연구진
- 지도교수 : 주백석
- 연구원 : 김재원, 이성우, 이장협, 이영준
- 지도교수 : 주백석
- 연구원 : 김재원, 이성우, 이장협, 이영준
U N D E R G R A D U A T E A C T I V I T I E S
Remote Firefighting Robot
1. Introduction
▶ 연구 배경 및 목적
① 소방 로봇의 필요성
- 화재는 인적·물적 피해를 동반하기 때문에, 소방 로봇 분야의 지속적인 발전이 필요함.
- 사람이나 소방차의 진입이 어려운 화재 현장에 로봇을 투입하여 신속한 진화에 이바지하고 나아가 소방대원의 안전을 도모하여 화재로 인한 인적·물적 피해를 최소화.
- 화재 현장에는 소방헬기와 소방차 등이 투입됨. 하지만,
- 소방헬기는 물을 적재할 수 있는 양이 제한되며, 날씨의 영향을 받음.
- 소방차는 산악지형으로의 접근할 수 없으므로 신속하게 화재를 진압하기 어려움.
② 8-Wheel robotic platform 기반 무인 원격 화재진압 로봇
- 본 연구에서는 평지뿐만 아니라 산악지형과 같은 비평탄 지형도 안정적으로 극복할 수 있는 8-Wheel robotic platform 구조를 제안함.
- 메인링크와 서브링크를 축으로 연결하여 서브링크가 자유롭게 회전할 수 있도록 함.
- 이를 통해 다양한 지면 상황에서도 항상 높은 마찰을 유지하여 비평탄 지형을 안정적으로 주행
2. Mechanical Design
▶ 기구부 설계
① 로봇 전체 형상
② 8-Wheel Robotic Platform
- 바퀴 구동계는 메인 링크와 2개의 서브 링크로 구성.
- 바퀴 하나당 각 하나의 모터가 사용되기 때문에 서브 링크 하나에 모터가 2개 장착되도록 설계함.
- 8-Wheel robotic platform 구조 특징
- 8개의 바퀴로 주행하여 신속하게 화재 현장에 도달
- 바퀴가 몸체에 고정되어 있지 않고 회전할 수 있는 링크 구조로 설계되어 산악지형과 같은 비평탄 지형을 안정적으로 극복.
③ Rack gear system
- 8-Wheel robotic platform 구조는 높고 연속적인 다단장애물을 극복할 수 없다는 단점 존재.
- 랙 기어 시스템 설계
- 로봇의 무게를 견디며 서브링크를 밀어내기 위해선 큰 힘이 필요함.
- 평 기어를 각각 12, 20, 30의 잇수로 설계하여 기어비를 2:5로 설정 → 2.5배 더 강한 모터의 토크 사용
④ 3-Axis gimbal camera 구조
- 3축 짐벌은 회전체의 움직임으로부터 Roll, Pitch, Yaw 방향마다 모터가 위치함.
- 전후, 상하, 좌우 전방위적인 흔들림 보완
- 산악지형과 같은 비평탄 지형에서 흔들림 없이 안정적인 모니터링을 통해 화재 현장을 정확하게 인식하고, 노즐을 조준할 수 있어 신속한 화재 진압이 가능함.
⑤ Pan-tilt nozzle mechanism
- 팬틸트 메커니즘을 노즐에 활용하여 비평탄 지형에서도 각도를 원하는 대로 조절하고, 화재가 발생한 곳을 향하여 정확히 분사 가능함.
- 2개의 모터가 Pan(좌우 회전)과 Tilt(상하 기울기) 방향을 제어하도록 설계
3. Hardware Design
▶ 하드웨어 구성 및 연결도
- 주변 환경을 인식하기 위해 카메라 모듈과 거리 측정을 위한 레이저 센서, 블루투스 모듈을 사용함.
- 구동 모터는 MX-64를 사용하였고, 12개의 모터를 동시에 효율적으로 제어하기 위해 OpenCR 마이크로컨트롤러를 사용함.
4. Control System Design
① 운영 환경
- 원격 화재진압 로봇과 모바일 기기를 연결하고, 카메라 센서를 통해 로봇의 상황을 사용자가 실시간으로 모니터링함.
- 또한, 로봇의 기본적인 동작과 속도, 노즐의 방향, 랙 기어의 동작을 수동으로 원격 제어 가능함.
② 환경 인식 및 랙 기어 자동화
- 로봇이 높고 연속적인 장애물을 인식하고, 스스로 랙기어를 작동하도록 프로그래밍함.
1. 두 개의 레이저 센서가 전방의 장애물을 동시에 인식
2. IMU 센서가 로봇의 특정 기울기 이상의 값을 감지
3. 소방 로봇이 극복 불가능한 환경으로 인식하여 랙 기어를 작동
5. Result
▶ 구동 영상
▶ 기대효과
- 연간 수백 건에 달하는 산불 사고로 인한 피해를 최소화하기 위해 화재 현장을 빠르고 안정적으로 진압하는 것은 매우 중요함.
- 기존의 상용화된 소방 로봇들이 가지고 있는 한계점을 극복하고자 캐터필러와 사륜구동 방식의 장점을 합친 8-Wheel robotic platform을 설계함.
- 이를 통해 다양한 지명 상황에서도 항상 접지를 유지하며 안정적인 주행이 가능함.
- 또한, 기존의 소방 로봇과는 다르게 3축 짐벌 카메라 구조를 장착하여 안정적으로 화면을 모니터링 가능함.
- 이러한 기능으로 화재지점을 향해 정확하게 물을 분사하여 화재를 진압할 수 있을 것으로 기대됨.
∵ Qualifications (Award & Patent)
• 2023 국제로봇콘테스트 서울테크 지능로봇대회 / 대통령상
• 2023 대한기계학회 전국 학생설계 경진대회 / 경암대상
• 2023 KIT Engineering Fair / 특별상 (경상북도지사상)