손가락의 CAD 모델(상단)과 원형 반대 방향 가변 강성 손가락 메커니즘(하단)의 단면도.

중국 하얼빈 공과대학(Harbin University of Technology)의 연구원 팀은 2022년 10월 14일 Frontiers of Mechanical Engineering 저널에 연구 결과를 발표했다. 

로봇은 종종 예측할 수 없고 때로는 안전하지 않은 환경에서 작동한다. 장애물이 빠르게 움직이거나 로봇이 인간 또는 다른 로봇과 상호 작용해야 하는 설정과 같이 구조화되지 않은 환경에서 작업하기 위해 여러 손가락 로봇 손이 필요한 경우 물리적 충돌을 피할 수 없다.

이러한 충격에 의해 생성된 에너지는 로봇 손의 하드웨어 시스템을 손상시킬 수 있다. 현재의 손재주가 있는 손은 단단하기 때문에 물리적 충격과 충돌로 쉽게 손상될 수 있다. 물리적 충격을 견딜 수 있는 튼튼하고 손재주가 있는 로봇이 필요하다. 연구팀은 손재주와 물리적 충격을 흡수하고 견디는 능력 면에서 인간의 손가락을 모방할 수 있는 로봇 손가락을 만들기 위해 노력했다.

다양한 손가락 강성 사전 설정에서 손가락 관절 강성 식별 및 물리적 충격 테스트 실험. 이미지출처: Handong Hu, Yiwei Liu, Zongwu Xie, Jianfeng Yao, Hong Liu

중국 하얼빈 공과대학(Harbin Institute of Technology)의 Yiwei Liu 교수는 "이것은 손재주가 있는 손이 더 나은 기계적 견고성을 가질 수 있도록 하여 딱딱하게 움직이는 손재주가 구조화되지 않은 환경에서 물리적 충돌에 의해 쉽게 손상되는 문제를 해결할 것"이라고 말했다.

로봇 손과 관련된 현재 기술은 가변 강성 액추에이터 시스템을 사용한다. 이 시스템은 로봇 손의 민첩한 특성을 가능하게 하도록 설계되었다. 인체에서 근육의 자연스러운 강성과 유연성은 수행하는 작업에 따라 다르다. 가변 강성 액추에이터는 수행할 작업에 따라 로봇 손에 인간과 같은 유연성과 강성 조정을 제공한다.

가변 강성 액추에이터는 두 개의 액추에이터에 의해 구동된다. 즉, 로봇 손 시스템에는 두 세트의 감속기, 작동 장치 및 센서가 있어야 한다. 가변 강성 액추에이터의 복잡성, 무게 및 부피가 모두 증가하기 때문에 컴팩트한 손재주를 만드는 솔루션으로 유용하지 않다.

이러한 문제를 극복하기 위해 연구팀은 적대적 가변 강성 손가락 메커니즘을 개발했다. 이 손가락은 현재의 케이블 구동 손재주보다 더 안정적이고 제조 및 유지 관리가 더 쉬운 경향이 있는 기어 변속기를 기반으로 한다. 기계적으로 견고한 손가락은 로봇 조작기와 뻣뻣한 환경 사이의 접촉력이 제어되는 기계적 수동 컴플라이언스의 개념을 기반으로 한다.

기계식 손가락은 물리적 충격을 흡수하는 동시에 수행하는 작업의 요구 사항에 따라 강성을 조정할 수 있는 기능도 가지고 있다. 이 손가락 메커니즘의 장점은 추가 액추에이터의 무게와 복잡성 없이 조정 가능한 강성 기능과 매우 컴팩트한 구조를 제공한다는 것이다.

연구팀이 개발한 손가락 프로토타입은 무게가 480g이며 합금 소재와 3D프린팅 소재로 제작됐다. 팀은 손가락에 일련의 쥐기 및 조작 테스트를 수행했다. 그들은 손가락의 쥐는 능력을 테스트하기 위해 다양한 크기의 원통형 물체, 직사각형 물체 및 구형 물체와 같은 다양한 일반적인 물체를 사용했다.

그들의 손가락 메커니즘은 물리적 충격을 견디는 데 강건함과 동시에 힘, 쥐기 및 조작에 대해서도 잘 수행되는 것으로 입증되었다.

연구팀은 향후 연구를 통해 손가락의 강성 조정 범위를 개선하는 동시에 크기와 무게를 더욱 컴팩트하게 만들 계획이다. 궁극적인 목표는 완벽한 손재주를 디자인하고 제작하는 것이다. Liu 교수는 “이 연구는 구조화되지 않은 환경이나 물리적 상호 작용 작업에서 손재주 있는 손의 조작 수준을 향상시키는 데 매우 중요하다”고 말했다.

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