실험실 환경에서 수직부착하중의 측정은 비교적 간단히 수행할 수 있다. 우선 지면과 수직인 벽면에 자력이 작용할 수 있는 철판을 부착하거나, 수직방향으로 지면에 철골 구조물을 제작하여 로봇이 부착할 수 있는 공간을 확보한다. 다음으로, 철판 또는 철골 구조물의 벽면에 등반로봇을 Figure 2와 같이 부착시킨다. 이때 로봇은 부착된 상태로 유지되어야 한다. 차륜형 로봇의 예를 들어 설명하자면, 브레이크가 있는 모터의 경우 브레이크를 작동시켜 모터의 회전을 정지시킬 수 있다. 이러한 조치가 없다면 로봇의 전진방향이 지면에서 수직으로 향하기 때문에 중력으로 인해 로봇이 지면에 떨어지게 된다. 등반로봇에 폐루프 속도제어기가 내장되어 있는 경우라면, 제어기의 참조값를 0으로 설정하여 모터에 전류가 인가되면서 차륜을 고정된 상태로 유지시키는 것도 하나의 방법이 될 수 있다.

Figure 2: 
An example of measuring vertical adhering weight

일단 로봇이 벽면에 부착되어 있으면, 로봇에 탑재할 부하의 하중 범위를 고려하여 하중을 인가하고 접촉부에서의 슬립을 측정한다. 부착력과 하중이 경계선 상에 있는 경우에는 미세한 슬립이 발생할 수 있으므로, 하중 인가 후 충분한 시간동안 지연시킨 후 슬립량을 측정할 필요가 있다. 본 논문에서는 이 지연시간을 슬립측정 지연시간이라 정의한다. 슬립의 측정은 외부에 별도의 위치추적시스템 또는 위치측정기를 통해 측정한다. 측정이 완료되면 측정치를 기록하고, 점진적으로 하중을 늘린 후 앞서 언급한 과정을 반복한다.

이러한 과정을 통해 수집된 하중 대비 슬립데이터를 분석하여 슬립이 발생하지 않은 범위에서의 최대하중을 본 논문에서는 최대수직부착하중이라 한다.

수직등반속도는 하중과 관계가 되므로, 필요에 따라 무부하 하중에서의 수직등반속도와 최대수직부착하중에서의 수직등반속도를 고려할 수 있다. 여기서 무부하 하중은 등반로봇의 자체중량을 의미하며, 최대수직부착하중은 등반로봇 자체의 중량과 추가적으로 탑재 가능한 중량을 합한 총중량이라 간주할 수 있다.

실험실 수준의 실험환경에서 로봇의 등반속도를 측정하는 것은 공간적으로 한계가 있다. 이는 충분히 긴 주행거리를 가지는 주행벽면을 수직으로 설치할 수 있는 높은 공간이 필요하기 때문이다. 이를 위해 본 논문에서는 Figure 3과 같이 위치제어시스템(point-tracking control system) 및 비전기반의 자세추정시스템(vision-based pose estimation system) 기반의 피드백제어시스템의 구축을 통한 등반로봇의 속도측정 방법을 제안한다. 자세추정시스템은 등반로봇의 현재위치(x,y)와 방위각(φ)을 실시간으로 추정하기 위한 시스템이다. 또한, 위치제어시스템은 자세추정시스템으로부터 실시간 자세정보를 얻고 2차원 공간 상의 특정위치로 로봇을 위치시키기 위한 시스템이다.

Figure 3: 
Configuration of control system for a target robot

로봇의 위치제어시스템은 내부적으로 2개의 제어기로 구성된다. 첫 번째 제어루프는 로봇의 선속도(linear velocity)를 제어하기 위한 것이다. 특히 자체중량이 큰 등반로봇의 경우, 등반속도 측정 시 급작스런 동작이나 정지는 구동부에 무리를 주거나 자칫 추락의 위험이 있을 수 있다. 이를 방지하기 위해, 본 논문에서는 가속, 등속, 감속 구간이 있는 속도 프로파일(velocity profile)을 우선 생성한 후, 이를 토대로 등반로봇의 속도제어를 수행한다. 위치제어시스템을 구성하는 두 번째 제어기는 로봇의 조향각 제어기로, 로봇이 원하는 지점으로 정확히 이동할 수 있도록 차륜의 조향각을 실시간적으로 제어한다. 두 개의 제어기를 통해 등반로봇은 시작점에서 점진적으로 가속하여 일정속도에 다다르면 등속주행을 하고, 목표점에 근접하게 되면 감속하여 목표점에서 정지하게 된다.

제안된 제어시스템을 통해, 평가자는 간단히 수직벽면 상에서 시작점과 출발점을 설정하여 로봇을 주행시킬 수 있다. 또한, 로봇의 주행 시 위치 및 방향 데이터는 실시간으로 수집된다. 따라서 수집된 데이터 중에서 등속구간에 해당하는 데이터만을 선별하여 분석하면 간단히 수직등반속도를 산출할 수 있다. 특히, 이와 같은 제어시스템을 이용하는 경우, 비교적 좁은 공간에서도 성능평가를 위한 실험환경을 구축할 수 있다는 장점이 있다. 다만, 제안된 방법을 적용하기 위해서, 대상로봇은 선속도(v_ref)와 각속도(w_ref)에 대한 참조값(reference)을 전송받고 속도 및 조향제어가 가능하도록 기능적으로 미리 구현되어 있어야 한다.

본 논문에서는 성능 평가를 위해 가로 1.2m, 세로 2.4m, 두께 6mm의 철판을 Figure 5와 같이 수직 벽면에 부착하고, 등반로봇이 철판 위에 부착된 상태로 주행할 수 있는 실험환경을 구축하였다. 또한, 주어진 실험환경 내에서 등반로봇의 주행 가능 거리를 산출하여 거리에 따른 속도 프로파일을 설계하였다. 속도 프로파일은 Figure 5에서 나타난 바와 같이 사다리꼴 형태로서, 가속구간, 등속구간, 감속구간으로 구분된다. 본 실험에서 등반 로봇은 철판의 최하단부를 원점으로, 0.4m 위치에서 출발하여 1.7m를 주행한 후 2.1m 지점에서 정지하도록 설정되었다.

Figure 5: 
Experiment conditions and speed profiles

본 논문에서 제안된 성능평가 방법은 등반로봇의 폐루프 위치제어시스템을 기반으로 구현된다. 이를 위해서는 로봇의 위치와 방향정보를 실시간으로 획득할 수 있어야 한다. 이를 위해, 본 연구에서는 NaturalPoint사의 OptiTrack 모션캡처시스템(motion capture system)[17]을 이용하여 자세추정시스템을 구현하였다.

등반로봇의 내부 제어기에는 추측항법을 통해 로봇의 현재좌표를 실시간으로 산출하도록 구현되어 있다. 그러나 로봇이 등반과정에서 발생하는 슬립으로 인해 위치 정확도가 현저히 떨어진다. 따라서 본 논문에서는 로봇의 외부에 설치된 6대의 모션캡처 카메라를 이용하여 로봇의 위치 및 방향정보를 추정하고, 추정된 정보를 토대로 등반로봇의 속도제어를 수행하도록 시스템을 구성하였다. Figure 6은 수직등반속도를 평가하기 위한 제어 및 모니터링 시스템의 전체 구성도를 나타내고 있다. 전체 시스템은 크게 로봇부, 모션캡처부, 제어부로 구성되어 있으며 이들은 Figure 3에서 나타난 바와 같이 폐루프 위치제어시스템으로 구성된다. 여기서 모션캡처시스템을 구성하는 카메라의 제원은 Table 4와 같다.

Figure 6: 
Overall system configuration for evaluating vertical climbing speed of a wall-climbing robot

Figure 7은 로봇의 성능실험을 위해 구현된 실험 환경을 나타내고 있다. 여기에는 등반로봇의 주행실험을 위한 철판과 6대의 카메라가 각각 위치해 있다. 실제 등반로봇의 위치추적은 다수의 카메라로부터 획득된 영상에서 적외선 반사구(reflecting sphere)의 잔영을 추적하는 방식으로 이루어진다. 본 연구에서는 Figure 4에서와 같이 4개의 반사구를 배치한 반사패턴(reflective pattern)을 등반로봇의 상단에 부착하고, 모션캡처 전용프로그램(MOTIVE)을 통해 이 반사패턴의 3차원 위치와 자세를 실시간 추적하도록 구현하였다.

Figure 7: 
Experiment environment based on motion capture system

본 연구에서는 MOTIVE의 기능 중 서버(server)기능과 스트리밍(streaming)기능을 활성화시켜 실시간 모션정보를 네트워크를 통해 클라이언트(client)에 전송되도록 구현하였다. Figure 8은 MOTIVE의 실행 장면으로 6대의 카메라로부터 획득된 영상을 분석하여 3차원 공간상에 놓인 반사패턴의 위치와 자세를 추정하는 사례를 보여주고 있다.

Figure 8: 
An example scene of the GUI program in motion capture server

본 연구에서는 성능 평가 시 사용자 편의성을 위하여 GUI기반의 등반로봇 제어 프로그램을 구현하였다. 등반로봇 제어 프로그램은 독립된 PC상에서 구동되며 하나의 클라이언트 프로그램으로서 서버와 연동되어 반사패턴의 위치와 자세정보를 실시간으로 전송받을 수 있도록 구현되었다. 제어 프로그램의 주된 기능은 등반로봇의 주행 시작점과 목표점의 간단한 설정만으로 자동적으로 로봇이 주행하도록 하고, 주행이 끝나면 실시간 위치 및 방향정보를 텍스트 파일 형태로 저장하는 것이다. Figure 9는 제어프로그램의 실행 장면을 나타내는 것으로서, 로봇의 초기위치(0cm, 40cm)에서 목표위치(0cm, 210cm)로 이동하는 동안의 등반속도를 그래프로 출력하고 있다.

Figure 9: 
Control and monitoring system for performance evaluation of a wall-climbing robot

등반로봇 제어 프로그램은 무선 통신을 통해 등반로봇과 연동되며, 매 샘플시간마다 로봇의 선속도 및 각속도에 대한 참조값을 산출하여 등반로봇에 전송한다. 일단 GUI화면을 통해 이동명령이 입력되면, 로봇은 원하는 목표위치를 향해 주행하며 목표위치에 도달하게 되면 로봇은 정지한다.

수직부착하중을 평가하기 위하여, Figure 10과 같이 등반로봇을 주행벽면에 수직방향으로 부착하여 2.3.1절의 평가 절차에 따라 부하하중을 추가하면서 슬립 데이터를 수집하였다. 시간에 따른 슬립의 상태를 충분히 반영하기 위하여, 본 연구에서는 슬립측정 지연시간을 5분으로 설정하였다. Figure 11은 슬립 측정실험 결과로서 등반로봇의 하중과 측정된 슬립간의 관계를 도시한 것이다. 등반로봇의 자체 중량인 10.5kg에서 지연시간동안 슬립은 발생하지 않았으며, 부하하중을 점차로 인가하여 8kg이 되었을 시점(총 하중 18.5kg)부터 슬립이 조금씩 발생되었다. 이 시점부터 부하를 인가하였을 때 슬립의 변화 추이를 관찰한 결과, 하중 100g당 대략 0.3mm의 추가적인 슬립이 발생하였다.

Figure 10: 
An example scene of measuring the slip of a wall-climbing robot against adding load

Figure 11: 
Experiment results of adhering slips measured with increasing load

최종적으로 본 평가실험을 통해 대상 등반로봇의 최대 수직부착하중은 슬립이 발생하지 않은 시점의 하중인 18.5kg으로 평가되었다.

[무부하하중에서 주행속도 평가]

본 평가실험에서는 우선 추가적인 하중을 가하지 않은 (즉 등반로봇 자체하중이 가해진) 상태에서 수직등반속도를 평가하였다. 이 실험에서 평가구간은 총중량 10.5kg에 대하여 선속도 20cm/s에서 50cm/s의 구간까지 매 10cm/s의 간격으로 설정되었다. Figure 12는 각 속도구간별로 측정된 속도를 각각 출력한 것이다. 여기서 속도가 높아질수록 출력된 그래프의 시간구간이 짧은 이유는 속도가 높을수록 목표위치에 도달하는 시간이 짧아지기 때문이다. 이 결과를 토대로 무부하하중에서의 최대 수직등반속도는 45cm/s로 평가되었다.

Figure 12: 
Variation of wall-climbing speed without adding load (total weight: 10.5kg)

[최대 수직부착하중에서의 주행속도 평가]

본 연구에서는 로봇에 부하를 인가하여 최대 수직부착하중이 18.5kg인 상태에서 주행속도를 평가하였다. 이 평가실험에서 속도 평가구간은 무부하하중 시와 동일하게 설정되었다. Figure 13은 각 속도구간별로 수집된 등반로봇의 수직등반속도를 나타내고 있다. 여기에서 20~40cm/s의 범위에서는 등반로봇의 속도가 설정치 근방에서 출력되고 있으나, 속도 설정치가 45cm/s인 경우에는 출력치가 설정치에 도달하지 않고 있음을 확인할 수 있다. 이는 대상 등반로봇의 구동모터가 허용하는 최대출력을 내고 있음을 나타내는 것으로서, 이 데이터가 등반로봇이 가지는 최대 수직등반속도를 산출하기 위해 활용될 수 있음을 의미한다. 본 연구를 통해 대상로봇의 최대 수직등반속도는 41cm/s로 산출되었다.

Figure 13: 
The speed at maximum adding load (total weight: 18.5kg)

최대수직부착하중 상태에서 등반로봇의 최대 수직등반속도는 무부하하중 시에 비하여 4cm/s가 감소됨을 알 수 있다. 특히 Figure 13을 토대로 볼 때, 모터의 출력이 최대가 되면 매 시간 속도 변화가 일정하지 않음을 알 수 있다. 따라서 모터 수명과 등반로봇의 안전성을 확보하기 위하여 최대출력의 70%범위인 29cm/s 이하에서 동작시키는 것이 좋을 것으로 판단된다. 실제로 Figure13에서 등반속도가 30cm/s인 경우 최대 출력 시에 비해 안정적인 속도 변화 패턴을 나타내고 있다.