최근에는 자연재해 및 무단투기 등으로 인해서 해양으로 많은 양의 폐기물이 유입되고 있으며 그 영향으로 해양생태계가 파괴되고 미관이 훼손되는 등 해양환경이 오염되고 있다. 해양에 존재하는 폐기물 수거를 위해 여러 방법을 사용하고 있는데, 주로 수거되는 폐기물의 형태는 부유물이다. 부유물을 수거하기 위해 주로 그물을 사용하며 최근에는 선박으로 수거를 실시하고 있다. 하지만, 선박 수거에 있어서 인력 및 기술 부족으로 많은 어려움이 발생하고 있다. 이 문제를 해결하기 위해서 부유물 수거용 수상로봇이 개발되었다. 개발된 로봇의 성능 검증을 위해서 Surge, Yaw, 부유물수거 등의 시험평가가 수행되었다. 시험평가 결과는 실제 적용 가능성 및 추가적인 연구의 필요성을 보여준다.
최근에는 자연재해 및 무단투기 등으로 인해서 해양으로 많은 양의 폐기물이 유입되고 있으며 그 영향으로 해양생태계가 파괴되고 미관이 훼손되는 등 해양환경이 오염되고 있다. 해양에 존재하는 폐기물 수거를 위해 여러 방법을 사용하고 있는데, 주로 수거되는 폐기물의 형태는 부유물이다. 부유물을 수거하기 위해 주로 그물을 사용하며 최근에는 선박으로 수거를 실시하고 있다. 하지만, 선박 수거에 있어서 인력 및 기술 부족으로 많은 어려움이 발생하고 있다. 이 문제를 해결하기 위해서 부유물 수거용 수상로봇이 개발되었다. 개발된 로봇의 성능 검증을 위해서 Surge, Yaw, 부유물수거 등의 시험평가가 수행되었다. 시험평가 결과는 실제 적용 가능성 및 추가적인 연구의 필요성을 보여준다.
Recently, many waste is getting into the ocean because of natural disasters and trash of illegality. These destroy the marine ecosystem and the great views around the ocean. Many methods are used for the removal of the waste in the ocean and one of the main waste forms is floating debris. In order t...
Recently, many waste is getting into the ocean because of natural disasters and trash of illegality. These destroy the marine ecosystem and the great views around the ocean. Many methods are used for the removal of the waste in the ocean and one of the main waste forms is floating debris. In order to remove the waste, the nets are mostly used and the ships are recently used. However, many problems are occurred due to low number of people and techniques in the ship-based removal. To solve this problem, a surface robot for floating debris removal is developed. To verify the performance of the developed robot, tests of surge, yaw, and floating debris removal are executed. The test results show the possibility of real applications and the need for additional studies.
Recently, many waste is getting into the ocean because of natural disasters and trash of illegality. These destroy the marine ecosystem and the great views around the ocean. Many methods are used for the removal of the waste in the ocean and one of the main waste forms is floating debris. In order to remove the waste, the nets are mostly used and the ships are recently used. However, many problems are occurred due to low number of people and techniques in the ship-based removal. To solve this problem, a surface robot for floating debris removal is developed. To verify the performance of the developed robot, tests of surge, yaw, and floating debris removal are executed. The test results show the possibility of real applications and the need for additional studies.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
본 논문에서는 선수부 및 선미부가 분리 가능한 부유물 수거용 수상로봇이 개발되었고 논의되었다.
이러한 문제를 해결하기 위하여, 본 논문에서는 보다 효율적인 부유물 수거 작업을 위해 선체 일부의 회전이 가능한 메커니즘[6]을 보유한 수상로봇을 개발하였다. 개발된 수상로봇은 기존 청항선의 필터벨트 시스템을 기반으로 하는데, 수거 기능을 갖는 선수부(bow part)와 추진 및 제어 기능을 갖는 선미부(stern part)가 분리되도록 선체가 구성되어 있어서 필요시에 선수부 만을 회전시켜 수거 반경의 확대 및 수거 방향의 조정이 모두 가능하므로 운용 효율을 높일 수 있다.
제안 방법
Host PC용 프로그램과 관련하여, MFC를 기반으로 GUI를 구현하였으며, 카메라 영상을 기반으로 원격제어 명령의 발생이 가능하도록 하였다. 좌측 화면은 카메라로부터 획득한 영상을 실시간으로 보여주는 부분이고 우측 화면은 원격제어명령을 발생하는 부분이다.
개발된 로봇의 설계 및 제작은 이해도를 높이기 위하여 하드웨어 플랫폼과 소프트웨어 플랫폼으로 구분하여 다음과 같이 기술하였다.
먼저, 브레인스토밍(brainstorming) 과정을 거쳐 운용개념을 정립하였는데, 그림 1을 살펴보면 선체는 래크(rack)와 피니언(pinion)을 이용하는 선수부와 선미부로 분리 및 결합이 가능한 형태로 구성되어져있다. 그리고 선수부에는 기존 청항선의 수거방식인 필터벨트를 적용한 컨베이어벨트 시스템을 도입하여 수면 위의 부유물을 효율적으로 수거가 가능하도록 하였으며 선미부 양쪽 끝에 각각 추진기를 장착하여 선체의 신속한 좌우 회전 및 전진이 가능하도록 하였다. 또한, 부유물 수거반경을 넓힐 수 있도록 선미부 위쪽에 모터를 장착하여 선수부를 회전시키는 구조를 가지고 있다.
개발된 수상로봇은 기존 청항선의 필터벨트 시스템을 기반으로 하는데, 수거 기능을 갖는 선수부(bow part)와 추진 및 제어 기능을 갖는 선미부(stern part)가 분리되도록 선체가 구성되어 있어서 필요시에 선수부 만을 회전시켜 수거 반경의 확대 및 수거 방향의 조정이 모두 가능하므로 운용 효율을 높일 수 있다. 또한, 연구개발방법론으로서는 글로벌 표준 프로세스인 시스템공학(System Engineering : SE) 프로세스를 도입하여 운용 개념 정립(operating concept establishment), 요구사항 분석 (requirement analysis), 기능 분석(function analysis), 설계 (design), 제작(manufacturing), 시험평가(test and evaluation)를 차례로 수행하였다[7-9].
추진부의 연결된 축 부분에는 그리스(grease)를 채워 축 구멍 사이로 유입되는 물을 차단하였다. 래크와 피니언의 경우는 3D 모델링된 자료를 직접 활용하여 RP(Rapid Prototyping) 장비인 3D 프린터를 활용하여 제작하였다. 선미부의 제어기 핀과 연결된 케이블은 래크를 통해 선수부와 연결하였다.
로봇용 프로그램과 관련하여, C 언어를 기반으로 프로그램을 구현하였으며, 프로그래밍툴은 AVR Studio를 사용하였다.
선수부는 그림 6과 같이 수거부(pickup part)를 포함하고 있는데, 수거부는 기존 청항선의 방식을 그대로 적용하여 DC 모터로 필터벨트를 회전시켜 부유물이 수거함으로 들어갈 수 있도록 하였다. 그리고, 필터벨트의 하단에는 수중모터가 장착되어있는데, 이는 선체 방향으로 물의 흐름을 만들어 부유물의 선체 유입을 용이하게 하였다.
3D 모델링 툴은 CATIA(Computer Aided Three dimensional Interactive Application)를 사용하였다. 설계된 로봇은 부력이 중력보다 커서 양성 부력을 가지므로 수상에서 운용할 수 있도록 하였으며, 조파 저항의 최소화를 위한 V형의 몸체를 갖도록 하여 추진에너지의 소모를 줄이고자 하였다.
완성된 프로그램은 로봇용 프로그램 및 Host PC용 프로그램으로 크게 나누어지는데, 로봇용 프로그램은 제어보드에 다운로드하여 로봇의 동작이 가능하도록 하였으며, Host PC용 프로그램은 PC에 다운로드하여 로봇의 원격제어가 가능하도록 하였다.
직접제작 부품과 관련하여, 몸체의 경우는 구동되는 모습의 확인이 용이하도록 투명아크릴로 제작하였는데, 3D 모델링된 자료를 참고하여 파트별로 2D 도면을 설계하였고 설계된 도면을 바탕으로 레이저 가공기를 사용하여 아크릴을 가공하였으며, 글루건을 사용하여 몸체의 방수처리를 하였으며, 무게 중심을 조절하기 위해서 선미부에 납을 추가하였다. 필터벨트의 경우는 제작의 편의를 위해 2개의 축에 그물망을 연결하여 제작하였다.
대상 데이터
그림 11은 로봇의 원격제어와 관련된 부품으로 지그비(zigbee) 및 무선카메라 모듈이다. 사용된 지그비 모듈은 Robotis사에서 제공하는 모듈로서, Host PC와 로봇의 제어기에 각각 장착된 후 지그비 통신을 수행하여 Host PC에서 로봇에 제어명령을 전송함으로써 로봇을 제어할 수 있다. 무선카메라 모듈은 Snipe-eye사에서 제공하는 모듈로 제어부와 연동 없이 Host PC와 연결된 수신기를 통해 영상정보를 획득 할 수 있는 부품인데, RF 방식의 통신방법을 이용하여 영상을 전송한다.
상용 부품과 관련하여, 모터의 경우는 Roborobo사의 DC Geared Motor(100 rpm) 3개와 Tamiya사의 Submarine Motor 1개, Robotis사의 OGM-10A 2개, AX-12A 1개를 사용하였는데, 이는 데이터 핀을 통해 신호를 보냄으로써 모터를 제어할 수 있게 하였다. 그림 11은 로봇의 원격제어와 관련된 부품으로 지그비(zigbee) 및 무선카메라 모듈이다.
제어부를 구성하는 제어보드는 상용보드인 ATmega2561을 사용하였으며, 전체적인 데이터 연동을 나타내는 그림은 다음의 그림 9와 같다.
제작된 로봇은 직접제작 부품 및 상용 부품으로 크게 나누어지는데, 직접제작 부품은 3D 모델링 기반의 설계를 활용 하였고, 상용 부품은 범용성이 높은 제품을 구입하였다.
이론/모형
하드웨어 가계도를 기반으로 설계가 계속되었는데, 그 최종 결과로서 그림 3 및 그림 4와 같이 3D 모델링 기반의 설계가 완성되었다. 3D 모델링 툴은 CATIA(Computer Aided Three dimensional Interactive Application)를 사용하였다. 설계된 로봇은 부력이 중력보다 커서 양성 부력을 가지므로 수상에서 운용할 수 있도록 하였으며, 조파 저항의 최소화를 위한 V형의 몸체를 갖도록 하여 추진에너지의 소모를 줄이고자 하였다.
성능/효과
이러한 문제를 해결하기 위하여, 본 논문에서는 보다 효율적인 부유물 수거 작업을 위해 선체 일부의 회전이 가능한 메커니즘[6]을 보유한 수상로봇을 개발하였다. 개발된 수상로봇은 기존 청항선의 필터벨트 시스템을 기반으로 하는데, 수거 기능을 갖는 선수부(bow part)와 추진 및 제어 기능을 갖는 선미부(stern part)가 분리되도록 선체가 구성되어 있어서 필요시에 선수부 만을 회전시켜 수거 반경의 확대 및 수거 방향의 조정이 모두 가능하므로 운용 효율을 높일 수 있다. 또한, 연구개발방법론으로서는 글로벌 표준 프로세스인 시스템공학(System Engineering : SE) 프로세스를 도입하여 운용 개념 정립(operating concept establishment), 요구사항 분석 (requirement analysis), 기능 분석(function analysis), 설계 (design), 제작(manufacturing), 시험평가(test and evaluation)를 차례로 수행하였다[7-9].
소프트웨어 가계도를 기반으로 설계가 계속되었는데, 그 최종 결과로서 저수준 요소와 알고리즘 구현 등이 이루어 졌다. 즉, 추진함수는 수거용 로봇의 전진 및 좌우 회전을 담당하고 있으며, 구동함수는 필터벨트 동작, 선수부와 선미부의 분리 및 결합, 선수부 회전 등을 담당하고 있다.
시스템공학 프로세스를 기반으로 부유물 수거용 수상로봇을 개발하여 문제의 정의 및 해결에 이르는 글로벌 표준 프로세스 적용 사례를 확보할 수 있었으며, 개발된 로봇의 성능 검증을 위한 시험평가 결과를 통해 해양부유물 수거와 관련된 청항선의 주요 문제점인 작업효율을 개선할 수 있는 방안이 존재함을 확인하였으며 개발된 로봇의 실제 적용 가능성도 보여주었다.
시험평가의 수행 모습은 다음의 그림 16과 같다. 시험평가를 통하여 요구사항 및 기능이 충족됨을 확인하였다.
요구사항 분석을 기반으로 기능 분석이 수행되었는데, 그 결과로서 이동성과 관련해서는 조파저항 최소화 기능(F1), 스크류 정/역 회전 기능(F2) 등이 도출되었고, 조작성과 관련해서는 선수/선미 분합(separation/combination) 기능(F3), 선수 포지셔닝(positioning) 기능(F4), 필터벨트 리프트/드랍 (lift/drop) 기능(F5), 필터벨트 ON/OFF기능(F6) 등이 도출되었고, 관측성과 관련해서는 카메라 관측 기능(F7) 등이 도출되었고, 시험평가성과 관련해서는 전원 ON/OFF 기능(F8), 프로그램 다운로드 기능(F9) 등이 도출되었다.
운용개념 정립을 기반으로 요구사항 분석이 수행되었는데, 그 결과로서 이동성(R1), 조작성(R2), 관측성(R3), 시험평가성(R4) 등의 요구사항이 도출되었다.
선수부와 선미부의 분리 전과 분리 후의 부유물 수거 시간을 비교한 시험평가 결과는 다음의 표 3과 같은데, 선수부와 선미부를 분리 후 수거한 경우 분리 전보다 수거시간이 짧은것을 확인할 수 있다. 이는 개발된 로봇이 다방면에 분포되어 있는 부유물을 수거할 경우 기존 수거방법 보다 작업효율이 더 높다는 것을 보여준다.
하드웨어 가계도를 기반으로 설계가 계속되었는데, 그 최종 결과로서 그림 3 및 그림 4와 같이 3D 모델링 기반의 설계가 완성되었다. 3D 모델링 툴은 CATIA(Computer Aided Three dimensional Interactive Application)를 사용하였다.
후속연구
추후에는 본 연구를 바탕으로 부유물 수거용 수상로봇에 지능 이론을 적용한 제어성능 최적화 기법에 관해 연구를 지속할 예정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
본 논문에서 개발한, 선수부 및 선미부가 분리 가능한 부유물 수거용 수상로봇을 통해 무엇을 알 수 있었는가?
시스템공학 프로세스를 기반으로 부유물 수거용 수상로봇을 개발하여 문제의 정의 및 해결에 이르는 글로벌 표준 프로세스 적용 사례를 확보할 수 있었으며, 개발된 로봇의 성능 검증을 위한 시험평가 결과를 통해 해양부유물 수거와 관련된 청항선의 주요 문제점인 작업효율을 개선할 수 있는 방안이 존재함을 확인하였으며 개발된 로봇의 실제 적용 가능성도 보여주었다.
또한, 분리형 로봇 기반의 임무 수행을 위한 기초 연구 결과를 확보할 수 있었다.
부유물 수거용 선박의 한계는 무엇인가?
선박을 이용한 대표적 부유물 수거방법인 청항선은 필터벨트(filter belt) 시스템을 활용 하여 수면 위의 각종 폐기물 및 오염물을 제거하는 기능을 보유하고 있는데, 평상시에는 해당 해역에 투입되어 폐기물의 수거작업을 수행하며 기름 유출 등의 사고시에는 오염물을 수거한다. 그런데, 청항선과 같은 부유물 수거용 선박들은 선체 폭 만큼으로 수거 반경이 제한되는 단점으로 인하여 여러 방면으로 분포되어 있는 부유물을 수거하는 과정에서는 선체의 복잡한 운용에 따른 에너지 소비 및 인력 동원이 요구된다[4-5].
태풍, 해일 등의 자연재해가 빈번하게 늘어난 이후 어떤 결과가 일어났는가?
최근에는 기상이변의 주요 원인이 되는 탄소배출의 증가로 인하여 태풍, 해일 등의 자연재해가 빈번하게 일어나고 있으며[1], 그 결과로 인하여 강 및 호수 등으로 각종 자재 및 쓰레기 등의 폐기물이 유입되고 있다. 또한 다양한 형태의 무단투기에 의한 해양 폐기물도 급증하고 있다.
참고문헌 (10)
IEA, Renewables Information 2014, OECD, 2014.
M.-S. Kim, "Distribution of marine litters in the sea area between Busan and Jeju island," Jour. Fish. Mar. sci. Edu., vol. 22, no. 3, pp. 354-361, 2010.
J. S. Yu, B. S. Yoon, J. H. Rho, and S. H. Yoon, "Investigation of floating debris characteristics drained from 4 big river on a flooding," Journal of the Korea Society for Marine Environmental Engineering, vol. 5, no.3. pp. 45-53, 2002.
Y.-J. Cho, I.-S. Moon, M.-S. Shin, J.-S. Yu, and G.-G. Kang, "Functional requirement of marine waste cleaning ships and organization of the fleets," Journal of the Korean Society for Marine Environmental Engineering, vol. 5, no. 2. pp. 41-49, 2002.
K. Y. Hong, H. S. Choi, and I. H. Cho, "Development of a barrier system for floating debris at river," Journal of the Korea Society for Marine Environmental Engineering, vol. 4, no. 2, pp. 61-67, 2001.
H.-J. Kang, D.-W. Man, and H.-S. Kim, "Development of mechanism for micro surface robot with rotating sonar-beam," Journal of Korean Institute of Intelligent Systems, vol. 24, no. 4, pp. 437-442, 2014.
H.-S. Kim, H.-J. Kang, and D.-W. Man, "An example of engineering education through SE-based development of underwater-robot kit model," Journal of Engineering Education Research, vol. 15, no. 3, pp. 40-46, 2012.
H.-S. Kim, H.-J. Kang, Y.-J. Ham, and S. S. Park, "Development of underwater-type autonomous marine robot-kit," Journal of Korean Institute of Intelligent Systems, vol. 22, no. 3, pp. 312-318, 2012.
H.-S. Kim, "Development of balloon-based autonomous airborne robot-kit," Journal of The Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 8, no. 8, pp. 1213-1218, 2013.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.