[논문]텐던 구동 로봇 메커니즘의 일반화된 그래프 표현

조영수; 정주노; 김두형

doi:10.7746/jkros.2014.9.3.178

텐던 구동 로봇 메커니즘의 일반화된 그래프 표현
Generalized Graph Representation of Tendon Driven Robot Mechanism 원문보기

로봇학회논문지 = The journal of Korea Robotics Society, v.9 no.3, 2014년, pp.178 - 184

조영수 (Control & Instrumentation Engineering, Korea University) , 정주노 (Control & Instrumentation Engineering, Korea University) , 김두형 (Korea Institute of Machinery and Materials)

Abstract ▼ AI-Helper

Tendon driven robot mechanisms have many advantages such as allowing miniaturization and light-weight designs and/or enhancing flexibility in the design of structures. When designing or analyzing tendon driven mechanisms, it is important to determine how the tendons should be connected and whether the designed mechanism is easily controllable. Graph representation is useful to view and analyze such tendon driven mechanisms that are complicatedly interconnected between mechanical elements. In this paper, we propose a method of generalized graph representation that provides us with an intuitive analysis tool not only for tendon driven manipulators, but also various other kinds of mechanical systems which are combined with tendons. This method leads us to easily obtain structure matrix - which is the one of the most important steps in analyzing tendon driven mechanisms.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

만약 기구학적 분석을 위한 목적이라면 정확한 기구학적 구조행렬 A 를 얻을 필요가 있으므로, A 를 구하는 일반적인 방법에 대해 소개하고자 한다. 기구학적 구조행렬 A 는 텐던 연결 토폴로지 행렬의 형태를 따른다고 할 수 있다.
본 논문에서는 Lee가 사용한 그래프 표현 기법을 일반화하여 유용한 그래프 표현 방법을 제안한다. Lee가 제시한 기존의 그래프 표현 방법은 단순히 텐던 연결 방식에 집중하였을 뿐, 직접 구동기가 포함된 다자유도 시스템은 그래프 표현으로 표현할 수 없었다.
본 논문에서는 텐던기반 로봇 머니풀레이터 및 메커니즘을 해석할 수 있는 확장된 형태의 텐던 그래프를 제안하였고, 해당 메커니즘의 기구 운동해석에 용이한 텐던 연결 토폴로지 행렬을 구하는 일반적인 방법도 소개하였다. 이 텐던 그래프는 복잡한 텐던 시스템을 직관적으로 설계하고 해석할 수 있도록 도와준다.
Lee가 제시한 기존의 그래프 표현 방법은 단순히 텐던 연결 방식에 집중하였을 뿐, 직접 구동기가 포함된 다자유도 시스템은 그래프 표현으로 표현할 수 없었다. 본 논문의 첫 번째 기여는, 다양한 종류의 텐던 혹은 일반적인 메커니즘 (tendon-driven, non-tendon driven, hybrid-driven)에 적용할 수 있는 일반적인 확장 그래프 표현방법의 제시이다. 단순히 텐던의 연결 방식만이 아닌 직접 구동기에 의한 관절까지 표현함으로써 전체적인 시스템을 통합하여 해석할 수 있다는 장점이 있다.
텐던 연결 토폴로지 행렬을 좀 더 쉽게 이해하기 위해서, 참고문헌 [1]의 기본적인 예제를 이용해 적용해 보도록 하자. 우선 앞의 Fig.

제안 방법

두번째는 이를 통해 가제어성을 확인할 수 있는 구조행렬을 손쉽게 계산하도록 한 것이다. 마지막으로, 제안하는 그래프 표현을 활용하여 잘 알려진 텐던 기반 머니퓰레이터 해석에 적용함으로써 편리성과 직관성을 확보한 것이다.
위와 같이 소개한 그래프 표현법을 이용하여 주목할 만한 텐던 기반 머니퓰레이터들의 해석에 적용하고, 이를 통해 텐던 연결 토폴로지 행렬을 얻는 과정을 예시하고자 한다.
위의 두 식을 이용하여 Fig. 2에서 나타내고 있는 3링크를 갖는 로봇 머니풀레이터의 텐던입력과 로봇의 관절각도와의 관계식을 유도해 보자. 해당 로봇은 한 개의 축 a에 모여있는 3개의 모터 (m₁,m₂,m₃)가 각각 링크 1, 풀리 4, 풀리 5를 구동시키고 있다.
그리고 관절 수 보다 많은 구동기와 연결 토폴로지를 통하여 관절의 회전각도 뿐만 아니라 부수적인 힘 제어까지 가능하기 때문에 원하는 목적에 맞는 메커니즘을 설계할 수 있는 특징을 갖는다^[1]. 이러한 이유로 여러 종류의 로봇 설계에 있어서 텐던 기반 구조를 적용하였다. 대표적으로 DLR hand^[2], Shadow hand^[3]를 들 수 있으며, 이들은 구조적으로 매우 정교하고 안정적인 로봇 손이다.

성능/효과

이 텐던 그래프는 복잡한 텐던 시스템을 직관적으로 설계하고 해석할 수 있도록 도와준다. 각 예제을 통해서 이런 텐던 그래프의 편리성과 직관성을 파악할 수 있었으며 텐던 연결 토폴로지 행렬도 직관적으로 얻을 수 있었다.

후속연구

1(c)는 링크 i 와 링크 j가 a라는 회전짝에 연결되어 있고, 해당 회전짝에 배치된 구동기 m의 회전은 곧 링크 j의 회전과 같으므로 이중선으로 연결한다. 제안하는 형태의 그래프 표현은 각종 텐던구동 혹은 텐던구동과 직접구동이 혼합된 형태의 로봇머니풀레이터 및 메커니즘에 합당하게 적용될 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	텐던 구동 메커니즘을 이용했을 때 원하는 힘을 충분히 공급할 수 있는 이유는 무엇인가?	그러나 소형 모터는 원하는 힘을 만족할 수 없을 뿐만 아니라 소형화함에 있어 한계가 있다. 반면 텐던 구동 메커니즘은 구동기가 기저 또는 링크의 시작 부분에 배치되어 관성이 작아지고, 일반 메커니즘과 달리 구조가 소형화됨에 따라 모터 또한 소형화 될 필요가 없기 때문에 원하는 힘을 충분히 공급할 수 있다[1]. 아울러 모터의 크기를 고려하지 않아도 되기 때문에 몸체를 소형화시키기 유리하다.
	와이어 구동을 이용했을 때 원하는 목적에 맞는 메커니즘대로 설계할 수 있는 이유는 무엇인가?	보통 와이어 구동은 단일 방향으로만 제어할 수 있는 요소로 관절 수 보다 많은 수의 구동기를 필요로 한다. 그리고 관절 수 보다 많은 구동기와 연결 토폴로지를 통하여 관절의 회전각도 뿐만 아니라 부수적인 힘 제어까지 가능하기 때문에 원하는 목적에 맞는 메커니즘을 설계할 수 있는 특징을 갖는다[1]. 이러한 이유로 여러 종류의 로봇 설계에 있어서 텐던 기반 구조를 적용하였다.
	텐던 구동 로봇의 구조적 특징은 무엇인가?	텐던 구동 로봇은 텐던을 이용하여 구동시키는 메커니즘으로서 구동기와 회전축이 분리되어있다. 일반적으로 메커니즘을 소형화 시킬 때, 회전축에 붙어있는 모터의 크기가 작아져야 할 필요가 있다.

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http://www.barrett.com/robot/DS_WAM.pdf

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