[논문]레고 마인드스톰 NXT를 활용한 기초설계 교과목에서의 효과적인 공학설계과제 선정방안 연구

신연순; 손대근; 이경호; 홍성호; 이강우; 정진우

doi:10.18108/jeer.2016.19.2.60

문제 정의

레고 마인드스톰을 사용하는 기존 공학 기초설계 교과목의 운영과정에서 그 동안 학생들의 설계과제 진행방법과 설계과제 결과물들을 살펴보면 학생들은 LEGO Mindstrom의 잠재력인 다양한 프로그래밍, 센서/액추에이터 이해 및 활용, 다양한 로봇구조설계, 다양한 경기방식 등에 대해 충분히 고민하지 않고, 단순히 로봇의 단순 구조 변화에 대해서만 고민함으로써 LEGO Mindstorm을 충분히 활용하지 못할 뿐만 아니라 각 세부전공 분야에 특화된 학습 또한 원활히 이루어지지 못한다는 문제점이 지속되어 왔기에, 본 연구에서는 스포츠 종목들을 대상으로 각 세부전공 분야별 기초설계 교과목에 적합하고 효과적인 설계과제가 무엇인지를 조사 및 분석해보고자 하였다. 이를 위해 올림픽 종목들 중에서 해당 후보 종목들을 선택하였으며, 사례조사와 사전설계물에 대한 평가를 통해 대표종목들을 확정하고, 그 뒤 상세설계 및 레고 마인드스톰을 통한 구현 및 모의경기 과정을 거쳐 그 결과를 검증해보았다.
이에 본 연구에서는 LEGO Mindstorm을 활용해 각 세부전공 분야별 특성들을 강조시킬 수 있는 효과적인 설계과제가 무엇인지를 학생들이 좋아하는 스포츠 종목, 특히 올림픽 스포츠 종목에 기초해 탐색해보고자 하였다.

가설 설정

1) 요구되는 코드의 양-최소한으로 필요한 코드의 양이 얼마인가? ｢(상(2): 200줄 이상, 중(1): 100줄 이상 200줄 이하,하(0): 100줄 이하)*｣

제안 방법

II-1절에서 결정한 15개의 후보종목들을 대상으로 II-2절의 평가기준에 맞추어 사전평가를 실시하였다.
YouTube 조사를 통해 발견된 구현사례들의 분석을 통해 다음과 같이 기초설계 교과목에서의 설계과제 적절성을 평가하기 위한 기준을 도출하였다. 구체적으로 각 스포츠 종목별 로봇의 구조, 모양, 기능, 동작모습 등에 대한 관찰을 바탕으로 다음과 같이 세부 평가기준들을 도출하였다.
YouTube 조사를 통해 발견된 구현사례들의 분석을 통해 다음과 같이 기초설계 교과목에서의 설계과제 적절성을 평가하기 위한 기준을 도출하였다. 구체적으로 각 스포츠 종목별 로봇의 구조, 모양, 기능, 동작모습 등에 대한 관찰을 바탕으로 다음과 같이 세부 평가기준들을 도출하였다.
구체적으로 대표적인 스포츠들이 모여 있는 올림픽 종목들을 조사범위로 한정한 뒤 아래와 같은 방법으로 조사를 진행하였다(김현수 김동규, 2013; 올림픽 종목).
어떤 경기들을 조합할 지는 설계자에 따라 다를 수 있으나, 검증을 위한 이번 모의경기에서는 라인트레이싱,미로탈출 레이싱, 그리고 골프를 조합하여 테스트하였다. 구체적으로 첫 번째 경기에서는 라인트레이싱을 하며 라인 끝까지 도달할 수 있는지를 테스트한다. 두 번째 경기에서는 센서를 활용하여 벽을 감지하며 짧은 미로를 탈출해야 한다.
3과 같이 경기장의 선이나 벽을 이용해서 공을 찾으러 NXT가 움직이는 방식으로 구성된다. 그리고 센서를 통해 공을 발견하면 NXT의 특정 구조를 활용해 공을 잡은 뒤 빛 센서를 통해 자신이 넣어야 할 공인지를 확인하고 만약 알맞은 색의 공이면 알고리즘의 다음 단계로 넘어가서 선을 따라 상대편 골대를 찾기 시작한다. 그리고 골대에 도착한 뒤에는 빛 센서를 통해 어느 편 골대인지를 확인하고 슛 동작을 하는 방식이다.
다음과 같은 선정 기준에 기초해 레고 마인드스톰을 활용하기에 적절한 스포츠 종목들을 결정하였다.
그리고 중앙 검정선은 NXT가 경기장의 중앙에 위치했음을 확인할 수 있게 해준다. 또한 골대 색을 파란색과 은색으로 구분해 자기편 골대인지 상대편 골대인지를 구분할 수 있게 하였다
1과 같이 YouTube 구현사례조사를 실시하였으며, II-1절의 선정기준에 맞추어 Table 3과 같이 선정하였다. 또한, 학부 1학년들이 진행가능할지 여부를 파악하기 위하여 기초설계 교과목을 기 이수한 4명의 고학년 학생들을 인터뷰하여 선정여부 결정시 그 의견을 반영하였다.
사전평가는 기초설계 교과목을 기 이수한 6명의 고학년 학생들(기초설계 수강당시 성적 A학점:2명, B학점:2명, C학점:2명)을 랜덤하게 선택해 총 15개 후보종목 각각의 YouTube 구현사례 및 경기사례들을 보여주고 각 경기를 위해 필요한 레고마인드스톰 로봇을 각자 제작하도록 지시한 뒤 설계된 결과물을 바탕으로 II-2절의 세부 평가기준에 맞추어 평가되었다.
외부환경 요소에 제한사항이 없으며, 구현하기에 적합할 것으로 예상되는 15가지 종목을 후보 종목으로 선정하였다. 선정된 종목으로는 축구, 골프, 농구, 펜싱, 하키, 육상, 사이클, 사격, 트라이애슬론, 양궁, 역도, 복싱, 유도, 럭비, 컬링이 포함되었다.
11과 같이 3가지 경기가 합쳐져 있는 구조이다. 어떤 경기들을 조합할 지는 설계자에 따라 다를 수 있으나, 검증을 위한 이번 모의경기에서는 라인트레이싱,미로탈출 레이싱, 그리고 골프를 조합하여 테스트하였다. 구체적으로 첫 번째 경기에서는 라인트레이싱을 하며 라인 끝까지 도달할 수 있는지를 테스트한다.
올림픽 종목을 하계와 동계로 나눈 후, 구기종목 여부, 기록측정 사용여부, 점수획득방식 사용여부, 예술점수 사용여부, 대결구도 여부의 총 5가지 기준으로 Table 1, Table 2와 같이 분류하였다.
외부환경 요소에 제한사항이 없으며, 구현하기에 적합할 것으로 예상되는 15가지 종목을 후보 종목으로 선정하였다. 선정된 종목으로는 축구, 골프, 농구, 펜싱, 하키, 육상, 사이클, 사격, 트라이애슬론, 양궁, 역도, 복싱, 유도, 럭비, 컬링이 포함되었다.
레고 마인드스톰을 사용하는 기존 공학 기초설계 교과목의 운영과정에서 그 동안 학생들의 설계과제 진행방법과 설계과제 결과물들을 살펴보면 학생들은 LEGO Mindstrom의 잠재력인 다양한 프로그래밍, 센서/액추에이터 이해 및 활용, 다양한 로봇구조설계, 다양한 경기방식 등에 대해 충분히 고민하지 않고, 단순히 로봇의 단순 구조 변화에 대해서만 고민함으로써 LEGO Mindstorm을 충분히 활용하지 못할 뿐만 아니라 각 세부전공 분야에 특화된 학습 또한 원활히 이루어지지 못한다는 문제점이 지속되어 왔기에, 본 연구에서는 스포츠 종목들을 대상으로 각 세부전공 분야별 기초설계 교과목에 적합하고 효과적인 설계과제가 무엇인지를 조사 및 분석해보고자 하였다. 이를 위해 올림픽 종목들 중에서 해당 후보 종목들을 선택하였으며, 사례조사와 사전설계물에 대한 평가를 통해 대표종목들을 확정하고, 그 뒤 상세설계 및 레고 마인드스톰을 통한 구현 및 모의경기 과정을 거쳐 그 결과를 검증해보았다. 결과적으로 각 세부전공별 특성에 해당되는 프로그램의 변화, 센서 및 액추에이터 변화, 구조 변화, 경기방식의 변화라는 평가기준 각각에 특화된 종목으로 각각 축구, 골프, 유도, 트라이애슬론을 최종선정할 수 있었다.

대상 데이터

각 올림픽 종목에 대해 Fig. 1과 같이 YouTube 구현사례조사를 실시하였으며, II-1절의 선정기준에 맞추어 Table 3과 같이 선정하였다. 또한, 학부 1학년들이 진행가능할지 여부를 파악하기 위하여 기초설계 교과목을 기 이수한 4명의 고학년 학생들을 인터뷰하여 선정여부 결정시 그 의견을 반영하였다.
여기서 사례조사는 전 세계적으로 가장 널리 활용되고 다수의 레고로봇 구현결과 동영상들을 포함한 Youtube에 한정해 이루어졌다.

성능/효과

다음의 Table 5는 사전 적절성 평가를 통해 각 카테고리 항목별 세부 사항을 측정한 결과를 보여주고 있다. Table 5를 통해 각 세부전공 분야별 특성에 해당되는 프로그램 변화, 구조 변화, 센서 및 액추에이터 활용 각각에 가장 적합한 종목은 축구, 유도, 골프였으며, 다양한 경기방식 변화에 적합한 종목으로는 트라이애슬론임을 확인할 수 있다. 이렇게 축구, 유도, 골프, 트라이애슬론의 4가지 종목이 가장 높은 점수를 획득하여 대표종목으로 최종 선정되었으며, 각 종목에 대한 분석결과는 다음과 같다.
이를 위해 올림픽 종목들 중에서 해당 후보 종목들을 선택하였으며, 사례조사와 사전설계물에 대한 평가를 통해 대표종목들을 확정하고, 그 뒤 상세설계 및 레고 마인드스톰을 통한 구현 및 모의경기 과정을 거쳐 그 결과를 검증해보았다. 결과적으로 각 세부전공별 특성에 해당되는 프로그램의 변화, 센서 및 액추에이터 변화, 구조 변화, 경기방식의 변화라는 평가기준 각각에 특화된 종목으로 각각 축구, 골프, 유도, 트라이애슬론을 최종선정할 수 있었다. 더불어 축구, 골프, 트라이애슬론 등은 단순구조 변화에 대한 개선뿐만 아니라 다양한 프로그램 및 알고리즘에 대한 사고력도 함께 요구됨을 확인할 수 있었다.
레고 마인드스톰으로 만들어진 로봇이 공과 목표지점을 인식한 뒤 로봇이 목표지점을 향해 최대한 빨리 공을 보내는 방식의 경기이다. 경기장 구조에 따라 다양한 센서와 액추에이터의 활용이 가능할 수 있는 것으로 조사되었다.
일정 크기의 경기장 안에서 상대 로봇을 경기장 밖으로 밀어내는 방식의 경기이다. 다양한 구조 변화를 통해 로봇 우수성에서 차이가 나타날 뿐만 아니라 다양한 기능의 프로그램들도 출현할 수 있는 것으로 조사되었다.
결과적으로 각 세부전공별 특성에 해당되는 프로그램의 변화, 센서 및 액추에이터 변화, 구조 변화, 경기방식의 변화라는 평가기준 각각에 특화된 종목으로 각각 축구, 골프, 유도, 트라이애슬론을 최종선정할 수 있었다. 더불어 축구, 골프, 트라이애슬론 등은 단순구조 변화에 대한 개선뿐만 아니라 다양한 프로그램 및 알고리즘에 대한 사고력도 함께 요구됨을 확인할 수 있었다.
레고 경기설계 시, 다양한 기능들이 출현할 수 있고, 공을 다루는 경기이기에 실시간성도 요구된다. 또한 실시간성으로 인해, 코딩의 양 역시 증가할 뿐만 아니라 프로그램의 효율성에 대한 고민도 같이 이루어질 수 있는 종목인 것으로 조사되었다.
트라이애슬론 경기의 경우 평가기준 설정 시 라인 트레이싱, 미로 탈출, 공 치기의 세 가지 종목으로 구성하였기 때문에 당연히 경기방식의 변화가 가장 중요한 경기로 생각되었다. 실제로 구현해본 결과 또한 특별한 예외 없이 세 가지 종목을 모두 수행할 수 있는 로봇을 만들기 위해서는 다양한 알고리즘과 센서 및 액추에이터 활용, 구조 변화 등 매우 복잡하고 다양한 사고가 요구됨을 모의경기과정을 통해 확인할 수 있었다.
유도 경기의 경우 평가기준 설정 시 작은 경기장 안에서 상대방을 빠르게 밀어내기 위해서는 로봇의 구조가 가장 중요할것으로 생각되었다. 실제로 테스트 해 본 결과 제한된 최대 모터의 동력으로 상대방을 제압하기 위해서는 바퀴의 모양이나,기어 사용, 로봇의 모양 등 예상 했던 것과 같이 구조 변화가 경기 결과를 좌우하는데 가장 중요한 요소였다. 따라서 주로 하드웨어를 다루는 기계공학분야 기초설계에 가장 효과적인 경기일 것으로 예상된다.

후속연구

골프경기의 경우 평가기준 설정 시 라인 트레이싱, 공 찾기,골대 확인, 스윙 동작 등 다양한 센서 및 액추에이터의 변화가 중요시 될 것으로 예상되었다. 실제 구현결과 또한 센서와 액추에이터의 조합을 통해 공의 색과 골대위치, 라인을 구별해가며 신속하고 정확하게 경기를 완료하기 위해서 효과적인 센서 및 액추에이터의 활용이 요구되었다. 또한 타임어택방식을 도입할 경우 빠르게 경기를 완료하기 위해 효율적인 알고리즘이 요구되었고, 정확히 공을 치기 위해 로봇의 구조 또한 중요했다.
이러한 연구결과는 향후 공학 기초설계 교과목에서 LEGO mindstorm 또는 그와 유사한 교육기자재를 활용해 설계과제를 진행할 경우에 설계과제의 세부 내용을 선정하는 데에 좋은 참고자료로 활용될 수 있을 것이다.
따라서 주로 하드웨어를 다루는 기계공학분야 기초설계에 가장 효과적인 경기일 것으로 예상된다. 테스트를 통해 구조 변화가 중요한 경기임은 검증하였으나, 차후에 학생들이 다양한 알고리즘에 대해 생각해본다면 프로그램의 변화 역시 중요하게 작용할 것으로 예상된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	LEGO Mindstrom의 문제점은 무엇인가?	하지만 이러한 시도에도 불구하고 그 동안 학생들의 설계과제 진행방법과 설계과제 결과물들을 살펴보면 학생들은 LEGO Mindstrom의 잠재력인 다양한 프로그래밍, 센서/액추에이터 이해 및 활용, 다양한 로봇구조설계, 다양한 경기방식 등에 대해 충분히 고민하지 않고, 단순히 로봇의 단순 구조 변화에 대해서만 고민함으로써 LEGO Mindstorm을 충분히 활용하지 못할 뿐만 아니라 각 세부전공 분야에 특화된 학습 또한 원활히 이루어지지 못한다는 문제점이 지속되어왔다.
	LEGO Mindstorm이란?	LEGO Mindstorm은 국내외 여러 대학에서 융합교육 관점에서 기초공학설계를 위한 효과적인 도구로 널리 사용되고 있다(박준형 정슬, 2009; 박준형 정슬, 2012; 이강, 2009; 이경희,2011; 김태희 강문설, 2010). LEGO Mindstorm의 특성상 전문적인 지식이 없이도 프로그래밍이 가능하여 컴퓨터공학 분야 기초설계에 적합할 수 있으며, 다양한 센서와 액추에이터들을 사용할 수 있어 전자공학과 제어계측공학 분야의 기초설계에도 적합할 수 있는 잠재력이 있다.
	LEGO Mindstorm은 기계공학 분야 기초설계에 활용될 수 있는 이유는 무엇인가?	LEGO Mindstorm의 특성상 전문적인 지식이 없이도 프로그래밍이 가능하여 컴퓨터공학 분야 기초설계에 적합할 수 있으며, 다양한 센서와 액추에이터들을 사용할 수 있어 전자공학과 제어계측공학 분야의 기초설계에도 적합할 수 있는 잠재력이 있다. 그리고 동일한 목적이라도 다양한 구조로 로봇제작이 가능하므로 기계공학 분야 기초설계에도 널리 활용될 수 있는 잠재력이 있다. 또한 다양한 경기방식을 도입함으로서 동일 주제라 하더라도 다양한 설계과제 운영을 해볼 수 있다는 장점 또한 존재한다.

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