알피봇(Rpibot): 임베디드 시스템 학습용 저비용 확장형 모바일 로봇

이 단순하고 저렴한 모바일 로봇 플랫폼은 개발자에게 임베디드 시스템을 실습으로 배울 실용적인 방법을 제공하기 위해 만들어졌습니다.

독일 자동차 회사 임베디드 소프트웨어 엔지니어로 이 프로젝트를 학습 플랫폼으로 시작했습니다. 원본 프로젝트는 초기에 취소되었으나 열정이 취미로 이어져 알피봇이 탄생했습니다.

명확한 요구사항을 세웠습니다:

• 최소화된 소프트웨어 중심 하드웨어
• 올인원 100유로 예산
• 미래 모듈용 내장 확장성
• 단일 5V 전원(예: USB 파워뱅크)으로 모든 구성요소 구동

플랫폼은 교육, 감시, 로봇 대회 등 다목적 활용 가능하지만 초보자 튜토리얼은 아닙니다. 파이썬 프로그래밍, 전자공학, PID 제어 기본 지식 필요.

도전은 필연적이지만 호기심과 끈기 있는 마인드셋으로 극복 가능. 소스코드는 의도적으로 간결하게, 핵심 섹션에 주석으로 가이드 제공.

전체 소스코드와 하드웨어 회로도는 GitHub에서 확인: https://github.com/makerobotics/RPIbot

준비물:

기계 부품

• 1 × A4 합판 보드, 4mm 두께
• 3 × M4 × 80 나사와 너트
• 2 × 인코더용 보조 출력축 있는 기어 모터 (휠)
• 1 × 프리 휠
• 1 × 팬-틸트 카메라 마운트 (선택)

전자 부품

• 1 × 라즈베리파이 제로 (헤더 및 카메라 포함)
• 1 × PCA 9685 서보 컨트롤러
• 2 × 광학 인코더 휠 및 회로
• 1 × 암 점퍼 와이어
• 1 × USB 파워뱅크
• 1 × DRV8833 듀얼 모터 드라이버
• 2 × SG90 마이크로 서보 (카메라 팬/틸트용, 선택)
• 1 × MPU9250 IMU (선택)
• 1 × HC-SR04 초음파 센서 (선택)
• 1 × 천공 보드, 납땜 와이어, 헤더 등

1단계: 섀시 제작

섀시는 의도적으로 단순, 경량, 빠른 조립/분해 가능하게 설계.

• 저렴한 재료
• 빠른 조립
• 향후 센서 추가 공간
• 전력 소비 감소를 위한 경량화

합판 이상적 – 실톱과 드릴로 쉽게 가공. 작은 나무 조각 접착해 센서와 모터 마운트 포인트 생성. 중요 부품은 나사로 고정해 전체 프레임 분해 없이 교체/디버깅 가능. 핫글루건 편리하나 장기 사용엔 내구성 부족. 3D 프린팅 대안이나 비용/시간 많이 듦.

프리 휠은 가볍고 마찰 없어 부드러운 모션 가능. 메인 휠 장착 후 후방 휠 수평 맞추려 간단 나무 스페이서 사용.

휠 특성 (소프트웨어 계산용)

둘레: 21.5cm
인코더 펄스: 20 펄스/회전
해상도: 펄스당 ≈1cm (거리 계산 단순화)

2단계: 전자장치 및 배선

다음 모듈들이 다이어그램과 같이 상호 연결.

라즈베리파이 제로 – 중앙 컨트롤러. 센서 읽고 PWM으로 모터 구동. 와이파이로 원격 PC와 연결.

DRV8833 – 듀얼 H-브리지 모터 드라이버로 모터에 충분한 전류 공급 (Pi GPIO 핀으로는 불가).

광학 인코더 – 휠 광로 차단마다 사각파 전달. Pi 하드웨어 인터럽트로 각 전이 포착.

PCA 9685 – I²C 서보 컨트롤러로 PWM 신호와 팬-틸트 서보용 5V 전원 제공.

MPU9250 – 3축 가속도계, 자이로스코프, 자기계, 주로 헤딩 정보용.

모든 구성요소 점퍼 케이블로 배선. 브레드보드가 분배 허브 역할로 5V, 3.3V, 그라운드 레일 제공. 연결 표(첨부 참조)가 모든 링크 상세 기술. 5V를 3.3V 핀에 직접 연결 절대 금지; 전원 투입 전 배선 재확인. 브레드보드 설정 후 메인 공급 전압 멀티미터로 측정.

모듈들은 나일론 나사로 섀시에 고정해 안정적이면서 유지보수용 탈착 가능.

납땜은 모터 단자, 브레드보드, 헤더 핀에만 한정. 점퍼 와이어 편리하나 느슨해질 수 있음; 소프트웨어 진단으로 간헐적 연결 식별 가능.

출처: Rpibot – 로보틱스 학습에 대하여