1.서 론

우리나라는 세계에서도 대표적인 조선 강국으로 선박건 조와 관련된 다양한 산업용 로봇의 연구가 이루어지고 있 다. 특히, 선박 내 탱크 검사용 로봇, 용접용 로봇, 도장용 로 봇 등은 현재 중·대형 조선소에서 널리 사용되고 있다. 또한 고층 건물과 교각의 증가로 인하여 고층 건물 벽면을 청소 할 수 있는 로봇들에 대한 연구도 진행되고 있다. 이러한 고 층 빌딩 및 선체의 측면에서 외벽 청소, 검사, 외부 도장 용 접 등의 기능을 수행하는 로봇은 구조물 측면을 등반할 수 있는 이동체의 개발이 선행되어야 한다(Oh et al., 2013).

육상에서 개발하는 등반 로봇의 이동체는 철판, 콘크리 트 혹은 유리 등과의 부착력을 발생시키기 위하여 게코 섬 모, 흡착 패드, 정전기력, 전자석 및 자석 등을 이용한 연구 가 진행되고 있다(Lee et al., 2012; Fischer et al., 2009; Grieco et al., 1998).

하지만 해상에서 선박 외측 표면 검사에 적용할 수 있는 로봇에 대한 연구는 아직 미흡하다. 최근 들어 발생하는 선 박 간 충돌 또는 좌초로 인한 선체 파손으로 탑재된 원유 혹 은 연료유가 유출되는 사고가 발생하고 있으며, 대부분의 사고 시 나쁜 기상 상황으로 인해 구난 선박을 이용한 수리 및 구조 작업에 어려움이 많다(Jung et al., 2012).

이에 선박의 항해 시에도 상시적으로 선체 측면과 발라스 트 탱크 내부 등 육안 검사가 힘든 부분의 검사가 가능하고 선박의 충돌, 좌초 및 기타 사고 시 사람이 직접 다가갈 수 없는 환경에서 사고 부위의 크기와 손상정도의 상태 정보를 획득하여 사고처리 방법을 결정하고, 응급 수리를 할 수 있 는 로봇의 개발이 절실하다. 본 연구에서는 항해 중 선박의 상태 검사 혹은 선박 사고 시 선체 파손에 대한 신속한 대응 을 위해 선박 사고 부위의 정확한 정보를 수집할 수 있는 로 봇 개발에 대하여 논하고자 한다.

본 연구에서는 선체 측면과의 부착력을 얻기 위해 4개의 네오디움 자석을 하부에 배치하고, 이동성과 방향 전환을 위 해 4축 휠을 적용한 모바일 로봇의 설계와 제작에 대해 소개 한다. 또한 측면 곡률에 따라 네오디움 자석의 방향이 전환 될 수 있는 자석 모듈의 구조와 모바일 로봇의 부착력과 주 행성을 테스트한 실험 결과에 대해서도 언급하고자 한다.

2.본 론

2.1.모바일 로봇의 설계

1)모바일 로봇의 설계

본 연구에서는 다음과 같은 2가지 사항을 고려하여 모바 일 로봇의 설계를 진행하였다.

먼저, 모바일 로봇은 선체의 파손부위를 탐사하기 위해 선체 외판 측면에서 자유로운 주행이 가능해야 한다.

다음으로 선체 측면에서 충분한 부착력을 확보해야 한다.

선체 측면에서 부착력을 확보하면서 주행을 하는 것은 대 립되는 특성(trade-off)이지만, 이것은 선체 외판을 등반할 수 있는 로봇의 주요한 요소이기도 하다.

위의 설계 고려 사항과는 별도로 로봇에 공급하는 에너지 를 최소화하는 것에 대해서는, 구동부의 전원을 별도의 스 테이지에서 공급함과 동시에 모바일 로봇 시스템의 하중을 줄이는 것으로 대체하고, 세부적인 사항에 대해서는 생략하 기로 한다.

선체 측면에서 부착력을 가지면서 자유로운 주행을 위해 모바일 로봇의 설계를 하였고, Fig. 1과 Fig. 2는 설계된 모바 일 로봇의 렌더링 이미지이다. Fig. 1은 모바일 로봇의 하부 구조를 나타낸 것으로 그림에서 보이는 것과 같이 로봇의 하부에 4개의 네오디움 자석을 배치하였고, 4개의 주행 바퀴 가 부착되었다. Fig. 2는 로봇의 상부 구조를 나타내고 있으 며, 제어 신호를 받을 수 있는 RF 안테나와 컨트롤러, RF 거 리센서 및 영상 카메라를 전면에 배치하였다.

로봇은 하부에 배치된 자석을 이용하여 선체 측면에 부착 력을 발생시키고, 4개의 DC 모터를 이용한 4축 휠의 회전력 으로 주행할 수 있도록 하였다. 상부에 배치된 카메라는 모 바일 로봇이 현장에 투입되어 선체의 상태와 선체의 파손 상황을 검출할 수 있는 기능을 갖고 있고, 현재 초당 10 프 레임의 이미지를 획득할 수 있다.

2)모바일 로봇 토크의 계산

모바일 로봇의 주행 동력을 얻기 위해서 모터를 선정하여 야 한다. 이를 위해서는 모바일 로봇에 필요한 힘을 도출하 여야 하므로, 먼저 모바일 로봇에 작용하는 전체 힘의 상관 관계를 검토하여 Fig. 3과 같이 도식화 하였다.

여기서, F_M은 자석에 의한 힘, F _g는 중력에 의한 힘, F_mf 는 최대 정지 마찰력, F 는 로봇의 주행에 필요한 힘, N 은 수직항력, θ는 로봇의 부착 각도 그리고 m은 로봇의 질량 을 나타낸다.

3)모바일 로봇 자석 모듈의 설계

선체 측면을 주행하는 모바일 로봇은 일정한 힘으로 선체 에 부착력을 유지하는 것이 가장 중요하다. 철판 평면에 모 바일 로봇이 부착될 경우, 하부 네오디움 자석과 부착면 사 이에는 Fig. 4와 같이 일정한 거리 X 를 유지할 때 일정한 부 착력을 발생한다. 실제로 선체 외부를 주행하는 로봇은 부 착력과 주행력을 얻어야 하므로 거리에 따른 부착력 F 를 유 추할 수 있어야한다(Nam et al., 2003).

이를 위해 Fig. 4와 같이 간략한 모델을 통해 부착력을 유 도하고, 부착력 F 는 네오디움 자석이 가지고 있는 자기장내 의 에너지에 의하여 발생하게 된다.

먼저 네오디움 자석이 가지는 자기장 내 에너지는 식(1) 과 같이 표현할 수 있다. 단, V 는 네오디움의 부피, B 는 자속밀도, H 는 자기장세기를 나타낸다.

네오디움 자석의 부피는 일정하므로 식(1)은 식(2)와 같이 다시 쓸 수 있다.

자기장의 에너지로부터 발생되는 힘은 식(3)과 같이 자기 장 에너지를 발생하는 극간 길이 l에 비례하게 된다.

최종적으로 식(3)과 식(2)를 통해 부착력 F 는 식(4)와 같이 구해진다.

여기서, 자속 밀도 B 는 직육면체에서 거리 X에 따른 자 속 밀도에 관한 관계식(5)와 같이 쓸 수 있다.

식(4)와 식(5)에 의하여 거리에 따라 자속의 밀도가 변하 게 되어 최종적으로 자석의 부착력을 변화시키게 됨을 알 수 있다.

실제 선체 측면은 Fig. 5와 같이 곡면을 포함하게 되고 곡면 에서의 부착력은 Fig. 4의 평면에서의 부착력과는 달라진다.

즉, 곡면이 있을 경우 Fig. 4와 같은 구조에서는 자석과 부 착 곡면과의 거리가 서로 달라 부위별로 발생하는 자기력이 달라진다.

실제로 거리에 따른 자속의 변화량 관계를 검토하기 위해 계측을 실시하였고 결과는 Table 1과 같다. 계측 결과로부터 거리 1 [mm]가 변화 될 때 자속이 약 41 [mT]씩 감소하는 것 을 알 수 있었다.

이를 해결하기 위하여 본 연구에서는 자석을 탑재할 수 있는 기구부를 설계하여 자속의 변화량을 최소화 할 수 있 도록 하였다. Fig. 5와 같은 곡면에서, 자석이 곡률에 따라 접 히는 구조를 채용하여 곡률 변화에 따른 자석과 도체와의 거리를 일정하게 유지하도록 하였다.

구체적으로는 Fig. 6에서와 같이 네오디움 자석의 위치를 곡면의 접선에 근사하도록 위치를 변경할 수 있게 하여 곡 률 변화에 따른 거리의 차이로 인해 발생할 수 있는 자속 감 소를 최소화하도록 하였다. 즉, Fig. 5에서의 거리 X₁ , X₂의 변화량이 Fig. 6에서는 ΔX로 줄어들게 된다.

이러한 개념을 바탕으로 설계된 네오디움 자석 모듈은 Fig. 7과 같이 내부에 4개의 서보 모터를 이용하여 독립적으 로 작동할 수 있도록 함으로써 곡면에서도 평지와 같이 일 정한 자속을 유지할 수 있도록 하였다.

2.2.모바일 로봇의 개발 및 특성 실험

1)모바일 로봇의 개발

위에서 살펴본 설계에 따라 모바일 로봇을 제작하였고, Fig. 8과 Fig. 9는 개발된 모바일 로봇을 나타내고 있다.

아울러 제작된 모바일 로봇의 제원은 Table 2와 같다.

제작된 모바일 로봇의 4개축에 각각 10 [Kgf]의 토크를 가지는 모터를 사용하였고, 하부의 네오디움 자석은 N35등 급의 ‘20 [mm] × 4 0[mm] × 50 [mm]’의 자석을 사용하였다. 네오디움 자석 모듈이 모바일 로봇의 하부에서 서보모터에 의하여 독립적으로 ‘± 15 [°]’의 각으로 움직일 수 있도록 하였다.

모바일 로봇을 제어하기 위한 컨트롤러는 NI-9626 sbRIO 를 사용하여 주행 모터와 엔코더 신호를 받을 수 있게 하였 고, 영구자석 모듈을 제어하기 위하여 4개의 서보모터를 RS485통신을 이용하여 제어하도록 하였다. 모바일 로봇의 주행 중 장애물을 탐지하기 위하여 2개의 초음파 센서와 비 전카메라를 장착하였다.

2)모바일 로봇의 특성실험

개발된 모바일 로봇은 선체 측면에 부착력과 주행 성능을 확인하기 위하여 부착력과 주행 실험을 진행하였다. 사고선 박의 검사 등을 위해서는 경사진 선체 외벽을 주행할 수 있 어야 하므로 경사진 철판에서의 부착력과 이동속도는 중요 한 요소라 할 수 있다. 이를 위해 선체 측면과 유사한 ‘500 × 1000 [mm]’ 철판 2개를 이용하여 지면과 80[°]의 각도로 만들 어 측면 부착 실험과 주행 실험을 하였다. 그리고 모바일 로 봇의 가장 핵심인 측면 부착력 테스트는 모바일 로봇이 무 부하일 때와 부하 하중이 있을 때로 나누어 실험하였다.

모바일 로봇의 무부하 부착 실험은 자체 하중만이 있는 상태에서(Fig. 10 참조) 모바일 로봇의 경사면 부착 상태를 확인하기 위해 Fig. 11과 같이 실험을 진행하였다. 측면에 부 착한 10분간 모바일 로봇이 부착 면에서 측면 이탈 및 미끄 러짐 상태를 관찰한 결과 측면 이탈 및 미끄러짐이 없음을 확인할 수 있었다.

모바일 로봇의 부하하중 실험은 순간 충격 부하와 계속부 하를 인가하였을 때로 나누어 진행하였다. 첫 번째로 모바 일 로봇에 순간적인 중력 방향 충격 부하가 Fig. 12와 같이 작용하였을 때 모바일 로봇의 부착력의 이상으로 인한 측면 이탈 및 미끄러짐 실험을 하였다. 실험은 디지털 하중계를 모바일 로봇의 하단에 연결한 후 중력 방향으로 순간 적인 하중량을 늘려가며 4단계로 나누어 실험하였다.

모바일 로봇에 가해지는 힘을 측정 단계에 따라 각 10회 씩 중력 방향으로 인가시킨 결과 8 [Kgf]까지는 모바일 로봇 이 측면 이탈 현상 및 미끄러짐이 발생하지 않았다. 하지만 9 [Kgf] 이상에서는 측면 이탈은 발생하지 않았으나, 중력방 향으로 미끄러짐이 발생하였다. 모바일 로봇에 순간적인 부 하를 가했을 경우 부착력 실험 결과는 Table 3과 같다.

다음으로 모바일 로봇에 Fig. 13과 같이 6.37 [Kgf]의 하중 을 모바일 로봇에 지속적으로 인가하여 부착력 측정 실험을 진행하였다.

지속 부하 실험은 충격 부하 실험과 같이 4단계에 걸쳐 실험을 진행하려 했으나, 8 [Kgf] 이상의 하중에서는 중력방 향으로 미끄러짐이 발생함에 따라 1단계 구간 실험만 진행 하였다. Fig. 13과 같이 6.37 [Kgf]의 부하를 모바일 로봇에 인 가한 후 3분 뒤 미끄러짐과 측면 이탈 상태를 Fig. 14와 같이 확인하였다.

실험 결과 모바일 로봇의 측면 부착 변화 상태는 측정 초 기에 비교하여 약 1 [mm] 이내의 미끄러짐만이 발생하고 측 면 이탈 및 로봇 자석 모듈의 부착력 변화는 없는 것을 확인 하였다(Fig. 14).

정지 상태에서 부착력에 대한 최종적인 실험 결과 로봇에 작용하는 순간적인 충격힘은 8 [Kgf] 부근까지는 문제가 없 었으며, 8 [Kgf] ~ 13 [Kgf]까지는 측면 이탈은 발생하지 않고 순간적인 미끄러짐만 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 또 한 로봇에 지속적인 하중을 인가한 지속 부하 실험 결과, 추 가적으로 6 [Kgf]까지는 로봇의 부착력과 미끄러짐에 문제가 없는 것으로 확인되어 개발된 로봇에 최대 6 [Kgf] 하중까지 는 모듈을 추가적으로 탑재할 수 있다.

마지막으로 로봇의 측면 주행 시 이동 속도에 대한 실험 을 진행하였다. 실험은 무부하 하중을 기준으로 실험하였으 며, Fig. 15와 같이 최대 주행 속도를 계측한 결과 모바일 로 봇은 6.5 [A]의 전류에서 약 0.82 [m/s]의 속도로 주행할 수 있 었다. 이와 같이 개발된 모바일 로봇은 주행 중 부착력과 정 지 시 부착력에 문제가 없는 것으로 나타났다. Fig. 15의 속 도는 모터 엔코더 분해능이 663 [PPR]로 1 회전당 663개의 펄 스를 출력하고 있으며, 1회전 당 바퀴가 427 [mm]를 움직이 므로 1펄스 당 이동 거리는 0.00064442 [mm] 이다. 따라서 로 봇의 4축 모터의 1초당 발생 펄스에 이동 거리를 곱하여 속 도를 계측하였다.

3.결 론

본 연구에서는 선박 사고 시 발생할 수 있는 선체 파손에 대한 검사와 탐사가 가능하도록 모바일 로봇을 개발하였고, 곡률을 가지는 대상물에서도 일정한 자기력을 유지할 수 있 도록 하였다.

사고 선박에서 경사진 선체를 주행하면서 이동해야 할 모 바일 로봇의 부착력과 미끄럼 및 주행 속도는 중요한 특성 이고, 이에 대한 실험 결과는 다음과 같다.

설계된 자석 모듈을 탑재한 모바일 로봇의 경사면 부착력 실험을 통해 무부하 조건에서는 80[°] 경사면에 부착한 모바 일 로봇이 부착 면에서 측면 이탈 및 미끄러짐이 발생하지 않는 것을 확인할 수 있었다. 순간 부하를 가한 조건에서는 8 [Kgf]까지 부착면 이탈 및 미끄럼이 발생하지 않았고, 최대 하중을 12 [Kgf]까지 증가시켜도 2 [mm]이내의 미끄러짐은 발 생하였으나 부착력이 유지되었다.

지속적인 부하 상태에서도 8 [Kgf]이내에서는 부착면 이탈 과 미끄러짐 현상이 발생하지 않았다. 무부하 중 주행 실험 결과도 0.82 [m/s]의 속도로 로봇의 주행에 문제가 없었다.

실험 결과를 통해 선체 경사면에 부착하여 주행하고자 하 는 목적을 충실하게 달성하고 있는 것과 개발된 시스템의 유용성을 확인할 수 있었다.

하지만 부하의 증가에 따른 주행성을 향상시키기 위해서 는 주행용 모터의 용량을 증가시킬 필요가 있을 것으로 판 단된다. 아울러 미끄러짐을 보완하기 위해서는 마찰력을 증 가시킬 수 있는 바퀴도 고려할 가치가 있을 것이다.