STEAM R&E 연구결과보고서 ( 키네틱아트를접목시킨 centipede 모방로봇제작 ) 2015. 11. 17. 창원여자고등학교 - 1 -
< 연구결과요약 > 과제명 연구목표 연구방법 연구성과 주요어 (Key words) 키네틱아트를접목시킨 centipede 모방로봇제작 지네의뛰어난운동을분석하여이동원리를알아낸다. 지네의장점을모방한로봇을개발한다. 지네다리움직임의특이한패턴을키네틱아트에적용하여심미성을높인다. 1. 지네의특이점조사 - 지네의구조적특징에대해조사한다. 2. 지네의구조및움직임관찰 ( 동영상촬영및캡처 ) - 투명한수조에지네를놓고아래쪽에서지네의움직임을동영상촬영한다. - 촬영한동영상을일정한시간간격으로캡처한후포토샵으로모식도를제작한다. - 지네의구조적특징에대해관찰한다. - 지네가밀가루위를밟고이동하게한다. 3. 키네틱아트 - 지네다리의움직임을수학적인계산을통해연구한다. - 한번의자극으로연속적인움직임을유도한다. 4. 로봇설계및제작 ( 블랜더로도면제작, 3D 프린터로출력 ) - 지네는길고체절로이루어져있다. - 지네는긴몸체에많은다리를갖고있다. - 지네의다리는두개가한쌍으로, 서로다른방향으로움직인다. 5. 지네와로봇의모습비교 ( 동영상촬영및캡처 ) - 로봇의모습을관찰하고이를지네의모습과비교한다. 6. 로봇의기능검증 ( 동영상촬영및캡처 ) - 평지에서로봇의움직임을관찰 분석한다. - 틈이있는공간에서로봇의이동을관찰한다. 1. 지네의운동분석 - 수많은다리를연속적으로움직여이동한다. - 다리로바닥면을찍으면서이동한다. - 세다리가특정한한점에모인다. - 앞의다리가찍고지나간점을뒤쪽의다리도찍고지나간다. 2. 로봇설계및제작가. 로봇설계 - blender 프로그램을사용하여 3D 프린터제작나. 로봇제작 - 3D 프린터로로봇부품을출력하여제작 3. 로봇성능확인가. 로봇의작동확인 - 로봇이설계대로작동하는지확인한다. 나. 로봇의특징확인 - 세다리가한점을찍고지나간다. 다. 로봇의성능확인 - 무게지탱 - 폭이넓은 (wide) 구간이동 지네 (centipede), 생체모방, 로봇, 키네틱아트 (Kinetic Art), 블랜더, 3D 프린트, 바퀴, 지형 - 2 -
1. 개요 연구동기및목적 연구동기 - 다리가많고징그러운지네이지만규칙적인움직임의아름다음과지네의뛰어난주행능력을가지고있음을알게되어이를키네틱아트를접목하여지네모방로봇을만들게되었다. 연구목적 - 지네의뛰어난움직임을분석하여이동원리를알아낸다. - 지네의장점을모방한로봇을개발한다. - 지네다리움직임의특이한패턴을키네틱아트에적용하여심미성을높인다. 연구범위 전자현미경과동영상캠쳐를통해서지네의운동분석 3D 도면작성후프린터출력및아두이노작동 2. 연구수행내용 이론적배경및선행연구가. 지네 (Scolopendra subspinipes mutilans) 지네는다지류에속하며몸길이 0.5 30cm로머리와몸통으로나뉜다. 몸은길쭉하고등과배쪽으로편평하며, 머리에는 1쌍의더듬이가있다. 몸은여러개의마디로이루어지는데, 각마디는거의같은모양이고보통 1마디에 1쌍의다리가있다. 몸의끝부분 1쌍의다리는다른다리보다길고, 그다리로는걷지않는다. [ 네이버지식백과 ] 지네 [centipede] ( 두산백과 ) 지네의체절로나뉜몸은어디든통과할수있을만큼자연스럽다. 지네가움직일때다리를보면한꺼번에힘을 < 그림 1. 지네 >https://namu.wiki/w/%ec%a7%80%eb%84%a4 쓰지않고, 딛는지점하나를정해차례대로그지점을통과한다. 배를젓는노처럼앞으로쭉뻗었다가뒤쪽으로당기며, 왼쪽과오른쪽다리를번갈아앞으로내민다. 그렇게다리가움직이면서몸이꿈틀거리고물결에따라몸을이동한다. <EBS 다큐프라임 > http://home.ebs.co.kr/docuprime/newreleaseview/205?c.page=12-3 -
나. 생체모사 생체모사는그리스어로생명이라는뜻의 Bios' 와모방이라는 Mimetic 의접미사가붙어만들어진단어이다. 생체모사공학은자연의시스템 (Biological system) 구조나기능을연구하여이를소재 (materials) 나기계 (machines) 로적용하는학문이다. 생체모사공학을통해생체의구조나기능을모사한소재 (bio inspired materials) 들이개발되고있으며, 이렇게개발된소재들은항공, 로봇, 의료등다양한분야에서적극적으로응용되고있다. < 생체모사공학과진단기술 한국바이오칩학회 > < 그림 2. Smart Bird, Festo> www.festo.com/ 다. 키네틱아트 (Kinetic Art) 움직이는예술 작품속에동세 ( 動勢 ) 를표현하는것이다. 작품그자체가움직이거나움직이는 부분을넣은예술작품을뜻한다. 정적인작품에서동적인작품으로단위를뛰어넘은것이다. < 위키백과 > < 그림 3. 최문석 - 노젓는사람들 > http://www.damotori.com/zbxe/trash/74004 < 그림 4. 테오얀센 - 키네틱아트 > http://blog.ohmynews.com/seulsong/tag/theo%20jansen 라. Blender( 소프트웨어 ) & 3D 프린터 블렌더 (Blender) 는 GNU 일반공중사용허가서에따라 자유소프트웨어로릴리즈된 3 차원컴퓨터그래픽스소프 트웨어이다. 이프로그램은넌리니어편집 (non-linear editing system, NLE), 콤포지팅, 파이썬 (Python) 스크립트 등을통하여쌍방향 3 차원프로그램을제작할수도있다. < 위키백과 > 3D 프린터는 3 차원으로특정물건을찍어내는프린터 로, 입체적으로만들어진설계도만있으면종이에인쇄하 듯 3 차원공간안에실제사물을만들어낼수있는기기 다.< 시사상식사전 > 잉크젯프린터에서디지털화된파일이전송되면잉크를종이 < 그림 5. 3D 프린터와제작물 > http://news.naver.com/main/read.nhn?mode=lsd&mid=sec&sid1=004&oid=030&aid=0002221094 표면에분사하여 2D 이미지 ( 활자나그림 ) 를인쇄하는원리와같다. 2D 프린터는앞뒤 (x 축 ) 와좌우 (y 축 ) - 1 -
으로만운동하지만, 3D 프린터는여기에상하 (z축) 운동을더하여입력한 3D 도면을바탕으로입체물품을만들어낸다. < 두산백과 > 3차원프린터는입체적으로그려진물건을마치미분하듯이가로로 1만개이상잘게잘라분석한다.< 네 이버캐스트 > 연구주제의선정 지네의움직임을분석하여특징을살려로봇을제작하고이를통해서아두이노를연결하여작동하면서기존의수레가가지는문제점을해결한다. 연구방법가. 지네의움직임분석 탐구제목 탐구내용 움직임패턴 관찰실험 ( 밀가루 ) 지네가밀가루위에서움직인흔적관찰및 분석 3 다리가 1 점에모임을증명한다. 이동방법관찰 ( 아크릴, 유리, 거울 ) 다양한재질의바닥면에서지네의이동성을 관찰하여다리를찍으면서이동함을보임 현미경사진과함께제시한다. 다리움직임 모식도제작 지네를촬영한후, 일정한시간간격으로캡 처한모습위에포토샵으로선을그어일정 한간격으로배열한다. - 2 -
넓은폭 건너기실험 ( 쌓기블록 ) 틈이있는구간에서의주행능력을관찰한 다. 낮은높이 통과실험 아크릴판으로일정한높이 (0.5cm, 1cm, 2cm, 3cm) 의천장을만들어높이에따라통과하는모습과속도등을비교 ( 이때지네의길이와두께측정 ) 나. 로봇설계및제작 탐구제목 탐구내용 로봇설계 구상한로봇의형태를 Blender 프로그램으로설계한다. 로봇제작 3D로설계한로봇의부품을 3D프린터로 출력한다. - 3 -
출력한부품을조립하여설계대로 작동하는지확인한다. 로봇의제작이완료될때까지위의과정을 반복한다. 다. 로봇의기능확인 탐구제목 탐구내용 움직임패턴 관찰실험 ( 아이클레이 ) 로봇이아이클레이위에서움직인흔적관찰및분석 3다리가 1점에모임을증명한다. 넓은틈 건너기실험 ( 쌓기블록 ) 틈이있는구간에서의주행 능력을관찰한다. 연구활동및과정 가. 지네의움직임분석 동영상촬영및캡처 1) 움직임패턴관찰실험 ( 밀가루 ) - 지네가밀가루위에서움직인흔적관찰및분석 3다리가 1점에모임을증명한다. 준비물 밀가루, 자, 아크릴판, 지네, 카메라 - 4 -
실험방법 (1) 상자에밀가루를체로쳐서 고르게편다. (2) 밀가루위에지네를놓고 이동시킨다. (3) 지네의길이와다리수를 측정한다. (4) 밀가루에찍힌점의개수와지네 다리의수를비교분석한다. 밀가루의두께가너무얇으면흔적이남지않으므로 1cm의두께로유의할점깔아준다. 2) 지네의이동원리고찰 - 다양한재질의바닥면에서지네의이동성을관찰하여다리를찍으면서이동함을보임 현미경사진과함께제시한다. 준비물 아크릴판, 유리, 거울 - 5 -
실험방법 아크릴유리거울 (1) 여러재질 ( 아크릴, 유리, 거울 ) 의바닥면에서지네의움직임을촬영한다. 3) 다리움직임모식도제작 - 지네를촬영한후, 일정한시간간격으로캡처한모습위에포토샵으로선을그어일정한간격으로배열한다. 준비물 컴퓨터, 포토샵프로그램 실험방법 (1) 지네가이동하는모습을동영상 촬영한다. (2) 일정한시간간격 (0.3 초 ) 으로 동영상을캡처한다. - 6 -
(3) 포토샵으로다리모양을따라 선을긋는다. (4) 그려놓은선을일정한간격으로 배열한다. 4) 넓은틈건너가기실험 ( 쌓기블록 ) - 틈이있는구간에서의주행능력을관찰한다. 준비물 나무블록, 자, 아크릴판, 지네, 카메라, 수조, 물 실험방법 (1) 수조에나무블록을일자로 쌓는다. (2) 7cm, 8cm 의틈을만든다. - 7 -
(3) 쌓은나무블록아래에물을 채운다. (4) 지네가틈을건너는모습을 촬영한다. 유의할점 1. 지네의특성상구석진곳을좋아하여틈사이로들어가려하므로나무블록의아래에물을채워아래로내려가지않고틈을건너갈수있도록한다. 2. 지네가물에빠지게되는경우, 지네의숨구멍이막혀위험할수있으므로최대한빨리물에서꺼낸다. 3. 지네가일자로이동할수있도록아크릴판을이용한다. 5) 좁은틈통과실험 - 아크릴판으로특정한높이 (1.5cm, 1cm, 0.5cm, 0.4cm) 의천장을만들어높이에따라 통과하는모습과속도등을비교 ( 이때지네의길이와두께를측정한다.) 준비물 아크릴판, 스티로폼, 자 (ruler) 실험방법 (1) 지네의두께를측정한다. (2) 여러두께로자른스티로폼을 - 8 -
두개의아크릴판사이에끼운다. (3) 아크릴판사이에지네를넣고, 움직임을촬영한다. (4) 천장의높이에따라이동하는 모습과속도를비교한다. 유의할점 아크릴판사이에지네를넣었을때, 바닥의재질에의해지네의 주행능력이떨어질수있으므로바닥에종이를끼워넣는다. 나. 로봇설계및제작 준비물컴퓨터 (blender 프로그램 ) 실험방법 (1) 지네로봇의전체적인구조를 설계한다. (2) 지네로봇의외형을디자인한다. 유의할점출력한부품을맞춰보고부족한점은수정하여보완하는과정을거친다. 다. 로봇의기능확인 구간통과실험 ( 쌓기블록 ) - 틈이있는구간에서의주행능력을관찰한다. - 9 -
준비물 나무블록, 자, 아크릴판, 제작한로봇, 카메라 (1) 상자에나무블록을일자로 쌓는다. (2) 1, 2, 3, 4cm 씩틈을만든다. 실험방법 (3) 로봇이틈을건너는모습을 촬영한다. (4) 지네의모습과로봇의모습을 비교하고, 로봇의기능을확인한다. 유의할점 - 10 -
3. 연구 결과 및 시사점 연구 결과 가. 지네의 움직임 분석 동영상 촬영 및 캡처 1) 움직임 패턴 관찰실험 (밀가루) 지네 다리의 개수 : 19 2=38개 지네 길이 : 14.5cm 실험 결과 (지네 다리 수) (점의 개수) = 3 38 14.5cm 거리에서 찍힌 점의 수 : 6 2=12개 결과 분석 지네의 세 다리는 한 점을 찍고 지나간다. - 11-12 3
2) 지네의이동원리고찰 ( 아크릴, 유리, 거울 ) - 다양한재질의바닥면에서지네의이동성을관찰하여다리를찍으면서이동함을보임 현미경사진과함께제시한다. 재질 실험 결과 이동 가능 거울유리아크릴 결과 분석 다리의모든부위와는달리마디의끝다리에털대신부속지가있다. 체절에는신경, 기문등이분포해있지않다. 1. 매끄러운거울면과유리면에서는이동하지못했다. 2. 현미경사진을분석하니이동할때다리를바닥에찍으면서움직인다고추측된다. ( 부속지의역할추측 ; 다리가바닥깊숙이박히는것을방지 ) 3) 다리움직임모식도제작 < 지네다리전체의모습 > - 이동방향 : 화살표 3~4 다리가한점에모인다. <11 번체절의모습 > - 이동방향 : 화살표방향 (0.3 초간격으로포착한다리의움직임 ) 이때, 오른쪽다리와왼쪽다리가서로반대방향으로움직인다. - 12 -
시간 ( 초 ) 각도 ( ) 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 4 15 22 23 25 16 8 0-11 -21-25 -18-8 4 4) 넓은폭건너가기실험 ( 쌓기블록 ) 실험결과 1cm 틈건너기 ( 성공 ) 2cm 틈건너기 ( 성공 ) 3cm 틈건너기 ( 성공 ) 4cm 틈건너기 ( 성공 ) 결과분석 & 고찰 좁고어두운곳을좋아하는지네 (14.5cm) 는 5cm 이상의틈 ( 자신의약 ) 에서는더이상건너려하지않는다. 지네의특성상구석진곳을좋아하여틈사이로들어가려하므로나무블록의 아래에물을채워아래로내려가지않고틈을건너갈수있도록한다. - 13 -
5) 낮은높이건너가기실험 실험결과결과분석 지네두께 (cm) 천장의높이 (cm) 이동속도 (cm/s) 0.5cm 0.4cm 0.5 0.5 0.4 0.3 2 0.1 0 지네는자신의몸두께보다더좁은곳 ( 몸두께의 ) 을통과할수있다. - 14 -
나. 로봇설계및제작 로봇설계안 (1) < 로봇체절하나 > < 로봇전체의모습 > - 위에서본모습 < 로봇전체의모습 > - 옆에서본모습 세다리가한점에모이도록설계되었다. < 로봇겉모습디자인 > - 15 -
로봇설계안 (2) < 로봇체절하나 > 타이밍벨트이용 서로맞물려돌아가는방식 < 로봇틀 > - 위에서본모습 < 로봇틀 > - 옆에서본모습 로봇틀은똑같은모양을 2 개만들어서위, 아래로덮어준다. - 16 -
로봇설계안 (3) < 로봇체절하나 > 서로맞물리는부분을더두껍게수정 < 로봇다리 > < 로봇다리 > 로봇의다리를반으로나누어설계 다리 4 개를만드는데사용됨 < 로봇틀위에체절을얹은모습 >- 위 < 로봇틀위에체절을얹은모습 >- 옆 - 17 -
< 로봇틀을위아래로덮은모습 >- 앞 < 로봇틀을위아래로덮은 모습 >- 대각선 < 로봇전체 > - 위에서본모습 < 로봇전체 > - 옆에서본모습 - 18 -
로봇출력 - 설계안과비교 설계 출력 다리가로봇을지탱할수있도록튼튼하게만들어따로출력하고, 체절을얹을수있는틀을만들도록한다. 타이밍벨트를끼울수있도록홈을만들어놓은모습 체절을얹을수있는홈을파서제작한틀의모습 다리를반으로나누어따로제작한모습 - 19 -
맞물리는부분이홈사이사이에잘들어갈수있도록끝의폭을좁게제작한모습 프린트한체절들을로봇틀에넣은모습 서로맞물리는부분을두껍게수정하였다. ( 옆에서본모습 ) - 20 -
체절과상 하틀을조립한모습 문제점 체절과다리의연결부위중너무얇게설계된 부분이있어쉽게부러져버렸다. 다리를두껍게하여다시설계 타이밍벨트를끼워넣어돌아가는방식으로하려하였으나, 꼭맞는타이밍벨트를구하는데어려움이있었다. 맞물려서돌아가는방식채택 - 21 -
시사점 생체모방에대한관심이높아지게되었으며다양한분야에접목이 가능하게되었다. 향후발전 방향 내용 구상도 이동가능한다리 (bridge) 기존의고정된다리 (bridge) 형태를벗어나이동이가능한다리로, 틈이있는곳이라면어느곳에서나사용될수있을것이다. 예술적구조물 생물을모방한구조에키네틱아트를적용하였기때문에도심, 혹은자연속아름다운구조물로활용될수있다. 비상탈출다리 평상시건물의벽면에붙어있다가비상시건물과건물을이어주는연결다리역할을할수있을것이다. - 22 -
소방용로봇 좁은골목길, 고립된지역등소방차가닿기힘든곳에좁은곳을잘통과하는지네로봇이소방용로봇으로서활용될수있을것이다. 해저탐사로봇 바다에도지상만큼이나다양한지형들이존재한다. 지네의탁월한험지주행능력을모방하여해저탐사로봇을제작할수있을것이다. 미세로봇, 나노봇 벽면을잘타고올라가는지네의특성을모방하여혈관을타고몸속을검진하는의료용미세로봇을만들수있을것이다. - 23 -
싱크홀에대한문제점해결 지네모방로봇의수많은다리는힘을분산시켜싱크홀로인해벌어진틈도쉽게건너갈수있도록도울것이다. 4. 홍보및사후활용가. 개선점 1) 지네의이동경로 ( 아크릴판사용 ) 우리가원하는경로로지네를이동시켜, 실험결과를보다빠르고정확하게얻을수있었다. 2) 넓은폭건너기지네의특성상구석진곳을좋아하여틈사이로들어가려하므로나무블록의아래에물을채워, 지네가건널수있는최대의폭을측정하였다. 3) 모식도제작지네다리의움직임을한눈에보이기위해동일한길이의직선으로나타내었다. 나. 문제점 1) 로봇에반영되지못한지네의특징지네가가진뛰어난능력에비해로봇에반영된특징이너무적어서아쉽다. 다. 두께조절가능로봇좁은틈을잘통과하는지네의특징을반영한로봇을제작한다. 평소웅크리고있던몸체를양옆으로펼쳐두께를조절한다. 라. 버티기기능지네처럼강력한힘을가진로봇을제작한다. 다리가물체를움켜쥘수있게한다. - 24 -
5. 참고문헌 참고문헌 http://home.ebs.co.kr/docuprime/newreleaseview/205?c.page=12 < 생체모사공학과진단기술 한국바이오칩학회 > http://www.damotori.com/zbxe/trash/74004 http://blog.ohmynews.com/seulsong/tag/theo%20jansen - 25 -