[KUSMO] 11/30 프로젝트 종료

• 프로젝트 목표 : 실내 자율주행 배액 수거 로봇 개발
• 수행 기간 : 2022.08 ~ 2023.11.30
• 참여인원 : 3명
  • SW 개발 1, HW 개발 1, Server 개발 1

 

- 주요 성과

 

• 2022.05 ~ 10 : 정부 지원사업 선정 (세종테크노파크 지역 과학문화 역량 강화 사업 '우리동네 과학클럽')
• 2022.09 ~ 2023.01 : 교내 창업동아리 선정
• 2022.11.24 : 교내 학술제 우수상 수상
• 2023.03 : 디바이스마트 ICT 융합 프로젝트 공모전 장려상 수상
• 2023.11 : 한이음 ICT 멘토링 공모전 동상 수상
• 2023.11 : 교내 학술제 우수상 수상

 

- 작품 개요

• 고령화 현상으로 인한 고령 요양자 및 환자 증가, 의료/간병 인력 부족 현상을 해결
• 기존에 간병인이 맡았던 배액 관련 업무를 대체하여 의료, 간병 간의 부담 감소 목표

 

- 작품 소개

• 한이음 2차 평가 제출 영상

 

1) 전체 System 구성

• OS : Ubuntu 20.04
• Controller Board : Intel NUC 11 Essential Kit

System Block Diagram

 

 

2) Hardware 구성

    1. 전체 Hardware

전체 Hardware

• 전체 크기 : 540mm x 550mm x 1130mm 
• 무게 : 60kg
• PVC 열 가공을 통한 하단 구동부 케이스 제작
• 2T 알루미늄 플레이트 절곡을 통한 상단부 케이스 제작

 

    2. 구동부 

• 15T 알루미늄 판 주문 제작을 통한 구동부 몸체 구성

 

모터 - 브라켓 연결부

• 브라켓을 통한 모터와 감속기 장착

 

브라켓

• 브라켓은 프레임과의 연결부를 Slot 처리하여 벨트의 텐션을 조정 가능하도록 함

 

벨트를 통한 모터 - 휠 연결

• 로봇의 큰 하중을 안정적으로 지지하기 위해 구동부 하단에 베어링 하우징을 통해 구동 축 장착
• 프레임 상단의 모터 축과 하단 구동 휠에 풀리 부착 후 벨트를 이용해 동력 전달

 

• 유사시 로봇의 즉각적인 정지를 위한 비상정지 스위치 배치
• 스위치를 누를 경우 모터 드라이버로의 전원 공급이 중단되어 모터의 작동이 정지

 

 

     3. 접속부 

병실 내부의 배액 컨테이너

• 병실 내부에 환자의 배액을 보관할 컨테이너 설치 

 

배액 수거를 위한 구조물 설계도 및 실제 사진

• 병실 내부의 컨테이너와 배액 수거 구조물 양단에 SP 커플러를 배치하여 수동으로 접속이 가능하게 함
• 접속 시 병실 내부의 배액 컨테이너 속의 배액이 호스를 타고 로봇 내부의 배액 컨테이너로 이동하게 설계

 

호스를 통한 로봇 내 배액 컨테이너로의 연결

 

      4. 폐기부

로봇 내 배액 컨테이너 구조

• 2개의 수위 센서를 통한 배액량 모니터링
• 배액량에 따라 LED의 색깔이 변하게 하여 완충 여부를 알 수 있게 함

LED를 통한 배액량 표시

 

폐기부 구조를 통한 배액 폐기

• 폐기 위치 도착 후 2DOF를 갖는 로봇 팔을 배출하고 로봇 내 배액 컨테이너 내부의 펌프를 Relay를 통해 제어하여 배액을 밖으로 배출

 

Arduino, Relay, 수위 센서 연결

• 로봇 내부 프로파일에 Arduino 및 각 센서 배치  

 

 

  5. 전원 공급도

전체 Hardware 전원 공급도

• 24V LiFePo4, 12V 18650 배터리와 DC-DC Converter, Relay를 통해 각 부품에 전원 공급

 

 

 

3) Software 구성

• 전체 Source Code : https://github.com/YoungSeong98/Project_KUSMO

GitHub - YoungSeong98/Project_KUSMO

 

  1. 전체 Flow Chart

Flow Chart

• 충전 구역에서 대기 중 호출이 들어오면 해당 병실로 자율주행을 통해 이동
• 도착 후 접속부 수동 연결을 통해 배액 컨테이너에 접속하여 배액 수거
• 수거 완료 후 다시 자율주행을 통해 대기 위치로 복귀
• 수위 센서를 통해 로봇 내의 배액량 모니터링 후 완충 시 폐기 구역으로 이동하여 배액 폐기

 

  2. ROS 관련

• ROS Noetic 사용

 

  2-1. 자율주행 관련

    1) TF (Transformation)

TF 구성

• 로봇의 실제 Sensor 간의 거리 측정 후 해당 값에 맟게 TF 설정

 

    2) SLAM

• Hector SLAM을 통한 Mapping 진행

 

 

    3) Global / Local Planner

• Global Planner : Navfn
• Local Planner : DWA (Dynamic Window Approach)

DWA Local Planner 사용 장면

 

 

     4) Localization

• AMCL (Adaptive Monte Carlo Localization) 사용

AMCL을 통한 Localization

 

 

4) 사용 부품 목록 

• 전체 부품 및 가격 리스트

로봇 비용 계산.xlsx

0.01MB

 

 

• Intel NUC 11 Essential Kit : 로봇의 Main PC 역할

https://www.devicemart.co.kr/goods/view?no=14566494

산업용 PC Intel® NUC 11 Essential Kit [NUC11ATKC2]

 

• RPLidar A1 : Lidar 센서

https://www.devicemart.co.kr/goods/view?no=1149202

슬램텍 RPLIDAR A1M8-R6 360도 거리측정 라이다 센서 - 12m

 

• iAHRS (RB-SDA-v1) : IMU 센서

https://www.devicemart.co.kr/goods/view?no=13900391

IntelliThings iAHRS (RB-SDA-v1)

 

• MD200T : 모터 드라이버

https://www.mdrobot.co.kr/BLDCMotordriverDCstore/?idx=160

MD200T / DC12V~48V, 10A x 2ch, 200W : 엠디로봇 | 맞춤형 로봇플랫폼, BLDC모터, 모터드라이버, 제어시스템

 

• BL9N2G30E0200 : BLDC 모터

https://www.mdrobot.co.kr/BLDCMotorDCstore/?idx=220

BL9N Series 강력한 고성능 BLDC모터 (24VDC, 3000RPM, 200W)

 

• HX19-B6 : 비상 정지 스위치

https://www.devicemart.co.kr/goods/view?no=1325061

메탈 비상 정지 푸쉬락 스위치 [HX19-B6]

 

• Arduino Mega : 폐기부, 펌프, 수위 센서 및 LED 제어 (2개)

https://www.devicemart.co.kr/goods/view?no=10918650

아두이노 메가 2560 R3 호환 보드 CH340 [SZH-EK375]

 

• DC 12V Linear Actuator : 폐기부 중 Y축 Linear Actuator

https://www.devicemart.co.kr/goods/view?no=15009701

DC 12V/24V 리니어 엑츄에이터 300mm(행정거리)

 

• Linear Rail Slide CNC Actuator : 폐기부 중 Z축 Linear Actuator

https://scipia.com/product/500-%EB%A6%AC%EB%8B%88%EC%96%B4%EB%A0%88%EC%9D%BC-%EC%8A%AC%EB%9D%BC%EC%9D%B4%EB%93%9C-cnc%EC%97%91%EC%B6%94%EC%97%90%EC%9D%B4%ED%84%B0-%EC%95%84%EB%91%90%EC%9D%B4%EB%85%B8/906/category/153/display/1/

500 리니어레일 슬라이드 CNC엑추에이터 아두이노

 

 

• L298N : Y축 Actuator 제어용 모터 드라이버

https://www.devicemart.co.kr/goods/view?no=1278835

2A L298 모터드라이버 모듈 (아두이노 호환) [SZH-EK001]

 

• CNC Shield : Z축 Actuator 제어를 위한 Arduino Shield

https://www.devicemart.co.kr/goods/view?no=1361492

아두이노 GBRL 호환 CNC 쉴드 [SZH-ET004]

 

• A4988 : Z축 Actuator 제어용 모터 드라이버

https://www.devicemart.co.kr/goods/view?no=1327610

A4988 스텝 모터 드라이버 모듈 레드 RED (방열판 포함)

 

• SEN0204 : 배액량 모니터링을 위한 비접촉식 수위 센서

https://www.devicemart.co.kr/goods/view?no=1320952

무접점 수위 센서 모듈 [SEN0204]

 

• JBL-B02 : 배액 배출용 펌프

https://www.devicemart.co.kr/goods/view?no=1232489

JBL-B02

 

• DMBP-LF128-4S4P-B20 : 전원 공급을 위한 12.8V 리튬 인산철 배터리팩 (2개)

https://www.devicemart.co.kr/goods/view?no=10827077

12.8V 13,200mAh 리튬인산철(LiFePO4) 배터리팩 - 20A BMS [DMBP-LF128-4S4P-B20]

 

• XL4016E1 : NUC으로의 19V 전원 공급을 위한 DC - DC Converter

https://www.devicemart.co.kr/goods/view?no=1362015

XL4016E1 DC-DC 스텝 다운 레귤레이터 모듈 [SZH-CH029]

 

• 95mm 두랄루민 컵스턴 주행 로봇 휠 바퀴 홀8mm

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• 베어링 하우징

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• 그 외 구동부 구성을 위한 15T 알루미늄 판과 내부 골격 형성을 위한 프로파일, 하단부 케이스를 위한 PVC, 상단부 케이스 제작을 위한 2T 알루미늄 판 사용