[논문]인간형 다지 다관절 로봇 핸드의 개발

천주영; 최병준; 채한상; 문형필; 최혁렬

인간형 다지 다관절 로봇 핸드의 개발
Design and Control of Anthropomorphic Robot hand 원문보기

로봇학회논문지 = The journal of Korea Robotics Society, v.5 no.2, 2010년, pp.102 - 109

천주영 (현대자동차) , 최병준 (성균관대학교 기계설계학과) , 채한상 (성균관대학교 메카트로닉스협동) , 문형필 (성균관대학교 기계공학부) , 최혁렬 (성균관대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, an anthropomorphic robot Hand, called "SKKU Hand III" is presented. The hand has thirteen DOF(Degree-Of-Freedom) and is designed based on the skeletal structure of the human hand. Each finger module(except thumb module) has three DOF and four joints with a saddle joint mechanism which has two DOF at the base joint. Two distal joints of the finger module are mechanically coupled by a timing belt and pulleys. The thumb module is composed of a finger module and an additional actuator, which makes it possible to realize the opposition between the thumb and the other fingers. In addition, the palm DOF of the human hand is mimicked with a spatial link mechanism between the index finger and the thumb. Thus, it can grasp objects more stably and more strongly. For the modularization of the robotic hand all the driving circuits are embedded in the hand, and only the communication lines supporting CAN protocol with DC power cable are given as an interface. Therefore, it is possible to apply it to any robot system the interface. To validate the feasibility of the SKKU Hand III, a series of the representative grasp experiments such as power, precision, intermediate grasp etc. are carried out with the object around us and its operation is demonstrated.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

앞서 제시한 대표적인 3가지 인간형 로봇 손을 비롯하여, 인간형 로봇 손과 관련한 많은 연구가 수행되었음에도 아직까지 인간형 로봇 손으로 자유자재의 작업능력을 모사하기는 부족한 것이 현실이다. 따라서 본 논문에서는 사람의 손과 같은 작업이 가능한 로봇손을 정의하기 위하여 다음과 같은 특징을 제안한다.
본 논문에서는 다음과 같은 특성을 고려하여 인간의 손에 관한 기능적인 고찰과 설계된 인간형 로봇손(SKKU hand III)를 제시하고 검증을 하고자 한다.
. 본 논문에서는 인간과 유사한 능숙도를 갖춘 인간형 로봇 손을 설계하는 것을 목표로 하기에 기존의 손과 관련한 연구 자료에 기초한 인간의 손에 대한 특징들을 분석이 필수적이다. 사람 손이 물건을 쥘 수 있도록 하는 구조를 알아보고 사람 손의 물체의 모양에 따른 파지법을 분류하도록 한다.
본 절에서는 SKKU Hand III의 기본구성요소인 손가락 모듈을 소개하고자 한다. 손가락 모듈은 총 4개의 관절과 3개의 자유도를 갖는다.
이번 장에서는 능숙한 작업이 가능한 인간형 다지 다관절의 로봇 손의 설계에 대하여 자세하게 살펴보고자 한다.
이전에서 인간 손의 구조적인 분석을 수행하였다면, 이번 절에서는 인간손이 갖는 파지형태에 대한 특징들에 대하여 언급하고자 한다. 일본의 Kamakura는 크기나 형상이 다향한 일반적인 물체에 대한 사람의 파지를 Power grasping, Precision grasping, Intermediate grasping, Thumbless grasping으로 분류하였다^[9].

제안 방법

SKKU Hand III의 손가락모듈은 모터드라이버 및 모터가 차지하는 공간을 최소화하기 위하여 엔코더를 제외 하였는데, 그 대신 각 관절에 포텐시오메터를 적용이여 이로부터 절대 값을 입력받아, 손가락의 위치/속도 정보를 취할 수 있도록 설계하였다.
SKKU Hand III의 하드웨어를 바탕으로 외부의 컴퓨터에서 개발된 로봇손을 제어할 수 있도록 LabVIEW를 이용해 제어 인터페이스를 구성했다. 제어 인터페이스는 그림 10.
본 연구를 통해 인간형 다지 다관절 로봇 손 SKKU Hand III를 개발하였다. SKKU hand III는 이전의 단순 집게형태가 아닌 Multi - DOF 관점에 의하여 사람의 손과 비슷한 관절을 가지고 손가락 및 엄지손가락, 그리고 손바닥의 움직임을 적용하였으며, 모든 mechanism과 actuator, 그리고 구동회로까지 Modularization을 구현하여 일련의 실험을 통해 인간형 로봇 손으로써의 능숙도가 높은 작업에의 적용 가능성을 검증하였다. 이를 바탕으로 향후에는 Force센서, Force/Torque센서 및 촉각센서등과 같은 다양한 센서를 적용하여 보다 능숙도가 높은 (dexterous)한 작업이 가능한 조작 제어 기술의 연구를 수행할 것이다.
손가락 모듈은 총 4개의 관절과 3개의 자유도를 갖는다. 그 이유는 사람 손가락의 마지막 관절이 종속적인 움직임을 하기 때문에 손가락 모듈에 적용하여 인간과 동일한 움직임을 구현할 수 있도록 하였다.
다음으로 사람 손이 갖는 특징인 손가락간의 맞붙임구조를 개발된 로봇 손에 적용하는 실험을 수행하였다.
따라서 앞서 제시한 파지형태들이 로봇 손에 적용이 가능해야만 인간과 능숙한 작업이 가능하므로 이러한 연구 자료를 바탕으로 언급한 요소들을 인간형 다지 다관절 로봇 손 설계에 반영하였다.
하지만 이러한 맞붙임구조만을 고려한 대립형태로 고정된 로봇 손을 설계하게 된다면, 넓은 평판과 같은 물체를 손바닥으로 바치는 형태의 작업은 구현하기 힘든 것이 사실이다. 따라서 이와 같은 사항들을 포괄하는 엄지손가락을 설계하고자 했을 때에 손바닥 중심의 세차운동 즉, Yaw 자유도가 추가된 엄지손가락 모듈을 설계하였다.
또한 엄지 손가락 모듈은, 사람의 엄지손가락이 힘을 주지 않은 자연스러운 상태에서 갖는 구조적 특징들을 적용하여 엄지손가락의 특·장점을 최대한 살릴 수 있도록 설계하였다.
로봇손가락을 구동하기 위한 제어기로 각각 모터에 해당하는 모터 컨트롤러를 개발하였다. 로봇 손가락은 완벽한 독립모듈로 구성되기 위해서 모든 제어회로를 손가락 모듈 안에 내장할 수 있도록 설계되었다.
로봇손가락을 구동하기 위한 제어기로 각각 모터에 해당하는 모터 컨트롤러를 개발하였다. 로봇 손가락은 완벽한 독립모듈로 구성되기 위해서 모든 제어회로를 손가락 모듈 안에 내장할 수 있도록 설계되었다.
마지막으로 다양한 형상의 사물에 대한 파지 중 대표적인 3가지 파지형태인 Power grasping, Precision grasping, Intermediate grasping 을 로봇 손에 적용하여 개발된 로봇 손의 파지능력을 평가하였다.
본 연구를 통해 인간형 다지 다관절 로봇 손 SKKU Hand III를 개발하였다. SKKU hand III는 이전의 단순 집게형태가 아닌 Multi - DOF 관점에 의하여 사람의 손과 비슷한 관절을 가지고 손가락 및 엄지손가락, 그리고 손바닥의 움직임을 적용하였으며, 모든 mechanism과 actuator, 그리고 구동회로까지 Modularization을 구현하여 일련의 실험을 통해 인간형 로봇 손으로써의 능숙도가 높은 작업에의 적용 가능성을 검증하였다.
본 논문에서는 인간과 유사한 능숙도를 갖춘 인간형 로봇 손을 설계하는 것을 목표로 하기에 기존의 손과 관련한 연구 자료에 기초한 인간의 손에 대한 특징들을 분석이 필수적이다. 사람 손이 물건을 쥘 수 있도록 하는 구조를 알아보고 사람 손의 물체의 모양에 따른 파지법을 분류하도록 한다.
설계된 손가락 모듈을 바탕으로 인간의 엄지손가락에 대한 위치 및 형상에 대한 연구를 수행하여 엄지손가락 모듈에 대한 설계를 실시하였다. 엄지손가락의 장골은 손바닥의 형태를 변화시키며 물체의 다양한 파지시의 다른 손가락과의 맞붙임구조를 형성시킨다.
설계된 인간형 로봇 손 SKKU Hand III으로 대표적인 파지들을 수행해 봄으로서 기본적인 운동능력과 기구적인 구속 및 간섭을 평가하기 위한 실험을 구성하였다. 실험은 그림 11.
과 같이 CAN통신(USB to CAN)을 이용하여 외부의 컴퓨터에서 실험자가 LabVIEW 기반의 유저 인터페이스(user-interface) 프로그램을 사용하여 실시하도록 하였다. 실험은 개발된 손이 얼마나 인간과 유사한 동작이 가능하며, 그 특징을 잘 모사할 수 있는가를 검증 하는 실험으로 각각의 관절에 대한 최대 허용 움직임 범위(Workspace) 내에서의 위치 제어에 대해서만 실시하였다.
설계된 인간형 로봇 손 SKKU Hand III으로 대표적인 파지들을 수행해 봄으로서 기본적인 운동능력과 기구적인 구속 및 간섭을 평가하기 위한 실험을 구성하였다. 실험은 그림 11.과 같이 CAN통신(USB to CAN)을 이용하여 외부의 컴퓨터에서 실험자가 LabVIEW 기반의 유저 인터페이스(user-interface) 프로그램을 사용하여 실시하도록 하였다. 실험은 개발된 손이 얼마나 인간과 유사한 동작이 가능하며, 그 특징을 잘 모사할 수 있는가를 검증 하는 실험으로 각각의 관절에 대한 최대 허용 움직임 범위(Workspace) 내에서의 위치 제어에 대해서만 실시하였다.
특히 물병과 같은 긴 원통형 물체를 파지할 경우, 사람의 엄지손가락과 검지손가락 사이의 손바닥은 물체를 지지하는 역할을 하게 된다. 이러한 손바닥의 역할을 SKKU Hand III에도 적용하기 위하여 공간기구 메커니즘을 고안하여 적용하였다. 이는 총 4개의 링크로 이루어져 있는데, 손의 형상에 의해 엄지 측부터 3-1-2의 자유 도를 갖도록 설계되었다.
이는 크게 컴퓨터와 손가락 모듈과, 손가락 모듈간의 통신으로 나눌 수 있다. 컴퓨터와 손가락 모듈간의 통신은, 입력받은 각 손가락의 목표 값을 이용해 역기구학과 같은 수학적인 연산 결과로 얻어진 각 손가락 관절의 목표 각도를 CAN통신을 이용하여 모듈로 전송하는 역할을 수행하고 실행명령을 내린다. 또한, 손가락들의 각 관절의 위치를 디스플레이해주는 역할도 수행한다.

대상 데이터

(하)와 같이 2층 구조로 23 × 23[mm]의 작은 크기로 손가락 내장이 가능하도록 설계하였다. DC 모터 컨트롤러는 MCU인 마이크로컨트롤러(PIC)와 모터구동용 H-Bridge드라이버로 구성되어 있다.

성능/효과

실험 결과, 위의 그림에서와 같이 각 손가락이 설계 된 운동영역범위(Workspace) 안에서 안정되게 동작하는 것을 확인할 수 있다. 하지만 실험에서 기절골의 굴곡/신장 명령을 수행할 때 미세하게 “내전/외전” 운동이 발생하였는데, 이는 백래시 및 메커니즘에서 기인하는 오작동으로 차후 백래시 및 구조에 대한 보강을 통하여 보완이 가능 하다.

후속연구

SKKU hand III는 이전의 단순 집게형태가 아닌 Multi - DOF 관점에 의하여 사람의 손과 비슷한 관절을 가지고 손가락 및 엄지손가락, 그리고 손바닥의 움직임을 적용하였으며, 모든 mechanism과 actuator, 그리고 구동회로까지 Modularization을 구현하여 일련의 실험을 통해 인간형 로봇 손으로써의 능숙도가 높은 작업에의 적용 가능성을 검증하였다. 이를 바탕으로 향후에는 Force센서, Force/Torque센서 및 촉각센서등과 같은 다양한 센서를 적용하여 보다 능숙도가 높은 (dexterous)한 작업이 가능한 조작 제어 기술의 연구를 수행할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Multi - DOF란 어떤 특징인가?	Multi - DOF : 인간의 손은 동물의 손과 달리 매우 많은 자유도를 가지고 있고 그 자유도들을 모두 사용함으로써 쥐는 동작을 완성하게 된다. 쥐는 물건의 크기와 무게, 모양에 따라 물건을 쥐는 손의 형태는 달라지게 되고 이것을 표현하기 위하여 사람손과 비슷한 자유도를 가지는 것은 인간형 로봇손을 만드는 데에 있어 매우 중요한 지표가 된다.
	대인서비스 로봇에 사용되는 인간형 로봇 손의 개발은 어떤 의미가 있는가?	앞으로 더 발전한 대인서비스 로봇을 개발하기 위해서는 로봇에 있어 손은 필수적이다. 그중에서도 인간형 로봇 손의 개발은 형태가 단순한 집게형태(gripper)가 아닌 인간의 손과 유사한 형태를 갖추어 보다 일반적인 도구들의 사용 가능성과, 높은 능숙도(dexterity)를 가질 수 있다는 것에 의미가 있다.
	Utah/ MIT Hand는 어떤 구동 형태를 갖고 있는가?	현재 이러한 인간형 로봇 손에 대한 많은 연구가 진행 되고 있다[1-6]. 그 중에서도 대표적인 3가지 연구 성과를 살펴보면, 우선 Utah대학 및 MIT대학이 제작한 Utah/ MIT Hand를 꼽을 수 있는데, 이는 로봇핸드로부터 떨어진 구동기와 손가락들을 사람의 힘줄과 같은 역할을 하는 여러 개의 선들로 연결하여 각각의 손가락을 움직이는 선장력 방식의 구동형태를 갖고 있다[4]. 그러나 tendon 방식으로 제어를 할 경우 구동기의 크기가 커져서 mechanism 부분과 구동부분의 크기를 합친다면 크기가 커져서 손안에 다 들어올 수가 없다.

참고문헌 (10)

C.S. Lovchik, M.A. Diftler, "The Robonaut Hand: A Dexterous Robot Hand For Space," IEEE/RSJ International Conference on Robotics and Automation, pp.907-912, May, 1999.
S.T. Venkataraman, T. Iberall, "Dexterous Robot Hands," Springer-Verlag, 1989.
R. Wei, X.H Gao, M.H Jin, Y.W. Liu, H. Liu, N. Seitz, R. Gruber G. Hirzinger, "FPGA based Hardware Architecture for HIT/DLR Hand," IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and System, pp.3233-3239, August, 2005.
S.C. Jacobsen, "The Utah/MIT dexterous hand: Work in progress", Int. J. Robot. Res, Vol.3, No.4, pp.21-50, 1984.

상세보기
J. Butterfass, M. Grebenstein, H. Liu, G. Hirzinger, "DLR-Hand II: Next Generation of a Dexterous Robot Hand," Proc. of IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, Vol.1, pp.109-114, 2001.
H. kawasaki, T. Komatsu, K. Uchiyama, "Anthropomorphic Robot Hand:Gifu Hand III," Int. conf. on Control, Automation, and Systems, pp.1288-1293, 2002.
B. Calais-Germain, Anatomy of movement, Eastland Press, 1993.
Kapandji.I.A, Physiologie articulaire, Maloine, 1999.
N. Kamakura, Te no ugoki, Te no katachi (in Japanese), Tokyo, Japan: Ishiyaku, 1989.
Byungjune Choi, Sanghun Lee, Sungchul Kang and Hyouk Ryeol Choi,. "Development of Anthropomorphic Robot Hand with Tactile Sensor : SKKU Hand II", Proc of IEEE/RSJ Int. Conf. Intelligent Robots and Systems, pp.1387-1390, 2006.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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