[논문]텐던 구동 기반 여유자유도를 가지는 로봇의 어깨 메커니즘 구현

최태용; 김두형; 도현민; 박찬훈; 박동일

doi:10.5302/j.icros.2016.16.0164

[국내논문] 텐던 구동 기반 여유자유도를 가지는 로봇의 어깨 메커니즘 구현
Development of a Redundant Shoulder Complex Actuated by Metal Wire Tendons 원문보기

제어·로봇·시스템학회 논문지 = Journal of institute of control, robotics and systems, v.22 no.10, 2016년, pp.853 - 858

최태용 (한국기계연구원 로봇메카트로닉스연구실) , 김두형 (한국기계연구원 로봇메카트로닉스연구실) , 도현민 (한국기계연구원 로봇메카트로닉스연구실) , 박찬훈 (한국기계연구원 로봇메카트로닉스연구실) , 박동일 (한국기계연구원 로봇메카트로닉스연구실)

Abstract ▼ AI-Helper

Cooperation and collaboration with robots are key functions of robotic utility that are currently developing. Thus, robots should be safe and resemble human beings to cope with these needs. In particular, dual-arm robots that mimic human kinetics are becoming the focus of recent industrial robotics research. Their size is similar to the size of a human adult; however, they lack natural, human-like motion. One of the critical reasons for this is the shoulder complex. Most recent dual-arm robots have only 2 degrees of freedoms (DOFs), which significantly limits the workspace and mobility of the shoulders and arms. Therefore, a redundant shoulder complex could be very important in new developments that enable new capabilities. However, constructing a kinematically redundant shoulder complex is difficult because of spatial constraints. Therefore, we propose a novel, redundant shoulder complex for a human-like robot that is driven by flexible wire tendons. This kinematically redundant shoulder complex allows human-like robots to move more naturally because of redundant DOFs. To control the proposed shoulder complex, a hybrid control scheme is used. The positioning precision has also been considered, and the ability of the shoulder complex to perform several human-like motions has been verified.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 6자유도를 다 포함하는 사람의 어깨 구조를 모사한 메커니즘을 소개하고자 한다. 개발한 어깨 메커니즘은 사람과 유사한 구조를 가진다.
본 연구에서 어깨 메커니즘에 적용한 축 제어기의 성능을 확인해 보았다. 어깨 메커니즘 자체의 강성은 일반 산업용 로봇에 비해서 많이 떨어지고, 텐던으로 구동하는 방법은 진동과 텐션 때문에 정밀한 제어 성능을 확보하는 것은 힘들다.

제안 방법

어깨 메커니즘은 양팔로봇 적용을 목적으로 오른쪽과 왼쪽 쌍으로 구현되었지만, 본 연구에서 실제 구동은 오른팔 부위의 어깨 메커니즘만 사용한다. 최종적으로 사람과 유사한 동작을 보이고, 개발한 축 제어알고리즘의 성능을 보인다.
본 연구에서는 견갑골과 상완골을 전부 구현하기 위해서 3축단위로 기본 구현을 하여 중첩하는 방법으로 6축을 구현하였다. 기본적으로 3축 구현을 위해서 1개의 회전 관절과 1개의 유니버설 조인트를 사용했다.
이런 3축 구조를 중첩하여 그림 2와 같은 기구학적 구성을 하였고 세부 구현은 그림 3과 같이 하였다. 척추부터 회전 관절, 유니버설 조인트, 회전 관절, 유니버설 조인트 순으로 구현하였다. 각 축에는 소형 엔코더를 장착하여 위치정보를 획득하도록 하였다.
척추부터 회전 관절, 유니버설 조인트, 회전 관절, 유니버설 조인트 순으로 구현하였다. 각 축에는 소형 엔코더를 장착하여 위치정보를 획득하도록 하였다. 그 외 구동에 관련된 모터, 기어 등은 몸통에 위치시키고 텐던을 이용하여 어깨의 각 축을 구동하도록 구현하였다.
각 축에는 소형 엔코더를 장착하여 위치정보를 획득하도록 하였다. 그 외 구동에 관련된 모터, 기어 등은 몸통에 위치시키고 텐던을 이용하여 어깨의 각 축을 구동하도록 구현하였다. 각 축 구동에는 각 2개씩의 텐던을 사용하였다.
그림 3. 어깨 메카니즘 설계 및 사람 어깨와의 비교.
서술한 이유로 위치 정밀도만을 고려하는 산업용 로봇에서는 동역학기반 제어보다는 기구학기반 제어가 적합하다. 개발한 어깨 메커니즘 제어를 위해서 본 연구에서는 하이브리드 개념을 적용하였다. 중력보상을 통해서 상당 부분의 동역학 제어에 필요한 torque를 상쇄하고위치 정밀도는 엔코더 피드백을 이용하여 PID제어를 수행하였다.
개발한 어깨 메커니즘이 실제 사람과 유사한 동작이 가능한지 실험을 통하여 검증하였다. 어깨의 여유 자유도를 이용한 동작을 보이기 위해서 그림 7의 네 개 동작에 대해서 사람과 유사한 동작을 취하고유사성을 확인하였다.
개발한 어깨 메커니즘이 실제 사람과 유사한 동작이 가능한지 실험을 통하여 검증하였다. 어깨의 여유 자유도를 이용한 동작을 보이기 위해서 그림 7의 네 개 동작에 대해서 사람과 유사한 동작을 취하고유사성을 확인하였다.
사람이 손을 올리고인사를 하는 동작, 어깨를 으쓱하는 동작, 축처진 어깨 등을 어깨의 여유자도를 이용하여 모사해보았다. 그림 7에서 보이듯이 개발한 어깨 구조를 이용하여 기존의 로봇보다 훨씬 자연스러운 동작을 취할 수 있는 것을 확인할 수 있었다.
어깨 메커니즘은 가운데 척추부위에 베이를 두고 뻗어나가는 구조이기 때문에, 3축과 6축에서 가장 많은 torque가 필요하고 오차가 많이 발생한다. 각 축에 대해서 간단하게 40도씩 팔을 위로 들어 올리는 실험을 수행하였다. 예상대로 3축에서 최대 오차가 발생하였다.
본 연구에서는 사람의 어깨와 유사한 메커니즘을 텐던 구동 방법을 이용하여 구현하였다. 어깨에 6자유도를 구현하고 최대한 밀집하여 구현함으로써 사람과 유사한 어깨 모션이 가능한 메커니즘을 구현하였다. 다만, 제어에 있어서는 텐던의 진동과 메커니즘의 강성 문제 등으로 일반 산업용 로봇과 같은 정밀한 결과를 얻을 수는 없었다.
개발한 어깨 메커니즘은 사람과 유사한 구조를 가진다. 한편, 강철 와이어를 텐던으로 사용하여 각 축을 구동하여 어깨부의 경량화를 이루었다. 이런 가벼운 무게와 텐던 자체의 탄성으로 기본적으로 안전성을 갖추었다[6,7].
개발한 어깨 메커니즘 제어를 위해서 본 연구에서는 하이브리드 개념을 적용하였다. 중력보상을 통해서 상당 부분의 동역학 제어에 필요한 torque를 상쇄하고위치 정밀도는 엔코더 피드백을 이용하여 PID제어를 수행하였다. 이 경우에도 중력보상의 정밀도가 정확하지는 않지만, 후단의 PID 제어기를 통해서 위치 정밀도를 확보하는 것이 가능하다.

이론/모형

텐던을 관절에 리빙(reeving) 하는 방법은 보통 다수의 풀리와 기구물을 이용해서 로봇에 밀착하는 방법을 사용하지만, 본 연구에서는 보덴케이블을 사용하였다. 즉, 자전거의 브레이크 라인과 같이 외부에 텐던 리빙을 위한 유연한 성분의 관을 위치시키고그 속으로 텐던을 위치시켰다.
본 연구에서는 사람의 어깨와 유사한 메커니즘을 텐던 구동 방법을 이용하여 구현하였다. 어깨에 6자유도를 구현하고 최대한 밀집하여 구현함으로써 사람과 유사한 어깨 모션이 가능한 메커니즘을 구현하였다.

성능/효과

사람의 어깨는 크게 상완골 3자유도, 견갑골 3자유도, 총 6자유도를 가진다. 실제로 사람은 팔은 움직이지 않은채 어깨만 움직이는 것이 가능하다.
사람이 손을 올리고인사를 하는 동작, 어깨를 으쓱하는 동작, 축처진 어깨 등을 어깨의 여유자도를 이용하여 모사해보았다. 그림 7에서 보이듯이 개발한 어깨 구조를 이용하여 기존의 로봇보다 훨씬 자연스러운 동작을 취할 수 있는 것을 확인할 수 있었다. 사실 이런 어깨의 동작은 기존 로봇으로는 불가능한 동작이다.
어깨 메커니즘 자체의 강성은 일반 산업용 로봇에 비해서 많이 떨어지고, 텐던으로 구동하는 방법은 진동과 텐션 때문에 정밀한 제어 성능을 확보하는 것은 힘들다. 개발한 어깨 메커니즘은 사람과 협업하는 환경에서 안전성을 답보하고, 저정밀의 간단한 pick and place등의 작업으로 사람을 도와주는 일을 할 수 있다.

후속연구

하지만, 어깨 메커니즘이 목표로 하는 응용이 사람 옆에서 저정밀의 단순한 작업을 도와주는 것임을 고려하면 충분한 성능을 보였다. 지속적인 연구를 통해서 제어정밀도를 올림으로써 다양한 분야에 쓰일 수 있을 것으로 기대한다.

참고문헌 (10)

C. Smith, Y. Karayiannidis, L. Nalpantidis, X.Gratal, P. Qi, D. V. Dimarogonas, and D. Kragic, "Dual arm manipulator - a survey," Robotics and Autonomous Systems, vol. 60, no. 10, pp. 1340-1353, 2012.

상세보기
T. Choi, H. Do, C. Park, D. Park, and J. Kyung, "Development of small-sized industrial dual-arm robot with convenient interface," International Journal f Engineering and Innovative Technology, vol. 3, no. 2, pp. 1-6, 2013.
P.-K. Kim, H. Park, J.-h. Bae, J.-H. Park, D.-H. Lee, J. Park, J.-H. Kyung, and M.-H. Baeg, "Intuitive programming of dual-arm robot tasks using kinesthetic teaching method," Journal of Institute of Control, Robotics and Systems (in Korean), vol. 22, no. 8, pp. 656-664, 2016.

원문보기 상세보기
M. Okada, Y. Nakamura, and S. Ban, "Design of programmable passive compliance shoulder mechanism," Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics & Automation, Seoul, Korea, pp. 348-353, 2001.
J. Lenarcic, and M. Stanisic, "A humanoid shoulder complex and the humeral pointing kinematics," IEEE Transactions on Robotics, vol. 19, no. 3, pp. 499-506, Jun. 2003.

상세보기
I. Mizuuchi, Y. Nakanishi, Y. Sodeyama, and M. Inaba, "An advanced musculoskeletal humanoid kojiro," IEEE-RAS International Conference on Humanoid Robotics, Pittsburgh, PA, USA, pp. 294-299, Nov. 2007.
T.-Y. Choi, and J.-J. Lee, "Control of manipulator using pneumatic muscles for enhanced safety," IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 57, no. 8, pp. 2815-2825, 2010

상세보기
G. Yang, W. Lin, M. S. Kurbanhusen, C. B. Pham, and S. H. Yeo, "Kinematic design of a 7-DOF cable-driven humanoid arm: a solution-in-nature approach," IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics (AIM), Monterey, CA, USA, pp. 444-449, 2005.
Wikipedia, "Shoulder joint," Available at https://en.wikipedia.org/wiki/Shoulder_joint, 2016
D.-H. Kim, N.-H. Shin, and M.-H. Oh, "Development of anthropomorphic robot hand and arm by tendon-tubes," Journal of Institute of Control, Robotics and Systems (in Korean), vol. 20, no. 9, pp. 1106-1114, 2014.

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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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