초판발행 2025.07.31

머리말  

로봇은 기계공학, 전기전자공학, 컴퓨터과학 등이 교차하는 융합 분야로서 컴퓨터와 기반 기술의 비약적인 발전으로 제조업은 물론 일상생활 지원을 넘어 우주 및 심해탐사까지 활동 영역이 확대되고 있어 로봇에 대한 이해와 활용이 다양한 분야에서 요구되고 있다. 

이 책은 로봇을 처음 접하는 독자의 눈높이에 맞추어 가능한 알기 쉽게 입문할 수 있도록 기술하는 한편, 로봇의 최근 흐름을 이해할 수 있도록 구성하였다. 오랫동안 로봇 교육과정의 핵심이었던 운동학과 동역학은 물론, 실제 구현을 위한 액추에이터와 센서, 그리고 최근 지능형 로봇에서 보편화된 로봇비전의 기초가 되는 영상처리와 로봇의 이동에 대해서도 기초적인 내용을 다루고 있다. 

이 책은 특별히 학부 과정의 로봇 교재로 사용하기에 적합하도록 난이도와 구성을 고려하였다. 그간 로봇 교재의 대다수는 대학원생이나 학부 고학년생 정도의 배경지식이 필요한 수준으로 로봇을 처음 접하는 학생들이 진입하기에 어려움이 많았던 현실을 헤아려 대학 수학의 기초적인 지식이 있으면 접근할 수 있도록 편집하였다. 이를테면, 많은 학생이 어려움을 느끼는 로봇의 운동과 역학에 대해서도 수학 및 역학적인 엄밀한 전개보다는 기본개념의 이해에 중점을 두었으며, 동역학 모델링이나 액추에이터, 센서 등에 필요한 전기 및 제어의 기초적인 내용은 부록으로 정리하여 별도의 배경지식이 없어도 큰 어려움 없이 공부해 나갈 수 있도록 배려하였다. 

로봇 교육과정에 필요한 내용들을 가능한 한 다루고자 하였으나 이는 알기 쉬운 입문서의 성격과 상충되는 욕심으로 이 한 권의 책으로 로봇을 이해하고 설계 또는 활용할 수 있는 능력을 갖추기에는 한계가 있으며, 심화 과정의 학습과 함께 해당 분야의 최신기술에 대한 관심과 이해가 필요하다. 모쪼록 이 책이 로봇의 진입장벽을 해소하고 더 깊이 있는 공부와 세부 전문 분야에서 요구되는 기술개발의 길잡이가 될 수 있기를 기대한다. 

끝으로, 이 책이 나오기까지 여러모로 협력해준 항공우주로봇실험실의 멤버들에게 감사를 드린다.

유 기 호 

전북대 교수(로봇 및 모빌리티 전공)

전북대 미래항공모빌리티연구센터장 

제어로봇시스템학회 학회지 편집장, 부회장 역임 

제1장 로봇이란? • 1

제2장 로봇의 운동학 • 5

1. 순운동학과 역운동학 7

순운동학과 역운동학 7

3차원 공간상의 n 링크 머니퓰레이터의 운동학적인 기술 8

벡터의 회전 9

벡터의 평행이동 11

회전과 평행이동을 하는 벡터 11

2. 자세각 15

3. Denavit-Hartenberg [D-H] 표현 16

4. 자코비안(Jacobian) 20

분해속도제어(Resolved Motion Rate Control) 21

특이자세 21

제3장 로봇의 동역학 • 25

1. 라그랑주 운동방정식 27

2. 머니퓰레이터의 운동방정식 30

3. 관절모델과 운동방정식 34

제4장 액추에이터 • 37

1. DC 모터 40

DC 모터의 작동원리 40

DC 모터의 종류 42

DC 모터 모델 및 토크-각속도 관계 42

DC 모터의 PWM 제어 47

2. 스텝모터(Stepper motor) 50

3. 유압과 공압(Hydraulics and Pneumatics) 53

4. 재료형 액추에이터 56

압전소자(Piezoelectric actuator) 56

형상기억합금(Shape Memory Alloy) 57

5. 소프트 액추에이터(Soft Actuator) 59

제5장 센서 • 61

1. 특성 63

2. 위치센서 64

포텐셔미터(Potentiometer) 64

엔코더(Encoder) 64

LVDT(Linear Variable Differential Transformer) 66

리졸버(Resolver) 67

3. 가속도 센서(Acceleration sensor) 68

4. 힘 및 압력센서(Force and Pressure sensor) 70

압전식 센서 70

저항식 센서 72

스트레인 게이지(Strain gauge) 72

Load cell 75

F/T 센서(Force and Torque sensor) 75

5. 접촉 및 촉각센서(Touch and Tactile sensor) 78

6. 거리 센서(Range finders) 80

삼각측량(Triangulation) 80

주행거리 측정방법(TOF; time of flight) 80

초음파 센서(Ultrasonic sensor) 81

레이저 레인지 센서(Laser range sensor) 81

GPS(Global Positioning System) 83

7. 방향센서(Heading sensor) 85

나침반(Compass) 85

자이로스코프(Gyroscope) 85

제6장 영상처리 기초 • 87

1. 해상도(Resolution)와 양자화(Quantization) 89

2. 히스토그램(Histogram) 91

히스토그램 균등화(Histogram equalization) 91

3. 임계화(Thresholding) 93

4. 평활화 필터(Smoothing filter) 94

평균 필터(Mean filter) 94

미디언 필터(Median filter) 94

5. 윤곽 검출(Edge detection) 96

영상 기울기(Image gradient) 97

미분에 의한 윤곽 검출 98

윤곽 검출 연산자 99

6. Template matching 102

7. 형상해석 104

면적, 주위길이, 복잡도 104

모멘트(Moment) 104

Hough 변환 106

제7장 로봇의 이동(Locomotion of Robot) • 109

1. 경로계획(Path Planning) 112

전위필드(Potential field) 방식 112

Dijkstra 알고리즘 114

A* 알고리즘 115

2. 위치인식 117

거리센서 기반방식 118

인공표식(Artificial landmark) 방식 118

자연표식(Natural landmark) 방식 119

부록 A 전기기초 • 123

1. Kirchhoff(키르히호프)의 법칙 123

Kirchhoff의 전류법칙(KCL) 123

Kirchhoff의 전압법칙(KVL) 124

2. 전압 및 전류분배 125

전압분배 원리 125

전류분배 원리 126

3. 휘트스톤 브리지 127

Wheatstone bridge 127

힘 측정 128

4. 직류회로 해석 130

노드전압 해석(Node voltage analysis) 130

망전류 해석(Mesh current analysis) 131

5. 교류회로 해석 133

부록 B 제어기초 • 136

1. 제어시스템의 개요(Open loop, Closed loop control) 136

제어시스템의 정의 및 응용 136

제어시스템의 구조 136

2. 동적 시스템의 모델링(직선운동, 회전운동, 모터) 138

라플라스 변환(Laplace transform) 138

라플라스 변환 개요 139

직선운동 143

기어가 있는 회전운동 144

DC 모터 145

3. 2차 시스템의 응답 특성(과도응답) 147

4. 정상상태 오차 150

5. PID 제어 152

참고문헌 • 155