부분공간 예측 제어(Subspace predictive control, SPC)는 입력-출력 측정값을 활용하여 명시적 모델 식별이 필요 없이 시스템의 향후 거동을 예측하는 데이터 기반 제어 전략이다. 기존 SPC는 알려지지 않은 입력 교란에 취약하여 제어 성능이 저하되고 정상상태 오차가 발생한다. 이러한 한계를 해결하기 위해 본 논문은 상태공간 표현을 내부모델 원리(IMP)를 통해 보강함으로써, 일정한 입력 교란의 영향을 본질적으로 완화하는 강건 SPC 방법을 제안한다. 이러한 보강은 별도의 교란관측기(DOB) 설계 없이도 적분 작용을 달성할 수 있게 한다. 제안 방법은 교란 억제를 향상시키기 위해 데이터 기반 알고리즘에 보조 교란을 도입하는 데이터 기반 프레임워크로 구현된다. 전달함수 분석을 통해 제안된 강건 SPC가 상수 교란을 제거하면서도 DOB의 역할을 유지함을 확인한다. 두 관성계(two-inertia system)에 대한 실험적 검증 결과, 제안된 방법은 기존 SPC에 비해 기준 추종(reference tracking) 성능을 유의하게 향상시키며, 추가적인 모델링 복잡성 없이도 교란 억제에서 효과적임을 입증한다.

이 논문은 볼 스크루 기반 시리즈 탄성 액추에이터 구동 현가장치(BSSEA-S)와 객실(카빈) 상하(heave) 가속도 진동을 억제하기 위한 제어 프레임워크를 제시함으로써 차량 승차감을 향상시키는 것을 목적으로 한다. 기존의 볼 스크루 기반 강성 액추에이터 구동 현가장치(BSRA-S)에 시리즈 탄성(SE)을 통합함으로써 BSSEA-S는 볼 스크루의 관성 효과 및 마찰을 완화하는 시리즈 탄성 액추에이터(SEA) 메커니즘을 구현한다. 이를 통해 외부 입력에 대한 민감도가 향상되어 노면 입력에 대해 매끄럽고 신속한 응답이 가능해진다. BSSEA-S의 기계적 이점은 동역학 해석과 4분의 1 차량(quarter-car, QC) 모델 시뮬레이션을 통해 검증된다. 제어 프레임워크는 통합된 SE를 활용하여 현가장치에 대한 고도로 민감하고 직접적인 힘 제어를 달성하며, 이는 기존의 감쇠력에 해당하는 기능을 대체하는 내측 루프(inner-loop) 제어기로서 이상적인 힘원(ideal force source) 역할을 수행한다. 이 제어기는 운동학적 관계를 통해 현가 스트로크를 추정하고 적절한 제어력을 적용하여 현가 특성을 조절 가능하게 한다. 내측 루프 제어기를 기반으로, 외측 루프 제어기는 스프링 질량(sprung mass) 가속도 피드백 제어를 구현하며, 시스템의 주파수 응답 데이터(FRD)와 나이퀴스트 플롯을 이용해 설계한다. 설계는 내측 루프 제어기를 포함하는 현실적인 시스템 특성을 고려하며, 승차감에 중요하다고 판단되는 주파수 범위 내에서 시스템의 민감도 함수(sensitivity function)를 감소시킨다. 개발된 BSSEA-S와 실험 장치를 이용하여 스피드 범프 및 ISO 등급 D 무작위(random) 노면 등 다양한 노면 입력 조건에서 수행한 실험은, 광범위한 주파수 범위에서 객실 상하 가속도 진동을 억제함으로써 향상된 승차감이 검증됨을 보여준다.

안전한 환경 접촉과 고성능 동작 제어는 일반적으로 상충하는 설계 목표이다. 순응(admittance) 제어는 강성이 큰 환경과의 접촉에서 안전성과 안정성을 향상시킬 수 있지만, 산업용 로봇에서는 여전히 도전적이다. 통상적으로 고성능 동작 제어는 낮은 순응도를 갖는 시스템을 통해 달성되며, 이는 강성이 큰 환경과 접촉 시 큰 과도(일시) 힘이나 불안정성을 유발할 수 있다. 본 논문은 외곽(outer-loop) 순응 제어에서 더 나은 루프 형상을 달성하는 동시에, 교란을 억제함으로써 동작 제어 정확도를 직접적으로 개선하는 다기능 관측기(MOB) 기반 제어 기법을 도출하는 선형 순응 제어 프레임워크를 제안한다. 로봇의 작업공간(task space) 힘 및 위치 측정값을 사용하고, 순응 관측기(MOB) 설계를 위해 선형화된 위치 제어 로봇 및 페이로드(payload) 모델을 결합함으로써, 외곽 루프 제어기는 향상된 상호작용 동역학을 구현할 수 있다. 또한 차수 축소(reduced-order) 모델을 기반으로 제안된 MOB를 설계하기 위한 방법론을 개발한다. 나아가 선형 모델에 대해, 다양한 로봇 자세에서 제한된 크기의 주파수 영역 불확실성을 식별한다. 이론적 평가와 실험을 통해, 매우 강성이 큰 환경과 7-kg 페이로드에서 제안된 MOB 기반 제어 방법의 유효성이 검증된다.

스티어-바이-와이어(Steer-by-wire, SBW) 시스템은 조향휠과 노면 휠 사이의 기계적 링크를 제거함으로써 차량의 부품 수를 줄이기 위해 도입되었다. SBW 시스템에 대해서는 활발한 연구가 수행되었음에도 불구하고, 원하는 조향감을 제공하는 액추에이터 시스템의 성능은 여전히 개선이 필요하다. 따라서 본 논문은 SBW 시스템을 위한 소형화된 토크 제어 조향휠 모듈을 제시한다. 이 모듈에서 운전자에게 조향감을 제공하는 액추에이터는 기어 메커니즘과 스프링과 함께 모듈화된다. 조향 토크 감지 메커니즘은 스프링을 기어 메커니즘 내부에 배치함으로써 소형화되어 통합된다. 스프링 메커니즘에 의한 토크 측정 및 제어 능력의 장점 덕분에, 제안된 모듈에서는 높은 기어비 감속비 전달을 적용할 수 있으며, 이는 SBW 시스템에서 안전성 이슈를 야기할 수 있는 낮은 고유 기계적 임피던스 문제를 또한 해결할 수 있다. 제안된 모듈의 임피던스 렌더링 성능을 향상시키기 위해, 관성 및 마찰 보상으로 구성된 내부 모델 보상기(internal model compensator)를 적용한다. 제안된 모듈의 운동학, 정역학 및 동역학을 이론적으로 분석하고, 이 분석 결과에 기반한 모델 기반 제어 알고리즘을 제안한다. 마지막으로, 제안된 모듈의 고유 임피던스 증가 및 토크 제어 성능이 실험을 통해 검증된다.

복합 전달 및 접촉 힘 제어를 포함하는 로봇 작업에서, 높은 성능의 운동 제어를 달성하면서도 안정적인 환경 접촉을 보장하는 것은 어렵다. 본 논문에서는 이러한 힘 제어의 품질에 영향을 미치는 요인들 중, 기계 부품의 정렬 불일치로 인한 진동, 구동기 부정확성, 마찰의 비선형 효과, 백래클을 포함하여 고려하고자 한다. 상기 모든 요인은 힘 교란(force disturbances)으로 통칭하여 볼 수 있다. 높은 성능의 운동 제어와 접촉 안정성을 지향하여, 새로운 통합 교란 관측기(disturbance observer, DOB) (IDOB)를 제안한다. IDOB는 위치 측정(position measurements)과 함께 힘 센서 측정(force sensor measurements), 그리고 식물 모델(plant model)을 사용하여 접촉 안정성을 손상시키지 않으면서도 식물 내에서 힘 교란의 영향을 분리(isolate)하고 강건하게 억제한다. 본 연구에서는 이를 힘 제어 시스템에 적용하여 자유 공간과 접촉 상황에서 향상된 힘 제어 성능을 시연한다. 제안된 IDOB의 수동성(passivity), 강건 안정성(robust stability), 교란 억제 성능을, 힘 기반 DOB의 유무에 따라 기존의 힘 제어기들과 비교한다. 마지막으로, 다양한 상호작용 조건에서 자유 공간과 접촉 환경에서 실제 실험을 수행한 결과, IDOB가 전달 힘 제어 및 교란 억제 성능을 향상시키는 것으로 나타났다. 또한 강성 환경(stiff environments)에서 접촉 안정성을 유지하면서 충돌 시 최대 힘(peak collision force)이 감소한다.

진동 절연은 자율주행 및 전기차에서 승차감과 안전을 위해 필수적이지만, 기존의 능동 시스템은 종종 높은 에너지 소비로 인해 제약을 받는다. 이를 해결하기 위해 본 논문에서는 토크 효율적인 진동 절연을 위해 웜기어 기반 시리즈 탄성 액추에이터(Worm gear-based Series Elastic Actuator; WSEA)를 제안한다. 제안된 액추에이터는 웜기어 메커니즘과 시리즈 탄성 요소를 통합한다. 웜기어의 고유한 셀프 록킹(self-locking) 성질을 활용함으로써, WSEA는 연속적인 모터 토크 없이도 외부 하중을 지지하고 백드라이버빌리티(back-drivability)를 방지하는 동력 없는 브레이크 메커니즘을 구현한다. 또한 저교란 기간에는 진동 억제를 위한 능동 힘 제어와 셀프 록킹 브레이크 모드를 전환함으로써 에너지 효율을 높이는 스위칭 제어 알고리즘을 개발한다. ISO Class D 도로 프로파일에 기반한 시뮬레이션 결과, 제안된 WSEA 시스템은 수직 진동을 효과적으로 절연하는 동시에 기존의 능동 제어 방법에 비해 토크 소비를 유의하게 감소시키는 것으로 나타났다. 본 연구는 향후 모빌리티 플랫폼에서 에너지 효율적인 서스펜션 시스템을 위한 유망한 접근을 시사한다.

유연 관절 로봇(FJR)의 운동 제어는 시스템 역학의 타고난 유연성과 구성에 따른 변동성 때문에 어려움이 따른다. 교란 관측기(Disturbance Observer, DOB)는 시스템 강인성을 향상시킬 수 있지만, 그 성능은 종종 관절의 탄성 및 시스템 파라미터 변동에 의해 제한되어 DOB의 보수적 설계를 초래한다. 본 논문은 유연성과 시스템 가변성이 존재하더라도 DOB 성능을 향상시키기 위한 새로운 주파수응답함수(Frequency Response Function, FRF) 기반 최적화 방법을 제시한다. 제안된 방법은 제어 대역폭을 최대화하고 진동을 효과적으로 억제함으로써 전체 시스템 성능을 향상시킨다. 폐루프 안정성은 나이퀴스트 안정성 판정 기준을 사용하여 엄밀하게 증명한다. FJR에 대한 실험적 검증 결과, 제안된 접근법은 관절 유연성과 시스템 변동 조건에서도 강인성과 운동 성능을 유의하게 개선함을 확인하였다.

이 논문은 선형 운동 플랫폼에서 진동 억제를 위한 전달력(transmission force) 제어 가능 구동기(TFCA)를 제안한다. 기존의 스크루 구동 시스템과 달리, 너트 구동 방식의 TFCA는 순응성 스프링과 엔코더를 통합하여 전달력을 실시간으로 측정하고 제어함으로써 반사 관성(inertia)을 감소시키고 강성을 증가시키며 외란에 대한 신속한 응답을 가능하게 한다. 동역학적 모델을 도출하였고, 두 가지 제어 전략—가속도 기반 진동 억제 제어(AVSC)와 전달력 및 ACSC(TAVSC)—를 구현하였다. 베이스 셰이커(base-shaker) 구성의 실험을 통해 역구동성(back-drivability), 임펄스 외란(impulse disturbance), 다중사인(multisine) 여기(0.1–100 Hz) 등 세 가지 시나리오를 평가하였다. 그 결과 TAVSC는 시간 영역에서 가속도와 저크(jerk)를 50% 이상 감소시켰고 0.5–8 Hz 대역에서 90% 이상의 억제를 달성한 반면, AVSC는 미미한 개선에 그쳤다. 다중사인 여기에서는 TAVSC가 스펙트럼 전 구간에서 5 dB 이상의 억제를 유지했으며 0.5–8 Hz 대역에서 86%의 감소를 보였다. 이러한 결과는 전달력 피드백이 임펄스 및 저주파 베이스 외란에 대한 진동 억제를 실질적으로 향상시킴을 확인하며, 구급차 스트레처(ambulance stretcher)와 같이 인간에 민감한 수송 시스템(human-sensitive transport systems) 등의 응용 가능성을 보여준다.

이 논문은 주파수 응답 함수(Frequency Response Function, FRF) 데이터를 기반으로 유연 관절 로봇(Flexible Joint Robot, FJR)을 위한 데이터 주도 제어 최적화 프레임워크를 제시하며, 명시적 모델 식별 없이 자동화된 제어기 합성을 가능하게 한다. 정확한 파라미터 추정을 전제로 하는 기존의 모델 기반 접근과 달리, 제안 방법은 측정된 FRF 데이터를 직접 활용하고 제어기 설계를 볼록 최적화 문제로 정식화한다. 이 제어기는 다양한 구성 전반에 걸쳐 안정성을 보장하면서 제어 대역폭을 극대화한다. FJR에 대한 실험적 검증 결과, 추종 정확도, 진동 억제, 강건성 측면에서 모델 기반 방법에 비해 우수한 성능을 보였다. 또한 고속 드럼 연주 과제를 통해 제어기가 반복 충격과 관성 변화를 처리할 수 있음을 입증하였으며, 이는 유연 로봇 시스템의 빠르고 정밀한 동작을 위한 FRF 기반 제어의 잠재력을 강조한다.

부분공간 예측 제어(Subspace predictive control, SPC)는 입력-출력 측정값을 활용하여 명시적 모델 식별이 필요 없이 시스템의 향후 거동을 예측하는 데이터 기반 제어 전략이다. 기존 SPC는 알려지지 않은 입력 교란에 취약하여 제어 성능이 저하되고 정상상태 오차가 발생한다. 이러한 한계를 해결하기 위해 본 논문은 상태공간 표현을 내부모델 원리(IMP)를 통해 보강함으로써, 일정한 입력 교란의 영향을 본질적으로 완화하는 강건 SPC 방법을 제안한다. 이러한 보강은 별도의 교란관측기(DOB) 설계 없이도 적분 작용을 달성할 수 있게 한다. 제안 방법은 교란 억제를 향상시키기 위해 데이터 기반 알고리즘에 보조 교란을 도입하는 데이터 기반 프레임워크로 구현된다. 전달함수 분석을 통해 제안된 강건 SPC가 상수 교란을 제거하면서도 DOB의 역할을 유지함을 확인한다. 두 관성계(two-inertia system)에 대한 실험적 검증 결과, 제안된 방법은 기존 SPC에 비해 기준 추종(reference tracking) 성능을 유의하게 향상시키며, 추가적인 모델링 복잡성 없이도 교란 억제에서 효과적임을 입증한다.

이 논문은 볼 스크루 기반 시리즈 탄성 액추에이터 구동 현가장치(BSSEA-S)와 객실(카빈) 상하(heave) 가속도 진동을 억제하기 위한 제어 프레임워크를 제시함으로써 차량 승차감을 향상시키는 것을 목적으로 한다. 기존의 볼 스크루 기반 강성 액추에이터 구동 현가장치(BSRA-S)에 시리즈 탄성(SE)을 통합함으로써 BSSEA-S는 볼 스크루의 관성 효과 및 마찰을 완화하는 시리즈 탄성 액추에이터(SEA) 메커니즘을 구현한다. 이를 통해 외부 입력에 대한 민감도가 향상되어 노면 입력에 대해 매끄럽고 신속한 응답이 가능해진다. BSSEA-S의 기계적 이점은 동역학 해석과 4분의 1 차량(quarter-car, QC) 모델 시뮬레이션을 통해 검증된다. 제어 프레임워크는 통합된 SE를 활용하여 현가장치에 대한 고도로 민감하고 직접적인 힘 제어를 달성하며, 이는 기존의 감쇠력에 해당하는 기능을 대체하는 내측 루프(inner-loop) 제어기로서 이상적인 힘원(ideal force source) 역할을 수행한다. 이 제어기는 운동학적 관계를 통해 현가 스트로크를 추정하고 적절한 제어력을 적용하여 현가 특성을 조절 가능하게 한다. 내측 루프 제어기를 기반으로, 외측 루프 제어기는 스프링 질량(sprung mass) 가속도 피드백 제어를 구현하며, 시스템의 주파수 응답 데이터(FRD)와 나이퀴스트 플롯을 이용해 설계한다. 설계는 내측 루프 제어기를 포함하는 현실적인 시스템 특성을 고려하며, 승차감에 중요하다고 판단되는 주파수 범위 내에서 시스템의 민감도 함수(sensitivity function)를 감소시킨다. 개발된 BSSEA-S와 실험 장치를 이용하여 스피드 범프 및 ISO 등급 D 무작위(random) 노면 등 다양한 노면 입력 조건에서 수행한 실험은, 광범위한 주파수 범위에서 객실 상하 가속도 진동을 억제함으로써 향상된 승차감이 검증됨을 보여준다.

안전한 환경 접촉과 고성능 동작 제어는 일반적으로 상충하는 설계 목표이다. 순응(admittance) 제어는 강성이 큰 환경과의 접촉에서 안전성과 안정성을 향상시킬 수 있지만, 산업용 로봇에서는 여전히 도전적이다. 통상적으로 고성능 동작 제어는 낮은 순응도를 갖는 시스템을 통해 달성되며, 이는 강성이 큰 환경과 접촉 시 큰 과도(일시) 힘이나 불안정성을 유발할 수 있다. 본 논문은 외곽(outer-loop) 순응 제어에서 더 나은 루프 형상을 달성하는 동시에, 교란을 억제함으로써 동작 제어 정확도를 직접적으로 개선하는 다기능 관측기(MOB) 기반 제어 기법을 도출하는 선형 순응 제어 프레임워크를 제안한다. 로봇의 작업공간(task space) 힘 및 위치 측정값을 사용하고, 순응 관측기(MOB) 설계를 위해 선형화된 위치 제어 로봇 및 페이로드(payload) 모델을 결합함으로써, 외곽 루프 제어기는 향상된 상호작용 동역학을 구현할 수 있다. 또한 차수 축소(reduced-order) 모델을 기반으로 제안된 MOB를 설계하기 위한 방법론을 개발한다. 나아가 선형 모델에 대해, 다양한 로봇 자세에서 제한된 크기의 주파수 영역 불확실성을 식별한다. 이론적 평가와 실험을 통해, 매우 강성이 큰 환경과 7-kg 페이로드에서 제안된 MOB 기반 제어 방법의 유효성이 검증된다.

스티어-바이-와이어(Steer-by-wire, SBW) 시스템은 조향휠과 노면 휠 사이의 기계적 링크를 제거함으로써 차량의 부품 수를 줄이기 위해 도입되었다. SBW 시스템에 대해서는 활발한 연구가 수행되었음에도 불구하고, 원하는 조향감을 제공하는 액추에이터 시스템의 성능은 여전히 개선이 필요하다. 따라서 본 논문은 SBW 시스템을 위한 소형화된 토크 제어 조향휠 모듈을 제시한다. 이 모듈에서 운전자에게 조향감을 제공하는 액추에이터는 기어 메커니즘과 스프링과 함께 모듈화된다. 조향 토크 감지 메커니즘은 스프링을 기어 메커니즘 내부에 배치함으로써 소형화되어 통합된다. 스프링 메커니즘에 의한 토크 측정 및 제어 능력의 장점 덕분에, 제안된 모듈에서는 높은 기어비 감속비 전달을 적용할 수 있으며, 이는 SBW 시스템에서 안전성 이슈를 야기할 수 있는 낮은 고유 기계적 임피던스 문제를 또한 해결할 수 있다. 제안된 모듈의 임피던스 렌더링 성능을 향상시키기 위해, 관성 및 마찰 보상으로 구성된 내부 모델 보상기(internal model compensator)를 적용한다. 제안된 모듈의 운동학, 정역학 및 동역학을 이론적으로 분석하고, 이 분석 결과에 기반한 모델 기반 제어 알고리즘을 제안한다. 마지막으로, 제안된 모듈의 고유 임피던스 증가 및 토크 제어 성능이 실험을 통해 검증된다.