[논문]작업자 편의를 반영한 선체 청소로봇의 주행 제어시스템 개발

강훈; 오진석

doi:10.5916/jkosme.2013.37.4.391

작업자 편의를 반영한 선체 청소로봇의 주행 제어시스템 개발
Development of a drive control system of a hull cleaning robot reflecting operator's convenience 원문보기

한국마린엔지니어링학회지 = Journal of the Korean Society of Marine Engineering, v.37 no.4, 2013년, pp.391 - 398

강훈 (한국해양대학교 메카트로닉스공학과) , 오진석 (한국해양대학교 기관공학과)

초록
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선체 청소를 통해 선박에서 소비되는 연료량을 감소시킬 수 있으며 최근에는 이러한 작업을 산업용 로봇을 사용하여 수행한다. 선체를 청소하는 로봇에 있어서 안정적으로 선체에 부착되어 주행하는 것이 가장 중요하므로 본 연구에서는 안정적으로 선체 청소로봇을 구동할 수 있는 주행 제어시스템을 개발하였다. 이와 더불어 보다 편리하게 로봇을 운용할 수 있도록 주행 제어시스템에 작업자의 편의를 반영하여 주행 제어시스템을 구성하였다. 개발된 주행 제어시스템의 주행 제어성능과 편의성은 선체와 동일하게 제작된 구조물에서 실험을 통해 입증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Fuel consumption in a vessel can be reduced by a hull cleaning which has been performed by the industrial robot. It is most important to attach safely and travel on the hull surface for a hull cleaning robot. In this study, therefore, we have developed a drive control system of the hull cleaning robot that enables a stable drive. In addition, operator's conveniences were reflected on the drive control system for comfort robot operation. Through a drive control experiments conducted at a hull test-bed, we demonstrated the drive control performance and conveniences of the developed drive control system.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

효과적인 선체 청소작업을 위해서는 주행 제어능력이 가장 중요하며, 이와 함께 로봇을 사용하는 작업자의 편의성 또한 반드시 고려되어야 한다. 따라서 본 연구에서는 선체 청소로봇을 구동하는데 있어서 안정적으로 주행이 가능하면서 작업자의 입장에서 보다 편리하게 로봇을 운용할 수 있도록 하는 주행 제어시스템을 개발하고자 한다.
본 연구에서는 진공흡착 방식의 선체 청소로봇의 주행을 안정적으로 제어할 수 있는 동시에 작업자가 편리하게 로봇을 운용할 수 있도록 도와주는 주행 제어시스템을 개발하였다. 안정적인 주행 제어를 위하여 선체 청소로봇의 주행환경 분석결과를 반영하여 제어시스템을 구성하였으며, 보다 편리하게 주행제어를 수행할 수 있도록 상태 감시 시스템을 개발하여 적용하였다.

제안 방법

안정적인 주행 제어를 위하여 선체 청소로봇의 주행환경 분석결과를 반영하여 제어시스템을 구성하였으며, 보다 편리하게 주행제어를 수행할 수 있도록 상태 감시 시스템을 개발하여 적용하였다. 개발된 주행 제어 시스템은 선체 구조물에서 테스트 되었고 이를 통해 주행 제어시스템의 주행 제어정확도를 검증하였다. 실험결과로부터 중력에 의해 수직방향 주행 시 차륜의 미끄러짐에 의해 주행 제어성능이 저하 된다는 것을 알 수 있었으며, 이를 보완하기 위해서는 미끄러짐에 영향을 받지 않고 이동변위를 측정할 수 있는 센서모듈을 적용하여 엔코더에 의존하는 제어체계를 보완해야 한다.
선체 청소로봇은 좌·우측 차륜이 서로 연결된 구조이며 두 대의 전동기로 구동된다. 따라서 차륜의 회전속도 차이를 이용하여 이동방향을 전환하는 미끄럼 조향(skid steering)을 사용하여 주행한다. 미끄럼 조향을 사용하면 다양한 방향으로 주행할 수 있지만 선체 청소작업에는 단순한 주행만 필요하므로 Figure 3과 같이 3가지 주행방법만을 사용한다.
본 연구에서는 주행 제어시스템을 개발하는 것이 목적이므로 선체 청소로봇과 제어·감시 유닛만을 중점적으로 다룬다.
서보 드라이브는 RS-232 통신에서 Modbus RTU 프로토콜을 사용하여 구동되어야 하지만 RS-232 통신은 원거리 통신에 적합하지 않으므로 CAN(Controller Area Network) 통신을 사용하여 지상의 제어·감시 유닛으로부터 제어명령을 전달받아 로봇에서 RS-232 통신으로 제어명령을 변환하여 주행 제어를 수행할 수 있도록 구현하였다.
소형 구조물에서의 반복실험을 통해 주행제어에 대한 신뢰성을 확보한 이후에 Figure 11과 같이 선체와 동일한 형태로 제작된 구조물에서 주행 제어 성능을 실험하였다. 주행 제어정확도를 알아보기 위하여 구조물 벽면에서 5m 거리를 주행하도록 제어명령을 준 이후에 실제 주행한 거리를 측정하였다.
본 연구에서는 진공흡착 방식의 선체 청소로봇의 주행을 안정적으로 제어할 수 있는 동시에 작업자가 편리하게 로봇을 운용할 수 있도록 도와주는 주행 제어시스템을 개발하였다. 안정적인 주행 제어를 위하여 선체 청소로봇의 주행환경 분석결과를 반영하여 제어시스템을 구성하였으며, 보다 편리하게 주행제어를 수행할 수 있도록 상태 감시 시스템을 개발하여 적용하였다. 개발된 주행 제어 시스템은 선체 구조물에서 테스트 되었고 이를 통해 주행 제어시스템의 주행 제어정확도를 검증하였다.
로봇 주행 장치는 로봇에 설치되어 주행을 제어하는 장치로서 서보 모터, 서보 드라이브, 통신 변환장치로 구성된다. 정밀한 주행제어를 위하여 서보 모터와 서보 드라이브가 사용되었으며, 이들은 주행 제어환경 분석결과를 바탕으로 선정되었다. 적용된 서보모터와 드라이브의 사양은 Table 2와 같다.
소형 구조물에서의 반복실험을 통해 주행제어에 대한 신뢰성을 확보한 이후에 Figure 11과 같이 선체와 동일한 형태로 제작된 구조물에서 주행 제어 성능을 실험하였다. 주행 제어정확도를 알아보기 위하여 구조물 벽면에서 5m 거리를 주행하도록 제어명령을 준 이후에 실제 주행한 거리를 측정하였다. 실험결과는 Figure 12와 같으며, 선체의 수직면을 오르는 주행 시 중력의 영향으로 선체와 차륜 사이에 미끄러짐이 많이 발생하여 위치정확도가 낮게 나타났다.
선체 청소로봇의 프로토타입(prototype)은 로봇 프레임 위에 주행 장치를 박스 형태로 추가하여 제작되었다. 주행제어 시스템의 주행 기능을 확인하고 문제점을 보완하기 위하여 우선 Figure 10과 같이 선체와 동일한 재질로 구성된 소형 구조물에 로봇을 부착하여 주행 제어기능을 실험하였다.

대상 데이터

이러한 구조의 선체 청소로봇은 선체 표면 위를 일정한 속도로 주행하면서 선체 청소 툴을 사용하여 청소작업을 수행한다. 본 연구에서 사용된 선체 청소로봇은 상세한 사양은 Table 1과 같다.
본 연구에서 사용된 선체 청소로봇은 진공흡착방식으로 Figure 1과 같이 중심부에 흡착 패드(adhesive pad)를 가지고 있다. 따라서 선체 청소로봇은 흡착 패드와 선체 표면사이에 진공압력을 생성하여 선체에 부착될 수 있다.

성능/효과

또한, 제어·감시 유닛의 카메라 영상을 통해 로봇이 고소지역에서 운용될 때 작업자가 고개를 들지 않고 영상을 보며 로봇의 주행 제어를 할 수 있어 작업 피로를 감소시킬 수 있었다.
이와 더불어, 로봇의 압력변화와 전·후방 영상을 실시간으로 확인하면서 로봇을 운용한 결과 사용자의 입장에서 보다 편리하게 주행 제어를 수행할 수 있었다.
반면에 수평으로 주행할 때는 차륜의 미끄러짐이 감소하여 상대적으로 정확한 주행 제어가 가능하였다. 이와 더불어, 반복실험을 통해 로봇의 제자리 방향 전환에 대한 제어 정확도를 실험하였으며, 그 결과 Figure 13과 같이 비교적 정확하게 방향전환이 가능함을 알 수 있었다.
주행 제어실험에서 선체 청소로봇을 운용하는 작업자는 Figure 14와 같은 제어·감시 유닛의 화면을 통해 진공압력과 로봇 전·후방의 영상을 실시간으로 확인하면서 주행제어를 수행할 수 있었으며, 그 결과 로봇 운용 중에 무리한 주행제어로 인한 진공압력 저하를 사전에 방지할 수 있었다.
주행 제어실험에서 선체 청소로봇을 운용하는 작업자는 Figure 14와 같은 제어·감시 유닛의 화면을 통해 진공압력과 로봇 전·후방의 영상을 실시간으로 확인하면서 주행제어를 수행할 수 있었으며, 그 결과 로봇 운용 중에 무리한 주행제어로 인한 진공압력 저하를 사전에 방지할 수 있었다. 특히, 선체 청소로봇이 용접선이나 곡면을 주행할 때 Figure 15와 같이 로봇에 작용하는 진공압력이 감소한다는 것을 직관적으로 파악 할 수 있었으며, 이로 인해 안전하게 로봇을 제어할 수 있었다. 또한, 제어·감시 유닛의 카메라 영상을 통해 로봇이 고소지역에서 운용될 때 작업자가 고개를 들지 않고 영상을 보며 로봇의 주행 제어를 할 수 있어 작업 피로를 감소시킬 수 있었다.

후속연구

개발된 주행 제어 시스템은 선체 구조물에서 테스트 되었고 이를 통해 주행 제어시스템의 주행 제어정확도를 검증하였다. 실험결과로부터 중력에 의해 수직방향 주행 시 차륜의 미끄러짐에 의해 주행 제어성능이 저하 된다는 것을 알 수 있었으며, 이를 보완하기 위해서는 미끄러짐에 영향을 받지 않고 이동변위를 측정할 수 있는 센서모듈을 적용하여 엔코더에 의존하는 제어체계를 보완해야 한다. 이와 더불어, 로봇의 압력변화와 전·후방 영상을 실시간으로 확인하면서 로봇을 운용한 결과 사용자의 입장에서 보다 편리하게 주행 제어를 수행할 수 있었다.
이와 더불어, 로봇의 압력변화와 전·후방 영상을 실시간으로 확인하면서 로봇을 운용한 결과 사용자의 입장에서 보다 편리하게 주행 제어를 수행할 수 있었다. 이러한 연구결과를 바탕으로 개발된 주행 제어시스템을 선체 청소뿐만 아니라 플랜트 구조물, 대형 탱크 등의 청소작업에도 적용 할 예정이며, 추가적인 연구를 통해 위치추정 기능과 경로생성 기능을 적용하여 자동으로 청소작업을 수행할 수 있는 시스템으로 개발 할 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	장 보편적으로 사용되고 있는 선체 청소방법은 무엇인가?	비록 생물부착 방지를 위하여 다양한 방법들이 사용되고 있지만 근본적인 생물부착 문제를 해결하지는 못하며, 선박의 운용효율을 높이기 위해서는 지속적으로 선체 표면을 청소할 수밖에 없다. 가장 보편적으로 사용되고 있는 선체 청소방법은 작업자들이 직접 청소용 툴(tool)을 사용하여 건조도크(dry dock)에서 선체를 청소하는 방법이다. 하지만 이러한 방법은 작업자들이 분진과 같은 유해물질에 노출되어 있고, 고소작업(high place work)이 많이 때문에 작업 안전상에 많은 문제가 있다[2].
	선체 청소로봇 시스템은 어떻게 구성되어 있는가?	선체 청소로봇 시스템은 Figure 2에 도식화된 것과 같이 선체에 부착되어 청소작업을 수행하는 선체 청소로봇, 진공을 발생시켜 로봇을 선체에 부착 시키는 진공 지원 유닛(vacuum support unit), 선체 청소를 위한 블라스팅 지원 유닛(blasting support unit) 그리고 로봇의 주행을 제어하고 운용 상태를 감시하는 제어·감시 유닛(control & monitoring unit)로 구성되어 있다. 본 연구에서는 주행 제어시스템을 개발하는 것이 목적이므로 선체 청소로봇과 제어·감시 유닛만을 중점적으로 다룬다.
	작업자들이 직접 청소용 툴(tool)을 사용하여 건조도크(dry dock)에서 선체를 청소하는 방법의 단점은?	가장 보편적으로 사용되고 있는 선체 청소방법은 작업자들이 직접 청소용 툴(tool)을 사용하여 건조도크(dry dock)에서 선체를 청소하는 방법이다. 하지만 이러한 방법은 작업자들이 분진과 같은 유해물질에 노출되어 있고, 고소작업(high place work)이 많이 때문에 작업 안전상에 많은 문제가 있다[2]. 따라서 이와 같은 문제점들을 해결하기 위하여 산업용 로봇을 도입하여 작업자의 업무를 대체하는 방법이 연구되고 있다.

참고문헌 (9)

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상세보기
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원문보기 상세보기
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E. Y. Kim, D. H. Lee, and H. K. Kim, "Development of a hull-plate moving robot with permanent magnets", Proceedings of the Korean Society of Mechanical Engineers Conference, vol. 2008, no. 11, pp. 990-995, 2008 (in Korean).
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저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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