로보틱스 및 제어시스템 연구실
기계공학부 한명철
로보틱스 및 제어시스템 연구실은 기계공학부를 기반으로 첨단 제어공학과 로보틱스 분야에서 국내외적으로 선도적인 연구를 수행하고 있습니다. 본 연구실은 풍력터빈, 초음파 검사장비, 수중발사체, 차세대 의료장비 등 다양한 응용 분야에서 시스템의 설계, 모델링, 해석, 제어기술 개발에 중점을 두고 있습니다.
특히, 풍력터빈의 강인 피치 제어시스템 연구를 통해 신재생에너지 시스템의 안정성과 효율성을 높이는 데 기여하고 있습니다. 불확실성이 많은 실제 환경에서의 제어 문제를 해결하기 위해 수학적 모델링과 강인 제어기 설계, 시뮬레이션 및 실험을 통한 검증을 체계적으로 수행하고 있습니다.
또한, 초음파 검사장비의 기구학 해석 및 제어 연구를 통해 복잡한 곡면 구조의 검사체에 대한 정밀한 비파괴 검사를 실현하고 있습니다. 5축 검사장비의 설계와 역기구학 해석, 모션 시뮬레이터 개발 등 첨단 기술을 바탕으로 산업 현장의 검사 자동화와 효율성 향상에 크게 기여하고 있습니다.
수중발사체 해석 및 제어 연구에서는 해양 및 국방 분야에서 요구되는 고난이도 기술을 개발하고 있습니다. 비선형 유압 시스템 모델링, 발사 메커니즘 해석, 제어 알고리즘 개발 등 전방위적 연구를 통해 실제 적용 가능한 해양 시스템의 성능을 극대화하고 있습니다.
로보틱스 분야에서는 설계, 모델링, 위치/힘 제어 등 다양한 첨단 제어기술을 연구하며, 산업용 로봇, 의료용 로봇, 스마트 팩토리 등 미래 지향적 응용 분야로 연구를 확장하고 있습니다. 본 연구실은 이론적 연구와 실용적 응용을 아우르며, 기계공학 및 제어공학 분야의 혁신을 선도하고 있습니다.
Ultrasonography
Automobile Demisting Control
Ultrasonic Inspection
풍력터빈의 강인 피치 제어시스템 연구
풍력터빈의 강인 피치 제어시스템 연구는 신재생에너지 분야에서 매우 중요한 역할을 합니다. 본 연구실에서는 풍력터빈 시스템의 안정적인 운전을 위해 기존의 PI 제어시스템이 가지는 한계를 극복하고자 강인 피치 제어기를 개발하였습니다. 풍력터빈 시스템은 다양한 환경적 요인과 불확실성이 존재하기 때문에, 이러한 불확실성을 효과적으로 제어하는 것이 핵심 과제입니다.
연구진은 풍력터빈 시스템과 토크 및 피치 제어부에 대한 수학적 모델링을 수행하여 시스템 내 존재하는 불확실한 인자들을 체계적으로 파악하였습니다. 이를 바탕으로 리아프노프 함수를 이용한 강인 제어기 설계를 통해 시스템의 안정성을 이론적으로 증명하였으며, 실제 2.4MW 동기자석 영구발전기를 대상으로 다양한 풍속 조건에서 시뮬레이션을 수행하였습니다. 그 결과, 불확실한 요소들이 존재함에도 불구하고 정격풍속 이상의 구간에서 정격출력이 안정적으로 유지됨을 확인하였습니다.
이 연구는 풍력발전 시스템의 신뢰성과 효율성을 크게 향상시킬 수 있는 기반 기술을 제공하며, 향후 대규모 풍력발전소의 운영 및 유지보수 비용 절감에도 기여할 것으로 기대됩니다. 또한, 본 연구에서 개발된 강인 제어기술은 다양한 신재생에너지 시스템에도 적용 가능성이 높아, 에너지 산업 전반에 걸쳐 파급 효과가 클 것으로 전망됩니다.
초음파 검사장비의 기구학 해석 및 제어
초음파 검사장비의 기구학 해석 및 제어 연구는 복잡한 곡면 구조를 가진 검사체의 정밀 검사를 가능하게 하는 핵심 기술입니다. 본 연구실에서는 3개의 직선 운동과 2개의 회전 운동이 가능한 5축 초음파 검사장비를 개발하여, 더블 곡률을 가진 검사체의 검사 유용성을 극대화하였습니다. 이를 위해 검사 기구의 기구학 해석을 통해 각 링크의 움직임과 검사 경로를 정밀하게 분석하였습니다.
기구학 해석 과정에서는 검사체의 곡률형상에 따른 스캔 검사 및 인덱스 이동 경로를 선정하고, 이를 추종하기 위한 각 링크의 움직임을 역기구학적으로 해석하였습니다. Matlab을 이용한 시뮬레이션을 통해 실제 기구의 매개변수 값을 적용하여, 더블 곡률 형상의 검사체가 설계된 링크의 범위 내에서 초음파 검사가 원활히 이루어짐을 확인하였습니다. 또한, 링크 모션 시뮬레이터를 구성하여 검사체의 사양과 스캔, 인덱스의 범위를 입력하면 원하는 경로를 추종하기 위한 각 링크의 유일해를 도출할 수 있도록 하였습니다.
이 연구는 산업 현장에서 복잡한 형상의 부품이나 구조물의 비파괴 검사를 자동화하고, 검사 효율성과 정확성을 크게 향상시킬 수 있는 기반을 마련하였습니다. 향후 항공, 자동차, 에너지 등 다양한 산업 분야에서 고정밀 검사장비의 개발과 응용에 중요한 역할을 할 것으로 기대됩니다.
수중발사체 해석 및 제어 연구
수중발사체 해석 및 제어 연구는 해양 및 국방 분야에서 중요한 기술적 도전 과제입니다. 본 연구실에서는 비선형 유압 시스템의 모델링, 압축가스 발사 메커니즘의 지배방정식 유도, 발사관 및 압축가스 배관의 상세 유동 해석 등 수중발사체의 전반적인 해석과 제어 알고리즘 개발에 집중하고 있습니다.
특히, 어뢰발사 시스템과 같은 실제 적용 사례를 바탕으로 발사체의 운동 제어 알고리즘과 Sliding Valve 제어기술을 개발하였습니다. 이를 통해 수중발사체의 발사 안정성, 정확한 궤적 제어, 발사 효율성 향상 등 다양한 성능 개선을 실현하였습니다. 시뮬레이션 및 실험을 통해 제안된 제어기술의 유효성을 검증하였으며, 실제 시스템에 적용 가능한 설계 지침도 도출하였습니다.
이 연구는 해양 방위산업뿐만 아니라, 해저 탐사, 해양 구조물 설치 등 다양한 해양 응용 분야에도 활용될 수 있습니다. 향후에는 인공지능 기반의 자율 제어 기술과 결합하여 더욱 지능적이고 효율적인 수중발사체 시스템 개발로 확장될 전망입니다.
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Innovating Engineering Education For Regional Development: Specialized-Track Curriculum
2009 ASME Asia-Pacific Engineering Education Congress Digest, 200904
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Establishment of International Cooperation Upon the Interchange of Human-Powered Aircraft
2007 JSEE Annual Conference International Session Proceedings, 200708
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Innovating Engineering Education for Regional Developement: Korea's Case on Busan Metropolitan City
The Second International Conference Engineering Educational & Training, 2007.04
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금형 조립을 위한 스마트 작업자-로봇 협업 시스템 설계 및 개발
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Auto Teaching을 이용한 곡면체 항공기 부품 소재 자동 주사 초음파검사 시스템 개발
