[논문]Java 프로그래밍 학습을 위한 로봇 트레이닝키트의 설계 및 구현

백정현

doi:10.9708/jksci.2013.18.10.097

Java 프로그래밍 학습을 위한 로봇 트레이닝키트의 설계 및 구현
The Design And Implementation of Robot Training Kit for Java Programming Learning 원문보기

韓國컴퓨터情報學會論文誌 = Journal of the Korea Society of Computer and Information, v.18 no.10, 2013년, pp.97 - 107

초록
AI-Helper

최근의 프로그래밍 패러다임은 객체지향프로그래밍과 이를 기반으로 하는 비주얼프로그래밍이 주류를 이루고 있다. 그러나 객체지향프로그래밍은 기존의 구조적프로그래밍기법에 비하여 개념이 어렵고 복잡하여 IT 관련학과 학생들을 교육하기에 어려움이 많았다. 본 연구에서는 학생들이 다양한 입출력 장치를 부착하고 로봇제어가 가능한 트레이닝 키트를 사용하여 객체지향 프로그래밍 학습 의욕 고취와 동기를 유발할 수 있도록 Java 가상머신을 내장한 Java 로봇 트레이닝 키트를 설계하고 구현하였다. 개발된 Java 로봇 트레이닝 키트는 USB 인터페이스로 컴퓨터와 통신 가능하며, 다양한 입출력 장치와 DC 모터 및 서보모터를 구동할 수 있는 범용 입출력 포트를 내장하여 교육용 로봇제작과 응용프로그래밍 실습이 가능하다. 따라서 IT 융합시대를 맞이하여 학문과 전공간의 벽이 낮아지고 창의 공학적 객체지향 프로그래밍언어 교육의 도입이 필요한 시점에서 본 연구에서 개발한 Java 로봇 트레이닝 키트가 많은 기여를 할 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

The latest programming paradigm has been mostly geared toward object-oriented programming and visual programming based on the object-oriented programming. However, object-oriented programming has a more difficult and complicated concept compared with that of existing structural programming technique; thus it has been very difficult to educate students in the IT-related department. This study designed and implemented a Java robot training kit in which the Java virtual machine is built so that it may enhance the desire and motivation of students for learning the object-oriented programming using the training kit which is possible to attach various input and output devices and to control a robot. The developed Java robot training kit is able to communicate with a computer through the USB interface, and it also enables learners to manufacture a robot for education and to practice applied programming because there is a general purpose input and output port inside the kit, through which diverse input and output devices, DC motor, and servo motor can be operated. Accordingly, facing the IT fusion era, the wall between the academic circles and the major becomes lower and the need for introducing education about creative engineering object-oriented programming language is emerging. At this point, the Java robot training kit developed in this study is expected to make a great commitment in this regard.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서 개발한 Java 로봇 트레이닝키트는 IT 관련학과의 창의공학적인 Java 언어 프로그래밍 학습을 목표로 하였다. 따라서 컴퓨터 관련 학과와 전기 및 전자과 학생들의 마이크로프로세서 교육용으로 활용하면 기존의 C언어로 교육하는 것에 비하여 Java 언어를 통하여 객체지향프로그래밍 개념을 학습할 수 있고 학생들의 흥미를 유발시켜 학습효과를높일 수 있다.
본 연구에서는 Atmel사의 AVR 프로세서에 적합하게 개발된 JAVA의 바이트코드 인터프리터인 NanoVM을 효율적으로 실행할 수 있도록 로봇제어가 가능한 트레이닝키트를 설계하여 이식함으로서 Java 학습 전용머신을 구현하였다[3].
본 연구에서는 소형경량화 하고 가격이 저렴하여 학생들이 개인적으로 구매하여 휴대하면서 때와 장소를 가리지 않고 쉽고 편리하게 프로그래밍 학습에 활용할 수 있도록 배려하여 설계하였다.
Java 가상머신을 이용한 교육용 로봇구현에 관한 첫 번째 관련 연구로서 그림1과 같이 Atmega128 AVR 프로세서에 NanoVM을 포팅하여 5축 다관절 암 로봇과 에뮬레이션 환경을 구현하였다[11]. 이 연구에서는 5축 다관절 로봇 팔의 원리와 동작을 효율적으로 교육할 목적으로 구현하여 IDE와 시뮬레이터 구현에 초점을 두고 객체지향언어인 자바언어의 프로그래밍 학습은 대하여 배려하지 않았다.

제안 방법

Java 가상머신을 이용한 교육용 로봇구현에 관한 첫 번째 관련 연구로서 그림1과 같이 Atmega128 AVR 프로세서에 NanoVM을 포팅하여 5축 다관절 암 로봇과 에뮬레이션 환경을 구현하였다[11]. 이 연구에서는 5축 다관절 로봇 팔의 원리와 동작을 효율적으로 교육할 목적으로 구현하여 IDE와 시뮬레이터 구현에 초점을 두고 객체지향언어인 자바언어의 프로그래밍 학습은 대하여 배려하지 않았다.
그러나 사용자의 응용프로그램 저장을 위한 별도의 비휘발성 메모리가 요구되며, 본 논문에서는 AVR의 Read-while-Write Self-Programming 기능을 이용하여 Atmega328 CPU에 내장된 32KB 플래시 메모리에서 NanoVM 가상머신을 탑재하고 남은 여유 공간을 사용하였다[13]. 따라서 사용자 프로그램의 크기는 16KB 내외로 작성하는 것이 적당하며, 이는 다양한 로봇과 응용프로그램을 저장할 수 있는 충분한 공간이다.
본 논문에서 개발한 Java 로봇 트레이닝키트는 IT 관련학과의 Java 언어 프로그래밍 학습용으로 개발하였다. 따라서 컴퓨터 관련 학과와 전기 및 전자과 학생들의 마이크로프로세서 교육용으로 활용하면 기존의 C언어로 교육하는 것에 비하여 Java 언어를 통하여 객체지향프로그래밍 개념을 학습할 수 있고 학생들의 흥미를 유발시켜 학습효과를 높일 수 있다.
본 논문에서 구현한 Java 프로그래밍 학습용 로봇 트레이닝키트는 OrCAD를 이용하여 회로를 설계하고 PCB 도면을 생성하였다. PCB는 2층의 에폭시 기판으로 제작하였으며 로봇 트레이닝키트와 라인트레이서 및 장애물탐지용 마이크로로봇을 위한 적외선 센서 모듈을 최종 조립한 보드의 모습은 그림 7과 같다.
본 연구에서 구현한 Java 로봇 트레이닝 키트는 NanoVM Java 가상머신을 최신의 8비트 마이크로콘트롤러인 Atmega328 AVR 프로세서로 설계된 트레이닝키트에 내장하고 다양한 입출력 장치와 서보모터 및 DC모터를 구동할 수 있도록 구현 되었다. 표 2는 본 논문에서 구현한 Java로봇 트레이닝 키트와 참고문헌 11과 12의 선행연구에서 구현한 Java 로봇들과의 특징과 차이점을 비교분석하였다[11][12].
본 연구에서는 Java 트레이닝키트를 위한 Byte 코드 다운로더를 개발하였으며 윈도우즈 환경의 비주얼스튜디오에서 C#언어를 이용하였다. 그림 13의 좌측은 Java 바이트코드를 트레이닝키트로 전송하는 기능과 시리얼통신을 통해 트레이닝키트의 콘솔 역할을 수행하는 바이트코드 다운로더이다.
새로운 네이티브 메소드를 추가하는 과정은 NanoVM을빌드한 각각의 폴더에서 추가하려는 클래스와 메소드들을 패키지로 선언하여 클래스이름.java로 저장하고 클래스와 메소드의 C함수 매핑테이블에 해당되는 네이티브 파일을 클래스 이름.
센서 입력부는 그림 5와 같이 온도에 따라 선형 비례하는 전압을 출력해주는 LM35DZ와 주위의 밝기에 따라 저항 값이 변하는 CDS를 장착하여 다양한 응용프로그램을 작성할 수 있도록 설계하였다. 특히, 그림 6의 KSM603LM 적외선리모콘 수신기는 로봇이나 트레이닝키트의 주변장치들을 TV리모콘으로 동작시킬 수 있으므로 학습자의 흥미를 유발시킬수 있는 학습소재로 사용할 수 있다.
또한, 우측의 사진은 좀 더 복잡한 응용의 예로서 Java 트레이닝키트로 구현한 모바일 로봇에 2개의 서보모터로 2축 관절을 제작하고 카메라를 장착하여 간단한 탐사로봇을 구현할 수 있음을 보여준다. 카메라는 시중에서 판매되는 무선통신 기능과 실시간 동영상 전송기능을 갖는 PC용 무선카메라를 장착하였고 PC에서 Java 언어로 영상을 분석하여 로봇의 주행과 카메라의 위치를 제어하는 원격제어 형태의 로봇 제어환경을 구축함으로서 고급과정의 Java 프로젝트 실습을 수행할 수 있다.
트레이닝키트만으로 다양한 프로그래밍 실습이 가능하도록 4자리의 7-세그먼트 디스플레이와 LED 8개를 장착하였으며 4개의 디지털입력 스위치, 온도센서, 빛 센서, 적외선리모콘 수신기, 부저 등을 탑재 하였다. 그림 4는 본 연구에서 설계한 로봇 트레이닝키트의 블럭 다이어그램을 보여준다.

데이터처리

본 연구에서 구현한 Java 로봇 트레이닝 키트는 NanoVM Java 가상머신을 최신의 8비트 마이크로콘트롤러인 Atmega328 AVR 프로세서로 설계된 트레이닝키트에 내장하고 다양한 입출력 장치와 서보모터 및 DC모터를 구동할 수 있도록 구현 되었다. 표 2는 본 논문에서 구현한 Java로봇 트레이닝 키트와 참고문헌 11과 12의 선행연구에서 구현한 Java 로봇들과의 특징과 차이점을 비교분석하였다[11][12].

성능/효과

셋째, 가끔 상업용 혹은 오픈소스 C 라이브러리들을 사용할 수 있다. 넷째, 부동소수점 연산과 같은 복잡한 저수준의 기능들은 네이티브 메소드로 구현할 때 매우 빠르다.
또한, 우측의 사진은 좀 더 복잡한 응용의 예로서 Java 트레이닝키트로 구현한 모바일 로봇에 2개의 서보모터로 2축 관절을 제작하고 카메라를 장착하여 간단한 탐사로봇을 구현할 수 있음을 보여준다. 카메라는 시중에서 판매되는 무선통신 기능과 실시간 동영상 전송기능을 갖는 PC용 무선카메라를 장착하였고 PC에서 Java 언어로 영상을 분석하여 로봇의 주행과 카메라의 위치를 제어하는 원격제어 형태의 로봇 제어환경을 구축함으로서 고급과정의 Java 프로젝트 실습을 수행할 수 있다.
첫째, 자바언어 보다 C언어로 저수준의 하드웨어제어 기능을 코딩할 수 있다. 둘째, 이미 다양한 on-chip 주변장치들을 제어하는 C 루틴들이 존재한다.
출력부에서 FND로 알려진 7-세그먼트 LED의 경우에도 트랜지스터를 사용하지 않고 AVR 포트에 직접연결 하여 구동시킴으로서 회로를 간략히 하였으며 성능 상에 문제가 없음을 확인하였다. 또한 PWM으로 구동할 수 있는 부저는 주파수에 따라 다양한 소리를 낼 수 있고 PWM 전원을 출력할수 있는 USB 단자를 장착하여 시중에 판매되는 USB 선풍기를 접속하여 리모콘을 사용한 지능형 선풍기를 만들 수 있다.

후속연구

또한, 최근 학생들의 프로그래밍언어 학습 능력이 현저하게 떨어지면서 프로그래밍언어 교육에 많은 어려움을 격고 있다. 따라서 학생들의 객체지향 프로그래밍언어의 학습동기를 부여하고 창의 공학적 프로그래밍언어 교육프로그램의 도입이 필요한 시점에서 본 연구에서 개발한 Java 로봇 트레이닝키트가 많은 기여를 할 것으로 기대된다.
최근 학생들의 프로그래밍언어 학습 능력이 떨어지면서 IT관련 학과의 프로그래밍언어 교육에 많은 어려움을 격고 있다. 따라서 학생들의 프로그래밍언어 학습 동기를 부여하고 창의 공학적 프로그래밍언어 교육프로그램의 도입이 필요한 시점에서 본 연구에서 개발한 Java 로봇이 많은 기여를 할 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Java 언어는 어디서 유래되었는가?	Java 언어는 1991년 선마이크로시스템즈(SUN Microsystems)의 제임스 고슬링(James Gosling)을 중심으로 가전제품에 사용할 소프트웨어 개발 프로젝트로 수행한 그린프로젝트에서 유래되었다[1][2].
	학생들의 객체지향 프로그래밍언어의 학습동기를 부여하고 창의 공학적 프로그래밍언어 교육프로그램의 도입이 필요한 시점에서 본 연구에서 개발한 Java 로봇 트레이닝키트가 많은 기여를 할 것으로 기대되는 근거는?	그러므로 마이크로프로세서의 전문적인 지식이 없는 학생들도 트레이닝 키트의 다양한 기능과 로봇을 프로그래밍하면서 Java 언어를 효율적으로 학습할 수 있다. 현재 국내에서 판매중인 대부분의 교육용 로봇과 트레이닝 키트의 프로그래밍 언어는 초등학교 학생들을 위한 아이콘 조립 중심의 그래픽언어와 마이크로프로세서 응용 교육을 위한 임베디드 C언어를 주로 사용하고 있다[4]. 이러한 프로그래밍 환경은 IT관련 학과들의 객체지향 프로그래밍언어 교육용 도구로 활용하기에는 부적합한 면이 많았다.
	객체지향프로그래밍의 단점은?	최근의 프로그래밍 패러다임은 객체지향프로그래밍과 이를 기반으로 하는 비주얼프로그래밍이 주류를 이루고 있다. 그러나 객체지향프로그래밍은 기존의 구조적프로그래밍기법에 비하여 개념이 어렵고 복잡하여 IT 관련학과 학생들을 교육하기에 어려움이 많았다. 본 연구에서는 학생들이 다양한 입출력 장치를 부착하고 로봇제어가 가능한 트레이닝 키트를 사용하여 객체지향 프로그래밍 학습 의욕 고취와 동기를 유발할 수 있도록 Java 가상머신을 내장한 Java 로봇 트레이닝 키트를 설계하고 구현하였다.

참고문헌 (14)

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원문보기 상세보기
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원문보기 상세보기
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Jeong-Beom Song, YunJu-Jeon, Bok-Mun Jeong, Tae-Wuk Lee, "Development of Unplugged Educational Robot System," Proceedings of the Korea Society of Computer Education Summer Conference Vol. 16, No. 2, pp. 29-33, 2012.
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원문보기 상세보기
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Amtel Co. "ATMEGA328 datasheet", http://www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/A/T/M/E/ATMEGA328.shtml.
Eclipse Foundation, "Java Development Tools (JDT)", http://www.eclipse.org/jdt

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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