1. 서론
robot에 대한 연구가 계속되면서 조금 더 사람들의 생활에 도움이 되고자 하는 robot을 만들려는 움직임이 시작되었다.
인간의 보행 패턴을 가진 humanoid를 비롯하여 인간의 손과 비슷한 모습을 가진 robot hand을 제작하기 시작했다.
특히 robot hand의 경우는 고령화 사회가 되어감에 따라 노인 생활 지원용 robot에 관심을 가지게 되면서 인간이 수행하는 능력을 수행할 수 있는 robot을 개발하려는 움직임과 맞물려 활발한 연구가 계속되고 있다.
노인 생활 지원용 robot은 사람이 할 수 있는 대부분의 역할을 대신하여 작업을 해야 한다.
이를 위해서는 인간이 가지고 있는 지능과 불특정 물체를 움직이게 할 수 있는 다양한 능력을 갖추어야 한다.
일반적인 robot hand의 모양은 집계 형식을 크게 벗어나지 않는데 움직임이 불편한 노인들을 위해 불특정 물체를 정리하거나 필요한 것을 운반하기 위해서는 robot hand의 형태가 사람의 hand 형태와 같아야 하고 사람이 hand를 이용하여 수행하는 일들을 수행할 수 있어야 한다.
앞에서 언급했다시피 현재까지 개발되어온 hand들을 보면 일단 가장 간단한 모델인 집게형에서 시작해서 손가락의 수를 늘려왔다.
집게형 hand를 보면 단순한 물건을 파지하는 것에는 문제가 없다.
하지만 불특정 형상을 가진 물체를 파지하기에는 무리가 존재했다.
하지만 인간의 hand와 같은 robot hand는 불특정 형상의 물체를 파지하는 것에 굉장히 우수한 모습을 보인다.
이것은 인간의 hand를 기본으로 했기 때문에 인간의 hand가 가지고 있는 장점과 기능을 수행할 수 있기 때문이다.
이러한 robot hand의 개발에서 가장 중요한 것은 사람의 손과 같은 움직임을 보일 수 있는가 하는 점이다.
각 관절의 움직임으로 인간과 비슷한 가장 자연스러운 움직임을 만들어 내야하고 불특정 물체를 파지했을 때 그 물체에 안정성을 확보해야 한다.
본 내용에서는 linear actuator를 이용한 링크 메커니즘을 CAE를 이용한 설계최적화를 통해 극복하고 다양한 motion을 구동하기 위해 가장 중심이 되는 파트를 flexible로 교체하여 rigid body만으로 이루어져 있을 경우와의 비교를 통해 안정하고 강한 파지를 실시할 수 있는지 확인하여 완벽한 설계의 알고리즘을 제안한다.
2. Hand의 개발 동향
가. 개발 사례
세계적으로 robot hand의 개발이 활발하다. 이는 그 만큼의 기술력을 자국이 가지고 있다는 것을 알리는 것이면 서 부가적인 이익을 창출할 수 있다는 것을 나타내는 것이기도 하다.
나. 기존 hand의 문제점 및 개발 point
<그림 2>중에 NASA, DLR, Gifu의 경우 모터와 초소형 감속기를 장착하고 있으며 정밀한 mechanism을 구현하기 위한 정밀한 control을 필요로 한다.
하지만 안전성이 확보되지 않았고 경량화가 곤란하며 고가의 제작비용이 필요하기 때문에 대량 생산이 불가하다는 단점을 가지고 있다.
Shadow와 Soft Hand의 경우는 공압으로 구동하여 경량하고 부드러우며 염가생산이라는 장점이 있지만 정밀 제어가 곤란하고 유지 보수가 곤란하다는 단점을 보이고 있다.
현재 개발한 hand의 경우 다양한 동작을 통해 사람 손의 기본 동작을 모두 가능하게 하고 compact한 복합link mechanism에 인체 모방 구조를 사용하여 고효율 구동 및 내구성 확보를 point로 삼았다.
안전성 확보를 위해 Active Compliance과 Soft Skin 센서기반 정밀 제어를 실시하였으며 양산성을 위해 감속기를 배제하여 고가 부품으로 인한 비용 상승을 줄였다.
3. Hand의 움직임의 연구
가. Hand의 기본 동작
hand는 일반적으로 5가지의 기본 동작을 가지고 있다.
다른 움직임들은 이 5가지의 기본 동작을 결합하여 실시하는 형태이다.
예를 들어 가위, 바위, 보를 하기 위해서는 <그림 3>에서 보듯 바위와 보는 기본 동작이고 가위의 경우는 5개의 기본 동작 중 (2) (1) (5) 3가지 동작을 결합하면 가능하다.
나. Hand`s degree of freedom
일반적인 사람의 hand가 가진 DOF은 12개이다.
이것은 엄지손가락이 가진 4개의 DOF와 검지의 3개의 DOF, 중지 3개, 약지 1개, 소지 1개를 모두 더한 것이다.
하지만 사람의 hand는 운동을 하는 골격과 이를 움직이게 하는 다수의 근육으로 이루어져 있기 때문에 섬세하게 움직임에 불편함이 없다.
사람의 hand 움직임과 가장 흡사하게 제작하려고 하는 robot hand에서는 사람과 같은 다수의 근육을 만들 수 없기 때문에 가장 근접하면서 같은 효과를 낼 수 있는 방법이 필요하다.
다. Robot hand DOF
제작한 robot hand는 엄지, 검지, 중지로 구성되어 있다. 앞에서 언급한 것처럼 DOF를 계산하면 10개의 DOF를 가져야한다. 이것은 모터의 용량 및 사이즈를 감안한 최소 DOF이다. 이 DOF가 만족될 경우 기본 5가지의 동작을 실시할 수 있게 된다.
4. Link mechanism
가. Link mechanism의 장단점
개발된 robot hand에 이용된 Link mechanism은 actuator의 배치가 자유롭고 power의 소모량이 적으며 가동범위를 제한하여 폭주를 방지할 수 있다.
또한 고강성, 부하 분산 구조로 인해 내구성을 확보할 수 있고 power가 차단되어도 무너지는 일이 발생하지 않는다. 고가의 감속기가 불필요하기 때문에 발전성이 크고 저렴하다는 장점을 가진다.
하지만 기구적으로 복잡하고 설계변수가 많기 때문에 이 단점을 극복하기 위해 CAE기법을 이용한 최적화를 실시한다.
나. Linear actuator
일반적인 사람의 손가락은 pitch, yaw의 움직임을 취할 수 있다.
이 연구에서 제작하고자 하는 robot hand는 사람의 hand와 가깝게 만드는 것에 목적을 두었으므로 기본적으로 pitch, yaw의 움직임을 수행할 수 있어야한다.
pitch, yaw의 움직임을 만드는 데 가장 효과적으로 사용되는 것이 linear actuator이다.
이번 robot hand에 사용된 linear actuator는 <표 1>과 같은 사양을 가지고 있다. 엄지, 검지, 중지에 각각 2개의 linear actuator를 설치하고 이를 이용하여 pitch, roll, yaw의 motion을 수행할 수 있다.
인간의 손가락을 보면 엄지손가락의 경우 독립적으로 움직일 수 있도록 되어있다.
그 독립적인 움직임을 만들어 내기 위해 linear actuator를 하나 더 사용하였다.
(1) yaw motion
손가락을 움직이기 위해 2개의 linear actuator를 사용했다는 것은 이미 언급하였다.
yaw motion을 위해서 하나의 linear actuator만 움직이면 된다.
즉, 같은 길이로 정지되어있는 경우를 기준으로 하여 오른쪽에 actuator를 밀었을 경우에 손가락은 왼쪽으로 움직이게 되고 반대로 왼쪽의 actuator를 밀 경우에는 오른쪽으로 손가락이 움직이는 yaw motion을 수행할 수 있다.
(2) pitch motion
linear actuator을 같은 방향으로 같은 양의 움직임을 주었을 때 손가락이 구부러지는 pitch motion이 발생하게 된다.
<표 1>에서 보듯 Stroke가 20mm이다. 이 20mm를 이용하여 손가락을 움직이는 모습을 처음 펴져 있는 상태와 비교하면 <그림 7, 8>과 같다.
