모던 로보틱스 : 역학, 계획 및 제어

케빈M.린치,박종우

저자:케빈M.린치(KevinM.Lynch)
1989년뉴저지주Princeton에서전기공학학사학위를,1996년펜실베니아주카네기멜론대학교에서로봇공학박사학위를받았다.1997년부터일리노이주의노스웨스턴대학의기계공학부교수로재직하고있으며,캘리포니아공과대학,카네기멜론대학,일본의쓰쿠바대학,중국선양의노스이스턴대학등에서객원교수로재직중이다.그의주요연구주제는로봇조작과이동을위한동역학과동작계획및제어,자체조직화된다중에이전트시스템,그리고물리적상호작용이존재하는인간-로봇시스템등이다.InstituteofElectricalandElectronicsEngineers(IEEE)의Fellow이며,Robotics및Automation분야에서IEEEEarlyCareerAward,노스웨스턴대학의교원우수상그리고노스웨스턴대학공학분야올해의강의자상을수상했다.IEEETransactionsonRobotics의편집장이자IEEEInternationalConferenceonRoboticsandAutomation의전편집장이다.이책은그의세번째저서다.

저자:박종우
MIT에서전기공학학사학위를,하버드대학교에서응용수학박사학위를받았다.1991년부터1995년까지어바인시의캘리포니아대학교기계항공공학부조교수로재직했다.1995년부터서울대학교의기계항공공학부교수로재직중이다.그의연구관심사는로봇역학,동작계획및제어,비전및이미지처리,응용수학관련분야등이다.IEEERoboticsandAutomationSocietyDistinguishedLecturer였으며,시각적추적과병렬로봇설계에대한연구로최우수논문상을수상했다.SpringerHandbookofRobotics,SpringerAdvancedTractsinRobotics(STAR),Robotica와ASMEJournalofMechanicsandRobotics의편집위원회에서근무했다.HKUST로봇공학연구소,NYU쿠란트연구소및조지아공대의인터랙티브컴퓨팅부서에서겸임교수직을역임했다.2014년에서울대학교우수교원상을받았다.그는IEEE의Fellow이자IEEETransactionsonRobotics의전편집장이며,edX강의로봇역학및제어I,II를제작했다.

역자:이병호
2019년연세대학교기계공학과졸업후2021년서울대학교기계공학부에서석사학위를취득했다.현재는서울대학교기계공학부박종우교수님의지도하에박사과정중에있다.주요연구주제는머신러닝과로봇공학이다.

역자:윤상웅
경기과학고와서울대학교화학생물공학부,뇌과학협동과정을졸업했으며,박종우교수님의지도하에로봇자동화연구실에서머신러닝을연구하고있다.

역자:권재운
2016년서울대학교기계항공공학부를졸업했으며,박종우교수님의지도하에서울대학교로봇자동화연구실에서2022년박사학위를수여받았다.대학원에서로봇동역학식별방법과로봇설계최적화에대한연구를주로수행했으며,현재는네이버랩스에서스킬학습및안전제어등관련연구를진행하고있다.

역자:김영훈
서울대학교에서기계공학부학사학위를취득했고,현재서울대학교로봇자동화연구실에서석박통합과정을수료중이다.주로로봇공학과머신러닝분야를연구하고있다.

역자:김종민
서울대학교기계공학부를졸업하고박종우교수님의지도하에서울대학교로봇자동화연구실에서석사과정에재학중이다.이책을기반으로진행되는로봇공학입문수업의조교를담당했다.

역자:임중빈
서울대학교기계공학부학사졸업후,동대학원기계공학부석사과정에재학중이다.로봇자동화연구실에서박종우교수님의지도하에머신러닝을연구하고있다.

역자:손민준
2020년서울대학교기계항공공학부를졸업했으며,2023년박종우교수님의서울대학교로봇자동화연구실에서석사학위를수여받았다.미분기하학적방법을이용한오토인코더,시스템의대칭성을고려해모션을생성하는오토인코더등을연구했다.

역자:이상현
서울대학교기계공학부학부생4학년이다.박종우교수님이공동저술한교재의번역프로젝트에참여한것을영광으로여기고있다.

역자:양우성
서울대학교기계공학부학사졸업후,동대학원기계공학부석사과정에재학중이다.로봇인식및공간지능연구실에서김아영교수님의지도하에SLAM을주제로연구하고있다.

역자:정진
서울대학교기계공학과4학년생으로재학중이다.공저자중한분인박종우교수님의로봇공학입문수업을듣고로봇공학에관심이생겨이번역프로젝트도참여하게됐다.

1장.미리보기

2장.상태공간
2.1강체의자유도
2.2로봇의자유도
2.2.1로봇관절
2.2.2그뤼블러의공식
2.3상태공간:위상과표현
2.3.1상태공간위상
2.3.2상태공간표현
2.4컨피규레이션과속도제약조건
2.5태스크공간과작업공간
2.6요약
2.7주석과참고문헌
2.8연습문제

3장.강체운동
3.1평면상의강체운동
3.2회전과각속도
3.2.1회전행렬
3.2.2각속도
3.2.3회전의지수좌표표현
3.3강체운동과트위스트
3.3.1동차변환행렬
3.3.2트위스트
3.3.3강체운동의지수좌표표현
3.4렌치
3.5요약
3.6소프트웨어
3.7주석과참고문헌
3.8연습문제

4장.정기구학
4.1지수곱공식
4.1.1첫번째공식화:기반좌표계에서의스크류축
4.1.2예제
4.1.3두번째공식화:엔드이펙터좌표계에서의스크류축
4.2로봇기술용통일포맷
4.3요약
4.4소프트웨어
4.5주석과참고문헌
4.6연습문제

5장.속도기구학과정역학
5.1매니퓰레이터자코비안
5.1.1공간자코비안
5.1.2물체자코비안
5.1.3공간자코비안과물체자코비안의시각화
5.1.4공간자코비안과물체자코비안사이관계식
5.1.5자코비안의다른표현들
5.1.6역속도기구학미리보기
5.2개연쇄의정역학
5.3특이점분석
5.4조작성
5.5요약
5.6소프트웨어
5.7주석과참고문헌
5.8연습문제

6장.역기구학
6.1해석적역기구학
6.1.16R퓨마형로봇팔
6.1.2스탠포드형로봇팔
6.2수치역기구학
6.2.1뉴턴-랩슨방법
6.2.2수치역기구학알고리듬
6.3속도역기구학
6.4폐루프에대한코멘트
6.5요약
6.6소프트웨어
6.7주석과참고문헌
6.8연습문제

7장.폐연쇄의기구학
7.1역기구학과정기구학
7.1.13×RPR평면병렬메커니즘
7.1.2스튜어트-고프플랫폼
7.1.3일반적인병렬메커니즘
7.2미분기구학
7.2.1스튜어트-고프플랫폼
7.2.2일반적인병렬메커니즘
7.3특이점
7.4요약
7.5주석과참고문헌
7.6연습문제

8장.개연쇄의동역학
8.1라그랑지안형식
8.1.1기본개념과예제
8.1.2일반화된공식
8.1.3질량행렬에대한이해
8.1.4라그랑지안동역학대뉴턴-오일러동역학
8.2단일강체의동역학
8.2.1고전공식
8.2.2트위스트-렌치공식
8.2.3다른좌표계에서의동역학
8.3역뉴턴-오일러동역학
8.3.1유도
8.3.2뉴턴-오일러역동역학알고리듬
8.4닫힌형식의동역학방정식
8.5개연쇄의정동역학
8.6작업공간에서의동역학
8.7구속된조건의동역학
8.8URDF에서의로봇동역학
8.9구동,기어링,마찰
8.9.1DC모터와기어링
8.9.2감지된회전관성
8.9.3모터의회전관성과기어링의효과를고려한뉴턴-오일러역동역학알고리즘
8.9.4마찰
8.9.5관절과링크의유연성
8.10줄거리
8.11소프트웨어
8.12주석과참고문헌
8.13예제

9장.궤적생성
9.1용어정의
9.2점대점궤적
9.2.1직선경로
9.2.2시간스케일링과직선경로
9.3다항식경유점궤적
9.4시간최적의시간스케일링
9.4.1(s,s˙)위상평면
9.4.2시간스케일링알고리듬
9.4.3시간스케일링알고리듬의변형
9.4.4가정및주의사항
9.5요약
9.6소프트웨어
9.7주석과참고문헌
9.8연습문제

10장.동작계획
10.1동작계획에대한개괄
10.1.1여러가지동작계획문제
10.1.2동작계획기의특성
10.1.3동작계획방법
10.2기초
10.2.1상태공간장애물
10.2.2장애물까지의거리측정과충돌감지
10.2.3그래프와트리
10.2.4그래프탐색
10.3완전동작계획기
10.4격자계획기
10.4.1다중해상도격자표현
10.4.2동작제약조건이있을때의격자표현법
10.5샘플링기법
10.5.1RRT알고리듬
10.5.2PRM
10.6가상퍼텐셜장
10.6.1상태공간내의점
10.6.2항법함수
10.6.3작업공간퍼텐셜
10.6.4차륜이동로봇
10.6.5퍼텐셜장의동작계획에서의응용
10.7비선형최적화
10.8곡선화
10.9요약
10.10참조및기타
10.11연습문제

11장.로봇제어
11.1제어시스템개요
11.2오차동역학
11.2.1오차응답
11.2.2선형오차동역학
11.3속도입력에따른운동제어
11.3.1단일관절의운동제어
11.3.2다중관절로봇의운동제어
11.3.3태스크공간에서의운동제어
11.4토크,힘입력에따른운동제어
11.4.1단일관절에대한운동제어
11.4.2다중관절로봇의운동제어
11.4.3태스크공간에서의운동제어
11.5힘제어
11.6하이브리드운동-힘제어
11.6.1자연적및인공적제약조건
11.6.2하이브리드운동-힘제어기
11.7임피던스제어
11.7.1임피던스제어알고리듬
11.7.2어드미턴스제어알고리듬
11.8낮은수준의관절힘-토크제어
11.9다른주제들
11.10요약
11.11소프트웨어
11.12주석과참고문헌
11.13연습문제

12장.파지와조작
12.1접촉기구학
12.1.1단일접촉점에대한1차분석
12.1.2접촉의유형:굴림,미끌림그리고멀어짐
12.1.3다중접촉
12.1.4물체의집합
12.1.5다른종류의접촉점
12.1.6평면상의도식적방법
12.1.7형태닫힘
12.2접촉힘과마찰
12.2.1마찰
12.2.2평면도식적방법
12.2.3힘닫힘
12.2.4힘과운동자유도의쌍대성
12.3조작
12.4요약
12.5주석과참고문헌
12.6연습문제

13장.차륜이동로봇
13.1차륜이동로봇의유형
13.2전방향차륜이동로봇
13.2.1모델링
13.2.2동작계획
13.2.3피드백제어
13.3비홀로노믹차륜이동로봇
13.3.1모델링
13.3.2제어가능성
13.3.3동작계획
13.3.4피드백제어
13.4오도메트리
13.5이동조작
13.6요약
13.7주석과참고문헌
13.8연습문제

A유용한공식요약
B회전의다양한표현
B.1오일러각도
B.1.1ZYX오일러각도를계산하기위한알고리즘
B.1.2이외의오일러각도표현법
B.2롤-피치-요각도
B.3단위사원수
B.4케일리-로드리게스매개변수
C데나빗-하텐버그매개변수
C.1데나빗-하텐버그표현식
C.2링크좌표계결정하기
C.34개매개변수가충분한이유
C.4매니퓰레이터의정기구학
C.5연습문제
C.6PoE와D-H방식사이연관성
C.7결론
D최적화와라그랑주승수법
찾아보기

이책에서다루는내용

-로봇의가장중요한물리적특징을직관적인기하학적방법으로포착하는최신스크류이론
-평가를위한많은연습문제
-책의개념을강화하기위한무료소프트웨어
-무료동영상강의

이책의구성

1장,'미리보기’에서는로봇공학의기본적인개념과이책의구성을소개한다.

2장,‘상태공간’에서는로봇의모든점의위치를명시하는로봇시스템의컨피규레이션의표현에집중했다.

3장,‘강체운동’에서는3차원물리적공간에서의강체의움직임을수학적으로어떻게묘사할지에대한문제를다룬다.

4장,‘정기구학’에서는개연쇄의정기구학을묘사하는지수곱(PoE,ProductofExponentials)식을제시한다.

5장,‘속도기구학과정역학’에서는관절속도와엔드이펙터좌표계의선속도와각속도사이의관계를나타내는속도기구학에대해다룬다.속도기구학의핵심은정기구학의자코비안이다.

6장,‘역기구학’에서는우선역기구학으로닫힌형식의해석적해를얻을수있는유명한6-자유도개연쇄구조를살펴본다.이후자코비안의역행렬을이용해일반적인개연쇄의역기구학을풀수있는반복적수치알고리듬을유도한다.

7장,‘폐연쇄의기구학’에서는폐연쇄의기구학분석을위한기본개념과도구를공부한다.먼저평면상의5절링크와스튜어트-고프플랫폼같은메커니즘의상세한사례를공부한다.이결과들은이후더일반적인폐연쇄기구학에대한체계적방법론으로일반화된다.

8장,‘개연쇄의동역학’에서는로봇의동역학방정식을유도하기위한두접근법을살펴본다.동역학방정식의해석적유도뿐만아니라정동역학과역동역학에대한재귀적알고리듬또한소개한다.

9장,‘궤적생성’은작업입력데이터집합으로부터관절궤적을자동생성하는것을다룬다.(i)관절공간과태스크공간에서점과점사이직선궤적(ii)특정시간의경유점들을지나는부드러운궤적(iii)로봇동역학과구동기한계아래주어진경로를지나는최단시간궤적등3가지경우에집중한다.

10장,‘동작계획’에서는비정형의작업공간사이로관절한계,구동기한계,로봇에부과된다른물리적제약을피하며로봇의충돌회피동작을찾는문제에접근한다.3가지기본적인접근인격자기반방법,샘플링기반방법,가상퍼텐셜장(virtualpotentialfields)기반방법을다룬다.

11장,‘로봇제어’에서는로봇동역학모델을고려하지않은피드백제어의한계를살펴보고,동역학모델링과피드백제어를결합한토크계산제어(computedtorquecontrol)와같은동작제어알고리듬을공부한다.이후로봇운동제어를위해배운기본내용들을힘제어,하이브리드운동-힘제어,임피던스제어에적용한다.

12장,‘파지와조작’에서는로봇과물체사이의접촉,특히접촉에의해물체의운동에가해지는제약조건과마찰접촉을통해전달되는힘을모델링한다.이러한모형과더불어형태닫힘(formclosure)파지와힘닫힘(forceclosure)파지로물체를고정하기위한접촉에대해공부한다.또한물체밀기,동적인물체운반,구조의안정성시험등파지외문제들에대해서도접촉모델링을적용한다.

13장,‘차륜이동로봇’에서는마지막으로차륜이동로봇과로봇팔을갖춘차륜이동로봇의기구학,동작계획,제어를다룬다.

각장의마지막에는중요한개념들이요약돼있으며,부록A는많이사용되는방정식을정리하고있다.

옮긴이의말

운동학,동역학,운동계획,제어등로봇공학에필요한기본적인이론을포괄적으로다루고있다.저자의강의가온라인으로제공되기때문에독학으로공부하는학생도쉽게접근할수있으리라생각한다.
-이병호

전세계로봇공학도들에게사랑을받아온이책이한국어로번역돼서기쁘다.로봇공학도를꿈꾸는한국학생들에게큰도움이되리라기대한다.
-윤상웅

로보틱스기초전반에대해가장쉽고단순하면서도완벽한방법과표현으로다룬다.많은사람들의오랜정성을모아완성한책이기에,널리활용돼한국로봇커뮤니티에크게기여할수있기를바란다.
-권재운

오랜시간로봇공학에큰영향을끼친박종우교수님의로봇을바라보는시각을잘드러내고있다.한국어번역본을통해한국학생들이더쉽고재미있게공부할수있기를기대한다.
-김영훈

로봇공학분야에서필수적인지식을제공하며,로봇공학분야를전문으로공부하고자하는사람들이반드시거쳐야하는책이다.로봇의움직임을수학적으로완벽하게서술하고이를제어하기위한여러기법이담겨있다.
-김종민

로봇공학을학부생이이해할수있는수준에서쉽고정확하게기술한교재다.한글로번역된이책이로봇공학의길을꿈꾸는수많은한국학생들에게큰도움이될것이라고믿는다.
-임중빈

이책은로봇공학에관한전반적인내용을쉽고단순한방식으로설명한다.이책이각대학과학계에널리활용돼한국로봇공학의발전에크게기여할수있기를기대한다.
-손민준

서울대기계과전공과목인로봇공학입문에사용되는교재로이책을처음접했고,로봇공학에관련된내용을수학적으로기술한책으로,선형대수학에대한이해가어느정도있는2학년이상의학부생정도면크게어렵지않게이해할수있을것이다.
-정진

박종우교수님의로봇공학입문강의를들으며이책을공부했는데,영어로만쓰여있어아쉬움이컸었다.이번역본이추후학생들의학습에도움이됐으면좋겠다.
-이상현

로봇공학의기본입문서로,배경지식을쌓고관련분야를공부하는데큰도움이될책이다.역자도학부시절『모던로보틱스』를보면서공부했고,번역본이앞으로성장할로봇공학도들에게큰도움이될것이라믿어의심치않는다.
-양우성