HD급 적외선 카메라 TiX 전문가 시리즈 3종 첫 출시 

- 최고의 해상도를 갖춘 고성능 휴대용 카메라 Fluke® TiX1000, TiX660, TiX640
- 최첨단 포커싱 옵션과 다양한 렌즈 옵션으로 원거리, 근거리, 이동 중 물체 모두 측정
- 각종 설비와 플랜트에 대한 적외선 검사를 획기적인 수준으로 끌어올려

2015년 1월 6일, 계측기기 전문기업 한국플루크는 매우 미세한 온도 변화까지 감지할 수 있는 고성능 휴대용 적외선 카메라 Fluke® TiX 전문가 시리즈 모델 3종 TiX1000, TiX660, TiX640를 출시했다.

이 Fluke® TiX 전문가 시리즈 3종은 플루크 제품 중 최고의 해상도를 갖춘 열화상 카메라로서, 플루크의 첫 HD 적외선 카메라이다.
TiX1000 (해상도 1024×768), TiX660 및 TiX640 (해상도 640×480)는 일반적인 320×240 카메라 화면 대비 약 10배의 픽셀을 갖추고 있으며, 기본으로 제공되는 SmartView® 소프트웨어를 통해 SuperResolution 모드를 사용하면 카메라에 보이는 이미지보다 해상도가 4배 이상 증가한 이미지를 볼 수 있다.
또한 TiX 시리즈는 다양한 최첨단 포커싱 옵션을 채택해 정확한 온도 측정을 위한 일관적인 정초점 이미지를 캡처할 수 있게 해준다. LaserSharp® 자동 포커싱은 레이저 거리 측정기를 사용하여 카메라가 어느 곳에 초점을 맞추어야 할지 정확히 짚어내고, EverSharp 다초점 녹화 모드는 포커스 모터를 활용하여 버튼 한 번으로 다양한 초점 거리에서 다중 이미지를 캡처한다.
이와 동시에 TiX 시리즈는 석유 및 가스시설 등 접근하기 어려운 곳을 원거리에서 측정할 수 있는 초망원렌즈, 좁은 환경에서 유용한 초광각렌즈, 소재, 전자 및 생물 연구개발 분야에서 초근접 이미지를 캡처할 수 있는 접사렌즈 등 8개의 렌즈 옵션을 제공한다.
또한 프레임 속도 240Hz로 창을 분할하여 1초도 안 되는 시간에 발생하는 급작스런 온도 변화를 캡처하여 분석할 수 있다. 이 이미지를 이더넷 스트리밍을 통해 컴퓨터에 실시간으로 전송한 후 고급 분석을 수행할 수 있어 열차 등 빠르게 이동하는 물체 측정이나 연구개발 응용 분야에 적합하다.
이밖에 TiX 시리즈는 대형 5.6인치 회전식 캠코더형 디스플레이와 빛이 강한 야외 작업을 위한 틸터플 컬러 뷰파인더 디스플레이 (픽셀 해상도 800×600) 를 갖추고 있어 어떤 환경의 현장에서도 신속히 문제를 파악할 수 있다.
한국플루크 전하연 대표는 “TiX 시리즈는 고해상도를 비롯해 다양한 첨단 포커싱 및 렌즈 옵션의 조합을 통해 높은 정확도와 다용성이 요구되는 석유 및 가스, 유틸리티, 연구개발 등 다양한 분야에서 단일 카메라 시스템으로 거의 모든 작업을 처리할 수 있다”고 말했다.
TiX1000, TiX660, TiX640 제품 및 활용에 관한 자세한 정보는 디바이스마트(www.devicemart.co.kr), 한국플루크 홈페이지(www.fluke.co.kr)에서 확인할 수 있다.
TEL, 02-539-6311
E-MAIL. info.kr@fluke.com

한국NI에서 알려주는 측정/센서 필수 길라잡이 2

글 | 한국 NI, SW 및 측정 담당 이지석

 2. 온도

이번 시간에는 그 중에서도 실생활에서 가장 밀접하고 자주 사용되는 온도센서부터 다루도록 하겠습니다.

지난 호에서 다루었던 전반적인 측정 기본에 이어서 본격적으로 센서에 대해 알아보겠습니다. 이번 시간에는 그 중에서도 실생활에서 가장 밀접하고 자주 사용되는 온도센서부터 다루도록 하겠습니다.
우선 복습 차원에서 센서 측정의 기본적인 구성요소에 대해 살펴보겠습니다.
기존의 측정 시스템은 측정해야 하는 물리현상, 측정 값을 아날로그 전압 신호로 변환하는 센서, 센서를 연결하기 위한 연결부분으로 구성되어 있습니다. 받아온 신호가 데이터 수집부분으로 전송되기 위해서는 컨디셔닝이 되어야 합니다. 컨디셔닝에는 노이즈 필터링이나 신호 증폭 등이 있습니다. 신호가 컨디셔닝되면, DAQ 디바이스로 전송되어 아날로그에서 디지털 신호로 변환되고 버스를 통해 PC로 전송됩니다.

이 절차를 위의 그림에 적용해보면, 불은 물리현상이고 열전쌍(Thermo couple)이 센서로 사용되었습니다. 터미널 블록은 센서를 DAQ 디바이스에 연결하고, 신호 컨디셔닝이 진행되며, 마지막으로 데이터 분석을 위해 PC로 전송됩니다.

온도 측정에 일반적으로 사용하는 센서는 세 가지 유형으로 열전쌍(Thermo couple), RTD (Resistance Temperature Detector), 서미스터(Thermistor)가 있습니다.
이중에서 열전쌍은 가격이 저렴하고 높은 온도 범위를 가지고 있어 가장 많이 사용되고 있습니다. 열전쌍을 이용한 측정 진행 시 냉접점보상 즉, CJC(Cold Junction Compensation)가 필요합니다. 다른 센서에서는 냉접점보상이 필요 없습니다.
RTD는 높은 정확도가 필요한 측정에 가장 많이 사용되고 서미스터는 가장 높은 민감도가 필요한 측정에 많이 사용됩니다. 두 센서는 모두 전류 구동이 필요합니다. 세 가지 센서에 대해 모두 간략히 알아볼 예정이지만, 열전쌍 측정에 특히 중점을 두고 진행하도록 하겠습니다.
열전쌍은 두 개의 다른 금속이 접합된 형태로서 접합이 열에 노출되면 미세한 전압을 생성합니다.

그림을 보면, 빨간 선과 검은 선은 다른 종류의 금속을 나타내며, 검은 점은 이 둘이 만나는 접점을 나타냅니다. 이 접점에 열이 발생하면 전압이 올라갑니다. 온도의 변화가 작을 때 온도와 전압간의 관계는 매우 선형적입니다. 하지만 열전쌍의 구동 범위에서 벗어나게 되면 출력 전압은 더 이상 선형적이지 않게 됩니다.

위 표에서 나타낸 것처럼, J타입, K타입 등 여러가지 열전쌍 유형이 사용 가능합니다. 열전쌍 유형은 대문자로 지정되어 있으며 American National Standards Institute (ANSI) 협회에 따른 구성요소를 나타냅니다. 예를 들어, T-type 열전쌍은 한 쪽은 콘스탄탄에 구리를 다른 한쪽에는 구리-니켈 합금을 사용했습니다. 각각의 열전쌍들은 자신들의 구동범위 내에서 더욱 뛰어난 정확성을 제공합니다. 이 열전쌍들에 대한 더욱 자세한 정보는 ANSI를 통해 확인할 수 있습니다.

열전쌍은 종류가 다양할 뿐 아니라 다양한 폼팩터로도 출시됩니다. 모든 열전쌍은 동일한 원리로 작동하지만, 온도 범위, 환경, 기능 및 비용에 따라 선택 가능한 열전쌍들이 있습니다.

열전쌍이 다양한 종류로 제공되기 때문에 개발자는 부착 방식, 열전쌍의 두께 등 다양한 부분을 고려하여 본인의 어플리케이션에 적당한 센서를 선택할 수 있습니다.
열전쌍을 센서로 선택했으므로, 다음으로 진행해야 할 것은 전압 신호를 수집하고 궁극적으로는 이 전압을 온도 값으로 변환하는데 필요한 하드웨어를 선택해야 합니다.

대부분의 기존 시스템들이 연결, 신호 컨디셔닝, 아날로그-디지털 변환을 위한 하드웨어를 별도로 제공한다고 앞에서 언급했었습니다. 하지만 최근에는 위 그림의 제품과 같이 신호 컨디셔닝과 아날로그-디지털 변환을 동일한 하드웨어에 통합하는 것이 일반화되었습니다.
그렇다면 신호 컨디셔닝은 왜 중요할까요?
열전쌍을 이용하여 아주 정확한 온도를 측정하기 위해서는 에러 소스를 줄이는데 집중해야 합니다. 정확도를 떨어뜨리는 가장 큰 요인은 냉접점 에러, 노이즈, 측정 디바이스의 오프셋 및 열전쌍 자체에서 유도된 에러입니다.
냉접점 에러
우선 측정 시스템에 냉접정 보상을 추가하여 냉접점 에러를 제거하는 방법에 대해 알아보겠습니다. 냉접점 에러 효과를 표현하기 위해 토치의 온도를 측정하는 시스템을 살펴보겠습니다.

열전쌍은 접점 AB에 연결된 금속 A와 B로 구성되어 있습니다. 열전쌍의 전압을 측정하기 위해 금속 C로 제작된 두 개의 와이어를 이용한 측정 디바이스에 열전쌍을 연결했습니다. 금속 C와 금속 A 및 B의 연결로 시스템에 두 개의 접점이 더 생성되어 총 3개의 접점이 있습니다.
예상했던 것처럼, 뜨거운 접점 AB는 측정 중인 온도에 비례하는 전압을 생성합니다. 하지만 금속 C를 열전쌍에 연결하여 전압을 측정하기 때문에 이러한 냉접점은 추가적인 전압을 생성합니다. 따라서 AB 측정이 아닌 AB+AC+BC를 측정하고 있습니다. 추가 접점이 생성하는 불필요한 전압은 냉접점 에러입니다.
그렇다면 이 에러를 어떻게 없앨 수 있을까요? 냉접점 에러를 제거하기 위해 AC와 BC의 온도를 알아야 합니다. 이 온도를 알면, 전체 측정에서 전압 부분을 빼서 토치의 실제 온도를 얻을 수 있습니다.

AC와 BC의 온도를 측정하기 위해 열전쌍 측정 시스템은 냉접정 보상 (CJC)이 필요합니다. 대부분의 열전쌍 측정 디바이스에는 CJC기능이 내장되어 있고 소프트웨어에서 자동으로 스케일링이 가능합니다. RTD, 서미스터, IC 온도 센서가 CJC 소스로 사용됩니다. 이 온도 소스들은 측정이 진행되고 있는 부분의 정확한 온도를 반환해야 합니다. 예를 들어, 측정 하드웨어를 연구실에서 사용하고 있다면, CJC 소스는 정확하게 실내온도(약 섭씨 25도)를 측정할 수 있어야 합니다.

노이즈
대부분의 측정 신호에서 가장 빈번하게 문제가 되는 것은 노이즈입니다. 하지만 특정한 측정방법들을 통해 노이즈 에러를 최소화할 수 있습니다.

보통 신호는 외부 환경 또는 측정 디바이스의 노이즈에 취약합니다. 예를 들어, 장비의 전원이 연결되는 전원라인을 타고 들어오는 50 및 60 Hz 노이즈 등에 취약합니다.
신호 컨디셔닝을 이용하여 로우패스 필터를 적용했다면, 필터로 고주파수 노이즈를 제거하여 신호를 정확히 볼 수 있습니다.

높은 입력범위를 가진 측정 디바이스에서는 아주 작은 열전쌍 전압을 신호 소스 근처에서 증폭하여 열전쌍의 출력범위와 장비의 입력범위를 일치시킴으로써 시스템의 노이즈 성능을 개선할 수도 있습니다. 이렇게 하면 신호의 진폭은 ADC(Analog Digital Converter)의 입력 범위에 더 잘 일치되며 결과적으로 측정의 민감도(Resolution)가 높아집니다. 예를 들어, 위의 그림에서는 10V 범위의 16-비트 디지타이저에 신호를 입력하고 있습니다. 증폭 없는 상태에서 10 mV 신호는 전체 16비트 분해능 중 2비트만 활용할 수 있습니다. 하지만 증폭된 10V의 신호는 디지타이저의 16 비트 분해능을 전부 활용 할 수 있습니다.
증폭은 다른 방법으로도 도움을 줍니다.

증폭은 신호대잡음비(SNR:Signal to Noise Ratio)도 높여줍니다.(일반적으로 SNR이 높은 경우 노이즈가 적음)
그림을 보면, 10mV 열전쌍 신호와 1mV 노이즈가 있습니다. 신호대잡음비는 10mV/1mV로, 10이 됩니다.
이 상황을 개선하기 위해 신호가 노이즈에 영향 받기 전, 신호 소스에서 10mV 신호를 100배로 증폭하여 10V로 만들어줍니다. 증폭된 신호는 이전과 동일한 1mV 노이즈가 더해지게 되지만 , 신호대잡음비는 10000으로 크게 개선됩니다.
신호가 노이즈에 영향 받기 전에 신호 소스에서 신호를 증폭시키는 것이 중요합니다. 그렇게 하지 못할 경우, 노이즈와 신호를 둘 다 증폭시키게 되며 신호대잡음비는 전혀 개선되지 않습니다.
디바이스 오프셋
이제 디바이스 오프셋 에러에 대해 알아보겠습니다.
오프셋 에러는 참조 온도에 비례하여 측정된 온도의 편차입니다. 열전쌍은 0V에 아주 가까운 신호를 출력하기도 하고 전체 입력 범위 자체가 밀리볼트로 작기 때문에 측정된 디바이스의 오프셋 에러는 전체 정확도에 크게 영향을 미칠 수 있습니다.

이를 보상하기 위해 많은 디바이스들이 회로의 내부 오프셋을 자동으로 측정하여 보정하는 오토제로 기능을 내장하고 있습니다. 디바이스가 오토제로 기능을 내장하고 있다면, 오프셋 에러를 측정하여 측정 디바이스의 오프셋 편차를 보상하는데 더없이 좋습니다. NI 다양한 온도 모듈들은 모든 측정용 입력 회로의 오프셋을 자동으로 측정하고 처리하는 오토제로 기능이 포함되어 있습니다. 이 기능을 이용하면 오프셋 에러와 편차가 다른 에러 소스에 비례하여 거의 무시해도 될 수준으로 줄어듭니다.
만약 오토제로가 디바이스에서 제공되지 않는다면, 측정 디바이스의 전체 정확도에 영향을 미치는 오프셋 에러 사양을 확인하고 디바이스를 주기적으로 교정해야 합니다.

열전쌍 자체 에러
마지막 에러 소스는 열전쌍 자체에서 발생합니다. 사용되는 열전쌍의 속성에 영향을 받는 것입니다. 열전쌍이 생성한 전압은 온도가 측정되는 지점과 디바이스에 연결되는 지점간의 온도차에 비례합니다.

금속에는 불순물이 있기 때문에 열전쌍 와이어의 길이로 발생하는 온도차이가 에러를 유도할 수 있습니다. 이 차이는 대부분 측정 디바이스의 크기에 비례하여 커질 수 있습니다. 사용하는 타입의 열전쌍 문서를 참고하면 이 온도차이가 전체 측정에 미치는 영향에 대해 확인 할 수 있습니다.

열전쌍에 대해 알아보았으므로 이번에는 온도 어플리케이션에 RTD를 이용하는 방법에 대해 간략히 알아보겠습니다.

RTD는 고정확성과 안정성을 위해 가장 많이 사용되지만, 작동시키려면 전류 구동이 필요합니다. RTD는 반응 시간이 늦고 민감도가 낮다는 특성을 가지고 있으며 전류 구동이 필요하기 때문에 스스로 발열되기 쉽습니다.
백금 RTD는 금속 코일 또는 금속 필름으로 제작됩니다 (보통 백금이라고 함). 이 백금에 열이 발생하면 저항이 높아지고 차가워지면 저항이 낮아집니다.

RTD를 통해 전류를 전달하면 RTD에 전압이 생성됩니다. 이 전압을 측정하면, 저항을 파악할 수 있게 되어 온도를 파악할 수 있습니다. 저항과 온도간의 관계는 상대적으로 선형입니다. 일반적으로 RTD는 100 Ω의 저항을 가지고 있고 0 °C이며 최고 850 °C를 측정할 수 있습니다.
RTD는 순수 금속의 전기 저항이 변화하는 원리로 작동하고 온도와 함께 선형 양이 변화한다는 특징이 있습니다.

RTD에 사용되는 일반적인 물질운 니켈 (Ni)과 구리 (Cu)이지만, 온도 범위, 정확도 및 안정성이 뛰어난 백금이 가장 많이 사용되고 있습니다.
RTD로 온도를 측정하기 위해서는 우선 반드시 구동 전류를 발생시켜야 합니다. 그 후, RTD의 터미널에서 발생하는 전압을 읽고 마지막으로 이 전압을 온도로 변환합니다.
전류 구동을 더 많이 보낼수록 자가 발열은 더 심해져 측정 정확도를 떨어뜨린다는 것을 잘 알고 있어야 합니다. 이 에러를 줄이기 위해서는 구동 전류를 가능한 최소화해야 합니다.

RTD를 연결하는 데는 2-와이어 모드, 3-와이어 모드, 4-와이어 모드의 세 가지 방법이 있습니다.
2-와이어 방식을 이용하면 RTD에 구동 전류를 제공하는 두 개의 와이어와 RTD 전압이 측정되는 두 개의 와이어는 동일하게 측정됩니다.

와이어의 리드 저항이 높을 경우 측정된 전압 Vo는 RTD 자체에 나타나는 전압보다 훨씬 크기 때문에 이 방식은 상대적으로 정확도가 떨어집니다.
3-와이어 방식은 3개의 테스트 리드를 사용합니다. 한 쌍은 주입전류에 사용되고 나머지 하나는 리드 와이어 저항을 보상하기 위해 사용됩니다.

3-와이어 모드에서 DAQ 디바이스는 전류를 공급받으며, 이 전류는 EX+ 터미널과 EX- 터미널간 로드의 저항에 따라 다변화됩니다. 이 모드에서 DAQ 디바이스는 2x 게인을 음 리드 와이어의 전압에 적용하여 리드 와이어 저항을 보상합니다. ADC는 이 전압을 음 참조로 이용하여 양 리드 와이어의 저항 에러를 무효화시킵니다. 일부 구형 디바이스는 보상을 제공하지 않습니다. 이런 경우, 소프트웨어에서 추출될 수 있도록 리드 와이어 저항을 지정해 주어야 합니다.
4-와이어 방식은 전압 측정을 수행 중인 디바이스를 통해 이동하는 높은 임피던스 경로에 리드 저항이 있기 때문에 이 리드 저항에 영향을 받지 않는다는 장점이 있습니다. 따라서 RTD에서 보다 정확한 측정을 얻게 됩니다.

열전쌍 측정과 마찬가지로 RTD도 연구실과 산업 현장의 전력선으로부터 발생하는 노이즈 효과를 제거하기 위한 필터링이 필요합니다.

이제 마지막 온도센서인 서미스터 대해 알아보겠습니다. 서미스터는 가장 높은 민감도를 가지고 있으며 RTD와 같이 전류 구동이 필요합니다.

서미스터는 온도에 따라 민감도가 변하는 저항기인 RTD와 비슷합니다. 서미스터와 RTD간의 가장 큰 차이점은 서미스터가 유리 또는 에폭시로 코팅된 금속 산화막 반도체 물질로 제작되었다는 것입니다. 서미스터는 두 가지 다른 형태인 NTC (Negative Temperatue Coefficient)와 PTC (Positive Temperature Coefficient)로 출시됩니다. NTC 서미스터는 온도가 증가하면 민감도가 떨어지고 PTC 서미스터는 온도가 증가하면 민감도가 증가합니다.
서미스터는 RTD보다 온도에 대한 민감도가 훨씬 높으며 더 높은 최소 저항을 가지고 있으며 앞서 살펴본 리드 저항 노이즈 효과에 덜 민감합니다. 서미스터의 주 단점은 온도 범위가 낮고 매우 비선형적인 출력을 한다는 것입니다.

위 그래프는 일반적인 100 Ω RTD 온도 커브와 비교한 온도 커브를 나타냅니다. RTD와 같이 서미스터는 2, 3, 4 와이어 모드를 가지고 있습니다.

일반적으로 서미스터는 작은 범위에서 정확성이 더욱 뛰어납니다. RTD와 TC가 잘 처리하지 못하는 매우 높거나 낮은 온도를 다룰 경우 서미스터가 특히 좋습니다.

지금까지 온도 센서 중 가장 많이 사용되는 열전쌍, RTD, 써미스터에 대해 알아보았습니다. 측정 엔지니어는 본인의 어플리케이션에 필요한 조건들을 확인하여 어떤 센서들을 사용 할 지를 결정 할 수 있어야 하며 그에 따른 장점과 단점들, 그리고 발생 할 수 있는 트러블들을 해결 할 수 있는 능력을 갖추어야 합니다. 이를 위해서 NI에서는 다양한 방식으로 최적의 측정값을 얻을 수 있는 다양한 HW와 SW를 제공하고 있습니다. 전체적인 측정 어플리케이션 구성이 필요 한 경우 ni.com/daq/ko 페이지에서 본인의 어플리케이션에 최적화된 시스템 대한 자세한 정보를 얻을 수 있습니다. 다음 시간에는 모든 동작하는 장비와 연관되어있는 진동에 대해 알아보도록 하겠습니다.

엄마, 아빠, 내 전화번호를 쉽게 바꾸자!

자동차 번호 표시기 만들기

글 | 이민주 객원기자 itstyle@itstyle.kr

1997년 자동차 천만대 시대가 열린 이후 17년이 지난 지금 자동차 등록대수는 인구 2.5명당 1대꼴이며 2014년 말에 2000만 대를 돌파한다고 한다. 급속도로 도시화가 되고 인구가 밀집되면서 도시에는 출퇴근 시간만 되면 교통난에 몸살을 앓고 있다. 주차난 역시 마찬가지.
도시에서는 자유롭게 주차할 수 있는 곳이 적으며 팍팍해진 인심까지 더해져 남의 집 앞 또는 상가에 정차했다가는 견인되거나 불법 주정차 고지서를 받기 마련이다. 그래서 임시로 정차했거나 다른 차를 막은 상태로 주차한 경우 등 차를 이동해 주어야 할 상황을 위해 전화번호를 남기는데 대충 우편봉투에 전화번호를 적어 대시 보드에 올려놓거나 아크릴판 위에 스티커를 붙여 유리에 부착해놓는 경우가 많다.
또한 한 대의 차량으로 가족이나 직장 등 여러 사람이 운행하는 경우에는 매번 다른 전화번호를 적어두어야 하니 불편할 수 있다. 운행하는 사람이 바뀌더라도 전화번호를 메모리 해두었다가 쉽게 교체할 수 있고 주차난이 가장 극심한 저녁때 가독성까지 높여주니 일석이조인 주차번호 표시판! Do It Yourself~!

※ 가격은 변동될 수 있습니다.
※ 차량에 부착하기 위해 필요한 흡착고무, 지지대 등은 별도 준비하시기 바랍니다.

경고

자동차 용품을 자작할 경우 고온에 의해 만든 제품이 변형될 수 있으며 이물질이나 불량한 납땜, 차량 진동 등의 이유로 쇼트에 의해 차량 고장이나 화재가 발생하여 인적 물적 손해가 발생할 수 있다. 이러한 이유로 사고가 발생할 경우 보험금 지급이 거부당할 수 있으며 잡지사와 필자는 책임이 없으니 참고하도록 한다. 한 여름 뙤약볕에 자주 주차하는 경우 사용을 권장하지 않고, 이 경우 LCD로 된 제품(LCD로 만들어진 제품은 시중에 많다)이 더 적합할 수 있다.

부품 목록
조립에 필요한 재료들이다. 유리에 부착할 때 필요한 흡착고무(또는 재사용 접착테이프 등)는 별도로 준비해야 한다.

PCB 자르기
만들어진 제품의 디자인을 구상하고 4자리 7-세그먼트 4개 크기에 맞추어 톱이나 기판 전용 절단기를 이용해 기판을 자른다.
기판의 테두리가 거칠기 때문에 끌(야스리)이나 사포로 문질러 부드럽게 마무리한다.

7세그먼트 삽입
잘라진 기판에 4자리 7-세그먼트를 삽입한다. 4자리 7-세그먼트를 4개 사용하였고 총 16자리를 표시하므로 전화번호를 충분히 표시할 수 있다. 7-세그먼트 크기가 너무 작으면 전화번호를 보기가 어려운데, 디바이스마트에서 판매하는 S-5462ASR2/C는 2~3M 거리에서도 충분히 볼 수 있는 크기라 사용하였다.

납땜하기
부품을 삽입할 때마다 납땜한다. 기판과 부품이 밀착되도록 손으로 고정한 상태에서 부품 양 끝을 납땜하여 고정한 후 나머지를 납땜하면 부품이 기판에서 떠있는 현상을 줄일 수 있다.

커넥터 삽입
자동차 용품은 한번 설치하면 탈거할 때 까지 탈부착할 일이 없어 저렴하고 3개핀 이상 연결할 수 있는 일반적인 몰렉스를 이용하였다.
전원으로는 상시전원과 KEY ON전원, 접지 3가지 전선이 인입되어야 사용 가능하며, 서로 쇼트되지 않도록 주의한다.

다이오드 삽입
전원이 거꾸로 흐르는 것을 방지하기 위해 다이오드를 삽입한다. LED와 레귤레이터에서도 다이오드가 사용된다.

레귤레이터 삽입
자동차는 12V 또는 24V를 사용하므로 5V를 공급하기 위해 5V 레귤레이터를 사용하였는데 스위칭 방식으로 발열이 적고 쉽게 구할 수 있는 LM2576-5.0 레귤레이터를 사용하였다. 다리 간격이 1.27mm로 매우 좁으므로 다리를 벌리거나 서로 다른 길이로 접어 기판에 끼우도록 한다.

인덕터 삽입
레귤레이터는 링 타입을 사용하였는데, 높이가 높아 기판을 2층으로 쌓기 어려움으로 눕혀 사용하거나 SMD타입의 인덕터를 사용한다.
차량의 경우 운행할 때 진동에 의해 부품이 손상되는 경우가 많으므로 진동에 의해 움직이지 않도록 고정을 잘 하도록 한다. 고정할 때에는 내열성 테이프나 내열성 접착제 또는 물리적인 고정방법을 권장하며 실리콘은 녹아내릴 수 있으므로 이용하지 않아야 한다.

전해콘덴서 삽입
전해 콘덴서를 삽입한다. LED를 제어할 때 순간 많은 전류를 소모할 수 있으므로 470uF이상의 용량을 사용한다.
105℃콘덴서를 사용하여 고온에서도 잘 견디도록 하였다.

IC소켓 삽입
마이크로컨트롤러, LED드라이버와 같은 IC들을 쉽게 교체할 수 있도록 IC소켓을 사용하였다.

세라믹콘덴서 삽입
IC, 크리스탈과 가깝게 세라믹콘덴서를 달아준다.

크리스탈 삽입
7.3728MHz 크리스탈을 사용하였다. UART-USB컨버터를 이용해 전화번호를 수정할 것인데, UART 통신할 때 통신속도(baudrate)의 오차가 0%를 만들기 위해서는 7.3728MHz, 14.7456MHz와 같은 크리스탈을 사용하는 것이 좋다.

트렌지스터 삽입
P채널 FET를 드라이브하기 위해서 NPN트렌지스터를 사용하였다.

FET 삽입
포토커플러처럼 생겼지만 이러한 4pin DIP 모양으로 FET가 나오고 있다. FET가 4개가 사용되었는데 16개의 FND 중 4개씩 제어해준다. 1/4duty로 동작하도록 하여 밝게 동작한다.

USB2UART 핀헤더 납땜하기

USB2UART 삽입
USB-UART 변환기를 기판에 고정할 수 있도록 핀헤더를 납땜하고 기판에 고정한다. PC에 접속하여 전화번호를 변경하거나 몇 가지 메시지 선택, 화면 전환효과 등을 설정할 수 있다.

텍트 스위치 삽입
텍트 스위치를 삽입한다. 여러 개의 전화번호를 저장할 수 있는데 스위치를 누를 때마다 전화번호를 바꿀 수 있다.

LED 삽입
LED를 삽입한다. 녹색과 적색 LED를 삽입하였다. 두 가지 LED로 상태를 알 수 있도록 하였다.

서미스터 삽입
서미스터를 삽입한다. 서미스터는 온도에 따라 저항 값이 바뀌는 특성이 있다. 일정 온도(영상 65℃)가 올라가면 자동으로 작동이 멈추도록 프로그램 하였다.

배선하기 1
모든 부품을 삽입했으면 배선을 해준다.
점프선이나 테프론 선의 피복을 벗겨 연결해주고 전원의 경우 굵게 연결해주도록 한다. 차량의 경우 진동이 심하여 배선이 움직이면 합선될 수 있으므로 잘 고정시키도록 한다.

배선하기 2
직접 연결하기 어려운 곳은 점퍼 선을 연결한다.

배선하기 3
7세그먼트 부분과 메인 기판 부분 역시 테프론 선으로 연결한다. (여유 있게 배선하고 반으로 접어 사용한다.)

적외선 센서 납땜
적외선 센서는 커넥터의 위치가 측면으로 향해 있어 케이스에 넣기 나쁨으로 직접 납땜하여 붙였다.

전선 피복 처리
차량 메인에서 전원을 따와야 하는데 필자는 운전을 거의 하지 않고 야외에 주차하는 경우가 없어 열 받지 않을 것이라 생각해 RS-232C통신용 케이블을 사용하였다. 만약 야외 주차가 많을 것으로 생각된다면 가급적 내열성이 있는 케이블을 사용하도록 한다.

아크릴, 포멕스 자르기 1
케이스 제작에 필요한 아크릴 및 포멕스를 자른다.

아크릴, 포멕스 자르기 2
아크릴은 전용 커터칼로 흠집을 내 부러뜨려 잘라낸다.

접착제 바르기
센서가 전면에 튀어나오도록 할 예정이고 아크릴에 직접 부착하기 위해 순간접착제를 발랐다. (실리콘, 글루건은 열에 의해 녹을 수 있다.)

전면 아크릴에 센서 부착하기

펜형 접착제 이용하기
포멕스를 접을 수 없으므로 각 면끼리 잘라낸 후 붙인다. 이때도 순간접착제를 사용한다.

몰렉스 조립하기

몰렉스 조립하기2

몰렉스 완성
몰렉스에 끼울 전선에 클렘프를 끼우고 제품에 끼울 수 있도록 만든다.

시중에 파는 다양한 흡착고무들

흡착고무에 철사 끼우기
차량 유리에 부착하기 위해서는 흡착고무가 가장 편한 방법인 것 같다. 주변 천원마트나 다이소 같은 곳에서 흡착고무를 팔고 있으니 구매해 사용한다. 본체와의 고정은 디바이스마트에서 판매중인 “절연전선HIV”를 사용하였다.

퓨즈라인 연결하기
메인 전원에는 퓨즈를 삽입하였다.

전원 따오기
차량 전체를 뜯어 전선에서 직접 연결하긴 사실상 어렵다. 퓨즈박스를 뜯어 전원을 빼오는 방법을 생각하였다. 전원은 두곳에서 따와야 한다. 상시 전원(BATTERY+)와 운행 전원(KEY ON) 두 개 모두 필요하다. 상시 전원에 연결해야만 시동을 껐을 때 차량 번호를 표시할 수 있는 것이고 시동을 켰을 때 반대로 제품의 전원을 꺼주기 위해 KEY ON전원도 필요한 것이다. 운행여부와 관계없이 항상 켜지길 원한다면 BATTERY+전원만 연결하면 된다. 못찾겠다면 사진처럼 멀티메터로 찍어보고 알아야만 한다.

전원 따오기 2

전원 따오기 3
퓨즈 다리에 전선을 묶은 뒤 퓨즈박스에 꽂으면 연결된다.

전선 처리하기
전선이 눈에 거슬리면 안되므로 차량 몰딩 처리된 부분이나 틈에 넣어 깔끔하게 처리한다. 참고로 전선을 따오는 방법부터 처리하는 방법들은 “블랙박스 설치하는 법”, “하이패스 전원 연결” 등의 키워드로 검색하면 많은 도움을 받을 수 있다.

유리에 부착하기

사진 촬영을 위해 중간에 붙였지만 상단이나 하단 구석에 부착하도록 한다. 습기가 없도록 하고 가급적 실내가 따뜻한 상태에서 붙이는 것이 더욱 견고하게 부착되게 된다.

결과

전화번호 표시
전화번호가 표시된 모습이다. 최대 10개까지 저장할 수 있고 고정 표시는 물론 메시지와 함께 교차 표시하면서 다양한 화면 전환 효과를 적용할 수 있다.

메시지 1
현재 4가지 문장(인사말 등)을 넣어두었으며 이 중 원하는 문장을 골라 메시지 표시 기능도 갖는다.

메시지 2
잠시 주차중일 때 전화번호와 함께 운전자의 미안한 마음도 전달할 수 있다.

설치모습 1
차량 유리 상단에 설치한 모습이다. 상단은 자외선 차단용도로 생각되는 청색 코팅이 되어있어 빛 밝기가 떨어지고 적외선 센서가 움직임을 잘 감지하지 못하였다.

설치모습 2
아래쪽에 설치했을 때에는 비교적 양호하게 움직임이 감지되었다. 그러나 차량 실내에서 봤을 때 거추장스러웠다. 룸밀러 바로 아래 설치하는 것이 보기 좋고 움직임 감지 센서의 성능도 좋아진 것 같다.

참조1. 프로그램 굽기
AVR Studio 4.19버전을 이용해 프로그램을 구워보았다. 필자의 홈페이지 itstyle.kr/34628에서 zip파일을 내려받아 hex파일을 확인한다.

MCU확인하기
ISP를 통해 MCU와 접속한 후 ATmega8A를 선택한 후 Read Signature를 눌러 칩이 올바른지 확인한다.

MCU프로그램 굽기
[...] 버튼을 눌러 HEX파일을 불러온 후 Program을 누른다.

퓨즈비트 설정하기
EESAVE, Brown-out detect at 4.0V, BODEN, Ext. Crystal High Freq.; Start-up time : 258CK, 4mS를 선택한다.

프로그램 다운로드 하는 모습
제품과 PC를 연결하여 프로그램 다운로드 중인 모습. 처음 전원 인가 시 버튼을 누른 상태에서 인가하면 LED 테스트 모드로 진입하여 결선이 올바른지 검사한다.

참조2. USB드라이버 설치하기

USB드라이버설치 1
장치관리자에서 “?” 물음표 뜬 항목의 우측 버튼을 클릭하여 “속성”을 누른다.

USB드라이버설치 2
드라이버 업데이트를 눌러 설치모드로 들어간다.

USB드라이버설치 3
수동으로 설치하기(컴퓨터에서 드라이버 소프트웨어 찾아보기)를 누른다. 이 때 USB드라이버는 디바이스마트 쇼핑몰에서 다운로드 받을 수 있다.

USB드라이버설치 4
다운받은 USB드라이버를 압축해제 후 설치경로로 지정한다.

USB드라이버설치 5

USB드라이버설치 6
정상적으로 설치된 모습.

참조 3. 설정 변경하기
USB드라이버 설치 후에는 PC와 접속할 수 있다. 전용 소프트웨어까지 만들기는 어렵기 때문에 명령프롬포트 형식으로 접속할 수 있다. 하이퍼터미널이나 PUTTY, 시리얼포트 테스트 프로그램같은 접속 프로그램을 이용한다. 네트워크나 랜장비 관리하는 사람이라면 익숙하겠지만 그렇지 않은 사람들은 생소할 수 있다.

USB드라이버설치 1
‘?’ 물음표나 help라고 치면 명령어 종류를 볼 수 있다.

전화번호 변경하기

data 0을 누르면 0~9번째 메모리 중 0번째 메모리의 전화번호가 표시된다. data 0 012345-6789를 입력하면 0번째 메모리에 전화번호가 변경된다. 특수문자는 ‘-’와 ‘.’ 만 입력 가능하다. 특수문자 포함 최대 16자 까지 입력가능하다.

밝기 조정하기
화면 밝기 조절 기능을 사용하는 모습이다. 자동모드의 경우 전면에 붙은 CdS에 의해 LED의 휘도를 조절한다.

전압 보호 설정하기
차량 배터리 전압에 맞춰 타입을 선택한다. (24V차량이 12V로 설정하면 과방전 보호기능을 받을 수 없고, 12V차량이 24V로 설정하면 항상 과방전 상태로 표시된다.)

참조 4. 회로도

주차번호표시판_회로도

저자 소개

제작·사진·글 | 이민주 객원기자
현재 www.itstyle.kr를 운영중

재난 대비 및 인명 구조 무인 로봇

(Disaster Preparedness and Life Saving Unmanned Robots)

글 | 광운대학교 한재승, 이경재, 김석현, 이강민

심 사 평
싱크웍스 로봇이 주행을 하지 않고 팔만 근거리에서 스마트폰을 이용하여 제어 가능한 작품인 것 같다. 인명 구조 로봇의 핵심 중 하나는 좋지 않은 환경에서 무선 통신을 잘 해서 로봇이 제어 가능하게 끔 하는 것이고 또한 로봇이 좋지 않은 환경에서 주행을 잘 할 수 있는 능력이 있어야 하는 것이다. 그 다음에 로봇 팔등의 제어가 필요할 것 같다.
JK전자 로봇의 팔과 기구부 설계도 잘 되어있고 구현된 작품의 성능도 최신의 ARM Processor를 이용하여 카메라 영상의 무선 전송까지 실제 구조 로봇이 갖추어야 할 기능들이 많이 구현되어 있다. 구조와 재난 복구를 위해 사람이 할 수 없는 일들을 로봇이 대체할 날이 머지 않은 것 같다. 여러 회사와 정부가 이러한 로봇 개발을 위해서 많은 연구와 투자가 이루어 지고 있는 것으로 알고 있다. 장래에 재난대비 인명구조 및 복구를 위한 무인 로봇 개발의 시작이 되는 작품으로 보이고 아주 잘 구현하였다.
뉴티씨 로봇의 제어를 실질적으로 구현하는 기술의 완성도 면에서 매우 높은 점수를 주었으며, 보고서의 경우에도 대체로 잘 작성되었다. 하지만 실질적으로 구현 시 로봇팔에 사용된 모터의 힘이 부족하여, 현재의 구조로는 팔의 쳐짐이 발생하여 정확한 위치 도달이 어려울 수 있을 것으로 생각된다. 동영상 링크에 있는 CNC로봇의 구조는 모터를 하나 더 보조하여 힘을 보태주고 있는 구조로, 또한, 다른 팔에 달린 모터들과 서로 약간 지지되는 구조로, 상호 보완되어 큰 문제 없을 것으로 보이지만, 현재 재난 구조 로봇에 장착된 부분은 그 중 하나를 떼서 만든 것으로 구조 변경이 좀 필요할 것 같다. 무엇을 들거나 작업할 때에도, 힘이 무척 부족할 것이다. 모터를 상위 버전으로 변경하는 것도 좋은 해결방향이 될 것이다. 하지만 근본적인 문제 해결을 위하여 팔에 쇼바와 같은 약간 기계적인 구조를 추가하여 주는 것도 좋겠다. 대략적인 구현조차도 쉽지 않은 기술을 구현하여 높은 점수를 받았으나 동작 동영상이 있었다면, 더 좋은 점수를 줄 수 있었을 것으로 생각된다. 동작 동영상이 다른 로봇의 것으로 보아 만들다 만 것으로 보여져서, 작품 완성도 점수는 낮게 주었다.

1. 작품 개요
현대 사회는 각종 첨단 산업의 발전과 기술의 발전으로 거대한 기계화, 대형화, 집중화 사회를 이루었으며, 생활 편리를 위한 전기와 유류가스, 원자력 등의 수요가 기하급수적으로 증가하였다. 이에 따라 화재나 재난 발생 시 유독가스 및 폭발 위험성으로 사람에 의한 화재 진압이 빠르게 진행되지 못하게 되며, 이로 인한 사회적, 경제적, 산업적 손실은 막대하다. 따라서 사람의 접근이 힘든 화재나 재난 발생 시 신속하고 효율적인 대응을 위해 우리 사회는 무인 로봇의 필요성을 느끼게 되었으며, 이러한 사회의 흐름에 따라 ICT 기술을 접목한 ‘재난 대비 및 인명 구조 무인 로봇’을 만들게 되었다.

2. 작품 설명
1. 주요 동작 및 특징
재난 대비 및 인명 구조 무인 로봇의 주요 특징으로는 두 개의 로봇 팔, 무한궤도 바퀴 및 실시간 영상 전송과 무선통신 제어이다.
로봇 팔은 네 개의 다이나믹 셀을 로봇 팔의 각 관절에 위치시켜 사람의 팔과 유사하게 혹은 0°~300°로 관절이 돌아가는 등 사람 팔 이상으로 움직일 수 있도록 설계하였다. 또 정밀한 작업을 할 수 있도록 팔 끝에 로봇 손을 달았다. 이러한 두 개의 로봇 팔로 인해 재난 발생 시 사고 현장에서 장애물을 치우거나 기계 장치를 조작할 수 있으며, 사람을 구조할 수도 있다. 또 하나의 주요 동작은 무한궤도 바퀴를 이용한 움직임으로, 지면에 닿는 면이 넓으므로 요철이 심한 도로나 진흙 바닥에서도 자유로이 달릴 수 있고, 모터의 회전 방향을 조정해 방향 전환을 자유로이 할 수도 있으며 재난 상황에서도 바닥의 장애물을 넘어 갈 수 있다는 것이 특징이다. 또 재난 대비 및 인명 구조 무인 로봇에 달린 USB WEB CAM을 통해 익스플로러가 열리는 컴퓨터나 스마트폰 등과 같은 기기로 실시간 영상을 받아 볼 수 있다. 이 모든 동작은 주변기기와의 호환성이 좋고, 다양한 오픈소스를 가지고 있으며, 실시간 소스코드 수정이 가능하고 하위 디바이스 제어가 간편한 운영체제인 리눅스를 이용해 와이파이와 블루투스로 무선 제어 하는 것이 특징이다.

① 로봇 팔

첫 번째 사진은 로봇팔의 가장 기본적인 위치(=원점 좌표)이며, 두 번째 사진은 각각 X, Y, Z로 100mm 만큼 이동한 모습이다. 세 번째 사진은 정면에서 본 사진이다.
로봇 팔에 달린 로봇 손의 모습으로, 각각 최대한 잡았을 때와 최대한 벌렸을 때의 모습이다.

② 무한궤도 바퀴

무한궤도 바퀴의 모습으로 좌측과 우측에서 본 모습이다.
바퀴에 연결된 DC모터의 회전 방향을 조절해 로봇의 이동 방향 조절이 가능하다.

③ WEB CAM을 이용한 실시간 영상 전송

USB WEB CAM을 통해 본 영상을 컴퓨터와 스마트폰으로 받아 보는 사진이다. 첫 번째 사진은 WEB CAM의 외형 모습 사진이며 두 번째 사진은 스마트폰으로 영상을 받아 보는 사진, 세 번째 사진은 컴퓨터에서 인터넷 익스플로러를 통하여 스트리밍된 영상을 보는 사진, 네 번째 사진은 두 가지를 동시에 확인하는 실시간 영상 모습 사진이다.

④ 무선 WIFI를 이용한 SECURE SHELL 제어

먼저 리눅스 시스템에 SSH를 사용하여 접근, 외부 SHELL에서 리눅스를 구동하면서 만들어 놓은 C코드를 컴파일(GCC)을 통하여 보드에 구동할 수 있도록 만들어 놓고, 이후 Key 파일과 Blue 파일 통하여 입력된 데이터를 분석하여 하위 프로세서 M3로 명령어를 전달해준다. CD 커맨드는 폴더 이동이며 ./커맨드로 파일을 구동한다. Key 파일을 구동할 경우 SSH로 입력되는 키보드의 입력을 받아서 M3로 명령을 내려준다. Blue의 경우 USB 블루투스로 전송된 신호를 읽어 들여 입력을 분석하여 어떤 입력인지 분석, M3의 명령어로 전송해준다.

2. 전체 시스템 구성
1) 구동부
① 로봇 팔

로봇 팔 제어 시 관절부 각도조절에 어려움이 있어 현실에서 가장 많이 사용되는 XYZ좌표계를 사용하였다. XYZ를 각 팔 관절에 세타 1,2,3으로 바꾼다고 생각했을 때 수식을 유도하는 과정을 간략하게 설명하겠다. 먼저 원점을 (0,0,0)으로 가정하고 이때의 우리가 원하는 팔 끝의 위치를 X’ Y’ Z’ 이라고 한다. 로봇팔의 길이는 L0로 가정하고, 팔 끝의 위치에서 지면으로 수선의 발을 내린 후 (Z’), 원점과 이은 선분은

이다.

원점에서 팔 끝까지의 길이는

이다. 로봇팔의 길이가 같아 팔의 관절부 각도는 2*(90o – Θ)이고 지면과 팔과의 각도 Θ + Θ0 = arccos(r/2L0) + arctan(Z’/ρ) 이다.

로봇 팔에 사용된 AX-12 다이나믹 셀로서 위의 사진과 같이 연속적으로 결선하여 사용하였다.

② 무한궤도 바퀴

무한궤도 바퀴는 각 축이 DC모터에 연결되어 있고, DC 모터는 MOSFET H-Bridge에 연결된 구조이다. MOSFET H-Bridge 회로는 두 번째 사진과 같이 구성되어 있다. H-Bridge는 양 끝단에 있는 AB CD에 1 0 또는 0 1 신호를 주어서 모터의 회전 방향을 제어하는 것이다. 각 모터에 회전 방향을 제어해 로봇의 이동방향을 전 방향 움직일 수 있게 설계하였다.

2) 제어부

[ 제어시스템의 전체적인 구성도 ]

먼저 최상위 시스템 프로세서로는 삼성에서 만든 Exynos4412 프리미엄 ARM cortex-a9 시리즈를 사용하였고 오드로이드사에서 제작된 Odroid-U3보드를 사용하여 Exynos4412 위에 Linux 우분투 시스템을 Operating System으로 올려서 각종 디바이스 추가 및 제거, 파일시스템 조작, 오픈소스 응용, 자율적인 통신, 다양한 방법의 접근 가능, 업데이트의 편의성을 늘렸다. Linux를 선택한 이유는 각종 디바이스의 활용이 매우 편리하여 Linux를 선택하였다. 또한 이 시스템에서 USB포트를 활용하여 WIFI, BLUETOOTH, SERIAL, WEBCAM을 하위 디바이스로 사용하였다.

먼저 USB WIFI를 사용하여 WIFI 망에 접속하여 SSH(Secure Shell)방식으로 외부의 다른 컴퓨터에서도 쉽게 원격 접근 및 제어를 가능하게 하였다. USB로 연결된 WEB CAM에서 영상데이터를 받아 Http타입으로 변환하여 WIFI 망으로 스트리밍을 수행함으로서 사용자가 멀리 떨어진 상태에서도 관찰하면서 각종 로봇 팔 및 궤도 모터 제어가 가능하다.
FFMPEG 프로그램을 사용하여 WEB CAM을 WIFI로 스트리밍 하였고, VNC 프로그램을 사용하여 현재 리눅스 상에서의 GUI 화면을 다른 컴퓨터에서 VNC 뷰어를 사용하여 제어할 수 있다.

[ VCN 서버와 VCN 뷰어를 통한 네트워크 개념도 및 프로그램 이미지 ]

[ VCN 뷰어를 통해서 본 Exynos 상에서의 리눅스 GUI 환경, FFSERVER와 FFMPEG 오픈 소스 프로그램을 사용하여 WEB CAM을 STREAMING 하는 모습 ]

[ 메인 프로세서인 EXYNOS와 M3 프로세서의 모습 ]

하지만 이 보드의 아쉬운 점으로는 제작회사에서 Odroid-U3를 제작 시 입출력 포트를 배제하고 만들었기 때문에 따로 입출력 포트를 추가해야하는 번거로움이 있다. 그렇기 때문에 USB SERIAL 통신을 통해서 하위의 프로세서를 하나 더 연결하였으며, 이 하위 프로세서가 입출력 제어를 수행하도록 하였다. 또 신호누락을 방지하기 위해 새로운 통신 프로토콜을 정하였다. Exynos를 사용하여 ARM Cortex-M3 프로세서로 데이터를 송신 후 프로토콜을 검증하고 명령어를 수행한다. 이 때 명령어는 Instruction_Set이라는 하나의 약속된 명령어 세트를 만들고 이것에 의해서 하위 M3 프로세서에서 입출력 제어를 수행하게 된다. 이 입출력으로 MOSFET H-Bridge구성을 통한 DC모터 제어와 로봇팔의 위치 제어를 수행한다.

[ 블루투스 모듈의 이미지와 스마트폰 조이스틱 어플리케이션의 실행 이미지 ]

USB블루투스 모듈로 스마트폰의 블루투스와 연결하고 조이스틱 어플리케이션을 사용하여 데이터를 전송하고 이를 Exynos측에서 수신하여 필요로 하는 디바이스로 다시 전송해주게 된다.

[ 로봇제어를 위한 컴퓨터와 스마트폰의 조작키 이미지 ]

빨간색은 로봇팔의 Y, Z 축을 조이스틱과 같이 제어할 수 있게 하였다.
초록색은 로봇팔의 X 축을 버튼 타입으로 제어할 수 있게 하였다.
노란색은 로봇팔의 손목 부분의 관절 꺾임 정도를 제어할 수 있게 하였다.
파란색은 로봇팔의 손을 잡거나 풀 수 있도록 제어 할 수 있다.
주황색은 오른쪽과 왼쪽 바퀴를 전진 방향으로 제어하는 것이다.
보라색은 오른쪽과 왼쪽 바퀴를 후진 방향으로 제어하는 것이다.

[ 리눅스 상에서의 블루투스 동작 개념도 ]

블루투스 조이스틱 앱을 동작하여 앱 상에서의 스위치를 누를 때, 누르는 순간과 띄는 순간에 데이터 신호를 블루투스로 보내주게 된다. 이를 다중 키 입력으로 사용하기 위하여 SSH상에서 블루투스의 프로그램을 실행하면 1개의 프로세서가 생성되고 그 안에서 각각 2개의 Thread를 생성하여 하나의 Thread는 USB블루투스로부터 들어오는 데이터를 수신하고 검사하여 어떠한 입력이 들어왔는지 판별 후 공유 변수에 어떤 키가 들어왔는지를 기록해놓는다. 그리고 또 다른 하나의 Thread에서는 공유자원을 일정 시간을 주기로 검사하여 키가 눌린 상태를 파악하고 하위프로세서로 지정된 명령어를 보내주게 된다.

이렇게 하여서 사용자는 블루투스의 여러 가지 키를 동시에 누를 수 있으며, 키가 계속 눌린 상태에도 판단하여 동작하게 된다.

3 개발 환경(개발 언어, Tool, 사용시스템 등)
① 개발언어
ARM-CORTEX M3 : C언어
EXYNOS 리눅스 : C언어

② Tool
윈도우 프로그램 : IAR Embedded workbench, VNC-viewer, PuTTY, Tera term, Chrome, stm flash loader, ultiboard,

리눅스 프로그램 : ffserver, ffmpeg, x11vnc, Xfce, GCC, Vim, openSSH, minicom

3. 단계별 제작 과정
1. 회로 부분

PCB 디자인 프로그램을 사용하여 가상으로 설계 후 애칭을 통하여 회로 기판 제작 후 납땜 및 결선

2. 무한궤도 바퀴 부분

기어와 레일로 인한 기본적인 구상과 전산볼트를 필요한 길이로 재단하여 레일 축으로 사용

포맥스와 베어링을 추가하여 기본 뼈대 구성과 완성된 바퀴모습.

ㄱ자모양의 고정자와 커플링을 결합시킨 DC모터와 최종적으로 완성된 바퀴와 DC모터

3. 몸체 부분

알루미늄 프로파일을 이용한 기본 몸체 골격 (왼쪽: 레일 고정부, 오른쪽: 상판포맥스 고정부)

포맥스를 이용한 몸체 상판 및 레일과 결합한 모습

포맥스로 제작한 팔 결합부 모습 및 몸체와 결합한 모습

4. 로봇 팔 부분

로봇 팔에 사용될 AX-12모터와 포맥스를 사용한 기본 틀 구성

축이 되는 모터와 기본 팔 골격 구성

완성된 로봇 팔 모양

5. 최종 완성 모습

4. 소스코드

재난 대비 및 인명 구조 무인 로봇 (Disaster Preparedness and Life Saving Unmanned Robots) 소스코드

5. 참고문헌
· ARM Cortex-M3 시스템 프로그래밍
· Advanced Programming in the UNIX Environment
· ARM system developer’s Guide
· 코드로 읽는 리눅스 디바이스 드라이버
· 열혈강의 C

모든 온열기에 범용적으로 연결할 수 있는 추가적인 안전장치

심 사 평
싱크웍스 실험 결과가 있었으면 좋았을 뻔했다. 결과를 알 수 없었으므로 완성도를 평가하기 어렵다.
JK전자 보고서를 읽으면서 지금까지 온열기에 왜 이런 장치가 없었나 하는 생각을 하게 되었다. 구현 방법이 어려운 것은 아니지만 작은 아이디어로 실제 제품에도 쉽게 바로 적용도 가능할 것 같은 생각이 들어서 창의성과 실용성에 높은 점수를 주고 싶다.
뉴티씨 온풍기와 같은 온열기로 인한 화재사고로 사망하거나 다치는 것 또는 재산을 잃는 사람들의 수가 해마다 많이 있다. 조금 따뜻해 보려고 쓰던 것이 부주의하게 사용하여 문제가 많이 생기는 경우인데, 이러한 점의 일부분을 개선하여 안전을 높이는 좋은 시도인 것 같다. 온풍기 회사에서 이러한 내용을 참조하여 온풍기의 기능 개선하여 판매한다면, 좋은 반향을 불러일으킬 것 같다. 다만, 거리나 설정 온도 등이 얼마가 되어야 하는지는 실내인지, 실외인지 현지의 상황마다 많이 다를 것으로 예상된다. 따라서, 설정 옵션을 두어 간편 설정, 사용자 세부설정 등과 같이 설정할 수 있도록 하는 것도 중요하리라 생각된다. 이러한 부분이 좀 더 고려되었으면 하는 아쉬움이 있으나, 전체적으로 학생의 입장에서 매우 잘 만든 작품이라 생각된다.
펌테크 실용성이 돋보이는 아이디어 작품입니다. 창의성과 작품 구성상의 난이도는 높지 않으나 아이디어에는 높은 점수를 주고 싶습니다.

1. 작품 개요
온열기 ( 열풍기, 온풍기, 스탠드식 난로 등)는 생각보다 열이 높아서, 춥다고 가까이 있거나, 책상이나 의자 앞에 놓게 되면 화재의 위험 및 화상의 위험이 있다. 실제로 우리 학교에서도 온열기 때문에 화재사고가 날 뻔 하거나 화상을 입은 경우가 적지 않다. 그래서 생각한 것이 모든 온열기에 좀 더 실용적인 안전장치가 있었으면 좋겠다는 것에서 생각해 낸 것이 바로 범용적인 안전장치인 것이다.
이는 온열장치마다 기본적으로 안전장치가 달려있다고는 하지만, 온열기구 자체의 열을 측정하여 적정거리를 그 때 그 때 산출하여 그 이상 접근 시에 경고 메세지를 보낸다거나, 전원을 꺼버리는 온열장치는 찾기 힘들다. 그래서 우리는 간단하게 탈·부착을 할 수 있고, 내열성도 고려하며, 모든 온열 기구에 사용할 수 있는 범용적이면서 저렴한 장치를 제작하게 되었다.
2. 작품 설명
1. 주요 동작 및 특징

주요 동작으로는 맨 처음 온도센서가 켜지고, 온도를 읽어내어 어느 정도의 거리가 안전한지 계산한다. 이는 실시간으로 이루어지며, 사용자가 열의 세기를 조절함에 따라 안전 거리도 달라질 수 있을 것이란 점에 착안하였다. 그 다음, 초음파 센서를 부착하였다. 초음파 센서는 MCU의 Time Interrupts를 사용하여 매 시간마다 앞에 물체가 있는지 없는지 알아본다. 만약 초음파센서에 물체가 감지되면, 자동으로 MCU의 interrupts 가 실행되고, Beep 소리를 내는 함수를 실행하게 되며, 위험 거리 내로 접근할 경우 일정 시간 이후, AC 콘센트와 연결된 차단회로 (릴레이 스위치)가 작동하여 전력을 차단한다. 만약 위험거리까지 접근하였다가 다시 벗어나게 되면, 회로 차단 알고리즘은 종료가 되며 다시 정상적인 작동을 하게 된다.

2. 전체 시스템 구성
(1) 초음파센서
여러 초음파 센서가 있었지만, 우선 시스템에서 요구하는 사양은 1~2미터 사이까지만 측정할 수 있으면 충분하였고, 모듈을 온열 기구에서 열이 나오는 부분이 아닌 부분에 부착을 하는 것이기 때문에 작동 허용범위가 80도 안팎이어야 했으며, 가격을 고려하여 HC- SR04 모델을 채택하였다. 이 초음파 센서는 각각의 입출력 포트를 MCU의 Timer Interrupt Port에 연결하였다.

(2) 온도센서
온도 역시 열이 나오는 곳에 놓긴 하지만, 공중에 놓는 형식이라 작동 허용 범위가 80도 안팎인 것이 필요하였고, 가격 면에서 저렴한 것을 고르다가, LM35라는 제품을 쓰게 되었다. 이는 ADC를 써야하는 부품으로, MCU의 ADC Port에 연결을 하였다.

(3) 스피커
사용자에게 위험을 알리기 위한 용도로, 간단한 부저음을 요하고, MCU의 GPIO에서 나오는 전압이 3V인 것을 감안하고, 가격 면에서 고려하였을 때, BTM-0327을 쓰게 되었다.

(4) 차단회로 (릴레이 스위치)
릴레이 스위치는 가격 면으로 따져봤을 때, JS1 5V (입력 전압 5V, 스위칭 전압 220V도 되는 소자)로 선택하였다.

(5) MCU
MCU는 우리의 시스템에서 요구하는 사항으로, 저전력, 저렴, 뛰어난 퍼포먼스를 지녀야 한다. 그래서 택한 것이 바로 MSP430G2553을 채택하였다. 이 MCU는 한국에선 잘 알려지지 않은 MCU라 프로그래밍이나 구조 자체가 매우 생소하지만, 요구하는 성능을 만족하기 때문에 사용하게 되었다. 그러나 우리는 MCU에 프로그래밍을 해야하기 때문에, Msp430g2553이달려있는 Launch Pad의 에뮬레이터, 다운로더를 같이 썼다.

(6) LCD + 가변저항
LCD는 원래는 없어도 되는 것이지만, 어떠한 정보 값을 받는지 직접 눈으로 확인하기 위해 구매하였다. 캐릭터 LCD로 만들었으며, 가격이 가장 저렴한 MC1602-13을 구매하였다. LCD 밝기 조절을 위한 가변저항은 Hongxing H3362P Series를 썼다.

3. 개발환경
(1) CCS ( Code Composer Studio v5)
이는 Ti에서 만드는 MCU를 프로그래밍 하여 MCU에 다운로드 할 수 있게끔 만든 Tool이다. 기본적으로 각 모델마다 특화된 레지스터 및 코드를 제공하고, 예제코드까지 바로 볼 수 있는 매우 특이한 툴이다. 게다가 이 툴은 기본적으로 타겟 보드를 각 MCU의 Launch Pad 로 삼고 있는데, 이 보드엔 기존의 PIC 같은 경우는 다운로더만 있어서 실질적으로 디버깅할 때 에뮬레이터가 따로 필요한 상황이 많았다. 하지만 Ti에서 제공하는 개발 보드엔 매우 저렴한 에뮬레이터가 기본적으로 달려있기 때문에 이 Tool을 이용하여 실시간 디버깅을 할 수 있다. 심지어는 MCU의 어떤 레지스터에 어떤 값이 들어가는지 Memory Browser 라는 기능까지 있다. 개발 언어로는 C를 사용하며, USB에 타겟 보드를 연결하여 다운로드, 디버깅을 할 수 있게끔 만들어 놓았다.

4. 단계별 제작 과정

위 사진은 MSP430G2553으로 제작한 보드에 한꺼번에 다 꽂을 수 있게 만든 기판이다.

① 초음파 센서를 온열기구 위에 부착하기 위하여 핀으로 빼서 쓸 수 있게끔 하였다.

② 온도센서 역시 온열기구 앞에 위치하게끔 해야 하기 때문에 핀으로 만들었다.

③ 스피커는 보드 위에 직접 부착을 하였다. 소리가 생각보다 크기 때문에 바로 붙였다.

④ LCD는 핀이 총 16개이지만, MCU의 GPIO 개수가 한정적이기 때문에, 8비트 (핀 8개)로 LCD에 띄우고자 하는 내용을 보내는 방법을 쓰지 않고, 4비트씩 나눠서 보내는 방식을 채택하여, 실질적으로 MCU에 꽂히는 핀 개수는 5개 (EN 까지 포함)이다. GND와 VCC는 별도로 붙였다.

⑤ 릴레이 스위치 역시 선을 길게 하여 콘센트에 연결해야 했기에 핀으로 꼽는 방식을 채택하였다.

⑥ 5V전압 공급은 배터리 홀더 혹은 다른 전원 장치를 쓸 수 있게끔 핀으로 꼽는 방식을 채택하였다.

⑦ MSP430G2553 보드를 직접 제작하였다. Launch Pad의 에뮬레이터를 쓰기 위해 SBW 포트를 만들었고, 후에 무선통신으로 제어를 할 수 있게끔 UART 포트도 만들어놓았다.

⑧ LCD를 부착하여 케이스안에 모든 부품을 넣는다

⑨ 온풍기 위에 부착

⑩ 릴레이 스위치 연결

5. 소스코드

 글 | 명지대학교 김정훈, 정영진

심사평
싱크웍스 잘 만들어지면 좋은 작품이 되겠으나, 현재까지 완성도를 볼 수 있는 실험 결과가 없다.
JK전자 창의적이고 새로운 생각은 아니지만 2명의 학생이 3개월 동안 기구 설계와 펌웨어 작업을 모두 완료하였다면 보통 이상의 수준을 뛰어넘는 재능과 실력을 가진 것 같다. 작품의 완성도와 구현의 난이도에 높은 점수를 주고 싶다.
뉴티씨 누군가는 청소를 해야하는 계단의 경우, 실제로 많은 업체들이 어렵게 청소를 진행하고 있다. 이를 자동으로 로봇이 할 수 있게 한다면, 매우 좋은 어플리케이션이 되리라 생각한다. 따라서, 매우 훌륭한 시도라고 생각된다. 다만, 현재 구현되어 있는 상태가 로봇의 계단 이동까지만 설계된 것으로 보이며, 이를 앞으로 좀 더 보완하여 청소 부분까지 구현된다면 매우 좋은 어플리케이션이 되리라고 생각된다. 정해진 싸이즈의 계단 외에도 다양한 계단에 대해 일부 대응이 가능할 것으로 생각되지만, 좀 더 작은 싸이즈의 계단에 대한 고려도 필요하리라 생각된다. 청소 부분이 어떻게 될 것인지도 매우 중요한 요소가 아닌가 생각된다. 이 부분에 대한 필요성 말고도 실질적인 솔루션이 소개되었다면 좀 더 좋은 작품이 아닐까 생각되며 다음 작품을 기대해 본다.
펌테크 학생이 만들기에는 하드웨어, 소프트웨어 구성상에 다소 높은 난이도가 예상되지만 그럼에도 불구하고 완성도를 높여 동작되는 데모 가능한 작품만으로도 큰 의미가 있다고 생각합니다.

1. 선정 배경
1. 계단청소 로봇의 필요성
해외 및 국내를 포함하여 최근의 건물들은 점점 고층화 되는 추세에 있다. 그리고 모든 건물은 화재, 지진 등 비상 상황을 대비하거나 편의를 위해 계단을 포함하고 있다.
건물의 높이가 높을수록 계단의 개수도 늘어난다. 건물의 유지 관리를 위해 수 많은 계단을 청소하는 일을 누군가 해야 한다. 수 많은 계단을 사람이 직접 청소하기 위해서는 많은 인력을 필요로 할 뿐만 아니라 계단을 청소하며 발생할 수 있는 위험도 감수해야 한다. 따라서 사람 대신 계단을 청소할 수 있는 로봇 청소기의 필요성은 점점 늘어나고 있다.
옛날에 비해 많은 가정에서는 청소하는 데 필요한 인력을 줄이기 위해 로봇 청소기를 사용하고 있다. 해가 지날수록 로봇 청소기의 수요는 점점 늘어나는 추세에 있다. 하지만 계단을 스스로 청소할 수 있도록 만들어진 로봇은 시중에 출시된 제품이 현재 없는 실정이다.

[그림 1] 연도별 로봇 청소기 시장 전망	[그림 2] 인력을 통한 계단청소

2. 다양한 종류의 계단

[그림 3] 다양한 종류의 계단

계단은 다양한 종류가 있으며 그 용도 및 길이도 다양하다. [그림 3]은 목적이 다른 다양한 형태의 계단을 보여 준다. 계단의 용도는 등산, 디자인, 가정, 일반적인 건물 등으로 다양하다. 등산을 위한 계단은 통나무나 나무 판자를 덧대어 사람이 미끄러지지 않고 산을 오를 수 있는 형태로 만들며 디자인을 위한 계단은 실용적인 계단이 아닌 새로운 형태로의 시도와 창의적 설계를 목적으로 하고 있다. 반면, 가정에서 사용하거나 일반적인 건물에서 사용하는 계단은 계단의 형태가 일정하지 않거나 디자인, 창의성을 접목한 설계를 하지 않는다. 실생활에서 사람이 오르내리기 위해 실용적인 형태로 만들며 각 계단은 일정한 형태의 반복으로 만들어져 있다.
본 프로젝트의 아이디어는 고층 빌딩의 계단을 청소하는 데 필요한 인력과 위험, 비용을 줄이기 위함에 있다. 따라서 프로젝트에서 타깃으로 하는 형태의 계단은 디자인이나 등산을 위한 계단이 아닌 일반적인 형태의 고층 빌딩에서 사용하는 계단이다.

2. 개발 목적
1. 계단 유지 관리를 위한 인력의 최소화

[그림 4] 계단청소 업체

현대식 건물들은 보통 3~4층 이상으로 지어진 경우가 대다수이며 아파트의 경우에는 최소 10층부터 30층 이상까지 지어진 경우가 많다. 보통 건물을 관리하는 업체가 있는 경우 업체에서 청소를 담당하지만, 그렇지 않은 경우 직접 청소를 하기도 하지만, 양이 많아 모두 청소하기 어렵기 때문에 전문적으로 계단을 청소해주는 업체에 맡기는 경우가 많다. 계단 청소 업체에서는 계단을 청소하기 위해 필요한 세척제, 전문 청소도구를 사용하지만 사람이 모든 칸을 직접 청소해야 하는 것은 다를 바 없다. 하지만, 계단 청소 로봇을 활용할 경우 계단 청소에 드는 인력을 최소화할 수 있다. 항시 청소가 가능하기 때문에 계단이 크게 더러워질 염려가 적으며, 고층 아파트와 같이 계단 및 시설물들을 관리해주는 업체가 있지 않은 경우, 사람을 부르지 않고도 어렵지 않게 청소할 수 있다.

2. 고층 빌딩 계단청소의 안전 보장

[그림 5] 계단 사이 폭이 넓은 계단

고층계단을 청소하다 보면 항상 추락, 미끄러짐으로 인한 사고의 위험이 따른다. 계단의 길이가 길거나 계단 한 칸의 높이가 높은 경우 넘어질 때 크게 부상을 당하기 쉬우며 심한 경우 사망에 이를 가능성이 있다. 건물 내 계단의 구조따라 [그림 5]와 같이 계단 사이의 폭이 넓은 경우도 있다. 이를 계단청소 로봇이 대체할 경우 발생할 수 있는 계단 사고를 방지할 수 있다.

3. 기술 동향
1. 로봇 청소기

[그림 6] 기존의 로봇 청소기

사람이 직접 바닥을 청소하는 대신 가정이나 사무실에서 로봇청소기를 켜 놓고 있으면 신경 쓰지 않아도 알아서 바닥을 청소해준다. 편의성 때문에 점점 많은 가정이나 사무실에서 로봇청소기를 활용하고 있으며, 국내 뿐만 아니라 해외에서도 많은 인기를 누리고 있다. 이를 증명하듯 많은 업체에서 다양한 기능과 디자인을 탑재한 로봇청소기를 출시하고 있다. 특히 삼성에서는 ‘탱고’라는 이름으로 로봇청소기를 출시해 높은 인기를 끌고 있다.

2. 화재진압용 무인방수 로봇

[그림 7] 화재 진압용 계단 이동 로봇

폭발위험이 있거나 방사능과 같은 위험물질이 누출된 곳, 강렬한 복사열 등으로 소방관이 다가가기 어려운 위험한 대형화재 현장이나 길이 막혀 소방차가 들어가기 어려운 곳에서 화재진압 및 인명 검색 활동을 하게 된다. 이 로봇은 중량 160kg에 길이 1250mm, 너비 730mm, 높이 750mm로 한 번 충전으로 120분 이상 운용이 가능하다. 화재현장에서 100m 이상 떨어진 외부에서 무선으로 조종이 가능하며 열 화상카메라 1대를 탑재해 내부의 화점 및 인명 검색에 탁월한 능력을 가지고 있다. 또 최대 사거리 40m의 소방포를 장착하고 있어 원거리의 화재진압에도 활용이 가능하다.

3. 사물 운반용 계단 이동장비

[그림 9] 계단 이동이 가능한 휠체어

엘리베이터가 없는 다층 건물에서의 이삿짐, 택배 등 짐을 운반할 때 수월하게 운반할 수 있도록 만들어진 장비이다. 계단을 오르내리기 위해 3개의 바퀴를 사용하고 있다.

4. 휠체어 로봇
거동이 불편한 환자를 위한 휠체어는 많이 있다. 하지만, 휠체어를 사용하면서 부딪히는 문제는 계단을 오르내리기 힘들다는 점이다. 계단에 휠체어용 리프트나 미끄럼틀이 설치되어 있지 않은 경우 휠체어를 타고 계단을 오르거나 내려갈 수 없다. 이러한 경우를 위해 평지에서 이동이 가능하면서 계단을 오르내릴 수 있는 로봇이 만들어졌다.

4. 개발 목표
1. 계단 이동에 쉽고 청소에 효율적인 구조 설계
(1) Shift wheel
상하로 움직일 수 있는 shift wheel을 채택하여 기구부를 다음 계단으로 이동시킬 수 있게 한다.

(2) 회전모터를 이용한 회전 바퀴
90도로 꺾을 수 있는 바퀴를 사용함으로써 로봇청소기가 한 계단을 청소할 수 있도록 이동하며 다시 90도로 꺾어 턴 구간에서 전진할 수 있도록 한다.

2. 계단의 이물질을 제거
(1) 흡입 모듈
기존 로봇 청소기에서 사용하는 흡입 모듈을 사용하여 계단에 있는 이물질을 흡입할 수 있도록 한다.

(2) 적외선 센서
한 계단의 칸 끝에 도달했는지 파악하기 위해 적외선 센서를 사용한다.

3. 계단의 턴 구간 청소
(1) 수직 이동을 위한 초음파센서
바퀴를 이용해 이동하면 조금의 틀어짐이 발생할 경우 로봇청소기의 이동경로가 잘못될 수 있다. 따라서 틀어질 경우를 판단하기 위해 초음파센서를 벽에 쏘아 일정거리를 유지하며 수직으로 이동할 수 있도록 바퀴를 조절한다.

5. 개발 내용
1. 하드웨어
(1) 하드웨어 구성

[그림 10] 로봇구성

청소로봇에는 모터구동 바퀴가 장착된 360도 회전이 가능한 4개의 다리를 가지며 같은 쪽의 다리는 서로 충돌하지 않는 구조의 사족로봇형태이다. 각 다리에는 50W급 웜기어 모터가 장착되어 있어 이동시에 강력한 힘을 낼 수 있고, 웜 기어의 특성상 출력측의 힘이 입력측 모터로 힘 전달이 안되기 때문에 효율적인 측면에서 장점이 크다. 로봇의 정면, 측면, 바닥면에 거리측정 센서가 총 8개가 장착되어 있어 지형정보를 쉽게 얻어 올 수 있다.

(2) 프레임

[그림 11] 프레임

[그림 12] 구성 부품

(3) 마그네틱센서

[그림 13] 마그네틱센서                                                      [그림 14] 자석의 위치

현재 로봇의 다리 각도를 알아야 사족보행을 위한 모션을 생성할 수가 있다. 그래서 각 관절에 마그네틱 로터리 엔코더(Magnetic Rotary Encoder)를 각 다리에 설치하였다. 엔코더의 출력형태는 360도를 14bit로 분해하여 디지털 출력을 해주므로 섬세한 위치 피드백이 가능하다.
자석의 위치는 관절기어의 중심에 위치하고 있다. 자석의 크기는 6x6x6mm의 네오디움 자석을 장착하여 자력을 충분히 마그네틱 로터리 엔코더에 전달할 수 있다.

(4) 구동모터 전력전달

[그림 15] 다리회전

[그림 16] 원형 동판구조

로봇이 평지이동에서는 구동모터를 이용하여 이동한다. 그 이유는 다리를 이용하여 보행하는 것보다 바퀴로 이동하는 것이 흔들림없이 안정적으로 이동이 가능하다. 계단을 이동할 때는 다리를 360도 회전하게 되는데, 이때 구동모터의 전원이 전선으로 연결되어 있을 경우 회전에 의하여 꼬임이 발생하다가 결국은 단선이 된다.
[그림 16]과 같은 원형의 동판을 구성하고 핸드폰의 배터리 연결 단자를 응용하여 전력전달을 하였다. 배터리연결 단자의 도체부분이 탄성이 있어서 지속적인 전력 전달에 적합한 구조로 되어 있다.

6. 소프트웨어
1. 제어알고리즘
펌웨어에서는 [그림16]과 같은 모듈들을 제어하게 된다. 기구부가 한 계단에서 이동하는 동안 하단에 달려 있는 적외선 센서를 통해 주기적으로 계단의 끝에 도달했는지 파악한다. 계단 중에는 한 계단의 끝이 막혀 있는 경우가 있는 반면, 막혀 있지 않은 경우도 있다. 이러한 경우 펌웨어는 적외선 센서를 통해 막혀 있는 부분을 찾는 것이 아닌 바닥이 뚫려 있는 부분을 찾는다. 바닥이 뚫려 있는 부분은 로봇청소기가 청소를 진행할 수 없는 계단의 끝에 해당하기 때문이다. 펌웨어는 로봇 청소기가 턴구간에 올라왔는지 판단할 수 있어야 한다. 계단을 한칸 올라올 때마다 적외선 센서를 이용해 다음 계단이 있는지 판단하여 다음 계단이 없는 경우 턴 구간으로 판단한다. [그림15]는 이러한 펌웨어의 동작을 플로우차트로 보여준다. 턴 구간에서 펌웨어는 다음 층계의 위치를 파악하기 위해 상단에 달려 있는 적외선 센서로 뚫려 있는 공간을 찾으며 해당 위치를 기억해둔 뒤, 턴 구간이 완료된 다음 서보모터를 제어해 찾았던 턴 구간으로 이동한다.

[그림 17] 펌웨어 컨트롤 플로우차트

[그림 18] 계단 청소 로봇의 모듈

턴 구간을 청소하는 도중에는 주기적으로 초음파 센서를 통해 벽과의 거리를 파악한다. 처음에 측정된 거리에서 벗어나는 경우 거리와 일치시키면서 서보모터를 조절하여 수직 이동을 유지한다. 그리고 초음파센서와 벽 사이의 거리가 0에 가까울 경우 턴 구간을 모두 청소했다고 판단한다.

2. 계단 상승 제어

[그림 19] 계단 등반

1. 좌측면의 다리 2개와 우측면의 다리 2개를 로봇의 하단으로 회전하면서 바닥을 딛고 일어난다.
2. 다음 계단으로 올라가기 위해 전방의 다리 1개만 다음 계단에 딛는다. 청소기 로봇은 4개의 다리를 활용하기 때문에 1개의 다리를 들더라도 3개의 다리로 중심을 잡는 것이 가능하다. 남은 3개의 다리로 삼각형의 꼭지점을 만들 수 있으므로, 다음 계단을 오를 때 넘어지지 않을 수 있다.
3. 전방의 남은 1개의 다리를 다음 계단에 딛는다. 다리를 올리는 동안 후방 2개의 다리와 미리 딛은 전방 1개의 다리로 중심을 잡을 수 있다.
4. 4개의 다리 끝의 구동모터를 동작시켜 이동 가능한 부분까지 측정하여 앞으로 이동한다.
5. 전방 2개의 다리를 모두 안쪽으로 접어 바닥을 딛지 않도록 한다. 이때 다음 계단에 올라온 로봇 청소기의 바퀴와 후방 2개의 다리로 중심을 잡을 수 있다.
6. 청소기의 바퀴와 후방 2개 다리의 바퀴로 계단의 폭을 조금 더 이동하여 완전히 다음 계단으로 본체를 이동한다.
7. 후방 2개의 다리를 접어 이동을 완료한다.
8. 층계를 청소하기 위해 청소기 회전을 담당하는 구동모터를 동작시켜 청소기만 90도 회전한다.
9. 흡입모듈을 ON시키고 층계의 끝에 도달할 때까지 적외선 센서를 이용해 점검하면서 한 층계를 청소한다.
10. 층계의 끝에 도달하면 흡입모듈을 OFF시키고 다시 구동모터를 동작시켜 청소기만 90도 회전한다.

3. 14-bit angular position sensor
로봇의 다리를 제어하기 위해서는 현재 다리가 어느 위치에 있는지 판단할 수 있어야 한다. 본 프로젝트에서 로봇의 다리는 360도 회전하기 때문에 다리의 위치를 판단하는 것은 현재 다리의 각도를 판단하는 것과 같다. 0도에서 다리가 움직일 때마다 상대적으로 다리의 위치를 계산하다보면 관성/마찰력에 의해 계산이 틀어질 수 있고 시간이 지나면 높은 오차가 생길 수 있다. 따라서 현재 다리가 위치한 절대각도를 판단해야 할 필요가 있으며, 이를 위해 14-bit angular position sensor를 사용했다. N극과 S극이 서로 붙어있는 자석을 활용해서 센서가 자석의 각도를 얻어낼 수 있으며 해당 센서는 PWM, I2C, SPI통신을 지원한다.

4. Infared sensor
로봇이 벽의 끝에 도달하거나, 한 층계를 청소하다 끝 부분에 도달하거나 혹은 마지막 층계에 도달해서 다음 계단의 유무를 판단하는 경우 활용된다. 한 층계의 끝에 도달할 경우의 판단을 위해 전방의 바닥을 센싱하고 있다가 바닥이 없을 경우 값이 멀어져 끝에 도달했는지 판단한다. 벽의 끝에 도달하는 경우의 판단은 센서의 거리 값이 짧아지는 경우 벽에 도달했는지 판단한다. 마지막 층계에 도달하는 경우는 다음 계단이 없을 땐 로봇의 앞이 비어있으므로 거리 값이 멀어지는 경우 다음 계단이 없는 것으로 판단한다.

5. 로봇 제어를 위해 펌웨어가 사용한 통신
(1) SPI
다리의 절대 각도를 센싱하기 위해 magnetic sensor를 제어하는 데 사용했다. 다리의 각도를 센싱하여 일정 각도에 도달할 경우 다리의 회전을 멈추도록 제어할 수 있다. 개수가 제한적인 핀을 효율적으로 사용하고 많은 주변장치들을 제어하기 위해 SPI를 사용했다. MISO(Master In Slave Out), MOSI(Master Out Slave In), SCK(Clock), NSS(Chip Select) 4개의 핀을 필요로 하며 여기에 다른 주변장치를 더 사용하기 위해서는 NSS1개의 핀만을 더 필요로한다. MISO는 master에서 slave로 데이터를 보내기 위한 용도, MOSI는 slave가 master로 데이터를 보내기 위한 용도, SCK는 데이터를 보내는 타이밍을 맞추기 위한 용도로 사용되며 NSS는많은 주변장치 중 어느 주변장치와 통신할 것인지 선택하기 위한 용도로 사용된다.

(2) PWM
구동모터 드라이버를 제어하는데 사용했다. 펄스의 변화를 통해 모터의 속도를 변화시키며 이 값을 구동모터 드라이버로 전달해준다. 구동모터 드라이버는 1개당 2개의 구동모터를 제어할 수 있으며, 본 프로젝트에서는 로봇의 다리 끝에 달려 있는 바퀴를 제어하고 청소기 본체의 회전을 제어하기 위해 사용된다. 4개의 바퀴를 사용하기 때문에 4개의 PWM 핀과 본체의 회전을 담당할 1개의 PWM핀을 사용했으며, 여기에 추가적으로 구동모터에 방향을 정해주기 위한 5개의 GPIO핀을 사용했다. 펄스 제어와 GPIO를 통해 각각 속도와 바퀴 회전 방향을 지정할 수 있다.

(3) ADC
아날로그 신호를 디지털로 변환하기 위한 용도로 사용되며, 해당 프로젝트에서는 적외선 센서의 값을 읽어오는 데 사용됐다. 여러 적외선 센서가 필요하기 때문에 다수의 ADC 핀을 활용했다. 적외선 센서를 통해 계단의 끝에 도달했는지 혹은 마지막 계단에 도달했는지 판단할 수 있다.

(4) USART
디버깅을 위한 용도, Worm geared 모터를 제어하기 위한 용도로 사용했다. 호스트 PC와 ARM Cortex-M3 보드가 서로 전달하기 위한 용도로 1개의 USART와 Worm geared 모터 드라이버를 제어하기 위해 2개의 USART가 사용되어 총 3개가 사용됐다. Worm geared 모터 드라이버는 미리 정해진 드라이버 명령어를 serial text로 전달해주면 명령어에 지정해 준 속도, 방향, 모터 select 정보에 따라 바퀴를 제어한다. Worm geared 모터 1개당 2개의 모터를 제어할 수 있으며 본 프로젝트에서는 다리의 회전을 제어하는 용도로 2개의 Worm geared 모터가 사용됐다.

(5) GPIO
흡입모듈을 제어하기 위한 용도, PWM와 함께 구동모터에 제어정보를 전달하기 위한 용도로 사용됐다. 구동모터의 회전 방향을 정하기 위해 High/Low를 바꾸어주는 용도로 활용했다. 청소기의 흡입 모듈은 단순히 펄스에 따라 ON/OFF만 지정하면 제어가 가능하기 때문에 흡입모듈을 제어하는 데 사용됐다.

6. GUI

[그림 20] 로봇제어 GUI

MFC를 통해 로봇을 제어할 수 있는 windows용 어플리케이션을 추가적으로 구현했다. 어플리케이션에서는 로봇으로 시리얼 통신을 통해 메시지를 전달하거나 로봇에서 보내는 출력 메시지를 받아 텍스트 창에 출력할 수 있다. 출력하는 텍스트의 포맷을 ASCII와 HEX로 바꾸어 가면서 출력 가능하다. 로봇을 제어하는 동작을 단계별로 나누어 버튼 클릭을 통해 간단하게 수행시킬 수 있다. 계단을 오르는 과정, 다리를 펴서 일어나는 과정, 다리를 접어 동작을 리셋하는 과정, 바퀴와 다리를 회전하는 과정을 제어할 수 있다. 그리고 현재 로봇 다리의 절대 각도를 어플리케이션에서 확인할 수 있다.

7. 개발 환경
1. Board
ARM Cortex M3

2. Language
C 언어

3. Development Tool
gcc
vim
inventor

8. 역할 분담
김정훈 : 기구부 설계 및 부품 선정 / 기구부 제작
정영진 : 센서 제어 펌웨어 설계 및 구현 / 센서 모듈 제어

9. 개발 부품

10. 용어 정리
1. 펌웨어
펌웨어는 일반적으로 롬(ROM)에 저장된 하드웨어를 제어하는 마이크로 프로그램을 의미한다. 프로그램이라는 관점에서는 소프트웨어와 동일하지만 하드웨어와 밀접한 관계를 가지고 있다는 점에서 일반 응용소프트웨어와 구분되어 펌웨어는 소프트웨어와 하드웨어의 특성을 모두 가지고 있다고 할 수 있다.

2. Gadget
일반 PC에서는 Linux가 설치된 PC가 Master이기 때문에 이 기능이 활성화 되어 있지않다. 하지만 임베디드 보드에 올라간 Linux는 PC와 연결 될 때 Client로 동작해야 하기 때문에 USB Gadget을 수정하여 이 Device의 역할을 Slave로 만들어 준다.

3. Device Driver
소프트웨어에서 하드웨어 디바이스 장치를 호출하고 사용하기 위한 추상화 계층을 제공하는 인터페이스로 잘 정의된 내부 프로그래밍 인터페이스에 하드웨어 구성 요소가 응답하게 해준다. 디바이스 드라이버는 실제로 디바이스가 어떻게 동작하는지에 관한 세부 사항을 완전히 숨김으로 완벽하게 추상화된 블랙박스 같이 동작한다.

4. SPI
직렬 주변기기 인터페이스 버스 또는 SPI 버스는 아키텍처 전이중 통신 모드로 동작하는 모토로라 아키텍처에 이름을 딴 동기화 직렬 데이터 연결 표준이다. 장치들은 마스터 슬레이브 모드로 통신하며 여기서 마스터 장치는 데이터 프레임을 초기화한다. 여러 슬레이브 장치들은 개별 슬레이브 셀렉트 라인과 함께 동작할 수 있다.

5. PWM
PWM이란 Pulse Width Modulation의 줄임말로 펄스 폭 변조를 의미한다. 펄스 폭을 전송하고자 하는 신호에 따라 변화시키는 변조 방식을 PWM방식이라 하며, 모터 제어나 전압제어에 많이 사용된다.

6. ADC
아날로그 신호를 디지털 신호로 변환해 주는 장치이다. 일반적으로 빛의 밝기, 온도, 소리의 크기, 압력. 등의 변화를 측정할 때 주로 쓰이며, 이런 자연변화 상태를 전압의 상태로 변환해 주는 센서를 거친 후 AD 컨버터에서 디지털로 바꾸어 주는 과정을 거친다.

11. 참고 문헌
· 두산백과
· Technical Teature / 2005년 3월 호
· http://www.linux-usb.org/gadget/
· http://dsk114.com.ne.kr/hdd/f_system.html

센서와 제어 인터페이스 보드 출시

드림스페이스월드에서 센서 통합 인터페이스 보드(DSW-SN-06)와 제어 인터페이스 보드(DSW-DN-08)를 출시했다.
DSW-SN-06은 6개의 센서입력단자와 2채널의 485통신포트, 1채널의 Zigbee 무선통신 채널을 지원 하며 6~ 24V의 입력 전원, 통신케이블 연결 후 별다른 세팅없이 바로 사용이 가능하며 최대 16개의 노드 ID를 가지고 있다.
0~5V, 0~ 20mA의 아날로그 출력을 가지는 다양한 환경 센서들을 입력받아 12비트의 ADC변환 후 485SK 지그비통신을 이용하여 전송하는 고신뢰성 제품이다. 통신방식은 MODBUS 방식으로 설정된 프로토콜을 제공한다. 또한 사용자의 편의성을 고려하여 센서 컨넥터에 연결하기만 하면 사용이 가능하다.
DSW-CN-08은 MODBUS 프로토콜에 의하여 모두 8개의 릴레이를 구동할 수 있으며 2채널의 485통신포트, 1채널의 Zigbee 무선통신 채널을 지원하며 6~ 24V의 입력 전원, 통신 케이블 연결 후 별다른 세팅 없이 바로 사용이 가능하며 최대 16개의 노드 ID를 가지고 있다.
각 릴레이는 5A/250V AC, 5A/ 30V DC의 우수한 구동용량을 가진다. 통신방식은 MODBUS 방식으로 설정된 프로토콜을 제공한다. 10A, 250V/AC 이상의 부하를 출력용 터미널을 통하여 공급되며 각종 모터나 대용량 릴레이 구동에 편리한 제품이다.

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저전력 블루투스 4.1 모듈인 BoT-CLE100과 BoT-CLE110 출시

BoT시리즈는 최대 +8dBm의 TX power와 -92.5dBm의 수신감도를 가지고 좀 더 높은 RF성능을 요구하는 적용분야에 적합하며 기존 +4dBm 성능의 모듈에 비해 5배 정도의 좋은 성능을 보여준다. 필요한 만큼 AT명령어로 설정하여 사용 가능해서 초근접 솔루션이나 원거리 솔루션 등 모두 적용가능하다. 또한 소모전류를 최대한 줄여 높은 출력이 베터리를 소모시키는 것을 줄였다.
BoT-CLE110은 최근 뜨거운 관심을 받고 있는 IOT(사물인터넷) 분야나,위치기반 근접 무선 솔루션, 저전력 무선 악세서리 등에 적합한 모듈이다. Bluetooth 4.0 기반의 BLE 모듈이며, 칩 안테나가 내장된 SMD타입으로 구성되어 있다. 12x17mm 초소형 사이즈로 모듈을 쉽게 사용케 하기 위해 Serial Service, GPIO Service, PWM Service로 한정하여 사용자가 핵심 기능을 이해하기 쉽도록 준비였다. 기존 TX, RX핀을 이용한 UART통신을 그대로 BLE모듈로 활용할 수 있고, 블루투스로 GPIO를 원격 제어 & 모니터링 할 수 있으며, PWM신호를 활용하여 모터제어나 조명제어에 활용할 수 있다. 특히 BLE에서는 기존 클래식 BT모듈에서 적용하기 힘들었던 아이폰(ios)과의 통신도 특별한 인증절차 없이 통신을 구현할 수 있다.
BoT-CLE100과 BoT-CLE110의 제품 차이는 칩안테의 내장 유무로 기능상의 차이는 없다.
BoT시리즈는 오랜기간 Bluetooth 모듈 사업을 해온 (주)칩센에서 가능한 많은 분야에서 쉽게 사용할 수 있도록 검토하여 만든 제품이다. MCU와 UART 통신으로 AT명령어로 제어하거나, 원격에서 GPIO / PWM을 제어 또는 입력받거나, Broadcast Role모드에서 정해진 데이터를 지속적으로 방출하여 Beacon 형식으로 사용하거나, Observer Role을 이용해서 주변 BLE모듈을 찾고 정보를 획득할 수 있다.

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무선 솔루션 개발 전문 기업인 펌테크에서 블루투스 스마트 솔루션인 FBS100BC를 출시했다.

FBS100BC	FBD100

펌테크의 기존 제품인 FB155BC가 복잡한 기능 구현을 목적으로 하는 모듈이라면 FBS100BC는 간단한 기능 구현을 목적으로 하는 블루투스 모듈이다. 스마트 솔루션은 안드로이드, IOS 기반의 스마트폰으로 블루투스 주변장치를 제어하기 위한 앱 개발 방법 및 하드웨어 설계 방법에 도움을 주는 제품으로 이용 및 응용하여 새로운 제품 개발이 가능하도록 구성된 솔루션이다.

블루투스 SPP프로파일 블루투스 제품의 경우 MPU를 외부에 두고 MPU의 PIO포트를 통해야만 입,출력 제어가 가능하나 FBS100BC는 외부에 MPU를 사용하지 않고도 자체의 PIO 8bit, ADC 2 Channel을 사용자가 원하는 입출력 형태로 자유롭게 설정하여 사용이 가능한 제품이다. 20Pin SMD Type으로 되어 있어 제품에 쉽게 실장이 가능하며 AT명령어를 이용하여 제어가 가능하다. 스마트폰, 노트북, PDA등의 스마트 장치들과 연결 및 통신이 가능하고 간편하게 블루투스 펌웨어 업데이트 기능을 지원한다.
FBS100BC와 같이 출시된 전용 Interface Board인 FBD100은 GPIO, ADC에 관련된 입출력 기능 테스트를 쉽게 확인할 수 있도록 구성된 제품으로 별도의 납땜과정 없이 자유롭게 탈착할 수 있도록 구성된 제품이다.

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