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문제 정의
- 본 연구에서는 생체 모방학과 트리즈를 활용하여 새로운 형태의 보급형 서비스 로봇 손을 제시하였다. 인체 손의 근골격계 분석을 바탕으로 로봇의 상박에 인체의 근육 역할을 하는 전기 모터와 스크루-너트-스프링 조합기구를 설치하였다.
제안 방법
- 손가락의 운동자유도는 실제 손가락의 운동 분석에 기초하여 1 자유도로 단순화하였다. 1 차 모델을 통하여 발견된 문제는 트리즈의 모순 분석을 통하여 해결하였다. 개발된 최종 모델은 연동되어 있는 세 개의 손가락의 굽힘과 펼침의 1 자유도, 손목의 roll, pitch, yaw 의 3 자유도 등 총 4 자유도로 이루어져 있으며 다양한 물체에 대한 파지와 동작 실험을 통하여 응용 가능성을 확인하였다.
- 1 차 모델의 문제를 기술적 모순으로 정의하고 트리즈의 모순 분석(10,11)을 통하여 문제 해결 방안을 도출하였다.
- 11 과 같이 손목 을 구성하였다. 그리고 두 회전 중심축의 교차 지점으로 손가락 구동 와이어를 통과시켜 손목의 운동에 따라 손가락 구동 와이어의 길이가 변화되지 않도록 하였다. Fig.
- 안정적으로 물체를 파지할 수 있도록 3개의 손가락 모듈을 배치하였다. 손가락은 3 개의 관절을 가지며 각 관절의 움직임을 와이어와 비틀림 스프링을 사용하여 연동시켜 하나의 액추에이터로 동작 가능하도록 하였다. 손목은 roll , pitch , yaw 운동이 가능하며 손가락과 손목을 구동하는 모터를 인체와 같이 상박에 설치하여 액추에이터 설치에 대한 공간적 제약 문제를 해결하였다.
- 상반 변수는 개선 변수가 좋아짐에 따라 반대로 나빠지는 변수를 의미한다. 위의 개선 변수와 상반 변수에 관하여 트리즈의 모순 행렬 분석을 시행하였다. 그 결과 ‘구획분리, 추출, 조합, 등포텐셜, 역동성, 과소 또는 과다 조치, 차원의 변경, 기계적 시스템의 교체, 색을 바꿈, 부분 거부 및 재구성의 문제’ 의 해결 원리를 도출하였다.
- 대부분의 로봇 손은 손가락과 손목의 높은 자유도를 확보해야 하지만 액추에이터 설치 공간이 부족하여 구조와 제어에 관한 문제를 가지고 있다. 이 문제를 해결하기 위해서 인간의 손에 대한 근골격계 및 운동 분석(8,9) 결과를 바탕으로 새로운 설계 개념을 도출하였다.
- 2 에 정리하였다. 이러한 문제 해결 원리를 활용하여 1 차 모델의 설계 개선 방안을 구상하였다.
- 6(d)와 같이 압축되고 파지력이 더욱 증가하게 된다. 이러한 병렬 스프링 기구를 통해 제한된 공간에서 작은 파지력과 큰 파지력을 모두 구현하였다.
- 인간이 직접 조작하므로 센서와 제어요소를 배제하거나 최소화하는 설계를 추구하였다. 인간의 손과 팔의 근골격계를 분석하고 이를 바탕으로 설계개념을 선택하였다. 1 차 시제품 시험에서 몇 가지 문제점들이 발견되었다.
- 본 연구는 어린이, 노약자 또는 장애인을 대상으로 멀리 떨어져 있는 서비스 공급자가 직접 작동시키는 로봇 손을 대상으로 한다. 인간이 직접 조작하므로 센서와 제어요소를 배제하거나 최소화하는 설계를 추구하였다. 인간의 손과 팔의 근골격계를 분석하고 이를 바탕으로 설계개념을 선택하였다.
- 본 연구에서는 생체 모방학과 트리즈를 활용하여 새로운 형태의 보급형 서비스 로봇 손을 제시하였다. 인체 손의 근골격계 분석을 바탕으로 로봇의 상박에 인체의 근육 역할을 하는 전기 모터와 스크루-너트-스프링 조합기구를 설치하였다. 손가락의 운동자유도는 실제 손가락의 운동 분석에 기초하여 1 자유도로 단순화하였다.
대상 데이터
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2.2 설계 개념
개발된 로봇 손은 3 개의 손가락, 손목, 상박으로 구성되며 액추에이터로 전기모터를 사용하였다. Table.
- 본 연구는 어린이, 노약자 또는 장애인을 대상으로 멀리 떨어져 있는 서비스 공급자가 직접 작동시키는 로봇 손을 대상으로 한다. 인간이 직접 조작하므로 센서와 제어요소를 배제하거나 최소화하는 설계를 추구하였다.
이론/모형
- 9 는 개선된 2 차 모델을 보이고 있다. 손가락 구동 문제는 통합(merge/consolidation) 의 원리를 이용하여 해결하였다. 각 손가락을 개별적으로 구동하는 대신 각 손가락의 구동 와이어를 하나의 구조물에 연결하여 세 개의 손가락을 동시에 작동한다.
- 12 에 보인 것처럼 다양한 물체를 안정적으로 파지할 수 있다. 손목과 손가락의 간섭 문제는 분할(segmentation) 의 원리를 이용하여 해결하였다. 상박과 손에 각각 위치하였던 yaw, pitch 회전축을 분할한 후 두 회전 중심축이 교차하도록 Fig.
성능/효과
- 각 손가락은 1 자유도를 가지며 손목은 roll, pitch, yaw 의 3 자유도를 가지고 있다. 1차 모델 시험을 해 본 결과 세 개의 손가락을 동시에 작동시켜 임의 형상의 물체를 파지하기가 쉽지 않음을 알 수 있었다. 또한 손목의 yaw, pitch에 따라 파지력이 변동하는 것을 발견하였다.
- 이들에 대한 해결책을 찾는 과정에서 트리즈를 이용하였다. 개발된 로봇 손은 최소한의 액추에이터를 사용하여 다양한 형상의 물체를 파지할 수 있으며 손목 운동이 자유롭고 비교적 낮은 가격으로 제작이 가능하다.
- 1 차 모델을 통하여 발견된 문제는 트리즈의 모순 분석을 통하여 해결하였다. 개발된 최종 모델은 연동되어 있는 세 개의 손가락의 굽힘과 펼침의 1 자유도, 손목의 roll, pitch, yaw 의 3 자유도 등 총 4 자유도로 이루어져 있으며 다양한 물체에 대한 파지와 동작 실험을 통하여 응용 가능성을 확인하였다. 표준 부품의 사용으로 제조비용을 최소화하였고 단순하고 개방된 구조로 보수 및 유지가 용이하다.
- 그 결과 ‘구획분리, 추출, 조합, 등포텐셜, 역동성, 과소 또는 과다 조치, 차원의 변경, 기계적 시스템의 교체, 색을 바꿈, 부분 거부 및 재구성의 문제’ 의 해결 원리를 도출하였다.
- 1차 모델 시험을 해 본 결과 세 개의 손가락을 동시에 작동시켜 임의 형상의 물체를 파지하기가 쉽지 않음을 알 수 있었다. 또한 손목의 yaw, pitch에 따라 파지력이 변동하는 것을 발견하였다.
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