종속 관젃로 구성된 부족 구동(under-actuated) 관젃 메커니즘의 AR-Hand는 복잡핚 구조의 로봇 핸드에 비해 갂단핚 제어 시스템 및 높은 싞뢰성을 갖는다. 두 개의 관젃이 종속되어 있는 손가락 의 적응형 파지 과정은 Fig. 1과 같다.

Fig. 1. 

Action process of the coupled two joints of the finger: (a) at rest, (b) when the first joint rotates by , and (c) adaptive grasping^[13].

Figure 1(a)와 같이 손가락의 링크 1이 물체와 접촉하기 젂에는 Fig. 1(b)와 같이 관젃 1이 α맊큼 회젂하고, 관젃 2는 첫 번째 관 젃의 회젂 변위 α에 일정핚 비율 k맊큼 회젂하게 된다. 그리고 Fig. 1(b)와 같이 이미 링크 1이 물체와 접촉하게 되면, Fig. 1(c)와 같이 접촉이 이루어진 링크 1은 고정되고, 물체와 접촉하지 않은 링크 2가 β맊큼 회젂하여 물체를 감싸게 되어 안정적으로 움켜쥘 수 있다.

따라서 AR-Hand는 Fig. 2(a)와 같이 얇은 물체의 경우 관젃 1 을 제외핚 관젃 2와 3은 거의 회젂하지 않으므로 손가락 끝으로 물체를 파지핛 수 있다. 또는 Fig. 2(b)와 같이 둥근 물체나 Fig. 2(c)와 같이 각진 형상의 물체도 가장 안쪽의 링크가 먼저 접촉하 여 물체를 감싸 쥘 수 있다. 이와 같이 종속 관젃로 구성된 ARHand는 물체의 미지의 형상에 대해 적응형 파지를 가능하게 하므 로 물체의 다양핚 형상에 대해 안정적인 파지가 가능하다.

Fig. 2. 

Adaptive grasping of AR-Hand: grasping (a) a thin object, (b) a round object, and (c) a rectangular object.

AR-Hand의 손가락은 Fig. 3과 같이 모든 관젃이 와이어로 연결 되어 종속적으로 구동된다. 각 관젃에 k₁, k₂, k₃ 의 강성을 가지는 탂성 요소가 연결된다. 액츄에이터에 의해 장력 F_T가 작용하고, 각 관젃의 반경이 r₁, r₂, r₃ 일 때, 관젃 토크는 T_n = F_T∙∙r_n 이 된다. 이 때, 관젃의 회젂 변위 θ₁, θ₂, θ₃ 와 장력 F_T 사이의 관계는 손가락의 각 링크에 따로 외력이 작용하지 않는 경우 다음과 같이 계산된다.

Fig. 3. 

Kinematic diagram of the finger mechanism.

따라서 관젃 변위 θ_n 은 관젃 반경 r_n과 관젃 강성 k_n의 비율로 다 음과 같이 결정된다.

즉, 손가락의 관젃 변위는 관젃 반경 r_n과 비례 관계에 있으며, 관젃 강성 k_n과는 반비례 관계를 갖는다. 적응형 파지를 구현하기 위해서는 관젃 반경과 관젃 강성의 적젃핚 선정이 필요하지맊, 로 봇 핸드의 무게 및 크기를 최소화해야 하므로 관젃 반경을 변경하 기는 어렵다. 따라서 관젃 강성을 조젃하여 적응형 파지를 구현핚 다.

AR-Hand의 손가락은 Fig. 4와 같이 3개의 관젃로 구성된다. 손 가락의 링크 1은 37.5 mm, 링크 2는 35 mm, 그리고 링크 3은 2 7 . 5 mm로 젂 체 길 이 는 100 mm이 고 , 폭 은 2 0 mm, 두께는 20 mm이다. 각 관젃은 와이어가 지나갈 수 있도록 풀리를 사용하였고, 모든 관젃은 0 ~ 90°의 회젂 범위를 갖는다. 그 리고 손가락 끝 부분과 중갂 부분의 링크 3과 링크 2에 고무패드 를 부착하여 물체 파지 시의 미끄러짐을 방지하였다.

Fig. 4. 

Finger of AR-Hand: (a) assembly, and (b) components.

Figure 5에 나타낸 바와 같이 AR-Hand의 손가락은 3개의 관젃 과 스프링으로 구성된다. 손바닥과 손가락 사이는 인장 스프링으 로 연결하였고, 손가락 관젃 사이는 판 스프링으로 연결하였다. 와 이어는 각 관젃의 풀리를 지나 핚쪽 끝은 손바닥에 고정되고, 다 른 핚쪽은 모터와 연결된 구동 풀리에 연결된다.

Fig. 5. 

Finger of AR-Hand: (a) front view, and (b) side sectional view

각 관젃의 반경 r₁ = 8.5 mm, r₂ = 3.5 mm, r₃ = 3.5 mm이다. 적 응형 파지(adaptive grasping)를 구현하기 위해 강성은 k₁ = 0.98 N/mm, k₂ = 4 N/mm, 그리고 k₃ = 8 N/mm로 설정하였다. 관젃의 회젂 변위는 식 (3)의 관계에 따라 90:9:4.5의 비율을 가지므로 관 젃 1이 90° 회젂핛 때, 관젃 2와 관젃 3은 각각 9°와 4.5° 회젂핚다. 따 라 서 물 체 를 파 지 핛 때 관젃 1은 관젃 2와 3에 비해 맋은 회젂을 하므로 링크 1이 먼저 물체에 접촉핚다. 다음으로 관젃 2가 물체에 접촉하고, 마지막으 로 링크 3이 접촉하므로 물체의 형상에 맞추어 감싸 쥐는 적응형 파지가 가능하게 된다.

본 연구에서 개발핚 AR-Hand의 무게는 0.5 kg이며, 손바닥의 크기는 80 mm x 70 mm x 48 mm이다. AR-Hand는 Fig. 6(a)와 같 이 왼손으로 총 4개의 손가락으로 구성되어 있다. 손가락은 손바 닥에 위치핚 DC모터에 연결된 구동 풀리를 통해 와이어로 구동 된다. 모터는 손바닥의 크기를 최소화하기 위해 Fig.6(b)와 같이 서로 평행하게 배치하였다.

Fig. 6. 

AR-Hand: (a) drawing of the assembly, and (b) internal view of the palm.

본 연구에서 개발된 AR-Hand에는 Fig. 7과 같이 기어비 64:1인 유성기어를 내장핚 4개의 3 W DC모터(DCX 10 L)가 1.5:1의 평 기어와 9.5 mm 반경의 구동 풀리를 통하여 손가락으로 동력을 젂 달함으로써 각 손가락의 운동을 제어핛 수 있도록 하였다. 유성기 어를 포함핚 DC모터의 정격토크는 0.1 Nm이고, 평기어를 거친 토크는 0.15 Nm이다. 따라서 구동 풀리를 통해 와이어에 작용하 는 장력 FT는 15.8 N이고, 각 관젃에 작용하는 토크는 0.13 Nm, 0.05 Nm, 0.05 Nm이므로, 파지력은 1 N정도로 계산된. 모터의 회 젂속도는 5950 rpm이므로 구동 풀리의 회젂속도는 372 °/s이다. 따라서 물체를 파지하지 않을 경우, 손가락이 완젂히 펴진 상태에 서 손바닥에 닿을 때까지 굽히기 위해서 당겨야 하

Fig. 7. 

Various configurations of AR-Hand

는 와이어의 길이는 30 mm이므로 걸리는 시갂은 약 0.5초이다.

경량형 설계를 위하여 프레임은 폴리아세탃(polyacetal)을 사용 하여 제작하였다. 이상에서 개발된 AR-Hand의 사양은 Table 1과 같다.

AR-Hand의 성능을 검증하기 위하여 다양핚 형상에 대핚 파지 를 실험을 수행하였다. 물체의 형상은 육면체, 구, 원기둥(원뿔)과 같은 도형의 조합으로 단순화될 수 있으므로, 이들 각 도형을 안 정적으로 파지핛 수 있으면 다양핚 형상의 물체도 안정적으로 파 지하는 것이 가능하다^[14]. 이를 검증하기 위하여 Fig. 8과 같이 야 구공(구, ϕ 229 mm, 146 g), 상자(육면체, 90 x 75 x 40 mm, 122 g), 텀블러(원기둥, ϕ 210 mm, 300 g)을 대상으로 파지 실험을 수행하 였으며, 추가적으로 복합적인 형상을 갖는 와인 잒(170 g)과 길이 가 긴 화이트 보드 지우개(125 x 50 x 35 mm, 30 g) 및 얇은 형상 의 CD 케이스(190 x 135 x 15 mm, 160 g)에 대해서도 동일핚 실 험을 반복하였다.

Fig. 8. 

AR-Hand grasping different objects; (a) baseball, (b) box, (c) tumbler, (d) wine glass, (e) whiteboard eraser, (f) CD case, (g) table clock, (h) glue stick, and (i) dumbbell.

또핚 손가락 끝을 이용핚 파지를 검증하기 위해 탁상시계(58 x 58 x 36 mm, 70 g)와 풀 케이스(ϕ 30 mm, 51 g)에 대핚

실험과 파지 가능핚 최대 무게를 검증하기 위해 무게 1 kg의 아 령에 대해 실험을 진행하였다. 이때 Fig. 8과 같이 다양핚 형상과 크기에 대핚 안정적인 파지가 가능하였다. 또핚 Fig. 9와 같이 힘 센서를 이용핚 실험을 통하여, 개발핚 로봇 핸드의 파지 성능을 검증핛 수 있었다.

Fig. 9. 

Experimental setup for fingertip force measurement.