KR102263235B1 - 오픈소스하드웨어용 로봇, 피지컬컴퓨팅 및 ai융합프레임 - Google Patents

오픈소스하드웨어용 로봇, 피지컬컴퓨팅 및 ai융합프레임 Download PDF

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Abstract

오픈소스하드웨어는 교육에 사용하기 매우 좋은 장점이 있으나, 형상과 크기가 다양하여 자율주행 자동차, 2 족 보행로봇, 음성인식 키트, 식물재배키트 등을 만들기 위한 아크릴, MDF 및 플라스틱으로 만들어진 골격 프레임을 통일할 수 없어, 서로 다른 오픈소스하드웨어를 사용하는 경우 그 기능이 같더라도 호환되지 않는 단점이 있어 교육용 교보재를 만들기 어려운 문제가 있어왔다.
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여, 다양한 크기의 제어기 PCB를 고정하기위한 메인프레임(100); 및 상기 메인프레임(100)과 연결바(160)로 연결되며 상기 제어기 PCB와 연결되는 각종 센서, 모터 및 배터리를 고정하는 직선형 보조 프레임, 'ㄱ'자 보조 프레임 및 고정용 보조 프레임으로 구성되는 것을 특징으로 하는 교육용 로봇, 피지컬컴퓨팅 및 AI융합프레임을 제공한다.
상기와 같은 구성에 의하여 본 발명은 다양한 크기의 오픈소스하드웨어와 상기 오픈소스하드웨어와 연결되는 각종 센서류, 모터류 및 배터리 등의 크기에 관계없이 원하는 형태의 교육용 교보재를 구성할 수 있는 수단을 제공하는 효과가 있다.

Description

오픈소스하드웨어용 로봇, 피지컬컴퓨팅 및 AI융합프레임{.}
본 발명은 오픈소스하드웨어를 이용하여 교육용 로봇을 제작하는 기술에 관한 것이다. 더욱 자세하게는 다양한 크기와 형태의 오픈소스하드웨어 및 상기 오픈소스하드웨어의 주변 장치를 연결하는 로봇, 피지컬컴퓨팅 및 AI융합프레임에 관한 것이다.
본 발명 이전의 선행기술로 조립형 교육용 구성 부재에 관한 기술이 있다. 이 기술은 플라스틱의 재질로 쉽게 제조할 수 있으며 사용자가 원하는 길이만큼 구부리거나 절단하여 쉽게 조립이 가능하도록 구성된 로봇 블록이다. 길이방향으로 일정한 홈이 있어 필요한 길이만큼 절단하여 사용할 수도 있고 구조체 내부에 철심이 들어 있어 원하는 길이와 모양에 따라 구부려 사용할 수도 있는 기술이다.
또 다른 선행기술로는 교육용 배틀 로봇이 개시된다. 상기 교육용 배틀 로봇은 제1 몸체부, 제2 몸체부, 제1 및 제2 구동유닛들, 및 제3 및 제4 구동유닛들을 포함한 기술이 개시되어 있다.
등록실용신안공보 20-0361777 공개실용신안공보 20-2014-0005644
본 발명은 도11에 개시된 것과 같은 아두이노, 라즈베리파이 등의 오픈소스 하드웨어를 이용한 교육용 로봇, 피지컬컴퓨팅 및 AI융합프레임을 개발하여 제공하고자 하는 것이다.
상기 오픈소스 하드웨어는 자유롭게 프로그램하고 생산하고 만들 수 있도록, 회로도 및 내장 펌웨어 등을 일부 또는 전부 공개한 하드웨어를 의미한다. 소프트웨어 개발 툴을 제공하는 경우도 있으며, 개발 툴을 제공하지는 않더라도 소프트웨어를 개발할 수 있는 정보를 모두 공개한 경우를 오픈소스 하드웨어라 한다.
오픈소스하드웨어는 교육에 사용하기 매우 좋은 장점이 있으나, 그 하드웨어의 형상과 크기가 다양하여 이를 이용하여, 자율주행 자동차, 2 족 보행로봇, 음성인식 키트, 식물재배키트 등을 만들기 위한 아크릴, MDF 및 플라스틱으로 만들어진 골격 프레임을 통일할 수 없어, 서로 다른 오픈소스하드웨어를 사용하는 경우 그 기능이 같더라도 호환되지 않는 단점이 있어 교육용 교보재를 만들기 어려운 문제가 있어왔다.
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 하기의 과제해결 수단을 제공한다.
다양한 크기의 제어기 PCB를 고정하기위한 메인프레임(100); 및
상기 메인프레임(100)과 연결바(160)로 연결되며 상기 제어기 PCB와 연결되는 각종 센서, 모터 및 배터리를 고정하는 직선형 보조 프레임, 'ㄱ'자 보조 프레임 및 고정용 보조 프레임으로 구성되는 것을 특징으로 하는 인공지능 융합 교육용 프레임을 제공한다.
상기 연결바(160)는 중공의 고정핀(170) 또는 볼트와 너트를 이용하여 상기 메인프레임(100), 직선형 보조 프레임, 'ㄱ'자 보조 프레임 및 고정용 보조 프레임과 연결되는 것을 특징으로 하는 인공지능 융합 교육용 프레임을 제공한다.
상기 연결바(160)는 원하는 각도로 구부릴 수 있는 것을 특징으로 하는 인공지능 융합 교육용 프레임을 제공한다.
상기 연결바(160)는 자성을 띠고 있어, 금속의 단자와 자력으로 연결될 수 있는 것을 특징으로 하는 인공지능 융합 교육용 프레임을 제공한다.
상기와 같은 구성에 의하여 본 발명은 다양한 크기의 오픈소스하드웨어와 상기 오픈소스하드웨어와 연결되는 각종 센서류, 모터류 및 배터리 등의 크기에 관계없이 원하는 형태의 교육용 교보재를 구성할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시 예로서 구성이다.
도 2는 본 발명의 또 다른 실시 예로서 구성이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시 예로서 구성이다.
도 4는 본 발명의 메인프레임의 구성이다.
도 5는 본 발명의 직선형 보조 프레임(A), 'ㄱ'자 보조 프레임(B) 및 고정용 보조 프레임이다.
도 6은 본 발명의 외곽프레임에 본 발명의 프레임부착 3선을 결합한 도면이다.
도 7은 본 발명의 프레임부착 3선의 모습이다.
도 8은 본 발명의 프레임에 연결바와 고정핀을 연결하는 도면이다.
도 9는 본 발명의 프레임 2개를 연결바와 고정핀으로 연결하고 90도 구부린 도면이다.
도10은 본 발명의 연결바와 고정핀이 연결된 상태에서 점퍼선을 앞쪽과 뒤쪽에 결함한 도면이다.
도 11은 많이 사용하는 오픈소스 하드웨어 2개의 크기를 도시하고 있다.
도 12는 본 발명의 프레임에 주름을 형성한 도면이다.
상기와 같은 구성으로 나타나는 본 발명의 작용효과를 도면을 참고하여 설명하면 하기와 같다.
우선 도 11을 보면 도11-(A)와 도11-(B)는 현재 많이 사용하는 오픈소스하드웨어이다. 기능에 차이가 있기도 하지만, 그 크기도 다르고, 고정하기위한 고정부의 위치도 상이하다. 이러한 이유로 판상 아크릴, MDF, 플라스틱 등을 레이저 가공이나, 밀링머신 등으로 가공하여 고정용 케이스와 몸체를 만들어 교육용으로 사용하고 있으나, 오픈소스하드웨어마다 PCB의 크기가 달라 프레임이 호환되어 사용할 수 없는 문제가 있다. 기존의 과학상자와 같은 구성도 존재하지만 구멍과 구멍 사이의 간격을 조절할 수 없어 호환성을 가지기 어렵기는 마찬가지다.
본 발명은 이러한 문제를 긴 장공을 평행하게 다수개 구비한 프레임을 메인 프레임으로 제공함으로써 여러 오픈소스하드웨어 고정부의 위치에 관계없이 상기 메인프레임에 고정할 수 있는 수단을 제공하는 것을 가장 큰 목적으로 하고 있다.
또 다른 목적은 상기 오픈소스하드웨어 역시 CPU 및 MCU를 구비하고 프로그램을 전송하여 여러 기능을 하는 것인데, 이러한 기능을 위해서는 외부에서 전원도 공급하여야 하고, 각종 센서의 입력과 모터의 구동을 위한 출력 등의 전기적 연결이 필수적이다. 이러한 필수적인 전기적 연결을 위한 간편한 수단을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
도면의 실시 예를 보면서 자세히 설명하기로 한다. 도 1은 본 발명의 하나의 실시 예로써의 구성이다. 트로이 목마 형태를 가지고 있으면서, 꼬리의 서보모터가 움직이는 형태이다. 메인 프레임에 오픈소스하드웨어(이하 ‘제어기’라함)가 고정되고, 모터와 배터리 및 스위치가 모두 결합되어 있다. 결합은 볼트와 너트 외에도 고정핀을 사용하고 있다.
도 2는 본 발명의 또 다른 실시 예로써의 구성으로 좌측에 꽃게의 집게를 연상되는 ‘ㄱ’자 프레임이 구성되어 있고, 그 뒤로 제어기와 모터가 프레임(메인프레임, ㄱ’자 프레임 및 고정용 보조 프레임을 모두 포함하여 칭하는 이름)에 고정된 것을 볼 수 있다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시 예로써의 구성으로 긴 장공의 형태를 이용하여 제어기와 센서 및 배터리 케이스 등의 길이와 폭이 다양함에도 원하는 각도를 주면서 고정하는 것을 볼 수 있다.
도 4는 본 발명의 메인프레임의 구성이다. 긴 장공을 평행하게 배치하여 길이와 폭에 관계없이 제어기 및 센서 등을 고정할 수 있게 구성하였다. 메인프레임이 너무 긴 경우 도면과 같이 중간에 2부분으로 상기 긴 장공을 나누어 구성할 수도 있다.
도 5는 본 발명의 직선형 보조 프레임(A), 'ㄱ'자 보조 프레임(B) 및 고정용 보조 프레임이다. 모터, 배터리, 서버모터, 온도센서, 습도센서, IR 센서, 장애물 센서, 스위치 센서 및 작은 PCB 기판 등을 고정할 수 있도록 장공과 구멍 꺾어진 장공 등 다양한 형태로 구성되어 있음을 알 수 있다. 그러나 공통적으로 길이와 폭에 관계없이 연결 가능하도록 길고 짧은 장공을 구비하고 있는 특징이 있다.
도 6은 본 발명의 외곽프레임에 본 발명의 프레임부착 3선을 결합한 도면이다. 본 발명의 또 다른 목적은 상기 제어기와 상기 센서와 모터 및 배터리의 연결 수단을 제공하여 쉽고 재미있게 교육용 교보재를 구성하는 것이다. 이를 위하여 외곽프레임 본 발명의 메일프레임 등의 외곽에 고정할 수 있는 프레임 또는 메인프레임에 프레임 부착 3선을 제공하는 것이다.
상기 제어기와 상기 각종 센서, 모터, 배터리 등은 +와 -의 전원의 연결만으로 동작하는 경우도 있으나, 대부분의 경우 +와 -의 전원선과 제어를 위한 컨트롤 선이 1개 이상 더 필요하다. 이러한 요구에 의하여 최소한으로 3개의 연결선이 필요하다. 이를 위하여 상기 외곽 프레임 또는 프레임 등에 프레임부착 3선을 고정한다. 고정은 양면테이프를 이용하여 고정할 수도 있고, 아래에 설명할 연결바와 고정핀으로 고정하여 설치할 수도 있다.
도 7은 본 발명의 프레임부착 3선의 모습이다. 프레임부착 3선의 양단에는 원형의 구멍이 형성되어 있는데 이 구멍으로 상기 연결바와 고정핀을 통과하여 전기적으로 연결할 수 있다.
도 8은 본 발명의 프레임에 연결바와 고정핀을 연결하는 도면이다. 2개 이상의 프레임을 연결바를 이용하여 프레임을 연결하고 고정을 위하여 중공형태의 고정핀을 통과시키고, 상기 고정핀에 구비된 핀을 구부려 고정한다.
도 9는 본 발명의 프레임 2개를 연결바와 고정핀으로 연결하고 90도 구부린 도면이다. 상기 연결바는 철재 등으로 구성하여 전기도 통하고, 구부릴 수 있어 원하는 각도로 형성할 수 있다.
도10은 본 발명의 연결바와 고정핀이 연결된 상태에서 점퍼선을 앞쪽과 뒤쪽에 결함한 도면이다. 이러한 구성에 의하여 모터와 각종 센서류 및 배터리와 상기 제어기 사이의 전기적 연결이 가능하고, 이러한 연결에 의하여 전체 회로가 구성되어 교보재가 동작할 수 있다. 또한, 이렇게 프레임에 전기 연결부를 구성함으로써 정확한 연결이 되었는지 확인할 수 있는 수단이 된다. 프레임을 통한 연결이 없는 경우 배선의 처음부터 끝까지 연결을 각각 확인해야 하지만, 프레임을 통한 연결의 경우 일측면에서 프레임까지의 연결을 확인하고, 타측의 프레임에서부터의 연결을 확인하면 좀 더 쉽고 교육적으로 연결을 확인할 수 있어 유용하다.
또한, 상기 연결바는 자력을 띤 철재를 사용할 수도 있고, 연결바의 일측에 자성을 구비하여 자성을 가지도록 할 수도 있다(미도시).
또한, 본 발명의 점퍼선은 일반 철심의 연결선을 사용할 수도 있으나, 양측에 지름 0.1 ~ 2 mm 사이의 철심을 구비한 전선일 수 있다. 이렇게 구성함으로써 여러 번 사용하여도 끝이 끊어지거나, 구부러짐 없이 다시 사용가능하다.
또한, 상기 프레임부착 3선은 프레임에 부착하지 않고, 프레임부착 3선의 끝단만 프레임에 부착하고 타단은 각종 센서, 모터, 배터리에 연결할 수 있음은 물론이다.
또한, 상기 메인프레임의 일단에 QR 코드를 구비하여 상기 QR 코드를 스캔함으로써 상기 메인프레임에 고정 가능한 오픈소스하드웨어의 종류를 확인할 수 있도록 할 수 있다.
도 12는 본 발명의 프레임에 서로 마주보는 면의 측면에 주름으로 커팅을 넣은 도면이다. 도 12 -(A)는 커팅만을 넣은 것이고, (B)는 커팅 후에 우레탄 등의 탄성이 있는 접착성 성분을 커팅면에 넣어준 것이다. 본 발명은 다양한 크기의 오픈소스 하드웨어를 이용하여 다양한 형상의 로보, 컴퓨팅, 인공지능 제어기 등에 활용하고자 하는 것으로 상기 도 1 내지 도10의 구성에도 불구하고 잘 맞지 않는 경우가 발생할 수 있다. 이러한 문제를 도12와 같이 프레임의 측면에 커팅을 넣어 프레임이 더욱 플렉서블하게 사용될 수 있도록 할 수 있다. 프레임의 소재가 플라스틱이나 나무인 경우 좀 더 많이 움직일 수 있고, 아크릴 같은 경우 쉽게 부러질 수도 있다. 이러한 경우 상기 커팅부에 우레탄성분의 탄성을 가질 수 있는 성분을 넣어 줌으로써 부러지지 않고 사용할 수 있을 것이다. 또한, 이러한 구성에 의하여 1~3mm 정도 위치나 크기에 오차가 있는 센서, 제어기, 오픈소스하드웨어를 어려움없이 결합하여 다양한 구조물을 제작할 수 있음은 물론이다.
상기의 오픈소스하드웨어용 인공지능 융합 교육용 프레임을 이용한 로봇제작방법은 하기와 같다.
사용하고자하는 오픈소스하드웨어를 선정하는 단계(S1); 및
상기 선정된 오픈소스하드웨어를 고정할 수 있는 메인프레임을 선정하는 프레임선정단계(S2); 및
상기 프레임선정단계에서 메인프레임을 선정하는 것이 어려운 경우 여러 종류의 상기 메인프레임의 QR코드를 스캔하여 상기 선정된 오픈소스하드웨어와 크기가 호환되는 메임프레임을 선정하는 QR코드이용 프레임선정단계(S3); 및
선정된 상기 메인프레임을 중심으로 다수개의 직선형 보조 프레임, 다수개의 'ㄱ'자 보조 프레임 및 다수개의 고정용 보조 프레임에 상기 오픈소스하드웨어와 연결하여 사용할, 모터, 센서, 및 배터리와 스위치를 연결하는 주변부품준비단계(S4); 및
상기 오픈소스하드웨어와 주변부품을 점퍼선, 프레임부착 3선 및 고정핀을 이용하여 전기적인 회로를 연결하는 배선완성단계(S5); 및
상기 메인프레임과 상기 다수개의 직선형 보조 프레임, 다수개의 'ㄱ'자 보조 프레임 및 다수개의 고정용 보조 프레임을 로봇의 형상에 맞추어 연결바와 볼트 및 너트를 이용하여 연결하여 로봇을 완성하는 조립단계(S6)의 포함하는 것을 특징으로 하는 인공지능 융합 교육용 프레임을 이용한 로봇제작방법을 제공한다.
상기 배선완성단계에서는 고정핀이 연결바와 연결되고, 상기 고정핀에 형성된 구멍에 점퍼선을 연결하며, 상기 점퍼선은 또 다른 고정핀에 연결될 수도 있고, 메인프레임, 직선형 보조 프레임, 'ㄱ'자 보조 프레임, 고정용 보조 프레임 중 어느 하나에 부착된 프레임부착 3선 중 어느 하나에 연결되어 회로를 완성할 수 있는 것을 특징으로 하는 인공지능 융합 교육용 프레임을 이용한 로봇제작방법을 제공한다.
100 : 메인 프레임
110 : 외곽 프레임
160 : 연결바
170 : 고정핀
200 : 직선형 보조 프레임
300 : 'ㄱ'자 보조 프레임
400 : 고정용 보조 프레임
510 : 프레임부착 3선
520 : 점퍼선

Claims (4)

  1. QR 코드를 구비하여 고정 가능한 오픈소스하드웨어의 종류를 확인할 수 있는 다양한 크기의 제어기 PCB를 고정하기위한 메인프레임(100); 및
    상기 메인프레임(100)과 연결바(160)로 연결되며 상기 제어기 PCB와 연결되는 각종 센서, 모터 및 배터리를 고정하는 직선형 보조 프레임, 'ㄱ'자 보조 프레임 및 고정용 보조 프레임; 및
    상기 연결바(160)는 중공의 고정핀(170) 또는 볼트와 너트를 이용하여 상기 메인프레임(100), 직선형 보조 프레임, 'ㄱ'자 보조 프레임 및 고정용 보조 프레임과 연결되고,
    상기 연결바(160)는 원하는 각도로 구부릴 수 있으며 자성을 띠고 있어, 금속의 단자와 자력으로 연결되며,
    상기 프레임 또는 상기 직선형 보조 프레임의 서로 마주보는 면의 측면에 주름으로 커팅을 넣고 커팅 후에 우레탄과 같이 탄성이 있는 접착성 성분을 커팅면에 넣어줌으로써 상기 프레임 또는 직선형 보조 프레임을 플렉서블하게 사용될 수 있도록 함으로써 1~3mm 정도 위치나 크기 오차가 있는 센서, 제어기, 오픈소스하드웨어를 어려움 없이 결합 가능한 인공지능 융합 교육용 프레임을 이용한 로봇제작 방법에 있어서,
    사용하고자하는 오픈소스하드웨어를 선정하는 단계(S1); 및
    상기 선정된 오픈소스하드웨어를 고정할 수 있는 메인프레임을 선정하는 프레임선정단계(S2); 및
    상기 프레임선정단계에서 메인프레임을 선정하는 것이 어려운 경우 여러 종류의 상기 메인프레임의 QR코드를 스캔하여 상기 선정된 오픈소스하드웨어와 크기가 호환되는 메임프레임을 선정하는 QR코드이용 프레임선정단계(S3); 및
    선정된 상기 메인프레임을 중심으로 다수개의 직선형 보조 프레임, 다수개의 'ㄱ'자 보조 프레임 및 다수개의 고정용 보조 프레임에 상기 오픈소스하드웨어와 연결하여 사용할, 모터, 센서, 및 배터리와 스위치를 연결하는 주변부품준비단계(S4); 및
    상기 오픈소스하드웨어와 주변부품을 점퍼선, 프레임부착 3선 및 고정핀을 이용하여 전기적인 회로를 연결하는 배선완성단계(S5); 및
    상기 메인프레임과 상기 다수개의 직선형 보조 프레임, 다수개의 'ㄱ'자 보조 프레임 및 다수개의 고정용 보조 프레임을 로봇의 형상에 맞추어 연결바와 볼트 및 너트를 이용하여 연결하여 로봇을 완성하는 조립단계(S6)의 포함하며,
    상기 배선완성단계에서는 고정핀이 연결바와 연결되고, 상기 고정핀에 형성된 구멍에 점퍼선을 연결하며, 상기 점퍼선은 또 다른 고정핀에 연결될 수도 있고, 메인프레임, 직선형 보조 프레임, 'ㄱ'자 보조 프레임, 고정용 보조 프레임 중 어느 하나에 부착된 프레임부착 3선 중 어느 하나에 연결되어 회로를 완성할 수 있는 것을 특징으로 하는 인공지능 융합 교육용 프레임을 이용한 로봇제작방법.
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