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볼 나사 구동형 로봇 그리퍼 설계 및 특성 분석
Design and Analysis of Ball Screw-driven Robotic Gripper 원문보기

한국지능시스템학회 논문지 = Journal of Korean institute of intelligent systems, v.22 no.1, 2012년, pp.22 - 27  

김병호 (경성대학교 메카트로닉스공학과 생체모방및지능로봇 연구실)

초록
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본 논문에서는 볼 나사의 구동에 의해 물체의 파지가 가능한 로봇 그리퍼 메커니즘을 제시한 후, 시뮬레이션을 통하여 제시한 그리퍼 메커니즘의 파지 동작에서 나타날 수 있는 기구학적인 특성을 분석한다. 이를 위하여 구동기의 관절 공간과 그리퍼의 끝 공간간의 기구학적 관계를 파악한다. 제안한 로봇 그리퍼는 하나의 구동모터를 사용하고, 좌우 대칭인 폐체인(closed-chain)을 형성하고 있는 것이 특징이다. 결과적으로, 제안한 로봇 그리퍼는 구조적으로 외력에 강인하고, 하나의 구동모터에 의해 파지 동작이 구현되므로 수월한 파지가 가능하다. 또한 제안된 그리퍼는 파워 파지에 유용한 조임 효과를 갖는다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

This paper presents a ball screw-driven robotic gripper mechanism which is possible to grasp an object and analyzes its kinematic feature for grasping by simulation. For the purpose of identifying the feature of the robot gripper, we try to confirm the kinematics relating the joint space of the driv...

주제어

#로봇그리퍼   #볼나사 구동 메커니즘   #기구학적 파지특성  

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 논문에서는 구조적으로 외력에 강인하여 효과적으로 물체의 파지를 지속할 수 있고, 잡은 물체의 파지 정도를 쉽게 제어할 수 있는 단순 구조의 나사 구동형 로봇 그리퍼 메커니즘을 제시하고, 이러한 메커니즘의 특성 및 활용성에 대하여 고찰하고자 한다.
  • 본 논문에서는 볼 나사를 축으로 하여 두 손가락이 폐체인을 형성하고 있는 볼 나사 구동형 로봇 그리퍼 메커니즘을 제시하고, 파지 동작에서 나타날 수 있는 기구학적인 특성을 고찰하였다. 결과적으로, 제안된 로봇 그리퍼는 폐체인 구조를 형성하고 있기 때문에 구조적으로 외란의 영향을 줄일 수 있고, 하나의 구동모터에 의해 그리퍼가 구동되므로 비교적 여러 개의 관절에 의해 구동되는 경우보다 파지가 쉽다.
  • 궁극적으로, 그림 1에서 보는 것과 같이, 로봇이 산업 공정이나 인간의 생활 환경에서 다양한 서비스 작업을 수행하기 위해서는 어떤 물체를 파지하거나 조작할 수 있는 다지 로봇 손(multi-fingered robotic hand)이나 구조적으로 간단한 형태의 로봇 그리퍼(robotic gripper)가 필요하다. 본 논문에서는 비교적 단순한 파지를 목적으로 하는 로봇 그리퍼에 관하여 다루고자 한다.
  • 그림 3은 제시한 로봇 그리퍼의 구조에 포함되어 있는 두 개의 대칭적인 폐체인(closed-chain) 중의 하나이다. 여기서는 파지 동작에 따른 그리퍼 말단의 기구학적 위치 정보를 파악하기 위하여 폐체인 다각형 HBCG의 운동을 고찰하고자 한다. 즉, 그림 3에서 G점이 아래로 이동하면, C점이 이동하게 되고, 동시에 D점은 B점을 기준으로 회전 운동을 하게 된다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
로봇 그리퍼는 주로 무엇을 하는데 이용되는가? 한편, 로봇 그리퍼는 다지 로봇 손에 비해 기구적으로 단순하기 때문에 설계 및 제어가 용이하다. 비록 로봇 그리퍼는 정형화된 물체를 파지하는데 주로 이용되지만, 로봇 팔의 끝부분에 장착되어 물체의 가공, 조립, 검사 등의 작업 공정에서 다양하게 활용될 수 있으며, 파지 특성이 매우 중요한 의수(prothetic hand)의 기본 메커니즘으로 이용될 수 있다. 따라서 보다 효과적인 그리퍼 메커니즘 설계 및 활용에 관한 연구에 대하여 주목할 만 하며, 현재까지 다양한 연구가 진행되고 있다 [18]- [22].
로봇 그리퍼는 다지 로봇 손에 비해 설계 및 제어가 용이한 이유는? 한편, 로봇 그리퍼는 다지 로봇 손에 비해 기구적으로 단순하기 때문에 설계 및 제어가 용이하다. 비록 로봇 그리퍼는 정형화된 물체를 파지하는데 주로 이용되지만, 로봇 팔의 끝부분에 장착되어 물체의 가공, 조립, 검사 등의 작업 공정에서 다양하게 활용될 수 있으며, 파지 특성이 매우 중요한 의수(prothetic hand)의 기본 메커니즘으로 이용될 수 있다.
본 연구에서 제안한 볼 나사 구동형 로봇 그리퍼 메커니즘는 무엇이 가능한 구조인가? 그림 2는 볼 나사 구동형 로봇 그리퍼 메커니즘 설계를 위한 3차원 개념도를 나타낸다. 이것은 단순한 파지 기능을 목적으로 한 로봇 그리퍼 메커니즘으로서, 중심축에 배치한 볼 나사의 구동에 의해 미끄럼 관절이 직선 운동을 하면, 양쪽 손가락이 동시에 오므리거나 펴지는 운동을 하게 되어 물체의 파지가 가능한 구조이다. 특히, 폐체인 구조는 메커니즘의 강성을 증가시키는 효과 [23]가 있기 때문에 외력에 의한 파지 강성을 극대화하기 위하여 두 개의 폐체인(closed-chain) 구조를 사용한 것이 제시한 그리퍼의 특징이다.
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참고문헌 (23)

  1. Y. Sakagami, R. Watanabe, C. Aoyama, S. Matsunaga, N. Higaki, and K, Fujimura, "The intelligent ASIMO: system overview and integration," Proc. of IEEE/RSJ Int. Conf. on Intelligent Robots and Systems, pp. 2478-2483, 2002. 

  2. Y. Ogura, H. Aikawa, K. Shimomura, H. Kondo, A. Morishima, H.-O. Lim, and A, Takanishi, "Development of a new humanoid robot, WABIAN-2," Proc. of IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, pp. 2478-2483, 2002. 

  3. I. W. Park, J.-Y. Kim, J. Lee, and J.-H. Oh, "Mechanical design of humanoid robot platform KHR-3 (KAIST humanoid robot-3: HUBO)," Proc. of IEEERAS Int. Conf. on Humanoid Robots, pp. 321-325, 2005. 

  4. I. Mizuuchi, T. Yoshikai, Y. Sodeyama, Y. Nakanishi, A. Miyadera, T. Yamamoto, T. Niemela, M. Hayashi, J. Urata, Y. Namiki, T. Nishino, and M. Inaba, "Development of musculoskeletal humanoid Kotaro," Proc. of IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, pp. 82-87, 2006. 

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  7. M. S. Ali, K. J. Kyriakopoulos, and H. E. Step-hanou, "The kinematics of the Anthrobot-2 dextrous hand," Proc. of IEEE Int. Conference on Robotics and Automation, pp. 705-710, 1993. 

  8. A. Caffaz and G. Cannata, "The design and development of the DIST-hand dextrous grapper," Proc. of IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, pp. 2075-2080, 1998. 

  9. C. S. Lovchik and M. A. Diftler, "The Robonaut Hand: A dexterous robot hand for space," Proc. of IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, pp. 907-912, 1999. 

  10. J. Butterfass, M. Grebenstein, H. Liu, and G. Hirzinger, "DLR-Hand II: Next generation of dextrous robot hand," Proc. of IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, pp. 109-114, 2001. 

  11. M. Ebner and R. S.Wallace, "A direct-drive hand: design, modeling and control," Proc. of IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, pp. 1668-1763, 1995. 

  12. B.-H. Kim, S.-R. Oh, B.-J. You, I. H. Suh, and H.-R. Choi, "Development of a new multi-fingered robot hand using ultrasonic motors and its control system," Jour. of Control, Automation and Systems Engineering, vol. 6, no. 4, pp. 327-332, 2000. 

  13. H. Kawasaki, T. Komatsu, K. Uchiyama, and T. Kurimoto, "Dexterous anthropomorphic robot hand with distributed tactile sensor: Gifu hand II," IEEE/ASME Trans. on Mechatronics, vol. 7, no. 3, 2002. 

  14. J. Ueda, Y. Ishida, M. Kondo, and T. Ogasawara, "Development of the NAIST-Hand with vision-based tactile fingertip sensor," Proc. of IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, pp. 2343-2348, 2005. 

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    원문보기 상세보기 crossref

  17. B.-H. Kim, "Task-based analysis on number of robotic fingers for compliant manipulations," Int. Jour. of Fuzzy Logic and Intelligent Sytems, vol. 9, no. 4, pp. 333-338, 2009. 

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  18. P. K. Wright and M. R. Cutkosky, Design of gripper, Handbook of Industrial Robot, pp. 96-111, 1985. 

  19. T. Mason and J. K. Salisbury, Robot hands and the mechanics of manipulation, MIT press, Cambridge, MA, 1985. 

  20. R. Kolluru, K. P. Valavanis, A. Stewart, andM. J. Sonnier, "A flat-surface robotic gripper for handling limp material," IEEE Robotics and Automation Magazine, pp. 19-26, 1995. 

  21. A. I. Setiawan, T. F. Furukawa, and A. Preston, "A low-cost gripper for an apple picking robot," Proc. of IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, pp. 4448-4453, 2004. 

  22. H. Choi and M. Koc, "Design and feasibility tests of a flexible gripper based on inflatable rubber pockets," Int. Jour. of Machine Tools & Manufacture, vol. 46, pp. 1350-1361, 2006. 

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  23. M. Leu, V. Dukowski, and K. Wang, "An analytical and experimental study of the stiffness of robot manipulators with parallel mechanisms," in Robotics and Manufacturing Automation, M. Donath and M. Leu, Editors, ASME, New York, 1985. 

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