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종이 팔로 배우는 로봇공학 입문

스탠퍼드 대학 CS223A 「로봇공학 입문」(Oussama Khatib 교수, 2008년, 16강)을 혼자 공부하려고 한국어로 새로 쓴 교재다. 강의 하나가 장 하나이고, 16장 모두 있다. 책상 위 종이 팔 하나를 예로 들어, 그림과 직접 움직여 보는 그림으로 설명한다.

목차

1장. 로봇 팔은 무엇을 풀어야 하나강의 1강 · 순기구학, 역기구학, 자코비안, 동역학, 제어를 수식 없이 그림으로 2장. 위치와 방향을 숫자로 적기강의 2강 · 자유도, 회전행렬, 동차변환 · 연습문제와 파이썬 확인 코드 3장. 변환을 잇고, 방향을 세 각도로 적기강의 3강 · 변환 곱하기와 변환 고리, 오일러 각과 고정 각, 짐벌 잠금, 오일러 파라미터 · 연습문제와 파이썬 확인 코드 4장. 링크를 숫자 네 개로 적기: DH 파라미터강의 4강 · 링크 길이·비틀림·오프셋·관절 각, 좌표계 붙이는 규칙, 링크 변환과 순기구학 · 연습문제와 파이썬 확인 코드 5장. DH 표로 순기구학 끝까지 계산하기강의 5강 · RPRR 팔과 스탠퍼드 Scheinman 팔의 DH 표, ⁰T₆ 읽기 · 보충: 종이 팔 역기구학 6장. 관절 속도에서 손끝 속도로: 자코비안강의 6강 · 편미분으로 만드는 자코비안, 기본 자코비안, 각속도와 외적, 속도 전파 · 연습문제와 파이썬 확인 코드 7장. 관절 하나에 열 하나: 자코비안 바로 읽기와 특이점강의 7강 · 자코비안의 명시적 형태, 좌표계 바꾸기, 스탠퍼드 팔, 특이점 · 연습문제와 파이썬 확인 코드 8장. 속도는 J로, 힘은 Jᵀ로: 특이점, 손끝 속도 제어, 정적 힘강의 8강 · 손목 특이점, 손끝 점 옮기기, resolved-rate 제어, 가상일과 τ = JᵀF · 연습문제와 파이썬 확인 코드 9장. 로봇의 눈: 카메라로 재고, 찾고, 따라가기강의 9강(초청 강의) · 핀홀 카메라, 스테레오 깊이와 오차, 짝 찾기, 특징점, 추적, 시각 서보 · 연습문제와 파이썬 확인 코드 10장. 부드러운 길: 궤적 만들기강의 10강 · 관절 공간과 작업 공간, 3차 다항식, 경유점 속도, 직선 + 포물선 혼합, 5차 다항식, 장애물 · 연습문제와 파이썬 확인 코드 11장. 힘이 움직임을 만든다: 동역학 첫걸음강의 11강 · 운동 방정식의 모양, 뉴턴·오일러 방정식, 관성 텐서와 평행축 정리, 뉴턴-오일러 알고리즘, 라그랑주 맛보기 · 연습문제와 파이썬 확인 코드 12장. 운동 에너지에서 운동 방정식으로: 질량 행렬, 원심력·코리올리 힘, 중력강의 12강 · 질량 중심 자코비안으로 만드는 질량 행렬, 크리스토펠 기호, 중력 벡터 · 연습문제와 파이썬 확인 코드 13장. 제어의 첫걸음: 용수철, 댐퍼, 그리고 에너지강의 13강 · 열린 루프와 닫힌 루프, 관절 공간 제어와 resolved-rate, 질량–용수철–댐퍼, 고유 진동수와 감쇠비, 에너지로 보는 안정성, PD 제어의 시작 · 연습문제와 파이썬 확인 코드 14장. 이득 고르기와 모델로 돕기: 임계 감쇠, 제어 분할, PID강의 14강 · 고유 진동수와 감쇠비로 PD 이득 고르기, 제어 분할, 궤적 따라가기, 정상 상태 오차와 PID, 기어비와 유효 관성 · 연습문제와 파이썬 확인 코드 15장. 팔 전체를 제어하기: 계산 토크 제어와 작업 공간 제어강의 15강 · PD + 중력 보상의 안정성, 관절 공간의 비선형 동적 분리, 손끝의 질량 Λ와 작업 공간 제어 · 연습문제와 파이썬 확인 코드 16장. 닿으면서 움직이기: 힘 제어, 사람 곁의 로봇, 온몸 제어강의 16강 · 강성과 컴플라이언스, 힘 되먹임과 감쇠, 선택 행렬 Ω, 움직임과 힘의 통합 제어, 매크로-미니 구동, 과제와 자세, 여러 곳이 닿는 전신 제어 · 연습문제와 파이썬 확인 코드

이 교재로 공부하는 법

  1. 장을 먼저 읽는다. 슬라이더가 있는 그림은 직접 움직여 본다.
  2. 절마다 있는 "영상에서 보기" 링크로 강의의 그 장면을 본다. 강의는 영어이고 유튜브에서 영어 자막을 켤 수 있다.
  3. "잠깐, 생각해 보기"에서 멈추고 답을 적어 본다.
  4. 장 끝 문제를 손으로 푼다.

준비물

필요한 것 처음 나오는 곳
고등학교 삼각함수 (sin, cos) 1장
벡터와 내적 2장 (본문에서 설명한다)
행렬 곱하기 2장 (본문에서 설명한다)
미분과 편미분 6장 (본문에서 설명한다)
외적 6장 (본문에서 설명한다)
미분방정식 맛보기 13장 (본문에서 설명한다)
파이썬 (없어도 된다) 장마다 끝의 확인 코드

강의와 자료