Table 1 은 각 구간에 대한 최대 경사도와 최소경사도를 정리한 표이다. 이처럼 해저 지형은 평지에서부터 대략 30도의 급경사까지 다양한 형태와 경사도를 지닌 구간이 존재함을 알 수 있으며, 향후 개발되어야 하는 차량은 30도의 급경사 구간을 주행할 수 있으면서도 경사각을 유지하면서 해저에 존재하는 열수광상을 채집할 수 있어야 한다.
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Detailed bathymetry map of TA12 area
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Cross-sectional diagram of seafloor topography for TA12 area
Computed slope angle of TA12 area
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Computed slope angle of TA12 area
3. 해저열수광상용 주행 장치 모델
- 3.1 다양한 주행 장치의 특성 분석
해저열수광상에 가장 적합한 주행 메커니즘 도출을 위하여 기존의 육상 주행 메커니즘의 특성에 대하여 살펴보았다. 크게 다족형, 무한 궤도형, 스크루 형태로 나눌 수 있으며, 세부적으로는 다족형 보행, 다족형 주행, 2열 궤도, 4열 궤도 등으로 나눌 수 있다. 다음 Table 2 는 이러한 주행 메커니즘의 장단점을 나타낸 표이다.
Characteristics of driving mechanism
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Characteristics of driving mechanism
- 3.2 QFD를 통한 해저열수광상용 주행메커니즘 선별
QFD는 고객요구에 대한 제품 전략/기획을 위한 주요 항목을 선정하고, 고객요구를 품질특성으로 변환하여 개발 제품의 주요 설계 특성을 결정한 다음, 이를 부품이나 공정에 이르기까지 이들 간의 관련을 계통적으로 전개하는 것이다( Akao, 1990 ).
열수광상 해저 면을 주행하는데 있어 수요자의 요구사항(VOC, Voice of customer)은 간헐적 이동, 차체의 수평도 유지 및 작업 안정성 확보, 사용 동력의 최소화, 해류의 영향 최소화, 제어의 단순화, 우수한 장애물 통과 능력 등이 있다. 또한 설계 관점에서의 요구사항(DC, Design characteristics)을 도출하면, 과도한 접지압을 피해야 하며, 견인력이 커야하고, 미끄러짐이 작고, 조향이 쉬워야 한다는 점이 있다. 또한 구조가 간단하고 자유도가 작아야 하며, 서스펜션, 경사센서, 지면고정지지대등을 갖추어야 한다.
Table 3 은 이러한 VOC와 DC와의 상관관계를 통하여 얻어진 DC의 우선순위 및 중요도를 나타낸 표이다. 숫자를 1에서 5까지로 표시하며, 숫자가 클수록 상관관계가 높다는 의미이고, 낮을수록 상관관계가 적음을 나타낸다. 이 표에서 보듯이 VOC를 만족하기 위하여 가장 우선적으로 고려되어야 할 것은 견인력이 커야 되는 점이며, 그 다음으로는 미끄럼이 작아야 한다는 것이다. 이러한 DC와 주행 메커니즘과의 상관관계를 살펴보면 Table 4 와 같이 나타낼 수 있다.
Relationships matrix both VOC and DC
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Relationships matrix both VOC and DC
Relationships matrix both DC and driving mechanism
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Relationships matrix both DC and driving mechanism
Table 4 에서 보듯이 설계요구조건을 가장 잘 만족하는 주행 메커니즘은 간단한 현가장치로 이루어진 Tandem 형태의 트랙구조를 가진 시스템이다. 또한 궤도 형태의 시스템은 모두 높은 점수를 나타내고 있어 해저열수광상 주행 메커니즘으로서 좋은 성능을 발휘할 수 있을 것이라 예상된다.
- 3.3 주행 장치 모델링
본 논문에서는 다양한 주행 메커니즘의 비교를 위하여 상용 해석 소프트웨어( RecurDyn, 2006 )를 이용하여 Fig. 6 과 같이 다양한 궤도 형태의 주행 차량을 모델링 하였다. 각각의 궤도 차량은 전체 무게가 6t이며, 가로 2.25m, 세로 5.1m, 높이 2.1m의 동일한 크기로 모델링하였다. Fig. 6 에서 보듯이 궤도차량은 크게 2열 궤도와 4열 궤도, 그리고 단순 현가 시스템과 차량과 같은 복잡한 현가 시스템이 장착된 형태로 구분되어 모델링 되었다. 단순 현가 시스템은 궤도가 차량과 일정한 방향으로의 병진조인트로 연결되어 있어 회전이 없이 상하로만 움직이도록 하였다. 또한 복잡한 현가 시스템은 궤도가 차량과 회전 조인트로 연결되어 있어, 노면에 따라 궤도의 자세가 변할 수 있도록 하였다.
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Various tracked vehicle models
4. 주행 장치 수치해석 결과
본 논문에서는 다양한 주행 메커니즘의 비교를 위하여 Table 1 의 해저열수광상 지형도 분석 결과를 바탕으로 Fig. 7 과 같이 경사도 25도의 지형을 직진 주행하는 시뮬레이션을 수행하였다.
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Road model for driving simulation of tracked vehicle
Fig. 7 은 차체의 진행방향의 속도를 나타낸 그래프이다. 또한 Table 5 Fig. 7 에서 경사면 주행에 해당하는 10초에서 24초 사이의 평균 속도 및 Slip ratio를 계산한 것이다. 입력 속도는 스프라켓의 반지름이 229mm이며, 회전 속도는 4 rad/sec이므로, 916mm/sec가 된다. 이 결과에서 보듯이 네 가지 모델 모두 25도의 경사면은 쉽게 등판이 가능하며, 슬립 또한 매우 작음을 확인할 수 있다. Table 4 에서 예상했던 것과는 달리 4열 궤도보다는 2열 궤도가 근소한 차이로 등판능력이 좋은 결과를 보였다. 현가장치의 형태에 따라 살펴보면 Table 4 에서 예상했던 대로 단순 현가장치를 가진 차량이 조금 더 성능이 좋음을 확인할 수 있다. 이러한 결과는 Table 4 의 결과가 어느 정도 주관적인 판단이 들어가 있고, 또한 수치해석을 통한 시뮬레이션이 모든 환경조건을 고려할 수 없기 때문으로 판단된다.
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Longitudinal velocities of various vehicle models
Averages of velocities and slip ratio
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Averages of velocities and slip ratio
5. 해저열수광상용 채광로봇 모델
본 장에서는 4열 무한궤도 형태의 주행 장치를 가진 조금 더 세부적인 해저열수광상용 채광 로봇을 Fig. 9 와 같이 모델링하였다. 4열 무한궤도 형태로 모델링한 이유는 해저 열수광상용 채광 로봇은 이동이 간헐적이며, 이동시 불규칙한 해저열수광상 지형을 손쉽게 주행할 수 있을 뿐만 아니라 경사면에서 채광 작업 시 자세제어가 손쉽기 때문이다. 차량의 무게 및 제원은 Table 6 에 나타나 있다. 채광 로봇은 네 개의 궤도형태의 주행 장치가 네 개의 다리에 연결이 되어 있어, 경사면에서 수평을 유지하기 쉬운 형태를 띠고 있다. 네 개의 다리에는 궤도 시스템이 현가로 연결되어 있어 불규칙한 노면을 따라 접지면이 회전하여 접지면적이 최대가 되도록 하였다. 또한 굴삭기와 유사한 형태의 채광 시스템이 앞쪽에 달려있어 붐을 확장하여 작업을 수행할 수 있으며, 회전형 버켓이 연결되어 있다. 수중의 효과를 고려하기 위하여 각 부분시스템별로 부력을 계산하여 적용하였다. Table 7 에는 이 모델에 대한 각 부분시스템에 대한 중량 및 부력이 나타나있다. 이 해저열수광상 차량 모델은 총 84개의 물체와 92개의 조인트로 이루어져 있으며, 1074 자유도를 갖는 모델이다. 각 궤도는 43개의 트랙으로 이루어져 있다.
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Numerical simulation model for deepsea mining robot
Principal dimensions of test miner model
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Principal dimensions of test miner model
Mass and buoyancy of deepsea mining robot's subsystem
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Mass and buoyancy of deepsea mining robot's subsystem
모델링된 해저열수광상용 채광 로봇을 Fig. 10 과 같이 Fig. 4 의 TA12 해저 지역을 1/10크기로 모델링한 지형에서 직진 주행하도록 시뮬레이션을 수행하였다. 이때 현가의 유무에 따른 특성을 비교하기 위하여, Fig. 9 에서의 현가를 고정한 모델과 함께 비교를 수행하였다. Fig. 11 은 두 가지 다른 모델의 수직방향에 대한 위치의 그래프를 나타내고 있으며, Fig. 12 는 진행방향에 대한 속도를 나타내고 있다. Fig. 11 Fig. 12 에서 보듯이 현가가 있는 모델은 노면에 따라 궤도가 회전을 하여 접촉면이 최대가 되어 원활한 주행을 하는 반면, 현가가 없는 모델은 노면에 따라 접촉하는 면적이 현가가 있는 모델보다 작아지며, 원활한 주행을 하지 못하고 결국 뒤로 미끄러져 내려가는 결과를 보임을 확인할 수 있다. 이는 Table 3 에서 구조의 단순함이나, 자유도가 적은 것보다 미끄러짐이 작고 견인력이 커야하는 점이 열수광상 주행에 있어서 더욱 중요한 요소가 됨을 확인할 수 있는 결과라고 판단된다.
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Road model for driving simulation of mining robot
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Vertical positions of mining robots
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Longitudinal velocities of mining robots
6. 결 론
본 논문에서는 해저열수광상용 주행 메커니즘의 개념 도출을 위하여 기존의 육상 주행 메커니즘의 특징을 분석하였으며, QFD를 이용하여 최적의 해저열수광상용 주행 메커니즘을 선정하였다. 또한 이렇게 선정된 주행 차량을 상용소프트웨어를 이용하여 모델링하였고, 시뮬레이션을 통하여 그 특징을 살펴보았다. 그 결과 궤도 모양에 단순 현가장치를 결합한 형태의 주행 메커니즘이 해저열수광상용 주행 메커니즘으로 적합함을 확인할 수 있었다. 상세 연구를 위하여 이러한 결과를 바탕으로 불규칙한 해저열수광상 지형에 적합한 해저열수광상용 채광 로봇의 개념 모델을 상용소프트웨어를 이용하여 모델링하였다. 이렇게 모델링된 채광 로봇의 불규칙 지형에서의 직진 주행 시뮬레이션을 통하여 현가장치의 유무에 따른 주행 성능을 살펴보았다. 이러한 결과는 향후 성능 면에서나 기능 면에서 뛰어난 해저열수광상용 채광 로봇의 상세 설계 및 개발에 활용될 것으로 기대한다. 상세 설계 후에는 다양한 환경 조건 및 설계 인자를 고려한 해저 열수광상용 채광 로봇의 주행 특성 및 응답 특성 등에 대한 연구를 수행할 것이다.
본 논문은 국토해양부 연구과제인 “해저열수광상 채광시스템 개념설계” 및 한국해양과학기술진흥원 과제인 “심해저 광물자원 통합채광시스템 개발연구”의 연구결과 중 일부임을 밝힙니다.
References
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