소방임무의 안전성과 능률 향상을 위한 다기능 그리퍼 및 로봇팔 부착형 드론 플랫폼 개발

Development of the Drone Platform Equipped with Robot Arm and Gripper for Enhancing Safety and Efficiency in Fire-fighting Mission

Article information

Fire Sci. Eng.. 2022;36(2):73-82
Publication date (electronic) : 2022 April 30
doi : https://doi.org/10.7731/KIFSE.d4d536d0
라스트마일 연구원
Researcher, LASTMILE
* 인천대학교 기계공학과 연구원
* Researcher, Dept. of Mechanical Engineering, Incheon National Univ
** 인천대학교 기계공학과 대학원생
** Graduate student, Dept. of Mechanical Engineering, Incheon National Univ
*** 주식회사 코매퍼 CEO
*** CEO, Ko-Mapper. Co., Ltd
**** 건국대학교 기계공학과 교수
**** Professor, Dept. of Mechanical Engineering, Konkuk Univ
***** 인천대학교 기계공학과 교수
***** Professor, Dept. of Mechanical Engineering, Incheon National Univ
Corresponding Author, TEL: +82-32-835-8098, FAX: +82-32-835-0793, E-Mail: Ykim@inu.ac.kr
†† Corresponding Author, TEL: +82-32-835-8413, FAX: +82-32-835-0793, E-Mail: onemean@inu.ac.kr
Received 2022 March 18; Revised 2022 April 7; Accepted 2022 April 11.

Abstract

현재 드론은 일상생활에 많은 곳에 적용되고 있으며, 소방분야에 또한 접목될 수 있다. 소방분야에 적용되어 드론은 물품 전달, 작업 보조 등의 임무에 적용될 수 있다. 이에 본 논문에서는 다양한 임무를 수행하기 위한 다기능 그리퍼를 장착한 드론을 제안한다. 제안하는 드론은 고출력 모터 6개를 부착하고, 몸체는 가볍고 강한 탄소섬유 소재로 제작됐다. 또한, FPV 시스템을 적용하여 보다 정확하고 실감나는 제어환경을 제공한다. 드론의 정확하고 안정적인 비행을 위해, Mission Planner 프로그램을 이용하여 비행 전 세팅과 비행 후 파라미터 분석을 수행한다. 제안하는 드론은 측면으로 위치한 다기능 그리퍼를 이용하여 전신주 등에 안정적으로 고정되며, 물건을 전달할 수 있다. 또한, 전신주에 고정된 후에 로봇팔을 이용하여 사람을 대신하여 간단한 임무를 수행할 수 있다. 이런 기능은 실제 현장에 적용되어 소방공무원의 작업 편의를 향상시킬 뿐 아니라, 작업자와 구조자의 안전에도 기여할 수 있을 것으로 예상된다.

Trans Abstract

Recently, drones have been utilized in various fields. The drones for firefighting have the capability to carry out various missions such as delivery of items or assistance. In this paper, we explain the drone with six powerful motors and a multi-functional gripper on the side of the drone used for conducting various missions. The drone body, which is lightweight but with high stiffness, is composed of carbon fibers. We used a PID controller and analyzed acquired sensor data during a flight by using Mission Planner software in order to improve flight stability and safety. The suggested drone could be used in firefighting missions, such as docking to the electric pole or delivering items horizontally using the equipped gripper. In addition, after fixing on the pole, equipped robot arms can conduct missions for workers at high altitude. Therefore, it could provide the safety of the firefighter and survivors.

1. 서 론

과거 드론은 군사용 혹은 일부 상업적인 용도로 사용되었지만, 오늘날의 드론은 취미 목적부터 산업적 용도까지 많은 곳에 활용되고 있다(1). 이런 드론의 활용도는 소방분야에서도 주목받고 있다. 저자 하강훈의 논문에서 전라남도 소방공무원의 80.29%는 소방드론의 도입을 긍정적으로 바라보고 있다(2). 또한, 활용 분야는 구조(3-5), 화재진압, 생활안전, 구급(6-8), 기타의 순으로 조사되었다. 이처럼 드론의 소방분야에 적용은 필요성이 대두되고 있으며, 다양한 분야에 적용될 수 있음을 알 수 있다. 실제로 소방공무원은 화재진압이나 인명 구조 업무부터 벌집 제거 등의 생활 안전 활동 임무까지 다양한 임무를 수행하고 있다. 이러한 업무는 임무수행에 많은 노력이 필요하고, 생명을 위협하기도 한다. 소방청 국가화재정보시스템에 따르면 2021년 발생한 화재는 36,267건, 276명의 사망, 약 1조원의 재산피해가 발생했다. 추가적으로 화재 진압과정에서 매년 사망 약 300명, 부상 약 2000명의 소방공무원 사상자가 나오고 있다. 또한, 소방청에서 발표한 2020년 구조 활동 통계자료에 따르면, 2020년 총 838,194건의 출동 건수 중 벌집 제거가 133,131건으로 전체의 20%로 가장 많은 비율을 차지했다. 이는 89,251건의 화재보다 많은 수치다. 소방공무원은 해마다 수많은 벌집 제거 임무를 수행하고 있으며, 이 과정에서도 사망 사고가 빈번하게 발생하고 있다. 이처럼 많은 소방임무는 소방공무원의 건강과 생명을 위협하고 있다.

화재는 건물, 차량, 자연 등 다양한 곳에서 발생한다. 소방청의 자료에 따르면 2018년 총 42,338건의 화재 중 28,013건의 화재가 건물에서 발생했다. 신속한 화재 진압을 위해 화재현장으로 다수의 소방인력과 소방장비는 현장으로 출발한다. 특히, 고층 건물의 비중이 높은 이 때, 소방공무원은 임무수행에 더욱 많은 제약을 받는다. 수십 kg에 달하는 무게의 보호구와 산소통을 착용하고 화재 현장에 들어가지만, 계단을 오르며 산소고갈과 큰 체력소모 등의 문제로 생명의 위협을 받는다. 이에 대안으로 고가 사다리차나 헬기의 지원을 받을 수 있지만, 이 또한 화재현장 인근 주차된 차량이나 건물의 특성에 따라 한계점이 존재한다. 2021년 통계청에서 조사한 자료에 따르면 전국에 일반 사다리차는 461대가 있고, 최대 23층까지 화재를 진압할 수 있는 70 m 고가 사다리차는 전국에 단 10대밖에 없다고 한다. 따라서 30층 이상의 건물은 사다리차의 지원이 힘들다. 이에 30층 이상의 고층 건물의 경우 헬기의 도움을 생각할 수 있다. 하지만, 옥상을 통해 임무지원을 하는데 임무에 넓은 공간을 필요로 하고, 건물 밀집도나 위치 등에 많은 제약을 받을 수 있다. 그 결과 소화 작업이나 구호 물품 전달의 경우 옥상에만 한정적으로 지원이 가능하다. 이는, 소방관이나 요구조자가 옥상까지 도달해야만 한다는 특징이 있다. 이처럼, 사고 현장의 상황과 건물 특성에 따라 현장에 접근이 어렵거나, 접근을 하더라도 소방 활동에 많은 제약이 있을 수 있다. 이 과정에서 산소통 등의 긴급구호물자를 고층 건물 중간에서 전달할 수 있다면, 이는 구조자와 요구조자의 안전에 크게 기여할 수 있다. 다음으로 벌집이나 새집의 경우 대게 높은 곳에 위치하고 있다. 이를 제거하기 위해 안전보호구를 착용하고 높은 곳에 올라야 한다. 이는 벌에 의한 위협과 동시에 추락 등의 안전사고의 위협이 동시에 존재한다. 따라서 소방공무원이 수행하는 임무에서 드론을 적절히 배치한다면 보다 안전하고 효율적인 임무 수행을 기대할 수 있다.

서울시 소방재난본부에서 발표한 자료에 따르면, 최근 6년간 소방드론은 사고현장 출동, 훈련 등 기타, 산악 순찰 순으로 총 1680회가 운영되었다.

또한, 소방 활동 외에도 드론은 긴급상황에 운송의 업무를 맡을 수 있다. 저자 하강훈은 논문에서 소방 업무에 드론이 활용될 수 있는 분야를 조사했고, 그 결과 수색(51%), 재난 및 화재 모니터링(35%), 운송(14%) 등 다양한 분야에 드론이 활용되고 있는 것을 확인했다(9). 해당 논문을 통해, 저자는 운송 분야의 연구는 구조물품과 구호용품, 비상의약품 등을 빠른 시간에 운반하여 응급상황에서의 골든타임을 확보하는데 중요한 역할을 한다고 말한다. 물건을 운송할 때 기존의 방법은 Figure 1의 왼쪽과 같이 하부에 물건을 고정시켜 물건을 운송한다(10-12). 이런 방식은 넓은 개활지나 건물 옥상에 물건을 전달하기는 적합하나, 건물 중간층에 물건을 전달하기는 적합하지 않다. 드론 특성 상 건물에 근접하여 수직으로 비행하는 것이 어렵기 때문이다. 또한, 프로펠러 및 드론 본체의 간섭으로 인해 물건의 전달이 어렵다. 따라서 본 논문에서는 다기능 그리퍼와 로봇팔이 부착된 드론을 제안한다. 제안하는 드론의 그리퍼는 측면에 위치하고 있어 보다 안전하게 수평방향으로 물자를 전달하거나, 물체를 잡을 수 있다. 또한, 부착된 로봇팔을 이용하여 사람의 손을 대신하여 작업할 수 있다.

Figure 1

Schematic of delivery items using drone; (left) previous method and (right) proposed method.

2. 본 론

제안하는 플랫폼은 Figure 2와 같이 드론과 상황을 모니터링하고 드론을 컨트롤 할 수 있는 사용자 인터페이스로 구성되어 있다. 또한, 부착된 다기능 그리퍼를 이용하여 전신주와 같은 원통형의 물체에 고정되거나, 수평 방향으로의 물건 전달이 가능하다.

Figure 2

Suggested drone controlling system.

2.1. 드론 설계 및 개발

드론의 하드웨어는 Figure 3과 같이 설계되었다. 안정적인 임무 수행을 위해 드론의 비행안정성은 중요한 요소이며, 이를 위해 강한 출력은 필수적이다. 이에 본 논문에서는 헥사콥터 드론을 설계하고 제작했다. 모터는 T-motor사의 AT2820 KV1250을 사용했다. 장착된 여섯 개의 모터는 최대 출력 1000 W의 힘으로 드론이 안정적으로 비행할 수 있도록 도와준다. 강력한 모터 출력에 맞춰 11x8 in 크기의 프로펠러와, T-motor사의 75 A ESC를 사용했다. 모터의 제어에는 Cube Black+를 사용했다. Cube는 ProfiCNC사의 제품으로 픽스호크 2.1로 널리 알려져있다. 이를 이용하면 모터 등 비행컨트롤과 더불어 내장된 기압계와 IMU 등의 다양한 센서를 통해 비행 중 다양한 파라미터를 측정하고 기록할 수 있다.

Figure 3

Proposed fire-fighting drone platform; (a) 3D model and (b) prototype.

비행 출력 다음으로 고려되어야 하는 사항은 몸체의 무게이다. 드론의 하중은 비행시간과 비행능력에 주요한 영향을 끼친다. 이에 제안하는 드론은 탄소 섬유 소재를 사용했다. 탄소 섬유는 매우 가벼운 무게에 비해 매우 강하고 단단하며 수명이 긴 장점이 있다(13). 이를 통해 제작된 드론은 더욱 가볍고 충격에 강한 프레임을 갖는다. 이렇게 제작된 드론은 90 cm × 70 cm × 30 cm의 크기와 총 9.7 kg의 중량을 갖는다. 또한, 장착된 여섯 개의 모터 출력을 바탕으로 약 15 kg 하중의 물체를 들어 올릴 수 있다.

2.2. 그리퍼 설계

제안하는 드론에는 다기능 그리퍼가 부착되어 있다. 그리퍼는 전신주 위의 새집이나 벌집제거 또는 물건 전달과 같은 임무에 사용된다. 전신주 근처에서 드론이 작업할 때, 프로펠러의 움직임은 큰 사고로 이어질 수 있다. 이에 보다 안전하고 정확한 작업을 위해 그리퍼로 전신주에 단단히 고정한 뒤, 모터의 전원을 제거하고 작업을 이어갈 수 있도록 한다. 특히, 별도의 전원 없이 구조적으로 전신주에 고정되는 기술은 드론의 배터리 타임에 큰 이점이 된다. 따라서 안정적으로 드론의 하중을 충분히 견딜 수 있도록 그리퍼를 설계하고 제작했다.

드론이 전신주를 잡거나 물건을 전달할 때, 프로펠러에 간섭에 의한 안전사고가 발생할 수 있다. 이를 예방하기 위해, 그리퍼는 모터의 회전반경 외부에 위치하도록 설계했다. 제작된 드론의 중심부터 프로펠러의 회전반경이 400 mm까지 이어지기 때문에 그리퍼는 드론의 중심으로부터 420 mm에 위치하도록 장착되었다. 또한, 측면에 위치한 그리퍼 특성상 그리퍼가 지나치게 무거우면 무게중심이 드론이 한쪽으로 쏠릴 수 있다. 따라서 제안하는 그리퍼는 안정적인 임무수행을 위해 가볍지만 강하게 제작되어야 한다. 이에 그리퍼는 드론 몸체에서 사용한 것과 같이 탄소섬유 소재를 사용하여 가볍고 강한 내구성을 갖도록 제작했으며, 약 1 kg의 무게를 갖는다. 드론은 15 kg의 무게까지 견디며 비행할 수 있으므로 제안하는 그리퍼의 무게는 드론의 비행과 임무수행에 있어서 방해되지 않는다.

전신주를 잡아 드론이 안정적으로 고정되기 위해서는 충분한 힘이 바탕이 되어야 한다. 하지만, 힘이 충분하더라도 드론 몸체 무게를 그리퍼 만으로 지지하는 것은 다소 무리가 있을 수 있다. 따라서 Figure 4(b)와 같이 그리퍼 안쪽에 하중지지대를 위치시켜 보다 안정적으로 드론이 고정되도록 설계했다.

Figure 4

Proposed multi-functional gripper; (a) 3D model, (b) part for withstanding load, (c) gipper prototype, and (d) free body diagram of the gripper.

그리퍼의 구동에는 로보티즈 사의 XM430-W350-T 모터를 사용했으며, 제작된 그리퍼의 제원은 Table 1과 같다. 사용된 모터 스펙에 근거하여, 그리퍼가 잡는 힘을 계산하면 아래 표와 같다. 여기서 모터의 스톨토크(M)은 3 Nm, 스크류 피치(u)는 5 mm이다. 그리퍼가 물체를 잡을 때의 힘은 아래와 같이 계산된다.

Specification of The Proposed Gripper

(1)F0×u=2MD2×π
(2)F0=2MD2×π×u
(3)F1=F0×cos(30°)
(4)F1×L1=F2×L2

여기서 F0, F1, F2, L1, L2Figure 4(d)에 자세히 표기되어 있다.

위 식에 근거한 잡는 힘과 더불어 그리퍼가 물건을 잡는 면에 미끄럼 방지 테이프를 붙여 마찰력을 향상시킨다. 추가적으로, 그리퍼를 이용해 물건 운송 임무를 진행하는 경우, 배송용 버킷에 굴곡을 내는 맞물림 설계를 통해 더욱 안전한 배송 임무 수행이 가능하도록 한다.

2.3. Mission Planner

성공적인 임무 수행과 안전을 위해 드론을 정확하게 제어하는 것은 매우 중요하다. 기본적으로 드론은 상승⋅하강⋅roll⋅pitch⋅yaw를 조합하여 다양한 움직임을 수행한다. 이러한 복잡한 움직임을 정확히 수행하기 위해서 정확한 모터 제어는 필수적이다. 모터를 정확하게 제어하기 위한 방법으로 PID 제어가 사용된다. PID 제어는KP, KI, KD의 세 변수를 조정하며 입력값과 설정값의 오차가 적어지도록 맞춰가는 피드백 루프 시스템이다. 본 논문에서는 Mission Planner를 이용하여 최적의 PID 변수를 조정하고 확인한다. Mission Planner는 Ardu Pilot의 한 어플리케이션으로, 드론이나 무인 차량 등을 지원하는 오픈 소스 오토파일럿 시스템이다. Mission Planner 프로그램은 Figure 5와 같다. 이를 이용하면 비행 전 다양한 변수를 조정하고 확인할 수 있다. 또한, PID 변수 조정 외에도 비행 중 다양한 센서를 통해 저장된 로그를 열어 기록된 데이터를 확인하는 것이 가능하다. 비행 컨트롤러로 사용된 Cube Black+ 내부에는 기압계, 지자기계, 가속도계, 자이로스코프 등의 다양한 센서들을 통해 포함하고 있으며, 여기서 측정된 비행 고도⋅전력 소모량⋅비행 각도 등의 정보가 비행 중 로그로 저장된다. 비행 후 해당 파라미터를 분석하는 것으로 드론의 비행 성능이나 이상 징후 등을 확인할 수 있으며, 이는 비행 안정성 개선에 크게 기여한다.

Figure 5

ArduPilot Mission Planner.

2.4. 실감형 드론 제어 인터페이스

일반적으로 드론은 사람이 탑승하지 않는 무인 비행체로, 일반적으로 지상에서 컨트롤러를 이용하여 조작한다. 조작자가 지상에 위치하고 있기 때문에 드론이 상공으로 높이 그리고 멀리 비행하는 경우, 조작자의 시야에서 멀어져 조작이 어려울 수 있다. 이를 개선하는 방법으로 드론의 카메라를 스마트폰 또는 태블릿에 연동하여 조작에 도움을 받지만, 이 방법은 드론이 비행하는 방향과 조작자의 시선 방향이 일치하지 않는 이질감이 존재한다. 이를 개선하기 위한 방법으로 first-person view (FPV) 시스템을 이용하였으며, 이를 이용하면 1인칭 시점으로 드론을 조작할 수 있다. 이는 드론의 비행 및 그리퍼를 이용한 작업에 실시간으로 드론의 시야를 눈앞에 공유 받을 수 있다. 본 논문에서는 DJI FPV 고글 V2 (DJI, 중국)을 이용했다.

FPV 고글을 이용하기 위해, DJI digital system을 이용하였다. 해당 시스템은 DJI FPV air unit과 DJI FPV goggle로 구성되며, 낮은 영상 지연율과 영상 전송을 위한 FPV transmission을 제공한다. 최대 8채널의 연결이 가능하며, 4 km의 통신 거리를 갖는 것이 특징이다. 카메라 모듈을 포함한 air unit을 드론의 몸체에 고정하고, 유닛과 고글에 포함된 ‘link’ 버튼을 눌러 간단히 페어링 할 수 있다. 페어링 후 사용자는 FPV 고글을 통해 드론이 제공하는 시야를 모니터링하며, Figure 6(b)와 같이 드론이 보는 시야와 실제 보는 시야가 일치되어 실감나는 조종이 가능하다. 이를 통해, 조작자는 정면을 응시한 채 드론이 바라보는 영상을 눈앞에 생생히 전달받을 수 있다.

Figure 6

Controlling drone system; (a) DJI FPV goggle and (b) sight direction according to using FPV goggle.

3. 제안하는 드론 제어시험 및 결과

3.1. 드론 제어 및 비행 시험

제안하는 드론은 정확한 제어를 위해, ArduPilot Mission Planner 프로그램을 이용하여 PID 변수 조정 및 비행 파라미터 분석을 진행했다. 기본 세팅이 완료된 드론의 시험비행을 통해 드론의 성능평가를 진행했다. 드론의 비행 성능 평가는 드론 시동⋅카메라-FPV 고글 연동⋅비행⋅그리퍼 조작⋅착륙의 항목으로 평가했다. 시험 비행 결과 드론은 시동과 비행, 이착륙을 무사히 수행했다. 이 과정에서 조작자는 FPV 고글의 사용으로 Figure 7과 같이 정면을 응시한 채 비행 조작이 가능했다. 또한, 드론에 사용된 Cube Black+에 저장된 로그에는 고도⋅비행경로⋅전력량 등 많은 파라미터가 기록되었다.

Figure 7

Captured view by drone.

해당 파라미터는 비행 후 Mission Planner 프로그램을 통해 확인 및 엑셀 데이터로 저장이 가능했다. Figure 8(c)는 대표적으로 비행 중 기록된 고도 데이터를 측정한 결과를 보여준다. 이와 동일한 방법으로 나머지 변수들도 데이터를 얻을 수 있고, 그래프로 나타낼 수 있다.

Figure 8

Saved data in Mission Planner program, (a) flight route, (b) measured sensor data, (c) altitude data graph.

이처럼 Mission Planner 프로그램을 통한 드론의 비행 전 세팅과 비행 후 점검이 가능했다. 이는 보다 쉽고 정확한 비행이 가능하도록 도와준다. 하지만, 기본적으로 상공을 비행하는 드론의 특성상 추락이나 충돌 등은 큰 안전사고나 인명피해를 유발할 수 있다. 이에 본 실험 또한 안전을 최우선으로 하여, 저고도에서 안전케이블을 연결하고 범위를 한정하여 실험을 진행했다. 그 결과 좀 더 다양한 파라미터 측정에 한계가 있었다. 또한, 건물에 인접하여 비행하는 것은 공터에서 비행하는 것보다 더욱 어렵고 위험도가 크다. 따라서 추후 연구에서는 드론의 최대한의 성능을 확인하기 위해, 건물을 포함한 보다 안전한 공간을 섭외하여 시험을 진행할 예정이다.

3.2. 드론 고정 시험

제안하는 드론은 여러 임무를 수행하기 위한 다기능 그리퍼를 장착했다. 장착된 그리퍼의 성능을 평가하기 위해 힘센서 (CSBA-100 kgf, Sensor Solution, 대구)를 사용하여 그리퍼의 잡는 힘을 측정하는 실험을 구성하였다. 전신주와 같은 지름으로 실험하기 위해 3D 프린팅을 통해 지그를 제작했다. 제작에 사용된 3D 프린터는 Method X (MakerBot, 미국)로 나일론 탄소 소재를 사용할 수 있고, 그 결과 출력물은 일반 3D 프린팅 출력물 대비 강한 특징을 갖는다. 힘센서 양면에 지그를 부착하여 지름 약 225 mm의 물체를 잡을 때의 힘을 측정하는 실험을 진행하였다. 실험에 사용된 힘 센서는 가해지는 힘(압력)에 따라 내부 저항이 변하는 특성이 있다. 이에 본 실험에서는 센서를 멀티미터에 연결하고, 가해지는 힘에 따라 변화하는 전압값을 측정하였다. 실험에 앞서 전압값과 가해지는 힘의 관계를 확인하기 위해, 로드셀에 무게추를 올려가며 캘리브레이션을 진행했다. 캘리브레이션 후 Figure 9(c)와 같이 그립력 측정 실험을 진행했다.

Figure 9

Gripping force measurement experiment; (a) 3D printing part for assembling with load cell, (b) assembled load cell with 3D printing parts, (c) experiment schematic.

Figure 10(a)와 같이 총 10회의 그립력을 측정하는 실험을 진행하였고, 각 실험에서는 측정된 최대 전압을 기록하고 사용하였다. Figure 10(b)에 근거하여 측정된 전압을 힘으로 변환하여 계산한 결과 93.84 ± 14.84 N으로 계산되었다.

Figure 10

Gripping force measurement experiment result; (a) measured data, (b) calibration data for voltage depending on weight, and (c) average calculated force for 10 trials.

그립력을 측정하는 실험에서 그리퍼의 중심을 기준으로 수직⋅수평방향으로 정렬되도록 로드셀을 위치시키는 것이 가장 최적의 위치이나, 매 실험마다 위치가 약간씩 다를 수 있다. 이렇게 로드셀이 조금 어긋나게 위치하면, 로드셀이 힘을 받는 방향이 조금씩 어긋나게 된다. 그 결과, Figure 10(a)와 같이 동일한 실험에도 측정된 값이 조금씩 다를 수 있다. 이에 총 10회의 실험을 진행하여 측정된 값의 평균값을 다뤘다. 드론의 하중에 의한 중력은 약 95.157 N이다. 이 중력을 이기고 버티려면 그립력을 바탕으로 그리퍼 표면에 충분한 마찰력이 생성되어야 한다. 마찰력은 그립할 때 측정된 힘과 마찰계수의 곱으로 구할 수 있다. 그리퍼의 안쪽에는 마찰력을 높이기 위해 논슬립테이프가 붙여져 있으며, 본 실험에 사용된 제품은 아니지만 HARRIS INDUSTRIES, INC.에서 발표한 자료에 따르면 정지상태의 마른 표면에서 논슬립테이프의 마찰계수는 1.24를 갖는다고 한다. 이를 바탕으로 Figure 10(a)에서 얻어진 결과는 최소 89.973 N에서 144.557 N를 갖는다. 9번째 실험에서 계산된 마찰력은 드론의 중력에는 약간 못 미칠 수 있으나, 실제 전신주를 잡는 환경에서는 그리퍼의 중심이 어긋나지 않는 점과 Figure 4(b)의 하중지지대로 드론의 하중을 분산하면 사용에 문제되지 않을 것으로 보인다.

다음으로 제안하는 그리퍼의 실제 성능을 확인하기 위해 전신주를 모사한 지름 200 mm의 원통형 물체를 제작하고, 드론으로 전신주를 잡는 임무를 수행하였다. 야외에 전신주를 고정시키고, 드론을 비행시켜 전신주를 잡고 드론의 전원을 제거하는 방식으로 실험은 진행되었다.

실험결과 Figure 11과 같이 드론은 모터 동력을 제거한 뒤에도 안정적으로 전신주에 고정되어 있는 것을 확인했다. 이를 통해 드론은 상공에 매달려 있는 동안 별도의 동력을 사용하지 않아도 안정적으로 위치를 고정할 수 있으며, 이 동안 드론의 고정을 위해 별도의 배터리를 소모하지 않는다. 이는 드론의 큰 한계점 중 하나인 배터리 시간의 향상을 통해 더욱 긴 임무 시간을 보장할 수 있다. 또한, 전신주나 고층에 고정된 뒤 부착된 로봇팔을 이용하여, 벌집제거나 전신주의 새집제거 등의 임무에 적용 가능하다. 이를 통해, 매년 발생하는 소방공무원의 안전사고를 예방하는데 크게 기여할 수 있다.

Figure 11

Simulation demo with electric pole.

3.3. 로봇팔 제어 시험

제안하는 드론은 다기능 그리퍼와 함께 사람의 손을 대신하여 작업할 수 있도록 두 개의 로봇팔이 추가로 장착된다. 장착된 두 개의 로봇팔은 로보티즈사의 XM430-W350-T 모터를 기반으로 제작되었으며, Figure 12(a)와 같 그립부를 제외하고 4 자유도의 움직임을 가진다. 높은 자유도를 바탕으로 로봇팔은 360° 방향으로 움직일 수 있다.

Figure 12

Part of robot arm; (a) DOF of the robot arm, (b) joints coordinate of the robot arm, and (c) DH parameters based on joints coordinate.

로봇팔의 각 관절에서 Figure 12(b)와 같이 좌표축을 그리고, 이를 바탕으로 DH 파라미터를 계산하면 로봇팔의 움직임을 계산할 수 있다. 로봇팔의 움직임을 계산하기 위해 변환행렬(transformation matrix)의 계산이 필요하다. i번 관절에서i - 1번 관절까지의 변환행렬은 아래 식(5)와 같이 표현할 수 있다. 이를 이용하여 식(6)과 같이 0번부터 4번까지의 변환행렬을 구하면 로봇 팔의 끝단의 변화를 계산할 수 있다.

(5)i1iT=[cosθisinθicosαisinθisinαiaicosθisinθicosθ1cosαicosθisinαiaisinθi0sinαicosαidi0001]
(6)04T=01T12T23T34T

드론의 비행과 로봇팔의 제어는 동일한 컨트롤러에서 진행된다. 이는 Figure 13과 같이 컨트롤러에 위치한 모드를 변경하는 것으로 가능하다. 평시에는 스위치를 ‘비행모드’에 위치시켜 드론을 비행시킨다. 이 후 전신주 등 드론이 고정되면, 스위치를 ‘로봇팔 조종 모드’로 변경하여 로봇팔을 제어한다. 컨트롤러의 좌우 조이스틱을 조절하면, 신호가 라디오 트랜스미터를 거쳐 원격으로 수신부로 전달된다. 수신부에서는 이 신호를 받아, 이를 바탕으로 로봇팔을 제어한다.

Figure 13

Controlling robot arm system.

로봇팔 제어 시스템의 동작을 확인하기 위한 실험을 진행했다. 로봇팔은 드론 컨트롤러를 이용해서 무선으로 제어되었으며, Figure 14에서처럼 전신주에 고정한 채 로봇팔이 앞뒤로 움직이는 모습을 확인할 수 있다. 그림에서처럼 드론은 전신주에 고정되어 드론의 시동을 제거하고, 로봇팔을 이용한 작업이 가능하다. 섬세하고 복잡한 작업은 힘들 수 있으나, 사람이 접근하기 힘든 위치에 있는 새집이나 벌집을 제거하거나 간단하게 물건을 옮기는 등의 임무에 적용되어 활용 가능하다. 이는 작업자가 직접 높은 곳에 오르지 않아도 되므로, 고층임무 수행 시 추락이나 벌집제거 등에서 발생하는 안전사고 예방에 크게 기여할 수 있다.

Figure 14

Demo simulation of robot arm.

3.4. 물건 전달 임무 시험

부착된 다기능 그리퍼는 전신주 고정 외에도 수평방향으로 물건을 전달하기 위해 사용된다. 이를 검증하기 위해, 물품을 전달하는 상황을 재현하는 실험을 진행했다. 드론 비행 중 안전사고를 예방하기 위해, 마네킹 팔을 이용하여 물품을 전달받는 상황을 구현하였다.

Figure 15와 같이 드론은 지름 250 mm, 높이 360 mm의 원통형의 수납이 가능한 물체를 그리퍼로 잡고 비행했다. 드론이 파지한 수납통은 프로펠러 외부에 위치하고 있어, 사람이 물건을 건네받을 때 프로펠러에 의한 안전사고를 예방할 수 있다.

Figure 15

Item transfer experiment; (a) gripping item and (b) transferring item to person.

제안하는 시스템은 실제 환경에 적용되어 사람들에게 구급약⋅구호물자⋅작업장비 등을 긴급하게 전달할 수 있다. 이는 위급한 상황에 놓여있는 사람들의 골든타임을 늘리는데 기여하여 구조자⋅요구조자의 안전에 큰 기여할 것으로 예상된다.

이 과정에서 그리퍼 위치에 물건을 파지할 때, 드론의 무게중심이 바뀌게 된다. 이는 비행 조종 및 드론의 비행 안정성에 영향을 끼칠 수 있다. 따라서 이를 해결하기 위해 비행 출력을 높이고, 무게중심에 의한 비행 불균형을 해결하기 위한 모델링의 개선이 필요하다. 또한, 건물에 인접한 환경에서 보다 안전하게 비행하기 위한 비행 알고리즘의 개선이 필요하다.

3.5. 제안하는 드론 시스템의 힘평형도

본 논문에서 제안하는 그리퍼는 전신주를 잡아 드론 몸체를 고정하거나 물건을 옮기는 임무를 수행했다. 기존의 드론과는 다른 드론의 형상으로 인해, 안정적인 임무수행을 위해 여러 가지 고려할 요소가 존재했다. 먼저, 전신주를 잡아 안정적으로 고정되기 위해 그리퍼는 측면에 위치하였으며 별도의 하중지지대가 필요했다. 또한, 측면으로 물건을 잡을 때 물건이 무거워질수록 무게중심이 드론 중심에서 멀어졌다. 이러한 영향을 수식적으로 확인하기 위해 Figure 16과 같이 드론의 힘평형도를 그리고 분석했다.

Figure 16

Free body diagram of the suggested drone system; (a) abbreviation, (b) FBD for fixing on the pole, and (c) FBD for delivering item.

드론이 전신주를 잡으면 전신주와 그리퍼 사이에 마찰력이 발생한다. 이를 통해 드론은 전신주에 고정될 수 있다. 전신주에 고정될 때 드론의 무게에 의해 토크가 발생한다. 이를 상쇄하는 힘이 발생하지 않으면 드론은 기울어져 떨어지게 되며, 이를 방지하기 위해 하중지지대가 존재한다. 하중지지대는 아래 식(7)에 의해 계산되는 만큼 힘으로 드론을 지지하고 있음을 알 수 있다.

(7)τ=|fmg|·l2,R=|fmg|l1l2

힘평형도에 근거하면 마찰력이 클수록, 드론의 무게가 적을수록, 하중지지대가 튼튼할수록 드론은 더욱 안정적으로 지지될 수 있다. 따라서 드론을 안정적으로 고정하기 위해서는 드론 몸체의 무게를 줄이고, 그리퍼의 그립력을 높이며, 전신주와의 마찰력을 향상시켜야 한다. 또한, 하중지지대의 강성과 고정력 또한 좋아야 한다.

다음으로 드론이 물건을 옮길 때는 잡고 있는 물건에 의해 무게 중심이 드론의 중심에서 벗어나게 된다. 모터에 의한 드론의 양력은 드론의 중심부에서 발생하기 때문에, 무게중심과 양력 발생의 중심이 어긋나 이로 인해 몸체가 회전하는 등의 비행 불균형이 발생할 수 있다. 이를 해결하기 위해서는 그리퍼로 잡는 물건의 무게가 드론의 몸체 무게 대비 가벼워야 한다. 또한, 무거운 물체를 잡아야할 경우에는 드론의 무게 중심 변화에 따라 각각의 모터가 다른 출력을 내어 무게 중심을 맞춰야 한다. 이를 위해서는 더욱 강력한 모터 출력과 고도의 비행 제어 알고리즘이 요구된다.

4. 결론 및 추후 연구

본 논문에서는 다기능 그리퍼가 장착된 드론 플랫폼을 소개했다. 부착된 다기능 그리퍼는 기존의 로봇팔의 한계를 극복하기 위해, 가볍고 드론의 무게를 안정적으로 지지할 수 있도록 설계 및 개발했다. 제안하는 드론은 고출력 모터 6개를 장착하고, 몸체는 가볍고 강한 탄소섬유 소재를 이용하여 제작되었다. 제안하는 드론은 가볍고 강한 출력을 바탕으로 안정적인 비행이 가능했으며, FPV 시스템을 통해 사용자는 비행 및 작업 상황을 실시간 모니터링이 가능했다. 비행 컨트롤러로 사용된 Cube Black+의 전용 소프트웨어인 ArduPilot Mission Planner를 통해, 비행 전 모터세팅과 비행 후 기록된 다양한 비행 파라미터 분석이 가능하다. 드론에 부착된 그리퍼의 그립력을 측정한 실험에서 93.84 ± 14.84 N 힘을 보이는 것을 확인했다. 해당 그리퍼를 통해 드론은 시동을 제거하고 전신주에 안정적으로 고정되었고, 측면 방향으로 물건을 전달이 가능한 것을 확인했다. 또한, 드론이 전신주에 고정된 후 부착된 두 개의 로봇팔이 자유롭게 움직이고 제어되는 것을 확인했다. 이는 제안하는 드론은 높은 곳에 위치한 벌집이나 새집 등을 제거하는 임무에 적용되어 사람을 대신하여 임무를 수행할 수 있음을 의미한다. 또한, 높은 곳에 긴급하게 물자를 전달하는 임무에도 또한 적용될 수 있다.

현재 제안하는 드론은 위에 언급한 임무를 무사히 완수하는 모습을 보였다. 하지만 현재 단계에서 한계점 또한 존재한다. 먼저, 드론이 고고도에서 비행하거나 바람이 심한 환경에서는 제어가 어려웠다. 강한 바람 등의 외란이 있는 환경에서는 외란을 이기고 비행하기 위해서 모터가 훨씬 강한 출력이 필요하다. 또한, 외란에 의해 드론의 몸체가 불안정하게 흔들릴 수 있기 때문에 더욱 정밀한 제어 알고리즘이 필요하다. 다음으로, 그리퍼로 물체를 잡았을 때 무게중심이 중심에서 벗어난다. 이는 비행할 때 제어 불안정에 크게 영향을 끼친다. 따라서 이러한 한계점을 개선하기 위해 드론의 모터 출력을 더욱 높이고, 비행알고리즘 개선을 통해 비행 중 기체 안정성을 향상시킬 수 있도록 한다.

추후 연구에서는 실제 환경에서 보다 안전한 임무 수행을 위해, 안전 프로펠러의 개발, 건물 및 구조물과의 충돌을 방지할 알고리즘 및 센서를 장착할 예정이다. 또한, 그리퍼의 형태나 구조를 개선하여, 원형 구조물 외에도 파지할 수 있고 상황에 따라 길이 조절이 가능하도록 개발할 예정이다. 결과적으로 추후 연구를 통해 드론을 현장에 배치할 때, 안전성과 편의성을 대폭 향상시킬 수 있도록 한다.

후 기

본 연구는 한국전력공사의 2019년 착수 기초연구개발 과제 연구비에 의해 지원되었음 (과제번호: R19XO01-27).

본 연구는 서울시 산학연 협력사업에 의해 수행되었음 (과제번호: IC210042).

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Article information Continued

Figure 1

Schematic of delivery items using drone; (left) previous method and (right) proposed method.

Figure 2

Suggested drone controlling system.

Figure 3

Proposed fire-fighting drone platform; (a) 3D model and (b) prototype.

Figure 4

Proposed multi-functional gripper; (a) 3D model, (b) part for withstanding load, (c) gipper prototype, and (d) free body diagram of the gripper.

Table 1

Specification of The Proposed Gripper

Material Carbon fibers
Stroke 400 mm (adjustable)
Drive type Lead screw
Motor XM430-W350-T
Weight 1.3 (kg)
Gripping speed 20 – 150 (mm/s)

Figure 5

ArduPilot Mission Planner.

Figure 6

Controlling drone system; (a) DJI FPV goggle and (b) sight direction according to using FPV goggle.

Figure 7

Captured view by drone.

Figure 8

Saved data in Mission Planner program, (a) flight route, (b) measured sensor data, (c) altitude data graph.

Figure 9

Gripping force measurement experiment; (a) 3D printing part for assembling with load cell, (b) assembled load cell with 3D printing parts, (c) experiment schematic.

Figure 10

Gripping force measurement experiment result; (a) measured data, (b) calibration data for voltage depending on weight, and (c) average calculated force for 10 trials.

Figure 11

Simulation demo with electric pole.

Figure 12

Part of robot arm; (a) DOF of the robot arm, (b) joints coordinate of the robot arm, and (c) DH parameters based on joints coordinate.

Figure 13

Controlling robot arm system.

Figure 14

Demo simulation of robot arm.

Figure 15

Item transfer experiment; (a) gripping item and (b) transferring item to person.

Figure 16

Free body diagram of the suggested drone system; (a) abbreviation, (b) FBD for fixing on the pole, and (c) FBD for delivering item.