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1. 서론
로봇의 역사가 시작된 이후로 로봇 손에 한 연
구는 끊임없이 진행되어 왔다. 로봇 손의 주 목적은
정교하게 물체를 파지하기 위함이었으며, 차후엔 그
무게를 줄이기 위한 노력도 진행되었다. 이러한 노력
의 결과로 메커니즘의 구동기 수를 줄여 그 무게를
줄이고 그 크기 또한 줄일 수 있는 부족 구동 방식
이 개발되었다.[1] 로봇 손가락의 각 관절을 제어할
수 없다는 부족 구동 방식의 단점은 불안정한 물체
의 파지를 야기하였고, 이를 보완하기 위한 방법의
일환으로 적응형 손가락 메커니즘이 개발되었다. 현
재 개발된 많은 적응형 로봇 손가락은 수동 소자를
이용하여 손가락 마디에 물체가 닿으면 다음 관절을
회전시켜 적응형 파지를 가능하게 한다.
사람의 손은 로봇 손과는 다르게 물체의 파지 목
적 이외에도 의사 표현의 목적을 갖는다. 예를 들어
사람의 경우, 엄지를 치켜세워 ‘최고’ 또는 ‘좋아요’
라는 의미를 표시한다거나 엄지와 검지를 동그랗게
만들어 ‘돈’ 또는 ‘알았어’라는 의미를 표현한다. 손
가락 의수를 이용하여 이러한 의사표현이 가능하기
위해선 손가락 의수의 자유동작 시 모든 관절의 비
례적인 신전과 굴절이 가능하여야 한다. 실제로 시판
되고 있는 X-finger나 이탈리아 카시노 학교 연구
진의 개발품들은 부족 구동 방식을 이용하여 이러한
움직임을 가능하게 하였다.[3],[4] 하지만 위의 개발
품들은 적응형 파지가 가능하지 않다는 단점이 있다.
본 논문에서는 현존하는 로봇 손가락과 손가락 의
수의 단점을 보완할 수 있는 손가락 메커니즘을 제
안한다. 제안하는 손가락 메커니즘은 자유동작 시 사
람과 같은 신전 및 굴절 동작이 가능할 뿐 아니라
파지 동작 시 적응형 파지가 가능하다는 장점을 갖
는다.
2. 적응형 손가락 메커니즘
2.1 손가락 메커니즘의 구성
제안하는 메커니즘의 도식 구조를 그림 1에 나타
내었다. 그림에서와 같이, 제안하는 메커니즘은 부
분의 손가락 메커니즘과 마찬가지로 기절골
(Proximal), 중절골(Middle), 말절골(Distal) 세 부분
으로 구성된다. 또한, 기구학적으로 두 개의 5절 링
크장치 (OABCD와 FDGHI)와 한 개의 4절 링크장치
(EDFI)로 구성되는 본 메커니즘은 총 3자유도의 모
빌리티를 갖는다. 따라서 본 메커니즘은 O, B, D 총
세 개의 구동 관절을 갖는다. 특히, 관절 O는 동력
에 의해 구동되는 능동 구동 관절이며 관절 B와 D
는 비틀림 스프링의 수동 소자를 이용한 수동 구동
관절로서, 전체 메커니즘은 한 개의 능동 구동 관절
에 의해 동작하는 부족 구동 방식이다.
[그림 1] 제안된 손가락 메커니즘의 구조
부분 의수를 위한 적응형 손가락 메커니즘 설계
윤덕찬, 이건, 최영진
한양 학교
Design of Self-Adaptive Finger Mechanism for Partial Prosthesis
Dukchan Yoon, Geon Lee, and Youngjin Choi
Hanyang University
e-mail: [email protected], [email protected], [email protected]
요 약
본 논문에서는 손가락 기절골(Proximal Phalanx) 절단 환자를 위한 손가락 부분 의수를 제안하고, 그 기
구학 특성 및 동적 특징을 설명한다. 제안하는 메커니즘은 5 절 링크장치와 4 절 링크장치를 이용한 폐루프
메커니즘 구조로 이루어져 있으며, 한 개의 능동 구동 관절과 수동 소자를 이용한 두 개의 수동 구동 관절
로 이루어진 부족 구동(Under-actuated) 방식으로 동작한다. 각 구동 관절은 서로 독립적으로 움직이며,
능동 구동 관절은 손가락 전체의 신전(Extension)과 굴절(Flexion) 동작을, 수동 구동 관절은 물체 파지
시 접촉 마디의 다음 관절의 동작을 수행한다. 또한, 제작한 시작품의 자유동작(Free motion) 및 파지동작
(Grasping motion) 실험을 통해 제안한 메커니즘의 효용성을 보였다.
제11회 한국로봇종합학술대회 2016년 1월 24일~1월 27일
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2.2 동작 원리
제안된 손가락 메커니즘의 동작은 크게 자유동작
과 파지동작으로 구성되며, 그림 2는 두 동작을 개
념적으로 보여준다. 자유동작의 경우, 특정 회전력에
의한 기절골의 회전은 중절골과 말절골을 동시에 일
정 비율로 각각 회전을 시킨다. 자유동작에서 메커니
즘에 어떠한 외부 힘도 작용하지 않으므로 비틀림
스프링에 의한 관절은 인장되지 않기 때문에 5절 링
크장치는 4절 링크장치처럼 동작하게 된다. 반면 파
지 동작의 경우, 물체 접촉에 의해 생기는 외부의 힘
에 의해 비틀림 스프링은 인장하게 된다. 이는 메커
니즘에 또 다른 회전력을 생성하며 물체 접촉 마디
의 다음 관절의 추가 회전을 야기한다.
(a) 자유동작 (b) 파지동작
[그림 2] 손가락 메커니즘의 자유동작과 파지동작
2.3 시작품 제작을 위한 설계
그림 3은 적응형 손가락 메커니즘의 시작품 제작
을 위한 도면을 나타낸다. 우선, 그림 1에서 나타나
있지 않은 사람과 메커니즘의 결합부분을 볼 수 있
다. ‘Anchoring’은 손에 메커니즘을 고정시키기 위해
사용되는 부분이며, ‘Amputated Proximal Fixer’는
절단된 기절골 부분을 삽입하여 메커니즘의 고정 및
능동 구동 관절의 동작을 가능하게 한다. 두 개의
‘Lower Link’ 끝 단에는 비틀림 스프링이 연결되어
있으며 이 스프링은 자유동작 시 해당 관절의 회전
을 막아 5절 링크장치를 가상의 4절 링크 장치로 만
들어 준다. 반면, 물체 접촉 시 생성되는 반작용 힘
은 비틀림 스프링을 인장시켜 ‘Lower Link’의 회전
운동을 야기하며, 이로 인한 ‘Lower Link’의 동작은
물체 형상에 무관한 적응형 파지를 가능하게 한다.
[그림 3] 시작품의 주요 명칭 및 분해도
3. 자유동작 및 파지동작 실험
제안된 적응형 손가락 메커니즘의 효용성 검증을
위해 3D 프린터를 이용하여 시작품을 제작한 후 자
유동작 및 파지동작에 한 실험을 진행하였다. 그림
4에서 보이듯이, 자유동작 시 손가락 모든 관절이 동
시에 비례적으로 굴절되는 모습을 확인 할 수 있다.
또한, 파지동작 시 능동 구동 관절의 동작과는 무관
하게 물체와의 접촉 힘에 의해 수동 구동 관절이 움
직임으로써 다른 모든 관절이 굴절되어 물체를 감싸
는 모습을 볼 수 있다.
(a) 자유동작
(b) 파지동작
[그림 4] 시작품을 이용한 동작 실험
4. 결론
본 논문에서는 5절 링크장치와 4절 링크장치의 결
합을 통한 폐루프 메커니즘으로 부족 구동 방식의
적응형 손가락 의수를 개발하였다. 제안된 손가락 메
커니즘은 자유동작 시 사람의 동작과 유사하게 모든
손가락 관절이 동시에 비례적인 회전 운동을 하며,
파지동작 시 물체의 형상에 무관하게 모든 손가락
마디를 이용한 파지를 가능하게 한다. 또한, 두 가지
동작에 해서 실험을 통해 그 유효성을 검증하였다.
감사의 글
본 논문은 미래창조과학부의 재원으로 한국연구재
단 생체모사형 메카트로닉스 융합기술개발사업
(NRF-2015M3C1B2052811), 한국연구재단 일반연
구자지원사업 (NRF-2013R1A1A2010192)의 지원을
받아 수행되었음.
참고문헌
[1] L. Birglen, T. Laliberte, and C. Gosselin,
Underactuated Robotic Hands, Springer, New York, 2008.
[2] Patent, US006908489B2, 2005.
[3] N. Rodriguez, G. Carbone, and M. Ceccarelli,
“Optimal design of driving mechanism in a 1-
DOF anthropomorphic finger”, Mechanism and machine theory, vol. 41, No. 8, pp. 897-911,
2006.
제11회 한국로봇종합학술대회 2016년 1월 24일~1월 27일
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