한국환경산업기술원이 우리나라의 독자설계와 제작기술로 밀폐된 환기통로 내부를 청소하는 덕트클리닝 로봇 시스템을 개발했다고 밝혔다. 환경부 국가연구개발사업의 지원을 통해 2011년부터 3년간 한국철도기술연구원이 주도적으로 연구해 이뤄진 본 로봇은 1, 2차년도보다 더욱 진보된 모습으로 성능 검증 평가를 완료했다. 본지에서는 한국환경산업기술원의 도움을 받아 본 로봇 개발의 의의와 주요 구성요소를 살펴봤다.

덕트 내부에 쌓인 물질(미세먼지, 바이오 에어로졸)은 지하 환경과 미소 공간의 공기질에 악영향을 미치고, 더블어 환기시스템의 에너지 효율 및 성능을 저하시키는 원인이 된다. 본 연구를 통해 덕트 및 미소공간에 적용 가능한 클리닝 로봇/디바이스 및 프로세스를 개발하여 이런 문제점을 해결하고자 한다.

본 연구의 제1차 년도에는 덕트클리닝 로봇/디바이스 및 프로세스 개발 Ⅰ단계로서 클리닝 대상 공간의 환경 특성 규명, 국내외 클리닝 디바이스 특성 및 문제점 파악, 자율이동 로봇/가변 브러시 정의 및 설계, 로봇 및 디바이스 평가용 설비(실험실) 구축 및 국내외 프로세스 규격 방안 구축 등에 관한 연구를 수행하였다. 제2차 년도에는 덕트클리닝 로봇/디바이스 및 프로세스 개발 Ⅱ단계로서 국내 환경에 적합한 클리닝 프로세스 개발, 자율이동 로봇/가변 브러시 프로토타입 개발, 로봇 및 디바이스의 실험실 평가 및 개선점 파악 및 지하 공간 환경개선 로직 개발 등의 연구를 수행하였으며, 최종년도인 제3차 년도에는 로봇 및 디바이스의 현장 평가 및 클리닝 규격(안)작성을 위해 클리닝 프로세스 실증 평가 및 개선, 로봇 및 디바이스의 현장 평가 및 클리닝 규격(안) 및 매뉴얼 개발을 수행하였다.

1차 년도에 실시된 덕트 클리닝 로봇은 로봇이 사용될 환경을 인식하고 로봇의 전체 구성을 결정지으며 제어 시스템의 방향을 잡는 것을 중점으로 그 설계안이 제시되었다.

기존의 덕트 클리닝 로봇들과 비교해 보다 넓은 작업영역과 신속한 클리닝 작업이 가능하도록 각각 RP(R-회전, P-병진), R 조인트로 구성된 윗면과 전면의 2개 로봇암과 트랙 방식을 이용한 이동플랫폼(몸체)까지 크게 세 가지 파트로 구성하여 전체 5자유도의 로봇으로 설계하였으며 이를 제어하기 위한 시스템으로 Matlab의 Simulink를 기반으로 한 xPC 제어 시스템을 선정, 조이스틱으로 실제 로봇의 실시간 제어를 실험하였다.

2차 년도에는 가용 최소 덕트 크기인 400㎜×300㎜에 맞춰 로봇의 전체 크기를 소형화하고 무게를 경량화 하는데 그 초점을 맞췄다. 내부 장비와 구동 방식(트랙에서 4WD 방식으로)을 변경하여 로봇의 전체 크기 및 무게를 감소시켰으며 청소 범위의 효율성을 높이기 위해 로봇암을 각각 5절 기구와 RR 기구로 변경하였다. 이러한 설계 변경은 초도 설계안과 비교해 전체 부피 42%, 무게 32% 수준의 소형화 및 경량화를 실현했고 로봇의 전체 자유도는 6으로 증가하여 좀 더 효율적인 클리닝 능력을 가지게 하였다.

3차 년도 실용화 설계 단계에서는 2차 년도의 설계안을 바탕으로 실제 덕트 내부에 투입되어 작업이 가능하도록 하는데 그 중점을 두었다. 실제 청소 과정에서 로봇암 및 몸체 내부에 유입되는 분진을 방지하기 위한 케이스를 장착할 수 있도록 각 파트의 상세설계를 변경하고 장착용 케이스를 설계하였으며 돌출되어 있던 카메라·조명 모듈을 간소화하고 케이스를 제거하지 않고 몸체에서 로봇암 모듈을 분리·결합할 수 있도록 배선 패널을 제작하였다. 또한 전면 브러시의 경우 덕트 옆면까지 클리닝이 가능하도록 새로운 디자인 형태를 제안하기도 하였다. 제어 시스템의 경우 양 옆의 초음파 센서 신호를 이용하며 로봇의 위치와 자세를 읽고 이를 이용해 사용자의 조종 없이 클리닝이 가능한 자율클리닝 기능을 추가하여 실제 덕트 내에서의 실험 또한 실시하였다.

▲ 전체 시스템 구성도

▲ 통합 제어 시스템 전체 구성도

시작품 연구에서 검증되었던 PC 기반의 통합제어 시스템을 바탕으로 전체 시스템을 업그레이드하였다. 

기존의 6축 제어기를 8축으로 구성하여 브러시 구동기까지 제어가 가능하도록 하였으며 초음파 센서의 신호를 받아 로봇의 위치를 인식하여 자율 구동이 가능하도록 하였다. 또한 자체 카메라 데이터 수신 프로그램을 제작하여 가이드라인 표시 및 동영상 저장이 가능하도록 하였다.

실시간 자율 시스템의 구성을 위한 기반 시스템으로 Matlab의 Simulink를 기반으로 한 xPC 제어기를 선정하였다. 

xPC 제어는 Host PC상의 Windows 환경에서 그래픽 기반 언어인 Simulink를 이용해 알고리즘을 개발하고 이를 컴파일하여 실시간 OS가 설치된 Target PC(xPC)에 배포하는 방식으로서, Matlab을 통해 알고리즘 개발이 비교적 용이하고 그래픽 기반으로 설정 및 신호의 모니터링이 쉽게 가능하다는 장점을 가진다.

초도 설계에서는 xPC 제어 전용으로 개발된 Speedgoat사의 Mobile Real-time Target Machine을 제어기로 선정하였으나 이후 연구에서는 전체 시스템에 비해 크기 및 무게가 크기 때문에 작고 가벼우며 설계 단가가 낮은 Advantech사의 PC/104+ 모듈을 새로운 제어기로 선정, 사용하였다.

구동기로 선정한 DC 모터들의 제어용 모터 드라이버로는 ROBOCUBE사의 CUBE-DC2408 -DID를 선정하였다. CUBE-DC 시리즈의 모터 드라이브는 RS232/458/CAN을 통해 다중모터제어 통신이 가능하며 Programmable Sequence 제어 기능을 가지고 있다. 이것은 실시간으로 위치/속도/전류 제어가 가능하며 2~100㎳의 주기로 명령이 가능한 소형 모터 드라이버이다.

덕트 내부에서 로봇의 자세를 확인하기 위한 센서로서 초음파 센서를 선정하였다. 로봇 양측에 각각 두 개의 센서를 설치하여 덕트와의 간격을 측정함으로서 로봇의 현재 자세를 확인할 수 있다. 레이저 등의 광학 센서를 사용하기 힘든 덕트 내 공간이라는 특성 상 여러 비 접촉식 센서 방식 중 초음파 센서를 확인 방식으로 선정하였다. US18의 경우 금속 표면에도 사용 가능한 초음파센서로 30~300㎜의 비교적 넓은 범위에서 0.5㎜의 높은 분해능과 빠른 응답속도를 가진다. 

덕트 내부의 현재 상황을 확인하기 위한 모니터링용 카메라로 VISIONHITECH CCTV SY STEM의 미니 뷸렛형 카메라인 V30S를 선정하였다. 고해상도에 실시간 모니터링이 가능하도록 아날로그 전송 방식의 CCTV를 선정하였으며 V30S는 3.5~16㎜의 가변렌즈를 장착해 외부에서 줌 및 포커스 조절이 가능하며 IP67방진, 방수 등급으로 험한 환경에서도 높은 신뢰성을 가질 수 있다. 또한 조도 측정 기능을 통해 조도가 낮을 경우 흑백으로 자동 변환되며 650TV 본의 고해상도를 구현한다.

카메라 옆에 설치될 조명으로는 JILLITE 사의 JCR2 LP-Black을 선정하였다.

20㎜(Ø)x51.4㎜(L)의 작은 크기에도 80~90lumen의 광량을 가지며 반사경과 렌즈를 통해 넓은 시야각과 방수 기능을 갖는다. 본래는 리튬 배터리를 이용한 방식이나 유선 전원 공급 방식으로 개조하였다.

HostPC에서 카메라 영상을 받기 위한 영상 캡처 기기로는 Digital Zone사의 핸디캡프로를 선택하였다. USB 타이브이 외장형 캡처 기기인 핸디캡프로는 휴대가 편한 소형 사이즈로 노트북과의 호환이 뛰어나고 다양한 캡처포맷과 Composite 및 S-video 단자를 제공하여 아날로그 타입의 신호도 쉽게 처리가능하다.

수동 구동에 사용된 조이스틱은 Logitech사의 ExtremeTM 3D Pro로 트위스트 동작이 가능한 조이스틱을 통해 정밀한 제어가 가능하며 프로그래밍이 가능한 12개의 버튼을 가지고 있어 로봇 암 뿐만 아니라 여러 모듈에 따른 다양한 제어설정이 가능하다.

xPC는 Simulink 기반에서 손쉽게 제어알고리즘을 개발하고 이를 Real-time Workshop로 컴파일하여 Real-time OS가 설치된 TargetPC에 실시간제어 프로그램을 배포할 수 있는 Simulink Toolkit이다. Windows 환경에서 그래픽 기반 언어인 Simulink를 이용하여 프로그램을 개발하며 지원이 되는 H/W(DAQs)를 사용하면 하드웨어 드라이버가 블록 형식으로 제공된다. Embedded Matlab Function도 지원이 되므로 Text 형식의 프로그램도 가능하고 Matlab에서 제공되는 Setsignal, Setparm, Getpram 등을 이용하여 블록 안에 Parameter 값 설정 및 Signal 등을 모니터링 할 수 있다. 

Matlab에서 제공하는 GUI Window 제작 함수를 통해 제어 GUI Window를 제작하였다. 제어의 시작과 종료 뿐 아니라 구동 시간 브러시 On/Off, 현재 모드, 각 초음파 센서에서 벽면까지의 거리, 현재 로봇의 자세와 이동거리 등이 표시되면서도 화면이 작은 노트북 환경을 고려하여 가능한 간소하게 제작하였다.

C++ 개발 언어를 바탕으로 자체적인 영상 캡처 프로그램을 제작하였다. 영상 위에 가이드라인을 만들어 사용자가 직접 로봇을 조종해야 하는 경우 쉽게 조종이 가능하도록 하였으며 프로그램 시작과 동시에 영상이 자동 저장되어 이후에도 사용자가 모니터링이 가능하도록 하였다.

라. 궤적 생성 프로그램

공작기계에서 사용하는 G-code와 유사한 코드로 손쉽게 경로를 작성하고 직선 및 단순 원의 궤적을 생성할 수 있는 함수를 이용하여 궤적 데이터를 생성한다. 이 데이터를 실시간 제어기에 파일형태로 다운로드하고 제어 프로그램이 이를 실시간으로 읽어 로봇의 궤적으로 제어한다.

본 연구에서는 쾌적한 실내공기질 확보를 위해 국내 지하철 환경에 적합하고, 기존 장비의 효율을 높일 수 있는 덕트 클리닝 로봇과 디바이스를 개발하고 개발된 장비의 운영에 필요한 프로세스를 구축하였다. 이를 위해서 기존 덕트 클리닝 로봇이 가진 문제점을 파악하여 작업범위를 넓히고, 클리닝 속도를 빠르게 하기 위해 필요한 로봇 암과 기구 및 전체 로봇 시스템의 H/W 및 S/W의 구성을 연구하였다. 로봇 암 브러시는 2자유도 5절 기구로 구성된 윗면 로봇 암과 R-R 구조로 구성된 전면 로봇 암으로 나누어서 구성하였다. 로봇(DCR-03C)의 몸체는 이동플랫폼에 4WD 방식을 사용하여 브러시 구동을 포함, 전체 8자유도를 갖는 장치로 설계하였으며 전체 로봇 시스템을 제어하기 위해 Matlab의 Simulink를 기반으로 한 xPC 제어 시스템을 구성하였고, 사용자가 보다 쉽게 이용하도록 환경을 설정하고, 조이스틱으로 로봇의 구동 및 통제가 가능하도록 하였다.

로봇을 사용하여 실제 환경에서 청소작업을 할 때 먼지가 많이 발생하므로 발생된 먼지가 H/W의 작동에 영향을 주지 않도록 방진이 되도록 하였다. 로봇이 덕트 내에서 이동할 때 자세 제어를 위해 초음파 센서를 사용했으며, 초음파 센서를 통해 스스로의 위치와 자세를 확인하여 사용자의 조종 없이 자율주행하도록 하고, 로봇에 고해상도 카메라를 설치하여 밖에서 사용자가 화면을 통해 덕트 안의 상황을 볼 수 있도록 시스템을 구성했다. 개발된 로봇은 먼저 실험실에서 실물 크기로 제작된 덕트에서 작동과 청소효율을 점검하고, 지하철 역사에서 실제 덕트에 투입하여 정상 작동을 확인하며, 당초 최종목표를 달성할 수 있는 만족할 만한 청소효율을 얻을 수 있었다. 

* 본 내용은 지면상의 이유로 재편집되었습니다.

한국환경산업기술원 www.keiti.re.kr

한국철도기술연구원 www.krri.re.kr