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문제 정의
- 본 논문에서는 선박을 건조하는 수많은 공정 중에서 항상 사고의 위험에 노출되어 있는 화물창 내의 도장작업에서 인력에 대신해 안전하고 정확하며 신속하게 작업을 수행할 수 있는 자동 로봇 장치를 소개하였다. 기존의 진공 펌프와 로봇에 장착된 흡착판을 이용하여 로봇을 벽면에 부착하는 방법의 단점을 보완하기 위해 자석의 성질을 이용한 선체의 평면, 수직면 및 천정면까지 이동 가능한 자석대차를 이용한 자동 도장 로봇장치를 제안하였다.
- 이러한 방법들은 다양한 재질의 벽면에 적용이 가능하고 장비무게에 비해서 강한 부착력과 부착력 제어를 쉽게 얻을 수 있다는 장점이 있는 반면에 흡착판이 고착된 상태에서 이동하기 힘들다는 것과 부착을 위해 부가 장비와 그에 따른 제어가 요구된다는 단점이 있다[1-3]. 이러한 단점을 보완하기 위해 본 논문에서는 자석의 성질을 이용하여 선체의 평면, 수직면까지 매달린 채도 이동가능한 자석대차를 이용한 자동 도장 로봇장치를 제안한다[4-5]. 자석을 가공하여 만든 바퀴에 구동장치와 조향장치를 장착한 시제작품을 제작하여 성능 실험을 위해 자석바퀴 부착력, 대차부착력 및 자동주행실험을 하였다.
제안 방법
- 또한, 자석 대차의 무게가 증가함에 따라 대차의 부착력을 증가 시킬 필요가 있다. 그러나 자석바퀴의 크기가 한정됨으로 자석 바퀴의 자력을 무한정 향상시키기는 힘들고 조향성을 향상시키기 위해 자석바퀴 개수를 늘리는 것도 한계가 있으므로 이를 보완하기 위해 사각자석을 보조로 사용하기 위해 사각자석을 설계 및 해석하였다. 그림 4는 사각자석 블록 구성도를 보여준다.
- 본 논문에서는 선박을 건조하는 수많은 공정 중에서 항상 사고의 위험에 노출되어 있는 화물창 내의 도장작업에서 인력에 대신해 안전하고 정확하며 신속하게 작업을 수행할 수 있는 자동 로봇 장치를 소개하였다. 기존의 진공 펌프와 로봇에 장착된 흡착판을 이용하여 로봇을 벽면에 부착하는 방법의 단점을 보완하기 위해 자석의 성질을 이용한 선체의 평면, 수직면 및 천정면까지 이동 가능한 자석대차를 이용한 자동 도장 로봇장치를 제안하였다.
- 대차 자동 주행 실험 또한 수평방향과 수직방향에 대하여 실험하였다. 그림 12~13은 수평방향 실험과 수직방향 실험 모습을 보여준다.
- 자석대차 부착력, 견인력 및 자동 주행 실험을 하기 위해 두께 8 mm인 철판 구조물을 제작하였다. 대차의 부착력 실험을 위해 수직벽면을 제작하였고 대차 추락방지용 rope를 설치하여 대차에 장착하였다. 그림 11은 수직면과 천정면에서 부착력과 견인력을 실험하기 위해 대차를 실험 구조물에 부착한 사진을 보여준다.
- 또한 유한요소해석을 통해 자석바퀴와 사각자석에 대한 부착력을 해석하였고, 동해석을 통해 각 바퀴의 각속도와 회전 조향을 해석하였다. 해석을 바탕으로 시제작품을 제작하여 자석바퀴 부착력, 대차 부착력 및 자동주행 실험에 대한 성능 실험을 하였다.
- 현재까지 개발된 가장 대표적인 장치는 진공 펌프와 로봇에 장착된 흡착판을 이용하여 로봇을 벽면에 부착하는 방법이다. 또한, 구동 목적이 아닌 단순 흡착을 위해 자석을 이용한 용접용 벽면 이동로봇을 개발하였으며, 로봇의 메커니즘을 가진 로봇의 발 부분에 흡착패드를 달아 병진운동을 이용한 보행로봇을 개발하였다. 이러한 방법들은 다양한 재질의 벽면에 적용이 가능하고 장비무게에 비해서 강한 부착력과 부착력 제어를 쉽게 얻을 수 있다는 장점이 있는 반면에 흡착판이 고착된 상태에서 이동하기 힘들다는 것과 부착을 위해 부가 장비와 그에 따른 제어가 요구된다는 단점이 있다[1-3].
- 또한, 사각자석에 대한 부착력 실험을 하였다. 사각 자석의 부착력 실험은 지면에서 3 mm간격을 두고 수행하였다.
- 또한, 자석대차의 동해석을 하기 위해 자석 바퀴의 개수가 2개일 때의 자석 대차에 대한 모델을 생성하고 일정 토크와 속도로 직선주행 시 각 바퀴의 각속도와 회전 조향을 해석하였다. 그림 5는 자석 바퀴의 개수가 2개일 때 해석 모델을 보여준다.
- 또한, 사각자석에 대한 부착력 실험을 하였다. 사각 자석의 부착력 실험은 지면에서 3 mm간격을 두고 수행하였다. 이는 사각자석은 자석바퀴와 같이 지면에 닿아 구동되는 것이 아니라 자석 대차의 무게가 증가함에 따라 대차의 부착력을 증가시키기 위한 장치이기 때문이다.
- 수평방향 실험은 초기조건이 ⊖는 -15°이고, d는 -80 mm일 때 주행 실험을 하였고, 수직방향 실험은 초기조건 ⊖는 16°이고, d는 90 mm일 때 주행 실험을 하였다.
- 시제작품 성능 실험은 자석바퀴 하나에 대한 탈·부착력 실험, 자석대차 시제작품에 대한 부착력 및 견인력 실험과 자동주행실험을 하였다.
- 그림 11은 수직면과 천정면에서 부착력과 견인력을 실험하기 위해 대차를 실험 구조물에 부착한 사진을 보여준다. 실험은 수직면에 부착한 대차에 추를 매달아 수직방향과 수평방향에 대해 대차가 정지해 있을 때 부착력을 측정하였고 주행할 때 견인력을 측정하였다.
- 그림 2는 설계한 자석바퀴의 개략도를 보여준다. 자석 바퀴의 개수는 직경이 25 mm인 자석을 7개 배치하고 전체 자석바퀴의 외경은 100 mm이며, 주행 시 슬립(slip)현상을 감소시키기 위해 외경 최외각을 두께 1 mm의 우레탄 코팅을 하였다. 또한, 그림 3은 자력 해석 방향을 보여준다.
- 자석대차 설계 및 해석을 바탕으로 2 wheel 육각 대차에 대한 시제작품을 제작하고 시제작품에 대한 성능 실험을 하였다. 자석대차의 부착력이 작은 단점을 보완하기 위해 사각자석 4개를 제작하고 대차에 설치하였다.
- 자석대차 설계 및 해석을 바탕으로 2 wheel 육각 대차에 대한 시제작품을 제작하고 시제작품에 대한 성능 실험을 하였다. 자석대차의 부착력이 작은 단점을 보완하기 위해 사각자석 4개를 제작하고 대차에 설치하였다. 그림 7은 시제작품을 제작한 사진을 보여준다.
- 이러한 단점을 보완하기 위해 본 논문에서는 자석의 성질을 이용하여 선체의 평면, 수직면까지 매달린 채도 이동가능한 자석대차를 이용한 자동 도장 로봇장치를 제안한다[4-5]. 자석을 가공하여 만든 바퀴에 구동장치와 조향장치를 장착한 시제작품을 제작하여 성능 실험을 위해 자석바퀴 부착력, 대차부착력 및 자동주행실험을 하였다.
- 제작된 자석바퀴에 대해 0°, 180°의 방향으로 바퀴의 회전 위치를 달리하여 측정하였으며 이 때 바퀴 부착면으로 부터의 거리를 증가시켜 최대 자력 발생치를 측정하였다.
- 또한 유한요소해석을 통해 자석바퀴와 사각자석에 대한 부착력을 해석하였고, 동해석을 통해 각 바퀴의 각속도와 회전 조향을 해석하였다. 해석을 바탕으로 시제작품을 제작하여 자석바퀴 부착력, 대차 부착력 및 자동주행 실험에 대한 성능 실험을 하였다.
대상 데이터
- 그림 4는 사각자석 블록 구성도를 보여준다. 사각자석 블록의 구성은 가로 50 mm, 세로 25 mm, 두께 20 mm인 사각자석, 알루미늄 소재의 두께 10 mm인 차폐용 블록, 철 소재의 두께 20 mm인 자석커버, 사각 블록 이송용 스크류, 사각블록 이송 가이드로 구성된다. 해석 결과, 475.
- 자석대차 부착력, 견인력 및 자동 주행 실험을 하기 위해 두께 8 mm인 철판 구조물을 제작하였다. 대차의 부착력 실험을 위해 수직벽면을 제작하였고 대차 추락방지용 rope를 설치하여 대차에 장착하였다.
- 자석바퀴는 유한요소 해석을 통해 선정한 바퀴로써, 바퀴 외경은 Ø 100, 자석 외경은 Ø 25, 자석 개수는 7로 이루어진 구조이다.
데이터처리
- 자석대차의 핵심적인 요소인 자석 바퀴를 설계하고 상용 전자기 해석프로그램인 Maxwell을 이용하여 부착력을 해석하였다. 그림 2는 설계한 자석바퀴의 개략도를 보여준다.
성능/효과
- 동해석 결과, 2개의 바퀴에 동일한 토크와 회전수(9 rpm, 100 kgfcm)로 120초 동안 직선주행 시, 모든 바퀴가 3,000 mm/min로 움직임을 알 수 있었다. 또한 좌측바퀴에 3 rpm, 우측 바퀴는 기어축 최대 rpm인 9 rpm으로 구동 시, 회전 조향 해석 결과, 좌측바퀴와 우측바퀴의 선속도는 각각 약 1,300 mm/min와 약 2,600 mm/min임을 알 수 있었다.
- 동해석 결과, 2개의 바퀴에 동일한 토크와 회전수(9 rpm, 100 kgfcm)로 120초 동안 직선주행 시, 모든 바퀴가 3,000 mm/min로 움직임을 알 수 있었다. 또한 좌측바퀴에 3 rpm, 우측 바퀴는 기어축 최대 rpm인 9 rpm으로 구동 시, 회전 조향 해석 결과, 좌측바퀴와 우측바퀴의 선속도는 각각 약 1,300 mm/min와 약 2,600 mm/min임을 알 수 있었다.
- 부착력 실험결과, 수직방향 정지 시 추의 무게가 약 11 kgf, 수평방향 정지 시 약 17 kgf를 넘어서면서 미끄러지기 시작하였다. 또한 주행 시 견인력 실험 결과, 수평방향일 때 약 7 kgf, 수직방향일 때 약 15 kgf이상에서 미끄러지기 시작함을 알 수 있었다.
- x축은 실험 데이터 개수를 나타내고 y축은 ⊖와 d에 대한 결과를 보여준다. 실험 결과, 임의의 주행 궤적을 입력함에 따라 주행궤적을 따라 잘 수렴하며 주행함을 알 수 있었다.
- 실험결과, 수직면이나 천정면에서 떨어지지 않고 임의의 주행 궤적을 입력함에 따라 주행궤적을 따라 잘 수렴하며 주행함을 알 수 있었다. 따라서 본 자석대차를 인력을 대신해 작업이 힘든 철 구조물 장소에 투입하여 안전 사고 위험의 최소화, 부대작업의 최소화는 물론 작업효율을 최대화할 수 있을 것이라고 예상된다.
- 사각자석 블록의 구성은 가로 50 mm, 세로 25 mm, 두께 20 mm인 사각자석, 알루미늄 소재의 두께 10 mm인 차폐용 블록, 철 소재의 두께 20 mm인 자석커버, 사각 블록 이송용 스크류, 사각블록 이송 가이드로 구성된다. 해석 결과, 475.25 N임을 알 수 있었다.
- 해석결과, 바퀴의 최소 부착력은 약 279 N임을 알 수 있었고, 자석이 철판에서 떨어지는 순간 부착력이 급격히 감소함을 알 수 있었다.
후속연구
- 실험결과, 수직면이나 천정면에서 떨어지지 않고 임의의 주행 궤적을 입력함에 따라 주행궤적을 따라 잘 수렴하며 주행함을 알 수 있었다. 따라서 본 자석대차를 인력을 대신해 작업이 힘든 철 구조물 장소에 투입하여 안전 사고 위험의 최소화, 부대작업의 최소화는 물론 작업효율을 최대화할 수 있을 것이라고 예상된다.
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