상세보기

일본 Hachioji 공업대학의 실용 로봇교육 일본 Hachioji 공업대학의 실용 로봇교육 관리자 기자입력 2006-10-23 10:31:38

- 자료 : 한국과학기술정보연구원 전문연구위원 정현갑(99102@reseat.re.kr) -

일본 Hachioji 공업대학의 실용 로봇교육

공학계 기피현상은 비단 일본뿐만 아니라 세계적인 추세로, 특히 일본과 우리나라의 경우 고도의 경제성장기가 있어 그에 필요한 산업인력 수급을 충족시키기 위하여 공학계의 정원수를 필요량에 비해 과잉된 수를 갖게 되었기 때문에 기피현상으로 보이는 경우도 있다.
이러한 상황에서 엔터테인먼트용 로봇을 공학교육 내용에 적용시킴으로써 학생이 보다 흥미있고, 배움에 즐거움을 가질 수 있도록 하면서 공학교육을 실시함으로서 효과적인 인재양성에 도움을 얻고 있는 일본의 Hachioji 공업대학의 로봇과 수업내용을 통해 공학교육의 기피현상을 타개해가는 모습을 본 내용을 통해 소개하겠다.

1. 서론

Hachioji 공업대학의 로봇과는 로봇에 관한 기술교육을 특화한 커리큘럼을 갖는 학과로 1987년 메카트로닉스과로 설립된 이후 2000년 컴퓨터 기계제어과로 변경 하였다. 기술교육을 대폭적으로 보강하고 제작실습이나 제어실습을 중심으로 로봇의 제작과 제어를 염두에 둔 메카트로닉스 교육을 실천하기 위하여 2002년에 로봇과로 이름을 개칭한 것이다.
로봇과의 교육내용과 로봇제작 실습의 개요를 소개한다.

2. 기술의 개요

가. 로봇과 설립의 기본 개념

로봇과가 설립된 2002년 3월에 개최된 『ROBODEX 2002』에 교육용교재로봇 KARFE를 출전시켜 어린이들에서부터 어른까지 폭넓은 층에서 로봇에 대한 관심을 갖게 되어 로봇 붐의 원년이 되었다.
고교졸업 후 이공계 진학자는 감소하고, 출산율의 감소로 차세대 제조산업을 떠받들 인재육성이 급선무로 되고 있다. 이와 같은 배경에서 로봇과에서는 로봇을 제작, 제어하여 움직이고, 응용을 기본으로 로봇에 대하여 즐겁게 배우는 것을 실천해가는 기술자의 양성을 목표로 하고 있다.

나. 로봇과 학생의 의식

입학 오리엔테이션에서 과목과 실습을 설명함과 동시에 설문조사를 하여 교과나 실습지도의 참고로 하고 있다.
2005년도 입학생에 대한 설문 조사내용 중 ‘물건 만들기를 좋아 합니까?’라는 질문에서 대단히 좋아함이 86.5%이고, 좋아하는 편이 13.5%이었다. ‘실험을 좋아합니까?’라는 질문에서 대단히 좋아함이 75.7%, 좋아하는 편이 21.6%였고, 흥미가 있는 로봇에 대하여는 인간형 로봇이 48.6%, 복지로봇이 16.2%, 전투용(군사) 로봇이 16.2%이었다. 이상의 결과를 보면 학생들의 물건 만들기와 실험실습에 대한 흥미와 관심은 대단히 높으나, 로봇제어에 필요한 소프트웨어에 관심을 가지고 있는 학생은 비교적 적다.

다. 커리큘럼

로봇과에서는 로봇을 제작, 제어, 응용한다는 명확한 목표로 다양한 공학기술, 정보기술을 실천적으로 학생에게 체득시키며, 실습을 중심으로 물건 만들기, 정보기술을 체험시켜(체험형) 그런 가운데에 생기는 다양한 문제에 대하여 실천적으로 해결해 간다는(문제해결형) 수업전개를 하고, 강의실 수업에서는 문제해결에 필요한 지식이나 힌트가 제공된다. 로봇과 커리큘럼 특징은 아래와 같다.
1) 실험실습을 중심으로 한 커리큘럼의 구성
실습은 1년차 63%, 2년차 59%로 비교적 많이 설정되어 있다. 실제 로봇제작을 하고 제어 프로그램을 작성하는 가운데 필요한 지식이나 기술을 체득시킨다.

2) 강의실 수업과 실험실습의 링크
실습을 위하여 필요한 공학기술, 소프트웨어 기술에 대하여는 베이직 테크놀로지, 메카트로닉스, 프로그래밍을 강의실 수업에서 기초부터 해설하고, 로봇에 관한 응용기술의 폭넓은 지식에 대하여도 2차년 응용전문 과목에서 배울 수 있도록 하고 있다. 강의실 수업에서 로봇제작 실습, 로봇제어 실습에 필요한 구체적 지식을 교수함으로써 강의실 수업과 실험실습과의 연계를 꾀하고 있다.

3) 도입교육의 중시
의식조사에서 많은 학생이 대중매체를 통하여 제공되는 로봇에 강한 흥미를 가지고 있으나, 일반고교 출신자와 공업고교 출신자의 공학에 대한 기초지식과 공학적 소양에는 큰 차가 있으며, 로봇공학에 필요한 물리나 수학 등의 기초지식을 입학 전에 충분히 학습하지 못한 경우도 있다.
이런 학생에 대하여 종래는 기초부터 단계적으로 발전시킨다는 교수방법을 채용하였지만, 학습하고 있는 공학의 기초가 어떤 응용에 쓰이는지 예견하지 못하는 학생의 기초학습은 그다지 도움이 되지 못하는 경향이 있기 때문에 처음부터 로봇을 제작하는, 혹은 제어하는 수업을 개설하여 학생의 학구열을 높여가면서 로봇기술 전반을 교수한다는 것을 목적으로 LEGO나 AIBO 등을 이용한 도입교육을 채용하였다.



라. 도입교육

1) LEGO-MindStorms에 의한 경기용 로봇의 제작
표준 50세트를 준비하여 부품별로 분류 학생이 자유로이 필요한 부품을 모아서 로봇을 제작하는 형식을 택하고 있다. 실습은 한반 40명이 2~3인으로 그룹을 구성하여 주어진 경기과제를 반일×4주간에 로봇을 제작하고, 5주차에 경기대회를 개최한다.
그룹으로 로봇을 제작하므로 학생상호간의 친목을 도모하는 효과도 있다. LEGO-MindStorms에서는 초보자에 대한 프로그램의 환경도 정비되어 있지만, LEGO 실습에서는 아예 프로그램을 이용하지 않고 유선형 조정경기를 설정 기구학습을 도입하고 있다.

2) AIBO에 의한 제어프로그램의 체험
AIBO ERS-210, ERS-220, 및 PC에 의한 제어프로그램 작성과 어플리케이션의 Master Studio를 이용한 체험실습으로 프로그램 언어를 습득하지 못한 학생도 비교적 간단히 프로그램의 작성이 가능하다.
작성한 프로그램은 무선 LAN에 의해 AIBO에 전송되기 때문에 잘못 작성된 프로그램도 AIBO의 작동비교가 가능하여 프로그램의 개요를 이해하는데 효과적이다. Master Studio에는 일어서기, 걷기, 인사하기 등 이벤트가 준비되어 있으며, 이들을 단순히 연결하는 것만으로 일련의 동작 프로그램 작성이 시작된다.
그 후 단계적으로 센서를 이용하여 외계의 상황변화에 따른 프로그램을 분기시키며, 볼 추적 등의 고도인 이벤트와 조합시켜, 미로탈출 등의 과제로 발전시켜간다.

마. 로봇 제작실습

로봇과에서는 2년 간 한사람이 최저 4대의 로봇을 제작하도록 실습을 준비하고 있고, 내용은 다음과 같다.
1) 라인추종 로봇의 제작
1년차 1학기에 2일×2주로 라인추종 로봇을 제작한다. 포토 인터럽터(Photo Interrupter)를 이용한 검출회로와 모터 드라이브 회로를 조합한 회로도에 따라 유니버설 기판에 각자가 부품을 배치하고 전기인두로 결선 접합한다.
또 바디를 설계하고, 알루미늄 판이나 아크릴 판을 가공하여 전자회로 기판, 센서, 모터 등을 설치하여 각자 생각대로의 로봇을 만들어간다. 최종적으로는 완성한 로봇의 타임 트라이얼을 실시하여 완성도를 높여간다.
2) 다족 보행 로봇의 제작
1년차 2학기에 반일 10주로 링크구조를 이용한 다족보행 로봇제작에 들어간다. 학생은 예비적인 실습으로 공작용지로 링크구조에 대한 실험을 반복하고, 이의 지식을 바탕으로 종이형틀을 기본으로 알루미늄 판을 자르고, 구멍뚫기와 조립작업을 통하여 보행기구, 알루미늄 재의 가공방법을 학습한다.

3) 라디오 컨트롤형 로봇의 제작
2년차 1학기에 1일×10주로 라디오 컨트롤형의 다족보행 로봇을 제작한다. 1년차까지의 지식을 동원하여 다족보행 기구를 학생자신이 설계하여 제작한다.
액추에이터에는 기어드 모터를 이용하고 라디오 컨트롤용 FET 앰프로 제어한다. 완성 후 코스 중의 단차 장애물을 넘어서 골인할 때까지의 타임을 기록한다. 학생은 2명이 1대의 로봇을 제작한다.

4) 마이크로컴퓨터 제어에 의한 경기용 로봇
2년차 2학기에 1일×10주로 마이크로컴퓨터 제어에 의한 경기용 로봇을 제작한다. 로봇은 스모(일본 고유의 씨름)경기를 상정한 것으로 지급되는 주된 부품은 마이크로컴퓨터 보드, 모터 드라이브용 부품, 초음파 대물센서용 부품, 백선 검출 광센서, 기어드 모터 등이고, 자료는 센서기판의 회로도나, 마이크로컴퓨터 보드의 결선도, 초음파 대물센서 회로, 모터 드라이브 회로도가 전달된다.
학생은 이들 부품과 자료를 기본으로 2명 1조가 되어 로봇을 제작한다. 하드웨어 완성 후 C언어로 제어프로그램 작성과 조정을 하고, 최종일에는 로봇 씨름경기대회를 실시한다. 이 로봇의 기획, 설계, 제작, 프로그래밍, 조정을 학생이 단독으로 할 수가 있다면 졸업 후에도 메커트로닉스 관련 기업에서 충분히 활약할 수 있다.

바. 로봇 제어실습

로봇 제어실습에는 제어대상을 마이크로컴퓨터나 PC로 제어하는 실습으로 구성되어 있고, 실습내용을 소개한다.

1) 프로그래밍 실습
1년차 2학기에 반일×15주로 실시한다. 강의실 수업과 병행으로 하는 C언어 실습으로, C언어의 습득을 목표로 하고 있으며 기본 문법이나 함수의 사용법 등에 초점을 두고 있다.

2) 경기용 로봇의 제어실습
2년차 1학기에 반일×15주로 C 언어를 이용하여 경기용 로봇(기존 제품)의 제어 프로그램을 작성한다. 제어타깃으로는 경기용 로봇은 트레이스용의 라인센서, 광 검출센서, 장애물 검출센서, 설정용 DIP 스위치를 가지고 있으며, 2개의 DC 모터를 구동한다.
로봇의 전진, 후퇴, 정지, 선회 등의 기본 동작 프로그램 작성을 시작으로, 각 센서의 검출 프로그램, 상태에 의한 동작의 분기 등으로 발전시켜 흑백으로 페인트 된 경기용 코스에서 라인 트레이서나 광원 추종을 넣어 경기를 실시한다.

3) 암 로봇의 제어실습
2년차 1학기에 반일×15주로 실시된다. 다관절형 암 로봇을 제어대상으로 하며, PC로 Visual Basic을 이용한 제어 프로그램을 작성한다. Visual Basic의 Form 작성의 기본 처리에서부터 USB, RS-232C를 이용한 로봇 컨트롤용의 어플리케이션 소프트웨어를 제작한다.

4) 커뮤니케이션용 로봇의 제어실습
로봇과에서는 공압 구동의 인간형 로봇 2기를 이용하여 2년차 후기의 반일 5주로 콘텐츠 제작실습을 한다. 각 관절을 제어하는 공압 밸브를 제어하는 것으로 로봇에 다양한 동작을 주는 것이 가능하다. 실습은 5~7명으로 그룹을 만들고, 전시회 등의 이벤트를 상정한 콘텐츠의 기획, 시나리오작성, 음성데이터 작성, 로봇의 모션작성 등을 한다.

5) 2족 보행로봇의 제어실습
2년차 2학기에 반일×5주로 실시한다. 2명에 1대의 2족 보행로봇 키트를 제공하며, 초기 포지션의 조정이나 2족 보행동작, 퍼포먼스용 모션 데이터를 작성한다.
로봇 키트로서 Best Technology社의 FREEDOM, Kinto 과학社의 KHR-1을 이용한다. 모션의 작성은 C언어나 키트 부속의 모션작성 소프트웨어를 사용한다. 수업 최종일에는 각자가 제작한 모션의 발표회를 갖고 상호 평가를 한다.

3. 결론

로봇과 입학자는 흥미와 관심의 폭이 넓고, 입학 전의 습득 기술이나 지식에도 큰 차가 있기 때문에 실습내용을 고정화 할 경우 그의 난이도를 어느 정도로 설정할 것인가는 대단히 어려운 문제이다. 일반적으로는 중간적인 수준으로 설정되는 일이 많으나 이럴 경우 입학 전에 로봇 경기대회 등을 경험하거나 상위 입상을 한 학생에게는 매력 있는 실습내용이 되지 못한다.
이 문제를 해결하기 위해 로봇학과 프로젝트로 외부의 로봇경기대회에 참가하는 멤버를 선발하여 통상 실습과는 별도 메뉴로 경기용 로봇을 제작하는 환경을 제공하고 있다. 프로젝트 멤버의 학생에게는 전용의 실험실을 개방하여 별도 예산으로 경기대회 참가를 지원하고 있다.
학과 프로젝트로서 출전하고 있는 경기대회는 일본전국 전문학교 로봇 경기대회, 로봇 씨름대회, Kawasaki 로봇경기대회, Robo-One, Robo-Cup 등이 있다.
이들 프로젝트는 2004년부터 시작, 일본전국 전문학교 로봇 경기대회의 연속우승, 3부문 제패, Kawasaki 로봇 경기대회의 결승 토너먼트진출 등 서서히 그 성과가 나타나고 있다. 입학자의 대다수는 로봇 경기대회에 흥미를 가지고 있으며 학과 프로젝트와 같은 경기대회 경험자나 높은 기능을 갖는 학생뿐만이 아니라 초보자에게도 다양한 경기대회 참가기회를 제공하는 것이 앞으로의 과제다.


4. 전문가 제언

’70년대의 일본 공업고등학교 출신자의 취업은 기업으로부터 졸업예정자를 모셔가는 상황이었고, 공학계에 대한 사회적 인지도도 높아 공학계 지원학생의 자원이 많았었다. 그러나 현대에 들어 점차 공학계의 기피현상으로 산업계 인력수급에 문제점을 안고 있다.
공학계 기피현상은 비단 일본뿐만 아니라 세계적인 추세이기도 하지만, 일본과 우리나라의 경우 고도의 경제성장기가 있어 그에 필요한 산업인력수급을 충족시키기 위하여 공학계의 정원수를 필요량에 비해 과잉된 수를 갖게 되었기 때문에 기피현상으로 보이는 경우도 있다. 예를 들면 미국의 경우는 인문사회 계열에 비하여 공학계의 비율이 상대적으로 낮은데 반하여 일본과 우리나라는 높은 것으로 분석되고 있어 장래 공학계의 정원이 40~50% 이상 감축되어야 할 것으로 전망하는 전문가도 있다.
이러한 현상에서 공학계열의 관심도를 향상시키기 위하여 일본 Hachioji 공업대학은 로봇과를 개설 실험실습의 비중을 높여 실험실습 중심의 교육을 전개 학생들로부터 많은 호응을 받고 있음을 소개하고 있다.
최근 로봇은 산업현장에서 가공물의 이동이나 고정된 위치에서 로봇 팔을 이용 용접을 하거나 혹은 가공물을 설치하거나 제거하는 일을 수행하는 범위를 벗어나 인간과 유사한 일을 담당할 수 없을까 하는 쪽으로 연구개발의 방향이 바뀌고 있다. 시작은 취미생활의 일환인 장난감 로봇으로 시작되었으나 이제는 격투까지 할 수 있을 정도까지 수준이 향상되었다.
이러한 엔터테인먼트용 로봇을 공학교육 내용에 적용시킴으로서 학생이 보다 흥미 있고, 배움에 즐거움을 가질 수 있도록 하면서 공학교육을 실시함으로서 효과적인 인재양성에 도움을 얻고 있다는 소개이다.
물론 우리나라에서도 이와 유사한 시스템을 활용하고 있는 곳도 많을 것으로 사료되지만, 공학교육의 기피현상을 타개해 가야한다는 공통점에서 많은 생각을 갖게 하는 소개이다.
한국의 경우 10월에 지능형 로봇공학 과정을 신설할 계획이다.
로봇시장은 자동차시장과 같은 규모로 성장할 것으로 기대되며 2020년경에는 추월할 것이라는 예측도 나오고 있다.
우리나라는 UST(과학기술연합대학원대학교)에서 지능형 로봇공학 과정을 신설하여 오는 10월에 석·박사과정 신입생을 모집하여 본격적인 고급인력 양성에 들어간다. 생산기계에 IT 기술을 접목시킨 로봇연구를 위해서는 물리학, 기계공학, 메카트로닉스, 전자공학, 정보공학 등 총체적으로 학습하고 창조성과 논리적 사고를 키워야 함으로 초등학교에서부터 고등교육기관에 이르기까지 널리 보급시켜 로봇마인드 붐을 일으켜야 한다.
이를 위해 초보로부터 고등학습에 걸쳐 우리 실정에 맞는 로봇 세트와 교육 커리큘럼을 개발하여 보급시키는데 힘써야 할 것이다.
-로봇교육에 활용하는 레고의 마인드 스톰

관리자 기자
로봇시대의 글로벌 리더를 만드는 로봇기술 뉴스레터 받기
전문보기
관련 뉴스
의견나누기 회원로그인
  • 자동등록방지