3조-노브레인
MIE capstone
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.
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.
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
관련 기술의 현황
관련 기술의 현황 및 분석(State of art)
- 전 세계적인 기술현황
- 1) 모듈식 독립 구동 궤도 유닛
- Eddyfi Technologies의 모듈식 궤도 유닛은 모터, 감속기, 스포로켓, 트랙, 텐셔너, 씰링 구조까지 하나의 하우징에 집적된 형태로, 외부 장치 없어도 독립적으로 구동이 가능하다. 이러한 독립 트랙 모듈은 필요 시 다양한 로봇 플랫폼에 쉽게 결합할 수 있어 범용성이 높으며, 실제로 Eddyfi Inuktun은 카메라나 센서에 결합 가능하도록 개발이 가능하다. 이는 설계 및 유지 보수의 표준화와 호환성을 제공하여, 향후 파이프나 덕트 환경에서 활용 가능성이 크다.
- 2) 유연 궤도 모듈
- 트랙 구조의 직선 구조이기 때문에 곡률이 큰 관이나 덕트에서는 접지력 손실과 구동 불안정 문제가 발생한다. 이를 해결하기 위해 트랙을 작게 여러 조각으로 세그먼트 하여 굽힘이 가능한 트랙 모듈이 연구되었다. CObRaSO와 COCrlP는 곡률을 위해 트랙 전체가 구부러지거나, 옴니휠처럼 전 방향 이동까지 가능하도록 설계되었다.
- 3) 오염 방지 및 텐셔닝 기술
- 트랙 모듈의 신뢰성은 장력 유지 기술에서 결정된다. 일반적으로 모터부터 감속기, 스프로켓의 과정을 거쳐 동력이 전달되는데, 이때 트랙 이탈을 방지하기 위한 텐셔닝 장치와 오염 유입을 막는 씰링 기술이 필수적이다. DLR 연구팀은 전동기, 풀리 텐셔너를 집적한 모듈을 제작하여 텐션 조절과 씰 교체가 용이한 구조를 확보했다.
- 특허조사 및 특허 전략 분석
- 1) 특허 조사
- 2) 특허 전략
- 기술 로드맵
내용
시장상황에 대한 분석
- 경쟁제품 조사 비교
(표 넣기)
- JettyRobot6
- 400N의 견인력과 드라이아이스 분사 기능, 브러시 모듈을 갖춘 클리닝 전문 로봇이다. 수평•수직 관내를 이동하며 세척이 가능하다는 장점이 있다. 그러나 최소 적용 관경이 200mm로 크고, 본체 방수 등급이 명시되지 않아 완전 침수 환경에는 부적합하다. 또한 궤도 모듈 1개 당 가격이 1700만원으로 제품 가격이 비싸다는 단점이 있다.
- Inuktun Versatrax
- 모듈형 설계가 핵심으로, 부품을 교체해 검사, NDT, 이물질 제거 등 다양한 임무에 투입 가능하다. 100mm 소구경까지 적용할 수 있는 높은 범용성이 장점이나 맞춤형 구성에 따른 높은 가격과 시스템의 복잡성이라는 단점이 존재한다.
- 마케팅 전략 제시
- 현재 국내 상수도 관로는 약 11만 km 이상이 약 40년 이상된 노후화된 관으로, 해당 구간에서 녹, 슬러지, 기름 퇴적에 따른 수질 저하 및 유지보수 비용 증가 문제가 대두되고 있다. 전면적인 관 교체는 막대한 사회간접자본 투자가 필요하며, 작업자 투입 시 안전사고 위험이 높다. 또한 이에 측정된 정부 예산이 약 11조로 책정된 만큼, 사업 확장 가능성 및 그 규모와 시장도 매우 큰 상황이다.
- <SWOT> 전략
- <Strength>
- 1. 가격 경쟁력: 기존 제품의 경우 로봇의 궤도 모듈 1개당 약 1700만원의 가격을 가지지만, 현재 개발 예정인 궤도의 경우 최대 200만원의 가격을 보여주어, 기존 대비 약 89% 저렴한 가격으로 구현이 가능하다.
- 2. 성능 및 목표의 명확성: 100N의 수평 견인력을 가지며, 약 2cm의 장애물을 넘을 수 있으며, 곡관/직관을 통과할 수 있어야 한다. 또한, IP 68 등급의 방수 및 방진을 이루어 내야 한다.
- 3. 모듈화 및 정비성: 모듈화된 설계를 통해 정비성을 높인다.
- <Weakness>
- 1. 제작 난이도: 내부의 동력 전달 방식의 구현과 여러 단계의 프로토타입 제작 및 개선 과정을 반복하면서 구동력, 방수, 방진, 방열 성능을 검증해야 한다.
- 2. 성능의 구현 가능성: 불확실한 배관에서 장애물, 직/곡관 주행 및 100N의 견인력을 구현하는데 한계가 존재할 것이다.
- <Opportunity>
- 1. 국산화: 현재 스웨덴에서 수입하는 로봇을 국산 부품들 로만 제작을 진행하여 완전한 배관 로봇의 국산화를 이뤄낸다.
- 2. 다양한 산업의 확장성: 기존의 배관 산업에서 뿐만이 아닌, 소형화된 궤도를 제작하여 상수도 등 다양한 분야로 확장을 시켜 나갈 수 있다.
- <Threat>
- 1. 인증 등급 만족: IP 68 등급의 인증 및 실증의 요구 난이도가 매우 높다.
- 2. 부품 수급 리스크: 부품 배송 시간 및 추석 연휴를 고려하여 개발 일정 조절이 어렵고, 그에 따른 부품 수급도 어렵다.
개발과제의 기대효과
기술적 기대효과
- 청소 로봇 외 분야의 로봇으로의 발전
- 덕트나 배관 청소에 국한되지 않고 다양한 산업 분야로 확장이 가능하다. 전쟁이나 재난 분야 등에서 궤도 모듈은 매우 중요하다. 궤도형 주행과 방수, 방진 기술을 활용해 군사 시설 정찰이나 제염, 지뢰 탐지 등의 로봇으로 응용할 수 있으며, 고열, 고분진 환경 대응 능력을 바탕으로 화재 진압 및 소방 지원 로봇으로도 발전할 수 있다.
경제적, 사회적 기대 및 파급효과
- 제작 비용 절감
- 기존 장비와 비교하여 비용면에서 대폭 절감이 가능하다. 기존 궤도 모듈의 경우, 1개 당 1,700만 원의 가격을 갖고 있지만, 본 프로젝트의 모듈의 경우 200만원 이하의 가격을 통해 모듈을 제작할 수 있다. 이는 약 88%의 비용을 절감하는 효과를 가지며, 청소 로봇에 총 6개의 궤도 모듈이 장착되기 때문에, 약 9,000만원의 비용을 절감할 것으로 예상된다.
- 노후화 기반 시설 수리 용이성 향상
- 우리나라의 노후화된 상수도 파이프의 길이는 110,000km에 달한다. 이 상수도를 정비하기 위해 직접 땅을 파고, 도로 시설을 통제하기 때문에 일반 통행자의 불편함이 예상된다. 하지만, 궤도 모듈을 개발하여 청소 로봇에 적용한다면, 기존 시설의 통제 등으로 인한 불편함 없이 로봇을 작동시킴으로써 환경 변화없이 해결할 수 있다. 또한, 상수도 관리에 편성된 예산 11조를 낭비되지 않도록 활용할 수 있도록 대안을 제시한다.
- 위험 환경에 대한 접근성 향상
- 발전소나 식당의 경우 공조 설비 덕트가 반드시 존재한다. 이러한 환경에서 덕트 안에는 먼지나 이물질이 3~40cm 쌓여 있는 경우가 많고, 이 물질들로 인해 화재 등의 위험이 발생할 수 있다. 예를 들어, 발대전 발전소에서 화재로 인해 군 본부가 있는 계룡대가 일시적으로 다운된 경우가 있다. 이 때문에, 덕트의 청소는 필수적이고, 궤도 모듈을 사용한 로봇을 이용하면 사람이 직접 들어갈 필요없이 안전하게 청소를 할 수 있다. 특히, 사람이 들어갈 수 없는 크기의 덕트 또한 접근이 가능하다. 최소 350mm의 덕트부터 최대 1,350mm까지의 덕트까지 주행이 가능할 것이다.
기술개발 일정 및 추진체계
개발 일정
내용
구성원 및 추진체계
내용
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. |
| 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. |
| 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. |
| 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. |
| 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 |
이론적 계산 및 시뮬레이션
내용
상세설계 내용
내용
결과 및 평가
완료 작품의 소개
프로토타입 사진 혹은 작동 장면
내용
포스터
내용
관련사업비 내역서
내용
완료작품의 평가
내용
향후계획
내용
특허 출원 내용
내용
