경사진 패널 위에서 주행이 가능한 보행형 태양광 패널 청소로봇 시스템 개발

Development of a Walking-type Solar Panel Cleaning Robot Capable of Driving on Inclined Solar Panel

Abstract

본 연구에서는 태양광 패널 청소 로봇이 진공 패드 압력을 이용하여 경사진 패널 위를 미끄러짐 없이 효율적으로 주행하는 방법을 제안한다. 이 방법에서는 로봇을 경사로 패널에 고정시키기 위해 로봇 발에 부착된 고무 패드의 압력을 진공으로 만들게 된다. 구동 방식으로 Linkage 매커니즘을 적용하여 미끄러짐을 방지함과 동시에 중량을 감소하여 소모전력을 낮추는 방법을 제안하였다. 로봇의 안전한 구동을 위하여 솔레노이드 밸브, 근접 센서, 엔코더를 사용하여 로봇의 움직임을 감지하며, 주행할 때 고무 패드의 압력을 제어하여 안전한 경사로 주행을 가능하게 하였다. 로봇의 전진 동작을 위하여 다중의 솔레노이드 밸브들의 동작 시퀀스를 완성하여 양쪽 발에 부착된 6개의 진공패드가 진공 및 대기압을 정확하게 형성 할수 있도록 제어하여 이동 중 미끄러짐 없이 전진할 수 있게 하였다. 마지막으로 주행 및 회전 실험을 통해 36도의 태양광 패널에서 직진 및 회전 동작을 수행할 수 있음을 확인하였다.

This paper propose the method to drive a solar panel cleaning robot efficiently on an inclined panel using vacuum pad pressure. In this method, the rubber pads using the vacuum pressure are used to attach robot body to the panel surface. By applying the linkage mechanism to the vacuum pads, it was possible to reduce robot weight and power consumption and to prevent slipping of the robot. In addition, the use of solenoid valves, proximity sensors, and encoders to detect movement of the robot body and the control of the pad pressure dedicate to the driving of the robot on an inclined panel. In order to move the robot forward, the operation sequence of multiple solenoid valves was completed, and the six vacuum pads mounted to both legs were accurately controlled to form vacuum and atmospheric pressure in right order so that the robot could move forward without slipping. At last, it was confirmed through experiments that straight-forward moving and rotational movement could be performed up to 36 degrees of inclination angle of solar panel.

Ⅰ. 서론

화석 연료로 인한 환경오염이 심각해지며 기존 화석 연료를 재활용하거나 재생 가능한 에너지를 변환시켜 이용하는 신재생에너지에 대한 관심은 날이 갈수록 높아지고 있다. 이 신재생에너지의 대표적인 것이 태양 에너지이며, 태양으로부터 오는 열과 빛 형태의 에너지를 태양광 패널을 통해 전기로 만들 수 있다. 그러나 태양광 에너지의 핵심 기술 중 하나인 태양광 패널은 야외에 설치되기 때문에 쉽게 오염될 수 있다. 오염된 태양광 패널은 청소만으로 효율이 7.7% 상승하는 정도로 효율이 떨어지기 때문에 청소가 필요지만, 태양광 발전의 특성상 위치가 높거나 거대한 규모로 설치하기 때문에 사람이 일일이 청소하기가 힘들다. 이러한 문제를 해결하기 위해 다양한 태양광 패널 청소로봇이 등장하고 있다.

사우디아라비아는 사막에 설치한 태양광 발전 시설로 전기를 생산하여 석유 의존도를 줄이기 위한 노력을 하고 있다. 그러나 거대한 규모의 태양광 패널을 사람에게 청소하게 하는 것이 힘들고 사용 환경이 사막이기 때문에 물 또한 구하기 힘들어 일본 Miraikikai사에서 물을 사용하지 않고 브러쉬를 이용하여 청소를 진행하는 자율주행형 태양광 패널 청소 로봇 ‘Duster bot’를 개발, 구입하였다.^[1] 룩셈부르크의 ‘Solar Cleano’의 경우 앞의 로봇과는 달리 도심이나 해상에서 사용하는 로봇이기 때문에 외부에서 물을 받아 청소면에 분사하면서 브러쉬로 세정하는 것으로 세척력을 더 높였다.^[2] 앞의 로봇들은 자율주행형 태양광 패널 청소 로봇으로 소규모 발전 단지에서 사용 가능하며 패널 설치 환경에 로봇의 설치가 구애받지 않는 장점이 있다. 그러나 벨트를 사용하는 자율주행 로봇의 경우 패널의 기울기에 따라 미끄러짐이 발생한다는 단점이 있고, 이를 프로토타입 로봇 제작으로 확인하였다.^[3]

이스라엘은 자국 최대 규모 태양열 발전소 ‘Ketra Sun’의 발전 효율을 높이기 위해 태양광 패널 청소 로봇을 자체적으로 개발하게 되었고, 앞의 자율주행형 로봇과 달리 태양광 패널에 레일을 설치하고 로봇을 거치하여 청소하는 레일형 태양광 패널 청소 로봇‘Ecoppia E4’를 개발하였다.^[4] 또한 비슷한 레일형 로봇으로 일본의 ‘SOLRIDER’^[5]과 중국의 ‘Photovoltaic Intelligent Solar Panel Cleaning Robot’^[6]이 있다. 레일형 로봇은 앞의 자율주행형 로봇보다는 인프라 등의 설치가 동원되야 하기 때문에 비용이 더 든다는 단점이 있지만, 외란에 강하고 레일에 고정되어 있기 때문에 속도가 빠르며 고각의 패널에서도 미끄러지지 않는다는 장점이 있다.

이후 자율주행형 로봇의 외란에 대한 불안정성과 고각도에서의 미끄짐 현상을 보하기 위한 진공 기압을 사용하는 새로운 방식의 청소 로봇이 개발되었다.^[7] 한국의 서울과학기술대학교와 일본에서는 기존에 캐터필러를 사용하는 자율주행 로봇에 대기압과 진공을 조절하는 솔레노이드 밸브가 장착된 로봇을 개발하였고^[8][9][10], Serbot AG사에서는 원형 로봇에 진공을 조절하는 패드를 설치하여 전진할 수 있게 한‘Gekko’ 로봇이 개발되었다.^[11] 이 진공을 사용하는 자율주행형 로봇은 자율주행형 로봇의 장점을 가지면서 외란에서의 불안정성과 고각도에 따른 미끄러짐이라는 단점을 많은 부분 해소하였으나, 공압을 조절하는 기능을 가짐으로서 자체 무게가 증가하는 단점을 가지게 되었다.

문제들을 개선하기 위하여 본 연구에서는 앞의 캐터필러형 자율주행 로봇에 진공 공압 펌프를 사용하는 방식을 대신하여 보행형 Linkage 매커니즘^[12]을 적용하는 주행 방식을 사용하면서 로봇을 경량화하고 소모 전력을 낮추는 방식을 제안한다. 이 매커니즘을 사용하는 것으로 미끄러짐을 방지함과 동시에 동체의 무게 및 전력 소모율을 낮춘 점에서 기존 연구와의 차이점이 있다. 논문에서는 진공 흡착을 사용한 보행형 로봇의 구동 방식을 이용한 자율주행 로봇 시스템에 대해 자세한 내용을 다룬다.

Ⅱ. 청소로봇 시스템 구성

1. 청소로봇의 구동 부분 구성

본 로봇은 그림 1와 같이 시스템을 구성하고 있다. 그림 1부터 로봇의 구동 부위를 크게 나누면 로봇의 전반적인 동작을 담당하는 구동부, 경사로에서 로봇을 고정시킨 채 회전을 할 수 있게 하기 위한 회전부(그림 3), 센서들의 데이터를 수신하고 동작을 명령하는 제어부 총 3가지 부분으로 구성되어있다.

그림 1. 자율주행 태양광 패널 청소 로봇의 도식

Fig. 1. Schematic diagram of self-driving walking solar panel cleaning robot

그림 3. 회전부의 기계적 동작

Fig. 3. Mechanical action of rotation part

첫 번째로 구동부는 기본적으로 로봇의 양측에 주행용 메인 모터를 각각 1개씩 부착한 후 각 모터에 기어를 장착한다. 이후 그림 2와 같이 모터 기어의 아래쪽에 Linkage 매커니즘을 적용한 기어들을 사용하여 로봇의 양쪽 지면에 각각 설치된 진공 패드가 기본적인 전진 구동을 하게 된다. 두 번째로 회전부는 가운데에 수직 축으로 고정이 되어있는 장치이고, 경사로에서 로봇을 회전할 때 사용하는 기구로 그림 3와 같이 평소 주행 중 방해가 되지 않도록 스프링의 힘으로 위로 올라와 있다가 회전할 때 캠이 부착된 서보모터를 사용하여 바닥에 진공 압력을 사용하며 착하게 된다. 세 번째 회로는 전체적인 시스템을 관장하는 부분으로, 이후 설명할 솔레노이드 밸브, 근접 센서를 감지하며 명령을 내리는 부분이다. 이곳에는 앞으로 적용할 자율주행을 위해 초음파 센서와 카메라 또한 부착되어 있다.

그림 2. 링크 매커니즘을 사용한 전진

Fig. 2. Step forward using linkage mechanism

2. 진공 압력 흡착 매커니즘의 필요 압력 계산

본 로봇은 경사 패널에서의 미끄러짐을 방지하기 위해 진공 압력 흡착 매커니즘을 사용한다. 진공 압력을 사용하면 패드와 접착면 사이의 마찰력이 증가하면서 높은 경사에서도 미끄러짐 없이 자세를 유지할 수 있게 되는데, 그 힘을 알기 위해 먼저 로봇이 경사로에서 필요한 마찰력을 계산할 필요가 있다. 그림 4는 θ각도 경사에서 질량 M의 로봇이 주행한다고 가정하여 그린 자유물체도이다. 여기서 g가 중력, F_H가 수평부착력이라 하고, θ를 패널의 각도라 한다. 이 때 고무 패드의 마찰력이 존재하나, 안정성을 고려한 리프트 힘 도출을 위해 패드와 접착된 바닥 사이의 수평부착력이 식(1)의 조건을 만족해야 미끄러지지 않게 주행할 수 있도록 계산하였다.

그림 4. 로봇의 자유물체도

Fig. 4. Free body diagram of robot

F_H > Mgsinθ       (1)

식(1)을 만족하기 위한 부착력을 얻기 위한 진공 패드의 경우 로봇의 설계 규격에 맞는 패드를 지정하여 식(2)과 같이 계산 및 적용하였다. 식(2)는 패드에 물건이 부착되었을 때 패드가 떼어지지 않는 힘을 계산하는 방식이다. P는 진공 압력(KPa)를 나타내고 S는 패드의 면적(cm²)을 나타내며 t는 안전 계수를 나타낸다. 수평으로 전단 응력을 가할 경우 0.1PS에서 안전 계수 0.125를 곱해야 그만큼의 무게를 유지할 수 있음을 의미한다.

F_H = 0.1PSt       (2)

예를 들어 20kg의 질량을 가진 로봇을 전진시킬 때 20*9.81*sin40 = 126.1(N) 보다 큰 부착력을 가져야 미끄러지지 않고 정상적인 등속 주행이 가능하다. 현재 사용하는 로봇이 주행할 때, 반주기마다 패널에 붙는 패드의 수가 실제로는 6개 부착되지만 장애물 등의 요소를 고려하여 4개라고 가정하여 식(3)을 사용하여 부착력을 계산하였다. 위 힘을 만족하기 위한 진공 모터를 선정한 결과 최대 압력이 186kPa인 진공펌프 DAP-550을 사용하면/p>

F_H = 0.1*186*22*0.125*4 = 204.6(N)       (3)

의 부착력을 가짐으로써 미끄러짐이 없는 경사 주행이 가능하다.

3. 공압 회로 및 주행 매커니즘

그림 1에서도 볼 수 있듯, 로봇은 경사로를 주행하기 위해 진공 압력을 사용한다. 그러나 보행형 로봇의 매커니즘 상 진공 압력을 지속적으로 유지하면 주행이 불가능하게 된다. 그러므로 본 로봇은 주행을 위해 전기 신호를 받아 압력을 전환해주는 솔레노이드 밸브를 사용한다. 솔레노이드 밸브는 유체의 흐름을 전기적으로 열고 닫을 수 있는 밸브로, 진공 패드가 마찰이 유지되어야 할 때와 그렇지 않을 때를 구분하여 밸브를 열고 닫게 된다. 그림 5는 로봇에 사용하는 3행정 솔레노이드 밸브^[13]로, 전기 스위치를 전환하는 것으로 출력인 제어 파트의 압력을 진공, 대기압 상태로 전환할 수 있다. 그림 6의 좌측은 앞의 솔레노이드 밸브를 베이스로 만든 전체 공압 회로도로, 진공을 생성하는 진공 모터와 6개의 솔레노이드 밸브가 2개의 패드와 연결되어 총 12개의 패드에 연결된다. 이 패드는 Linkage 매커니즘 구동 방식을 따라 전진 및 후진을 할 때 개별적으로 움직이지 않고 그림 6 우상단의 Walking Part에 박스로 표시된 3개의 패드가 한번에 움직이게 된다. 나머지 1개의 솔레노이드 밸브는 회전 모듈의 패드와 연결되어 그림 6 우측 하단의 Rotation Part와 같이 회전부의 탈부착을 위한 진공 압력을 제어할 수 있게 구성했다. 앞으로의 주행 시스템의 압력은 그림 6를 토대로 제어하게 되고 이를 간단하게 나타낸 것이 그림 6 우측의 Step Part다.

그림 5. 3행정 솔레노이드 밸브의 회로

Fig. 5. 3-way solenoid valve and its airflow circuit

그림 6. 솔레노이드 밸브를 사용한 전체 로봇에서의 유체 제어

Fig. 6. Airflow control of whole robot with solenoid valve

4. 주행 시스템 구성

가. 초기화

본 로봇은 솔레노이드 밸브가 가로축으로 연결되어 있고, 패드는 세로 방향으로 3개씩 움직이기 때문에 Step 주행을 위해 초기에 양쪽 모터의 위치를 맞추어 줄 필요가 있다. 현 상태와 무관하게 초기화를 하여 모터의 위치를 맞추기 위해 Encoder와 근접 센서를 사용한다. 로봇이 link를 회전시킬 때, 각 다리의 움직임은 그림 7와 같이 비행기의 날개 형태를 띄는 주행 경로를 따르는데, 근접 센서는 그림 7와 같이 날개의 후방 끝을 감지하도록 하여 구동부의 한 부분만을 악하게 한다.

그림 7. 초기화 과정과 근접센서의 위치

Fig. 7. Position of proximity with initialization

초기화는 그림 8의 과정을 따라 이루어지는데, 전원을 키면서 Passive 진공 모터가 작동한다. 동시에 초기화 과정 중 추락을 피하기 위해 회전 파트의 솔레노이드 밸브를 열어 지면에 고정한다. 이후 원치 않는 동체의 좌우 회전을 피하기 위해 저속으로 그림 7하단부의 좌측 그림과 같이 좌측 link를 근접센서에 도달할 때까지 진행시킨다. 그리고 우측 link를 근접센서까지 구동한다. 근접 센서는 그림 7처럼 동체의 양측 외부에 설치되어 있다. 때문에 이후 그림 7하단부 우측의 형태가 되도록 Encoder의 특정 위치까지 우측 모터를 회전시켜 주어야 한다. 이후 전진 지점, 즉 우측 Step과 접촉하는 부분의 솔레노이드 밸브를 작동하여 고정시킨 후 회전부의 진공을 해제하면 그림 9의 알고리즘을 따른 초기화가 완료된다.

그림 8. 진공 압력을 사용한 로봇의 전진 과정

Fig. 8. Robot proceeding sequence with vacuum pressure

그림 9. 로봇의 시작과 정렬의 흐름도

Fig. 9. Flow chart of initializing, aligning robot

나. 전진

초기화를 마치면 그림 8 좌측과 같이 회전 모듈의 압력은 대기압이 되어 고정이 해제되고 전반부, 즉 우측 Step의 패드 압력이 진공이 되어 접착면과 고정된다. 이후 그림 8의 과정을 따라 대기압 상태의 패드가 전방 접착면을 동시에 밟게 하기 위해 모터를 등속으로 전진시킨다.

전진 중 모터를 구동하면 그림 7처럼 링크에 장착한 금속대와 근접 센서가 닿게 되는데, 이 때를 1회의 Step이라 판정하고 이후의 Step을 위해 진공 압력을 변환해 주어야 한다. 그러나 공압을 전환하는데도 시간이 필요하기 때문에 모든 Step을 진공으로 만든 후 공압 진공으로 맞출 시간지연 없이 바로 전환하면 기기가 미끄러지게 된다. 그림 8에서는 공압 전환의 시간을 측정하기 위해 시간지연을 2초 부가했으나 실제 구동에서는 0.2 ~0.3초를 사용하게 된다. 시간지연 후에는 기존에 계속 진공이었던 후방 패드, 즉 그림에선 좌측 Step의 진공을 해제한다. 위 과정을 우측, 좌측 번갈아 그림 10과 같이 반복하는 매커니즘이 본 로봇의 전진 방식이다.

그림 10. 로봇의 전진 흐름도

Fig. 10. Flow chart of proceeding action of robot

다 회전

회전 동작은 경사면에서 동작하는 로봇이 방향을 전환하기 위해 필요한 동작이다. 로봇의 초기화, 전진에서는 걸음을 위해 구동부의 패드에 진공 압력 제어를 사용했으나, 회전 동에서는 패드가 미끄러지는 것이 전제가 되어야 진공 압력을 사용하면서 회전할 수 있기 때문에 전진 동작과 모순이 되어 사용하지 않게 되었다.

회전 동작은 전진, 초기화와 달리 여러 동작 중 어느 상황에서도 바로 동작할 수 있도록 동작 중 회전을 해야할 때가 되면 평소 스프링의 힘에 의해 공중에 떠 있는 회전 모듈을 서보모터를 사용하여 하부와 접촉시킨 후 진공 압력을 부가하여 고정시킨다. 이후 모든 구동부의 진공 압력을 해제한 상태로 회전 동작을 시작하게 된다. 여기에서 그림 11처럼 고정된 회전축을 중점으로 2개의 구동부 모터를 전진 과정에서 등속으로 회전시킨 것과는 어긋나는 방향으로 회전하는 것이 회전 동작이다. 진공 압력 없이 모터를 구동시키면 진공 Pad는 접촉면과의 직접적인 마찰력만으로 힘을 받게 되는데, 회전부는 이 힘만을 이용하여 시계, 반시계 방향으로 회전한다. 이 때 미끄러짐을 피하며 가할 수 있는 동체의 최대 각가속도를 알기 위해 최대한 가할 수 있는 토크에 대한 계산을 진행할 필요가 있다. 동체 토크와 관성모멘트의 관계식은 다음과 같다

그림 11. 패드 마찰력의 힘

Fig. 11. Force of pad friction

τ = 2Fr = I_zzα       (4)

여기서 I_zz는 동체의 관성모멘트이다.

M이 질량, a, b는 각각 동체의 너비와 길이를 뜻할 때 표 1을 근거로 관성모멘트는 6Kgm²로 계산된다. 또한 μ가 패드의 마찰계수 (폴리우레탄:0.4~0.8)이고 θ가 36도만큼 기울어진 각도일 때 가할 수 있는 최대 마찰력 F는 다음과 같이 계산할 수 있다.

표 1. 청소로봇의 사양

Table. 1. Specifications of cleaning robot

F = μMgsinθ       (5)

위 식으로부터 마찰력 F는 최소 마찰력 F는 27.68Kg*m/s²로 계산된다. 식 (4)를 근거로 식(5)로부터 구한 값을 사용하여 최대 각속도 α는 2.31rad/s², 즉 초당 132deg/s²가 최대 속도가 된다.

위 속도를 기준으로 원하는 각도만큼의 회전한 후, 회전을 마친 방향으로 다시 전진기 위해 역방향으로 회전했던 모터들을 다시 정렬해줄 필요가 있게 되고, 이를 위해 초기화를 진행하게 된다. 그리하여 로봇의 기본적인 주행 매커니즘은 초기화, 전진, 회전, 초기화, 전진 등을 반복하게 된다.

Ⅲ. 실험 결과

위 기구적 구동 방식과 그를 사용하여 주행하는 방식을 검증할 필요가 있고, 실제로 주행할 시 제어 매커니즘대로 동작하는지, 동작 중 문제점이 발생하는지 등을 확인하기 위해 안전한 범위 상에서의 최대 속도주행을 실험하였다. 로봇은 표 1의 스펙을 가지며, 이 로봇을 사용하여 그림 12와 같이 36도로 기울어진 태양광 패널 위에서 주행 테스트를 하였다. 로봇이 65cm의 청소 브러쉬를 장착하고 있을 때 수행 과정은 그림 12에 표시된 1~5의 초기화, 전진, 회전, 초기화, 전진의 과정을 따른다. 그림 13의 ①에서 초기화 후 ②까지 100cm을 전진하는데 10초를 소비하였고, ③까지 회전하는데 6초를 소비하였으며, 회전 후 ④까지 초기화하는데 2초를 소비하였으며, 마지막으로 ⑤까지 1.5m를 전진하는데 21초를 소비하여 134cm을 주행하는데 총 35.2초를 소비하였다. 이 값들로 비롯하여 계산하면 표 2의 결과가 도출된다. 이후 시행한 동작 매커니즘 구동 시험에서 그림 14의 번호 순서와 같이 모든 방향의 회전, 전진을 확인하였다.

그림 12. 로봇의 속도 측정 과정

Fig. 12. Task of robot at speed checking

그림 13. 청소로봇의 속도 측정

Fig. 13. Speed checking of cleaning robot

그림 14. 청소 로봇의 모든 동작과정

Fig. 14. Whole movement process of cleaning robot

표 2. 성능 측정 결과

Table. 2. Results of robot performance

Ⅳ. 결론

본 연구에서는 진공 공압 펌프를 사용하는 방식의 로봇에 Linkage Mechanism을 적용하는 것으로 로봇을 경량화하여 소모 전력을 낮추고, 경사로를 주행하는 방식을 제안하였다. 또한 이에 솔레노이드 밸브, 근접 센서, 엔코더를 사용하여 부착면의 압력을 제어하는 것으로 경사로 주행을 가능하게 하였다. 또한 실험을 통해 36도의 태양광 패널에서도 실속 없이 동작할 수 있음을 확인하였다.

이를 통해 Linkage Mechanism과 진공 압력 제어 매커니즘의 효율적인 연계를 기반으로 플랫폼의 구동이 가능한가의 여부 및 효과를 확인할 수 있었다. 이에 이은 후속 연구로서 자율 주행 알고리즘과 카메라를 통한 위치 인식 자세 제어를 추가하는 등의 개발이 이루어져야 한다.

※ 이 연구는 서울과학기술대학교 교내연구 지원으로 수행되었습니다.