로봇공학 / 메카트로닉스공학과

로봇 기구학

Robot Kinematics

각 관절의 회전·이동 변환을 나타내는 행렬 를 순서대로 곱해 말단 장치의 위치·자세를 구하는 순기구학, 반대로 원하는 말단 위치를 만족하는 각 관절 각도를 역으로 풀어내는 역기구학(보통 여러 해가 존재하거나 비선형이라 훨씬 어려움).

ex) 로봇팔이 특정 좌표의 나사를 조이도록 6개 관절 각도를 계산하는 산업용 로봇 제어의 기초.

모터 및 액추에이터 제어

Motor & Actuator Control

DC모터·서보모터·유압 액추에이터 등 로봇을 실제로 움직이는 구동장치에, 인코더로 측정한 현재 위치·속도와 목표값의 오차를 PID 제어기에 넣어 전류·전압을 조정함으로써 원하는 토크와 속도를 정밀하게 만들어내는 폐루프 제어.

ex) 드론 프로펠러 모터가 자세 제어 명령에 맞춰 초당 수백 번 회전수를 미세 조정하는 것.

임베디드 시스템

Embedded Systems for Robotics

로봇 내부의 마이크로컨트롤러가 센서 값을 읽고 제어 알고리즘을 계산해 모터 명령을 출력하는 사이클을, 정해진 짧은 주기(보통 수 밀리초) 안에 반드시 끝내야 하는 실시간 제약 아래 프로그래밍하는 영역. 이 주기를 못 지키면 제어 루프가 불안정해질 수 있음.

ex) 로봇청소기 내부 칩이 센서 값을 읽고 바퀴 모터를 제어하는 반복 루프.

센서 응용

Sensor Applications

힘/토크 센서(접촉력 감지), 초음파·적외선 거리 센서, IMU(가속도·자이로로 자세 측정) 등 로봇이 주변 환경과 자기 상태를 인식하는 데 쓰는 다양한 센서를 목적에 맞게 선정·보정·융합해 활용하는 기술.

ex) 로봇팔이 물건을 집을 때 힘 센서로 너무 세게 쥐어 파손시키지 않도록 조절하는 것.

SLAM

Simultaneous Localization and Mapping

라이다·카메라로 주변을 관측하며 지도를 그려나가는 동시에, 그 지도 안에서 로봇 자신의 위치를 확률적으로(칼만필터, 파티클필터 등) 추정하는 기술. 지도가 있어야 위치를 알 수 있고 위치를 알아야 지도를 정확히 그릴 수 있는 상호의존 문제를 동시에 풀어야 하는 게 핵심 난제.

ex) 로봇청소기가 처음 방문한 집 구조를 스스로 파악해 청소 경로를 짜는 기술.

자유도

Degrees of Freedom (DOF)

로봇의 자세를 완전히 표현하는 데 필요한 독립적인 관절 변수의 개수. 3차원 공간에서 임의의 위치·자세에 도달하려면 최소 6자유도가 필요하며, 자유도가 많을수록 더 복잡한 동작이 가능하지만 제어와 역기구학 계산도 함께 어려워짐.

ex) 사람 팔이 어깨·팔꿈치·손목 관절을 조합해 6~7자유도로 자유롭게 움직이는 것과 유사한 산업용 로봇팔 설계.

피드백 제어

Feedback Control

센서로 측정한 실제 출력값과 목표값의 오차를 계속 계산해 그 오차를 줄이는 방향으로 입력을 실시간 조정하는 폐루프 제어 방식. 개루프 제어와 달리 외란(예상 못한 힘)이나 모델 오차가 있어도 오차를 스스로 보정할 수 있는 게 강점.

ex) 로봇팔이 예상치 못한 저항(물체에 부딪힘)을 만나도 자세를 다시 바로잡는 것.

매니퓰레이터 동역학

Manipulator Dynamics

단순히 관절 각도만 다루는 기구학과 달리, 각 관절을 목표 각도로 움직이는 데 실제로 얼마만큼의 토크 가 필요한지 계산하려면 로봇의 질량 분포에 따른 관성항 , 관절들이 동시에 움직일 때 서로 영향을 주는 코리올리·원심력항 , 중력을 버티는 데 필요한 중력항 까지 모두 고려해야 함. 이 방정식을 라그랑주 역학으로 유도해 각 관절 모터가 낼 토크를 미리 계산하는 게 정밀한 로봇 제어의 핵심.

ex) 무거운 물체를 든 로봇팔이 자세에 따라 각 관절 모터에 얼마나 다른 토크를 줘야 하는지 실시간 계산하는 것.

그리퍼와 파지 계획

Grippers & Grasp Planning

로봇이 물체를 손상 없이 안정적으로 집으려면, 물체 형상·무게·표면 마찰을 고려해 어느 지점을 어느 힘으로 잡을지(파지점)를 미리 계산해야 함. 힘을 너무 약하게 주면 물체가 미끄러지고, 너무 세게 주면 물체가 손상되므로, 힘 센서 피드백으로 실시간으로 조여지는 힘을 조절하는 적응형 파지 제어가 널리 쓰임.

ex) 물류창고 로봇이 형태와 무게가 제각각인 택배 상자를 각각 다른 힘으로 안정적으로 집어 옮기는 것.

협동로봇과 안전 설계

Collaborative Robots (Cobots) & Safety Design

기존 산업용 로봇은 안전펜스로 사람과 완전히 격리해 운용하지만, 협동로봇은 사람과 같은 공간에서 함께 작업하도록 설계되어, 힘/토크 센서로 사람과의 접촉을 즉시 감지해 충돌 즉시 정지하거나 힘을 제한하는 안전 기능이 핵심 요구사항. 국제안전표준(ISO/TS 15066)이 사람과 로봇이 부딪혀도 되는 최대 힘·압력 기준을 규정함.

ex) 작업자 옆에서 부품을 함께 조립하다가 손이 닿으면 즉시 멈추는 협동로봇 팔.