3조-백슉먹자했자나

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.

파일:사진1.jpeg

XX그림

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>

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>

파일:백숙먹자했잔아 maxon로봇.png

600픽셀

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

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

각종 임베디드 시스템에 사용할 수 있는 라즈베리 파이

시초는 라즈베리 파이 재단이 기초 컴퓨터 교육을 증진하기 위해 개발한 초소형 컴퓨터이다.

3) SPRAY DEVICE

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

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

파일:백숙먹자했잔아 기술로드맵.png

600픽셀

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.

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.

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.

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

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

개발 일정

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.

[[파일:백숙먹자햇자나_회의록.png|650픽셀|섬네일|가운데|회의록 모음본]

설계

설계사양

제품의 요구사항

내용

설계 사양

내용

개념설계안

내용

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

상세설계 내용

내용

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

내용

포스터

내용

완료작품의 평가

내용

향후계획

내용

특허 출원 내용

내용