메커니즘(Mechanism) 학습의 새로운 접근방법~[도서] 레고로 배우는 기계 운동 원리 152

 

 

바야흐로 1인 1 로봇 시대가 점점 다가오고 있습니다. 이제는 누구나 휴머노이드 로봇으로 친구들과 대전 게임을 하거나 로봇 키트로 자신만의 로봇을 창작하고 즐길 수 있게 되었습니다. 또한 가정용 로봇 청소기를 이용하면 방을 청소할 수 있고 프로그램을 수정해서 다른 용도로 활용하는 것도 가능해졌습니다.

 

이러한 시대적 흐름에 맞게 로봇에 대한 관심과 교육의 필요성이 그 어느 때보다도 증가하고 있습니다. "어떻게 하면 누구나 로봇을 쉽고 즐겁게 배울 수 있을까요?"라는 질문을 던지면서 현재의 문제점과 해결 방법을 찾기 시작했습니다.

 

로봇 분야는 수십 개의 학문이 융합된 전문가 그룹의 영역입니다. 여러 분야의 이론적인 지식을 골고루 습득해야 하고 다양한 경험을 필요로 합니다. 복잡하고 어려워서 일반인이 관심과 흥미만 가지고 접근하기에는 한계가 있습니다. 특히, 로봇 설계에서 큰 비중을 차지하는 기구부의 동력 전달 과정을 정확히 이해하고 설계하는 것은 쉽지 않은 일입니다.

 

세상 속에서 움직이고 작동하는 것은 모두 탐구의 대상이 될 수 있습니다. 기구, 장치, 작동완구, 기계, 로봇 등을 자세히 살펴보면 다양한 부품이 상호 조합되어 일정한 운동을 한다는 것을 알 수 있습니다. 로봇의 구조와 운동이 아무리 복잡하더라도 간단한 기계요소와 메커니즘의 조합이라고 할 수 있습니다. 따라서 움직이는 사물을 이해하기 위해서는 메커니즘에 대한 기본적인 지식이 반드시 필요합니다. 메커니즘은 사전적 의미로 다음과 같이 정의됩니다.

 

​메커니즘(Mechanism)

= 기구(機構), 기계의 구조, 기계적으로 구성되어 있는 조직

= 어떤 사물이 어떻게 작동하는 원리

 

우선 메커니즘(기구)을 배워야 하는 이유에 대해 2가지를 말씀드리고 싶습니다.

첫 번째, ​다양한 메커니즘을 정확히 이해하고 있으면, 현실 세계의 사물이 창의적이고 과학적으로 작동한다는 것을 배울 수 있습니다.

현실 세계에는 수많은 메커니즘이 존재합니다. 너무 복잡해서 인간으로서 극히 생각해 낼 수 없는 메커니즘부터 반대로 겉보기에는 간단한 것 같지만 역시 쉽게 생각해 낼 수 없는 메커니즘까지 아주 다양합니다. 그래서 예나 지금이나 세상에 없었던 메커니즘을 발명하고 이를 활용한 장치는 대부분 특허 대접을 받았습니다. 우리가 메커니즘을 어렵게 느끼는 이유는 바로 높은 수준의 창의력으로 발명되었기 때문입니다. 따라서 다양한 메커니즘을 배우고 이해하는 과정에서 창의적이고 과학적으로 생각하는 능력을 키울 수 있습니다. 로봇을 쉽고 즐겁게 배울 수 있는 능력을 갖추게 되는 것입니다. ​

 

두 번째, 다양한 메커니즘을 알고 있으면, 자신이 처한 상황에 적합한 부품을 선택하고, 필요한 동작을 구현하기 위해서 합리적이고 효율적으로 메커니즘을 선택하고 조합하고 응용할 수 있습니다.

로봇을 만들 때 우선적으로 고려해야 하는 것은 움직이도록 하는 것입니다. ​이 때, 어떤 부품을 사용하고 어떻게 움직이도록 할 것인지 로봇의 구조를 설계해야 하는데 메커니즘에 대한 기본 지식이 없다면 정말 어려운 일입니다. 따라서 다양한 메커니즘을 배우고 이해하는 과정에서 메커니즘을 분석하고 고안하는 방법에 대한 지식을 습득할 수 있습니다. 과학적이고 창의적인 로봇을 만드는 능력을 갖추게 되는 것입니다.

 

21세기 지식 정보화 시대가 되면서 책뿐만 아니라 인터넷을 통해 애니메이션이나 동영상을 보면서 다양한 메커니즘을 좀 더 효율적으로 배울 수 있게 되었습니다. 하지만, 아무리 메커니즘에 대한 지식과 정보를 많이 알고 있어도 현실 세계에서 실제로 적용할 수 있는 것으로 만들려면 단순히 보고 듣는 것에서 끝나지 않아야 합니다. 기계 구조의 메커니즘을 제대로 배우기 위해서는 이론 지식뿐만 아니라 반드시 실습 과정이 필요합니다. 여러 가지의 기본 메커니즘뿐만 아니라 이를 변형하고 조합하고 응용한 메커니즘까지 모형으로 직접 만들어 보는 것이 중요합니다. 백 번 듣는 것보다 한 번 보는 것이 좋고, 백 번 보는 것보다는 한 번 만들어 보는 것이 더 좋다는 말이 있습니다. 자전거, 수영처럼 몸으로 배운 지식은 한 번 배워두면 평생 활용할 수 있기 때문입니다.

 

과거를 돌이켜 보면 저자도 대학시절 꿈 많은 기계 공학도였습니다. 당시에는 메커니즘에 대한 지식을 거의 대부분 책을 통해서 얻었습니다. 책에서 제공하는 정보의 양도 많지 않았고 내용도 어려워서 책의 그림만 보고 이해하는 것이 결코 쉬운 일이 아니었습니다. 기계가 움직이는 원리를 이해하기 위해 2차원 평면의 흑백의 그림이 움직이는 것을 머릿속으로 홀로 상상하면서 배웠습니다. 실습 없이 이론으로만 배웠기 때문에 완전히 이해하지 못했고 이렇게 배운 지식은 시간이 지나면서 다 잊어버리고 결국 사용할 수 없게 되었습니다.

 

메커니즘에 대한 이론 지식을 쉽게 얻을 수 있는 세상이 되었지만, 아직도 모형에 대한 실습을 체계적으로 할 수 없는 것이 현실입니다. 이러한 이유로 로봇을 실습할 때 기구학적으로 간단한 동작을 하는 테스트 로봇을 몇 가지 만들어 놓고, 주로 프로그램을 작성해서 움직임을 제어하거나 소프트웨어와 관련된 과제를 수행하고 있습니다. 로봇을 제어하는 프로그래밍 실력은 계속 늘고 있지만 기구를 설계하는 능력은 걸음마 단계를 벗어나지 못하고 있습니다.

 

그래서 "어떻게 하면 현실 세계에서 작동하고 있는 과학적이고 창의적인 메커니즘을 쉽고 즐겁게 배울 수 있을까?"라는 주제로 많은 고민과 연구를 했습니다.

우선 공학적으로 설계되고 다양한 종류의 정밀한 기계요소 부품이 필요했습니다.

다음으로 동력을 전달하기 위해 기계요소를 조합해서 상대운동 하는 기계 구조를 모형으로 만들 수 있도록 도와주는 콘텐츠가 필요했습니다. 결국, 실습용 교구와 실습용 콘텐츠의 2가지가 필요하다는 결론을 내리게 되었습니다.

 

우연히 레고 마인드스톰으로 창작 로봇을 만드는 과정에서 몇 가지 메커니즘을 모형으로 직접 만들어 볼 기회가 있었습니다. 구하기 쉽고 가격도 합리적이어서 메커니즘을 소개하는데 유용한 도구라는 생각이 들었습니다. 뿐만 아니라 좀 더 다양하고 복잡한 메커니즘을 실제로 구현해 보고, 이를 응용한 간단한 장치를 만들어 보면서 실습용 교구로 활용해도 좋겠다는 확신을 가질 수 있었습니다. 저자의 네이버 블로그에 소개된 대부분의 모형은 이렇게 실습용 교구를 찾고 검증하는 과정에서 만들어진 것들입니다.

 

다음으로 메커니즘에 대한 이론 지식을 실습할 수 있는 전문 콘텐츠를 찾아보았습니다. 하지만 원하는 내용의 맞춤형 콘텐츠를 구하는 것은 상당히 어려웠습니다. 이점이 저자가 콘텐츠를 직접 기획하게 된 강력한 동기가 되었습니다. 전시회용 출품작이나 전문가들을 위한 복잡한 기계와 로봇을 만들기 위한 콘텐츠가 아니라, 이해하기 쉬운 내용의 다양한 모형을 직접 만들면서 누구나 쉽고 즐겁게 배울 수 있는 콘텐츠를 만들기로 결심한 것입니다. 이때부터 일상생활, 산업현장, 전시회, 교육현장, 놀이공원, 책, 인터넷 등에서 콘텐츠의 소스가 될 만한 아이디어, 정보, 기술 자료를 찾기 시작했습니다. 이렇게 수집한 자료와 레고 테크닉이라는 부품을 조합하고 응용하는 과정에서 "레고로 배우는 기계의 운동원리“라는 주제로 콘텐츠를 제작하게 되었습니다.

 

저자는 콘텐츠를 기획, 제작, 집필하는 과정에서 레고 테크닉 부품으로 많은 모형들을 직접 만들어 보았습니다. 다양한 모형을 만들고 수동으로 작동해보고 유심히 관찰하는 과정에서 손끝으로 힘과 운동이 미세하게 전달되는 것까지 느끼면서 작동원리를 더 쉽고 빠르고 정확하게 이해할 수 있었습니다. 또한 기본적인 메커니즘을 찾고 변형하고 조합하고 응용하는 과정에서 언어와 문자로는 도저히 설명할 수 없는 노하우와 생생한 진리를 깨달을 수 있습니다.

 

기계를 구성하고 있는 개개의 최소 단위인 기계요소를 조합하면 기구(메커니즘)가 됩니다. 이 기구를 조합하고 응용하면 장치, 기계, 로봇이 됩니다. “레고나 과학상자와 같은 조립식 부품도 좋고 캐드로 설계해서 3D 프린터로 출력한 부품도 좋습니다. 주변에서 구하기 쉽고 정밀한 기계요소를 사용해서 다양한 기구를 모형으로 직접 만들어보고 실습하는 기회를 가져보시길 바랍니다." 기구를 찾고 조합하고 응용하는 과정에서 자신만의 창작 로봇 또는 발명품을 만들기 위한 유용한 정보, 아이디어, 지식, 경험 등을 얻을 수 있을 것입니다. 또한 부족한 기구 설계 능력과 풍족한 프로그래밍 기술 사이에 균형과 조화를 이루게 되어 특수한 기계장치, 가정용 서비스 로봇, 산업용 로봇, 모바일 로봇 등과 같이 더 흥미 있고 진보된 로봇을 창작 및 발명하는데 실질적으로 많은 도움이 될 것입니다.

 

이와 같은 이유로 이 책에서 소개하는 150여 가지의 기구 모형을 활용하면 누구나 쉽게 현실 세계의 사물이 움직이는 원리를 온 몸으로 체험하면서 직관적으로 배울 수 있을 것으로 생각합니다. 따라서 이 책이 독자 여러분에게 메커니즘을 이해하기 위한 실습용 콘텐츠로 유용하게 활용되기를 기대하며 아울러 많은 관심과 아낌없는 조언을 부탁드립니다.

 

레고로 배우는 기계의 운동원리 152 : 네이버 도서

 

[업데이트중][작동영상 모음 p.405] 도서 '레고로 배우는 기계의 운동원리 152' 개정판에서 다루는

 

[조립설명서 모음 p.405][도서]"레고로 배우는 기계의 운동원리 152"에서 다루는 모형별 조립설명서