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교재 기획 및 개발팀
백윤수 연세대학교
박현주 조선대학교
한혜숙 단국대학교
이언범 서울 혜원여자고등학교
전병구 서울 혜원여자고등학교
적용 및 자문 협력진
김연귀 서울 혜원여자고등학교 박정훈 서울 혜원여자고등학교
김어진 경기오산중학교
민병욱 천안오성고등학교
주홍연 용동중학교
거꾸로 학습 및 삽화 개발팀
김건희 조선대학교
이은지 조선대학교
남연지 조선대학교
신선희 조선대학교
곽진원 Univ. of Illinois-Urbana Champaign
김나형 조선대학교
백옥주 조선대학교
▮ 목차 ▮
1. 로봇 허수아비, 새들을 쫓아줘!! (로봇구성모듈과 과학지식) ··· 1
2. 인공지능 (로봇의 제어 및 소프트웨어) ··· 15
3. 아이작 아시모프의 로봇 3원칙 (안전 및 윤리) ··· 23
로봇 허수아비, 새들을 쫓아줘!!
(로봇구성모듈과 과학지식)
1~5 차시
고등학교
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[학생용]
Ⅰ. 상황제시
외할아버지 댁에 놀러간 희주네 가족 야호~!! 방학이다!!
방학을 맞아 희주네 가족은 시골에 외가를 방문하기로 했어요.
자동차를 타고 먼 길을 달려 도착한 외갓집, 아직 외할아버지는 농사일에 한창 바쁘시네요.
“할아버지~~ 희주 왔어요~!!”
“아이구~ 우리 손주들~~ 할아버지 금방 일 끝내고 돌아갈테니 까 조금만 있어~ 할아버지가 맛있는거 많이 만들어줄텡께”
희주와 희은이는 논에서 외할아버지가 일하는 모습을 물끄러미 바라보고 있었어요.
그런데 이게 무슨 일일까요. 할아버지는 힘들게 일을 하시는데 참새가 곡식을 마구 쪼아 먹고 있는 것이 아니겠어요? 참새를 쫓 아내려고 세워 둔 허수아비는 말 그대로 허수아비였어요. 참새는 허수아비를 보고도 도망가지 않고 할아버지가 애써 지은 농작물 을 먹어대고 있었어요. 희주는 할아버지의 땀이 깃든 농작물을 새가 쪼아 먹는 것이 너무 안타까웠어요.
“새를 쫓아주는 로봇 허수아비가 있으면 좋을텐데...”
자, 여러분. 위의 상황에서 희주와 희은이는 할아버지를 돕기 위해 어떻게 하면 좋을까요?
로봇 허수아비, 새들을 쫓아줘!!
(로봇구성모듈과 과학지식)
STEAM
학생용
- 농작물에 피해를 주는 유해 조수는 어떤 것들이 있을까요?
조사하여 기록해 봅시다.
- 앞서 조사한 농작물 유해 조수를 효과적으로 쫓아낼 수 있 는 방법을 조사해 봅시다.
- 다양한 허수아비 모양을 찾아보고, 앞으로 제작할 로봇 허수 아비는 어떤 성능을 추가할지 간단히 표현해 봅시다.
※ 조수(鳥獸)
[명사] 새와 짐승을 아울러 이르는 말.
로봇의
종류 로봇의 형태와 움직임 움직임과
작업공간
Ⅱ. 로봇의 기능과 운동
■ (활동) 로봇의 형태와 활용도
- 로봇은 활용도에 따라 그 모양이 매우 다양합니다. 다음 모 양의 로봇들이 활용될 곳은 어떠한 작업인지 찾아봅시다.
그림 출처
직교형 로봇
http://jf505industrialr obotics.blogspot.kr/2 013/12/22-understan d-different-robot-des ign.html
원통형 로봇
http://jf505industrialr obotics.blogspot.kr/2 013/12/222-describe- cylindrical-robot.html
원통형 로봇 구동 영 상
https://www.youtube.
com/watch?v=O8jCrS fcYow
구면형 로봇
http://jf505industrialr obotics.blogspot.kr/2 013/12/223-describe- spherical-robot.html
관절형 로봇 (수평)
관절형 로봇 (수직)
■ (활동) 로봇의 움직임 찾기
관절형 로봇
http://jf505industrialr obotics.blogspot.kr/2 013/12/224-compare -between-selective.ht ml
■ (활동) 로봇의 동력원(액추에이터) 제작
- 로봇은 동력원이 없으면 작동하지 않습니다. 로봇의 동력은 바로 전기!! 전기로 어떻게 운동을 만드는지 봅시다.
- 자기장이 있는 공간에 도선에 전류가 흐르면 도선은 힘을 받아 움직입니다. 그러면 그러한 장치를 한 번 만들어 봅시 다.
■ 실험 방법
1. 에나멜선을 건전지나 다른 물건들을 이용해 동그랗게 여러 번 말고, 양 끝 부분은 고리 모양으로 감아 그림과 같은 모양으로 만든다.
2. 에나멜선의 코팅된 부분을 한쪽은 완전히 벗기고 다른 한쪽은 반만 벗겨낸다.
3. 그림과 같이 철사로 에나멜 고리를 받칠 지지대를 만들고, 지 지대의 끝 부분이 전지의 (+),(-)극에 서로 닿게 한 다음 네오디 뮴자석을 올린다.
4. 조금 더 빠르게 돌아가게 하려면 어떻게 해야할까요?
■ 준비물:
에나멜선, 네오디뮴
자석, 건전지, 건전지 케이스, 니퍼
■ (활동) 속도와 힘 중 어떤 것을 선택해야 하나?
(감속기)
- 우리가 가진 모터는 돌아가는 속도(분당 회전수)는 매우 많 아서 빠르게 돌아가지만 힘이 약합니다. 조금 더 강한 힘이 필요하면 어떻게 해야 할까요?
- QUIZ) (가)톱니와 (나)톱니에 각각 모터가 연결되어 있을 때 다른 쪽 톱니바퀴는 어떻게 회전할까요? 톱니바퀴 (가)와 (나)에서 서로 같은 값을 가지는 것과 다른 값을 가지는 것 을 서로 비교해 봅시다.
(가) (나)
같은 값 차이 나는 값
■ (활동) 회전운동을 직선운동으로 바꾸려면?
- 전기 모터는 회전밖에 모르는 부품이에요. 우리는 맨날 빙글 빙글 돌기만 하는 풍차 같은 운동만 원하는 것이 아니에요.
회전운동을 직선운동으로 바꾸려면 어떠한 장치가 필요할까요?
※ 여러 가지 동력 전달 방법1)
※ 링크 장치와 크랭크
■ (활동) 나만의 허수아비를 디자인하자
Mission) 이제 여러분은 로봇개발팀의 수석엔지니어입니다. 다음 네 가지 부분을 고려하여 어떤 허수아비를 만들 것인지 조원들 과 아이디어를 나눠 구상해 봅시다.
① 구현할 움직임과 의도
② 움직임을 구현하기 위한 설계
③ 추가 기능
④ 이동성
■ (활동) 허수아비 로봇 제작
- 이제 여러분은 허수아비 로봇의 시제품을 만들어야 합니다.
정해진 예산으로 의도한 성능을 발휘하는 로봇을 제작해야 합니다.
- 예산의 총액은 100원을 넘으면 안 됩니다.
- 부품과 가격
부품 가격
DC모터 건전지 실, 고무줄 하드보드지 프레임(10개)
기어박스 볼트 너트
체인 기어(2개)
- 실제 사용 내역
부품 단가 사용 수량 소비 금액
DC모터 건전지 실, 고무줄 하드보드지 프레임(10개)
기어박스 볼트 너트
체인 기어(2개)
총액
■ (활동) 다른 아이디어와 작품을 비평하기
- 로봇허수아비 박람회에 왔습니다. 다양한 로봇 허수아비가 농부들의 어려움을 덜어줄 것 같아요. 친구들이 제작한 로봇 의 성능을 장점과 단점을 비평해 봅시다.
좋은 점 아쉬운 점 흥미 있는 점
1조
2조
3조
4조
■ (활동) 비평을 수용하기
- 자~ 당신은 로봇개발 업체 CEO로 개발한 로봇을 박람회에 서 시연하고 가능하면 고객과 계약을 해야 합니다. 그런데 이 고객의 요구 사항이 만만치 않습니다. 많은 부분에서 고 쳐달라는 점도 있고, 마음에 드는 점도 있어 보입니다. 여러 분이 로봇 허수아비의 연구개발에 대한 총 책임자라면 어떤 부분은 어떻게 수용할 것이며, 고객은 어떻게 설득할지 고민 해 봅시다.
지적 사항
(고객 요구) 개선 방향 이유
Ⅲ. 나의 생각 다지기
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
◆ 전동기가 진동하지 않고 잘 작동하는가?
◆ 허수아비는 2가지 이상의 운 동 기능을 가지고 있는가?
◆ 제한된 예산을 벗어나지 않고 의도한 성능을 구현했는가?
동료 평가
감성적 체험
◆ 친구들이 지적한 성능과 디자 인에 대한 지적을 열린 마음 으로 수용하는 자세를 갖추었 는가?
잘한 친구 이름
Ⅳ. 새로운 도전
- 설계한 로봇이 효과적으로 기능하기 위해서 추가로 필요한 요소가 무엇인지 생각해 봅시다. 새 뿐만 아니라 다른 동물 들을 쫓아낼 수 있는 로봇도 설계가 가능한지를 상상해 봅 시다. 앞으로 여러분의 상상력을 발휘하여 새로운 기능과 모 양을 갖게 될 미래의 다양한 로봇을 설계해 봅시다.
인공지능
(로봇의 제어 및 소프트웨어)
6~7 차시
고등학교
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[학생용]
인공지능
(로봇의 제어 및 소프트웨어)
STEAM 학생용
1. 프롤로그
가. 알고리즘
원래는 인도에서 아랍을 거쳐 유럽에 보급된 필산(筆算)을 뜻하며, 아랍의 수학자 인 알콰리즈미(Alkwarizmi, 780-850)의 이름에서 유래합니다. 또한, 알고리즘은 수학 용어와 컴퓨터 용어 두 가지로 나누어 설명할 수 있습니다.
수학용어로서 알고리즘은 잘 정의되고 명백한 규칙들의 집합 또는 유한 번의 단 계 내에서 문제를 풀기 위한 과정입니다. 예를 들면, 주어진 정확도에 맞도록 x의 코사인 값을 계산하기 위한 대수적인 과정도 알고리즘에 해당된다. 경험적 지식 (heuristic)과 반대되는 용어입니다.
컴퓨터용어로서 알고리즘은 어떤 문제의 해결을 위해 컴퓨터가 사용 가능한 정확 한 방법을 말합니다. 알고리즘은 여러 단계의 유한한 집합으로 구성되는데, 여기서 각 단계는 하나 또는 그 이상의 연산을 필요로 합니다.
1. 65≥30 2. 나머지 5
2-1. 30과 5의 최대공약수 2-2. 30≥5
2-3. 나머지 0 2-4. 최대공약수 5
두 수의 최대공약수
알고리즘 65, 30의 최대공약수 순서도
나. 무인자동차
운전자의 개입 없이 주변 환경을 인식하고, 주행 상황을 판단하여, 차량을 제어함 으로써 스스로 주어진 목적지까지 주행하는 자동차를 말합니다. 일반용뿐만 아니라 장애인을 위한 보조수단, 군사용, 화물운송을 비롯하여 상업용 등 광범위한 분야에 서 사용될 전망으로 향후 자동차 산업을 이끌 기술로 주목을 받고 있습니다.
현재까지의 자율주행 자동차 기술은 고가의 라이다나 GPS를 활용하여 주변 환경 을 인식하고, 위치를 추정하고 있습니다. 또한 인식정보 처리 및 판단을 위해 여러 대의 컴퓨터 클러스터를 이용해 분산처리를 하고 있습니다. 조향이나 속도, 기어제 어를 위해서는 모터나 센서를 추가하는 등 개조를 통해 제어하고 있습니다.
최근 미래형 개인 교통수단에 대한 동향은 교통사고 저감을 위한 안정성, 도로에 서의 교통 효율성 및 연료 절감을 통한 환경 친화성, 어려운 운전을 도와주는 편의 성을 주요 요구사항으로 삼고 있으며, 현재 유명 자동차 제작업체와 구글 등 세계 적 기업에서 기술개발에 앞 다투어 노력 중입니다.
로봇체험
철수와 나는 눈이 안 보이는 시각장애를 갖고 있고, 철수는 지적장애까지 가지고 있는 중첩장애인입니다. 영희는 우리를 매 일 2시간씩 가사 및 동네산책을 도와주는 사회복지사입니다. 늘 영희가 우리를 데리고 동네산책을 다니는데, 철수와 나는 단둘 이 산책을 단 한 번도 가본 적이 없습니다. 만일, 영희가 없다면 우리들이 앞으로 어떻게 살아갈지가 걱정입니다. 영희 없이는 절대 산책을 다닐 수 없다는 것에 안타까워하던 영희는 이제 우 리를 위해 시각장애인 지팡이를 선물하고, 우리끼리 산책을 가 보도록 도전하려고 합니다. 오늘은 첫날이어서 영희가 뒤에서 주변지형을 설명해주면 우리는 영희의 설명을 듣고 동네 한 바 퀴를 돌아 집으로 돌아오려고 합니다. 과연 나와 철수는 영희의 설명을 듣고 동네를 산책할 수 있을까요?
2. 생각열기
다음의 글을 읽고 현재 직면한 문제들을 파악해 봅시다.
- 나와 철수는 어떤 외부자극을 인식하지 못할까요?
- 내가 생각하는 장애우는 어떤 기능을 상실한 사람들인가 요?
- 장애우는 어떤 도움을 필요로 할까요? 장애우가 원하지 않 는 도움은 무엇일까요?
- 각 역할별 처리과정을 토의해봅시다.
① 영희가 전달하는 정보(입력신호)를 나는 어떻게 인식하 고 받아들였나요?
③ 철수는 어떻게 움직여야 할까요?
Ⅱ. 한줄기차 게임수행하기
- 목적지까지 가기 위한 전략을 세워봅시다. (1단계 - 5단계)
Ⅲ. 로봇의 알고리즘 표현하기
- 로봇의 알고리즘을 순서도로 표현해 봅시다.
4. 평가 및 보상
모둠별 활동을 통해 자기/동료 평가를 하도록 합니다.
평가 방법
평가
영역 평가기준 평 가
상 중 하
자기 평가
감성적 체험
◆ 장애인의 아픔을 공감하고 도 와줄 수 있는가?
◆ 친구들과 아이디어를 공유하며 개선점을 찾는 활동에 적극적 으로 참여하였는가?
창의적 설계
◆ 입력정보를 처리하는 과정을 알고리즘으로 표현할 수 있는 가?
◆ 목적지까지 도달하기 위한 최 적의 경로를 산출하였는가?
동료 평가
감성적 체험
◆ 친구들과 아이디어를 공유하며 개선점을 찾는 활동에 적극적 으로 참여하였는가?
잘한 모둠 이름
창의적 설계
◆ 최적의 알고리즘을 만들기 위 해서 신호처리과정을 효율적으 로 만들었는가?
아이작 아시모프의 로봇 3원칙
(안전 및 윤리)
8~10 차시
고등학교
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[학생용]
Ⅰ. 프롤로그 가. 로보캅
인간의 뇌를 제외한 나머지는 로봇공학으로 만들어진 경찰, 그는 로봇일까? 아니면 인간일까?
인간을 보호하기 위해 만들어 진 로봇은 주어진 임무에 충실 하다. 데이터베이스를 활용하여 군중 속에 숨어있는 범죄자를 발견하여 통제하고, 필요하다면 범죄자를 즉각 처벌할 수 있다.
이때, 임무에 충실한 로봇은 범 죄자를 처리하기 위해 필요한 경우라면 살상도 가능하다.
만약, 범죄자를 처리하는 과정 에서 잘못된 판단을 하여 처리 한 경우 우리는 이 로봇을 어 떻게 처리해야 할까?
나. 미란다원칙
미란다 원칙(Miranda 原則, Miranda rule, Miranda warning, Miranda rights)이란 수사기관이 범죄용의자를 체포할 때 체 포의 이유와 변호인의 도움을 받을 수 있는 권리, 진술을 거 부할 수 있는 권리 등이 있음을 미리 알려 주어야 한다는 원 칙이다. 1966년 선고된 미국 미란다 대 애리조나 판결 (Miranda v. Arizona 384 U.S. 436)에서 유래한다.
아이작 아시모프의 로봇 3원칙
(안전 및 윤리)
STEAM
학생용
1) 피의자는 묵비권을 행사할 수 있다.
2) 피의자의 모든 발언이 법정에서 불리하게 작용할 수 있 으며
3) 피의자는 변호인을 선임할 권리가 있다.
대한민국 헌법 제12조 제2항에서 ‘모든 국민은 고문을 받지 아니하며 형사상 자기에게 불리한 진술을 강요당하지 아니한 다.’고 하여 진술거부권을 명문으로 규정하고 있으며 2007년 형사소송법 개정 시 제244조의 3을 신설하여 검사 또는 사법 경찰관은 피의자를 신문하기 전에 다음의 사항을 알려주도록 규정하였다.
1) 일체의 진술을 하지 아니하거나 개개의 질문에 대하여 진술을 하지 아니할 수 있다.
2) 진술을 하지 아니하더라도 불이익을 받지 아니한다.
3) 진술을 거부할 권리를 포기하고 행한 진술은 법정에서 유죄의 증거로 사용될 수 있다.
4) 심문을 받을 때에는 변호인을 참여하게 하는 등 변호인의 조력을 받을 수 있다.
다. 재판진행절차 (형사소송절차)
라. 공소장
로봇의 역습
인공지능을 가지고 있는 경비로봇이 우리 집에 왔다. 이 경비로 봇은 침입자를 판단하고, 필요한 경우 침입자를 공격할 수 있는 능력도 가지고 있다. 또한, 인공지능을 가지고 있어서 학습이 가 능하고 새로운 정보들을 조합할 수 있는 능력도 가지고 있다. 어 느 날, 경비로봇은 학습과정에서 사랑이라는 감정을 학습하였고, 내 여동생을 사랑하게 되었다. 어느 날, 여동생을 혼내던 아버지 를 본 경비로봇은 내 동생을 보호해야 한다는 판단하여 아버지를 때려 갈비뼈가 부러지게 하였다. 이 경비로봇을 제지하려는 엄마 와 나를 감금하려고 하고 있다. 놀란 나는 112에 전화를 걸어 경 찰에 신고하였는데...
마. 아이작 아시모프의 로봇 3원칙
1) 로봇은 인간에 해를 가하거나, 혹은 행동을 하지 않음으 로써 인간에게 해가 가도록 해서는 안 된다.
2) 로봇은 인간이 내리는 명령들에 복종해야만 하며, 단 이러 한 명령들이 첫 번째 법칙에 위배될 때에는 예외로 한다.
3) 로봇은 자신의 존재를 보호해야만 하며, 단 그러한 보호가 첫 번째와 두 번째 법칙에 위배될 때에는 예외로 한다.
Ⅱ. 생각 열기
- 112에 신고할 수 있는 사건은 무엇이 있을까요?
- 경찰이 경비로봇을 처리(훈방, 연행 등)하는 법적 근거에 대 해 논의해 봅시다.
- 프로그램화된 로봇이 사고하는 능력을 얻을 때 발전 가능 한 분야에 대해 토의해 봅시다.
- 인공지능 로봇이 인간을 위험하게 하는 경우의 제재방법에 대해 토의해 봅시다.
Ⅲ. 생각 펼치기
가. 피의자 신문조서 만들기
- 피의자 신문조서에 있어야 할 내용은 무엇이 있을까요?
- 피의자 신문조서를 만들어 봅시다.
나. 공소장 만들기
다. 검찰의견 VS 변호의견 정리하기
- 모둠별로 검찰(or 변호인)의 의견을 정리하여 각 의견을 정 리해 봅시다.
라. 모의재판 진행하기
- 검사와 변호인의 심리를 듣고, 판결문을 작성해 봅시다.
Ⅳ. 생각다지기
가. 로봇운영의 기본원칙 수립하기
- 공판과정에서 나타난 로봇운영의 문제점을 확인하고, 향후 필요한 기본원칙을 세워봅시다.
2014 학문 분야 주제별 융합형 프로그램 개발 고등학교 학생용 교재
작성일 : 2014년 12월
작성자 : 연세대학교 백윤수 교수 연구팀
연락처 : 02-2123-2827
