▲ 성능 검증을 위해서 제작된 2관절 로봇(좌), 성능 검증 상황(우측 상단) 및 결과 그래프(우측 하단) / 로봇팔에 로봇팔 무게에 달하는 4kg의 무거운 짐을 매달거나 강한 탄성을 가진 스프링(210N/m)을 연결해, 작업 중 부하가 급변하는 가혹한 산업 현장 환경을 모사했다. 그래프에서 초록 선의 원 안이 갑작스러운 부하 변화가 일어난 구간이다.(그림 및 설명=UNIST)   © 특허뉴스

갑자기 무거운 물체를 들어 올리거나 외부 충격을 받는 상황에서도 로봇팔이 흔들리지 않고 안정적으로 작동하도록 만드는 새로운 제어 기술이 개발됐다. 특히 산업 현장에서 사용되는 로봇팔의 약 90%에 적용된 PID 제어기를 그대로 활용하면서, 소프트웨어 업데이트만으로 성능을 대폭 향상시킬 수 있다는 점에서 주목된다.

UNIST 기계공학과 강상훈 교수 연구팀은 급격한 부하 변화와 외란 환경에서도 로봇팔의 진동과 오작동을 효과적으로 억제하는 ‘적응형 PID 제어 알고리즘’을 새롭게 개발했다고 밝혔다.

산업 로봇의 표준, PID 제어기의 한계

PID 제어기는 로봇팔이 목표 궤적을 따라 움직이도록 모터에 전달할 힘을 계산하는 핵심 제어 방식으로, 구조가 단순하고 신뢰성이 높아 산업용 로봇팔의 표준으로 활용돼 왔다. 그러나 초기 설정값에 의존하는 특성상, 로봇이 드는 물체의 무게가 갑자기 바뀌거나 외부와 접촉할 경우 진동이 커지거나 불안정해지는 문제가 반복적으로 제기돼 왔다.

이를 보완하기 위해 기존에도 적응형 PID 제어 기술이 연구돼 왔지만, 센서에서 발생하는 미세한 디지털 신호 잡음(양자화 오차)에 과도하게 반응하면서 오히려 시스템을 불안정하게 만드는 한계가 있었다.

‘잡음에는 둔감, 변화에는 민감’한 새로운 해법

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 오차 정보를 기반으로 제어 값을 실시간 조정하되, 센서 잡음에는 반응하지 않도록 설계된 새로운 적응형 알고리즘을 제안했다. 이 방식은 로봇팔 관절 센서에서 발생하는 미세한 신호 왜곡을 상쇄하면서도, 실제 하중 변화나 외부 충격에는 신속하게 대응할 수 있도록 설계됐다.

가장 큰 장점은 하드웨어 교체가 전혀 필요 없다는 점이다. 로봇의 질량, 마찰력 같은 복잡한 물리 정보를 사전에 입력하거나 고가의 무게 감지 센서를 추가할 필요 없이, 기존 PID 제어기가 탑재된 로봇이라면 즉시 적용할 수 있다.

실험으로 입증된 안정성

연구팀은 관절이 2개인 로봇팔에 해당 알고리즘을 적용해, 로봇팔 자체 무게에 달하는 하중을 들거나 강한 탄성 스프링이 연결된 복합 환경에서 실험을 진행했다. 그 결과, 새로운 알고리즘이 적용된 로봇팔은 환경 변화에 맞춰 제어 값을 스스로 조정하며 목표 궤적을 안정적으로 유지했다. 반면 기존 제어 방식에서는 위치 오차가 커지고 진동이 발생하는 현상이 확인됐다.

스마트팩토리부터 재활·휴머노이드 로봇까지

강상훈 교수는 “산업용 로봇의 대다수를 차지하는 PID 제어기의 성능을 소프트웨어만으로 획기적으로 개선할 수 있다는 점에서 실용적 의미가 크다”며, “작업 조건이 수시로 변하는 스마트팩토리는 물론, 사람의 미세한 힘 변화에 반응해야 하는 재활 로봇과 휴머노이드 로봇 등 다양한 분야로의 확장이 가능하다”고 설명했다.

이번 연구 성과는 기계·로봇공학 분야 상위 4.1% 저널인 IEEE/ASME Transactions on Mechatronics에 1월 13일자로 게재됐다. 

논문명은 Robust Adaptive PID Control based on a Modified Nussbaum Function for Robots Exposed to Significant Changes in Dynamics이다.