1조

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 가까이 다가가는 서빙로봇, '로보네쁘띠'

영문 : Close to everyone, 'Robonappetit'

과제 팀명

시립대 핫 가이들..

지도교수

성민영 교수님

개발기간

2020년 8월 ~ 2020년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 기계정보공학과 20144300** 서**(팀장)

서울시립대학교 기계정보공학과 20144300** 김**

서울시립대학교 기계정보공학과 20144300** 박**

서울시립대학교 기계정보공학과 20144300** 안**

서울시립대학교 기계정보공학과 20134300** 윤**

서론

개발 과제의 개요

2020년 4월 기준 국내 자영업자 중 80%가 1인 자영업자라는 통계가 있었고 그 원인으로 해마다 증가하는 최저임금 문제가 존재한다. 특히 올해는 코로나19의 영향으로 직원을 둔 소상공인 가운데 약 70%가 휴직이나 해고를 통해 인건비를 줄였다. 코로나19 사태가 지속될 경우 직원을 더 내보내겠다는 반응 또한 80%에 달했다. 따라서 우리는 무인 서빙 로봇을 제작하여 자영업자들의 인건비 문제를 해소하고자 한다. 사실 배달의 민족으로 유명한 ‘(주) 우아한 형제들’이 이미 무인 서빙 로봇 ‘딜리’에 대한 렌탈 서비스를 제공 중이다. 하지만 해당 서비스는 자영업자들에게 한 달 기준 약 120만원의 고정 지출을 요구하고 있다. 이는 직원 한 명 월급보다 작긴 하지만 자영업자들이 겪고 있는 문제를 영구적으로 해결할 수 없다. 또한 기존의 무인 서빙 로봇은 음식을 고객의 테이블 앞까지 옮겨주는 기능만 수행하여 고객들이 직접 음식을 옮겨야 하는 번거로움이 있다. 본 설계에서는 이 문제들을 해결하고자 무인 서빙 로봇의 생산 단가를 낮추고 음식을 직접 테이블에 내려주는 메커니즘을 포함하여 가격 및 기능적 차별성을 둘 것이다. 카페, 음식점 등 다양한 업체에서 사용할 수 있도록 음식의 허용 하중을 최대한 높이고 가격 차별성을 극대화하기 위해 값싼 모터를 사용할 것이다. 또한 자영업자들이 로봇에 대해 미숙할 것을 대비하여 자율 주행 기능을 포함시킬 것이다.

개발 과제 요약

서빙 액션을 포함하는 서빙 로봇을 제작한다.

개발 과제의 배경 및 효과

해마다 증가하는 최저임금으로 인해서 고용주들이 인건비에 대한 압박이 늘어나고 있다. 2020년 기준 아르바이트생 한명을 고용하는데 한 달에 약 160만원이 예상된다. 현재 무인 서빙 로봇은 ‘배달의 민족’에서 인건비보다 저렴하게 한 달 기준 약 120만원으로 대여 서비스를 제공하고 있다. 하지만 이 로봇은 음식을 직접 테이블에 내려주는 메커니즘을 구현하고 있지 않는다는 단점이 있다. 본 설계를 통해서 약 130만원에 로봇을 제작하고 직접 테이블에 내려주는 메커니즘을 구현해서 ‘배달의 민족’에서 개발한 로봇과 가격 및 기능적 차별성을 둘 것이다. 또한, 저렴한 로봇의 보급으로 고용주들의 인건비 압박을 해결할 수 있을 것으로 예상된다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

1. 테이블에 직접 음식을 올려 완벽한 의미의 서빙이 가능하다. 기존 무인 서빙 로봇들이 단순히 음식을 주방에서 고객 테이블 앞까지 이동시키는 데에 그치는 반면, ‘로보네쁘띠’는 음식을 고객의 테이블 위에 올려준다는 점에서 완벽한 의미의 ‘서빙 로봇’이다. 음식이 실린 선반을 4 bar 동작으로 테이블 위에 정확하게 서빙할 수 있다. 서빙 후 고객이 직접 음식을 식탁으로 나르는 번거로움을 줄임으로써 서빙 로봇의 강점인 편리함을 극대화한다. 이는 고객이 음식을 이동하는 과정에서 발생할 수 있는 위험(음식 엎어짐, 화상 등)을 줄이고, 앉았다 일어나는데 불편을 겪는 고객이나 어린이 고객 등 다양한 고객층에게 안전과 편리성을 보장할 수 있다.

2. 음식 무게에 관계없이 원하는 속도로 서빙할 수 있다. 4 bar 구동 모터, 주행 모터를 피드백 제어를 통해 일정한 속도를 유지하게 한다. 음식점에서 서빙할 음식의 무게는 천차만별인데 서빙 로봇은 어떠한 무게에도 원하는 속도에 맞춰 서빙할 수 있어야 한다. 이를 위해 각 모터에 대한 적합한 PID 제어 상수를 찾아서 모터 동작을 제어한다.

3. 자율주행 기능을 첨가하여 로봇 조작에 대한 수고로움을 덜 수 있다. 서빙 로봇이 일반 주행, 서빙 동작을 수행할 때마다 조작을 해야 한다면 로봇에 친숙하지 않은 사람은 사용하기 불편할 수 있다. 서빙 로봇을 사용하기 전에 공간을 인식하게 하여 맵 설정만 해 놓으면 이후에 어떠한 조작을 하지 않아도 알아서 동작하게 할 수 있다. 최초 설치 작업 및 추후 점검은 엔지니어가 맡아서 한다면 추가적인 일자리 개선도 가능할 것으로 보인다.

4. 온라인을 통한 주문 접수 및 확인으로 인건비 경감 및 언택트 성격을 최대화 할 수 있다. 음식을 만드는 관리자와 고객의 커뮤니케이션은 자체적으로 구축한 서버를 통해 로봇을 동작하게 할 것이다. 고객이 주문한 데이터는 서버에 저장되고 로봇이 Wi-fi를 통해 서버와 통신을 하여 IoT를 구현할 수 있다. 관리자와 고객은 스마트 기기를 통해 웹 페이지나 어플을 사용하여 서빙 로봇을 구현할 수 있고 주문 데이터가 DB에 쌓여 관리자는 필요에 따라 유의미한 데이터를 추출할 수 있다.

경제적 및 사회적 파급효과

무인 서빙 로봇은 음식점 창업을 꿈꾸는 소자본 창업 꿈나무들이 보다 수월하게 꿈을 실현하고, 안정적으로 운영을 지속할 수 있도록 한다. 무인 서빙 로봇의 생산 단가를 낮추어 음식점 창업주들에게 기존 무인 서빙 로봇보다 저렴한 가격으로 공급함으로써, 창업 자금 부담을 줄여 창업 진입장벽을 낮출 수 있다. 무인 서빙 로봇의 대여 서비스는 약 월 100만원을 요구하고 있다. 2020년 최저임금을 기준으로 직원 한 명의 월급은 약 160만원인데 대여 서비스는 약 50%의 인건비 경감 효과를 나타낸다. 하지만 본 설계의 서빙 로봇은 판매 가격이 120~150만원일 정도로 자영업자들의 경제성을 확보할 수 있다. 나아가 창업 후 매장 운영에 있어 인력 관리에 대한 스트레스와 인건비를 감소시켜 요식업계 자영업자들의 지속가능한 운영을 도울 수 있다. 음식점 창업뿐만 아니라 로봇 유지 관리 엔지니어에 대한 필요성으로 추가적인 일자리 창출도 기대할 수 있다. ‘로보네쁘띠’는 서빙 로봇으로서의 역할은 충분히 수행할 수 있으나, 결제시스템과의 연계가 이루어진다면 사업주와 소비자 모두의 편리성을 극대화할 수 있다. 결제시스템을 함께 구축할 수 있다면 사업주는 결제 과정 없이 음식 제조에만 집중할 수 있으며, 고객은 앉은 자리에서 주문부터 식사, 결제까지 모두 간편하게 해결할 수 있다. 결제시스템을 탑재할 경우 거동이 불편한 고객들의 식당 이용에도 도움을 줄 수 있다. 그리고 음식점 내에 거리두기가 가능해지면서 코로나 시대에 맞게 언택트를 살릴 수 있을 것이다. 다만 아직 서빙 로봇은 대중에게 익숙지 않아 부정적 인식이 있을 수 있다. 서빙 로봇에 대한 생경함을 해소하는 데에는 많은 시간과 노력이 필요하다. ‘로보네쁘띠’는 기존 서빙 로봇에 비해 저렴한 가격으로, 서빙 로봇의 보편화를 가능케 함으로써 로봇 서빙에 대한 인식 개선에 일부 기여할 것으로 예상한다.

구성원 및 추진체계

설계

설계사양

개념설계안

경제성과 유지보수성, 성능을 중점으로 두고, 부가적인 항목을 포괄하여 고려한 결과 서빙 구현부에 모터를 1개만 사용하는 1M 설계안이 채택되었다. 1M 설계안은 4-Bar Linkage를 활용하는 설계안이다.

구체적인 구동방식은 아래와 같다.
1. 식탁에 접근하여 적정한 거리를 두고 멈춘다.

2. 식탁을 향해 4-Bar를 내리고, 식탁에 닿은 후에도 2층 쟁반과 링크의 상단부가 서로 간섭하지 않을 정도로 높이를 낮춘다.

3. 그대로 뒤로 주행한 뒤에 안전한 거리가 되면 링크를 다시 일으켜 세운다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

서빙용 BLDC모터의 이론적 토크값, 주행용 DC모터의 이론상 요구 스펙, 주행 바퀴에 대한 구조 분석을 하였다.

◇ BLDC모터

4-bar Linkage의 자유물체도는 다음과 같이 도시된다.

링크 자체의 하중에 의해 F1과 F3, 선반, 음식의 하중에 의해 F2가 발생된다. (각 링크는 알루미늄 재질로 가정, 긴 링크는 8T, 짧은 링크는 5T로 가정한다.) 각 힘들은 링크의 무게중심에 작용하게 되고 기준점에서의 모멘트 Mo는 다음과 같다.

링크의 자중에 의한 힘 F1=F3=6.53N, 음식과 선반무게에 의한 힘 F2=9.76N으로 가정하면, 의 범위에서 모멘트 그래프를 그려 최대 모멘트 값을 찾을 수 있다.

0°일 때 100kgf・cm의 모멘트가 작용한다. 이에 따라 이론적으로 100kgf・cm이상의 스펙을 갖는 모터를 선정해야한다.

◇ DC모터

주행을 수행하는 모터는 2개이고 전체적인 무게를 고려하면 모터 하나당 20kgf・cm의 정격 토크가 필요하다.(전체 무게 16kg으로 가정시 모터 하나당 4kg을 버텨야하고, 직경을 100mm로 가정하여 계산한 값이다.) 로봇의 주행속도를 20cm/s로 설정하면 38rpm정도의 스펙의 모터가 요구된다.(위와 같이 바퀴 직경 100mm 가정)

◇ 바퀴 구조 분석

위의 조건을 바탕으로 일반적인 바퀴형상을 만들어 CATIA로 GSA를 실시한 결과는 아래와 같다.

중력가속도는 10m/s2로 하여 바퀴에 40N의 힘을 가하는 것으로 설정했다. 시중의 직경 100mm정도의 바퀴들은 재질이 알루미늄이기에 알루미늄의 항복 응력 276MPa에 비해 현저히 낮은 값이므로 바퀴가 로봇의 무게를 충분히 지탱할 것이다.

◇ Shaft 구조/진동 해석

모터에서 동력을 링크로 전달해주는 Shaft에서 원하는 Deflection 및 진동을 견뎌주는지 해석이 필요하다. 기존의 설계에서 Shaft는 다음의 그림과 같이, 양 끝에 베어링 홀더로 고정되었고 중간에서 모터에 의해 토크를 가해주는 형태이다.

이 형태에서 모터가 구동될 때 Shaft의 Deflection이 커져서 기어의 날이 빠지는 현상이 발생되었다.

이 Deflection을 최소화하기 위해서 Shaft에 베어링 홀더를 추가하는 것을 생각했고, Ansys를 통해서 시뮬레이션 했다.

위와 같이 모터에 의해 가해지는 힘, 링크의 무게에 의해 가해지는 힘을 설정했고, 베어링 홀더는 구속 조건을 설정했다. 링크의 무게는 약 500g이고, 모터에서 가해지는 힘을 구하는 방법은 다음과 같다.

FLink=(0.5*9.81)N≈5N
BLDC 모터의 최대 토크=160kgfcm=1600Ncm
BLDC 모터의 구동 duty cycle=30/255≈0.117
BLDC 모터의 구동 토크=0.117×1600Ncm=188.2Ncm

Shaft의 압력각이 20°, 기어의 직경이 48mm, Shaft의 직경이 10mm인 것을 고려해서 Shaft에 가해지는 힘을 구하면 다음과 같다.

베어링 홀더를 추가한 후 Ansys로 Deflection을 시뮬레이션 한 결과는 다음과 같다.

조립도

◇ 전체 조립도

전체 사이즈 : 약 604x408x1477 (mm)
예상 중량 : 15kg
앵글과 앵글 사이는 M5혹은 M6로 체결

◇ 구동부

파일:캡처32.JPG

조립순서

1. 6과 14를 결합한 뒤 3에 결합한다.(한쪽만) 2. 15와 7을 결합한 뒤 3에 결합한다.(양쪽 다) 3. 20과 11을 각 위치에 끼운다. 이때 20을 조립할 때 15와 15 사이에18을 반드시 결합하고, 14와 결합하기 전에 19와 8을 조립하는 것을 잊지 않는다 4. 20과 14와 11과 14를 결합할 때 양 끝의 간격은 10mm로 조립한다. 5. 14의 무두 볼트로 20과 11을 고정한 뒤 6과 14를 조립하여 나머지 한쪽 끝에 끼우고 14의 무두볼트를 조인 뒤 19와 9를 조립하고 3에 결합한다. 6. 모두 결합한 뒤에는 각 연결부에 에폭시와 같은 열경화성수지를 사용하여 확실하게 접착한다.

◇ 중반부

◇ 하단부

28은 27의 선과 연결한 상태로 선이 과도하게 꺾이지 않는 위치에 설치한다. 또, 28과 1, 24와 3은 단자를 그대로 결합하면 누전의 가능성이 아주 크기 때문에 결합할 때 절연처리를 반드시 한다.

◇ 2층 쟁반

부품도

크게 자재 구입 후 제작품과 외주품으로 나눴다.

◇ 제작품

◇ 외주품

제어부 및 회로설계

내용

소프트웨어 설계

내용

자재소요서

내용

결과 및 평가

완료작품 소개

프로토타입 사진

내용

포스터

내용

특허출원번호 통지서

내용

개발사업비 내역서

내용

완료 작품의 평가

내용

향후평가

내용

부록

참고문헌 및 참고사이트

내용

소프트웨어 프로그램 소스

내용

위키페이지 작성을 위한 문법 가이드

표

표는 위키 문법에 맞추어 작성할 수 있습니다. Mediawiki table generator를 이용하면 손쉽게 표를 작성하여 위키 문법으로 export할 수 있습니다. 아래는 Mediawiki table generator를 이용하여 작성한 표의 예시입니다. 위 웹페이지에서는 직접 CSV파일을 가져와서 바로 표를 만들 수도 있습니다. 직접 표를 문법에 맞추어 편집하고자 하시는 분들은 wiki 표 문법을 참조하면 도움이 됩니다.

구분	실험 1	실험 2	실험 3	실험 4
결과 1	1.1	2.1	3.1	4.1
결과 2	1.2	2.3	4.5	6.4
결과 3	5.1	5.4	2.7	8.5

수식

원래 위키백과에서는 math 태그를 이용하여 바로 수식을 작성할 수 있지만 capstone wiki에서 그 기능은 지원되지 않는것으로 확인됩니다. 따라서 수식을 올리기 위해서는 수식을 사진으로 변환한 후 올려야 합니다. LATEX 수식 생성기 를 이용하면 tex 문법을 이용하여 수식을 작성하여 파일로 저장할 수 있습니다.

svm object function

위 수식은 support vector machine의 비용 함수를 표현한 예시입니다. tex 문법은 tex 수식 문법 에서 확인할 수 있습니다.

사진

사진은 "도구-파일 올리기" 탭에서 파일을 올린 후 아래와 같이 올릴 수 있습니다. 파일명은 파일 올리기에서 정한 "파일의 새 이름"을 사용하면 됩니다.

Mnist 데이터 예제입니다.

코드

코드는 syntaxhighlight 기능을 이용하여 아래와 같이 표현할 수 있습니다.

#include <iostream>
int main ( int argc,  char **argv ) {
    std::cout << "Hello World!";
    return 0;
}

이에 대한 자세한 내용은 Mediawiki syntaxhighlight를 참고하면 도움이 됩니다.

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