Admittance Control

• 다른 이름: position-based impedance control
• 카테고리: Control › Force & interaction control
• 태그: force-control, compliance, interaction-control, human-robot-interaction, manipulation

로봇에 가해진 힘을 측정해 운동 명령으로 변환함으로써, 위치 제어 로봇이 선택한 질량-스프링-댐퍼처럼 거동하게 만드는 힘 제어 방식.

정의

어드미턴스 제어(admittance control)는 로봇이 외력에 대해 미리 정한 동적 거동, 보통 가상의 질량-스프링-댐퍼 거동으로 반응하게 만든다. 제어기는 상호작용 힘을 측정하고(대개 손목이나 손잡이에 단 힘/토크 센서로), 그것을 M ẍ + D ẋ + K x = F_ext 같은 모델에 통과시킨 뒤, 그 결과를 적분해 위치 또는 속도 오프셋을 얻는다. 이 오프셋은 기준 궤적에 더해져 내부 위치 제어기나 속도 제어기로 보내진다. 역학적으로 어드미턴스는 힘을 운동으로 사상하는 관계이며, 제어기가 하는 일이 바로 그것이다. 힘을 읽고 운동을 출력한다.

어드미턴스 제어는 임피던스 제어와 짝을 이루는 방법이다. 임피던스 제어는 운동을 위치 및 속도 오차로 측정하고 힘이나 토크를 명령하므로, 토크 제어형 로봇 암이나 역구동 가능한 로봇 암처럼 토크 제어가 좋고 마찰이 작은 로봇이 필요하다. 어드미턴스 제어는 힘을 측정하고 운동을 명령하므로, 강성이 높고 이득이 큰 위치 제어를 갖춘 로봇에 적합하다. 감속비가 큰 기어박스를 쓰는 대부분의 산업용 로봇 암이 여기에 해당하며, 이런 로봇 암에서는 관절 마찰이 작은 힘을 가려 버린다. 두 방법은 같은 목표 거동을 지향하지만 실제 강점은 정반대다. 임피던스 제어는 낮은 강성을 구현할 때와 자유 운동에서 잘 동작하고, 매우 단단해지도록 요구받을 때는 잘 동작하지 않는다. 어드미턴스 제어는 단단한 거동을 잘 구현하지만, 가상 질량과 감쇠가 낮은 상태에서 로봇이 단단한 환경에 닿으면 진동하거나 채터링을 일으킬 수 있다.

튜닝은 이 트레이드오프를 중심으로 이루어진다. 가상 질량과 감쇠가 낮으면 사람이 로봇을 이끌 때 로봇이 가볍게 느껴지지만, 강체 접촉에서 진동할 위험이 커지고 센서 노이즈가 증폭된다. 값이 높으면 안정적이지만 굼뜨게 느껴진다. 구현에서는 힘 신호를 필터링하고, 센서 너머에 장착된 공구의 무게를 보상하고, 센서 드리프트를 걸러 내기 위해 데드밴드를 두며, 로봇이 자유 공간에 있는지, 사람이 이끄는 중인지, 접촉 중인지에 따라 매개변수를 온라인으로 바꾸는 경우가 많다.

중요한 이유

대부분의 산업용 로봇 암과 많은 협동 로봇 암은 위치 제어 방식이며 정확한 관절 토크 제어를 제공하지 않는다. 어드미턴스 제어는 힘 센서를 추가한 이런 로봇에 핸드 가이딩, 조립, 접촉 작업을 위한 순응 거동을 부여하는 일반적인 방법이며, 그 안정성 한계를 이해하면 로봇이 단단한 표면에 닿을 때의 진동을 막을 수 있다.

주요 응용

• 산업용 및 협동 로봇 암의 핸드 가이딩과 직접 교시(lead-through teaching)
• 힘 피드백을 이용한 펙인홀 및 기타 조립
• 사용자의 힘에 반응하는 재활 로봇과 외골격
• 함께 짐을 나르는 것과 같은 물리적 인간-로봇 협업
• 접촉을 조절하는 연마, 샌딩 및 기타 표면 마감
• 외력이 명령 위치를 이동시키는 드론과 모바일 로봇의 상호작용 제어

실제 사례

한 시스템 통합 업체가 위치 제어 방식의 산업용 로봇 암에 핸드 가이딩을 추가해, 작업자가 공구를 밀어 경유점을 교시할 수 있게 한다. 플랜지와 손잡이 사이에는 6축 힘/토크 센서가 있다. 매 제어 주기마다 소프트웨어는 센서 바이어스와 손잡이의 중력 부하를 빼고, 작은 데드밴드를 적용한 뒤, 남은 힘을 스프링이 없는 가상 질량-댐퍼 모델에 통과시킨다. 그래서 로봇 암은 미는 방향으로 움직이고 손을 떼면 멈춘다. 결과 속도는 위치 오프셋으로 적분되어 로봇의 위치 인터페이스로 스트리밍된다. 시험 결과 작업자가 공구를 강철 고정구에 대고 누르면 로봇 암에 채터링이 생기는 것으로 나타나, 팀은 접촉력이 임계값을 넘으면 가상 감쇠를 높이고 자유 운동에서는 다시 낮춘다.

흔한 오해

• 어드미턴스 제어와 임피던스 제어는 같은 것이다 — 같은 거동을 목표로 하지만 방향이 반대다. 어드미턴스는 힘을 읽고 운동을 명령하며, 임피던스는 운동을 읽고 힘을 명령한다
• 가상 질량과 감쇠가 낮을수록 항상 순응성이 좋아진다 — 로봇이 더 가볍게 느껴지지만, 단단한 접촉에서 안정성이 떨어지고 힘 센서 노이즈가 증폭된다
• 어드미턴스 제어에는 토크 제어 관절이 필요하다 — 위치 제어나 속도 제어 로봇을 위해 설계되었으며, 대신 외부 힘 측정에 의존한다

알아야 할 사람

• 힘 제어 및 조작 엔지니어
• 산업용 로봇 암에 핸드 가이딩을 추가하는 시스템 통합 업체
• 재활 로봇 및 외골격 개발자
• 물리적 인간-로봇 상호작용 연구자

관련 기술

• 6축 힘/토크 센서(Six-Axis Force-Torque Sensor)
• 가상 질량-스프링-댐퍼 모델(Virtual Mass-Spring-Damper Model)
• 공구 중력 보상(Tool Gravity Compensation)
• 위치 및 속도 제어 인터페이스(Position and Velocity Control Interfaces)
• 가변 어드미턴스 제어(Variable Admittance Control)

관련 용어

• Impedance Control
• Force/Torque Sensor
• Physical Human-Robot Interaction
• Hybrid Position/Force Control
• Kinesthetic Teaching
• Backdrivability

관련 프로젝트

• LeRobot: HuggingFace ML library for real-world robotics in PyTorch
• Isaac Lab: NVIDIA robot learning framework: one task API across Newton, PhysX and Isaac Sim
• NVIDIA Isaac GR00T: NVIDIA open foundation model for humanoid robot reasoning and skills
• OpenVLA: 7B-parameter Vision-Language-Action model for robotic manipulation
• Drake: MIT robotics toolbox for model-based dynamics, optimization, and control system design
• OpenArm: 7DOF humanoid arm for physical AI research in contact-rich environments