산업용 라인 팔로잉 로봇: 자재 이송용 아두이노 기반 자율 주행 로봇

필요한 부품 및 소모품

부품명	수량	비고
스파크펀 아두이노 프로 미니 328 - 5V/16MHz	1
커스텀 PCB	1	첨부파일에 레이아웃 있음, 없어도 제작 가능
초음파 센서 HC-SR04	1
RFID 모듈	1
스파크펀 레드봇 라인 팔로워 센서	3
TI H-브리지 모터 드라이버 1A (L293D 호환)	1	L293D 사용
리튬 이온 배터리 1000mAh 7.4V	1	7.4V면 다른 제품도 가능
하비 기어모터 140 RPM (한 쌍)	1	섀시 연결 커넥터 별도 필요, 3D 프린팅 가능
휠 65mm	1
점퍼 와이어	1
토글 스위치	1
RFID 태그	4	작업 수에 따라 조절 가능
부저	1
수형 헤더 40핀 1열 (0.1인치)	1

필요한 도구 및 장비

• 3D 프린터
• 레이저 커터 (없으면 온라인 주문 가능)
• 납땜 인두

소프트웨어 및 온라인 서비스

• 아두이노 IDE
• 오토데스크 퓨전 360

프로젝트 개요

조립 라인에서 부품을 이송하는 로봇이 어떻게 작동하는지 궁금한 적 있으신가요? 폴란드 오펠 공장에서 그런 로봇을 보고 많은 질문을 던졌는데, 설명을 듣고 나니 이건 그냥 매우 진보된 라인 팔로워라는 걸 깨달았습니다. 검은 테이프 대신 자기 스트립이, 라이트 센서 대신 자기 센서가 쓰이고, 안전 기능과 스마트 기능이 추가된 것뿐이죠. 그 순간 '나도 더 작고 저렴한, 아두이노 기반 오픈소스 버전을 만들어서 물건을 똑똑하게 이송하게 할 수 있지 않을까?'라는 생각이 들었습니다. 큰 도전처럼 들리지만, 그게 바로 제가 좋아하는 것입니다!

설계

먼저 종이에 연필로 설계했습니다! 멋진 CAD 소프트웨어가 있는데 왜 종이냐고요? 몇 가지 장점이 있습니다. 제약이 없고, 산만하지 않으며, 빈 종이와 연필만 있으면 아이디어가 술술 나옵니다. 더 빠르고, 치수나 최종 모양을 고민할 필요 없습니다. 마음에 안 들면 다시 그리면 되고, 모든 그림을 한눈에 보며 조합해 새로운 아이디어를 낼 수 있습니다. 전반적인 형태를 종이에서 정한 뒤 CAD로 치수를 넣었습니다. 이 기법을 모두에게 추천합니다! 제 그림들입니다(오른쪽 형형색색 선은 조카의 창작물).

제 그림 실력은 형편없지만, 5분 만에 더 나은 걸 그릴 수 있는 분도 계시겠죠. 저는 예전엔 그림을 정말 못 그렸는데 위 예시는 제겐 꽤 괜찮아 보입니다. 이걸 바탕으로 CAD 설계를 했습니다. 처음부터 일부 부품은 3D 프린팅하리라 생각했지만, 100% 3D 프린팅은 피하고 여러 방식을 실험해보고 싶었습니다. 결국 일부 부품은 레이저 커팅으로 결정했는데, 레이저 커터가 없어 설계 방법을 배워 온라인으로 주문했습니다. 소재는 4mm 합판(아크릴 등도 가능)을 선택했습니다. 로봇 앞부분은 3D 프린팅으로 모든 센서, 전자부품, 배터리를 담게 했습니다. 제 생각엔 렌더링이 환상적으로 나왔습니다!

다음 단계는 나무 판재 레이저 커팅 주문이었습니다. 폴란드에 살아서 배송비 절약하려고 폴란드 업체를 이용했습니다. 주변 업체를 찾으려면 '레이저 커팅 + 도시명'으로 검색하세요. 핑거 조인트가 완벽하게 맞도록 커프(kerf) 보정 오프셋을 조정해줄 수 있는지 업체에 꼭 문의하세요. 다행히 그걸 다 해주는 업체를 찾았습니다!

레이저 커팅 설계도 처음이고 레이저 커팅 부품도 처음 써봐서 걱정했는데 아름답게 나왔습니다. 레이저 커팅용 DXF 파일은 아래 첨부파일 섹션에 있습니다.

섀시 완성을 위해 로봇 앞부분을 3D 프린터로 출력했습니다. 3D 프린터가 없다면 학교나 도서관, 지인을 찾아보세요. 요즘은 꽤 저렴합니다. STL 파일은 첨부파일 섹션에 있습니다. 특별한 설정은 없고, 2퍼리미터 30% 인필 0.2mm 레이어 높이로 서포터 사용해 출력했습니다. 약 8시간 걸리니 인내심을 가지세요.

출력 후 정리하고 합판 부품에 나사로 고정하려 했는데, 더 공들여보기로 했습니다. 사포질하고 도색하고, 다시 사포질하고 도색하고, 자동차 퍼티로 표면을 매끄럽게 만든 뒤 더 사포질하고 도색했습니다. 시간이 많이 걸렸지만 많은 걸 배웠고, 이 반짝이는 표면을 보세요! 3D 프린팅한 티가 전혀 안 납니다! 이틀간의 도색과 사포질, 절대 아깝지 않습니다.

레이저 커팅 부품과 3D 프린팅 부품이 조립 준비되었습니다.

아두이노, 센서, 모터, PCB...

모든 건 프리칭으로 설계한 커스텀 PCB에 연결된 아두이노 프로 미니가 제어합니다(PCB 레이아웃과 설계 파일은 첨부파일에). 사람의 개입 없이 자율 작동하려면 라인 센서와 라인 옆 RFID 태그를 감지하는 RFID 모듈이 필요합니다. 기어 모터를 제어하는 H-브리지는 L293D로 작고 쓰기 쉽습니다. 부저도 회로에 추가해 특정 RFID 태그 감지 시 비프음 나게 했습니다. 모든 전원은 2셀 리포 배터리(공칭 7.4V)로 공급합니다. RFID 모듈은 3.3V 전원이 필요해 PCB에 전압 레귤레이터를 추가했습니다. 장애물 감지용 초음파 센서도 있습니다. 안전이 최우선이니까요! HC-SR04로 거리 읽는 데 마이크로컨트롤러 기준으로 꽤 시간이 걸려서, 이 센서로 쉽고 빠르게 장애물 감지하는 별도 프로젝트도 만들었습니다(자세한 정보는 여기). 필수는 아니지만 확실히 편해집니다.

PCB 제작엔 도구와 부품(아두이노, L293D, 브레이크어웨이 헤더, 배터리 커넥터, 부저, 3.3V 레귤레이터)이 필요합니다. 집에서 PCB 만드는 법과 필요한 도구는 여기에서 확인하세요.

처음엔 CNC 밀링 머신으로 PCB를 깎으려 했으나, 익숙한 토너 전사 방식을 썼습니다. 위 사진은 구리 보드에 토너가 전사된 모습입니다. 그 후 에칭하고 토너를 닦아냈습니다. 스루홀 부품 장착을 위해 구멍도 뚫어야 합니다.

DIY PCB치곤 납땜이 엄청 쉬웠습니다. 보통 솔더 마스크가 없어서 훨씬 어렵거든요.

PCB 바닥에 점퍼 와이어 5개가 있습니다(프리칭 PCB 뷰에서 파란 케이블로 표시). 점퍼는 정말 싫지만 복잡한 회로와 단면 PCB에선 피할 수 없습니다.

로봇 전원은 2셀 리포 배터리로, 비슷한 전압의 다른 배터리도 괜찮습니다. 배터리 용량은 특정할 필요 없습니다(클수록 한 충전으로 오래 작동). 배터리 소켓도 PCB에 납땜해 쉽게 연결되게 했습니다.

모든 납땜이 끝나면 배터리를 연결해 테스트합니다. 아두이노 LED가 켜지고 연기가 안 나면 성공!

잘 작동하면 PCB 마지막 납땜 작업인 모터 연결 케이블 납땜을 합니다. 필요보다 조금 길게 만들고 나중에 자르세요. 너무 짧으면 곤란하니까요.

PCB 완성! PCB 제작 경험이 없다면 한번 도전해보세요. 그렇게 어렵지 않습니다. 케이블이나 프로토보드로 연결하는 걸 선호한다면 그렇게 해도 되지만, 로봇 앞부분에 넣기 힘들 수 있습니다. PCB면 쉽게 들어갑니다! 아직 센서들을 PCB에 연결해야 하지만, 먼저 섀시를 조립하고 센서들을 부착하겠습니다.

조립

레이저 커팅 부품의 핑거 조인트가 완벽하게 맞지만, 정말 견고하고 내구성 있게 만들려면 접착제가 필요합니다. 합판이니 목공용 본드면 됩니다. 너무 많이 바르지 말고 샌 건 닦아내세요. 몇 시간 말려야 하니 잠시 쉽시다. 모든 부품이 제대로 배치됐는지 확인하세요. 접착제가 마르면 되돌릴 수 없습니다.

몇 시간 후 조립을 계속합니다. 3D 프린팅 앞부분을 합판에 부착합니다. 접착제는 쓰지 않겠습니다. CIT 인턴십 때 배운 대로: 접착제 쓰는 건 비전문적이야, 잊어라(하지만 나무엔 괜찮길 바랍니다). 로봇 바닥에서 나사로 고정하되, 3D 프린팅 부품 안쪽 회로에 쇼트 나지 않게 짧은 나사(6mm 정도)를 쓰세요. 이 방식의 장점은 위에서 안 보인다는 겁니다. 로봇 밑을 봐야 보이니 훨씬 깔끔합니다. 와셔를 써서 합판 변형을 방지하세요.

지금까진 이렇습니다. 아주 깔끔하고 완벽하죠!

이제 모터와 뒷바퀴를 섀시에 장착합니다. M3 나사가 필요합니다. 여기도 와셔로 합판 보호.

센서 장착하러 갑시다. 로봇 뒤집고 M3 나사와 드라이버 준비.

조립 완전! 하나도 안 힘들고 순수한 즐거움이었습니다. 이제 모든 센서와 모터가 제자리에 있는 로봇 형태가 보입니다. 마무리 테스트 전 센서들을 PCB에 연결만 하면 됩니다.

연결

이 단계는 시간이 좀 걸립니다. 어렵진 않지만 3D 프린팅 앞부분의 좁은 공간으로 모든 케이블을 통과시키는 게 꽤 까다롭습니다. 가장 좋은 방법은 모든 센서와 모듈에 케이블을 연결하고, 앞부분 구멍으로 통과시킨 뒤 마지막에 PCB에 연결하는 것입니다.

이 프로젝트 전자부품을 3D 프린팅 부품 왼쪽에 다 넣으려 했는데, 배터리가 광고보다 커서 배터리를 왼쪽에, 전자부품을 오른쪽에 넣었습니다. 큰 문제는 아니었고 모든 게 완벽하게 들어맞았습니다.

초음파 센서도 제자리에 넣으세요.

로봇 켜고 끄기 쉽게 배터리 커넥터에 스위치를 달았습니다. 뒷판에 스위치 넣을 구멍도 있습니다.

코드

앞부분 뒷뚜껑을 닫기 전에 아두이노 프로 미니에 코드를 업로드해야 합니다. PCB에서 아두이노를 꺼내 USB-UART 컨버터로 컴퓨터에 연결하세요. 아두이노 코드는 아래에 있습니다. 코드에 대한 모든 설명은 주석과 영상에 있습니다. 웹 에디터에서도 확인 가능합니다.

이 로봇용 태스크를 생성하는 C# 전용 프로그램 '태스크 플래너'도 작성했습니다(아래 .exe 파일 참조). 로봇 태스크를 쉽게 생성해 복사해 아두이노 IDE에 붙여넣고 업로드할 수 있습니다. 태스크 생성을 위해 RFID 카드 ID를 알아야 하는데, 간단한 회로로 구할 수 있습니다(자세한 정보 여기).

거의 완성...

이제 앞부분 뒷뚜껑 두 개를 닫고 나사로 고정합니다. 모든 부품을 넣기 좀 까다로울 수 있으니 위치를 조정해가며 뚜껑을 닫으세요.

짧은 M3 나사로 고정하면 와셔는 필요 없습니다. 이게 마지막 작업입니다. 드디어 최종 테스트 준비 완료! 제작에 엄청 시간 썼는데, 의도대로 작동하는지 볼 수 있어 정말 기쁩니다 :)

모든 부품이 제자리에 있고, 전자부품은 앞부분에 숨겨져 있고, 센서들은 로봇에 장착된 모습입니다. 단점은 배터리 충전이 좀 어렵다는 건데, 뒷뚜껑을 열어서 빼야 합니다. 간단한 해결책은 3D 프린팅 부품에 구멍을 내고 배터리 밸런스 케이블을 밖으로 빼는 것입니다.

최종 테스트!

이 로봇이 어떻게 작동하는지 어떻게 보여드릴지, 정확히 어떻게 보여드릴지 고민했습니다. 이 프로젝트의 주 목적은 조립 라인과 공장에서 물건을 똑똑하게 이송할 수 있는 저렴한 오픈소스 로봇을 만드는 것이니, 간단한 조립 라인을 꾸려 아빠와 조카의 도움을 받았습니다. 목표: 로봇에 물건을 싣고, 다른 스테이션에서 꺼내고, 스티커 붙은 물건을 싣고, 마지막 스테이션에서 스티커 붙은 물건을 창고로 옮기는 것. 조립 라인을 모방한 간단한 태스크로 작동 테스트하기 좋습니다.

바닥에 검은 테이프를 붙이려 했는데 센서에 반사가 부족해 골판지를 썼습니다. 테스트 시작! 영상에서 확인하세요(프로젝트 처음에 있습니다).

이 프로젝트엔 잘못될 게 많았지만 모든 게 완벽하게 잘 됐습니다. 의도한 대로 작동하고, 초기 아이디어부터 설계, 조립까지 모든 단계가 매끄럽고 놀랍게 잘 진행됐습니다. '잘못될 게 많았다'고 한 건 진짜입니다. 3D 프린팅, 프로그래밍, 아두이노 경험은 많지만 종이에 프로젝트 그린 건 처음이었는데 정말 좋은 아이디어였고 앞으로 자주 할 겁니다. 레이저 커팅 설계도 처음이었고, C# 프로그래머 자격증이 있지만 마스터는 아닙니다. 이 모든 걸 연결해 이런 멋진 로봇을 만들었습니다 :) 프로젝트 마음에 드셨다면 댓글로 몇 마디 남겨주세요. 정말 궁금합니다. 질문 있으시면 편하게 물어보세요! 읽어주셔서 감사합니다.

즐거운 메이킹!

코드

• 산업용 라인 팔로워 아두이노 코드
• 태스크 플래너
• 태스크 플래너.exe

산업용 라인 팔로워 아두이노 코드 (아두이노)

/* * * C by Nikodem Bartnik * https://NikodemBartnik.pl * https://www.youtube.com/user/nikodembartnik * */ 
#include <SPI.h> 
#include <MFRC522.h> 
//핀 정의, 회로도에서 뭔갈 바꿨으면 아래 값도 바꿔야 함
#define LINESENSOR1 6 
#define LINESENSOR2 7 
#define LINESENSOR3 8 
#define BUZZER A0 
#define MOTOR1A 2 
#define MOTOR1B 3 
#define MOTOR2A 4 
#define MOTOR2B 5 
#define RFID_SDA 10 
#define RFID_SCK 13 
#define RFID_MOSI 11 
#define RFID_MISO 12 
#define RFID_RST 9 
#define DISTANCESENSOR A1 
//상수 정의
#define STOP_TIME 3000 
#define BEEP_LENGTH 200 
#define MOTOR_SPEED 110 
#define MINIMUM_TIME_BETWEEN_CARDS 2000 
MFRC522 mfrc522(10, 9); 
long int last_card_read; 
//C#으로 작성한 태스크 생성 프로그램에서 배열 복사해 붙여넣기, ILFPlanner.exe 찾기
#define COMMANDS_LENGTH 4 
char* Type[4]={"Stop", "Beep&stop", "Beep&ignore", "Stop"}; 
int Value[4]={3000, 1000, 0, 5000}; 
char* CardID[4]={"12 14 B1 2F", "F6 34 F9 25", "ED B9 E0 2B", "83 87 3B 2E"}; 

void setup() { 
  //RFID 모듈용 SPI 설정
  SPI.begin(); 
  mfrc522.PCD_Init(); 
  //필요한 모든 핀 설정
  pinMode(LINESENSOR1, INPUT); 
  pinMode(LINESENSOR2, INPUT); 
  pinMode(LINESENSOR3, INPUT); 
  pinMode(BUZZER, OUTPUT); 
  pinMode(MOTOR1A, OUTPUT); 
  pinMode(MOTOR1B, OUTPUT); 
  pinMode(MOTOR2A, OUTPUT); 
  pinMode(MOTOR2B, OUTPUT); 
  pinMode(DISTANCESENSOR, INPUT); 
} 

void loop() { 
  //라인 팔로잉 기능 구현
  if(digitalRead(LINESENSOR1) == LOW && digitalRead(LINESENSOR2) == HIGH && digitalRead(LINESENSOR3) == LOW){ 
    Forward(); 
  }else if(digitalRead(LINESENSOR1) == HIGH && digitalRead(LINESENSOR2) == LOW && digitalRead(LINESENSOR3) == LOW){ 
    Left(); 
    delay(20); 
  }else if(digitalRead(LINESENSOR1) == LOW && digitalRead(LINESENSOR2) == LOW && digitalRead(LINESENSOR3) == HIGH){ 
    Right(); 
    delay(20); 
  } 
  //마지막 카드 감지 후 MINIMUM_TIME_BETWEEN_CARDS 경과 시 다른 카드 확인
  if(millis() - last_card_read >= MINIMUM_TIME_BETWEEN_CARDS){ 
    //카드가 센서 근처에 올 때까지 대기
    if ( ! mfrc522.PICC_IsNewCardPresent()){ 
      return; 
    } 
    //카드 값 읽기
    if ( ! mfrc522.PICC_ReadCardSerial()) { 
      return; 
    } 
    //카드 값을 읽기 쉽게 처리
    String content= ""; 
    for (byte i = 0; i < mfrc522.uid.size; i++) { 
      Serial.print(mfrc522.uid.uidByte[i] < 0x10 ? " 0" : " "); 
      Serial.print(mfrc522.uid.uidByte[i], HEX); 
      content.concat(String(mfrc522.uid.uidByte[i] < 0x10 ? " 0" : " ")); 
      content.concat(String(mfrc522.uid.uidByte[i], HEX)); 
    } 
    content.toUpperCase(); 
    content = content.substring(1); 
    //배열의 모든 CardID 순회하며 스캔한 것과 일치하는지 확인
    for(int a = 0; a < COMMANDS_LENGTH; a++){ 
      last_card_read = millis(); 
      //일치하면 이 카드에 할당된 동작 수행 (예: 정지하고 비프음)
      if(content == CardID[a]){ 
        if(Type[a] == "Stop"){ 
          Stop(); 
          delay(Value[a]); 
        }else if(Type[a] == "Beep&stop"){ 
          digitalWrite(BUZZER, HIGH); 
          Stop(); 
          delay(Value[a]); 
          digitalWrite(BUZZER, LOW); 
        }else if(Type[a] == "Beep&ignore"){ 
          Stop(); 
          digitalWrite(BUZZER, HIGH); 
          delay(500); 
          digitalWrite(BUZZER, LOW); 
        }else if(Type[a] == "Ignore"){ 
        } 
      } 
    } 
  } 
} 

//전진
void Forward(){ 
  digitalWrite(MOTOR1A, HIGH); 
  analogWrite(MOTOR1B, 255 - MOTOR_SPEED); 
  digitalWrite(MOTOR2A, HIGH); 
  analogWrite(MOTOR2B, 255 - MOTOR_SPEED); 
} 

//후진
void Backward(){ 
  digitalWrite(MOTOR1A, LOW); 
  analogWrite(MOTOR1B, MOTOR_SPEED); 
  digitalWrite(MOTOR2A, LOW); 
  analogWrite(MOTOR2B, MOTOR_SPEED); 
} 

//좌회전
void Left(){ 
  digitalWrite(MOTOR1A, LOW); 
  analogWrite(MOTOR1B, MOTOR_SPEED); 
  digitalWrite(MOTOR2A, HIGH); 
  analogWrite(MOTOR2B, 255 - MOTOR_SPEED); 
} 

//우회전
void Right(){ 
  digitalWrite(MOTOR1A, HIGH); 
  analogWrite(MOTOR1B, 255 - MOTOR_SPEED); 
  digitalWrite(MOTOR2A, LOW); 
  analogWrite(MOTOR2B, MOTOR_SPEED); 
} 

//정지
void Stop(){ 
  digitalWrite(MOTOR1A, LOW); 
  digitalWrite(MOTOR1B, LOW); 
  digitalWrite(MOTOR2A,LOW); 
  digitalWrite(MOTOR2B, LOW); 
}

태스크 플래너 (C#)

로봇용 태스크 생성 C# 프로그램 ZIP 파일, 아래 .exe도 있음. 미리보기 없음 (다운로드만 가능)

태스크 플래너.exe (C#)

윈도우에서 설치 없이 바로 실행 가능. 미리보기 없음 (다운로드만 가능)

커스텀 부품 및 인클로저

• 센서와 전자부품을 담는 섀시 앞부분. 흰색 PLA로 출력 후 사포질하고 여러 번 도색해 광택 냄. 약 8시간 소요, 서포터 필수
• 앞부분 왼쪽 닫개
• 앞부분 오른쪽 닫개
• 4mm 소재(합판, 아크릴)용 레이저 커팅 DXF 파일: plateback, platebottom, plateleft, plateright
• 퓨전 360 파일 (수정 원할 경우)

회로도

• 프리칭 파일 (수정용): schematic_QjiJP4TLOo.fzz
• 프로젝트 모든 연결 회로도
• PCB 제작용 PDF 파일 (단면이라 탑 레이어 없음)