본 연구는 인장-스프링 기반 단방향 회전 강성 메커니즘(TS-URM)과 이를 단방향 시리즈 탄성 구동기(USEA)에 구현한 내용을 제안한다. 기존의 양방향 회전형 SEAs와 달리, 제안된 설계는 단방향 토크 전달을 위해 구조적으로 최적화되어 견인형(pulling-type) 응용에서 변형 활용 효율을 향상시킨다. 스프링의 연장과 회전 변형 간의 기하학적 관계를 정립하기 위해 해석 모델을 도출하였으며, 이를 통해 토크–각 관계를 명시적으로 공식화할 수 있었다. 강성 선형성(stiffness linearity)에 대한 설치각의 영향을 체계적으로 분석하였고, 약 42 Nm/rad의 목표 회전 강성을 달성하기 위해 다층 스프링 구성을 최적화하였다. 초기 작동 구간에서의 비선형 거동을 제거하기 위해 프리로드(preload) 조정 메커니즘을 통합하였다. 실험 결과는 해석 모델을 검증하였으며, 정상 상태 오차가 1 N 이내인 조건에서 130 N까지의 안정적인 단방향 힘 제어가 가능함을 보여주었다. 제안된 메커니즘은 예측 가능한 강성 특성과 소형 USEA 시스템을 위한 효율적인 구조적 해결책을 제공한다.

기존의 Sparsely Annotated Object Detection(SAOD) 접근법들은 멀티스펙트럴 도메인에서, 일부 보행자만 주석이 달린 희소 주석 환경을 처리하는 데 있어 진전을 이루었음에도 불구하고 다음과 같은 한계를 여전히 지닌다. (i) 누락된 주석에 대한 의사 라벨(pseudo-label)의 품질을 개선하기 위한 고려가 부족하고, (ii) 고정된 정답(ground truth) 주석에 의존함으로써 멀티스펙트럴 도메인에서 보행자의 시각적 외양에 대한 제한된 범위만 학습하게 된다. 이러한 문제를 해결하기 위해 Sparsely Annotated Multispectral Pedestrian Detection(SAMPD)라는 새로운 프레임워크를 제안한다. 한계 (i)에 대해, Multispectral Pedestrian-aware Adaptive Weight(MPAW)와 Positive Pseudo-label Enhancement(PPE) 모듈을 도입한다. 멀티스펙트럴 지식을 활용하여, 이 모듈들은 고품질 의사 라벨의 생성을 보장하고, 모달리티(modality) 특성에 기반하여 고품질 의사 라벨에 대한 가중치를 증가시킴으로써 효과적인 학습을 가능하게 한다. 한계 (ii)에 대해, Adaptive Pedestrian Retrieval Augmentation(APRA) 모듈을 제안하며, 이는 정답 주석으로부터 보행자 패치를 적응적으로 포함하고, 고품질 의사 라벨을 정답과 동적으로 통합함으로써 보행자의 보다 다양한 학습 풀을 형성하도록 한다. 광범위한 실험 결과는 우리의 SAMPD가 멀티스펙트럴 도메인 내 희소 주석 환경에서 성능을 유의미하게 향상시킨다는 점을 보여준다.

본 논문은 기존의 유압식 조향 시스템에 대한 실행 가능한 대안으로서 해양 선박을 위한 새로운 조향-바이-와이어(steer-by-wire, SBW) 시스템을 제안한다. 제안된 SBW 시스템은 기계적 링크를 대체함으로써 응답성을 향상시키고, 복잡성을 감소시키며, 조작자 피로를 최소화한다. 해양 환경에 적합한 동력 전달 메커니즘으로 설계된 이 시스템은 모듈형 아키텍처를 갖추고 있어 기존 선박에의 원활한 통합을 가능하게 한다. 선내 실험 연구에서는 조향에 필요한 힘을 정량화하여 SBW 시스템의 설계 기준을 정립하고, 교란 관측기(disturbance observer, DOB) 기반 속도 제어기가 예측하기 어려운 해양 조건에서도 추종 성능을 향상시킨다. 또한 센서리스(무센서) 어드미턴스 제어 전략은 추가적인 힘 센서의 필요 없이 조향-감(steering-feel)을 구현할 수 있게 하여 전체 설계를 단순화한다. 강성 및 감쇠 특성에 대한 분석 결과, 이들 계수에 대한 개별 및 복합 튜닝을 통해 다양한 조작자 요구에 맞춘 맞춤형 조향-감을 구현할 수 있음이 추가로 밝혀진다.

본 연구는 인장-스프링 기반 단방향 회전 강성 메커니즘(TS-URM)과 이를 단방향 시리즈 탄성 구동기(USEA)에 구현한 내용을 제안한다. 기존의 양방향 회전형 SEAs와 달리, 제안된 설계는 단방향 토크 전달을 위해 구조적으로 최적화되어 견인형(pulling-type) 응용에서 변형 활용 효율을 향상시킨다. 스프링의 연장과 회전 변형 간의 기하학적 관계를 정립하기 위해 해석 모델을 도출하였으며, 이를 통해 토크–각 관계를 명시적으로 공식화할 수 있었다. 강성 선형성(stiffness linearity)에 대한 설치각의 영향을 체계적으로 분석하였고, 약 42 Nm/rad의 목표 회전 강성을 달성하기 위해 다층 스프링 구성을 최적화하였다. 초기 작동 구간에서의 비선형 거동을 제거하기 위해 프리로드(preload) 조정 메커니즘을 통합하였다. 실험 결과는 해석 모델을 검증하였으며, 정상 상태 오차가 1 N 이내인 조건에서 130 N까지의 안정적인 단방향 힘 제어가 가능함을 보여주었다. 제안된 메커니즘은 예측 가능한 강성 특성과 소형 USEA 시스템을 위한 효율적인 구조적 해결책을 제공한다.

기존의 Sparsely Annotated Object Detection(SAOD) 접근법들은 멀티스펙트럴 도메인에서, 일부 보행자만 주석이 달린 희소 주석 환경을 처리하는 데 있어 진전을 이루었음에도 불구하고 다음과 같은 한계를 여전히 지닌다. (i) 누락된 주석에 대한 의사 라벨(pseudo-label)의 품질을 개선하기 위한 고려가 부족하고, (ii) 고정된 정답(ground truth) 주석에 의존함으로써 멀티스펙트럴 도메인에서 보행자의 시각적 외양에 대한 제한된 범위만 학습하게 된다. 이러한 문제를 해결하기 위해 Sparsely Annotated Multispectral Pedestrian Detection(SAMPD)라는 새로운 프레임워크를 제안한다. 한계 (i)에 대해, Multispectral Pedestrian-aware Adaptive Weight(MPAW)와 Positive Pseudo-label Enhancement(PPE) 모듈을 도입한다. 멀티스펙트럴 지식을 활용하여, 이 모듈들은 고품질 의사 라벨의 생성을 보장하고, 모달리티(modality) 특성에 기반하여 고품질 의사 라벨에 대한 가중치를 증가시킴으로써 효과적인 학습을 가능하게 한다. 한계 (ii)에 대해, Adaptive Pedestrian Retrieval Augmentation(APRA) 모듈을 제안하며, 이는 정답 주석으로부터 보행자 패치를 적응적으로 포함하고, 고품질 의사 라벨을 정답과 동적으로 통합함으로써 보행자의 보다 다양한 학습 풀을 형성하도록 한다. 광범위한 실험 결과는 우리의 SAMPD가 멀티스펙트럴 도메인 내 희소 주석 환경에서 성능을 유의미하게 향상시킨다는 점을 보여준다.

본 논문은 기존의 유압식 조향 시스템에 대한 실행 가능한 대안으로서 해양 선박을 위한 새로운 조향-바이-와이어(steer-by-wire, SBW) 시스템을 제안한다. 제안된 SBW 시스템은 기계적 링크를 대체함으로써 응답성을 향상시키고, 복잡성을 감소시키며, 조작자 피로를 최소화한다. 해양 환경에 적합한 동력 전달 메커니즘으로 설계된 이 시스템은 모듈형 아키텍처를 갖추고 있어 기존 선박에의 원활한 통합을 가능하게 한다. 선내 실험 연구에서는 조향에 필요한 힘을 정량화하여 SBW 시스템의 설계 기준을 정립하고, 교란 관측기(disturbance observer, DOB) 기반 속도 제어기가 예측하기 어려운 해양 조건에서도 추종 성능을 향상시킨다. 또한 센서리스(무센서) 어드미턴스 제어 전략은 추가적인 힘 센서의 필요 없이 조향-감(steering-feel)을 구현할 수 있게 하여 전체 설계를 단순화한다. 강성 및 감쇠 특성에 대한 분석 결과, 이들 계수에 대한 개별 및 복합 튜닝을 통해 다양한 조작자 요구에 맞춘 맞춤형 조향-감을 구현할 수 있음이 추가로 밝혀진다.

기존의 강건한 운동 제어 시스템에서는 교란 관측기(Disturbance Observer, DOB)의 명목 모델을 실제 플랜트와 동일한 차수(order)로 설계하여, 명목 모델이 실제 플랜트의 동역학과 직접적으로 상쇄되도록 한다. 그러나 6-DOF 산업용 로봇과 같은 다중 자유도(multi-DOF) 시스템에서는 고차 모델의 식별이 번거롭다. 또한 파라미터 불확실성이 심한 경우, 실제 플랜트로부터 크게 일탈된 명목 모델을 얻을 위험이 높다. 따라서 본 논문에서는 실제 플랜트 모델로부터 저차수 명목 모델을 도출하고, 실제 플랜트와 동일한 차수로 설계한 명목 모델과 비교한다. 설계된 모델은 단순하며 식별과 구현이 용이하다. 분석 및 실험 결과에 따르면, 제안된 명목 모델을 사용한 DOB는 심각한 로봇 모델 불확실성의 영향을 받지 않으며 과도 응답(transient response)과 추종 정확도(tracking accuracy) 측면에서 운동 제어 성능이 유의미하게 향상됨을 보였다.

본 연구는 골프 선수를 자동으로 추적할 수 있는 자율형 캐디 로봇 시스템을 제안한다. 해당 캐디 로봇은 두 가지 모드로 동작하도록 설계되었다. 즉, 자율적인 인간 추적 모드와 동력 보조 수동 구동 모드이다. 모드 전환은 사용자와 로봇 간의 거리 및 각도, 그리고 경사각에 기초한 구동 모드 결정 알고리즘을 통해 자율적으로 수행될 수 있다. 후자의 경우 로봇이 사용자를 추적하기에 경사가 너무 가파르면, 사용자는 최소한의 힘으로 로봇을 유도하기 위해 수동 모드를 활용할 수 있다. 본 연구는 이동 플랫폼의 상위 수준 제어기를 평지 및 경사 환경에서 사용자를 추적하도록 어떻게 구성해야 하는지에 대한 통찰을 제공하고자 한다. 골프장에서의 시험을 통해 얻은 실험 결과는 로봇이 골프 게임에서 성공적으로 활용될 수 있음을 검증한다.

본 논문은 물리적 운동에 필요한 하중을 제공하기 위해 토크 제어를 통해 원하는 장력을 생성할 수 있는 새로운 액추에이터를 제안한다. 필요한 모터 토크 수준을 줄이기 위해, 본 액추에이터 설계에는 스프링을 통합하여 토크(따라서 장력)가 모터뿐만 아니라 스프링에서도 생성될 수 있도록 한다. 제안된 메커니즘은 Parallel Elastic Actuator (PEA)의 한 유형으로서, 모터, 스프링, 감속기(reduction gear)로 구성된다. 본 논문에서는 PEA의 작동 원리를 올바르게 이해하기 위해 PEA에 대한 동적 모델과 분석을 개발한다. 개발된 모델에 기초하여 제안 메커니즘에 대한 정밀한 분석을 수행한다. 모터 토크를 효율적으로 활용하면서도 큰 토크를 생성하기 위해 스프링의 특성과 기어비(gear ratio)의 최적 특성을 결정한다. 또한 이러한 최적 설계에 더해, PEA의 동적 특성을 고려하여 제안된 액추에이터 모듈에 대한 힘 제어기를 개발한다. 마지막으로, 제안된 PEA 및 제어기의 성능은 실험을 통해 검증된다.

다리 달린 로봇의 에너지 효율적인 보행은 중요한 연구 주제였다. 본 논문에서는 보행 동역학을 해석적으로 풀이함으로써 자연스러운 동역학을 활용하여 최소비용(walk with minimal cost) 보행을 실현하는 조건을 갖춘 동적 모델을 제안한다. 제안하는 보행 동적 모델은 두 개의 스프링과 세 개의 질량으로 구성되며, 연속적이고 최소 비용의 보행을 실현하기 위한 이 모델의 동역학과 조건이 이론적으로 도출된다. 다리 달린 모델은 발의 착지에 따라 달라지는 하이브리드 모델이므로, 지면 충돌로 인해 발생하는 에너지 소산을 회피하면서 연속적인 운동을 실현하기 위한 천이 조건을 제안한다. 모델의 초기 상태는 제안된 천이 조건과 함께 전체 운동을 결정한다. 제안된 양족 보행 모델의 전체 2차원 동역학을 해석적으로 풀었으며, 그 결과 다리의 강성 및 발의 초기 위치가 자연 동역학에 의해 구동되는 보행의 주기와 속도를 조절할 수 있음을 보여준다. 생성된 보행 모델과 동역학은 시뮬레이션을 통해 검증되었으며, 반복적인 운동이 구현되는 동시에 제안된 보행 모델의 총 에너지가 보존됨을 확인하였다.

직렬 탄성 구동기(series elastic actuators, SEAs)는 로봇공학 분야에서 의미 있는 기여를 해왔으며, 중대한 혁신들이 달성되어 왔다. 그럼에도 불구하고 성능에는 여전히 단점이 존재한다. 순응성을 제공하는 탄성 스프링은 힘/토크 생성의 대역폭을 저하시켜 SEA의 성능을 제한하며, SEA가 큰 토크를 발휘해야 하는 경우 이 대역폭은 더욱 감소한다. 이러한 문제는 토크 및 속도 한계와 같은 모터 및 모터 드라이버의 제약에서 기인한다. 본 글에서는 이러한 한계가 SEA의 힘 제어 성능에 미치는 영향을 분석하기 위한 수학적 도구를 제안한다. 이를 위해, SEA의 동역학, 최대 연속 토크, 서보 모터의 허용 속도를 최대한 활용하여 SEA의 성능을 평가하기 위한 새로운 기준인 최대 토크 전달성(maximum torque transmissibility, MTT)을 정의한다. 또한 MTT를 기반으로, SEA가 최대 토크를 생성할 수 있는 주파수 한계를 나타내는 최대 토크 대역폭(maximum torque bandwidth)이라는 새로운 개념을 제안한다. 하중 조건 및 SEA의 기계적·제어기 설계 파라미터를 포함한 다양한 설계 파라미터를 평가한다. 실험 결과는 MTT가 SEA 성능의 제한을 정확하게 나타낼 수 있음을 검증한다.