작업물이 흔들려도 경로를 지키는 로봇팔 제어: UTS의 MR-MPCC, 평균 오차 20% 감소

밀링 중의 환자 뼈나 고정된 부품처럼 경로가 그려진 대상이 예기치 않게 움직일 때, 로봇팔은 정밀한 경로를 어떻게 따라가야 하는가.

대부분의 로봇팔 제어기는 시간 기준 궤적을 추종한다. t초에는 공구가 p(t)에 있어야 한다는 식이다. 경로를 담은 좌표계가 밀리면 시간 기준 제어기는 시계를 쫓느라 경로에서 옆으로 벗어난 오차를 쌓을 수 있는데, 가공이나 수술용 밀링에서 중요한 것이 바로 이 오차다. 관절 수준 제어가 안정적으로 보여도 공구는 선을 벗어날 수 있다.

PI와 PID 제어는 가볍고 검증됐지만 미래를 예측하거나 제약을 다루지 못한다. 강건 MPC, 튜브 MPC, 학습 보강 MPC는 제약과 외란 대응을 더했지만 여전히 시간 기준이다. 경로 방향과 횡방향 오차를 나눠 재고 진행 속도를 제어기가 정하게 하는 모델예측 윤곽제어(MPCC)는 공작기계와 드론에서 자리 잡았지만, 로봇팔에서는 주로 7축 Panda의 장애물과 특이점 회피에 쓰였다.

MR-MPCC는 500Hz로 두 계층을 돌린다. 상위 계층은 10단계 예측 구간의 작업공간 MPCC로, 움직이는 경로에 붙은 좌표계에서 오차를 계산하고 위치 오차를 경로 횡방향의 윤곽 오차와 경로 방향의 지연 오차로 나누며, 6자유도 자세를 위해 방향 오차를 더하고 말단 속도와 함께 가상 진행 속도를 최적화한다. 윤곽 오차 가중치는 지연 오차의 25배(500 대 20)다. 하위 계층은 제약 분해운동속도제어(RMRC) 이차계획으로 말단 속도를 관절 속도로 바꾸면서 관절 위치, 속도, 가속도 한계와 특이점 회피용 조작성 장벽, 자기충돌 거리를 지킨다. ROS 2와 MuJoCo 파이프라인에서 동작하며, 실험에서는 NDI Aurora 전자기 추적기가 40Hz로 경로판과 공구를 함께 측정한다.

조건마다 동일한 외란으로 5회씩 돌린 MuJoCo 시뮬레이션에서 MR-MPCC는 모든 외란 설정에서 윤곽 RMS 오차가 가장 낮았다. 나선 경로에서 경로 좌표계를 이동과 회전으로 함께 흔들었을 때 4.28mm로, PI의 5.36mm보다 20.2%, MPC의 5.51mm보다 22.3% 낮았다. 상관된 외란 모델 하나에서는 MPC보다 21.0%(3.72mm 대 4.71mm) 낮았다. 이동만 가한 경우 격차가 가장 컸고(0.70mm 대 MPC 0.97mm, 27.3% 감소), 꽃 모양 경로에서는 3.1%, 나선형 헬릭스에서는 1.3%로 좁았다. 최대 윤곽 오차는 세 제어기 모두 약 50~53mm로 비슷했다. 기록을 보면 충격 뒤 제어기가 경로 진행 속도를 늦춰 선을 먼저 되찾는데, 일시적인 지연 오차를 내주고 횡방향 정확도를 얻는 구조다. 손으로 밀어 흔든 판 위 직선, 사인, 나선 경로를 따라간 실제 UR5e에서도 두 비교 방식보다 윤곽 오차의 중앙값이 낮고 분포 폭이 좁았다(시뮬레이션 비율은 논문 표에서 MEKAWIRE가 계산).

실기 결과는 상자그림으로만 제시돼 수치 오차와 16mm 링 게이지 허용치 위반 횟수가 없고, 본문에는 제어기당 시행 횟수가 3회와 10회로 엇갈려 적혀 있다. 외란은 손으로 가했다. 경로 좌표계의 자세는 예측 구간 동안 고정값으로 두고 40Hz로 측정하며, 연구진은 측정 지연과 불확실성, 접촉력을 향후 과제로 남겼다. 불량 판정이나 안전 정지를 가르는 최대 오차는 개선되지 않았다. 프리프린트다.