로봇 팔 게임: 물건 옮기기 로봇 프로젝트 > 초보자를 위한 로봇 프로젝트

로봇 팔 게임: 물건 옮기기 로봇 프로젝트

로봇 팔은 '관절'을 이용해 움직이는 로봇의 대표적인 형태입니다. 특히 산업 현장에서 반복적이고 정밀한 작업을 수행하는 데 필수적이며, 집에서 물건을 들어 올리는 것과 같은 일상생활에서도 활용될 수 있습니다. '로봇 팔 게임: 물건 옮기기 로봇 프로젝트'는 로봇 팔의 핵심인 정밀한 각도 제어와 협응 동작을 직접 경험하고, 재미있는 게임을 통해 로봇 팔의 능력을 시험해 볼 수 있는 멋진 도전입니다.

1단계: 로봇 팔 게임의 '원리' 이해하기

물건 옮기기 로봇 팔은 여러 개의 서보 모터가 협력하여 작동합니다.

관절 동작: 로봇 팔의 각 관절에 부착된 서보 모터가 명령에 따라 정확한 각도로 움직여 팔의 위치와 방향을 조절합니다.

좌표 변환: 사용자가 로봇 팔이 물건을 집을 '목표 위치'(예: x, y, z 좌표)를 입력하면, 로봇은 그 위치에 도달하기 위해 각 관절의 서보 모터가 몇 도로 움직여야 하는지 역학적인 계산(역기구학, Inverse Kinematics)을 수행합니다. (초보자는 각 관절을 직접 제어하는 방식으로 시작합니다.)

그리퍼 제어: 팔 끝에 달린 그리퍼(집게)가 서보 모터의 제어에 따라 열리고 닫혀 물건을 잡거나 놓습니다.

명령 수신: 사용자가 버튼, 조이스틱, 슬라이드바 등으로 로봇 팔을 조종하여 물건을 집고 목표 지점에 내려놓습니다.

2단계: 필수 준비물 확인 및 구매

컨트롤러:

아두이노 우노 R3 (Arduino Uno R3) 호환 보드: 1개

USB 케이블: 아두이노와 컴퓨터 연결용.

액추에이터 (로봇 팔의 '관절'과 '손'):

SG90/MG90S 또는 MG996R 서보 모터: 3~5개

MG996R (고토크): 팔의 베이스나 중간 관절처럼 무거운 하중을 버텨야 하는 곳에 사용.

SG90/MG90S (마이크로): 팔의 끝부분 관절이나 그리퍼처럼 가벼운 부분에 사용.

(선택 사항) 초소형 웜 기어 모터: 1개 (그리퍼 집게) - 서보 모터로도 구현 가능.

로봇 팔 키트 (프레임): 1개

아크릴 또는 3D 프린팅된 로봇 팔 프레임: 3개 이상의 관절을 가진 로봇 팔 키트. (SG90/MG996R 서보 모터와 호환되는 것)

제어 입력 장치:

가변저항 (Potentiometer): 3~5개 (각 관절의 각도를 수동으로 제어)

조이스틱 모듈 (Joystick Module): 1개 (로봇 팔의 XYZ 이동 제어에 편리)

버튼: 1~2개 (그리퍼 열림/닫힘, 모드 전환 등)

전원:

Li-Po 배터리 팩 (7.4V 또는 11.1V) 또는 AA 배터리 홀더 (4~6개용): 1개

주의: 서보 모터는 전력을 많이 소모합니다. 여러 개의 서보 모터(특히 MG996R 같은 고토크 서보)를 사용한다면 반드시 아두이노와 분리된 별도의 외부 전원을 사용해야 합니다. (아두이노의 5V 레귤레이터는 전류가 약함)

배터리 잭: 배터리와 아두이노 DC 잭 연결용 (또는 배터리 → 벅 컨버터 → 아두이노 연결)

연결 재료:

브레드보드: 1개 (선택 사항)

점퍼 케이블 (수-수, 수-암): 넉넉하게

전선 (AWG 22~26): 전원 연결용.

공구:

작은 드라이버 세트, 니퍼, 글루건 또는 강력 접착제.

3단계: 로봇 팔의 '몸' 조립하기 (기계적 조립)

로봇 팔은 조립 순서가 중요합니다. 보통 관절 하나하나를 먼저 조립하고, 그 위에 다음 관절을 연결하는 식입니다.

키트 조립 설명서 준수: 로봇 팔 키트마다 조립 순서와 부품이 다르므로, 반드시 키트에 동봉된 조립 설명서를 자세히 읽고 따라합니다.

각 관절별 서보 모터 삽입: 로봇 팔 프레임의 각 관절 위치에 맞는 서보 모터를 삽입하고 나사로 고정합니다.

서보 혼(Horn) 부착: 서보 모터의 축에 서보 혼을 나사로 부착하고, 그 위에 다음 프레임(링크)을 연결합니다.

꿀팁: 서보 혼을 부착하기 전에, 서보 모터를 아두이노에 연결하여 90도(중앙) 위치로 한 번 움직여준 후, 그 상태에서 팔 부품을 부착하는 것이 좋습니다. 이렇게 해야 나중에 코딩할 때 기준점(예: 0~180도) 잡기가 용이합니다.

그리퍼(집게) 조립: 로봇 팔의 가장 끝에 그리퍼 부분을 조립합니다. 그리퍼 또한 서보 모터 하나로 열고 닫히도록 만듭니다.

4단계: 로봇 팔의 '신경망' 연결하기 (전기 배선)

주의: 여러 개의 서보 모터를 아두이노 5V 핀에 직접 연결하면 아두이노가 손상될 수 있습니다. 반드시 외부 전원 사용을 권장합니다.

아두이노 GND와 외부 전원 GND 연결: 아두이노의 GND 핀과 외부 배터리의 GND 핀을 점퍼 케이블로 반드시 연결해야 합니다.

외부 전원(배터리) 연결:

Li-Po 배터리 + → 서보 모터의 VCC 핀 (브레드보드 또는 전원 분배 허브 활용).

Li-Po 배터 - → 아두이노/외부 전원 공통 GND.

서보 모터 연결:

각 서보 모터의 VCC (빨간색) → 외부 전원 + (또는 아두이노 5V - 소형 서보만 해당)

각 서보 모터의 GND (갈색/검은색) → 공통 GND

각 서보 모터의 Signal (주황/노란색) → 아두이노의 PWM 지원 디지털 핀 (예: 핀 3, 5, 6, 9, 10, 11)에 각각 연결.

제어 입력 장치 연결:

가변저항: 5V 핀, GND 핀, Signal 핀 → 아두이노의 아날로그 입력 핀 (A0, A1 등).

조이스틱 모듈: 5V, GND → 아두이노 전원. X, Y, SW (버튼) → 아두이노의 아날로그/디지털 핀.

5단계: 로봇 팔의 '명령' 프로그래밍하기 (아두이노 코딩)

여기서는 가변저항 3개로 로봇 팔의 3개 관절을 제어하는 예시를 보여드립니다.

5.1. 아두이노 IDE 설정 (이전 프로젝트들과 동일)

5.2. 로봇 팔 기본 코드 (예시)

cpp

#include <Servo.h> // 서보 모터 라이브러리 포함

// 서보 모터 객체 생성 (로봇 팔 관절 수에 맞춰)

Servo baseServo;   // 베이스 회전 서보 (1번 관절)

Servo shoulderServo; // 어깨 관절 서보 (2번 관절)

Servo elbowServo;  // 팔꿈치 관절 서보 (3번 관절)

Servo gripperServo; // 그리퍼(집게) 서보 (4번 관절)

// 서보 모터 Signal 핀 연결

const int baseServoPin = 9;

const int shoulderServoPin = 10;

const int elbowServoPin = 11;

const int gripperServoPin = 8;

// 가변저항 Signal 핀 연결 (각 서보에 대응)

const int basePotPin = A0;

const int shoulderPotPin = A1;

const int elbowPotPin = A2;

const int gripperPotPin = A3;

void setup() {

  Serial.begin(9600);

  // 각 서보 모터를 핀에 연결

  baseServo.attach(baseServoPin);

  shoulderServo.attach(shoulderServoPin);

  elbowServo.attach(elbowServoPin);

  gripperServo.attach(gripperServoPin);

  // 초기 팔 자세 설정 (선택 사항)

  baseServo.write(90);    // 베이스 중앙

  shoulderServo.write(90); // 어깨 중앙

  elbowServo.write(90);   // 팔꿈치 중앙

  gripperServo.write(90); // 그리퍼 반쯤 열린 상태

  delay(1000);

}

void loop() {

  // 각 가변저항의 아날로그 값 읽기 (0-1023)

  int basePotVal = analogRead(basePotPin);

  int shoulderPotVal = analogRead(shoulderPotPin);

  int elbowPotVal = analogRead(elbowPotPin);

  int gripperPotVal = analogRead(gripperPotPin);

  // 아날로그 값을 서보 모터의 각도(0-180)로 변환

  // map(값, 입력_최소, 입력_최대, 출력_최소, 출력_최대)

  int baseAngle = map(basePotVal, 0, 1023, 0, 180);

  int shoulderAngle = map(shoulderPotVal, 0, 1023, 0, 180);

  int elbowAngle = map(elbowPotVal, 0, 1023, 0, 180);

  int gripperAngle = map(gripperPotVal, 0, 1023, 0, 180);

  // 각 서보 모터를 계산된 각도로 움직이기

  baseServo.write(baseAngle);

  shoulderServo.write(shoulderAngle);

  elbowServo.write(elbowAngle);

  gripperServo.write(gripperAngle);

  // 시리얼 모니터에 각도 값 출력 (디버깅용)

  Serial.print("Base: "); Serial.print(baseAngle);

  Serial.print(" Shoulder: "); Serial.print(shoulderAngle);

  Serial.print(" Elbow: "); Serial.print(elbowAngle);

  Serial.print(" Gripper: "); Serial.println(gripperAngle);

  delay(50); // 짧은 지연 (너무 빠르게 움직이면 서보에 무리)

}

5.3. 코드 업로드 및 테스트

코드 업로드: 위 코드를 아두이노 IDE에 복사하여 붙여넣기 합니다. 스케치(Sketch) → 컴파일/업로드(Upload)를 클릭하여 코드를 아두이노 보드에 업로드합니다.

로봇 팔 테스트: 각 가변저항을 돌려가며 로봇 팔의 관절이 어떻게 움직이는지 확인합니다. 그리퍼용 가변저항을 돌려 그리퍼가 열리고 닫히는지 확인합니다.

최대/최소 각도 조정: 각 서보 모터의 물리적인 움직임 한계와 팔의 구조를 고려하여 map() 함수 내의 출력 범위(예: 0, 180)를 적절하게 조절합니다.

6단계: 로봇 팔 게임 설정 및 최적화

게임 환경 설정: 로봇 팔 앞에 물건을 옮길 작은 물체들(예: 레고 블록, 지우개, 구슬)과 시작 지점, 목표 지점을 만듭니다.

연습: 가변저항을 조작하여 물건을 집고 목표 지점에 정확히 내려놓는 연습을 합니다. 처음에는 매우 어렵게 느껴질 것입니다.

정밀도 향상:

서보 튜닝: 각 서보 모터의 '유격(Backlash)'이 적은지 확인하고, 코딩에서 delay() 값을 조정하여 너무 빠르게 움직이지 않도록 합니다.

PID 제어: 더 고급 제어를 위해서는 각 서보 모터의 정확한 위치 제어를 위해 PID 제어를 적용해 볼 수도 있습니다 (난이도 높음).

역기구학(Inverse Kinematics): X, Y, Z 좌표를 입력하면 각 서보 모터의 각도를 자동으로 계산하는 역기구학을 구현하면 훨씬 직관적인 제어가 가능해지지만, 이는 수학적 지식을 요구하는 매우 어려운 도전입니다.

축하합니다! 로봇 팔 게임에 도전장을 내밀었습니다!

로봇 팔 프로젝트는 로봇 공학의 '움직임 제어'와 '정밀 조작'의 핵심을 직접 경험할 수 있는 아주 보람 있는 도전입니다. 당신의 로봇 팔이 물건을 정확히 집고 옮기는 모습을 보며 로봇 공학의 매력에 푹 빠져보세요!