최근에 개발되고 있는 가이드레일형 유리창 청소로봇은 현재 첫 번째 시작품이 제작되어 시험 중인 상황으로, 그 크기와 하중이 최적화 되지 못한 상황이다. 본 연구에서는 현재의 유리창 청소로봇을 개선하고 구조적 안전성을 확보하기 위한 정량적인 데이터를 도출하기 위하여 응력해석을 진행하였다. 유리창 청소로봇의 자중, 풍압 등에 의한 응력을 해석한 결과, 자중에 의한 처짐, 풍속에 대한 항력 등에서 개선의 여지가 있음을 발견하였다. 도출된 해석 결과는 유리창 청소로봇의 설계 개선에 직접 적용될 예정이며, 이를 통하여 설계의 완성도를 높일 수 있을 것으로 기대된다.
최근에 개발되고 있는 가이드레일형 유리창 청소로봇은 현재 첫 번째 시작품이 제작되어 시험 중인 상황으로, 그 크기와 하중이 최적화 되지 못한 상황이다. 본 연구에서는 현재의 유리창 청소로봇을 개선하고 구조적 안전성을 확보하기 위한 정량적인 데이터를 도출하기 위하여 응력해석을 진행하였다. 유리창 청소로봇의 자중, 풍압 등에 의한 응력을 해석한 결과, 자중에 의한 처짐, 풍속에 대한 항력 등에서 개선의 여지가 있음을 발견하였다. 도출된 해석 결과는 유리창 청소로봇의 설계 개선에 직접 적용될 예정이며, 이를 통하여 설계의 완성도를 높일 수 있을 것으로 기대된다.
Recently, a prototype of a guide rail type window cleaning robot was developed, and is currently undergoing field testing. The size and the load of the robot have not yet been optimized. In this study, a stress analysis was performed to derive quantitative data to improve the current window cleaning...
Recently, a prototype of a guide rail type window cleaning robot was developed, and is currently undergoing field testing. The size and the load of the robot have not yet been optimized. In this study, a stress analysis was performed to derive quantitative data to improve the current window cleaning robot and secure its structural safety. Through the analysis of its own weight, resistance to wind speed, and other factors, it was found that the robot can be improved in terms of the drooping caused by its own weight and the drag force against wind pressure. The analysis results obtained will be directly applied to improve the design of the window cleaning robot, and it is expected that this will advance the completeness of the robot's design.
Recently, a prototype of a guide rail type window cleaning robot was developed, and is currently undergoing field testing. The size and the load of the robot have not yet been optimized. In this study, a stress analysis was performed to derive quantitative data to improve the current window cleaning robot and secure its structural safety. Through the analysis of its own weight, resistance to wind speed, and other factors, it was found that the robot can be improved in terms of the drooping caused by its own weight and the drag force against wind pressure. The analysis results obtained will be directly applied to improve the design of the window cleaning robot, and it is expected that this will advance the completeness of the robot's design.
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문제 정의
본 연구에서는 유리창 청소로봇의 프로토타입을 대상으로 유한요소해석 프로그램인 Ansys를 이용하여 유리창 청소로봇에 대한 응력을 해석하였다. 응력해석은 청소로봇의 위치에 따라 대기 상태일 때의 자중에 의한 해석, 청소로봇이 이동할 때의 이송위치에 의한 해석을 진행하였으며, 풍력에 의한 해석, 볼트체결 등 결합 공정방법에 의한 해석, 구조적 안정성 평가 및 확보를 위한 안전계수에 의한 평가를 진행하였다.
본 연구에서는 유리창 청소장치에 발생할 수 있는 응력과 발생 원인에 대해 분석했다. 분석 결과, 실제로 상부 레일 샤프트에 처짐이 발생하고, 결합부위에서 큰 응력이 발생하는 것으로 파악되었다.
본 연구에서는 자중에 의하여 발생하는 응력을 분석하기 위하여 시뮬레이션을 실시하였다. 그 결과, Figure 6과 같이 응력이 주로 집중되는 부위는 상부 레일 샤프트와 부품들 간의 체결을 위한 볼트인 것으로 확인되었다.
본 연구에서는 중심부로 갈수록 응력이 커지는 원인을 분석하기 위해 유리창 청소로봇의 이송 위치에 따른 상부 레일 샤프트의 응력과 변형량을 분석하였다. Figure 9는 이송 위치에 따른 상부 레일 샤프트의 응력 분포이다.
본 연구에서는 청소를 위해 유리창 청소로봇이 이송 중일 때에 청소장치의 내부 응력 변화를 확인하기 위하여, 이송 위치에 따른 시뮬레이션을 진행하였다. 그 결과, 장치가 시작 지점, 1/4지점, 1/2지점에 위치할 때 각각 19.
위와 같은 필요성에 따라, 본 연구의 목적은 가이드레일형 유리창 청소로봇(이하 유리창 청소로봇이라 함)의 시뮬레이션을 통해 정량적 데이터를 도출하고, 이를 기반으로 유리창 청소로봇의 설계 개선방안을 도출하는 것으로 설정하였다. 다시 말하면, 3D 모델링 및 동작 시뮬레이션을 통하여 유리창 청소로봇의 하중, 응력분포 등 구조해석을 실시하고, 유리창 청소로봇의 자중, 이송위치, 풍압 등에 의한 응력 해석을 통하여 응력 집중부위를 도출하여, 집중응력 발생원인을 분석하고 대안을 도출하고자 한다.
다시 말하면, 3D 모델링 및 동작 시뮬레이션을 통하여 유리창 청소로봇의 하중, 응력분포 등 구조해석을 실시하고, 유리창 청소로봇의 자중, 이송위치, 풍압 등에 의한 응력 해석을 통하여 응력 집중부위를 도출하여, 집중응력 발생원인을 분석하고 대안을 도출하고자 한다. 이러한 구조해석 결과를 바탕으로 유리창 청소로봇의 설계를 개선함으로써, 설계오류 발생 가능성을 줄이고 설계완성도를 높이고자 한다.
가설 설정
따라서 본 연구에서는 응력집중이 되는 부분의 체결방법을 볼팅에서 용접으로 변경하는 것으로 가정하여, 이송위치 1/2지점에서의 응력분포를 확인했다. 그 결과 Figure 14와 같이 최대 응력이 6.
해석 시간을 단축시키고 해석의 정확성을 높이기 위하여, 와이퍼, 브러쉬, 전자 부품 등 해석에 직접적인 영향이 크지 않은 요소들은 간략화 하였다. 본 해석이 자중에 의한 구조해석임을 고려하여 제외된 부품들의 중량을 고려하여 그에 부합하는 하중조건을 부여했으며, 전자 부품 등을 포함한 하중을 10kg으로 가정하여 해석을 진행했다. 본 연구에서 설정한 조건은 다음과 같다.
제안 방법
국내외에서는 유리창 청소방법을 개선하기 위하여 다양한 청소장치가 개발되고 있다. 일본의 니혼비소(Nihon Biso) 사는 Figure 3(a)와 같이, 벽면에 매립되어 있는 레일을 따라서 유리창을 청소하는 장치를 개발하여 상용화하였다. 한양대학교에서는, Figure 3(b)와 같이, 신축 시 커튼월에 매립해 놓은 레일을 따라 이동하면서 유리창을 청소하는 장치를 개발하였다[6].
연구방법으로는 기존의 인력의존형 유리창 청소작업 현황과 국내외 청소로봇의 기술동향을 고찰하여, 청소로봇의 필요성을 확인하였다. 그리고 3D 모델링과 동작 시뮬레이션을 위한 분석조건을 설정하고, 구조해석을 실시하였다. 이러한 과정을 통하여 발생된 응력의 원인과 결과를 분석하여, 유리창 청소로봇의 개선방안을 도출하였다.
위와 같은 필요성에 따라, 본 연구의 목적은 가이드레일형 유리창 청소로봇(이하 유리창 청소로봇이라 함)의 시뮬레이션을 통해 정량적 데이터를 도출하고, 이를 기반으로 유리창 청소로봇의 설계 개선방안을 도출하는 것으로 설정하였다. 다시 말하면, 3D 모델링 및 동작 시뮬레이션을 통하여 유리창 청소로봇의 하중, 응력분포 등 구조해석을 실시하고, 유리창 청소로봇의 자중, 이송위치, 풍압 등에 의한 응력 해석을 통하여 응력 집중부위를 도출하여, 집중응력 발생원인을 분석하고 대안을 도출하고자 한다. 이러한 구조해석 결과를 바탕으로 유리창 청소로봇의 설계를 개선함으로써, 설계오류 발생 가능성을 줄이고 설계완성도를 높이고자 한다.
유리창 청소로봇은 외부에 지속적으로 설치될 것이므로, 바람으로부터 받는 영향을 검토할 필요가 있다. 따라서 본 연구에서는 풍력에 의한 응력분포를 시뮬레이션 하였다.
본 유리창 청소로봇은 시제품으로 설계되었기 때문에 수정보완이 용이한 볼트 조립방식을 채택 하였다. 그러나 볼트에 응력이 집중되는 등 구조적인 문제가 발생할 우려가 있는 것으로 파악되었다.
연구방법으로는 기존의 인력의존형 유리창 청소작업 현황과 국내외 청소로봇의 기술동향을 고찰하여, 청소로봇의 필요성을 확인하였다. 그리고 3D 모델링과 동작 시뮬레이션을 위한 분석조건을 설정하고, 구조해석을 실시하였다.
본 연구에서는 유리창 청소로봇의 프로토타입을 대상으로 유한요소해석 프로그램인 Ansys를 이용하여 유리창 청소로봇에 대한 응력을 해석하였다. 응력해석은 청소로봇의 위치에 따라 대기 상태일 때의 자중에 의한 해석, 청소로봇이 이동할 때의 이송위치에 의한 해석을 진행하였으며, 풍력에 의한 해석, 볼트체결 등 결합 공정방법에 의한 해석, 구조적 안정성 평가 및 확보를 위한 안전계수에 의한 평가를 진행하였다.
그리고 3D 모델링과 동작 시뮬레이션을 위한 분석조건을 설정하고, 구조해석을 실시하였다. 이러한 과정을 통하여 발생된 응력의 원인과 결과를 분석하여, 유리창 청소로봇의 개선방안을 도출하였다.
유리창 청소로봇은 상부 레일 샤프트, 브러쉬롤러, 와이퍼, 컨트롤 박스(본체), 하부 레일 등으로 구성되며, 그 3D 모델은 Figure 4와 같다. 해석 시간을 단축시키고 해석의 정확성을 높이기 위하여, 와이퍼, 브러쉬, 전자 부품 등 해석에 직접적인 영향이 크지 않은 요소들은 간략화 하였다. 본 해석이 자중에 의한 구조해석임을 고려하여 제외된 부품들의 중량을 고려하여 그에 부합하는 하중조건을 부여했으며, 전자 부품 등을 포함한 하중을 10kg으로 가정하여 해석을 진행했다.
대상 데이터
본 연구에서 분석대상으로 한 유리창 청소로봇의 구조는 상부의 레일 샤프트 2개와 하부의 가이드 레일에 의해 지지되는 구조이다. 이러한 구조는 이상적인 상태에서는 장치의 하중을 상하로 분배되어 안정적일 수 있다.
9Mpa이다. 볼트의 재료는 structural steel로 항복강도는 250Mpa이며, 따라서 안전계수는 약 1.76 이다.
이론/모형
안전계수를 지정하는 Cardullo 방법을 통해 본 구조가 가져야할 안전계수를 계산했다. Cardullo 방법에서 안전계수는 식(2)와 같이 정의한다[10].
성능/효과
231Mpa의 내부 응력이 발생하는 것으로 나타났다. 다시 말하면, 볼트의 경우는 1/2지점에서 가장 큰 응력이 걸리는 것을 확인할 수 있으며, 시작지점에 비해 약 51% 가량 내부 응력이 증가할 것으로 분석되었다.
496Mpa의 20% 이하 수준이다. 따라서 결합방법의 개선만으로 80%이상의 응력 개선 효과를 얻을 수 있음을 확인하였다. 특히 본 연구에서는 해석을 위해 가정한 bolt pretension 값은 체결방법과 나사의 종류에 따라 얼마든지 증가할 수 있는 값이라는 점을 감안할때, 결합 공정 개선의 효과는 더욱 커질 수 있을 것으로 기대된다.
본 연구에서 분석조건들을 대입하여 계산한 결과, 항력은 315.7N이다. 이를 바탕으로 유리창 청소로봇이 1/2지점에 위치해 있고 30m/s의 바람이 불 때를 시뮬레이션한 결과는 Figure 11과 같다.
본 연구에서는 유리창 청소장치에 발생할 수 있는 응력과 발생 원인에 대해 분석했다. 분석 결과, 실제로 상부 레일 샤프트에 처짐이 발생하고, 결합부위에서 큰 응력이 발생하는 것으로 파악되었다. 이를 개선하기 위해서는 결합부위의 체결 방법을 용접 등으로 바꾸거나 볼트에 전단력이 작용하지 않는 구조로 설계 되어야 한다.
분석 결과, 실제로 상부 레일 샤프트에 처짐이 발생하는 것으로 파악되었다. 상부레일 샤프트를 중공축으로 설계하는 등 비틀림과 굽힘에 대한 강성을 키우면, 상부 레일 샤프트의 처짐을 어느 정도 막을 수 있을 것이다.
장치가 시작 지점, 1/4지점, 1/2지점에 위치했을 때, 상부 레일 샤프트와 블록이 만나는 부위의 응력 분포는 Figure 8과 같다. 시뮬레이션 결과, 부위별로 각각 9.964Mpa, 5.814Mpa, 7.231Mpa의 내부 응력이 발생하는 것으로 나타났다. 다시 말하면, 볼트의 경우는 1/2지점에서 가장 큰 응력이 걸리는 것을 확인할 수 있으며, 시작지점에 비해 약 51% 가량 내부 응력이 증가할 것으로 분석되었다.
앞선 시뮬레이션과 분석들을 통하여 유리창 청소장치에서 최대 응력 발생 부분이 볼트임을 확인하였다. 즉 부품간의 결합 요소인 볼트에서 집중응력이 발생하였다.
따라서 풍속에 의해 발생할 수 있는 항력도 고려가 되어야 한다. 해석 결과, 기존의 구조의 경우 바람의 영향에 취약한 구조로, 30m/s 이상의 풍속에 대해 안전계수가 1.76에 불과하였다. 실제 요구되는 안전계수는 10으로, 이에 비해 아주 낮은 수치이며, 결합부위의 파단이 우려된다.
Figure 9는 이송 위치에 따른 상부 레일 샤프트의 응력 분포이다. 해석 결과, 시작 지점과 1/4지점에 위치해 있을 경우 레일 샤프트의 최대 응력은 끝단에서 발생하지만, 1/2지점에 위치해 있을 경우에는 중심부에서 최대 응력이 발생하는 것을 확인 할 수 있었다. 상부 레일 샤프트의 경우 양 끝단이 고정되어 있어 단순 지지보와 같은 거동을 하는 것을 알 수 있다.
후속연구
또한 하중이 증가하는 경우에도, 가이드레일에 작용하는 하중이 증가하게 되고, 이 하중은 건축물로 전달되게 된다. 따라서 이 프로토타입 청소로봇의 크기, 형상, 하중, 응력분포 등을 분석하여, 설계 개선방안을 도출해야 할 시점이라고 할 수 있다.
그러나 볼트에 응력이 집중되는 등 구조적인 문제가 발생할 우려가 있는 것으로 파악되었다. 따라서 향후에 청소로봇이 안정화되어 양산 시스템으로 전환되면, 모듈별 용접으로 부품을 제작하는 등 체결방법을 변경할 필요가 있다. 만약 부득이하게 볼트 체결이 필요한 부분에서는 볼트에 가해지는 힘이 전단응력이 아닌 인장력이 작용하도록 구조를 설계하여야 한다.
따라서 풍속을 고려하여 항력을 줄이기 위해서는 우선 구조 설계를 통해 컨트롤 박스의 부피를 최소화할 필요가 있다. 또한 컨트롤 박스 커버의 형상을 곡면으로 설계하는 것도 항력을 줄이는 데에 크게 도움이 될 것이다.
본 연구는 유리창 청소로봇의 1차 프로토타입을 대상으로 하여 시뮬레이션을 통해 응력 집중부위를 도출한 것으로, 최적화된 설계결과를 대상으로 분석한 것이 아니라는 한계를 갖는다. 하지만 도출된 해석 결과는 유리창 청소로봇의 설계 개선에 직접 적용되어, 설계의 완성도를 높이는 데에 기여할 것으로 기대된다.
본 연구의 구조해석에서 직접 분석된 결과는 아니나, 이송 레일에 이물질이 침투할 경우에 유리창 청소로봇의 이송에 문제가 발생할 가능성이 제기되었다. 따라서 이물질의 침투를 방지할 수 있게 이송 레일의 설계를 개선할 필요가 있다.
상부 레일 샤프트의 1/2지점에 로봇이 위치해 있을 때 샤프트의 처짐에 의해 발생하는 응력집중을 개선하기 위해서는 레일 샤프트의 처짐을 최소화 시켜야 하며, 결국 레일 샤프트의 단면2차 모멘트를 증가시키는 방향으로 설계가 개선되어야 할 것으로 판단된다.
따라서 결합방법의 개선만으로 80%이상의 응력 개선 효과를 얻을 수 있음을 확인하였다. 특히 본 연구에서는 해석을 위해 가정한 bolt pretension 값은 체결방법과 나사의 종류에 따라 얼마든지 증가할 수 있는 값이라는 점을 감안할때, 결합 공정 개선의 효과는 더욱 커질 수 있을 것으로 기대된다.
본 연구는 유리창 청소로봇의 1차 프로토타입을 대상으로 하여 시뮬레이션을 통해 응력 집중부위를 도출한 것으로, 최적화된 설계결과를 대상으로 분석한 것이 아니라는 한계를 갖는다. 하지만 도출된 해석 결과는 유리창 청소로봇의 설계 개선에 직접 적용되어, 설계의 완성도를 높이는 데에 기여할 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
유리창 청소로봇은 어떤 구조인가?
유리창 청소로봇은 상부에 위치하고 있는 2개의 레일 샤프트와 하부의 레일에 의해 자중을 지지하는 구조이다. 따라서 Figure 5 (a)와 같이, 2개의 상부레일 끝단에 fixed support 조건을 부여하였다.
유리창 청소로봇은 어떻게 구성되는가?
유리창 청소로봇은 상부 레일 샤프트, 브러쉬롤러, 와이퍼, 컨트롤 박스(본체), 하부 레일 등으로 구성되며, 그 3D 모델은 Figure 4와 같다. 해석 시간을 단축시키고 해석의 정확성을 높이기 위하여, 와이퍼, 브러쉬, 전자 부품 등 해석에 직접적인 영향이 크지 않은 요소들은 간략화 하였다.
개발되고 있는 유리창 청소장치의 예에는 어떤 것들이 있는가?
국내외에서는 유리창 청소방법을 개선하기 위하여 다양한 청소장치가 개발되고 있다. 일본의 니혼비소(Nihon Biso) 사는 Figure 3(a)와 같이, 벽면에 매립되어 있는 레일을 따라서 유리창을 청소하는 장치를 개발하여 상용화하였다. 한양대학교에서는, Figure 3(b)와 같이, 신축 시 커튼월에 매립해 놓은 레일을 따라 이동하면서 유리창을 청소하는 장치를 개발하였다[6]. 그러나 이와 같은 시스템들은 건축물 신축 시에 레일을 미리 매설하여야만 적용할 수 있다는 한계가 있다.
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