전기는 아주 작은 입자인 전자가 이동하며 발생하는 에너지로, 크기를 조절하기 쉬워 기계와 로봇의 신호로 이용된다. 자동화된 기계와 로봇은 대부분 전기를 에너지로 사용한다. 전기를 이용하려면 먼저 전기 회로를 구성해야 한다.
SECTION · 01
로봇은 어떻게 스스로 움직일까
부품·기계요소·제어가 모여 로봇이 된다. 여러 부품이 어떻게 조립되고 제어되어 우리 자리로 정확히 찾아오는지 그 원리를 하나씩 살펴보자.
ROBOT & CONTROL
전기로 움직인다
부품이 모여 기계가 된다
스스로 판단한다
로봇이 일한다
부품·기계요소·제어가 모여 로봇이 된다
SECTION · 02
전기 회로와 센서
전기를 이용하려면 전기 회로를 구성해야 한다. 회로를 이루는 세 가지 요소를 눌러 각각의 역할을 확인해 보자.
전기 회로의 3요소
전원에서 나온 전기가 도선을 따라 흘러 부하에서 일을 한다.
센서는 외부 정보를 감지하여 전기 신호로 바꾸는 부품으로, 사람의 눈·코와 같은 기능을 한다. 감지하는 정보의 유형에 따라 다양한 센서가 있다.
광센서
빛을 감지한다.
활용 · 가로등초음파 센서
물체의 거리를 검출한다.
활용 · 로봇 청소기자기 센서
자기장의 변화를 감지한다.
활용 · 자동 잠금장치기울기 센서
기울어진 정도를 감지한다.
활용 · 이동 장치
초음파 거리 센서
초음파를 쏘아 물체에 반사되어 돌아오는 시간을 재어 거리를 측정하는 센서다. 로봇은 이런 센서로 주변 상황을 감지한다.
📷 Suyash Dwivedi / Wikimedia Commons · CC BY-SA 4.0
SECTION · 03
전기 전자 부품
회로를 구성하는 전기 전자 부품은 전기 에너지를 사용해 정해진 기능을 한다. 여섯 가지 부품을 눌러 각각의 역할을 살펴보자.
여러 가지 전기 전자 부품
같은 회로 안에서도 부품마다 맡은 일이 다르다.
집적 회로(IC)는 트랜지스터·저항·다이오드 등을 수억 분의 일로 소형화하여 기판 위에 고밀도로 모은 부품으로, 작지만 큰 회로 기판과 같은 역할을 한다. 이러한 부품을 만드는 데 쓰이는 반도체는 전기를 잘 전달하는 도체와 잘 전달하지 못하는 절연체의 중간 성질을 가진 물질이다.
마이크로컨트롤러 보드(아두이노)
센서 입력을 처리하고 모터 같은 출력을 제어하는 작은 컴퓨터 기판이다. 부품과 프로그램을 연결해 로봇의 두뇌 역할을 한다.
📷 Shvelo / Wikimedia Commons · CC BY-SA 3.0
SECTION · 04
기계요소와 동력 전달
기계요소는 여러 기계나 기구에 두루 쓰는 기본적인 부품이다. 쓰임에 따라 나뉘는 다섯 가지 종류를 눌러 살펴보자.
기계요소의 종류
기계는 서로 다른 기능을 가진 부품들의 조합으로 이루어진다.
동력 전달 장치는 공급받은 에너지로 발생시킨 동력을 일을 하는 부분에 전달한다. 대표적인 네 가지 장치를 살펴보자.
기어
톱니로 맞물려 동력을 전달한다. 잇수와 방향에 따라 평기어·베벨 기어 등 다양하다.
벨트와 벨트 풀리
벨트를 걸어 먼 거리까지 동력을 전달한다. 마찰력으로 전달하여 미끄럼이 발생한다.
체인과 스프로킷
떨어져 있는 스프로킷에 체인을 걸어 전달한다. 일정한 속도비를 얻을 수 있다.
캠
모양에 따라 회전 운동을 특정한 왕복 운동이나 상하 운동으로 변환한다.
SECTION · 05
로봇의 제어와 자동화
로봇의 하드웨어는 크게 세 부분으로 구성된다. 각 장치를 눌러 정보가 어떻게 흐르는지 확인해 보자.
로봇의 구성
감지 → 제어 → 구동의 순서로 로봇이 작동한다.
로봇의 제어 방식은 사람이 직접 조작하는 수동 제어와 컴퓨터로 제어하는 자동 제어로 나뉘고, 자동 제어는 다시 시퀀스 제어와 피드백 제어로 나뉜다.
수동 제어
조작 장치를 이용하여 로봇을 직접 제어한다. 조작이 간단하다.
시퀀스 제어
미리 정해진 순서·규칙에 따라 작동한다. 커피 로봇이 순서대로 커피를 만든다.
피드백 제어
주변 환경을 인식·판단하여 스스로 움직인다. 장애물을 인식해 회피한다.
로봇은 산업 분야(산업용·물류 로봇), 특수 목적 분야(의료용·군사용 로봇), 개인 서비스 분야(서빙·교육용·반려동물 로봇)에서 폭넓게 활용된다. 로봇 자동화는 반복적인 일을 자동화하여 정확도를 높이고 인간의 노동량과 노동 시간을 줄인다.
산업용 로봇 — 용접 로봇
정해진 프로그램에 따라 팔을 정밀하게 움직여 용접 작업을 반복하는 산업용 로봇이다. 위험하고 정교한 일을 사람 대신 수행한다.
📷 Phasmatisnox / Wikimedia Commons · CC BY 3.0
휴머노이드 로봇 — 아메카
사람과 비슷한 얼굴과 표정을 지닌 휴머노이드 로봇이다. 사람과 자연스럽게 소통하도록 인공지능과 여러 센서·구동 장치가 결합돼 있다.
📷 Willy Jackson / Wikimedia Commons · CC BY-SA 4.0
SECTION · 06
형성평가 · 점검 5문항
배운 내용을 스스로 점검해 보자. 보기를 누르면 바로 채점되고 해설이 펼쳐진다.
맞힌 문제 0 / 5
Q1
전기 회로에서 전기가 흐르는 통로로 각 부품을 연결하는 것은?
해설. 전기가 흐르는 통로로 각 부품을 연결하는 것은 도선이다. 전원은 전기를 공급하고, 부하는 공급받은 전기로 일을 한다.
Q2
빛을 감지하여 가로등 등에 이용되는 센서는?
해설. 빛을 감지하는 센서는 광센서로, 빛의 밝기에 따라 다른 값을 입력하여 가로등 등에 이용된다.
Q3
전류를 한쪽 방향으로만 흐르게 하여 교류를 직류로 바꾸는 부품은?
해설. 전류를 한쪽 방향으로만 흐르게 하는 부품은 다이오드로, 교류를 직류로 바꾸는 데 활용된다.
Q4
떨어져 있는 두 스프로킷에 체인을 걸어 동력을 전달하는 전동용 기계요소는?
해설. 떨어져 있는 스프로킷에 체인을 걸어 동력을 전달하는 것은 체인과 스프로킷으로, 일정한 속도비를 얻을 수 있다.
Q5
로봇이 주변 환경을 스스로 인식·판단하여 움직이는 자동 제어 방식은?
해설. 주변 환경을 스스로 인식·판단하여 움직이는 것은 피드백 제어이다. 시퀀스 제어는 미리 정해진 순서대로 작동한다.
핵심 정리
전기 회로 3요소
전원 · 도선 · 부하
전기를 공급·전달하고 그 전기로 일을 한다
센서
외부 정보를 전기 신호로 변환
광센서·초음파·자기·기울기 센서 등
전기 전자 부품
정해진 기능을 하는 부품
저항기·트랜지스터·다이오드·콘덴서·전동기·LED
기계요소
기계에 두루 쓰는 기본 부품
제동용·축용·결합용·완충용·전동용
동력 전달 장치
동력을 일하는 부분에 전달
기어·벨트·체인과 스프로킷·캠
로봇 구성·제어
감지 → 제어 → 구동
수동 제어 / 시퀀스 제어 / 피드백 제어