[지디넷코리아]
로봇 팔이 부거운 짐을 드는 등 갑작스레 과부하가 걸리면 앞뒤로 흔들리는 ‘서버헌팅’ 현상이 발생한다. 이를 국내 연구진이 제어기 소프트웨어 업데이트로 해결했다.
UNIST는 기계공학과 강상훈 교수 연구팀(손정우 연구원=논문제1저자)이 급격한 부하 변동이나 외부 충격에도 로봇팔이 정상 작동하는 ‘적응형 PID 제어 알고리즘’을 현장에서 바로 사용할 수 있는 수준으로 개발했다고 26일 밝혔다.
로봇 팔이 떨리는 서보헌팅 현상은 PID 제어에 융통성이 부족하기 때문이다. 처음 설정된 값으로만 움직이기 때문에, 로봇이 드는 물체 무게가 갑자기 변하거나 외부 물체와 접촉하면 오작동하거나 심한 진동이 발생한다.
본래 PID 제어는 산업용 로봇의 운동 신경을 담당하는 두뇌 역할을 한다. 로봇팔을 원하는 궤적대로 움직이기 위해 모터로 보내야 하는 힘을 실시간으로 계산해 준다. 구조가 단순하고 명확해 현재 산업 현장 로봇팔의 90% 이상이 이 방식을 사용하고 있다.
PID에서 P(비례)는 목표 위치와 ‘현재 오차’에 비례해 힘을 조절해 준다. I(적분)는 오차가 오래 남아 있을 때 이를 누적해 보상해 주며, D(미분)는 움직임이 갑자기 빨라지거나 흔들릴 때 이를 감쇠시키는 역할을 한다. 이 세 개가 함께 작동해 로봇 반응성과 안정성을 확보한다.
연구팀이 PID 융통성 문제를 알고리즘으로 해결했다.
이 알고리즘은 로봇 오차 정보를 이용해 실시간 제어 값을 스스로 조절할 수 있도록 설계했다. 기존 적응형 PID 기술과 달리 로봇팔 관절 디지털 센서에서 발생하는 미세한 신호 잡음(양자화 오차)을 상쇄하도록 설계됐다.
기존 적응형 알고리즘은 성능을 높이려다 센서에서 발생하는 미세한 잡음에까지 반응하게 되면서 불필요하게 힘을 키우는 현상이 발생하고 시스템이 불안정해지는 경우가 많았다.
이 알고리즘의 가장 큰 장점은 하드웨어 교체 없이 소프트웨어 업데이트만으로 적용 가능하다. 로봇의 복잡한 물리적 정보(질량, 마찰력 등)를 미리 입력하거나 고가의 무게 감지 센서를 추가할 필요가 없다. 이미 PID 제어기가 탑재된 로봇이라면 어디든 즉시 적용할 수 있다.
연구팀은 관절이 2개인 로봇팔에 이 알고리즘을 적용, 로봇팔 자체 무게에 달하는 짐을 들게 하거나, 강한 탄성 스프링이 연결된 복잡한 환경을 만드는 실험을 진행했다.
실험 결과, 새로운 알고리즘이 적용된 로봇팔은 환경 변화에 맞춰 스스로 제어 값을 조절하며 흔들림 없이 목표 궤적을 따라갔다. 반면 기존 제어 방식은 위치 오차가 커지거나 불안정한 모습을 보였다.
강상훈 교수는 “산업용 로봇의 대다수를 차지하는 PID 제어기 성능을 획기적으로 개선할 수 있다”며 “작업 환경이 자주 바뀌는 스마트 팩토리 뿐만 아니라 사람의 미세한 힘 변화까지 감지해 반응해야 하는 재활 로봇, 휴머노이드 로봇 등 다양한 로봇 분야에 활용될 수 있을 것”이라고 밝혔다.
연구 결과는 기계공학 상위 4.1% 국제 학술지 ‘IEEE/ASME 트랜잭션 온 메카트로닉스(IEEE/ASME Transactions on Mechatronics)’에 지난 13일자로 게재됐다.
연구는 한국연구재단 미래유망융합기술파이오니어사업과 국립재활원 재활로봇중개연구용역 일환으로 수행됐다.