[논문]텐던-튜브를 이용한 인체모방형 로봇핸드 및 암 개발

김두형; 신내호; 오명호

doi:10.5302/j.icros.2014.14.0035

텐던-튜브를 이용한 인체모방형 로봇핸드 및 암 개발
Development of Anthropomorphic Robot Hand and Arm by Tendon-tubes 원문보기

제어·로봇·시스템학회 논문지 = Journal of institute of control, robotics and systems, v.20 no.9, 2014년, pp.964 - 970

김두형 (육군사관학교 물리화학과) , 신내호 (육군사관학교 물리화학과) , 오명호 (육군사관학교 전자정보학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study we have developed an anthropomorphic robot hand and arm by using tendon-tubes which can be used for people's everyday life as a robot's dynamic power transmission device. Most previous robot hands or arms had critical problem on dynamic optimization due to heavy weight of power transmission parts which placed on robot's finger area or arm area. In order to resolve this problem we designed light-weighted robot hand and arm by using tendon-tubes which were consisted of many articulations and links just like human's hand and arm. The most prominent property of this robot hand and arm is reduction of the weight of robot's power transmission part. Reduction of weight of robot's power transmission parts will allow us to develop energy saving and past moving robot hands and arms which can be used for artificial arms. As a first step for real development in this study we showed structural design and demonstration of simulation of possibility of a robot hand and arm by tendon-tube. In the future research we are planning to verify practicality of the robot hand and arm by applying sensing and controlling method to a specimen.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서는 요구되는 관절의 구동을 위한 서보모터를 관절로부터 분리하여 베이스 부분인 몸통에 배치하기 위하여 텐던-튜브 동력전달체계 구조를 적용했다.
본 연구에서는 위에서 언급한 문제점을 해결하기 위하여 동력전달체계로 텐던-튜브체계를 활용하여 무거운 모터는 모두 베이스 부분인 몸통에 위치시키고 가동부인 손끝에서 어깨까지는 수동관절(passive joint)로만 구성하여 가벼우면서 신속한 동작이 가능하고 정밀성이 우수한 로봇핸드를 개발했다.
본 연구에서의 연구중점은 로봇핸드 및 암 설계에 있어서 인간의 일상생활에서 친숙함과 실용성을 강조하고 가동부가 가벼워 궤도 추종성과 정밀성이 우수한 로봇을 설계하도록 하였다. 이를 위하여 일반 성인남자를 기준으로 크기 및 사양을 설정했으며, 관절 수 와 동작도 인간과 유사하게 움직이도록 자유도를 설정하였다.

가설 설정

물건을 잡기 위해 모터에 의해 텐던이 잡아당겨지고 손가락이 구부려 진다면 스프링 상수가 제일 약한 둘째관절이 먼저 어느 정도 구부려지고, 손가락 끝마디인 첫째관절이 구부려지며, 마지막으로 손바닥과 가까운 셋째관절이 구부려짐으로서 안정적으로 물건을 파지하기 쉽게 될 것으로 판단된다. 물론 이는 사람이 물건을 파지할때 각 손가락의 구부려지는 형태의 관찰과 경험에 의해서 설정했으며, 좌우 구동이 가능한 엄지손가락을 다른 4개의 손가락과 마주 쥘 수 있도록 배치하였다. 손가락 관절 부분은 텐던이 동작할 때 텐던을 일정한 방향으로 유도하고 토크가 일정하게 걸리도록 둥근 원호 형태에 가까운 홈을 만들었다.

제안 방법

엄지손가락의 좌우 구동은 동일 서보모터의 텐던을 양방향에 연결하여 원활한 움직임이 가능하도록 하였다. 각각의 손가락 마디는 1자유도라 구부러지는 형태가 같으며 손가락은 독립적으로 움직일 수 있도록 하였다.
이를 위하여 일반 성인남자를 기준으로 크기 및 사양을 설정했으며, 관절 수 와 동작도 인간과 유사하게 움직이도록 자유도를 설정하였다. 다만 일상생활에서 각각의 자유도가 덜 필요한 각 손가락의 3개 관절을 1개 자유도로 구동되도록 설계하여 모터의 수를 줄임으로써 구성의 복잡성 및 예산의 절감을 하도록 하였다.
로봇핸드 및 손가락의 사양은 일상생활에서 친밀감과 동질감을 가질 수 있도록 크기 및 관절 동작을 실제 인간과 유사하게 했다. 본 논문에서는 성인남자의 실제 크기를 측정해서 유사하게 설계했다. 기존의 연구로 인체해부학적인 연구는 많이 진행되어 왔으며 로봇핸드를 설계하는데 많은 시도가 있었다.
기존의 방법대로 손바닥이나 팔목에 구동기인 서보모터를 배치한다면 가동부에 해당되므로 몸통에 달린 팔을 움직일 때 모든 구동기의 무게를 지탱해야하고 움직여야하기 때문에 동특성이 저하된다. 본 연구에서는 팔목, 팔굽, 어깨관절의 구동을 위한 무거운 서보모터를 비교적 떨어진 곳의 몸통에 위치시키기 위하여 자전거의 림브레이크 동력전달체계와 유사한 그림 5, 그림 6의 와이어와 튜브로 구성된 텐던-튜브 구조를 이용하였다.
본 연구의 텐던-튜브 구조의 장점은 기존의 텐던-풀리 혹은 타임잉벨트 구조와 비교하여 직선의 짧은 거리뿐만 아니라 비교적 떨어진 거리에 위치한 베이스 부분인 몸통의 구동모터 회전력을 안정적으로 전달할 수 있도록 설계되었다. 따라서 가동부에 위치한 관절은 모터가 없는 수동 관절로만 구성되어 무게가 가벼워져서 관성과 관련된 동특성이 향상되어 고속 동작 시 신속한 움직임이 가능하고 오차를 줄일 수 있는 잇점이 있다.
설계된 양팔로봇의 기구학적 효율성과 활용 가능성을 확인하기 위하여 다물체 동력학 해석 Porgram인 ADAMS software를 이용하여 일상생활에서 가능한 간단한 동작을 수행하고 이에 대한 위치, 속도, 가속도, 각도, 각속도, 각가 속도를 산출하는 다음과 같은 Simulation을 실시하였다.
어깨의 앞뒤로 흔드는 yaw 각을 회전하는 서보모터는 몸통의 base 부분에 직접 배치하여 앞, 뒤로 각각 180°씩 회전하도록 설계하였으며, 옆으로 올리는 roll각 회전은 0° ~ 180°까지 회전하도록 텐던-튜브 구조로 설계하였다.
엄지손가락의 좌우 구동은 동일 서보모터의 텐던을 양방향에 연결하여 원활한 움직임이 가능하도록 하였다. 식 (2) 의 비틀림 스프링상수의 강한 정도에 따라 손바닥 부분에 위치한 각 손가락 튜브의 텐던을 잡아당기면 그림 11과 같이 단계적으로 구부러져서 물건을 잡게 된다.
본 연구에서의 연구중점은 로봇핸드 및 암 설계에 있어서 인간의 일상생활에서 친숙함과 실용성을 강조하고 가동부가 가벼워 궤도 추종성과 정밀성이 우수한 로봇을 설계하도록 하였다. 이를 위하여 일반 성인남자를 기준으로 크기 및 사양을 설정했으며, 관절 수 와 동작도 인간과 유사하게 움직이도록 자유도를 설정하였다. 다만 일상생활에서 각각의 자유도가 덜 필요한 각 손가락의 3개 관절을 1개 자유도로 구동되도록 설계하여 모터의 수를 줄임으로써 구성의 복잡성 및 예산의 절감을 하도록 하였다.
일상생활에서 손가락을 이용해서 물건을 파지하거나 집어 올리는 동작에 있어서 각 손가락 마디는 표 2에서 보는 것처럼 구동한계가 상호 구속되어 있다. 인체의 각 손가락 3개 관절은 각각 독립적으로 움직이기 쉽지 않으며 필요성도 상대적으로 떨어지므로 1개의 손가락에서 관절은 인체와 같이 3개관절로 하되 1개의 구동동력 및 비틀림 스프링에 의해 움직이도록 구성하였다.
팔목은 그림 12에서와 같이 roll, pitch, yaw 등 3방향 회전이 가능하도록 설계하였다. 인체의 팔 축방향 회전은 팔목이 아니라 팔목과 팔굽 사이의 앞팔 2개의 뼈가 뒤틀리면서 회전이 가능하나 본 설계에서는 yaw각 회전을 팔목에 위치시켰다.

대상 데이터

본 연구에서 제안한 로봇핸드는 표 3에서 나타낸 것과 같이 5개 손가락의 관절 및 팔목관절까지 총 16개 관절과 9자유도이며, 팔굽과 어깨의 2개 관절 4자유도를 포함하여 한쪽 팔이 총 18개 관절 13개 자유도로 구성되었다.
팔은 성인 남자의 일반적인 길이를 적용하여 전체 길이가 760mm로 윗팔이 280mm, 앞팔이 280mm, 손목에서 손가락 끝까지 200mm로 설계하였다.
표 1와 표 3을 비교 시 인간과 제시된 로봇핸드 및 암의 관절은 18개로 같으나 자유도는 26개에서 13개로 감소하여 로봇핸드 및 암은 총 13개의 자유도로 구성되었다. 손가락의 자유도를 줄인 이유는 자유도 1개 증가에 1개 구동 모터 1개가 추가로 필요하므로 상대적으로 필요성이 적은 자유도를 줄임으로써 로봇핸드의 부피, 무게 및 생산단가를 줄일 수 있을 것이다.
인간의 손 및 손가락은 정교한 동작을 수행하기 위하여 그림 1과 같이 다수의 관절로 구성되어 있으며 관절을 움직이기 위한 수많은 근육으로 구성되어 있다. 한 개의 손가락은 끝에서부터 1자유도의 DIP (Distal Phalangeal), 1자유도의 PIP (Proximal Interphalangeal), 2자유도의 MCP (Metacapo Phalangeal) 등 3개의 관절과 4개의 자유도로 이루어졌다. 손목 관절은 물체 접근이 자유롭도록 2자유도로 구성되어 있다.

성능/효과

Simulation 동작은 그림 17과 같이 손가락을 모두 펼친 상태인 차렷 자세에서 가슴위치에 있는 물건을 양손으로 잡는 동작을 1초간에 수행하였으며 결과는 그림 17에 제시되었다. 결과에서 보는 것과 같이 몸통 본체에서의 속도, 위치, 속도, 가속도 및 각도, 각속도, 각가속도가 활용 가능한 범위 내에서 움직이는 것을 확인하였다. 특히 그림 17(c) 에서 나타낸 것과 같이 최대 가속도가 2m/s² 이내를 기록하고 있으며 인간의 일상생활에서는 때로는 이보다 더 신속한 동작이 요구되는 경우도 있으므로 가속도는 더 커질수 있다.

후속연구

표 1와 표 3을 비교 시 인간과 제시된 로봇핸드 및 암의 관절은 18개로 같으나 자유도는 26개에서 13개로 감소하여 로봇핸드 및 암은 총 13개의 자유도로 구성되었다. 손가락의 자유도를 줄인 이유는 자유도 1개 증가에 1개 구동 모터 1개가 추가로 필요하므로 상대적으로 필요성이 적은 자유도를 줄임으로써 로봇핸드의 부피, 무게 및 생산단가를 줄일 수 있을 것이다. 일상생활에서 손가락을 이용해서 물건을 파지하거나 집어 올리는 동작에 있어서 각 손가락 마디는 표 2에서 보는 것처럼 구동한계가 상호 구속되어 있다.
이러한 신속한 동작 시 각 손가락 및 팔 관절마다 서보모터를 배치하여 수 kg이 증가한 팔을 사용하는 경우와 본 연구에서 제시한 것과 같이 가동부가 상대적으로 수 kg이 가벼운 경우를 비교 시 동특성의 차이에서 오는 궤도 추종성 및 동작의 신속성이 차이가 있으며, 사용 에너지의 증가 등 여러 가지 측면에서 개선될 것으로 예상된다. 이러한 사항은 실용성 확인 및 편리성 등을 위하여 향후 시제품을 제작하여 실측에 의한 검증 및 실제 인간의 움직임과 비교 및 수정이 필요할 것으로 판단된다.
특히 그림 17(c) 에서 나타낸 것과 같이 최대 가속도가 2m/s² 이내를 기록하고 있으며 인간의 일상생활에서는 때로는 이보다 더 신속한 동작이 요구되는 경우도 있으므로 가속도는 더 커질수 있다. 이러한 신속한 동작 시 각 손가락 및 팔 관절마다 서보모터를 배치하여 수 kg이 증가한 팔을 사용하는 경우와 본 연구에서 제시한 것과 같이 가동부가 상대적으로 수 kg이 가벼운 경우를 비교 시 동특성의 차이에서 오는 궤도 추종성 및 동작의 신속성이 차이가 있으며, 사용 에너지의 증가 등 여러 가지 측면에서 개선될 것으로 예상된다. 이러한 사항은 실용성 확인 및 편리성 등을 위하여 향후 시제품을 제작하여 실측에 의한 검증 및 실제 인간의 움직임과 비교 및 수정이 필요할 것으로 판단된다.
향후 시제 제작 시 주 재료는 전체 무게의 감소를 위하여 강화 Plastic material을 사용할 예정이며, 조인트는 마찰을 최소화하기 위하여 베어링을 사용할 예정이다. 텐던은 강철 와이어를 여러겹으로 꼬인 것을 사용하여 유연성을 높이고, 인장오차를 최소화하여 로봇핸드의 실용성 및 효율성을 향상시킬 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	로봇핸드와 암의 기능은 무엇인가?	이에 따라 인간의 삶의 질을 향상시키기 위해 다양한 종류의 서비스 수행이 가능한 로봇 개발이 활발하게 진행되고 있다. 서비스 로봇에 있어서 인간의 손이나 팔과 같이 다양한 동작과 작업을 수행 할 수 있는 기능을 갖춘 로봇핸드와 암의 구현은 중요한 연구 분야이다. 이라크전에서 미군 약 1천명 이상이 사지를 잃었으며 이중 약 40%가 재활 치료를 받고 자기부대로 복귀하여 임무수행을 했다고 한다[1].
	다양한 로봇핸드들의 개발이 이루어지고 있지만 제작에 있어 가지는 문제점은 무엇인가?	세계적으로 Shadow robot hand [2], DLR hand [3], Gifu hand[4] 등이 있고, 국내적으로는 TRZ robot hand [5], 타임벨트-스프링 장력 로봇핸드[6], 병렬구동 인체모방형 로봇핸드[7]등 다양한 형태의 로봇핸드가 개발되고 있다. 그러나 사람이 사용하기 편리하고 가벼우며 거부감이 없이 사용하려면 사람의 손과 같은 형태와 유사한 크기에 충분한 힘을 낼수 있어야 하지만 현재의 기술로는 사람의 손이나 팔과 같은 크기에 요구하는 충분한 힘과 정밀하고 복잡한 동작을 구사하는 로봇핸드를 제작하는 것이 쉽지 않다. 동력원을 전기모터로 사용 시 모터의 질량 및 부피 등
	다양한 로봇핸드나 암은 어디에 사용될 수 있는가?	이라크전에서 미군 약 1천명 이상이 사지를 잃었으며 이중 약 40%가 재활 치료를 받고 자기부대로 복귀하여 임무수행을 했다고 한다[1]. 이와 같이 사람의 손이나 팔과 유사한 형태의 다양한 로봇핸드나 암은 장애인을 위한 의수역할, 정밀하고 복잡한 조립공정, 휴머노이드 로봇의 로봇핸드, 엔터테인먼트, 가사 도우미, 원격조작에 의한 극한 작업 등 인간생활에 활용범위가 넓다. 인간의 손과 유사한 형태와 동작이 가능한 인체모방형의

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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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