이 튜토리얼에서는 아두이노 헥사포드(6족 보행 로봇)를 만드는 과정을 보여드립니다. 이름 그대로 6개의 다리가 있으며, 여기에 꼬리(복부), 머리, 더듬이, 대걸이(집게), 심지어 기능하는 눈까지 있어 마치 개미처럼 보여 '아두이노 개미 로봇'이라 부를 수 있습니다.
아래 비디오를 시청하거나 작성된 튜토리얼을 읽어보세요.
로봇 제어를 위해 맞춤형 안드로이드 앱을 제작했습니다. 앱에 4개 버튼으로 전진/후진, 좌/우 회전을 제어합니다. 이 기본 기능 외에도 머리와 꼬리 움직이기, 물기, 잡기/놓기, 공격 동작도 가능합니다.
앞서 언급했듯 로봇에 기능하는 눈이 있는데, 머리 부분에 초음파 센서(HC-SR04)가 장착되도록 설계했습니다. 로봇 머리에 손을 대거나 센서 가까이 가져가면 로봇이 공격 태세를 갖춥니다.
손을 떼면 공격을 취소하지만, 손을 더 가까이 가져가면 공격하고 물게 됩니다. 꽤 멋지지 않나요? 어떻게 만들었고 어떻게 작동하는지 계속 지켜봐 주세요.
여느 때처럼 3D 모델링 소프트웨어로 헥사포드를 설계했습니다. 6개 다리 각각 3개 관절(3개 서보)이 필요해 총 18개 서보가 필요하며, 저는 MG996R 서보를 사용했습니다.
후면에는 꼬리가 있고 MG996R 서보 1개로 구동합니다. 머리는 롤(좌우 회전)과 틸트(상하 회전) 2자유도로 2개 서보가 필요합니다. 총 21개 MG996R 서보와 추가로 대걸이용 소형 SG90 마이크로 서보 1개가 필요합니다.
개미 눈 부분은 HC-SR04 초음파 센서가 딱 맞게 설계되었습니다. 모든 부품은 두 개의 플레이트 사이에 조립되며, 배선과 아두이노, 배터리를 두 플레이트 사이에 숨기기 위해 상단 플레이트용 곡면 커버도 만들었습니다.
이 3D 모델은 Thangs에서 찾아 다운로드하거나 브라우저에서 탐색할 수 있습니다.
STL 파일: 다운로드
이제 부품을 3D 프린팅합니다. Creality CR-10 3D 프린터로 모두 출력했는데 훌륭한 결과물을 보여줬습니다. 가장 까다로운 부품은 머리였는데, 하나의 부품으로 출력하고 싶었기 때문입니다.
서포트 오버행 각도 60도와 서포트 블로커를 사용했습니다. CR-10이 훌륭하게 출력해 머리 부분이 완벽하게 나왔습니다.
모든 부품이 출력되면 조립을 시작합니다. 다리 조립부터 시작하는데, 서보를 출력물에 고정할 때 M3 볼트/너트와 스프링 와셔를 사용합니다. 볼트 길이는 최소 12mm 이상, 저는 16mm를 사용했습니다.
전체 조립에 약 200개 볼트가 필요합니다. 링크 연결에는 서보 패키지에 포함된 라운드 혼을 사용하는데, 3mm 구멍을 뚫어 볼트가 통과하게 하거나 M3 나사산이 있는 금속 라운드 혼을 별도 구매해 사용합니다.
링크를 서보에 고정할 때 항상 같은 위치에 연결하고 풀 모션 범위를 갖도록 해야 합니다.
서보 상단의 작은 삼각형 돌기는 제거해야 합니다. 커터 칼로 제거하면 서보가 출력물과 평행하게 장착됩니다. 세 번째 서보 장착 전, 다리와 베이스 플레이트 연결용 M4 볼트를 먼저 끼워둡니다.
다리 조립 완성 모습입니다. 조립 자체는 쉬운데 5개 더 만들어야 합니다.
모든 다리가 준비되면 로봇 몸체(두 플레이트)에 장착합니다. 먼저 라운드 혼을 상단 플레이트에 고정하고(같은 방식), 서보 샤프트에 볼트로 연결합니다. 이때 서보 위치를 정확히 중앙으로 맞춰야 합니다.
이렇게 해야 서보의 풀 모션 범위를 활용할 수 있고, 아두이노 프로그래밍 시 캘리브레이션 작업을 줄일 수 있습니다.
다리 장착 후 프로젝트가 진짜 헥사포드 모양을 갖춥니다.
후면에도 꼬리 서보용 라운드 혼을 고정합니다.
헥사포드를 뒤집어 하단 플레이트를 다리의 M4 볼트로 통과시키고, 평와셔와 셀프록 너트로 고정합니다. 이 볼트들은 피벗 조인트 역할을 하니 다리가 회전할 수 있을 만큼 적당히 조여야 합니다.
머리용 첫 번째 서보(롤 동작)를 장착합니다. 이 서보는 베이스 플레이트에 수직으로 장착되어야 하므로 작은 플레이트 두 개를 서보에 고정한 후 두 플레이트 사이에 끼워 M3 볼트/너트로 고정합니다.
U자 브라켓에 두 라운드 혼을 부착해 머리용 두 서보를 연결합니다. 브라켓을 롤 서보에 고정하기 전 서보 위치를 중앙으로 맞춰 양방향 90도 회전 가능하게 합니다.
틸트 서보 브라켓입니다. 먼저 M4 볼트를 U자 브라켓에 고정하고, 머리를 고정할 M3 볼트 4개를 미리 끼웁니다. 틸트 서보를 브라켓에 넣고 샤프트를 라운드 혼에 맞춰 끼웁니다(꽉 끼지만 U자 브라켓이 약간 휘어 들어가게 해줍니다).
M3 볼트로 서보를 고정하면 머리 메커니즘 완성입니다. 이제 롤과 틸트 모두 가능합니다.
머리를 메커니즘에 부착하기 전, 대걸이(SG90 서보)와 초음파 센서를 미리 조립합니다. 공간이 좀 좁지만 첫 번째 대걸이를 끼우고 M4 볼트로 머리와 고정합니다.
눈 부분에 작은 구멍이 있어 드라이버로 볼트를 조일 수 있게 설계했습니다.
마이크로 서보를 장착하고 나사 2개로 고정합니다. 두 번째 대걸이에는 SG90 서보용 작은 암 혼을 먼저 부착합니다.
대걸이를 끼우고 두 기어를 맞물린 후 드라이버로 모터 샤프트에 고정합니다.
초음파 센서를 눈 구멍에 끼우고 순간접착제로 고정합니다. 눈 구멍이 센서 크기에 정확히 맞게 설계되었습니다.
머리에 더듬이도 추가합니다. 3mm 철사를 약 13cm 길이로 자르고 적당히 구부려 순간접착제로 고정합니다. 미리 끼워둔 4개 볼트로 머리를 롤/틸트 메커니즘에 고정하면 끝입니다.
머리는 롤, 틸트, 물기 모두 가능합니다. 남은 부품은 꼬리(꼬리 브라켓에 끼우면 됨)와 곡면 커버(나중에 전자부품 덮개로 사용)입니다. 파란색과 흰색 조합이 정말 마음에 듭니다.
이제 전자부품으로 넘어갑니다. 많은 서보 연결로 복잡해 보이지만 실제로는 단순합니다.
22개 서보 외에 스마트폰 통신용 HC-05 블루투스 모듈, 커패시터, 저항이 필요합니다. 두뇌는 아두이노 보드인데, 서보 라이브러리로 12개 이상 서보를 제어할 수 있는 아두이노 메가를 사용해야 합니다.
관련 튜토리얼: 서보 모터 작동 원리 및 아두이노 제어 방법
전원은 3S 리포 배터리(약 12V)를 사용합니다. 리포 배터리는 대용량 전류 공급이 가능해 모든 서보가 풀 로드로 작동 시 약 10A 전류 소모에도 적합합니다. 하지만 서보 동작 전압은 4.8~7.2V로 제한되므로 DC-DC 벅 컨버터로 12V를 5V로 강압해야 합니다. 2S 리포(약 7.4~8.4V)를 써도 벅 컨버터는 필요합니다. 제가 사용한 벅 컨버터는 8A까지 지원하지만 10~15A 제품을 추천합니다(발열 방지). 실제 로봇 동작 시 최대 전류는 약 6A였습니다.
많은 서보 연결로 배선 정리가 필수라 EasyEDA로 맞춤 PCB를 설계했습니다. 이 PCB는 아두이노 메가 실드 역할을 해 메가 보드 위에 직접 꽂을 수 있습니다. 서보 연결 단자를 서로 가깝게 배치하고 큰 커패시터 2개로 전압을 안정화했습니다. 무선 제어용 NRF24L01 트랜시버 연결단자, 여러 디지털/아날로그 핀, 5V/그라운드, LED 2개, 배터리 전압 모니터링 단자도 포함했습니다. 12V 배터리 전압은 R1, R2 저항 분압기로 5V 이하로 낮춰 아날로그 핀으로 안전하게 읽어 배터리 잔량을 확인합니다.
거버 파일을 생성해 JLCPCB(이 프로젝트 후원사)에 주문했습니다.
거버 파일 업로드 후 뷰어로 검토하고, 아두이노 보드 색상과 맞추려 파란색 PCB로 주문했습니다. 첫 주문 시 10장 $2 혜택도 있습니다.
며칠 후 도착한 PCB입니다. 품질이 훌륭하고 설계와 정확히 일치합니다.
PCB를 조립합니다. 아두이노 보드 연결용 남성 핀 헤더를 PCB에 납땜합니다. 핀 헤더를 하단에 놓고 판으로 고정한 뒤 뒤집어 모두 납땜합니다.
서보 연결용 남성 핀 헤더도 같은 방식으로 모두 납땜합니다. 마지막에 저항, 커패시터, 터미널 블록을 납땜하면 아두이노 메가 실드 완성입니다. 아두이노 보드에 꽂기만 하면 됩니다.
벅 컨버터 출력 전압을 5V로 맞춥니다(포텐쇼미터 조절). 벅 컨버터 입력 측에 파워 스위치를 달고 배터리 12V를 PCB의 12V 핀(배터리 모니터링용)에 연결했습니다. PCB 메인 입력은 반드시 5V여야 합니다.
이제 두 플레이트 사이에 전자부품을 넣습니다. 좀 꽉 끼지만 모두 들어갑니다. 배터리를 테이프로 고정하고, 그 위에 아두이노+PCB를 올립니다. NRF24L01이나 블루투스 모듈 중 사용할 통신 방식에 맞게 연결합니다. 배터리 충전 표시용 LED도 장착(전압 11V 미만 시 점등). 마지막으로 모든 서보를 서보 핀에 연결합니다(각 서보가 어떤 핀 번호인지 기록 필수). 곡면 커버를 상단 플레이트에 올리면 프로젝트 완성입니다.
코드가 길어 섹션별로 나누어 설명하고, 마지막에 전체 코드를 제공합니다.
서보 제어용 기본 Servo 라이브러리와 블루투스 통신용 SoftwareSerial 라이브러리를 포함합니다. 모든 서보 객체와 필요한 변수를 정의합니다.
#include <Servo.h>
#include <SoftwareSerial.h>
#define trigPin 7
#define echoPin 6
#define ledB 10
SoftwareSerial Bluetooth(12, 9); // 아두이노(RX, TX) - HC-05 블루투스(TX, RX)
// 서보 객체 생성
Servo s24; Servo s23; Servo s22;
// ... (총 22개 서보 객체 정의)setup에서 블루투스 통신 초기화, 초음파 센서/LED 핀 모드 설정, 서보 연결 핀을 정의합니다.
void setup() {
Serial.begin(38400);
Bluetooth.begin(38400); // 블루투스 기본 보드레이트
Bluetooth.setTimeout(1);
delay(20);
pinMode(trigPin, OUTPUT);
pinMode(echoPin, INPUT);
pinMode(ledB, OUTPUT);
// 머리
s15.attach(36, 600, 2400);
s14.attach(35, 600, 2400);
s13.attach(34, 600, 2400); // 대걸이
// 꼬리
s5.attach(26, 600, 2400);
// 다리 4
s10.attach(31, 600, 2400);
s11.attach(32, 600, 2400);
s12.attach(33, 600, 2400); // 회전
// 다리 5
s7.attach(28, 600, 2400);
s8.attach(29, 600, 2400);
s9.attach(30, 600, 2400); // 회전
// 다리 6
s1.attach(22, 600, 2400);
s2.attach(23, 600, 2400);
s3.attach(24, 600, 2400); // 회전
// 다리 1
s18.attach(39, 600, 2400);
s17.attach(38, 600, 2400);
s16.attach(37, 600, 2400); // 회전
// 다리 2
s21.attach(42, 600, 2400);
s20.attach(41, 600, 2400);
s19.attach(40, 600, 2400); // 회전
// 다리 3
s24.attach(45, 600, 2400);
s23.attach(44, 600, 2400);
s22.attach(43, 600, 2400); // 회전
}write() 함수로 서보를 초기 위치로 이동시킵니다. 여기서 서보 캘리브레이션을 합니다. 조립 시 각 서보를 정확한 위치에 맞추기 어렵지만, 여기서 초기값을 조정해 로봇 움직임을 프로그래밍합니다.
// 초기 위치로 이동
// 머리
s15.write(72); s14.write(50); s13.write(90); // 대걸이
// 꼬리
s5.write(65);
// 다리 4
s10.write(65); s11.write(35); s12.write(40);
// 다리 5
s7.write(80); s8.write(50); s9.write(25);
// 다리 6
s1.write(90); s2.write(45); s3.write(60);
// 다리 1
s18.write(60); s17.write(90); s16.write(100);
// 다리 2
s21.write(50); s20.write(85); s19.write(75);
// 다리 3
s24.write(50); s23.write(80); s22.write(80);헥사포드 걷기 프로그래밍에는 순/역기구학(Forward/Inverse Kinematics) 등 여러 방법이 있습니다. 이는 원하는 몸체 최종 위치에 기반해 각 관절 위치를 계산하는 수학적 방법입니다. 하지만 저는 더 단순하게 만들었습니다. 사용한 서보가 저가형 MG996R이라 토크가 부족하고 정확한 위치 제어가 안 되기 때문입니다.
각 다리 움직임을 위한 커스텀 함수를 만들었습니다. 다리 사이클은 스윙(Swing) 페이즈와 스탠스(Stance) 페이즈 두 단계입니다. 스윙 페이즈에서는 다리가 공중에서 초기 위치에서 최종 위치로 이동하고, 스탠스 페이즈에서는 다리 끝이 바닥에 닿은 상태에서 최종 위치에서 초기 위치로 이동하며 몸체를 앞으로 밉니다.
메인 루프와 카운터를 사용해 각 서보 위치를 수동으로 프로그래밍해 이 움직임을 구현했습니다.
void moveLeg1() {
// 스윙 페이즈 - 공중에서 초기에서 최종 위치로
// 다리 들어올리기
if (i1L1 <= 10) {
s18.write(60 - i1L1 * 2);
s17.write(90 - i1L1 * 3);
i1L1++;
}
// 다리 회전
if (i2L1 <= 30) {
s16.write(100 - i2L1);
i2L1++;
}
// 바닥에 닿게 내리기
if (i2L1 > 20 && i3L1 <= 10) {
s18.write(40 + i3L1 * 2);
s17.write(60 + i3L1 * 3);
i3L1++;
}
// 스탠스 페이즈 - 바닥에 닿은 상태에서 이동
// 초기 위치로 회전 복귀
if (i2L1 >= 30) {
s16.write(70 + i4L1);
i4L1++;
l1status = HIGH;
}
// 카운터 리셋(반복용)
if (i4L1 >= 30) {
i1L1 = 0; i2L1 = 0; i3L1 = 0; i4L1 = 0; i5L1 = 0;
}
// 각 반복/스텝은 메인 루프에서 실행되며 딜레이로 속도 제어
}먼저 바깥쪽 두 서보로 다리를 들어 올리고, 몸체 연결된 세 번째 서보가 특정 방향으로 회전을 시작합니다. 세 번째 서보가 멈출 10 스텝 전부터 바깥쪽 두 서보를 뒤로 이동시켜 바닥에 닿게 합니다. 이게 스윙 페이즈입니다. 이후 세 번째 서보를 초기 위치로 되돌리면 스탠스 페이즈 완료. 다리 한 사이클 후 카운터 리셋해 반복. 메인 루프에서 각 스텝 실행 시 딜레이로 서보 속도 제어. 다른 다리들도 같은 방식, 반대 방향 움직임(후진, 좌/우 회전)용 함수도 만들었습니다. 카운터로 스텝을 추적하며 머리, 꼬리, 대걸이 등 나머지 기능도 비슷하게 구현했습니다.
전진하려면 6개 moveLeg() 함수를 메인 루프에서 계속 호출합니다.
// 전진
if (m == 2) {
moveLeg1(); moveLeg3(); moveLeg5();
if (l1status == HIGH) {
moveLeg2(); moveLeg4(); moveLeg6();
}
}3개 다리씩 오프셋되어 다리 1,3,5가 스윙 페이즈일 때 2,4,6은 스탠스 페이즈입니다. 좌회전 시엔 moveLeft() 함수들을 호출합니다.
이 명령들은 블루투스 모듈, 즉 스마트폰의 맞춤형 안드로이드 앱에서 옵니다.
// 수신 데이터 확인
if (Bluetooth.available() > 0) {
dataIn = Bluetooth.read(); // 데이터 읽기
}앱이 아두이노로 어떤 데이터를 보내는지 봅니다. MIT App Inventor로 만들었습니다.
앱 그래픽은 직접 만든 이미지를 버튼으로 사용했습니다. 하단에 속도 조절 슬라이더, 상단에 블루투스 연결 버튼이 있습니다.
예를 들어 전진 버튼 클릭 시 'if' 블록 실행: 아두이노로 숫자 2 전송(전진 함수 실행), 버튼 이미지를 하이라이트 버전으로 변경. 다시 누르면 'else' 블록: 숫자 0 전송(초기 위치로 리셋), 버튼 이미지 원복. 다른 버튼도 같은 원리입니다.
MIT App Inventor 프로젝트 파일 및 안드로이드 앱 다운로드
아두이노 프로그램의 배터리 전압 모니터와 초음파 센서 기능 두 가지만 더 보겠습니다.
// 배터리 전압 모니터링
int sensorValue = analogRead(A3);
float voltage = sensorValue * (5.00 / 1023.00) * 2.9; // 5V 읽기를 12V 스케일로 변환
Serial.println(voltage);
// 11V 미만 시 LED 점등
if (voltage < 11) {
digitalWrite(ledB, HIGH);
} else {
digitalWrite(ledB, LOW);
}배터리 전압이 11V 미만이면 LED 점등. 초음파 센서가 40cm 이내 물체 감지 시 공격 준비.
// 초음파 센서 거리 측정
if (getDistance() > 40) { att = 0; }
if (getDistance() <= 40) { att = 1; dataIn = 99; }물체가 멀어지면 공격 취소, 계속 가까이 있으면 공격 실행.
// 물체 감지 시 공격 준비
if (att == 1) {
prepareAttack();
if (aStatus == HIGH) {
while (a == 0) { delay(2000); a = 1; }
if (getDistance() > 30) { att = 2; a = 0; aStatus = LOW; initialPosHead(); }
if (getDistance() < 30) { att = 3; a = 0; aStatus = LOW; initialPosHead(); }
}
}
// 물체 사라지면 공격 취소
if (att == 2) {
dismissAttack();
if (aStatus == HIGH) { dataIn = 0; att = 0; }
}
// 가까이 있으면 공격
if (att == 3) {
attack();
if (attStatus == HIGH) {
while (aa == 0) { delay(2000); aa = 1; }
attStatus = LOW;
}
if (aStatus == HIGH) {
while (a == 0) { delay(2000); a = 1; }
dataIn = 0; att = 0; initialPosHead();
}
}이상으로 이 영상의 내용은 끝입니다.
이 프로젝트를 제작하기로 결정했다면 몇 가지 도전에 대비하세요. 저에게 가장 큰 문제는 사용한 서보의 낮은 성능이었습니다. 즐겁게 보셨고 새로운 걸 배우셨길 바랍니다. 질문은 댓글로, 제 아두이노 프로젝트 모음도 확인해보세요.
제조공정
이 튜토리얼에서는 아두이노 기반 SCARA 로봇을 만드는 방법을 배워보겠습니다. 로봇 설계부터 제어를 위한 자체 그래픽 사용자 인터페이스 개발까지 전체 제작 과정을 보여드리겠습니다. 아래 영상을 시청하거나 작성된 튜토리얼을 읽어보세요. 개요 로봇은 4자유도를 가지며 4개의 NEMA 17 스테퍼 모터로 구동됩니다. 또한 엔드 이펙터(이 경우 로봇 그리퍼) 제어를 위한 작은 서보 모터도 있습니다. 이 SCARA 로봇의 두뇌는 아두이노 우노 보드로, CNC 쉴드와 네 개의 A4988 스테퍼 드라이버와 짝을 이뤄 모터들을 제어합니다
이 튜토리얼에서는 어떤 방향으로든 이동할 수 있는 아두이노 메카넘 휠 로봇을 만드는 방법을 배웁니다. 이 독특한 이동성은 메카넘 휠(Mecanum Wheels)이라는 특수 휠을 사용해 달성합니다. 다음 영상을 시청하거나 아래 작성된 튜토리얼을 읽어보세요. 개요 이 휠들은 구매하려면 좀 비싸서 직접 설계하고 3D 프린팅했습니다. 꽤 잘 작동하며 이 로봇 플랫폼을 운전하는 건 정말 재미있습니다. NRF24L01 무선 트랜시버 모듈로 무선 제어하거나, 제 경우 이전 영상에서 만든 DIY RC 송신기로 제어합니다. 스마트폰으로 블루