연구진
  - 지도교수 : 주백석
  - 연구원 : 김진원, 사공지혁, 송원효, 정현경

1. Introduction

▶ 연구 배경 및 목적

① 협소 공간 작업의 위험성
  - 2019년 9월 10일 영덕의 한 오징어 가공업체에서 외국인 노동자 4명이 지하에 매설된 폐기물 저장고를 청소하기 위해 투입되었다가 유독가스로 인한 질식사고를 당함.
  - 밀폐되고 협소한 환경에서 작업자의 인명 사고에 대한 사회적 이슈가 매년 줄지 않고 지속적으로 발생하고 있는 추세임.
  - 작업자가 투입되기 전 작업 공간의 안전성을 판단하기 위한 실내 모니터링용 로봇이 필요.

② 기존 극한 환경 모니터링 로봇의 한계
  - 작업 공간을 사전에 모니터링하기 위해 투입된 로봇은 건물 내부 특성상 좁은 통로나 구조물로 인해 더 이상 진행하지 못하는 상황이 있을 수 있음.
  - 기존의 모니터링 로봇들은 자신보다 좁은 공간에 진입하는 것이 불가능하고, 그때 그때 환경에 맞는 로봇을 재투입 시키는 것은 시간적, 경제적으로 비효율적임.

③ 협소 공간 극복 로봇
  - 본 연구에서는 로봇이 자신보다 좁은 공간을 자유롭게 드나들 수 있고, 협소 공간 내에서도 높은 이동성을 가지는 로봇을 개발함.
  - 협소 공간 극복에 대한 방법론으로써, 로봇이 스스로 로봇 바디의 크기를 조절할 수 있는 크기 조절 메커니즘 제안함.
  - 협소 환경 내에서 높은 이동성을 갖기 위하여 구동휠로써 전방향 이동 방식의 메카넘휠을 채용함.

2. Mechanical Design

▶ 역 푸아송 비 구조를 활용한 바디 프레임 설계

① 역 푸아송 비
  - 역 푸아송 비는 기존의 푸아송 비와는 달리 가로와 세로의 변형률이 양의 관계에 있음
  - 위의 왼쪽 사진과 같이 가로의 길이(k)가 줄어들 때 세로의 길이(h)도 함께 줄어드는 특징을 가지고 있음.

② 역 푸아송 비 구조를 활용한 바디 프레임
  - 위의 오른쪽 사진과 같이 각 링크들을 부품화 하여 역 푸아송 비의 격자 무늬 구조 바디 프레임을 설계함.
  - 링크 부품들을 결합하여 부피 변형이 가능한 바디 프레임을 구현함.
‌  - Catia 프로그램에서 축소 확대 시뮬레이션을 진행하였고, 각 링크에 대한 최적의 치수를 찾음.
‌  - 가로의 길이를 최대 62.8%, 세로의 길이를 최대 20.6% 까지 축소할 수 있음. 

▶ 바디 프레임 쉴드 설계 및 자유도 구속

① 바디 프레임 쉴드 설계
  - 바디 프레임이 크기 조절 동작을 할 때, 격자 무늬 구조의 프레임 형상이 어긋나는 것을 방지해줄 구조물이 필요함.
  - 크기 조절 메커니즘 및 이동 메커니즘을 수행하기 위한 하드웨어 장착 공간이 필요함.
  - 위의 왼쪽 그림과 같이 총 6 가지 종류의  바디 프레임 쉴드를 설계함.

② 바디 프레임 자유도 구속
  - 역 푸아송 비 구조의 바디 프레임은 다수의 링크가 조인트로 결합되어 있기 때문에 모든 절점에서 자유도가 필연적으로 상승됨.
  - 이는 척추가 없는 동물과 같이 로봇 바디의 형상을 일정하게 유지할 수 없음.
  - 이에 대한 해결책으로써 리니어 가이드를 설치하여 상승된 자유도를 구속함.
  - 위의 오른쪽 그림과 같이 리니어 가이드를 설치하였고, 상승된 로봇 바디의 자유도를 2자유도로 구속함. 

▶ 전방향 이동 방식 메카넘휠

- 크기 조절 메커니즘을 통해 자신보다 좁은 공간에 진입 가능.
- 협소 공간에 진입하고 난 후 로봇의 이동성 또한 고려의 대상이 됨.
- 일반적인 바퀴의 경우 위의 왼쪽 사진과 같이 방향 전환 동작 시 회전과 이동을 반복적으로 수행해야 하기 때문에 복잡한 경로 생성과 이동 전략이 필요함.
- 좁은 공간 내에서 이러한 동작을 수행하는 것은 제한적이고, 공간 확보 또한 어려움.
- 위의 오른쪽 그림과 같이 메카넘휠을 구동휠로 채용함으로써, 좁은 공간 내에서도 직각적인 횡방향 이동이 가능하여 이동이 자유로움.

▶ 크기 조절 로봇 최종 설계안

- 크기 조절 로봇은 최종적으로 위의 왼쪽 사진과 같이 설계함.
- 역 푸아송 비 구조를 활용한 바디 프레임이 프레임 쉴드와 리니어 가이드와 결합이 되어 있음.
- 크기 조절 메커니즘 및 이동 메커니즘을 수행하기 위한 하드웨어들이 프레임 쉴드에 결합이 되어 있음.

3. Hardware Design

▶ 하드웨어 구성 및 연결도

- 로봇 상부에 설치된 와이파이 및 블루투스 모듈을 통해 사용자의 스마트폰 기기와 통신을 함.
- 사용자는 스마트폰 앱의 인터페이스를 통해 로봇에게 명령을 내릴 수 있고, 카메라 센서를 통해 전송되는 로봇 전방 상황을 모니터링 할 수 있음.
- 로봇 전방에 달린 거리 감지 센서를 통해 주위 환경을 인식.
- 메인 컨트롤러 아두이노에서는 센서부를 통해 인식한 내용을 바탕으로 구동 모터와 리니어 모터에 제어 신호를 전송.
- 전원 배터리에서는 메인 컨트롤러와 모터부에 전원을 공급.

▶ 로봇 제어 및 전방 모니터링 APP 개발

- 앱 인벤터를 이용하여 유저 인터페이스를 개발함.
- 카메라 센서와 와이파이 모듈을 통해 전송되는 로봇 전방 상황을 실시간으로 모니터링 할 수 있음.
- 로봇 조작 버튼을 이용하여 로봇에게 동작 명령을 내릴 수 있음.

4. Control System Design

▶ 환경 인식 알고리즘

- 평상시 로봇은 사용자의 스마트폰 앱 인터페이스에 입력되는 명령에 의해 동작함.
- 사용자가 로봇 전방 상황을 모니터링 하다가 협소 공간을 발견하면 환경 인식 기능 버튼을 눌러 로봇이 스스로 협소 공간을 통과하도록 함.
- 환경 인식 기능은 평형 작업, 스캔 작업, 센터 작업 순으로 진행됨.

5. Result
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▶ 구동 영상

∵ Qualifications (Award & Patent)

• 2019 SRC IRC 지능로봇대회 / 지능형창작로봇부문 / 우승(국무총리상)
• 제 21회 한국지능로봇 경진대회 / 지능로봇창작부문 / 대상(산업통상자원부장관상)
• 제 21회 한국지능로봇 경진대회 / 지능로봇창작부문 / 특별상(유엘산업안전상)
• 제 4회 창의설계경진대회 / 대상(한국정밀공학회장상)
• 2019 한국기계가공학회 추계학술대회 / 캡스톤 및 창의아이디어부문 / 최우수상(한국기계가공학회장상)
• 2019 한국기계가공학회 추계학술대회 / 캡스톤 및 창의아이디어부문 / 우수상(한국기계가공학회장상)
• 2019 공학 페스티벌(E'FESTA) / 우수상(한국산업진흥원장상)
• 2019 전국지능로봇경진대회 / 대상(창원시장상)
• 2019 KIT Engineering Fair / 대상(금오공과대학교 총장상)