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1 임펠러를 이용한 벽면이동로봇의 설계 및 제어 177 임펠러를 이용한 벽면이동로봇의 설계 및 제어 Design and Control of Wall Climbing Robot Using Impeller 구 익 모 1, 송 영 국 2, 문 형 필 3, 박 선 규 4, 최 혁 렬 Ig Mo Koo 1, Young Kouk Song 2, Hyungpil Moon 3, Sun Kyu Park 4, Hyouk Ryeol Choi Abstract In this paper, a wall climbing robot, called LAVAR, is developed, which is using an impeller for adhering. The adhesion mechanism of the robot consists of an impeller and two-layered suction seals which provide sufficient adhesion force for the robot body on the non smooth vertical wall and horizontal ceiling. The robot uses two driving-wheels and one ball-caster to maneuver the wall surface. A suspension mechanism is also used to overcome the obstacles on the wall surface. For its design, the whole adhering mechanism is analyzed and the control system is built up based on this analysis. The performances of the robot are experimentally verified on the vertical and horizontal flat surfaces. Keywords : Wall Climbing Robot, Impeller, Two-layered Suction Seals, Wheel-drive Robot, Suspension Mechanism 1. 서 론1) 문명과 산업의 발달에 발맞추어 그 필요에 의해 만들어 진 대형 구조물들은 인간의 삶에 차지하는 역할이 매우 중대해지고 있다. 현재, 대형 구조물들은 인류의 생활 어 느 곳에서도 쉽게 볼 수 있다. 고층 아파트가 없는 도시가 없으며, 작은 다리 하나 없는 강은 찾아보기 힘들고, 컨테 이너 선박과 대형 여객기가 없이는 지금의 활발한 산업 활동이 존재할 수 도 없다. 이러한 대형 구조물들이 인류 의 삶에 미치는 지대한 영향으로 인하여, 그 안전과 성능 에 대한 검사 및 유지보수의 필요성 또한 최근 매우 중요 시 되어 지고 있으며, 이에 대한 연구/개발은 지속적으로 수행되어져 왔다. 과거 수많은 대형 참사, 특히 교량 및 건축물의 붕괴 등으로 인한 인명 및 재산피해는 이러한 Received : Mar ; Reviewed : Jun ; Accepted: Jul 본 과제(연구)는 지식경제부와 한국산업기술진흥원의 전략기술인력양 성사업으로 수행된 결과임. 이에 도움을 주신 관계자 여러분께 감사를 드립니다. 교신저자:성균관대학교 기계공학부 교수(hrchoi@me.skku.ac.kr) 1 성균관대학교 기계공학과 박사과정(kooigmo@me.skku.ac.kr) 2 성균관대학교 기계공학부 석사과정(petersong@me.skku.ac.kr) 3 성균관대학교 기계공학부 교수(hyungpil@me.skku.ac.kr) 4 성균관대학교 토목학부 교수(skpark@skku.edu) 검사 및 유지보수 작업에 대한 연구/개발의 필요성을 잘 설명해 준다. 그러나 지금까지 수행되어온 많은 검사작업들은 매우 위험하며, 비효율적인 방법으로 수행되어져 왔다. 교량 및 교각을 검사하기 위하여, 임시 구조물을 설치하는가 하면, 건물의 상층부에서부터 매달려 내려오면서 작업하는 위험 한 방식들이 대표적인 사례들이다. 이러한 과정은 위험 요소가 존재한다는 것 이외에도 부가적인 인력과 비용을 필요로 하며, 소요시간 또한 실제 검사에 필요한 시간에 비해 수십 배에 이른다는 단점을 갖고 있다. 이러한 검사 및 보수작업의 위험성과 그 효율의 비합리를 해소하기 위 하여 최근 많은 연구자들로부터 로봇을 이용한 대체 수행 방법이 활발히 제안되어지고 있다. 이러한 방법은 작업자 가 작업환경 속에서 처하게 될 위험을 로봇이 대신함으로 써 작업자의 안전을 보장할 수 있으며, 부가적인 시설물 의 설치를 필요로 하지 않기 때문에 소모되는 비용 및 시 간 또한 현저히 줄일 수 있다. 구조물의 검사 및 보수 로봇에 요구되는 성능은 크게 4 가지로 요약할 수 있다. 첫째, 건물의 외벽을 구성하는 수 직면과 수평면 부착 성능, 둘째로 이러한 부착표면에 대 한 이동 성능, 셋째로 검사 장비의 운반 성능이며, 마지막

The adhesion mechanism of the robot consists of an impeller and two-layered suction seals which provide sufficient adhesion force for the robot body on the non smooth vertical wall and horizontal

2 178 로봇학회 논문지 제5권 제3호 ( ) 으로, 건물의 다양한 외형 및 표면에 존재하는 장애물의 극복 이동 성능이다. 이러한 성능에 기초하여 현재까지 여러 형태의 로봇이 제안되었으며, 그 중 대표적인 형태 가 벽면이동로봇이다. 현재 대형 선박의 도장작업을 위한 벽면이동로봇이 개발되어 일부 조선업체를 통하여 시범운 영 되고 있으며, 유리창 청소등과 같은 작업에서도 그 효 용선이 입증되었다 [1]. 벽면이동 로봇은 이동방법에 따라 궤도형(tracked type), 보행형(legged type), 바퀴형(wheeled type), 견인형(towing type)으로 분류할 수 있으며, 부착방법에 따라 자석형 (magnetic type), 손잡이형(hand-hold type), 생체모방형 (biological inspired), 진공흡착형(vacuum suction type) 등 으로 분류할 수 있다. 이중 이동방법 중 보행형은 복잡한 지형 및 장애물 극 복에 장점을 보이나, 이동속도가 상대적으로 느리고, 시스 템 및 이동 알고리듬이 복잡하다는 단점을 갖는다 [2][3]. 또 한, 바퀴형은 빠른 이동속도와 단순한 구조 및 제어시스 템을 장점으로 갖으나, 복잡한 형상의 구조물이나, 표면 요철과 같은 장애물에 적용하기 어려운 단점을 지닌다 [4][5]. 반면에, 궤도형의 경우 그 형태가 바퀴형에 유사하 나, 바퀴형에 비해 견인력이 월등하며, 표면이 불규칙한 벽면에서도 그 이동성이 바퀴형보다 탁월하다. 하지만, 방 향전환 시 궤도의 비틀림 현상으로 인해 로봇의 안정성이 크게 떨어진다는 단점을 지닌다 [6]. 부착방식 역시 각각의 방식에 따른 다양한 장단점을 지 니고 이다. 자석형은 중량당 부착력의 비율이 매우 높고, 에너지 소모가 적어 장시간 운용이 가능하지만, 그 특성 상 자성체가 아닌 다른 물질로 구성된 벽면에는 적용이 불가능하다 [1][7]. 또한, 손잡이형은 인공 손이나 곤충의 발 을 모방하여 벽면 표면을 직접 잡아 부착하는 방식으로, 지형이 복잡할수록 부착력을 얻기 수월하다. 하지만, 동반 할 수 있는 적재량이 매우 작아 그 활용성이 떨어진다는 단점을 갖는다 [8],[9]. 마지막으로, 진공흡착방식은 부착력이 자석형 다음으로 강하며, 자석형과는 달리 재질에 따른 제약이 없다는 장점을 갖고 있다. 하지만, 이 방식 또한, 진공을 생성하고 유지하는 메커니즘의 구성이 어렵고, 복 잡한 형상이나 빔과 같은 작고 가는 형상에는 적용할 수 없다는 단점을 지닌다 [4],[10]. 이렇듯 벽면 부착 로봇 개발을 위하여 사용되는 이동 및 부착 방식은 각각 다양한 장단점을 가지고 있다. 따라 서, 로봇을 개발하기 앞서 개발할 로봇의 사용 환경을 미 리 알아야 하며, 이에 맞는 방식을 선택하여야한다. 본 논문에서는 대형교량과 고층건물의 외벽검사를 목 적으로 하기위하여, 진공흡착방식과 바퀴형 이동방식을 적용한 벽면이동로봇을 제안하고자 한다. 벽면이동로봇을 개발하기 위하여 본 논문에서는 다음과 같은 사항을 순서 대로 수행하였다. 첫째로 로봇에 필요한 메커니즘의 선정 및 디자인, 둘째, 이에 대한 정적해석을 통한 각각의 설계 파라미터들의 정립, 셋째, 메커니즘의 동적해석을 통한 제 어 알고리듬 설계, 마지막으로, 선행 연구결과를 바탕으로 벽면이동로봇 LAVAR 시리즈를 설계 및 개발하였다. 또 한, 개발된 로봇의 성능 검증을 위하여 다양한 벽면에서 의 부착 및 이동 능력에 대한 성능 실험을 수행하였다. 2. 벽면이동로봇 메커니즘 해석 본 논문에서 제안한 로봇에 사용된 부착 메커니즘은 진 공흡착형 부착 메커니즘이다. 진공흡착 메커니즘이란, 로 봇 내부와 벽 사이를 외부와 밀폐하여 진공상태를 만들어 로봇 외부의 대기압과 로봇 내부의 압력차에 의하여 로봇 이 벽면을 향하여 밀착하게 되는 힘을 이용하는 부착 메 커니즘을 말한다. 이때 진공을 만들어 내기 위한 방법으 로 본 논문에서는 로봇 중심에 위치하는 임펠러를 모터로 고속 회전시키는 방식을 이용하였다 [11][12][16]. 이러한 방식 을 사용하기 위해서는 부착 메커니즘이 생성해야 되는 최 소한의 추력이 얼마인지에 대한 해석이 선행되어야 한다. 더불어, 추력을 얻기 위한 과정에서의 동적 특성 또한 고 려하여 시스템을 설계하여야 한다. 따라서, 이에 대한 정 적 해석과 동적해석을 수행하였다. 또한, 부착 메커니즘이 생성한 부착력을 효율적으로 유 지하기 위하여 실링메커니즘을 적용하였다. 실링 메커니 즘은 크게 부착면의 먼지를 제거하면서 이동할 수 있는 강모형태를 이용한 단일 실링방식과 먼지 제거 보다는 부 착력 유지에 좀 더 비중을 많이 주는 고무 튜브를 이용한 이중 실링 메커니즘으로 나눌 수 있다. 본 논문에서는 이 모두를 적용하여 로봇을 개발하였으며, 실링 메커니즘에 대한 효율성을 증명하기 위하여 유체 거동 해석 프로그램 을 이용하여 시뮬레이션 수행하였다. 그와 더불어, 해석된 결과를 바탕으로 시스템의 부착력을 제어할 수 있는 제어 알고리듬을 설계하였으며, 실험을 통하여 제어성능을 검 증하였다. 2.1 부착메커니즘에 대하 정적 해석 로봇이 벽면에 부착하기 위하여 필요한 최소요건을 판 단하기 위하여, 제안된 벽면이동로봇의 부착 메커니즘에 대한 정적해석을 수행하였다. 그림 1에서와 같이 벽면이 동로봇이 부착되어 있는 환경은 수직 및 수평 상태로 나 눌 수 있다. 수직 상태는 로봇이 수직 벽면에 붙어있는 상 태이며, 수평 상태는 천정과 같이 지면과 평행인 환경을

벽면이동 로봇은 이동방법에 따라 궤도형(tracked type), 보행형(legged type), 바퀴형(wheeled type), 견인형(towing type)으로 분류할 수 있으며, 부착방법에 따라 자석형 (magnetic type), 손잡이형(hand-hold type), 생체모방형 (biological inspired), 진공흡착형(vacuum

3 임펠러를 이용한 벽면이동로봇의 설계 및 제어 179 (3) (4) 그림 1에서 나타낸 각 변수의 의미는 다음과 같다. : 로봇 내부의 진공과 대기압과의 기압차에 (a) 수평면 부착상태 의해 발생하는 힘 (부착력) : 임펠러와 배기구 날개의 형상에 의해 발생 하는 공기의 배기 흐름에 의한 힘 (추력) : 바퀴의 회전에 의한 견인력 : 로봇의 무게로 인한 중력방향 힘 : 바퀴/접촉면적과 부착 표면 사이의 마찰력 : 로봇 하중 : 로봇 무게중심과 수직면과의 거리 : 로봇부착 표면 반지름 : 로봇 내부 진공과 대기압의 차 : 진공 면적 : 바퀴의 회전 토크 (b) 수직면 부착상태 그림 1. 부착상태의 정적 해석을 위한 FBD(Free Body Diagram) 일컫는다. 각각의 환경을 나누어 해석하는 이유는 중력의 영향에 따라 그 결과가 다르게 나타나기 때문이다. 해석의 편의와 로봇의 벽면 부착에 필요한 최소요건을 판단하기 위하여, 정적인 상태에서의 해석을 선행하였다. 그림 1(a)와 같이 수평상태에서의 역학적 모델을 표현하 면 다음과 같다. 위의 해석을 통해 알 수 있는 사실은 다음과 같이 두 가지로 요약할 수 있다. 첫째, 로봇이 수평면에 부착하기 위해서는 압력과 중력의 영향이 가장 중요한 요인으로 작 용한다는 것이다. 추력에 의한 힘 는 진공에 의한 부착력 에 비하여 매우 작으므로 그 영향을 무 시하고 식을 정리할 경우 로봇이 수평면에서 가져야 할 역학적 조건은 식 (5)와 같이 정리될 수 있다. (5) (1) 식 (1)로부터 로봇 시스템이 수평 벽면에서 부착상태를 유지하기 위해서는 부착 압력과 중력이 평형을 이루어야 됨을 알 수 있다. 마찬가지로, 그림 1(b)과 같은 수직면에 서는 부착상태를 유지하기 위한 역학적 모델은 식 (2)~(4) 와 같이 표현할 수 있다. (2) 둘째, 수직면에서 로봇의 정적인 평형상태를 정의하기 위해서는 방향의 힘과 축을 중심으로 한 모멘트의 평 형을 모두 고려하여야 한다는 것이며, 이는 다음과 같이 정리할 수 있다. (6)

표면 반지름 : 로봇 내부 진공과 대기압의 차 : 진공 면적 : 바퀴의 회전 토크 (b) 수직면 부착상태 그림 1. 부착상태의 정적 해석을 위한 FBD(Free Body Diagram) 일컫는다. 각각의 환경을 나누어 해석하는 이유는 중력의 영향에 따라 그 결과가 다르게 나타나기 때문이다.

4 180 로봇학회 논문지 제5권 제3호 ( ) ± ± (7) 이때, 식 (7)에서의 은 로봇 전체의 움직임에 반대방향으로 작용하므로, 상황에 따라서 그 부호가 바뀌 게 된다. 식(6)과 (7)을 정리하면 최종적으로 식(8)과 같이 나타낼 수 있다. (8) 따라서, 위의 관계식으로부터 벽면 부착 로봇의 개발 시 고려하여야 할 로봇의 질량과 부착력의 관계를 정의 할 수 있다. 2.2 부착 메커니즘에 대한 동적 해석 시스템의 정적 해석 결과를 바탕으로 하여, 메커니즘이 갖는 동적 특성에 대하여 검증하여야 할 필요가 있다. 이 는 시스템의 제어알고리즘 설계를 위하여 필요한 과정이 다. 동적 해석의 대상은 임펠러와 모터, 실링메커니즘이 며, 이 일련의 메커니즘을 블록 다이어그램으로 표현하면 그림 2와 같이 표현할 수 있다. 이때 해석의 순서는 블록 그림 2. 부착메커니즘의 기능별 블록 다이어그램 다이어그램의 순서를 기준으로 진행한다. 각각에 대한 해석은 모터와 임펠러의 관성에 대한 기본 적인 해석 [16] 과 임펠러 해석 공식 [13], 그리고 실링메커니즘 을 해석하기 위한 정리를 통해 부분적으로 해석할 수 있 으며 [12][14-16], 이를 종합하면 그림 3(a)의 그래프와 같은 과 도감쇠 특성을 가지는 시스템으로 정리할 수 있다. 이 결 과를 실제 동일 실험 결과인 그림 3(b)와 비교하여보면, 시스템의 응답속도와 정상상태 오차가 시뮬레이션 결과인 그림 3(a)와 유사하게 나타남을 확인할 수 있다. 즉, 이는 다시 말해 그림 3의 각각의 실험 결과들은 0~4초 사이에 시스템 응답 시간을 동일하게 갖고 있다는 것을 의미한다. 2.3 실링 메커니즘에 대한 유체 거동 해석 해석을 위해 사용된 툴은 Cosmos Flowork이며, 로봇의 실링 외부 테두리와 벽면과의 사이 면적을 흡입구(inlet) 로, 임펠러가 위치하는 중앙 부분을 배출구(outlet) 설정하 였다. 이때, 흡입구의 압력은 대기압과 동일하며, 배출구 의 압력은 이보다 5kPa 낮게 설정되었다. 실링과 벽면사 이의 높이는 압력 누수가 발생할 때 나타나는 내부 압력 을 비교하기 위하여, 0.1mm의 누수 틈을 주었으며, 유체 는 상온 공기이고, 압력변화에 따른 실링 외형 및 내부 공 간의 부피 변화는 고려하지 않았다 [11]. 그림 4는 시뮬레이션 결과를 나타낸 것이다. 그림 4(a) 에서는 실링 내/외부간의 압력차가 200Pa 에 불과하지만, 그림 4(b)에서는 4kPa 이상의 값을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 이로부터, 단일 실링의 경우 이중 실링에 비하여 압력 누수가 크게 발생한다는 것을 알 수 있다. 이 결과로 부터 보다 효율적으로 압력을 유지하기 위해 서는 단일 실링보다는 여러 겹으로 구성된 실링 메커니즘 (a) 1kPa 진공 생성 시뮬레이션 (b) 모터의 출력이 60%일때 내부 압력변화 그림 3. 동적 해석 시뮬레이션 결과(a)와 실제 실험 결과(b)

동적 해석의 대상은 임펠러와 모터, 실링메커니즘이 며, 이 일련의 메커니즘을 블록 다이어그램으로 표현하면 그림 2와 같이 표현할 수 있다. 이때 해석의 순서는 블록 그림 2. 부착메커니즘의 기능별 블록 다이어그램 다이어그램의 순서를 기준으로 진행한다.

임펠러를 이용한 벽면이동로봇의 설계 및 제어 181 연시간과 정상상태 오차가 있는 것을 확인하였다. 이를 통하여 되먹임(feedback) 제어를 위한 블록 다이어그램을 설계 하였다. 그림 5는 설계된 되먹임 제어기를 나타낸 것 으로, 제어 알고리듬은 기본적인 PID 제어기를 적용하여 구성하였다. (a) 단일 실링 (b) 이중 실링 그림 4.

하지만, 실링의 수가 증 가함에 따라 로봇의 무게 또한 증가하게 되어 압력유지에 대한 효율이 더 이상 오르지 않으므로, 개발 하드웨어에 맞는 적정한 수의 실링 선택이 필요하다.

5 임펠러를 이용한 벽면이동로봇의 설계 및 제어 181 연시간과 정상상태 오차가 있는 것을 확인하였다. 이를 통하여 되먹임(feedback) 제어를 위한 블록 다이어그램을 설계 하였다. 그림 5는 설계된 되먹임 제어기를 나타낸 것 으로, 제어 알고리듬은 기본적인 PID 제어기를 적용하여 구성하였다. (a) 단일 실링 (b) 이중 실링 그림 4. 단일 실링과 이중 실링의 효율 비교를 위한 시뮬레이션 구성된 제어기를 이용하여 부착력을 생성하는 압력을 제어하게 되면 그림 6의 그래프와 같은 결과를 얻을 수 있다. 이 유리하다는 것을 알 수 있다. 하지만, 실링의 수가 증 가함에 따라 로봇의 무게 또한 증가하게 되어 압력유지에 대한 효율이 더 이상 오르지 않으므로, 개발 하드웨어에 맞는 적정한 수의 실링 선택이 필요하다. 본 논문에서는 실링의 개수를 단일/이중/삼중 실링으로 하여, 그림 8(a)의 로봇 prototype 제작 시 실제로 적용 및 실험하여 보았으 며, 이때, 이중 실링은 삼중 실링에 비하여 아주 미세한 압력 누수 차이를 나타냈다. 그에 따라 본 연구에서는 최 종 적용 대상으로 이중 실링을 선택하였으며, 이는 압력 (a) LARVA Prototype 누수 차이에 비하여 실링 개수의 증가로 인한 무게 증가 가 오히려 누수 차이 보다 부착 효율을 더 떨어트린다는 실험 하에 선택된 것이다. 하지만, 이의 경우 본 논문에서 적용한 하드웨어의 관점에서 일 뿐 실링의 경우 구성 형 태, 재질 등에 따라 단일/이중/삼중이 갖는 그 성능이 확 연히 달라짐으로, 실제로 로봇 개발에 따른 실링의 개수 는 그 형태와 재질 및 개발 로봇의 하드웨어 구조를 충분 히 고려하여 적용하여야 한다. (b) LARVA I+ 2.4 제어 알고리즘 앞서 그림 3으로부터 시스템의 동적 특성이 4초의 지 (c) LARVA II 그림 7. 벽면이동로봇 LARVA 그림 5. Feedback 제어 블록 다이어그램 3. 벽면이동로봇:LARVA 앞서 수행한 이론적 해석을 바탕으로 하여 벽면이동로 봇 LARVA를 설계/개발하였다. LARVA는 부착메커니즘 을 증명하기 위한 Prototype 에서부터, 지속적인 개선을 통하여 LARVA I, I+, II 가 제작되었다. 먼저, 그림 8(a)의 LARVA Prototype은 부착메커니즘의 성능 및 활용 가능성 확인을 하기 위한 로봇으로, 실링은 강모를 이용한 단일 실링 메커니즘에 단일 고무패드를 적 그림 6. 내부 압력에 대한 Feedback 제어 결과 용한 이중 실링메커니즘으로 구성되었다. 실험 결과 그림

6 182 로봇학회 논문지 제5권 제3호 ( ) 이동능력 확인을 위하여 외부 가반하중을 제외한 로봇 자 체의 이동 능력 실험을 진행하였다. 더불어, 이동 표면의 요철로부터 발생하는 압력 누수를 방지/억제하기 위한 목적으로, 개발 로봇에 적용된 실링 부의 Flexible Layer와 서스펜션 메커니즘의 성능을 같이 검증하기 위하여, 그림 11(a) 같이 수평면 상에 존재하는 장애물 극복 성능에 대한 실험 또한 수행하였다. 이때 그 그림 8. 수평면과 수직면에서의 가반하중에 대한 부착능력 실험 크기(cm) LARVA I, I+ 력을 나타낸 것으로, 그림에서의 Bouncing의 표기 부분이 로봇의 장애물 횡단 순간을 의미한다. 이로부터, 장애물 표 1. LARVA 시리즈의 주요 제원 LARVA Prototype 림 11(b)는 로봇이 요철을 통과하여 지나갈 때의 내부 압 극복 시 발생하는 순간 적인 내부압력 유실은 Flexible LARVA II 22(H) 30( ) 15(H) 30( ) 12(H) 30( ) 무게(kg) / 최대 추력(kg) 이동속도(cm/s) Layer 및 서스펜션 메커니즘만으로도 충분이 극복/횡단이 가능함을 알 수 있다. 최종적으로, 실용화 가능성을 검증하기 위하여 실제 구 조물에서의 부착/이동 성능을 검증 하였다. 그림 12는 LARVA II를 이용하여, 실제 건물의 벽면 외벽과 교량 하 부 시멘트 벽면에서 가반하중 없이 로봇 자체만의 부착/ 이동 실험 수행 장면을 나타낸 것이다. 실험 결과 실제 벽 8(a)와 같이 벽면 부착이 가능함을 확인하였다. 다음으로, 검증된 부착 메커니즘에 이동메커니즘을 추가하여, 그림 8(b) 형태의 벽면을 이동할 수 있는 벽면이동로봇 LARVA I+을 설계/개발하였다. 마지막으로, 앞서 개발한 LARVA I+ 를 통하여 검증된 부착/이동 메커니즘을 벽면 이동검사로봇으로 사용하기 위하여, 목표 검사표면에서 안정적인 이동이 가능하도록 부착/이동 메커니즘을 개선 및 부착 표면을 검사할 수 있는 외부 센서(무선 카메라 및 압력센서)를 내장시킨 그림 8(c)와 같은 벽면이동검사로 봇 LAVAR II를 최종 설계/개발하였다. 4. 실 험 앞서 소개된 벽면이동검사로봇 LARVA의 성능을 검증 그림 9. 수직면 등반 실험 하기 위하여 부착력, 이동능력, 실제 환경 실험의 순으로 총 세 가지의 성능 검증 실험을 수행하였다. 첫째로, 이중 실링 및 임펠러 메커니즘의 조합이 갖는 부착력 성능 평가를 수행하였다. 이를 위하여 그림 8과 같 이 로봇을 수직/수평 벽면에 부착시킨 후 이때 부착 상태 를 견딜 수 있는 최대 가반하중을 로봇에 부가하는 방법 을 사용하였다. 실험결과 로봇이 지탱할 수 있는 무게는 최대 7kg으로, 자중을 더하였을 경우 총 10kg에 이르는 무게를 지탱할 수 있음을 확인하였다. 다음으로, 로봇의 이동 성능을 확인하기 위하여 수평면 과 수직면에서의 부착/이동 능력에 대한 실험을 각각 그 림 9, 10과 같이 진행하였다. 이때, 로봇이 갖는 순수한 그림 10. 수평면 이동 능력 실험

수평면과 수직면에서의 가반하중에 대한 부착능력 실험 크기(cm) LARVA I, I+ 력을 나타낸 것으로, 그림에서의 Bouncing의 표기 부분이 로봇의 장애물 횡단 순간을 의미한다. 이로부터, 장애물 표 1.

7 임펠러를 이용한 벽면이동로봇의 설계 및 제어 183 미세한 구멍/틈에 대하여 제안된 로봇은 부착 및 이동할 수 있는 성능을 갖고 있음을 확인 할 수 있었다. 하지만, 벽면의 종류마다 다르게 형성되는 로봇과 벽면 사이의 마 찰계수로 인하여 이동 시 로봇과 벽면 사이에 미끌림 현 상이 발생한다는 문제점 또한 발견하였다. 따라서, 추후, 이를 극복하기 위해서는 접촉 표면에 따라 이를 극복하기 위한 적당한 부착/이동 마찰력이 필요하고, 이를 유지하기 위해서는 미세한 추력제어가 가능한 하드웨어 및 제어기 구조로의 수정/보안이 필요함을 알 수 있었다. 5. 결 론 (a) 수평면에서의 장애물 극복 실험 (b) 장애물 극복 실험 중 내부 압력 변화 그림 11. 수평면 이동 능력 실험 그림 12. 실제 벽면 부착 이동 능력 성능 실험 본 논문에서는 벽면이동로봇의 개발을 위하여 부착 메 커니즘의 정/동적 상태에 대한 해석을 수행하였다. 이때, 부착 메커니즘은 1차의 과도 감쇠 시스템 특성을 보인다 는 것을 확인하였으며, 이는 다수의 시뮬레이션 및 성능 실험 결과를 통하여, 임펠러의 관성 및 실링메커니즘에서 오는 저항 인자들에 의한 것들임을 알 수 있었다. 본 논문 에서 확인한 이러한 시스템의 특성 관련 자료들은 보다 효율적인 벽면 부착 로봇 시스템의 개발을 위하여, 로봇 개발 시 적용 및 고려하여야 할 자료로서 충분히 활용 가 능함을 알 수 있다. 그 외에, 제안된 벽면이동로봇의 제어를 위하여 분석된 시스템 특성을 기반으로 하여 제어 시스템을 설계하였다. 제안된 제어기는 되먹임 제어 구조로 이루어져 있으며, 이는 기본적인 PID 제어기만을 이용하여도 로봇의 성능 을 충분히 낼 수 제어기 구조를 갖을 수 있음을 확인하였 다. 최종적으로, 앞서 분석/검증된 자료를 바탕으로 벽면이 동로봇 LARVA I+, II 를 개발하였으며, 특히 최근 개발 된 LARVA II 의 경우 실험실 내부 벽면이 아닌, 건물 외 부 환경 및 실제 교량에 대한 실험을 진행함으로서, 벽면 이동로봇의 가능성을 충분히 입증하였다. 본 연구를 통하여 제안된 벽면이동로봇을 개발하기위 하여 필요한 필수요소 부분의 해석/분석 자료 및 방법과 이를 바탕으로 제안된 로봇의 하드웨어 구조 및 제어기 구조는 보다 효율적이고 안정적인 방향으로의 벽면이동로 봇의 개발/운용을 가능케 하였다. 앞으로도 제안된 방법을 기반으로 하여 좀 더 실용화에 가까운 로봇 개발을 위한 추가적인 연구/개발을 지속적으로 수행할 것이며, 이를 통 하여 다양한 목적을 수행할 수 있는 벽면이동로봇으로의 개발이 가능할 것이라 전망한다. 면 및 시멘트 교량 하부벽면에 존재하는 불규칙 노면과

수평면 이동 능력 실험 그림 12. 실제 벽면 부착 이동 능력 성능 실험 본 논문에서는 벽면이동로봇의 개발을 위하여 부착 메 커니즘의 정/동적 상태에 대한 해석을 수행하였다.

8 184 로봇학회 논문지 제5권 제3호 ( ) 참고문헌 [1] B. Ross, J. Bares, C. Fromme, A Semi-Autonomous Robot for Stipping Paint From Large Vessel, International Journal of Robotics Research, Vol.22, No.7-8, pp , [2] A. Nagakubo, S. Hirose, Walking and Running of the Quadruped Wall-Climbing Robot, Proceedings of IEEE International Conference on Robotics and Automation, Vol.2, pp , [3] R. Lal Tummala, R. Mukherjee, X. Ning, D. Aslam, H. Dulimarta, X. Jizhong, M. Minor, G. Dang, Climbing the Walls[Robots], IEEE Robotics and Automation Magazine, Vol.9, Issue4, pp.10-19, [4] J. Xiao, A. Sadegh, M. Elliott, A. Calle, A. Persad, H. M. Chiu, Design of Mobile Robots with Wall Climbing Capability, Proceedings of the IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics, pp , [5] W. Yan, L. Shuliang, X. Diamguo, Z. Yanzheng, S. Hao, G. Xueshan, Development and Application of Wall-Climbing Robots, Proceeding of IEEE International Conference on Robotics and Automation, pp , [6] L. P. Kalra, J. Gu, and M. Meng, A Wall Climbing Robot for Oil Tank Inspection, Proceeding of the IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics, pp , [7] M. Suzuki, S. Kitai, S. Hirose, New Types Child Units of Anchor Climber: Swarm Type Wall Climbing Robot System, Proceeding of the IEEE/ RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, Vol.2, pp , [8] S. Kim, M. Spenko, S. Trujilo, B. Heyneman, V. Mattoli, M. R. Cutkosky, Whole Body Adhesion : hierarchical, directional and distributed control of adhesive forces for a climbing robot, Proceeding of IEEE International Conference on Robotics and Automation, pp , [9] S. Kim, A. T. Asbeck, M. R. Cutkosky and W. R. Provancher, Spinybot II : Climbing Hard Walls with Compliant Microspines, Proceedings of IEEE International Conference on Advanced Robotics, pp , [10] D. Longo and G. Muscato, The Aliciasup 3 Climbing Robot : a three-module robot for automatic wall inspection, IEEE Robotics and Automation Magazine, Vol.13, Issue 1, pp.42-50, [11] 구익모, 이창민, 최혁렬, 벽면 이동 검사로봇을 위 한 추력형 벽면 이동 부착메커니즘 개발 한국지능 로봇 하계종합학술대회, pp , [12] 구익모, 이창민, 송영국, 최혁렬, 교량 검사를 위한 벽면 이동 로봇의 개발 한국 로봇공학회 하계 학 술대회, pp , [13] F. P. Bleier Fan Handbook, Mc-Graw-Hill, [14] X. Daijun, G. Xueshan, W. Xiaobing, F. Ningjun, L. Kejie, K. Koki, Suction Ability Analyses of a Novel Wall Climbing Robot, Proceedings of IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics, pp , [15] Q. Zhi-yuan, Z. Yan-zheng, F. Zhuang, W. Ya, Fluid Model of Sliding Suction Cup of Wallclimbing Robots, International Journal of Advanced Robotic Systems, Vol.3, No.3, pp , [16] Y. K. Song, C. M. Lee, I. M. Koo, D. T. Trong, H. Moon, H. R. Choi, Development of Wall Climbing Robotic System for Inspection Purpose, in Proc. IEEE/RSJ Int. Conf. Intelligent Robots and Systems, pp , 구 익 모 2004 명지대학교 기계공학부 (공학사) 2006 성균관대학교 기계공학 과 (공학석사) 2006~현재 성균관대학교 기 계공학과 박사과정 관심분야 : Wall climbing robot, Biomimetic, Quadruped walking robot, Haptic display, Artificial muscle actuator

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Prestressed concrete, Repair/rehabiliation of old structures 문 형 필 1996 포항공과대학교 기계공 학과 (공학사) 1998 포항공과대학교 기계공 학과 (공학석사) 2005 University of Michigan Mechanical Engineering (공학박사) 2005~2007 Carnegie

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