Development of Surface Robot for Floating Debris Removal

부유물 수거용 수상로봇 개발

Development of Surface Robot for Floating Debris Removal

기현승* ․ 김현식**

Hyeon-Seung Ki and Hyun-Sik Kim

*동명대학교대학원 기계시스템공학과, **동명대학교 로봇시스템공학과

†

Department of Robot System Engineering, Tongmyong University

This is an Open-Access article distributed un- der the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License ( ht t p: / / c r ea t i v ec ommon s . or g / l i- censes/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and re- production in any medium, provided the orig- inal work is properly cited.

요 약

최근에는 자연재해 및 무단투기 등으로 인해서 해양으로 많은 양의 폐기물이 유입되고 있으며 그 영향으로 해양 생태계가 파괴되고 미관이 훼손되는 등 해양환경이 오염되고 있다. 해양에 존재하는 폐기물 수거를 위해 여러 방법을 사용하고 있는데, 주로 수거되는 폐기물의 형태는 부유물이다. 부유물을 수거하기 위해 주로 그물을 사용 하며 최근에는 선박으로 수거를 실시하고 있다. 하지만, 선박 수거에 있어서 인력 및 기술 부족으로 많은 어려움 이 발생하고 있다. 이 문제를 해결하기 위해서 부유물 수거용 수상로봇이 개발되었다. 개발된 로봇의 성능 검증 을 위해서 Surge, Yaw, 부유물수거 등의 시험평가가 수행되었다. 시험평가 결과는 실제 적용 가능성 및 추가적 인 연구의 필요성을 보여준다.

키워드 : 부유물, 폐기물 수거, 수상로봇

Recently, many waste is getting into the ocean because of natural disasters and trash of illegality. These de- stroy the marine ecosystem and the great views around the ocean. Many methods are used for the removal of the waste in the ocean and one of the main waste forms is floating debris. In order to remove the waste, the nets are mostly used and the ships are recently used. However, many problems are occurred due to low number of people and techniques in the ship-based removal. To solve this problem, a surface robot for floating debris removal is developed. To verify the performance of the developed robot, tests of surge, yaw, and floating debris removal are executed. The test results show the possibility of real applications and the need for additional studies.

Key Words : Floating Debris, Waste Removal, Surface Robot Received: Feb. 12, 2015

Revised : Apr. 1, 2015 Accepted: Apr. 16, 2015

†

Corresponding author [email protected]

1. 서 론

최근에는 기상이변의 주요 원인이 되는 탄소배출의 증가로 인하여 태풍, 해일 등의 자 연재해가 빈번하게 일어나고 있으며[1], 그 결과로 인하여 강 및 호수 등으로 각종 자재 및 쓰레기 등의 폐기물이 유입되고 있다. 또한 다양한 형태의 무단투기에 의한 해양 폐기물도 급증하고 있다. 이들은 해양생태계의 어족자원 감소와 해양 먹거리의 위생문제를 유발할 뿐만 아니라, 관광지 미관 훼손과 안전성 문제도 유발하고 있다. 이를 통해서 해양 폐기물 이 다양한 해양 자원 및 환경에 미치는 영향 및 그 심각성을 알 수 있다.

해양 폐기물의 해양환경 오염에 대한 대책으로서 해양 폐기물을 수거하는 작업이 지속 적으로 진행되고 있으며, 연평균 약 3만 톤 이상의 폐기물이 수거되고 있다. 주로 수거되 는 폐기물은 해상에 부유하는 폐기물로 플라스틱류가 절반 이상을 차지하고 있으며[2-3], 부유물 수거방법에는 그물을 포한한 여러 가지 방법이 적용되고 있다.

선박을 이용한 대표적 부유물 수거방법인 청항선은 필터벨트(filter belt) 시스템을 활용

하여 수면 위의 각종 폐기물 및 오염물을 제거하는 기능을 보유하고 있는데, 평상시에는

해당 해역에 투입되어 폐기물의 수거작업을 수행하며 기름 유출 등의 사고시에는 오염물

을 수거한다. 그런데, 청항선과 같은 부유물 수거용 선박들은 선체 폭 만큼으로 수거 반경

이 제한되는 단점으로 인하여 여러 방면으로 분포되어 있는 부유물을 수거하는 과정에서

그림 1. 운용개념도 Fig. 1. Diagram of operating concept 는 선체의 복잡한 운용에 따른 에너지 소비 및 인력 동원이

요구된다[4-5].

이러한 문제를 해결하기 위하여, 본 논문에서는 보다 효율 적인 부유물 수거 작업을 위해 선체 일부의 회전이 가능한 메커니즘[6]을 보유한 수상로봇을 개발하였다. 개발된 수상로 봇은 기존 청항선의 필터벨트 시스템을 기반으로 하는데, 수 거 기능을 갖는 선수부(bow part)와 추진 및 제어 기능을 갖 는 선미부(stern part)가 분리되도록 선체가 구성되어 있어서 필요시에 선수부 만을 회전시켜 수거 반경의 확대 및 수거 방향의 조정이 모두 가능하므로 운용 효율을 높일 수 있다.

또한, 연구개발방법론으로서는 글로벌 표준 프로세스인 시스 템공학(System Engineering : SE) 프로세스를 도입하여 운용 개념 정립(operating concept establishment), 요구사항 분석 (requirement analysis), 기능 분석(function analysis), 설계 (design), 제작(manufacturing), 시험평가(test and evalua- tion)를 차례로 수행하였다[7-9].

개발된 로봇의 설계 및 제작에 대한 설명은 2장에서 기 술되어 있고, 개발된 로봇의 성능 검증으로서의 실험 및 결 과는 3장에서 기술된다. 결론 및 향후 연구는 4장에서 요약 된다.

2. 로봇 설계 및 제작

개발된 로봇의 설계 및 제작은 이해도를 높이기 위하여 하 드웨어 플랫폼과 소프트웨어 플랫폼으로 구분하여 다음과 같 이 기술하였다.

2.1 하드웨어 플랫폼

먼저, 브레인스토밍(brainstorming) 과정을 거쳐 운용개념 을 정립하였는데, 그림 1을 살펴보면 선체는 래크(rack)와 피 니언(pinion)을 이용하는 선수부와 선미부로 분리 및 결합이 가능한 형태로 구성되어져있다. 그리고 선수부에는 기존 청 항선의 수거방식인 필터벨트를 적용한 컨베이어벨트 시스템 을 도입하여 수면 위의 부유물을 효율적으로 수거가 가능하 도록 하였으며 선미부 양쪽 끝에 각각 추진기를 장착하여 선 체의 신속한 좌우 회전 및 전진이 가능 하도록 하였다. 또한, 부유물 수거반경을 넓힐 수 있도록 선미부 위쪽에 모터를 장 착하여 선수부를 회전시키는 구조를 가지고 있다. 선수부에 카메라(camera)를 장착하여 Host PC로 영상정보를 전송하게 되며 획득한 영상정보를 기반으로 Host PC에서 로봇을 원격 제어하는 개념이다[10].

운용개념 정립을 기반으로 요구사항 분석이 수행되었는데, 그 결과로서 이동성(R1), 조작성(R2), 관측성(R3), 시험평가성 (R4) 등의 요구사항이 도출되었다.

요구사항 분석을 기반으로 기능 분석이 수행되었는데, 그 결과로서 이동성과 관련해서는 조파저항 최소화 기능(F1), 스 크류 정/역 회전 기능(F2) 등이 도출되었고, 조작성과 관련해 서는 선수/선미 분합(separation/combination) 기능(F3), 선수

포지셔닝(positioning) 기능(F4), 필터벨트 리프트/드랍 (lift/drop) 기능(F5), 필터벨트 ON/OFF기능(F6) 등이 도출되 었고, 관측성과 관련해서는 카메라 관측 기능(F7) 등이 도출 되었고, 시험평가성과 관련해서는 전원 ON/OFF 기능(F8), 프 로그램 다운로드 기능(F9) 등이 도출되었다.

기능 분석을 기반으로 설계가 수행되었는데, 그 중간 결과 로서 몸체부(body part), 구동부(actuation part), 추진부 (propulsion part), 기타(others) 등의 하드웨어 구성품이 식 별되었다. 하드웨어 구성품은 앞서 도출된 기능을 하드웨어 적으로 구현하기 위한 요소들인데, 다음의 그림 2는 이들을 계층적으로 표현한 하드웨어 가계도를 나타낸다.

그림 2. 하드웨어 가계도 Fig. 2. H/W family tree

하드웨어 가계도를 기반으로 설계가 계속되었는데, 그 최 종 결과로서 그림 3 및 그림 4와 같이 3D 모델링 기반의 설 계가 완성되었다. 3D 모델링 툴은 CATIA(Computer Aided Three dimensional Interactive Application)를 사용하였다.

설계된 로봇은 부력이 중력보다 커서 양성 부력을 가지므로

수상에서 운용할 수 있도록 하였으며, 조파 저항의 최소화를

위한 V형의 몸체를 갖도록 하여 추진에너지의 소모를 줄이고

자 하였다.

그림 3. 3D 모델링 기반 설계(등각) Fig. 3. 3D modeling-based design(isometric)

그림 4. 3D 모델링 기반 설계(측면) Fig. 4. 3D modeling-based design(side)

또한 설계된 로봇은 선수부, 선미부, 연결부(connection part), 회전부(rotation part) 등으로 구성되어 있는데, 그림 5 의 선수부는 2개의 선체를 갖는 쌍동선 형태로서 부유물 수 거를 담당하고 있으며 선미부는 선수부와 결합이 용이한 형 태로 추진 및 제어를 담당하고 있다.

그림 5. 선수부 및 선미부 Fig. 5. Bow and stern parts

선수부는 그림 6과 같이 수거부(pickup part)를 포함하고 있는데, 수거부는 기존 청항선의 방식을 그대로 적용하여 DC 모터로 필터벨트를 회전시켜 부유물이 수거함으로 들어갈 수 있도록 하였다. 그리고, 필터벨트의 하단에는 수중모터가 장 착되어있는데, 이는 선체 방향으로 물의 흐름을 만들어 부유 물의 선체 유입을 용이하게 하였다.

그림 6. 수거부 Fig. 6. Pickup part

필터벨트를 올리고 내리기 위해 그림 7과 같이 도르레를 구성하였다. 이는 부유물 수거 시 필터벨트를 수면으로 내려 부유물을 수거하고 추진 시 필터벨트를 올려 선체의 원활한 이동을 할 수 있도록 하였다. 또한, 선수부 선두에는 무선 카 메라를 장착하여 로봇 전방이 촬영된 영상을 실시간으로 Host PC로 영상을 전송할 수 있다.

그림 7. 도르레와 필터벨트 Fig. 7. Pulley and filter belt

선미부는 2개의 DC모터와 회전축으로 연결된 스크류로 구 성된 추진부 이외에도 연결부, 회전부, 제어부(control part), 전원부(power part) 등을 포함한다. 선미부 상단에는 그림 8 과 같이 2개의 모터, 래크/피니언 모듈, 원판 등이 장착되어 있는 연결부 및 회전부가 존재하는데, 래크의 한쪽 끝이 선수 부와 결합되어 있으므로 피니언을 회전시킴으로써 선수부와 선미부의 분리 및 결합이 가능하며, 원판과 래크가 결합되어 있으므로 원판을 회전시킴으로써 선수부의 회전이 가능하다.

선수부의 회전은 선체의 이동을 최소화하면서도 수거 반경의 확대 및 수거 방향의 조정이 가능하므로, 다방면에 분포된 부 유물의 경우에 시간 및 비용을 최적화 할 수 있다.

그림 8. 연결부 및 회전부 Fig. 8. Connection and rotation parts

제어부를 구성하는 제어보드는 상용보드인 ATmega2561을

사용하였으며, 전체적인 데이터 연동을 나타내는 그림은 다

음의 그림 9와 같다.

그림 9. 제어부 데이터 연동도 Fig. 9. Data interface of control part

설계를 기반으로 제작이 수행되었는데, 그 결과로서 그림 10과 같이 시제품을 완성하였다.

그림 10. 수상로봇 시제품 Fig. 10. Prototype of surface robot

제작된 로봇은 직접제작 부품 및 상용 부품으로 크게 나누 어 지는데, 직접제작 부품은 3D 모델링 기반의 설계를 활용 하였고, 상용 부품은 범용성이 높은 제품을 구입하였다.

직접제작 부품과 관련하여, 몸체의 경우는 구동되는 모습 의 확인이 용이하도록 투명아크릴로 제작하였는데, 3D 모델 링된 자료를 참고하여 파트별로 2D 도면을 설계하였고 설계 된 도면을 바탕으로 레이저 가공기를 사용하여 아크릴을 가 공하였으며, 글루건을 사용하여 몸체의 방수처리를 하였으며, 무게 중심을 조절하기 위해서 선미부에 납을 추가하였다. 필 터벨트의 경우는 제작의 편의를 위해 2개의 축에 그물망을 연결하여 제작하였다. 추진부의 연결된 축 부분에는 그리스 (grease)를 채워 축 구멍 사이로 유입되는 물을 차단하였다.

래크와 피니언의 경우는 3D 모델링된 자료를 직접 활용하여 RP(Rapid Prototyping) 장비인 3D 프린터를 활용하여 제작하 였다. 선미부의 제어기 핀과 연결된 케이블은 래크를 통해 선수부와 연결하였다.

상용 부품과 관련하여, 모터의 경우는 Roborobo사의 DC

Geared Motor(100 rpm) 3개와 Tamiya사의 Submarine Motor 1개, Robotis사의 OGM-10A 2개, AX-12A 1개를 사용 하였는데, 이는 데이터 핀을 통해 신호를 보냄으로써 모터를 제어할 수 있게 하였다. 그림 11은 로봇의 원격제어와 관련 된 부품으로 지그비(zigbee) 및 무선카메라 모듈이다. 사용된 지그비 모듈은 Robotis사에서 제공하는 모듈로서, Host PC와 로봇의 제어기에 각각 장착된 후 지그비 통신을 수행하여 Host PC에서 로봇에 제어명령을 전송함으로써 로봇을 제어 할 수 있다. 무선카메라 모듈은 Snipe-eye사에서 제공하는 모듈로 제어부와 연동 없이 Host PC와 연결된 수신기를 통 해 영상정보를 획득 할 수 있는 부품인데, RF 방식의 통신방 법을 이용하여 영상을 전송한다. Host PC에서 획득한 영상정 보를 기반으로 로봇의 원격제어가 가능하도록 구성하였다.

그림 11. 지그비 및 무선카메라 모듈 Fig. 11. Zigbee and wireless camera modules 2.2 소프트웨어 플랫폼

기능 분석을 기반으로 또 다른 설계가 수행되었는데, 그 중간 결과로서 추진함수, 구동함수, 내장함수 등의 소프트웨 어 구성품이 식별되었다. 소프트웨어 구성품은 앞서 도출된 기능을 소프트웨어적으로 구현하기 위한 요소들인데, 다음의 그림 12는 이들을 계층적으로 표현한 소프트웨어 가계도를 나타낸다.

그림 12. 소프트웨어 가계도 Fig. 12. S/W family tree

소프트웨어 가계도를 기반으로 설계가 계속되었는데, 그

최종 결과로서 저수준 요소와 알고리즘 구현 등이 이루어 졌

다. 즉, 추진함수는 수거용 로봇의 전진 및 좌우 회전을 담당

하고 있으며, 구동함수는 필터벨트 동작, 선수부와 선미부의

분리 및 결합, 선수부 회전 등을 담당하고 있다. 내장함수 각 각에 대한 설명은 다음의 표 1과 같다.

표 1. 내장 함수 설명 Table 1. Description of library functions

Name Description Input

Value Output Value

start Initializing None None

delay_ms Time Setting [ms] 1∼60,000 None motor1 Velocity Setting -15∼15 None motor2 Velocity Setting -15∼15 None motor3 Velocity Setting -15∼15 None motor4 Velocity Setting -15∼15 None motor5 Velocity Setting -15∼15 None motor6 Velocity Setting -15∼15 None dxl_wirte_word Degree Setting 0∼1023 None

설계를 기반으로 제작이 수행되었는데, 그 결과로서 그림 13 및 그림 14와 같이 프로그램을 완성하였다.

그림 13. 수상로봇 프로그램 Fig. 13. Program of surface robot

그림 14. GUI 구현 Fig. 14. GUI realization

완성된 프로그램은 로봇용 프로그램 및 Host PC용 프로그 램으로 크게 나누어 지는데, 로봇용 프로그램은 제어보드에 다운로드하여 로봇의 동작이 가능하도록 하였으며, Host PC 용 프로그램은 PC에 다운로드하여 로봇의 원격제어가 가능하 도록 하였다.

로봇용 프로그램과 관련하여, C 언어를 기반으로 프로그램 을 구현하였으며, 프로그래밍툴은 AVR Studio를 사용하였다.

Host PC용 프로그램과 관련하여, MFC를 기반으로 GUI를 구현하였으며, 카메라 영상을 기반으로 원격제어 명령의 발 생이 가능하도록 하였다. 좌측 화면은 카메라로부터 획득한 영상을 실시간으로 보여주는 부분이고 우측 화면은 원격제어 명령을 발생하는 부분이다.

3. 시험평가 및 결과

시험평가 항목은 요구사항/기능 분석 결과들과의 추적성을 유지하는 것이 매우 중요한데, Surge(T1), Yaw(T2), Mode_Transform(T3), Yaw_Bow(T4), Filter_Belt(T5), Communication(T6) 등의 시험평가 항목이 도출되었다. 다음 의 표 2는 그 추적성을 보여준다.

Requirement Function Component Test Item

R1 F1 H11, H12 T1, T2

F2 H12, H3 T1, T2

R2

F3 H11, H12, H13 T3 F4 H11, H13, H23 T4

F5 H11, H21 T5

F6 H211 T5

R3 F7 H44 T6

R4 F8 H41 T1∼ T6

F9 H42 T1∼ T6

표 2. 추적성 Table 2. Traceability

그림 15의 시험평가 시나리오는 로봇의 작업효율을 확인 하기 위한 것으로서 248[cm] × 128[cm]인 수조 내에서 시작 지점 S와 목표지점 G의 사이에 1번부터 5번의 위치에 부유 물을 두고 수거를 수행하는 것을 나타낸다.

그림 15. 시험평가 시나리오 Fig. 15. Scenario for test and evaluation

시험평가의 수행 모습은 다음의 그림 16과 같다. 시험평가

를 통하여 요구사항 및 기능이 충족됨을 확인하였다.

그림 16. 시험평가 수행 Fig. 16. Execution of test and evaluation

선수부와 선미부의 분리 전과 분리 후의 부유물 수거 시간 을 비교한 시험평가 결과는 다음의 표 3과 같은데, 선수부와 선미부를 분리 후 수거한 경우 분리 전보다 수거시간이 짧은 것을 확인할 수 있다. 이는 개발된 로봇이 다방면에 분포되 어 있는 부유물을 수거할 경우 기존 수거방법 보다 작업효율 이 더 높다는 것을 보여준다.

표 3. 시험평가 결과 Table 3. Results of test and evaluation Position Time [sec] Improvement Ratio

Before After [%]

1 53 48 9.4

2 57 36 36.8

3 25 26 -4.0

4 43 38 11.6

5 49 41 16.3

그림 17은 표 3의 정량적 결과를 정성적으로 표현한 그래 프를 나타내는데, 3번의 위치를 기준으로 제어특성 등의 차 이로 좌우 대칭은 아니지만 그 효율성은 잘 보여 준다.

그림 17. 작업효율 비교 Fig. 17. Comparison of work efficiency

최종적으로 개발 및 검증된 부유물 수거용 수상로봇의 사양 은 다음의 표 4와 같다.

표 4. 수상로봇 사양 Table 4. Specification of surface robot

Item Value

Length 55.8 [cm]

Height 7 [cm]

Width 23 [cm]

Weight 2.3 [kg]

Maximum Speed 8 [cm/s]

Communication Distance (ZigBee) 10 [m]

Communication Distance (Camera) 25 [m]

4. 결론 및 향후 연구

본 논문에서는 선수부 및 선미부가 분리 가능한 부유물 수 거용 수상로봇이 개발되었고 논의되었다.

시스템공학 프로세스를 기반으로 부유물 수거용 수상로봇 을 개발하여 문제의 정의 및 해결에 이르는 글로벌 표준 프 로세스 적용 사례를 확보할 수 있었으며, 개발된 로봇의 성능 검증을 위한 시험평가 결과를 통해 해양부유물 수거와 관련 된 청항선의 주요 문제점인 작업효율을 개선할 수 있는 방안 이 존재함을 확인하였으며 개발된 로봇의 실제 적용 가능성 도 보여주었다.

또한, 분리형 로봇 기반의 임무 수행을 위한 기초 연구 결 과를 확보할 수 있었다.

추후에는 본 연구를 바탕으로 부유물 수거용 수상로봇에 지능 이론을 적용한 제어성능 최적화 기법에 관해 연구를 지 속할 예정이다.

References

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[10] H.-S. Ki, “Marine Robot for Floating Debris Removal,” B.S. Thesis, Tongmyong University, February, 2015.

저 자 소 개

기현승(Hyeon-Seung Ki) 2015년 : 동명대학교 로봇시스템공학과 공학사

2015년~현재 : 동명대학교 기계시스템공학과 석사과정

관심분야 : Artificial Intelligence, Control Theory, Marine Robot

Phone : +82-51-629-3726 E-mail : [email protected]

김현식(Hyun-Sik Kim)

1994년 : 부산대학교 전기공학과 공학사 1996년 : 부산대학교 전기공학과 공학석사 2001년 : 부산대학교 전기공학과 공학박사 1998년~2007년 : 국방과학연구소 연구원 2007년~현재 : 동명대학교

로봇시스템공학과 교수 관심분야 : Artificial Intelligence, Robotics, Marine Robot,

System Engineering, Collaborative Network Robot, Target Processing

Phone : +82-51-629-1565

E-mail : [email protected]