[공학설계입문] 레고 마인드스톰 로봇씨름/로봇대련 계획서

레고 마인드스톰 로봇씨름/로봇대련 계획서

 

 

프로젝트 계획서

분노의 태클

1. 개 요

o 프로젝트 목표

- 경기장을 벗어나지 않고 상대방 로봇을 경기장 밖으로 밀어내는 로봇을 제작

 

o 프로젝트 동기

- 교과목 공학설계입문 시간을 통해 배운 문제 해결 프로세스인 문제정의, 창의적인 아이디어 도출, 아이디어  평가, 아이디어에 따른 제작을 직접 행함으로써 유용한 아이디어나 결과물을 만들어내는 능력을 함양하기 위함

 

o 제한사항

- 규격: 가로 30cm * 세로 30cm을 초과할 수 없음

- 무게 1kg을 초과할 수 없음

- 경기장 1m * 1.2m의 검정색 테두리 내부에서 경기를 함

- 2분 경과 시 무게가 가벼운 팀 승리

 

o 특이사항

- Lego Mindstorms NXT robot kit 정량 사용(고무바퀴5개 이상 X)

- 정면, 측면(오른쪽, 왼쪽), 후면 3방향에서 경기시작(무작위결정)

- 경기장을 벗어나거나 밀려나면 실격처리

 

2. 배 경

o Lego Mindstorms 발전

- 마인드스톰(Mindstorms)은 미국 MIT 대학과 레고 사가 공동 개발 1986년 교육 목적의 제품을 시범적으로 생산, 1998년 마인드스톰의 핵심인 RCX(Robotic Command System) 브릭을 출시

 

- 2006년 RCX브릭의 문제점을 보완한 NXT(NXT Intelligent Brick) 출시하여 제한적이나마 누구나 지능적인 로봇을 손쉽게 만들고 체험을 가능하게 함

 

o 프로그래밍 입문 교육의 어려움

- Lego Mindstorms을 통해 프로그래밍 초보자들이 프로그래밍을 보다 쉽고 즐겁게 받을 수 있도록 학습 동기를 부여하고 학습 의욕을 높이기 위한 목적을 두고 있음

 

- 대학교 신입생들을 대상으로 C 프로그래밍 입문 교육 과정에 적용하여 교육을 시킨 결과, 프로그래밍에 대한 학습 동기와 학습 의욕의 개선을 통하여 학업 성취도가 향상되었음을 알 수 있었음

* <출처> 김태희, 강문설 저 ‘레고 마인드스톰 로봇을 이용한 프로그래밍 입문 교육의 효과 측정’

 

o 수업으로 인해 창의적 문제 해결 과정을 복습하고 활용할 수 있는 기회가 제공됨

- Mindstorms를 배우면서 습득한 지식을 기반으로 창의적 문제 해결 능력을 향상할 수 있는 색다르게 제시된 문제를 통해 팀 구성원 간의 협력과 충분한 시간과 노력이 요구됨

 

o Lego Mindstorms을 이용한 프로그래밍 학습이 높은 창의력 신장을 보임

- Mindstorms 프로그래밍을 학습한 집단이 학습하지 않은 집단보다 높은 창의력 신장을 보일 것이라는 가설 하에 검증실험을 통해 창의력 신장에 영향을 주는 것으로 밝혀짐

 

 

                   <출처> 김태완저 ‘MINDSTORMS을 이용한 프로그래밍 학습이 창의력에 미치는 효과’

3. 주요내용

o 아이디어 창출

- 로봇의 앞부분을 경사면으로 만들어서 밀기

- 지게를 이용하여 상대방을 뒤집기

- 로봇의 앞부분에 회전하는 바퀴를 달아 상대방을 들어올리기

- 달려오는 상대를 레고 팔을 이용하여 옆으로 밀어내기

- 상대방 로봇이 다가왔을 때 180도 회전하여 상대방 피하기

 

o 아이디어 다듬기

- 로봇의 앞부분에 회전하는 바퀴를 달아 상대방을 들어올리기 :

⦁ 상대방의 로봇보다 우리 로봇이 가볍거나, 높이에 따라 역으로 우리의 로봇이 상대방 로봇을 타고 올라가 넘어 질 수 있기 때문에 제외

 

- 달려오는 상대를 레고 팔을 이용하여 옆으로 밀어내기

⦁ 팔이 약해서 부서질 위험이 있고, 팔을 설계하는데 어려움이 있어서 제외

 

- 상대방 로봇이 다가왔을 때 180도 회전하여 상대방 피하기

⦁ 회전의 속도가 빠르지 않고 피하는 도중 경기장을 이탈하여 게임이 끝날 수 있기 때문에 제외

 

- 지게를 이용하여 상대방을 뒤집기

⦁ 모터의 출력으로는 무거운 상대방 로봇을 뒤집기엔 역부족이어서 제외

 

o 아이디어 결정

- 로봇의 앞부분을 경사면으로 만들어서 밀기

⦁ 현실적이고 실용적인 모델

⦁ 축구의 태클을 모티브로 하단을 공격하는 모습에서 얻어낸 모델

 

o 최종목표 및 예상결과물

- 무게중심의 균형을 잡은 뒤 전체적으로 낮고 로봇 앞부분을 경사면으로 만들어 상대방 로봇의 하단을 밀어서 뒤집는 로봇을 제작

 

 

o 세부기능

- 라이트센서

⦁ 가장자리로부터 멀리 떨어져 있어야 안전함

⦁ 검정색 선을 인식하는 순간 바퀴 역회전을 통해 뒤로 물러난 뒤 회전

 

[라이트센서 순서도]

 

 

 

- 초음파센서

⦁ 모터 회전기능을 통해 상대방 로봇을 찾아냄

⦁ 상대방 로봇을 찾으면 전진해서 밀어냄

 

[초음파센서 순서도]

 

 

- 라이트 센서 + 초음파 센서

⦁ 라이트센서를 우선시해서 구성

 

[라이트 + 초음파센서 순서도]

 

 

- 모터 회전기능

⦁ 양 바퀴의 방향이 다르면 회전이 가능함

⦁ 아래 사진과 같이 nxt-g에서 쉽게 구현가능

 

 

<설계구성요소 및 설계제한 요소>

설계 구성요소

설계 제한요소

목표 설정

합성

분석

구현/제작

시험/평가

결과 도출

성능

규격/표준

경제성

미학

신뢰성

안정성

환경

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1) 설계 구성요소 평가

o 목표 설정

- Mindstorms NXT를 사용하여 길이120cm 폭100cm의 너비의 경기장에서 상대방 로봇을 검은색 라인 밖으로 밀어내는 로봇을 제작

- 강의 자료에 기재된 가로세로 30cm, 무게 1kg 규격을 고려하여 로봇을 제작

 

o 분석

- 강의 자료에 기재된 제한사항을 고려하여 상대방 로봇을 밀어내어 승리를 할 수 있도록 로봇을 제작

- Lego Mindstorms NXT의 모든 부품을 사용할 수 있으며 정면, 측면, 후면 방향에서 임의로 시작되는 경기를 고려하여 로봇을 제작

- 상대방 로봇을 밀어내지 못할 경우 무게가 가벼운 팀이 승리한다는 것을 고려하여 로봇을 제작

 

o 구현/제작

- 정면, 측면, 후면 방향에서 무작위로 시작되는 규칙을 고려하여 검은색 선을 인식하도록 라이트센서를 위치시키고 상대팀 로봇이 앞에 있는 것을 인식하도록 초음파 센서를 위치시켜 로봇을 제작

- 라이트센서가 검은색 선을 인식하여 방향전환을 하고 초음파 센서가 적의 로봇을 인식하였을 때 앞으로 전진하도록 알고리즘을 구현

- 강의 자료에 기재된 규격 사항을 준수하면서 되도록 무겁게 만들고 레고 블록을 로봇 주위에 둘러 상대팀 로봇에 의해 팀의 로봇이 뒤집어지지 않도록 제작

 

o 시험/평가

- 로봇 제작과정에서 센서가 올바른 위치에 있는지 정확한 동작을 하는지 확인

- 제작과정에서 로봇의 알고리즘이 설계한대로 정확히 동작하는지 확인

- 로봇이 강의 자료에 기재된 규격과 무게를 만족하는지 평가

 

o 결과도출

- 기존 제작한 로봇의 측면에 레고 블록을 덧씌우고 전방에 레고 블록을 위치시켜서 팀 로봇이 뒤집어지지 않고 상대방 로봇을 넘어뜨릴 수 있도록 보완하여 완성도를 높임

 

2) 설계 제한요소 평가

o 성능

- 알고리즘 설정 시 모터의 회전속도를 100으로 설정하여 로봇의 최대한의 속도를 냄

- 라이트센서를 이용하여 경기장 라인을 인식하고 초음파센서를 이용하여 상대팀 로봇을 탐지

 

o 규격/표준

- 로봇의 규격은 가로 30cm * 세로 30cm를 초과하지 않도록 제작

- 로봇의 무게는 1kg을 초과하지 않도록 제작

- 경기장은 1m * 1.2m의 검은색 테두리 내부에서 경기를 하는 것을 고려하여 제작

 

o 안정성/내구성

- 로봇이 검은색라인을 인식하여 안전하게 방향전환을 하도록 제작

- 상대방 로봇에 의해 쉽게 뒤집어지지 않도록 측면에 블록을 달아 방어

 

o 환경

- Lego Mindstorms NXT를 사용하여 로봇을 제작

- 응용프로그램 Mindstorms NXT를 사용하여 로봇의 알고리즘을 구현

 

 

4. 작품개발 방법

o 개발환경

- LEGO Mindstorms NXT-G

o 개발 절차

- 문제를 정제

- 창의적인 아이디어 도출 (브레인스토밍)

- 아이디어 평가 및 선정

- 아이디어에 따른 제작

 

5. 기대효과

o 팀워크 및 창의적인 사고 함양

- 브레인스토밍을 통해 창의적인 아이디어를 도출하고 제안된 아이디어를 발전시키거나 결합하여 현실성 있도록 아이디어 정제를 통해 팀워크 및 창의적인 사고 함양

 

o 학생들의 학습 의욕 증가

- Lego Mindstorms 로봇을 이용한 수업을 통해서 교과목에 대한 흥미, 학습 의욕 층면에서 통계적으로 의미 있는 향상이 있음

 

6. 추진 전략 및 일정

 

(수행 기간 : 2015년 05월 28일 ~ 2015년 06월 10일 )
구분(일) 과제내용	28/29	30/31	1/2	3/4	5/6	7/8	9/10
프로젝트 계획
로봇 설계/제작
알고리즘 구현
로봇 동작 테스트/보완
로봇 공격/방어 보완