대구경북과학기술원 (DGIST)은 로봇공학전공 윤동원 교수 연구팀이 기존 인간형 로봇핸드(Robot Hand)의 단점을 극복한 하이브리드형 유연구조로 로봇핸드의 핵심 기술을 새롭게 개발했다고 27일 밝혔다.
기존에는 로봇핸드 제어를 위해 구름베어링(rolling bearing) 기반 볼베어링 회전 조인트를 주로 사용해왔다. 로봇 핸드 개발 구조는 크게 강도 높은 핀조인트를 이용한 강체구조와 탄성변형이 가능한 소재를 이용한 유연구조 두가지로 나뉜다.
하지만 기존에 핀조인트 형식의 강체구조를 가진 로봇핸드는 값비싼 소재로 복잡한 공정을 거쳐야 하며 높은 하중은 잘버틸 수 있지만 외부 충격에는 약한 강성을 보였다. 유연구조는 형상적응형 방법으로 다양한 물체를 파지할 수 있고 환경과 충격에 유연하게 대처할 수 있다는 장점은 있지만, 낮은 하중을 가지고 있다.
윤 교수 연구팀은 강체구조와 유연구조의 장점은 가지고 단점은 보완하기 위해 ‘유연힌지 구조’를 통한 높은 충격흡수율과 다양한 형상의 물체와 무거운 물체를 파지할 수 있는 인간형 로봇핸드 개발하는데 성공했다.
'교차형 유연힌지 구조(Crossed Flexure Hinge, CFH)'를 활용한 독특한 구조로 '부동구조 와이어 매커니즘'을 적용한 인간형 로봇 핸드를 고안해 베어링 등 정밀부품을 사용한 조립이 필요없이 제작이 보다 용이하고, 저가로 로봇핸드를 만들 수 있는 방법을 구현했다.
본 연구팀이 조인트에 적용하기 위해 변형한 p-CFH(paired-CFH) 구조의 인간형 로봇 핸드는 제작이 간편하고 외부충격에도 안정적인 구동이 가능하다. 제작비 절감에도 기여해 산업체 협동로봇분야 등 다양한 스마트 로봇분야에 널리 활용될 것으로 보인다.
제작한 로봇핸드는 엄지 구조를 포함해 4개의 손가락으로 구성했으며, 각 손가락은 실제 인간의 손에 있는 마디와 같은 구조로 구성했다. 손가락 마디에 맞게 p-CFH 유연힌지를 마디 하나당 4개씩 적용해 2쌍을 X자로 서로 교차해 배치했다.
실험은 손을 피고있는 상태와 물건을 쥐고있는 상태에서 1차로 수행했으며, 각 손가락 마디에 대해서는 2차로 충격량 실험을 진행했다.
형상적응형 p-CFH 구조가 가진 자체 유연성으로 인해 3축 방향으로부터 오는 충격을 기존의 핀조인트 형식보다 46.7% 더 흡수할 수 있는 우수한 충격흡수율을 보였다.
또한, 4개의 손가락을 구동하기 위해 4개의 모터를 사용했다. 부동구동 와이어 메커니즘으로 모터제어 없이도 최대 4kg을 지닌 물체를 움켜쥐고 버틸 수 있음도 입증하며, 다양한 물체들을 안정적으로 잡을 수 있음도 확인했다.
DGIST 로봇공학전공 윤동원 교수는 "이번 성과는 기존의 로봇핸드에 비해 제작이 용이하고 가격 경쟁력이 있으면서 유연힌지의 장점과 가반하중을 증대시켜 실제 산업현장에 적용이 용이한 결과를 창출하도록 노력했다"고 설명했다. 또한, "다양한 산업제조현장, 서비스 로봇 등에 상용화될 수 있도록 후속연구도 진행할 예정"이라고 전했다.
한편, 이번 연구 결과는 로봇분야 국제학술지인 '소프트 로보틱스(Soft Robotics)'에 3월 5일자로 온라인 게재됐다. DGIST 로봇공학전공 양준모 석박사통합과정생과 김정석 석사졸업생이 공동1저자로 참여했으며, 한국연구재단의 신진연구지원사업으로 수행했다.
AI타임스 이하나 기자 22hnxa@aitimes.com
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