이전 프로젝트 - 프로토타입 이동형 로봇

이 글에서는 저와 다른 공대생들로 구성된 팀이 ENED(공학 교육) 수업을 위해 설계한 프로토타입 이동 로봇이라는 소중한 프로젝트에 대해 이야기하고자 합니다. 프로젝트의 구체적인 내용은 특정 자재를 집어 들고 무게에 따라 자재를 식별한 다음 시설 내의 특정 폐기 스테이션으로 자재를 운반할 수 있는 프로토타입 이동 로봇(PMR)이 필요했습니다. 코로나19 팬데믹으로 인해 실물 제작이 불가능했기 때문에 수업에서는 종이 프로토타입만 제출하도록 요청받았습니다. 하지만 종이 프로토타입만 가지고도 우리 팀은 우리가 사용하는 재료와 그 재료가 최종 제작에 미칠 영향에 대해 생각해야 했습니다.

엔지니어링 수업에서 우리는 로봇의 실제 프로토타입이 어떻게 보일지 그림을 그리기 위해 BrickLinks라는 특정 렌더링 소프트웨어를 사용하도록 지시받았습니다. 브릭링크스는 레고 브릭으로 무언가를 만들 수 있는 소프트웨어로, 우리가 만든 프로토타입이 실제로 제작된다면 레고 브릭을 사용하여 제작될 것입니다. 모든 레고 브릭과 부품은 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS)이라는 매우 내구성이 강한 플라스틱으로 만들어졌습니다^.1 로봇의 뒷면에 달린 모터가 효율적으로 작동할 수 있을 만큼 가벼워야 하고, 재료 용기를 무게로 식별할 수 있을 만큼 튼튼해야 하기 때문에 내구성이 강한 플라스틱으로 로봇을 제작하는 것이 중요했습니다. 또한 PMR의 다리는 장애물을 염두에 두고 설계해야 했고 타이어는 허용되지 않았습니다. 이 때문에 우리 팀은 레고 타이어와 같은 재질이지만 중간에 액셀이 없는 고무 레고 조각을 사용하기로 결정했습니다. 레고는 실제 타이어에 사용되는 고무와 매우 유사한 고무 제품을 사용하는데^,2 부타디엔 고무, 스티렌 고무, 천연 고무가 혼합된 제품입니다^.3 특히 PMR의 발을 고무 재질로 만들어서 고르지 않은 지면이나 험난하고 거친 지형에서 프로토타입이 더 안정적으로 움직일 수 있도록 했습니다. 또한 발은 앞뒤로 흔들 수 있는 피봇에 장착되어 고르지 않은 상황에서도 로봇이 견고한 자세를 유지할 수 있도록 했습니다.

설계를 더 잘 설명하자면, PMR은 창고 바닥에 그려진 선을 따라 움직이며 양쪽의 광센서를 통해 우회전 또는 좌회전 시점을 파악합니다(바닥에 그려진 선을 기준으로 PMR의 이동성을 결정한 것은 저희가 결정한 것이 아니라 주어진 규정이었습니다). 로봇의 두뇌는 로봇의 뒷면에 장착된 레고 콘솔 안에 들어 있으며, 이 콘솔은 여섯 다리의 모터 역할을 하기도 합니다. 앞쪽에는 로봇이 재료 통을 집어 올리는 데 도움이 되는 도르래 시스템이 있습니다. PMR의 실제 모습은 수업 지침에 따라 동물의 보행 방식을 기반으로 디자인해야 했기 때문에 거미와 거미의 다리 작동 방식에서 영감을 받았습니다.

위 첨부 파일은 브릭링크 소프트웨어 내에서 로봇의 최종 렌더링입니다. 그림에서 볼 수 있듯이 로봇은 로봇 상단의 서보와 모터뿐만 아니라 전면 하단의 두 개의 광센서를 지탱할 수 있을 만큼 튼튼한 재질로 만들어야 했습니다. 또한 PMR의 소재는 전면의 풀리 시스템을 지탱할 수 있을 만큼 유연해야 하며, 재료 통을 집어 무게를 측정하고 목적지까지 운반하기 위해 수직과 수평으로 완전히 움직일 수 있어야 했습니다. 다행히도 일반 레고 플라스틱은 필요한 모든 측면을 커버할 수 있었기 때문에 발을 제외하고는 특수 부품이나 3D 프린팅 부품으로 로봇을 만들 필요가 없었어요. 플라스틱은 PMR의 섀시와 풀리에는 적합하지만 매우 딱딱하고 유연하거나 신축성이 전혀 없습니다. 즉, 레고 플라스틱으로 만든 다리는 고르지 않거나 까다로운 지형에서는 적합하지 않다는 뜻인데, 이는 우리 디자인에 필수적인 요소였습니다. 이 때문에 팀은 좀 더 신축성이 있는 고급 소재를 사용하기로 결정했습니다. 결국 로봇의 다리에 사용되는 작은 크기의 부품을 레고 타이어 고무로 만들기로 결정했습니다. 이 조각은 맞춤 제작해야 하지만 비교적 크기가 작고 6개만 있으면 됩니다. 그런 다음 다리 조각을 거의 90도 회전하는 축에 배치하여 로봇이 고르지 않은 바닥이나 장애물을 넘어갈 때 접지력을 조절할 수 있도록 했습니다.

결국 이 프로젝트에 사용된 첨단 소재는 합성 고무와 천연 고무, ABS 플라스틱을 혼합한 것이었습니다. 플라스틱은 로봇 본체의 강성을 높이는 동시에 운반 시스템의 유연성을 유지하는 데 기여했습니다. 고무는 로봇의 견인력을 높이고 어려운 지형에서도 효과적으로 걸을 수 있는 능력을 부여하는 데 사용되었습니다.

참고 문헌:

1. 피커링, 데이비드 (1999). 궁극의 레고 책. 뉴욕: 돌링 킨더 슬리. ISBN 0-7894-4691-X.
2. 쓰리 위트, C. (2020, 9 월 11 일). 세계에서 가장 많은 타이어를 만드는 회사가 무엇인지 결코 짐작할 수 없습니다. https://entertainment.howstuffworks.com/lego-tires.htm.
3. S. 타이어 제조업체 협회. (2020). 타이어에 무엇이 들어 있습니까? 타이어의 구성품 | USTMA . https://www.ustires.org/whats-tire-0#:~:text=The%20two%20main%20synthetic%20rubber,in%20combination%20with%20natural%20rubber.