[논문]멕조인트를 이용한 다관절 로봇핸드 설계

이상문; 이경돈; 민흥기; 노태성; 김성태

doi:10.7746/jkros.2012.7.1.001

멕조인트를 이용한 다관절 로봇핸드 설계
Design of a Humanoid Robot-hand with MEC-Joint 원문보기

로봇학회논문지 = The journal of Korea Robotics Society, v.7 no.1, 2012년, pp.1 - 8

이상문 (고등기술연구원 로봇) , 이경돈 (고등기술연구원 로봇) , 민흥기 (고등기술연구원 로봇) , 노태성 (주) 로보멕) , 김성태 (주) 로보멕)

Abstract ▼ AI-Helper

A humanoid robot hand with one thumb and two fingers has been developed. Each finger has the specially designed compact joints, called "MEC Joint", which convert the rotation of a motor to the swing motion of a pendulum. The robot hand with the MEC Joints is compact and relatively light but strong enough to grasp objects in the same manner as human being does in daily activities. In this paper the kinematic model and the torque characteristics of the MEC Joint are presented and compared with the results of the dynamic simulation and the dynamometer test. The dynamic behavior of the thumb and two fingers with MEC Joints are also presented by computer simulation.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서 제안하고자 하는 멕조인트를 이용한 로봇 핸드의 구조는 구동기가 관절 내부에 배치되어 인간의 섬세한 동작의 구현을 위한 관절을 설계하는 데에 최소의 공간을 차지하게 하여 관절 모듈화가 쉽도록 고안된 것이다. 이는 멕조인트와 동시에 링크 구조를 사용하여 안정적인 성능을 내고 기어에서 발생하는 백래시나 텐던에서의 늘어짐과 같은 문제점이 없는 장점을 가지고 있다.
본 논문에서는 구형 4절 링크구조 방식인 멕조인트를 채택하여 링크구조 방식의 장점(기계적 강성 우수)을 가지면서 텐던 구동방식의 장점(소형화 가능)을 조합한 구조의 방식이다. 멕조인트는 강체 부품으로 구성되어 있어큰 강성을 가지며, 동력전달 효율이 좋고, 구동기가 관절 내에 위치할 수 있는 최소 공간을 구현한 구조로서 소형화 및 모듈화가 가능하다.

제안 방법

이의 구조적 특징은 엄지손가락은 1개의 여유자유도를 두어 grasping 작업시 동작의 유연성을 고려하였다. 검지손가락은 4절 링크를 추가적으로 구성하여 손가락 끝의 자유도를 줄이는 대신 grasping 작업 시 좀 더 안정적인 파지가 가능한 구조로 설계하였다.
이러한 관점에서 손가락에 응용된 멕조인트를 수학적으로 모델링하고 기구학적으로 해석하고 토크 특성의 분석을 위하여 해석 시뮬레이션과 다이나모 실험을 수행하였다. 또한 3개의 손가락으로 이루어진 손을 해석 시뮬레이션으로 구현하여 로봇핸드의 기능에서 필요한 손가락 끝의 동작 범위를 제시하였다.
로봇핸드의 전체적인 동작이 가능한 인간의 동작과 유사하도록 멕조인트의 자세와 상수값들을 정하였다. 이 중 엄지손가락의 마지막 끝마디의 멕조인트 3의 운동 특성을 시뮬레이션을 적용한 결과를 제시한다.
멕조인트 3은 2개의 상수인 Θf와 Θn의 값을 로봇핸드의 동작에 맞추어 결정하여 입력과 출력 특성을 비교하였다.
멕조인트의 토크 특성을 위하여 그림 5와 같이 다이나모를 제작하여 실험을 수행하였다. 멕조인트를 기준으로 동력축과 운동축이 직각이 되도록 설정하고 동력축에는 토크센서와 구동모터를 연결하고 운동축에는 토크센서와 마그네틱 브레이크를 연결하였다. 과절의 회전을 측정하기 위하여 로터리타입의 포텐셔미터를 설치하였다.
본 연구는 로봇핸드에 적용한 멕조인트 운동특성 분석하였다. 멕조인트의 수학적 모델링을 제시하고 토크 시험과 시뮬레이션을 통한 멕조인트 특성을 분석하여 로봇핸드의 관절에 적합한 상수값을 선정하여 시뮬레이션으로 분석하였다.
본 논문에서는 손가락 관절의 굽힘각도를 90도 하기 위하여 상수 Θf, Θn 모두 45도로 설정하여 진행하였다.
본 연구는 로봇핸드에 적용한 멕조인트 운동특성 분석하였다. 멕조인트의 수학적 모델링을 제시하고 토크 시험과 시뮬레이션을 통한 멕조인트 특성을 분석하여 로봇핸드의 관절에 적합한 상수값을 선정하여 시뮬레이션으로 분석하였다.
손가락 관절에 사용된 멕조인트의 운동 특성을 분석하기 위하여 3개의 멕조인트를 적용한 로보멕 로봇핸드의 엄지손가락을 예로 해석을 진행하였다.
그림 9은 엄지손가락에서 멕조인트의 적용 관절의 위치와 엄지손가락의 대표적인 자세와 동작을 보여준다. 손바닥에 근접한 관절부터 번호를 시작하여 멕조인트1, 2, 3 등 3개의 관절과 각각 모터를 배치하였다. 손바닥과 가장 근접한 곳에 배치된 모터는 멕조인트 1의 베이스를 회전운동하기 위하여 추가된 revolute 조인트를 위한 모터이다.
앞에서 정의한 멕조인트의 수학적 모델링을 사용하여 관절 기구학을 정의하였다. 이상적인 상태(Θ_n = 0)에서의 멕조인트의 관절기구학을 토대로 일정한 각속도를 갖는 동력축의 회전에 대한 운동축의 비선형 운동특성을 속도와 토크의 특성 그래프로 나타내면 그림 3과 같다.
로봇핸드의 전체적인 동작이 가능한 인간의 동작과 유사하도록 멕조인트의 자세와 상수값들을 정하였다. 이 중 엄지손가락의 마지막 끝마디의 멕조인트 3의 운동 특성을 시뮬레이션을 적용한 결과를 제시한다. 멕조인트 3은 2개의 상수인 Θ_f와 Θ_n의 값을 로봇핸드의 동작에 맞추어 결정하여 입력과 출력 특성을 비교하였다.
이러한 관점에서 손가락에 응용된 멕조인트를 수학적으로 모델링하고 기구학적으로 해석하고 토크 특성의 분석을 위하여 해석 시뮬레이션과 다이나모 실험을 수행하였다. 또한 3개의 손가락으로 이루어진 손을 해석 시뮬레이션으로 구현하여 로봇핸드의 기능에서 필요한 손가락 끝의 동작 범위를 제시하였다.
설계된 로보멕 로봇핸드의 구체적 사양은 표 2와 같다. 이의 구조적 특징은 엄지손가락은 1개의 여유자유도를 두어 grasping 작업시 동작의 유연성을 고려하였다. 검지손가락은 4절 링크를 추가적으로 구성하여 손가락 끝의 자유도를 줄이는 대신 grasping 작업 시 좀 더 안정적인 파지가 가능한 구조로 설계하였다.

후속연구

제시한 멕조인트를 적용한 로봇 핸드는 사이즈 측면에서 소형화와 모듈화에 적합하게 설계되어 있어 다양한 설계의 자유도를 소비자에게 줄 수 있는 이점이 있다. 향후 다양한 소비자 요구에 맞는 적용 예를 구체화하여 멕 조인트를 적용한 로봇 핸드의 동적 특성을 분석하고, 최적화하며 정밀 파지 작업이 가능한 제어 알고리즘 연구를 수행할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	휴머노이드 로봇에 대해 진행되고 있는 사업은?	최근에는 인간과 근사한 동작을 수행하며 인지 능력을 갖는 인간의 역할을 대신 수행 할 로봇을 개발하기 위한 연구가 세계적으로 다양하게 진행되고 있다. 이 중 휴머노이드 로봇이 대표적인 것으로 사람의 눈을 대신하기 위한 듀얼 비젼 시스템, 사람의 팔과 같은 다자유도 협조기반의 로봇암, 걷거나 뛰기 등 로봇의 동적보행을 위한 다양한 연구와 사업화가 진행되고 있다.
	산업용 로봇이 개발된 이유는?	산업현장에서의 위험한 일을 대처하거나 단순 반복동작의 효율성을 높이기 위해 산업용 로봇이 개발되어 적용되어져 왔다. 최근에는 인간과 근사한 동작을 수행하며 인지 능력을 갖는 인간의 역할을 대신 수행 할 로봇을 개발하기 위한 연구가 세계적으로 다양하게 진행되고 있다.
	로봇 핸드의 구조는 앞선 구동기의 어떤 단점을 극복하기 위해 개발되었는가?	관절 구동기들을 손 밖, 팔뚝에 설치하는 방법은 관절의 구조가 간단하고 가벼우면서도 큰 출력을 낼 수 있다는 장점이 있는 반면 적용대상이 바뀌면 수정해야 하는 불편함이 있고, 말단의 구조가 복잡해지고 제한된 관절의 운동범위를 가지게 되는 단점이 있다. 초음파모터와 형상기억합금을 구동기로 사용하여 관절을 구성하는 경우에는 모든 구동기가 관절 내 공간에 배치되어 차지하는 공간이 최소화되고 자유도의 제한이 없어져 다양한 동작구현이 가능하다.

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상세보기
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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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