Instructor: Prof. S.J. Kwon

한국항공대학교 항공우주및기계공학부(E-mail) sjkwon@kau.ac.kr

http://mercury.kau.ac.kr/sjkwon

1

로봇공학(Robotics)Introduction

강의계획서2

강의계획서3

로봇공학 교과목 개요

Course Objectives

다관절형 로봇 매니퓰레이터에 대한 로봇기구학 해석 및 동역학모델링 방법을 학습한다.

로봇 제어를 위해서 요구되는 경로계획, 피드백 제어기 구성 및로봇 운동 시뮬레이션 방법을 학습한다.

또한 로봇 제작에 사용되는 센서와 구동기 및 비전시스템 등에대하여 소개한다.

본 과목을 통하여 향후 로봇공학 또는 제어 및 메카트로닉스 분야에서 활약하고자 하는 학생들에게 필수 기본지식과 연구 동기를 제공한다.

로봇 시뮬레이션을 위해서는 Matlab(또는 MFC)를 활용한다 .

Term Project

주어진 궤적을 추종하는 로봇제어 시뮬레이션 프로그래밍

4

5

로봇공학 교과목 학습내용

1 2

( , , ,

2

, , )

( , , ,

)

)n

x y z

Inve

Given desired end-effector pose

How to determine required joint angle

r

s

se kinematics

:

1 2( , , , )

( , ,

1)

, , , )

n

x y z

Given joint angles

How to determine

Forward kinematics:

end-effector pose?

: 3 roll, pitch,

yaw)

차원위치및 자세(

3)

Given joint torques

How to determine

Rob

join

ot dynamics:

t accelerati

ons?

4)

For a given end-effector path (trajectory)

How to determine joi

n

Trajectory Contro

t control tor

l:

ques?

Trajectory(end-effector pose)

6Term Project:Dynamic Simulation of Two-link Manipulator

Robot

Dynamics

K1(s)1

Command

dq

1 1,q q1e 1u

Kn(s)2e

2dq 2u 2 2,q q

Task space trajectory(end-effector)

Inverse kinematics

Path planning

Forward kinematics

1

1d

2

2d

정기구학

역기구학

로봇동역학궤적제어

궤적생성

7

로봇기술 현황 및 전망

Robot Technologies:The Present and Prospect

8

로봇의 역사와 정의

로봇의 역사

Robot의 어원 – 체코의 카렐 챠베크의 희극소설에서 사용한 체

코어 Robota에서 유래, 1920

최초의 산업용 로봇 - Unimation사의 Unimate (1960)

최초의 인간형로봇(Humanoid) - 혼다 ASIMO(2000)

로봇의 정의

Webster 사전의 정의: “An automatic device that performs

functions normally ascribed to humans or a machine in the form

of a human.”

컴퓨터 프로그램으로 움직이는 모든 기계

3대 기능: 감각능력(Sensing) + 인지능력(Cognotion)

+ 작업능력(Manipulation)

인간과 환경을 연결하는 Mechatronic Interface

9로봇산업의 패러다임 변화

산업용 로봇(제조업 용)

차세대 지능형 로봇

1980(1세대) 1990(2세대) 2000(3세대)

21세기는 인간 공존형 (차세대)로봇의 시대

비제조업용 로봇(건설, 의료/복지,

농업, 원자력, 전기가스 등.)

10지능형 로봇의 적용 분야

공장교통/건설

화재/방재

국방

농수산

Life line 유지보수

방범/경비

가정용

교육오락 인터넷 검색

정보서비스로봇

유비쿼터스로봇

노약자보조

의료/복지

생활지원(과기부)

첨단제조업(산자부)

극한작업필드

(산자부)

가정용(산자부)

정보서비스(정통부)

지능형로봇글로벌

이니셔티브

공장 자동화를 위한 산업용 로봇 11

용접용 로봇 매니퓰레이터 대중량물 핸들링 로봇

Automated Guided Vehicle (AGV) 모바일 매니퓰레이터

인간친화형 로봇의 등장 (2000년 이후)

Robodex 2003 출품작들

12

13최초의 휴머노이드(ASIMO)

- 1982년부터 개발 시작

- 힙(3DOF),무릎, 발목(2DOF),

- 어깨(3DOF), 팔꿈치, 손목(3DOF)

- DC 모터와 하모닉 드라이브로 구동

- 6축 힘센서와, 4대 CCD 카메라 장착

14Honda ASIMO

로봇 항공기(비행로봇, 드론, UAV)

정찰용, 군사용, 산불감시, 농업용, 배송 등의 목적

15

피자배달 드론

Top 10 Drones in the World

다양한 형태의 드론(고정익, 회전익, 헬기형, 쿼드로터형)

로봇 자동차(무인자동차, AGV)16

How do Google's self-driving cars work 장애인을 위한 Self-Driving Car

우주탐사 로봇 (Space Robot) 17

화성탐사로봇 Curiosity Rover

국제우주정거장 수리 로봇A Self-Repairing Space Robot

화성에 갈 휴머노이드 발키리

한국형 달탐사 로봇

근력증강로봇(Exoskeleton) 18

군사용, 장애인용, 노약자 보행보조를 위한 Wearable robot

Video

19극한작업 로봇사고 원전에 투입된 다양한 로봇들

2015년 DRC (DARPA RoboticsChallenge)에서 우승한

Hubo(한국 KAIST)

20

의료용 로봇

원격 수술용 로봇(다빈치)

Surgical Robot(daVinci)

생체모방로봇

• 생체모방공학(Biomimetics)• 생물체에답이있다! 생물체로부터배우자!는정신

• 생물체의구조와동작원리를학문적으로규명하여공학설계에활용하는분야

• 생체모방로봇(Biomimetic Robot)• 생물체의이동메커니즘을모방하여로봇설계에응용

• 육상로봇: 사람, 말, 개, 벌레등다리가있는생명체들을모방한 2족, 4족, 다족(다지) 로봇

• 공중로봇: 새와곤충의날개짓(Flapping)을모방한소형경량로봇, (예) Smart Bird, 잠자리로봇

• 수중로봇: 물고기의유영동작을모방한물고기로봇, 해저로봇

• 활용분야: 군사, 환경감시, 재난대비, 관상

21

지상생체모방로봇22

고속런닝로봇

뱀형로봇(Modular Snake Robot)

다족로봇

공중생체모방로봇23

스마트버드(독일 Festo) 장수풍뎅이(건국대) Mobee(하버드대)

AirPenguin(Festo)

iBird(UC 버클리대)

AirJelly 공중해파리로봇

수중생체모방로봇24

로봇물고기익투스

Aqua Ray(가오리) Aqua Jelly(해파리)

Aqua Penguin(펭귄)

Robofish G8

Robolobster

8 Advanced Robot Animals 25

현재 세계최고 수준의 보행 로봇26

Handle (미국 Boston Dynamics)아틀라스 (인간형 로봇)

빅독 (군사용 로봇) 치타 로봇 (미국 MIT)

스마트 로봇 환경27

스마트 로봇환경컴퓨팅

외부 네트워크

위치 검출 센서위치 계산 모듈 컴퓨터

로봇

사람

가구

책상

벽 문

컵

Active 카메라

로봇 센서 네트워크

Marker 태그 정보 인터페이스

이동로봇, 환경센서, 홈 오토메이션 시스템, 외부 IT 인프라, 인간사이의 유기적 인터페이스

Unknown Environment Known Environment

전자태그

전자태그

KISTI 미래유망기술 10선28

로봇기술!

로봇기술메카트로닉스기술

Mechatronics = Mechanics + Electronics

기계 + 전기전자 + 소프트웨어(컴퓨터)

29

새로운 로봇을 개발하려면?

1단계: 기구설계

-로봇 구상 및 스케치, 상세설계

-컴퓨터 이용 설계(CAD)

2단계: 컴퓨터 시뮬레이션

- 로봇의 성능 예측

- 로봇제어 소프트웨어

3단계: 시작품 제작

-기계 가공, 구동부 및 센서부

-제어 시스템

4단계: 실험적 검증

- 성능 검증을 통한 설계 수정

5단계: 상품화 개발

-제작단가 절감, 사용자 편의성

30

로봇의구성요소

바디부(로봇형상), 구동부(관절), 센서부(감각기관), 전원부(동력), 제어부(지능),

로봇 = 하드웨어 + 소프트웨어

31

로봇의 구성 요소32

구성품 기능 인간

1. 바디부: Manipulator(작업기능), Rover(이동기능)

링크, 조인트, 몸체 팔, 다리, 몸통

2. 말단부(End Effector): 작업용 도구 손, 발

3. 구동기(Actuator 관절 운동 근육

4. 센서(Sensor): 장애물 감지 감각기관

5. 제어기(Controller): 목표작업 수행 머리, 뇌

6. 소프트웨어(Software): 자동제어 인지 및 판단

7. 동력장치(배터리, 엔진) 에너지 공급 식량

1

2

3

4

56

7

33

지능형 로봇의 핵심기술

인지능력 Cognition (Intelligence)

• IT(정보), BT(지능, 감성)

•인지, 적응, 학습, 진화

• Communication

•오감:시각,청각,촉각,미각,후각

•위치, 속도, 힘측정• Localization

작업능력 Manipulation

• Actuators, Control

• Mobility, Navigation

감각능력 Perception (Sensing)

인간사회공존능력• Human-Robot Interaction

• Safety

로봇제어를위한핵심문제

1. 자기위치인식 (Localization)

• 로봇내부센서(Odometer, INS, Gyro) 이용

• 외부표식(Land mark) 및외부센서(GPS) 이용

2. 외부환경인식 (Environment Recognition)• 거리센서(초음파센서, 레이저파인더)

• 영상센서(카메라, 적외선센서)

3. 자율주행 (Navigation)• 실시간으로외부물체와의충돌및간섭을회피하면서원하는경로를따라감.

4. 작업기능구현 (Object Handling)• 로봇팔제어기술

• 로봇핸드제작, 힘제어기술

경기꿈의대학 “창작설계를통한지능형로봇의원리이해” 제3강로봇은어떻게움직이나?

34

Robotics Course:Manipulator(다관절 로봇) 기구학/동역학/제어

35

1 2( , , , )

( , , )

( , , , , , )

n

x y z

x y z

roll

1) (Robot Kinem

, pitch, yaw) (

atic

)

)

s)

(

로봇 관절의 각도 가 주어졌을 때

말단부(핸드)의 3차원 위치 와 자세각

( 을 계산하는 방법

말단부(핸드)의 위치와 자세 가 주어졌을 때

각 관절 각도를 계산하는 방

로봇기구학

정기구학

역기구학법

2) (Robot dyna s

mic )

각조인트 구동기의 입력 토크에 대하여

말단부의 속도 및 가속도 계산하는 방법

말단부(핸드)의 목표 속도, 가속도가 주어졌을 때

각 관절에 요구되는 필요 토크를 계

로봇동역학

산하는 방법

3) (Trajectory Planning)

로봇 말단부(핸드)의 3차원 이동 경로를

수학적으로 표현하

경로계

획

는 방법

경로계획및피드백제어

4) (Feedback Control)

로봇 말단부(핸드)의 이동 경로를 오차없이 추 종

피

하

드백 제어

는 방법

기구학및동역학

Robot Dog (4족보행)36

ATLAS Running37

2015 DARPA Robotics Challenge38