[논문]외팔보 엑츄에이터 시스템 구조 및 구현에 관한 연구

윤근영; 백수황

doi:10.13067/jkiecs.2019.14.4.651

[국내논문] 외팔보 엑츄에이터 시스템 구조 및 구현에 관한 연구
A Study on the Structural System and Implementation of Cantilever Actuator System 원문보기

한국전자통신학회 논문지 = The Journal of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, v.14 no.4, 2019년, pp.651 - 656

윤근영 (호남대학교 전기공학과) , 백수황 (호남대학교 미래자동차공학부)

초록
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본 논문은 오염물질 제거를 위한 외팔보 엑츄에이터 시스템 구조 및 구현에 관한 연구이다. 건축물의 외벽에 설치되는 외관 자재들 중 특히 유리의 경우 외부 노출로 인해 단기간에 오염이 된다. 이와 같은 오염물질은 미관상의 퇴색은 물론 사용자에게 보건상의 문제를 야기할 수 있다. 또한 최근 신재생에너지원으로 태양광 패널에 대한 수요가 많이 증가되고 있는데, 이와 같은 태양광 패널의 발전량은 먼지 등에 의해 감소될 수 있으며, 입사량의 감소는 결국 발전량을 저해하는 문제를 야기할 수 있기 때문에 먼지와 같은 오염물질을 주기적으로 제거하는 방안이 필요하다. 일반적으로 전문 작업자가 외벽에 붙은 오염물질을 제거하는 경우가 많은데, 안정성을 확보하였다 하더라도 현장에서 발생하는 여러 가지 돌발 변수로 인해 사고가 종종 발생하고 있다. 따라서 이와 같은 단점을 극복하기 위하여 외팔보 엑츄에이터 구조 시스템을 제안하였다. 외팔보 엑츄에이터에 대한 구조적인 시스템을 구성하고 시제품을 제작하여 동작성을 확인하였다. 최종적으로는 외팔보 엑츄에이터의 오염물질 제거에 대한 효용성을 검토하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper is a study on the structure system and implementation of cantilever actuator for decontamination. There are many kinds of exterior materials that attach to the exterior walls of a building. Glass, in particular, can be contaminated in a short period of time due to external exposure. The pollutants like this damage the appearance of a building. It can also cause health problems for users, and dust attached to solar panels creates problems that greatly reduce the power generation of solar panels. In order to remove such contaminants, professional workers usually remove contaminants attached to the outer walls. However, even with stability, accidents are often caused by a number of unexpected variables that occur in the field. Thus, to overcome these shortcomings, the cantilever actuator structure system was proposed. The system was designed through research. Then, we made a cantilever actuator and checked its operability. Finally, the effectiveness of the cantilever actuator was reviewed.

주제어

표/그림 (10)

그림 그림 1. 외팔보 엑츄에이터의 주요 구성 Fig. 1 Configuration of cantilever actuator
그림 그림 2. 엑츄에이터 동작 프로세스 Fig. 2 Operation process of cantilever actuator
그림 그림 3. SMPS의 기능별 구성도 Fig. 3 Block diagram by function about SMPS
그림 그림 4. Ramps 1.4 shield의 주요 구성 및 기능 Fig. 4 Configurations and functions of ramps shield
그림 그림 5. Arduino Mega 2560의 주요 구성 및 기능 Fig. 5 Configurations of Arduino Mega 2560
그림 그림 6. DRV8825의 핀별 주요 기능 Fig. 6 Functions of DRV8825
그림 그림 7. 외팔보 엑츄에이터의 시스템 구성 Fig. 7 System configuration of cantilever actuator
그림 그림 8. 주요 조립 부품 구성도 Fig. 8 Configuration of assembly parts
그림 그림 9. 외팔보 엑츄에이터 시제품 Fig. 9 Prototype of cantilever actuator
그림 그림 10. 외팔보 엑츄에이터 시제품의 구동 시험 Fig. 10 Experiment of prototype

AI 본문요약
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문제 정의

분진이 다량 발생하여 오염이 많은 작업장이나 도심의 건축물은 최근 환경 변화 등의 이유로 외부에 대한 주기적인 청소가 필요하며, 태양광 패널과 같이 먼지의 유무에 따라 발전량이 저하되는 구조에서는 기계적 구조를 활용한 오염물 제거장치가 필요하다. 따라서 이와 같은 문제점을 개선하기 위하여 본 연구에서는 외팔보 구조를 가진 엑츄에이터 시스템 구현 및 구동에 대한 연구를 수행하였다. 특히 본 연구는 모터 제어와 사용자 조작을 위한 컨트롤러 기술 등이 반영된 시제품을 제작하였으며 외관 자재 중 유리와 같은 외관 자재 분야를 대상으로 외팔보 엑츄에이터 제어성을 검증하였다.
본 연구에서 오염물 제거를 위한 외팔보 엑츄에이터 시스템 구현 및 구동에 관한 내용을 수행하였다. 외팔보 엑츄에이터는 태양광 패널이나 유리 외벽과 같이 직접 오염물질이 쌓이는 바깥 면을 청소하기 위해 외부에 부착하는 방식을 기본으로 하였으며, 시스템을 검토하고 외팔보 구조물 제어를 통해 오염 물질을 제거하는 방식으로 시제품을 통하여 동작성 및 효용성을 검증하였다.
따라서 이와 같은 문제점을 개선하기 위하여 본 연구에서는 외팔보 구조를 가진 엑츄에이터 시스템 구현 및 구동에 대한 연구를 수행하였다. 특히 본 연구는 모터 제어와 사용자 조작을 위한 컨트롤러 기술 등이 반영된 시제품을 제작하였으며 외관 자재 중 유리와 같은 외관 자재 분야를 대상으로 외팔보 엑츄에이터 제어성을 검증하였다. 시제품 제작 후 시험을 통해 성능을 평가함으로써 오염물 제거에 대한 효용성을 확인하였다.

제안 방법

시제품의 제작 및 운전 시험 결과, 오염물 제거 알고리즘에 따라 구동됨을 확인하였고, 재현성 및 반복성을 확인하였다. 다만 초기 구상은 패널이나 외벽에 고정 후 오염물을 제거하는 형태였으나, 제작된 외팔보 엑츄에이터의 중량 및 고정 방식의 안전성을 고려하기 위해 실험은 평면에 설치 후 진행하였다. 향후 시제품의 실용성 및 고정부의 안전성을 고려하여 구조를 개선해야 할 것으로 사료된다.
특히 창문 모서리에 기기 본체를 부착할 경우, 외팔보 구조물이 부채꼴 형태의 거리를 왕복 운동하여 오염물을 제거하는 시스템 구현 및 구동 방식을 검토하였다. 또한 실용성 및 사용자의 편의성을 고려하여 오염물 제거 동작 이후에 원점으로 복귀하는 알고리즘을 검토, 적용하였다. 그림 1은 먼지 제거를 위한 외팔보 엑츄에이터 구동 시스템의 주요 구성을 나타낸다.
선형 및 회전운동을 구현하기 위하여 동작부는 2개의 Step 모터를 사용하여 구성하였다. 또한 주요 부품은 외팔보 엑츄에이터가 오염물질을 제거하는 알고리즘을 충분히 구현할 수 있도록, 오염물 제거용 패드의 이송 및 회전에 적합하도록 동작 사양을 검토한 후 선정하였다. 그림 2는 외팔보 엑츄 에이터에 대한 동작 프로세스를 나타낸다.
선형 액추에이터는 정밀한 직선 운동이 가능하며 정밀 속도, 고토크 및 위치 제어가 가능하다[8-12]. 본 연구에서는 이와 같은 장점을 지닌 선형 엑츄에이터를 2개의 Step 모터를 이용하여 구성하며, Step 모터의 구동을 통해 청소용 패드를 x축과 y축으로 이동시켜 오염물을 제거하는 시스템을 설계하였다. 특히 창문 모서리에 기기 본체를 부착할 경우, 외팔보 구조물이 부채꼴 형태의 거리를 왕복 운동하여 오염물을 제거하는 시스템 구현 및 구동 방식을 검토하였다.
특히 본 연구는 모터 제어와 사용자 조작을 위한 컨트롤러 기술 등이 반영된 시제품을 제작하였으며 외관 자재 중 유리와 같은 외관 자재 분야를 대상으로 외팔보 엑츄에이터 제어성을 검증하였다. 시제품 제작 후 시험을 통해 성능을 평가함으로써 오염물 제거에 대한 효용성을 확인하였다. 향후 본 연구를 통해 확인된 취약점을 보강하고, 구조적인 강도 개선을 통해 보다 실용적인 시스템이 되도록 추가 연구를 진행해야할 것으로 사료된다.
본 연구에서 오염물 제거를 위한 외팔보 엑츄에이터 시스템 구현 및 구동에 관한 내용을 수행하였다. 외팔보 엑츄에이터는 태양광 패널이나 유리 외벽과 같이 직접 오염물질이 쌓이는 바깥 면을 청소하기 위해 외부에 부착하는 방식을 기본으로 하였으며, 시스템을 검토하고 외팔보 구조물 제어를 통해 오염 물질을 제거하는 방식으로 시제품을 통하여 동작성 및 효용성을 검증하였다.
외팔보 엑츄에이터의 정밀성 구현을 위해서 전자 펄스를 기계적 운동으로 전환하여 구동하는 Step 모터를 선정하였다. 또한 실제 시제품에서 모터 측에서 전원역할을 해주는 드라이버로 DRV8825를 선정하여 적용하였다³⁾.
우선 AC SMPS를 통해서 전체 전원을 인가하고, 엑츄에이터 제어를 위하여 Ramps 1.4 shield와 아두이노를 검토하였다. 선형 및 회전운동을 구현하기 위하여 동작부는 2개의 Step 모터를 사용하여 구성하였다.
주요 동작프로세스는 사용자의 기계동작 입력을 받으면 외팔보 엑츄에이터의 모터가 구동이 되어 회전과 선형 운동을 반복하게 되면서 오염물을 제거하는 방식이다. 이와 같은 동작을 구현하기 위해서는 외부 전원 및 스위치입력부, 제어부 (Ramps 1.4 shield, Arduino Mega), 엑츄에이터 구동부, 오염물 제거용 패드로 크게 나뉠 수 가 있으며 목표 동작 구현을 위해 각각의 동작 특성에 대해서 검토하였다.
본 연구에서는 이와 같은 장점을 지닌 선형 엑츄에이터를 2개의 Step 모터를 이용하여 구성하며, Step 모터의 구동을 통해 청소용 패드를 x축과 y축으로 이동시켜 오염물을 제거하는 시스템을 설계하였다. 특히 창문 모서리에 기기 본체를 부착할 경우, 외팔보 구조물이 부채꼴 형태의 거리를 왕복 운동하여 오염물을 제거하는 시스템 구현 및 구동 방식을 검토하였다. 또한 실용성 및 사용자의 편의성을 고려하여 오염물 제거 동작 이후에 원점으로 복귀하는 알고리즘을 검토, 적용하였다.

대상 데이터

외팔보 엑츄에이터의 정밀성 구현을 위해서 전자 펄스를 기계적 운동으로 전환하여 구동하는 Step 모터를 선정하였다. 또한 실제 시제품에서 모터 측에서 전원역할을 해주는 드라이버로 DRV8825를 선정하여 적용하였다³⁾.

성능/효과

원점 복귀 후 구동부는 그림 10의 b)와 c)와 같이 시계방향으로 일정각도 회전을 하게 된 후에 다시금 선형 운동을 하여 오염물을 제거하게 된다. 시제품의 제작 및 운전 시험 결과, 오염물 제거 알고리즘에 따라 구동됨을 확인하였고, 재현성 및 반복성을 확인하였다. 다만 초기 구상은 패널이나 외벽에 고정 후 오염물을 제거하는 형태였으나, 제작된 외팔보 엑츄에이터의 중량 및 고정 방식의 안전성을 고려하기 위해 실험은 평면에 설치 후 진행하였다.

후속연구

향후 시제품의 실용성 및 고정부의 안전성을 고려하여 구조를 개선해야 할 것으로 사료된다. 또한 오염물 제거를 위한 알고리즘은 부하 시료의 크기 및 표면 거칠기에 따라 다양화해야 할 것으로 판단되며, 외팔보 구조의 강성 보강도 향후 진행해야 할 것으로 사료된다.
시제품 제작 후 시험을 통해 성능을 평가함으로써 오염물 제거에 대한 효용성을 확인하였다. 향후 본 연구를 통해 확인된 취약점을 보강하고, 구조적인 강도 개선을 통해 보다 실용적인 시스템이 되도록 추가 연구를 진행해야할 것으로 사료된다.
다만 초기 구상은 패널이나 외벽에 고정 후 오염물을 제거하는 형태였으나, 제작된 외팔보 엑츄에이터의 중량 및 고정 방식의 안전성을 고려하기 위해 실험은 평면에 설치 후 진행하였다. 향후 시제품의 실용성 및 고정부의 안전성을 고려하여 구조를 개선해야 할 것으로 사료된다. 또한 오염물 제거를 위한 알고리즘은 부하 시료의 크기 및 표면 거칠기에 따라 다양화해야 할 것으로 판단되며, 외팔보 구조의 강성 보강도 향후 진행해야 할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Switching mode power supply는 무엇인가?	Switching mode power supply(: SMPS)는 외부전원을 받아 여러 정류 과정을 거쳐 2차단을 통해 직류를 내보내는 스위칭 전원 공급 장치이다. 외부에서AC전원이 입력되면 전자기파 필터를 통해 고조파 성분을 제거한 후에 정류 및 평활회로에서 브릿지 다이오드와 평활콘덴서가 정류를 하여 직류 전원으로 변환시킨다.
	태양광 패널의 한계는 무엇인가?	특히 미세먼지의 악영향으로 인해태양광 패널의 연간 생산 발전량이 평균 10%이상 감소되며, 태양광 패널의 구성 물질에 따라서는 최대17%까지 발전량이 감소할 수 있다는 연구 결과가 있다. 태양광 패널의 경우 설치 위치의 접근성이 어렵고, 수량이 다수 존재하기 때문에 전문 인력에 의한먼지 제거에는 한계가 존재한다. 따라서 안전사고를 예방하고 미세먼지 제거의 효용성을 높일 수 있는 외팔보 엑츄에이터의 필요성이 대두되고 있다.
	태양광 패널의 연간 생산 발전량이 감소하는 이유는 무엇인가?	태양광 발전의 경우에는 미세먼지를 포함한 대기오염이 태양광 패널에 악영향을 미치고 있다는 연구결과가 나오고 있다. 특히 미세먼지의 악영향으로 인해태양광 패널의 연간 생산 발전량이 평균 10%이상 감소되며, 태양광 패널의 구성 물질에 따라서는 최대17%까지 발전량이 감소할 수 있다는 연구 결과가 있다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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