리모컨 인터페이스 기반의 언플러그드 로봇 코딩 시스템

Unplugged Robot Coding System Based on Remote Interface

Abstract

최근 ICT 기술 기반으로 변화하고 있는 산업 환경의 변화로 인하여 전문직에 국한 되어있던 S/W 교육에 대한 인식 또한 변화하고있다. 세계 주요국들은 경쟁적으로 S/W 교육에 대한 투자를 하고있으며, 대상 연령층 또한 낮아지고 있는 추세이다. 이 가운데 로봇 플랫폼을 이용한 언플러그드 코딩방식은 직관적인 코딩 방식과 로봇 플랫폼을 이용한 피드백으로 유, 초등 연령을 대상으로하는 가장 효과적인 S/W 교육 방식중 하나로 알려져있다. 하지만 로봇 플랫폼을 이용한 언플러그드 코딩방식은 로봇 플랫폼에 코딩을 위한 인터페이스가 내장된 방식으로, H/W적 한계로 인하여 복잡한 코딩을 위한 다양한 인터페이스를 구성할 수 없다는 단점이 있다. 본 논문에서는 이러한 단점을 보완하기 위하여 IR리모컨을 인터페이스로 하여 로봇 제어를 위한 다양한 명령어를 입력 할 수 있으며, 로봇 센서를 이용하여 분기분을 이용한 코드 작성이 가능한 언플러그드 시스템을 제안하였다.

Recently, the awareness of S/W education, which was confined to the profession, is changing due to the changing industrial environment based on ICT technology World main countries invest competitively in S/W education and the target age group is getting lower Among them, the unplugged coding method using the robot platform is known as one of the most effective S/W training methods targeting the elementary age by the intuitive coding method and the robot platform feedback. However, the unplugged coding method using the robot platform has a disadvantage that it can not configure various interfaces for complicated coding due to limitations of H/W. In this paper, we have proposed an unplugged coding system which can input various commands for robot control by IR remote control as an interface and minute signals using robot sensor.

Ⅰ. 서론

현재 가장 큰 사회적 이슈인 제4차 산업혁명은 정보통신기술(ICT)의 융합으로 이루어낸 혁명 시대를 의미한다. 이는 산업 및 사회 모든 분에 ICT 기술을 기반으로 자동화와 연결성이 극대화되는 산업 환경의 변화를 뜻하며, 이러한 사회적 변화에서 소프트웨어 산업의 중요성은 나날이 증가하고 있다. 이러한 소프트웨어 중심 사회에서 각 주요 국가들은 4차 산업 혁명 시대를 주도할 수 있는 SW 역량을 갖춘 인재 양성을 위해서 국가적으로 SW 교육 정책을 시행하고 있다^[1][2]. 다음 표 1은 세계 주요 국가의 SW 교육 사례를 나타낸다.

표 1. 국가별 코딩 교육 현황

Table 1. Status of Coding Training by Country

세계 주요 국가의 SW 교육 현황을 살펴보면 비교과 또는 선택 교과에 포함되어있던 SW 교육이 점차 의무화 되어가고 있으며, 정규 교육 과정에서 차지하는 비중 또한 늘어가고 있음을 알 수 있다. 또한, 주로 중, 고등 교육과정에서 시행되었던 SW 교육이 유, 초등 교육까지 확대되어 교육 대상의 연령이 점차 낮아지는 것을 확인하였다. 따라서 현재 SW 교육의 트렌트는 SW 교육의 정규 교과화, 교육 대상의 저연령화가 진행되고 있음을 알 수 있다^[3].

점차 저연령화가 진행되고 있는 SW 교육의 흐름에서 기존의 C/C++, C#, JAVA, python과 같은 텍스트 기반의 프로그래밍 언어를 활용한 SW 교육은 진입장벽이 높아 유, 초등 연령층의 SW 교육에는 적합하지 않다는 문제점이 있다. 이러한 단점을 보완하기 위하여 그래픽기반 프로그래밍언어, 언플러그코딩 등 유, 초등 연령층의 효과적인 SW교육을 위한 다양한 방법들이 시도되고 있는 추세이다^[4][5]. 이 가운데 로봇 플랫폼을 이용한 언플러그드 코딩 또한 각광받는 분야이지만 하드웨어적인 제약으로 인해 분기와 같은 SW 교육에서 필수적인 개념을 표현하는데는 어려움이있다^[6][7]. 본 논문에서는 이와같은 로봇 플랫폼의 단점을 보완하기 위하여 리모컨을 인터페이스로 활용하여 분기와 같은 SW 다양한 개념을 표현할 수 있으며, 로봇에 내장된 다양한 센서와 출력장치를 활용할 수 있는 리모컨을 이용한 언플러그드 로봇 프로그래밍 시스템을 제안하였다.

Ⅱ. 로봇플랫폼

1. 언플러그드 로봇 코딩 인터페이스

언플러그드 코딩은 현재 저 연령층을 위해 시도되고 있는 SW 교육 방법 중 교육 대상 연령이 가장 낮으며, PC와 같은 SW제작을 위한 주변기기가 필요 없다는 장점이 있다. 이 가운데 로봇을 이용한 언플러그드 코딩은 다른 교보재가 필요 없이 로봇 플랫폼만으로도 코딩 교육을 할 수 있으며, 실시간으로 코딩 결과를 확인할 수 있다는 장점이 있기 때문에 언플러그드 코딩 교육 방법의 한 분야로 각광받고 있다. 다음 그림 1은 영국 RM Education이 개발한 비봇(BeeBot)으로 언플러그드 코딩 로봇의 가장 대표적인 예로 알려져있다.

그림 1. 비봇의 언플러그드 코딩 시스템

Fig. 1. BeeBot's Coding System

비봇은 2005년 출시 이후로 영국의 90% 이상의 유치원에서 유아를 위한 코딩 교육용 로봇 교구로 활용되어 로봇 플랫폼을 이용한 언플러그드 코딩 교육의 활용성을 검증하였다. 하지만 비봇과 같이 로봇 하드웨어에 코딩을 위한 인터페이스가 삽입된 형태의 로봇은 물리적 한계로 인하여 복잡한 코딩을 위한 다양한 인터페이스를 구성할 수 없다는 단점이 있다^[8]. 본 논문에서는 위와 같은 단점을 보완 및 개선하기 위하여 리모컨을 코딩을 위한 인터페이스로 활용하는 방법을 제안하였다. 리모컨은 IR방식의 리모컨으로 21개의 버튼으로 구성되어있으며, 각 버튼의 고유한 IR Index 값은 언플러그드 코딩의 코딩 시퀀스로 매핑된다. 다음 그림 2와 표 2는 각각 IR 리모컨의 도안과 버튼 값에 따른 로봇 제어 구문을 나타낸다.

그림 2. IR 리모컨 도안

Fig. 2. Design of IR remote control

표 2. IR Index에 따른 로봇제어

Table 2. Robot Control Method According to IR Index.

2. 로봇 H/W 구성

XBOT사에서 개발한 빙글S(Bingle-S)는 스마트 토이 로봇 플랫폼으로 유, 초등 연령의 SW교육 및 스마트 토이 기능을 위해 개발되었다. 빙글S의 메인 보드는 오픈소스 하드웨어인 아두이노 ESP8266 보드를 채용하였으며, DC모터, Servo모터, 각종 센서 등 다양한 입/출력장치가 내장되어있다. 다음 표 3과 그림 3은 빙글S의 기본 사양과 내장된 입/출력 장치를 나타낸다.

표 3. 빙글S 사양

Table 3. Specifications of Bingle-S.

 

그림 3. 빙글S 입출력 장치

Fig. 3. Appearance of Bingle-S

Ⅲ. 언플러그드 코딩 시스템

1. 언플러그드 로봇 코딩 시스템

기존의 로봇 플랫폼을 이용한 언플러그드 코딩 시스템이 단일 로직으로 구성되어있는데 반해 제안된 방식은 각자 독립된 코드 배열을 저장하는 4개의 로직으로 이루어져있으며, 리모컨 신호는 로봇 머리에 내장된 적외선 수신부를 통하여 입력된다.

입력된 코드는 프로그램 작성 모드에 따라서 메인, 분기 1, 분기 2, 분기 3 배열중 하나의 배열의 요소로 포함된다. 프로그램 작성 모드는 리모컨 버튼을 이용하여 결정할 수 있다. 또한 프로그램 작성 모드는 반드시 하나이며, 배열의 요소는 중복되어 입력되지 않는다.

2. 분기문 작성

분기란 프로그램의 핵심 요소 중 하나로 특정 조건의 참 또는 거짓에 따라 다음 실행할 로직을 결정하여 프로그램의 흐름을 제어하는 역할을 한다. 본 논문에서는 언플러그드 코딩에 분기문을 도입하기 위하여 로봇 플랫폼에 내장된 센서를 이용하는 방법을 제안하였다. 먼저 각 분기분의 조건을 판단 할 수 있는 센서를 선정한다. 본 논문에서는 메인 배열 이외에 3개의 분기 배열을 도입하였으며, 각 분기 배열의 조건을 판단할 센서로 각각 정면 및 바닥 IR센서, 마이크, CDS센서를 선정하였다. 분기문의 실행 조건은 각 센서의 센서 값의 문턱 값(Threah Value)에 따라 결정된다. 이때 분기 문의 기준이 되는 문턱 값은 실험을 통하여 획득한 최적 값을 사용하였다.

3. 프로그램 실행

프로그램의 실행은 리모컨의 실행 버튼 입력을 통하여 실행한다. 프로그램의 실행 순서는 메인 프로그램 배열을 기준으로 수행된다. 분기문의 실행 조건 판단은 현재 메인배열 종료 이후, 다음 메인 배열 실행 전에 수행한다. 분기문의 실행 조건은 각 센서의 센서 값을 바탕으로 결정하며, 분기 조건이 참일 경우, 해당 분기문 배열에 담긴 코드를 실행한다.

분기문 실행 조건 판단은 분기문1, 분기문2, 분기문3이 순차적으로 수행되며, 모든 분기문 조건이 False이 성립되면 다음 메인 코드가 실행된다. 이때 다음 메인 코드배열이 비어있으면 프로그램은 종료되고 메인 코드 작성 모드로 돌아간다. 다음 그림 4는 언플러그드 프로그램의 실행 흐름도이다.

그림 4. 언플러그드 프로그램 실행 순서도

Fig. 4. Flowchart of Unplugged Program Execution Process

Ⅳ. 실험 및 결과

제안된 리모컨 인터페이스 기반의 언플러그드 로봇 코딩 시스템의 실험은 초등학교 4학년 학생을 대상으로 실시하였다. 실험 방법은 리모컨 인터페이스를 활용한 언플러그드 로봇 코딩 시스템의 활용 방법 40분 수업 이후, 별도의 미션을 수행하는 방법으로 진행하였으며, 미션 해결까지의 시간을 측정하였다. 미션은 언플러그드 코딩을 이용하여 로봇의 각종 출력장치를 제어하고 목적지까지 도달하는 방식으로 구성되어있다. 다음 그림 5는 리모컨 인터페이스의 조작 방법과 해결해야하는 미션의 예제를 보여준다.

그림 5. 언플러그드 프로그램 교육 및 미션 예제

Fig. 5. Unplugged program training and mission examples

표 4. 실험 결과

Table 4. Simulation Result

Ⅴ. 결론

본 논문에서는 S/W 교육에 대한 인식의 변화로 인하여 날로 증가하고 있는 유, 초등 연령층에 적합한 S/W 교육 방법의 사회적 요구에 대응하는 방편으로 기존 로봇 플랫폼을 활용한 언플러그드 코딩 방식의 단점을 보완하며, 분기문의 개념을 도입한 새로운 방식의 언플러그드 로봇 코딩 시스템을 제안하였다.

본 논문에서 제안한 언플로그드 로봇 코딩 시스템은 코딩의 필수 요소 중 하나인 분기문의 개념을 도입하기 위하여 로봇에 내장된 센서의 센서 값을 이용하는 방법을 제안하였으며, 각 분기문은 각각 IR센서, CDS센서, MIC 센서에 의해 실행 조건이 결정된다. 또한 IR 리모컨을 로봇 언플러그드 코딩용 무선 인터페이스 장치로 활용하여 분기문의 도입으로 발생하는 복잡한 인터페이스 방식을 보완하였다. 차후 반복, 함수 등 프로그램의 필수 요소를 추가한다면 더욱 효과적인 언플러그드 로봇 코딩 시스템 개발의 가능성이 있음을 확인하였다.