본 교재의 내용을 사용하고자 할 때는

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반드시 출처를 밝히고 사용해주십시오.

교재 기획 및 개발팀

백윤수 연세대학교

박현주 조선대학교

한혜숙 단국대학교

이경학 광주교대부설초등학교

최정욱 광주일동초등학교

적용 및 자문 협력진

이주림 광주일신초등학교

백빛 광주일신초등학교

이경인 광주일신초등학교

조아라 광주일신초등학교

삽화 및 편집 팀

백옥주 조선대학교

김나형 조선대학교

김건희 조선대학교

신선희 조선대학교

곽진원 Univ. of Illinois-Urbana Champaign

이은지 조선대학교

남연지 조선대학교

시뮬레이션 개발

심명훈 연세대학교

▮ 목차 ▮

1. 레스큐봇을 만나다! (재난과 로봇) ··· 1

2. 출동! 레스큐봇 (레스큐봇 만들기) ··· 19

레스큐봇을 만나다!

(재난과 로봇)

1~3 차시

초등학교 5,6학년

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[학생용 학생용 학생용 학생용 학생용 학생용 학생용 학생용] 학생용 학생용 학생용 학생용 학생용 학생용 학생용 학생용 학생용 학생용 학생용 학생용 학생용 학생용 학생용 학생용 학생용 학생용 학생용 학생용 학생용 학생용 학생용 학생용 학생용 학생용 학생용]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]

구멍 뚫린 남부 하늘... ‘거대한 물기둥’

◀ 앵커 ▶

오늘 피해가 커진 것은 짧은 시간에 말 그대로 물폭탄이 쏟아 졌기 때문입니다. 시간당 100mm가 넘는 기록적인 폭우가 쏟아 진 건데, 부산시 전체 면적으로 계산해보면 불과 한 시간 사이에 팔당댐 저수량의 1/3이 넘는 8천만 톤에 가까운 물이 시내에 쏟 아진 셈입니다. 영남지역을 강타한 폭우의 원인, 전동혁 기자가 분석했습니다. 

◀ 리포트 ▶

오전 10시, 전라도 상공에 짙은 청색으로 표시된 폭우 구름이 포착됩니다. 오후에 경상도로 옮겨가면서 급격히 커지더니 수직높 이가 여객기 고도보다 높은 16km까지 거대한 물기둥을 만듭니 다. 이 물기둥이 옮겨다니며 경남 고성에 시간당 95mm, 창원 117, 부산 130mm씩 비를 쏟아냈습니다. 부산의 경우 한 시간 만 에 거의 8천만 톤, 즉 팔당댐 저수량 1/3 정도의 물이 시내를 덮 친 겁니다.  반나절새 창원 269mm·부산 242·광양 172mm를 뿌렸 고, 특히 창원에선 8월 관측사상 한 시간 최고치를 경신했습니다. 

원인은 수증기·지형·온도의 폭우 3박자가 모두 집중됐기 때문 입니다. 먼저 한반도 서쪽 저기압과 동쪽 고기압이 남쪽의 막대 한 수증기를 펌프처럼 빨아들였고, 장애물 없이 바다 위를 지나 던 수증기는 남해안과 부딪히며 대량으로 쌓였습니다. 여기에 이 례적으로 남하한 영하 4도의 상층 찬 공기가 맞닿으며 물 폭탄 을 만든 겁니다. 기상청은 이런 집중호우가 또 발생할 수 있다고 경고했습니다. 

Ⅰ. 생각 열기

안전한 구조 활동 및 재난 대비를 효과적으로 할 수 있는 로봇을 구상하여 봅시다.

레스큐봇을 만나다!

(재난과 로봇)

STEAM

학생용

◀ OOO 예보관/기상청 ▶

"9월 초순까지도 찬 공기와 따뜻한 공기의 충돌로 인해 많은 비가 내릴 가능성이 있기 때문에…" 이번 비는 오늘 밤사이 대부 분 그치겠지만, 금요일엔 제주와 전남 지방, 다음 주 수요일엔 전국에서 다시 가을 장맛비가 쏟아질 전망입니다. MBC뉴스 000 입니다.

2014. 08. 25. MBC뉴스

자, 여러분, 이외에 어떤 재난 재해가 있는지 생각해 봅시다.

또, 재해 재난이 발생하였을 때 안전한 구조 활동과 재난을 대비 하기 위한 방법은 어떤 것이 있을지 생각해 봅시다.

- 위의 뉴스처럼 장기간 계속 비가 내린다면 어떤 상황들이 벌 어질지 정리해 봅시다.

- 여러분이 알고 있는 자연 재해와 인적 재난에는 어떤 것이 있는지 생각해 봅시다.

자연재해의

종류 자연재해의 발생과 피해 및 특징

Ⅱ. 우리가 해결해 보자.

■ (모둠활동) 대지진의 공포

영화 ‘대지진’은 23초 동안 27만 명이 사라진 중국 대지진 피해 의 심각성을 알리기 위한 영화입니다. 실제로 '대지진'은 '당산 대지진'의 실화로 남겨진 사람들의 고통과 감동을 담아낸 영화입 니다. 32년간 헤어졌던 일란성 쌍둥이 가족의 상처와 그리움이 진한 감동을 그려냈으며, 자연재해의 강력한 힘에 나약한 인간의 모습을 다루고 있습니다.

- 영화 ‘대지진’의 홍보 자료와 국가재난정보센터를 통해 지구 촌의 여러 자연재해에 대해 알아보고 자연재해의 발생과 피해 및 특징을 정리하여 봅시다.

인적재난의

종류 인적재난의 발생과 피해 및 특징

자연재해와

인적재난 해결 방법

- 인터넷 자료를 통해서 인재의 어떤 것이 있는지 인적재난의 발생과 피해 및 특징을 정리하여 봅시다.

- 앞으로 우리나라에서 발생할 수 있는 자연재해와 인적재난 을 예상해 봅시다. 그리고 이를 극복하기 위한 다양한 해결 방법에 대해 생각해 봅시다.

기발한 아이디어와 최첨단 기술로 무장한 로봇들이 전 세계에서 모여 재난 구조 업무를 수행하며 실력을 겨루는 대회인 '다르파 로보틱스 챌린지(DRC)' 결선에 출전할 한국 대표선수 로봇들이 확정됐다. 내년 6월 미국에서 개최되는 결선에는 버락 오바마 미 국 대통령도 참여할 것으로 알려져 전 세계의 이목이 더욱 집중 되고 있다.

5일 로봇업계에 따르면 한국산업기술평가관리원은 DRC에 참석 할 국내 3개팀을 선정해 총 35억을 지원키로 했다. 이로써 2015 DRC 국가대표 선발이 완료된 셈이다. 대한민국 로봇기술을 세계 에 알릴 선수는 지난해 본선 참가 전력이 있는 카이스트의 '레인 보우'팀, 로봇기업 로보티즈의 '팀 로보티즈', DRC에 처음 출전하 는 서울대학교 'SNU'팀이다.

앞으로 9개월 뒤 열리는 결선은 본선과 다르게 미션 수행시간이 30분에서 1시간으로 두 배 늘어났을 뿐 아니라 미션마다 주어졌 던 인터미션이 사라져 모든 미션을 릴레이로 수행한다. 재난구조 에 투입되면 겪게 될 실제상황에 가까운 환경으로 고도화됐다.

(2014. 09. 06. 신문기사)

[출처]

http://www.fnnews.com/view?ra=Sent0901m_View&corp=fnnews

&arcid=201409060100075260004035&cDateYear=2014&cDateM onth=09&cDateDay=05

■ (활동) 재해 구조 로봇의 필요성 알아보기

- 위험한 구조 활동에서 인간을 대신한 로봇들이 연구되고 있 습니다. 실제 일본의 원전 사고를 수습하기 우해서 다양한 로봇들이 투입되었다고 합니다. 현재는 인간을 대신해서 섬 세하게 작업을 하는 로봇은 아니지만 앞으로 지속적인 연구 가 이루어진다면 인간을 대신할 다양한 구조 로봇들이 상용 화되는 것을 시간문제일 것입니다.

- 다음 신문 기사를 읽고 함께 생각해 봅시다.

필요한

재해 로봇 분야 이 유

- 위의 신문기사를 읽고 어떤 분야 재해구조 로봇이 필요한지 자신의 생각과 이유를 써 봅시다.

[사진 출처 : http://sports.donga.com/]

[사진출처 : http://www.mbn.co.kr]

개의 다리가 달린 꽃게 모양의 다관절 무인탐사 로봇 '크랩스 터'입니다. 게처럼 울퉁불퉁한 바닥을 자유자재로 걸어다녀 조류 에 강하다는 장점을 갖고 있습니다. 초음파 카메라로 혼탁한 수 중에서도 전방 15미터 이내의 동영상 촬영도 가능합니다. 2개의 로봇팔로 물체를 들어올리거나 최대 반경 150m의 해저면을 3D 지도로 보여줍니다. 때문에 세월호의 복잡한 선체 상황을 파악해 잠수부가 접근하는데 큰 도움이 될 것으로 보입니다.

앞서 원격수중탐색장비 ROV를 투입했었습니다. 잠수부 대신 세월호 내부에 들어가 탐색할 수 있다는 점에서 기대를 모았지 만, 사고가 난 맹골수도의 조류가 거세 성과를 내지 못했습니다.

이 때문에 크랩스터가 내부 시험 중 긴급 투입됐지만 실전 투입 은 처음이라 기대와 우려를 동시에 안고 있습니다. 크랩스터는 첫 정조시간대 투입에 실패해, 두 번째 정조 시간에 다시 투입을 시도합니다.

[출처 : http://www.mbn.co.kr. 2014. 04. 25.]

- 재해 상황에 어울리는 로봇 기능을 글이나 그림으로 간략히 정리하여 봅시다.

- 세월호 구조에 나섰던 로봇 ‘크랩스터’에 대해 알아봅시다.

로봇 사진 로봇의 역할 및 기능

- 크랩스터 로봇이 작업하는데 있어 어떤 어려움이 있었고 이 를 해결하기 위해서 어떻게 해야 할까요?

■ (활동) 로봇의 정의와 구조로봇의 종류 알아보기

리하거나 작동하는 기계를 뜻합니다. 여러분이 영화나 만화 또는 일상에서 보았던 로봇에 대해 이야기해 보고, 인터넷을 검색하여 구조로봇의 종류와 역할 및 기능을 조사해 봅시다.

■ (활동) 레스큐봇의 필요성

- 위에서 살펴 본 여러 가지 재난 상황에서 발생할 수 있는 어 려운 문제들을 해결하기 위해 새로운 것을 개발해야 한다면 어떤 로봇을 만들고 싶나요? 그 이유도 함께 적어 봅시다.

- 모둠별 각자의 좋은 아이디어와 재난 상황 하나를 선택하여 레스큐봇을 만든다면 안전과 관련된 우리 생활은 어떤 변화 가 있을지 예상하여 봅시다.

구 분 내 용

친구들의 발표 내용 중 장점

개선해야 할 부분

개선 후 예상되는 점

■ (활동) 레스큐봇의 장점 발표하고 개선점 찾기

- 내가 기록한 내용을 발표해 보고, 다른 친구들의 발표를 듣 고 장점을 찾아 정리하고 내가 구상한 레스큐봇에서 개선해 야 할 점이 있는지 생각해 봅시다.

- 구조 로봇인 레스큐봇의 필요성을 다시 생각해 보고, 모둠별 로 구상하고 있는 레스큐봇을 개발 하는데 있어 궁금한 점들을 로봇 과학자에게 써 봅시다.

Ⅲ. 나의 생각 다지기

- 자신과 모둠원들이 함께 발표한 레스큐봇의 내용을 바탕으 로 평가를 하여 봅시다.

평가 방법

평가

영역 평가기준 평 가

상 중 하

자기 평가

감성적 체험

◆ 친구들과 아이디어를 공유하 며 개선점을 찾는 활동에 적 극적으로 참여하였는가?

창의적 설계

◆ 여러 재해 재난의 특징을 이 해하고 인간을 구조하기 위한 레스큐봇을 구상하였는가?

◆ 구상한 레스큐봇은 창의적이 었는가?

◆ 창의적인 상상력을 발휘하여 자기주도적으로 학습하였는 가?

동료 평가

감성적 체험

◆ 친구들과 아이디어를 공유하 며 개선점을 찾는 활동에 적 극적으로 참여하였는가?

잘한 친구 이름

Ⅳ. 새로운 도전

- ‘레스큐봇’은 위험한 재난 상황에서 인간을 보호하고 구조하 는 로봇을 뜻합니다. 이외에 우리의 미래 생활을 변화시키기 위해서 다양한 부분에서 로봇들이 개발되어지고 있습니다.

이러한 로봇이 제작된다면 우리 생활은 어떤 변화들이 있을 까요? 보다 더 행복한 삶을 위해서 로봇의 역할에는 어떤 것 이 있을까요?

도움 자료

활동을 위해 다음 자료를 참고하여 봅시다.

■ 싱크홀

전국 주요 도심지에서 갑작스러운 지반침하 현상이 자주 발 생해 ‘싱크홀(sink hole) 공포’가 커지고 있다. 싱크홀은 지하 암석이 용해되거나 기존 동굴이 붕괴해 생긴 움푹 팬 웅덩이 를 말한다. 안전행정부로부터 자료에 의하면 ‘싱크홀 발생 현 황’ 자료를 보면, 7월 28일 인천 중구 영종하늘도시에서는 지 름 35m에 달하는 초대형 지반침하가 일어났고, 8월 7일에는 대구 왕복 10차로 도로에서 깊이 1m의 도로침하가 발생했다.

8월 26일에는 폭우로 경남 창원시 대원동 하천 도로가 지름 1.5m, 깊이 1.5m 규모로 함몰됐다.

가장 많은 싱크홀이 발생한 지역은 수도 서울이었다. 서울 시는 지난 4년간 발견한 지름 2m 이상 싱크홀이 총 13개였 다고 발표한 바 있다. 원인은 공사, 상하수도관 파손, 장기간 압력 등이었으나 원인 미상도 5건에 달한다. 석촌지하차도에 선 8월 한 달 동안만 공동 7개가 발견됐고, 공동의 연장 길이 를 합치면 135ｍ에 달한다.

[출처]

http://weekly.donga.c om/docs/magazine/w eekly/2014/08/29/

하차도 밑에서 발견된 의문의 공동들은 지하철 9호선 공사 당시 계획했던 것보다 더 많은 양의 흙을 파내 생긴 것으로 잠정 결론짓고, 정밀 조사를 하고 있다. 조만간 최종 조사 결 과와 복구 방안 등을 발표하겠지만, 전국적으로 도로 지반침 하 현상이 보고되면서 싱크홀에 대한 우려도 커지고 있다. 이 는 비단 우리나라 문제만은 아니다. 미국 플로리다에서는 TV 를 시청하던 사람이 집 아래쪽에 갑자기 생긴 싱크홀에 빨려 들어갔고, 일본에서는 지진에 의해 지반이 변형되고 건물이 무너지는 사고가 발생했다. 특히 거대 지반 변형이 인구밀도 가 높은 도심지에서 갑작스럽게 일어나면서 많은 인명피해가 있었다.

싱크홀은 지반침하의 대표적인 형태로 갑자기 땅이 꺼지는 현상을 가리킨다. 지각을 구성하는 암석이 싱크홀을 만드는 지질 조건과 만났을 때 발생한다. 싱크홀이 많이 발생하는 미 국 플로리다 주의 지질은 석회암으로 구성돼 있다. 비가 오면 빗물이 지하로 유입돼 땅속에서 퇴적층을 받치고 있는 암반 (바위바닥)인 석회암에 도달하게 된다. 그리고 이들 빗물이 석 회암을 화학적으로 녹이는 ‘용식작용’을 일으켜 굴을 만들고, 이 굴 상부의 지반이 침하하면서 싱크홀이 생긴다.

지하수 이동도 싱크홀을 만드는 한 원인이다. 지하수가 흘 러가면서 지반 및 흙을 구성하는 미세한 흙 입자들을 옮겨 지반이 약해지는 것이다. 이때 지반 상부의 진동이나 무게를 견디지 못해 지반이 붕괴하는데, 특히 이런 현상은 도심지 내 혹은 지반 상부 구조물 등이 있는 장소에서 자주 발생한다.

우리나라 도심지에서 발생하는 싱크홀도 이런 원인에서 기인 했다고 볼 수 있다. 따라서 우리나라 역시 싱크홀에 의한 인 명피해가 예상되는 만큼 대책 마련이 시급하다.

그렇다면 도심지 지반 재해 피해를 예방하고 대처하려면 어 떻게 해야 할까? 가장 중요한 것은 도시에서 건설 공사를 할 때는 계획 단계부터 지형 변화나 지하수 흐름에 대한 사전 조사를 철저히 수행해야 한다는 점이다. 특히 지반침하 발생 가능성이 높은 석회암지역이나 충적층이 두꺼운 지역을 공사 할 때는 이들 지역을 ‘침하가능지역’으로 지정, 관리해야 한다.

건설 공사를 할 때는 도심 지역의 지질 및 지반 구조, 지하수

흐름에 대해 사전에 철저히 파악해야 한다. 그리고 이것들이 공정과 안전에 미칠 영향에 대해서도 충분히 검토해야 한다.

미국 플로리다 주에서 생긴 싱크홀 사례처럼 지하수에 잘 녹 아 지반침하와 붕괴에 영향을 미치는 석회 성분은 변성암과 퇴적암에서 나타난다.

바로 이런 이유로 국내도 결코 안심할 수 없다. 국내 암반 의 70%이상이 변성암과 퇴적암으로 구성돼 지반침하와 붕괴 가능성이 높은 까닭이다. 지반 조사 결과, 충적층이 두꺼운 지 역에서 공사할 때는 장기적인 침하가 우려되는 만큼 지반 계 측을 더욱 면밀히 수행해야 한다. 석회 성분을 포함하는 지반 과 암반에 대한 면밀한 전국적인 조사가 반드시 필요하다.

둘째, 외부 환경 변화가 발생하면 지반 변화와 움직임에 대 해 관찰하고 이에 대응할 수 있는 체계를 구축해야 한다. 공 사 전과 후를 지속적으로 관리할 수 있는 시스템을 만들어야 한다는 얘기다. 지반침하 현상은 지하수 흐름과 매우 밀접한 관련이 있다. 지하수가 토사층 내 흙 입자를 쓸어내 공동이 생기면, 상부 지반의 무게를 견디지 못하고 무너져 내린다. 주 로 석회 성분이 많은 지반과 충적층이 두꺼운 지반 조건에서 싱크홀이 자주 발생하므로 지하수의 수위 변동과 지반의 변

(사회간접자본) 시설물에 대한 장기적인 관리를 유도하는 상 태다.

하지만 도심지 건축물은 국가 주요 구조물과 비교하면 체계 적인 관리가 미흡하다. 따라서 지반침하나 붕괴로 재해가 예 상되는 지역들에 대해 재해위험지도(GEO-hazard map)를 작 성하고, 이들 지역에서 건설 공사를 착공하거나 진행할 경우 특별관리 대상으로 지정해 계측 및 모니터링을 강화함으로써 지반침하와 붕괴 위험에 대비해야 한다. 철저한 대비만이 싱 크홀 포비아(공포)에서 벗어나는 지름길이다.

■ 해외의 재해 재난 로봇의 개발 현황

해외에서도 재난 대응 로봇 개발 연구가 활발하다. 미국은 지난 1995년 오클라호마주 폭탄 테러 이후 로봇 활용이 검토 됐고, 9·11테러부터 본격적으로 활용하기 시작했다.

MIT가 만든 벤처기업인 아이로봇(iRobot)이 대표적인 회사 로, 미국에서 사용되는 지능형 로봇의 80% 이상을 제작 또는 디자인한다. 현재 미국에서 사용되는 구조용 로봇 제품도 국 립연구소가 개발한 정찰&폭발물처리 로봇 ‘래틀러(RATLER)’, 이라크와 아프가니스탄에서 2만건 이상의 폭발물 처리 임무 를 완료한 ‘탤론(TALON)’, 붕괴된 건물이나 유해 화학물질 유 출 현장에서 사람들을 구출하는 ‘VECNA’ 등 다양하다. 또 미 국 국방부 방위고등연구계획국은 일본 후쿠시마 원전 사태를 계기로 ‘로보틱스 챌린지’를 열고, 재난대응 로봇의 실현 가능 성을 확인하는 계기를 마련했다. 일본도 세계 최고 수준의 산 업용 로봇 기술 축적을 기반으로 서비스 로봇 분야 실용화에 활발한 연구개발을 진행 중이다.

특히 지난 1995년 한신대지진을 계기로 재난·재해 관련 로 봇에 대한 관심과 투자를 꾸준히 확대하고 있다. 일본에서도 인명탐색 로봇, 재난 복구시 장애물 제거를 위한 로봇, 초음파 이용한 장애물 감지기능이 있는 인명 구조 및 수송 로봇 등 이 사용되고 있다. [뉴스출처 : http://www.etnews.com]

해외의 재해 재난 로봇 개발

출동! 레스큐봇

(레스큐봇 만들기)

4~6 차시

초등학교 5,6학년

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[학생용 학생용 학생용 학생용 학생용 학생용 학생용 학생용] 학생용 학생용 학생용 학생용 학생용 학생용 학생용 학생용 학생용 학생용 학생용 학생용 학생용 학생용 학생용 학생용 학생용 학생용 학생용 학생용 학생용 학생용 학생용 학생용 학생용 학생용 학생용]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]

재난 구조 로봇 ‘레스큐봇’ 만들기 대회

2014년 OO월 OO일 2) 장소

본교 과학실 3) 목적

기계과학 상자를 이용하여 재난 상활에 어울리는 재난 구조 로봇을 만들기 위해 로봇의 작동원리를 이해하고, 창의적인 아이 디어로 미션에 최적화된 로봇을 개발하여 경진을 함으로서 창의 적 사고와 학문적 융합 능력을 신장시키는 데 목적이 있다.

4) 제공된 재료

기계과학상자 6호, 포스트 잇, 필기구, 4절지 2장 색연필, 자 5) 대회 진행 방법

① 재난 상황을 정하기

② 각 재난 상황에 맞는 미션수행하기

③ 창의적인 미션 수행 당 10점 부여

④ 교사 평가 체크리스트 점수 50점(항목별 10점)

Ⅰ. 생각열기

기계과학상자를 이용하여 재난 구조 로봇을 만들어 봅시다.

■ (활동) 모둠별 재난 상황 정하기

- 모둠에서 어떤 선택한 재난 상황과 그 이유를 써 봅시다.

출동! 레스큐봇

(레스큐봇 만들기)

STEAM

학생용

- 재난 상황에서 로봇은 어떤 일을 하는지 재난 상황의 특징과 관련지어 정리해 봅시다.

Ⅱ. 우리가 해결해 보자.

■ 레스큐봇 제작을 위한 작전 회의록

- 재난 구조 로봇 ‘레스큐봇’ 만들기 대회에서 우수한 성적으로 승리하기 위해서는 어떻게 미션들을 해결하면 좋을지 다양 한 방법에 대해 제안해 보고 그 방법에 대해 친구들과 토의 해 봅시다.

설계도 그리는 방법

1) 원과 선을 사용하여 레스큐봇의 형태를 입체적으로 그린다.

2) 기계과학상자의의 각 부품의 길이, 높이, 너비를 고려하여 설계한 레스큐봇의 길이, 높이, 너비를 나타낸다.

3) 그림이나 글을 이용하여 다양한 방법으로 설계도에 보충 내용을 일목요연하게 정리하여 봅시다.

설계도 작성시 확인 사항

1) 성공적인 미션수행을 위해 더 추가해야 할 것은 없습니까?

2) 미션을 수행하는데 불필요하거나 방해되어 제거해야 할 것은 없습니까?

3) 설계도를 그리며 느낀 점이나 새로 발견한 아이디어가 있 습니까?

- 재난 상황에서 로봇의 주로 어떤 일을 수행하는지 그림이나 글로 표현하여 봅시다.

■ (활동) 레스큐봇 설계도 그리기

- 다음 ‘설계로 그리는 방법’을 참고하여 미션 해결을 위해 설 계도 그리는 방법과 주의 사항을 읽고 레스큐봇의 설계도를 그려봅시다.

<설계도 그리기>

레스큐봇의 이름

앞에서 본 모습 옆에서 본 모습 위에서 본 모습

- 기계과학상자를 이용하여 레스큐봇을 제작하기 위해서 추가 로 필요한 준비물을 써 봅시다.

■ (활동) 기계과학상자란?

각종 기계 부품을 모방한 여러 가지 부품을 활용하여 단순 한 구조물부터 흥미로운 기계장치, 장비 등 다양한 모델을 조 립하는 과정에서 기구, 기계의 구조에 대한 이해와 작동원리 를 체험하는 교구입니다. 미션과 작동 원리에 따라 응용단계 과정이 다양하며, 한정된 힘의 모터를 가지고 모터와 기어비, 힘의 원리를 응용하여 거대하고 무거운 모델을 제작, 실습하 며 완전한 기계원리를 습득할 수 있게 됩니다. 아래의 사진은 로봇의 팔을 기계과학상자로 제작한 것입니다.

로봇팔은 제어 장치에 의해서 같은 작업을 반복적으로 하는 단순 작업을 할 수 있으며, 정밀한 작업까지 다양하게 활용될 수 있습니다. 여러 개의 관절과 각종 센서를 추가하여 장착하 면 사람의 팔과 같은 동작이 가능하게 됩니다.

<로봇팔 제작>

산업용 로봇은 로봇의 한 종류로서 인간을 대신하여 작업현 장에서 노동을 할 수 있는 있습니다. 특히 온도, 습도, 소음 등 작업환경이 나쁜 현장과 위험한 곳 등에서 인간이 싫어하는 일고 인간의 노동 능력을 초월한 극한 노동을 대신하여 인간 의 부주의로 생기는 실수를 방지하는 곳이나 인간의 노동을 보완하여 효율적으로 일을 하는 곳에서 사용할 수 있습니다.

레 스 큐 봇 만 들 기 준 비 안 내

<레스큐봇의 제작을 위한 모둠별 활동 안내>

1) 레스큐봇 제작을 위한 역할 분담하기

- 사용되는 기능 및 재난 상황 정리하기, 기계과학상자 조립하기 - 주요 기능 추가하기, 재난 상황 재연하기(모형이나 그림) 2) 설계도를 참고하여 미션해결을 위한 최고의 레스큐봇 만들기 3) 재난 상황에서 효과적으로 임무를 수행할 수 있는 레스큐봇을 만들어 작동 상황 점검하기

<산업로봇>

[출처 : 과학상자 조립 설명서, 00과학]

■ (활동) 레스큐봇 만들기

1. 역할 분담을 하여 레스큐봇을 효과적으로 제작합니다.

2. 자기가 맡은 역할에 최선을 다합니다.

3. 서로 배려하고 협력하는 태도를 가집니다.

4. 사용하는 도구는 조심히 다룹니다.

5. 레스큐봇 제작 후 주변 정리를 잘합니다.

1) 기계과학상자에 포함된 재료를 최대한 많이 사용하도록 한다.

2) 재해 재난 상황을 효과적으로 극복할 수 있도록 다양한 방법을 제안하도록 합시다.

3) 재해 재난 상황을 각 단계별로 나누고 주요 기능을 정하여 상황을 해결해 가도록 합시다.

4) 핵심 기능이 잘 드러나도록 레스큐봇을 제작하여 봅시다.

5) 주요 핵심 기능은 포스트 잇을 사용하여 간단히 기록하도록 합니다.

<모형 제작 시 유의사항>

문제점 및 보완사항

문제점 - 재난 상황에 적절한 레스큐봇을 구상하였는가?

- 레스큐봇의조건에 맞게 제작하였는가?

보완 사항

- 재난 상황에 적절한 센서를 사용하였는가?

- 구조 활동에 알맞은 모터를 사용하였는가?

- 창의적인 방법으로 센서와 모터를 사용하였는가?

■ (활동) 레스큐봇 작동 연습하기

- 제작한 레스큐봇을 이용하여 미션 상황 연습하여 봅시다.

- 미션상황에서 문제점을 찾아 정리하여 봅시다.

■ (활동) 재난 구조 로봇 ‘레스큐봇’ 대회

- 모둠별로 선택한 지진, 건물화재, 건물 붕괴 및 다양한 재난 상황 중에서 한 가지 상황을 선택하여 레스큐봇을 작동하여 봅시다.

평가 요소

재난 상황 설정

- 재난 상황에 적절한 상황을 설정하였는가?

- 재난 상황의 주요 특징을 잘 알고 정리하였는가?

주요 기능

- 재난 상황에 기능을 적절하게 사용하였는가?

- 재난 상황의 특징을 이해하고 구조 활동에 사용하였는가?

- 창의적인 방법으로 다양한 기능을 사용하였는가?

임무수행

- 임무를 수행하기 위해 효율적으로 기계과학상자를 이용하였는가?

- 다양한 방법으로 창의적으로 임무를 수행하였는가?

역할 분담

- 레스큐봇의 임무 수행을 위해 모둠원들과 역할을 잘 분배하였는가?

- 모둠원끼리 서로 협력하며 임무를 해결하는가?

- 다른 모둠별의 미션 수행을 보고 각 영역에 따른 내용을 평 가해 봅시다.

발표 재난 상황

평가

요소 평가 내용

재난상황 재난상황의 주요 특징을 바르게 이해하고 이를 활용하 였는가?

안전성 재난으로부터 인간을 안전하게 구조할 수 있게 제작했 는가?

창의성 적용한 과학 기술 내용이 독창적이고 참신한가?

문제해결 레스큐봇 로봇 제작 과정이 논리적이고 타당한가?

■ (활동) 레스큐봇 재설계하기

- 임무수행을 통해 다른 모둠의 아이디어를 공유하여 모둠에 서 제작한 레스큐봇을 재설계하여 봅시다.

재 설 계

재난 상황 설정 및 특징

주요 기능

임무수행

Ⅲ. 나의 생각 다지기

■ (활동) 레스큐봇 종합 평가하기

- 다른 모둠에서 발표한 레스큐봇의 기능을 다음의 기준에 맞게 평가해 봅시다.

<평가 기준과 내용>

(아주 좋음 : ◎ 좋음 : ○ 보통 : △)

모둠 재난상황 안전성 창의성 문제해결

Ⅳ. 새로운 도전

- 공상과학 영화 속에서는 우리가 생각하지도 못한 다양한 재 해들을 접하게 됩니다. 미래 사회에서 인간을 보호하고 구조 하는 로봇은 어떤 모습이며, 우주에서 사용하게 될 로봇의 기능에는 어떤 것이 있는지 생각해 봅시다. 여러분의 상상력 을 발휘하여 새로운 기능과 모양을 갖게 될 미래의 다양한 로봇을 설계해 봅시다.

활동을 위해 다음 자료를 참고하여 읽어봅시다.

■

다르파 로보틱스 챌린지(DRC)

미국 국방부 방위고등연구계획국(DARPA, 다르파)이 주관하는

‘다르파 로보틱스 챌린지(DRC)’다. DRC는 재난구조 로봇에 우 승 200만 달러의 상금을 걸었다. 일본 후쿠시마 원전 사고 때 와 유사한 상황에서 로봇이 문제를 해결할 수 있는지를 평가 하는 대회이다. 시나리오 상의 임무는 로봇이 인간의 명령을 일부 받으면서 사고가 난 원전 안으로 들어가 밸브를 잠그고 부품을 갈아 끼워야 한다.

채점 코스는 8가지다. ①로봇이 차량을 직접 운전해서 목표건 물 앞에 도착해서 스스로 하차한 뒤 ②100m 거리의 경사·둔덕·

자갈밭을 통과한다. ③건물 앞에 있는 십여 개 장애물을 치운 뒤 ④밀어서 여는 문, 당겨서 여는 문, 당겨서 열리지만 저절로 닫히는 문을 열고 들어가 ⑤사다리를 타고 2층으로 올라간다

⑥드릴이나 전기톱을 구해서 콘크리트벽을 뚫고 들어가 ⑦물 이 새는 냉각수 파이프를 찾아 끌어내어 ⑧밸브를 잠근 뒤 원 전을 탈출해야 한다.

■ 보행 지원 로봇의 상용화

만화에나 등장하던 로봇이 실생활에 적용되는 시대가 코앞으 로 다가왔다. 혼다는 최근 이족보행 로봇 `아시모(ASIMO)`에 적용된 기술을 활용한 보행지원 로봇을 개발했다. 허리와 무릎 에 장착해 고령자들이 쉽게 걸을 수 있도록 돕는 이 로봇은 내년 5월까지 실증 실험을 거쳐 상용 제품으로 선보일 계획이 다.

일본 주요 언론은 30일 혼다가 다리에 장착해 고령자의 보 행을 지원하는 보행 보조 로봇 `리듬 보행 어시스트`를 개발해 시제품을 일본 국립장수의료연구센터에 제공했다고 보도했다.

이 로봇은 벨트 모양으로 허리에 감싸는 부분과 무릎에 감는

[출처]

http://magazine.j oins.com/econom ist/article_view.as p?aid=302168]

[출처]

http://www.etnew s.com/201207300 299.

도움 자료

<혼다가 개발한 보행 보조 로봇

󰡐리듬보행어시스트‘>

부분으로 나눠져 있으며 좌우에 설치된 모터가 1㎏가량의 힘으 로 허벅지 부분을 앞뒤로 움직 이거나 다리를 밀어내 뒤로 보 내는 역할을 한다. 전체 무게는 2.4㎏이며 허리를 감싸는 부분 에 리튬 이온 배터리가 내장돼 있다. 혼다에 따르면 시속 4.5㎞

로 보행할 경우 1회 충전으로 1 시간 정도 사용할 수 있다. 각도 센서와 제어 시스템이 탑재돼 다리 움직임을 감지해 허벅지 부분 장치가 착용자의 움직이는 속도에 맞춰 동작하게 된다. 혼다는 국립장수의료연구센터에 시제품 40대를 제공해 고령자를 대상으로 실증 실험에 들어갔 다. 고령자 30여명을 대상으로 90분가량 실내외 보행을 진행해 보폭이 넓어지는 효과를 조사할 예정이다. 혼다는 지난 1999년 부터 보행 보조 로봇 연구를 진행해왔다.

초기에는 인간형 로봇 아시모의 모터 제어 기술을 활용했으 나 제어 장비의 무게가 32㎏에 달해 상용화에 어려움이 있었 다. 최근 모터를 개량해 고령자가 장착해도 큰 무리가 없을 정 도로 소형화에 성공했다. 국립장수의료센터는 걷기 운동능력이 현저히 감소한 노인들이 이 보조 로봇을 활용해 운동 기능을 원래 상태로 복구할 수 있을 것으로 기대했다.

2014 학문 분야 주제별 융합형 프로그램 개발 초등학교 5-6학년 학생용 교재

작성일 : 2014년 12월

작성자 : 연세대학교 백윤수 교수 연구팀

연락처 : 02-2123-2827