2015학년도

기계설계프로젝트 최종 보고서

과제명 : 자율주행금속청소기

(2014년 9월 1일 ∼ 2015년 6월 19일)

팀명: M.S.G

기계공학 설계프로젝트 최종보고서를

붙임과 같이 제출합니다.

2015. 05. 27

대구대학교 기계자동차공학부(기계공학전공)

제 출 문

대구대학교 기계자동차공학부 학부장 귀하

본 보고서를 대구대학교 기계자동차공학부 설계프로젝트 과제 “자율주행 금속청소기”의 결과보고서로 제출합니다. (과제기간 : 14. 09. 01 ~ 15. 06. 19)

2015. 06. 19

담당교수 : 이동활           (인)

대표학생 : 김영빈           (인)

참여학생 : 박영민            (인)

전영제           (인)

한석환           (인)

홍성기           (인)

황재성           (인)

보고서 작성 윤리 서약서

대구대학교 기계자동차공학부 학부장 귀하

본인은 보고서를 작성함에 있어 다음과 같이 연구 윤리 및 보고서 작성 윤리를 준수하였음을 서약합니다.

1. 본인은 다른 학생의 보고서를 복사(copy)하지 않았습니다.

2. 본인은 다른 사람의 보고서 내용 중 전부 또는 일부를 무단으로 도용하거나 인터넷에서 내려받기(download)하여 대체하지 않았습니다.

3. 본인은 보고서에 참고자료를 인용할 경우 원본의 출처를 반드시 표시하였습니다.

2015. 06. 19

담당교수 : 이동활           (인)

대표학생 : 김영빈           (인)

참여학생 : 박영민            (인)

전영제           (인)

한석환           (인)

홍성기           (인)

황재성           (인)

최종보고 요약문

과제명	자율주행 금속 청소기
팀명	M. S. G
팀원	김영빈 . 박영민 . 전영제 . 한석환 . 홍성기 . 황재성
과제기간	2014 년 9 월 1 일 ~ 2015년 06 월 19 일
1. 개발내용 및 목표 공작기계를 이용한 공장에서 발생하는 금속 잔해 물들을 시간과 인력의 낭비를 최소화시켜 좀 더 효율적인 인력관리를 할 수 있게 자율 주행 금속 청소기라는 제품을 설계하기로 했다. 본 제품은 시중에 나와 있는 로봇 청소기의 속도와 유사하게 2km/h로 목표치를 설정한다. 또한 3개의 초음파 센서를 정면부와 좌우측면부에 설치한다. 정면부 센서는 장애물을 인지하여 과 본 제품 간의 거리가 150mm되면 정지하게 되고, 좌우측면부 센서로 진행방향을 탐색한다. 만약 좌우측으로 진행방향을 탐색하지 못한 경우, 50mm 후진하여 좌우측 경로를 재탐색하고 경로 확보할 때까지 위의 조건을 반복한다. 2. 개념 및 상세설계 pic . 개념설계 및 상세설계 기능부인 앞바퀴는 하우징 베어링에 의해 지지되어 자석봉의 축에 연결시켜 구동과 동시에 원통형 구조물의 회전으로 고철 및 금속 잔여물 등을 회수상자에 담겨 수거 및 청소한다. 3. 제작 - 기계 가공으로 각각 부품의 설계대로 가공 - 3D Printer 로 자석봉 구조물 설계 후 결합 - 모터 마운트로 2개의 모터로 동시 구동 및 회전수의 차이로 회전 - 초음파 센서와 모터의 연동으로 알고리즘 구현

4. 시험 및 평가

- 초음파 센서와 모터의 연동으로 거리를 측정하고 기준값에 의해 모터의 구동여부 측정

- 장애물 회피 알고리즘 구현 측정

- 차체 구동 속도 1km/h ~ 2km/h 테스트

- 철가루 수집 능력 테스트

5. 결론

- 현재 시제품이 완성된 단계이나 예상한 결과처럼 구동되지 않는 부분이 많아 보완할 점이 많다. 자석의 구조물을 설계하여 불필요한 인력과 시간을 절약 할 수 있는 부분의 취지는 좋았으나 아직 구조물 설계에 있어 3D프린트의 한계와 초기 설계의 문제들로 완벽하게 구현 되지 않았다. 또한 장애물 회피를 위한 제어의 설계는 생각보다 많은 문제점을 안고 있는데 그 문제점들을 나열하게 되면 센서에 대한 지식의 부족, 센서 작동 시 예기치 못한 간섭의 문제점, 잘못된 설계 순서로 인해 부품의 파손 등이 있다. 하지만 이러한 시도로 인해 무인으로 각종 금속 조각 및 가루들을 수집 할 수 있는 방안을 찾을 수 있었고 보완한다면 전혀 가능성이 없는 제품이 아니라는 것을 알 수 있었다.

목    차

최종보고 요약문 제1장 개발내용 및 목표 제1절 목적 및 필요성 제2절 과제의 목표 제3절 기대효과 및 활용방안 제2장 과제도출 과정 제1절 후보과제 제2절 과제선정 결과 제3장 개념설계 및 상세설계 제1절 개념설계 제2절 상세설계 제4장 해석 목표 및 결과 분석 제1절 해석 목표 제2절 모델링 해석 제3절 해석 결과 제5장 상세 설계 결과 제1절 1차 모델링 조립도 및 부품도 제2절 2차 모델링 조립도 및 부품도 제3절 3차 모델링 조립도 및 부품도 제4절 회로도 제5절 시스템 구성도 제6절 시제품 제작 과정 제6장 성능 평가 제1절 정량적 목표 제2절 결과 데이터 제7장 최종 결과 및 향후 계획 제1절 최종 결과 제2절 문제점 및 분석 결론 제3절 향후 계획 참고문헌 부품 데이터 시트 설계프로젝트 기존/관련제품 조사표 설계프로젝트 특허 조사표

제 1장 과제내용 및 목표

제1절 목적 및 필요성

공작기계를 이용하여 가공하는 공장에서 발생하는 금속가루와 각종 금속으로 된 잔해 물들을 인력을 이용하여 수거를 해왔다. 이에는 수거하는데 걸리는 시간과 도구를 이용하는 물리적인 인력의 힘을 필요로 한다. 발단은 여기서부터 시작으로, 시간과 인력의 낭비들을 최소화시키고 좀 더 효율적인 인력관리에 도움을 줄 수 있는 아이템을 설계한다. 사람이 금속을 청소 할 수 있는 도구에서부터 아이디어를 생각해 금속을 수집할 수 있는 자석을 이용, 자동적으로 금속을 수집할 수 있는 자율주행 시스템을 접목시켜 자율주행 금속청소기를 설계하기로 한다. 이에 필요한 장애물을 감지할 수 있는 센서와 조향장치를 고려하고 공장에서의 원활한 구동을 위한 바퀴 선정과 가장 효율적인 모터 설계를 한다. 그리고 제품의 핵심인 자석의 능력을 고려하여 구조를 설계하고 구동할 시 원활하고 효율적인 동선을 고려한 자율주행 금속청소기를 설계하여 금속으로 된 잔해 물들을 수거를 할 수 있게 한다.

제2절 과제의 목표

첫 번째, 자석봉이 포함된 원통 모양의 구조물을 설계한다. 지면과 밀접한 원통형 구조물 밑면은 자성을 띄고 그 반대인 밀접하지 않은 윗면은 자성을 띄지 않는다. 이 원리는 2중 구조로 원통의 겉 구조물은 바퀴와 함께 회전이 가능하고 축 아래에 자석을 포함한 내부 구조물은 축에 고정되어 있다. 그렇게 겉 구조물이 회전하면서 자성이 작용하는 범위 안에서 끌어 올려진 금속 잔해 물들은 그 범위를 벗어나게 되면서 수거 통에 담기게 된다. 수거통 크기는 280×46×51.5(mm)로써 부피는 663320mm²이기에 칠판지우개 정도의 크기라고 생각하면 된다. 그리고 금속의 잔해 물들이 수 없이 다양하므로 그 수거량은 정확히 측정 할 수는 없지만 가득 수거했을 때 2kg에 가장 가깝다.

두 번째, 제품의 속도는 최대 2km/h로 사람 걸음 속도 4~5km/h보다는 느리게 목표치를 설정 하였다. 이는 본 제품이 로봇 청소기와 같이 천천히 움직이면서 금속 잔해 물들을 깔끔히 수거하도록 하는데, 해당 목표치를 이루려면 모터의 출력과 감속비를 제품의 무게와 함께 고려하여 선정 한다.

세 번째, 초음파 센서를 이용하여 거리를 인식하고 주행한다. 거리를 측정하는 센서는 발신부와 수신부로 구성되어 있다. 수신부는 발신부에서 발생한 초음파가 물체에 반사되어 돌아오는 파동 시간을 기초로 거리를 측정 후 감지하여 장애물을 우회해서 주행하도록 한다. 본 제품은 3개의 초음파 센서를 정면부와 좌우측면부에 설치한다. 정면부 센서는 장애물을 인지하여 과 본 제품 간의 거리가 150mm되면 정지하게 되고 좌우측면부 센서로 진행방향을 탐색한다. 만약 좌우측으로 진행방향을 탐색하지 못한 경우, 50mm 후진하여 좌우측 경로를 재탐색하고 경로 확보할 때까지 위의 조건을 반복한다.

제3절 기대효과 및 활용방안

시중에 출시되어 있는 자율주행금속청소기의 유사제품을 찾아보았을 때 국내에서는 주문 제작으로 사용하는 쇼트볼 청소기, 해외(일본)에는 Magic swipper가 있다. 현재 시중에 출시되어 있는 제품들과 본 자율주행금속청소기를 비교해 보았을 때 다음과 같은 기대효과를 창출할 수 있다.

기존의 제품은 인력이 직접 운영하는 방식의 제품이었다면 본 아이템은 자동화를 시켜 인력이 투입되지 않고 운영이 가능하다. 이는 작업환경을 쾌적하게 유지시키고 인력을 효율적으로 운영할 수 있다. 이는 금속가루를 수집하는데 드는 인력을 줄임으로서 인건비 절감을 할 수 있고 생산성 향상까지 가능하다.

국내제품과 해외제품은 주문 제작된 한정된 프레임을 사용한다. 하지만 본 아이템은 시중에서 쉽게 찾아볼 수 있는 부품들로 이루어져있어 주문 제작된 타 제품보다 가격적인 측면에서 우수하다고 볼 수 있다. 또한 수집된 금속 잔해물을 다시 되팔음으로써 2차적인 이윤화 가치를 얻을 수 있다.

결과적으로는 자동화 시키는 기술적인 측면, 가격적인 측면에서 타 제품보다 기대효과가 클 것으로 기대된다.

제 2장 과제도출 과정

제1절 후보과제

아이디어 명	장애물 회피 금속 청소기
그림
기존제품 단점	기존의 금속청소기는 사람의 직접적인 인력이 필요하며 그로 인해 인력에 투입된 인건비와 시간이 적용된다.
아이이어 도출(변경점)	자율주행 금속 청소기 아이디어 요점으로는 자동화된 금속 청소가 중점이다. 초음파 센서를 활용하여 주변 장애물을 감지하고 주행하며 전방부에 자석봉을 이용하여 고철 및 금속 잔여물 등을 회수 상자에 담겨 수거 및 청소 하도록 도출 하였다. 또한 바퀴선정과 효율적인 모터 설계로 공장에서 원활한 구동을 고려하였다.

제2절 과제선정 결과

선정된 아이디어		장애물 회피 금속 청소기
선정이유	경제성	기구부는 시중에 쉽게 찾아 볼 수 있는 부품들로 이루어져 있어 비용적인 측면의 절감이 가능하며 수거된 금속 및 금속 잔해 물들을 재활용하여 다시 되팔음으로서 2차적인 이윤화 가치를 얻을 수 있다.
	독창성	기존의 금속 청소기는 인력이 필요로 하는 반면 자율주행시스템을 접목시켜 금속 잔해 물들을 수거가능하다.
	기술성	1. 자석봉의 자성이 작용하는 범위 안에 끌어 올려진 금속 잔해 물들은 자성의 범위를 벗어나게 되어 낙하와 동시에 회수상자에 담기게 되는 원리로 앞바퀴 축에 연결된 원통형 구조물은 동력원 없이 바퀴의 구동으로 전체적인 동작이 가능하다. 2. 초음파 센서를 이용하여 거리를 인식하고 주행 및 후륜구동으로 모터를 축에 직접 연결시켜 동력을 전달하여 좌, 우측 모터를 각각 RPM을 변화시켜 방향제어가 가능하도록 설계한다. 3. 기구부에 하우징 설치를 통해 기계장치의 구조가 단순화 되면서, 설치, 유지, 보수 측면에서도 효율성이 좋아지며, 자체 정렬되는 자동조심(self-aligning)성능이 있으므로 설치 오차에 의한 모멘트 하중을 방지할 수 있다.
	실용성	자동 시스템으로 구성되어 불필요한 인력과 시간을 줄여 작업환경을 쾌적하게 유지 할 수 있으며 기존의 금속 청소기보다 부피가 작아 상대적으로 협소한 공간에서도 사용이 가능하며 바구니 탈부착과 충전식 배터리로 손쉽게 재충전 하여 편리하게 사용 가능하다.

제3절 이론적 연구

• 설치, 보수 효율성을 위한 내부 구조

기구부에 하우징 설치를 통해 기계장치의 구조가 단순화 되는 동시에 설치, 유지, 보수 측면에서도 효율성이 좋아지며, 자체 정렬되는 자동조심성능으로 인해 설치 오차에 의한 모멘트 하중을 방지할 수 있도록 설계 하였다.

• 간편한 금속 수거를 돕기 위한 원통형 구조 및 탈부착 금속 바구니

앞바퀴 축에 연결된 원통형 구조물은 동력원 없이 바퀴의 구동으로 전체적인 동작이 가능하며 동시에 자석봉의 자성이 작용하는 범위 안에 끌어 올려 진 금속 잔해 물들은 회수상자에 담기게 되는 원리로 구조를 설계 하였다.

• 기존 디자인과 차이점

기존의 금속 청소기와는 다르게 공간의 협소한 부분까지 청소 할 수 있도록 부피 감소를 시켰으며, 따로 집중적으로 인력이 필요로 하지 않는 자율주행시스템을 접목시켜 설계 하였다. 또한, 방향전환에 용이하게 하기 위해 조향부와 구동부를 따로 두어 DC모터로 서로 다른 RPM을 이용하여 방향전환 하도록 설계 하였다.

하우징	원통형 구조	속도 제어

제4절 가능성 실험

실험 1. 자석봉이 포함된 원통 모양의 구조물 설계

자석봉을 포함한 원통형 모양을 설계함에 따라 구조물에 대해 이해하고, 실현 가능성에 대한 점검이 필요하며 설계 시 제품에 적용 방안을 고려해보야 한다.

시중에서 쉽게 구할 수 있는 일자형 자석(2.1cmx10cm, 두께: 0.9cm, 3000Gauss), 나무젓가락, 종이컵을 사용하여 2중 구조로 원통의 겉 구조물은 바퀴와 함께 회전이 가능하고 축 아래에 자석을 포함한 내부 구조물은 축에 고정되어 동력원 없이 바퀴의 구동으로 전체적인 동작이 적용 및 가능성을 점검해 볼 수 있었다.

실험 2. 구동과 동시에 자성이 작용하는 범위 소형화 실험

일반 시중에 출시되어 있는 로봇청소기의 속도와 유사하게 2km/h로 구조물이 회전하면서 3000Gauss의 자성을 가지고 있는 자석으로 작용하는 범위 안에 끌어 올려 진 금속 잔해 물들을 수거 가능한지 확인 하였고, 동작의 확실성 또한 확인 할 수 있었습니다. 또한, 원통형 구조물을 기구부와 연결하면 방향전환에 어려움이 있을 것으로 판단하여 방향전환이 부드러울 수 있도록 하는 구조설계 및 기술들이 필요로 함을 깨닫게 되었습니다.

제 3장 개념설계 및 상세설계

제1절 개념설계

1. 과제 개발의 목적

후륜구동으로 모터를 축에 직접 연결시켜 동력을 전달하는 방식이며 좌DC모터와 우DC모터로 각각 RPM을 변화시켜 방향제어가 가능하도록 설계 하였다. 기능부인 앞바퀴는 하우징 베어링에 의해 지지되어 자석봉의 축에 연결시켜 구동과 동시에 원통형 구조물의 회전으로 고철 및 금속 잔여물 등을 회수상자에 담겨 수거 및 청소한다.

2. 요구기능 정의

-자석을 이용하여 작은 고철을 청소 할 수 있는 기능

-장애물을 인지하는 초음파센서를 이용하여 자율주행 가능

-후륜구동에 의한 주행 기능

-탈/부착 가능한 회수통을 이용하여 수거 된 고철 등 을 버릴 수 있는 기능

-on/off 스위치를 이용하여 모터를 구동 시킬 수 있는 기능

-충전식 배터리를 이용하여 구동 시킬 수 있는 기능

3. 개념도

pic . 개념도

자석의 영향 안에서는 금속이 원통에 붙어 있고 자석의 영향 밖에서는 금속이 원통에서 떨어지면서 통에 담겨 금속가루나, 칩 같은 금속물질을 청소할 수 있다. 또한 자율주행 시스템으로 Atmega128(MCU)를 사용하여 충전이 가능하며 모터로 구동이 가능하다. 또한 청소기능이 가능하게 만들었다.

4. 자석구동원리

pic . 개념 설계

앞바퀴 축에 연결된 원통형 구조물은 동력원 없이 바퀴의 구동으로 전체적인 동작을 한다.

위 그림과 같이 지면과 밀접한 원통형 구조물 밑면은 자성을 띄고 그 반대인 밀접하지 않은 윗면은 비자성을 갖는다. 이 원리는 2중 구조로 원통의 겉 구조물은 바퀴와 함께 회전이 가능하고 축 아래에 자석을 포함한 내부 구조물은 축에 고정되어 있다. 그렇게 겉 구조물이 회전하면서 자성이 작용하는 범위 안에 끌어 올려진 금속 잔해 물들은 자성의 범위를 벗어나게 되어 낙하와 동시에 회수상자에 담기게 되는 원리이다.

5. 설계보완

조향부와 구동부를 같이 연결하면 방향전환에 있어서 어려움이 있었다. 그리하여 조향부와 구동부를 따로 두어 방향전환에 용이하게 하였다. 방향전환은 DC모터로 서로 다른 RPM을 이용하여 방향전환을 하기로 하였다. 진공 청소에 있어 금속과 먼지 청소 두 개 동시에 실현이 불가능하다는 점을 발견하여 선택과 집중하에 원래의 취지인 금속에 집중하기로 하였다.

6. 부연 설명

pic . 자석봉 구조물 세부 사진

자석 봉이 물건을 끌어 당기기 위해서는 전류가 흐르는 물체면 공식을 이용하여 계산 식을 구할 수 있지만 철가루 등의 전류가 흐르지 않는 물건은 자석봉과 닿는 면을 가까이 하여야지 증폭되어 수집이 쉽게 된다. 지면과 자석봉 축의 거리가 40mm이고 지면과 축의 중심까지 거리가 65mm로 40mm가 바퀴가 회전하고 원형 틀이 지면과 최소로 이격하는 거리로 증폭시키기 위한 설계를 하였다.

제2절 상세설계

1. 자율주행 금속청소기 동작원리

pic . 동작 원리

(1) ㄷ자형 장애물 피하기

pic . 장애물 회피 알고리즘

ㄷ 자형 장애물에 고립되지 않도록 먼저 전방에서 장애물을 감지 후에 좌, 우 거리를 센싱한 다음 세 방향 센서 모두에서 기준값 미만의 수치가 나오면 ㄷ자형 장애물로 간주하고 후진을 시작한다. 후방에는 센서를 장착하지 않았기 때문에 후진을 너무 길게 하지 않았다. 적정거리 후진 후에 다시 양옆을 센싱하여 거리값이 기준값 이상으로 출현하면 ㄷ자형 장애물을 빠져나온 것으로 간주하고 값이 큰 쪽으로 방향을 전환한다.

(2) 측면의 장애물 피하기

pic . 측면 장애물 회피 알고리즘

기본적으로 직진 주행이고 그렇기 때문에 전방에 있는 센서가 감지하는 것을 위주로 설계하였다. 하지만 위 그림과 같이 기울어진 장애물이 있는 경우에 앞쪽 센서에서 감지하기 전에 측면이 먼저 충돌하게 되는 경우가 발생한다. 이와 같은 상황을 방지하기 위해서 좌, 우 센서 모두에 기준값이 미만인 장애물이 감지가 되면 전방의 거리값과 상관없이 15도를 반대방향으로 턴을 한다. 각을 작게 줌으로써 주변에 기준값 이상의 근사한 장애물이 있더라고 최대한 충돌하지 않고 다시 센싱하여 피할 수 있다.

(3) 벽면을 따라 주행하기

pic . 벽면 주행 알고리즘

좌측과 우측 모두 기준 미만의 거리값이 출현하여도 전방에 장애물이 없다면 주행하도록 알고리즘을 추가하였다. 전진하면서 센서로 감지하면서 전방에 장애물이 출현하게 되면 이것은 다시 ㄷ자형 장애물로 인식이 되어 금속청소기가 장애물을 회피할 수 있다.

(4) 전방 장애물 한측면 개방형

pic . 장애물 한측면 개방 알고리즘

장애물이 위 그림과 같이 있을 때 거리가 큰 쪽으로 방향을 전환하면서 센서 한 측면이 개방되어 있으므로 거리값이 크게 감지되고 이 때 개방된 장애물간의 틈이 센서의 감지각이 닿지 않는 부분이 된다. 그리하여 금속청소기의 크기와 방향전환을 하면서 발생하는 여유거리를 고려하여 약 150mm로 기준을 정해 놓고 측면 장애물과의 거리가 150mm 이상 벌어지지 않으면 통과할 수 없는 거리라고 생각하고 180도 턴을 하여 빠져 나오게 설계하였다.

2. 모터선정

시제품의 무게를 모터출력의 여유를 두고 설계하기 위하여 고철을 담았을 때의 최대 무게를 15kg이라 목표를 잡고 계산하였다.

-마찰력 계산

고무-콘크리트 마찰계수 :  μ = 0.6

원주 = 130 x π = 0.4084 m                    F =  μ x 15 x 9.81 = 88.29 N

V = 0.4084 x 72 / 60 = 0.49008 m/s

GB50-775 모터사양
전압	12V
전력	30W
회전수	6000rpm
감속비	1 : 83

P = V x  μ x 15 x 9.81 = 43.269 W

따라서 모터 2개의 동력이 43.269 W 이상이 되어야 하므로
1개당 30W 의 동력을 가진 모터를 선정하기로 하였다.

3. 하우징 선정

기계장치의 구조가 단순화 되면서, 설치, 유지, 보수 측면에서도 효율성이 좋아지며, 자체 정렬되는 자동조심(self-aligning)성능이 있으므로 설치 오차에 의한 모멘트 하중을 방지할 수 있다. 축경을 고려하여 20mm 의 하우징을 설치하기로 했다.

pic . 하우징 베어링

4. 베터리선정

번거로운 액 보충이나 잔손실 등 유지보수가 필요 없는 무보수형 축전지가 필요하다. 수명 종료시까지 안정적인 용량과 성능으로 사용가능하고 내부 저항을 최소화하며 고율방전 성능이 우수한 베터리를 선정하였다.

W = V * I

60 = 12V * A

약 5A가 필요하다. 그럼 5A를 7AH의 베터리에 연결 했을 경우 7AH / 5A 을 하면 1.4 시간 사용 가능하다. 또한 프레임의 크기를 고려하고 중량을 고려했을 시 150mm x 100mm x 65mm 가 적합하다는 것을 알 수 있었다.

pic . 배터리

pic . 배터리 사양

pic . 배터리 충전기 사양

제 4장 해석 목표 및 결과 분석

제1절 해석 목표

pic . 장애물 회피 금속 청소기

pic . 자석 봉 바퀴 부분 형상

pic . 자석 바구니 지지대 부분 형상

위 설계결과물을 진행해 나가면서 느낀 문제점들은 플레이트 윗부분에 배터리의 하중을 받으면서 변형이 적은 재질 선정 및 두께 선정이 우선적으로 필요하다고 생각 된다. 따라서 플레이트의 변형률이 1mm 이하를 목표로 하여 재질 및 두께 선정을 할 것이다.

그리고 자석 봉 바퀴 부분은 위 Pic.2를 보면 자석 봉이 안에 고정되고 전체적인 부분이 하나의 축에 결합되게 설계하였다. 자석봉의 무게가 6~7kg 정도로서 하중이 가해지면서 축이 휘거나 버티지 못할 수 있기 때문에 축의 재질을 이에 걸맞게 선정하여야 한다. 따라서 비교적 가벼운 소재로 경량화와 내구성을 목적으로 하여 축 재질을 선정을 할 것이다.

자석 바구니 부분은 Pic.3을 보면 지지대와 금속이 담기는 바구니로 구성되어 있다. 바구니 안에 금속이 담길 때 그것을 지지하는 지지대에 하중이 가해지므로 변형이 일어날 수 있다. 따라서 바구니의 변형률이 1mm 이하를 목표로 하여 두께 선정을 할 것이다.

제2절 모델링 해석

1. 플레이트 해석

pic . 플레이트 재질 비교 변형률

pic . 플레이트 재질 비교 안전율

플레이트 부분에 배터리 브래킷을 통하여 배터리를 플레이트에 고정시키는 형식이므로 플레이트와 브래킷 사이에 나사 탭이 있는 부분에 접촉을 주었다. 브래킷 부분에 배터리 하중인 5kg를 5kg*9.8[eqn: m/s ^{2}]을 하여서 50N의 하중 값과 Atmega128모듈 및 모터드라이브를 포함하여 총 하중 60N을 주었다. 우선 두께는 3T로 하여 재질은 3D프린트의 주재료인 플라스틱 ABS와 알루미늄 2024Alloy를 모델링 후 해석을 실행한 결과 Pic.4에서 보듯 변형률이 ABS 재질은 16.5mm, 알루미늄 재질은0.27mm 의 변형이 일어나는 것을 확인 할 수 있다. Pic.5에서 보듯 안전율은 ABS 재질은 1.6, 알루미늄 재질은 11.7로 나타났다. 따라서 변형률이 적은 알루미늄 재질을 선정하기로 하였다.

pic . 플레이트 두께 비교 변형률

pic . 플레이트 두께 비교 안전율

재질은 알루미늄 2024Alloy로 선정하였고 두께 선정에 있어서 3T와 2T를 비교해 보았다. 그 결과 변형률이 3T는 0.27mm, 2T는 0.83mm로 나타났고 안전율은 3T가 11.7, 2T가 5.3으로 나타났다. 따라서 처음에 저희가 목표치로 잡았던 변형률이 1mm이하, 대부분의 구조물이 안전율 2~3정도이면 안전하다고 판단하는데, 저희 목표치였던 안전율 3을 충족하므로 두께 2T를 선정하였다.

2. 금속 바구니 지지대 해석

pic . 바구니 지지대 두께 비교 변형률

pic . 바구니 지지대 두께 비교 안전율

금속 바구니 지지대는 3D프린트를 이용해서 가공하기 때문에 플라스틱 ABS재질을 선정하였고, 두께에 따라 비교를 하였다. 현재 저희 시제품의 가로길이를 계산해보았을 때, 바구니 지지대의 최대 두께 값은 10T이므로 10T와 5T로 나누어서 비교해 보았다. 먼저 바구니에 담기는 고철의 최대무게는 3kg인데 고철의 무게와 바구니 무게를 합하여 4kg, 즉 4kg*9.8[eqn: m/s ^{2}]을 하여서 40N의 하중 값을 주고 모델링 하였다. 이때 변형률이 Pic.5에서 보는 것과 같이 5T는 2.7mm, 10T는 1.0mm로 나타났고 안전율은 Pic.6에서 보는 것과 같이 5T는 7.5, 10T는 20.7로 나타났다. 처음에 바구니 지지대의 변형률의 목표 값이 1mm이하 이었으므로 재질 플라스틱 ABS에 두께 10T로 선정하였다.

3. 축 해석

pic . 축 재질 비교 변형률

pic . 축 재질 비교 안전율

축에 자석 봉이 고정 되어야 하므로 하중이 축에 가해진다. 우선 축의 직경은 바퀴의 내경이 ∅17이므로 ∅17로 일정하다. 따라서 재질을 변경하여 비교 하였다. 축의 재질은 Alloy Steel과 알루미늄 2024Alloy을 비교하여 선정하기로 하였다. 두 재질의 무게의 차이가 나기 때문에 적합한 재질 선정이 필요하다. 자석 봉의 무게가 6~7kg이므로 7kg*9.8[eqn: m/s ^{2}]을 하여서 70N의 하중에 자석 봉 틀의 무게를 합하여 80N의 하중 값을 주고 모델링 하였다. 해석결과를 보면 스틸은 0.009mm, 알루미늄은 0.02mm의 변형률이 나타나고 안전율은 각각 193과 50으로 나타났다. 두 재질 모두 안전성이 뛰어나지만 전체적인 중량을 줄이기 위하여 스틸보다 알루미늄을 선정하는 것이 더 효율적이므로 최종적으로 알루미늄 2024Alloy을 선정하였다.

제3절 해석 결과

1. 해석 과정 요약

먼저 모델링 형상을 구현해 내었고 각각의 부품들의 두께나 재질들이 아직 선정 되지 않았기 때문에 중요한 부품들을 해석을 통해 정확한 결과 값을 선정하려고 하였다.

이에 따른 세 가지 구조적 해석을 하였다.

① 플레이트 재질 선정 및 두께 선정 (재질: 플라스틱ABS, 알루미늄2024Alloy/ 두께: 2T,3T)

② 자석 바구니 두께 선정 ( 재질: 플라스틱 ABS / 두께: 5T,10T)

③ 축의 재질 선정 ( 재질 : 알루미늄 2024Alloy, Alloy Steel )

위의 문제를 NFX프로그램을 이용하여 해석 결과 값이 문제가 생기지 않도록 하였다. 각각의 결과 값들을 비교해보고 재 구매, 재가공 하는 일들을 막고 원활하게 구동되는 제품을 만들기 위하여 해석을 진행하였다.

2. 최종 설계안

① 플레이트

재질 : 플라스틱ABS , 알루미늄2024Alloy 두 재질중 변형률이 낮은 알루미늄2024Alloy 선정

두께 : 총 하중 60N을 가함 3T와 2T를 비교하여 목표치 1mm 이하에 가까운 T(0.83mm)를 선정

② 지지대 두께 : 3D프린트를 이용하기 때문에 재질은 플라스틱ABS로 선정, 5T와 10T비교   하중 40N을 가하여 목표치 1mm 이하에 가까운 10T(1.0mm)를 선정

③ 축 재질 : 총 하중 80N을 가함, 알루미늄2024Alloy와 스틸을 비교 두 가지 모두 크게 영향을 주는 변위 값이 아니므로 비교적 가벼운 알루미늄선정

제 5장 상세 설계 결과

제1절 1차 모델링 조립도 및 부품도

pic . 초기 설계

pic . 초기 설계 상세 설명

- 위의 모델링 파일의 사진을 보면 자율주행청소기를 만들기 위해 어떠한 형상일지 예측하기 위한 기본 설계의 단계를 거친 과정이다. 위의 과정을 통해 설계를 하는 것이 얼마나 복잡하고 고려해야 할 사항이 많은지 알게 되었다.

제2절 2차 모델링 조립도 및 부품도

pic . 2차 모델링 파일

pic . 2차 모델링 파일

위의 모델은 1차 모델링의 자문 결과 모터 2개를 쓰는 것 보다 하나로 구동하는 것이 직선 주행에 유리하고 후륜 주행에 서보모터로 조향시 구조적 설계가 어렵고 조향에 쉽지 않다. 그래서 축 하나에 양쪽에 하우징 베어링을 고정 후 기어로 축 전체를 구동해서 직선 주행을 하고 앞바퀴에 서보모터를 사용하여 구조물을 설계 하여 앞바퀴가 방향을 조향하고 중간에 바퀴가 철가루를 수집하는 구조물을 설계하였다.

pic . 2차 조립도

pic . 2차 부품도

pic . 2차 부품도

pic . 2차 부품도

pic . 2차 부품도

pic . 2차 부품도

- 위의 2차 설계의 데이터를 보시면 설계시 중요사항 , 부품들을 선정한후 진행한 모델링 과정의 사진들인데 이론적으로 설계를 진행하여서 실제 제작이 가능 한지 안한지 알수 없게 되어서 전문가 자문 후 3차 모델링을 진행하게 되었다.

2차 모델링 중 지적사항은 자석봉의 결합 문제, 모터와 뒷바퀴 체결 문제, 차체 사이즈와 자석봉의 크기 조절 문제 등의 문제들을 도출해내었고 더불어 해결 방안도 알아낼수 있었던 자문으로 자율주행금속청소기의 본체 제작의 문제점들을 알게 되었고 앞으로의 일정에 순조로움을 만들어 낼수 있는 자문이였다.

제3절 3차 모델링 조립도 및 부품도

pic . 3차 모델링 파일

pic . 3차 조립도

pic . 3차 부품도

pic . 3차 부품도

pic . 3차 부품도

pic . 3차 부품도

pic . 3차 부품도

pic . 3차 부품도

pic . 3차 부품도

pic . 3차 부품도

pic . 3차 부품도

- 위의 3차 모델링 파일은 전문가 자문을 통하여서 수정사항들이 발생하여 모델링파일을 수정해서 구체적인 조립도, 부품도등을 활용하여 자율주행 금속 청소기를 만들기 위한 설계를 완료한 상황의 모델링 파일이다.

앞서서 2차의 모델링 파일은 바퀴가 총 6개로 구동하려 하다보니 모터의 동력전달 문제 및 바퀴의 회전가능성 어려워서 바퀴를 4개로 수정하고 뒷바퀴에 모터를 체결하여 동력전달을 진행과 앞바퀴는 하우징 베어링에 연결된 축과 멈춤링을 사용하여 결합 후 뒷바퀴에서 동력을 앞바퀴에선 회전만을 할 계획으로 설계를 진행하였다.

제4절 회로도

pic . 회로도

제5절 시스템 구성도

pic . 3차 부품도

초음파센서

(NT-TS601)

초음파센서

(NT-TS601)

초음파센서

(NT-TS601)

MCU

Atmega128

모터 드라이브

(NT-VNH20SV1)

모터 드라이브

(NT-VNH20SV1)

DC모터 (GB50775)

DC모터 (GB50775)

제6절 시제품 제작 과정

pic . 기계 가공 사진

pic . 기계 가공 사진

pic . 3D Printer 형상 제작 및 자석봉 결합

pic . 3D 조립 진행 사진

pic . 3D 시제품 조립 완료 사진

위의 사진을 보면 필요한 사이즈의 원자재를 구매 후 공작실에서 밀링, 선반, 드릴머신 등을 이용하여 각각 부품도의 치수대로 가공을 하였다. 그리고 드릴머신으로 구멍을 뚫은 후 Tap공구를 사용하여 볼트를 체결하므로 기구부의 조립을 완료 하였다.

3D Printer를 이용하여 원형 틀, 자석 바구니, 자석봉 결합틀을 만들어 축과 자석봉을 결합 시켜서 철가루 청소하는 구조물을 완성하였다.

제6장 성능 평가

제1절 정량적 목표

시제품명	자율주행 금속 청소기	지도교수	남 진 현 교수(인)

기능/성능	정량적 목표	시제품 사양
자석의 자력을 이용하여 작은 고철을 청소할 수 있다. 자석의 자력을 이용하여 통의 회전에 의해서 고철과의 거리가 멀어지면 고철이 자동적으로 중력에 의해 떨어져 통에 담긴다. 물체를 인지하는 장치를 이용하여 자율주행이 가능하다. ON/OFF 스위치를 이용하여 모터를 구동 시킬 수 있다. 탈/부착 가능한 통을 이용하여 모은 고철을 버릴 수 있다. 충전식 배터리를 이용하여 구동시킬 수 있다.	중량 : 15kg 크기 : 440 x 700 x 550(mm) 구동시간 : 1.5H 속도 : 1~2km/h 자석에서 고철이 떨어지는 거리 : 5cm	중량 : 15kg 바디 크기 : 440 x 700 x 550(mm) 바퀴 크기 : Ø 150 (mm) 고철 수집 바구니 : 400x100x80(mm) 배터리 : 리튬이온배터리 터리 용량 : 7000mA 배터리 전압 : DC 12V 배터리 충전시간 : 5H 배터리 가동시간 : 1.5H 초음파센서 초음파 중량 : 15g 범위 - 2cm - 500cm 초음파 전원 공급 - 5v, 2mA Typ. 주파수 - 40KHz. 보드사이즈 - 20mm x 43mm x 15mm 자석의 세기 : 10000 가우스
	스케치도면

팀명	Mechatronics Study Group	작성일	2014-10-21

제7장  최종 결과 및 향후 계획

제1절 최종 결과

현재 시제품이 완성된 단계이나 예상한 결과처럼 구동되지 않는 부분이 많아 보완할 점이 많다. 자석의 구조물을 설계하여 불필요한 인력과 시간을 절약 할 수 있는 부분의 취지는 좋았으나 아직 구조물 설계에 있어 3D프린트의 한계와 초기 설계의 문제들로 완벽하게 구현 되지 않았다. 또한 장애물 회피를 위한 제어의 설계는 생각보다 많은 문제점을 안고 있는데 그 문제점들을 나열하게 되면 센서에 대한 지식의 부족, 센서 작동 시 예기치 못한 간섭의 문제점, 잘못된 설계 순서로 인해 부품의 파손 등이 있다. 하지만 이러한 시도로 인해 무인으로 각종 금속 조각 및 가루들을 수집 할 수 있는 방안을 찾을 수 있었고 보완한다면 전혀 가능성이 없는 제품이 아니라는 것을 알 수 있었다.

제2절 문제점 및 보완점

(1) 기구부

[문제점]

• 자석부분 구조물 설계 미흡

- 자석부분의 구조물을 설계 했을 시 그림과 도면으로 작성하여 직접 제작을 하였
지만 자석의 세기가 10000 Gauss임에도 불구하고 시제품의 주요기능인 철가루
수집을 하지 못했다.

• 3D 프린트의 한계

- 자석구조물의 바깥부분인 원통형 구조물을 3D 프린트로 쌓아올리기 위한 최소
의 두께가 10mm이상의 두께로 제한되어 자석의 기능이 100% 발휘되지 않았다.

• 앞, 뒷바퀴의 높낮이

- 설계상 높낮이를 맞추기 위해 앞, 뒷바퀴의 크기를 달리하여야 했기에 각기 다
른 사이즈를 구매 하였다. 앞바퀴는 우레탄바퀴 뒷바퀴는 고무바퀴로 선정하여
설치한 결과 고무바퀴의 수축성으로 인해 높낮이가 달라졌다.

• 가공부품의 정밀도

- 설계에 따른 정밀한 가공을 하지 못하여 모터의 위치가 오차가 생겼으며, 그에
따라 바퀴의 방향이 틀어져 올바르게 주행하지 못하였다.

[보완점]

• 자석의 구조물을 설계 할 시 높이가 높을수록 두께가 두꺼워지기 때문에 분할로
구조물을 설계하면 두께를 최소화 시킬 수 있다. 분할된 구조물을 결합하여 하나의
구조물을 설계한다.

• 최소화 된 두께로 제작된 구조물은 자석의 성능을 높일 수 있다.

• 바퀴를 동일한 재질로 바꾸어 고무바퀴의 수축성으로 인해 생기는 높낮이 차이를 동일하게 한다.

• 틀어진 부분을 측정하여 가공을 수정하여 오차의 범위를 최소한으로 줄인다.

(2) 제어부

[문제점]

• 초음파 센서에 대한 지식 부족

- 초음파 센서 선정에 있어 초급자가 사용하기 쉽고 보편화 되어 있는 센서는 4핀 센서이다. 그러나 초음파 센서에 대한 지식 부족으로 인하여 3핀 초음파 센서를 선정하여 기본적으로 주어지는 데이터시트와 소스만으로 필요한 결과 값을 얻어내지 못하였다. 초기에 초음파센서 3개 (전방, 좌우 측면)을 사용하여 ㄷ자형 장애물 회피 알고리즘을 하려 하였으나 지식 부족으로 초음파 센서 1개밖에 구동하지 못하여 장애물에 따라 전진과 정지 밖에 하지 못하였다.

[보완점]

• 초음파 센서의 간섭과 측정가능 범위 등을 숙지하여 시운전을 시도해보고 문제발생
시 에는 문제의 원인을 파악하고 문제해결을 하는 방법을 반복한다.

제3절 향후 계획

현재 시제품이 앞으로도 가능성이 보인다고 판단하였기에 문제의 원인과 분석을 통해 하나하나 해결해 나아가는 방향으로 접근 할 것이다. 3D프린트로 제작된 자석기능 발휘 구조물을 두께 조절과 분할 제작을 통해 해결하고 정량적 목표 달성을 위한 방향으로 계획 및 실천 할 것이다. 또한 초음파와 모터의 제어가 현 단계에서는 해결 가능 하지만 지식의 부족과 어려운 부분이기에 방향 제시에 자문을 구하고 교수님과의 상담을 통해 하나씩 해결해 나갈 것이다.

[참고문헌]

부품 데이터 시트

(발주 품목 포함)

[참고문헌]

설계프로젝트 기존/관련제품 조사표

팀명 : M.S.G            주제 : 일반적으로 가장 많이 사용되는 금속 청소기

제품명	자석 청소기(밀대 청소기)
품종	자석 청소기	출시국	대한민국
생산자	NS 마그네트	출시년도	2010
사진 및 요약	공장안팍 모두 사용 가능하며 보관의 용이를 위해 핸들의 탈착이 가능하도록 설계되어 있으며, 특히 쇼트장의 쇼트볼 회수, 콘크리트 바닥의 금속 철편 청소등에 적합하다. 심플하지만 견고한 구조를 가지고 있으며, 일상적인 청소에 조작이 쉽도록 고안되어 있으며 표면은 장갑등으로 쉽게 청소가 가능하다.
키워드	금속가공공장, 금속도장 공장, 금속 청소기
유사점	1. 철가루 및 금속 칩 등 을 수거 할 수 있는 수거 통 탑재. 2. 자석이 포함된 구조물로 구동과 동시에 바퀴의 회전으로 금속 칩 및 금속 등을 수집 가능
차별점	1. 기존의 청소기는 인력이 필요로 하지만 자율주행금속 청소기는 장애물을 인 지하는 초음파센서를 활용한 자율주행 방식 2. 충전식배터리를 활용하여 충전 후 구동 가능
출	(주) 마그네트 http://www.nsmagnet.co.kr/

[참고문헌]

설계프로젝트 특허 조사표

특허명	마그네트 스위퍼(magentic sweeper)
출원번호	일본 20-1991-0008109	등록일자	1993년 11월 1일
출원자	니혼지료쿠센코가부시키가이샤	등록상태	소멸
도면 및 요약	본 발명은 고정자석을 이용하여 철스크랩 등 을 주어 모으는 마그네트 스위퍼에 관한 것 이다. 대차를 주행시킴으로써 원활하게 지장 없이 스크랩을 회수할 수 있는 목적으로 한 다. 마그네트 스위퍼는 차륜을 갖는 대차와 이 대차에 부착되고 이 차륜의 회전에 의해 서 구동되는 돌출부재를 갖는 비자성 드럼과 이 비자성 드럼의 내벽의 한쪽에 하부에서 상부에 걸쳐서 근접 배치된 고정자석과 이 비자성 드럼의 비자극측에 배치되어 낙하하는 자착물을 회수상자를 갖는 구성으로 되어 있다. 고정자석은 직방체(직6면체)이고, 그 자속 발생면에는 표면측 단면이 원호상의 자성체를 고착시키며 대차의 차륜에 의해서 회전되는 비자성 드럼의 내벽에 하부로 부터 상부에 걸쳐서 근접시켜 고정자석을 배치하고 있으므로 비자성 드럼의 하부에 있는 자착물을 상기 고정자석의 자기에 의해서 비자성 드럼에 흡착된다. 그리고 상기 대차를 특정 방향으로 주행시키면 상기 비자성 드럼이 회전되어 비자성 드럼의 하부에 부착된 자착물은 상기 고정자석에서 발생되는 자속에 의해서 비자성 드럼이 회전되어 비자성 드럼의 하부에 부착된 자착물은 상기 고정자석에서 발생되는 자속에 의해서 비자성 드럼에 흡착된 상태를 유지하고 대차의 이동에 수반된 차륜의 회전과 함께 비자성 드럼의 자극측을 상부로 이동시키고 비자성 드럼의 내측에 고정자석이 없는 비자극측으로 이동된다. 또 비자성 드럼의 비자극측으로 이동되면 고정자석으로 부터의 흡착력이 작용되지 않으므로 낙하하여회수상자로 회수 된다.
키워드	금속 청소기, 쇼트볼 청소기, 금속 분진 청소기
유사점	자석봉이 포함된 원통 모양의 겉 구조물은 구동과 동시에 바퀴의 회전으로 철스크랩 및 금속 등을 수집
차별점	자율주행 구동원리로서 별도의 인력 필요없이 철스크랩 등을 수집 가능.
출처	KIPRIS 특허정보검색서비스 (http://www.kipris.or.kr)

특허명	선박 블록용 로봇 청소기(ROBOT FOR CLEANING BLOCK OF SHIP)
출원번호	20-2013-0005671	공개일자	2015년 1월 20일
출원자	대우조선해양 주식회사	등록상태	수리
도면 및 요약	본 발명은 선박 블록 내부를 청소하기 위한 로봇 청소기(100)에 관한 것으로서, 이동하면서 먼지를 흡입하는 본체(110)와; 상기 본체(110)에 전원을 공급하기 위한 전선(120)과; 상기 본체(110)의 하부면에 금속물질을 흡착하기 위해 장착되는 전자석(130)을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다. 본 고안에 따르면, 건조중인 선박의 블록 내부를 이동하면서 편리하게 청소할 수 있으므로 많은 인력 투입 없이 선박 블록 내부에 쌓인 먼지나 철가루 등을 효과적으로 제거할 수 있다. 따라서, 관리인원 1~2명으로 충분하고 근골격계 질환을 예방할 수 있다. 또한, 여러 격실에 동시에 여러대 투입하여 신속한 청소가 가능하다.
키워드	철가루 청소기, 쇼트볼 청소기, 로봇 청소기
유사점	전자석이 포함된 사각모양의 겉 구조물은 구동과 동시에 먼지 및 금속 등을 수집
차별점	먼지 흡입기를 포함하여 철스크랩 등을 수집 가능.
출처	KIPRIS 특허정보검색서비스 (http://www.kipris.or.kr)