KR102175274B1 - 휴머노이드 로봇에 구비된 핸드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 휴머노이드 로봇에 구비된 핸드에 관한 것으로서, 핸드는 손바닥과 제1 축(21)을 따라 연장되는 하나 이상의 손가락(20)을 포함하되, 핸드(4)는 물체를 쥘 수 있으며, 손가락(20)은 제1 피벗 링크(41)에 의해 손바닥에 연결된 제1 손뼈(31)와 제2 피벗 링크(42)에 의해 제1 손뼈(31)에 연결된 제2 손뼈(31)를 포함한다. 본 발명에 따르면, 손가락(20)은 손바닥을 제2 손뼈(32)에 연결하는 제1 메커니즘(51)과 손가락(20)을 작동시키도록 구성된 각각의 손뼈(31, 32)에 손바닥을 연결하는 제2 메커니즘(52)을 포함하되, 제1 메커니즘(51)으로 인해 제1 손뼈(31)가 제2 축(22) 주위로 회전하여 제2 손뼈(32)가 제3 축(23) 주위로 회전하며, 제2 메커니즘(52)으로 인해 손가락(20)은 쥐어야 되는 물체 주위를 감싸고, 제2 메커니즘(52)은 제1 메커니즘(51)을 변형시키도록 구성된다.

Description

휴머노이드 로봇에 구비된 핸드

본 발명은 휴머노이드 로봇에 구비된 핸드에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 본 발명은 손가락들을 움직여서 물체를 쥘 수 있는 핸드에 관한 것이다.

사람의 핸드는 매우 복잡한 신체 구조의 한 부분이다. 핸드는 핸드의 손바닥 주위로 관절로 구성된(articulated) 복수의 손가락을 포함한다. 게다가, 각각의 손가락은 복수의 서로 관절로 구성된 손뼈를 가진다. 각각의 관절부(articulation)는 근육에 의해 움직인다. 핸드의 다양한 관절부로 인해, 다양한 형태의 물체(object)를 쥘 수 있다. 또한, 손가락 및 손바닥의 상대적 위치는 사인(sign) 또는 기호(symbol)를 형성하여 메시지를 보낼 수도 있는데, 가령, 예를 들어, 물체 또는 방향을 가리키기 위하여 집게손가락을 뻗는다든지, 찬성을 표시하기 위하여 엄지손가락을 들어올릴 수 있다. 따라서, 손가락의 움직임을 잘 살펴보는 것은, 휴머노이드 로봇의 캐릭터(character) 및 휴머노이드 로봇의 상호작동 성능(interaction capability)을 강화하는 데 있어서 특히 중요하다. 여기서, 손가락의 움직임을 독립적으로 제어해야 하는 액츄에이터(actuator)의 개수가 많다는 것이, 문제점들 중 하나이다.

물체를 쥔다든지 시각적인 메시지를 보내기 위하여, 핸드의 각각의 손가락의 각각의 손뼈의 움직임을 독립적으로 완벽하게 제어하는 것은 비현실적이다. 따라서, 실제 생활에서의 목표는, 액츄에이터의 개수를 최소로 한 상태로, 가능한 움직임의 수를 최대로 만드는 것이다. 공지인 것과 같이, 구동가능한 액츄에이터의 개수(A)가 자유도의 개수(N)보다 작을 때 즉 N>A일 때, 한 메커니즘이 하단작동된다(underactuated)고 일컬어진다. 하단작동(underactuation)의 크기(degree)는 그 차이 즉 (N-A)로 정의된다. 예를 들어, 3개의 손뼈를 가진 4개의 손가락과 2개의 손뼈를 가진 하나의 손가락이 하나의 액츄에이터에 의해 닫혀질 수 있는(closed), 하단작동되는 핸드가 알려져 있다. 이러한 핸드는, 14개의 피벗 링크(pivot link)에 의해, 14개의 자유도를 제어할 수 있기 때문에, 하단작동 크기가 크다.

핸드의 하단작동 크기를 크게 유지함으로써, 핸드를 제어하는 데 있어서 성능을 향상시키기 위한 노력이 수행되어 왔다. 예를 들어, 각각의 손가락에 쥐는 힘(gripping effort)을 분포하기 위하여, 손가락들과 액츄에이터 사이에 배열된 스프레더 바(spreader bar)가 알려져 있다. 따라서, 핸드는, 하나의 액츄에이터에 의해, 다양한 형태의 물체를 쥘 수 있다. 하지만, 핸드는 오직 개방 위치(open position)와 닫힌 위치(closed position) 사이에서만 제어될 수 있는데, 이는 닫힌 위치에 있는 각각의 손가락의 각각의 위치는 쥐어지는 물체의 형태에 따른다는 의미이다. 손가락들 사이에 어떠한 물체도 삽입되지 않으면, 손가락이 한 위치에 근접하게 되는 것은 닫힌 주먹(closed fist)을 나타낸다.

휴머노이드 캐릭터(humanoid character)와 휴머노이드 로봇의 상호작동 성능(interaction capability)을 강화하기 위하여, 하단작동 크기를 크게 유지하면서도 핸드의 움직임을 제어할 수 있는 가능성을 높이는 것이 바람직하다. 당연히, 로봇의 구조적 및 기능적 환경에 적합한 해결책이 필요하다.

이를 위하여, 본 발명은 휴머노이드 로봇(humanoid robot)에 구비된 핸드(hand)를 제공하는데, 핸드는 손바닥(palm)과 제1 축(axis)을 따라 연장되는 하나 이상의 손가락(finger)을 포함하되, 핸드는 물체(object)를 쥘 수 있으며, 손가락은 제1 손뼈(phalanx)와 제2 손뼈를 포함하되, 제1 손뼈는 제1 손뼈를 제1 축에 실질적으로 직각으로 제2 축 주위로 회전시켜 움직일 수 있도록 구동되는 제1 피벗 링크(pivot link)에 의해 손바닥에 연결되고, 제1 손뼈 옆에 위치된 제2 손뼈는 제2 축에 실질적으로 평행한 제3 축 주위로 피벗회전하는 제2 피벗 링크에 의해 제1 손뼈에 연결되며,

손가락은 손바닥을 제2 손뼈에 연결하는 제1 메커니즘(mechanism)을 포함하되, 상기 제1 메커니즘으로 인해 제1 손뼈가 제2 축 주위로 회전하여 제2 손뼈가 제3 축 주위로 회전하며,

손가락은 손가락을 작동시키도록 구성된 각각의 손뼈에 손바닥을 연결하는 제2 메커니즘을 포함하되, 상기 제2 메커니즘으로 인해 손가락은 쥐어야 되는 물체 주위를 감싸고,

제2 메커니즘은 제1 메커니즘을 변형시키도록(deform) 구성된다.

바람직하게는, 손가락은 제3 축에 실질적으로 평행한 제4 축 주위로 피벗회전하는 제3 피벗 링크에 의해 제2 손뼈에 연결되고 제2 손뼈 옆에 위치된 제3 손뼈를 포함하며, 제1 메커니즘으로 인해 제1 손뼈가 제2 축 주위로 회전하여 제3 손뼈가 제4 축 주위로 회전한다.

바람직하게는, 제1 메커니즘은 제1 단부(end)와 제2 단부를 가진 제1 바(bar)를 포함하되, 제1 바의 제1 단부는 제2 축에 평행하고 제2 축으로부터 이격되어 배열되며(distinct) 제2 축 주위로 회전 이동되는 제5 축 주위로 피벗회전-연결되고(pivot-linked), 제1 바의 제2 단부는 제3 축에 평행하고 제3 축으로부터 이격되어 배열되며 제3 축 주위로 회전 이동되는 제6 축 주위로 피벗회전-연결되고, 제1 메커니즘은 제1 단부와 제2 단부를 가진 제2 바를 포함하되, 제2 바의 제1 단부는 제3 축에 평행하고 제3 축과 제6 축으로부터 이격되어 배열되며 제3 축 주위로 회전 이동되는 제7 축 주위로 피벗회전-연결되고, 제2 바의 제2 단부는 제4 축에 평행하고 제4 축으로부터 이격되어 배열되며 제4 축 주위로 회전 이동되는 제8 축 주위로 피벗회전-연결되고, 제1 바와 제2 바는 탄성 바(elastic bar)이며, 이 탄성 바들 중 하나는 제2 메커니즘이 손가락을 작동시켜 인접한 손뼈에 임계값보다 작은 힘을 발생시킬 때에는 압축되도록 구성되고, 제2 메커니즘이 손가락을 작동시켜 인접한 손뼈에 임계값보다 큰 힘을 발생시킬 때에는 휘어져서(buckle) 제1 메커니즘을 변형시키도록 구성된다.

한 실시예에 따르면, 제2 메커니즘은 제3 손뼈로부터 손바닥으로 연장되는 케이블(cable)을 포함하되, 각각의 손뼈는 케이블을 구동함으로써(driving) 손바닥에 대해 이동될 수 있다.

바람직하게는, 손뼈들 중 하나 이상의 손뼈는 손바닥과 제3 손뼈 사이에서 케이블을 유도하기(guide) 위해 가이드 채널(guide channel)을 포함한다.

또 다른 실시예에 따르면, 제1 바와 제2 바는 상이한 탄성(elasticity)을 가지며, 제1 바의 탄성은 제2 바의 탄성보다 작다.

또 다른 실시예에 따르면, 제1 바와 제2 바는 상이한 탄성을 가지며, 제1 바의 탄성은 제2 바의 탄성보다 크다.

바람직하게는, 제1 바와 제2 바는 엘라스토머(elastomer)로 제조된다.

바람직하게는, 제1 바와 제2 바는 정사각형 단면을 가진다.

본 발명의 특히 바람직한 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 핸드는 복수의 손가락, 전동 수단(motorization means), 및 차동 메커니즘(differential mechanism)을 포함하는데, 상기 전동 수단은 쥐어야 되는 물체 주위로 복수의 손가락이 감싸도록, 복수의 손가락을 작동시켜 복수의 손가락의 각각의 손뼈를 움직일 수 있도록 하기 위해 복수의 손가락의 각각의 케이블에 일정 힘을 제공하도록 구성되며, 상기 차동 메커니즘은 전동 수단에 의해 제공되는 힘을 복수의 손가락의 각각의 케이블에 분포하기 위해 제공된다.

또한, 본 발명은 앞에서 기술된 특징들을 가진 핸드가 구비된 휴머노이드 로봇에 관한 것이다.

이제, 본 발명은 첨부도면들을 참조하여 단지 예로서 제공된 실시예를 기술한 하기 발명의 상세한 설명으로부터 자명해 질 것이다:
도 1a 및 1b는 본 발명에 따라 2개의 핸드가 구비될 수 있는 휴머노이드 로봇의 두 예를 도시한 도면,
도 2는 본 발명에 따른 휴머노이드 로봇의 핸드의 손가락의 한 예를 도시한 도면,
도 3은, 제1 메커니즘이 도시되며 복수의 손뼈로 구성된 휴머노이드 로봇의 손가락을 도시한 도면,
도 4는 제1 메커니즘의 운동학적 모델을 도시한 도면,
도 5는 제1 메커니즘에 의한 핸드의 손가락의 운동 원리를 예시한 도면,
도 6은 제2 메커니즘에 의한 핸드의 손가락의 운동 원리를 예시한 도면.
명확성을 위해, 도면들에서, 동일한 요소들은 동일한 도면부호로 표시될 것이다.

도 1a 및 1b는 본 발명의 출원인에 의해 개발된 휴머노이드 로봇의 2개의 예를 보여준다. 도 1a에 도시된 휴머노이드 로봇(1)은 헤드(10), 몸통(2), 2개의 암(3), 2개의 핸드(4), 2개의 레그(5) 및 2개의 발(6)을 포함한다. 도 1b에 도시된 휴머노이드 로봇(1')은 헤드(10), 몸통(2), 2개의 암(3), 2개의 핸드(4) 및 스커트(7)를 포함한다. 본 발명은 이러한 타입의 휴머노이드 로봇에 구비될 수 있는 핸드에 관한 것이다.

이제부터, 본 발명은 손바닥(palm)에 이식된(implanted) 손가락(20), 예를 들어 집게손가락, 가운뎃손가락, 넷째손가락 또는 새끼손가락을 포함하는 특정 경우의 핸드(4)에 대해 기술된다. 이러한 손가락들에 대한 설명은, 본 발명을 간단하게 이해하기 위하여, 단지 하나의 손가락에 대해서만 한정되어 기술될 것이다. 핸드(4)가 다른 손가락들 옆에 위치되는 복수의 손가락(20), 이상적으로는 집게손가락, 가운뎃손가락, 넷째손가락 및 새끼손가락을 나타내기 위해 4개의 손가락을 포함할 수 있다는 사실은 자명할 것이다. 또한, 본 발명은 엄지손가락을 포함하는 핸드에도 적용된다. 엄지손가락이 다른 손가락들에 비해 2개 이상의 회전 자유도를 가지기 때문에, 엄지손가락은 2개의 추가적인 전동 수단(motorization means)을 필요로 하며 본 발명은 엄지손가락에도 똑같이 적용된다.

본 발명은, 사람과 같이, 손바닥과 손가락들을 손바닥에 대해 이동시킬 수 있는 복수의 전동 손가락(motorized finger)들을 포함하는 핸드를 다루는 것으로 이해할 수 있다. 또한, 본 발명은, 예를 들어, 향상된 시각 통신(visual communication)을 가능하게 함으로써, 로봇의 휴머노이드 캐릭터(character)를 강화하기 위해 핸드에 수행된다. 또한, 본 발명은, 그 밖의 부재, 예를 들어, 휴머노이드 로봇 발 또는 동물 캐릭터를 가진 로봇의 발(paw)에도 동일한 원리 및 이점들에 따라 수행될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 이제부터, 본 명세서에 기재된 용어 "핸드(hand)"는 일반적으로 손바닥과 손바닥에 대해 움직이는 손가락들을 포함하는 부재를 가리킨다.

도 2는 본 발명에 따른 휴머노이드 로봇의 핸드의 손가락의 한 예를 도시한다. 핸드는 휴머노이드 로봇에 구비되며, 핸드는 손바닥(도 2에는 도시되지 않음)과 제1 축(21)을 따라 연장되는 하나 이상의 손가락(20)을 포함하되, 핸드는 물체를 쥘 수 있으며, 손가락(20)은 제1 손뼈(31)와 제2 손뼈(32)를 포함하되, 제1 손뼈(31)는 제1 손뼈(31)를 제1 축(21)에 실질적으로 직각으로 제2 축(22) 주위로 회전시켜 움직일 수 있도록 구동되는 제1 피벗 링크(41)에 의해 손바닥에 연결되고, 제1 손뼈(31) 옆에 위치된 제2 손뼈(31)는 제2 축(22)에 실질적으로 평행한 제3 축(23) 주위로 피벗회전하는 제2 피벗 링크(42)에 의해 제1 손뼈(31)에 연결된다. 본 발명에 따르면, 손가락(20)은 손바닥을 제2 손뼈(32)에 연결하는 제1 메커니즘(51)을 포함하되, 상기 제1 메커니즘(51)으로 인해 제1 손뼈(31)가 제2 축(22) 주위로 회전하여 제2 손뼈(32)가 제3 축(23) 주위로 회전된다. 또한, 손가락(20)은 손가락(20)을 작동시키도록 구성된 각각의 손뼈(31, 32)에 손바닥을 연결하는 제2 메커니즘(52)을 포함하되, 상기 제2 메커니즘(52)으로 인해 손가락(20)은 쥐어야 되는 물체 주위를 감싼다. 또한, 본 발명에 따르면, 제2 메커니즘(52)은 제1 메커니즘(51)을 변형시키도록 구성된다.

본 발명은 하나 이상의 손가락을 가진 핸드에 적용된다. 핸드는 2개, 3개 또는 4개의 손가락을 가질 수 있다. 바람직하게는, 핸드는 사람 손에 유사하도록 5개의 손가락을 가진다. 이렇게 5개의 손가락 중에는, 집게손가락, 가운뎃손가락, 넷째손가락, 새끼손가락이 있는데, 이들은 본 발명에 따른 손가락(20)으로 재현된다(reproduced). 제5 손가락은 본 발명에 따른 손가락(20)으로 재현되는 엄지손가락으로서, 엄지손가락이 더 움직일 수 있도록 하기 위해서는 다른 자유도가 추가되어야 한다. 이러한 양태는 본 발명에서 취급되지 않을 것이지만, 본 발명은 엄지손가락에도 적용되며, 원하는 자유도를 얻기 위해서는 2개의 전동 수단을 엄지손가락에 추가하는 것으로 충분할 것이다.

손가락(20)은 2개의 손뼈(31, 32)를 포함할 수 있다. 또한, 똑같은 원리로서, 3개, 4개 또는 그보다 많은 손뼈를 포함할 수도 있는데, 이들에도 제1 및 제2 손뼈에 적용된 원리도 똑같은 원리가 적용된다. 본 발명에서는, 한 예로서, 3개의 손뼈를 가진 손가락이 사람 손가락을 가장 잘 재현하지만, 본 발명이 3개의 손뼈를 가진 손가락을 포함하는 핸드에만 제한되지 않는다는 사실은 자명할 것이다.

따라서, 도 2에서 볼 수 있듯이, 손가락(20)은 제3 축(23)에 실질적으로 평행한 제4 축(24) 주위로 피벗회전하는 제3 피벗 링크(43)에 의해 제2 손뼈(32)에 연결되고 제2 손뼈(32) 옆에 위치된 제3 손뼈(33)를 포함하며, 제1 메커니즘(51)으로 인해 제1 손뼈(31)가 제2 축(22) 주위로 회전하여 제3 손뼈(33)가 제4 축(24) 주위로 회전된다.

제2 메커니즘(52)은 제3 손뼈(33)로부터 손바닥으로 연장되는 케이블(53)을 포함하되, 각각의 손뼈(33, 32, 31)는 케이블(53)을 구동함으로써 손바닥에 대해 이동될 수 있다. 보다 일반적으로는, 케이블(53)은 손뼈로부터 연장되는데, 가장 멀리로는 손바닥으로부터 손바닥까지 연장된다.

바람직하게는, 손뼈들 중 하나 이상의 손뼈, 예를 들어, 제2 손뼈(32)는 손바닥과 제3 손뼈(33) 사이에서 케이블(53)을 유도하기 위해 가이드 채널(54)을 포함한다. 제2 손뼈(32)에 가이드 채널(54)이 존재하는 것은 한 예이다. 또한, 본 발명은 또 다른 손뼈, 가령, 예를 들어, 제1 손뼈 또는 바람직하게는 각각의 손뼈에 가이드 채널이 제공된 형상에 관해 기술한다. 또한, 각각의 손뼈마다 복수의 가이드 채널을 가지는 것도 가능하다.

도 3은 제1 메커니즘이 도시되며 복수의 손뼈로 구성된 휴머노이드 로봇의 손가락(20)을 도시한 도면이다. 본 발명에 따르면, 제1 메커니즘(51)은 제1 단부(62)와 제2 단부(63)을 가진 제1 바(61)를 포함하되, 제1 바(61)의 제1 단부(62)는 제2 축(22)에 평행하고 제2 축(22)으로부터 이격되어 배열되며(distinct) 제2 축(22) 주위로 회전 이동되는 제5 축(25) 주위로 피벗회전-연결되고(pivot-linked), 제1 바(61)의 제2 단부(63)는 제3 축(23)에 평행하고 제3 축(23)으로부터 이격되어 배열되며 제3 축(23) 주위로 회전 이동되는 제6 축(26) 주위로 피벗회전-연결된다. 제1 메커니즘(51)은 제1 단부(64)와 제2 단부(65)를 가진 제2 바(71)를 포함하되, 제2 바(71)의 제1 단부(64)는 제3 축(23)에 평행하고 제3 축(23)과 제6 축(26)으로부터 이격되어 배열되며 제3 축(23) 주위로 회전 이동되는 제7 축(27) 주위로 피벗회전-연결되고, 제2 바(71)의 제2 단부(65)는 제4 축(24)에 평행하고 제4 축(24)으로부터 이격되어 배열되며 제4 축(24) 주위로 회전 이동되는 제8 축(26) 주위로 피벗회전-연결된다.

본 발명에 따르면, 제1 바(61)와 제2 바(71)는 탄성 바(elastic bar)들로서, 이 탄성 바들 중 하나는 제2 메커니즘(52)이 손가락(20)을 작동시켜 인접한 손뼈에 임계값보다 작은 힘을 발생시킬 때에는 압축되도록 구성되고, 제2 메커니즘(52)이 손가락(20)을 작동시켜 인접한 손뼈에 임계값보다 큰 힘을 발생시킬 때에는 휘어져서 제1 메커니즘(51)을 변형시키도록 구성된다. 제1 메커니즘(51)과 제2 메커니즘(52) 사이의 상호작동(interaction)은 밑에서 상세하게 기술될 것이다.

도 4는 제1 메커니즘(51)의 운동학적 모델(kinematic model)을 도시한다. 상기 운동학적 모델로 인해, 제1 축(21)과 나머지 축(22-28)들의 위치관계를 명확하게 볼 수 있다. 이와 비슷하게, 손뼈(31, 32, 33)는 축(23, 24)들 주위로 피벗회전하는 피벗 링크들에 의해 서로 연결된 것을 볼 수 있으며, 제1 손뼈(31)는 축(22) 주위로 피벗회전하는 피벗 링크에 의해 손바닥에 연결된다. 또한, 제1 메커니즘(51)의 2개의 바(61 및 71)도 볼 수 있다. 각각의 바의 단부는 제1 바(61)에 대해서는 축(22)과 축(23) 주위로 회전 이동되며 제2 바(71)에 대해서는 축(23 및 24) 주위로 회전 이동된다. 달리 말하면, 각각의 바(61, 71)의 단부는 2중 피벗 링크에 상응하는데, 예를 들어, 제1 바(61)의 제1 단부(62)는 축(25) 주위로 회전 이동될 수 있을 뿐만 아니라 축(22) 주위로 회전 이동될 수 있다. 따라서, 제1 메커니즘(51)은 한 세트의 2개의 사변형(quadrilateral)의 일부분을 형성한다. 제1 사변형은 제1 손뼈(31), 제1 바(61), 축(22)과 축(25) 사이의 반경, 및 축(23)과 축(26) 사이의 반경에 의해 형성된다. 이와 비슷하게, 제2 사변형은 제2 손뼈(32), 제2 바(71), 축(23)과 축(27) 사이의 반경, 및 축(24)과 축(28) 사이의 반경에 의해 형성된다. 따라서, 제1 바(61)의 제1 단부(62)가 축(22) 주위로 회전되면 제1 손뼈(31)가 움직이게 되고, 손가락의 운동으로 인해 제2 바(71)의 제1 단부(64)가 축(23) 주위로 회전하여 결국 제2 손뼈(32)가 움직이게 된다. 이와 비슷하게, 제3 손뼈(33)도 단부가 축(24) 주위로 회전함으로써 움직이게 된다.

도 5는 제1 메커니즘에 의해, 정지 위치(즉 손바닥과 제1 손뼈 사이의 각도는 0°)로부터 닫힌 손가락 위치(즉 손바닥과 제1 손뼈 사이의 각도는 90°)로의 핸드의 손가락의 운동 원리를 예시한 도면이다. 상기 도면에서, 도 4에서 언급한 2개의 사변형이 예시된다. 손가락은 제1 메커니즘(51)을 작동시키기 위해 축(22) 주위의 피벗 링크에서 오직 한 번 구동(motorization)된다는 점에 유의해야 한다. 도 4에 도시된 것과 같이, 손가락(20)의 운동학으로 인해, 손가락이 오직 한 번 구동되면, 손가락(20)이 움직이게 되고 그에 따라 제스처(gesture)도 움직일 수 있게 된다. 손뼈(31, 32, 33)의 이동은 구동된 피벗 링크의 작동으로 인한 결과이다. 축(23)에 연결된 2개의 사변형들로 인해, 바(61 및 71)들이 조합되어 움직일 수 있으며, 그에 따라 손가락(20)의 손뼈들이 움직일 수 있다. 구동된 피벗 링크는 제1 손뼈(31)에 상응하는 제1 사변형의 움직임을 제어하는데, 제1 사변형이 움직이면 제2 손뼈(32)에 상응하는 제2 사변형이 움직이게 된다.

따라서, 제1 메커니즘(51)으로 인해, 손가락(20)은, 손뼈와 손뼈가 아니라, 전체적으로 제어될 수 있다. 손뼈들의 움직임은 서로에 대해 수행될 수 있다. 이러한 메커니즘으로 인해, 손가락마다 제공되는 액츄에이터(actuator)의 개수가 줄어들 수 있게 되며, 손뼈 전체의 작동 메커니즘 또한 줄어들 수 있을 뿐만 아니라, 제작 및 유지보수 비용도 줄어들 수 있다.

도 6은 제2 메커니즘에 의한 핸드의 손가락(20)의 운동 원리를 예시한 도면이다. 앞에 기술된 것과 같이, 제2 메커니즘(52)은 제3 손뼈(33)가 손바닥으로 연장되는 케이블(53)을 포함하되, 각각의 손뼈(33, 32, 31)는 케이블(53)을 구동시킴으로써 손바닥에 대해 움직일 수 있다. 보다 일반적으로는, 케이블(53)은 손뼈로부터 연장되고 손바닥으로부터 손바닥으로 더 멀리 연장될 수도 있다. 제한된 개수의 액츄에이터에 의해서, 핸드의 손가락들의 최대 개수의 자유도를 제어하기 위하여, 다양한 타입의 하단작동 핸드(underactuated hand)가 알려져 있다. 본 발명에서, 핸드는 2개의 메커니즘을 포함한다. 도면에서 볼 수 있듯이, 제1 메커니즘(51)으로 인해 일반적인 제스처가 가능하며, 제2 메커니즘(52)으로 인해 물체를 쥘 수 있다. 본 발명은, 2개의 메커니즘(51, 52)들이 동시에 작동되지는 않지만 차례대로 작동되는 개념에 따른다. 손가락이 물체에 접근되는 단계에서, 제1 메커니즘(51)이 작동되어 물체와 접촉이 구현될 수 있다. 그 뒤, 제2 메커니즘(52)이 작동된다.

케이블(53)이 잡아 당겨지고 반대 상태가 형성되지 않으면(즉 물체와 접촉되지 않거나 또는 그 어떤 임의의 접촉도 없을 때에는), 손가락은 예를 들어 정지 위치(rest position)로부터 닫힌 손가락 위치(closed finger position)로 움직인다.

이제, 케이블(53)이 잡아 당겨져서 물체가 쥐어지면, 손뼈, 예를 들어, 제1 손뼈(31)는 물체와의 접촉 상태로 들어가고 물체는 손가락의 움직임과 반대가 된다. 그 뒤, 케이블(53)이 보다 강력하게 당겨지며, 물체가 제1 손뼈(31)의 움직임에 반대가 되기 때문에, 축방향의 압축력(axial compression force)이 제1 바(61)에 제공되어 휘어진다. 바가 휘어지면, 제1 메커니즘(51)은 변형된다. 제1 메커니즘(51)은 제2 메커니즘(52)으로부터 분리되며(decoupled), 제2 메커니즘(52)은 자체적으로 케이블(53)을 끌어당기는 작용을 계속하여, 손뼈(32, 33)가 물체 주위로 둘러싸여 쥘 수 있게 한다.

본 발명의 일반적인 개념은, 각각의 손가락(20)에 대해, 손바닥에 대한 손가락(20)의 회전 운동(rotational movement)과 결합되어, 휴머노이드 로봇에 장착될 때 하단작동 크기(underactuation degree)의 이점을 가지면서도, 물체를 죌 수 있도록 하는 것이다. 본 발명은, 구동되는 피벗 링크를 회전시켜, 손가락을 제1 축(21) 상의 정지 위치로부터 구동시켜, 제1 메커니즘(51)을 수행함으로써 물체와 접촉되는 위치로 이동시키며, 손가락이 물체 주위를 감쌀 때 제2 메커니즘(52)을 수행함으로써, 손가락을 물체와 접촉된 위치로부터 물체를 쥔 위치로 구동시키는 것으로 구성된다. 본 발명은, 2개의 메커니즘(51, 52)이 손가락의 2개의 고유한 움직임(distinct movement) 즉 손가락의 일반적인 움직임과 물체를 쥐는 움직임을 가능하게 하는데, 제1 메커니즘(51)을 위해서 손가락마다 하나의 전동 수단이 필요하고 제2 메커니즘(52)을 위해서 모든 손가락들에 대해 하나의 전동 수단이 필요하다.

이미 기술한 것과 같이, 제1 바(61)와 제2 바(71)는 탄성 바들이다. 이 바들 중 하나, 예를 들어 제1 바(61)는 제2 메커니즘(52)이 작동될 때 손가락(20)을 압축하도록 구성된다. 손가락(20)을 작동시킴으로써, 제2 메커니즘(52)은 손가락을 닫고(close) 제2 손뼈(32)에 제공되는 외부 힘(external force)으로서 작동된다. 달리 말하면, 손가락을 작동시킴으로써, 제2 메커니즘(52)은 인접한 손뼈에 작용하는 힘을 생성한다. 만약 손뼈(32)에 제공되는 힘 값이 임계값보다 작으면, 손가락은 닫힘 운동(closure movement)을 지속하며, 바(61, 71)는 각각의 피벗 링크 주위로의 회전 운동을 계속한다. 사변형들의 운동학으로 인해, 바(61)는 압축된다. 만약 손뼈(32)에 제공되는 힘 값이 임계값보다 크면, 압축된 바(61)는 휘어진다. 달리 말하면, 제1 메커니즘(51)은 변형된다. 바(61)가 휘어지면, 손가락(20)은 오직 제2 메커니즘(52)에 의해서만 작동된다. 그러면, 손가락은, 제2 메커니즘(52)이 수행됨으로써, 쥐어야 되는 물체 주위를 감싼다. 그 뒤, 손뼈(31, 32, 33)는 쥐어야 되는 물체를 닫는다(close). 물체 주위로 손뼈를 접게 되면(folding), 쥐어야 되는 물체의 형태를 결정하고 그 크기를 정하는 데 적합하다. 달리 말하면, 본 발명에 따르면, 센서를 사용하지 않고도, 오직 제1 메커니즘(51)의 디자인에 의해서만, 손가락이 물체의 형태를 결정하고 물체 상의 어느 지점에서도 할당된 힘을 제공하는 데 적합하다.

보다 일반적으로는, 제1 바(61) 또는 제2 바(71)든지 간에, 바에 대해서, 바를 따라 작용하는 축방향 힘(axial force)은, 손가락(20)의 형상에 따라, 압축되거나 연신되도록(stretching) 변경된다. 손뼈의 바는 외부 힘이 인접한 손뼈에 근접하게 배열되는 매번 압축된다. 반면에, 외부 힘이 바의 손뼈를 밀 때에는, 바는 연신되어 개방된다(open).

따라서, 상기 실시예로 돌아가서 보면, 손가락이 쥠 위치(grasping position)에 있으면 즉 손가락이 물체 주위를 둘러싼 후 제2 메커니즘(52)이 수행됨으로써 제1 바(61)가 휘어지면, 물체가 쥐어지며, 케이블(53)은 더 이상 당겨지지 않는다. 그러면, 바(61)에는 어떠한 임의의 압축력도 제공되지 않는다. 바(61)는 연신된다. 또한, 제1 메커니즘(51)은 바(61)가 휘어지기 전의 상태로 돌아간다.

따라서, 본 발명의 개념에 따르면, 제1 메커니즘으로 손가락(20)이 일반적인 제스처를 수행하도록 작동되고 제1 메커니즘으로부터 제2 메커니즘으로 전환시키거나, 그 반대로, 제2 메커니즘으로부터 제1 메커니즘으로 전환시키기 위해 임의의 추가적인 컨트롤 장치 없이도, 제2 메커니즘으로부터 손가락이 물체를 쥘 수 있다. 제1 메커니즘으로부터 제2 메커니즘으로 전환되는 과정은, 바들 중 하나를 휨으로써 제1 메커니즘을 변형시키는 제2 메커니즘의 작동을 통해 수행된다. 일반적인 제스처와 쥠 운동 사이에 우수한 상호작동(interaction)을 구현하기 위하여, 바(61 및 71)들의 수치를 잘 정하는(good dimensioning) 것이 제일 우선이다.

바(61 및 71)들은 작동 기간 동안 받는 압축력 및 연신력을 견뎌낼 수 있어야 한다. 각각의 바는 탄성(elasticity)을 가진다. 바(61, 71)의 탄성 상수(elasticity constant)는, 휨(buckling)이 바람직하지 않을 때에는, 휘어지지 않고도 바가 압축력을 견뎌낼 수 있도록 구성되어야 하지만, 바(61, 71)는, 손가락의 형상 및 손가락에 제공되는 힘에 따라, 결정된 특정 임계값에서 휘어질 수 있어야 한다. 바는 힘을 견뎌낼 수 있도록 충분한 강성을 지녀야 하지만, 물체를 쥐기 위하여 제2 메커니즘(52)이 작동될 때, 바의 힘에 반대로 작용하기 위해 에너지를 손실하지 않도록 너무 큰 강성을 지녀서는 안 된다.

제1 바(61)와 제2 바(71)는 상이한 탄성을 가질 수 있으며, 제1 바(61)의 탄성은 제2 바(71)의 탄성보다 작을 수 있다. 이에 따라, 손가락을 움직일 때 에너지가 덜 들도록 사용할 수 있다. 바의 탄성을, 각각의 바가 중력에 반대로 작용하는 손뼈 자체의 무게를 지지할 수 있도록 구성하는 것이 필요하다. 제2 메커니즘(52)의 케이블(53)이 끌어 당겨지면, 물체가 반대로 있을 때 제2 바(71)는 더 쉽게 휘어지며 이는 즉 바가 휘어질 수 있게 제공되어야 하는 힘이 작은 것을 의미한다.

대안으로, 제1 바(61)와 제2 바(71)는 상이한 탄성을 가질 수 있으며, 제1 바(61)의 탄성은 제2 바(71)의 탄성보다 클 수 있다. 이에 따라, 손가락을 물체의 형태에 더 잘 맞출 수 있다. 실제로, 케이블(53)을 작동시킴으로써, 바(61 및 71)들에는 축방향의 특정 압축력이 가해질 것이다. 제1 바(61)는 제2 바(71)보다 더 쉽게 휘어질 것이다. 이에 따라, 쥐어야 되는 물체 주위로 제2 손뼈와 제3 손뼈가 둘러싼 채로, 사람 손가락에 의해 물체를 쥐는 것과 비슷하게 물체를 쥘 수 있다.

따라서, 바(61 및 71)의 탄성 상수의 크기를 결정할 때에는, 바의 기하학적 형상(geometry) 및 원하는 값을 초과하여 각각의 바가 휘어지는 임계 힘(critical force)에 따라, 매우 조심스럽게 정해야 한다.

바람직하게는, 제1 바(61)와 제2 바(71)는 엘라스토머(elastomer)로 제조된다.

제1 바(61)와 제2 바(71)는, 예를 들어, 레이저 커팅(laser cutting) 또는 워터제트(waterjet)에 의해, 산업적 측면에서 제작을 용이하게 하기 위한 정사각형 단면을 가지는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 핸드는, 쥐어야 되는 물체 주위로 복수의 손가락이 감싸도록, 복수의 손가락을 작동시켜 복수의 손가락(20)의 각각의 손뼈(31, 32, 33)를 움직일 수 있도록 하기 위해 복수의 손가락(20)의 각각의 케이블(53)에 일정 힘을 제공하도록 구성된 전동 수단을 포함한다. 바람직하게는, 핸드는 전동 수단에 의해 제공되는 힘을 복수의 손가락의 각각의 케이블에 분포하기(distribute) 위한 차동 메커니즘(differential mechanism)을 포함할 수 있다.

따라서, 최대 개수의 액츄에이터로 제한하는 본 발명에서와 같이, 하단작동되는 핸드(underactuated hand)에서, 각각의 손가락(20)의 케이블(53)은 단일 액츄에이터, 또는 전동 수단에 연결되어, 모든 손가락(20)이 정지 위치로부터 물체를 쥐는 위치로 동시에 움직일 수 있다. 다양한 형태의 물체를 쥘 수 있도록 하기 위해서, 앞에서 언급한 것과 같이, 각각의 손가락(20)의 케이블(53)과 전동 수단 사이에, 차동 메커니즘, 가령, 예를 들어, 스프레더 바(spreader bar)를 삽입하여, 상이한 케이블(53)에 전달되는 견인력(pulling force)을 분산시키는(distribute) 것도 고려해 볼 수 있다.

또한, 본 발명은, 도 1a 및 1b에 도시되고 위에서 기술된 것과 같이, 핸드가 구비된 휴머노이드 로봇에 관한 것이다.

Claims (9)

1. 휴머노이드 로봇에 구비된 핸드(4)로서, 핸드(4)는 손바닥과 제1 축(21)을 따라 연장되는 하나 이상의 손가락(20)을 포함하되, 핸드(4)는 물체를 쥘 수 있으며, 손가락(20)은 제1 손뼈(31)와 제2 손뼈(32)를 포함하되, 제1 손뼈(31)는 제1 손뼈(31)를 제1 축(21)에 직각으로 제2 축(22) 주위로 회전시켜 움직일 수 있도록 구동되는 제1 피벗 링크(41)에 의해 손바닥에 연결되고, 제1 손뼈(31) 옆에 위치된 제2 손뼈(32)는 제2 축(22)에 평행한 제3 축(23) 주위로 피벗회전하는 제2 피벗 링크(42)에 의해 제1 손뼈(31)에 연결되는, 휴머노이드 로봇에 구비된 핸드(4)에 있어서,
   손가락(20)은 손바닥을 제2 손뼈(32)에 연결하는 제1 메커니즘(51)을 포함하되, 상기 제1 메커니즘(51)으로 인해 제1 손뼈(31)가 제2 축(22) 주위로 회전하여 제2 손뼈(32)가 제3 축(23) 주위로 회전하며,
   손가락(20)은 손가락(20)을 작동시키도록 구성된 각각의 손뼈(31, 32)에 손바닥을 연결하는 제2 메커니즘(52)을 포함하되, 상기 제2 메커니즘(52)으로 인해 손가락(20)은 쥐어야 되는 물체 주위를 감싸고,
   제2 메커니즘(52)은 제1 메커니즘(51)을 변형시키도록 구성되며,
   손가락(20)은 제3 축(23)에 평행한 제4 축(24) 주위로 피벗회전하는 제3 피벗 링크(43)에 의해 제2 손뼈(32)에 연결되고 제2 손뼈(32) 옆에 위치된 제3 손뼈(33)를 포함하며, 제1 메커니즘(51)으로 인해 제1 손뼈(31)가 제2 축(22) 주위로 회전하여 제3 손뼈(33)가 제4 축(24) 주위로 회전하고,
   제1 메커니즘(51)은 제1 단부(62)와 제2 단부(63)를 가진 제1 바(61)를 포함하되, 제1 바(61)의 제1 단부(62)는 제2 축(22)에 평행하고 제2 축(22)으로부터 이격되어 배열되며 제2 축(22) 주위로 회전 이동되는 제5 축(25) 주위로 피벗회전-연결되고, 제1 바(61)의 제2 단부(63)는 제3 축(23)에 평행하고 제3 축(23)으로부터 이격되어 배열되며 제3 축(23) 주위로 회전 이동되는 제6 축(26) 주위로 피벗회전-연결되고,
   제1 메커니즘(51)은 제1 단부(64)와 제2 단부(65)를 가진 제2 바(71)를 포함하되, 제2 바(71)의 제1 단부(64)는 제3 축(23)에 평행하고 제3 축(23)과 제6 축(26)으로부터 이격되어 배열되며 제3 축(23) 주위로 회전 이동되는 제7 축(27) 주위로 피벗회전-연결되고, 제2 바(71)의 제2 단부(65)는 제4 축(24)에 평행하고 제4 축(24)으로부터 이격되어 배열되며 제4 축(24) 주위로 회전 이동되는 제8 축(26) 주위로 피벗회전-연결되고,
   제1 바(61)와 제2 바(71)는 탄성 바이며, 이 탄성 바(61, 71)들 중 하나는 제2 메커니즘(52)이 손가락(20)을 작동시켜 인접한 손뼈에 임계값보다 작은 힘을 발생시킬 때에는 압축되도록 구성되고, 제2 메커니즘(52)이 손가락(20)을 작동시켜 인접한 손뼈에 임계값보다 큰 힘을 발생시킬 때에는 휘어져서 제1 메커니즘(51)을 변형시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 휴머노이드 로봇에 구비된 핸드(4).
2. 제1항에 있어서, 제2 메커니즘(52)은 제3 손뼈(33)로부터 손바닥으로 연장되는 케이블(53)을 포함하되, 각각의 손뼈(31, 32, 33)는 케이블(53)을 구동함으로써 손바닥에 대해 이동될 수 있는 것을 특징으로 하는 휴머노이드 로봇에 구비된 핸드(4).
3. 제2항에 있어서, 손뼈(31, 32, 33)들 중 하나 이상의 손뼈는 손바닥과 제3 손뼈(33) 사이에서 케이블(53)을 유도하기 위해 가이드 채널을 포함하는 것을 특징으로 하는 휴머노이드 로봇에 구비된 핸드(4).
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 바(61)와 제2 바(71)는 상이한 탄성을 가지며, 제1 바(61)의 탄성은 제2 바(71)의 탄성보다 작은 것을 특징으로 하는 휴머노이드 로봇에 구비된 핸드(4).
5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 바(61)와 제2 바(71)는 상이한 탄성을 가지며, 제1 바(61)의 탄성은 제2 바(71)의 탄성보다 큰 것을 특징으로 하는 휴머노이드 로봇에 구비된 핸드(4).
6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 바(61)와 제2 바(71)는 엘라스토머로 제조되는 것을 특징으로 하는 휴머노이드 로봇에 구비된 핸드(4).
7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 바(61)와 제2 바(71)는 정사각형 단면을 가지는 것을 특징으로 하는 휴머노이드 로봇에 구비된 핸드(4).
8. 제2항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   핸드(4)는 복수의 손가락(20)을 포함하며,
   핸드(4)는, 쥐어야 되는 물체 주위로 복수의 손가락(20)이 감싸도록, 복수의 손가락(20)을 작동시켜 복수의 손가락(20)의 각각의 손뼈(31, 32, 33)를 움직일 수 있도록 하기 위해 복수의 손가락(20)의 각각의 케이블(53)에 일정 힘을 제공하도록 구성된 전동 수단을 포함하며,
   핸드(4)는 전동 수단에 의해 제공되는 힘을 복수의 손가락(20)의 각각의 케이블에 분포하기 위한 차동 메커니즘을 포함하는 것을 특징으로 하는 휴머노이드 로봇에 구비된 핸드(4).
9. 제8항에 따른 핸드(4)가 구비된 휴머노이드 로봇(1, 1').

Images