로봇 시뮬레이션 시스템 모델링 정석

모델 구조와 계산 원리로 익히는 기초 (강체 동역학, 잡음 모델, 캘리브레이션)

지식이야기 IT팀 지음

지식이야기 2026년 02월 01일 출간

작품소개

책소개

로봇 시뮬레이션 시스템 모델링 정석은 로봇 시뮬레이션을 구성하는 모델을 어떻게 정의하고, 어떤 원리로 계산이 진행되며, 어떤 기준으로 일관성과 신뢰성을 확보하는지에 집중한 기초 안내서이다. 개인의 경험담이나 특정 프로젝트 사례에 기대지 않고, 로봇 시뮬레이션에서 공통적으로 요구되는 모델링 요소들을 개념과 구조 중심으로 정리한다.

이 책은 강체 운동 기술, 동역학 모델, 관절과 링크 구조, 접촉과 마찰, 제약 조건, 수치적 적분, 센서 관측 모델, 그리고 구현 관점의 모델 표현까지 시뮬레이션의 핵심 블록을 순서대로 다룬다. 각 장은 “어떤 현상을 어떤 변수로 표현하는가”, “가정과 근사는 무엇을 바꾸는가”, “수치 계산에서 무엇이 흔들리고 왜 그런가” 같은 질문에 답하도록 구성되어, 시뮬레이션 결과를 해석 가능한 형태로 만드는 데 필요한 기초 원리를 제공한다.

또한 모델의 정합성과 검증 절차를 별도의 축으로 제시하여, 단순히 실행되는 모델이 아니라 점검 가능한 모델을 목표로 한다. 단위와 차원, 보존 성질, 경계 조건에서의 거동, 오차 원인 추적과 같은 항목을 통해 모델이 왜 그 결과를 내는지 설명할 수 있는 기반을 마련한다.

로봇 시뮬레이션을 처음 체계적으로 정리하려는 독자, 구현 이전에 모델링의 뼈대를 확립하려는 독자, 그리고 시뮬레이션 결과를 안정적으로 재현하고 해석하려는 독자에게 이 책은 기본기를 제공한다. 핵심은 더 많은 기능이나 고급 응용이 아니라, 모델을 구성하는 언어와 논리를 정확히 갖추는 데 있다.

*생성형 인공지능을 활용하여 제작하고 편집 과정을 거쳤습니다. 편집자의 최종 검토를 거쳐 제작되었습니다.

목차

Chapter 1 로봇 시뮬레이션 시스템의 범위와 구조
시뮬레이션 시스템의 구성 요소와 역할
모델과 시뮬레이터의 구분
상태, 입력, 출력의 정의와 해석
시간 이산화와 적분 개념의 위치
결정론적 모델과 확률적 모델의 차이
모델 단순화와 보존해야 할 성질
모델 검증과 신뢰성의 의미

Chapter 2 좌표계와 강체 운동의 기술
기준 좌표계와 물체 좌표계의 설정
회전 표현의 선택 기준
변환 행렬의 구성과 합성
각속도와 선속도의 관계
자유도와 구속의 표현 방식
관성계와 비관성계의 구분
측정 좌표와 모델 좌표의 정합

Chapter 3 강체 동역학 모델링의 핵심 요소
질량, 질량중심, 관성모멘트의 의미
뉴턴 오일러 공식의 구조
라그랑주 형식의 기본 구성
일반화 좌표와 일반화 힘
중력, 외력, 구동력의 포함 방식
에너지 기반 표현과 보존 특성
모델 파라미터의 식별과 일관성

Chapter 4 관절 시스템과 링크 모델의 구성
링크와 조인트의 그래프 구조
개방형 사슬과 폐쇄형 사슬의 차이
조인트 종류와 운동 제약
기구학 사상과 동역학 사상의 구분
관절 좌표의 정의와 범위
구동기 모델의 최소 구성
기계적 손실의 단순 모델링

Chapter 5 접촉과 마찰의 모델링 원리
접촉의 발생 조건과 기하학적 해석
침투 기반 접근과 제약 기반 접근
정상력의 계산 개념
쿨롱 마찰의 구성 요소
정지 마찰과 운동 마찰의 전이
마찰 원뿔과 근사 모델
수치적 불안정의 주요 원인

Chapter 6 제약 조건과 제약 해석
홀로노믹 제약과 비홀로노믹 제약
제약식의 구성과 자코비안
라그랑주 승수의 의미
제약 안정화 개념과 필요성
구속 위반의 누적과 처리 원리
폐루프 기구의 일관성 조건
다중 제약의 우선순위와 충돌

Chapter 7 수치적 적분과 시간 전개
연속 시스템의 시간 전개 구조
명시적 적분과 암시적 적분의 차이
안정성과 시간 간격의 관계
강체 접촉에서의 강직성 문제
감쇠와 수치적 에너지 거동
이벤트 처리와 연속 적분의 경계
오차 축적과 재현성의 조건

Chapter 8 센서와 관측 모델의 구성
센서 모델링의 목적과 범위
측정 잡음의 표현 방식
바이어스와 드리프트의 단순화
샘플링 주기와 지연의 반영
좌표 변환과 캘리브레이션 관계
관측 가능성과 정보 손실
센서 융합의 기본적 관점

Chapter 9 시뮬레이터 구현 관점의 모델 표현
모델 데이터 구조의 기본 형태
기하, 충돌, 동역학 요소의 분리
파라미터 단위와 스케일 정합
초기 조건의 정의와 민감도
결정적 실행을 위한 조건
수치 해법 선택이 결과에 미치는 영향
출력 로그와 재현 가능한 기록 방식

Chapter 10 모델의 정합성과 검증 절차
정합성, 타당성, 검증의 구분
단위 검사와 차원 분석
보존 법칙 관점의 점검 항목
단순 케이스 기반의 비교 검증
경계 조건과 극단 입력에서의 거동
오차 원인의 분류와 추적
모델 변경 시 영향 범위 관리

인물정보

저자(글) 지식이야기 IT팀

로봇 시뮬레이션에 대한 관심을 바탕으로 독자 니즈와 시장 흐름을 꾸준히 연구하며, 복잡한 내용을 핵심 개념 중심으로 쉽게 정리한 지식콘텐츠를 성실히 제작하고 있습니다.