본 논문은 선박의 외벽 청소를 위하여 영상기반의 용접부 인식기능을 탑재한 선체 블라시팅 로봇을 제시하였다. 본 로봇제작의 목표로서 선체 청소로봇의 설계 및 제작과정과 영상을 이용한 용접 비드 인식에 따른 성능 결과를 제시하였다. 그리고, 로봇제작에 따른 메카니즘과 로봇시스템의 제어기 제작 과정과 수직상승 메카니즘, 영상 시스템, 원격제어 기능을 갖는 선체 청소 특성에 대해서 기술하였다. 이러한 선체 청소로봇은 선박이 정박하는 동안에 청소를 수행하게 되므로 재도킹을 할 필요가 없는 장점이 있다. 따라서, 개발된 청소작업은 시간과 비용을 절감할 수 있고, 선체의 수직벽면의 주행이 가능하므로 부유물질 등을 수집할 수 있는 필러장치를 장착하고 있다. 개발된 로봇시스템의 동작 및 통신 성능테스트 결과를 통하여 성능평가 결과를 제시하였다.
본 논문은 선박의 외벽 청소를 위하여 영상기반의 용접부 인식기능을 탑재한 선체 블라시팅 로봇을 제시하였다. 본 로봇제작의 목표로서 선체 청소로봇의 설계 및 제작과정과 영상을 이용한 용접 비드 인식에 따른 성능 결과를 제시하였다. 그리고, 로봇제작에 따른 메카니즘과 로봇시스템의 제어기 제작 과정과 수직상승 메카니즘, 영상 시스템, 원격제어 기능을 갖는 선체 청소 특성에 대해서 기술하였다. 이러한 선체 청소로봇은 선박이 정박하는 동안에 청소를 수행하게 되므로 재도킹을 할 필요가 없는 장점이 있다. 따라서, 개발된 청소작업은 시간과 비용을 절감할 수 있고, 선체의 수직벽면의 주행이 가능하므로 부유물질 등을 수집할 수 있는 필러장치를 장착하고 있다. 개발된 로봇시스템의 동작 및 통신 성능테스트 결과를 통하여 성능평가 결과를 제시하였다.
In this paper, we present the hull blasting machine with vision-based weld bead recognition device for cleaning shipment exterior wall. The purpose of this study is to introduce the mechanism design of the high efficiency hull blasting machine using the vision system to recognize the weld bead. Ther...
In this paper, we present the hull blasting machine with vision-based weld bead recognition device for cleaning shipment exterior wall. The purpose of this study is to introduce the mechanism design of the high efficiency hull blasting machine using the vision system to recognize the weld bead. Therefore, we have developed a robot mechanism and drive controller system of the hull blasting robot. And hull blasting characteristics such as the climbing mechanism, vision system, remote controller and CAN have been discussed and compared with the experimental data. The hull blasting robots are able to remove rust or paint at anchor, so the re-docking is unnecessary. Therefore, this can save time and cost of undergoing re-docking process and build more vessels instead. The robot uses sensors to navigate safely around the hull and has a filter system to collect the fouling removed. We have completed a pilot test of the robot and demonstrated the drive control and CAN communication performance.
In this paper, we present the hull blasting machine with vision-based weld bead recognition device for cleaning shipment exterior wall. The purpose of this study is to introduce the mechanism design of the high efficiency hull blasting machine using the vision system to recognize the weld bead. Therefore, we have developed a robot mechanism and drive controller system of the hull blasting robot. And hull blasting characteristics such as the climbing mechanism, vision system, remote controller and CAN have been discussed and compared with the experimental data. The hull blasting robots are able to remove rust or paint at anchor, so the re-docking is unnecessary. Therefore, this can save time and cost of undergoing re-docking process and build more vessels instead. The robot uses sensors to navigate safely around the hull and has a filter system to collect the fouling removed. We have completed a pilot test of the robot and demonstrated the drive control and CAN communication performance.
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문제 정의
본 논문에서는 다양한 종류의 수직 작업 표면 부착형 이동 로봇 및 블라스팅 작업에 대한 대표적인 연구사례 및 일반적인 특성에 대한 선행기술의 검토를 통하여, 본 연구개발의 추진방향을 선정하였다.
제안 방법
CAN Module은 NI의 제품을 사용하였으며, 영상 수신장치 및 Frame Grabber는 하나의 박스에 넣어 시제품을 제작하였다. MDCU(Motor Drive Command Unit)의 경우, 컨트롤 박스의 공간이 협소하기 때문에 소형화하여 제작하였다.
Controller Unit은 설계한 회로를 토대로 PCB(Printed Circuit Board)를 설계하였으며, 2축 조이스틱, 긴급정지 스위치, 토글스위치를 이용하여 Controller Unit 시제품을 제작하였다. 또한, CCU는 테스트 현장에서의 외부 분진과 이물질을 차단하기 위해 ABS 재질의 박스에 넣어서 시제품을 제작하였다.
CAN Module은 NI의 제품을 사용하였으며, 영상 수신장치 및 Frame Grabber는 하나의 박스에 넣어 시제품을 제작하였다. MDCU(Motor Drive Command Unit)의 경우, 컨트롤 박스의 공간이 협소하기 때문에 소형화하여 제작하였다. 주행을 위한 MDCU인MDCU-R과 MDCU-L은 동일한 PCB를 사용하며, 블라스팅 작업 Tool 제어를 위한 MDCU-S는 압력 센서와의 연결을 고려하여 주행용 MDCU와는 별도로 설계 및 제작을 수행하였다.
MDCU의 성능을 시험하기 위하여 CAN 통신에 제어 명령을 실어보낸 후 각각의 MDCU가 모터 드라이브로 보내는 RS-232C 통신 명령을 관찰하였으며, 그 결과는 그림 11에 나타내었다. 그림의 파형에서 알 수 있듯이 CAN 통신을 통해 제어명령을 보내면 MDCU는 약 2[ms]의 시간 후에 CAN 통신의 제어정보를 Modbus RTU 프로토콜로 변환하여 전송하는 것을 알 수 있다.
산업용 청소 로봇의 제어기는 크게 구동 제어시스템, 압력측정시스템, 영상처리 시스템 세 가지로 구성하였다. 구동 제어시스템은 산업용 청소 로봇의 운전제어(drive control)를 통해 로봇이 원하는 위치로 이동할 수 있도록 하며, 압력측정 시스템은 로봇의 수직벽부착압력(진공압) 및 로봇 이동 시의 압력변화를 측정한다. 또한,영상처리 시스템은 로봇에 설치된 전·후방 카메라를 이용하여 영상데이터를 취득하는 역할을 한다.
국내·외 대표적인 선행 연구개발 사례는 그림 2와 같은 유사시스템의 선행 개발사례의 분석을 토대로 산업용 청소 로봇을 설계하였다.
대형 선박과 같은 구조물의 수직 작업면의 청소상태를 작업자가 지상에서 눈으로 확인한다는 것은 거의 불가능하므로 수직면작업상태를 모니터링 및 검사하기 위하여 로봇의 전·후방에 카메라를 부착하고 카메라로부터 촬영된 아날로그 영상을 지상의 GUI 기반 제어·모니터링 시스템을 통해 볼 수 있도록 구현하였다[10].
또한 산업용 청소 로봇의 제어 시스템은 Controller Unit, CCU, MDCU의 설계 및 제작을 통하여 바퀴 구동 및 블라스팅 작업 Tool 제어를 수행하였고, 영상 및 진공 흡착 압력 정보를 센서로부터 계측하여 디스플레이 하는 GUI기반의 실험용 프로그램을 구현하였다. 본 연구 결과를 기반으로 향후 연구내용으론 모바일 디바이스를 용한 무선기반의 모니터링과 제어가 가능할 수 있는 방법을 도출하여 하드웨어로 구현할 필요가 있다고 사료된다.
Controller Unit은 설계한 회로를 토대로 PCB(Printed Circuit Board)를 설계하였으며, 2축 조이스틱, 긴급정지 스위치, 토글스위치를 이용하여 Controller Unit 시제품을 제작하였다. 또한, CCU는 테스트 현장에서의 외부 분진과 이물질을 차단하기 위해 ABS 재질의 박스에 넣어서 시제품을 제작하였다. 그림 8은 Controller Unit과 CCU의 디자인 및 내부 제어부를 보여주고 있다[13,14].
산업용 청소 로봇의 작업표면 부착 및 이동 테스트는 수직 작업을 위한 선체 표면에 그림 6과 같다. 로봇의 표면 부착력은 외부 장치인 통합 지원 장치로부터 공급되며, 표면 부착 압력보다 바퀴 구동력이 커야 이동되는 원리이기 때문에 이들의 관계 중심으로 실험을 수행하였다. 1차 부착력 테스트는 외부에서 공급되는 입력 흡입력이 320mmHg일 때, 로봇에서 계측된 압력은 250mmHg였고, 이때 로봇은 충분히 작업표면에 부착되어 탈착되지 않았으며, 바퀴의 구동력은 127Nm였고, 이 값은 감속비 100 : 1의 출력단 값이다.
본 연구와 밀접한 관련이 있는 분야는 수직 벽면 부착형 이동로봇이며 이에 대해 조사 분석을 수행하였다. 국내·외 대표적인 선행 연구개발 사례는 그림 2와 같은 유사시스템의 선행 개발사례의 분석을 토대로 산업용 청소 로봇을 설계하였다.
산업용 청소 로봇 시제품을 설계/제작하였으며, 로봇의 수직 작업표면 부착력 및 바퀴 구동력을 검토하기 위하여 시제품 로봇을 활용하여 실험적인 방법으로 접근하였다.
산업용 청소 로봇의 제어기는 크게 구동 제어시스템, 압력측정시스템, 영상처리 시스템 세 가지로 구성하였다. 구동 제어시스템은 산업용 청소 로봇의 운전제어(drive control)를 통해 로봇이 원하는 위치로 이동할 수 있도록 하며, 압력측정 시스템은 로봇의 수직벽부착압력(진공압) 및 로봇 이동 시의 압력변화를 측정한다.
영상을 취득하는 카메라 모듈은 25mA 이하의 소비전류를 가지면서 로봇에 설치될 수 있는 경량이면서 소형으로써 표면의 용접 비드상태를 충분히 관찰할 수 있을 정도의 화질을 제공할 수 있는 카메라를 적용하였다. 아래의 그림 7(a),(b)는 연마과정에서 감지된 두 종류의 용접비드를 인식 전후를 비교하여 제시하였고,촬영거리에 따른 피사체의 왜곡 없이 정확한 영성처리를 통해 인식된 영상의 결과는 그림 7(c),(d)에 제시하였다.
주행 구동부는 바퀴형 방식이며 프레임, 전·후·좌·우 바퀴, 바퀴 구동모터 및 감속기, 바퀴 커버 취부부로 구성되어 있으며, 체인과 스프라켓에 의해 동력이 전달되는 방식으로 설계 및 제작하였다.
MDCU(Motor Drive Command Unit)의 경우, 컨트롤 박스의 공간이 협소하기 때문에 소형화하여 제작하였다. 주행을 위한 MDCU인MDCU-R과 MDCU-L은 동일한 PCB를 사용하며, 블라스팅 작업 Tool 제어를 위한 MDCU-S는 압력 센서와의 연결을 고려하여 주행용 MDCU와는 별도로 설계 및 제작을 수행하였다. MDCU의시제품은 그림 9에 나타낸 것과 같다[15].
성능/효과
1차 프로토타입 로봇 시제품을 제작하여 성능 시험을 수행한 결과, Controller Unit과 CCU는 PC의 제어·모니터링 프로그램으로부터 데이터 요청을 받아들여 3[ms] 이내로 데이터를 전송하는 빠른 응답성을 보였다.
후속연구
또한 산업용 청소 로봇의 제어 시스템은 Controller Unit, CCU, MDCU의 설계 및 제작을 통하여 바퀴 구동 및 블라스팅 작업 Tool 제어를 수행하였고, 영상 및 진공 흡착 압력 정보를 센서로부터 계측하여 디스플레이 하는 GUI기반의 실험용 프로그램을 구현하였다. 본 연구 결과를 기반으로 향후 연구내용으론 모바일 디바이스를 용한 무선기반의 모니터링과 제어가 가능할 수 있는 방법을 도출하여 하드웨어로 구현할 필요가 있다고 사료된다.
본 연구를 수행하기 위해서는 수직 구조물에 중량물이 떨어지지 않고 부착되어 있어야 함과 동시에 이동이 가능한 기술 구현이 우선시 되어야 하며, 이를 기반으로 하여 작업표면에 부착된 녹(rust)과 같은 이물질을 제거하는 기술의 개발이 핵심이다[7].
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
마그네틱을 이용한 표면 부착방법의 단점은 무엇인가?
② 마그네틱(Megnetic)을 이용한 표면 부착방법은 전자석과 영구자석 두 가지 방식으로 분류되며, 진공흡착 방식과 비교 해 볼 때, 진공흡입 펌프와 같은 부가적인 엑츄에이터가 필요치 않으므로 구동 시 발생하는 진동의 영향을 줄일 수 있다. 하지만 청소작업 시발생되는 금속성분의 이물질이 자성체에 부착되어 주행의 장애 요소가 될 수 있으며, 수직 작업면이 자성체이어야 한다는 치명적인 단점이 있다. 전자석 방식을 사용할 경우, 전류제어를 통한로봇의 탈부착이 편리하다는 장점이 있다.
수직 구조물의 표면부착 메카니즘에는 무엇이 있는가?
건물의 유리창이나 벽면에 매달려 작업하는 청소로봇의 특성상 안전하고 원활한 이동을 위한 수직 부착 및 이동메커니즘은 외벽 청소로봇의 설계에 중요한 요소가 되고 있다. 수직 구조물의 표면부착 메카니즘은 크게 진공 흡착판을 이용한 방법과 마그네틱(자석과 자성체 간의 인력)을 이용한 방법, 임펠러를 이용한 방법 및 생체공학적 방법(미세한 갈고리)등이 있다[8,11].
블라스팅 작업은 무엇인가?
본 논문에서는 산업현장의 대형 구조물 표면의 청소작업을 위한 로봇에 관한 것으로 시스템의 전체 구성은 청소로봇, 통합 지원장치 및 제어장치로 이루어지며, 블라스팅 작업은 작업 대상 구조물표면의 녹(rust) 및 이물질과 기존의 도장막을 제거하는 것으로 정의하고, 통합 제어감시 시스템은 지상의 작업자가 고소 작업물의 작업상태를 모니터링 및 관리 운영하는 관리시스템으로 구성되고 있다[6]. 또한, 선박, 해양플랜트 등의 작업환경이 열악한 분야 및 각종 건물 및 구조물 등의 표면 청소작업을 효과적으로 수행할 수 있는 시스템의 설계 및 제작과정을 2장과 3장에서 제시하였고, 4장에서 시스템의 성능결과를 각각 기술하였다.
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