동기 텐던 라우팅을 이용한 초소형 언더액추에이티드 로봇 손가락 설계 및 검증

초록

본 논문은 하나의 구동기로 세 관절을 동시에 움직일 수 있는 동기 텐던 라우팅 방식을 적용한 언더액추에이티드 로봇 손가락(UTRF)을 제안한다. 기구·운동학·정역학 모델을 유도하고, 3D‑프린팅 프로토타입을 제작해 정적 하중 실험을 수행하였다. 실험 결과, 전체 길이의 0.322 % 수준(1 mm)의 변위 오차와 3 kg 하중에서 1.2 × 10³ N/m의 강성을 확인했으며, 이를 5‑손가락 로봇 손에 적용해 다양한 물체 조작에 성공하였다.

상세 분석

UTRF는 기존 언더액추에이티드 손가락이 복잡한 텐던 경로와 다수의 구동기를 필요로 하는 문제를 근본적으로 해결한다. 설계 핵심은 각 관절을 연결하는 커플링 텐던이 원통형 가이드 표면을 일정 각도와 반경으로 감싸면서, R₁/R₂·R₂/R₃ 비율에 의해 고정된 각속도 비를 강제한다는 점이다. 이로써 근위 관절이 회전하면 원위 관절이 비례적으로 회전해 ‘동기’ 움직임을 구현한다. 두 개의 구동 텐던(전·후 방향)만으로도 세 관절을 동시에 구동할 수 있어, 구동기 수를 3배 이상 절감하면서도 구조적 강성을 유지한다.

운동학 모델은 관절 각도 θᵢ를 텐던 이동량 q와 각 관절 반경 Rᵢ의 비로 표현(θᵢ = q/Rᵢ)하고, 이를 통해 손가락 끝 위치 x(q), y(q)를 닫힌 형태로 유도한다. Jacobian 행렬을 도출해 속도 변환 관계를 명시함으로써 제어 시 실시간 역기구학 계산이 가능하도록 설계하였다.

정역학 모델은 텐던 장력과 외부 하중(링크 중량, 외력, 순간) 사이의 평형을 단계별(링크3 → 링크2‑3 → 링크1‑2‑3)로 해석한다. 각 단계에서 모멘트 평형식을 세우고, 텐던 장력 Tᵢ를 구한다. 텐던의 탄성 변형은 Hooke 법칙(L_Ti’ = L_Ti·(1+Tᵢ·Eᵢ·Aᵢ))을 적용해 길이 변화를 보정하고, 보정된 장력과 변형된 각도를 다시 입력해 반복 수렴 알고리즘을 수행한다. 이 과정은 텐던 신축에 따른 관절 각도 변화와 전체 강성 변화를 정밀히 예측한다는 장점을 가진다.

프로토타입 제작에서는 3D 프린팅으로 링크와 베이스를 형성하고, 1 mm 직경 스테인리스 텐던(Young’s modulus 200 GPa)을 사용했다. 정적 하중 실험에서는 0.5 kg~3 kg의 단계적 하중을 가해 변위를 측정했으며, 시뮬레이션과 실험값의 평균 오차는 0.322 %에 불과했다. 이는 모델링 정확도가 높으며, 텐던 탄성 보정이 실제 동작에 크게 기여함을 의미한다.

UTRF‑RoboHand에 5개의 손가락을 장착한 결과, 최소 구동기(5 개)만으로도 인간 손과 유사한 포즈와 적응형 컴플라이언스를 구현했다. 특히 물체 크기·형상·무게가 다양한 상황에서도 안정적인 그립을 유지했으며, 이는 동기 텐던 라우팅이 제공하는 예측 가능한 강성 덕분이다. 전체적으로 본 연구는 텐던 기반 언더액추에이티드 로봇 손가락 설계에서 구동기 수 최소화, 강성·컴플라이언스 동시 확보, 모델 기반 설계·제어 가능성을 입증한 중요한 사례라 할 수 있다.