STEAM R&E 연구결과보고서

STEAM R&E 연구결과보고서

(키네틱 아트를 접목시킨 centipede 모방로봇 제작)

2015. 11. 17.

창원여자고등학교

< 연구결과 요약 >

과 제 명 키네틱 아트를 접목시킨 centipede 모방로봇 제작

연구목표

․ 지네의 뛰어난 운동을 분석하여 이동 원리를 알아낸다.

․ 지네의 장점을 모방한 로봇을 개발한다.

․ 지네다리 움직임의 특이한 패턴을 키네틱 아트에 적용하여 심미성을 높인다.

연구방법

1. 지네의 특이점 조사

-지네의 구조적 특징에 대해 조사한다.

2. 지네의 구조 및 움직임 관찰 (동영상 촬영 및 캡처)

-투명한 수조에 지네를 놓고 아래쪽에서 지네의 움직임을 동영상 촬영한다.

-촬영한 동영상을 일정한 시간간격으로 캡처한 후 포토샵으로 모식도를 제작한다.

-지네의 구조적 특징에 대해 관찰한다.

-지네가 밀가루 위를 밟고 이동하게 한다.

3. 키네틱 아트

-지네다리의 움직임을 수학적인 계산을 통해 연구한다.

-한 번의 자극으로 연속적인 움직임을 유도한다.

4. 로봇 설계 및 제작(블랜더로 도면제작, 3D프린터로 출력)

-지네는 길고 체절로 이루어져 있다.

-지네는 긴 몸체에 많은 다리를 갖고 있다.

-지네의 다리는 두 개가 한 쌍으로, 서로 다른 방향으로 움직인다.

5. 지네와 로봇의 모습 비교 (동영상 촬영 및 캡처) -로봇의 모습을 관찰하고 이를 지네의 모습과 비교한다.

6. 로봇의 기능검증 (동영상 촬영 및 캡처)

-평지에서 로봇의 움직임을 관찰·분석한다.

-틈이 있는 공간에서 로봇의 이동을 관찰한다.

연구성과

1. 지네의 운동 분석

- 수많은 다리를 연속적으로 움직여 이동한다.

- 다리로 바닥면을 찍으면서 이동한다.

- 세 다리가 특정한 한 점에 모인다.

- 앞의 다리가 찍고 지나간 점을 뒤쪽의 다리도 찍고 지나간다.

2. 로봇 설계 및 제작 가. 로봇 설계

- blender 프로그램을 사용하여 3D프린터 제작 나. 로봇 제작

- 3D프린터로 로봇부품을 출력하여 제작 3. 로봇 성능 확인

가. 로봇의 작동 확인

- 로봇이 설계대로 작동하는지 확인한다.

나. 로봇의 특징 확인

- 세 다리가 한 점을 찍고 지나간다.

다. 로봇의 성능 확인 - 무게 지탱

- 폭이 넓은(wide) 구간 이동 주요어

(Key words)

지네 (centipede), 생체모방, 로봇, 키네틱 아트 (Kinetic Art), 블랜더, 3D 프린트, 바퀴, 지형

1. 개요

□ 연구 동기 및 목적

○ 연구 동기

- 다리가 많고 징그러운 지네이지만 규칙적인 움직임의 아름다음과 지네의 뛰어난 주행능력을 가지고 있음을 알게 되어 이를 키네틱 아트 를 접목하여 지네 모방 로봇을 만들게 되었다.

○ 연구 목적

- 지네의 뛰어난 움직임을 분석하여 이동 원리를 알아낸다.

- 지네의 장점을 모방한 로봇을 개발한다.

- 지네다리 움직임의 특이한 패턴을 키네틱 아트에 적용하여 심미성을 높인다.

□ 연구범위

○ 전자현미경과 동영상 캠쳐를 통해서 지네의 운동 분석

○ 3D 도면 작성후 프린터 출력 및 아두이노 작동 2. 연구 수행 내용

□ 이론적 배경 및 선행 연구

가 . 지네 (Scolopendra subspinipes mutilans)

지네는 다지류에 속하며 몸길이 0.5∼30cm로 머리와 몸통으로 나뉜다. 몸은 길쭉하고 등과 배 쪽으로 편평하 며, 머리에는 1쌍의 더듬이가 있다. 몸은 여러 개의 마디로 이루어지는데, 각 마디는 거의 같은 모양이고 보통 1마디 에 1쌍의 다리가 있다. 몸의 끝 부분 1쌍의 다리는 다른 다리보다 길고, 그 다리로는 걷지 않는다. [네이버 지식백과]

지네 [centipede] (두산백과)

지네의 체절로 나뉜 몸은 어디든 통과할 수 있을 만큼 자연스럽다. 지네가 움직일 때 다리를 보면 한꺼번에 힘을 쓰지 않고, 딛는 지점 하나를 정해 차례대로 그 지점을

통과한다. 배를 젓는 노처럼 앞으로 쭉 뻗었다가 뒤쪽으로 당기며, 왼쪽과 오른쪽 다리를 번갈아 앞으로 내민다. 그렇게 다리가 움직이면서 몸이 꿈틀거리고 물결에 따라 몸을 이동한다. <EBS다큐프라임>

http://home.ebs.co.kr/docuprime/newReleaseView/205?c.page=12

<그림 1. 지네>https://namu.wiki/w/%EC%A7%80%EB%84%A4

나 . 생체모사

생체모사는 그리스어로 생명이라는 뜻의 ‘Bios'와 모방이라는

‘Mimetic’의 접미사가 붙어 만들어진 단어이다. 생체모사공학은 자연의 시스템(Biological system)구조나 기능을 연구하여 이를 소재(materials)나 기계(machines)로 적용하는 학문이다. 생체 모사공학을 통해 생체의 구조나 기능을 모사한 소재(bio inspired materials)들이 개발되고 있으며, 이렇게 개발된 소재들 은 항공, 로봇, 의료 등 다양한 분야에서 적극적으로 응용되고 있다. ^<생체모사공학과 진단기술 – 한국바이오칩학회>

다 . 키네틱 아트(Kinetic Art)

움직이는 예술·작품 속에 동세(動勢)를 표현하는 것이다. 작품 그 자체가 움직이거나 움직이는 부분을 넣은 예술작품을 뜻한다. 정적인 작품에서 동적인 작품으로 단위를 뛰어넘은 것이다. <위키백과>

라 . Blender( 소프트웨어 ) ＆ 3D 프린터

블렌더(Blender)는 GNU 일반 공중 사용 허가서에 따라 자유 소프트웨어로 릴리즈 된 3차원 컴퓨터 그래픽스 소프 트웨어이다. 이 프로그램은 넌리니어 편집(non-linear editing system, NLE), 콤포지팅, 파이썬(Python) 스크립트 등을 통하여 쌍방향 3차원 프로그램을 제작할 수도 있다.

<위키백과>

3D 프린터는 3차원으로 특정 물건을 찍어내는 프린터 로, 입체적으로 만들어진 설계도만 있으면 종이에 인쇄하 듯 3차원 공간 안에 실제 사물을 만들어 낼 수 있는 기기 다.<시사상식사전>

잉크젯프린터에서 디지털화된 파일이 전송되면 잉크를 종이

표면에 분사하여 2D 이미지(활자나 그림)를 인쇄하는 원리와 같다. 2D 프린터는 앞뒤(x축)와 좌우(y축)

<그림 5. 3D 프린터와 제작물>

http://news.naver.com/main/read.nhn?mode=LSD&mid=sec&sid1=004&oid=030&aid=0002221094

<그림 3. 최문석-노 젓는 사람들>

http://www.damotori.com/zbxe/trash/74004

<그림 4. 테오 얀센-키네틱 아트>

http://blog.ohmynews.com/seulsong/tag/Theo%20Jansen

<그림 2. Smart Bird, Festo>

www.festo.com/

으로만 운동하지만, 3D 프린터는 여기에 상하(z축) 운동을 더하여 입력한 3D 도면을 바탕으로 입체 물 품을 만들어낸다. <두산 백과>

3차원 프린터는 입체적으로 그려진 물건을 마치 미분하듯이 가로로 1만 개 이상 잘게 잘라 분석한다.<네 이버 캐스트>

□ 연구주제의 선정

○ 지네의 움직임을 분석하여 특징을 살려 로봇을 제작하고 이를 통해서 아두이노를 연결하여 작동하면서 기존의 수레가 가지는 문제점을 해결한다.

□ 연구 방법

가 . 지네의 움직임 분석

탐구제목 탐구내용

움직임 패턴 관찰 실험

(밀가루)

지네가 밀가루 위에서 움직인 흔적 관찰 및 분석

→ 3다리가 1점에 모임을 증명한다.

이동 방법 관찰 (아크릴, 유리,

거울)

다양한 재질의 바닥면에서 지네의 이동성을 관찰하여 다리를 찍으면서 이동함을 보임

→ 현미경 사진과 함께 제시한다.

다리 움직임 모식도 제작

지네를 촬영한 후, 일정한 시간간격으로 캡 처한 모습 위에 포토샵으로 선을 그어 일정 한 간격으로 배열한다.

나 . 로봇 설계 및 제작

탐구제목 탐구내용

로봇설계 구상한 로봇의 형태를 Blender 프로그램으로 설계한다.

로봇제작 3D로 설계한 로봇의 부품을 3D프린터로 출력한다.

넓은 폭 건너기 실험

(쌓기 블록)

틈이 있는 구간에서의 주행 능력을 관찰한 다.

낮은 높이 통과 실험

아크릴판으로 일정한 높이(0.5cm, 1cm, 2cm, 3cm)의 천장을 만들어 높이에 따라 통 과하는 모습과 속도 등을 비교(이때 지네의 길이와 두께 측정)

다 . 로봇의 기능 확인

□ 연구 활동 및 과정

가 . 지네의 움직임 분석

- 지네가 밀가루 위에서 움직인 흔적 관찰 및 분석 → 3다리가 1점에 모임을 증명한다.

출력한 부품을 조립하여 설계대로 작동하는지 확인한다.

로봇의 제작이 완료될 때까지 위의 과정을 반복한다.

탐구제목 탐구내용

움직임 패턴 관찰 실험 (아이클레이)

로봇이 아이클레이 위에서 움직인 흔적 관찰 및 분석

→ 3다리가 1점에 모임을 증명한다.

넓은 틈 건너기 실험

(쌓기 블록)

틈이 있는 구간에서의 주행 능력을 관찰한다.

준비물 밀가루, 자, 아크릴 판, 지네, 카메라

2) 지네의 이동 원리 고찰

- 다양한 재질의 바닥면에서 지네의 이동성을 관찰하여 다리를 찍으면서 이동함을 보임 → 현미경 사진과 함께 제시한다.

실험 방법

(1) 상자에 밀가루를 체로 쳐서 고르게 편다.

(2) 밀가루 위에 지네를 놓고 이동시킨다.

(3) 지네의 길이와 다리 수를 측정한다.

(4) 밀가루에 찍힌 점의 개수와 지네 다리의 수를 비교분석한다.

유의할 점 밀가루의 두께가 너무 얇으면 흔적이 남지 않으므로 1cm의 두께로 깔아준다.

준비물 아크릴 판, 유리, 거울

3) 다리 움직임 모식도 제작

- 지네를 촬영한 후, 일정한 시간간격으로 캡처한 모습 위에 포토샵으로 선을 그어 일정한 간격으로 배열한다.

실험 방법

아크릴 유리 거울

(1) 여러 재질(아크릴, 유리, 거울)의 바닥면에서 지네의 움직임을 촬영한다.

준비물 컴퓨터, 포토샵 프로그램

실험방법

(1) 지네가 이동하는 모습을 동영상 촬영한다.

(2) 일정한 시간간격(0.3초)으로 동영상을 캡처한다.

4) 넓은 틈 건너가기 실험 (쌓기 블록)

- 틈이 있는 구간에서의 주행 능력을 관찰한다.

(3) 포토샵으로 다리 모양을 따라 선을 긋는다.

(4) 그려놓은 선을 일정한 간격으로 배열한다.

준비물 나무블록, 자, 아크릴판, 지네, 카메라, 수조, 물

실험 방법

(1) 수조에 나무블록을 일자로 쌓는다.

(2) 7cm, 8cm의 틈을 만든다.

5) 좁은 틈 통과 실험

- 아크릴판으로 특정한 높이(1.5cm, 1cm, 0.5cm, 0.4cm)의 천장을 만들어 높이에 따라 통과하는 모습과 속도 등을 비교 (이 때 지네의 길이와 두께를 측정한다.)

(3) 쌓은 나무블록 아래에 물을 채운다.

(4) 지네가 틈을 건너는 모습을 촬영한다.

유의할 점

1. 지네의 특성상 구석진 곳을 좋아하여 틈 사이로 들어가려 하므로 나무블록의 아래에 물을 채워 아래로 내려가지 않고 틈을 건너갈 수 있도록 한다.

2. 지네가 물에 빠지게 되는 경우, 지네의 숨구멍이 막혀 위험할 수 있으므로 최대한 빨리 물에서 꺼낸다.

3. 지네가 일자로 이동할 수 있도록 아크릴판을 이용한다.

준비물 아크릴 판, 스티로폼, 자(ruler)

실험방법

(1)지네의 두께를 측정한다. (2) 여러 두께로 자른 스티로폼을

나 . 로봇 설계 및 제작

다 . 로봇의 기능 확인

구간 통과 실험 (쌓기 블록)

- 틈이 있는 구간에서의 주행 능력을 관찰한다.

두 개의 아크릴 판 사이에 끼운다.

(3) 아크릴 판 사이에 지네를 넣고, 움직임을 촬영한다.

(4) 천장의 높이에 따라 이동하는 모습과 속도를 비교한다.

유의할 점 아크릴 판 사이에 지네를 넣었을 때, 바닥의 재질에 의해 지네의 주행능력이 떨어질 수 있으므로 바닥에 종이를 끼워 넣는다.

준비물 컴퓨터(blender 프로그램)

실험 방법

(1) 지네로봇의 전체적인 구조를 설계한다.

(2) 지네로봇의 외형을 디자인한다.

유의할 점 출력한 부품을 맞춰보고 부족한 점은 수정하여 보완하는 과정을 거친다.

준비물 나무블록, 자, 아크릴판, 제작한 로봇, 카메라

실험 방법

(1) 상자에 나무블록을 일자로

쌓는다. (2) 1, 2, 3, 4cm 씩 틈을 만든다.

(3) 로봇이 틈을 건너는 모습을 촬영한다.

(4) 지네의 모습과 로봇의 모습을 비교하고, 로봇의 기능을 확인한다.

유의할 점

3. 연구 결과 및 시사점

□ 연구 결과

가 . 지네의 움직임 분석

실험 결과

지네 다리의 개수 : 19☓2=38개 지네 길이 : 14.5cm

14.5cm 거리에서 찍힌 점의 수 : 6☓2=12개

(지네 다리 수) ÷ (점의 개수) = 3 38 ÷ 12 ≒ 3

결과

분석 지네의 세 다리는 한 점을 찍고 지나간다.

2) 지네의 이동 원리 고찰 (아크릴, 유리, 거울)

- 다양한 재질의 바닥면에서 지네의 이동성을 관찰하여 다리를 찍으면서 이동함을 보임

→ 현미경 사진과 함께 제시한다.

3)

<지네 다리 전체의 모습> - 이동방향 : 화살표

⋆ 3~4다리가 한 점에 모인다.

<11번 체절의 모습> - 이동방향 : 화살표 방향 (0.3초 간격으로 포착한 다리의 움직임)

⋆ 이 때, 오른쪽 다리와 왼쪽 다리가 서로 반대방향으로 움직인다.

실험 결과

재질

거울 유리 아크릴

이동

가능 ☓ ☓ ○

다리에 털 대신 부속지가 있다.

다리의 모든 부위와는 달리 마디의 끝 체절에는 신경, 기문 등이 분포해있지

않다.

결과 분석

1. 매끄러운 거울 면과 유리면에서는 이동하지 못했다.

2. 현미경 사진을 분석하니 이동할 때 다리를 바닥에 찍으면서 움직인다고 추측된다.

(부속지의 역할 추측; 다리가 바닥 깊숙이 박히는 것을 방지)

4)넓은 폭 건너가기 실험 (쌓기 블록)

실험 결과 1cm 틈 건너기 (성공) 2cm 틈 건너기 (성공)

3cm 틈 건너기 (성공) 4cm 틈 건너기 (성공)

결과 분석

& 고찰

좁고 어두운 곳을 좋아하는 지네(14.5cm)는 5cm 이상의 틈 (자신의 약 _^ )에서는 더 이상 건너려하지 않는다.

지네의 특성상 구석진 곳을 좋아하여 틈 사이로 들어가려 하므로 나무블록의 아래에 물을 채워 아래로 내려가지 않고 틈을 건너갈 수 있도록 한다.

시간

( 초 ) 0 0.03 0.06 0.09 0.12 0.15 0.18 0.21 0.24 0.27 0.30 0.33 0.36 0.39 각도

( ° ) 4 15 22 23 25 16 8 0 -11 -21 -25 -18 -8 4

　5）낮은 높이 건너가기 실험

실험

결과 0.5cm 0.4cm

지네 두께

(cm) 0.5

천장의 높이

(cm) 0.5 0.4 0.3

이동 속도

(cm/s) 2 0.1 0

결과

분석 지네는 자신의 몸 두께보다 더 좁은 곳(몸 두께의 _^)을 통과할 수 있다.

나 . 로봇 설계 및 제작 로봇 설계안 (1)

<로봇 체절 하나>

<로봇 전체의 모습> - 위에서 본 모습

<로봇 전체의 모습> - 옆에서 본 모습

⋆ 세 다리가 한 점에 모이도록 설계되었다.

<로봇 겉모습 디자인>

로봇 설계안 (2)

<로봇 체절 하나>

→

타이밍 벨트 이용

→

<로봇 틀> - 위에서 본 모습 <로봇 틀> - 옆에서 본 모습

로봇 틀은 똑같은 모양을 2개 만들어서 위, 아래로 덮어준다.

로봇 설계안 (3)

<로봇 체절 하나>

→

서로 맞물리는 부분을 더 두껍게 수정

<로봇 다리> <로봇 다리>

로봇의 다리를 반으로 나누어 설계

↑

<로봇 틀 위에 체절을 얹은 모습>-위 <로봇 틀 위에 체절을 얹은 모습>-옆

<로봇 틀을 위아래로 덮은 모습>-앞 <로봇 틀을 위아래로 덮은 모습>-대각선

<로봇 전체> - 위에서 본 모습

<로봇 전체> - 옆에서 본 모습

로봇 출력 -

설계 출력

다리가 로봇을 지탱할 수 있도록 튼튼하게 만들어 따로 출력하고, 체절을 얹을 수 있는 틀을 만들도록 한다.

타이밍 벨트를 끼울 수 있도록 홈을 만들어 놓은 모습

체절을 얹을 수 있는 홈을 파서 제작한 틀의 모습

다리를 반으로 나누어 따로 제작한 모습

맞물리는 부분이 홈 사이사이에 잘 들어갈 수 있도록 끝의 폭을 좁게 제작한 모습

프린트한 체절들을 로봇 틀에 넣은 모습

서로 맞물리는 부분을 두껍게 수정하였다. (옆에서 본 모습)

체절과 상·하 틀을 조립한 모습

문제점

체절과 다리의 연결부위 중 너무 얇게 설계된 부분이 있어 쉽게 부러져버렸다.

→ 다리를 두껍게하여 다시 설계

타이밍 벨트를 끼워넣어 돌아가는 방식으로 하려하였으나, 꼭 맞는 타이밍벨트를 구하는 데

어려움이 있었다.

→ 맞물려서 돌아가는 방식 채택

□ 시사점

○ 생체모방에 대한 관심이 높아지게 되었으며 다양한 분야에 접목이 가능하게 되었다.

향후 발전

방향 내용 구상도

이동 가능한

다리 (bridge)

기존의 고정된 다리(bridge) 형태를 벗어나 이동이 가능한 다리로, 틈이 있는 곳이라면 어느 곳에서나 사용될 수 있을 것이다.

예술적 구조물

생물을 모방한 구조에 키네틱 아트를 적용하였기 때문에 도심, 혹은 자연 속 아름다운 구조물로

활용될 수 있다.

비상탈출 다리

평상시 건물의 벽면에 붙어 있다가 비상시 건물과 건물을 이어주는 연결 다리 역할을 할 수

있을 것이다.

소방용 로봇

좁은 골목길, 고립된 지역 등 소방차가 닿기 힘든 곳에 좁은

곳을 잘 통과하는 지네로봇이 소방용 로봇으로서 활용될 수

있을 것이다.

해저탐사 로봇

바다에도 지상만큼이나 다양한 지형들이 존재한다.

지네의 탁월한 험지주행능력을 모방하여 해저탐사로봇을

제작할 수 있을 것이다.

미세로봇, 나노 봇

벽면을 잘 타고 올라가는 지네의 특성을 모방하여 혈관을 타고

몸 속을 검진하는 의료용 미세로봇을 만들 수 있을 것이다.

4. 홍보 및 사후 활용

.

1) 지네의 이동경로 (아크릴 판 사용)

우리가 원하는 경로로 지네를 이동시켜, 실험결과를 보다 빠르고 정확하게 얻을 수 있었다.

2) 넓은 폭 건너기

지네의 특성상 구석진 곳을 좋아하여 틈 사이로 들어가려 하므로 나무블록의 아래에 물을 채워, 지네가 건널 수 있는 최대의 폭을 측정하였다.

3) 모식도 제작

지네 다리의 움직임을 한눈에 보이기 위해 동일한 길이의 직선으로 나타내었다.

나

.

1) 로봇에 반영되지 못한 지네의 특징

지네가 가진 뛰어난 능력에 비해 로봇에 반영된 특징이 너무 적어서 아쉽다.

다 . 두께 조절 가능 로봇

좁은 틈을 잘 통과하는 지네의 특징을 반영한 로봇을 제작한다.

⇨ 평소 웅크리고 있던 몸체를 양옆으로 펼쳐 두께를 조절한다.

라 . 버티기 기능

지네처럼 강력한 힘을 가진 로봇을 제작한다.

⇨ 다리가 물체를 움켜쥘 수 있게 한다.

싱크홀에 대한 문제점 해결

지네 모방 로봇의 수많은 다리는 힘을 분산시켜 싱크홀로 인해

벌어진 틈도 쉽게 건너갈 수 있도록 도울 것이다.

5. 참고문헌

□ 참고문헌

○http://home.ebs.co.kr/docuprime/newReleaseView/205?c.page=12

○<생체모사공학과 진단기술 – 한국바이오칩학회>

○http://www.damotori.com/zbxe/trash/74004

○http://blog.ohmynews.com/seulsong/tag/Theo%20Jansen