본 논문은 외벽에 부착하여 이동이 가능한 등반로봇의 성능평가 방법을 다룬다. 등반로봇에 관한 기존의 문헌을 토대로 볼 때, 등반로봇의 성능평가에 관해 일관되고 명쾌한 성능지표 및 방법이 제시되고 있지는 않다. 등반로봇은 부착방식 및 이동방식에 따라 다양하게 구현될 수 있으므로, 형태와 상관없이 보다 일반화된 성능평가 방법이 요구된다. 이에 본 논문은 등반로봇의 성능평가를 위한 2가지 평가지표(수직부착하중, 수직등반속도)와 평가방법을 제안한다. 제안된 방법의 효용성을 검증하기 위하여, 본 논문은 자체 개발된 선체외벽 등반로봇을 대상으로 제안된 성능평가 방법을 적용한다. 보다 구체적으로, 수직부착하중은 등반로봇의 슬립측정을 통해 18.5kg으로 평가되었고, 수직등반속도는 등반로봇의 위치제어시스템을 통해 41cm/s으로 평가되었다.
본 논문은 외벽에 부착하여 이동이 가능한 등반로봇의 성능평가 방법을 다룬다. 등반로봇에 관한 기존의 문헌을 토대로 볼 때, 등반로봇의 성능평가에 관해 일관되고 명쾌한 성능지표 및 방법이 제시되고 있지는 않다. 등반로봇은 부착방식 및 이동방식에 따라 다양하게 구현될 수 있으므로, 형태와 상관없이 보다 일반화된 성능평가 방법이 요구된다. 이에 본 논문은 등반로봇의 성능평가를 위한 2가지 평가지표(수직부착하중, 수직등반속도)와 평가방법을 제안한다. 제안된 방법의 효용성을 검증하기 위하여, 본 논문은 자체 개발된 선체외벽 등반로봇을 대상으로 제안된 성능평가 방법을 적용한다. 보다 구체적으로, 수직부착하중은 등반로봇의 슬립측정을 통해 18.5kg으로 평가되었고, 수직등반속도는 등반로봇의 위치제어시스템을 통해 41cm/s으로 평가되었다.
This paper presents a methodology for evaluating the performance of wall-climbing robots. In the literature on wall-climbing robots, there is little information on indices and evaluation methods for consistent and exact performance. Because various types of wall-climbing robots can be developed with...
This paper presents a methodology for evaluating the performance of wall-climbing robots. In the literature on wall-climbing robots, there is little information on indices and evaluation methods for consistent and exact performance. Because various types of wall-climbing robots can be developed with regard to adherence and locomotion, a general method of measuring their performance regardless of type is needed. Therefore, we propose two major performance indices-the vertical adhering weight and vertical climbing speed-and their stepwise evaluation procedures. To verify the effectiveness of the proposed method, we applied it to a hull-climbing robot that we previously developed. The target robot was evaluated to have a vertical adhering weight of 18.5 kg through a slip measurement procedure and a vertical climbing speed of 41 cm/s with a position control system.
This paper presents a methodology for evaluating the performance of wall-climbing robots. In the literature on wall-climbing robots, there is little information on indices and evaluation methods for consistent and exact performance. Because various types of wall-climbing robots can be developed with regard to adherence and locomotion, a general method of measuring their performance regardless of type is needed. Therefore, we propose two major performance indices-the vertical adhering weight and vertical climbing speed-and their stepwise evaluation procedures. To verify the effectiveness of the proposed method, we applied it to a hull-climbing robot that we previously developed. The target robot was evaluated to have a vertical adhering weight of 18.5 kg through a slip measurement procedure and a vertical climbing speed of 41 cm/s with a position control system.
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문제 정의
등반로봇은 크게 바퀴를 통해 이동이 가능한 차륜형 로봇과 관절식 보행 구조를 통해 이동이 가능한 보행형 로봇으로 분류될 수 있다. 등반로봇 분야에서 핵심이슈 중 하나는 수직벽면에서도 추락하지 않을 만큼 안정적인 부착력의 생성, 유지, 이동 방법에 관한 것이다. 등반로봇이 철판, 콘크리트, 유리면 등에서 안정적인 부착력을 생성하기 위해, 게코 섬모, 흡착 패드, 정전기력, 전자석, 영구자석 등을 이용한 다양한 연구가 수행되고 있다[4][10][11].
본 논문에서는 선체 외벽과 같은 환경에서 이동이 가능한 등반로봇을 대상으로 성능평가를 위한 방법론을 제시하고자 한다. 등반로봇의 성능평가를 위한 척도로서 앞서 설명한 바와 같이 벽면에서의 부착력과 주행능력이 주요 논점이 될 수 있다.
본 논문은 선체 벽면에서 등반이 가능한 로봇을 대상으로 성능 평가를 위한 방법을 다루었다. 등반로봇에 대한 부착력 해석을 토대로, 부착력과 주행성이 등반로봇의 성능 평가에 있어 주요 요인이 됨을 보였다.
본 연구에서는 성능 평가 시 사용자 편의성을 위하여 GUI기반의 등반로봇 제어 프로그램을 구현하였다. 등반로봇 제어 프로그램은 독립된 PC상에서 구동되며 하나의 클라이언트 프로그램으로서 서버와 연동되어 반사패턴의 위치와 자세정보를 실시간으로 전송받을 수 있도록 구현되었다.
특히 등반로봇이 수직벽면을 등반하는 경우, 로봇에 부여된 하중을 유지한 채 중력을 극복하면서 중력에 반하는 방향으로 작업에 필요한 충분한 속도로 이동이 가능해야 한다. 이러한 관점에서 본 논문은 수직부착하중 및 수직등반속도의 평가지표를 제시하고 이를 평가하기 위한 방법론을 제안하고자 한다. 제안된 평가방법의 응용사례로서 자체 개발된 선체등반로봇을 대상으로 성능평가를 위한 실험환경 및 방법을 소개하고, 실험 결과를 토대로 제안된 성능지표의 효용성을 검증한다.
이에 본 논문은 등반로봇을 대상으로 부착력 및 이동성 능이 고려된 평가방법을 제안한다. 특히 등반로봇이 수직벽면을 등반하는 경우, 로봇에 부여된 하중을 유지한 채 중력을 극복하면서 중력에 반하는 방향으로 작업에 필요한 충분한 속도로 이동이 가능해야 한다.
등반로봇의 성능평가를 위한 척도로서 앞서 설명한 바와 같이 벽면에서의 부착력과 주행능력이 주요 논점이 될 수 있다. 이에 본 논문은 수직부착하중과 수직등반 속도를 등반로봇의 성능평가를 위한 성능지표로 제안하고자 한다. 본 논문에서 수직부착하중과 수직등반속도는 다음과 같이 정의한다.
제안 방법
그러나 로봇이 등반과정에서 발생하는 슬립으로 인해 위치 정확도가 현저히 떨어진다. 따라서 본 논문에서는 로봇의 외부에 설치된 6대의 모션캡처 카메라를 이용하여 로봇의 위치 및 방향정보를 추정하고, 추정된 정보를 토대로 등반로봇의 속도제어를 수행하도록 시스템을 구성하였다. Figure 6은 수직등반속도를 평가하기 위한 제어 및 모니터링 시스템의 전체 구성도를 나타내고 있다.
이를 토대로, 본 논문은 두 가지 구체적인 성능지표인 수직부착하중과 수직등반속도를 제시하였다. 또한 각각의 성능평가 방법 및 절차를 제안하였다. 제안된 방법은 자체 개발된 등반로봇에 적용되었고, 각각의 평가방법에 따라 구축된 실험환경에서 평가되었다.
본 연구에서 구현된 로봇은 높은 강도를 위해 스테인리스강 재질의 베이스프레임을 기반으로 설계되었다. 또한 수직벽면 에서 구동륜의 슬립을 줄이기 위한 목적으로 6개의 구동륜이 장착되도록 설계되었다. 보다 구체적으로, 좌 · 우 구동륜은 독립적인 두 개의 모터로 구동되며, 각각 기어를 통해 3개의 구동륜에 직접 동력이 전달된다.
4m, 두께 6mm의 철판을 Figure 5와 같이 수직 벽면에 부착하고, 등반로봇이 철판 위에 부착된 상태로 주행할 수 있는 실험환경을 구축하였다. 또한, 주어진 실험환경 내에서 등반로봇의 주행 가능 거리를 산출하여 거리에 따른 속도 프로파일을 설계하였다. 속도 프로파일은 Figure 5에서 나타난 바와 같이 사다리꼴 형태로서, 가속구간, 등속구간, 감속 구간으로 구분된다.
본 논문에서 제안된 성능평가 방법은 등반로봇의 폐루프 위치제어시스템을 기반으로 구현된다. 이를 위해서는 로봇의 위치와 방향정보를 실시간으로 획득할 수 있어야 한다.
본 논문에서는 성능 평가를 위해 가로 1.2m, 세로 2.4m, 두께 6mm의 철판을 Figure 5와 같이 수직 벽면에 부착하고, 등반로봇이 철판 위에 부착된 상태로 주행할 수 있는 실험환경을 구축하였다. 또한, 주어진 실험환경 내에서 등반로봇의 주행 가능 거리를 산출하여 거리에 따른 속도 프로파일을 설계하였다.
제안된 성능지표에 기반한 평가 사례로서, 본 논문에서는 Figure 4에 나타난 바와 같은 자력부착형 선체외벽 등반 로봇(hull-climbing robot)의 성능을 평가하고자 한다. 본 연구에서 구현된 로봇은 높은 강도를 위해 스테인리스강 재질의 베이스프레임을 기반으로 설계되었다. 또한 수직벽면 에서 구동륜의 슬립을 줄이기 위한 목적으로 6개의 구동륜이 장착되도록 설계되었다.
실제 등반로봇의 위치추적은 다수의 카메라로부터 획득된 영상에서 적외선 반사구(reflecting sphere)의 잔영을 추적하는 방식으로 이루어진다. 본 연구에서는 Figure 4에서와 같이 4개의 반사구를 배치한 반사패턴(reflective pattern)을 등반로봇의 상단에 부착하고, 모션캡처 전용프로그램(MOTIVE)을 통해 이 반사패턴의 3차원 위치와 자세를 실시간 추적하도록 구현하였다.
본 연구에서는 MOTIVE의 기능 중 서버(server)기능과 스트리밍(streaming)기능을 활성화시켜 실시간 모션정보를 네트워크를 통해 클라이언트(client)에 전송되도록 구현하였다. Figure 8은 MOTIVE의 실행 장면으로 6대의 카메라로부터 획득된 영상을 분석하여 3차원 공간상에 놓인 반사패턴의 위치와 자세를 추정하는 사례를 보여주고 있다.
본 연구에서는 로봇에 부하를 인가하여 최대 수직부착하중이 18.5kg인 상태에서 주행속도를 평가하였다. 이 평가실험에서 속도 평가구간은 무부하 하중 시와 동일하게 설정되었다.
본 평가실험에서는 우선 추가적인 하중을 가하지 않은 (즉 등반로봇 자체하중이 가해진) 상태에서 수직등반속도를 평가하였다. 이 실험에서 평가구간은 총중량 10.
1절의 평가 절차에 따라 부하하중을 추가하면서 슬립 데이터를 수집하였다. 시간에 따른 슬립의 상태를 충분히 반영하기 위하여, 본 연구에서는 슬립측정 지연시간을 5분으로 설정하였다. Figure 11은 슬립 측정실험 결과로서 등반로봇의 하중과 측정된 슬립간의 관계를 도시한 것이다.
특히 자체중량이 큰 등반로봇의 경우, 등반속도 측정 시 급작스런 동작이나 정지는 구동부에 무리를 주거나 자칫 추락의 위험이 있을 수 있다. 이를 방지하기 위해, 본 논문에서는 가속, 등속, 감속 구간이 있는 속도 프로파일(velocity profile)을 우선 생성한 후, 이를 토대로 등반로봇의 속도제어를 수행한다. 위치제어시스템을 구성하는 두 번째 제어기는 로봇의 조향각 제어기로, 로봇이 원하는 지점으로 정확히 이동할 수 있도록 차륜의 조향각을 실시간적으로 제어한다.
이는 충분히 긴 주행거리를 가지는 주행벽면을 수직으로 설치할 수 있는 높은 공간이 필요하기 때문이다. 이를 위해 본 논문에서는 Figure 3과같이 위치제어시스템(point-tracking control system) 및 비전 기반의 자세추정시스템(vision-based pose estimation system) 기반의 피드백제어시스템의 구축을 통한 등반로봇의 속도 측정 방법을 제안한다. 자세추정시스템은 등반로봇의 현재 위치 (x,y)와 방위각(∅)을 실시간으로 추정하기 위한 시스템이다.
등반로봇에 대한 부착력 해석을 토대로, 부착력과 주행성이 등반로봇의 성능 평가에 있어 주요 요인이 됨을 보였다. 이를 토대로, 본 논문은 두 가지 구체적인 성능지표인 수직부착하중과 수직등반속도를 제시하였다. 또한 각각의 성능평가 방법 및 절차를 제안하였다.
자석 모듈이 자속차폐 구조물 없이도 자속의 방향이 철판에 집중될 수 있도록 영구자석을 할박 배열로 구성하였고, 이를 등반로봇의 무게 중심부에 배치하였다. 할박 배열은 특수한 자기배열로 자기부상 스테이지와 효율적인 잠금장치 등에 사용되고 있다[14][15].
또한 각각의 성능평가 방법 및 절차를 제안하였다. 제안된 방법은 자체 개발된 등반로봇에 적용되었고, 각각의 평가방법에 따라 구축된 실험환경에서 평가되었다.
제안된 성능지표에 기반한 평가 사례로서, 본 논문에서는 Figure 4에 나타난 바와 같은 자력부착형 선체외벽 등반 로봇(hull-climbing robot)의 성능을 평가하고자 한다. 본 연구에서 구현된 로봇은 높은 강도를 위해 스테인리스강 재질의 베이스프레임을 기반으로 설계되었다.
제안된 제어시스템을 통해, 평가자는 간단히 수직벽면 상에서 시작점과 출발점을 설정하여 로봇을 주행시킬 수 있다. 또한, 로봇의 주행 시 위치 및 방향 데이터는 실시간으로 수집된다.
이러한 관점에서 본 논문은 수직부착하중 및 수직등반속도의 평가지표를 제시하고 이를 평가하기 위한 방법론을 제안하고자 한다. 제안된 평가방법의 응용사례로서 자체 개발된 선체등반로봇을 대상으로 성능평가를 위한 실험환경 및 방법을 소개하고, 실험 결과를 토대로 제안된 성능지표의 효용성을 검증한다.
대상 데이터
속도 프로파일은 Figure 5에서 나타난 바와 같이 사다리꼴 형태로서, 가속구간, 등속구간, 감속 구간으로 구분된다. 본 실험에서 등반 로봇은 철판의 최하 단부를 원점으로, 0.4m 위치에서 출발하여 1.7m를 주행한 후 2.1m 지점에서 정지하도록 설정되었다.
수직부착하중을 평가하기 위하여, Figure 10과 같이 등반 로봇을 주행벽면에 수직방향으로 부착하여 2.3.1절의 평가 절차에 따라 부하하중을 추가하면서 슬립 데이터를 수집하였다. 시간에 따른 슬립의 상태를 충분히 반영하기 위하여, 본 연구에서는 슬립측정 지연시간을 5분으로 설정하였다.
Figure 6은 수직등반속도를 평가하기 위한 제어 및 모니터링 시스템의 전체 구성도를 나타내고 있다. 전체 시스템은 크게 로봇부, 모션캡처부, 제어부로 구성되어 있으며 이들은 Figure 3에서 나타난 바와 같이 폐루프 위치제어시스템으로 구성된다. 여기서 모션캡처시스템을 구성하는 카메라의 제원은 Table 4와 같다.
이론/모형
본 논문에서 등반 로봇의 자석 모듈에 사용된 할박 배열은 Hilton et al. [16]이 제안한 모델을 기반으로 구현되었다. 할박배열 자석 모듈이 장착됨으로써, 철판과 자석 모듈 간의 거리에 따른 자속이 증가될 수 있었다.
이를 위해서는 로봇의 위치와 방향정보를 실시간으로 획득할 수 있어야 한다. 이를 위해, 본 연구에서는 NaturalPoint사의 OptiTrack 모션 캡처시스템(motion capture system)[17]을 이용하여 자세추정 시스템을 구현하였다.
성능/효과
본 논문은 선체 벽면에서 등반이 가능한 로봇을 대상으로 성능 평가를 위한 방법을 다루었다. 등반로봇에 대한 부착력 해석을 토대로, 부착력과 주행성이 등반로봇의 성능 평가에 있어 주요 요인이 됨을 보였다. 이를 토대로, 본 논문은 두 가지 구체적인 성능지표인 수직부착하중과 수직등반속도를 제시하였다.
특히 Figure 13을 토대로 볼 때, 모터의 출력이 최대가 되면 매 시간 속도 변화가 일정하지 않음을 알 수 있다. 따라서 모터 수명과 등반로봇의 안전성을 확보하기 위하여 최대출력의 70%범위인 29cm/s 이하에서 동작시키는 것이 좋을 것으로 판단된다. 실제로 Figure13에서 등반속도가 30cm/s인 경우 최대 출력 시에 비해 안정적인 속도 변화 패턴을 나타내고 있다.
보행형 등반로봇에 있어 수직부착하중과 수직등반속도는 각각 로봇이 정지해 있는 상태에서의 흡입력/부착력의 정도와 수직방향으로의 이동속도에 대응되기 때문이다. 따라서 본 논문에서 제시된 두 가지의 지표는 등반로봇의 형태에 관계없이 일관된 성능지표로서 활용 가능하다.
할박배열 자석 모듈이 장착됨으로써, 철판과 자석 모듈 간의 거리에 따른 자속이 증가될 수 있었다. 또한, 기존의 자석 배열 로봇에 비하여 자속 차폐를 위한 구조물이 불필요하므로 모듈의 구조가 단순화될 수 있었다.
본 논문에서 제시된 두 개의 성능지표는 차륜형 등반로봇의 부착력과 주행속도와의 관계를 토대로 정의되었으나, 보행형 등반로봇의 성능평가에도 동일하게 적용될 수 있다.
이는 대상 등반로봇의 구동모터가 허용하는 최대출력을 내고 있음을 나타내는 것으로서, 이 데이터가 등반로봇이 가지는 최대 수직등반속도를 산출하기 위해 활용될 수 있음을 의미한다. 본 연구를 통해 대상로봇의 최대 수직등반속도는 41cm/s로 산출되었다.
Figure 13은 각 속도구간별로 수집된 등반로봇의 수직 등반속도를 나타내고 있다. 여기에서 20~40cm/s의 범위에서는 등반로봇의 속도가 설정치 근방에서 출력되고 있으나, 속도 설정치가 45cm/s인 경우에는 출력치가 설정치에 도달 하지 않고 있음을 확인할 수 있다. 이는 대상 등반로봇의 구동모터가 허용하는 최대출력을 내고 있음을 나타내는 것으로서, 이 데이터가 등반로봇이 가지는 최대 수직등반속도를 산출하기 위해 활용될 수 있음을 의미한다.
여기서 속도가 높아질수록 출력된 그래프의 시간구간이 짧은 이유는 속도가 높을수록 목표위치에 도달하는 시간이 짧아지기 때문이다. 이 결과를 토대로 무부하 하중에서의 최대 수직등반속도는 45cm/s 로 평가되었다.
최대수직부착하중 상태에서 등반로봇의 최대 수직등반 속도는 무부하 하중 시에 비하여 4cm/s가 감소됨을 알 수 있다. 특히 Figure 13을 토대로 볼 때, 모터의 출력이 최대가 되면 매 시간 속도 변화가 일정하지 않음을 알 수 있다.
최종적으로 본 평가실험을 통해 대상 등반로봇의 최대 수직부착하중은 슬립이 발생하지 않은 시점의 하중인 18.5kg으로 평가되었다.
[16]이 제안한 모델을 기반으로 구현되었다. 할박배열 자석 모듈이 장착됨으로써, 철판과 자석 모듈 간의 거리에 따른 자속이 증가될 수 있었다. 또한, 기존의 자석 배열 로봇에 비하여 자속 차폐를 위한 구조물이 불필요하므로 모듈의 구조가 단순화될 수 있었다.
후속연구
본 연구에서 제시된 성능평가지표는 특히 등반로봇 분야 에서 다양한 활용이 가능할 것으로 기대되며, 이와 더불어 경로추종, 장애물 회피 등 추가적인 성능평가방법에 관한 지속적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.
여기에서 20~40cm/s의 범위에서는 등반로봇의 속도가 설정치 근방에서 출력되고 있으나, 속도 설정치가 45cm/s인 경우에는 출력치가 설정치에 도달 하지 않고 있음을 확인할 수 있다. 이는 대상 등반로봇의 구동모터가 허용하는 최대출력을 내고 있음을 나타내는 것으로서, 이 데이터가 등반로봇이 가지는 최대 수직등반속도를 산출하기 위해 활용될 수 있음을 의미한다. 본 연구를 통해 대상로봇의 최대 수직등반속도는 41cm/s로 산출되었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
필드로봇의 역할은 무엇인가?
최근 산업체 및 재해 현장 등지에서 인간의 접근이 어려운 공간 내의 작업을 수행할 수 있는 필드로봇에 관한 연구가 활발히 수행되고 있다. 선박의 안전성 확보를 위한 선박검사에 있어서, 검사관이 직접 순회하며 육안으로 검사를 수행하는 기존 방식[1]의 한계(즉, 검사관의 접근이 쉽지 않은 높은 곳, 좁고 어두운 통로 등지에서의 검사)를 보완하기 위해 로봇을 활용한 대체검사 방법들이 연구되고 있다[2].
등반로봇의 성능지표가 필요한 이유는 무엇인가?
국내의 경우 서비스로봇 분야에서 평지를 주행하는 로봇을 대상으로 성능평가를 위한 지표가 마련되어 있다[12][13]. 그러나 등반로봇은 수직등반과 같은 특수한 이동상황이 따르기 때문에, 이러한 성능을 구체적으로 설명할 수 있는 지표가 필요하다.
등반로봇은 어떻게 분류되는가?
통상적으로 이러한 형태의 로봇을 등반로봇(wall-climbing robot)이라 한다. 등반로봇은 크게 바퀴를 통해 이동이 가능한 차륜형 로봇과 관절식 보행 구조를 통해 이동이 가능한 보행형 로봇으로 분류될 수 있다. 등반로봇 분야에서 핵심이슈 중 하나는 수직벽면에서도 추락하지 않을 만큼 안정적인 부착력의 생성, 유지, 이동 방법에 관한 것이다.
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