문제 정의

•  이러한 산업현장 내 침전물 청소작업의 효율적 수행을 위하여 고효율 수중청소로봇 플랫폼을 개발하여 현장 실증실험을 통하여 실제적 활용성을 확인하였다.
• 후)연구 목적과">연구목적과 동일한 현장작업자의 실제적 요구조건을 반영하여 진행하였다. ⁸⁾ 특히, 개발되어진 로봇 플랫폼 운영에 있어서 청소작업의 효율성 향상을 위하여 수조 조건 및 침전물 상태 등을 자동 인지하여 침전물 흡입과 주행을 자동으로 조절할 수 있는 제어 시스템 개발과 사용자의 원활한 로봇 운전과 수조 내에서 로봇의 위치 및 방향 설정 등을 위한 방향 제어 시스템 개발을 목적으로 하였다. 본 연구개발 수행에서 따라서 본 연구에서는 산업현장 내 다양한 수조환경에 대하여 기존의 청소작업으로는 불가능한 밀폐형 수조 또는 물을 빼지 않고 청소해야 하는 수조의 환경에 적용할 수 있도록 개발된 고효 율 수중청소로봇 플랫폼의 활용성을 높이기 위하여 추가적으로 요구되는 제어 알고리즘 기술 개발을 제안하고자 한다.
• 본 논문에서는 산업현장 내 다양한 수조환경에 활용하기 위하여 개발되어졌던 수중청소로봇 플랫폼에 대한 연구결과에서 발생하는 청소성능 및 청소효율 극대화를 위한 제어 알고리즘을 개발하였다. 이러한 연구개발을 통하여 기존에 본 연구에서는 산업현장 수조환경 내 대량의 침전물을 균일하게 흡입할 수 있도록 수중청소 로봇의 요소별 전류제어 알고리즘 개발과 다양한 산업현장 수조환경 구조 및 침전물 용량 특성에 따른 주행제어 알고리즘 개발을 제안하고자 한다.
• 본 연구에서는, 산업현장 내 다양한 수조환경에 활용하기 위하여 개발 완료한 수중청소로봇 플랫폼 상용화를 위해서는 작업자의 숙련도에 상관없이 시스템의 안전성과 성능을 일정수준으로 유지 시키기 위한 기능이 필요하다고 판단하였다.

  제안 방법

  • 후)조건에서의">조건에서의 제어기 성능 테스트를 진행하였다. Fig. 7과 같이 무부하 및 부하조건을 고려하였으며, 외부 부하는 인력으로 1~3명 내에서 순차적으로 추가 하면서 스크류에 직접적 부하를 증가시킴으로써 스크류와 트랙 구동부의 전류 제어기가 적절히 외부 부하에 추종하는지는 실험하였다.
  • 기존에 개발된 수중청소로봇 플랫폼에 활용하 여, 본 연구에서 제안한 제어 알고리즘의 유효성 을 확인하기 위하여, 외부 부하에 따른 전류 제어 기 특성변화 등의 실험진행은 실내 및 현장 실험 으로 구분하여 각각 진행하였다.
  • 후)내실제">산업현장 내 실제 수조에서의 실증실험 수행내용은 Fig. 9와 같은 실제 작업현장에서 기존 수동제어 및 자동제어 기반의 구동부별 전류 형태를 각각 분석하여 개발된 알고리즘의 유용성을 확인 하였다.
  • 후)따라서">따라서 운전자에 의하여 설정된 목표방향과 자세방 위측정표시장치(AHRS, Attitude and Heading Reference System) 또는 자이로스코프(Gyroscope) 에 의해 수신된 현재 방향과 차이를 이용하여 양쪽 트랙의 속도를 가감속함으로써 로봇이 일정하게 목표방향을 추종할 수 있는 제어 알고리즘을 탑재하였고, 이러한 방향 제어 알고리즘의 개념은 Fig. 6과 같이 나타내어진다.
  • ">반영하였다. 따라서 수중환경 내 다양한 침전물에 대한 균일한 흡입을 위한 각 요소별 전류제어 알고리즘을 개발하였으며, 펌프전류 제어기를 최상위 감독자로 하는 계층형 자동 제어 알고리즘 (Hierarchical automatic control algorithm)은 Fig. 4와 같은 구조로 설계되었다.
  • 따라서 이러한 (특성1) 및 (특성2)를 기반으로, 정속 제어기에서 소비되는 전류를 외부에서 모니터링하여 목표전류보다 높으면 정속 제어기의 목 표속도를 낮추고, 소비전류가 목표전류보다 낮으면 반대로 정속 제어기의 목표속도를 높임으로써 상용 정속 제어기를 활용하여 우회적으로 목표전류를 추종하는 전류 제어기를 구성하였다.
  • 또한 본 연구에서는 동일한 부하 조건에서 상용 모터 드라이버에서 지원하는 정속 제어기의 입력 속도값을 낮출수록 모터 드라이버에서 소비되는 전류값 즉, 모터에서 소비되는 전류값이 감소하는 점에 착안하여 상용 정속 제어기 기반의 전류 제어기 개발 개념을 도출하였고, 각 구동부의 상용 정속 제어기 기반의 정전류 제어기 구조 는 Fig. 5와 같이 구성되었다.
  • 후)구 동부">구동부 의 전류를 자동으로 조작하기 위한 계측기 개념 설계를 도출하였다. 또한 비정상 및 비상 상황에 서는 과부하에 의한 스크류와 트랙 구동부의 손상을 막고 로봇의 구동 동작에 의한 급작스러운 전류상승 상황발생을 최소화하기 위한 자체 보호 기능 및 효율성 유지를 위한 기능을 함께 반영하였다. 따라서 수중환경 내 다양한 침전물에 대한 균일한 흡입을 위한 각 요소별 전류제어 본 연구개발에서도 기존의 수중청소로봇 플랫 폼 개발 관련한 연구목적과 동일한 현장작업자의 실제적 요구조건을 반영하여 진행하였다.

  • 4.1 실내 실험

    실내 실험은 산업현장 내 다양한 수조환경 바닥면을 고려하여 외부 부하조건 변경에 따른 바퀴 구동부 전류 제어기 튜닝 및 각종 부하 조건에서의 제어기 성능 테스트를 진행하였다. Fig.

  • 후)청소 효율">청소효율 극대화를 위한 제어 알고리즘을 개발하였다. 이러한 연구개발을 통하여 기존에 개발되어진 수중청소로봇 운영 및 활용 방안을 제시하여 상용화 실현에 기여하였고, 이러한 결과는 실제 현장실험을 통하여 효용성을 검증하였다. 특히, 기존 산업현장 내에서 물을 뺄 수 없는 다양한

    성능/효과

    • 또한 수동 조작방식의 경우, 사용자의 수동 조작에 의해 펌프의 소비 전류가 크게 변동하면서 작업을 하지만, 반자동 제 어 시 펌프의 소비 전류가 일정해지면서 펌프의 과부하에 의해 일시정지도 방지하고 일정한 작업 효율을 유지함으로써 총 누적 작업량에서 수동 조작 방식을 앞서게 됨을 확인할 수 있었고, 수동 조작 및 자동 제어의 특성 비교 결과는 Table 1과 같이 요약되어질 수 있다.
    • 반면에, 자동제어 알고리즘 적용의 경우에는 펌프 소비전류가 일정한 값을 유지하도록 제어가 이루어짐으로써 과부하에 의한 펌프 정지 상황이 발생하지 않았으며, 이로 인해 효율성이 증대됨을 확인할 수 있었다.
    • 12와 같다. 본 실험 결과에 의하면, 직진 동작 시에 외란이 발생하지 않아도 좌/우 트랙의 특성 차이와 지면과의 마찰 특성 차이에 의하여 시계방향으로 회전력이 발생함을 확인하였다. 이때 제안한 제어 알고리즘을 적용하면, 이러한 특성을 극복하고 초기 방향인 0도를 유지하면서 전진하는 반면에 후)특성차이와">특성 차이와 지면과의 마찰 특성 차이에 의하여 시계방향으로 회전력이 발생함을 확인하였다. 이때 제안한 제어 알고리즘을 적용하면, 이러한 특성을 극복하고 초기 방향인 0도를 유지하면서 전진하는 반면에 방향 제어를 적용하지 않고 두 바퀴의 속도를 일정하게 유지함으로써 직진을 하는 경우에는 약 20 도 이상 초기 방향과 각도차가 발생함을 확인하였다.
    • 후)수중청소 로봇은">수중청소로봇은 아직까지도 자율주행 기능이 존재하지 않고 대부분 작업자에 의한 원격조작 작업이 이루어지고 있다. 이러한 실제적 작업현장 및 수조환경은 Fig. 1과 같이 기존 청소방법으로는 주어진 짧은 작업 시간 내에 다량의 침전물을 청소하기는 불가능하고, 침전물 성분이 인체에 유해하거나 생산성 효율을 위하여 시간의 제약 없이 수시로 청소작업이 이루어져야 하는 경우에도 불가능한 작업방법임을 확인할 수 있었다.
    • 후)실험하였다. 이와">이와 같은 실험조건에서의 실내 실험결과는 Fig. 8과 같으며, 실내 실험결과는 외부에서 가해지는 부하가 증가하는 상황에서 스크류 전류 제어기가 일차적으로 속도를 낮추면서 일정 전류를 유지함과 동시에 바퀴 구동부의 목표전류를 낮추어 바퀴 구동부의 속도 또한 저하됨을 확인할 수 있었다.
    • 후)현장 실험을">현장실험을 통하여 효용성을 검증하였다. 특히, 기존 산업현장 내에서 물을 뺄 수 없는 다양한 수조환경에서 기존 수중청소로봇 플랫폼에 제어 알고리즘 적용을 통하여 상시 수중청소 작업이 가능하게 되어 현장조업에 지장을 주지 않으면서 수질 개선을 가능하게 하여 생산성 향상에 기여 하였고, 로봇을 활용한 상시 청소작업이 안정적으로 가능하기에 수질관리가 가능하여 활용성 측면에서도 매우 효과적이라는 결론을 도출할 수 있었다.

    후속연구

    • 후)실증 실험을">실증실험을 통하여 실제적 활용성을 확인하였다.^5,8) 그러나 개발되어진 로봇 플랫폼으로 수동조작을 통한 현장적용에서는 로봇에서 발생하는 각종 제어 변수(Parameters)에 대하여 운전자가 직접 육안으로 확인 후 수동조작에 의해 제어가 이루어지고 있기 때문에 정밀제어를 수행하기에는 한계가 있었고, 안전작업을 위한 효율성 향상을 위해서는 이러한 제어 알고리즘 개발이 추가적으로 필요하게 되었다. 또한 후)안전 작업을">안전작업을 위한 효율성 향상을 위해서는 이러한 제어 알고리즘 개발이 추가적으로 필요하게 되었다. 또한 개발되어진 로봇 플랫폼에 대한 각종 구동기별 전류제어 추종 방식의 자동제어 알고리즘을 구현하여 제어의 안정성 및 침전물의 청소효율 향상과 구동부의 안 전성 확보가 필요함이 대두되었다.