한밭대학교기계공학과...

국내연구실 소개

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1. 머리말

대전에 위치한 한밭대학교 기계공학과의 지능형 제어 및 로

봇 시스템 연구실(Intelligent control & robotic systems lab,이하 ICRS 연구실)에서는 공학의 개념과 이론을 적용하여 다학제간융합된공학문제를해결하는데큰관심을갖고있다.

우리연구실의주요연구분야에는새로운로봇시스템의설

계, 제작, 제어및로봇응용분야가포함된다. 특히, 새로운차

원의적응성, 이동성및조작성을제공할수있는로봇시스템

의설계와모델링및제어에중점을두고연구를진행중이다.

우리 연구실은 또한 다양한 유형의 로봇 및 자율 시스템에 관

심을 갖고 있다. 여기에는 생물학적으로 영감을받은 로봇, 소

프트로봇, 진보된이동성또는조작성을갖춘로봇및산업응

용 분야가 포함된다. 현재 ICRS 연구실에서는 포닥/전임연구원 3명, 석사과정 1명, 학부과정 6명의 연구원이 각 분야에서다양한기초및응용연구를수행하고있다.

현재 우리 연구실에서는 형상기억합금 응용 구동기와 이를

응용한새로운생체영감(bio-inspired) 소프트로봇시스템, 소프트외골력(exoskeleton) 시스템, 인공지능/딥러닝기반시스템 모델링과 제어, 하이브리드 휠레그(wheel-leg) 모바일 로

한밭대학교기계공학과

지능형제어및로봇시스템연구실

김 영 식*(한밭대학교 기계공학과)

42소음·진동제30권 제2호, 2020년

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March 2020


봇, 무인 차량의 노면-타이어 마찰 추정 등의

연구과제를수행하고있다.

2. 주요 연구분야

2.1 형상기억합금액추에이터연구

ICRS 연구실에서는 SMA를 활용한 시스템의설계, 모델링, 제어, 응용에대한기술확보

하고 있다. 형상기억합금(shape memoryalloy; SMA)은 대표적인 스마트 재료이다.SMA는 온도 변화와 적용된 힘의 크기에 따라 결정구조(Martensite ↔ Austenite)가 변화한다. 이러한 상변화에 따라 SMA는 형상기억효과(shape memory effect) 및 초탄성

(super elasticity)의 고유한 특성을 갖게 된다. 이러한 특성을 이용하여 의료 및 로봇 등

다양한 응용분야에서 액추에이터로 적용되고

있다. 특히, 전통적인 모터와는 달리, 유연하

며 가볍고, 제한된 공간에서 다양한 구동이

가능하여 생체영감(bio-inspired) 및 소프트로봇의 액추에이터로 적합하다. 이에 이 연구

진은생체영감로봇및소프트로봇시스템을

위한 생명체의 근골격계에서 영감을 얻은 새

로운 SMA 회전 액추에이터(그림 1, 그림 2)를 개발하였다.

액추에이터의 기계, 전기, 열적 특성을 이해

하기 위하여 특성화 연구를 수행하였다. 현재

효율적제어를위하여구성방정식(constitutivelaw), 시스템식별(system identification), 딥러닝(deep learning, 그림 3) 등을 활용한 모델링 연구를 수행하고 있다. 또한 액추에이터

의 정밀 제어를 위한 진보된 제어 알고리듬

연구를수행하고있다(그림 4). 참고로그림 5

그림 1 SMA 회전액추에이터개념

그림SMA 회전액추에이터

그림 3 딥러닝기반의모델링

그림 4 SMA 액추에이터제어테스트환경



는 퍼지 모델 기반으로 개발된 PID 제어기를적용하여 외란이 존재하는 환경에서 액추에

이터의위치제어를수행한실험결과이다.

2.2 생체영감 로봇시스템연구

우리 주변의 해결하기 어려운 많은 공학문제

들을생체에서영감을얻은솔루션을적용하면

쉽게 해결할 수 있는 경우가 많다. 이에 우리

연구실에서는 진보된 이동성과 조작성을 제공

하기 위해 생체에서 영감을 얻은 다양한 로봇

스템의 설계, 제작, 모델링, 제어, 응용 연구를

수행하고 있다. 현재 스마트 액추에이터를 활

용하여 로봇 손가락, 로봇 손, 롤링 로봇(그림

그림 5 Fuzzy 모델기반 PID 위치제어결과

그림 6 Open-chain 형태소프트로봇테스트

그림 7 로봇손가락

그림 8 로봇손

그림 9 롤링로봇(SMARollbot) 이동성테스트

그림 10 휠-레그로봇

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6~그림 9) 등과함께가변형휠레그로봇시스템(그림 10)을개발하여진보된이동성과조작성을연구하고있다.

2.3 무인차량노면-타이어마찰추정연구

겨울철 방판길 등 미끄러운 노면을 주행하거

나또는급격한커브길을주행할때노면과차

량 타이어의 마찰을 고려하여 차량의 속도와

조향을 제어하는 것이 매우 중요하다. 무인차

량의 자율 주행에 있어도 차량의 주행 안정성

을 위해서는 노면과 차량 타이어의 마찰을 파

악하고, 이를 주행 제어에 고려하는 것이 반듯

이 필요하다. 횡방향 미끄러짐은 차량의 안정

성에 큰 영향을 미치고, 횡방향 마찰을 추정하

는것은또한상당히어려운문제이다. 이에우

리연구실에서는 ADD의지원을받아무인자율 차량(그림 11)을 위한 동역학 기반 노면-타이어마찰추정연구를수행하고있다.

차량주행중노면-타이어의마찰력을추정하

기 위해서 먼저 차량 시스템의 동역학과 운동

학을 분석하고, 모델링하였다. 차량 시스템은

크게 차량 차체, 현가장치, 휠로 구성되었다.

강체역학과각부위의상대운동을고려하여차

체, 현가장치와 휠의 동역학 운동방적식을 유

도하여 모델링한다(그림 8 참고). 그리고 타이어에 작용하는 마찰력을 고려하기위하여 Fiala모델 또는 Pacejka 모델(magic formula)를 적용한다. 현가장치는 강성과 댐핑을 고려하여

모델링한다.

그리고각종차량센서데이터의노이즈를제

거하여차량의속도, 가속도, 방향등의상태변

수들을 정확하게 추정하기 위해 칼만필터

그림 11 무인자율차량

그림 12 차량동역학모델링

그림 13 타이어마찰추정시뮬레이션결과


(Kalman filter)를적용한다. 차량동역학모델의시뮬레이션을통하여주어진입력에대하여

타이어에 작용하여는 종력, 횡력, 수직력을 모

두 추정하였다(그림 13 참고). 개발된 차량 동역학모델을바탕으로향후인공신경망(neuralnetwork)을 활용하여 마찰 계수를 효과적으로추정하는방법을연구할계획이다.

2.4 기타연구분야

위세가지분야이외에도로봇시스템의모션

제어, 칼만필터 기반의 센서 퓨전 등의 연구와

산학협력을 진행하고 있다. 또한 매년 IRC-SEOULTECH 등국내외로봇/설계대회에출전하여많은입상을하는등대외활동도활발

하게진행중이다.

3. 주요 연구장비소개

연구실장비로는로봇시스템의시제품및테

스트베드와 리그의 제작을 위한 다수의 3D프린터(FDM 및 DLP 방식)를보유하고있다. 로봇 및 자동화 시스템의 제어계측, HILS(hardware in the loop simulation) 및 RCP(rapid control prototyping)을 위한 dSpace1103 시스템과 NI(National Instruments)사의myRIO, compactRIO, myDAQ, compactDAQ장비와 모듈을 다수 보유하고 있다. 비접촉 온

도 측정을 위한 FLIR T420 열화상카메라 및모션분석을위한장비로 CASIO EX-F1 초고

속 카메라와 옵티트랙 Flex 13 기반 모션분석시스템을 보유하고 있다. 딥러닝 연구를 위한

전용보드인Nvidia Jetson xavier 보드등을보유하고 있다. 인간-기계 협업을 위한 인간의도

파악알고리즘연구및모션플래닝과제어연

구를 위한 플랫폼으로 Universal Robots사의협동로봇UR3를보유하고있다.

4. 맺음말

한밭대학교 ICRS 연구실은 진보된 적응성및이동성과조작성을갖는로봇및자동화시

스템의 설계, 제작, 모델링, 제어, 응용 연구를

다년간 수행하였고, 전문화 되어 있다. 특히,

형상기억합금의 로봇 응용과 생체영감 소프트

로봇 분야에서 많은 경험을 축적하였고, 학계

및산학협력에공헌해왔다. 앞으로도생체영감

소프트로봇연구를선도하여기술발전과인력

양성및국제연구협력에지속적으로기여할것

이다.

그림14 실험실장비


「기획 : 강재영 부문리더 [email protected]」

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