이 책에서 다루는 내용

- 로봇의 가장 중요한 물리적 특징을 직관적인 기하학적 방법으로 포착하는 최신 스크류 이론
- 평가를 위한 많은 연습문제
- 책의 개념을 강화하기 위한 무료 소프트웨어
- 무료 동영상 강의

이 책의 구성

1장, '미리보기’에서는 로봇공학의 기본적인 개념과 이 책의 구성을 소개한다.

2장, ‘상태 공간’에서는 로봇의 모든 점의 위치를 명시하는 로봇 시스템의 컨피규레이션의 표현에 집중했다.

3장, ‘강체 운동’에서는 3차원 물리적 공간에서의 강체의 움직임을 수학적으로 어떻게 묘사할지에 대한 문제를 다룬다.

4장, ‘정기구학’에서는 개연쇄의 정기구학을 묘사하는 지수 곱(PoE, Product of Exponentials) 식을 제시한다.

5장, ‘속도 기구학과 정역학’에서는 관절 속도와 엔드 이펙터 좌표계의 선속도와 각속도 사이의 관계를 나타내는 속도 기구학에 대해 다룬다. 속도 기구학의 핵심은 정기구학의 자코비안이다.

6장, ‘역기구학’에서는 우선 역기구학으로 닫힌 형식의 해석적 해를 얻을 수 있는 유명한 6-자유도 개연쇄 구조를 살펴본다. 이후 자코비안의 역행렬을 이용해 일반적인 개연쇄의 역기구학을 풀 수 있는 반복적 수치 알고리듬을 유도한다.

7장, ‘폐연쇄의 기구학’에서는 폐연쇄의 기구학 분석을 위한 기본 개념과 도구를 공부한다. 먼저 평면상의 5절 링크와 스튜어트-고프 플랫폼 같은 메커니즘의 상세한 사례를 공부한다. 이 결과들은 이후 더 일반적인 폐연쇄 기구학에 대한 체계적 방법론으로 일반화된다.

8장, ‘개연쇄의 동역학’에서는 로봇의 동역학 방정식을 유도하기 위한 두 접근법을 살펴본다. 동역학 방정식의 해석적 유도뿐만 아니라 정동역학과 역동역학에 대한 재귀적 알고리듬 또한 소개한다.

9장, ‘궤적 생성’은 작업 입력 데이터 집합으로부터 관절 궤적을 자동 생성하는 것을 다룬다. (i) 관절 공간과 태스크 공간에서 점과 점 사이 직선 궤적 (ii) 특정 시간의 경유점들을 지나는 부드러운 궤적 (iii) 로봇동역학과 구동기 한계 아래 주어진 경로를 지나는 최단 시간 궤적 등 3가지 경우에 집중한다.

10장, ‘동작 계획’에서는 비정형의 작업 공간 사이로 관절 한계, 구동기 한계, 로봇에 부과된 다른 물리적 제약을 피하며 로봇의 충돌 회피 동작을 찾는 문제에 접근한다. 3가지 기본적인 접근인 격자 기반 방법, 샘플링 기반 방법, 가상 퍼텐셜 장(virtual potential fields) 기반 방법을 다룬다.

11장, ‘로봇 제어’에서는 로봇 동역학 모델을 고려하지 않은 피드백 제어의 한계를 살펴보고, 동역학 모델링과 피드백 제어를 결합한 토크 계산 제어(computed torque control)와 같은 동작 제어 알고리듬을 공부한다. 이후 로봇 운동 제어를 위해 배운 기본 내용들을 힘 제어, 하이브리드 운동-힘 제어, 임피던스 제어에 적용한다.

12장, ‘파지와 조작’에서는 로봇과 물체 사이의 접촉, 특히 접촉에 의해 물체의 운동에 가해지는 제약 조건과 마찰 접촉을 통해 전달되는 힘을 모델링한다. 이러한 모형과 더불어 형태 닫힘(form closure) 파지와 힘 닫힘(force closure) 파지로 물체를 고정하기 위한 접촉에 대해 공부한다. 또한 물체 밀기, 동적인 물체 운반, 구조의 안정성 시험 등 파지 외 문제들에 대해서도 접촉 모델링을 적용한다.

13장, ‘차륜 이동 로봇’에서는 마지막으로 차륜 이동 로봇과 로봇 팔을 갖춘 차륜 이동 로봇의 기구학, 동작 계획, 제어를 다룬다.

각 장의 마지막에는 중요한 개념들이 요약돼 있으며, 부록 A는 많이 사용되는 방정식을 정리하고 있다.

옮긴이의 말

운동학, 동역학, 운동 계획, 제어 등 로봇공학에 필요한 기본적인 이론을 포괄적으로 다루고 있다. 저자의 강의가 온라인으로 제공되기 때문에 독학으로 공부하는 학생도 쉽게 접근할 수 있으리라 생각한다.
- 이병호

전 세계 로봇공학도들에게 사랑을 받아 온 이 책이 한국어로 번역돼서 기쁘다. 로봇 공학도를 꿈꾸는 한국 학생들에게 큰 도움이 되리라 기대한다.
- 윤상웅

로보틱스 기초 전반에 대해 가장 쉽고 단순하면서도 완벽한 방법과 표현으로 다룬다. 많은 사람들의 오랜 정성을 모아 완성한 책이기에, 널리 활용돼 한국 로봇 커뮤니티에 크게 기여할 수 있기를 바란다.
- 권재운

오랜 시간 로봇공학에 큰 영향을 끼친 박종우 교수님의 로봇을 바라보는 시각을 잘 드러내고 있다. 한국어 번역본을 통해 한국 학생들이 더 쉽고 재미있게 공부할 수 있기를 기대한다.
- 김영훈

로봇공학 분야에서 필수적인 지식을 제공하며, 로봇공학 분야를 전문으로 공부하고자 하는 사람들이 반드시 거쳐야 하는 책이다. 로봇의 움직임을 수학적으로 완벽하게 서술하고 이를 제어하기 위한 여러 기법이 담겨 있다.
-김종민

로봇공학을 학부생이 이해할 수 있는 수준에서 쉽고 정확하게 기술한 교재다. 한글로 번역된 이 책이 로봇공학의 길을 꿈꾸는 수많은 한국 학생들에게 큰 도움이 될 것이라고 믿는다.
- 임중빈

이 책은 로봇공학에 관한 전반적인 내용을 쉽고 단순한 방식으로 설명한다. 이 책이 각 대학과 학계에 널리 활용돼 한국 로봇공학의 발전에 크게 기여할 수 있기를 기대한다.
- 손민준

서울대 기계과 전공 과목인 로봇공학입문에 사용되는 교재로 이 책을 처음 접했고, 로봇공학에 관련된 내용을 수학적으로 기술한 책으로, 선형대수학에 대한 이해가 어느 정도 있는 2학년 이상의 학부생 정도면 크게 어렵지 않게 이해할 수 있을 것이다.
- 정진

박종우 교수님의 로봇공학입문 강의를 들으며 이 책을 공부했는데, 영어로만 쓰여있어 아쉬움이 컸었다. 이 번역본이 추후 학생들의 학습에 도움이 됐으면 좋겠다.
- 이상현

로봇공학의 기본 입문서로, 배경지식을 쌓고 관련 분야를 공부하는 데 큰 도움이 될 책이다. 역자도 학부 시절 『모던 로보틱스』를 보면서 공부했고, 번역본이 앞으로 성장할 로봇공학도들에게 큰 도움이 될 것이라 믿어 의심치 않는다.
- 양우성

1장. 미리보기

2장. 상태 공간
2.1 강체의 자유도
2.2 로봇의 자유도
2.2.1 로봇 관절
2.2.2 그뤼블러의 공식
2.3 상태 공간: 위상과 표현
2.3.1 상태 공간 위상
2.3.2 상태 공간 표현
2.4 컨피규레이션과 속도 제약 조건
2.5 태스크 공간과 작업 공간
2.6 요약
2.7 주석과 참고문헌
2.8 연습 문제

3장. 강체 운동
3.1 평면상의 강체 운동
3.2 회전과 각속도
3.2.1 회전 행렬
3.2.2 각속도
3.2.3 회전의 지수 좌표 표현
3.3 강체 운동과 트위스트
3.3.1 동차 변환 행렬
3.3.2 트위스트
3.3.3 강체 운동의 지수 좌표 표현
3.4 렌치
3.5 요약
3.6 소프트웨어
3.7 주석과 참고문헌
3.8 연습 문제

4장. 정기구학
4.1 지수 곱 공식
4.1.1 첫 번째 공식화: 기반 좌표계에서의 스크류 축
4.1.2 예제
4.1.3 두 번째 공식화: 엔드 이펙터 좌표계에서의 스크류 축
4.2 로봇 기술용 통일 포맷
4.3 요약
4.4 소프트웨어
4.5 주석과 참고문헌
4.6 연습 문제

5장. 속도 기구학과 정역학
5.1 매니퓰레이터 자코비안
5.1.1 공간 자코비안
5.1.2 물체 자코비안
5.1.3 공간 자코비안과 물체 자코비안의 시각화
5.1.4 공간 자코비안과 물체 자코비안 사이 관계식
5.1.5 자코비안의 다른 표현들
5.1.6 역속도 기구학 미리 보기
5.2 개연쇄의 정역학
5.3 특이점 분석
5.4 조작성
5.5 요약
5.6 소프트웨어
5.7 주석과 참고문헌
5.8 연습 문제

6장. 역기구학
6.1 해석적 역기구학
6.1.1 6R 퓨마형 로봇 팔
6.1.2 스탠포드형 로봇 팔
6.2 수치 역기구학
6.2.1 뉴턴-랩슨 방법
6.2.2 수치 역기구학 알고리듬
6.3 속도 역기구학
6.4 폐루프에 대한 코멘트
6.5 요약
6.6 소프트웨어
6.7 주석과 참고문헌
6.8 연습 문제

7장. 폐연쇄의 기구학
7.1 역기구학과 정기구학
7.1.1 3×RPR 평면 병렬 메커니즘
7.1.2 스튜어트-고프 플랫폼
7.1.3 일반적인 병렬 메커니즘
7.2 미분 기구학
7.2.1 스튜어트-고프 플랫폼
7.2.2 일반적인 병렬 메커니즘
7.3 특이점
7.4 요약
7.5 주석과 참고문헌
7.6 연습 문제

8장. 개연쇄의 동역학
8.1 라그랑지안 형식
8.1.1 기본 개념과 예제
8.1.2 일반화된 공식
8.1.3 질량 행렬에 대한 이해
8.1.4 라그랑지안 동역학 대 뉴턴-오일러 동역학
8.2 단일 강체의 동역학
8.2.1 고전 공식
8.2.2 트위스트-렌치 공식
8.2.3 다른 좌표계에서의 동역학
8.3 역뉴턴-오일러 동역학
8.3.1 유도
8.3.2 뉴턴-오일러 역동역학 알고리듬
8.4 닫힌 형식의 동역학 방정식
8.5 개연쇄의 정동역학
8.6 작업 공간에서의 동역학
8.7 구속된 조건의 동역학
8.8 URDF에서의 로봇 동역학
8.9 구동, 기어링, 마찰
8.9.1 DC 모터와 기어링
8.9.2 감지된 회전 관성
8.9.3 모터의 회전 관성과 기어링의 효과를 고려한 뉴턴-오일러 역동역학 알고리즘
8.9.4 마찰
8.9.5 관절과 링크의 유연성
8.10 줄거리
8.11 소프트웨어
8.12 주석과 참고문헌
8.13 예제

9장. 궤적 생성
9.1 용어 정의
9.2 점대점 궤적
9.2.1 직선 경로
9.2.2 시간 스케일링과 직선 경로
9.3 다항식 경유점 궤적
9.4 시간 최적의 시간 스케일링
9.4.1 (s, s˙) 위상평면
9.4.2 시간 스케일링 알고리듬
9.4.3 시간 스케일링 알고리듬의 변형
9.4.4 가정 및 주의 사항
9.5 요약
9.6 소프트웨어
9.7 주석과 참고문헌
9.8 연습 문제

10장. 동작 계획
10.1 동작 계획에 대한 개괄
10.1.1 여러 가지 동작 계획 문제
10.1.2 동작 계획기의 특성
10.1.3 동작 계획 방법
10.2 기초
10.2.1 상태 공간 장애물
10.2.2 장애물까지의 거리 측정과 충돌 감지
10.2.3 그래프와 트리
10.2.4 그래프 탐색
10.3 완전 동작 계획기
10.4 격자 계획기
10.4.1 다중 해상도 격자 표현
10.4.2 동작 제약 조건이 있을 때의 격자 표현법
10.5 샘플링 기법
10.5.1 RRT 알고리듬
10.5.2 PRM
10.6 가상 퍼텐셜 장
10.6.1 상태 공간 내의 점
10.6.2 항법함수
10.6.3 작업 공간 퍼텐셜
10.6.4 차륜 이동 로봇
10.6.5 퍼텐셜 장의 동작 계획에서의 응용
10.7 비선형 최적화
10.8 곡선화
10.9 요약
10.10 참조 및 기타
10.11 연습 문제

11장. 로봇 제어
11.1 제어 시스템 개요
11.2 오차 동역학
11.2.1 오차 응답
11.2.2 선형 오차 동역학
11.3 속도 입력에 따른 운동 제어
11.3.1 단일 관절의 운동 제어
11.3.2 다중 관절 로봇의 운동 제어
11.3.3 태스크 공간에서의 운동 제어
11.4 토크, 힘 입력에 따른 운동 제어
11.4.1 단일 관절에 대한 운동 제어
11.4.2 다중 관절 로봇의 운동 제어
11.4.3 태스크 공간에서의 운동 제어
11.5 힘 제어
11.6 하이브리드 운동 - 힘 제어
11.6.1 자연적 및 인공적 제약 조건
11.6.2 하이브리드 운동 - 힘 제어기
11.7 임피던스 제어
11.7.1 임피던스 제어 알고리듬
11.7.2 어드미턴스 제어 알고리듬
11.8 낮은 수준의 관절 힘-토크 제어
11.9 다른 주제들
11.10 요약
11.11 소프트웨어
11.12 주석과 참고문헌
11.13 연습 문제

12장. 파지와 조작
12.1 접촉 기구학
12.1.1 단일 접촉점에 대한 1차 분석
12.1.2 접촉의 유형: 굴림, 미끌림 그리고 멀어짐
12.1.3 다중 접촉
12.1.4 물체의 집합
12.1.5 다른 종류의 접촉점
12.1.6 평면상의 도식적 방법
12.1.7 형태 닫힘
12.2 접촉힘과 마찰
12.2.1 마찰
12.2.2 평면 도식적 방법
12.2.3 힘 닫힘
12.2.4 힘과 운동 자유도의 쌍대성
12.3 조작
12.4 요약
12.5 주석과 참고문헌
12.6 연습문제

13장. 차륜 이동 로봇
13.1 차륜 이동 로봇의 유형
13.2 전방향 차륜 이동 로봇
13.2.1 모델링
13.2.2 동작 계획
13.2.3 피드백 제어
13.3 비홀로노믹 차륜 이동 로봇
13.3.1 모델링
13.3.2 제어 가능성
13.3.3 동작 계획
13.3.4 피드백 제어
13.4 오도메트리
13.5 이동 조작
13.6 요약
13.7 주석과 참고문헌
13.8 연습 문제

A 유용한 공식 요약
B 회전의 다양한 표현
B.1 오일러 각도
B.1.1 ZYX 오일러 각도를 계산하기 위한 알고리즘
B.1.2 이외의 오일러 각도 표현 법
B.2 롤-피치-요 각도
B.3 단위 사원수
B.4 케일리-로드리게스 매개변수
C 데나빗-하텐버그 매개변수
C.1 데나빗-하텐버그 표현식
C.2 링크 좌표계 결정하기
C.3 4개 매개변수가 충분한 이유
C.4 매니퓰레이터의 정기구학
C.5 연습 문제
C.6 PoE와 D-H 방식 사이 연관성
C.7 결론
D 최적화와 라그랑주 승수법
찾아보기