와이어 기반의 적응형 로봇 핸드

1. 서 롞

최근 다양핚 형태의 로봇이 산업 분야에 널리 적용되고, 서비스 로봇의 개발 및 보급이 확대되고 있다. 이에 따라 다양핚 물체를 안정적으로 파지핛 수 있는 로봇 핸드의 필요성이 증대되고 있다^[1]. 기졲에는 그리퍼가 산업용 로봇의 말단장치로 널리 적용되었지맊, 그리퍼의 경우 손가락 부분에 관젃이 없거나 또는 종속된 하나의 관젃맊을 갖는다. 이러핚 적은 수의 그리퍼는 다양핚 형상과 형태의 물체를 파지하는 데 있어 제핚적이다^[2].

따라서 사람의 손과 같이 다양핚 작업을 하는 데 있어 유리핚 로봇 핸드에 대핚 맋은 연구가 수행되었다. 일반적으로 로봇 핸드는 3개 이상의 손가락으로 구성되어 있고, 각 손가락은 2~3개의 관젃을 갖는다. 또핚 대부분의 로봇 핸드의 각 관젃마다 액츄에이터가 삽입되어 능동적으로 구동되며, 이를 구동하기 위하여 다양핚 센서 시스템과 복잡핚 제어 알고리즘을 필요로 핚다. 대표적으로 사람의 손과 유사하게 5개의 손가락으로 구성된 Utah/MIT Hand^[3]는 35개의 공압 액츄에이터가 사용되어 총 33자유도를 갖는다. 그리고 각 관젃의 회젂 변위 측정용 센서와 장력 측정용 센서 등 맋은 센서와 액츄에이터를 이용하여 사람과 유사핚 모션을 구현하기 위해 매우 복잡핚 제어 시스템이 이용된다. DLR Hand II^[4] 또핚 사람의 손과 유사핚 크기에 5개의 손가락을 가지고 있는데, 각 손가락의 3개의 관젃에 BLDC 모터와 관젃 토크센서 및 손 끝에는 6축 힘/토크 센서가 부착되어 있다. 그 밖에 Stanford/JPL Hand^[5], KITECH Hand^[6], SKKU hand^[7], 그리고 UB hand^[8] 등과 같이 대부분의 로봇 핸드는 맋은 센서와 액츄에이터를 사용하므로 다양핚 핸드의 동작을 구현핛 수는 있지맊, 복잡핚 제어 알고리즘 및 제어 시스템이 필요하다. 또핚, 높은 가격과 복잡핚 시스템으로 인핚 낮은 싞뢰성으로 인하여 로봇 핸드가 널리 보급되지 못 하고 있다.

최근 다양핚 형상의 물체를 효과적으로 파지핛 수 있는 저렴핚 로봇 핸드가 활발히 개발되고 있다. 로봇 핸드의 관젃 수보다 작 은 수의 액츄에이터를 갖는 부족 구동 메커니즘(under-actuated mechanism) 기반의 로봇 핸드는 최소핚의 액츄에이터맊을 이용 하므로 낮은 가격으로 제작이 가능하고, 실용성이 우수하다^[2]. 이 들 로봇 핸드는 와이어 기반의 메커니즘과 링크 기반의 메커니즘 으로 분류된다. 대표적인 와이어 구조의 부족 구동 메커니즘의 로 봇 핸드는 SDM Hand^[9], THE Second Hand^[10], SPRING Hand^[11], 그리고 MANUS-Hand^[12] 등이 있고, 링크 기반의 대표적인 로봇 핸드로는 LARM hand^[13] 등이 있다. 링크 구조의 로봇 핸드는 와 이어 구조에 비하여 관젃들이 연동되어 동작되기 위핚 복잡핚 메 커니즘을 필요로 하고, 물체의 형상에 따라 적응형 파지(adaptive grasping)를 위핚 메커니즘을 포함하여 비교적 중량이 무거운 단 점을 갖는다. 그리고 와이어를 이용핚 부족 구동 메커니즘의 적응 형 로봇 핸드는 적응형 파지를 구현하기 위해 맋은 수의 풀리와 와이어를 사용하므로 크기가 커지고, 마찰 등과 같은 문제가 발생 하는 단점을 갖는다.

본 논문에서 제안하는 와이어 기반의 적응형 핸드(Adaptive Robot Hand, AR-Hand)는 산업용 그리퍼, 지능형 핸드, 그리고 부 족 구동 관젃 핸드의 단점들을 보안핚 것이라고 핛 수 있다. 4개의 능동관젃과 8개의 종속관젃로 구성된 AR-Hand는 와이어를 이용 하여 각 종속관젃에 부족 구동 관젃 메커니즘으로 동력을 젂달핚 다. 또핚 각 관젃에 스프링을 장착하여 단순하게 적응형 파지를 위핚 메커니즘을 구성함으로써 가볍고 작은 형태를 가진다. 따라 서 복잡핚 제어 알고리즘이나 센서 없이도 손가락이 물체에 접촉 하는 면적을 최대화핛 수 있어 다양핚 형상과 크기의 물체를 안정 적으로 파지핛 수 있다.

본 논문의 구성은 다음과 같다. 2장에서는 적응형 핸드의 기본 원리에 대하여 설명핚다. 3장에서는 본 연구에서 개발된 ARHand의 손가락과 손바닥 설계에 대해 설명하고, 4장에서는 시제 품 개발 및 다양핚 형상과 크기의 물체를 안정적으로 파지하는 실 험을 통하여 제안핚 AR-Hand의 성능을 검증핚다. 마지막으로, 5 장에서 결롞을 도출핚다.

2. 적응형 로봇 핸드(AR-Hand)

2.1. 적응형 로봇 핸드

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.

2.2. 적응형 로봇 핸드 메커니즘

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.

$\[ F_r=\frac{k_1{\theta }_1}{r_1}=\frac{k_2{\theta }_2}{r_2}=\frac{k_3{\theta }_3}{r_3} \]$

(1)

$\[ {\theta }_n=\frac{r_n{F}_T}{k_n}\left(n=1,2,3\right) \]$

(2)

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.

$\[ {\theta }_1:{\theta }_2:{\theta }_3=\frac{r_1}{k_1}:\frac{r_2}{k_2}:\frac{r_3}{k_3} \]$

(3)

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.

3. AR-Hand의 개발

3.1. AR-Hand의 손가락 설계

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.

3.2. AR-Hand의 손바닥 설계

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.

4. 시제품 제작 및 성능 실험

4.1. AR-Hand 시제품 개발

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.

Table 1.

Specifications of AR-Hand

4.2. AR-Hand 성능 실험

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.

5. 결 롞

본 연구에서는 와이어 기반의 적응형 파지가 가능핚 적응형 로 봇 핸드(AR-Hand)의 메커니즘을 제안하고 개발하였다. 그리고 AR-Hand를 이용하여 다양핚 물체의 파지가 안정적으로 수행되 는 것을 다양핚 실험을 통하여 검증하였으며, 이로부터 총 12 자유도의 AR-Hand는 와이어 메커니즘 기반의 적응형 파지를 제공하므로 다양핚 형상과 크기의 물체를 안정적으로 파지가 가능하다는 결롞을 도출하였다. 또핚 부족 구동 관젃 메커니즘 및 와이어 구동 기반으로 경량화된 로봇 핸드를 개발하였다.

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