[논문]러닝팩토리기반 기술융합교육을 통한 텔리 오퍼레이션 로봇핸드 구현 사례 연구

홍창호; 이정훈; 김형오

doi:10.14702/jpee.2018.113

러닝팩토리기반 기술융합교육을 통한 텔리 오퍼레이션 로봇핸드 구현 사례 연구
A Case Study on the Implementation of Tele-Operation Robot Hand by Learning Factory based Technology Convergence Education 원문보기

JPEE : Journal of practical engineering education = 실천공학교육논문지, v.10 no.2, 2018년, pp.113 - 118

홍창호 (한국폴리텍 I 대학 성남캠퍼스 자동화시스템과) , 이정훈 (동서울대학교 전기정보제어과) , 김형오 (한국폴리텍 I 대학 성남캠퍼스 자동화시스템과)

초록
AI-Helper

직업교육훈련에서 가장 중요한 것은 생산현장의 전체공정에 대한 학생들의 흥미와 이해를 높이는 일이다. 본 논문에서는 최근 화두가 되고 있는 러닝팩토리(Learning Factory) 기반 기술융합교육을 통해서 텔리오퍼레이션 로봇 핸드를 구현하는 사례를 제시하고 향후 교육과정에 적용시 유의사항을 제안한다. 텔리 오퍼레이션 로봇핸드를 구현하기 위해서는 기구 설계, 모터제어, 근거리 통신 구현, 센싱 및 피드백제어 등 국내 교육과정의 대학교 수준 전공필수 교과목에 대한 이해가 뒷받침 되어야 한다. 본 논문에서 제시한 교육연구는 학생들이 필요로 하는 기술을 가이드하며 학생 스스로 학습과 실습을 통해 기술을 이해하고 최종 산출물을 구현하는 사례이다. 본 연구를 통해 향후 러닝팩토리 교육훈련과정을 도입하는 경우 기반 자료로 도움이 될 것이다.

Abstract ▼ AI-Helper

The most important thing in vocational education and training is to enhance students' interest and understanding of the whole process of the production site. In this paper, we present a case on the implementation of tele-operation robot hand by learning factory based technology convergence education. It also suggests some points to be taken when applying the learning factory in the future curriculum. In order to implement the tele-operation robot hand, it is necessary to support the compulsory subjects of university level courses in domestic curriculum such as mechanic design, motor control, local communication implementation, sensing and feedback control. The educational research presented in this paper guides the students with the skills they need and understands the skills through self-study and practice, and implements the final products. This study will be useful as a base data when introducing the training process of training factory in the future.

주제어

표/그림 (9)

그림 그림 1. 손가락의 평면구조 Fig. 1. Plane structure of finger.
그림 그림 2. 로봇 핸드 제어 구조 Fig. 2. Control structure of robot hand.
그림 그림 3. 러닝팩토리 학습 주제 선정 기준 Fig. 3. Criteria for selecting topic of learning factories.
그림 그림 4. 제품 연구개발 프로세스 Fig. 4. Process of research & development.
표 표 1. 러닝팩토리 적용 범위 Table 1. Applied area of learning factory
그림 그림 5. 로봇핸드 3D모델링 데이터와 하드보드지를 이용한 동작 검증 Fig. 5. 3D modeling robot hand data and feasibility check using hard board.
그림 그림 6. 로봇 손가락에 대한 기본 회로 검증 Fig. 6. Feasibility check for electronics basic circuit of robot finger.
표 표 2. 러닝팩토리 기간별 수행 내용 Table 2. Time table of learning factory
표 표 3. 블루투스 통신 프로그램 골격 Table 3. Skeleton program of Bluetooth communication

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문에서는 텔리 오퍼레이션 로봇 핸드를 구현함에 있어, 러닝 팩토리 교육 기법을 적용한 교육방법의 사례를 제시하였다. 논문에서 제시한 내용은 기계 설계, 전자 회로 구현, 통신 프로토콜 구현을 융합한 실습형태를 가지며 교육과정을 산업현장의 제품 개발 프로세스를 유지함에 따라서 참여 학생들이 문제를 정의하고 이것을 해결하기 위한 최적의 솔루션을 찾는 업무를 반복 수행하며 문제 해결 역량을 습득하는 것을 최종적인 목표로 삼았다.
본 논문에서는 텔리 오퍼레이션 로봇 핸드를 구현함에 있어, 러닝 팩토리 교육 기법을 적용한 교육방법의 사례를 제시하였다. 논문에서 제시한 내용은 기계 설계, 전자 회로 구현, 통신 프로토콜 구현을 융합한 실습형태를 가지며 교육과정을 산업현장의 제품 개발 프로세스를 유지함에 따라서 참여 학생들이 문제를 정의하고 이것을 해결하기 위한 최적의 솔루션을 찾는 업무를 반복 수행하며 문제 해결 역량을 습득하는 것을 최종적인 목표로 삼았다.
한국폴리텍대학은 수년간 FL(Factory Learning) 교육을 통해 산업현장 밀착형인력을 양성해왔으며[6] 최근에는 4차산업혁명에 대응하기위해 교육훈련방법에 새로운 변화를 모색하고 있다. 본 논문에서는 해외의 러닝팩토리 사례를 기반하여 실험적으로 6개월간 학생들을 지도한 결과를 바탕으로 향후 러닝팩토리 도입시 고려사항을 제시하고자 한다. 논문의 구성은 2절에서 텔리오퍼레이션 로봇핸드에 대해서 기술하고 3절에서 러닝팩토리를 적용한 교과 운영계획 및 4절에서 러닝팩토리를 통한 텔리오퍼레이션 로봇핸드 제작과정 5절에서 결론을 기술하였다.
본 연구에서는 이를 위하여 앞서 설명한 ‘연구개발 프로세스’에 기반한 실습을 계획하였다. 이것은 단순히 기술 교육을 목표로 하는 것이 아니라 실습을 통하여 현장의 연구개발 업무의 기초 개념을 습득하고 문제 해결을 위한 전략을 설계하며 마지막으로 구현 결과로서의 기능성을 개발할 수 있는 역량을 도모하고자 함이다. 특히 본 연구에서는 아두이노를 이용한 제어 소프트웨어 교육을 가정하였으며 기구 설계, 3D프린터 그리고 블루투스 통신을 활용하여 기술 융합도를 높였다.
연구개발 프로세스에 대한 러닝 팩토리는 단순한 기술 구현 학습을 목표로 지향하는 것이 아니라, 문제를 정의하고 이것을 해결하기 위한 최적의 솔루션을 찾는 업무를 반복 수행할 수 있는 역량을 습득하는 것을 최종적인 목표로 삼는다. 이러한 목표는 학생들의 호기심을 통한 자발적인 학습이 뒷받침 되어야 하며 이것을 복합적으로 응용하여 문제해결을 위한 추상화 전략을 설계하는 과정에서 구체화된다.

가설 설정

이것은 단순히 기술 교육을 목표로 하는 것이 아니라 실습을 통하여 현장의 연구개발 업무의 기초 개념을 습득하고 문제 해결을 위한 전략을 설계하며 마지막으로 구현 결과로서의 기능성을 개발할 수 있는 역량을 도모하고자 함이다. 특히 본 연구에서는 아두이노를 이용한 제어 소프트웨어 교육을 가정하였으며 기구 설계, 3D프린터 그리고 블루투스 통신을 활용하여 기술 융합도를 높였다.

제안 방법

논문에서 제안한 연구개발 절차를 활용하여 다양한 러닝팩토리 결과물을 창작할 수 있다. 학생들이 흥미를 느끼고 스스로 설계하며 제품 개발 과정을 체험하고 효율을 향상시키기 위해 문제를 반복적으로 분석하는 과정에서 공학분야의 통찰력을 키울수 있는 점이 러닝 팩토리의 장점이다.
본 논문에서는 해외의 러닝팩토리 사례를 기반하여 실험적으로 6개월간 학생들을 지도한 결과를 바탕으로 향후 러닝팩토리 도입시 고려사항을 제시하고자 한다. 논문의 구성은 2절에서 텔리오퍼레이션 로봇핸드에 대해서 기술하고 3절에서 러닝팩토리를 적용한 교과 운영계획 및 4절에서 러닝팩토리를 통한 텔리오퍼레이션 로봇핸드 제작과정 5절에서 결론을 기술하였다.
또한 기구 설계, 전자회로 설계, 통신 프로토콜 설계와 같이 각 파트를 병렬 진행하면서 과목간의 융합을 추구하였다. 러닝 팩토리 교육과정은 실제 생산환경에서 생산 전과정을 수업 해야만 한다.
러닝 팩토리를 교육방법에 적용하면서 기계, 전자, 통신기술을 융합하여 학생들이 즐겁게 배울 수 있어야 한다는 것을 주제 선정 기준이었다. 또한 학생 스스로 자기주도적으로 학습방법을 이끌어 가기 위해서 주당 12시간 이상의 실습 시간을 할당하였다. 학생들이 산업현장에서의 연구개발 프로세스를 학습할 수 있도록 그림 4와 같은 연구개발 프로세스를 따라 갈 수 있도록 매주 연구 개발 내용을 검토하며 지도하였다.
본 연구에서는 이를 위하여 앞서 설명한 ‘연구개발 프로세스’에 기반한 실습을 계획하였다.
실습 단계의 최종 목표는 제품 개발을 통하여 정립된 기초 개념과 실습을 통하여 형성된 지식을 이용하여 문제를 정의하고 이것을 해결하기 위한 아이디어 제시 및 구현을 이루는 것이다. 이를 위하여 제안된 논문에서는 모터제어, 휨센서 센싱, 블루투스 통신과 같이 소규모(3개 주제 단위) 문제를 해결해야만 하는 장기 프로젝트를 진행하도록 설계하였다.
제안한 로봇핸드 러닝팩토리에서는 가장 먼저 기구 설계를 앞서 설명한 3D모델링과 하드보드지를 통해서 수행함으로써 로봇핸드의 기구학적인 이론을 이해하고 프로그래밍에 대한 개념을 더욱 확고히 정립하도록 한다.
학생들이 흥미를 느끼고 스스로 설계하며 제품 개발 과정을 체험하고 효율을 향상시키기 위해 문제를 반복적으로 분석하는 과정에서 공학분야의 통찰력을 키울수 있는 점이 러닝 팩토리의 장점이다. 제안한 텔리 오퍼레이션 로봇핸드 사례는 기구 설계와 아두이노, 블루투스 통신에 대한 학생의 흥미를 유발할 수 있는 기계공학과 전자, 통신 기술의 융합적인 교육방법이다. 향후에는 유럽의 러닝팩토리 선행사례와 같은 생산 공정에 대한 이해와 실습을 도모할 수 있는 교육방법을 설계하고 시범 운영한 사례에 대해 추후 연구하고자 한다.
블루투스 통신은 근거리 통신 방식중에 가장 범용적인 통신이며 이를 구현하기 위해서는 통신기술 관련 지식을 많이 요한다. 하지만 본 논문에서 제시하는 러닝 팩토리 과정에서는 블루투스를 활용한다는 측면에 목적을 두기에 아두이노의 블루투스 모듈을 사용하였다.
학생들은 제품 기획단계에서 텔리 오퍼레이션 로봇핸드에 대한 사전 자료 수집과 대략적인 재료비등을 검토하며 최종 프로토타입의 형상을 상상할 수 있는 과정을 반복적으로 수행하면서 훈련하였다.
또한 학생 스스로 자기주도적으로 학습방법을 이끌어 가기 위해서 주당 12시간 이상의 실습 시간을 할당하였다. 학생들이 산업현장에서의 연구개발 프로세스를 학습할 수 있도록 그림 4와 같은 연구개발 프로세스를 따라 갈 수 있도록 매주 연구 개발 내용을 검토하며 지도하였다.

대상 데이터

로봇핸드의 제어기는 아두이노를 사용하였으며 모터는 RC서보를 사용하여 제어하였다. 사용자의 움직임은 휨센서와 아두이노를 사용하여 센싱하였으며 로봇핸드로 센싱값을 전달하기 위해 블루투스를 사용하여 데이터를 전송하였다.
최근 들어서 원격조작 로봇에 대한 요구가 급격하게 증가되고 있다 이 기술은 위험성이 도사리는 재난현장에서 활약하는 위험작업 로봇에 적용되거나 환자와 의사가 거리적으로 멀리 떨어진 경우에 도입되어 활용되고 있다. 본 연구에서는 다섯개의 손가락을 가지는 로봇 핸드를 대상으로 하였다. 학생들이 문제를 쉽게 접근할 수 있도록 각 손각락의 자유도는 2자유도로 한정하였으며 손가락의 각 링크(Link)는 근위지골, 중지골, 원위지골에 대응되며, 각 조인트(Joint)는 중수지관절, 근위지절관절, 원위지절관절로 대응된다[7,8].
로봇핸드의 제어기는 아두이노를 사용하였으며 모터는 RC서보를 사용하여 제어하였다. 사용자의 움직임은 휨센서와 아두이노를 사용하여 센싱하였으며 로봇핸드로 센싱값을 전달하기 위해 블루투스를 사용하여 데이터를 전송하였다.

후속연구

향후에는 유럽의 러닝팩토리 선행사례와 같은 생산 공정에 대한 이해와 실습을 도모할 수 있는 교육방법을 설계하고 시범 운영한 사례에 대해 추후 연구하고자 한다. 또한, 러닝팩토리 교육방법 실현을 위해 강의 및 실험 체계, 결과확인 절차, 평가절차, 학업성취도 확인 등의 객관적 데이터 수집과정과 분석방법이 요구되며, 이를 추후 연구하고자 한다.
제안한 텔리 오퍼레이션 로봇핸드 사례는 기구 설계와 아두이노, 블루투스 통신에 대한 학생의 흥미를 유발할 수 있는 기계공학과 전자, 통신 기술의 융합적인 교육방법이다. 향후에는 유럽의 러닝팩토리 선행사례와 같은 생산 공정에 대한 이해와 실습을 도모할 수 있는 교육방법을 설계하고 시범 운영한 사례에 대해 추후 연구하고자 한다. 또한, 러닝팩토리 교육방법 실현을 위해 강의 및 실험 체계, 결과확인 절차, 평가절차, 학업성취도 확인 등의 객관적 데이터 수집과정과 분석방법이 요구되며, 이를 추후 연구하고자 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	STEAM의 목표는?	기술 교육 및 공학교육에 있어서 많은 연구와 실증 사례가 있어왔다. 최근에는 STEAM(Science Technology EngineeringArts Mathmatics)이 화두가 되어서 학생들에게 과학기술에 대한 흥미와 이해를 높여서 지식 습득에서 머물지 않고 예술까지 아우르는 학문적 지식을 형성하여 창의적이고 융합적사고와 문제 해결 능력 등을 배양할 수 있도록 하는 것을 목표로 하고 있다[1]. STEAM은 ‘실생활’과의 연계성을 강조한다.
	러닝 팩토리의 목표를 실현하기 위해 요구 되는 것은?	연구개발 프로세스에 대한 러닝 팩토리는 단순한 기술 구현 학습을 목표로 지향하는 것이 아니라, 문제를 정의하고 이것을 해결하기 위한 최적의 솔루션을 찾는 업무를 반복 수행할 수 있는 역량을 습득하는 것을 최종적인 목표로 삼는다. 이러한 목표는 학생들의 호기심을 통한 자발적인 학습이 뒷받침 되어야 하며 이것을 복합적으로 응용하여 문제해결을 위한 추상화 전략을 설계하는 과정에서 구체화된다.
	러닝팩토리 교육의 최종 목적은?	러닝팩토리 교육의 최종 목적은 산업현장의 제품화 공정을 이해하는것이며 이것을 학생들에게 전달하기 위해서는 교육 목적을 달성하기 위한 구체적이고 체계적인 프로세스를 정의하여야 한다. 본 연구에서는 이를 위하여 앞서 설명한 ‘연구개발 프로세스’에 기반한 실습을 계획하였다.

참고문헌 (9)

J. H. Han, J. H. Park, M. H. Jo, I. W. Park, and J. O. Kim, "Learning with a robot for STEAM in elementary school curriculum," Journal of Korean Association of Information Education, vol. 15, no. 3, pp. 483-491, September 2011.
Korea Foundation for the Advancement of science & Creativity. Concept and Definition of STEAM [Internet], Available: https://steam.kofac.re.kr/?page_id30.
H. Kyeong, "Design and Control of a Basic Circuit System for STEAM Education," Journal of Practical Engineering Education, vol. 9, no. 2, pp. 99-106, 2017.
F. Baena, A. Guarin, J. Mora, J. Sauza, and S. Retat, "Learning factory: the path to industry 4.0," Procedia Manufacturing, vol. 9, pp. 73-80, 2017.

상세보기
H. ElMaraghy and W. ElMaraghy, "Learning factories for manufacturing systems," in Proceeding of the 4th Conference on Learning Factories, Royal Swedish Academy of Sciences (IVa) and KtH, StocNholm, 2014.
Korea Polytechnics. Introduction FL system [Internet], Available: http://www.kopo.ac.kr/daejeon/content.do?menu5400.
M. Nordin and V. H. Frankel, "Basic biomechanics of the musculoskeletal system," Lippoincott Williams & Wilkins Press, pp. 358-387, 2001.
C. C. Norkin and P. K. Levangie, "Joint structure & function: A comprehensive analysis," Ohio: Philadelphia. FA Davis Company, 1992.
Wikipedia. Arduino [Internet], Available: https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%95%84%EB%91%90%EC%9D%B4%EB%85%B8.

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증