1. 서 론
최근 해양 및 수중 환경에 대한 관심이 높아지고 해양 탐사 및 개발 기술이 발달하면서 다양한 해양 자원을 탐사하고 이를 개발하여 이용하는 것이 국가적 핵심 과제가 되었다. 이에 따라 해양 자원 탐사 및 개발에 박차를 가하고 있으며 여기에 핵심적인 역할을 수행하는 것이 수중 작업 장비이다(Choi et al, 2010). 수중 환경에서의 다양한 작업은 대부분 Remotely operated vehicle(ROV)를 이용하여 수행하며 작업자가 ROV에 장착된 매니퓰레이터를 직접적으로 조종함으로써 구동하고 있다(Choi et al, 2011).
수중 환경에서 ROV를 이용한 작업 시 매니퓰레이터의 제어는 ROV에 장착된 카메라의 영상 정보 및 수중 음향 탐지기로부터 얻는 화상 정보를 이용하여 이루어지므로 제어가 매우 어려우며 작업자의 숙련이 필수 요구사항이라 할 수 있다. 또한 조종기로 많이 이용하고 있는 조이스틱으로는 정밀한 매니퓰레이터 제어가 어렵다.
이러한 단점에 대한 해결 방안으로서 매니퓰레이터를 원격으로 용이하게 제어하기 위한 마스터 암에 대한 여러 연구가 수행되었다. 한국과학기술연구원의 7자유도 마스터 암의 경우 다양한 모드로 힘 궤환이 가능하지만 공압의 비선형성과 반응시간 지연의 문제가 존재하며(Jeong et al., 2001), Rutgers 대학의 마스터 암 역시 공압을 이용하여 크기를 소형화 하였지만 공압의 특성을 그대로 보였다(Bouzit et al., 2002). 또한 양 팔 관절과 유사한 형태로 설계하여 휴머노이드 로봇을 제어하는 연구와(Kim et al., 2001) 주조 공정을 비롯한 다양한 산업에 적용되고 있는 매니퓰레이터를 마스터 암으로 제어하는 연구도 수행되었다(Ji et al., 2014, Ji et al., 2015).
또한 ROV는 일반적으로 작업자와 Tether cable로 연결되어 작업을 수행하게 되는데, Tether cable을 이용하는 경우 유지 및 보수가 어렵고 필요한 경우 주기적으로 교체해야 하며, 수중의 해류 및 다양한 외란으로 인한 파손의 위험이 존재한다. 이를 방지하기 위해 세계적으로 수중 무선 통신에 대한 연구가 진행되고 있으며 대표적으로는 음향 통신과 Light emitting diode(LED)통신을 들 수 있다. LED 통신은 수중 음향 통신에 비해 상대적으로 짧은 통신거리의 단점이 있으나 월등히 높은 전송 속도와 소모 전력이 낮다는 장점으로 최근 많은 연구가 진행되고 있다(Liu et al., 2008, Anguita et al., 2010).
본 논문에서는 인체의 팔 관절 골격과 유사한 형태로, 7자유도를 가지며 팔에 직접 착용하는 형태의 마스터 암을 설계하였으며 이를 이용하여 수중 매니퓰레이터를 원격으로 제어하는 연구를 수행하였다. 마스터 암의 관절 움직임의 속도 정보를 수중 매니퓰레이터의 각 관절 입력으로 받아 이를 이용하여 제어하였다. 특히, 수중 무선 LED 광을 이용하여 Tether cable 없이 명령정보를 보낼 수 있는 시스템을 설계하고 개발하였다. 개발한 시스템을 수조에서 실험을 수행하여 두 시스템의 연동 제어 성능 및 수중 LED 통신의 유효 성능을 검증하였다.
2. 수중 매니퓰레이터
수중 매니퓰레이터는 전기 모터 기반으로 ROV를 비롯한 다양한 수중 장비에 장착하여 사용할 수 있도록 개발하였으며 전용 모터 드라이버를 개발 및 적용하였다. 수중에서의 다양하고 정밀한 작업을 수행하기 위해 소형화 하였으며 매니퓰레이터 각 관절부를 모듈화 하여 설계하였다.
2.1 매니퓰레이터 설계
수중 매니퓰레이터는 Fig. 1에서 보는 바와 같이 전체적으로 Yaw – Pitch – Pitch – Roll –Pitch – Roll의 구조로 설계하였으며, 특히 매니퓰레이터의 하부를 Yaw-Pitch-Pitch 구조로 설계하여 작업 수행 시 각 관절부가 받는 부하를 감소시키고 수중에서의 작업 공간을 충분히 확보할 수 있도록 개발하였다.
매니퓰레이터의 방수를 위해서 이중 오일 재킷을 이용한 수밀 구조를 적용하여 방수 성능을 향상시켰으며 각 관절부를 원통형의 모듈화 설계하여 매니퓰레이터의 유지 및 보수가 용이하도록 설계하였다. 또한 매니퓰레이터의 1, 2, 3축의 경우 고토크 및 저 회전의 특성을 가지는 플랫 타입 전기 모터를 적용하여 매니퓰레이터의 전체 면적 및 부피를 최소화 하도록 개발하였다.
수중 매니퓰레이터의 기구학적 모델링 및 해석을 위해 순기구학을 적용하였다(Spong and Vidyasagar, 1989). Denavit - Hartenberg notation(D-H notation)을 이용하여 기구학 모델링 및 해석을 수행하였으며 매니퓰레이터 각 축에 대한 D-H parameter를 도출하였다.
D-H notation을 이용하여 Fig. 2에서와 같이 매니퓰레이터의 좌표를 설정하고 Table 1과 같이 ai, αi, θi, di 에 해당하는 각 관절 링크의 파라미터를 도출하고 이를 기반으로 해석을 수행하였으며, 각 관절 링크에 대한 동차변환행렬을 식 (1)과 같이 구하고, 이에 대한 전체 매니퓰레이터의 전체 변환 행렬을 식 (2)와 같이 나타내었다.
식 (2)에서, ri,j는 식 (3)과 같이 나타낼 수 있고, dx, dy, dz는 식 (4)와 같다.
2.2 제어 시스템
수중 매니퓰레이터는 메인 제어 컴퓨터의 프로그램을 통해 각 축 모터의 속도 데이터를 전송하고 제어 Micro controller unit(MCU)에서 데이터 변환 후 각 축의 모터 드라이버로 송신함으로써 구동하며, 매니퓰레이터의 단독 구동 시에는 조이스틱 대신 키보드의 버튼 입력으로 명령을 전송하는 형태로 구성하였다. 매니퓰레이터 제어 시스템의 구조는 Fig. 3과 같다.
키보드 버튼 입력을 통한 매니퓰레이터 구동 명령 데이터를 제어 MCU에서 수신하고, 이 데이터를 매니퓰레이터 각 축을 구동할 수 있는 통신 신호로 변환하여 모터 드라이버로 전송한다. 모터 드라이버에서는 이 데이터로 Pulse width modulation(PWM) 파형 신호를 생성하여 매니퓰레이터의 각 축 모터를 구동한다.
제어 시스템의 경우 제어부와 구동부로 나누어 구성하였으며 Fig. 4와 같다.
제어부는 메인 제어 컴퓨터의 구동 명령 데이터를 수신하여 각 축을 구동하는 명령 데이터로 변환 후 송신하는 역할을 수행하며, ATXmega128 Advanced virtual risc(AVR)모듈을 이용하여 시스템을 구성하였다. 수중 매니퓰레이터는 그립퍼를 포함할 경우 관절이 총 7개이기 때문에 다수의 관절을 효과적으로 제어하기 위해서 일대 다 통신이 가능한 RS-485 통신 규격을 이용하여 데이터를 송·수신 하도록 구성하였다.
구동부의 경우 각 관절을 구동하는 전기 모터 및 각 축 모터의 방향과 속도를 제어하는 모터 드라이버로 구성하였다. 매니퓰레이터 각 관절을 구동하는 데 충분하도록 모터를 선정한 후 적용하였으며 각 축 모터의 용량 및 전기적 특성을 고려한 매니퓰레이터 전용 Brushless direct current(BLDC) 모터 드라이버를 개발하여 매니퓰레이터 내부에 장착할 수 있도록 하였다.
3. 마스터 암
다양한 작업 상황 및 환경에 적합하게 적용할 수 있도록 사람의 팔의 형태와 유사한 형태의 마스터 암을 개발 하였으며 이를 이용하여 수중 매니퓰레이터를 제어하였다. 마스터 암의 각 관절 움직임 정보를 수신한 후 이를 이용하여 매니퓰레이터를 제어하도록 구성하였다.
3.1 마스터 암 설계
마스터 암은 사람이 직접 착용하여 사용하도록 설계하였으며 각 관절은 어깨 축으로부터 Yaw – Roll – Pitch – Pitch – Roll – Yaw 구조로 총 길이는 1023.5~1169mm, 짐벌부 253.5mm, 상완부 448.5~518.5mm, 하완부 317~397mm 의 길이를 가진다. 작업자가 다양한 환경에서도 제약사항 없이 사용할 수 있도록 이동 가능한 장치에 부착하여 사용하는 형태로 Fig. 5와 같이 설계하였다.
사람마다 팔의 길이가 각각 다르므로 작업자의 팔 길이에 맞추어 마스터 암을 사용할 수 있도록 길이 조정부를 구성하였으며 마스터 암 각 관절부에 전기 모터 및 엔코더를 장착하여 관절의 움직임 정보를 수신하며 이 데이터를 이용하여 수중 매니퓰레이터를 제어한다.
마스터 암 어깨 외골격 부분에 모터와 같은 액추에이터를 설치하는 경우 설치 공간의 문제 및 구동 반경의 제약, 구동기 사이에 간섭 등이 발생하게 된다. 이를 해결하기 위해 마스터 암의 어깨 외골격 부분에 5bar Gimbal 구조의 3자유도 메커니즘을 설계하여 적용하였으며 Fig. 6과 같다.
Fig. 6과 같이 Gimbal 메커니즘은 5개의 프레임으로 이루어져 있으며 각 회전축이 다른 축과 직각을 이루고 있어 독립적으로 회전이 가능하도록 설계하였다. 이로써 보다 적은 공간에서 어깨 외골격의 3자유도 움직임을 구현하는 것이 가능하다.
또한 마스터 암 역시 D-H notation을 적용하여 순기구학 해석을 수행하였으며 Table 2와 같이 Parameter를 계산하였다.
3.2 마스터 암 신호처리
마스터 암은 작업자의 팔 골격 구조 및 움직임을 고려하였으며 수중 매니퓰레이터의 구조와 매칭되도록 Fig. 7과 같이 설계하였다.
마스터 암 역시 그립퍼를 포함하여 7자유도의 동작을 구현하도록 설계하여 수중 매니퓰레이터 및 이와 유사한 슬레이브 암플랫폼과 연동이 가능하며 Fig. 8에서 보는 바와 같이 작업자가 팔을 움직임에 따라 매니퓰레이터가 구동하는 형태를 취하게 된다.
마스터 암의 관절 움직임을 측정하고 데이터를 수신하기 위해 각 관절에 Dynamixel 모터를 장착하였으며 모터 내부의 엔코더를 이용하여 관절의 움직이는 동안의 회전수를 측정하고 이를 기반으로 매니퓰레이터를 제어하도록 구성하였다.
마스터 암 - 수중 매니퓰레이터의 속도 변환은 아래 식 (5)와 같다
vmani는 수중 매니퓰레이터 구동을 위한 속도 데이터, varm은 마스터 암 관절 움직임 속도 데이터를 나타내며 fd2r은 Dynamixel 엔코더의 데이터 변환 계수로 0.114이다. Nmotor은 모터의 Nominal speed이고 G는 감속비로 모터에 장착된 기어의 기어비와 관절 구동을 위한 하모닉 드라이브의 감속비의 곱으로 식 (6)과 같이 표현한다.
D는 방향 계수로서 움직임 속도 데이터의 방향을 부호로 표현하며, 모터의 경우 정방향의 속도와 역방향의 속도에 약간 차이가 있기 때문에 이를 보정한다.
마스터 암의 회전 정보는 각 관절 축에 장착된 모터의 엔코더로부터 얻을 수 있으며, 엔코더의 펄스로부터 나오는 속도 데이터를 회전 속도에 대한 데이터로의 변환이 필요하다. 이와 더불어 수중 매니퓰레이터의 경우 각 관절을 구동하는 모터에 감속기가 함께 장착되어 있는데, 모터와 감속기의 회전 속도는 감속비만큼 낮아진다. 따라서 마스터 암으로부터 얻은 속도를 매니퓰레이터에 적용하기 위해서는 속도 값의 변환이 필요하다.
마스터 암의 신호처리 시스템은 Fig. 9와 같이 마스터 암 관절부의 엔코더를 통한 속도 데이터를 마스터 암 신호처리 MCU를 통해서 수신하고 처리하도록 구성하였으며 이 데이터를 메인 제어 컴퓨터로 전송하여 매니퓰레이터의 각 관절을 구동하는 형태로 제어하였다.
마스터 암 역시 7개의 축을 이용하기 때문에 일대 다 통신이 가능한 RS-485 통신 규격을 이용하였으며 마스터 암의 각 관절로부터 전송되는 움직임 데이터를 RS-232 통신 규격으로 변환하여 제어 MCU로 송신하도록 구성하였다. 마스터 암 신호처리 MCU에서 마스터 암 각 관절 움직임 데이터를 각 축 별로 분리하고 정리하는 파싱 과정을 거쳐 메인 제어 컴퓨터로 송신하도록 하였다.
4. 수중 LED 통신 시스템
마스터 암으로부터 수신한 데이터를 메인 제어 컴퓨터에서 처리한 후, 수중 LED 통신을 이용하여 매니퓰레이터의 제어 시스템으로 전송하는 형태로 시스템을 구성하였으며 다양한 플랫폼에 적용할 수 있도록 수중 LED 통신 모듈을 개발하였다.
4.1 하드웨어 시스템
본 연구의 수중 LED 통신 시스템은 LED transmitter와 LED receiver의 두 부분으로 이루어져 있으며, 수중 LED transmitter는 전송하고자 하는 데이터를 LED 광 신호로 변환하여 전송하는 장치로서 Fig. 10과 같이 광학장치, LED, LED 드라이버, 컨트롤러로 구성하였다.
LED는 최대 150W의 출력으로 수중 광 흡수율이 가장 적은 450nm 파장의 청색 LED로 선정하였으며 온도가 상승할수록 Luminous flux가 감소하는 현상을 방지하고 수명 보존 및 수중 통신의 성능 유지를 위해 수냉식 워터 블록과 냉각수 순환 펌프를 이용하여 방열처리 하였다. 또한 Field effect transistor(FET)와 Gate driver를 이용하여 LED 전용 드라이버 회로를 구성하였으며 RS485 통신 신호를 USART 신호로 변환한 후 LED 송신 신호로 사용하였다.
LED receiver는 Transmitter에서 방출된 광을 검출하고, 이에 적합한 신호 처리를 통해 원래의 데이터로 복원하는 장치이며 Fig. 11과 같이 집광장치, 포토센서, 전단증폭기, 2차 증폭기 및 신호 처리기로 구성하였다.
청색 파장의 감도 특성이 강화된 Avalanche photo diode(APD)를 사용하여 개발하였으며 전단증폭기로 트랜스 임피던스 증폭기를 사용하였다. 또한 디지털 포텐쇼미터로 차단 주파수의 가변이 가능한 Low pass filter(LPF)와 Reference 전압의 가변이 가능한 전압 비교기를 사용하여 신호처리를 수행하였다.
4.2 LED 통신 Structure
수중 LED 통신 시스템은 Fig. 12와 같이 이루어진다.
메인 제어 컴퓨터에서 전송한 구동 데이터를 매니퓰레이터 제어 MCU가 수신한 후 LED transmitter의 컨트롤러로 송신한다. Transmitter는 이 데이터를 광 펄스 신호로 변환하여 Receiver에 전송하고 Receiver는 이 데이터를 수신하여 1차 증폭기 및 2차 증폭기를 거치며 신호를 증폭한다. 증폭된 데이터는 1차 복조기 및 2차 복조기를 거쳐 원래의 데이터로 변환되며 변환된 데이터는 RS485 통신 규격을 이용하여 매니퓰레이터의 제어 시스템으로 전송되고 이를 이용하여 매니퓰레이터가 구동한다. 통신 속도는 38400bps로 설정하였다.
또한 LED 통신의 성능을 검증하기 위한 실험을 수행하였다. Fig. 13과 같이 담수가 담겨져 있는 수조에서 Transmitter와 Receiver의 거리를 25m로 하여 수중 통신 실험을 수행하였다.
아래 Table 3은 반복적으로 데이터를 송신 및 수신하여 얻은 결과이며, 담수 중 25m 거리에서 정상적으로 통신이 이루어짐을 확인하였다.
5. 통합 시스템
수중 매니퓰레이터와 마스터 암 및 LED 통신 시스템은 기본적으로 서로 분리되어 개별적으로 적용 가능하도록 모듈화 과정을 거친 시스템이기 때문에 이러한 시스템을 연동하기 위한 통합 시스템을 구성하였다. 또한 통합 시스템을 제어하기 위한 제어 프로그램을 구성하여 시스템을 제어하였다.
5.1 통합 시스템 구성
수중 매니퓰레이터 시스템과 마스터 암 시스템이 공통으로 이용할 수 있는 데이터는 각 관절이 움직이는 속도 데이터이다. 따라서 속도 데이터를 이용한 통합 시스템을 구성하였으며 Fig. 12에 나타내었다.
마스터 암의 각 관절의 엔코더에서 나오는 관절 회전 속도 데이터를 마스터 암의 제어 MCU에 송신하고, MCU에서는 데이터 연산 후 통합 시스템 소프트웨어로 정보를 송신한다. 통합 시스템 소프트웨어에서 데이터 수신 및 처리 후 수중 LED transmitter로 전송하고 송신한 광 데이터를 Receiver에서 변, 복조 처리한 후 매니퓰레이터의 제어 MCU로 송신한다. 매니퓰레이터 제어 MCU는 이 데이터를 각 축 모터 드라이버로 전송하며, 모터 드라이버에서 PWM 신호로 변환 후 이를 이용하여 매니퓰레이터의 관절을 구동한다.
5.2 통합 시스템 연동 프로그램
Fig. 13과 같이 수중 매니퓰레이터와 마스터 암을 연동하는 통합 소프트웨어를 제작하였다.
마스터 암 연동 제어 및 매니퓰레이터 단독 제어가 가능하도록 모드를 구성하였으며 각 축의 정보를 확인할 수 있도록 모니터 창을 구성하였다. 통신 포트 연결, 구동 가능 여부를 확인할 수 있도록 제작하였으며 마스터 암으로부터 수신한 데이터를 이벤트 처리를 통해 수신 시 마다 처리할 수 있도록 프로그래밍 하였으며 각 축의 데이터, 마스터 암 연동 및 독립 제어 데이터를 로깅할 수 있도록 하였다.
통합 제어 시스템은 수중 매니퓰레이터와 마스터 암의 각 관절 움직임의 속도 데이터를 이용하므로 관절의 움직임에 따른 데이터의 변화가 민감하기 때문에 진동과 유사한 형태를 가지는 노이즈가 발생한다. 이러한 노이즈를 감쇠하기 위하여 식 (7)과 같이 이동 평균 필터를 적용하여 데이터 필터링을 수행하였다.
dk는 수중 매니퓰레이터 구동을 위한 관절 움직임 속도 데이터를 나타내며 각 축 데이터의 변화, 연산 처리속도 등을 고려하여 이동 평균을 구하기 위한 데이터 개수를 10으로 설정하였다.
6. 실험 및 결과
수중 LED 통신을 적용하여 마스터 암을 이용한 수중 매니퓰레이터의 원격 제어에 대한 실험을 수행하였다. 매니퓰레이터의 작업 환경은 제어하는 작업자와 실제 플랫폼의 거리가 존재하기 때문에 마스터 암과 매니퓰레이터 사이에 거리를 일정 이상 유지하도록 환경을 구성하였다. 실험 장소는 한국해양대학교 내의 수조에서 진행하였으며 깊이는 약 3m이며 Fig. 14와 같이 구성하였다.
Fig. 15와 같이 수중에 위치한 물체를 집는 임무를 수행하기 위해 수중 매니퓰레이터의 끝단 그립퍼가 목표 위치로 이동하는 실험을 진행하였으며, 마스터 암의 이동 속도와 수중 매니퓰레이터의 이동 속도를 일치시킬 수 있도록 계수를 지정하여 마스터 암의 움직임에 따른 매니퓰레이터 제어가 가능하도록 하였다.
마스터 암의 모든 축의 속도 데이터를 Fig. 16에, 매니퓰레이터의 모든 축의 속도 및 회전량을 Fig. 17 및 Fig. 18에 나타내었다. Fig. 17 및 Fig. 18에서 좌측 결과는 각 축의 회전속도이고 우측은 이를 적분한 거리이다. 파란색 부분이 기존의 속도 및 회전량이며 붉은색 부분이 필터링을 수행한 속도 및 회전량을 나타낸다.
Fig. 16을 보면 수중 매니퓰레이터의 그래프와 상당히 유사함을 알 수 있다. 이로써 마스터 암의 회전 속도 정보가 적절히 변환되어 수중매니퓰레이터 각 축 모터의 구동 입력으로 사용되었음을 알 수 있다.
Fig. 17 및 Fig. 18에서, 필터링 전에는 데이터가 일정하지 않은 경향을 보이며 진동 형태의 노이즈가 존재하였으나, 필터링 후에는 데이터의 노이즈가 약 30% 정도 감쇠하였으며 필터링 전의 데이터와 비교하였을 때 이를 적절히 추종하고 있는 것을 함을 확인할 수 있다. 또한 수중 매니퓰레이터 각 축의 총 회전량은 필터링 전과 필터링 후가 크게 차이나지 않는 모습을 보이는 것은 필터링 전과 후의 운동량이 유사한 성향을 보이며 측정됨을 의미한다. 필터링 후의 노이즈가 감쇠하는 것으로 보아 데이터의 신뢰성 및 제어 성능이 향상되었다고 할 수 있으며 작업자가 매니퓰레이터를 더욱 더 용이하게 제어하는 것이 가능함을 알 수 있다.
7. 결 론
본 논문에서는 수중 매니퓰레이터를 원격으로 제어하기 위해 사람이 착용하여 제어 할 수 있도록 인체의 팔 관절과 유사한 형태의 마스터 암 시스템을 설계하고 제작하였다. 마스터 암은 그립퍼를 포함하여 7개의 관절을 가지도록 설계하였으며, 각 관절은 어깨 축으로부터 Yaw – Roll – Pitch – Pitch – Roll – Yaw 구조로 설계하였다.
마스터 암을 이용하여 수중 매니퓰레이터를 제어하기 위하여 두 시스템을 연동하기 위한 메인 제어 프로그램을 구성하였다. 또한, 마스터 암과 수중 매니퓰레이터 사이의 통신 시스템은 LED 광을 이용한 수중 통신 시스템을 개발하여 적용하였다.
LED 통신을 이용한 마스터 암과 수중 매니퓰레이터의 연동 제어 성능을 확인하기 위해 수조에서 실험을 수행하였으며, 이 실험을 통해서 두 시스템의 연동 및 성공적인 수중 LED 통신 성능을 검증하였다. 매니퓰레이터 각 관절 모터의 속도 및 회전량을 얻고 필터링을 통해 진동 형태의 노이즈를 억제하였으며 이로서 데이터의 신뢰성과 제어 성능이 향상됨을 확인하였다.
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