사용자 의도감지를 위한 소방대원 근력 지원 장치 조작기 개발

1. 서론

최근 후쿠시마 원전사태, 구미 불산 유출, 세월호 침몰사고 등 다양한 형태의 국가적 재난사고가 전 세계에서 발생하고 있으며 그 형태는 점차 복잡화, 대형화 되고 있는 추세이다.^1-2 이러한 재난발생은 재산 및 인명 피해를 동반하며 국내의 경우 1960년대 1.7조원에서 2005년 18.2조 원으로 약 16배가 증가하였고, 전 세계적으로는 87.5조 원에서 575.5조 원으로 약 5.6배의 피해액이 발생하고 있다.³ 특히, 산업화에 따른 도시 발전이 급속히 이루어짐에 따라 건물의 고층화, 대형화가 진행된 현대사회에서의 재난은 인구밀집지역에서 발생하는 경우가 많아 인명피해가 우려되는 상황이다.⁴ 이러한 재난상황의 증가에 따라 소방대원의 인명구조 활동 건수도 상승하고 있으며 2014년의 소방대원의 구조와 구급출동은 44만여 건과 237만여 건을 기록하였고 이는 9년전 2005년의 구조 6만여 건 구급출동 146만여 건에 비해 급격히 증가된 수치를 나타내며, 한정된 소방대원의 인력에 비하여 발생되는 구조 및 구급활동의 건수가 과다하여 인력난이 심각한 상황이다. 이에, 소방대원의 구조 및 구급활동 시 소방대원의 신체적 보호장비 및 신체적 한계를 지원할 수 있는 해결책이 필요하다. 국외의 경우 화재 및 재난현장에서 다양하게 사용될 수 있는 형태의 로봇들이 개발되어 소방대원의 신체적 한계를 지원하고 있다. 현재 화재 및 재난현장에서 사용되는 로봇의 개발은 화재진압, 인명구출, 소방장비 이송 등의 다양한 형태로 개발되고 있으며 2개의 로봇 암을 갖는 인명 구출로봇(RoboCue-일본), 재난현장 적용 다용도 모바일 베이스(Telerob and IVECO-덴마크)등이 개발되었다.⁵ 국내의 경우 KAIST에서 개발한 화재 진압용 로봇과 동일파텍(주)에서 개발한 재난현장소형정찰 로봇 등이 개발되었으며, 구난용 로봇의 경우 2013년부터 국방과학연구소 주관으로 연구개발이 진행되고 있는 실정이다.^6,7

화재 및 재난현장에서 적용되고 있는 로봇기술은 이동형 로봇을 기반으로 발전하였으며 화재 및 재난현장에 고립, 매몰된 생존자의 탐색을 위한 소형 이동형 로봇이 주를 이루고 있다.^8,9 대형 로봇의 경우 소방대원이 탑승한 형태로 재난현장에 투입이 가능한 장갑형 로봇이 개발되고 있으며 자율주행이 가능한 대형 소방 로봇이 국내외에서 개발되었다.^10,11 그러나, 이러한 로봇의 경우 제한된 임무수행 능력을 갖는 특수 목적용 으로 실제 소방대원이 주로 수행하는 하중의 양중, 구조물 개폐, 장애 및 붕괴물 지지, 화재진압을 위한 소화 등의 다양한 작업을 수행하지 못하는 단점을 지니며 대형로봇의 경우 화재 및 재난현장에 투입되기까지 소요되는 시간이 과다하여 긴급을 요하는 현장에서 사용하기 적절하지 못하다. 실제 현장에서 주로 사용되고 있는 구조 도구는 신체가 낀 사고나 중량물로 인한 공간 확보가 어려울 경우 사용하게 되는 에어백, 차량 및 붕괴사고 현장에서 철제 구조물 절단을 위한 유압 절단기 및 동력 절단기, 소화를 위한 관창 지지 등의 다양한 도구를 이용하고 있다. 이에, 다양한 형태로 구성된 소방대원 구조 장비를 다목적 임무수행이 가능한 형태의 근력 지원 장치로 대체 할 경우 소방대원의 편의성 증대 및 임무능력 향상이 기대된다. 따라서, 소방대원 1인이 운용 가능한 포터블 형태의 다목적 근력 지원 로봇의 연구가 필요한 실정이다.

본 논문에서는 소방대원이 재난현장에서 접하게 되는 장애 및 붕괴물의 양중, 견인, 절단, 지지 작업과 화재진압을 위한 소화 등 다양한 상황에서 사용될 수 있는 유압식 소방대원 근력 지원 장치에 적용할 수 있는 조작기를 개발하고자 한다. 이때, 조작기는 사용자인 소방대원이 조작 의도를 파악하고 장치의 작동명령을 하달하기 위하여 힘 / 토크 기반의 의도 파악이 가능하도록 개발하였다. 조작기 내부에 적용되는 힘 / 토크 센서 개발을 위해 설계, 해석, 시험적 평가를 수행하고 완료된 힘 / 토크 센서를 기반으로 소방대원 근력 지원 장치를 구성하였다.

2. 소방대원 근력 지원 장치 개념

2.1 소방대원 근력 지원 장치

재난현장에서 다양한 형태의 임무를 수행하는 소방대원 근력 지원 장치는 구조작업의 효율성 향상과 빠른 대응이 가능하여야 한다. 소방대원 근력 지원 장치는 다자유도 선형 유압 구동기를 기반으로 구성되며 Table 1과 같은 사양으로 개발되었다. 근력 지원 장치 말단에 부착되는 그리퍼(Gripper) 혹은 작업 툴(Tool)과 같이 다양한 엑추에이터(Actuator) 기반의 공구를 부착하여 장애물 제거 및 이송, 인명구조 견인, 소화 작업 지원 등과 같은 작업을 수행하여야 하며, 화재 진화 현장에 설치가 가능하도록 방수/방진/내열 조건을 만족하여야 한다. 근력 지원 장치의 양중 사양은 소방대원 1인이 구조 및 소방활동에서 수행하는 중량물 작업을 기준으로 NLE (NIOSH Lifting Equation)를 적용한 평가표를 참조하였으며,¹² 근력 지원 장치의 운용을 위한 내열 조건은 한국소방산업기술원(KFI)에서 제시하는 화재 소화용 관창의 저·고온충격시험을 기준으로 안전계수(S_f= 1.3)를 고려하여 선정하였다. 또한, 소화작업 시 발생하는 낙수로 인한 근력 지원장치의 파손을 방지하기 위해 IP44 등급을 적용하였다. Fig. 1은 재난 현장에서 다양한 임무 수행이 가능한 소방대원 근력 지원 장치의 개념을 나타낸다.

Table 1

Specifications of a power assistive device for fire fighters

Fig. 1

Concept design of a power assist device with fire fighters

2.2 근력 지원 장치 조작기 설계

소방대원 근력 지원 장치는 다자유도 매니퓰레이터를 이용하여 재난 지원 작업을 수행하며 이를 위한 근력 지원 장치 조작기는 직관적인 제어를 위해 소방대원의 조작 힘을 기반으로 운용되도록 개발하였다. 개발된 근력 지원 장치 조작기는 소방대원이 부과하는 힘의 크기와 방향을 측정하고 이를 바탕으로 매니퓰레이터 제어를 위한 능동 구동축의 힘 / 토크 크기와 방향을 측정할 수 있도록 힘 / 토크 센서를 적용하였다. 근력 지원 장치가 운용되는 환경적 요인(열, 분진, 낙수)을 고려하여 소방대원 근력 지원 장치 조작기는 IP44등급의 분진 / 방수와 80^oC의 온도조건에서 작동이 가능하도록 설계하였다. 또한, 조작기의 형상과 크기는 재난현장에 투입되는 소방대원이 작용한 방화장갑 착용 상태를 고려하여 설계하였으며, 근력 지원 장치의 그리퍼 및 다양한 툴의 조작이 가능한 별도의 조작버튼을 설계에 반영하였다. Fig. 2는 설계된 근력 지원 장치 조작기의 형상을 나타내며, Fig. 3은 조작기의 상세설계 및 내부 구성을 나타낸다.

Fig. 2

Configurations of a power assist device controller

Fig. 3

Detail design of a power assist device controller

3. F/T센서 프레임 개발

3.1 힘 / 토크 센서 프레임의 설계

소방대원 근력 지원 장치 조작기 내부에는 사용자의 의도 감지를 위하여 힘 / 토크 센서를 적용하였다. 이때, 적용되는 힘 / 토크 센서는 근력 지원 장치에 부착되는 위치에 따라 각기 다른 방향의 힘과 토크를 감지 한다. 근력 지원 장치와 조작기의 결합은 재난 상황의 다양성을 고려하여 사용자가 조작하기 용이한 자세를 선택하여 결합할 수 있도록 총 3곳으로 구분하였다. 조작기 부착 위치는 근력 지원 장치의 그리퍼 상부(Fig. 4-①)와 좌(Fig. 4-③), 우(Fig. 4-②)측면으로 변경하며 부착할 수 있다. 근력 지원 장치의 능동 구동축은 전·후 이동, 상·하 이동 그리고 툴 회전으로 구분되며 조작기 부착위치에 따라 각기 다른 방향의 힘과 토크를 사용하여 의도 감지를 수행하여야 한다. Fig 4는 근력 지원 장치의 조작기 부착위치에 따른 의도 파악 방향을 나타낸다.

Fig. 4

Direction of intention detection for a power assistive device

근력 지원 장치 적용 조작기의 사용자 의도 파악 방향에 따라 힘 / 토크 센서의 구성을 위해 외형설계를 수행하였다. 이때, 힘 / 토크 센서 프레임의 설계제약조건은 조작기 외형 치수 이내에 외부 림(Outer Rim)이 구성되어야 하며 각 방향의 의도 감지를 위한 센서 빔(Sensor Beam)이 구성되어야 한다. 센서 빔의 최소 두께는 힘 / 토크 센서 적용 접촉식 스트레인 게이지 부착을 위한 여유공간을 갖도록 설계하여야 한다. Fig. 5는 힘 / 토크 센서 프레임의 설계 형상을 보여준다.

Fig. 5

Configurations of F/T sensor frame

3.2 힘 / 토크 센서 프레임의 해석 평가

외형 설계된 센서 프레임을 기준으로 힘 / 토크 센서를 구성하기 위해 센서 프레임의 해석적 평가를 통한 변형률 결과를 확인하고 각 하중 방향별 스트레인 게이지 부착위치를 선정하였다. 이때, 의도 파악을 위한 각 방향별 별도의 Full Bridge를 구성하고자 해석에 따른 최대 변형률 발생 위치(2개소)와 최소 변형률 발생 위치(2개소)를 선정하였다. 해석적 평가는 상용유한 요소 해석프로그램인 Ansys V11.0을 사용하였으며 4면체 요소를 적용하여 해석 평가를 수행하였다. 해석에 사용된 유한요소 모델은 37,547개의 질점과 157,154개의 요소로 구성하였다. 해석에 적용된 하중조건은 실제 소방대원이 근력 지원 장치를 조작하기 위해 하중을 부과하는 방향을 고려하여 Table 2와 같이 부과하였으며, 센서 프레임 재질은 환경적 요인을 고려하여 고온에서의 기계적 강도가 우수한 마레이징 강(Maraging Steel)을 적용하였다.⁹

Table 2

Load conditions for numerical analysis

힘 / 토크 센서 프레임 해석 시 적용된 구속조건은 실제 상세설계된 조작기를 고려하여 외부 림 상부면에 MPC (Multi Point Constrain) 조건을 적용하였으며 내부 림의 하부면을 고정하여 해석을 수행하였다. Fig. 6은 해석에 적용된 유한요소 모델과 구속 및 하중조건을 나타낸다.

Fig. 6

Constrains and FE-models for F/T sensor frame

Fig. 7은 각각의 하중조건에 따른 힘 / 토크 센서 프레임 유한요소 해석결과를 나타낸다. 힘 / 토크 센서 프레임 구성을 위한 게이지 부착 위치는 계절 변화 및 재난 현장의 온도 조건을 고려하여 프레임 자체에서 발생하는 열팽창에 대한 보상이 가능하도록 각 축별 풀-브릿지(Full-Bridge)를 구성하여야 하며, 각 축의 출력신호 증폭을 위해 4개소의 게이지 부착위치에 발생하는 변형률이 상호 반전(인장-압축)이 되어야 한다. 또한, 조작기와 센서 프레임 간의 기계적 간섭이 발생하지 않는 부위인 센서 빔(Sensor Beam)에 한정되어야 한다. 스트레인 게이지 부착 위치는 해석결과에서 나타나는 최대-최소 변형률이 발생하는 위치에 근접하고 대칭면에 발생하는 변형률의 결과가 반전되어 나타나는 위치를 선정하였으며 센서 구성 시 개연성 및 제작 용이성 확보를 위해 중첩되는 부위가 발생하지 않도록 하였다. 또한, 각 방향별 변형률 결과를 바탕으로 스트레인 게이지가 부착되는 방향을 선정하였다. Table 3은 힘 / 토크 센서 프레임 해석결과와 선정된 게이지 부착 위치에 발생한 변형률을 나타낸다.

Fig. 7

Strain results of F/T sensor frame under load conditions

Table 3

Strain results of F/T sensor frame and gauge pointsUnit :με

힘 / 토크 센서 프레임 해석 결과 x, y축 방향의 하중 부과 시 센서 빔과 외부 림의 교차지점에서 최대 변형률이 발생함을 확인하였으며 z축을 기준 90^o 회전된 형태로 유사한 변형률 결과를 나타냄을 확인하였다. z축 방향의 하중 부가 시 최대 변형률이 내부 림과 센서 빔 경계면에 발생함을 확인하였다. 해석결과 z축의 경우 x, y축에 비하여 상대적으로 높은 변형률 결과를 나타내지만 게이지 부착위치 선정조건을 고려하여 기계적 간섭이 발생하지 않는 내부 림 경계면에서 2 mm이격된 위치로 선정하였다. 이때, z축 방향 하중측정을 위한 게이지 부착 위치에서 발생하는 변형률이 x, y축에 비해 상대적으로 낮게 나타남을 확인하였다. 모멘트 하중의 경우 M_y는 힘 / 토크 센서 프레임의 x 방향으로 구성된 내부 림에 상하부에서 최대 변형률이 발생함을 확인 하였다. M_z는 y축 방향으로 구성된 센서 빔과 내부 림의 교차지점에 측면에서 최대 변형률이 나타남을 확인하였다. 이와 같이, 힘 / 토크 센서 프레임의 해석평가를 통해 프레임에 발생하는 최대 / 최소 변형률을 확인하고 게이지 부착위치 선정조건에 따라 Fig. 8과 같이 부착 위치를 선정하였다.

Fig. 8

F/T sensor frame

4. 근력 지원 장치 조작기 개발

4.1 조작기 적용 힘 / 토크 센서 프레임의 구성

해석 평가를 통해 선정된 스트레인 게이지의 부착 위치에 따라 힘 / 토크 센서 프레임을 구성하였다. 스트레인 게이지는 MM社의 015LW 모델을 사용하였다. 스트레인 게이지가 부착된 힘 / 토크 센서 프레임은 센서 프레임 상부에 인터페이스 보드와 결합하여 완성된 형태로 구성하였으며 센서 프레임 교정을 위해 고안된 교정 지그(Calibration Jig)를 통해 게이지 부착 방향별 하중을 부과하여 교정을 수행하였다.

근력 지원 장치 조작기용 힘 / 토크 센서의 교정은 제작된 교정 지그를 이용해 각 축별 10 N 단위하중으로 30 N까지 하중을 부과하여 센서 프레임에 부착된 스트레인 게이지들의 신호를 측정하여 수집하고 수집된 센서 데이터를 기반으로 최소자승법(Least Square Method)을 이용하여 축별 신호 간섭을 제외하기 위한 디커플링 메트릭스(Decoupling Matrix)를 도출하여 적용하였다.

힘 / 토크 센서의 출력 힘과 토크는 센서 프레임에 부착된 스트레인 게이지들의 신호를 입력으로 식(1)과 같이 계산된다.

$\[ \left[\begin{array}{c}{F}_x\\ F_y\\ F_z\\ M_y\\ M_z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}{r}_{11}& r_{12}& r_{13}& r_{14}\\ r_{21}& r_{22}& r_{23}& r_{24}\\ r_{31}& r_{32}& r_{33}& r_{34}\\ r_{41}& r_{42}& r_{43}& r_{44}\\ r_{51}& r_{52}& r_{53}& r_{54}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{S}_1\\ S_2\\ S_3\\ S_4\end{array}\right] \]$

(1)

그리고, 디커플링 메트릭스 도출을 위해 식(1)에 최소자승법을 적용하면 식(2)와 같이 유도된다.

$\[ \begin{array}{c}{\underset{\_}{F}}^T={\underset{\_}{S}}^T{\left[R\right]}^T\\ {\underset{\_}{S}\cdot \underset{\_}{F}}^T=\left(\underset{\_}{S}\cdot {\underset{\_}{S}}^T\right){\left[R\right]}^T\\ {\left[R\right]}^T={\left(\underset{\_}{S}\cdot {\underset{\_}{S}}^T\right)}^{-1}\cdot {\underset{\_}{S}\cdot \underset{\_}{F}}^T\end{array} \]$

(2)

여기서, $$ \underset{\_}{F}$$는 힘 / 토크 센서의 x, y, z 방향의 힘과 x, y 방향의 토크로 구성된 벡터이고 $$ \underset{\_}{S}$$는 센서 프레임에 부착된 스트레인 게이지들의 신호 벡터 그리고 [R]은 디커플링 메트릭스를 나타낸다.

부하별 방향별로 측정된 스트레인 게이지 신호 데이터를 식(2)에 대입하여 도출된 근력 지원 장치 조작기용 힘 / 토크 센서의 디커플링 메트릭스는 식(3)과 같다.

$\[ \left[R\right]=\left[\begin{array}{ccccc}5.0174& -0.0055& 0.9645& -0.1934& -0.0021\\ -0.007& 5.1644& -0.1919& 0.0310& -0.0548\\ 5.6997& -16.7731& -130.2099& 3.7924& -0.9550\\ -0.0087& 0.0040& 0.0745& 2.3803& 0.6351\\ -0.0276& 0.0280& 0.3230& 0.7052& 6.0782\end{array}\right] \]$

(3)

Fig. 9는 힘 / 토크 센서 교정 결과를 나타낸다. 힘 / 토크 센서 프레임의 교정 결과 z축 하중 부과 시 발생하는 출력 결과가 타 방향에 비해 1/10 가량으로 낮게 나타남을 확인하였다. 이는 z축 방향에 부착된 게이지가 제약조건에 따라 최대 변형률이 발생하는 위치에서 이격된 상태로 부착되어 타 방향에 비해 상대적으로 낮은 변형률 결과를 갖기 때문이다. 그러나, 힘 / 토크센서 프레임 구성을 위해 고안된 전장부의 경우 최소 측정 단위(0.001 mV)가 z축에서 발생하는 최대 전압 차 대비 1/100 이하로 사용자 의도감지에 충분히 사용이 가능할 것으로 사료된다. Fig. 10은 힘 / 토크 센서 교정에 사용된 지그의 형상을 나타낸다.

Fig. 9

Calibration results of F/T sensor frame

Fig. 10

Calibration jig for F/T sensor

4.2 근력 지원 장치 조작기 구성 및 실험

구성이 완료된 힘 / 토크 센서 프레임은 전장 및 기구부와 결합을 통해 조작기 형태로 구성된다. 전장부의 경우 센서 프레임에서 발생하는 전기적 신호를 내부에 작성된 프로그램에 의해 디커플링 메트릭스를 거쳐 하중단위(N, Nm)로 출력결과를 나타낸다. 구성이 완료된 조작기의 하중부과 시험을 통해 출력신호의 정밀도와 측정되는 하중의 최대 오차를 각 방향별로 확인하였다. 하중부과 시험은 10 N의 무게 추를 통해 3단계로 하중을 부과하였으며 3회 반복하여 출력되는 신호의 반복오차와 최대 측정하중과 부과된 하중을 비교하였다. 하중부과 시험결과 부과된 하중과 측정된 하중 사이에 발생하는 최대 오차가 z축에서 나타남을 확인하였다. z축 방향으로 조작기 최대 측정 범위인 30 N의 하중 부과 시 출력 신호가 30.519 N로 나타나 1.6%의 오차를 가지며 반복 오차의 경우 3번의 시험에서 모두 동일한 하중결과를 출력함을 확인하였다. 또한, 측정 가능한 최소 하중의 단위는 ±0.15 N으로 나타남을 확인하였다. Fig. 11은 조작기 하중부과 시 출력신호 검출 결과를 나타낸다.

Fig. 11

Test result of load test for controller

제작된 조작기의 경우 사용자가 하중 부가 시 측정된 하중의 방향과 크기를 고려하여 직관적인 확인이 가능하도록 GUI 환경을 구성 하였다. 이를 바탕으로 조작기에 부과된 하중을 시각화함으로써 사용자의 직관적인 조작이 가능 할 것으로 사료되며 본 논문에 기술한 소방대원 근력 지원 장치 이외 힘-토크 컨트롤이 필요한 다양한 매니퓰레이터 및 장치에 사용자 의도감지용 조작기로써 적용이 가능 할 것으로 사료된다.

5. 결론

본 논문은 다양한 재난 현장에서 구조 활동 시 소방대원이 수행하는 다양한 형태의 작업을 지원하는 소방대원 근력 지원 장치에 적용하기 위한 사용자 의도 감지 조작기를 개발하였다.

소방대원 근력 지원 장치 조작기는 사용자의 의도 파악을 위해 요구되는 각 축 방향에 작용하는 힘 / 토크를 측정하도록 힘 / 토크 센서를 구성하기 위해 해석적 평가를 수행하고 스트레인 게이지 부착 위치를 선정하였다. 해석적 평가는 상용유한요소해석 프로그램인 Ansys V11.0을 사용하였으며 하중 조건에 따른 해석을 수행하고 각 방향별 변형률 결과를 확인하였다.

해석적 평가를 통해 선정된 스트레인 게이지 부착위치를 기반으로 힘 / 토크 센서 프레임을 구성하였다. 이때, 인력을 통해 부착되는 게이지 부착위치에 따른 센서 프레임의 개연성 오차를 최소화 하기 위해 별도의 게이지 부착 장치를 고안하고 이를 제작하였다. 스트레인 게이지 부착이 완료된 힘 / 토크 센서 프레임은 교정 지그를 통해 각 방향별 하중 부과 시 발생하는 출력 신호를 획득하고 이를 바탕으로 디커플링 메트릭스를 도출하고 이를 반영하였다.

힘 / 토크 센서 프레임이 반영한 조작기를 구성하고 하중시험을 통해 평가를 수행하였다. 평가결과 조작기에 하중부과 시 발생하는 오차가 1.6%이내로 발생함을 확인하였으며 사용자 편의를 위해 GUI 환경을 구성하여 조작기에 가해지는 힘의 크기와 방향을 직관적으로 확인할 수 있도록 하였다. 완료된 형태의 조작기는 소방대원 근력 지원 장치와 결합된 형태로 사용이 가능하며 힘 / 토크 컨트롤이 필요한 매니퓰레이터 및 제어장치에도 적용이 가능할 것으로 사료된다.

Acknowledgments

본 연구는 국민안전처 소방안전 및 119 구조·구급기술 연구개발사업(“MPSS-소방안전-2015-77”)의 연구비 지원으로 수행되었습니다.

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