재난·위험 환경 대응형 로봇 팔

HERA

(Hazardous Environment Robotic Arm)

(재난·위험 환경 대응형 로봇 팔)

본 프로젝트 화재, 붕괴사고, 화학 물질 유출 등과 같은 재난 환경에서 작업자를 보조하기 위한 로봇 팔 시스템을 구현하는 것을 목적으로 한다.

특히 유해 화학물질과의 직접적인 접촉으로 인해 발생할 수 있는 신체 손상을 줄이는 데 중점을 두었다.

재난 현장에서는 작업자가 직접 위험지역에 접근해야 하는 경우가 많으며, 이 과정에서 추가적인 인명 피해가 발생할 가능성이 존재한다.

이에 따라 사람이 직접 접근하지 않고도 위험물에 접근하고 이동시킬 수 있는 로봇 팔 시스템을 제작하고자 하였다.

본 시스템은 아두이노와 다수의 서보모터를 이용하여 구성하였다.

각 서보모터는 로봇 팔의 관절을 담당하며 서로 독립적으로 제어할 수 있도록 설계하였다.

로봇 팔의 끝부분에는 그리퍼를 장착하여 위험물 또는 장애물을 집고 이동시킬 수 있도록 하였다.

현재 시스템에서는 사용자가 아두이노 시리얼 모니터에 각 관절의 목표값을 입력한다.

입력된 값은 아두이노에서 처리된 후 해당 서보모터의 목표 각도로 전달된다.

각 서보모터가 지정된 각도만큼 회전하면서 로봇 팔의 전체적인 자세가 변화한다.

여러 관절의 움직임을 조합함으로써 원하는 위치에 그리퍼를 접근시키는 것이 가능하다.

이후 그리퍼를 작동시켜 물체를 파지하고 다른 위치로 이동시키는 작업을 수행할 수 있다.

이를 통해 사람이 위험지역에 직접 진입하지 않고도 위험물에 접근하고 조작하는 로봇 시스템의 기본 원리를 구현하였다.

본래 WMR 팀의 초기 프로젝트는 환경 적응형 탐사 로봇을 제작하는 것이었다.

그러나 제작 과정에서의 실수로 DC 모터와 주요 구동계 및 센서 일부에 단락이 발생하였다.

이로 인해 추가 부품 구매가 필요해졌으며, 제한된 제작 기간 안에서 기존 프로젝트를 완성하기 어려운 상황이 발생하였다.

이에 기존에 확보한 부품과 기술을 최대한 활용할 수 있도록 프로젝트의 방향을 재설정하였다.

탐사 로봇 전체를 구현하는 대신 위험 환경에서 활용할 수 있는 로봇 팔 시스템에 집중하였다.

본 프로젝트는 위험한 재난 상황뿐만 아니라 화학적 유해환경에서의 작업자 보호에도 활용 가능성을 두고 있다.

특히 작업 과정에서 외부 물체와 접촉이 많은 팔과 손의 직접 접촉을 최소화하는 것을 중요한 목표로 설정하였다.

로봇 팔이 사람의 팔을 대신하여 위험물질이나 오염된 물체를 다루게 함으로써 작업자의 노출 위험을 줄일 수 있다.

또한 장애물을 제거하거나 안전한 위치로 물체를 이동시키는 작업에도 활용할 수 있다.

현재 구현된 시스템은 사용자가 각 관절의 각도를 직접 입력하는 수동 제어 방식이다.

이 방식은 구조가 단순하고 각 관절의 움직임을 명확하게 확인할 수 있다는 장점이 있다.

또한 각각의 관절을 독립적으로 제어하기 때문에 로봇 팔의 기본적인 동작 원리를 검증하기에 적합하다.

실제 현장에 적용할 경우에는 시리얼 모니터 대신 조이스틱이나 전용 컨트롤러를 적용할 수 있다.

조이스틱을 이용하면 사용자가 로봇 팔의 움직임을 직관적으로 조작할 수 있다.

이는 센서 기반 자동제어에서 발생할 수 있는 인식 오차를 작업자가 직접 보정할 수 있다는 장점이 있다.

따라서 완전 자율 시스템뿐만 아니라 사람의 판단을 반영하는 반자동 또는 원격 조작 방식도 충분한 실용성이 있다고 판단하였다.

본 팀에서는 구현하지 못했지만 다양한 센서를 추가하면 시스템의 활용 범위를 더욱 확장할 수 있다.

카메라를 적용할 경우 작업자가 안전한 위치에서 현장 상황을 확인하면서 로봇 팔을 조작할 수 있다.

거리 센서를 이용하면 물체와 로봇 팔 사이의 거리를 측정하여 충돌을 방지하는 기능을 구현할 수 있다.

힘 센서를 적용하면 그리퍼가 물체를 파지할 때 필요한 힘을 조절하여 물체의 파손을 줄일 수 있다.

가스 센서를 추가하면 유해가스 또는 특정 화학물질이 존재하는 환경을 탐지하는 데 활용할 수 있다.

또한 카메라와 영상 인식 기술을 결합하면 특정 물체를 자동으로 인식하는 시스템으로 발전시킬 수 있다.

이를 통해 위험물을 자동으로 탐지하고 로봇 팔이 해당 위치로 접근하는 반자율 시스템도 구현할 수 있다.

이동형 플랫폼과 결합할 경우 고정된 위치에서만 작동하는 로봇 팔의 한계를 극복할 수 있다.

바퀴형 또는 궤도형 플랫폼에 장착하면 사람이 접근하기 어려운 재난 현장 내부까지 이동하여 작업할 수 있다.

실무적으로는 화학 공장에서의 유해물질 회수 및 누출 사고 대응에 활용할 수 있다.

원자력 및 방사선 시설에서는 작업자의 방사선 노출을 줄이면서 물체를 조작하는 데 적용할 수 있다.

소방 및 구조 현장에서는 장애물 제거, 위험물 이동, 구조 장비 전달 등의 작업을 보조할 수 있다.

또한 폭발물이나 의심 물체를 사람이 직접 접촉하지 않고 확인하거나 이동시키는 작업에도 활용 가능성이 있다.

다만 실제 재난 현장에 적용하기 위해서는 현재보다 높은 구동력을 가지는 모터와 견고한 구조가 필요하다.

방진 및 방수 구조, 내열성, 정밀한 위치제어, 비상정지 기능과 같은 안전 요소도 추가되어야 한다.

힘 제어, 통신 안정성, 센서 융합 및 자율성 역시 실제 시스템으로 발전시키기 위해 필요한 요소이다.

추후 프로젝트 개발 시 카메라, 조이스틱, 무선 통신, 거리 센서, 힘 센서, 가스 센서 및 이동형 플랫폼의 적용을 목표로 한다.

따라서 본 프로젝트는 완성된 재난 대응 로봇 자체보다는 향후 실제 시스템 개발을 위한 기초적인 Robotic Arm Control System을 구현한 것에 의미가 있다.

재난 및 유해 환경에서 작업자가 위험물질에 직접 접촉하는 상황을 줄이기 위해, 사람이 수행하던 물체 파지 및 이동 작업을 대신할 수 있는 로봇 팔 시스템을 구현하고자 하였다.

본 프로젝트의 핵심 아이디어는 아두이노와 다수의 서보모터를 이용하여 각 관절을 독립적으로 제어하고, 로봇 팔 끝단의 그리퍼를 통해 위험물이나 장애물을 집어 이동시키는 것이다.

특히 화학물질 유출, 방사선 노출 지역, 화재 및 붕괴 현장과 같이 사람이 직접 접근하기 어려운 환경에서 활용할 수 있는 기초적인 재난 대응형 로봇 팔을 컨셉으로 설정하였다.

현재는 사용자가 시리얼 모니터에 각 관절의 목표값을 입력하여 로봇 팔을 제어하는 방식이지만, 향후 조이스틱, 카메라, 거리 센서, 힘 센서, 가스 센서 등을 적용하여 보다 직관적이고 안전한 반자동 또는 원격 제어 시스템으로 확장하는 것을 목표로 한다.