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Research

사람 손처럼 정교한 인간형 로봇핸드 핵심 기술 개발

  • 조회. 213
  • 등록일. 2021.05.27
  • 작성자. 대외협력팀

 DGIST 로봇공학전공 윤동원 교수팀,‘교차형 유연힌지(Crossed Flexure Hinge)’구조를 적용한 신개념 로봇핸드 기술 개발 
 외부 충격에 안정적이며, 제작 공정이 용이해 산업체 협동로봇분야 및 스마트 산업용 로봇 등에 적용 기대 

 

DGIST 로봇공학전공 윤동원 교수(좌)와 제1저자인 양준모 석박사통합과정생(우)
[DGIST 로봇공학전공 윤동원 교수(좌)와 제1저자인 양준모 석박사통합과정생(우)]

 

 DGIST 로봇공학전공 윤동원 교수 연구팀이 사람 손과 같이 정교하고 유연한 인간형 로봇핸드(Robot Hand) 핵심 기술을 개발했다고 27일(목) 밝혔다. 제작이 간편하고 외부충격에도 안정적으로 구동이 가능해, 산업체의 협동로봇분야 등 다양한 스마트 로봇분야에 적용이 기대된다.

 최근의 산업현장에서는 자동화 시스템을 통한 업무 효율을 높이기 위해 로봇의 비중이 증가하고 있다. 특히 다양한 강성의 물체를 움켜쥐거나 조립하는 등의 고도의 작업을 위해 로봇핸드가 주로 사용된다. 이러한 정밀한 로봇핸드 제어를 위해 구름베어링(rolling bearing)1) 기반의 볼베어링 회전 조인트가 주로 사용된다. 하지만 가격이 비싸고 조립이 까다로우며 외부 충격에 고장이 나기 쉬워, 이를 대체하기 위한 다양한 유연 조인트가 개발되고 있다. 

 이에 윤동원 교수 연구팀은 기존의 유연구조 로봇핸드의 약한 강성을 보강하고자 새로운 구조의 로봇핸드를 고안했다. 연구팀은 손가락 마디에 맞게 형상이 변형된 유연힌지를 마디 하나당 4개씩 적용해, 2쌍이 X자 형태로 교차 배치되게 설계했다. 연구팀은 실험을 통해 기존 베어링기반 로봇핸드보다 3축 방향으로의 충격을 46.7% 더 흡수하는 것을 입증했다. 특히 모터의 제어가 없는 부족구동 와이어 메커니즘으로 다양한 형상의 물체를 잡아 최대 4kg 무게까지 버틸 수 있음을 확인했다.

 

연구팀이 개발한 교차형 힌지구조가 적용된 로봇핸드 프로토타입 실제이미지
[연구팀이 개발한 교차형 힌지구조가 적용된 로봇핸드 프로토타입 실제이미지]

 

 연구팀의 이번 성과는 유연한 재질과 독특한 구조를 활용해 필요한 방향의 강성을 키워 우수한 파지능력을 구현하고, 유연구조를 활용해 높은 충격흡수율을 동시에 구현한 점이 특징이다. 특히 기존의 베어링기반 로봇핸드처럼 값비싼 소재와 복잡한 공정이 필요 없어 제작비 절감에 큰 기여를 할 것으로 기대된다. 

 DGIST 로봇공학전공 윤동원 교수는 “이번 성과는 기존의 로봇핸드에 비해 제작이 용이해 가격 경쟁력이 있으며, 유연힌지의 장점을 가지면서 가반하중을 증대시켜 실제 산업현장에 적용이 용이하다”면서, “다양한 산업제조현장, 서비스 로봇 등에 상용화될 수 있도록 후속연구를 진행하겠다”고 말했다. 

 한편 이번 연구 결과는 로봇분야의 최상위 국제학술지 ‘소프트 로보틱스(Soft Robotics)’에 3월 5일자 온라인으로 게재됐다. 더불어 DGIST 로봇공학전공 양준모 석박사통합과정생과 김정석 석사졸업생이 공동1저자로 참여했고, 한국연구재단의 신진연구지원사업으로 수행됐다.

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1) 구름 베어링(rolling bearing) : 베어링의 접촉면 사이에 볼이나 롤러, 니들을 넣어 롤러가 구르면서 접촉하기 때문에 마찰이 작아 고속 회전을 하는 곳에 적합한 베어링 

 

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연구결과개요


Shock Resistive Flexure-based Anthropomorphic Hand with Enhanced Payload
Junmo Yang, Jeongseok Kim, Donghyun Kim, and Dongwon Yun
(Soft Robotics, on-line published on 5 Mar, 2021) 

 본 연구에서는 유연힌지 구조(Crossed Flexure Hinge, 이하 ‘CFH’)를 활용하여 여러 방향으로의 충격을 흡수할 수 있고 가반하중이 큰 인간형 로봇 핸드를 제안 및 개발하였다. CFH가 사람 손 관절에 적용하기 적합한 구조인지 확인하기 위하여 6x6 강성행렬을 통해 문제점을 분석하고, 약한 강성을 보강하기 위하여 새로운 구조인 paired-CFH(이하 ‘p-CFH’) 구조를 제안하고 로봇 핸드의 조인트에 적용하였다. 
 결과적으로 조인트에 적용되기 위하여 형상변형된 p-CFH와 부족구동 와이어 메커니즘이 적용된 인간형 로봇 핸드를 개발하였으며, 형상적응형 방식으로 모터제어 없이 불특정 형상의 다양한 물체들을 안정적으로 잡을 수 있음을 확인했다. 또한, 기존에 널리 사용되고 있는 핀조인트 형식의 로봇핸드과 비교하였을 때, 제안된 로봇핸드가 p-CFH의 자체 유연성(compliance)으로 인하여 3축 방향으로의 충격을 46.7% 더 흡수할 수 있음을 정량적 충격량 실험을 통해 입증하였다.
 제안된 로봇핸드는 우수한 충격흡수율을 지니고 다양한 형상의 물체를 파지할 수 있으며, 기존의 전통적인 로봇 핸드에 비해서 제작이 용이하므로 인간-로봇 상호작용을 위한 협동로봇 분야 및 스마트 산업용 로봇 분야에 널리 활용될 것으로 기대된다.

DOI : 10.1089/soro.2020.0067


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연구결과문답

Q. 이번 성과 무엇이 다른가?
기존의 로봇 핸드 개발 시 적용되는 구조는 크게 강도 높은 핀조인트를 이용한 강체구조와, 탄성변형이 가능한 소재를 이용한 유연구조와 같이 두가지로 나뉘게 된다. 강체구조는 높은 하중을 잘 버틸수 있다는 장점이 있지만 충격에 약하다는 단점이 있으며, 유연구조는 형상적응형 방법으로 다양한 물체를 파지할 수 있고 환경과 충격에 유연하게 대처할 수 있다는 장점이 있지만, 낮은 하중과 같은 단점이 있다. 연구팀은 강체 및 유연구조의 장점을 함께 지니고 단점을 극복하기 위해 ‘유연힌지구조’를 이용하여 높은 충격흡수율과 다양한 형상의 물체와 무거운 물체를 파지할 수 있는 인간형 로봇핸드 개발하는데 성공하였다. 또한, 베어링등의 정밀부품을 사용한 조립이 필요없어, 제작이 보다 용이하고, 저가로 로봇핸드를 만들 수 있다.

Q. 어디에 쓸 수 있나?
연구팀이 개발한 유연힌지구조의 인간형 로봇핸드는 힌지 자체의 순응 특성(compliance)으로 인하여 충격이 가해졌을 시 흡수율이 우수하며, 최대 4kg 무게의 물체를 파지할 수 있다. 따라서, 현장에서 사람과 상호작용 하며 사용되는 협동로봇인 메니퓰레이터 또는 다양한 서비스 로봇에 적용될 수 있으며, 그 외에도 공정 및 생산라인, 스마트 산업용 로봇 분야에 사용될 수 있다.

Q. 실용화까지 필요한 시간과 과제는?
후속 연구를 통해 CFH의 소재를 변형하여 보다 더 높은 충격흡수율과 파지 능력을 지닌 로봇 핸드 개발 연구를 진행할 예정이다. 다양한 응용 가능성을 추가적인 실험을 통해 실용화 방안을 고민할 것이며, 기존의 현장에서 사용되는 그리퍼 및 매니퓰레이터 등과의 호환성을 고려하여 현장 적용 실험 등을 수행하면 실용화 할 수 있을 것이라 기대된다.

Q. 연구를 시작한 계기는?
인간-로봇 협동로봇 분야는 최근 로봇산업에서 활발히 연구되어지고 있다. 인간과 상호작용 하기 위해서는 충돌과 같은 사고가 발생 시 최소한의 피해를 추구해야 하며, 기존 전통 로봇들의 기능 또한 지니고 있어야 한다. 협동로봇 및 산업로봇 분야에서 사람의 핸드과 같은 역할을 수행하는 기존의 강체구조 로봇핸드는 구조적 특성으로 인하여 낮은 충격흡수율을 지니고 있다. 이를 대응하기 위해 등장한 유연구조 로봇핸드는 기존 로봇핸드의 파지능력에 한참 미치지 못한다. 이에, 본 연구를 통하여, 각기 다른 구조의 장점을 모두 취하고 단점을 극복하여 실제 필드에서 사람과 효율적으로 협업할 수 있는 로봇 핸드을 개발하고 다양한 실험을 통해 그 성능을 입증하였다. 또한, 기존의 베어링 등의 정밀 부품을 이용한 조립공정은 로봇핸드의 조립 난이도를 올리고, 가격을 올리는 원인이었다. 본 연구에서는 유연힌지를 이용한 조인트 구성으로 보다 조립이 쉽고, 부품의 가격도 낮아 기존의 로봇핸드에 비해 저가의 로보핸드를 생산 가능할 것으로 기대된다. 

Q. 어떤 의미가 있는가?
연구팀이 개발하고자 하는 유연힌지구조의 인간형 로봇핸드 개발 기술은 기존의 강체구조와 유연구조의 장점만을 취하고 단점을 극복한 하이브리드형 부분 유연구조 로봇핸드 개발을 새롭게 했다는 점에서 의미가 있다. 또한, 로봇핸드의 제작을 보다 간편하게 하여, 생산성을 높이고 가격을 낮출 수 있을 것으로 기대된다. 향후 추가 연구를 통해 보다 더 컴팩트하고 실제 필드에서 요구되는 자격을 갖춘 로봇핸드를 제안할 수 있을것으로 기대한다.

Q. 꼭 이루고 싶은 목표는?
본 연구를 통하여 협동 로봇 등 다양한 분야에 적용될 수 있는 로봇핸드가 잘 보급되기를 바란다. 특히, 내충격력, 생산성의 향상 등을 통하여 좋은 성능의 로봇 핸드를 저가로 공급하여 많은 산업분야에서 활용되기를 바란다. 앞으로 개발된 인간형 로봇핸드의 규격과 성능, 호환성을 보완하여 실제 산업용 로봇이 적용되는 현장 널리 보급하도록 하겠다. 


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그림 설명

[그림 1] 제안된 유연힌지 구조의 인간형 로봇핸드

제안된 유연힌지 구조의 인간형 로봇핸드

 본 연구팀이 개발한 유연힌지 구조의 인간형 로봇 핸드는 엄지 구조를 포함한 네 개의 손가락으로 구성되며, 각 손가락은 실제 인간 손의 마디와 같은 구조로 이뤄져 있다. 손가락 마디에 맞게 형상 변형된 유연힌지가 서로 교차되어 마디사이에 조인트를 구성한다(그림 d). 4개의 손가락을 구동하기 위해 4개의 모터가 사용되었으며, 부족구동 와이어 메커니즘을 이용하여 다양한 형상의 물체를 파지할 수 있다(그림 c).

 

[그림 2] 개발된 로봇핸드의 파지 실험 수행

개발된 로봇핸드의 파지 실험 수행

 본 연구팀이 개발한 유연힌지 구조의 인간형 로봇 핸드는 부족구동 와이어 메커니즘을 이용하여 다양한 형상의 물체를 모터제어 없이 파지할 수 있음을 실험을 통해 확인했다. 최대 4kg 무게의 물체를 파지하여 버틸 수 있다(그림 k).


[그림 3] 개발된 로봇핸드의 정량적 충격량 실험 수행

개발된 로봇핸드의 정량적 충격량 실험 수행

 개발된 유연힌지 구조의 인간형 로봇핸드의 충격 흡수율을 확인하기 위해 충격량 실험을 수행하였다. 기존의 가장 널리 사용되는 핀조인트 구조의 로봇핸드를 규격이 같도록 제작하여 대조군으로 사용했다(그림 a). 실험은 손을 피고있는 상태와 물건을 쥐고있는 상태에서 1차적으로 실험이 수행되었으며, 각 손가락 마디에 대해서도 2차적으로 충격량 실험이 수행되었다. 그 결과 기존 핀조인트 구조의 로봇핸드에 비하여 약 46.7% 충격을 더 흡수할 수 있음이 확인되었다.


 

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