LIME LAB

3D Printing X Robotics

InMoov Hand Robo Making

Chapter 10

마무리 및 활용방안

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활용방안에 대하여

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1. Leap Move 센서를 이용하여 손 동작 인식, 동일하게 작동

2. Tensorflow 등의 SW와 연동하여 특정 반응에 대해 작동

3. ???

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Chapter 9

작동 코드의 분석

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작동 코드에 대하여 분석하도록 하겠습니다

현재 설계된 로봇 의수의 경우, 아두이노를 이용하여 제어되기 때문에 

관련된 프로그램을 설치하고 코드를 작성, 활용하여야 합니다

https://www.arduino.cc/

위 페이지에서 아두이노 코드를 작성할 수 있는 개발 환경을 다운로드 받아 설치해야 합니다

구현하고자 하는 기능을 단순화 해 보면 다음과 같습니다

1. 특정 센서를 통해 손가락의 움직임 정도를 제어하도록 조절함

2. 센서를 통해 받아들여진 값에 따라 서보모터가 작동하도록 함

이 두 가지 기능을 구현시키기 위해서 필요한 것이 바로 다음의 소스코드입니다

#include <Servo.h> 

Servo thumbservo,indexservo,middleservo,ringservo,littleservo;  // create servo object to control a servo 

int thumbpin = 0;  // analog pin for thumb connect the flex sensor

int indexpin = 1; // analog pin for index connect the flex sensor

int middlepin = 2; // analog pin for middle connect the flex sensor

int ringpin=3; // analog pin for ring connect the flex sensor

int littlepin=4; // analog pin for little connect the flex sensor

int val1,val2,val3,val4,val5;    // variable to read the value from the analog pin 

void setup() 

{ 

   thumbservo.attach(5);  // attaches the servo on pin 5 for the thumb 

   indexservo.attach(6); // attaches the servo on pin 6 for index finger

   middleservo.attach(9); // attaches the servo on pin 9 for the middle finger

   ringservo.attach(10); // attaches the servo on pin 10 for the ring finger

   littleservo.attach(11); // attaches the servo on pin 11 for the little finger   

} 

void loop() 

{ 

   val1 = analogRead(thumbpin);            // reads the value of the potentiometer (value between 0 and 1023) 

   val1= map(val1, 100, 900, 0, 179);     // scale it to use it with the servo (value between 0 and 180) 

   thumbservo.write(val1);   // sets the servo position according to the scaled value 

   val2 = analogRead(indexpin);            // reads the value of the potentiometer (value between 0 and 1023) 

   val2= map(val2, 100, 900, 0, 179);     // scale it to use it with the servo (value between 0 and 180) 

   indexservo.write(val2);   // sets the servo position according to the scaled value 

   val3 = analogRead(middlepin);            // reads the value of the potentiometer (value between 0 and 1023) 

   val3= map(val3, 100, 900, 0, 179);     // scale it to use it with the servo (value between 0 and 180) 

   middleservo.write(val3);   // sets the servo position according to the scaled value 

   val4 = analogRead(ringpin);            // reads the value of the potentiometer (value between 0 and 1023) 

   val4= map(val4, 100, 900, 0, 179);     // scale it to use it with the servo (value between 0 and 180) 

   ringservo.write(val4);   // sets the servo position according to the scaled value 

   val5 = analogRead(littlepin);            // reads the value of the potentiometer (value between 0 and 1023) 

   val5= map(val5, 100, 900, 0, 179);     // scale it to use it with the servo (value between 0 and 180) 

   littleservo.write(val5);   // sets the servo position according to the scaled value 

   delay(10);                           // waits for the servo to get there 

}

소스코드를 기반으로 기능에 대해 한 가지씩 설명하도록 하겠습니다

include <servo.h>

서보모터를 사용하는 라이브러리를 추가하는 코드입니다

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Chapter 8

모터 및 제어부품의 작동

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이번 챕터에서는 로봇 의수를 결정적으로 작동하게 하는 제어 부품들에 대해 상세히 알아보겠습니다

크게 각 제어부품의 기능과 제어 / 연결 방식에 대한 설명 / 실제 병렬 연결에 대한 이야기로 나누어 보겠습니다

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각 제어부품의 기능과 제어

제어부품은 센서, 액츄에이터(모터), 컴퓨터(아두이노)로 나누어 볼 수 있습니다

그 외에는 이 부품들의 연결을 원활하게 해 주는 점프선과 브레드보드가 있습니다

우선 서보모터부터 자세하게 살펴보도록 하겠습니다. 서보모터에는 다음과 같이 3개의 연결부가 존재합니다

각각의 연결부는 주황 / 빨강 / 고동 등의 색깔로 옅은 색부터 짙은 색까지 3 가지 단계로 구분되어 있습니다

이는 각각 센서 / 볼트 / 그라운드에 연결하는 전선으로, 잘 알아보고 연결해야 합니다

센서의 경우 여기서는 가변저항을 사용하는데, 저항의 세기를 물리적으로 조절할 수 있도록 도와주는 부품입니다

각 제어부품에 대한 설명 

그라운드, 볼트, 핀, 등등에 대한 설명

병렬 연결에 대한 이야기

내가 한 방식에 대해 총괄 설명

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Chapter 7

조립 과정 B

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이번 챕터에서는 조립과정 A에서 만들어진 의수에 모터와 낚싯줄을 연결하고, 텐션을 조절하는 방법에 대해 설명하겠습니다

모터와 낚싯줄을 연결하는 과정은 크게 다음과 같이 나누어집니다

서보모터 베드 장착 및 서보모터 체크 / 지지대와 낚싯줄 정리 및 고정 / 텐션 조절

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서보모터 베드 장착 및 서보모터 체크

서보모터와 낚싯줄을 연결하기 전에 먼저 서보모터 베드를 로봇 의수의 팔목에 장착해야 합니다

이는 후에 서보모터 베드와 손가락 끝의 거리 차이에 의해 낚싯줄 텐션이 정해지기 때문입니다

확실하게 서보모터 베드를 장착하고 텐션을 잡아주어야 하므로 

팔목 뒷부분에 서보모터 베드를 글루건과 접착제로 부착해 주도록 합니다

베드가 부착된 후에는 서보모터를 베드에 고정시키도록 합니다

미리 서보모터가 베드에 모두 잘 장착되는지 살펴본 다음, 글루건과 접착제 등으로 확실하게 고정해 줍니다

서보모터가 고정 된 다음에는 서보모터의 영점을 맞춰주어야 합니다. 

이 과정에 대해서는 전자 제어 파트에서 다루므로 꼭 참고하고 다음 과정을 진행하시기 바랍니다

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지지대 장착과 낚싯줄 정리

서보모터와 서보모터 베드 모두 부착이 완료된 후에는, 낚싯줄과 낚싯줄 지지대를 장착해야 합니다

낚싯줄 지지대는 낚싯줄의 높이와 모터 회전부의 높이가 일치하게 함으로써

좀 더 정확하게 오랫동안 작동하도록 도와주는 역할입니다

지지대는 전면, 후면 두 종류로 나뉘어지며 낚싯줄을 연결하기 전에 우선 서보모터와 접착제로 결합시켜 줍니다

그 다음 낚싯줄을 살펴보면, 손바닥이 위로 간 상태에서 오른쪽부터 엄지손가락 - 새끼손가락이 있을 것입니다

마찬가지로 총 10개의 손목 구멍으로 엄지손가락 - 새끼손가락에 장착된 10개의 낚싯줄이 있을 것입니다

여기서 가장 오른쪽과 왼쪽에 있는 낚싯줄, 즉 엄지손가락과 새끼손가락의 낚싯줄은 뒷쪽 서보모터에 장착됩니다

나머지 가운데 세 손가락의 낚싯줄은 차례로 앞쪽 서보모터에 장착되어 움직입니다

이를 고려하여 전면 낚싯줄 지지대에는 5개 손가락의 낚싯줄 모두를 통과시키고, 

후면 낚싯줄 지지대에는 엄지와 새끼손가락의 낚싯줄만 통과시키도록 합니다

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텐션 조절

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마지막으로 각각의 낚싯줄이 지정된 모터와 연결되야 하므로, 우선 낚싯줄 도르래를 모터에 결합시킵니다

각 모터에 해당되는 낚싯줄 2가닥을 도르래 라인을 따라 2바퀴 정도 교차하게 감은 다음, 윗쪽 구멍으로 통과시켜 고정시킵니다

두 가닥의 낚싯줄을 서로 묶는 것이 확실하며, 묶은 다음 도르래 위에 글루건 등으로 고정시켜도 좋습니다

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Chapter 6

조립 과정 A

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모든 준비과정이 완료된 후 본격적으로 의수를 조립하기 시작합니다

조립과정은 크게 다음과 같이 정리할 수 있습니다

사이즈 맞춰보기 / 비관절 부품 접착하기 / 낚싯줄 연결하기 / 관절 부품 연결하기 / 모터 장착하기

위의 단계를 차례대로 살펴보겠습니다

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사이즈 맞춰보기

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조립하기 위해 가장 처음 할 일은 각각의 부품들이 적절한 크기인가 알아보는 것입니다

기본적으로 출력물의 크기가 서로 딱 맞아떨어지지 않고, 약간 더 크게 설계되어 있기 때문에

출력물의 상태를 알아보고, 적절하게 가공하는 작업이 필요합니다

우선, 각 손가락 출력 파트 (Thumb ~ Auriculair까지), 손등 출력 파트 (Wrist Large/Small)를 손 모양과 동일하도록 맞춰봅니다

이어 손등부터 손목, 팔목까지 이어지는 출력물을 차례로 맞춰봅니다

마지막으로 볼트 연결 부품이 부드럽게 들어가는지 맞춰보도록 합니다

맞춰 본 다음, 뻑뻑하거나 울퉁불퉁하여 잘 맞지 않는 부품들을 준비해둔 줄로 맞을 때 까지 열심히 갈아줍니다

모든 부품이 연결된 상태에서 각 관절부 등이 부드럽게 움직인다면 성공입니다

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비관절 부품 접착하기

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로봇 의수에 사용되는 부품은 크게 관절 부품과 비관절 부품으로 나누어 볼 수 있습니다

관절 부품의 경우 힘줄 역할을 하는 낚싯줄이 연결되어야 하기 때문에 나중에 접착해야 하지만, 

비관절 부품은 미리 접착해 놓는 것이 작업에 용이합니다

이러한 비관절 부품은 다음과 같습니다

각 손가락 출력 부품 (Thumb ~ Auriculair)의 관절이 없는 마디 / 2 개의 팔목 부품 (Robpart3, 4) 와 손목파트 (Robpart1 or Rotational Wrist)

서보모터 베드 부품 (RobServoBed) 등의 

각각의 비관절 부품을 앞에서 준비한 록타이트 401 혹은 ABS 전용 접착제로 접착하도록 합니다

이 때, 특히 손가락 부품에서 방향을 주의해 접착해야 합니다. 만약 잘못된 방향으로 접착할 경우 다시 출력해야 하므로 신중하게 하시길 바랍니다

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낚싯줄 연결하기

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낚싯줄은 로봇 의수에서 힘줄, 근섬유와 같은 역할을 합니다

우선 낚싯줄을 75cm 단위로 10가닥 잘라서 준비합니다

낚싯줄이 10가닥인 이유는, 손가락이 구부러지고 펴지는 두 가지 운동을 하는 데 각각 낚싯줄이 필요하기 때문입니다

낚싯줄의 연결은 Wrist Large에 있는 5 x 3 개의 구멍 중, 가장 윗쪽과 가장 아랫쪽의 구멍을 사용하도록 합니다

가운데 구멍은 손 내부에 센서를 장착하여 추가적인 기능을 구현하고자 할 때만 사용하며, 여기서는 다루지 않습니다

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우선 손바닥 방향으로 구부러지는 낚싯줄을 5개 골라내어 손바닥 안쪽에 가까운 5개 구멍에 끼워 넣습니다

계속해서 손가락으로 이어지는 구멍에 연결하여, 마지막엔 손가락 끝에 튀어나오도록 연결해 놓습니다

손목부터 손가락 끝까지 관통되는 연결이 끝났다면, 줄이 꼬이지 않도록 잘 정리해 둔 다음, 펴지는 방향의 낚싯줄을 연결합니다

손바닥이 펴지는 방향의 낚싯줄은 손등에 가까운 5개 구멍에 끼워 넣습니다

그 이후에는 아까와 마찬가지로 손가락으로 이어지는 구멍에 연결하여, 마지막엔 손가락 끝을 통과하도록 합니다

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10개의 낚싯줄이 모두 각각의 손가락에 연결되었다면, 이제 손가락 끝부분에 낚싯줄을 고정해 주어야 합니다

낚싯줄은 다양한 방법으로 고정될 수 있는데, 개인적으로 한 손가락에 연결되어있는 두 낚싯줄을 매듭짓기를 추천합니다

매듭이 구멍으로 빠져서 낚싯줄이 헛도는 일이 없도록, 매듭 위에 글루건 등으로 꼭 고정해주어야 합니다

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기본적인 낚싯줄 고정이 완료된 후에는, 각 관절의 볼트를 낚싯줄 사이로 끼워넣어야 합니다

이를 위해서 우선 손바닥 방향으로 구부러지는 낚싯줄을 5개 골라내어 연결하도록 합니다

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Chapter 5

제어 장치의 준비

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제어 장치를 준비하기 위해서는 기본적으로 아두이노 등의 마이크로 컴퓨터에 대한 지식이 필요합니다

아두이노와 같은 마이크로 컴퓨터는 

강의를 간단하게 듣고 시작하기를 추천합니다

아두이노 기초 강의 : https://youtu.be/3e6GMI4Szwk?list=PL0Vl139pNHbe-JlsydLg3NFRk6nC_cC7w

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아두이노

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아두이노 본체는 가장 기본적인 아두이노 우노 (Arduino Uno)를 사용합니다

정품 아두이노의 가격은 3~4만원 정도이며, 만약 동일한 기능의 호환보드를 구매한다면 1만원 이하로 구매가 가능합니다

아두이노를 다른 센서나 모터와 연결하기 위해 브레드보드가 있어야만 합니다

브레드보드를 팔 안에 장착할 생각이라면 서보모터를 제외한 공간 (팔목 전반부)에 장착 가능한 사이즈로 구매하시길 추천합니다

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서보모터

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다양한 종류의 모터 중에서 로봇 의수 제작에는 서보모터가 사용됩니다 

서브모터는 180도 정도의 각도를 반복적으로 운동하는 것이 가능하기 때문에, 손가락의 움직임을 제어할때 효과적입니다

설계자는 다양한 서브모터중에서 손가락제어용의 MG 946r, 팔목제어용의 MG 996r을 사용하였습니다.

이는 연결부에 가해지는 힘과 모터의 출력을 고려하여 정해진 것으로 보입니다

현재 MG 946r과 MG 996r 모두 인터넷 쇼핑몰에서 5000원 정도의 가격으로 구할 수 있습니다.

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센서 및 점프선

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센서의 경우 아주 기초적인 형태의 로봇 의수를 만들기 위해서는 가변저항 한 종류만이 필요합니다

만약 5개의 손가락을 동시에 제각각 가변저항을 통해 제어할 생각이라면, 총 5개의 가변저항이 필요합니다

하지만 이러한 방법은 브레드보드가 상당히 커야 하며, 전선 또한 너무나 많이 필요하기 때문에 알파 버전에서는 추천하지 않습니다

그러므로 병렬 방식으로 5 손가락을 모두 움직이거나 손가락을 하나씩만 움직이는 것을 고려한다면 가변저항은 1개로 충분합니다

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점프선은 아두이노등의 마이크로 컴퓨터에서 편리하게 센서등과 연결하도록 계량된 전선의 종류입니다

점프선의 경우 최소한 모터 1개당 3개의 전선이 필요하며, 추가적으로 가변저항 등을 연결할 전선이 필요합니다

대략 20~30개 정도의 점프선이 필요하며, 인터넷쇼핑몰에서 40개 묶음을 1000원정도의 가격으로 구매하실 수 있습니다

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기본적인 제어장치는 위의 부품들로 제작이 가능합니다

하지만 조금더 발전된 형태의 로봇 의수를 제작하고자 한다면

다양한 센서와 액츄에이터를 사용하여 업그레이드 시키는 것이 가능합니다

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Chapter 4

제작 도구의 준비

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출력물을 출력하는 동안, 혹은 출력을 끝내고는 제작 도구와 제어 부품을 준비해야 합니다

크게 가공 도구, 접착 도구로 나누어서 상세하게 이야기해 보겠습니다

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가공 도구

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기본적으로 모든 출력물은 완벽한 사이즈보다 약간 더 두껍게, 혹은 크게 설계되어 있습니다

이는 설계자가 출력물을 조금씩 가공하며 완벽한 사이즈를 찾아가라는 배려의 마음에서 설계했다고 생각합니다

물론 저희 팀은 이 사이즈를 찾아 나가기까지 상당한 고생을 했습니다

우선 큰 사이즈의 출력물을 갈아내기 위한 '줄'이 필요합니다

줄은 총 2가지 종류를 구매하였는데, 평평한 면을 가진 줄과 약간 뾰족하게 생긴 것 두 개였습니다

그 외에도 펜치, 가위, 칼 등이 있으면 유용합니다

펜치는 특히 가위나 칼로는 자르기 힘든 낚싯줄이나 필라멘트를 자르기에 정말 좋습니다

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접착 도구

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접착 도구는 플라스틱 접착이 가능한 순간접착제와 글루건 두 가지를 사용했습니다

설계자의 경우 Zap-A-gap 이란 ABS 전용 접착제를 사용하라고 권장하지만,

국내에서는 상당히 고가에만 구할 수 있었기에 록타이트 401이란 흔한 순간접착제를 사용했습니다

주의할 점은 순간접착제이기 때문에 신중하게 붙이지 않으면 출력물을 사용하지 못하게 될 수 있습니다

꼭 붙여야 하는 출력물을 확실하게 확인하고 접착하시기 바랍니다

글루건의 경우 볼트 대체용 필라멘트를 고정하거나 물리적인 형태를 가진 접착부위가 필요할 때 유용합니다

예를 들어 손가락 끝의 매듭에 글루건을 사용하여 더욱 견고하게 낚싯줄을 고정할 수 있었습니다

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Chapter 3

3D 프린팅 출력물 살펴보기