매크로‑마이크로 로봇을 위한 통합 제어 아키텍처와 활성 원격 컴플라이언스 적용

초록

본 논문은 매크로 로봇과 고대역폭 마이크로 엔드 이펙터를 결합한 매크로‑마이크로 조작 시스템에, 매크로와 마이크로를 모두 포함하는 새로운 활성 힘 제어 구조를 제안한다. 서플레이스 모델 기반의 식별 기법으로 얻은 전달함수를 이용해 H∞ 최적 제어기를 설계하고, 기존 리더‑팔로워(LF) 방식 대비 2.1배, 전통적인 로봇 기반 힘 제어 대비 12.5배의 제어 대역폭 향상을 실험적으로 입증한다.

상세 분석

이 연구는 매크로‑마이크로 조작기의 동역학을 질량‑스프링‑댐퍼 모델로 단순화하고, 각각의 구성요소(산업용 로봇, 활성 원격 컴플라이언스(ARCC) 모듈, 환경 스프링)를 2차 저역통과 전달함수와 1차/2차 복합 전달함수로 식별한다. 매크로 로봇은 K_M·ω_cM²/(s²+2ζ_Mω_cM s+ω_cM²) 형태의 2차 저역통과 모델로, 실험에서 축별 절단 주파수 ω_cM≈3 Hz, 감쇠비 ζ≈1을 얻었다. 마이크로의 활성 측면은 K_μa·ω_cμa²/(s²+2ζ_μaω_cμa s+ω_cμa²) 로 모델링되며, 식별 결과 ω_cμa≈20–27 Hz, ζ≈0.4–0.45 로 고대역폭 특성을 보인다. 수동 측면은 c_μ s + k_μ 를 분모에 두고, 환경 강성 k_env 를 포함한 2차 시스템 G_μp(s)= (c_μ s + k_μ)/(m̃_μp s² + c_μ s + (k_μ + k_env)) 로 표현된다. 이렇게 얻은 서플레이스 모델은 H∞ 고정구조 제어 설계에 직접 삽입되어, 가상 스프링·댐퍼(k_ctrl,x,μ, c_ctrl,F,μ 등)를 통해 힘 제어와 위치 유지(마이크로 중심 위치) 두 목표를 동시에 만족하도록 최적화된다. 특히, 매크로 로봇의 속도 제어 루프에 가상 댐퍼 c_ctrl,F,M 을 삽입함으로써 매크로도 힘 피드백에 직접 참여하게 하였고, 이는 기존 LF 방식에서 매크로가 단순히 위치를 보정하는 수준에 머물던 한계를 극복한다. 제어기 설계는 Apkarian·Bruinsma의 고정구조 H∞ 합성 기법을 사용해, 성능 지표 p_F(힘 추적 오차), p_x(위치 오차), p_ẋ(속도 오차)를 최소화하도록 최적화 문제를 정의하였다. 실험에서는 충돌 테스트, 힘 궤적 추적, 조립 작업 등 3가지 시나리오에서 제안 아키텍처가 LF와 로봇 기반 힘 제어(RB) 대비 각각 2.1배, 12.5배 높은 대역폭을 보였으며, 힘 오버슈트와 진동도 현저히 감소하였다. 또한, 서플레이스 모델 기반 설계는 하드웨어 교체(예: 다른 로봇 모델이나 ARCC 모듈) 시 파라미터 재식별만으로 빠른 재조정이 가능하도록 모듈화된 설계 흐름을 제공한다.