유압 천공기를 위한 DWA 기반 자율주행 및 군집주행 기술 개발

최상필 과학기술연합대학원대학교 한국생산기술연구원(KITECH) 2025 국내석사

건설과 광산 등 다양한 산업에서 암석이나 토양에 구멍을 뚫어 기반을 다지거나 폭발물을 설치하는 등의 위험한 작업을 다수의 천 공기가 협력하여 수행한다. 작업 안전성 및 효율성 향상을 위해 자율주행 및 군집주행 기술 도입이 필요하다. 유압 천공기는 넓은 범위의 데드존이 존재하며, 느린 샘플링 시간으로 인해 기존 경로계획 알고리즘 적용 시 경로 오차가 누적될 수 있고, 건설이나 광산과 같은 작업 환경에서 다수의 천공기가 협력하여 작업하면서 장애물을 인식하고 회피해야 한다. 이를 해결하기 위해 최소제곱법으로 PWM 신호와 속도 간 관계를 모델링하여 부드러운 천공기 속도 변환 함 수를 추정하고, 기존 DWA(Dynamic Window Approach) 알고리즘 에 곡선 경로 기반의 예측 경로 계산 방법을 도입하여 경로 오차를 최소화한다. 개선된 DWA 알고리즘을 군집주행에 적용하여 군집 형 태를 유지하며 장애물을 회피하고 목적 위치에 도달할 수 있다. 본 연구에서 개발한 자율주행 및 군집주행 기술은 Isaac Sim 시뮬레이션 환경과 실제 실외 환경에서 검증되었고 기존 DWA 알고리즘과 비교하여 최대 50%p 성능이 향상되었으며, 유압 천공기뿐만 아니라 다른 대형 유압 장비에도 적용할 수 있어 산업 현장에서의 작업 안 전성 및 생산성 향상에 기여될 수 있을 것으로 기대된다. In industries such as construction and mining, tasks like drilling holes into rock or soil for foundation reinforcement or explosives placement involve multiple hydraulic drill rigs working together. To improve safety and efficiency, the adoption of autonomous driving and platooning technologies is essential. Hydraulic drill rigs have broad dead-zone and slow sampling time which can result in accumulated path errors when using conventional path planning algorithms. In addition, environments like construction and mining sites require multiple Hydraulic Drill Rigs to collaborate on tasks while navigating and avoiding obstacles. This study models the relationship between PWM signals and velocity using the least squares method to develop a smooth velocity conversion function for hydraulic drill rigs. A curved trajectory-based predictive path calculation method is integrated into the DWA(Dynamic Window Approach) algorithm to reduce path errors. The improved DWA algorithm is applied to platooning, enabling the maintenance of formation, obstacle avoidance, and reaching target locations. The proposed autonomous driving and platooning technologies are validated through Isaac Sim simulations and outdoor experiments, showing up to a 50%p improvement in performance compared to the conventional DWA algorithm. These technologies can be applied not only to Hydraulic Drill Rigs but also to other large hydraulic equipment, enhancing safety and productivity in industrial operations.

실험실 규모 플라스틱 열분해에서의 주석 기반 용융 금속 촉매 적용에 따른 수소 생산에 관한 연구

이은지 과학기술연합대학원대학교 한국생산기술연구원(KITECH) 2025 국내석사

The primary techniques for processing plastic waste are landfilling and incineration, which can lead to severe environmental pollution. Therefore, existing methods for processing waste plastics have limitations, and sustainable solutions are necessary to replace them. Among the chemical recycling methods, plastic pyrolysis is a promising technology for converting waste plastic into useful chemicals. Pyrolysis is a chemical reaction that decomposes plastic polymer chains in the absence of oxygen, reducing of CO2 emissions and converting them into hydrogen, a carbon-free fuel. This study aimed to produce hydrogen and carbon via plastic pyrolysis. A numerical study was conducted on the pyrolysis behavior of non-condensable gas to predict the chemical reaction behavior of pyrolysis gas, focusing on PP and PE, which account for a large amount of waste plastic. Based on gas products estimated from preceding literatures, the behavior of non-condensable gas was analyzed according to temperature and residence time. As a result of numerical analysis, it was obvious that as the temperature and residence time increased, the production of H2 and heavy hydrocarbons increased through the conversion of the non-condensable gas, and at the same time, the CH4 and C6H6 species decreased to participate in the reaction. In addition, analysis of production rate showed that the decomposition reaction of C2H4 was the dominant reaction to H2 generation. Also, it was found that more H2 was produced in PE with a higher C2H4 contents. Based on numerical results, the experimental study was conducted to analyze the conversion of hydrogen and carbon through plastic pyrolysis using molten metal catalyst. The Characteristic behavior of non-condensable gas production from plastics was investigated under varying operating conditions, such as the number of reactors, reaction temperature, and type of molten metal catalyst. Nitrogen (N2) was introduced into a bubble column reactor containing a metal catalyst, and plastic was then uniformly mixed inside the catalyst through the formed rotating flow. Polyethylene and polypropylene were pyrolyzed at 700–900 ℃. In the single reactor, the fraction of H2 was similar to that reported in previous studies; however, the fraction of light hydrocarbons increased. As the number of reactors increased in the multi-stage reactor, the fraction of CH4 increased to 58%. At elevated reactor temperatures, the fraction of H2 increased to 40% as the decomposition of light hydrocarbons increased. The dominant influence on H2 production was C2H4 decomposition. The present study derived the optimal operating conditions for increasing H2 production during plastic pyrolysis with molten metal catalysts. Key words : Plastic, Pyrolysis, Molten metal, Catalyst, Bubble column reactor, Hydrogen, Carbon 기존의 폐플라스틱의 처리방식인 매립 및 소각으로 인한 환경오염 문제가 심각해짐에 따라, 자원순환을 위한 대체 기술이 필요하다. 그 중, 플라스틱 열분해는 기존의 폐플라스틱 처리방식을 대체하면서, 동시에 유용한 화합물로의 재생 가능한 유망한 기술이다. 열분해는 산소가 없는 환경에서 열을 통해 분해하기 때문에 온실가스 배출 저감과 동시에 무탄소 연료인 수소를 생산할 수 있다. 본 연구는 플라스틱 열분해를 통해 수소와 탄소를 생산하는 것을 목적으로 수행되었다. 폐플라스틱 사용량의 많은 분율을 차지하는 PP와 PE를 대상으로 열분해 생성 기체에 대한 화학 반응론적 거동을 예측하고자 열분해 비응축성 기체의 열분해 거동에 관한 수치해석 연구를 수행하였다. 기존의 열분해 문헌 조사를 통해 얻은 다양한 조성의 탄화수소 화학종을 기반으로 온도와 체류시간에 따라 생성물의 거동을 분석하였다. 수치해석 결과, 온도 및 체류시간이 증가함에 따라 비응축성 기체의 전환을 통해 수소와 고분자 탄화수소의 생성이 증가하였고, 동시에 CH4와 C6H6 화학종은 감소하여 반응에 참여하는 것을 알 수 있었다. 또한 생성률 분석을 통해 C2H4의 분해 반응이 수소 생성에 지배적인 반응임을 확인하였고, C2H4의 함량이 PP 대비 많은 PE에서 C2H4의 분해 반응을 통해 수소 생성량이 증가하는 경향을 나타냈다. 수치해석 결과를 기반으로, 용융 금속 촉매를 적용하여 플라스틱 열분해를 통한 수소 및 탄소 전환에 대한 분석을 위해 실험적 연구를 수행하였다. 이를 위해 반응기의 수, 반응 온도, 그리고 용융 금속 촉매의 종류와 같이 운전 조건 변화에 따른 플라스틱의 생성 기체 거동에 대한 특성을 비교 및 분석하였다. 실험에서는 기포 컬럼식 반응기를 적용하여 질소를 용융 금속 촉매 내부로 투입하였고, 형성된 회전 유동을 통해 플라스틱이 촉매 내부에서 균일하게 섞이도록 하였다. 플라스틱과 열분해 대상 시료로는 폴리에틸렌과 폴리프로필렌을 사용하였으며, 반응 온도는 700-900 ℃ 조건에서 수행되었다. 단일 반응기 내에서 용융 금속 촉매 적용 시, 선행 연구와 유사한 수준의 수소 분율을 보였으나, 낮은 탄소수를 가지는 탄화수소의 분율이 증가하였다. 다단 반응기 적용 시 생성된 기체의 체류시간 증가 혹은 촉매와의 반응 면적 증가로 인해 CH4의 분율이 최대 58%까지 증가하였다. 반응 온도가 증가함에 따라 가벼운 탄화수소의 분해가 촉진되어 수소 분율이 최대 40%까지 증가하였으며, 수소 생성에 지배적인 영향을 주는 반응은 C2H4의 분해 반응임을 확인하였다. 용융 금속 촉매 적용 시 무촉매 대비 탄화수소의 분해 효율이 증가하였고, 이종 금속 촉매 적용 시 수소 분율이 최대 42%까지 증가하였다. 본 연구를 통해 용융 금속 촉매를 적용한 플라스틱 열분해에서의 수소 생성을 증가시키기 위한 운전 제어 조건을 도출하였으며, 공정의 최적화를 통해 수소 양산을 위한 기초 생산 공정 기술로써 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 주요단어(Keyword) : 플라스틱, 열분해, 용융 금속, 촉매, 기포 컬럼 반응기, 수소, 탄소

A Study on Teleoperation-based Demonstration and Learning for Contact-rich Manipulation Hunjo Lee Robotics KITECH School

이헌조 과학기술연합대학원대학교 한국생산기술연구원(KITECH) 2025 국내박사

스테인리스강 316L의 냉간압연재 및 분말소결방식 적층재 저항 점 용접성 비교 평가 : 스테인리스강 316L의냉간압연재 및 분말소결방식 적층재 저항 점 용접성 비교 평가

박성환 과학기술연합대학원대학교 한국생산기술연구원(KITECH) 2024 국내석사

The interesst in additive manufacturing (AM) technology has been steadily growing in the present and future automotive industry. Among the various AM technologies, Powder bed fusion (PBF) stands out for its ability to fabricate parts with intricate geometries that are challenging to produce using traditional manufacturing methods. However, the limitation on the size and the high cost make mass production difficult. In contrast, traditional processes, cold rolling,casting, and so on, offer advantages such as the capability to produce large parts at a lower cost, facilitating easier mass production. Nevertheless thess traditional methods pose adversity in terms of time and cost when manufacturing parts with complex shapes. Therefore, the integration of a welding process, which joins part fabricated via PBF with commercial components, becomes essential to fortify the strengths and make up for the weakness of both PBF and conventional processes. This integration aims to enhance the mass production efficiency in the automotive industry. Among various welding techniques, resistance spot welding (RSW) has been extensively used in the automotive industry owing to its cost-effectiveness, raid welding process, and scalability. Specifically, by utilizing the spot welding to join PBFed products with components produced by conventional methods, we anticipate enhancing the overall mass production efficiency of PBF. However, PBFed materials exhibit a distinctive microstructure and high surface roughness, unlike part manufactured via conventional methods. This unique characteristic can lead to increased heat generation during the spot welding, resulting in welding defects and making it difficult to achieve the PBFed parts spot welded to conventional ones. Addressing this issue requires a comprehensive understanding of how the intrinsic microstructure and the high surface roughness affect the resistance spot welding characteristics. In this study, the effect of the intrinsic microstructure and high surface roughness of PBFed samples on the resistance spot welding characteristics was analyzed. KEY WORDS : Powder bed fusion (PBF); resistance spot welding; intrinsic microstructure; surface roughness 현재와 미래의 자동차 산업에서 Additive manufacturing (AM) 기술의 관심도는 점진적으로 증가하고 있다. AM 기술 중 Powder bed fusion (PBF) 방식은 전통적인 제조 방법을 통해 제작하기 어려운 복잡한 형상의 부품을 만드는 것에 용이하다는 장점을 지니고 있지만 이 공정은 제작할 수 있는 제품의 크기가 제한되고 그리고 비용이 비싸서 대량 생산이 어렵다라는 단점을 지니고 있다. 이와 반대로 냉간압연, 주조 등 기존 공법들은 대형 부품 생산이 가능하다는 점과 저렴한 비용 등 다양한 장점을 지니고 있어, 대량 생산이 용이하다. 하지만, 복잡한 형상의 부품을 제작하는 경우 시간과 비용이 많이 소요된다는 단점이 있다. 따라서 PBF와 기존 공정들의 장점들은 강화하고 단점들을 보완하여 대량 생산 효율성 증가에 기여하기 위해서는 PBF로 제조된 부품을 상용 부품에 접합하는 용접 공정이 필수적이다. 다양한 용접 방법 중 저항 점 용접은 낮은 비용, 빠른 용접 속도. 그리고 확장성으로 인해서 자동차 산업에서 널리 사용되고 있다. 즉, 비용이 싸고, 속도가 빠르며, 확장 가능한 용접 방법인 저항 점 용접을 통해서 PBF로 적층된 제품과 기존 공법으로 제작된 부품을 접합한다면, PBF를 활용한 전반적인 대량 생산의 효율성에 기여할 수 있을 것으로 사료된다. 하지만, PBF 소재는 기존 공법으로 제작된 부품과 달리 독특한 미세구조와 높은 표면 거칠기를 가지기 때문에 용접 동안 많은 열을 발생시킬 수 있고 이로 인해 용접 결합을 유발할 수 있어 기존 부품과의 저항 점 용접이 어려울 수도 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 PBF 소재의 고유 미세구조와 높은 표면 거칠기가 저항 점 용접성에는 어떻게 영향을 미치는지에 대해서 파악하는 것은 중요하다. 본 연구는 PBF 소재의 고유 미세구조 특징과 높은 표면 거칠기로 인한 저항 점 용접성에 대해서 분석하였다. KEY WORDS: Powder bed fusion (PBF); 저항 점 용접; 미세구조; 표 면 거칠기

Durable Fluoroalkyl-Modified MXene Coatings with Integrated Superhydrophobic, Photothermal, and Anti- Icing Properties

Linh Ngoc To 과학기술연합대학원대학교 한국생산기술연구원(KITECH) 2025 국내석사

Ice accumulation possesses serious challenges across infrastructure, transportation, and industry. Therefore, robust multifunctional coatings exhibiting inhibition of ice formation and facilitation of ice removal is necessary to be developed for practical applications. This study presents the synthesis, modification, and evaluation of fluoroalkyl-functionalized MXene coatings with superior anti-icing, de-icing and photothermal properties. The modified MXene material (MX-Fx), where x is the feeding ratio of fluoroalkyl silane (1H,1H,2H,2H-perfluorodecyltrimethoxysilane, FAS-17) for coatings was obtained via selective etching of the Al from Ti3AlC2 MAX phase and subsequent delamination using tetramethylammonium hydroxide, followed by surface modification with FAS-17. Al plates were used for base substrates and PDMS was coated on the plates as an adhesive primer. Then MX-Fx particles were sprayed on to the PDMS-coated Al substrates. The incorporation of fluoroalkyl groups substantially improved hydrophobicity, with MX-F20 achieving a water contact angle of ~170° and a roll-off angle of 4°, attributed to its hierarchical micro/nanostructure and low surface energy. Photothermal experiments under simulated sunlight confirmed that MX-Fx coatings, particularly MX-F20, exhibited rapid and stable light-to-heat conversion, reaching 72 ℃ within 10 min at 25 ℃ and maintaining elevated temperatures even under subzero conditions. The coatings showed excellent thermal cycling stability across multiple on/off irradiation cycles. Anti-icing performance was significantly enhanced. At −10 ℃, MX-F20 delayed water droplet freezing for up to 2485 s which is much longer than those of bare Al (10 s) and PDMS coating (25 s). The coating also enabled efficient solar-driven de- icing, melting frozen droplets in 545 s. Ice adhesion strength was notably reduced, with MX-F20 showing an ice adhesion strength of 86.6 kPa, facilitating passive ice removal with minimal force. Durability tests demonstrated resistance of the MX-F20 coating to environmental stress, including chemical immersion (pH 1, pH 14, and 3.5% NaCl), UV exposure, sand abrasion, and water droplet impact. MX-F20 maintained its superhydrophobic performance under all conditions, indicating strong chemical, mechanical, and photochemical stability. Overall, MX-F20 integrates effective superhydrophobicity, efficient photothermal conversion, and strong environmental resilience, making it a promising candidate for anti-icing and de-icing applications in aviation, energy infrastructure, and other cold-climate technologies. Key words: MXene, surface modification, photothermal, anti-icing, de-icing. * A thesis submitted to committee of the University of Science and Technology in a partial fulfillment of the requirement for the degree of Master of Engineering/Master of Science conferred in August 2025 저온 환경에서의 얼음 축적은 인프라, 운송, 산업 전반에 걸쳐 심각한 문제를 초래한다. 따라서 실제 응용에 적합한 얼음 형성 억제 및 제거 기능을 동시에 갖춘 견고한 다기능 코팅의 개발이 필수적이다. 본 연구에서는 우수한 방빙, 제빙, 광열 특성을 갖는 플루오로알킬기로 기능화된 맥신 코팅의 합성, 표면 개질 및 성능 평가를 수행하였다. FAS- 17 (1H,1H,2H,2H-퍼플루오르데실트리메톡시실란)의 도입 비율(x)에 따라 명명된 MX-Fx 코팅은 Ti3AlC2 의 MAX 상으로부터 Al 을 선택적으로 제거한 후, 테트라메틸암모늄 하이드록사이드를 이용한 박리 과정을 거쳐 제조되었으며, 이후 FAS-17 로 표면을 개질하였다. Al 판을 기재로 사용하고, 접착력 확보를 위해 PDMS 를 프라이머로 도포한 후, 그 위에 MX-Fx 입자를 분사하여 코팅하였다. 플루오로알킬기의 도입은 표면의 저에너지 특성과 계층적 마이크로/나노 구조에 의해 소수성을 크게 향상시켰으며, MX-F20 은 약 170°의 접촉각과 4°의 구름각을 나타내었다. 모사 태양광 하에서 수행된 광열 실험 결과, 특히 MX-F20 은 빠르고 안정적인 빛-열 변환 특성을 보였으며, 25 ℃ 에서 10 분 이내에 72 ℃ 에 도달하였고, 영하의 온도 조건에서도 높은 온도를 유지하였다. 반복적인 온/오프 조사 실험에서도 우수한 열적 안정성을 확인하였다. 방빙 성능 역시 현저히 향상되었으며, –10 ℃ 에서 MX-F20 은 물방울의 결빙을 최대 2485 초까지 지연시켰다. 이는 베어 알루미늄(10 초), PDMS 코팅(25 초)에 비해 크게 향상된 수치이다. 또한 태양광을 이용한 제빙 실험에서는 545 초 내에 얼음 제거가 가능하였다. MX-F20 의 얼음 부착 강도는 86.6 kPa 로 크게 감소되어, 최소한의 힘으로 수동적 제빙이 가능함을 보여주었다. 내구성 시험 결과, MX-F20 코팅은 산/염기(pH 1, pH 14), 염수(3.5% NaCl), 자외선 조사, 모래 충격, 물방울 충격 등 다양한 환경 스트레스에 대해 우수한 저항성을 보였으며, 모든 조건에서 초소수성을 유지하였다. 결론적으로, MX-F20 은 효과적인 초소수성, 뛰어난 광열 변환 효율, 탁월한 내환경성을 통합한 코팅재로서, 항공, 에너지 인프라, 한랭 지역 기술 분야에서 방빙 및 제빙 응용을 위한 유망한 후보로 평가된다. 주요단어(Key words) : 맥신, 표면 개질, 광열, 방빙, 제빙.

Development of a Lightweight and Compliant Knee Exoskeleton

박승태 과학기술연합대학원대학교 한국생산기술연구원(KITECH) 2025 국내석사

This thesis aims to develop a unilateral knee exoskeleton that is lighter, more compliant, and more seamless. The exoskeleton was designed to weigh less than 1.1 kg by eliminating non-essential components and using a custom high-torque- density motor with a low gear ratio (6:1) reducer. Prior to the design process, design requirements for daily activities were investigated to inform the assistance strategy. Design requirements were also carefully selected to minimize weight while maintaining functional performance. The knee exoskeleton provides extension torque during the mid-stance phase and the mid-swing phase, based on a built-in accelerometer signal. Back-drive torque and torque constant tests were conducted to figure out the characteristics of the custom actuator. The developed exoskeleton exhibited competitive backdrivability against human motion, with a low back-drive torque of 0.19 Nm and a torque constant of 0.92 Nm/A. To investigate the impact of the developed exoskeleton on lower-limb muscle activity during loaded walking, treadmill experiments were conducted under a 20 kg load condition. When the exoskeleton provided assistance, the muscle activities of the medial gastrocnemius (MG) and biceps femoris (BF) decreased by 16.7% and 20.8%, respectively. These results suggest that the lightweight exoskeleton can effectively reduce muscle activity during loaded walking, even with relatively low assistive torque. Future studies will evaluate its effectiveness in more demanding tasks, such as stair ascent, which require greater knee joint torque. Key words : Lightweight, exoskeleton, wearability 본 논문은 가볍고, 유연하며, 보다 자연스러운 움직임을 제공하는 무릎 외골격 로봇을 개발하는 것을 목표로 한다. 개발된 외골격 로봇 은 불필요한 부품을 제외하고, 저감속비(6:1) 고토크 밀도 모터를 채택 하여 총 무게 1.1kg 미만으로 설계하였다. 설계에 앞서, 일상생활 중 무릎 관절의 움직임을 분석하여 기능적 성능을 유지하면서도 경량화를 달성할 수 있도록 설계 요구사항을 신중히 선정하였다. 외골격 로봇은 가속도 센서를 기반으로 보행의도를 감지하며 보행 단계 중 mid-stance 단계 및 mid-swing 단계에서 무릎 신전 토크를 제공한다. 역구동 토크 및 토크 상수 실험을 통해, 0.19 Nm의 낮은 역구동 토크와 0.92 Nm/A의 토크 상수가 측정되었으며, 착용자의 자연스러운 움직임을 방해하지 않는 우수한 역구동 성능을 확인하였다. 개발된 외골격 로봇이 하중을 부여한 보행 중 하지 근육 활성도에 미치는 영향을 평가하기 위해 트 레드밀 보행 실험을 수행하였다. 20kg의 하중을 부여한 조건에서 로봇 의 보조를 받았을 때, 장딴지근(MG)과 대퇴이두근(BF)의 근활성도는 각각 16.7%, 20.3% 감소함을 확인했다. 이러한 결과는 낮은 보조 토크 수준에서도 경량형 외골격이 하중 보행 중 근활성도 증가를 효과적으 로 줄일 수 있음을 나타낸다. 향후 연구에서는 무릎 관절 토크 요구가 더 큰 계단 보행과 같은 고부하 조건에서 외골격의 보조 효과를 추가 적으로 검증할 예정이다. 주요단어(Key words) : 경량, 외골격 로봇, 착용성.

Control Strategies for the Robotized TMS System Considering the Curved Shape of the Coil Case

김재우 과학기술연합대학원대학교 한국생산기술연구원(KITECH) 2025 국내박사

이 학위논문은 바닥이 안쪽으로 굽은 경두개자기자극(TMS) 코일을 이용한 TMS system의 제어 전략에 대하여 다룬다. 우선 로봇 머니퓰레이터의 좌표와 3-D 카메라 사이의 좌표계 사이의 calibration을 간단하게 하는 방법을 소개하고, 이를 다른 calibration 방법들과 비교한다. 그 이후에 머리와 로봇 간의 충돌을 피하여 TMS coil을 이송하는, 로봇 머니퓰레이터의 경로 생성 방법을 소개한다. 마지막으로 TMS coil의 중점을 피험자 머리의 목표 위치로 곡면을 따라 밀어 넣는 듯한 움직임을 hybrid position/force control과 비례 토크 제어를 통해 coil과 피험자 머리 사이의 상호작용을 통해 위치 제어만으로는 달성하기 힘든 위치 정확도와 접촉도를 보인다. 실험은 머리가 갑자기 회전하였을 때와 머리가 지속적으로 움직일 때, 두 가지 방법으로 진행하였다. 전자의 실험 결과로 제안된 세 가지의 hybrid position/force control 방법 및 토크 제어의 유무에 따른 성능 차이를 비교하였다. 후자로는 전자에서 가장 성능이 좋다고 판단한 제어기를 이용하여 이 연구에서 제안하는 힘/토크 제어가 이동하는 머리를 잘 추종하는지 평가하였다. 주요단어(Key words) : robotized transcranial magnetic stimulation, 로 봇 머니퓰레이션, 경로 계획, 힘/토크 제어, hybrid position/force control Background: Until now, studies about the robotized transcranial magnetic system(TMS) have not considered the shape of the TMS coil case. This dissertation proposes the robotized TMS system using the TMS coil whose floor is incurved. Methods: First, the simple calibration between the robot manipulator’s and 3- D camera’s coordinate system. Next, the robot manipulator’s path planning for avoiding collision between the robot and the subject’s head is proposed. Finally, after locating the coil near the target point, the hybrid position/force control with torque control is used to push the center of the coil’s floor to the target point on the subject’s head. It can achieve the coil’s accuracy and the rigid contact between the coil and the head, which cannot be achieved by the position control only. The force gains are scheduled for considering fast location and safety simultaneously. Results: The experiment progressed in two ways: rotating the dummy head abruptly and moving the head continuously during the force/torque control. The former is for deciding the control strategy and controller’s parameters. The latter is for checking that the position control part from the hybrid position/force controller makes the coil follow the moved target position well. In the previous experiment, three force control strategies were compared, both with and without torque control. As a result, the control method in which the force gains for the two orientations, parallel and perpendicular to the coil, were scheduled independently, combined with proportional torque control, achieved the best performance in terms of position error and interaction force. With this controller, the latter experiment is also successfully done by tracking the moving head well with controlling the interacting force. Conclusion: This study suggested the force control strategy adequate to the incurved TMS coil case. The hybrid position/force control method with the proportional torque control can be applied to the robotized TMS system with the incurved coil case successfully. Keywords: robotized transcranial magnetic stimulation, robot manipulation, path planning, position/force control, hybrid position/force control * A dissertation submitted to committee of the University of Science and Technology in a partial fulfillment of the requirement for the degree of Doctor of Philosophy conferred in August 2024 ** This dissertation self-cited the following article: Manipulator Control of the Robotized TMS System with Incurved TMS Coil Case, 2024, Applied Sciences, Scheduled for Publication

A Computational Analysis of Rotating Vortex Rope Suppression and Performance Improvement in the Francis-type Hydraulic Turbines

MOHAMMAD ABU SHAHZER 과학기술연합대학원대학교 한국생산기술연구원(KITECH) 2025 국내박사

Biomass-Derived CMC- Reinforced Zwitterionic Organohydrogel for Wearable Strain Sensors: Achieving Superior Stretchability, Adhesion, and Anti-Freezing Performance

Hang Thi Ngo 과학기술연합대학원대학교 한국생산기술연구원(KITECH) 2025 국내석사

하이드로겔은 유연성, 생체적합성, 외부 자극에 대한 반응성 등의 특성으로 인해 웨어러블 전자소자 분야에서 많은 주목을 받아왔다. 그러나 강한 접착력, 높은 신율, 내한성, 장기 안정성을 동시에 만족시키는 것은 여전히 해결되지 않은 과제로 남아 있다. 본 연구에서는 술포베타인 메타크릴레이트(SBMA)와 아크릴산(AA)을 바이오매스 유래 카복시메틸 셀룰로오스(CMC)와 함께 일괄 라디칼 중합(one-pot radical polymerization) 방식으로 합성한 다기능성 오르가노하이드로겔을 제안하였다. CMC의 도입은 풍부한 수소 결합 및 2차 가교결합을 유도하여 기계적 강도와 접착력을 동시에 향상시키는 데 기여하였다. 또한, 에틸렌글라이콜/탈이온수 이원용매 시스템과 리튬 트리플루오로메탄설포네이트를 적용함으로써 환경 내성과 내구성을 크게 개선할 수 있었다. 합성된 오르가노하이드로겔은 탁월한 기계적 성능을 나타내었으며, 파단 변형률은 2729%, 인장 강도는 218 kPa에 달하였다. 접착력 또한 뛰어나, 유리 표면에서는 447 N/m, 돼지 피부에서는 197 N/m의 값을 기록하였다. 이외에도 –70 ℃의 극한 온도에서도 얼지 않는 우수한 내한성을 보였으며, 1주일 경과 후에도 95% 이상의 질량을 유지하는 안정성을 확보하였다. 더불어, 500회 이상의 반복 인장–이완 사이클 테스트에서도 성능 저하 없이 안정적인 응답을 유지하여 장기적인 신호 신뢰성을 입증하였다. 이러한 균형 잡힌 특성은 본 오르가노하이드로겔이 극한 환경에서도 정밀하고 안정적인 인체 동작 모니터링이 가능한 웨어러블 변형 센서용 소재로서의 활용 가능성을 시사한다. Hydrogels have attracted significant attention in wearable electronics owing to their flexibility, biocompatibility, and responsiveness. However, simultaneously achieving strong adhesion, high stretchability, anti-freezing capability, and long- term stability remains challenging. Herein, we present a multifunctional organohydrogel synthesized via one-pot radical polymerization of sulfobetaine methacrylate (SBMA) and acrylic acid (AA) in the presence of biomass-derived carboxymethyl cellulose (CMC). The incorporation of CMC established abundant hydrogen bonding and secondary crosslinking interactions, thereby enhancing both mechanical strength and adhesion. Furthermore, the use of a binary ethylene glycol/deionized water solvent and lithium triflate significantly improved environmental tolerance and durability. The resulting organohydrogel exhibits exceptional stretchability (a fracture strain of 2729% and a tensile stress of 218 kPa), strong adhesion (447 N/m on glass, 197 N/m on pigskin), superior anti- freezing capability (remains unfrozen at -70 ℃), and stable mass retention (95% after one week). It also demonstrates robust performance under repeated loading- unloading cycles (over 500 cycles), ensuring reliable, long-term signal stability. These balanced and enduring properties make the organohydrogel a promising candidate for wearable strain sensors, enabling precise and stable human motion monitoring even under extreme conditions. Key words: carboxymethyl cellulose (CMC), zwitterionic organohydrogels, wearable strain sensors, anti-freezing capability, high adhesion.

Size Effect of Mono-Dispersed Hollow Silica Spheres on Transparent and Superhydrophobic Coatings

Thi Phuong Bui 과학기술연합대학원대학교 한국생산기술연구원(KITECH) 2025 국내석사