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문제 정의
- 본 논문에서는 SMA 구동기를 이용하여 물체 파지를 위해 3 개의 손가락을 가진 6 자유도의 로봇 손을 개발한다. 각 손가락은 2 개의 관절을 가지고 있으며, 각 관절은 길항(拮抗) 운동을 위해 서로 반대로 동작하는 두 개의 힘줄에 의해 구동된다.
제안 방법
- NM70 규격과 회전 관절 메커니즘에 따라 SMA가 4.00 mm 수축할 때 관절이 대략 90°회전하도록 식 (1)에 의해 피니언의 반지름을 2.5 mm가 되도록 설계하였다.
- 관절 1개의 움직임은 구부리기과 펴기 동작으로 이루어지는데, 구부리기 동작을 위한 구부리기용 NM70가 손아귀 안쪽에 설치되어 장력을 통해 관절이 안쪽으로 굽어지고 만들고, 손가락 등 쪽에 설치된 펴기용 NM70의 장력은 관절을 펴는 동작을 이루어지게 한다. NM70의 정격부하 능력이 70g으로 대단히 작으므로 로봇 손의 골격 설계에서는 이를 반영하여 아크릴을 이용하여 설계되었다. 또한 골격의 중량과 관절에서 발생하는 마찰력이 관절 움직임에 영향을 미치므로 손실을 최대한 줄이기 위해 아크릴 골격에 일정한 크기와 간격으로 구멍을 내어 골격의 중량을 줄었으며, 관절 부위는 접촉이 적어지도록 연결 부위를 미세하게 이격시켰다.
- SMA 구동기는 전류를 통해 내부저항에 의한 열 발생으로 인해 수축 상태가 발생되므로 PWM 드라이버를 설계하여 SMA 구동기의 내부저항에 걸리는 평균 전압을 조정함으로써 전류를 제어하는 방식을 이용하였다. 또한 각 관절의 구부리기 및 펴기 운동을 위한 PWM 입력이 서로 반전되도록 회로를 구성함으로써 PWM의 듀티비 조정을 통해 두 운동 방향의 비를 적절하게 조절함으로써 관절의 각도를 제어하도록 제작하였으며, 실험결과를 통해 SMA 구동기를 통한 로봇 손 제작 및 활용의 가능성을 확인하였다.
- SMA 구동기를 가열하기 위한 전류를 제어하기 위해 PWM 드라이버를 채용하며, 길항운동을 위해 두 힘줄에 인가되는 입력이 서로 반전되도록 제어회로를 구성한다. 또한 PWM 신호의 듀티(duty) 비를 조정하여 관절의 각도를 제어할 수 있도록 하였으며, 실험을 통해 손가락의 길항 작용을 평가한다.
- NM70의 정격부하 능력이 70g으로 대단히 작으므로 로봇 손의 골격 설계에서는 이를 반영하여 아크릴을 이용하여 설계되었다. 또한 골격의 중량과 관절에서 발생하는 마찰력이 관절 움직임에 영향을 미치므로 손실을 최대한 줄이기 위해 아크릴 골격에 일정한 크기와 간격으로 구멍을 내어 골격의 중량을 줄었으며, 관절 부위는 접촉이 적어지도록 연결 부위를 미세하게 이격시켰다. 그림 5는 실제 제작된 로봇 손을 보여주고 있다.
- 구부리기용 힘줄의 경우에는 Link i 하단에 부착된 NM70의 끈이 Link i+1의 시작단인 A점에 고정되고, 펴기용 힘줄의 경우에는 Link i+1 상단에 부착된 NM70의 끈이 Link i의 끝단인 B점에 고정되도록 설계되었다. 또한 부드러운 운동을 위한 힘을 만들어 내기 위해 각 힘줄은 2개의 NM70이 병렬로 구성되었으며, 구부리기용 NM70과 펴기용 NM70은 초기에는 각각 이완 상태와 수축 상태를 유지하도록 하여 관절이 펴진 상태가 되도록 설계되었다. 구부리기용 NM70의 SMA가 신호를 받고 수축하면, 펴기용 NM70의 SMA는 이완되게 하고, 반대로도 동작하도록 설계되어 제어입력 신호에 따라 관절을 양방향으로 회전할 수 있다.
- PWM 드라이버는 NM70에 충분한 양의 전류를 공급하기 위해 높은 전류이득을 취할 수 있도록 달링턴 회로들로 구성하였다. 또한 완전히 구부린 상태나 완전히 편 상태를 유지하기 위해 총 12개의 NM70이 100% 활용되면 5A가 넘는 큰 전류가 흐르게 됨으로 회로보호를 위해 퓨즈를 사용하였으며, 포토커플러를 사용하여 PWM 드라이버와 다음에 기술할 로봇 손 제어시스템을 격리시켰다.
- 본 논문에서 제안된 로봇 손은 2개의 관절을 가지는 손가락 3개를 이용하여 검지, 중지, 엄지를 모사하도록 그림 4과 같이 설계되었다.
- 형상기억합금은 열을 가하면 형상기억효과에 의해 원래의 형상으로 돌아가면서 상당히 큰 힘을 발휘하므로 기존의 모터를 대체할 수 있는 구동기로 활용가능하다. 본 논문에서는 Images SI사의 형상기억합금 구동기인 NM70 모듈을 이용하여 물체 잡기에 필요한 최소 조건을 만족하는 3 개의 손가락을 가진 6 자유도의 로봇 손을 제작하였다. 각 손가락은 2 개의 관절을 가지고 있으며, 각 관절은 서로 반대로 동작하는 두 개의 힘줄에 의해 길항(拮抗) 운동이 가능하며, 각 힘줄은 2 개의 NM70을 병렬로 구성되어 부드러운 운동이 가능하게 구성되었다.
- 본 논문에서는 PWM 드라이버[13]를 이용하여 SMA 구동기의 내부저항에 걸리는 평균 전압을 조정함으로써 내부저항에 흐르는 전류를 제어하는 방식을 이용하였다. 그림 6은 하나의 관절을 위한 PWM 드라이버 회로를 보여주고 있다.
- 본 논문에서는 SMA 구동기 제어 프로그램에서 받은 운동명령에 따라 로봇 손의 각 관절 구동용 PWM 드라이버에 적절한 듀티비를 가지는 PWM 신호를 인가하도록 Arduino 보드를 프로그램하였다.
- SMA는 단방향 축소만 가능하므로 관절의 길항운동을 위해서 이완 메커니즘이 필요하다. 본 논문에서는 그림 3과 같이 관절의 구부리기 동작 (수축)과 펴기 동작 (이완)을 위한 각각 구부리기용 힘줄과 펴기용 힘줄을 쌍으로 부착하였다. 구부리기용 힘줄의 경우에는 Link i 하단에 부착된 NM70의 끈이 Link i+1의 시작단인 A점에 고정되고, 펴기용 힘줄의 경우에는 Link i+1 상단에 부착된 NM70의 끈이 Link i의 끝단인 B점에 고정되도록 설계되었다.
- 실험을 위해 제작된 로봇 손의 전체시스템은 그림 9과 같다.실험은 PWM Duty비 0%, 33%, 67% 및 100%에서 엄지손가락의 구부리기 및 펴기 동작부에서 전달되는 PWM 신호 및 달링턴의 컬렉터 전압 파형을 관찰하였고, 듀티비에 따른 관절의 움직임에서는 엄지손가락 전체의 동작을 관찰하였다.
대상 데이터
- PWM 드라이버는 NM70에 충분한 양의 전류를 공급하기 위해 높은 전류이득을 취할 수 있도록 달링턴 회로들로 구성하였다. 또한 완전히 구부린 상태나 완전히 편 상태를 유지하기 위해 총 12개의 NM70이 100% 활용되면 5A가 넘는 큰 전류가 흐르게 됨으로 회로보호를 위해 퓨즈를 사용하였으며, 포토커플러를 사용하여 PWM 드라이버와 다음에 기술할 로봇 손 제어시스템을 격리시켰다.
- 로봇 손 제어시스템은 로봇 손의 다양한 움직임을 지령하는 그림 8과 같은 PC 기반의 SMA 구동기 제어 프로그램과 PWM 신호 발생기로 구성되었다. PWM 신호발생기로는PWM 출력이 가능한 Arduino mega ADK R3 보드를 사용하였다. Arduino 보드는 ATmega2560 기반의 마이크로컨트롤러로 다양한 입출력 모드를 제공하고 있어 하드웨어와의 인터페이스가 용이하고 USB 호스트 기능을 내장하고 있을 뿐만 아니라 최대 15개의 PWM 신호를 발생할 수 있는 오픈 소스 하드웨어이다.
- 관절 구조는 그림 2와 같이 SMA의 수축에 따라 원반의 한 점에 고정된 끈의 장력에 따라 발생되는 토크에 의해 관절이 회전하는 구조로 구성되었다. 그림 2와 같은 회전 관절 메커니즘에서 힘과 변위의 관계는 다음의 관계식으로 나타낼 수 있다.
- 로봇 손의 구동부로는 그림 1과 같은 Images SI 사의 NM70을 이용하였다. NM70은 7개의 플레이트가 적층되어 있는 구조로 각각의 플레이트들은 와이어형의 SMA로 연결되어 있어 전류가 인가되면 수축되는 SMA에 의해 플레이트들이 당겨져 직선으로 장력을 발생시키는 구조로 되어 있다.
성능/효과
- 또한 각 관절의 구부리기 및 펴기 운동을 위한 PWM 입력이 서로 반전되도록 회로를 구성함으로써 PWM의 듀티비 조정을 통해 두 운동 방향의 비를 적절하게 조절함으로써 관절의 각도를 제어하도록 제작하였으며, 실험결과를 통해 SMA 구동기를 통한 로봇 손 제작 및 활용의 가능성을 확인하였다.
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