🎯 시험직전 핵심정리

3과목 모션 소프트웨어

좌표계·변환행렬

• 포즈(Pose) = 위치 3 + 자세 3 = 6자유도. 평면 이동로봇은 (x, y, θ) 3자유도 — 헤딩각 θ = yaw
• roll = x축, pitch = y축, yaw = z축 회전. 오른손 좌표계: \hat{x}×\hat{y}=\hat{z}, 양의 회전 = 반시계
• TCP(툴 중심점) = 툴 좌표계 원점, 도구 교체 시 재설정. 직교→극좌표: r=\sqrt{x^2+y^2}, θ=\operatorname{atan2}(y,x)
• 회전행렬 = 직교행렬: R^{-1}=R^\top, \det R = +1 (−1이면 거울 반사). 열벡터는 직교 단위벡터
• 동차변환행렬 = 4×4, 좌상단 3×3 회전 + 우측 3×1 평행이동, 마지막 행 [0 0 0 1]
• 곱셈은 비가환 — 고정 좌표계 기준 추가 변환은 왼쪽(전곱), 현재(이동) 좌표계 기준은 오른쪽(후곱)
• 오일러각의 함정 짐벌락(pitch ±90°에서 자유도 상실) ↔ 쿼터니언(수 4개, 짐벌락 없음, ROS 표준)

복습: 좌표계 · 변환행렬

기구학

• 순기구학(조인트→포즈): 변환행렬 연쇄 곱, 해 항상 유일 ↔ 역기구학(포즈→조인트): 해 없음(작업공간 밖)·다중(엘보우 업/다운, 6축 최대 8개)·무한(여유자유도 7축)
• DH 파라미터 4개: θ(조인트각)·d(오프셋)·a(링크 길이)·α(비틀림) — 회전조인트 변수는 θ, 직동조인트는 d. 질량 m은 아님(동역학)
• 2링크 순기구학: x = l_1\cos θ_1 + l_2\cos(θ_1{+}θ_2) / 역기구학: \cos θ_2 = \dfrac{x^2+y^2-l_1^2-l_2^2}{2l_1 l_2} (±가 곧 다중해, |cos|>1이면 해 없음)
• 자코비안: \dot{x} = J(q)\dot{q} — 조인트 속도→말단 속도. 특이점: \det J = 0 → 특정 방향 이동 불가(자유도 상실), 근처에서 조인트 속도 폭주. 예: 팔 완전히 뻗은 자세
• 해석적 해법(빠름·모든 해, 구조마다 유도, Pieper 조건) vs 수치적 해법(뉴턴-랩슨 반복, 범용, 초기값 의존·해 1개)
• 여유자유도(7축): 말단 포즈 유지한 채 팔꿈치만 움직여 장애물·특이점 회피

복습: 로봇 기구학 해석 · 로봇 역기구학 해석

경로계획·충돌회피

• 경로(기하학적 길) vs 궤적(경로 + 시간 법칙). 조인트 공간 계획 = IK 시작·끝만, 특이점 무관, 직선 미보장(PTP/MoveJ) ↔ 작업 공간 계획 = 보간점마다 IK, 직선·원호 정확(MoveL/MoveC), 특이점 위험
• 다항식 보간: 3차 = 경계조건 4개(위치·속도), 5차 = 6개(+가속도). 사다리꼴 프로파일 = 가속–등속–감속(거리 짧으면 삼각형), 저크(가속도 변화율) 완화 → S-커브

• Dijkstra: 누적 비용순 균일 확장, 최단 보장. A*: f(n)=g(n)+h(n) — h가 허용 가능(실제 잔여 비용 과대평가 금지)이면 최적 보장, h=0이면 Dijkstra와 동일
• 샘플링 기반(고차원 구성공간용): PRM = 로드맵 사전 구축(multi-query) vs RRT = 트리 확장(single-query). 확률적 완전성 O, 최적성 X (RRT*는 점근적 최적)
• 포텐셜 필드: 인력(목표)+척력(장애물), F=-∇U — 함정: 지역 최솟값에 갇힘·진동. DWA: 가감속 한계로 동적 창 제한 → 실행 가능한 (v, ω)만, 평가 = heading + dist + velocity
• 충돌 검사: 경계 볼륨(구 = 최단순, 캡슐 = 링크 표준), 넓은 단계(후보 선별) → 좁은 단계(정밀). 자기충돌도 검사. C-space: 장애물 팽창 + 로봇은 점 취급
• 안전 계산: TTC = d/v_rel, 정지거리 = v·t_{react} + \dfrac{v^2}{2a} — 제동거리는 속도 제곱 비례. ISO/TS 15066 협동 4방식: 감시 정지·핸드 가이딩·속도분리 감시·동력힘 제한(접촉 허용)

복습: 머니퓰레이터 경로계획 · 이동로봇 전역 경로계획 · 이동로봇 지역 경로계획 · 머니퓰레이터 충돌회피 · 이동로봇 충돌회피

이동지능 — 지도·위치인식·SLAM

• 지도 3종: 격자지도(셀별 점유 확률, 미지 영역 0.5, 메모리 큼 — 경로계획 표준), 특징지도(랜드마크 좌표만, EKF 궁합), 위상지도(노드·간선 그래프, 대규모 상위 계획, 정밀 주행 부적합)
• 격자 셀 크기 절반 → 셀 수 2D 4배·3D 8배. 갱신은 로그 오드(곱→덧셈), 빔 통과 셀=비점유·부딪힌 셀=점유(역센서 모델)
• 오도메트리 = 엔코더 적분(추측항법): v=\dfrac{v_R+v_L}{2}, ω=\dfrac{v_R-v_L}{L} — 오차 누적(드리프트), 외부 관측으로 보정 필수
• 위치인식 3문제(쉬움→어려움): 위치 추적(초기 위치 앎) → 전역 위치인식(모름) → 납치 로봇(순간이동 자각·재인식)
• 베이즈 필터 = 예측(모션 모델, 불확실성↑) → 갱신(관측 모델, 불확실성↓) 반복. 스캔 매칭 대표 알고리즘 = ICP

• SLAM = 위치인식+지도작성 동시(닭-달걀 문제). 프론트엔드(특징 추출·스캔 매칭·데이터 연관) / 백엔드(그래프 최적화). 루프 폐쇄 = 재방문 인식 → 누적 오차 궤적 전체 일괄 보정
• 기법 계보: EKF-SLAM(O(n^2) 한계) → FastSLAM(궤적 파티클 + 랜드마크 EKF, Gmapping) → 그래프 SLAM(노드=포즈, 간선=제약 — 현대 표준, Cartographer)

복습: 이동로봇 지도 작성 · 이동로봇 위치인식 · 이동로봇 SLAM

액추에이터 사양·모델링

• 전기(정밀 제어, 주류) / 유압(최대 힘, 대형 중부하) / 공압(간단·깨끗, 정밀 위치제어 곤란). 스테핑 모터 = 개루프 위치제어 가능·과부하 시 탈조, BLDC = 전자 정류로 수명·효율↑
• 출력 P = τω (ω는 rad/s로 환산!), 토크 τ = k_t·i (전류 비례), SI에서 k_t = k_e
• 감속비 N: 속도 1/N, 토크 N배, 반사 관성 1/N^2 — J_{eq} = J_m + J_L/N^2. 백래시 극소 감속기 = 하모닉 드라이브. 관성비 크면 제어 불안정
• 필요 토크 = J_{eq}α(가속) + 마찰 + 중력 — 가속 구간 최대, 감속 구간 음수 = 회생(발전기 동작). 선정 2대 조건: RMS 토크 ≤ 정격, 피크 ≤ 최대. τ_{rms}=\sqrt{Στ_i^2 t_i / Σt_i} — 휴지 시간도 분모 포함
• 정특성: V = Ri + k_e ω → 무부하 속도 ω_0 = V/k_e, 실속(기동) 토크 τ_s = k_t V/R. 토크-속도 = 우하향 직선, 전압↑ = 평행이동(PWM 속도제어 원리)
• 동특성: 전기 시정수 τ_e = L/R ≪ 기계 시정수 τ_m ≈ JR/(k_t k_e) → 전류 루프를 안쪽에 두는 근거. 1차 시스템 스텝 응답: t = τ에서 63.2% (2τ 86.5%, 3τ 95%)
• 마찰 3종: 점성(속도 비례 bω) / 쿨롱(크기 일정·방향 반대) / 정지(가장 큼, 스틱-슬립 원인)

복습: 액추에이터 사양 분석 · 액추에이터 동역학적 구동 프로파일 · 액추에이터 특성 모델링 · 액추에이터 동역학 모델링

제어구조·게인 튜닝

• PWM: V_{avg} = D×V_{DC} (듀티비 D). H-브리지: 대각선 쌍 ON = 정·역회전, 같은 쪽 상하 동시 ON = 슛스루(단락) → 데드타임 삽입 필수
• 엔코더: 인크리멘털(A·B상 90° 위상차로 방향 판별, 4체배 — 분해능 360°/4P, 정전 시 위치 상실 → 호밍 필요) vs 앱솔루트(절대 위치 즉시, 호밍 불요, 고가)
• PID: P = 현재 오차(기본 힘) / I = 과거 누적 → 정상상태 오차 제거 / D = 변화율 → 감쇠↑·오버슈트 억제, 노이즈 증폭. 어느 게인이든 과하면 진동 → 발산
• 캐스케이드 3중 루프: 위치(바깥, P) → 속도(PI) → 전류(안, PI) — 빠른 물리량이 안쪽, 주기도 안쪽일수록 빠름(전류 10~20 kHz). 튜닝은 안쪽부터. 전류 리미트 = 토크 리미트
• 피드포워드 = 지령 기반 사전 계산(속도·가속도 FF, 중력 보상) — 외란은 못 잡음, 피드백과 병행
• ZN 한계 감도법: K_i=K_d=0에서 K_p↑ → 지속 진동 시 K_u, P_u 기록 → PID: K_p=0.6K_u, T_i=0.5P_u, T_d=0.125P_u
• 적분 와인드업: 조작량 포화 중 적분 누적 → 큰 오버슈트·정착 지연. 대책 = 클램핑(적분 중지)·역계산

복습: 액추에이터 구동원리 · 액추에이터 제어구조 설계 · 제어기 게인 설정

임베디드·펌웨어·성능시험

• 실시간 = "빠름"이 아니라 데드라인 보장(결정론). 하드(전류 제어·비상정지 — 미스 = 사고) vs 소프트(로그·모니터링). 판단 기준은 평균 아닌 WCET
• 인터럽트(즉각 응답) vs 폴링(루프마다 확인). ISR 규칙: 짧게(플래그만 세우고 메인에 위임), 공유 변수 volatile. 워치독 타이머 = 킥 끊기면 자동 리셋. 크로스 컴파일 = 호스트 PC에서 타깃(ARM)용 빌드
• 펌웨어 3계층: 응용(제어·상태머신) / 미들웨어(통신 스택) / HAL(레지스터 추상화 → 이식성). 실행 구조: 슈퍼루프 / 전경·배경(인터럽트 기반) / RTOS(우선순위 선점형)
• 우선순위 = Rate Monotonic(주기 짧을수록 높음): 전류(+과전류 보호) > 속도 > 위치 > 통신. CPU 사용률 U=Σ C_i/T_i ≤ 약 70% 여유
• 상태 머신: 초기화 → 대기(서보 OFF) → 운전 → Fault(즉시 전력단 차단, 자동 재기동 금지). 페일세이프: 통신 두절 시 마지막 지령 유지 X → 감속 정지. 통신 표준 = CAN. 부트로더 = 검증·이관 + 펌웨어 업데이트
• X-in-the-Loop 순서: MIL(모델+모델) → SIL(실코드, PC) → PIL(실코드, 실MCU) → HIL(실제어기 + 실시간 시뮬레이터 — 위험 조건을 실물 파손 없이 반복) → 실물. 스텝 입력 = 과도 응답, 처프 = 주파수 응답, 외란 시험 = 다이나모미터로 부하 급변
• 스텝 응답 지표: 상승시간 = 10→90%, 오버슈트 = (피크−최종)/최종값×100, 정착시간 = ±2%(또는 ±5%) 밴드 진입 후 재이탈 없음, 대역폭 = −3 dB(≈0.707) 주파수. 안정 여유: PM 30~60°, GM ≥ 6 dB
• 증상별 처방: 오버슈트·진동 = 감쇠 부족(K_p↓/K_d↑), 잔류 오차 = K_i↑·중력 보상, 가속 구간만 오차 급증 = 토크(전류) 포화 — 게인으로 못 고침(프로파일 완화·용량 재검토), 공진 피크 = 노치 필터·기계 개선

복습: 임베디드 프로그래밍 특성 · 로봇 액추에이터 펌웨어 구조 · 로봇 액추에이터 펌웨어 설계 · 제어기 소프트웨어 성능시험 · 제어기 시험평가 결과 성능 분석

2과목 로봇 소프트웨어 구조설계

OS·실시간

• 범용 OS(공평·평균 성능, 지연 비결정적) vs RTOS(데드라인 안 응답 보장 = 결정론, 우선순위 기반 선점형). 실시간 = "빠름"이 아니라 "정해진 시간 안 응답 보장" — 경성(모터 전류 루프: 위반 시 사고) / 연성(화면 갱신: 품질 저하)
• 우선순위 역전: 낮은(L)이 쥔 자원을 높은(H)이 기다리는 사이 중간(M)이 L을 선점 → H가 밀림. 해결: 우선순위 상속(L을 H로 잠시 승격)·우선순위 천장
• 2계층 구성: 상위 = 임베디드 PC의 Linux+미들웨어(계획·인지) / 하위 = MCU의 RTOS·베어메탈(모터·비상정지). 리눅스 실시간화: PREEMPT_RT 패치, Xenomai(이중 커널)
• 대표 RTOS: FreeRTOS·VxWorks·QNX. 함정: ROS는 OS가 아니라 미들웨어(스케줄링·메모리 관리는 리눅스 몫)

복습: 로봇 소프트웨어 운영체제

통신 프로토콜

• RS-232(싱글엔드·1:1·~15 m) vs RS-485(차동·멀티드롭·~1.2 km·내노이즈)
• CAN: 차동 2선·멀티마스터·비파괴 비트 중재 — ID가 작을수록 우선(비상정지에 작은 ID). 클래식 8바이트/CAN FD 64바이트, CRC 오류 검출
• EtherCAT: 프레임 통과 중 처리(processing on the fly) + 분산 클록(µs급 다축 동기)
• TCP(연결지향·재전송·순서 보장 → 명령·설정) vs UDP(비연결·저지연 → 영상 스트림·주기 상태)
• OSI 7계층 순서: 물리→데이터링크→네트워크→전송→세션→표현→응용 (TCP/UDP=전송, IP=네트워크, 필드버스=물리+데이터링크)

복습: 로봇 구성 요소 간 통신 프로토콜

미들웨어(ROS·DDS)·제어 구조

• 미들웨어 = OS와 응용 사이 계층: 이기종 통합·분산 통신·모듈 재사용
• 통신 3종: 토픽(발행-구독, 비동기 스트림) / 서비스(요청-응답, 동기) / 액션(목표-피드백-결과, 취소 가능 — 장시간 작업). 발행-구독 장점 = 서로의 존재를 몰라도 됨(낮은 결합)
• ROS 1→2: 마스터 roscore(단일 실패점) 제거 → DDS 분산 디스커버리 + QoS(reliable/best-effort·history), 실시간·보안·micro-ROS
• 매칭: OPRoS=한국, RT-Middleware=일본 AIST(OMG RTC 표준), OROCOS=유럽·실시간 제어
• 제어 구조 3대 패러다임: 숙고형 SPA(세계 모델·최적 계획, 반응 느림) / 반응형 포섭 구조(Brooks — 상위 행동이 하위를 억제, 빠르지만 장기 계획 불가) / 혼합형 3계층(숙고—실행—반응)
• 하드 실시간 루프는 미들웨어 경유 금지(지터) → 하위 펌웨어에. 계층형 원칙: 위층은 아래층의 인터페이스만 사용

복습: 로봇 소프트웨어 구조 설계 · 로봇 미들웨어 구조 설계

모듈화·프로세스 관리

• 응집도(높을수록 좋음, 높은 순): 기능적 > 순차적 > 통신적 > 절차적 > 시간적 > 논리적 > 우연적 — 초기화 모듈=시간적 응집
• 결합도(낮을수록 좋음, 낮은 순): 자료 < 스탬프(구조체 전체) < 제어(플래그) < 외부 < 공통(전역 변수) < 내용(내부 직접 참조)
• 정보 은닉 = 인터페이스만 공개해 변경 여파를 모듈 안에 가둠. 팬인=호출받는 수(재사용 지표) / 팬아웃=호출하는 수(과다 시 복잡)
• 프로세스 상태: 준비=CPU만 기다림 / 대기=I/O 기다림 — 대기가 끝나면 실행이 아니라 준비로
• 프로세스(독립 메모리·장애 격리) vs 스레드(스택만 개별, 코드·전역·힙 공유). IPC: 공유 메모리 최속(복사 없음, 동기화 필수), 소켓만 컴퓨터 간 가능
• 뮤텍스(1개 자원, 소유자만 해제) vs 세마포어(카운터로 N개). 교착상태 4조건(모두 성립해야): 상호 배제·점유와 대기·비선점·순환 대기 — 예방: 자원 획득 순서 통일
• ROS 2 라이프사이클 노드: Unconfigured→Inactive→Active→Finalized (기동 순서 보장)

복습: 모듈화 프로그래밍 · 미들웨어 프로세스 관리

시스템 통합·최적화·시험평가

• V-모델 짝: 요구사항↔인수, 시스템 설계↔시스템 시험, 아키텍처↔통합, 상세 설계↔단위
• 통합 전략: 빅뱅(한꺼번에 — 결함 위치 못 찾음) / 하향식→스텁(가짜 하위) / 상향식→드라이버(가짜 상위) / 샌드위치(병행). ICD=인터페이스 계약 문서(기계·전기·SW)
• 최적화 사이클: 측정(프로파일링)→병목 식별→개선→재측정·회귀 시험. 조기 최적화는 만악의 근원. 효과 순: 알고리즘 > 자료구조 > 코드. LUT=공간으로 시간 구매
• 암달의 법칙: S=1/((1-p)+p/s), 상한 1/(1-p) — 40%를 무한히 개선해도 최대 1.67배
• V&V: 검증(Verification)="올바르게 만들었나"(사양대로) / 확인(Validation)="올바른 제품인가"(사용자·실환경). 시험 레벨: 단위→통합→시스템→인수
• 블랙박스(동등 분할·경계값 분석) vs 화이트박스(구문·분기 커버리지). 합격 기준은 시험 계획 단계에 미리
• ISO 9283: 정확도=지령과 도달 평균의 차 / 반복 정밀도=산포(탄착군) — 정밀하나 부정확 → 캘리브레이션으로 보정 가능
• IP 등급 첫째=방진(0~6)·둘째=방수. 안전 표준: ISO 10218 산업용 / TS 15066 협동 / 13482 서비스. 가용도 A=MTBF/(MTBF+MTTR)

복습: 로봇 시스템 통합 설계 · 로봇 시스템 최적화 · 로봇 시스템 평가절차 · 로봇 시스템 시험평가

요구사항 분석 (하드웨어·환경·사용자·시나리오)

• 5대 구성요소: 기구(골격)·구동(근육)·센서(감각)·제어(두뇌)·전원(심장). 내계 센서(엔코더·IMU·전류) vs 외계 센서(카메라·LiDAR·GPS). 감속기: 하모닉(무백래시·소형 손목) vs RV(고강성·기저축)
• 좌표형: 직교 PPP=직육면체 / 원통 RPP / 극좌표 RRP=구형 / SCARA(수평 유연·수직 강성 — 상하 조립 최적) / 수직 다관절 RRR(작업영역 최대·범용) / 병렬(고속·고강성·작업영역 좁음)
• 이동로봇: 차동 구동(제자리 회전 O·논홀로노믹) / Ackermann(최소 회전 반경·제자리 회전 X) / 전방향 메카넘(홀로노믹·횡이동 O)
• 환경 3축: 정형/비정형·정적/동적·실내/실외 — 실내=GPS 불가→SLAM 필수, 유리벽=LiDAR 투과→초음파 병용(센서 융합)
• 분해능(최소 구별)≠정확도(참값 근접)≠정밀도(산포). 드리프트=IMU 적분 오차 주범. 정격 토크(연속) vs 최대 토크(순시) — 고온에선 디레이팅
• 사용자 4유형(직접·간접·유지보수자·제3자=안전·의도 표시 대상)·특성 3축(신체·인지·심리)·페르소나. 로그=정량("왜"는 모름) + 관찰=정성 병행. HTA=목표의 계층 분해
• 시나리오 구성: 사전 조건→트리거→정상/대안(계속 진행)/예외(불가 → 안전 상태 수렴)→사후 조건. 유스케이스=목표 단위, 시나리오=그 한 실행 경로
• 작업 실행 구조: FSM(직관적·상태 많으면 조합 폭발) vs 행동 트리(시퀀스=모두 성공해야, 셀렉터=폴백; 예외 많은 대규모에 유리)

복습: 로봇 구성요소 · 로봇 구조에 따른 분류 · 로봇 작업환경 분석 · 센서 및 구동장치의 성능환경 분석 · 사용자 특성의 분석 · 로봇 사용패턴 분석 · 로봇 작업 시나리오 작성 · 작업 시나리오별 소프트웨어 구현기술

아키텍처 설계·검증

• 아키텍처는 기능이 아니라 품질 속성(비기능) 이 결정 — 아키텍처 드라이버(핵심 기능+품질+제약)를 측정 가능한 시나리오("회피 반응 100 ms 이내")로 기술
• 4+1 뷰: 논리(클래스)·프로세스(동시성 — ROS 계산 그래프)·개발(패키지)·물리(HW 배치=배치 다이어그램) + 유스케이스(시나리오)
• 스타일 매칭: 계층형(하위 교체·이식) / 파이프–필터(센서 파이프라인) / 발행–구독(낮은 결합, 추적 어려움) / 블랙보드(세계 모델 공유) / 클라이언트–서버(서버=병목·단일 실패점) / MVC(관제 UI)
• 프레임워크 = 제어의 역전(IoC)(내 코드가 호출당함) vs 라이브러리(내가 호출). ROS=생태계·OROCOS=실시간·OpenRTM=RTC 표준. 시뮬레이터의 한계=Sim-to-Real Gap, CI=올릴 때마다 자동 빌드·시험
• OO 4대 특징: 캡슐화·상속·다형성·추상화. 집합(빈 마름모·부분 독립 생존) vs 합성(채운 마름모·생명주기 공유). SOLID: 단일 책임·개방-폐쇄(확장 열림·수정 닫힘)·리스코프 치환·인터페이스 분리·의존성 역전(추상에 의존)
• CASE: 상위=분석·설계 / 하위=구현·시험. 순공학(모델→코드)·역공학(코드→모델)·재공학(역공학+개선). MBD 검증 순서: MIL→SIL→HIL
• 검토 격식 순: 동료 검토 < 워크스루(작성자 주도) < 인스펙션(중재자 주도·체크리스트·검출률 최고). ATAM=품질 시나리오로 위험·민감점·절충점 분석
• 오류(사람 실수)→결함(산출물의 흠)→고장(실행 중 발현). FTA=사고→원인·하향·연역(AND/OR 게이트) vs FMEA=고장모드→영향·상향·귀납(RPN=심각도×발생도×검출도). 안전 설계: fail-safe·이중화·워치독·격리·축퇴 운전

복습: 로봇 소프트웨어 아키텍처 모델링 · 로봇 소프트웨어 개발환경 · 로봇 소프트웨어 아키텍처 분류 · 로봇 소프트웨어 프레임워크 · 로봇 소프트웨어 설계 도구 · 객체지향 소프트웨어 설계 · 로봇 소프트웨어 아키텍처 검증 · 로봇 소프트웨어 아키텍처 오류분석

4과목 지능 소프트웨어

작업 요구사항 · 목표사양

• 요구공학 4단계: 도출→분석→명세→검증 — 분석=충돌 해결·우선순위화(MoSCoW), 검증=이해관계자 의도와의 일치 확인
• 기능 요구=무엇을 하는가 / 비기능 요구=얼마나 잘(성능·신뢰성·안전) — 아키텍처는 비기능 요구가 결정
• 좋은 요구사항 5특성: 명확성·검증 가능성·완전성·일관성·추적 가능성 ("빨리 배달" → "5분 이내"로 정량화)
• 가반하중 = 물체 + 엔드이펙터(그리퍼) 무게 (그리퍼 빼먹기가 전형적 함정). 조립 공차 ↔ 반복 정밀도 대조
• 직렬 작업 성공률 = 단계 성공률의 곱 — 최약 단계 개선이 최우선, 사이클 타임도 병목 단계가 지배
• 목표사양 3대 요건: 정량성·측정 조건 명시·달성 가능성. 수용 기준(합격 판정법)은 시험 전에 확정
• 추적 사슬: 요구사항 → 목표사양 → 설계 → 시험. 상충 목표는 우선순위 명시(안전 > 성공률 > 속도)

복습: 작업 요구사항 분석 · 로봇 성능 분석 · 작업지능 소프트웨어 목표사양

작업지능 설계 · 주변장치 인터페이스

• 작업지능 3요소: 계획(Planning)–실행(Execution)–감시(Monitoring). 실패 대응 사다리: 재시도 → 재계획 → 축퇴·인계
• STRIPS식 행동 = 전제조건(실행 가능 조건) + 효과(실행 후 상태 변화) — 계획기가 행동 순서를 스스로 추론
• 계획=행동의 순서 / 스케줄링=시간·자원 배분. 작업지능은 3계층 구조의 숙고층+실행층, 세계 모델은 블랙보드 스타일
• 인터페이스 선택: 단순 On/Off=디지털 I/O(24 V), 다수 설비·구조화=필드버스(CAN·Modbus), 대용량·원격=네트워크
• 비상정지·안전 인터록 = SW 미경유 하드와이어드(직결) 원칙 — SW는 안전의 최후 보루가 아니다
• 핸드셰이크: 요청 → 응답 확인 후에만 진행 + 각 단계 타임아웃 예외 처리. 장치는 드라이버 모듈로 캡슐화, 스텁으로 사전 시험

복습: 작업지능 소프트웨어 설계 · 주변장치 인터페이스 분석

인지지능 · 학습

• 인지 파이프라인 4단계: 전처리 → 특징 추출 → 인식 → 후처리(추적·좌표 변환)
• 정밀도 = TP/(TP+FP)(검출한 것 중 진짜) vs 재현율 = TP/(TP+FN)(실제 중 잡은 것), F1=조화평균. 문턱값↓ → 재현율↑·정밀도↓
• 안전 기능(사람 감지 정지)은 재현율 우선 — 미검출(FN)이 사고, 오검출(FP)은 불편. 신뢰도 낮으면 안전한 쪽으로(재관측·감속)

• 데이터 분할: 학습=모델 생성, 검증=튜닝·모델 선택, 시험=최종 평가에만 (튜닝에 쓰면 성능 부풀림)
• 과적합 징후 = 학습 성능 ≫ 검증 성능. 대책: 데이터 확충·증강, 모델 단순화, 정칙화, 조기 종료
• 안전·실시간=온보드(엣지), 무거운 분석=클라우드. 경량화: 양자화(32비트→8비트)·가지치기(연결 제거)

복습: 인지지능 소프트웨어 목표사양 · 인지지능 알고리즘 설계

HRI (인간-로봇 상호작용)

• 음성 대화 파이프라인: ASR(음성→텍스트) → NLU(의도·개체 추출) → 대화 관리(문맥·되묻기) → TTS(음성 합성) — ASR=받아쓰기, NLU=뜻 알아듣기
• 설계 원칙: 피드백·예측 가능성(의도 표시=안전 기능)·오류 관용(확인·취소)·일관성 — 취소 불가 동작(이동·결제)은 복창 확인 필수
• 근접학(프록세믹스): 밀접(~45 cm)·개인(~1.2 m)·사회(~3.6 m)·공공 — 심리적 거리도 설계 변수
• 멀티모달 = 채널 실패 보완(소음 속 화면) + 접근성. 인식 실패 시 화면 터치 폴백
• 음성 실무: 웨이크워드(상시 오인식·프라이버시 완화) + 마이크 어레이 빔포밍(소음 속 화자 분리)
• 직접교시=손으로 잡고 가르침(협동로봇) vs 티치 펜던트=전용 단말. 비상정지는 물리 버튼
• 신뢰 조율: 과신도 불신도 위험 — 능력 한계를 정직하게 표현. GUI 5지침: 가시성·일관성·피드백·오류 예방·접근성

복습: HRI 소프트웨어 설계 · HRI 인터페이스

센서 사양 · 작동 원리

• 분류 3축: 내계/외계, 접촉/비접촉, 능동(에너지를 쏨 — 초음파·LiDAR·레이더·구조광)/수동(환경 에너지만 — 카메라·마이크·지자기)
• 증분형 엔코더: A·B상 90° 위상차로 방향 판별+4체배, Z상=원점, 정전 시 위치 상실→호밍 필요 / 절대형: 즉시 절대 위치, 그레이 코드(인접 1비트만 변화→경계 오독 방지)
• IMU: 자이로=코리올리 힘으로 각속도(적분 드리프트 숙명) / 가속도계=중력 측정으로 정지 시 기울기 센서
• 초음파 d = vt/2 (왕복이라 ÷2, 음속은 온도 의존) / 스테레오 카메라=시차(disparity), 클수록 가깝다
• 스트레인 게이지: 변형→저항 변화→휘트스톤 브리지로 검출 (로드셀·6축 힘/토크). 홀 효과=비접촉 전류 측정

• 리졸버=전자기 유도식 절대 각도, 고온·진동에 강함. 유도형 근접=금속만, 정전용량형=비금속도. 안전 기능은 원리가 다른 센서 중복

복습: 로봇센서 작동 원리 · 센서 종류

센서 인터페이스 · 프로토콜 · 드라이버

• ADC LSB = 범위/2ⁿ (12비트·5 V ≈ 1.22 mV, 10비트 ≈ 4.88 mV). 나이퀴스트 f_s \ge 2f_{max} — 위반 시 앨리어싱, 사후 복구 불가 → ADC 앞 아날로그 저역통과 필터로 예방만 가능
• 4~20 mA 전류 루프: 긴 배선 노이즈에 강함 + 4 mA 영점(live zero)으로 단선(0 mA) 감지 — 산업 계측 표준
• 프레임 구조: SOF–ID–길이–데이터–체크섬. 오류 검출 강도 패리티 < 체크섬 < CRC. 리틀 엔디안=하위 바이트 먼저
• 폴링(요청–응답)/스트리밍(주기 송신)/이벤트 구동(하트비트 병행 — 침묵의 정상/고장 구별). 대역폭=크기×주기(20 B×100 Hz=16 kbps), 마진 필수
• 획득 3방식: 폴링=단순·CPU 낭비, 인터럽트=즉시 처리·ISR 짧게, DMA=CPU 무개입 대량 전송(카메라·LiDAR). 링 버퍼로 속도 차 완충
• 드라이버 5단계: 초기화 → 획득 → 파싱·검증 → 변환 → 발행. 타임스탬프는 수신 시각 아닌 측정 시각. 고정값(stuck) 감지="살아 있는 척하는 고장"
• 필터 구분: 스파이크=중앙값, 잔잔한 랜덤 노이즈=이동평균·저역통과 — 강할수록 지연↑(제어 응답과 트레이드오프)
• 상보 필터: 자이로(고주파 신뢰)+가속도계(저주파 신뢰), θ = α(θ_{prev}+ωΔt)+(1-α)θ_{acc}, α≈0.98. 칼만 필터=예측–보정 반복, 불확실성 작은 쪽에 가중. 융합 3전제: 좌표계·시간·불확실성 정합

복습: 로봇센서 인터페이스 · 통신 프로토콜 설계 · 로봇센싱 알고리즘 설계 · 로봇센서 드라이버 구현

1과목 로봇운영 소프트웨어

모니터링 툴 개발

• 제어기 4대 기능: 모션 제어 · I/O · 통신 · 안전. 계층: 상위(작업 계획·UI·서버 통신, 비실시간~연성) / 하위(관절 서보, ≤1 ms 경성 실시간) — 모니터링은 상위 영역에서, 실시간 루프를 방해하지 않는다
• 폐쇄형 제어기(제조사 일체형, API로만 접근) vs 개방형(표준 OS·ROS 기반, 확장 자유)
• 안전장치 구분: 비상정지(즉시 동력 차단) / 데드맨 스위치(쥔 동안만 동작) / 인터록(조건 위반 시 동작 차단)
• 모니터링 파이프라인: 수집→전처리→저장→분석→시각화→알림. 상태 데이터=주기적(→시계열 DB), 알람·이벤트=비주기적
• 수집: 폴링(주기 요청 — 단순, 헛확인·주기 사이 사건 놓침) vs 이벤트 푸시(변화 시 전송 — 효율, 제어기 지원 필요). 실무는 상태=폴링 + 알람=이벤트 조합
• 보전 3단계 진화: 사후(고장 후 수리) → 예방(주기 점검) → 예지(데이터 추세로 예측 — 모니터링 데이터가 전제)
• 로그 레벨: DEBUG < INFO < WARN < ERROR < FATAL (운영은 INFO 이상), 로그 로테이션으로 용량 관리
• 알람: 히스테리시스(발생 80 °C·해제 75 °C처럼 문턱 분리 → 채터링 방지), 폭주 대책=그룹핑·중복 제거·등급화 (임계값 올리기는 오답)

복습: 로봇 제어기 특성 · 로봇 모니터링 프로그램

서버 연동 — 서버·클라이언트·보안

• 소켓 순서: 서버 socket→bind→listen→accept(accept가 통신용 소켓 새로 생성) / 클라이언트 socket→connect. 로봇이 클라이언트가 되는 이유 = 방화벽 안→밖 연결이 유리
• 동시성: 반복 / 멀티프로세스(fork) / 멀티스레드 / I/O 멀티플렉싱(select·epoll — 스레드 1개가 다수 소켓 감시) / 비동기 I/O
• 응용 프로토콜: REST(자원=URI, 행위=GET조회·POST생성·PUT수정·DELETE삭제) / WebSocket(양방향 상시 — 서버 푸시 가능) / MQTT(브로커 발행-구독, QoS 0=최대 한 번·1=최소 한 번·2=정확히 한 번)
• 클라이언트 연결 관리(끊김 전제): 하트비트(생존 확인)·타임아웃·지수 백오프(1→2→4초 재시도)·로컬 버퍼링(끊김 중 저장→재접속 후 전송). 통신은 제어 루프와 큐로 분리(비동기)
• 직렬화: 텍스트(JSON·XML — 읽기 쉬움) vs 이진(protobuf — 작고 빠름, 대량·고주기 데이터)
• 보안 CIA: 기밀성=암호화 / 무결성=해시·전자서명 / 가용성=DoS 방어·이중화 + 인증(누구냐) / 인가(무엇을 허용 — RBAC·최소 권한) / 부인방지(전자서명)
• 공격: 도청·스푸핑·MITM·재전송(정상 패킷 재사용 — Nonce·타임스탬프로 방어)·DoS — 로봇은 해킹이 물리 사고로 직결
• 암호: 대칭키(AES — 빠름, 키 배송 문제) vs 공개키(RSA·ECC — 느림, 배송 문제 없음) → TLS 하이브리드(공개키로 세션키 교환 후 대칭키 통신). 전자서명=개인키 서명→공개키 검증(암호화와 방향 반대), OTA 펌웨어는 서명 검증

복습: 서버 프로그램 · 클라이언트 프로그램 · 로봇 보안

외부 툴 동기화 — 원격제어·시간·데이터

• 원격제어 구성: 마스터(조작자 측) — 통신 채널 — 슬레이브(로봇 측). 햅틱=양방향(Bilateral): 위치는 마스터→슬레이브, 힘은 슬레이브→마스터
• 시간 지연 = 최대의 적(과대 조작·발진·Move-and-wait). 대책: 예측 디스플레이·로봇 자율 반사·감독 제어(지연 큰 환경 필수). 스펙트럼: 직접→공유→감독→완전 자율
• 안전: 데드맨 스위치, 워치독 타임아웃(명령·하트비트 두절 → 안전 정지 — "마지막 명령 유지"는 최악의 설계), 로봇 측 명령 유효성 재검사, E-Stop 이중화
• 시간 동기화: NTP(ms급, θ = \dfrac{(T_2-T_1)+(T_3-T_4)}{2} — 지연 대칭 가정) vs PTP/IEEE 1588(µs급 — 하드웨어 타임스탬프, 마스터-슬레이브·BMC 선출). 타임스탬프는 측정 순간에 가깝게
• 데이터 동기화: 전체 vs 증분(변경분만 — 실무 표준). 충돌 해결: LWW(최종 수정 우선 — 단순, 수정 유실·시계 의존)·우선순위 규칙·버전 벡터. 오프라인 동기화=끊김 중 로컬 기록→재접속 반영
• 디지털 트윈: 실물과 실시간 동기화되는 가상 모델 — 감시·예측·검증, CPS의 사이버 측 핵심

복습: 로봇 원격제어기 인터페이스 · 동기화 프로그램

응용 — 컨텐츠·ICT 융합·IoT 연동

• 로봇 컨텐츠 3특징: 물리 동작·멀티모달·상호작용성. 플랫폼-컨텐츠 API 분리 → 내부 몰라도 개발·타 로봇 이식·독립 배포(스토어·OTA)
• 저작 도구: 블록형(비전문가·교육) / 타임라인 키프레임(모션 — 보간) / SDK(전문가). 로직 = 이벤트 기반 + FSM(상태별로 같은 이벤트에 다른 반응)
• 엣지 vs 클라우드: 안전·실시간=엣지(충돌 정지를 클라우드에 맡기면 사고), 대규모 학습·축적·공유=클라우드
• 5G: eMBB(대용량 영상) / URLLC(1 ms 초저지연 — 무선 원격제어의 핵심) / mMTC(초연결)
• CPS(사이버가 물리를 실시간 제어) → 스마트팩토리. RaaS=구독 모델 — 운영 SW(모니터링·서버·OTA)가 사업 기반
• IoT 4계층: 디바이스 → 네트워크(게이트웨이=프로토콜 변환·엣지 전처리) → 플랫폼(oneM2M) → 서비스
• 통신 선택(속도·거리·전력 트레이드오프): WiFi(고속·고전력) / BLE(근거리 저전력) / Zigbee(저전력 메시) / LoRa(비면허 자가망 LPWAN) / NB-IoT(통신사망 LPWAN). MQTT(TCP 발행-구독) vs CoAP(UDP 초경량 REST형)
• IoT 기기는 보안이 취약한 경우 많음 → 로봇 시스템의 침입 경로 가능 (엘리베이터 연동 등 명령 채널은 인증·암호화 필수)

복습: 로봇 컨텐츠 개발 · 로봇과 ICT 융합 · 로봇과 IoT디바이스 연동

훈련 — 교시·학습·데이터 관리

• 가르치기 스펙트럼: 명시적 프로그래밍 → 교시(펜던트=조그+기록 / 직접교시=협동로봇 손으로 이끎 / OLP=시뮬레이터 작성·검증 — 생산 무중단, 캘리브레이션 필요) → 학습
• 모방학습(시연 데이터 — 보상 설계 불요, 시연 밖 상황에 약함) vs 강화학습(에이전트·환경·상태·행동·보상 — 누적 보상 최대화 정책 학습, 정답 라벨 없음)
• Sim-to-Real: 리얼리티 갭(물리 차이로 실기 성능 붕괴) → 도메인 랜덤화(마찰·질량·조명 무작위 변화로 강인화)
• 훈련 파이프라인(순환): 수집 → 학습(클라우드 GPU) → 평가(시뮬→실기) → 배포(OTA) → 모니터링·재학습
• 데이터 생애주기: 수집→저장→처리·분석→활용→보관→폐기. 저장소 매칭: RDB(ACID — 실적·설정) / NoSQL(스케일아웃) / 시계열 DB(상태 스트림) / 오브젝트(영상·지도·모델). 빅데이터 3V=Volume·Velocity·Variety(+Veracity·Value=5V), GIGO
• 백업: 전체(복원 최단순) / 증분(직전 이후 — 복원 시 사슬 전부 필요) / 차등(마지막 전체 이후 — 복원=전체+마지막 1개). 3-2-1 규칙(3벌·2매체·1원격지) + 복원 시험까지 해야 완성
• 개인정보(얼굴·음성·위치): 최소 수집·고지, 익명처리(복원 불가) vs 가명처리(재식별 가능 → 분리 보관), 목적 달성 후 지체 없이 파기

복습: 로봇 훈련 프로그램 · 로봇 데이터 관리

🔗 관련

• 용어사전 — 핵심 용어 138개 정의
• 모의고사 — 실전 형식 4세트
• 🏠 Home으로