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하드웨어 설계에 관련한 공개 강좌를 게재하는 공간입니다.
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■ 마이크로 마우스의 개념 ■
마우스는 미로를 부여받고 그 미로의 한 모서리에서 출발해서 중앙의 종점(목표위치)에 도달하는 시스템으로
일종의 소형 이동로보트이다. 각 마우스에는 일정 시간이 주어지고 그 시간 안에 몇 번이고 주행할 수가 있다.
각 주행 시간에 그 주행의 시작 전까지의 시간을 일정비율 더한 시간이 그 마이크로 마우스의 기록이 된다.
마이크로 마우스는 1977년 미국 전기전자학회인 IEEE에의하여 처음 만들기 시작하였으며 일본 및 유럽 대회가
1980년에 처음 개최된 이래 매년 일본의 경우 전 일본 마이크로 협회가 구라파의 경우 EUROMICRO라고 하는
마이크로 프로세서의 학회가 각각 주최되어 왔다. 한국의 경우 서울대학교 공과대학의 제어계측 공학과가 주최한
한국 마이크로 로봇 경연대회가 1983년에 처음 개최된 이후 지금까지 계속되고 있다.
마이크로 마우스를 개발함으로써 새로운 이론을 정립하거나 실생활에 유용한 기술을 만들어 낸다는 것은 생각하기
어렵다. 그러나 마이크로 마우스를 제작함으로써 여러 가지 교육적인 효과를 얻을 수 있다. 즉, 간단한 하드웨어
시스템인 마이크로 마우스를 제작하고, 개발하면서 프로그래밍 작성 기술, 마이크로 프로세서 응용 기술, 센서
활용 기술, 모터활용 기술, 기본적인 전자 회로 구현 기술, 디지털 회로 설계 기술, 데이터 통신 기술등을 습득해
나갈 수 있다. 이러한 기술은 향후 복잡한 하드웨어 시스텀을 설계하는데 초석이로 이용되므로 많은 핵생들이
제작하고 있다.
■ 마이크로 마우스의 하드웨어 시스템 ■
마이크로 마우스의 하드웨어적인 입장에서는 정해진 규격의 미로에서 빨리 목표점을 찾기 위해 부피가 작고,
무게가 가벼우며, 속도가 빠른 반면 정학한 미로 벽의 검출을 요구한다. 이러한 마이크로 마우스의 제작을 위해
마이크로 마우스의 하드웨어 시스템을 크게 4부분으로 나누어 생각을 한다.
1. CPU 및 주변 회로부
2. 센서 구동부
3. 모터 구동부
4. 몸체 제작부
▲ 1.1 CPU 및 주변 회로부
CPU BOARD를 제작함에 있어서 요구되는 조건들은 다음과 같다. 되도록 작고, 안정되며, 다기능으로 만들어져야 하며
소비 전력이 적어야 한다. 또 한, 알고리즘 계산등의 처리 속도가 빨라야 하고, 많은 I/O를 갖추어야 한다. 이와 같은
요구 조건을 만족시키는 CPUF로 INTEL사가 개발한 80c196kc을 이용했다.
▲ 1.2 센서 구동부
마이크로 마우스가 벽에 부딪치기 않고 진행하거나, 정확한 자세보정을 하기 위해서는 센서의 역할이 중요하다.
센서는 외부 광에 의한 노이즈에 강하고 직진성을 가지며 응답 속도도 빨라야 한다. 본 연구에서 사용된 센서는
적외선 LED와 포토 트랜지스터를 1쌍으로 하여 전방과 좌우측에 각각 1쌍씩 배치하였으며 벽으로부터 반사되는
적외선의 양을 A/D 변환하여 측정하였다. 센서의 구동 방식으로는 펄스 점등 방식을 사용하여 노이즈를 제거하면서
소비 전류를 줄였다. 센서는 순간적으로 많은 전류를 소비하므로 CPU의 오동작을 막기 위해 콘덴서등을 사용한
보호회로를 전원부에 삽입하였다. 마우스의 미로 탐색과 자세보정으로 전방의 센서로는 앞 벽의 유무를 판단하였고,
좌우측의 센서로는 옆 벽의 유무와 벽과의 거리를 측정하여 마우스가 미로벽 사이의 중앙으로 진행하도록 유도하였다.
▲ 1.3 모터 구동부
모터는 마우스의 크기와 속도를 좌우하는 부분이다. 제어가 가능한 소형 스텝 모터 2개를 사용하여 좌우 바퀴를
각각 독립 구동하였다. 모터의 구동 방식으로는 고속에서 토오크 특성이 좋은 정전류 방식을 사용하였다.
스텝 모터는 토오크를 정확히 계산하여 가감속을 제어해야 탈조에서 벗어날 수 있다.
▲ 1.4 본체 제작부
몸체의 제작에서 가장 중요한 부분은 모터의 배치와전지의 위치 결정 문제이다. 모터의 배치는 2가지 방법을
생각할 수 있는데 첫 번째모터를 마우스의 중심축으로부터 좌우측에 배치하는 방법이고 두 번째는 마우스
중심으로부터 앞뒤로 배치하는 것이다
http://raic.kunsan.ac.kr/project/mouse1.html
마이크로 마우스란?
1. 마이크로 마우스란?
이 로봇의 목적은 알지 못하는 미로상에서 정해진 목적지를 가장 빠른 시간내에 찾아가는 것입니다.
로봇은 인간의 감각기관에 해당하는 센서와, 발에 해당하는 모터와 바퀴, 그리고 머리에 해당하는 마이크로 프로세서와
사고능력에 해당하는 알고리즘을 가지고 있습니다. 사람과 동일한 과정으로 센서의 정보를 받아서 마이크로 프로세서에서
처리한 후 모터를 구동하여 미로에서 목적지를 찾아가는 일련의 과정을 거치게 됩니다.
전체 미로의 모습은 알수가 없기 때문에 처음에는 탐색 과정을 거치고 가장 빠른 길을 찾아냅니다.
이 과정이 끝나면 로봇은 보유한 구동 기술을 총동원하여 목적지까지 이동하게 됩니다.
즉, 기계(구동역학, 기구구조, 차륜), 전자(센서,회로), 제어(모터구동), 컴퓨터(맵생성, 최단경로 판단) 등의 기술이
총 결집하여 자체적으로 판단하고 주행이 가능한 자립형 주행로봇이라고 할 수 있습니다.
2. 종류
마이크로 로봇은 벽을 감지하기 위한 구조에 따라 일반형과 날개형으로 나눌 수 있습니다.
일반형(광량형)은 로봇의 전면, 측면에 센서를 부착하여 벽면에 반사되는 광량 정보를 사용합니다.
센서를 이용하여 앞면과 옆면을 계속 확인하며 벽의 유무를 결정하는 방식입니다.
날개형은 로봇의 양쪽에 날개를 달아서 날개 아랫쪽에 센서 배열을 부착합니다. 이 센서들은 벽의 상단을 확인하여
벽의 유무를 마치 위에서 아래를 보는 형태로 생성합니다.
초창기에는 날개형 로봇이 주를 이루었으나 최근 대회에는 일반형 모양이 대부분입니다.
날개형은 벽 배치을 찾기 쉽다는 장점과 회전시 날개의 관성 영향으로 빠른 주행이 곤란하다는 단점이 있습니다.
일반형은 기술 발전으로 초창기와는 달리 벽을 쉽게 찾을 수 있어서 주행 속도와 빠른 회전이 중요한 최근 추세에
많이 사용되고 있습니다.
3. 미로의 규격은?
미로는 전체 크기는 2.9m X 2.9m 이며, 18cm X 18 cm의 단위 블록이 16 X 16 개로 구성되어 있습니다.
미로 벽의 높이는 5cm이고 두께는 1.2cm이니까, 로봇이 지날수 있는 통로는 16.8cm가 됩니다.
미로의 색은 적외선 센서로 벽을 감지하기 쉽도록 바닥은 검은색, 벽은 흰색, 위면은 적색으로 되어 있습니다.
4. 최근 경향
초창기 마이크로 로봇은 완주를 목표로 했습니다. 완주 = 우승 이었지만, 기술의 발전으로 완주만으로는 우승을 할 수
없게 되자 다양한 기술들이 나타났습니다. 알고리즘에서는 좌/우심법에서 등고선법, 루프 테스트법, 구심법, 확장 구심법으로
발전했습니다. 주행에서는 smooth turn, 대각 주행이 나타나 보는 사람들에게 탄성을 자아내었습니다.
최근에는 미로를 보다 빨리 주행하는 것이 중요해짐에 따라 기계적인 최적 설계와 불필요 동작을 생략한 구동 제어에 많은
발전이 있었습니다. 뿐만 아니라 입상보다는 로봇 그 자체를 즐기는 매니아들의 다양한 도전도 계속되고 있습니다.
센서 장착을 당연시 하는 관념을 깨고 소형 카메라를 장착하는 등 자신만의 로봇 개발이 계속된다면 앞으로도
많은 발전이 있을 것이라 기대됩니다.
