Nixie tube test

닉시관(nixie tube)의 테스트를 진행했습니다.
아주 오랜 시간이 걸렸네요. 하지만 다행히도 잘 작동합니다.

조금 고민이 되는 것은 100kOhm저항을 걸어서 연결하면 글자가 절반밖에 나오지 않는다는 것입니다.
10kOhm을 걸어보니 글자가 잘 나오는 것으로 봐서는 전류량의 문제같은데 제 멀티미터는 180V에서 전류를 측정할 수 없기 때문에 답답합니다.

부스트 컨버터와 한계

닉시튜브를 이용한 환경 모니터를 만들려는 시도중, 승압회로를 만들다 한계에 봉착했습니다. 그래서 이런 저런 자료를 찾아보다 몇 가지 사실을 알게 되었습니다.

보통 DC-DC 승압회로로 사용하는 것이 Boost Converter(부스트 컨버터)인데요, 이 회로는 인덕터와 스위치(MOSFET)을 이용해 승압을 시키는 방식입니다. 일반적인 회로는 아래와 같습니다.

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이 회로의 특징은 MOSFET을 켰다 꺼서(On/Off) 인덕터(L)를 충전했다 방전하여 조금씩 전압을 키워 승압시키는 방식이라 생각하시면 좋습니다.

이 방식의 한계에 대해서 알아본 결과 다음의 그래프를 얻을 수 있었습니다.

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부스트 컨버터의 승압 능력은 기본적으로 듀티 사이클의 영향을 받는다고 합니다. 다시 말해 듀티 사이클(작동 시간)이 길어지면 길어질 수록 승압의 배율(Vin에서 Vout의 배율)이 증가한다고 합니다. 이론상의 최대 승압 비율은 약 10배(x10)이며, 이 수치가 나오기 위해서는 듀티 사이클(Duty cycle)이 95%이상 나와야 한다고 합니다. 하지만… 저도 잘은 모르겠지만 이건 어디까지나 이론상의 수치라 실제로 부스트 컨버터를 이용한 승압 회로는 6배(x6)를 최대로 보고 있다고 합니다.
네… 이 이야기를 듣고 555타이머와 부스트 컨버터를 이용한 승압회로는 한계가 있음을 깨달았습니다. 오히려 9V를 넣어(Vin) 120V(Vout) 나온것만 해도 장하다고 생각하기로 했습니다.

역시 “교류는 승압도 간단해요!”라고 하셨던 무선통신 강사님의 말씀이 맞나 봅니다.

 References :

1. Determining the practical limit for boost factor in DC-DC voltage conversion

2. Working with Boost Converters

로봇 팔

로봇의 팔을 만들어보자

주의 : 손이 없음

주의 : 작업하다 그만둔문서입니다. 

로봇 팔을 만들어 보고 있습니다. 부제목과 같이 아직 손을 만들 생각은 전혀 없습니다.

(두둥! 그렇다면 팔이 왜 필요해)

…사실은… 손도 같이 만들어 보고 싶지만 팔에 비해서 어마어마하게 복잡하고 또 관절운동도 복잡해서 엄두를 못 내겠 더라구요. 그래서 팔만 만들어 보기로 했습니다.

1. 기본 도안

지난번 로봇을 만들다 포기했던 가장 큰 이유는 “내가 가지고 있는 부품에 딱 맞는 프레임(로봇의 껍질이나 골격등등)을 구하기가 너무나 어려웠기 때문입니다. 그래서 이번에는 직접 디자인을 해서 요즘 많은 관심을 받고 있는 3D 프린터로 직접 인쇄를 해보기로 했습니다. 3D프린터로 출력을 하려면 아래의 도구가 필요하겠지요.

  • 3D 프린터
  • 프린팅용 프로그램 (프린터에 같이 포함되어 있음)
  • 디자인 프로그램 (프린터에 같이 포함되어 있는 경우가 많음)

어차피 저는 3D프린터로 무언가 예쁘고 아름다운 조형물을 출력할 계획은 아니었기 때문에 가능한한 싼 물건을 사기로 했습니다. 제가 고른 것은 Anet A8 제품이고요.

……조립한 당일날 메인보드가 고장나서 모든걸 포기하곤 XYZ 프린팅의 제품을 구입했습니다. “과정에 불가한 3D프린터”에 너무 많은 노력을 하고 싶지 않았다고 할까요?

디자인 소프트웨어는 AutoDesk에서 무료로 공급하고 있는 TinkerCAD를 사용했습니다. 제품 고유의 프로그램을 쓸 수도 있지만 온라인으로 바로바로 작업이 가능해서 이것을 선택했습니다.

기본적인 형태 디자인은 아래와 같습니다.

 

upper
기본형태

한쪽 팔만 다시 보자면..

shoulder

  1. 몸통에 서보모터와 스테핑 모터를 고정시킵니다 (청색은 스테핑 모터)
  2. 커플러에 몸통 밖으로 나갈 축을 연결하고 몸통에 부착된 베어링으로 안정시킵니다
  3. 이 그림에서는 보이지 않지만 관절 역할을 할 유니버설 조인트를 이용해 팔과 잇습니다.
  4. 역시 그림에는 없지만 뼈대 역할을 할 막대와 유니버설 조인트로 전완부와 상완부를 연결합니다
  5. 마지막으로 와이어를 이용해 관절운동을 조절합니다

 

2. 좀 더 세부적인 문제들

여기까지 디자인 하면서 지인분과 많은 이야기를 나눴습니다. 전 기계공학적 머리가 0 상태인데다, 아무 생각이 없기 때문이죠. 지인분이 가장 문제로 삼은 것은 ‘동력전달’ 문제 입니다. 저는 금속 와이어를 사용해서 동력을 전달할 생각이었는데 지인분은 관절축(뼈대)에 모터를 직결하는게 어떤지 물어봤습니다. 사실 이런 방식으로 만들어 본 적이 한번 있지만 다시 한번 고민을 해봤습니다. 아래와 같은 문제가 있었습니다.

SE-A410_4
서보모터의 형태 (출처)
  • 내가 가지고 있는 모터는 대부분 서보모터이다
  • 어깨와 팔꿈치 관절, 그리고 조금 억지를 부리면 손목 관절까지도 구부림, 폄, 내회전, 외회전의 기능이 있다
  • 서보모터라도 이런 움직임을 구현하지 못하는 것은 아니지만 가장 큰 문제는 이런 움직임을 구현하기 위해서는 서보모터의 모터헤드에 움직이려는 관절의 축(뼈대)을 직접 연결해야 한다
  • 모터에 직결한 경우 아래쪽(원위부)의 전체 무게는 모터의 정지부하 또는 하중으로 작용한다
  • 와이어를 쓰던 축을 모터에 직결하던 정지부하가 안 걸리는 것은 아니지만, 모터에 축을 직결하면 손목에서 어깨 관절로 가면 갈 수록 모터는 더 많은 하중을 견뎌야 하고 이로인해 불필요한 전력 낭비가 발생한다
  • 또한 관절부에 모터를 위치시키면 아무리 토크가 높은 모터라고 하더라도 팔 자체의 기본 무게(프레임 + 각종 부품 + 원위부 관절에 달린 모터 무게)로 인해 실제 사용 가능한 토크는 줄어들게 된다
  • 대부분의 서보모터는 모터헤드가 모터의 가운데 위치하지 않기 때문에 설계가 극도로 어려워진다
  • 와이어를 이용하면 팔 전체에 모터의 무게를 제거할 수 있다
  • 모터를 몸통에 위치 시키면 무게 중심을 안정시킬 수 있다
  • 와이어를 안쪽과 바깥쪽에 각각 두 개씩 위치 시키면 비틀림을 구현할 수 있다
  • 와이어가 프레임에 직접적으로 닿는 것을 피하기 위해 추가적인 베어링과 축을 바꿀 부위가 필요하다
  • 와이어를 제어하는 모터의 제어 코딩이 더 복잡해지고, 몸통부에서의 설계가 복잡해진다
  • 모터 직결보다 좁은 범위에서의 관절운동만이 가능하다

뭐 이러한 이유로 인해 와이어를 선택한 것도 있지만, 안 해본 것이니 해보자는 생각으로도 시작을 해봤습니다.

3. 실제 디자인

아래의 사이트에서 직접 도면을 보실 수 있습니다.

  1. 팔의 아래쪽
  2. 팔의 위쪽

기본적으로 어떻게 움직이는지에 대해 많은 고민을 했습니다. 이건 고민을 하며 그려본 기본 개념도입니다.

arm
골격의 움직임 기본 개념(왼쪽이 손목)

관절은 3D프린터로 정밀하게 만들기 어려울 것 같고, 또 두 부위를 연결하기 위한 부품도 복잡해서 유니버설 조인트(Universal joint)라는 것을 이용하기로 했습니다.

arm joint
관절의 기본 컨셉
IMG_0502
관절의 축과 와이어를 지지할 지지대

관절의 형태는 지금까지 한번도 구상해본 적이 없어서 제 나름대로 디자인을 해봤습니다. 처음 생각에서 조금 차이가 생겼다고 한다면 근육이 되는 와이어를 골격에 붙일 수가 없어서 프레임에 봉(rod)을 달아 연결하기로 했습니다.

이런 저런 것들을 고려한 다음 다음의 형태로 두 개의 플라스틱 판을 만들어 결합시키기로 했습니다.

forearm_upper.png
팔의 위쪽 프레임
lower.png
팔의 아래쪽 프레임

이 두 가지를 3D프린터로 제작해서 결합시키면 제일 위의 그림처럼 연결이 됩니다. 물론 프린트 후 어느정도의 손질이 필요하겠지만요. 아무튼 이런 형태로 조립을 했을 때 로봇의 몸제는 아래의 그림처럼 될 것 같습니다.

concept02
몸통

그림에 갈색은 서보모터구요, 파란색은 스테핑 모터, 그리고 녹색은 아두이노 보드 입니다. 앞 뒤의 회색 부분은 껍질입니다. 네에.. 아무 기능도 없는 껍질입니다. 킁;;

concept01
몸통의 후측면

앞에서 잘 보이지 않지만, 앞쪽 서보모터 네 개는 가운데 붉은색 패널에 구멍을 뚫어 등쪽까지 나오게 했습니다. 그리고 뒤쪽 서보모터 두개는 패널에 수평으로 배치해서 가급적 어깨와 가까운 부위에 모터 헤드가 위치하도록 해봤습니다.

여기까지 디자인을 하고 나서 ‘알리 익스프레스‘에서 이것 저것 부품을 주문했습니다. 알리 익스프레스는 가격이 싼 대신 시간이 오래 걸려서 아마 다음달에나 조립을 시작하지 않을까 싶습니다. 필요한 부품으로 아래의 것들을 우선 주문했습니다.

4.  Bill Of Material (BOM, 자재 명세서)

  • 볼 베어링
  • 커플러
  • 유니버설 조인트
  • 4mm 카본 막대
  • 5mm 스테인레스 막대

5. 제작

3D 프린터가 도착해서 우선 프레임을 제작해 봤습니다. 유니버설 조인트와 카본 막대가 가장 중요한데 아직 도착을 안해서요. ㅠㅠ 대략 두 시간 정도가 걸렸고 아래와 같은 형태가 되었습니다.

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멀리서 보면 아름답기 그지 없지요..?

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잘 보면 솔기 같은 것도 있고 불규칙한 부분도 있고 그렇습니다. 약간의 사포질은 필요하겠군요.

ㅡㅡ; 나머지 부분도 한번 출력을 해봐야 겠습니다. 반대쪽도 출력해 봤는데 디자인의 사이즈와 실제 출력 사이즈가 달라서 맞물리지가 않았습니다. 또한 가운데 봉을 지지대 없이 설계했더니 엉망이 되어버렸습니다.

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사진을 확대해 보면 거미줄 같은 것이 잔뜩 있습니다
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끼워 보면 끼워지지 않습니다

그런데… 만들다가 크나큰 문제를 하나 발견했습니다. 유니버설 조인트를 이용해 팔의 내회전/외회전을 구현하려고 했는데 그게 축이 조인트와 고정되어 버리면 불가능하겠더군요. 그걸 왜 지금까지 몰랐는지. ㅠㅠ 결국 이 문제를 해결하기 위해서 고민하다가 아주 굵은(?!) 뼈대를 만들기로 했습니다.

arm_shaft_cover.png
플라스틱 샤프트

3D프린터로 샤프트를 만드는 겁니다. 가운데 4mm 카본 막대가 들어갈 수 있는 공간을 만들었고, 양쪽 끝 부분에 볼베어링이 들어갈 수 있는 공간도 확보했습니다. 카본 막대는 통으로 쓰는 것이 아니라 절반 정도로 잘라서 위/아래에 각각 따로 끼울 겁니다. 그리고 그 카본 막대를 볼 베어링에 끼우면 플라스틱 샤프트와 카본막대가 따로 움직일 수 있기 때문에 내회전/외회전이 가능할 것으로 생각합니다. 양쪽에 있는 작은 네모 구멍은 와이어를 90° 간격으로 고정하기 위한 구멍입니다.

설계대로 출력을 해 봤는데 원하는 사이즈가 나오지 않아서 다시 조정을 한 후 출력을 했습니다.

2017-09-01 11.24.20
출력한 결과물

생각보다 오차가 심각해서 조금 더 수정을 해야 할 것 같습니다. 베어링이 제대로 안 들어가네요. 그리고… 몇 번의 시행착오 끝에 추가로 조금 변경했습니다. 와이어를 고정할 위치와, 와이어가 지나갈 구멍을 만들어 주었지요. 아래는 그 이미지입니다.

rev_shaft
수정한 샤프트

몇 차례의 리비전 후에 이런 모습이 되었습니다. 처음보다는 많이 복잡해 졌지요? 저도 만들다 보니 이렇게 복잡하다는 것을 알게 되었습니다. ㅎ

일단 안쪽에 베어링을 넣을 공간을 총 네 개 만들었습니다. 카본 샤프트의 흔들림을 막기 위해 각각 두 개의 베어링을 끼울 수 있도록 했구요, 와이어를 고정한 후 그 와이어가 샤프트의 방향을 따라 위치할 수 있도록 중간에 작은 걸쇠를 만들었습니다. 물론 이 부분은 추후에 바뀔 가능성이 높습니다. 아무래도 스텐레스보다 플라스틱은 경도가 약하기 때문에 부러질 수 있다는 생각이 들었거든요.

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어라.. 사진이 돌아갔네요. 왜 그러지…? 아무튼 베어링 위치는 잘 맞습니다.

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베어링도 잘 들어가 있습니다. 삐딱한 것은 고정을 안해서 그런 것이구요. ㅎ 일단은 이대로 만들어 볼 생각입니다.
이제.. 나머지 재료만 오면 되겠군요. 기다려야 겠습니다. 기다리면서 시간도 남고 해서 어깨 관절을 위한 플라스틱 프레임을 만들어 보기로 했습니다. 초기 디자인과 사뭇 다른 부분도 있지만 기본적인 개념은 아래와 같습니다.

2017-09-02 01.10.15
기본 개념

까만 동그라미는 와이어의 방향(벡터)가 바뀌는 부위입니다. 위쪽 그림을 보시면 이해가 되실 거구요, 몸통의 스테핑 모터를 기준으로 몇 번의 각이 바뀌며 와이어가 몸통에 이어지도록 했습니다. 측면도를 보시면 조금 더 이해가 쉬울지도 모르겠습니다.

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기본 개념. 측면도 포함

잘 보시면 아주 복잡한 각도로 벡터가 바뀌게 됩니다. 어쩔 수 없어요. 제가 머리가 나쁘니 더 좋은 방법을 찾아내질 못했습니다. ㅠㅠ

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모터의 위치

모터가 아주… 어마어마하게 붙어 있습니다. 가운데 정사각형은 스테핑 모터이구요, 나머지는 전부 서보모터 입니다.

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Pullley(도르레)를 이용한 결선도

지금 생각은 중간에 몇 군데 도르레를 위치 시켜서 와이어의 방향을 바꾸면 어떨까 생각해 보고 있습니다. 아직, 어떻게 구현할 지는 제대로 정하지 못했어요. 아무튼 여기까지 해 놓고 3D 디자인을 해 보았습니다.

shoulder_final
어깨 구동축. Pulley 없음

Pulley를 넣지 않았는데도 어마어마하게 복잡한 형태가 되었습니다. 좌우에 튀어나와 있는 곳은 전부 서보모터를 고정하기 위한 곳이구요, 가운데 정사각형 공간에는 커플링과 모터의 축이 위치할 공간입니다. 실제 서보모터는 뒤쪽에 위치하구요. 여기까지는 되었는데! 아직 도르레(Pulley)를 넣을 공간을 만들지 못했습니다. ㅠㅠ

 

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이 저작물은 크리에이티브 커먼즈 저작자표시-변경금지 4.0 국제 라이선스에 따라 이용할 수 있습니다.

아두이노 우노(Arduino UNO) 설계도

아두이노 기본 사이즈에 대한 설계도

로봇 만들기를 진행하면서 필요에 의해 찾은 자료입니다.

원본 출처는 여기 입니다. 개인적인 생각으로는 이 분도 이곳 저곳에서 검색을 통해 정리하신 것 같습니다.

1. Arduino UNO

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Arduino-Uno-Mega-Dimensions

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2. Arduino Mega

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3. Arduino Nano v3.0

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프로젝트 : 휴머노이드 시작

프로젝트 : 휴머노이드

모처럼 다시 시작이네요 ^^

요즘 이런저런 고민에 빠져 있다가 드디어 다시 시작하려고 합니다.

과거에 만들어 봤던 것이 많지는 않지만 처음 시작했던 것이 거미 로봇을 만들려고 했던 거에요. 무슨 생각이었는지는 모르겠지만 A부터 Z까지 전부 직접 만들 생각으로 시작을 했었는데요, 기계공학이나 전자공학에 지식이 0이었던 전 만들다 결국 포기를 합니다.

그때 사진이 남아 있네요.. (부끄럽습니다. 그렇지만 여러분도 바보짓 하지 말라고..;)

그냥 다리만 까딱 거리는 거 보이시죠? 다른 자료가 남아있지 않아서 더 자세히는 보여드리기 어렵겠지만 기계관절에 대한 몰이해를 바탕으로 만들어서 결국 돈만 많이 쓰고 포기를 했지요. 하지만 실패는 다음번 성공을 위한 발판이라고 생각해야죠. 아래의 교훈을 얻었거든요.

로봇 제작에 중요한 부분

지금부터 말씀 드리는 것은 그 동안 삽질한 결과입니다.

우선 로봇 제작에 가장 중요한 것은 아무래도 목적이겠지요. 물론 저 같은 취미생활로 만드는 사람은 아무 생각없이 그냥 ‘인간을 만들어 볼까?’해서 시작하는 것이구요. 만약 어떤 목적 – 과재라든가, 시험이라든가, 경시대회라든가 – 이 있다면 가장 효과적인 방법을 찾는게 나을것 같습니다. 저 같은 일반인이 로봇을 제작하려면 엄청난 비용과 도구, 그리고 시간과 노력이 필요하니까요.

1. 목적에 맞는 형태

가능하면 목적에 딱 맞는 형태만 생각하시는게 좋을 것 같습니다. 이쁘거나 멋진거 이런거 다 필요없고 어떤 목적이냐에 따라 딱 필요한 형태를 생각해 보는 겁니다. 예를 들면 청소하는 로봇을 생각해 볼까요? 청소 로봇이라면 청소 기능과 움직이는 기능, 그리고 그 움직임을 제거하는 기능만 있으면 되겠지요. 뭐 복잡한 기능을 넣으려고 하시면 저 처럼 지옥을 보시게 됩니다.

 그럼 어떤 형태가 나을까요? 그건 얼마든지 레퍼런스가 있습니다. 가장 쉽게 생각해도 도로 청소용 자동차가 있지요. 아니면 로봇 청소기라든가.

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파주시, 저탄소 친환경 노면청소차량
간단히 뉴스만 뒤적여도 쓸만한 사진이 많이 나옵니다. 이 자동차 보시면 솔이 달려있고 바퀴가 달려있고 그게 끝이죠? 그러면 대충 이런 형태로 만들면 되는 거겠죠 뭐… 사람이 들어가지 않으니 로봇의 제어만 신경쓰시면 되는 것이구요. 가능하면 이미 만들어져 있는 형태를 참조하시는게 나을 것 같습니다. 참조할 자료는 다른 사람이 만든 로봇이든 동물이든, 곤충이든 얼마든지 있습니다.
2. 기계적 구조의 구상
저는 이 부분에서 가장 힘들었습니다. 제가 기계공학적 지식이 전혀 없는 인간이라 그냥 튼튼하고 중간에 나사선이 없는 나사 같은 것을 쓰면 얼마든지 관절운동을 구현할 수 있겠거니 했지요. 하지만 진실은 가혹했습니다.. ㅠㅠ
정말 세상에는 엄청나게 다양한 기계 부속이 존재하고 그 모든 것들을 똑똑한 사람들이 상황에 맞게 쓸 수 있도록 분류해 놓았더군요. 우리가 봤을때 단순해 보이는 막대기도 그 종류에 따라 다양한 것이 있고, 나사도 그렇고, 모터도 그렇고, 아무튼 모든 것이 혼란의 도가니였습니다.
이 문제에 대해서는 아직 저도 해결방법을 제대로 찾지 못했지만, 그래도 나름 주위 사람의 도움을 받았답니다. 우선 R/C 제품을 조립하거나 애용하는 분들의 도움을 받으세요. R/C에는 우리가 필요한 기계 부품이 참 다양하게 존재합니다. 관절, 축, 베어링, 와셔 같은 것들이 다양하게 준비되어 있으니까 R/C 제품 사이트나 취미생활 하시는 분에게 몇 가지 물어보시면 많은 도움을 받으실 수 있습니다. 그리고 나서는…. 당연히 구입을 해야 하는데 가급적이면 구입한 부품으로 여러가지 부위에 사용할 수 있는 것을 사세요. 절대 호환성이 모자라는 부품을 사시면 안됩니다. 나중에 부품을 못 구하는 수도 생겨요. 그리고 현재 시점에서는 알리 익스프레스(https://www.aliexpress.com/)이 가장 쌉니다. 우리가 꼭 R/C 순정품을 살 필요도 없으니까요. 시간은 좀 걸리지만 그래도 돈을 아끼는 것이 중요합니다.
그리고 3D 프린터의 구입을 진지하게 생각해 보세요. 다소 거칠고 시간이 많이 걸리고 또 추가로 신경을 써야 하는 문제가 있기는 하지만 그래도 로봇의 프레임을 구상하거나 조금씩 필요한 부품, 그리고 로봇의 껍질을 만들때는 이것보다 좋은 것이 없습니다. 아무래도 프라판이나 포맥스로 만들다 보면 아쉬움을 느끼실 거라 말씀드리는 겁니다. 이왕이면 껍질을 잘 갖추고 있으면 훨씬 마음이 뿌듯하거든요. 가능하면 싼 것을 사시라는 말씀을 다시 한번 드릴께요. XYZ printing에서 나온 제품들도 싸고, Anet에서 나온 제품들도 싼 것이 많이 있습니다. 어차피 필라멘트를 녹여서 쏘는 형태의 3D프린터는 레이저로 가공하는 것 보다 정밀도 부분에서 떨어지고 뒤처리도 필요하니까 굳이 비싼 것을 살 필요가 있나 싶습니다.
3. 전자 부품의 선택
로봇을 구성하는 전자부품에서 가장 중요한 것을 고르라고 하신다면 전 모터와 센서를 말씀드리고 싶습니다. 저야 마이크로프로세서는 무조건 아두이노(Arduino)를 쓰기 때문에 다른것은 모르겠구요, 로봇이라는 것 자체가 센서의 정보를 받아들여서 모터를 구동하는 기계이기 때문에 이 두 가지가 가장 중요하다고 생각합니다. 모터의 경우 아시다시피 브러쉬 모터, BLDC, 서보모터, 스텝모터가 있구요, 다른 모터는 거의 사용하는 일이 없지요. 이 녀석들을 고르실 때 꼭 자체 무게와 토크를 확인하시기 바랍니다. 만약 관절 운동을 위해 관절에 모터를 설치하시려면 모터의 무게가 온전히 작동모터의 하중으로 걸리기 때문에 그 무게를 염두해 두셔야 하며, 또 모터의 무게가 로봇의 기계적 하중으로 작용하기 때문에 전체 로봇의 무게에 대한 고려가 필요합니다. 잘 못 하면 멋지게 만들었는데 옴짝달짝 못하는 로봇을 만드시게 될 겁니다.
일단… 여기까지 써 봤습니다. 물론 저 보다 더 많은 것을 아시는 분들이 잔뜩 있다는 것은 압니다. 단지 블로그에 적어 놓으면 혹시 이 분야에 관심있는 초보자 분들이 저와 같은 실수를 범하지 않을 것 같아서 적어보는 것 뿐이니까요. ^^;
그럼 이 글은 계속 업데이트 하겠습니다.

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DIY 공기청정기 만들기 (자동차 필터 이용) – 2탄

자동차 공기필터를 이용한 가정용 공기청정기

이제… 제대로 만들어 볼까요?

앞서 작성한 블로그에 이어, 이제는 완제품 형태의 공기청정기를 만들어 보기로 했습니다. 재료는 앞의 블로그에서 포맥스 판이 추가가 되었답니다. 아래는 간단한 설계도 입니다. 지난번에 이야기 했는지 모르겠지만 전 설계도면을 그릴 수 있는 능력자가 아니라서 손으로 그렸습니다.

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기본 부품의 사이즈
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포맥스 도안1
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포맥스 도안2

포맥스 도안2번을 보시면 큰 틀 하나와 필터를 고정하기 위한 작은 틀 1개, 그리고 구멍이 뚫린 세 장의 포맥스로 구성되어 있습니다. 그리고 앞/뒤판에 경첩을 달아 팬과 필터를 언제든지 수리 및 교체할 수 있도록 디자인해봤습니다. 하지만, 상당히 귀찮았던 관계로 세 장의 구멍뚫린 판 중에 가운데 것을 제거해 버렸고, 팬은 최소 5년간의 수명 보장을 하는 제품이라 필터 교체용 뒷판만 탈착식으로 만들기로 했습니다.

사이즈는 도안을 보시고 참고하시면 됩니다. 순간접착제와 포맥스만 있으면 왠만한 사각형의 케이스는 만들 수가 있습니다. 단, 두께가 5mm(5T)를 넘어가는 포맥스는 커터칼로 절단하는 것이 너무나 어렵기 때문에 가급적 얇은 것을 사용하시길 권합니다. 저 역시 두 개의 틀을 제외하고는 전부 2~3mm 포맥스판을 이용했습니다.

제작과정

 제가 쿠팡을 좋아하긴 하지만, G마켓에서는 포맥스 판을 제단해서 보내주는 가계들이 있습니다. 5mm의 경우에는 커터칼로 자르는 것이 너무 힘들어서 미리 사이즈를 알려주고 절단한 것을 받았답니다.

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한 쪽에 보호필름이 있습니다
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절단할 흡기구를 연필로 그렸습니다

흡기구의 경우, 필터와 사이즈가 동일하다거나 조금 크면 필터가 제대로 고정이 안되고 흡기구를 통해 떨어질 수 있으니 사용하실 필터의 사이즈보다 조금 작게 구멍내시는 것이 좋습니다.

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필터를 잡아 줄 5T 포맥스 틀을 구멍에 고정했습니다
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팬의 무게를 견디기 위해 가로판을 덧대었습니다
2017-04-21 15.13.56
팬 4개 부착. 바람방향을 주의하세요
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앞모습이 그렇게 이쁘진 않습니다 ㅠㅠ

위의 사진에는 안 나오지만 팬의 무게를 견디기 위해 사용한 가로판에 다시 수직으로 포맥스 판을 덧대었습니다. 나중에 사진에서 확인해 보세요.

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뒷판에 필터를 끼워넣습니다
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2파이 DC 파워잭 고정
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내부 모습: 포맥스 판을 덧댄 것을 확인
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바람이 새는 것을 막기 위해 문풍지를 이용했습니다
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팬 동작 확인
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뒷판 양측에 아크릴 걸쇄를 부착했습니다

마지막으로 테스트해 볼까요?

잘 작동합니다. 이 제품을 아내님이 싫어하지 않을 만한 곳에 놓았습니다. 아이에게 예쁘게 그림을 그려 달라고 할까 합니다.

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제작후기

정말 별 것 없습니다. 제가 알아본 바로는 공기청정기는 크게 세 가지 부품으로 구성되어 있었습니다.
  1. 대단히 많은 필터
  2. 공기를 빨아들여 내뱉기 위한 대형 팬
  3. 공기의 질을 확인하기 위한 센서
제가 만든 제품은 이 중에 3번을 제거한 제품입니다. 미세먼지와 이산화탄소, 그리고 산소농도 등을 측정하는 센서는 매우 고가입니다. 그런데 그런 센서가 있다고 해서 공기청정기의 성능이 크게 달라지냐고 물으신다면 제 대답은 ‘글쎄요..’입니다. 어차피 그런 센서들이 있는 제품도 오염도가 증가하면 팬을 더 빨리 돌리는 것 말고 뾰족한 수는 없으니까요.
 이 제품은 총 제작비가 아래와 같이 들었습니다.
  • 3M PM2.5 필터 : 4,500원
  • 140mm 시스템 쿨러 4개 : 60,000원
  • 포맥스 : 15,000원
  • 전원공급장치 : 6,900원
이 중에 가장 비싼 것은 시스템 쿨러였습니다. 이건 제가 ‘가능한 한 조용하고 풍량은 많으며 오래 가는 것’을 고르다 보니 비싸진 것입니다. 만약 여러분이 좀 더 싸고 평온한 팬을 찾으신다면 제작비는 훨씬 떨어질 겁니다.
 공기청정기가 과연 우리 생활에 반드시 필요한 것인지는 저도 모르겠습니다. 그 만큼 우리의 건강을 지켜주는 지도 의문입니다. 모 회사에서 나온 음이온 발생 모듈 같은 경우에도 직장에서 쓰고 있지만 업무에서 오는 스트레스를 줄여주는 것도 아니고 건강이 좋아지는 것도 잘 모르겠습니다. 하지만, 사람의 폐는 바꿀 수 있는 것이 아니고 장기간 제거가 어려운 이물질에 노출되면 만성폐쇄성 폐질환과 같은 질환이 생길 수 있습니다. 가끔은 이런 공기청정기 판매업이 ‘사람들을 겁 줘서 돈 버는 사업’이 아닐까 고민해 봅니다.
아래의 라이센스를 지켜주십시요. 만약 라이센스에 위배되는 행위를 하시는 경우 100% 소송을 진행하겠습니다. 

크리에이티브 커먼즈 라이선스

이 저작물은 크리에이티브 커먼즈 저작자표시-동일조건변경허락 4.0 국제 라이선스에 따라 이용할 수 있습니다.

DIY 공기청정기 만들기 (자동차 필터 이용) – 1탄

다들 집에 공기청정기 하나 있으시죠?

…라고 하기에는 공기청정기는 너무 비싸다

DIY로 공기청정기를 만들기로 했습니다. 이유는 위에 적은 제목 때문이지요.

전에는 봄철에만 중국에서 날아오는 황사로 고생을 했는데 요즘은 대중이 없습니다. 우리나라 쪽으로 서풍이 불기만 하면 미세먼지 주의보와 경보를 왔다갔다 하니까요. 저도 조금은 건강을 생각하는 사람이다보니 요즘처럼 미세먼지로 세상이 뿌옇게 변하면 가족의 건강을 신경쓰게 됩니다.

 그렇지만, 대기업의 공기청정기는 너무 비쌉니다. 활성탄 필터, 은나노 필터, HEPA필터 등 온갖 필터의 조합을 만들어 공기중 세균까지 제거한다는 것을 모토로 판매하고 있습니다. 뭐 그런 필터들이 많다면 좋겠지요. 하지만 다양한 종류의 필터를 달면 달 수록 공기청정기의 유지 관리비는 늘어납니다. 이렇게 말하면 화를 내실 분이 있겠지만, 실제 공기청정기라는 것은 필터와 공기를 빨아들이기 위한 선풍기 하나 뿐입니다. 고가의 제품은 이 단순한 구조에 먼지센서 같은 것을 붙인것 뿐이고 실상은 “필터 + 팬” 뿐입니다.

실제로 많은 선지자(?!)들이 집에서 굴러다니는 보네이도라든가, 선풍기에 필터를 매달아 사용하고 있었습니다. 필터는 모두 자동차용 필터를 사용했지요. 아시는지 모르겠지만 쿠팡만 들어가봐도 3M에서 나온 PM2.5 필터가 4500원 밖에 하지 않습니다. 통상 사용기간도 6개월에서 1년에 육박하고요. 그래서 ‘자동차용 필터를 가지고 예쁜 가정용 공기청정기를 만들고 싶다’라는 생각을 하게 되었지요. 설계 컨셉은 아래와 같습니다.

  • 컴퓨터용 시스템 쿨러를 이용하자
  • 자동차용 필터 중에 가장 큰 것을 이용하자
  • 가격을 최소화하고 디자인은 필터 교체가 용이하게 하자
  • 전자공학을 모르더라도 만들수 있도록 자잘한 기능은 모두 제거

네. 물론 여기서 말씀드리는 전자공학은 가벼운 12V 전원공급장치를 만드는 수준이지만, 그것도 가능하면 최소화 하기 위해서 노력했습니다. 그래도 딱 한번 전자부품의 구입과 납땜이 필요하기는 합니다. ㅠㅠ

작동 가능한 설계인지 확인해 보자

기본적인 작동여부를 확인하기 위해 프로토타입을 만들어보기로 했습니다

재료는 아래와 같습니다.

  • 2파이 DC파워잭과 커넥터
  • 종이박스나 스티로폼 박스
  • 120mm또는 140mm 컴퓨터용 시스템 쿨러
  • 자동차용 공기청정기 필터
  • 12V 전원공급장치
  • 글루건과 글루 막대기
  • 절연테이프와 전선 조금, 그리고 납땜 도구
  • 전선을 자르고 피복을 벗길 수 있는 도구 (와이어 스트리퍼든 뭐든)

완제품에 대한 기본 디자인은 아래 그림과 같았습니다.

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공기청정기 형태 (Draft)

가능한 한 얇고 넓게 만들어 불필요한 공간차지를 최소화 하고, 전원공급장치도 대부분을 본체 안에 넣어 밖에서는 그냥 전선달린 박스처럼 보이게 하려고 했습니다.

그림을 자세히 보시면 아시겠지만 초기 디자인에서는 필터가 아래쪽에 위치하고 팬을 앞부분의 위쪽에 위치하도록 그렸는데 이런 형태로 하면 기류의 흐름에 별로 좋지 않을것 같다는 주위 사람들의 조언에 따라 동일한 높이에 만들기로 했습니다.

제작 시작

 어차피 프로토타입이므로 케이스는 간단한 것으로 하기로 했습니다. 그래서 재활용 쓰레기장을 기웃거리다 깨끗한 스티로폼 박스를 하나 구했답니다.

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스티로폼 건조중

가능하면 아무 이물질 없는 것을 쓰는 것이 좋겠지요? 공기청정기 돌렸더니 엄한 악취가 나면 너무 슬플 것 같습니다.

공기청정기의 팬은 시스템 쿨러 중에 가장 크고 조용한 것으로 골랐습니다. 풍량도 어느정도 되어야 하고 날개가 공기를 가르는 소리를 최소화 하고 싶었으니까요. 그래서 고른 것은 Arctic F14인데요, 이 제품은 140mm제품이라 일반적인 시스템 쿨링팬과는 호환이 되지 않는 단점이 있습니다. 사양은 아래의 사진을 확인해보시면 됩니다.

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4개.. 가격이 꽤 나갑니다
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사양을 확인하세요
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날개가 매우 많습니다

이 팬을 사용하겠다고 생각하면 가장 먼저 드는 생각은 ‘커넥터를 어떻게 하지?’입니다. 물론 시스템 쿨러에 맞는 커넥터 핀을 구입해서 해도 되지만 그냥 잘라버리고 전선끼리 연결해도 무방합니다.

요즘 시스템 쿨러는 크게 2선, 3선, 4선 짜리가 있다고 합니다. 2선은 단순히 팬 회전만 하는 것이고요, 3선 쿨러는 시스템에서 회전속도를 확인할 수 있는 제품, 그리고 4선 제품은 PWM이라고 시스템이 회전속도를 제어까지 할 수 있는 제품입니다. 당연하겠지만 선이 늘어나면 늘어날 수록 가격은 비싸집니다.

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이 제품은 3선 짜리입니다

아래 그림을 보시면 아시겠지만 검은색 선(-) 바로 옆의 것이 +12V 선입니다. 테스트를 해보니 확실합니다.

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공기청정기의 다른 부품으로는 자동차용 에어컨 필터가 있습니다. 전 이번 제작 컨셉에서 미세먼지만 제거하면 되는 것으로 잡았기 때문에 3M의 PM2.5필터 중에서 가장 큰 것을 선택했습니다. 그래봐야 쿠팡에서 4,500원 밖에 안합니다. 네… 아시는 분은 아시지만 우리 몸은 생각보다 면역 체계가 탁월해서 굳이 바이러스, 곰팡이, 그리고 우리가 모르는 무엇인가까지 제거하는 6중 7중 필터는 필요없다고 생각합니다. 특히 HEPA 필터. 여러분이 생물학 연구소나 병원에서 근무하시는 것이 아니라면 천지 필요 없습니다. 가격만 비싸지요.

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오피러스용 제품이 가장 크다고 합니다
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AIR FLOW라고 되어있는 부분의 공기방향을 잘 확인하세요!

문제 발생!

이런… 아내님이 제가 고이고이 모셔놓은 스티로폼 박스를 버렸습니다. ㅠㅠ

어찌할 지 몰라 당황하다가 그냥 종이박스에 만들어 보기로 했습니다. 모양도, 크기도 엉망이라 진짜 프로토타입으로 진행을 했답니다. ㅠㅠ

일단 대충 종이박스에 필터와 팬에 맞게 구멍을 내었습니다.

2017-04-08 01.50.20

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고정과 밀봉을 위해서 종이박스와 필터, 그리고 팬 사이의 공간은 모두 글루건으로 막았습니다. 문제는 종이 박스 자체가 무게가 거의 없는데 팬은 한쪽으로 몰려 있으니 무게중심이 전체적으로 앞으로 쏠렸습니다. 그래도 뭐… 테스트 버전이니 뭐 어떻습니까?

팬의 커넥터를 잘라버리고 전선끼리 묶어 2파이 파워잭에 연결했습니다.

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간단하게 연결만 했답니다

이제 테스트를 해볼까요??

오우. ‘당연히’ 작동합니다. ㅋㅋ 사실 작동 안 할 이유가 없잖아요. ^^;
전자담배의 연기를 이용해 진짜 필터를 통해 공기가 빨려 들어가는지 확인해 보았습니다.

공기가 정말 마법처럼 끌려들어가네요. ㅎㅎ 다행입니다. 그래도 개인적으로는 제대로 작동할 지 불안불안 했는데 기능을 할 것 같군요.

제작후기

자동차용 공기청정기는 제품마다 가격이 천차만별 입니다. 하지만 현재 우리나라는 다른 어떤 것 보다도 미세먼지에 의한 오염이 중요한 상태이며 PM2.5의 미세먼지를 제거할 때 굳이 고가의 HEPA 필터를 사용할 필요는 없습니다. 이 테스트는 아주 단순한 원리의 공기청정기를 싸게 이용할 방법을 찾다가 시작했습니다.
다음은 3M PM 2.5 차량용 필터 사양입니다.
filter01.png
쿠팡에서 검색해 보세요

원래는 공기청정기의 효과를 확인하기 위해서 먼지센서의 결과값 같은 것을 확인해야 겠지만 PM2.5센서 자체가 70,000원에 육박하기 때문에 일주일 정도 돌려보고 필터가 까매지는지 확인하기로 했습니다.

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아래는 새 필터(봉지 안뜯음. 돈..;;)

분명히 색깔의 변화가 있습니다. 심지어 2주차가 되니 짙은 회색으로 변하는 것을 확인했습니다. 물론, 색깔의 변화가 이 필터의 기능이 탁월하다거나 실제로 먼지를 잡고 있다는 증거가 될 수는 없습니다. 하지만 공기가 빨려 들어가기는 하고 공기가 걸러지며 필터 색이 변한 것이니 충분하지 않을까요? 어차피 여러분들도 70만원짜리 공기청정기 쓰면서 ‘아! 공기가 탁월하게 맑아진게 느껴져!!!’ 이러진 않잖아요. ㅋ

이번 프로토타입을 완성시키면서 몇 가지 고민을 했습니다. 저는 기류역학을 아는 것도 아니고 학교다닐때 배웠던 물리학이나 기타의 학문이 기억나는 것도 아니라 팬이 충분히 음압을 형성시키지 못해서 필터를 통해 공기를 빨아들이지 못하면 어떡하나 걱정도 했고, 팬의 풍압이 약해서 풍분히 바람을 뿜어내지 못하고 공기가 팬을 기준으로 오락가락 하면 어떡하나 고민했습니다. 그래서 블로우어(Blower)라고 부르는 Radial fan도 알아보고 그에 맞춰 디자인도 해봤지만 음압 형성에서 큰 문제는 없었답니다. ^^
어쨌거나 몇 가지 디자인을 여기 남겨 놓습니다.

디자인2.png
디자인 2
디자인3
디자인3

아래의 라이센스를 지켜주십시요. 만약 라이센스에 위배되는 행위를 하시는 경우 100% 소송을 진행하겠습니다. 

크리에이티브 커먼즈 라이선스

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