테스트- 하나씩 테스트 해가면서 로봇 부품 선정하기

테스트- 하나씩 테스트 해가면서 부품을 선정하기

모터 테스트

모터 선정 / 구매

DC모터

로봇을 구동시키기 위한 가장 중요한 핵심 부품을 꼽자면 모터라고 할 수 있습니다. 주변에서 전기로 움직이는 거의 모든 물건들은 모터를 이용했다고 생각해도 과언은 아닙니다. 어릴 적 장난감 자동차나 로봇, 인형에 들어있는 엄지손가락만한 모터를 본 적이 있을 것입니다. 이런 단순한 모터는 DC 모터라고 부릅니다.

위 DC 모터는 전원을 넣을 때 회전운동을 하게 됩니다. 이 때 회전의 속도나 위치를 제어하기란 참 어려운 일입니다. 속도나 위치를 파악할 수 있는 장치 없이 DC 모터에 전원만 넣었기 때문입니다. 우리는 단순한 회전만을 위한 장치가 아닌, 각도를 제어할 수 있는 로봇을 만들고자 하기 때문에 이 DC 모터는 사용하기가 어렵습니다.

서보모터

단순하게 회전 운동을 하면서 돌아가는 것이 아니라 원하는 각도만큼 움직이는 모터는 어떤 모터일까요? DC모터에 엔코더라는 특별한 장치를 장착하고 엔코더에서 읽은 회전 정도를 파악하여 DC 모터의 전원을 켰다 껐다 반대로 켰다 껐다 하면서 원하는 위치로 모터가 움직이게끔 할 수도 있습니다. 하지만 이렇게 하기 위해서는 좀 더 복잡한 지식이 필요합니다. 대신 우리는 서보모터라는 간단한 모터를 사용할 것입니다. 서보모터는 DC 모터처럼 전원을 넣는다고 바로 움직이지 않습니다. 서보모터의 전원 선을 보면 3가닥인 것을 확인할 수 있는데요, VCC(+), GND(-), SIGNAL 입니다.

전원을 인가한 후 이 모터에 적당한 시그널을 제공하면 모터는 그 시그널에 상응하는 각도로 이동하게 됩니다. 아주 이용하기 편하게 만들어져 있습니다. 거의 대부분의 서보모터들은 비슷한 시그널 대역을 사용합니다. 그런데 우리는 아직 전기에 대해서 깊게 알지 못하는 상태입니다. 고작 건전지의 + 와 – 를 구분할 줄 아는 정도인데 어떻게 이 시그널을 서보모터에 보낼 수 있을까요? 약 10년 전까지만 하더라도 이런 시그널 전송은 로봇이나 전자를 전공한 대학생 이상의 사람들이 다룰 수 있었습니다. 하지만 이제는 오픈소스 하드웨어 및 소프트웨어의 보급으로 많은 일반인들도 이런 서보모터를 쉽게 다룰 수 있게 되었습니다. 우리가 해야할 일은 그 방법을 따라하기만 하면 되는 것입니다.

적당한 서보모터 고르기

그렇다면 이제 어떤 서보모터를 골라야 할까요? 구글에 “서보모터”라고 검색을 하면 무수히 많은 검색 결과가 나올 것입니다. 이런 식으로 검색해서는 당장 필요한 서보모터를 구매하는 데에 아주 오랜 시간이 걸릴 것입니다. 우리가 서보모터를 사용할 때 알아야 할 필요가 있는 요소들을 간단하게 짚고 넘어가겠습니다. 얼마나 빠른 모터가 필요한지, 얼마나 큰 힘을 발휘하는 모터가 필요한지, 무게는 가벼워야 하는지, 내가 사용할 전자 보드와 호환이 되는지, 간단하게 구동할 정도로만 사용할 것인지 등등을 확인해야 합니다.

빠르기

타악기를 표현할 로봇이기 때문에 얼마나 빠르게 드럼을 칠 수 있는지, 얼마나 빠른 박자를 칠 수 있는지 정할 필요가 있습니다. 보통 빠른 노래는 120 BPM(분당 박자수) 입니다. 1분에 120 박자를 치는 것이지요. 1초에 두 번씩 박수를 친다고 생각하면 됩니다. 하지만 드럼을 칠 때는 이 한 박자를 한 번 더 쪼갭니다. 120 BPM의 박자를 드러머처럼 칠 수 있으러면 초당 4번의 박자를 만들 수 있어야 한다는 것입니다. 드럼을 칠 때 30도 정도의 각도로 팔을 들어 올렸다가 다시 30도를 팔을 내려서 드럼을 친다고 가정해 보겠습니다. 그렇다면 로봇은 1 초에 30도 각도를 총 8번 이동해야 합니다. 초기 자세가 30도 위치였다면 아래 위 아래 위 아래 위 아래 위 이렇게 8번의 30도 각도의 이동이 필요한 것이지요. 결국, 초당 30도 * 8 번 = 240도 를 이동할 수 있는 빠르기를 가진 모터라면 충분히 이 로봇을 만들 수 있다는 결론에 도달합니다. 모터의 특성 중 속도를 표현하는 용어는 RPM 입니다. 1분에 몇 번 회전하는지를 표현하는 용어인데요, 우리는 초당 240도(360도가 한 바퀴이니까 2/3바퀴 도는 셈) 이상의 속도가 필요합니다. 1초당 ⅔ 바퀴이기 때문에 60초동안 몇 바퀴를 돌지 계산하려면 곱하면 되겠습니다. 60 *⅔   = 40RPM  이 계산이 되는군요. 아무리 적어도 40 RPM이상의 모터 속도가 나와야지 빠른 박자를 칠 수 있는 로봇이 될 것입니다. 참고로 이 속도는 모터에 아무 것도 장착한 상태가 아니라 드럼 스틱을 장착한 상태의 속도를 말하는 것입니다.

 

모터가 돌아간다고 해서 바로 소리가 날 수 있는 것은 아닙니다. 모터 끝에 작은 드럼 스틱을 장착하고 그 것을 회전시켜서 드럼통과 부딛치는 운동으로 소리를 내게 할 것입니다. 이 때 드럼 스틱의 무게가 중요합니다. 왜냐하면 모터는 각자 출력할 수 있는 힘이 다 다르고 그 것에 따라서 가격도 천차만별이 되기 때문입니다. 또한 전력 소비량도 증가하게 되고 너무 큰 전력이 필요하다면 회로도 더욱 복잡해 지는 것이지요. 깃털처럼 가벼운 스틱을 사용하는데 엘리베이터를 움직이는 모터를 이용할 필요가 없습니다. 적당한 힘을 찾아서 비용과 에너지를 아끼도록 하겠습니다. 제가 사용하는 드럼 스틱은 드러머가 사용하는 드럼 스틱이 아닌 15cm 정도의 나무 막대기 입니다. 무게는 10g 미만입니다. 거의 무시할 수 있는 정도입니다. 하지만 스틱의 길이가 20cm, 30cm 이렇게 늘어난다면 같은 무게더라도 모터에 들어가는 힘은 기하급수적으로 늘어나게 됩니다. 이 것은 돌림힘(토크)와 관련이 있습니다. 모터의 중심에서 얼마나 먼 거리의 물체에 얼마나 큰 힘을 발휘할 수 있는지를 나타내는 용어입니다. 거리가 짧으면 짧을 수록 작은 힘이 필요하고, 멀어지면 멀어질 수록 큰 힘이 필요하게 됩니다. 우리는 20cm짜리 0.01kg 막대기를 든다고 아주 쉽게 가정하겠습니다. 20cm 멀리 떨어진 곳에 있는 0.01 kg 의 물체를 들어 올리기 위해서는 두 숫자를 곱한 값의 힘이 필요합니다. 20cm * 0.01kg = 0.2kg cm 의 힘이 필요합니다 .

 

전기

모터를 구동시키는 데에 가장 편하고 쉬운 방법을 선택하려 합니다. 우리는 전자 회로를 반도체 수준부터 만드려는 것이 아니라 박자를 치는 로봇을 만드려고 하기 때문에 적당한 선에서 선택을 하는 것이 좋아 보입니다. 그래서 우리는 아두이노라는 아주 아름다운 보드를 사용할 것입니다. 아두이노를 이용하면 아주 복잡해 보이던 것들이 놀랄 만큼 단순해 집니다. 이 아두이노는 5v 의 전압을 사용합니다. 이 아두이노를 사용하는데 다른 복잡한 부가 장치들을 사용하지 않고 최대한 이 보드만을 이용해서 구동을 하고 싶습니다. 그렇다면 이 보드가 어느 정도의 전력을 공급해 주는지를 알게 된다면 그 전력보다 낮은 전력을 사용하는 모터를 선택하면 될 것입니다.

참고로 우리는 아두이노 나노라는 보드와 나노 쉴드를 사용할 예정입니다. 왜냐하면 납땜을 하지 않고도 서보모터를 연결하는 좋은 방법이 있기 때문입니다. 아두이노 나노는 0.5A 까지 USB 전원을 끌어다 쓸 수 있습니다. 즉 0.5A  이상의 전원을 사용하는 모터는 사용할 수 없습니다. 자세히 말씀 드리자면 아두이노는 USB 전원을 사용하며 보통은 컴퓨터의 전원을 끌어와서 사용합니다. 아두이노는 보드가 케이스에 싸여있지 않고 그냥 노출되어 있기 때문에 쇼트(+ 와 – 가 직접 연결)될 수 있는 상황이 굉장히 많습니다. 테이블에 가위같은 공구들이 아두이노에 포개져도 쇼트가 날 수 있지요. 쇼트가 나게 되면 보드는 물론 컴퓨터의 건강에도 좋지 않은 영향을 미치게 됩니다. 또한 전원을 거꾸로 넣었을 때도 역시나 마찬가지로 컴퓨터의 건강에 도움이 되지 않습니다. 이 것을 미연에 방지하고자 아두이노에는 다이오드(한쪽 방향으로만 전기를 흘려줄 수 있는 장치)를 달아 놓았습니다. 이 다이오드가 0.5A(암페어: 전류 량을 뜻하는 용어) 까지 전류를 흘려줄 수 있는 것입니다. 덕분에 컴퓨터를 보호할 수 있게 되는 것입니다. 결국 우리는 0.5A 미만의 전류를 흘려줄 수 있는 모터를 찾을 것입니다. 한가지 더, 전압인데요, 우리는 다른 곳에서 전기를 끌어 쓰는 것이 아니라 아두이노에 공급되는 전기를 쓸 것이기 때문에 아두이노에 공급되는 전압인 5V 를 사용할 것입니다. 정리하자면 5v 의 전압을 사용하는 0.5A 미만의 모터를 2개를 찾아 보겠습니다.

 

평소에 힘을 주는 모터 vs 계속 힘을 주고 있는 모터

아날로그 서보모터는 신호가 들어올 때만 힘을 주고 있습니다.반면에 디지털 서보모터는 신호가 들어오고 있지 않더라도 마지막에 들어왔던 신호의 위치에서 계속 힘을 주고 그 위치를 지키고 있습니다. 드럼을 치는 로봇은 이따금씩 쉬어줄 때도 필요할 것이기에 아날로그 서보모터를 사용하여 중간 중간 힘을 풀어주도록 하겠습니다.

 

필요한 스펙 정리

빠르기 : 30도를 ⅛ 초에 주파 가능한 모터 (40rpm 이상 속도를 내는 모터)

힘 : 0.2kg 을 1 cm 거리에서 들어 올릴 수 있는 힘

전기 : 5v 전압, 0.5A 미만의 전류

타입 : 아날로그

 

모터 데이터베이스 확인하기

인터넷에 https://servodatabase.com/?sort=price 라는 곳이 있습니다. 이 곳에서 사용자들이 직접 만드는 서보모터의 데이터베이스인데요, 여기에 많은 브랜드의 모터들이 모여있습니다. 이 곳에서 적당한 모터를 골라보는 것도 좋은 방법입니다. 보통 모터를 선택할 때 원하는 스펙보다 훨씬 강력한 모터를 선택합니다. 모터 스펙보다 실제 스펙이 덜한 경우도 있고 모터를 심하게 다뤄야 할 상황에서는 좋은 스펙의 모터가 좋은 퍼포먼스를 발휘하기 때문입니다. 저는 MG90S 라는 모터를 골랐습니다. 가격도 저렴하고 인터넷에 MG90S 를 이용한 유저들의 리뷰 및 작품들이 많기 때문입니다.

MG90S

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