[63호]이룽이의 방역세트

2020 ICT 융합 프로젝트 공모전 장려상

이룽이의 방역세트

글 | 한양대학교 (ERICA) 김민서, 김동연, 정우진, 이성준, 이도걸, 김경현

1. 심사평

칩센 특정한 주제에 대하여 지원자(팀)께서 속한 로봇 학술 동아리에 걸맞는 재미있는 작품을 만들어 낸듯 합니다. 어쩌면 누구나 생각할 수 있는 것들로 기능이 구성되었습니다만, 최종 작품의 형태나 외관을 보았을 때 지금 속해 있는 학교나 학과에서는 유일무이한 관심과 흥미를 유발할 수 있을 것으로 보입니다. 적용 목표가 정해진 작품(또는 제품)은 스스로의 가치보다 훨씬 좋은 면이 부각되기 마련입니다. 구성기능 중 소독을 위해 구현한 분무 기능의 경우 상부의 한방향보다는 옆면으로의 분출도 이루어졌더라면 하는 아쉬움이 있습니다.
펌테크 실생활과 밀접한 아이디어와 실용성이 우수한 작품이라고 생각합니다. 기획 의도에 맞게 전체 시스템을 안정적이고 완성도 높게 구현되었다고 판단되며 전체적으로 기획의도, 기술 구현도, 완성도 등에서 우수한 작품으로 생각됩니다.
위드로봇 손 소독제를 움직이면서 살포한다는 아이디어는 참신합니다.

2. 작품 개요
2.1. 개발배경 및 필요성
처음 아이디어를 기획할 때 수동 조작이 가능한 쓰레기통을 만들고자 했다. 그러나 코로나19 사태가 일어나고, 사회적으로 큰 문제가 되자 이것을 예방할 수 있는 방법을 의논하다 실내 방역을 할 수 있는 것을 만들기로 하였다.

실제로 매드아카이브에 공개된 바이러스 titer 수치 통계(그림.1)에 따르면 HCoV-19 즉, 코로나 바이러스는 SARS-Cov-1, 우리가 흔히 알고 있는 사스 바이러스와 유사한 생존 시간을 보여준다.
코로나 바이러스나 사스 바이러스 모두 Aerosols, 공기 중에선 바이러스의 생존시간과 비례하는 titer의 수치가 몇 시간 만에 줄어드는 것을 볼 수 있다. 그러나 두 바이러스는 모두 주변에서 볼 수 있는 물체들인 철, 플라스틱에서 몇 시간을 넘어 하루 정도가 지나야 급격히 줄어드는 것을 알 수 있다. 즉, 실내 주변에서 흔히 만질 수 있는 물체에선 바이러스가 장시간 머물기 때문에 실내 방역이 필요하다.
과학 저널 사이언스에 Emory 대학교의 환경 보건 과학자인 Juan Leon 교수에 따르면 코로나 바이러스는 대부분의 바이러스와 마찬가지로 살균제를 사용했을 때 비활성화 된다고 말했으나 교수의 실험실에 있는 Julia Silva Sobolik 박사는 2019년 10월 JAMANetworkOpen에서 정기적으로 살균제를 사용하여 청소한 간호사들이 만성 폐기 병에 걸릴 위험이 더 높다는 사실을 발견했다고 한다.
위 자료들을 통해 이룽이는 지속적인 방역은 좋지 못하므로 적절한 시간에 한 번씩 실내 방역을 하고, 우리가 물체를 만질 때 주로 사용하는 손에 코로나 바이러스가 머물러 접촉될 수 있다는 것을 고려하여 손 소독을 할 수 있는 것을 만들고자 했다. 또한 우리가 만들고자 하는 것이 실내 방역에 실제로 도움이 되어 코로나를 예방할 수 있기를 바라는 마음으로 이룽이의 방역세트를 완성시키는 것이 이룽이의 목표이다.

3. 작품 설명
3.1. 주요 동작 및 특징

3.1.1. 동작 설명 : 소프트웨어 구현
■ 학사모 위로 소독약 분사
가습기 모듈을 이용하여 학사모에서 일정시간에 한 번씩 소독약을 분사하여 실내 방역을 한다. : 가습기 모듈은 소독약이 분사되는 것을 표현하기 위해 사용

■ 사람 손에 손 소독제 분사
센서가 사람의 손을 감지하면 손 소독제를 한 번 분사하고, 다시 손을 뗐다가 센서에 갖다대면 다시 손 소독제가 한 번 분사된다. : 액체형태의 손 소독제 사용

■ 손 소독제 부족 시 표시
잔량이 부족하다는 것을 IR센서가 감지하면 이룽이 얼굴 중 볼 부분에 연결된 LED가 빛나도록 하였다.
소독제를 다시 채우면 LED가 자동으로 꺼진다. : 청각은 실내에서 소음이 될 수 있다고 판단하여 시각적으로 알아볼 수 있게 함

■ 검은색 라인을 따라 이룽이의 방역세트 작동
블루투스 연결 후 APP Inventor로 START를 누르면 로봇이 라인을 따라 움직이기 시작한다.
STOP를 누르면 DC 모터가 동작을 멈춘다.
START 상태에서 라인을 따라 움직이다 초음파 센서가 사람을 감지하면 멈추고, 사람이 센서의 감지 범위에서 멀어지면 다시 라인을 따라 움직인다. : 라인을 따라 움직이게 한 이유: 선을 만들어 그 선에서 벗어나지 않고 원하는 부분에서만 움직일 수 있게 하였고, 반복적인 움직임을 통하여 전 방향 방역이 가능하다고 판단

■ PID를 이용한 모터제어
이룽이의 방역세트(모바일 로봇)이 라인을 따라서 움직이고, 원하는 값을 입력하여 움직이게 하기 위하여 PID제어를 사용하였다. : PID제어 뿐만아니라 Interrupt와 Timer5도 같이 사용

3.1.2. 순서도

3.2. 전체 시스템 구성
3.2.1. 전체 구성

3.2.2. 파트별 구성

■ 학사모 파트

가습기 센서를 통해 물 나오는 곳으로 뚜껑 부분과 몸통 부분으로 나누어 분리될 수 있도록 제작하였다. 학사모가 밑의 기둥과 분리될 수 있게 제작하여 통 안에 액체가 얼마나 남았는지 확인 가능하다.

코튼 필터 고정하는 것으로 나사를 풀면 코튼 필터 교체 가능하다. 가습기를 작동시키기 위하여 코튼 필터를 사용한다.

시계 방향 회전 시 분사통이 고정되며, 반시계 방향 회전 시 분사통이 분리된다. 분사 통 안에 물이 부족하면 다시 채워 넣을 수 있도록 제작되었다.

■ 바디 파트

판끼리 고정하기 위해 3D프린터를 이용하여 너트와 볼트가 고정될 수 있도록 연결 부품을 솔리드웍스로 설계하여 육각기둥 형태의 바디를 만들었다.
1. ~ 4. 옆판
5. 윗판 : 학사모가 들어가는 부분을 50mmX50mm으로 하고, 선을 밑으로 뺄 수 있는 부분을 25mmX10mm로 하였다.
6. 밑판 : 육각기둥과 밑의 판을 서포터로 고정을 할 수 있게 판에 구멍을 3.4mm로 가공하였으며, 모터와 관련된 선들을 육각기둥으로 넣기 위해 50mmX50mm로 선이 지나다닐 수 있는 공간을 만들었다.

■ 손 소속제 파트

1. 2. 분사통을 분리할 수 있게 제작하여 손 소독제를 쉽게 충전할 수 있다.
3. 잔량을 측정해주는 IR 센서를 고정할 수 있도록 한다.
4. 손 소독제를 분사할 때 서보모터가 고정 되어야 하기 때문에 고정할 수 있는 것을 제작한다.

■ 하냥이 파트

1. 손 소독제 교체 시 편리하게 자석으로 육각기둥에서 얼굴이 탈 부착될 수 있게 한다.
2. 손 소독제 부족 시 시각적으로 알리기 위해 볼 쪽에 구멍을 뚫어 LED가 들어갈 수 있게 제작한다.
3. 입을 통해 손 소독제가 나온다.

■ 하부 바디 파트

1. Caster Wheel M3볼트로 고정가능하다.
2. 50mm 서포터 연결을 위한 구멍 가공한다.
3. IR 센서 고정 가능하도록 제작한다.
4. DC 모터 연결하기 위해 3.4mm로 구멍 가공한다.

3.3. 개발환경
3.3.1. 아두이노 프로그램 IDE
■ Arduino 1.8.9
대학교 2학년의 관점에서 센서, 모듈 및 모터를 제어하기 위해 이룽이의 지식 기반인 Arduino를 활용하였다.
APP Inventor와 DC Motor의 통신으로 이동하는 이룽이의 방역세트를 제작 하였고, 이 과정에서 IR Sensor와 DC Motor를 이용하여 Line Tracing을 하였다.
Aduino로 Humidifier module과 Arduino Relay Module을 제어하여 일정 시간에 한 번씩 자동 방역을 할 수 있고, IR Sensor와 Ultrasonic Sensor를 이용 하여 손 인식 및 손 소독제를 분사 하는 방역세트를 만들게 되었다.
모터를 제어하는 과정에서 Arduino Mega Board가 정상 작동함에도 업로드가 되지 않아 아두이노 1.8.10 버전에서 1.8.9 버전으로 낮추어 사용하였더니 정상적으로 업로드 되는 것을 확인하고, 1.8.9 버전에서 소스코드를 작성하였다.

3.3.2. 하드웨어 설계 툴
■ SolidWorks 2018
이룽이의 방역 세트의 하드웨어 제작을 위해 SoildWorks를 전반적으로 사용 했다.
SoildWorks를 통해 이룽이 방역세트의 메인 하드웨어인 얼굴, 육각모양의 바디의 몸체와 학사모를 제작하였고, 내부 센서, 모듈과 모터를 고정하기 위한 부품들도 SoildWorks를 통해 만들었다.
각각의 파트들을 어셈블리를 하여 서로 간섭 없는 견고한 하드웨어를 제작할 수 있었다.

3.3.3. 회로 설계 툴
■ OrCAD
이룽이 방역 세트의 내부 회로 중 Humidifier module과 Relay Module을 활용한 자동 방역을 제어하는 과정에서 회로적인 이해와 원리를 파악하기 위해 OrCAD를 사용했다. OrCAD를 통해 Relay Module의 내부 구조를 파악하고, 핀 연결에 따른 Humidifier module 제어의 원리를 알맞게 파악할 수 있었다.

3.3.4. 실험 환경
이룽이의 방역세트에 사용된 DC모터가 107 rpm(0.38 m/s)출력되기 때문에 바닥이 일정하지 않은 곳보다는 평평한 바닥이 있는 곳에서 사용 해야한다. Line Tracing을 하기 위해 검은색 전기 테이프가 필요하다. 손 소독제 기능은 이룽이의 방역 세트 자체의 높이가 낮아 사용자가 자세를 낮추어 사용해야 한다.

4. 단계별 제작과정
4.1. 시행착오 – SW
4.1.1. 앱인벤터 모터 제어
앱인벤터로 모터를 제어하고, 라인트레이싱을 하려면 블루투스 셋팅, 블루투스와 앱인벤터 통신확인, 모터와 엔코더 고장여부 확인하고 블루투스 값과 IR Sensor 값에 따라 모터가 잘 움직이는지 확인해야한다.
블루투스 셋팅은 블루투스에 맞는 보드레이트를 맞춰주고 이름과 비밀번호를 설정한다.
블루투스 통신은 Serial.begin(9600);에서 9600과 같이 블루투스에 맞는 보드레이트를 사용해야 한다. 여기서 이룽이는 보드레이트 115200을 사용한다.
모터와 엔코더 고장 여부를 확인하는 과정에서 한 쪽 엔코더의 값을 받아오지 못하고 계속 0으로 출력되는 것을 볼 수 있었다. 교체를 해보아도 똑같은 현상이 발생하여 점프선을 교체하였더니 정상적으로 값이 출력되는 것을 확인할 수 있었다.
IR Sensor를 총 2개 사용하여 라인을 인식하도록 하였으나 두 센서 모두 흰색일 경우 100보다 작거나 같은 값을, 검은 색의 경우 900보다 작거나 같은 값을 출력하였다. IR 센서의 기준값을 정하고, 블루투스와 센서 값에 따라 모터가 잘 작동하는지 확인해 보았는데 Motor2(오른쪽)의 속도제어가 되지않고 계속해서 최고 속도를 출력하여 바퀴가 빠르게 계속 회전하는 것을 확인할 수 있었다.
원인을 찾아보니 PID의 목표 값은 양수지만 Motor2(오른쪽)의 값이 계속 음수로 커짐에 따라 ERROR값 또한 계속 커져 최고 속도인 255로 출력되어 바퀴가 계속 굴러갔던 것이다.
해결방법은 두 가지가 있다. 1) go 함수 안에서 ref_speedB = -spdB;에서 (-)를 삭제하여 spdB로 하는 것 2) controlspeedB함수 코드에서 에러 값에 절댓값을 붙이는 것이다. 결과적으로 (-)를 지우는 방법을 선택하였다.
모든 것이 해결된 후 PID 값을 계속해서 변경하며 모터에 적합한 값을 찾았다. 최종적으로 왼쪽 P값 20, I값 0.1, D값 4, 오른쪽 P값 12, I값 0.1, D값 4로 하였다.

float mA_gain_speed[] = {20, 0.1, 4};
float mB_gain_speed[] = {12, 0.1, 4};

마지막으로 Motor1(왼쪽)의 P값이 갑자기 튕기는 일이 발생 하였다. 이 문제는 블루투스와 앱인벤터가 통신하기 전에 바퀴가 이상한 값을 받아 굴러가는 것 이였다. 그래서 코드 상으로 loop()안에서 char input;를 static char input = ”;로 수정하여 통신이 되기 전에 쓰레기 값을 받아 통신 신호처럼 보내주는 값을 0으로 만들어 모터가 굴러가지 않게 하여 해결했다.

4.1.2. 사람 손 인식 및 손 소독제 분사

사람의 손을 감지하여 손 소독제를 분사하는 기능에서 초음파 센서가 사람의 손을 감지하여야 하는데 왼쪽 그래프에서 보이듯이 중간에 이상한 값들이 출력되어 서보모터가 비정상적으로 작동하는 현상이 발생했다. 이 문제를 해결하기 위해 코드 상에서 데이터를 필터 처리할 수 있도록 해주었다.

4.1.3. 잔량 부족 표시
손 소독제가 부족하지 않음에도 구하고 LED가 켜져 이를 감지하는 IR 센서가 인식하는 값을 시리얼 모니터로 확인한 후 물을 감지하는 기준값을 500에서 200으로 수정했다. 검은색은 500보다 큰 값이면 LED가 꺼질 수 있도록 했다.

4.2. 시행착오 : HW

	크기 150 X 150mm으로 하여 작은 방역 세트를 만들고자 하였다. 원기둥 부분은 소독약을 일정 시간에 한 번씩 분사하여 방역하는 것으로 사용하고, 사각기둥 앞쪽에 파여있는 부분에 손을 가져다 대면 손 소독제가 나올 수 있게 하고자 하였다.
	사각 기둥보다는 조금 더 귀여운 이미지의 캐릭터 얼굴을 한 방역 세트가 움직이면 보기 좋을 것이라 생각하여 캐릭터가 있는 것을 사용하였다. 또한 눈에서 손 소독제가 분사될 수 있도록 하는 것을 기본기능으로 결정하였다.
	두 번째 캐릭터보다 한양대학교를 대표하는 캐릭터인 하냥이를 얼굴로 하는 것이 좋겠다고 판단하여 솔리드웍스로 하냥이 얼굴을 설계 한 뒤 3D프린터로 출력했다. 또한 방역하는 부분을 더 크게 하기로 하였다.
	모터를 연결할 수 있는 밑의 판과 모터드라이브가 들어갈 수 있는 공간이 필요하여 밑의 판을 만들기로 하였고, 몸체와 밑의 판을 서포터로 연결하기로 하였다.
	방역하는 원기둥을 학사모로 하고, 학사모 위로 방역을 하는 것이 좋을 것 같다고 생각하였고, 이룽이 얼굴의 눈에서 손 소독제가 나오게 하려 했지만 분사 통 크기와 로봇의 크기를 고려하였을 때 위치가 잘 맞지 않아 눈에서 입으로 변경하였다. 또한 몸체를 원기둥으로 하려 했으나 센서들을 고정 하기 위해서 육각기둥으로 제작 하였다.
	사람의 손을 인식하는 초음파 센서는 눈에 보이지 않는 곳에 넣는 것이 좋다고 판단하여 손을 제작하여 그 안에 넣었다.
	처음에는 포맥스로 육각기둥을 제작하였으나 생각보다 견고하지 못하고, 힘을 견딜 수 없다고 판단하여 아크릴판을 레이저 컷팅하여 더 튼튼한 육각기둥인 몸체를 만들었다.

5. 기타
5.1. 앱인벤터 디자인 및 블록코딩

BluetithList
이름 그대로 블루투스 연결 가능한 목록들을 보여준다.

연결필요!
블루투스와 앱인벤터가 연결이 되어 있지 않을 때에 나타나는 문구이다.

방역시작
방역시작을 누르면 모터가 라인을 따라 움직이기 시작한다.

방역 끝
라인을 따라 움직이던 모터가 정지한다.

블루투스 리스트에서 셋팅 했던 블루투스를 찾아 연결하면 하늘색으로 연결 완료! 라고 핸드폰 화면에 나타난다. 만약 방역시작을 누르면 앱인벤터에서 ‘1’을 보내고, 라인을 따라 모터가 움직이게 되고, 방역 끝을 누르면 앱인벤터에서 ‘0’을 보내어 모터가 정지하게 된다.

5.2. 회로도 및 이론

가습기 모듈을 통해 실내 방역을 구현해내는 과정에서 가습기 모듈은 일정 시간의 텀을 가지고 작동을 해야 한다. 이를 위해 이룽이는 릴레이 모듈을 가지고 구현이 가능한지 파악해보았다.

실제로 릴레이 모듈을 사용하기 전, 릴레이 모듈의 내부 구조와 원리를 파악하기 위해 릴레이 모듈의 내부 회로도를 찾고 Orcad를 통해 릴레이 모듈을 활용한 아두이노 기반 회로를 작성했다.
릴레이 내부에는 전자석 즉, 코일이 있어 전류가 통하게 되면 자석이 된다. 이를 활용하여 전원을 공급하게 되면 릴레이 내부에 전자석이 자석이 되어 옆에 있던 철판을 끌어당겨 스위칭 동작을 해준다. 릴레이의 COM 핀은 공통 단자로 릴레이가 동작했을 땐 NO 핀으로 동작하지 않았을 땐 NC 핀으로 전류가 흐르게 된다. SIG는 제어 신호 핀으로 아두이노 핀으로 할당이 된다. 릴레이 모듈을 활용하여 해당 제어 신호 핀을 통해 가습기 모듈이 신호로 제어가 된다.
이를 바탕으로 thinker cad를 통해 가상 회로를 구상 후 시뮬레이션으로 릴레이를 활용하여 일정 시간의 텀을 주는 작동이 가능하다는 것을 확인할 수 있었다. 시뮬레이션을 토대로 실제 회로를 구현해본 결과 가습기 모듈이 일정 시간의 텀을 가지고 작동을 하였다.

5.3. 하드웨어 디자인
5.3.1. 레이저 컷팅

CNC 레이저 커터로 재단중인 아크릴 판 : 아크릴판은 포맥스 등 다른 재료에 비해 단단하기 때문에 칼을 이용한 재단이 어렵다. 또한 아크릴판은 정육각기둥을 구성하는 부분이므로 정밀한 재단이 필요하다. 따라서 CNC 레이저 커터를 이용하여 재단을 진행하였다.

5.3.2. 3D 프린터

출력 중인 3D 프린터 : 크기가 작고, 정밀하게 제작되어야 하는 부분이나 곡선이 들어가는 부분은 3D 프린팅을 통해 제작하였다. 따라서 아크릴판을 연결하는 부분과 센서 및 모터를 장착하는 부분, 그리고 곡선이 들어가는 학사모와 하냥이의 손 부분은 3D 프린팅으로 제작하였다. 3D 프린팅의 재료로는 PLA 필라멘트를 사용하였는데, PLA 필라멘트의 경우 ABS 필라멘트보다 비교적 수축이 적기 때문에 정확한 치수를 맞추기에 유리하다.

5.3.3. 도색

도색 후 건조 중인 아크릴판과 출력물 : 학사모를 제작한 3D 프린터의 필라멘트가 흰색이었기 때문에 검은색인 학사모를 표현하기 위해 무광 검은색으로 도색을 진행하였다. 동시에 몸통 부분의 육각기둥을 구성하는 아크릴판도 무광 검은색으로 도색하여 외관을 더욱 깔끔하게 하였다. 3D 프린터로 출력한 학사모의 경우 글라인더, 폴리퍼티, 서페이서를 이용하여 표면처리를 마친 뒤 도색을 진행하였다.

5.4. 사용부품

5.5. 참고문헌 및 출처
· 만들게 된 계기 목적에서의 통계 자료 : https://www.medrxiv.org/content/10.1101/2020.03.09.20033217v2.full.pdf+html
· https://www.sciencemag.org/news/2020/03/does-disinfecting-surfaces-really-prevent-spread-coronavirus
· 하냥이 규정을 맞추어 이룽이의 얼굴을 제작하였고, 대외협력팀의 허가 받고 사용
· 알고리즘 순서도 작성함. https://app.diagrams.net/
· 회로 참고 자료 : http://scipia.co.kr/blog/242, http://makeshare.org/bbs/board.php?bo_table=Parts&wr_id=9
· http://scipia.co.kr/blog/242,
· http://makeshare.org/bbs/board.php?bo_table=Parts&wr_id=9)