본 논문은 전용 힘 센서에 의존하지 않으면서 협력적 물리 상호작용을 지원하는 것을 목표로 하는, 모바일 운송 로봇을 위한 인간 의도 기반의 새로운 보조 제어 프레임워크를 제안한다. 기존의 자율 이동 로봇(AMR)은 초기 비용이 높고, 복잡한 환경에서의 적응성이 낮으며, 인간 협력을 위한 기능이 제한적이라는 문제를 가진다. 이러한 한계를 해결하기 위해, 제안된 방법은 휠 엔코더 측정만을 사용하여 사용자의 입력을 추정하고, 분류 알고리즘과 결합된 힘 관측기를 통해 외란으로부터 사용자의 의도 신호를 분리한다. 분류된 사용자의 힘은 가상 임피던스 모델을 이용해 순응(complaint) 운동 명령으로 변환된 뒤, Power Assistive Controller(PAC)에 통합되어 최종 운동 명령을 생성하며 동시에 외란을 능동적으로 억제한다. 비교 시뮬레이션 결과는 제안된 시스템이 안정적이고 정확한 운동 보조를 가능하게 하며, 환경의 간섭은 거부하면서 사용자의 의도를 선택적으로 증폭함을 보여준다. 간단한 하드웨어 구조, 낮은 구현 비용, 그리고 구조화되지 않은 환경에서의 견고성은 이 시스템이 특히 고령자 및 신체적 장애가 있는 사용자를 위한 보조 이동(assistive mobility) 응용에서 실용적인 해결책이 됨을 시사한다.

본 논문은 Dynamic Window Approach(DWA)를 기반으로 한 향상된 로컬 경로 계획 방법을 제안하며, 이를 통해 이동 로봇이 장애물을 안전하게 회피하면서 목적지에 효율적으로 도달할 수 있도록 한다. 동적 장애물을 처리하는 데 있어 기존 DWA의 한계와 목표 도달 가능성을 개선하기 위해, 속도만으로 평가되던 속도 항(velocity term)을 로봇의 예측된 향후 위치와 목표 목적지 간의 거리 차로 재정의하였다. 이 수정은 로봇이 단기 위치를 보다 효과적으로 선제 예측하는 동시에 가능한 장애물 위치도 함께 고려할 수 있게 한다. 특히, 동적 장애물의 거동에 대한 선형 예측 모델을 도입하여, 장애물의 현재 위치, 속도 및 진행 방향을 바탕으로 장애물의 미래 위치를 추정한다. 장애물이 짧은 시간 구간 동안 일정한 속도와 방향을 유지한다는 가정하에, 이 모델은 충돌 위험이 발생하기 전에 로봇이 회피 기동을 사전에 계획할 수 있도록 한다. 또한 충돌 방지를 강화하기 위해 새로운 위험 평가 전략을 통합하였다. 이 접근은 로봇 전방에 있는 장애물을 거리와 각도에 따라 분류하고, 다양한 방향에서 장애물 밀도를 평가하여 주변 장애물이 더 적은 안전한 경로로 로봇을 유도한다. 제안된 방법의 유효성은 광범위한 시뮬레이션을 통해 검증되었으며, 기존 DWA, 새로운 속도 항을 적용한 수정 DWA, 그리고 동적 장애물 거동 예측을 포함한 제안 DWA를 비교하였다. 그 결과 제안된 접근은 충돌 횟수와 전체 이동 시간을 유의미하게 감소시켰으며, 이는 고도로 동적이고 불확실한 환경에서 그 우수성을 확인해 주었다.

재난 현장에서는 예기치 않은 상황으로 인해 구조대원의 활동이 심각하게 제한될 수 있다. 최선의 해결책은 로봇과 구조대원이 협력하는 팀이 구조 작업을 완료하는 것이다. 따라서 본 논문에서는 열적외선 센서 어레이, 초음파 센서, 3축 가속도계를 이용한 수색 및 구조 보조 로봇을 위한 간단하고 저비용의 감지 및 제어 아키텍처를 제안한다. 제안하는 아키텍처에서는 저비용 열 IR 센서 어레이를 사용하여 인명 생존자의 위치를 추정하고, 탐지된 생존자에게 접근하는 경로를 생성하며 이를 제어한다. 또한 1D 초음파 센서의 통합을 통해 장애물의 3차원 위치 추정을 수행함으로써 장애물 회피와 제어도 가능하다. 더불어 3축 가속도계를 사용하여 지형 조건에 따른 로봇의 기울기 각을 추정하고, 이 특성을 바탕으로 수납 박스 각도의 수평 제어를 수행한다. 성능 검증을 위해 시제품 로봇을 구현하였으며, 저렴하고 일반적으로 구할 수 있는 부품으로 손쉽게 제작할 수 있다. 본 시스템의 구현은 간단하고 비용 효율적이어서 수색 및 구조 작업을 위한 실행 가능한 해결책이 된다. 실험 결과는 제안 방법의 유효성을 입증하였으며, 경사진 지형을 이동하는 동안 수납 박스를 목표 각도로 위치시키고 생존자의 위치를 식별할 수 있음을 보여주었다.

이 논문은 항공기 노즈 휠 조향 시스템에서 영구자석 동기모터(Permanent Magnet Synchronous Motors, PMSM)를 사용하는 이중화 액추에이터(redundant actuators)와 관련된 두 가지 핵심 과제—힘 상호견제(force-fighting) 현상의 제거와 예기치 않은 교란에 효과적으로 대응할 수 있는 능력—를 해결하는 강건 제어 시스템을 제시한다. 구체적으로, PMSM에 작용하는 토크 유발 하중을 정확히 관측하고 보상함으로써 힘 상호견제 현상과 교란의 완화를 향상시키는 제어 방법을 설계하였다. 이는 Q-filter 기반 교란 관측기( Disturbance Observer, DOB)를 활용하여 달성하였다. 제안한 제어 접근법은 PMSM 및 노즈 휠 조향 시스템으로 구성된 이중화 시스템에서 구현하고 평가하였다. 제안 방법의 성능은 광범위한 시뮬레이션 연구를 통해 검증되었다. 시뮬레이션 결과는 이중 구동 장치(redundant driving device)에서 발생하는 힘 상호견제 현상을 정확히 관측하고 이에 대응하는 데 있어 방법의 효과성과 신뢰성을 확인해 주었다. 시스템을 다양한 시나리오 및 교란에 노출함으로써, 시뮬레이션은 힘 상호견제 현상에 대응하는 제안 방법의 능력에 대한 종합적인 평가를 제공하였다. 그 결과, 제안 방법은 힘 상호견제 현상을 성공적으로 관측하고 대응함으로써 시스템 성능에 미치는 불리한 영향을 완화하는 것으로 나타났다. 따라서 이러한 결과는 이중 구동 장치에서 마주치는 힘 상호견제 현상을 다루는 데 있어 제안 방법의 타당성과 효율성을 뒷받침하는 경험적 근거로서 활용될 수 있다. 또한 본 연구 결과는 제안된 접근법의 효과성과 실제 시스템에 적용될 수 있는 잠재력을 입증한다.

본 논문은 전용 힘 센서에 의존하지 않으면서 협력적 물리 상호작용을 지원하는 것을 목표로 하는, 모바일 운송 로봇을 위한 인간 의도 기반의 새로운 보조 제어 프레임워크를 제안한다. 기존의 자율 이동 로봇(AMR)은 초기 비용이 높고, 복잡한 환경에서의 적응성이 낮으며, 인간 협력을 위한 기능이 제한적이라는 문제를 가진다. 이러한 한계를 해결하기 위해, 제안된 방법은 휠 엔코더 측정만을 사용하여 사용자의 입력을 추정하고, 분류 알고리즘과 결합된 힘 관측기를 통해 외란으로부터 사용자의 의도 신호를 분리한다. 분류된 사용자의 힘은 가상 임피던스 모델을 이용해 순응(complaint) 운동 명령으로 변환된 뒤, Power Assistive Controller(PAC)에 통합되어 최종 운동 명령을 생성하며 동시에 외란을 능동적으로 억제한다. 비교 시뮬레이션 결과는 제안된 시스템이 안정적이고 정확한 운동 보조를 가능하게 하며, 환경의 간섭은 거부하면서 사용자의 의도를 선택적으로 증폭함을 보여준다. 간단한 하드웨어 구조, 낮은 구현 비용, 그리고 구조화되지 않은 환경에서의 견고성은 이 시스템이 특히 고령자 및 신체적 장애가 있는 사용자를 위한 보조 이동(assistive mobility) 응용에서 실용적인 해결책이 됨을 시사한다.

본 논문은 Dynamic Window Approach(DWA)를 기반으로 한 향상된 로컬 경로 계획 방법을 제안하며, 이를 통해 이동 로봇이 장애물을 안전하게 회피하면서 목적지에 효율적으로 도달할 수 있도록 한다. 동적 장애물을 처리하는 데 있어 기존 DWA의 한계와 목표 도달 가능성을 개선하기 위해, 속도만으로 평가되던 속도 항(velocity term)을 로봇의 예측된 향후 위치와 목표 목적지 간의 거리 차로 재정의하였다. 이 수정은 로봇이 단기 위치를 보다 효과적으로 선제 예측하는 동시에 가능한 장애물 위치도 함께 고려할 수 있게 한다. 특히, 동적 장애물의 거동에 대한 선형 예측 모델을 도입하여, 장애물의 현재 위치, 속도 및 진행 방향을 바탕으로 장애물의 미래 위치를 추정한다. 장애물이 짧은 시간 구간 동안 일정한 속도와 방향을 유지한다는 가정하에, 이 모델은 충돌 위험이 발생하기 전에 로봇이 회피 기동을 사전에 계획할 수 있도록 한다. 또한 충돌 방지를 강화하기 위해 새로운 위험 평가 전략을 통합하였다. 이 접근은 로봇 전방에 있는 장애물을 거리와 각도에 따라 분류하고, 다양한 방향에서 장애물 밀도를 평가하여 주변 장애물이 더 적은 안전한 경로로 로봇을 유도한다. 제안된 방법의 유효성은 광범위한 시뮬레이션을 통해 검증되었으며, 기존 DWA, 새로운 속도 항을 적용한 수정 DWA, 그리고 동적 장애물 거동 예측을 포함한 제안 DWA를 비교하였다. 그 결과 제안된 접근은 충돌 횟수와 전체 이동 시간을 유의미하게 감소시켰으며, 이는 고도로 동적이고 불확실한 환경에서 그 우수성을 확인해 주었다.

재난 현장에서는 예기치 않은 상황으로 인해 구조대원의 활동이 심각하게 제한될 수 있다. 최선의 해결책은 로봇과 구조대원이 협력하는 팀이 구조 작업을 완료하는 것이다. 따라서 본 논문에서는 열적외선 센서 어레이, 초음파 센서, 3축 가속도계를 이용한 수색 및 구조 보조 로봇을 위한 간단하고 저비용의 감지 및 제어 아키텍처를 제안한다. 제안하는 아키텍처에서는 저비용 열 IR 센서 어레이를 사용하여 인명 생존자의 위치를 추정하고, 탐지된 생존자에게 접근하는 경로를 생성하며 이를 제어한다. 또한 1D 초음파 센서의 통합을 통해 장애물의 3차원 위치 추정을 수행함으로써 장애물 회피와 제어도 가능하다. 더불어 3축 가속도계를 사용하여 지형 조건에 따른 로봇의 기울기 각을 추정하고, 이 특성을 바탕으로 수납 박스 각도의 수평 제어를 수행한다. 성능 검증을 위해 시제품 로봇을 구현하였으며, 저렴하고 일반적으로 구할 수 있는 부품으로 손쉽게 제작할 수 있다. 본 시스템의 구현은 간단하고 비용 효율적이어서 수색 및 구조 작업을 위한 실행 가능한 해결책이 된다. 실험 결과는 제안 방법의 유효성을 입증하였으며, 경사진 지형을 이동하는 동안 수납 박스를 목표 각도로 위치시키고 생존자의 위치를 식별할 수 있음을 보여주었다.

이 논문은 항공기 노즈 휠 조향 시스템에서 영구자석 동기모터(Permanent Magnet Synchronous Motors, PMSM)를 사용하는 이중화 액추에이터(redundant actuators)와 관련된 두 가지 핵심 과제—힘 상호견제(force-fighting) 현상의 제거와 예기치 않은 교란에 효과적으로 대응할 수 있는 능력—를 해결하는 강건 제어 시스템을 제시한다. 구체적으로, PMSM에 작용하는 토크 유발 하중을 정확히 관측하고 보상함으로써 힘 상호견제 현상과 교란의 완화를 향상시키는 제어 방법을 설계하였다. 이는 Q-filter 기반 교란 관측기( Disturbance Observer, DOB)를 활용하여 달성하였다. 제안한 제어 접근법은 PMSM 및 노즈 휠 조향 시스템으로 구성된 이중화 시스템에서 구현하고 평가하였다. 제안 방법의 성능은 광범위한 시뮬레이션 연구를 통해 검증되었다. 시뮬레이션 결과는 이중 구동 장치(redundant driving device)에서 발생하는 힘 상호견제 현상을 정확히 관측하고 이에 대응하는 데 있어 방법의 효과성과 신뢰성을 확인해 주었다. 시스템을 다양한 시나리오 및 교란에 노출함으로써, 시뮬레이션은 힘 상호견제 현상에 대응하는 제안 방법의 능력에 대한 종합적인 평가를 제공하였다. 그 결과, 제안 방법은 힘 상호견제 현상을 성공적으로 관측하고 대응함으로써 시스템 성능에 미치는 불리한 영향을 완화하는 것으로 나타났다. 따라서 이러한 결과는 이중 구동 장치에서 마주치는 힘 상호견제 현상을 다루는 데 있어 제안 방법의 타당성과 효율성을 뒷받침하는 경험적 근거로서 활용될 수 있다. 또한 본 연구 결과는 제안된 접근법의 효과성과 실제 시스템에 적용될 수 있는 잠재력을 입증한다.

본 논문에서는 시야가 1 m 미만인 조밀한 연무 환경에서 물체를 감지할 수 있는 센서 융합 시스템을 위한 개념적 프레임워크를 제안한다. 여러 편의 논문을 검토한 결과, 단일 열화상 IR 카메라, 단일 Frequency-Modulated Continuous-Wave (FMCW) 레이더, 그리고 다수의 초음파 센서를 동시에 사용함으로써 조밀한 연무 환경에서 물체를 탐지하는 데 따르는 문제를 극복할 수 있음을 확인하였다. 제안하는 네 가지 구체적 방법은 다음과 같다. 첫째, 단거리에서 물체의 3차원 위치를 감지하며 온도 변화/기울기에 영향을 받지 않는 3D 초음파 센서 시스템이다. 둘째, 열화상 IR 카메라를 이용하여 벽, 계단 및 기타 장애물과 같은 물체를 탐지하고 분류한다. 셋째, FMCW 레이더를 사용하여 원거리 물체에 대한 2D 방사 거리 측정 방법을 제시한다. 넷째, 열화상 IR 카메라, 3D 초음파 센서 시스템, 그리고 FMCW 레이더를 활용한 센서 융합으로 다수 물체의 3차원 위치 시각화를 수행한다. 마지막으로, 제안된 방법론을 바탕으로 개념 설계를 제시하고, 그 이론적 유용성을 논의한다. 본 프레임워크는 조밀한 연무 환경에서 물체를 탐지하기 위한 센서 융합 시스템 개발에 관한 향후 연구를 촉진하고자 한다.

본 논문은 마이크로 회전액추에이터의 여러 문헌을 검토하여 현재 기술 현황과 제약 사항 등을 분석하고, 이를 바탕으로 관련 분야의 기술적 진척을 이루기 위한 새로운 형태의 마이크로 회전액추에이터의 개념 설계를 제시하였다. 연구 동향 분석과 논의는 첫째, 구동 형식, 둘째, 안정적인 회전 전달 방법, 셋째, 회전 정밀도 향상을 위한 제어 방법의 세 분야에 대해 수행되었다. 그 결과 회전액추에이터를 위해 가장 효율적이고 진보된 구동방식은 Top-drive 정전 구동방식이고 회전전달 방식은 전도체 액체 베어링 형식인 것으로 나타났다. 이 형식에서, 회전 안정성 및 전달력은 마찰력, 회전자의 수평 유지, 고정자로부터 회전자로의 효과적인 전류연결 등에 영향을 받는다. 이와 같은 문제는 제어적 방법으로 기계적 설계의 부족한 부분을 보상하여 더욱 정밀하고 안정적인 시스템을 확보할 수 있는 것으로 분석되었다. 따라서, 이와 같은 분석을 기반으로 소형, 정밀, 저전력, 안정성, 증대된 운동자유도 등의 성능을 개선할 수 있는, 새로운 형식의 액추에이터를 기계적 관점에서 설계하고 센싱과 제어적 접근을 통해 그 정밀도와 안정성을 확보하는 방법을 개념적으로 제시하였다.

MEMS 상향 구동(out-of-plane) 정전기 회전 액추에이터의 정전용량(capacitance)과 로터 각(rotor angle)은 전극의 무시할 수 없는 프린지(fringe) 효과와 낮은 종횡비(aspect ratio)로 인해 선형 관계를 갖지 않는다. 따라서 위치 추정은 컴브-드라이브(comb-drive) 선형 액추에이터나 사이드-드라이브(side-drive) 회전 액추에이터에서와 같이 단순하지 않다. 그 이유는 정전용량이 로터 각의 비선형적이며 주기적인 함수이고 3상 입력 전압에 의해 영향을 받기 때문이다. 따라서 이를 간단한 2판(two-plate) 축전기(capacitor)로 근사할 수 없다. 로터와 스테이터 사이의 정전용량을 감지하는 일 또한 또 다른 과제이다. 정전용량은 전극(스테이터)에서 측정할 수는 있으나, 전극은 또한 구동을 수행해야 하므로, 구동과 감지를 결합하는 방법이 필요하다. 본 연구에서는 비선형 정전용량을 충분한 정확도로 효과적으로 표현하는 데이터 기반 모델로서 비선형 정전용량 모델을 도출하였다. 정전용량을 정확히 측정하기 위해, 구동을 위한 스테이터 부품과 감지를 위한 스테이터 부품을 분리하였다. 비선형 모델과 정전용량 측정을 사용하여, 주기적 비선형성(periodic nonlinearity)으로 인한 큰 추정 오차를 완화하기 위해 무향 칼만 필터(unscented Kalman filter)를 설계하였다. 제안된 방법은 단순한 2판 축전기 모델로는 달성할 수 없는 안정적이고 정확한 추정을 보여준다. 제안된 접근법은 정전용량이 고도로 비선형인 유사한 시스템에 적용될 수 있다.

전통적으로 디스플레이는 고정된 위치에 설치된다. 따라서 시각 정보를 보다 정확히 접근하기 위해서는 사용자가 디스플레이 화면 앞에 있어야 하며, 또는 디스플레이 화면의 방향을 수동으로 변경하여 사용자를 향하도록 해야 한다. 이러한 불편을 해소하기 위하여 우리는 디스플레이를 사용자를 따라가도록 제어하는 사용자 추종 제어 시스템을 제안한다. 이 시스템은 사용자의 위치와 수를 통해 사용자 정보를 식별하는 카메라 모듈, 사용자 정보에 기반한 사용자 추적 제어 알고리즘, 그리고 디스플레이 화면의 방향을 변경하여 사용자의 위치를 추종하는 방향 전환 메커니즘으로 구성된다. 여러 가지 실험 시나리오를 통해 사용자 추종 성능을 검증하였다.

전통적으로 디스플레이는 고정된 위치에 설치된다. 따라서 시각 정보를 보다 정확하게 접근하기 위해서는 사용자가 디스플레이 화면 앞에 있어야 하며, 또는 디스플레이 화면의 방향을 사용자를 향하도록 수동으로 변경해야 한다. 이러한 불편을 해소하기 위해 본 연구에서는 디스플레이를 사용자를 따라가도록 제어하는 시스템을 제안한다. 이 시스템은 사용자의 위치와 수를 포함한 사용자 정보를 식별하는 카메라 모듈, 사용자 정보에 기반한 사용자 추적 제어 알고리즘, 그리고 디스플레이 화면의 방향을 변경하여 사용자의 위치를 추종하는 방향 전환 메커니즘으로 구성된다. 여러 가지 실험 시나리오를 통해 사용자 추종 성능을 검증하였다.