본 연구에서 제안하는 기둥등반로봇 단일 플랫폼(single platform)의 기본적인 컨셉은 자가-잠금 시스템에 기반하고 있다. 자가-잠금은 마찰력과 외력의 강도에 관계없이 편심된 자중에 의해 플랫폼이 기울어지면서 생기는 물리적인 현상으로, 기둥등반로봇이 기둥의 높은 곳에 위치해 있을 때, 에너지소비 없이도 현재의 위치를 유지할 수 있게 해주는 특징을 갖게 해주는 “시스템”이다^[15].

[Fig. 1]은 자가-잠금 시스템의 주요 용어와 구성을 보여준다. [Fig. 1]에서 G는 플랫폼의 질량중심이며, C₁과 C₂는 플랫폼과 기둥 간의 접촉지점이다. 이 때의 C₁지점에서의 반력인 수직력을 N₁, 접선력을 T₁으로 표시하였으며, C₂지점에서의 반력인 수직력을 N₂로 표시하였다. 그리고 a는 G과 C₁사이의 길이, b는 C₁과 C₂사이의 거리, 그리고 θ는 플랫폼의 기울어진 각도를 의미한다. 먼저 자가-잠금 조건은 기본적인 정역학의 원리에서 도출된다. ‘식 (1)’과 ‘식 (2)’는 각각 [Fig. 1]에서 y축과 z축의 힘 평형에 의한 식이다.

[Fig. 1] 
Rolling self-locking system^[14]

‘식 (3)’은 C₁지점에서 x축 주변의 토크의 합을 나타내었고 ‘식 (4)’는 C₁지점에서 미끄러지지 않는 조건이며, 쿨롱 마찰법칙을 기반으로 하였다.

‘식 (5)’는 ‘식 (2)’와 ‘식 (4)’를 통해 얻을 수 있으며, ‘식 (6)’은 ‘식 (1)’과 ‘식 (3)’을 통해 얻을 수 있다.

다음으로, ‘식 (5)’와 ‘식 (6)’에서 롤링(rolling) 자가-잠금 조건식인 ‘식 (7)’을 도출할 수 있다.

여기서 θ=arccosdb.

‘식 (7)’은 자가-잠금이 질량에 의존하지 않고 기하학적인 구조와 마찰 특성에 의존한다는 것을 의미하고, 자가-잠금이 a가 충분히 긴 경우 발생하며, 마찰계수(μ)가 클수록, b가 짧을수록 그리고 기울기 각( θ)이 작을수록 잠금에 유리할 수 있음을 보여준다.

제작된 수중 기둥등반로봇 단일 플랫폼의 프로토타입은 [Fig. 7]에, 로봇의 특성은 [Table 1]에 나타냈다. 수중 이동성을 향상시키기 위해에서 중성 부력에 가까운 조건을 만들고자 하였고 이를 위해 5.54 kg의 부력재를 사용하였으며 최종 수중무게 0.43 kg으로 조정하였다. 실험은 제주대학교 융합설계실험실에 있는 수조에서 진행하였으며, 실험에 사용된 기둥 구조물은 [Fig. 8]과 같이 PVC 재질로 제작하였다.

[Fig. 7] 
Single platform prototype

[Fig. 8] 
Self-locking experiment

먼저 [Fig. 8]에 나타낸 바와 같이 플랫폼의 컨셉으로 채택한 자가-잠금(Self-lcoking) 시스템 검증 실험을 진행하였다.

제작된 단일 플랫폼의 기하학적 치수는 a = 153.03 mm, b = 141.01 mm이며, 폴리우레탄 고무의 마찰계수(μ)는 0.4으로 자가-잠금 조건식 (7)을 고려했을 때, 23.5° 이상에서 자가-잠금 기능을 예상할 수 있다.

그리고 실제 진행한 자가-잠금 실험에서 전력을 끊었을 때, 기울기 각도는 약 13°로 조건식 (7)인 θ ≤ 23.5°를 만족하였으며 자가-잠금 기능이 작동함을 확인하였다.

다음으로 단일 플랫폼이 수중에서 작동할 때의 최대 적재하중 실험을 진행하였다. 최대 적재하중 측정 실험의 중량 부가는 분동추로 하였으며 육상무게 기준으로 100 g 단위로 무게를 측정하였다. 실험 과정은 [Fig. 9]에 나타내었고, 적재하중 무게가 0.45 kg(수중무게 기준)일 때까지 작동했으며 그 이상의 무게에서는 작동하지 않았다.

[Fig. 9] 
Maximum payload determination

그 이후, 상기 최대 적재하중의 위치에 따른 단일 플랫폼의 속도 비교실험을 했고, 진행과정과 결과는 [Fig. 10]에서 확인할 수 있다. [Fig. 10]과 [Table 2]에 표기한 바에 따라 적재하중 위치가 기둥에서 먼 경우에 플랫폼의 속도가 감소했음을 알 수 있다. 이는 적재하중 위치에 따른 플랫폼과 기둥이 이루는 기울기 각도가 변하면서(11.9°에서 20.2°) 플랫폼에 부가되는 수직력(Normal Force), N이 변했기 때문으로 판단된다.

[Fig. 10] 
Speed change according to payload position

마지막으로 기둥 표면에 돌출형 장애물 회피 목적의 단일 플랫폼 회전기능 검증 실험을 진행하였다. 실험 진행과정은 [Fig. 11]에서 확인 할 수 있다. 플랫폼이 기둥의 돌출형 장애물(가상)을 회피하기 위해 구동부를 시계방향으로 회전시켜 플랫폼이 이동한 것을 확인할 수 있으며(1-3), 기둥 축 방향기준의 원래 위치로 돌아가기 위해 플랫폼의 구동부를 반시계방향으로 회전 후 움직여 원래 위치로 돌아간 것을 확인할 수 있다(4-6).

[Fig. 11] 
Single platform rotating experiment

이 실험 결과를 통해 기둥 표면에 돌출형 장애물을 회피하기 위한 단일 플랫폼의 작동성을 확인하였고, 단일 플랫폼의 목표 기능을 검증하였다. 또한 이 기능은 충돌 등의 돌발적인 상황에 원하지 않는 회전이 발생한 경우에 원래 위치로 환원되는 것을 가능케 한다.

제작된 수중 기둥등반로봇 듀얼 플랫폼의 프로토타입은 [Fig. 12]에 로봇의 특성은 [Table 3]에 나타냈다.

[Fig. 12] 
Dual platform prototype

듀얼 플랫폼 역시 수중 이동성 향상을 위해 중성 부력에 가까운 조건을 만들고자 하였으며 이를 위해 14.38 kg의 부력재를 사용하여 최종 수중무게 0.07 kg으로 조정하였다.

또한, 듀얼 플랫폼의 경우 연결 링크부 액추에이터의 반력을 견디기 위해 추가적인 강판을 부착했으며, 강판은 구조해석 진행 후 안전성이 확보되고 부식성이 적은 SUS304 재질로 선정하였다.

풍력발전기 하부구조물의 분기된 기둥으로 옮겨 이동할 수 있는지 확인하기 위해 [Fig. 13]과 같이 PVC 파이프로 만든 분기된 구조물로 듀얼플랫폼 기능 검증 실험을 수행하였다. 듀얼 플랫폼의 실험은 [Fig. 13]의 1-5 순서로 진행되었다.

[Fig. 13] 
Functional experiment of the dual platform

실험 결과, 듀얼 플랫폼이 수직인 기둥을 타고 올라간 후에 수평 방향으로 분기된 기둥에 맞게 플랫폼 사이의 각도를 만들어서 분기된 기둥으로 이동할 수 있는 기능을 확인 할 수 있다. 좀 더 자세히 설명하면 [Fig. 13]의 2의 과정에서 분기된 기둥을 오르기 위해 플랫폼 사이에 각도가 형성되면서 전방 플랫폼이 수중에 떠 있게 되며 후방 플랫폼이 위로 움직이고 전방 플랫폼의 그리퍼가 오픈된 상태로 수평 기둥으로 이동 된다. 그리고 [Fig. 13]의 4의 과정에서 전방 플랫폼이 먼저 분리되고, 후방 플랫폼이 오른쪽으로 움직이면서 후방 플랫폼의 그리퍼가 오픈된 상태로 오른편 수직 기둥으로 이동 된다.

이때, [Fig. 13]의 2, 4 과정에서 관측된 아래쪽에 위치한 플랫폼과 기둥이 이루는 각도 θ는 [Table 4]에 나타낸 바와 같이 약 21.16°와 14.43°로 자가-잠금 조건식 (7)로 얻어진 θ ≤ 23.5°을 만족하였다.