64·공학교육

창의적 종합설계 경진대회 수상작

1. 개발배경

실업계고등학교에서기능부에들어가처음으로PLC

와마이크로프로세서분야를알게되었고공부하게되

었다. 내가제작한하드웨어를내가소프트웨어한데로

움직인다는게너무신기하고재미있었고공부하고싶

어졌었다. 이후로나는금오공과대학교를진학하게되

었고전자회로연구회인 ECRC(전자회로연구회) 동아리

에들어가게되었으며동아리에서나는선배님들과동

기들에게많은도움을받고도움을주었고여러로봇을

제작하게되었다. 창의적인아이디어를도출하기위해

브레인스토밍을하고목표를잡고시작하게된다. 나는

처음도트매트릭스제작부터모터제어를하고 4족로봇

을거쳐쿼드콥터를시작하게되었다. 4족로봇은용돈

지급기능을갖추어여러가지게임기능과스마트폰을

이용해 4족로봇을스마트폰애플리케이션을이용해제

어함으로써금오공과대학교 kit engineering Fair에서대

상을수상하였었다. 이를계기로자신감을얻어다른공

학도들이어려워하는하늘을나는로봇쿼드콥터에도

전하게되었다. 쿼드콥터를제작할때에는오랜기간많

은실패를하였었고포기할생각도많이하였다. 하지만

결국성공하였고성공후에브레인스토밍하다트랜스포

머영화를보고사람을구할수있는변신로봇이라는주

제를통해쿼드콥터, 4족로봇, 4륜로봇에추가적인기

능을삽입한 Life Saving Robot(인명구조로봇)을생각해

내고제작하게되었다.

2. 로봇소개

로봇의목적은고층높이에있는사람에게필요한장

비를전달하고현재의상태를파악할수있는용도이다.

기능으로는플라잉할수있는옥토콥터와보행, 바퀴로

움직일수있다. 그리고이동수단을전부하나의로봇에

집중해보기위해호버크래프트를할수있도록메커니

즘을구성하였는데이프로젝트를구현하다보니커지

는현상이있었다. 또한, 무선IP카메라를장착하여로봇

의전방을확인할수있으며갇힌공간에사람이있는지

확인또한가능하다. 정리하면평지에서는 4개의바퀴로

Life Saving Robot(인명구조로봇)국무총리상 수상작

배 인 환

삼성테크윈연구원in-hwan-good@hanmail.net

금오공과대학교 졸업 삼성테크윈 입사관심분야: 마이크로프로세서, 안드로이드,

PLC(programmable logic controller)

그림 1. 금오공과대학교 kit engineering fair 2011 대상 수상

안정적으로이동하며, 요철이있는오프로드구간에서

는 4개의다리를이용하여걸을수있도록제작하였으며

물이나진흙에서도이동할수있게끔압축공기를이용

한Hovercraft와옥토콥터를이용하여하늘을날수있는

로봇이며스마트폰애플리케이션을만들어스마트폰의

기울기 센서를 이용하여 로봇의 움직임을 구현한다.

AX-12모터와 BLDC모터를이용하여제어하며자이로

센서와가속도센서의특성을익히고적분과삼각함수의

연산을프로그램적으로해석하는방법, PID제어이론을

프로그램으로구현하여봄으로써모터를훨씬더부드

럽고안정적인제어를하였다. 통신으로는스마트폰어

플리케이션을제작하여블루투스를이용한무선통신제

어방법을배우고사용하였다.

3. 개발환경(1) 개발환경

Windows XP, Inventor2010, IAR 5.10A, Eclipse INDI-

GO Android 2.3.3, ORCAD 10.5

(2) 로봇제원

(3) 컨트롤러

Smart Phone Android 2.3.3 Application

(4) Frame 설계

Inventor2010 하드웨어설계

4. 주요특징조종부

(1) 스마트폰어플리케이션과 RF조종기를이용하여

한개의로봇이나누어져독립적으로사용가능

메커니즘과제어

(1) 보행, 차륜, 호버, 플라잉가능한메커니즘제작

제 20권 제 1호·65

Life Saving Robot(인명구조로봇)

그림 2. 완성된 로봇사진

그림 3. 조종부

그림 4. 로봇 설계 도면

ATmega128 2개 Dynamixel AX-12 16개Bluetooth 2개 BLDCmoter 9개변속기 9개 AHRS센서 1개정피치 프로펠러 5개 역피치 프로펠러 4개알루미늄 바디

66·공학교육

창의적 종합설계 경진대회 수상작

(2) 보행할때와플라잉이동할때전, 후, 좌, 우이동이

가능하며차륜이동시전후좌회전우회전호버크

래 프트이동시전진및좌회전우회전이동제어

가가능하다.

전체구성도

상세구성도

로봇의메인컨트롤러로는Atmega128을사용하였으

며 4족로봇의다리하나당 Dynamixel AX-12를 4개씩

사용하여총 16개의모터로제어하게된다. 모터의제어

는 USART통신을이용하여모터 ID,각도속도등의정

보를통신으로모터에보내주면해당되는 ID를가진모

터가동작하게된다. 각도값을출력해내는AHRS센서

를로봇의중심에부착하여로봇이기울어지는각도를

실시간으로측정하여중심각을목표값으로기울어진

각도를측정한후에메인컨트롤러(ATmega128)는PID제

어인비례, 적분, 미분제어연산처리를시작한다. PID제

어연산이모두완료되면, 변속기를통해 BLDC Motor

에PWM신호를보내주게된다. 로봇의기울기가클수록

PWM신호의크기는커지게되고, 로봇의기울기가작으

면 PWM신호의크기는작기때문에, 일정각도내에서

도균형을잡을수있도록구성하였다. 또한스마트폰으

로작동되는로봇의컨트롤러는Bluetooth를통하여로봇

의Bluetooth모듈과무선통신을하여로봇의움직임을

제어할수있도록하였고직접Application을제작해스마

트폰의기울기센서를이용하여실시간으로데이터를

전송함으로써기울어진각도에따라로봇의앞, 뒤, 좌,

우방향으로갈수있게제작하였다.

그림 5. 로봇 전체 구성도

그림 6. 스마트폰 어플리케이션

그림 7. 로봇 센서 구성도

그림 8. 로봇 시스템 구성도

시스템구성도

모터하나당무게 54.6g와 15Kgf.cm(12V, 1.5A) 토크

가나와로봇의다리를지탱하기에충분한힘이나온다

고판단하여이액추에이터를선택하였다. 그리고옥토

콥터는BLDC모터무게 54g Standard Current 6~12A(표

준전류), Max Current 22A(최대전류), 925kv(1v당회전

수) 8개를사용하여이에가장효율적인 10x4.7인치프

로펠러와 18A 변속기를 이용하였다. 균형유지에는

AHRS센서(3축자이로+3축가속도+3축지자기)를사용

하여모터속도를 PID제어를통해중심을잡고있다. 리

튬폴리머는옥토콥터의경우 14.8V 6,000mA 25C, (육,

해)로봇은 11.1V 2,200mAh 30C를사용하는데옥토콥

터의경우순간전류가많이필요하여 6A * 25C = 150A

의순간전류를뽑아낼수있는배터리를사용하였고컨

트롤러와로봇사이에블루투스를사용하여UART통신

을통한제어를하는데블루투스는 FB755AC(통신거리

100m)를 사용하여 통신거리를 높였다. 컨트롤러는

android application을제작하여스마트폰안에내장되어

있는방향센서를이용하여실시간으로스마트폰의현

재의각도를연결된블루투스에전송함으로써스마트폰

의기울기에따라앞뒤좌우방향으로나아갈수있도록

제작하였다.

PID제어

이로봇에구현된 PID제어연산에관한내용이다. 기

본적인On/Off제어는모터의제어조작량이 0%와 100%

를오고가기때문에조작량의차이가너무크고목표값

을기준으로지나치게반복하기때문에제어의한계가

있다. 그래서P(비례)제어를도입하는데, 이는조작량을

목표값과현재위치와의차에비례하게제어를하는방

법으로서, 조작량은서서히편차에비례하여목표값에

도달하게된다. 그러나미세한부분까지제어를할수가

없어서 I(적분)제어를도입하여비례제어로는컨트롤할

수없는미세한부분의오차량을누적시켜조작이되도

록한다. 이러한형식은제어의응답속도가너무느려서

D(미분)제어를도입, 응답속도를개선하여 PID제어를

한다. PID제어는On/Off제어처럼급격한변화가없고목

표값에빠르고부드럽게도달하기때문에안정적인제

어를할수있으며, 모터와로봇의부담을줄여주어원활

한제어를할수있도록한다.

제 20권 제 1호·67

Life Saving Robot(인명구조로봇)

그림 9. 시스템 구성도

그림 10. PID제어

68·공학교육

창의적 종합설계 경진대회 수상작

5. 제작기

쿼드콥터프로젝트를진행하던중트랜스포머영화를

보게되었다. 달리고걷고하늘을날수있는로봇을만들

어보고싶다는생각이들었고여러소규모프로젝트를

진행해본경험을통해가능할것이라는생각이나의마

음을잡아버렸다. 그로인해고층높이에갇힌사람을도

울수있는로봇이라는틀을잡고프로젝트에착수하여

진행하게되었다. 진행하면서많은힘든점들이생겼다.

플라잉가능한로봇은기체가가벼워야하여무게에많

은신경을써야했으며 3D CAD를이용해도면을제작

할때무게를최대한줄이기위해두께를얇게하고무게

에영향을받는부분들은과감히없애며제작하였다. 동

아리방에서프로펠러를돌려테스트를해야하는데여

름에는시원한바람을전달하여주어선풍기노릇을하

였는데가을이되어도선풍기가동작하니같이생활하

는동아리원들에게많은피해도갔었다. 빠른프로펠러

를제어하다보니팔을프로펠러에베이기도하였고테

스트한번하기도많은체력이소모되었다. 이로인해개

발하는데많은에로사항및추억들이깃들어있는작품

이다. 부품으로는BLDC모터와변속기프로펠러는가장

효율성이좋은부품들을구매하여밸런스를높였으며

가속도센서, 자이로센서, 지자기센서, 압력센서, AHRS

센서를이용해플라잉가능하게제어하였다. 로봇본체

인 4족로봇은각다리당 3개의모터를이용해 4족보행

이가능하도록제작하였고AX-18 모터를사용UART통

신을통해제어가된다. 4륜보행또한각다리의모터를

이용하고마지막관절모터에바퀴구동이가능한AX모

터를사용하여 4륜보행또한가능하게설계되었다. 그

리고본체안에는 BLDC모터한개가장착되어내부에

공기를일으켜그공기를통해호버크래프트를구현하

였다. 그리고이기능들을스마트폰어플리케이션을제

작하여제어하게된다. 처음설계계획에서는이모든것

을스마트폰으로제어하려했으나옥토콥터제어가빠

른반응속도, 정밀한제어를요구하므로안정성을확보

하기위해스마트폰으로제어하지않고 RF조종기를이

용해제어하게되었다. 그리고옥토콥터외에모든기능

들은스마트폰을이용해제어하게되며 IP카메라를사용

하여스마트폰에3G또는 4G를통해영상을스마트폰에

받아올수있다. 스마트폰어플리케이션은배경화면을

카메라화면을보여주며카메라화면위에조종버튼을

이용해카메라의각도및하드웨어플랫폼을제어하게

된다. 이로봇의목적은고층높이아파트또는빌딩에화

재가발생시소방관과동시에도착하여소방관이도착

하기전에구호물품을가지고날아서벼란다를통해들

어가며들어간후에는 IP카메라를통해현재상황을보

며구호물품을전달하여준다. 연기때문에카메라가안

보인다고생각할수도있지만옥토콥터의프로펠러의

바람을이용해주변의시야를확보할수있으며 IP카메

라를통해소방관에게현재상황을전달할수있다. 또한

항공촬영과군용장비, 인명구조등여러가지가가능하

며한가지큰단점이있는데배터리의런타임이짧다는

것이다.

이기술이나중에개선이된다면큰파장을일으킬수

있을것이며현재화재상황시사람을판별할수있는영

상처리기술이최근에소개되었는데이기술을접목시

킨다면효율적으로사람을구조할것이다. 위로봇을제

작함으로써각각의메커니즘을하나의메커니즘으로구

현가능하다는것을알수있으며인명구조로봇의역할

을수행할수있는로봇의가능성을알수있었고현재세

계적으로많은기술들이등장하고실시간으로개발되고

있는데이로봇을제작하면서많은기술을듣고아는것

이중요하다고느꼈다. 기계공학, 전자공학, 소프트웨어

공학이합쳐진위의작품이지만컴퓨터공학재료공학

경영학여러공학의교류가중요하다고생각되며많은

공학이융합되고네트워크가연결된다면위로봇을계

기로공학의융합이중요하다는것을느낄수있고대한

민국의IT가위대한로봇을만들수있지않을까판단된다.

1. 이응혁, 장문석, 장영건, 2009, ITC, “AVR ATMEGA128”(마이크로컨트롤러 프로그래밍과 인터페이싱)

2. 윤덕용, 2006, OHM, “AVR ATMEGA128 정복”3. 송봉길, 2009, 성안당, “IAR EWAVR컴파일러를 이용한 AVR ATMEGA128

마이크로 컨트롤러”4. 김상형, 2010, 한빛미디어, “안드로이드 프로그래밍 정복”5. 김상형, 2011, 한빛미디어, “안드로이드 프로그래밍 정복1”6. 김상형, 2011, 한빞미디어, “안드로이드 프로그래밍 정복2”7. 수상사진 및 전시

참고문헌

제 20권 제 1호·69

Life Saving Robot(인명구조로봇)

[그림 11] 수상사진 및 전시사진, 상장