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팔 동작 움직임을 모사하는 와이어 구동 유연 로봇의 설계 및 제어
Design and Control of Wire-driven Flexible Robot Following Human Arm Gestures 원문보기

로봇학회논문지 = The journal of Korea Robotics Society, v.14 no.1, 2019년, pp.50 - 57  

김상현 (Dept. of Mechanical System Design Engineering, Seoul Nat'l Univ. of Science and Technology) ,  김민효 (Dept. of Mechanical System Design Engineering, Seoul Nat'l Univ. of Science and Technology) ,  강준기 (Dept. of Mechanical System Design Engineering, Seoul Nat'l Univ. of Science and Technology) ,  손승제 (Dept. of Mechanical Design and Robot Engineering, Seoul Nat'l Univ. of Science and Technology) ,  김동환 (Dept. of Mechanical System Design Engineering, Seoul Nat'l Univ. of Science and Technology)

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This work presents a design and control method for a flexible robot arm operated by a wire drive that follows human gestures. When moving the robot arm to a desired position, the necessary wire moving length is calculated and the motors are rotated accordingly to the length. A robotic arm is compose...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 11~14]는 실험자가 팔을 10도씩 움직였을 때 로봇 팔이 회전한 각도를 나타낸것이다. Pitch(상하) 및 yaw(좌우) 동작을 사용자가 수행하면서 각 동작에 대한 로봇 팔의 추종성능을 확인하기 위하여 실험을 수행하였다. 로봇 팔의 기구적 한계 상 최대 구동 각도는 100도이고 실험은 90도까지 행하 다.
  • 본 연구에서는 와이어를 이용한 새로운 유형의 메커니즘을 제안하여 무게를 줄이고 크기도 기존 로봇과 대비하여 줄인 로봇 팔에 대한 결과를 소개하였다. 모든 모터를 고정 지지대에 부착하고 로봇 팔은 와이어와 디스크 형의 조인트를 통하여 구동되는 메커니즘을 제안하였다.
  • 고 사양의 모터를 사용하고 와이어 고정부나 연결부를 고도화 시키면 충 분히 줄일 수 있다고 판단된다. 본 연구에서는 저가의 모터 및 로봇 팔을 제작하여 비교적 우수한 성능을 구현하고자 한 것이 연구의 주목적이다
  • MYO 센서에는 동작을 측정하고 알아내는 내부 알고리즘이 존재하지만, 보다 더 많은 손동작을 알아낼수 있게 하기 위해서는 EMG에 대한 분석이 필요하다. 이 연구에서는 이러한 EMG 데이터를 이용하여 사용자의 손가락 동작까지 알아내어 물체를 잡고 놓는 행동을 파악하는 것이 가능하게 하였다.

가설 설정

  • iii) FFT 의 주파수를 0부터 100Hz까지 스캔한다. iv) 크기값이 경계값보다 큰경우의 주파수를 모두 기록하여 주파수열Freq_peak 로 저장한다.
  • 여기서는 각 모듈 내의 조인트의 회전량에 따른 와이어 길이를 계산하여 구동 모터의 회전각도를 구한다. 이를 위해 [Fig. 3]과 같이 하나의 조인트와 두 개의 디스크를 잇는 와이어를 하나의 폐루프 시스템으로 가정하고, 식 (1)과 (2)에 해당하는 폐루프식을 만들었다. 식 (1)과 (2)를 풀어 벡터 r5와 r5′ 의 길이 변화에 따른 상응하는 조인트의 회전각을 계산해 보 았다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
로봇 팔이 갖추어야할 특성은 무엇인가? 그 결과 많은 에너지를 소모하며 외형이 지나치게 커지는 단점이 있었다. 특수 작업을 수행하는 로봇 팔은 가벼워야 하며 구속도 역시 빨라야 하고, 작은 토크의 모터를 사용해도 충분히 구동이 가능한 형태로 제작되는 것이 필요하다[1]. 또한 기존의 로봇은 작업공간(workspace)을 확보하기 위하여 다축의 수직다관절 구조를 채용하고 있다.
MYO 센서는 무엇인가? 본 연구에서 로봇 팔의 상박과 하박은 각각 따로 제어되고, 로봇을 조종하는 사용자는 자신의 상박에 IMU (Inertial Measurement Unit) 센서를 착용하여 상박을 회전시키면 이 회전각도 만큼 로봇 팔의 상박부가 회전하게 된다. 또한 사용자의 팔 하박에는 로봇 팔을 제어하기 위한 센서와 동시에 사용 자의 손가락 동작을 알아내기 위한 EMG (Electromyography)센서를 통합한 MYO 센서를 착용하도록 하였다.
로봇을 구동하는데 비교적 고 용량 모터를 사용하여 발생하는 단점은 무엇인가? 기존 산업현장에서 사용되는 로봇 팔은 일반적으로 제어를 쉽게 하기 위하여 무겁고 높은 강성을 가지도록 제작되므로 로봇을 구동하는데 비교적 고 용량 모터를 사용하게 된다. 그 결과 많은 에너지를 소모하며 외형이 지나치게 커지는 단점이 있었다. 특수 작업을 수행하는 로봇 팔은 가벼워야 하며 구속도 역시 빨라야 하고, 작은 토크의 모터를 사용해도 충분히 구동이 가능한 형태로 제작되는 것이 필요하다[1].
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참고문헌 (12)

  1. H. C. Lee, S. C. Kim, and C. Y. Oh, "A study on position and vibration control of a flexible robot arm endpoint using PID and fuzzy controller", Korean Seciety of Mechanical Technology, vol.18, no.4, pp. 529-535, 2016. 

  2. D. Trivedi, C. D. Rhan, W. M. Kier, and I. D. Walker, "Soft robotics: Biological inspiration, state of the art, and future research", Applied Bionics and Biomechanics, vol. 5, no. 3, September, 2008, pp. 99-117, 2008. 

  3. W. Bernzen and T. Wey, B. Riege, "Nonlinear control of hydraulic differential cylinders actuating a flexible robot", Proceedings of the 36th IEEE Conference on Decision and Control, pp. 1333-1334, 1997. 

  4. C. Ciofu and G. Stan, "Research regarding stiffness optimization of wires used for joints actuation from an elephant's trunk robotic arm", IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, vol. 161, no. 1, 2016. 

  5. H. Takagi and Y. Nishi, "Flexible Robot Arm", US5174168A, 1992. 

  6. S. Song, Z. Li, H. Yu, and H. Ren, "Shape Reconstruction for Wire-driven Flexible Robots based on Bezier Curve and Electromagnetic Positioning,", Mechatronics, vol. 29, pp. 28-35, 2015. 

  7. Z. Li and R. Du, "Design and Analysis of a Bio-Inspired Wire-Driven Multi-Section Flexible Robot", International Journal of Advanced Robotic Systems, vol. 10, 2013. 

  8. https://www.forbes.com/pictures/emjl45himf/thalmic-labs/#436eb8f75a30 

  9. X. D. Zhang and H. Y. Choi, "Pattern Recognition of Human Grasping Operations Based on EEG," International Journal of Control, Automation, and System, vol. 4, no.5, pp. 592-600, 2006. 

  10. K. J. You, K.W. Rhee, and H.C. Shin, "Finger Motion Decoding Using EMG Signals Corresponding Various Arm Postures," Experimental Neurobiology, Vol. 19, No. 1, pp. 54-61, June, 2010. 

  11. I. H. Ahn, "Study on inspective comparison for anti-windup schemes of PID controllers," M.S thesis, Kyungil University Graduate School, Gyungbuk, Korea, 2002. 

  12. H. Jo, J. Cheon, G. Park, M. Kwon, and S. Choi, "Design and Implementation of Artificial arm based on SPI communication," The Journal of Korean Institute of Communications and Information Science, pp. 778-778, 2017. 

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