3조-노브레인

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 덕트 청소용 궤도 모듈 개발

영문 : Development of a Duct Cleaning Crawler Module

과제 팀명

노브레인

지도교수

윤민호 교수님

개발기간

2025년 9월 ~ 2025년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 기계정보공학과 20204300** 정**(팀장)

서울시립대학교 기계정보공학과 20204300** 김**

서울시립대학교 기계정보공학과 20204300** 조**

서울시립대학교 기계정보공학과 20204300** 홍**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

국내 상수도 관로의 경우 노후됨에 따라 유지 보수 비용 증가 문제를 야기한다. 이때, 보수, 청소를 위해 직접 작업자 투입되는 것이 아닌 로봇을 사용하는데, 이로서 작업자의 사고를 사전에 예방하고자 한다. ㈜ 더브라이트에서 사용하는 로봇 Jettyrobot의 경우 궤도 모듈이 굉장히 고가이고 특수 제작된 부품들로 인해 모듈 자체의 정비성과 유지보수성이 떨어지게 된다. 때문에 본 프로젝트에서는 배관 청소용 로봇에 적용될 수 있는 궤도 모듈을 가격, 정비성, 유지보수적인 측면과 기능적인 측면에서 개선하고자 한다.

개발 과제의 배경 및 효과

1) 개발 배경 및 필요성

국내 상수도 관로는 40년 이상 된 구간이 많고, 그 구간이 약 11만 km에 달한다. 이러한 노후 배관은 내부에 기름, 녹, 슬러지 등이 쌓여 수질 저하 및 유지보수 비용 증가 문제를 야기한다. 기존 방식인 배관 교체는 사회간접자본 차원에서 막대한 비용이 소요되며, 작업 환경의 위험성 및 내부의 리벳·핀 등의 요철 구조로 인한 작업자의 안전 문제도 일으키는 상황이다. 따라서 효율적이고 안전하게 관로 내부를 청소·점검할 수 있는 로봇 기술의 필요성이 요구된다.

오래된 배관과 배관 청소 로봇 모습(출처. 더브라이트)

2) 기존 기술의 문제점

현재 국내에서는 관로 로봇 기술에 대한 관심이 부족하여 대부분 체코 등 해외 장비를 수입해 사용한다. 기존 장비인 JettyRobot은 다음과 같은 문제점이 존재한다.

궤도 모듈 1개당 가격이 약 1700만원으로 너무 비싼 단가를 가진다.
기존 로봇은 대형 덕트 청소용 로봇으로 크기가 너무 커서 (정확한 수치는 대외비이므로 공개 불가) 소형 배관 및 덕트에 적용할 수 없다.
내부 부품들이 특수 제작된 부품들로 정비성과 유지보수성이 매우 떨어진다.

기존 작업 로봇 JettyRobot(출처. 더브라이트)

3) 제안 기술의 우수성 및 독창성

이번 개발 과제에서는 다음과 같은 차별점을 갖는 로봇을 설계하고자 한다.

방수·방진 강화: IP 규격 기반 완전 방수 및 방진 성능 확보. 수중 담금 시험을 통한 완전 방수 검증.
열 관리 시스템 적용: 장기간 작업 활동에도 모터·보드 발열을 효과적으로 처리하기 위한 발열 처리 구조 구현.
고성능 궤도 설계: 100N 수준의 견인력을 가지는 궤도 시스템 설계. 평면 주행에서 미끄럼 없는 주행 안정성 확보 및 곡관/직각 관로 주행 가능. 내부의 장애물을 극복할 수 있는 궤도 모듈 구조 구현.

4) 기대 효과 본 과제가 성공적으로 완수될 경우 다음과 같은 효과가 기대된다.

사회적 효과: 노후 상수도 배관의 위생적 관리로 국민 생활 안전 보장, 수돗물 품질 향상.
경제적 효과: 관로 교체 대신 로봇 활용 청소·점검으로 사회간접자본 절감. 해외 수입 장비 대체를 통한 비용 절감 및 국산 기술 경쟁력 확보.
산업적 효과: 궤도 모듈 기술의 내재화 및 상용화로 새로운 산업 생태계 창출, 향후 상수도 외에도 가스·산업용 덕트 분야로 확장 가능.
기술적 효과: 방수/방진, 열관리, 고성능 궤도 설계 등 핵심 기술 확보를 통해 국내 궤도 모듈 기술 전반의 수준 향상.

개발 과제의 목표 및 내용

1) 개발 목표

본 과제의 궁극적인 목표는 상수도·덕트 등 관로 내부를 안전하고 효율적으로 청소·점검할 수 있는 로봇 시스템의 궤도 모듈을 개발하는 것이다. 사람이 직접 청소 방식이 가진 위험성과 비효율성을 극복하고, 해외 수입 장비에 의존하지 않는 국산 관로 로봇에 적용 가능한 궤도 모듈을 개발하는 것을 목표로 삼는다.

방수·방진 성능 확보: IP 등급 기준을 충족하는 완전 방수 및 방진 구조 설계. 수중 및 분진 환경에서 안정적으로 동작 가능하도록 함. (완전 방수 및 방진 시 약 1분 동안 연속 동작)
구동 성능 향상: 모듈 1개 당 100N 수준의 견인력을 가지며(평면 기준), 직선 및 90도 곡관에서 안정적으로 주행할 수 있는 궤도 메커니즘 확보. 관 내부에 존재하는 리벳, 핀 등의 구조에도 이동성을 확보할 수 있도록 약 2cm의 요철을 견딜 수 있는 궤도 메커니즘 구현
열 관리 시스템 구현: 장기간의 작업(약 30분간 연속 동작)에도 모터와 전자 보드의 발열을 효과적으로 처리하기 위한 수냉 또는 고전도 재질 기반 방열 구조 적용.
정비·유지보수 용이성 확보: 궤도 탈착 및 구동부 교체가 간단하도록 모듈화 설계, 기어·풀리 체결부의 안정성을 확보.
경제성 확보: 기존 개발 가격의 약 70프로의 가격의 예산 내에서 모듈을 제작함으로써 모듈에 대한 경제성 확보

2) 개발 단계 및 내용

1. 기초 설계 및 구조 검토

현존하는 다양한 궤도 구동 방식에 대한 구조 분석
궤도 시스템의 크기·재질·회전반경 설계
모터 Spec 선정 및 동력 전달 메커니즘 구상

2. 구동부 및 궤도 메커니즘 개발

모터·기어·풀리의 최적 배치와 러버 트랙 체결 방식 연구
장력 변화 시 기어 헛돎 방지 설계
궤도·모터 등 주요 부품 모듈화 설계로 손쉬운 교체 가능
프로토타입 제작 및 평면 100N 하중 조건 검증 테스트 진행

3. 열 관리 및 방열 구조 구현

구리선·모터 코일 손상 방지를 위한 발열 관리
수냉 방식 및 고열전도성 소재 적용 검토
Load 없는 상태에서 30 분 이상 연속 동작 가능한 성능 목표

4. 방수·방진 구현 및 검증

IP 등급을 충족하는 밀폐 구조 및 씰링 설계
수중 담금 시험(완전 침수 상태에서 1분 이상 작동)으로 방수 신뢰성 확보
먼지·슬러지 환경에서 장시간 동작 시 이물질 유입 방지 테스트

설계

설계사양

제품의 요구사항

번호	요 구 사 항	D or W	비고
1	방수 및 방진 성능이 있어야 한다. (IP68 등급)	D	대
2	크기가 작아야 한다.	W	중
3	평면에서 100N의 견인력을 가져야 한다.	D	대
4	가격이 저렴해야 한다.	W	중
5	장기간 작동이 가능해야 한다.	W	대
6	정비성이 있어야 한다.	W	소
7	유지보수성을 가져야 한다.	W	소
8	2cm의 요철을 통과 가능해야 한다.	D	소
9	효율적인 모터 열관리가 필요하다.	W	중
10	구동 속도는 2mm/s ~70mm/s 이어야 한다.	D	대

<목적 계통도>

목적		내용
안정성	방수/방진/방열	일반적인 덕트 내에서 작동이 가능하도록, 방수 및 방진 성능이 있어야 하며 (IP 68등급), 고토크 모터의 발열을 잡는 열관리 시스템이 마련되어야 한다.
안정성	주행 안정성	직/곡선 관을 주행 가능해야 하며, 2cm의 요철을 넘는 와중에 궤도 모듈이 넘어지지 않아야 한다.
기능성	주행 속도	2mm/s ~ 70mm/s의 주행 속도를 만족시킬 수 있도록 제작한다.
	동력 효율성	모터에서 발생하는 동력이 손실 없이 궤도 트랙에 전달되어야 한다. 또한 궤도 트랙과 주행 평면에서 발생하는 마찰 손실을 줄여야 한다.
	동작 시간	100N의 Load가 있을 경우 1분, 그렇지 않은 일반 주행의 경우 25분 주행을 목표로 설정한다. 또한 완전 수중에서 하중 없이 1분 동안 작동되어야 한다.
편의성	유지보수성	모듈화 된 제품 설계를 통해 손쉽게 정비할 수 있도록 설계하며, 모든 장비를 기성품으로 제작하여 쉬운 부품 조달을 목표로 한다.
편의성	조립성	주어진 부품을 이용하여 손쉽게 제품을 조립 및 분해할 수 있어야 한다.
경제성	재료비	기존 궤도 모듈의 가격인 1700만원보다 77% 낮은 400만원이라는 예산 내에서 제작을 완료할 수 있도록 한다.

설계 사양

항목	기준	설계사양	중요도
방수 성능	IP 68	- 제작된 모듈을 물을 채운 수조에 넣고 방수 성능을 테스트 (전문 테스트 기구 여부는 추후 확인)	상
방진 성능	IP 68	- 제작된 모듈을 밀가루, 모래, 돌 등 다양한 방진 테스트셋이 담긴 트랙에서 주행하며 방진 성능 테스트 (전문 테스트 기구 여부는 추후 확인)	상
방열 성능	모터 연속 가동 시간	- 모터를 30분 연속 가동할 수 있도록 방열 메커니즘을 구현. - 추후 모터를 구매한 후, 발열 정도를 측정하여 온도 범위를 고려	중
주행 속도	주행 상/하한 속도를 만족할 수 있도록 제작	- 2mm/s ~ 70mm/s의 주행 속도를 만족시킬 수 있도록 제작	하
작동 시간	상황별 작동 시간 3가지 경우	- 일반 주행의 경우 100N의 하중 하에 1분, 하중 없는 조건에서는 25분 주행, 수중에서 완전히 잠긴 상태에서는 하중 없이 1분 동안 주행	중
주행 성능	3가지 경우에 대해서 주행 능력 평가	- 평면에서는 100N의 견인력을 가질 수 있어야 함. - 직선 주행 중 2cm의 요철을 자유롭게 통과할 수 있어야 함. - 주행 중 좌우로 넘어지지 않아야 함	상
모듈 크기	가능한 작은 크기로 제작	- 현재 로봇의 모듈에 대한 정보가 대외비로 공개되지 않은 상태로, 350~1350mm 덕트에 적용 가능하다는 정보를 토대로 기본 설계를 진행하며, 최대한 작은 크기로 제작하는 것을 목표로 설정.	하

개념설계안

가. 기본 메커니즘 설계

1) 고무 궤도 선정

선정안	1안	2안	3안
제품	모델 모형 탱크용 고무 트랙	ATV/UTV용 캐터필러 트랙	산업용타이밍벨트
사진
장점	1. 빠른 배송 (2주 소요) 2. 강한 마찰력	1. 강한 마찰력 2. 저렴한 가격 (3만원)	1. 다양한 길이 및 너비의 벨트가 존재 2. 규격에 맞는 풀리가 존재
단점	1. 매우 비싼 가격 (개당 17만원) 2. 호환되는 아이들러 및 스프라켓에 대한 정보가 없음.	1. 규격에 맞는 아이들러 및 스프라켓을 찾기가 어려움. 2. 부품 설계 파일이 없어서, 이를 바탕으로 설계가 불가능	1. 표면이 매끄러워 충분한 마찰력을 제공할 수 없음 2. 강성이 강해 추가적인 텐셔닝 장치가 필요함

2) 모터 동력 전달 방식

선정안	1안	2안	3안
방법	기어 박스	헬리컬 기어	스파이럴 베벨 기어
사진
장점	1. 상용품으로 저렴한 가격 (약 4만원) 2. 작은 크기로 설계에 적용하기 쉬움.	1. 부드럽고 조용하게 동작 2. 높은 하중을 견딜 수 있음 3. 다양한 제품들이 있어, 원하는 사양으로 제작 가능	1. 부드럽고 조용하게 동작 2. 높은 하중을 견딜 수 있음 3. 다양한 제품들이 있어, 원하는 사양으로 제작 가능
단점	1. 부정확한 하중 정보 (견뎌야하는 최대 토크가 4.5Nm이나, 토크 정보가 없음) 2. 늦은 배송(해외 배송)	1. 매우 비싼 가격 (기어 개당 4만원 & 추가적인 축 필요) 2. 축방향 힘이 발생하여 설계 및 제작에 어려움	1. 매우 비싼 가격 (기어 개당 4만원 & 추가적인 축 필요) 2. 접촉 면적이 넓어 윤활 관리가 필요

3) 트랙 장력 유지 방법

선정안	1안	2안	3안
방법	하우징으로 고정	텐셔너 사용	하부 롤러 사용
사진
장점	1. 추가적인 부품 필요 없이 트랙 장력 유지 가능 2. 저렴한 가격 (가공비)	1. 사용자가 원하는 형상 및 크기 조절 가능 2. 장력 조절을 통해 트랙의 안정성 확보 가능.	1. 하부에 롤러 지지를 통한 장력 확보로 하우징 내부에 손쉽게 수납 가능. 2. 트랙과의 마찰 감소.
단점	1. 트랙과의 마찰 발생. 2. 하우징 크기가 고정되어 있기 때문에 정확한 크기의 트랙 선정 필요.	1. 비싼 가격 (약 7만원) 2. 트랙 고정을 위한 추가적인 롤러 필요. 3. 하우징 내부에 수납 문제 발생	1. 비싼 가격 (개당 약 2만원으로 트랙 고정을 위해서는 여러 개 구매 필요) 2. 롤러 지지 위한 추가적인 메커니즘 구상 필요

나. 세부 부품

1) 전원 공급 장치

선정안	SMPS	납산 배터리	DC 어댑터
가격	34,870원	46,700원	19,600원
사진
장점	안정적이고 높은 전류 공급이 가능하며 모터와 보드에 동시에 전원 공급 가능하다. 또한, 장시간의 실험·운용 환경에서 과열이나 전압 변동이 적음.	휴대성이 우수하며 전류 공급량이 크고 안정적이다. 부하가 큰 DC 모터에 쉽게 적용할 수 있다.	바로 꽂아서 보드 구동 가능하여 가볍고 설치가 간편하고 가장 저렴하다.
단점	휴대성이 낮고 충격·습기에 약해 모듈 외부에 위치시켜야 한다.	무겁고 부피가 커서 모듈에 탑재 시키기 어렵다. 충전 관리가 필요하다.	출력 전류 한계가 있다. 모터를 동시에 돌릴 경우 전압 강하가 일어날 수 있고, 장시간 부하 시 과열된다.

2) 모터

선정안	서보 모터	BLDC 모터	스탭 모터
가격	304,660원	141,900원	101,764원
사진
장점	정밀한 위치 및 속도 제어 가능하며, 고속에서도 토크 유지가 안정적이다.	효율이 높고 발열 적다. 고속 회전 시 소음 적고 내구성 우수하다.	제어 회로가 간단하고, 정확한 각도 제어가 가능하다. 모터의 가격으로만 했을 때 가장 저렴하다.
단점	가격이 비싸고, 제어 회로 복잡하다.	제어기(드라이버)가 필수적이며 속도/위치 제어는 정밀도가 낮음	고속 회전 시 진동·소음 발생한다. 해당 제품에는 감속기가 달려있지 않아 비용이 소모된다.

3) 제어 보드

선정안	Arduino Mega	Raspberry pi	Jetson Orin Nano
가격	60,500원	79,990원	562,500원
사진
장점	정확한 실시간 제어가 가능하며, 다양한 핀들로 제어가 가능하다.	리눅스 기반 OS 구동이 가능하여 다양한 Task가 가능하다.	AI·딥러닝 처리가 가능하며 병렬 연산에 용이하다.
단점	처리 성능이 낮고, 운영체제가 없다.	실시간 제어에 약하고, 전력 소비가 높다.	매우 비싼 가격과 함께 운영 환경 설정이 복잡하다.

4) 메카니컬 씰

선정안	메카라인 메커니컬 씰	샤프트 메카니컬 씰	펌프패킹 메카니컬 씰
가격	39,990원	2,340원	8,400원
사진
장점	표준 규격으로 제작되었으며, 3가지 축경 (12, 16, 22mm)에 적용 가능한 크기가 있다. 방수 성능이 뛰어나다.	5개의 축경 (8, 10, 11, 12, 13mm)에 적용 가능하다. 가장 저렴하다.	4개의 축경 (10, 12, 14, 15mm)에 적용 가능하다. 스프링을 통해 방수 성능을 확보할 수 있다.
단점	가장 비싼 가격. 알루미늄으로 제작되어 무게가 많이 나간다. 축경의 다양성이 떨어진다.	너무 얇은 축경만 존재하기 때문에, 모터 축과 호환되는 것이 없을 수 있다.	메카니컬 씰의 스펙에 대한 정보가 없기 때문에 구매 후 설계가 진행 가능하다.

다. 평가 및 분석

1) 평가 내용

기준		내용
안정성	방수/방진/방열	전체적인 모듈이 안정적인 방수/방진/방열을 만족시켜야 한다.
안정성	주행 안정성	일반 주행, 장애물 통과 중에 쓰러지지 않아야 한다.
기능성	주행 속도	2mm/s ~ 70mm/s의 주행 속도를 만족시켜야 한다.
	동력 효율성	모터에서 발생하는 출력이 손실 없이 트랙에 전달되어야 한다.
	동작 시간	상황에 따라 원하는 동작 시간을 만족시켜야 한다.
편의성	유지보수성	모듈화된 장비와 기성품 사용으로 유지 보수에 용이해야 한다.
편의성	조립성	손쉽게 제품을 조립 및 분해할 수 있어야 한다.
경제성	재료비	주어진 예산 내에서 제작을 완료할 수 있도록 한다.

2) 평가 내용

(1) 고무 궤도 선정

설계안	주행 안정성(30)	동력 효율성(25)	유지보수성 (25)	재료비 (20)	합계	순위
1안	30	20	5	5	60	3
2안	25	20	5	20	70	2
3안	15	15	25	20	75	1

(2) 모터 동력 전달 방식

설계안	동력 효율성(30)	유지보수성(25)	조립성 (25)	재료비 (20)	합계	순위
1안	10	0	25	20	55	3
2안	25	25	15	10	75	2
3안	30	25	15	10	80	1

(3) 트랙 장력 유지 방법

설계안	주행 안정성(25)	동력 효율성(25)	조립성 (25)	재료비 (25)	합계	순위
1안	10	10	20	25	65	3
2안	25	25	25	20	95	1
3안	30	25	15	15	85	2

(4) 전원 공급 장치

제품	동작 시간(45)	조립성(35)	재료비(25)	합계	순위
SMPS	45	30	15	90	1
납산 배터리	30	25	10	65	3
DC 어댑터	45	15	20	80	2

(5) 모터

제품	동작 시간(35)	주행 속도(35)	재료비(30)	합계	순위
서보 모터	30	30	10	70	3
BLDC 모터	30	25	25	80	1
스탭 모터	30	20	25	75	2

(6) 제어 보드

제품	동작 시간(20)	재료비(80)	합계	순위
Arduino Mega	20	80	100	1
Raspberry pi	10	75	85	2
Jetson Orin Nano	20	50	70	3

(7) 메카니컬 씰

제품	방수/방진/방열(50)	조립성(30)	재료비(20)	합계	순위
메카라인 메카니컬 씰	50	20	5	75	3
샤프트 메카니컬 씰	30	25	20	75	3
펌프패킹 메카니컬 씰	45	25	15	85	1

선정 품목 기반 개념설계안(내부)

선정 품목 기반 개념설계안(외부)

이론적 계산 및 시뮬레이션

1) 견인력 계산

궤도 모듈을 구동하는데 있어서 가장 핵심적인 요소는 견인력이다. 이는 모터와 감속기의 스펙으로부터 결정된다. 직접 설계한 구동부의 기어는 감속과 가속을 통해 최종적으로는 1:1의 비율로 동작하므로 계산과정에서 생략한다. 자세한 계산 과정은 다음과 같다.

Spec

모터의 정격 토크∶ 0.254 Nm

감속비∶ 1/25

감속기 효율∶ 94 %

아이들러 반지름∶ 22 mm

메카니컬씰 마찰 효율∶ 90 %

→아이들러의 선 방향 힘∶ 0.254 Nm × 25 × 0.94 × 0.9/0.022 m = 244.19 N

따라서 해당 모터를 사용하였을 때 선 방향으로 작용하는 힘이 약 244.19N이다. 이는 자중 7kg을 제외하였을 때 추가적으로 견인할 수 있는 무게가 17kg임을 시사한다. 그러나 실제 기어에서 발생하는 마찰 손실, 궤도와 바닥면과의 마찰 손실 등을 고려하면 이보다 낮은 견인력을 가질 것이라 예상된다.

실제 설계 요구조건에서 정의하였던 견인력은 100N이고, 현재 여유 견인력은 74.19N이므로 설계 마진이 충분하다고 판단하였다. 이후 실제 제품을 완성하고 견인력 실험을 진행하여 설계 요구조건을 만족하는 지 여부를 확인할 계획이다.

2) 기어 선정

모터에서 나가는 토크를 계산하면 다음과 같다.

모터의 정격 토크∶ 0.254 Nm

감속비∶ 1 \/25

감속기 효율∶ 94 %

메카니컬씰 마찰 효율∶ 90 %

→모터에서 나가는 토크∶ 0.254 Nm ×25 ×0.94 ×0.9 = 5.3721 Nm 이다.

작은 기어는 모터에서 나오는 베벨 기어와 1 : 1로 연결되어 있고, 큰 기어는 기어비 23 : 50으로 연결되어 있다. 이때, 각 기어에 걸리는 토크를 계산하면 다음과 같다.

작은 기어 토크 ( 평기어 톱니수 23개 )∶ 5.3721 Nm

큰 기어 토크 ( 평기어 톱니수 50개 )∶ 5.3721 Nm ×50/23 = 11.678 Nm

각 기어들의 허용 굽힘과 토크를 비교하면 다음과 같다.

평기어 1 (톱니수 : 23개)		평기어 2 (톱니수 : 50개)
부하 토크	5.3721 Nm	부하 토크	11.68 Nm
허용 굽힘	5.63 Nm	허용 굽힘	13 Nm

모든 기어들의 부하 토크가 허용 굽힘 내에 존재하는 것을 알 수 있다.

3) 축 지름 선정

전단응력에서 항복이 발생하는 시점의 전단 항복강도는 τ_allow=0.577×σ_y=288.5 [MPa] (S45C, 열처리) 이다. 원형 축에서 최대 전단응력은 τ_max=Tr/J=16T/(πd^3 ) 으로 16T/(πd^3 )≤288.5×10^6 이다.

축의 지름에 대한 식으로 나타내면, d^3≥(16×11.68)/(π×288.5×10^6 )×n (n∶ 안전계수)

안전계수를 5로 잡으면 최소 허용 지름 d≥10.1 mm 이기 때문에 실제 축의 지름은 12mm로 선정하였다.

4) 요철 통과 시 비틀림 해석

궤도 모듈이 가장 크리티컬한 하중을 받을 수 있는 동작 상황은 요철을 통과할 때이다. 본 모듈은 실제로 덕트나 배관에서 이동할 때 별도의 지그에 부착되어 벽에 밀착되어 있다. 이 때 요철을 통과하게 되면 모듈의 몸체에 비틀림이 발생하므로 해당 상황을 정적으로 해석하였다.

해석은 ANSYS Mechanical을 통해 진행하였다. 경계 조건은 다음과 같다.

(1) 하중 조건

모듈이 구현할 수 있는 최대 견인력인 245N 부여
요철 통과 시 모듈의 전면 부에 작용하는 하중: 500N

(내구 안전성을 확인하기 위해 동적 하중의 2배에 해당하는 조건 부여)

(2) Contact 조건

볼트를 통해 체결되는 하우징은 Bonded로 설정
후면부의 경우 바닥면에 붙어 있기 때문에 Displacement: 0으로 설정

(3) 해석 결과

Deformation	Von-Mises Stress

(3)-1 Deformation

하중이 작용하는 맨 앞 구동축에서 최대 변형이 발생하는 것으로 보아 해석이 올바르게 진행되었음을 알 수 있다. 그러나 최대 변형이 0.0003m로 매우 작은 변형이 발생함을 확인하였다.

(3)-2 Von-Mises Stress

최대 응력의 경우 하우징의 중앙부에서 발생하였다. 하우징의 전후방에는 의도적으로 필렛을 주었으나, 중앙부의 경우 방수를 위해 커버에 필렛을 줄 수 없다. 따라서 요철 통과 시 비틀림 하중이 하우징의 바디를 타고 흐르다가 단면 변화가 발생하는 중앙부에서 가장 큰 값이 나타난 것으로 해석된다.

그러나 최대 응력은 47MPa로 하우징의 소재인 알루미늄의 항복 강도(약 240MPa)의 1/6에 해당하고, 피로 강도(약 100MPa)의 1/2의 값을 가진다. 따라서 요철을 통과하는 상황에 대해서 파괴될 가능성은 매우 낮다고 판단된다.

(4) 해석 결과 분석

모듈이 요철을 통과하는 상황에 대해서 해석을 진행한 결과 Deformation과 Stress에서 매우 작은 값이 나타났고, 파손에 대한 가능성이 낮다고 판단된다.

이는 프로토타입을 제작함에 있어서 최적화보다 동작의 안정성을 우선시한 결과로 사료된다. 따라서 높은 내구성이 확보되었으므로 후에 모듈을 개선하게 될 때, 하우징의 두께를 줄이는 방식 등으로 경량화, 최적화를 진행할 수 있을 것으로 판단된다.

상세설계 내용

조립도

가. 조립도

전체 조립도

제품의 전체적인 형상은 다음과 같다. 기어와 샤프트 등 내부 부품은 구매하여 사용하고, 하우징의 경우 가공을 통해 제작한다.

나. 조립 순서

모터 및 메카니컬 씰 조립
	하우징의 중앙부에 BLDC 모터를 볼트를 통해 체결한다. 모터의 샤프트에 커플링을 연결하고 클램핑 방식으로 체결한다. 커플링의 반대쪽에도 샤프트를 연결하고 메카니컬 씰을 끼워 하우징과 압착하여 연결한다. 하우징과 샤프트 사이에 베어링을 연결하여 구동 시 발생하는 진동을 방지한다.

샤프트-아이들러 조립
	궤도인 타이밍 벨트의 회전 경로를 유지시켜주는 아이들러이다. 하우징에 샤프트를 연결하고 중앙에 풀리를 연결한다. 풀리의 경우 내부에 키를 넣고 보스 부분에 멈춤 나사를 조여 고정한다. 샤프트의 양쪽 끝에는 베어링을 연결하고 스냅링을 통해 고정한다. 베어링을 통해 샤프트가 받는 하중을 분산하고 마찰을 줄인다. 최종 부착 순서는 ‘스냅링-베어링-하우징-샤프트-풀리-하우징-베어링-스냅링’과 같다.

동력 전달부 조립
	궤도 모듈의 동력을 전달하는 부분이다. 스파이럴 베벨 기어를 통해 동력을 수직 방향으로 전환한다. 최종적으로 기어를 통해 좌측 상부 풀리가 궤도를 회전시킨다. 각 기어와 풀리를 연결하는 방식은 샤프트-아이들러의 조립 방법과 동일하다. 키와 멈춤 나사를 통해 정해진 위치에 고정한다.

궤도 조립
	궤도인 타이밍 벨트를 연결한다. 기존에는 텐셔너를 사용하여 궤도의 장력을 유지해주는 방식을 사용하고자 하였다. 그러나 하우징의 크기 최소화와 경량화를 위해 타이밍 벨트의 자체적인 탄성을 활용하여 궤도의 장력을 유지한다.

부품도

1) 모터

모터 도면

2) 아이들러(타이밍 벨트 풀리), 샤프트

풀리 도면

3) 스파이럴 베벨 기어

스파이럴 기어 도면

4) 평기어

스퍼 기어 도면(기어수 23개)

스퍼 기어 도면(기어수 50개)

5) 커플링

커플링 도면

6) 메카니컬 씰

메카니컬씰 도면(12파이)

7) 베어링

베어링 도면

8) 하우징, 커버

	본 프로젝트에서 실제 가공을 통해 제작하는 부품은 하우징과 커버로 한정된다. 두 부품의 재질은 알루미늄을 사용한다. 하우징과 커버는 다음과 같이 구분되고, 각각은 housing_behind(흰색)/floor(분홍색)/front(보라색)/left(은색)/middle(검은색)/right(금색)과 cover(빨간색)로 명명한다.

앞 부품 도면

중간 부품 도면

뒷 부품 도면

바닥면 부품 도면

왼쪽/오른쪽 부품 도면

커버 도면

제어부 및 회로 설계

제어부 회로

본 프로젝트는 로봇에 사용되는 궤도 모듈만을 설계하는 것이 목표이지만, 구동 및 성능 테스트를 위해 자체적인 회로를 구성하였다.
8선 BLDC 모터와 이에 호환되는 모터 드라이버를 사용하고, 두 제품의 정격 전압, 전류를 고려하여 SMPS를 선정하였다.
모터의 상 제어를 위한 U, V, W 3개의 선과 홀센서의 값을 인식하기 위한 5개의 선을 모터 드라이버와 연결한다.
모든 전원은 SMPS를 통해 공급한다. 모터는 정격 전압 24V와 피크 전류 5A를 가지므로 SMPS는 120W 이상의 전력을 공급하는 모델로 선정한다.

자재소요서

부품 번호	부품명	규격	재질	수량	구매, 외주, 제작	비고
1	BLDC 모터	DC 24V / 80W	-	1	구매
2	모터 드라이버	DC 24~48V	-	1	구매
3	타이밍 벨트	S8M 폭: 60mm 길이: 1040mm	-	1	구매
4	타이밍 풀리 (아이들러)	S8M / A형	SUS304	4	구매
5	평기어	톱니 수: 23 축 직경: 12파이 B형	S45C	2	구매
6	평기어	톱니 수: 50 축 직경: 12파이 B형	S45C	1	구매
7	리지드형 커플링	축 직경: 12/14파이 외경: 32파이 허용 토크: 8Nm	알루미늄	1	구매
8	스파이럴 베벨 기어	톱니 수: 20 축 직경: 12파이 비틀림방향:R	SCM415	1	구매
9	스파이럴 베벨 기어	톱니 수: 20 축 직경: 12파이 비틀림방향:L	SCM415	1	구매
10	샤프트	축 직경: 12파이 길이: 100mm	탄소강	7	구매	스냅링 홈, 키 홈 가공
11	볼 베어링	양쪽 실드형 외경: 21파이 내경: 12파이 허용 회전 수: 32000rpm	SUJ2	13	구매
12	키	평행키 폭: 4mm 길이: 10mm	S45C	10	구매
13	스냅 링	표준 C형 외륜 고정 직경: 12파이	SUS304	12	구매
14	하우징	상기 도면에 따름	알루미늄	1	외주	가공
15	SMPS	출력 전압: 24V 허용 전력: 240W 허용 전류: 0~20A	-	1	구매
16	메카니컬 씰	축 직경: 12파이	SiC	1	구매
17	NBR 줄오링	직경: 2파이	고무	1	구매
18	실리콘	무초산 실리콘(외장용)	-	1	구매
19	볼트	M3, M5	SUS304	56	구매
20	너트	M5	SUS304	4	구매

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

가. 프로토타입 사진

정면	윗면

견인력 테스트 - 10kg
파일:견인력 테스트 저화질.mp4
파일:요철 통과 2cm 저화질.mp4
요철 통과 - 2cm
파일:요철 통과 4cm 저화질.mp4
요철 통과 - 4cm
파일:요철 통과 6cm 저화질.mp4
요철 통과 - 6cm
파일:요철 통과 8cm 저화질.mp4
요철 통과 - 8cm
파일:연속 동작 테스트 저화질.mp4
방열 테스트 - 연속 30분 동작
파일:방수 테스트 저화질.mp4
방수 테스트 - 수중 5분 연속 동작
파일:속도 테스트 저화질.mp4
속도 테스트 - 2mm/s~100mm/s

1) 견인력 테스트

프로젝트 목표인 10kg 견인을 위하여 견인력 테스트셋을 제작한 후, 10kg 중량판을 메달아 견인시켰다. 또한, Slip 없는 것이 목표였기 때문에, 궤도 모듈 위에 중량 13kg을 추가하여 궤도 모듈의 Slip을 방지하였다.

2) 요철 통과

기존의 프로젝트 목표는 2cm 요철을 통과하는 것이었다. 하지만, 테스트 결과 2cm를 너무 쉽게 통과하는 것을 확인할 수 있었다. 따라서, 궤도 모듈의 한계를 검증하고자 요철의 높이를 높여가면서 테스트를 진행하였다. 테스트 결과 4cm, 6cm, 8cm 요철을 모두 통과하였다. 8cm 이상 요철의 높이를 높일 경우 궤도 모듈에 가해지는 충격이 너무 크다고 판단하여 최대 8cm까지 테스트를 진행하였다.

3) 방열 테스트

방열 테스트의 경우 연속 30분 동작을 목표로 설정하여 테스트를 진행하였다. 내부 방열은 모터와 하우징을 붙이면서 열 전도로 열 배출을 진행하였다. 테스트 결과, 30분 동안 연속으로 동작이 성공적으로 이루어졌으며, 궤도 모듈의 온도 역시 정상 온도였다.

4) 방수 테스트

방수 테스트의 경우 1분 동안 연속으로 수중에서 진행하는 것을 목표로 설정하였다. 완전한 방수는 완전한 방진이기 때문에 방수 테스트와 방진 테스트를 동시에 진행할 수 있다. 방수 테스트 결과, 기존 목표를 초과한 5분 동안 연속으로 동작하였고, 실험 후, 하우징 커버를 제거 후 내부를 확인해본 결과 누수 흔적이 없었다.

5) 속도 테스트

속도 테스트의 경우 2mm/s ~ 70mm/s를 달성하는 것이 목표였다. 최저 속도는 가변 저항을 낮게 조절하면 되기 때문에 이 테스트는 최고 속도를 확인하는 것을 목표로 설정하였다. 줄자를 바닥에 설치하고 1m를 가는 시간을 측정하였다. 측정 결과 100mm/s를 가볍게 돌파하였고, 저항 값을 더 조절한다면, 더 빠른 속도를 낼 수 있다는 결과를 도출하였다.

포스터

내용

개발사업비 내역서

(단위 : 원)
구분	항목		수량	단가	금액		비고
구분	품명	규격	수량	단가	계	현금	비고
직 접 개 발 비	BLDC 모터	DC 24V / 80W	1	151,800	151,800	151,800
	모터 드라이버	DC 24~48V 240W	1	57,700	57,700	57,700
	타이밍 벨트	S8M 폭: 60mm 길이: 1040mm	1	65,197	65,197	65,197
	타이밍 풀리	S8M / A형	4	28,886	115,544	115,544
	평기어	톱니 수: 23 축 직경: 12파이 B형	2	94,450	188,900	188,900
	평기어	톱니 수: 50 축 직경: 12파이 B형	1	118,635	118,635	118,635
	리지드형 커플링	축 직경: 12/14파이 외경: 32파이 허용 토크: 8Nm	1	14,960	14,960	14,960
	스파이럴 베벨 기어	톱니 수: 20 축 직경: 12파이 비틀림 방향: R	1	43,538	43,538	43,538
	스파이럴 베벨 기어	톱니 수: 20 축 직경: 12파이 비틀림 방향: L	1	43,538	43,538	43,538
	샤프트	직경: 12파이 길이: 100mm	7	12,890	90,230	90,230
	볼 베어링	양쪽 실드형 외경: 21파이 내경: 12파이 허용 회전 수: 32000rpm	13	3,036	39,468	39,468
	키	평행키 폭 4mm 길이 10mm	10	1,352	13,520	13,520
	스냅 링	표준 C형 외륜 고정 직경: 12파이	12	850	10,200	10,200
	하우징	상기 도면에 따름	1	545,177	545,177	545,177
	SMPS	출력 전압: 24V 허용 전력: 240W 허용 전류: 0~20A	1	37,570	37,570	37,570
	메카니컬 씰	축 직경: 12파이	1	8,400	8,400	8,400
	NBR 줄오링	직경: 2파이	1	1,110	1,110	1,110
	실리콘	무초산 실리콘(외장용)	1	5,900	5,900	5,900
	볼트	M3, M5	56	212	11,872	11,872
	너트	M5	4	644	2,576	2,576
합 계			120	1,235,845	1,565,835	1,565,835

완료작품의 평가

평가 항목	평가방법	적용기준	개발 목표치	비중 (%)	평가결과
1. 견인력	- 수평 방향 하중을 가하기 위해 물체와 줄로 연결 - 줄과 표면 사이 마찰력을 통제하기 위해 풀리 장치 이용	- 물체를 3초 이상 안정적으로 견인해야 함.	100N 이상 (약 10kg 이상)	25%	10kg
2. 요철	- 모듈의 이동 경로 상에 장애물을 배치 - 모듈이 장애물 위로 지나가도록 조종	- 장애물을 완전히 지나간 후 정상 주행 가능해야 함. - 장애물 통과 시 슬립이 없어야 함.	2cm 이상	25%	8cm
3. 방수/방진	- 수조 안에서 모듈을 공회전 시킴 - 공회전 시키기 위해 받침대 위에 모듈을 위치시킴	- 모듈 가동 후, 구동부 내부 확인 결과 수분이 없어야 함.	5분 이상	25%	5분
4. 방열	- 실온에서 공회전 시킨 후, 동작 시간 측정	- 방열 측정 후, 견인/요철/속도 성능이 유지되어야 함.	30분 이상	15%	30분
5. 주행 속도	- 줄자를 배치하고 영상을 촬영 - 최소, 최대 속도로 이동 거리 측정 후 속도 계산	- 최소 속도는 200mm, 최대 속도는 1000mm 이동 후 평균 속도 계산	최소값 2mm/s 이하 최대값 70mm/s 이상	10%	2~100 mm/s

향후계획

본 프로젝트를 통해 도출된 보완 필요 사항은 구동부 최적화, 주행 성능 개선, 그리고 조립성 향상으로 요약된다. 차기 모델 개발 시 다음과 같은 기술적 보완을 적용한다면 모듈의 완성도가 향상될 것으로 기대된다.

1. 구동 모터 최적화를 통한 경량화 설계

현재 모듈은 개발 단계에서의 안정성을 보수적으로 고려하여 고출력 모터를 선정함에 따라, 시스템의 크기와 중량이 비효율적이라 판단된다. 이를 개선하기 위해 실제 주행 테스트에서 수집된 부하 데이터를 바탕으로 요구 토크와 설계 마진을 재산출하고, 적정 스펙의 모터로 변경하는 것이 효율적일 것으로 사료된다. 이러한 최적화 과정을 통해 모듈의 소형화 및 경량화를 달성하여 전반적인 에너지 효율을 높이는 효과를 얻을 수 있다.

2. 양면 타이밍벨트 도입을 통한 등판능력 및 마찰력 강화

기존 단면 벨트는 접지면이 매끄러운 형상을 띤다. 현재는 자중에 의해 미끄러지는 경우가 없으나 소형화, 경량화를 적용할 경우 험지나 경사로 주행 시 마찰력 부족 현상이 발생할 수 있다. 이에 대한 해결책으로 벨트의 내측과 외측 모두에 치형이나 프로파일이 존재하는 양면 타이밍벨트의 적용을 고려할 수 있다. 외측의 치형은 노면과의 기계적 결합력을 높여 슬립을 방지하는 러그 역할을 구현하고, 내측은 구동 아이들러와의 동기화를 구현하여 주행 안정성을 확보할 수 있을 것으로 보인다.

3. 독립적인 텐셔너 추가

현재의 하우징 위치 이동을 통한 장력 조절 방식은 주행 중 발생하는 충격에 의해 장력이 풀릴 우려가 있어 개선이 필요하다. 향후 설계에서는 독립적인 텐셔너를 추가하는 것이 유지보수 측면에서 유리할 것으로 판단된다. 스프링이 내장된 텐셔너를 적용한다면 주행 중 벨트에 가해지는 충격을 흡수하고 장력을 지속적으로 유지하여 궤도 이탈 방지 및 내구성을 개선하는 효과를 기대할 수 있다.

4. 가스켓 설계를 통한 방수 성능 및 조립성 개선

기존의 고무 오링(O-ring)과 실리콘 실링 방식은 조립 난이도가 높고 균일한 방수 성능을 보장하기 까다로운 측면이 있다. 이를 보완하기 위해 하우징 형상에 맞춤 제작된 다이컷 가스켓이나 성형 가스켓을 도입하는 방안을 고려 중이다. 가스켓 방식은 조립 시 부품 간 정렬이 용이하고 실리콘 도포 공정을 생략할 수 있어 조립 시간을 단축시킴과 동시에 IP 등급 신뢰성을 확보하는 데 기여할 수 있을 것이다.

특허 출원 내용

내용