In this paper, a design for a vehicle body of an armored robot for complex disasters is described. The proposed design considers various requirements in complex disaster situations. Fire, explosion, and poisonous gas may occur simultaneously under those sites. Therefore, the armored robot needs a ve...
In this paper, a design for a vehicle body of an armored robot for complex disasters is described. The proposed design considers various requirements in complex disaster situations. Fire, explosion, and poisonous gas may occur simultaneously under those sites. Therefore, the armored robot needs a vehicle body that can protect people from falling objects, high temperature, and poisonous gas. In addition, it should provide intuitive control devices and realistic surrounding views to help the operator respond to emergent situations. To fulfill these requirements of the vehicle body, firstly, the frame was designed to withstand the impact of falling objects. Secondly, the positive pressure device and the cooling device were applied. Thirdly, a panoramic view was implemented that enables real-time observation of surroundings through a number of image sensors. Finally, the cockpit in the vehicle body was designed focused on the manipulability of the armored robot in disaster sites.
In this paper, a design for a vehicle body of an armored robot for complex disasters is described. The proposed design considers various requirements in complex disaster situations. Fire, explosion, and poisonous gas may occur simultaneously under those sites. Therefore, the armored robot needs a vehicle body that can protect people from falling objects, high temperature, and poisonous gas. In addition, it should provide intuitive control devices and realistic surrounding views to help the operator respond to emergent situations. To fulfill these requirements of the vehicle body, firstly, the frame was designed to withstand the impact of falling objects. Secondly, the positive pressure device and the cooling device were applied. Thirdly, a panoramic view was implemented that enables real-time observation of surroundings through a number of image sensors. Finally, the cockpit in the vehicle body was designed focused on the manipulability of the armored robot in disaster sites.
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문제 정의
본 논문에서는 복합 재난 사고 현장에서 실내 진입대원의 인명보호 및 방재작업 지원을 위한 장갑형 로봇 시스템을 소개한다[Fig. 3]. 특히 낙하물, 유독가스, 고온으로부터 탑승자를 보호할 수 있으면서도 소방관의 시야를 확보하고 조종을 쉽게 하기 위한 차체에 대해 기술한다.
본 연구에서는 차량 주변으로 상호 고정된 카메라 set에 대하여 파노라믹 영상을 생성하고자 하였으며 이를 위해 서로 Field-of-View가 겹치지 않는 다수의 카메라 간의 위치 관계를 얻는 캘리브레이션 과정이 필요하다[9]. 이 과정은 다중 카메라 시스템이 공유할 수 있는 단일 coordinate frame에서의 3차원 모델점과 이를 관찰한 대응점을 얻을 수 있는 경우 쉽게 구할 수 있는데, 대형 차량의 주변에 배치된 카메라 시스템에 대해 이를 구현하기 위해서는 1) 대형 차량의 카메라로 볼 수 있는 거대한 3차원 구조물 및 2) 구조물에 존재하는 3차원 모델점의 정밀위치를 얻을 수 있어야 하며, 이는 비용이 매우 많이 드는 방법이다.
차체 탑재를 위해 개발된 냉방 장치는 외부에서 500°C 의 복사열이 가해질 때 실내온도를 60°C 가 되도록 유지하는 것을 목표로 하고 있다.
3]. 특히 낙하물, 유독가스, 고온으로부터 탑승자를 보호할 수 있으면서도 소방관의 시야를 확보하고 조종을 쉽게 하기 위한 차체에 대해 기술한다.
가설 설정
따라서 일반적으로 적용되는 cylindrical warping을 직접 적용할 수 없다. 본 연구에서는 camera zig의 중심에 cylinder 중심을 두고 각각의 영상을 정해진 거리에 장면 점들이 있다고 가정하고 미리 projection해두어 pre-warping map을 구성하였다. 따라서 실린더 영상 중심과 실제 카메라 중심이 상이하고 이에 의해 이중 영상이 생성될 수 있으나 미리 정해진 pre-warping map을 사용하므로 매우 빠른 파노라믹뷰 영상 생성이 가능하다.
제안 방법
15인치 디스플레이 3개를 이용하여, 농연환경에서 360°범위의 외부 시야 분석을 위한 파노라믹 뷰와 원격제어 마스터 장치에 의해 동작되는 유압 팔의 작업 상황을 모니터링할 수 있는 시스템을 구성하여 조종자가 주변 환경을 잘 인지할 수 있도록 하였다.
각종 패널과 주요 조작기를 최적 위치에 배열하기 위해, 운용 요구조건과 요소 부품 공급업체의 데이터를 검토하여 설계했다. 이후 시나리오 임무 분석을 통하여 조종석 배열 업무를 수행하였다.
7]. 개발된 양압 장치의 사양은 군용 장갑 차량에 쓰이는 규격을 적용하였는데, 실내 인원 1인당 25 m3/hr 공기 유량을 공급하는 것이다. 장갑형 로봇은 4인이 탑승하는 것을 기준으로 설계되었기 때문에 차체에서는 100 m3/hr의 유량을 공급하는 양압 장치가 필요하다.
차체 프레임에 대한 내충격성 기준은 KS-B-ISO-3449의 FOPS (Falling Object Protection System) 규정을 통해 산출하였다. 규정에 기반하여, 4 m 높이의 250 kg의 추를 차체에 낙하시켜 충돌시키고, 이 때 발생한 차체의 변형이 내부 인체 모형 DLV (Deflection Limit Volumn)까지 침투 되었는지의 여부 및 차체의 크랙 발생 여부를 통해 내충격성을 평가하였다.
또한 전방 모니터링디스플레이 각도, 조종석 높이 및 기울기, 인체측정치수, Head Clearance, Vision, Seat Back Angle과 같은 형상 설계요소간의 결합 시 나타나는 문제점을 판별하였다. 그리하여 공간설계요소와 신체요소간의 상호작용이 원활하도록 설계하였다.
개발하려는 장갑형 로봇 시스템은 농연이 가득찬 상황에서 차체 내부에 있는 구조대원이 외부상황을 파악할 수 있도록 실감 있는 영상 정보를 제공하고 편리한 조작 인터페이스가 갖춰져야 한다. 그리하여 복수개의 영상 센서를 부착하여 비전 처리 알고리즘을 통해 파노라믹 뷰를 생성하였다. 마지막으로 인체공학적 설계를 통해 사용자의 조작성 및 편의성을 갖춘 조종석을 차체 내부에 구성하였다[Fig.
본 연구에서는 기존 유사시스템의 계기와 조작기[11,12] 및 공간에 대한 설계 자료[13], 규격과 지침[14] 등을 참고하였다. 그리하여 참고한 기존 연구 사례들 중 장갑형 로봇에 적용 가능한 사항들을 활용하였다.
기존 유사시스템의 조종석 배열을 기준으로, 실측된 위치에 스틱을 배치 후 조종자가 하방 시야 각 15°를 확보할 수 있는 거리 및 높이로 좌석을 배치하였다.
차체 프레임의 해석 및 시제를 통한 실험을 통해 낙하물로부터 탑승자 보호가 가능한 프레임 설계를 구현하였다. 또한 유독가스 및 고온으로부터 보호를 위해 차체에 적용할 양압 및 냉방 장치를 개발하였으며 각각에 대한 단품 테스트를 수행하였다. 마지막으로, 현장의 위급한 상황에서 조종자가 직관적이고 빠르게 대응할 수 있도록 하기 위해 파노라믹 뷰를 생성하여 제공하는 한편 조종석 부분에서는 인체공학적인 요소를 고려한 설계를 진행하였다.
또한 전방 모니터링디스플레이 각도, 조종석 높이 및 기울기, 인체측정치수, Head Clearance, Vision, Seat Back Angle과 같은 형상 설계요소간의 결합 시 나타나는 문제점을 판별하였다. 그리하여 공간설계요소와 신체요소간의 상호작용이 원활하도록 설계하였다.
이 때 직관적인 조작을 위해 외골격 형태의 마스터 장치를 채택하였다. 마스터 장치의 어깨부위 폭은 사용자 신체 치수에 맞게 위치 조정이 가능하도록 설계하였다.
그리하여 복수개의 영상 센서를 부착하여 비전 처리 알고리즘을 통해 파노라믹 뷰를 생성하였다. 마지막으로 인체공학적 설계를 통해 사용자의 조작성 및 편의성을 갖춘 조종석을 차체 내부에 구성하였다[Fig. 3].
또한 유독가스 및 고온으로부터 보호를 위해 차체에 적용할 양압 및 냉방 장치를 개발하였으며 각각에 대한 단품 테스트를 수행하였다. 마지막으로, 현장의 위급한 상황에서 조종자가 직관적이고 빠르게 대응할 수 있도록 하기 위해 파노라믹 뷰를 생성하여 제공하는 한편 조종석 부분에서는 인체공학적인 요소를 고려한 설계를 진행하였다. 본 연구를 통해 얻어진 결과는 향후 복합 재난 상황에 투입될 장갑형 로봇시스템의 탑승자 안전 및 직관적인 조종 기능 개발에 사용할 예정이다.
복합 재난 대응을 위한 장갑형 로봇의 차체 설계를 수행하였다. 차체 프레임의 해석 및 시제를 통한 실험을 통해 낙하물로부터 탑승자 보호가 가능한 프레임 설계를 구현하였다.
본 연구에서는 Visual SLAM의 기법[10]을 응용하여 [Fig. 11]과 같이 그 위치를 미리 알지 못하는 다수의 평면 패턴을 카메라 주변에 위치시키고, 관찰된 패턴의 위치와 카메라의 상호위치를 추정한다. 우선 개별카메라의 intrinsic parameter를 추정한 후, 두 개의 패턴이 보이는 카메라 view를 찾아 sequential estimation하여 초기 해를 구한다.
차체 프레임의 내충격 확보를 위한 소재는 스웨덴 SAAB사의 고장력 강판(Domex 700 MC)을 사용하였으며, 강성 확보를 위한 용접구조물을 적용하였다. 상용 S/W인 ANSYS를 활용하여 내충격성 평가 기준과 동일한 조건의 해석이 설계 과정 중 이루어졌다. 차체의 최종 설계에 대한 해석 결과는 [Fig.
11]과 같이 그 위치를 미리 알지 못하는 다수의 평면 패턴을 카메라 주변에 위치시키고, 관찰된 패턴의 위치와 카메라의 상호위치를 추정한다. 우선 개별카메라의 intrinsic parameter를 추정한 후, 두 개의 패턴이 보이는 카메라 view를 찾아 sequential estimation하여 초기 해를 구한다. 최종적으로 카메라 내부 변수, 패턴의 6자유도 자세, 카메라의 상호 자세 및 카메라 zig의 자세를 모두 최적화 파라미터로 설정하고 재투영오차를 최소화하는 최적화를 수행한다.
이 같은 작업을 위해 일반적인 조작 장치로 2개의 6 DOF 유압 팔을 조종하는 것은 보통의 소방대원에게 쉬운 일이 아니다. 이 때 직관적인 조작을 위해 외골격 형태의 마스터 장치를 채택하였다. 마스터 장치의 어깨부위 폭은 사용자 신체 치수에 맞게 위치 조정이 가능하도록 설계하였다.
이후 시나리오 임무 분석을 통하여 조종석 배열 업무를 수행하였다. 이때 조종자의 동작 형태별사용 순서 및 빈도, 중요도를 고려하여 조종자의 Scanning에 최적화된 배열이 되도록 하였다.
이를 위하여, 차체 프레임 설계 과정에서 낙하물에 의한 충격 해석을 고려하였을 뿐 아니라, 프레임 시제를 제작하고 낙하물 실험을 하여 검증과정을 수행하였다. 차체 구성요소에는 양압 및 냉각 시스템을 포함시켰으며, 이들 각각을 개발하여 단품 레벨에서 성능 시험을 진행하였다.
각종 패널과 주요 조작기를 최적 위치에 배열하기 위해, 운용 요구조건과 요소 부품 공급업체의 데이터를 검토하여 설계했다. 이후 시나리오 임무 분석을 통하여 조종석 배열 업무를 수행하였다. 이때 조종자의 동작 형태별사용 순서 및 빈도, 중요도를 고려하여 조종자의 Scanning에 최적화된 배열이 되도록 하였다.
조종석 형상 설계를 위한 세부 인자는 [Table 3]와 같고, 설계 요구조건들을 근간으로 유사시스템의 데이터 분석을 하였다. 이를 통해 협소한 공간에서 최적화 하기 위한 치수 선정을 하였다.
조종석에는 다관절로 이루어진 외골격 형태의 원격제어 마스터 장치를 적용하였다. 앞서 기술된 미션 시나리오를 수행하는 과정에서 유압 팔을 이용해 건물 벽면의 특정 부위를 파괴하거나, 장애물을 파지하여 제거하는 것과 같은 세부 작업이 요구된다.
14]와 같은 형상을 도출하였다. 조종석의 Visibility와 Interaction의 검증은 임무 시나리오기반 시뮬레이션을 통해 검증하였다.
이를 위하여, 차체 프레임 설계 과정에서 낙하물에 의한 충격 해석을 고려하였을 뿐 아니라, 프레임 시제를 제작하고 낙하물 실험을 하여 검증과정을 수행하였다. 차체 구성요소에는 양압 및 냉각 시스템을 포함시켰으며, 이들 각각을 개발하여 단품 레벨에서 성능 시험을 진행하였다.
복합 재난 대응을 위한 장갑형 로봇의 차체 설계를 수행하였다. 차체 프레임의 해석 및 시제를 통한 실험을 통해 낙하물로부터 탑승자 보호가 가능한 프레임 설계를 구현하였다. 또한 유독가스 및 고온으로부터 보호를 위해 차체에 적용할 양압 및 냉방 장치를 개발하였으며 각각에 대한 단품 테스트를 수행하였다.
우선 개별카메라의 intrinsic parameter를 추정한 후, 두 개의 패턴이 보이는 카메라 view를 찾아 sequential estimation하여 초기 해를 구한다. 최종적으로 카메라 내부 변수, 패턴의 6자유도 자세, 카메라의 상호 자세 및 카메라 zig의 자세를 모두 최적화 파라미터로 설정하고 재투영오차를 최소화하는 최적화를 수행한다. 이 때 n 자세의 영상을 m개의 pattern, c개의 카메라로 취득하는 경우 11 c+6 m+6 n+6(c-1) 자유도의 최적화 문제를 푸는 것이며, 이는 Levenberg-Marquardt 방법 등의 최적화 방법을 이용하여 구할 수 있다.
장갑형 로봇의 탑승자 보호를 위해 고려해야 할 위험요소는 낙하물, 유독가스 및 고온 등이 있다. 탑승자 보호 기능을 구현하기 위해 차체 프레임이 내충격 기능을 가지도록 설계하고, 양압 장치와 냉방 장치를 차체 내에 탑재 할 수 있는 구조로 설계하였다.
대상 데이터
차체 프레임의 내충격 확보를 위한 소재는 스웨덴 SAAB사의 고장력 강판(Domex 700 MC)을 사용하였으며, 강성 확보를 위한 용접구조물을 적용하였다. 상용 S/W인 ANSYS를 활용하여 내충격성 평가 기준과 동일한 조건의 해석이 설계 과정 중 이루어졌다.
이론/모형
인체공학적 설계를 통해 사용자의 편의성을 확보하기 위해서는 탑승할 조종자의 체형을 고려하여 조종석이 설계되어야 한다. 본 연구에서는 [Table 2]의 한국 남성 평균 체형을 기준으로 조종석 설계를 진행하였다[15].
또한 협소한 차체 내부공간에 조종석을 배치해야 한다. 본 연구에서는 기존 유사시스템의 계기와 조작기[11,12] 및 공간에 대한 설계 자료[13], 규격과 지침[14] 등을 참고하였다. 그리하여 참고한 기존 연구 사례들 중 장갑형 로봇에 적용 가능한 사항들을 활용하였다.
차체 프레임에 대한 내충격성 기준은 KS-B-ISO-3449의 FOPS (Falling Object Protection System) 규정을 통해 산출하였다. 규정에 기반하여, 4 m 높이의 250 kg의 추를 차체에 낙하시켜 충돌시키고, 이 때 발생한 차체의 변형이 내부 인체 모형 DLV (Deflection Limit Volumn)까지 침투 되었는지의 여부 및 차체의 크랙 발생 여부를 통해 내충격성을 평가하였다.
후속연구
마지막으로, 현장의 위급한 상황에서 조종자가 직관적이고 빠르게 대응할 수 있도록 하기 위해 파노라믹 뷰를 생성하여 제공하는 한편 조종석 부분에서는 인체공학적인 요소를 고려한 설계를 진행하였다. 본 연구를 통해 얻어진 결과는 향후 복합 재난 상황에 투입될 장갑형 로봇시스템의 탑승자 안전 및 직관적인 조종 기능 개발에 사용할 예정이다.
향후 500°C 복사열을 가하면서 목표 온도 60°C 를 유지할 수 있는지에 대한 검증을 진행할 예정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
복합 재난은 무엇을 의미하는?
복합 재난은 다양한 형태의 재난이 동시 다발적으로 발생하는 상황을 의미한다[1]. 이는 단순 화재로 시작하여 붕괴로 이어지고, 붕괴가 유독가스를 배출하고, 유독가스가 다시 화재를 일으키는 것과 같은 형태로 전개된다[Fig.
기존의 재난 대응 로봇에는 무엇이 있나?
기존의 재난 대응 로봇으로는 KAIST의 화재진압용 소방로봇(한국), LUF 60(독일), 동경소방서의 Robot Q(일본), ㈜동일파텍의 실외화재 탐색로봇(한국)[2], 베크나사의 베어(미국), ADD의 구난로봇(한국)[3] 등이 있다[Fig. 2].
기존의 재난 대응 로봇의 한계는 무엇인가?
2]. 하지만 기존 로봇들은 단순 원격 방수 기능만 있거나, 낙하물과 유독가스로부터의 보호기능이 고려가 안 된 인명 탐색/구조 로봇에 해당한다. 그 외 특수 목적으로 사용되는 굴삭기, 브레이커와 같은 장비는 현장 대응을 위한 기능이 아닌, 사후 복구 기능만 가지고 있다. 따라서 소방대원의 지원 및 탑승자 보호 기능을 동시에 갖추고 복합 재난 현장에 대응할 수 있는 시스템 개발이 필요하다[4,5].
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