아두이노 메가 기반 UV 살균 로봇: 원격 제어 자외선 멸균 시스템

부품 및 소모품

부품	수량
Arduino Mega 2560	1
FPV 카메라	1
FPV 비디오 송신기	1
FPV 비디오 수신기	1
TFT 컬러 모니터	1
4채널 RC 무선 조종기	1
30W DC 기어 모터	2
VNH5019 듀얼 모터 드라이버	1

필요한 도구 및 기계

• 드릴, 드라이버

프로젝트 소개

로봇 소개

자외선 살균 로봇(UV 로봇)은 UV 조명 시스템을 탑재한 원격 조종 로봇입니다. 시스템은 이동 로봇 본체와 지상 관제 장치(GCS)로 구성됩니다. 조작자는 GCS의 조이스틱으로 로봇을 조종하면서 로봇의 카메라 피드를 보며 작업합니다.

이 로봇은 자외선으로 환경 속 세균, 바이러스, 박테리아 등 유해 미생물의 DNA 구조를 파괴해 살균합니다. 현재 여러 국가에서 병원, 대중교통, 사무실, 공공장소 소독에 이 로봇을 성공적으로 테스트했습니다. 우리는 비용 효율적인 방식으로 이 UV 로봇을 구현해 공공장소 소독을 확대하고자 합니다.

왜 소독액이 아닌가?

공공장소 소독의 가장 일반적인 방법은 70% 알코올 기반 소독액을 뿌리는 것입니다. 하지만 WHO는 공공장소에서 정기적으로 소독액을 사용하는 것이 호흡기 문제, 피부 자극, 환경 불균형 등을 일으킬 수 있어 매우 해롭다고 발표했습니다. 또한 매일 막대한 자재비와 인건비가 듭니다.

UV 로봇의 장점

• 일회성 비용 (알코올/염소액 리필 불필요)
• 표면, 의료복, 마스크, 의료장비 소독 가능
• 액체 소독 대비 소독 시간 60% 단축 (건조 시간 대폭 감소)
• 전자 장비가 있는 환경에서도 사용 가능
• 한 명의 조작자로 넓은 구역 커버 가능 (액체 분무는 여러 명 필요)
• 현지 대학 미생물학 연구소와 협력해 99.997% 살균율 검증 완료

자외선 살균 조사(UVGI)

UVGI는 단파장 자외선(UVC, 100-280nm, 주로 254nm)을 사용해 미생물의 핵산을 파괴하고 DNA를 교란시켜 살균합니다. 저압 수은 램프와 LED가 주로 사용됩니다.

각 미생물마다 비활성화에 필요한 UV 선량이 다릅니다. 코로나19 상황에서 바이러스 비활성화에 필요한 UV 선량을 고려합니다. 연구 논문에서는 "제곱미터당 줄(J/m²)" 또는 "제곱센티미터당 줄(J/cm²)"로 표현하지만, 제조사 사양은 "제곱센티미터당 마이크로와트(µW/cm²) @ 1m 거리"로 표기합니다.

식 1: 선량 = 강도 × 시간 → 같은 광원이라도 노출 시간으로 선량 조절 가능

식 2: 강도는 거리의 제곱에 반비례 → 거리가 멀어질수록 강도 급감

위키피디아에 따르면 8mJ 선량으로 대부분의 바이러스 비활성화 가능.

로봇 기능 이해

산업 표준 준수를 위해 안전 기능 등을 추가해 시스템이 다소 복잡합니다. 구현 전 전체 동작을 이해하는 것이 좋습니다.

로봇은 3가지 주요 구성요소로 이루어집니다.

1. 지상 차량 (Ground Vehicle)

DC 기어 모터 2개로 구동되는 차동 구동 로봇입니다. 앞뒤로 캐스터 휠이 있어 균형을 잡습니다. 전자 제어 시스템과 12V 35Ah 납산 배터리가 내부에 장착됩니다.

아두이노 메가는 메인 배터리에서 전압 레귤레이터로 5V를 공급받습니다. 4채널 RC 수신기(PWM 출력)가 메가 보드에 연결됩니다. 모터는 듀얼 채널 H-브리지 드라이버로 구동되며 아두이노에 연결됩니다. 인버터가 UV 라이트와 배터리 사이에 있으며 아두이노 연결 릴레이로 제어됩니다.

2. UV 라이트 타워

전자 안정기(밸러스트)가 필요한 형광 UV 전구 6개를 사용합니다. 알루미늄 시트를 말아 만든 실린더(반사판 역할) 주위에 전구 6개를 배치합니다. 모든 전자 안정기는 실린더 내부에 장착됩니다. 타워 상단에 FPV 카메라와 송신기가 있어 GCS로 영상을 전송합니다. UV 타워는 지상 차량 위에 고정됩니다.

3. 지상 관제 장치 (GCS)

로봇의 원격 조종기입니다. 화면에 로봇 카메라 피드가 표시되고 조이스틱으로 이동 제어, UV 스위치로 라이트 온/오프, 안전용 무장 스위치로 모든 기능 차단 가능.

UV 라이트 전원 공급

• 전력: 55W
• 파장: 254nm
• 길이: 890mm
• 관 지름: 15mm
• 타입: 단일 단자 4핀

전자 안정기가 4핀에 연결되며 전원 공급 시 점등됩니다.

⚠ 경고: UV 라이트는 피부와 눈에 해롭습니다. 장시간 노출 금지. 투명 유리를 통해 관찰하는 것이 가장 안전합니다(UV는 유리 투과 못 함).

FPV 비디오 시스템

드론용 FPV 시스템을 활용해 별도 프로그래밍이나 납땜 없이 영상 피드 수신 가능. 로봇에 카메라+송신기, GCS에 내장 5.8GHz 수신기 내장 LCD 모니터 사용.

지상 차량 제작

메인 구조는 0.75인치 강철 박스바로 제작. 모터 2개와 캐스터 휠 2개 장착 공간, 납산 배터리 고정 장치 필요. 클래딩 보드로 프레임 커버.

RC 수신기 채널 1-4 PWM 신호 핀이 아두이노 핀 18-21에 연결됩니다:

• Ch 1: UV 스위치
• Ch 2: 로봇 무장 스위치
• Ch 3: 전진/후진
• Ch 4: 좌/우 회전

모터 드라이버 핀은 아두이노 핀 3-11에 연결(회로도 참조).

12V를 AC 230V로 변환해 UV 라이트에 공급하기 위해 인버터 회로 사용. 내장 충전기 있는 상용 인버터 유닛 구매로 복잡성 회피. 수정된 사인파 인버터(효율 ~70%) 사용으로 470W 필요, 안전 마진 고려해 1kW 인버터 구매.

배터리 단자는 인버터 12V 입력에, 전자 안정기는 AC 출력에 연결. 인버터 온/오프 스위치 제거 후 3선(공통, 그라운드, 파워 온)을 릴레이에 연결해 아두이노로 제어.

산업 표준 준수를 위해 시스템 전원 스위치, UV 전원 스위치, 비상 차단 스위치 포함.

UV 라이트 타워 제작

알루미늄 시트를 지름 15cm 실린더로 말고 상하단에 지름 30cm 클래딩 보드 원판을 대 UV 램프 홀더로 사용. 19mm 구멍 뚫어 UV 램프 장착. 전자 안정기는 양면 테이프로 실린더 내부에 고정. FPV 카메라 시스템을 타워 상단에 장착하고 선 2가닥을 실린더 아래로 내림.

지상 관제 장치(GCS) 제작

필요 부품: 2.4GHz 4채널 RC 송신기, FPV 스크린, 토글 스위치 2개, 전원 스위치, 18650 배터리 셀, 3셀 BMS 모듈, 12V 5A SMPS.

송신기 조이스틱 2개 중 1개와 포텐셔미터 2개를 제거하고 토글 스위치 2개에 납땜. 이제 조이스틱 1개와 토글 스위치 2개로 4채널 제어. 한 스위치는 무장, 다른 하나는 UV 제어용. 표시 LED는 배터리 모니터로 활용(배터리 부족 시 적색).

전원 공급: 18650 3개 직렬로 ~12V(완충 12.6V). 9개 셀(3직렬 3병렬)로 3000mAh 용량 확보. BMS 모듈로 보호. SMPS 출력 전압을 12.8V로 조정해 BMS P+/P-에 연결하면 충전 가능.

코딩

PWM 수신기 채널 입력을 인터럽트로 읽습니다. PWM 라이브러리 사용:

PWM ch1(18); // 핀 18 입력 설정
PWM ch2(19);
PWM ch3(20);
PWM ch4(21);

시작 시 배터리 전압 확인, UV 스위치 꺼짐 확인. 문제 있으면 대기.

// 배터리 전압 확인
battery_voltage_monitor();
while(batterylow == true) {
  battery_voltage_monitor();
  low_battery_notification();
}

// UV 스위치 꺼짐 확인
rc_read();
while(uv_pwm > switch_on_pwm) {
  rc_read();
  uv_on_warning_at_startup(); // 부저 경고
}

모터 구동 시 배터리 전압이 일시적으로 떨어지므로 로봇이 움직이지 않을 때만 배터리 모니터링 실행.

if (robot_moving == false) {
  battery_voltage_monitor();
}

모터 드라이버 제어, 부저 톤 생성, 릴레이 제어 등은 일반적 방식 사용.

작동 절차

전원 켜기

GCS 컨트롤러: 1) 메인 스위치 온 2) 무장 스위치와 UV 스위치 모두 끄기(아래 위치)

로봇: 1) 전원 스위치 온 2) 시작 톤 대기 3) 시스템 정상 톤 대기

로봇 조종

1. 로봇 무장 스위치 온
2. 조이스틱으로 이동
3. UV 스위치 온으로 UV 라이트 점등 (무장 스위치가 꺼져 있으면 UV 스위치 작동 안 함)

배터리 표시

• 최소 4칸 이상 점등 시 작동 가능
• 배터리 부족 시 마지막 2칸 깜빡이며 부저 경고

충전 절차

1. 로봇 끄기
2. GCS 끄기
3. 인버터를 콘센트에 연결 (보통 내장 충전 표시기 있음)

일반 주의사항

1. 혼잡한 장소 사용: UV 라이트는 눈과 피부에 해로움. 3m 이내에서 60초 이상 노출 시 눈 손상, 피부 자극 가능. 하지만 고체 매질은 투과 못 함. 투명 유리를 통해 보는 건 안전.
2. 민감한 소재/기기: 연질 플라스틱(장난감, 식품 포장)은 UV에 매우 민감. 해당 장소에서는 사용 불가. 단, 바닥 소독은 가능.
3. 병원 사용: 고빈도 접촉 표면 단시간 소독에 유용. 하지만 의료 장비/약품에 대한 효과 고려 필요. 의료기기 플라스틱 케이스는 제조 공정 중 방사선 처리된 경질 플라스틱이라 상대적으로 안전. 스테인리스 의료기기와 N95 마스크는 멸균 가능.
4. 그늘진 구역 효과: UV는 가시광선처럼 반사. 직사광이 안 닿는 곳도 반사광으로 소독되나, 심하게 가려진 곳은 효과 제한적. 액체 소독도 마찬가지.
5. 기타: 밀폐 공간에서 장시간 작동 시 오존 발생. UV 살균 후 20분 환기 권장.

코드 및 회로도

아두이노 메가 코드: GitHub 저장소

회로도: Fritzing 파일 제공