다연결 이동 로봇은 여러 개의 유닛을 직렬로 연결한 구조이며, 유닛에는 바퀴나 크롤러 등과 같은 추진력을 생성하는 기구를 갖추고 있다. 이 로봇은 관절을 이용해 자세를 자유롭게 변화시키면서 좁은 공간이나 단차, 계단, 불규칙 지형 등 다양한 환경을 이동할 수 있다. 특히 좁은 공간은 길쭉한 몸통을 활용할 수 있는 환경이기 때문에 다연결 이동 로봇은 좁은 공간 점검에서 활약이 기대된다.
다연결 이동 로봇을 포함한 길쭉한 줄 모양 로봇은 지금까지 다양한 타입이 개발되어 왔으며, 그 기구와 제어, 응용에 대해서도 연구가 진행되고 있다. 실용화 관점에서는 Soryu-C를 비롯해 다양한 좁은 부위 점검용 다연결 이동 로봇이 하이봇사에서 제공되고 있으며, 그 외에도 ACM-R4.3(시미즈건설, 하이봇, 도쿄공대)이 후쿠시마 제1원자력발전소 조사에 이용되고 있다. 저자도 지금까지 다연결 이동 로봇이나 뱀형 로봇과 같은 길쭉한 로봇의 연구를 오랫동안 계속해 왔으며, 현장에서 실증 실험도 다수 실시하고 있다. 그러나 실증 실험 및 얻은 교훈 중에는 지금까지 공개할 기회가 없었던 내용도 적지 않다.
따라서 이 글에서는 좁은 공간 점검을 가정해 커스터마이즈한 다연결 이동 로봇과 현장의 실증 실험, 얻은 교훈, 사회 실장 사례를 소개하고, 다연결 이동 로봇에 의한 좁은 공간 점검의 가능성에 대해서 설명한다.
좁은 공간 점검용 다연결 이동 로봇
다연결 이동 로봇 T² Snake-3S를 그림 1에 나타냈다. 구조는 요 회전 관절과 피치 회전 관절을 교대로 연결한 관절 구성이며, 바퀴가 피치 관절과 동축상에 배치되어 있다. 이 로봇은 문헌 「Development and Control of Articulated Mobile Robot for Climbing Steep Stairs」의 T² Snake-3을 좁은 장소용으로 개량한 것이다. 제원을 표 1에 나타냈다.
주요 개량점은 관절 수의 절감(경량화), 양쪽 바퀴의 능동화(주파성 향상), 바퀴 고무부에 그로서 추가(바퀴 미끄럼 방지), 양 끝에 LED 라이트 탑재(어두운 곳 대응), 점검용 카메라 추가(정보 수집 능력 강화), 마이크로 컴퓨터와 센서를 제거(시스템 간략화), 유선화(동작 불능 시의 기체 회수에 이용) 등이다. 로봇을 포함한 시스템 전체를 그림 2에 나타냈다. 로봇의 선두와 최후미에는 이동 시의 시야 확보용 카메라가 각각 탑재되어 있으며, 선두에는 팬·틸트·줌 기능을 가진 PTZ 카메라가 탑재되어 있다. 또한 모터 전원인 DC15V는 유선으로 공급된다.
1. 제어 방법
로봇에는 동작 기법으로 문헌 「Development and Control of Articulated Mobile Robot for Climbing Steep Stairs」의 3차원 기본 조타, 탈력에 의한 환경 적응, 진행파 동작이 실장되어 있다.
3차원 기본 조타에서는 로봇의 이동 경로나 목표 체형을 연속 곡선으로 표현하고, 오퍼레이터의 지시로 곡선상에서 로봇 위치를 이동시킨다. 그리고 로봇을 그 곡선에 피팅해 목표 관절 각도와 바퀴의 회전 속도를 산출해 제어한다. 이에 의해 로봇은 선두의 동작을 후속으로 전파하듯이 추진한다. 또한 몸통 축 주위로 몸을 비트는 비틀기 동작도 가능하다.
탈력에 의한 환경 적응은 복잡한 환경을 따라 이동하기 위한 기법이다. 이 방법에서는 오퍼레이터의 지시에 따라 적당한 타이밍에 관절용 모터의 입력 토크를 0, 즉 탈력 상태로 함으로써 로봇이 중력 영향으로 환경에 맞는 체형이 된다. 이 체형으로부터 앞에서 말한 3차원 기본 조타를 재개함으로써 복잡한 환경에 대응한 추진이 가능해진다. 이 기법에서 이용하는 것은 관절 각도 정보만 새로운 센서를 추가할 필요가 없기 때문에 시스템을 복잡화하지 않고 로봇의 환경 적응을 실현할 수 있다.
진행파 동작은 장애물 접촉으로 진행이 방해되어 전진 불가능한 상태에서 복귀하기 위해 이용된다. 이것은 최후미에서 선두를 향해 이동하는 진행파를 준비하고, 원래의 체형 곡선에 그 진행파를 겹치는 동작이다. 장애물에 걸린 부분에 진행파가 도달하면 로봇의 몸통이 환경에서 떨어져 로봇이 전진 불가능한 상태에서 복귀하는 것이 기대된다.
2. 인터페이스와 조종 지침
오퍼레이터의 조종 화면을 그림 3에 나타냈다. 오퍼레이터는 3대의 카메라 영상과 현재의 로봇 체형 정보를 보면서 조종을 한다. 선두의 PTZ 카메라는 독립적으로 시점을 변경할 수 있기 때문에 그림 3 오른쪽 위의 영상과 같이 시점을 후방으로 향하게 함으로써 로봇 몸통과 주변 상황을 동시에 파악할 수 있다.
로봇에 대한 지시는 게임패드를 이용해서 한다. 3차원 기본 조타 시에는 선두의 전후, 상하, 좌우의 조타를 할 수 있다. 복잡 지형을 이동할 때는 적절하게 탈력에 의한 환경 적응을 한다. 바퀴의 공전이나 장애물에 걸려서 스택 상태가 된 경우, 선두의 PTZ 카메라로 상황을 확인하면서 우선은 탈력에 의한 환경 적응을 한다. 그래도 스택 상태에서 복귀할 수 없는 경우, 진행파 동작이나 비틀기를 구사해서 복귀를 시도한다.
3. 이동 성능
로봇의 이동 성능 평가 실험 모습을 그림 4에, 실험 결과를 표 2에 나타냈다. 제어 방법으로는 3차원 기본 조타를 이용하고, 오퍼레이터는 육안으로 동작 지시를 했다. 로봇의 전체 길이 824mm인 것에 대해 높이 535mm의 단차를 넘을 수 있었다. 이것은 로봇의 전체 길이로 정규화하면 65%이며, T² Snake-3의 60%와 거의 동등한 성능이다. 이처럼 우수한 장애물 극복 성능을 갖추고 있다고 할 수 있다.
실증 실험
1. 사무실 천장
사무실 천장에서 실험을 했다. T² Snake-3S 개발 전이었으므로 이 실험만 T² Snake-3S를 이용하지 않고, 문헌 「Development and Control of Articulated Mobile Robot for Climbing Steep Stairs」의 T² Snake-3을 짧게 변경한 그림 5(a)의 로봇을 이용했다. 이 로봇은 한 쌍의 바퀴 중 한쪽 바퀴가 수동 바퀴이며, 배터리를 탑재한 무선형이다. 관절 수는 9개로 T² Snake-3S보다 많다. PTZ 카메라는 탑재되어 있지 않다. 무게는 약 5kg이다. 조명은 선두와 최후미에 동일한 LED 조명을 이용했다. 무선형이지만 동작 불능 시의 회수를 고려해 회수용 로프를 최후미에 부착하고 있다.
이동 능력으로는 그림 5(b)에 나타냈듯이 높이 20mm의 천장 구조재와 240mm의 단차를 넘고, 공조 상부의 좁은 부위(높이 250mm)에 진입할 수 있었다. 또한 높이 60mm의 천장 구조재 받침(그림 5(c))도 문제없이 넘었다. 로봇이 아래쪽 면의 석고보드를 파손하지도 않았다. 점검 능력으로는 슬래브면을 촬영한 영상이 불선명하고 불충분했다.
2. 덕트
그림 6과 같이 사무실 빌딩의 덕트에서 실험을 했다. 로봇은 T² Snake-3S를 이용했다. 이동 능력으로는 그림 6(c)에 나타냈듯이 주 덕트(W400×H400mm) 내의 이동, 주 덕트에서 부 덕트(직경 300mm) 진입, S관(H250×L450mm)의 경사면 통과를 모두 달성했다. 부 덕트 진입 시에는 최후미 부근이 부 덕트 입구에 접촉해 일시적으로 전진할 수 없었지만(그림 6(c) 4, 6), 오퍼레이터가 카메라 영상으로 전진할 수 없다는 것을 파악하고 탈력에 의한 환경 적응과 진행파 동작으로 로봇을 다시 이동 가능한 상태로 복귀시킬 수 있었다. 점검 능력으로는 그림 6(d)와 같이 PTZ 카메라의 시점 전환과 줌 기능으로 선명한 영상을 얻을 수 있었다.
참고로 그림 6(b)에 나타냈듯이 덕트 내는 안쪽에 나사가 튀어나와 있었다. 바퀴가 없는 타입의 뱀형 로봇의 경우, 본체가 나사와 접촉해 파손될 위험이 있다. 이에 대해 실험에 이용한 로봇은 바퀴를 이용해 환경과 접촉하기 때문에 손상은 외장의 일부에 흠집이 생긴 정도였다. 유선 타입의 경우 배선이 나사에 닿아 손상을 받거나, 또는 걸림이 발생할 가능성이 있다. 이번 로봇은 케이블을 수지제 콜게이트 튜브로 덮고 있었기 때문에 눈에 띄는 손상은 없었다. 투입구 근처에서 발생한 케이블과 나사의 걸림은 케이블 이송 담당자가 케이블을 보내면서 수시로 해소했다. 배선은 충분히 보호하는 동시에, 나사에 걸리지 않는 대책이 필요하다.
동 실험은 오퍼레이터, 로봇 투입과 입구 근처의 케이블 이송 담당, 사다리 아래의 케이블 이송 담당, 3명이 실시했다. 유선 케이블 취급에 많은 인원이 필요한 점이 과제이다. 또한 포장 상태에서 세트업 완료까지의 시간은 10분 미만, 실험 종료부터 포장 완료까지의 시간은 25분 미만으로 짧은 시간 내에 준비 및 철수가 가능하다는 것을 확인할 수 있었다.
3. 주택 바닥 밑
일반 주택의 바닥 밑을 모의한 후쿠시마 로봇 테스트 필드의 바닥 밑 필드와 도시 내 모델하우스 바닥 밑에서 실험을 했다. 그림 7(a)에 나타냈듯이 바닥 밑 필드에는 받침돌, 바닥 받침, 목재, 단열재가 흩어져 있다. 바닥 밑의 통기구(직경 208mm)에서 로봇을 내부에 삽입하고, Pipe 1의 아래(높이 170mm)를 통과해 Pipe 2의 위(높이 195mm)를 건너 90×90mm의 목재 위를 넘는 이동을 실현했다. 실험 모습은 그림 7(b)에 나타냈으며, YouTube에 공개되어 있다.
모델하우스 실험에서 로봇이 지나는 이동 경로를 그림 8(a)에 나타냈다. 포장 상태의 로봇과 주변 기기의 세트업 시간은 작업자 1명으로 13분이었다. 로봇은 바닥 밑을 진행해 그림 8(b)에 나타낸 높이 10cm의 단차를 넘어 옆 방의 바닥 밑에 진입했다. 그 후 로봇은 전진 불가능하게 되었다. 이것은 유선 케이블이 금속제의 바닥 받침에 걸렸던 것이 원인이다. 그래서 PTZ 카메라로 상황을 보면서 귀환했다. 걸려서 케이블을 당길 수 없었기 때문에 그림 8(c), 그림 8(d)에 나타냈듯이 귀환 시에 로봇과 유선 케이블의 감김 현상이 발생했다. PTZ 카메라로 상태를 파악하면서 신중히 조종함으로써 투입구로 귀환할 수 있었다.
4. 일반 주택의 천장 안
그림 9(a)는 도시 내 모델하우스의 천장 안이다. 철골 뼈대 사이에 유연한 단열재가 깔려 있다. 단열재는 얇은 투명의 봉지에 들어 있다. 이 실험의 목적은 유연한 단열재 위의 동작과 철골을 넘을 수 있는지의 검증이다.
그로서가 없는 바퀴를 이용하는 경우, 바퀴가 공전해 이동이 어려웠다. 이에 대해 그로서가 있는 바퀴를 이용한 결과, 바퀴 공전을 억제할 수 있었다. 그림 9(b)에 나타냈듯이 로봇은 단열재 위를 전진해 높이 약 150mm의 철골을 넘었다. 철골을 넘을 때는 자주 옆으로 넘어졌다. 이것은 바닥이 유연한 것이 원인이었다. 그러나 비틀기 동작을 이용해 옆으로 넘어진 상태에서 문제없이 복귀해 동작을 계속할 수 있었다.
5. 재해 대응 (한다야마)
2018년 서일본 호우에 의한 산사태 현장의 전파 주택(오카야마현 한다야마(岡山県 半田山))에서 탐색을 했다. 대상 주택은 2차 붕괴 위험이 있어 사람이 접근할 수 없었다. 그림 10에 나타냈듯이 목재를 넘어 붕괴 주택의 내부에 진입해 조사를 했다. 로봇은 재해 현장의 분진 환경에서도 문제없이 동작했고, 선두 PTZ 카메라로 선명한 잔해 내 영상을 얻을 수 있었다. 그러나 바퀴 공전이 자주 발생해 등반에 긴 시간이 걸렸다. 이것은 로봇이 개량 전이고 바퀴에 그로서가 없었던 것이 원인이었다.
6. 얻은 교훈
실증 실험에서 얻은 교훈을 아래에 열거한다.
• 장애물 넘기 : 각 실험에서 장애물을 넘는 모습으로부터 단차 등반 능력은 충분하다고 할 수 있다. 크롤러 타입의 로봇인 천장 점검용 CHERI와 바닥 점검용 moogle evo은 각각 최대 150mm의 단차를 넘을 수 있으나, T² Snake-3S는 이를 대폭으로 상회하는 535mm의 단차도 넘는 것이 가능하다. 한편, 옆으로 돌면서 단차를 넘는 것은 다소 어렵다. 이것은 앞에서 말한 부 덕트 진입 시에 발생한 동작이다. 단차에 대해 로봇이 정면 상태로 등반하는 것은 간단하지만, 그것을 실현할 공간이 없었다. 그 결과, 좌우로 선회하면서 단차를 넘으려고 해 로봇의 자세가 진행 방향 축을 중심으로 비틀리게 되었다.
• 정보 수집 : PTZ 카메라를 이용해 고품질의 영상을 수집할 수 있었다. 점검을 위한 정보 수집뿐 아니라 그림 8(b), 8(c)와 같이 로봇의 상황을 파악할 때도 유효했다.
• 이상 상태에서 복귀 : 스택이나 옆으로 넘어짐, 유선 케이블의 엉킴에 대처해 동작을 계속할 수 있었다. 이것은 3차원 기본 조타의 비틀기 동작, 탈력에 의한 환경 적응, 진행파 동작 등과 같은 이상시용 동작 수단이 포함되어 있었고, PTZ 카메라를 이용해 상황을 파악할 수 있었기 때문이다.
• 유연한 단열재 위의 이동 : 그로서 부착 바퀴를 이용해 천장 안의 유연한 단열재 위를 이동할 수 있었다. 그러나 단차를 넘을 때는 옆으로 자주 넘어지기 때문에 뭔가 대책이 필요하다.
• 관내 이동 : 수평관과 S관의 경사를 오를 수 있었으나, 실험 시에는 덕트 내에서 수직 방향을 이동하는 동작이 실장되어 있지 않았다. 문헌 「Control of an Articulated Wheeled Mobile Robot in Pipes」의 기법을 이용하면 수직 방향으로 이동이 가능하지만, 필요한 링크 수가 증가하기 때문에 로봇의 전체 길이가 대폭으로 증가하게 된다. 적은 링크 수로 수직 방향을 이동하는 방법이 바람직하다.
• 준비와 정리 : 앞에서 설명했듯이 유선 타입의 로봇이라면 짧은 시간에 준비와 정리가 가능하다. 따라서 점검을 위한 제한된 시간을 효율적으로 활용할 수 있다.
• 분진 : 동 로봇은 설계 시에 방진 성능을 전혀 고려하지 않았다. 그러나 천장 안이나 재해 현장의 분진 환경에서 기구와 회로에 문제가 생기지 않고 동작할 수 있었다. 이 로봇에서 기어가 이용되고 있는 것은 액추에이터 유닛의 내부뿐이다. 액추에이터 유닛의 기어부에 분진이 들어가기 어려운 구조이기 때문에 문제가 생기지 않았던 것으로 생각된다. 또한 그로서가 없는 바퀴를 이용하는 경우는 분진이 붙어 바퀴의 공전이 발생하기도 했지만, 그로서 부착 바퀴의 채용으로 공전이 발생하기 어려워졌다.
• 유선 : 유선 로봇은 동작 시간의 제한이 없다. 또한 유선 케이블은 문제가 생겼을 때에 로봇을 회수하기 위한 생명줄과 같은 역할을 한다. 한편, 당연하지만 유선 케이블은 로봇의 이동을 방해하게 된다. 앞에서 말한 모델하우스 바닥 밑에서는 바닥 받침에, 덕트에서는 덕트 내에 튀어나온 나사에 대해 케이블 걸림이 발생했다. 영향 저감 대책으로는 케이블의 세경화나 무선화, 케이블 설치 이동 등을 들 수 있다.
사회 실장 사례
1. 맨션 지하 피트의 점검
그림 11(a)에 나타낸 RoPit은 맨션 지하 피트의 자동 점검을 목적으로 한 다연결 이동 로봇이다. 맨션의 지하 피트는 창문이 없고 사방이 콘크리트로 둘러싸인 좁은 공간으로, 사람이 점검하는 경우는 부담이 크고 또한 산소 결핍 등의 위험이 있다. 지하 피트는 배수로와 장애물이 곳곳에 존재하는 여러 개의 방이 인통구라고 불리는 구멍을 통해 서로 연결되어 있으며, 점검 시에는 인통구를 통과하여 방 사이를 이동한다. 인통구는 직경 60cm 정도의 원통형으로, 지상면에서 떨어진 높은 위치에 존재하는 경우도 많다. 지하 피트를 점검하는 로봇에는 좁은 부위를 이동하기 위한 좁은 장소 진입 성능, 인통구를 통과하기 위한 장애물 통과 성능, 무선이 닿지 않는 환경의 자율 이동, 장시간 가동이 요구된다. 이러한 요구를 만족시키는 로봇으로 자율 이동형 다연결 이동 로봇을 제안해 현장 시험을 진행하고 있다. 이 로봇은 앞에서 얻은 교훈을 활용해 PTZ 카메라와 그로서 부착 바퀴가 탑재되어 있다.
2. 폐로 미션
문헌 「다양한 환경을 등반하는 뱀형 로봇과 그 산업 응용」에서도 소개했듯 후쿠시마 제1원자력발전소의 격납용기 내부 조사에 그림 11(b)의 방수형 다연결 이동 로봇과 소형 UAV(Unmanned Aerial Vehicle)(주3)가 이용되었다. 로봇은 원격 조종이다. 이 미션에서는 다연결 이동 로봇이 UAV을 위한 무선 액세스 포인트를 운반하고, UAV는 그 무선을 이용해 심부 촬영을 했다. 촬영한 영상은 도쿄전력홀딩스 주식회사에서 공개하고 있다. UAV는 기동력은 높으나, 가동 시간이 짧고 무선이 닿는 범위에서만 활동할 수 있다. 그 단점을 유선형으로 가동 시간을 길게 할 수 있는 다연결 이동 로봇이 무선 액세스 포인트를 운반함으로써 보완해 미션을 완수할 수 있었다. 이 미션에서 다연결 이동 로봇에 요구된 것은 격납용기 내부로 이어지는 좁은 배관 내의 통과, 배관 출구에서 약 1.5m 아래에 위치한 그레이팅면까지의 왕복, 그리고 이동 도중의 장애물 통과이다. 앞에서 말한 예와 같이 좁은 장소 진입 성능과 장애물 통과 성능이 필수이며, 다연결 이동 로봇에 적합한 미션이었다.
좁은 공간 점검의 가능성
지금까지의 내용을 바탕으로 다연결 이동 로봇에 의한 좁은 공간 점검의 가능성에 대해 정리한다.
1. 환경 조건
다연결 이동 로봇은 장애물 통과 성능이 높기 때문에 좁고 장애물 통과가 필요한 복합적인 환경에 대응할 수 있다. 사회 실장 사례에서 보인 맨션 지하 피트나 폐로 미션은 물론이고, 실증 실험의 결과로부터 천장 안이나 바닥 밑, 덕트 내의 점검은 충분히 가능하다고 할 수 있다. 다만, 유연 환경에서는 옆으로 넘어지기 쉬워 단차 통과 성능을 잘 발휘하지 못한다. 또한 천장 안이나 바닥 밑은 설치류 피해에 의한 오염, 덕트는 기름때 등 현장에 따라서는 더 심각한 환경이 예상된다. 이러한 환경에서는 점검 후에 로봇을 통째로 세척할 수 있는 방수성이나, 기름에 의한 미끄러짐을 방지하기 위한 대책 등 환경에 적합한 추가 개량이 필요할 것이다.
2. 좁은 공간의 크기
좁은 공간 점검을 위해서는 애초에 로봇이 소형이어야 한다. 다연결 이동 로봇은 관절과 바퀴를 모터로 구동하기 때문에 로봇의 크기가 모터에 의존하게 되어 소형화에 한계가 있다. 현시점에서는 10cm 오더의 좁은 공간이라면 대응할 수 있으며, 모터의 진화(소형화)에 따라 더 좁은 공간도 대응할 수 있게 될 것이다. 그러나 예를 들어 잔해의 틈새와 같은 초협소 공간의 경우는 액티브 스코프 카메라처럼 관절에 모터가 필요 없는 것이 크기의 관점에서는 적합하다.
3. UAV와의 관계
드론과 같은 UAV는 주로 옥외의 점검에서 높은 성능을 발휘한다. 비용도 저렴하기 때문에 UAV로 할 수 있는 것은 모두 UAV로 하는 편이 좋다고 해도 과언은 아니다. 한편 다연결 이동 로봇과 같이 지상을 주행하는 UGV(Unmanned Ground Vehicle)는 UAV에 비해 탐색 범위는 제한되지만, 가동 시간이 길고 센서류 탑재도 용이하며 바람으로 분진이 날리는 일도 없다. 이들 로봇은 각각의 특징을 이해한 후, 태스크에 따라 적절히 구분해서 사용해야 한다. 실제로 폐로 미션에서는 소형 UAV와 다연결 이동 로봇이 각각의 장점을 살려 협력함으로써 어려움을 극복하고 미션을 완수할 수 있었다.
4. 과제
과제로는 이상 상태에서 복귀하는 것을 포함한 조작의 난이도를 들 수 있다. 다연결 이동 로봇은 다양한 동작이 가능하지만, 원격 조종의 경우는 어떤 타이밍에 어떠한 동작을 하면 좋을지를 오퍼레이터가 판단해야 한다. 동작이 다양할수록 선택지가 늘어 조종이 어려워진다. 로봇의 상태를 인식하기 위한 센서와 정보 처리, 오퍼레이터에 대한 제시 방법도 조종 난이도에 큰 영향을 준다. 이들에 대해서는 자율성 향상과 인터페이스 개선 등 연구를 심화해 해결해 갈 필요가 있다. 더불어 실제 점검 업무에 적용하기 위해서는 취득 정보의 정리와 제시 방법의 연구 등 사용자 편의성 향상이 필수적이다.
맺음말
이 글에서는 좁은 공간용으로 커스터마이즈한 다연결 이동 로봇과 현장의 실증 실험, 얻은 교훈, 사회 실장 사례를 소개하고, 좁은 공간 점검의 가능성에 대해 설명했다. 소개한 사회 실장 사례는 좁은 장소 진입 성능과 장애물 통과 성능 둘 다 필수이며, 다른 타입의 로봇으로는 대응이 어려운 미션이었다. 동일한 성능이 필요한 좁은 공간 점검이라면 지금까지의 지식 응용과 기체의 커스터마이즈로 대응할 수 있다고 생각된다. 앞으로는 다연결 이동 로봇이 대응할 수 있는 좁은 공간을 늘리기 위해 연구를 더욱 진행해 갈 예정이다.
이 글에서 소개한 실증 실험과 그 결과는 지금까지 공개할 기회가 없었던 내용이다. 얻은 교훈이 다연결 이동 로봇 연구 및 사회 실장에 기여할 수 있다면 좋겠다.
