공기압 로봇팔 만들기

[3기 남정찬]

1. 필요성

  재미있고 신기한 파스칼의 원리를 관람객에게 간단하게 실험으로 밝히고 직접 공기압 로봇 팔을 만들어보게 하여 재미있는 과학 공작을 통하여 어려운 과학적 원리를 보다 쉽고 친근하게 다가가게 하여 과학에 대한 관심과 흥미를 갖게 한다.

2. 프로그램개요

  겉모양과 기능을 수행하는 방법이 인간과 닮지는 않았지만 인간이 하는 일을 대신하는 기계로서, 사람에 의해 프로그램된 명령에 따라 동작되는 기계장치를 「로봇」이라고 한다. <로봇>이란 단어는 1921년 체코의 카렐 차페크가「로섬의 만능로봇」이라는 희곡에서 처음으로 사용하였는데, 이 작품에서 인체구조를 극도로 단순화한 화학적․생물학적 인조인간을 등장시켜 이 인조인간을 <로봇>이라고 하였다.

  로봇이란 체코어 robota(강제노동), robotik(노동자)의 합성어이다. 오늘날 <로봇>이라 할 때에는 사람 대신에 힘들고 어려운 반복 작업에 많이 쓰이는 산업용 로봇을 가리키는 경우가 많다. 이러한 산업용 로봇 팔을 공기압의 원리를 이용하여 같이 제작하고 그 원리와 활용도를 알아보자.

가. 파스칼의 원리를 직접 경험하고 파스칼의 원리를 설명할 수 있다.

나. 주어진 재료를 활용해서 공기압을 이용한 로봇 팔을 만들어 보자.

다. 공기대신에 물을 넣었을 때와 비교하여 설명하여 보자. 어떤 경우 힘의 전달이 잘 되는가?

라. 작은 힘으로 큰 힘을 전달하기위해서 어떤 링크장치가 필요한가?

다. 우리 주변에서 활용되는 공기압(유압)을 이용한 다양한 기계들에 대해 알 수 있다.

3. 과학적 배경 및 연계되는 교과내용

  ○ 파스칼의 원리

  ○ 보일의 법칙

  ○ 일의 원리

  ○ 링크장치

  ○ 베르누이의 정리

4. 활동방법

  2.1 준비물

  3mm 우드락 판지(A4크기) 1장, 주사기 2개(10cc), 비닐호스(외경 5mm), 대나무 꼬지 (∅나.5mm), 우드락본드, 양면 테이프, 칼, 자, 풀, 로봇팔 부품도, 빨대

  2.2 어떻게 할까

가. 부품 준비하기

1)로봇팔 부품도를 MDF 한쪽 모서리에 맞추어 풀로 붙인다.

2) 칼을 이용하여 부품도에 따라 제단 한다.

3) 부품도에 따라 잘라낸 부품들

4) 잘라낸 부품들을 대나무꼬지의 뾰족한 부분을 이용하여 구멍을 뚫는다.

그림 1) 로봇 팔 부품도

       

나. 손잡이 부분과 로봇 지지대 만들기

1)우드락본드(또는 양면태이프)로 지지대 부품 2개를 붙이고, 왼쪽과 오른쪽에 지지대 옆판을 붙인다.

2)지지대 부분은 로봇팔에서 중요한 부분이므로 우드락본드로 튼튼하게 만들자.

그림 2) 손잡이 부분 조립 과정

3)우드락본드를 주사기 손잡이의 끝에 적당 히 발라 지지대와 붙인

다.

4)지지대의 윗부분과 주사기 손잡이의 뒷부분을 단단히 고정한다.

5)지지대 윗부분과 주사기 손잡이 부분은 우드락본드를 조금 더 바른다.

그림 3) 로봇팔 지지대 만드는 순서

다. 로봇 손가락 만들기

1) 지지대 옆판의 구멍으로 대나무 꼬지를 꽂고, 손가락 부품과 비닐호스를 꽂는다.

2) 손가락 부품 - 비닐호스 - 손가락부품 순서로 위와 같이 조립한다.

3) 연결한 후 지지대 옆판의 대나무 부분을 우드락본드를 바르고 마무리한다.

4) 위의 그림과 같이 다른 두 부분을 비닐호스-연결부분-비닐호스 순으로 연결하여 바깥부분을 우드락본드로 고정한다.

그림 4) 로봇 손가락 만드는 과정

라. 로봇팔 조립하기

1) 지지대 부분에 우드락본드를 칠하여 앞과 뒤에 주사기를 단단히 고정시킨다.

2) 지지대 부분과 손잡이 부분을 위와 같이 연결한다.

그림 5) 로봇팔 조립 과정(1)

  

3) 연결부분은 우드락본드를 칠하여 마무리 한다.

그림 6) 로봇팔 조립 과정(2)

그림 7) 비닐 호스의 연결

4) 주사기와 주사기는 비닐호스를 이용하여 연결하고, 비닐호스의 길이가 짧을수록 공기압은 높아진다.

  - 비닐 호스의 길이가 짧을수록 공기압이 높아지는 이유는 무엇일까?

5) 완성된 공기압 로봇팔의 옆모습

6)완성된 공기압 로봇팔을 다른 친구의 로봇팔과 얼마나 더 많은 무게를 들 수 있는지 테스트해보자.

그림 8) 완성된 공기압 로봇 팔

    

5. 로봇팔 제작 후 탐구할 과학적 내용

가. 파스칼의 원리는 무엇인지 알아봅시다.

나. 링크 장치란 무엇일까?

6. 나는 얼마나?

가. 정해진 선에 따라 잘 잘라졌는가? 

나. 운동부위의 움직임은 부드러운가?

다. 로봇팔을 응용한 작품을 만들어 보자

  1) 주사기를 여러 개 연결해서 다양하게 움직이도록 해보자

  2) 하나의 주사기로 여러 부분이 움직이도록 해보자

  3) 관절을 추가해서 만들어 보자

  4) 응용작품 보기

  

 

    

5. 배경원리(자세히)

◎ 파스칼의 원리

  B 단면적은 30㎥이고 A 단면적은 10㎥일 때, B 지점엔 70kg의 어른

이 있고 A 지점엔 30kg의 어린이가 있다면 높낮이가 어떻게 변할까? 우리가 알고 있는 상식으로 보면 당연히 몸무게가 무거운 B지점이 내

려가고 A 지점이 올라와야한다. 하지만 정답은 그 반대.A 지점에서 30kg의 힘으로 눌렀지만 B 지점에는 90kg의 힘으로 들어 올리는 것과 같은 효과가 나타난다. 따라서 70kg의 어른이 있어도 위로 올라가는 것이다.

A 지점에서 30kg의 힘으로 눌렀는데 B 지점에서는 90kg의 힘이 되는 것일까? 단면적이 10㎥인 A 지점에서 30kg로 누른 힘은 내부 벽면과 B 지점에 고루 전달이 된다. B 지점은 단면적은 10㎥의 3배인 30㎥. 따

라서 30kg의 힘이 10㎥, 10㎥, 10㎥ 씩 작용되어 총 90kg의 힘이 전달

되는 것이다.

역으로 생각해보자. B 지점에서 70kg의 힘으로 누르고는 있다. 하지만

A 지점의 단면적이 1/3이므로 그 힘의 1/3배인 23.3kg의 힘으로 올리

는 것과 같다. 따라서 30kg로 누르고 있는 어린이가 밑으로 내려오는 것은 당연 틈이 없이 막힌 액체나 기체의 일부에 압력을 가하면 그 압력이 액체나 기체 내의 모든 곳에 같은 크기로 전달된다는 원리, 이것이 바로 파스칼의 원리이다.

◎ 파스칼의 원리와 일의 원리

  밀폐된 유체(액체 ·기체)의 일부에 압력을 가하면 그 압력이 유체 내의 모든 곳에 같은 크기로 전달된다고 하는 원리

예를 들면 물렁한 고무공을 손으로 꼭 쥐면 손에 닿지 않은 부분이 볼록 튀어 나오고 다시 손의 자세를 바꾸어 쥐어도 마찬가지의 결과가 되죠. 이렇게 고무공 속의 한 곳에 가한 압력은 공 전체에 골고루 전달되게 되는데 이러한 원리를 파스칼의 원리라 합니다

  그림과 같은 연결된 A와 B의 피스톤의 단면적과 가해지는 힘을 각각 Sa,Fa 및 Sb, Fb라 하면 Fa/Sa=Fb/Sb 의 관계가 되고 Fb=Fa.Sb/Sa이 성립하여 Sb가 Sa에 비하여 클수록 같은 Fa의 힘을 가하더라도 Fb가 커짐을 알 수 있어요.

이렇게 파스칼의 원리에 의하여 작은 힘으로 큰일을 할 수가 있지만 피스톤의 이동거리는 단면적과 반비례하여 전체적으로 한 일의 양은 같아요. 재료나 폐품을 압축할 때 물이나 기름을 사용한 피스톤이 사용되며 굴삭기, 기중기 등에도 유압식 파스칼의 원리가 이용된 것입니다.

6. 일상생활에서 볼 수 있는 응용사례(구체적으로)

파스칼의 원리 응용 - 잭, 브레이크

  자동차 타이어가 펑크 나면 자동차의 한쪽을 들어 타이어를 교체

해야 한다. 타이어를 교체하는 동안 사람이 자동차를 계속 들고 있다는 것은 불가능하다. 그래서 작은 힘을 들이면서 자동차를 쉽게 들 수 있게 해주는 도구인 잭(Jack)을 이용한다. 사람이 잭의 손잡이를 위, 아래로 흔들면 잭이 조금씩 올라와 자동차를 지탱하게 된다. 잭의 손잡이를 흔드는 정도의 작은 힘을 자동차를 지지할 정도의 큰 힘을 만드는 것. 이것에도 파스칼의 원리를 숨어있는 것이다.

사람이 잭을 이용하여 자동차를 들어 올릴 때 작은 힘만으로 큰 힘을 공짜로 얻었을까? 잭을 이용하여 자동차를 들어 올리는 모습을 다시 생각해보자. 잭을 이용하여 자동차를 들어올리기 위해서는 잭의 손잡

이를 열심히 위 아래로 흔들어야 한다. 작은 힘을 가진 손이 아무리 열심히 움직여도 잭이 올라온 거리는 매우 짧다. 파스칼의 원리 덕분

에 작은 힘으로 큰 힘을 얻었지만, 그 만큼 많이 움직여야 한다는 것을 알 수 있다.

파스칼의 원리 응용 - 줄무늬 치약

  방금 구입한 치약을 칫솔에 묻히면 선명하고 깔끔한 줄무늬 모양이 보인다. 신기한 것은 치약을 거의 다 사용했는데에도 불구하고 칫솔

위의 치약은 여전히 줄무늬 모양으로 나온다는 것이다. 여기에서도 파스칼의 원리가 숨어있다.

E사의 줄무늬 치약의 단면도를 보면 위에는 파란색, 아래에는 흰색 치약이 있다. 파란색 치약이 있는 부분에서 힘을 주어 치약을 짜도 치약 모두에게 힘은 골고루 분포가 된다.