2.1.1 전체 시스템

시스템은 그림 2처럼 총 3 부분으로 구성된다. 첫 번째는 드론을 대체하는 x-y 테이블이며, 두 번째는 로봇 팔로 드론에 장착되어 Dr.SPC v2와 전자석으로 탈부착할 수 있다. 그림 2처럼 태양광 패널 각도를 감지하고 로봇 팔 끝의 각도를 제어할 수 있다. 마지막은 이동 청소 로봇으로 패널 위에 안착하여 진공력으로 수직 항력을 높인 다음에 등판각을 갖는 태양광 패널 위에서 청소 임무를 수행할 수 있다.

X-Y 테이블은 등판각을 갖는 태양광 패널 위에 설치를 하였고 550 mm×550 mm를 움직일 수 있다. 그림 2는 X-Y 테이블에 설치된 로봇 팔과 Dr.SPC v2의 전체 개념도 모습이다.

2.1.2 Dr. SPC v2 시스템

Dr.SPC v2는 청소를 수행하는 이동로봇으로 Suction pad와 패널 사이의 공기 압력과 Suction pad의 높이를 제어하여 두 개의 Track wheel에 작용하는 수직 항력을 최대로 높여 약 29도 등판각을 갖는 태양광 패널을 주행할 수 있다. 태양광 패널 위에서 움직이는 방향을 바꾸기 위해서 마찰력이 높아진 Track wheel을 사용하면 Track이 wheel을 이탈함과 동시에 패널에 상처를 줄 수 있다. 해결 방법으로 Suction Pad를 낮추고 Track wheel을 패널로부터 띄운 후 Step motor를 사용하여 전체 몸체를 회전시키므로 헤딩각을 바꿀 수 있다. 로봇의 전체 무게는 대략 5kg 이내이며 그림 3은 Dr.SPC v2의 센서 및 모터 등 전체 모습이다⁽¹³⁾.

그림 4는 Dr.SPC v2의 내부 시스템 구조이다. 공기압 센서와 적외선 거리센서 데이터는 I2C통신을 통해 아두이노로 수신받고 SCI 직렬통신으로 DSP와 통신한다.

이동로봇의 헤딩각을 측정하기 위한 Gyro sensor 역시 SCI 통신한다. Track wheel motor encoder에서 이동로봇이 이동한 위치를 알 수 있다. 센서에서 얻은 data와 제어 목적에 따라 계산된 값은 PWM으로 모터를 제어한다.

그림 5는 Dr.SPC v2의 제어 블록 다이어그램이다. 이동로봇의 헤딩각은 마찰력에 의한 오차를 줄이기 위해 Sliding mode Control을 사용하였고 이동 로봇의 위치는 PD제어를 사용하였다⁽¹³⁾. Suction pad 높이는 간단한 P(비례)제어를 하였고 내부 압력은 PD제어를 하였다.

2.2.1 로봇 팔 시스템 설계

로봇 팔은 상용 드론에 장착되어 로봇 팔 끝에 전자석이 달려 있어서 Dr.SPC v2를 태양광 패널로 옮길 수 있다. 로봇 팔은 2자유도로 첫 번째는 선운동하고 두 번째 조인트는 회전운동한다. 패널과의 접촉 힘을 측정하기 위해 첫번째 팔에 힘센서를 장착하였다. 로봇 팔에 두 쌍의 초음파 거리 센서가 있어 패널로부터의 로봇 팔의 거리 및 패널의 각도를 알 수 있다. 전자석이 있는 로봇 팔 끝은 Dr.SPC v2를 패널과 평행을 유지하도록 두 개의 초음파 센서로 감지한 태양광 패널의 각도를 받아 제어를 하고 리니어 모터를 사용하여 패널 위에 이동 로봇을 안착할 수 있다. 그림 6은 로봇 팔의 센서 및 모터 등 전체 모습이다.

2.2.2 로봇 팔 기구학

그림 7은 실제 드론에 달린 로봇 팔의 좌표이다. 2자유도를 나타내며 첫 번째 조인트는 리니어 모터를 사용하여 $L_{h}$변수의 선형 움직임을 두 번째 조인트는 첫 번째 링크 끝에 모터를 장착하여 회전하는 $\theta$변수를 만든다.

첫 번째 링크와 두번쨰 링크의 행렬을 통한 전체행렬은 다음과 같다.

링크 1인 $A_{0}^{1}$와 링크 2인 $A_{1}^{2}$를 곱해 $T_{0}^{2}$을 계산한다. 그림 8(a)는 로봇 팔 끝을 고정하고 리니어 모터를 변수로 했을 때 결과이며 그림 8(b)은 둘 다 변수로 했을 때 결과다.

2.2.3 로봇 팔 내부 시스템 구성

그림 9는 로봇 팔의 내부 시스템이다. 패널의 각도와 거리를 알 수 있는 두 개의 초음파 센서와 로봇 팔 끝 관절의 각도를 알 수 있는 자석 절대 엔코더, 리니어 모터 전류를 측정하기 위한 전류센서, 리니어 모터 변위를 측정하기 위한 거리센서가 있다. 센서에서 얻은 data와 제어 목적에 따라 계산된 값은 PWM으로 모터를 제어한다. 전자석은 PWM 신호를 사용하여 On/Off 할 수 있다.

2.2.4 로봇팔의 전자석 실험

그림 10은 로봇팔 끝의 전자석을 실험하는 모습이다. 전자석은 10Kg을 들 수 있다. 청소로봇이 5kg이므로 자력은 충분하다. 그림 10(b)는 실제 청소로봇을 들 수 있는 힘을 분석한 것으로 전자석의 힘의 크기가 충분하더라도 청소로봇의 철판의 두께와 면적이 충분하지 못하면 들지 못하는 경우가 발생한다. 이를 해결하기 위해서는 맞는 철판의 두께와 면적을 실험적으로 찾아야 한다.

2.2.5 로봇팔의 제어

그림 11은 로봇 팔의 제어 블록 다이어그램이다. 로봇팔의 모델을 사용하지 않는 선형제어기를 사용하였다. 리니어 모터 높이 제어는 PI 제어를 하였고 로봇 팔 끝 관절의 각도 제어는 PID 제어를 하였다. 각 변수의 오차는 다음과 같이 정의한다.

여기서 $\theta_{d}$는 조인트 2의 기준각도이고 $\theta$는 실제 각도, $H_{d}$는 조인트 1은 기준 거리, $L_{h}$는 실제 움직인 거리이다.

각각의 오차를 줄여 줄 선형제어기를 설계한다⁽¹⁴⁾.

여기서 $k_{ph},\: k_{ih}$,$k_{p\theta},\: k_{i\theta},\: k_{d\theta}$제어기 이득값이다.

그림 12는 그림 10에 나타난 시스템의 내부 구조이다. Esp32-카메라로 촬영된 영상을 Wifi로 OS(Operation System)가 설치된 화면과 연결되고 보여준다. 사용자는 이 화면을 보면서 로봇의 움직임을 실시간으로 제어한다. 그림 19는 실제로 사용자가 보는 화면이다.

2.3.1 로전체 시스템

그림 13은 제작된 로봇팔을 나타낸다. 드론 역할을 하는 X-Y 테이블에 부착된다. 드론의 진동을 실제로 나타내기 위해 X-Y 테이블에 로봇을 다소 느슨하게 체결하였다. 로봇팔의 양 끝에는 초음파 센서가 달려있어 패널과의 거리를 측정한다. 또한 거리를 통해 기울어진 각도를 검출한다. 첫 번째 링크에는 힘센서가 달려있어 첩촉힘을 측정하고 카메라가 있어 패널의 영상을 무선으로 송신한다.

그림 14는 각 센서로 부터의 값을 표시한 것이다. 그림 14(b)를 보면 힘센서에서 측정된 접촉힘의 값이다. 패널을 보호하기 위해 조인트 1은 일정한 접촉힘을 유지하도록 제어하였다.

2.3.2 패널 위의 주행

이동 로봇은 그림 15의 제어 흐름도에 맞춰 주행을 한다. 드론이 이동 로봇을 태양광 패널 위에 안착할 때 드론의 회전 날개를 보호하기 위하여 이동 로봇은 태양광 패널 기준 좌측 위에서부터 움직이기 시작한다. 움직임이 시작되면 첫 번째로 헤딩각과 Suction pad 높이 offset을 초기화한다. 두 번째는 Suction pad를 태양광 패널과 맞닿을 수 있도록 내린다. 세 번째는 Suction pad 내부 압력 제어를 시행하고 0.96 atm 미만이면 높이를 올려 Track wheel에 작용하는 수직 항력을 증가시킨 후 주행 제어를 실시한다.

주행 제어 중 Suction pad의 당기는 힘 때문에 Suction pad가 태양광 패널과 떨어질 수가 있어 만약 Suction pad 내부 압력이 1보다 커지면 모든 주행 제어를 멈추고 다시 Suction pad를 내려 반복 수행한다.

2.4.1 로봇 팔의 각도 제어 실험

그림 16은 로봇팔과 청소로봇, 그리고 xy테이블을 포함하는 전체 시스템을 보여준다. 패널은 29도의 등판각을 나타내고 로봇 팔의 양 끝에 달린 초음파 센서를 통해 등판각을 측정한다. Dr.SPC v2는 로봇 팔의 전자석에 붙어 있으며 로봇팔은 랜딩시 충격을 최소화하기 위해 Dr.SPC v2를 태양광 패널과 평행하게 위치하도록 조인트 2를 제어한 다음 조인트 1의 선형 움직임을 통해 착륙시킨다.

그림 17은 패널 기울기에 따른 로봇팔 관절 각도의 제어를 나타낸다.

2.4.2 XY 테이블 움직임 실험

X-Y 테이블에 로봇 팔을 장착하고 사용자는 Esp32-카메라를 보면서 조이스틱을 통해 X-Y 테이블의 위치를 제어한다. 그림 18은 실제로 로봇팔이 장착된 x-y 테이블이 움직이는 모습을 나타낸다. 그림 18(b)는 종점에 도착하여 Dr.SPC v2을 패널 위에 올려놓는 것을 나타낸다.

그림 19는 로봇팔 끝의 카메라를 통한 영상을 보여준다. 그림 20(b)에 실제 시스템의 움직임이 나타나 있다.

그림 20은 그림 18의 실험 결과를 그린 그림이다. 그림 20(a)은 패널을 측정한 각도에 따라 제어된 로봇 팔 관절 각도를 보여준다. 그림 20(b)은 XY 좌표에서 X-Y 테이블의 위치, Z 축 높이 그리고 관절각을 통해 기구학을 계산하여 로봇이 움직이는 모습을 나타낸 그림이다. 태양광 패널 기준 오른쪽 아래에서 왼쪽 위로 이동한 후 제어가 끝난다.

그림 21은 실제로 드론이 이동청소 로봇을 실어 나르는 모습이다.