[논문]안정 파지를 위한 16자유도 역구동 관절을 가지는 인간형 로봇 손 개발

양현대; 박성우; 박재한; 배지훈; 백문홍

doi:10.7746/jkros.2011.6.3.220

안정 파지를 위한 16자유도 역구동 관절을 가지는 인간형 로봇 손 개발
Development of a 16 DOF Anthropomorphic Robot Hand with Back-Drivability Joint for Stable Grasping 원문보기

로봇학회논문지 = The journal of Korea Robotics Society, v.6 no.3, 2011년, pp.220 - 229

양현대 (과학기술연합대학원대학교 지능형로봇공학과) , 박성우 (과학기술연합대학원대학교 지능형로봇공학과) , 박재한 (한국생산기술연구원 로봇융합연구그룹) , 배지훈 (한국생산기술연구원 로봇융합연구그룹) , 백문홍 (한국생산기술연구원 로봇융합연구그룹)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper focuses on a development of an anthropomorphic robot hand. Human hand is able to dexterously grasp and manipulate various objects with not accurate and sufficient, but inaccurate and scarce information of target objects. In order to realize the ability of human hand, we develop a robot hand and introduce a control scheme for stable grasping by using only kinematic information. The developed anthropomorphic robot hand, KITECH Hand, has one thumb and three fingers. Each of them has 4 DOF and a soft hemispherical finger tip for flexible opposition and rolling on object surfaces. In addition to a thumb and finger, it has a palm module composed the non-slip pad to prevent slip phenomena between the object and palm. The introduced control scheme is a quitely simple based on the principle of virtual work, which consists of transposed Jacobian, joint angular position, and velocity obtained by joint angle measurements. During interaction between the robot hand and an object, the developed robot hand shows compliant grasping motions by the back-drivable characteristics of equipped actuator modules. To validate the feasibility of the developed robot hand and introduced control scheme, collective experiments are carried out with the developed robot hand, KITECH Hand.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

마지막으로 로봇 손에서 가장 주요한 특징인 물건 파지와 조작 제어 성능을 향상시키기 위해 다양한 센서들이 정보획득 목적으로 사용된다. 대다수 로봇 손들은 기초적인 관절정보를 얻기 위해 엔코더(encoder) 또는 전위차계(potentiometer)를 기본적으로 사용한다.
본 연구에서는 기구학적 정보만을 이용하여 안정파지가 가능한 제어방법을 소개하고 그 방법에 적합한 인간형 로봇 손(KITECH Hand)의 개발에 대해 논의하였다. 다양한 형태와 크기의 물체를 이용하여 파지 실험을 진행하였으며 물체의 정확한 정보 없이도 안정된 파지가 가능함과 개발된 로봇 손의 실용성을 확인하였다.
본 연구에서는 로봇 손의 기구학적 정보만을 이용하여 물체의 정확한 정보 없이도 비정형화된 물체를 안정적으로 잡는 것이 가능함을 보이기 위해 손재주 방식의 로봇 손, KITECH Hand를 개발하였다(그림 1). 특히, 물체를 잡을 때 중요한 역할을 하는 엄지와 다른 손가락들 사이의 대립움직임(Opposition)^[18]이 유연하게 발생하도록 로봇 손가락을 배치하였으며, 로봇 손가락이 물체 또는 외부 환경과의 접촉에서 발생되는 외력에 쉽게 순응하기 위해 모든 관절이 손쉽게 역-구동(back-drivability)이 가능하도록 설계하였다.
특히, 물체를 잡을 때 중요한 역할을 하는 엄지와 다른 손가락들 사이의 대립움직임(Opposition)^[18]이 유연하게 발생하도록 로봇 손가락을 배치하였으며, 로봇 손가락이 물체 또는 외부 환경과의 접촉에서 발생되는 외력에 쉽게 순응하기 위해 모든 관절이 손쉽게 역-구동(back-drivability)이 가능하도록 설계하였다. 이 논문에서는 비정형화된 물체의 유연한 파지 기능을 구현할 수 있는 로봇 손 개발에 대해서 설명하고, 다양한 형태의 물체를 잡는 파지 실험을 통해서 개발된 로봇 손이 다양한 파지 전략을 수행 할 수 있는 잠재성을 증명한다.
이 절에서는 개발된 로봇 손의 실용성 확인을 위해 안정 파지 실험에 적용될 제어 방법을 간단히 소개한다. 앞서 소개된 것과 같이 엄지와 손가락 그리고 손가락과 손바닥 사이의 유연한 대립 움직임을 위해서 로봇 손가락들은 여유자유도를 가지는 4자유도 구조로 설계 되었고, 파지 제어 시에는 기구학정보만을 이용한다.
이렇게 나누어진 사람 손의 기능 중 본 연구에서는 첫 번째 기능인 잡기에 초점을 맞추어 최소한의 정보^[19,20]만을 이용하여 물체를 안정적으로 잡을 수 있는 로봇 손의 개발과 제어방법에 관해 논의한다.

가설 설정

3.4 로봇 손의 구조 및 사양

사람의 손은 엄지와 4개의 손가락으로 이루어져 있지만 물건을 잡거나 조작할 때에 새끼손가락의 역할은 제한적이라고 가정하고 엄지와 3개의 손가락으로 로봇 손을 구성하였다. 그리고 가운데 손가락을 기준으로 양옆의 손가락을 5[deg] 씩 기울어지게 배치를 해서 손가락이 자연스럽게 모아지도록 했다.

제안 방법

따라서 이 지표를 이용하여 사람 손과 유사한 지표를 가지도록 로봇 손의 엄지와 검지 비율을 설정하였다. 그러나 로봇 손은 사람 손과 달리 손바닥의 자유도 없이 설계될 예정이기 때문에 로봇 엄지와 그 엄지에서 가장 멀리 위치하고 있는 약지 사이의 원활한 대립 움직임을 위해 대립움직임 지표를 75로 설정하였다.
사람의 손은 엄지와 4개의 손가락으로 이루어져 있지만 물건을 잡거나 조작할 때에 새끼손가락의 역할은 제한적이라고 가정하고 엄지와 3개의 손가락으로 로봇 손을 구성하였다. 그리고 가운데 손가락을 기준으로 양옆의 손가락을 5[deg] 씩 기울어지게 배치를 해서 손가락이 자연스럽게 모아지도록 했다. 최종적으로 3D 캐드를 이용해서 설계된 로봇 손은 그림 8의 좌측과 같고 로봇 손의 작업 공간은 그림 8의 우측과 같다.
대신, 물체의 질량을 파지력에 비해 무시할 수 있을 만큼 충분히 가벼운 물체에 대하여 실험을 진행하였다. 그림 9의 1과 2에 보이는 것처럼 표면이 불규칙한 참외 모형을 손가락 1, 2와 엄지를 이용해서 손끝으로 잡는 실험을 진행하였다. 파지 시 로봇 손은 엄지와 두 손가락들 사이에 물체가 있다는 정보만을 이용하였다.
이 단점으로 인해 정확한 접촉 힘을 얻기 힘들어 오히려, 불안정한 제어가 이루어 질수 있다. 기존의 로봇 손들의 특징을 바탕으로 이번 연구에서 개발될 로봇 손은 크기가 작은 DC 모터, 감속기 그리고 전위차계 센서를 이용하여 관절을 직접 구동시키는 형태로 설계되었다.
본 연구에서는 기구학적 정보만을 이용하여 안정파지가 가능한 제어방법을 소개하고 그 방법에 적합한 인간형 로봇 손(KITECH Hand)의 개발에 대해 논의하였다. 다양한 형태와 크기의 물체를 이용하여 파지 실험을 진행하였으며 물체의 정확한 정보 없이도 안정된 파지가 가능함과 개발된 로봇 손의 실용성을 확인하였다. 특히, 외력의 영향 하에서도 로봇 손이 안정되게 물체의 파지를 유지하며 순응하는 특성을 확인하였다.
논슬립 패드를 두 개의 알루미늄 판 사이에 끼워 넣어 논슬립 패드를 돌출 시키는 방식으로, 논슬립 패드가 손상되었을 때에 손쉽게 교체가 가능하다. 다음으로, 손가락 끝 부분은 제한된 로봇 손의 자유도에 상관없이 대립 움직임이 원활히 발생할 수 있도록 사람 손끝과 같은 다면체의 형태가 아닌 반구 형태로 제작하여 물체 표면 위에서의 구름(Rolling)^[19,20]이 일어날 수 있도록 제작하였다. 또한 손끝이 파지력에 의해 변형이 되어 면 접촉이 일어나 파지 안정성을 높일 수 있도록 실리콘과 알루미늄 봉을 이용하여 제작하였다.
실험 장치의 구성은 그림 9와 같으며 특히, 본 연구에서는 물체의 질량에 대해 고려하지 않았다. 대신, 물체의 질량을 파지력에 비해 무시할 수 있을 만큼 충분히 가벼운 물체에 대하여 실험을 진행하였다. 그림 9의 1과 2에 보이는 것처럼 표면이 불규칙한 참외 모형을 손가락 1, 2와 엄지를 이용해서 손끝으로 잡는 실험을 진행하였다.
두 번째로, 단순하고 간략한 파지 제어를 위해 물체와의 접촉 힘을 측정 없이 기구학 정보를 얻기 위한 관절각 센서만을 사용하였다. 대신에 접촉 힘 제어를 위해 전류제어 방식의 모터 드라이버를 채택하였다. 세 번째로, 간단한 유지 보수와 역-구동이 가능하도록 모터, 기어박스, 그리고 센서를 통합한 액추에이터 모듈을 구성하였다.
먼저, 엄지와 나머지 손가락 사이에 대립움직임이 손쉽게 발생하도록 엄지와 손가락들을 각각 4자유도 구조로 배치하였다. 두 번째로, 단순하고 간략한 파지 제어를 위해 물체와의 접촉 힘을 측정 없이 기구학 정보를 얻기 위한 관절각 센서만을 사용하였다. 대신에 접촉 힘 제어를 위해 전류제어 방식의 모터 드라이버를 채택하였다.
즉, 사람의 엄지 길이는 움켜잡기 동작과 정밀잡기 동작 사이에 최적화된 것이다. 따라서 이 지표를 이용하여 사람 손과 유사한 지표를 가지도록 로봇 손의 엄지와 검지 비율을 설정하였다. 그러나 로봇 손은 사람 손과 달리 손바닥의 자유도 없이 설계될 예정이기 때문에 로봇 엄지와 그 엄지에서 가장 멀리 위치하고 있는 약지 사이의 원활한 대립 움직임을 위해 대립움직임 지표를 75로 설정하였다.
세 번째로, 간단한 유지 보수와 역-구동이 가능하도록 모터, 기어박스, 그리고 센서를 통합한 액추에이터 모듈을 구성하였다. 마지막으로, 움켜잡기 동작(Envelop Grasping)과 정밀잡기 동작(Precision Grasping) 시에 미끄러짐을 방지하고 안정성을 높이기 위해 손바닥 모듈과 손가락 모듈을 설계 제작하였다.
또한 로봇 손이 환경과 접촉할 때 생기는 외력에 쉽게 순응하기 위해서는 모든 관절이 역-구동이 가능해야 한다. 마지막으로, 효과적인 로봇 손의 사용을 위해서는 유지 보수가 쉬워야 하기 때문에 이 모든 것을 고려하여 모터, 기어박스, 그리고 센서 시스템을 통합한 액추에이터 모듈을 구성하였다.
엄지와 손가락사이의 대립움직임이 보다 여유롭게 움직일 수 있도록 각각의 손가락을 여유자유도를 가지는 4자유도로 설계하였다. 먼저 엄지 구조는 엄지 끝이 다른 손가락 끝 방향으로 손쉽게 움직여 손가락 사이의 대립움직임이 원활히 이루어지도록 손목손허리뼈 관절(CMC joint)을 yaw와 pitch자유도로 구성하고 또한 엄지 끝과 손바닥과의 대립움직임이 발생하도록 나머지 2개의 관절(MCP joint, IP joint)을 각각 yaw자유도로 구성했다(그림 2).
로봇 손이 안정한 파지를 할 수 있도록 다음의 4가지 사항을 추가로 고려하였다. 먼저, 엄지와 나머지 손가락 사이에 대립움직임이 손쉽게 발생하도록 엄지와 손가락들을 각각 4자유도 구조로 배치하였다. 두 번째로, 단순하고 간략한 파지 제어를 위해 물체와의 접촉 힘을 측정 없이 기구학 정보를 얻기 위한 관절각 센서만을 사용하였다.
먼저, 이와 같은 손바닥 기능구현을 위해 로봇 손바닥의 자유도를 이용하는 방법보다는 미끄럼 방지와 쿠션기능을 가진 논슬립 패드(Non-slip pad)가 부착된 손바닥 모듈을 제작하였다(그림 7). 논슬립 패드를 두 개의 알루미늄 판 사이에 끼워 넣어 논슬립 패드를 돌출 시키는 방식으로, 논슬립 패드가 손상되었을 때에 손쉽게 교체가 가능하다.
대신에 접촉 힘 제어를 위해 전류제어 방식의 모터 드라이버를 채택하였다. 세 번째로, 간단한 유지 보수와 역-구동이 가능하도록 모터, 기어박스, 그리고 센서를 통합한 액추에이터 모듈을 구성하였다. 마지막으로, 움켜잡기 동작(Envelop Grasping)과 정밀잡기 동작(Precision Grasping) 시에 미끄러짐을 방지하고 안정성을 높이기 위해 손바닥 모듈과 손가락 모듈을 설계 제작하였다.
앞 절에서 소개된 제어 방법을 이용하여 물체 파지가 안정적으로 이루어지는지 확인하기 위해 우리는 로봇 손이 파지하고 있는 참외 모형에 – y축 방향으로(2→3), + y축 방향으로(3→4), – x축 방향으로(4→5), 마지막으로 + x축 방향으로(5→6) 외력을 가하였다.
이 절에서는 개발된 로봇 손의 실용성 확인을 위해 안정 파지 실험에 적용될 제어 방법을 간단히 소개한다. 앞서 소개된 것과 같이 엄지와 손가락 그리고 손가락과 손바닥 사이의 유연한 대립 움직임을 위해서 로봇 손가락들은 여유자유도를 가지는 4자유도 구조로 설계 되었고, 파지 제어 시에는 기구학정보만을 이용한다. 엄지와 손가락 끝점들의 위치를 p_i로, 끝점들 사이의 안정점을 E로 정의하면 식(3)처럼 각 손가락의 파지력 방향벡터 N_i가 구해진다.
엄지와 손가락사이의 대립움직임이 보다 여유롭게 움직일 수 있도록 각각의 손가락을 여유자유도를 가지는 4자유도로 설계하였다. 먼저 엄지 구조는 엄지 끝이 다른 손가락 끝 방향으로 손쉽게 움직여 손가락 사이의 대립움직임이 원활히 이루어지도록 손목손허리뼈 관절(CMC joint)을 yaw와 pitch자유도로 구성하고 또한 엄지 끝과 손바닥과의 대립움직임이 발생하도록 나머지 2개의 관절(MCP joint, IP joint)을 각각 yaw자유도로 구성했다(그림 2).
이와 같은 단점을 보완하기 위해 액추에이터를 관절 근처에 장착하여 감속기^[7,8,10,12]나 벨트^[13]를 통해 관절을 구동하는 방식은 기구학적 관계식이 간단하여 제어적인 측면에서는 장점을 가지지만, 액추에이터 크기의 제약으로 인해 소형화나 자유도 수와 같은 외형적인 측면에 단점이 발생한다. 이를 해결하기 위해 손가락의 마지막 마디들을 four-bar메커니즘과 같은 종속관절로 배치하여 액추에이터의 수를 줄인 대신에 로봇 손의 소형화를 이룬다^[7,8,12]. 그리고 액추에이터에 연결된 감속기의 비율에 따라 로봇 손의 역-구동 능력이 좌우된다.
본 연구에서는 로봇 손의 기구학적 정보만을 이용하여 물체의 정확한 정보 없이도 비정형화된 물체를 안정적으로 잡는 것이 가능함을 보이기 위해 손재주 방식의 로봇 손, KITECH Hand를 개발하였다(그림 1). 특히, 물체를 잡을 때 중요한 역할을 하는 엄지와 다른 손가락들 사이의 대립움직임(Opposition)^[18]이 유연하게 발생하도록 로봇 손가락을 배치하였으며, 로봇 손가락이 물체 또는 외부 환경과의 접촉에서 발생되는 외력에 쉽게 순응하기 위해 모든 관절이 손쉽게 역-구동(back-drivability)이 가능하도록 설계하였다. 이 논문에서는 비정형화된 물체의 유연한 파지 기능을 구현할 수 있는 로봇 손 개발에 대해서 설명하고, 다양한 형태의 물체를 잡는 파지 실험을 통해서 개발된 로봇 손이 다양한 파지 전략을 수행 할 수 있는 잠재성을 증명한다.
다양한 형태와 크기의 물체를 이용하여 파지 실험을 진행하였으며 물체의 정확한 정보 없이도 안정된 파지가 가능함과 개발된 로봇 손의 실용성을 확인하였다. 특히, 외력의 영향 하에서도 로봇 손이 안정되게 물체의 파지를 유지하며 순응하는 특성을 확인하였다.

대상 데이터

다음으로, 손가락 끝 부분은 제한된 로봇 손의 자유도에 상관없이 대립 움직임이 원활히 발생할 수 있도록 사람 손끝과 같은 다면체의 형태가 아닌 반구 형태로 제작하여 물체 표면 위에서의 구름(Rolling)^[19,20]이 일어날 수 있도록 제작하였다. 또한 손끝이 파지력에 의해 변형이 되어 면 접촉이 일어나 파지 안정성을 높일 수 있도록 실리콘과 알루미늄 봉을 이용하여 제작하였다.
로봇 손의 가반하중(payload) 1 kg이상, 관절의 반응속도는 30rpm이상, 그리고 역-구동이 가능하도록 액추에이터 모듈에 전류 토크제어가 가능한 DC모터(4.5Watt)와 백래쉬와 마찰이 다소 작은 평기어(spur-gear)모듈(1:191)을 사용하였다. 센서부분에 있어서는 파지 제어에 이용되는 최소한의 정보인 기구학 정보를 얻기 위해 관절각 센서만을 사용하였다.
최종적으로 우리는 손가락 구조를 그림 6처럼 하나의 yaw자유도와 3개의 pitch 자유도로 구성하였다.

성능/효과

또한 그림 13은 원통 또는 직육면체의 물체의 자세에 상관없이 로봇손이 엄지와 두 손가락을 이용하여 안정하게 정밀잡기동작을 수행하는 것이다. 즉, 물체의 정확한 위치 정보, 형태 정보, 그리고 물체와의 접촉정보가 없이도 안정적으로 파지가 가능함을 알 수 있다. 그림 14는 로봇 손의 움켜잡기 동작을 수행한 것으로 다양한 형태의 물건을 안정하게 파지가 가능함을 알 수 있다.

후속연구

특히, 본 연구에서 자세히 다루지 않은 안정 파지제어와 물체의 질량을 고려한 제어방법에 대하여 현재 진행 중인 연구결과를 반영한 시뮬레이션 및 실험을 계획하고 있다. 또한, 앞서 논의된 손의 기능 중 잡은 물체의 파지 안정성을 판단하여 다시 물건을 잡는 동작을 구현할 예정이다.
앞으로 로봇 손의 개발과 관련해 사람의 손과 비슷한 크기로의 로봇 손 소형화와 로봇 손과 물체사이에서 발생하는 접촉력의 크기와 방향 측정이 가능한 센서(F/T, tactile 등)의 장착에 대해 연구를 진행할 예정이다. 특히, 본 연구에서 자세히 다루지 않은 안정 파지제어와 물체의 질량을 고려한 제어방법에 대하여 현재 진행 중인 연구결과를 반영한 시뮬레이션 및 실험을 계획하고 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	로봇 손의 유형은 어떻게 구분할 수 있는가?	로봇 손의 유형은 집게(gripper)방식, 의인화(anthropo-morphic)방식, 그리고 손재주(dexterous) 방식으로 구분할 수 있다. 첫 번째로, 단순하고 정형화된 물체를 대상으로 단순한 반복 작업을 수행하는데 적합한 집게방식의 로봇 손이 있다.
	집게방식의 로봇 손의 한계점은 무엇인가?	첫 번째로, 단순하고 정형화된 물체를 대상으로 단순한 반복 작업을 수행하는데 적합한 집게방식의 로봇 손이 있다. 주로 생산 공정에서 이용되며 기계적 구조가 단순하고 제어 방법도 간단하지만, 작업 대상 물체에 국한하여 최적화되어 있으므로 실생활에서 접하게 되는 다양한 형태의 비정형화된 물체를 다루는 데는 한계가 있다. 다음으로, 집게방식과는 형태나 기능면에서 다른 의인화 형태의 로봇손이 있다.
	집게방식의 로봇 손은 어떤 작업에 적합한가?	로봇 손의 유형은 집게(gripper)방식, 의인화(anthropo-morphic)방식, 그리고 손재주(dexterous) 방식으로 구분할 수 있다. 첫 번째로, 단순하고 정형화된 물체를 대상으로 단순한 반복 작업을 수행하는데 적합한 집게방식의 로봇 손이 있다. 주로 생산 공정에서 이용되며 기계적 구조가 단순하고 제어 방법도 간단하지만, 작업 대상 물체에 국한하여 최적화되어 있으므로 실생활에서 접하게 되는 다양한 형태의 비정형화된 물체를 다루는 데는 한계가 있다.

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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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