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문제 정의
- 142%)의 순서로 중요도의 우선순위가 높다고 밝혀진바 있다[3,4,5,6]. 따라서 본 연구에서는 사용자의 위치정보를 제공하는 GPS와 카메라가 탑재된 스마트폰과 원격 로봇기술을 접목하여 화재 발생, 원전사고, HF가스 누출등과 같은 급박한 화재 상황에서 소방관을 투입하기 이전에 정확한 화재 및 가스 누출 사고 현장의 정보와 상황을 파악하여 인명 피해를 최소화 하면서 방재 활동을 실시 할수 있고 정확한 초기 대응으로 피해를 최소화할 수 있는 전략을 수립할 수 있도록 하는 소형화된 원격 조정 로봇을 설계 제작하였다.
- 본 논문에서는 안드로이드 체제 스마트폰를 이용하여 화재 발생 현장의 정보를 제공하고 피해자의 위치를 인식하고 초기 대응으로 인명을 구재할 수 있는 방재 로봇의 초기 모델을 설계하고 제작하였다. prototype 로봇의 구동을 통해서 로봇 팔에 사용된 Dynamixel을 바퀴로 사용될 때의 Rolling 모드가 아닌 일반모드에서는 300°를 0~1023의 단계로 나누어 스텝 당 약 0.
제안 방법
- 또한 저전력으로 구동되는 Xbee를 선택함으로써 사건발생 전까지 대기해야하는 로봇의 전력효율을 고려하였다. Car body에 부착되는 바퀴는 차체를 중심으로 해서 4개를 부착하였고 화재피해로 인해 로봇의 이동이 어려울 사항을 가정하여 차체의 회전 없이도 방향 전환이 가능하도록 그림 4에 표시된 Mecanum wheel을 선택하였다.
- Control device의 내부 회로는 그림 10과 같이 ARS, Xbee 등을 간결하게 구성하여 추후 고장진단 및 회로 응용이 쉽도록 설계되었다.
- 로봇 팔은 휴머노이드 로봇의 관절에 주로 사용되는 Dynamixel을 선택하고, 사용자가 구동 시키기 용이하도록 5개의 모터를 사용 사람의 팔과 유사한 형태로 설계하였다. Mecanum wheel을 통해 움직이는 Drive Mode, Turn Mode, 로봇 팔을 이용해 장애물을 치우는 Grab Mode의 제어는 Control device에 ARS Sensor와 Pressure Sensor를 이용하여 사용자가 쉽게 제어할 수 있도록 설계하였다.
- 여기에 Motion profiling을 적용하여 로봇 팔이 자연스럽게 움직이도록 설계 하였다. 각각의 모터에 대한 제어 각의 비율을 구한 후 큰 각도로 움직이는 모터에 대해선 더 빠르게 움직이도록 해 동작이 끝나는 시점을 맞추었다.
- Car body의 전체적인 움직임은 각 바퀴의 벡터 합의 방향으로 이동하게 된다. 그림5에 표시된 것처럼 전후 좌우, 대각선 4방향, 시계 및 반시계방향 턴 등 총 10가지 방향으로 이동이 가능해서 화재 현장의 특수한 상황에서도 차체의 회전 없이 원하는 방향으로 이동할 수 있도록 설계하였다.
- 또한 Laser 모듈을 사용한 포인터를 장착하여 로봇 팔을 이용해서 Grab이 가능한 위치를 사용자가 정확히 알 수 있도록 하였고, PIR Sensor로 피해자를 파악할 수 있도록 설계하였다. 전력 사용량이 1W로 저전압, 고전류로 구동되는 Power LED를 car body의 전조등으로 설계했고 열에 약한 LED의 취약점을 고려하여 방열판을 부착하였다.
- 초소형 Laser 모듈형 포인터 부착으로 시야가 확보되지 않는 화재 발생 현장에서도 제거해야할 장애물이나 생존자를 정확하게 파악하고 처리 및 구조가 용이함을 확인 하였다. 또한 PIR 센서가 피해자를 쉽게 파악할 수 있도록 하였으며 Pressure sensor는 사용자가 직접 장애물을 잡는 느낌이 나도록 Control device의 감싸 쥐는 부분에 추가 설계 함으로써 Control device를 쥐는 강도에 따라 Grab의 단계를 10단계로 변경 가능하도록 설계되었다. 본 로봇이 실제 상황에서 사용된다면 극한 상황에서의생존자 구조와 방재 활동에서 발생 할 수 있는 소방관들의 피해를 최소화 하는 등의 목적을 달성할 것으로 사료된다.
- 또한 저전력으로 구동되는 Xbee를 선택함으로써 사건발생 전까지 대기해야하는 로봇의 전력효율을 고려하였다. Car body에 부착되는 바퀴는 차체를 중심으로 해서 4개를 부착하였고 화재피해로 인해 로봇의 이동이 어려울 사항을 가정하여 차체의 회전 없이도 방향 전환이 가능하도록 그림 4에 표시된 Mecanum wheel을 선택하였다.
- 장애물을 만나서 정상 이동이 어려운 경우를 가정하여 로봇 팔을 장착해서 장애물을 치우며 이동할 수 있도록 설계하였다. 로봇 팔은 휴머노이드 로봇의 관절에 주로 사용되는 Dynamixel을 선택하고, 사용자가 구동 시키기 용이하도록 5개의 모터를 사용 사람의 팔과 유사한 형태로 설계하였다. Mecanum wheel을 통해 움직이는 Drive Mode, Turn Mode, 로봇 팔을 이용해 장애물을 치우는 Grab Mode의 제어는 Control device에 ARS Sensor와 Pressure Sensor를 이용하여 사용자가 쉽게 제어할 수 있도록 설계하였다.
- 상황실에서는 소방차가 출동하는 동안 화재 발생 건물 내 보관된 원격조정로봇 system에 접속하고 사고 현장의 로봇을 가동 시킨다. 스마트폰을 통해 전달된 정보와 화재 발생 건축물의 BIM ( building information model)정보를 결합하여 생존자 구조 동선과 화재 진화 대응전략을 수립한다. 현장 도착후에는 대응전략에 따라 소방관을 투입하고 생존자 정보와 화재 현장 정보로 확인된 구조 동선으로 가장 빠른 시간내에 생존자에 접근하고 생존자에게 방독면 전달한다.
- 포인터로 지시된 위치를 모터의 제어 각으로 변환하기 위해 Inverse Kinematics를 적용 했다. 여기에 Motion profiling을 적용하여 로봇 팔이 자연스럽게 움직이도록 설계 하였다. 각각의 모터에 대한 제어 각의 비율을 구한 후 큰 각도로 움직이는 모터에 대해선 더 빠르게 움직이도록 해 동작이 끝나는 시점을 맞추었다.
- 0 카메라 모듈을 사용하였고, 이를 통해 사용자의 핸드폰으로 사고현장의 영상을 받아볼 수 있게 설계하였다. 일반 DC모터 대신 최대 Torque가 7.5kg*cm인 기어드모터를 동력으로 선택했고, 로봇의 기능 중 하나인 Rewind Mode의 동작을 위해 거리값을 Feedback 할 수 있는 엔코더모터를 부착했다.
- 장애물을 만나서 정상 이동이 어려운 경우를 가정하여 로봇 팔을 장착해서 장애물을 치우며 이동할 수 있도록 설계하였다. 로봇 팔은 휴머노이드 로봇의 관절에 주로 사용되는 Dynamixel을 선택하고, 사용자가 구동 시키기 용이하도록 5개의 모터를 사용 사람의 팔과 유사한 형태로 설계하였다.
- 또한 Laser 모듈을 사용한 포인터를 장착하여 로봇 팔을 이용해서 Grab이 가능한 위치를 사용자가 정확히 알 수 있도록 하였고, PIR Sensor로 피해자를 파악할 수 있도록 설계하였다. 전력 사용량이 1W로 저전압, 고전류로 구동되는 Power LED를 car body의 전조등으로 설계했고 열에 약한 LED의 취약점을 고려하여 방열판을 부착하였다. 차체에 내장된 회로에는 1KΩ 가변저항을 달아 사용자가 원하는 밝기로 조절하여 사용할 수 있도록 설계하였다.
- 차체에 내장된 회로에는 1KΩ 가변저항을 달아 사용자가 원하는 밝기로 조절하여 사용할 수 있도록 설계하였다.
- 표2에 표시된 것처럼 소방방재센터 상황실에 화재 및 구난 신고 접수 후 10분 이내 소방관 출동과 인명 구조가 이루어지는 방재 대응 및 처리 시나리오를 구성하였다. 시나리오상 상황실에 화재 신고가 접수되면 소방서 현장 근무자는 화재 상황을 전파하고 소방대원과 구급대원을 출동 시킨다.
- 화재상황을 실시간으로 전송받기 위해 무선 Wifi로 영상을 전송해주는 DRC-Wifi V3.0 카메라 모듈을 사용하였고, 이를 통해 사용자의 핸드폰으로 사고현장의 영상을 받아볼 수 있게 설계하였다. 일반 DC모터 대신 최대 Torque가 7.
대상 데이터
- 본 연구에서 제작하는 로봇은 Car body 와 Control device 로 구성된다. 소방관서의 동 단위 관리를 위해서 Car body 와 Control device의 연결은 그림 3에 표시된 것처럼 1:N 연결방식을 지원하는 Xbee series 2 모델을 선정하였고, 1:1, Star, Mesh 와 같은 통신방식 중 여러 Xbee 간의 정보전달이 가능한 Mesh Network 방식을 선택하였다[10,11].
이론/모형
- 본 연구에서 제작하는 로봇은 Car body 와 Control device 로 구성된다. 소방관서의 동 단위 관리를 위해서 Car body 와 Control device의 연결은 그림 3에 표시된 것처럼 1:N 연결방식을 지원하는 Xbee series 2 모델을 선정하였고, 1:1, Star, Mesh 와 같은 통신방식 중 여러 Xbee 간의 정보전달이 가능한 Mesh Network 방식을 선택하였다[10,11].
- 포인터로 지시된 위치를 모터의 제어 각으로 변환하기 위해 Inverse Kinematics를 적용 했다. 여기에 Motion profiling을 적용하여 로봇 팔이 자연스럽게 움직이도록 설계 하였다.
성능/효과
- prototype 로봇의 구동을 통해서 로봇 팔에 사용된 Dynamixel을 바퀴로 사용될 때의 Rolling 모드가 아닌 일반모드에서는 300°를 0~1023의 단계로 나누어 스텝 당 약 0.29° 씩 제어할 수 있음을 확인 하였다.
- 29° 씩 제어할 수 있음을 확인 하였다. 초소형 Laser 모듈형 포인터 부착으로 시야가 확보되지 않는 화재 발생 현장에서도 제거해야할 장애물이나 생존자를 정확하게 파악하고 처리 및 구조가 용이함을 확인 하였다. 또한 PIR 센서가 피해자를 쉽게 파악할 수 있도록 하였으며 Pressure sensor는 사용자가 직접 장애물을 잡는 느낌이 나도록 Control device의 감싸 쥐는 부분에 추가 설계 함으로써 Control device를 쥐는 강도에 따라 Grab의 단계를 10단계로 변경 가능하도록 설계되었다.
후속연구
- 또한 PIR 센서가 피해자를 쉽게 파악할 수 있도록 하였으며 Pressure sensor는 사용자가 직접 장애물을 잡는 느낌이 나도록 Control device의 감싸 쥐는 부분에 추가 설계 함으로써 Control device를 쥐는 강도에 따라 Grab의 단계를 10단계로 변경 가능하도록 설계되었다. 본 로봇이 실제 상황에서 사용된다면 극한 상황에서의생존자 구조와 방재 활동에서 발생 할 수 있는 소방관들의 피해를 최소화 하는 등의 목적을 달성할 것으로 사료된다.
- 향후 연구과제로는 제작된 시제품 로봇의 차체 구조를 300℃ 이상의 고온에 견딜 수 있는 자재로 교체하는 문제와 로봇의 전체적인 크기와 무게를 조정하는 문제, 보관중인 로봇의 대기 전원의 수명을 연장시키는 방안과 wifi 상태가 불량하여 스마프톤 어플이 연동 되지 않는 최악의 경우를 가정한 대응책에 대한 연구가 필요할 것으로 생각된다.
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