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지호 신
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1 Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 18, No. 8 pp , ISSN / eissn 박수현, 서경준, 김성관 * 공주대학교기계자동차공학부 Development of wall climbing robot using vacuum adsorption with legged type movement Soo-Hyun Park, Kyeong-Jun Seo, Sung-Gaun Kim * Department of Mechanical&Automotive Engineering, Kongju National University 요약최근전세계적으로고층건물의외벽청소, 대형구조물의벽면검사, 조선에서의벽면용접등다양한용도의벽면이동로봇들이개발되고있다. 기존에개발된벽면이동로봇중바퀴형이동로봇은요철이있는벽면을이동할수없다는단점이있으며보행형이동로봇은복잡한링크구조로인해많은액추에이터가필요로하고, 더불어제어가복잡해지며내구성의문제가발생한다. 또한로봇의무게가무겁다는단점이있다. 본논문에서는이러한단점을극복하기위해간단한구조를가진새로운벽면이동로봇을제시한다. 본논문의벽면이동로봇은단한쌍의축과액추에이터를이용하여고릴라의보행방식을모사하여이동하며, 진공펌프와흡착패드를이용하여벽면에진공흡착한다. 본논문에서개발한로봇의구성요소로는이동을위한 DC모터, 흡착을위한진공펌프, 제어를위한마이크로컨트롤러, 기타동력전달과형체유지를위한축과프레임이있다. 로봇의성능은수직및수평에서실험적으로검증하였다. 본논문에서개발한벽면이동로봇을기반으로다양한장치를탑재한산업현장, 재난재해현장에서다양한기능을수행하는로봇의개발이가능할것이라전망한다. Abstract Wall-climbing robots have been developed for various purposes, such as cleaning skyscraper windows, maintaining large structures, and welding vessels. Conventional wall-climbing robots use movement systems based on wheels or legs. However, wheeled robots suffer from slipping effects, while legged systems require many actuators and control systems for the complex linkage structure, which also increases the weight of the robot. To overcome these disadvantages, we propose a new wall-climbing robot that walks based on gorilla locomotion. The proposed robot consists of a DC drive motor, a vacuum pump for adsorption, and a micro controller for controlling the system. The performance of the robot was experimentally verified on vertical and horizontal flat surfaces. The robot could be used for various functions in industrial sites or disaster areas. Keywords : Gate pattern of gorilla, Legged type, Simplified mechanism, Vacuum adsorption, Wall climbing robot 1. 서론 (legged type) 이있다. 바퀴형이동방식의경우이동속도 가빠르고, 구조가간단하여제어가용이한장점이있다. 벽면이동로봇은고층건물, 원자력발전소, 교각과같 하지만복잡한형상의벽에서는사용이어렵고강한흡 은대형구조물의유지보수, 조선에서의용접과같은다 착시이동에제한이생기는단점이있다. 더불어슬립 양한산업분야를위해개발되고있다 [1]. 효과 (slip effect) 가발생할수있다 [2]. 보행형이동방식 벽면이동로봇의개발은벽면에서의이동과흡착방법 의경우곤충이나도마뱀의보행방식을모사하는것들이 이관건이다. 기존에개발된벽면이동로봇들은이동방 대부분이다. 보행형이동방식을가진로봇들은링크구조 식과부착방식의두가지측면에서살펴볼수있다. 먼 를사용하여벽면이동시장애물을극복가능하다는장 저 이동방식의 경우 바퀴형 (wheeled type), 보행형 점이있다. 하지만로봇의구조및제어가복잡해지며로 * Corresponding Author : Sung-Gaun Kim (Kongju National Univ.) Tel: kimsg@kongju.ac.kr Received July 7, 2017 Accepted August 17, 2017 Revised August 2, 2017 Published August 31,

2 봇의이동속도가느리다는단점이발생한다 [3]. 부착방식의경우에는자석형 (magnetic type), 정전기형 (electrostatic type), 진공흡착형 (vacuum suction type), 생물모방형 (biological inspired type) 이있다. 자석형의경우부착력이우수하지만비자성체의벽은부착할수없다 [4]. 진공흡착형은진공펌프나임펠러를이용하여벽면과의진공을유지하는방법이다. 단위면적에대한흡착력이강하지만상대적으로높은전력이요구되는문제가있다 [5]. 생물모방형의경우벽면에흡착시별도의전원은필요없지만흡착메커니즘을구성하기가어려우며큰흡착력을얻기힘들다는단점이있다 [6]. 이처럼벽면이동로봇은다양한이동방식과부착방식을갖고있으며다양한장단점을지니고있다. 따라서로봇을개발하기에앞서개발할로봇의사용환경을미리알아야하며적절한방식을선택하여야한다. 본연구에서는금속과비자성체의벽에서도등반가능한진공흡착방식과고릴라의모습을모사한보행형이동방식을적용한벽면이동로봇을개발하였다. 일반적인보행형이동방식을채택한로봇의복잡한구조대신간단한구조를통해이동가능한보행형이동방식을채택하였다. 2장에서는로봇의하드웨어및소프트웨어의전반적인구성을소개하고, 3장에서는로봇의이동과흡착에대한메커니즘을소개한다. 마지막으로 4장에서는개발한로봇을통해실험과결과를나타내고자한다. Table 1. Material property of ADC12 Density g/cc Tensile Strength, Yield 165 MPa Shear Strength 199 MPa Hardness, Vickers 96 Table 2. Material property of ABS Young s Modulus 1.80 GPa Tensile Strength 38 MPa Tensile Elongation 17 % Charpy Impact, notched 8 kj/m 2 2. 로봇의구성 2.1 하드웨어개발한벽면이동로봇은 Fig. 1과같이본체부와한 쌍의다리부, 다리이음부로구성되어있다. 로봇의본체부에는이동을위한 DC모터, 흡착을위한진공펌프, 로봇의제어를위한 Arduino 보드, 전력공급을위한배터리등을탑재하였다. 본체부와다리부의프레임은알루미늄합금인 ADC12을사용하여 SS400( 밀도 7.8g/cc) 을사용한 prototype 대비약 30% 의경량화를실현하였다. Fig. 1. Superstructure of the wall climbing robot 본체부와다리부의결합을위해다리이음부를설계하여제작하였다. 다리이음부를고정하는부분은형상의특성상 3D프린트를이용하여제작하였으며, 3D프린터로성형할수있는재료중강도가높고뛰어난 2차가공성을가지고있으며내충격성이우수한재료인 ABS(Acrylonitrile-Butadiene-Styrene) 를사용하였다. 이러한재질을사용함으로서로봇의경량화를가능하게하고높은내구성을갖추게되었다 [7]. Table 3. Resources of Arduino MEGA 2560 MCU Flash Digital PWM ATmega KiB 2pins for vacuum pumps 4pins for micro switches 1pin for DC motor 아래의 Fig. 2 에도시된것과같이본체의하부에는 2 개의진공패드가부착되어있고, 다리부에는각각 1개의진공패드가존재한다. 진공패드와진공펌프의흡입구는호스를피팅 (fitting) 과함께연결하였다. 피팅은진공펌프가공기를흡입할때공기의손실을막기위해사용한다. 또한본체부혹은다리부의상태를진단하기위한마이크로스위치를본체의하부에는 2개를, 다리부에는각각 1개를부착하였다. 345

한국산학기술학회논문지제 18 권제 8 호, 2017 Fig. 2. Substructure of the wall climbing robot 이동한다. 반대로다리부가흡착되어있는상태에서는본체부가앞으로이동한다. 이러한방법으로본체부와다리부가번갈아벽에흡착하며앞으로이동하게된다.

Arduino MEGA 2560 보드는 C언어를기반으로하여각종 actuator를간단하게제어할수있다는장점이있다. 보드의작동전압은 5V이며정격전압은 7~12V이다. 또한다른 MCU (Micro Controller Unit) 에비해저렴하다는장점이있다.

이처럼고릴라가이동하는모습을모사하여보행형이동메커니즘을실현하였다. Fig. 3. The concept of gait pattern[8] Fig. 4에도시된것과같이본체부의 DC모터와축이연결되어있다. DC모터를구동하면연결된축이회전함과동시에다리이음부에동력을전달하여다리부가움직이게된다. 즉, 축의회전운동으로로봇이벽을등반시에본체부가흡착되어있는상태에서는다리부가앞으로 3.

3 한국산학기술학회논문지제 18 권제 8 호, 2017 Fig. 2. Substructure of the wall climbing robot 이동한다. 반대로다리부가흡착되어있는상태에서는본체부가앞으로이동한다. 이러한방법으로본체부와다리부가번갈아벽에흡착하며앞으로이동하게된다. 기존에개발된보행형벽면이동로봇들은링크구조가매우복잡하고많은모터를사용해제어가복잡하며로봇의무게또한많이증가하였다. 하지만본논문의벽면이동로봇은단한쌍의 DC모터와축으로로봇의움직임을구현가능하며제어가간편하며내구성이뛰어나는장점이있다. 2.2 소프트웨어 Arduino MEGA 2560 보드를사용하여로봇의움직임을제어하였다. Arduino MEGA 2560 보드는 C언어를기반으로하여각종 actuator를간단하게제어할수있다는장점이있다. 보드의작동전압은 5V이며정격전압은 7~12V이다. 또한다른 MCU (Micro Controller Unit) 에비해저렴하다는장점이있다. 본로봇에서는 Arduino MEGA 2560 보드를이용하여 3개의진공펌프와 1개의 DC모터, 4개의마이크로스위치를제어하였다. Fig. 4. Mechanism of movement 3. 로봇메커니즘 3.1 이동메커니즘 Fig. 3에도시된것과같이고릴라가이동시발로땅을짚고몸통이앞으로이동하고다시발로땅을짚는일련의과정을알수있다. 이처럼고릴라가이동하는모습을모사하여보행형이동메커니즘을실현하였다. Fig. 3. The concept of gait pattern[8] Fig. 4에도시된것과같이본체부의 DC모터와축이연결되어있다. DC모터를구동하면연결된축이회전함과동시에다리이음부에동력을전달하여다리부가움직이게된다. 즉, 축의회전운동으로로봇이벽을등반시에본체부가흡착되어있는상태에서는다리부가앞으로 3.2 흡착메커니즘본논문에서제시하는로봇의흡착메커니즘은 3개의진공펌프와 4개의진공패드로구성되어있다. 본체부의진공펌프는본체부하부에부착된 2개의진공패드와연결되고다리부의진공펌프는각각 1개의진공패드와연결된다. 벽면에흡착되기위해서진공펌프와진공패드를연결하여진공상태를형성하여야한다. 이때로봇의자중과진공펌프, 진공패드의상관관계를통해벽에서안정적으로흡착이가능하도록계산하여야한다. 벽면을등반하기위해서는로봇의자중에비례한흡착력이필요하다. 사용한진공패드의단면적은 이며, 진공펌프의최대진공도가 이다. 이를통해최대진공흡착력은 임을알수있다. 이때벽면이동로봇은수평이아닌수직으로있으므로안정성을고려하여최대진공흡착력의약 25% 의안전율을적용하였다. 안전율을 25% 적용하여계산하면진공패드 1 개당 의최대진공흡착력을가진다는것을확인할수있다. 로봇이다리부만벽에흡착하였을때, 본체부만벽에흡착하였을때는각 2개의진공패드를사용 346

하므로 의진공흡착력을가지는것을알수있다 [9]. 3.3 로봇의구동앞에서설명한이동메커니즘과흡착메커니즘을바탕으로로봇의전반적인구동을제시한다. 아래에도시된 Fig. 5와 Fig. 6을바탕으로로봇의움직임을알수있다. Fig. 5에는로봇에부착된진공펌프와 DC모터의위치, 진공패드의위치가도시되어있다.

Position of Vacuum pump and Micro switch 앞에서소개한벽면이동로봇의성능을확인하기위해로봇의 prototype을제작하여성능실험을하였다. 로봇의성능실험은 3가지관점에서수행하였다.

초기에로봇을벽면에부착하기위해 3개의진공펌프 (Pump1, 2, 3) 를모두구동하여진공패드와벽면사이의진공을생성해부착한다. DC모터가작동하면다리부가앞으로이동하고다리부의진공펌프 (Pump1, 2) 가구동되어벽면에부착한다.

4 하므로 의진공흡착력을가지는것을알수있다 [9]. 3.3 로봇의구동앞에서설명한이동메커니즘과흡착메커니즘을바탕으로로봇의전반적인구동을제시한다. 아래에도시된 Fig. 5와 Fig. 6을바탕으로로봇의움직임을알수있다. Fig. 5에는로봇에부착된진공펌프와 DC모터의위치, 진공패드의위치가도시되어있다. Fig. 6. Flow chart of the robot drive 4. 실험 Fig. 5. Position of Vacuum pump and Micro switch 앞에서소개한벽면이동로봇의성능을확인하기위해로봇의 prototype을제작하여성능실험을하였다. 로봇의성능실험은 3가지관점에서수행하였다. 첫째로로봇의실제환경실험을실시하였다. 유리와같은비자성체벽면과화이트보드와같은미끄러운재질의벽에서주행실험을실시하였다. Fig. 7은실제벽면에서의등반실험을실시한모습이다. Fig. 6에는로봇구동의 flowchart가나타나있다. 초기에로봇을벽면에부착하기위해 3개의진공펌프 (Pump1, 2, 3) 를모두구동하여진공패드와벽면사이의진공을생성해부착한다. DC모터가작동하면다리부가앞으로이동하고다리부의진공펌프 (Pump1, 2) 가구동되어벽면에부착한다. DC모터가다시작동하면본체부가앞으로이동하고본체부의진공펌프 (Pump3) 가구동되어벽면에부착한다. 이와같은방법으로 3개의진공펌프와 DC모터를통해이동및흡착을하여로봇이벽면을등반하게된다. 이러한일련의과정을계속해서반복한다. Fig. 7. Wall climbing experiment 유리창과같은비자성체벽면과화이트보드와같은매끄러운재질의벽면에서로봇의주행실험을한결과모두동작가능하며환경변화에의한성능저하는발생 347

5 한국산학기술학회논문지제 18 권제 8 호, 2017 되지않았다. 또한수직에서의주행이가능할뿐아니라천장과같이지면과평행한환경에서도주행이가능하였다. 다음으로는로봇의부착력성능평가를수행하였다. 이를위하여수직벽면에로봇을부착시킨후이때의상태에서견딜수있는최대하중을측정하였다. 로봇무게중심에부하하중을 0.2kg씩증가시켜실험한결과 10kg 의하중을추가하여도로봇이버틸수있었고, 10.2kg 이상을부하하였을때부착력이불안정한모습을보였다. 로봇의자중이 5.8kg이므로총 15.8kg의이르는무게를지탱할수있음을확인하였다. 마지막으로로봇의주행속도를측정하였다. 이때는로봇이갖는순수한주행속도를확인하기위하여외부하중을제외하고측정하였다. 측정결과로봇의주행속도는 0.09m/s로확인하였다 [10]. Fig. 8은벽면이동로봇이움직일때 3개의진공펌프와 1개의 DC모터의전압을시간에따라그래프로나타낸것이다. 전압은 Arduino 보드와호환되는전압센서를이용해측정하였다. 사용한전압센서의측정범위는 DC 0~25V이다. 그래프를보게되면 STEP A~E까지나타나있고, 각각의단계에서구동되는진공펌프와 DC모터를알수있다. 이때그래프에도시된 Pump1, Pump2는다리부의진공펌프를의미하고 Pump3은본체부의진공펌프를의미한다. STEP A에서는로봇의본체부와다리부가모두붙어있는상태로 3개의진공펌프가모두작동하 는것을확인할수있다. STEP B에서는본체부가붙어있고다리부가전진하는과정으로본체부의흡입펌프와 DC모터가구동됨을확인할수있다. STEP C에서는본체부와다리부가모두벽면에붙어있는상태이고 STEP D에서는 STEP B와반대로다리부가붙어있고본체부가전진하는과정이다. STEP E는본체부와다리부가모두붙어있는상태이다. STEP E에서다시 STEP B로돌아가게되고이러한과정이반복됨으로로봇이벽면을이동하게된다. 전압센서를통해전압을측정한결과진공펌프의경우최소 10.57V, 최대 11.4V로측정되었다. DC모터의경우최소 11.67V, 최대 11.72V로측정되었다. 즉, 진공펌프와 DC모터의전압의변동이작고안정적인것을확인할수있다. 이처럼전압이안정적으로출력됨으로전류또한일정하게흐르며로봇의진공펌프가진공발생시일정한진공도를발생시켜안정적인부착과구동이가능하다는것을확인하였다. 5. 결론기존벽면이동로봇들의문제점은복잡한메커니즘과제어의어려움이다. 본논문에서제시한로봇은하나의 DC모터와단일축을이용해보행형메커니즘을구사하고, 진공펌프와진공패드를이용해흡착형메커니즘을 Fig. 8. Each actuator's Time-Voltage graph 348

실현하였다. 다른벽면이동로봇들에비해부피가작고가벼운장점이있다. 본논문에서소개한방법을기반으로산업현장이나재난재해현장등여러환경에서다양한목적을수행할수있는벽면이동로봇으로의개발이가능할것이라전망한다. Re

박수현 (Soo-Hyun Park) [ 정회원 ] 2017 년 2 월 : 공주대학교기계자동차공학부 ( 공학사 ) [1] D. Schmidt, K.

DOI: https://doi.org/10.1016/j.robot.2013.09.002 [2] M. Ta

6 실현하였다. 다른벽면이동로봇들에비해부피가작고가벼운장점이있다. 본논문에서소개한방법을기반으로산업현장이나재난재해현장등여러환경에서다양한목적을수행할수있는벽면이동로봇으로의개발이가능할것이라전망한다. References [10] I. M. Koo, Y. K. Song, H. P. Moon, S. K. Park, H. R. Choi, Design and Control of Wall Climbing Robot Using Impeller, Journal of Korea Robotics Society, vol. 5, no. 3, pp , 박수현 (Soo-Hyun Park) [ 정회원 ] 2017 년 2 월 : 공주대학교기계자동차공학부 ( 공학사 ) [1] D. Schmidt, K. Berns, Climbing robots for maintenance and inspections of vertical structures A survey of design aspects and technologies, Robotics and Autonomous Systems, vol. 61, pp , Sept DOI: [2] M. Tavakoli, L. Marques, A. T. de Almeida, OmniClimber : an omnidirectional light weight climbing robot with flexibility to adapt to non-flat surfaces, International Conference on Intelligent Robots and Systems, pp , Dec DOI: [3] G. Peters, D. Pagano, D. K. Liu, K. Waldron, A prototype climbing robot for inspection of complex ferrous structures, Proceeding of the 13th International Conference. on Climbing and Walking Robots, pp , DOI: [4] D. Souto, A. Faina, A. Deibe, F. Lopez-Pena, R. J. Duro, A robot for the unsupervised grit-blasting of ship hulls, International Journal of Advanced Robotic Systems, vol. 9, no. 3, pp. 1-16, Jan DOI: [5] Y. K. Song, C. M. Lee, I. M. Koo, D. T. Tran, H. Moon, H. R. Choi, Development of wall climbing robotic system for inspection purpose, Proceeding of the International Conference. on Intelligent Robots and Systems, pp , Sept [6] S. Kim, M. Spenko, S. Trujillo, B. Heyneman, V. Mattoli, M. R. Cutkosky, Whole body adhesion: hierarchical, directional and distributed control of adhesiveforces for a climbing robot, Proc. of the International Conference. on Robotics and Automation, pp , April DOI: [7] S. H. Park, K. J. Seo, J. R. Choi, D. H. Kwon, J. H. Bang, S. G. Kim, Development of the wall climbing robot using New Mechanism, KSPE 2016 Autumn conference, pp , Oct [8] T. H. Kang, J. J. Park, H. S. Kim, H. R. Choi, Self Contained wall-climbing Robot with Closed Link Mechanism, International conference on Control, Automation and Systems, pp , Oct [9] Y. S. Do, Y. J. Jeong, Implementation of a window climbing robot using vacuum adsorption with sliding movement, Journal of Advanced Information Technology and Convergence, vol. 9, no. 6, pp. 1-10, Jun < 관심분야 > 메카트로닉스, 로보틱스 서경준 (Kyeong-jun Seo) [ 준회원 ] < 관심분야 > 메카트로닉스, 로보틱스, 기계설계 2017 년 2 월 : 공주대학교기계자동차공학부 ( 공학사 ) 2017 년 3 월 현재 : 공주대대학원기계공학석사과정 김성관 (Sung-Gaun Kim) [ 정회원 ] 1992 년 8 월 : KAIST 기계공학 ( 공학사 ) 1995 년 8 월 : KAIST 기계공학 ( 공학석사 ) 2003 년 2 월 : GIST 기전공학 ( 공학박사 ) 2005 년 3 월 ~ 현재 : 공주대학교기계공학과교수 < 관심분야 > 지능형제어시스템, 메카트로닉스, 로보틱스, 분자동역학 349

THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. vol. 29, no. 10, Oct ,,. 0.5 %.., cm mm FR4 (ε r =4.4)

THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. 2018 Oct.; 29(10), 799 804. http://dx.doi.org/10.5515/kjkiees.2018.29.10.799 ISSN 1226-3133 (Print) ISSN 2288-226X (Online) Method