1 로봇공학 (Robotics) Introduction Instructor: Prof. S.J. Kwon 한국항공대학교항공우주및기계공학부 (E-mail) sjkwon@kau.ac.kr http://mercury.kau.ac.kr/sjkwon
강의계획서 2
강의계획서 3
로봇공학교과목개요 4 Course Objectives 다관절형로봇매니퓰레이터에대한로봇기구학해석및동역학모델링방법을학습한다. 로봇제어를위해서요구되는경로계획, 피드백제어기구성및로봇운동시뮬레이션방법을학습한다. 또한로봇제작에사용되는센서와구동기및비전시스템등에대하여소개한다. 본과목을통하여향후로봇공학또는제어및메카트로닉스분야에서활약하고자하는학생들에게필수기본지식과연구동기를제공한다. 로봇시뮬레이션을위해서는 Matlab( 또는 MFC) 를활용한다. Term Project 주어진궤적을추종하는로봇제어시뮬레이션프로그래밍
로봇공학교과목학습내용 Trajectory (end-effector pose) 1) Forward kinematics: Given joint angles (,,, ) How to determine 1 2 n end-effector pose? ( x, y, z,,, ) : 3 차원위치및자세 ( roll, pitch, yaw) 2) Inverse kinematics: Given desired end-effector pose ( x, y, z,,, ) How to determine required joint angles (,,, 1 2 n ) 3) Robot dynamics: Given joint torques How to determine joint accelerations? 4) Trajectory Control: For a given end-effector path (trajectory) How to determine joint control torques? 5
Term Project: Dynamic Simulation of Two-link Manipulator 6 궤적생성 Path planning 궤적제어 로봇동역학 Task space trajectory (end-effector) Inverse kinematics 역기구학 Command q1 d e1 1 e 2 K1(s) Kn(s) u Robot Dynamics q1, q1 u q 2 2 q2, q2 2d d 1 1 d 2 Forward kinematics 정기구학
7 로봇기술현황및전망 Robot Technologies: The Present and Prospect
로봇의역사와정의 8 로봇의역사 Robot 의어원 체코의카렐챠베크의희극소설에서사용한체코어 Robota 에서유래, 1920 최초의산업용로봇 - Unimation 사의 Unimate (1960) 최초의인간형로봇 (Humanoid) - 혼다 ASIMO(2000) 로봇의정의 Webster 사전의정의 : An automatic device that performs functions normally ascribed to humans or a machine in the form of a human. 컴퓨터프로그램으로움직이는모든기계 3 대기능 : 감각능력 (Sensing) + 인지능력 (Cognotion) + 작업능력 (Manipulation) 인간과환경을연결하는 Mechatronic Interface
로봇산업의패러다임변화 9 21 세기는인간공존형 ( 차세대 ) 로봇의시대 차세대지능형로봇 산업용로봇 ( 제조업용 ) 비제조업용로봇 ( 건설, 의료 / 복지, 농업, 원자력, 전기가스등.) 1980(1 세대 ) 1990(2 세대 ) 2000(3 세대 )
지능형로봇의적용분야 10 교통 / 건설 공장 화재 / 방재 의료 / 복지 국방 농수산 첨단제조업 ( 산자부 ) 생활지원 ( 과기부 ) 노약자보조 Life line 유지보수 극한작업필드 ( 산자부 ) 지능형로봇글로벌이니셔티브 방범 / 경비 가정용 ( 산자부 ) 정보서비스 ( 정통부 ) 유비쿼터스로봇 가정용 정보서비스로봇 교육 오락 인터넷검색
공장자동화를위한산업용로봇 11 용접용로봇매니퓰레이터 대중량물핸들링로봇 Automated Guided Vehicle (AGV) 모바일매니퓰레이터
인간친화형로봇의등장 (2000 년이후 ) 12 Robodex 2003 출품작들
최초의휴머노이드 (ASIMO) 13-1982년부터개발시작 - 힙 (3DOF), 무릎, 발목 (2DOF), - 어깨 (3DOF), 팔꿈치, 손목 (3DOF) - DC 모터와하모닉드라이브로구동 - 6축힘센서와, 4대 CCD 카메라장착
Honda ASIMO 14
로봇항공기 ( 비행로봇, 드론, UAV) 15 정찰용, 군사용, 산불감시, 농업용, 배송등의목적 다양한형태의드론 ( 고정익, 회전익, 헬기형, 쿼드로터형 ) Top 10 Drones in the World 피자배달드론
로봇자동차 ( 무인자동차, AGV) 16 How do Google's self-driving cars work 장애인을위한 Self-Driving Car
우주탐사로봇 (Space Robot) 17 국제우주정거장수리로봇 A Self-Repairing Space Robot 한국형달탐사로봇 화성탐사로봇 Curiosity Rover 화성에갈휴머노이드발키리
근력증강로봇 (Exoskeleton) 18 군사용, 장애인용, 노약자보행보조를위한 Wearable robot Video
극한작업로봇 사고원전에투입된다양한로봇들 19 2015 년 DRC (DARPA Robotics Challenge) 에서우승한 Hubo( 한국 KAIST)
의료용로봇 20 원격수술용로봇 ( 다빈치 ) Surgical Robot(daVinci)
생체모방로봇 21 생체모방공학 (Biomimetics) 생물체에답이있다! 생물체로부터배우자! 는정신 생물체의구조와동작원리를학문적으로규명하여공학설계에활용하는분야 생체모방로봇 (Biomimetic Robot) 생물체의이동메커니즘을모방하여로봇설계에응용 육상로봇 : 사람, 말, 개, 벌레등다리가있는생명체들을모방한 2 족, 4 족, 다족 ( 다지 ) 로봇 공중로봇 : 새와곤충의날개짓 (Flapping) 을모방한소형경량로봇, ( 예 ) Smart Bird, 잠자리로봇 수중로봇 : 물고기의유영동작을모방한물고기로봇, 해저로봇 활용분야 : 군사, 환경감시, 재난대비, 관상
지상생체모방로봇 다족로봇 뱀형로봇 (Modular Snake Robot) 22 고속런닝로봇
공중생체모방로봇 23 스마트버드 ( 독일 Festo) 장수풍뎅이 ( 건국대 ) Mobee( 하버드대 ) AirPenguin(Festo) AirJelly 공중해파리로봇 ibird(uc 버클리대 )
수중생체모방로봇 24 Aqua Ray( 가오리 ) Aqua Jelly( 해파리 ) Robolobster Aqua Penguin( 펭귄 ) 로봇물고기익투스 Robofish G8
8 Advanced Robot Animals 25
현재세계최고수준의보행로봇 26 빅독 ( 군사용로봇 ) 치타로봇 ( 미국 MIT) 아틀라스 ( 인간형로봇 ) Handle ( 미국 Boston Dynamics)
스마트로봇환경 27 이동로봇, 환경센서, 홈오토메이션시스템, 외부 IT 인프라, 인간사이의유기적인터페이스 로봇센서네트워크 외부네트워크 Active 카메라 전자태그 벽 전자태그 가구 사람 문 스마트로봇환경컴퓨팅 Marker 태그정보인터페이스 책상 컵 로봇 Unknown Environment Known Environment 위치계산모듈컴퓨터 위치검출센서
KISTI 미래유망기술 10 선 28 로봇기술!
로봇기술 메카트로닉스기술 29 Mechatronics = Mechanics + Electronics 기계 + 전기전자 + 소프트웨어 ( 컴퓨터 )
새로운로봇을개발하려면? 30 1단계 : 기구설계 -로봇구상및스케치, 상세설계 -컴퓨터이용설계 (CAD) 2단계 : 컴퓨터시뮬레이션 - 로봇의성능예측 - 로봇제어소프트웨어 3단계 : 시작품제작 -기계가공, 구동부및센서부 -제어시스템 4단계 : 실험적검증 - 성능검증을통한설계수정 5단계 : 상품화개발 -제작단가절감, 사용자편의성
로봇의구성요소 31 바디부 ( 로봇형상 ), 구동부 ( 관절 ), 센서부 ( 감각기관 ), 전원부 ( 동력 ), 제어부 ( 지능 ), 로봇 = 하드웨어 + 소프트웨어
로봇의구성요소 구성품기능인간 1. 바디부 : Manipulator( 작업기능 ), Rover( 이동기능 ) 링크, 조인트, 몸체 2. 말단부 (End Effector): 작업용도구손, 발 3. 구동기 (Actuator 관절운동근육 팔, 다리, 몸통 1 32 2 4. 센서 (Sensor): 장애물감지감각기관 5. 제어기 (Controller): 목표작업수행머리, 뇌 3 6. 소프트웨어 (Software): 자동제어인지및판단 7. 동력장치 ( 배터리, 엔진 ) 에너지공급식량 7 6 5 4
지능형로봇의핵심기술 감각능력 Perception (Sensing) 오감 : 시각, 청각, 촉각, 미각, 후각 위치, 속도, 힘측정 Localization 인지능력 Cognition (Intelligence) IT( 정보 ), BT( 지능, 감성 ) 인지, 적응, 학습, 진화 Communication 작업능력 Manipulation Actuators, Control Mobility, Navigation 인간사회공존능력 Human-Robot Interaction Safety 33
로봇제어를위한핵심문제 34 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 제 3 강로봇은어떻게움직이나?
Robotics Course :Manipulator( 다관절로봇 ) 기구학 / 동역학 / 제어 35 경로계획및피드백제어 1) 로봇기구학(Robot Kinematics) 로봇관절의각도(,,, ) 가주어졌을때 1 2 말단부 ( 핸드 ) 의 3차원위치( x, y, z) 와자세각 n ( roll, pitch, yaw) 을계산하는방법 ( 정기구학) 말단부 ( 핸드 ) 의위치와자세( x, y, z,,, ) 가주어졌을때 각관절각도를계산하는방법 ( 역기구학) 2) 로봇동역학(Robot dynamic s) 각조인트구동기의입력토크에대하여말단부의속도및가속도계산하는방법 말단부 ( 핸드 ) 의목표속도, 가속도가주어졌을때각관절에요구되는필요토크를계산하는방법 3) 경로계획(Trajectory Planning) 기구학및동역학 로봇말단부 ( 핸드 ) 의 3차원이동경로를수학적으로표현하는방법 4) 피드백제어(Feedback Control) 로봇말단부 ( 핸드 ) 의이동경로를오차없이추종하는방법
Robot Dog (4 족보행 ) 36
ATLAS Running 37
2015 DARPA Robotics Challenge 38