3조-백슉먹자했자나

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프로젝트 개요

기술개발 과제

국문: 건물 계단 손잡이 소독 로봇

영문: Pipe Disinfection Robot)

과제 팀명

백숙먹자했자나

지도교수

신동헌 교수님

개발기간

2022.9~2022.12 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 기계정보공학과 (20174300**) (신*철) (팀장)

서울시립대학교 기계정보공학과 (20174300**) (강*성)

서울시립대학교 기계정보공학과 (20174300**) (이*근)

서울시립대학교 기계정보공학과 (20164300**) (이*곤)

서울시립대학교 기계정보공학과 (20174300**) (주*훈)

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

현재 약 3년간 지속되고 있는 코로나19(COVID-19)로 인하여 방역의 중요성이 더욱 강조되고 있다. 그 중 사람들의 활동이 많은 시설의 장치에 대한 방역은 중요한 문제라 할 수 있다. 이에 따라 건물 내부 방역, 에스컬레이터 손잡이 방역 등을 진행하는 다양한 장치들이 개발되어 활용되고 있다. 본 과제에서는 사람들의 접촉이 많은 건물 내부의 원형 튜브 형태의 계단 손잡이를 구동하며 소독을 진행하는 로봇을 개발하는 것을 목표로 한다.

개발 과제의 배경 및 효과

현재 코로나19로 인하여 방역의 중요성이 계속하여 증가하고 있다. 위 그림 1과 같이 중앙방역대첵본부에서 2022년 4월 25일 권고한 생활 방역 세부수칙 안내서의 다중이용시설 방역 위험도에 따르면 자주 손이 닿는 곳(손잡이, 문고리, 팔걸이 등)을 매일 1회 이상 소독할 것을 권고하고 있다.


이에 따라 다중이용시설에 대한 방역을 진행하는 제품을 확인한 결과 에스컬레이터 손잡이 소독을 진행하는 위클린과 클리어원에서 개발한 소독 장치를 확인할 수 있다. 에스컬레이터의 경우 소독 장치는 한 곳에 고정되어 움직이지 않고 손잡이가 움직이며 소독이 진행된다. 그러나 본 과제에서 제안한 계단 손잡이 방역의 경우 기존에는 방역 인원이 직접 소독 장치를 들고 소독을 진행해야 하는 불편함이 존재한다.
따라서 본 과제에서 제안한 로봇을 개발함으로써 많은 사람들이 이용하는 건물 내부의 계단 손잡이를 더욱 빠르고 정확하게 소독하고 방역 인원의 피로 절감과 효율 상승을 기대할 수 있다.

개발 과제의 목표와 내용

: 사람들의 손이 많이 가는 각종 시설 내부의 원형 튜브 형태의 손잡이를 자동으로 소독하는 로봇을 개발한다.
: 기존 방역인원의 소독약 도포 방식이 아닌 uv센서를 이용하여 살균 정확성을 향상한다.
: 벽 지지 구조를 활용한 안정적인 파이프 구동 방식을 선택한다.

관련 기술의 현황

State of art

현재 개발중인 건물 내부 원형 파이프 소독 로봇은 원통형의 계단 손잡이와 같은 파이프형 물체에 부착하여 자동으로 이동시키면서 소독을 수행할 수 있는 동작 방식을 고안하였으며, 이와 유사한 기존의 기술로는 제품의 동작과 연관된 선행 기술인 ‘사장교 케이블 보수용 등반로봇’ 과 ‘maxon사의 송전탑 보수용 등반 로봇’ 두가지를 관련 기술 현황으로 선정하였고, state of art의 주된 주제로 설명하고자 하며, 추가적으로 하드웨어나 소프트웨어와 관련된 기본 장치에 대해서도 소개하고자 한다.

1) CLIMBING ROBOT DEVICE

1-A) CLIMBING ROBOT
1-A)-(1) <사장교 케이블 보수용 등반로봇, 2021>
백숙먹자했잔아 사장교케이블로봇.jpg
백숙먹자했잔아 사장교사진.png
백숙먹자했잔아 사장교로봇구조.png
백숙먹자했잔아 사장교로봇상세구조.png
  • 케이블 고장 감지 로봇은 오버헤드 작업에 사용되는 특수 로봇으로 분류된다. 작업 메커니즘의 관점에서 로봇은 케이블을 따라 올라갈 수 있도록 케이블 표면에 부착된다.
  • 사각형 독립 서스펜션에 기초한 새로운 등반로봇을 설계한다. 이 로봇은 커넥터를 통해 케이블을 따라 두 그룹의 등반 모듈을 연결하여 형성된다.
  • 두 그룹의 클라이밍 구성 요소는 별도로 구동 및 구동 클라이밍 모듈에 속한다. 각 등반 차량의 상하단에는 사방형 서스펜션 기구를 통해 V자형 롤러가 접속되어 있다.
  • 구동기구를 설정함으로써 구동부품이 전력을 공급할 수 있다. 독립된 사각형 서스펜션 기구가 존재하기 때문에 V자형 롤러에 압압력을 전달하면서 큰 스트로크 범위 내의 유 연한 변형을 가능하게 한다.
1-A)-(2) <Maxon 사의 송전탑 climbing 로봇>
백숙먹자했잔아 maxon로봇.jpg
  • 높은 고도에 있는 송전탑을 수리하거나, 그 외에도 케이블 덕트, 풍력 터빈, 건물 화재 진압 등 다양한 용도로 사용된다.
* Maxon의 climbing 로봇은  150와트의 모터 2개로 구동된다..해당  로봇은 최대 60kg의 하중을 운반할 수 있다.

  • 브러시드 모터를 사용하는데, 철이 없는 권선과 네오디뮴 자석을 사용하여 높은 출력을 낸다.
  • Maxon ESCON 50/5 라는 컨트롤러를 사용하여 정밀한 제어를 할 숭 있다. 이 고성능 컨트롤러는 ESCON Studio 소프트웨어의 그래픽 사용자 인터페이스를 사용하여 USB를 통해 구성하므로 매우 간단하게 조작할 수 있다.

2) 임베디드 소프트웨어

<파이프 소독 로봇에서 임베디드 시스템의 필요성>

  • 이번 설계에서 제작하는 파이프 소독 로봇은 한정적인 자동화 알고리즘을 가지고 있다.

따라서, 클라이밍 동작을 하는 것에 한정해서 임베디드 시스템을 구성한다.

  • 설계 알고리즘에서 중요한 부분은, 계단 손잡이 끝에 이를 때 로봇의 클라이밍 동작을 멈춰야 하는데, 이를 위해 적절한 가격에서 사용할 수 있는 아두이노와 라즈베리파이를 복합적으로 사용하기로 채택하였다.
  • 비교적 쉽게 제품을 구성할 수 있으며, 라즈베리파이의 경우 복합적으로 여러 모듈을 동시 동작하기 편리하므로 선택하였다.
2-A) ARDUINO
백숙먹자했잔아 아두이노.png
  • 아두이노 오픈 소스를 기반으로 한 단일 보드 마이크로컨트롤러로 완성된 보드(상품)와 관련 개발 도구 및 환경을 말한다.
  • 아두이노 통합 개발 환경(IDE)을 제공하며, 소프트웨어 개발과 실행코드 업로드도 제공한다. 또한 오픈소스이기 때문에 아두이노를 기반으로 여러 가지 프로젝트를 수행할 수 있다.
  • Arduino 보드는 다른 마이크로 컨트롤러 플랫폼에 비해 상대적으로 저렴한 가격이다. 가장 저렴한 버전의 사전 조립된 Arduino 모듈도 50달러 전후의 가격을 형성하고 있다.
2-B) RASBERYY PIE
백숙먹자했잔아 라즈베리파이.png
  • 각종 임베디드 시스템에 사용할 수 있는 라즈베리 파이
  • 시초는 라즈베리 파이 재단이 기초 컴퓨터 교육을 증진하기 위해 개발한 초소형 컴퓨터이다.

3) SPRAY DEVICE

백숙먹자했잔아 스프레이로봇.png
  • 위의 로봇들은 분사 장치를 가지고 있어, 자동화된 시스템에 의해 소독액을 분사할 수 있다.
  • 광범위한 공간이 아닌, 소규모의 실내에 사용하여 효과적으로 사람의 수작업 방역 작업을 대체할 수 있다.
VACCUM PUMP
백숙먹자했잔아 vaccum.png
  • 실린더 하우징 내부에는 베인이 여러 개 있는 로터가 편심으로 장착된다.
  • 유입된 가스는 이러한 실린더 내의 챔버로 흡입된다. 그리고 회전을 통해 압축되어 배출구로 이동한다.
  • 진공 펌프는 챔버 및 작동 절차와 결합되어 다양한 진공 시스템으로 구성된다.

기술 로드맵

  • 건물 내부 원형 파이프 소독 로봇은 파이프를 타고 올라가는 작동 방식을 가지고 있으므로, maxon 사에서 개발한 클라이밍로봇과 2021년에 개발된 사장교 케이블 등반 로봇의 작동 구조와 유사한 특징을 가지고 있다. 특히 사장교 케이블 등반 로봇은 설계 프로젝트와 유사하게 원통형의 물체를 타고 올라가는 형태를 가지고 있으므로, 기술 로드맵에 추가하였다.
  • 원형 파이프 소독 로봇은 스프레이 형태로 분사하는 장치를 부착하고자 하며, weston 사에서 설계한 실내 소독 로봇

특허조사

특허 조사의 경우 손잡이 소독부분과 로봇 구동부분으로 나누어 조사를 진행하였다. 아래 표는 각 내용에 대한 특허 출원 정보이며 표의 첫번째 행은 특허 이름, 두번째 행은 출원번호와 출원일자 및 현재 법적상태에 대하여 나타내었다. 마지막으로 세번째 행에는 특허 초록과 함께 사진을 첨부하였다.
백숙먹자했잔아 특허조사1.png
백숙먹자했잔아 특허조사2.png
백숙먹자했잔아 특허조사3.png
손잡이 소독의 경우 계단 손잡이에 대한 특허를 발견하지 못해 유사한 내용이라 판단되는 출원번호 20-2006-0023676의 공중이용 손잡이와 출원번호 10-2010-0083842의 문 손잡이에 대한 소독 특허를 참고하였다. 추가로 본 프로젝트의 소독 방식은 소독액을 분사하는 형태로 구성되는데 이를 위해 추가로 출원번호 20-2010-0006176의 방향제 자동 분사기의 누름 장치와 출원번호 PCT/KR2009/002217의 향기분사장치를 참고하였다.
소독관련 네 가지 특허 중 본 프로젝트에 적용할 수 있는 내용은 세번째인 방향제 자동 분사기의 누름 장치라고 판단된다. 로봇이 손잡이 위를 이동하는 동안 소독액에 자동으로 분사되어야 하는데 이떄 위 구조를 차용하여 바퀴를 구동하는 모터를 병렬적으로 동시에 사용하여 분사장치를 자동으로 눌러주도록 하는 구조를 고안할 수 있다. 본 특허의 경우 2015년 특허가 소멸되었기 때문에 본 구조를 사용하는데 충동 문제는 없을 것이라 예상된다.
백숙먹자했잔아 특허조사4.png
본 프로젝트에서는 로봇이 원형의 손잡이를 이동하는 동작을 수행해야한다. 이에 따라 유사한 형태라 판단된 배관 등의 파이프 형태의 물체를 이동하는 로봇에 대한 특허를 찾아본 결과 위와 같이 파이프 청소 로봇과 파이프의 외면을 따라 이동하는 주행로봇에 대한 특허를 찾을 수 있었다. 두 특허 각각 현재 법적상태가 거절과 소멸이므로 추후 프로젝트에서 유사한 구조를 사용하는데 있어 문제가 될 부분은 없다고 판단된다.

특허전략

위와 같은 특허조사 결과 본 프로젝트를 수행하는데 필수적인 요소인 소독과 로봇 구동 부분에서 특허에 저촉되는 문제는 없을 것이라 판단된다. 2010년 출원된 방향제의 자동분사 누름 장치 특허(출원번호: 20-2010-0006176)의 아이디어를 참고하여 본 로봇의 구동 모터와 누름 장치를 돌리는 모터를 동시에 사용할 수 있도록 개발한다면 새로운 특허를 청구할 수 있을 것이라 판단된다.

관련 시장에 대한 분석

경쟁제품 조사 비교

백숙먹자했잔아 경쟁제품표1.png
백숙먹자했잔아 경쟁제품표2.png
두 개의 제품은 회전하는 에스컬레이터 손잡이에 설치하여 작동되는 장치이다. 한 개는 사용자가 휴대하여 사용하는 제품, 나머지 하나는 문 손잡이에 소독 기능을 넣은 제품이다. 이는 팀이 개발하려는 원형 손잡이 소독 로봇과는 약간의 차이가 존재한다고 생각한다. 회전을 진행하고 있는 손잡이를 고정된 장치가 소독하는 것과 고정된 손잡이를 로봇이 움직이며 소독하는 것은 명확한 차이가 존재한다고 생각한다. 추가적으로 케이블에서 움직이며 여러가지 기능을 수행하는 로봇을 찾을 수 있었으나 판매처가 굉장히 한정적이고 사용도가 많이 떨어진다고 생각된다. 따라서 개발하려는 로봇과 비슷한 기능의 제품은 아직까지는 존재하지 않는다고 판단할 수 있다.

마케팅 전략

백숙먹자했잔아 마케팅전략.png

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

코로나펜데믹 이후로 현재까지 방역의 중요성이 계속해서 증가하고 있고, 중앙방역대책본부에서 권고한 생활 방역 세부수칙 안내서의 다중이용시설 방역 위험도에 따르면 손잡이와 같은 자주 손이 닿는 곳의 소독이 매일 1회 이상 권고되고 있다. 손잡이를 소독하는 로봇은 시중에서 존재하긴 하지만, 대부분이 에스컬레이터의 손잡이와 같은 회전하는 손잡이를 대상으로 고정된 위치에서 소독을 하는 제품들이 대부분이다. 그래서 건물 내부의 계단 손잡이는 사람이 직접 소독약을 분무하는 방식으로 소독을 진행해야 하는데 이는 방역 인원의 인력적인 부분에서 낭비일 뿐만 아니라 소독약을 도포하는 과정에서 불필요하게 분무되거나 국소적으로 분무되지 않아 사람의 피부나 호흡기 등에 직접적인 피해를 입힐 수 있다.
본 프로젝트에서 개발하고자 하는 원형 파이프 소독 로봇은 건물 내부의 계단 손잡이 등을 자동으로 소독하는 로봇으로, 많은 사람들이 이용하여 세균이 많이 존재하는 손잡이 부분을 기존의 소독 방식보다 더욱 정확하고 효율적으로 소독할 수 있다.
소독 업무의 효율성을 목적으로 하는 것뿐만 아니라 사람이 직접 닿기 힘든 곳을 원형 파이프 소독 로봇을 이용하여 작업을 수행할 수 있다. 또한, 파이프를 오를 수 있게 하는 구동부 설계를 바탕으로 다른 분야의 무인화 기술의 발전에 활용될 수 있다. 그에 대한 예시로 앞서 기술분석에 제시한 케이블 보수용 동반로봇, 송전탑 클라이밍 로봇 등 보수가 필요한 부분에 사람이 직접 접근하기 힘든 곳에 무인 로봇이 사용되듯이 이러한 어려움 속에서 본 프로젝트에서 개발한 파이프를 오르는 구동부 설계 기술을 바탕으로 개발될 수 있을 것이다.
또한 계단의 손잡이를 이용해서 오르는 장치이기 때문에 이에 하중을 크게 버틸 수 있으면서 어떤 물건을 이송하는데 집중해 발전시킨 모델을 개발에서 가벼운 물건부터 심지어는 무거운 물건까지 이송할 수 있는 장치에 대한 개발도 기대해볼 수 있다.
마지막으로 소독이 아닌 소방 및 재난 상황에 활용할 수 있도록 개조도 가능하다. 초기 모델은 30도 기준 파이프 로봇이지만 추후에 배관 및 가스관 등등 건물의 모든 파이프를 활용할 수 있어 재난 상황에 사용할 수 있도록 개조할 수 있을 것이다. 이때 건물 무선 인터넷을 사용하여 항상 연결되어 있는 상황을 가정하면 즉각적인 대응이 가능하다.

경제적 및 사회적 파급효과

백숙먹자했잔아 보건소방역기능수행장애요인.png
보건분야에서 방역 기능을 수행하는데 가장 큰 장애 요인으로 주로 인력 부족이 꼽힌다. 방역에는 다양한 업무가 존재하지만 그 중에서도 계단의 손잡이 소독을 위해 소독 장치를 직접 들고 계단을 오르내리며 소독약을 도포하는 기존의 방식은 많은 작업강도를 요구하고 방역 인원에게 쉽게 피로감을 준다.
본 프로젝트에서 자동으로 손잡이를 타고 이동하며 소독약을 도포하는 로봇을 개발하고 기존의 손잡이 소독 방식을 대체하여 방역 인력의 피로도 절감과 방역 업무의 효율성을 상승시켜 보건 분야에서 주로 발생하는 인력의 문제를 조금이나마 해소할 수 있을 것으로 기대한다.

구성원 및 추진체계

  • 구성원 역할 분담
백숙먹자했자나 구성원및추진체계.png
  • 개발 일정
백숙먹자했자나 일정계획.png
  • 프로젝트 협업 과정
    • 회의록
주 2회의 고정 회의를 할 때마다 회의록을 정리하여 각자 할 일을 부여하였다. 또한 Teams 내의 작업 공간을 활용하여 팀원간에 캐드파일 및 소프트웨어 코드를 공유하고 작업상황을 확인할 수 있도록 하였다.
회의록 모음본

설계

설계사양

  • 요구사항 목록
백숙먹자했자나 설계사양.png
  • 목적 계통도
백숙먹자했자나 목적계통도.png

개념설계안

  • 개념설계안
시스템 설계 구상도
  • 로봇 프레임 구조
로봇의 무게를 2kg 이하로 제작하여 제품 사용자가 휴대하기에 부담이 가지 않도록 제작한다. 본 장치는 손잡이를 소독하는 것에 사용 목적을 두고 있다. 따라서 장치가 지면과 수평을 유지해야 한다. 또한 모터, 소독 장치를 배치하는데 있어 로봇의 동작에 방해가 되지 않도록 구조를 고안할 필요가 있다.
  • 구동부
손잡이 위를 구동하는 동력 전달 휠과 그 앞에 위치하는 보조 휠을 이용해 경사진 손잡이를 구동하고, 벽면에 기대어 구동하는 보조 휠 두 개 이용해 로봇의 균형을 유지한다. 따라서 본 프로젝트에서는 DC Motor, Servo motor, BLDC motor 세 개의 모터를 고려하였다.
  • DC motor
DC Motor
고정자로 영구자석을 사용하고, 회전자로 코일을 사용하여 구성한 모터이다. 모형 자동차, 각종 장난감 등에 널리 사용되는 모터이다. 기동 토크가 크고, 출력 효율이 우수하고, 가격이 저렴하다는 장점을 가지고 있다. 그러나 아두이노, 라즈베리파이 같은 일반적으로 사용되는 보드에서 사용하기에는 전류, 전압 등의 변환이 필요하기 때문에 모터드라이브를 추가로 장착해야 한다는 단점을 가지고 있다.
  • Servo motor
Servo motor
DC motor의 특징을 가지고 있다. 추가적으로 모터 드라이브가 내장되어 있어서 방향. 제어, 속도 제어가 간편하다. 모터 드라이브를 추가적으로 설치할 필요가 없어 회로 구조를 단순화할 수 있다. 모터 드라이버가 내장되어 있어서 부피가 DC motor보다 크다.
  • BLDC motor
BLDC motor
브러시가 아닌 트랜지스터 등의 파워소자로 구성된 전자회로를 사용하는 모터이다. 수명이 길고, 효율이 높고, 소음 및 발열이 적다는 장점을 가지고 있다. 또한 원하는 토크와 회전속도를 정확히 제어할 수 있다. 단점으로 가격이 다른 모터들에 비해 비싸고, 전류를 제어해줄 전자변속기(ESC)가 필요하다.
본 프로젝트에서는 제품의 무게와 사양을 고려하여 최종적으로 Servo motor를 사용한다.
  • 소독부
제품을 통해 계단 손잡이를 소독하기 위해서 여러 소독 방식을 생각할 수 있다. 고려한소독 방식의 경우 아래와 같다.
소독 방식 비교 결과
그러나 현재 프로젝트의 일정상 문제로 소독 부분에 대해서 엄밀한 검증과정보다는 제품에 편리하게 적용할 수 있는 제품을 사용하는 것을 우선으로 한다. 따라서 소독 편의성을 설계사양에 추가하였고 최종적으로 UV LED 모듈을 손잡이 좌우측에 위치하도록 하여 구동과 동시에 소독을 진행한다.
  • 제어부
제어를 담당하는 메인보드는 크게 아두이노와 라즈베리파이 두 가지를 고려할 수 있다. 아두이노는 오픈 소스를 기반으로 한 단일 보드 마이크로컨트롤러로 완성된 보드와 관련 개발 도구 및 환경을 말한다. 라즈베리파이는 영국의 라즈베리 파이 재단이 학교와 개발도상국에서 기초 컴퓨터 과학의 교육을 증진시키기 위해 개발한 신용카드 크기의 싱글 보드 컴퓨터이다. 이를 비교한 결과는 아래와 같다.
메인보드 비교 결과
추가적으로 원형 손잡이의 끝단을 감지하기 위해 거리 감지 센서를 사용한다. 아두이노 및 라즈베리파이 등의 보드를 사용하면서 사용할 수 있는 거리 감지 센서는 아래와 같이 3종류가 있다.
거리감지 센서 비교 결과
최종적으로 라즈베리파이 피코를 이용하며, 초음파 센서를 통해 로봇의 구동 가능 여부를 판단하여 구동부 및 소독부 제어를 진행한다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

  • 로봇의 예상 제원 현황
로봇의 예상 제원 표
  • 동력 전달 휠의 토크 확인
백숙먹자했자나 서보모터및동력전달부분설계도.png
위와 같은 로봇의 예상 제원에 따라 동력 전달 휠의 토크를 계산하면 아래 식과 같다.
백숙먹자했자나 이론계산결과.png
최종적으로 선택된 FS5106R 모델의 경우 안전계수 2.5 이상을 만족하는 것을 확인할 수 있다.
  • 손잡이 중심을 기준으로 한 로봇의 무게중심 위치 시뮬레이션
Catia v5를 이용한 무게중심 시뮬레이션 결과
위 그림과 같이 무게중심을 시뮬레이션 한 결과 무게중심의 위치가 두 휠 축 사이에 존재하고, 무게중심이 로봇 중심에서 벽면쪽으로 1.6cm 더 위치하는 것을 확인하였다.

조립도

조립도

  • 전체 조립도
전체 조립도

조립순서

  1. Left Frame 조립도
백숙먹자했자나 조립도1.png
백숙먹자했자나 조립도2.png
  1. Right Frame 조립도
백숙먹자했자나 조립도3.png
  1. Top Frame 조립도
백숙먹자했자나 조립도4.png
  1. Front Frame 조립도
백숙먹자했자나 조립도5.png
  1. 최종 조립도
백숙먹자했자나 조립도6.png

부품도

  • 2D 부품도
백숙먹자했자나 2d부품도1.png
백숙먹자했자나 2d부품도2.png
백숙먹자했자나 2d부품도3.png
백숙먹자했자나 2d부품도4.png
  1. 3D 부품도
백숙먹자했자나 3d부품도1.png
백숙먹자했자나 3d부품도2.png
백숙먹자했자나 3d부품도3.png
백숙먹자했자나 3d부품도4.png

제어부 및 회로설계

라즈베리파이 피코는 아래와 같은 4개의 GPIO을 가진다. 피코와 초음파 센서, UV 센서, 서보 모터는 모두 보조 배터리의 전원을 사용한다. (전원이 왜 충분한지 설명 필요할듯)전원이 인가된 경우 피코 내부의 main.py 파일이 자동으로 실행되며 버튼을 1회 눌러 로봇의 작동이 시작된다.
라즈베리파이 피코 GPIO 핀
사용자가 로봇을 손잡이 위에 거치하여 버튼을 누르면 UV LED 센서의 전원이 인가되어 소독이 시작된다. 이때 서보 모터도 함께 전원이 인가되어 로봇의 구동이 시작된다. 로봇은 손잡이의 끝단, 회전부분까지 즉, 앞면에 벽이 존재할 때까지 작동이 되며 이를 판단하는 기준은 초음파 센서로부터 측정되는 거리이다. 로봇이 더 이상 작동할 수 없는 경우 로봇이 정지하게 된다.
최종적으로 설계한 회로도는 아래와 같다.
백숙먹자했자나 회로도.png
색에 따른 회로 선 설명
핀맵 연결 설명

소프트웨어 설계

  • 동작 Flow Chart
동작 순서 흐름도
  • 서보모터 구동 방법
백숙먹자했자나 pwm.png
PWM(Pulse Width Modulation)은 High전압을 on 혹은 off 상태로 유지하는 것이 아니라

빠르게 on / off를 반복하는 것이다. 이 PWM 신호를 이용해서 서보모터를 제어한다. 즉, 아두이노와 연결된 핀으로 입력되는 신호의 지속시간(pulse width)으로 위치를 제어한다. 서보모터는 20ms 주기의 펄스파에서 High 신호 파형을 1ms ~ 2ms의 범위를 가지고 회전 각도가 정해진다. 180º 서보모터의 경우 1ms 신호일 때 0º의 위치로 이동하며 2ms 신호일 때 다시 0º로 이동한다. 그래서 1ms ~ 2ms의 신호 범위로 0º ~ 180º 각도를 조절하게 된다.

자재소요서

자재소요서

결과 및 평가

완료작품 소개

프로토타입 사진

로봇 전면부
로봇 후면부

포스터

백숙먹자했자나 포스터.png

특허출원번호 통지서

백숙먹자했자나 출원번호통지서.png

개발사업비 내역서

백숙먹자했자나 개발사업비내역서.png

완료 작품의 평가

평가항목 표
  • 경사가 있는 파이프에서 정지가 가능한가
구동 중 전원공급을 중지하여 파이프 위에서 안정적으로 정지할 수 있는지 확인하였다.
[자세한 측정 방법]
10회의 테스트를 거쳐 파이프의 경사진 부분에서 갑작스럽게 전원공급을 중단하였을 때, 로봇이 밀려내려오는 횟수를 측정하였다. 10회의 테스트 중 1회를 제외하면 모두 안정적으로 중지할 수 있었고 목표치를 달성하였다고 판단하였다.
  • 구동 중 밸런스 유지
10회를 테스트하여 파이프의 양끝을 주행할 때 계단쏠림 현상이 없는 지 확인하였다.
  • 손잡이 끝단을 인식하여 정지가능여부
기기가 파이프의 끝을 인식하여 작동을 중지했을 때 벽으로부터 떨어진 거리가 프로그래밍된 수치와 동일한 지 확인하였다.
  • 작동시간이 20분을 넘길 수 있는가
배터리의 완충을 기준으로 작동시간을 확인하였다.
  • 휴대성
설계 초기목표였던 5kg이하의 제품을 제작하였는지 확인하였다.


향후평가

  • 진행 중 개선 사항
1) 접지
파이프가 원형 파이프이기 때문에 바퀴와 파이프 사이의 접지력을 확보하는 것이 관건이었다. 초기에 사용하였던 고무링이 접지면이 너무 작았기 때문에 몰드 제작용 저점도 부가형 실리콘을 사용하여 바퀴에 덧대었다. 12,500cps의 점도를 확보하고 접지면을 넓혔기 때문에 경사면 30도의 파이프를 올라가는 데 필요한 접지력은 확보되었다.
2) 벽면 지지
마찬가지로 무게중심을 벽면 쪽으로 설정하여 로봇이 벽을 타고 올라갈 수 있도록 벽면에 지지 바퀴를 2개 추가하였다. 벽면 지지 바퀴 또한 접지력을 확보하기 위해 실리콘을 부착하여 계단 방향으로 넘어지는 현상을 방지하였다.
3) 구조
파이프를 감싸는 구조로 제작했다. 좌우 측면에는 uv센서를 부착하여 손잡이를 전체적으로 소독 가능할 수 있도록 했다. 또한 모터의 위치를 배터리의 반대편에 위치하여 파이프를 안정적으로 감싸는 구조를 구현했다. 추가적으로 파이프를 지지하는 바퀴를 전면부와 후면부에 두 개를 배치하여 파이프 위에서 안정적으로 구동할 수 있도록 제작했다.
  • 향후 개선 사항
파이프 위에서 갑작스럽게 정지했을 때 로봇이 흔들리는 경우가 발생하였다. 떨어지는 경우는 없었으나 흔들림으로 인하여 장치 내부에 피해가 갈 수 있다고 생각하여 개선이 필요하다.
파이프가 꺾이는 부분에서 주행하지 못한다. 구동부 설계에서 이를 반영하여 설계를 진행해야 한다.
소독 효과에 대한 검증이 필요하다. uv센서를 사용하여 소독을 진행하고 있으나 실제 소독의 효과가 얼마나 존재하는지에 대한 검증이 필요하다.

부록

참고문헌 및 참고사이트

https://www.maxongroup.pt/maxon/view/application/Climbing-with-maxon-drives

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0926580521002582

https://kr.mathworks.com/company/mathworks-stories/weston-robot-develops-disinfecting-robots-to-fight-covid-19.html

https://www.arduino.cc

https://ko.wikipedia.org

https://ko.wikipedia.org/wiki/%EB%9D%BC%EC%A6%88%EB%B2%A0%EB%A6%AC_%ED%8C%8C%EC%9D%B4

https://toshiba.semicon-storage.com

https://kr.mathworks.com

https://ko.wikipedia.org

https://www.pumpsandsystems.com

https://weclean.kr/

http://clearwinkorea.com/

https://m.moongori.com/goods/brand?code=1016

https://s-engineer.tistory.com/279

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