최근 전 세계적으로 고층건물의 외벽청소, 대형 구조물의 벽면검사, 조선에서의 벽면 용접 등 다양한 용도의 벽면이동 로봇들이 개발되고 있다. 기존에 개발된 벽면이동 로봇 중 바퀴형 이동로봇은 요철이 있는 벽면을 이동할 수 없다는 단점이 있으며 보행형 이동로봇은 복잡한 링크구조로 인해 많은 액추에이터가 필요로 하고, 더불어 제어가 복잡해지며 내구성의 문제가 발생한다. 또한 로봇의 무게가 무겁다는 단점이 있다. 본 논문에서는 이러한 단점을 극복하기 위해 간단한 구조를 가진 새로운 벽면이동 로봇을 제시한다. 본 논문의 벽면이동 로봇은 단 한 쌍의 축과 액추에이터를 이용하여 고릴라의 보행방식을 모사하여 이동하며, 진공펌프와 흡착패드를 이용하여 벽면에 진공 흡착한다. 본 논문에서 개발한 로봇의 구성요소로는 이동을 위한 DC모터, 흡착을 위한 진공펌프, 제어를 위한 마이크로 컨트롤러, 기타 동력전달과 형체 유지를 위한 축과 프레임이 있다. 로봇의 성능은 수직 및 수평에서 실험적으로 검증하였다. 본 논문에서 개발한 벽면이동 로봇을 기반으로 다양한 장치를 탑재한 산업현장, 재난재해 현장에서 다양한 기능을 수행하는 로봇의 개발이 가능할 것이라 전망한다.
최근 전 세계적으로 고층건물의 외벽청소, 대형 구조물의 벽면검사, 조선에서의 벽면 용접 등 다양한 용도의 벽면이동 로봇들이 개발되고 있다. 기존에 개발된 벽면이동 로봇 중 바퀴형 이동로봇은 요철이 있는 벽면을 이동할 수 없다는 단점이 있으며 보행형 이동로봇은 복잡한 링크구조로 인해 많은 액추에이터가 필요로 하고, 더불어 제어가 복잡해지며 내구성의 문제가 발생한다. 또한 로봇의 무게가 무겁다는 단점이 있다. 본 논문에서는 이러한 단점을 극복하기 위해 간단한 구조를 가진 새로운 벽면이동 로봇을 제시한다. 본 논문의 벽면이동 로봇은 단 한 쌍의 축과 액추에이터를 이용하여 고릴라의 보행방식을 모사하여 이동하며, 진공펌프와 흡착패드를 이용하여 벽면에 진공 흡착한다. 본 논문에서 개발한 로봇의 구성요소로는 이동을 위한 DC모터, 흡착을 위한 진공펌프, 제어를 위한 마이크로 컨트롤러, 기타 동력전달과 형체 유지를 위한 축과 프레임이 있다. 로봇의 성능은 수직 및 수평에서 실험적으로 검증하였다. 본 논문에서 개발한 벽면이동 로봇을 기반으로 다양한 장치를 탑재한 산업현장, 재난재해 현장에서 다양한 기능을 수행하는 로봇의 개발이 가능할 것이라 전망한다.
Wall-climbing robots have been developed for various purposes, such as cleaning skyscraper windows, maintaining large structures, and welding vessels. Conventional wall-climbing robots use movement systems based on wheels or legs. However, wheeled robots suffer from slipping effects, while legged sy...
Wall-climbing robots have been developed for various purposes, such as cleaning skyscraper windows, maintaining large structures, and welding vessels. Conventional wall-climbing robots use movement systems based on wheels or legs. However, wheeled robots suffer from slipping effects, while legged systems require many actuators and control systems for the complex linkage structure, which also increases the weight of the robot. To overcome these disadvantages, we propose a new wall-climbing robot that walks based on gorilla locomotion. The proposed robot consists of a DC drive motor, a vacuum pump for adsorption, and a micro controller for controlling the system. The performance of the robot was experimentally verified on vertical and horizontal flat surfaces. The robot could be used for various functions in industrial sites or disaster areas.
Wall-climbing robots have been developed for various purposes, such as cleaning skyscraper windows, maintaining large structures, and welding vessels. Conventional wall-climbing robots use movement systems based on wheels or legs. However, wheeled robots suffer from slipping effects, while legged systems require many actuators and control systems for the complex linkage structure, which also increases the weight of the robot. To overcome these disadvantages, we propose a new wall-climbing robot that walks based on gorilla locomotion. The proposed robot consists of a DC drive motor, a vacuum pump for adsorption, and a micro controller for controlling the system. The performance of the robot was experimentally verified on vertical and horizontal flat surfaces. The robot could be used for various functions in industrial sites or disaster areas.
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문제 정의
본 연구에서는 금속과 비자성체의 벽에서도 등반 가능한 진공흡착방식과 고릴라의 모습을 모사한 보행형 이동방식을 적용한 벽면이동 로봇을 개발하였다. 일반적인 보행형 이동방식을 채택한 로봇의 복잡한 구조 대신 간단한 구조를 통해 이동 가능한 보행형 이동방식을 채택하였다.
제안 방법
다음으로는 로봇의 부착력 성능 평가를 수행하였다. 이를 위하여 수직 벽면에 로봇을 부착시킨 후 이때의 상태에서 견딜 수 있는 최대 하중을 측정하였다.
마지막으로 로봇의 주행 속도를 측정하였다. 이때는 로봇이 갖는 순수한 주행 속도를 확인하기 위하여 외부 하중을 제외하고 측정하였다.
본 논문에서 제시하는 로봇의 흡착 메커니즘은 3개의 진공펌프와 4개의 진공패드로 구성되어 있다. 본체부의 진공펌프는 본체부 하부에 부착된 2개의 진공패드와 연결되고 다리부의 진공펌프는 각각 1개의 진공패드와 연결된다.
기존 벽면이동 로봇들의 문제점은 복잡한 메커니즘과 제어의 어려움이다. 본 논문에서 제시한 로봇은 하나의 DC모터와 단일 축을 이용해 보행형 메커니즘을 구사하고, 진공펌프와 진공패드를 이용해 흡착형 메커니즘을 실현하였다. 다른 벽면이동 로봇들에 비해 부피가 작고 가벼운 장점이 있다.
본체부와 다리부의 결합을 위해 다리 이음부를 설계하여 제작 하였다. 다리 이음부를 고정하는 부분은 형상의 특성상 3D프린트를 이용하여 제작 하였으며, 3D프린터로 성형할 수 있는 재료 중 강도가 높고 뛰어난 2차 가공성을 가지고 있으며 내충격성이 우수한 재료인 ABS(Acrylonitrile-Butadiene-Styrene)를 사용하였다.
로봇의 본체부에는 이동을 위한 DC모터, 흡착을 위한 진공펌프, 로봇의 제어를 위한 Arduino 보드, 전력공급을 위한 배터리 등을 탑재하였다. 본체부와 다리부의 프레임은 알루미늄 합금인 ADC12을 사용하여 SS400(밀도 7.8g/cc)을 사용한 prototype 대비 약 30%의 경량화를 실현하였다.
앞에서 설명한 이동 메커니즘과 흡착 메커니즘을 바탕으로 로봇의 전반적인 구동을 제시한다. 아래에 도시된 Fig.
앞에서 소개한 벽면이동 로봇의 성능을 확인하기 위해 로봇의 prototype을 제작하여 성능실험을 하였다. 로봇의 성능실험은 3가지 관점에서 수행하였다.
첫째로 로봇의 실제 환경 실험을 실시하였다. 유리와 같은 비자성체 벽면과 화이트보드와 같은 미끄러운 재질의 벽에서 주행실험을 실시하였다. Fig.
05kgf임을 알 수 있다. 이때 벽면이동 로봇은 수평이 아닌 수직으로 있으므로 안정성을 고려하여 최대 진공흡착력의 약 25%의 안전율을 적용하였다. 안전율을 25% 적용하여 계산하면 진공패드 1개당 11.
다음으로는 로봇의 부착력 성능 평가를 수행하였다. 이를 위하여 수직 벽면에 로봇을 부착시킨 후 이때의 상태에서 견딜 수 있는 최대 하중을 측정하였다. 로봇 무게 중심에 부하하중을 0.
3에 도시된 것과 같이 고릴라가 이동시 발로 땅을 짚고 몸통이 앞으로 이동하고 다시 발로 땅을 짚는 일련의 과정을 알 수 있다. 이처럼 고릴라가 이동하는 모습을 모사하여 보행형 이동 메커니즘을 실현하였다.
본 연구에서는 금속과 비자성체의 벽에서도 등반 가능한 진공흡착방식과 고릴라의 모습을 모사한 보행형 이동방식을 적용한 벽면이동 로봇을 개발하였다. 일반적인 보행형 이동방식을 채택한 로봇의 복잡한 구조 대신 간단한 구조를 통해 이동 가능한 보행형 이동방식을 채택하였다. 2장에서는 로봇의 하드웨어 및 소프트웨어의 전반적인 구성을 소개하고, 3장에서는 로봇의 이동과 흡착에 대한 메커니즘을 소개한다.
첫째로 로봇의 실제 환경 실험을 실시하였다. 유리와 같은 비자성체 벽면과 화이트보드와 같은 미끄러운 재질의 벽에서 주행실험을 실시하였다.
대상 데이터
Arduino MEGA 2560 보드를 사용하여 로봇의 움직임을 제어하였다. Arduino MEGA 2560 보드는 C언어를 기반으로 하여 각종 actuator를 간단하게 제어 할 수 있다는 장점이 있다.
개발한 벽면이동 로봇은 Fig. 1과 같이 본체부와 한 쌍의 다리부, 다리이음부로 구성되어 있다. 로봇의 본체부에는 이동을 위한 DC모터, 흡착을 위한 진공펌프, 로봇의 제어를 위한 Arduino 보드, 전력공급을 위한 배터리 등을 탑재하였다.
본체부와 다리부의 결합을 위해 다리 이음부를 설계하여 제작 하였다. 다리 이음부를 고정하는 부분은 형상의 특성상 3D프린트를 이용하여 제작 하였으며, 3D프린터로 성형할 수 있는 재료 중 강도가 높고 뛰어난 2차 가공성을 가지고 있으며 내충격성이 우수한 재료인 ABS(Acrylonitrile-Butadiene-Styrene)를 사용하였다. 이러한 재질을 사용함으로서 로봇의 경량화를 가능하게 하고 높은 내구성을 갖추게 되었다[7].
1과 같이 본체부와 한 쌍의 다리부, 다리이음부로 구성되어 있다. 로봇의 본체부에는 이동을 위한 DC모터, 흡착을 위한 진공펌프, 로봇의 제어를 위한 Arduino 보드, 전력공급을 위한 배터리 등을 탑재하였다. 본체부와 다리부의 프레임은 알루미늄 합금인 ADC12을 사용하여 SS400(밀도 7.
본 로봇에서는 Arduino MEGA 2560 보드를 이용하여 3개의 진공펌프와 1개의 DC모터, 4개의 마이크로 스위치를 제어하였다.
사용한 진공패드의 단면적은 44.1786cm2이며, 진공펌프의 최대 진공도가 1.1019716kgf/cm2이다. 이를 통해 최대 진공흡착력은 45.
성능/효과
이를 위하여 수직 벽면에 로봇을 부착시킨 후 이때의 상태에서 견딜 수 있는 최대 하중을 측정하였다. 로봇 무게 중심에 부하하중을 0.2kg씩 증가시켜 실험한 결과 10kg의 하중을 추가하여도 로봇이 버틸 수 있었고, 10.2kg 이상을 부하 하였을 때 부착력이 불안정한 모습을 보였다. 로봇의 자중이 5.
2kg 이상을 부하 하였을 때 부착력이 불안정한 모습을 보였다. 로봇의 자중이 5.8kg이므로 총 15.8kg의 이르는 무게를 지탱할 수 있음을 확인하였다.
이때 벽면이동 로봇은 수평이 아닌 수직으로 있으므로 안정성을 고려하여 최대 진공흡착력의 약 25%의 안전율을 적용하였다. 안전율을 25% 적용하여 계산하면 진공패드 1개당 11.26kgf의 최대 진공흡착력을 가진다는 것을 확인 할 수 있다. 로봇이 다리부만 벽에 흡착하였을 때, 본체부만 벽에 흡착하였을 때는 각 2개의 진공패드를 사용하므로 22.
유리창과 같은 비자성체 벽면과 화이트보드와 같은 매끄러운 재질의 벽면에서 로봇의 주행 실험을 한 결과 모두 동작 가능하며 환경변화에 의한 성능 저하는 발생되지 않았다. 또한 수직에서의 주행이 가능할 뿐 아니라 천장과 같이 지면과 평행한 환경에서도 주행이 가능하였다.
즉, 진공펌프와 DC모터의 전압의 변동이 작고 안정적인 것을 확인할 수 있다. 이처럼 전압이 안정적으로 출력됨으로 전류 또한 일정하게 흐르며 로봇의 진공펌프가 진공 발생 시 일정한 진공도를 발생시켜 안정적인 부착과 구동이 가능하다는 것을 확인하였다.
전압센서를 통해 전압을 측정한 결과 진공펌프의 경우 최소 10.57V, 최대 11.4V로 측정되었다. DC모터의 경우 최소 11.
72V로 측정되었다. 즉, 진공펌프와 DC모터의 전압의 변동이 작고 안정적인 것을 확인할 수 있다. 이처럼 전압이 안정적으로 출력됨으로 전류 또한 일정하게 흐르며 로봇의 진공펌프가 진공 발생 시 일정한 진공도를 발생시켜 안정적인 부착과 구동이 가능하다는 것을 확인하였다.
후속연구
본 논문에서 소개한 방법을 기반으로 산업 현장이나 재난재해 현장 등 여러 환경에서 다양한 목적을 수행할 수 있는 벽면이동 로봇으로의 개발이 가능할 것이라 전망한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
벽면이동로봇을 개발할 때 관건은?
벽면이동로봇의 개발은 벽면에서의 이동과 흡착방법이 관건이다. 기존에 개발된 벽면이동 로봇들은 이동방식과 부착방식의 두 가지 측면에서 살펴 볼 수 있다.
벽면이동 로봇의 쓰임새는?
벽면이동 로봇은 고층건물, 원자력 발전소, 교각과 같은 대형 구조물의 유지보수, 조선에서의 용접과 같은 다양한 산업분야를 위해 개발되고 있다[1].
기존의 벽면이동 로봇들이 가지는 단점은?
최근 전 세계적으로 고층건물의 외벽청소, 대형 구조물의 벽면검사, 조선에서의 벽면 용접 등 다양한 용도의 벽면이동 로봇들이 개발되고 있다. 기존에 개발된 벽면이동 로봇 중 바퀴형 이동로봇은 요철이 있는 벽면을 이동할 수 없다는 단점이 있으며 보행형 이동로봇은 복잡한 링크구조로 인해 많은 액추에이터가 필요로 하고, 더불어 제어가 복잡해지며 내구성의 문제가 발생한다. 또한 로봇의 무게가 무겁다는 단점이 있다. 본 논문에서는 이러한 단점을 극복하기 위해 간단한 구조를 가진 새로운 벽면이동 로봇을 제시한다.
참고문헌 (10)
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