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: yoondukchan@gmail.com, emerald1207@nate.com, cyj@hanyang.ac.kr

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.

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