Peg-in-Hole 조립은 구멍을 찾는 비전 문제로 끝나지 않습니다. 작은 위치·각도 오차가 접촉 뒤 횡력과 모멘트로 바뀌며, 잘못 누르면 끼임과 부품 손상이 생깁니다. 접근·접촉·탐색·삽입 상태를 나누고 위치 제어에서 힘 제어로 전환하는 기준, 나선·래스터 탐색, 재시도와 합격 시험까지 실무 순서로 정리합니다.
아래에서는 용어의 차이를 실제 시스템 경계, 실패 조건과 검증 순서로 나눠 살펴봅니다.
Peg-in-Hole은 정렬 오차가 접촉력으로 바뀌는 조립 문제다
카메라가 구멍 중심을 정확히 찾아도 로봇 베이스·공구·부품 좌표계의 오차가 합쳐지면 Peg 축과 Hole 축은 어긋납니다. 끝단이 모따기에 닿는 순간 위치 오차는 횡력으로, 각도 오차는 모멘트와 한쪽 모서리 접촉으로 나타납니다.
로봇 좌표계와 TF 글과 로봇 캘리브레이션 글에서 다룬 오차는 삽입 전에는 수치지만 접촉 뒤에는 실제 하중입니다. 따라서 성공 여부만 기록하지 말고 첫 접촉 위치, 힘의 방향, 깊이 변화를 함께 기록해야 원인을 분리할 수 있습니다.
공차·모따기·Peg 끝단 형상이 탐색 가능한 영역을 결정한다
간극이 작을수록 완성 조립의 정밀도는 높아지지만 허용 가능한 횡방향 오차와 각도 오차는 줄어듭니다. Hole 입구 모따기와 Peg 끝단의 원뿔·라운드 형상은 접촉력을 중심 방향으로 유도할 수 있지만, 마찰이 크거나 모따기가 짧으면 같은 형상이 쐐기처럼 작용할 수 있습니다.
NIST Peg-in-Hole 시험 자료처럼 Peg 형상과 어댑터를 명시한 시험은 제어기 성능을 비교하는 출발점입니다. 직경, 간극, 삽입 길이, 모따기 각도, 표면 재질을 버전으로 남기지 않으면 소프트웨어 개선과 부품 변경의 효과가 섞입니다.
| 설계 변수 | 접촉에 미치는 영향 | 시험 시 고정할 항목 |
|---|---|---|
| 직경 간극 | 작을수록 허용 정렬 오차 감소 | Peg·Hole 실측 분포 |
| 모따기 | 중심 유도 또는 쐐기 접촉 | 각도·폭·마모 |
| 삽입 길이 | 길수록 각도 오차 민감도 증가 | 유효 결합 길이 |
| 표면·윤활 | 마찰과 스틱슬립 변화 | 재질·거칠기·세척 상태 |
접근은 위치 제어로 하되 접촉 직전 속도와 운동에너지를 줄인다
자유 공간에서는 자세 오차를 빠르게 줄이는 위치 제어가 효율적입니다. 그러나 예상 접촉면 가까이에서도 같은 속도를 유지하면 센서가 힘을 읽고 정지 명령을 내리기 전에 충격이 발생하므로, 접촉 창에 들어오면 축방향 속도와 가속도를 낮춰야 합니다.
접촉 전 감속 위치는 비전 오차의 최악값보다 앞에 두고, 시간 초과 시에는 무한히 전진하지 않도록 이동 거리 제한을 둡니다. 공구 질량과 속도가 바뀌면 충격량도 달라지므로 말단 질량·무게중심 조건을 접근 프로파일 시험에 포함합니다.
실제 시험 치구는 제어기보다 먼저 기계 조건을 드러낸다
사진의 시험 치구는 원뿔형과 평면형 Peg, 알루미늄 어댑터를 구분합니다. 같은 제어기를 쓰더라도 끝단 형상이 바뀌면 최초 접촉 위치와 횡력 방향이 달라지므로, 알고리즘 비교에는 동일한 Peg·Hole 조합이 필요합니다.
NIST 힘 기반 Peg-in-Hole 비교 연구는 힘 기반 조작을 공통 시험 조건에서 비교하려는 접근을 보여 줍니다. 현장에서도 부품 번호, 치수 측정값, 공구 체결 방향과 F/T 영점을 한 실행 묶음으로 남겨야 재현성이 생깁니다.
접촉 검출은 축력 하나가 아니라 횡력·모멘트·지속시간을 함께 본다
축방향 힘만 임계값으로 쓰면 케이블 장력, 공구 무게 보상 오차, 가속 관성도 접촉으로 오인할 수 있습니다. 힘·토크 센서의 영점과 중력 보상을 적용한 뒤 축력 상승, 횡력 비율, 모멘트와 임계 초과 지속시간을 결합하면 순간 노이즈에 덜 민감합니다.
로봇 힘·토크 센서 글에서 설명한 좌표 변환이 틀리면 접촉 방향 판정도 바뀝니다. 센서 프레임의 wrench를 공구 또는 Hole 기준 프레임으로 변환하고, 접근 방향과 수직인 힘의 크기를 별도로 계산합니다.
접촉 뒤에는 위치를 밀어 넣기보다 순응성과 목표 힘을 제어한다
접촉 뒤에도 위치 오차를 0으로 만들려 하면 로봇은 기계 간섭을 더 큰 힘으로 이깁니다. 축방향에는 작은 목표 힘을 유지하고 횡방향과 회전에는 낮은 강성 또는 어드미턴스를 주어 Peg가 모따기를 따라 움직일 여지를 만듭니다.
강성을 너무 낮추면 탐색 궤적이 흐려지고 너무 높이면 끼임 하중이 커집니다. 빈 공간 응답, 평면 접촉, 편심 접촉의 세 시험에서 힘 상승률과 위치 응답을 비교해 축별 강성·감쇠를 정하고, 제어 주기 지터도 함께 확인합니다.
나선·래스터 탐색은 중심을 찾는 궤적이 아니라 접촉을 제한하는 정책이다
나선 탐색은 반경을 연속적으로 늘려 주변을 훑고, 래스터 탐색은 직교 방향으로 일정 간격을 이동합니다. 어느 방식이든 반경, 선속도, 회전 속도, 축력, 총시간의 상한을 둬야 하며 Hole에 진입했다는 관측이 없으면 정해진 시점에 중단합니다.
NIST 자동 삽입 오차 저감 연구가 다루듯 등록 오차를 줄이는 일과 접촉 중 오차를 다루는 일은 연결되어 있습니다. 탐색 반경은 캘리브레이션 잔차의 분포에서 정하고, 무작정 크게 잡아 주변 구조물과 부딪히지 않게 합니다.
삽입 진입은 깊이 증가·횡력 감소·축력 패턴으로 판정한다
Hole을 찾았다고 판단할 때 단순한 위치 하강만 보면 모따기 위에서 미끄러진 움직임을 진입으로 오인할 수 있습니다. 일정 깊이 증가가 이어지고 횡력과 모멘트가 줄며 축력이 정상 마찰 범위에 들어오는지를 짧은 시간 창에서 함께 확인합니다.
착좌는 반대로 깊이 증가가 멈추고 축력이 증가하는 상태일 수 있습니다. 목표 삽입 깊이 근처인지 확인하지 않은 채 힘만 보면 중간 끼임도 착좌로 오인하므로, 깊이 창·힘 창·시간 창을 모두 만족해야 완료로 전환합니다.
Jamming과 wedging은 힘의 크기보다 방향과 깊이 변화로 구분한다
Jamming은 접촉 형상과 마찰 때문에 진행 방향 힘이 커져도 깊이가 늘지 않는 상태이고, wedging은 각도 오차로 두 지점 이상이 맞물려 작은 움직임도 큰 모멘트를 만드는 상태입니다. 둘 다 계속 누르면 부품 표면과 공구에 손상이 누적됩니다.
축력 상승률, 횡력 대 축력 비, 모멘트, 깊이 속도를 함께 보면 단순 마찰과 끼임을 구분하기 쉽습니다. 임계 초과 시 즉시 멈춘 뒤 축력부터 빼고 일정 거리 후퇴하며, 같은 경로를 그대로 반복하지 않고 자세 또는 탐색 시작점을 바꿉니다.
| 관측 상태 | 가능한 해석 | 안전한 다음 동작 |
|---|---|---|
| 깊이 증가·횡력 감소 | 정상 진입 | 저속 삽입 계속 |
| 깊이 정지·축력 증가 | 마찰 또는 바닥 접촉 | 깊이 창 확인 후 중단 |
| 횡력·모멘트 동시 증가 | 편심·wedging | 축력 제거 후 자세 재설정 |
| 힘 변동·깊이 반복 | 스틱슬립·불안정 탐색 | 속도·감쇠 조정 후 재시도 |
복구는 실패 뒤 예외 처리가 아니라 정상 상태 기계의 일부다
복구 상태에는 정지, 축력 제거, 안전 후퇴, 센서 영점 확인, 위치 재관측, 재탐색과 작업 포기를 명시합니다. 재시도 횟수뿐 아니라 누적 힘·접촉시간·후퇴 공간을 제한해야 반복 시도가 부품을 손상시키지 않습니다.
동일한 방향으로 연속 실패하면 좌표 오차나 부품 뒤집힘처럼 탐색으로 해결할 수 없는 원인일 수 있습니다. 카메라 재관측 또는 작업자 확인으로 분기하고, 오류 코드에는 실패 상태와 최대 힘, 마지막 깊이, 재시도 이력을 넣습니다.
상태 점검표는 접근부터 착좌까지 센서와 중단 조건을 잇는다
그림의 네 단계는 각 상태가 무엇을 관측하고 언제 다음 상태로 넘어가는지 요약합니다. 전환 조건이 위치 명령에만 묶이면 센서가 이상을 감지해도 동작이 계속될 수 있으므로 힘·거리·시간 제한을 모두 독립적인 중단 조건으로 둡니다.
센서 시각을 맞추지 않으면 로봇 위치와 힘 상승의 인과가 어긋납니다. 로봇 시간 동기화 글의 원칙대로 제어 명령, 관절 상태, F/T와 비전 관측을 같은 시간축에 기록합니다.
합격 시험은 성공률·접촉 하중·사이클 시간·손상을 함께 본다
평균 성공률 하나로는 드문 고하중 충돌과 긴 꼬리 실패를 놓칩니다. 위치·각도 오차를 단계적으로 주입하고, 각 조건에서 성공률, 최대 축력·횡력·모멘트, 삽입 시간, 재시도 횟수와 부품 손상을 기록합니다.
부품 공차의 최소·최대, 표면 오염, 공구 온도와 케이블 장력까지 바꿔야 생산 조건의 경계를 알 수 있습니다. 안전 상한을 한 번이라도 넘은 실행은 최종 삽입에 성공했더라도 실패로 분류하고, 원인 수정 뒤 동일 조건을 재시험합니다.
로봇 Peg-in-Hole 조립에서 자주 묻는 질문
Peg-in-Hole에 카메라만으로 충분한가요?
간극이 크고 부품이 잘 정렬되면 가능할 수 있지만 작은 공차에서는 캘리브레이션 잔차가 접촉 하중으로 바뀝니다. 힘·토크 또는 관절 토크로 실제 접촉을 확인하는 편이 안전합니다.
나선 탐색 반경은 크게 잡을수록 좋은가요?
아닙니다. 예상 위치 오차 분포를 덮는 최소 반경으로 시작해야 주변 구조물 충돌과 표면 긁힘을 줄일 수 있습니다.
접촉 힘 임계값 하나만 정하면 되나요?
축력 하나보다 횡력, 모멘트, 힘 상승률과 지속시간을 결합해야 충격·노이즈·끼임을 구분하기 쉽습니다.
삽입 완료는 어떻게 확인하나요?
목표 깊이 창, 깊이 속도, 축력 패턴과 자세 오차를 함께 봅니다. 힘만 증가했다고 완료로 보면 중간 끼임을 착좌로 오인할 수 있습니다.
몇 번까지 재시도해야 하나요?
고정 횟수만 두지 말고 누적 접촉시간과 최대 힘, 부품 손상 위험을 함께 제한합니다. 같은 유형이 반복되면 재관측 또는 작업자 확인으로 넘깁니다.
수치 임계값과 강성·속도는 로봇, 센서, Peg·Hole 공차와 안전 요구에 따라 달라집니다. 실제 부품에서 단계적 오차 주입과 고장 시험을 거쳐 확정해야 합니다.