[논문]외벽청소로봇(ROPE RIDE)의 등강 로봇 플랫폼을 위한 로프 모델링 및 검증

유성근; 김태균; 서명재; 김화수; 서태원

doi:10.7746/jkros.2019.14.3.191

외벽청소로봇(ROPE RIDE)의 등강 로봇 플랫폼을 위한 로프 모델링 및 검증
Rope Modeling and Verification for the Robotic Platform of the Wall Cleaning Robot (ROPE RIDE) 원문보기

로봇학회논문지 = The journal of Korea Robotics Society, v.14 no.3, 2019년, pp.191 - 195

유성근 (School of Mechanical and Aerospace Engineering, Seoul National University) , 김태균 (School of Mechanical Engineering, Yeungnam University) , 서명재 (School of Mechanical Engineering, Hanyang University) , 김화수 (School of Mechanical System Engineering, Kyounggi University) , 서태원 (School of Mechanical Engineering, Hanyang University)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents a rope modeling and verification for the robotic platform of the wall cleaning robot (ROPE RIDE). ROPE RIDE has the characteristics of climbing up and down using a rope fixed on the roof like traditional workers. In order to perform a stable operation with a wall cleaning robot, it is necessary to estimate the position of the robot in a vertical direction. However, due to the high coefficient of extension and nonlinearity of the climbing rope, it is difficult to predict the behavior of the rope. Thus, in this paper, the mathematical modeling of the rope was carried out through the preliminary experiment. Extensive experiments using different types of rope were used to determine the parameters of the constitutive equation of climbing ropes. The validity of the determined parameters of various ropes was verified through the experiment results.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 옥상에 고정된 등반 로프를 이용하여 등 하강하는 ROPE RIDE의 위치를 정확하게 추정하기 위하여 로프의 구성방정식을 구하고 다양한 종류의 로프의 파라미터들을 구하였다. 예비실험을 통하여 Kelvin-Voight 모델과 Maxwell 모델을 혼합한 Burgers 모델로 로프를 모델링할 수 있음을 보였으며 실험을 통하여 다양한 종류의 등반 로프에 대하여 모델의 파라미터를 구하였다.
본 논문은 외벽청소로봇의 이동 특성을 모델링하기 위한 기초 연구로써 등반 로프의 구조를 스프링, 댐퍼의 조합으로 모델링하고 실험을 통해 특성 값을 찾는 연구를 수행하였다. 선행 연구들은 로프의 특성을 확인하기 위해서 대부분 1m 미만의 로프 시편으로 인장 실험을 수행하였지만 본 논문에서는 22.

가설 설정

5]와 같으며 10분동안 장력이 감소하다가 평형상태에 도달하는 것을 확인할 수 있다. 따라서 본 등반 로프는 점 탄성 특성을 갖는 것을 확인할 수 있으며 크리프 현상은 스프링과 댐퍼가 직렬로 연결된 Maxwell model로 가정할 수 있다^[8].

제안 방법

각각의 로프에 대하여 10 kg 하중이 가해졌을 때 신장률과 크리프 효과를 모델링 하기 위하여 180 sec 동안 하중을 가하는 실험을 진행하였다. 이를 통해 로프의 모델링 파라미터들을 추정하였다.
4]의 테스트벤치를 설계하였다. 본 실험은 로프를 눌러 고정한 상태에서 인장시험기를 이용하여 로프에 인장력을 가하였으며 시간이 지남에 따라 힘이 변화하는 정도를 측정하였다. 실험 결과는 [Fig.
본 절에서는 3절에서 구한 구성방정식의 파라미터를 구하기 위하여 4종류의 등반 로프를 실제 로봇 사용환경에 맞추어 실험을 진행하였다. 서울대학교 정밀기계공동연구소의 외벽에서 실험을 진행하였으며 테스트벤치의 구조는 [Fig.
본 논문은 외벽청소로봇의 이동 특성을 모델링하기 위한 기초 연구로써 등반 로프의 구조를 스프링, 댐퍼의 조합으로 모델링하고 실험을 통해 특성 값을 찾는 연구를 수행하였다. 선행 연구들은 로프의 특성을 확인하기 위해서 대부분 1m 미만의 로프 시편으로 인장 실험을 수행하였지만 본 논문에서는 22.5m의 로프 사용하여 실제 외벽 청소 로봇이 외벽에 매달린 상황과 같은 조건으로 실험을 수행하였다. 또한 나일론 재질의 등반 로프의 특성과 다양한 두께에 따른 특성 변화에 대한 연구를 수행하여 ROPE RIDE뿐만 아니라 등반 로프를 적용 가능한 다른 로봇의 모델링에도 활용될 수 있다.
본 논문에서는 옥상에 고정된 등반 로프를 이용하여 등 하강하는 ROPE RIDE의 위치를 정확하게 추정하기 위하여 로프의 구성방정식을 구하고 다양한 종류의 로프의 파라미터들을 구하였다. 예비실험을 통하여 Kelvin-Voight 모델과 Maxwell 모델을 혼합한 Burgers 모델로 로프를 모델링할 수 있음을 보였으며 실험을 통하여 다양한 종류의 등반 로프에 대하여 모델의 파라미터를 구하였다. 또한 모델의 파라미터를 이용한 시뮬레이션 결과와 실제 실험 데이터와의 비교를 통해 본 모델의 유효성을 검증하였으며 이를 통해 본 논문에서 제안하고 있는 등반 로프의 모델과 파라미터를 통해 실제 ROPE RIDE의 위치를 예측 가능함을 확인할 수 있었다.
로프 등강기의 경우 V자 쐐기 형상의 그루브를 갖는 등강용 풀리를 이용하여 로프가 이탈하지 않도록 고정한 상태에서 모터를 이용하여 회전시킴으로써 등반 및 하강을 가능하게 한다. 이 때 ROPE RIDE가 벽면에서의 흡착력을 잃지 않고 안정적으로 붙어 있게 하기 위해서 로봇의 위 아래에 프로펠러 추력기를 배치하였으며 이 추력기들은 로봇이 작업하는 동안 전도되지 않고 벽면에 붙어있을 수 있도록 한다. 4개의 삼각 트랙은 로봇이 등 하강하는 동안 100 mm 이하의 장애물을 만나게 되면 수동적으로 회전함으로써 장애물을 극복 가능하다.
이 절에서는 두 가지의 예비실험을 통하여 로프를 스프링, 댐퍼의 조합으로 모델링한다.
각각의 로프에 대하여 10 kg 하중이 가해졌을 때 신장률과 크리프 효과를 모델링 하기 위하여 180 sec 동안 하중을 가하는 실험을 진행하였다. 이를 통해 로프의 모델링 파라미터들을 추정하였다. 모델링 파라미터에 추정에는 Matlab의 System Identification Toolbox를 사용하였으며 데이터의 수집 주기는 100 Hz이다.
첫번째는 등강기를 이용하여 등가속도 구간 이후 등속도로 움직이도록 하는 속도 프로파일을 만들고, 이 때 등강기의 위치를 측정함으로써 로프의 거동을 추정하는 실험이다. 실험 테스트벤치는 아래 [Fig.

대상 데이터

본 절에서는 3절에서 구한 구성방정식의 파라미터를 구하기 위하여 4종류의 등반 로프를 실제 로봇 사용환경에 맞추어 실험을 진행하였다. 서울대학교 정밀기계공동연구소의 외벽에서 실험을 진행하였으며 테스트벤치의 구조는 [Fig. 7]과 같고 실험 모습은 [Fig. 8]과 같다. 실험에 사용된 로프의 전체 길이는 22.
8]과 같다. 실험에 사용된 로프의 전체 길이는 22.5 m이며 직경 6 mm, 7 mm, 9 mm, 11 mm인 상용 나일론(폴리아미드) 로프를 사용하였다.

데이터처리

추정된 파라미터의 유효성은 실험 데이터와 시뮬레이션을 통한 추정 값과의 RMS 값을 통해 검증하였다. 이 때 사용된 RMS의 식은 아래와 같다.

이론/모형

이를 통해 로프의 모델링 파라미터들을 추정하였다. 모델링 파라미터에 추정에는 Matlab의 System Identification Toolbox를 사용하였으며 데이터의 수집 주기는 100 Hz이다. 추정된 모델 파라미터는 [Table 3]과 같다.

성능/효과

본 실험에서는 등속구간으로 전환되었을 때 로프는 위아래로 흔들림과 동시에 진폭이 0으로 수렴하는 현상을 확인할 수 있다. 따라서 로프는 스프링과 댐퍼가 병렬로 연결된 Kelvin-Voight model로 가정할 수 있으며 부족감쇄의 특성을 가지고 있음을 확인할 수 있다.
예비실험을 통하여 Kelvin-Voight 모델과 Maxwell 모델을 혼합한 Burgers 모델로 로프를 모델링할 수 있음을 보였으며 실험을 통하여 다양한 종류의 등반 로프에 대하여 모델의 파라미터를 구하였다. 또한 모델의 파라미터를 이용한 시뮬레이션 결과와 실제 실험 데이터와의 비교를 통해 본 모델의 유효성을 검증하였으며 이를 통해 본 논문에서 제안하고 있는 등반 로프의 모델과 파라미터를 통해 실제 ROPE RIDE의 위치를 예측 가능함을 확인할 수 있었다.
3]과 같다. 본 실험에서는 등속구간으로 전환되었을 때 로프는 위아래로 흔들림과 동시에 진폭이 0으로 수렴하는 현상을 확인할 수 있다. 따라서 로프는 스프링과 댐퍼가 병렬로 연결된 Kelvin-Voight model로 가정할 수 있으며 부족감쇄의 특성을 가지고 있음을 확인할 수 있다.
본 실험은 로프를 눌러 고정한 상태에서 인장시험기를 이용하여 로프에 인장력을 가하였으며 시간이 지남에 따라 힘이 변화하는 정도를 측정하였다. 실험 결과는 [Fig. 5]와 같으며 10분동안 장력이 감소하다가 평형상태에 도달하는 것을 확인할 수 있다. 따라서 본 등반 로프는 점 탄성 특성을 갖는 것을 확인할 수 있으며 크리프 현상은 스프링과 댐퍼가 직렬로 연결된 Maxwell model로 가정할 수 있다^[8].
실험 결과를 통해 같은 재질의 로프를 사용하더라도 심선의 개수와 조합에 따라 같은 인장력에 대해서도 변형률이 크게 달라질 수 있음을 확인하였다. 실험 데이터와 시뮬레이션 추정 값의 비교는 [Fig.

후속연구

그래프를 통해 각 로프에 단위 계단 입력이 인가되면 초기에는 KelvinVoight 모델과 같이 병렬의 스프링 댐퍼와 같이 거동하며 진동이 제거된 정상상태에 도달하더라도 크리프효과에 의해 로프는 계속 인장 되는 것을 확인 할 수 있다(Maxwell 모델). 따라서 등반 로프는 Burgers 모델을 이용하여 효과적으로 모델링 할 수 있으며 본 파라미터 값을 이용하면 ROPE RIDE의 위치를 예측할 수 있을 것으로 기대된다.
5m의 로프 사용하여 실제 외벽 청소 로봇이 외벽에 매달린 상황과 같은 조건으로 실험을 수행하였다. 또한 나일론 재질의 등반 로프의 특성과 다양한 두께에 따른 특성 변화에 대한 연구를 수행하여 ROPE RIDE뿐만 아니라 등반 로프를 적용 가능한 다른 로봇의 모델링에도 활용될 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	섬유 로프를 모델링하는 일반적인 방법은 무엇인가?	섬유 로프를 모델링하는 일반적인 방법은 길이의 변화에 따라 특성이 변하는 로프의 특성을 스프링과 댐퍼의 다양한 조합으로 표현하는 것이다[5]. PLA-PCL섬유의 크리프 및 응력 완화 특성을 실험을 통하여 모델링하는 방법에 대한 연구가 소개되었으며[6], 주파수 응답 실험을 통해 합성섬유의 동 특성을 파악하는 연구가 진행되었다[7].
	ROPE RIDE의 장점은 무엇인가?	본 논문에서 제시하는 외벽청소로봇(ROPE RIDE)는 로프공이 사용하는 로프를 이용하여 등 하강을 하며 삼각 트랙을 이용하여 장애물을 극복한다[4]. ROPE RIDE는 옥상에 연결된 로프만 있으면 사용이 가능하기 때문에 크레인이 설치되어 있지 않은 빌딩에 폭넓게 사용이 가능하며, 삼각 트랙을 통해 장애물을 등반 가능하기 때문에 다양한 빌딩에 적용할 수 있다.
	지금까지 연구되었던 등반로봇들이 지니는 한계점은 무엇인가?	BFMR은 건물 외벽 프레임에 빌트인 구조의 레일을 설치함으로써 레일을 따라 상하좌우의 이동을 하며 건물의 등 하강을 위해 크레인을 이용한다[3]. 이 외에도 건물 외벽에서의 작업을 위해 다양한 로봇이 연구되었으나 모두 건물 옥상에 크레인과 같이 로봇을 등하강시키기 위한 구조물이 별도로 필요하며 실제 외벽에 존재하는 다양한 형상의 장애물을 극복하는 것이 어려운 한계점을 가지고 있다.

참고문헌 (8)

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상세보기
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상세보기
10.1016/j.autcon.2017.07.004 T. Kim, Y. Jeon, S. Yoo, K. Kim, H. S. Kim, and J. Kim, “Development of a wall-climbing platform with modularized wall-cleaning units,” Automation in Construction , vol. 83, pp.1-18, Nov., 2017.

상세보기
J. F. Flory, V. Ahjem, and S. J. Banfield, “A new method of testing for change-in-length properties of large fiber-rope deepwater mooring lines,” Offshore Technology Conference , Houston, Texas, USA, pp. 1087-1096, 2007.
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상세보기
A. Takata, G. Endo, K. Suzumori, H. Nabae, Y. Mizutani, and Y. Suzuki, “Modeling of Synthetic Fiber Ropes and Frequency Response of Long-Distance Cable-Pully System,” IEEE Robotics and Automation Letters , vol. 3, no. 3, pp. 1732-1750, Jul., 2018.
W. N. Findley, J. S. Lai, and K. Onaran, “Linear Viscoelastic Constitutive Equations,” Creep and Relaxation of Nonlinear Viscoelastic Materials , Dover Publications, INC., New York, 1976, ch. 5, sec. 4, pp. 51-68.

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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