2019/08/05 - [로봇] - 인생 프로젝트 시작 - MORS 프로젝트 #1 개요

2020/05/17 - [로봇] - 인생 프로젝트 시작 - MORS 프로젝트 #2 Restart

2020/05/30 - [로봇] - 인생 프로젝트 시작 - MORS 프로젝트 #3 Modeling

2020/07/28 - [로봇] - 인생 프로젝트 시작 - MORS 프로젝트 #4 다리 제작

이 프로젝트를 RESTART한 것이 올해 5월 17일… 거의 3개월 전이다.

그동안 상당히 많은 부품을 모델링하고 출력하고…또 일부는 출력대행을 맡기고…

테스트를 위해 조립하고… 잘못된 설계를 바로잡고… 다시 출력하고…

최근에는 3D 프린터의 유해성(정확히는 3D 프린팅 과정에서의 유해물질 배출) 논란으로 인해

심리적 부담까지 가지면서 나름 열심히 달려왔다. 출력 대행을 맡긴 2개의 부품도 사실은 바로 

이 유해성 논란이 찜찜해서 가장 출력 시간이 긴 2개를 맡긴 것이었다. 그 이후 미봉책으로 소형

공기청정기를 3D 프린터 옆에 두고 프린팅 할 때마다 켜놓고 있기도 하다.

아무튼 오랜 시간과 노력을 기울여 드디어 모든 부품이 출력 완료 되었고 이제 조립을 하는 일만

마무리하면 절반 이상은 끝나는 것과 다름 없다.

출력된 부품들과 간단한 조립 과정

출력된 부품은 대략 100여개이며 출력 후 공차가 맞지 않아 다시 출력한 것들만도 10여개는 될

것같다. 또한 3D 프린팅이 아닌 기성품을 사용한 것으로 서보모터 외에 RC용 링크 로드와 서스펜션을

사용하였다. 아래 사진은 일부 테스트를 위해 조립된 것을 포함한 부품들이고 출력 대행을 맡긴

몸체 2파트는 빠진 부품들이다.

그리고 출력 대행을 맡긴 부품들은 몸통을 구성할 부품으로 아래와 같다. 상단부는 무게 감소와

다양한 장치를 부착할 수 있도록 트러스 구조 비슷하게 만들어보았다. 구조가 이렇다보니 출력대행을

맡길 때에도 아예 출력을 못하겠다는 곳도 있었고 수 십 만원의 견적을 내는 곳도 있었는데 다행히

좋은 분을 만나 괜찮은 품질로 전달을 받았다(구조상 서포터가 붙은 아래쪽의 품질은 포기할 수밖에

없는 상황이었다).

애초에 크기가 예상보다 많이 커졌다는 것은 짐작하고 있었지만 모든 부품을 받아보고 나니 더욱

실감이 날 수밖에 없었다…-.-

조립은 테스트용 다리 하나가 이미 만들어진 상태에서 동일한 부품들을 조립하는 것이라 초반 진행은

그리 어렵지 않았다. 다만 처음부터 끝까지 힘들게 한 것은 아슬아슬하게 공차가 맞지 않는 부분들을

줄로 갈아내고 드릴로 뚫고 하는 부분이 어려웠고 손잡이가 따로 없는 육각렌치로 작은 나사들을

조이다보니 오른손 엄지와 검지가 고생을 좀 많이 했다…ㅠ.ㅠ

이렇게 각각의 부분들이 조립된 상태가 아래 사진과 같다.

조립 완료…그러나…

드디어 조립이 완료되었다! 전체 부품이 확보된 이후 조립 완료까지는 하루에 3~4시간 씩 대략 2일 정도가 걸려

그리 오래 걸리진 않았다.

그래도 제대로 된 설계 없이 하나의 부품을 디자인하고 거기에 연결되는 다음 부품을 디자인하는 식으로 두서

없이 디자인 한 것치고는 제법 그럴싸한 비주얼이었다. 다만 여러차례 언급했듯이 무식하게 커진 크기와 그 

크기에 걸맞는 어마어마한 무게가 걱정스러울 뿐… 무게는 대충 따져도 3Kg을 넘는 무게였다(지난 포스팅

내용 중 다리 하나의 무게가 대략 580g이라는 내용을 적은 적이 있다).

포스팅을 공유했을 때 많은 분들이 현재 사용하고 있는 SG90 서보 모터로는 토크가 부족할 것이라고 우려를

해주셨는데 역시나 아무리 각 다리별로 2개씩 총 8개의 서보모터가 지지를 한다고 해도 SG90으로는 택도 

없었다. 결국 로봇은 주저앉았고 한쪽 다리에서는 서보모터 지지대까지 파손되었다…ㅠ.ㅠ

결국 고관절쪽 서보모터들은 좀 더 상급의 모터로 교체를 할 수밖에 없는 상황이 되었고 그나마 다행인 것은 

새로운 서보모터 브라켓 정도만 새로 모델링하면 큰 수정 없이 보완이 가능하다는 것이다.

정리

아마도 내가 공돌이 출신이라면 이지경이 되기 전에 보완을 했으련만…결국은 맛을 봐야 똥인지 된장인지

구분할 수 있는 어설픈 실력으로 너무 무리한 프로젝트를 진행한 것은 아닌가 싶은 생각마저 든다.

하지만 불행중 다행으로 아무생각 없이 나중에 쓸 곳이 있겠지 하며 뚫어 놓은 나사 구멍 덕분에 보완하는

데는 큰 무리가 없을 것 같아 얼마나 다행인지 모른다.

일단 체력 소진으로 당장은 진행도 못하겠거니와 새로운 모터 사이즈에 맞는 브라켓을 모델링 해야 하기 

때문에 로봇은 다시 일부 분해하여 수면 모드로 작업 책상(나의 사랑스러운 토마스 책상~)에 올려놓았다.

어서 기력을 회복하여 다음 작업을 진행해야겠다.

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2020/08/16 - [로봇] - 인생 프로젝트 시작 - MORS 프로젝트 #5 조립 완료… 그러나…

일단 어찌어찌 모델링은 진행을 하였으나 역시나 한방에 끝낼 수는 없었다.

지난 포스팅에서도 언급했듯이 Fusion 360을 독학으로 공부하다보니 Fusion 360의 장점들을 하나도

활용할 수 없는 모델링이 되어버렸고, 결국 치수 하나라도 수정할라치면 아예 새로 만드는 편이 빠를

정도였다.

이렇게 뉴비 티 팍팍 내면서 죽을 둥 살 둥 겨우겨우 모델링을 마치고 차근차근 3D 프린터로 출력한

부품들을 모아 모아 조립을 하고 간단하게 동작을 테스트할 수 있게 되었다.

Print! Print!! Print!!!

3D 프린팅은 시간과의 싸움이다. 기술의 발전으로 이 문제도 곧 해결은 되겠지만 적어도 현재까지는

시간과의 지난한 싸움이다. 

대체로 직접 연결되는 부품들은 몇 개를 세트로 묶어서 출력을 하게 되는데 이번 작업의 경우 한 세트를

출력하는데 평균 15시간 이상이 걸렸다. 기록을 남겨놓지는 않았지만 아래 사진의 부품 모두를 출력

하는데 대략 55 ~ 60 + 𝛼의 시간이 걸린 듯하다. 𝛼는 출력 후 치수가 맞지 않아 재출력한 경우로 𝛼만

해도 10시간 이상은 걸렸을 것이다.

그런데 이 3D 프린터라는 놈이 참 묘한게 그렇게 오랜 시간이 걸리니 프린트 시작하고나서 딴일을 보면

될 것인데 괜히 그 앞에 얼쩡거리면서 지켜보게 된다. 그만큼 신기하기도 하고 또 한편으로는 불안하기도

한 작업이기 때문이 아닐까 한다. 다행히 새로 구입한 Ender-3 Pro K는 꽤 신뢰가 가는 기기라서 불안

보다는 신기함으로 쳐다보게 된다.

1차로 모두 조립을 해놓고 보니 고관절쪽이 영 부실한 것이 전체 다리 무게를 제대로 지탱하지 못할 것

같았다. 게다가 가동부를 너무 대충 설계해서 회전부에 베어링을 쓰지 않고 만들려다보니 마찰을 우려해

너무 유격을 크게 준 것이 더더욱 불안한 상태가 되었다.

결국 고관절쪽이 다리의 무게를 버티기 힘들 것 같다고 판단하여 고관절쪽만 새로 모델링하고 출력을 

하였다. 여기에 또 25시간 이상이 걸렸다. 게다가 큰 사이즈의 베어링도 추가되어 비용도 조금 추가되었다. 

하지만 투자한 것 만큼 튼튼한 구조물이 나와줘서 결과는 만족스러웠다. 

다만 고관절쪽의 부품에 모터를 삽입할 때 모터 케이블이 들어갈만한 유격을 주지 않아 억지로 끼우다가

모터 케이블 하나 끊어먹고, 새로 출력하자니 또 한 7시간 걸리겠고, 결국 로터리 툴로 갈아내어 공간을

확보한 후 겨우 조립을 하게 되었다. 

이렇게 마무리하고 모두 조립을 했더니 부품들이 기분 좋게 딱 들어맞았다~

일단 프로토타입이기에 여기까지 마무리를 한 것이고 중간중간 조립 하면서 각 부품의 모델링을 수정한

상태이며 추후 다시 전체 부품을 다시 출력을 해야 한다…ㅠ.ㅠ

꽃게를 만들고자 했는데 킹크랩이 나타났다!

애초에 리니어 액츄에이터가 생각보다 사이즈가 크게 나왔을 때부터 예상을 했어야 했다…-.-

리니어 액츄에이터의 정밀도를 높이기 위해 예전에 일반 육각볼트를 쓰던것을 리드 스크류로

바꾸었고, 국내에서 구입할 수 있는 가장 작은 T5 사이즈를 사용해도 너트 지름이 20mm나

되다 보니 자연스레 사이즈가 커질 수밖에 없었다(나중에 알리에서 T4와 T3.5짜리를 발견하여

구매하려 했으나 너트는 T5와 같은 사이즈를 사용하여 교체의 의미가 없었다).

리니어 액츄에이터를 먼저 만들고 거기에 맞춰 다리를 모델링하다보니 전체 크기나 무게가 생각보다

많이 커져버렸다. 예전에 처음 만들었던 4족 보행 로봇인 SEW도 그리 작은 사이즈는 아니었는데,

이번 MORS는 길이로만 따져도 그보다 적어도 2배는 커진 듯하다.

그나마도 아직 종아리 부분 중간에서 발까지는 조립도 안된 상태여서 길이는 더 길어질 예정이다.

길이도 길이지만 무게가 580g이나 나가서 고관절 부위에 사용하기로 한 SG90 서보 모터로

이 무게를 감당할 수 있을지가 걱정이 되었다. 물론 SG90도 stall torque가 1.8kgf.cm정도

되는데다가 다리를 들어올리는 부위에는 모터를 2개 사용하도록 설계하여 크게 걱정할 일은

아니었지만 실제 구동해보기 전까지는 그저 불안불안 할 뿐이었다.

우선은 모두 조립을 한 후 각 부위별로 동작을 확인해보는 수밖에 없었다.

구동 테스트

일단 SG90 2개를 이용하여 다리 전체를 끌어올리는 것은 문제가 없었다. 생각보다 안정적으로

동작을 하여 이 부분은 더 손볼 곳이 없어보였다.

하지만 다리의 좌우 회전을 담당하는 고관절 부위는 MG90s 모터 1개로 움직이다보니 580g이라는

무게를 감당하기가 버거워보였다. 무게로 인한 관성 때문에 움직임이 많이 불안정해 보이고 코딩으로

설정한 최대치나 최소치의 각도보다 더 많이 움직이고 있었다. 게다가 아래 동영상의 고관절부위 

부품들은 개선되기 전의 부품들이다보니 부품 자체의 유격으로 생기는 불필요한 움직임도 한몫 했을

것이다.

그래서 위에 언급한 바와 같이 고관절 부품들을 새로 모델링하기까지 했으며, 나중에 이 부분에 사용하는

모터 역시 MG90 고토크 버전(2.2kgf.cm)으로 바꾸어 달았으나 아직 다리 부분까지는 연결해보지 못했다.

정리

일단 여기까지 해놓고 전체 부품을 출력하기로 했다. 늘 하는 변명이지만 상당한 시간이 걸릴 것이다…-.-

그리고 다리 부품들을 출력하는 동안 몸통을 모델링 해야 한다…

모든 설계를 끝마치고 난 후 출력하여 조립을 해보고 문제가 있으면 설계를 변경하여 다시 출력을 하고…

이렇게 진행되어야 맞는 과정인데…도대체 뭘 하고 있는 건지…ㅠ.ㅠ 나중에 어떤 기괴한 결과물이

나올지는 모르겠지만 다행이 아직까지는 특별히 불만족스러운 부분은 없다는 것을 위안으로 삼는다.

이 시간에도 나의 3D 프린터는 열일을 하고 있는 중이고 머지 않아 전체 윤곽을 볼 수 있을 것 같다.

당장에 움직이진 않더라도 전체 모습을 보게 된다는 것만으로도 기대가 된다.

또 열심히 부지런 떨어보자~

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2020/05/17 - [로봇] - 인생 프로젝트 시작 - MORS 프로젝트 #2 Restart

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2020/08/16 - [로봇] - 인생 프로젝트 시작 - MORS 프로젝트 #5 조립 완료… 그러나…

이번 프로젝트를 진행하기 전에도 여러차례 로봇 제작을 시도한 일이 있었다.

당시에는 아는 툴이 Autodesk사의 123D Design이라는 무료 툴밖에 없어서 그것으로 모델링 아닌

모델링을 했었다. 다만 안타깝게도 3D 프린터 출력 사이즈가 너무 작다보니 부품을 최대한 작게 분할해야

했고 또 이전 3D 프린터의 레벨 잡기가 너무 어려워 실제 출력은 모델링한 부품 중 일부만 진행하였다.

Fusion 360을 만나다.

그러던 중 작년에 처음 Fusion 360을 알게 되었다. 123D Design이 공식적으로 서비스 종료되면서

대체할 툴을 찾던 중 비교적 전문적인 툴이면서 무료로 사용할 수 있는 툴이다보니 선택하지 않을 이유가

없었다. 물론 사용법이 복잡하면 어쩌나 하는 두려움도 있었지만…

그러한 두려움 때문에 사실상 작년에는 거의 사용을 하지 못했다. 뭐 그런 이유 때문만이 아니라 작년에는

고도화 프로젝트와 집에 우환이 있어 아무 것도 하지 못하고 있을 때였기도 하고…

그러다가 느즈막히, 올해 3월 말에 금년의 계획을 정하면서 제대로(?) 모델링 공부를 해보자고 생각하고

열심히 유튜브 강좌를 보면서 나름 공부를 하였고 드디어 4족 보행 로봇의 다리 한짝을 대충이나마 

모델링 할 수 있게 되었다.

물론 혼자 야매로 배운 탓에 많은 부분 실수의 연속이었다. 스케치 면이 중구난방이다보니 모델링한

바디들이 제대로 위치를 못잡는 경우가 허다했고, 바디나 컴포넌트끼리 엉켜서 에러를 뱉는 경우도

셀 수 없이 많았다. 그래도 어찌어찌 목표한 바는 이루었다고 자평한다.

모델링

모델링된 대상은 4족 보행 로봇의 다리 프레임으로 구동부와 관절부를 포함하고 있다.

Fusion 360을 사용하면서 가장 맘에 들었던 기능은 바로 join였다. 물론 위의 이미지처럼 예전에

썼던 123D Design도 자석 기능으로 개별 부품들을 서로 붙일 수 있었다. 하지만 그것은 접착제로

붙인 효과 이상은 아니었다. 조립된 물체가 제대로 움직이는지 확인할 길이 없었다.

하지만 Fusion 360의 joint 기능에는 motion을 추가하여 지정한 모션에 따른 움직임을 바로 확인해

볼 수 있었다. 로봇의 다리에는 많은 모션이 필요하진 않고 아래 이미지에서 보는 바와 같이 회전운동

(Revolute)과 직선운동(Slider)만 있으면 되었다. 

그렇다고 마냥 쉽지만은 않았다. 분명히 움직여야 할 것 같은 구조에서 움직이지 않는 경우가 다반사였다.

다행히 네이버의 Fusion 360 카페에서 도움을 받아 해결을 했는데 다음의 2가지 사항을 유의하면서 하니

제법 잘 동작했다.

• 가능하면 바로 rigid joint를 사용하지 말고 rigid group을 이용하자

• 가능하면 As-built joint를 이용하자

그리고 이렇게 joint된 물체를 움직여볼 수도 있었다. Motion Study라는 기능을 이용하여 원하는 

움직임을 구성한 후 플레이하면 미리 시뮬레이션을 해볼 수 있는 것이다. 그런데 버그인지 내가 뭔가

잘못한 것인지 원래 플레이 버튼만 누르면 동작이 실행되어야 하는데 50프레임 이후 동작이 실행되지

않았다. 하지만 내가 타임라인 바를 움직이면 아래 동영상처럼 정상 동작하였다.

아직 모든 관절 부위가 다 구현된 것은 아니자만 일단 실물 테스트를 해보기에는 충분하다고 보인다.

또하나 재밌는 기능은 Animation 워크스페이스의 Auto Explode 기능을 이용하면 부품 전개도를

쉽게 만들 수 있다는 것이었다. 바로 아래 이미지와 같은…

그런데 역시나 무얼 잘못했는지(아마도 컴포넌트 하나에 다른 컴포넌트가 들어가버려서 그런 듯)

나는 Auto Explode 기능이 에러가 나면서 실행되지 않았다. 대신에 Transform Component라는

기능을 이용했는데 부품을 하나하나 직접 움직여줘야 했지만 그리 어렵지는 않았다. 이렇게 한 후

애니메이션을 플레이하면 이런 장면을 볼 수 있다.

마지막으로 부끄럽지만 전체 모습과 모델링 과정을 동영상으로 한 번 보고 마무리 하자

정리

아직은 모든 것이 엉망이다. 앞에서도 언급했듯이 아직은 스케치부터 엉망이라 뒷수습이 안되는 경우도 

많고, 애초에 밑그림조차 없이 머릿속에 있는 것을 바로 Fusion 360으로 구현하려니 뭔가 비례나 균형이

안맞는 부분도 있고, 나름 디테일을 더해보려고 핀터레스트에서 kit bash나 hard surface 등을 검색하며

흉내를 내보지만 뭔가 어설프고…ㅠ.ㅠ

그래도 Fusion 360이라는 좋은 툴을 알게 되어 얼마나 다행인지 모르겠다. 내가 계획한 일에 한걸음 더 

다가선 느낌도 좋지만 Fusion 360을 공부하는 것 자체 또한 생각 외로 재밌는 일이다. 다만 앞으로 좀 더

신중하게 모델링하여 더 나은 결과물이 나오도록 해봐야겠다.

일단 이쯤에서 모델링한 것들을 3D 프린터로 뽑아서 실제 동작을 확인해봐야 할 것 같다.

이번 주말부터 3D 프린터를 돌려야 하는데…또 얼마나 시간이 걸릴지…ㅠ.ㅠ

맘같아서는 출력 대행을 맡기고 싶지만 비용이…ㅠ.ㅠ

그냥 서두르지 말고 차근차근 진행해야겠다.

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2020/05/30 - [로봇] - 인생 프로젝트 시작 - MORS 프로젝트 #3 Modeling

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2020/08/16 - [로봇] - 인생 프로젝트 시작 - MORS 프로젝트 #5 조립 완료… 그러나…

인생 프로젝트 시작 - MORS 프로젝트 #1 개요를 작성한 것이 19년 8월 5일이었다.

그리고 어언 9개월이 넘게 지나버렸다.

회사일과 가정사로 이래저래 바쁜 나날로 손을 대지는 못했지만 머릿속에서는 한시도 생각이 떠난 적이 

없었다. 그래서 틈나는대로 무엇을 어떻게 준비해야 하는지 고민하고 공부해야 할 것들, 각종 필요한

부품들을 생각해가면서 겨우겨우 생각의 끈을 이어왔다.

그리고 이제 어느정도 상황이 호전되어 다시금 그 때의 계획을 진행할 수 있는 여력이 생겼다. 그동안

구상했던 내용들도 좀 바뀌고 새로운 장비와 부품도 잔뜩 모아놔서 아예 새롭게 시작하는 느낌이기에

제목을 Restart라고 붙여보았다…^^

Review

새롭게 시작하기 전에 먼저 이전에 해놓았던 것들을 조금 되돌아봐야겠다.

인생 프로젝트 시작 - MORS 프로젝트 #1 개요에서 핵심적인 부분에 대해서 많은 설명을

하였고 다시 시작하는 지금에도 그 핵심은 벗어나지 않는다. 다만 당시에 설계했던 내용의 일부를 

실제로 구현을 해보니 문제가 좀 있어보여 어느정도 수정이 필요해 보였을 뿐이다.

가장 큰 문제는 바로 크기였다. 애초에 설계할 때부터 당시 내가 가진 3D 프린터로는 출력을

하지 못할 정도의 사이즈였지만 막상 출력 대행을 맡기고 그 결과물을 받아보자…아무 감흥도 없이

거대하구나…라는 생각이 그냥 자연스럽게 들 정도로 사이즈가 컸다. 그런데 그 큰 사이즈의 대부분이

긴 USB 케이블을 욱여넣는데 쓰이다보니 보다 효율적인 구조를 찾아야 한다는 생각 들수밖에

없었다. 바빴던 그 기간동안 머릿속을 채운 생각 중 가장 큰 것은 바로 크기에 대한 고민이었다.

크기와 더불어 가장 개선하고 싶었던 부분은 연결부이다. 계획 당시 라즈베리파이를 베이스 컨트롤러로

하고 아두이노를 각 모듈 컨트롤러로 하여 라즈베리파이와 아두이노를 USB로 연결하고자 하였고

또, 모터 구동을 위해 별도의 전원 연결부를 추가하였다. 하지만 USB 연장 케이블과 DC 플러그 잭

등으로 연결하도록 해놓고 보니 부피도 커지고 모양새도 좋지 않아보였다. 바로 크기와 함께 가장

고민했던 부분이다.

지금 새롭게 구상하고 있는 방법은 USB 케이블 중 마그네틱 단자를 가진 놈을 활용하는 것인데 납땜 등

잔손이 많이 가서 일단 보류 상태이다.

마지막으로 프로젝트 시작 당시 로봇 다리의 일부분도 설계를 했었는데 불안정한 구조, DC 모터를 이용한

구성이다보니 모터 상태에 대한 피드백을 받을 수 없어 리미트 스위치나 가변 저항을 이용한 폐루프 구현

등이 제대로 설계가 안되어 역시나 다시 만들어야 할 상황이며 모든 구동부에 N20 마이크로 모터를 사용

하려던 계획을 수정하여 리니어 액츄에이터 수를 줄이고 많은 부분 서보모터로 대체할 계획인다.

이렇게 적고 보니 결국 프로젝트를 처음부터 다시 시작해야 할 판이다…그래서 Restart이지만…ㅠ.ㅠ

새로운 준비

1. Fusion 360 학습

어차피 실력 없는 목수가 천원 짜리 망치를 쓰던 10만원 짜리 망치를 쓰던 뽑아내는 결과물은 결국 장작일뿐

…ㅠ.ㅠ 모델링 툴 is 뭔들 제대로 된 설계가 나오랴마는, 어쨌든 기존에 사용하던 123D Design은 분명

한계가 있었다. 뭐 그래도 꾸역꾸역 이정도 모델링은 해놓았지만…

그런데 Fusion 360을 접하는 순간 적어도 나에게는 신세계가 열렸다. 스케치를 하고 모델링을 하는 기능은

큰 감흥이 없었지만 history 기능, joint 기능 등은 정말 경이로움 그 자체였다. 게다가!!! 이 모든 기능을 

포함한 가격이 무려 무료!!! 지금 즉시 전화 주세요~가 아니라 Autodesk 사이트에서 가입 후 적절한

자격 증명을 하면 무료로 사용할 수 있다. 기본적으로 개인 라이센스를 신청하면 무료이지만 뭔가 더 나은게

있을까 하고 나는 스타트업 라이센스로 신청을 했다.

처음에는 Fusion 360을 123D Design 쓰듯이 사용했다…-.- 기준이 되는 부품을 복사해가면서 결합되는 

부품을 하나하나 만들어 별도의 파일로 저장하는 식으로…그렇게 첫 번째 작품으로 리니어 액츄에이터를

하나 만들었다. 예전에 버전 3까지 만들었으니 이번은 버전 4인 셈이다.

하지만 덩치가 너무 커서 다시 만들고 있다는 슬픈 전설이…ㅠ.ㅠ

이후 유튜브 강좌를 보면서 차근차근 학습을 하고 있는 중이고 가장 최근에 내가 구상하고 있는 구조가

어떻게 동작할지 미리 볼 수 있도록 joint 기능을 이용하는 방법도 알게 되었다.

올해의 최대 목표는 바로 이 Fusion 360을 마스터 하는 것이다~

2. 3D 프린터 교체

올 초까지 USEED라는 업체의 Creator mini라는 작은 사이즈의 3D 프린터를 사용하고 있었다.

비록 출력 사이즈는 작지만 레벨링만 맞으면 출력물의 결과는 좋은 편이었다. 그런데… 바로 그 레벨링이

문제였다. 자주 틀어지는 데다가 다시 맞추기가 여간 어려운 것이 아니다. 가뜩이나 사이즈가 작은 놈에

손을 비집고 넣어서 베드 아래쪽에 있는 작은 볼트를 육각렌치로 돌려서 조절해야 하는…스트레지 지수

만땅의 작업이었다. 결국 베드쪽이 요로코롬 되었다…

이러한 사정으로 계속 아내의 눈치만 보다가 결국 Ender 3 Pro K를 새로 구입하게 되었다. 구입기는

다음 링크에서 확인할 수 있다.

ENDER 3 PRO K 구입기

사실 조립 과정에서 문제가 생길까봐 DIY 형태를 피해왔었는데 생각보다 조립이 어렵지 않았고 조립 후

작동도 너무 잘되어 차라리 진작에 DIY 형태를 살 것을 하는 후회의 쓰나미가…ㅠ.ㅠ

3. 각종 부품 구입

처음에 리니어 액츄에이터를 만들 때는 육각볼트, 너트를 이용했었다. 하지만 이번에는 정밀도를 좀 높여

보고자 리드 스크류를 써보기로 하였다. 거의 대부분의 판매처에서 지름 8mm가 가장 작은 사이즈였으나

다행히 5mm짜리를 파는 곳이 있어 구입을 하였다. 육각 볼트를 사용할 때도 M6 정도를 사용했으니 축은

큰 차이가 없었으나 육각 너트에 비해 리드 스크류용 너트는 지름이 20mm나 되어서 전체 사이즈는 엄청

커지게 되었다.

물론 중요한 구동부인 모터를 빼놓을 수 없다. 서보모터는 기존에 구입해놓은 것이 많고 새로 N20 DC

마이크로 기어드 모터를 다수 구입하고 나중에 만들 로봇팔에 쓸 스텝포터까지 무지하게 사다놨다.

다음으로는 베이스와 모듈의 연결을 위한 각종 케이블과 마이크로 USB 단자들, 그리고 네오디움 자석들

아직은 먼 이야기지만 로봇의 동작 데이터를 모을 클러스터를 구성하기 위해 라즈베리파이 4 4Gb 9개

기타 옴니휠, 커플러, 베어링, 스프링 등등 잡다한 부품들까지…

정말 이정도면 로보트 태권브이도 만들 수 있지 않을까 싶다.

정리

꿈을 꾸는 것은 언제나 즐겁다. 

물론 그 꿈을 이루기 위한 재능이나 자원이 부족할 경우에는 무척 답답하지만…

아직은 즐거움 반 답답함 반인 상태인 것 같다. 그저 장난감 같은 것 하나 만드는 것 뿐이지만

알아야 할 것, 익혀야 할 것들이 너무 많다. 하지만 다행히도 그 과정 역시 즐거움을 선사하니

그저 꾸준히 밀고 나가면 된다.

비록 더디지만 한걸음 한걸 나아갈 것이다. 그래서 새로운 시작이다~!

2020/05/17 - [로봇] - 인생 프로젝트 시작 - MORS 프로젝트 #2 Restart

2020/05/30 - [로봇] - 인생 프로젝트 시작 - MORS 프로젝트 #3 Modeling

https://mazdah.tistory.com/865

2020/08/16 - [로봇] - 인생 프로젝트 시작 - MORS 프로젝트 #5 조립 완료… 그러나…

내가 아두이노를 처음 접한 것이 2016년 5월 이었다. 그리고 내 인생에는 새로운 세상이 열렸고, 나의 학문적
정체성이 그 실체를 드러냈다. 나는 문돌이의 탈을 쓴 공돌이였음을 커밍아웃 할 수밖에 없었다.

처음 아두이노를 접한 후 지금까지 꽤나 굵직한 개인 프로젝트를 많이 시도하였다. 하지만 안타깝게도 그나마 성공
했다고 할만한 프로젝트는 2018년 2월달에 만들었던 온도/습도/먼지 측정기 정도이고 그 외에는 모두 끝을 보지
못했다. 대략 다음과 같은 시도들이 있었다.

1. 2016년 6월 ~ 2017년 1월 : 4족 보행 로봇 만들기

2. 2017년 7월 ~ 2017년 10월 : 싱글콥터 만들기

3. 2019년 1월 ~ 현재 : 미니 드론 만들기

싱글콥터 만들기를 진행할 때까지는 3D 프린터도 없어서 온갖 잡동사니를 사다가 자르고 붙이고 하면서 참 고생도
많이 했다. 물론 3D 프린터를 마련한 후에도 모자라는 모델링 실력에 사실상 직접 출력해서 쓴 것보다 출력 대행을
맡긴 것이 더 많긴 하지만…ㅠ.ㅠ

아무튼 이렇게 진행한 프로젝트들이 비록 그 끝은 보지 못했지만 아마도 이제 시작할 인생 프로젝트의 밑거름이 
되려고 존재했던 것이 아닌 가 하는 생각이 든다. 바로 그런 실패를 통해 오늘부터 시작할 이 프로젝트의 
아이디어가 탄생한 것이나 다름 없으니 말이다(매우 강한 아전인수인가…-.-)

물론 이제 시작할 이 프로젝트의 컨셉이나 아이디어가 전혀 새로운 것은 아니다. 하지만 몇몇 측면에서는 분명 
조금은 새로운 시도라 할 수 있을 것 같다(진정한 판단은 이 글을 읽는 분들이 해주시길…^^).

프로젝트의 명칭 - MORS

이 프로젝트의 명칭은 MORS이다. MOdular Robot System의 약어이다. 뭔가 그럴듯한 명칭을 생각하고자
했지만 약어를 만들고 보니…Mors란 영어권에서는 “죽음”, “죽음의 신”, 라틴어로는 “죽음”, ”시체”, “끝”, “파멸”
등 굉장히 불길한 의미를 지니고 있었다. 그나마 독일어에서는 “신화”라는 의미가 있으며 라틴어 숙어인 Mors 
sola는 “죽음이 갈라놓을 때까지”라는 조금은 애절한 의미가 있었다. 이 중 쓸만한 것은 역시 독일어의 “신화”가
아닐까. “신화가 될 프로젝트”라…나름 괜찮네…

하지만 역시 중요한 것은 풀네임이 의미하는 바이다. 바로 “모듈형 로봇 시스템”이라는 개념 말이다.

Concept

핵심 컨셉은 바로 모듈의 “사용자화”와 “공유”이다. 즉, 사용자가 모듈을 직접 만들고 이 것을 오픈소스화 하는
것이다.

사실 “모듈형”이라는 개념은 하나도 새로울 것이 없다. 이미 많은 로봇들이 모듈형으로 제작되고 있다. 특히나 
교육용 로봇들의 다수가 모듈형으로 만들어지고 있다. 따라서 “모듈형”이란 개념은 어찌보면 오히려 상투적인 
개념에 더 가깝게 느껴지기까지 한다.

하지만 이런 로봇들은 대체로 모듈들이 ready-made로 이미 생산 당시 각 모듈에 부여된 기능을 활용하는
정도로 확장성은 그리 높지 않다는 아쉬움이 있다. MORS는 바로 이점에 착안하여 모듈들을 사용자가 직접
만들어 활용할 수 있도록하고 또 이렇게 만들어진 모듈을 오픈소스화 하는 것이 주 목적이다.

물론 이렇게 할 경우 사용자의 기술적 이해도나 숙련도가 더 높아지는 장애가 발생을 한다. 아두이노에 대한
지식 뿐만 아니라 BASE에서 모듈을 제어하기 위한 프로그래밍도 필요하기 때문에 어느 정도의 프로그래밍
지식도 필요로 하게 될 것이다.

디자인

MORS의 핵심은 라즈베리파이가 장착된 BASE이다. 아래의 그림들은 BASE의 구성도이며 다양한 모듈을
다양한 형태로 연결 가능하도록 하기 위해 8각형의 형태로 만들었다.

이 BASE는 2개의 레이어로 구성이 되어있으며(물론 추후 확장될 수도 있다), 각각의 레이어는 다음과 같이
구성되어있다.

레이어 1

우선 앞서 말한대로 BASE에는 라즈베리파이가 1대 장착되어있고 모듈을 USB로 연결하게 될 경우 기본
4개의 USB 포트를 확장하기 위해 USB 확장 Hat 2개를 배치하였고 모듈을 I2C 방식으로 연결하거나
혹은 모듈에 라즈베리파이를 통해 전원을 공급할 경우를 위해 소형 bread board를 올렸다.

레이어2

두번째 레이어에는 전원과 관련된 부품들이 배치가 되는데 기본적으로 배터리가 장착이 되고 또 모듈쪽
부품들이 다양한 전압을 사용할 수 있도록 2개의 step-down converter를 두어 2종류의 전압(기본은
6V와 12V)을 사용할 수 있게 하고 다수의 모듈에 전원을 공급하기 위해 2개의 배전반을 배치하였다.

Connector

마지막으로 BASE와 모듈간의 통신 및 전원 공급을 위한 커넥터 구성이다. 우선 데이터 통신을 위해서는
USB와 I2C 2가지의 방법을 선택 가능하도록 하여 USB 커넥터를 위한 홀과 I2C를 위한 일반 점퍼선용
홀을 두었다. I2C로 연결을 하는 경우에는 모듈쪽 보드에 별도의 전원 인가가 필요하므로 전원 공급용 점퍼
선도 함께 사용한다. 또 모터 등 직접 별도의 전원을 인가해야 할 경우를 위해 2개의 전원 포트용 홀을 두었다.

Modules

모듈은 전적으로 사용자가 직접 만들게 되므로 고정된 형태가 없다. BASE는 기본적으로 8개의 모듈을
연결할 수 있도록 만들어져 있으나 이 것은 표면적인 형태일 뿐이고 사용하기에 따라서는 작은 모듈 8개를
BASE에 연결하는 형태가 아닌 커다란 모듈에 BASE를 장착하는 형태로 운용할 수도 있다. 모듈은 
기본적으로 아두이노 프로 미니 보드를 베이스로 만들 수 있으며 라즈베리파이와 USB 연결이 가능한
보드라면 어떤 것이든 사용이 가능하다.

모듈 제어

라즈베리파이로 아두이노를 제어하는 방법은 일반적으로 2가지를 생각할 수 있다. 

첫 번째는 USB로 연결하여 Firmata 라이브러리를 이용하는 방법이다. 이 방법은 라즈베리파이에서 
아두이노의 포트를 직접 제어하는 방식으로 USB로 연결하므로 전원 문제가 자동으로 해결되고 또 모듈쪽에 
별도의 프로그래밍이 필요 없다는 장점이 있다. 다만 라즈베리파이에서 몇개까지의 아두이노를 USB로 
연결하여 제어할 수 있는지는 확인이 필요하다. 일단 8개까지 연결해보려고 계획 중이다. 

두 번째는 I2C 방식으로의 연결이다. 이 방식은 BASE의 라즈베리파이에서는 사용자의 원격 조종기 신호만
받아들여 이 신호를 모듈쪽으로 전달만 하고 실제 기능은 각 모듈의 프로그램들이 전달된 신호에 따라 수행
하게 되는 방식이다. 일단 상당히 많은 수의 모듈을 연결할 수 있기는 하지만 모듈쪽에 별도의 전원을 인가
해주어야 하고 또 각각의 모듈에 프로그래밍을 해야 한다는 단점이 있다.

우선은 연결의 편의성과 라즈베리파이에서만 프로그래밍을 하면 된다는 점에서 USB 연결을 우선으로 
생각하고 있다.

운용

이미 앞에서 상당부분 언급을 하였지만 MORS는 BASE에 사용자가 직접 만든 모듈을 연결하여 동작을
시키는 방식이다. 모듈은 바퀴가 달린 형태일 수도 있고 로봇 다리의 형태일 수도 있고 드론의 프로펠러가
될 수도 있으며 방수 처리가 된 모듈로 수상용 모듈이 될 수도 있다. 아주 가볍게는 선풍기 모듈 하나 붙여
책상 위에 올릴 수도 있을 것이다^^.

더불어 사용자가 원한다면 본인이 개발한 모듈을 공유할 수 있도록 할 것이다. 3D 프린팅된 모듈용 프레임이
있다면 Thingiverse와 같은 플랫폼을 이용하여, BASE나 모듈의 프로그램들은 GitHub와 같은 플랫폼을
통하여 서로 공유할 수 있도록 하는 것이다.

공유 프로그램의 경우 라즈베리파이에 소형 모니터를 연결한 후 아래 이미지와 같은 사용자 인터페이스를 통해
온라인으로 직접 업데이트 할 수 있도록 개발할 계획이나 이 부분은 시간이 꽤 걸릴 것 같다. 아울러 여력이 
된다면 npm같은 플랫폼을 직접 만들어보고 싶기도 하다.

정리

앞서 말했듯이 이 프로젝트는 그동안 진행했던 개인 프로젝트들을 총 집대성한 프로젝트가 될 것이다.
규모 면에서는 상당히 부담이 되지만 그래도 앞서 했던 작업들의 연장선인 만큼 어느 정도 자신감은 있다.
하지만 어디 세상 일이란 것이 그렇게 단순하기만 하던가. 중간에 어떤 문제가 어떻게 닥쳐올 지는 아무도
모르는 일…-.-

당장에 BASE 프레임을 3D 출력해야 하는데 내가 가지고 있는 3D 프린터는 너무 사이즈가 작아 출력이 
어렵고(분할하기도 쉽지 않은 형태라) 결국 출력 대행을 해야 하는데 이것 또한 비용이 만만치 않다…ㅠ.ㅠ
그래도 결국은 돈을 쓰고 말겠지만…

우선은 BASE를 빨리 만들고 첫 번째 모듈은 4족 보행 로봇용으로 만들려고 한다. 사실 바퀴가 달린 형태가
구현이 훨씬 쉽겠지만 애초에 4족보행 로봇을 재시도 하려다가 탄생한 프로젝트이다보니 일단은 로봇
쪽으로 시작을 해보려고 한다.

어쟀든 BASE 프레임을 출력 대행 맡기더라도 다음 주 월요일에나 배송이 가능하다니 다음 포스팅은
다음주 주말이나 될 것 같다. 부디 계획대로 잘 진행되길…

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도전! Scratch Building!

얼마전 포스팅에서 Scratch building을 언급한 바가 있다. (http://mazdah.tistory.com/823)
간단히 정리하면 버려지는 잡다한 물건들을 이용하여 축소 모형(Scale model)을 만드는 작업을 일컫는 말이다.

기존에 진행하던 2족 보행 로봇 작업이 생각보다 시간이 길어지다보니 슬금슬금 관심이 다른 곳으로 쏠리고
결국은 일을 내고 말았다. 뜬금없이 잠깐 쉬는 셈 치고 잡동사니 모아다가 로봇 하나 만들어보고 다시 2족 보행 로봇 
작업 진행하자고 생각한 것이다.

그리고 마침 그 때 일하는 사무실이 이사를 했는데 이사간 자리의 전 주인이 놓고 간 TLR(이안리플렉스 카메라)
형태의 연필깎이와 오래된 공유기의 안테나가 눈에 띈 것이다.

아무 생각 없이 주섬주섬 싸들고 집에 돌아와 작업을 시작했다.

천 리 길도 한 걸음부터 그리고 과유불급

첫 날은 기대에 부풀었다. 머릿속에 떠오르는 대로 각종 필요한 재로들을 벌여놓고 작업 준비를 하였다.
사실 연필깎이의 색깔과 형태가 얼핏 일제시대의 일본 순사를 떠올리게 하여 만세 운동을 진압하는 일본 순사 로봇을
디오라마로 만들까 생각도 해보았으나 현재의 내 실력으로는 언감생심 꿈도 못꿀 일이고 왠지 그렇게 만들어 놓으면
디오라마의 설정보다 일본 순사 로봇이 더 주목받을 것 같아 찜찜하기도 하였다.

Apple | iPhone 6 Plus | 1/15sec | F/2.2 | ISO-64이것 저것 많이도 준비했으나...

결국 평소의 내 스타일대로 그냥 만들어 가면서 그때그때 다음 계획을 잡아가기로 했다…-.-
최초의 계획은 유튜브 동영상에 많이 보이는 것 처럼 styrene 재질의 재료를 이용하여 몸통과 다리 이외의
디테일한 부분들은 모두 손수 만들려고 하였다. 그러나…양쪽 팔을 만들고 나니 더이상 수작업으로 뭔가를
만들 엄두가 나지 않았다…ㅠ.ㅠ

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이렇게 진행하다가는 결국 제풀에 지쳐 만들다 말게 될 것 같아 잘 쓰고 있는 3D 프린터의 도움을 받기로 했다.
하지만 3D 프린터로 만든다고 해서 일사천리로 진행된 것은 아니다. 누누히 이야기 하지만 3D 프린터의 최대
맹점은 출력하는데 걸리는 시간이다. 그런데다가 만일 어렵사리 출력한 부품을 부러뜨리기라도 하면…ㅠ.ㅠ
아래 부품은 하체의 다리를 연결할 부품인데 왼쪽 위에 보면 다리를 연결할 부위가 너무 힘을 주어 부러져버렸다.
결국 4시간 이상을 들여 다시 뽑아야 했다…ㅠ.ㅠ

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진행하면서도 몇 차례 생각이 바뀌었는데 먼저 2족보행형으로 만들려고 했는데 생각해보니 몸통 구조도 그렇고
잘라내야 하는 부분이 많아 4족 보행으로 바꾸었다. 다음으로는 사이버펑크 스타일로 만들까 했었는데 몸통의 투박한 
외형도 그렇고 그냥 대책없이 진행하다보니 결국은 디젤펑크쪽으로 진행이 되어버렸다. 그리고 가급적이면 공격성향을 
띠는 로봇보다는 공병 업무를 수행하는 로봇을 만들까 했는데 팔 부분을 어떻게 만들까 고민하다보니 그냥 원통형으로 
대포나 쭉쭉 뽑아내면 되는 공격형 로봇으로 진행하기로 했다…-.- 

요게 사이버펑크

요게 디젤펑크

간략한 진행 경과

만드는 과정을 세세하게 기록하지 못했기에 여기서는 간략하게 만들어져가는 모습을 사진으로만 보여주도록 하겠다.
각 부품의 조립은 대부분 M2, M3 사이즈의 렌치볼트를 사용하였다.

최종 형태를 결정한 후 기존에 작업했던 부분을 떼어내고 3D 프린팅한 부품들을 붙이기 시작한 모습이다. 뒤쪽에는 연료
탱크와 배기구를 달아주었다. 마침 연통을 붙인 부분에 적절하게 나사 구멍이 있어 붙여주었다. 
다리에는 리니어 액추에이터 형태를 만들어 주었는데 실제로는 shock absorber라고 봐야 한다. 내부에 스프링이 
들어있어 실제 shock absorber처럼 작동한다.

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Apple | iPhone 6 Plus | 1/4sec | F/2.2 | ISO-64Shock absorber 3D 프린팅

이후 중앙에는 기관포를, 상단에는 열 배출구를, 다리에는 장갑을 붙여주고 어깨 부위도 디자인하여 달아주었다.

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발이 허전하여 별도로 발을 달아주었는데 평소에는 발의 앞부분과 뒷부분을 접어서 다니다가 포격시 이 부분을 내려
바닥에 고정시킨다는 설정으로 설계를 하였다. 원래 구멍이 뚫린 부분에 나사를 끼워줘야 하는데 귀차니즘에 패쓰~

발을 폈을 때

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발을 접었을 때

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드디어 주 무장 을 붙였다. 로봇의 우측은 2연장 포 2문을, 좌측은 3연장 로켓 런처 2문을 달아주었다.

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이제 슬슬 마무리다.
최종 무장으로 연막탄 발사기를 좌우 8개씩 붙여주었다. 뭔가 좀 어수선하면서도 있어보이는 것이 개인적으로는
맘에 든다. 더불어 상단에는 소형 라이트 4개를 그리고 몸통 가운데는 원래 연필깎이가 투명 부품으로 이루어져 있어
서치라이트로 설정했는데 도색할 때 같이 칠해버렸다는…ㅠ.ㅠ 몇 군데 철사도 박고 연료통과 액추에이터에 호스도
연결하여 모양을 좀 내주었다. 그리고 thingiverse에서 찾은 기름통과 직접 모델링한 탄통도 소품으로 준비했다.

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도색

사실 마지막 완성 단계까지 왔는데도 뭔가 흡족하지 않았다. 생각해보니 아무래도 원 재료의 색깔들이 로봇을 어수선하게
하는 듯했다. 그리고 결국은 도색을 결심하게 되었다.

도색을 하고자 마음 먹고는 바로 에어 브러시를 알아보았다. 하지만 이내 돼지 목에 진주라는 것을 깨닫고 포기를 하였다.
(하지만 언제 다시 지름신이 찾아올지…) 그래도 뭔가 격식은 갖춰야겠기에 우선 캔 스프레이 타입의 서페이서를 하나 
사고 도색은 예전에 사다 놓은 아크릴 물감으로 하기로 했다. 다만 예전에 사다 놓은 색이 중장비 설정으로 노랑과 검정
위주로 사놓은 터라 올리브색 계열과 녹을 표현해줄 붉은 색 계열을 더 샀다.

우선 서페이서를 칠해보았다. 냄새 죽인다. 죽을 뻔했다…-.- 대부분의 도색을 1층 현관 옆에 있는 자전거 보관소에서
했는데 바람이 많이 불어 힘들었다. 그리고 부분 부분 덜 칠해진 것을 미련하게도 양수기함에 공간이 있어서 거기서
했는데 진짜 죽을 뻔했다. 암튼 스프레이질은 무조건 환기 잘되는 곳에서 마스크 쓰고 해야겠다.
일단 서페이서만 칠해놔도 제법 그럴듯하다.

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그리고 대망의 본도색…예전에 4족 보행로봇 막칠 한 번 해보고는 처음 해보는 도색이다보니 제대로 하고 있는지도 
모르겠고…그냥 칠하다보니 그럭저럭 볼만한 것 같기는 하다. 하지만 도색까지 공부하기에는 할 것 이 너무 많은 관계로
도색은 이걸로 끝을 내야겠다.

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정리

이렇게 해서 대망의 Scratch building 첫 작품이 완성되었다. 원래 아두이노와 LED를 이용하여 라이트 부분에 불이
들어오게 할 예정이었으나 생각보다 제작 일정이 너무 길어진 관계로 그 부분은 생략을 하였다. 봐서 시간 나는 때에
작업을 해봐야겠다.

사진을 찍은 날짜를 보니 8월 12일에 첫 사진을 찍었다. 애초에 시작할 때는 가뿐하게 한 달 정도 만들어보고 바로
4/4분기 목표로 들어가려고 했는데 예상보다 한참을 초과하여 2달이 다 되어서야 겨우 작업을 끝마쳤다. 쉽지는
않았지만 재미도 있었고 결과물도 영 못봐줄 수준은 아닌 듯하다^^;; 디테일을 좀 더 살리지 못한 것과 도색이 깔끔하지
못한 것이 못내 아쉽지만 모자라는 부분은 다음 도전에서 채워보도록 하자~

올해 말까지 당분간은 계획했던 공부좀 하고 틈틈이 2족보행 부품 출력해 놓았다가 내년에 다시 본격적으로 아두이노로
작동하는 2족 보행 로봇을 만들어 봐야겠다.

Linear Actuator를 이용한 2족 보행 로봇 제작 ~ #2

지난 글이 7월 12이고 그 지난 글이 6월 19일이었다.
지난 글은 3D 프린터 A/S 관련 글이었으니 로봇 제작과 관련된 글은 달 수로 2달이 지났다.
출력 시간과 여러가지 여건상 글 작성이 늦어질 것을 예상하긴 했으나 생각 이상으로 글 작성 간격이
길어지고 있다...ㅠ.ㅠ

이래서는 맥이 끊어질 것 같아 지금 새로운 방법을 모색하고 있다.

Scratch Building

Scratch Building의 정의는 이렇다.

Scratch Building란 상업용 킷을 이용하지 않고 처음부터 일상의 각종 재료를 이용하여 축적 모형을 제작하는 방법이다. — Wikipedia : https://en.wikipedia.org/wiki/Scratch_building

메이커 코스프레를 하고 있다보니 관련 분야에 대한 지식들이 하나 둘씩 모인다.
현재 제작 중인 로봇에 참고하기 위해 주로 pinterest와 youtube를 통해 mech, war robot, robot 등으로 검색을
하다보면 대체로 컨셉 아트에 해당하는 2D 일러스트나 3D 모델링들이 검색된다. 그런데 가끔 조금 독특한 형태의 로봇
모형들이 검색되는 경우가 었다. 꽤나 사실적이면서도 건담류의 기성 상용 제품들과는 달리 매우 거칠고 투박한, 그리고
매우 유니크한 로봇들...

물론 Scratch Building이 로봇에만 국한되는 제작법은 아니지만 내가 하고자 하는 것이 로봇 제작이기에 로봇을 위주로
찾게 되었다.

FUJIFILM | FinePix S5500 | 6sec | F/9.0 | ISO-100

FUJIFILM | FinePix S5700 S700 | 1/85sec | F/3.5 | ISO-800

제작 영상 : https://youtu.be/ftmtvu9dB2s

한편으로는 Kitbashing이라는 제작법도 있다.

Kitbashing이란 서로 다른 기존 상용 모델 제품을 조합하여 새로운 축적 모형을 제작하는 방법이다.
-- Wikipedia : https://en.wikipedia.org/wiki/Kitbashing

사실 건프라를 이용하여 기존 상용 제품과는 다른 모델들을 만들어 내는 것은 엄격하게 말해 Kitbashing에 속하지만
넓은 범위에서 Scratch Building이라는 용어를 더 자주 사용하는 것 같다. 역으로 Scratch Building이라고 하지만
상용 밀리터리 모델 킷을 이용하여 모형을 만드는 경우도 많기는 하다.

중요한 것은 3D 프린터를 이용하면 수작업으로 표현하기 어려운 형태를 쉽게 만들어낼 수 있다는 장점이 있지만 출력
시간으로 소모되는 시간과 또 3D 프린터라고 해서 만능은 아니기에 이러한 Scratch Building 기술을 익혀놓는다면
좋은 시너지 효과가 생길 것으로 생각된다.

즉, 기본적인 형태는 단순한 모양의 입체로 3D 프린터로 출력하여 골격을 갖추고 디테일한 디자인은 scratch building
으로 보강을 하는 것이다. 왕년에 3T 두께의 하드보드를 커터로 수도 없이 잘랐던 내가 뭘 두려워하랴...-.-

로봇 제작 재개!

일단 이전 작성한 글에서 3D 프린터 A/S 후기를 올렸었다. 그런데...

A/S 받고 온지 3일만에 다시 문제가 생겼다. 이미 한 차례 방문으로 우리 집에서 그 곳이 얼마나 먼지를 학습했기에
마음은 급하지만 더이상 방문할 엄두는 내지 못하고 이번에는 택배로 A/S를 보냈다. 택배 배송기간, 수리기간 모두
합쳐 꼬박 1주일 간의 시간을 손가락 빨면서 기다렸다...ㅠ.ㅠ(물론 계속 모델링을 하긴 했다).

1주일의 기나긴 기다림 끝에 드디어 프린터가 돌아왔고. 약간 달리진 부분이 있어 문의했더니 모터쪽 결함으로 인해
수리 기간이 길어질 것 같아 새로 입고된 다른 제품을 대신 보내줬단다. 토요일에 프린터를 받아 주말 동안 테스트 출력을
해본 결과는 합격이었다.

그렇게 해서 그동안 모델링한 각 부위들을 차례차례 출력하였다. 우선 골반 부위에 SG90 서보모터 6개를 고정시킬
부품은 모두 출력이 되어 조립을 해보았다. 기존 포함된 서보 혼을 대체할 부품도 만들어 끼워주었다.

전체적으로 생각보다 크기가 상당히 컸다.

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다음으로는 골반과 허벅지를 이어줄 연결부를 만들었다. 상당한 출력 시간이 필요한 부품이었는데 한 번 실패한 후
무사히 2개를 모두 출력하였다. 다만 한쪽에서 수축이 발생하여 조금 변형이 생겼는데 어차피 외장을 입힐테니 가볍게
넘어가기로 했다.

Apple | iPhone 6 Plus | 1/15sec | F/2.2 | ISO-32

Apple | iPhone 6 Plus | 1/30sec | F/2.2 | ISO-50

Apple | iPhone 6 Plus | 1/30sec | F/2.2 | ISO-50

이렇게 만들어진 모든 부품을 조립하니 아래 사진과 같은 모양이 되었다. 다시 봐도 좀 크다.

Apple | iPhone 6 Plus | 1/15sec | F/2.2 | ISO-32

Apple | iPhone 6 Plus | 1/15sec | F/2.2 | ISO-32

일단 동작 범위를 보면 아래 영상과 같다. 이러한 동작을 아두이노를 이용하여 제어를 해야 한다.

https://youtu.be/N7aqzBunBYk

욕심같아서는 아래 사진과 같은 Stewart platform으로 구현을 하고 싶지만 그러려면 다리 한쪽에 6개의
actuator가 필요하게 되어 일단 조금 심플하게 만들어봤다.

> Stewart platform이란? : https://en.wikipedia.org/wiki/Stewart_platform

3D 프린팅의 어려움...

이렇게 한동안 신나게 출력하고 조립하고 잘 진행되는 듯하더니...또 다시 전조 증상이 발생하기 시작했다.

Apple | iPhone 6 Plus | 1/15sec | F/2.2 | ISO-32

위 사진은 허벅지 부위에 이전에 만들었던 linear actuator를 고정시킬 부품인데, 보시다시피 상단부에 구멍이 숭숭
뚫린 것이 압출 불량의 증상이 나타났다. 여기까지는 그리 심하지 않고 역시나 외장 부품으로 상당부분 가려질 것이라서
용서가 되었는데...

Apple | iPhone 6 Plus | 1/30sec | F/2.2 | ISO-50

이 부품은 말하자면 허벅지 뼈대로 고관절과 무릎을 이어주는 부품인데 무릎쪽 연결 부위가 이렇게 심하게 골다공증
증상을 보이고 있다. 그리고 이 것을 시작으로 이후 출력해야 할 부품들이 제대로 출력되지 않고있다. 최초 발생했던
문제들처럼 일정정도 출력 후에 필라멘트가 압출되지 않고 노즐만 헛돌다가 출력이 끝난다. 밤에 출력 걸어 놓은 것을
아침에 확인해봤을 때 반동가리도 안되는 부분만 오롯이 놓여있는 모습이 보이면...ㅠ.ㅠ

Apple | iPhone 6 Plus | 1/15sec | F/2.2 | ISO-32

이 무더운 날 가뜩이나 잠 설치는데 프린터의 소음까지 견뎌가며 기다린 결과가 이런 것이라면...ㅠ.ㅠ

그런데 아무래도 이번에는 프린터 자체의 문제도 있겠지만 모델링 문제도 한몫 한 것이 아닌가 싶다.

그림에서 보는 것과 같이 분할면이 복잡하다. 아무래도 tweek을 너무 많이 사용한 것이 문제가 아닌가 싶다.
tweek을 쓰다 보면 면의 두께가 매우 얇아지는 문제가 많이 나타나고 또한 경사각이 많이 생긴다 이런 형태들이 출력에
영향을 주었을 것 같다. 이 것보다 복잡한 구조물이 더 많은데...걱정이다...ㅠ.ㅠ

우선은 급한대로 출력 속도를 좀 늦춰봐야겠다. 아무래도 좁은 간격을 빠르게 움직이면서 충분한 압출이 이뤄지지 않은 
것 같다. 만약 그래도 안되면 조금 더 단순한 모양으로 출력을 한 뒤 디테일은 scratch building으로 처리해야겠다.
더이상은 A/S 보내는 것도 힘들다...ㅠ.ㅠ 다음 3D 프린터는 무조건 자작이다!

글 작성 후 몇가지 테스트 중에 3D 프린터 문제를 해결하였다. 아래 사진의 빨간 표시가 된 부분은
thingiverse에 올라와 있는 필라멘트 필터라는 도구다.
저 안에는 솜뭉치가 들어있고 약간의 올리브유를 적셔주었다. 

원래 이 필터의 목적은 필라멘트에 묻은 먼지등을 제거해주는 역할인데 내 프린터는 저 필터가 없었을 경우
장시간 출력을 하게 되면 필라멘트가 빨려들어가는 입구에서 열로 인해 꺾여버린다.
거의 90도로 꺾이다보니 익스트루더 모터가 잡아당겨도 꺾어진 각도 때문에 제대로 필라멘트를 끌어오지
못하는 문제가 발생을 한 것이다.

결국 필터를 저 위치에 끼워주니 필라멘트가 꺾이는 상황을 방지할 수 있게 되었고
이후로 다시 출력이 잘 되고 있다^^.

Apple | iPhone 6 Plus | 1/8sec | F/2.2 | ISO-100

정리

일단 다리까지만 모델링한 상태가 아래 사진과 같다.

아직도 출력할 부품들은 많은데 프린터는 위태위태하고...마음은 급하고. 내 계획으로는 8월까지는 로봇 제작을 완료해야
하는데...하....여차하면 16년도에 SEW 프로토타입을 만들었을 때처럼 동력부를 제외한 나머지 부분은 full scratch
building으로 처리해야 할지도 모르겠다...이 더운날에...

오늘도 우리 집 방 한구석에는 자그마한 3D 프린터가 
한여름 불볕더위를 더하는 데 한 몫 하고 있다...ㅠ.ㅠ

facebook page : https://www.facebook.com/HJ.WOO/?modal=admin_todo_tour

Linear Actuator를 이용한 2족 보행 로봇 제작 ~ #1

일단 Linear Actuator는 LCP06-A03V-0136 모터를 이용하여 내가 만들 수 있는 최소한의 크기로 완성을 하였다.
처음 LCP06-A03V-0700 모터가 40RPM이라는 느린 속도로 인해 실사용이 어렵다고 판단하여 200RPM의 새
모터를 구입한 것인데 이 속도도 그리 빠르다고는 할 수 없지만 크기와 속도와 토크의 적정선에서 고를 수 있는 모터는 
이 LCP06-A03V-0136 모터 뿐이라고 봐야 할 것이다.

N20 기어 모터의 경우 Linear Actuator의 크기가 너무 커져서 차후 더 큰 크기의 로봇을 만들 때 사용하기로 했다.

몇가지 준비

LCP06-A03V-0136는 속도가 빠른 대신 토크가 낮아졌기 때문에 다리 한쪽에 Linear Actuator를 2개씩 장착하여
구동시키로 하였다. 그래서 주말동안 처음 샘플로 출력한 것 외에 추가로 3개를 더 출력하였다.

Apple | iPhone 6 Plus | 1/15sec | F/2.2 | ISO-100

부품 중 내부 실린더로 사용할 외경 3mm의 스테인레스 파이프는 아직 자르지 않았는데 톱질의 노가다를 좀
피하기 위해 저렴한 파이프 커터를 하나 주문해놨다. 아무리 명필은 붓을 가리지 않는다지만 그래도 최소한 필요한
공구는 좀 있어야 작업이 편해지지 않겠는가?

더불어 부품에 구멍을 뚫거나 구멍을 넓히기 위해서 당장 사용하지는 않겠지만 추후 드릴 프레스를 만들기 위해서
모터와 드릴척도 banggood에 주문을 한 상태다. 또 한 20일 정도 마음을 비우고 기다려야겠지...-.-

드릴프레스는 thingiverse에 있는 다음 모델로 만들 생각이다.

https://www.thingiverse.com/thing:1846582

3D 모델링

만약 내가 이 프로젝트를 실패하게 된다면 그건 바로 이 3D 모델링 때문일 것이다.
나는 이제까지 3D 모델링이라고는 배워본 적도 툴을 다뤄본 적도 없다. 그저 최근에 3D 프린터를 구입하고 나서
123D Design이라는 말하자면 3D 모델링 프로그램계의 그림판이라고 할 수 있는 툴만 간간히 이용하여 이미
보아온 것과 같이 아주 단순한 형태의 모델만을 만들어봤을 뿐이다.

한마디로 내가 하고자 하는 작업은 이제 막 그림을 배우러 미술학원에 등록한 학생이 그림판을 이용하여 극사실주의
화풍의 그림을 그리고자 하는 것과 다름없다...ㅠ.ㅠ

상황이 이렇다보니, 보통은 전체적인 형태를 스케치 하고 그것을 바탕으로 3D 모델링을 하고 물리 효과를 적용하여
움직임을 확인하는 등의 과정을 거치는데, 나는 스케치조차 능력이 안되다보니 123D Design에 바로 핵심 부품을 
중심으로 그 주위에 하나하나 부품을 만들어 나가는 식으로 작업을 할 수밖에 없다.

더 심각한 것은 이 123D Design은 물리 효과는 전혀 줄 수가 없기 때문에 이놈이 만들어진 후 제대로 서있기나 할지,
혹은 동작 중에 서로 겹쳐지는 부분은 없는지, 축들이 서로 어긋나지는 않았는지를 확인할 방법이 없다. 그야말로
시행착오의 연속이고, 예약된 가시밭길인 것이다...ㅠ.ㅠ

따라서 아래 공개하는 습작은 그냥 습작일 뿐 실제 출력 과정에서 많은 변형이 예상된다. 우선 다리만 작업해보았다.

정리

시작이 반이라고 했다. 일단 뭐가 됐든 시작은 했으니 어떻게든 되겠지^^;

하지만 만드는 것도 만드는 것이지만 만든 후 아두이노를 통해 어떻게 제어를 해야 할지가 또 구만리다.
머릿속에서는 모든 것이 착착 진행되어 먼 미래로 날아가고 있는데 현실은...ㅠ.ㅠ

뭐 안되면 피규어라고 우기면 그만이지~
긍정적으로 살자! 긍정에 대한 유명한 얘기가 있지 않은가?

시험을 못봤을 때 부정적인 학생과 긍정적인 학생의 차이

부정적인 학생 : “어떡하지...ㅠ.ㅠ 시험을 망쳤네...ㅠ.ㅠ 죽어버릴까...ㅠ.ㅠ?”

긍정적인 학생 : “ㅎㅎ시험을 망쳤네~ 뭐 어때~ 죽으면 되지~^^”

그래! 안되면 죽으면 그만이다~^^;

Linear Actuator Ver. 2, Ver. 3 제작

지난 포스팅에서 앞으로 내가 만들고자 하는 로봇과 그러한 로봇을 만들기 위한 준비로써 Linear Actuator
시제품을 만드는 과정을 설명하였다.

하지만 시제품이다보니 여러모로 한계가 있었다. 우선 지난 작업의 한계들을 조금 살펴보고 가자.

1. 모터 선정의 문제 : 지난 번 사용한 모터는 8520 coreless 모터로 주 용도는 소형 드론을 만드는데 사용하는 모터다. 따라서 RPM은 매우 높으나 torque는 낮아서 지난 포스팅의 동영상에서 보듯이 작은 마찰에도 내부 실린더가 잘 올라오지 않거나 움직이는 속도가 잘 조절이 안되는 모습이었다. 게다가 모터 축이 원통형이어서 웬만큼 단단히 접착하지 않으면 모터 축과 연결하는 부품이 헛돌기 일쑤다.
2. 멈춤 제어 장치 부재 : 내부 실린더가 위나 아래의 끝부분에 도달하게 되면 모터를 정지시켜 더이상 작동하지 않도록 해야 모터에 부하가 걸리지 않을 것이다. 하지만 개인이 제작하는 수준이다보니 아직은 구현이 쉽지 않다. 일단 소프트웨어적으로 구현을 하기 위해 encoder를 함께 구매해놨지만 아직 사용은 안하고 있다. 당분간은 아두이노 스케치상에서 적절한 시간 조절을 통해 멈춤을 제어해야 할 것 같다.
3. 구조 설계의 문제 : 이 부분은 아직도 딱부러지게 해결을 못했다. 가급적 조립과 분해가 쉽도록 하기 위해 머리를 굴리고 있으나 이번 제작한 것들은 조립이 까다롭게 되었다. 그리고 내부 실린더가 헛도는 것을 막기 위해 내부 실린더 하단부를 사각형으로 만들고 그에 따라 외부 실린더의 내부도 사각형 형태로 만들었었는데 아무래도 마찰이 큰 것 같아 이번에는 조금 바꿔보았다. 하지만 3D 프린팅의 관점에서보면 지난번 구조가 더 효율적이다.

이러한 문제점들을 일부 개선하여 새롭게 버전 2와 버전 3의 Linear Actuator를 만들었다.
여전히 몇가지 문제는 남아있지만 동작은 한결 자연스러워졌다(버전 2와 버전 3의 차이는 모터와 전체 크기의 차이다). 

모터 선정

모터와 관련해서는 앞서 언급한대로 고 RPM, 저 torque 문제와 원통형의 모터축 문제를 해결해야 했다.
우선 torque 문제를 해결하기 위해 geared motor를 검색했다. 그냥 예전에 기어박스를 이용하여 속도를 줄이면 
torque가 올라간다는 것을 주워 들은 것 같다...-.- 다행히 많은 검색 결과가 나왔다. 게다가 대부분의 geared 모터는
모터 축(엄밀히 말하면 기어박스의 축)이 D컷이 되어있었다(D컷은 원통형 축의 한쪽을 잘라내어 모터 축이 헛도는 
것을 막는 방법으로 잘라내고 난 모양이 영문 D와 같다고 하여 D컷이라고 한다).

Apple | iPhone 6 Plus | 1/15sec | F/2.2 | ISO-125

다음 기준으로는 가능한한 소형화를 해야 하기 때문에 모터의 크기가 중요 선정 기준이 되었다. 사실 지난 번 사용한
8520(지름 8.5mm, 높이 20mm) 모터정도가 딱 좋다 싶었는데 정작 Linear Actuator를 만들고 나니 생각보다
크기가 컸다. 어쨌든 8520 모터를 크기의 기준으로 삼았다.

이렇게 기준을 정하고 선정한 첫번째 모터가 바로 N20 모터를 베이스로 한 일군의 기어모터였다.
N20 모터는 가로, 세로, 높이가 각각 10mm X 12mm X 15mm정도되는 크기의 사각형 형태의 모터로 주로 소형
서보모터를 만드는데 사용되거나 앞단에 금속 기어박스를 달아 판매를 한다. 메이저 제조사는 pololu라는 업체인 것
같은데 가격이 비싸고, 중국산 카피제품은 허용 전압과 기어비에 따라 3천 원 대 후반에서 만 원대에서 구매 가능하다.

Apple | iPhone 6 Plus | 1/4sec | F/2.2 | ISO-250

나는 일단 banggood에서 12V, 100RPM의 스펙을 갖는 모터를 선택하여 주문하였으나...2달이 다되가는 지금까지
도착하지 않고 있다는 슬픈 전설이...ㅠ.ㅠ

결국 국내 업체를 통해 6V, 450RPM에 뒤쪽으로 encoder를 달 수 있는 제품을 포함하여 추가로 2종류의 변형 
제품을 구매했다.

일단 이 제품은 생각보다 크기가 작고 스펙에 따라서는 꽤 높은 토크를 낸다는 점이 장점이다. 내가 처음 banggood
에서 주문한 제품의 경우 정격토크가 2.0kgf-cm정도다. 가격은 약 3,900원 정도. 하지만 미처 생각하지 못한 것이
있었으니...바로 모터의 형태다. 그 전에 사용한 8520 모터는 원통형의 모양이었지만 이 모터는 육면체 모양이다.
8.5mm와 12mm...별 차이가 없어보이지만 지름이 8.5mm인 것과 사각형의 한 변이 12mm인 것은 결과물에서
엄청난 차이를 만들게 된다(아래 버전별 비교사진 참고).

일단 N20모터를 기준으로 모델링을 하는 과정에서 크기가 상당히 커진다는 것을 확인하고 추가로 모터를 검색하였다.
그러다 발견한 것이 LCP 시리즈였다. 이 모터는 지름 6mm의 원통형 모터로 유성기어가 장착된 모델인데 가장
높은 토크를 가진 모델이 LCP06-A03V-0700으로 기어박스 포함 전체 길이는 약 21mm 정도로 8520모터와 비슷
한 크기를 가졌다. 3V에서 작동하며 정격토크는 200gf-cm이고 40RPM의 속도를 낸다.

Apple | iPhone 6 Plus | 1/4sec | F/2.2 | ISO-320

이 모터를 사용하여 만든 Linear Actuator가 가장 적당한 크기였다.

벗뜨! 그러나!

일단 이 모터의 가장 큰 단점은 가격이다. 국내 업체 중 가장 싼 곳이 개당 8,400원에 판매하고 있다. N20 베이스 
모터와 비교하면 크기는 1/2, 가격은 X2 + 𝛼인 것이다. 게다가 40RPM...사실 이 방면으로는 젬병인 문돌이다보니
40RPM이 의미하는 바를 몰랐다. 1분에 40바퀴 돌아간다는 것 정도는 검색질로 알 수 있었으나 그게 어느 정도의
속도인지는 정말 몰랐다...ㅠ.ㅠ 

회전 운동이 물체를 움직이는 거리와 회전 운동을 직선 운동으로 바꾼 후 물체를 움직이는 거리는 천지 차이다.
물론 회전 운동의 경우 회전 축으로부터의 거리가 영향을 크게 미치고 직선 운동의 경우 나사선의 간격이 영향을
미치므로 직접 비교는 힘들지만 아무튼 M2나 M3 사이즈의 작은 볼트의 나사선 간격을 놓고 보면 모터의 회전 속도가
웬만큼 빠르지 않다면 움직이는 거리가 매우 작다(아래 동영상 참고). 

만일 이 모터를 사용한 Linear Actuator로 만들 수 있는 로봇이 있다면 그것은 단 하나! 바로 달팽이 로봇이다...-.-

결국 이 모터보다 한 등급 낮은 120gf-cm의 토크에 200RPM의 속도를 갖는 모터를 추가로 주문했다.

참고로 몇가지 모터들을 비교한 사진을 올린다. 첫 번째 사진의 오른쪽 모터는 직경 4mm 크기의 진동 모터다.
혹시나 어떻게 사용해볼 수 있을까 하고 덜컥 구입했지만…역시나 이 크기로는 무리다…

Apple | iPhone 6 Plus | 1/4sec | F/2.2 | ISO-80

좌측부터 8520 coreless 모터, LCP06-A03V-0700 유성 기어 모터, 초소형 진동 모터

Apple | iPhone 6 Plus | 1/4sec | F/2.2 | ISO-200

좌측부터 일반 DC 모터(학습용), N20 기어 모터, SG90 서보 모터, LCP06-A03V-0700 유성 기어 모터, 
마이크로 서보 모터

3D 프린팅

지난 포스팅에서도 언급한 바와 같이 3D 프린터를 이용하는데 있어 가장 큰 문제는 바로 공차 설정이다.
0.5mm를 줘도 안들어가는 일이 비일비재하여 아예 넉넉하게 0.8 ~ 1.0mm 정도 준 후 볼트로 조여 최종 고정시키는 
방식을 사용하기로 했다. 하지만 이 방법도 만능이 아닌 것이 FDM 방식의 3D 프린터는 녹은 필라멘트를 실처럼 얇게
뽑아 한층한층 쌓아가며 만드는 방식이다보니 이렇게 층이 쌓인 방향으로는 강도가 매우 약하다. 자칫 볼트를 심하게
조일 경우 이 층이 갈라져 깨져버린다. 이 문제를 막을 방법은 출력물의 두께를 두껍게 하는 것 뿐이지만 마냥 그럴 
수도 없고...

또 다른 문제는 개인차가 있는 문제이겠지만 간혹 출력 중 노즐이 막히는 경우가 있다. 대략 5시간 가까이 출력해야 
하는 부품이 3시간 출력후 노즐이 막혀 헛돌고 있으면...나무아미타불...ㅠ.ㅠ 한 몇번 이런 문제가 생기다보니 답답한
마음에 차라리 전문 출력 업체에 출력 의뢰를 하려고 했더니 이건 또 가격이 안드로메다인지라...ㅠ.ㅠ

최대한 출력 시간을 줄일 수 있도록 모델링을 하고 출력 중 환경(온도, 진동 등)이 일정하게 유지되도록 하는 외에는
달리 방법이 없다. 특히 출력 시간의 경우 동일한 모델을 180도 돌려 출력하는 것만으로도 시간을 줄일 수 있다.
가능한한 서포터가 적게 출력되도록 하는 것이 아무래도 출력 시간을 줄일 수 있지만 가급적이면 조립되는 면에는
서포터가 안생기도록 하는 것이 나중에 매끈한 면으로 서로 연결할 수 있어 유리하다. 결국 케바케로 출력 시간이
결정될 수밖에 없다.

그럼 버전 2와 버전 3의 3D 프린터 출력물 및 구성품을 알아보자.

Apple | iPhone 6 Plus | 1/100sec | F/2.2 | ISO-32

버전 2

1. 외부 실린더 하단 덮개 (O-ring으로 연결)
2. 모터 하우징
3. 외부 실린더
4. 볼트와 모터 축 연결부 (볼트는 M2, 30mm 렌치 볼트)
5. 너트와 외부 실린더 연결부 (너트는 M2 사이즈, 외부 실린더는 외경 3mm 스테인레스 파이프)
6. 내부 실린더 덮개 (O-ring으로 연결)
7. LCP06-A03V-00700 유성 기어 모터

버전 2의 조립 과정은 다음과 같다.

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버전 3는 구성품만 설명한다. 조립 과정은 비슷비슷...

Apple | iPhone 6 Plus | 1/15sec | F/2.2 | ISO-125

버전 3

1. 외부 실린더 상단 덮개 (버전 2의 경우 이 부분이 실린더와 일체형이다)
2. 외부 실린더 하단부 (모터 삽입부)
3. 외부 실린더 상단부
4. 볼트와 모터 축 연결부 (볼트는 M6, 60mm 육각볼트)
5. 너트와 내부 실린터 연결부 (너트는 M6, 내부 실린더는 외경 8mm 스테인레스 파이프)
6. 외부 실린더 하단 덮개 (처음에는 짧게 만들었으나 외부 실린더의 연결부가 보기 안좋아서 가리기 위해 길게 만들었음)
7. N20 6V 450rpm 기어 모터
8. 내부 실린더 덮개

버전 3의 경우 조립 과정에서 외부 실린더 상단과 하단 조립 후 외부 실린더 하단 덮개가 이 연결부를 덮게 되는데
꽤 여유있게 공차를 주었음에도, 출력물의 바닥과 천정이 살짝 퍼지는 현상과 함께 볼트를 체결하면서 볼트가 잘못 
들어가 연결부에 변형이 생기는 문제가 발생하여 조립이 빡빡하게 되었다.

덕분에 다시 분해하면서 외부 실린더 하단부의 연결 부위가 박살이 나서 4시간 넘는 출력물을 새로 뽑아야 했다...ㅠ.ㅠ 
새로 뽑은 부품으로 조립할 때는 줄로 연결부위를 조금 다듬어 주었더니 무리없이 조립이 되었다.

마지막으로 완성된 제품의 버전별 크기를 비교해보면 다음과 같다.

Apple | iPhone 6 Plus | 1/15sec | F/2.2 | ISO-50

사진 왼쪽부터 
버전 3 : 길이 약 15cm / 무게 약 56g
프로토타입 : 길이 약 10cm / 무게 약 24g (사진에서는 내부 실린더가 약간 돌출된 상태라 조금 길어보임)
버전 2 : 길이 약 8.5cm / 무게 약 7g

3D 프린팅을 위한 모델링 파일은 아래 링크에서 받을 수 있다.

모델링 파일

Ver. 3 : https://www.thingiverse.com/thing:2956768

Ver. 2 : https://www.thingiverse.com/thing:2956757

동작 테스트

동작 테스트는 동영상으로 감상해보자.
타이머를 켜놓았으니 초당 얼마나 움직이는지 확인하면 되겠다. 다만 버전 3의 경우 원래 6V에서 작동하는 모터인데
버전 2와 동일한 3.7v의 리튬 폴리머 배터리로 작동을 시킨 만큼 이 동영상보다는 좀 더 속도가 나올 것이다.

다만 아직 얼마만큼의 무게를 움직일 수 있는지에 대해서는 테스트를 하지 않았다.

문제점

제법 개선을 했음에도 불구하고 여전히 문제가 있다. 앞서 말한 정지 제어가 안된다는 문제와 구조적으로 내부 
실린더와 너트를 연결하는 부위를 원형으로 하는 대신 외부 실린더 안쪽에는 돌기를, 너트 연결부에는 홈을 파서
내부 실린더가 헛도는 것을 막도록 바꾸었는데 조립의 편의성 때문에 모터와 볼트 연결부 역시 동일한 구조로 
만들었다. 이 구조는 만일 양 끝단이 당겨지는 힘을 받았을 때 모터 축과 볼트 연결부가 단단히 고정되어있지 않다면
내부 실린더가 빠져버리는 문제가 발생할 수 있다.

고쳐야 하겠지만...새로 설계하고 출력하는 시간이 어마무시 하므로, 괜찮겠지 하고 넘어가보자...ㅠ.ㅠ

속도 문제는 새로운 모터가 도착하는대로 다시 테스트를 해볼 것이다.

그나저나 본격적으로 로봇을 만들기 시작하게 되면 이 부품들을 몇세트 씩은 더 뽑아야 하는데...또 얼마나 많은
시간이 걸릴까...

정리

아직 많은 문제점이 있지만 그래도 제법 그럴듯한 모양으로 Linear Actuator가 만들어졌다(하지만 지금도 3D 
프린터 출력 시간을 생각하면 치가 떨린다). 이제 본격적으로 로봇을 설계하고 만들어야 하겠지만 최소한 버전 3를
1개 더 만들어야 하고 버전 2를 6개 정도는 더 만들어야 한다. 나의 생활 패턴 상 3D 프린팅을 하는 데만도 2주는
잡아야 할 것 같다. 물론 그 전에 적절한 힘을 낼 수 있는지 먼저 테스트도 해야 하고...

어쨌든 본격적인 로봇 작업이 시작되면 지금보다는 좀 더 재밌는 글을 쓸 수 있지 않을까 기대해본다^^

Linear Actuator 제작 - 새로운 로봇 제작 프로젝트를 시작하며.

2016년 6월 경, 아두이노를 접한 지 얼마 되지 않아 4족보행 로봇 제작을 시작하였다.
그 시작이 아래 링크의 포스팅이었다.

http://mazdah.tistory.com/695

당시 끝을 보지 못한 가장 큰 이유는 전원 공급 문제를 해결하지 못한 것이라고 해야 할 것이다.
비록 방전률이 높기는 했으나 아무래도 니켈수소 배터리로는 한계가 있었던듯하다. 지금이야 드론을 만들면서
(역시나 아직 완성은 못했지만…-.-) 조금은 익숙해졌지만 당시에는 관리의 어려움(폭발 위험성) 때문에 쉽게 LiPO
배터리를 선택하지 못했었다.

이렇게 진척이 되지 않다보니 소프트웨어적인 부분도 마무리를 하지 못하고 로봇 제작 프로젝트는 방구석으로 쳐박히고
말았다…ㅠ.ㅠ

내가 꿈꾸는 로봇은…

어차피 나는 로봇 제작을 위해 필요한 전문 지식을 쌓지도 못했고 또 로봇 제작을 위해 필요한 부품을 선별하거나 조달할
수 있을만큼 여유가 있지도 않다. 때문에 내가 만들고자 하는 로봇은 실용적인 로봇과는 거리가 멀다(물론 추후 SCARA
방식의 로봇 팔을 만들 계획은 가지고 있다). 물론 로봇을 만드는 모든 사람들이 실용적인 목적으로 로봇을 만들지는 
않지만 말이다…

어쨌든 처음 시작할 당시에는 보고 들은 것이 별로 없다보니 오로지 서보모터를 구동부로 하여 제작하는 4족보행 로봇
만이 내가 할 수 있는 전부라고 생각했다. 바로 다음과 같은 로봇들 말이다(세 번째 로봇은 내가 만든 로봇이다^^;).

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사실 위에 예로 든 로봇들도 충분히 멋지고 내가 만만하게 만들 수 있는 수준도 아니다. 하지만 이제 머리 좀 굵었다고(?)
더 멋지고 리얼해보이는 그런 로봇을 만들고 싶어졌다. 바로 아래 그림과 같은…

흔히 battle mech, war robot, war mech 등으로 검색하면 볼 수 있는 이런 로봇들은 대부분 컨셉아트이거나 게임을
위한 3D 모델링, 혹은 그 모델링을 기초로 만들어진 피규어인 경우가 대부분이다. 나는 여기에 생명을 불어넣고 싶은
것이다. 단지 그림이나 영상 속의 존재가 아닌, 그저 바라만 보고 있어야 하는 인형이 아닌, 멋지고 리얼하면서도 걷고 
움직이는 로봇을 만들고 싶은 것이다. 한마디로 예쁜 쓰레기 또는 쓸고퀄 장난감이라고나 할까…-.-

Actuator란? Linear Actuator란?

actuator란 단어의 생김새로도 짐작할 수 있듯이 기계장치의 ‘움직임’을 담당하는 부분이라고 생각하면 될 것이다.
일반적으로 기계공학에서는 유압이나 공압으로 작동하는 피스톤/실린더 형태의 장치를 의미하지만 좀 더 범위를 넓혀
전기로 움직이는 모터류도 actuator에 포함 시킬 수 있다. 피스톤/실린더 장치의 대표적인 것이 바로 아래 그림과 
같이 흔히 볼 수 있는 건설 장비들이다.

이러한 장치들과 모터와의 가장 큰 차이점은 피스톤/실린더 장치가 앞,뒤로 움직이는 선형적인 움직을 통해 기계장치를
구동시키는 반변 모터는 축의 회전을 통해 장치를 구동시킨다는 점이다.

제일 처음에 예로 든 4족보행 로봇들이 바로 모터를 관절 부위에 장착하여 그 회전력으로 관절을 움직이도록 만든 것이다.
제작은 간단하지만 뭔가 로망이 없다…-.- 이런 로망…

그렇다! 이 로망의 정체가 바로 Linear Actuator다. 모터의 회전력을 직선 운동으로 바꾸어주는 actuator인 것이다.
유공압 actuator들은 기본적으로 선형 운동을 하기 때문에 Linear Actuator라고 하면 보통 모터의 회전운동을 직선
운동으로 변환시켜주는 장치를 말한다고 생각하면 된다.

Linear Actuator를 만들어보자

이미 시중에 상용제품으로 파는 linear actuator 혹은 linear motor라고 불리우는 제품들이 많이 있다.
이런 제품들은 외형 디자인을 바꿀 수 없다는 점, 크기가 대체로 크다는 점, 결정적으로 가격이 비싸다는 점
(기본적으로 5만원대부터 시작한다…ㅠ.ㅠ)으로 인해 사서 쓰는 것은 포기. 아래 그림은 내가 즐겨 이용하는
banggood이라는 홍콩쪽 온라인 쇼핑몰에서 linear actuator로 검색한 결과이다.

이제는 3D 프린터도 생겼겠다, 뭔가 정체를 알 수 없는 자신감 충만! 그래서 한 번 만들어보기로 했다.

우선 외형을 3D 프린터를 이용해서 만들기로 했으니 thingiverse에서 혹시 비슷한 작업을 한 내용이 없나
검색을 해보았다. 비슷한 작업은 많았으나 아쉽게도 만족할만한 결과물은 없었다. 다만 영감을 준 모델이 하나 있어
그 것을 참고로 작업을 시작하였다.

원리는 매우 간단하다.

볼트를 고정시켜놓은 상태에서 원통의 한쪽 끝에 너트를 박아넣고 볼트에 끼워 돌리면 이 원통이 위,아래로 직선운동을
하게 되는 것이다. 이 때 이 돌리는 힘을 모터를 이용해서 주기만 하면 되는 것이다. 아래 이미지는 Wekipidia에서 가져온
것이다.

모델링하기

3D 프린터로 출력을 해야 하기 때문에 당연히 3D 모델링이 필요하다. 다행히 위에서 본 것 같은 화려한 로봇을
모델링하는 것이 아니고 단순히 원기둥 안에 구멍을 뚫는 정도의 작업이라 직접 하는 것이 가능했다. 그렇지 않았다면
그냥 꿈 속의 꿈으로 끝났을지도…물론 몇몇 부분은 조금 복잡하기도 하다^^;

모델링 툴은 초보자답게 오토데스크사의 무료 툴인 123D Design으로 진행하였다. 별다른 설계 없이 그냥 즉흥적으로
모델링을 하다보니 처음에 비해 형태가 많이 바뀌었다. 하지만 즉흥적이라 해도 몇가지 고려해야 할 사항이 있었으니
우선 모터를 사용하는 장치다보니 모터가 고장났을 경우 교체하기 쉽도록 분해 조립이 가능해야 한다. 분해 조립이 
원활하게 될 수 있으려면 적절한 공차를 계산해야 하는데…3D 프린터는 내가 생각한만큼 정밀한 기계가 아니었다…-.-

대략 0.1 ~ 0.3mm 정도의 공차를 두면 되겠거니 하고 출력을 해보면 헐겁거나 아예 들어가지 않는 일이 비일비재였다.
그래서 아예 엑셀 파일에 상황을 정리해가면서 시행착오를 거쳐 모델링을 할 수밖에 없었다(이마저도 나중에는 귀찮아서
하지 않았다…-.-). 

그 결과 실패한 부품들이 꽤나 쌓이게 되었다. 말하자면 사금파리 무덤이랄까…ㅠ.ㅠ

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이러한 산고를 거쳐 완성된 형태가 바로 이 것이다!!!

출력하기

앞서 말한 바와 같이 3D 프린팅을 할 때 공차를 잡는 것이 쉽지 않다. 이 것은 필라멘트를 녹여 형상을 만든 후 
녹았던 필라멘트가 식으면서 생기는 수축에 의한 변형에 기인한다. 이런 수축에 의한 변형은 공차를 예측할 수
없게 만들뿐더러 또 한가지 문제로 면이나 선이 반듯하게 나오지 않는 문제가 있다. 파이프를 만든다고 할 경우 선이 
반듯하게 나오지 않다보니 2개의 부품을 결합할 때 처음에는 조금 들어가는 듯하다가 어느 시점부터 더이상 들어가지
않는 문제가 생긴다.

이렇게 모델링한 부품이 총 8개가 나왔는데 이 중 출력 시간이 긴 것은 대략 2시간, 짧은 것은 10분 정도 걸린다.
전체를 동시에 출력하면 7시간 30분 정도가 걸리는데 앞서 말한 문제들이 있다보니 만일 7시간 30분 걸려서 
전체를 출력했는데 제대로 조립이 안된다면? 생각만 해도 끔찍하다. 

사실 2시간 걸리는 부품도 4번 정도 출력한 후에야 크기를 맞출 수 있었다. 위에 사금파리 무덤 사진을 보면 알겠지만 나같은 초보에게 3D 프린팅은 시간과의 싸움이다…ㅠ.ㅠ

어쨌든 모델링을 완성하고 최종적으로 출력한 부품들은 아래와 같다(사진으로 찍어놓으니 출력 결과가 상당히 
지저분해 보이지만 육안으로 보면 봐줄만 하다^^;).

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사진에 있는 숫자 순서대로 각각 아래 설명한 역할을 한다.

1. Actuator의 가장 하단 덮개, 4개의 구멍은 고정부에 연결하기 위한 것이고 중앙에 갈라진 틈을 기준으로 상하부가 좌우로 회전한다. 하단부의 사각형 공간은 모터의 전선을 뺄 부분이다.
2. 고정(외부) 실린더의 하단으로, 모터가 삽입된다. 아래쪽의 사각형 공간은 모터의 전선을 뺄 부분이다.
3. 2번 부품과 4번 부품을 결합하기 위한 부품으로 위, 아래 각각 4개의 무두볼트로 결합하도록 하였다.
4. 고정(외부) 실린더의 상단부로 5번의 내부 실린더가 이 안에서 움직인다. 3번 부품을 통해 4번 부품과 결합되며 너트와 연결된 내부 실린더가 통째로 돌아가는 것을 막기 위해 내부는 사각형 형태로 뚫려있다.
5. 내부 실린더로 실제로 움직이는 부분이다. 전체를 원통형으로 할 경우 이 내부 실린더가 함께 돌아서 직선 운동이 발생하지 않을 수 있으므로 아래쪽은 사각형으로 만들서 외부 실린더의 사각형 형태와 맞물려 회전하지 않도록 만들었다.
6. 고정(외부) 실린더의 상단부를 덮는 덮개로 내부 실린더가 빠져나가는 것을 막는다.
7. 내부 실린더의 상단 덮개로 1번 부품이 연결되는 고정부의 반대편 고정부에 연결할 수 있고 구조는 1번 부품과 동일하나 크기만 작다.
8. 흰색 부분만 3D 출력물이고 길게 나왔는 부분은 M3 규격의 육각볼트이다. 볼트의 반대편(지름이 작은 쪽)은 모터의 축과 연결된다. 이 사진 촬영 후 테스트 과정에서 모터 축과 이 부품 사이의 유격이 커 모터가 헛도는 문제가 생겨 모터 커플러와 동일한 방식으로 모터 축과 연결되는 부분의 옆쪽에 구멍을 내어 무두볼트로 고정시키도록 다시 만들었다.
9. 전적으로 미관을 위한 부품으로 외경이 8mm인 스테인레스 파이프다. 5번 부품을 굵게 만들어도 되나 멋을 좀 내보려고 5번 부품에 끼워서 사용하도록 했다.
10. 가장 중요한 모터이다. 8520사이즈의 코어리스 모터이며 주로 소형 드론 제작에 쓰이는 모터이다. 소형화를 위해 이 모터를 선택했지만 아마도 약한 토크 덕에 실사용은 어려울 것 같다.

이렇게 오랜 시간 시행착오를 거치면서 모든 부품을 출력할 수 있었다.

조립하기

조립은 아래 사진의 순서대로 진행을 하면 된다. 앞서도 누누히 말했지만 정밀한 출력이 어렵다보니 그토록 시행착오를
거쳤음에도 불구하고 지나치게 빡빡한 부분과 헐거워서 접착제를 써야 할 부분들이 존재했다. 아예 결합이 되지 않는 
경우가 아니라면 빡빡한 것은 괜찮은데 너무 헐거운 경우 접착제를 쓰게 되면 나중에 분해가 안되기에 조금 곤란하다.

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이렇게 해서 3D 프린터를 이용한 나의 첫 작품이 완성되었다!

테스트

테스트는 아두이노와 L9110 모터 드라이버를 이용해서 했으며 스케치 코드는 단순하게 0.5초의 딜레이를 주어
정방향과 역박향 반복해서 모터를 회전시키도록 하였다. 따라서 제품은 0.5초 간격으로 위,아래 직진 운동을
반복해야 한다. 연결과 코드는 다음과 같다.

void setup () {
	pinMode(5, OUTPUT);              
	pinMode(6, OUTPUT);             
}

void loop() {
	analogWrite(5, 0);                   
	analogWrite(6, 150);             
	delay(500);
	analogWrite(5, 150);
	analogWrite(6, 0);
	delay(500);
}

우선 처음 두 동영상은 위 부품 설명의 8번 부품을 개선하기 전이며 사용한 배터리도 1.5V 알카라인 배터리를 직렬 
연결하여 진행한 테스트이다. 거의 실패작이라고 봐야 할 것이다...ㅠ.ㅠ

아래 여러가지 문제점을 설명하겠지만 우선 배터리의 힘이 약한 부분과 모터가 헛도는 문제를 개선하여 2차 테스트를
진행하였다. 배터리는 3.7V 1s 200mAh의 LiPo 배터리로 바꿨다. 역시 배터리를 바꾸니 모터 돌아가는 소리부터
다르다. 여전히 원하는 동작은 나오지 않지만 그래도 처음보다는 나아진 모습을 보여준다. 

또 다른 고려사항

이미 3D 프린터를 이용하여 외형을 만드는데만 해도 많은 시간을 소요했다. 하지만 결과는 투자한 시간만큼 훌륭하지
않았다...ㅠ.ㅠ 이에 몇가지 문제점을 짚어보고 앞으로의 해결 방향을 모색해봐야겠다.

1. 모터의 선택 : 우선 최대한 크기를 줄이기 위해 현재 구할 수 있는 모터 중 가장 작은 크기라고 할 수 있는 8520 coreless 모터를 선택했다(물론 더 작은 모터들도 많지만 여기서 더 작아지면 3D 프린터로 출력이 어려울 것 같아 선택에서 제외했다). 이 모터의 문제점은 소형 드론용 모터이다보니 RPM이 엄청 빠른데 그만큼 힘이 없다는 것이다. 동영상에서 보이는 버벅대는 움직임은 내부실린더 회전을 막기 위해 사각형 구조로 만듦으로 해서 생긴 마찰 때문인데 이정도 마찰에도 힘겨워 한다면 관절을 움직일 수 있을지가 미지수이다. 이보다 작은 모터에 기어박스를 단 모터들을 알리바바에서 팔고있는데 개당 1만원 정도라서 사기가 부담스럽다...-.- 다행히 사이즈는 크게 차이나지 않으면서 기어박스가 달린 모터를 찾았다. 이 모터를 이용하여 다시 제작을 할 예정이다. 아래 이미지와 같이 아예 볼트 축이 달린 모터도 있었다(이미지는 애용하는 메카솔루션에서 가져왔다). 
   
2. 마찰 : 다음으로는 위에도 잠깐 언급했지만 내부실린더 회전을 막기 위한 설계이다. 일단 직관적으로 사각형 구조로 만들어 회전을 막긴 했으나 이렇게 하니 마찰이 너무 심하다. 더군다나 3D 프린터 출력물에는 결이 있다보니 이같은 현상이 더 심해지는데 이를 보완할 수 있도록 새롭게 설계가 필요하다. 우선은 급한대로 모서리 부분을 모두 줄로 갈아서 마찰을 좀 줄이긴 했다.
3. 크기 : 최종 결과물이 내가 예상했던 것보다 커졌다. 1번 부품이 많이 커졌는데 이 부분은 나중에 로봇을 설계하면서 재설계를 해야겠다. 추후 로봇을 만들게 되면 다리 부위에 제일 큰 actuator가 들어갈 것이고 그밖에 자잘한 관절부위에도 actuator가 들어가게 될 것인데 더 소형화 하지 않으면 로봇이 부담스러운 크기가 될 것 같다. 크기와 관련된 가장 큰 문제는 내가 가진 3D 프린터의 최대 출력 사이즈가 100X100X100mm라는 점이다. 크기가 커지면 3D 프린터로 한번에 출력할 수 없는 부품이 많아질 것이다...ㅠ.ㅠ

정리

애초에 관심도 없는 피규어나 출력하려고 3D 프린터를 산 것이 아닌 만큼 결과를 떠나 이번 작업은 매우 재미있었다.
물론 출력의 긴 시간을 기다리는 것은 지루하기 짝이 없었지만...-.-

우선은 linear actuator의 기본적인 동작 원리를 알았으니 그것만으로 성과라면 성과라 할 수 있을 것이다.
완전한 성공은 이루지 못했지만 처음 하는 작업으로써는 나쁘지 않은 성과다. 새로운 모터도 구입하고 했으니 이제
본격적으로 대들어볼 예정이다.

모델링한 STL 파일은 thingiverse에 공유할 예정이다(오늘 가입했더니 신참들은 24시간 지나야 모델이 등록
된단다...-.-). 이와 별개로 123D Design 원본 파일은 아래 첨부한다.

full_component3.123dx

앞으로 작업은 꾸준히 지속되겠지만 아무래도 3D프린팅 시간이 오래 걸리는 만큼 포스팅을 자주할 수는 없을 것 같다.
그리고 로봇과 드론 관련 블로그를 분리시켜 좀 더 본격적으로 작업 내용을 포스팅할 예정이니 기대하시라~^^