1. 서 론

최근, 사회 전반에 이동로봇의 사용이 증가되고 있는데, 특히, 자동창고 등과 같은 제한된 공간에서의 물류 등에 이동로봇이 많이 적용되고 있다. 물류 분야뿐만 아니라 실내의 행인들을 대상으로 하는 안내와 홍보 분야 등에 서비스 로봇이 많이 적용되고 있다. 그 서비스 로봇들은 이동로봇을 플랫폼으로 채용하여 이동 기능을 구현하고 있다.

사람들을 대신해서 물류와 안내 및 홍보 분야에 적용되고 있는 이동로봇의 공통점으로 실내에서 장시간 연속 동작을 한다는 점을 들 수 있다. 이동로봇의 동력에 주로 전기 배터리가 많이 사용되고 있고, 이동로봇의 운용 시간을 연장하기 위해서는 대용량 배터리가 필수적이다.

이동로봇의 가장 핵심이 되는 기능으로 이동성을 들 수 있는데, 이동로봇은 내부의 특정한 장비뿐만 아니라 배터리까지 장착한 상태로 이동해야 하는 부담을 안고 있어서 대용량 배터리 설치에 따른 중량의 증가는 이동로봇 운용 시간 연장에 걸림돌이 되고, 또, 대용량 배터리 충전에 필요한 시간의 증가에 따른 문제도 발생하게 된다.

경량의 배터리를 기반으로 이동로봇의 실효 운용 시간을 연장하고, 배터리 충전에 따른 운용 휴지기간을 개선하기 위해서 배터리 충전이 아닌 교체라는 방식이 적극적으로 검토될 필요가 있다. 배터리 교체에 대한 관심의 집중에 따른 배터리 접속구 연구^{[1, 2]}와 충전을 위한 무선전력전송 연구^[3] 등이 있다.

합리적인 이동로봇의 운용 시간에 대응되는 경량의 배터리 용량이 설정된 다음, 해당 배터리를 교체하는 방식으로, 이동로봇의 운용 휴지기간을 개선하고, 연속 운용을 구현하기 위해서 배터리를 자동으로 교체하는 장치가 필요하게 된다. 특정한 용도로 24시간 연속으로 운용되어야 하는 이동로봇의 경우에는 더욱 자동 배터리 교체장치가 필요하게 된다.

배터리 교체장치와 관련된 연구로, Wu^[4] 등은 대형 이동로봇의 배터리를 충전하거나 교체할 수 있는 도킹 스테이션을 개발하였는데, 그 연구에서는 대상 이동로봇을 도킹 스테이션까지 안정되게 유도하기 위해서 바닥에 자기 테이프 매설 아이디어를 제시하였으며, 배터리 교체과정 자체에 대해서는 원론적인 수준에서 매우 간략하게 서술되고 있다. Wu^[5]의 연구에서는 리드-스크류 기구를 이용해서 가정용 이동로봇의 배터리의 측면을 파지하여 취출하여 교체할 수 있는 장치가 개발되었는데, 배터리 케이스 전면을 파지하기 때문에 배터리 이송기구의 길이가 길어지고, 배터리 케이스가 로봇에서 직접 교체장치로 진입하기 때문에 이송과정이 불안정해질 우려가 있다. Zhang^[6] 등의 연구에서는 6자유도 로봇을 이용해서 원거리 배터리 교체가 구현되고 있는데, 사용자가 로봇에 부착된 카메라를 통해서 배터리 교체작업을 진행하므로, 그 연구는 24시간 진행되는 배터리 교체작업에 적용되기에는 무리가 있다. Bairwa^[7]에서는 전기 자동차에 적용될 수 있는 배터리 교체에 대한 전반적인 내용들이 연구되었다.

본 연구에서는 이동로봇 내부에 배터리를 거치하고 이송될 수 있는 수납 케이스를 적용하고, 배터리가 거치되어 있는 수납 케이스를 교체장치 내부로 이송기구에 안착된 상태에서 이송시키는 방식과 교체장치 내부에서는 충전된 배터리와 방전된 배터리 자체만을 이동시키는 구조를 채용하여, 배터리 이동 안정성이 개선된, 이동로봇에 특화된 교체장치가 개발되었다.

본 연구의 자동 배터리 교체장치의 제어기는 ROS (Robot Operating System)를 지원하는 rosserial 라이브러리를 이용해서 통신망에 연결되어, ROS 체계에서 관리되고 있는 이동로봇 시스템과 원활하게 접속될 수 있는 특징이 있다.

본 연구의 2장에서는 배터리 교체장치의 핵심 기구인 케이스 이송기구와 배터리 슬라이딩 기구들이 설명되고 3장에서는 각 기구의 제어과정이 기술되고 있다. 4장에서는 실험 및 고찰이 제시되고 마지막으로 5장에서는 결론이 도출되었다.

2. 배터리 교체장치 기구

배터리 교체 과정이 교체장치 내부에서 기구적으로 안정되게 진행될 수 있도록, 본 연구에서는 배터리와의 직접적인 접촉없이 이동로봇 내부에서 배터리를 거치하는 수납 케이스 부분이 외부로 노출되어 교체장치 내부로 진입되는 구조가 채택되고 있다. 다음의 Fig. 1은 배터리 교체장치를 나타내고 있다.

2.1 배터리 수납 케이스 이송기구

기계적인 충격에 민감한 배터리 자체가 어떤 파지장치와의 접촉을 통해서, 이동로봇 내부에서 별개의 시스템에 해당되는 외부의 교체장치 측으로 이송되는 것은 난이도가 매우 높은 과정이다.

배터리를 기계적으로 안전하게 수납하고 있는 케이스 자체가 이동로봇에서 교체장치 측으로 이송되는 것이 상대적으로 용이할 뿐만 아니라, 기타 필요한 부속장치들이 배터리 자체에 직접 접촉하는 것보다 수납 케이스에 접촉하는 것이 효율적이다.

본 연구에서는 배터리 자체를 접촉하지 않고, 배터리를 수납하고 있는 케이스 자체 하단을 파지하여 안정하게 배터리를 교체장치 내부로 이송하는 것을 구현하고 있다. 다음의 Fig. 2는 제작된 배터리 교체장치의 2D CAD의 평면도를 나타내고 있다.

이동로봇이 교체장치에 접근하면 배터리 케이스 이송용 구동장치 (servo-C)는 래크-피니언 기구를 통해서 이송기구(loader)를 배터리 수납 케이스 하단으로 진입시킨다. 이송기구가 배터리 수납 케이스 하단에 밀착되면 파지장치용 구동장치 (servo-D)는 배터리 수납 케이스를 이송기구에 체결한다. 이송용 구동장치는 배터리를 교체장치 내부로 수거하게 된다.

Fig. 1. Battery swapping system

Fig. 2. A CAD modeling of the battery swapping system

2.2 배터리 트레이 슬라이딩 기구

교체장치 내부로 이송된 배터리 수납 케이스 양 측면에는 충전을 위한 배터리 트레이 공간이 배터리 수납 케이스와 나란히 위치하고 있는데, 트레이 공간은 Fig. 2에서 charging area로 표시되어 있다.

배터리 트레이의 한 쪽 공간에는 충전된 배터리가 거치되어 있고, 또 다른 맞은편 트레이에는 방전된 배터리가 진입될 수 있는 충전대기 공간이 마련되어 있다. 방전된 배터리를 수납하고 있는 배터리 수납 케이스와 충전된 배터리를 수납하고 있는 트레이가 나란히 위치한 상태에서 Fig. 2의 우측에 표시되어 있는 구동장치(servo-A)는 래크-피니언 기구로 밀대 (slider)를 통해서 충전된 배터리 측면을 좌측으로 밀게 된다.

밀대에 의해서 밀려 나온 충전된 배터리는 Fig. 3과 같이 배터리 수납 케이스로 진입함과 동시에, 인접한 방전된 배터리는 밀리면서 충전대기 공간으로 진입하게 된다.

배터리 교체장치에는 Fig. 2와 같이 좌우측 말단에 2개의 구동장치(servo-A, servo-B)가 있어서 경우에 따라서 충전된 좌측 배터리가 이동로봇의 수납 케이스로 이동하고, 방전된 배터리는 우측의 충전대기 공간으로 이동되게 된다.

다음 차례의 배터리 교체 과정을 위해서 이동로봇이 교체장치에 접근하게 되면 이번에는 좌측 트레이에서 대기하고 있던 충전된 배터리가 배터리 케이스에 수납되어 있는 방전된 배터리를 우측으로 밀면서 배터리 케이스 측으로 이동하게 된다.

Fig. 3. A sliding mechanism moves exhausted battery to the charging area by sliding the charged one

3. 배터리 교체장치 제어

배터리 교체장치의 제어기는 8비트 16MHz로 동작되는 ATmega 2560 마이크로 프로세서로 구성되어 있으며, 직렬통신 1을 통해서 통신형 서보모터를 제어하고 직렬통신 2를 통해서 ROS에 연결되어 상위 제어기인 이동로봇 제어기와 통신을 실행하고 있다.

배터리 교체장치 제어기는 상위 제어기에서 ROS의 토픽 형태로 전달된 배터리 교체명령을 실행하기 위해서 소정의 타이밍에 맞추어 배터리 이송기구와 배터리 슬라이딩 기구를 구동하게 된다.

교체장치를 기구적으로 구동하기 위해서 통신형 서보모터 MX-28T가 사용되었는데, 그 서보모터는 2.5 Nm의 토크용량을 갖고 외부에서 특정한 각도명령을 전달받아서 자체의 제어기를 통해서 회전축을 해당 각도에 동기시킬 수 있는 기능을 갖고 있으며, 안전한 동작을 위해서 서보모터 자체 제어기는 서보모터의 출력 토크를 외부로 전송하는 기능을 갖고 있다.

3.3 상위 제어기와 교체장치의 통신

배터리 교체장치는 ROS와 연결된 상태에서, 통신형 서보모터들을 구동하고 있다. 적용된 통신형 서보모터는 자체의 제어기를 갖고 있으며, 외부에서 전송된 각도명령을 자체 처리하는 기능을 갖고 있다.

Fig. 4는 배터리 교체장치의 통신형 서보모터 연결도를 나타내고 있다. 적용된 통신형 서보모터는 자체의 고유 식별번호에 기반한 반이중 통신을 사용하고 있어서 인접한 서보모터들과 직렬로 연결되고 전원을 공유할 수 있다. 통신선과 전원선을 공유하고 있어서 연결되어 있는 서보모터의 개수에 상관없이 항상 일정한 연결 배선만 필요하므로 연결되는 전선의 상태가 간단해지는 특성을 갖고 있다.

Fig. 4에는 모두 4개의 통신형 서보모터들과 제어기의 연결이 표시되어 있는데, 서보모터들과 제어기는 전원선을 포함하여 모두 3선 배선으로 연결되어 있다.

Fig. 4. Diagram of actuating servo motors conneting with system controller

ROS에서 실행되고 있는 통신용 보조 프로그램은 ROS에서 발생되는 토픽을 RS-232 통신으로 공유하는 기능을 갖고 있는데, 교체장치 제어기는 배터리 교체 과정에 필요한 토픽을 RS-232통신으로 수신할 수 있는 기능을 포함하고 있다.

4. 실험 및 고찰

본 연구에서 구성된 배터리 교체장치가 시간에 따라서 동작하는 순차적인 모습이 Fig. 5에 표시되어 있다.

본 연구에서 배터리 교체장치의 기구와 제어에 관한 내용들이 중점적으로 다루어지고 있기 때문에, 이동로봇에 해당되는 부분은 배터리 수납 케이스와 그 케이스를 지지하고 있는 정도의 형태로 구성된 가상의 이동로봇 구조물로 대체되고 있고, 배터리는 2.8kg 중량, $110\times 150\times 180{mm}$의 외형을 갖고 있다.

Fig. 5(a)는 대기상태에 있는 교체장치를 표시하고 있으며, 방전된 배터리를 수납하고 있는 이동로봇이 교체장치에 접촉되어 있다. Fig. 5(b) 단계는 이송기구(servo-C)가 배터리 수납 케이스로 진입하여 배터리 수납 케이스를 체결한 상태를 나타내고 있다.

Fig. 5. Sequential battery swapping steps of the battery swapping station

Fig. 5(c)단계는 배터리 수납 케이스가 교체장치 내부로 이송된 상태를 나타내며, 계속해서 Fig. 5(d)는 방전된 배터리가 충전된 배터리와 나란히 정렬된 상태에서 슬라이딩 기구(servo-A)가 충전된 배터리를 횡방향으로 슬라이딩 시키는 상태를 나타내는데, 이 때, 방전된 배터리는 충전된 배터리에 의해 밀려서 좌측의 충전 공간으로 이동하게 된다.

Fig. 5(e)는 방전된 배터리가 충전 공간에 거치되고 충전된 배터리가 이송기구에 안착된 상태를 나타내고 있다. 계속해서 Fig. 5(f)는 이송기구(servo-C)가 충전된 배터리가 거치된 수납 케이스를 이동로봇의 내부로 이송시키고 있으며, Fig. 5(g)는 배터리 수납 케이스를 해제한 이송기구가 복귀되고, 방전된 배터리가 충전 중 상태를 나타내고 있다. 마지막으로 Fig. 5(h)는 다음의 배터리 교체를 위해서 대기하고 있는 교체장치를 나타내고 있다.

이동로봇이 교체장치와 접촉한 Fig. 5(a)의 상태부터 Fig. 5(g)의 이송기구가 복귀완료할 때까지 약 45초가 소요되었다. 교체장치 구동장치의 구동속도를 상향시켜서 교체시간을 단축시킬 수 있는데, 교체과정에서 배터리 사이의 접촉을 이용한 배터리 이송과정에서 발생될 수 있는 배터리의 이격현상을 고려해서 구동장치는 저속으로 운용될 필요가 있다.

Fig. 6은 배터리 교체장치의 동작 흐름도를 나타내고 있는데, 이송기구와 슬라이딩 기구의 동작이 핵심이다. Fig. 7은 본 연구에서 개발된 배터리 교체 실험장치를 나타내고 있다.

Fig. 6. Flow chart of the battery swapping

Fig. 7. Battery swapping experiment

5. 결 론

이동로봇의 배터리를 자동으로 교체할 수 있는 자동 배터리 교체장치가 구성되었다. 이동로봇의 동력원 배터리를 충전이 아니라 교체를 통해, 배터리 충전에 소요되는 시간을 대폭 감소시킴에 따라서 이동로봇 운용의 휴지기간을 대폭 줄일 수 있는 환경이 마련될 수 있었으며, 대부분의 이동로봇 시스템에서 주로 사용되고 있는 ROS 시스템에 용이하게 연결될 수 있는 제어기를 배터리 교체장치에 적용하여 다양한 형태의 이동로봇 시스템과의 연동이 원활히 진행될 수 있는 환경이 마련되었다. 이러한 특징은 특정한 단일 모델의 이동로봇뿐만 아니라 배터리의 외형 제원을 공유하는 형태의 어떠한 이동로봇이라도 그 이동로봇으로의 배터리 교체작업도 가능함을 의미하게 된다. 이동로봇의 배터리 교체 과정의 자동화는 교체장치 자체의 충전 성능 향상 및 배터리 보관 형태를 개선하는 것으로 다수의 이동로봇 시스템에 대응할 수 있을 것으로 기대된다.