工學碩士學位論文

최소침습수술 로봇 시스템용 능동

그리퍼의 설계

Design of Active Gripper for Minimal Invasive Surgery

Robot Systems

2011 年 8 月

仁荷大學校 工學大學院

機械工學科

金 賢

최소침습수술 로봇 시스템용 능동

그리퍼의 설계

Design of Active Gripper for Minimal Invasive Surgery

Robot Systems

2011 年 8 月

指導敎授 崔 承 福 이 論文을 碩士學位 論文으로 提出함

仁荷大學校 工學大學院

機械工學科

金 賢

이 論文을 金 賢의 碩士學位論文으로 認定함

2011 年 8 月

主審

副審

委員

i

요 약 문

로봇은 이미 다양한 자동화 산업 분야에서 높은 부가가치의 창출로 인해 그

가치가 인정되어 점점 더 그 활용 분야가 증가하고 있는 추세에 있다 특히 의

료용 로봇 분야에서는 수술행위를 대행하는 다빈치 로봇의 개발로 수술의 신뢰

도를 크게 향상시키고 있다 로봇은 종종 큰 수술 시 다양한 의료장비를 교체해

야 하는데 교체 시 많은 시간이 요구된다 이러한 많은 준비단계와 사용하고 나

서의 복잡한 소독과정으로 인해 실제 로봇을 이용한 수술은 많은 시간이 걸리

며 초기자본을 회수하는 부분에서도 경제성이 떨어진다

따라서 본 연구에서는 수술용 도구를 단순히 잡아주는 그리퍼에서 벗어나

그리퍼에 추가적인 회전 자유도를 부여함으로써 기능을 향상시키는 능동형 그

리퍼를 제안하고 이를 이용한 안정적인 파지 법에 대하여 논하였다 제안한 설

계 안으로는 2 조 핑거 그립을 사용하는 전기모터 형 그리퍼와 추가적으로 개선

한 4 조 전기모터를 이용한 능동형 그리퍼를 제시하였으며 스윙 형 그립의 단

점을 보안하여 집중응력을 분산할 수 있는 구조로 설계되었다 또한 그리퍼의

무게를 줄일 수 있는 방법을 제시하고 이에 대한 분석을 수행하였다

ii

Abstract

Nowadays many researchers about robot are analyzed because robot

technology can be created the competitive market and it can increase the

export and employment Especially minimally invasive surgery is a

representative surgery method which utilize medical robot like the da Vinci

But medical robot need complicate process time and cost It can generate a

detrimental effect to the medical robot market

In this thesis active gripper which has multi-rotational freedom as well

as function holding a surgery instrument is proposed via constraint method

Two-finger gripper using a electronic motor and four-finger gripper is

designed The objective of gripper design is to disperse a stress and light a

weight of gripper The comparison between 2 type gripper and performance

is analyzed

-iii-

Nomenclatures

1 Length of first link

2 Length of the second link

3 Length of the third link

Torque

A Grasp angle

r Straight

LT Rotating Torque Load

BF Applied load[ N ]

([The value of the spring scale] kg g[ ms2 ] )

Efficiency( 085~095 )

D Choejongdan pulley diameter[ m ]

xI x-axis moment of inertia

yI y-axis moment of inertia

pI polar moment of inertia

LP The power of normal load conditions( 0i )

LI polar moment of inertia

aP For rotational forces

Angular

at Acceleration time

-iv-

MT Starting torque

ST RMS Torque

F Axial load[ N ]

0F Preload [ N ] ( ≒13F )

0 Coefficient of internal friction of the nut( 01~03 )

i Equipment ratio

Bp BALL SCREW PITCH [ mrev ]

AF External force [ N ]

m total weight of the WORK and TABLE[kg]

the friction surface coefficient of friction ( 005 )

the angle of gradient [˚ ]

g gravitational acceleration [ m ] ( 9807 )

-v-

List of Tables and Figures

TABLE 2-1 Domestic robot classification 5

TABLE 2-2 Robot Production Company 8

TABLE 3-1 Characteristics of power sources 36

TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics 50

TABLE 4-2 αSTEP Motor Characteristics 50

Fig2-1 Phase of medical robots in the robot industry 6

Fig2-2 Da Vinci surgical case number 13

Fig3-1 Da Vinci robot system for MIS 23

Fig3-2 Classified by the gripper grip action 25

Fig3-3 Swing-type hand mechanism 26

Fig3-4 Hand mechanism for translational type1 (parallel displacement)

27

Fig3-5 Hand mechanism for translational type2 (Rack and pinion type)

28

Fig3-6 Hand mechanism for three point pinch type 29

Fig3-7 Movement of object 30

Fig3-8 Contacts of the kind and the confining 31

Fig3-9 Human Arm structure 33

Fig4-1 Configuration of the fingers on robot gripper 38

Fig4-2 Change the value of the angle of phage torque 38

Fig4-3 Motor Selection Algorithm 39

Fig4-4 Arbitrary Shape of Planar Area 42

-vi-

Fig4-5 Parallel-Axis Theorem 43

Fig4-6 Arbitrary Shape of Polar Area 45

Fig4-7 Example of Velocity Guidance 48

Fig4-8 Parallel-link Grasp system 1 52

Fig4-9 Parallel-link Grasp system 2 52

Fig4-10 TWO Fingertip Grasp system 53

Fig4-11 Four Fingertip Grasp System 56

Fig4-12 Four Fingertip Grasp System layout 56

Fig4-13 Fingertip Grasp Mechanism 57

Fig4-14 Fingertip Grasp extended 57

Fig 4-15 Power Transmission Device 58

-vii-

목 차

요 약 문 i

Abstract ii

Nomenclature iii

List of Figures and Tables v

제1장 서 론 1

11 연구배경 및 연구목적 1

12 연구내용 3

제2장 로봇 산업의 기술 현황 4

21 로봇산업의 동향 4

22 의료용 로봇기술 현황 9

23 의료용 로봇시장 전망 16

제3장 능동 그리퍼 20

31 최소침습 수술 햅틱 장치구현에 필요한 능동 그리퍼 제안

20

32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류 24

33 파지형태에 의한 그리퍼의 분류 25

-viii-

34 메카니컬 핸드의 구속기능 30

35 대표적인 동력원의 특징 35

제4장 능동형 그리퍼 설계 37

41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정 37

42 모터 선정 알고리즘 39

43 1차 능동형 그리퍼 설계 51

44 2차 능동형 그리퍼 설계 54

제 5장 결론 59

참고문헌 60

- 1 -

제 1장 서 론

11 연구 배경 및 연구 목적

로봇은 이미 다양한 자동화 산업 분야에서 높은 부가가치의 창출로 인해 그

가치가 인정되어 점점 더 그 활용 분야가 증가하고 있는 추세에 있다 또한 최

근 들어서는 산업현장뿐만 아니라 생활 기구 의료용에서도 로봇을 접목시켜 이

를 실제 시스템에 사용하고 있다 특히 의료용 로봇 분야에서는 수술행위를 대

행하는 다빈치 로봇의 개발로 수술의 신뢰도를 크게 향상시키고 있다

다빈치 수술시스템은 너무나 성공적 이여서 수술행위의 수행에 있어서 커다

란 변화를 가져왔다 최소 침습수술의 발전으로 환자의 회복속도는 놀랍도록 빨

라졌지만 모든 개복수술을 최소 침습수술기법으로 대처하기에는 아직 기술적으

로 극복하지 못한 분야도 있다 기존의 복강경 수술의 경우 수술시야가 제한적

이고 수술부의로의 유일한 접근 통로인 투관이 한정되어 있어 손 운동에 제한

적이다 또한 로봇은 복잡하고 종종 큰 수술 시 다양한 의료장비를 교체해야 하

는데 교체 시 많은 시간이 요구된다 이러한 많은 준비단계와 사용하고 나서의

복잡한 소독과정으로 인해 실제 로봇을 이용한 수술은 많은 시간이 걸리며 초

기자본을 회수하는데 많은 시간이 걸리므로 경제성이 떨어진다 또한 실제 수술

시에는 다양한 수술도구들이 사용되는데 로봇수술을 위해서는 로봇 팔과 연동

된 수술 도구들이 쉽게 탈 부착 될 수 있어야 한다 실제 수술도구들이 쉽게 탈

부착된다면 작업 능률이 보다 증대될 것이다

- 2 -

수술용 로봇에 사용되는 엔드 이펙터 (End Effector)을 검토해보면 공통적 인

사실을 확인할 수 있다 시판되고 있는 복강경 로봇수술용 도구들은 Trocar 라

는 기구를 통해 인체 내로 삽입되고 Trocar 의 구조상 수술용 도구들은 Oslash55 이

내의 소형 원기둥 타입의 수술도구들이며 각각의 구동 모터를 개별적으로 가지

고 있다 최근에는 다빈치 수술 로봇이 사용됨에 따라 3 차원 고화질의 영상의

제공과 더불어 떨림 없는 정교한 시술작업이 가능해 졌으며 다자유도 수술 기

구 도입으로 좀 더 다양한 수술들이 가능해 졌지만 이러한 장점에도 불구하고

수술 시 힘의 강약조절이 불가능하다는 점은 가장 큰 단점으로 지적되고 있다

또한 아직 가격이 고가이고 구현 가능한 작업 영역대비 각 암의 크기가 커서

수술 시 암 사이의 충돌이 발생하는 문제가 제기되고 있다

또한 다빈치 수술로봇은 집도의 손으로 조작하여서 수술을 수행하는 수술

로봇 시스템으로 여러 가지 장점이 있지만 로봇이 수술하면서 발생하는 반력을

직접 집도의에게 전달하지 못하는 단점이 있다 이런 단점을 보안하기 위하여

수술용 로봇 시스템에 햅틱의 기능을 추가하여 로봇 시스템을 구성하는 것을

전 세계적으로 많은 연구가 진행되고 있다

따라서 본 연구에서는 수술용 햅틱 로봇에 적용이 가능한 로봇 시스템에서

수술도구를 집고 수술을 직접 수행하는 그리퍼 시스템을 설계하도록 하겠다

이를 위해 현재 로봇 시장의 현황을 분석하고 능동형 그리퍼를 설계하기 위한

여러 가지 이론적 배경과 그리퍼 설계 제한 조건을 설명한다 최종적으로 그리

퍼 설계를 수행한 후 각각의 설계에 따른 분석을 수행할 것이다

- 3 -

12 연구 내용

본 연구에서는 의료용 햅틱 로봇 시스템에 적합한 능동형 그리퍼를 설계하

는 것이 본 연구의 목적이며 이를 위한 연구내용은 각 장 별로 요약하면 다음

과 같다

제 1장에서는 본 연구를 수행한 배경과 목적을 설명하였다

제 2 장에서는 연구의 첫 단계로 본 연구의 이론적 배경을 기술하였다 수술

로봇의 개요 및 동향 선행기술에 대하여 설명하였다

제 3 장에서는 능동형 그리퍼에 대한 이론적 배경을 기술하였다 그리퍼의 자

유도 기능분석 메키니칼 구성표 동력원에 대해 고찰하였다

제 4 장에서는 능동형 그리퍼의 설계 결과를 기술하고 설계 안에 대한 방향

을 제시하였다

마지막으로 제 5 장에서는 결론 및 향후 연구되어야 할 문제들에 대하여 언

급하였다

- 4 -

제 2장 로봇 산업의 기술 현황

21 로봇산업의 동향

(1) 국내로봇산업 분류체계

로봇이란 용어는 1921 년 카펠 차펙 (Karel Capek)이 쓴 희곡에서 유래하여

전통적인 로봇이란 반복 노동을 대체하는 자동화 기계로 인식되어 왔으나 현대

에 와서는 외부의 환경을 인식하고 지능을 바탕으로 스스로 판단하여 자율적으

로 동작하는 장치로 변모하였다 이렇게 변모하는 로봇산업은 현행 한국표준산

업 분류 체계상 단일제품 수준의 lsquo산업용로봇rsquo 으로만 분류하여 급성장이 예상

되는 lsquo서비스로봇rsquo 부분은 포함되어 있지 않았다 이에 산업자원부는 2007 년 1

월 로봇산업의 분류체계를 새롭게 마련하고 로봇산업의 승인통계를 구축하였다

이로써 1978 년 로봇산업이 시작한 이래 30 년 만에 비로소 로봇산업에 대한 명

확한 분류체계를 구축한 것이다

이 분류체계에서 로봇산업은 크게 개인서비스용 로봇 전문서비스용 로봇

제조업용 로봇 네트워크 로봇 로봇부품 및 부분품 등 대분류 5 개 중분류 28

개 소분류 136 개 항목으로 분류되어 있다 이를 구체적으로 살펴보면 TABLE

2- 1과 같다

- 5 -

TABLE 2-1 Domestic robot classification

대분류 중분류

서비스 로봇

개인 서비스용가사용 생활 지원용 여가 지원용 교육

용 기타 개인서비스용

전문서비스용

빌딩 서비스용 극한작업용 의료 복지용

사회 인프라용 군사용 생물 생산용 기

타 전문 서비스용

제조업용 로봇

이적재용 공작물 착탈용 용접용 표면처

리용 조립분해용 가공용 공정용 시험

검사용 기타 제조업용

네트워크 로봇 -

로봇부품 및 부분품 로봇용 구조구동센싱제어통신소프트

웨어기타 부품 및 부분품

lt자료gt 산업자원부

ldquo의료 복지용 로봇rdquo은 전문서비스용 로봇의 한 분야로 로봇산업의 중분류로

분류되고 있다 의료 복지용 로봇은 다시 수술 로봇 재활 훈련용 로봇 의료진

단 및 검사용 로봇 기타 의료 복지 로봇 등으로 소분류체계를 구축된다

산업연구원 (2007)에서는 로봇산업에서의 의료용 로봇의 위상을 Fig 2-1 과

같이 도식화 하였다 의료용 로봇을 포괄하고 있는 지능형 로봇은 우리나라가

소득 3 만 달러 시대를 선도할 미래스타산업으로 타 분야에 대한 기술적 파급

효과가 큰 첨단기술의 복합체라는 점 때문에 특히 중요하다고 할 수 있다

- 6 -

Fig2-1 Phase of medical robots in the robot industry

(2) 국내로봇산업 규모

가 로봇생산 기업규모

앞 절과 같은 로봇산업 분류체계에 근거하여 2006 년부터 로봇산업 통계조사

가 체계적으로 이루어지기 시작하였다 이 통계조사에 따르면 국내 로봇생산을

담당하고 있는 기업은 TABLE 2-2와 같다 2006년 총 170개 제조업 로봇 77개

사 (453) 로봇부품 및 부분품 48 개사 (282) 개인 서비스용 로봇 24 개사

- 7 -

(141) 전문서비스용 로봇 13 개사 (76) 네트워크 로봇 8 개사 (47)로 분포

되어 있다 이와 같은 수치는 2005 년 대비 제조업용 로봇 관련 기업 수는 다소

감소하였으나 전문서비스용 로봇이나 개인서비스용 로봇 관련 기업 수는 다소

증가하였다 또한 기업체 당 평균 자본금은 5354 억으로 제조업을 제외하면 기

업체 당 평균 자본금이 가장 높은 분야는 개인 서비스용 로봇 (2570 억원) 가

장 낮은 분야는 전문 서비스용 로봇 (1106억원)으로 나타났다

이는 최근 수요가 증가하는 생활 관련 로봇들에 대한 대기업의 투자나 진입

이 두드러지면서 나타난 현상이며 이런 기업들의 투자에 따른 생활 로봇 기술

향상이 두더러 지게 나타나고 있다 따라서 의료용 로봇 산업분야의 체질강화

와 기업 경쟁력 강화를 위해서는 최근 늘어나는 수요창출에 발맞추어 중견기업

들의 투자와 연구개발이 집중되어야 할 것이다

한편 로봇기업의 매출액 규모는 1억 원 미만의 영세한 업체가 30 1억~10

억 원 규모의 업체가 282 10억~50억 원 규모의 업체도 282로 대부분의 로

봇기업은 매출액 규모 50 억 미만의 중소기업체인 것으로 나타났다 특히 의료

용 로봇은 영세한 업체가 담당하기에는 다소 연구개발과 투자비용이 많이 소요

되기 때문에 대기업이나 정부의 투자나 지원이 반드시 필요하다 이러한 상황에

서 국내 의료용 로봇 시장의 성장을 낙관하기는 다소 무리가 있다 따라서 대기

업들이나 정부는 의료용 로봇 시장 확대와 성장에 적극적으로 참여해야 할 것

이다

- 8 -

TABLE 2-2 Robot Production Company

구분

2005 2006

업체수 구성비 업체수 구성비

제조업용 로봇 60 333 77 453

전문서비스용 로봇 13 72 13 76

개인서비스용 로봇 39 217 24 141

네트워크 로봇 17 94 8 47

로봇부품 및 부분품 51 283 48 282

합계 180 1000 170 1000

나 로봇생산 생산규모

로봇기업의 생산 현황을 보면 2005 년에는 5722 억 원 정도였으나 2006 년에

는 7196 억 원으로 258의 증가율을 보였다 특히 의료 복지용 로봇 분야가 포

함되어 있는 전문서비스용 로봇은 2005 년에는 53 억 정도였으나 2006 년에는

124억으로 전년대비 1309의 높은 증가세를 보였다

최근 국내에서 개발된 환자 안내용 로봇인 스누봇 (SNUBOT)이나 내시경 로

봇인 미로캠 (MiroCam) 등의 개발로 인해 더욱더 생산 증가폭은 커질 것으로

전망한다 의료 복지용 로봇분야에서는 2005 년에는 생산이 거의 없었으며 2006

년에는 약 6 천 만원으로 증가하기는 하였으나 이는 다른 로봇 분야에 비하면

극히 미비한 생산액이며 수술 로봇이나 재활 로봇에 대한 생산은 거의 전무한

실정이다 한국과학기술정보연구원(KISTI)에 따르면 2006 년 국내 서비스 로봇

- 9 -

(산업용 로봇 제외) 시장규모는 약 624 억 원으로 미비한 수준에 그쳤으나 2011

년 5117 억 원에 달하고 2013 년 이후는 수조 원에 달하는 황금시장으로 떠오를

것으로 예상하였다 또한 정부에서는 2005 년 국내 로봇산업 육성을 위해 2013

년까지 세계 시장 점유율 15 총생산 30 조원 수출 200 억 달러 고용창출 10

만 명 등 세계 3위의 로봇강국을 목표로 하고 있다

22 의료용 로봇기술 현황

(1) 의료용 로봇 유형 및 개념

의료용 로봇은 크게 수술 로봇 수술 시뮬레이션 재활로봇 기타 의료 로봇

등으로 분류된다

첫째 수술 로봇은 크게 두 가지의 유형으로 분류된다 먼저 수술 보조 로봇

(surgery assistant robot)은 수술실에서 집도의 명령에 따르면서 수술을 보조하거나

영상 가이드 역할을 해주는 로봇을 의미하며 수술 로봇 (surgery robot)은 의사를

대신하여 수술과정의 전체 혹은 일부를 의사 대신 혹은 의사와 함께 수술 작업

을 한다

둘째 수술 시뮬레이터 (surgery simulator)는 의사의 수술에 관한 숙련도를 높

이기 위하여 가상의 그래픽 환자 모델과 햅틱 장치 (haptic device) 등을 이용하

여 수술을 연습할 수 있게 하는 의료용 로봇이다 특히 근래에 들어 프로세스의

- 10 -

성능이 좋아지면서 MRI 나 CT 영상 등을 활용한 실시간 3 차원 볼륨이 가능해

지면서 의료용 시뮬레이터 개발은 가속화 되었다

셋째 재활 로봇 (rehabilitation robot)은 노인과 장애인의 재활치료와 일상생활

을 도와 주는 로봇 시스템으로 단순한 신체를 지지해 주는 역할을 벗어나 중증

환자나 노인의 신체 움직임을 향상시키고 빠른 시일 내에 회복하도록 주요 기

능을 수행하고 장애인의 장애를 극복하여 독립적인 생활을 가능하게 할 수 있

는 특정 기능의 로봇을 의미한다

넷째 기타 의료 로봇으로는 간호 로봇이나 안내로봇 등이 있다 현재의 간

호 인력을 도와서 수술이나 치료를 받는 환자를 보살피는 로봇으로서 정확한

투약과 수술 후 관리가 가능하도록 도와주는 기능과 환자의 이동 간병 및 산책

이 가능하고 말벗의 기능을 포함하는 로봇을 의미한다

(2) 의료용 로봇기술 개발현황

가 수술 로봇

현재까지 연구된 수술 로봇은 미세 수술용 원격수술 로봇 최소침습수술

(MIS) 로봇 관절 수술 로봇 등으로 분류할 수 있다

원격수술 로봇 시스템 일환으로 개발된 대표적인 로봇으로는 일본 동경대의

원격 수술 로봇 미국 NASA JPL 의 RAMS SRI International 의 원격 수술 로봇

한국과학기술원의 미세수술용 Slave 로봇 등이 있다

- 11 -

MIS 의 로봇 시스템 일환으로 개발된 대표적인 로봇으로는 미국의 UC 버클

리대의 수술 로봇시스템 Computer Motion 사의 내시경 보조 로봇인 이솝

(AESOP)과 복강경 수술 로봇인 제우스 (ZEUS) 제우스 보다 진보된 Intuitive

Surgical 의 다빈치 (daVinch) 등이 있다 이 중 다빈치는 수술용 로봇으로 거의

독점적인 위치로써 세계 로봇수술의 첨병역할을 하고 있다

관절 수술 로봇의 일환으로 개발된 대표적인 로봇으로는 미국 Integrated

Surgical System사의 로보닥 (Robodoc) 독일의 Orto Maque사의 CASPAR 영국의

Imperial College의 아크로보트 (Acrobot) 등이 있다

나 수술 시뮬레이터

수술 로봇 이외에 의사의 수술에 관한 숙련도를 높이기 위한 의료용 시뮬레

이터가 활발하게 연구되고 있다 특히 근래에 들어 프로세서의 성능이 좋아지면

서 MRI 나 CT 영상 등을 활용한 의료용 수술 시뮬레이터 개발이 가속화 되었

다 대표적인 수술 시뮬레이터로는 미국 Georgia Tech의 안구 수술 시뮬레이터

미국 Boston 다이나믹스사의 개복수술 시뮬레이터 Mitsubishi Electric Research Lab

의 무릎관절 내시경 시뮬레이션 영국 맨체스터 대학의 웹기반 시뮬레이터 등이

있다

다 재활 로봇

- 12 -

노령인구와 장애인구의 증가로 로봇 기술의 필요성은 재활분야에도 확대되

고 있다 장애인의 독립적인 활동을 보장하고 삶의 질을 높이려는 노력은 유럽

등의 선진국을 중심으로 재활 로봇이 연구되어 왔으며 이탈리아에서 개발된

MOVAID 가 대표적인 재활 로봇이다 또 미국에서는 MIT 를 중심으로 RIC 과

같은 로봇 신경 재활 로봇들이 개발되고 있다 스위스에서는 보행 재활 로봇으

로 Lokomat 이 개발되었고 국내에서는 KAIST 에서 휠체어 로봇 시스템과 보행

보조 로봇 등이 연구되고 있다 이외에도 서강대학교에서는 SUBAR 라는 보행

재활 로봇을 개발하였다 이외에도 최근 미국의 Intouch Health 에서 개발한 RP-7

은 멀리 있는 환자의 병증을 파악하는 데 탁월한 원격진료 로봇으로 활용되고

있다

(3) 국내 의료용 로봇 적용사례

상기 서술한 의료용 로봇 중 가장 많은 각광을 받고 있으며 국내에서 적용

되고 있는 사례를 통해 의료용 로봇의 사용 실태를 파악보고자 한다 대표적인

복강경 수술 로봇인 Intuitive Surgical의 다빈치 로봇 시스템과 고관절 수술 로봇

인 Integrated Surgical System사의 로보닥을 중심으로 국내 실태를 살펴보고자 한

다

가 다빈치

- 13 -

Fig 2-2 da Vinci surgical case number

다빈치 로봇은 1997 년 벨기에서 처음으로 환자에게 적용된 이래 국내에

2005 년 7 월 연세대학교 신촌 세브란스 병원에서 최초로 도입하여 2005 년 7 월

15 일 국내 최초로 다빈치를 이용한 로봇 수술이 이루어졌다 Fig 2-2 에서 보

듯이 수술사례는 계속적으로 증가하여 2008 년 1 월 말 현재 750 건이 넘는 수

술이 이루어졌다

다빈치 로봇은 전립선암 위암 대장남 부인암 식도암 갑상선암 간암 등

대부분의 암수술 및 중요 외과계 수술에 적용된다 이는 다빈치 로봇 수술이 가

져다 주는 효과인 개복수술이나 복강경 수술보다 수술회복기간이 단축되고 수

술시간도 감소시키는 역할과 무엇보다 수술 후 환자가 겪는 수술 후유증 확실

- 14 -

히 줄여주기 때문이다 특히 전립선암의 경우 대표적인 수술 후유증인 요실금

과 발기부전 등의 가능성이 대폭 줄어드는 것으로 알려져 있다

이와 같은 수술사례와 수술성과에도 불구하고 다빈치 로봇의 가격이 25 억

정도의 고가이기 때문에 영세한 의료기관에서 도입하기에는 다소 무리가 따르

고 있다 그러나 대형 병원들은 다빈치의 성공적인 수술사례를 통해 앞다투어

이를 도입하고 있다

2008 년 1 월 현재 신촌 세브란스 병원은 이미 3 대를 도입했고 영동 세브

란스 병원 고려대 안암병원 서울아산병원 한림대 강남병원 분당서울대병원

삼성서울병원 경북대병원 동아대병원 등 9 개 의료기관에 도입되어 있다 또한

최근 (2008 년 1 월 30 일) 연세대 세브란스병원은 로봇 수술의 활성화를 위해

Intuitive Surgical 과 공동으로 복강경 수술용 로봇 다빈치를 이용한 수술법을 배

우는 lsquo연세 다빈치 트레이닝 센터rsquo를 개소하였다

다빈치는 로봇 가격만큼 수술 비용에 있어서도 고가인데다 의료보험이 적

용되지 않아 수술 비용을 환자가 모두 부담해야 하는 실정이다 다빈치 로봇 수

술 비용은 700~2000 만 원선으로 기존의 수술 비용인 200~300 만 원 보다는 다

소 높은 가격이다 특히 전립선암의 경우 로봇 수술 비용은 1500 만 원 선으로

개복수술이나 복강경수술보다 5~7 배 정도의 높은 가격이다 그럼에도 불구하고

로봇 수술은 거의 모든 암 수술에 적용되고 있고 환자와 의사 모두 만족하는

수술법으로 자리잡아 가고 있다

- 15 -

나 로보닥

로봇이 외과적 기계로써 임상적으로 처음 국내에서 적용된 것은 1992 년 lsquo로

보닥rsquo이라는 의료용 로봇이다 미국에서 개발된 로보닥은 인공관절이 삽입될 환

자의 뼈를 로봇으로 가공해서 수술 성공률을 획기적으로 높였다 두꺼운 뼈를

정확한 형상으로 깎아내는 작업에는 CADCAM 자료에 따라 작동하는 로봇 팔

이 숙련된 외과의사를 간단히 능가했다 로보닥은 한국과 EU 의 판매승인을 획

득했고 결국 인공관절수술의 대세를 장악했다 세계적으로 8000 회 이상의 수술

이 로보닥을 이용하여 성공적으로 수행되었으며 2001년 FDA의 승인을 받기도

하였다

2002 년 국내 처음으로 로보닥이 도입된 이래로 이춘택 병원은 현재까지

2556 회라는 경이적인 수술건수를 기록하였다 그는 최소침습수술과 접목하여

로봇의 정밀성과 최소 절개기술을 결합시킴으로써 환자의 고통과 재활 기간을

크게 줄였다 그러나 로보닥의 가격은 무려 17 억 원이며 3 차원 영상까지 구현

하기 위해서는 10 억 원 상당의 멀티 CT 까지 도입해야만 한다 그렇기 때문에

소규모의 관절전문병원이 도입하기에는 다소 무리한 점이 있다 이러한 상황에

서 이춘택은 국내시장에 맞는 로봇개발을 위해 국산 부품 및 소프트웨어를 개

발 중에 있다 따라서 우리나라도 고령화 사회를 맞아 세계적으로 관절 수술이

급증하고 있는 상황에서 국내 기술로 만든 수술용 로봇이나 소프트웨어 개발은

국내 의료용 로봇시장의 활성화를 이룰 수 있다

- 16 -

23 의료용 로봇시장 전망

(1) 로봇산업 전망

로봇 분야별 세계시장 정세를 살펴보면 제조업용 로봇은 시장안전화 단계로

써 급격한 시장변화는 어려우며 신규 생산설비 및 기존 설비에 따른 수요가 대

부분 차지하고 있는 실정이다 개인서비스용 로봇은 가족구조의 핵가족화와 고

령화 현상으로 인한 가족인원으로서의 가정용 로봇에 대한 수요가 증가 추세에

있다 전문서비스용 로봇은 생산국과 생산기업이 극히 제한되어 있으며 제품가

격의 고가로 인해 시장형성에 있어서 생산국과 수요국이 불일치하고 있는 실정

이다 이러한 상황에서 로봇시장의 국가별 점유율을 살펴보면 일본 (28) 미국

(18) 독일 (16) 이탈리아 (10) 한국 (3)의 순으로 세계 5 위를 차지하고

있다 이와 같이 산업용 로봇의 경우는 우리나라의 세계적인 위상이 높지만 아

직까지 전문 서비스 분야 로봇에 대한 세계적인 위상은 미비하다

시장규모 전망과 국내 세계시장 점유율에 대한 전망은 다음과 같다 세계 로

봇시장의 규모는 2010 년에는 247억 5 백만 달러에서 2020년에는 717억 7 천만

달러에 이를 것으로 보고 있으며 연평균 107의 증가율을 예상하고 있다 분

야별로는 제조업용 로봇은 2010 년 세계시장의 114에서 2020 년 144의 비중

을 차지할 것으로 전망하고 있으며 전문서비스용 로봇은 2010 년 세계시장의

09에서 2020 년 21의 비중을 차지할 것으로 예상하고 있다 개인서비스용

- 17 -

로봇은 2010 년 30에서 2020 년 70 수준에 달할 것으로 보고 있다 비록 전

문 서비스용 로봇산업의 규모는 미국 일본 독일에 비해 미미한 실정이나 전문

서비스용 로봇의 신시장을 개척하고 그 만큼의 기술력이 밑받침된다면 2020 년

세계시장에서의 더 큰 비중의 달성이 이루어질 것으로 본다

(2) 의료용 로봇기술 전망

의료용 로봇시장의 성장은 의료용 로봇기술 개발산업의 성장과 밀접한 관계

가 있다 세계적인 개발추세로는 의료용 로봇개발 하드웨어 분야에서는 일본이

경쟁력이 가장 높으며 소프트웨어 분야에서는 미국이 앞서나가고 있다 또한

독일은 하드웨어 및 소프트웨어 분야에서 동시에 상당한 연구 개발 능력을 보

유하고 있다 앞으로는 이 세 나라가 의료용 로봇 시장의 핵심 주자로 나설 것

으로 예상된다

산업연구원 (2007) 조사에 따르면 국내 로봇산업의 기술은 기술항목에 따라

다소 차이를 보이고 있으나 제조업용 로봇의 경우는 최고 기술 보유국 대비 평

균 85 정도에 육박하고 있으며 전문서비스용 로봇의 경우는 80 정도 개인서비

스용 로봇은 84 정도에 이르고 있는 것으로 나타났다 의료용 로봇 분야에서는

선두주자인 미국의 기술력을 100 이라고 봤을 때 현재 우리나라는 70 정도이며

2015년이 지나야 100 에 도달할 것으로 전망하였다 비록 의료용 로봇에서 세계

1위인 미국에 비해 우리는 아직 10년 이상 차이가 있지만 세계 최초로 국제 규

- 18 -

모의 로봇랜드 조성과 로봇펀드 발생 등 정부 차원에서의 노력이 여러 가지 방

면에서 다양하게 펼쳐지고 있기 때문에 그 격차는 점차 줄어들 것으로 예상된

다

또한 IFR (2006) 자료에 따르면 한국 산업용 로봇은 세계 5 위의 강국[16]인

데 비해 의료용 로봇에 있어서는 약소국이다 이는 의료용 로봇의 개발비가 많

이 드는데 비해 국내 시장은 극히 제한적이어서 일반 기업의 참여가 아주 저조

하기 때문이다 국내에서 의료용 로봇 관련 기술 개발은 아직 걸음마 단계에 머

물러 있으며 벤처기업 및 대기업들이 개발해 상용화시키고 있는 기술이나 제품

도 대부분이 생활 가전형 로봇에 한정되어 있을 뿐 의료용 로봇분야는 아직 미

개척지로 남아 있다 하지만 국내에서도 의료용 로봇 개발을 수행하기 위해 대

학이나 연구소 차원에서 의료용 로봇에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다 먼

저 한국과학기술원이 8 년 전 설치한 휴먼 웰페어 로보틱 서저리 센터가 대표

적인 연구기관이다 이 연구소에서는 거동이 불편한 환자들을 위한 휠체어의 자

동화 시스템이나 복강경 수술 로봇 등 로봇 수술용 기구의 국산화에 초점을 맞

춰 진행 중이다 또한 최근에는 국립암센터 역시 산업자원부로부터 수술용 로

봇과 영상시스템을 주제로 한 의료용 로봇 개발자로 선정되어 연구에 들어갔다

비록 국내 의료 및 수술 로봇 관련 기술이 일본 미국 등에 비해 아직까지

뒤쳐져 있는 실정이지만 국내에서도 의료용 로봇 기술 개발이 이처럼 활발히

진행되고 있어서 향후 전망은 매우 밝다고 할 수 있다 또한 해외에서 각광을

받고 있는 캡슐형 내시경 연구 역시 국내에서 벌써 10 년째 계속 되고 있다 최

- 19 -

근 한국과학기술연구원과 벤처기업인 인트로메딕이 개발한 세계 최소형 캡슐형

내시경인 미로캠 (MiroCam)은 2010 년까지 국내 캡슐형 내시경 시장의 80를

점유할 것으로 예상하고 있다 이러한 국산 의료용 로봇 개발을 통해 고부가가

치 시장인 세계 의료 시장에 뛰어들 수 있는 기반을 다졌다는 데에 큰 의미가

있다

전문 서비스용 로봇의 경우 제조업 로봇 관련 풍부한 경험을 바탕으로 전문

서비스용 로봇으로의 기술확대 메카트로닉스 (mechatronics) 관련 다양한 산업기

반과 세계적인 IT 인프라 보유국의 강점을 살리고 있다 또한 한국은 10 대 성

장동력간 연계 등을 통한 시너지 효과와 세계 전문서비스 로봇 시장이 초기형

성 단계임을 감안한다면 이 분야의 진출에 대한 절호의 기회이며 머지않아 의

료용 로봇 강국으로 진입할 수 있을 것으로 기대된다

- 20 -

제 3 장 능동 그리퍼

31 최소침습 수술 햅틱 장치 구현에 필요한 능동 그리퍼 제안

21 세기 로봇 기술 분야에서는 인간과 기계 시스템 간의 커뮤니케이션이 무

엇보다 중요하게 강조되며 이러한 인간과 기계 시스템의 의사소통은 주로 인간

의 감각 기관을 통해 이루어 진다 일반적으로 인간에게는 보고 듣고 냄새를

맡고 맛을 보고 피부로 느끼는 오감이 있으며 이러한 감각을 시각 청각 후

각 미각 촉각이라고 한다 따라서 이러한 인간의 감각에 정보를 전달하기 위

한 다양한 기계 시스템들이 개발되어 왔다 오감 중에서 현재 인간과 기계 시스

템간의 인터페이스 역할을 하는 표적인 감각으로는 사물을 보는 시각과 소리

를 듣는 청각이 주로 이용되고 있다 이를 위한 시스템들은 이미 상당한 수준으

로 발전해 현재 상용화 되어 활용되고 있다 하지만 이러한 시각과 청각 인터

페이스 만으로는 로봇의 제어에 한계가 있으며 오감 중에서 세 번째 감각인 촉

각에 한 인터페이스가 현재 활발히 연구 개척되고 있다 만약 가상현실에 촉

감 인터페이스가 적용된다면 기존의 시각과 청각에만 의존하던 가상 현실에 촉

감을 전달함으로써 실제 물건을 만지고 느낄 수 있으므로 가상현실을 보다 더

실감나게 할 수 있을 것이다 하지만 인간의 감각 중에서 촉각은 매우 민감한

감각으로 여기에 촉감 정보를 전달하는 인터페이스는 아직 많은 연구를 필요로

하고 있다

- 21 -

햅틱 (haptic)이란 단어의 사전적인 의미는 ldquoof or relating the sense of touch

tactilerdquo로써 물체를 만질 때 사람이 느낄 수 있는 촉각적 감각으로 피부가 물체

표면에 닿아서 느끼는 촉감 (tactile sensation)과 관절과 근육의 움직임이 방해 될

때 느껴지는 근 감각적인 힘 (kinesthetic force)의 두 가지 힘을 모두 합쳐서 부르

는 말이다 촉감 구현 연구는 물리적 장치를 이용하여 사람이 직접적인 접촉이

없이도 촉각 정보를 전달하는 방법에 관한 전반적인 연구 분야를 일컫는 말로

사람에게 원격지에 있는 물체의 물리적 특성을 전달하는 원격조작 혹은 원격현

장감에 관한 연구로부터 시작되었다 가상 혹은 실제 환경에서 촉감을 구현하기

위한 연구를 포괄적으로 의미하는 용어로 햅틱스 (haptics)라고 한다 주요 연구

분야는 사람이 직접 손에 쥐거나 착용하는 물리적 장치인 햅틱 디바이스 인터

페이스 (haptic interface) 가상 공간상의 물체에 기계적 성질을 부여하여 사실감

이 있는 상호작용을 제공하고자 하는 햅틱 렌더링 (haptic rendering) 사람의 촉

각 인지 특성에 관한 연구 (tactile perception) 등으로 나눌 수 있다 특히 햅틱

인터페이스 (haptic interface)는 햅틱 디바이스 (haptic device)라고도 불리우며 사람

에게 촉감을 전달하는 물리적인 장치를 말하며 더 넓은 의미로 사용하여 가상

의 환경을 촉감 전달을 통해서 느끼게 하는 시스템 전체를 가리키기도 한다 이

러한 햅틱 기술은 다양한 분야에서 활용될 수 있는데 표적인 분야로는 가상

현실 분야 인간-컴퓨터 인터페이스 분야 게임 등 사이버 커뮤니케이션 그리고

원격제어 로봇 등이 있다 특히 원격제어 로봇이 많이 활용되고 있는 의료 분

야에서 햅틱 구현은 매우 시급한 과제이다 현 의 수술은 점점 첨단의 수술 도

- 22 -

구와 로봇을 이용하여 집도되는 추세이며 최소침습수술 (minimally invasive

surgery MIS)이 그 표적인 예이다 이 수술법은 환부의 구멍에 수술도구와 카

메라를 삽입하여 집도의가 모니터를 보면서 시술함으로써 시술시간이 짧고 환

자의 회복이 빨라서 그 적용 범위가 점차 확 되고 있다 하지만 환자가 얻게

되는 이점에 반해 의사는 개복 수술에서 쉽게 이용하던 기술들을 더 이상 적용

할 수 없게 되어 집도에 있어 큰 어려움을 부담해야만 한다 즉 환자의 내부에

서 손의 움직임과 시야의 제약을 받게 되었고 손으로 환자의 장기나 뼈를 만지

고 상태를 확인할 수 없게 된 것이다 이러한 문제점들을 극복하기 위해 첨단의

의료용 로봇 시스템이 개발되었는데 의사 즉 오퍼레이터가 조작하는 마스터

(master) 로봇과 환자의 환부에서 수술을 진행하는 슬레이브 (slave) 로봇으로 구

분된다 슬레이브 로봇은 크게 수술 시 집도의 팔의 움직임을 구현하는 구동 암

(arm)과 수술도구를 홀딩 할 수 있는 그리퍼로 분류할 수 있다 구동 암의 움직

임은 수술 부위의 위치를 결정하면 별도 큰 움직임 없이 작동시킬 수 있으며

전달 수술 관통 수술이 아닌 경우에는 집도의가 느끼는 힘을 피드백 할 필요가

없다 하지만 그리퍼의 경우는 신체 일부분의 미세한 조직까지 전부 접촉해서

제거하거나 봉합하기 때문에 집도의가 수술 시 느끼는 힘을 구현하여야 보다

정밀한 수술을 수행할 수 있다 따라서 본 연구에서는 햅틱 장치가 적용된 마스

터 로봇과 마스터 로봇에서 형성된 힘을 느낄 수 있으며 원할한 수술을 진행할

수 있는 최소침습수술용 능동 그리퍼를 제안하겠다 Fig 3-1 은 상용 MIS 장치인

다빈치 로봇의 마스터와 슬레이브 그리고 그리퍼를 나타내고 있다

(a) sla

(b

Fig 3-1 da V

Operation Arm

Gripper

- 23 -

ave robot and g

b) master rob

Vinci robot sy

m

gripper

ot

stem for MIS

- 24 -

32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류

산업용 로봇은 그 기능 특성상 필요성에 의해 로봇의 말단부에 그리퍼를 부

착시킨다 이것은 인간의 손에 응되는 것으로서 메커니컬 핸드라고 칭하며 다

루는 상 물체를rdquo파지rdquo해 이동하는 목적으로 사용되는 도구이다

파지동작은 Fig 3-2 와 같이 세분화된다 인간의 손 손가락에는 많은 관절이

있으며 여러가지 작업이 가능하다 일상 생활에서의 붙잡기는 형식을 분류한 것

으로는 슐레징거의 12 형식이 있다 여기서 인간의 손에는 손가락이 있어서 그

것을 유지핸드라고 이름 붙이면 메커니컬 핸드에는 손가락이 없는 구성법이 있

는데 이것을 무지 핸드라고 이름 붙이기로 한다 이 무지 핸드는 기계적 물리적

으로 구조상 무지핸드로 한 것과 공구가 메커니컬 핸드와 일체화됐다고 생각하

는 공구 핸드가 있다 메커니컬 핸드를 분류해 보면 다음과 같다 진공이나 자

기 이용의 흡착 등 물리적 흡척형의 유지는 보통 평면(완만한 곡선도 포함)부를

흡착하는 형태로서 물체의 크기나 중량에 따라 여러 개가 설치되는 경우도 있

다 그러나 물체표면에 만곡부가 있는 경우나 구멍이나 공동이 있는 경우에는

적용할 수 없게 된다 또한 자력을 이용한 경우 철금속 재료를 다루게 되는데

경우에 따라서 매우 효율적이고 신뢰성이 높기는 하지만 물체에 잔류 자력이

남게 되는 문제점이 있다 받기형의 유지는 지지의 동작만을 가지고 있는 형태

이며 이는 전기한 흡착형 보다 적극적이 아니여서 약한 구속을 갖는다 변형하

기 쉬운 물체의 이송등에는 이를 채택한다 매달기형 유지는 중력 방향의 이동

1 자유도를 구속한다 잡기형 파지는 유연성에 의한 변형으로 접촉면적을 크게

하여 집는

상물을 외측

이용하는 등

33 파지형

파지 형

다 본 연구

하여 설명

(1) 두 손

형태이다 현

측에서 파지하

등의 파지방법

형태에 의한

형태로서는

구에서 사용할

명 하겠다

손가락 type

현재 많이 사

하거나 구멍

법이다

한 그리퍼의

상을 바깥에

할 메커니즘은

e

Fig 3-2 Cla

- 25 -

사용하고 있는

속에 손가락

의 분류

에서 파지하

은 바깥에서

assified by the

는 끼우기형

락을 넣은 후

는 것과 안에

파지하는 형

gripper grip ac

파지 형태는

후 벌려서 내

에서 파지하

형태가 유리하

ction

는 핸들링

내측사용면을

는 것이 있

하므로 이에

두 개의

상태를 유지

는 스윙형

안정되게 파

의 리지트한

지해서 개폐

핸드(swingin

파지하는 점에

손가락을 갖

되는 병진형

ng gripper)로

에서 병진형

(a) grinder c

(c

Fig 3-3 Sw

- 26 -

갖춘 것으로

핸드(transla

로 분류된다

보다 떨어진

crank

c) rotation joi

wing-type hand

실용례가 많

ational grippe

스윙형은 기

진다

(b) swing

int

d mechanism

많다 손가락이

er)와 그 방향

기구가 간단하

g block

이 상호평행

향이 변화하

하나 상이

병진형에

4 은 평행링

운동을 바꾸

에 회전시킴

로 유지되기

지된다 직

시키도록 한

가 전middot후진

피니온 방식

F

에서는 평행링

링크 방식의

꾸고 그 피니

킴으로써 손가

기 때문에 손

동형 신에

한 것도 있다

진하는 결점이

식이 채용된다

Fig 3-4 Hand

링크 랙middot피니

예로 직동형

니온 운동으로

가락 개폐를

손가락의 물체

에 회전형 액

다 평행링크를

이 있다 이문

다

mechanism fo

- 27 -

니온 나사이송

형 액추에이

로 평행링크의

얻는다 링크

체 파지면의

추에이터를

를 이용한 형

문제를 해결하

or translational

송 기구 등이

터의 운동을

의 하나의 링

크 PS 와 링

자세도 개폐

이용한 형식

형식은 개폐에

하는 방법으로

type1 (paralle

이 이용되고

랙과 피니온

링크 A 를 축

크 QR 은 항

폐 동작 중 일

식에서 평행링

에 의해서 손

로서 볼나사

el displacement

있다 Fig 3-

온으로 회전

축 P 의 주위

항상 평행으

일정하게 유

링크를 회전

손가락 위치

기구나 랙middot

nt)

Fig 3

는 핸드의

볼나사 기구

다

(2) 세 손

세 손가

가락으로 잡

F

-5 는 회전형

예이다볼나

구 각각을 손

손가락 type

가락을 가진 핸

잡는 것보다

Fig 3-5 Hand

형 액추에터로

나사 기구를 이

손가락에 부착

e

핸드에서는

안정된 파지

d mechanism fo

- 28 -

로 랙 피니온

이용하는 경

착 사라를 회

상을 3 점

지 동작을 할

or translational

온을 회전시킴

우에는 1

회전시킴으로

점에서 유지할

할 수 있다

l type2 (rack a

킴으로써 개폐

의 왼나사

써 개폐 동작

할수 있기 때

nd pinion type

폐동작을 하

오른나사의

작을 실현한

문에 두 손

e)

Fig 3-6

베벨기어를

구동해서 세

실현한 것

각 손가락을

복잡하며 중

6 은 세 손가

를 매개로 상

세 손가락을

이다 특히

을 개별 모터

중량도 증가하

Fig

락형 그리퍼

호 각도를 주

동작시킴으로

원통물체를

터로 구동하도

하기 때문에

3-6 Hand mec

- 29 -

의 일반적인

주어 결합한

로써 이른바

확실히 잡아

도록 한 3 지

실용례가 적

chanism for thr

인 형상을 나타

3 개의 볼

바 3 포인트 핀

아서 유지하

지형핸드도 개

적다

ree point pinch

타내고 있다

나사를 하나

핀치(three po

는데 유리하

개발되고 있으

h type

이 핸드는

나의 모터로

oint pinch)를

하다그 외에

으나기구가

34 메카니

(1) 구속

기계적

어서 형성되

전 구속 기

해서 언급하

으로 움직일

또 X Y 평

니컬 핸드의

속기능

구동장치에

되는 것으로

기능이 있다

하면 구속 상

일 수 있다

평면 X Y 면

의 구속기능

서 구속 형식

크게 나누어

그래서 핸드

상태의 물체는

이것을 물체

X Z 면상에

Fig 3-

- 30 -

능

식과 접촉 상

어서 반구속

드의 구속 기

는 Fig 3-7 와

체의 공전 (이

서 6 방향으

-7 Movement

상태와 포락

속 (받는 구속

기능을 결정하

와 같이 X Y

이동)에 관한

로 회전 한다

t of object

능력의 인자

속 는 구속

하는 물체의

Z 의 3 축상

6 동작 자유

다 이것을 물

자가 복합되

속)기능과 완

구속에

에서 6 방향

유도로 한다

물체의 자전

(회전)에 관

부여한 상태

행할 수 있

서는 회전의

핸드에

한 공간적

면 Fig 3-8

이 그림

를 구속한다

에서 7 자유

선접촉과 면

계수와 절선

(a

관한 6 동작

태에서 움직이

있다 또 완전

의 6 자유도를

의한 물체의

적인 포락 상

와 같이 된

(a)의 점접촉

다 그러나 1

유도를 구속

면접촉에는 각

선력법선력

a) point contac

Fig3

자유도로 한

이며 중력이

전 구속은 핸

를 무시하는

의 구속은 핸

상태로 정한다

다

촉은 접촉점

1 점접촉은 다

한다 (c)의

각각 마찰에

비와의 관계

ct (b

3-8 Contacts

- 31 -

한다 반구속은

이나 환경면의

드 자체로 1

경우도 적지

핸드와 물체의

다 먼저 접촉

방향의 1 자

다른 11 자유

면접촉은 11

위한 구속이

계로 구속불능

) line contact

of the kind an

은 12 자유도

의 구속을 받

12 자유도를

지 않다

의 접촉 상태

촉부의 구속

자유도를 구속

도를 구속할

1 자유도의 구

이 4 개와 6 개

능의 가능성을

nd the confini

도 중 몇 개의

아서 완전 구

행하는데 경

태 및 접촉부

능력을 모델

속한다 그러나

할 수 없다 (b

구속을 할 수

개 주어져 있

을 가진 구속

(c) surface co

ing

의 자유도를

구속으로 이

경우에 따라

부의 물체에

델로 나타내

나 1 자유도

b)는 선접촉

수 있다 단

있으며 마찰

속 성분이기

ontact

- 32 -

도 하다 또한 면접촉의 상태는 중력의 작용을 이용하면 받기를 형성하고 또

외계력을 이용하면 기를 형성한다

이들의 접촉상태는 물체의 형상과 핸드의 구속면으로 규정되는 것으로 핸드

만으로 결정하기는 어렵다 단 핸드의 구속면을 부드러운 재질로 형성하면 면

접촉의 이행이 용이하다 이와 같은 이유에서 물체에 접촉부가 포락도를 높이는

데에 따라서 물체 형상에 관계 없이 구속 능력을 증 시킬 수 있다

(2) 메커니컬 핸드의 자유도

로봇의 손은 그 용도를 불문하고 인간의 손 작업의 행을 목적으로 하는

것이므로 그 설계에 있어서 모델로 되는 것은 말할 것 도 없이 인간의 손이다

그래서 우선 기구에 하여 설명하기 전에 인간의 손의 구조 모델에 하여 설

명해 본다

AmiddotMorecki 에 의하면 인간의 상체는 그 해부학적 구조에 입각하면 Fig 3-9 와

같이 모델화할 수 있다 Fig 3-9 에서 숫자는 각각 골격 즉 링크를 나타내고 숫

자 II~ V 는 관절을 나타내고 있다 이와 같은 공간링크 기구의 자유도 F 는 가

동부수 n 자유도의 종류 f 를 가진 우 수를 Pf 라 하면 다음 식으로 나타낼

수 있다

6n sum ∙ P 12345 (3-1)

Fig 3-9

들 자유도가

을 Fig 3-9

P5=10 이므

인간의

유도 1 의

해 있으며

의 모델에서

가 있는 관절

9 와 같이 정

므로 위 식에

상지를 인공

액튜에이터를

22 개나 되

Fig 3

서는 n=19 P2

절에 작용하는

정의하고 그

서 FH=22 가

공적으로 정밀

를 27 필요

는 액튜에이

- 33 -

3-9 Human Ar

2=1 P3=2 P4

는 근군은 약

자유도 FH

가 된다

밀하게 재현하

요로 하게 된

터를 필요로

rm structure

4=6 P5=11 이

약 50 이라고

를 구하면

하려고 한다면

된다 또 손에

로 한다 그러

이므로 F=27

고 되어 있다

이 경우는 n

면 이상의 결

는 특히 자유

나 로봇의 손

이 된다 이

여기서 손

n=16 P4=6

결론에서 자

유도가 집중

손이 이만큼

- 34 -

의 수의 액튜에이터를 갖춘 것을 제작한다는 것은 크기 중량 제어면에서 볼

때 현시점에서는 불가능에 가깝다 특히 의수에 있어서는 상술한 바와 같은 형

상이나 조종성 등의 점에서 전혀 불가능하다고 해도 좋다 따라서 보통은 기능

에 주목하여 손에 집중해 있는 자유도의 간략화를 도모한다

인간의 잡기 동작에 주목해 보면 그 잡기 형상에는 12 종류가 있다고 하다

그러나 이것들은 엄지와 다른 12 종류가 있다고 한다 그러나 이것들은 엄지와

다른 4 손가락과의 관계에 주목하였을 때에 2 종류 즉 엄지가 다른 4 손가락과

항해서 동작하거나 그 측방에서 동작하는가로 분류할 수 있다 실제의 일상

동작에서 관찰하면 이들 중에서도 엄지와 손가락이 항해서 동작하는 소위 쥠

동작이 우선 첫 번째이고 또 다음에 엄지 검지 중지의 3 손가락의 선단으로

이루어지는 3Point Pinch 즉 잡기동작이 중요하다

더불어 손가락의 독립성에 해서는 역시 일상동작 중에서 손가락의 사용

빈도를 조사한 결과에 의하면 다섯 손가락은 반드시 독립적인 운동을 필요로

하지 않고 엄지 검지 중지가 같은 정도의 중요성을 자기며 다른 두 손가락은

사용 빈도에 있어서 이들 세 손가락보다 약 50 적으며 다른 세 손가락의 보

조 역할을 한다고 볼 수 있다 그리고 특히 중요한 것은 인간의 각 손가락은 잡

기 상물의 형상에 적응한 쥐기 즉 Passive 한 동작을 할 수 있다는 것이다 이

기능이 있다면 각 손가락이 독립적으로 동작하지 않더라도 또 다소 손의 자유

도를 제거하더라도 상물의 확실한 쥐기나 잡기 그리고 기타 손 작업에 큰 힘

을 발휘한다

- 35 -

34 표적인 동력원의 특징

동력원을 설계할 때 다음의 점을 고려하면서 가장 적합한 방식을 선택한다

1조작력(로보트가 내는 최 의 힘 예를들면 최 들어올린 힘)

2속응성(최 조작 속도)

3크기 중량(로보트의 크기와 중량의 제한)

4안정성(발열이나 과부하에 한 안전성)

5사용의 용이도

6수명가격

1 2 의 조작력 속응력은 로보트에 요구되는 성능에서 가장 기본적인 것인

데 이에 관련해서 크기나 중량의 제한 안정성 사용의 용이도 수명 가격 등을

고려해서 동력원을 선택한다 단 자주형 로보트에서는 2 차적 성능인 동력원의

중량이 첫째 요구 조건이 되는 경우가 많고 공업용 로보트에서는 저가격 사용

의 용이도 안전성이 중요 사항으로 우선시된다

모든 로봇은 동력원을 필요로한다 중요도에 따라 동력원을 선택해야 하는데

일반적으로 공기압식은 안전성이 뛰어난 반면 힘과 세밀한 위치제어가 어렵고

전기식은 응답성과 사용편리성 세밀한 위치제어가 가능하나 높은 힘을 내기 위

해서는 부가적인 기구부가 필요하다 유압식은 큰힘을 낼수있어서 속응성은 좋

으나 과부하시 상당한 발열이 있기 때문에 안전성에서 다른 동력원에 비해 떨

어진다 위 사항을 TABLE 3-1 로 분류하여 나타내었다

- 36 -

TABLE 3-1 Characteristics of power sources

전기식 유압식 공압식

사용용이성 편리하다 작동유의관리 관로의압력

필터관리에 유의

공급공기의 수분제거

윤활성의부가에 주의

수명 길다 기름에 윤활성이 있기

때문에 길다

공기에윤활성이 없어

유압 전기에 비해 짧다

가격 보통 가격 운영비 높음 저가격

응답속도

(반응성) 매우 빠르다 빠르다 늦다

하중능력 (소)에서 (중)정도의

하중능력 단히 큰 힘을 얻음 큰 힘은 없다

소음 적다 다소 크다 크다

- 37 -

제 4 장 능동형 그리퍼 설계

41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정

로봇 그리퍼의 정밀 파지 (Fingertip Grasp 손가락 끝을 이용하여 물체를 집

거나 바닥에누워있는 납작한 물체를 집는 행동)를 안정하게 하기 위해서는 손가

락 끝과 물체가 직각에 가까운 각도를 이룸으로 마찰력을 크게 하여 안정성을

높인다 또한 바닥에 놓인 물체를 집어 올릴 경우에도 물체표면의 법선 벡터와

손가락 끝의 각도가 클수록 물체를 효과적으로 구속하여 안정된 파지를 할 수

있다

그리퍼의 링크 시스템에 있어서 2 링크 손가락보다 3 링크 손가락을 쓸 때가

링크와 수평 평면이 이루는 각 (A)이 더 커지기 때문에 안정성이 더 좋다는 것

을 알 수 있다 그리고 안정성뿐만 아니라 식 (4-1)을 통하여 문체에 전해지는

Torque 값을 Fig 4-2 와 같이 그래프로 나타내면 0 도에서 75 도 정도까지는 A 각

이 커질수록 물체에 가해지는 토크 값이 점점 커지는 것을 알 수 있음으로 3 링

크 손가락을 쓰는 것이 파지력 증가됨을 알수 있다 ℓ3 의 길이가 길어질수록 A

가 작은 값을 가져서 정밀파지에 적당하지 않다

τ l cosA sinA l 1 cos A tan μ (41)

A cosempty

(42)

Fig 4-1

은 식을 통

각이 커짐을

움이 있고

Fig4-

에서 제 2 코

통해 구할 수

을 알 수 있다

최소 단위를

Fig4

-1 Configurati

코사인 법칙

있는데 이로

다 그러나 ℓ

를 1cm 로 하

-2 Change the

- 38 -

ion of the fing

을 이용하여

로부터 링크

ℓ3 가 1cm 인

하였기 때문에

e value of the a

gers on robot g

여 A 의 각을

길이 ℓ3 가

인 경우는 너

에 ℓ3 는 2cm

angle of phage

gripper

구하기 위해

작으면 작을

무 짧아서 파

로 결정하였

torque

해 (2) 와 같

을수록 A 의

파지의 어려

였다

42 모터

(1) 알고

앞 절에

여야 한다

는 모터의

이 작은 모

나 용량이

로 적절한

선정 알고

고리즘 정의

에서 설명한 기

로봇 팔에

선정은 동작

모터를 사용하

큰 모터를 사

모터의 선정

고리즘

기구들을 추

움직임을 전

작을 구현하는

하게 되면 기

사용하게 되

정이 중요하다

Fig 4-3 M

- 39 -

추후 로봇 시스

전달함에 있어

는데 중요한

기구의 원활한

면 모터의 외

다

Motor Selectio

스템에 적용을

어서 동력을

과제가 되겠

한 작동이 어

외형이 커지

on Algorithm

을 고려하여

공급과 제어

겠다 만일 토

려워지고 단

고 가격 또한

설계를 하

어를 수행하

토크나 용량

단순히 토크

한 증가하므

- 40 -

(2) 알고리즘 수행

모터를 선정하기 위해서 가장 우선적으로 해야 할 일은 기계구동부분을 결

정하고 구동부분을 어떠한 방식으로 작동을 시킬지 동작 패턴을 결정하여야 한

다 예를 들면 모터에서 나오는 힘을 받아서 볼 스크류를 이용하여 힘을 전달할

것인지 벨트 피니언 기어 혹은 풀리 등을 이용할 것인지를 결정하고 그에 따

른 적절한 구동방식을 결정한다 구동방식을 결정하게 되면 각각의 구동방식에

적합한 수식을 대입하여 부하토크를 계산한다 구동방식에 따른 부하토크를 구

하는 수식은 구동방식이나 구동장소 등에 따라 다소 상이하나 일반적인 수식은

다음과 같다

-BALL SCREW 구동

T FP2πn

μ F P2π

1i N ∙ m 43

F F mg sin α μ cos α N 44

-PULLEY 구동

T ∙ 45

μF D

2i N ∙ m

- 41 -

-WIRE middot BELT 구동 RACK middot PINION 구동

T F2πn

∙ πDi

FD2ni

N ∙ m 46

F F mg sin α μ cos s N 47

-실측에 의한 방법

T 48

직선운동 (커플링 직결 볼스크류 등)의 경우 위의 (43) (44) 이용하여 구할

수 있다 이때 F 는 축방향하중 F0 는 예압하중 μ0는 예압 NUT 의 마찰계수 η 은

효율i 는 감속비 PB 는볼스크류 피치를 나타낸다 회전운동 (풀리)의 경우 식

(45)를 이용하여 구할 수 있으며 FA는 외력 FB는 부하중량 (주축이 회전하기 시

작할 때의 힘) m 은 work 와 TABLE 의 총무계 μ 접동면의 마찰계수α는 경사각

도D 는 풀리의 지름을 나타낸다

실제현장에서는 선정된 모터의 토크를 확인하기 위해 실측에 의한 구동토크

를 계측하는데 스프링 저울을 구동 풀리에 연결지어 측정한다 이때 TL 은 회전

운동 부하토크에 해당하고 FB 는 부하중량 D 는 풀리의 직경을 나타낸다

위의 부하토크를 구하는 식들을 이용하여 부하토크를 구하게 되면 실제 모

터를 사용할 때 어느 정도의 시간적 여유를 두고 가속을 할 것인지 감속을 할

것인지를 결정하여야 한다 이를 위해서 우선 동작시킬 부분에 대한 관성모멘트

를 계산하

Fig 4-4

시한 것으로

dA 와 기준

이를 표현하

하여야 한다

4 는 관성모멘

로 X 와 Y

준축으로 부터

하면 식 (49)

Fig 4-4 Arb

I

멘트를 구하기

는 면적의 미

터의 거리의

)와 같다

- 42 -

bitrary shape o

y dA I

기 위한 절대

미소 요소 dA

제곱의 곱으

of planar area

x dA

대좌표 X Y

A 의 좌표이

으로 단면 2

축 상의 미소

이고 관성모멘

차 모멘트라

49

소면적을 도

멘트는 요소

라고도 한다

평면 면

가 있다 평

축에 대한

Fig 4-5

하는 평행한

관성모멘

식 (410

번째 적분은

면적의 관성

평행축 정리란

관성 모멘트

5 과 같이 도

한 xy 축 두

멘트의 정의로

I y

0) 에서 우변

은 Xc 축에

Fig 4-5

모멘트에 있

란 도심축에

트 사이의 관

도심을 원점으

좌표계의 평

로부터 x 축

y d dA

변의 첫 번째

대한 1 차 모

- 43 -

5 Parallel-axis

있어서 중요하

대한 관성

계를 나타낸

으로 하는 Xc

평행한 축 간

축에 대한 관

y dA

적분은 Xc

모멘트로서 X

theorem

하고 유용한

모멘트와 도

낸다

cYc 축과 임의

간의 거리를 d

성모멘트 Ix

2d y dA

축에 대한 관

Xc 축이 도심

정리로서 평

도심축에 평행

의의 점 O 를

d1 과 d2 로 표

는 식(410)와

d dA

관성모멘트

심을 통과하므

평행축 정리

행한 임의의

를 원점으로

표시한다

와 같다

410

I 이다 두

므로 적분의

- 44 -

값은 0 이다 세번째 적분은 면적 A 그 자체이다 따라서 식 (410)은 식 (411)과

같이 간단해진다

I I Ad 411

y 축에 대한 관성모멘트도 위와 같은 방법에 의해 식(412)과 같다

I I Ad 412

또한 면적의 평면에 수직인 수직축에 대한 관성모멘트를 극관성모멘트라 한

다 Fig 4-6 는 평면에 수직이고 O 점을 통과하는 축에 대한 극관성모멘트를 나

타낸 그림으로 이를 관성모멘트 식으로 표현하면 식 (413) 와 같다

I ρ dA 413

식 (413)와

즉 평면에

서로 수직인

극 관성

와 도심 C

와 식 (414)에

I

수직인 축에

인 두 축에 대

성모멘트에 대

에 대한 극

Fig 4-6 Arb

의해 식 (4

ρ dA

I

에 대한 극관

대한 관성모

대한 평행축

극 관성모멘트

- 45 -

bitrary shape o

ρ x y

415) 식 (41

x y dA

I I I

관성모멘트는

멘트의 합과

정리는 Fig

트를 각각 I

of Polar Area

y

16)과 같은 관

x dA y

는 평면 내의

과 같다

4-5 에서 유

와 I 로

관계식을 얻을

y dA

같은 지점을

유도할 수 있

로 표시하면

414

을 수 있다

415

416

을 통과하는

있다 원점 O

식 (416)에

- 46 -

서 식(417)을 유도할 수 있다

I I I I I I 417

I I I I A d d 418

I I Ad 419

식 (419)는 극 관성모멘트에 대한 평행축 정리를 나타낸다 즉 평면 내의 임의

의 한 점 O 에 대한 면적의 극관성모멘트는 도심 C 에 대한 극관성모멘트에 그

면적과 점 O 와 C 사이의 거리의 제곱의 곱을 더한 것과 같다

이상의 식에서 부하토크와 관성모멘트를 계산하여 모터를 가 선정한다 부하토

크의 경우 사용될 모터의 정격 토크를 넘어서지 않는 것을 선정한다 부하토크

를 TL 정상 부하 상태의 힘 PL 극 관성모멘트 IL 회전운동을 위한 힘 Pa 각속

도 가속 시 소요되는 시간을 ta 라 하고 식 (420)을 이용하여 부하가 일정하

게 작용할 때의 힘을 계산한다 마찬가지로 관성모멘트를 식 (421)에 대입하여

가속을 위한 회전 운동 시 필요한 힘을 계산한다 식 (420)과 식 (421)에서 계

산된 힘을 합산하면 모터를 회전시키기 위해 필요한 출력이 계산된다 이때 계

산된 출력보다 실제 사용할 모터의 정격 출력이 1~2 배 정도가 되도록 모터를

가 선정한다

- 47 -

P T ω 420

P 421

위의 과정을 통하여 모터를 가선정하고 가감속 토크 및 구동 토크를 계산한

다 각각의 토크를 계산하게 되면 모터를 최종적으로 선정하게 되는데 두 가지

사항을 고려하여 최종 선정한다 먼저 식 (422)을 통해서 계산되는 가속 시 소

요되는 기동 토크 TM 가 모터의 최대 토크를 넘지 않는 것으로 선정한다

T 422

두 번째로 Fig 4-7 의 속도 선도와 같이 모터의 가 감속 시간과 정상 동작

시간 등을 결정하여 식 (423)과 같이 실효치 토크 TS 를 구하고 실효 토크가 모

터의 정격 토크보다 크지 않도록 선정한다

T 423

Fig 4-7 Exa

- 48 -

ample of veloc

city guidance

- 49 -

(3) 알고리즘 적용

로봇시스템에 있어서 기구들의 관성모멘트와 토크 계산 후 적합한 모터를

선정하기 위해 시중에서 시판되는 모터를 조사하였다 로봇에 적용 가능한 모터

로는 크게 서버모터와 스텝모터 RC 서버모터 DC 모터로 구분 할 수 있었다 이

를 TABLE 4-1 과 같이 정리하였다

동력원의 6 가지 선정요소 중 우선순위를 부여하여 분류했을 때 핸드 그리퍼

의 특성상 가볍고 토크가 큰 RC 서버 모터 미니 서버모터를 선택할 수 도 있지

만 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터 중 토크를 증가시킬 수 있는

감속기가 있는 타입의 모터를 우선시 하였다

1 감속비를 사양할 수 있는 모터를 선정하여 계산한 토크를 확인한다

2 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터를 선정한다

3 CLOSED LOOP 제어를 통하여 정확한 위치를 검출할 수 있어야 한다

따라서 스텝모터중 lsquoOrsquo사의 ldquoαSTEPrdquo가 적합하다고 판단되어 모터를 선정하였다

- 50 -

TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics

미니서버모터 RC 서버모터 스텝모터 DC 모터

장점 동일사양대비 모터

중 10배정도 큰 토크

5v사용가벼움

정확한 위치제어

급격한 부하변동급가

속 유리

저렴한가격

보편화됨

단점 정지시 진동이 예상 약한 토크 THRUST하중이 모터

무계 이하여야 한다

유지보수가 잦다

크기 151588mm(10w20w)

2525111mm(30w)

392038mm 424234mm Oslash37mm917mm

동작전압 Dc 24V Dc 48V60V Dc 24V Dc 24V

무계 230g~400g 56g 150g 200g

허용토크 009Nm~03Nm 11~13kgfcm 18kgfcm (018Nm) 47kgfcm(1200)

감속기 다양한 감속비 가능 고정 감속기 감속기 무(072˚036) 다양한 감속비

제조사 야스카와 SGMM 하이텍 HS-5945 AUTONICS GCM 3429A

TABLE 4-2 αstep motor characteristics

외형 전압 전류 무계 토크 감속비 분해능

αSTEP 282884mm

4242127mm Dc24V 1~37A 250G 2~28 Nmiddotm 50~1001

00072pluse

00036pluse

- 51 -

43 1 차 능동형 그리퍼 설계

실린더를 사용하여 링크로 물체를 파지하던 그리퍼는 Fig 4-8 과 Fig 4-9 에

묘사하였다 이런 실린더를 사용한 그리퍼는 공압 효과를 도출할 수 있는 별도

의 펌프가 필요하고 동작을 구현할 수 있는 자유도를 증가시키는데 한계가 있

다 이런 실린더의 단점을 보완하고 전기모터의 장점을 사용하기 위해 웜기어와

웜휠 방식을 채택하여 2 자유도 능동형 그리퍼를 설계하였다

1 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-10 에 묘사하였으며 1 차설계한

능동형 그리퍼는 Two Fingertip Grasp 로 칭하겠다 파지한 물체를 회전 시키는

기능은 베벨기어를 사용하여 회전운동으로 구현하였고 실린더의 전middot후진 운동

을 전기모터의 회전운동으로 변환 시키기 위하여 웜기어와 웜휨을 선택하였다

전기모터에 의해 회전하는 운동은 웜기어와 웜휠에 의해 링크를 사용하여 물체

를 파지하였던 그리퍼와 동일한 운동효과를 가지게 되었다

웜기어와 웜휠을 사용하여 물체를 파지하는 능동형 그리퍼는 스윙형으로 설

계되었으며 파지력을 높이기 위한 각도를 적용하였다 링크를 사용하여 물체를

파지하는 형태의 그리퍼보다 기구의 크기를 줄일 수 있는 장점이 있는 반면 기

어들의 백래시에 의한 오차가 끝단에 누적될 수 있는 문제점을 가지고 있다또

한 기구부의 소재 변경으로 그리퍼의 무계를 줄일 수 도 있지만 가장 큰 무계

를 차지하는 모터를 그리퍼 자체에서 분리하게 할 수 있게 하려면 그리퍼 자체

의 구조변경이 필요하다

`

`

Fig 4-8 Par

Fig 4-9 Par

- 52 -

rallel-link gra

rallel-link gra

sps system 1

sps system 2

Fig 4-10

- 53 -

0 Two fingertipps grasp system

- 54 -

44 2 차 능동형 그리퍼 설계

1 차 설계한 능동형 그리퍼에서 발견된 문제점을 보안하기 위하여 2 차 능동

형 그리퍼를 설계하였다 2 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-11 에 묘사

하였으며 2 차설계한 능동형 그리퍼는 Four Fingertip Grasp 로 칭하겠다 이 장치

는 크게 동력원 동력 전달장치 핑거 그립장치로 구성되어있으며 이를 통합하

여 Fig 4-12 에 나타내었다

핑거 그립장치는 스윙형 그립의 단점을 보완하여 설계하였다 물체를 파지할

때 그립의 회전 반경이 주위 환경요소와 간섭을 발생시킬 수 있는데핑거가 전

진할때 샤프트와 핑거그립간의 나사결합형태를 통한 직선운동으로 개선하여 주

위환경요소에 영향을 주지 않도록 설계하였다 구동축의 핑거파지 메카니즘을

Fig 4-13 와 같이 간략화 하였고 이에 대한 세부 도면은 Fig 4-14 로 나타내었다

4 조 핑거 그립의 나사산과 테이퍼진 스크류축은 나사식으로 결합되며 상호

작용에 의해 점차 중심점으로 이동하여 물체를 파지하는 형태이다 사용된 2 개

의 샤프트는 중공축으로 설계하였으며 외부 샤프트는 4 조 핑거가 물체를 파지

하여 비트는 모션을 구현하는데 사용되었다 내부 샤프트는 핑거를 중심점으로

전진시켜는 기능을 수행한다 중공축으로 설계한 내부 샤프트는 차후 개발될 인

스트리먼트의 탈부착을 손쉽게 할수있도록 구현하였고 4 조로 설계된 핑거는 그

립시 인스트리먼트의 응력집중현상을 분산시키는 기능과 2 조로 그립하였을때

보다 안정적인 그립감을 형성한다

- 55 -

동력원과 동력전달장치는 Fig 4-15 에 나타내었으며 Two Fingertip Grasp system

의 문제점이었던 구동부의 모터의 설치 방법을 외부에 부착하는 형태로 변경하

여 우레탄 밸트를 사용하였다 또한 아이들러를 사용하여 밸트의 방향을 변경

하여 모터의 부착위치를 자유롭게 설정할 수 있도록 하였고 모터 브라켓에 슬

리브 홈을 설치하여 벨트의 장력을 조절할 수 있도록 하였다

Fig4-11

Fig4-12 Fou

- 56 -

Four fingertip

ur fingertips g

ps grasp system

grasp system la

m

ayout

Fig 4-13

Fig 4-14

- 57 -

Fingertip gra

4 Fingertip gr

asps mechanis

rasps extended

m

d

Fig 4-15

- 58 -

5 Power transmission devicce

- 59 -

제 5장 결 론

본 연구에서는 MIS 수술 로봇을 위한 햅틱 마스터장치 구동용 능동형 그리

퍼를 설계하기 위하여 그에 상응하는 자료 및 문헌 조사를 수행하였고 햅틱 마

스터에 적용 가능한 능동형 그리퍼를 설계하여 로봇 시스템의 초안을 구성하였

다 수술용 도구를 단순히 잡아주는 역할에서 벗어나 시스템에 추가적인 자유도

를 부여함으로써 그리퍼를 표현하였다 단순화된 그리퍼는 보다 저렴한 가격으

로 생산될 수 있으며 기존 로봇 수술시스템의 높은 비용을 절감할 수 있는 효

과를 가져올 수 있다

최종적으로 제안한 설계 안으로는 2 조 핑거그립를 사용하는 전기모터형 그

리퍼 와 추가적으로 개선한 4 조 전기모터형 핑거그립를 설계였다 스윙형 그립

의 단점을 보안하여 집중응력을 분산할 수 있는 구조로 설계하였고 그리퍼의

무계를 줄일 수 있는 방법을 제시하였다 이로써 원통형 도구 파지 시 안정성이

향상되었고 보다 원활하게 수술 도구를 교체 가능하도록 하였다

앞으로 촉감을 전달할 수 있는 센서의 개발로 햅틱 디바이스 인터페이스 장

치의 활용에 보다 높은 기여를 할 것이라 예상된다

-６０-

참고 문헌

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4자유도 병렬 메커니즘의 기구학분석rdquo한국정밀공학회 2007년 추계학술대회

• 제1장 서 론
• • 11 연구배경 및 연구목적
  • 12 연구내용
  • • 제2장 로봇 산업의 기술 현황
    • • 21 로봇산업의 동향
      • 22 의료용 로봇기술 현황
      • 23 의료용 로봇시장 전망
      • • 제3장 능동 그리퍼
        • • 31 최소침습 수술 햅틱 장치구현에 필요한 능동 그리퍼 제안
          • 32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류
          • 33 파지형태에 의한 그리퍼의 분류
          • 34 메카니컬 핸드의 구속기능
          • 35 대표적인 동력원의 특징
          • • 제4장 능동형 그리퍼 설계
            • • 41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정
              • 42 모터 선정 알고리즘
              • • 43 1 차 능동형 그리퍼 설계
                • 44 2 차 능동형 그리퍼 설계
                • • 제 5 장 결론
                  • 참고문헌
                  • TABLE 2-1 Domestic robot classification
                  • TABLE 2-2 Robot Production Company
                  • TABLE 3-1 Characteristics of power sources
                  • TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics
                  • TABLE 4-2 αSTEP Motor Characteristics
                  • Fig2-1 Phase of medical robots in the robot industry
                  • Fig2-2 Da Vinci surgical case number
                  • Fig3-1 Da Vinci robot system for MIS
                  • Fig3-2 Classified by the gripper grip action
                  • Fig3-3 Swing-type hand mechanism
                  • Fig3-4 Hand mechanism for translational type1 (parallel displacement)
                  • Fig3-5 Hand mechanism for translational type2 (Rack and pinion type)
                  • Fig3-6 Hand mechanism for three point pinch type
                  • Fig3-7 Movement of object
                  • Fig3-8 Contacts of the kind and the confining
                  • Fig3-9 Human Arm structure
                  • Fig4-1 Configuration of the fingers on robot gripper
                  • Fig4-2 Change the value of the angle of phage torque
                  • Fig4-3 Motor Selection Algorithm
                  • Fig4-4 Arbitrary Shape of Planar Area
                  • Fig4-5 Parallel-Axis Theorem
                  • Fig4-6 Arbitrary Shape of Polar Area
                  • Fig4-7 Example of Velocity Guidance
                  • Fig4-8 Parallel-link Grasp system 1
                  • Fig4-9 Parallel-link Grasp system 2
                  • Fig4-10 TWO Fingertip Grasp system
                  • Fig4-11 Four Fingertip Grasp System
                  • Fig4-12 Four Fingertip Grasp System layout
                  • Fig4-13 Fingertip Grasp Mechanism
                  • Fig4-14 Fingertip Grasp extended
                  • Fig4-15 Power Transmission Device

최소침습수술 로봇 시스템용 능동

그리퍼의 설계

Design of Active Gripper for Minimal Invasive Surgery

Robot Systems

2011 年 8 月

指導敎授 崔 承 福 이 論文을 碩士學位 論文으로 提出함

仁荷大學校 工學大學院

機械工學科

金 賢

이 論文을 金 賢의 碩士學位論文으로 認定함

2011 年 8 月

主審

副審

委員

i

요 약 문

로봇은 이미 다양한 자동화 산업 분야에서 높은 부가가치의 창출로 인해 그

가치가 인정되어 점점 더 그 활용 분야가 증가하고 있는 추세에 있다 특히 의

료용 로봇 분야에서는 수술행위를 대행하는 다빈치 로봇의 개발로 수술의 신뢰

도를 크게 향상시키고 있다 로봇은 종종 큰 수술 시 다양한 의료장비를 교체해

야 하는데 교체 시 많은 시간이 요구된다 이러한 많은 준비단계와 사용하고 나

서의 복잡한 소독과정으로 인해 실제 로봇을 이용한 수술은 많은 시간이 걸리

며 초기자본을 회수하는 부분에서도 경제성이 떨어진다

따라서 본 연구에서는 수술용 도구를 단순히 잡아주는 그리퍼에서 벗어나

그리퍼에 추가적인 회전 자유도를 부여함으로써 기능을 향상시키는 능동형 그

리퍼를 제안하고 이를 이용한 안정적인 파지 법에 대하여 논하였다 제안한 설

계 안으로는 2 조 핑거 그립을 사용하는 전기모터 형 그리퍼와 추가적으로 개선

한 4 조 전기모터를 이용한 능동형 그리퍼를 제시하였으며 스윙 형 그립의 단

점을 보안하여 집중응력을 분산할 수 있는 구조로 설계되었다 또한 그리퍼의

무게를 줄일 수 있는 방법을 제시하고 이에 대한 분석을 수행하였다

ii

Abstract

Nowadays many researchers about robot are analyzed because robot

technology can be created the competitive market and it can increase the

export and employment Especially minimally invasive surgery is a

representative surgery method which utilize medical robot like the da Vinci

But medical robot need complicate process time and cost It can generate a

detrimental effect to the medical robot market

In this thesis active gripper which has multi-rotational freedom as well

as function holding a surgery instrument is proposed via constraint method

Two-finger gripper using a electronic motor and four-finger gripper is

designed The objective of gripper design is to disperse a stress and light a

weight of gripper The comparison between 2 type gripper and performance

is analyzed

-iii-

Nomenclatures

1 Length of first link

2 Length of the second link

3 Length of the third link

Torque

A Grasp angle

r Straight

LT Rotating Torque Load

BF Applied load[ N ]

([The value of the spring scale] kg g[ ms2 ] )

Efficiency( 085~095 )

D Choejongdan pulley diameter[ m ]

xI x-axis moment of inertia

yI y-axis moment of inertia

pI polar moment of inertia

LP The power of normal load conditions( 0i )

LI polar moment of inertia

aP For rotational forces

Angular

at Acceleration time

-iv-

MT Starting torque

ST RMS Torque

F Axial load[ N ]

0F Preload [ N ] ( ≒13F )

0 Coefficient of internal friction of the nut( 01~03 )

i Equipment ratio

Bp BALL SCREW PITCH [ mrev ]

AF External force [ N ]

m total weight of the WORK and TABLE[kg]

the friction surface coefficient of friction ( 005 )

the angle of gradient [˚ ]

g gravitational acceleration [ m ] ( 9807 )

-v-

List of Tables and Figures

TABLE 2-1 Domestic robot classification 5

TABLE 2-2 Robot Production Company 8

TABLE 3-1 Characteristics of power sources 36

TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics 50

TABLE 4-2 αSTEP Motor Characteristics 50

Fig2-1 Phase of medical robots in the robot industry 6

Fig2-2 Da Vinci surgical case number 13

Fig3-1 Da Vinci robot system for MIS 23

Fig3-2 Classified by the gripper grip action 25

Fig3-3 Swing-type hand mechanism 26

Fig3-4 Hand mechanism for translational type1 (parallel displacement)

27

Fig3-5 Hand mechanism for translational type2 (Rack and pinion type)

28

Fig3-6 Hand mechanism for three point pinch type 29

Fig3-7 Movement of object 30

Fig3-8 Contacts of the kind and the confining 31

Fig3-9 Human Arm structure 33

Fig4-1 Configuration of the fingers on robot gripper 38

Fig4-2 Change the value of the angle of phage torque 38

Fig4-3 Motor Selection Algorithm 39

Fig4-4 Arbitrary Shape of Planar Area 42

-vi-

Fig4-5 Parallel-Axis Theorem 43

Fig4-6 Arbitrary Shape of Polar Area 45

Fig4-7 Example of Velocity Guidance 48

Fig4-8 Parallel-link Grasp system 1 52

Fig4-9 Parallel-link Grasp system 2 52

Fig4-10 TWO Fingertip Grasp system 53

Fig4-11 Four Fingertip Grasp System 56

Fig4-12 Four Fingertip Grasp System layout 56

Fig4-13 Fingertip Grasp Mechanism 57

Fig4-14 Fingertip Grasp extended 57

Fig 4-15 Power Transmission Device 58

-vii-

목 차

요 약 문 i

Abstract ii

Nomenclature iii

List of Figures and Tables v

제1장 서 론 1

11 연구배경 및 연구목적 1

12 연구내용 3

제2장 로봇 산업의 기술 현황 4

21 로봇산업의 동향 4

22 의료용 로봇기술 현황 9

23 의료용 로봇시장 전망 16

제3장 능동 그리퍼 20

31 최소침습 수술 햅틱 장치구현에 필요한 능동 그리퍼 제안

20

32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류 24

33 파지형태에 의한 그리퍼의 분류 25

-viii-

34 메카니컬 핸드의 구속기능 30

35 대표적인 동력원의 특징 35

제4장 능동형 그리퍼 설계 37

41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정 37

42 모터 선정 알고리즘 39

43 1차 능동형 그리퍼 설계 51

44 2차 능동형 그리퍼 설계 54

제 5장 결론 59

참고문헌 60

- 1 -

제 1장 서 론

11 연구 배경 및 연구 목적

로봇은 이미 다양한 자동화 산업 분야에서 높은 부가가치의 창출로 인해 그

가치가 인정되어 점점 더 그 활용 분야가 증가하고 있는 추세에 있다 또한 최

근 들어서는 산업현장뿐만 아니라 생활 기구 의료용에서도 로봇을 접목시켜 이

를 실제 시스템에 사용하고 있다 특히 의료용 로봇 분야에서는 수술행위를 대

행하는 다빈치 로봇의 개발로 수술의 신뢰도를 크게 향상시키고 있다

다빈치 수술시스템은 너무나 성공적 이여서 수술행위의 수행에 있어서 커다

란 변화를 가져왔다 최소 침습수술의 발전으로 환자의 회복속도는 놀랍도록 빨

라졌지만 모든 개복수술을 최소 침습수술기법으로 대처하기에는 아직 기술적으

로 극복하지 못한 분야도 있다 기존의 복강경 수술의 경우 수술시야가 제한적

이고 수술부의로의 유일한 접근 통로인 투관이 한정되어 있어 손 운동에 제한

적이다 또한 로봇은 복잡하고 종종 큰 수술 시 다양한 의료장비를 교체해야 하

는데 교체 시 많은 시간이 요구된다 이러한 많은 준비단계와 사용하고 나서의

복잡한 소독과정으로 인해 실제 로봇을 이용한 수술은 많은 시간이 걸리며 초

기자본을 회수하는데 많은 시간이 걸리므로 경제성이 떨어진다 또한 실제 수술

시에는 다양한 수술도구들이 사용되는데 로봇수술을 위해서는 로봇 팔과 연동

된 수술 도구들이 쉽게 탈 부착 될 수 있어야 한다 실제 수술도구들이 쉽게 탈

부착된다면 작업 능률이 보다 증대될 것이다

- 2 -

수술용 로봇에 사용되는 엔드 이펙터 (End Effector)을 검토해보면 공통적 인

사실을 확인할 수 있다 시판되고 있는 복강경 로봇수술용 도구들은 Trocar 라

는 기구를 통해 인체 내로 삽입되고 Trocar 의 구조상 수술용 도구들은 Oslash55 이

내의 소형 원기둥 타입의 수술도구들이며 각각의 구동 모터를 개별적으로 가지

고 있다 최근에는 다빈치 수술 로봇이 사용됨에 따라 3 차원 고화질의 영상의

제공과 더불어 떨림 없는 정교한 시술작업이 가능해 졌으며 다자유도 수술 기

구 도입으로 좀 더 다양한 수술들이 가능해 졌지만 이러한 장점에도 불구하고

수술 시 힘의 강약조절이 불가능하다는 점은 가장 큰 단점으로 지적되고 있다

또한 아직 가격이 고가이고 구현 가능한 작업 영역대비 각 암의 크기가 커서

수술 시 암 사이의 충돌이 발생하는 문제가 제기되고 있다

또한 다빈치 수술로봇은 집도의 손으로 조작하여서 수술을 수행하는 수술

로봇 시스템으로 여러 가지 장점이 있지만 로봇이 수술하면서 발생하는 반력을

직접 집도의에게 전달하지 못하는 단점이 있다 이런 단점을 보안하기 위하여

수술용 로봇 시스템에 햅틱의 기능을 추가하여 로봇 시스템을 구성하는 것을

전 세계적으로 많은 연구가 진행되고 있다

따라서 본 연구에서는 수술용 햅틱 로봇에 적용이 가능한 로봇 시스템에서

수술도구를 집고 수술을 직접 수행하는 그리퍼 시스템을 설계하도록 하겠다

이를 위해 현재 로봇 시장의 현황을 분석하고 능동형 그리퍼를 설계하기 위한

여러 가지 이론적 배경과 그리퍼 설계 제한 조건을 설명한다 최종적으로 그리

퍼 설계를 수행한 후 각각의 설계에 따른 분석을 수행할 것이다

- 3 -

12 연구 내용

본 연구에서는 의료용 햅틱 로봇 시스템에 적합한 능동형 그리퍼를 설계하

는 것이 본 연구의 목적이며 이를 위한 연구내용은 각 장 별로 요약하면 다음

과 같다

제 1장에서는 본 연구를 수행한 배경과 목적을 설명하였다

제 2 장에서는 연구의 첫 단계로 본 연구의 이론적 배경을 기술하였다 수술

로봇의 개요 및 동향 선행기술에 대하여 설명하였다

제 3 장에서는 능동형 그리퍼에 대한 이론적 배경을 기술하였다 그리퍼의 자

유도 기능분석 메키니칼 구성표 동력원에 대해 고찰하였다

제 4 장에서는 능동형 그리퍼의 설계 결과를 기술하고 설계 안에 대한 방향

을 제시하였다

마지막으로 제 5 장에서는 결론 및 향후 연구되어야 할 문제들에 대하여 언

급하였다

- 4 -

제 2장 로봇 산업의 기술 현황

21 로봇산업의 동향

(1) 국내로봇산업 분류체계

로봇이란 용어는 1921 년 카펠 차펙 (Karel Capek)이 쓴 희곡에서 유래하여

전통적인 로봇이란 반복 노동을 대체하는 자동화 기계로 인식되어 왔으나 현대

에 와서는 외부의 환경을 인식하고 지능을 바탕으로 스스로 판단하여 자율적으

로 동작하는 장치로 변모하였다 이렇게 변모하는 로봇산업은 현행 한국표준산

업 분류 체계상 단일제품 수준의 lsquo산업용로봇rsquo 으로만 분류하여 급성장이 예상

되는 lsquo서비스로봇rsquo 부분은 포함되어 있지 않았다 이에 산업자원부는 2007 년 1

월 로봇산업의 분류체계를 새롭게 마련하고 로봇산업의 승인통계를 구축하였다

이로써 1978 년 로봇산업이 시작한 이래 30 년 만에 비로소 로봇산업에 대한 명

확한 분류체계를 구축한 것이다

이 분류체계에서 로봇산업은 크게 개인서비스용 로봇 전문서비스용 로봇

제조업용 로봇 네트워크 로봇 로봇부품 및 부분품 등 대분류 5 개 중분류 28

개 소분류 136 개 항목으로 분류되어 있다 이를 구체적으로 살펴보면 TABLE

2- 1과 같다

- 5 -

TABLE 2-1 Domestic robot classification

대분류 중분류

서비스 로봇

개인 서비스용가사용 생활 지원용 여가 지원용 교육

용 기타 개인서비스용

전문서비스용

빌딩 서비스용 극한작업용 의료 복지용

사회 인프라용 군사용 생물 생산용 기

타 전문 서비스용

제조업용 로봇

이적재용 공작물 착탈용 용접용 표면처

리용 조립분해용 가공용 공정용 시험

검사용 기타 제조업용

네트워크 로봇 -

로봇부품 및 부분품 로봇용 구조구동센싱제어통신소프트

웨어기타 부품 및 부분품

lt자료gt 산업자원부

ldquo의료 복지용 로봇rdquo은 전문서비스용 로봇의 한 분야로 로봇산업의 중분류로

분류되고 있다 의료 복지용 로봇은 다시 수술 로봇 재활 훈련용 로봇 의료진

단 및 검사용 로봇 기타 의료 복지 로봇 등으로 소분류체계를 구축된다

산업연구원 (2007)에서는 로봇산업에서의 의료용 로봇의 위상을 Fig 2-1 과

같이 도식화 하였다 의료용 로봇을 포괄하고 있는 지능형 로봇은 우리나라가

소득 3 만 달러 시대를 선도할 미래스타산업으로 타 분야에 대한 기술적 파급

효과가 큰 첨단기술의 복합체라는 점 때문에 특히 중요하다고 할 수 있다

- 6 -

Fig2-1 Phase of medical robots in the robot industry

(2) 국내로봇산업 규모

가 로봇생산 기업규모

앞 절과 같은 로봇산업 분류체계에 근거하여 2006 년부터 로봇산업 통계조사

가 체계적으로 이루어지기 시작하였다 이 통계조사에 따르면 국내 로봇생산을

담당하고 있는 기업은 TABLE 2-2와 같다 2006년 총 170개 제조업 로봇 77개

사 (453) 로봇부품 및 부분품 48 개사 (282) 개인 서비스용 로봇 24 개사

- 7 -

(141) 전문서비스용 로봇 13 개사 (76) 네트워크 로봇 8 개사 (47)로 분포

되어 있다 이와 같은 수치는 2005 년 대비 제조업용 로봇 관련 기업 수는 다소

감소하였으나 전문서비스용 로봇이나 개인서비스용 로봇 관련 기업 수는 다소

증가하였다 또한 기업체 당 평균 자본금은 5354 억으로 제조업을 제외하면 기

업체 당 평균 자본금이 가장 높은 분야는 개인 서비스용 로봇 (2570 억원) 가

장 낮은 분야는 전문 서비스용 로봇 (1106억원)으로 나타났다

이는 최근 수요가 증가하는 생활 관련 로봇들에 대한 대기업의 투자나 진입

이 두드러지면서 나타난 현상이며 이런 기업들의 투자에 따른 생활 로봇 기술

향상이 두더러 지게 나타나고 있다 따라서 의료용 로봇 산업분야의 체질강화

와 기업 경쟁력 강화를 위해서는 최근 늘어나는 수요창출에 발맞추어 중견기업

들의 투자와 연구개발이 집중되어야 할 것이다

한편 로봇기업의 매출액 규모는 1억 원 미만의 영세한 업체가 30 1억~10

억 원 규모의 업체가 282 10억~50억 원 규모의 업체도 282로 대부분의 로

봇기업은 매출액 규모 50 억 미만의 중소기업체인 것으로 나타났다 특히 의료

용 로봇은 영세한 업체가 담당하기에는 다소 연구개발과 투자비용이 많이 소요

되기 때문에 대기업이나 정부의 투자나 지원이 반드시 필요하다 이러한 상황에

서 국내 의료용 로봇 시장의 성장을 낙관하기는 다소 무리가 있다 따라서 대기

업들이나 정부는 의료용 로봇 시장 확대와 성장에 적극적으로 참여해야 할 것

이다

- 8 -

TABLE 2-2 Robot Production Company

구분

2005 2006

업체수 구성비 업체수 구성비

제조업용 로봇 60 333 77 453

전문서비스용 로봇 13 72 13 76

개인서비스용 로봇 39 217 24 141

네트워크 로봇 17 94 8 47

로봇부품 및 부분품 51 283 48 282

합계 180 1000 170 1000

나 로봇생산 생산규모

로봇기업의 생산 현황을 보면 2005 년에는 5722 억 원 정도였으나 2006 년에

는 7196 억 원으로 258의 증가율을 보였다 특히 의료 복지용 로봇 분야가 포

함되어 있는 전문서비스용 로봇은 2005 년에는 53 억 정도였으나 2006 년에는

124억으로 전년대비 1309의 높은 증가세를 보였다

최근 국내에서 개발된 환자 안내용 로봇인 스누봇 (SNUBOT)이나 내시경 로

봇인 미로캠 (MiroCam) 등의 개발로 인해 더욱더 생산 증가폭은 커질 것으로

전망한다 의료 복지용 로봇분야에서는 2005 년에는 생산이 거의 없었으며 2006

년에는 약 6 천 만원으로 증가하기는 하였으나 이는 다른 로봇 분야에 비하면

극히 미비한 생산액이며 수술 로봇이나 재활 로봇에 대한 생산은 거의 전무한

실정이다 한국과학기술정보연구원(KISTI)에 따르면 2006 년 국내 서비스 로봇

- 9 -

(산업용 로봇 제외) 시장규모는 약 624 억 원으로 미비한 수준에 그쳤으나 2011

년 5117 억 원에 달하고 2013 년 이후는 수조 원에 달하는 황금시장으로 떠오를

것으로 예상하였다 또한 정부에서는 2005 년 국내 로봇산업 육성을 위해 2013

년까지 세계 시장 점유율 15 총생산 30 조원 수출 200 억 달러 고용창출 10

만 명 등 세계 3위의 로봇강국을 목표로 하고 있다

22 의료용 로봇기술 현황

(1) 의료용 로봇 유형 및 개념

의료용 로봇은 크게 수술 로봇 수술 시뮬레이션 재활로봇 기타 의료 로봇

등으로 분류된다

첫째 수술 로봇은 크게 두 가지의 유형으로 분류된다 먼저 수술 보조 로봇

(surgery assistant robot)은 수술실에서 집도의 명령에 따르면서 수술을 보조하거나

영상 가이드 역할을 해주는 로봇을 의미하며 수술 로봇 (surgery robot)은 의사를

대신하여 수술과정의 전체 혹은 일부를 의사 대신 혹은 의사와 함께 수술 작업

을 한다

둘째 수술 시뮬레이터 (surgery simulator)는 의사의 수술에 관한 숙련도를 높

이기 위하여 가상의 그래픽 환자 모델과 햅틱 장치 (haptic device) 등을 이용하

여 수술을 연습할 수 있게 하는 의료용 로봇이다 특히 근래에 들어 프로세스의

- 10 -

성능이 좋아지면서 MRI 나 CT 영상 등을 활용한 실시간 3 차원 볼륨이 가능해

지면서 의료용 시뮬레이터 개발은 가속화 되었다

셋째 재활 로봇 (rehabilitation robot)은 노인과 장애인의 재활치료와 일상생활

을 도와 주는 로봇 시스템으로 단순한 신체를 지지해 주는 역할을 벗어나 중증

환자나 노인의 신체 움직임을 향상시키고 빠른 시일 내에 회복하도록 주요 기

능을 수행하고 장애인의 장애를 극복하여 독립적인 생활을 가능하게 할 수 있

는 특정 기능의 로봇을 의미한다

넷째 기타 의료 로봇으로는 간호 로봇이나 안내로봇 등이 있다 현재의 간

호 인력을 도와서 수술이나 치료를 받는 환자를 보살피는 로봇으로서 정확한

투약과 수술 후 관리가 가능하도록 도와주는 기능과 환자의 이동 간병 및 산책

이 가능하고 말벗의 기능을 포함하는 로봇을 의미한다

(2) 의료용 로봇기술 개발현황

가 수술 로봇

현재까지 연구된 수술 로봇은 미세 수술용 원격수술 로봇 최소침습수술

(MIS) 로봇 관절 수술 로봇 등으로 분류할 수 있다

원격수술 로봇 시스템 일환으로 개발된 대표적인 로봇으로는 일본 동경대의

원격 수술 로봇 미국 NASA JPL 의 RAMS SRI International 의 원격 수술 로봇

한국과학기술원의 미세수술용 Slave 로봇 등이 있다

- 11 -

MIS 의 로봇 시스템 일환으로 개발된 대표적인 로봇으로는 미국의 UC 버클

리대의 수술 로봇시스템 Computer Motion 사의 내시경 보조 로봇인 이솝

(AESOP)과 복강경 수술 로봇인 제우스 (ZEUS) 제우스 보다 진보된 Intuitive

Surgical 의 다빈치 (daVinch) 등이 있다 이 중 다빈치는 수술용 로봇으로 거의

독점적인 위치로써 세계 로봇수술의 첨병역할을 하고 있다

관절 수술 로봇의 일환으로 개발된 대표적인 로봇으로는 미국 Integrated

Surgical System사의 로보닥 (Robodoc) 독일의 Orto Maque사의 CASPAR 영국의

Imperial College의 아크로보트 (Acrobot) 등이 있다

나 수술 시뮬레이터

수술 로봇 이외에 의사의 수술에 관한 숙련도를 높이기 위한 의료용 시뮬레

이터가 활발하게 연구되고 있다 특히 근래에 들어 프로세서의 성능이 좋아지면

서 MRI 나 CT 영상 등을 활용한 의료용 수술 시뮬레이터 개발이 가속화 되었

다 대표적인 수술 시뮬레이터로는 미국 Georgia Tech의 안구 수술 시뮬레이터

미국 Boston 다이나믹스사의 개복수술 시뮬레이터 Mitsubishi Electric Research Lab

의 무릎관절 내시경 시뮬레이션 영국 맨체스터 대학의 웹기반 시뮬레이터 등이

있다

다 재활 로봇

- 12 -

노령인구와 장애인구의 증가로 로봇 기술의 필요성은 재활분야에도 확대되

고 있다 장애인의 독립적인 활동을 보장하고 삶의 질을 높이려는 노력은 유럽

등의 선진국을 중심으로 재활 로봇이 연구되어 왔으며 이탈리아에서 개발된

MOVAID 가 대표적인 재활 로봇이다 또 미국에서는 MIT 를 중심으로 RIC 과

같은 로봇 신경 재활 로봇들이 개발되고 있다 스위스에서는 보행 재활 로봇으

로 Lokomat 이 개발되었고 국내에서는 KAIST 에서 휠체어 로봇 시스템과 보행

보조 로봇 등이 연구되고 있다 이외에도 서강대학교에서는 SUBAR 라는 보행

재활 로봇을 개발하였다 이외에도 최근 미국의 Intouch Health 에서 개발한 RP-7

은 멀리 있는 환자의 병증을 파악하는 데 탁월한 원격진료 로봇으로 활용되고

있다

(3) 국내 의료용 로봇 적용사례

상기 서술한 의료용 로봇 중 가장 많은 각광을 받고 있으며 국내에서 적용

되고 있는 사례를 통해 의료용 로봇의 사용 실태를 파악보고자 한다 대표적인

복강경 수술 로봇인 Intuitive Surgical의 다빈치 로봇 시스템과 고관절 수술 로봇

인 Integrated Surgical System사의 로보닥을 중심으로 국내 실태를 살펴보고자 한

다

가 다빈치

- 13 -

Fig 2-2 da Vinci surgical case number

다빈치 로봇은 1997 년 벨기에서 처음으로 환자에게 적용된 이래 국내에

2005 년 7 월 연세대학교 신촌 세브란스 병원에서 최초로 도입하여 2005 년 7 월

15 일 국내 최초로 다빈치를 이용한 로봇 수술이 이루어졌다 Fig 2-2 에서 보

듯이 수술사례는 계속적으로 증가하여 2008 년 1 월 말 현재 750 건이 넘는 수

술이 이루어졌다

다빈치 로봇은 전립선암 위암 대장남 부인암 식도암 갑상선암 간암 등

대부분의 암수술 및 중요 외과계 수술에 적용된다 이는 다빈치 로봇 수술이 가

져다 주는 효과인 개복수술이나 복강경 수술보다 수술회복기간이 단축되고 수

술시간도 감소시키는 역할과 무엇보다 수술 후 환자가 겪는 수술 후유증 확실

- 14 -

히 줄여주기 때문이다 특히 전립선암의 경우 대표적인 수술 후유증인 요실금

과 발기부전 등의 가능성이 대폭 줄어드는 것으로 알려져 있다

이와 같은 수술사례와 수술성과에도 불구하고 다빈치 로봇의 가격이 25 억

정도의 고가이기 때문에 영세한 의료기관에서 도입하기에는 다소 무리가 따르

고 있다 그러나 대형 병원들은 다빈치의 성공적인 수술사례를 통해 앞다투어

이를 도입하고 있다

2008 년 1 월 현재 신촌 세브란스 병원은 이미 3 대를 도입했고 영동 세브

란스 병원 고려대 안암병원 서울아산병원 한림대 강남병원 분당서울대병원

삼성서울병원 경북대병원 동아대병원 등 9 개 의료기관에 도입되어 있다 또한

최근 (2008 년 1 월 30 일) 연세대 세브란스병원은 로봇 수술의 활성화를 위해

Intuitive Surgical 과 공동으로 복강경 수술용 로봇 다빈치를 이용한 수술법을 배

우는 lsquo연세 다빈치 트레이닝 센터rsquo를 개소하였다

다빈치는 로봇 가격만큼 수술 비용에 있어서도 고가인데다 의료보험이 적

용되지 않아 수술 비용을 환자가 모두 부담해야 하는 실정이다 다빈치 로봇 수

술 비용은 700~2000 만 원선으로 기존의 수술 비용인 200~300 만 원 보다는 다

소 높은 가격이다 특히 전립선암의 경우 로봇 수술 비용은 1500 만 원 선으로

개복수술이나 복강경수술보다 5~7 배 정도의 높은 가격이다 그럼에도 불구하고

로봇 수술은 거의 모든 암 수술에 적용되고 있고 환자와 의사 모두 만족하는

수술법으로 자리잡아 가고 있다

- 15 -

나 로보닥

로봇이 외과적 기계로써 임상적으로 처음 국내에서 적용된 것은 1992 년 lsquo로

보닥rsquo이라는 의료용 로봇이다 미국에서 개발된 로보닥은 인공관절이 삽입될 환

자의 뼈를 로봇으로 가공해서 수술 성공률을 획기적으로 높였다 두꺼운 뼈를

정확한 형상으로 깎아내는 작업에는 CADCAM 자료에 따라 작동하는 로봇 팔

이 숙련된 외과의사를 간단히 능가했다 로보닥은 한국과 EU 의 판매승인을 획

득했고 결국 인공관절수술의 대세를 장악했다 세계적으로 8000 회 이상의 수술

이 로보닥을 이용하여 성공적으로 수행되었으며 2001년 FDA의 승인을 받기도

하였다

2002 년 국내 처음으로 로보닥이 도입된 이래로 이춘택 병원은 현재까지

2556 회라는 경이적인 수술건수를 기록하였다 그는 최소침습수술과 접목하여

로봇의 정밀성과 최소 절개기술을 결합시킴으로써 환자의 고통과 재활 기간을

크게 줄였다 그러나 로보닥의 가격은 무려 17 억 원이며 3 차원 영상까지 구현

하기 위해서는 10 억 원 상당의 멀티 CT 까지 도입해야만 한다 그렇기 때문에

소규모의 관절전문병원이 도입하기에는 다소 무리한 점이 있다 이러한 상황에

서 이춘택은 국내시장에 맞는 로봇개발을 위해 국산 부품 및 소프트웨어를 개

발 중에 있다 따라서 우리나라도 고령화 사회를 맞아 세계적으로 관절 수술이

급증하고 있는 상황에서 국내 기술로 만든 수술용 로봇이나 소프트웨어 개발은

국내 의료용 로봇시장의 활성화를 이룰 수 있다

- 16 -

23 의료용 로봇시장 전망

(1) 로봇산업 전망

로봇 분야별 세계시장 정세를 살펴보면 제조업용 로봇은 시장안전화 단계로

써 급격한 시장변화는 어려우며 신규 생산설비 및 기존 설비에 따른 수요가 대

부분 차지하고 있는 실정이다 개인서비스용 로봇은 가족구조의 핵가족화와 고

령화 현상으로 인한 가족인원으로서의 가정용 로봇에 대한 수요가 증가 추세에

있다 전문서비스용 로봇은 생산국과 생산기업이 극히 제한되어 있으며 제품가

격의 고가로 인해 시장형성에 있어서 생산국과 수요국이 불일치하고 있는 실정

이다 이러한 상황에서 로봇시장의 국가별 점유율을 살펴보면 일본 (28) 미국

(18) 독일 (16) 이탈리아 (10) 한국 (3)의 순으로 세계 5 위를 차지하고

있다 이와 같이 산업용 로봇의 경우는 우리나라의 세계적인 위상이 높지만 아

직까지 전문 서비스 분야 로봇에 대한 세계적인 위상은 미비하다

시장규모 전망과 국내 세계시장 점유율에 대한 전망은 다음과 같다 세계 로

봇시장의 규모는 2010 년에는 247억 5 백만 달러에서 2020년에는 717억 7 천만

달러에 이를 것으로 보고 있으며 연평균 107의 증가율을 예상하고 있다 분

야별로는 제조업용 로봇은 2010 년 세계시장의 114에서 2020 년 144의 비중

을 차지할 것으로 전망하고 있으며 전문서비스용 로봇은 2010 년 세계시장의

09에서 2020 년 21의 비중을 차지할 것으로 예상하고 있다 개인서비스용

- 17 -

로봇은 2010 년 30에서 2020 년 70 수준에 달할 것으로 보고 있다 비록 전

문 서비스용 로봇산업의 규모는 미국 일본 독일에 비해 미미한 실정이나 전문

서비스용 로봇의 신시장을 개척하고 그 만큼의 기술력이 밑받침된다면 2020 년

세계시장에서의 더 큰 비중의 달성이 이루어질 것으로 본다

(2) 의료용 로봇기술 전망

의료용 로봇시장의 성장은 의료용 로봇기술 개발산업의 성장과 밀접한 관계

가 있다 세계적인 개발추세로는 의료용 로봇개발 하드웨어 분야에서는 일본이

경쟁력이 가장 높으며 소프트웨어 분야에서는 미국이 앞서나가고 있다 또한

독일은 하드웨어 및 소프트웨어 분야에서 동시에 상당한 연구 개발 능력을 보

유하고 있다 앞으로는 이 세 나라가 의료용 로봇 시장의 핵심 주자로 나설 것

으로 예상된다

산업연구원 (2007) 조사에 따르면 국내 로봇산업의 기술은 기술항목에 따라

다소 차이를 보이고 있으나 제조업용 로봇의 경우는 최고 기술 보유국 대비 평

균 85 정도에 육박하고 있으며 전문서비스용 로봇의 경우는 80 정도 개인서비

스용 로봇은 84 정도에 이르고 있는 것으로 나타났다 의료용 로봇 분야에서는

선두주자인 미국의 기술력을 100 이라고 봤을 때 현재 우리나라는 70 정도이며

2015년이 지나야 100 에 도달할 것으로 전망하였다 비록 의료용 로봇에서 세계

1위인 미국에 비해 우리는 아직 10년 이상 차이가 있지만 세계 최초로 국제 규

- 18 -

모의 로봇랜드 조성과 로봇펀드 발생 등 정부 차원에서의 노력이 여러 가지 방

면에서 다양하게 펼쳐지고 있기 때문에 그 격차는 점차 줄어들 것으로 예상된

다

또한 IFR (2006) 자료에 따르면 한국 산업용 로봇은 세계 5 위의 강국[16]인

데 비해 의료용 로봇에 있어서는 약소국이다 이는 의료용 로봇의 개발비가 많

이 드는데 비해 국내 시장은 극히 제한적이어서 일반 기업의 참여가 아주 저조

하기 때문이다 국내에서 의료용 로봇 관련 기술 개발은 아직 걸음마 단계에 머

물러 있으며 벤처기업 및 대기업들이 개발해 상용화시키고 있는 기술이나 제품

도 대부분이 생활 가전형 로봇에 한정되어 있을 뿐 의료용 로봇분야는 아직 미

개척지로 남아 있다 하지만 국내에서도 의료용 로봇 개발을 수행하기 위해 대

학이나 연구소 차원에서 의료용 로봇에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다 먼

저 한국과학기술원이 8 년 전 설치한 휴먼 웰페어 로보틱 서저리 센터가 대표

적인 연구기관이다 이 연구소에서는 거동이 불편한 환자들을 위한 휠체어의 자

동화 시스템이나 복강경 수술 로봇 등 로봇 수술용 기구의 국산화에 초점을 맞

춰 진행 중이다 또한 최근에는 국립암센터 역시 산업자원부로부터 수술용 로

봇과 영상시스템을 주제로 한 의료용 로봇 개발자로 선정되어 연구에 들어갔다

비록 국내 의료 및 수술 로봇 관련 기술이 일본 미국 등에 비해 아직까지

뒤쳐져 있는 실정이지만 국내에서도 의료용 로봇 기술 개발이 이처럼 활발히

진행되고 있어서 향후 전망은 매우 밝다고 할 수 있다 또한 해외에서 각광을

받고 있는 캡슐형 내시경 연구 역시 국내에서 벌써 10 년째 계속 되고 있다 최

- 19 -

근 한국과학기술연구원과 벤처기업인 인트로메딕이 개발한 세계 최소형 캡슐형

내시경인 미로캠 (MiroCam)은 2010 년까지 국내 캡슐형 내시경 시장의 80를

점유할 것으로 예상하고 있다 이러한 국산 의료용 로봇 개발을 통해 고부가가

치 시장인 세계 의료 시장에 뛰어들 수 있는 기반을 다졌다는 데에 큰 의미가

있다

전문 서비스용 로봇의 경우 제조업 로봇 관련 풍부한 경험을 바탕으로 전문

서비스용 로봇으로의 기술확대 메카트로닉스 (mechatronics) 관련 다양한 산업기

반과 세계적인 IT 인프라 보유국의 강점을 살리고 있다 또한 한국은 10 대 성

장동력간 연계 등을 통한 시너지 효과와 세계 전문서비스 로봇 시장이 초기형

성 단계임을 감안한다면 이 분야의 진출에 대한 절호의 기회이며 머지않아 의

료용 로봇 강국으로 진입할 수 있을 것으로 기대된다

- 20 -

제 3 장 능동 그리퍼

31 최소침습 수술 햅틱 장치 구현에 필요한 능동 그리퍼 제안

21 세기 로봇 기술 분야에서는 인간과 기계 시스템 간의 커뮤니케이션이 무

엇보다 중요하게 강조되며 이러한 인간과 기계 시스템의 의사소통은 주로 인간

의 감각 기관을 통해 이루어 진다 일반적으로 인간에게는 보고 듣고 냄새를

맡고 맛을 보고 피부로 느끼는 오감이 있으며 이러한 감각을 시각 청각 후

각 미각 촉각이라고 한다 따라서 이러한 인간의 감각에 정보를 전달하기 위

한 다양한 기계 시스템들이 개발되어 왔다 오감 중에서 현재 인간과 기계 시스

템간의 인터페이스 역할을 하는 표적인 감각으로는 사물을 보는 시각과 소리

를 듣는 청각이 주로 이용되고 있다 이를 위한 시스템들은 이미 상당한 수준으

로 발전해 현재 상용화 되어 활용되고 있다 하지만 이러한 시각과 청각 인터

페이스 만으로는 로봇의 제어에 한계가 있으며 오감 중에서 세 번째 감각인 촉

각에 한 인터페이스가 현재 활발히 연구 개척되고 있다 만약 가상현실에 촉

감 인터페이스가 적용된다면 기존의 시각과 청각에만 의존하던 가상 현실에 촉

감을 전달함으로써 실제 물건을 만지고 느낄 수 있으므로 가상현실을 보다 더

실감나게 할 수 있을 것이다 하지만 인간의 감각 중에서 촉각은 매우 민감한

감각으로 여기에 촉감 정보를 전달하는 인터페이스는 아직 많은 연구를 필요로

하고 있다

- 21 -

햅틱 (haptic)이란 단어의 사전적인 의미는 ldquoof or relating the sense of touch

tactilerdquo로써 물체를 만질 때 사람이 느낄 수 있는 촉각적 감각으로 피부가 물체

표면에 닿아서 느끼는 촉감 (tactile sensation)과 관절과 근육의 움직임이 방해 될

때 느껴지는 근 감각적인 힘 (kinesthetic force)의 두 가지 힘을 모두 합쳐서 부르

는 말이다 촉감 구현 연구는 물리적 장치를 이용하여 사람이 직접적인 접촉이

없이도 촉각 정보를 전달하는 방법에 관한 전반적인 연구 분야를 일컫는 말로

사람에게 원격지에 있는 물체의 물리적 특성을 전달하는 원격조작 혹은 원격현

장감에 관한 연구로부터 시작되었다 가상 혹은 실제 환경에서 촉감을 구현하기

위한 연구를 포괄적으로 의미하는 용어로 햅틱스 (haptics)라고 한다 주요 연구

분야는 사람이 직접 손에 쥐거나 착용하는 물리적 장치인 햅틱 디바이스 인터

페이스 (haptic interface) 가상 공간상의 물체에 기계적 성질을 부여하여 사실감

이 있는 상호작용을 제공하고자 하는 햅틱 렌더링 (haptic rendering) 사람의 촉

각 인지 특성에 관한 연구 (tactile perception) 등으로 나눌 수 있다 특히 햅틱

인터페이스 (haptic interface)는 햅틱 디바이스 (haptic device)라고도 불리우며 사람

에게 촉감을 전달하는 물리적인 장치를 말하며 더 넓은 의미로 사용하여 가상

의 환경을 촉감 전달을 통해서 느끼게 하는 시스템 전체를 가리키기도 한다 이

러한 햅틱 기술은 다양한 분야에서 활용될 수 있는데 표적인 분야로는 가상

현실 분야 인간-컴퓨터 인터페이스 분야 게임 등 사이버 커뮤니케이션 그리고

원격제어 로봇 등이 있다 특히 원격제어 로봇이 많이 활용되고 있는 의료 분

야에서 햅틱 구현은 매우 시급한 과제이다 현 의 수술은 점점 첨단의 수술 도

- 22 -

구와 로봇을 이용하여 집도되는 추세이며 최소침습수술 (minimally invasive

surgery MIS)이 그 표적인 예이다 이 수술법은 환부의 구멍에 수술도구와 카

메라를 삽입하여 집도의가 모니터를 보면서 시술함으로써 시술시간이 짧고 환

자의 회복이 빨라서 그 적용 범위가 점차 확 되고 있다 하지만 환자가 얻게

되는 이점에 반해 의사는 개복 수술에서 쉽게 이용하던 기술들을 더 이상 적용

할 수 없게 되어 집도에 있어 큰 어려움을 부담해야만 한다 즉 환자의 내부에

서 손의 움직임과 시야의 제약을 받게 되었고 손으로 환자의 장기나 뼈를 만지

고 상태를 확인할 수 없게 된 것이다 이러한 문제점들을 극복하기 위해 첨단의

의료용 로봇 시스템이 개발되었는데 의사 즉 오퍼레이터가 조작하는 마스터

(master) 로봇과 환자의 환부에서 수술을 진행하는 슬레이브 (slave) 로봇으로 구

분된다 슬레이브 로봇은 크게 수술 시 집도의 팔의 움직임을 구현하는 구동 암

(arm)과 수술도구를 홀딩 할 수 있는 그리퍼로 분류할 수 있다 구동 암의 움직

임은 수술 부위의 위치를 결정하면 별도 큰 움직임 없이 작동시킬 수 있으며

전달 수술 관통 수술이 아닌 경우에는 집도의가 느끼는 힘을 피드백 할 필요가

없다 하지만 그리퍼의 경우는 신체 일부분의 미세한 조직까지 전부 접촉해서

제거하거나 봉합하기 때문에 집도의가 수술 시 느끼는 힘을 구현하여야 보다

정밀한 수술을 수행할 수 있다 따라서 본 연구에서는 햅틱 장치가 적용된 마스

터 로봇과 마스터 로봇에서 형성된 힘을 느낄 수 있으며 원할한 수술을 진행할

수 있는 최소침습수술용 능동 그리퍼를 제안하겠다 Fig 3-1 은 상용 MIS 장치인

다빈치 로봇의 마스터와 슬레이브 그리고 그리퍼를 나타내고 있다

(a) sla

(b

Fig 3-1 da V

Operation Arm

Gripper

- 23 -

ave robot and g

b) master rob

Vinci robot sy

m

gripper

ot

stem for MIS

- 24 -

32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류

산업용 로봇은 그 기능 특성상 필요성에 의해 로봇의 말단부에 그리퍼를 부

착시킨다 이것은 인간의 손에 응되는 것으로서 메커니컬 핸드라고 칭하며 다

루는 상 물체를rdquo파지rdquo해 이동하는 목적으로 사용되는 도구이다

파지동작은 Fig 3-2 와 같이 세분화된다 인간의 손 손가락에는 많은 관절이

있으며 여러가지 작업이 가능하다 일상 생활에서의 붙잡기는 형식을 분류한 것

으로는 슐레징거의 12 형식이 있다 여기서 인간의 손에는 손가락이 있어서 그

것을 유지핸드라고 이름 붙이면 메커니컬 핸드에는 손가락이 없는 구성법이 있

는데 이것을 무지 핸드라고 이름 붙이기로 한다 이 무지 핸드는 기계적 물리적

으로 구조상 무지핸드로 한 것과 공구가 메커니컬 핸드와 일체화됐다고 생각하

는 공구 핸드가 있다 메커니컬 핸드를 분류해 보면 다음과 같다 진공이나 자

기 이용의 흡착 등 물리적 흡척형의 유지는 보통 평면(완만한 곡선도 포함)부를

흡착하는 형태로서 물체의 크기나 중량에 따라 여러 개가 설치되는 경우도 있

다 그러나 물체표면에 만곡부가 있는 경우나 구멍이나 공동이 있는 경우에는

적용할 수 없게 된다 또한 자력을 이용한 경우 철금속 재료를 다루게 되는데

경우에 따라서 매우 효율적이고 신뢰성이 높기는 하지만 물체에 잔류 자력이

남게 되는 문제점이 있다 받기형의 유지는 지지의 동작만을 가지고 있는 형태

이며 이는 전기한 흡착형 보다 적극적이 아니여서 약한 구속을 갖는다 변형하

기 쉬운 물체의 이송등에는 이를 채택한다 매달기형 유지는 중력 방향의 이동

1 자유도를 구속한다 잡기형 파지는 유연성에 의한 변형으로 접촉면적을 크게

하여 집는

상물을 외측

이용하는 등

33 파지형

파지 형

다 본 연구

하여 설명

(1) 두 손

형태이다 현

측에서 파지하

등의 파지방법

형태에 의한

형태로서는

구에서 사용할

명 하겠다

손가락 type

현재 많이 사

하거나 구멍

법이다

한 그리퍼의

상을 바깥에

할 메커니즘은

e

Fig 3-2 Cla

- 25 -

사용하고 있는

속에 손가락

의 분류

에서 파지하

은 바깥에서

assified by the

는 끼우기형

락을 넣은 후

는 것과 안에

파지하는 형

gripper grip ac

파지 형태는

후 벌려서 내

에서 파지하

형태가 유리하

ction

는 핸들링

내측사용면을

는 것이 있

하므로 이에

두 개의

상태를 유지

는 스윙형

안정되게 파

의 리지트한

지해서 개폐

핸드(swingin

파지하는 점에

손가락을 갖

되는 병진형

ng gripper)로

에서 병진형

(a) grinder c

(c

Fig 3-3 Sw

- 26 -

갖춘 것으로

핸드(transla

로 분류된다

보다 떨어진

crank

c) rotation joi

wing-type hand

실용례가 많

ational grippe

스윙형은 기

진다

(b) swing

int

d mechanism

많다 손가락이

er)와 그 방향

기구가 간단하

g block

이 상호평행

향이 변화하

하나 상이

병진형에

4 은 평행링

운동을 바꾸

에 회전시킴

로 유지되기

지된다 직

시키도록 한

가 전middot후진

피니온 방식

F

에서는 평행링

링크 방식의

꾸고 그 피니

킴으로써 손가

기 때문에 손

동형 신에

한 것도 있다

진하는 결점이

식이 채용된다

Fig 3-4 Hand

링크 랙middot피니

예로 직동형

니온 운동으로

가락 개폐를

손가락의 물체

에 회전형 액

다 평행링크를

이 있다 이문

다

mechanism fo

- 27 -

니온 나사이송

형 액추에이

로 평행링크의

얻는다 링크

체 파지면의

추에이터를

를 이용한 형

문제를 해결하

or translational

송 기구 등이

터의 운동을

의 하나의 링

크 PS 와 링

자세도 개폐

이용한 형식

형식은 개폐에

하는 방법으로

type1 (paralle

이 이용되고

랙과 피니온

링크 A 를 축

크 QR 은 항

폐 동작 중 일

식에서 평행링

에 의해서 손

로서 볼나사

el displacement

있다 Fig 3-

온으로 회전

축 P 의 주위

항상 평행으

일정하게 유

링크를 회전

손가락 위치

기구나 랙middot

nt)

Fig 3

는 핸드의

볼나사 기구

다

(2) 세 손

세 손가

가락으로 잡

F

-5 는 회전형

예이다볼나

구 각각을 손

손가락 type

가락을 가진 핸

잡는 것보다

Fig 3-5 Hand

형 액추에터로

나사 기구를 이

손가락에 부착

e

핸드에서는

안정된 파지

d mechanism fo

- 28 -

로 랙 피니온

이용하는 경

착 사라를 회

상을 3 점

지 동작을 할

or translational

온을 회전시킴

우에는 1

회전시킴으로

점에서 유지할

할 수 있다

l type2 (rack a

킴으로써 개폐

의 왼나사

써 개폐 동작

할수 있기 때

nd pinion type

폐동작을 하

오른나사의

작을 실현한

문에 두 손

e)

Fig 3-6

베벨기어를

구동해서 세

실현한 것

각 손가락을

복잡하며 중

6 은 세 손가

를 매개로 상

세 손가락을

이다 특히

을 개별 모터

중량도 증가하

Fig

락형 그리퍼

호 각도를 주

동작시킴으로

원통물체를

터로 구동하도

하기 때문에

3-6 Hand mec

- 29 -

의 일반적인

주어 결합한

로써 이른바

확실히 잡아

도록 한 3 지

실용례가 적

chanism for thr

인 형상을 나타

3 개의 볼

바 3 포인트 핀

아서 유지하

지형핸드도 개

적다

ree point pinch

타내고 있다

나사를 하나

핀치(three po

는데 유리하

개발되고 있으

h type

이 핸드는

나의 모터로

oint pinch)를

하다그 외에

으나기구가

34 메카니

(1) 구속

기계적

어서 형성되

전 구속 기

해서 언급하

으로 움직일

또 X Y 평

니컬 핸드의

속기능

구동장치에

되는 것으로

기능이 있다

하면 구속 상

일 수 있다

평면 X Y 면

의 구속기능

서 구속 형식

크게 나누어

그래서 핸드

상태의 물체는

이것을 물체

X Z 면상에

Fig 3-

- 30 -

능

식과 접촉 상

어서 반구속

드의 구속 기

는 Fig 3-7 와

체의 공전 (이

서 6 방향으

-7 Movement

상태와 포락

속 (받는 구속

기능을 결정하

와 같이 X Y

이동)에 관한

로 회전 한다

t of object

능력의 인자

속 는 구속

하는 물체의

Z 의 3 축상

6 동작 자유

다 이것을 물

자가 복합되

속)기능과 완

구속에

에서 6 방향

유도로 한다

물체의 자전

(회전)에 관

부여한 상태

행할 수 있

서는 회전의

핸드에

한 공간적

면 Fig 3-8

이 그림

를 구속한다

에서 7 자유

선접촉과 면

계수와 절선

(a

관한 6 동작

태에서 움직이

있다 또 완전

의 6 자유도를

의한 물체의

적인 포락 상

와 같이 된

(a)의 점접촉

다 그러나 1

유도를 구속

면접촉에는 각

선력법선력

a) point contac

Fig3

자유도로 한

이며 중력이

전 구속은 핸

를 무시하는

의 구속은 핸

상태로 정한다

다

촉은 접촉점

1 점접촉은 다

한다 (c)의

각각 마찰에

비와의 관계

ct (b

3-8 Contacts

- 31 -

한다 반구속은

이나 환경면의

드 자체로 1

경우도 적지

핸드와 물체의

다 먼저 접촉

방향의 1 자

다른 11 자유

면접촉은 11

위한 구속이

계로 구속불능

) line contact

of the kind an

은 12 자유도

의 구속을 받

12 자유도를

지 않다

의 접촉 상태

촉부의 구속

자유도를 구속

도를 구속할

1 자유도의 구

이 4 개와 6 개

능의 가능성을

nd the confini

도 중 몇 개의

아서 완전 구

행하는데 경

태 및 접촉부

능력을 모델

속한다 그러나

할 수 없다 (b

구속을 할 수

개 주어져 있

을 가진 구속

(c) surface co

ing

의 자유도를

구속으로 이

경우에 따라

부의 물체에

델로 나타내

나 1 자유도

b)는 선접촉

수 있다 단

있으며 마찰

속 성분이기

ontact

- 32 -

도 하다 또한 면접촉의 상태는 중력의 작용을 이용하면 받기를 형성하고 또

외계력을 이용하면 기를 형성한다

이들의 접촉상태는 물체의 형상과 핸드의 구속면으로 규정되는 것으로 핸드

만으로 결정하기는 어렵다 단 핸드의 구속면을 부드러운 재질로 형성하면 면

접촉의 이행이 용이하다 이와 같은 이유에서 물체에 접촉부가 포락도를 높이는

데에 따라서 물체 형상에 관계 없이 구속 능력을 증 시킬 수 있다

(2) 메커니컬 핸드의 자유도

로봇의 손은 그 용도를 불문하고 인간의 손 작업의 행을 목적으로 하는

것이므로 그 설계에 있어서 모델로 되는 것은 말할 것 도 없이 인간의 손이다

그래서 우선 기구에 하여 설명하기 전에 인간의 손의 구조 모델에 하여 설

명해 본다

AmiddotMorecki 에 의하면 인간의 상체는 그 해부학적 구조에 입각하면 Fig 3-9 와

같이 모델화할 수 있다 Fig 3-9 에서 숫자는 각각 골격 즉 링크를 나타내고 숫

자 II~ V 는 관절을 나타내고 있다 이와 같은 공간링크 기구의 자유도 F 는 가

동부수 n 자유도의 종류 f 를 가진 우 수를 Pf 라 하면 다음 식으로 나타낼

수 있다

6n sum ∙ P 12345 (3-1)

Fig 3-9

들 자유도가

을 Fig 3-9

P5=10 이므

인간의

유도 1 의

해 있으며

의 모델에서

가 있는 관절

9 와 같이 정

므로 위 식에

상지를 인공

액튜에이터를

22 개나 되

Fig 3

서는 n=19 P2

절에 작용하는

정의하고 그

서 FH=22 가

공적으로 정밀

를 27 필요

는 액튜에이

- 33 -

3-9 Human Ar

2=1 P3=2 P4

는 근군은 약

자유도 FH

가 된다

밀하게 재현하

요로 하게 된

터를 필요로

rm structure

4=6 P5=11 이

약 50 이라고

를 구하면

하려고 한다면

된다 또 손에

로 한다 그러

이므로 F=27

고 되어 있다

이 경우는 n

면 이상의 결

는 특히 자유

나 로봇의 손

이 된다 이

여기서 손

n=16 P4=6

결론에서 자

유도가 집중

손이 이만큼

- 34 -

의 수의 액튜에이터를 갖춘 것을 제작한다는 것은 크기 중량 제어면에서 볼

때 현시점에서는 불가능에 가깝다 특히 의수에 있어서는 상술한 바와 같은 형

상이나 조종성 등의 점에서 전혀 불가능하다고 해도 좋다 따라서 보통은 기능

에 주목하여 손에 집중해 있는 자유도의 간략화를 도모한다

인간의 잡기 동작에 주목해 보면 그 잡기 형상에는 12 종류가 있다고 하다

그러나 이것들은 엄지와 다른 12 종류가 있다고 한다 그러나 이것들은 엄지와

다른 4 손가락과의 관계에 주목하였을 때에 2 종류 즉 엄지가 다른 4 손가락과

항해서 동작하거나 그 측방에서 동작하는가로 분류할 수 있다 실제의 일상

동작에서 관찰하면 이들 중에서도 엄지와 손가락이 항해서 동작하는 소위 쥠

동작이 우선 첫 번째이고 또 다음에 엄지 검지 중지의 3 손가락의 선단으로

이루어지는 3Point Pinch 즉 잡기동작이 중요하다

더불어 손가락의 독립성에 해서는 역시 일상동작 중에서 손가락의 사용

빈도를 조사한 결과에 의하면 다섯 손가락은 반드시 독립적인 운동을 필요로

하지 않고 엄지 검지 중지가 같은 정도의 중요성을 자기며 다른 두 손가락은

사용 빈도에 있어서 이들 세 손가락보다 약 50 적으며 다른 세 손가락의 보

조 역할을 한다고 볼 수 있다 그리고 특히 중요한 것은 인간의 각 손가락은 잡

기 상물의 형상에 적응한 쥐기 즉 Passive 한 동작을 할 수 있다는 것이다 이

기능이 있다면 각 손가락이 독립적으로 동작하지 않더라도 또 다소 손의 자유

도를 제거하더라도 상물의 확실한 쥐기나 잡기 그리고 기타 손 작업에 큰 힘

을 발휘한다

- 35 -

34 표적인 동력원의 특징

동력원을 설계할 때 다음의 점을 고려하면서 가장 적합한 방식을 선택한다

1조작력(로보트가 내는 최 의 힘 예를들면 최 들어올린 힘)

2속응성(최 조작 속도)

3크기 중량(로보트의 크기와 중량의 제한)

4안정성(발열이나 과부하에 한 안전성)

5사용의 용이도

6수명가격

1 2 의 조작력 속응력은 로보트에 요구되는 성능에서 가장 기본적인 것인

데 이에 관련해서 크기나 중량의 제한 안정성 사용의 용이도 수명 가격 등을

고려해서 동력원을 선택한다 단 자주형 로보트에서는 2 차적 성능인 동력원의

중량이 첫째 요구 조건이 되는 경우가 많고 공업용 로보트에서는 저가격 사용

의 용이도 안전성이 중요 사항으로 우선시된다

모든 로봇은 동력원을 필요로한다 중요도에 따라 동력원을 선택해야 하는데

일반적으로 공기압식은 안전성이 뛰어난 반면 힘과 세밀한 위치제어가 어렵고

전기식은 응답성과 사용편리성 세밀한 위치제어가 가능하나 높은 힘을 내기 위

해서는 부가적인 기구부가 필요하다 유압식은 큰힘을 낼수있어서 속응성은 좋

으나 과부하시 상당한 발열이 있기 때문에 안전성에서 다른 동력원에 비해 떨

어진다 위 사항을 TABLE 3-1 로 분류하여 나타내었다

- 36 -

TABLE 3-1 Characteristics of power sources

전기식 유압식 공압식

사용용이성 편리하다 작동유의관리 관로의압력

필터관리에 유의

공급공기의 수분제거

윤활성의부가에 주의

수명 길다 기름에 윤활성이 있기

때문에 길다

공기에윤활성이 없어

유압 전기에 비해 짧다

가격 보통 가격 운영비 높음 저가격

응답속도

(반응성) 매우 빠르다 빠르다 늦다

하중능력 (소)에서 (중)정도의

하중능력 단히 큰 힘을 얻음 큰 힘은 없다

소음 적다 다소 크다 크다

- 37 -

제 4 장 능동형 그리퍼 설계

41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정

로봇 그리퍼의 정밀 파지 (Fingertip Grasp 손가락 끝을 이용하여 물체를 집

거나 바닥에누워있는 납작한 물체를 집는 행동)를 안정하게 하기 위해서는 손가

락 끝과 물체가 직각에 가까운 각도를 이룸으로 마찰력을 크게 하여 안정성을

높인다 또한 바닥에 놓인 물체를 집어 올릴 경우에도 물체표면의 법선 벡터와

손가락 끝의 각도가 클수록 물체를 효과적으로 구속하여 안정된 파지를 할 수

있다

그리퍼의 링크 시스템에 있어서 2 링크 손가락보다 3 링크 손가락을 쓸 때가

링크와 수평 평면이 이루는 각 (A)이 더 커지기 때문에 안정성이 더 좋다는 것

을 알 수 있다 그리고 안정성뿐만 아니라 식 (4-1)을 통하여 문체에 전해지는

Torque 값을 Fig 4-2 와 같이 그래프로 나타내면 0 도에서 75 도 정도까지는 A 각

이 커질수록 물체에 가해지는 토크 값이 점점 커지는 것을 알 수 있음으로 3 링

크 손가락을 쓰는 것이 파지력 증가됨을 알수 있다 ℓ3 의 길이가 길어질수록 A

가 작은 값을 가져서 정밀파지에 적당하지 않다

τ l cosA sinA l 1 cos A tan μ (41)

A cosempty

(42)

Fig 4-1

은 식을 통

각이 커짐을

움이 있고

Fig4-

에서 제 2 코

통해 구할 수

을 알 수 있다

최소 단위를

Fig4

-1 Configurati

코사인 법칙

있는데 이로

다 그러나 ℓ

를 1cm 로 하

-2 Change the

- 38 -

ion of the fing

을 이용하여

로부터 링크

ℓ3 가 1cm 인

하였기 때문에

e value of the a

gers on robot g

여 A 의 각을

길이 ℓ3 가

인 경우는 너

에 ℓ3 는 2cm

angle of phage

gripper

구하기 위해

작으면 작을

무 짧아서 파

로 결정하였

torque

해 (2) 와 같

을수록 A 의

파지의 어려

였다

42 모터

(1) 알고

앞 절에

여야 한다

는 모터의

이 작은 모

나 용량이

로 적절한

선정 알고

고리즘 정의

에서 설명한 기

로봇 팔에

선정은 동작

모터를 사용하

큰 모터를 사

모터의 선정

고리즘

기구들을 추

움직임을 전

작을 구현하는

하게 되면 기

사용하게 되

정이 중요하다

Fig 4-3 M

- 39 -

추후 로봇 시스

전달함에 있어

는데 중요한

기구의 원활한

면 모터의 외

다

Motor Selectio

스템에 적용을

어서 동력을

과제가 되겠

한 작동이 어

외형이 커지

on Algorithm

을 고려하여

공급과 제어

겠다 만일 토

려워지고 단

고 가격 또한

설계를 하

어를 수행하

토크나 용량

단순히 토크

한 증가하므

- 40 -

(2) 알고리즘 수행

모터를 선정하기 위해서 가장 우선적으로 해야 할 일은 기계구동부분을 결

정하고 구동부분을 어떠한 방식으로 작동을 시킬지 동작 패턴을 결정하여야 한

다 예를 들면 모터에서 나오는 힘을 받아서 볼 스크류를 이용하여 힘을 전달할

것인지 벨트 피니언 기어 혹은 풀리 등을 이용할 것인지를 결정하고 그에 따

른 적절한 구동방식을 결정한다 구동방식을 결정하게 되면 각각의 구동방식에

적합한 수식을 대입하여 부하토크를 계산한다 구동방식에 따른 부하토크를 구

하는 수식은 구동방식이나 구동장소 등에 따라 다소 상이하나 일반적인 수식은

다음과 같다

-BALL SCREW 구동

T FP2πn

μ F P2π

1i N ∙ m 43

F F mg sin α μ cos α N 44

-PULLEY 구동

T ∙ 45

μF D

2i N ∙ m

- 41 -

-WIRE middot BELT 구동 RACK middot PINION 구동

T F2πn

∙ πDi

FD2ni

N ∙ m 46

F F mg sin α μ cos s N 47

-실측에 의한 방법

T 48

직선운동 (커플링 직결 볼스크류 등)의 경우 위의 (43) (44) 이용하여 구할

수 있다 이때 F 는 축방향하중 F0 는 예압하중 μ0는 예압 NUT 의 마찰계수 η 은

효율i 는 감속비 PB 는볼스크류 피치를 나타낸다 회전운동 (풀리)의 경우 식

(45)를 이용하여 구할 수 있으며 FA는 외력 FB는 부하중량 (주축이 회전하기 시

작할 때의 힘) m 은 work 와 TABLE 의 총무계 μ 접동면의 마찰계수α는 경사각

도D 는 풀리의 지름을 나타낸다

실제현장에서는 선정된 모터의 토크를 확인하기 위해 실측에 의한 구동토크

를 계측하는데 스프링 저울을 구동 풀리에 연결지어 측정한다 이때 TL 은 회전

운동 부하토크에 해당하고 FB 는 부하중량 D 는 풀리의 직경을 나타낸다

위의 부하토크를 구하는 식들을 이용하여 부하토크를 구하게 되면 실제 모

터를 사용할 때 어느 정도의 시간적 여유를 두고 가속을 할 것인지 감속을 할

것인지를 결정하여야 한다 이를 위해서 우선 동작시킬 부분에 대한 관성모멘트

를 계산하

Fig 4-4

시한 것으로

dA 와 기준

이를 표현하

하여야 한다

4 는 관성모멘

로 X 와 Y

준축으로 부터

하면 식 (49)

Fig 4-4 Arb

I

멘트를 구하기

는 면적의 미

터의 거리의

)와 같다

- 42 -

bitrary shape o

y dA I

기 위한 절대

미소 요소 dA

제곱의 곱으

of planar area

x dA

대좌표 X Y

A 의 좌표이

으로 단면 2

축 상의 미소

이고 관성모멘

차 모멘트라

49

소면적을 도

멘트는 요소

라고도 한다

평면 면

가 있다 평

축에 대한

Fig 4-5

하는 평행한

관성모멘

식 (410

번째 적분은

면적의 관성

평행축 정리란

관성 모멘트

5 과 같이 도

한 xy 축 두

멘트의 정의로

I y

0) 에서 우변

은 Xc 축에

Fig 4-5

모멘트에 있

란 도심축에

트 사이의 관

도심을 원점으

좌표계의 평

로부터 x 축

y d dA

변의 첫 번째

대한 1 차 모

- 43 -

5 Parallel-axis

있어서 중요하

대한 관성

계를 나타낸

으로 하는 Xc

평행한 축 간

축에 대한 관

y dA

적분은 Xc

모멘트로서 X

theorem

하고 유용한

모멘트와 도

낸다

cYc 축과 임의

간의 거리를 d

성모멘트 Ix

2d y dA

축에 대한 관

Xc 축이 도심

정리로서 평

도심축에 평행

의의 점 O 를

d1 과 d2 로 표

는 식(410)와

d dA

관성모멘트

심을 통과하므

평행축 정리

행한 임의의

를 원점으로

표시한다

와 같다

410

I 이다 두

므로 적분의

- 44 -

값은 0 이다 세번째 적분은 면적 A 그 자체이다 따라서 식 (410)은 식 (411)과

같이 간단해진다

I I Ad 411

y 축에 대한 관성모멘트도 위와 같은 방법에 의해 식(412)과 같다

I I Ad 412

또한 면적의 평면에 수직인 수직축에 대한 관성모멘트를 극관성모멘트라 한

다 Fig 4-6 는 평면에 수직이고 O 점을 통과하는 축에 대한 극관성모멘트를 나

타낸 그림으로 이를 관성모멘트 식으로 표현하면 식 (413) 와 같다

I ρ dA 413

식 (413)와

즉 평면에

서로 수직인

극 관성

와 도심 C

와 식 (414)에

I

수직인 축에

인 두 축에 대

성모멘트에 대

에 대한 극

Fig 4-6 Arb

의해 식 (4

ρ dA

I

에 대한 극관

대한 관성모

대한 평행축

극 관성모멘트

- 45 -

bitrary shape o

ρ x y

415) 식 (41

x y dA

I I I

관성모멘트는

멘트의 합과

정리는 Fig

트를 각각 I

of Polar Area

y

16)과 같은 관

x dA y

는 평면 내의

과 같다

4-5 에서 유

와 I 로

관계식을 얻을

y dA

같은 지점을

유도할 수 있

로 표시하면

414

을 수 있다

415

416

을 통과하는

있다 원점 O

식 (416)에

- 46 -

서 식(417)을 유도할 수 있다

I I I I I I 417

I I I I A d d 418

I I Ad 419

식 (419)는 극 관성모멘트에 대한 평행축 정리를 나타낸다 즉 평면 내의 임의

의 한 점 O 에 대한 면적의 극관성모멘트는 도심 C 에 대한 극관성모멘트에 그

면적과 점 O 와 C 사이의 거리의 제곱의 곱을 더한 것과 같다

이상의 식에서 부하토크와 관성모멘트를 계산하여 모터를 가 선정한다 부하토

크의 경우 사용될 모터의 정격 토크를 넘어서지 않는 것을 선정한다 부하토크

를 TL 정상 부하 상태의 힘 PL 극 관성모멘트 IL 회전운동을 위한 힘 Pa 각속

도 가속 시 소요되는 시간을 ta 라 하고 식 (420)을 이용하여 부하가 일정하

게 작용할 때의 힘을 계산한다 마찬가지로 관성모멘트를 식 (421)에 대입하여

가속을 위한 회전 운동 시 필요한 힘을 계산한다 식 (420)과 식 (421)에서 계

산된 힘을 합산하면 모터를 회전시키기 위해 필요한 출력이 계산된다 이때 계

산된 출력보다 실제 사용할 모터의 정격 출력이 1~2 배 정도가 되도록 모터를

가 선정한다

- 47 -

P T ω 420

P 421

위의 과정을 통하여 모터를 가선정하고 가감속 토크 및 구동 토크를 계산한

다 각각의 토크를 계산하게 되면 모터를 최종적으로 선정하게 되는데 두 가지

사항을 고려하여 최종 선정한다 먼저 식 (422)을 통해서 계산되는 가속 시 소

요되는 기동 토크 TM 가 모터의 최대 토크를 넘지 않는 것으로 선정한다

T 422

두 번째로 Fig 4-7 의 속도 선도와 같이 모터의 가 감속 시간과 정상 동작

시간 등을 결정하여 식 (423)과 같이 실효치 토크 TS 를 구하고 실효 토크가 모

터의 정격 토크보다 크지 않도록 선정한다

T 423

Fig 4-7 Exa

- 48 -

ample of veloc

city guidance

- 49 -

(3) 알고리즘 적용

로봇시스템에 있어서 기구들의 관성모멘트와 토크 계산 후 적합한 모터를

선정하기 위해 시중에서 시판되는 모터를 조사하였다 로봇에 적용 가능한 모터

로는 크게 서버모터와 스텝모터 RC 서버모터 DC 모터로 구분 할 수 있었다 이

를 TABLE 4-1 과 같이 정리하였다

동력원의 6 가지 선정요소 중 우선순위를 부여하여 분류했을 때 핸드 그리퍼

의 특성상 가볍고 토크가 큰 RC 서버 모터 미니 서버모터를 선택할 수 도 있지

만 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터 중 토크를 증가시킬 수 있는

감속기가 있는 타입의 모터를 우선시 하였다

1 감속비를 사양할 수 있는 모터를 선정하여 계산한 토크를 확인한다

2 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터를 선정한다

3 CLOSED LOOP 제어를 통하여 정확한 위치를 검출할 수 있어야 한다

따라서 스텝모터중 lsquoOrsquo사의 ldquoαSTEPrdquo가 적합하다고 판단되어 모터를 선정하였다

- 50 -

TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics

미니서버모터 RC 서버모터 스텝모터 DC 모터

장점 동일사양대비 모터

중 10배정도 큰 토크

5v사용가벼움

정확한 위치제어

급격한 부하변동급가

속 유리

저렴한가격

보편화됨

단점 정지시 진동이 예상 약한 토크 THRUST하중이 모터

무계 이하여야 한다

유지보수가 잦다

크기 151588mm(10w20w)

2525111mm(30w)

392038mm 424234mm Oslash37mm917mm

동작전압 Dc 24V Dc 48V60V Dc 24V Dc 24V

무계 230g~400g 56g 150g 200g

허용토크 009Nm~03Nm 11~13kgfcm 18kgfcm (018Nm) 47kgfcm(1200)

감속기 다양한 감속비 가능 고정 감속기 감속기 무(072˚036) 다양한 감속비

제조사 야스카와 SGMM 하이텍 HS-5945 AUTONICS GCM 3429A

TABLE 4-2 αstep motor characteristics

외형 전압 전류 무계 토크 감속비 분해능

αSTEP 282884mm

4242127mm Dc24V 1~37A 250G 2~28 Nmiddotm 50~1001

00072pluse

00036pluse

- 51 -

43 1 차 능동형 그리퍼 설계

실린더를 사용하여 링크로 물체를 파지하던 그리퍼는 Fig 4-8 과 Fig 4-9 에

묘사하였다 이런 실린더를 사용한 그리퍼는 공압 효과를 도출할 수 있는 별도

의 펌프가 필요하고 동작을 구현할 수 있는 자유도를 증가시키는데 한계가 있

다 이런 실린더의 단점을 보완하고 전기모터의 장점을 사용하기 위해 웜기어와

웜휠 방식을 채택하여 2 자유도 능동형 그리퍼를 설계하였다

1 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-10 에 묘사하였으며 1 차설계한

능동형 그리퍼는 Two Fingertip Grasp 로 칭하겠다 파지한 물체를 회전 시키는

기능은 베벨기어를 사용하여 회전운동으로 구현하였고 실린더의 전middot후진 운동

을 전기모터의 회전운동으로 변환 시키기 위하여 웜기어와 웜휨을 선택하였다

전기모터에 의해 회전하는 운동은 웜기어와 웜휠에 의해 링크를 사용하여 물체

를 파지하였던 그리퍼와 동일한 운동효과를 가지게 되었다

웜기어와 웜휠을 사용하여 물체를 파지하는 능동형 그리퍼는 스윙형으로 설

계되었으며 파지력을 높이기 위한 각도를 적용하였다 링크를 사용하여 물체를

파지하는 형태의 그리퍼보다 기구의 크기를 줄일 수 있는 장점이 있는 반면 기

어들의 백래시에 의한 오차가 끝단에 누적될 수 있는 문제점을 가지고 있다또

한 기구부의 소재 변경으로 그리퍼의 무계를 줄일 수 도 있지만 가장 큰 무계

를 차지하는 모터를 그리퍼 자체에서 분리하게 할 수 있게 하려면 그리퍼 자체

의 구조변경이 필요하다

`

`

Fig 4-8 Par

Fig 4-9 Par

- 52 -

rallel-link gra

rallel-link gra

sps system 1

sps system 2

Fig 4-10

- 53 -

0 Two fingertipps grasp system

- 54 -

44 2 차 능동형 그리퍼 설계

1 차 설계한 능동형 그리퍼에서 발견된 문제점을 보안하기 위하여 2 차 능동

형 그리퍼를 설계하였다 2 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-11 에 묘사

하였으며 2 차설계한 능동형 그리퍼는 Four Fingertip Grasp 로 칭하겠다 이 장치

는 크게 동력원 동력 전달장치 핑거 그립장치로 구성되어있으며 이를 통합하

여 Fig 4-12 에 나타내었다

핑거 그립장치는 스윙형 그립의 단점을 보완하여 설계하였다 물체를 파지할

때 그립의 회전 반경이 주위 환경요소와 간섭을 발생시킬 수 있는데핑거가 전

진할때 샤프트와 핑거그립간의 나사결합형태를 통한 직선운동으로 개선하여 주

위환경요소에 영향을 주지 않도록 설계하였다 구동축의 핑거파지 메카니즘을

Fig 4-13 와 같이 간략화 하였고 이에 대한 세부 도면은 Fig 4-14 로 나타내었다

4 조 핑거 그립의 나사산과 테이퍼진 스크류축은 나사식으로 결합되며 상호

작용에 의해 점차 중심점으로 이동하여 물체를 파지하는 형태이다 사용된 2 개

의 샤프트는 중공축으로 설계하였으며 외부 샤프트는 4 조 핑거가 물체를 파지

하여 비트는 모션을 구현하는데 사용되었다 내부 샤프트는 핑거를 중심점으로

전진시켜는 기능을 수행한다 중공축으로 설계한 내부 샤프트는 차후 개발될 인

스트리먼트의 탈부착을 손쉽게 할수있도록 구현하였고 4 조로 설계된 핑거는 그

립시 인스트리먼트의 응력집중현상을 분산시키는 기능과 2 조로 그립하였을때

보다 안정적인 그립감을 형성한다

- 55 -

동력원과 동력전달장치는 Fig 4-15 에 나타내었으며 Two Fingertip Grasp system

의 문제점이었던 구동부의 모터의 설치 방법을 외부에 부착하는 형태로 변경하

여 우레탄 밸트를 사용하였다 또한 아이들러를 사용하여 밸트의 방향을 변경

하여 모터의 부착위치를 자유롭게 설정할 수 있도록 하였고 모터 브라켓에 슬

리브 홈을 설치하여 벨트의 장력을 조절할 수 있도록 하였다

Fig4-11

Fig4-12 Fou

- 56 -

Four fingertip

ur fingertips g

ps grasp system

grasp system la

m

ayout

Fig 4-13

Fig 4-14

- 57 -

Fingertip gra

4 Fingertip gr

asps mechanis

rasps extended

m

d

Fig 4-15

- 58 -

5 Power transmission devicce

- 59 -

제 5장 결 론

본 연구에서는 MIS 수술 로봇을 위한 햅틱 마스터장치 구동용 능동형 그리

퍼를 설계하기 위하여 그에 상응하는 자료 및 문헌 조사를 수행하였고 햅틱 마

스터에 적용 가능한 능동형 그리퍼를 설계하여 로봇 시스템의 초안을 구성하였

다 수술용 도구를 단순히 잡아주는 역할에서 벗어나 시스템에 추가적인 자유도

를 부여함으로써 그리퍼를 표현하였다 단순화된 그리퍼는 보다 저렴한 가격으

로 생산될 수 있으며 기존 로봇 수술시스템의 높은 비용을 절감할 수 있는 효

과를 가져올 수 있다

최종적으로 제안한 설계 안으로는 2 조 핑거그립를 사용하는 전기모터형 그

리퍼 와 추가적으로 개선한 4 조 전기모터형 핑거그립를 설계였다 스윙형 그립

의 단점을 보안하여 집중응력을 분산할 수 있는 구조로 설계하였고 그리퍼의

무계를 줄일 수 있는 방법을 제시하였다 이로써 원통형 도구 파지 시 안정성이

향상되었고 보다 원활하게 수술 도구를 교체 가능하도록 하였다

앞으로 촉감을 전달할 수 있는 센서의 개발로 햅틱 디바이스 인터페이스 장

치의 활용에 보다 높은 기여를 할 것이라 예상된다

-６０-

참고 문헌

[1] 나군호 ldquo로봇수술의 현재와 미래rdquo대한전기학회 2008년도 학술대회 논문

정보 및 제어부분 PP68~7020084

[2] 박정호 ldquo국내외 의료로봇 현황과 발전방향rdquo정보과학지 26(4)

PP49~5420084

[3] 편집부 ldquo수술지원로봇의 최신 기술 동향rdquo월간 자동화 기술 22(12)

PP74~77200612

[4] 경기욱박준석 ldquo햅틱스 기술개발 동향 및 연구전망rdquo전자통신경향분석

21(5)PP93~108200610

[5] 권동수경기욱 ldquo의료용 로봇의 연구 현황과 전망rdquo기계저널

42(3)PP38~44200203

[6] Yoichi OGAHARA Yusuke KAWATO Kenjiro TAKEMURA Takashi MAENO

ldquoA Wire-Driven Miniature Five Fingerd Robot Hand using Elastic Elements as

Jointsrdquo Proceedings the 2003 IEEERSJ Intl Conferense on Intelligent Robots and

Systems

[7] Ikuo Yamano Takashi Maeno ldquoFive-fingered Robot Hand using Ultrasonic Motors

and Elastic Elementsrdquoproceedings the 2005 IEEE International Conference on

Robotics and Automaion

[8] 홍만복김광기 ldquo최소 침습수술로봇을위한 2-자유도 구형 메커니즘설계rdquo

한국정밀공학회 2009년 추계학술대회 논문집

-６１-

[9] 이재훈김형욱이병주서일홍 ldquo새로운 6자유도 병렬형 햅틱 기구의 최적설

계 및 해석rdquo한국정밀공학회 2003년 추계학술대회 논문집

[10] 조국훈이재훈이병주김희국 ldquo병렬형 그리퍼 메카니즘rdquo한국정밀공학회지

[11] 김갑순 ldquo3축 힘센서를 이용한 지능형 그리퍼 개발rdquo한국정밀공학회지 제

24권 제 3호 1999년

[12] 고대성김성목김희국이병주 ldquo병진형 자유도와 1자유도 파지기능을 가지는

4자유도 병렬 메커니즘의 기구학분석rdquo한국정밀공학회 2007년 추계학술대회

• 제1장 서 론
• • 11 연구배경 및 연구목적
  • 12 연구내용
  • • 제2장 로봇 산업의 기술 현황
    • • 21 로봇산업의 동향
      • 22 의료용 로봇기술 현황
      • 23 의료용 로봇시장 전망
      • • 제3장 능동 그리퍼
        • • 31 최소침습 수술 햅틱 장치구현에 필요한 능동 그리퍼 제안
          • 32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류
          • 33 파지형태에 의한 그리퍼의 분류
          • 34 메카니컬 핸드의 구속기능
          • 35 대표적인 동력원의 특징
          • • 제4장 능동형 그리퍼 설계
            • • 41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정
              • 42 모터 선정 알고리즘
              • • 43 1 차 능동형 그리퍼 설계
                • 44 2 차 능동형 그리퍼 설계
                • • 제 5 장 결론
                  • 참고문헌
                  • TABLE 2-1 Domestic robot classification
                  • TABLE 2-2 Robot Production Company
                  • TABLE 3-1 Characteristics of power sources
                  • TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics
                  • TABLE 4-2 αSTEP Motor Characteristics
                  • Fig2-1 Phase of medical robots in the robot industry
                  • Fig2-2 Da Vinci surgical case number
                  • Fig3-1 Da Vinci robot system for MIS
                  • Fig3-2 Classified by the gripper grip action
                  • Fig3-3 Swing-type hand mechanism
                  • Fig3-4 Hand mechanism for translational type1 (parallel displacement)
                  • Fig3-5 Hand mechanism for translational type2 (Rack and pinion type)
                  • Fig3-6 Hand mechanism for three point pinch type
                  • Fig3-7 Movement of object
                  • Fig3-8 Contacts of the kind and the confining
                  • Fig3-9 Human Arm structure
                  • Fig4-1 Configuration of the fingers on robot gripper
                  • Fig4-2 Change the value of the angle of phage torque
                  • Fig4-3 Motor Selection Algorithm
                  • Fig4-4 Arbitrary Shape of Planar Area
                  • Fig4-5 Parallel-Axis Theorem
                  • Fig4-6 Arbitrary Shape of Polar Area
                  • Fig4-7 Example of Velocity Guidance
                  • Fig4-8 Parallel-link Grasp system 1
                  • Fig4-9 Parallel-link Grasp system 2
                  • Fig4-10 TWO Fingertip Grasp system
                  • Fig4-11 Four Fingertip Grasp System
                  • Fig4-12 Four Fingertip Grasp System layout
                  • Fig4-13 Fingertip Grasp Mechanism
                  • Fig4-14 Fingertip Grasp extended
                  • Fig4-15 Power Transmission Device

이 論文을 金 賢의 碩士學位論文으로 認定함

2011 年 8 月

主審

副審

委員

i

요 약 문

로봇은 이미 다양한 자동화 산업 분야에서 높은 부가가치의 창출로 인해 그

가치가 인정되어 점점 더 그 활용 분야가 증가하고 있는 추세에 있다 특히 의

료용 로봇 분야에서는 수술행위를 대행하는 다빈치 로봇의 개발로 수술의 신뢰

도를 크게 향상시키고 있다 로봇은 종종 큰 수술 시 다양한 의료장비를 교체해

야 하는데 교체 시 많은 시간이 요구된다 이러한 많은 준비단계와 사용하고 나

서의 복잡한 소독과정으로 인해 실제 로봇을 이용한 수술은 많은 시간이 걸리

며 초기자본을 회수하는 부분에서도 경제성이 떨어진다

따라서 본 연구에서는 수술용 도구를 단순히 잡아주는 그리퍼에서 벗어나

그리퍼에 추가적인 회전 자유도를 부여함으로써 기능을 향상시키는 능동형 그

리퍼를 제안하고 이를 이용한 안정적인 파지 법에 대하여 논하였다 제안한 설

계 안으로는 2 조 핑거 그립을 사용하는 전기모터 형 그리퍼와 추가적으로 개선

한 4 조 전기모터를 이용한 능동형 그리퍼를 제시하였으며 스윙 형 그립의 단

점을 보안하여 집중응력을 분산할 수 있는 구조로 설계되었다 또한 그리퍼의

무게를 줄일 수 있는 방법을 제시하고 이에 대한 분석을 수행하였다

ii

Abstract

Nowadays many researchers about robot are analyzed because robot

technology can be created the competitive market and it can increase the

export and employment Especially minimally invasive surgery is a

representative surgery method which utilize medical robot like the da Vinci

But medical robot need complicate process time and cost It can generate a

detrimental effect to the medical robot market

In this thesis active gripper which has multi-rotational freedom as well

as function holding a surgery instrument is proposed via constraint method

Two-finger gripper using a electronic motor and four-finger gripper is

designed The objective of gripper design is to disperse a stress and light a

weight of gripper The comparison between 2 type gripper and performance

is analyzed

-iii-

Nomenclatures

1 Length of first link

2 Length of the second link

3 Length of the third link

Torque

A Grasp angle

r Straight

LT Rotating Torque Load

BF Applied load[ N ]

([The value of the spring scale] kg g[ ms2 ] )

Efficiency( 085~095 )

D Choejongdan pulley diameter[ m ]

xI x-axis moment of inertia

yI y-axis moment of inertia

pI polar moment of inertia

LP The power of normal load conditions( 0i )

LI polar moment of inertia

aP For rotational forces

Angular

at Acceleration time

-iv-

MT Starting torque

ST RMS Torque

F Axial load[ N ]

0F Preload [ N ] ( ≒13F )

0 Coefficient of internal friction of the nut( 01~03 )

i Equipment ratio

Bp BALL SCREW PITCH [ mrev ]

AF External force [ N ]

m total weight of the WORK and TABLE[kg]

the friction surface coefficient of friction ( 005 )

the angle of gradient [˚ ]

g gravitational acceleration [ m ] ( 9807 )

-v-

List of Tables and Figures

TABLE 2-1 Domestic robot classification 5

TABLE 2-2 Robot Production Company 8

TABLE 3-1 Characteristics of power sources 36

TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics 50

TABLE 4-2 αSTEP Motor Characteristics 50

Fig2-1 Phase of medical robots in the robot industry 6

Fig2-2 Da Vinci surgical case number 13

Fig3-1 Da Vinci robot system for MIS 23

Fig3-2 Classified by the gripper grip action 25

Fig3-3 Swing-type hand mechanism 26

Fig3-4 Hand mechanism for translational type1 (parallel displacement)

27

Fig3-5 Hand mechanism for translational type2 (Rack and pinion type)

28

Fig3-6 Hand mechanism for three point pinch type 29

Fig3-7 Movement of object 30

Fig3-8 Contacts of the kind and the confining 31

Fig3-9 Human Arm structure 33

Fig4-1 Configuration of the fingers on robot gripper 38

Fig4-2 Change the value of the angle of phage torque 38

Fig4-3 Motor Selection Algorithm 39

Fig4-4 Arbitrary Shape of Planar Area 42

-vi-

Fig4-5 Parallel-Axis Theorem 43

Fig4-6 Arbitrary Shape of Polar Area 45

Fig4-7 Example of Velocity Guidance 48

Fig4-8 Parallel-link Grasp system 1 52

Fig4-9 Parallel-link Grasp system 2 52

Fig4-10 TWO Fingertip Grasp system 53

Fig4-11 Four Fingertip Grasp System 56

Fig4-12 Four Fingertip Grasp System layout 56

Fig4-13 Fingertip Grasp Mechanism 57

Fig4-14 Fingertip Grasp extended 57

Fig 4-15 Power Transmission Device 58

-vii-

목 차

요 약 문 i

Abstract ii

Nomenclature iii

List of Figures and Tables v

제1장 서 론 1

11 연구배경 및 연구목적 1

12 연구내용 3

제2장 로봇 산업의 기술 현황 4

21 로봇산업의 동향 4

22 의료용 로봇기술 현황 9

23 의료용 로봇시장 전망 16

제3장 능동 그리퍼 20

31 최소침습 수술 햅틱 장치구현에 필요한 능동 그리퍼 제안

20

32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류 24

33 파지형태에 의한 그리퍼의 분류 25

-viii-

34 메카니컬 핸드의 구속기능 30

35 대표적인 동력원의 특징 35

제4장 능동형 그리퍼 설계 37

41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정 37

42 모터 선정 알고리즘 39

43 1차 능동형 그리퍼 설계 51

44 2차 능동형 그리퍼 설계 54

제 5장 결론 59

참고문헌 60

- 1 -

제 1장 서 론

11 연구 배경 및 연구 목적

로봇은 이미 다양한 자동화 산업 분야에서 높은 부가가치의 창출로 인해 그

가치가 인정되어 점점 더 그 활용 분야가 증가하고 있는 추세에 있다 또한 최

근 들어서는 산업현장뿐만 아니라 생활 기구 의료용에서도 로봇을 접목시켜 이

를 실제 시스템에 사용하고 있다 특히 의료용 로봇 분야에서는 수술행위를 대

행하는 다빈치 로봇의 개발로 수술의 신뢰도를 크게 향상시키고 있다

다빈치 수술시스템은 너무나 성공적 이여서 수술행위의 수행에 있어서 커다

란 변화를 가져왔다 최소 침습수술의 발전으로 환자의 회복속도는 놀랍도록 빨

라졌지만 모든 개복수술을 최소 침습수술기법으로 대처하기에는 아직 기술적으

로 극복하지 못한 분야도 있다 기존의 복강경 수술의 경우 수술시야가 제한적

이고 수술부의로의 유일한 접근 통로인 투관이 한정되어 있어 손 운동에 제한

적이다 또한 로봇은 복잡하고 종종 큰 수술 시 다양한 의료장비를 교체해야 하

는데 교체 시 많은 시간이 요구된다 이러한 많은 준비단계와 사용하고 나서의

복잡한 소독과정으로 인해 실제 로봇을 이용한 수술은 많은 시간이 걸리며 초

기자본을 회수하는데 많은 시간이 걸리므로 경제성이 떨어진다 또한 실제 수술

시에는 다양한 수술도구들이 사용되는데 로봇수술을 위해서는 로봇 팔과 연동

된 수술 도구들이 쉽게 탈 부착 될 수 있어야 한다 실제 수술도구들이 쉽게 탈

부착된다면 작업 능률이 보다 증대될 것이다

- 2 -

수술용 로봇에 사용되는 엔드 이펙터 (End Effector)을 검토해보면 공통적 인

사실을 확인할 수 있다 시판되고 있는 복강경 로봇수술용 도구들은 Trocar 라

는 기구를 통해 인체 내로 삽입되고 Trocar 의 구조상 수술용 도구들은 Oslash55 이

내의 소형 원기둥 타입의 수술도구들이며 각각의 구동 모터를 개별적으로 가지

고 있다 최근에는 다빈치 수술 로봇이 사용됨에 따라 3 차원 고화질의 영상의

제공과 더불어 떨림 없는 정교한 시술작업이 가능해 졌으며 다자유도 수술 기

구 도입으로 좀 더 다양한 수술들이 가능해 졌지만 이러한 장점에도 불구하고

수술 시 힘의 강약조절이 불가능하다는 점은 가장 큰 단점으로 지적되고 있다

또한 아직 가격이 고가이고 구현 가능한 작업 영역대비 각 암의 크기가 커서

수술 시 암 사이의 충돌이 발생하는 문제가 제기되고 있다

또한 다빈치 수술로봇은 집도의 손으로 조작하여서 수술을 수행하는 수술

로봇 시스템으로 여러 가지 장점이 있지만 로봇이 수술하면서 발생하는 반력을

직접 집도의에게 전달하지 못하는 단점이 있다 이런 단점을 보안하기 위하여

수술용 로봇 시스템에 햅틱의 기능을 추가하여 로봇 시스템을 구성하는 것을

전 세계적으로 많은 연구가 진행되고 있다

따라서 본 연구에서는 수술용 햅틱 로봇에 적용이 가능한 로봇 시스템에서

수술도구를 집고 수술을 직접 수행하는 그리퍼 시스템을 설계하도록 하겠다

이를 위해 현재 로봇 시장의 현황을 분석하고 능동형 그리퍼를 설계하기 위한

여러 가지 이론적 배경과 그리퍼 설계 제한 조건을 설명한다 최종적으로 그리

퍼 설계를 수행한 후 각각의 설계에 따른 분석을 수행할 것이다

- 3 -

12 연구 내용

본 연구에서는 의료용 햅틱 로봇 시스템에 적합한 능동형 그리퍼를 설계하

는 것이 본 연구의 목적이며 이를 위한 연구내용은 각 장 별로 요약하면 다음

과 같다

제 1장에서는 본 연구를 수행한 배경과 목적을 설명하였다

제 2 장에서는 연구의 첫 단계로 본 연구의 이론적 배경을 기술하였다 수술

로봇의 개요 및 동향 선행기술에 대하여 설명하였다

제 3 장에서는 능동형 그리퍼에 대한 이론적 배경을 기술하였다 그리퍼의 자

유도 기능분석 메키니칼 구성표 동력원에 대해 고찰하였다

제 4 장에서는 능동형 그리퍼의 설계 결과를 기술하고 설계 안에 대한 방향

을 제시하였다

마지막으로 제 5 장에서는 결론 및 향후 연구되어야 할 문제들에 대하여 언

급하였다

- 4 -

제 2장 로봇 산업의 기술 현황

21 로봇산업의 동향

(1) 국내로봇산업 분류체계

로봇이란 용어는 1921 년 카펠 차펙 (Karel Capek)이 쓴 희곡에서 유래하여

전통적인 로봇이란 반복 노동을 대체하는 자동화 기계로 인식되어 왔으나 현대

에 와서는 외부의 환경을 인식하고 지능을 바탕으로 스스로 판단하여 자율적으

로 동작하는 장치로 변모하였다 이렇게 변모하는 로봇산업은 현행 한국표준산

업 분류 체계상 단일제품 수준의 lsquo산업용로봇rsquo 으로만 분류하여 급성장이 예상

되는 lsquo서비스로봇rsquo 부분은 포함되어 있지 않았다 이에 산업자원부는 2007 년 1

월 로봇산업의 분류체계를 새롭게 마련하고 로봇산업의 승인통계를 구축하였다

이로써 1978 년 로봇산업이 시작한 이래 30 년 만에 비로소 로봇산업에 대한 명

확한 분류체계를 구축한 것이다

이 분류체계에서 로봇산업은 크게 개인서비스용 로봇 전문서비스용 로봇

제조업용 로봇 네트워크 로봇 로봇부품 및 부분품 등 대분류 5 개 중분류 28

개 소분류 136 개 항목으로 분류되어 있다 이를 구체적으로 살펴보면 TABLE

2- 1과 같다

- 5 -

TABLE 2-1 Domestic robot classification

대분류 중분류

서비스 로봇

개인 서비스용가사용 생활 지원용 여가 지원용 교육

용 기타 개인서비스용

전문서비스용

빌딩 서비스용 극한작업용 의료 복지용

사회 인프라용 군사용 생물 생산용 기

타 전문 서비스용

제조업용 로봇

이적재용 공작물 착탈용 용접용 표면처

리용 조립분해용 가공용 공정용 시험

검사용 기타 제조업용

네트워크 로봇 -

로봇부품 및 부분품 로봇용 구조구동센싱제어통신소프트

웨어기타 부품 및 부분품

lt자료gt 산업자원부

ldquo의료 복지용 로봇rdquo은 전문서비스용 로봇의 한 분야로 로봇산업의 중분류로

분류되고 있다 의료 복지용 로봇은 다시 수술 로봇 재활 훈련용 로봇 의료진

단 및 검사용 로봇 기타 의료 복지 로봇 등으로 소분류체계를 구축된다

산업연구원 (2007)에서는 로봇산업에서의 의료용 로봇의 위상을 Fig 2-1 과

같이 도식화 하였다 의료용 로봇을 포괄하고 있는 지능형 로봇은 우리나라가

소득 3 만 달러 시대를 선도할 미래스타산업으로 타 분야에 대한 기술적 파급

효과가 큰 첨단기술의 복합체라는 점 때문에 특히 중요하다고 할 수 있다

- 6 -

Fig2-1 Phase of medical robots in the robot industry

(2) 국내로봇산업 규모

가 로봇생산 기업규모

앞 절과 같은 로봇산업 분류체계에 근거하여 2006 년부터 로봇산업 통계조사

가 체계적으로 이루어지기 시작하였다 이 통계조사에 따르면 국내 로봇생산을

담당하고 있는 기업은 TABLE 2-2와 같다 2006년 총 170개 제조업 로봇 77개

사 (453) 로봇부품 및 부분품 48 개사 (282) 개인 서비스용 로봇 24 개사

- 7 -

(141) 전문서비스용 로봇 13 개사 (76) 네트워크 로봇 8 개사 (47)로 분포

되어 있다 이와 같은 수치는 2005 년 대비 제조업용 로봇 관련 기업 수는 다소

감소하였으나 전문서비스용 로봇이나 개인서비스용 로봇 관련 기업 수는 다소

증가하였다 또한 기업체 당 평균 자본금은 5354 억으로 제조업을 제외하면 기

업체 당 평균 자본금이 가장 높은 분야는 개인 서비스용 로봇 (2570 억원) 가

장 낮은 분야는 전문 서비스용 로봇 (1106억원)으로 나타났다

이는 최근 수요가 증가하는 생활 관련 로봇들에 대한 대기업의 투자나 진입

이 두드러지면서 나타난 현상이며 이런 기업들의 투자에 따른 생활 로봇 기술

향상이 두더러 지게 나타나고 있다 따라서 의료용 로봇 산업분야의 체질강화

와 기업 경쟁력 강화를 위해서는 최근 늘어나는 수요창출에 발맞추어 중견기업

들의 투자와 연구개발이 집중되어야 할 것이다

한편 로봇기업의 매출액 규모는 1억 원 미만의 영세한 업체가 30 1억~10

억 원 규모의 업체가 282 10억~50억 원 규모의 업체도 282로 대부분의 로

봇기업은 매출액 규모 50 억 미만의 중소기업체인 것으로 나타났다 특히 의료

용 로봇은 영세한 업체가 담당하기에는 다소 연구개발과 투자비용이 많이 소요

되기 때문에 대기업이나 정부의 투자나 지원이 반드시 필요하다 이러한 상황에

서 국내 의료용 로봇 시장의 성장을 낙관하기는 다소 무리가 있다 따라서 대기

업들이나 정부는 의료용 로봇 시장 확대와 성장에 적극적으로 참여해야 할 것

이다

- 8 -

TABLE 2-2 Robot Production Company

구분

2005 2006

업체수 구성비 업체수 구성비

제조업용 로봇 60 333 77 453

전문서비스용 로봇 13 72 13 76

개인서비스용 로봇 39 217 24 141

네트워크 로봇 17 94 8 47

로봇부품 및 부분품 51 283 48 282

합계 180 1000 170 1000

나 로봇생산 생산규모

로봇기업의 생산 현황을 보면 2005 년에는 5722 억 원 정도였으나 2006 년에

는 7196 억 원으로 258의 증가율을 보였다 특히 의료 복지용 로봇 분야가 포

함되어 있는 전문서비스용 로봇은 2005 년에는 53 억 정도였으나 2006 년에는

124억으로 전년대비 1309의 높은 증가세를 보였다

최근 국내에서 개발된 환자 안내용 로봇인 스누봇 (SNUBOT)이나 내시경 로

봇인 미로캠 (MiroCam) 등의 개발로 인해 더욱더 생산 증가폭은 커질 것으로

전망한다 의료 복지용 로봇분야에서는 2005 년에는 생산이 거의 없었으며 2006

년에는 약 6 천 만원으로 증가하기는 하였으나 이는 다른 로봇 분야에 비하면

극히 미비한 생산액이며 수술 로봇이나 재활 로봇에 대한 생산은 거의 전무한

실정이다 한국과학기술정보연구원(KISTI)에 따르면 2006 년 국내 서비스 로봇

- 9 -

(산업용 로봇 제외) 시장규모는 약 624 억 원으로 미비한 수준에 그쳤으나 2011

년 5117 억 원에 달하고 2013 년 이후는 수조 원에 달하는 황금시장으로 떠오를

것으로 예상하였다 또한 정부에서는 2005 년 국내 로봇산업 육성을 위해 2013

년까지 세계 시장 점유율 15 총생산 30 조원 수출 200 억 달러 고용창출 10

만 명 등 세계 3위의 로봇강국을 목표로 하고 있다

22 의료용 로봇기술 현황

(1) 의료용 로봇 유형 및 개념

의료용 로봇은 크게 수술 로봇 수술 시뮬레이션 재활로봇 기타 의료 로봇

등으로 분류된다

첫째 수술 로봇은 크게 두 가지의 유형으로 분류된다 먼저 수술 보조 로봇

(surgery assistant robot)은 수술실에서 집도의 명령에 따르면서 수술을 보조하거나

영상 가이드 역할을 해주는 로봇을 의미하며 수술 로봇 (surgery robot)은 의사를

대신하여 수술과정의 전체 혹은 일부를 의사 대신 혹은 의사와 함께 수술 작업

을 한다

둘째 수술 시뮬레이터 (surgery simulator)는 의사의 수술에 관한 숙련도를 높

이기 위하여 가상의 그래픽 환자 모델과 햅틱 장치 (haptic device) 등을 이용하

여 수술을 연습할 수 있게 하는 의료용 로봇이다 특히 근래에 들어 프로세스의

- 10 -

성능이 좋아지면서 MRI 나 CT 영상 등을 활용한 실시간 3 차원 볼륨이 가능해

지면서 의료용 시뮬레이터 개발은 가속화 되었다

셋째 재활 로봇 (rehabilitation robot)은 노인과 장애인의 재활치료와 일상생활

을 도와 주는 로봇 시스템으로 단순한 신체를 지지해 주는 역할을 벗어나 중증

환자나 노인의 신체 움직임을 향상시키고 빠른 시일 내에 회복하도록 주요 기

능을 수행하고 장애인의 장애를 극복하여 독립적인 생활을 가능하게 할 수 있

는 특정 기능의 로봇을 의미한다

넷째 기타 의료 로봇으로는 간호 로봇이나 안내로봇 등이 있다 현재의 간

호 인력을 도와서 수술이나 치료를 받는 환자를 보살피는 로봇으로서 정확한

투약과 수술 후 관리가 가능하도록 도와주는 기능과 환자의 이동 간병 및 산책

이 가능하고 말벗의 기능을 포함하는 로봇을 의미한다

(2) 의료용 로봇기술 개발현황

가 수술 로봇

현재까지 연구된 수술 로봇은 미세 수술용 원격수술 로봇 최소침습수술

(MIS) 로봇 관절 수술 로봇 등으로 분류할 수 있다

원격수술 로봇 시스템 일환으로 개발된 대표적인 로봇으로는 일본 동경대의

원격 수술 로봇 미국 NASA JPL 의 RAMS SRI International 의 원격 수술 로봇

한국과학기술원의 미세수술용 Slave 로봇 등이 있다

- 11 -

MIS 의 로봇 시스템 일환으로 개발된 대표적인 로봇으로는 미국의 UC 버클

리대의 수술 로봇시스템 Computer Motion 사의 내시경 보조 로봇인 이솝

(AESOP)과 복강경 수술 로봇인 제우스 (ZEUS) 제우스 보다 진보된 Intuitive

Surgical 의 다빈치 (daVinch) 등이 있다 이 중 다빈치는 수술용 로봇으로 거의

독점적인 위치로써 세계 로봇수술의 첨병역할을 하고 있다

관절 수술 로봇의 일환으로 개발된 대표적인 로봇으로는 미국 Integrated

Surgical System사의 로보닥 (Robodoc) 독일의 Orto Maque사의 CASPAR 영국의

Imperial College의 아크로보트 (Acrobot) 등이 있다

나 수술 시뮬레이터

수술 로봇 이외에 의사의 수술에 관한 숙련도를 높이기 위한 의료용 시뮬레

이터가 활발하게 연구되고 있다 특히 근래에 들어 프로세서의 성능이 좋아지면

서 MRI 나 CT 영상 등을 활용한 의료용 수술 시뮬레이터 개발이 가속화 되었

다 대표적인 수술 시뮬레이터로는 미국 Georgia Tech의 안구 수술 시뮬레이터

미국 Boston 다이나믹스사의 개복수술 시뮬레이터 Mitsubishi Electric Research Lab

의 무릎관절 내시경 시뮬레이션 영국 맨체스터 대학의 웹기반 시뮬레이터 등이

있다

다 재활 로봇

- 12 -

노령인구와 장애인구의 증가로 로봇 기술의 필요성은 재활분야에도 확대되

고 있다 장애인의 독립적인 활동을 보장하고 삶의 질을 높이려는 노력은 유럽

등의 선진국을 중심으로 재활 로봇이 연구되어 왔으며 이탈리아에서 개발된

MOVAID 가 대표적인 재활 로봇이다 또 미국에서는 MIT 를 중심으로 RIC 과

같은 로봇 신경 재활 로봇들이 개발되고 있다 스위스에서는 보행 재활 로봇으

로 Lokomat 이 개발되었고 국내에서는 KAIST 에서 휠체어 로봇 시스템과 보행

보조 로봇 등이 연구되고 있다 이외에도 서강대학교에서는 SUBAR 라는 보행

재활 로봇을 개발하였다 이외에도 최근 미국의 Intouch Health 에서 개발한 RP-7

은 멀리 있는 환자의 병증을 파악하는 데 탁월한 원격진료 로봇으로 활용되고

있다

(3) 국내 의료용 로봇 적용사례

상기 서술한 의료용 로봇 중 가장 많은 각광을 받고 있으며 국내에서 적용

되고 있는 사례를 통해 의료용 로봇의 사용 실태를 파악보고자 한다 대표적인

복강경 수술 로봇인 Intuitive Surgical의 다빈치 로봇 시스템과 고관절 수술 로봇

인 Integrated Surgical System사의 로보닥을 중심으로 국내 실태를 살펴보고자 한

다

가 다빈치

- 13 -

Fig 2-2 da Vinci surgical case number

다빈치 로봇은 1997 년 벨기에서 처음으로 환자에게 적용된 이래 국내에

2005 년 7 월 연세대학교 신촌 세브란스 병원에서 최초로 도입하여 2005 년 7 월

15 일 국내 최초로 다빈치를 이용한 로봇 수술이 이루어졌다 Fig 2-2 에서 보

듯이 수술사례는 계속적으로 증가하여 2008 년 1 월 말 현재 750 건이 넘는 수

술이 이루어졌다

다빈치 로봇은 전립선암 위암 대장남 부인암 식도암 갑상선암 간암 등

대부분의 암수술 및 중요 외과계 수술에 적용된다 이는 다빈치 로봇 수술이 가

져다 주는 효과인 개복수술이나 복강경 수술보다 수술회복기간이 단축되고 수

술시간도 감소시키는 역할과 무엇보다 수술 후 환자가 겪는 수술 후유증 확실

- 14 -

히 줄여주기 때문이다 특히 전립선암의 경우 대표적인 수술 후유증인 요실금

과 발기부전 등의 가능성이 대폭 줄어드는 것으로 알려져 있다

이와 같은 수술사례와 수술성과에도 불구하고 다빈치 로봇의 가격이 25 억

정도의 고가이기 때문에 영세한 의료기관에서 도입하기에는 다소 무리가 따르

고 있다 그러나 대형 병원들은 다빈치의 성공적인 수술사례를 통해 앞다투어

이를 도입하고 있다

2008 년 1 월 현재 신촌 세브란스 병원은 이미 3 대를 도입했고 영동 세브

란스 병원 고려대 안암병원 서울아산병원 한림대 강남병원 분당서울대병원

삼성서울병원 경북대병원 동아대병원 등 9 개 의료기관에 도입되어 있다 또한

최근 (2008 년 1 월 30 일) 연세대 세브란스병원은 로봇 수술의 활성화를 위해

Intuitive Surgical 과 공동으로 복강경 수술용 로봇 다빈치를 이용한 수술법을 배

우는 lsquo연세 다빈치 트레이닝 센터rsquo를 개소하였다

다빈치는 로봇 가격만큼 수술 비용에 있어서도 고가인데다 의료보험이 적

용되지 않아 수술 비용을 환자가 모두 부담해야 하는 실정이다 다빈치 로봇 수

술 비용은 700~2000 만 원선으로 기존의 수술 비용인 200~300 만 원 보다는 다

소 높은 가격이다 특히 전립선암의 경우 로봇 수술 비용은 1500 만 원 선으로

개복수술이나 복강경수술보다 5~7 배 정도의 높은 가격이다 그럼에도 불구하고

로봇 수술은 거의 모든 암 수술에 적용되고 있고 환자와 의사 모두 만족하는

수술법으로 자리잡아 가고 있다

- 15 -

나 로보닥

로봇이 외과적 기계로써 임상적으로 처음 국내에서 적용된 것은 1992 년 lsquo로

보닥rsquo이라는 의료용 로봇이다 미국에서 개발된 로보닥은 인공관절이 삽입될 환

자의 뼈를 로봇으로 가공해서 수술 성공률을 획기적으로 높였다 두꺼운 뼈를

정확한 형상으로 깎아내는 작업에는 CADCAM 자료에 따라 작동하는 로봇 팔

이 숙련된 외과의사를 간단히 능가했다 로보닥은 한국과 EU 의 판매승인을 획

득했고 결국 인공관절수술의 대세를 장악했다 세계적으로 8000 회 이상의 수술

이 로보닥을 이용하여 성공적으로 수행되었으며 2001년 FDA의 승인을 받기도

하였다

2002 년 국내 처음으로 로보닥이 도입된 이래로 이춘택 병원은 현재까지

2556 회라는 경이적인 수술건수를 기록하였다 그는 최소침습수술과 접목하여

로봇의 정밀성과 최소 절개기술을 결합시킴으로써 환자의 고통과 재활 기간을

크게 줄였다 그러나 로보닥의 가격은 무려 17 억 원이며 3 차원 영상까지 구현

하기 위해서는 10 억 원 상당의 멀티 CT 까지 도입해야만 한다 그렇기 때문에

소규모의 관절전문병원이 도입하기에는 다소 무리한 점이 있다 이러한 상황에

서 이춘택은 국내시장에 맞는 로봇개발을 위해 국산 부품 및 소프트웨어를 개

발 중에 있다 따라서 우리나라도 고령화 사회를 맞아 세계적으로 관절 수술이

급증하고 있는 상황에서 국내 기술로 만든 수술용 로봇이나 소프트웨어 개발은

국내 의료용 로봇시장의 활성화를 이룰 수 있다

- 16 -

23 의료용 로봇시장 전망

(1) 로봇산업 전망

로봇 분야별 세계시장 정세를 살펴보면 제조업용 로봇은 시장안전화 단계로

써 급격한 시장변화는 어려우며 신규 생산설비 및 기존 설비에 따른 수요가 대

부분 차지하고 있는 실정이다 개인서비스용 로봇은 가족구조의 핵가족화와 고

령화 현상으로 인한 가족인원으로서의 가정용 로봇에 대한 수요가 증가 추세에

있다 전문서비스용 로봇은 생산국과 생산기업이 극히 제한되어 있으며 제품가

격의 고가로 인해 시장형성에 있어서 생산국과 수요국이 불일치하고 있는 실정

이다 이러한 상황에서 로봇시장의 국가별 점유율을 살펴보면 일본 (28) 미국

(18) 독일 (16) 이탈리아 (10) 한국 (3)의 순으로 세계 5 위를 차지하고

있다 이와 같이 산업용 로봇의 경우는 우리나라의 세계적인 위상이 높지만 아

직까지 전문 서비스 분야 로봇에 대한 세계적인 위상은 미비하다

시장규모 전망과 국내 세계시장 점유율에 대한 전망은 다음과 같다 세계 로

봇시장의 규모는 2010 년에는 247억 5 백만 달러에서 2020년에는 717억 7 천만

달러에 이를 것으로 보고 있으며 연평균 107의 증가율을 예상하고 있다 분

야별로는 제조업용 로봇은 2010 년 세계시장의 114에서 2020 년 144의 비중

을 차지할 것으로 전망하고 있으며 전문서비스용 로봇은 2010 년 세계시장의

09에서 2020 년 21의 비중을 차지할 것으로 예상하고 있다 개인서비스용

- 17 -

로봇은 2010 년 30에서 2020 년 70 수준에 달할 것으로 보고 있다 비록 전

문 서비스용 로봇산업의 규모는 미국 일본 독일에 비해 미미한 실정이나 전문

서비스용 로봇의 신시장을 개척하고 그 만큼의 기술력이 밑받침된다면 2020 년

세계시장에서의 더 큰 비중의 달성이 이루어질 것으로 본다

(2) 의료용 로봇기술 전망

의료용 로봇시장의 성장은 의료용 로봇기술 개발산업의 성장과 밀접한 관계

가 있다 세계적인 개발추세로는 의료용 로봇개발 하드웨어 분야에서는 일본이

경쟁력이 가장 높으며 소프트웨어 분야에서는 미국이 앞서나가고 있다 또한

독일은 하드웨어 및 소프트웨어 분야에서 동시에 상당한 연구 개발 능력을 보

유하고 있다 앞으로는 이 세 나라가 의료용 로봇 시장의 핵심 주자로 나설 것

으로 예상된다

산업연구원 (2007) 조사에 따르면 국내 로봇산업의 기술은 기술항목에 따라

다소 차이를 보이고 있으나 제조업용 로봇의 경우는 최고 기술 보유국 대비 평

균 85 정도에 육박하고 있으며 전문서비스용 로봇의 경우는 80 정도 개인서비

스용 로봇은 84 정도에 이르고 있는 것으로 나타났다 의료용 로봇 분야에서는

선두주자인 미국의 기술력을 100 이라고 봤을 때 현재 우리나라는 70 정도이며

2015년이 지나야 100 에 도달할 것으로 전망하였다 비록 의료용 로봇에서 세계

1위인 미국에 비해 우리는 아직 10년 이상 차이가 있지만 세계 최초로 국제 규

- 18 -

모의 로봇랜드 조성과 로봇펀드 발생 등 정부 차원에서의 노력이 여러 가지 방

면에서 다양하게 펼쳐지고 있기 때문에 그 격차는 점차 줄어들 것으로 예상된

다

또한 IFR (2006) 자료에 따르면 한국 산업용 로봇은 세계 5 위의 강국[16]인

데 비해 의료용 로봇에 있어서는 약소국이다 이는 의료용 로봇의 개발비가 많

이 드는데 비해 국내 시장은 극히 제한적이어서 일반 기업의 참여가 아주 저조

하기 때문이다 국내에서 의료용 로봇 관련 기술 개발은 아직 걸음마 단계에 머

물러 있으며 벤처기업 및 대기업들이 개발해 상용화시키고 있는 기술이나 제품

도 대부분이 생활 가전형 로봇에 한정되어 있을 뿐 의료용 로봇분야는 아직 미

개척지로 남아 있다 하지만 국내에서도 의료용 로봇 개발을 수행하기 위해 대

학이나 연구소 차원에서 의료용 로봇에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다 먼

저 한국과학기술원이 8 년 전 설치한 휴먼 웰페어 로보틱 서저리 센터가 대표

적인 연구기관이다 이 연구소에서는 거동이 불편한 환자들을 위한 휠체어의 자

동화 시스템이나 복강경 수술 로봇 등 로봇 수술용 기구의 국산화에 초점을 맞

춰 진행 중이다 또한 최근에는 국립암센터 역시 산업자원부로부터 수술용 로

봇과 영상시스템을 주제로 한 의료용 로봇 개발자로 선정되어 연구에 들어갔다

비록 국내 의료 및 수술 로봇 관련 기술이 일본 미국 등에 비해 아직까지

뒤쳐져 있는 실정이지만 국내에서도 의료용 로봇 기술 개발이 이처럼 활발히

진행되고 있어서 향후 전망은 매우 밝다고 할 수 있다 또한 해외에서 각광을

받고 있는 캡슐형 내시경 연구 역시 국내에서 벌써 10 년째 계속 되고 있다 최

- 19 -

근 한국과학기술연구원과 벤처기업인 인트로메딕이 개발한 세계 최소형 캡슐형

내시경인 미로캠 (MiroCam)은 2010 년까지 국내 캡슐형 내시경 시장의 80를

점유할 것으로 예상하고 있다 이러한 국산 의료용 로봇 개발을 통해 고부가가

치 시장인 세계 의료 시장에 뛰어들 수 있는 기반을 다졌다는 데에 큰 의미가

있다

전문 서비스용 로봇의 경우 제조업 로봇 관련 풍부한 경험을 바탕으로 전문

서비스용 로봇으로의 기술확대 메카트로닉스 (mechatronics) 관련 다양한 산업기

반과 세계적인 IT 인프라 보유국의 강점을 살리고 있다 또한 한국은 10 대 성

장동력간 연계 등을 통한 시너지 효과와 세계 전문서비스 로봇 시장이 초기형

성 단계임을 감안한다면 이 분야의 진출에 대한 절호의 기회이며 머지않아 의

료용 로봇 강국으로 진입할 수 있을 것으로 기대된다

- 20 -

제 3 장 능동 그리퍼

31 최소침습 수술 햅틱 장치 구현에 필요한 능동 그리퍼 제안

21 세기 로봇 기술 분야에서는 인간과 기계 시스템 간의 커뮤니케이션이 무

엇보다 중요하게 강조되며 이러한 인간과 기계 시스템의 의사소통은 주로 인간

의 감각 기관을 통해 이루어 진다 일반적으로 인간에게는 보고 듣고 냄새를

맡고 맛을 보고 피부로 느끼는 오감이 있으며 이러한 감각을 시각 청각 후

각 미각 촉각이라고 한다 따라서 이러한 인간의 감각에 정보를 전달하기 위

한 다양한 기계 시스템들이 개발되어 왔다 오감 중에서 현재 인간과 기계 시스

템간의 인터페이스 역할을 하는 표적인 감각으로는 사물을 보는 시각과 소리

를 듣는 청각이 주로 이용되고 있다 이를 위한 시스템들은 이미 상당한 수준으

로 발전해 현재 상용화 되어 활용되고 있다 하지만 이러한 시각과 청각 인터

페이스 만으로는 로봇의 제어에 한계가 있으며 오감 중에서 세 번째 감각인 촉

각에 한 인터페이스가 현재 활발히 연구 개척되고 있다 만약 가상현실에 촉

감 인터페이스가 적용된다면 기존의 시각과 청각에만 의존하던 가상 현실에 촉

감을 전달함으로써 실제 물건을 만지고 느낄 수 있으므로 가상현실을 보다 더

실감나게 할 수 있을 것이다 하지만 인간의 감각 중에서 촉각은 매우 민감한

감각으로 여기에 촉감 정보를 전달하는 인터페이스는 아직 많은 연구를 필요로

하고 있다

- 21 -

햅틱 (haptic)이란 단어의 사전적인 의미는 ldquoof or relating the sense of touch

tactilerdquo로써 물체를 만질 때 사람이 느낄 수 있는 촉각적 감각으로 피부가 물체

표면에 닿아서 느끼는 촉감 (tactile sensation)과 관절과 근육의 움직임이 방해 될

때 느껴지는 근 감각적인 힘 (kinesthetic force)의 두 가지 힘을 모두 합쳐서 부르

는 말이다 촉감 구현 연구는 물리적 장치를 이용하여 사람이 직접적인 접촉이

없이도 촉각 정보를 전달하는 방법에 관한 전반적인 연구 분야를 일컫는 말로

사람에게 원격지에 있는 물체의 물리적 특성을 전달하는 원격조작 혹은 원격현

장감에 관한 연구로부터 시작되었다 가상 혹은 실제 환경에서 촉감을 구현하기

위한 연구를 포괄적으로 의미하는 용어로 햅틱스 (haptics)라고 한다 주요 연구

분야는 사람이 직접 손에 쥐거나 착용하는 물리적 장치인 햅틱 디바이스 인터

페이스 (haptic interface) 가상 공간상의 물체에 기계적 성질을 부여하여 사실감

이 있는 상호작용을 제공하고자 하는 햅틱 렌더링 (haptic rendering) 사람의 촉

각 인지 특성에 관한 연구 (tactile perception) 등으로 나눌 수 있다 특히 햅틱

인터페이스 (haptic interface)는 햅틱 디바이스 (haptic device)라고도 불리우며 사람

에게 촉감을 전달하는 물리적인 장치를 말하며 더 넓은 의미로 사용하여 가상

의 환경을 촉감 전달을 통해서 느끼게 하는 시스템 전체를 가리키기도 한다 이

러한 햅틱 기술은 다양한 분야에서 활용될 수 있는데 표적인 분야로는 가상

현실 분야 인간-컴퓨터 인터페이스 분야 게임 등 사이버 커뮤니케이션 그리고

원격제어 로봇 등이 있다 특히 원격제어 로봇이 많이 활용되고 있는 의료 분

야에서 햅틱 구현은 매우 시급한 과제이다 현 의 수술은 점점 첨단의 수술 도

- 22 -

구와 로봇을 이용하여 집도되는 추세이며 최소침습수술 (minimally invasive

surgery MIS)이 그 표적인 예이다 이 수술법은 환부의 구멍에 수술도구와 카

메라를 삽입하여 집도의가 모니터를 보면서 시술함으로써 시술시간이 짧고 환

자의 회복이 빨라서 그 적용 범위가 점차 확 되고 있다 하지만 환자가 얻게

되는 이점에 반해 의사는 개복 수술에서 쉽게 이용하던 기술들을 더 이상 적용

할 수 없게 되어 집도에 있어 큰 어려움을 부담해야만 한다 즉 환자의 내부에

서 손의 움직임과 시야의 제약을 받게 되었고 손으로 환자의 장기나 뼈를 만지

고 상태를 확인할 수 없게 된 것이다 이러한 문제점들을 극복하기 위해 첨단의

의료용 로봇 시스템이 개발되었는데 의사 즉 오퍼레이터가 조작하는 마스터

(master) 로봇과 환자의 환부에서 수술을 진행하는 슬레이브 (slave) 로봇으로 구

분된다 슬레이브 로봇은 크게 수술 시 집도의 팔의 움직임을 구현하는 구동 암

(arm)과 수술도구를 홀딩 할 수 있는 그리퍼로 분류할 수 있다 구동 암의 움직

임은 수술 부위의 위치를 결정하면 별도 큰 움직임 없이 작동시킬 수 있으며

전달 수술 관통 수술이 아닌 경우에는 집도의가 느끼는 힘을 피드백 할 필요가

없다 하지만 그리퍼의 경우는 신체 일부분의 미세한 조직까지 전부 접촉해서

제거하거나 봉합하기 때문에 집도의가 수술 시 느끼는 힘을 구현하여야 보다

정밀한 수술을 수행할 수 있다 따라서 본 연구에서는 햅틱 장치가 적용된 마스

터 로봇과 마스터 로봇에서 형성된 힘을 느낄 수 있으며 원할한 수술을 진행할

수 있는 최소침습수술용 능동 그리퍼를 제안하겠다 Fig 3-1 은 상용 MIS 장치인

다빈치 로봇의 마스터와 슬레이브 그리고 그리퍼를 나타내고 있다

(a) sla

(b

Fig 3-1 da V

Operation Arm

Gripper

- 23 -

ave robot and g

b) master rob

Vinci robot sy

m

gripper

ot

stem for MIS

- 24 -

32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류

산업용 로봇은 그 기능 특성상 필요성에 의해 로봇의 말단부에 그리퍼를 부

착시킨다 이것은 인간의 손에 응되는 것으로서 메커니컬 핸드라고 칭하며 다

루는 상 물체를rdquo파지rdquo해 이동하는 목적으로 사용되는 도구이다

파지동작은 Fig 3-2 와 같이 세분화된다 인간의 손 손가락에는 많은 관절이

있으며 여러가지 작업이 가능하다 일상 생활에서의 붙잡기는 형식을 분류한 것

으로는 슐레징거의 12 형식이 있다 여기서 인간의 손에는 손가락이 있어서 그

것을 유지핸드라고 이름 붙이면 메커니컬 핸드에는 손가락이 없는 구성법이 있

는데 이것을 무지 핸드라고 이름 붙이기로 한다 이 무지 핸드는 기계적 물리적

으로 구조상 무지핸드로 한 것과 공구가 메커니컬 핸드와 일체화됐다고 생각하

는 공구 핸드가 있다 메커니컬 핸드를 분류해 보면 다음과 같다 진공이나 자

기 이용의 흡착 등 물리적 흡척형의 유지는 보통 평면(완만한 곡선도 포함)부를

흡착하는 형태로서 물체의 크기나 중량에 따라 여러 개가 설치되는 경우도 있

다 그러나 물체표면에 만곡부가 있는 경우나 구멍이나 공동이 있는 경우에는

적용할 수 없게 된다 또한 자력을 이용한 경우 철금속 재료를 다루게 되는데

경우에 따라서 매우 효율적이고 신뢰성이 높기는 하지만 물체에 잔류 자력이

남게 되는 문제점이 있다 받기형의 유지는 지지의 동작만을 가지고 있는 형태

이며 이는 전기한 흡착형 보다 적극적이 아니여서 약한 구속을 갖는다 변형하

기 쉬운 물체의 이송등에는 이를 채택한다 매달기형 유지는 중력 방향의 이동

1 자유도를 구속한다 잡기형 파지는 유연성에 의한 변형으로 접촉면적을 크게

하여 집는

상물을 외측

이용하는 등

33 파지형

파지 형

다 본 연구

하여 설명

(1) 두 손

형태이다 현

측에서 파지하

등의 파지방법

형태에 의한

형태로서는

구에서 사용할

명 하겠다

손가락 type

현재 많이 사

하거나 구멍

법이다

한 그리퍼의

상을 바깥에

할 메커니즘은

e

Fig 3-2 Cla

- 25 -

사용하고 있는

속에 손가락

의 분류

에서 파지하

은 바깥에서

assified by the

는 끼우기형

락을 넣은 후

는 것과 안에

파지하는 형

gripper grip ac

파지 형태는

후 벌려서 내

에서 파지하

형태가 유리하

ction

는 핸들링

내측사용면을

는 것이 있

하므로 이에

두 개의

상태를 유지

는 스윙형

안정되게 파

의 리지트한

지해서 개폐

핸드(swingin

파지하는 점에

손가락을 갖

되는 병진형

ng gripper)로

에서 병진형

(a) grinder c

(c

Fig 3-3 Sw

- 26 -

갖춘 것으로

핸드(transla

로 분류된다

보다 떨어진

crank

c) rotation joi

wing-type hand

실용례가 많

ational grippe

스윙형은 기

진다

(b) swing

int

d mechanism

많다 손가락이

er)와 그 방향

기구가 간단하

g block

이 상호평행

향이 변화하

하나 상이

병진형에

4 은 평행링

운동을 바꾸

에 회전시킴

로 유지되기

지된다 직

시키도록 한

가 전middot후진

피니온 방식

F

에서는 평행링

링크 방식의

꾸고 그 피니

킴으로써 손가

기 때문에 손

동형 신에

한 것도 있다

진하는 결점이

식이 채용된다

Fig 3-4 Hand

링크 랙middot피니

예로 직동형

니온 운동으로

가락 개폐를

손가락의 물체

에 회전형 액

다 평행링크를

이 있다 이문

다

mechanism fo

- 27 -

니온 나사이송

형 액추에이

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얻는다 링크

체 파지면의

추에이터를

를 이용한 형

문제를 해결하

or translational

송 기구 등이

터의 운동을

의 하나의 링

크 PS 와 링

자세도 개폐

이용한 형식

형식은 개폐에

하는 방법으로

type1 (paralle

이 이용되고

랙과 피니온

링크 A 를 축

크 QR 은 항

폐 동작 중 일

식에서 평행링

에 의해서 손

로서 볼나사

el displacement

있다 Fig 3-

온으로 회전

축 P 의 주위

항상 평행으

일정하게 유

링크를 회전

손가락 위치

기구나 랙middot

nt)

Fig 3

는 핸드의

볼나사 기구

다

(2) 세 손

세 손가

가락으로 잡

F

-5 는 회전형

예이다볼나

구 각각을 손

손가락 type

가락을 가진 핸

잡는 것보다

Fig 3-5 Hand

형 액추에터로

나사 기구를 이

손가락에 부착

e

핸드에서는

안정된 파지

d mechanism fo

- 28 -

로 랙 피니온

이용하는 경

착 사라를 회

상을 3 점

지 동작을 할

or translational

온을 회전시킴

우에는 1

회전시킴으로

점에서 유지할

할 수 있다

l type2 (rack a

킴으로써 개폐

의 왼나사

써 개폐 동작

할수 있기 때

nd pinion type

폐동작을 하

오른나사의

작을 실현한

문에 두 손

e)

Fig 3-6

베벨기어를

구동해서 세

실현한 것

각 손가락을

복잡하며 중

6 은 세 손가

를 매개로 상

세 손가락을

이다 특히

을 개별 모터

중량도 증가하

Fig

락형 그리퍼

호 각도를 주

동작시킴으로

원통물체를

터로 구동하도

하기 때문에

3-6 Hand mec

- 29 -

의 일반적인

주어 결합한

로써 이른바

확실히 잡아

도록 한 3 지

실용례가 적

chanism for thr

인 형상을 나타

3 개의 볼

바 3 포인트 핀

아서 유지하

지형핸드도 개

적다

ree point pinch

타내고 있다

나사를 하나

핀치(three po

는데 유리하

개발되고 있으

h type

이 핸드는

나의 모터로

oint pinch)를

하다그 외에

으나기구가

34 메카니

(1) 구속

기계적

어서 형성되

전 구속 기

해서 언급하

으로 움직일

또 X Y 평

니컬 핸드의

속기능

구동장치에

되는 것으로

기능이 있다

하면 구속 상

일 수 있다

평면 X Y 면

의 구속기능

서 구속 형식

크게 나누어

그래서 핸드

상태의 물체는

이것을 물체

X Z 면상에

Fig 3-

- 30 -

능

식과 접촉 상

어서 반구속

드의 구속 기

는 Fig 3-7 와

체의 공전 (이

서 6 방향으

-7 Movement

상태와 포락

속 (받는 구속

기능을 결정하

와 같이 X Y

이동)에 관한

로 회전 한다

t of object

능력의 인자

속 는 구속

하는 물체의

Z 의 3 축상

6 동작 자유

다 이것을 물

자가 복합되

속)기능과 완

구속에

에서 6 방향

유도로 한다

물체의 자전

(회전)에 관

부여한 상태

행할 수 있

서는 회전의

핸드에

한 공간적

면 Fig 3-8

이 그림

를 구속한다

에서 7 자유

선접촉과 면

계수와 절선

(a

관한 6 동작

태에서 움직이

있다 또 완전

의 6 자유도를

의한 물체의

적인 포락 상

와 같이 된

(a)의 점접촉

다 그러나 1

유도를 구속

면접촉에는 각

선력법선력

a) point contac

Fig3

자유도로 한

이며 중력이

전 구속은 핸

를 무시하는

의 구속은 핸

상태로 정한다

다

촉은 접촉점

1 점접촉은 다

한다 (c)의

각각 마찰에

비와의 관계

ct (b

3-8 Contacts

- 31 -

한다 반구속은

이나 환경면의

드 자체로 1

경우도 적지

핸드와 물체의

다 먼저 접촉

방향의 1 자

다른 11 자유

면접촉은 11

위한 구속이

계로 구속불능

) line contact

of the kind an

은 12 자유도

의 구속을 받

12 자유도를

지 않다

의 접촉 상태

촉부의 구속

자유도를 구속

도를 구속할

1 자유도의 구

이 4 개와 6 개

능의 가능성을

nd the confini

도 중 몇 개의

아서 완전 구

행하는데 경

태 및 접촉부

능력을 모델

속한다 그러나

할 수 없다 (b

구속을 할 수

개 주어져 있

을 가진 구속

(c) surface co

ing

의 자유도를

구속으로 이

경우에 따라

부의 물체에

델로 나타내

나 1 자유도

b)는 선접촉

수 있다 단

있으며 마찰

속 성분이기

ontact

- 32 -

도 하다 또한 면접촉의 상태는 중력의 작용을 이용하면 받기를 형성하고 또

외계력을 이용하면 기를 형성한다

이들의 접촉상태는 물체의 형상과 핸드의 구속면으로 규정되는 것으로 핸드

만으로 결정하기는 어렵다 단 핸드의 구속면을 부드러운 재질로 형성하면 면

접촉의 이행이 용이하다 이와 같은 이유에서 물체에 접촉부가 포락도를 높이는

데에 따라서 물체 형상에 관계 없이 구속 능력을 증 시킬 수 있다

(2) 메커니컬 핸드의 자유도

로봇의 손은 그 용도를 불문하고 인간의 손 작업의 행을 목적으로 하는

것이므로 그 설계에 있어서 모델로 되는 것은 말할 것 도 없이 인간의 손이다

그래서 우선 기구에 하여 설명하기 전에 인간의 손의 구조 모델에 하여 설

명해 본다

AmiddotMorecki 에 의하면 인간의 상체는 그 해부학적 구조에 입각하면 Fig 3-9 와

같이 모델화할 수 있다 Fig 3-9 에서 숫자는 각각 골격 즉 링크를 나타내고 숫

자 II~ V 는 관절을 나타내고 있다 이와 같은 공간링크 기구의 자유도 F 는 가

동부수 n 자유도의 종류 f 를 가진 우 수를 Pf 라 하면 다음 식으로 나타낼

수 있다

6n sum ∙ P 12345 (3-1)

Fig 3-9

들 자유도가

을 Fig 3-9

P5=10 이므

인간의

유도 1 의

해 있으며

의 모델에서

가 있는 관절

9 와 같이 정

므로 위 식에

상지를 인공

액튜에이터를

22 개나 되

Fig 3

서는 n=19 P2

절에 작용하는

정의하고 그

서 FH=22 가

공적으로 정밀

를 27 필요

는 액튜에이

- 33 -

3-9 Human Ar

2=1 P3=2 P4

는 근군은 약

자유도 FH

가 된다

밀하게 재현하

요로 하게 된

터를 필요로

rm structure

4=6 P5=11 이

약 50 이라고

를 구하면

하려고 한다면

된다 또 손에

로 한다 그러

이므로 F=27

고 되어 있다

이 경우는 n

면 이상의 결

는 특히 자유

나 로봇의 손

이 된다 이

여기서 손

n=16 P4=6

결론에서 자

유도가 집중

손이 이만큼

- 34 -

의 수의 액튜에이터를 갖춘 것을 제작한다는 것은 크기 중량 제어면에서 볼

때 현시점에서는 불가능에 가깝다 특히 의수에 있어서는 상술한 바와 같은 형

상이나 조종성 등의 점에서 전혀 불가능하다고 해도 좋다 따라서 보통은 기능

에 주목하여 손에 집중해 있는 자유도의 간략화를 도모한다

인간의 잡기 동작에 주목해 보면 그 잡기 형상에는 12 종류가 있다고 하다

그러나 이것들은 엄지와 다른 12 종류가 있다고 한다 그러나 이것들은 엄지와

다른 4 손가락과의 관계에 주목하였을 때에 2 종류 즉 엄지가 다른 4 손가락과

항해서 동작하거나 그 측방에서 동작하는가로 분류할 수 있다 실제의 일상

동작에서 관찰하면 이들 중에서도 엄지와 손가락이 항해서 동작하는 소위 쥠

동작이 우선 첫 번째이고 또 다음에 엄지 검지 중지의 3 손가락의 선단으로

이루어지는 3Point Pinch 즉 잡기동작이 중요하다

더불어 손가락의 독립성에 해서는 역시 일상동작 중에서 손가락의 사용

빈도를 조사한 결과에 의하면 다섯 손가락은 반드시 독립적인 운동을 필요로

하지 않고 엄지 검지 중지가 같은 정도의 중요성을 자기며 다른 두 손가락은

사용 빈도에 있어서 이들 세 손가락보다 약 50 적으며 다른 세 손가락의 보

조 역할을 한다고 볼 수 있다 그리고 특히 중요한 것은 인간의 각 손가락은 잡

기 상물의 형상에 적응한 쥐기 즉 Passive 한 동작을 할 수 있다는 것이다 이

기능이 있다면 각 손가락이 독립적으로 동작하지 않더라도 또 다소 손의 자유

도를 제거하더라도 상물의 확실한 쥐기나 잡기 그리고 기타 손 작업에 큰 힘

을 발휘한다

- 35 -

34 표적인 동력원의 특징

동력원을 설계할 때 다음의 점을 고려하면서 가장 적합한 방식을 선택한다

1조작력(로보트가 내는 최 의 힘 예를들면 최 들어올린 힘)

2속응성(최 조작 속도)

3크기 중량(로보트의 크기와 중량의 제한)

4안정성(발열이나 과부하에 한 안전성)

5사용의 용이도

6수명가격

1 2 의 조작력 속응력은 로보트에 요구되는 성능에서 가장 기본적인 것인

데 이에 관련해서 크기나 중량의 제한 안정성 사용의 용이도 수명 가격 등을

고려해서 동력원을 선택한다 단 자주형 로보트에서는 2 차적 성능인 동력원의

중량이 첫째 요구 조건이 되는 경우가 많고 공업용 로보트에서는 저가격 사용

의 용이도 안전성이 중요 사항으로 우선시된다

모든 로봇은 동력원을 필요로한다 중요도에 따라 동력원을 선택해야 하는데

일반적으로 공기압식은 안전성이 뛰어난 반면 힘과 세밀한 위치제어가 어렵고

전기식은 응답성과 사용편리성 세밀한 위치제어가 가능하나 높은 힘을 내기 위

해서는 부가적인 기구부가 필요하다 유압식은 큰힘을 낼수있어서 속응성은 좋

으나 과부하시 상당한 발열이 있기 때문에 안전성에서 다른 동력원에 비해 떨

어진다 위 사항을 TABLE 3-1 로 분류하여 나타내었다

- 36 -

TABLE 3-1 Characteristics of power sources

전기식 유압식 공압식

사용용이성 편리하다 작동유의관리 관로의압력

필터관리에 유의

공급공기의 수분제거

윤활성의부가에 주의

수명 길다 기름에 윤활성이 있기

때문에 길다

공기에윤활성이 없어

유압 전기에 비해 짧다

가격 보통 가격 운영비 높음 저가격

응답속도

(반응성) 매우 빠르다 빠르다 늦다

하중능력 (소)에서 (중)정도의

하중능력 단히 큰 힘을 얻음 큰 힘은 없다

소음 적다 다소 크다 크다

- 37 -

제 4 장 능동형 그리퍼 설계

41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정

로봇 그리퍼의 정밀 파지 (Fingertip Grasp 손가락 끝을 이용하여 물체를 집

거나 바닥에누워있는 납작한 물체를 집는 행동)를 안정하게 하기 위해서는 손가

락 끝과 물체가 직각에 가까운 각도를 이룸으로 마찰력을 크게 하여 안정성을

높인다 또한 바닥에 놓인 물체를 집어 올릴 경우에도 물체표면의 법선 벡터와

손가락 끝의 각도가 클수록 물체를 효과적으로 구속하여 안정된 파지를 할 수

있다

그리퍼의 링크 시스템에 있어서 2 링크 손가락보다 3 링크 손가락을 쓸 때가

링크와 수평 평면이 이루는 각 (A)이 더 커지기 때문에 안정성이 더 좋다는 것

을 알 수 있다 그리고 안정성뿐만 아니라 식 (4-1)을 통하여 문체에 전해지는

Torque 값을 Fig 4-2 와 같이 그래프로 나타내면 0 도에서 75 도 정도까지는 A 각

이 커질수록 물체에 가해지는 토크 값이 점점 커지는 것을 알 수 있음으로 3 링

크 손가락을 쓰는 것이 파지력 증가됨을 알수 있다 ℓ3 의 길이가 길어질수록 A

가 작은 값을 가져서 정밀파지에 적당하지 않다

τ l cosA sinA l 1 cos A tan μ (41)

A cosempty

(42)

Fig 4-1

은 식을 통

각이 커짐을

움이 있고

Fig4-

에서 제 2 코

통해 구할 수

을 알 수 있다

최소 단위를

Fig4

-1 Configurati

코사인 법칙

있는데 이로

다 그러나 ℓ

를 1cm 로 하

-2 Change the

- 38 -

ion of the fing

을 이용하여

로부터 링크

ℓ3 가 1cm 인

하였기 때문에

e value of the a

gers on robot g

여 A 의 각을

길이 ℓ3 가

인 경우는 너

에 ℓ3 는 2cm

angle of phage

gripper

구하기 위해

작으면 작을

무 짧아서 파

로 결정하였

torque

해 (2) 와 같

을수록 A 의

파지의 어려

였다

42 모터

(1) 알고

앞 절에

여야 한다

는 모터의

이 작은 모

나 용량이

로 적절한

선정 알고

고리즘 정의

에서 설명한 기

로봇 팔에

선정은 동작

모터를 사용하

큰 모터를 사

모터의 선정

고리즘

기구들을 추

움직임을 전

작을 구현하는

하게 되면 기

사용하게 되

정이 중요하다

Fig 4-3 M

- 39 -

추후 로봇 시스

전달함에 있어

는데 중요한

기구의 원활한

면 모터의 외

다

Motor Selectio

스템에 적용을

어서 동력을

과제가 되겠

한 작동이 어

외형이 커지

on Algorithm

을 고려하여

공급과 제어

겠다 만일 토

려워지고 단

고 가격 또한

설계를 하

어를 수행하

토크나 용량

단순히 토크

한 증가하므

- 40 -

(2) 알고리즘 수행

모터를 선정하기 위해서 가장 우선적으로 해야 할 일은 기계구동부분을 결

정하고 구동부분을 어떠한 방식으로 작동을 시킬지 동작 패턴을 결정하여야 한

다 예를 들면 모터에서 나오는 힘을 받아서 볼 스크류를 이용하여 힘을 전달할

것인지 벨트 피니언 기어 혹은 풀리 등을 이용할 것인지를 결정하고 그에 따

른 적절한 구동방식을 결정한다 구동방식을 결정하게 되면 각각의 구동방식에

적합한 수식을 대입하여 부하토크를 계산한다 구동방식에 따른 부하토크를 구

하는 수식은 구동방식이나 구동장소 등에 따라 다소 상이하나 일반적인 수식은

다음과 같다

-BALL SCREW 구동

T FP2πn

μ F P2π

1i N ∙ m 43

F F mg sin α μ cos α N 44

-PULLEY 구동

T ∙ 45

μF D

2i N ∙ m

- 41 -

-WIRE middot BELT 구동 RACK middot PINION 구동

T F2πn

∙ πDi

FD2ni

N ∙ m 46

F F mg sin α μ cos s N 47

-실측에 의한 방법

T 48

직선운동 (커플링 직결 볼스크류 등)의 경우 위의 (43) (44) 이용하여 구할

수 있다 이때 F 는 축방향하중 F0 는 예압하중 μ0는 예압 NUT 의 마찰계수 η 은

효율i 는 감속비 PB 는볼스크류 피치를 나타낸다 회전운동 (풀리)의 경우 식

(45)를 이용하여 구할 수 있으며 FA는 외력 FB는 부하중량 (주축이 회전하기 시

작할 때의 힘) m 은 work 와 TABLE 의 총무계 μ 접동면의 마찰계수α는 경사각

도D 는 풀리의 지름을 나타낸다

실제현장에서는 선정된 모터의 토크를 확인하기 위해 실측에 의한 구동토크

를 계측하는데 스프링 저울을 구동 풀리에 연결지어 측정한다 이때 TL 은 회전

운동 부하토크에 해당하고 FB 는 부하중량 D 는 풀리의 직경을 나타낸다

위의 부하토크를 구하는 식들을 이용하여 부하토크를 구하게 되면 실제 모

터를 사용할 때 어느 정도의 시간적 여유를 두고 가속을 할 것인지 감속을 할

것인지를 결정하여야 한다 이를 위해서 우선 동작시킬 부분에 대한 관성모멘트

를 계산하

Fig 4-4

시한 것으로

dA 와 기준

이를 표현하

하여야 한다

4 는 관성모멘

로 X 와 Y

준축으로 부터

하면 식 (49)

Fig 4-4 Arb

I

멘트를 구하기

는 면적의 미

터의 거리의

)와 같다

- 42 -

bitrary shape o

y dA I

기 위한 절대

미소 요소 dA

제곱의 곱으

of planar area

x dA

대좌표 X Y

A 의 좌표이

으로 단면 2

축 상의 미소

이고 관성모멘

차 모멘트라

49

소면적을 도

멘트는 요소

라고도 한다

평면 면

가 있다 평

축에 대한

Fig 4-5

하는 평행한

관성모멘

식 (410

번째 적분은

면적의 관성

평행축 정리란

관성 모멘트

5 과 같이 도

한 xy 축 두

멘트의 정의로

I y

0) 에서 우변

은 Xc 축에

Fig 4-5

모멘트에 있

란 도심축에

트 사이의 관

도심을 원점으

좌표계의 평

로부터 x 축

y d dA

변의 첫 번째

대한 1 차 모

- 43 -

5 Parallel-axis

있어서 중요하

대한 관성

계를 나타낸

으로 하는 Xc

평행한 축 간

축에 대한 관

y dA

적분은 Xc

모멘트로서 X

theorem

하고 유용한

모멘트와 도

낸다

cYc 축과 임의

간의 거리를 d

성모멘트 Ix

2d y dA

축에 대한 관

Xc 축이 도심

정리로서 평

도심축에 평행

의의 점 O 를

d1 과 d2 로 표

는 식(410)와

d dA

관성모멘트

심을 통과하므

평행축 정리

행한 임의의

를 원점으로

표시한다

와 같다

410

I 이다 두

므로 적분의

- 44 -

값은 0 이다 세번째 적분은 면적 A 그 자체이다 따라서 식 (410)은 식 (411)과

같이 간단해진다

I I Ad 411

y 축에 대한 관성모멘트도 위와 같은 방법에 의해 식(412)과 같다

I I Ad 412

또한 면적의 평면에 수직인 수직축에 대한 관성모멘트를 극관성모멘트라 한

다 Fig 4-6 는 평면에 수직이고 O 점을 통과하는 축에 대한 극관성모멘트를 나

타낸 그림으로 이를 관성모멘트 식으로 표현하면 식 (413) 와 같다

I ρ dA 413

식 (413)와

즉 평면에

서로 수직인

극 관성

와 도심 C

와 식 (414)에

I

수직인 축에

인 두 축에 대

성모멘트에 대

에 대한 극

Fig 4-6 Arb

의해 식 (4

ρ dA

I

에 대한 극관

대한 관성모

대한 평행축

극 관성모멘트

- 45 -

bitrary shape o

ρ x y

415) 식 (41

x y dA

I I I

관성모멘트는

멘트의 합과

정리는 Fig

트를 각각 I

of Polar Area

y

16)과 같은 관

x dA y

는 평면 내의

과 같다

4-5 에서 유

와 I 로

관계식을 얻을

y dA

같은 지점을

유도할 수 있

로 표시하면

414

을 수 있다

415

416

을 통과하는

있다 원점 O

식 (416)에

- 46 -

서 식(417)을 유도할 수 있다

I I I I I I 417

I I I I A d d 418

I I Ad 419

식 (419)는 극 관성모멘트에 대한 평행축 정리를 나타낸다 즉 평면 내의 임의

의 한 점 O 에 대한 면적의 극관성모멘트는 도심 C 에 대한 극관성모멘트에 그

면적과 점 O 와 C 사이의 거리의 제곱의 곱을 더한 것과 같다

이상의 식에서 부하토크와 관성모멘트를 계산하여 모터를 가 선정한다 부하토

크의 경우 사용될 모터의 정격 토크를 넘어서지 않는 것을 선정한다 부하토크

를 TL 정상 부하 상태의 힘 PL 극 관성모멘트 IL 회전운동을 위한 힘 Pa 각속

도 가속 시 소요되는 시간을 ta 라 하고 식 (420)을 이용하여 부하가 일정하

게 작용할 때의 힘을 계산한다 마찬가지로 관성모멘트를 식 (421)에 대입하여

가속을 위한 회전 운동 시 필요한 힘을 계산한다 식 (420)과 식 (421)에서 계

산된 힘을 합산하면 모터를 회전시키기 위해 필요한 출력이 계산된다 이때 계

산된 출력보다 실제 사용할 모터의 정격 출력이 1~2 배 정도가 되도록 모터를

가 선정한다

- 47 -

P T ω 420

P 421

위의 과정을 통하여 모터를 가선정하고 가감속 토크 및 구동 토크를 계산한

다 각각의 토크를 계산하게 되면 모터를 최종적으로 선정하게 되는데 두 가지

사항을 고려하여 최종 선정한다 먼저 식 (422)을 통해서 계산되는 가속 시 소

요되는 기동 토크 TM 가 모터의 최대 토크를 넘지 않는 것으로 선정한다

T 422

두 번째로 Fig 4-7 의 속도 선도와 같이 모터의 가 감속 시간과 정상 동작

시간 등을 결정하여 식 (423)과 같이 실효치 토크 TS 를 구하고 실효 토크가 모

터의 정격 토크보다 크지 않도록 선정한다

T 423

Fig 4-7 Exa

- 48 -

ample of veloc

city guidance

- 49 -

(3) 알고리즘 적용

로봇시스템에 있어서 기구들의 관성모멘트와 토크 계산 후 적합한 모터를

선정하기 위해 시중에서 시판되는 모터를 조사하였다 로봇에 적용 가능한 모터

로는 크게 서버모터와 스텝모터 RC 서버모터 DC 모터로 구분 할 수 있었다 이

를 TABLE 4-1 과 같이 정리하였다

동력원의 6 가지 선정요소 중 우선순위를 부여하여 분류했을 때 핸드 그리퍼

의 특성상 가볍고 토크가 큰 RC 서버 모터 미니 서버모터를 선택할 수 도 있지

만 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터 중 토크를 증가시킬 수 있는

감속기가 있는 타입의 모터를 우선시 하였다

1 감속비를 사양할 수 있는 모터를 선정하여 계산한 토크를 확인한다

2 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터를 선정한다

3 CLOSED LOOP 제어를 통하여 정확한 위치를 검출할 수 있어야 한다

따라서 스텝모터중 lsquoOrsquo사의 ldquoαSTEPrdquo가 적합하다고 판단되어 모터를 선정하였다

- 50 -

TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics

미니서버모터 RC 서버모터 스텝모터 DC 모터

장점 동일사양대비 모터

중 10배정도 큰 토크

5v사용가벼움

정확한 위치제어

급격한 부하변동급가

속 유리

저렴한가격

보편화됨

단점 정지시 진동이 예상 약한 토크 THRUST하중이 모터

무계 이하여야 한다

유지보수가 잦다

크기 151588mm(10w20w)

2525111mm(30w)

392038mm 424234mm Oslash37mm917mm

동작전압 Dc 24V Dc 48V60V Dc 24V Dc 24V

무계 230g~400g 56g 150g 200g

허용토크 009Nm~03Nm 11~13kgfcm 18kgfcm (018Nm) 47kgfcm(1200)

감속기 다양한 감속비 가능 고정 감속기 감속기 무(072˚036) 다양한 감속비

제조사 야스카와 SGMM 하이텍 HS-5945 AUTONICS GCM 3429A

TABLE 4-2 αstep motor characteristics

외형 전압 전류 무계 토크 감속비 분해능

αSTEP 282884mm

4242127mm Dc24V 1~37A 250G 2~28 Nmiddotm 50~1001

00072pluse

00036pluse

- 51 -

43 1 차 능동형 그리퍼 설계

실린더를 사용하여 링크로 물체를 파지하던 그리퍼는 Fig 4-8 과 Fig 4-9 에

묘사하였다 이런 실린더를 사용한 그리퍼는 공압 효과를 도출할 수 있는 별도

의 펌프가 필요하고 동작을 구현할 수 있는 자유도를 증가시키는데 한계가 있

다 이런 실린더의 단점을 보완하고 전기모터의 장점을 사용하기 위해 웜기어와

웜휠 방식을 채택하여 2 자유도 능동형 그리퍼를 설계하였다

1 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-10 에 묘사하였으며 1 차설계한

능동형 그리퍼는 Two Fingertip Grasp 로 칭하겠다 파지한 물체를 회전 시키는

기능은 베벨기어를 사용하여 회전운동으로 구현하였고 실린더의 전middot후진 운동

을 전기모터의 회전운동으로 변환 시키기 위하여 웜기어와 웜휨을 선택하였다

전기모터에 의해 회전하는 운동은 웜기어와 웜휠에 의해 링크를 사용하여 물체

를 파지하였던 그리퍼와 동일한 운동효과를 가지게 되었다

웜기어와 웜휠을 사용하여 물체를 파지하는 능동형 그리퍼는 스윙형으로 설

계되었으며 파지력을 높이기 위한 각도를 적용하였다 링크를 사용하여 물체를

파지하는 형태의 그리퍼보다 기구의 크기를 줄일 수 있는 장점이 있는 반면 기

어들의 백래시에 의한 오차가 끝단에 누적될 수 있는 문제점을 가지고 있다또

한 기구부의 소재 변경으로 그리퍼의 무계를 줄일 수 도 있지만 가장 큰 무계

를 차지하는 모터를 그리퍼 자체에서 분리하게 할 수 있게 하려면 그리퍼 자체

의 구조변경이 필요하다

`

`

Fig 4-8 Par

Fig 4-9 Par

- 52 -

rallel-link gra

rallel-link gra

sps system 1

sps system 2

Fig 4-10

- 53 -

0 Two fingertipps grasp system

- 54 -

44 2 차 능동형 그리퍼 설계

1 차 설계한 능동형 그리퍼에서 발견된 문제점을 보안하기 위하여 2 차 능동

형 그리퍼를 설계하였다 2 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-11 에 묘사

하였으며 2 차설계한 능동형 그리퍼는 Four Fingertip Grasp 로 칭하겠다 이 장치

는 크게 동력원 동력 전달장치 핑거 그립장치로 구성되어있으며 이를 통합하

여 Fig 4-12 에 나타내었다

핑거 그립장치는 스윙형 그립의 단점을 보완하여 설계하였다 물체를 파지할

때 그립의 회전 반경이 주위 환경요소와 간섭을 발생시킬 수 있는데핑거가 전

진할때 샤프트와 핑거그립간의 나사결합형태를 통한 직선운동으로 개선하여 주

위환경요소에 영향을 주지 않도록 설계하였다 구동축의 핑거파지 메카니즘을

Fig 4-13 와 같이 간략화 하였고 이에 대한 세부 도면은 Fig 4-14 로 나타내었다

4 조 핑거 그립의 나사산과 테이퍼진 스크류축은 나사식으로 결합되며 상호

작용에 의해 점차 중심점으로 이동하여 물체를 파지하는 형태이다 사용된 2 개

의 샤프트는 중공축으로 설계하였으며 외부 샤프트는 4 조 핑거가 물체를 파지

하여 비트는 모션을 구현하는데 사용되었다 내부 샤프트는 핑거를 중심점으로

전진시켜는 기능을 수행한다 중공축으로 설계한 내부 샤프트는 차후 개발될 인

스트리먼트의 탈부착을 손쉽게 할수있도록 구현하였고 4 조로 설계된 핑거는 그

립시 인스트리먼트의 응력집중현상을 분산시키는 기능과 2 조로 그립하였을때

보다 안정적인 그립감을 형성한다

- 55 -

동력원과 동력전달장치는 Fig 4-15 에 나타내었으며 Two Fingertip Grasp system

의 문제점이었던 구동부의 모터의 설치 방법을 외부에 부착하는 형태로 변경하

여 우레탄 밸트를 사용하였다 또한 아이들러를 사용하여 밸트의 방향을 변경

하여 모터의 부착위치를 자유롭게 설정할 수 있도록 하였고 모터 브라켓에 슬

리브 홈을 설치하여 벨트의 장력을 조절할 수 있도록 하였다

Fig4-11

Fig4-12 Fou

- 56 -

Four fingertip

ur fingertips g

ps grasp system

grasp system la

m

ayout

Fig 4-13

Fig 4-14

- 57 -

Fingertip gra

4 Fingertip gr

asps mechanis

rasps extended

m

d

Fig 4-15

- 58 -

5 Power transmission devicce

- 59 -

제 5장 결 론

본 연구에서는 MIS 수술 로봇을 위한 햅틱 마스터장치 구동용 능동형 그리

퍼를 설계하기 위하여 그에 상응하는 자료 및 문헌 조사를 수행하였고 햅틱 마

스터에 적용 가능한 능동형 그리퍼를 설계하여 로봇 시스템의 초안을 구성하였

다 수술용 도구를 단순히 잡아주는 역할에서 벗어나 시스템에 추가적인 자유도

를 부여함으로써 그리퍼를 표현하였다 단순화된 그리퍼는 보다 저렴한 가격으

로 생산될 수 있으며 기존 로봇 수술시스템의 높은 비용을 절감할 수 있는 효

과를 가져올 수 있다

최종적으로 제안한 설계 안으로는 2 조 핑거그립를 사용하는 전기모터형 그

리퍼 와 추가적으로 개선한 4 조 전기모터형 핑거그립를 설계였다 스윙형 그립

의 단점을 보안하여 집중응력을 분산할 수 있는 구조로 설계하였고 그리퍼의

무계를 줄일 수 있는 방법을 제시하였다 이로써 원통형 도구 파지 시 안정성이

향상되었고 보다 원활하게 수술 도구를 교체 가능하도록 하였다

앞으로 촉감을 전달할 수 있는 센서의 개발로 햅틱 디바이스 인터페이스 장

치의 활용에 보다 높은 기여를 할 것이라 예상된다

-６０-

참고 문헌

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정보 및 제어부분 PP68~7020084

[2] 박정호 ldquo국내외 의료로봇 현황과 발전방향rdquo정보과학지 26(4)

PP49~5420084

[3] 편집부 ldquo수술지원로봇의 최신 기술 동향rdquo월간 자동화 기술 22(12)

PP74~77200612

[4] 경기욱박준석 ldquo햅틱스 기술개발 동향 및 연구전망rdquo전자통신경향분석

21(5)PP93~108200610

[5] 권동수경기욱 ldquo의료용 로봇의 연구 현황과 전망rdquo기계저널

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[6] Yoichi OGAHARA Yusuke KAWATO Kenjiro TAKEMURA Takashi MAENO

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[7] Ikuo Yamano Takashi Maeno ldquoFive-fingered Robot Hand using Ultrasonic Motors

and Elastic Elementsrdquoproceedings the 2005 IEEE International Conference on

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[8] 홍만복김광기 ldquo최소 침습수술로봇을위한 2-자유도 구형 메커니즘설계rdquo

한국정밀공학회 2009년 추계학술대회 논문집

-６１-

[9] 이재훈김형욱이병주서일홍 ldquo새로운 6자유도 병렬형 햅틱 기구의 최적설

계 및 해석rdquo한국정밀공학회 2003년 추계학술대회 논문집

[10] 조국훈이재훈이병주김희국 ldquo병렬형 그리퍼 메카니즘rdquo한국정밀공학회지

[11] 김갑순 ldquo3축 힘센서를 이용한 지능형 그리퍼 개발rdquo한국정밀공학회지 제

24권 제 3호 1999년

[12] 고대성김성목김희국이병주 ldquo병진형 자유도와 1자유도 파지기능을 가지는

4자유도 병렬 메커니즘의 기구학분석rdquo한국정밀공학회 2007년 추계학술대회

• 제1장 서 론
• • 11 연구배경 및 연구목적
  • 12 연구내용
  • • 제2장 로봇 산업의 기술 현황
    • • 21 로봇산업의 동향
      • 22 의료용 로봇기술 현황
      • 23 의료용 로봇시장 전망
      • • 제3장 능동 그리퍼
        • • 31 최소침습 수술 햅틱 장치구현에 필요한 능동 그리퍼 제안
          • 32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류
          • 33 파지형태에 의한 그리퍼의 분류
          • 34 메카니컬 핸드의 구속기능
          • 35 대표적인 동력원의 특징
          • • 제4장 능동형 그리퍼 설계
            • • 41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정
              • 42 모터 선정 알고리즘
              • • 43 1 차 능동형 그리퍼 설계
                • 44 2 차 능동형 그리퍼 설계
                • • 제 5 장 결론
                  • 참고문헌
                  • TABLE 2-1 Domestic robot classification
                  • TABLE 2-2 Robot Production Company
                  • TABLE 3-1 Characteristics of power sources
                  • TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics
                  • TABLE 4-2 αSTEP Motor Characteristics
                  • Fig2-1 Phase of medical robots in the robot industry
                  • Fig2-2 Da Vinci surgical case number
                  • Fig3-1 Da Vinci robot system for MIS
                  • Fig3-2 Classified by the gripper grip action
                  • Fig3-3 Swing-type hand mechanism
                  • Fig3-4 Hand mechanism for translational type1 (parallel displacement)
                  • Fig3-5 Hand mechanism for translational type2 (Rack and pinion type)
                  • Fig3-6 Hand mechanism for three point pinch type
                  • Fig3-7 Movement of object
                  • Fig3-8 Contacts of the kind and the confining
                  • Fig3-9 Human Arm structure
                  • Fig4-1 Configuration of the fingers on robot gripper
                  • Fig4-2 Change the value of the angle of phage torque
                  • Fig4-3 Motor Selection Algorithm
                  • Fig4-4 Arbitrary Shape of Planar Area
                  • Fig4-5 Parallel-Axis Theorem
                  • Fig4-6 Arbitrary Shape of Polar Area
                  • Fig4-7 Example of Velocity Guidance
                  • Fig4-8 Parallel-link Grasp system 1
                  • Fig4-9 Parallel-link Grasp system 2
                  • Fig4-10 TWO Fingertip Grasp system
                  • Fig4-11 Four Fingertip Grasp System
                  • Fig4-12 Four Fingertip Grasp System layout
                  • Fig4-13 Fingertip Grasp Mechanism
                  • Fig4-14 Fingertip Grasp extended
                  • Fig4-15 Power Transmission Device

i

요 약 문

로봇은 이미 다양한 자동화 산업 분야에서 높은 부가가치의 창출로 인해 그

가치가 인정되어 점점 더 그 활용 분야가 증가하고 있는 추세에 있다 특히 의

료용 로봇 분야에서는 수술행위를 대행하는 다빈치 로봇의 개발로 수술의 신뢰

도를 크게 향상시키고 있다 로봇은 종종 큰 수술 시 다양한 의료장비를 교체해

야 하는데 교체 시 많은 시간이 요구된다 이러한 많은 준비단계와 사용하고 나

서의 복잡한 소독과정으로 인해 실제 로봇을 이용한 수술은 많은 시간이 걸리

며 초기자본을 회수하는 부분에서도 경제성이 떨어진다

따라서 본 연구에서는 수술용 도구를 단순히 잡아주는 그리퍼에서 벗어나

그리퍼에 추가적인 회전 자유도를 부여함으로써 기능을 향상시키는 능동형 그

리퍼를 제안하고 이를 이용한 안정적인 파지 법에 대하여 논하였다 제안한 설

계 안으로는 2 조 핑거 그립을 사용하는 전기모터 형 그리퍼와 추가적으로 개선

한 4 조 전기모터를 이용한 능동형 그리퍼를 제시하였으며 스윙 형 그립의 단

점을 보안하여 집중응력을 분산할 수 있는 구조로 설계되었다 또한 그리퍼의

무게를 줄일 수 있는 방법을 제시하고 이에 대한 분석을 수행하였다

ii

Abstract

Nowadays many researchers about robot are analyzed because robot

technology can be created the competitive market and it can increase the

export and employment Especially minimally invasive surgery is a

representative surgery method which utilize medical robot like the da Vinci

But medical robot need complicate process time and cost It can generate a

detrimental effect to the medical robot market

In this thesis active gripper which has multi-rotational freedom as well

as function holding a surgery instrument is proposed via constraint method

Two-finger gripper using a electronic motor and four-finger gripper is

designed The objective of gripper design is to disperse a stress and light a

weight of gripper The comparison between 2 type gripper and performance

is analyzed

-iii-

Nomenclatures

1 Length of first link

2 Length of the second link

3 Length of the third link

Torque

A Grasp angle

r Straight

LT Rotating Torque Load

BF Applied load[ N ]

([The value of the spring scale] kg g[ ms2 ] )

Efficiency( 085~095 )

D Choejongdan pulley diameter[ m ]

xI x-axis moment of inertia

yI y-axis moment of inertia

pI polar moment of inertia

LP The power of normal load conditions( 0i )

LI polar moment of inertia

aP For rotational forces

Angular

at Acceleration time

-iv-

MT Starting torque

ST RMS Torque

F Axial load[ N ]

0F Preload [ N ] ( ≒13F )

0 Coefficient of internal friction of the nut( 01~03 )

i Equipment ratio

Bp BALL SCREW PITCH [ mrev ]

AF External force [ N ]

m total weight of the WORK and TABLE[kg]

the friction surface coefficient of friction ( 005 )

the angle of gradient [˚ ]

g gravitational acceleration [ m ] ( 9807 )

-v-

List of Tables and Figures

TABLE 2-1 Domestic robot classification 5

TABLE 2-2 Robot Production Company 8

TABLE 3-1 Characteristics of power sources 36

TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics 50

TABLE 4-2 αSTEP Motor Characteristics 50

Fig2-1 Phase of medical robots in the robot industry 6

Fig2-2 Da Vinci surgical case number 13

Fig3-1 Da Vinci robot system for MIS 23

Fig3-2 Classified by the gripper grip action 25

Fig3-3 Swing-type hand mechanism 26

Fig3-4 Hand mechanism for translational type1 (parallel displacement)

27

Fig3-5 Hand mechanism for translational type2 (Rack and pinion type)

28

Fig3-6 Hand mechanism for three point pinch type 29

Fig3-7 Movement of object 30

Fig3-8 Contacts of the kind and the confining 31

Fig3-9 Human Arm structure 33

Fig4-1 Configuration of the fingers on robot gripper 38

Fig4-2 Change the value of the angle of phage torque 38

Fig4-3 Motor Selection Algorithm 39

Fig4-4 Arbitrary Shape of Planar Area 42

-vi-

Fig4-5 Parallel-Axis Theorem 43

Fig4-6 Arbitrary Shape of Polar Area 45

Fig4-7 Example of Velocity Guidance 48

Fig4-8 Parallel-link Grasp system 1 52

Fig4-9 Parallel-link Grasp system 2 52

Fig4-10 TWO Fingertip Grasp system 53

Fig4-11 Four Fingertip Grasp System 56

Fig4-12 Four Fingertip Grasp System layout 56

Fig4-13 Fingertip Grasp Mechanism 57

Fig4-14 Fingertip Grasp extended 57

Fig 4-15 Power Transmission Device 58

-vii-

목 차

요 약 문 i

Abstract ii

Nomenclature iii

List of Figures and Tables v

제1장 서 론 1

11 연구배경 및 연구목적 1

12 연구내용 3

제2장 로봇 산업의 기술 현황 4

21 로봇산업의 동향 4

22 의료용 로봇기술 현황 9

23 의료용 로봇시장 전망 16

제3장 능동 그리퍼 20

31 최소침습 수술 햅틱 장치구현에 필요한 능동 그리퍼 제안

20

32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류 24

33 파지형태에 의한 그리퍼의 분류 25

-viii-

34 메카니컬 핸드의 구속기능 30

35 대표적인 동력원의 특징 35

제4장 능동형 그리퍼 설계 37

41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정 37

42 모터 선정 알고리즘 39

43 1차 능동형 그리퍼 설계 51

44 2차 능동형 그리퍼 설계 54

제 5장 결론 59

참고문헌 60

- 1 -

제 1장 서 론

11 연구 배경 및 연구 목적

로봇은 이미 다양한 자동화 산업 분야에서 높은 부가가치의 창출로 인해 그

가치가 인정되어 점점 더 그 활용 분야가 증가하고 있는 추세에 있다 또한 최

근 들어서는 산업현장뿐만 아니라 생활 기구 의료용에서도 로봇을 접목시켜 이

를 실제 시스템에 사용하고 있다 특히 의료용 로봇 분야에서는 수술행위를 대

행하는 다빈치 로봇의 개발로 수술의 신뢰도를 크게 향상시키고 있다

다빈치 수술시스템은 너무나 성공적 이여서 수술행위의 수행에 있어서 커다

란 변화를 가져왔다 최소 침습수술의 발전으로 환자의 회복속도는 놀랍도록 빨

라졌지만 모든 개복수술을 최소 침습수술기법으로 대처하기에는 아직 기술적으

로 극복하지 못한 분야도 있다 기존의 복강경 수술의 경우 수술시야가 제한적

이고 수술부의로의 유일한 접근 통로인 투관이 한정되어 있어 손 운동에 제한

적이다 또한 로봇은 복잡하고 종종 큰 수술 시 다양한 의료장비를 교체해야 하

는데 교체 시 많은 시간이 요구된다 이러한 많은 준비단계와 사용하고 나서의

복잡한 소독과정으로 인해 실제 로봇을 이용한 수술은 많은 시간이 걸리며 초

기자본을 회수하는데 많은 시간이 걸리므로 경제성이 떨어진다 또한 실제 수술

시에는 다양한 수술도구들이 사용되는데 로봇수술을 위해서는 로봇 팔과 연동

된 수술 도구들이 쉽게 탈 부착 될 수 있어야 한다 실제 수술도구들이 쉽게 탈

부착된다면 작업 능률이 보다 증대될 것이다

- 2 -

수술용 로봇에 사용되는 엔드 이펙터 (End Effector)을 검토해보면 공통적 인

사실을 확인할 수 있다 시판되고 있는 복강경 로봇수술용 도구들은 Trocar 라

는 기구를 통해 인체 내로 삽입되고 Trocar 의 구조상 수술용 도구들은 Oslash55 이

내의 소형 원기둥 타입의 수술도구들이며 각각의 구동 모터를 개별적으로 가지

고 있다 최근에는 다빈치 수술 로봇이 사용됨에 따라 3 차원 고화질의 영상의

제공과 더불어 떨림 없는 정교한 시술작업이 가능해 졌으며 다자유도 수술 기

구 도입으로 좀 더 다양한 수술들이 가능해 졌지만 이러한 장점에도 불구하고

수술 시 힘의 강약조절이 불가능하다는 점은 가장 큰 단점으로 지적되고 있다

또한 아직 가격이 고가이고 구현 가능한 작업 영역대비 각 암의 크기가 커서

수술 시 암 사이의 충돌이 발생하는 문제가 제기되고 있다

또한 다빈치 수술로봇은 집도의 손으로 조작하여서 수술을 수행하는 수술

로봇 시스템으로 여러 가지 장점이 있지만 로봇이 수술하면서 발생하는 반력을

직접 집도의에게 전달하지 못하는 단점이 있다 이런 단점을 보안하기 위하여

수술용 로봇 시스템에 햅틱의 기능을 추가하여 로봇 시스템을 구성하는 것을

전 세계적으로 많은 연구가 진행되고 있다

따라서 본 연구에서는 수술용 햅틱 로봇에 적용이 가능한 로봇 시스템에서

수술도구를 집고 수술을 직접 수행하는 그리퍼 시스템을 설계하도록 하겠다

이를 위해 현재 로봇 시장의 현황을 분석하고 능동형 그리퍼를 설계하기 위한

여러 가지 이론적 배경과 그리퍼 설계 제한 조건을 설명한다 최종적으로 그리

퍼 설계를 수행한 후 각각의 설계에 따른 분석을 수행할 것이다

- 3 -

12 연구 내용

본 연구에서는 의료용 햅틱 로봇 시스템에 적합한 능동형 그리퍼를 설계하

는 것이 본 연구의 목적이며 이를 위한 연구내용은 각 장 별로 요약하면 다음

과 같다

제 1장에서는 본 연구를 수행한 배경과 목적을 설명하였다

제 2 장에서는 연구의 첫 단계로 본 연구의 이론적 배경을 기술하였다 수술

로봇의 개요 및 동향 선행기술에 대하여 설명하였다

제 3 장에서는 능동형 그리퍼에 대한 이론적 배경을 기술하였다 그리퍼의 자

유도 기능분석 메키니칼 구성표 동력원에 대해 고찰하였다

제 4 장에서는 능동형 그리퍼의 설계 결과를 기술하고 설계 안에 대한 방향

을 제시하였다

마지막으로 제 5 장에서는 결론 및 향후 연구되어야 할 문제들에 대하여 언

급하였다

- 4 -

제 2장 로봇 산업의 기술 현황

21 로봇산업의 동향

(1) 국내로봇산업 분류체계

로봇이란 용어는 1921 년 카펠 차펙 (Karel Capek)이 쓴 희곡에서 유래하여

전통적인 로봇이란 반복 노동을 대체하는 자동화 기계로 인식되어 왔으나 현대

에 와서는 외부의 환경을 인식하고 지능을 바탕으로 스스로 판단하여 자율적으

로 동작하는 장치로 변모하였다 이렇게 변모하는 로봇산업은 현행 한국표준산

업 분류 체계상 단일제품 수준의 lsquo산업용로봇rsquo 으로만 분류하여 급성장이 예상

되는 lsquo서비스로봇rsquo 부분은 포함되어 있지 않았다 이에 산업자원부는 2007 년 1

월 로봇산업의 분류체계를 새롭게 마련하고 로봇산업의 승인통계를 구축하였다

이로써 1978 년 로봇산업이 시작한 이래 30 년 만에 비로소 로봇산업에 대한 명

확한 분류체계를 구축한 것이다

이 분류체계에서 로봇산업은 크게 개인서비스용 로봇 전문서비스용 로봇

제조업용 로봇 네트워크 로봇 로봇부품 및 부분품 등 대분류 5 개 중분류 28

개 소분류 136 개 항목으로 분류되어 있다 이를 구체적으로 살펴보면 TABLE

2- 1과 같다

- 5 -

TABLE 2-1 Domestic robot classification

대분류 중분류

서비스 로봇

개인 서비스용가사용 생활 지원용 여가 지원용 교육

용 기타 개인서비스용

전문서비스용

빌딩 서비스용 극한작업용 의료 복지용

사회 인프라용 군사용 생물 생산용 기

타 전문 서비스용

제조업용 로봇

이적재용 공작물 착탈용 용접용 표면처

리용 조립분해용 가공용 공정용 시험

검사용 기타 제조업용

네트워크 로봇 -

로봇부품 및 부분품 로봇용 구조구동센싱제어통신소프트

웨어기타 부품 및 부분품

lt자료gt 산업자원부

ldquo의료 복지용 로봇rdquo은 전문서비스용 로봇의 한 분야로 로봇산업의 중분류로

분류되고 있다 의료 복지용 로봇은 다시 수술 로봇 재활 훈련용 로봇 의료진

단 및 검사용 로봇 기타 의료 복지 로봇 등으로 소분류체계를 구축된다

산업연구원 (2007)에서는 로봇산업에서의 의료용 로봇의 위상을 Fig 2-1 과

같이 도식화 하였다 의료용 로봇을 포괄하고 있는 지능형 로봇은 우리나라가

소득 3 만 달러 시대를 선도할 미래스타산업으로 타 분야에 대한 기술적 파급

효과가 큰 첨단기술의 복합체라는 점 때문에 특히 중요하다고 할 수 있다

- 6 -

Fig2-1 Phase of medical robots in the robot industry

(2) 국내로봇산업 규모

가 로봇생산 기업규모

앞 절과 같은 로봇산업 분류체계에 근거하여 2006 년부터 로봇산업 통계조사

가 체계적으로 이루어지기 시작하였다 이 통계조사에 따르면 국내 로봇생산을

담당하고 있는 기업은 TABLE 2-2와 같다 2006년 총 170개 제조업 로봇 77개

사 (453) 로봇부품 및 부분품 48 개사 (282) 개인 서비스용 로봇 24 개사

- 7 -

(141) 전문서비스용 로봇 13 개사 (76) 네트워크 로봇 8 개사 (47)로 분포

되어 있다 이와 같은 수치는 2005 년 대비 제조업용 로봇 관련 기업 수는 다소

감소하였으나 전문서비스용 로봇이나 개인서비스용 로봇 관련 기업 수는 다소

증가하였다 또한 기업체 당 평균 자본금은 5354 억으로 제조업을 제외하면 기

업체 당 평균 자본금이 가장 높은 분야는 개인 서비스용 로봇 (2570 억원) 가

장 낮은 분야는 전문 서비스용 로봇 (1106억원)으로 나타났다

이는 최근 수요가 증가하는 생활 관련 로봇들에 대한 대기업의 투자나 진입

이 두드러지면서 나타난 현상이며 이런 기업들의 투자에 따른 생활 로봇 기술

향상이 두더러 지게 나타나고 있다 따라서 의료용 로봇 산업분야의 체질강화

와 기업 경쟁력 강화를 위해서는 최근 늘어나는 수요창출에 발맞추어 중견기업

들의 투자와 연구개발이 집중되어야 할 것이다

한편 로봇기업의 매출액 규모는 1억 원 미만의 영세한 업체가 30 1억~10

억 원 규모의 업체가 282 10억~50억 원 규모의 업체도 282로 대부분의 로

봇기업은 매출액 규모 50 억 미만의 중소기업체인 것으로 나타났다 특히 의료

용 로봇은 영세한 업체가 담당하기에는 다소 연구개발과 투자비용이 많이 소요

되기 때문에 대기업이나 정부의 투자나 지원이 반드시 필요하다 이러한 상황에

서 국내 의료용 로봇 시장의 성장을 낙관하기는 다소 무리가 있다 따라서 대기

업들이나 정부는 의료용 로봇 시장 확대와 성장에 적극적으로 참여해야 할 것

이다

- 8 -

TABLE 2-2 Robot Production Company

구분

2005 2006

업체수 구성비 업체수 구성비

제조업용 로봇 60 333 77 453

전문서비스용 로봇 13 72 13 76

개인서비스용 로봇 39 217 24 141

네트워크 로봇 17 94 8 47

로봇부품 및 부분품 51 283 48 282

합계 180 1000 170 1000

나 로봇생산 생산규모

로봇기업의 생산 현황을 보면 2005 년에는 5722 억 원 정도였으나 2006 년에

는 7196 억 원으로 258의 증가율을 보였다 특히 의료 복지용 로봇 분야가 포

함되어 있는 전문서비스용 로봇은 2005 년에는 53 억 정도였으나 2006 년에는

124억으로 전년대비 1309의 높은 증가세를 보였다

최근 국내에서 개발된 환자 안내용 로봇인 스누봇 (SNUBOT)이나 내시경 로

봇인 미로캠 (MiroCam) 등의 개발로 인해 더욱더 생산 증가폭은 커질 것으로

전망한다 의료 복지용 로봇분야에서는 2005 년에는 생산이 거의 없었으며 2006

년에는 약 6 천 만원으로 증가하기는 하였으나 이는 다른 로봇 분야에 비하면

극히 미비한 생산액이며 수술 로봇이나 재활 로봇에 대한 생산은 거의 전무한

실정이다 한국과학기술정보연구원(KISTI)에 따르면 2006 년 국내 서비스 로봇

- 9 -

(산업용 로봇 제외) 시장규모는 약 624 억 원으로 미비한 수준에 그쳤으나 2011

년 5117 억 원에 달하고 2013 년 이후는 수조 원에 달하는 황금시장으로 떠오를

것으로 예상하였다 또한 정부에서는 2005 년 국내 로봇산업 육성을 위해 2013

년까지 세계 시장 점유율 15 총생산 30 조원 수출 200 억 달러 고용창출 10

만 명 등 세계 3위의 로봇강국을 목표로 하고 있다

22 의료용 로봇기술 현황

(1) 의료용 로봇 유형 및 개념

의료용 로봇은 크게 수술 로봇 수술 시뮬레이션 재활로봇 기타 의료 로봇

등으로 분류된다

첫째 수술 로봇은 크게 두 가지의 유형으로 분류된다 먼저 수술 보조 로봇

(surgery assistant robot)은 수술실에서 집도의 명령에 따르면서 수술을 보조하거나

영상 가이드 역할을 해주는 로봇을 의미하며 수술 로봇 (surgery robot)은 의사를

대신하여 수술과정의 전체 혹은 일부를 의사 대신 혹은 의사와 함께 수술 작업

을 한다

둘째 수술 시뮬레이터 (surgery simulator)는 의사의 수술에 관한 숙련도를 높

이기 위하여 가상의 그래픽 환자 모델과 햅틱 장치 (haptic device) 등을 이용하

여 수술을 연습할 수 있게 하는 의료용 로봇이다 특히 근래에 들어 프로세스의

- 10 -

성능이 좋아지면서 MRI 나 CT 영상 등을 활용한 실시간 3 차원 볼륨이 가능해

지면서 의료용 시뮬레이터 개발은 가속화 되었다

셋째 재활 로봇 (rehabilitation robot)은 노인과 장애인의 재활치료와 일상생활

을 도와 주는 로봇 시스템으로 단순한 신체를 지지해 주는 역할을 벗어나 중증

환자나 노인의 신체 움직임을 향상시키고 빠른 시일 내에 회복하도록 주요 기

능을 수행하고 장애인의 장애를 극복하여 독립적인 생활을 가능하게 할 수 있

는 특정 기능의 로봇을 의미한다

넷째 기타 의료 로봇으로는 간호 로봇이나 안내로봇 등이 있다 현재의 간

호 인력을 도와서 수술이나 치료를 받는 환자를 보살피는 로봇으로서 정확한

투약과 수술 후 관리가 가능하도록 도와주는 기능과 환자의 이동 간병 및 산책

이 가능하고 말벗의 기능을 포함하는 로봇을 의미한다

(2) 의료용 로봇기술 개발현황

가 수술 로봇

현재까지 연구된 수술 로봇은 미세 수술용 원격수술 로봇 최소침습수술

(MIS) 로봇 관절 수술 로봇 등으로 분류할 수 있다

원격수술 로봇 시스템 일환으로 개발된 대표적인 로봇으로는 일본 동경대의

원격 수술 로봇 미국 NASA JPL 의 RAMS SRI International 의 원격 수술 로봇

한국과학기술원의 미세수술용 Slave 로봇 등이 있다

- 11 -

MIS 의 로봇 시스템 일환으로 개발된 대표적인 로봇으로는 미국의 UC 버클

리대의 수술 로봇시스템 Computer Motion 사의 내시경 보조 로봇인 이솝

(AESOP)과 복강경 수술 로봇인 제우스 (ZEUS) 제우스 보다 진보된 Intuitive

Surgical 의 다빈치 (daVinch) 등이 있다 이 중 다빈치는 수술용 로봇으로 거의

독점적인 위치로써 세계 로봇수술의 첨병역할을 하고 있다

관절 수술 로봇의 일환으로 개발된 대표적인 로봇으로는 미국 Integrated

Surgical System사의 로보닥 (Robodoc) 독일의 Orto Maque사의 CASPAR 영국의

Imperial College의 아크로보트 (Acrobot) 등이 있다

나 수술 시뮬레이터

수술 로봇 이외에 의사의 수술에 관한 숙련도를 높이기 위한 의료용 시뮬레

이터가 활발하게 연구되고 있다 특히 근래에 들어 프로세서의 성능이 좋아지면

서 MRI 나 CT 영상 등을 활용한 의료용 수술 시뮬레이터 개발이 가속화 되었

다 대표적인 수술 시뮬레이터로는 미국 Georgia Tech의 안구 수술 시뮬레이터

미국 Boston 다이나믹스사의 개복수술 시뮬레이터 Mitsubishi Electric Research Lab

의 무릎관절 내시경 시뮬레이션 영국 맨체스터 대학의 웹기반 시뮬레이터 등이

있다

다 재활 로봇

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노령인구와 장애인구의 증가로 로봇 기술의 필요성은 재활분야에도 확대되

고 있다 장애인의 독립적인 활동을 보장하고 삶의 질을 높이려는 노력은 유럽

등의 선진국을 중심으로 재활 로봇이 연구되어 왔으며 이탈리아에서 개발된

MOVAID 가 대표적인 재활 로봇이다 또 미국에서는 MIT 를 중심으로 RIC 과

같은 로봇 신경 재활 로봇들이 개발되고 있다 스위스에서는 보행 재활 로봇으

로 Lokomat 이 개발되었고 국내에서는 KAIST 에서 휠체어 로봇 시스템과 보행

보조 로봇 등이 연구되고 있다 이외에도 서강대학교에서는 SUBAR 라는 보행

재활 로봇을 개발하였다 이외에도 최근 미국의 Intouch Health 에서 개발한 RP-7

은 멀리 있는 환자의 병증을 파악하는 데 탁월한 원격진료 로봇으로 활용되고

있다

(3) 국내 의료용 로봇 적용사례

상기 서술한 의료용 로봇 중 가장 많은 각광을 받고 있으며 국내에서 적용

되고 있는 사례를 통해 의료용 로봇의 사용 실태를 파악보고자 한다 대표적인

복강경 수술 로봇인 Intuitive Surgical의 다빈치 로봇 시스템과 고관절 수술 로봇

인 Integrated Surgical System사의 로보닥을 중심으로 국내 실태를 살펴보고자 한

다

가 다빈치

- 13 -

Fig 2-2 da Vinci surgical case number

다빈치 로봇은 1997 년 벨기에서 처음으로 환자에게 적용된 이래 국내에

2005 년 7 월 연세대학교 신촌 세브란스 병원에서 최초로 도입하여 2005 년 7 월

15 일 국내 최초로 다빈치를 이용한 로봇 수술이 이루어졌다 Fig 2-2 에서 보

듯이 수술사례는 계속적으로 증가하여 2008 년 1 월 말 현재 750 건이 넘는 수

술이 이루어졌다

다빈치 로봇은 전립선암 위암 대장남 부인암 식도암 갑상선암 간암 등

대부분의 암수술 및 중요 외과계 수술에 적용된다 이는 다빈치 로봇 수술이 가

져다 주는 효과인 개복수술이나 복강경 수술보다 수술회복기간이 단축되고 수

술시간도 감소시키는 역할과 무엇보다 수술 후 환자가 겪는 수술 후유증 확실

- 14 -

히 줄여주기 때문이다 특히 전립선암의 경우 대표적인 수술 후유증인 요실금

과 발기부전 등의 가능성이 대폭 줄어드는 것으로 알려져 있다

이와 같은 수술사례와 수술성과에도 불구하고 다빈치 로봇의 가격이 25 억

정도의 고가이기 때문에 영세한 의료기관에서 도입하기에는 다소 무리가 따르

고 있다 그러나 대형 병원들은 다빈치의 성공적인 수술사례를 통해 앞다투어

이를 도입하고 있다

2008 년 1 월 현재 신촌 세브란스 병원은 이미 3 대를 도입했고 영동 세브

란스 병원 고려대 안암병원 서울아산병원 한림대 강남병원 분당서울대병원

삼성서울병원 경북대병원 동아대병원 등 9 개 의료기관에 도입되어 있다 또한

최근 (2008 년 1 월 30 일) 연세대 세브란스병원은 로봇 수술의 활성화를 위해

Intuitive Surgical 과 공동으로 복강경 수술용 로봇 다빈치를 이용한 수술법을 배

우는 lsquo연세 다빈치 트레이닝 센터rsquo를 개소하였다

다빈치는 로봇 가격만큼 수술 비용에 있어서도 고가인데다 의료보험이 적

용되지 않아 수술 비용을 환자가 모두 부담해야 하는 실정이다 다빈치 로봇 수

술 비용은 700~2000 만 원선으로 기존의 수술 비용인 200~300 만 원 보다는 다

소 높은 가격이다 특히 전립선암의 경우 로봇 수술 비용은 1500 만 원 선으로

개복수술이나 복강경수술보다 5~7 배 정도의 높은 가격이다 그럼에도 불구하고

로봇 수술은 거의 모든 암 수술에 적용되고 있고 환자와 의사 모두 만족하는

수술법으로 자리잡아 가고 있다

- 15 -

나 로보닥

로봇이 외과적 기계로써 임상적으로 처음 국내에서 적용된 것은 1992 년 lsquo로

보닥rsquo이라는 의료용 로봇이다 미국에서 개발된 로보닥은 인공관절이 삽입될 환

자의 뼈를 로봇으로 가공해서 수술 성공률을 획기적으로 높였다 두꺼운 뼈를

정확한 형상으로 깎아내는 작업에는 CADCAM 자료에 따라 작동하는 로봇 팔

이 숙련된 외과의사를 간단히 능가했다 로보닥은 한국과 EU 의 판매승인을 획

득했고 결국 인공관절수술의 대세를 장악했다 세계적으로 8000 회 이상의 수술

이 로보닥을 이용하여 성공적으로 수행되었으며 2001년 FDA의 승인을 받기도

하였다

2002 년 국내 처음으로 로보닥이 도입된 이래로 이춘택 병원은 현재까지

2556 회라는 경이적인 수술건수를 기록하였다 그는 최소침습수술과 접목하여

로봇의 정밀성과 최소 절개기술을 결합시킴으로써 환자의 고통과 재활 기간을

크게 줄였다 그러나 로보닥의 가격은 무려 17 억 원이며 3 차원 영상까지 구현

하기 위해서는 10 억 원 상당의 멀티 CT 까지 도입해야만 한다 그렇기 때문에

소규모의 관절전문병원이 도입하기에는 다소 무리한 점이 있다 이러한 상황에

서 이춘택은 국내시장에 맞는 로봇개발을 위해 국산 부품 및 소프트웨어를 개

발 중에 있다 따라서 우리나라도 고령화 사회를 맞아 세계적으로 관절 수술이

급증하고 있는 상황에서 국내 기술로 만든 수술용 로봇이나 소프트웨어 개발은

국내 의료용 로봇시장의 활성화를 이룰 수 있다

- 16 -

23 의료용 로봇시장 전망

(1) 로봇산업 전망

로봇 분야별 세계시장 정세를 살펴보면 제조업용 로봇은 시장안전화 단계로

써 급격한 시장변화는 어려우며 신규 생산설비 및 기존 설비에 따른 수요가 대

부분 차지하고 있는 실정이다 개인서비스용 로봇은 가족구조의 핵가족화와 고

령화 현상으로 인한 가족인원으로서의 가정용 로봇에 대한 수요가 증가 추세에

있다 전문서비스용 로봇은 생산국과 생산기업이 극히 제한되어 있으며 제품가

격의 고가로 인해 시장형성에 있어서 생산국과 수요국이 불일치하고 있는 실정

이다 이러한 상황에서 로봇시장의 국가별 점유율을 살펴보면 일본 (28) 미국

(18) 독일 (16) 이탈리아 (10) 한국 (3)의 순으로 세계 5 위를 차지하고

있다 이와 같이 산업용 로봇의 경우는 우리나라의 세계적인 위상이 높지만 아

직까지 전문 서비스 분야 로봇에 대한 세계적인 위상은 미비하다

시장규모 전망과 국내 세계시장 점유율에 대한 전망은 다음과 같다 세계 로

봇시장의 규모는 2010 년에는 247억 5 백만 달러에서 2020년에는 717억 7 천만

달러에 이를 것으로 보고 있으며 연평균 107의 증가율을 예상하고 있다 분

야별로는 제조업용 로봇은 2010 년 세계시장의 114에서 2020 년 144의 비중

을 차지할 것으로 전망하고 있으며 전문서비스용 로봇은 2010 년 세계시장의

09에서 2020 년 21의 비중을 차지할 것으로 예상하고 있다 개인서비스용

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로봇은 2010 년 30에서 2020 년 70 수준에 달할 것으로 보고 있다 비록 전

문 서비스용 로봇산업의 규모는 미국 일본 독일에 비해 미미한 실정이나 전문

서비스용 로봇의 신시장을 개척하고 그 만큼의 기술력이 밑받침된다면 2020 년

세계시장에서의 더 큰 비중의 달성이 이루어질 것으로 본다

(2) 의료용 로봇기술 전망

의료용 로봇시장의 성장은 의료용 로봇기술 개발산업의 성장과 밀접한 관계

가 있다 세계적인 개발추세로는 의료용 로봇개발 하드웨어 분야에서는 일본이

경쟁력이 가장 높으며 소프트웨어 분야에서는 미국이 앞서나가고 있다 또한

독일은 하드웨어 및 소프트웨어 분야에서 동시에 상당한 연구 개발 능력을 보

유하고 있다 앞으로는 이 세 나라가 의료용 로봇 시장의 핵심 주자로 나설 것

으로 예상된다

산업연구원 (2007) 조사에 따르면 국내 로봇산업의 기술은 기술항목에 따라

다소 차이를 보이고 있으나 제조업용 로봇의 경우는 최고 기술 보유국 대비 평

균 85 정도에 육박하고 있으며 전문서비스용 로봇의 경우는 80 정도 개인서비

스용 로봇은 84 정도에 이르고 있는 것으로 나타났다 의료용 로봇 분야에서는

선두주자인 미국의 기술력을 100 이라고 봤을 때 현재 우리나라는 70 정도이며

2015년이 지나야 100 에 도달할 것으로 전망하였다 비록 의료용 로봇에서 세계

1위인 미국에 비해 우리는 아직 10년 이상 차이가 있지만 세계 최초로 국제 규

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모의 로봇랜드 조성과 로봇펀드 발생 등 정부 차원에서의 노력이 여러 가지 방

면에서 다양하게 펼쳐지고 있기 때문에 그 격차는 점차 줄어들 것으로 예상된

다

또한 IFR (2006) 자료에 따르면 한국 산업용 로봇은 세계 5 위의 강국[16]인

데 비해 의료용 로봇에 있어서는 약소국이다 이는 의료용 로봇의 개발비가 많

이 드는데 비해 국내 시장은 극히 제한적이어서 일반 기업의 참여가 아주 저조

하기 때문이다 국내에서 의료용 로봇 관련 기술 개발은 아직 걸음마 단계에 머

물러 있으며 벤처기업 및 대기업들이 개발해 상용화시키고 있는 기술이나 제품

도 대부분이 생활 가전형 로봇에 한정되어 있을 뿐 의료용 로봇분야는 아직 미

개척지로 남아 있다 하지만 국내에서도 의료용 로봇 개발을 수행하기 위해 대

학이나 연구소 차원에서 의료용 로봇에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다 먼

저 한국과학기술원이 8 년 전 설치한 휴먼 웰페어 로보틱 서저리 센터가 대표

적인 연구기관이다 이 연구소에서는 거동이 불편한 환자들을 위한 휠체어의 자

동화 시스템이나 복강경 수술 로봇 등 로봇 수술용 기구의 국산화에 초점을 맞

춰 진행 중이다 또한 최근에는 국립암센터 역시 산업자원부로부터 수술용 로

봇과 영상시스템을 주제로 한 의료용 로봇 개발자로 선정되어 연구에 들어갔다

비록 국내 의료 및 수술 로봇 관련 기술이 일본 미국 등에 비해 아직까지

뒤쳐져 있는 실정이지만 국내에서도 의료용 로봇 기술 개발이 이처럼 활발히

진행되고 있어서 향후 전망은 매우 밝다고 할 수 있다 또한 해외에서 각광을

받고 있는 캡슐형 내시경 연구 역시 국내에서 벌써 10 년째 계속 되고 있다 최

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근 한국과학기술연구원과 벤처기업인 인트로메딕이 개발한 세계 최소형 캡슐형

내시경인 미로캠 (MiroCam)은 2010 년까지 국내 캡슐형 내시경 시장의 80를

점유할 것으로 예상하고 있다 이러한 국산 의료용 로봇 개발을 통해 고부가가

치 시장인 세계 의료 시장에 뛰어들 수 있는 기반을 다졌다는 데에 큰 의미가

있다

전문 서비스용 로봇의 경우 제조업 로봇 관련 풍부한 경험을 바탕으로 전문

서비스용 로봇으로의 기술확대 메카트로닉스 (mechatronics) 관련 다양한 산업기

반과 세계적인 IT 인프라 보유국의 강점을 살리고 있다 또한 한국은 10 대 성

장동력간 연계 등을 통한 시너지 효과와 세계 전문서비스 로봇 시장이 초기형

성 단계임을 감안한다면 이 분야의 진출에 대한 절호의 기회이며 머지않아 의

료용 로봇 강국으로 진입할 수 있을 것으로 기대된다

- 20 -

제 3 장 능동 그리퍼

31 최소침습 수술 햅틱 장치 구현에 필요한 능동 그리퍼 제안

21 세기 로봇 기술 분야에서는 인간과 기계 시스템 간의 커뮤니케이션이 무

엇보다 중요하게 강조되며 이러한 인간과 기계 시스템의 의사소통은 주로 인간

의 감각 기관을 통해 이루어 진다 일반적으로 인간에게는 보고 듣고 냄새를

맡고 맛을 보고 피부로 느끼는 오감이 있으며 이러한 감각을 시각 청각 후

각 미각 촉각이라고 한다 따라서 이러한 인간의 감각에 정보를 전달하기 위

한 다양한 기계 시스템들이 개발되어 왔다 오감 중에서 현재 인간과 기계 시스

템간의 인터페이스 역할을 하는 표적인 감각으로는 사물을 보는 시각과 소리

를 듣는 청각이 주로 이용되고 있다 이를 위한 시스템들은 이미 상당한 수준으

로 발전해 현재 상용화 되어 활용되고 있다 하지만 이러한 시각과 청각 인터

페이스 만으로는 로봇의 제어에 한계가 있으며 오감 중에서 세 번째 감각인 촉

각에 한 인터페이스가 현재 활발히 연구 개척되고 있다 만약 가상현실에 촉

감 인터페이스가 적용된다면 기존의 시각과 청각에만 의존하던 가상 현실에 촉

감을 전달함으로써 실제 물건을 만지고 느낄 수 있으므로 가상현실을 보다 더

실감나게 할 수 있을 것이다 하지만 인간의 감각 중에서 촉각은 매우 민감한

감각으로 여기에 촉감 정보를 전달하는 인터페이스는 아직 많은 연구를 필요로

하고 있다

- 21 -

햅틱 (haptic)이란 단어의 사전적인 의미는 ldquoof or relating the sense of touch

tactilerdquo로써 물체를 만질 때 사람이 느낄 수 있는 촉각적 감각으로 피부가 물체

표면에 닿아서 느끼는 촉감 (tactile sensation)과 관절과 근육의 움직임이 방해 될

때 느껴지는 근 감각적인 힘 (kinesthetic force)의 두 가지 힘을 모두 합쳐서 부르

는 말이다 촉감 구현 연구는 물리적 장치를 이용하여 사람이 직접적인 접촉이

없이도 촉각 정보를 전달하는 방법에 관한 전반적인 연구 분야를 일컫는 말로

사람에게 원격지에 있는 물체의 물리적 특성을 전달하는 원격조작 혹은 원격현

장감에 관한 연구로부터 시작되었다 가상 혹은 실제 환경에서 촉감을 구현하기

위한 연구를 포괄적으로 의미하는 용어로 햅틱스 (haptics)라고 한다 주요 연구

분야는 사람이 직접 손에 쥐거나 착용하는 물리적 장치인 햅틱 디바이스 인터

페이스 (haptic interface) 가상 공간상의 물체에 기계적 성질을 부여하여 사실감

이 있는 상호작용을 제공하고자 하는 햅틱 렌더링 (haptic rendering) 사람의 촉

각 인지 특성에 관한 연구 (tactile perception) 등으로 나눌 수 있다 특히 햅틱

인터페이스 (haptic interface)는 햅틱 디바이스 (haptic device)라고도 불리우며 사람

에게 촉감을 전달하는 물리적인 장치를 말하며 더 넓은 의미로 사용하여 가상

의 환경을 촉감 전달을 통해서 느끼게 하는 시스템 전체를 가리키기도 한다 이

러한 햅틱 기술은 다양한 분야에서 활용될 수 있는데 표적인 분야로는 가상

현실 분야 인간-컴퓨터 인터페이스 분야 게임 등 사이버 커뮤니케이션 그리고

원격제어 로봇 등이 있다 특히 원격제어 로봇이 많이 활용되고 있는 의료 분

야에서 햅틱 구현은 매우 시급한 과제이다 현 의 수술은 점점 첨단의 수술 도

- 22 -

구와 로봇을 이용하여 집도되는 추세이며 최소침습수술 (minimally invasive

surgery MIS)이 그 표적인 예이다 이 수술법은 환부의 구멍에 수술도구와 카

메라를 삽입하여 집도의가 모니터를 보면서 시술함으로써 시술시간이 짧고 환

자의 회복이 빨라서 그 적용 범위가 점차 확 되고 있다 하지만 환자가 얻게

되는 이점에 반해 의사는 개복 수술에서 쉽게 이용하던 기술들을 더 이상 적용

할 수 없게 되어 집도에 있어 큰 어려움을 부담해야만 한다 즉 환자의 내부에

서 손의 움직임과 시야의 제약을 받게 되었고 손으로 환자의 장기나 뼈를 만지

고 상태를 확인할 수 없게 된 것이다 이러한 문제점들을 극복하기 위해 첨단의

의료용 로봇 시스템이 개발되었는데 의사 즉 오퍼레이터가 조작하는 마스터

(master) 로봇과 환자의 환부에서 수술을 진행하는 슬레이브 (slave) 로봇으로 구

분된다 슬레이브 로봇은 크게 수술 시 집도의 팔의 움직임을 구현하는 구동 암

(arm)과 수술도구를 홀딩 할 수 있는 그리퍼로 분류할 수 있다 구동 암의 움직

임은 수술 부위의 위치를 결정하면 별도 큰 움직임 없이 작동시킬 수 있으며

전달 수술 관통 수술이 아닌 경우에는 집도의가 느끼는 힘을 피드백 할 필요가

없다 하지만 그리퍼의 경우는 신체 일부분의 미세한 조직까지 전부 접촉해서

제거하거나 봉합하기 때문에 집도의가 수술 시 느끼는 힘을 구현하여야 보다

정밀한 수술을 수행할 수 있다 따라서 본 연구에서는 햅틱 장치가 적용된 마스

터 로봇과 마스터 로봇에서 형성된 힘을 느낄 수 있으며 원할한 수술을 진행할

수 있는 최소침습수술용 능동 그리퍼를 제안하겠다 Fig 3-1 은 상용 MIS 장치인

다빈치 로봇의 마스터와 슬레이브 그리고 그리퍼를 나타내고 있다

(a) sla

(b

Fig 3-1 da V

Operation Arm

Gripper

- 23 -

ave robot and g

b) master rob

Vinci robot sy

m

gripper

ot

stem for MIS

- 24 -

32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류

산업용 로봇은 그 기능 특성상 필요성에 의해 로봇의 말단부에 그리퍼를 부

착시킨다 이것은 인간의 손에 응되는 것으로서 메커니컬 핸드라고 칭하며 다

루는 상 물체를rdquo파지rdquo해 이동하는 목적으로 사용되는 도구이다

파지동작은 Fig 3-2 와 같이 세분화된다 인간의 손 손가락에는 많은 관절이

있으며 여러가지 작업이 가능하다 일상 생활에서의 붙잡기는 형식을 분류한 것

으로는 슐레징거의 12 형식이 있다 여기서 인간의 손에는 손가락이 있어서 그

것을 유지핸드라고 이름 붙이면 메커니컬 핸드에는 손가락이 없는 구성법이 있

는데 이것을 무지 핸드라고 이름 붙이기로 한다 이 무지 핸드는 기계적 물리적

으로 구조상 무지핸드로 한 것과 공구가 메커니컬 핸드와 일체화됐다고 생각하

는 공구 핸드가 있다 메커니컬 핸드를 분류해 보면 다음과 같다 진공이나 자

기 이용의 흡착 등 물리적 흡척형의 유지는 보통 평면(완만한 곡선도 포함)부를

흡착하는 형태로서 물체의 크기나 중량에 따라 여러 개가 설치되는 경우도 있

다 그러나 물체표면에 만곡부가 있는 경우나 구멍이나 공동이 있는 경우에는

적용할 수 없게 된다 또한 자력을 이용한 경우 철금속 재료를 다루게 되는데

경우에 따라서 매우 효율적이고 신뢰성이 높기는 하지만 물체에 잔류 자력이

남게 되는 문제점이 있다 받기형의 유지는 지지의 동작만을 가지고 있는 형태

이며 이는 전기한 흡착형 보다 적극적이 아니여서 약한 구속을 갖는다 변형하

기 쉬운 물체의 이송등에는 이를 채택한다 매달기형 유지는 중력 방향의 이동

1 자유도를 구속한다 잡기형 파지는 유연성에 의한 변형으로 접촉면적을 크게

하여 집는

상물을 외측

이용하는 등

33 파지형

파지 형

다 본 연구

하여 설명

(1) 두 손

형태이다 현

측에서 파지하

등의 파지방법

형태에 의한

형태로서는

구에서 사용할

명 하겠다

손가락 type

현재 많이 사

하거나 구멍

법이다

한 그리퍼의

상을 바깥에

할 메커니즘은

e

Fig 3-2 Cla

- 25 -

사용하고 있는

속에 손가락

의 분류

에서 파지하

은 바깥에서

assified by the

는 끼우기형

락을 넣은 후

는 것과 안에

파지하는 형

gripper grip ac

파지 형태는

후 벌려서 내

에서 파지하

형태가 유리하

ction

는 핸들링

내측사용면을

는 것이 있

하므로 이에

두 개의

상태를 유지

는 스윙형

안정되게 파

의 리지트한

지해서 개폐

핸드(swingin

파지하는 점에

손가락을 갖

되는 병진형

ng gripper)로

에서 병진형

(a) grinder c

(c

Fig 3-3 Sw

- 26 -

갖춘 것으로

핸드(transla

로 분류된다

보다 떨어진

crank

c) rotation joi

wing-type hand

실용례가 많

ational grippe

스윙형은 기

진다

(b) swing

int

d mechanism

많다 손가락이

er)와 그 방향

기구가 간단하

g block

이 상호평행

향이 변화하

하나 상이

병진형에

4 은 평행링

운동을 바꾸

에 회전시킴

로 유지되기

지된다 직

시키도록 한

가 전middot후진

피니온 방식

F

에서는 평행링

링크 방식의

꾸고 그 피니

킴으로써 손가

기 때문에 손

동형 신에

한 것도 있다

진하는 결점이

식이 채용된다

Fig 3-4 Hand

링크 랙middot피니

예로 직동형

니온 운동으로

가락 개폐를

손가락의 물체

에 회전형 액

다 평행링크를

이 있다 이문

다

mechanism fo

- 27 -

니온 나사이송

형 액추에이

로 평행링크의

얻는다 링크

체 파지면의

추에이터를

를 이용한 형

문제를 해결하

or translational

송 기구 등이

터의 운동을

의 하나의 링

크 PS 와 링

자세도 개폐

이용한 형식

형식은 개폐에

하는 방법으로

type1 (paralle

이 이용되고

랙과 피니온

링크 A 를 축

크 QR 은 항

폐 동작 중 일

식에서 평행링

에 의해서 손

로서 볼나사

el displacement

있다 Fig 3-

온으로 회전

축 P 의 주위

항상 평행으

일정하게 유

링크를 회전

손가락 위치

기구나 랙middot

nt)

Fig 3

는 핸드의

볼나사 기구

다

(2) 세 손

세 손가

가락으로 잡

F

-5 는 회전형

예이다볼나

구 각각을 손

손가락 type

가락을 가진 핸

잡는 것보다

Fig 3-5 Hand

형 액추에터로

나사 기구를 이

손가락에 부착

e

핸드에서는

안정된 파지

d mechanism fo

- 28 -

로 랙 피니온

이용하는 경

착 사라를 회

상을 3 점

지 동작을 할

or translational

온을 회전시킴

우에는 1

회전시킴으로

점에서 유지할

할 수 있다

l type2 (rack a

킴으로써 개폐

의 왼나사

써 개폐 동작

할수 있기 때

nd pinion type

폐동작을 하

오른나사의

작을 실현한

문에 두 손

e)

Fig 3-6

베벨기어를

구동해서 세

실현한 것

각 손가락을

복잡하며 중

6 은 세 손가

를 매개로 상

세 손가락을

이다 특히

을 개별 모터

중량도 증가하

Fig

락형 그리퍼

호 각도를 주

동작시킴으로

원통물체를

터로 구동하도

하기 때문에

3-6 Hand mec

- 29 -

의 일반적인

주어 결합한

로써 이른바

확실히 잡아

도록 한 3 지

실용례가 적

chanism for thr

인 형상을 나타

3 개의 볼

바 3 포인트 핀

아서 유지하

지형핸드도 개

적다

ree point pinch

타내고 있다

나사를 하나

핀치(three po

는데 유리하

개발되고 있으

h type

이 핸드는

나의 모터로

oint pinch)를

하다그 외에

으나기구가

34 메카니

(1) 구속

기계적

어서 형성되

전 구속 기

해서 언급하

으로 움직일

또 X Y 평

니컬 핸드의

속기능

구동장치에

되는 것으로

기능이 있다

하면 구속 상

일 수 있다

평면 X Y 면

의 구속기능

서 구속 형식

크게 나누어

그래서 핸드

상태의 물체는

이것을 물체

X Z 면상에

Fig 3-

- 30 -

능

식과 접촉 상

어서 반구속

드의 구속 기

는 Fig 3-7 와

체의 공전 (이

서 6 방향으

-7 Movement

상태와 포락

속 (받는 구속

기능을 결정하

와 같이 X Y

이동)에 관한

로 회전 한다

t of object

능력의 인자

속 는 구속

하는 물체의

Z 의 3 축상

6 동작 자유

다 이것을 물

자가 복합되

속)기능과 완

구속에

에서 6 방향

유도로 한다

물체의 자전

(회전)에 관

부여한 상태

행할 수 있

서는 회전의

핸드에

한 공간적

면 Fig 3-8

이 그림

를 구속한다

에서 7 자유

선접촉과 면

계수와 절선

(a

관한 6 동작

태에서 움직이

있다 또 완전

의 6 자유도를

의한 물체의

적인 포락 상

와 같이 된

(a)의 점접촉

다 그러나 1

유도를 구속

면접촉에는 각

선력법선력

a) point contac

Fig3

자유도로 한

이며 중력이

전 구속은 핸

를 무시하는

의 구속은 핸

상태로 정한다

다

촉은 접촉점

1 점접촉은 다

한다 (c)의

각각 마찰에

비와의 관계

ct (b

3-8 Contacts

- 31 -

한다 반구속은

이나 환경면의

드 자체로 1

경우도 적지

핸드와 물체의

다 먼저 접촉

방향의 1 자

다른 11 자유

면접촉은 11

위한 구속이

계로 구속불능

) line contact

of the kind an

은 12 자유도

의 구속을 받

12 자유도를

지 않다

의 접촉 상태

촉부의 구속

자유도를 구속

도를 구속할

1 자유도의 구

이 4 개와 6 개

능의 가능성을

nd the confini

도 중 몇 개의

아서 완전 구

행하는데 경

태 및 접촉부

능력을 모델

속한다 그러나

할 수 없다 (b

구속을 할 수

개 주어져 있

을 가진 구속

(c) surface co

ing

의 자유도를

구속으로 이

경우에 따라

부의 물체에

델로 나타내

나 1 자유도

b)는 선접촉

수 있다 단

있으며 마찰

속 성분이기

ontact

- 32 -

도 하다 또한 면접촉의 상태는 중력의 작용을 이용하면 받기를 형성하고 또

외계력을 이용하면 기를 형성한다

이들의 접촉상태는 물체의 형상과 핸드의 구속면으로 규정되는 것으로 핸드

만으로 결정하기는 어렵다 단 핸드의 구속면을 부드러운 재질로 형성하면 면

접촉의 이행이 용이하다 이와 같은 이유에서 물체에 접촉부가 포락도를 높이는

데에 따라서 물체 형상에 관계 없이 구속 능력을 증 시킬 수 있다

(2) 메커니컬 핸드의 자유도

로봇의 손은 그 용도를 불문하고 인간의 손 작업의 행을 목적으로 하는

것이므로 그 설계에 있어서 모델로 되는 것은 말할 것 도 없이 인간의 손이다

그래서 우선 기구에 하여 설명하기 전에 인간의 손의 구조 모델에 하여 설

명해 본다

AmiddotMorecki 에 의하면 인간의 상체는 그 해부학적 구조에 입각하면 Fig 3-9 와

같이 모델화할 수 있다 Fig 3-9 에서 숫자는 각각 골격 즉 링크를 나타내고 숫

자 II~ V 는 관절을 나타내고 있다 이와 같은 공간링크 기구의 자유도 F 는 가

동부수 n 자유도의 종류 f 를 가진 우 수를 Pf 라 하면 다음 식으로 나타낼

수 있다

6n sum ∙ P 12345 (3-1)

Fig 3-9

들 자유도가

을 Fig 3-9

P5=10 이므

인간의

유도 1 의

해 있으며

의 모델에서

가 있는 관절

9 와 같이 정

므로 위 식에

상지를 인공

액튜에이터를

22 개나 되

Fig 3

서는 n=19 P2

절에 작용하는

정의하고 그

서 FH=22 가

공적으로 정밀

를 27 필요

는 액튜에이

- 33 -

3-9 Human Ar

2=1 P3=2 P4

는 근군은 약

자유도 FH

가 된다

밀하게 재현하

요로 하게 된

터를 필요로

rm structure

4=6 P5=11 이

약 50 이라고

를 구하면

하려고 한다면

된다 또 손에

로 한다 그러

이므로 F=27

고 되어 있다

이 경우는 n

면 이상의 결

는 특히 자유

나 로봇의 손

이 된다 이

여기서 손

n=16 P4=6

결론에서 자

유도가 집중

손이 이만큼

- 34 -

의 수의 액튜에이터를 갖춘 것을 제작한다는 것은 크기 중량 제어면에서 볼

때 현시점에서는 불가능에 가깝다 특히 의수에 있어서는 상술한 바와 같은 형

상이나 조종성 등의 점에서 전혀 불가능하다고 해도 좋다 따라서 보통은 기능

에 주목하여 손에 집중해 있는 자유도의 간략화를 도모한다

인간의 잡기 동작에 주목해 보면 그 잡기 형상에는 12 종류가 있다고 하다

그러나 이것들은 엄지와 다른 12 종류가 있다고 한다 그러나 이것들은 엄지와

다른 4 손가락과의 관계에 주목하였을 때에 2 종류 즉 엄지가 다른 4 손가락과

항해서 동작하거나 그 측방에서 동작하는가로 분류할 수 있다 실제의 일상

동작에서 관찰하면 이들 중에서도 엄지와 손가락이 항해서 동작하는 소위 쥠

동작이 우선 첫 번째이고 또 다음에 엄지 검지 중지의 3 손가락의 선단으로

이루어지는 3Point Pinch 즉 잡기동작이 중요하다

더불어 손가락의 독립성에 해서는 역시 일상동작 중에서 손가락의 사용

빈도를 조사한 결과에 의하면 다섯 손가락은 반드시 독립적인 운동을 필요로

하지 않고 엄지 검지 중지가 같은 정도의 중요성을 자기며 다른 두 손가락은

사용 빈도에 있어서 이들 세 손가락보다 약 50 적으며 다른 세 손가락의 보

조 역할을 한다고 볼 수 있다 그리고 특히 중요한 것은 인간의 각 손가락은 잡

기 상물의 형상에 적응한 쥐기 즉 Passive 한 동작을 할 수 있다는 것이다 이

기능이 있다면 각 손가락이 독립적으로 동작하지 않더라도 또 다소 손의 자유

도를 제거하더라도 상물의 확실한 쥐기나 잡기 그리고 기타 손 작업에 큰 힘

을 발휘한다

- 35 -

34 표적인 동력원의 특징

동력원을 설계할 때 다음의 점을 고려하면서 가장 적합한 방식을 선택한다

1조작력(로보트가 내는 최 의 힘 예를들면 최 들어올린 힘)

2속응성(최 조작 속도)

3크기 중량(로보트의 크기와 중량의 제한)

4안정성(발열이나 과부하에 한 안전성)

5사용의 용이도

6수명가격

1 2 의 조작력 속응력은 로보트에 요구되는 성능에서 가장 기본적인 것인

데 이에 관련해서 크기나 중량의 제한 안정성 사용의 용이도 수명 가격 등을

고려해서 동력원을 선택한다 단 자주형 로보트에서는 2 차적 성능인 동력원의

중량이 첫째 요구 조건이 되는 경우가 많고 공업용 로보트에서는 저가격 사용

의 용이도 안전성이 중요 사항으로 우선시된다

모든 로봇은 동력원을 필요로한다 중요도에 따라 동력원을 선택해야 하는데

일반적으로 공기압식은 안전성이 뛰어난 반면 힘과 세밀한 위치제어가 어렵고

전기식은 응답성과 사용편리성 세밀한 위치제어가 가능하나 높은 힘을 내기 위

해서는 부가적인 기구부가 필요하다 유압식은 큰힘을 낼수있어서 속응성은 좋

으나 과부하시 상당한 발열이 있기 때문에 안전성에서 다른 동력원에 비해 떨

어진다 위 사항을 TABLE 3-1 로 분류하여 나타내었다

- 36 -

TABLE 3-1 Characteristics of power sources

전기식 유압식 공압식

사용용이성 편리하다 작동유의관리 관로의압력

필터관리에 유의

공급공기의 수분제거

윤활성의부가에 주의

수명 길다 기름에 윤활성이 있기

때문에 길다

공기에윤활성이 없어

유압 전기에 비해 짧다

가격 보통 가격 운영비 높음 저가격

응답속도

(반응성) 매우 빠르다 빠르다 늦다

하중능력 (소)에서 (중)정도의

하중능력 단히 큰 힘을 얻음 큰 힘은 없다

소음 적다 다소 크다 크다

- 37 -

제 4 장 능동형 그리퍼 설계

41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정

로봇 그리퍼의 정밀 파지 (Fingertip Grasp 손가락 끝을 이용하여 물체를 집

거나 바닥에누워있는 납작한 물체를 집는 행동)를 안정하게 하기 위해서는 손가

락 끝과 물체가 직각에 가까운 각도를 이룸으로 마찰력을 크게 하여 안정성을

높인다 또한 바닥에 놓인 물체를 집어 올릴 경우에도 물체표면의 법선 벡터와

손가락 끝의 각도가 클수록 물체를 효과적으로 구속하여 안정된 파지를 할 수

있다

그리퍼의 링크 시스템에 있어서 2 링크 손가락보다 3 링크 손가락을 쓸 때가

링크와 수평 평면이 이루는 각 (A)이 더 커지기 때문에 안정성이 더 좋다는 것

을 알 수 있다 그리고 안정성뿐만 아니라 식 (4-1)을 통하여 문체에 전해지는

Torque 값을 Fig 4-2 와 같이 그래프로 나타내면 0 도에서 75 도 정도까지는 A 각

이 커질수록 물체에 가해지는 토크 값이 점점 커지는 것을 알 수 있음으로 3 링

크 손가락을 쓰는 것이 파지력 증가됨을 알수 있다 ℓ3 의 길이가 길어질수록 A

가 작은 값을 가져서 정밀파지에 적당하지 않다

τ l cosA sinA l 1 cos A tan μ (41)

A cosempty

(42)

Fig 4-1

은 식을 통

각이 커짐을

움이 있고

Fig4-

에서 제 2 코

통해 구할 수

을 알 수 있다

최소 단위를

Fig4

-1 Configurati

코사인 법칙

있는데 이로

다 그러나 ℓ

를 1cm 로 하

-2 Change the

- 38 -

ion of the fing

을 이용하여

로부터 링크

ℓ3 가 1cm 인

하였기 때문에

e value of the a

gers on robot g

여 A 의 각을

길이 ℓ3 가

인 경우는 너

에 ℓ3 는 2cm

angle of phage

gripper

구하기 위해

작으면 작을

무 짧아서 파

로 결정하였

torque

해 (2) 와 같

을수록 A 의

파지의 어려

였다

42 모터

(1) 알고

앞 절에

여야 한다

는 모터의

이 작은 모

나 용량이

로 적절한

선정 알고

고리즘 정의

에서 설명한 기

로봇 팔에

선정은 동작

모터를 사용하

큰 모터를 사

모터의 선정

고리즘

기구들을 추

움직임을 전

작을 구현하는

하게 되면 기

사용하게 되

정이 중요하다

Fig 4-3 M

- 39 -

추후 로봇 시스

전달함에 있어

는데 중요한

기구의 원활한

면 모터의 외

다

Motor Selectio

스템에 적용을

어서 동력을

과제가 되겠

한 작동이 어

외형이 커지

on Algorithm

을 고려하여

공급과 제어

겠다 만일 토

려워지고 단

고 가격 또한

설계를 하

어를 수행하

토크나 용량

단순히 토크

한 증가하므

- 40 -

(2) 알고리즘 수행

모터를 선정하기 위해서 가장 우선적으로 해야 할 일은 기계구동부분을 결

정하고 구동부분을 어떠한 방식으로 작동을 시킬지 동작 패턴을 결정하여야 한

다 예를 들면 모터에서 나오는 힘을 받아서 볼 스크류를 이용하여 힘을 전달할

것인지 벨트 피니언 기어 혹은 풀리 등을 이용할 것인지를 결정하고 그에 따

른 적절한 구동방식을 결정한다 구동방식을 결정하게 되면 각각의 구동방식에

적합한 수식을 대입하여 부하토크를 계산한다 구동방식에 따른 부하토크를 구

하는 수식은 구동방식이나 구동장소 등에 따라 다소 상이하나 일반적인 수식은

다음과 같다

-BALL SCREW 구동

T FP2πn

μ F P2π

1i N ∙ m 43

F F mg sin α μ cos α N 44

-PULLEY 구동

T ∙ 45

μF D

2i N ∙ m

- 41 -

-WIRE middot BELT 구동 RACK middot PINION 구동

T F2πn

∙ πDi

FD2ni

N ∙ m 46

F F mg sin α μ cos s N 47

-실측에 의한 방법

T 48

직선운동 (커플링 직결 볼스크류 등)의 경우 위의 (43) (44) 이용하여 구할

수 있다 이때 F 는 축방향하중 F0 는 예압하중 μ0는 예압 NUT 의 마찰계수 η 은

효율i 는 감속비 PB 는볼스크류 피치를 나타낸다 회전운동 (풀리)의 경우 식

(45)를 이용하여 구할 수 있으며 FA는 외력 FB는 부하중량 (주축이 회전하기 시

작할 때의 힘) m 은 work 와 TABLE 의 총무계 μ 접동면의 마찰계수α는 경사각

도D 는 풀리의 지름을 나타낸다

실제현장에서는 선정된 모터의 토크를 확인하기 위해 실측에 의한 구동토크

를 계측하는데 스프링 저울을 구동 풀리에 연결지어 측정한다 이때 TL 은 회전

운동 부하토크에 해당하고 FB 는 부하중량 D 는 풀리의 직경을 나타낸다

위의 부하토크를 구하는 식들을 이용하여 부하토크를 구하게 되면 실제 모

터를 사용할 때 어느 정도의 시간적 여유를 두고 가속을 할 것인지 감속을 할

것인지를 결정하여야 한다 이를 위해서 우선 동작시킬 부분에 대한 관성모멘트

를 계산하

Fig 4-4

시한 것으로

dA 와 기준

이를 표현하

하여야 한다

4 는 관성모멘

로 X 와 Y

준축으로 부터

하면 식 (49)

Fig 4-4 Arb

I

멘트를 구하기

는 면적의 미

터의 거리의

)와 같다

- 42 -

bitrary shape o

y dA I

기 위한 절대

미소 요소 dA

제곱의 곱으

of planar area

x dA

대좌표 X Y

A 의 좌표이

으로 단면 2

축 상의 미소

이고 관성모멘

차 모멘트라

49

소면적을 도

멘트는 요소

라고도 한다

평면 면

가 있다 평

축에 대한

Fig 4-5

하는 평행한

관성모멘

식 (410

번째 적분은

면적의 관성

평행축 정리란

관성 모멘트

5 과 같이 도

한 xy 축 두

멘트의 정의로

I y

0) 에서 우변

은 Xc 축에

Fig 4-5

모멘트에 있

란 도심축에

트 사이의 관

도심을 원점으

좌표계의 평

로부터 x 축

y d dA

변의 첫 번째

대한 1 차 모

- 43 -

5 Parallel-axis

있어서 중요하

대한 관성

계를 나타낸

으로 하는 Xc

평행한 축 간

축에 대한 관

y dA

적분은 Xc

모멘트로서 X

theorem

하고 유용한

모멘트와 도

낸다

cYc 축과 임의

간의 거리를 d

성모멘트 Ix

2d y dA

축에 대한 관

Xc 축이 도심

정리로서 평

도심축에 평행

의의 점 O 를

d1 과 d2 로 표

는 식(410)와

d dA

관성모멘트

심을 통과하므

평행축 정리

행한 임의의

를 원점으로

표시한다

와 같다

410

I 이다 두

므로 적분의

- 44 -

값은 0 이다 세번째 적분은 면적 A 그 자체이다 따라서 식 (410)은 식 (411)과

같이 간단해진다

I I Ad 411

y 축에 대한 관성모멘트도 위와 같은 방법에 의해 식(412)과 같다

I I Ad 412

또한 면적의 평면에 수직인 수직축에 대한 관성모멘트를 극관성모멘트라 한

다 Fig 4-6 는 평면에 수직이고 O 점을 통과하는 축에 대한 극관성모멘트를 나

타낸 그림으로 이를 관성모멘트 식으로 표현하면 식 (413) 와 같다

I ρ dA 413

식 (413)와

즉 평면에

서로 수직인

극 관성

와 도심 C

와 식 (414)에

I

수직인 축에

인 두 축에 대

성모멘트에 대

에 대한 극

Fig 4-6 Arb

의해 식 (4

ρ dA

I

에 대한 극관

대한 관성모

대한 평행축

극 관성모멘트

- 45 -

bitrary shape o

ρ x y

415) 식 (41

x y dA

I I I

관성모멘트는

멘트의 합과

정리는 Fig

트를 각각 I

of Polar Area

y

16)과 같은 관

x dA y

는 평면 내의

과 같다

4-5 에서 유

와 I 로

관계식을 얻을

y dA

같은 지점을

유도할 수 있

로 표시하면

414

을 수 있다

415

416

을 통과하는

있다 원점 O

식 (416)에

- 46 -

서 식(417)을 유도할 수 있다

I I I I I I 417

I I I I A d d 418

I I Ad 419

식 (419)는 극 관성모멘트에 대한 평행축 정리를 나타낸다 즉 평면 내의 임의

의 한 점 O 에 대한 면적의 극관성모멘트는 도심 C 에 대한 극관성모멘트에 그

면적과 점 O 와 C 사이의 거리의 제곱의 곱을 더한 것과 같다

이상의 식에서 부하토크와 관성모멘트를 계산하여 모터를 가 선정한다 부하토

크의 경우 사용될 모터의 정격 토크를 넘어서지 않는 것을 선정한다 부하토크

를 TL 정상 부하 상태의 힘 PL 극 관성모멘트 IL 회전운동을 위한 힘 Pa 각속

도 가속 시 소요되는 시간을 ta 라 하고 식 (420)을 이용하여 부하가 일정하

게 작용할 때의 힘을 계산한다 마찬가지로 관성모멘트를 식 (421)에 대입하여

가속을 위한 회전 운동 시 필요한 힘을 계산한다 식 (420)과 식 (421)에서 계

산된 힘을 합산하면 모터를 회전시키기 위해 필요한 출력이 계산된다 이때 계

산된 출력보다 실제 사용할 모터의 정격 출력이 1~2 배 정도가 되도록 모터를

가 선정한다

- 47 -

P T ω 420

P 421

위의 과정을 통하여 모터를 가선정하고 가감속 토크 및 구동 토크를 계산한

다 각각의 토크를 계산하게 되면 모터를 최종적으로 선정하게 되는데 두 가지

사항을 고려하여 최종 선정한다 먼저 식 (422)을 통해서 계산되는 가속 시 소

요되는 기동 토크 TM 가 모터의 최대 토크를 넘지 않는 것으로 선정한다

T 422

두 번째로 Fig 4-7 의 속도 선도와 같이 모터의 가 감속 시간과 정상 동작

시간 등을 결정하여 식 (423)과 같이 실효치 토크 TS 를 구하고 실효 토크가 모

터의 정격 토크보다 크지 않도록 선정한다

T 423

Fig 4-7 Exa

- 48 -

ample of veloc

city guidance

- 49 -

(3) 알고리즘 적용

로봇시스템에 있어서 기구들의 관성모멘트와 토크 계산 후 적합한 모터를

선정하기 위해 시중에서 시판되는 모터를 조사하였다 로봇에 적용 가능한 모터

로는 크게 서버모터와 스텝모터 RC 서버모터 DC 모터로 구분 할 수 있었다 이

를 TABLE 4-1 과 같이 정리하였다

동력원의 6 가지 선정요소 중 우선순위를 부여하여 분류했을 때 핸드 그리퍼

의 특성상 가볍고 토크가 큰 RC 서버 모터 미니 서버모터를 선택할 수 도 있지

만 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터 중 토크를 증가시킬 수 있는

감속기가 있는 타입의 모터를 우선시 하였다

1 감속비를 사양할 수 있는 모터를 선정하여 계산한 토크를 확인한다

2 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터를 선정한다

3 CLOSED LOOP 제어를 통하여 정확한 위치를 검출할 수 있어야 한다

따라서 스텝모터중 lsquoOrsquo사의 ldquoαSTEPrdquo가 적합하다고 판단되어 모터를 선정하였다

- 50 -

TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics

미니서버모터 RC 서버모터 스텝모터 DC 모터

장점 동일사양대비 모터

중 10배정도 큰 토크

5v사용가벼움

정확한 위치제어

급격한 부하변동급가

속 유리

저렴한가격

보편화됨

단점 정지시 진동이 예상 약한 토크 THRUST하중이 모터

무계 이하여야 한다

유지보수가 잦다

크기 151588mm(10w20w)

2525111mm(30w)

392038mm 424234mm Oslash37mm917mm

동작전압 Dc 24V Dc 48V60V Dc 24V Dc 24V

무계 230g~400g 56g 150g 200g

허용토크 009Nm~03Nm 11~13kgfcm 18kgfcm (018Nm) 47kgfcm(1200)

감속기 다양한 감속비 가능 고정 감속기 감속기 무(072˚036) 다양한 감속비

제조사 야스카와 SGMM 하이텍 HS-5945 AUTONICS GCM 3429A

TABLE 4-2 αstep motor characteristics

외형 전압 전류 무계 토크 감속비 분해능

αSTEP 282884mm

4242127mm Dc24V 1~37A 250G 2~28 Nmiddotm 50~1001

00072pluse

00036pluse

- 51 -

43 1 차 능동형 그리퍼 설계

실린더를 사용하여 링크로 물체를 파지하던 그리퍼는 Fig 4-8 과 Fig 4-9 에

묘사하였다 이런 실린더를 사용한 그리퍼는 공압 효과를 도출할 수 있는 별도

의 펌프가 필요하고 동작을 구현할 수 있는 자유도를 증가시키는데 한계가 있

다 이런 실린더의 단점을 보완하고 전기모터의 장점을 사용하기 위해 웜기어와

웜휠 방식을 채택하여 2 자유도 능동형 그리퍼를 설계하였다

1 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-10 에 묘사하였으며 1 차설계한

능동형 그리퍼는 Two Fingertip Grasp 로 칭하겠다 파지한 물체를 회전 시키는

기능은 베벨기어를 사용하여 회전운동으로 구현하였고 실린더의 전middot후진 운동

을 전기모터의 회전운동으로 변환 시키기 위하여 웜기어와 웜휨을 선택하였다

전기모터에 의해 회전하는 운동은 웜기어와 웜휠에 의해 링크를 사용하여 물체

를 파지하였던 그리퍼와 동일한 운동효과를 가지게 되었다

웜기어와 웜휠을 사용하여 물체를 파지하는 능동형 그리퍼는 스윙형으로 설

계되었으며 파지력을 높이기 위한 각도를 적용하였다 링크를 사용하여 물체를

파지하는 형태의 그리퍼보다 기구의 크기를 줄일 수 있는 장점이 있는 반면 기

어들의 백래시에 의한 오차가 끝단에 누적될 수 있는 문제점을 가지고 있다또

한 기구부의 소재 변경으로 그리퍼의 무계를 줄일 수 도 있지만 가장 큰 무계

를 차지하는 모터를 그리퍼 자체에서 분리하게 할 수 있게 하려면 그리퍼 자체

의 구조변경이 필요하다

`

`

Fig 4-8 Par

Fig 4-9 Par

- 52 -

rallel-link gra

rallel-link gra

sps system 1

sps system 2

Fig 4-10

- 53 -

0 Two fingertipps grasp system

- 54 -

44 2 차 능동형 그리퍼 설계

1 차 설계한 능동형 그리퍼에서 발견된 문제점을 보안하기 위하여 2 차 능동

형 그리퍼를 설계하였다 2 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-11 에 묘사

하였으며 2 차설계한 능동형 그리퍼는 Four Fingertip Grasp 로 칭하겠다 이 장치

는 크게 동력원 동력 전달장치 핑거 그립장치로 구성되어있으며 이를 통합하

여 Fig 4-12 에 나타내었다

핑거 그립장치는 스윙형 그립의 단점을 보완하여 설계하였다 물체를 파지할

때 그립의 회전 반경이 주위 환경요소와 간섭을 발생시킬 수 있는데핑거가 전

진할때 샤프트와 핑거그립간의 나사결합형태를 통한 직선운동으로 개선하여 주

위환경요소에 영향을 주지 않도록 설계하였다 구동축의 핑거파지 메카니즘을

Fig 4-13 와 같이 간략화 하였고 이에 대한 세부 도면은 Fig 4-14 로 나타내었다

4 조 핑거 그립의 나사산과 테이퍼진 스크류축은 나사식으로 결합되며 상호

작용에 의해 점차 중심점으로 이동하여 물체를 파지하는 형태이다 사용된 2 개

의 샤프트는 중공축으로 설계하였으며 외부 샤프트는 4 조 핑거가 물체를 파지

하여 비트는 모션을 구현하는데 사용되었다 내부 샤프트는 핑거를 중심점으로

전진시켜는 기능을 수행한다 중공축으로 설계한 내부 샤프트는 차후 개발될 인

스트리먼트의 탈부착을 손쉽게 할수있도록 구현하였고 4 조로 설계된 핑거는 그

립시 인스트리먼트의 응력집중현상을 분산시키는 기능과 2 조로 그립하였을때

보다 안정적인 그립감을 형성한다

- 55 -

동력원과 동력전달장치는 Fig 4-15 에 나타내었으며 Two Fingertip Grasp system

의 문제점이었던 구동부의 모터의 설치 방법을 외부에 부착하는 형태로 변경하

여 우레탄 밸트를 사용하였다 또한 아이들러를 사용하여 밸트의 방향을 변경

하여 모터의 부착위치를 자유롭게 설정할 수 있도록 하였고 모터 브라켓에 슬

리브 홈을 설치하여 벨트의 장력을 조절할 수 있도록 하였다

Fig4-11

Fig4-12 Fou

- 56 -

Four fingertip

ur fingertips g

ps grasp system

grasp system la

m

ayout

Fig 4-13

Fig 4-14

- 57 -

Fingertip gra

4 Fingertip gr

asps mechanis

rasps extended

m

d

Fig 4-15

- 58 -

5 Power transmission devicce

- 59 -

제 5장 결 론

본 연구에서는 MIS 수술 로봇을 위한 햅틱 마스터장치 구동용 능동형 그리

퍼를 설계하기 위하여 그에 상응하는 자료 및 문헌 조사를 수행하였고 햅틱 마

스터에 적용 가능한 능동형 그리퍼를 설계하여 로봇 시스템의 초안을 구성하였

다 수술용 도구를 단순히 잡아주는 역할에서 벗어나 시스템에 추가적인 자유도

를 부여함으로써 그리퍼를 표현하였다 단순화된 그리퍼는 보다 저렴한 가격으

로 생산될 수 있으며 기존 로봇 수술시스템의 높은 비용을 절감할 수 있는 효

과를 가져올 수 있다

최종적으로 제안한 설계 안으로는 2 조 핑거그립를 사용하는 전기모터형 그

리퍼 와 추가적으로 개선한 4 조 전기모터형 핑거그립를 설계였다 스윙형 그립

의 단점을 보안하여 집중응력을 분산할 수 있는 구조로 설계하였고 그리퍼의

무계를 줄일 수 있는 방법을 제시하였다 이로써 원통형 도구 파지 시 안정성이

향상되었고 보다 원활하게 수술 도구를 교체 가능하도록 하였다

앞으로 촉감을 전달할 수 있는 센서의 개발로 햅틱 디바이스 인터페이스 장

치의 활용에 보다 높은 기여를 할 것이라 예상된다

-６０-

참고 문헌

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정보 및 제어부분 PP68~7020084

[2] 박정호 ldquo국내외 의료로봇 현황과 발전방향rdquo정보과학지 26(4)

PP49~5420084

[3] 편집부 ldquo수술지원로봇의 최신 기술 동향rdquo월간 자동화 기술 22(12)

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[4] 경기욱박준석 ldquo햅틱스 기술개발 동향 및 연구전망rdquo전자통신경향분석

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[5] 권동수경기욱 ldquo의료용 로봇의 연구 현황과 전망rdquo기계저널

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[7] Ikuo Yamano Takashi Maeno ldquoFive-fingered Robot Hand using Ultrasonic Motors

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[8] 홍만복김광기 ldquo최소 침습수술로봇을위한 2-자유도 구형 메커니즘설계rdquo

한국정밀공학회 2009년 추계학술대회 논문집

-６１-

[9] 이재훈김형욱이병주서일홍 ldquo새로운 6자유도 병렬형 햅틱 기구의 최적설

계 및 해석rdquo한국정밀공학회 2003년 추계학술대회 논문집

[10] 조국훈이재훈이병주김희국 ldquo병렬형 그리퍼 메카니즘rdquo한국정밀공학회지

[11] 김갑순 ldquo3축 힘센서를 이용한 지능형 그리퍼 개발rdquo한국정밀공학회지 제

24권 제 3호 1999년

[12] 고대성김성목김희국이병주 ldquo병진형 자유도와 1자유도 파지기능을 가지는

4자유도 병렬 메커니즘의 기구학분석rdquo한국정밀공학회 2007년 추계학술대회

• 제1장 서 론
• • 11 연구배경 및 연구목적
  • 12 연구내용
  • • 제2장 로봇 산업의 기술 현황
    • • 21 로봇산업의 동향
      • 22 의료용 로봇기술 현황
      • 23 의료용 로봇시장 전망
      • • 제3장 능동 그리퍼
        • • 31 최소침습 수술 햅틱 장치구현에 필요한 능동 그리퍼 제안
          • 32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류
          • 33 파지형태에 의한 그리퍼의 분류
          • 34 메카니컬 핸드의 구속기능
          • 35 대표적인 동력원의 특징
          • • 제4장 능동형 그리퍼 설계
            • • 41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정
              • 42 모터 선정 알고리즘
              • • 43 1 차 능동형 그리퍼 설계
                • 44 2 차 능동형 그리퍼 설계
                • • 제 5 장 결론
                  • 참고문헌
                  • TABLE 2-1 Domestic robot classification
                  • TABLE 2-2 Robot Production Company
                  • TABLE 3-1 Characteristics of power sources
                  • TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics
                  • TABLE 4-2 αSTEP Motor Characteristics
                  • Fig2-1 Phase of medical robots in the robot industry
                  • Fig2-2 Da Vinci surgical case number
                  • Fig3-1 Da Vinci robot system for MIS
                  • Fig3-2 Classified by the gripper grip action
                  • Fig3-3 Swing-type hand mechanism
                  • Fig3-4 Hand mechanism for translational type1 (parallel displacement)
                  • Fig3-5 Hand mechanism for translational type2 (Rack and pinion type)
                  • Fig3-6 Hand mechanism for three point pinch type
                  • Fig3-7 Movement of object
                  • Fig3-8 Contacts of the kind and the confining
                  • Fig3-9 Human Arm structure
                  • Fig4-1 Configuration of the fingers on robot gripper
                  • Fig4-2 Change the value of the angle of phage torque
                  • Fig4-3 Motor Selection Algorithm
                  • Fig4-4 Arbitrary Shape of Planar Area
                  • Fig4-5 Parallel-Axis Theorem
                  • Fig4-6 Arbitrary Shape of Polar Area
                  • Fig4-7 Example of Velocity Guidance
                  • Fig4-8 Parallel-link Grasp system 1
                  • Fig4-9 Parallel-link Grasp system 2
                  • Fig4-10 TWO Fingertip Grasp system
                  • Fig4-11 Four Fingertip Grasp System
                  • Fig4-12 Four Fingertip Grasp System layout
                  • Fig4-13 Fingertip Grasp Mechanism
                  • Fig4-14 Fingertip Grasp extended
                  • Fig4-15 Power Transmission Device

ii

Abstract

Nowadays many researchers about robot are analyzed because robot

technology can be created the competitive market and it can increase the

export and employment Especially minimally invasive surgery is a

representative surgery method which utilize medical robot like the da Vinci

But medical robot need complicate process time and cost It can generate a

detrimental effect to the medical robot market

In this thesis active gripper which has multi-rotational freedom as well

as function holding a surgery instrument is proposed via constraint method

Two-finger gripper using a electronic motor and four-finger gripper is

designed The objective of gripper design is to disperse a stress and light a

weight of gripper The comparison between 2 type gripper and performance

is analyzed

-iii-

Nomenclatures

1 Length of first link

2 Length of the second link

3 Length of the third link

Torque

A Grasp angle

r Straight

LT Rotating Torque Load

BF Applied load[ N ]

([The value of the spring scale] kg g[ ms2 ] )

Efficiency( 085~095 )

D Choejongdan pulley diameter[ m ]

xI x-axis moment of inertia

yI y-axis moment of inertia

pI polar moment of inertia

LP The power of normal load conditions( 0i )

LI polar moment of inertia

aP For rotational forces

Angular

at Acceleration time

-iv-

MT Starting torque

ST RMS Torque

F Axial load[ N ]

0F Preload [ N ] ( ≒13F )

0 Coefficient of internal friction of the nut( 01~03 )

i Equipment ratio

Bp BALL SCREW PITCH [ mrev ]

AF External force [ N ]

m total weight of the WORK and TABLE[kg]

the friction surface coefficient of friction ( 005 )

the angle of gradient [˚ ]

g gravitational acceleration [ m ] ( 9807 )

-v-

List of Tables and Figures

TABLE 2-1 Domestic robot classification 5

TABLE 2-2 Robot Production Company 8

TABLE 3-1 Characteristics of power sources 36

TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics 50

TABLE 4-2 αSTEP Motor Characteristics 50

Fig2-1 Phase of medical robots in the robot industry 6

Fig2-2 Da Vinci surgical case number 13

Fig3-1 Da Vinci robot system for MIS 23

Fig3-2 Classified by the gripper grip action 25

Fig3-3 Swing-type hand mechanism 26

Fig3-4 Hand mechanism for translational type1 (parallel displacement)

27

Fig3-5 Hand mechanism for translational type2 (Rack and pinion type)

28

Fig3-6 Hand mechanism for three point pinch type 29

Fig3-7 Movement of object 30

Fig3-8 Contacts of the kind and the confining 31

Fig3-9 Human Arm structure 33

Fig4-1 Configuration of the fingers on robot gripper 38

Fig4-2 Change the value of the angle of phage torque 38

Fig4-3 Motor Selection Algorithm 39

Fig4-4 Arbitrary Shape of Planar Area 42

-vi-

Fig4-5 Parallel-Axis Theorem 43

Fig4-6 Arbitrary Shape of Polar Area 45

Fig4-7 Example of Velocity Guidance 48

Fig4-8 Parallel-link Grasp system 1 52

Fig4-9 Parallel-link Grasp system 2 52

Fig4-10 TWO Fingertip Grasp system 53

Fig4-11 Four Fingertip Grasp System 56

Fig4-12 Four Fingertip Grasp System layout 56

Fig4-13 Fingertip Grasp Mechanism 57

Fig4-14 Fingertip Grasp extended 57

Fig 4-15 Power Transmission Device 58

-vii-

목 차

요 약 문 i

Abstract ii

Nomenclature iii

List of Figures and Tables v

제1장 서 론 1

11 연구배경 및 연구목적 1

12 연구내용 3

제2장 로봇 산업의 기술 현황 4

21 로봇산업의 동향 4

22 의료용 로봇기술 현황 9

23 의료용 로봇시장 전망 16

제3장 능동 그리퍼 20

31 최소침습 수술 햅틱 장치구현에 필요한 능동 그리퍼 제안

20

32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류 24

33 파지형태에 의한 그리퍼의 분류 25

-viii-

34 메카니컬 핸드의 구속기능 30

35 대표적인 동력원의 특징 35

제4장 능동형 그리퍼 설계 37

41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정 37

42 모터 선정 알고리즘 39

43 1차 능동형 그리퍼 설계 51

44 2차 능동형 그리퍼 설계 54

제 5장 결론 59

참고문헌 60

- 1 -

제 1장 서 론

11 연구 배경 및 연구 목적

로봇은 이미 다양한 자동화 산업 분야에서 높은 부가가치의 창출로 인해 그

가치가 인정되어 점점 더 그 활용 분야가 증가하고 있는 추세에 있다 또한 최

근 들어서는 산업현장뿐만 아니라 생활 기구 의료용에서도 로봇을 접목시켜 이

를 실제 시스템에 사용하고 있다 특히 의료용 로봇 분야에서는 수술행위를 대

행하는 다빈치 로봇의 개발로 수술의 신뢰도를 크게 향상시키고 있다

다빈치 수술시스템은 너무나 성공적 이여서 수술행위의 수행에 있어서 커다

란 변화를 가져왔다 최소 침습수술의 발전으로 환자의 회복속도는 놀랍도록 빨

라졌지만 모든 개복수술을 최소 침습수술기법으로 대처하기에는 아직 기술적으

로 극복하지 못한 분야도 있다 기존의 복강경 수술의 경우 수술시야가 제한적

이고 수술부의로의 유일한 접근 통로인 투관이 한정되어 있어 손 운동에 제한

적이다 또한 로봇은 복잡하고 종종 큰 수술 시 다양한 의료장비를 교체해야 하

는데 교체 시 많은 시간이 요구된다 이러한 많은 준비단계와 사용하고 나서의

복잡한 소독과정으로 인해 실제 로봇을 이용한 수술은 많은 시간이 걸리며 초

기자본을 회수하는데 많은 시간이 걸리므로 경제성이 떨어진다 또한 실제 수술

시에는 다양한 수술도구들이 사용되는데 로봇수술을 위해서는 로봇 팔과 연동

된 수술 도구들이 쉽게 탈 부착 될 수 있어야 한다 실제 수술도구들이 쉽게 탈

부착된다면 작업 능률이 보다 증대될 것이다

- 2 -

수술용 로봇에 사용되는 엔드 이펙터 (End Effector)을 검토해보면 공통적 인

사실을 확인할 수 있다 시판되고 있는 복강경 로봇수술용 도구들은 Trocar 라

는 기구를 통해 인체 내로 삽입되고 Trocar 의 구조상 수술용 도구들은 Oslash55 이

내의 소형 원기둥 타입의 수술도구들이며 각각의 구동 모터를 개별적으로 가지

고 있다 최근에는 다빈치 수술 로봇이 사용됨에 따라 3 차원 고화질의 영상의

제공과 더불어 떨림 없는 정교한 시술작업이 가능해 졌으며 다자유도 수술 기

구 도입으로 좀 더 다양한 수술들이 가능해 졌지만 이러한 장점에도 불구하고

수술 시 힘의 강약조절이 불가능하다는 점은 가장 큰 단점으로 지적되고 있다

또한 아직 가격이 고가이고 구현 가능한 작업 영역대비 각 암의 크기가 커서

수술 시 암 사이의 충돌이 발생하는 문제가 제기되고 있다

또한 다빈치 수술로봇은 집도의 손으로 조작하여서 수술을 수행하는 수술

로봇 시스템으로 여러 가지 장점이 있지만 로봇이 수술하면서 발생하는 반력을

직접 집도의에게 전달하지 못하는 단점이 있다 이런 단점을 보안하기 위하여

수술용 로봇 시스템에 햅틱의 기능을 추가하여 로봇 시스템을 구성하는 것을

전 세계적으로 많은 연구가 진행되고 있다

따라서 본 연구에서는 수술용 햅틱 로봇에 적용이 가능한 로봇 시스템에서

수술도구를 집고 수술을 직접 수행하는 그리퍼 시스템을 설계하도록 하겠다

이를 위해 현재 로봇 시장의 현황을 분석하고 능동형 그리퍼를 설계하기 위한

여러 가지 이론적 배경과 그리퍼 설계 제한 조건을 설명한다 최종적으로 그리

퍼 설계를 수행한 후 각각의 설계에 따른 분석을 수행할 것이다

- 3 -

12 연구 내용

본 연구에서는 의료용 햅틱 로봇 시스템에 적합한 능동형 그리퍼를 설계하

는 것이 본 연구의 목적이며 이를 위한 연구내용은 각 장 별로 요약하면 다음

과 같다

제 1장에서는 본 연구를 수행한 배경과 목적을 설명하였다

제 2 장에서는 연구의 첫 단계로 본 연구의 이론적 배경을 기술하였다 수술

로봇의 개요 및 동향 선행기술에 대하여 설명하였다

제 3 장에서는 능동형 그리퍼에 대한 이론적 배경을 기술하였다 그리퍼의 자

유도 기능분석 메키니칼 구성표 동력원에 대해 고찰하였다

제 4 장에서는 능동형 그리퍼의 설계 결과를 기술하고 설계 안에 대한 방향

을 제시하였다

마지막으로 제 5 장에서는 결론 및 향후 연구되어야 할 문제들에 대하여 언

급하였다

- 4 -

제 2장 로봇 산업의 기술 현황

21 로봇산업의 동향

(1) 국내로봇산업 분류체계

로봇이란 용어는 1921 년 카펠 차펙 (Karel Capek)이 쓴 희곡에서 유래하여

전통적인 로봇이란 반복 노동을 대체하는 자동화 기계로 인식되어 왔으나 현대

에 와서는 외부의 환경을 인식하고 지능을 바탕으로 스스로 판단하여 자율적으

로 동작하는 장치로 변모하였다 이렇게 변모하는 로봇산업은 현행 한국표준산

업 분류 체계상 단일제품 수준의 lsquo산업용로봇rsquo 으로만 분류하여 급성장이 예상

되는 lsquo서비스로봇rsquo 부분은 포함되어 있지 않았다 이에 산업자원부는 2007 년 1

월 로봇산업의 분류체계를 새롭게 마련하고 로봇산업의 승인통계를 구축하였다

이로써 1978 년 로봇산업이 시작한 이래 30 년 만에 비로소 로봇산업에 대한 명

확한 분류체계를 구축한 것이다

이 분류체계에서 로봇산업은 크게 개인서비스용 로봇 전문서비스용 로봇

제조업용 로봇 네트워크 로봇 로봇부품 및 부분품 등 대분류 5 개 중분류 28

개 소분류 136 개 항목으로 분류되어 있다 이를 구체적으로 살펴보면 TABLE

2- 1과 같다

- 5 -

TABLE 2-1 Domestic robot classification

대분류 중분류

서비스 로봇

개인 서비스용가사용 생활 지원용 여가 지원용 교육

용 기타 개인서비스용

전문서비스용

빌딩 서비스용 극한작업용 의료 복지용

사회 인프라용 군사용 생물 생산용 기

타 전문 서비스용

제조업용 로봇

이적재용 공작물 착탈용 용접용 표면처

리용 조립분해용 가공용 공정용 시험

검사용 기타 제조업용

네트워크 로봇 -

로봇부품 및 부분품 로봇용 구조구동센싱제어통신소프트

웨어기타 부품 및 부분품

lt자료gt 산업자원부

ldquo의료 복지용 로봇rdquo은 전문서비스용 로봇의 한 분야로 로봇산업의 중분류로

분류되고 있다 의료 복지용 로봇은 다시 수술 로봇 재활 훈련용 로봇 의료진

단 및 검사용 로봇 기타 의료 복지 로봇 등으로 소분류체계를 구축된다

산업연구원 (2007)에서는 로봇산업에서의 의료용 로봇의 위상을 Fig 2-1 과

같이 도식화 하였다 의료용 로봇을 포괄하고 있는 지능형 로봇은 우리나라가

소득 3 만 달러 시대를 선도할 미래스타산업으로 타 분야에 대한 기술적 파급

효과가 큰 첨단기술의 복합체라는 점 때문에 특히 중요하다고 할 수 있다

- 6 -

Fig2-1 Phase of medical robots in the robot industry

(2) 국내로봇산업 규모

가 로봇생산 기업규모

앞 절과 같은 로봇산업 분류체계에 근거하여 2006 년부터 로봇산업 통계조사

가 체계적으로 이루어지기 시작하였다 이 통계조사에 따르면 국내 로봇생산을

담당하고 있는 기업은 TABLE 2-2와 같다 2006년 총 170개 제조업 로봇 77개

사 (453) 로봇부품 및 부분품 48 개사 (282) 개인 서비스용 로봇 24 개사

- 7 -

(141) 전문서비스용 로봇 13 개사 (76) 네트워크 로봇 8 개사 (47)로 분포

되어 있다 이와 같은 수치는 2005 년 대비 제조업용 로봇 관련 기업 수는 다소

감소하였으나 전문서비스용 로봇이나 개인서비스용 로봇 관련 기업 수는 다소

증가하였다 또한 기업체 당 평균 자본금은 5354 억으로 제조업을 제외하면 기

업체 당 평균 자본금이 가장 높은 분야는 개인 서비스용 로봇 (2570 억원) 가

장 낮은 분야는 전문 서비스용 로봇 (1106억원)으로 나타났다

이는 최근 수요가 증가하는 생활 관련 로봇들에 대한 대기업의 투자나 진입

이 두드러지면서 나타난 현상이며 이런 기업들의 투자에 따른 생활 로봇 기술

향상이 두더러 지게 나타나고 있다 따라서 의료용 로봇 산업분야의 체질강화

와 기업 경쟁력 강화를 위해서는 최근 늘어나는 수요창출에 발맞추어 중견기업

들의 투자와 연구개발이 집중되어야 할 것이다

한편 로봇기업의 매출액 규모는 1억 원 미만의 영세한 업체가 30 1억~10

억 원 규모의 업체가 282 10억~50억 원 규모의 업체도 282로 대부분의 로

봇기업은 매출액 규모 50 억 미만의 중소기업체인 것으로 나타났다 특히 의료

용 로봇은 영세한 업체가 담당하기에는 다소 연구개발과 투자비용이 많이 소요

되기 때문에 대기업이나 정부의 투자나 지원이 반드시 필요하다 이러한 상황에

서 국내 의료용 로봇 시장의 성장을 낙관하기는 다소 무리가 있다 따라서 대기

업들이나 정부는 의료용 로봇 시장 확대와 성장에 적극적으로 참여해야 할 것

이다

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TABLE 2-2 Robot Production Company

구분

2005 2006

업체수 구성비 업체수 구성비

제조업용 로봇 60 333 77 453

전문서비스용 로봇 13 72 13 76

개인서비스용 로봇 39 217 24 141

네트워크 로봇 17 94 8 47

로봇부품 및 부분품 51 283 48 282

합계 180 1000 170 1000

나 로봇생산 생산규모

로봇기업의 생산 현황을 보면 2005 년에는 5722 억 원 정도였으나 2006 년에

는 7196 억 원으로 258의 증가율을 보였다 특히 의료 복지용 로봇 분야가 포

함되어 있는 전문서비스용 로봇은 2005 년에는 53 억 정도였으나 2006 년에는

124억으로 전년대비 1309의 높은 증가세를 보였다

최근 국내에서 개발된 환자 안내용 로봇인 스누봇 (SNUBOT)이나 내시경 로

봇인 미로캠 (MiroCam) 등의 개발로 인해 더욱더 생산 증가폭은 커질 것으로

전망한다 의료 복지용 로봇분야에서는 2005 년에는 생산이 거의 없었으며 2006

년에는 약 6 천 만원으로 증가하기는 하였으나 이는 다른 로봇 분야에 비하면

극히 미비한 생산액이며 수술 로봇이나 재활 로봇에 대한 생산은 거의 전무한

실정이다 한국과학기술정보연구원(KISTI)에 따르면 2006 년 국내 서비스 로봇

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(산업용 로봇 제외) 시장규모는 약 624 억 원으로 미비한 수준에 그쳤으나 2011

년 5117 억 원에 달하고 2013 년 이후는 수조 원에 달하는 황금시장으로 떠오를

것으로 예상하였다 또한 정부에서는 2005 년 국내 로봇산업 육성을 위해 2013

년까지 세계 시장 점유율 15 총생산 30 조원 수출 200 억 달러 고용창출 10

만 명 등 세계 3위의 로봇강국을 목표로 하고 있다

22 의료용 로봇기술 현황

(1) 의료용 로봇 유형 및 개념

의료용 로봇은 크게 수술 로봇 수술 시뮬레이션 재활로봇 기타 의료 로봇

등으로 분류된다

첫째 수술 로봇은 크게 두 가지의 유형으로 분류된다 먼저 수술 보조 로봇

(surgery assistant robot)은 수술실에서 집도의 명령에 따르면서 수술을 보조하거나

영상 가이드 역할을 해주는 로봇을 의미하며 수술 로봇 (surgery robot)은 의사를

대신하여 수술과정의 전체 혹은 일부를 의사 대신 혹은 의사와 함께 수술 작업

을 한다

둘째 수술 시뮬레이터 (surgery simulator)는 의사의 수술에 관한 숙련도를 높

이기 위하여 가상의 그래픽 환자 모델과 햅틱 장치 (haptic device) 등을 이용하

여 수술을 연습할 수 있게 하는 의료용 로봇이다 특히 근래에 들어 프로세스의

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성능이 좋아지면서 MRI 나 CT 영상 등을 활용한 실시간 3 차원 볼륨이 가능해

지면서 의료용 시뮬레이터 개발은 가속화 되었다

셋째 재활 로봇 (rehabilitation robot)은 노인과 장애인의 재활치료와 일상생활

을 도와 주는 로봇 시스템으로 단순한 신체를 지지해 주는 역할을 벗어나 중증

환자나 노인의 신체 움직임을 향상시키고 빠른 시일 내에 회복하도록 주요 기

능을 수행하고 장애인의 장애를 극복하여 독립적인 생활을 가능하게 할 수 있

는 특정 기능의 로봇을 의미한다

넷째 기타 의료 로봇으로는 간호 로봇이나 안내로봇 등이 있다 현재의 간

호 인력을 도와서 수술이나 치료를 받는 환자를 보살피는 로봇으로서 정확한

투약과 수술 후 관리가 가능하도록 도와주는 기능과 환자의 이동 간병 및 산책

이 가능하고 말벗의 기능을 포함하는 로봇을 의미한다

(2) 의료용 로봇기술 개발현황

가 수술 로봇

현재까지 연구된 수술 로봇은 미세 수술용 원격수술 로봇 최소침습수술

(MIS) 로봇 관절 수술 로봇 등으로 분류할 수 있다

원격수술 로봇 시스템 일환으로 개발된 대표적인 로봇으로는 일본 동경대의

원격 수술 로봇 미국 NASA JPL 의 RAMS SRI International 의 원격 수술 로봇

한국과학기술원의 미세수술용 Slave 로봇 등이 있다

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MIS 의 로봇 시스템 일환으로 개발된 대표적인 로봇으로는 미국의 UC 버클

리대의 수술 로봇시스템 Computer Motion 사의 내시경 보조 로봇인 이솝

(AESOP)과 복강경 수술 로봇인 제우스 (ZEUS) 제우스 보다 진보된 Intuitive

Surgical 의 다빈치 (daVinch) 등이 있다 이 중 다빈치는 수술용 로봇으로 거의

독점적인 위치로써 세계 로봇수술의 첨병역할을 하고 있다

관절 수술 로봇의 일환으로 개발된 대표적인 로봇으로는 미국 Integrated

Surgical System사의 로보닥 (Robodoc) 독일의 Orto Maque사의 CASPAR 영국의

Imperial College의 아크로보트 (Acrobot) 등이 있다

나 수술 시뮬레이터

수술 로봇 이외에 의사의 수술에 관한 숙련도를 높이기 위한 의료용 시뮬레

이터가 활발하게 연구되고 있다 특히 근래에 들어 프로세서의 성능이 좋아지면

서 MRI 나 CT 영상 등을 활용한 의료용 수술 시뮬레이터 개발이 가속화 되었

다 대표적인 수술 시뮬레이터로는 미국 Georgia Tech의 안구 수술 시뮬레이터

미국 Boston 다이나믹스사의 개복수술 시뮬레이터 Mitsubishi Electric Research Lab

의 무릎관절 내시경 시뮬레이션 영국 맨체스터 대학의 웹기반 시뮬레이터 등이

있다

다 재활 로봇

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노령인구와 장애인구의 증가로 로봇 기술의 필요성은 재활분야에도 확대되

고 있다 장애인의 독립적인 활동을 보장하고 삶의 질을 높이려는 노력은 유럽

등의 선진국을 중심으로 재활 로봇이 연구되어 왔으며 이탈리아에서 개발된

MOVAID 가 대표적인 재활 로봇이다 또 미국에서는 MIT 를 중심으로 RIC 과

같은 로봇 신경 재활 로봇들이 개발되고 있다 스위스에서는 보행 재활 로봇으

로 Lokomat 이 개발되었고 국내에서는 KAIST 에서 휠체어 로봇 시스템과 보행

보조 로봇 등이 연구되고 있다 이외에도 서강대학교에서는 SUBAR 라는 보행

재활 로봇을 개발하였다 이외에도 최근 미국의 Intouch Health 에서 개발한 RP-7

은 멀리 있는 환자의 병증을 파악하는 데 탁월한 원격진료 로봇으로 활용되고

있다

(3) 국내 의료용 로봇 적용사례

상기 서술한 의료용 로봇 중 가장 많은 각광을 받고 있으며 국내에서 적용

되고 있는 사례를 통해 의료용 로봇의 사용 실태를 파악보고자 한다 대표적인

복강경 수술 로봇인 Intuitive Surgical의 다빈치 로봇 시스템과 고관절 수술 로봇

인 Integrated Surgical System사의 로보닥을 중심으로 국내 실태를 살펴보고자 한

다

가 다빈치

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Fig 2-2 da Vinci surgical case number

다빈치 로봇은 1997 년 벨기에서 처음으로 환자에게 적용된 이래 국내에

2005 년 7 월 연세대학교 신촌 세브란스 병원에서 최초로 도입하여 2005 년 7 월

15 일 국내 최초로 다빈치를 이용한 로봇 수술이 이루어졌다 Fig 2-2 에서 보

듯이 수술사례는 계속적으로 증가하여 2008 년 1 월 말 현재 750 건이 넘는 수

술이 이루어졌다

다빈치 로봇은 전립선암 위암 대장남 부인암 식도암 갑상선암 간암 등

대부분의 암수술 및 중요 외과계 수술에 적용된다 이는 다빈치 로봇 수술이 가

져다 주는 효과인 개복수술이나 복강경 수술보다 수술회복기간이 단축되고 수

술시간도 감소시키는 역할과 무엇보다 수술 후 환자가 겪는 수술 후유증 확실

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히 줄여주기 때문이다 특히 전립선암의 경우 대표적인 수술 후유증인 요실금

과 발기부전 등의 가능성이 대폭 줄어드는 것으로 알려져 있다

이와 같은 수술사례와 수술성과에도 불구하고 다빈치 로봇의 가격이 25 억

정도의 고가이기 때문에 영세한 의료기관에서 도입하기에는 다소 무리가 따르

고 있다 그러나 대형 병원들은 다빈치의 성공적인 수술사례를 통해 앞다투어

이를 도입하고 있다

2008 년 1 월 현재 신촌 세브란스 병원은 이미 3 대를 도입했고 영동 세브

란스 병원 고려대 안암병원 서울아산병원 한림대 강남병원 분당서울대병원

삼성서울병원 경북대병원 동아대병원 등 9 개 의료기관에 도입되어 있다 또한

최근 (2008 년 1 월 30 일) 연세대 세브란스병원은 로봇 수술의 활성화를 위해

Intuitive Surgical 과 공동으로 복강경 수술용 로봇 다빈치를 이용한 수술법을 배

우는 lsquo연세 다빈치 트레이닝 센터rsquo를 개소하였다

다빈치는 로봇 가격만큼 수술 비용에 있어서도 고가인데다 의료보험이 적

용되지 않아 수술 비용을 환자가 모두 부담해야 하는 실정이다 다빈치 로봇 수

술 비용은 700~2000 만 원선으로 기존의 수술 비용인 200~300 만 원 보다는 다

소 높은 가격이다 특히 전립선암의 경우 로봇 수술 비용은 1500 만 원 선으로

개복수술이나 복강경수술보다 5~7 배 정도의 높은 가격이다 그럼에도 불구하고

로봇 수술은 거의 모든 암 수술에 적용되고 있고 환자와 의사 모두 만족하는

수술법으로 자리잡아 가고 있다

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나 로보닥

로봇이 외과적 기계로써 임상적으로 처음 국내에서 적용된 것은 1992 년 lsquo로

보닥rsquo이라는 의료용 로봇이다 미국에서 개발된 로보닥은 인공관절이 삽입될 환

자의 뼈를 로봇으로 가공해서 수술 성공률을 획기적으로 높였다 두꺼운 뼈를

정확한 형상으로 깎아내는 작업에는 CADCAM 자료에 따라 작동하는 로봇 팔

이 숙련된 외과의사를 간단히 능가했다 로보닥은 한국과 EU 의 판매승인을 획

득했고 결국 인공관절수술의 대세를 장악했다 세계적으로 8000 회 이상의 수술

이 로보닥을 이용하여 성공적으로 수행되었으며 2001년 FDA의 승인을 받기도

하였다

2002 년 국내 처음으로 로보닥이 도입된 이래로 이춘택 병원은 현재까지

2556 회라는 경이적인 수술건수를 기록하였다 그는 최소침습수술과 접목하여

로봇의 정밀성과 최소 절개기술을 결합시킴으로써 환자의 고통과 재활 기간을

크게 줄였다 그러나 로보닥의 가격은 무려 17 억 원이며 3 차원 영상까지 구현

하기 위해서는 10 억 원 상당의 멀티 CT 까지 도입해야만 한다 그렇기 때문에

소규모의 관절전문병원이 도입하기에는 다소 무리한 점이 있다 이러한 상황에

서 이춘택은 국내시장에 맞는 로봇개발을 위해 국산 부품 및 소프트웨어를 개

발 중에 있다 따라서 우리나라도 고령화 사회를 맞아 세계적으로 관절 수술이

급증하고 있는 상황에서 국내 기술로 만든 수술용 로봇이나 소프트웨어 개발은

국내 의료용 로봇시장의 활성화를 이룰 수 있다

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23 의료용 로봇시장 전망

(1) 로봇산업 전망

로봇 분야별 세계시장 정세를 살펴보면 제조업용 로봇은 시장안전화 단계로

써 급격한 시장변화는 어려우며 신규 생산설비 및 기존 설비에 따른 수요가 대

부분 차지하고 있는 실정이다 개인서비스용 로봇은 가족구조의 핵가족화와 고

령화 현상으로 인한 가족인원으로서의 가정용 로봇에 대한 수요가 증가 추세에

있다 전문서비스용 로봇은 생산국과 생산기업이 극히 제한되어 있으며 제품가

격의 고가로 인해 시장형성에 있어서 생산국과 수요국이 불일치하고 있는 실정

이다 이러한 상황에서 로봇시장의 국가별 점유율을 살펴보면 일본 (28) 미국

(18) 독일 (16) 이탈리아 (10) 한국 (3)의 순으로 세계 5 위를 차지하고

있다 이와 같이 산업용 로봇의 경우는 우리나라의 세계적인 위상이 높지만 아

직까지 전문 서비스 분야 로봇에 대한 세계적인 위상은 미비하다

시장규모 전망과 국내 세계시장 점유율에 대한 전망은 다음과 같다 세계 로

봇시장의 규모는 2010 년에는 247억 5 백만 달러에서 2020년에는 717억 7 천만

달러에 이를 것으로 보고 있으며 연평균 107의 증가율을 예상하고 있다 분

야별로는 제조업용 로봇은 2010 년 세계시장의 114에서 2020 년 144의 비중

을 차지할 것으로 전망하고 있으며 전문서비스용 로봇은 2010 년 세계시장의

09에서 2020 년 21의 비중을 차지할 것으로 예상하고 있다 개인서비스용

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로봇은 2010 년 30에서 2020 년 70 수준에 달할 것으로 보고 있다 비록 전

문 서비스용 로봇산업의 규모는 미국 일본 독일에 비해 미미한 실정이나 전문

서비스용 로봇의 신시장을 개척하고 그 만큼의 기술력이 밑받침된다면 2020 년

세계시장에서의 더 큰 비중의 달성이 이루어질 것으로 본다

(2) 의료용 로봇기술 전망

의료용 로봇시장의 성장은 의료용 로봇기술 개발산업의 성장과 밀접한 관계

가 있다 세계적인 개발추세로는 의료용 로봇개발 하드웨어 분야에서는 일본이

경쟁력이 가장 높으며 소프트웨어 분야에서는 미국이 앞서나가고 있다 또한

독일은 하드웨어 및 소프트웨어 분야에서 동시에 상당한 연구 개발 능력을 보

유하고 있다 앞으로는 이 세 나라가 의료용 로봇 시장의 핵심 주자로 나설 것

으로 예상된다

산업연구원 (2007) 조사에 따르면 국내 로봇산업의 기술은 기술항목에 따라

다소 차이를 보이고 있으나 제조업용 로봇의 경우는 최고 기술 보유국 대비 평

균 85 정도에 육박하고 있으며 전문서비스용 로봇의 경우는 80 정도 개인서비

스용 로봇은 84 정도에 이르고 있는 것으로 나타났다 의료용 로봇 분야에서는

선두주자인 미국의 기술력을 100 이라고 봤을 때 현재 우리나라는 70 정도이며

2015년이 지나야 100 에 도달할 것으로 전망하였다 비록 의료용 로봇에서 세계

1위인 미국에 비해 우리는 아직 10년 이상 차이가 있지만 세계 최초로 국제 규

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모의 로봇랜드 조성과 로봇펀드 발생 등 정부 차원에서의 노력이 여러 가지 방

면에서 다양하게 펼쳐지고 있기 때문에 그 격차는 점차 줄어들 것으로 예상된

다

또한 IFR (2006) 자료에 따르면 한국 산업용 로봇은 세계 5 위의 강국[16]인

데 비해 의료용 로봇에 있어서는 약소국이다 이는 의료용 로봇의 개발비가 많

이 드는데 비해 국내 시장은 극히 제한적이어서 일반 기업의 참여가 아주 저조

하기 때문이다 국내에서 의료용 로봇 관련 기술 개발은 아직 걸음마 단계에 머

물러 있으며 벤처기업 및 대기업들이 개발해 상용화시키고 있는 기술이나 제품

도 대부분이 생활 가전형 로봇에 한정되어 있을 뿐 의료용 로봇분야는 아직 미

개척지로 남아 있다 하지만 국내에서도 의료용 로봇 개발을 수행하기 위해 대

학이나 연구소 차원에서 의료용 로봇에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다 먼

저 한국과학기술원이 8 년 전 설치한 휴먼 웰페어 로보틱 서저리 센터가 대표

적인 연구기관이다 이 연구소에서는 거동이 불편한 환자들을 위한 휠체어의 자

동화 시스템이나 복강경 수술 로봇 등 로봇 수술용 기구의 국산화에 초점을 맞

춰 진행 중이다 또한 최근에는 국립암센터 역시 산업자원부로부터 수술용 로

봇과 영상시스템을 주제로 한 의료용 로봇 개발자로 선정되어 연구에 들어갔다

비록 국내 의료 및 수술 로봇 관련 기술이 일본 미국 등에 비해 아직까지

뒤쳐져 있는 실정이지만 국내에서도 의료용 로봇 기술 개발이 이처럼 활발히

진행되고 있어서 향후 전망은 매우 밝다고 할 수 있다 또한 해외에서 각광을

받고 있는 캡슐형 내시경 연구 역시 국내에서 벌써 10 년째 계속 되고 있다 최

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근 한국과학기술연구원과 벤처기업인 인트로메딕이 개발한 세계 최소형 캡슐형

내시경인 미로캠 (MiroCam)은 2010 년까지 국내 캡슐형 내시경 시장의 80를

점유할 것으로 예상하고 있다 이러한 국산 의료용 로봇 개발을 통해 고부가가

치 시장인 세계 의료 시장에 뛰어들 수 있는 기반을 다졌다는 데에 큰 의미가

있다

전문 서비스용 로봇의 경우 제조업 로봇 관련 풍부한 경험을 바탕으로 전문

서비스용 로봇으로의 기술확대 메카트로닉스 (mechatronics) 관련 다양한 산업기

반과 세계적인 IT 인프라 보유국의 강점을 살리고 있다 또한 한국은 10 대 성

장동력간 연계 등을 통한 시너지 효과와 세계 전문서비스 로봇 시장이 초기형

성 단계임을 감안한다면 이 분야의 진출에 대한 절호의 기회이며 머지않아 의

료용 로봇 강국으로 진입할 수 있을 것으로 기대된다

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제 3 장 능동 그리퍼

31 최소침습 수술 햅틱 장치 구현에 필요한 능동 그리퍼 제안

21 세기 로봇 기술 분야에서는 인간과 기계 시스템 간의 커뮤니케이션이 무

엇보다 중요하게 강조되며 이러한 인간과 기계 시스템의 의사소통은 주로 인간

의 감각 기관을 통해 이루어 진다 일반적으로 인간에게는 보고 듣고 냄새를

맡고 맛을 보고 피부로 느끼는 오감이 있으며 이러한 감각을 시각 청각 후

각 미각 촉각이라고 한다 따라서 이러한 인간의 감각에 정보를 전달하기 위

한 다양한 기계 시스템들이 개발되어 왔다 오감 중에서 현재 인간과 기계 시스

템간의 인터페이스 역할을 하는 표적인 감각으로는 사물을 보는 시각과 소리

를 듣는 청각이 주로 이용되고 있다 이를 위한 시스템들은 이미 상당한 수준으

로 발전해 현재 상용화 되어 활용되고 있다 하지만 이러한 시각과 청각 인터

페이스 만으로는 로봇의 제어에 한계가 있으며 오감 중에서 세 번째 감각인 촉

각에 한 인터페이스가 현재 활발히 연구 개척되고 있다 만약 가상현실에 촉

감 인터페이스가 적용된다면 기존의 시각과 청각에만 의존하던 가상 현실에 촉

감을 전달함으로써 실제 물건을 만지고 느낄 수 있으므로 가상현실을 보다 더

실감나게 할 수 있을 것이다 하지만 인간의 감각 중에서 촉각은 매우 민감한

감각으로 여기에 촉감 정보를 전달하는 인터페이스는 아직 많은 연구를 필요로

하고 있다

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햅틱 (haptic)이란 단어의 사전적인 의미는 ldquoof or relating the sense of touch

tactilerdquo로써 물체를 만질 때 사람이 느낄 수 있는 촉각적 감각으로 피부가 물체

표면에 닿아서 느끼는 촉감 (tactile sensation)과 관절과 근육의 움직임이 방해 될

때 느껴지는 근 감각적인 힘 (kinesthetic force)의 두 가지 힘을 모두 합쳐서 부르

는 말이다 촉감 구현 연구는 물리적 장치를 이용하여 사람이 직접적인 접촉이

없이도 촉각 정보를 전달하는 방법에 관한 전반적인 연구 분야를 일컫는 말로

사람에게 원격지에 있는 물체의 물리적 특성을 전달하는 원격조작 혹은 원격현

장감에 관한 연구로부터 시작되었다 가상 혹은 실제 환경에서 촉감을 구현하기

위한 연구를 포괄적으로 의미하는 용어로 햅틱스 (haptics)라고 한다 주요 연구

분야는 사람이 직접 손에 쥐거나 착용하는 물리적 장치인 햅틱 디바이스 인터

페이스 (haptic interface) 가상 공간상의 물체에 기계적 성질을 부여하여 사실감

이 있는 상호작용을 제공하고자 하는 햅틱 렌더링 (haptic rendering) 사람의 촉

각 인지 특성에 관한 연구 (tactile perception) 등으로 나눌 수 있다 특히 햅틱

인터페이스 (haptic interface)는 햅틱 디바이스 (haptic device)라고도 불리우며 사람

에게 촉감을 전달하는 물리적인 장치를 말하며 더 넓은 의미로 사용하여 가상

의 환경을 촉감 전달을 통해서 느끼게 하는 시스템 전체를 가리키기도 한다 이

러한 햅틱 기술은 다양한 분야에서 활용될 수 있는데 표적인 분야로는 가상

현실 분야 인간-컴퓨터 인터페이스 분야 게임 등 사이버 커뮤니케이션 그리고

원격제어 로봇 등이 있다 특히 원격제어 로봇이 많이 활용되고 있는 의료 분

야에서 햅틱 구현은 매우 시급한 과제이다 현 의 수술은 점점 첨단의 수술 도

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구와 로봇을 이용하여 집도되는 추세이며 최소침습수술 (minimally invasive

surgery MIS)이 그 표적인 예이다 이 수술법은 환부의 구멍에 수술도구와 카

메라를 삽입하여 집도의가 모니터를 보면서 시술함으로써 시술시간이 짧고 환

자의 회복이 빨라서 그 적용 범위가 점차 확 되고 있다 하지만 환자가 얻게

되는 이점에 반해 의사는 개복 수술에서 쉽게 이용하던 기술들을 더 이상 적용

할 수 없게 되어 집도에 있어 큰 어려움을 부담해야만 한다 즉 환자의 내부에

서 손의 움직임과 시야의 제약을 받게 되었고 손으로 환자의 장기나 뼈를 만지

고 상태를 확인할 수 없게 된 것이다 이러한 문제점들을 극복하기 위해 첨단의

의료용 로봇 시스템이 개발되었는데 의사 즉 오퍼레이터가 조작하는 마스터

(master) 로봇과 환자의 환부에서 수술을 진행하는 슬레이브 (slave) 로봇으로 구

분된다 슬레이브 로봇은 크게 수술 시 집도의 팔의 움직임을 구현하는 구동 암

(arm)과 수술도구를 홀딩 할 수 있는 그리퍼로 분류할 수 있다 구동 암의 움직

임은 수술 부위의 위치를 결정하면 별도 큰 움직임 없이 작동시킬 수 있으며

전달 수술 관통 수술이 아닌 경우에는 집도의가 느끼는 힘을 피드백 할 필요가

없다 하지만 그리퍼의 경우는 신체 일부분의 미세한 조직까지 전부 접촉해서

제거하거나 봉합하기 때문에 집도의가 수술 시 느끼는 힘을 구현하여야 보다

정밀한 수술을 수행할 수 있다 따라서 본 연구에서는 햅틱 장치가 적용된 마스

터 로봇과 마스터 로봇에서 형성된 힘을 느낄 수 있으며 원할한 수술을 진행할

수 있는 최소침습수술용 능동 그리퍼를 제안하겠다 Fig 3-1 은 상용 MIS 장치인

다빈치 로봇의 마스터와 슬레이브 그리고 그리퍼를 나타내고 있다

(a) sla

(b

Fig 3-1 da V

Operation Arm

Gripper

- 23 -

ave robot and g

b) master rob

Vinci robot sy

m

gripper

ot

stem for MIS

- 24 -

32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류

산업용 로봇은 그 기능 특성상 필요성에 의해 로봇의 말단부에 그리퍼를 부

착시킨다 이것은 인간의 손에 응되는 것으로서 메커니컬 핸드라고 칭하며 다

루는 상 물체를rdquo파지rdquo해 이동하는 목적으로 사용되는 도구이다

파지동작은 Fig 3-2 와 같이 세분화된다 인간의 손 손가락에는 많은 관절이

있으며 여러가지 작업이 가능하다 일상 생활에서의 붙잡기는 형식을 분류한 것

으로는 슐레징거의 12 형식이 있다 여기서 인간의 손에는 손가락이 있어서 그

것을 유지핸드라고 이름 붙이면 메커니컬 핸드에는 손가락이 없는 구성법이 있

는데 이것을 무지 핸드라고 이름 붙이기로 한다 이 무지 핸드는 기계적 물리적

으로 구조상 무지핸드로 한 것과 공구가 메커니컬 핸드와 일체화됐다고 생각하

는 공구 핸드가 있다 메커니컬 핸드를 분류해 보면 다음과 같다 진공이나 자

기 이용의 흡착 등 물리적 흡척형의 유지는 보통 평면(완만한 곡선도 포함)부를

흡착하는 형태로서 물체의 크기나 중량에 따라 여러 개가 설치되는 경우도 있

다 그러나 물체표면에 만곡부가 있는 경우나 구멍이나 공동이 있는 경우에는

적용할 수 없게 된다 또한 자력을 이용한 경우 철금속 재료를 다루게 되는데

경우에 따라서 매우 효율적이고 신뢰성이 높기는 하지만 물체에 잔류 자력이

남게 되는 문제점이 있다 받기형의 유지는 지지의 동작만을 가지고 있는 형태

이며 이는 전기한 흡착형 보다 적극적이 아니여서 약한 구속을 갖는다 변형하

기 쉬운 물체의 이송등에는 이를 채택한다 매달기형 유지는 중력 방향의 이동

1 자유도를 구속한다 잡기형 파지는 유연성에 의한 변형으로 접촉면적을 크게

하여 집는

상물을 외측

이용하는 등

33 파지형

파지 형

다 본 연구

하여 설명

(1) 두 손

형태이다 현

측에서 파지하

등의 파지방법

형태에 의한

형태로서는

구에서 사용할

명 하겠다

손가락 type

현재 많이 사

하거나 구멍

법이다

한 그리퍼의

상을 바깥에

할 메커니즘은

e

Fig 3-2 Cla

- 25 -

사용하고 있는

속에 손가락

의 분류

에서 파지하

은 바깥에서

assified by the

는 끼우기형

락을 넣은 후

는 것과 안에

파지하는 형

gripper grip ac

파지 형태는

후 벌려서 내

에서 파지하

형태가 유리하

ction

는 핸들링

내측사용면을

는 것이 있

하므로 이에

두 개의

상태를 유지

는 스윙형

안정되게 파

의 리지트한

지해서 개폐

핸드(swingin

파지하는 점에

손가락을 갖

되는 병진형

ng gripper)로

에서 병진형

(a) grinder c

(c

Fig 3-3 Sw

- 26 -

갖춘 것으로

핸드(transla

로 분류된다

보다 떨어진

crank

c) rotation joi

wing-type hand

실용례가 많

ational grippe

스윙형은 기

진다

(b) swing

int

d mechanism

많다 손가락이

er)와 그 방향

기구가 간단하

g block

이 상호평행

향이 변화하

하나 상이

병진형에

4 은 평행링

운동을 바꾸

에 회전시킴

로 유지되기

지된다 직

시키도록 한

가 전middot후진

피니온 방식

F

에서는 평행링

링크 방식의

꾸고 그 피니

킴으로써 손가

기 때문에 손

동형 신에

한 것도 있다

진하는 결점이

식이 채용된다

Fig 3-4 Hand

링크 랙middot피니

예로 직동형

니온 운동으로

가락 개폐를

손가락의 물체

에 회전형 액

다 평행링크를

이 있다 이문

다

mechanism fo

- 27 -

니온 나사이송

형 액추에이

로 평행링크의

얻는다 링크

체 파지면의

추에이터를

를 이용한 형

문제를 해결하

or translational

송 기구 등이

터의 운동을

의 하나의 링

크 PS 와 링

자세도 개폐

이용한 형식

형식은 개폐에

하는 방법으로

type1 (paralle

이 이용되고

랙과 피니온

링크 A 를 축

크 QR 은 항

폐 동작 중 일

식에서 평행링

에 의해서 손

로서 볼나사

el displacement

있다 Fig 3-

온으로 회전

축 P 의 주위

항상 평행으

일정하게 유

링크를 회전

손가락 위치

기구나 랙middot

nt)

Fig 3

는 핸드의

볼나사 기구

다

(2) 세 손

세 손가

가락으로 잡

F

-5 는 회전형

예이다볼나

구 각각을 손

손가락 type

가락을 가진 핸

잡는 것보다

Fig 3-5 Hand

형 액추에터로

나사 기구를 이

손가락에 부착

e

핸드에서는

안정된 파지

d mechanism fo

- 28 -

로 랙 피니온

이용하는 경

착 사라를 회

상을 3 점

지 동작을 할

or translational

온을 회전시킴

우에는 1

회전시킴으로

점에서 유지할

할 수 있다

l type2 (rack a

킴으로써 개폐

의 왼나사

써 개폐 동작

할수 있기 때

nd pinion type

폐동작을 하

오른나사의

작을 실현한

문에 두 손

e)

Fig 3-6

베벨기어를

구동해서 세

실현한 것

각 손가락을

복잡하며 중

6 은 세 손가

를 매개로 상

세 손가락을

이다 특히

을 개별 모터

중량도 증가하

Fig

락형 그리퍼

호 각도를 주

동작시킴으로

원통물체를

터로 구동하도

하기 때문에

3-6 Hand mec

- 29 -

의 일반적인

주어 결합한

로써 이른바

확실히 잡아

도록 한 3 지

실용례가 적

chanism for thr

인 형상을 나타

3 개의 볼

바 3 포인트 핀

아서 유지하

지형핸드도 개

적다

ree point pinch

타내고 있다

나사를 하나

핀치(three po

는데 유리하

개발되고 있으

h type

이 핸드는

나의 모터로

oint pinch)를

하다그 외에

으나기구가

34 메카니

(1) 구속

기계적

어서 형성되

전 구속 기

해서 언급하

으로 움직일

또 X Y 평

니컬 핸드의

속기능

구동장치에

되는 것으로

기능이 있다

하면 구속 상

일 수 있다

평면 X Y 면

의 구속기능

서 구속 형식

크게 나누어

그래서 핸드

상태의 물체는

이것을 물체

X Z 면상에

Fig 3-

- 30 -

능

식과 접촉 상

어서 반구속

드의 구속 기

는 Fig 3-7 와

체의 공전 (이

서 6 방향으

-7 Movement

상태와 포락

속 (받는 구속

기능을 결정하

와 같이 X Y

이동)에 관한

로 회전 한다

t of object

능력의 인자

속 는 구속

하는 물체의

Z 의 3 축상

6 동작 자유

다 이것을 물

자가 복합되

속)기능과 완

구속에

에서 6 방향

유도로 한다

물체의 자전

(회전)에 관

부여한 상태

행할 수 있

서는 회전의

핸드에

한 공간적

면 Fig 3-8

이 그림

를 구속한다

에서 7 자유

선접촉과 면

계수와 절선

(a

관한 6 동작

태에서 움직이

있다 또 완전

의 6 자유도를

의한 물체의

적인 포락 상

와 같이 된

(a)의 점접촉

다 그러나 1

유도를 구속

면접촉에는 각

선력법선력

a) point contac

Fig3

자유도로 한

이며 중력이

전 구속은 핸

를 무시하는

의 구속은 핸

상태로 정한다

다

촉은 접촉점

1 점접촉은 다

한다 (c)의

각각 마찰에

비와의 관계

ct (b

3-8 Contacts

- 31 -

한다 반구속은

이나 환경면의

드 자체로 1

경우도 적지

핸드와 물체의

다 먼저 접촉

방향의 1 자

다른 11 자유

면접촉은 11

위한 구속이

계로 구속불능

) line contact

of the kind an

은 12 자유도

의 구속을 받

12 자유도를

지 않다

의 접촉 상태

촉부의 구속

자유도를 구속

도를 구속할

1 자유도의 구

이 4 개와 6 개

능의 가능성을

nd the confini

도 중 몇 개의

아서 완전 구

행하는데 경

태 및 접촉부

능력을 모델

속한다 그러나

할 수 없다 (b

구속을 할 수

개 주어져 있

을 가진 구속

(c) surface co

ing

의 자유도를

구속으로 이

경우에 따라

부의 물체에

델로 나타내

나 1 자유도

b)는 선접촉

수 있다 단

있으며 마찰

속 성분이기

ontact

- 32 -

도 하다 또한 면접촉의 상태는 중력의 작용을 이용하면 받기를 형성하고 또

외계력을 이용하면 기를 형성한다

이들의 접촉상태는 물체의 형상과 핸드의 구속면으로 규정되는 것으로 핸드

만으로 결정하기는 어렵다 단 핸드의 구속면을 부드러운 재질로 형성하면 면

접촉의 이행이 용이하다 이와 같은 이유에서 물체에 접촉부가 포락도를 높이는

데에 따라서 물체 형상에 관계 없이 구속 능력을 증 시킬 수 있다

(2) 메커니컬 핸드의 자유도

로봇의 손은 그 용도를 불문하고 인간의 손 작업의 행을 목적으로 하는

것이므로 그 설계에 있어서 모델로 되는 것은 말할 것 도 없이 인간의 손이다

그래서 우선 기구에 하여 설명하기 전에 인간의 손의 구조 모델에 하여 설

명해 본다

AmiddotMorecki 에 의하면 인간의 상체는 그 해부학적 구조에 입각하면 Fig 3-9 와

같이 모델화할 수 있다 Fig 3-9 에서 숫자는 각각 골격 즉 링크를 나타내고 숫

자 II~ V 는 관절을 나타내고 있다 이와 같은 공간링크 기구의 자유도 F 는 가

동부수 n 자유도의 종류 f 를 가진 우 수를 Pf 라 하면 다음 식으로 나타낼

수 있다

6n sum ∙ P 12345 (3-1)

Fig 3-9

들 자유도가

을 Fig 3-9

P5=10 이므

인간의

유도 1 의

해 있으며

의 모델에서

가 있는 관절

9 와 같이 정

므로 위 식에

상지를 인공

액튜에이터를

22 개나 되

Fig 3

서는 n=19 P2

절에 작용하는

정의하고 그

서 FH=22 가

공적으로 정밀

를 27 필요

는 액튜에이

- 33 -

3-9 Human Ar

2=1 P3=2 P4

는 근군은 약

자유도 FH

가 된다

밀하게 재현하

요로 하게 된

터를 필요로

rm structure

4=6 P5=11 이

약 50 이라고

를 구하면

하려고 한다면

된다 또 손에

로 한다 그러

이므로 F=27

고 되어 있다

이 경우는 n

면 이상의 결

는 특히 자유

나 로봇의 손

이 된다 이

여기서 손

n=16 P4=6

결론에서 자

유도가 집중

손이 이만큼

- 34 -

의 수의 액튜에이터를 갖춘 것을 제작한다는 것은 크기 중량 제어면에서 볼

때 현시점에서는 불가능에 가깝다 특히 의수에 있어서는 상술한 바와 같은 형

상이나 조종성 등의 점에서 전혀 불가능하다고 해도 좋다 따라서 보통은 기능

에 주목하여 손에 집중해 있는 자유도의 간략화를 도모한다

인간의 잡기 동작에 주목해 보면 그 잡기 형상에는 12 종류가 있다고 하다

그러나 이것들은 엄지와 다른 12 종류가 있다고 한다 그러나 이것들은 엄지와

다른 4 손가락과의 관계에 주목하였을 때에 2 종류 즉 엄지가 다른 4 손가락과

항해서 동작하거나 그 측방에서 동작하는가로 분류할 수 있다 실제의 일상

동작에서 관찰하면 이들 중에서도 엄지와 손가락이 항해서 동작하는 소위 쥠

동작이 우선 첫 번째이고 또 다음에 엄지 검지 중지의 3 손가락의 선단으로

이루어지는 3Point Pinch 즉 잡기동작이 중요하다

더불어 손가락의 독립성에 해서는 역시 일상동작 중에서 손가락의 사용

빈도를 조사한 결과에 의하면 다섯 손가락은 반드시 독립적인 운동을 필요로

하지 않고 엄지 검지 중지가 같은 정도의 중요성을 자기며 다른 두 손가락은

사용 빈도에 있어서 이들 세 손가락보다 약 50 적으며 다른 세 손가락의 보

조 역할을 한다고 볼 수 있다 그리고 특히 중요한 것은 인간의 각 손가락은 잡

기 상물의 형상에 적응한 쥐기 즉 Passive 한 동작을 할 수 있다는 것이다 이

기능이 있다면 각 손가락이 독립적으로 동작하지 않더라도 또 다소 손의 자유

도를 제거하더라도 상물의 확실한 쥐기나 잡기 그리고 기타 손 작업에 큰 힘

을 발휘한다

- 35 -

34 표적인 동력원의 특징

동력원을 설계할 때 다음의 점을 고려하면서 가장 적합한 방식을 선택한다

1조작력(로보트가 내는 최 의 힘 예를들면 최 들어올린 힘)

2속응성(최 조작 속도)

3크기 중량(로보트의 크기와 중량의 제한)

4안정성(발열이나 과부하에 한 안전성)

5사용의 용이도

6수명가격

1 2 의 조작력 속응력은 로보트에 요구되는 성능에서 가장 기본적인 것인

데 이에 관련해서 크기나 중량의 제한 안정성 사용의 용이도 수명 가격 등을

고려해서 동력원을 선택한다 단 자주형 로보트에서는 2 차적 성능인 동력원의

중량이 첫째 요구 조건이 되는 경우가 많고 공업용 로보트에서는 저가격 사용

의 용이도 안전성이 중요 사항으로 우선시된다

모든 로봇은 동력원을 필요로한다 중요도에 따라 동력원을 선택해야 하는데

일반적으로 공기압식은 안전성이 뛰어난 반면 힘과 세밀한 위치제어가 어렵고

전기식은 응답성과 사용편리성 세밀한 위치제어가 가능하나 높은 힘을 내기 위

해서는 부가적인 기구부가 필요하다 유압식은 큰힘을 낼수있어서 속응성은 좋

으나 과부하시 상당한 발열이 있기 때문에 안전성에서 다른 동력원에 비해 떨

어진다 위 사항을 TABLE 3-1 로 분류하여 나타내었다

- 36 -

TABLE 3-1 Characteristics of power sources

전기식 유압식 공압식

사용용이성 편리하다 작동유의관리 관로의압력

필터관리에 유의

공급공기의 수분제거

윤활성의부가에 주의

수명 길다 기름에 윤활성이 있기

때문에 길다

공기에윤활성이 없어

유압 전기에 비해 짧다

가격 보통 가격 운영비 높음 저가격

응답속도

(반응성) 매우 빠르다 빠르다 늦다

하중능력 (소)에서 (중)정도의

하중능력 단히 큰 힘을 얻음 큰 힘은 없다

소음 적다 다소 크다 크다

- 37 -

제 4 장 능동형 그리퍼 설계

41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정

로봇 그리퍼의 정밀 파지 (Fingertip Grasp 손가락 끝을 이용하여 물체를 집

거나 바닥에누워있는 납작한 물체를 집는 행동)를 안정하게 하기 위해서는 손가

락 끝과 물체가 직각에 가까운 각도를 이룸으로 마찰력을 크게 하여 안정성을

높인다 또한 바닥에 놓인 물체를 집어 올릴 경우에도 물체표면의 법선 벡터와

손가락 끝의 각도가 클수록 물체를 효과적으로 구속하여 안정된 파지를 할 수

있다

그리퍼의 링크 시스템에 있어서 2 링크 손가락보다 3 링크 손가락을 쓸 때가

링크와 수평 평면이 이루는 각 (A)이 더 커지기 때문에 안정성이 더 좋다는 것

을 알 수 있다 그리고 안정성뿐만 아니라 식 (4-1)을 통하여 문체에 전해지는

Torque 값을 Fig 4-2 와 같이 그래프로 나타내면 0 도에서 75 도 정도까지는 A 각

이 커질수록 물체에 가해지는 토크 값이 점점 커지는 것을 알 수 있음으로 3 링

크 손가락을 쓰는 것이 파지력 증가됨을 알수 있다 ℓ3 의 길이가 길어질수록 A

가 작은 값을 가져서 정밀파지에 적당하지 않다

τ l cosA sinA l 1 cos A tan μ (41)

A cosempty

(42)

Fig 4-1

은 식을 통

각이 커짐을

움이 있고

Fig4-

에서 제 2 코

통해 구할 수

을 알 수 있다

최소 단위를

Fig4

-1 Configurati

코사인 법칙

있는데 이로

다 그러나 ℓ

를 1cm 로 하

-2 Change the

- 38 -

ion of the fing

을 이용하여

로부터 링크

ℓ3 가 1cm 인

하였기 때문에

e value of the a

gers on robot g

여 A 의 각을

길이 ℓ3 가

인 경우는 너

에 ℓ3 는 2cm

angle of phage

gripper

구하기 위해

작으면 작을

무 짧아서 파

로 결정하였

torque

해 (2) 와 같

을수록 A 의

파지의 어려

였다

42 모터

(1) 알고

앞 절에

여야 한다

는 모터의

이 작은 모

나 용량이

로 적절한

선정 알고

고리즘 정의

에서 설명한 기

로봇 팔에

선정은 동작

모터를 사용하

큰 모터를 사

모터의 선정

고리즘

기구들을 추

움직임을 전

작을 구현하는

하게 되면 기

사용하게 되

정이 중요하다

Fig 4-3 M

- 39 -

추후 로봇 시스

전달함에 있어

는데 중요한

기구의 원활한

면 모터의 외

다

Motor Selectio

스템에 적용을

어서 동력을

과제가 되겠

한 작동이 어

외형이 커지

on Algorithm

을 고려하여

공급과 제어

겠다 만일 토

려워지고 단

고 가격 또한

설계를 하

어를 수행하

토크나 용량

단순히 토크

한 증가하므

- 40 -

(2) 알고리즘 수행

모터를 선정하기 위해서 가장 우선적으로 해야 할 일은 기계구동부분을 결

정하고 구동부분을 어떠한 방식으로 작동을 시킬지 동작 패턴을 결정하여야 한

다 예를 들면 모터에서 나오는 힘을 받아서 볼 스크류를 이용하여 힘을 전달할

것인지 벨트 피니언 기어 혹은 풀리 등을 이용할 것인지를 결정하고 그에 따

른 적절한 구동방식을 결정한다 구동방식을 결정하게 되면 각각의 구동방식에

적합한 수식을 대입하여 부하토크를 계산한다 구동방식에 따른 부하토크를 구

하는 수식은 구동방식이나 구동장소 등에 따라 다소 상이하나 일반적인 수식은

다음과 같다

-BALL SCREW 구동

T FP2πn

μ F P2π

1i N ∙ m 43

F F mg sin α μ cos α N 44

-PULLEY 구동

T ∙ 45

μF D

2i N ∙ m

- 41 -

-WIRE middot BELT 구동 RACK middot PINION 구동

T F2πn

∙ πDi

FD2ni

N ∙ m 46

F F mg sin α μ cos s N 47

-실측에 의한 방법

T 48

직선운동 (커플링 직결 볼스크류 등)의 경우 위의 (43) (44) 이용하여 구할

수 있다 이때 F 는 축방향하중 F0 는 예압하중 μ0는 예압 NUT 의 마찰계수 η 은

효율i 는 감속비 PB 는볼스크류 피치를 나타낸다 회전운동 (풀리)의 경우 식

(45)를 이용하여 구할 수 있으며 FA는 외력 FB는 부하중량 (주축이 회전하기 시

작할 때의 힘) m 은 work 와 TABLE 의 총무계 μ 접동면의 마찰계수α는 경사각

도D 는 풀리의 지름을 나타낸다

실제현장에서는 선정된 모터의 토크를 확인하기 위해 실측에 의한 구동토크

를 계측하는데 스프링 저울을 구동 풀리에 연결지어 측정한다 이때 TL 은 회전

운동 부하토크에 해당하고 FB 는 부하중량 D 는 풀리의 직경을 나타낸다

위의 부하토크를 구하는 식들을 이용하여 부하토크를 구하게 되면 실제 모

터를 사용할 때 어느 정도의 시간적 여유를 두고 가속을 할 것인지 감속을 할

것인지를 결정하여야 한다 이를 위해서 우선 동작시킬 부분에 대한 관성모멘트

를 계산하

Fig 4-4

시한 것으로

dA 와 기준

이를 표현하

하여야 한다

4 는 관성모멘

로 X 와 Y

준축으로 부터

하면 식 (49)

Fig 4-4 Arb

I

멘트를 구하기

는 면적의 미

터의 거리의

)와 같다

- 42 -

bitrary shape o

y dA I

기 위한 절대

미소 요소 dA

제곱의 곱으

of planar area

x dA

대좌표 X Y

A 의 좌표이

으로 단면 2

축 상의 미소

이고 관성모멘

차 모멘트라

49

소면적을 도

멘트는 요소

라고도 한다

평면 면

가 있다 평

축에 대한

Fig 4-5

하는 평행한

관성모멘

식 (410

번째 적분은

면적의 관성

평행축 정리란

관성 모멘트

5 과 같이 도

한 xy 축 두

멘트의 정의로

I y

0) 에서 우변

은 Xc 축에

Fig 4-5

모멘트에 있

란 도심축에

트 사이의 관

도심을 원점으

좌표계의 평

로부터 x 축

y d dA

변의 첫 번째

대한 1 차 모

- 43 -

5 Parallel-axis

있어서 중요하

대한 관성

계를 나타낸

으로 하는 Xc

평행한 축 간

축에 대한 관

y dA

적분은 Xc

모멘트로서 X

theorem

하고 유용한

모멘트와 도

낸다

cYc 축과 임의

간의 거리를 d

성모멘트 Ix

2d y dA

축에 대한 관

Xc 축이 도심

정리로서 평

도심축에 평행

의의 점 O 를

d1 과 d2 로 표

는 식(410)와

d dA

관성모멘트

심을 통과하므

평행축 정리

행한 임의의

를 원점으로

표시한다

와 같다

410

I 이다 두

므로 적분의

- 44 -

값은 0 이다 세번째 적분은 면적 A 그 자체이다 따라서 식 (410)은 식 (411)과

같이 간단해진다

I I Ad 411

y 축에 대한 관성모멘트도 위와 같은 방법에 의해 식(412)과 같다

I I Ad 412

또한 면적의 평면에 수직인 수직축에 대한 관성모멘트를 극관성모멘트라 한

다 Fig 4-6 는 평면에 수직이고 O 점을 통과하는 축에 대한 극관성모멘트를 나

타낸 그림으로 이를 관성모멘트 식으로 표현하면 식 (413) 와 같다

I ρ dA 413

식 (413)와

즉 평면에

서로 수직인

극 관성

와 도심 C

와 식 (414)에

I

수직인 축에

인 두 축에 대

성모멘트에 대

에 대한 극

Fig 4-6 Arb

의해 식 (4

ρ dA

I

에 대한 극관

대한 관성모

대한 평행축

극 관성모멘트

- 45 -

bitrary shape o

ρ x y

415) 식 (41

x y dA

I I I

관성모멘트는

멘트의 합과

정리는 Fig

트를 각각 I

of Polar Area

y

16)과 같은 관

x dA y

는 평면 내의

과 같다

4-5 에서 유

와 I 로

관계식을 얻을

y dA

같은 지점을

유도할 수 있

로 표시하면

414

을 수 있다

415

416

을 통과하는

있다 원점 O

식 (416)에

- 46 -

서 식(417)을 유도할 수 있다

I I I I I I 417

I I I I A d d 418

I I Ad 419

식 (419)는 극 관성모멘트에 대한 평행축 정리를 나타낸다 즉 평면 내의 임의

의 한 점 O 에 대한 면적의 극관성모멘트는 도심 C 에 대한 극관성모멘트에 그

면적과 점 O 와 C 사이의 거리의 제곱의 곱을 더한 것과 같다

이상의 식에서 부하토크와 관성모멘트를 계산하여 모터를 가 선정한다 부하토

크의 경우 사용될 모터의 정격 토크를 넘어서지 않는 것을 선정한다 부하토크

를 TL 정상 부하 상태의 힘 PL 극 관성모멘트 IL 회전운동을 위한 힘 Pa 각속

도 가속 시 소요되는 시간을 ta 라 하고 식 (420)을 이용하여 부하가 일정하

게 작용할 때의 힘을 계산한다 마찬가지로 관성모멘트를 식 (421)에 대입하여

가속을 위한 회전 운동 시 필요한 힘을 계산한다 식 (420)과 식 (421)에서 계

산된 힘을 합산하면 모터를 회전시키기 위해 필요한 출력이 계산된다 이때 계

산된 출력보다 실제 사용할 모터의 정격 출력이 1~2 배 정도가 되도록 모터를

가 선정한다

- 47 -

P T ω 420

P 421

위의 과정을 통하여 모터를 가선정하고 가감속 토크 및 구동 토크를 계산한

다 각각의 토크를 계산하게 되면 모터를 최종적으로 선정하게 되는데 두 가지

사항을 고려하여 최종 선정한다 먼저 식 (422)을 통해서 계산되는 가속 시 소

요되는 기동 토크 TM 가 모터의 최대 토크를 넘지 않는 것으로 선정한다

T 422

두 번째로 Fig 4-7 의 속도 선도와 같이 모터의 가 감속 시간과 정상 동작

시간 등을 결정하여 식 (423)과 같이 실효치 토크 TS 를 구하고 실효 토크가 모

터의 정격 토크보다 크지 않도록 선정한다

T 423

Fig 4-7 Exa

- 48 -

ample of veloc

city guidance

- 49 -

(3) 알고리즘 적용

로봇시스템에 있어서 기구들의 관성모멘트와 토크 계산 후 적합한 모터를

선정하기 위해 시중에서 시판되는 모터를 조사하였다 로봇에 적용 가능한 모터

로는 크게 서버모터와 스텝모터 RC 서버모터 DC 모터로 구분 할 수 있었다 이

를 TABLE 4-1 과 같이 정리하였다

동력원의 6 가지 선정요소 중 우선순위를 부여하여 분류했을 때 핸드 그리퍼

의 특성상 가볍고 토크가 큰 RC 서버 모터 미니 서버모터를 선택할 수 도 있지

만 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터 중 토크를 증가시킬 수 있는

감속기가 있는 타입의 모터를 우선시 하였다

1 감속비를 사양할 수 있는 모터를 선정하여 계산한 토크를 확인한다

2 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터를 선정한다

3 CLOSED LOOP 제어를 통하여 정확한 위치를 검출할 수 있어야 한다

따라서 스텝모터중 lsquoOrsquo사의 ldquoαSTEPrdquo가 적합하다고 판단되어 모터를 선정하였다

- 50 -

TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics

미니서버모터 RC 서버모터 스텝모터 DC 모터

장점 동일사양대비 모터

중 10배정도 큰 토크

5v사용가벼움

정확한 위치제어

급격한 부하변동급가

속 유리

저렴한가격

보편화됨

단점 정지시 진동이 예상 약한 토크 THRUST하중이 모터

무계 이하여야 한다

유지보수가 잦다

크기 151588mm(10w20w)

2525111mm(30w)

392038mm 424234mm Oslash37mm917mm

동작전압 Dc 24V Dc 48V60V Dc 24V Dc 24V

무계 230g~400g 56g 150g 200g

허용토크 009Nm~03Nm 11~13kgfcm 18kgfcm (018Nm) 47kgfcm(1200)

감속기 다양한 감속비 가능 고정 감속기 감속기 무(072˚036) 다양한 감속비

제조사 야스카와 SGMM 하이텍 HS-5945 AUTONICS GCM 3429A

TABLE 4-2 αstep motor characteristics

외형 전압 전류 무계 토크 감속비 분해능

αSTEP 282884mm

4242127mm Dc24V 1~37A 250G 2~28 Nmiddotm 50~1001

00072pluse

00036pluse

- 51 -

43 1 차 능동형 그리퍼 설계

실린더를 사용하여 링크로 물체를 파지하던 그리퍼는 Fig 4-8 과 Fig 4-9 에

묘사하였다 이런 실린더를 사용한 그리퍼는 공압 효과를 도출할 수 있는 별도

의 펌프가 필요하고 동작을 구현할 수 있는 자유도를 증가시키는데 한계가 있

다 이런 실린더의 단점을 보완하고 전기모터의 장점을 사용하기 위해 웜기어와

웜휠 방식을 채택하여 2 자유도 능동형 그리퍼를 설계하였다

1 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-10 에 묘사하였으며 1 차설계한

능동형 그리퍼는 Two Fingertip Grasp 로 칭하겠다 파지한 물체를 회전 시키는

기능은 베벨기어를 사용하여 회전운동으로 구현하였고 실린더의 전middot후진 운동

을 전기모터의 회전운동으로 변환 시키기 위하여 웜기어와 웜휨을 선택하였다

전기모터에 의해 회전하는 운동은 웜기어와 웜휠에 의해 링크를 사용하여 물체

를 파지하였던 그리퍼와 동일한 운동효과를 가지게 되었다

웜기어와 웜휠을 사용하여 물체를 파지하는 능동형 그리퍼는 스윙형으로 설

계되었으며 파지력을 높이기 위한 각도를 적용하였다 링크를 사용하여 물체를

파지하는 형태의 그리퍼보다 기구의 크기를 줄일 수 있는 장점이 있는 반면 기

어들의 백래시에 의한 오차가 끝단에 누적될 수 있는 문제점을 가지고 있다또

한 기구부의 소재 변경으로 그리퍼의 무계를 줄일 수 도 있지만 가장 큰 무계

를 차지하는 모터를 그리퍼 자체에서 분리하게 할 수 있게 하려면 그리퍼 자체

의 구조변경이 필요하다

`

`

Fig 4-8 Par

Fig 4-9 Par

- 52 -

rallel-link gra

rallel-link gra

sps system 1

sps system 2

Fig 4-10

- 53 -

0 Two fingertipps grasp system

- 54 -

44 2 차 능동형 그리퍼 설계

1 차 설계한 능동형 그리퍼에서 발견된 문제점을 보안하기 위하여 2 차 능동

형 그리퍼를 설계하였다 2 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-11 에 묘사

하였으며 2 차설계한 능동형 그리퍼는 Four Fingertip Grasp 로 칭하겠다 이 장치

는 크게 동력원 동력 전달장치 핑거 그립장치로 구성되어있으며 이를 통합하

여 Fig 4-12 에 나타내었다

핑거 그립장치는 스윙형 그립의 단점을 보완하여 설계하였다 물체를 파지할

때 그립의 회전 반경이 주위 환경요소와 간섭을 발생시킬 수 있는데핑거가 전

진할때 샤프트와 핑거그립간의 나사결합형태를 통한 직선운동으로 개선하여 주

위환경요소에 영향을 주지 않도록 설계하였다 구동축의 핑거파지 메카니즘을

Fig 4-13 와 같이 간략화 하였고 이에 대한 세부 도면은 Fig 4-14 로 나타내었다

4 조 핑거 그립의 나사산과 테이퍼진 스크류축은 나사식으로 결합되며 상호

작용에 의해 점차 중심점으로 이동하여 물체를 파지하는 형태이다 사용된 2 개

의 샤프트는 중공축으로 설계하였으며 외부 샤프트는 4 조 핑거가 물체를 파지

하여 비트는 모션을 구현하는데 사용되었다 내부 샤프트는 핑거를 중심점으로

전진시켜는 기능을 수행한다 중공축으로 설계한 내부 샤프트는 차후 개발될 인

스트리먼트의 탈부착을 손쉽게 할수있도록 구현하였고 4 조로 설계된 핑거는 그

립시 인스트리먼트의 응력집중현상을 분산시키는 기능과 2 조로 그립하였을때

보다 안정적인 그립감을 형성한다

- 55 -

동력원과 동력전달장치는 Fig 4-15 에 나타내었으며 Two Fingertip Grasp system

의 문제점이었던 구동부의 모터의 설치 방법을 외부에 부착하는 형태로 변경하

여 우레탄 밸트를 사용하였다 또한 아이들러를 사용하여 밸트의 방향을 변경

하여 모터의 부착위치를 자유롭게 설정할 수 있도록 하였고 모터 브라켓에 슬

리브 홈을 설치하여 벨트의 장력을 조절할 수 있도록 하였다

Fig4-11

Fig4-12 Fou

- 56 -

Four fingertip

ur fingertips g

ps grasp system

grasp system la

m

ayout

Fig 4-13

Fig 4-14

- 57 -

Fingertip gra

4 Fingertip gr

asps mechanis

rasps extended

m

d

Fig 4-15

- 58 -

5 Power transmission devicce

- 59 -

제 5장 결 론

본 연구에서는 MIS 수술 로봇을 위한 햅틱 마스터장치 구동용 능동형 그리

퍼를 설계하기 위하여 그에 상응하는 자료 및 문헌 조사를 수행하였고 햅틱 마

스터에 적용 가능한 능동형 그리퍼를 설계하여 로봇 시스템의 초안을 구성하였

다 수술용 도구를 단순히 잡아주는 역할에서 벗어나 시스템에 추가적인 자유도

를 부여함으로써 그리퍼를 표현하였다 단순화된 그리퍼는 보다 저렴한 가격으

로 생산될 수 있으며 기존 로봇 수술시스템의 높은 비용을 절감할 수 있는 효

과를 가져올 수 있다

최종적으로 제안한 설계 안으로는 2 조 핑거그립를 사용하는 전기모터형 그

리퍼 와 추가적으로 개선한 4 조 전기모터형 핑거그립를 설계였다 스윙형 그립

의 단점을 보안하여 집중응력을 분산할 수 있는 구조로 설계하였고 그리퍼의

무계를 줄일 수 있는 방법을 제시하였다 이로써 원통형 도구 파지 시 안정성이

향상되었고 보다 원활하게 수술 도구를 교체 가능하도록 하였다

앞으로 촉감을 전달할 수 있는 센서의 개발로 햅틱 디바이스 인터페이스 장

치의 활용에 보다 높은 기여를 할 것이라 예상된다

-６０-

참고 문헌

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정보 및 제어부분 PP68~7020084

[2] 박정호 ldquo국내외 의료로봇 현황과 발전방향rdquo정보과학지 26(4)

PP49~5420084

[3] 편집부 ldquo수술지원로봇의 최신 기술 동향rdquo월간 자동화 기술 22(12)

PP74~77200612

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[5] 권동수경기욱 ldquo의료용 로봇의 연구 현황과 전망rdquo기계저널

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[6] Yoichi OGAHARA Yusuke KAWATO Kenjiro TAKEMURA Takashi MAENO

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[8] 홍만복김광기 ldquo최소 침습수술로봇을위한 2-자유도 구형 메커니즘설계rdquo

한국정밀공학회 2009년 추계학술대회 논문집

-６１-

[9] 이재훈김형욱이병주서일홍 ldquo새로운 6자유도 병렬형 햅틱 기구의 최적설

계 및 해석rdquo한국정밀공학회 2003년 추계학술대회 논문집

[10] 조국훈이재훈이병주김희국 ldquo병렬형 그리퍼 메카니즘rdquo한국정밀공학회지

[11] 김갑순 ldquo3축 힘센서를 이용한 지능형 그리퍼 개발rdquo한국정밀공학회지 제

24권 제 3호 1999년

[12] 고대성김성목김희국이병주 ldquo병진형 자유도와 1자유도 파지기능을 가지는

4자유도 병렬 메커니즘의 기구학분석rdquo한국정밀공학회 2007년 추계학술대회

• 제1장 서 론
• • 11 연구배경 및 연구목적
  • 12 연구내용
  • • 제2장 로봇 산업의 기술 현황
    • • 21 로봇산업의 동향
      • 22 의료용 로봇기술 현황
      • 23 의료용 로봇시장 전망
      • • 제3장 능동 그리퍼
        • • 31 최소침습 수술 햅틱 장치구현에 필요한 능동 그리퍼 제안
          • 32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류
          • 33 파지형태에 의한 그리퍼의 분류
          • 34 메카니컬 핸드의 구속기능
          • 35 대표적인 동력원의 특징
          • • 제4장 능동형 그리퍼 설계
            • • 41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정
              • 42 모터 선정 알고리즘
              • • 43 1 차 능동형 그리퍼 설계
                • 44 2 차 능동형 그리퍼 설계
                • • 제 5 장 결론
                  • 참고문헌
                  • TABLE 2-1 Domestic robot classification
                  • TABLE 2-2 Robot Production Company
                  • TABLE 3-1 Characteristics of power sources
                  • TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics
                  • TABLE 4-2 αSTEP Motor Characteristics
                  • Fig2-1 Phase of medical robots in the robot industry
                  • Fig2-2 Da Vinci surgical case number
                  • Fig3-1 Da Vinci robot system for MIS
                  • Fig3-2 Classified by the gripper grip action
                  • Fig3-3 Swing-type hand mechanism
                  • Fig3-4 Hand mechanism for translational type1 (parallel displacement)
                  • Fig3-5 Hand mechanism for translational type2 (Rack and pinion type)
                  • Fig3-6 Hand mechanism for three point pinch type
                  • Fig3-7 Movement of object
                  • Fig3-8 Contacts of the kind and the confining
                  • Fig3-9 Human Arm structure
                  • Fig4-1 Configuration of the fingers on robot gripper
                  • Fig4-2 Change the value of the angle of phage torque
                  • Fig4-3 Motor Selection Algorithm
                  • Fig4-4 Arbitrary Shape of Planar Area
                  • Fig4-5 Parallel-Axis Theorem
                  • Fig4-6 Arbitrary Shape of Polar Area
                  • Fig4-7 Example of Velocity Guidance
                  • Fig4-8 Parallel-link Grasp system 1
                  • Fig4-9 Parallel-link Grasp system 2
                  • Fig4-10 TWO Fingertip Grasp system
                  • Fig4-11 Four Fingertip Grasp System
                  • Fig4-12 Four Fingertip Grasp System layout
                  • Fig4-13 Fingertip Grasp Mechanism
                  • Fig4-14 Fingertip Grasp extended
                  • Fig4-15 Power Transmission Device

-iii-

Nomenclatures

1 Length of first link

2 Length of the second link

3 Length of the third link

Torque

A Grasp angle

r Straight

LT Rotating Torque Load

BF Applied load[ N ]

([The value of the spring scale] kg g[ ms2 ] )

Efficiency( 085~095 )

D Choejongdan pulley diameter[ m ]

xI x-axis moment of inertia

yI y-axis moment of inertia

pI polar moment of inertia

LP The power of normal load conditions( 0i )

LI polar moment of inertia

aP For rotational forces

Angular

at Acceleration time

-iv-

MT Starting torque

ST RMS Torque

F Axial load[ N ]

0F Preload [ N ] ( ≒13F )

0 Coefficient of internal friction of the nut( 01~03 )

i Equipment ratio

Bp BALL SCREW PITCH [ mrev ]

AF External force [ N ]

m total weight of the WORK and TABLE[kg]

the friction surface coefficient of friction ( 005 )

the angle of gradient [˚ ]

g gravitational acceleration [ m ] ( 9807 )

-v-

List of Tables and Figures

TABLE 2-1 Domestic robot classification 5

TABLE 2-2 Robot Production Company 8

TABLE 3-1 Characteristics of power sources 36

TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics 50

TABLE 4-2 αSTEP Motor Characteristics 50

Fig2-1 Phase of medical robots in the robot industry 6

Fig2-2 Da Vinci surgical case number 13

Fig3-1 Da Vinci robot system for MIS 23

Fig3-2 Classified by the gripper grip action 25

Fig3-3 Swing-type hand mechanism 26

Fig3-4 Hand mechanism for translational type1 (parallel displacement)

27

Fig3-5 Hand mechanism for translational type2 (Rack and pinion type)

28

Fig3-6 Hand mechanism for three point pinch type 29

Fig3-7 Movement of object 30

Fig3-8 Contacts of the kind and the confining 31

Fig3-9 Human Arm structure 33

Fig4-1 Configuration of the fingers on robot gripper 38

Fig4-2 Change the value of the angle of phage torque 38

Fig4-3 Motor Selection Algorithm 39

Fig4-4 Arbitrary Shape of Planar Area 42

-vi-

Fig4-5 Parallel-Axis Theorem 43

Fig4-6 Arbitrary Shape of Polar Area 45

Fig4-7 Example of Velocity Guidance 48

Fig4-8 Parallel-link Grasp system 1 52

Fig4-9 Parallel-link Grasp system 2 52

Fig4-10 TWO Fingertip Grasp system 53

Fig4-11 Four Fingertip Grasp System 56

Fig4-12 Four Fingertip Grasp System layout 56

Fig4-13 Fingertip Grasp Mechanism 57

Fig4-14 Fingertip Grasp extended 57

Fig 4-15 Power Transmission Device 58

-vii-

목 차

요 약 문 i

Abstract ii

Nomenclature iii

List of Figures and Tables v

제1장 서 론 1

11 연구배경 및 연구목적 1

12 연구내용 3

제2장 로봇 산업의 기술 현황 4

21 로봇산업의 동향 4

22 의료용 로봇기술 현황 9

23 의료용 로봇시장 전망 16

제3장 능동 그리퍼 20

31 최소침습 수술 햅틱 장치구현에 필요한 능동 그리퍼 제안

20

32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류 24

33 파지형태에 의한 그리퍼의 분류 25

-viii-

34 메카니컬 핸드의 구속기능 30

35 대표적인 동력원의 특징 35

제4장 능동형 그리퍼 설계 37

41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정 37

42 모터 선정 알고리즘 39

43 1차 능동형 그리퍼 설계 51

44 2차 능동형 그리퍼 설계 54

제 5장 결론 59

참고문헌 60

- 1 -

제 1장 서 론

11 연구 배경 및 연구 목적

로봇은 이미 다양한 자동화 산업 분야에서 높은 부가가치의 창출로 인해 그

가치가 인정되어 점점 더 그 활용 분야가 증가하고 있는 추세에 있다 또한 최

근 들어서는 산업현장뿐만 아니라 생활 기구 의료용에서도 로봇을 접목시켜 이

를 실제 시스템에 사용하고 있다 특히 의료용 로봇 분야에서는 수술행위를 대

행하는 다빈치 로봇의 개발로 수술의 신뢰도를 크게 향상시키고 있다

다빈치 수술시스템은 너무나 성공적 이여서 수술행위의 수행에 있어서 커다

란 변화를 가져왔다 최소 침습수술의 발전으로 환자의 회복속도는 놀랍도록 빨

라졌지만 모든 개복수술을 최소 침습수술기법으로 대처하기에는 아직 기술적으

로 극복하지 못한 분야도 있다 기존의 복강경 수술의 경우 수술시야가 제한적

이고 수술부의로의 유일한 접근 통로인 투관이 한정되어 있어 손 운동에 제한

적이다 또한 로봇은 복잡하고 종종 큰 수술 시 다양한 의료장비를 교체해야 하

는데 교체 시 많은 시간이 요구된다 이러한 많은 준비단계와 사용하고 나서의

복잡한 소독과정으로 인해 실제 로봇을 이용한 수술은 많은 시간이 걸리며 초

기자본을 회수하는데 많은 시간이 걸리므로 경제성이 떨어진다 또한 실제 수술

시에는 다양한 수술도구들이 사용되는데 로봇수술을 위해서는 로봇 팔과 연동

된 수술 도구들이 쉽게 탈 부착 될 수 있어야 한다 실제 수술도구들이 쉽게 탈

부착된다면 작업 능률이 보다 증대될 것이다

- 2 -

수술용 로봇에 사용되는 엔드 이펙터 (End Effector)을 검토해보면 공통적 인

사실을 확인할 수 있다 시판되고 있는 복강경 로봇수술용 도구들은 Trocar 라

는 기구를 통해 인체 내로 삽입되고 Trocar 의 구조상 수술용 도구들은 Oslash55 이

내의 소형 원기둥 타입의 수술도구들이며 각각의 구동 모터를 개별적으로 가지

고 있다 최근에는 다빈치 수술 로봇이 사용됨에 따라 3 차원 고화질의 영상의

제공과 더불어 떨림 없는 정교한 시술작업이 가능해 졌으며 다자유도 수술 기

구 도입으로 좀 더 다양한 수술들이 가능해 졌지만 이러한 장점에도 불구하고

수술 시 힘의 강약조절이 불가능하다는 점은 가장 큰 단점으로 지적되고 있다

또한 아직 가격이 고가이고 구현 가능한 작업 영역대비 각 암의 크기가 커서

수술 시 암 사이의 충돌이 발생하는 문제가 제기되고 있다

또한 다빈치 수술로봇은 집도의 손으로 조작하여서 수술을 수행하는 수술

로봇 시스템으로 여러 가지 장점이 있지만 로봇이 수술하면서 발생하는 반력을

직접 집도의에게 전달하지 못하는 단점이 있다 이런 단점을 보안하기 위하여

수술용 로봇 시스템에 햅틱의 기능을 추가하여 로봇 시스템을 구성하는 것을

전 세계적으로 많은 연구가 진행되고 있다

따라서 본 연구에서는 수술용 햅틱 로봇에 적용이 가능한 로봇 시스템에서

수술도구를 집고 수술을 직접 수행하는 그리퍼 시스템을 설계하도록 하겠다

이를 위해 현재 로봇 시장의 현황을 분석하고 능동형 그리퍼를 설계하기 위한

여러 가지 이론적 배경과 그리퍼 설계 제한 조건을 설명한다 최종적으로 그리

퍼 설계를 수행한 후 각각의 설계에 따른 분석을 수행할 것이다

- 3 -

12 연구 내용

본 연구에서는 의료용 햅틱 로봇 시스템에 적합한 능동형 그리퍼를 설계하

는 것이 본 연구의 목적이며 이를 위한 연구내용은 각 장 별로 요약하면 다음

과 같다

제 1장에서는 본 연구를 수행한 배경과 목적을 설명하였다

제 2 장에서는 연구의 첫 단계로 본 연구의 이론적 배경을 기술하였다 수술

로봇의 개요 및 동향 선행기술에 대하여 설명하였다

제 3 장에서는 능동형 그리퍼에 대한 이론적 배경을 기술하였다 그리퍼의 자

유도 기능분석 메키니칼 구성표 동력원에 대해 고찰하였다

제 4 장에서는 능동형 그리퍼의 설계 결과를 기술하고 설계 안에 대한 방향

을 제시하였다

마지막으로 제 5 장에서는 결론 및 향후 연구되어야 할 문제들에 대하여 언

급하였다

- 4 -

제 2장 로봇 산업의 기술 현황

21 로봇산업의 동향

(1) 국내로봇산업 분류체계

로봇이란 용어는 1921 년 카펠 차펙 (Karel Capek)이 쓴 희곡에서 유래하여

전통적인 로봇이란 반복 노동을 대체하는 자동화 기계로 인식되어 왔으나 현대

에 와서는 외부의 환경을 인식하고 지능을 바탕으로 스스로 판단하여 자율적으

로 동작하는 장치로 변모하였다 이렇게 변모하는 로봇산업은 현행 한국표준산

업 분류 체계상 단일제품 수준의 lsquo산업용로봇rsquo 으로만 분류하여 급성장이 예상

되는 lsquo서비스로봇rsquo 부분은 포함되어 있지 않았다 이에 산업자원부는 2007 년 1

월 로봇산업의 분류체계를 새롭게 마련하고 로봇산업의 승인통계를 구축하였다

이로써 1978 년 로봇산업이 시작한 이래 30 년 만에 비로소 로봇산업에 대한 명

확한 분류체계를 구축한 것이다

이 분류체계에서 로봇산업은 크게 개인서비스용 로봇 전문서비스용 로봇

제조업용 로봇 네트워크 로봇 로봇부품 및 부분품 등 대분류 5 개 중분류 28

개 소분류 136 개 항목으로 분류되어 있다 이를 구체적으로 살펴보면 TABLE

2- 1과 같다

- 5 -

TABLE 2-1 Domestic robot classification

대분류 중분류

서비스 로봇

개인 서비스용가사용 생활 지원용 여가 지원용 교육

용 기타 개인서비스용

전문서비스용

빌딩 서비스용 극한작업용 의료 복지용

사회 인프라용 군사용 생물 생산용 기

타 전문 서비스용

제조업용 로봇

이적재용 공작물 착탈용 용접용 표면처

리용 조립분해용 가공용 공정용 시험

검사용 기타 제조업용

네트워크 로봇 -

로봇부품 및 부분품 로봇용 구조구동센싱제어통신소프트

웨어기타 부품 및 부분품

lt자료gt 산업자원부

ldquo의료 복지용 로봇rdquo은 전문서비스용 로봇의 한 분야로 로봇산업의 중분류로

분류되고 있다 의료 복지용 로봇은 다시 수술 로봇 재활 훈련용 로봇 의료진

단 및 검사용 로봇 기타 의료 복지 로봇 등으로 소분류체계를 구축된다

산업연구원 (2007)에서는 로봇산업에서의 의료용 로봇의 위상을 Fig 2-1 과

같이 도식화 하였다 의료용 로봇을 포괄하고 있는 지능형 로봇은 우리나라가

소득 3 만 달러 시대를 선도할 미래스타산업으로 타 분야에 대한 기술적 파급

효과가 큰 첨단기술의 복합체라는 점 때문에 특히 중요하다고 할 수 있다

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Fig2-1 Phase of medical robots in the robot industry

(2) 국내로봇산업 규모

가 로봇생산 기업규모

앞 절과 같은 로봇산업 분류체계에 근거하여 2006 년부터 로봇산업 통계조사

가 체계적으로 이루어지기 시작하였다 이 통계조사에 따르면 국내 로봇생산을

담당하고 있는 기업은 TABLE 2-2와 같다 2006년 총 170개 제조업 로봇 77개

사 (453) 로봇부품 및 부분품 48 개사 (282) 개인 서비스용 로봇 24 개사

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(141) 전문서비스용 로봇 13 개사 (76) 네트워크 로봇 8 개사 (47)로 분포

되어 있다 이와 같은 수치는 2005 년 대비 제조업용 로봇 관련 기업 수는 다소

감소하였으나 전문서비스용 로봇이나 개인서비스용 로봇 관련 기업 수는 다소

증가하였다 또한 기업체 당 평균 자본금은 5354 억으로 제조업을 제외하면 기

업체 당 평균 자본금이 가장 높은 분야는 개인 서비스용 로봇 (2570 억원) 가

장 낮은 분야는 전문 서비스용 로봇 (1106억원)으로 나타났다

이는 최근 수요가 증가하는 생활 관련 로봇들에 대한 대기업의 투자나 진입

이 두드러지면서 나타난 현상이며 이런 기업들의 투자에 따른 생활 로봇 기술

향상이 두더러 지게 나타나고 있다 따라서 의료용 로봇 산업분야의 체질강화

와 기업 경쟁력 강화를 위해서는 최근 늘어나는 수요창출에 발맞추어 중견기업

들의 투자와 연구개발이 집중되어야 할 것이다

한편 로봇기업의 매출액 규모는 1억 원 미만의 영세한 업체가 30 1억~10

억 원 규모의 업체가 282 10억~50억 원 규모의 업체도 282로 대부분의 로

봇기업은 매출액 규모 50 억 미만의 중소기업체인 것으로 나타났다 특히 의료

용 로봇은 영세한 업체가 담당하기에는 다소 연구개발과 투자비용이 많이 소요

되기 때문에 대기업이나 정부의 투자나 지원이 반드시 필요하다 이러한 상황에

서 국내 의료용 로봇 시장의 성장을 낙관하기는 다소 무리가 있다 따라서 대기

업들이나 정부는 의료용 로봇 시장 확대와 성장에 적극적으로 참여해야 할 것

이다

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TABLE 2-2 Robot Production Company

구분

2005 2006

업체수 구성비 업체수 구성비

제조업용 로봇 60 333 77 453

전문서비스용 로봇 13 72 13 76

개인서비스용 로봇 39 217 24 141

네트워크 로봇 17 94 8 47

로봇부품 및 부분품 51 283 48 282

합계 180 1000 170 1000

나 로봇생산 생산규모

로봇기업의 생산 현황을 보면 2005 년에는 5722 억 원 정도였으나 2006 년에

는 7196 억 원으로 258의 증가율을 보였다 특히 의료 복지용 로봇 분야가 포

함되어 있는 전문서비스용 로봇은 2005 년에는 53 억 정도였으나 2006 년에는

124억으로 전년대비 1309의 높은 증가세를 보였다

최근 국내에서 개발된 환자 안내용 로봇인 스누봇 (SNUBOT)이나 내시경 로

봇인 미로캠 (MiroCam) 등의 개발로 인해 더욱더 생산 증가폭은 커질 것으로

전망한다 의료 복지용 로봇분야에서는 2005 년에는 생산이 거의 없었으며 2006

년에는 약 6 천 만원으로 증가하기는 하였으나 이는 다른 로봇 분야에 비하면

극히 미비한 생산액이며 수술 로봇이나 재활 로봇에 대한 생산은 거의 전무한

실정이다 한국과학기술정보연구원(KISTI)에 따르면 2006 년 국내 서비스 로봇

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(산업용 로봇 제외) 시장규모는 약 624 억 원으로 미비한 수준에 그쳤으나 2011

년 5117 억 원에 달하고 2013 년 이후는 수조 원에 달하는 황금시장으로 떠오를

것으로 예상하였다 또한 정부에서는 2005 년 국내 로봇산업 육성을 위해 2013

년까지 세계 시장 점유율 15 총생산 30 조원 수출 200 억 달러 고용창출 10

만 명 등 세계 3위의 로봇강국을 목표로 하고 있다

22 의료용 로봇기술 현황

(1) 의료용 로봇 유형 및 개념

의료용 로봇은 크게 수술 로봇 수술 시뮬레이션 재활로봇 기타 의료 로봇

등으로 분류된다

첫째 수술 로봇은 크게 두 가지의 유형으로 분류된다 먼저 수술 보조 로봇

(surgery assistant robot)은 수술실에서 집도의 명령에 따르면서 수술을 보조하거나

영상 가이드 역할을 해주는 로봇을 의미하며 수술 로봇 (surgery robot)은 의사를

대신하여 수술과정의 전체 혹은 일부를 의사 대신 혹은 의사와 함께 수술 작업

을 한다

둘째 수술 시뮬레이터 (surgery simulator)는 의사의 수술에 관한 숙련도를 높

이기 위하여 가상의 그래픽 환자 모델과 햅틱 장치 (haptic device) 등을 이용하

여 수술을 연습할 수 있게 하는 의료용 로봇이다 특히 근래에 들어 프로세스의

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성능이 좋아지면서 MRI 나 CT 영상 등을 활용한 실시간 3 차원 볼륨이 가능해

지면서 의료용 시뮬레이터 개발은 가속화 되었다

셋째 재활 로봇 (rehabilitation robot)은 노인과 장애인의 재활치료와 일상생활

을 도와 주는 로봇 시스템으로 단순한 신체를 지지해 주는 역할을 벗어나 중증

환자나 노인의 신체 움직임을 향상시키고 빠른 시일 내에 회복하도록 주요 기

능을 수행하고 장애인의 장애를 극복하여 독립적인 생활을 가능하게 할 수 있

는 특정 기능의 로봇을 의미한다

넷째 기타 의료 로봇으로는 간호 로봇이나 안내로봇 등이 있다 현재의 간

호 인력을 도와서 수술이나 치료를 받는 환자를 보살피는 로봇으로서 정확한

투약과 수술 후 관리가 가능하도록 도와주는 기능과 환자의 이동 간병 및 산책

이 가능하고 말벗의 기능을 포함하는 로봇을 의미한다

(2) 의료용 로봇기술 개발현황

가 수술 로봇

현재까지 연구된 수술 로봇은 미세 수술용 원격수술 로봇 최소침습수술

(MIS) 로봇 관절 수술 로봇 등으로 분류할 수 있다

원격수술 로봇 시스템 일환으로 개발된 대표적인 로봇으로는 일본 동경대의

원격 수술 로봇 미국 NASA JPL 의 RAMS SRI International 의 원격 수술 로봇

한국과학기술원의 미세수술용 Slave 로봇 등이 있다

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MIS 의 로봇 시스템 일환으로 개발된 대표적인 로봇으로는 미국의 UC 버클

리대의 수술 로봇시스템 Computer Motion 사의 내시경 보조 로봇인 이솝

(AESOP)과 복강경 수술 로봇인 제우스 (ZEUS) 제우스 보다 진보된 Intuitive

Surgical 의 다빈치 (daVinch) 등이 있다 이 중 다빈치는 수술용 로봇으로 거의

독점적인 위치로써 세계 로봇수술의 첨병역할을 하고 있다

관절 수술 로봇의 일환으로 개발된 대표적인 로봇으로는 미국 Integrated

Surgical System사의 로보닥 (Robodoc) 독일의 Orto Maque사의 CASPAR 영국의

Imperial College의 아크로보트 (Acrobot) 등이 있다

나 수술 시뮬레이터

수술 로봇 이외에 의사의 수술에 관한 숙련도를 높이기 위한 의료용 시뮬레

이터가 활발하게 연구되고 있다 특히 근래에 들어 프로세서의 성능이 좋아지면

서 MRI 나 CT 영상 등을 활용한 의료용 수술 시뮬레이터 개발이 가속화 되었

다 대표적인 수술 시뮬레이터로는 미국 Georgia Tech의 안구 수술 시뮬레이터

미국 Boston 다이나믹스사의 개복수술 시뮬레이터 Mitsubishi Electric Research Lab

의 무릎관절 내시경 시뮬레이션 영국 맨체스터 대학의 웹기반 시뮬레이터 등이

있다

다 재활 로봇

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노령인구와 장애인구의 증가로 로봇 기술의 필요성은 재활분야에도 확대되

고 있다 장애인의 독립적인 활동을 보장하고 삶의 질을 높이려는 노력은 유럽

등의 선진국을 중심으로 재활 로봇이 연구되어 왔으며 이탈리아에서 개발된

MOVAID 가 대표적인 재활 로봇이다 또 미국에서는 MIT 를 중심으로 RIC 과

같은 로봇 신경 재활 로봇들이 개발되고 있다 스위스에서는 보행 재활 로봇으

로 Lokomat 이 개발되었고 국내에서는 KAIST 에서 휠체어 로봇 시스템과 보행

보조 로봇 등이 연구되고 있다 이외에도 서강대학교에서는 SUBAR 라는 보행

재활 로봇을 개발하였다 이외에도 최근 미국의 Intouch Health 에서 개발한 RP-7

은 멀리 있는 환자의 병증을 파악하는 데 탁월한 원격진료 로봇으로 활용되고

있다

(3) 국내 의료용 로봇 적용사례

상기 서술한 의료용 로봇 중 가장 많은 각광을 받고 있으며 국내에서 적용

되고 있는 사례를 통해 의료용 로봇의 사용 실태를 파악보고자 한다 대표적인

복강경 수술 로봇인 Intuitive Surgical의 다빈치 로봇 시스템과 고관절 수술 로봇

인 Integrated Surgical System사의 로보닥을 중심으로 국내 실태를 살펴보고자 한

다

가 다빈치

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Fig 2-2 da Vinci surgical case number

다빈치 로봇은 1997 년 벨기에서 처음으로 환자에게 적용된 이래 국내에

2005 년 7 월 연세대학교 신촌 세브란스 병원에서 최초로 도입하여 2005 년 7 월

15 일 국내 최초로 다빈치를 이용한 로봇 수술이 이루어졌다 Fig 2-2 에서 보

듯이 수술사례는 계속적으로 증가하여 2008 년 1 월 말 현재 750 건이 넘는 수

술이 이루어졌다

다빈치 로봇은 전립선암 위암 대장남 부인암 식도암 갑상선암 간암 등

대부분의 암수술 및 중요 외과계 수술에 적용된다 이는 다빈치 로봇 수술이 가

져다 주는 효과인 개복수술이나 복강경 수술보다 수술회복기간이 단축되고 수

술시간도 감소시키는 역할과 무엇보다 수술 후 환자가 겪는 수술 후유증 확실

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히 줄여주기 때문이다 특히 전립선암의 경우 대표적인 수술 후유증인 요실금

과 발기부전 등의 가능성이 대폭 줄어드는 것으로 알려져 있다

이와 같은 수술사례와 수술성과에도 불구하고 다빈치 로봇의 가격이 25 억

정도의 고가이기 때문에 영세한 의료기관에서 도입하기에는 다소 무리가 따르

고 있다 그러나 대형 병원들은 다빈치의 성공적인 수술사례를 통해 앞다투어

이를 도입하고 있다

2008 년 1 월 현재 신촌 세브란스 병원은 이미 3 대를 도입했고 영동 세브

란스 병원 고려대 안암병원 서울아산병원 한림대 강남병원 분당서울대병원

삼성서울병원 경북대병원 동아대병원 등 9 개 의료기관에 도입되어 있다 또한

최근 (2008 년 1 월 30 일) 연세대 세브란스병원은 로봇 수술의 활성화를 위해

Intuitive Surgical 과 공동으로 복강경 수술용 로봇 다빈치를 이용한 수술법을 배

우는 lsquo연세 다빈치 트레이닝 센터rsquo를 개소하였다

다빈치는 로봇 가격만큼 수술 비용에 있어서도 고가인데다 의료보험이 적

용되지 않아 수술 비용을 환자가 모두 부담해야 하는 실정이다 다빈치 로봇 수

술 비용은 700~2000 만 원선으로 기존의 수술 비용인 200~300 만 원 보다는 다

소 높은 가격이다 특히 전립선암의 경우 로봇 수술 비용은 1500 만 원 선으로

개복수술이나 복강경수술보다 5~7 배 정도의 높은 가격이다 그럼에도 불구하고

로봇 수술은 거의 모든 암 수술에 적용되고 있고 환자와 의사 모두 만족하는

수술법으로 자리잡아 가고 있다

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나 로보닥

로봇이 외과적 기계로써 임상적으로 처음 국내에서 적용된 것은 1992 년 lsquo로

보닥rsquo이라는 의료용 로봇이다 미국에서 개발된 로보닥은 인공관절이 삽입될 환

자의 뼈를 로봇으로 가공해서 수술 성공률을 획기적으로 높였다 두꺼운 뼈를

정확한 형상으로 깎아내는 작업에는 CADCAM 자료에 따라 작동하는 로봇 팔

이 숙련된 외과의사를 간단히 능가했다 로보닥은 한국과 EU 의 판매승인을 획

득했고 결국 인공관절수술의 대세를 장악했다 세계적으로 8000 회 이상의 수술

이 로보닥을 이용하여 성공적으로 수행되었으며 2001년 FDA의 승인을 받기도

하였다

2002 년 국내 처음으로 로보닥이 도입된 이래로 이춘택 병원은 현재까지

2556 회라는 경이적인 수술건수를 기록하였다 그는 최소침습수술과 접목하여

로봇의 정밀성과 최소 절개기술을 결합시킴으로써 환자의 고통과 재활 기간을

크게 줄였다 그러나 로보닥의 가격은 무려 17 억 원이며 3 차원 영상까지 구현

하기 위해서는 10 억 원 상당의 멀티 CT 까지 도입해야만 한다 그렇기 때문에

소규모의 관절전문병원이 도입하기에는 다소 무리한 점이 있다 이러한 상황에

서 이춘택은 국내시장에 맞는 로봇개발을 위해 국산 부품 및 소프트웨어를 개

발 중에 있다 따라서 우리나라도 고령화 사회를 맞아 세계적으로 관절 수술이

급증하고 있는 상황에서 국내 기술로 만든 수술용 로봇이나 소프트웨어 개발은

국내 의료용 로봇시장의 활성화를 이룰 수 있다

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23 의료용 로봇시장 전망

(1) 로봇산업 전망

로봇 분야별 세계시장 정세를 살펴보면 제조업용 로봇은 시장안전화 단계로

써 급격한 시장변화는 어려우며 신규 생산설비 및 기존 설비에 따른 수요가 대

부분 차지하고 있는 실정이다 개인서비스용 로봇은 가족구조의 핵가족화와 고

령화 현상으로 인한 가족인원으로서의 가정용 로봇에 대한 수요가 증가 추세에

있다 전문서비스용 로봇은 생산국과 생산기업이 극히 제한되어 있으며 제품가

격의 고가로 인해 시장형성에 있어서 생산국과 수요국이 불일치하고 있는 실정

이다 이러한 상황에서 로봇시장의 국가별 점유율을 살펴보면 일본 (28) 미국

(18) 독일 (16) 이탈리아 (10) 한국 (3)의 순으로 세계 5 위를 차지하고

있다 이와 같이 산업용 로봇의 경우는 우리나라의 세계적인 위상이 높지만 아

직까지 전문 서비스 분야 로봇에 대한 세계적인 위상은 미비하다

시장규모 전망과 국내 세계시장 점유율에 대한 전망은 다음과 같다 세계 로

봇시장의 규모는 2010 년에는 247억 5 백만 달러에서 2020년에는 717억 7 천만

달러에 이를 것으로 보고 있으며 연평균 107의 증가율을 예상하고 있다 분

야별로는 제조업용 로봇은 2010 년 세계시장의 114에서 2020 년 144의 비중

을 차지할 것으로 전망하고 있으며 전문서비스용 로봇은 2010 년 세계시장의

09에서 2020 년 21의 비중을 차지할 것으로 예상하고 있다 개인서비스용

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로봇은 2010 년 30에서 2020 년 70 수준에 달할 것으로 보고 있다 비록 전

문 서비스용 로봇산업의 규모는 미국 일본 독일에 비해 미미한 실정이나 전문

서비스용 로봇의 신시장을 개척하고 그 만큼의 기술력이 밑받침된다면 2020 년

세계시장에서의 더 큰 비중의 달성이 이루어질 것으로 본다

(2) 의료용 로봇기술 전망

의료용 로봇시장의 성장은 의료용 로봇기술 개발산업의 성장과 밀접한 관계

가 있다 세계적인 개발추세로는 의료용 로봇개발 하드웨어 분야에서는 일본이

경쟁력이 가장 높으며 소프트웨어 분야에서는 미국이 앞서나가고 있다 또한

독일은 하드웨어 및 소프트웨어 분야에서 동시에 상당한 연구 개발 능력을 보

유하고 있다 앞으로는 이 세 나라가 의료용 로봇 시장의 핵심 주자로 나설 것

으로 예상된다

산업연구원 (2007) 조사에 따르면 국내 로봇산업의 기술은 기술항목에 따라

다소 차이를 보이고 있으나 제조업용 로봇의 경우는 최고 기술 보유국 대비 평

균 85 정도에 육박하고 있으며 전문서비스용 로봇의 경우는 80 정도 개인서비

스용 로봇은 84 정도에 이르고 있는 것으로 나타났다 의료용 로봇 분야에서는

선두주자인 미국의 기술력을 100 이라고 봤을 때 현재 우리나라는 70 정도이며

2015년이 지나야 100 에 도달할 것으로 전망하였다 비록 의료용 로봇에서 세계

1위인 미국에 비해 우리는 아직 10년 이상 차이가 있지만 세계 최초로 국제 규

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모의 로봇랜드 조성과 로봇펀드 발생 등 정부 차원에서의 노력이 여러 가지 방

면에서 다양하게 펼쳐지고 있기 때문에 그 격차는 점차 줄어들 것으로 예상된

다

또한 IFR (2006) 자료에 따르면 한국 산업용 로봇은 세계 5 위의 강국[16]인

데 비해 의료용 로봇에 있어서는 약소국이다 이는 의료용 로봇의 개발비가 많

이 드는데 비해 국내 시장은 극히 제한적이어서 일반 기업의 참여가 아주 저조

하기 때문이다 국내에서 의료용 로봇 관련 기술 개발은 아직 걸음마 단계에 머

물러 있으며 벤처기업 및 대기업들이 개발해 상용화시키고 있는 기술이나 제품

도 대부분이 생활 가전형 로봇에 한정되어 있을 뿐 의료용 로봇분야는 아직 미

개척지로 남아 있다 하지만 국내에서도 의료용 로봇 개발을 수행하기 위해 대

학이나 연구소 차원에서 의료용 로봇에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다 먼

저 한국과학기술원이 8 년 전 설치한 휴먼 웰페어 로보틱 서저리 센터가 대표

적인 연구기관이다 이 연구소에서는 거동이 불편한 환자들을 위한 휠체어의 자

동화 시스템이나 복강경 수술 로봇 등 로봇 수술용 기구의 국산화에 초점을 맞

춰 진행 중이다 또한 최근에는 국립암센터 역시 산업자원부로부터 수술용 로

봇과 영상시스템을 주제로 한 의료용 로봇 개발자로 선정되어 연구에 들어갔다

비록 국내 의료 및 수술 로봇 관련 기술이 일본 미국 등에 비해 아직까지

뒤쳐져 있는 실정이지만 국내에서도 의료용 로봇 기술 개발이 이처럼 활발히

진행되고 있어서 향후 전망은 매우 밝다고 할 수 있다 또한 해외에서 각광을

받고 있는 캡슐형 내시경 연구 역시 국내에서 벌써 10 년째 계속 되고 있다 최

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근 한국과학기술연구원과 벤처기업인 인트로메딕이 개발한 세계 최소형 캡슐형

내시경인 미로캠 (MiroCam)은 2010 년까지 국내 캡슐형 내시경 시장의 80를

점유할 것으로 예상하고 있다 이러한 국산 의료용 로봇 개발을 통해 고부가가

치 시장인 세계 의료 시장에 뛰어들 수 있는 기반을 다졌다는 데에 큰 의미가

있다

전문 서비스용 로봇의 경우 제조업 로봇 관련 풍부한 경험을 바탕으로 전문

서비스용 로봇으로의 기술확대 메카트로닉스 (mechatronics) 관련 다양한 산업기

반과 세계적인 IT 인프라 보유국의 강점을 살리고 있다 또한 한국은 10 대 성

장동력간 연계 등을 통한 시너지 효과와 세계 전문서비스 로봇 시장이 초기형

성 단계임을 감안한다면 이 분야의 진출에 대한 절호의 기회이며 머지않아 의

료용 로봇 강국으로 진입할 수 있을 것으로 기대된다

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제 3 장 능동 그리퍼

31 최소침습 수술 햅틱 장치 구현에 필요한 능동 그리퍼 제안

21 세기 로봇 기술 분야에서는 인간과 기계 시스템 간의 커뮤니케이션이 무

엇보다 중요하게 강조되며 이러한 인간과 기계 시스템의 의사소통은 주로 인간

의 감각 기관을 통해 이루어 진다 일반적으로 인간에게는 보고 듣고 냄새를

맡고 맛을 보고 피부로 느끼는 오감이 있으며 이러한 감각을 시각 청각 후

각 미각 촉각이라고 한다 따라서 이러한 인간의 감각에 정보를 전달하기 위

한 다양한 기계 시스템들이 개발되어 왔다 오감 중에서 현재 인간과 기계 시스

템간의 인터페이스 역할을 하는 표적인 감각으로는 사물을 보는 시각과 소리

를 듣는 청각이 주로 이용되고 있다 이를 위한 시스템들은 이미 상당한 수준으

로 발전해 현재 상용화 되어 활용되고 있다 하지만 이러한 시각과 청각 인터

페이스 만으로는 로봇의 제어에 한계가 있으며 오감 중에서 세 번째 감각인 촉

각에 한 인터페이스가 현재 활발히 연구 개척되고 있다 만약 가상현실에 촉

감 인터페이스가 적용된다면 기존의 시각과 청각에만 의존하던 가상 현실에 촉

감을 전달함으로써 실제 물건을 만지고 느낄 수 있으므로 가상현실을 보다 더

실감나게 할 수 있을 것이다 하지만 인간의 감각 중에서 촉각은 매우 민감한

감각으로 여기에 촉감 정보를 전달하는 인터페이스는 아직 많은 연구를 필요로

하고 있다

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햅틱 (haptic)이란 단어의 사전적인 의미는 ldquoof or relating the sense of touch

tactilerdquo로써 물체를 만질 때 사람이 느낄 수 있는 촉각적 감각으로 피부가 물체

표면에 닿아서 느끼는 촉감 (tactile sensation)과 관절과 근육의 움직임이 방해 될

때 느껴지는 근 감각적인 힘 (kinesthetic force)의 두 가지 힘을 모두 합쳐서 부르

는 말이다 촉감 구현 연구는 물리적 장치를 이용하여 사람이 직접적인 접촉이

없이도 촉각 정보를 전달하는 방법에 관한 전반적인 연구 분야를 일컫는 말로

사람에게 원격지에 있는 물체의 물리적 특성을 전달하는 원격조작 혹은 원격현

장감에 관한 연구로부터 시작되었다 가상 혹은 실제 환경에서 촉감을 구현하기

위한 연구를 포괄적으로 의미하는 용어로 햅틱스 (haptics)라고 한다 주요 연구

분야는 사람이 직접 손에 쥐거나 착용하는 물리적 장치인 햅틱 디바이스 인터

페이스 (haptic interface) 가상 공간상의 물체에 기계적 성질을 부여하여 사실감

이 있는 상호작용을 제공하고자 하는 햅틱 렌더링 (haptic rendering) 사람의 촉

각 인지 특성에 관한 연구 (tactile perception) 등으로 나눌 수 있다 특히 햅틱

인터페이스 (haptic interface)는 햅틱 디바이스 (haptic device)라고도 불리우며 사람

에게 촉감을 전달하는 물리적인 장치를 말하며 더 넓은 의미로 사용하여 가상

의 환경을 촉감 전달을 통해서 느끼게 하는 시스템 전체를 가리키기도 한다 이

러한 햅틱 기술은 다양한 분야에서 활용될 수 있는데 표적인 분야로는 가상

현실 분야 인간-컴퓨터 인터페이스 분야 게임 등 사이버 커뮤니케이션 그리고

원격제어 로봇 등이 있다 특히 원격제어 로봇이 많이 활용되고 있는 의료 분

야에서 햅틱 구현은 매우 시급한 과제이다 현 의 수술은 점점 첨단의 수술 도

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구와 로봇을 이용하여 집도되는 추세이며 최소침습수술 (minimally invasive

surgery MIS)이 그 표적인 예이다 이 수술법은 환부의 구멍에 수술도구와 카

메라를 삽입하여 집도의가 모니터를 보면서 시술함으로써 시술시간이 짧고 환

자의 회복이 빨라서 그 적용 범위가 점차 확 되고 있다 하지만 환자가 얻게

되는 이점에 반해 의사는 개복 수술에서 쉽게 이용하던 기술들을 더 이상 적용

할 수 없게 되어 집도에 있어 큰 어려움을 부담해야만 한다 즉 환자의 내부에

서 손의 움직임과 시야의 제약을 받게 되었고 손으로 환자의 장기나 뼈를 만지

고 상태를 확인할 수 없게 된 것이다 이러한 문제점들을 극복하기 위해 첨단의

의료용 로봇 시스템이 개발되었는데 의사 즉 오퍼레이터가 조작하는 마스터

(master) 로봇과 환자의 환부에서 수술을 진행하는 슬레이브 (slave) 로봇으로 구

분된다 슬레이브 로봇은 크게 수술 시 집도의 팔의 움직임을 구현하는 구동 암

(arm)과 수술도구를 홀딩 할 수 있는 그리퍼로 분류할 수 있다 구동 암의 움직

임은 수술 부위의 위치를 결정하면 별도 큰 움직임 없이 작동시킬 수 있으며

전달 수술 관통 수술이 아닌 경우에는 집도의가 느끼는 힘을 피드백 할 필요가

없다 하지만 그리퍼의 경우는 신체 일부분의 미세한 조직까지 전부 접촉해서

제거하거나 봉합하기 때문에 집도의가 수술 시 느끼는 힘을 구현하여야 보다

정밀한 수술을 수행할 수 있다 따라서 본 연구에서는 햅틱 장치가 적용된 마스

터 로봇과 마스터 로봇에서 형성된 힘을 느낄 수 있으며 원할한 수술을 진행할

수 있는 최소침습수술용 능동 그리퍼를 제안하겠다 Fig 3-1 은 상용 MIS 장치인

다빈치 로봇의 마스터와 슬레이브 그리고 그리퍼를 나타내고 있다

(a) sla

(b

Fig 3-1 da V

Operation Arm

Gripper

- 23 -

ave robot and g

b) master rob

Vinci robot sy

m

gripper

ot

stem for MIS

- 24 -

32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류

산업용 로봇은 그 기능 특성상 필요성에 의해 로봇의 말단부에 그리퍼를 부

착시킨다 이것은 인간의 손에 응되는 것으로서 메커니컬 핸드라고 칭하며 다

루는 상 물체를rdquo파지rdquo해 이동하는 목적으로 사용되는 도구이다

파지동작은 Fig 3-2 와 같이 세분화된다 인간의 손 손가락에는 많은 관절이

있으며 여러가지 작업이 가능하다 일상 생활에서의 붙잡기는 형식을 분류한 것

으로는 슐레징거의 12 형식이 있다 여기서 인간의 손에는 손가락이 있어서 그

것을 유지핸드라고 이름 붙이면 메커니컬 핸드에는 손가락이 없는 구성법이 있

는데 이것을 무지 핸드라고 이름 붙이기로 한다 이 무지 핸드는 기계적 물리적

으로 구조상 무지핸드로 한 것과 공구가 메커니컬 핸드와 일체화됐다고 생각하

는 공구 핸드가 있다 메커니컬 핸드를 분류해 보면 다음과 같다 진공이나 자

기 이용의 흡착 등 물리적 흡척형의 유지는 보통 평면(완만한 곡선도 포함)부를

흡착하는 형태로서 물체의 크기나 중량에 따라 여러 개가 설치되는 경우도 있

다 그러나 물체표면에 만곡부가 있는 경우나 구멍이나 공동이 있는 경우에는

적용할 수 없게 된다 또한 자력을 이용한 경우 철금속 재료를 다루게 되는데

경우에 따라서 매우 효율적이고 신뢰성이 높기는 하지만 물체에 잔류 자력이

남게 되는 문제점이 있다 받기형의 유지는 지지의 동작만을 가지고 있는 형태

이며 이는 전기한 흡착형 보다 적극적이 아니여서 약한 구속을 갖는다 변형하

기 쉬운 물체의 이송등에는 이를 채택한다 매달기형 유지는 중력 방향의 이동

1 자유도를 구속한다 잡기형 파지는 유연성에 의한 변형으로 접촉면적을 크게

하여 집는

상물을 외측

이용하는 등

33 파지형

파지 형

다 본 연구

하여 설명

(1) 두 손

형태이다 현

측에서 파지하

등의 파지방법

형태에 의한

형태로서는

구에서 사용할

명 하겠다

손가락 type

현재 많이 사

하거나 구멍

법이다

한 그리퍼의

상을 바깥에

할 메커니즘은

e

Fig 3-2 Cla

- 25 -

사용하고 있는

속에 손가락

의 분류

에서 파지하

은 바깥에서

assified by the

는 끼우기형

락을 넣은 후

는 것과 안에

파지하는 형

gripper grip ac

파지 형태는

후 벌려서 내

에서 파지하

형태가 유리하

ction

는 핸들링

내측사용면을

는 것이 있

하므로 이에

두 개의

상태를 유지

는 스윙형

안정되게 파

의 리지트한

지해서 개폐

핸드(swingin

파지하는 점에

손가락을 갖

되는 병진형

ng gripper)로

에서 병진형

(a) grinder c

(c

Fig 3-3 Sw

- 26 -

갖춘 것으로

핸드(transla

로 분류된다

보다 떨어진

crank

c) rotation joi

wing-type hand

실용례가 많

ational grippe

스윙형은 기

진다

(b) swing

int

d mechanism

많다 손가락이

er)와 그 방향

기구가 간단하

g block

이 상호평행

향이 변화하

하나 상이

병진형에

4 은 평행링

운동을 바꾸

에 회전시킴

로 유지되기

지된다 직

시키도록 한

가 전middot후진

피니온 방식

F

에서는 평행링

링크 방식의

꾸고 그 피니

킴으로써 손가

기 때문에 손

동형 신에

한 것도 있다

진하는 결점이

식이 채용된다

Fig 3-4 Hand

링크 랙middot피니

예로 직동형

니온 운동으로

가락 개폐를

손가락의 물체

에 회전형 액

다 평행링크를

이 있다 이문

다

mechanism fo

- 27 -

니온 나사이송

형 액추에이

로 평행링크의

얻는다 링크

체 파지면의

추에이터를

를 이용한 형

문제를 해결하

or translational

송 기구 등이

터의 운동을

의 하나의 링

크 PS 와 링

자세도 개폐

이용한 형식

형식은 개폐에

하는 방법으로

type1 (paralle

이 이용되고

랙과 피니온

링크 A 를 축

크 QR 은 항

폐 동작 중 일

식에서 평행링

에 의해서 손

로서 볼나사

el displacement

있다 Fig 3-

온으로 회전

축 P 의 주위

항상 평행으

일정하게 유

링크를 회전

손가락 위치

기구나 랙middot

nt)

Fig 3

는 핸드의

볼나사 기구

다

(2) 세 손

세 손가

가락으로 잡

F

-5 는 회전형

예이다볼나

구 각각을 손

손가락 type

가락을 가진 핸

잡는 것보다

Fig 3-5 Hand

형 액추에터로

나사 기구를 이

손가락에 부착

e

핸드에서는

안정된 파지

d mechanism fo

- 28 -

로 랙 피니온

이용하는 경

착 사라를 회

상을 3 점

지 동작을 할

or translational

온을 회전시킴

우에는 1

회전시킴으로

점에서 유지할

할 수 있다

l type2 (rack a

킴으로써 개폐

의 왼나사

써 개폐 동작

할수 있기 때

nd pinion type

폐동작을 하

오른나사의

작을 실현한

문에 두 손

e)

Fig 3-6

베벨기어를

구동해서 세

실현한 것

각 손가락을

복잡하며 중

6 은 세 손가

를 매개로 상

세 손가락을

이다 특히

을 개별 모터

중량도 증가하

Fig

락형 그리퍼

호 각도를 주

동작시킴으로

원통물체를

터로 구동하도

하기 때문에

3-6 Hand mec

- 29 -

의 일반적인

주어 결합한

로써 이른바

확실히 잡아

도록 한 3 지

실용례가 적

chanism for thr

인 형상을 나타

3 개의 볼

바 3 포인트 핀

아서 유지하

지형핸드도 개

적다

ree point pinch

타내고 있다

나사를 하나

핀치(three po

는데 유리하

개발되고 있으

h type

이 핸드는

나의 모터로

oint pinch)를

하다그 외에

으나기구가

34 메카니

(1) 구속

기계적

어서 형성되

전 구속 기

해서 언급하

으로 움직일

또 X Y 평

니컬 핸드의

속기능

구동장치에

되는 것으로

기능이 있다

하면 구속 상

일 수 있다

평면 X Y 면

의 구속기능

서 구속 형식

크게 나누어

그래서 핸드

상태의 물체는

이것을 물체

X Z 면상에

Fig 3-

- 30 -

능

식과 접촉 상

어서 반구속

드의 구속 기

는 Fig 3-7 와

체의 공전 (이

서 6 방향으

-7 Movement

상태와 포락

속 (받는 구속

기능을 결정하

와 같이 X Y

이동)에 관한

로 회전 한다

t of object

능력의 인자

속 는 구속

하는 물체의

Z 의 3 축상

6 동작 자유

다 이것을 물

자가 복합되

속)기능과 완

구속에

에서 6 방향

유도로 한다

물체의 자전

(회전)에 관

부여한 상태

행할 수 있

서는 회전의

핸드에

한 공간적

면 Fig 3-8

이 그림

를 구속한다

에서 7 자유

선접촉과 면

계수와 절선

(a

관한 6 동작

태에서 움직이

있다 또 완전

의 6 자유도를

의한 물체의

적인 포락 상

와 같이 된

(a)의 점접촉

다 그러나 1

유도를 구속

면접촉에는 각

선력법선력

a) point contac

Fig3

자유도로 한

이며 중력이

전 구속은 핸

를 무시하는

의 구속은 핸

상태로 정한다

다

촉은 접촉점

1 점접촉은 다

한다 (c)의

각각 마찰에

비와의 관계

ct (b

3-8 Contacts

- 31 -

한다 반구속은

이나 환경면의

드 자체로 1

경우도 적지

핸드와 물체의

다 먼저 접촉

방향의 1 자

다른 11 자유

면접촉은 11

위한 구속이

계로 구속불능

) line contact

of the kind an

은 12 자유도

의 구속을 받

12 자유도를

지 않다

의 접촉 상태

촉부의 구속

자유도를 구속

도를 구속할

1 자유도의 구

이 4 개와 6 개

능의 가능성을

nd the confini

도 중 몇 개의

아서 완전 구

행하는데 경

태 및 접촉부

능력을 모델

속한다 그러나

할 수 없다 (b

구속을 할 수

개 주어져 있

을 가진 구속

(c) surface co

ing

의 자유도를

구속으로 이

경우에 따라

부의 물체에

델로 나타내

나 1 자유도

b)는 선접촉

수 있다 단

있으며 마찰

속 성분이기

ontact

- 32 -

도 하다 또한 면접촉의 상태는 중력의 작용을 이용하면 받기를 형성하고 또

외계력을 이용하면 기를 형성한다

이들의 접촉상태는 물체의 형상과 핸드의 구속면으로 규정되는 것으로 핸드

만으로 결정하기는 어렵다 단 핸드의 구속면을 부드러운 재질로 형성하면 면

접촉의 이행이 용이하다 이와 같은 이유에서 물체에 접촉부가 포락도를 높이는

데에 따라서 물체 형상에 관계 없이 구속 능력을 증 시킬 수 있다

(2) 메커니컬 핸드의 자유도

로봇의 손은 그 용도를 불문하고 인간의 손 작업의 행을 목적으로 하는

것이므로 그 설계에 있어서 모델로 되는 것은 말할 것 도 없이 인간의 손이다

그래서 우선 기구에 하여 설명하기 전에 인간의 손의 구조 모델에 하여 설

명해 본다

AmiddotMorecki 에 의하면 인간의 상체는 그 해부학적 구조에 입각하면 Fig 3-9 와

같이 모델화할 수 있다 Fig 3-9 에서 숫자는 각각 골격 즉 링크를 나타내고 숫

자 II~ V 는 관절을 나타내고 있다 이와 같은 공간링크 기구의 자유도 F 는 가

동부수 n 자유도의 종류 f 를 가진 우 수를 Pf 라 하면 다음 식으로 나타낼

수 있다

6n sum ∙ P 12345 (3-1)

Fig 3-9

들 자유도가

을 Fig 3-9

P5=10 이므

인간의

유도 1 의

해 있으며

의 모델에서

가 있는 관절

9 와 같이 정

므로 위 식에

상지를 인공

액튜에이터를

22 개나 되

Fig 3

서는 n=19 P2

절에 작용하는

정의하고 그

서 FH=22 가

공적으로 정밀

를 27 필요

는 액튜에이

- 33 -

3-9 Human Ar

2=1 P3=2 P4

는 근군은 약

자유도 FH

가 된다

밀하게 재현하

요로 하게 된

터를 필요로

rm structure

4=6 P5=11 이

약 50 이라고

를 구하면

하려고 한다면

된다 또 손에

로 한다 그러

이므로 F=27

고 되어 있다

이 경우는 n

면 이상의 결

는 특히 자유

나 로봇의 손

이 된다 이

여기서 손

n=16 P4=6

결론에서 자

유도가 집중

손이 이만큼

- 34 -

의 수의 액튜에이터를 갖춘 것을 제작한다는 것은 크기 중량 제어면에서 볼

때 현시점에서는 불가능에 가깝다 특히 의수에 있어서는 상술한 바와 같은 형

상이나 조종성 등의 점에서 전혀 불가능하다고 해도 좋다 따라서 보통은 기능

에 주목하여 손에 집중해 있는 자유도의 간략화를 도모한다

인간의 잡기 동작에 주목해 보면 그 잡기 형상에는 12 종류가 있다고 하다

그러나 이것들은 엄지와 다른 12 종류가 있다고 한다 그러나 이것들은 엄지와

다른 4 손가락과의 관계에 주목하였을 때에 2 종류 즉 엄지가 다른 4 손가락과

항해서 동작하거나 그 측방에서 동작하는가로 분류할 수 있다 실제의 일상

동작에서 관찰하면 이들 중에서도 엄지와 손가락이 항해서 동작하는 소위 쥠

동작이 우선 첫 번째이고 또 다음에 엄지 검지 중지의 3 손가락의 선단으로

이루어지는 3Point Pinch 즉 잡기동작이 중요하다

더불어 손가락의 독립성에 해서는 역시 일상동작 중에서 손가락의 사용

빈도를 조사한 결과에 의하면 다섯 손가락은 반드시 독립적인 운동을 필요로

하지 않고 엄지 검지 중지가 같은 정도의 중요성을 자기며 다른 두 손가락은

사용 빈도에 있어서 이들 세 손가락보다 약 50 적으며 다른 세 손가락의 보

조 역할을 한다고 볼 수 있다 그리고 특히 중요한 것은 인간의 각 손가락은 잡

기 상물의 형상에 적응한 쥐기 즉 Passive 한 동작을 할 수 있다는 것이다 이

기능이 있다면 각 손가락이 독립적으로 동작하지 않더라도 또 다소 손의 자유

도를 제거하더라도 상물의 확실한 쥐기나 잡기 그리고 기타 손 작업에 큰 힘

을 발휘한다

- 35 -

34 표적인 동력원의 특징

동력원을 설계할 때 다음의 점을 고려하면서 가장 적합한 방식을 선택한다

1조작력(로보트가 내는 최 의 힘 예를들면 최 들어올린 힘)

2속응성(최 조작 속도)

3크기 중량(로보트의 크기와 중량의 제한)

4안정성(발열이나 과부하에 한 안전성)

5사용의 용이도

6수명가격

1 2 의 조작력 속응력은 로보트에 요구되는 성능에서 가장 기본적인 것인

데 이에 관련해서 크기나 중량의 제한 안정성 사용의 용이도 수명 가격 등을

고려해서 동력원을 선택한다 단 자주형 로보트에서는 2 차적 성능인 동력원의

중량이 첫째 요구 조건이 되는 경우가 많고 공업용 로보트에서는 저가격 사용

의 용이도 안전성이 중요 사항으로 우선시된다

모든 로봇은 동력원을 필요로한다 중요도에 따라 동력원을 선택해야 하는데

일반적으로 공기압식은 안전성이 뛰어난 반면 힘과 세밀한 위치제어가 어렵고

전기식은 응답성과 사용편리성 세밀한 위치제어가 가능하나 높은 힘을 내기 위

해서는 부가적인 기구부가 필요하다 유압식은 큰힘을 낼수있어서 속응성은 좋

으나 과부하시 상당한 발열이 있기 때문에 안전성에서 다른 동력원에 비해 떨

어진다 위 사항을 TABLE 3-1 로 분류하여 나타내었다

- 36 -

TABLE 3-1 Characteristics of power sources

전기식 유압식 공압식

사용용이성 편리하다 작동유의관리 관로의압력

필터관리에 유의

공급공기의 수분제거

윤활성의부가에 주의

수명 길다 기름에 윤활성이 있기

때문에 길다

공기에윤활성이 없어

유압 전기에 비해 짧다

가격 보통 가격 운영비 높음 저가격

응답속도

(반응성) 매우 빠르다 빠르다 늦다

하중능력 (소)에서 (중)정도의

하중능력 단히 큰 힘을 얻음 큰 힘은 없다

소음 적다 다소 크다 크다

- 37 -

제 4 장 능동형 그리퍼 설계

41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정

로봇 그리퍼의 정밀 파지 (Fingertip Grasp 손가락 끝을 이용하여 물체를 집

거나 바닥에누워있는 납작한 물체를 집는 행동)를 안정하게 하기 위해서는 손가

락 끝과 물체가 직각에 가까운 각도를 이룸으로 마찰력을 크게 하여 안정성을

높인다 또한 바닥에 놓인 물체를 집어 올릴 경우에도 물체표면의 법선 벡터와

손가락 끝의 각도가 클수록 물체를 효과적으로 구속하여 안정된 파지를 할 수

있다

그리퍼의 링크 시스템에 있어서 2 링크 손가락보다 3 링크 손가락을 쓸 때가

링크와 수평 평면이 이루는 각 (A)이 더 커지기 때문에 안정성이 더 좋다는 것

을 알 수 있다 그리고 안정성뿐만 아니라 식 (4-1)을 통하여 문체에 전해지는

Torque 값을 Fig 4-2 와 같이 그래프로 나타내면 0 도에서 75 도 정도까지는 A 각

이 커질수록 물체에 가해지는 토크 값이 점점 커지는 것을 알 수 있음으로 3 링

크 손가락을 쓰는 것이 파지력 증가됨을 알수 있다 ℓ3 의 길이가 길어질수록 A

가 작은 값을 가져서 정밀파지에 적당하지 않다

τ l cosA sinA l 1 cos A tan μ (41)

A cosempty

(42)

Fig 4-1

은 식을 통

각이 커짐을

움이 있고

Fig4-

에서 제 2 코

통해 구할 수

을 알 수 있다

최소 단위를

Fig4

-1 Configurati

코사인 법칙

있는데 이로

다 그러나 ℓ

를 1cm 로 하

-2 Change the

- 38 -

ion of the fing

을 이용하여

로부터 링크

ℓ3 가 1cm 인

하였기 때문에

e value of the a

gers on robot g

여 A 의 각을

길이 ℓ3 가

인 경우는 너

에 ℓ3 는 2cm

angle of phage

gripper

구하기 위해

작으면 작을

무 짧아서 파

로 결정하였

torque

해 (2) 와 같

을수록 A 의

파지의 어려

였다

42 모터

(1) 알고

앞 절에

여야 한다

는 모터의

이 작은 모

나 용량이

로 적절한

선정 알고

고리즘 정의

에서 설명한 기

로봇 팔에

선정은 동작

모터를 사용하

큰 모터를 사

모터의 선정

고리즘

기구들을 추

움직임을 전

작을 구현하는

하게 되면 기

사용하게 되

정이 중요하다

Fig 4-3 M

- 39 -

추후 로봇 시스

전달함에 있어

는데 중요한

기구의 원활한

면 모터의 외

다

Motor Selectio

스템에 적용을

어서 동력을

과제가 되겠

한 작동이 어

외형이 커지

on Algorithm

을 고려하여

공급과 제어

겠다 만일 토

려워지고 단

고 가격 또한

설계를 하

어를 수행하

토크나 용량

단순히 토크

한 증가하므

- 40 -

(2) 알고리즘 수행

모터를 선정하기 위해서 가장 우선적으로 해야 할 일은 기계구동부분을 결

정하고 구동부분을 어떠한 방식으로 작동을 시킬지 동작 패턴을 결정하여야 한

다 예를 들면 모터에서 나오는 힘을 받아서 볼 스크류를 이용하여 힘을 전달할

것인지 벨트 피니언 기어 혹은 풀리 등을 이용할 것인지를 결정하고 그에 따

른 적절한 구동방식을 결정한다 구동방식을 결정하게 되면 각각의 구동방식에

적합한 수식을 대입하여 부하토크를 계산한다 구동방식에 따른 부하토크를 구

하는 수식은 구동방식이나 구동장소 등에 따라 다소 상이하나 일반적인 수식은

다음과 같다

-BALL SCREW 구동

T FP2πn

μ F P2π

1i N ∙ m 43

F F mg sin α μ cos α N 44

-PULLEY 구동

T ∙ 45

μF D

2i N ∙ m

- 41 -

-WIRE middot BELT 구동 RACK middot PINION 구동

T F2πn

∙ πDi

FD2ni

N ∙ m 46

F F mg sin α μ cos s N 47

-실측에 의한 방법

T 48

직선운동 (커플링 직결 볼스크류 등)의 경우 위의 (43) (44) 이용하여 구할

수 있다 이때 F 는 축방향하중 F0 는 예압하중 μ0는 예압 NUT 의 마찰계수 η 은

효율i 는 감속비 PB 는볼스크류 피치를 나타낸다 회전운동 (풀리)의 경우 식

(45)를 이용하여 구할 수 있으며 FA는 외력 FB는 부하중량 (주축이 회전하기 시

작할 때의 힘) m 은 work 와 TABLE 의 총무계 μ 접동면의 마찰계수α는 경사각

도D 는 풀리의 지름을 나타낸다

실제현장에서는 선정된 모터의 토크를 확인하기 위해 실측에 의한 구동토크

를 계측하는데 스프링 저울을 구동 풀리에 연결지어 측정한다 이때 TL 은 회전

운동 부하토크에 해당하고 FB 는 부하중량 D 는 풀리의 직경을 나타낸다

위의 부하토크를 구하는 식들을 이용하여 부하토크를 구하게 되면 실제 모

터를 사용할 때 어느 정도의 시간적 여유를 두고 가속을 할 것인지 감속을 할

것인지를 결정하여야 한다 이를 위해서 우선 동작시킬 부분에 대한 관성모멘트

를 계산하

Fig 4-4

시한 것으로

dA 와 기준

이를 표현하

하여야 한다

4 는 관성모멘

로 X 와 Y

준축으로 부터

하면 식 (49)

Fig 4-4 Arb

I

멘트를 구하기

는 면적의 미

터의 거리의

)와 같다

- 42 -

bitrary shape o

y dA I

기 위한 절대

미소 요소 dA

제곱의 곱으

of planar area

x dA

대좌표 X Y

A 의 좌표이

으로 단면 2

축 상의 미소

이고 관성모멘

차 모멘트라

49

소면적을 도

멘트는 요소

라고도 한다

평면 면

가 있다 평

축에 대한

Fig 4-5

하는 평행한

관성모멘

식 (410

번째 적분은

면적의 관성

평행축 정리란

관성 모멘트

5 과 같이 도

한 xy 축 두

멘트의 정의로

I y

0) 에서 우변

은 Xc 축에

Fig 4-5

모멘트에 있

란 도심축에

트 사이의 관

도심을 원점으

좌표계의 평

로부터 x 축

y d dA

변의 첫 번째

대한 1 차 모

- 43 -

5 Parallel-axis

있어서 중요하

대한 관성

계를 나타낸

으로 하는 Xc

평행한 축 간

축에 대한 관

y dA

적분은 Xc

모멘트로서 X

theorem

하고 유용한

모멘트와 도

낸다

cYc 축과 임의

간의 거리를 d

성모멘트 Ix

2d y dA

축에 대한 관

Xc 축이 도심

정리로서 평

도심축에 평행

의의 점 O 를

d1 과 d2 로 표

는 식(410)와

d dA

관성모멘트

심을 통과하므

평행축 정리

행한 임의의

를 원점으로

표시한다

와 같다

410

I 이다 두

므로 적분의

- 44 -

값은 0 이다 세번째 적분은 면적 A 그 자체이다 따라서 식 (410)은 식 (411)과

같이 간단해진다

I I Ad 411

y 축에 대한 관성모멘트도 위와 같은 방법에 의해 식(412)과 같다

I I Ad 412

또한 면적의 평면에 수직인 수직축에 대한 관성모멘트를 극관성모멘트라 한

다 Fig 4-6 는 평면에 수직이고 O 점을 통과하는 축에 대한 극관성모멘트를 나

타낸 그림으로 이를 관성모멘트 식으로 표현하면 식 (413) 와 같다

I ρ dA 413

식 (413)와

즉 평면에

서로 수직인

극 관성

와 도심 C

와 식 (414)에

I

수직인 축에

인 두 축에 대

성모멘트에 대

에 대한 극

Fig 4-6 Arb

의해 식 (4

ρ dA

I

에 대한 극관

대한 관성모

대한 평행축

극 관성모멘트

- 45 -

bitrary shape o

ρ x y

415) 식 (41

x y dA

I I I

관성모멘트는

멘트의 합과

정리는 Fig

트를 각각 I

of Polar Area

y

16)과 같은 관

x dA y

는 평면 내의

과 같다

4-5 에서 유

와 I 로

관계식을 얻을

y dA

같은 지점을

유도할 수 있

로 표시하면

414

을 수 있다

415

416

을 통과하는

있다 원점 O

식 (416)에

- 46 -

서 식(417)을 유도할 수 있다

I I I I I I 417

I I I I A d d 418

I I Ad 419

식 (419)는 극 관성모멘트에 대한 평행축 정리를 나타낸다 즉 평면 내의 임의

의 한 점 O 에 대한 면적의 극관성모멘트는 도심 C 에 대한 극관성모멘트에 그

면적과 점 O 와 C 사이의 거리의 제곱의 곱을 더한 것과 같다

이상의 식에서 부하토크와 관성모멘트를 계산하여 모터를 가 선정한다 부하토

크의 경우 사용될 모터의 정격 토크를 넘어서지 않는 것을 선정한다 부하토크

를 TL 정상 부하 상태의 힘 PL 극 관성모멘트 IL 회전운동을 위한 힘 Pa 각속

도 가속 시 소요되는 시간을 ta 라 하고 식 (420)을 이용하여 부하가 일정하

게 작용할 때의 힘을 계산한다 마찬가지로 관성모멘트를 식 (421)에 대입하여

가속을 위한 회전 운동 시 필요한 힘을 계산한다 식 (420)과 식 (421)에서 계

산된 힘을 합산하면 모터를 회전시키기 위해 필요한 출력이 계산된다 이때 계

산된 출력보다 실제 사용할 모터의 정격 출력이 1~2 배 정도가 되도록 모터를

가 선정한다

- 47 -

P T ω 420

P 421

위의 과정을 통하여 모터를 가선정하고 가감속 토크 및 구동 토크를 계산한

다 각각의 토크를 계산하게 되면 모터를 최종적으로 선정하게 되는데 두 가지

사항을 고려하여 최종 선정한다 먼저 식 (422)을 통해서 계산되는 가속 시 소

요되는 기동 토크 TM 가 모터의 최대 토크를 넘지 않는 것으로 선정한다

T 422

두 번째로 Fig 4-7 의 속도 선도와 같이 모터의 가 감속 시간과 정상 동작

시간 등을 결정하여 식 (423)과 같이 실효치 토크 TS 를 구하고 실효 토크가 모

터의 정격 토크보다 크지 않도록 선정한다

T 423

Fig 4-7 Exa

- 48 -

ample of veloc

city guidance

- 49 -

(3) 알고리즘 적용

로봇시스템에 있어서 기구들의 관성모멘트와 토크 계산 후 적합한 모터를

선정하기 위해 시중에서 시판되는 모터를 조사하였다 로봇에 적용 가능한 모터

로는 크게 서버모터와 스텝모터 RC 서버모터 DC 모터로 구분 할 수 있었다 이

를 TABLE 4-1 과 같이 정리하였다

동력원의 6 가지 선정요소 중 우선순위를 부여하여 분류했을 때 핸드 그리퍼

의 특성상 가볍고 토크가 큰 RC 서버 모터 미니 서버모터를 선택할 수 도 있지

만 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터 중 토크를 증가시킬 수 있는

감속기가 있는 타입의 모터를 우선시 하였다

1 감속비를 사양할 수 있는 모터를 선정하여 계산한 토크를 확인한다

2 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터를 선정한다

3 CLOSED LOOP 제어를 통하여 정확한 위치를 검출할 수 있어야 한다

따라서 스텝모터중 lsquoOrsquo사의 ldquoαSTEPrdquo가 적합하다고 판단되어 모터를 선정하였다

- 50 -

TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics

미니서버모터 RC 서버모터 스텝모터 DC 모터

장점 동일사양대비 모터

중 10배정도 큰 토크

5v사용가벼움

정확한 위치제어

급격한 부하변동급가

속 유리

저렴한가격

보편화됨

단점 정지시 진동이 예상 약한 토크 THRUST하중이 모터

무계 이하여야 한다

유지보수가 잦다

크기 151588mm(10w20w)

2525111mm(30w)

392038mm 424234mm Oslash37mm917mm

동작전압 Dc 24V Dc 48V60V Dc 24V Dc 24V

무계 230g~400g 56g 150g 200g

허용토크 009Nm~03Nm 11~13kgfcm 18kgfcm (018Nm) 47kgfcm(1200)

감속기 다양한 감속비 가능 고정 감속기 감속기 무(072˚036) 다양한 감속비

제조사 야스카와 SGMM 하이텍 HS-5945 AUTONICS GCM 3429A

TABLE 4-2 αstep motor characteristics

외형 전압 전류 무계 토크 감속비 분해능

αSTEP 282884mm

4242127mm Dc24V 1~37A 250G 2~28 Nmiddotm 50~1001

00072pluse

00036pluse

- 51 -

43 1 차 능동형 그리퍼 설계

실린더를 사용하여 링크로 물체를 파지하던 그리퍼는 Fig 4-8 과 Fig 4-9 에

묘사하였다 이런 실린더를 사용한 그리퍼는 공압 효과를 도출할 수 있는 별도

의 펌프가 필요하고 동작을 구현할 수 있는 자유도를 증가시키는데 한계가 있

다 이런 실린더의 단점을 보완하고 전기모터의 장점을 사용하기 위해 웜기어와

웜휠 방식을 채택하여 2 자유도 능동형 그리퍼를 설계하였다

1 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-10 에 묘사하였으며 1 차설계한

능동형 그리퍼는 Two Fingertip Grasp 로 칭하겠다 파지한 물체를 회전 시키는

기능은 베벨기어를 사용하여 회전운동으로 구현하였고 실린더의 전middot후진 운동

을 전기모터의 회전운동으로 변환 시키기 위하여 웜기어와 웜휨을 선택하였다

전기모터에 의해 회전하는 운동은 웜기어와 웜휠에 의해 링크를 사용하여 물체

를 파지하였던 그리퍼와 동일한 운동효과를 가지게 되었다

웜기어와 웜휠을 사용하여 물체를 파지하는 능동형 그리퍼는 스윙형으로 설

계되었으며 파지력을 높이기 위한 각도를 적용하였다 링크를 사용하여 물체를

파지하는 형태의 그리퍼보다 기구의 크기를 줄일 수 있는 장점이 있는 반면 기

어들의 백래시에 의한 오차가 끝단에 누적될 수 있는 문제점을 가지고 있다또

한 기구부의 소재 변경으로 그리퍼의 무계를 줄일 수 도 있지만 가장 큰 무계

를 차지하는 모터를 그리퍼 자체에서 분리하게 할 수 있게 하려면 그리퍼 자체

의 구조변경이 필요하다

`

`

Fig 4-8 Par

Fig 4-9 Par

- 52 -

rallel-link gra

rallel-link gra

sps system 1

sps system 2

Fig 4-10

- 53 -

0 Two fingertipps grasp system

- 54 -

44 2 차 능동형 그리퍼 설계

1 차 설계한 능동형 그리퍼에서 발견된 문제점을 보안하기 위하여 2 차 능동

형 그리퍼를 설계하였다 2 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-11 에 묘사

하였으며 2 차설계한 능동형 그리퍼는 Four Fingertip Grasp 로 칭하겠다 이 장치

는 크게 동력원 동력 전달장치 핑거 그립장치로 구성되어있으며 이를 통합하

여 Fig 4-12 에 나타내었다

핑거 그립장치는 스윙형 그립의 단점을 보완하여 설계하였다 물체를 파지할

때 그립의 회전 반경이 주위 환경요소와 간섭을 발생시킬 수 있는데핑거가 전

진할때 샤프트와 핑거그립간의 나사결합형태를 통한 직선운동으로 개선하여 주

위환경요소에 영향을 주지 않도록 설계하였다 구동축의 핑거파지 메카니즘을

Fig 4-13 와 같이 간략화 하였고 이에 대한 세부 도면은 Fig 4-14 로 나타내었다

4 조 핑거 그립의 나사산과 테이퍼진 스크류축은 나사식으로 결합되며 상호

작용에 의해 점차 중심점으로 이동하여 물체를 파지하는 형태이다 사용된 2 개

의 샤프트는 중공축으로 설계하였으며 외부 샤프트는 4 조 핑거가 물체를 파지

하여 비트는 모션을 구현하는데 사용되었다 내부 샤프트는 핑거를 중심점으로

전진시켜는 기능을 수행한다 중공축으로 설계한 내부 샤프트는 차후 개발될 인

스트리먼트의 탈부착을 손쉽게 할수있도록 구현하였고 4 조로 설계된 핑거는 그

립시 인스트리먼트의 응력집중현상을 분산시키는 기능과 2 조로 그립하였을때

보다 안정적인 그립감을 형성한다

- 55 -

동력원과 동력전달장치는 Fig 4-15 에 나타내었으며 Two Fingertip Grasp system

의 문제점이었던 구동부의 모터의 설치 방법을 외부에 부착하는 형태로 변경하

여 우레탄 밸트를 사용하였다 또한 아이들러를 사용하여 밸트의 방향을 변경

하여 모터의 부착위치를 자유롭게 설정할 수 있도록 하였고 모터 브라켓에 슬

리브 홈을 설치하여 벨트의 장력을 조절할 수 있도록 하였다

Fig4-11

Fig4-12 Fou

- 56 -

Four fingertip

ur fingertips g

ps grasp system

grasp system la

m

ayout

Fig 4-13

Fig 4-14

- 57 -

Fingertip gra

4 Fingertip gr

asps mechanis

rasps extended

m

d

Fig 4-15

- 58 -

5 Power transmission devicce

- 59 -

제 5장 결 론

본 연구에서는 MIS 수술 로봇을 위한 햅틱 마스터장치 구동용 능동형 그리

퍼를 설계하기 위하여 그에 상응하는 자료 및 문헌 조사를 수행하였고 햅틱 마

스터에 적용 가능한 능동형 그리퍼를 설계하여 로봇 시스템의 초안을 구성하였

다 수술용 도구를 단순히 잡아주는 역할에서 벗어나 시스템에 추가적인 자유도

를 부여함으로써 그리퍼를 표현하였다 단순화된 그리퍼는 보다 저렴한 가격으

로 생산될 수 있으며 기존 로봇 수술시스템의 높은 비용을 절감할 수 있는 효

과를 가져올 수 있다

최종적으로 제안한 설계 안으로는 2 조 핑거그립를 사용하는 전기모터형 그

리퍼 와 추가적으로 개선한 4 조 전기모터형 핑거그립를 설계였다 스윙형 그립

의 단점을 보안하여 집중응력을 분산할 수 있는 구조로 설계하였고 그리퍼의

무계를 줄일 수 있는 방법을 제시하였다 이로써 원통형 도구 파지 시 안정성이

향상되었고 보다 원활하게 수술 도구를 교체 가능하도록 하였다

앞으로 촉감을 전달할 수 있는 센서의 개발로 햅틱 디바이스 인터페이스 장

치의 활용에 보다 높은 기여를 할 것이라 예상된다

-６０-

참고 문헌

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정보 및 제어부분 PP68~7020084

[2] 박정호 ldquo국내외 의료로봇 현황과 발전방향rdquo정보과학지 26(4)

PP49~5420084

[3] 편집부 ldquo수술지원로봇의 최신 기술 동향rdquo월간 자동화 기술 22(12)

PP74~77200612

[4] 경기욱박준석 ldquo햅틱스 기술개발 동향 및 연구전망rdquo전자통신경향분석

21(5)PP93~108200610

[5] 권동수경기욱 ldquo의료용 로봇의 연구 현황과 전망rdquo기계저널

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[6] Yoichi OGAHARA Yusuke KAWATO Kenjiro TAKEMURA Takashi MAENO

ldquoA Wire-Driven Miniature Five Fingerd Robot Hand using Elastic Elements as

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[7] Ikuo Yamano Takashi Maeno ldquoFive-fingered Robot Hand using Ultrasonic Motors

and Elastic Elementsrdquoproceedings the 2005 IEEE International Conference on

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[8] 홍만복김광기 ldquo최소 침습수술로봇을위한 2-자유도 구형 메커니즘설계rdquo

한국정밀공학회 2009년 추계학술대회 논문집

-６１-

[9] 이재훈김형욱이병주서일홍 ldquo새로운 6자유도 병렬형 햅틱 기구의 최적설

계 및 해석rdquo한국정밀공학회 2003년 추계학술대회 논문집

[10] 조국훈이재훈이병주김희국 ldquo병렬형 그리퍼 메카니즘rdquo한국정밀공학회지

[11] 김갑순 ldquo3축 힘센서를 이용한 지능형 그리퍼 개발rdquo한국정밀공학회지 제

24권 제 3호 1999년

[12] 고대성김성목김희국이병주 ldquo병진형 자유도와 1자유도 파지기능을 가지는

4자유도 병렬 메커니즘의 기구학분석rdquo한국정밀공학회 2007년 추계학술대회

• 제1장 서 론
• • 11 연구배경 및 연구목적
  • 12 연구내용
  • • 제2장 로봇 산업의 기술 현황
    • • 21 로봇산업의 동향
      • 22 의료용 로봇기술 현황
      • 23 의료용 로봇시장 전망
      • • 제3장 능동 그리퍼
        • • 31 최소침습 수술 햅틱 장치구현에 필요한 능동 그리퍼 제안
          • 32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류
          • 33 파지형태에 의한 그리퍼의 분류
          • 34 메카니컬 핸드의 구속기능
          • 35 대표적인 동력원의 특징
          • • 제4장 능동형 그리퍼 설계
            • • 41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정
              • 42 모터 선정 알고리즘
              • • 43 1 차 능동형 그리퍼 설계
                • 44 2 차 능동형 그리퍼 설계
                • • 제 5 장 결론
                  • 참고문헌
                  • TABLE 2-1 Domestic robot classification
                  • TABLE 2-2 Robot Production Company
                  • TABLE 3-1 Characteristics of power sources
                  • TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics
                  • TABLE 4-2 αSTEP Motor Characteristics
                  • Fig2-1 Phase of medical robots in the robot industry
                  • Fig2-2 Da Vinci surgical case number
                  • Fig3-1 Da Vinci robot system for MIS
                  • Fig3-2 Classified by the gripper grip action
                  • Fig3-3 Swing-type hand mechanism
                  • Fig3-4 Hand mechanism for translational type1 (parallel displacement)
                  • Fig3-5 Hand mechanism for translational type2 (Rack and pinion type)
                  • Fig3-6 Hand mechanism for three point pinch type
                  • Fig3-7 Movement of object
                  • Fig3-8 Contacts of the kind and the confining
                  • Fig3-9 Human Arm structure
                  • Fig4-1 Configuration of the fingers on robot gripper
                  • Fig4-2 Change the value of the angle of phage torque
                  • Fig4-3 Motor Selection Algorithm
                  • Fig4-4 Arbitrary Shape of Planar Area
                  • Fig4-5 Parallel-Axis Theorem
                  • Fig4-6 Arbitrary Shape of Polar Area
                  • Fig4-7 Example of Velocity Guidance
                  • Fig4-8 Parallel-link Grasp system 1
                  • Fig4-9 Parallel-link Grasp system 2
                  • Fig4-10 TWO Fingertip Grasp system
                  • Fig4-11 Four Fingertip Grasp System
                  • Fig4-12 Four Fingertip Grasp System layout
                  • Fig4-13 Fingertip Grasp Mechanism
                  • Fig4-14 Fingertip Grasp extended
                  • Fig4-15 Power Transmission Device

-iv-

MT Starting torque

ST RMS Torque

F Axial load[ N ]

0F Preload [ N ] ( ≒13F )

0 Coefficient of internal friction of the nut( 01~03 )

i Equipment ratio

Bp BALL SCREW PITCH [ mrev ]

AF External force [ N ]

m total weight of the WORK and TABLE[kg]

the friction surface coefficient of friction ( 005 )

the angle of gradient [˚ ]

g gravitational acceleration [ m ] ( 9807 )

-v-

List of Tables and Figures

TABLE 2-1 Domestic robot classification 5

TABLE 2-2 Robot Production Company 8

TABLE 3-1 Characteristics of power sources 36

TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics 50

TABLE 4-2 αSTEP Motor Characteristics 50

Fig2-1 Phase of medical robots in the robot industry 6

Fig2-2 Da Vinci surgical case number 13

Fig3-1 Da Vinci robot system for MIS 23

Fig3-2 Classified by the gripper grip action 25

Fig3-3 Swing-type hand mechanism 26

Fig3-4 Hand mechanism for translational type1 (parallel displacement)

27

Fig3-5 Hand mechanism for translational type2 (Rack and pinion type)

28

Fig3-6 Hand mechanism for three point pinch type 29

Fig3-7 Movement of object 30

Fig3-8 Contacts of the kind and the confining 31

Fig3-9 Human Arm structure 33

Fig4-1 Configuration of the fingers on robot gripper 38

Fig4-2 Change the value of the angle of phage torque 38

Fig4-3 Motor Selection Algorithm 39

Fig4-4 Arbitrary Shape of Planar Area 42

-vi-

Fig4-5 Parallel-Axis Theorem 43

Fig4-6 Arbitrary Shape of Polar Area 45

Fig4-7 Example of Velocity Guidance 48

Fig4-8 Parallel-link Grasp system 1 52

Fig4-9 Parallel-link Grasp system 2 52

Fig4-10 TWO Fingertip Grasp system 53

Fig4-11 Four Fingertip Grasp System 56

Fig4-12 Four Fingertip Grasp System layout 56

Fig4-13 Fingertip Grasp Mechanism 57

Fig4-14 Fingertip Grasp extended 57

Fig 4-15 Power Transmission Device 58

-vii-

목 차

요 약 문 i

Abstract ii

Nomenclature iii

List of Figures and Tables v

제1장 서 론 1

11 연구배경 및 연구목적 1

12 연구내용 3

제2장 로봇 산업의 기술 현황 4

21 로봇산업의 동향 4

22 의료용 로봇기술 현황 9

23 의료용 로봇시장 전망 16

제3장 능동 그리퍼 20

31 최소침습 수술 햅틱 장치구현에 필요한 능동 그리퍼 제안

20

32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류 24

33 파지형태에 의한 그리퍼의 분류 25

-viii-

34 메카니컬 핸드의 구속기능 30

35 대표적인 동력원의 특징 35

제4장 능동형 그리퍼 설계 37

41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정 37

42 모터 선정 알고리즘 39

43 1차 능동형 그리퍼 설계 51

44 2차 능동형 그리퍼 설계 54

제 5장 결론 59

참고문헌 60

- 1 -

제 1장 서 론

11 연구 배경 및 연구 목적

로봇은 이미 다양한 자동화 산업 분야에서 높은 부가가치의 창출로 인해 그

가치가 인정되어 점점 더 그 활용 분야가 증가하고 있는 추세에 있다 또한 최

근 들어서는 산업현장뿐만 아니라 생활 기구 의료용에서도 로봇을 접목시켜 이

를 실제 시스템에 사용하고 있다 특히 의료용 로봇 분야에서는 수술행위를 대

행하는 다빈치 로봇의 개발로 수술의 신뢰도를 크게 향상시키고 있다

다빈치 수술시스템은 너무나 성공적 이여서 수술행위의 수행에 있어서 커다

란 변화를 가져왔다 최소 침습수술의 발전으로 환자의 회복속도는 놀랍도록 빨

라졌지만 모든 개복수술을 최소 침습수술기법으로 대처하기에는 아직 기술적으

로 극복하지 못한 분야도 있다 기존의 복강경 수술의 경우 수술시야가 제한적

이고 수술부의로의 유일한 접근 통로인 투관이 한정되어 있어 손 운동에 제한

적이다 또한 로봇은 복잡하고 종종 큰 수술 시 다양한 의료장비를 교체해야 하

는데 교체 시 많은 시간이 요구된다 이러한 많은 준비단계와 사용하고 나서의

복잡한 소독과정으로 인해 실제 로봇을 이용한 수술은 많은 시간이 걸리며 초

기자본을 회수하는데 많은 시간이 걸리므로 경제성이 떨어진다 또한 실제 수술

시에는 다양한 수술도구들이 사용되는데 로봇수술을 위해서는 로봇 팔과 연동

된 수술 도구들이 쉽게 탈 부착 될 수 있어야 한다 실제 수술도구들이 쉽게 탈

부착된다면 작업 능률이 보다 증대될 것이다

- 2 -

수술용 로봇에 사용되는 엔드 이펙터 (End Effector)을 검토해보면 공통적 인

사실을 확인할 수 있다 시판되고 있는 복강경 로봇수술용 도구들은 Trocar 라

는 기구를 통해 인체 내로 삽입되고 Trocar 의 구조상 수술용 도구들은 Oslash55 이

내의 소형 원기둥 타입의 수술도구들이며 각각의 구동 모터를 개별적으로 가지

고 있다 최근에는 다빈치 수술 로봇이 사용됨에 따라 3 차원 고화질의 영상의

제공과 더불어 떨림 없는 정교한 시술작업이 가능해 졌으며 다자유도 수술 기

구 도입으로 좀 더 다양한 수술들이 가능해 졌지만 이러한 장점에도 불구하고

수술 시 힘의 강약조절이 불가능하다는 점은 가장 큰 단점으로 지적되고 있다

또한 아직 가격이 고가이고 구현 가능한 작업 영역대비 각 암의 크기가 커서

수술 시 암 사이의 충돌이 발생하는 문제가 제기되고 있다

또한 다빈치 수술로봇은 집도의 손으로 조작하여서 수술을 수행하는 수술

로봇 시스템으로 여러 가지 장점이 있지만 로봇이 수술하면서 발생하는 반력을

직접 집도의에게 전달하지 못하는 단점이 있다 이런 단점을 보안하기 위하여

수술용 로봇 시스템에 햅틱의 기능을 추가하여 로봇 시스템을 구성하는 것을

전 세계적으로 많은 연구가 진행되고 있다

따라서 본 연구에서는 수술용 햅틱 로봇에 적용이 가능한 로봇 시스템에서

수술도구를 집고 수술을 직접 수행하는 그리퍼 시스템을 설계하도록 하겠다

이를 위해 현재 로봇 시장의 현황을 분석하고 능동형 그리퍼를 설계하기 위한

여러 가지 이론적 배경과 그리퍼 설계 제한 조건을 설명한다 최종적으로 그리

퍼 설계를 수행한 후 각각의 설계에 따른 분석을 수행할 것이다

- 3 -

12 연구 내용

본 연구에서는 의료용 햅틱 로봇 시스템에 적합한 능동형 그리퍼를 설계하

는 것이 본 연구의 목적이며 이를 위한 연구내용은 각 장 별로 요약하면 다음

과 같다

제 1장에서는 본 연구를 수행한 배경과 목적을 설명하였다

제 2 장에서는 연구의 첫 단계로 본 연구의 이론적 배경을 기술하였다 수술

로봇의 개요 및 동향 선행기술에 대하여 설명하였다

제 3 장에서는 능동형 그리퍼에 대한 이론적 배경을 기술하였다 그리퍼의 자

유도 기능분석 메키니칼 구성표 동력원에 대해 고찰하였다

제 4 장에서는 능동형 그리퍼의 설계 결과를 기술하고 설계 안에 대한 방향

을 제시하였다

마지막으로 제 5 장에서는 결론 및 향후 연구되어야 할 문제들에 대하여 언

급하였다

- 4 -

제 2장 로봇 산업의 기술 현황

21 로봇산업의 동향

(1) 국내로봇산업 분류체계

로봇이란 용어는 1921 년 카펠 차펙 (Karel Capek)이 쓴 희곡에서 유래하여

전통적인 로봇이란 반복 노동을 대체하는 자동화 기계로 인식되어 왔으나 현대

에 와서는 외부의 환경을 인식하고 지능을 바탕으로 스스로 판단하여 자율적으

로 동작하는 장치로 변모하였다 이렇게 변모하는 로봇산업은 현행 한국표준산

업 분류 체계상 단일제품 수준의 lsquo산업용로봇rsquo 으로만 분류하여 급성장이 예상

되는 lsquo서비스로봇rsquo 부분은 포함되어 있지 않았다 이에 산업자원부는 2007 년 1

월 로봇산업의 분류체계를 새롭게 마련하고 로봇산업의 승인통계를 구축하였다

이로써 1978 년 로봇산업이 시작한 이래 30 년 만에 비로소 로봇산업에 대한 명

확한 분류체계를 구축한 것이다

이 분류체계에서 로봇산업은 크게 개인서비스용 로봇 전문서비스용 로봇

제조업용 로봇 네트워크 로봇 로봇부품 및 부분품 등 대분류 5 개 중분류 28

개 소분류 136 개 항목으로 분류되어 있다 이를 구체적으로 살펴보면 TABLE

2- 1과 같다

- 5 -

TABLE 2-1 Domestic robot classification

대분류 중분류

서비스 로봇

개인 서비스용가사용 생활 지원용 여가 지원용 교육

용 기타 개인서비스용

전문서비스용

빌딩 서비스용 극한작업용 의료 복지용

사회 인프라용 군사용 생물 생산용 기

타 전문 서비스용

제조업용 로봇

이적재용 공작물 착탈용 용접용 표면처

리용 조립분해용 가공용 공정용 시험

검사용 기타 제조업용

네트워크 로봇 -

로봇부품 및 부분품 로봇용 구조구동센싱제어통신소프트

웨어기타 부품 및 부분품

lt자료gt 산업자원부

ldquo의료 복지용 로봇rdquo은 전문서비스용 로봇의 한 분야로 로봇산업의 중분류로

분류되고 있다 의료 복지용 로봇은 다시 수술 로봇 재활 훈련용 로봇 의료진

단 및 검사용 로봇 기타 의료 복지 로봇 등으로 소분류체계를 구축된다

산업연구원 (2007)에서는 로봇산업에서의 의료용 로봇의 위상을 Fig 2-1 과

같이 도식화 하였다 의료용 로봇을 포괄하고 있는 지능형 로봇은 우리나라가

소득 3 만 달러 시대를 선도할 미래스타산업으로 타 분야에 대한 기술적 파급

효과가 큰 첨단기술의 복합체라는 점 때문에 특히 중요하다고 할 수 있다

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Fig2-1 Phase of medical robots in the robot industry

(2) 국내로봇산업 규모

가 로봇생산 기업규모

앞 절과 같은 로봇산업 분류체계에 근거하여 2006 년부터 로봇산업 통계조사

가 체계적으로 이루어지기 시작하였다 이 통계조사에 따르면 국내 로봇생산을

담당하고 있는 기업은 TABLE 2-2와 같다 2006년 총 170개 제조업 로봇 77개

사 (453) 로봇부품 및 부분품 48 개사 (282) 개인 서비스용 로봇 24 개사

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(141) 전문서비스용 로봇 13 개사 (76) 네트워크 로봇 8 개사 (47)로 분포

되어 있다 이와 같은 수치는 2005 년 대비 제조업용 로봇 관련 기업 수는 다소

감소하였으나 전문서비스용 로봇이나 개인서비스용 로봇 관련 기업 수는 다소

증가하였다 또한 기업체 당 평균 자본금은 5354 억으로 제조업을 제외하면 기

업체 당 평균 자본금이 가장 높은 분야는 개인 서비스용 로봇 (2570 억원) 가

장 낮은 분야는 전문 서비스용 로봇 (1106억원)으로 나타났다

이는 최근 수요가 증가하는 생활 관련 로봇들에 대한 대기업의 투자나 진입

이 두드러지면서 나타난 현상이며 이런 기업들의 투자에 따른 생활 로봇 기술

향상이 두더러 지게 나타나고 있다 따라서 의료용 로봇 산업분야의 체질강화

와 기업 경쟁력 강화를 위해서는 최근 늘어나는 수요창출에 발맞추어 중견기업

들의 투자와 연구개발이 집중되어야 할 것이다

한편 로봇기업의 매출액 규모는 1억 원 미만의 영세한 업체가 30 1억~10

억 원 규모의 업체가 282 10억~50억 원 규모의 업체도 282로 대부분의 로

봇기업은 매출액 규모 50 억 미만의 중소기업체인 것으로 나타났다 특히 의료

용 로봇은 영세한 업체가 담당하기에는 다소 연구개발과 투자비용이 많이 소요

되기 때문에 대기업이나 정부의 투자나 지원이 반드시 필요하다 이러한 상황에

서 국내 의료용 로봇 시장의 성장을 낙관하기는 다소 무리가 있다 따라서 대기

업들이나 정부는 의료용 로봇 시장 확대와 성장에 적극적으로 참여해야 할 것

이다

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TABLE 2-2 Robot Production Company

구분

2005 2006

업체수 구성비 업체수 구성비

제조업용 로봇 60 333 77 453

전문서비스용 로봇 13 72 13 76

개인서비스용 로봇 39 217 24 141

네트워크 로봇 17 94 8 47

로봇부품 및 부분품 51 283 48 282

합계 180 1000 170 1000

나 로봇생산 생산규모

로봇기업의 생산 현황을 보면 2005 년에는 5722 억 원 정도였으나 2006 년에

는 7196 억 원으로 258의 증가율을 보였다 특히 의료 복지용 로봇 분야가 포

함되어 있는 전문서비스용 로봇은 2005 년에는 53 억 정도였으나 2006 년에는

124억으로 전년대비 1309의 높은 증가세를 보였다

최근 국내에서 개발된 환자 안내용 로봇인 스누봇 (SNUBOT)이나 내시경 로

봇인 미로캠 (MiroCam) 등의 개발로 인해 더욱더 생산 증가폭은 커질 것으로

전망한다 의료 복지용 로봇분야에서는 2005 년에는 생산이 거의 없었으며 2006

년에는 약 6 천 만원으로 증가하기는 하였으나 이는 다른 로봇 분야에 비하면

극히 미비한 생산액이며 수술 로봇이나 재활 로봇에 대한 생산은 거의 전무한

실정이다 한국과학기술정보연구원(KISTI)에 따르면 2006 년 국내 서비스 로봇

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(산업용 로봇 제외) 시장규모는 약 624 억 원으로 미비한 수준에 그쳤으나 2011

년 5117 억 원에 달하고 2013 년 이후는 수조 원에 달하는 황금시장으로 떠오를

것으로 예상하였다 또한 정부에서는 2005 년 국내 로봇산업 육성을 위해 2013

년까지 세계 시장 점유율 15 총생산 30 조원 수출 200 억 달러 고용창출 10

만 명 등 세계 3위의 로봇강국을 목표로 하고 있다

22 의료용 로봇기술 현황

(1) 의료용 로봇 유형 및 개념

의료용 로봇은 크게 수술 로봇 수술 시뮬레이션 재활로봇 기타 의료 로봇

등으로 분류된다

첫째 수술 로봇은 크게 두 가지의 유형으로 분류된다 먼저 수술 보조 로봇

(surgery assistant robot)은 수술실에서 집도의 명령에 따르면서 수술을 보조하거나

영상 가이드 역할을 해주는 로봇을 의미하며 수술 로봇 (surgery robot)은 의사를

대신하여 수술과정의 전체 혹은 일부를 의사 대신 혹은 의사와 함께 수술 작업

을 한다

둘째 수술 시뮬레이터 (surgery simulator)는 의사의 수술에 관한 숙련도를 높

이기 위하여 가상의 그래픽 환자 모델과 햅틱 장치 (haptic device) 등을 이용하

여 수술을 연습할 수 있게 하는 의료용 로봇이다 특히 근래에 들어 프로세스의

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성능이 좋아지면서 MRI 나 CT 영상 등을 활용한 실시간 3 차원 볼륨이 가능해

지면서 의료용 시뮬레이터 개발은 가속화 되었다

셋째 재활 로봇 (rehabilitation robot)은 노인과 장애인의 재활치료와 일상생활

을 도와 주는 로봇 시스템으로 단순한 신체를 지지해 주는 역할을 벗어나 중증

환자나 노인의 신체 움직임을 향상시키고 빠른 시일 내에 회복하도록 주요 기

능을 수행하고 장애인의 장애를 극복하여 독립적인 생활을 가능하게 할 수 있

는 특정 기능의 로봇을 의미한다

넷째 기타 의료 로봇으로는 간호 로봇이나 안내로봇 등이 있다 현재의 간

호 인력을 도와서 수술이나 치료를 받는 환자를 보살피는 로봇으로서 정확한

투약과 수술 후 관리가 가능하도록 도와주는 기능과 환자의 이동 간병 및 산책

이 가능하고 말벗의 기능을 포함하는 로봇을 의미한다

(2) 의료용 로봇기술 개발현황

가 수술 로봇

현재까지 연구된 수술 로봇은 미세 수술용 원격수술 로봇 최소침습수술

(MIS) 로봇 관절 수술 로봇 등으로 분류할 수 있다

원격수술 로봇 시스템 일환으로 개발된 대표적인 로봇으로는 일본 동경대의

원격 수술 로봇 미국 NASA JPL 의 RAMS SRI International 의 원격 수술 로봇

한국과학기술원의 미세수술용 Slave 로봇 등이 있다

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MIS 의 로봇 시스템 일환으로 개발된 대표적인 로봇으로는 미국의 UC 버클

리대의 수술 로봇시스템 Computer Motion 사의 내시경 보조 로봇인 이솝

(AESOP)과 복강경 수술 로봇인 제우스 (ZEUS) 제우스 보다 진보된 Intuitive

Surgical 의 다빈치 (daVinch) 등이 있다 이 중 다빈치는 수술용 로봇으로 거의

독점적인 위치로써 세계 로봇수술의 첨병역할을 하고 있다

관절 수술 로봇의 일환으로 개발된 대표적인 로봇으로는 미국 Integrated

Surgical System사의 로보닥 (Robodoc) 독일의 Orto Maque사의 CASPAR 영국의

Imperial College의 아크로보트 (Acrobot) 등이 있다

나 수술 시뮬레이터

수술 로봇 이외에 의사의 수술에 관한 숙련도를 높이기 위한 의료용 시뮬레

이터가 활발하게 연구되고 있다 특히 근래에 들어 프로세서의 성능이 좋아지면

서 MRI 나 CT 영상 등을 활용한 의료용 수술 시뮬레이터 개발이 가속화 되었

다 대표적인 수술 시뮬레이터로는 미국 Georgia Tech의 안구 수술 시뮬레이터

미국 Boston 다이나믹스사의 개복수술 시뮬레이터 Mitsubishi Electric Research Lab

의 무릎관절 내시경 시뮬레이션 영국 맨체스터 대학의 웹기반 시뮬레이터 등이

있다

다 재활 로봇

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노령인구와 장애인구의 증가로 로봇 기술의 필요성은 재활분야에도 확대되

고 있다 장애인의 독립적인 활동을 보장하고 삶의 질을 높이려는 노력은 유럽

등의 선진국을 중심으로 재활 로봇이 연구되어 왔으며 이탈리아에서 개발된

MOVAID 가 대표적인 재활 로봇이다 또 미국에서는 MIT 를 중심으로 RIC 과

같은 로봇 신경 재활 로봇들이 개발되고 있다 스위스에서는 보행 재활 로봇으

로 Lokomat 이 개발되었고 국내에서는 KAIST 에서 휠체어 로봇 시스템과 보행

보조 로봇 등이 연구되고 있다 이외에도 서강대학교에서는 SUBAR 라는 보행

재활 로봇을 개발하였다 이외에도 최근 미국의 Intouch Health 에서 개발한 RP-7

은 멀리 있는 환자의 병증을 파악하는 데 탁월한 원격진료 로봇으로 활용되고

있다

(3) 국내 의료용 로봇 적용사례

상기 서술한 의료용 로봇 중 가장 많은 각광을 받고 있으며 국내에서 적용

되고 있는 사례를 통해 의료용 로봇의 사용 실태를 파악보고자 한다 대표적인

복강경 수술 로봇인 Intuitive Surgical의 다빈치 로봇 시스템과 고관절 수술 로봇

인 Integrated Surgical System사의 로보닥을 중심으로 국내 실태를 살펴보고자 한

다

가 다빈치

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Fig 2-2 da Vinci surgical case number

다빈치 로봇은 1997 년 벨기에서 처음으로 환자에게 적용된 이래 국내에

2005 년 7 월 연세대학교 신촌 세브란스 병원에서 최초로 도입하여 2005 년 7 월

15 일 국내 최초로 다빈치를 이용한 로봇 수술이 이루어졌다 Fig 2-2 에서 보

듯이 수술사례는 계속적으로 증가하여 2008 년 1 월 말 현재 750 건이 넘는 수

술이 이루어졌다

다빈치 로봇은 전립선암 위암 대장남 부인암 식도암 갑상선암 간암 등

대부분의 암수술 및 중요 외과계 수술에 적용된다 이는 다빈치 로봇 수술이 가

져다 주는 효과인 개복수술이나 복강경 수술보다 수술회복기간이 단축되고 수

술시간도 감소시키는 역할과 무엇보다 수술 후 환자가 겪는 수술 후유증 확실

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히 줄여주기 때문이다 특히 전립선암의 경우 대표적인 수술 후유증인 요실금

과 발기부전 등의 가능성이 대폭 줄어드는 것으로 알려져 있다

이와 같은 수술사례와 수술성과에도 불구하고 다빈치 로봇의 가격이 25 억

정도의 고가이기 때문에 영세한 의료기관에서 도입하기에는 다소 무리가 따르

고 있다 그러나 대형 병원들은 다빈치의 성공적인 수술사례를 통해 앞다투어

이를 도입하고 있다

2008 년 1 월 현재 신촌 세브란스 병원은 이미 3 대를 도입했고 영동 세브

란스 병원 고려대 안암병원 서울아산병원 한림대 강남병원 분당서울대병원

삼성서울병원 경북대병원 동아대병원 등 9 개 의료기관에 도입되어 있다 또한

최근 (2008 년 1 월 30 일) 연세대 세브란스병원은 로봇 수술의 활성화를 위해

Intuitive Surgical 과 공동으로 복강경 수술용 로봇 다빈치를 이용한 수술법을 배

우는 lsquo연세 다빈치 트레이닝 센터rsquo를 개소하였다

다빈치는 로봇 가격만큼 수술 비용에 있어서도 고가인데다 의료보험이 적

용되지 않아 수술 비용을 환자가 모두 부담해야 하는 실정이다 다빈치 로봇 수

술 비용은 700~2000 만 원선으로 기존의 수술 비용인 200~300 만 원 보다는 다

소 높은 가격이다 특히 전립선암의 경우 로봇 수술 비용은 1500 만 원 선으로

개복수술이나 복강경수술보다 5~7 배 정도의 높은 가격이다 그럼에도 불구하고

로봇 수술은 거의 모든 암 수술에 적용되고 있고 환자와 의사 모두 만족하는

수술법으로 자리잡아 가고 있다

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나 로보닥

로봇이 외과적 기계로써 임상적으로 처음 국내에서 적용된 것은 1992 년 lsquo로

보닥rsquo이라는 의료용 로봇이다 미국에서 개발된 로보닥은 인공관절이 삽입될 환

자의 뼈를 로봇으로 가공해서 수술 성공률을 획기적으로 높였다 두꺼운 뼈를

정확한 형상으로 깎아내는 작업에는 CADCAM 자료에 따라 작동하는 로봇 팔

이 숙련된 외과의사를 간단히 능가했다 로보닥은 한국과 EU 의 판매승인을 획

득했고 결국 인공관절수술의 대세를 장악했다 세계적으로 8000 회 이상의 수술

이 로보닥을 이용하여 성공적으로 수행되었으며 2001년 FDA의 승인을 받기도

하였다

2002 년 국내 처음으로 로보닥이 도입된 이래로 이춘택 병원은 현재까지

2556 회라는 경이적인 수술건수를 기록하였다 그는 최소침습수술과 접목하여

로봇의 정밀성과 최소 절개기술을 결합시킴으로써 환자의 고통과 재활 기간을

크게 줄였다 그러나 로보닥의 가격은 무려 17 억 원이며 3 차원 영상까지 구현

하기 위해서는 10 억 원 상당의 멀티 CT 까지 도입해야만 한다 그렇기 때문에

소규모의 관절전문병원이 도입하기에는 다소 무리한 점이 있다 이러한 상황에

서 이춘택은 국내시장에 맞는 로봇개발을 위해 국산 부품 및 소프트웨어를 개

발 중에 있다 따라서 우리나라도 고령화 사회를 맞아 세계적으로 관절 수술이

급증하고 있는 상황에서 국내 기술로 만든 수술용 로봇이나 소프트웨어 개발은

국내 의료용 로봇시장의 활성화를 이룰 수 있다

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23 의료용 로봇시장 전망

(1) 로봇산업 전망

로봇 분야별 세계시장 정세를 살펴보면 제조업용 로봇은 시장안전화 단계로

써 급격한 시장변화는 어려우며 신규 생산설비 및 기존 설비에 따른 수요가 대

부분 차지하고 있는 실정이다 개인서비스용 로봇은 가족구조의 핵가족화와 고

령화 현상으로 인한 가족인원으로서의 가정용 로봇에 대한 수요가 증가 추세에

있다 전문서비스용 로봇은 생산국과 생산기업이 극히 제한되어 있으며 제품가

격의 고가로 인해 시장형성에 있어서 생산국과 수요국이 불일치하고 있는 실정

이다 이러한 상황에서 로봇시장의 국가별 점유율을 살펴보면 일본 (28) 미국

(18) 독일 (16) 이탈리아 (10) 한국 (3)의 순으로 세계 5 위를 차지하고

있다 이와 같이 산업용 로봇의 경우는 우리나라의 세계적인 위상이 높지만 아

직까지 전문 서비스 분야 로봇에 대한 세계적인 위상은 미비하다

시장규모 전망과 국내 세계시장 점유율에 대한 전망은 다음과 같다 세계 로

봇시장의 규모는 2010 년에는 247억 5 백만 달러에서 2020년에는 717억 7 천만

달러에 이를 것으로 보고 있으며 연평균 107의 증가율을 예상하고 있다 분

야별로는 제조업용 로봇은 2010 년 세계시장의 114에서 2020 년 144의 비중

을 차지할 것으로 전망하고 있으며 전문서비스용 로봇은 2010 년 세계시장의

09에서 2020 년 21의 비중을 차지할 것으로 예상하고 있다 개인서비스용

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로봇은 2010 년 30에서 2020 년 70 수준에 달할 것으로 보고 있다 비록 전

문 서비스용 로봇산업의 규모는 미국 일본 독일에 비해 미미한 실정이나 전문

서비스용 로봇의 신시장을 개척하고 그 만큼의 기술력이 밑받침된다면 2020 년

세계시장에서의 더 큰 비중의 달성이 이루어질 것으로 본다

(2) 의료용 로봇기술 전망

의료용 로봇시장의 성장은 의료용 로봇기술 개발산업의 성장과 밀접한 관계

가 있다 세계적인 개발추세로는 의료용 로봇개발 하드웨어 분야에서는 일본이

경쟁력이 가장 높으며 소프트웨어 분야에서는 미국이 앞서나가고 있다 또한

독일은 하드웨어 및 소프트웨어 분야에서 동시에 상당한 연구 개발 능력을 보

유하고 있다 앞으로는 이 세 나라가 의료용 로봇 시장의 핵심 주자로 나설 것

으로 예상된다

산업연구원 (2007) 조사에 따르면 국내 로봇산업의 기술은 기술항목에 따라

다소 차이를 보이고 있으나 제조업용 로봇의 경우는 최고 기술 보유국 대비 평

균 85 정도에 육박하고 있으며 전문서비스용 로봇의 경우는 80 정도 개인서비

스용 로봇은 84 정도에 이르고 있는 것으로 나타났다 의료용 로봇 분야에서는

선두주자인 미국의 기술력을 100 이라고 봤을 때 현재 우리나라는 70 정도이며

2015년이 지나야 100 에 도달할 것으로 전망하였다 비록 의료용 로봇에서 세계

1위인 미국에 비해 우리는 아직 10년 이상 차이가 있지만 세계 최초로 국제 규

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모의 로봇랜드 조성과 로봇펀드 발생 등 정부 차원에서의 노력이 여러 가지 방

면에서 다양하게 펼쳐지고 있기 때문에 그 격차는 점차 줄어들 것으로 예상된

다

또한 IFR (2006) 자료에 따르면 한국 산업용 로봇은 세계 5 위의 강국[16]인

데 비해 의료용 로봇에 있어서는 약소국이다 이는 의료용 로봇의 개발비가 많

이 드는데 비해 국내 시장은 극히 제한적이어서 일반 기업의 참여가 아주 저조

하기 때문이다 국내에서 의료용 로봇 관련 기술 개발은 아직 걸음마 단계에 머

물러 있으며 벤처기업 및 대기업들이 개발해 상용화시키고 있는 기술이나 제품

도 대부분이 생활 가전형 로봇에 한정되어 있을 뿐 의료용 로봇분야는 아직 미

개척지로 남아 있다 하지만 국내에서도 의료용 로봇 개발을 수행하기 위해 대

학이나 연구소 차원에서 의료용 로봇에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다 먼

저 한국과학기술원이 8 년 전 설치한 휴먼 웰페어 로보틱 서저리 센터가 대표

적인 연구기관이다 이 연구소에서는 거동이 불편한 환자들을 위한 휠체어의 자

동화 시스템이나 복강경 수술 로봇 등 로봇 수술용 기구의 국산화에 초점을 맞

춰 진행 중이다 또한 최근에는 국립암센터 역시 산업자원부로부터 수술용 로

봇과 영상시스템을 주제로 한 의료용 로봇 개발자로 선정되어 연구에 들어갔다

비록 국내 의료 및 수술 로봇 관련 기술이 일본 미국 등에 비해 아직까지

뒤쳐져 있는 실정이지만 국내에서도 의료용 로봇 기술 개발이 이처럼 활발히

진행되고 있어서 향후 전망은 매우 밝다고 할 수 있다 또한 해외에서 각광을

받고 있는 캡슐형 내시경 연구 역시 국내에서 벌써 10 년째 계속 되고 있다 최

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근 한국과학기술연구원과 벤처기업인 인트로메딕이 개발한 세계 최소형 캡슐형

내시경인 미로캠 (MiroCam)은 2010 년까지 국내 캡슐형 내시경 시장의 80를

점유할 것으로 예상하고 있다 이러한 국산 의료용 로봇 개발을 통해 고부가가

치 시장인 세계 의료 시장에 뛰어들 수 있는 기반을 다졌다는 데에 큰 의미가

있다

전문 서비스용 로봇의 경우 제조업 로봇 관련 풍부한 경험을 바탕으로 전문

서비스용 로봇으로의 기술확대 메카트로닉스 (mechatronics) 관련 다양한 산업기

반과 세계적인 IT 인프라 보유국의 강점을 살리고 있다 또한 한국은 10 대 성

장동력간 연계 등을 통한 시너지 효과와 세계 전문서비스 로봇 시장이 초기형

성 단계임을 감안한다면 이 분야의 진출에 대한 절호의 기회이며 머지않아 의

료용 로봇 강국으로 진입할 수 있을 것으로 기대된다

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제 3 장 능동 그리퍼

31 최소침습 수술 햅틱 장치 구현에 필요한 능동 그리퍼 제안

21 세기 로봇 기술 분야에서는 인간과 기계 시스템 간의 커뮤니케이션이 무

엇보다 중요하게 강조되며 이러한 인간과 기계 시스템의 의사소통은 주로 인간

의 감각 기관을 통해 이루어 진다 일반적으로 인간에게는 보고 듣고 냄새를

맡고 맛을 보고 피부로 느끼는 오감이 있으며 이러한 감각을 시각 청각 후

각 미각 촉각이라고 한다 따라서 이러한 인간의 감각에 정보를 전달하기 위

한 다양한 기계 시스템들이 개발되어 왔다 오감 중에서 현재 인간과 기계 시스

템간의 인터페이스 역할을 하는 표적인 감각으로는 사물을 보는 시각과 소리

를 듣는 청각이 주로 이용되고 있다 이를 위한 시스템들은 이미 상당한 수준으

로 발전해 현재 상용화 되어 활용되고 있다 하지만 이러한 시각과 청각 인터

페이스 만으로는 로봇의 제어에 한계가 있으며 오감 중에서 세 번째 감각인 촉

각에 한 인터페이스가 현재 활발히 연구 개척되고 있다 만약 가상현실에 촉

감 인터페이스가 적용된다면 기존의 시각과 청각에만 의존하던 가상 현실에 촉

감을 전달함으로써 실제 물건을 만지고 느낄 수 있으므로 가상현실을 보다 더

실감나게 할 수 있을 것이다 하지만 인간의 감각 중에서 촉각은 매우 민감한

감각으로 여기에 촉감 정보를 전달하는 인터페이스는 아직 많은 연구를 필요로

하고 있다

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햅틱 (haptic)이란 단어의 사전적인 의미는 ldquoof or relating the sense of touch

tactilerdquo로써 물체를 만질 때 사람이 느낄 수 있는 촉각적 감각으로 피부가 물체

표면에 닿아서 느끼는 촉감 (tactile sensation)과 관절과 근육의 움직임이 방해 될

때 느껴지는 근 감각적인 힘 (kinesthetic force)의 두 가지 힘을 모두 합쳐서 부르

는 말이다 촉감 구현 연구는 물리적 장치를 이용하여 사람이 직접적인 접촉이

없이도 촉각 정보를 전달하는 방법에 관한 전반적인 연구 분야를 일컫는 말로

사람에게 원격지에 있는 물체의 물리적 특성을 전달하는 원격조작 혹은 원격현

장감에 관한 연구로부터 시작되었다 가상 혹은 실제 환경에서 촉감을 구현하기

위한 연구를 포괄적으로 의미하는 용어로 햅틱스 (haptics)라고 한다 주요 연구

분야는 사람이 직접 손에 쥐거나 착용하는 물리적 장치인 햅틱 디바이스 인터

페이스 (haptic interface) 가상 공간상의 물체에 기계적 성질을 부여하여 사실감

이 있는 상호작용을 제공하고자 하는 햅틱 렌더링 (haptic rendering) 사람의 촉

각 인지 특성에 관한 연구 (tactile perception) 등으로 나눌 수 있다 특히 햅틱

인터페이스 (haptic interface)는 햅틱 디바이스 (haptic device)라고도 불리우며 사람

에게 촉감을 전달하는 물리적인 장치를 말하며 더 넓은 의미로 사용하여 가상

의 환경을 촉감 전달을 통해서 느끼게 하는 시스템 전체를 가리키기도 한다 이

러한 햅틱 기술은 다양한 분야에서 활용될 수 있는데 표적인 분야로는 가상

현실 분야 인간-컴퓨터 인터페이스 분야 게임 등 사이버 커뮤니케이션 그리고

원격제어 로봇 등이 있다 특히 원격제어 로봇이 많이 활용되고 있는 의료 분

야에서 햅틱 구현은 매우 시급한 과제이다 현 의 수술은 점점 첨단의 수술 도

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구와 로봇을 이용하여 집도되는 추세이며 최소침습수술 (minimally invasive

surgery MIS)이 그 표적인 예이다 이 수술법은 환부의 구멍에 수술도구와 카

메라를 삽입하여 집도의가 모니터를 보면서 시술함으로써 시술시간이 짧고 환

자의 회복이 빨라서 그 적용 범위가 점차 확 되고 있다 하지만 환자가 얻게

되는 이점에 반해 의사는 개복 수술에서 쉽게 이용하던 기술들을 더 이상 적용

할 수 없게 되어 집도에 있어 큰 어려움을 부담해야만 한다 즉 환자의 내부에

서 손의 움직임과 시야의 제약을 받게 되었고 손으로 환자의 장기나 뼈를 만지

고 상태를 확인할 수 없게 된 것이다 이러한 문제점들을 극복하기 위해 첨단의

의료용 로봇 시스템이 개발되었는데 의사 즉 오퍼레이터가 조작하는 마스터

(master) 로봇과 환자의 환부에서 수술을 진행하는 슬레이브 (slave) 로봇으로 구

분된다 슬레이브 로봇은 크게 수술 시 집도의 팔의 움직임을 구현하는 구동 암

(arm)과 수술도구를 홀딩 할 수 있는 그리퍼로 분류할 수 있다 구동 암의 움직

임은 수술 부위의 위치를 결정하면 별도 큰 움직임 없이 작동시킬 수 있으며

전달 수술 관통 수술이 아닌 경우에는 집도의가 느끼는 힘을 피드백 할 필요가

없다 하지만 그리퍼의 경우는 신체 일부분의 미세한 조직까지 전부 접촉해서

제거하거나 봉합하기 때문에 집도의가 수술 시 느끼는 힘을 구현하여야 보다

정밀한 수술을 수행할 수 있다 따라서 본 연구에서는 햅틱 장치가 적용된 마스

터 로봇과 마스터 로봇에서 형성된 힘을 느낄 수 있으며 원할한 수술을 진행할

수 있는 최소침습수술용 능동 그리퍼를 제안하겠다 Fig 3-1 은 상용 MIS 장치인

다빈치 로봇의 마스터와 슬레이브 그리고 그리퍼를 나타내고 있다

(a) sla

(b

Fig 3-1 da V

Operation Arm

Gripper

- 23 -

ave robot and g

b) master rob

Vinci robot sy

m

gripper

ot

stem for MIS

- 24 -

32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류

산업용 로봇은 그 기능 특성상 필요성에 의해 로봇의 말단부에 그리퍼를 부

착시킨다 이것은 인간의 손에 응되는 것으로서 메커니컬 핸드라고 칭하며 다

루는 상 물체를rdquo파지rdquo해 이동하는 목적으로 사용되는 도구이다

파지동작은 Fig 3-2 와 같이 세분화된다 인간의 손 손가락에는 많은 관절이

있으며 여러가지 작업이 가능하다 일상 생활에서의 붙잡기는 형식을 분류한 것

으로는 슐레징거의 12 형식이 있다 여기서 인간의 손에는 손가락이 있어서 그

것을 유지핸드라고 이름 붙이면 메커니컬 핸드에는 손가락이 없는 구성법이 있

는데 이것을 무지 핸드라고 이름 붙이기로 한다 이 무지 핸드는 기계적 물리적

으로 구조상 무지핸드로 한 것과 공구가 메커니컬 핸드와 일체화됐다고 생각하

는 공구 핸드가 있다 메커니컬 핸드를 분류해 보면 다음과 같다 진공이나 자

기 이용의 흡착 등 물리적 흡척형의 유지는 보통 평면(완만한 곡선도 포함)부를

흡착하는 형태로서 물체의 크기나 중량에 따라 여러 개가 설치되는 경우도 있

다 그러나 물체표면에 만곡부가 있는 경우나 구멍이나 공동이 있는 경우에는

적용할 수 없게 된다 또한 자력을 이용한 경우 철금속 재료를 다루게 되는데

경우에 따라서 매우 효율적이고 신뢰성이 높기는 하지만 물체에 잔류 자력이

남게 되는 문제점이 있다 받기형의 유지는 지지의 동작만을 가지고 있는 형태

이며 이는 전기한 흡착형 보다 적극적이 아니여서 약한 구속을 갖는다 변형하

기 쉬운 물체의 이송등에는 이를 채택한다 매달기형 유지는 중력 방향의 이동

1 자유도를 구속한다 잡기형 파지는 유연성에 의한 변형으로 접촉면적을 크게

하여 집는

상물을 외측

이용하는 등

33 파지형

파지 형

다 본 연구

하여 설명

(1) 두 손

형태이다 현

측에서 파지하

등의 파지방법

형태에 의한

형태로서는

구에서 사용할

명 하겠다

손가락 type

현재 많이 사

하거나 구멍

법이다

한 그리퍼의

상을 바깥에

할 메커니즘은

e

Fig 3-2 Cla

- 25 -

사용하고 있는

속에 손가락

의 분류

에서 파지하

은 바깥에서

assified by the

는 끼우기형

락을 넣은 후

는 것과 안에

파지하는 형

gripper grip ac

파지 형태는

후 벌려서 내

에서 파지하

형태가 유리하

ction

는 핸들링

내측사용면을

는 것이 있

하므로 이에

두 개의

상태를 유지

는 스윙형

안정되게 파

의 리지트한

지해서 개폐

핸드(swingin

파지하는 점에

손가락을 갖

되는 병진형

ng gripper)로

에서 병진형

(a) grinder c

(c

Fig 3-3 Sw

- 26 -

갖춘 것으로

핸드(transla

로 분류된다

보다 떨어진

crank

c) rotation joi

wing-type hand

실용례가 많

ational grippe

스윙형은 기

진다

(b) swing

int

d mechanism

많다 손가락이

er)와 그 방향

기구가 간단하

g block

이 상호평행

향이 변화하

하나 상이

병진형에

4 은 평행링

운동을 바꾸

에 회전시킴

로 유지되기

지된다 직

시키도록 한

가 전middot후진

피니온 방식

F

에서는 평행링

링크 방식의

꾸고 그 피니

킴으로써 손가

기 때문에 손

동형 신에

한 것도 있다

진하는 결점이

식이 채용된다

Fig 3-4 Hand

링크 랙middot피니

예로 직동형

니온 운동으로

가락 개폐를

손가락의 물체

에 회전형 액

다 평행링크를

이 있다 이문

다

mechanism fo

- 27 -

니온 나사이송

형 액추에이

로 평행링크의

얻는다 링크

체 파지면의

추에이터를

를 이용한 형

문제를 해결하

or translational

송 기구 등이

터의 운동을

의 하나의 링

크 PS 와 링

자세도 개폐

이용한 형식

형식은 개폐에

하는 방법으로

type1 (paralle

이 이용되고

랙과 피니온

링크 A 를 축

크 QR 은 항

폐 동작 중 일

식에서 평행링

에 의해서 손

로서 볼나사

el displacement

있다 Fig 3-

온으로 회전

축 P 의 주위

항상 평행으

일정하게 유

링크를 회전

손가락 위치

기구나 랙middot

nt)

Fig 3

는 핸드의

볼나사 기구

다

(2) 세 손

세 손가

가락으로 잡

F

-5 는 회전형

예이다볼나

구 각각을 손

손가락 type

가락을 가진 핸

잡는 것보다

Fig 3-5 Hand

형 액추에터로

나사 기구를 이

손가락에 부착

e

핸드에서는

안정된 파지

d mechanism fo

- 28 -

로 랙 피니온

이용하는 경

착 사라를 회

상을 3 점

지 동작을 할

or translational

온을 회전시킴

우에는 1

회전시킴으로

점에서 유지할

할 수 있다

l type2 (rack a

킴으로써 개폐

의 왼나사

써 개폐 동작

할수 있기 때

nd pinion type

폐동작을 하

오른나사의

작을 실현한

문에 두 손

e)

Fig 3-6

베벨기어를

구동해서 세

실현한 것

각 손가락을

복잡하며 중

6 은 세 손가

를 매개로 상

세 손가락을

이다 특히

을 개별 모터

중량도 증가하

Fig

락형 그리퍼

호 각도를 주

동작시킴으로

원통물체를

터로 구동하도

하기 때문에

3-6 Hand mec

- 29 -

의 일반적인

주어 결합한

로써 이른바

확실히 잡아

도록 한 3 지

실용례가 적

chanism for thr

인 형상을 나타

3 개의 볼

바 3 포인트 핀

아서 유지하

지형핸드도 개

적다

ree point pinch

타내고 있다

나사를 하나

핀치(three po

는데 유리하

개발되고 있으

h type

이 핸드는

나의 모터로

oint pinch)를

하다그 외에

으나기구가

34 메카니

(1) 구속

기계적

어서 형성되

전 구속 기

해서 언급하

으로 움직일

또 X Y 평

니컬 핸드의

속기능

구동장치에

되는 것으로

기능이 있다

하면 구속 상

일 수 있다

평면 X Y 면

의 구속기능

서 구속 형식

크게 나누어

그래서 핸드

상태의 물체는

이것을 물체

X Z 면상에

Fig 3-

- 30 -

능

식과 접촉 상

어서 반구속

드의 구속 기

는 Fig 3-7 와

체의 공전 (이

서 6 방향으

-7 Movement

상태와 포락

속 (받는 구속

기능을 결정하

와 같이 X Y

이동)에 관한

로 회전 한다

t of object

능력의 인자

속 는 구속

하는 물체의

Z 의 3 축상

6 동작 자유

다 이것을 물

자가 복합되

속)기능과 완

구속에

에서 6 방향

유도로 한다

물체의 자전

(회전)에 관

부여한 상태

행할 수 있

서는 회전의

핸드에

한 공간적

면 Fig 3-8

이 그림

를 구속한다

에서 7 자유

선접촉과 면

계수와 절선

(a

관한 6 동작

태에서 움직이

있다 또 완전

의 6 자유도를

의한 물체의

적인 포락 상

와 같이 된

(a)의 점접촉

다 그러나 1

유도를 구속

면접촉에는 각

선력법선력

a) point contac

Fig3

자유도로 한

이며 중력이

전 구속은 핸

를 무시하는

의 구속은 핸

상태로 정한다

다

촉은 접촉점

1 점접촉은 다

한다 (c)의

각각 마찰에

비와의 관계

ct (b

3-8 Contacts

- 31 -

한다 반구속은

이나 환경면의

드 자체로 1

경우도 적지

핸드와 물체의

다 먼저 접촉

방향의 1 자

다른 11 자유

면접촉은 11

위한 구속이

계로 구속불능

) line contact

of the kind an

은 12 자유도

의 구속을 받

12 자유도를

지 않다

의 접촉 상태

촉부의 구속

자유도를 구속

도를 구속할

1 자유도의 구

이 4 개와 6 개

능의 가능성을

nd the confini

도 중 몇 개의

아서 완전 구

행하는데 경

태 및 접촉부

능력을 모델

속한다 그러나

할 수 없다 (b

구속을 할 수

개 주어져 있

을 가진 구속

(c) surface co

ing

의 자유도를

구속으로 이

경우에 따라

부의 물체에

델로 나타내

나 1 자유도

b)는 선접촉

수 있다 단

있으며 마찰

속 성분이기

ontact

- 32 -

도 하다 또한 면접촉의 상태는 중력의 작용을 이용하면 받기를 형성하고 또

외계력을 이용하면 기를 형성한다

이들의 접촉상태는 물체의 형상과 핸드의 구속면으로 규정되는 것으로 핸드

만으로 결정하기는 어렵다 단 핸드의 구속면을 부드러운 재질로 형성하면 면

접촉의 이행이 용이하다 이와 같은 이유에서 물체에 접촉부가 포락도를 높이는

데에 따라서 물체 형상에 관계 없이 구속 능력을 증 시킬 수 있다

(2) 메커니컬 핸드의 자유도

로봇의 손은 그 용도를 불문하고 인간의 손 작업의 행을 목적으로 하는

것이므로 그 설계에 있어서 모델로 되는 것은 말할 것 도 없이 인간의 손이다

그래서 우선 기구에 하여 설명하기 전에 인간의 손의 구조 모델에 하여 설

명해 본다

AmiddotMorecki 에 의하면 인간의 상체는 그 해부학적 구조에 입각하면 Fig 3-9 와

같이 모델화할 수 있다 Fig 3-9 에서 숫자는 각각 골격 즉 링크를 나타내고 숫

자 II~ V 는 관절을 나타내고 있다 이와 같은 공간링크 기구의 자유도 F 는 가

동부수 n 자유도의 종류 f 를 가진 우 수를 Pf 라 하면 다음 식으로 나타낼

수 있다

6n sum ∙ P 12345 (3-1)

Fig 3-9

들 자유도가

을 Fig 3-9

P5=10 이므

인간의

유도 1 의

해 있으며

의 모델에서

가 있는 관절

9 와 같이 정

므로 위 식에

상지를 인공

액튜에이터를

22 개나 되

Fig 3

서는 n=19 P2

절에 작용하는

정의하고 그

서 FH=22 가

공적으로 정밀

를 27 필요

는 액튜에이

- 33 -

3-9 Human Ar

2=1 P3=2 P4

는 근군은 약

자유도 FH

가 된다

밀하게 재현하

요로 하게 된

터를 필요로

rm structure

4=6 P5=11 이

약 50 이라고

를 구하면

하려고 한다면

된다 또 손에

로 한다 그러

이므로 F=27

고 되어 있다

이 경우는 n

면 이상의 결

는 특히 자유

나 로봇의 손

이 된다 이

여기서 손

n=16 P4=6

결론에서 자

유도가 집중

손이 이만큼

- 34 -

의 수의 액튜에이터를 갖춘 것을 제작한다는 것은 크기 중량 제어면에서 볼

때 현시점에서는 불가능에 가깝다 특히 의수에 있어서는 상술한 바와 같은 형

상이나 조종성 등의 점에서 전혀 불가능하다고 해도 좋다 따라서 보통은 기능

에 주목하여 손에 집중해 있는 자유도의 간략화를 도모한다

인간의 잡기 동작에 주목해 보면 그 잡기 형상에는 12 종류가 있다고 하다

그러나 이것들은 엄지와 다른 12 종류가 있다고 한다 그러나 이것들은 엄지와

다른 4 손가락과의 관계에 주목하였을 때에 2 종류 즉 엄지가 다른 4 손가락과

항해서 동작하거나 그 측방에서 동작하는가로 분류할 수 있다 실제의 일상

동작에서 관찰하면 이들 중에서도 엄지와 손가락이 항해서 동작하는 소위 쥠

동작이 우선 첫 번째이고 또 다음에 엄지 검지 중지의 3 손가락의 선단으로

이루어지는 3Point Pinch 즉 잡기동작이 중요하다

더불어 손가락의 독립성에 해서는 역시 일상동작 중에서 손가락의 사용

빈도를 조사한 결과에 의하면 다섯 손가락은 반드시 독립적인 운동을 필요로

하지 않고 엄지 검지 중지가 같은 정도의 중요성을 자기며 다른 두 손가락은

사용 빈도에 있어서 이들 세 손가락보다 약 50 적으며 다른 세 손가락의 보

조 역할을 한다고 볼 수 있다 그리고 특히 중요한 것은 인간의 각 손가락은 잡

기 상물의 형상에 적응한 쥐기 즉 Passive 한 동작을 할 수 있다는 것이다 이

기능이 있다면 각 손가락이 독립적으로 동작하지 않더라도 또 다소 손의 자유

도를 제거하더라도 상물의 확실한 쥐기나 잡기 그리고 기타 손 작업에 큰 힘

을 발휘한다

- 35 -

34 표적인 동력원의 특징

동력원을 설계할 때 다음의 점을 고려하면서 가장 적합한 방식을 선택한다

1조작력(로보트가 내는 최 의 힘 예를들면 최 들어올린 힘)

2속응성(최 조작 속도)

3크기 중량(로보트의 크기와 중량의 제한)

4안정성(발열이나 과부하에 한 안전성)

5사용의 용이도

6수명가격

1 2 의 조작력 속응력은 로보트에 요구되는 성능에서 가장 기본적인 것인

데 이에 관련해서 크기나 중량의 제한 안정성 사용의 용이도 수명 가격 등을

고려해서 동력원을 선택한다 단 자주형 로보트에서는 2 차적 성능인 동력원의

중량이 첫째 요구 조건이 되는 경우가 많고 공업용 로보트에서는 저가격 사용

의 용이도 안전성이 중요 사항으로 우선시된다

모든 로봇은 동력원을 필요로한다 중요도에 따라 동력원을 선택해야 하는데

일반적으로 공기압식은 안전성이 뛰어난 반면 힘과 세밀한 위치제어가 어렵고

전기식은 응답성과 사용편리성 세밀한 위치제어가 가능하나 높은 힘을 내기 위

해서는 부가적인 기구부가 필요하다 유압식은 큰힘을 낼수있어서 속응성은 좋

으나 과부하시 상당한 발열이 있기 때문에 안전성에서 다른 동력원에 비해 떨

어진다 위 사항을 TABLE 3-1 로 분류하여 나타내었다

- 36 -

TABLE 3-1 Characteristics of power sources

전기식 유압식 공압식

사용용이성 편리하다 작동유의관리 관로의압력

필터관리에 유의

공급공기의 수분제거

윤활성의부가에 주의

수명 길다 기름에 윤활성이 있기

때문에 길다

공기에윤활성이 없어

유압 전기에 비해 짧다

가격 보통 가격 운영비 높음 저가격

응답속도

(반응성) 매우 빠르다 빠르다 늦다

하중능력 (소)에서 (중)정도의

하중능력 단히 큰 힘을 얻음 큰 힘은 없다

소음 적다 다소 크다 크다

- 37 -

제 4 장 능동형 그리퍼 설계

41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정

로봇 그리퍼의 정밀 파지 (Fingertip Grasp 손가락 끝을 이용하여 물체를 집

거나 바닥에누워있는 납작한 물체를 집는 행동)를 안정하게 하기 위해서는 손가

락 끝과 물체가 직각에 가까운 각도를 이룸으로 마찰력을 크게 하여 안정성을

높인다 또한 바닥에 놓인 물체를 집어 올릴 경우에도 물체표면의 법선 벡터와

손가락 끝의 각도가 클수록 물체를 효과적으로 구속하여 안정된 파지를 할 수

있다

그리퍼의 링크 시스템에 있어서 2 링크 손가락보다 3 링크 손가락을 쓸 때가

링크와 수평 평면이 이루는 각 (A)이 더 커지기 때문에 안정성이 더 좋다는 것

을 알 수 있다 그리고 안정성뿐만 아니라 식 (4-1)을 통하여 문체에 전해지는

Torque 값을 Fig 4-2 와 같이 그래프로 나타내면 0 도에서 75 도 정도까지는 A 각

이 커질수록 물체에 가해지는 토크 값이 점점 커지는 것을 알 수 있음으로 3 링

크 손가락을 쓰는 것이 파지력 증가됨을 알수 있다 ℓ3 의 길이가 길어질수록 A

가 작은 값을 가져서 정밀파지에 적당하지 않다

τ l cosA sinA l 1 cos A tan μ (41)

A cosempty

(42)

Fig 4-1

은 식을 통

각이 커짐을

움이 있고

Fig4-

에서 제 2 코

통해 구할 수

을 알 수 있다

최소 단위를

Fig4

-1 Configurati

코사인 법칙

있는데 이로

다 그러나 ℓ

를 1cm 로 하

-2 Change the

- 38 -

ion of the fing

을 이용하여

로부터 링크

ℓ3 가 1cm 인

하였기 때문에

e value of the a

gers on robot g

여 A 의 각을

길이 ℓ3 가

인 경우는 너

에 ℓ3 는 2cm

angle of phage

gripper

구하기 위해

작으면 작을

무 짧아서 파

로 결정하였

torque

해 (2) 와 같

을수록 A 의

파지의 어려

였다

42 모터

(1) 알고

앞 절에

여야 한다

는 모터의

이 작은 모

나 용량이

로 적절한

선정 알고

고리즘 정의

에서 설명한 기

로봇 팔에

선정은 동작

모터를 사용하

큰 모터를 사

모터의 선정

고리즘

기구들을 추

움직임을 전

작을 구현하는

하게 되면 기

사용하게 되

정이 중요하다

Fig 4-3 M

- 39 -

추후 로봇 시스

전달함에 있어

는데 중요한

기구의 원활한

면 모터의 외

다

Motor Selectio

스템에 적용을

어서 동력을

과제가 되겠

한 작동이 어

외형이 커지

on Algorithm

을 고려하여

공급과 제어

겠다 만일 토

려워지고 단

고 가격 또한

설계를 하

어를 수행하

토크나 용량

단순히 토크

한 증가하므

- 40 -

(2) 알고리즘 수행

모터를 선정하기 위해서 가장 우선적으로 해야 할 일은 기계구동부분을 결

정하고 구동부분을 어떠한 방식으로 작동을 시킬지 동작 패턴을 결정하여야 한

다 예를 들면 모터에서 나오는 힘을 받아서 볼 스크류를 이용하여 힘을 전달할

것인지 벨트 피니언 기어 혹은 풀리 등을 이용할 것인지를 결정하고 그에 따

른 적절한 구동방식을 결정한다 구동방식을 결정하게 되면 각각의 구동방식에

적합한 수식을 대입하여 부하토크를 계산한다 구동방식에 따른 부하토크를 구

하는 수식은 구동방식이나 구동장소 등에 따라 다소 상이하나 일반적인 수식은

다음과 같다

-BALL SCREW 구동

T FP2πn

μ F P2π

1i N ∙ m 43

F F mg sin α μ cos α N 44

-PULLEY 구동

T ∙ 45

μF D

2i N ∙ m

- 41 -

-WIRE middot BELT 구동 RACK middot PINION 구동

T F2πn

∙ πDi

FD2ni

N ∙ m 46

F F mg sin α μ cos s N 47

-실측에 의한 방법

T 48

직선운동 (커플링 직결 볼스크류 등)의 경우 위의 (43) (44) 이용하여 구할

수 있다 이때 F 는 축방향하중 F0 는 예압하중 μ0는 예압 NUT 의 마찰계수 η 은

효율i 는 감속비 PB 는볼스크류 피치를 나타낸다 회전운동 (풀리)의 경우 식

(45)를 이용하여 구할 수 있으며 FA는 외력 FB는 부하중량 (주축이 회전하기 시

작할 때의 힘) m 은 work 와 TABLE 의 총무계 μ 접동면의 마찰계수α는 경사각

도D 는 풀리의 지름을 나타낸다

실제현장에서는 선정된 모터의 토크를 확인하기 위해 실측에 의한 구동토크

를 계측하는데 스프링 저울을 구동 풀리에 연결지어 측정한다 이때 TL 은 회전

운동 부하토크에 해당하고 FB 는 부하중량 D 는 풀리의 직경을 나타낸다

위의 부하토크를 구하는 식들을 이용하여 부하토크를 구하게 되면 실제 모

터를 사용할 때 어느 정도의 시간적 여유를 두고 가속을 할 것인지 감속을 할

것인지를 결정하여야 한다 이를 위해서 우선 동작시킬 부분에 대한 관성모멘트

를 계산하

Fig 4-4

시한 것으로

dA 와 기준

이를 표현하

하여야 한다

4 는 관성모멘

로 X 와 Y

준축으로 부터

하면 식 (49)

Fig 4-4 Arb

I

멘트를 구하기

는 면적의 미

터의 거리의

)와 같다

- 42 -

bitrary shape o

y dA I

기 위한 절대

미소 요소 dA

제곱의 곱으

of planar area

x dA

대좌표 X Y

A 의 좌표이

으로 단면 2

축 상의 미소

이고 관성모멘

차 모멘트라

49

소면적을 도

멘트는 요소

라고도 한다

평면 면

가 있다 평

축에 대한

Fig 4-5

하는 평행한

관성모멘

식 (410

번째 적분은

면적의 관성

평행축 정리란

관성 모멘트

5 과 같이 도

한 xy 축 두

멘트의 정의로

I y

0) 에서 우변

은 Xc 축에

Fig 4-5

모멘트에 있

란 도심축에

트 사이의 관

도심을 원점으

좌표계의 평

로부터 x 축

y d dA

변의 첫 번째

대한 1 차 모

- 43 -

5 Parallel-axis

있어서 중요하

대한 관성

계를 나타낸

으로 하는 Xc

평행한 축 간

축에 대한 관

y dA

적분은 Xc

모멘트로서 X

theorem

하고 유용한

모멘트와 도

낸다

cYc 축과 임의

간의 거리를 d

성모멘트 Ix

2d y dA

축에 대한 관

Xc 축이 도심

정리로서 평

도심축에 평행

의의 점 O 를

d1 과 d2 로 표

는 식(410)와

d dA

관성모멘트

심을 통과하므

평행축 정리

행한 임의의

를 원점으로

표시한다

와 같다

410

I 이다 두

므로 적분의

- 44 -

값은 0 이다 세번째 적분은 면적 A 그 자체이다 따라서 식 (410)은 식 (411)과

같이 간단해진다

I I Ad 411

y 축에 대한 관성모멘트도 위와 같은 방법에 의해 식(412)과 같다

I I Ad 412

또한 면적의 평면에 수직인 수직축에 대한 관성모멘트를 극관성모멘트라 한

다 Fig 4-6 는 평면에 수직이고 O 점을 통과하는 축에 대한 극관성모멘트를 나

타낸 그림으로 이를 관성모멘트 식으로 표현하면 식 (413) 와 같다

I ρ dA 413

식 (413)와

즉 평면에

서로 수직인

극 관성

와 도심 C

와 식 (414)에

I

수직인 축에

인 두 축에 대

성모멘트에 대

에 대한 극

Fig 4-6 Arb

의해 식 (4

ρ dA

I

에 대한 극관

대한 관성모

대한 평행축

극 관성모멘트

- 45 -

bitrary shape o

ρ x y

415) 식 (41

x y dA

I I I

관성모멘트는

멘트의 합과

정리는 Fig

트를 각각 I

of Polar Area

y

16)과 같은 관

x dA y

는 평면 내의

과 같다

4-5 에서 유

와 I 로

관계식을 얻을

y dA

같은 지점을

유도할 수 있

로 표시하면

414

을 수 있다

415

416

을 통과하는

있다 원점 O

식 (416)에

- 46 -

서 식(417)을 유도할 수 있다

I I I I I I 417

I I I I A d d 418

I I Ad 419

식 (419)는 극 관성모멘트에 대한 평행축 정리를 나타낸다 즉 평면 내의 임의

의 한 점 O 에 대한 면적의 극관성모멘트는 도심 C 에 대한 극관성모멘트에 그

면적과 점 O 와 C 사이의 거리의 제곱의 곱을 더한 것과 같다

이상의 식에서 부하토크와 관성모멘트를 계산하여 모터를 가 선정한다 부하토

크의 경우 사용될 모터의 정격 토크를 넘어서지 않는 것을 선정한다 부하토크

를 TL 정상 부하 상태의 힘 PL 극 관성모멘트 IL 회전운동을 위한 힘 Pa 각속

도 가속 시 소요되는 시간을 ta 라 하고 식 (420)을 이용하여 부하가 일정하

게 작용할 때의 힘을 계산한다 마찬가지로 관성모멘트를 식 (421)에 대입하여

가속을 위한 회전 운동 시 필요한 힘을 계산한다 식 (420)과 식 (421)에서 계

산된 힘을 합산하면 모터를 회전시키기 위해 필요한 출력이 계산된다 이때 계

산된 출력보다 실제 사용할 모터의 정격 출력이 1~2 배 정도가 되도록 모터를

가 선정한다

- 47 -

P T ω 420

P 421

위의 과정을 통하여 모터를 가선정하고 가감속 토크 및 구동 토크를 계산한

다 각각의 토크를 계산하게 되면 모터를 최종적으로 선정하게 되는데 두 가지

사항을 고려하여 최종 선정한다 먼저 식 (422)을 통해서 계산되는 가속 시 소

요되는 기동 토크 TM 가 모터의 최대 토크를 넘지 않는 것으로 선정한다

T 422

두 번째로 Fig 4-7 의 속도 선도와 같이 모터의 가 감속 시간과 정상 동작

시간 등을 결정하여 식 (423)과 같이 실효치 토크 TS 를 구하고 실효 토크가 모

터의 정격 토크보다 크지 않도록 선정한다

T 423

Fig 4-7 Exa

- 48 -

ample of veloc

city guidance

- 49 -

(3) 알고리즘 적용

로봇시스템에 있어서 기구들의 관성모멘트와 토크 계산 후 적합한 모터를

선정하기 위해 시중에서 시판되는 모터를 조사하였다 로봇에 적용 가능한 모터

로는 크게 서버모터와 스텝모터 RC 서버모터 DC 모터로 구분 할 수 있었다 이

를 TABLE 4-1 과 같이 정리하였다

동력원의 6 가지 선정요소 중 우선순위를 부여하여 분류했을 때 핸드 그리퍼

의 특성상 가볍고 토크가 큰 RC 서버 모터 미니 서버모터를 선택할 수 도 있지

만 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터 중 토크를 증가시킬 수 있는

감속기가 있는 타입의 모터를 우선시 하였다

1 감속비를 사양할 수 있는 모터를 선정하여 계산한 토크를 확인한다

2 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터를 선정한다

3 CLOSED LOOP 제어를 통하여 정확한 위치를 검출할 수 있어야 한다

따라서 스텝모터중 lsquoOrsquo사의 ldquoαSTEPrdquo가 적합하다고 판단되어 모터를 선정하였다

- 50 -

TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics

미니서버모터 RC 서버모터 스텝모터 DC 모터

장점 동일사양대비 모터

중 10배정도 큰 토크

5v사용가벼움

정확한 위치제어

급격한 부하변동급가

속 유리

저렴한가격

보편화됨

단점 정지시 진동이 예상 약한 토크 THRUST하중이 모터

무계 이하여야 한다

유지보수가 잦다

크기 151588mm(10w20w)

2525111mm(30w)

392038mm 424234mm Oslash37mm917mm

동작전압 Dc 24V Dc 48V60V Dc 24V Dc 24V

무계 230g~400g 56g 150g 200g

허용토크 009Nm~03Nm 11~13kgfcm 18kgfcm (018Nm) 47kgfcm(1200)

감속기 다양한 감속비 가능 고정 감속기 감속기 무(072˚036) 다양한 감속비

제조사 야스카와 SGMM 하이텍 HS-5945 AUTONICS GCM 3429A

TABLE 4-2 αstep motor characteristics

외형 전압 전류 무계 토크 감속비 분해능

αSTEP 282884mm

4242127mm Dc24V 1~37A 250G 2~28 Nmiddotm 50~1001

00072pluse

00036pluse

- 51 -

43 1 차 능동형 그리퍼 설계

실린더를 사용하여 링크로 물체를 파지하던 그리퍼는 Fig 4-8 과 Fig 4-9 에

묘사하였다 이런 실린더를 사용한 그리퍼는 공압 효과를 도출할 수 있는 별도

의 펌프가 필요하고 동작을 구현할 수 있는 자유도를 증가시키는데 한계가 있

다 이런 실린더의 단점을 보완하고 전기모터의 장점을 사용하기 위해 웜기어와

웜휠 방식을 채택하여 2 자유도 능동형 그리퍼를 설계하였다

1 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-10 에 묘사하였으며 1 차설계한

능동형 그리퍼는 Two Fingertip Grasp 로 칭하겠다 파지한 물체를 회전 시키는

기능은 베벨기어를 사용하여 회전운동으로 구현하였고 실린더의 전middot후진 운동

을 전기모터의 회전운동으로 변환 시키기 위하여 웜기어와 웜휨을 선택하였다

전기모터에 의해 회전하는 운동은 웜기어와 웜휠에 의해 링크를 사용하여 물체

를 파지하였던 그리퍼와 동일한 운동효과를 가지게 되었다

웜기어와 웜휠을 사용하여 물체를 파지하는 능동형 그리퍼는 스윙형으로 설

계되었으며 파지력을 높이기 위한 각도를 적용하였다 링크를 사용하여 물체를

파지하는 형태의 그리퍼보다 기구의 크기를 줄일 수 있는 장점이 있는 반면 기

어들의 백래시에 의한 오차가 끝단에 누적될 수 있는 문제점을 가지고 있다또

한 기구부의 소재 변경으로 그리퍼의 무계를 줄일 수 도 있지만 가장 큰 무계

를 차지하는 모터를 그리퍼 자체에서 분리하게 할 수 있게 하려면 그리퍼 자체

의 구조변경이 필요하다

`

`

Fig 4-8 Par

Fig 4-9 Par

- 52 -

rallel-link gra

rallel-link gra

sps system 1

sps system 2

Fig 4-10

- 53 -

0 Two fingertipps grasp system

- 54 -

44 2 차 능동형 그리퍼 설계

1 차 설계한 능동형 그리퍼에서 발견된 문제점을 보안하기 위하여 2 차 능동

형 그리퍼를 설계하였다 2 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-11 에 묘사

하였으며 2 차설계한 능동형 그리퍼는 Four Fingertip Grasp 로 칭하겠다 이 장치

는 크게 동력원 동력 전달장치 핑거 그립장치로 구성되어있으며 이를 통합하

여 Fig 4-12 에 나타내었다

핑거 그립장치는 스윙형 그립의 단점을 보완하여 설계하였다 물체를 파지할

때 그립의 회전 반경이 주위 환경요소와 간섭을 발생시킬 수 있는데핑거가 전

진할때 샤프트와 핑거그립간의 나사결합형태를 통한 직선운동으로 개선하여 주

위환경요소에 영향을 주지 않도록 설계하였다 구동축의 핑거파지 메카니즘을

Fig 4-13 와 같이 간략화 하였고 이에 대한 세부 도면은 Fig 4-14 로 나타내었다

4 조 핑거 그립의 나사산과 테이퍼진 스크류축은 나사식으로 결합되며 상호

작용에 의해 점차 중심점으로 이동하여 물체를 파지하는 형태이다 사용된 2 개

의 샤프트는 중공축으로 설계하였으며 외부 샤프트는 4 조 핑거가 물체를 파지

하여 비트는 모션을 구현하는데 사용되었다 내부 샤프트는 핑거를 중심점으로

전진시켜는 기능을 수행한다 중공축으로 설계한 내부 샤프트는 차후 개발될 인

스트리먼트의 탈부착을 손쉽게 할수있도록 구현하였고 4 조로 설계된 핑거는 그

립시 인스트리먼트의 응력집중현상을 분산시키는 기능과 2 조로 그립하였을때

보다 안정적인 그립감을 형성한다

- 55 -

동력원과 동력전달장치는 Fig 4-15 에 나타내었으며 Two Fingertip Grasp system

의 문제점이었던 구동부의 모터의 설치 방법을 외부에 부착하는 형태로 변경하

여 우레탄 밸트를 사용하였다 또한 아이들러를 사용하여 밸트의 방향을 변경

하여 모터의 부착위치를 자유롭게 설정할 수 있도록 하였고 모터 브라켓에 슬

리브 홈을 설치하여 벨트의 장력을 조절할 수 있도록 하였다

Fig4-11

Fig4-12 Fou

- 56 -

Four fingertip

ur fingertips g

ps grasp system

grasp system la

m

ayout

Fig 4-13

Fig 4-14

- 57 -

Fingertip gra

4 Fingertip gr

asps mechanis

rasps extended

m

d

Fig 4-15

- 58 -

5 Power transmission devicce

- 59 -

제 5장 결 론

본 연구에서는 MIS 수술 로봇을 위한 햅틱 마스터장치 구동용 능동형 그리

퍼를 설계하기 위하여 그에 상응하는 자료 및 문헌 조사를 수행하였고 햅틱 마

스터에 적용 가능한 능동형 그리퍼를 설계하여 로봇 시스템의 초안을 구성하였

다 수술용 도구를 단순히 잡아주는 역할에서 벗어나 시스템에 추가적인 자유도

를 부여함으로써 그리퍼를 표현하였다 단순화된 그리퍼는 보다 저렴한 가격으

로 생산될 수 있으며 기존 로봇 수술시스템의 높은 비용을 절감할 수 있는 효

과를 가져올 수 있다

최종적으로 제안한 설계 안으로는 2 조 핑거그립를 사용하는 전기모터형 그

리퍼 와 추가적으로 개선한 4 조 전기모터형 핑거그립를 설계였다 스윙형 그립

의 단점을 보안하여 집중응력을 분산할 수 있는 구조로 설계하였고 그리퍼의

무계를 줄일 수 있는 방법을 제시하였다 이로써 원통형 도구 파지 시 안정성이

향상되었고 보다 원활하게 수술 도구를 교체 가능하도록 하였다

앞으로 촉감을 전달할 수 있는 센서의 개발로 햅틱 디바이스 인터페이스 장

치의 활용에 보다 높은 기여를 할 것이라 예상된다

-６０-

참고 문헌

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정보 및 제어부분 PP68~7020084

[2] 박정호 ldquo국내외 의료로봇 현황과 발전방향rdquo정보과학지 26(4)

PP49~5420084

[3] 편집부 ldquo수술지원로봇의 최신 기술 동향rdquo월간 자동화 기술 22(12)

PP74~77200612

[4] 경기욱박준석 ldquo햅틱스 기술개발 동향 및 연구전망rdquo전자통신경향분석

21(5)PP93~108200610

[5] 권동수경기욱 ldquo의료용 로봇의 연구 현황과 전망rdquo기계저널

42(3)PP38~44200203

[6] Yoichi OGAHARA Yusuke KAWATO Kenjiro TAKEMURA Takashi MAENO

ldquoA Wire-Driven Miniature Five Fingerd Robot Hand using Elastic Elements as

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[7] Ikuo Yamano Takashi Maeno ldquoFive-fingered Robot Hand using Ultrasonic Motors

and Elastic Elementsrdquoproceedings the 2005 IEEE International Conference on

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[8] 홍만복김광기 ldquo최소 침습수술로봇을위한 2-자유도 구형 메커니즘설계rdquo

한국정밀공학회 2009년 추계학술대회 논문집

-６１-

[9] 이재훈김형욱이병주서일홍 ldquo새로운 6자유도 병렬형 햅틱 기구의 최적설

계 및 해석rdquo한국정밀공학회 2003년 추계학술대회 논문집

[10] 조국훈이재훈이병주김희국 ldquo병렬형 그리퍼 메카니즘rdquo한국정밀공학회지

[11] 김갑순 ldquo3축 힘센서를 이용한 지능형 그리퍼 개발rdquo한국정밀공학회지 제

24권 제 3호 1999년

[12] 고대성김성목김희국이병주 ldquo병진형 자유도와 1자유도 파지기능을 가지는

4자유도 병렬 메커니즘의 기구학분석rdquo한국정밀공학회 2007년 추계학술대회

• 제1장 서 론
• • 11 연구배경 및 연구목적
  • 12 연구내용
  • • 제2장 로봇 산업의 기술 현황
    • • 21 로봇산업의 동향
      • 22 의료용 로봇기술 현황
      • 23 의료용 로봇시장 전망
      • • 제3장 능동 그리퍼
        • • 31 최소침습 수술 햅틱 장치구현에 필요한 능동 그리퍼 제안
          • 32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류
          • 33 파지형태에 의한 그리퍼의 분류
          • 34 메카니컬 핸드의 구속기능
          • 35 대표적인 동력원의 특징
          • • 제4장 능동형 그리퍼 설계
            • • 41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정
              • 42 모터 선정 알고리즘
              • • 43 1 차 능동형 그리퍼 설계
                • 44 2 차 능동형 그리퍼 설계
                • • 제 5 장 결론
                  • 참고문헌
                  • TABLE 2-1 Domestic robot classification
                  • TABLE 2-2 Robot Production Company
                  • TABLE 3-1 Characteristics of power sources
                  • TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics
                  • TABLE 4-2 αSTEP Motor Characteristics
                  • Fig2-1 Phase of medical robots in the robot industry
                  • Fig2-2 Da Vinci surgical case number
                  • Fig3-1 Da Vinci robot system for MIS
                  • Fig3-2 Classified by the gripper grip action
                  • Fig3-3 Swing-type hand mechanism
                  • Fig3-4 Hand mechanism for translational type1 (parallel displacement)
                  • Fig3-5 Hand mechanism for translational type2 (Rack and pinion type)
                  • Fig3-6 Hand mechanism for three point pinch type
                  • Fig3-7 Movement of object
                  • Fig3-8 Contacts of the kind and the confining
                  • Fig3-9 Human Arm structure
                  • Fig4-1 Configuration of the fingers on robot gripper
                  • Fig4-2 Change the value of the angle of phage torque
                  • Fig4-3 Motor Selection Algorithm
                  • Fig4-4 Arbitrary Shape of Planar Area
                  • Fig4-5 Parallel-Axis Theorem
                  • Fig4-6 Arbitrary Shape of Polar Area
                  • Fig4-7 Example of Velocity Guidance
                  • Fig4-8 Parallel-link Grasp system 1
                  • Fig4-9 Parallel-link Grasp system 2
                  • Fig4-10 TWO Fingertip Grasp system
                  • Fig4-11 Four Fingertip Grasp System
                  • Fig4-12 Four Fingertip Grasp System layout
                  • Fig4-13 Fingertip Grasp Mechanism
                  • Fig4-14 Fingertip Grasp extended
                  • Fig4-15 Power Transmission Device

-v-

List of Tables and Figures

TABLE 2-1 Domestic robot classification 5

TABLE 2-2 Robot Production Company 8

TABLE 3-1 Characteristics of power sources 36

TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics 50

TABLE 4-2 αSTEP Motor Characteristics 50

Fig2-1 Phase of medical robots in the robot industry 6

Fig2-2 Da Vinci surgical case number 13

Fig3-1 Da Vinci robot system for MIS 23

Fig3-2 Classified by the gripper grip action 25

Fig3-3 Swing-type hand mechanism 26

Fig3-4 Hand mechanism for translational type1 (parallel displacement)

27

Fig3-5 Hand mechanism for translational type2 (Rack and pinion type)

28

Fig3-6 Hand mechanism for three point pinch type 29

Fig3-7 Movement of object 30

Fig3-8 Contacts of the kind and the confining 31

Fig3-9 Human Arm structure 33

Fig4-1 Configuration of the fingers on robot gripper 38

Fig4-2 Change the value of the angle of phage torque 38

Fig4-3 Motor Selection Algorithm 39

Fig4-4 Arbitrary Shape of Planar Area 42

-vi-

Fig4-5 Parallel-Axis Theorem 43

Fig4-6 Arbitrary Shape of Polar Area 45

Fig4-7 Example of Velocity Guidance 48

Fig4-8 Parallel-link Grasp system 1 52

Fig4-9 Parallel-link Grasp system 2 52

Fig4-10 TWO Fingertip Grasp system 53

Fig4-11 Four Fingertip Grasp System 56

Fig4-12 Four Fingertip Grasp System layout 56

Fig4-13 Fingertip Grasp Mechanism 57

Fig4-14 Fingertip Grasp extended 57

Fig 4-15 Power Transmission Device 58

-vii-

목 차

요 약 문 i

Abstract ii

Nomenclature iii

List of Figures and Tables v

제1장 서 론 1

11 연구배경 및 연구목적 1

12 연구내용 3

제2장 로봇 산업의 기술 현황 4

21 로봇산업의 동향 4

22 의료용 로봇기술 현황 9

23 의료용 로봇시장 전망 16

제3장 능동 그리퍼 20

31 최소침습 수술 햅틱 장치구현에 필요한 능동 그리퍼 제안

20

32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류 24

33 파지형태에 의한 그리퍼의 분류 25

-viii-

34 메카니컬 핸드의 구속기능 30

35 대표적인 동력원의 특징 35

제4장 능동형 그리퍼 설계 37

41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정 37

42 모터 선정 알고리즘 39

43 1차 능동형 그리퍼 설계 51

44 2차 능동형 그리퍼 설계 54

제 5장 결론 59

참고문헌 60

- 1 -

제 1장 서 론

11 연구 배경 및 연구 목적

로봇은 이미 다양한 자동화 산업 분야에서 높은 부가가치의 창출로 인해 그

가치가 인정되어 점점 더 그 활용 분야가 증가하고 있는 추세에 있다 또한 최

근 들어서는 산업현장뿐만 아니라 생활 기구 의료용에서도 로봇을 접목시켜 이

를 실제 시스템에 사용하고 있다 특히 의료용 로봇 분야에서는 수술행위를 대

행하는 다빈치 로봇의 개발로 수술의 신뢰도를 크게 향상시키고 있다

다빈치 수술시스템은 너무나 성공적 이여서 수술행위의 수행에 있어서 커다

란 변화를 가져왔다 최소 침습수술의 발전으로 환자의 회복속도는 놀랍도록 빨

라졌지만 모든 개복수술을 최소 침습수술기법으로 대처하기에는 아직 기술적으

로 극복하지 못한 분야도 있다 기존의 복강경 수술의 경우 수술시야가 제한적

이고 수술부의로의 유일한 접근 통로인 투관이 한정되어 있어 손 운동에 제한

적이다 또한 로봇은 복잡하고 종종 큰 수술 시 다양한 의료장비를 교체해야 하

는데 교체 시 많은 시간이 요구된다 이러한 많은 준비단계와 사용하고 나서의

복잡한 소독과정으로 인해 실제 로봇을 이용한 수술은 많은 시간이 걸리며 초

기자본을 회수하는데 많은 시간이 걸리므로 경제성이 떨어진다 또한 실제 수술

시에는 다양한 수술도구들이 사용되는데 로봇수술을 위해서는 로봇 팔과 연동

된 수술 도구들이 쉽게 탈 부착 될 수 있어야 한다 실제 수술도구들이 쉽게 탈

부착된다면 작업 능률이 보다 증대될 것이다

- 2 -

수술용 로봇에 사용되는 엔드 이펙터 (End Effector)을 검토해보면 공통적 인

사실을 확인할 수 있다 시판되고 있는 복강경 로봇수술용 도구들은 Trocar 라

는 기구를 통해 인체 내로 삽입되고 Trocar 의 구조상 수술용 도구들은 Oslash55 이

내의 소형 원기둥 타입의 수술도구들이며 각각의 구동 모터를 개별적으로 가지

고 있다 최근에는 다빈치 수술 로봇이 사용됨에 따라 3 차원 고화질의 영상의

제공과 더불어 떨림 없는 정교한 시술작업이 가능해 졌으며 다자유도 수술 기

구 도입으로 좀 더 다양한 수술들이 가능해 졌지만 이러한 장점에도 불구하고

수술 시 힘의 강약조절이 불가능하다는 점은 가장 큰 단점으로 지적되고 있다

또한 아직 가격이 고가이고 구현 가능한 작업 영역대비 각 암의 크기가 커서

수술 시 암 사이의 충돌이 발생하는 문제가 제기되고 있다

또한 다빈치 수술로봇은 집도의 손으로 조작하여서 수술을 수행하는 수술

로봇 시스템으로 여러 가지 장점이 있지만 로봇이 수술하면서 발생하는 반력을

직접 집도의에게 전달하지 못하는 단점이 있다 이런 단점을 보안하기 위하여

수술용 로봇 시스템에 햅틱의 기능을 추가하여 로봇 시스템을 구성하는 것을

전 세계적으로 많은 연구가 진행되고 있다

따라서 본 연구에서는 수술용 햅틱 로봇에 적용이 가능한 로봇 시스템에서

수술도구를 집고 수술을 직접 수행하는 그리퍼 시스템을 설계하도록 하겠다

이를 위해 현재 로봇 시장의 현황을 분석하고 능동형 그리퍼를 설계하기 위한

여러 가지 이론적 배경과 그리퍼 설계 제한 조건을 설명한다 최종적으로 그리

퍼 설계를 수행한 후 각각의 설계에 따른 분석을 수행할 것이다

- 3 -

12 연구 내용

본 연구에서는 의료용 햅틱 로봇 시스템에 적합한 능동형 그리퍼를 설계하

는 것이 본 연구의 목적이며 이를 위한 연구내용은 각 장 별로 요약하면 다음

과 같다

제 1장에서는 본 연구를 수행한 배경과 목적을 설명하였다

제 2 장에서는 연구의 첫 단계로 본 연구의 이론적 배경을 기술하였다 수술

로봇의 개요 및 동향 선행기술에 대하여 설명하였다

제 3 장에서는 능동형 그리퍼에 대한 이론적 배경을 기술하였다 그리퍼의 자

유도 기능분석 메키니칼 구성표 동력원에 대해 고찰하였다

제 4 장에서는 능동형 그리퍼의 설계 결과를 기술하고 설계 안에 대한 방향

을 제시하였다

마지막으로 제 5 장에서는 결론 및 향후 연구되어야 할 문제들에 대하여 언

급하였다

- 4 -

제 2장 로봇 산업의 기술 현황

21 로봇산업의 동향

(1) 국내로봇산업 분류체계

로봇이란 용어는 1921 년 카펠 차펙 (Karel Capek)이 쓴 희곡에서 유래하여

전통적인 로봇이란 반복 노동을 대체하는 자동화 기계로 인식되어 왔으나 현대

에 와서는 외부의 환경을 인식하고 지능을 바탕으로 스스로 판단하여 자율적으

로 동작하는 장치로 변모하였다 이렇게 변모하는 로봇산업은 현행 한국표준산

업 분류 체계상 단일제품 수준의 lsquo산업용로봇rsquo 으로만 분류하여 급성장이 예상

되는 lsquo서비스로봇rsquo 부분은 포함되어 있지 않았다 이에 산업자원부는 2007 년 1

월 로봇산업의 분류체계를 새롭게 마련하고 로봇산업의 승인통계를 구축하였다

이로써 1978 년 로봇산업이 시작한 이래 30 년 만에 비로소 로봇산업에 대한 명

확한 분류체계를 구축한 것이다

이 분류체계에서 로봇산업은 크게 개인서비스용 로봇 전문서비스용 로봇

제조업용 로봇 네트워크 로봇 로봇부품 및 부분품 등 대분류 5 개 중분류 28

개 소분류 136 개 항목으로 분류되어 있다 이를 구체적으로 살펴보면 TABLE

2- 1과 같다

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TABLE 2-1 Domestic robot classification

대분류 중분류

서비스 로봇

개인 서비스용가사용 생활 지원용 여가 지원용 교육

용 기타 개인서비스용

전문서비스용

빌딩 서비스용 극한작업용 의료 복지용

사회 인프라용 군사용 생물 생산용 기

타 전문 서비스용

제조업용 로봇

이적재용 공작물 착탈용 용접용 표면처

리용 조립분해용 가공용 공정용 시험

검사용 기타 제조업용

네트워크 로봇 -

로봇부품 및 부분품 로봇용 구조구동센싱제어통신소프트

웨어기타 부품 및 부분품

lt자료gt 산업자원부

ldquo의료 복지용 로봇rdquo은 전문서비스용 로봇의 한 분야로 로봇산업의 중분류로

분류되고 있다 의료 복지용 로봇은 다시 수술 로봇 재활 훈련용 로봇 의료진

단 및 검사용 로봇 기타 의료 복지 로봇 등으로 소분류체계를 구축된다

산업연구원 (2007)에서는 로봇산업에서의 의료용 로봇의 위상을 Fig 2-1 과

같이 도식화 하였다 의료용 로봇을 포괄하고 있는 지능형 로봇은 우리나라가

소득 3 만 달러 시대를 선도할 미래스타산업으로 타 분야에 대한 기술적 파급

효과가 큰 첨단기술의 복합체라는 점 때문에 특히 중요하다고 할 수 있다

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Fig2-1 Phase of medical robots in the robot industry

(2) 국내로봇산업 규모

가 로봇생산 기업규모

앞 절과 같은 로봇산업 분류체계에 근거하여 2006 년부터 로봇산업 통계조사

가 체계적으로 이루어지기 시작하였다 이 통계조사에 따르면 국내 로봇생산을

담당하고 있는 기업은 TABLE 2-2와 같다 2006년 총 170개 제조업 로봇 77개

사 (453) 로봇부품 및 부분품 48 개사 (282) 개인 서비스용 로봇 24 개사

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(141) 전문서비스용 로봇 13 개사 (76) 네트워크 로봇 8 개사 (47)로 분포

되어 있다 이와 같은 수치는 2005 년 대비 제조업용 로봇 관련 기업 수는 다소

감소하였으나 전문서비스용 로봇이나 개인서비스용 로봇 관련 기업 수는 다소

증가하였다 또한 기업체 당 평균 자본금은 5354 억으로 제조업을 제외하면 기

업체 당 평균 자본금이 가장 높은 분야는 개인 서비스용 로봇 (2570 억원) 가

장 낮은 분야는 전문 서비스용 로봇 (1106억원)으로 나타났다

이는 최근 수요가 증가하는 생활 관련 로봇들에 대한 대기업의 투자나 진입

이 두드러지면서 나타난 현상이며 이런 기업들의 투자에 따른 생활 로봇 기술

향상이 두더러 지게 나타나고 있다 따라서 의료용 로봇 산업분야의 체질강화

와 기업 경쟁력 강화를 위해서는 최근 늘어나는 수요창출에 발맞추어 중견기업

들의 투자와 연구개발이 집중되어야 할 것이다

한편 로봇기업의 매출액 규모는 1억 원 미만의 영세한 업체가 30 1억~10

억 원 규모의 업체가 282 10억~50억 원 규모의 업체도 282로 대부분의 로

봇기업은 매출액 규모 50 억 미만의 중소기업체인 것으로 나타났다 특히 의료

용 로봇은 영세한 업체가 담당하기에는 다소 연구개발과 투자비용이 많이 소요

되기 때문에 대기업이나 정부의 투자나 지원이 반드시 필요하다 이러한 상황에

서 국내 의료용 로봇 시장의 성장을 낙관하기는 다소 무리가 있다 따라서 대기

업들이나 정부는 의료용 로봇 시장 확대와 성장에 적극적으로 참여해야 할 것

이다

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TABLE 2-2 Robot Production Company

구분

2005 2006

업체수 구성비 업체수 구성비

제조업용 로봇 60 333 77 453

전문서비스용 로봇 13 72 13 76

개인서비스용 로봇 39 217 24 141

네트워크 로봇 17 94 8 47

로봇부품 및 부분품 51 283 48 282

합계 180 1000 170 1000

나 로봇생산 생산규모

로봇기업의 생산 현황을 보면 2005 년에는 5722 억 원 정도였으나 2006 년에

는 7196 억 원으로 258의 증가율을 보였다 특히 의료 복지용 로봇 분야가 포

함되어 있는 전문서비스용 로봇은 2005 년에는 53 억 정도였으나 2006 년에는

124억으로 전년대비 1309의 높은 증가세를 보였다

최근 국내에서 개발된 환자 안내용 로봇인 스누봇 (SNUBOT)이나 내시경 로

봇인 미로캠 (MiroCam) 등의 개발로 인해 더욱더 생산 증가폭은 커질 것으로

전망한다 의료 복지용 로봇분야에서는 2005 년에는 생산이 거의 없었으며 2006

년에는 약 6 천 만원으로 증가하기는 하였으나 이는 다른 로봇 분야에 비하면

극히 미비한 생산액이며 수술 로봇이나 재활 로봇에 대한 생산은 거의 전무한

실정이다 한국과학기술정보연구원(KISTI)에 따르면 2006 년 국내 서비스 로봇

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(산업용 로봇 제외) 시장규모는 약 624 억 원으로 미비한 수준에 그쳤으나 2011

년 5117 억 원에 달하고 2013 년 이후는 수조 원에 달하는 황금시장으로 떠오를

것으로 예상하였다 또한 정부에서는 2005 년 국내 로봇산업 육성을 위해 2013

년까지 세계 시장 점유율 15 총생산 30 조원 수출 200 억 달러 고용창출 10

만 명 등 세계 3위의 로봇강국을 목표로 하고 있다

22 의료용 로봇기술 현황

(1) 의료용 로봇 유형 및 개념

의료용 로봇은 크게 수술 로봇 수술 시뮬레이션 재활로봇 기타 의료 로봇

등으로 분류된다

첫째 수술 로봇은 크게 두 가지의 유형으로 분류된다 먼저 수술 보조 로봇

(surgery assistant robot)은 수술실에서 집도의 명령에 따르면서 수술을 보조하거나

영상 가이드 역할을 해주는 로봇을 의미하며 수술 로봇 (surgery robot)은 의사를

대신하여 수술과정의 전체 혹은 일부를 의사 대신 혹은 의사와 함께 수술 작업

을 한다

둘째 수술 시뮬레이터 (surgery simulator)는 의사의 수술에 관한 숙련도를 높

이기 위하여 가상의 그래픽 환자 모델과 햅틱 장치 (haptic device) 등을 이용하

여 수술을 연습할 수 있게 하는 의료용 로봇이다 특히 근래에 들어 프로세스의

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성능이 좋아지면서 MRI 나 CT 영상 등을 활용한 실시간 3 차원 볼륨이 가능해

지면서 의료용 시뮬레이터 개발은 가속화 되었다

셋째 재활 로봇 (rehabilitation robot)은 노인과 장애인의 재활치료와 일상생활

을 도와 주는 로봇 시스템으로 단순한 신체를 지지해 주는 역할을 벗어나 중증

환자나 노인의 신체 움직임을 향상시키고 빠른 시일 내에 회복하도록 주요 기

능을 수행하고 장애인의 장애를 극복하여 독립적인 생활을 가능하게 할 수 있

는 특정 기능의 로봇을 의미한다

넷째 기타 의료 로봇으로는 간호 로봇이나 안내로봇 등이 있다 현재의 간

호 인력을 도와서 수술이나 치료를 받는 환자를 보살피는 로봇으로서 정확한

투약과 수술 후 관리가 가능하도록 도와주는 기능과 환자의 이동 간병 및 산책

이 가능하고 말벗의 기능을 포함하는 로봇을 의미한다

(2) 의료용 로봇기술 개발현황

가 수술 로봇

현재까지 연구된 수술 로봇은 미세 수술용 원격수술 로봇 최소침습수술

(MIS) 로봇 관절 수술 로봇 등으로 분류할 수 있다

원격수술 로봇 시스템 일환으로 개발된 대표적인 로봇으로는 일본 동경대의

원격 수술 로봇 미국 NASA JPL 의 RAMS SRI International 의 원격 수술 로봇

한국과학기술원의 미세수술용 Slave 로봇 등이 있다

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MIS 의 로봇 시스템 일환으로 개발된 대표적인 로봇으로는 미국의 UC 버클

리대의 수술 로봇시스템 Computer Motion 사의 내시경 보조 로봇인 이솝

(AESOP)과 복강경 수술 로봇인 제우스 (ZEUS) 제우스 보다 진보된 Intuitive

Surgical 의 다빈치 (daVinch) 등이 있다 이 중 다빈치는 수술용 로봇으로 거의

독점적인 위치로써 세계 로봇수술의 첨병역할을 하고 있다

관절 수술 로봇의 일환으로 개발된 대표적인 로봇으로는 미국 Integrated

Surgical System사의 로보닥 (Robodoc) 독일의 Orto Maque사의 CASPAR 영국의

Imperial College의 아크로보트 (Acrobot) 등이 있다

나 수술 시뮬레이터

수술 로봇 이외에 의사의 수술에 관한 숙련도를 높이기 위한 의료용 시뮬레

이터가 활발하게 연구되고 있다 특히 근래에 들어 프로세서의 성능이 좋아지면

서 MRI 나 CT 영상 등을 활용한 의료용 수술 시뮬레이터 개발이 가속화 되었

다 대표적인 수술 시뮬레이터로는 미국 Georgia Tech의 안구 수술 시뮬레이터

미국 Boston 다이나믹스사의 개복수술 시뮬레이터 Mitsubishi Electric Research Lab

의 무릎관절 내시경 시뮬레이션 영국 맨체스터 대학의 웹기반 시뮬레이터 등이

있다

다 재활 로봇

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노령인구와 장애인구의 증가로 로봇 기술의 필요성은 재활분야에도 확대되

고 있다 장애인의 독립적인 활동을 보장하고 삶의 질을 높이려는 노력은 유럽

등의 선진국을 중심으로 재활 로봇이 연구되어 왔으며 이탈리아에서 개발된

MOVAID 가 대표적인 재활 로봇이다 또 미국에서는 MIT 를 중심으로 RIC 과

같은 로봇 신경 재활 로봇들이 개발되고 있다 스위스에서는 보행 재활 로봇으

로 Lokomat 이 개발되었고 국내에서는 KAIST 에서 휠체어 로봇 시스템과 보행

보조 로봇 등이 연구되고 있다 이외에도 서강대학교에서는 SUBAR 라는 보행

재활 로봇을 개발하였다 이외에도 최근 미국의 Intouch Health 에서 개발한 RP-7

은 멀리 있는 환자의 병증을 파악하는 데 탁월한 원격진료 로봇으로 활용되고

있다

(3) 국내 의료용 로봇 적용사례

상기 서술한 의료용 로봇 중 가장 많은 각광을 받고 있으며 국내에서 적용

되고 있는 사례를 통해 의료용 로봇의 사용 실태를 파악보고자 한다 대표적인

복강경 수술 로봇인 Intuitive Surgical의 다빈치 로봇 시스템과 고관절 수술 로봇

인 Integrated Surgical System사의 로보닥을 중심으로 국내 실태를 살펴보고자 한

다

가 다빈치

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Fig 2-2 da Vinci surgical case number

다빈치 로봇은 1997 년 벨기에서 처음으로 환자에게 적용된 이래 국내에

2005 년 7 월 연세대학교 신촌 세브란스 병원에서 최초로 도입하여 2005 년 7 월

15 일 국내 최초로 다빈치를 이용한 로봇 수술이 이루어졌다 Fig 2-2 에서 보

듯이 수술사례는 계속적으로 증가하여 2008 년 1 월 말 현재 750 건이 넘는 수

술이 이루어졌다

다빈치 로봇은 전립선암 위암 대장남 부인암 식도암 갑상선암 간암 등

대부분의 암수술 및 중요 외과계 수술에 적용된다 이는 다빈치 로봇 수술이 가

져다 주는 효과인 개복수술이나 복강경 수술보다 수술회복기간이 단축되고 수

술시간도 감소시키는 역할과 무엇보다 수술 후 환자가 겪는 수술 후유증 확실

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히 줄여주기 때문이다 특히 전립선암의 경우 대표적인 수술 후유증인 요실금

과 발기부전 등의 가능성이 대폭 줄어드는 것으로 알려져 있다

이와 같은 수술사례와 수술성과에도 불구하고 다빈치 로봇의 가격이 25 억

정도의 고가이기 때문에 영세한 의료기관에서 도입하기에는 다소 무리가 따르

고 있다 그러나 대형 병원들은 다빈치의 성공적인 수술사례를 통해 앞다투어

이를 도입하고 있다

2008 년 1 월 현재 신촌 세브란스 병원은 이미 3 대를 도입했고 영동 세브

란스 병원 고려대 안암병원 서울아산병원 한림대 강남병원 분당서울대병원

삼성서울병원 경북대병원 동아대병원 등 9 개 의료기관에 도입되어 있다 또한

최근 (2008 년 1 월 30 일) 연세대 세브란스병원은 로봇 수술의 활성화를 위해

Intuitive Surgical 과 공동으로 복강경 수술용 로봇 다빈치를 이용한 수술법을 배

우는 lsquo연세 다빈치 트레이닝 센터rsquo를 개소하였다

다빈치는 로봇 가격만큼 수술 비용에 있어서도 고가인데다 의료보험이 적

용되지 않아 수술 비용을 환자가 모두 부담해야 하는 실정이다 다빈치 로봇 수

술 비용은 700~2000 만 원선으로 기존의 수술 비용인 200~300 만 원 보다는 다

소 높은 가격이다 특히 전립선암의 경우 로봇 수술 비용은 1500 만 원 선으로

개복수술이나 복강경수술보다 5~7 배 정도의 높은 가격이다 그럼에도 불구하고

로봇 수술은 거의 모든 암 수술에 적용되고 있고 환자와 의사 모두 만족하는

수술법으로 자리잡아 가고 있다

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나 로보닥

로봇이 외과적 기계로써 임상적으로 처음 국내에서 적용된 것은 1992 년 lsquo로

보닥rsquo이라는 의료용 로봇이다 미국에서 개발된 로보닥은 인공관절이 삽입될 환

자의 뼈를 로봇으로 가공해서 수술 성공률을 획기적으로 높였다 두꺼운 뼈를

정확한 형상으로 깎아내는 작업에는 CADCAM 자료에 따라 작동하는 로봇 팔

이 숙련된 외과의사를 간단히 능가했다 로보닥은 한국과 EU 의 판매승인을 획

득했고 결국 인공관절수술의 대세를 장악했다 세계적으로 8000 회 이상의 수술

이 로보닥을 이용하여 성공적으로 수행되었으며 2001년 FDA의 승인을 받기도

하였다

2002 년 국내 처음으로 로보닥이 도입된 이래로 이춘택 병원은 현재까지

2556 회라는 경이적인 수술건수를 기록하였다 그는 최소침습수술과 접목하여

로봇의 정밀성과 최소 절개기술을 결합시킴으로써 환자의 고통과 재활 기간을

크게 줄였다 그러나 로보닥의 가격은 무려 17 억 원이며 3 차원 영상까지 구현

하기 위해서는 10 억 원 상당의 멀티 CT 까지 도입해야만 한다 그렇기 때문에

소규모의 관절전문병원이 도입하기에는 다소 무리한 점이 있다 이러한 상황에

서 이춘택은 국내시장에 맞는 로봇개발을 위해 국산 부품 및 소프트웨어를 개

발 중에 있다 따라서 우리나라도 고령화 사회를 맞아 세계적으로 관절 수술이

급증하고 있는 상황에서 국내 기술로 만든 수술용 로봇이나 소프트웨어 개발은

국내 의료용 로봇시장의 활성화를 이룰 수 있다

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23 의료용 로봇시장 전망

(1) 로봇산업 전망

로봇 분야별 세계시장 정세를 살펴보면 제조업용 로봇은 시장안전화 단계로

써 급격한 시장변화는 어려우며 신규 생산설비 및 기존 설비에 따른 수요가 대

부분 차지하고 있는 실정이다 개인서비스용 로봇은 가족구조의 핵가족화와 고

령화 현상으로 인한 가족인원으로서의 가정용 로봇에 대한 수요가 증가 추세에

있다 전문서비스용 로봇은 생산국과 생산기업이 극히 제한되어 있으며 제품가

격의 고가로 인해 시장형성에 있어서 생산국과 수요국이 불일치하고 있는 실정

이다 이러한 상황에서 로봇시장의 국가별 점유율을 살펴보면 일본 (28) 미국

(18) 독일 (16) 이탈리아 (10) 한국 (3)의 순으로 세계 5 위를 차지하고

있다 이와 같이 산업용 로봇의 경우는 우리나라의 세계적인 위상이 높지만 아

직까지 전문 서비스 분야 로봇에 대한 세계적인 위상은 미비하다

시장규모 전망과 국내 세계시장 점유율에 대한 전망은 다음과 같다 세계 로

봇시장의 규모는 2010 년에는 247억 5 백만 달러에서 2020년에는 717억 7 천만

달러에 이를 것으로 보고 있으며 연평균 107의 증가율을 예상하고 있다 분

야별로는 제조업용 로봇은 2010 년 세계시장의 114에서 2020 년 144의 비중

을 차지할 것으로 전망하고 있으며 전문서비스용 로봇은 2010 년 세계시장의

09에서 2020 년 21의 비중을 차지할 것으로 예상하고 있다 개인서비스용

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로봇은 2010 년 30에서 2020 년 70 수준에 달할 것으로 보고 있다 비록 전

문 서비스용 로봇산업의 규모는 미국 일본 독일에 비해 미미한 실정이나 전문

서비스용 로봇의 신시장을 개척하고 그 만큼의 기술력이 밑받침된다면 2020 년

세계시장에서의 더 큰 비중의 달성이 이루어질 것으로 본다

(2) 의료용 로봇기술 전망

의료용 로봇시장의 성장은 의료용 로봇기술 개발산업의 성장과 밀접한 관계

가 있다 세계적인 개발추세로는 의료용 로봇개발 하드웨어 분야에서는 일본이

경쟁력이 가장 높으며 소프트웨어 분야에서는 미국이 앞서나가고 있다 또한

독일은 하드웨어 및 소프트웨어 분야에서 동시에 상당한 연구 개발 능력을 보

유하고 있다 앞으로는 이 세 나라가 의료용 로봇 시장의 핵심 주자로 나설 것

으로 예상된다

산업연구원 (2007) 조사에 따르면 국내 로봇산업의 기술은 기술항목에 따라

다소 차이를 보이고 있으나 제조업용 로봇의 경우는 최고 기술 보유국 대비 평

균 85 정도에 육박하고 있으며 전문서비스용 로봇의 경우는 80 정도 개인서비

스용 로봇은 84 정도에 이르고 있는 것으로 나타났다 의료용 로봇 분야에서는

선두주자인 미국의 기술력을 100 이라고 봤을 때 현재 우리나라는 70 정도이며

2015년이 지나야 100 에 도달할 것으로 전망하였다 비록 의료용 로봇에서 세계

1위인 미국에 비해 우리는 아직 10년 이상 차이가 있지만 세계 최초로 국제 규

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모의 로봇랜드 조성과 로봇펀드 발생 등 정부 차원에서의 노력이 여러 가지 방

면에서 다양하게 펼쳐지고 있기 때문에 그 격차는 점차 줄어들 것으로 예상된

다

또한 IFR (2006) 자료에 따르면 한국 산업용 로봇은 세계 5 위의 강국[16]인

데 비해 의료용 로봇에 있어서는 약소국이다 이는 의료용 로봇의 개발비가 많

이 드는데 비해 국내 시장은 극히 제한적이어서 일반 기업의 참여가 아주 저조

하기 때문이다 국내에서 의료용 로봇 관련 기술 개발은 아직 걸음마 단계에 머

물러 있으며 벤처기업 및 대기업들이 개발해 상용화시키고 있는 기술이나 제품

도 대부분이 생활 가전형 로봇에 한정되어 있을 뿐 의료용 로봇분야는 아직 미

개척지로 남아 있다 하지만 국내에서도 의료용 로봇 개발을 수행하기 위해 대

학이나 연구소 차원에서 의료용 로봇에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다 먼

저 한국과학기술원이 8 년 전 설치한 휴먼 웰페어 로보틱 서저리 센터가 대표

적인 연구기관이다 이 연구소에서는 거동이 불편한 환자들을 위한 휠체어의 자

동화 시스템이나 복강경 수술 로봇 등 로봇 수술용 기구의 국산화에 초점을 맞

춰 진행 중이다 또한 최근에는 국립암센터 역시 산업자원부로부터 수술용 로

봇과 영상시스템을 주제로 한 의료용 로봇 개발자로 선정되어 연구에 들어갔다

비록 국내 의료 및 수술 로봇 관련 기술이 일본 미국 등에 비해 아직까지

뒤쳐져 있는 실정이지만 국내에서도 의료용 로봇 기술 개발이 이처럼 활발히

진행되고 있어서 향후 전망은 매우 밝다고 할 수 있다 또한 해외에서 각광을

받고 있는 캡슐형 내시경 연구 역시 국내에서 벌써 10 년째 계속 되고 있다 최

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근 한국과학기술연구원과 벤처기업인 인트로메딕이 개발한 세계 최소형 캡슐형

내시경인 미로캠 (MiroCam)은 2010 년까지 국내 캡슐형 내시경 시장의 80를

점유할 것으로 예상하고 있다 이러한 국산 의료용 로봇 개발을 통해 고부가가

치 시장인 세계 의료 시장에 뛰어들 수 있는 기반을 다졌다는 데에 큰 의미가

있다

전문 서비스용 로봇의 경우 제조업 로봇 관련 풍부한 경험을 바탕으로 전문

서비스용 로봇으로의 기술확대 메카트로닉스 (mechatronics) 관련 다양한 산업기

반과 세계적인 IT 인프라 보유국의 강점을 살리고 있다 또한 한국은 10 대 성

장동력간 연계 등을 통한 시너지 효과와 세계 전문서비스 로봇 시장이 초기형

성 단계임을 감안한다면 이 분야의 진출에 대한 절호의 기회이며 머지않아 의

료용 로봇 강국으로 진입할 수 있을 것으로 기대된다

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제 3 장 능동 그리퍼

31 최소침습 수술 햅틱 장치 구현에 필요한 능동 그리퍼 제안

21 세기 로봇 기술 분야에서는 인간과 기계 시스템 간의 커뮤니케이션이 무

엇보다 중요하게 강조되며 이러한 인간과 기계 시스템의 의사소통은 주로 인간

의 감각 기관을 통해 이루어 진다 일반적으로 인간에게는 보고 듣고 냄새를

맡고 맛을 보고 피부로 느끼는 오감이 있으며 이러한 감각을 시각 청각 후

각 미각 촉각이라고 한다 따라서 이러한 인간의 감각에 정보를 전달하기 위

한 다양한 기계 시스템들이 개발되어 왔다 오감 중에서 현재 인간과 기계 시스

템간의 인터페이스 역할을 하는 표적인 감각으로는 사물을 보는 시각과 소리

를 듣는 청각이 주로 이용되고 있다 이를 위한 시스템들은 이미 상당한 수준으

로 발전해 현재 상용화 되어 활용되고 있다 하지만 이러한 시각과 청각 인터

페이스 만으로는 로봇의 제어에 한계가 있으며 오감 중에서 세 번째 감각인 촉

각에 한 인터페이스가 현재 활발히 연구 개척되고 있다 만약 가상현실에 촉

감 인터페이스가 적용된다면 기존의 시각과 청각에만 의존하던 가상 현실에 촉

감을 전달함으로써 실제 물건을 만지고 느낄 수 있으므로 가상현실을 보다 더

실감나게 할 수 있을 것이다 하지만 인간의 감각 중에서 촉각은 매우 민감한

감각으로 여기에 촉감 정보를 전달하는 인터페이스는 아직 많은 연구를 필요로

하고 있다

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햅틱 (haptic)이란 단어의 사전적인 의미는 ldquoof or relating the sense of touch

tactilerdquo로써 물체를 만질 때 사람이 느낄 수 있는 촉각적 감각으로 피부가 물체

표면에 닿아서 느끼는 촉감 (tactile sensation)과 관절과 근육의 움직임이 방해 될

때 느껴지는 근 감각적인 힘 (kinesthetic force)의 두 가지 힘을 모두 합쳐서 부르

는 말이다 촉감 구현 연구는 물리적 장치를 이용하여 사람이 직접적인 접촉이

없이도 촉각 정보를 전달하는 방법에 관한 전반적인 연구 분야를 일컫는 말로

사람에게 원격지에 있는 물체의 물리적 특성을 전달하는 원격조작 혹은 원격현

장감에 관한 연구로부터 시작되었다 가상 혹은 실제 환경에서 촉감을 구현하기

위한 연구를 포괄적으로 의미하는 용어로 햅틱스 (haptics)라고 한다 주요 연구

분야는 사람이 직접 손에 쥐거나 착용하는 물리적 장치인 햅틱 디바이스 인터

페이스 (haptic interface) 가상 공간상의 물체에 기계적 성질을 부여하여 사실감

이 있는 상호작용을 제공하고자 하는 햅틱 렌더링 (haptic rendering) 사람의 촉

각 인지 특성에 관한 연구 (tactile perception) 등으로 나눌 수 있다 특히 햅틱

인터페이스 (haptic interface)는 햅틱 디바이스 (haptic device)라고도 불리우며 사람

에게 촉감을 전달하는 물리적인 장치를 말하며 더 넓은 의미로 사용하여 가상

의 환경을 촉감 전달을 통해서 느끼게 하는 시스템 전체를 가리키기도 한다 이

러한 햅틱 기술은 다양한 분야에서 활용될 수 있는데 표적인 분야로는 가상

현실 분야 인간-컴퓨터 인터페이스 분야 게임 등 사이버 커뮤니케이션 그리고

원격제어 로봇 등이 있다 특히 원격제어 로봇이 많이 활용되고 있는 의료 분

야에서 햅틱 구현은 매우 시급한 과제이다 현 의 수술은 점점 첨단의 수술 도

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구와 로봇을 이용하여 집도되는 추세이며 최소침습수술 (minimally invasive

surgery MIS)이 그 표적인 예이다 이 수술법은 환부의 구멍에 수술도구와 카

메라를 삽입하여 집도의가 모니터를 보면서 시술함으로써 시술시간이 짧고 환

자의 회복이 빨라서 그 적용 범위가 점차 확 되고 있다 하지만 환자가 얻게

되는 이점에 반해 의사는 개복 수술에서 쉽게 이용하던 기술들을 더 이상 적용

할 수 없게 되어 집도에 있어 큰 어려움을 부담해야만 한다 즉 환자의 내부에

서 손의 움직임과 시야의 제약을 받게 되었고 손으로 환자의 장기나 뼈를 만지

고 상태를 확인할 수 없게 된 것이다 이러한 문제점들을 극복하기 위해 첨단의

의료용 로봇 시스템이 개발되었는데 의사 즉 오퍼레이터가 조작하는 마스터

(master) 로봇과 환자의 환부에서 수술을 진행하는 슬레이브 (slave) 로봇으로 구

분된다 슬레이브 로봇은 크게 수술 시 집도의 팔의 움직임을 구현하는 구동 암

(arm)과 수술도구를 홀딩 할 수 있는 그리퍼로 분류할 수 있다 구동 암의 움직

임은 수술 부위의 위치를 결정하면 별도 큰 움직임 없이 작동시킬 수 있으며

전달 수술 관통 수술이 아닌 경우에는 집도의가 느끼는 힘을 피드백 할 필요가

없다 하지만 그리퍼의 경우는 신체 일부분의 미세한 조직까지 전부 접촉해서

제거하거나 봉합하기 때문에 집도의가 수술 시 느끼는 힘을 구현하여야 보다

정밀한 수술을 수행할 수 있다 따라서 본 연구에서는 햅틱 장치가 적용된 마스

터 로봇과 마스터 로봇에서 형성된 힘을 느낄 수 있으며 원할한 수술을 진행할

수 있는 최소침습수술용 능동 그리퍼를 제안하겠다 Fig 3-1 은 상용 MIS 장치인

다빈치 로봇의 마스터와 슬레이브 그리고 그리퍼를 나타내고 있다

(a) sla

(b

Fig 3-1 da V

Operation Arm

Gripper

- 23 -

ave robot and g

b) master rob

Vinci robot sy

m

gripper

ot

stem for MIS

- 24 -

32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류

산업용 로봇은 그 기능 특성상 필요성에 의해 로봇의 말단부에 그리퍼를 부

착시킨다 이것은 인간의 손에 응되는 것으로서 메커니컬 핸드라고 칭하며 다

루는 상 물체를rdquo파지rdquo해 이동하는 목적으로 사용되는 도구이다

파지동작은 Fig 3-2 와 같이 세분화된다 인간의 손 손가락에는 많은 관절이

있으며 여러가지 작업이 가능하다 일상 생활에서의 붙잡기는 형식을 분류한 것

으로는 슐레징거의 12 형식이 있다 여기서 인간의 손에는 손가락이 있어서 그

것을 유지핸드라고 이름 붙이면 메커니컬 핸드에는 손가락이 없는 구성법이 있

는데 이것을 무지 핸드라고 이름 붙이기로 한다 이 무지 핸드는 기계적 물리적

으로 구조상 무지핸드로 한 것과 공구가 메커니컬 핸드와 일체화됐다고 생각하

는 공구 핸드가 있다 메커니컬 핸드를 분류해 보면 다음과 같다 진공이나 자

기 이용의 흡착 등 물리적 흡척형의 유지는 보통 평면(완만한 곡선도 포함)부를

흡착하는 형태로서 물체의 크기나 중량에 따라 여러 개가 설치되는 경우도 있

다 그러나 물체표면에 만곡부가 있는 경우나 구멍이나 공동이 있는 경우에는

적용할 수 없게 된다 또한 자력을 이용한 경우 철금속 재료를 다루게 되는데

경우에 따라서 매우 효율적이고 신뢰성이 높기는 하지만 물체에 잔류 자력이

남게 되는 문제점이 있다 받기형의 유지는 지지의 동작만을 가지고 있는 형태

이며 이는 전기한 흡착형 보다 적극적이 아니여서 약한 구속을 갖는다 변형하

기 쉬운 물체의 이송등에는 이를 채택한다 매달기형 유지는 중력 방향의 이동

1 자유도를 구속한다 잡기형 파지는 유연성에 의한 변형으로 접촉면적을 크게

하여 집는

상물을 외측

이용하는 등

33 파지형

파지 형

다 본 연구

하여 설명

(1) 두 손

형태이다 현

측에서 파지하

등의 파지방법

형태에 의한

형태로서는

구에서 사용할

명 하겠다

손가락 type

현재 많이 사

하거나 구멍

법이다

한 그리퍼의

상을 바깥에

할 메커니즘은

e

Fig 3-2 Cla

- 25 -

사용하고 있는

속에 손가락

의 분류

에서 파지하

은 바깥에서

assified by the

는 끼우기형

락을 넣은 후

는 것과 안에

파지하는 형

gripper grip ac

파지 형태는

후 벌려서 내

에서 파지하

형태가 유리하

ction

는 핸들링

내측사용면을

는 것이 있

하므로 이에

두 개의

상태를 유지

는 스윙형

안정되게 파

의 리지트한

지해서 개폐

핸드(swingin

파지하는 점에

손가락을 갖

되는 병진형

ng gripper)로

에서 병진형

(a) grinder c

(c

Fig 3-3 Sw

- 26 -

갖춘 것으로

핸드(transla

로 분류된다

보다 떨어진

crank

c) rotation joi

wing-type hand

실용례가 많

ational grippe

스윙형은 기

진다

(b) swing

int

d mechanism

많다 손가락이

er)와 그 방향

기구가 간단하

g block

이 상호평행

향이 변화하

하나 상이

병진형에

4 은 평행링

운동을 바꾸

에 회전시킴

로 유지되기

지된다 직

시키도록 한

가 전middot후진

피니온 방식

F

에서는 평행링

링크 방식의

꾸고 그 피니

킴으로써 손가

기 때문에 손

동형 신에

한 것도 있다

진하는 결점이

식이 채용된다

Fig 3-4 Hand

링크 랙middot피니

예로 직동형

니온 운동으로

가락 개폐를

손가락의 물체

에 회전형 액

다 평행링크를

이 있다 이문

다

mechanism fo

- 27 -

니온 나사이송

형 액추에이

로 평행링크의

얻는다 링크

체 파지면의

추에이터를

를 이용한 형

문제를 해결하

or translational

송 기구 등이

터의 운동을

의 하나의 링

크 PS 와 링

자세도 개폐

이용한 형식

형식은 개폐에

하는 방법으로

type1 (paralle

이 이용되고

랙과 피니온

링크 A 를 축

크 QR 은 항

폐 동작 중 일

식에서 평행링

에 의해서 손

로서 볼나사

el displacement

있다 Fig 3-

온으로 회전

축 P 의 주위

항상 평행으

일정하게 유

링크를 회전

손가락 위치

기구나 랙middot

nt)

Fig 3

는 핸드의

볼나사 기구

다

(2) 세 손

세 손가

가락으로 잡

F

-5 는 회전형

예이다볼나

구 각각을 손

손가락 type

가락을 가진 핸

잡는 것보다

Fig 3-5 Hand

형 액추에터로

나사 기구를 이

손가락에 부착

e

핸드에서는

안정된 파지

d mechanism fo

- 28 -

로 랙 피니온

이용하는 경

착 사라를 회

상을 3 점

지 동작을 할

or translational

온을 회전시킴

우에는 1

회전시킴으로

점에서 유지할

할 수 있다

l type2 (rack a

킴으로써 개폐

의 왼나사

써 개폐 동작

할수 있기 때

nd pinion type

폐동작을 하

오른나사의

작을 실현한

문에 두 손

e)

Fig 3-6

베벨기어를

구동해서 세

실현한 것

각 손가락을

복잡하며 중

6 은 세 손가

를 매개로 상

세 손가락을

이다 특히

을 개별 모터

중량도 증가하

Fig

락형 그리퍼

호 각도를 주

동작시킴으로

원통물체를

터로 구동하도

하기 때문에

3-6 Hand mec

- 29 -

의 일반적인

주어 결합한

로써 이른바

확실히 잡아

도록 한 3 지

실용례가 적

chanism for thr

인 형상을 나타

3 개의 볼

바 3 포인트 핀

아서 유지하

지형핸드도 개

적다

ree point pinch

타내고 있다

나사를 하나

핀치(three po

는데 유리하

개발되고 있으

h type

이 핸드는

나의 모터로

oint pinch)를

하다그 외에

으나기구가

34 메카니

(1) 구속

기계적

어서 형성되

전 구속 기

해서 언급하

으로 움직일

또 X Y 평

니컬 핸드의

속기능

구동장치에

되는 것으로

기능이 있다

하면 구속 상

일 수 있다

평면 X Y 면

의 구속기능

서 구속 형식

크게 나누어

그래서 핸드

상태의 물체는

이것을 물체

X Z 면상에

Fig 3-

- 30 -

능

식과 접촉 상

어서 반구속

드의 구속 기

는 Fig 3-7 와

체의 공전 (이

서 6 방향으

-7 Movement

상태와 포락

속 (받는 구속

기능을 결정하

와 같이 X Y

이동)에 관한

로 회전 한다

t of object

능력의 인자

속 는 구속

하는 물체의

Z 의 3 축상

6 동작 자유

다 이것을 물

자가 복합되

속)기능과 완

구속에

에서 6 방향

유도로 한다

물체의 자전

(회전)에 관

부여한 상태

행할 수 있

서는 회전의

핸드에

한 공간적

면 Fig 3-8

이 그림

를 구속한다

에서 7 자유

선접촉과 면

계수와 절선

(a

관한 6 동작

태에서 움직이

있다 또 완전

의 6 자유도를

의한 물체의

적인 포락 상

와 같이 된

(a)의 점접촉

다 그러나 1

유도를 구속

면접촉에는 각

선력법선력

a) point contac

Fig3

자유도로 한

이며 중력이

전 구속은 핸

를 무시하는

의 구속은 핸

상태로 정한다

다

촉은 접촉점

1 점접촉은 다

한다 (c)의

각각 마찰에

비와의 관계

ct (b

3-8 Contacts

- 31 -

한다 반구속은

이나 환경면의

드 자체로 1

경우도 적지

핸드와 물체의

다 먼저 접촉

방향의 1 자

다른 11 자유

면접촉은 11

위한 구속이

계로 구속불능

) line contact

of the kind an

은 12 자유도

의 구속을 받

12 자유도를

지 않다

의 접촉 상태

촉부의 구속

자유도를 구속

도를 구속할

1 자유도의 구

이 4 개와 6 개

능의 가능성을

nd the confini

도 중 몇 개의

아서 완전 구

행하는데 경

태 및 접촉부

능력을 모델

속한다 그러나

할 수 없다 (b

구속을 할 수

개 주어져 있

을 가진 구속

(c) surface co

ing

의 자유도를

구속으로 이

경우에 따라

부의 물체에

델로 나타내

나 1 자유도

b)는 선접촉

수 있다 단

있으며 마찰

속 성분이기

ontact

- 32 -

도 하다 또한 면접촉의 상태는 중력의 작용을 이용하면 받기를 형성하고 또

외계력을 이용하면 기를 형성한다

이들의 접촉상태는 물체의 형상과 핸드의 구속면으로 규정되는 것으로 핸드

만으로 결정하기는 어렵다 단 핸드의 구속면을 부드러운 재질로 형성하면 면

접촉의 이행이 용이하다 이와 같은 이유에서 물체에 접촉부가 포락도를 높이는

데에 따라서 물체 형상에 관계 없이 구속 능력을 증 시킬 수 있다

(2) 메커니컬 핸드의 자유도

로봇의 손은 그 용도를 불문하고 인간의 손 작업의 행을 목적으로 하는

것이므로 그 설계에 있어서 모델로 되는 것은 말할 것 도 없이 인간의 손이다

그래서 우선 기구에 하여 설명하기 전에 인간의 손의 구조 모델에 하여 설

명해 본다

AmiddotMorecki 에 의하면 인간의 상체는 그 해부학적 구조에 입각하면 Fig 3-9 와

같이 모델화할 수 있다 Fig 3-9 에서 숫자는 각각 골격 즉 링크를 나타내고 숫

자 II~ V 는 관절을 나타내고 있다 이와 같은 공간링크 기구의 자유도 F 는 가

동부수 n 자유도의 종류 f 를 가진 우 수를 Pf 라 하면 다음 식으로 나타낼

수 있다

6n sum ∙ P 12345 (3-1)

Fig 3-9

들 자유도가

을 Fig 3-9

P5=10 이므

인간의

유도 1 의

해 있으며

의 모델에서

가 있는 관절

9 와 같이 정

므로 위 식에

상지를 인공

액튜에이터를

22 개나 되

Fig 3

서는 n=19 P2

절에 작용하는

정의하고 그

서 FH=22 가

공적으로 정밀

를 27 필요

는 액튜에이

- 33 -

3-9 Human Ar

2=1 P3=2 P4

는 근군은 약

자유도 FH

가 된다

밀하게 재현하

요로 하게 된

터를 필요로

rm structure

4=6 P5=11 이

약 50 이라고

를 구하면

하려고 한다면

된다 또 손에

로 한다 그러

이므로 F=27

고 되어 있다

이 경우는 n

면 이상의 결

는 특히 자유

나 로봇의 손

이 된다 이

여기서 손

n=16 P4=6

결론에서 자

유도가 집중

손이 이만큼

- 34 -

의 수의 액튜에이터를 갖춘 것을 제작한다는 것은 크기 중량 제어면에서 볼

때 현시점에서는 불가능에 가깝다 특히 의수에 있어서는 상술한 바와 같은 형

상이나 조종성 등의 점에서 전혀 불가능하다고 해도 좋다 따라서 보통은 기능

에 주목하여 손에 집중해 있는 자유도의 간략화를 도모한다

인간의 잡기 동작에 주목해 보면 그 잡기 형상에는 12 종류가 있다고 하다

그러나 이것들은 엄지와 다른 12 종류가 있다고 한다 그러나 이것들은 엄지와

다른 4 손가락과의 관계에 주목하였을 때에 2 종류 즉 엄지가 다른 4 손가락과

항해서 동작하거나 그 측방에서 동작하는가로 분류할 수 있다 실제의 일상

동작에서 관찰하면 이들 중에서도 엄지와 손가락이 항해서 동작하는 소위 쥠

동작이 우선 첫 번째이고 또 다음에 엄지 검지 중지의 3 손가락의 선단으로

이루어지는 3Point Pinch 즉 잡기동작이 중요하다

더불어 손가락의 독립성에 해서는 역시 일상동작 중에서 손가락의 사용

빈도를 조사한 결과에 의하면 다섯 손가락은 반드시 독립적인 운동을 필요로

하지 않고 엄지 검지 중지가 같은 정도의 중요성을 자기며 다른 두 손가락은

사용 빈도에 있어서 이들 세 손가락보다 약 50 적으며 다른 세 손가락의 보

조 역할을 한다고 볼 수 있다 그리고 특히 중요한 것은 인간의 각 손가락은 잡

기 상물의 형상에 적응한 쥐기 즉 Passive 한 동작을 할 수 있다는 것이다 이

기능이 있다면 각 손가락이 독립적으로 동작하지 않더라도 또 다소 손의 자유

도를 제거하더라도 상물의 확실한 쥐기나 잡기 그리고 기타 손 작업에 큰 힘

을 발휘한다

- 35 -

34 표적인 동력원의 특징

동력원을 설계할 때 다음의 점을 고려하면서 가장 적합한 방식을 선택한다

1조작력(로보트가 내는 최 의 힘 예를들면 최 들어올린 힘)

2속응성(최 조작 속도)

3크기 중량(로보트의 크기와 중량의 제한)

4안정성(발열이나 과부하에 한 안전성)

5사용의 용이도

6수명가격

1 2 의 조작력 속응력은 로보트에 요구되는 성능에서 가장 기본적인 것인

데 이에 관련해서 크기나 중량의 제한 안정성 사용의 용이도 수명 가격 등을

고려해서 동력원을 선택한다 단 자주형 로보트에서는 2 차적 성능인 동력원의

중량이 첫째 요구 조건이 되는 경우가 많고 공업용 로보트에서는 저가격 사용

의 용이도 안전성이 중요 사항으로 우선시된다

모든 로봇은 동력원을 필요로한다 중요도에 따라 동력원을 선택해야 하는데

일반적으로 공기압식은 안전성이 뛰어난 반면 힘과 세밀한 위치제어가 어렵고

전기식은 응답성과 사용편리성 세밀한 위치제어가 가능하나 높은 힘을 내기 위

해서는 부가적인 기구부가 필요하다 유압식은 큰힘을 낼수있어서 속응성은 좋

으나 과부하시 상당한 발열이 있기 때문에 안전성에서 다른 동력원에 비해 떨

어진다 위 사항을 TABLE 3-1 로 분류하여 나타내었다

- 36 -

TABLE 3-1 Characteristics of power sources

전기식 유압식 공압식

사용용이성 편리하다 작동유의관리 관로의압력

필터관리에 유의

공급공기의 수분제거

윤활성의부가에 주의

수명 길다 기름에 윤활성이 있기

때문에 길다

공기에윤활성이 없어

유압 전기에 비해 짧다

가격 보통 가격 운영비 높음 저가격

응답속도

(반응성) 매우 빠르다 빠르다 늦다

하중능력 (소)에서 (중)정도의

하중능력 단히 큰 힘을 얻음 큰 힘은 없다

소음 적다 다소 크다 크다

- 37 -

제 4 장 능동형 그리퍼 설계

41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정

로봇 그리퍼의 정밀 파지 (Fingertip Grasp 손가락 끝을 이용하여 물체를 집

거나 바닥에누워있는 납작한 물체를 집는 행동)를 안정하게 하기 위해서는 손가

락 끝과 물체가 직각에 가까운 각도를 이룸으로 마찰력을 크게 하여 안정성을

높인다 또한 바닥에 놓인 물체를 집어 올릴 경우에도 물체표면의 법선 벡터와

손가락 끝의 각도가 클수록 물체를 효과적으로 구속하여 안정된 파지를 할 수

있다

그리퍼의 링크 시스템에 있어서 2 링크 손가락보다 3 링크 손가락을 쓸 때가

링크와 수평 평면이 이루는 각 (A)이 더 커지기 때문에 안정성이 더 좋다는 것

을 알 수 있다 그리고 안정성뿐만 아니라 식 (4-1)을 통하여 문체에 전해지는

Torque 값을 Fig 4-2 와 같이 그래프로 나타내면 0 도에서 75 도 정도까지는 A 각

이 커질수록 물체에 가해지는 토크 값이 점점 커지는 것을 알 수 있음으로 3 링

크 손가락을 쓰는 것이 파지력 증가됨을 알수 있다 ℓ3 의 길이가 길어질수록 A

가 작은 값을 가져서 정밀파지에 적당하지 않다

τ l cosA sinA l 1 cos A tan μ (41)

A cosempty

(42)

Fig 4-1

은 식을 통

각이 커짐을

움이 있고

Fig4-

에서 제 2 코

통해 구할 수

을 알 수 있다

최소 단위를

Fig4

-1 Configurati

코사인 법칙

있는데 이로

다 그러나 ℓ

를 1cm 로 하

-2 Change the

- 38 -

ion of the fing

을 이용하여

로부터 링크

ℓ3 가 1cm 인

하였기 때문에

e value of the a

gers on robot g

여 A 의 각을

길이 ℓ3 가

인 경우는 너

에 ℓ3 는 2cm

angle of phage

gripper

구하기 위해

작으면 작을

무 짧아서 파

로 결정하였

torque

해 (2) 와 같

을수록 A 의

파지의 어려

였다

42 모터

(1) 알고

앞 절에

여야 한다

는 모터의

이 작은 모

나 용량이

로 적절한

선정 알고

고리즘 정의

에서 설명한 기

로봇 팔에

선정은 동작

모터를 사용하

큰 모터를 사

모터의 선정

고리즘

기구들을 추

움직임을 전

작을 구현하는

하게 되면 기

사용하게 되

정이 중요하다

Fig 4-3 M

- 39 -

추후 로봇 시스

전달함에 있어

는데 중요한

기구의 원활한

면 모터의 외

다

Motor Selectio

스템에 적용을

어서 동력을

과제가 되겠

한 작동이 어

외형이 커지

on Algorithm

을 고려하여

공급과 제어

겠다 만일 토

려워지고 단

고 가격 또한

설계를 하

어를 수행하

토크나 용량

단순히 토크

한 증가하므

- 40 -

(2) 알고리즘 수행

모터를 선정하기 위해서 가장 우선적으로 해야 할 일은 기계구동부분을 결

정하고 구동부분을 어떠한 방식으로 작동을 시킬지 동작 패턴을 결정하여야 한

다 예를 들면 모터에서 나오는 힘을 받아서 볼 스크류를 이용하여 힘을 전달할

것인지 벨트 피니언 기어 혹은 풀리 등을 이용할 것인지를 결정하고 그에 따

른 적절한 구동방식을 결정한다 구동방식을 결정하게 되면 각각의 구동방식에

적합한 수식을 대입하여 부하토크를 계산한다 구동방식에 따른 부하토크를 구

하는 수식은 구동방식이나 구동장소 등에 따라 다소 상이하나 일반적인 수식은

다음과 같다

-BALL SCREW 구동

T FP2πn

μ F P2π

1i N ∙ m 43

F F mg sin α μ cos α N 44

-PULLEY 구동

T ∙ 45

μF D

2i N ∙ m

- 41 -

-WIRE middot BELT 구동 RACK middot PINION 구동

T F2πn

∙ πDi

FD2ni

N ∙ m 46

F F mg sin α μ cos s N 47

-실측에 의한 방법

T 48

직선운동 (커플링 직결 볼스크류 등)의 경우 위의 (43) (44) 이용하여 구할

수 있다 이때 F 는 축방향하중 F0 는 예압하중 μ0는 예압 NUT 의 마찰계수 η 은

효율i 는 감속비 PB 는볼스크류 피치를 나타낸다 회전운동 (풀리)의 경우 식

(45)를 이용하여 구할 수 있으며 FA는 외력 FB는 부하중량 (주축이 회전하기 시

작할 때의 힘) m 은 work 와 TABLE 의 총무계 μ 접동면의 마찰계수α는 경사각

도D 는 풀리의 지름을 나타낸다

실제현장에서는 선정된 모터의 토크를 확인하기 위해 실측에 의한 구동토크

를 계측하는데 스프링 저울을 구동 풀리에 연결지어 측정한다 이때 TL 은 회전

운동 부하토크에 해당하고 FB 는 부하중량 D 는 풀리의 직경을 나타낸다

위의 부하토크를 구하는 식들을 이용하여 부하토크를 구하게 되면 실제 모

터를 사용할 때 어느 정도의 시간적 여유를 두고 가속을 할 것인지 감속을 할

것인지를 결정하여야 한다 이를 위해서 우선 동작시킬 부분에 대한 관성모멘트

를 계산하

Fig 4-4

시한 것으로

dA 와 기준

이를 표현하

하여야 한다

4 는 관성모멘

로 X 와 Y

준축으로 부터

하면 식 (49)

Fig 4-4 Arb

I

멘트를 구하기

는 면적의 미

터의 거리의

)와 같다

- 42 -

bitrary shape o

y dA I

기 위한 절대

미소 요소 dA

제곱의 곱으

of planar area

x dA

대좌표 X Y

A 의 좌표이

으로 단면 2

축 상의 미소

이고 관성모멘

차 모멘트라

49

소면적을 도

멘트는 요소

라고도 한다

평면 면

가 있다 평

축에 대한

Fig 4-5

하는 평행한

관성모멘

식 (410

번째 적분은

면적의 관성

평행축 정리란

관성 모멘트

5 과 같이 도

한 xy 축 두

멘트의 정의로

I y

0) 에서 우변

은 Xc 축에

Fig 4-5

모멘트에 있

란 도심축에

트 사이의 관

도심을 원점으

좌표계의 평

로부터 x 축

y d dA

변의 첫 번째

대한 1 차 모

- 43 -

5 Parallel-axis

있어서 중요하

대한 관성

계를 나타낸

으로 하는 Xc

평행한 축 간

축에 대한 관

y dA

적분은 Xc

모멘트로서 X

theorem

하고 유용한

모멘트와 도

낸다

cYc 축과 임의

간의 거리를 d

성모멘트 Ix

2d y dA

축에 대한 관

Xc 축이 도심

정리로서 평

도심축에 평행

의의 점 O 를

d1 과 d2 로 표

는 식(410)와

d dA

관성모멘트

심을 통과하므

평행축 정리

행한 임의의

를 원점으로

표시한다

와 같다

410

I 이다 두

므로 적분의

- 44 -

값은 0 이다 세번째 적분은 면적 A 그 자체이다 따라서 식 (410)은 식 (411)과

같이 간단해진다

I I Ad 411

y 축에 대한 관성모멘트도 위와 같은 방법에 의해 식(412)과 같다

I I Ad 412

또한 면적의 평면에 수직인 수직축에 대한 관성모멘트를 극관성모멘트라 한

다 Fig 4-6 는 평면에 수직이고 O 점을 통과하는 축에 대한 극관성모멘트를 나

타낸 그림으로 이를 관성모멘트 식으로 표현하면 식 (413) 와 같다

I ρ dA 413

식 (413)와

즉 평면에

서로 수직인

극 관성

와 도심 C

와 식 (414)에

I

수직인 축에

인 두 축에 대

성모멘트에 대

에 대한 극

Fig 4-6 Arb

의해 식 (4

ρ dA

I

에 대한 극관

대한 관성모

대한 평행축

극 관성모멘트

- 45 -

bitrary shape o

ρ x y

415) 식 (41

x y dA

I I I

관성모멘트는

멘트의 합과

정리는 Fig

트를 각각 I

of Polar Area

y

16)과 같은 관

x dA y

는 평면 내의

과 같다

4-5 에서 유

와 I 로

관계식을 얻을

y dA

같은 지점을

유도할 수 있

로 표시하면

414

을 수 있다

415

416

을 통과하는

있다 원점 O

식 (416)에

- 46 -

서 식(417)을 유도할 수 있다

I I I I I I 417

I I I I A d d 418

I I Ad 419

식 (419)는 극 관성모멘트에 대한 평행축 정리를 나타낸다 즉 평면 내의 임의

의 한 점 O 에 대한 면적의 극관성모멘트는 도심 C 에 대한 극관성모멘트에 그

면적과 점 O 와 C 사이의 거리의 제곱의 곱을 더한 것과 같다

이상의 식에서 부하토크와 관성모멘트를 계산하여 모터를 가 선정한다 부하토

크의 경우 사용될 모터의 정격 토크를 넘어서지 않는 것을 선정한다 부하토크

를 TL 정상 부하 상태의 힘 PL 극 관성모멘트 IL 회전운동을 위한 힘 Pa 각속

도 가속 시 소요되는 시간을 ta 라 하고 식 (420)을 이용하여 부하가 일정하

게 작용할 때의 힘을 계산한다 마찬가지로 관성모멘트를 식 (421)에 대입하여

가속을 위한 회전 운동 시 필요한 힘을 계산한다 식 (420)과 식 (421)에서 계

산된 힘을 합산하면 모터를 회전시키기 위해 필요한 출력이 계산된다 이때 계

산된 출력보다 실제 사용할 모터의 정격 출력이 1~2 배 정도가 되도록 모터를

가 선정한다

- 47 -

P T ω 420

P 421

위의 과정을 통하여 모터를 가선정하고 가감속 토크 및 구동 토크를 계산한

다 각각의 토크를 계산하게 되면 모터를 최종적으로 선정하게 되는데 두 가지

사항을 고려하여 최종 선정한다 먼저 식 (422)을 통해서 계산되는 가속 시 소

요되는 기동 토크 TM 가 모터의 최대 토크를 넘지 않는 것으로 선정한다

T 422

두 번째로 Fig 4-7 의 속도 선도와 같이 모터의 가 감속 시간과 정상 동작

시간 등을 결정하여 식 (423)과 같이 실효치 토크 TS 를 구하고 실효 토크가 모

터의 정격 토크보다 크지 않도록 선정한다

T 423

Fig 4-7 Exa

- 48 -

ample of veloc

city guidance

- 49 -

(3) 알고리즘 적용

로봇시스템에 있어서 기구들의 관성모멘트와 토크 계산 후 적합한 모터를

선정하기 위해 시중에서 시판되는 모터를 조사하였다 로봇에 적용 가능한 모터

로는 크게 서버모터와 스텝모터 RC 서버모터 DC 모터로 구분 할 수 있었다 이

를 TABLE 4-1 과 같이 정리하였다

동력원의 6 가지 선정요소 중 우선순위를 부여하여 분류했을 때 핸드 그리퍼

의 특성상 가볍고 토크가 큰 RC 서버 모터 미니 서버모터를 선택할 수 도 있지

만 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터 중 토크를 증가시킬 수 있는

감속기가 있는 타입의 모터를 우선시 하였다

1 감속비를 사양할 수 있는 모터를 선정하여 계산한 토크를 확인한다

2 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터를 선정한다

3 CLOSED LOOP 제어를 통하여 정확한 위치를 검출할 수 있어야 한다

따라서 스텝모터중 lsquoOrsquo사의 ldquoαSTEPrdquo가 적합하다고 판단되어 모터를 선정하였다

- 50 -

TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics

미니서버모터 RC 서버모터 스텝모터 DC 모터

장점 동일사양대비 모터

중 10배정도 큰 토크

5v사용가벼움

정확한 위치제어

급격한 부하변동급가

속 유리

저렴한가격

보편화됨

단점 정지시 진동이 예상 약한 토크 THRUST하중이 모터

무계 이하여야 한다

유지보수가 잦다

크기 151588mm(10w20w)

2525111mm(30w)

392038mm 424234mm Oslash37mm917mm

동작전압 Dc 24V Dc 48V60V Dc 24V Dc 24V

무계 230g~400g 56g 150g 200g

허용토크 009Nm~03Nm 11~13kgfcm 18kgfcm (018Nm) 47kgfcm(1200)

감속기 다양한 감속비 가능 고정 감속기 감속기 무(072˚036) 다양한 감속비

제조사 야스카와 SGMM 하이텍 HS-5945 AUTONICS GCM 3429A

TABLE 4-2 αstep motor characteristics

외형 전압 전류 무계 토크 감속비 분해능

αSTEP 282884mm

4242127mm Dc24V 1~37A 250G 2~28 Nmiddotm 50~1001

00072pluse

00036pluse

- 51 -

43 1 차 능동형 그리퍼 설계

실린더를 사용하여 링크로 물체를 파지하던 그리퍼는 Fig 4-8 과 Fig 4-9 에

묘사하였다 이런 실린더를 사용한 그리퍼는 공압 효과를 도출할 수 있는 별도

의 펌프가 필요하고 동작을 구현할 수 있는 자유도를 증가시키는데 한계가 있

다 이런 실린더의 단점을 보완하고 전기모터의 장점을 사용하기 위해 웜기어와

웜휠 방식을 채택하여 2 자유도 능동형 그리퍼를 설계하였다

1 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-10 에 묘사하였으며 1 차설계한

능동형 그리퍼는 Two Fingertip Grasp 로 칭하겠다 파지한 물체를 회전 시키는

기능은 베벨기어를 사용하여 회전운동으로 구현하였고 실린더의 전middot후진 운동

을 전기모터의 회전운동으로 변환 시키기 위하여 웜기어와 웜휨을 선택하였다

전기모터에 의해 회전하는 운동은 웜기어와 웜휠에 의해 링크를 사용하여 물체

를 파지하였던 그리퍼와 동일한 운동효과를 가지게 되었다

웜기어와 웜휠을 사용하여 물체를 파지하는 능동형 그리퍼는 스윙형으로 설

계되었으며 파지력을 높이기 위한 각도를 적용하였다 링크를 사용하여 물체를

파지하는 형태의 그리퍼보다 기구의 크기를 줄일 수 있는 장점이 있는 반면 기

어들의 백래시에 의한 오차가 끝단에 누적될 수 있는 문제점을 가지고 있다또

한 기구부의 소재 변경으로 그리퍼의 무계를 줄일 수 도 있지만 가장 큰 무계

를 차지하는 모터를 그리퍼 자체에서 분리하게 할 수 있게 하려면 그리퍼 자체

의 구조변경이 필요하다

`

`

Fig 4-8 Par

Fig 4-9 Par

- 52 -

rallel-link gra

rallel-link gra

sps system 1

sps system 2

Fig 4-10

- 53 -

0 Two fingertipps grasp system

- 54 -

44 2 차 능동형 그리퍼 설계

1 차 설계한 능동형 그리퍼에서 발견된 문제점을 보안하기 위하여 2 차 능동

형 그리퍼를 설계하였다 2 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-11 에 묘사

하였으며 2 차설계한 능동형 그리퍼는 Four Fingertip Grasp 로 칭하겠다 이 장치

는 크게 동력원 동력 전달장치 핑거 그립장치로 구성되어있으며 이를 통합하

여 Fig 4-12 에 나타내었다

핑거 그립장치는 스윙형 그립의 단점을 보완하여 설계하였다 물체를 파지할

때 그립의 회전 반경이 주위 환경요소와 간섭을 발생시킬 수 있는데핑거가 전

진할때 샤프트와 핑거그립간의 나사결합형태를 통한 직선운동으로 개선하여 주

위환경요소에 영향을 주지 않도록 설계하였다 구동축의 핑거파지 메카니즘을

Fig 4-13 와 같이 간략화 하였고 이에 대한 세부 도면은 Fig 4-14 로 나타내었다

4 조 핑거 그립의 나사산과 테이퍼진 스크류축은 나사식으로 결합되며 상호

작용에 의해 점차 중심점으로 이동하여 물체를 파지하는 형태이다 사용된 2 개

의 샤프트는 중공축으로 설계하였으며 외부 샤프트는 4 조 핑거가 물체를 파지

하여 비트는 모션을 구현하는데 사용되었다 내부 샤프트는 핑거를 중심점으로

전진시켜는 기능을 수행한다 중공축으로 설계한 내부 샤프트는 차후 개발될 인

스트리먼트의 탈부착을 손쉽게 할수있도록 구현하였고 4 조로 설계된 핑거는 그

립시 인스트리먼트의 응력집중현상을 분산시키는 기능과 2 조로 그립하였을때

보다 안정적인 그립감을 형성한다

- 55 -

동력원과 동력전달장치는 Fig 4-15 에 나타내었으며 Two Fingertip Grasp system

의 문제점이었던 구동부의 모터의 설치 방법을 외부에 부착하는 형태로 변경하

여 우레탄 밸트를 사용하였다 또한 아이들러를 사용하여 밸트의 방향을 변경

하여 모터의 부착위치를 자유롭게 설정할 수 있도록 하였고 모터 브라켓에 슬

리브 홈을 설치하여 벨트의 장력을 조절할 수 있도록 하였다

Fig4-11

Fig4-12 Fou

- 56 -

Four fingertip

ur fingertips g

ps grasp system

grasp system la

m

ayout

Fig 4-13

Fig 4-14

- 57 -

Fingertip gra

4 Fingertip gr

asps mechanis

rasps extended

m

d

Fig 4-15

- 58 -

5 Power transmission devicce

- 59 -

제 5장 결 론

본 연구에서는 MIS 수술 로봇을 위한 햅틱 마스터장치 구동용 능동형 그리

퍼를 설계하기 위하여 그에 상응하는 자료 및 문헌 조사를 수행하였고 햅틱 마

스터에 적용 가능한 능동형 그리퍼를 설계하여 로봇 시스템의 초안을 구성하였

다 수술용 도구를 단순히 잡아주는 역할에서 벗어나 시스템에 추가적인 자유도

를 부여함으로써 그리퍼를 표현하였다 단순화된 그리퍼는 보다 저렴한 가격으

로 생산될 수 있으며 기존 로봇 수술시스템의 높은 비용을 절감할 수 있는 효

과를 가져올 수 있다

최종적으로 제안한 설계 안으로는 2 조 핑거그립를 사용하는 전기모터형 그

리퍼 와 추가적으로 개선한 4 조 전기모터형 핑거그립를 설계였다 스윙형 그립

의 단점을 보안하여 집중응력을 분산할 수 있는 구조로 설계하였고 그리퍼의

무계를 줄일 수 있는 방법을 제시하였다 이로써 원통형 도구 파지 시 안정성이

향상되었고 보다 원활하게 수술 도구를 교체 가능하도록 하였다

앞으로 촉감을 전달할 수 있는 센서의 개발로 햅틱 디바이스 인터페이스 장

치의 활용에 보다 높은 기여를 할 것이라 예상된다

-６０-

참고 문헌

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정보 및 제어부분 PP68~7020084

[2] 박정호 ldquo국내외 의료로봇 현황과 발전방향rdquo정보과학지 26(4)

PP49~5420084

[3] 편집부 ldquo수술지원로봇의 최신 기술 동향rdquo월간 자동화 기술 22(12)

PP74~77200612

[4] 경기욱박준석 ldquo햅틱스 기술개발 동향 및 연구전망rdquo전자통신경향분석

21(5)PP93~108200610

[5] 권동수경기욱 ldquo의료용 로봇의 연구 현황과 전망rdquo기계저널

42(3)PP38~44200203

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and Elastic Elementsrdquoproceedings the 2005 IEEE International Conference on

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[8] 홍만복김광기 ldquo최소 침습수술로봇을위한 2-자유도 구형 메커니즘설계rdquo

한국정밀공학회 2009년 추계학술대회 논문집

-６１-

[9] 이재훈김형욱이병주서일홍 ldquo새로운 6자유도 병렬형 햅틱 기구의 최적설

계 및 해석rdquo한국정밀공학회 2003년 추계학술대회 논문집

[10] 조국훈이재훈이병주김희국 ldquo병렬형 그리퍼 메카니즘rdquo한국정밀공학회지

[11] 김갑순 ldquo3축 힘센서를 이용한 지능형 그리퍼 개발rdquo한국정밀공학회지 제

24권 제 3호 1999년

[12] 고대성김성목김희국이병주 ldquo병진형 자유도와 1자유도 파지기능을 가지는

4자유도 병렬 메커니즘의 기구학분석rdquo한국정밀공학회 2007년 추계학술대회

• 제1장 서 론
• • 11 연구배경 및 연구목적
  • 12 연구내용
  • • 제2장 로봇 산업의 기술 현황
    • • 21 로봇산업의 동향
      • 22 의료용 로봇기술 현황
      • 23 의료용 로봇시장 전망
      • • 제3장 능동 그리퍼
        • • 31 최소침습 수술 햅틱 장치구현에 필요한 능동 그리퍼 제안
          • 32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류
          • 33 파지형태에 의한 그리퍼의 분류
          • 34 메카니컬 핸드의 구속기능
          • 35 대표적인 동력원의 특징
          • • 제4장 능동형 그리퍼 설계
            • • 41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정
              • 42 모터 선정 알고리즘
              • • 43 1 차 능동형 그리퍼 설계
                • 44 2 차 능동형 그리퍼 설계
                • • 제 5 장 결론
                  • 참고문헌
                  • TABLE 2-1 Domestic robot classification
                  • TABLE 2-2 Robot Production Company
                  • TABLE 3-1 Characteristics of power sources
                  • TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics
                  • TABLE 4-2 αSTEP Motor Characteristics
                  • Fig2-1 Phase of medical robots in the robot industry
                  • Fig2-2 Da Vinci surgical case number
                  • Fig3-1 Da Vinci robot system for MIS
                  • Fig3-2 Classified by the gripper grip action
                  • Fig3-3 Swing-type hand mechanism
                  • Fig3-4 Hand mechanism for translational type1 (parallel displacement)
                  • Fig3-5 Hand mechanism for translational type2 (Rack and pinion type)
                  • Fig3-6 Hand mechanism for three point pinch type
                  • Fig3-7 Movement of object
                  • Fig3-8 Contacts of the kind and the confining
                  • Fig3-9 Human Arm structure
                  • Fig4-1 Configuration of the fingers on robot gripper
                  • Fig4-2 Change the value of the angle of phage torque
                  • Fig4-3 Motor Selection Algorithm
                  • Fig4-4 Arbitrary Shape of Planar Area
                  • Fig4-5 Parallel-Axis Theorem
                  • Fig4-6 Arbitrary Shape of Polar Area
                  • Fig4-7 Example of Velocity Guidance
                  • Fig4-8 Parallel-link Grasp system 1
                  • Fig4-9 Parallel-link Grasp system 2
                  • Fig4-10 TWO Fingertip Grasp system
                  • Fig4-11 Four Fingertip Grasp System
                  • Fig4-12 Four Fingertip Grasp System layout
                  • Fig4-13 Fingertip Grasp Mechanism
                  • Fig4-14 Fingertip Grasp extended
                  • Fig4-15 Power Transmission Device

-vi-

Fig4-5 Parallel-Axis Theorem 43

Fig4-6 Arbitrary Shape of Polar Area 45

Fig4-7 Example of Velocity Guidance 48

Fig4-8 Parallel-link Grasp system 1 52

Fig4-9 Parallel-link Grasp system 2 52

Fig4-10 TWO Fingertip Grasp system 53

Fig4-11 Four Fingertip Grasp System 56

Fig4-12 Four Fingertip Grasp System layout 56

Fig4-13 Fingertip Grasp Mechanism 57

Fig4-14 Fingertip Grasp extended 57

Fig 4-15 Power Transmission Device 58

-vii-

목 차

요 약 문 i

Abstract ii

Nomenclature iii

List of Figures and Tables v

제1장 서 론 1

11 연구배경 및 연구목적 1

12 연구내용 3

제2장 로봇 산업의 기술 현황 4

21 로봇산업의 동향 4

22 의료용 로봇기술 현황 9

23 의료용 로봇시장 전망 16

제3장 능동 그리퍼 20

31 최소침습 수술 햅틱 장치구현에 필요한 능동 그리퍼 제안

20

32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류 24

33 파지형태에 의한 그리퍼의 분류 25

-viii-

34 메카니컬 핸드의 구속기능 30

35 대표적인 동력원의 특징 35

제4장 능동형 그리퍼 설계 37

41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정 37

42 모터 선정 알고리즘 39

43 1차 능동형 그리퍼 설계 51

44 2차 능동형 그리퍼 설계 54

제 5장 결론 59

참고문헌 60

- 1 -

제 1장 서 론

11 연구 배경 및 연구 목적

로봇은 이미 다양한 자동화 산업 분야에서 높은 부가가치의 창출로 인해 그

가치가 인정되어 점점 더 그 활용 분야가 증가하고 있는 추세에 있다 또한 최

근 들어서는 산업현장뿐만 아니라 생활 기구 의료용에서도 로봇을 접목시켜 이

를 실제 시스템에 사용하고 있다 특히 의료용 로봇 분야에서는 수술행위를 대

행하는 다빈치 로봇의 개발로 수술의 신뢰도를 크게 향상시키고 있다

다빈치 수술시스템은 너무나 성공적 이여서 수술행위의 수행에 있어서 커다

란 변화를 가져왔다 최소 침습수술의 발전으로 환자의 회복속도는 놀랍도록 빨

라졌지만 모든 개복수술을 최소 침습수술기법으로 대처하기에는 아직 기술적으

로 극복하지 못한 분야도 있다 기존의 복강경 수술의 경우 수술시야가 제한적

이고 수술부의로의 유일한 접근 통로인 투관이 한정되어 있어 손 운동에 제한

적이다 또한 로봇은 복잡하고 종종 큰 수술 시 다양한 의료장비를 교체해야 하

는데 교체 시 많은 시간이 요구된다 이러한 많은 준비단계와 사용하고 나서의

복잡한 소독과정으로 인해 실제 로봇을 이용한 수술은 많은 시간이 걸리며 초

기자본을 회수하는데 많은 시간이 걸리므로 경제성이 떨어진다 또한 실제 수술

시에는 다양한 수술도구들이 사용되는데 로봇수술을 위해서는 로봇 팔과 연동

된 수술 도구들이 쉽게 탈 부착 될 수 있어야 한다 실제 수술도구들이 쉽게 탈

부착된다면 작업 능률이 보다 증대될 것이다

- 2 -

수술용 로봇에 사용되는 엔드 이펙터 (End Effector)을 검토해보면 공통적 인

사실을 확인할 수 있다 시판되고 있는 복강경 로봇수술용 도구들은 Trocar 라

는 기구를 통해 인체 내로 삽입되고 Trocar 의 구조상 수술용 도구들은 Oslash55 이

내의 소형 원기둥 타입의 수술도구들이며 각각의 구동 모터를 개별적으로 가지

고 있다 최근에는 다빈치 수술 로봇이 사용됨에 따라 3 차원 고화질의 영상의

제공과 더불어 떨림 없는 정교한 시술작업이 가능해 졌으며 다자유도 수술 기

구 도입으로 좀 더 다양한 수술들이 가능해 졌지만 이러한 장점에도 불구하고

수술 시 힘의 강약조절이 불가능하다는 점은 가장 큰 단점으로 지적되고 있다

또한 아직 가격이 고가이고 구현 가능한 작업 영역대비 각 암의 크기가 커서

수술 시 암 사이의 충돌이 발생하는 문제가 제기되고 있다

또한 다빈치 수술로봇은 집도의 손으로 조작하여서 수술을 수행하는 수술

로봇 시스템으로 여러 가지 장점이 있지만 로봇이 수술하면서 발생하는 반력을

직접 집도의에게 전달하지 못하는 단점이 있다 이런 단점을 보안하기 위하여

수술용 로봇 시스템에 햅틱의 기능을 추가하여 로봇 시스템을 구성하는 것을

전 세계적으로 많은 연구가 진행되고 있다

따라서 본 연구에서는 수술용 햅틱 로봇에 적용이 가능한 로봇 시스템에서

수술도구를 집고 수술을 직접 수행하는 그리퍼 시스템을 설계하도록 하겠다

이를 위해 현재 로봇 시장의 현황을 분석하고 능동형 그리퍼를 설계하기 위한

여러 가지 이론적 배경과 그리퍼 설계 제한 조건을 설명한다 최종적으로 그리

퍼 설계를 수행한 후 각각의 설계에 따른 분석을 수행할 것이다

- 3 -

12 연구 내용

본 연구에서는 의료용 햅틱 로봇 시스템에 적합한 능동형 그리퍼를 설계하

는 것이 본 연구의 목적이며 이를 위한 연구내용은 각 장 별로 요약하면 다음

과 같다

제 1장에서는 본 연구를 수행한 배경과 목적을 설명하였다

제 2 장에서는 연구의 첫 단계로 본 연구의 이론적 배경을 기술하였다 수술

로봇의 개요 및 동향 선행기술에 대하여 설명하였다

제 3 장에서는 능동형 그리퍼에 대한 이론적 배경을 기술하였다 그리퍼의 자

유도 기능분석 메키니칼 구성표 동력원에 대해 고찰하였다

제 4 장에서는 능동형 그리퍼의 설계 결과를 기술하고 설계 안에 대한 방향

을 제시하였다

마지막으로 제 5 장에서는 결론 및 향후 연구되어야 할 문제들에 대하여 언

급하였다

- 4 -

제 2장 로봇 산업의 기술 현황

21 로봇산업의 동향

(1) 국내로봇산업 분류체계

로봇이란 용어는 1921 년 카펠 차펙 (Karel Capek)이 쓴 희곡에서 유래하여

전통적인 로봇이란 반복 노동을 대체하는 자동화 기계로 인식되어 왔으나 현대

에 와서는 외부의 환경을 인식하고 지능을 바탕으로 스스로 판단하여 자율적으

로 동작하는 장치로 변모하였다 이렇게 변모하는 로봇산업은 현행 한국표준산

업 분류 체계상 단일제품 수준의 lsquo산업용로봇rsquo 으로만 분류하여 급성장이 예상

되는 lsquo서비스로봇rsquo 부분은 포함되어 있지 않았다 이에 산업자원부는 2007 년 1

월 로봇산업의 분류체계를 새롭게 마련하고 로봇산업의 승인통계를 구축하였다

이로써 1978 년 로봇산업이 시작한 이래 30 년 만에 비로소 로봇산업에 대한 명

확한 분류체계를 구축한 것이다

이 분류체계에서 로봇산업은 크게 개인서비스용 로봇 전문서비스용 로봇

제조업용 로봇 네트워크 로봇 로봇부품 및 부분품 등 대분류 5 개 중분류 28

개 소분류 136 개 항목으로 분류되어 있다 이를 구체적으로 살펴보면 TABLE

2- 1과 같다

- 5 -

TABLE 2-1 Domestic robot classification

대분류 중분류

서비스 로봇

개인 서비스용가사용 생활 지원용 여가 지원용 교육

용 기타 개인서비스용

전문서비스용

빌딩 서비스용 극한작업용 의료 복지용

사회 인프라용 군사용 생물 생산용 기

타 전문 서비스용

제조업용 로봇

이적재용 공작물 착탈용 용접용 표면처

리용 조립분해용 가공용 공정용 시험

검사용 기타 제조업용

네트워크 로봇 -

로봇부품 및 부분품 로봇용 구조구동센싱제어통신소프트

웨어기타 부품 및 부분품

lt자료gt 산업자원부

ldquo의료 복지용 로봇rdquo은 전문서비스용 로봇의 한 분야로 로봇산업의 중분류로

분류되고 있다 의료 복지용 로봇은 다시 수술 로봇 재활 훈련용 로봇 의료진

단 및 검사용 로봇 기타 의료 복지 로봇 등으로 소분류체계를 구축된다

산업연구원 (2007)에서는 로봇산업에서의 의료용 로봇의 위상을 Fig 2-1 과

같이 도식화 하였다 의료용 로봇을 포괄하고 있는 지능형 로봇은 우리나라가

소득 3 만 달러 시대를 선도할 미래스타산업으로 타 분야에 대한 기술적 파급

효과가 큰 첨단기술의 복합체라는 점 때문에 특히 중요하다고 할 수 있다

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Fig2-1 Phase of medical robots in the robot industry

(2) 국내로봇산업 규모

가 로봇생산 기업규모

앞 절과 같은 로봇산업 분류체계에 근거하여 2006 년부터 로봇산업 통계조사

가 체계적으로 이루어지기 시작하였다 이 통계조사에 따르면 국내 로봇생산을

담당하고 있는 기업은 TABLE 2-2와 같다 2006년 총 170개 제조업 로봇 77개

사 (453) 로봇부품 및 부분품 48 개사 (282) 개인 서비스용 로봇 24 개사

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(141) 전문서비스용 로봇 13 개사 (76) 네트워크 로봇 8 개사 (47)로 분포

되어 있다 이와 같은 수치는 2005 년 대비 제조업용 로봇 관련 기업 수는 다소

감소하였으나 전문서비스용 로봇이나 개인서비스용 로봇 관련 기업 수는 다소

증가하였다 또한 기업체 당 평균 자본금은 5354 억으로 제조업을 제외하면 기

업체 당 평균 자본금이 가장 높은 분야는 개인 서비스용 로봇 (2570 억원) 가

장 낮은 분야는 전문 서비스용 로봇 (1106억원)으로 나타났다

이는 최근 수요가 증가하는 생활 관련 로봇들에 대한 대기업의 투자나 진입

이 두드러지면서 나타난 현상이며 이런 기업들의 투자에 따른 생활 로봇 기술

향상이 두더러 지게 나타나고 있다 따라서 의료용 로봇 산업분야의 체질강화

와 기업 경쟁력 강화를 위해서는 최근 늘어나는 수요창출에 발맞추어 중견기업

들의 투자와 연구개발이 집중되어야 할 것이다

한편 로봇기업의 매출액 규모는 1억 원 미만의 영세한 업체가 30 1억~10

억 원 규모의 업체가 282 10억~50억 원 규모의 업체도 282로 대부분의 로

봇기업은 매출액 규모 50 억 미만의 중소기업체인 것으로 나타났다 특히 의료

용 로봇은 영세한 업체가 담당하기에는 다소 연구개발과 투자비용이 많이 소요

되기 때문에 대기업이나 정부의 투자나 지원이 반드시 필요하다 이러한 상황에

서 국내 의료용 로봇 시장의 성장을 낙관하기는 다소 무리가 있다 따라서 대기

업들이나 정부는 의료용 로봇 시장 확대와 성장에 적극적으로 참여해야 할 것

이다

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TABLE 2-2 Robot Production Company

구분

2005 2006

업체수 구성비 업체수 구성비

제조업용 로봇 60 333 77 453

전문서비스용 로봇 13 72 13 76

개인서비스용 로봇 39 217 24 141

네트워크 로봇 17 94 8 47

로봇부품 및 부분품 51 283 48 282

합계 180 1000 170 1000

나 로봇생산 생산규모

로봇기업의 생산 현황을 보면 2005 년에는 5722 억 원 정도였으나 2006 년에

는 7196 억 원으로 258의 증가율을 보였다 특히 의료 복지용 로봇 분야가 포

함되어 있는 전문서비스용 로봇은 2005 년에는 53 억 정도였으나 2006 년에는

124억으로 전년대비 1309의 높은 증가세를 보였다

최근 국내에서 개발된 환자 안내용 로봇인 스누봇 (SNUBOT)이나 내시경 로

봇인 미로캠 (MiroCam) 등의 개발로 인해 더욱더 생산 증가폭은 커질 것으로

전망한다 의료 복지용 로봇분야에서는 2005 년에는 생산이 거의 없었으며 2006

년에는 약 6 천 만원으로 증가하기는 하였으나 이는 다른 로봇 분야에 비하면

극히 미비한 생산액이며 수술 로봇이나 재활 로봇에 대한 생산은 거의 전무한

실정이다 한국과학기술정보연구원(KISTI)에 따르면 2006 년 국내 서비스 로봇

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(산업용 로봇 제외) 시장규모는 약 624 억 원으로 미비한 수준에 그쳤으나 2011

년 5117 억 원에 달하고 2013 년 이후는 수조 원에 달하는 황금시장으로 떠오를

것으로 예상하였다 또한 정부에서는 2005 년 국내 로봇산업 육성을 위해 2013

년까지 세계 시장 점유율 15 총생산 30 조원 수출 200 억 달러 고용창출 10

만 명 등 세계 3위의 로봇강국을 목표로 하고 있다

22 의료용 로봇기술 현황

(1) 의료용 로봇 유형 및 개념

의료용 로봇은 크게 수술 로봇 수술 시뮬레이션 재활로봇 기타 의료 로봇

등으로 분류된다

첫째 수술 로봇은 크게 두 가지의 유형으로 분류된다 먼저 수술 보조 로봇

(surgery assistant robot)은 수술실에서 집도의 명령에 따르면서 수술을 보조하거나

영상 가이드 역할을 해주는 로봇을 의미하며 수술 로봇 (surgery robot)은 의사를

대신하여 수술과정의 전체 혹은 일부를 의사 대신 혹은 의사와 함께 수술 작업

을 한다

둘째 수술 시뮬레이터 (surgery simulator)는 의사의 수술에 관한 숙련도를 높

이기 위하여 가상의 그래픽 환자 모델과 햅틱 장치 (haptic device) 등을 이용하

여 수술을 연습할 수 있게 하는 의료용 로봇이다 특히 근래에 들어 프로세스의

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성능이 좋아지면서 MRI 나 CT 영상 등을 활용한 실시간 3 차원 볼륨이 가능해

지면서 의료용 시뮬레이터 개발은 가속화 되었다

셋째 재활 로봇 (rehabilitation robot)은 노인과 장애인의 재활치료와 일상생활

을 도와 주는 로봇 시스템으로 단순한 신체를 지지해 주는 역할을 벗어나 중증

환자나 노인의 신체 움직임을 향상시키고 빠른 시일 내에 회복하도록 주요 기

능을 수행하고 장애인의 장애를 극복하여 독립적인 생활을 가능하게 할 수 있

는 특정 기능의 로봇을 의미한다

넷째 기타 의료 로봇으로는 간호 로봇이나 안내로봇 등이 있다 현재의 간

호 인력을 도와서 수술이나 치료를 받는 환자를 보살피는 로봇으로서 정확한

투약과 수술 후 관리가 가능하도록 도와주는 기능과 환자의 이동 간병 및 산책

이 가능하고 말벗의 기능을 포함하는 로봇을 의미한다

(2) 의료용 로봇기술 개발현황

가 수술 로봇

현재까지 연구된 수술 로봇은 미세 수술용 원격수술 로봇 최소침습수술

(MIS) 로봇 관절 수술 로봇 등으로 분류할 수 있다

원격수술 로봇 시스템 일환으로 개발된 대표적인 로봇으로는 일본 동경대의

원격 수술 로봇 미국 NASA JPL 의 RAMS SRI International 의 원격 수술 로봇

한국과학기술원의 미세수술용 Slave 로봇 등이 있다

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MIS 의 로봇 시스템 일환으로 개발된 대표적인 로봇으로는 미국의 UC 버클

리대의 수술 로봇시스템 Computer Motion 사의 내시경 보조 로봇인 이솝

(AESOP)과 복강경 수술 로봇인 제우스 (ZEUS) 제우스 보다 진보된 Intuitive

Surgical 의 다빈치 (daVinch) 등이 있다 이 중 다빈치는 수술용 로봇으로 거의

독점적인 위치로써 세계 로봇수술의 첨병역할을 하고 있다

관절 수술 로봇의 일환으로 개발된 대표적인 로봇으로는 미국 Integrated

Surgical System사의 로보닥 (Robodoc) 독일의 Orto Maque사의 CASPAR 영국의

Imperial College의 아크로보트 (Acrobot) 등이 있다

나 수술 시뮬레이터

수술 로봇 이외에 의사의 수술에 관한 숙련도를 높이기 위한 의료용 시뮬레

이터가 활발하게 연구되고 있다 특히 근래에 들어 프로세서의 성능이 좋아지면

서 MRI 나 CT 영상 등을 활용한 의료용 수술 시뮬레이터 개발이 가속화 되었

다 대표적인 수술 시뮬레이터로는 미국 Georgia Tech의 안구 수술 시뮬레이터

미국 Boston 다이나믹스사의 개복수술 시뮬레이터 Mitsubishi Electric Research Lab

의 무릎관절 내시경 시뮬레이션 영국 맨체스터 대학의 웹기반 시뮬레이터 등이

있다

다 재활 로봇

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노령인구와 장애인구의 증가로 로봇 기술의 필요성은 재활분야에도 확대되

고 있다 장애인의 독립적인 활동을 보장하고 삶의 질을 높이려는 노력은 유럽

등의 선진국을 중심으로 재활 로봇이 연구되어 왔으며 이탈리아에서 개발된

MOVAID 가 대표적인 재활 로봇이다 또 미국에서는 MIT 를 중심으로 RIC 과

같은 로봇 신경 재활 로봇들이 개발되고 있다 스위스에서는 보행 재활 로봇으

로 Lokomat 이 개발되었고 국내에서는 KAIST 에서 휠체어 로봇 시스템과 보행

보조 로봇 등이 연구되고 있다 이외에도 서강대학교에서는 SUBAR 라는 보행

재활 로봇을 개발하였다 이외에도 최근 미국의 Intouch Health 에서 개발한 RP-7

은 멀리 있는 환자의 병증을 파악하는 데 탁월한 원격진료 로봇으로 활용되고

있다

(3) 국내 의료용 로봇 적용사례

상기 서술한 의료용 로봇 중 가장 많은 각광을 받고 있으며 국내에서 적용

되고 있는 사례를 통해 의료용 로봇의 사용 실태를 파악보고자 한다 대표적인

복강경 수술 로봇인 Intuitive Surgical의 다빈치 로봇 시스템과 고관절 수술 로봇

인 Integrated Surgical System사의 로보닥을 중심으로 국내 실태를 살펴보고자 한

다

가 다빈치

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Fig 2-2 da Vinci surgical case number

다빈치 로봇은 1997 년 벨기에서 처음으로 환자에게 적용된 이래 국내에

2005 년 7 월 연세대학교 신촌 세브란스 병원에서 최초로 도입하여 2005 년 7 월

15 일 국내 최초로 다빈치를 이용한 로봇 수술이 이루어졌다 Fig 2-2 에서 보

듯이 수술사례는 계속적으로 증가하여 2008 년 1 월 말 현재 750 건이 넘는 수

술이 이루어졌다

다빈치 로봇은 전립선암 위암 대장남 부인암 식도암 갑상선암 간암 등

대부분의 암수술 및 중요 외과계 수술에 적용된다 이는 다빈치 로봇 수술이 가

져다 주는 효과인 개복수술이나 복강경 수술보다 수술회복기간이 단축되고 수

술시간도 감소시키는 역할과 무엇보다 수술 후 환자가 겪는 수술 후유증 확실

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히 줄여주기 때문이다 특히 전립선암의 경우 대표적인 수술 후유증인 요실금

과 발기부전 등의 가능성이 대폭 줄어드는 것으로 알려져 있다

이와 같은 수술사례와 수술성과에도 불구하고 다빈치 로봇의 가격이 25 억

정도의 고가이기 때문에 영세한 의료기관에서 도입하기에는 다소 무리가 따르

고 있다 그러나 대형 병원들은 다빈치의 성공적인 수술사례를 통해 앞다투어

이를 도입하고 있다

2008 년 1 월 현재 신촌 세브란스 병원은 이미 3 대를 도입했고 영동 세브

란스 병원 고려대 안암병원 서울아산병원 한림대 강남병원 분당서울대병원

삼성서울병원 경북대병원 동아대병원 등 9 개 의료기관에 도입되어 있다 또한

최근 (2008 년 1 월 30 일) 연세대 세브란스병원은 로봇 수술의 활성화를 위해

Intuitive Surgical 과 공동으로 복강경 수술용 로봇 다빈치를 이용한 수술법을 배

우는 lsquo연세 다빈치 트레이닝 센터rsquo를 개소하였다

다빈치는 로봇 가격만큼 수술 비용에 있어서도 고가인데다 의료보험이 적

용되지 않아 수술 비용을 환자가 모두 부담해야 하는 실정이다 다빈치 로봇 수

술 비용은 700~2000 만 원선으로 기존의 수술 비용인 200~300 만 원 보다는 다

소 높은 가격이다 특히 전립선암의 경우 로봇 수술 비용은 1500 만 원 선으로

개복수술이나 복강경수술보다 5~7 배 정도의 높은 가격이다 그럼에도 불구하고

로봇 수술은 거의 모든 암 수술에 적용되고 있고 환자와 의사 모두 만족하는

수술법으로 자리잡아 가고 있다

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나 로보닥

로봇이 외과적 기계로써 임상적으로 처음 국내에서 적용된 것은 1992 년 lsquo로

보닥rsquo이라는 의료용 로봇이다 미국에서 개발된 로보닥은 인공관절이 삽입될 환

자의 뼈를 로봇으로 가공해서 수술 성공률을 획기적으로 높였다 두꺼운 뼈를

정확한 형상으로 깎아내는 작업에는 CADCAM 자료에 따라 작동하는 로봇 팔

이 숙련된 외과의사를 간단히 능가했다 로보닥은 한국과 EU 의 판매승인을 획

득했고 결국 인공관절수술의 대세를 장악했다 세계적으로 8000 회 이상의 수술

이 로보닥을 이용하여 성공적으로 수행되었으며 2001년 FDA의 승인을 받기도

하였다

2002 년 국내 처음으로 로보닥이 도입된 이래로 이춘택 병원은 현재까지

2556 회라는 경이적인 수술건수를 기록하였다 그는 최소침습수술과 접목하여

로봇의 정밀성과 최소 절개기술을 결합시킴으로써 환자의 고통과 재활 기간을

크게 줄였다 그러나 로보닥의 가격은 무려 17 억 원이며 3 차원 영상까지 구현

하기 위해서는 10 억 원 상당의 멀티 CT 까지 도입해야만 한다 그렇기 때문에

소규모의 관절전문병원이 도입하기에는 다소 무리한 점이 있다 이러한 상황에

서 이춘택은 국내시장에 맞는 로봇개발을 위해 국산 부품 및 소프트웨어를 개

발 중에 있다 따라서 우리나라도 고령화 사회를 맞아 세계적으로 관절 수술이

급증하고 있는 상황에서 국내 기술로 만든 수술용 로봇이나 소프트웨어 개발은

국내 의료용 로봇시장의 활성화를 이룰 수 있다

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23 의료용 로봇시장 전망

(1) 로봇산업 전망

로봇 분야별 세계시장 정세를 살펴보면 제조업용 로봇은 시장안전화 단계로

써 급격한 시장변화는 어려우며 신규 생산설비 및 기존 설비에 따른 수요가 대

부분 차지하고 있는 실정이다 개인서비스용 로봇은 가족구조의 핵가족화와 고

령화 현상으로 인한 가족인원으로서의 가정용 로봇에 대한 수요가 증가 추세에

있다 전문서비스용 로봇은 생산국과 생산기업이 극히 제한되어 있으며 제품가

격의 고가로 인해 시장형성에 있어서 생산국과 수요국이 불일치하고 있는 실정

이다 이러한 상황에서 로봇시장의 국가별 점유율을 살펴보면 일본 (28) 미국

(18) 독일 (16) 이탈리아 (10) 한국 (3)의 순으로 세계 5 위를 차지하고

있다 이와 같이 산업용 로봇의 경우는 우리나라의 세계적인 위상이 높지만 아

직까지 전문 서비스 분야 로봇에 대한 세계적인 위상은 미비하다

시장규모 전망과 국내 세계시장 점유율에 대한 전망은 다음과 같다 세계 로

봇시장의 규모는 2010 년에는 247억 5 백만 달러에서 2020년에는 717억 7 천만

달러에 이를 것으로 보고 있으며 연평균 107의 증가율을 예상하고 있다 분

야별로는 제조업용 로봇은 2010 년 세계시장의 114에서 2020 년 144의 비중

을 차지할 것으로 전망하고 있으며 전문서비스용 로봇은 2010 년 세계시장의

09에서 2020 년 21의 비중을 차지할 것으로 예상하고 있다 개인서비스용

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로봇은 2010 년 30에서 2020 년 70 수준에 달할 것으로 보고 있다 비록 전

문 서비스용 로봇산업의 규모는 미국 일본 독일에 비해 미미한 실정이나 전문

서비스용 로봇의 신시장을 개척하고 그 만큼의 기술력이 밑받침된다면 2020 년

세계시장에서의 더 큰 비중의 달성이 이루어질 것으로 본다

(2) 의료용 로봇기술 전망

의료용 로봇시장의 성장은 의료용 로봇기술 개발산업의 성장과 밀접한 관계

가 있다 세계적인 개발추세로는 의료용 로봇개발 하드웨어 분야에서는 일본이

경쟁력이 가장 높으며 소프트웨어 분야에서는 미국이 앞서나가고 있다 또한

독일은 하드웨어 및 소프트웨어 분야에서 동시에 상당한 연구 개발 능력을 보

유하고 있다 앞으로는 이 세 나라가 의료용 로봇 시장의 핵심 주자로 나설 것

으로 예상된다

산업연구원 (2007) 조사에 따르면 국내 로봇산업의 기술은 기술항목에 따라

다소 차이를 보이고 있으나 제조업용 로봇의 경우는 최고 기술 보유국 대비 평

균 85 정도에 육박하고 있으며 전문서비스용 로봇의 경우는 80 정도 개인서비

스용 로봇은 84 정도에 이르고 있는 것으로 나타났다 의료용 로봇 분야에서는

선두주자인 미국의 기술력을 100 이라고 봤을 때 현재 우리나라는 70 정도이며

2015년이 지나야 100 에 도달할 것으로 전망하였다 비록 의료용 로봇에서 세계

1위인 미국에 비해 우리는 아직 10년 이상 차이가 있지만 세계 최초로 국제 규

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모의 로봇랜드 조성과 로봇펀드 발생 등 정부 차원에서의 노력이 여러 가지 방

면에서 다양하게 펼쳐지고 있기 때문에 그 격차는 점차 줄어들 것으로 예상된

다

또한 IFR (2006) 자료에 따르면 한국 산업용 로봇은 세계 5 위의 강국[16]인

데 비해 의료용 로봇에 있어서는 약소국이다 이는 의료용 로봇의 개발비가 많

이 드는데 비해 국내 시장은 극히 제한적이어서 일반 기업의 참여가 아주 저조

하기 때문이다 국내에서 의료용 로봇 관련 기술 개발은 아직 걸음마 단계에 머

물러 있으며 벤처기업 및 대기업들이 개발해 상용화시키고 있는 기술이나 제품

도 대부분이 생활 가전형 로봇에 한정되어 있을 뿐 의료용 로봇분야는 아직 미

개척지로 남아 있다 하지만 국내에서도 의료용 로봇 개발을 수행하기 위해 대

학이나 연구소 차원에서 의료용 로봇에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다 먼

저 한국과학기술원이 8 년 전 설치한 휴먼 웰페어 로보틱 서저리 센터가 대표

적인 연구기관이다 이 연구소에서는 거동이 불편한 환자들을 위한 휠체어의 자

동화 시스템이나 복강경 수술 로봇 등 로봇 수술용 기구의 국산화에 초점을 맞

춰 진행 중이다 또한 최근에는 국립암센터 역시 산업자원부로부터 수술용 로

봇과 영상시스템을 주제로 한 의료용 로봇 개발자로 선정되어 연구에 들어갔다

비록 국내 의료 및 수술 로봇 관련 기술이 일본 미국 등에 비해 아직까지

뒤쳐져 있는 실정이지만 국내에서도 의료용 로봇 기술 개발이 이처럼 활발히

진행되고 있어서 향후 전망은 매우 밝다고 할 수 있다 또한 해외에서 각광을

받고 있는 캡슐형 내시경 연구 역시 국내에서 벌써 10 년째 계속 되고 있다 최

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근 한국과학기술연구원과 벤처기업인 인트로메딕이 개발한 세계 최소형 캡슐형

내시경인 미로캠 (MiroCam)은 2010 년까지 국내 캡슐형 내시경 시장의 80를

점유할 것으로 예상하고 있다 이러한 국산 의료용 로봇 개발을 통해 고부가가

치 시장인 세계 의료 시장에 뛰어들 수 있는 기반을 다졌다는 데에 큰 의미가

있다

전문 서비스용 로봇의 경우 제조업 로봇 관련 풍부한 경험을 바탕으로 전문

서비스용 로봇으로의 기술확대 메카트로닉스 (mechatronics) 관련 다양한 산업기

반과 세계적인 IT 인프라 보유국의 강점을 살리고 있다 또한 한국은 10 대 성

장동력간 연계 등을 통한 시너지 효과와 세계 전문서비스 로봇 시장이 초기형

성 단계임을 감안한다면 이 분야의 진출에 대한 절호의 기회이며 머지않아 의

료용 로봇 강국으로 진입할 수 있을 것으로 기대된다

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제 3 장 능동 그리퍼

31 최소침습 수술 햅틱 장치 구현에 필요한 능동 그리퍼 제안

21 세기 로봇 기술 분야에서는 인간과 기계 시스템 간의 커뮤니케이션이 무

엇보다 중요하게 강조되며 이러한 인간과 기계 시스템의 의사소통은 주로 인간

의 감각 기관을 통해 이루어 진다 일반적으로 인간에게는 보고 듣고 냄새를

맡고 맛을 보고 피부로 느끼는 오감이 있으며 이러한 감각을 시각 청각 후

각 미각 촉각이라고 한다 따라서 이러한 인간의 감각에 정보를 전달하기 위

한 다양한 기계 시스템들이 개발되어 왔다 오감 중에서 현재 인간과 기계 시스

템간의 인터페이스 역할을 하는 표적인 감각으로는 사물을 보는 시각과 소리

를 듣는 청각이 주로 이용되고 있다 이를 위한 시스템들은 이미 상당한 수준으

로 발전해 현재 상용화 되어 활용되고 있다 하지만 이러한 시각과 청각 인터

페이스 만으로는 로봇의 제어에 한계가 있으며 오감 중에서 세 번째 감각인 촉

각에 한 인터페이스가 현재 활발히 연구 개척되고 있다 만약 가상현실에 촉

감 인터페이스가 적용된다면 기존의 시각과 청각에만 의존하던 가상 현실에 촉

감을 전달함으로써 실제 물건을 만지고 느낄 수 있으므로 가상현실을 보다 더

실감나게 할 수 있을 것이다 하지만 인간의 감각 중에서 촉각은 매우 민감한

감각으로 여기에 촉감 정보를 전달하는 인터페이스는 아직 많은 연구를 필요로

하고 있다

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햅틱 (haptic)이란 단어의 사전적인 의미는 ldquoof or relating the sense of touch

tactilerdquo로써 물체를 만질 때 사람이 느낄 수 있는 촉각적 감각으로 피부가 물체

표면에 닿아서 느끼는 촉감 (tactile sensation)과 관절과 근육의 움직임이 방해 될

때 느껴지는 근 감각적인 힘 (kinesthetic force)의 두 가지 힘을 모두 합쳐서 부르

는 말이다 촉감 구현 연구는 물리적 장치를 이용하여 사람이 직접적인 접촉이

없이도 촉각 정보를 전달하는 방법에 관한 전반적인 연구 분야를 일컫는 말로

사람에게 원격지에 있는 물체의 물리적 특성을 전달하는 원격조작 혹은 원격현

장감에 관한 연구로부터 시작되었다 가상 혹은 실제 환경에서 촉감을 구현하기

위한 연구를 포괄적으로 의미하는 용어로 햅틱스 (haptics)라고 한다 주요 연구

분야는 사람이 직접 손에 쥐거나 착용하는 물리적 장치인 햅틱 디바이스 인터

페이스 (haptic interface) 가상 공간상의 물체에 기계적 성질을 부여하여 사실감

이 있는 상호작용을 제공하고자 하는 햅틱 렌더링 (haptic rendering) 사람의 촉

각 인지 특성에 관한 연구 (tactile perception) 등으로 나눌 수 있다 특히 햅틱

인터페이스 (haptic interface)는 햅틱 디바이스 (haptic device)라고도 불리우며 사람

에게 촉감을 전달하는 물리적인 장치를 말하며 더 넓은 의미로 사용하여 가상

의 환경을 촉감 전달을 통해서 느끼게 하는 시스템 전체를 가리키기도 한다 이

러한 햅틱 기술은 다양한 분야에서 활용될 수 있는데 표적인 분야로는 가상

현실 분야 인간-컴퓨터 인터페이스 분야 게임 등 사이버 커뮤니케이션 그리고

원격제어 로봇 등이 있다 특히 원격제어 로봇이 많이 활용되고 있는 의료 분

야에서 햅틱 구현은 매우 시급한 과제이다 현 의 수술은 점점 첨단의 수술 도

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구와 로봇을 이용하여 집도되는 추세이며 최소침습수술 (minimally invasive

surgery MIS)이 그 표적인 예이다 이 수술법은 환부의 구멍에 수술도구와 카

메라를 삽입하여 집도의가 모니터를 보면서 시술함으로써 시술시간이 짧고 환

자의 회복이 빨라서 그 적용 범위가 점차 확 되고 있다 하지만 환자가 얻게

되는 이점에 반해 의사는 개복 수술에서 쉽게 이용하던 기술들을 더 이상 적용

할 수 없게 되어 집도에 있어 큰 어려움을 부담해야만 한다 즉 환자의 내부에

서 손의 움직임과 시야의 제약을 받게 되었고 손으로 환자의 장기나 뼈를 만지

고 상태를 확인할 수 없게 된 것이다 이러한 문제점들을 극복하기 위해 첨단의

의료용 로봇 시스템이 개발되었는데 의사 즉 오퍼레이터가 조작하는 마스터

(master) 로봇과 환자의 환부에서 수술을 진행하는 슬레이브 (slave) 로봇으로 구

분된다 슬레이브 로봇은 크게 수술 시 집도의 팔의 움직임을 구현하는 구동 암

(arm)과 수술도구를 홀딩 할 수 있는 그리퍼로 분류할 수 있다 구동 암의 움직

임은 수술 부위의 위치를 결정하면 별도 큰 움직임 없이 작동시킬 수 있으며

전달 수술 관통 수술이 아닌 경우에는 집도의가 느끼는 힘을 피드백 할 필요가

없다 하지만 그리퍼의 경우는 신체 일부분의 미세한 조직까지 전부 접촉해서

제거하거나 봉합하기 때문에 집도의가 수술 시 느끼는 힘을 구현하여야 보다

정밀한 수술을 수행할 수 있다 따라서 본 연구에서는 햅틱 장치가 적용된 마스

터 로봇과 마스터 로봇에서 형성된 힘을 느낄 수 있으며 원할한 수술을 진행할

수 있는 최소침습수술용 능동 그리퍼를 제안하겠다 Fig 3-1 은 상용 MIS 장치인

다빈치 로봇의 마스터와 슬레이브 그리고 그리퍼를 나타내고 있다

(a) sla

(b

Fig 3-1 da V

Operation Arm

Gripper

- 23 -

ave robot and g

b) master rob

Vinci robot sy

m

gripper

ot

stem for MIS

- 24 -

32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류

산업용 로봇은 그 기능 특성상 필요성에 의해 로봇의 말단부에 그리퍼를 부

착시킨다 이것은 인간의 손에 응되는 것으로서 메커니컬 핸드라고 칭하며 다

루는 상 물체를rdquo파지rdquo해 이동하는 목적으로 사용되는 도구이다

파지동작은 Fig 3-2 와 같이 세분화된다 인간의 손 손가락에는 많은 관절이

있으며 여러가지 작업이 가능하다 일상 생활에서의 붙잡기는 형식을 분류한 것

으로는 슐레징거의 12 형식이 있다 여기서 인간의 손에는 손가락이 있어서 그

것을 유지핸드라고 이름 붙이면 메커니컬 핸드에는 손가락이 없는 구성법이 있

는데 이것을 무지 핸드라고 이름 붙이기로 한다 이 무지 핸드는 기계적 물리적

으로 구조상 무지핸드로 한 것과 공구가 메커니컬 핸드와 일체화됐다고 생각하

는 공구 핸드가 있다 메커니컬 핸드를 분류해 보면 다음과 같다 진공이나 자

기 이용의 흡착 등 물리적 흡척형의 유지는 보통 평면(완만한 곡선도 포함)부를

흡착하는 형태로서 물체의 크기나 중량에 따라 여러 개가 설치되는 경우도 있

다 그러나 물체표면에 만곡부가 있는 경우나 구멍이나 공동이 있는 경우에는

적용할 수 없게 된다 또한 자력을 이용한 경우 철금속 재료를 다루게 되는데

경우에 따라서 매우 효율적이고 신뢰성이 높기는 하지만 물체에 잔류 자력이

남게 되는 문제점이 있다 받기형의 유지는 지지의 동작만을 가지고 있는 형태

이며 이는 전기한 흡착형 보다 적극적이 아니여서 약한 구속을 갖는다 변형하

기 쉬운 물체의 이송등에는 이를 채택한다 매달기형 유지는 중력 방향의 이동

1 자유도를 구속한다 잡기형 파지는 유연성에 의한 변형으로 접촉면적을 크게

하여 집는

상물을 외측

이용하는 등

33 파지형

파지 형

다 본 연구

하여 설명

(1) 두 손

형태이다 현

측에서 파지하

등의 파지방법

형태에 의한

형태로서는

구에서 사용할

명 하겠다

손가락 type

현재 많이 사

하거나 구멍

법이다

한 그리퍼의

상을 바깥에

할 메커니즘은

e

Fig 3-2 Cla

- 25 -

사용하고 있는

속에 손가락

의 분류

에서 파지하

은 바깥에서

assified by the

는 끼우기형

락을 넣은 후

는 것과 안에

파지하는 형

gripper grip ac

파지 형태는

후 벌려서 내

에서 파지하

형태가 유리하

ction

는 핸들링

내측사용면을

는 것이 있

하므로 이에

두 개의

상태를 유지

는 스윙형

안정되게 파

의 리지트한

지해서 개폐

핸드(swingin

파지하는 점에

손가락을 갖

되는 병진형

ng gripper)로

에서 병진형

(a) grinder c

(c

Fig 3-3 Sw

- 26 -

갖춘 것으로

핸드(transla

로 분류된다

보다 떨어진

crank

c) rotation joi

wing-type hand

실용례가 많

ational grippe

스윙형은 기

진다

(b) swing

int

d mechanism

많다 손가락이

er)와 그 방향

기구가 간단하

g block

이 상호평행

향이 변화하

하나 상이

병진형에

4 은 평행링

운동을 바꾸

에 회전시킴

로 유지되기

지된다 직

시키도록 한

가 전middot후진

피니온 방식

F

에서는 평행링

링크 방식의

꾸고 그 피니

킴으로써 손가

기 때문에 손

동형 신에

한 것도 있다

진하는 결점이

식이 채용된다

Fig 3-4 Hand

링크 랙middot피니

예로 직동형

니온 운동으로

가락 개폐를

손가락의 물체

에 회전형 액

다 평행링크를

이 있다 이문

다

mechanism fo

- 27 -

니온 나사이송

형 액추에이

로 평행링크의

얻는다 링크

체 파지면의

추에이터를

를 이용한 형

문제를 해결하

or translational

송 기구 등이

터의 운동을

의 하나의 링

크 PS 와 링

자세도 개폐

이용한 형식

형식은 개폐에

하는 방법으로

type1 (paralle

이 이용되고

랙과 피니온

링크 A 를 축

크 QR 은 항

폐 동작 중 일

식에서 평행링

에 의해서 손

로서 볼나사

el displacement

있다 Fig 3-

온으로 회전

축 P 의 주위

항상 평행으

일정하게 유

링크를 회전

손가락 위치

기구나 랙middot

nt)

Fig 3

는 핸드의

볼나사 기구

다

(2) 세 손

세 손가

가락으로 잡

F

-5 는 회전형

예이다볼나

구 각각을 손

손가락 type

가락을 가진 핸

잡는 것보다

Fig 3-5 Hand

형 액추에터로

나사 기구를 이

손가락에 부착

e

핸드에서는

안정된 파지

d mechanism fo

- 28 -

로 랙 피니온

이용하는 경

착 사라를 회

상을 3 점

지 동작을 할

or translational

온을 회전시킴

우에는 1

회전시킴으로

점에서 유지할

할 수 있다

l type2 (rack a

킴으로써 개폐

의 왼나사

써 개폐 동작

할수 있기 때

nd pinion type

폐동작을 하

오른나사의

작을 실현한

문에 두 손

e)

Fig 3-6

베벨기어를

구동해서 세

실현한 것

각 손가락을

복잡하며 중

6 은 세 손가

를 매개로 상

세 손가락을

이다 특히

을 개별 모터

중량도 증가하

Fig

락형 그리퍼

호 각도를 주

동작시킴으로

원통물체를

터로 구동하도

하기 때문에

3-6 Hand mec

- 29 -

의 일반적인

주어 결합한

로써 이른바

확실히 잡아

도록 한 3 지

실용례가 적

chanism for thr

인 형상을 나타

3 개의 볼

바 3 포인트 핀

아서 유지하

지형핸드도 개

적다

ree point pinch

타내고 있다

나사를 하나

핀치(three po

는데 유리하

개발되고 있으

h type

이 핸드는

나의 모터로

oint pinch)를

하다그 외에

으나기구가

34 메카니

(1) 구속

기계적

어서 형성되

전 구속 기

해서 언급하

으로 움직일

또 X Y 평

니컬 핸드의

속기능

구동장치에

되는 것으로

기능이 있다

하면 구속 상

일 수 있다

평면 X Y 면

의 구속기능

서 구속 형식

크게 나누어

그래서 핸드

상태의 물체는

이것을 물체

X Z 면상에

Fig 3-

- 30 -

능

식과 접촉 상

어서 반구속

드의 구속 기

는 Fig 3-7 와

체의 공전 (이

서 6 방향으

-7 Movement

상태와 포락

속 (받는 구속

기능을 결정하

와 같이 X Y

이동)에 관한

로 회전 한다

t of object

능력의 인자

속 는 구속

하는 물체의

Z 의 3 축상

6 동작 자유

다 이것을 물

자가 복합되

속)기능과 완

구속에

에서 6 방향

유도로 한다

물체의 자전

(회전)에 관

부여한 상태

행할 수 있

서는 회전의

핸드에

한 공간적

면 Fig 3-8

이 그림

를 구속한다

에서 7 자유

선접촉과 면

계수와 절선

(a

관한 6 동작

태에서 움직이

있다 또 완전

의 6 자유도를

의한 물체의

적인 포락 상

와 같이 된

(a)의 점접촉

다 그러나 1

유도를 구속

면접촉에는 각

선력법선력

a) point contac

Fig3

자유도로 한

이며 중력이

전 구속은 핸

를 무시하는

의 구속은 핸

상태로 정한다

다

촉은 접촉점

1 점접촉은 다

한다 (c)의

각각 마찰에

비와의 관계

ct (b

3-8 Contacts

- 31 -

한다 반구속은

이나 환경면의

드 자체로 1

경우도 적지

핸드와 물체의

다 먼저 접촉

방향의 1 자

다른 11 자유

면접촉은 11

위한 구속이

계로 구속불능

) line contact

of the kind an

은 12 자유도

의 구속을 받

12 자유도를

지 않다

의 접촉 상태

촉부의 구속

자유도를 구속

도를 구속할

1 자유도의 구

이 4 개와 6 개

능의 가능성을

nd the confini

도 중 몇 개의

아서 완전 구

행하는데 경

태 및 접촉부

능력을 모델

속한다 그러나

할 수 없다 (b

구속을 할 수

개 주어져 있

을 가진 구속

(c) surface co

ing

의 자유도를

구속으로 이

경우에 따라

부의 물체에

델로 나타내

나 1 자유도

b)는 선접촉

수 있다 단

있으며 마찰

속 성분이기

ontact

- 32 -

도 하다 또한 면접촉의 상태는 중력의 작용을 이용하면 받기를 형성하고 또

외계력을 이용하면 기를 형성한다

이들의 접촉상태는 물체의 형상과 핸드의 구속면으로 규정되는 것으로 핸드

만으로 결정하기는 어렵다 단 핸드의 구속면을 부드러운 재질로 형성하면 면

접촉의 이행이 용이하다 이와 같은 이유에서 물체에 접촉부가 포락도를 높이는

데에 따라서 물체 형상에 관계 없이 구속 능력을 증 시킬 수 있다

(2) 메커니컬 핸드의 자유도

로봇의 손은 그 용도를 불문하고 인간의 손 작업의 행을 목적으로 하는

것이므로 그 설계에 있어서 모델로 되는 것은 말할 것 도 없이 인간의 손이다

그래서 우선 기구에 하여 설명하기 전에 인간의 손의 구조 모델에 하여 설

명해 본다

AmiddotMorecki 에 의하면 인간의 상체는 그 해부학적 구조에 입각하면 Fig 3-9 와

같이 모델화할 수 있다 Fig 3-9 에서 숫자는 각각 골격 즉 링크를 나타내고 숫

자 II~ V 는 관절을 나타내고 있다 이와 같은 공간링크 기구의 자유도 F 는 가

동부수 n 자유도의 종류 f 를 가진 우 수를 Pf 라 하면 다음 식으로 나타낼

수 있다

6n sum ∙ P 12345 (3-1)

Fig 3-9

들 자유도가

을 Fig 3-9

P5=10 이므

인간의

유도 1 의

해 있으며

의 모델에서

가 있는 관절

9 와 같이 정

므로 위 식에

상지를 인공

액튜에이터를

22 개나 되

Fig 3

서는 n=19 P2

절에 작용하는

정의하고 그

서 FH=22 가

공적으로 정밀

를 27 필요

는 액튜에이

- 33 -

3-9 Human Ar

2=1 P3=2 P4

는 근군은 약

자유도 FH

가 된다

밀하게 재현하

요로 하게 된

터를 필요로

rm structure

4=6 P5=11 이

약 50 이라고

를 구하면

하려고 한다면

된다 또 손에

로 한다 그러

이므로 F=27

고 되어 있다

이 경우는 n

면 이상의 결

는 특히 자유

나 로봇의 손

이 된다 이

여기서 손

n=16 P4=6

결론에서 자

유도가 집중

손이 이만큼

- 34 -

의 수의 액튜에이터를 갖춘 것을 제작한다는 것은 크기 중량 제어면에서 볼

때 현시점에서는 불가능에 가깝다 특히 의수에 있어서는 상술한 바와 같은 형

상이나 조종성 등의 점에서 전혀 불가능하다고 해도 좋다 따라서 보통은 기능

에 주목하여 손에 집중해 있는 자유도의 간략화를 도모한다

인간의 잡기 동작에 주목해 보면 그 잡기 형상에는 12 종류가 있다고 하다

그러나 이것들은 엄지와 다른 12 종류가 있다고 한다 그러나 이것들은 엄지와

다른 4 손가락과의 관계에 주목하였을 때에 2 종류 즉 엄지가 다른 4 손가락과

항해서 동작하거나 그 측방에서 동작하는가로 분류할 수 있다 실제의 일상

동작에서 관찰하면 이들 중에서도 엄지와 손가락이 항해서 동작하는 소위 쥠

동작이 우선 첫 번째이고 또 다음에 엄지 검지 중지의 3 손가락의 선단으로

이루어지는 3Point Pinch 즉 잡기동작이 중요하다

더불어 손가락의 독립성에 해서는 역시 일상동작 중에서 손가락의 사용

빈도를 조사한 결과에 의하면 다섯 손가락은 반드시 독립적인 운동을 필요로

하지 않고 엄지 검지 중지가 같은 정도의 중요성을 자기며 다른 두 손가락은

사용 빈도에 있어서 이들 세 손가락보다 약 50 적으며 다른 세 손가락의 보

조 역할을 한다고 볼 수 있다 그리고 특히 중요한 것은 인간의 각 손가락은 잡

기 상물의 형상에 적응한 쥐기 즉 Passive 한 동작을 할 수 있다는 것이다 이

기능이 있다면 각 손가락이 독립적으로 동작하지 않더라도 또 다소 손의 자유

도를 제거하더라도 상물의 확실한 쥐기나 잡기 그리고 기타 손 작업에 큰 힘

을 발휘한다

- 35 -

34 표적인 동력원의 특징

동력원을 설계할 때 다음의 점을 고려하면서 가장 적합한 방식을 선택한다

1조작력(로보트가 내는 최 의 힘 예를들면 최 들어올린 힘)

2속응성(최 조작 속도)

3크기 중량(로보트의 크기와 중량의 제한)

4안정성(발열이나 과부하에 한 안전성)

5사용의 용이도

6수명가격

1 2 의 조작력 속응력은 로보트에 요구되는 성능에서 가장 기본적인 것인

데 이에 관련해서 크기나 중량의 제한 안정성 사용의 용이도 수명 가격 등을

고려해서 동력원을 선택한다 단 자주형 로보트에서는 2 차적 성능인 동력원의

중량이 첫째 요구 조건이 되는 경우가 많고 공업용 로보트에서는 저가격 사용

의 용이도 안전성이 중요 사항으로 우선시된다

모든 로봇은 동력원을 필요로한다 중요도에 따라 동력원을 선택해야 하는데

일반적으로 공기압식은 안전성이 뛰어난 반면 힘과 세밀한 위치제어가 어렵고

전기식은 응답성과 사용편리성 세밀한 위치제어가 가능하나 높은 힘을 내기 위

해서는 부가적인 기구부가 필요하다 유압식은 큰힘을 낼수있어서 속응성은 좋

으나 과부하시 상당한 발열이 있기 때문에 안전성에서 다른 동력원에 비해 떨

어진다 위 사항을 TABLE 3-1 로 분류하여 나타내었다

- 36 -

TABLE 3-1 Characteristics of power sources

전기식 유압식 공압식

사용용이성 편리하다 작동유의관리 관로의압력

필터관리에 유의

공급공기의 수분제거

윤활성의부가에 주의

수명 길다 기름에 윤활성이 있기

때문에 길다

공기에윤활성이 없어

유압 전기에 비해 짧다

가격 보통 가격 운영비 높음 저가격

응답속도

(반응성) 매우 빠르다 빠르다 늦다

하중능력 (소)에서 (중)정도의

하중능력 단히 큰 힘을 얻음 큰 힘은 없다

소음 적다 다소 크다 크다

- 37 -

제 4 장 능동형 그리퍼 설계

41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정

로봇 그리퍼의 정밀 파지 (Fingertip Grasp 손가락 끝을 이용하여 물체를 집

거나 바닥에누워있는 납작한 물체를 집는 행동)를 안정하게 하기 위해서는 손가

락 끝과 물체가 직각에 가까운 각도를 이룸으로 마찰력을 크게 하여 안정성을

높인다 또한 바닥에 놓인 물체를 집어 올릴 경우에도 물체표면의 법선 벡터와

손가락 끝의 각도가 클수록 물체를 효과적으로 구속하여 안정된 파지를 할 수

있다

그리퍼의 링크 시스템에 있어서 2 링크 손가락보다 3 링크 손가락을 쓸 때가

링크와 수평 평면이 이루는 각 (A)이 더 커지기 때문에 안정성이 더 좋다는 것

을 알 수 있다 그리고 안정성뿐만 아니라 식 (4-1)을 통하여 문체에 전해지는

Torque 값을 Fig 4-2 와 같이 그래프로 나타내면 0 도에서 75 도 정도까지는 A 각

이 커질수록 물체에 가해지는 토크 값이 점점 커지는 것을 알 수 있음으로 3 링

크 손가락을 쓰는 것이 파지력 증가됨을 알수 있다 ℓ3 의 길이가 길어질수록 A

가 작은 값을 가져서 정밀파지에 적당하지 않다

τ l cosA sinA l 1 cos A tan μ (41)

A cosempty

(42)

Fig 4-1

은 식을 통

각이 커짐을

움이 있고

Fig4-

에서 제 2 코

통해 구할 수

을 알 수 있다

최소 단위를

Fig4

-1 Configurati

코사인 법칙

있는데 이로

다 그러나 ℓ

를 1cm 로 하

-2 Change the

- 38 -

ion of the fing

을 이용하여

로부터 링크

ℓ3 가 1cm 인

하였기 때문에

e value of the a

gers on robot g

여 A 의 각을

길이 ℓ3 가

인 경우는 너

에 ℓ3 는 2cm

angle of phage

gripper

구하기 위해

작으면 작을

무 짧아서 파

로 결정하였

torque

해 (2) 와 같

을수록 A 의

파지의 어려

였다

42 모터

(1) 알고

앞 절에

여야 한다

는 모터의

이 작은 모

나 용량이

로 적절한

선정 알고

고리즘 정의

에서 설명한 기

로봇 팔에

선정은 동작

모터를 사용하

큰 모터를 사

모터의 선정

고리즘

기구들을 추

움직임을 전

작을 구현하는

하게 되면 기

사용하게 되

정이 중요하다

Fig 4-3 M

- 39 -

추후 로봇 시스

전달함에 있어

는데 중요한

기구의 원활한

면 모터의 외

다

Motor Selectio

스템에 적용을

어서 동력을

과제가 되겠

한 작동이 어

외형이 커지

on Algorithm

을 고려하여

공급과 제어

겠다 만일 토

려워지고 단

고 가격 또한

설계를 하

어를 수행하

토크나 용량

단순히 토크

한 증가하므

- 40 -

(2) 알고리즘 수행

모터를 선정하기 위해서 가장 우선적으로 해야 할 일은 기계구동부분을 결

정하고 구동부분을 어떠한 방식으로 작동을 시킬지 동작 패턴을 결정하여야 한

다 예를 들면 모터에서 나오는 힘을 받아서 볼 스크류를 이용하여 힘을 전달할

것인지 벨트 피니언 기어 혹은 풀리 등을 이용할 것인지를 결정하고 그에 따

른 적절한 구동방식을 결정한다 구동방식을 결정하게 되면 각각의 구동방식에

적합한 수식을 대입하여 부하토크를 계산한다 구동방식에 따른 부하토크를 구

하는 수식은 구동방식이나 구동장소 등에 따라 다소 상이하나 일반적인 수식은

다음과 같다

-BALL SCREW 구동

T FP2πn

μ F P2π

1i N ∙ m 43

F F mg sin α μ cos α N 44

-PULLEY 구동

T ∙ 45

μF D

2i N ∙ m

- 41 -

-WIRE middot BELT 구동 RACK middot PINION 구동

T F2πn

∙ πDi

FD2ni

N ∙ m 46

F F mg sin α μ cos s N 47

-실측에 의한 방법

T 48

직선운동 (커플링 직결 볼스크류 등)의 경우 위의 (43) (44) 이용하여 구할

수 있다 이때 F 는 축방향하중 F0 는 예압하중 μ0는 예압 NUT 의 마찰계수 η 은

효율i 는 감속비 PB 는볼스크류 피치를 나타낸다 회전운동 (풀리)의 경우 식

(45)를 이용하여 구할 수 있으며 FA는 외력 FB는 부하중량 (주축이 회전하기 시

작할 때의 힘) m 은 work 와 TABLE 의 총무계 μ 접동면의 마찰계수α는 경사각

도D 는 풀리의 지름을 나타낸다

실제현장에서는 선정된 모터의 토크를 확인하기 위해 실측에 의한 구동토크

를 계측하는데 스프링 저울을 구동 풀리에 연결지어 측정한다 이때 TL 은 회전

운동 부하토크에 해당하고 FB 는 부하중량 D 는 풀리의 직경을 나타낸다

위의 부하토크를 구하는 식들을 이용하여 부하토크를 구하게 되면 실제 모

터를 사용할 때 어느 정도의 시간적 여유를 두고 가속을 할 것인지 감속을 할

것인지를 결정하여야 한다 이를 위해서 우선 동작시킬 부분에 대한 관성모멘트

를 계산하

Fig 4-4

시한 것으로

dA 와 기준

이를 표현하

하여야 한다

4 는 관성모멘

로 X 와 Y

준축으로 부터

하면 식 (49)

Fig 4-4 Arb

I

멘트를 구하기

는 면적의 미

터의 거리의

)와 같다

- 42 -

bitrary shape o

y dA I

기 위한 절대

미소 요소 dA

제곱의 곱으

of planar area

x dA

대좌표 X Y

A 의 좌표이

으로 단면 2

축 상의 미소

이고 관성모멘

차 모멘트라

49

소면적을 도

멘트는 요소

라고도 한다

평면 면

가 있다 평

축에 대한

Fig 4-5

하는 평행한

관성모멘

식 (410

번째 적분은

면적의 관성

평행축 정리란

관성 모멘트

5 과 같이 도

한 xy 축 두

멘트의 정의로

I y

0) 에서 우변

은 Xc 축에

Fig 4-5

모멘트에 있

란 도심축에

트 사이의 관

도심을 원점으

좌표계의 평

로부터 x 축

y d dA

변의 첫 번째

대한 1 차 모

- 43 -

5 Parallel-axis

있어서 중요하

대한 관성

계를 나타낸

으로 하는 Xc

평행한 축 간

축에 대한 관

y dA

적분은 Xc

모멘트로서 X

theorem

하고 유용한

모멘트와 도

낸다

cYc 축과 임의

간의 거리를 d

성모멘트 Ix

2d y dA

축에 대한 관

Xc 축이 도심

정리로서 평

도심축에 평행

의의 점 O 를

d1 과 d2 로 표

는 식(410)와

d dA

관성모멘트

심을 통과하므

평행축 정리

행한 임의의

를 원점으로

표시한다

와 같다

410

I 이다 두

므로 적분의

- 44 -

값은 0 이다 세번째 적분은 면적 A 그 자체이다 따라서 식 (410)은 식 (411)과

같이 간단해진다

I I Ad 411

y 축에 대한 관성모멘트도 위와 같은 방법에 의해 식(412)과 같다

I I Ad 412

또한 면적의 평면에 수직인 수직축에 대한 관성모멘트를 극관성모멘트라 한

다 Fig 4-6 는 평면에 수직이고 O 점을 통과하는 축에 대한 극관성모멘트를 나

타낸 그림으로 이를 관성모멘트 식으로 표현하면 식 (413) 와 같다

I ρ dA 413

식 (413)와

즉 평면에

서로 수직인

극 관성

와 도심 C

와 식 (414)에

I

수직인 축에

인 두 축에 대

성모멘트에 대

에 대한 극

Fig 4-6 Arb

의해 식 (4

ρ dA

I

에 대한 극관

대한 관성모

대한 평행축

극 관성모멘트

- 45 -

bitrary shape o

ρ x y

415) 식 (41

x y dA

I I I

관성모멘트는

멘트의 합과

정리는 Fig

트를 각각 I

of Polar Area

y

16)과 같은 관

x dA y

는 평면 내의

과 같다

4-5 에서 유

와 I 로

관계식을 얻을

y dA

같은 지점을

유도할 수 있

로 표시하면

414

을 수 있다

415

416

을 통과하는

있다 원점 O

식 (416)에

- 46 -

서 식(417)을 유도할 수 있다

I I I I I I 417

I I I I A d d 418

I I Ad 419

식 (419)는 극 관성모멘트에 대한 평행축 정리를 나타낸다 즉 평면 내의 임의

의 한 점 O 에 대한 면적의 극관성모멘트는 도심 C 에 대한 극관성모멘트에 그

면적과 점 O 와 C 사이의 거리의 제곱의 곱을 더한 것과 같다

이상의 식에서 부하토크와 관성모멘트를 계산하여 모터를 가 선정한다 부하토

크의 경우 사용될 모터의 정격 토크를 넘어서지 않는 것을 선정한다 부하토크

를 TL 정상 부하 상태의 힘 PL 극 관성모멘트 IL 회전운동을 위한 힘 Pa 각속

도 가속 시 소요되는 시간을 ta 라 하고 식 (420)을 이용하여 부하가 일정하

게 작용할 때의 힘을 계산한다 마찬가지로 관성모멘트를 식 (421)에 대입하여

가속을 위한 회전 운동 시 필요한 힘을 계산한다 식 (420)과 식 (421)에서 계

산된 힘을 합산하면 모터를 회전시키기 위해 필요한 출력이 계산된다 이때 계

산된 출력보다 실제 사용할 모터의 정격 출력이 1~2 배 정도가 되도록 모터를

가 선정한다

- 47 -

P T ω 420

P 421

위의 과정을 통하여 모터를 가선정하고 가감속 토크 및 구동 토크를 계산한

다 각각의 토크를 계산하게 되면 모터를 최종적으로 선정하게 되는데 두 가지

사항을 고려하여 최종 선정한다 먼저 식 (422)을 통해서 계산되는 가속 시 소

요되는 기동 토크 TM 가 모터의 최대 토크를 넘지 않는 것으로 선정한다

T 422

두 번째로 Fig 4-7 의 속도 선도와 같이 모터의 가 감속 시간과 정상 동작

시간 등을 결정하여 식 (423)과 같이 실효치 토크 TS 를 구하고 실효 토크가 모

터의 정격 토크보다 크지 않도록 선정한다

T 423

Fig 4-7 Exa

- 48 -

ample of veloc

city guidance

- 49 -

(3) 알고리즘 적용

로봇시스템에 있어서 기구들의 관성모멘트와 토크 계산 후 적합한 모터를

선정하기 위해 시중에서 시판되는 모터를 조사하였다 로봇에 적용 가능한 모터

로는 크게 서버모터와 스텝모터 RC 서버모터 DC 모터로 구분 할 수 있었다 이

를 TABLE 4-1 과 같이 정리하였다

동력원의 6 가지 선정요소 중 우선순위를 부여하여 분류했을 때 핸드 그리퍼

의 특성상 가볍고 토크가 큰 RC 서버 모터 미니 서버모터를 선택할 수 도 있지

만 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터 중 토크를 증가시킬 수 있는

감속기가 있는 타입의 모터를 우선시 하였다

1 감속비를 사양할 수 있는 모터를 선정하여 계산한 토크를 확인한다

2 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터를 선정한다

3 CLOSED LOOP 제어를 통하여 정확한 위치를 검출할 수 있어야 한다

따라서 스텝모터중 lsquoOrsquo사의 ldquoαSTEPrdquo가 적합하다고 판단되어 모터를 선정하였다

- 50 -

TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics

미니서버모터 RC 서버모터 스텝모터 DC 모터

장점 동일사양대비 모터

중 10배정도 큰 토크

5v사용가벼움

정확한 위치제어

급격한 부하변동급가

속 유리

저렴한가격

보편화됨

단점 정지시 진동이 예상 약한 토크 THRUST하중이 모터

무계 이하여야 한다

유지보수가 잦다

크기 151588mm(10w20w)

2525111mm(30w)

392038mm 424234mm Oslash37mm917mm

동작전압 Dc 24V Dc 48V60V Dc 24V Dc 24V

무계 230g~400g 56g 150g 200g

허용토크 009Nm~03Nm 11~13kgfcm 18kgfcm (018Nm) 47kgfcm(1200)

감속기 다양한 감속비 가능 고정 감속기 감속기 무(072˚036) 다양한 감속비

제조사 야스카와 SGMM 하이텍 HS-5945 AUTONICS GCM 3429A

TABLE 4-2 αstep motor characteristics

외형 전압 전류 무계 토크 감속비 분해능

αSTEP 282884mm

4242127mm Dc24V 1~37A 250G 2~28 Nmiddotm 50~1001

00072pluse

00036pluse

- 51 -

43 1 차 능동형 그리퍼 설계

실린더를 사용하여 링크로 물체를 파지하던 그리퍼는 Fig 4-8 과 Fig 4-9 에

묘사하였다 이런 실린더를 사용한 그리퍼는 공압 효과를 도출할 수 있는 별도

의 펌프가 필요하고 동작을 구현할 수 있는 자유도를 증가시키는데 한계가 있

다 이런 실린더의 단점을 보완하고 전기모터의 장점을 사용하기 위해 웜기어와

웜휠 방식을 채택하여 2 자유도 능동형 그리퍼를 설계하였다

1 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-10 에 묘사하였으며 1 차설계한

능동형 그리퍼는 Two Fingertip Grasp 로 칭하겠다 파지한 물체를 회전 시키는

기능은 베벨기어를 사용하여 회전운동으로 구현하였고 실린더의 전middot후진 운동

을 전기모터의 회전운동으로 변환 시키기 위하여 웜기어와 웜휨을 선택하였다

전기모터에 의해 회전하는 운동은 웜기어와 웜휠에 의해 링크를 사용하여 물체

를 파지하였던 그리퍼와 동일한 운동효과를 가지게 되었다

웜기어와 웜휠을 사용하여 물체를 파지하는 능동형 그리퍼는 스윙형으로 설

계되었으며 파지력을 높이기 위한 각도를 적용하였다 링크를 사용하여 물체를

파지하는 형태의 그리퍼보다 기구의 크기를 줄일 수 있는 장점이 있는 반면 기

어들의 백래시에 의한 오차가 끝단에 누적될 수 있는 문제점을 가지고 있다또

한 기구부의 소재 변경으로 그리퍼의 무계를 줄일 수 도 있지만 가장 큰 무계

를 차지하는 모터를 그리퍼 자체에서 분리하게 할 수 있게 하려면 그리퍼 자체

의 구조변경이 필요하다

`

`

Fig 4-8 Par

Fig 4-9 Par

- 52 -

rallel-link gra

rallel-link gra

sps system 1

sps system 2

Fig 4-10

- 53 -

0 Two fingertipps grasp system

- 54 -

44 2 차 능동형 그리퍼 설계

1 차 설계한 능동형 그리퍼에서 발견된 문제점을 보안하기 위하여 2 차 능동

형 그리퍼를 설계하였다 2 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-11 에 묘사

하였으며 2 차설계한 능동형 그리퍼는 Four Fingertip Grasp 로 칭하겠다 이 장치

는 크게 동력원 동력 전달장치 핑거 그립장치로 구성되어있으며 이를 통합하

여 Fig 4-12 에 나타내었다

핑거 그립장치는 스윙형 그립의 단점을 보완하여 설계하였다 물체를 파지할

때 그립의 회전 반경이 주위 환경요소와 간섭을 발생시킬 수 있는데핑거가 전

진할때 샤프트와 핑거그립간의 나사결합형태를 통한 직선운동으로 개선하여 주

위환경요소에 영향을 주지 않도록 설계하였다 구동축의 핑거파지 메카니즘을

Fig 4-13 와 같이 간략화 하였고 이에 대한 세부 도면은 Fig 4-14 로 나타내었다

4 조 핑거 그립의 나사산과 테이퍼진 스크류축은 나사식으로 결합되며 상호

작용에 의해 점차 중심점으로 이동하여 물체를 파지하는 형태이다 사용된 2 개

의 샤프트는 중공축으로 설계하였으며 외부 샤프트는 4 조 핑거가 물체를 파지

하여 비트는 모션을 구현하는데 사용되었다 내부 샤프트는 핑거를 중심점으로

전진시켜는 기능을 수행한다 중공축으로 설계한 내부 샤프트는 차후 개발될 인

스트리먼트의 탈부착을 손쉽게 할수있도록 구현하였고 4 조로 설계된 핑거는 그

립시 인스트리먼트의 응력집중현상을 분산시키는 기능과 2 조로 그립하였을때

보다 안정적인 그립감을 형성한다

- 55 -

동력원과 동력전달장치는 Fig 4-15 에 나타내었으며 Two Fingertip Grasp system

의 문제점이었던 구동부의 모터의 설치 방법을 외부에 부착하는 형태로 변경하

여 우레탄 밸트를 사용하였다 또한 아이들러를 사용하여 밸트의 방향을 변경

하여 모터의 부착위치를 자유롭게 설정할 수 있도록 하였고 모터 브라켓에 슬

리브 홈을 설치하여 벨트의 장력을 조절할 수 있도록 하였다

Fig4-11

Fig4-12 Fou

- 56 -

Four fingertip

ur fingertips g

ps grasp system

grasp system la

m

ayout

Fig 4-13

Fig 4-14

- 57 -

Fingertip gra

4 Fingertip gr

asps mechanis

rasps extended

m

d

Fig 4-15

- 58 -

5 Power transmission devicce

- 59 -

제 5장 결 론

본 연구에서는 MIS 수술 로봇을 위한 햅틱 마스터장치 구동용 능동형 그리

퍼를 설계하기 위하여 그에 상응하는 자료 및 문헌 조사를 수행하였고 햅틱 마

스터에 적용 가능한 능동형 그리퍼를 설계하여 로봇 시스템의 초안을 구성하였

다 수술용 도구를 단순히 잡아주는 역할에서 벗어나 시스템에 추가적인 자유도

를 부여함으로써 그리퍼를 표현하였다 단순화된 그리퍼는 보다 저렴한 가격으

로 생산될 수 있으며 기존 로봇 수술시스템의 높은 비용을 절감할 수 있는 효

과를 가져올 수 있다

최종적으로 제안한 설계 안으로는 2 조 핑거그립를 사용하는 전기모터형 그

리퍼 와 추가적으로 개선한 4 조 전기모터형 핑거그립를 설계였다 스윙형 그립

의 단점을 보안하여 집중응력을 분산할 수 있는 구조로 설계하였고 그리퍼의

무계를 줄일 수 있는 방법을 제시하였다 이로써 원통형 도구 파지 시 안정성이

향상되었고 보다 원활하게 수술 도구를 교체 가능하도록 하였다

앞으로 촉감을 전달할 수 있는 센서의 개발로 햅틱 디바이스 인터페이스 장

치의 활용에 보다 높은 기여를 할 것이라 예상된다

-６０-

참고 문헌

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정보 및 제어부분 PP68~7020084

[2] 박정호 ldquo국내외 의료로봇 현황과 발전방향rdquo정보과학지 26(4)

PP49~5420084

[3] 편집부 ldquo수술지원로봇의 최신 기술 동향rdquo월간 자동화 기술 22(12)

PP74~77200612

[4] 경기욱박준석 ldquo햅틱스 기술개발 동향 및 연구전망rdquo전자통신경향분석

21(5)PP93~108200610

[5] 권동수경기욱 ldquo의료용 로봇의 연구 현황과 전망rdquo기계저널

42(3)PP38~44200203

[6] Yoichi OGAHARA Yusuke KAWATO Kenjiro TAKEMURA Takashi MAENO

ldquoA Wire-Driven Miniature Five Fingerd Robot Hand using Elastic Elements as

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[7] Ikuo Yamano Takashi Maeno ldquoFive-fingered Robot Hand using Ultrasonic Motors

and Elastic Elementsrdquoproceedings the 2005 IEEE International Conference on

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[8] 홍만복김광기 ldquo최소 침습수술로봇을위한 2-자유도 구형 메커니즘설계rdquo

한국정밀공학회 2009년 추계학술대회 논문집

-６１-

[9] 이재훈김형욱이병주서일홍 ldquo새로운 6자유도 병렬형 햅틱 기구의 최적설

계 및 해석rdquo한국정밀공학회 2003년 추계학술대회 논문집

[10] 조국훈이재훈이병주김희국 ldquo병렬형 그리퍼 메카니즘rdquo한국정밀공학회지

[11] 김갑순 ldquo3축 힘센서를 이용한 지능형 그리퍼 개발rdquo한국정밀공학회지 제

24권 제 3호 1999년

[12] 고대성김성목김희국이병주 ldquo병진형 자유도와 1자유도 파지기능을 가지는

4자유도 병렬 메커니즘의 기구학분석rdquo한국정밀공학회 2007년 추계학술대회

• 제1장 서 론
• • 11 연구배경 및 연구목적
  • 12 연구내용
  • • 제2장 로봇 산업의 기술 현황
    • • 21 로봇산업의 동향
      • 22 의료용 로봇기술 현황
      • 23 의료용 로봇시장 전망
      • • 제3장 능동 그리퍼
        • • 31 최소침습 수술 햅틱 장치구현에 필요한 능동 그리퍼 제안
          • 32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류
          • 33 파지형태에 의한 그리퍼의 분류
          • 34 메카니컬 핸드의 구속기능
          • 35 대표적인 동력원의 특징
          • • 제4장 능동형 그리퍼 설계
            • • 41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정
              • 42 모터 선정 알고리즘
              • • 43 1 차 능동형 그리퍼 설계
                • 44 2 차 능동형 그리퍼 설계
                • • 제 5 장 결론
                  • 참고문헌
                  • TABLE 2-1 Domestic robot classification
                  • TABLE 2-2 Robot Production Company
                  • TABLE 3-1 Characteristics of power sources
                  • TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics
                  • TABLE 4-2 αSTEP Motor Characteristics
                  • Fig2-1 Phase of medical robots in the robot industry
                  • Fig2-2 Da Vinci surgical case number
                  • Fig3-1 Da Vinci robot system for MIS
                  • Fig3-2 Classified by the gripper grip action
                  • Fig3-3 Swing-type hand mechanism
                  • Fig3-4 Hand mechanism for translational type1 (parallel displacement)
                  • Fig3-5 Hand mechanism for translational type2 (Rack and pinion type)
                  • Fig3-6 Hand mechanism for three point pinch type
                  • Fig3-7 Movement of object
                  • Fig3-8 Contacts of the kind and the confining
                  • Fig3-9 Human Arm structure
                  • Fig4-1 Configuration of the fingers on robot gripper
                  • Fig4-2 Change the value of the angle of phage torque
                  • Fig4-3 Motor Selection Algorithm
                  • Fig4-4 Arbitrary Shape of Planar Area
                  • Fig4-5 Parallel-Axis Theorem
                  • Fig4-6 Arbitrary Shape of Polar Area
                  • Fig4-7 Example of Velocity Guidance
                  • Fig4-8 Parallel-link Grasp system 1
                  • Fig4-9 Parallel-link Grasp system 2
                  • Fig4-10 TWO Fingertip Grasp system
                  • Fig4-11 Four Fingertip Grasp System
                  • Fig4-12 Four Fingertip Grasp System layout
                  • Fig4-13 Fingertip Grasp Mechanism
                  • Fig4-14 Fingertip Grasp extended
                  • Fig4-15 Power Transmission Device

-vii-

목 차

요 약 문 i

Abstract ii

Nomenclature iii

List of Figures and Tables v

제1장 서 론 1

11 연구배경 및 연구목적 1

12 연구내용 3

제2장 로봇 산업의 기술 현황 4

21 로봇산업의 동향 4

22 의료용 로봇기술 현황 9

23 의료용 로봇시장 전망 16

제3장 능동 그리퍼 20

31 최소침습 수술 햅틱 장치구현에 필요한 능동 그리퍼 제안

20

32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류 24

33 파지형태에 의한 그리퍼의 분류 25

-viii-

34 메카니컬 핸드의 구속기능 30

35 대표적인 동력원의 특징 35

제4장 능동형 그리퍼 설계 37

41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정 37

42 모터 선정 알고리즘 39

43 1차 능동형 그리퍼 설계 51

44 2차 능동형 그리퍼 설계 54

제 5장 결론 59

참고문헌 60

- 1 -

제 1장 서 론

11 연구 배경 및 연구 목적

로봇은 이미 다양한 자동화 산업 분야에서 높은 부가가치의 창출로 인해 그

가치가 인정되어 점점 더 그 활용 분야가 증가하고 있는 추세에 있다 또한 최

근 들어서는 산업현장뿐만 아니라 생활 기구 의료용에서도 로봇을 접목시켜 이

를 실제 시스템에 사용하고 있다 특히 의료용 로봇 분야에서는 수술행위를 대

행하는 다빈치 로봇의 개발로 수술의 신뢰도를 크게 향상시키고 있다

다빈치 수술시스템은 너무나 성공적 이여서 수술행위의 수행에 있어서 커다

란 변화를 가져왔다 최소 침습수술의 발전으로 환자의 회복속도는 놀랍도록 빨

라졌지만 모든 개복수술을 최소 침습수술기법으로 대처하기에는 아직 기술적으

로 극복하지 못한 분야도 있다 기존의 복강경 수술의 경우 수술시야가 제한적

이고 수술부의로의 유일한 접근 통로인 투관이 한정되어 있어 손 운동에 제한

적이다 또한 로봇은 복잡하고 종종 큰 수술 시 다양한 의료장비를 교체해야 하

는데 교체 시 많은 시간이 요구된다 이러한 많은 준비단계와 사용하고 나서의

복잡한 소독과정으로 인해 실제 로봇을 이용한 수술은 많은 시간이 걸리며 초

기자본을 회수하는데 많은 시간이 걸리므로 경제성이 떨어진다 또한 실제 수술

시에는 다양한 수술도구들이 사용되는데 로봇수술을 위해서는 로봇 팔과 연동

된 수술 도구들이 쉽게 탈 부착 될 수 있어야 한다 실제 수술도구들이 쉽게 탈

부착된다면 작업 능률이 보다 증대될 것이다

- 2 -

수술용 로봇에 사용되는 엔드 이펙터 (End Effector)을 검토해보면 공통적 인

사실을 확인할 수 있다 시판되고 있는 복강경 로봇수술용 도구들은 Trocar 라

는 기구를 통해 인체 내로 삽입되고 Trocar 의 구조상 수술용 도구들은 Oslash55 이

내의 소형 원기둥 타입의 수술도구들이며 각각의 구동 모터를 개별적으로 가지

고 있다 최근에는 다빈치 수술 로봇이 사용됨에 따라 3 차원 고화질의 영상의

제공과 더불어 떨림 없는 정교한 시술작업이 가능해 졌으며 다자유도 수술 기

구 도입으로 좀 더 다양한 수술들이 가능해 졌지만 이러한 장점에도 불구하고

수술 시 힘의 강약조절이 불가능하다는 점은 가장 큰 단점으로 지적되고 있다

또한 아직 가격이 고가이고 구현 가능한 작업 영역대비 각 암의 크기가 커서

수술 시 암 사이의 충돌이 발생하는 문제가 제기되고 있다

또한 다빈치 수술로봇은 집도의 손으로 조작하여서 수술을 수행하는 수술

로봇 시스템으로 여러 가지 장점이 있지만 로봇이 수술하면서 발생하는 반력을

직접 집도의에게 전달하지 못하는 단점이 있다 이런 단점을 보안하기 위하여

수술용 로봇 시스템에 햅틱의 기능을 추가하여 로봇 시스템을 구성하는 것을

전 세계적으로 많은 연구가 진행되고 있다

따라서 본 연구에서는 수술용 햅틱 로봇에 적용이 가능한 로봇 시스템에서

수술도구를 집고 수술을 직접 수행하는 그리퍼 시스템을 설계하도록 하겠다

이를 위해 현재 로봇 시장의 현황을 분석하고 능동형 그리퍼를 설계하기 위한

여러 가지 이론적 배경과 그리퍼 설계 제한 조건을 설명한다 최종적으로 그리

퍼 설계를 수행한 후 각각의 설계에 따른 분석을 수행할 것이다

- 3 -

12 연구 내용

본 연구에서는 의료용 햅틱 로봇 시스템에 적합한 능동형 그리퍼를 설계하

는 것이 본 연구의 목적이며 이를 위한 연구내용은 각 장 별로 요약하면 다음

과 같다

제 1장에서는 본 연구를 수행한 배경과 목적을 설명하였다

제 2 장에서는 연구의 첫 단계로 본 연구의 이론적 배경을 기술하였다 수술

로봇의 개요 및 동향 선행기술에 대하여 설명하였다

제 3 장에서는 능동형 그리퍼에 대한 이론적 배경을 기술하였다 그리퍼의 자

유도 기능분석 메키니칼 구성표 동력원에 대해 고찰하였다

제 4 장에서는 능동형 그리퍼의 설계 결과를 기술하고 설계 안에 대한 방향

을 제시하였다

마지막으로 제 5 장에서는 결론 및 향후 연구되어야 할 문제들에 대하여 언

급하였다

- 4 -

제 2장 로봇 산업의 기술 현황

21 로봇산업의 동향

(1) 국내로봇산업 분류체계

로봇이란 용어는 1921 년 카펠 차펙 (Karel Capek)이 쓴 희곡에서 유래하여

전통적인 로봇이란 반복 노동을 대체하는 자동화 기계로 인식되어 왔으나 현대

에 와서는 외부의 환경을 인식하고 지능을 바탕으로 스스로 판단하여 자율적으

로 동작하는 장치로 변모하였다 이렇게 변모하는 로봇산업은 현행 한국표준산

업 분류 체계상 단일제품 수준의 lsquo산업용로봇rsquo 으로만 분류하여 급성장이 예상

되는 lsquo서비스로봇rsquo 부분은 포함되어 있지 않았다 이에 산업자원부는 2007 년 1

월 로봇산업의 분류체계를 새롭게 마련하고 로봇산업의 승인통계를 구축하였다

이로써 1978 년 로봇산업이 시작한 이래 30 년 만에 비로소 로봇산업에 대한 명

확한 분류체계를 구축한 것이다

이 분류체계에서 로봇산업은 크게 개인서비스용 로봇 전문서비스용 로봇

제조업용 로봇 네트워크 로봇 로봇부품 및 부분품 등 대분류 5 개 중분류 28

개 소분류 136 개 항목으로 분류되어 있다 이를 구체적으로 살펴보면 TABLE

2- 1과 같다

- 5 -

TABLE 2-1 Domestic robot classification

대분류 중분류

서비스 로봇

개인 서비스용가사용 생활 지원용 여가 지원용 교육

용 기타 개인서비스용

전문서비스용

빌딩 서비스용 극한작업용 의료 복지용

사회 인프라용 군사용 생물 생산용 기

타 전문 서비스용

제조업용 로봇

이적재용 공작물 착탈용 용접용 표면처

리용 조립분해용 가공용 공정용 시험

검사용 기타 제조업용

네트워크 로봇 -

로봇부품 및 부분품 로봇용 구조구동센싱제어통신소프트

웨어기타 부품 및 부분품

lt자료gt 산업자원부

ldquo의료 복지용 로봇rdquo은 전문서비스용 로봇의 한 분야로 로봇산업의 중분류로

분류되고 있다 의료 복지용 로봇은 다시 수술 로봇 재활 훈련용 로봇 의료진

단 및 검사용 로봇 기타 의료 복지 로봇 등으로 소분류체계를 구축된다

산업연구원 (2007)에서는 로봇산업에서의 의료용 로봇의 위상을 Fig 2-1 과

같이 도식화 하였다 의료용 로봇을 포괄하고 있는 지능형 로봇은 우리나라가

소득 3 만 달러 시대를 선도할 미래스타산업으로 타 분야에 대한 기술적 파급

효과가 큰 첨단기술의 복합체라는 점 때문에 특히 중요하다고 할 수 있다

- 6 -

Fig2-1 Phase of medical robots in the robot industry

(2) 국내로봇산업 규모

가 로봇생산 기업규모

앞 절과 같은 로봇산업 분류체계에 근거하여 2006 년부터 로봇산업 통계조사

가 체계적으로 이루어지기 시작하였다 이 통계조사에 따르면 국내 로봇생산을

담당하고 있는 기업은 TABLE 2-2와 같다 2006년 총 170개 제조업 로봇 77개

사 (453) 로봇부품 및 부분품 48 개사 (282) 개인 서비스용 로봇 24 개사

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(141) 전문서비스용 로봇 13 개사 (76) 네트워크 로봇 8 개사 (47)로 분포

되어 있다 이와 같은 수치는 2005 년 대비 제조업용 로봇 관련 기업 수는 다소

감소하였으나 전문서비스용 로봇이나 개인서비스용 로봇 관련 기업 수는 다소

증가하였다 또한 기업체 당 평균 자본금은 5354 억으로 제조업을 제외하면 기

업체 당 평균 자본금이 가장 높은 분야는 개인 서비스용 로봇 (2570 억원) 가

장 낮은 분야는 전문 서비스용 로봇 (1106억원)으로 나타났다

이는 최근 수요가 증가하는 생활 관련 로봇들에 대한 대기업의 투자나 진입

이 두드러지면서 나타난 현상이며 이런 기업들의 투자에 따른 생활 로봇 기술

향상이 두더러 지게 나타나고 있다 따라서 의료용 로봇 산업분야의 체질강화

와 기업 경쟁력 강화를 위해서는 최근 늘어나는 수요창출에 발맞추어 중견기업

들의 투자와 연구개발이 집중되어야 할 것이다

한편 로봇기업의 매출액 규모는 1억 원 미만의 영세한 업체가 30 1억~10

억 원 규모의 업체가 282 10억~50억 원 규모의 업체도 282로 대부분의 로

봇기업은 매출액 규모 50 억 미만의 중소기업체인 것으로 나타났다 특히 의료

용 로봇은 영세한 업체가 담당하기에는 다소 연구개발과 투자비용이 많이 소요

되기 때문에 대기업이나 정부의 투자나 지원이 반드시 필요하다 이러한 상황에

서 국내 의료용 로봇 시장의 성장을 낙관하기는 다소 무리가 있다 따라서 대기

업들이나 정부는 의료용 로봇 시장 확대와 성장에 적극적으로 참여해야 할 것

이다

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TABLE 2-2 Robot Production Company

구분

2005 2006

업체수 구성비 업체수 구성비

제조업용 로봇 60 333 77 453

전문서비스용 로봇 13 72 13 76

개인서비스용 로봇 39 217 24 141

네트워크 로봇 17 94 8 47

로봇부품 및 부분품 51 283 48 282

합계 180 1000 170 1000

나 로봇생산 생산규모

로봇기업의 생산 현황을 보면 2005 년에는 5722 억 원 정도였으나 2006 년에

는 7196 억 원으로 258의 증가율을 보였다 특히 의료 복지용 로봇 분야가 포

함되어 있는 전문서비스용 로봇은 2005 년에는 53 억 정도였으나 2006 년에는

124억으로 전년대비 1309의 높은 증가세를 보였다

최근 국내에서 개발된 환자 안내용 로봇인 스누봇 (SNUBOT)이나 내시경 로

봇인 미로캠 (MiroCam) 등의 개발로 인해 더욱더 생산 증가폭은 커질 것으로

전망한다 의료 복지용 로봇분야에서는 2005 년에는 생산이 거의 없었으며 2006

년에는 약 6 천 만원으로 증가하기는 하였으나 이는 다른 로봇 분야에 비하면

극히 미비한 생산액이며 수술 로봇이나 재활 로봇에 대한 생산은 거의 전무한

실정이다 한국과학기술정보연구원(KISTI)에 따르면 2006 년 국내 서비스 로봇

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(산업용 로봇 제외) 시장규모는 약 624 억 원으로 미비한 수준에 그쳤으나 2011

년 5117 억 원에 달하고 2013 년 이후는 수조 원에 달하는 황금시장으로 떠오를

것으로 예상하였다 또한 정부에서는 2005 년 국내 로봇산업 육성을 위해 2013

년까지 세계 시장 점유율 15 총생산 30 조원 수출 200 억 달러 고용창출 10

만 명 등 세계 3위의 로봇강국을 목표로 하고 있다

22 의료용 로봇기술 현황

(1) 의료용 로봇 유형 및 개념

의료용 로봇은 크게 수술 로봇 수술 시뮬레이션 재활로봇 기타 의료 로봇

등으로 분류된다

첫째 수술 로봇은 크게 두 가지의 유형으로 분류된다 먼저 수술 보조 로봇

(surgery assistant robot)은 수술실에서 집도의 명령에 따르면서 수술을 보조하거나

영상 가이드 역할을 해주는 로봇을 의미하며 수술 로봇 (surgery robot)은 의사를

대신하여 수술과정의 전체 혹은 일부를 의사 대신 혹은 의사와 함께 수술 작업

을 한다

둘째 수술 시뮬레이터 (surgery simulator)는 의사의 수술에 관한 숙련도를 높

이기 위하여 가상의 그래픽 환자 모델과 햅틱 장치 (haptic device) 등을 이용하

여 수술을 연습할 수 있게 하는 의료용 로봇이다 특히 근래에 들어 프로세스의

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성능이 좋아지면서 MRI 나 CT 영상 등을 활용한 실시간 3 차원 볼륨이 가능해

지면서 의료용 시뮬레이터 개발은 가속화 되었다

셋째 재활 로봇 (rehabilitation robot)은 노인과 장애인의 재활치료와 일상생활

을 도와 주는 로봇 시스템으로 단순한 신체를 지지해 주는 역할을 벗어나 중증

환자나 노인의 신체 움직임을 향상시키고 빠른 시일 내에 회복하도록 주요 기

능을 수행하고 장애인의 장애를 극복하여 독립적인 생활을 가능하게 할 수 있

는 특정 기능의 로봇을 의미한다

넷째 기타 의료 로봇으로는 간호 로봇이나 안내로봇 등이 있다 현재의 간

호 인력을 도와서 수술이나 치료를 받는 환자를 보살피는 로봇으로서 정확한

투약과 수술 후 관리가 가능하도록 도와주는 기능과 환자의 이동 간병 및 산책

이 가능하고 말벗의 기능을 포함하는 로봇을 의미한다

(2) 의료용 로봇기술 개발현황

가 수술 로봇

현재까지 연구된 수술 로봇은 미세 수술용 원격수술 로봇 최소침습수술

(MIS) 로봇 관절 수술 로봇 등으로 분류할 수 있다

원격수술 로봇 시스템 일환으로 개발된 대표적인 로봇으로는 일본 동경대의

원격 수술 로봇 미국 NASA JPL 의 RAMS SRI International 의 원격 수술 로봇

한국과학기술원의 미세수술용 Slave 로봇 등이 있다

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MIS 의 로봇 시스템 일환으로 개발된 대표적인 로봇으로는 미국의 UC 버클

리대의 수술 로봇시스템 Computer Motion 사의 내시경 보조 로봇인 이솝

(AESOP)과 복강경 수술 로봇인 제우스 (ZEUS) 제우스 보다 진보된 Intuitive

Surgical 의 다빈치 (daVinch) 등이 있다 이 중 다빈치는 수술용 로봇으로 거의

독점적인 위치로써 세계 로봇수술의 첨병역할을 하고 있다

관절 수술 로봇의 일환으로 개발된 대표적인 로봇으로는 미국 Integrated

Surgical System사의 로보닥 (Robodoc) 독일의 Orto Maque사의 CASPAR 영국의

Imperial College의 아크로보트 (Acrobot) 등이 있다

나 수술 시뮬레이터

수술 로봇 이외에 의사의 수술에 관한 숙련도를 높이기 위한 의료용 시뮬레

이터가 활발하게 연구되고 있다 특히 근래에 들어 프로세서의 성능이 좋아지면

서 MRI 나 CT 영상 등을 활용한 의료용 수술 시뮬레이터 개발이 가속화 되었

다 대표적인 수술 시뮬레이터로는 미국 Georgia Tech의 안구 수술 시뮬레이터

미국 Boston 다이나믹스사의 개복수술 시뮬레이터 Mitsubishi Electric Research Lab

의 무릎관절 내시경 시뮬레이션 영국 맨체스터 대학의 웹기반 시뮬레이터 등이

있다

다 재활 로봇

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노령인구와 장애인구의 증가로 로봇 기술의 필요성은 재활분야에도 확대되

고 있다 장애인의 독립적인 활동을 보장하고 삶의 질을 높이려는 노력은 유럽

등의 선진국을 중심으로 재활 로봇이 연구되어 왔으며 이탈리아에서 개발된

MOVAID 가 대표적인 재활 로봇이다 또 미국에서는 MIT 를 중심으로 RIC 과

같은 로봇 신경 재활 로봇들이 개발되고 있다 스위스에서는 보행 재활 로봇으

로 Lokomat 이 개발되었고 국내에서는 KAIST 에서 휠체어 로봇 시스템과 보행

보조 로봇 등이 연구되고 있다 이외에도 서강대학교에서는 SUBAR 라는 보행

재활 로봇을 개발하였다 이외에도 최근 미국의 Intouch Health 에서 개발한 RP-7

은 멀리 있는 환자의 병증을 파악하는 데 탁월한 원격진료 로봇으로 활용되고

있다

(3) 국내 의료용 로봇 적용사례

상기 서술한 의료용 로봇 중 가장 많은 각광을 받고 있으며 국내에서 적용

되고 있는 사례를 통해 의료용 로봇의 사용 실태를 파악보고자 한다 대표적인

복강경 수술 로봇인 Intuitive Surgical의 다빈치 로봇 시스템과 고관절 수술 로봇

인 Integrated Surgical System사의 로보닥을 중심으로 국내 실태를 살펴보고자 한

다

가 다빈치

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Fig 2-2 da Vinci surgical case number

다빈치 로봇은 1997 년 벨기에서 처음으로 환자에게 적용된 이래 국내에

2005 년 7 월 연세대학교 신촌 세브란스 병원에서 최초로 도입하여 2005 년 7 월

15 일 국내 최초로 다빈치를 이용한 로봇 수술이 이루어졌다 Fig 2-2 에서 보

듯이 수술사례는 계속적으로 증가하여 2008 년 1 월 말 현재 750 건이 넘는 수

술이 이루어졌다

다빈치 로봇은 전립선암 위암 대장남 부인암 식도암 갑상선암 간암 등

대부분의 암수술 및 중요 외과계 수술에 적용된다 이는 다빈치 로봇 수술이 가

져다 주는 효과인 개복수술이나 복강경 수술보다 수술회복기간이 단축되고 수

술시간도 감소시키는 역할과 무엇보다 수술 후 환자가 겪는 수술 후유증 확실

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히 줄여주기 때문이다 특히 전립선암의 경우 대표적인 수술 후유증인 요실금

과 발기부전 등의 가능성이 대폭 줄어드는 것으로 알려져 있다

이와 같은 수술사례와 수술성과에도 불구하고 다빈치 로봇의 가격이 25 억

정도의 고가이기 때문에 영세한 의료기관에서 도입하기에는 다소 무리가 따르

고 있다 그러나 대형 병원들은 다빈치의 성공적인 수술사례를 통해 앞다투어

이를 도입하고 있다

2008 년 1 월 현재 신촌 세브란스 병원은 이미 3 대를 도입했고 영동 세브

란스 병원 고려대 안암병원 서울아산병원 한림대 강남병원 분당서울대병원

삼성서울병원 경북대병원 동아대병원 등 9 개 의료기관에 도입되어 있다 또한

최근 (2008 년 1 월 30 일) 연세대 세브란스병원은 로봇 수술의 활성화를 위해

Intuitive Surgical 과 공동으로 복강경 수술용 로봇 다빈치를 이용한 수술법을 배

우는 lsquo연세 다빈치 트레이닝 센터rsquo를 개소하였다

다빈치는 로봇 가격만큼 수술 비용에 있어서도 고가인데다 의료보험이 적

용되지 않아 수술 비용을 환자가 모두 부담해야 하는 실정이다 다빈치 로봇 수

술 비용은 700~2000 만 원선으로 기존의 수술 비용인 200~300 만 원 보다는 다

소 높은 가격이다 특히 전립선암의 경우 로봇 수술 비용은 1500 만 원 선으로

개복수술이나 복강경수술보다 5~7 배 정도의 높은 가격이다 그럼에도 불구하고

로봇 수술은 거의 모든 암 수술에 적용되고 있고 환자와 의사 모두 만족하는

수술법으로 자리잡아 가고 있다

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나 로보닥

로봇이 외과적 기계로써 임상적으로 처음 국내에서 적용된 것은 1992 년 lsquo로

보닥rsquo이라는 의료용 로봇이다 미국에서 개발된 로보닥은 인공관절이 삽입될 환

자의 뼈를 로봇으로 가공해서 수술 성공률을 획기적으로 높였다 두꺼운 뼈를

정확한 형상으로 깎아내는 작업에는 CADCAM 자료에 따라 작동하는 로봇 팔

이 숙련된 외과의사를 간단히 능가했다 로보닥은 한국과 EU 의 판매승인을 획

득했고 결국 인공관절수술의 대세를 장악했다 세계적으로 8000 회 이상의 수술

이 로보닥을 이용하여 성공적으로 수행되었으며 2001년 FDA의 승인을 받기도

하였다

2002 년 국내 처음으로 로보닥이 도입된 이래로 이춘택 병원은 현재까지

2556 회라는 경이적인 수술건수를 기록하였다 그는 최소침습수술과 접목하여

로봇의 정밀성과 최소 절개기술을 결합시킴으로써 환자의 고통과 재활 기간을

크게 줄였다 그러나 로보닥의 가격은 무려 17 억 원이며 3 차원 영상까지 구현

하기 위해서는 10 억 원 상당의 멀티 CT 까지 도입해야만 한다 그렇기 때문에

소규모의 관절전문병원이 도입하기에는 다소 무리한 점이 있다 이러한 상황에

서 이춘택은 국내시장에 맞는 로봇개발을 위해 국산 부품 및 소프트웨어를 개

발 중에 있다 따라서 우리나라도 고령화 사회를 맞아 세계적으로 관절 수술이

급증하고 있는 상황에서 국내 기술로 만든 수술용 로봇이나 소프트웨어 개발은

국내 의료용 로봇시장의 활성화를 이룰 수 있다

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23 의료용 로봇시장 전망

(1) 로봇산업 전망

로봇 분야별 세계시장 정세를 살펴보면 제조업용 로봇은 시장안전화 단계로

써 급격한 시장변화는 어려우며 신규 생산설비 및 기존 설비에 따른 수요가 대

부분 차지하고 있는 실정이다 개인서비스용 로봇은 가족구조의 핵가족화와 고

령화 현상으로 인한 가족인원으로서의 가정용 로봇에 대한 수요가 증가 추세에

있다 전문서비스용 로봇은 생산국과 생산기업이 극히 제한되어 있으며 제품가

격의 고가로 인해 시장형성에 있어서 생산국과 수요국이 불일치하고 있는 실정

이다 이러한 상황에서 로봇시장의 국가별 점유율을 살펴보면 일본 (28) 미국

(18) 독일 (16) 이탈리아 (10) 한국 (3)의 순으로 세계 5 위를 차지하고

있다 이와 같이 산업용 로봇의 경우는 우리나라의 세계적인 위상이 높지만 아

직까지 전문 서비스 분야 로봇에 대한 세계적인 위상은 미비하다

시장규모 전망과 국내 세계시장 점유율에 대한 전망은 다음과 같다 세계 로

봇시장의 규모는 2010 년에는 247억 5 백만 달러에서 2020년에는 717억 7 천만

달러에 이를 것으로 보고 있으며 연평균 107의 증가율을 예상하고 있다 분

야별로는 제조업용 로봇은 2010 년 세계시장의 114에서 2020 년 144의 비중

을 차지할 것으로 전망하고 있으며 전문서비스용 로봇은 2010 년 세계시장의

09에서 2020 년 21의 비중을 차지할 것으로 예상하고 있다 개인서비스용

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로봇은 2010 년 30에서 2020 년 70 수준에 달할 것으로 보고 있다 비록 전

문 서비스용 로봇산업의 규모는 미국 일본 독일에 비해 미미한 실정이나 전문

서비스용 로봇의 신시장을 개척하고 그 만큼의 기술력이 밑받침된다면 2020 년

세계시장에서의 더 큰 비중의 달성이 이루어질 것으로 본다

(2) 의료용 로봇기술 전망

의료용 로봇시장의 성장은 의료용 로봇기술 개발산업의 성장과 밀접한 관계

가 있다 세계적인 개발추세로는 의료용 로봇개발 하드웨어 분야에서는 일본이

경쟁력이 가장 높으며 소프트웨어 분야에서는 미국이 앞서나가고 있다 또한

독일은 하드웨어 및 소프트웨어 분야에서 동시에 상당한 연구 개발 능력을 보

유하고 있다 앞으로는 이 세 나라가 의료용 로봇 시장의 핵심 주자로 나설 것

으로 예상된다

산업연구원 (2007) 조사에 따르면 국내 로봇산업의 기술은 기술항목에 따라

다소 차이를 보이고 있으나 제조업용 로봇의 경우는 최고 기술 보유국 대비 평

균 85 정도에 육박하고 있으며 전문서비스용 로봇의 경우는 80 정도 개인서비

스용 로봇은 84 정도에 이르고 있는 것으로 나타났다 의료용 로봇 분야에서는

선두주자인 미국의 기술력을 100 이라고 봤을 때 현재 우리나라는 70 정도이며

2015년이 지나야 100 에 도달할 것으로 전망하였다 비록 의료용 로봇에서 세계

1위인 미국에 비해 우리는 아직 10년 이상 차이가 있지만 세계 최초로 국제 규

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모의 로봇랜드 조성과 로봇펀드 발생 등 정부 차원에서의 노력이 여러 가지 방

면에서 다양하게 펼쳐지고 있기 때문에 그 격차는 점차 줄어들 것으로 예상된

다

또한 IFR (2006) 자료에 따르면 한국 산업용 로봇은 세계 5 위의 강국[16]인

데 비해 의료용 로봇에 있어서는 약소국이다 이는 의료용 로봇의 개발비가 많

이 드는데 비해 국내 시장은 극히 제한적이어서 일반 기업의 참여가 아주 저조

하기 때문이다 국내에서 의료용 로봇 관련 기술 개발은 아직 걸음마 단계에 머

물러 있으며 벤처기업 및 대기업들이 개발해 상용화시키고 있는 기술이나 제품

도 대부분이 생활 가전형 로봇에 한정되어 있을 뿐 의료용 로봇분야는 아직 미

개척지로 남아 있다 하지만 국내에서도 의료용 로봇 개발을 수행하기 위해 대

학이나 연구소 차원에서 의료용 로봇에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다 먼

저 한국과학기술원이 8 년 전 설치한 휴먼 웰페어 로보틱 서저리 센터가 대표

적인 연구기관이다 이 연구소에서는 거동이 불편한 환자들을 위한 휠체어의 자

동화 시스템이나 복강경 수술 로봇 등 로봇 수술용 기구의 국산화에 초점을 맞

춰 진행 중이다 또한 최근에는 국립암센터 역시 산업자원부로부터 수술용 로

봇과 영상시스템을 주제로 한 의료용 로봇 개발자로 선정되어 연구에 들어갔다

비록 국내 의료 및 수술 로봇 관련 기술이 일본 미국 등에 비해 아직까지

뒤쳐져 있는 실정이지만 국내에서도 의료용 로봇 기술 개발이 이처럼 활발히

진행되고 있어서 향후 전망은 매우 밝다고 할 수 있다 또한 해외에서 각광을

받고 있는 캡슐형 내시경 연구 역시 국내에서 벌써 10 년째 계속 되고 있다 최

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근 한국과학기술연구원과 벤처기업인 인트로메딕이 개발한 세계 최소형 캡슐형

내시경인 미로캠 (MiroCam)은 2010 년까지 국내 캡슐형 내시경 시장의 80를

점유할 것으로 예상하고 있다 이러한 국산 의료용 로봇 개발을 통해 고부가가

치 시장인 세계 의료 시장에 뛰어들 수 있는 기반을 다졌다는 데에 큰 의미가

있다

전문 서비스용 로봇의 경우 제조업 로봇 관련 풍부한 경험을 바탕으로 전문

서비스용 로봇으로의 기술확대 메카트로닉스 (mechatronics) 관련 다양한 산업기

반과 세계적인 IT 인프라 보유국의 강점을 살리고 있다 또한 한국은 10 대 성

장동력간 연계 등을 통한 시너지 효과와 세계 전문서비스 로봇 시장이 초기형

성 단계임을 감안한다면 이 분야의 진출에 대한 절호의 기회이며 머지않아 의

료용 로봇 강국으로 진입할 수 있을 것으로 기대된다

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제 3 장 능동 그리퍼

31 최소침습 수술 햅틱 장치 구현에 필요한 능동 그리퍼 제안

21 세기 로봇 기술 분야에서는 인간과 기계 시스템 간의 커뮤니케이션이 무

엇보다 중요하게 강조되며 이러한 인간과 기계 시스템의 의사소통은 주로 인간

의 감각 기관을 통해 이루어 진다 일반적으로 인간에게는 보고 듣고 냄새를

맡고 맛을 보고 피부로 느끼는 오감이 있으며 이러한 감각을 시각 청각 후

각 미각 촉각이라고 한다 따라서 이러한 인간의 감각에 정보를 전달하기 위

한 다양한 기계 시스템들이 개발되어 왔다 오감 중에서 현재 인간과 기계 시스

템간의 인터페이스 역할을 하는 표적인 감각으로는 사물을 보는 시각과 소리

를 듣는 청각이 주로 이용되고 있다 이를 위한 시스템들은 이미 상당한 수준으

로 발전해 현재 상용화 되어 활용되고 있다 하지만 이러한 시각과 청각 인터

페이스 만으로는 로봇의 제어에 한계가 있으며 오감 중에서 세 번째 감각인 촉

각에 한 인터페이스가 현재 활발히 연구 개척되고 있다 만약 가상현실에 촉

감 인터페이스가 적용된다면 기존의 시각과 청각에만 의존하던 가상 현실에 촉

감을 전달함으로써 실제 물건을 만지고 느낄 수 있으므로 가상현실을 보다 더

실감나게 할 수 있을 것이다 하지만 인간의 감각 중에서 촉각은 매우 민감한

감각으로 여기에 촉감 정보를 전달하는 인터페이스는 아직 많은 연구를 필요로

하고 있다

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햅틱 (haptic)이란 단어의 사전적인 의미는 ldquoof or relating the sense of touch

tactilerdquo로써 물체를 만질 때 사람이 느낄 수 있는 촉각적 감각으로 피부가 물체

표면에 닿아서 느끼는 촉감 (tactile sensation)과 관절과 근육의 움직임이 방해 될

때 느껴지는 근 감각적인 힘 (kinesthetic force)의 두 가지 힘을 모두 합쳐서 부르

는 말이다 촉감 구현 연구는 물리적 장치를 이용하여 사람이 직접적인 접촉이

없이도 촉각 정보를 전달하는 방법에 관한 전반적인 연구 분야를 일컫는 말로

사람에게 원격지에 있는 물체의 물리적 특성을 전달하는 원격조작 혹은 원격현

장감에 관한 연구로부터 시작되었다 가상 혹은 실제 환경에서 촉감을 구현하기

위한 연구를 포괄적으로 의미하는 용어로 햅틱스 (haptics)라고 한다 주요 연구

분야는 사람이 직접 손에 쥐거나 착용하는 물리적 장치인 햅틱 디바이스 인터

페이스 (haptic interface) 가상 공간상의 물체에 기계적 성질을 부여하여 사실감

이 있는 상호작용을 제공하고자 하는 햅틱 렌더링 (haptic rendering) 사람의 촉

각 인지 특성에 관한 연구 (tactile perception) 등으로 나눌 수 있다 특히 햅틱

인터페이스 (haptic interface)는 햅틱 디바이스 (haptic device)라고도 불리우며 사람

에게 촉감을 전달하는 물리적인 장치를 말하며 더 넓은 의미로 사용하여 가상

의 환경을 촉감 전달을 통해서 느끼게 하는 시스템 전체를 가리키기도 한다 이

러한 햅틱 기술은 다양한 분야에서 활용될 수 있는데 표적인 분야로는 가상

현실 분야 인간-컴퓨터 인터페이스 분야 게임 등 사이버 커뮤니케이션 그리고

원격제어 로봇 등이 있다 특히 원격제어 로봇이 많이 활용되고 있는 의료 분

야에서 햅틱 구현은 매우 시급한 과제이다 현 의 수술은 점점 첨단의 수술 도

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구와 로봇을 이용하여 집도되는 추세이며 최소침습수술 (minimally invasive

surgery MIS)이 그 표적인 예이다 이 수술법은 환부의 구멍에 수술도구와 카

메라를 삽입하여 집도의가 모니터를 보면서 시술함으로써 시술시간이 짧고 환

자의 회복이 빨라서 그 적용 범위가 점차 확 되고 있다 하지만 환자가 얻게

되는 이점에 반해 의사는 개복 수술에서 쉽게 이용하던 기술들을 더 이상 적용

할 수 없게 되어 집도에 있어 큰 어려움을 부담해야만 한다 즉 환자의 내부에

서 손의 움직임과 시야의 제약을 받게 되었고 손으로 환자의 장기나 뼈를 만지

고 상태를 확인할 수 없게 된 것이다 이러한 문제점들을 극복하기 위해 첨단의

의료용 로봇 시스템이 개발되었는데 의사 즉 오퍼레이터가 조작하는 마스터

(master) 로봇과 환자의 환부에서 수술을 진행하는 슬레이브 (slave) 로봇으로 구

분된다 슬레이브 로봇은 크게 수술 시 집도의 팔의 움직임을 구현하는 구동 암

(arm)과 수술도구를 홀딩 할 수 있는 그리퍼로 분류할 수 있다 구동 암의 움직

임은 수술 부위의 위치를 결정하면 별도 큰 움직임 없이 작동시킬 수 있으며

전달 수술 관통 수술이 아닌 경우에는 집도의가 느끼는 힘을 피드백 할 필요가

없다 하지만 그리퍼의 경우는 신체 일부분의 미세한 조직까지 전부 접촉해서

제거하거나 봉합하기 때문에 집도의가 수술 시 느끼는 힘을 구현하여야 보다

정밀한 수술을 수행할 수 있다 따라서 본 연구에서는 햅틱 장치가 적용된 마스

터 로봇과 마스터 로봇에서 형성된 힘을 느낄 수 있으며 원할한 수술을 진행할

수 있는 최소침습수술용 능동 그리퍼를 제안하겠다 Fig 3-1 은 상용 MIS 장치인

다빈치 로봇의 마스터와 슬레이브 그리고 그리퍼를 나타내고 있다

(a) sla

(b

Fig 3-1 da V

Operation Arm

Gripper

- 23 -

ave robot and g

b) master rob

Vinci robot sy

m

gripper

ot

stem for MIS

- 24 -

32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류

산업용 로봇은 그 기능 특성상 필요성에 의해 로봇의 말단부에 그리퍼를 부

착시킨다 이것은 인간의 손에 응되는 것으로서 메커니컬 핸드라고 칭하며 다

루는 상 물체를rdquo파지rdquo해 이동하는 목적으로 사용되는 도구이다

파지동작은 Fig 3-2 와 같이 세분화된다 인간의 손 손가락에는 많은 관절이

있으며 여러가지 작업이 가능하다 일상 생활에서의 붙잡기는 형식을 분류한 것

으로는 슐레징거의 12 형식이 있다 여기서 인간의 손에는 손가락이 있어서 그

것을 유지핸드라고 이름 붙이면 메커니컬 핸드에는 손가락이 없는 구성법이 있

는데 이것을 무지 핸드라고 이름 붙이기로 한다 이 무지 핸드는 기계적 물리적

으로 구조상 무지핸드로 한 것과 공구가 메커니컬 핸드와 일체화됐다고 생각하

는 공구 핸드가 있다 메커니컬 핸드를 분류해 보면 다음과 같다 진공이나 자

기 이용의 흡착 등 물리적 흡척형의 유지는 보통 평면(완만한 곡선도 포함)부를

흡착하는 형태로서 물체의 크기나 중량에 따라 여러 개가 설치되는 경우도 있

다 그러나 물체표면에 만곡부가 있는 경우나 구멍이나 공동이 있는 경우에는

적용할 수 없게 된다 또한 자력을 이용한 경우 철금속 재료를 다루게 되는데

경우에 따라서 매우 효율적이고 신뢰성이 높기는 하지만 물체에 잔류 자력이

남게 되는 문제점이 있다 받기형의 유지는 지지의 동작만을 가지고 있는 형태

이며 이는 전기한 흡착형 보다 적극적이 아니여서 약한 구속을 갖는다 변형하

기 쉬운 물체의 이송등에는 이를 채택한다 매달기형 유지는 중력 방향의 이동

1 자유도를 구속한다 잡기형 파지는 유연성에 의한 변형으로 접촉면적을 크게

하여 집는

상물을 외측

이용하는 등

33 파지형

파지 형

다 본 연구

하여 설명

(1) 두 손

형태이다 현

측에서 파지하

등의 파지방법

형태에 의한

형태로서는

구에서 사용할

명 하겠다

손가락 type

현재 많이 사

하거나 구멍

법이다

한 그리퍼의

상을 바깥에

할 메커니즘은

e

Fig 3-2 Cla

- 25 -

사용하고 있는

속에 손가락

의 분류

에서 파지하

은 바깥에서

assified by the

는 끼우기형

락을 넣은 후

는 것과 안에

파지하는 형

gripper grip ac

파지 형태는

후 벌려서 내

에서 파지하

형태가 유리하

ction

는 핸들링

내측사용면을

는 것이 있

하므로 이에

두 개의

상태를 유지

는 스윙형

안정되게 파

의 리지트한

지해서 개폐

핸드(swingin

파지하는 점에

손가락을 갖

되는 병진형

ng gripper)로

에서 병진형

(a) grinder c

(c

Fig 3-3 Sw

- 26 -

갖춘 것으로

핸드(transla

로 분류된다

보다 떨어진

crank

c) rotation joi

wing-type hand

실용례가 많

ational grippe

스윙형은 기

진다

(b) swing

int

d mechanism

많다 손가락이

er)와 그 방향

기구가 간단하

g block

이 상호평행

향이 변화하

하나 상이

병진형에

4 은 평행링

운동을 바꾸

에 회전시킴

로 유지되기

지된다 직

시키도록 한

가 전middot후진

피니온 방식

F

에서는 평행링

링크 방식의

꾸고 그 피니

킴으로써 손가

기 때문에 손

동형 신에

한 것도 있다

진하는 결점이

식이 채용된다

Fig 3-4 Hand

링크 랙middot피니

예로 직동형

니온 운동으로

가락 개폐를

손가락의 물체

에 회전형 액

다 평행링크를

이 있다 이문

다

mechanism fo

- 27 -

니온 나사이송

형 액추에이

로 평행링크의

얻는다 링크

체 파지면의

추에이터를

를 이용한 형

문제를 해결하

or translational

송 기구 등이

터의 운동을

의 하나의 링

크 PS 와 링

자세도 개폐

이용한 형식

형식은 개폐에

하는 방법으로

type1 (paralle

이 이용되고

랙과 피니온

링크 A 를 축

크 QR 은 항

폐 동작 중 일

식에서 평행링

에 의해서 손

로서 볼나사

el displacement

있다 Fig 3-

온으로 회전

축 P 의 주위

항상 평행으

일정하게 유

링크를 회전

손가락 위치

기구나 랙middot

nt)

Fig 3

는 핸드의

볼나사 기구

다

(2) 세 손

세 손가

가락으로 잡

F

-5 는 회전형

예이다볼나

구 각각을 손

손가락 type

가락을 가진 핸

잡는 것보다

Fig 3-5 Hand

형 액추에터로

나사 기구를 이

손가락에 부착

e

핸드에서는

안정된 파지

d mechanism fo

- 28 -

로 랙 피니온

이용하는 경

착 사라를 회

상을 3 점

지 동작을 할

or translational

온을 회전시킴

우에는 1

회전시킴으로

점에서 유지할

할 수 있다

l type2 (rack a

킴으로써 개폐

의 왼나사

써 개폐 동작

할수 있기 때

nd pinion type

폐동작을 하

오른나사의

작을 실현한

문에 두 손

e)

Fig 3-6

베벨기어를

구동해서 세

실현한 것

각 손가락을

복잡하며 중

6 은 세 손가

를 매개로 상

세 손가락을

이다 특히

을 개별 모터

중량도 증가하

Fig

락형 그리퍼

호 각도를 주

동작시킴으로

원통물체를

터로 구동하도

하기 때문에

3-6 Hand mec

- 29 -

의 일반적인

주어 결합한

로써 이른바

확실히 잡아

도록 한 3 지

실용례가 적

chanism for thr

인 형상을 나타

3 개의 볼

바 3 포인트 핀

아서 유지하

지형핸드도 개

적다

ree point pinch

타내고 있다

나사를 하나

핀치(three po

는데 유리하

개발되고 있으

h type

이 핸드는

나의 모터로

oint pinch)를

하다그 외에

으나기구가

34 메카니

(1) 구속

기계적

어서 형성되

전 구속 기

해서 언급하

으로 움직일

또 X Y 평

니컬 핸드의

속기능

구동장치에

되는 것으로

기능이 있다

하면 구속 상

일 수 있다

평면 X Y 면

의 구속기능

서 구속 형식

크게 나누어

그래서 핸드

상태의 물체는

이것을 물체

X Z 면상에

Fig 3-

- 30 -

능

식과 접촉 상

어서 반구속

드의 구속 기

는 Fig 3-7 와

체의 공전 (이

서 6 방향으

-7 Movement

상태와 포락

속 (받는 구속

기능을 결정하

와 같이 X Y

이동)에 관한

로 회전 한다

t of object

능력의 인자

속 는 구속

하는 물체의

Z 의 3 축상

6 동작 자유

다 이것을 물

자가 복합되

속)기능과 완

구속에

에서 6 방향

유도로 한다

물체의 자전

(회전)에 관

부여한 상태

행할 수 있

서는 회전의

핸드에

한 공간적

면 Fig 3-8

이 그림

를 구속한다

에서 7 자유

선접촉과 면

계수와 절선

(a

관한 6 동작

태에서 움직이

있다 또 완전

의 6 자유도를

의한 물체의

적인 포락 상

와 같이 된

(a)의 점접촉

다 그러나 1

유도를 구속

면접촉에는 각

선력법선력

a) point contac

Fig3

자유도로 한

이며 중력이

전 구속은 핸

를 무시하는

의 구속은 핸

상태로 정한다

다

촉은 접촉점

1 점접촉은 다

한다 (c)의

각각 마찰에

비와의 관계

ct (b

3-8 Contacts

- 31 -

한다 반구속은

이나 환경면의

드 자체로 1

경우도 적지

핸드와 물체의

다 먼저 접촉

방향의 1 자

다른 11 자유

면접촉은 11

위한 구속이

계로 구속불능

) line contact

of the kind an

은 12 자유도

의 구속을 받

12 자유도를

지 않다

의 접촉 상태

촉부의 구속

자유도를 구속

도를 구속할

1 자유도의 구

이 4 개와 6 개

능의 가능성을

nd the confini

도 중 몇 개의

아서 완전 구

행하는데 경

태 및 접촉부

능력을 모델

속한다 그러나

할 수 없다 (b

구속을 할 수

개 주어져 있

을 가진 구속

(c) surface co

ing

의 자유도를

구속으로 이

경우에 따라

부의 물체에

델로 나타내

나 1 자유도

b)는 선접촉

수 있다 단

있으며 마찰

속 성분이기

ontact

- 32 -

도 하다 또한 면접촉의 상태는 중력의 작용을 이용하면 받기를 형성하고 또

외계력을 이용하면 기를 형성한다

이들의 접촉상태는 물체의 형상과 핸드의 구속면으로 규정되는 것으로 핸드

만으로 결정하기는 어렵다 단 핸드의 구속면을 부드러운 재질로 형성하면 면

접촉의 이행이 용이하다 이와 같은 이유에서 물체에 접촉부가 포락도를 높이는

데에 따라서 물체 형상에 관계 없이 구속 능력을 증 시킬 수 있다

(2) 메커니컬 핸드의 자유도

로봇의 손은 그 용도를 불문하고 인간의 손 작업의 행을 목적으로 하는

것이므로 그 설계에 있어서 모델로 되는 것은 말할 것 도 없이 인간의 손이다

그래서 우선 기구에 하여 설명하기 전에 인간의 손의 구조 모델에 하여 설

명해 본다

AmiddotMorecki 에 의하면 인간의 상체는 그 해부학적 구조에 입각하면 Fig 3-9 와

같이 모델화할 수 있다 Fig 3-9 에서 숫자는 각각 골격 즉 링크를 나타내고 숫

자 II~ V 는 관절을 나타내고 있다 이와 같은 공간링크 기구의 자유도 F 는 가

동부수 n 자유도의 종류 f 를 가진 우 수를 Pf 라 하면 다음 식으로 나타낼

수 있다

6n sum ∙ P 12345 (3-1)

Fig 3-9

들 자유도가

을 Fig 3-9

P5=10 이므

인간의

유도 1 의

해 있으며

의 모델에서

가 있는 관절

9 와 같이 정

므로 위 식에

상지를 인공

액튜에이터를

22 개나 되

Fig 3

서는 n=19 P2

절에 작용하는

정의하고 그

서 FH=22 가

공적으로 정밀

를 27 필요

는 액튜에이

- 33 -

3-9 Human Ar

2=1 P3=2 P4

는 근군은 약

자유도 FH

가 된다

밀하게 재현하

요로 하게 된

터를 필요로

rm structure

4=6 P5=11 이

약 50 이라고

를 구하면

하려고 한다면

된다 또 손에

로 한다 그러

이므로 F=27

고 되어 있다

이 경우는 n

면 이상의 결

는 특히 자유

나 로봇의 손

이 된다 이

여기서 손

n=16 P4=6

결론에서 자

유도가 집중

손이 이만큼

- 34 -

의 수의 액튜에이터를 갖춘 것을 제작한다는 것은 크기 중량 제어면에서 볼

때 현시점에서는 불가능에 가깝다 특히 의수에 있어서는 상술한 바와 같은 형

상이나 조종성 등의 점에서 전혀 불가능하다고 해도 좋다 따라서 보통은 기능

에 주목하여 손에 집중해 있는 자유도의 간략화를 도모한다

인간의 잡기 동작에 주목해 보면 그 잡기 형상에는 12 종류가 있다고 하다

그러나 이것들은 엄지와 다른 12 종류가 있다고 한다 그러나 이것들은 엄지와

다른 4 손가락과의 관계에 주목하였을 때에 2 종류 즉 엄지가 다른 4 손가락과

항해서 동작하거나 그 측방에서 동작하는가로 분류할 수 있다 실제의 일상

동작에서 관찰하면 이들 중에서도 엄지와 손가락이 항해서 동작하는 소위 쥠

동작이 우선 첫 번째이고 또 다음에 엄지 검지 중지의 3 손가락의 선단으로

이루어지는 3Point Pinch 즉 잡기동작이 중요하다

더불어 손가락의 독립성에 해서는 역시 일상동작 중에서 손가락의 사용

빈도를 조사한 결과에 의하면 다섯 손가락은 반드시 독립적인 운동을 필요로

하지 않고 엄지 검지 중지가 같은 정도의 중요성을 자기며 다른 두 손가락은

사용 빈도에 있어서 이들 세 손가락보다 약 50 적으며 다른 세 손가락의 보

조 역할을 한다고 볼 수 있다 그리고 특히 중요한 것은 인간의 각 손가락은 잡

기 상물의 형상에 적응한 쥐기 즉 Passive 한 동작을 할 수 있다는 것이다 이

기능이 있다면 각 손가락이 독립적으로 동작하지 않더라도 또 다소 손의 자유

도를 제거하더라도 상물의 확실한 쥐기나 잡기 그리고 기타 손 작업에 큰 힘

을 발휘한다

- 35 -

34 표적인 동력원의 특징

동력원을 설계할 때 다음의 점을 고려하면서 가장 적합한 방식을 선택한다

1조작력(로보트가 내는 최 의 힘 예를들면 최 들어올린 힘)

2속응성(최 조작 속도)

3크기 중량(로보트의 크기와 중량의 제한)

4안정성(발열이나 과부하에 한 안전성)

5사용의 용이도

6수명가격

1 2 의 조작력 속응력은 로보트에 요구되는 성능에서 가장 기본적인 것인

데 이에 관련해서 크기나 중량의 제한 안정성 사용의 용이도 수명 가격 등을

고려해서 동력원을 선택한다 단 자주형 로보트에서는 2 차적 성능인 동력원의

중량이 첫째 요구 조건이 되는 경우가 많고 공업용 로보트에서는 저가격 사용

의 용이도 안전성이 중요 사항으로 우선시된다

모든 로봇은 동력원을 필요로한다 중요도에 따라 동력원을 선택해야 하는데

일반적으로 공기압식은 안전성이 뛰어난 반면 힘과 세밀한 위치제어가 어렵고

전기식은 응답성과 사용편리성 세밀한 위치제어가 가능하나 높은 힘을 내기 위

해서는 부가적인 기구부가 필요하다 유압식은 큰힘을 낼수있어서 속응성은 좋

으나 과부하시 상당한 발열이 있기 때문에 안전성에서 다른 동력원에 비해 떨

어진다 위 사항을 TABLE 3-1 로 분류하여 나타내었다

- 36 -

TABLE 3-1 Characteristics of power sources

전기식 유압식 공압식

사용용이성 편리하다 작동유의관리 관로의압력

필터관리에 유의

공급공기의 수분제거

윤활성의부가에 주의

수명 길다 기름에 윤활성이 있기

때문에 길다

공기에윤활성이 없어

유압 전기에 비해 짧다

가격 보통 가격 운영비 높음 저가격

응답속도

(반응성) 매우 빠르다 빠르다 늦다

하중능력 (소)에서 (중)정도의

하중능력 단히 큰 힘을 얻음 큰 힘은 없다

소음 적다 다소 크다 크다

- 37 -

제 4 장 능동형 그리퍼 설계

41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정

로봇 그리퍼의 정밀 파지 (Fingertip Grasp 손가락 끝을 이용하여 물체를 집

거나 바닥에누워있는 납작한 물체를 집는 행동)를 안정하게 하기 위해서는 손가

락 끝과 물체가 직각에 가까운 각도를 이룸으로 마찰력을 크게 하여 안정성을

높인다 또한 바닥에 놓인 물체를 집어 올릴 경우에도 물체표면의 법선 벡터와

손가락 끝의 각도가 클수록 물체를 효과적으로 구속하여 안정된 파지를 할 수

있다

그리퍼의 링크 시스템에 있어서 2 링크 손가락보다 3 링크 손가락을 쓸 때가

링크와 수평 평면이 이루는 각 (A)이 더 커지기 때문에 안정성이 더 좋다는 것

을 알 수 있다 그리고 안정성뿐만 아니라 식 (4-1)을 통하여 문체에 전해지는

Torque 값을 Fig 4-2 와 같이 그래프로 나타내면 0 도에서 75 도 정도까지는 A 각

이 커질수록 물체에 가해지는 토크 값이 점점 커지는 것을 알 수 있음으로 3 링

크 손가락을 쓰는 것이 파지력 증가됨을 알수 있다 ℓ3 의 길이가 길어질수록 A

가 작은 값을 가져서 정밀파지에 적당하지 않다

τ l cosA sinA l 1 cos A tan μ (41)

A cosempty

(42)

Fig 4-1

은 식을 통

각이 커짐을

움이 있고

Fig4-

에서 제 2 코

통해 구할 수

을 알 수 있다

최소 단위를

Fig4

-1 Configurati

코사인 법칙

있는데 이로

다 그러나 ℓ

를 1cm 로 하

-2 Change the

- 38 -

ion of the fing

을 이용하여

로부터 링크

ℓ3 가 1cm 인

하였기 때문에

e value of the a

gers on robot g

여 A 의 각을

길이 ℓ3 가

인 경우는 너

에 ℓ3 는 2cm

angle of phage

gripper

구하기 위해

작으면 작을

무 짧아서 파

로 결정하였

torque

해 (2) 와 같

을수록 A 의

파지의 어려

였다

42 모터

(1) 알고

앞 절에

여야 한다

는 모터의

이 작은 모

나 용량이

로 적절한

선정 알고

고리즘 정의

에서 설명한 기

로봇 팔에

선정은 동작

모터를 사용하

큰 모터를 사

모터의 선정

고리즘

기구들을 추

움직임을 전

작을 구현하는

하게 되면 기

사용하게 되

정이 중요하다

Fig 4-3 M

- 39 -

추후 로봇 시스

전달함에 있어

는데 중요한

기구의 원활한

면 모터의 외

다

Motor Selectio

스템에 적용을

어서 동력을

과제가 되겠

한 작동이 어

외형이 커지

on Algorithm

을 고려하여

공급과 제어

겠다 만일 토

려워지고 단

고 가격 또한

설계를 하

어를 수행하

토크나 용량

단순히 토크

한 증가하므

- 40 -

(2) 알고리즘 수행

모터를 선정하기 위해서 가장 우선적으로 해야 할 일은 기계구동부분을 결

정하고 구동부분을 어떠한 방식으로 작동을 시킬지 동작 패턴을 결정하여야 한

다 예를 들면 모터에서 나오는 힘을 받아서 볼 스크류를 이용하여 힘을 전달할

것인지 벨트 피니언 기어 혹은 풀리 등을 이용할 것인지를 결정하고 그에 따

른 적절한 구동방식을 결정한다 구동방식을 결정하게 되면 각각의 구동방식에

적합한 수식을 대입하여 부하토크를 계산한다 구동방식에 따른 부하토크를 구

하는 수식은 구동방식이나 구동장소 등에 따라 다소 상이하나 일반적인 수식은

다음과 같다

-BALL SCREW 구동

T FP2πn

μ F P2π

1i N ∙ m 43

F F mg sin α μ cos α N 44

-PULLEY 구동

T ∙ 45

μF D

2i N ∙ m

- 41 -

-WIRE middot BELT 구동 RACK middot PINION 구동

T F2πn

∙ πDi

FD2ni

N ∙ m 46

F F mg sin α μ cos s N 47

-실측에 의한 방법

T 48

직선운동 (커플링 직결 볼스크류 등)의 경우 위의 (43) (44) 이용하여 구할

수 있다 이때 F 는 축방향하중 F0 는 예압하중 μ0는 예압 NUT 의 마찰계수 η 은

효율i 는 감속비 PB 는볼스크류 피치를 나타낸다 회전운동 (풀리)의 경우 식

(45)를 이용하여 구할 수 있으며 FA는 외력 FB는 부하중량 (주축이 회전하기 시

작할 때의 힘) m 은 work 와 TABLE 의 총무계 μ 접동면의 마찰계수α는 경사각

도D 는 풀리의 지름을 나타낸다

실제현장에서는 선정된 모터의 토크를 확인하기 위해 실측에 의한 구동토크

를 계측하는데 스프링 저울을 구동 풀리에 연결지어 측정한다 이때 TL 은 회전

운동 부하토크에 해당하고 FB 는 부하중량 D 는 풀리의 직경을 나타낸다

위의 부하토크를 구하는 식들을 이용하여 부하토크를 구하게 되면 실제 모

터를 사용할 때 어느 정도의 시간적 여유를 두고 가속을 할 것인지 감속을 할

것인지를 결정하여야 한다 이를 위해서 우선 동작시킬 부분에 대한 관성모멘트

를 계산하

Fig 4-4

시한 것으로

dA 와 기준

이를 표현하

하여야 한다

4 는 관성모멘

로 X 와 Y

준축으로 부터

하면 식 (49)

Fig 4-4 Arb

I

멘트를 구하기

는 면적의 미

터의 거리의

)와 같다

- 42 -

bitrary shape o

y dA I

기 위한 절대

미소 요소 dA

제곱의 곱으

of planar area

x dA

대좌표 X Y

A 의 좌표이

으로 단면 2

축 상의 미소

이고 관성모멘

차 모멘트라

49

소면적을 도

멘트는 요소

라고도 한다

평면 면

가 있다 평

축에 대한

Fig 4-5

하는 평행한

관성모멘

식 (410

번째 적분은

면적의 관성

평행축 정리란

관성 모멘트

5 과 같이 도

한 xy 축 두

멘트의 정의로

I y

0) 에서 우변

은 Xc 축에

Fig 4-5

모멘트에 있

란 도심축에

트 사이의 관

도심을 원점으

좌표계의 평

로부터 x 축

y d dA

변의 첫 번째

대한 1 차 모

- 43 -

5 Parallel-axis

있어서 중요하

대한 관성

계를 나타낸

으로 하는 Xc

평행한 축 간

축에 대한 관

y dA

적분은 Xc

모멘트로서 X

theorem

하고 유용한

모멘트와 도

낸다

cYc 축과 임의

간의 거리를 d

성모멘트 Ix

2d y dA

축에 대한 관

Xc 축이 도심

정리로서 평

도심축에 평행

의의 점 O 를

d1 과 d2 로 표

는 식(410)와

d dA

관성모멘트

심을 통과하므

평행축 정리

행한 임의의

를 원점으로

표시한다

와 같다

410

I 이다 두

므로 적분의

- 44 -

값은 0 이다 세번째 적분은 면적 A 그 자체이다 따라서 식 (410)은 식 (411)과

같이 간단해진다

I I Ad 411

y 축에 대한 관성모멘트도 위와 같은 방법에 의해 식(412)과 같다

I I Ad 412

또한 면적의 평면에 수직인 수직축에 대한 관성모멘트를 극관성모멘트라 한

다 Fig 4-6 는 평면에 수직이고 O 점을 통과하는 축에 대한 극관성모멘트를 나

타낸 그림으로 이를 관성모멘트 식으로 표현하면 식 (413) 와 같다

I ρ dA 413

식 (413)와

즉 평면에

서로 수직인

극 관성

와 도심 C

와 식 (414)에

I

수직인 축에

인 두 축에 대

성모멘트에 대

에 대한 극

Fig 4-6 Arb

의해 식 (4

ρ dA

I

에 대한 극관

대한 관성모

대한 평행축

극 관성모멘트

- 45 -

bitrary shape o

ρ x y

415) 식 (41

x y dA

I I I

관성모멘트는

멘트의 합과

정리는 Fig

트를 각각 I

of Polar Area

y

16)과 같은 관

x dA y

는 평면 내의

과 같다

4-5 에서 유

와 I 로

관계식을 얻을

y dA

같은 지점을

유도할 수 있

로 표시하면

414

을 수 있다

415

416

을 통과하는

있다 원점 O

식 (416)에

- 46 -

서 식(417)을 유도할 수 있다

I I I I I I 417

I I I I A d d 418

I I Ad 419

식 (419)는 극 관성모멘트에 대한 평행축 정리를 나타낸다 즉 평면 내의 임의

의 한 점 O 에 대한 면적의 극관성모멘트는 도심 C 에 대한 극관성모멘트에 그

면적과 점 O 와 C 사이의 거리의 제곱의 곱을 더한 것과 같다

이상의 식에서 부하토크와 관성모멘트를 계산하여 모터를 가 선정한다 부하토

크의 경우 사용될 모터의 정격 토크를 넘어서지 않는 것을 선정한다 부하토크

를 TL 정상 부하 상태의 힘 PL 극 관성모멘트 IL 회전운동을 위한 힘 Pa 각속

도 가속 시 소요되는 시간을 ta 라 하고 식 (420)을 이용하여 부하가 일정하

게 작용할 때의 힘을 계산한다 마찬가지로 관성모멘트를 식 (421)에 대입하여

가속을 위한 회전 운동 시 필요한 힘을 계산한다 식 (420)과 식 (421)에서 계

산된 힘을 합산하면 모터를 회전시키기 위해 필요한 출력이 계산된다 이때 계

산된 출력보다 실제 사용할 모터의 정격 출력이 1~2 배 정도가 되도록 모터를

가 선정한다

- 47 -

P T ω 420

P 421

위의 과정을 통하여 모터를 가선정하고 가감속 토크 및 구동 토크를 계산한

다 각각의 토크를 계산하게 되면 모터를 최종적으로 선정하게 되는데 두 가지

사항을 고려하여 최종 선정한다 먼저 식 (422)을 통해서 계산되는 가속 시 소

요되는 기동 토크 TM 가 모터의 최대 토크를 넘지 않는 것으로 선정한다

T 422

두 번째로 Fig 4-7 의 속도 선도와 같이 모터의 가 감속 시간과 정상 동작

시간 등을 결정하여 식 (423)과 같이 실효치 토크 TS 를 구하고 실효 토크가 모

터의 정격 토크보다 크지 않도록 선정한다

T 423

Fig 4-7 Exa

- 48 -

ample of veloc

city guidance

- 49 -

(3) 알고리즘 적용

로봇시스템에 있어서 기구들의 관성모멘트와 토크 계산 후 적합한 모터를

선정하기 위해 시중에서 시판되는 모터를 조사하였다 로봇에 적용 가능한 모터

로는 크게 서버모터와 스텝모터 RC 서버모터 DC 모터로 구분 할 수 있었다 이

를 TABLE 4-1 과 같이 정리하였다

동력원의 6 가지 선정요소 중 우선순위를 부여하여 분류했을 때 핸드 그리퍼

의 특성상 가볍고 토크가 큰 RC 서버 모터 미니 서버모터를 선택할 수 도 있지

만 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터 중 토크를 증가시킬 수 있는

감속기가 있는 타입의 모터를 우선시 하였다

1 감속비를 사양할 수 있는 모터를 선정하여 계산한 토크를 확인한다

2 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터를 선정한다

3 CLOSED LOOP 제어를 통하여 정확한 위치를 검출할 수 있어야 한다

따라서 스텝모터중 lsquoOrsquo사의 ldquoαSTEPrdquo가 적합하다고 판단되어 모터를 선정하였다

- 50 -

TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics

미니서버모터 RC 서버모터 스텝모터 DC 모터

장점 동일사양대비 모터

중 10배정도 큰 토크

5v사용가벼움

정확한 위치제어

급격한 부하변동급가

속 유리

저렴한가격

보편화됨

단점 정지시 진동이 예상 약한 토크 THRUST하중이 모터

무계 이하여야 한다

유지보수가 잦다

크기 151588mm(10w20w)

2525111mm(30w)

392038mm 424234mm Oslash37mm917mm

동작전압 Dc 24V Dc 48V60V Dc 24V Dc 24V

무계 230g~400g 56g 150g 200g

허용토크 009Nm~03Nm 11~13kgfcm 18kgfcm (018Nm) 47kgfcm(1200)

감속기 다양한 감속비 가능 고정 감속기 감속기 무(072˚036) 다양한 감속비

제조사 야스카와 SGMM 하이텍 HS-5945 AUTONICS GCM 3429A

TABLE 4-2 αstep motor characteristics

외형 전압 전류 무계 토크 감속비 분해능

αSTEP 282884mm

4242127mm Dc24V 1~37A 250G 2~28 Nmiddotm 50~1001

00072pluse

00036pluse

- 51 -

43 1 차 능동형 그리퍼 설계

실린더를 사용하여 링크로 물체를 파지하던 그리퍼는 Fig 4-8 과 Fig 4-9 에

묘사하였다 이런 실린더를 사용한 그리퍼는 공압 효과를 도출할 수 있는 별도

의 펌프가 필요하고 동작을 구현할 수 있는 자유도를 증가시키는데 한계가 있

다 이런 실린더의 단점을 보완하고 전기모터의 장점을 사용하기 위해 웜기어와

웜휠 방식을 채택하여 2 자유도 능동형 그리퍼를 설계하였다

1 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-10 에 묘사하였으며 1 차설계한

능동형 그리퍼는 Two Fingertip Grasp 로 칭하겠다 파지한 물체를 회전 시키는

기능은 베벨기어를 사용하여 회전운동으로 구현하였고 실린더의 전middot후진 운동

을 전기모터의 회전운동으로 변환 시키기 위하여 웜기어와 웜휨을 선택하였다

전기모터에 의해 회전하는 운동은 웜기어와 웜휠에 의해 링크를 사용하여 물체

를 파지하였던 그리퍼와 동일한 운동효과를 가지게 되었다

웜기어와 웜휠을 사용하여 물체를 파지하는 능동형 그리퍼는 스윙형으로 설

계되었으며 파지력을 높이기 위한 각도를 적용하였다 링크를 사용하여 물체를

파지하는 형태의 그리퍼보다 기구의 크기를 줄일 수 있는 장점이 있는 반면 기

어들의 백래시에 의한 오차가 끝단에 누적될 수 있는 문제점을 가지고 있다또

한 기구부의 소재 변경으로 그리퍼의 무계를 줄일 수 도 있지만 가장 큰 무계

를 차지하는 모터를 그리퍼 자체에서 분리하게 할 수 있게 하려면 그리퍼 자체

의 구조변경이 필요하다

`

`

Fig 4-8 Par

Fig 4-9 Par

- 52 -

rallel-link gra

rallel-link gra

sps system 1

sps system 2

Fig 4-10

- 53 -

0 Two fingertipps grasp system

- 54 -

44 2 차 능동형 그리퍼 설계

1 차 설계한 능동형 그리퍼에서 발견된 문제점을 보안하기 위하여 2 차 능동

형 그리퍼를 설계하였다 2 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-11 에 묘사

하였으며 2 차설계한 능동형 그리퍼는 Four Fingertip Grasp 로 칭하겠다 이 장치

는 크게 동력원 동력 전달장치 핑거 그립장치로 구성되어있으며 이를 통합하

여 Fig 4-12 에 나타내었다

핑거 그립장치는 스윙형 그립의 단점을 보완하여 설계하였다 물체를 파지할

때 그립의 회전 반경이 주위 환경요소와 간섭을 발생시킬 수 있는데핑거가 전

진할때 샤프트와 핑거그립간의 나사결합형태를 통한 직선운동으로 개선하여 주

위환경요소에 영향을 주지 않도록 설계하였다 구동축의 핑거파지 메카니즘을

Fig 4-13 와 같이 간략화 하였고 이에 대한 세부 도면은 Fig 4-14 로 나타내었다

4 조 핑거 그립의 나사산과 테이퍼진 스크류축은 나사식으로 결합되며 상호

작용에 의해 점차 중심점으로 이동하여 물체를 파지하는 형태이다 사용된 2 개

의 샤프트는 중공축으로 설계하였으며 외부 샤프트는 4 조 핑거가 물체를 파지

하여 비트는 모션을 구현하는데 사용되었다 내부 샤프트는 핑거를 중심점으로

전진시켜는 기능을 수행한다 중공축으로 설계한 내부 샤프트는 차후 개발될 인

스트리먼트의 탈부착을 손쉽게 할수있도록 구현하였고 4 조로 설계된 핑거는 그

립시 인스트리먼트의 응력집중현상을 분산시키는 기능과 2 조로 그립하였을때

보다 안정적인 그립감을 형성한다

- 55 -

동력원과 동력전달장치는 Fig 4-15 에 나타내었으며 Two Fingertip Grasp system

의 문제점이었던 구동부의 모터의 설치 방법을 외부에 부착하는 형태로 변경하

여 우레탄 밸트를 사용하였다 또한 아이들러를 사용하여 밸트의 방향을 변경

하여 모터의 부착위치를 자유롭게 설정할 수 있도록 하였고 모터 브라켓에 슬

리브 홈을 설치하여 벨트의 장력을 조절할 수 있도록 하였다

Fig4-11

Fig4-12 Fou

- 56 -

Four fingertip

ur fingertips g

ps grasp system

grasp system la

m

ayout

Fig 4-13

Fig 4-14

- 57 -

Fingertip gra

4 Fingertip gr

asps mechanis

rasps extended

m

d

Fig 4-15

- 58 -

5 Power transmission devicce

- 59 -

제 5장 결 론

본 연구에서는 MIS 수술 로봇을 위한 햅틱 마스터장치 구동용 능동형 그리

퍼를 설계하기 위하여 그에 상응하는 자료 및 문헌 조사를 수행하였고 햅틱 마

스터에 적용 가능한 능동형 그리퍼를 설계하여 로봇 시스템의 초안을 구성하였

다 수술용 도구를 단순히 잡아주는 역할에서 벗어나 시스템에 추가적인 자유도

를 부여함으로써 그리퍼를 표현하였다 단순화된 그리퍼는 보다 저렴한 가격으

로 생산될 수 있으며 기존 로봇 수술시스템의 높은 비용을 절감할 수 있는 효

과를 가져올 수 있다

최종적으로 제안한 설계 안으로는 2 조 핑거그립를 사용하는 전기모터형 그

리퍼 와 추가적으로 개선한 4 조 전기모터형 핑거그립를 설계였다 스윙형 그립

의 단점을 보안하여 집중응력을 분산할 수 있는 구조로 설계하였고 그리퍼의

무계를 줄일 수 있는 방법을 제시하였다 이로써 원통형 도구 파지 시 안정성이

향상되었고 보다 원활하게 수술 도구를 교체 가능하도록 하였다

앞으로 촉감을 전달할 수 있는 센서의 개발로 햅틱 디바이스 인터페이스 장

치의 활용에 보다 높은 기여를 할 것이라 예상된다

-６０-

참고 문헌

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정보 및 제어부분 PP68~7020084

[2] 박정호 ldquo국내외 의료로봇 현황과 발전방향rdquo정보과학지 26(4)

PP49~5420084

[3] 편집부 ldquo수술지원로봇의 최신 기술 동향rdquo월간 자동화 기술 22(12)

PP74~77200612

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한국정밀공학회 2009년 추계학술대회 논문집

-６１-

[9] 이재훈김형욱이병주서일홍 ldquo새로운 6자유도 병렬형 햅틱 기구의 최적설

계 및 해석rdquo한국정밀공학회 2003년 추계학술대회 논문집

[10] 조국훈이재훈이병주김희국 ldquo병렬형 그리퍼 메카니즘rdquo한국정밀공학회지

[11] 김갑순 ldquo3축 힘센서를 이용한 지능형 그리퍼 개발rdquo한국정밀공학회지 제

24권 제 3호 1999년

[12] 고대성김성목김희국이병주 ldquo병진형 자유도와 1자유도 파지기능을 가지는

4자유도 병렬 메커니즘의 기구학분석rdquo한국정밀공학회 2007년 추계학술대회

• 제1장 서 론
• • 11 연구배경 및 연구목적
  • 12 연구내용
  • • 제2장 로봇 산업의 기술 현황
    • • 21 로봇산업의 동향
      • 22 의료용 로봇기술 현황
      • 23 의료용 로봇시장 전망
      • • 제3장 능동 그리퍼
        • • 31 최소침습 수술 햅틱 장치구현에 필요한 능동 그리퍼 제안
          • 32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류
          • 33 파지형태에 의한 그리퍼의 분류
          • 34 메카니컬 핸드의 구속기능
          • 35 대표적인 동력원의 특징
          • • 제4장 능동형 그리퍼 설계
            • • 41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정
              • 42 모터 선정 알고리즘
              • • 43 1 차 능동형 그리퍼 설계
                • 44 2 차 능동형 그리퍼 설계
                • • 제 5 장 결론
                  • 참고문헌
                  • TABLE 2-1 Domestic robot classification
                  • TABLE 2-2 Robot Production Company
                  • TABLE 3-1 Characteristics of power sources
                  • TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics
                  • TABLE 4-2 αSTEP Motor Characteristics
                  • Fig2-1 Phase of medical robots in the robot industry
                  • Fig2-2 Da Vinci surgical case number
                  • Fig3-1 Da Vinci robot system for MIS
                  • Fig3-2 Classified by the gripper grip action
                  • Fig3-3 Swing-type hand mechanism
                  • Fig3-4 Hand mechanism for translational type1 (parallel displacement)
                  • Fig3-5 Hand mechanism for translational type2 (Rack and pinion type)
                  • Fig3-6 Hand mechanism for three point pinch type
                  • Fig3-7 Movement of object
                  • Fig3-8 Contacts of the kind and the confining
                  • Fig3-9 Human Arm structure
                  • Fig4-1 Configuration of the fingers on robot gripper
                  • Fig4-2 Change the value of the angle of phage torque
                  • Fig4-3 Motor Selection Algorithm
                  • Fig4-4 Arbitrary Shape of Planar Area
                  • Fig4-5 Parallel-Axis Theorem
                  • Fig4-6 Arbitrary Shape of Polar Area
                  • Fig4-7 Example of Velocity Guidance
                  • Fig4-8 Parallel-link Grasp system 1
                  • Fig4-9 Parallel-link Grasp system 2
                  • Fig4-10 TWO Fingertip Grasp system
                  • Fig4-11 Four Fingertip Grasp System
                  • Fig4-12 Four Fingertip Grasp System layout
                  • Fig4-13 Fingertip Grasp Mechanism
                  • Fig4-14 Fingertip Grasp extended
                  • Fig4-15 Power Transmission Device

-viii-

34 메카니컬 핸드의 구속기능 30

35 대표적인 동력원의 특징 35

제4장 능동형 그리퍼 설계 37

41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정 37

42 모터 선정 알고리즘 39

43 1차 능동형 그리퍼 설계 51

44 2차 능동형 그리퍼 설계 54

제 5장 결론 59

참고문헌 60

- 1 -

제 1장 서 론

11 연구 배경 및 연구 목적

로봇은 이미 다양한 자동화 산업 분야에서 높은 부가가치의 창출로 인해 그

가치가 인정되어 점점 더 그 활용 분야가 증가하고 있는 추세에 있다 또한 최

근 들어서는 산업현장뿐만 아니라 생활 기구 의료용에서도 로봇을 접목시켜 이

를 실제 시스템에 사용하고 있다 특히 의료용 로봇 분야에서는 수술행위를 대

행하는 다빈치 로봇의 개발로 수술의 신뢰도를 크게 향상시키고 있다

다빈치 수술시스템은 너무나 성공적 이여서 수술행위의 수행에 있어서 커다

란 변화를 가져왔다 최소 침습수술의 발전으로 환자의 회복속도는 놀랍도록 빨

라졌지만 모든 개복수술을 최소 침습수술기법으로 대처하기에는 아직 기술적으

로 극복하지 못한 분야도 있다 기존의 복강경 수술의 경우 수술시야가 제한적

이고 수술부의로의 유일한 접근 통로인 투관이 한정되어 있어 손 운동에 제한

적이다 또한 로봇은 복잡하고 종종 큰 수술 시 다양한 의료장비를 교체해야 하

는데 교체 시 많은 시간이 요구된다 이러한 많은 준비단계와 사용하고 나서의

복잡한 소독과정으로 인해 실제 로봇을 이용한 수술은 많은 시간이 걸리며 초

기자본을 회수하는데 많은 시간이 걸리므로 경제성이 떨어진다 또한 실제 수술

시에는 다양한 수술도구들이 사용되는데 로봇수술을 위해서는 로봇 팔과 연동

된 수술 도구들이 쉽게 탈 부착 될 수 있어야 한다 실제 수술도구들이 쉽게 탈

부착된다면 작업 능률이 보다 증대될 것이다

- 2 -

수술용 로봇에 사용되는 엔드 이펙터 (End Effector)을 검토해보면 공통적 인

사실을 확인할 수 있다 시판되고 있는 복강경 로봇수술용 도구들은 Trocar 라

는 기구를 통해 인체 내로 삽입되고 Trocar 의 구조상 수술용 도구들은 Oslash55 이

내의 소형 원기둥 타입의 수술도구들이며 각각의 구동 모터를 개별적으로 가지

고 있다 최근에는 다빈치 수술 로봇이 사용됨에 따라 3 차원 고화질의 영상의

제공과 더불어 떨림 없는 정교한 시술작업이 가능해 졌으며 다자유도 수술 기

구 도입으로 좀 더 다양한 수술들이 가능해 졌지만 이러한 장점에도 불구하고

수술 시 힘의 강약조절이 불가능하다는 점은 가장 큰 단점으로 지적되고 있다

또한 아직 가격이 고가이고 구현 가능한 작업 영역대비 각 암의 크기가 커서

수술 시 암 사이의 충돌이 발생하는 문제가 제기되고 있다

또한 다빈치 수술로봇은 집도의 손으로 조작하여서 수술을 수행하는 수술

로봇 시스템으로 여러 가지 장점이 있지만 로봇이 수술하면서 발생하는 반력을

직접 집도의에게 전달하지 못하는 단점이 있다 이런 단점을 보안하기 위하여

수술용 로봇 시스템에 햅틱의 기능을 추가하여 로봇 시스템을 구성하는 것을

전 세계적으로 많은 연구가 진행되고 있다

따라서 본 연구에서는 수술용 햅틱 로봇에 적용이 가능한 로봇 시스템에서

수술도구를 집고 수술을 직접 수행하는 그리퍼 시스템을 설계하도록 하겠다

이를 위해 현재 로봇 시장의 현황을 분석하고 능동형 그리퍼를 설계하기 위한

여러 가지 이론적 배경과 그리퍼 설계 제한 조건을 설명한다 최종적으로 그리

퍼 설계를 수행한 후 각각의 설계에 따른 분석을 수행할 것이다

- 3 -

12 연구 내용

본 연구에서는 의료용 햅틱 로봇 시스템에 적합한 능동형 그리퍼를 설계하

는 것이 본 연구의 목적이며 이를 위한 연구내용은 각 장 별로 요약하면 다음

과 같다

제 1장에서는 본 연구를 수행한 배경과 목적을 설명하였다

제 2 장에서는 연구의 첫 단계로 본 연구의 이론적 배경을 기술하였다 수술

로봇의 개요 및 동향 선행기술에 대하여 설명하였다

제 3 장에서는 능동형 그리퍼에 대한 이론적 배경을 기술하였다 그리퍼의 자

유도 기능분석 메키니칼 구성표 동력원에 대해 고찰하였다

제 4 장에서는 능동형 그리퍼의 설계 결과를 기술하고 설계 안에 대한 방향

을 제시하였다

마지막으로 제 5 장에서는 결론 및 향후 연구되어야 할 문제들에 대하여 언

급하였다

- 4 -

제 2장 로봇 산업의 기술 현황

21 로봇산업의 동향

(1) 국내로봇산업 분류체계

로봇이란 용어는 1921 년 카펠 차펙 (Karel Capek)이 쓴 희곡에서 유래하여

전통적인 로봇이란 반복 노동을 대체하는 자동화 기계로 인식되어 왔으나 현대

에 와서는 외부의 환경을 인식하고 지능을 바탕으로 스스로 판단하여 자율적으

로 동작하는 장치로 변모하였다 이렇게 변모하는 로봇산업은 현행 한국표준산

업 분류 체계상 단일제품 수준의 lsquo산업용로봇rsquo 으로만 분류하여 급성장이 예상

되는 lsquo서비스로봇rsquo 부분은 포함되어 있지 않았다 이에 산업자원부는 2007 년 1

월 로봇산업의 분류체계를 새롭게 마련하고 로봇산업의 승인통계를 구축하였다

이로써 1978 년 로봇산업이 시작한 이래 30 년 만에 비로소 로봇산업에 대한 명

확한 분류체계를 구축한 것이다

이 분류체계에서 로봇산업은 크게 개인서비스용 로봇 전문서비스용 로봇

제조업용 로봇 네트워크 로봇 로봇부품 및 부분품 등 대분류 5 개 중분류 28

개 소분류 136 개 항목으로 분류되어 있다 이를 구체적으로 살펴보면 TABLE

2- 1과 같다

- 5 -

TABLE 2-1 Domestic robot classification

대분류 중분류

서비스 로봇

개인 서비스용가사용 생활 지원용 여가 지원용 교육

용 기타 개인서비스용

전문서비스용

빌딩 서비스용 극한작업용 의료 복지용

사회 인프라용 군사용 생물 생산용 기

타 전문 서비스용

제조업용 로봇

이적재용 공작물 착탈용 용접용 표면처

리용 조립분해용 가공용 공정용 시험

검사용 기타 제조업용

네트워크 로봇 -

로봇부품 및 부분품 로봇용 구조구동센싱제어통신소프트

웨어기타 부품 및 부분품

lt자료gt 산업자원부

ldquo의료 복지용 로봇rdquo은 전문서비스용 로봇의 한 분야로 로봇산업의 중분류로

분류되고 있다 의료 복지용 로봇은 다시 수술 로봇 재활 훈련용 로봇 의료진

단 및 검사용 로봇 기타 의료 복지 로봇 등으로 소분류체계를 구축된다

산업연구원 (2007)에서는 로봇산업에서의 의료용 로봇의 위상을 Fig 2-1 과

같이 도식화 하였다 의료용 로봇을 포괄하고 있는 지능형 로봇은 우리나라가

소득 3 만 달러 시대를 선도할 미래스타산업으로 타 분야에 대한 기술적 파급

효과가 큰 첨단기술의 복합체라는 점 때문에 특히 중요하다고 할 수 있다

- 6 -

Fig2-1 Phase of medical robots in the robot industry

(2) 국내로봇산업 규모

가 로봇생산 기업규모

앞 절과 같은 로봇산업 분류체계에 근거하여 2006 년부터 로봇산업 통계조사

가 체계적으로 이루어지기 시작하였다 이 통계조사에 따르면 국내 로봇생산을

담당하고 있는 기업은 TABLE 2-2와 같다 2006년 총 170개 제조업 로봇 77개

사 (453) 로봇부품 및 부분품 48 개사 (282) 개인 서비스용 로봇 24 개사

- 7 -

(141) 전문서비스용 로봇 13 개사 (76) 네트워크 로봇 8 개사 (47)로 분포

되어 있다 이와 같은 수치는 2005 년 대비 제조업용 로봇 관련 기업 수는 다소

감소하였으나 전문서비스용 로봇이나 개인서비스용 로봇 관련 기업 수는 다소

증가하였다 또한 기업체 당 평균 자본금은 5354 억으로 제조업을 제외하면 기

업체 당 평균 자본금이 가장 높은 분야는 개인 서비스용 로봇 (2570 억원) 가

장 낮은 분야는 전문 서비스용 로봇 (1106억원)으로 나타났다

이는 최근 수요가 증가하는 생활 관련 로봇들에 대한 대기업의 투자나 진입

이 두드러지면서 나타난 현상이며 이런 기업들의 투자에 따른 생활 로봇 기술

향상이 두더러 지게 나타나고 있다 따라서 의료용 로봇 산업분야의 체질강화

와 기업 경쟁력 강화를 위해서는 최근 늘어나는 수요창출에 발맞추어 중견기업

들의 투자와 연구개발이 집중되어야 할 것이다

한편 로봇기업의 매출액 규모는 1억 원 미만의 영세한 업체가 30 1억~10

억 원 규모의 업체가 282 10억~50억 원 규모의 업체도 282로 대부분의 로

봇기업은 매출액 규모 50 억 미만의 중소기업체인 것으로 나타났다 특히 의료

용 로봇은 영세한 업체가 담당하기에는 다소 연구개발과 투자비용이 많이 소요

되기 때문에 대기업이나 정부의 투자나 지원이 반드시 필요하다 이러한 상황에

서 국내 의료용 로봇 시장의 성장을 낙관하기는 다소 무리가 있다 따라서 대기

업들이나 정부는 의료용 로봇 시장 확대와 성장에 적극적으로 참여해야 할 것

이다

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TABLE 2-2 Robot Production Company

구분

2005 2006

업체수 구성비 업체수 구성비

제조업용 로봇 60 333 77 453

전문서비스용 로봇 13 72 13 76

개인서비스용 로봇 39 217 24 141

네트워크 로봇 17 94 8 47

로봇부품 및 부분품 51 283 48 282

합계 180 1000 170 1000

나 로봇생산 생산규모

로봇기업의 생산 현황을 보면 2005 년에는 5722 억 원 정도였으나 2006 년에

는 7196 억 원으로 258의 증가율을 보였다 특히 의료 복지용 로봇 분야가 포

함되어 있는 전문서비스용 로봇은 2005 년에는 53 억 정도였으나 2006 년에는

124억으로 전년대비 1309의 높은 증가세를 보였다

최근 국내에서 개발된 환자 안내용 로봇인 스누봇 (SNUBOT)이나 내시경 로

봇인 미로캠 (MiroCam) 등의 개발로 인해 더욱더 생산 증가폭은 커질 것으로

전망한다 의료 복지용 로봇분야에서는 2005 년에는 생산이 거의 없었으며 2006

년에는 약 6 천 만원으로 증가하기는 하였으나 이는 다른 로봇 분야에 비하면

극히 미비한 생산액이며 수술 로봇이나 재활 로봇에 대한 생산은 거의 전무한

실정이다 한국과학기술정보연구원(KISTI)에 따르면 2006 년 국내 서비스 로봇

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(산업용 로봇 제외) 시장규모는 약 624 억 원으로 미비한 수준에 그쳤으나 2011

년 5117 억 원에 달하고 2013 년 이후는 수조 원에 달하는 황금시장으로 떠오를

것으로 예상하였다 또한 정부에서는 2005 년 국내 로봇산업 육성을 위해 2013

년까지 세계 시장 점유율 15 총생산 30 조원 수출 200 억 달러 고용창출 10

만 명 등 세계 3위의 로봇강국을 목표로 하고 있다

22 의료용 로봇기술 현황

(1) 의료용 로봇 유형 및 개념

의료용 로봇은 크게 수술 로봇 수술 시뮬레이션 재활로봇 기타 의료 로봇

등으로 분류된다

첫째 수술 로봇은 크게 두 가지의 유형으로 분류된다 먼저 수술 보조 로봇

(surgery assistant robot)은 수술실에서 집도의 명령에 따르면서 수술을 보조하거나

영상 가이드 역할을 해주는 로봇을 의미하며 수술 로봇 (surgery robot)은 의사를

대신하여 수술과정의 전체 혹은 일부를 의사 대신 혹은 의사와 함께 수술 작업

을 한다

둘째 수술 시뮬레이터 (surgery simulator)는 의사의 수술에 관한 숙련도를 높

이기 위하여 가상의 그래픽 환자 모델과 햅틱 장치 (haptic device) 등을 이용하

여 수술을 연습할 수 있게 하는 의료용 로봇이다 특히 근래에 들어 프로세스의

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성능이 좋아지면서 MRI 나 CT 영상 등을 활용한 실시간 3 차원 볼륨이 가능해

지면서 의료용 시뮬레이터 개발은 가속화 되었다

셋째 재활 로봇 (rehabilitation robot)은 노인과 장애인의 재활치료와 일상생활

을 도와 주는 로봇 시스템으로 단순한 신체를 지지해 주는 역할을 벗어나 중증

환자나 노인의 신체 움직임을 향상시키고 빠른 시일 내에 회복하도록 주요 기

능을 수행하고 장애인의 장애를 극복하여 독립적인 생활을 가능하게 할 수 있

는 특정 기능의 로봇을 의미한다

넷째 기타 의료 로봇으로는 간호 로봇이나 안내로봇 등이 있다 현재의 간

호 인력을 도와서 수술이나 치료를 받는 환자를 보살피는 로봇으로서 정확한

투약과 수술 후 관리가 가능하도록 도와주는 기능과 환자의 이동 간병 및 산책

이 가능하고 말벗의 기능을 포함하는 로봇을 의미한다

(2) 의료용 로봇기술 개발현황

가 수술 로봇

현재까지 연구된 수술 로봇은 미세 수술용 원격수술 로봇 최소침습수술

(MIS) 로봇 관절 수술 로봇 등으로 분류할 수 있다

원격수술 로봇 시스템 일환으로 개발된 대표적인 로봇으로는 일본 동경대의

원격 수술 로봇 미국 NASA JPL 의 RAMS SRI International 의 원격 수술 로봇

한국과학기술원의 미세수술용 Slave 로봇 등이 있다

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MIS 의 로봇 시스템 일환으로 개발된 대표적인 로봇으로는 미국의 UC 버클

리대의 수술 로봇시스템 Computer Motion 사의 내시경 보조 로봇인 이솝

(AESOP)과 복강경 수술 로봇인 제우스 (ZEUS) 제우스 보다 진보된 Intuitive

Surgical 의 다빈치 (daVinch) 등이 있다 이 중 다빈치는 수술용 로봇으로 거의

독점적인 위치로써 세계 로봇수술의 첨병역할을 하고 있다

관절 수술 로봇의 일환으로 개발된 대표적인 로봇으로는 미국 Integrated

Surgical System사의 로보닥 (Robodoc) 독일의 Orto Maque사의 CASPAR 영국의

Imperial College의 아크로보트 (Acrobot) 등이 있다

나 수술 시뮬레이터

수술 로봇 이외에 의사의 수술에 관한 숙련도를 높이기 위한 의료용 시뮬레

이터가 활발하게 연구되고 있다 특히 근래에 들어 프로세서의 성능이 좋아지면

서 MRI 나 CT 영상 등을 활용한 의료용 수술 시뮬레이터 개발이 가속화 되었

다 대표적인 수술 시뮬레이터로는 미국 Georgia Tech의 안구 수술 시뮬레이터

미국 Boston 다이나믹스사의 개복수술 시뮬레이터 Mitsubishi Electric Research Lab

의 무릎관절 내시경 시뮬레이션 영국 맨체스터 대학의 웹기반 시뮬레이터 등이

있다

다 재활 로봇

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노령인구와 장애인구의 증가로 로봇 기술의 필요성은 재활분야에도 확대되

고 있다 장애인의 독립적인 활동을 보장하고 삶의 질을 높이려는 노력은 유럽

등의 선진국을 중심으로 재활 로봇이 연구되어 왔으며 이탈리아에서 개발된

MOVAID 가 대표적인 재활 로봇이다 또 미국에서는 MIT 를 중심으로 RIC 과

같은 로봇 신경 재활 로봇들이 개발되고 있다 스위스에서는 보행 재활 로봇으

로 Lokomat 이 개발되었고 국내에서는 KAIST 에서 휠체어 로봇 시스템과 보행

보조 로봇 등이 연구되고 있다 이외에도 서강대학교에서는 SUBAR 라는 보행

재활 로봇을 개발하였다 이외에도 최근 미국의 Intouch Health 에서 개발한 RP-7

은 멀리 있는 환자의 병증을 파악하는 데 탁월한 원격진료 로봇으로 활용되고

있다

(3) 국내 의료용 로봇 적용사례

상기 서술한 의료용 로봇 중 가장 많은 각광을 받고 있으며 국내에서 적용

되고 있는 사례를 통해 의료용 로봇의 사용 실태를 파악보고자 한다 대표적인

복강경 수술 로봇인 Intuitive Surgical의 다빈치 로봇 시스템과 고관절 수술 로봇

인 Integrated Surgical System사의 로보닥을 중심으로 국내 실태를 살펴보고자 한

다

가 다빈치

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Fig 2-2 da Vinci surgical case number

다빈치 로봇은 1997 년 벨기에서 처음으로 환자에게 적용된 이래 국내에

2005 년 7 월 연세대학교 신촌 세브란스 병원에서 최초로 도입하여 2005 년 7 월

15 일 국내 최초로 다빈치를 이용한 로봇 수술이 이루어졌다 Fig 2-2 에서 보

듯이 수술사례는 계속적으로 증가하여 2008 년 1 월 말 현재 750 건이 넘는 수

술이 이루어졌다

다빈치 로봇은 전립선암 위암 대장남 부인암 식도암 갑상선암 간암 등

대부분의 암수술 및 중요 외과계 수술에 적용된다 이는 다빈치 로봇 수술이 가

져다 주는 효과인 개복수술이나 복강경 수술보다 수술회복기간이 단축되고 수

술시간도 감소시키는 역할과 무엇보다 수술 후 환자가 겪는 수술 후유증 확실

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히 줄여주기 때문이다 특히 전립선암의 경우 대표적인 수술 후유증인 요실금

과 발기부전 등의 가능성이 대폭 줄어드는 것으로 알려져 있다

이와 같은 수술사례와 수술성과에도 불구하고 다빈치 로봇의 가격이 25 억

정도의 고가이기 때문에 영세한 의료기관에서 도입하기에는 다소 무리가 따르

고 있다 그러나 대형 병원들은 다빈치의 성공적인 수술사례를 통해 앞다투어

이를 도입하고 있다

2008 년 1 월 현재 신촌 세브란스 병원은 이미 3 대를 도입했고 영동 세브

란스 병원 고려대 안암병원 서울아산병원 한림대 강남병원 분당서울대병원

삼성서울병원 경북대병원 동아대병원 등 9 개 의료기관에 도입되어 있다 또한

최근 (2008 년 1 월 30 일) 연세대 세브란스병원은 로봇 수술의 활성화를 위해

Intuitive Surgical 과 공동으로 복강경 수술용 로봇 다빈치를 이용한 수술법을 배

우는 lsquo연세 다빈치 트레이닝 센터rsquo를 개소하였다

다빈치는 로봇 가격만큼 수술 비용에 있어서도 고가인데다 의료보험이 적

용되지 않아 수술 비용을 환자가 모두 부담해야 하는 실정이다 다빈치 로봇 수

술 비용은 700~2000 만 원선으로 기존의 수술 비용인 200~300 만 원 보다는 다

소 높은 가격이다 특히 전립선암의 경우 로봇 수술 비용은 1500 만 원 선으로

개복수술이나 복강경수술보다 5~7 배 정도의 높은 가격이다 그럼에도 불구하고

로봇 수술은 거의 모든 암 수술에 적용되고 있고 환자와 의사 모두 만족하는

수술법으로 자리잡아 가고 있다

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나 로보닥

로봇이 외과적 기계로써 임상적으로 처음 국내에서 적용된 것은 1992 년 lsquo로

보닥rsquo이라는 의료용 로봇이다 미국에서 개발된 로보닥은 인공관절이 삽입될 환

자의 뼈를 로봇으로 가공해서 수술 성공률을 획기적으로 높였다 두꺼운 뼈를

정확한 형상으로 깎아내는 작업에는 CADCAM 자료에 따라 작동하는 로봇 팔

이 숙련된 외과의사를 간단히 능가했다 로보닥은 한국과 EU 의 판매승인을 획

득했고 결국 인공관절수술의 대세를 장악했다 세계적으로 8000 회 이상의 수술

이 로보닥을 이용하여 성공적으로 수행되었으며 2001년 FDA의 승인을 받기도

하였다

2002 년 국내 처음으로 로보닥이 도입된 이래로 이춘택 병원은 현재까지

2556 회라는 경이적인 수술건수를 기록하였다 그는 최소침습수술과 접목하여

로봇의 정밀성과 최소 절개기술을 결합시킴으로써 환자의 고통과 재활 기간을

크게 줄였다 그러나 로보닥의 가격은 무려 17 억 원이며 3 차원 영상까지 구현

하기 위해서는 10 억 원 상당의 멀티 CT 까지 도입해야만 한다 그렇기 때문에

소규모의 관절전문병원이 도입하기에는 다소 무리한 점이 있다 이러한 상황에

서 이춘택은 국내시장에 맞는 로봇개발을 위해 국산 부품 및 소프트웨어를 개

발 중에 있다 따라서 우리나라도 고령화 사회를 맞아 세계적으로 관절 수술이

급증하고 있는 상황에서 국내 기술로 만든 수술용 로봇이나 소프트웨어 개발은

국내 의료용 로봇시장의 활성화를 이룰 수 있다

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23 의료용 로봇시장 전망

(1) 로봇산업 전망

로봇 분야별 세계시장 정세를 살펴보면 제조업용 로봇은 시장안전화 단계로

써 급격한 시장변화는 어려우며 신규 생산설비 및 기존 설비에 따른 수요가 대

부분 차지하고 있는 실정이다 개인서비스용 로봇은 가족구조의 핵가족화와 고

령화 현상으로 인한 가족인원으로서의 가정용 로봇에 대한 수요가 증가 추세에

있다 전문서비스용 로봇은 생산국과 생산기업이 극히 제한되어 있으며 제품가

격의 고가로 인해 시장형성에 있어서 생산국과 수요국이 불일치하고 있는 실정

이다 이러한 상황에서 로봇시장의 국가별 점유율을 살펴보면 일본 (28) 미국

(18) 독일 (16) 이탈리아 (10) 한국 (3)의 순으로 세계 5 위를 차지하고

있다 이와 같이 산업용 로봇의 경우는 우리나라의 세계적인 위상이 높지만 아

직까지 전문 서비스 분야 로봇에 대한 세계적인 위상은 미비하다

시장규모 전망과 국내 세계시장 점유율에 대한 전망은 다음과 같다 세계 로

봇시장의 규모는 2010 년에는 247억 5 백만 달러에서 2020년에는 717억 7 천만

달러에 이를 것으로 보고 있으며 연평균 107의 증가율을 예상하고 있다 분

야별로는 제조업용 로봇은 2010 년 세계시장의 114에서 2020 년 144의 비중

을 차지할 것으로 전망하고 있으며 전문서비스용 로봇은 2010 년 세계시장의

09에서 2020 년 21의 비중을 차지할 것으로 예상하고 있다 개인서비스용

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로봇은 2010 년 30에서 2020 년 70 수준에 달할 것으로 보고 있다 비록 전

문 서비스용 로봇산업의 규모는 미국 일본 독일에 비해 미미한 실정이나 전문

서비스용 로봇의 신시장을 개척하고 그 만큼의 기술력이 밑받침된다면 2020 년

세계시장에서의 더 큰 비중의 달성이 이루어질 것으로 본다

(2) 의료용 로봇기술 전망

의료용 로봇시장의 성장은 의료용 로봇기술 개발산업의 성장과 밀접한 관계

가 있다 세계적인 개발추세로는 의료용 로봇개발 하드웨어 분야에서는 일본이

경쟁력이 가장 높으며 소프트웨어 분야에서는 미국이 앞서나가고 있다 또한

독일은 하드웨어 및 소프트웨어 분야에서 동시에 상당한 연구 개발 능력을 보

유하고 있다 앞으로는 이 세 나라가 의료용 로봇 시장의 핵심 주자로 나설 것

으로 예상된다

산업연구원 (2007) 조사에 따르면 국내 로봇산업의 기술은 기술항목에 따라

다소 차이를 보이고 있으나 제조업용 로봇의 경우는 최고 기술 보유국 대비 평

균 85 정도에 육박하고 있으며 전문서비스용 로봇의 경우는 80 정도 개인서비

스용 로봇은 84 정도에 이르고 있는 것으로 나타났다 의료용 로봇 분야에서는

선두주자인 미국의 기술력을 100 이라고 봤을 때 현재 우리나라는 70 정도이며

2015년이 지나야 100 에 도달할 것으로 전망하였다 비록 의료용 로봇에서 세계

1위인 미국에 비해 우리는 아직 10년 이상 차이가 있지만 세계 최초로 국제 규

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모의 로봇랜드 조성과 로봇펀드 발생 등 정부 차원에서의 노력이 여러 가지 방

면에서 다양하게 펼쳐지고 있기 때문에 그 격차는 점차 줄어들 것으로 예상된

다

또한 IFR (2006) 자료에 따르면 한국 산업용 로봇은 세계 5 위의 강국[16]인

데 비해 의료용 로봇에 있어서는 약소국이다 이는 의료용 로봇의 개발비가 많

이 드는데 비해 국내 시장은 극히 제한적이어서 일반 기업의 참여가 아주 저조

하기 때문이다 국내에서 의료용 로봇 관련 기술 개발은 아직 걸음마 단계에 머

물러 있으며 벤처기업 및 대기업들이 개발해 상용화시키고 있는 기술이나 제품

도 대부분이 생활 가전형 로봇에 한정되어 있을 뿐 의료용 로봇분야는 아직 미

개척지로 남아 있다 하지만 국내에서도 의료용 로봇 개발을 수행하기 위해 대

학이나 연구소 차원에서 의료용 로봇에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다 먼

저 한국과학기술원이 8 년 전 설치한 휴먼 웰페어 로보틱 서저리 센터가 대표

적인 연구기관이다 이 연구소에서는 거동이 불편한 환자들을 위한 휠체어의 자

동화 시스템이나 복강경 수술 로봇 등 로봇 수술용 기구의 국산화에 초점을 맞

춰 진행 중이다 또한 최근에는 국립암센터 역시 산업자원부로부터 수술용 로

봇과 영상시스템을 주제로 한 의료용 로봇 개발자로 선정되어 연구에 들어갔다

비록 국내 의료 및 수술 로봇 관련 기술이 일본 미국 등에 비해 아직까지

뒤쳐져 있는 실정이지만 국내에서도 의료용 로봇 기술 개발이 이처럼 활발히

진행되고 있어서 향후 전망은 매우 밝다고 할 수 있다 또한 해외에서 각광을

받고 있는 캡슐형 내시경 연구 역시 국내에서 벌써 10 년째 계속 되고 있다 최

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근 한국과학기술연구원과 벤처기업인 인트로메딕이 개발한 세계 최소형 캡슐형

내시경인 미로캠 (MiroCam)은 2010 년까지 국내 캡슐형 내시경 시장의 80를

점유할 것으로 예상하고 있다 이러한 국산 의료용 로봇 개발을 통해 고부가가

치 시장인 세계 의료 시장에 뛰어들 수 있는 기반을 다졌다는 데에 큰 의미가

있다

전문 서비스용 로봇의 경우 제조업 로봇 관련 풍부한 경험을 바탕으로 전문

서비스용 로봇으로의 기술확대 메카트로닉스 (mechatronics) 관련 다양한 산업기

반과 세계적인 IT 인프라 보유국의 강점을 살리고 있다 또한 한국은 10 대 성

장동력간 연계 등을 통한 시너지 효과와 세계 전문서비스 로봇 시장이 초기형

성 단계임을 감안한다면 이 분야의 진출에 대한 절호의 기회이며 머지않아 의

료용 로봇 강국으로 진입할 수 있을 것으로 기대된다

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제 3 장 능동 그리퍼

31 최소침습 수술 햅틱 장치 구현에 필요한 능동 그리퍼 제안

21 세기 로봇 기술 분야에서는 인간과 기계 시스템 간의 커뮤니케이션이 무

엇보다 중요하게 강조되며 이러한 인간과 기계 시스템의 의사소통은 주로 인간

의 감각 기관을 통해 이루어 진다 일반적으로 인간에게는 보고 듣고 냄새를

맡고 맛을 보고 피부로 느끼는 오감이 있으며 이러한 감각을 시각 청각 후

각 미각 촉각이라고 한다 따라서 이러한 인간의 감각에 정보를 전달하기 위

한 다양한 기계 시스템들이 개발되어 왔다 오감 중에서 현재 인간과 기계 시스

템간의 인터페이스 역할을 하는 표적인 감각으로는 사물을 보는 시각과 소리

를 듣는 청각이 주로 이용되고 있다 이를 위한 시스템들은 이미 상당한 수준으

로 발전해 현재 상용화 되어 활용되고 있다 하지만 이러한 시각과 청각 인터

페이스 만으로는 로봇의 제어에 한계가 있으며 오감 중에서 세 번째 감각인 촉

각에 한 인터페이스가 현재 활발히 연구 개척되고 있다 만약 가상현실에 촉

감 인터페이스가 적용된다면 기존의 시각과 청각에만 의존하던 가상 현실에 촉

감을 전달함으로써 실제 물건을 만지고 느낄 수 있으므로 가상현실을 보다 더

실감나게 할 수 있을 것이다 하지만 인간의 감각 중에서 촉각은 매우 민감한

감각으로 여기에 촉감 정보를 전달하는 인터페이스는 아직 많은 연구를 필요로

하고 있다

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햅틱 (haptic)이란 단어의 사전적인 의미는 ldquoof or relating the sense of touch

tactilerdquo로써 물체를 만질 때 사람이 느낄 수 있는 촉각적 감각으로 피부가 물체

표면에 닿아서 느끼는 촉감 (tactile sensation)과 관절과 근육의 움직임이 방해 될

때 느껴지는 근 감각적인 힘 (kinesthetic force)의 두 가지 힘을 모두 합쳐서 부르

는 말이다 촉감 구현 연구는 물리적 장치를 이용하여 사람이 직접적인 접촉이

없이도 촉각 정보를 전달하는 방법에 관한 전반적인 연구 분야를 일컫는 말로

사람에게 원격지에 있는 물체의 물리적 특성을 전달하는 원격조작 혹은 원격현

장감에 관한 연구로부터 시작되었다 가상 혹은 실제 환경에서 촉감을 구현하기

위한 연구를 포괄적으로 의미하는 용어로 햅틱스 (haptics)라고 한다 주요 연구

분야는 사람이 직접 손에 쥐거나 착용하는 물리적 장치인 햅틱 디바이스 인터

페이스 (haptic interface) 가상 공간상의 물체에 기계적 성질을 부여하여 사실감

이 있는 상호작용을 제공하고자 하는 햅틱 렌더링 (haptic rendering) 사람의 촉

각 인지 특성에 관한 연구 (tactile perception) 등으로 나눌 수 있다 특히 햅틱

인터페이스 (haptic interface)는 햅틱 디바이스 (haptic device)라고도 불리우며 사람

에게 촉감을 전달하는 물리적인 장치를 말하며 더 넓은 의미로 사용하여 가상

의 환경을 촉감 전달을 통해서 느끼게 하는 시스템 전체를 가리키기도 한다 이

러한 햅틱 기술은 다양한 분야에서 활용될 수 있는데 표적인 분야로는 가상

현실 분야 인간-컴퓨터 인터페이스 분야 게임 등 사이버 커뮤니케이션 그리고

원격제어 로봇 등이 있다 특히 원격제어 로봇이 많이 활용되고 있는 의료 분

야에서 햅틱 구현은 매우 시급한 과제이다 현 의 수술은 점점 첨단의 수술 도

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구와 로봇을 이용하여 집도되는 추세이며 최소침습수술 (minimally invasive

surgery MIS)이 그 표적인 예이다 이 수술법은 환부의 구멍에 수술도구와 카

메라를 삽입하여 집도의가 모니터를 보면서 시술함으로써 시술시간이 짧고 환

자의 회복이 빨라서 그 적용 범위가 점차 확 되고 있다 하지만 환자가 얻게

되는 이점에 반해 의사는 개복 수술에서 쉽게 이용하던 기술들을 더 이상 적용

할 수 없게 되어 집도에 있어 큰 어려움을 부담해야만 한다 즉 환자의 내부에

서 손의 움직임과 시야의 제약을 받게 되었고 손으로 환자의 장기나 뼈를 만지

고 상태를 확인할 수 없게 된 것이다 이러한 문제점들을 극복하기 위해 첨단의

의료용 로봇 시스템이 개발되었는데 의사 즉 오퍼레이터가 조작하는 마스터

(master) 로봇과 환자의 환부에서 수술을 진행하는 슬레이브 (slave) 로봇으로 구

분된다 슬레이브 로봇은 크게 수술 시 집도의 팔의 움직임을 구현하는 구동 암

(arm)과 수술도구를 홀딩 할 수 있는 그리퍼로 분류할 수 있다 구동 암의 움직

임은 수술 부위의 위치를 결정하면 별도 큰 움직임 없이 작동시킬 수 있으며

전달 수술 관통 수술이 아닌 경우에는 집도의가 느끼는 힘을 피드백 할 필요가

없다 하지만 그리퍼의 경우는 신체 일부분의 미세한 조직까지 전부 접촉해서

제거하거나 봉합하기 때문에 집도의가 수술 시 느끼는 힘을 구현하여야 보다

정밀한 수술을 수행할 수 있다 따라서 본 연구에서는 햅틱 장치가 적용된 마스

터 로봇과 마스터 로봇에서 형성된 힘을 느낄 수 있으며 원할한 수술을 진행할

수 있는 최소침습수술용 능동 그리퍼를 제안하겠다 Fig 3-1 은 상용 MIS 장치인

다빈치 로봇의 마스터와 슬레이브 그리고 그리퍼를 나타내고 있다

(a) sla

(b

Fig 3-1 da V

Operation Arm

Gripper

- 23 -

ave robot and g

b) master rob

Vinci robot sy

m

gripper

ot

stem for MIS

- 24 -

32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류

산업용 로봇은 그 기능 특성상 필요성에 의해 로봇의 말단부에 그리퍼를 부

착시킨다 이것은 인간의 손에 응되는 것으로서 메커니컬 핸드라고 칭하며 다

루는 상 물체를rdquo파지rdquo해 이동하는 목적으로 사용되는 도구이다

파지동작은 Fig 3-2 와 같이 세분화된다 인간의 손 손가락에는 많은 관절이

있으며 여러가지 작업이 가능하다 일상 생활에서의 붙잡기는 형식을 분류한 것

으로는 슐레징거의 12 형식이 있다 여기서 인간의 손에는 손가락이 있어서 그

것을 유지핸드라고 이름 붙이면 메커니컬 핸드에는 손가락이 없는 구성법이 있

는데 이것을 무지 핸드라고 이름 붙이기로 한다 이 무지 핸드는 기계적 물리적

으로 구조상 무지핸드로 한 것과 공구가 메커니컬 핸드와 일체화됐다고 생각하

는 공구 핸드가 있다 메커니컬 핸드를 분류해 보면 다음과 같다 진공이나 자

기 이용의 흡착 등 물리적 흡척형의 유지는 보통 평면(완만한 곡선도 포함)부를

흡착하는 형태로서 물체의 크기나 중량에 따라 여러 개가 설치되는 경우도 있

다 그러나 물체표면에 만곡부가 있는 경우나 구멍이나 공동이 있는 경우에는

적용할 수 없게 된다 또한 자력을 이용한 경우 철금속 재료를 다루게 되는데

경우에 따라서 매우 효율적이고 신뢰성이 높기는 하지만 물체에 잔류 자력이

남게 되는 문제점이 있다 받기형의 유지는 지지의 동작만을 가지고 있는 형태

이며 이는 전기한 흡착형 보다 적극적이 아니여서 약한 구속을 갖는다 변형하

기 쉬운 물체의 이송등에는 이를 채택한다 매달기형 유지는 중력 방향의 이동

1 자유도를 구속한다 잡기형 파지는 유연성에 의한 변형으로 접촉면적을 크게

하여 집는

상물을 외측

이용하는 등

33 파지형

파지 형

다 본 연구

하여 설명

(1) 두 손

형태이다 현

측에서 파지하

등의 파지방법

형태에 의한

형태로서는

구에서 사용할

명 하겠다

손가락 type

현재 많이 사

하거나 구멍

법이다

한 그리퍼의

상을 바깥에

할 메커니즘은

e

Fig 3-2 Cla

- 25 -

사용하고 있는

속에 손가락

의 분류

에서 파지하

은 바깥에서

assified by the

는 끼우기형

락을 넣은 후

는 것과 안에

파지하는 형

gripper grip ac

파지 형태는

후 벌려서 내

에서 파지하

형태가 유리하

ction

는 핸들링

내측사용면을

는 것이 있

하므로 이에

두 개의

상태를 유지

는 스윙형

안정되게 파

의 리지트한

지해서 개폐

핸드(swingin

파지하는 점에

손가락을 갖

되는 병진형

ng gripper)로

에서 병진형

(a) grinder c

(c

Fig 3-3 Sw

- 26 -

갖춘 것으로

핸드(transla

로 분류된다

보다 떨어진

crank

c) rotation joi

wing-type hand

실용례가 많

ational grippe

스윙형은 기

진다

(b) swing

int

d mechanism

많다 손가락이

er)와 그 방향

기구가 간단하

g block

이 상호평행

향이 변화하

하나 상이

병진형에

4 은 평행링

운동을 바꾸

에 회전시킴

로 유지되기

지된다 직

시키도록 한

가 전middot후진

피니온 방식

F

에서는 평행링

링크 방식의

꾸고 그 피니

킴으로써 손가

기 때문에 손

동형 신에

한 것도 있다

진하는 결점이

식이 채용된다

Fig 3-4 Hand

링크 랙middot피니

예로 직동형

니온 운동으로

가락 개폐를

손가락의 물체

에 회전형 액

다 평행링크를

이 있다 이문

다

mechanism fo

- 27 -

니온 나사이송

형 액추에이

로 평행링크의

얻는다 링크

체 파지면의

추에이터를

를 이용한 형

문제를 해결하

or translational

송 기구 등이

터의 운동을

의 하나의 링

크 PS 와 링

자세도 개폐

이용한 형식

형식은 개폐에

하는 방법으로

type1 (paralle

이 이용되고

랙과 피니온

링크 A 를 축

크 QR 은 항

폐 동작 중 일

식에서 평행링

에 의해서 손

로서 볼나사

el displacement

있다 Fig 3-

온으로 회전

축 P 의 주위

항상 평행으

일정하게 유

링크를 회전

손가락 위치

기구나 랙middot

nt)

Fig 3

는 핸드의

볼나사 기구

다

(2) 세 손

세 손가

가락으로 잡

F

-5 는 회전형

예이다볼나

구 각각을 손

손가락 type

가락을 가진 핸

잡는 것보다

Fig 3-5 Hand

형 액추에터로

나사 기구를 이

손가락에 부착

e

핸드에서는

안정된 파지

d mechanism fo

- 28 -

로 랙 피니온

이용하는 경

착 사라를 회

상을 3 점

지 동작을 할

or translational

온을 회전시킴

우에는 1

회전시킴으로

점에서 유지할

할 수 있다

l type2 (rack a

킴으로써 개폐

의 왼나사

써 개폐 동작

할수 있기 때

nd pinion type

폐동작을 하

오른나사의

작을 실현한

문에 두 손

e)

Fig 3-6

베벨기어를

구동해서 세

실현한 것

각 손가락을

복잡하며 중

6 은 세 손가

를 매개로 상

세 손가락을

이다 특히

을 개별 모터

중량도 증가하

Fig

락형 그리퍼

호 각도를 주

동작시킴으로

원통물체를

터로 구동하도

하기 때문에

3-6 Hand mec

- 29 -

의 일반적인

주어 결합한

로써 이른바

확실히 잡아

도록 한 3 지

실용례가 적

chanism for thr

인 형상을 나타

3 개의 볼

바 3 포인트 핀

아서 유지하

지형핸드도 개

적다

ree point pinch

타내고 있다

나사를 하나

핀치(three po

는데 유리하

개발되고 있으

h type

이 핸드는

나의 모터로

oint pinch)를

하다그 외에

으나기구가

34 메카니

(1) 구속

기계적

어서 형성되

전 구속 기

해서 언급하

으로 움직일

또 X Y 평

니컬 핸드의

속기능

구동장치에

되는 것으로

기능이 있다

하면 구속 상

일 수 있다

평면 X Y 면

의 구속기능

서 구속 형식

크게 나누어

그래서 핸드

상태의 물체는

이것을 물체

X Z 면상에

Fig 3-

- 30 -

능

식과 접촉 상

어서 반구속

드의 구속 기

는 Fig 3-7 와

체의 공전 (이

서 6 방향으

-7 Movement

상태와 포락

속 (받는 구속

기능을 결정하

와 같이 X Y

이동)에 관한

로 회전 한다

t of object

능력의 인자

속 는 구속

하는 물체의

Z 의 3 축상

6 동작 자유

다 이것을 물

자가 복합되

속)기능과 완

구속에

에서 6 방향

유도로 한다

물체의 자전

(회전)에 관

부여한 상태

행할 수 있

서는 회전의

핸드에

한 공간적

면 Fig 3-8

이 그림

를 구속한다

에서 7 자유

선접촉과 면

계수와 절선

(a

관한 6 동작

태에서 움직이

있다 또 완전

의 6 자유도를

의한 물체의

적인 포락 상

와 같이 된

(a)의 점접촉

다 그러나 1

유도를 구속

면접촉에는 각

선력법선력

a) point contac

Fig3

자유도로 한

이며 중력이

전 구속은 핸

를 무시하는

의 구속은 핸

상태로 정한다

다

촉은 접촉점

1 점접촉은 다

한다 (c)의

각각 마찰에

비와의 관계

ct (b

3-8 Contacts

- 31 -

한다 반구속은

이나 환경면의

드 자체로 1

경우도 적지

핸드와 물체의

다 먼저 접촉

방향의 1 자

다른 11 자유

면접촉은 11

위한 구속이

계로 구속불능

) line contact

of the kind an

은 12 자유도

의 구속을 받

12 자유도를

지 않다

의 접촉 상태

촉부의 구속

자유도를 구속

도를 구속할

1 자유도의 구

이 4 개와 6 개

능의 가능성을

nd the confini

도 중 몇 개의

아서 완전 구

행하는데 경

태 및 접촉부

능력을 모델

속한다 그러나

할 수 없다 (b

구속을 할 수

개 주어져 있

을 가진 구속

(c) surface co

ing

의 자유도를

구속으로 이

경우에 따라

부의 물체에

델로 나타내

나 1 자유도

b)는 선접촉

수 있다 단

있으며 마찰

속 성분이기

ontact

- 32 -

도 하다 또한 면접촉의 상태는 중력의 작용을 이용하면 받기를 형성하고 또

외계력을 이용하면 기를 형성한다

이들의 접촉상태는 물체의 형상과 핸드의 구속면으로 규정되는 것으로 핸드

만으로 결정하기는 어렵다 단 핸드의 구속면을 부드러운 재질로 형성하면 면

접촉의 이행이 용이하다 이와 같은 이유에서 물체에 접촉부가 포락도를 높이는

데에 따라서 물체 형상에 관계 없이 구속 능력을 증 시킬 수 있다

(2) 메커니컬 핸드의 자유도

로봇의 손은 그 용도를 불문하고 인간의 손 작업의 행을 목적으로 하는

것이므로 그 설계에 있어서 모델로 되는 것은 말할 것 도 없이 인간의 손이다

그래서 우선 기구에 하여 설명하기 전에 인간의 손의 구조 모델에 하여 설

명해 본다

AmiddotMorecki 에 의하면 인간의 상체는 그 해부학적 구조에 입각하면 Fig 3-9 와

같이 모델화할 수 있다 Fig 3-9 에서 숫자는 각각 골격 즉 링크를 나타내고 숫

자 II~ V 는 관절을 나타내고 있다 이와 같은 공간링크 기구의 자유도 F 는 가

동부수 n 자유도의 종류 f 를 가진 우 수를 Pf 라 하면 다음 식으로 나타낼

수 있다

6n sum ∙ P 12345 (3-1)

Fig 3-9

들 자유도가

을 Fig 3-9

P5=10 이므

인간의

유도 1 의

해 있으며

의 모델에서

가 있는 관절

9 와 같이 정

므로 위 식에

상지를 인공

액튜에이터를

22 개나 되

Fig 3

서는 n=19 P2

절에 작용하는

정의하고 그

서 FH=22 가

공적으로 정밀

를 27 필요

는 액튜에이

- 33 -

3-9 Human Ar

2=1 P3=2 P4

는 근군은 약

자유도 FH

가 된다

밀하게 재현하

요로 하게 된

터를 필요로

rm structure

4=6 P5=11 이

약 50 이라고

를 구하면

하려고 한다면

된다 또 손에

로 한다 그러

이므로 F=27

고 되어 있다

이 경우는 n

면 이상의 결

는 특히 자유

나 로봇의 손

이 된다 이

여기서 손

n=16 P4=6

결론에서 자

유도가 집중

손이 이만큼

- 34 -

의 수의 액튜에이터를 갖춘 것을 제작한다는 것은 크기 중량 제어면에서 볼

때 현시점에서는 불가능에 가깝다 특히 의수에 있어서는 상술한 바와 같은 형

상이나 조종성 등의 점에서 전혀 불가능하다고 해도 좋다 따라서 보통은 기능

에 주목하여 손에 집중해 있는 자유도의 간략화를 도모한다

인간의 잡기 동작에 주목해 보면 그 잡기 형상에는 12 종류가 있다고 하다

그러나 이것들은 엄지와 다른 12 종류가 있다고 한다 그러나 이것들은 엄지와

다른 4 손가락과의 관계에 주목하였을 때에 2 종류 즉 엄지가 다른 4 손가락과

항해서 동작하거나 그 측방에서 동작하는가로 분류할 수 있다 실제의 일상

동작에서 관찰하면 이들 중에서도 엄지와 손가락이 항해서 동작하는 소위 쥠

동작이 우선 첫 번째이고 또 다음에 엄지 검지 중지의 3 손가락의 선단으로

이루어지는 3Point Pinch 즉 잡기동작이 중요하다

더불어 손가락의 독립성에 해서는 역시 일상동작 중에서 손가락의 사용

빈도를 조사한 결과에 의하면 다섯 손가락은 반드시 독립적인 운동을 필요로

하지 않고 엄지 검지 중지가 같은 정도의 중요성을 자기며 다른 두 손가락은

사용 빈도에 있어서 이들 세 손가락보다 약 50 적으며 다른 세 손가락의 보

조 역할을 한다고 볼 수 있다 그리고 특히 중요한 것은 인간의 각 손가락은 잡

기 상물의 형상에 적응한 쥐기 즉 Passive 한 동작을 할 수 있다는 것이다 이

기능이 있다면 각 손가락이 독립적으로 동작하지 않더라도 또 다소 손의 자유

도를 제거하더라도 상물의 확실한 쥐기나 잡기 그리고 기타 손 작업에 큰 힘

을 발휘한다

- 35 -

34 표적인 동력원의 특징

동력원을 설계할 때 다음의 점을 고려하면서 가장 적합한 방식을 선택한다

1조작력(로보트가 내는 최 의 힘 예를들면 최 들어올린 힘)

2속응성(최 조작 속도)

3크기 중량(로보트의 크기와 중량의 제한)

4안정성(발열이나 과부하에 한 안전성)

5사용의 용이도

6수명가격

1 2 의 조작력 속응력은 로보트에 요구되는 성능에서 가장 기본적인 것인

데 이에 관련해서 크기나 중량의 제한 안정성 사용의 용이도 수명 가격 등을

고려해서 동력원을 선택한다 단 자주형 로보트에서는 2 차적 성능인 동력원의

중량이 첫째 요구 조건이 되는 경우가 많고 공업용 로보트에서는 저가격 사용

의 용이도 안전성이 중요 사항으로 우선시된다

모든 로봇은 동력원을 필요로한다 중요도에 따라 동력원을 선택해야 하는데

일반적으로 공기압식은 안전성이 뛰어난 반면 힘과 세밀한 위치제어가 어렵고

전기식은 응답성과 사용편리성 세밀한 위치제어가 가능하나 높은 힘을 내기 위

해서는 부가적인 기구부가 필요하다 유압식은 큰힘을 낼수있어서 속응성은 좋

으나 과부하시 상당한 발열이 있기 때문에 안전성에서 다른 동력원에 비해 떨

어진다 위 사항을 TABLE 3-1 로 분류하여 나타내었다

- 36 -

TABLE 3-1 Characteristics of power sources

전기식 유압식 공압식

사용용이성 편리하다 작동유의관리 관로의압력

필터관리에 유의

공급공기의 수분제거

윤활성의부가에 주의

수명 길다 기름에 윤활성이 있기

때문에 길다

공기에윤활성이 없어

유압 전기에 비해 짧다

가격 보통 가격 운영비 높음 저가격

응답속도

(반응성) 매우 빠르다 빠르다 늦다

하중능력 (소)에서 (중)정도의

하중능력 단히 큰 힘을 얻음 큰 힘은 없다

소음 적다 다소 크다 크다

- 37 -

제 4 장 능동형 그리퍼 설계

41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정

로봇 그리퍼의 정밀 파지 (Fingertip Grasp 손가락 끝을 이용하여 물체를 집

거나 바닥에누워있는 납작한 물체를 집는 행동)를 안정하게 하기 위해서는 손가

락 끝과 물체가 직각에 가까운 각도를 이룸으로 마찰력을 크게 하여 안정성을

높인다 또한 바닥에 놓인 물체를 집어 올릴 경우에도 물체표면의 법선 벡터와

손가락 끝의 각도가 클수록 물체를 효과적으로 구속하여 안정된 파지를 할 수

있다

그리퍼의 링크 시스템에 있어서 2 링크 손가락보다 3 링크 손가락을 쓸 때가

링크와 수평 평면이 이루는 각 (A)이 더 커지기 때문에 안정성이 더 좋다는 것

을 알 수 있다 그리고 안정성뿐만 아니라 식 (4-1)을 통하여 문체에 전해지는

Torque 값을 Fig 4-2 와 같이 그래프로 나타내면 0 도에서 75 도 정도까지는 A 각

이 커질수록 물체에 가해지는 토크 값이 점점 커지는 것을 알 수 있음으로 3 링

크 손가락을 쓰는 것이 파지력 증가됨을 알수 있다 ℓ3 의 길이가 길어질수록 A

가 작은 값을 가져서 정밀파지에 적당하지 않다

τ l cosA sinA l 1 cos A tan μ (41)

A cosempty

(42)

Fig 4-1

은 식을 통

각이 커짐을

움이 있고

Fig4-

에서 제 2 코

통해 구할 수

을 알 수 있다

최소 단위를

Fig4

-1 Configurati

코사인 법칙

있는데 이로

다 그러나 ℓ

를 1cm 로 하

-2 Change the

- 38 -

ion of the fing

을 이용하여

로부터 링크

ℓ3 가 1cm 인

하였기 때문에

e value of the a

gers on robot g

여 A 의 각을

길이 ℓ3 가

인 경우는 너

에 ℓ3 는 2cm

angle of phage

gripper

구하기 위해

작으면 작을

무 짧아서 파

로 결정하였

torque

해 (2) 와 같

을수록 A 의

파지의 어려

였다

42 모터

(1) 알고

앞 절에

여야 한다

는 모터의

이 작은 모

나 용량이

로 적절한

선정 알고

고리즘 정의

에서 설명한 기

로봇 팔에

선정은 동작

모터를 사용하

큰 모터를 사

모터의 선정

고리즘

기구들을 추

움직임을 전

작을 구현하는

하게 되면 기

사용하게 되

정이 중요하다

Fig 4-3 M

- 39 -

추후 로봇 시스

전달함에 있어

는데 중요한

기구의 원활한

면 모터의 외

다

Motor Selectio

스템에 적용을

어서 동력을

과제가 되겠

한 작동이 어

외형이 커지

on Algorithm

을 고려하여

공급과 제어

겠다 만일 토

려워지고 단

고 가격 또한

설계를 하

어를 수행하

토크나 용량

단순히 토크

한 증가하므

- 40 -

(2) 알고리즘 수행

모터를 선정하기 위해서 가장 우선적으로 해야 할 일은 기계구동부분을 결

정하고 구동부분을 어떠한 방식으로 작동을 시킬지 동작 패턴을 결정하여야 한

다 예를 들면 모터에서 나오는 힘을 받아서 볼 스크류를 이용하여 힘을 전달할

것인지 벨트 피니언 기어 혹은 풀리 등을 이용할 것인지를 결정하고 그에 따

른 적절한 구동방식을 결정한다 구동방식을 결정하게 되면 각각의 구동방식에

적합한 수식을 대입하여 부하토크를 계산한다 구동방식에 따른 부하토크를 구

하는 수식은 구동방식이나 구동장소 등에 따라 다소 상이하나 일반적인 수식은

다음과 같다

-BALL SCREW 구동

T FP2πn

μ F P2π

1i N ∙ m 43

F F mg sin α μ cos α N 44

-PULLEY 구동

T ∙ 45

μF D

2i N ∙ m

- 41 -

-WIRE middot BELT 구동 RACK middot PINION 구동

T F2πn

∙ πDi

FD2ni

N ∙ m 46

F F mg sin α μ cos s N 47

-실측에 의한 방법

T 48

직선운동 (커플링 직결 볼스크류 등)의 경우 위의 (43) (44) 이용하여 구할

수 있다 이때 F 는 축방향하중 F0 는 예압하중 μ0는 예압 NUT 의 마찰계수 η 은

효율i 는 감속비 PB 는볼스크류 피치를 나타낸다 회전운동 (풀리)의 경우 식

(45)를 이용하여 구할 수 있으며 FA는 외력 FB는 부하중량 (주축이 회전하기 시

작할 때의 힘) m 은 work 와 TABLE 의 총무계 μ 접동면의 마찰계수α는 경사각

도D 는 풀리의 지름을 나타낸다

실제현장에서는 선정된 모터의 토크를 확인하기 위해 실측에 의한 구동토크

를 계측하는데 스프링 저울을 구동 풀리에 연결지어 측정한다 이때 TL 은 회전

운동 부하토크에 해당하고 FB 는 부하중량 D 는 풀리의 직경을 나타낸다

위의 부하토크를 구하는 식들을 이용하여 부하토크를 구하게 되면 실제 모

터를 사용할 때 어느 정도의 시간적 여유를 두고 가속을 할 것인지 감속을 할

것인지를 결정하여야 한다 이를 위해서 우선 동작시킬 부분에 대한 관성모멘트

를 계산하

Fig 4-4

시한 것으로

dA 와 기준

이를 표현하

하여야 한다

4 는 관성모멘

로 X 와 Y

준축으로 부터

하면 식 (49)

Fig 4-4 Arb

I

멘트를 구하기

는 면적의 미

터의 거리의

)와 같다

- 42 -

bitrary shape o

y dA I

기 위한 절대

미소 요소 dA

제곱의 곱으

of planar area

x dA

대좌표 X Y

A 의 좌표이

으로 단면 2

축 상의 미소

이고 관성모멘

차 모멘트라

49

소면적을 도

멘트는 요소

라고도 한다

평면 면

가 있다 평

축에 대한

Fig 4-5

하는 평행한

관성모멘

식 (410

번째 적분은

면적의 관성

평행축 정리란

관성 모멘트

5 과 같이 도

한 xy 축 두

멘트의 정의로

I y

0) 에서 우변

은 Xc 축에

Fig 4-5

모멘트에 있

란 도심축에

트 사이의 관

도심을 원점으

좌표계의 평

로부터 x 축

y d dA

변의 첫 번째

대한 1 차 모

- 43 -

5 Parallel-axis

있어서 중요하

대한 관성

계를 나타낸

으로 하는 Xc

평행한 축 간

축에 대한 관

y dA

적분은 Xc

모멘트로서 X

theorem

하고 유용한

모멘트와 도

낸다

cYc 축과 임의

간의 거리를 d

성모멘트 Ix

2d y dA

축에 대한 관

Xc 축이 도심

정리로서 평

도심축에 평행

의의 점 O 를

d1 과 d2 로 표

는 식(410)와

d dA

관성모멘트

심을 통과하므

평행축 정리

행한 임의의

를 원점으로

표시한다

와 같다

410

I 이다 두

므로 적분의

- 44 -

값은 0 이다 세번째 적분은 면적 A 그 자체이다 따라서 식 (410)은 식 (411)과

같이 간단해진다

I I Ad 411

y 축에 대한 관성모멘트도 위와 같은 방법에 의해 식(412)과 같다

I I Ad 412

또한 면적의 평면에 수직인 수직축에 대한 관성모멘트를 극관성모멘트라 한

다 Fig 4-6 는 평면에 수직이고 O 점을 통과하는 축에 대한 극관성모멘트를 나

타낸 그림으로 이를 관성모멘트 식으로 표현하면 식 (413) 와 같다

I ρ dA 413

식 (413)와

즉 평면에

서로 수직인

극 관성

와 도심 C

와 식 (414)에

I

수직인 축에

인 두 축에 대

성모멘트에 대

에 대한 극

Fig 4-6 Arb

의해 식 (4

ρ dA

I

에 대한 극관

대한 관성모

대한 평행축

극 관성모멘트

- 45 -

bitrary shape o

ρ x y

415) 식 (41

x y dA

I I I

관성모멘트는

멘트의 합과

정리는 Fig

트를 각각 I

of Polar Area

y

16)과 같은 관

x dA y

는 평면 내의

과 같다

4-5 에서 유

와 I 로

관계식을 얻을

y dA

같은 지점을

유도할 수 있

로 표시하면

414

을 수 있다

415

416

을 통과하는

있다 원점 O

식 (416)에

- 46 -

서 식(417)을 유도할 수 있다

I I I I I I 417

I I I I A d d 418

I I Ad 419

식 (419)는 극 관성모멘트에 대한 평행축 정리를 나타낸다 즉 평면 내의 임의

의 한 점 O 에 대한 면적의 극관성모멘트는 도심 C 에 대한 극관성모멘트에 그

면적과 점 O 와 C 사이의 거리의 제곱의 곱을 더한 것과 같다

이상의 식에서 부하토크와 관성모멘트를 계산하여 모터를 가 선정한다 부하토

크의 경우 사용될 모터의 정격 토크를 넘어서지 않는 것을 선정한다 부하토크

를 TL 정상 부하 상태의 힘 PL 극 관성모멘트 IL 회전운동을 위한 힘 Pa 각속

도 가속 시 소요되는 시간을 ta 라 하고 식 (420)을 이용하여 부하가 일정하

게 작용할 때의 힘을 계산한다 마찬가지로 관성모멘트를 식 (421)에 대입하여

가속을 위한 회전 운동 시 필요한 힘을 계산한다 식 (420)과 식 (421)에서 계

산된 힘을 합산하면 모터를 회전시키기 위해 필요한 출력이 계산된다 이때 계

산된 출력보다 실제 사용할 모터의 정격 출력이 1~2 배 정도가 되도록 모터를

가 선정한다

- 47 -

P T ω 420

P 421

위의 과정을 통하여 모터를 가선정하고 가감속 토크 및 구동 토크를 계산한

다 각각의 토크를 계산하게 되면 모터를 최종적으로 선정하게 되는데 두 가지

사항을 고려하여 최종 선정한다 먼저 식 (422)을 통해서 계산되는 가속 시 소

요되는 기동 토크 TM 가 모터의 최대 토크를 넘지 않는 것으로 선정한다

T 422

두 번째로 Fig 4-7 의 속도 선도와 같이 모터의 가 감속 시간과 정상 동작

시간 등을 결정하여 식 (423)과 같이 실효치 토크 TS 를 구하고 실효 토크가 모

터의 정격 토크보다 크지 않도록 선정한다

T 423

Fig 4-7 Exa

- 48 -

ample of veloc

city guidance

- 49 -

(3) 알고리즘 적용

로봇시스템에 있어서 기구들의 관성모멘트와 토크 계산 후 적합한 모터를

선정하기 위해 시중에서 시판되는 모터를 조사하였다 로봇에 적용 가능한 모터

로는 크게 서버모터와 스텝모터 RC 서버모터 DC 모터로 구분 할 수 있었다 이

를 TABLE 4-1 과 같이 정리하였다

동력원의 6 가지 선정요소 중 우선순위를 부여하여 분류했을 때 핸드 그리퍼

의 특성상 가볍고 토크가 큰 RC 서버 모터 미니 서버모터를 선택할 수 도 있지

만 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터 중 토크를 증가시킬 수 있는

감속기가 있는 타입의 모터를 우선시 하였다

1 감속비를 사양할 수 있는 모터를 선정하여 계산한 토크를 확인한다

2 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터를 선정한다

3 CLOSED LOOP 제어를 통하여 정확한 위치를 검출할 수 있어야 한다

따라서 스텝모터중 lsquoOrsquo사의 ldquoαSTEPrdquo가 적합하다고 판단되어 모터를 선정하였다

- 50 -

TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics

미니서버모터 RC 서버모터 스텝모터 DC 모터

장점 동일사양대비 모터

중 10배정도 큰 토크

5v사용가벼움

정확한 위치제어

급격한 부하변동급가

속 유리

저렴한가격

보편화됨

단점 정지시 진동이 예상 약한 토크 THRUST하중이 모터

무계 이하여야 한다

유지보수가 잦다

크기 151588mm(10w20w)

2525111mm(30w)

392038mm 424234mm Oslash37mm917mm

동작전압 Dc 24V Dc 48V60V Dc 24V Dc 24V

무계 230g~400g 56g 150g 200g

허용토크 009Nm~03Nm 11~13kgfcm 18kgfcm (018Nm) 47kgfcm(1200)

감속기 다양한 감속비 가능 고정 감속기 감속기 무(072˚036) 다양한 감속비

제조사 야스카와 SGMM 하이텍 HS-5945 AUTONICS GCM 3429A

TABLE 4-2 αstep motor characteristics

외형 전압 전류 무계 토크 감속비 분해능

αSTEP 282884mm

4242127mm Dc24V 1~37A 250G 2~28 Nmiddotm 50~1001

00072pluse

00036pluse

- 51 -

43 1 차 능동형 그리퍼 설계

실린더를 사용하여 링크로 물체를 파지하던 그리퍼는 Fig 4-8 과 Fig 4-9 에

묘사하였다 이런 실린더를 사용한 그리퍼는 공압 효과를 도출할 수 있는 별도

의 펌프가 필요하고 동작을 구현할 수 있는 자유도를 증가시키는데 한계가 있

다 이런 실린더의 단점을 보완하고 전기모터의 장점을 사용하기 위해 웜기어와

웜휠 방식을 채택하여 2 자유도 능동형 그리퍼를 설계하였다

1 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-10 에 묘사하였으며 1 차설계한

능동형 그리퍼는 Two Fingertip Grasp 로 칭하겠다 파지한 물체를 회전 시키는

기능은 베벨기어를 사용하여 회전운동으로 구현하였고 실린더의 전middot후진 운동

을 전기모터의 회전운동으로 변환 시키기 위하여 웜기어와 웜휨을 선택하였다

전기모터에 의해 회전하는 운동은 웜기어와 웜휠에 의해 링크를 사용하여 물체

를 파지하였던 그리퍼와 동일한 운동효과를 가지게 되었다

웜기어와 웜휠을 사용하여 물체를 파지하는 능동형 그리퍼는 스윙형으로 설

계되었으며 파지력을 높이기 위한 각도를 적용하였다 링크를 사용하여 물체를

파지하는 형태의 그리퍼보다 기구의 크기를 줄일 수 있는 장점이 있는 반면 기

어들의 백래시에 의한 오차가 끝단에 누적될 수 있는 문제점을 가지고 있다또

한 기구부의 소재 변경으로 그리퍼의 무계를 줄일 수 도 있지만 가장 큰 무계

를 차지하는 모터를 그리퍼 자체에서 분리하게 할 수 있게 하려면 그리퍼 자체

의 구조변경이 필요하다

`

`

Fig 4-8 Par

Fig 4-9 Par

- 52 -

rallel-link gra

rallel-link gra

sps system 1

sps system 2

Fig 4-10

- 53 -

0 Two fingertipps grasp system

- 54 -

44 2 차 능동형 그리퍼 설계

1 차 설계한 능동형 그리퍼에서 발견된 문제점을 보안하기 위하여 2 차 능동

형 그리퍼를 설계하였다 2 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-11 에 묘사

하였으며 2 차설계한 능동형 그리퍼는 Four Fingertip Grasp 로 칭하겠다 이 장치

는 크게 동력원 동력 전달장치 핑거 그립장치로 구성되어있으며 이를 통합하

여 Fig 4-12 에 나타내었다

핑거 그립장치는 스윙형 그립의 단점을 보완하여 설계하였다 물체를 파지할

때 그립의 회전 반경이 주위 환경요소와 간섭을 발생시킬 수 있는데핑거가 전

진할때 샤프트와 핑거그립간의 나사결합형태를 통한 직선운동으로 개선하여 주

위환경요소에 영향을 주지 않도록 설계하였다 구동축의 핑거파지 메카니즘을

Fig 4-13 와 같이 간략화 하였고 이에 대한 세부 도면은 Fig 4-14 로 나타내었다

4 조 핑거 그립의 나사산과 테이퍼진 스크류축은 나사식으로 결합되며 상호

작용에 의해 점차 중심점으로 이동하여 물체를 파지하는 형태이다 사용된 2 개

의 샤프트는 중공축으로 설계하였으며 외부 샤프트는 4 조 핑거가 물체를 파지

하여 비트는 모션을 구현하는데 사용되었다 내부 샤프트는 핑거를 중심점으로

전진시켜는 기능을 수행한다 중공축으로 설계한 내부 샤프트는 차후 개발될 인

스트리먼트의 탈부착을 손쉽게 할수있도록 구현하였고 4 조로 설계된 핑거는 그

립시 인스트리먼트의 응력집중현상을 분산시키는 기능과 2 조로 그립하였을때

보다 안정적인 그립감을 형성한다

- 55 -

동력원과 동력전달장치는 Fig 4-15 에 나타내었으며 Two Fingertip Grasp system

의 문제점이었던 구동부의 모터의 설치 방법을 외부에 부착하는 형태로 변경하

여 우레탄 밸트를 사용하였다 또한 아이들러를 사용하여 밸트의 방향을 변경

하여 모터의 부착위치를 자유롭게 설정할 수 있도록 하였고 모터 브라켓에 슬

리브 홈을 설치하여 벨트의 장력을 조절할 수 있도록 하였다

Fig4-11

Fig4-12 Fou

- 56 -

Four fingertip

ur fingertips g

ps grasp system

grasp system la

m

ayout

Fig 4-13

Fig 4-14

- 57 -

Fingertip gra

4 Fingertip gr

asps mechanis

rasps extended

m

d

Fig 4-15

- 58 -

5 Power transmission devicce

- 59 -

제 5장 결 론

본 연구에서는 MIS 수술 로봇을 위한 햅틱 마스터장치 구동용 능동형 그리

퍼를 설계하기 위하여 그에 상응하는 자료 및 문헌 조사를 수행하였고 햅틱 마

스터에 적용 가능한 능동형 그리퍼를 설계하여 로봇 시스템의 초안을 구성하였

다 수술용 도구를 단순히 잡아주는 역할에서 벗어나 시스템에 추가적인 자유도

를 부여함으로써 그리퍼를 표현하였다 단순화된 그리퍼는 보다 저렴한 가격으

로 생산될 수 있으며 기존 로봇 수술시스템의 높은 비용을 절감할 수 있는 효

과를 가져올 수 있다

최종적으로 제안한 설계 안으로는 2 조 핑거그립를 사용하는 전기모터형 그

리퍼 와 추가적으로 개선한 4 조 전기모터형 핑거그립를 설계였다 스윙형 그립

의 단점을 보안하여 집중응력을 분산할 수 있는 구조로 설계하였고 그리퍼의

무계를 줄일 수 있는 방법을 제시하였다 이로써 원통형 도구 파지 시 안정성이

향상되었고 보다 원활하게 수술 도구를 교체 가능하도록 하였다

앞으로 촉감을 전달할 수 있는 센서의 개발로 햅틱 디바이스 인터페이스 장

치의 활용에 보다 높은 기여를 할 것이라 예상된다

-６０-

참고 문헌

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한국정밀공학회 2009년 추계학술대회 논문집

-６１-

[9] 이재훈김형욱이병주서일홍 ldquo새로운 6자유도 병렬형 햅틱 기구의 최적설

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[12] 고대성김성목김희국이병주 ldquo병진형 자유도와 1자유도 파지기능을 가지는

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• 제1장 서 론
• • 11 연구배경 및 연구목적
  • 12 연구내용
  • • 제2장 로봇 산업의 기술 현황
    • • 21 로봇산업의 동향
      • 22 의료용 로봇기술 현황
      • 23 의료용 로봇시장 전망
      • • 제3장 능동 그리퍼
        • • 31 최소침습 수술 햅틱 장치구현에 필요한 능동 그리퍼 제안
          • 32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류
          • 33 파지형태에 의한 그리퍼의 분류
          • 34 메카니컬 핸드의 구속기능
          • 35 대표적인 동력원의 특징
          • • 제4장 능동형 그리퍼 설계
            • • 41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정
              • 42 모터 선정 알고리즘
              • • 43 1 차 능동형 그리퍼 설계
                • 44 2 차 능동형 그리퍼 설계
                • • 제 5 장 결론
                  • 참고문헌
                  • TABLE 2-1 Domestic robot classification
                  • TABLE 2-2 Robot Production Company
                  • TABLE 3-1 Characteristics of power sources
                  • TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics
                  • TABLE 4-2 αSTEP Motor Characteristics
                  • Fig2-1 Phase of medical robots in the robot industry
                  • Fig2-2 Da Vinci surgical case number
                  • Fig3-1 Da Vinci robot system for MIS
                  • Fig3-2 Classified by the gripper grip action
                  • Fig3-3 Swing-type hand mechanism
                  • Fig3-4 Hand mechanism for translational type1 (parallel displacement)
                  • Fig3-5 Hand mechanism for translational type2 (Rack and pinion type)
                  • Fig3-6 Hand mechanism for three point pinch type
                  • Fig3-7 Movement of object
                  • Fig3-8 Contacts of the kind and the confining
                  • Fig3-9 Human Arm structure
                  • Fig4-1 Configuration of the fingers on robot gripper
                  • Fig4-2 Change the value of the angle of phage torque
                  • Fig4-3 Motor Selection Algorithm
                  • Fig4-4 Arbitrary Shape of Planar Area
                  • Fig4-5 Parallel-Axis Theorem
                  • Fig4-6 Arbitrary Shape of Polar Area
                  • Fig4-7 Example of Velocity Guidance
                  • Fig4-8 Parallel-link Grasp system 1
                  • Fig4-9 Parallel-link Grasp system 2
                  • Fig4-10 TWO Fingertip Grasp system
                  • Fig4-11 Four Fingertip Grasp System
                  • Fig4-12 Four Fingertip Grasp System layout
                  • Fig4-13 Fingertip Grasp Mechanism
                  • Fig4-14 Fingertip Grasp extended
                  • Fig4-15 Power Transmission Device

- 1 -

제 1장 서 론

11 연구 배경 및 연구 목적

로봇은 이미 다양한 자동화 산업 분야에서 높은 부가가치의 창출로 인해 그

가치가 인정되어 점점 더 그 활용 분야가 증가하고 있는 추세에 있다 또한 최

근 들어서는 산업현장뿐만 아니라 생활 기구 의료용에서도 로봇을 접목시켜 이

를 실제 시스템에 사용하고 있다 특히 의료용 로봇 분야에서는 수술행위를 대

행하는 다빈치 로봇의 개발로 수술의 신뢰도를 크게 향상시키고 있다

다빈치 수술시스템은 너무나 성공적 이여서 수술행위의 수행에 있어서 커다

란 변화를 가져왔다 최소 침습수술의 발전으로 환자의 회복속도는 놀랍도록 빨

라졌지만 모든 개복수술을 최소 침습수술기법으로 대처하기에는 아직 기술적으

로 극복하지 못한 분야도 있다 기존의 복강경 수술의 경우 수술시야가 제한적

이고 수술부의로의 유일한 접근 통로인 투관이 한정되어 있어 손 운동에 제한

적이다 또한 로봇은 복잡하고 종종 큰 수술 시 다양한 의료장비를 교체해야 하

는데 교체 시 많은 시간이 요구된다 이러한 많은 준비단계와 사용하고 나서의

복잡한 소독과정으로 인해 실제 로봇을 이용한 수술은 많은 시간이 걸리며 초

기자본을 회수하는데 많은 시간이 걸리므로 경제성이 떨어진다 또한 실제 수술

시에는 다양한 수술도구들이 사용되는데 로봇수술을 위해서는 로봇 팔과 연동

된 수술 도구들이 쉽게 탈 부착 될 수 있어야 한다 실제 수술도구들이 쉽게 탈

부착된다면 작업 능률이 보다 증대될 것이다

- 2 -

수술용 로봇에 사용되는 엔드 이펙터 (End Effector)을 검토해보면 공통적 인

사실을 확인할 수 있다 시판되고 있는 복강경 로봇수술용 도구들은 Trocar 라

는 기구를 통해 인체 내로 삽입되고 Trocar 의 구조상 수술용 도구들은 Oslash55 이

내의 소형 원기둥 타입의 수술도구들이며 각각의 구동 모터를 개별적으로 가지

고 있다 최근에는 다빈치 수술 로봇이 사용됨에 따라 3 차원 고화질의 영상의

제공과 더불어 떨림 없는 정교한 시술작업이 가능해 졌으며 다자유도 수술 기

구 도입으로 좀 더 다양한 수술들이 가능해 졌지만 이러한 장점에도 불구하고

수술 시 힘의 강약조절이 불가능하다는 점은 가장 큰 단점으로 지적되고 있다

또한 아직 가격이 고가이고 구현 가능한 작업 영역대비 각 암의 크기가 커서

수술 시 암 사이의 충돌이 발생하는 문제가 제기되고 있다

또한 다빈치 수술로봇은 집도의 손으로 조작하여서 수술을 수행하는 수술

로봇 시스템으로 여러 가지 장점이 있지만 로봇이 수술하면서 발생하는 반력을

직접 집도의에게 전달하지 못하는 단점이 있다 이런 단점을 보안하기 위하여

수술용 로봇 시스템에 햅틱의 기능을 추가하여 로봇 시스템을 구성하는 것을

전 세계적으로 많은 연구가 진행되고 있다

따라서 본 연구에서는 수술용 햅틱 로봇에 적용이 가능한 로봇 시스템에서

수술도구를 집고 수술을 직접 수행하는 그리퍼 시스템을 설계하도록 하겠다

이를 위해 현재 로봇 시장의 현황을 분석하고 능동형 그리퍼를 설계하기 위한

여러 가지 이론적 배경과 그리퍼 설계 제한 조건을 설명한다 최종적으로 그리

퍼 설계를 수행한 후 각각의 설계에 따른 분석을 수행할 것이다

- 3 -

12 연구 내용

본 연구에서는 의료용 햅틱 로봇 시스템에 적합한 능동형 그리퍼를 설계하

는 것이 본 연구의 목적이며 이를 위한 연구내용은 각 장 별로 요약하면 다음

과 같다

제 1장에서는 본 연구를 수행한 배경과 목적을 설명하였다

제 2 장에서는 연구의 첫 단계로 본 연구의 이론적 배경을 기술하였다 수술

로봇의 개요 및 동향 선행기술에 대하여 설명하였다

제 3 장에서는 능동형 그리퍼에 대한 이론적 배경을 기술하였다 그리퍼의 자

유도 기능분석 메키니칼 구성표 동력원에 대해 고찰하였다

제 4 장에서는 능동형 그리퍼의 설계 결과를 기술하고 설계 안에 대한 방향

을 제시하였다

마지막으로 제 5 장에서는 결론 및 향후 연구되어야 할 문제들에 대하여 언

급하였다

- 4 -

제 2장 로봇 산업의 기술 현황

21 로봇산업의 동향

(1) 국내로봇산업 분류체계

로봇이란 용어는 1921 년 카펠 차펙 (Karel Capek)이 쓴 희곡에서 유래하여

전통적인 로봇이란 반복 노동을 대체하는 자동화 기계로 인식되어 왔으나 현대

에 와서는 외부의 환경을 인식하고 지능을 바탕으로 스스로 판단하여 자율적으

로 동작하는 장치로 변모하였다 이렇게 변모하는 로봇산업은 현행 한국표준산

업 분류 체계상 단일제품 수준의 lsquo산업용로봇rsquo 으로만 분류하여 급성장이 예상

되는 lsquo서비스로봇rsquo 부분은 포함되어 있지 않았다 이에 산업자원부는 2007 년 1

월 로봇산업의 분류체계를 새롭게 마련하고 로봇산업의 승인통계를 구축하였다

이로써 1978 년 로봇산업이 시작한 이래 30 년 만에 비로소 로봇산업에 대한 명

확한 분류체계를 구축한 것이다

이 분류체계에서 로봇산업은 크게 개인서비스용 로봇 전문서비스용 로봇

제조업용 로봇 네트워크 로봇 로봇부품 및 부분품 등 대분류 5 개 중분류 28

개 소분류 136 개 항목으로 분류되어 있다 이를 구체적으로 살펴보면 TABLE

2- 1과 같다

- 5 -

TABLE 2-1 Domestic robot classification

대분류 중분류

서비스 로봇

개인 서비스용가사용 생활 지원용 여가 지원용 교육

용 기타 개인서비스용

전문서비스용

빌딩 서비스용 극한작업용 의료 복지용

사회 인프라용 군사용 생물 생산용 기

타 전문 서비스용

제조업용 로봇

이적재용 공작물 착탈용 용접용 표면처

리용 조립분해용 가공용 공정용 시험

검사용 기타 제조업용

네트워크 로봇 -

로봇부품 및 부분품 로봇용 구조구동센싱제어통신소프트

웨어기타 부품 및 부분품

lt자료gt 산업자원부

ldquo의료 복지용 로봇rdquo은 전문서비스용 로봇의 한 분야로 로봇산업의 중분류로

분류되고 있다 의료 복지용 로봇은 다시 수술 로봇 재활 훈련용 로봇 의료진

단 및 검사용 로봇 기타 의료 복지 로봇 등으로 소분류체계를 구축된다

산업연구원 (2007)에서는 로봇산업에서의 의료용 로봇의 위상을 Fig 2-1 과

같이 도식화 하였다 의료용 로봇을 포괄하고 있는 지능형 로봇은 우리나라가

소득 3 만 달러 시대를 선도할 미래스타산업으로 타 분야에 대한 기술적 파급

효과가 큰 첨단기술의 복합체라는 점 때문에 특히 중요하다고 할 수 있다

- 6 -

Fig2-1 Phase of medical robots in the robot industry

(2) 국내로봇산업 규모

가 로봇생산 기업규모

앞 절과 같은 로봇산업 분류체계에 근거하여 2006 년부터 로봇산업 통계조사

가 체계적으로 이루어지기 시작하였다 이 통계조사에 따르면 국내 로봇생산을

담당하고 있는 기업은 TABLE 2-2와 같다 2006년 총 170개 제조업 로봇 77개

사 (453) 로봇부품 및 부분품 48 개사 (282) 개인 서비스용 로봇 24 개사

- 7 -

(141) 전문서비스용 로봇 13 개사 (76) 네트워크 로봇 8 개사 (47)로 분포

되어 있다 이와 같은 수치는 2005 년 대비 제조업용 로봇 관련 기업 수는 다소

감소하였으나 전문서비스용 로봇이나 개인서비스용 로봇 관련 기업 수는 다소

증가하였다 또한 기업체 당 평균 자본금은 5354 억으로 제조업을 제외하면 기

업체 당 평균 자본금이 가장 높은 분야는 개인 서비스용 로봇 (2570 억원) 가

장 낮은 분야는 전문 서비스용 로봇 (1106억원)으로 나타났다

이는 최근 수요가 증가하는 생활 관련 로봇들에 대한 대기업의 투자나 진입

이 두드러지면서 나타난 현상이며 이런 기업들의 투자에 따른 생활 로봇 기술

향상이 두더러 지게 나타나고 있다 따라서 의료용 로봇 산업분야의 체질강화

와 기업 경쟁력 강화를 위해서는 최근 늘어나는 수요창출에 발맞추어 중견기업

들의 투자와 연구개발이 집중되어야 할 것이다

한편 로봇기업의 매출액 규모는 1억 원 미만의 영세한 업체가 30 1억~10

억 원 규모의 업체가 282 10억~50억 원 규모의 업체도 282로 대부분의 로

봇기업은 매출액 규모 50 억 미만의 중소기업체인 것으로 나타났다 특히 의료

용 로봇은 영세한 업체가 담당하기에는 다소 연구개발과 투자비용이 많이 소요

되기 때문에 대기업이나 정부의 투자나 지원이 반드시 필요하다 이러한 상황에

서 국내 의료용 로봇 시장의 성장을 낙관하기는 다소 무리가 있다 따라서 대기

업들이나 정부는 의료용 로봇 시장 확대와 성장에 적극적으로 참여해야 할 것

이다

- 8 -

TABLE 2-2 Robot Production Company

구분

2005 2006

업체수 구성비 업체수 구성비

제조업용 로봇 60 333 77 453

전문서비스용 로봇 13 72 13 76

개인서비스용 로봇 39 217 24 141

네트워크 로봇 17 94 8 47

로봇부품 및 부분품 51 283 48 282

합계 180 1000 170 1000

나 로봇생산 생산규모

로봇기업의 생산 현황을 보면 2005 년에는 5722 억 원 정도였으나 2006 년에

는 7196 억 원으로 258의 증가율을 보였다 특히 의료 복지용 로봇 분야가 포

함되어 있는 전문서비스용 로봇은 2005 년에는 53 억 정도였으나 2006 년에는

124억으로 전년대비 1309의 높은 증가세를 보였다

최근 국내에서 개발된 환자 안내용 로봇인 스누봇 (SNUBOT)이나 내시경 로

봇인 미로캠 (MiroCam) 등의 개발로 인해 더욱더 생산 증가폭은 커질 것으로

전망한다 의료 복지용 로봇분야에서는 2005 년에는 생산이 거의 없었으며 2006

년에는 약 6 천 만원으로 증가하기는 하였으나 이는 다른 로봇 분야에 비하면

극히 미비한 생산액이며 수술 로봇이나 재활 로봇에 대한 생산은 거의 전무한

실정이다 한국과학기술정보연구원(KISTI)에 따르면 2006 년 국내 서비스 로봇

- 9 -

(산업용 로봇 제외) 시장규모는 약 624 억 원으로 미비한 수준에 그쳤으나 2011

년 5117 억 원에 달하고 2013 년 이후는 수조 원에 달하는 황금시장으로 떠오를

것으로 예상하였다 또한 정부에서는 2005 년 국내 로봇산업 육성을 위해 2013

년까지 세계 시장 점유율 15 총생산 30 조원 수출 200 억 달러 고용창출 10

만 명 등 세계 3위의 로봇강국을 목표로 하고 있다

22 의료용 로봇기술 현황

(1) 의료용 로봇 유형 및 개념

의료용 로봇은 크게 수술 로봇 수술 시뮬레이션 재활로봇 기타 의료 로봇

등으로 분류된다

첫째 수술 로봇은 크게 두 가지의 유형으로 분류된다 먼저 수술 보조 로봇

(surgery assistant robot)은 수술실에서 집도의 명령에 따르면서 수술을 보조하거나

영상 가이드 역할을 해주는 로봇을 의미하며 수술 로봇 (surgery robot)은 의사를

대신하여 수술과정의 전체 혹은 일부를 의사 대신 혹은 의사와 함께 수술 작업

을 한다

둘째 수술 시뮬레이터 (surgery simulator)는 의사의 수술에 관한 숙련도를 높

이기 위하여 가상의 그래픽 환자 모델과 햅틱 장치 (haptic device) 등을 이용하

여 수술을 연습할 수 있게 하는 의료용 로봇이다 특히 근래에 들어 프로세스의

- 10 -

성능이 좋아지면서 MRI 나 CT 영상 등을 활용한 실시간 3 차원 볼륨이 가능해

지면서 의료용 시뮬레이터 개발은 가속화 되었다

셋째 재활 로봇 (rehabilitation robot)은 노인과 장애인의 재활치료와 일상생활

을 도와 주는 로봇 시스템으로 단순한 신체를 지지해 주는 역할을 벗어나 중증

환자나 노인의 신체 움직임을 향상시키고 빠른 시일 내에 회복하도록 주요 기

능을 수행하고 장애인의 장애를 극복하여 독립적인 생활을 가능하게 할 수 있

는 특정 기능의 로봇을 의미한다

넷째 기타 의료 로봇으로는 간호 로봇이나 안내로봇 등이 있다 현재의 간

호 인력을 도와서 수술이나 치료를 받는 환자를 보살피는 로봇으로서 정확한

투약과 수술 후 관리가 가능하도록 도와주는 기능과 환자의 이동 간병 및 산책

이 가능하고 말벗의 기능을 포함하는 로봇을 의미한다

(2) 의료용 로봇기술 개발현황

가 수술 로봇

현재까지 연구된 수술 로봇은 미세 수술용 원격수술 로봇 최소침습수술

(MIS) 로봇 관절 수술 로봇 등으로 분류할 수 있다

원격수술 로봇 시스템 일환으로 개발된 대표적인 로봇으로는 일본 동경대의

원격 수술 로봇 미국 NASA JPL 의 RAMS SRI International 의 원격 수술 로봇

한국과학기술원의 미세수술용 Slave 로봇 등이 있다

- 11 -

MIS 의 로봇 시스템 일환으로 개발된 대표적인 로봇으로는 미국의 UC 버클

리대의 수술 로봇시스템 Computer Motion 사의 내시경 보조 로봇인 이솝

(AESOP)과 복강경 수술 로봇인 제우스 (ZEUS) 제우스 보다 진보된 Intuitive

Surgical 의 다빈치 (daVinch) 등이 있다 이 중 다빈치는 수술용 로봇으로 거의

독점적인 위치로써 세계 로봇수술의 첨병역할을 하고 있다

관절 수술 로봇의 일환으로 개발된 대표적인 로봇으로는 미국 Integrated

Surgical System사의 로보닥 (Robodoc) 독일의 Orto Maque사의 CASPAR 영국의

Imperial College의 아크로보트 (Acrobot) 등이 있다

나 수술 시뮬레이터

수술 로봇 이외에 의사의 수술에 관한 숙련도를 높이기 위한 의료용 시뮬레

이터가 활발하게 연구되고 있다 특히 근래에 들어 프로세서의 성능이 좋아지면

서 MRI 나 CT 영상 등을 활용한 의료용 수술 시뮬레이터 개발이 가속화 되었

다 대표적인 수술 시뮬레이터로는 미국 Georgia Tech의 안구 수술 시뮬레이터

미국 Boston 다이나믹스사의 개복수술 시뮬레이터 Mitsubishi Electric Research Lab

의 무릎관절 내시경 시뮬레이션 영국 맨체스터 대학의 웹기반 시뮬레이터 등이

있다

다 재활 로봇

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노령인구와 장애인구의 증가로 로봇 기술의 필요성은 재활분야에도 확대되

고 있다 장애인의 독립적인 활동을 보장하고 삶의 질을 높이려는 노력은 유럽

등의 선진국을 중심으로 재활 로봇이 연구되어 왔으며 이탈리아에서 개발된

MOVAID 가 대표적인 재활 로봇이다 또 미국에서는 MIT 를 중심으로 RIC 과

같은 로봇 신경 재활 로봇들이 개발되고 있다 스위스에서는 보행 재활 로봇으

로 Lokomat 이 개발되었고 국내에서는 KAIST 에서 휠체어 로봇 시스템과 보행

보조 로봇 등이 연구되고 있다 이외에도 서강대학교에서는 SUBAR 라는 보행

재활 로봇을 개발하였다 이외에도 최근 미국의 Intouch Health 에서 개발한 RP-7

은 멀리 있는 환자의 병증을 파악하는 데 탁월한 원격진료 로봇으로 활용되고

있다

(3) 국내 의료용 로봇 적용사례

상기 서술한 의료용 로봇 중 가장 많은 각광을 받고 있으며 국내에서 적용

되고 있는 사례를 통해 의료용 로봇의 사용 실태를 파악보고자 한다 대표적인

복강경 수술 로봇인 Intuitive Surgical의 다빈치 로봇 시스템과 고관절 수술 로봇

인 Integrated Surgical System사의 로보닥을 중심으로 국내 실태를 살펴보고자 한

다

가 다빈치

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Fig 2-2 da Vinci surgical case number

다빈치 로봇은 1997 년 벨기에서 처음으로 환자에게 적용된 이래 국내에

2005 년 7 월 연세대학교 신촌 세브란스 병원에서 최초로 도입하여 2005 년 7 월

15 일 국내 최초로 다빈치를 이용한 로봇 수술이 이루어졌다 Fig 2-2 에서 보

듯이 수술사례는 계속적으로 증가하여 2008 년 1 월 말 현재 750 건이 넘는 수

술이 이루어졌다

다빈치 로봇은 전립선암 위암 대장남 부인암 식도암 갑상선암 간암 등

대부분의 암수술 및 중요 외과계 수술에 적용된다 이는 다빈치 로봇 수술이 가

져다 주는 효과인 개복수술이나 복강경 수술보다 수술회복기간이 단축되고 수

술시간도 감소시키는 역할과 무엇보다 수술 후 환자가 겪는 수술 후유증 확실

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히 줄여주기 때문이다 특히 전립선암의 경우 대표적인 수술 후유증인 요실금

과 발기부전 등의 가능성이 대폭 줄어드는 것으로 알려져 있다

이와 같은 수술사례와 수술성과에도 불구하고 다빈치 로봇의 가격이 25 억

정도의 고가이기 때문에 영세한 의료기관에서 도입하기에는 다소 무리가 따르

고 있다 그러나 대형 병원들은 다빈치의 성공적인 수술사례를 통해 앞다투어

이를 도입하고 있다

2008 년 1 월 현재 신촌 세브란스 병원은 이미 3 대를 도입했고 영동 세브

란스 병원 고려대 안암병원 서울아산병원 한림대 강남병원 분당서울대병원

삼성서울병원 경북대병원 동아대병원 등 9 개 의료기관에 도입되어 있다 또한

최근 (2008 년 1 월 30 일) 연세대 세브란스병원은 로봇 수술의 활성화를 위해

Intuitive Surgical 과 공동으로 복강경 수술용 로봇 다빈치를 이용한 수술법을 배

우는 lsquo연세 다빈치 트레이닝 센터rsquo를 개소하였다

다빈치는 로봇 가격만큼 수술 비용에 있어서도 고가인데다 의료보험이 적

용되지 않아 수술 비용을 환자가 모두 부담해야 하는 실정이다 다빈치 로봇 수

술 비용은 700~2000 만 원선으로 기존의 수술 비용인 200~300 만 원 보다는 다

소 높은 가격이다 특히 전립선암의 경우 로봇 수술 비용은 1500 만 원 선으로

개복수술이나 복강경수술보다 5~7 배 정도의 높은 가격이다 그럼에도 불구하고

로봇 수술은 거의 모든 암 수술에 적용되고 있고 환자와 의사 모두 만족하는

수술법으로 자리잡아 가고 있다

- 15 -

나 로보닥

로봇이 외과적 기계로써 임상적으로 처음 국내에서 적용된 것은 1992 년 lsquo로

보닥rsquo이라는 의료용 로봇이다 미국에서 개발된 로보닥은 인공관절이 삽입될 환

자의 뼈를 로봇으로 가공해서 수술 성공률을 획기적으로 높였다 두꺼운 뼈를

정확한 형상으로 깎아내는 작업에는 CADCAM 자료에 따라 작동하는 로봇 팔

이 숙련된 외과의사를 간단히 능가했다 로보닥은 한국과 EU 의 판매승인을 획

득했고 결국 인공관절수술의 대세를 장악했다 세계적으로 8000 회 이상의 수술

이 로보닥을 이용하여 성공적으로 수행되었으며 2001년 FDA의 승인을 받기도

하였다

2002 년 국내 처음으로 로보닥이 도입된 이래로 이춘택 병원은 현재까지

2556 회라는 경이적인 수술건수를 기록하였다 그는 최소침습수술과 접목하여

로봇의 정밀성과 최소 절개기술을 결합시킴으로써 환자의 고통과 재활 기간을

크게 줄였다 그러나 로보닥의 가격은 무려 17 억 원이며 3 차원 영상까지 구현

하기 위해서는 10 억 원 상당의 멀티 CT 까지 도입해야만 한다 그렇기 때문에

소규모의 관절전문병원이 도입하기에는 다소 무리한 점이 있다 이러한 상황에

서 이춘택은 국내시장에 맞는 로봇개발을 위해 국산 부품 및 소프트웨어를 개

발 중에 있다 따라서 우리나라도 고령화 사회를 맞아 세계적으로 관절 수술이

급증하고 있는 상황에서 국내 기술로 만든 수술용 로봇이나 소프트웨어 개발은

국내 의료용 로봇시장의 활성화를 이룰 수 있다

- 16 -

23 의료용 로봇시장 전망

(1) 로봇산업 전망

로봇 분야별 세계시장 정세를 살펴보면 제조업용 로봇은 시장안전화 단계로

써 급격한 시장변화는 어려우며 신규 생산설비 및 기존 설비에 따른 수요가 대

부분 차지하고 있는 실정이다 개인서비스용 로봇은 가족구조의 핵가족화와 고

령화 현상으로 인한 가족인원으로서의 가정용 로봇에 대한 수요가 증가 추세에

있다 전문서비스용 로봇은 생산국과 생산기업이 극히 제한되어 있으며 제품가

격의 고가로 인해 시장형성에 있어서 생산국과 수요국이 불일치하고 있는 실정

이다 이러한 상황에서 로봇시장의 국가별 점유율을 살펴보면 일본 (28) 미국

(18) 독일 (16) 이탈리아 (10) 한국 (3)의 순으로 세계 5 위를 차지하고

있다 이와 같이 산업용 로봇의 경우는 우리나라의 세계적인 위상이 높지만 아

직까지 전문 서비스 분야 로봇에 대한 세계적인 위상은 미비하다

시장규모 전망과 국내 세계시장 점유율에 대한 전망은 다음과 같다 세계 로

봇시장의 규모는 2010 년에는 247억 5 백만 달러에서 2020년에는 717억 7 천만

달러에 이를 것으로 보고 있으며 연평균 107의 증가율을 예상하고 있다 분

야별로는 제조업용 로봇은 2010 년 세계시장의 114에서 2020 년 144의 비중

을 차지할 것으로 전망하고 있으며 전문서비스용 로봇은 2010 년 세계시장의

09에서 2020 년 21의 비중을 차지할 것으로 예상하고 있다 개인서비스용

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로봇은 2010 년 30에서 2020 년 70 수준에 달할 것으로 보고 있다 비록 전

문 서비스용 로봇산업의 규모는 미국 일본 독일에 비해 미미한 실정이나 전문

서비스용 로봇의 신시장을 개척하고 그 만큼의 기술력이 밑받침된다면 2020 년

세계시장에서의 더 큰 비중의 달성이 이루어질 것으로 본다

(2) 의료용 로봇기술 전망

의료용 로봇시장의 성장은 의료용 로봇기술 개발산업의 성장과 밀접한 관계

가 있다 세계적인 개발추세로는 의료용 로봇개발 하드웨어 분야에서는 일본이

경쟁력이 가장 높으며 소프트웨어 분야에서는 미국이 앞서나가고 있다 또한

독일은 하드웨어 및 소프트웨어 분야에서 동시에 상당한 연구 개발 능력을 보

유하고 있다 앞으로는 이 세 나라가 의료용 로봇 시장의 핵심 주자로 나설 것

으로 예상된다

산업연구원 (2007) 조사에 따르면 국내 로봇산업의 기술은 기술항목에 따라

다소 차이를 보이고 있으나 제조업용 로봇의 경우는 최고 기술 보유국 대비 평

균 85 정도에 육박하고 있으며 전문서비스용 로봇의 경우는 80 정도 개인서비

스용 로봇은 84 정도에 이르고 있는 것으로 나타났다 의료용 로봇 분야에서는

선두주자인 미국의 기술력을 100 이라고 봤을 때 현재 우리나라는 70 정도이며

2015년이 지나야 100 에 도달할 것으로 전망하였다 비록 의료용 로봇에서 세계

1위인 미국에 비해 우리는 아직 10년 이상 차이가 있지만 세계 최초로 국제 규

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모의 로봇랜드 조성과 로봇펀드 발생 등 정부 차원에서의 노력이 여러 가지 방

면에서 다양하게 펼쳐지고 있기 때문에 그 격차는 점차 줄어들 것으로 예상된

다

또한 IFR (2006) 자료에 따르면 한국 산업용 로봇은 세계 5 위의 강국[16]인

데 비해 의료용 로봇에 있어서는 약소국이다 이는 의료용 로봇의 개발비가 많

이 드는데 비해 국내 시장은 극히 제한적이어서 일반 기업의 참여가 아주 저조

하기 때문이다 국내에서 의료용 로봇 관련 기술 개발은 아직 걸음마 단계에 머

물러 있으며 벤처기업 및 대기업들이 개발해 상용화시키고 있는 기술이나 제품

도 대부분이 생활 가전형 로봇에 한정되어 있을 뿐 의료용 로봇분야는 아직 미

개척지로 남아 있다 하지만 국내에서도 의료용 로봇 개발을 수행하기 위해 대

학이나 연구소 차원에서 의료용 로봇에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다 먼

저 한국과학기술원이 8 년 전 설치한 휴먼 웰페어 로보틱 서저리 센터가 대표

적인 연구기관이다 이 연구소에서는 거동이 불편한 환자들을 위한 휠체어의 자

동화 시스템이나 복강경 수술 로봇 등 로봇 수술용 기구의 국산화에 초점을 맞

춰 진행 중이다 또한 최근에는 국립암센터 역시 산업자원부로부터 수술용 로

봇과 영상시스템을 주제로 한 의료용 로봇 개발자로 선정되어 연구에 들어갔다

비록 국내 의료 및 수술 로봇 관련 기술이 일본 미국 등에 비해 아직까지

뒤쳐져 있는 실정이지만 국내에서도 의료용 로봇 기술 개발이 이처럼 활발히

진행되고 있어서 향후 전망은 매우 밝다고 할 수 있다 또한 해외에서 각광을

받고 있는 캡슐형 내시경 연구 역시 국내에서 벌써 10 년째 계속 되고 있다 최

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근 한국과학기술연구원과 벤처기업인 인트로메딕이 개발한 세계 최소형 캡슐형

내시경인 미로캠 (MiroCam)은 2010 년까지 국내 캡슐형 내시경 시장의 80를

점유할 것으로 예상하고 있다 이러한 국산 의료용 로봇 개발을 통해 고부가가

치 시장인 세계 의료 시장에 뛰어들 수 있는 기반을 다졌다는 데에 큰 의미가

있다

전문 서비스용 로봇의 경우 제조업 로봇 관련 풍부한 경험을 바탕으로 전문

서비스용 로봇으로의 기술확대 메카트로닉스 (mechatronics) 관련 다양한 산업기

반과 세계적인 IT 인프라 보유국의 강점을 살리고 있다 또한 한국은 10 대 성

장동력간 연계 등을 통한 시너지 효과와 세계 전문서비스 로봇 시장이 초기형

성 단계임을 감안한다면 이 분야의 진출에 대한 절호의 기회이며 머지않아 의

료용 로봇 강국으로 진입할 수 있을 것으로 기대된다

- 20 -

제 3 장 능동 그리퍼

31 최소침습 수술 햅틱 장치 구현에 필요한 능동 그리퍼 제안

21 세기 로봇 기술 분야에서는 인간과 기계 시스템 간의 커뮤니케이션이 무

엇보다 중요하게 강조되며 이러한 인간과 기계 시스템의 의사소통은 주로 인간

의 감각 기관을 통해 이루어 진다 일반적으로 인간에게는 보고 듣고 냄새를

맡고 맛을 보고 피부로 느끼는 오감이 있으며 이러한 감각을 시각 청각 후

각 미각 촉각이라고 한다 따라서 이러한 인간의 감각에 정보를 전달하기 위

한 다양한 기계 시스템들이 개발되어 왔다 오감 중에서 현재 인간과 기계 시스

템간의 인터페이스 역할을 하는 표적인 감각으로는 사물을 보는 시각과 소리

를 듣는 청각이 주로 이용되고 있다 이를 위한 시스템들은 이미 상당한 수준으

로 발전해 현재 상용화 되어 활용되고 있다 하지만 이러한 시각과 청각 인터

페이스 만으로는 로봇의 제어에 한계가 있으며 오감 중에서 세 번째 감각인 촉

각에 한 인터페이스가 현재 활발히 연구 개척되고 있다 만약 가상현실에 촉

감 인터페이스가 적용된다면 기존의 시각과 청각에만 의존하던 가상 현실에 촉

감을 전달함으로써 실제 물건을 만지고 느낄 수 있으므로 가상현실을 보다 더

실감나게 할 수 있을 것이다 하지만 인간의 감각 중에서 촉각은 매우 민감한

감각으로 여기에 촉감 정보를 전달하는 인터페이스는 아직 많은 연구를 필요로

하고 있다

- 21 -

햅틱 (haptic)이란 단어의 사전적인 의미는 ldquoof or relating the sense of touch

tactilerdquo로써 물체를 만질 때 사람이 느낄 수 있는 촉각적 감각으로 피부가 물체

표면에 닿아서 느끼는 촉감 (tactile sensation)과 관절과 근육의 움직임이 방해 될

때 느껴지는 근 감각적인 힘 (kinesthetic force)의 두 가지 힘을 모두 합쳐서 부르

는 말이다 촉감 구현 연구는 물리적 장치를 이용하여 사람이 직접적인 접촉이

없이도 촉각 정보를 전달하는 방법에 관한 전반적인 연구 분야를 일컫는 말로

사람에게 원격지에 있는 물체의 물리적 특성을 전달하는 원격조작 혹은 원격현

장감에 관한 연구로부터 시작되었다 가상 혹은 실제 환경에서 촉감을 구현하기

위한 연구를 포괄적으로 의미하는 용어로 햅틱스 (haptics)라고 한다 주요 연구

분야는 사람이 직접 손에 쥐거나 착용하는 물리적 장치인 햅틱 디바이스 인터

페이스 (haptic interface) 가상 공간상의 물체에 기계적 성질을 부여하여 사실감

이 있는 상호작용을 제공하고자 하는 햅틱 렌더링 (haptic rendering) 사람의 촉

각 인지 특성에 관한 연구 (tactile perception) 등으로 나눌 수 있다 특히 햅틱

인터페이스 (haptic interface)는 햅틱 디바이스 (haptic device)라고도 불리우며 사람

에게 촉감을 전달하는 물리적인 장치를 말하며 더 넓은 의미로 사용하여 가상

의 환경을 촉감 전달을 통해서 느끼게 하는 시스템 전체를 가리키기도 한다 이

러한 햅틱 기술은 다양한 분야에서 활용될 수 있는데 표적인 분야로는 가상

현실 분야 인간-컴퓨터 인터페이스 분야 게임 등 사이버 커뮤니케이션 그리고

원격제어 로봇 등이 있다 특히 원격제어 로봇이 많이 활용되고 있는 의료 분

야에서 햅틱 구현은 매우 시급한 과제이다 현 의 수술은 점점 첨단의 수술 도

- 22 -

구와 로봇을 이용하여 집도되는 추세이며 최소침습수술 (minimally invasive

surgery MIS)이 그 표적인 예이다 이 수술법은 환부의 구멍에 수술도구와 카

메라를 삽입하여 집도의가 모니터를 보면서 시술함으로써 시술시간이 짧고 환

자의 회복이 빨라서 그 적용 범위가 점차 확 되고 있다 하지만 환자가 얻게

되는 이점에 반해 의사는 개복 수술에서 쉽게 이용하던 기술들을 더 이상 적용

할 수 없게 되어 집도에 있어 큰 어려움을 부담해야만 한다 즉 환자의 내부에

서 손의 움직임과 시야의 제약을 받게 되었고 손으로 환자의 장기나 뼈를 만지

고 상태를 확인할 수 없게 된 것이다 이러한 문제점들을 극복하기 위해 첨단의

의료용 로봇 시스템이 개발되었는데 의사 즉 오퍼레이터가 조작하는 마스터

(master) 로봇과 환자의 환부에서 수술을 진행하는 슬레이브 (slave) 로봇으로 구

분된다 슬레이브 로봇은 크게 수술 시 집도의 팔의 움직임을 구현하는 구동 암

(arm)과 수술도구를 홀딩 할 수 있는 그리퍼로 분류할 수 있다 구동 암의 움직

임은 수술 부위의 위치를 결정하면 별도 큰 움직임 없이 작동시킬 수 있으며

전달 수술 관통 수술이 아닌 경우에는 집도의가 느끼는 힘을 피드백 할 필요가

없다 하지만 그리퍼의 경우는 신체 일부분의 미세한 조직까지 전부 접촉해서

제거하거나 봉합하기 때문에 집도의가 수술 시 느끼는 힘을 구현하여야 보다

정밀한 수술을 수행할 수 있다 따라서 본 연구에서는 햅틱 장치가 적용된 마스

터 로봇과 마스터 로봇에서 형성된 힘을 느낄 수 있으며 원할한 수술을 진행할

수 있는 최소침습수술용 능동 그리퍼를 제안하겠다 Fig 3-1 은 상용 MIS 장치인

다빈치 로봇의 마스터와 슬레이브 그리고 그리퍼를 나타내고 있다

(a) sla

(b

Fig 3-1 da V

Operation Arm

Gripper

- 23 -

ave robot and g

b) master rob

Vinci robot sy

m

gripper

ot

stem for MIS

- 24 -

32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류

산업용 로봇은 그 기능 특성상 필요성에 의해 로봇의 말단부에 그리퍼를 부

착시킨다 이것은 인간의 손에 응되는 것으로서 메커니컬 핸드라고 칭하며 다

루는 상 물체를rdquo파지rdquo해 이동하는 목적으로 사용되는 도구이다

파지동작은 Fig 3-2 와 같이 세분화된다 인간의 손 손가락에는 많은 관절이

있으며 여러가지 작업이 가능하다 일상 생활에서의 붙잡기는 형식을 분류한 것

으로는 슐레징거의 12 형식이 있다 여기서 인간의 손에는 손가락이 있어서 그

것을 유지핸드라고 이름 붙이면 메커니컬 핸드에는 손가락이 없는 구성법이 있

는데 이것을 무지 핸드라고 이름 붙이기로 한다 이 무지 핸드는 기계적 물리적

으로 구조상 무지핸드로 한 것과 공구가 메커니컬 핸드와 일체화됐다고 생각하

는 공구 핸드가 있다 메커니컬 핸드를 분류해 보면 다음과 같다 진공이나 자

기 이용의 흡착 등 물리적 흡척형의 유지는 보통 평면(완만한 곡선도 포함)부를

흡착하는 형태로서 물체의 크기나 중량에 따라 여러 개가 설치되는 경우도 있

다 그러나 물체표면에 만곡부가 있는 경우나 구멍이나 공동이 있는 경우에는

적용할 수 없게 된다 또한 자력을 이용한 경우 철금속 재료를 다루게 되는데

경우에 따라서 매우 효율적이고 신뢰성이 높기는 하지만 물체에 잔류 자력이

남게 되는 문제점이 있다 받기형의 유지는 지지의 동작만을 가지고 있는 형태

이며 이는 전기한 흡착형 보다 적극적이 아니여서 약한 구속을 갖는다 변형하

기 쉬운 물체의 이송등에는 이를 채택한다 매달기형 유지는 중력 방향의 이동

1 자유도를 구속한다 잡기형 파지는 유연성에 의한 변형으로 접촉면적을 크게

하여 집는

상물을 외측

이용하는 등

33 파지형

파지 형

다 본 연구

하여 설명

(1) 두 손

형태이다 현

측에서 파지하

등의 파지방법

형태에 의한

형태로서는

구에서 사용할

명 하겠다

손가락 type

현재 많이 사

하거나 구멍

법이다

한 그리퍼의

상을 바깥에

할 메커니즘은

e

Fig 3-2 Cla

- 25 -

사용하고 있는

속에 손가락

의 분류

에서 파지하

은 바깥에서

assified by the

는 끼우기형

락을 넣은 후

는 것과 안에

파지하는 형

gripper grip ac

파지 형태는

후 벌려서 내

에서 파지하

형태가 유리하

ction

는 핸들링

내측사용면을

는 것이 있

하므로 이에

두 개의

상태를 유지

는 스윙형

안정되게 파

의 리지트한

지해서 개폐

핸드(swingin

파지하는 점에

손가락을 갖

되는 병진형

ng gripper)로

에서 병진형

(a) grinder c

(c

Fig 3-3 Sw

- 26 -

갖춘 것으로

핸드(transla

로 분류된다

보다 떨어진

crank

c) rotation joi

wing-type hand

실용례가 많

ational grippe

스윙형은 기

진다

(b) swing

int

d mechanism

많다 손가락이

er)와 그 방향

기구가 간단하

g block

이 상호평행

향이 변화하

하나 상이

병진형에

4 은 평행링

운동을 바꾸

에 회전시킴

로 유지되기

지된다 직

시키도록 한

가 전middot후진

피니온 방식

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에서는 평행링

링크 방식의

꾸고 그 피니

킴으로써 손가

기 때문에 손

동형 신에

한 것도 있다

진하는 결점이

식이 채용된다

Fig 3-4 Hand

링크 랙middot피니

예로 직동형

니온 운동으로

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손가락의 물체

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이 있다 이문

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- 27 -

니온 나사이송

형 액추에이

로 평행링크의

얻는다 링크

체 파지면의

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를 이용한 형

문제를 해결하

or translational

송 기구 등이

터의 운동을

의 하나의 링

크 PS 와 링

자세도 개폐

이용한 형식

형식은 개폐에

하는 방법으로

type1 (paralle

이 이용되고

랙과 피니온

링크 A 를 축

크 QR 은 항

폐 동작 중 일

식에서 평행링

에 의해서 손

로서 볼나사

el displacement

있다 Fig 3-

온으로 회전

축 P 의 주위

항상 평행으

일정하게 유

링크를 회전

손가락 위치

기구나 랙middot

nt)

Fig 3

는 핸드의

볼나사 기구

다

(2) 세 손

세 손가

가락으로 잡

F

-5 는 회전형

예이다볼나

구 각각을 손

손가락 type

가락을 가진 핸

잡는 것보다

Fig 3-5 Hand

형 액추에터로

나사 기구를 이

손가락에 부착

e

핸드에서는

안정된 파지

d mechanism fo

- 28 -

로 랙 피니온

이용하는 경

착 사라를 회

상을 3 점

지 동작을 할

or translational

온을 회전시킴

우에는 1

회전시킴으로

점에서 유지할

할 수 있다

l type2 (rack a

킴으로써 개폐

의 왼나사

써 개폐 동작

할수 있기 때

nd pinion type

폐동작을 하

오른나사의

작을 실현한

문에 두 손

e)

Fig 3-6

베벨기어를

구동해서 세

실현한 것

각 손가락을

복잡하며 중

6 은 세 손가

를 매개로 상

세 손가락을

이다 특히

을 개별 모터

중량도 증가하

Fig

락형 그리퍼

호 각도를 주

동작시킴으로

원통물체를

터로 구동하도

하기 때문에

3-6 Hand mec

- 29 -

의 일반적인

주어 결합한

로써 이른바

확실히 잡아

도록 한 3 지

실용례가 적

chanism for thr

인 형상을 나타

3 개의 볼

바 3 포인트 핀

아서 유지하

지형핸드도 개

적다

ree point pinch

타내고 있다

나사를 하나

핀치(three po

는데 유리하

개발되고 있으

h type

이 핸드는

나의 모터로

oint pinch)를

하다그 외에

으나기구가

34 메카니

(1) 구속

기계적

어서 형성되

전 구속 기

해서 언급하

으로 움직일

또 X Y 평

니컬 핸드의

속기능

구동장치에

되는 것으로

기능이 있다

하면 구속 상

일 수 있다

평면 X Y 면

의 구속기능

서 구속 형식

크게 나누어

그래서 핸드

상태의 물체는

이것을 물체

X Z 면상에

Fig 3-

- 30 -

능

식과 접촉 상

어서 반구속

드의 구속 기

는 Fig 3-7 와

체의 공전 (이

서 6 방향으

-7 Movement

상태와 포락

속 (받는 구속

기능을 결정하

와 같이 X Y

이동)에 관한

로 회전 한다

t of object

능력의 인자

속 는 구속

하는 물체의

Z 의 3 축상

6 동작 자유

다 이것을 물

자가 복합되

속)기능과 완

구속에

에서 6 방향

유도로 한다

물체의 자전

(회전)에 관

부여한 상태

행할 수 있

서는 회전의

핸드에

한 공간적

면 Fig 3-8

이 그림

를 구속한다

에서 7 자유

선접촉과 면

계수와 절선

(a

관한 6 동작

태에서 움직이

있다 또 완전

의 6 자유도를

의한 물체의

적인 포락 상

와 같이 된

(a)의 점접촉

다 그러나 1

유도를 구속

면접촉에는 각

선력법선력

a) point contac

Fig3

자유도로 한

이며 중력이

전 구속은 핸

를 무시하는

의 구속은 핸

상태로 정한다

다

촉은 접촉점

1 점접촉은 다

한다 (c)의

각각 마찰에

비와의 관계

ct (b

3-8 Contacts

- 31 -

한다 반구속은

이나 환경면의

드 자체로 1

경우도 적지

핸드와 물체의

다 먼저 접촉

방향의 1 자

다른 11 자유

면접촉은 11

위한 구속이

계로 구속불능

) line contact

of the kind an

은 12 자유도

의 구속을 받

12 자유도를

지 않다

의 접촉 상태

촉부의 구속

자유도를 구속

도를 구속할

1 자유도의 구

이 4 개와 6 개

능의 가능성을

nd the confini

도 중 몇 개의

아서 완전 구

행하는데 경

태 및 접촉부

능력을 모델

속한다 그러나

할 수 없다 (b

구속을 할 수

개 주어져 있

을 가진 구속

(c) surface co

ing

의 자유도를

구속으로 이

경우에 따라

부의 물체에

델로 나타내

나 1 자유도

b)는 선접촉

수 있다 단

있으며 마찰

속 성분이기

ontact

- 32 -

도 하다 또한 면접촉의 상태는 중력의 작용을 이용하면 받기를 형성하고 또

외계력을 이용하면 기를 형성한다

이들의 접촉상태는 물체의 형상과 핸드의 구속면으로 규정되는 것으로 핸드

만으로 결정하기는 어렵다 단 핸드의 구속면을 부드러운 재질로 형성하면 면

접촉의 이행이 용이하다 이와 같은 이유에서 물체에 접촉부가 포락도를 높이는

데에 따라서 물체 형상에 관계 없이 구속 능력을 증 시킬 수 있다

(2) 메커니컬 핸드의 자유도

로봇의 손은 그 용도를 불문하고 인간의 손 작업의 행을 목적으로 하는

것이므로 그 설계에 있어서 모델로 되는 것은 말할 것 도 없이 인간의 손이다

그래서 우선 기구에 하여 설명하기 전에 인간의 손의 구조 모델에 하여 설

명해 본다

AmiddotMorecki 에 의하면 인간의 상체는 그 해부학적 구조에 입각하면 Fig 3-9 와

같이 모델화할 수 있다 Fig 3-9 에서 숫자는 각각 골격 즉 링크를 나타내고 숫

자 II~ V 는 관절을 나타내고 있다 이와 같은 공간링크 기구의 자유도 F 는 가

동부수 n 자유도의 종류 f 를 가진 우 수를 Pf 라 하면 다음 식으로 나타낼

수 있다

6n sum ∙ P 12345 (3-1)

Fig 3-9

들 자유도가

을 Fig 3-9

P5=10 이므

인간의

유도 1 의

해 있으며

의 모델에서

가 있는 관절

9 와 같이 정

므로 위 식에

상지를 인공

액튜에이터를

22 개나 되

Fig 3

서는 n=19 P2

절에 작용하는

정의하고 그

서 FH=22 가

공적으로 정밀

를 27 필요

는 액튜에이

- 33 -

3-9 Human Ar

2=1 P3=2 P4

는 근군은 약

자유도 FH

가 된다

밀하게 재현하

요로 하게 된

터를 필요로

rm structure

4=6 P5=11 이

약 50 이라고

를 구하면

하려고 한다면

된다 또 손에

로 한다 그러

이므로 F=27

고 되어 있다

이 경우는 n

면 이상의 결

는 특히 자유

나 로봇의 손

이 된다 이

여기서 손

n=16 P4=6

결론에서 자

유도가 집중

손이 이만큼

- 34 -

의 수의 액튜에이터를 갖춘 것을 제작한다는 것은 크기 중량 제어면에서 볼

때 현시점에서는 불가능에 가깝다 특히 의수에 있어서는 상술한 바와 같은 형

상이나 조종성 등의 점에서 전혀 불가능하다고 해도 좋다 따라서 보통은 기능

에 주목하여 손에 집중해 있는 자유도의 간략화를 도모한다

인간의 잡기 동작에 주목해 보면 그 잡기 형상에는 12 종류가 있다고 하다

그러나 이것들은 엄지와 다른 12 종류가 있다고 한다 그러나 이것들은 엄지와

다른 4 손가락과의 관계에 주목하였을 때에 2 종류 즉 엄지가 다른 4 손가락과

항해서 동작하거나 그 측방에서 동작하는가로 분류할 수 있다 실제의 일상

동작에서 관찰하면 이들 중에서도 엄지와 손가락이 항해서 동작하는 소위 쥠

동작이 우선 첫 번째이고 또 다음에 엄지 검지 중지의 3 손가락의 선단으로

이루어지는 3Point Pinch 즉 잡기동작이 중요하다

더불어 손가락의 독립성에 해서는 역시 일상동작 중에서 손가락의 사용

빈도를 조사한 결과에 의하면 다섯 손가락은 반드시 독립적인 운동을 필요로

하지 않고 엄지 검지 중지가 같은 정도의 중요성을 자기며 다른 두 손가락은

사용 빈도에 있어서 이들 세 손가락보다 약 50 적으며 다른 세 손가락의 보

조 역할을 한다고 볼 수 있다 그리고 특히 중요한 것은 인간의 각 손가락은 잡

기 상물의 형상에 적응한 쥐기 즉 Passive 한 동작을 할 수 있다는 것이다 이

기능이 있다면 각 손가락이 독립적으로 동작하지 않더라도 또 다소 손의 자유

도를 제거하더라도 상물의 확실한 쥐기나 잡기 그리고 기타 손 작업에 큰 힘

을 발휘한다

- 35 -

34 표적인 동력원의 특징

동력원을 설계할 때 다음의 점을 고려하면서 가장 적합한 방식을 선택한다

1조작력(로보트가 내는 최 의 힘 예를들면 최 들어올린 힘)

2속응성(최 조작 속도)

3크기 중량(로보트의 크기와 중량의 제한)

4안정성(발열이나 과부하에 한 안전성)

5사용의 용이도

6수명가격

1 2 의 조작력 속응력은 로보트에 요구되는 성능에서 가장 기본적인 것인

데 이에 관련해서 크기나 중량의 제한 안정성 사용의 용이도 수명 가격 등을

고려해서 동력원을 선택한다 단 자주형 로보트에서는 2 차적 성능인 동력원의

중량이 첫째 요구 조건이 되는 경우가 많고 공업용 로보트에서는 저가격 사용

의 용이도 안전성이 중요 사항으로 우선시된다

모든 로봇은 동력원을 필요로한다 중요도에 따라 동력원을 선택해야 하는데

일반적으로 공기압식은 안전성이 뛰어난 반면 힘과 세밀한 위치제어가 어렵고

전기식은 응답성과 사용편리성 세밀한 위치제어가 가능하나 높은 힘을 내기 위

해서는 부가적인 기구부가 필요하다 유압식은 큰힘을 낼수있어서 속응성은 좋

으나 과부하시 상당한 발열이 있기 때문에 안전성에서 다른 동력원에 비해 떨

어진다 위 사항을 TABLE 3-1 로 분류하여 나타내었다

- 36 -

TABLE 3-1 Characteristics of power sources

전기식 유압식 공압식

사용용이성 편리하다 작동유의관리 관로의압력

필터관리에 유의

공급공기의 수분제거

윤활성의부가에 주의

수명 길다 기름에 윤활성이 있기

때문에 길다

공기에윤활성이 없어

유압 전기에 비해 짧다

가격 보통 가격 운영비 높음 저가격

응답속도

(반응성) 매우 빠르다 빠르다 늦다

하중능력 (소)에서 (중)정도의

하중능력 단히 큰 힘을 얻음 큰 힘은 없다

소음 적다 다소 크다 크다

- 37 -

제 4 장 능동형 그리퍼 설계

41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정

로봇 그리퍼의 정밀 파지 (Fingertip Grasp 손가락 끝을 이용하여 물체를 집

거나 바닥에누워있는 납작한 물체를 집는 행동)를 안정하게 하기 위해서는 손가

락 끝과 물체가 직각에 가까운 각도를 이룸으로 마찰력을 크게 하여 안정성을

높인다 또한 바닥에 놓인 물체를 집어 올릴 경우에도 물체표면의 법선 벡터와

손가락 끝의 각도가 클수록 물체를 효과적으로 구속하여 안정된 파지를 할 수

있다

그리퍼의 링크 시스템에 있어서 2 링크 손가락보다 3 링크 손가락을 쓸 때가

링크와 수평 평면이 이루는 각 (A)이 더 커지기 때문에 안정성이 더 좋다는 것

을 알 수 있다 그리고 안정성뿐만 아니라 식 (4-1)을 통하여 문체에 전해지는

Torque 값을 Fig 4-2 와 같이 그래프로 나타내면 0 도에서 75 도 정도까지는 A 각

이 커질수록 물체에 가해지는 토크 값이 점점 커지는 것을 알 수 있음으로 3 링

크 손가락을 쓰는 것이 파지력 증가됨을 알수 있다 ℓ3 의 길이가 길어질수록 A

가 작은 값을 가져서 정밀파지에 적당하지 않다

τ l cosA sinA l 1 cos A tan μ (41)

A cosempty

(42)

Fig 4-1

은 식을 통

각이 커짐을

움이 있고

Fig4-

에서 제 2 코

통해 구할 수

을 알 수 있다

최소 단위를

Fig4

-1 Configurati

코사인 법칙

있는데 이로

다 그러나 ℓ

를 1cm 로 하

-2 Change the

- 38 -

ion of the fing

을 이용하여

로부터 링크

ℓ3 가 1cm 인

하였기 때문에

e value of the a

gers on robot g

여 A 의 각을

길이 ℓ3 가

인 경우는 너

에 ℓ3 는 2cm

angle of phage

gripper

구하기 위해

작으면 작을

무 짧아서 파

로 결정하였

torque

해 (2) 와 같

을수록 A 의

파지의 어려

였다

42 모터

(1) 알고

앞 절에

여야 한다

는 모터의

이 작은 모

나 용량이

로 적절한

선정 알고

고리즘 정의

에서 설명한 기

로봇 팔에

선정은 동작

모터를 사용하

큰 모터를 사

모터의 선정

고리즘

기구들을 추

움직임을 전

작을 구현하는

하게 되면 기

사용하게 되

정이 중요하다

Fig 4-3 M

- 39 -

추후 로봇 시스

전달함에 있어

는데 중요한

기구의 원활한

면 모터의 외

다

Motor Selectio

스템에 적용을

어서 동력을

과제가 되겠

한 작동이 어

외형이 커지

on Algorithm

을 고려하여

공급과 제어

겠다 만일 토

려워지고 단

고 가격 또한

설계를 하

어를 수행하

토크나 용량

단순히 토크

한 증가하므

- 40 -

(2) 알고리즘 수행

모터를 선정하기 위해서 가장 우선적으로 해야 할 일은 기계구동부분을 결

정하고 구동부분을 어떠한 방식으로 작동을 시킬지 동작 패턴을 결정하여야 한

다 예를 들면 모터에서 나오는 힘을 받아서 볼 스크류를 이용하여 힘을 전달할

것인지 벨트 피니언 기어 혹은 풀리 등을 이용할 것인지를 결정하고 그에 따

른 적절한 구동방식을 결정한다 구동방식을 결정하게 되면 각각의 구동방식에

적합한 수식을 대입하여 부하토크를 계산한다 구동방식에 따른 부하토크를 구

하는 수식은 구동방식이나 구동장소 등에 따라 다소 상이하나 일반적인 수식은

다음과 같다

-BALL SCREW 구동

T FP2πn

μ F P2π

1i N ∙ m 43

F F mg sin α μ cos α N 44

-PULLEY 구동

T ∙ 45

μF D

2i N ∙ m

- 41 -

-WIRE middot BELT 구동 RACK middot PINION 구동

T F2πn

∙ πDi

FD2ni

N ∙ m 46

F F mg sin α μ cos s N 47

-실측에 의한 방법

T 48

직선운동 (커플링 직결 볼스크류 등)의 경우 위의 (43) (44) 이용하여 구할

수 있다 이때 F 는 축방향하중 F0 는 예압하중 μ0는 예압 NUT 의 마찰계수 η 은

효율i 는 감속비 PB 는볼스크류 피치를 나타낸다 회전운동 (풀리)의 경우 식

(45)를 이용하여 구할 수 있으며 FA는 외력 FB는 부하중량 (주축이 회전하기 시

작할 때의 힘) m 은 work 와 TABLE 의 총무계 μ 접동면의 마찰계수α는 경사각

도D 는 풀리의 지름을 나타낸다

실제현장에서는 선정된 모터의 토크를 확인하기 위해 실측에 의한 구동토크

를 계측하는데 스프링 저울을 구동 풀리에 연결지어 측정한다 이때 TL 은 회전

운동 부하토크에 해당하고 FB 는 부하중량 D 는 풀리의 직경을 나타낸다

위의 부하토크를 구하는 식들을 이용하여 부하토크를 구하게 되면 실제 모

터를 사용할 때 어느 정도의 시간적 여유를 두고 가속을 할 것인지 감속을 할

것인지를 결정하여야 한다 이를 위해서 우선 동작시킬 부분에 대한 관성모멘트

를 계산하

Fig 4-4

시한 것으로

dA 와 기준

이를 표현하

하여야 한다

4 는 관성모멘

로 X 와 Y

준축으로 부터

하면 식 (49)

Fig 4-4 Arb

I

멘트를 구하기

는 면적의 미

터의 거리의

)와 같다

- 42 -

bitrary shape o

y dA I

기 위한 절대

미소 요소 dA

제곱의 곱으

of planar area

x dA

대좌표 X Y

A 의 좌표이

으로 단면 2

축 상의 미소

이고 관성모멘

차 모멘트라

49

소면적을 도

멘트는 요소

라고도 한다

평면 면

가 있다 평

축에 대한

Fig 4-5

하는 평행한

관성모멘

식 (410

번째 적분은

면적의 관성

평행축 정리란

관성 모멘트

5 과 같이 도

한 xy 축 두

멘트의 정의로

I y

0) 에서 우변

은 Xc 축에

Fig 4-5

모멘트에 있

란 도심축에

트 사이의 관

도심을 원점으

좌표계의 평

로부터 x 축

y d dA

변의 첫 번째

대한 1 차 모

- 43 -

5 Parallel-axis

있어서 중요하

대한 관성

계를 나타낸

으로 하는 Xc

평행한 축 간

축에 대한 관

y dA

적분은 Xc

모멘트로서 X

theorem

하고 유용한

모멘트와 도

낸다

cYc 축과 임의

간의 거리를 d

성모멘트 Ix

2d y dA

축에 대한 관

Xc 축이 도심

정리로서 평

도심축에 평행

의의 점 O 를

d1 과 d2 로 표

는 식(410)와

d dA

관성모멘트

심을 통과하므

평행축 정리

행한 임의의

를 원점으로

표시한다

와 같다

410

I 이다 두

므로 적분의

- 44 -

값은 0 이다 세번째 적분은 면적 A 그 자체이다 따라서 식 (410)은 식 (411)과

같이 간단해진다

I I Ad 411

y 축에 대한 관성모멘트도 위와 같은 방법에 의해 식(412)과 같다

I I Ad 412

또한 면적의 평면에 수직인 수직축에 대한 관성모멘트를 극관성모멘트라 한

다 Fig 4-6 는 평면에 수직이고 O 점을 통과하는 축에 대한 극관성모멘트를 나

타낸 그림으로 이를 관성모멘트 식으로 표현하면 식 (413) 와 같다

I ρ dA 413

식 (413)와

즉 평면에

서로 수직인

극 관성

와 도심 C

와 식 (414)에

I

수직인 축에

인 두 축에 대

성모멘트에 대

에 대한 극

Fig 4-6 Arb

의해 식 (4

ρ dA

I

에 대한 극관

대한 관성모

대한 평행축

극 관성모멘트

- 45 -

bitrary shape o

ρ x y

415) 식 (41

x y dA

I I I

관성모멘트는

멘트의 합과

정리는 Fig

트를 각각 I

of Polar Area

y

16)과 같은 관

x dA y

는 평면 내의

과 같다

4-5 에서 유

와 I 로

관계식을 얻을

y dA

같은 지점을

유도할 수 있

로 표시하면

414

을 수 있다

415

416

을 통과하는

있다 원점 O

식 (416)에

- 46 -

서 식(417)을 유도할 수 있다

I I I I I I 417

I I I I A d d 418

I I Ad 419

식 (419)는 극 관성모멘트에 대한 평행축 정리를 나타낸다 즉 평면 내의 임의

의 한 점 O 에 대한 면적의 극관성모멘트는 도심 C 에 대한 극관성모멘트에 그

면적과 점 O 와 C 사이의 거리의 제곱의 곱을 더한 것과 같다

이상의 식에서 부하토크와 관성모멘트를 계산하여 모터를 가 선정한다 부하토

크의 경우 사용될 모터의 정격 토크를 넘어서지 않는 것을 선정한다 부하토크

를 TL 정상 부하 상태의 힘 PL 극 관성모멘트 IL 회전운동을 위한 힘 Pa 각속

도 가속 시 소요되는 시간을 ta 라 하고 식 (420)을 이용하여 부하가 일정하

게 작용할 때의 힘을 계산한다 마찬가지로 관성모멘트를 식 (421)에 대입하여

가속을 위한 회전 운동 시 필요한 힘을 계산한다 식 (420)과 식 (421)에서 계

산된 힘을 합산하면 모터를 회전시키기 위해 필요한 출력이 계산된다 이때 계

산된 출력보다 실제 사용할 모터의 정격 출력이 1~2 배 정도가 되도록 모터를

가 선정한다

- 47 -

P T ω 420

P 421

위의 과정을 통하여 모터를 가선정하고 가감속 토크 및 구동 토크를 계산한

다 각각의 토크를 계산하게 되면 모터를 최종적으로 선정하게 되는데 두 가지

사항을 고려하여 최종 선정한다 먼저 식 (422)을 통해서 계산되는 가속 시 소

요되는 기동 토크 TM 가 모터의 최대 토크를 넘지 않는 것으로 선정한다

T 422

두 번째로 Fig 4-7 의 속도 선도와 같이 모터의 가 감속 시간과 정상 동작

시간 등을 결정하여 식 (423)과 같이 실효치 토크 TS 를 구하고 실효 토크가 모

터의 정격 토크보다 크지 않도록 선정한다

T 423

Fig 4-7 Exa

- 48 -

ample of veloc

city guidance

- 49 -

(3) 알고리즘 적용

로봇시스템에 있어서 기구들의 관성모멘트와 토크 계산 후 적합한 모터를

선정하기 위해 시중에서 시판되는 모터를 조사하였다 로봇에 적용 가능한 모터

로는 크게 서버모터와 스텝모터 RC 서버모터 DC 모터로 구분 할 수 있었다 이

를 TABLE 4-1 과 같이 정리하였다

동력원의 6 가지 선정요소 중 우선순위를 부여하여 분류했을 때 핸드 그리퍼

의 특성상 가볍고 토크가 큰 RC 서버 모터 미니 서버모터를 선택할 수 도 있지

만 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터 중 토크를 증가시킬 수 있는

감속기가 있는 타입의 모터를 우선시 하였다

1 감속비를 사양할 수 있는 모터를 선정하여 계산한 토크를 확인한다

2 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터를 선정한다

3 CLOSED LOOP 제어를 통하여 정확한 위치를 검출할 수 있어야 한다

따라서 스텝모터중 lsquoOrsquo사의 ldquoαSTEPrdquo가 적합하다고 판단되어 모터를 선정하였다

- 50 -

TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics

미니서버모터 RC 서버모터 스텝모터 DC 모터

장점 동일사양대비 모터

중 10배정도 큰 토크

5v사용가벼움

정확한 위치제어

급격한 부하변동급가

속 유리

저렴한가격

보편화됨

단점 정지시 진동이 예상 약한 토크 THRUST하중이 모터

무계 이하여야 한다

유지보수가 잦다

크기 151588mm(10w20w)

2525111mm(30w)

392038mm 424234mm Oslash37mm917mm

동작전압 Dc 24V Dc 48V60V Dc 24V Dc 24V

무계 230g~400g 56g 150g 200g

허용토크 009Nm~03Nm 11~13kgfcm 18kgfcm (018Nm) 47kgfcm(1200)

감속기 다양한 감속비 가능 고정 감속기 감속기 무(072˚036) 다양한 감속비

제조사 야스카와 SGMM 하이텍 HS-5945 AUTONICS GCM 3429A

TABLE 4-2 αstep motor characteristics

외형 전압 전류 무계 토크 감속비 분해능

αSTEP 282884mm

4242127mm Dc24V 1~37A 250G 2~28 Nmiddotm 50~1001

00072pluse

00036pluse

- 51 -

43 1 차 능동형 그리퍼 설계

실린더를 사용하여 링크로 물체를 파지하던 그리퍼는 Fig 4-8 과 Fig 4-9 에

묘사하였다 이런 실린더를 사용한 그리퍼는 공압 효과를 도출할 수 있는 별도

의 펌프가 필요하고 동작을 구현할 수 있는 자유도를 증가시키는데 한계가 있

다 이런 실린더의 단점을 보완하고 전기모터의 장점을 사용하기 위해 웜기어와

웜휠 방식을 채택하여 2 자유도 능동형 그리퍼를 설계하였다

1 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-10 에 묘사하였으며 1 차설계한

능동형 그리퍼는 Two Fingertip Grasp 로 칭하겠다 파지한 물체를 회전 시키는

기능은 베벨기어를 사용하여 회전운동으로 구현하였고 실린더의 전middot후진 운동

을 전기모터의 회전운동으로 변환 시키기 위하여 웜기어와 웜휨을 선택하였다

전기모터에 의해 회전하는 운동은 웜기어와 웜휠에 의해 링크를 사용하여 물체

를 파지하였던 그리퍼와 동일한 운동효과를 가지게 되었다

웜기어와 웜휠을 사용하여 물체를 파지하는 능동형 그리퍼는 스윙형으로 설

계되었으며 파지력을 높이기 위한 각도를 적용하였다 링크를 사용하여 물체를

파지하는 형태의 그리퍼보다 기구의 크기를 줄일 수 있는 장점이 있는 반면 기

어들의 백래시에 의한 오차가 끝단에 누적될 수 있는 문제점을 가지고 있다또

한 기구부의 소재 변경으로 그리퍼의 무계를 줄일 수 도 있지만 가장 큰 무계

를 차지하는 모터를 그리퍼 자체에서 분리하게 할 수 있게 하려면 그리퍼 자체

의 구조변경이 필요하다

`

`

Fig 4-8 Par

Fig 4-9 Par

- 52 -

rallel-link gra

rallel-link gra

sps system 1

sps system 2

Fig 4-10

- 53 -

0 Two fingertipps grasp system

- 54 -

44 2 차 능동형 그리퍼 설계

1 차 설계한 능동형 그리퍼에서 발견된 문제점을 보안하기 위하여 2 차 능동

형 그리퍼를 설계하였다 2 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-11 에 묘사

하였으며 2 차설계한 능동형 그리퍼는 Four Fingertip Grasp 로 칭하겠다 이 장치

는 크게 동력원 동력 전달장치 핑거 그립장치로 구성되어있으며 이를 통합하

여 Fig 4-12 에 나타내었다

핑거 그립장치는 스윙형 그립의 단점을 보완하여 설계하였다 물체를 파지할

때 그립의 회전 반경이 주위 환경요소와 간섭을 발생시킬 수 있는데핑거가 전

진할때 샤프트와 핑거그립간의 나사결합형태를 통한 직선운동으로 개선하여 주

위환경요소에 영향을 주지 않도록 설계하였다 구동축의 핑거파지 메카니즘을

Fig 4-13 와 같이 간략화 하였고 이에 대한 세부 도면은 Fig 4-14 로 나타내었다

4 조 핑거 그립의 나사산과 테이퍼진 스크류축은 나사식으로 결합되며 상호

작용에 의해 점차 중심점으로 이동하여 물체를 파지하는 형태이다 사용된 2 개

의 샤프트는 중공축으로 설계하였으며 외부 샤프트는 4 조 핑거가 물체를 파지

하여 비트는 모션을 구현하는데 사용되었다 내부 샤프트는 핑거를 중심점으로

전진시켜는 기능을 수행한다 중공축으로 설계한 내부 샤프트는 차후 개발될 인

스트리먼트의 탈부착을 손쉽게 할수있도록 구현하였고 4 조로 설계된 핑거는 그

립시 인스트리먼트의 응력집중현상을 분산시키는 기능과 2 조로 그립하였을때

보다 안정적인 그립감을 형성한다

- 55 -

동력원과 동력전달장치는 Fig 4-15 에 나타내었으며 Two Fingertip Grasp system

의 문제점이었던 구동부의 모터의 설치 방법을 외부에 부착하는 형태로 변경하

여 우레탄 밸트를 사용하였다 또한 아이들러를 사용하여 밸트의 방향을 변경

하여 모터의 부착위치를 자유롭게 설정할 수 있도록 하였고 모터 브라켓에 슬

리브 홈을 설치하여 벨트의 장력을 조절할 수 있도록 하였다

Fig4-11

Fig4-12 Fou

- 56 -

Four fingertip

ur fingertips g

ps grasp system

grasp system la

m

ayout

Fig 4-13

Fig 4-14

- 57 -

Fingertip gra

4 Fingertip gr

asps mechanis

rasps extended

m

d

Fig 4-15

- 58 -

5 Power transmission devicce

- 59 -

제 5장 결 론

본 연구에서는 MIS 수술 로봇을 위한 햅틱 마스터장치 구동용 능동형 그리

퍼를 설계하기 위하여 그에 상응하는 자료 및 문헌 조사를 수행하였고 햅틱 마

스터에 적용 가능한 능동형 그리퍼를 설계하여 로봇 시스템의 초안을 구성하였

다 수술용 도구를 단순히 잡아주는 역할에서 벗어나 시스템에 추가적인 자유도

를 부여함으로써 그리퍼를 표현하였다 단순화된 그리퍼는 보다 저렴한 가격으

로 생산될 수 있으며 기존 로봇 수술시스템의 높은 비용을 절감할 수 있는 효

과를 가져올 수 있다

최종적으로 제안한 설계 안으로는 2 조 핑거그립를 사용하는 전기모터형 그

리퍼 와 추가적으로 개선한 4 조 전기모터형 핑거그립를 설계였다 스윙형 그립

의 단점을 보안하여 집중응력을 분산할 수 있는 구조로 설계하였고 그리퍼의

무계를 줄일 수 있는 방법을 제시하였다 이로써 원통형 도구 파지 시 안정성이

향상되었고 보다 원활하게 수술 도구를 교체 가능하도록 하였다

앞으로 촉감을 전달할 수 있는 센서의 개발로 햅틱 디바이스 인터페이스 장

치의 활용에 보다 높은 기여를 할 것이라 예상된다

-６０-

참고 문헌

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• 제1장 서 론
• • 11 연구배경 및 연구목적
  • 12 연구내용
  • • 제2장 로봇 산업의 기술 현황
    • • 21 로봇산업의 동향
      • 22 의료용 로봇기술 현황
      • 23 의료용 로봇시장 전망
      • • 제3장 능동 그리퍼
        • • 31 최소침습 수술 햅틱 장치구현에 필요한 능동 그리퍼 제안
          • 32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류
          • 33 파지형태에 의한 그리퍼의 분류
          • 34 메카니컬 핸드의 구속기능
          • 35 대표적인 동력원의 특징
          • • 제4장 능동형 그리퍼 설계
            • • 41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정
              • 42 모터 선정 알고리즘
              • • 43 1 차 능동형 그리퍼 설계
                • 44 2 차 능동형 그리퍼 설계
                • • 제 5 장 결론
                  • 참고문헌
                  • TABLE 2-1 Domestic robot classification
                  • TABLE 2-2 Robot Production Company
                  • TABLE 3-1 Characteristics of power sources
                  • TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics
                  • TABLE 4-2 αSTEP Motor Characteristics
                  • Fig2-1 Phase of medical robots in the robot industry
                  • Fig2-2 Da Vinci surgical case number
                  • Fig3-1 Da Vinci robot system for MIS
                  • Fig3-2 Classified by the gripper grip action
                  • Fig3-3 Swing-type hand mechanism
                  • Fig3-4 Hand mechanism for translational type1 (parallel displacement)
                  • Fig3-5 Hand mechanism for translational type2 (Rack and pinion type)
                  • Fig3-6 Hand mechanism for three point pinch type
                  • Fig3-7 Movement of object
                  • Fig3-8 Contacts of the kind and the confining
                  • Fig3-9 Human Arm structure
                  • Fig4-1 Configuration of the fingers on robot gripper
                  • Fig4-2 Change the value of the angle of phage torque
                  • Fig4-3 Motor Selection Algorithm
                  • Fig4-4 Arbitrary Shape of Planar Area
                  • Fig4-5 Parallel-Axis Theorem
                  • Fig4-6 Arbitrary Shape of Polar Area
                  • Fig4-7 Example of Velocity Guidance
                  • Fig4-8 Parallel-link Grasp system 1
                  • Fig4-9 Parallel-link Grasp system 2
                  • Fig4-10 TWO Fingertip Grasp system
                  • Fig4-11 Four Fingertip Grasp System
                  • Fig4-12 Four Fingertip Grasp System layout
                  • Fig4-13 Fingertip Grasp Mechanism
                  • Fig4-14 Fingertip Grasp extended
                  • Fig4-15 Power Transmission Device

- 2 -

수술용 로봇에 사용되는 엔드 이펙터 (End Effector)을 검토해보면 공통적 인

사실을 확인할 수 있다 시판되고 있는 복강경 로봇수술용 도구들은 Trocar 라

는 기구를 통해 인체 내로 삽입되고 Trocar 의 구조상 수술용 도구들은 Oslash55 이

내의 소형 원기둥 타입의 수술도구들이며 각각의 구동 모터를 개별적으로 가지

고 있다 최근에는 다빈치 수술 로봇이 사용됨에 따라 3 차원 고화질의 영상의

제공과 더불어 떨림 없는 정교한 시술작업이 가능해 졌으며 다자유도 수술 기

구 도입으로 좀 더 다양한 수술들이 가능해 졌지만 이러한 장점에도 불구하고

수술 시 힘의 강약조절이 불가능하다는 점은 가장 큰 단점으로 지적되고 있다

또한 아직 가격이 고가이고 구현 가능한 작업 영역대비 각 암의 크기가 커서

수술 시 암 사이의 충돌이 발생하는 문제가 제기되고 있다

또한 다빈치 수술로봇은 집도의 손으로 조작하여서 수술을 수행하는 수술

로봇 시스템으로 여러 가지 장점이 있지만 로봇이 수술하면서 발생하는 반력을

직접 집도의에게 전달하지 못하는 단점이 있다 이런 단점을 보안하기 위하여

수술용 로봇 시스템에 햅틱의 기능을 추가하여 로봇 시스템을 구성하는 것을

전 세계적으로 많은 연구가 진행되고 있다

따라서 본 연구에서는 수술용 햅틱 로봇에 적용이 가능한 로봇 시스템에서

수술도구를 집고 수술을 직접 수행하는 그리퍼 시스템을 설계하도록 하겠다

이를 위해 현재 로봇 시장의 현황을 분석하고 능동형 그리퍼를 설계하기 위한

여러 가지 이론적 배경과 그리퍼 설계 제한 조건을 설명한다 최종적으로 그리

퍼 설계를 수행한 후 각각의 설계에 따른 분석을 수행할 것이다

- 3 -

12 연구 내용

본 연구에서는 의료용 햅틱 로봇 시스템에 적합한 능동형 그리퍼를 설계하

는 것이 본 연구의 목적이며 이를 위한 연구내용은 각 장 별로 요약하면 다음

과 같다

제 1장에서는 본 연구를 수행한 배경과 목적을 설명하였다

제 2 장에서는 연구의 첫 단계로 본 연구의 이론적 배경을 기술하였다 수술

로봇의 개요 및 동향 선행기술에 대하여 설명하였다

제 3 장에서는 능동형 그리퍼에 대한 이론적 배경을 기술하였다 그리퍼의 자

유도 기능분석 메키니칼 구성표 동력원에 대해 고찰하였다

제 4 장에서는 능동형 그리퍼의 설계 결과를 기술하고 설계 안에 대한 방향

을 제시하였다

마지막으로 제 5 장에서는 결론 및 향후 연구되어야 할 문제들에 대하여 언

급하였다

- 4 -

제 2장 로봇 산업의 기술 현황

21 로봇산업의 동향

(1) 국내로봇산업 분류체계

로봇이란 용어는 1921 년 카펠 차펙 (Karel Capek)이 쓴 희곡에서 유래하여

전통적인 로봇이란 반복 노동을 대체하는 자동화 기계로 인식되어 왔으나 현대

에 와서는 외부의 환경을 인식하고 지능을 바탕으로 스스로 판단하여 자율적으

로 동작하는 장치로 변모하였다 이렇게 변모하는 로봇산업은 현행 한국표준산

업 분류 체계상 단일제품 수준의 lsquo산업용로봇rsquo 으로만 분류하여 급성장이 예상

되는 lsquo서비스로봇rsquo 부분은 포함되어 있지 않았다 이에 산업자원부는 2007 년 1

월 로봇산업의 분류체계를 새롭게 마련하고 로봇산업의 승인통계를 구축하였다

이로써 1978 년 로봇산업이 시작한 이래 30 년 만에 비로소 로봇산업에 대한 명

확한 분류체계를 구축한 것이다

이 분류체계에서 로봇산업은 크게 개인서비스용 로봇 전문서비스용 로봇

제조업용 로봇 네트워크 로봇 로봇부품 및 부분품 등 대분류 5 개 중분류 28

개 소분류 136 개 항목으로 분류되어 있다 이를 구체적으로 살펴보면 TABLE

2- 1과 같다

- 5 -

TABLE 2-1 Domestic robot classification

대분류 중분류

서비스 로봇

개인 서비스용가사용 생활 지원용 여가 지원용 교육

용 기타 개인서비스용

전문서비스용

빌딩 서비스용 극한작업용 의료 복지용

사회 인프라용 군사용 생물 생산용 기

타 전문 서비스용

제조업용 로봇

이적재용 공작물 착탈용 용접용 표면처

리용 조립분해용 가공용 공정용 시험

검사용 기타 제조업용

네트워크 로봇 -

로봇부품 및 부분품 로봇용 구조구동센싱제어통신소프트

웨어기타 부품 및 부분품

lt자료gt 산업자원부

ldquo의료 복지용 로봇rdquo은 전문서비스용 로봇의 한 분야로 로봇산업의 중분류로

분류되고 있다 의료 복지용 로봇은 다시 수술 로봇 재활 훈련용 로봇 의료진

단 및 검사용 로봇 기타 의료 복지 로봇 등으로 소분류체계를 구축된다

산업연구원 (2007)에서는 로봇산업에서의 의료용 로봇의 위상을 Fig 2-1 과

같이 도식화 하였다 의료용 로봇을 포괄하고 있는 지능형 로봇은 우리나라가

소득 3 만 달러 시대를 선도할 미래스타산업으로 타 분야에 대한 기술적 파급

효과가 큰 첨단기술의 복합체라는 점 때문에 특히 중요하다고 할 수 있다

- 6 -

Fig2-1 Phase of medical robots in the robot industry

(2) 국내로봇산업 규모

가 로봇생산 기업규모

앞 절과 같은 로봇산업 분류체계에 근거하여 2006 년부터 로봇산업 통계조사

가 체계적으로 이루어지기 시작하였다 이 통계조사에 따르면 국내 로봇생산을

담당하고 있는 기업은 TABLE 2-2와 같다 2006년 총 170개 제조업 로봇 77개

사 (453) 로봇부품 및 부분품 48 개사 (282) 개인 서비스용 로봇 24 개사

- 7 -

(141) 전문서비스용 로봇 13 개사 (76) 네트워크 로봇 8 개사 (47)로 분포

되어 있다 이와 같은 수치는 2005 년 대비 제조업용 로봇 관련 기업 수는 다소

감소하였으나 전문서비스용 로봇이나 개인서비스용 로봇 관련 기업 수는 다소

증가하였다 또한 기업체 당 평균 자본금은 5354 억으로 제조업을 제외하면 기

업체 당 평균 자본금이 가장 높은 분야는 개인 서비스용 로봇 (2570 억원) 가

장 낮은 분야는 전문 서비스용 로봇 (1106억원)으로 나타났다

이는 최근 수요가 증가하는 생활 관련 로봇들에 대한 대기업의 투자나 진입

이 두드러지면서 나타난 현상이며 이런 기업들의 투자에 따른 생활 로봇 기술

향상이 두더러 지게 나타나고 있다 따라서 의료용 로봇 산업분야의 체질강화

와 기업 경쟁력 강화를 위해서는 최근 늘어나는 수요창출에 발맞추어 중견기업

들의 투자와 연구개발이 집중되어야 할 것이다

한편 로봇기업의 매출액 규모는 1억 원 미만의 영세한 업체가 30 1억~10

억 원 규모의 업체가 282 10억~50억 원 규모의 업체도 282로 대부분의 로

봇기업은 매출액 규모 50 억 미만의 중소기업체인 것으로 나타났다 특히 의료

용 로봇은 영세한 업체가 담당하기에는 다소 연구개발과 투자비용이 많이 소요

되기 때문에 대기업이나 정부의 투자나 지원이 반드시 필요하다 이러한 상황에

서 국내 의료용 로봇 시장의 성장을 낙관하기는 다소 무리가 있다 따라서 대기

업들이나 정부는 의료용 로봇 시장 확대와 성장에 적극적으로 참여해야 할 것

이다

- 8 -

TABLE 2-2 Robot Production Company

구분

2005 2006

업체수 구성비 업체수 구성비

제조업용 로봇 60 333 77 453

전문서비스용 로봇 13 72 13 76

개인서비스용 로봇 39 217 24 141

네트워크 로봇 17 94 8 47

로봇부품 및 부분품 51 283 48 282

합계 180 1000 170 1000

나 로봇생산 생산규모

로봇기업의 생산 현황을 보면 2005 년에는 5722 억 원 정도였으나 2006 년에

는 7196 억 원으로 258의 증가율을 보였다 특히 의료 복지용 로봇 분야가 포

함되어 있는 전문서비스용 로봇은 2005 년에는 53 억 정도였으나 2006 년에는

124억으로 전년대비 1309의 높은 증가세를 보였다

최근 국내에서 개발된 환자 안내용 로봇인 스누봇 (SNUBOT)이나 내시경 로

봇인 미로캠 (MiroCam) 등의 개발로 인해 더욱더 생산 증가폭은 커질 것으로

전망한다 의료 복지용 로봇분야에서는 2005 년에는 생산이 거의 없었으며 2006

년에는 약 6 천 만원으로 증가하기는 하였으나 이는 다른 로봇 분야에 비하면

극히 미비한 생산액이며 수술 로봇이나 재활 로봇에 대한 생산은 거의 전무한

실정이다 한국과학기술정보연구원(KISTI)에 따르면 2006 년 국내 서비스 로봇

- 9 -

(산업용 로봇 제외) 시장규모는 약 624 억 원으로 미비한 수준에 그쳤으나 2011

년 5117 억 원에 달하고 2013 년 이후는 수조 원에 달하는 황금시장으로 떠오를

것으로 예상하였다 또한 정부에서는 2005 년 국내 로봇산업 육성을 위해 2013

년까지 세계 시장 점유율 15 총생산 30 조원 수출 200 억 달러 고용창출 10

만 명 등 세계 3위의 로봇강국을 목표로 하고 있다

22 의료용 로봇기술 현황

(1) 의료용 로봇 유형 및 개념

의료용 로봇은 크게 수술 로봇 수술 시뮬레이션 재활로봇 기타 의료 로봇

등으로 분류된다

첫째 수술 로봇은 크게 두 가지의 유형으로 분류된다 먼저 수술 보조 로봇

(surgery assistant robot)은 수술실에서 집도의 명령에 따르면서 수술을 보조하거나

영상 가이드 역할을 해주는 로봇을 의미하며 수술 로봇 (surgery robot)은 의사를

대신하여 수술과정의 전체 혹은 일부를 의사 대신 혹은 의사와 함께 수술 작업

을 한다

둘째 수술 시뮬레이터 (surgery simulator)는 의사의 수술에 관한 숙련도를 높

이기 위하여 가상의 그래픽 환자 모델과 햅틱 장치 (haptic device) 등을 이용하

여 수술을 연습할 수 있게 하는 의료용 로봇이다 특히 근래에 들어 프로세스의

- 10 -

성능이 좋아지면서 MRI 나 CT 영상 등을 활용한 실시간 3 차원 볼륨이 가능해

지면서 의료용 시뮬레이터 개발은 가속화 되었다

셋째 재활 로봇 (rehabilitation robot)은 노인과 장애인의 재활치료와 일상생활

을 도와 주는 로봇 시스템으로 단순한 신체를 지지해 주는 역할을 벗어나 중증

환자나 노인의 신체 움직임을 향상시키고 빠른 시일 내에 회복하도록 주요 기

능을 수행하고 장애인의 장애를 극복하여 독립적인 생활을 가능하게 할 수 있

는 특정 기능의 로봇을 의미한다

넷째 기타 의료 로봇으로는 간호 로봇이나 안내로봇 등이 있다 현재의 간

호 인력을 도와서 수술이나 치료를 받는 환자를 보살피는 로봇으로서 정확한

투약과 수술 후 관리가 가능하도록 도와주는 기능과 환자의 이동 간병 및 산책

이 가능하고 말벗의 기능을 포함하는 로봇을 의미한다

(2) 의료용 로봇기술 개발현황

가 수술 로봇

현재까지 연구된 수술 로봇은 미세 수술용 원격수술 로봇 최소침습수술

(MIS) 로봇 관절 수술 로봇 등으로 분류할 수 있다

원격수술 로봇 시스템 일환으로 개발된 대표적인 로봇으로는 일본 동경대의

원격 수술 로봇 미국 NASA JPL 의 RAMS SRI International 의 원격 수술 로봇

한국과학기술원의 미세수술용 Slave 로봇 등이 있다

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MIS 의 로봇 시스템 일환으로 개발된 대표적인 로봇으로는 미국의 UC 버클

리대의 수술 로봇시스템 Computer Motion 사의 내시경 보조 로봇인 이솝

(AESOP)과 복강경 수술 로봇인 제우스 (ZEUS) 제우스 보다 진보된 Intuitive

Surgical 의 다빈치 (daVinch) 등이 있다 이 중 다빈치는 수술용 로봇으로 거의

독점적인 위치로써 세계 로봇수술의 첨병역할을 하고 있다

관절 수술 로봇의 일환으로 개발된 대표적인 로봇으로는 미국 Integrated

Surgical System사의 로보닥 (Robodoc) 독일의 Orto Maque사의 CASPAR 영국의

Imperial College의 아크로보트 (Acrobot) 등이 있다

나 수술 시뮬레이터

수술 로봇 이외에 의사의 수술에 관한 숙련도를 높이기 위한 의료용 시뮬레

이터가 활발하게 연구되고 있다 특히 근래에 들어 프로세서의 성능이 좋아지면

서 MRI 나 CT 영상 등을 활용한 의료용 수술 시뮬레이터 개발이 가속화 되었

다 대표적인 수술 시뮬레이터로는 미국 Georgia Tech의 안구 수술 시뮬레이터

미국 Boston 다이나믹스사의 개복수술 시뮬레이터 Mitsubishi Electric Research Lab

의 무릎관절 내시경 시뮬레이션 영국 맨체스터 대학의 웹기반 시뮬레이터 등이

있다

다 재활 로봇

- 12 -

노령인구와 장애인구의 증가로 로봇 기술의 필요성은 재활분야에도 확대되

고 있다 장애인의 독립적인 활동을 보장하고 삶의 질을 높이려는 노력은 유럽

등의 선진국을 중심으로 재활 로봇이 연구되어 왔으며 이탈리아에서 개발된

MOVAID 가 대표적인 재활 로봇이다 또 미국에서는 MIT 를 중심으로 RIC 과

같은 로봇 신경 재활 로봇들이 개발되고 있다 스위스에서는 보행 재활 로봇으

로 Lokomat 이 개발되었고 국내에서는 KAIST 에서 휠체어 로봇 시스템과 보행

보조 로봇 등이 연구되고 있다 이외에도 서강대학교에서는 SUBAR 라는 보행

재활 로봇을 개발하였다 이외에도 최근 미국의 Intouch Health 에서 개발한 RP-7

은 멀리 있는 환자의 병증을 파악하는 데 탁월한 원격진료 로봇으로 활용되고

있다

(3) 국내 의료용 로봇 적용사례

상기 서술한 의료용 로봇 중 가장 많은 각광을 받고 있으며 국내에서 적용

되고 있는 사례를 통해 의료용 로봇의 사용 실태를 파악보고자 한다 대표적인

복강경 수술 로봇인 Intuitive Surgical의 다빈치 로봇 시스템과 고관절 수술 로봇

인 Integrated Surgical System사의 로보닥을 중심으로 국내 실태를 살펴보고자 한

다

가 다빈치

- 13 -

Fig 2-2 da Vinci surgical case number

다빈치 로봇은 1997 년 벨기에서 처음으로 환자에게 적용된 이래 국내에

2005 년 7 월 연세대학교 신촌 세브란스 병원에서 최초로 도입하여 2005 년 7 월

15 일 국내 최초로 다빈치를 이용한 로봇 수술이 이루어졌다 Fig 2-2 에서 보

듯이 수술사례는 계속적으로 증가하여 2008 년 1 월 말 현재 750 건이 넘는 수

술이 이루어졌다

다빈치 로봇은 전립선암 위암 대장남 부인암 식도암 갑상선암 간암 등

대부분의 암수술 및 중요 외과계 수술에 적용된다 이는 다빈치 로봇 수술이 가

져다 주는 효과인 개복수술이나 복강경 수술보다 수술회복기간이 단축되고 수

술시간도 감소시키는 역할과 무엇보다 수술 후 환자가 겪는 수술 후유증 확실

- 14 -

히 줄여주기 때문이다 특히 전립선암의 경우 대표적인 수술 후유증인 요실금

과 발기부전 등의 가능성이 대폭 줄어드는 것으로 알려져 있다

이와 같은 수술사례와 수술성과에도 불구하고 다빈치 로봇의 가격이 25 억

정도의 고가이기 때문에 영세한 의료기관에서 도입하기에는 다소 무리가 따르

고 있다 그러나 대형 병원들은 다빈치의 성공적인 수술사례를 통해 앞다투어

이를 도입하고 있다

2008 년 1 월 현재 신촌 세브란스 병원은 이미 3 대를 도입했고 영동 세브

란스 병원 고려대 안암병원 서울아산병원 한림대 강남병원 분당서울대병원

삼성서울병원 경북대병원 동아대병원 등 9 개 의료기관에 도입되어 있다 또한

최근 (2008 년 1 월 30 일) 연세대 세브란스병원은 로봇 수술의 활성화를 위해

Intuitive Surgical 과 공동으로 복강경 수술용 로봇 다빈치를 이용한 수술법을 배

우는 lsquo연세 다빈치 트레이닝 센터rsquo를 개소하였다

다빈치는 로봇 가격만큼 수술 비용에 있어서도 고가인데다 의료보험이 적

용되지 않아 수술 비용을 환자가 모두 부담해야 하는 실정이다 다빈치 로봇 수

술 비용은 700~2000 만 원선으로 기존의 수술 비용인 200~300 만 원 보다는 다

소 높은 가격이다 특히 전립선암의 경우 로봇 수술 비용은 1500 만 원 선으로

개복수술이나 복강경수술보다 5~7 배 정도의 높은 가격이다 그럼에도 불구하고

로봇 수술은 거의 모든 암 수술에 적용되고 있고 환자와 의사 모두 만족하는

수술법으로 자리잡아 가고 있다

- 15 -

나 로보닥

로봇이 외과적 기계로써 임상적으로 처음 국내에서 적용된 것은 1992 년 lsquo로

보닥rsquo이라는 의료용 로봇이다 미국에서 개발된 로보닥은 인공관절이 삽입될 환

자의 뼈를 로봇으로 가공해서 수술 성공률을 획기적으로 높였다 두꺼운 뼈를

정확한 형상으로 깎아내는 작업에는 CADCAM 자료에 따라 작동하는 로봇 팔

이 숙련된 외과의사를 간단히 능가했다 로보닥은 한국과 EU 의 판매승인을 획

득했고 결국 인공관절수술의 대세를 장악했다 세계적으로 8000 회 이상의 수술

이 로보닥을 이용하여 성공적으로 수행되었으며 2001년 FDA의 승인을 받기도

하였다

2002 년 국내 처음으로 로보닥이 도입된 이래로 이춘택 병원은 현재까지

2556 회라는 경이적인 수술건수를 기록하였다 그는 최소침습수술과 접목하여

로봇의 정밀성과 최소 절개기술을 결합시킴으로써 환자의 고통과 재활 기간을

크게 줄였다 그러나 로보닥의 가격은 무려 17 억 원이며 3 차원 영상까지 구현

하기 위해서는 10 억 원 상당의 멀티 CT 까지 도입해야만 한다 그렇기 때문에

소규모의 관절전문병원이 도입하기에는 다소 무리한 점이 있다 이러한 상황에

서 이춘택은 국내시장에 맞는 로봇개발을 위해 국산 부품 및 소프트웨어를 개

발 중에 있다 따라서 우리나라도 고령화 사회를 맞아 세계적으로 관절 수술이

급증하고 있는 상황에서 국내 기술로 만든 수술용 로봇이나 소프트웨어 개발은

국내 의료용 로봇시장의 활성화를 이룰 수 있다

- 16 -

23 의료용 로봇시장 전망

(1) 로봇산업 전망

로봇 분야별 세계시장 정세를 살펴보면 제조업용 로봇은 시장안전화 단계로

써 급격한 시장변화는 어려우며 신규 생산설비 및 기존 설비에 따른 수요가 대

부분 차지하고 있는 실정이다 개인서비스용 로봇은 가족구조의 핵가족화와 고

령화 현상으로 인한 가족인원으로서의 가정용 로봇에 대한 수요가 증가 추세에

있다 전문서비스용 로봇은 생산국과 생산기업이 극히 제한되어 있으며 제품가

격의 고가로 인해 시장형성에 있어서 생산국과 수요국이 불일치하고 있는 실정

이다 이러한 상황에서 로봇시장의 국가별 점유율을 살펴보면 일본 (28) 미국

(18) 독일 (16) 이탈리아 (10) 한국 (3)의 순으로 세계 5 위를 차지하고

있다 이와 같이 산업용 로봇의 경우는 우리나라의 세계적인 위상이 높지만 아

직까지 전문 서비스 분야 로봇에 대한 세계적인 위상은 미비하다

시장규모 전망과 국내 세계시장 점유율에 대한 전망은 다음과 같다 세계 로

봇시장의 규모는 2010 년에는 247억 5 백만 달러에서 2020년에는 717억 7 천만

달러에 이를 것으로 보고 있으며 연평균 107의 증가율을 예상하고 있다 분

야별로는 제조업용 로봇은 2010 년 세계시장의 114에서 2020 년 144의 비중

을 차지할 것으로 전망하고 있으며 전문서비스용 로봇은 2010 년 세계시장의

09에서 2020 년 21의 비중을 차지할 것으로 예상하고 있다 개인서비스용

- 17 -

로봇은 2010 년 30에서 2020 년 70 수준에 달할 것으로 보고 있다 비록 전

문 서비스용 로봇산업의 규모는 미국 일본 독일에 비해 미미한 실정이나 전문

서비스용 로봇의 신시장을 개척하고 그 만큼의 기술력이 밑받침된다면 2020 년

세계시장에서의 더 큰 비중의 달성이 이루어질 것으로 본다

(2) 의료용 로봇기술 전망

의료용 로봇시장의 성장은 의료용 로봇기술 개발산업의 성장과 밀접한 관계

가 있다 세계적인 개발추세로는 의료용 로봇개발 하드웨어 분야에서는 일본이

경쟁력이 가장 높으며 소프트웨어 분야에서는 미국이 앞서나가고 있다 또한

독일은 하드웨어 및 소프트웨어 분야에서 동시에 상당한 연구 개발 능력을 보

유하고 있다 앞으로는 이 세 나라가 의료용 로봇 시장의 핵심 주자로 나설 것

으로 예상된다

산업연구원 (2007) 조사에 따르면 국내 로봇산업의 기술은 기술항목에 따라

다소 차이를 보이고 있으나 제조업용 로봇의 경우는 최고 기술 보유국 대비 평

균 85 정도에 육박하고 있으며 전문서비스용 로봇의 경우는 80 정도 개인서비

스용 로봇은 84 정도에 이르고 있는 것으로 나타났다 의료용 로봇 분야에서는

선두주자인 미국의 기술력을 100 이라고 봤을 때 현재 우리나라는 70 정도이며

2015년이 지나야 100 에 도달할 것으로 전망하였다 비록 의료용 로봇에서 세계

1위인 미국에 비해 우리는 아직 10년 이상 차이가 있지만 세계 최초로 국제 규

- 18 -

모의 로봇랜드 조성과 로봇펀드 발생 등 정부 차원에서의 노력이 여러 가지 방

면에서 다양하게 펼쳐지고 있기 때문에 그 격차는 점차 줄어들 것으로 예상된

다

또한 IFR (2006) 자료에 따르면 한국 산업용 로봇은 세계 5 위의 강국[16]인

데 비해 의료용 로봇에 있어서는 약소국이다 이는 의료용 로봇의 개발비가 많

이 드는데 비해 국내 시장은 극히 제한적이어서 일반 기업의 참여가 아주 저조

하기 때문이다 국내에서 의료용 로봇 관련 기술 개발은 아직 걸음마 단계에 머

물러 있으며 벤처기업 및 대기업들이 개발해 상용화시키고 있는 기술이나 제품

도 대부분이 생활 가전형 로봇에 한정되어 있을 뿐 의료용 로봇분야는 아직 미

개척지로 남아 있다 하지만 국내에서도 의료용 로봇 개발을 수행하기 위해 대

학이나 연구소 차원에서 의료용 로봇에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다 먼

저 한국과학기술원이 8 년 전 설치한 휴먼 웰페어 로보틱 서저리 센터가 대표

적인 연구기관이다 이 연구소에서는 거동이 불편한 환자들을 위한 휠체어의 자

동화 시스템이나 복강경 수술 로봇 등 로봇 수술용 기구의 국산화에 초점을 맞

춰 진행 중이다 또한 최근에는 국립암센터 역시 산업자원부로부터 수술용 로

봇과 영상시스템을 주제로 한 의료용 로봇 개발자로 선정되어 연구에 들어갔다

비록 국내 의료 및 수술 로봇 관련 기술이 일본 미국 등에 비해 아직까지

뒤쳐져 있는 실정이지만 국내에서도 의료용 로봇 기술 개발이 이처럼 활발히

진행되고 있어서 향후 전망은 매우 밝다고 할 수 있다 또한 해외에서 각광을

받고 있는 캡슐형 내시경 연구 역시 국내에서 벌써 10 년째 계속 되고 있다 최

- 19 -

근 한국과학기술연구원과 벤처기업인 인트로메딕이 개발한 세계 최소형 캡슐형

내시경인 미로캠 (MiroCam)은 2010 년까지 국내 캡슐형 내시경 시장의 80를

점유할 것으로 예상하고 있다 이러한 국산 의료용 로봇 개발을 통해 고부가가

치 시장인 세계 의료 시장에 뛰어들 수 있는 기반을 다졌다는 데에 큰 의미가

있다

전문 서비스용 로봇의 경우 제조업 로봇 관련 풍부한 경험을 바탕으로 전문

서비스용 로봇으로의 기술확대 메카트로닉스 (mechatronics) 관련 다양한 산업기

반과 세계적인 IT 인프라 보유국의 강점을 살리고 있다 또한 한국은 10 대 성

장동력간 연계 등을 통한 시너지 효과와 세계 전문서비스 로봇 시장이 초기형

성 단계임을 감안한다면 이 분야의 진출에 대한 절호의 기회이며 머지않아 의

료용 로봇 강국으로 진입할 수 있을 것으로 기대된다

- 20 -

제 3 장 능동 그리퍼

31 최소침습 수술 햅틱 장치 구현에 필요한 능동 그리퍼 제안

21 세기 로봇 기술 분야에서는 인간과 기계 시스템 간의 커뮤니케이션이 무

엇보다 중요하게 강조되며 이러한 인간과 기계 시스템의 의사소통은 주로 인간

의 감각 기관을 통해 이루어 진다 일반적으로 인간에게는 보고 듣고 냄새를

맡고 맛을 보고 피부로 느끼는 오감이 있으며 이러한 감각을 시각 청각 후

각 미각 촉각이라고 한다 따라서 이러한 인간의 감각에 정보를 전달하기 위

한 다양한 기계 시스템들이 개발되어 왔다 오감 중에서 현재 인간과 기계 시스

템간의 인터페이스 역할을 하는 표적인 감각으로는 사물을 보는 시각과 소리

를 듣는 청각이 주로 이용되고 있다 이를 위한 시스템들은 이미 상당한 수준으

로 발전해 현재 상용화 되어 활용되고 있다 하지만 이러한 시각과 청각 인터

페이스 만으로는 로봇의 제어에 한계가 있으며 오감 중에서 세 번째 감각인 촉

각에 한 인터페이스가 현재 활발히 연구 개척되고 있다 만약 가상현실에 촉

감 인터페이스가 적용된다면 기존의 시각과 청각에만 의존하던 가상 현실에 촉

감을 전달함으로써 실제 물건을 만지고 느낄 수 있으므로 가상현실을 보다 더

실감나게 할 수 있을 것이다 하지만 인간의 감각 중에서 촉각은 매우 민감한

감각으로 여기에 촉감 정보를 전달하는 인터페이스는 아직 많은 연구를 필요로

하고 있다

- 21 -

햅틱 (haptic)이란 단어의 사전적인 의미는 ldquoof or relating the sense of touch

tactilerdquo로써 물체를 만질 때 사람이 느낄 수 있는 촉각적 감각으로 피부가 물체

표면에 닿아서 느끼는 촉감 (tactile sensation)과 관절과 근육의 움직임이 방해 될

때 느껴지는 근 감각적인 힘 (kinesthetic force)의 두 가지 힘을 모두 합쳐서 부르

는 말이다 촉감 구현 연구는 물리적 장치를 이용하여 사람이 직접적인 접촉이

없이도 촉각 정보를 전달하는 방법에 관한 전반적인 연구 분야를 일컫는 말로

사람에게 원격지에 있는 물체의 물리적 특성을 전달하는 원격조작 혹은 원격현

장감에 관한 연구로부터 시작되었다 가상 혹은 실제 환경에서 촉감을 구현하기

위한 연구를 포괄적으로 의미하는 용어로 햅틱스 (haptics)라고 한다 주요 연구

분야는 사람이 직접 손에 쥐거나 착용하는 물리적 장치인 햅틱 디바이스 인터

페이스 (haptic interface) 가상 공간상의 물체에 기계적 성질을 부여하여 사실감

이 있는 상호작용을 제공하고자 하는 햅틱 렌더링 (haptic rendering) 사람의 촉

각 인지 특성에 관한 연구 (tactile perception) 등으로 나눌 수 있다 특히 햅틱

인터페이스 (haptic interface)는 햅틱 디바이스 (haptic device)라고도 불리우며 사람

에게 촉감을 전달하는 물리적인 장치를 말하며 더 넓은 의미로 사용하여 가상

의 환경을 촉감 전달을 통해서 느끼게 하는 시스템 전체를 가리키기도 한다 이

러한 햅틱 기술은 다양한 분야에서 활용될 수 있는데 표적인 분야로는 가상

현실 분야 인간-컴퓨터 인터페이스 분야 게임 등 사이버 커뮤니케이션 그리고

원격제어 로봇 등이 있다 특히 원격제어 로봇이 많이 활용되고 있는 의료 분

야에서 햅틱 구현은 매우 시급한 과제이다 현 의 수술은 점점 첨단의 수술 도

- 22 -

구와 로봇을 이용하여 집도되는 추세이며 최소침습수술 (minimally invasive

surgery MIS)이 그 표적인 예이다 이 수술법은 환부의 구멍에 수술도구와 카

메라를 삽입하여 집도의가 모니터를 보면서 시술함으로써 시술시간이 짧고 환

자의 회복이 빨라서 그 적용 범위가 점차 확 되고 있다 하지만 환자가 얻게

되는 이점에 반해 의사는 개복 수술에서 쉽게 이용하던 기술들을 더 이상 적용

할 수 없게 되어 집도에 있어 큰 어려움을 부담해야만 한다 즉 환자의 내부에

서 손의 움직임과 시야의 제약을 받게 되었고 손으로 환자의 장기나 뼈를 만지

고 상태를 확인할 수 없게 된 것이다 이러한 문제점들을 극복하기 위해 첨단의

의료용 로봇 시스템이 개발되었는데 의사 즉 오퍼레이터가 조작하는 마스터

(master) 로봇과 환자의 환부에서 수술을 진행하는 슬레이브 (slave) 로봇으로 구

분된다 슬레이브 로봇은 크게 수술 시 집도의 팔의 움직임을 구현하는 구동 암

(arm)과 수술도구를 홀딩 할 수 있는 그리퍼로 분류할 수 있다 구동 암의 움직

임은 수술 부위의 위치를 결정하면 별도 큰 움직임 없이 작동시킬 수 있으며

전달 수술 관통 수술이 아닌 경우에는 집도의가 느끼는 힘을 피드백 할 필요가

없다 하지만 그리퍼의 경우는 신체 일부분의 미세한 조직까지 전부 접촉해서

제거하거나 봉합하기 때문에 집도의가 수술 시 느끼는 힘을 구현하여야 보다

정밀한 수술을 수행할 수 있다 따라서 본 연구에서는 햅틱 장치가 적용된 마스

터 로봇과 마스터 로봇에서 형성된 힘을 느낄 수 있으며 원할한 수술을 진행할

수 있는 최소침습수술용 능동 그리퍼를 제안하겠다 Fig 3-1 은 상용 MIS 장치인

다빈치 로봇의 마스터와 슬레이브 그리고 그리퍼를 나타내고 있다

(a) sla

(b

Fig 3-1 da V

Operation Arm

Gripper

- 23 -

ave robot and g

b) master rob

Vinci robot sy

m

gripper

ot

stem for MIS

- 24 -

32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류

산업용 로봇은 그 기능 특성상 필요성에 의해 로봇의 말단부에 그리퍼를 부

착시킨다 이것은 인간의 손에 응되는 것으로서 메커니컬 핸드라고 칭하며 다

루는 상 물체를rdquo파지rdquo해 이동하는 목적으로 사용되는 도구이다

파지동작은 Fig 3-2 와 같이 세분화된다 인간의 손 손가락에는 많은 관절이

있으며 여러가지 작업이 가능하다 일상 생활에서의 붙잡기는 형식을 분류한 것

으로는 슐레징거의 12 형식이 있다 여기서 인간의 손에는 손가락이 있어서 그

것을 유지핸드라고 이름 붙이면 메커니컬 핸드에는 손가락이 없는 구성법이 있

는데 이것을 무지 핸드라고 이름 붙이기로 한다 이 무지 핸드는 기계적 물리적

으로 구조상 무지핸드로 한 것과 공구가 메커니컬 핸드와 일체화됐다고 생각하

는 공구 핸드가 있다 메커니컬 핸드를 분류해 보면 다음과 같다 진공이나 자

기 이용의 흡착 등 물리적 흡척형의 유지는 보통 평면(완만한 곡선도 포함)부를

흡착하는 형태로서 물체의 크기나 중량에 따라 여러 개가 설치되는 경우도 있

다 그러나 물체표면에 만곡부가 있는 경우나 구멍이나 공동이 있는 경우에는

적용할 수 없게 된다 또한 자력을 이용한 경우 철금속 재료를 다루게 되는데

경우에 따라서 매우 효율적이고 신뢰성이 높기는 하지만 물체에 잔류 자력이

남게 되는 문제점이 있다 받기형의 유지는 지지의 동작만을 가지고 있는 형태

이며 이는 전기한 흡착형 보다 적극적이 아니여서 약한 구속을 갖는다 변형하

기 쉬운 물체의 이송등에는 이를 채택한다 매달기형 유지는 중력 방향의 이동

1 자유도를 구속한다 잡기형 파지는 유연성에 의한 변형으로 접촉면적을 크게

하여 집는

상물을 외측

이용하는 등

33 파지형

파지 형

다 본 연구

하여 설명

(1) 두 손

형태이다 현

측에서 파지하

등의 파지방법

형태에 의한

형태로서는

구에서 사용할

명 하겠다

손가락 type

현재 많이 사

하거나 구멍

법이다

한 그리퍼의

상을 바깥에

할 메커니즘은

e

Fig 3-2 Cla

- 25 -

사용하고 있는

속에 손가락

의 분류

에서 파지하

은 바깥에서

assified by the

는 끼우기형

락을 넣은 후

는 것과 안에

파지하는 형

gripper grip ac

파지 형태는

후 벌려서 내

에서 파지하

형태가 유리하

ction

는 핸들링

내측사용면을

는 것이 있

하므로 이에

두 개의

상태를 유지

는 스윙형

안정되게 파

의 리지트한

지해서 개폐

핸드(swingin

파지하는 점에

손가락을 갖

되는 병진형

ng gripper)로

에서 병진형

(a) grinder c

(c

Fig 3-3 Sw

- 26 -

갖춘 것으로

핸드(transla

로 분류된다

보다 떨어진

crank

c) rotation joi

wing-type hand

실용례가 많

ational grippe

스윙형은 기

진다

(b) swing

int

d mechanism

많다 손가락이

er)와 그 방향

기구가 간단하

g block

이 상호평행

향이 변화하

하나 상이

병진형에

4 은 평행링

운동을 바꾸

에 회전시킴

로 유지되기

지된다 직

시키도록 한

가 전middot후진

피니온 방식

F

에서는 평행링

링크 방식의

꾸고 그 피니

킴으로써 손가

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동형 신에

한 것도 있다

진하는 결점이

식이 채용된다

Fig 3-4 Hand

링크 랙middot피니

예로 직동형

니온 운동으로

가락 개폐를

손가락의 물체

에 회전형 액

다 평행링크를

이 있다 이문

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mechanism fo

- 27 -

니온 나사이송

형 액추에이

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얻는다 링크

체 파지면의

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문제를 해결하

or translational

송 기구 등이

터의 운동을

의 하나의 링

크 PS 와 링

자세도 개폐

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형식은 개폐에

하는 방법으로

type1 (paralle

이 이용되고

랙과 피니온

링크 A 를 축

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폐 동작 중 일

식에서 평행링

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로서 볼나사

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있다 Fig 3-

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축 P 의 주위

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일정하게 유

링크를 회전

손가락 위치

기구나 랙middot

nt)

Fig 3

는 핸드의

볼나사 기구

다

(2) 세 손

세 손가

가락으로 잡

F

-5 는 회전형

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구 각각을 손

손가락 type

가락을 가진 핸

잡는 것보다

Fig 3-5 Hand

형 액추에터로

나사 기구를 이

손가락에 부착

e

핸드에서는

안정된 파지

d mechanism fo

- 28 -

로 랙 피니온

이용하는 경

착 사라를 회

상을 3 점

지 동작을 할

or translational

온을 회전시킴

우에는 1

회전시킴으로

점에서 유지할

할 수 있다

l type2 (rack a

킴으로써 개폐

의 왼나사

써 개폐 동작

할수 있기 때

nd pinion type

폐동작을 하

오른나사의

작을 실현한

문에 두 손

e)

Fig 3-6

베벨기어를

구동해서 세

실현한 것

각 손가락을

복잡하며 중

6 은 세 손가

를 매개로 상

세 손가락을

이다 특히

을 개별 모터

중량도 증가하

Fig

락형 그리퍼

호 각도를 주

동작시킴으로

원통물체를

터로 구동하도

하기 때문에

3-6 Hand mec

- 29 -

의 일반적인

주어 결합한

로써 이른바

확실히 잡아

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실용례가 적

chanism for thr

인 형상을 나타

3 개의 볼

바 3 포인트 핀

아서 유지하

지형핸드도 개

적다

ree point pinch

타내고 있다

나사를 하나

핀치(three po

는데 유리하

개발되고 있으

h type

이 핸드는

나의 모터로

oint pinch)를

하다그 외에

으나기구가

34 메카니

(1) 구속

기계적

어서 형성되

전 구속 기

해서 언급하

으로 움직일

또 X Y 평

니컬 핸드의

속기능

구동장치에

되는 것으로

기능이 있다

하면 구속 상

일 수 있다

평면 X Y 면

의 구속기능

서 구속 형식

크게 나누어

그래서 핸드

상태의 물체는

이것을 물체

X Z 면상에

Fig 3-

- 30 -

능

식과 접촉 상

어서 반구속

드의 구속 기

는 Fig 3-7 와

체의 공전 (이

서 6 방향으

-7 Movement

상태와 포락

속 (받는 구속

기능을 결정하

와 같이 X Y

이동)에 관한

로 회전 한다

t of object

능력의 인자

속 는 구속

하는 물체의

Z 의 3 축상

6 동작 자유

다 이것을 물

자가 복합되

속)기능과 완

구속에

에서 6 방향

유도로 한다

물체의 자전

(회전)에 관

부여한 상태

행할 수 있

서는 회전의

핸드에

한 공간적

면 Fig 3-8

이 그림

를 구속한다

에서 7 자유

선접촉과 면

계수와 절선

(a

관한 6 동작

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있다 또 완전

의 6 자유도를

의한 물체의

적인 포락 상

와 같이 된

(a)의 점접촉

다 그러나 1

유도를 구속

면접촉에는 각

선력법선력

a) point contac

Fig3

자유도로 한

이며 중력이

전 구속은 핸

를 무시하는

의 구속은 핸

상태로 정한다

다

촉은 접촉점

1 점접촉은 다

한다 (c)의

각각 마찰에

비와의 관계

ct (b

3-8 Contacts

- 31 -

한다 반구속은

이나 환경면의

드 자체로 1

경우도 적지

핸드와 물체의

다 먼저 접촉

방향의 1 자

다른 11 자유

면접촉은 11

위한 구속이

계로 구속불능

) line contact

of the kind an

은 12 자유도

의 구속을 받

12 자유도를

지 않다

의 접촉 상태

촉부의 구속

자유도를 구속

도를 구속할

1 자유도의 구

이 4 개와 6 개

능의 가능성을

nd the confini

도 중 몇 개의

아서 완전 구

행하는데 경

태 및 접촉부

능력을 모델

속한다 그러나

할 수 없다 (b

구속을 할 수

개 주어져 있

을 가진 구속

(c) surface co

ing

의 자유도를

구속으로 이

경우에 따라

부의 물체에

델로 나타내

나 1 자유도

b)는 선접촉

수 있다 단

있으며 마찰

속 성분이기

ontact

- 32 -

도 하다 또한 면접촉의 상태는 중력의 작용을 이용하면 받기를 형성하고 또

외계력을 이용하면 기를 형성한다

이들의 접촉상태는 물체의 형상과 핸드의 구속면으로 규정되는 것으로 핸드

만으로 결정하기는 어렵다 단 핸드의 구속면을 부드러운 재질로 형성하면 면

접촉의 이행이 용이하다 이와 같은 이유에서 물체에 접촉부가 포락도를 높이는

데에 따라서 물체 형상에 관계 없이 구속 능력을 증 시킬 수 있다

(2) 메커니컬 핸드의 자유도

로봇의 손은 그 용도를 불문하고 인간의 손 작업의 행을 목적으로 하는

것이므로 그 설계에 있어서 모델로 되는 것은 말할 것 도 없이 인간의 손이다

그래서 우선 기구에 하여 설명하기 전에 인간의 손의 구조 모델에 하여 설

명해 본다

AmiddotMorecki 에 의하면 인간의 상체는 그 해부학적 구조에 입각하면 Fig 3-9 와

같이 모델화할 수 있다 Fig 3-9 에서 숫자는 각각 골격 즉 링크를 나타내고 숫

자 II~ V 는 관절을 나타내고 있다 이와 같은 공간링크 기구의 자유도 F 는 가

동부수 n 자유도의 종류 f 를 가진 우 수를 Pf 라 하면 다음 식으로 나타낼

수 있다

6n sum ∙ P 12345 (3-1)

Fig 3-9

들 자유도가

을 Fig 3-9

P5=10 이므

인간의

유도 1 의

해 있으며

의 모델에서

가 있는 관절

9 와 같이 정

므로 위 식에

상지를 인공

액튜에이터를

22 개나 되

Fig 3

서는 n=19 P2

절에 작용하는

정의하고 그

서 FH=22 가

공적으로 정밀

를 27 필요

는 액튜에이

- 33 -

3-9 Human Ar

2=1 P3=2 P4

는 근군은 약

자유도 FH

가 된다

밀하게 재현하

요로 하게 된

터를 필요로

rm structure

4=6 P5=11 이

약 50 이라고

를 구하면

하려고 한다면

된다 또 손에

로 한다 그러

이므로 F=27

고 되어 있다

이 경우는 n

면 이상의 결

는 특히 자유

나 로봇의 손

이 된다 이

여기서 손

n=16 P4=6

결론에서 자

유도가 집중

손이 이만큼

- 34 -

의 수의 액튜에이터를 갖춘 것을 제작한다는 것은 크기 중량 제어면에서 볼

때 현시점에서는 불가능에 가깝다 특히 의수에 있어서는 상술한 바와 같은 형

상이나 조종성 등의 점에서 전혀 불가능하다고 해도 좋다 따라서 보통은 기능

에 주목하여 손에 집중해 있는 자유도의 간략화를 도모한다

인간의 잡기 동작에 주목해 보면 그 잡기 형상에는 12 종류가 있다고 하다

그러나 이것들은 엄지와 다른 12 종류가 있다고 한다 그러나 이것들은 엄지와

다른 4 손가락과의 관계에 주목하였을 때에 2 종류 즉 엄지가 다른 4 손가락과

항해서 동작하거나 그 측방에서 동작하는가로 분류할 수 있다 실제의 일상

동작에서 관찰하면 이들 중에서도 엄지와 손가락이 항해서 동작하는 소위 쥠

동작이 우선 첫 번째이고 또 다음에 엄지 검지 중지의 3 손가락의 선단으로

이루어지는 3Point Pinch 즉 잡기동작이 중요하다

더불어 손가락의 독립성에 해서는 역시 일상동작 중에서 손가락의 사용

빈도를 조사한 결과에 의하면 다섯 손가락은 반드시 독립적인 운동을 필요로

하지 않고 엄지 검지 중지가 같은 정도의 중요성을 자기며 다른 두 손가락은

사용 빈도에 있어서 이들 세 손가락보다 약 50 적으며 다른 세 손가락의 보

조 역할을 한다고 볼 수 있다 그리고 특히 중요한 것은 인간의 각 손가락은 잡

기 상물의 형상에 적응한 쥐기 즉 Passive 한 동작을 할 수 있다는 것이다 이

기능이 있다면 각 손가락이 독립적으로 동작하지 않더라도 또 다소 손의 자유

도를 제거하더라도 상물의 확실한 쥐기나 잡기 그리고 기타 손 작업에 큰 힘

을 발휘한다

- 35 -

34 표적인 동력원의 특징

동력원을 설계할 때 다음의 점을 고려하면서 가장 적합한 방식을 선택한다

1조작력(로보트가 내는 최 의 힘 예를들면 최 들어올린 힘)

2속응성(최 조작 속도)

3크기 중량(로보트의 크기와 중량의 제한)

4안정성(발열이나 과부하에 한 안전성)

5사용의 용이도

6수명가격

1 2 의 조작력 속응력은 로보트에 요구되는 성능에서 가장 기본적인 것인

데 이에 관련해서 크기나 중량의 제한 안정성 사용의 용이도 수명 가격 등을

고려해서 동력원을 선택한다 단 자주형 로보트에서는 2 차적 성능인 동력원의

중량이 첫째 요구 조건이 되는 경우가 많고 공업용 로보트에서는 저가격 사용

의 용이도 안전성이 중요 사항으로 우선시된다

모든 로봇은 동력원을 필요로한다 중요도에 따라 동력원을 선택해야 하는데

일반적으로 공기압식은 안전성이 뛰어난 반면 힘과 세밀한 위치제어가 어렵고

전기식은 응답성과 사용편리성 세밀한 위치제어가 가능하나 높은 힘을 내기 위

해서는 부가적인 기구부가 필요하다 유압식은 큰힘을 낼수있어서 속응성은 좋

으나 과부하시 상당한 발열이 있기 때문에 안전성에서 다른 동력원에 비해 떨

어진다 위 사항을 TABLE 3-1 로 분류하여 나타내었다

- 36 -

TABLE 3-1 Characteristics of power sources

전기식 유압식 공압식

사용용이성 편리하다 작동유의관리 관로의압력

필터관리에 유의

공급공기의 수분제거

윤활성의부가에 주의

수명 길다 기름에 윤활성이 있기

때문에 길다

공기에윤활성이 없어

유압 전기에 비해 짧다

가격 보통 가격 운영비 높음 저가격

응답속도

(반응성) 매우 빠르다 빠르다 늦다

하중능력 (소)에서 (중)정도의

하중능력 단히 큰 힘을 얻음 큰 힘은 없다

소음 적다 다소 크다 크다

- 37 -

제 4 장 능동형 그리퍼 설계

41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정

로봇 그리퍼의 정밀 파지 (Fingertip Grasp 손가락 끝을 이용하여 물체를 집

거나 바닥에누워있는 납작한 물체를 집는 행동)를 안정하게 하기 위해서는 손가

락 끝과 물체가 직각에 가까운 각도를 이룸으로 마찰력을 크게 하여 안정성을

높인다 또한 바닥에 놓인 물체를 집어 올릴 경우에도 물체표면의 법선 벡터와

손가락 끝의 각도가 클수록 물체를 효과적으로 구속하여 안정된 파지를 할 수

있다

그리퍼의 링크 시스템에 있어서 2 링크 손가락보다 3 링크 손가락을 쓸 때가

링크와 수평 평면이 이루는 각 (A)이 더 커지기 때문에 안정성이 더 좋다는 것

을 알 수 있다 그리고 안정성뿐만 아니라 식 (4-1)을 통하여 문체에 전해지는

Torque 값을 Fig 4-2 와 같이 그래프로 나타내면 0 도에서 75 도 정도까지는 A 각

이 커질수록 물체에 가해지는 토크 값이 점점 커지는 것을 알 수 있음으로 3 링

크 손가락을 쓰는 것이 파지력 증가됨을 알수 있다 ℓ3 의 길이가 길어질수록 A

가 작은 값을 가져서 정밀파지에 적당하지 않다

τ l cosA sinA l 1 cos A tan μ (41)

A cosempty

(42)

Fig 4-1

은 식을 통

각이 커짐을

움이 있고

Fig4-

에서 제 2 코

통해 구할 수

을 알 수 있다

최소 단위를

Fig4

-1 Configurati

코사인 법칙

있는데 이로

다 그러나 ℓ

를 1cm 로 하

-2 Change the

- 38 -

ion of the fing

을 이용하여

로부터 링크

ℓ3 가 1cm 인

하였기 때문에

e value of the a

gers on robot g

여 A 의 각을

길이 ℓ3 가

인 경우는 너

에 ℓ3 는 2cm

angle of phage

gripper

구하기 위해

작으면 작을

무 짧아서 파

로 결정하였

torque

해 (2) 와 같

을수록 A 의

파지의 어려

였다

42 모터

(1) 알고

앞 절에

여야 한다

는 모터의

이 작은 모

나 용량이

로 적절한

선정 알고

고리즘 정의

에서 설명한 기

로봇 팔에

선정은 동작

모터를 사용하

큰 모터를 사

모터의 선정

고리즘

기구들을 추

움직임을 전

작을 구현하는

하게 되면 기

사용하게 되

정이 중요하다

Fig 4-3 M

- 39 -

추후 로봇 시스

전달함에 있어

는데 중요한

기구의 원활한

면 모터의 외

다

Motor Selectio

스템에 적용을

어서 동력을

과제가 되겠

한 작동이 어

외형이 커지

on Algorithm

을 고려하여

공급과 제어

겠다 만일 토

려워지고 단

고 가격 또한

설계를 하

어를 수행하

토크나 용량

단순히 토크

한 증가하므

- 40 -

(2) 알고리즘 수행

모터를 선정하기 위해서 가장 우선적으로 해야 할 일은 기계구동부분을 결

정하고 구동부분을 어떠한 방식으로 작동을 시킬지 동작 패턴을 결정하여야 한

다 예를 들면 모터에서 나오는 힘을 받아서 볼 스크류를 이용하여 힘을 전달할

것인지 벨트 피니언 기어 혹은 풀리 등을 이용할 것인지를 결정하고 그에 따

른 적절한 구동방식을 결정한다 구동방식을 결정하게 되면 각각의 구동방식에

적합한 수식을 대입하여 부하토크를 계산한다 구동방식에 따른 부하토크를 구

하는 수식은 구동방식이나 구동장소 등에 따라 다소 상이하나 일반적인 수식은

다음과 같다

-BALL SCREW 구동

T FP2πn

μ F P2π

1i N ∙ m 43

F F mg sin α μ cos α N 44

-PULLEY 구동

T ∙ 45

μF D

2i N ∙ m

- 41 -

-WIRE middot BELT 구동 RACK middot PINION 구동

T F2πn

∙ πDi

FD2ni

N ∙ m 46

F F mg sin α μ cos s N 47

-실측에 의한 방법

T 48

직선운동 (커플링 직결 볼스크류 등)의 경우 위의 (43) (44) 이용하여 구할

수 있다 이때 F 는 축방향하중 F0 는 예압하중 μ0는 예압 NUT 의 마찰계수 η 은

효율i 는 감속비 PB 는볼스크류 피치를 나타낸다 회전운동 (풀리)의 경우 식

(45)를 이용하여 구할 수 있으며 FA는 외력 FB는 부하중량 (주축이 회전하기 시

작할 때의 힘) m 은 work 와 TABLE 의 총무계 μ 접동면의 마찰계수α는 경사각

도D 는 풀리의 지름을 나타낸다

실제현장에서는 선정된 모터의 토크를 확인하기 위해 실측에 의한 구동토크

를 계측하는데 스프링 저울을 구동 풀리에 연결지어 측정한다 이때 TL 은 회전

운동 부하토크에 해당하고 FB 는 부하중량 D 는 풀리의 직경을 나타낸다

위의 부하토크를 구하는 식들을 이용하여 부하토크를 구하게 되면 실제 모

터를 사용할 때 어느 정도의 시간적 여유를 두고 가속을 할 것인지 감속을 할

것인지를 결정하여야 한다 이를 위해서 우선 동작시킬 부분에 대한 관성모멘트

를 계산하

Fig 4-4

시한 것으로

dA 와 기준

이를 표현하

하여야 한다

4 는 관성모멘

로 X 와 Y

준축으로 부터

하면 식 (49)

Fig 4-4 Arb

I

멘트를 구하기

는 면적의 미

터의 거리의

)와 같다

- 42 -

bitrary shape o

y dA I

기 위한 절대

미소 요소 dA

제곱의 곱으

of planar area

x dA

대좌표 X Y

A 의 좌표이

으로 단면 2

축 상의 미소

이고 관성모멘

차 모멘트라

49

소면적을 도

멘트는 요소

라고도 한다

평면 면

가 있다 평

축에 대한

Fig 4-5

하는 평행한

관성모멘

식 (410

번째 적분은

면적의 관성

평행축 정리란

관성 모멘트

5 과 같이 도

한 xy 축 두

멘트의 정의로

I y

0) 에서 우변

은 Xc 축에

Fig 4-5

모멘트에 있

란 도심축에

트 사이의 관

도심을 원점으

좌표계의 평

로부터 x 축

y d dA

변의 첫 번째

대한 1 차 모

- 43 -

5 Parallel-axis

있어서 중요하

대한 관성

계를 나타낸

으로 하는 Xc

평행한 축 간

축에 대한 관

y dA

적분은 Xc

모멘트로서 X

theorem

하고 유용한

모멘트와 도

낸다

cYc 축과 임의

간의 거리를 d

성모멘트 Ix

2d y dA

축에 대한 관

Xc 축이 도심

정리로서 평

도심축에 평행

의의 점 O 를

d1 과 d2 로 표

는 식(410)와

d dA

관성모멘트

심을 통과하므

평행축 정리

행한 임의의

를 원점으로

표시한다

와 같다

410

I 이다 두

므로 적분의

- 44 -

값은 0 이다 세번째 적분은 면적 A 그 자체이다 따라서 식 (410)은 식 (411)과

같이 간단해진다

I I Ad 411

y 축에 대한 관성모멘트도 위와 같은 방법에 의해 식(412)과 같다

I I Ad 412

또한 면적의 평면에 수직인 수직축에 대한 관성모멘트를 극관성모멘트라 한

다 Fig 4-6 는 평면에 수직이고 O 점을 통과하는 축에 대한 극관성모멘트를 나

타낸 그림으로 이를 관성모멘트 식으로 표현하면 식 (413) 와 같다

I ρ dA 413

식 (413)와

즉 평면에

서로 수직인

극 관성

와 도심 C

와 식 (414)에

I

수직인 축에

인 두 축에 대

성모멘트에 대

에 대한 극

Fig 4-6 Arb

의해 식 (4

ρ dA

I

에 대한 극관

대한 관성모

대한 평행축

극 관성모멘트

- 45 -

bitrary shape o

ρ x y

415) 식 (41

x y dA

I I I

관성모멘트는

멘트의 합과

정리는 Fig

트를 각각 I

of Polar Area

y

16)과 같은 관

x dA y

는 평면 내의

과 같다

4-5 에서 유

와 I 로

관계식을 얻을

y dA

같은 지점을

유도할 수 있

로 표시하면

414

을 수 있다

415

416

을 통과하는

있다 원점 O

식 (416)에

- 46 -

서 식(417)을 유도할 수 있다

I I I I I I 417

I I I I A d d 418

I I Ad 419

식 (419)는 극 관성모멘트에 대한 평행축 정리를 나타낸다 즉 평면 내의 임의

의 한 점 O 에 대한 면적의 극관성모멘트는 도심 C 에 대한 극관성모멘트에 그

면적과 점 O 와 C 사이의 거리의 제곱의 곱을 더한 것과 같다

이상의 식에서 부하토크와 관성모멘트를 계산하여 모터를 가 선정한다 부하토

크의 경우 사용될 모터의 정격 토크를 넘어서지 않는 것을 선정한다 부하토크

를 TL 정상 부하 상태의 힘 PL 극 관성모멘트 IL 회전운동을 위한 힘 Pa 각속

도 가속 시 소요되는 시간을 ta 라 하고 식 (420)을 이용하여 부하가 일정하

게 작용할 때의 힘을 계산한다 마찬가지로 관성모멘트를 식 (421)에 대입하여

가속을 위한 회전 운동 시 필요한 힘을 계산한다 식 (420)과 식 (421)에서 계

산된 힘을 합산하면 모터를 회전시키기 위해 필요한 출력이 계산된다 이때 계

산된 출력보다 실제 사용할 모터의 정격 출력이 1~2 배 정도가 되도록 모터를

가 선정한다

- 47 -

P T ω 420

P 421

위의 과정을 통하여 모터를 가선정하고 가감속 토크 및 구동 토크를 계산한

다 각각의 토크를 계산하게 되면 모터를 최종적으로 선정하게 되는데 두 가지

사항을 고려하여 최종 선정한다 먼저 식 (422)을 통해서 계산되는 가속 시 소

요되는 기동 토크 TM 가 모터의 최대 토크를 넘지 않는 것으로 선정한다

T 422

두 번째로 Fig 4-7 의 속도 선도와 같이 모터의 가 감속 시간과 정상 동작

시간 등을 결정하여 식 (423)과 같이 실효치 토크 TS 를 구하고 실효 토크가 모

터의 정격 토크보다 크지 않도록 선정한다

T 423

Fig 4-7 Exa

- 48 -

ample of veloc

city guidance

- 49 -

(3) 알고리즘 적용

로봇시스템에 있어서 기구들의 관성모멘트와 토크 계산 후 적합한 모터를

선정하기 위해 시중에서 시판되는 모터를 조사하였다 로봇에 적용 가능한 모터

로는 크게 서버모터와 스텝모터 RC 서버모터 DC 모터로 구분 할 수 있었다 이

를 TABLE 4-1 과 같이 정리하였다

동력원의 6 가지 선정요소 중 우선순위를 부여하여 분류했을 때 핸드 그리퍼

의 특성상 가볍고 토크가 큰 RC 서버 모터 미니 서버모터를 선택할 수 도 있지

만 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터 중 토크를 증가시킬 수 있는

감속기가 있는 타입의 모터를 우선시 하였다

1 감속비를 사양할 수 있는 모터를 선정하여 계산한 토크를 확인한다

2 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터를 선정한다

3 CLOSED LOOP 제어를 통하여 정확한 위치를 검출할 수 있어야 한다

따라서 스텝모터중 lsquoOrsquo사의 ldquoαSTEPrdquo가 적합하다고 판단되어 모터를 선정하였다

- 50 -

TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics

미니서버모터 RC 서버모터 스텝모터 DC 모터

장점 동일사양대비 모터

중 10배정도 큰 토크

5v사용가벼움

정확한 위치제어

급격한 부하변동급가

속 유리

저렴한가격

보편화됨

단점 정지시 진동이 예상 약한 토크 THRUST하중이 모터

무계 이하여야 한다

유지보수가 잦다

크기 151588mm(10w20w)

2525111mm(30w)

392038mm 424234mm Oslash37mm917mm

동작전압 Dc 24V Dc 48V60V Dc 24V Dc 24V

무계 230g~400g 56g 150g 200g

허용토크 009Nm~03Nm 11~13kgfcm 18kgfcm (018Nm) 47kgfcm(1200)

감속기 다양한 감속비 가능 고정 감속기 감속기 무(072˚036) 다양한 감속비

제조사 야스카와 SGMM 하이텍 HS-5945 AUTONICS GCM 3429A

TABLE 4-2 αstep motor characteristics

외형 전압 전류 무계 토크 감속비 분해능

αSTEP 282884mm

4242127mm Dc24V 1~37A 250G 2~28 Nmiddotm 50~1001

00072pluse

00036pluse

- 51 -

43 1 차 능동형 그리퍼 설계

실린더를 사용하여 링크로 물체를 파지하던 그리퍼는 Fig 4-8 과 Fig 4-9 에

묘사하였다 이런 실린더를 사용한 그리퍼는 공압 효과를 도출할 수 있는 별도

의 펌프가 필요하고 동작을 구현할 수 있는 자유도를 증가시키는데 한계가 있

다 이런 실린더의 단점을 보완하고 전기모터의 장점을 사용하기 위해 웜기어와

웜휠 방식을 채택하여 2 자유도 능동형 그리퍼를 설계하였다

1 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-10 에 묘사하였으며 1 차설계한

능동형 그리퍼는 Two Fingertip Grasp 로 칭하겠다 파지한 물체를 회전 시키는

기능은 베벨기어를 사용하여 회전운동으로 구현하였고 실린더의 전middot후진 운동

을 전기모터의 회전운동으로 변환 시키기 위하여 웜기어와 웜휨을 선택하였다

전기모터에 의해 회전하는 운동은 웜기어와 웜휠에 의해 링크를 사용하여 물체

를 파지하였던 그리퍼와 동일한 운동효과를 가지게 되었다

웜기어와 웜휠을 사용하여 물체를 파지하는 능동형 그리퍼는 스윙형으로 설

계되었으며 파지력을 높이기 위한 각도를 적용하였다 링크를 사용하여 물체를

파지하는 형태의 그리퍼보다 기구의 크기를 줄일 수 있는 장점이 있는 반면 기

어들의 백래시에 의한 오차가 끝단에 누적될 수 있는 문제점을 가지고 있다또

한 기구부의 소재 변경으로 그리퍼의 무계를 줄일 수 도 있지만 가장 큰 무계

를 차지하는 모터를 그리퍼 자체에서 분리하게 할 수 있게 하려면 그리퍼 자체

의 구조변경이 필요하다

`

`

Fig 4-8 Par

Fig 4-9 Par

- 52 -

rallel-link gra

rallel-link gra

sps system 1

sps system 2

Fig 4-10

- 53 -

0 Two fingertipps grasp system

- 54 -

44 2 차 능동형 그리퍼 설계

1 차 설계한 능동형 그리퍼에서 발견된 문제점을 보안하기 위하여 2 차 능동

형 그리퍼를 설계하였다 2 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-11 에 묘사

하였으며 2 차설계한 능동형 그리퍼는 Four Fingertip Grasp 로 칭하겠다 이 장치

는 크게 동력원 동력 전달장치 핑거 그립장치로 구성되어있으며 이를 통합하

여 Fig 4-12 에 나타내었다

핑거 그립장치는 스윙형 그립의 단점을 보완하여 설계하였다 물체를 파지할

때 그립의 회전 반경이 주위 환경요소와 간섭을 발생시킬 수 있는데핑거가 전

진할때 샤프트와 핑거그립간의 나사결합형태를 통한 직선운동으로 개선하여 주

위환경요소에 영향을 주지 않도록 설계하였다 구동축의 핑거파지 메카니즘을

Fig 4-13 와 같이 간략화 하였고 이에 대한 세부 도면은 Fig 4-14 로 나타내었다

4 조 핑거 그립의 나사산과 테이퍼진 스크류축은 나사식으로 결합되며 상호

작용에 의해 점차 중심점으로 이동하여 물체를 파지하는 형태이다 사용된 2 개

의 샤프트는 중공축으로 설계하였으며 외부 샤프트는 4 조 핑거가 물체를 파지

하여 비트는 모션을 구현하는데 사용되었다 내부 샤프트는 핑거를 중심점으로

전진시켜는 기능을 수행한다 중공축으로 설계한 내부 샤프트는 차후 개발될 인

스트리먼트의 탈부착을 손쉽게 할수있도록 구현하였고 4 조로 설계된 핑거는 그

립시 인스트리먼트의 응력집중현상을 분산시키는 기능과 2 조로 그립하였을때

보다 안정적인 그립감을 형성한다

- 55 -

동력원과 동력전달장치는 Fig 4-15 에 나타내었으며 Two Fingertip Grasp system

의 문제점이었던 구동부의 모터의 설치 방법을 외부에 부착하는 형태로 변경하

여 우레탄 밸트를 사용하였다 또한 아이들러를 사용하여 밸트의 방향을 변경

하여 모터의 부착위치를 자유롭게 설정할 수 있도록 하였고 모터 브라켓에 슬

리브 홈을 설치하여 벨트의 장력을 조절할 수 있도록 하였다

Fig4-11

Fig4-12 Fou

- 56 -

Four fingertip

ur fingertips g

ps grasp system

grasp system la

m

ayout

Fig 4-13

Fig 4-14

- 57 -

Fingertip gra

4 Fingertip gr

asps mechanis

rasps extended

m

d

Fig 4-15

- 58 -

5 Power transmission devicce

- 59 -

제 5장 결 론

본 연구에서는 MIS 수술 로봇을 위한 햅틱 마스터장치 구동용 능동형 그리

퍼를 설계하기 위하여 그에 상응하는 자료 및 문헌 조사를 수행하였고 햅틱 마

스터에 적용 가능한 능동형 그리퍼를 설계하여 로봇 시스템의 초안을 구성하였

다 수술용 도구를 단순히 잡아주는 역할에서 벗어나 시스템에 추가적인 자유도

를 부여함으로써 그리퍼를 표현하였다 단순화된 그리퍼는 보다 저렴한 가격으

로 생산될 수 있으며 기존 로봇 수술시스템의 높은 비용을 절감할 수 있는 효

과를 가져올 수 있다

최종적으로 제안한 설계 안으로는 2 조 핑거그립를 사용하는 전기모터형 그

리퍼 와 추가적으로 개선한 4 조 전기모터형 핑거그립를 설계였다 스윙형 그립

의 단점을 보안하여 집중응력을 분산할 수 있는 구조로 설계하였고 그리퍼의

무계를 줄일 수 있는 방법을 제시하였다 이로써 원통형 도구 파지 시 안정성이

향상되었고 보다 원활하게 수술 도구를 교체 가능하도록 하였다

앞으로 촉감을 전달할 수 있는 센서의 개발로 햅틱 디바이스 인터페이스 장

치의 활용에 보다 높은 기여를 할 것이라 예상된다

-６０-

참고 문헌

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[12] 고대성김성목김희국이병주 ldquo병진형 자유도와 1자유도 파지기능을 가지는

4자유도 병렬 메커니즘의 기구학분석rdquo한국정밀공학회 2007년 추계학술대회

• 제1장 서 론
• • 11 연구배경 및 연구목적
  • 12 연구내용
  • • 제2장 로봇 산업의 기술 현황
    • • 21 로봇산업의 동향
      • 22 의료용 로봇기술 현황
      • 23 의료용 로봇시장 전망
      • • 제3장 능동 그리퍼
        • • 31 최소침습 수술 햅틱 장치구현에 필요한 능동 그리퍼 제안
          • 32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류
          • 33 파지형태에 의한 그리퍼의 분류
          • 34 메카니컬 핸드의 구속기능
          • 35 대표적인 동력원의 특징
          • • 제4장 능동형 그리퍼 설계
            • • 41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정
              • 42 모터 선정 알고리즘
              • • 43 1 차 능동형 그리퍼 설계
                • 44 2 차 능동형 그리퍼 설계
                • • 제 5 장 결론
                  • 참고문헌
                  • TABLE 2-1 Domestic robot classification
                  • TABLE 2-2 Robot Production Company
                  • TABLE 3-1 Characteristics of power sources
                  • TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics
                  • TABLE 4-2 αSTEP Motor Characteristics
                  • Fig2-1 Phase of medical robots in the robot industry
                  • Fig2-2 Da Vinci surgical case number
                  • Fig3-1 Da Vinci robot system for MIS
                  • Fig3-2 Classified by the gripper grip action
                  • Fig3-3 Swing-type hand mechanism
                  • Fig3-4 Hand mechanism for translational type1 (parallel displacement)
                  • Fig3-5 Hand mechanism for translational type2 (Rack and pinion type)
                  • Fig3-6 Hand mechanism for three point pinch type
                  • Fig3-7 Movement of object
                  • Fig3-8 Contacts of the kind and the confining
                  • Fig3-9 Human Arm structure
                  • Fig4-1 Configuration of the fingers on robot gripper
                  • Fig4-2 Change the value of the angle of phage torque
                  • Fig4-3 Motor Selection Algorithm
                  • Fig4-4 Arbitrary Shape of Planar Area
                  • Fig4-5 Parallel-Axis Theorem
                  • Fig4-6 Arbitrary Shape of Polar Area
                  • Fig4-7 Example of Velocity Guidance
                  • Fig4-8 Parallel-link Grasp system 1
                  • Fig4-9 Parallel-link Grasp system 2
                  • Fig4-10 TWO Fingertip Grasp system
                  • Fig4-11 Four Fingertip Grasp System
                  • Fig4-12 Four Fingertip Grasp System layout
                  • Fig4-13 Fingertip Grasp Mechanism
                  • Fig4-14 Fingertip Grasp extended
                  • Fig4-15 Power Transmission Device

- 3 -

12 연구 내용

본 연구에서는 의료용 햅틱 로봇 시스템에 적합한 능동형 그리퍼를 설계하

는 것이 본 연구의 목적이며 이를 위한 연구내용은 각 장 별로 요약하면 다음

과 같다

제 1장에서는 본 연구를 수행한 배경과 목적을 설명하였다

제 2 장에서는 연구의 첫 단계로 본 연구의 이론적 배경을 기술하였다 수술

로봇의 개요 및 동향 선행기술에 대하여 설명하였다

제 3 장에서는 능동형 그리퍼에 대한 이론적 배경을 기술하였다 그리퍼의 자

유도 기능분석 메키니칼 구성표 동력원에 대해 고찰하였다

제 4 장에서는 능동형 그리퍼의 설계 결과를 기술하고 설계 안에 대한 방향

을 제시하였다

마지막으로 제 5 장에서는 결론 및 향후 연구되어야 할 문제들에 대하여 언

급하였다

- 4 -

제 2장 로봇 산업의 기술 현황

21 로봇산업의 동향

(1) 국내로봇산업 분류체계

로봇이란 용어는 1921 년 카펠 차펙 (Karel Capek)이 쓴 희곡에서 유래하여

전통적인 로봇이란 반복 노동을 대체하는 자동화 기계로 인식되어 왔으나 현대

에 와서는 외부의 환경을 인식하고 지능을 바탕으로 스스로 판단하여 자율적으

로 동작하는 장치로 변모하였다 이렇게 변모하는 로봇산업은 현행 한국표준산

업 분류 체계상 단일제품 수준의 lsquo산업용로봇rsquo 으로만 분류하여 급성장이 예상

되는 lsquo서비스로봇rsquo 부분은 포함되어 있지 않았다 이에 산업자원부는 2007 년 1

월 로봇산업의 분류체계를 새롭게 마련하고 로봇산업의 승인통계를 구축하였다

이로써 1978 년 로봇산업이 시작한 이래 30 년 만에 비로소 로봇산업에 대한 명

확한 분류체계를 구축한 것이다

이 분류체계에서 로봇산업은 크게 개인서비스용 로봇 전문서비스용 로봇

제조업용 로봇 네트워크 로봇 로봇부품 및 부분품 등 대분류 5 개 중분류 28

개 소분류 136 개 항목으로 분류되어 있다 이를 구체적으로 살펴보면 TABLE

2- 1과 같다

- 5 -

TABLE 2-1 Domestic robot classification

대분류 중분류

서비스 로봇

개인 서비스용가사용 생활 지원용 여가 지원용 교육

용 기타 개인서비스용

전문서비스용

빌딩 서비스용 극한작업용 의료 복지용

사회 인프라용 군사용 생물 생산용 기

타 전문 서비스용

제조업용 로봇

이적재용 공작물 착탈용 용접용 표면처

리용 조립분해용 가공용 공정용 시험

검사용 기타 제조업용

네트워크 로봇 -

로봇부품 및 부분품 로봇용 구조구동센싱제어통신소프트

웨어기타 부품 및 부분품

lt자료gt 산업자원부

ldquo의료 복지용 로봇rdquo은 전문서비스용 로봇의 한 분야로 로봇산업의 중분류로

분류되고 있다 의료 복지용 로봇은 다시 수술 로봇 재활 훈련용 로봇 의료진

단 및 검사용 로봇 기타 의료 복지 로봇 등으로 소분류체계를 구축된다

산업연구원 (2007)에서는 로봇산업에서의 의료용 로봇의 위상을 Fig 2-1 과

같이 도식화 하였다 의료용 로봇을 포괄하고 있는 지능형 로봇은 우리나라가

소득 3 만 달러 시대를 선도할 미래스타산업으로 타 분야에 대한 기술적 파급

효과가 큰 첨단기술의 복합체라는 점 때문에 특히 중요하다고 할 수 있다

- 6 -

Fig2-1 Phase of medical robots in the robot industry

(2) 국내로봇산업 규모

가 로봇생산 기업규모

앞 절과 같은 로봇산업 분류체계에 근거하여 2006 년부터 로봇산업 통계조사

가 체계적으로 이루어지기 시작하였다 이 통계조사에 따르면 국내 로봇생산을

담당하고 있는 기업은 TABLE 2-2와 같다 2006년 총 170개 제조업 로봇 77개

사 (453) 로봇부품 및 부분품 48 개사 (282) 개인 서비스용 로봇 24 개사

- 7 -

(141) 전문서비스용 로봇 13 개사 (76) 네트워크 로봇 8 개사 (47)로 분포

되어 있다 이와 같은 수치는 2005 년 대비 제조업용 로봇 관련 기업 수는 다소

감소하였으나 전문서비스용 로봇이나 개인서비스용 로봇 관련 기업 수는 다소

증가하였다 또한 기업체 당 평균 자본금은 5354 억으로 제조업을 제외하면 기

업체 당 평균 자본금이 가장 높은 분야는 개인 서비스용 로봇 (2570 억원) 가

장 낮은 분야는 전문 서비스용 로봇 (1106억원)으로 나타났다

이는 최근 수요가 증가하는 생활 관련 로봇들에 대한 대기업의 투자나 진입

이 두드러지면서 나타난 현상이며 이런 기업들의 투자에 따른 생활 로봇 기술

향상이 두더러 지게 나타나고 있다 따라서 의료용 로봇 산업분야의 체질강화

와 기업 경쟁력 강화를 위해서는 최근 늘어나는 수요창출에 발맞추어 중견기업

들의 투자와 연구개발이 집중되어야 할 것이다

한편 로봇기업의 매출액 규모는 1억 원 미만의 영세한 업체가 30 1억~10

억 원 규모의 업체가 282 10억~50억 원 규모의 업체도 282로 대부분의 로

봇기업은 매출액 규모 50 억 미만의 중소기업체인 것으로 나타났다 특히 의료

용 로봇은 영세한 업체가 담당하기에는 다소 연구개발과 투자비용이 많이 소요

되기 때문에 대기업이나 정부의 투자나 지원이 반드시 필요하다 이러한 상황에

서 국내 의료용 로봇 시장의 성장을 낙관하기는 다소 무리가 있다 따라서 대기

업들이나 정부는 의료용 로봇 시장 확대와 성장에 적극적으로 참여해야 할 것

이다

- 8 -

TABLE 2-2 Robot Production Company

구분

2005 2006

업체수 구성비 업체수 구성비

제조업용 로봇 60 333 77 453

전문서비스용 로봇 13 72 13 76

개인서비스용 로봇 39 217 24 141

네트워크 로봇 17 94 8 47

로봇부품 및 부분품 51 283 48 282

합계 180 1000 170 1000

나 로봇생산 생산규모

로봇기업의 생산 현황을 보면 2005 년에는 5722 억 원 정도였으나 2006 년에

는 7196 억 원으로 258의 증가율을 보였다 특히 의료 복지용 로봇 분야가 포

함되어 있는 전문서비스용 로봇은 2005 년에는 53 억 정도였으나 2006 년에는

124억으로 전년대비 1309의 높은 증가세를 보였다

최근 국내에서 개발된 환자 안내용 로봇인 스누봇 (SNUBOT)이나 내시경 로

봇인 미로캠 (MiroCam) 등의 개발로 인해 더욱더 생산 증가폭은 커질 것으로

전망한다 의료 복지용 로봇분야에서는 2005 년에는 생산이 거의 없었으며 2006

년에는 약 6 천 만원으로 증가하기는 하였으나 이는 다른 로봇 분야에 비하면

극히 미비한 생산액이며 수술 로봇이나 재활 로봇에 대한 생산은 거의 전무한

실정이다 한국과학기술정보연구원(KISTI)에 따르면 2006 년 국내 서비스 로봇

- 9 -

(산업용 로봇 제외) 시장규모는 약 624 억 원으로 미비한 수준에 그쳤으나 2011

년 5117 억 원에 달하고 2013 년 이후는 수조 원에 달하는 황금시장으로 떠오를

것으로 예상하였다 또한 정부에서는 2005 년 국내 로봇산업 육성을 위해 2013

년까지 세계 시장 점유율 15 총생산 30 조원 수출 200 억 달러 고용창출 10

만 명 등 세계 3위의 로봇강국을 목표로 하고 있다

22 의료용 로봇기술 현황

(1) 의료용 로봇 유형 및 개념

의료용 로봇은 크게 수술 로봇 수술 시뮬레이션 재활로봇 기타 의료 로봇

등으로 분류된다

첫째 수술 로봇은 크게 두 가지의 유형으로 분류된다 먼저 수술 보조 로봇

(surgery assistant robot)은 수술실에서 집도의 명령에 따르면서 수술을 보조하거나

영상 가이드 역할을 해주는 로봇을 의미하며 수술 로봇 (surgery robot)은 의사를

대신하여 수술과정의 전체 혹은 일부를 의사 대신 혹은 의사와 함께 수술 작업

을 한다

둘째 수술 시뮬레이터 (surgery simulator)는 의사의 수술에 관한 숙련도를 높

이기 위하여 가상의 그래픽 환자 모델과 햅틱 장치 (haptic device) 등을 이용하

여 수술을 연습할 수 있게 하는 의료용 로봇이다 특히 근래에 들어 프로세스의

- 10 -

성능이 좋아지면서 MRI 나 CT 영상 등을 활용한 실시간 3 차원 볼륨이 가능해

지면서 의료용 시뮬레이터 개발은 가속화 되었다

셋째 재활 로봇 (rehabilitation robot)은 노인과 장애인의 재활치료와 일상생활

을 도와 주는 로봇 시스템으로 단순한 신체를 지지해 주는 역할을 벗어나 중증

환자나 노인의 신체 움직임을 향상시키고 빠른 시일 내에 회복하도록 주요 기

능을 수행하고 장애인의 장애를 극복하여 독립적인 생활을 가능하게 할 수 있

는 특정 기능의 로봇을 의미한다

넷째 기타 의료 로봇으로는 간호 로봇이나 안내로봇 등이 있다 현재의 간

호 인력을 도와서 수술이나 치료를 받는 환자를 보살피는 로봇으로서 정확한

투약과 수술 후 관리가 가능하도록 도와주는 기능과 환자의 이동 간병 및 산책

이 가능하고 말벗의 기능을 포함하는 로봇을 의미한다

(2) 의료용 로봇기술 개발현황

가 수술 로봇

현재까지 연구된 수술 로봇은 미세 수술용 원격수술 로봇 최소침습수술

(MIS) 로봇 관절 수술 로봇 등으로 분류할 수 있다

원격수술 로봇 시스템 일환으로 개발된 대표적인 로봇으로는 일본 동경대의

원격 수술 로봇 미국 NASA JPL 의 RAMS SRI International 의 원격 수술 로봇

한국과학기술원의 미세수술용 Slave 로봇 등이 있다

- 11 -

MIS 의 로봇 시스템 일환으로 개발된 대표적인 로봇으로는 미국의 UC 버클

리대의 수술 로봇시스템 Computer Motion 사의 내시경 보조 로봇인 이솝

(AESOP)과 복강경 수술 로봇인 제우스 (ZEUS) 제우스 보다 진보된 Intuitive

Surgical 의 다빈치 (daVinch) 등이 있다 이 중 다빈치는 수술용 로봇으로 거의

독점적인 위치로써 세계 로봇수술의 첨병역할을 하고 있다

관절 수술 로봇의 일환으로 개발된 대표적인 로봇으로는 미국 Integrated

Surgical System사의 로보닥 (Robodoc) 독일의 Orto Maque사의 CASPAR 영국의

Imperial College의 아크로보트 (Acrobot) 등이 있다

나 수술 시뮬레이터

수술 로봇 이외에 의사의 수술에 관한 숙련도를 높이기 위한 의료용 시뮬레

이터가 활발하게 연구되고 있다 특히 근래에 들어 프로세서의 성능이 좋아지면

서 MRI 나 CT 영상 등을 활용한 의료용 수술 시뮬레이터 개발이 가속화 되었

다 대표적인 수술 시뮬레이터로는 미국 Georgia Tech의 안구 수술 시뮬레이터

미국 Boston 다이나믹스사의 개복수술 시뮬레이터 Mitsubishi Electric Research Lab

의 무릎관절 내시경 시뮬레이션 영국 맨체스터 대학의 웹기반 시뮬레이터 등이

있다

다 재활 로봇

- 12 -

노령인구와 장애인구의 증가로 로봇 기술의 필요성은 재활분야에도 확대되

고 있다 장애인의 독립적인 활동을 보장하고 삶의 질을 높이려는 노력은 유럽

등의 선진국을 중심으로 재활 로봇이 연구되어 왔으며 이탈리아에서 개발된

MOVAID 가 대표적인 재활 로봇이다 또 미국에서는 MIT 를 중심으로 RIC 과

같은 로봇 신경 재활 로봇들이 개발되고 있다 스위스에서는 보행 재활 로봇으

로 Lokomat 이 개발되었고 국내에서는 KAIST 에서 휠체어 로봇 시스템과 보행

보조 로봇 등이 연구되고 있다 이외에도 서강대학교에서는 SUBAR 라는 보행

재활 로봇을 개발하였다 이외에도 최근 미국의 Intouch Health 에서 개발한 RP-7

은 멀리 있는 환자의 병증을 파악하는 데 탁월한 원격진료 로봇으로 활용되고

있다

(3) 국내 의료용 로봇 적용사례

상기 서술한 의료용 로봇 중 가장 많은 각광을 받고 있으며 국내에서 적용

되고 있는 사례를 통해 의료용 로봇의 사용 실태를 파악보고자 한다 대표적인

복강경 수술 로봇인 Intuitive Surgical의 다빈치 로봇 시스템과 고관절 수술 로봇

인 Integrated Surgical System사의 로보닥을 중심으로 국내 실태를 살펴보고자 한

다

가 다빈치

- 13 -

Fig 2-2 da Vinci surgical case number

다빈치 로봇은 1997 년 벨기에서 처음으로 환자에게 적용된 이래 국내에

2005 년 7 월 연세대학교 신촌 세브란스 병원에서 최초로 도입하여 2005 년 7 월

15 일 국내 최초로 다빈치를 이용한 로봇 수술이 이루어졌다 Fig 2-2 에서 보

듯이 수술사례는 계속적으로 증가하여 2008 년 1 월 말 현재 750 건이 넘는 수

술이 이루어졌다

다빈치 로봇은 전립선암 위암 대장남 부인암 식도암 갑상선암 간암 등

대부분의 암수술 및 중요 외과계 수술에 적용된다 이는 다빈치 로봇 수술이 가

져다 주는 효과인 개복수술이나 복강경 수술보다 수술회복기간이 단축되고 수

술시간도 감소시키는 역할과 무엇보다 수술 후 환자가 겪는 수술 후유증 확실

- 14 -

히 줄여주기 때문이다 특히 전립선암의 경우 대표적인 수술 후유증인 요실금

과 발기부전 등의 가능성이 대폭 줄어드는 것으로 알려져 있다

이와 같은 수술사례와 수술성과에도 불구하고 다빈치 로봇의 가격이 25 억

정도의 고가이기 때문에 영세한 의료기관에서 도입하기에는 다소 무리가 따르

고 있다 그러나 대형 병원들은 다빈치의 성공적인 수술사례를 통해 앞다투어

이를 도입하고 있다

2008 년 1 월 현재 신촌 세브란스 병원은 이미 3 대를 도입했고 영동 세브

란스 병원 고려대 안암병원 서울아산병원 한림대 강남병원 분당서울대병원

삼성서울병원 경북대병원 동아대병원 등 9 개 의료기관에 도입되어 있다 또한

최근 (2008 년 1 월 30 일) 연세대 세브란스병원은 로봇 수술의 활성화를 위해

Intuitive Surgical 과 공동으로 복강경 수술용 로봇 다빈치를 이용한 수술법을 배

우는 lsquo연세 다빈치 트레이닝 센터rsquo를 개소하였다

다빈치는 로봇 가격만큼 수술 비용에 있어서도 고가인데다 의료보험이 적

용되지 않아 수술 비용을 환자가 모두 부담해야 하는 실정이다 다빈치 로봇 수

술 비용은 700~2000 만 원선으로 기존의 수술 비용인 200~300 만 원 보다는 다

소 높은 가격이다 특히 전립선암의 경우 로봇 수술 비용은 1500 만 원 선으로

개복수술이나 복강경수술보다 5~7 배 정도의 높은 가격이다 그럼에도 불구하고

로봇 수술은 거의 모든 암 수술에 적용되고 있고 환자와 의사 모두 만족하는

수술법으로 자리잡아 가고 있다

- 15 -

나 로보닥

로봇이 외과적 기계로써 임상적으로 처음 국내에서 적용된 것은 1992 년 lsquo로

보닥rsquo이라는 의료용 로봇이다 미국에서 개발된 로보닥은 인공관절이 삽입될 환

자의 뼈를 로봇으로 가공해서 수술 성공률을 획기적으로 높였다 두꺼운 뼈를

정확한 형상으로 깎아내는 작업에는 CADCAM 자료에 따라 작동하는 로봇 팔

이 숙련된 외과의사를 간단히 능가했다 로보닥은 한국과 EU 의 판매승인을 획

득했고 결국 인공관절수술의 대세를 장악했다 세계적으로 8000 회 이상의 수술

이 로보닥을 이용하여 성공적으로 수행되었으며 2001년 FDA의 승인을 받기도

하였다

2002 년 국내 처음으로 로보닥이 도입된 이래로 이춘택 병원은 현재까지

2556 회라는 경이적인 수술건수를 기록하였다 그는 최소침습수술과 접목하여

로봇의 정밀성과 최소 절개기술을 결합시킴으로써 환자의 고통과 재활 기간을

크게 줄였다 그러나 로보닥의 가격은 무려 17 억 원이며 3 차원 영상까지 구현

하기 위해서는 10 억 원 상당의 멀티 CT 까지 도입해야만 한다 그렇기 때문에

소규모의 관절전문병원이 도입하기에는 다소 무리한 점이 있다 이러한 상황에

서 이춘택은 국내시장에 맞는 로봇개발을 위해 국산 부품 및 소프트웨어를 개

발 중에 있다 따라서 우리나라도 고령화 사회를 맞아 세계적으로 관절 수술이

급증하고 있는 상황에서 국내 기술로 만든 수술용 로봇이나 소프트웨어 개발은

국내 의료용 로봇시장의 활성화를 이룰 수 있다

- 16 -

23 의료용 로봇시장 전망

(1) 로봇산업 전망

로봇 분야별 세계시장 정세를 살펴보면 제조업용 로봇은 시장안전화 단계로

써 급격한 시장변화는 어려우며 신규 생산설비 및 기존 설비에 따른 수요가 대

부분 차지하고 있는 실정이다 개인서비스용 로봇은 가족구조의 핵가족화와 고

령화 현상으로 인한 가족인원으로서의 가정용 로봇에 대한 수요가 증가 추세에

있다 전문서비스용 로봇은 생산국과 생산기업이 극히 제한되어 있으며 제품가

격의 고가로 인해 시장형성에 있어서 생산국과 수요국이 불일치하고 있는 실정

이다 이러한 상황에서 로봇시장의 국가별 점유율을 살펴보면 일본 (28) 미국

(18) 독일 (16) 이탈리아 (10) 한국 (3)의 순으로 세계 5 위를 차지하고

있다 이와 같이 산업용 로봇의 경우는 우리나라의 세계적인 위상이 높지만 아

직까지 전문 서비스 분야 로봇에 대한 세계적인 위상은 미비하다

시장규모 전망과 국내 세계시장 점유율에 대한 전망은 다음과 같다 세계 로

봇시장의 규모는 2010 년에는 247억 5 백만 달러에서 2020년에는 717억 7 천만

달러에 이를 것으로 보고 있으며 연평균 107의 증가율을 예상하고 있다 분

야별로는 제조업용 로봇은 2010 년 세계시장의 114에서 2020 년 144의 비중

을 차지할 것으로 전망하고 있으며 전문서비스용 로봇은 2010 년 세계시장의

09에서 2020 년 21의 비중을 차지할 것으로 예상하고 있다 개인서비스용

- 17 -

로봇은 2010 년 30에서 2020 년 70 수준에 달할 것으로 보고 있다 비록 전

문 서비스용 로봇산업의 규모는 미국 일본 독일에 비해 미미한 실정이나 전문

서비스용 로봇의 신시장을 개척하고 그 만큼의 기술력이 밑받침된다면 2020 년

세계시장에서의 더 큰 비중의 달성이 이루어질 것으로 본다

(2) 의료용 로봇기술 전망

의료용 로봇시장의 성장은 의료용 로봇기술 개발산업의 성장과 밀접한 관계

가 있다 세계적인 개발추세로는 의료용 로봇개발 하드웨어 분야에서는 일본이

경쟁력이 가장 높으며 소프트웨어 분야에서는 미국이 앞서나가고 있다 또한

독일은 하드웨어 및 소프트웨어 분야에서 동시에 상당한 연구 개발 능력을 보

유하고 있다 앞으로는 이 세 나라가 의료용 로봇 시장의 핵심 주자로 나설 것

으로 예상된다

산업연구원 (2007) 조사에 따르면 국내 로봇산업의 기술은 기술항목에 따라

다소 차이를 보이고 있으나 제조업용 로봇의 경우는 최고 기술 보유국 대비 평

균 85 정도에 육박하고 있으며 전문서비스용 로봇의 경우는 80 정도 개인서비

스용 로봇은 84 정도에 이르고 있는 것으로 나타났다 의료용 로봇 분야에서는

선두주자인 미국의 기술력을 100 이라고 봤을 때 현재 우리나라는 70 정도이며

2015년이 지나야 100 에 도달할 것으로 전망하였다 비록 의료용 로봇에서 세계

1위인 미국에 비해 우리는 아직 10년 이상 차이가 있지만 세계 최초로 국제 규

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모의 로봇랜드 조성과 로봇펀드 발생 등 정부 차원에서의 노력이 여러 가지 방

면에서 다양하게 펼쳐지고 있기 때문에 그 격차는 점차 줄어들 것으로 예상된

다

또한 IFR (2006) 자료에 따르면 한국 산업용 로봇은 세계 5 위의 강국[16]인

데 비해 의료용 로봇에 있어서는 약소국이다 이는 의료용 로봇의 개발비가 많

이 드는데 비해 국내 시장은 극히 제한적이어서 일반 기업의 참여가 아주 저조

하기 때문이다 국내에서 의료용 로봇 관련 기술 개발은 아직 걸음마 단계에 머

물러 있으며 벤처기업 및 대기업들이 개발해 상용화시키고 있는 기술이나 제품

도 대부분이 생활 가전형 로봇에 한정되어 있을 뿐 의료용 로봇분야는 아직 미

개척지로 남아 있다 하지만 국내에서도 의료용 로봇 개발을 수행하기 위해 대

학이나 연구소 차원에서 의료용 로봇에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다 먼

저 한국과학기술원이 8 년 전 설치한 휴먼 웰페어 로보틱 서저리 센터가 대표

적인 연구기관이다 이 연구소에서는 거동이 불편한 환자들을 위한 휠체어의 자

동화 시스템이나 복강경 수술 로봇 등 로봇 수술용 기구의 국산화에 초점을 맞

춰 진행 중이다 또한 최근에는 국립암센터 역시 산업자원부로부터 수술용 로

봇과 영상시스템을 주제로 한 의료용 로봇 개발자로 선정되어 연구에 들어갔다

비록 국내 의료 및 수술 로봇 관련 기술이 일본 미국 등에 비해 아직까지

뒤쳐져 있는 실정이지만 국내에서도 의료용 로봇 기술 개발이 이처럼 활발히

진행되고 있어서 향후 전망은 매우 밝다고 할 수 있다 또한 해외에서 각광을

받고 있는 캡슐형 내시경 연구 역시 국내에서 벌써 10 년째 계속 되고 있다 최

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근 한국과학기술연구원과 벤처기업인 인트로메딕이 개발한 세계 최소형 캡슐형

내시경인 미로캠 (MiroCam)은 2010 년까지 국내 캡슐형 내시경 시장의 80를

점유할 것으로 예상하고 있다 이러한 국산 의료용 로봇 개발을 통해 고부가가

치 시장인 세계 의료 시장에 뛰어들 수 있는 기반을 다졌다는 데에 큰 의미가

있다

전문 서비스용 로봇의 경우 제조업 로봇 관련 풍부한 경험을 바탕으로 전문

서비스용 로봇으로의 기술확대 메카트로닉스 (mechatronics) 관련 다양한 산업기

반과 세계적인 IT 인프라 보유국의 강점을 살리고 있다 또한 한국은 10 대 성

장동력간 연계 등을 통한 시너지 효과와 세계 전문서비스 로봇 시장이 초기형

성 단계임을 감안한다면 이 분야의 진출에 대한 절호의 기회이며 머지않아 의

료용 로봇 강국으로 진입할 수 있을 것으로 기대된다

- 20 -

제 3 장 능동 그리퍼

31 최소침습 수술 햅틱 장치 구현에 필요한 능동 그리퍼 제안

21 세기 로봇 기술 분야에서는 인간과 기계 시스템 간의 커뮤니케이션이 무

엇보다 중요하게 강조되며 이러한 인간과 기계 시스템의 의사소통은 주로 인간

의 감각 기관을 통해 이루어 진다 일반적으로 인간에게는 보고 듣고 냄새를

맡고 맛을 보고 피부로 느끼는 오감이 있으며 이러한 감각을 시각 청각 후

각 미각 촉각이라고 한다 따라서 이러한 인간의 감각에 정보를 전달하기 위

한 다양한 기계 시스템들이 개발되어 왔다 오감 중에서 현재 인간과 기계 시스

템간의 인터페이스 역할을 하는 표적인 감각으로는 사물을 보는 시각과 소리

를 듣는 청각이 주로 이용되고 있다 이를 위한 시스템들은 이미 상당한 수준으

로 발전해 현재 상용화 되어 활용되고 있다 하지만 이러한 시각과 청각 인터

페이스 만으로는 로봇의 제어에 한계가 있으며 오감 중에서 세 번째 감각인 촉

각에 한 인터페이스가 현재 활발히 연구 개척되고 있다 만약 가상현실에 촉

감 인터페이스가 적용된다면 기존의 시각과 청각에만 의존하던 가상 현실에 촉

감을 전달함으로써 실제 물건을 만지고 느낄 수 있으므로 가상현실을 보다 더

실감나게 할 수 있을 것이다 하지만 인간의 감각 중에서 촉각은 매우 민감한

감각으로 여기에 촉감 정보를 전달하는 인터페이스는 아직 많은 연구를 필요로

하고 있다

- 21 -

햅틱 (haptic)이란 단어의 사전적인 의미는 ldquoof or relating the sense of touch

tactilerdquo로써 물체를 만질 때 사람이 느낄 수 있는 촉각적 감각으로 피부가 물체

표면에 닿아서 느끼는 촉감 (tactile sensation)과 관절과 근육의 움직임이 방해 될

때 느껴지는 근 감각적인 힘 (kinesthetic force)의 두 가지 힘을 모두 합쳐서 부르

는 말이다 촉감 구현 연구는 물리적 장치를 이용하여 사람이 직접적인 접촉이

없이도 촉각 정보를 전달하는 방법에 관한 전반적인 연구 분야를 일컫는 말로

사람에게 원격지에 있는 물체의 물리적 특성을 전달하는 원격조작 혹은 원격현

장감에 관한 연구로부터 시작되었다 가상 혹은 실제 환경에서 촉감을 구현하기

위한 연구를 포괄적으로 의미하는 용어로 햅틱스 (haptics)라고 한다 주요 연구

분야는 사람이 직접 손에 쥐거나 착용하는 물리적 장치인 햅틱 디바이스 인터

페이스 (haptic interface) 가상 공간상의 물체에 기계적 성질을 부여하여 사실감

이 있는 상호작용을 제공하고자 하는 햅틱 렌더링 (haptic rendering) 사람의 촉

각 인지 특성에 관한 연구 (tactile perception) 등으로 나눌 수 있다 특히 햅틱

인터페이스 (haptic interface)는 햅틱 디바이스 (haptic device)라고도 불리우며 사람

에게 촉감을 전달하는 물리적인 장치를 말하며 더 넓은 의미로 사용하여 가상

의 환경을 촉감 전달을 통해서 느끼게 하는 시스템 전체를 가리키기도 한다 이

러한 햅틱 기술은 다양한 분야에서 활용될 수 있는데 표적인 분야로는 가상

현실 분야 인간-컴퓨터 인터페이스 분야 게임 등 사이버 커뮤니케이션 그리고

원격제어 로봇 등이 있다 특히 원격제어 로봇이 많이 활용되고 있는 의료 분

야에서 햅틱 구현은 매우 시급한 과제이다 현 의 수술은 점점 첨단의 수술 도

- 22 -

구와 로봇을 이용하여 집도되는 추세이며 최소침습수술 (minimally invasive

surgery MIS)이 그 표적인 예이다 이 수술법은 환부의 구멍에 수술도구와 카

메라를 삽입하여 집도의가 모니터를 보면서 시술함으로써 시술시간이 짧고 환

자의 회복이 빨라서 그 적용 범위가 점차 확 되고 있다 하지만 환자가 얻게

되는 이점에 반해 의사는 개복 수술에서 쉽게 이용하던 기술들을 더 이상 적용

할 수 없게 되어 집도에 있어 큰 어려움을 부담해야만 한다 즉 환자의 내부에

서 손의 움직임과 시야의 제약을 받게 되었고 손으로 환자의 장기나 뼈를 만지

고 상태를 확인할 수 없게 된 것이다 이러한 문제점들을 극복하기 위해 첨단의

의료용 로봇 시스템이 개발되었는데 의사 즉 오퍼레이터가 조작하는 마스터

(master) 로봇과 환자의 환부에서 수술을 진행하는 슬레이브 (slave) 로봇으로 구

분된다 슬레이브 로봇은 크게 수술 시 집도의 팔의 움직임을 구현하는 구동 암

(arm)과 수술도구를 홀딩 할 수 있는 그리퍼로 분류할 수 있다 구동 암의 움직

임은 수술 부위의 위치를 결정하면 별도 큰 움직임 없이 작동시킬 수 있으며

전달 수술 관통 수술이 아닌 경우에는 집도의가 느끼는 힘을 피드백 할 필요가

없다 하지만 그리퍼의 경우는 신체 일부분의 미세한 조직까지 전부 접촉해서

제거하거나 봉합하기 때문에 집도의가 수술 시 느끼는 힘을 구현하여야 보다

정밀한 수술을 수행할 수 있다 따라서 본 연구에서는 햅틱 장치가 적용된 마스

터 로봇과 마스터 로봇에서 형성된 힘을 느낄 수 있으며 원할한 수술을 진행할

수 있는 최소침습수술용 능동 그리퍼를 제안하겠다 Fig 3-1 은 상용 MIS 장치인

다빈치 로봇의 마스터와 슬레이브 그리고 그리퍼를 나타내고 있다

(a) sla

(b

Fig 3-1 da V

Operation Arm

Gripper

- 23 -

ave robot and g

b) master rob

Vinci robot sy

m

gripper

ot

stem for MIS

- 24 -

32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류

산업용 로봇은 그 기능 특성상 필요성에 의해 로봇의 말단부에 그리퍼를 부

착시킨다 이것은 인간의 손에 응되는 것으로서 메커니컬 핸드라고 칭하며 다

루는 상 물체를rdquo파지rdquo해 이동하는 목적으로 사용되는 도구이다

파지동작은 Fig 3-2 와 같이 세분화된다 인간의 손 손가락에는 많은 관절이

있으며 여러가지 작업이 가능하다 일상 생활에서의 붙잡기는 형식을 분류한 것

으로는 슐레징거의 12 형식이 있다 여기서 인간의 손에는 손가락이 있어서 그

것을 유지핸드라고 이름 붙이면 메커니컬 핸드에는 손가락이 없는 구성법이 있

는데 이것을 무지 핸드라고 이름 붙이기로 한다 이 무지 핸드는 기계적 물리적

으로 구조상 무지핸드로 한 것과 공구가 메커니컬 핸드와 일체화됐다고 생각하

는 공구 핸드가 있다 메커니컬 핸드를 분류해 보면 다음과 같다 진공이나 자

기 이용의 흡착 등 물리적 흡척형의 유지는 보통 평면(완만한 곡선도 포함)부를

흡착하는 형태로서 물체의 크기나 중량에 따라 여러 개가 설치되는 경우도 있

다 그러나 물체표면에 만곡부가 있는 경우나 구멍이나 공동이 있는 경우에는

적용할 수 없게 된다 또한 자력을 이용한 경우 철금속 재료를 다루게 되는데

경우에 따라서 매우 효율적이고 신뢰성이 높기는 하지만 물체에 잔류 자력이

남게 되는 문제점이 있다 받기형의 유지는 지지의 동작만을 가지고 있는 형태

이며 이는 전기한 흡착형 보다 적극적이 아니여서 약한 구속을 갖는다 변형하

기 쉬운 물체의 이송등에는 이를 채택한다 매달기형 유지는 중력 방향의 이동

1 자유도를 구속한다 잡기형 파지는 유연성에 의한 변형으로 접촉면적을 크게

하여 집는

상물을 외측

이용하는 등

33 파지형

파지 형

다 본 연구

하여 설명

(1) 두 손

형태이다 현

측에서 파지하

등의 파지방법

형태에 의한

형태로서는

구에서 사용할

명 하겠다

손가락 type

현재 많이 사

하거나 구멍

법이다

한 그리퍼의

상을 바깥에

할 메커니즘은

e

Fig 3-2 Cla

- 25 -

사용하고 있는

속에 손가락

의 분류

에서 파지하

은 바깥에서

assified by the

는 끼우기형

락을 넣은 후

는 것과 안에

파지하는 형

gripper grip ac

파지 형태는

후 벌려서 내

에서 파지하

형태가 유리하

ction

는 핸들링

내측사용면을

는 것이 있

하므로 이에

두 개의

상태를 유지

는 스윙형

안정되게 파

의 리지트한

지해서 개폐

핸드(swingin

파지하는 점에

손가락을 갖

되는 병진형

ng gripper)로

에서 병진형

(a) grinder c

(c

Fig 3-3 Sw

- 26 -

갖춘 것으로

핸드(transla

로 분류된다

보다 떨어진

crank

c) rotation joi

wing-type hand

실용례가 많

ational grippe

스윙형은 기

진다

(b) swing

int

d mechanism

많다 손가락이

er)와 그 방향

기구가 간단하

g block

이 상호평행

향이 변화하

하나 상이

병진형에

4 은 평행링

운동을 바꾸

에 회전시킴

로 유지되기

지된다 직

시키도록 한

가 전middot후진

피니온 방식

F

에서는 평행링

링크 방식의

꾸고 그 피니

킴으로써 손가

기 때문에 손

동형 신에

한 것도 있다

진하는 결점이

식이 채용된다

Fig 3-4 Hand

링크 랙middot피니

예로 직동형

니온 운동으로

가락 개폐를

손가락의 물체

에 회전형 액

다 평행링크를

이 있다 이문

다

mechanism fo

- 27 -

니온 나사이송

형 액추에이

로 평행링크의

얻는다 링크

체 파지면의

추에이터를

를 이용한 형

문제를 해결하

or translational

송 기구 등이

터의 운동을

의 하나의 링

크 PS 와 링

자세도 개폐

이용한 형식

형식은 개폐에

하는 방법으로

type1 (paralle

이 이용되고

랙과 피니온

링크 A 를 축

크 QR 은 항

폐 동작 중 일

식에서 평행링

에 의해서 손

로서 볼나사

el displacement

있다 Fig 3-

온으로 회전

축 P 의 주위

항상 평행으

일정하게 유

링크를 회전

손가락 위치

기구나 랙middot

nt)

Fig 3

는 핸드의

볼나사 기구

다

(2) 세 손

세 손가

가락으로 잡

F

-5 는 회전형

예이다볼나

구 각각을 손

손가락 type

가락을 가진 핸

잡는 것보다

Fig 3-5 Hand

형 액추에터로

나사 기구를 이

손가락에 부착

e

핸드에서는

안정된 파지

d mechanism fo

- 28 -

로 랙 피니온

이용하는 경

착 사라를 회

상을 3 점

지 동작을 할

or translational

온을 회전시킴

우에는 1

회전시킴으로

점에서 유지할

할 수 있다

l type2 (rack a

킴으로써 개폐

의 왼나사

써 개폐 동작

할수 있기 때

nd pinion type

폐동작을 하

오른나사의

작을 실현한

문에 두 손

e)

Fig 3-6

베벨기어를

구동해서 세

실현한 것

각 손가락을

복잡하며 중

6 은 세 손가

를 매개로 상

세 손가락을

이다 특히

을 개별 모터

중량도 증가하

Fig

락형 그리퍼

호 각도를 주

동작시킴으로

원통물체를

터로 구동하도

하기 때문에

3-6 Hand mec

- 29 -

의 일반적인

주어 결합한

로써 이른바

확실히 잡아

도록 한 3 지

실용례가 적

chanism for thr

인 형상을 나타

3 개의 볼

바 3 포인트 핀

아서 유지하

지형핸드도 개

적다

ree point pinch

타내고 있다

나사를 하나

핀치(three po

는데 유리하

개발되고 있으

h type

이 핸드는

나의 모터로

oint pinch)를

하다그 외에

으나기구가

34 메카니

(1) 구속

기계적

어서 형성되

전 구속 기

해서 언급하

으로 움직일

또 X Y 평

니컬 핸드의

속기능

구동장치에

되는 것으로

기능이 있다

하면 구속 상

일 수 있다

평면 X Y 면

의 구속기능

서 구속 형식

크게 나누어

그래서 핸드

상태의 물체는

이것을 물체

X Z 면상에

Fig 3-

- 30 -

능

식과 접촉 상

어서 반구속

드의 구속 기

는 Fig 3-7 와

체의 공전 (이

서 6 방향으

-7 Movement

상태와 포락

속 (받는 구속

기능을 결정하

와 같이 X Y

이동)에 관한

로 회전 한다

t of object

능력의 인자

속 는 구속

하는 물체의

Z 의 3 축상

6 동작 자유

다 이것을 물

자가 복합되

속)기능과 완

구속에

에서 6 방향

유도로 한다

물체의 자전

(회전)에 관

부여한 상태

행할 수 있

서는 회전의

핸드에

한 공간적

면 Fig 3-8

이 그림

를 구속한다

에서 7 자유

선접촉과 면

계수와 절선

(a

관한 6 동작

태에서 움직이

있다 또 완전

의 6 자유도를

의한 물체의

적인 포락 상

와 같이 된

(a)의 점접촉

다 그러나 1

유도를 구속

면접촉에는 각

선력법선력

a) point contac

Fig3

자유도로 한

이며 중력이

전 구속은 핸

를 무시하는

의 구속은 핸

상태로 정한다

다

촉은 접촉점

1 점접촉은 다

한다 (c)의

각각 마찰에

비와의 관계

ct (b

3-8 Contacts

- 31 -

한다 반구속은

이나 환경면의

드 자체로 1

경우도 적지

핸드와 물체의

다 먼저 접촉

방향의 1 자

다른 11 자유

면접촉은 11

위한 구속이

계로 구속불능

) line contact

of the kind an

은 12 자유도

의 구속을 받

12 자유도를

지 않다

의 접촉 상태

촉부의 구속

자유도를 구속

도를 구속할

1 자유도의 구

이 4 개와 6 개

능의 가능성을

nd the confini

도 중 몇 개의

아서 완전 구

행하는데 경

태 및 접촉부

능력을 모델

속한다 그러나

할 수 없다 (b

구속을 할 수

개 주어져 있

을 가진 구속

(c) surface co

ing

의 자유도를

구속으로 이

경우에 따라

부의 물체에

델로 나타내

나 1 자유도

b)는 선접촉

수 있다 단

있으며 마찰

속 성분이기

ontact

- 32 -

도 하다 또한 면접촉의 상태는 중력의 작용을 이용하면 받기를 형성하고 또

외계력을 이용하면 기를 형성한다

이들의 접촉상태는 물체의 형상과 핸드의 구속면으로 규정되는 것으로 핸드

만으로 결정하기는 어렵다 단 핸드의 구속면을 부드러운 재질로 형성하면 면

접촉의 이행이 용이하다 이와 같은 이유에서 물체에 접촉부가 포락도를 높이는

데에 따라서 물체 형상에 관계 없이 구속 능력을 증 시킬 수 있다

(2) 메커니컬 핸드의 자유도

로봇의 손은 그 용도를 불문하고 인간의 손 작업의 행을 목적으로 하는

것이므로 그 설계에 있어서 모델로 되는 것은 말할 것 도 없이 인간의 손이다

그래서 우선 기구에 하여 설명하기 전에 인간의 손의 구조 모델에 하여 설

명해 본다

AmiddotMorecki 에 의하면 인간의 상체는 그 해부학적 구조에 입각하면 Fig 3-9 와

같이 모델화할 수 있다 Fig 3-9 에서 숫자는 각각 골격 즉 링크를 나타내고 숫

자 II~ V 는 관절을 나타내고 있다 이와 같은 공간링크 기구의 자유도 F 는 가

동부수 n 자유도의 종류 f 를 가진 우 수를 Pf 라 하면 다음 식으로 나타낼

수 있다

6n sum ∙ P 12345 (3-1)

Fig 3-9

들 자유도가

을 Fig 3-9

P5=10 이므

인간의

유도 1 의

해 있으며

의 모델에서

가 있는 관절

9 와 같이 정

므로 위 식에

상지를 인공

액튜에이터를

22 개나 되

Fig 3

서는 n=19 P2

절에 작용하는

정의하고 그

서 FH=22 가

공적으로 정밀

를 27 필요

는 액튜에이

- 33 -

3-9 Human Ar

2=1 P3=2 P4

는 근군은 약

자유도 FH

가 된다

밀하게 재현하

요로 하게 된

터를 필요로

rm structure

4=6 P5=11 이

약 50 이라고

를 구하면

하려고 한다면

된다 또 손에

로 한다 그러

이므로 F=27

고 되어 있다

이 경우는 n

면 이상의 결

는 특히 자유

나 로봇의 손

이 된다 이

여기서 손

n=16 P4=6

결론에서 자

유도가 집중

손이 이만큼

- 34 -

의 수의 액튜에이터를 갖춘 것을 제작한다는 것은 크기 중량 제어면에서 볼

때 현시점에서는 불가능에 가깝다 특히 의수에 있어서는 상술한 바와 같은 형

상이나 조종성 등의 점에서 전혀 불가능하다고 해도 좋다 따라서 보통은 기능

에 주목하여 손에 집중해 있는 자유도의 간략화를 도모한다

인간의 잡기 동작에 주목해 보면 그 잡기 형상에는 12 종류가 있다고 하다

그러나 이것들은 엄지와 다른 12 종류가 있다고 한다 그러나 이것들은 엄지와

다른 4 손가락과의 관계에 주목하였을 때에 2 종류 즉 엄지가 다른 4 손가락과

항해서 동작하거나 그 측방에서 동작하는가로 분류할 수 있다 실제의 일상

동작에서 관찰하면 이들 중에서도 엄지와 손가락이 항해서 동작하는 소위 쥠

동작이 우선 첫 번째이고 또 다음에 엄지 검지 중지의 3 손가락의 선단으로

이루어지는 3Point Pinch 즉 잡기동작이 중요하다

더불어 손가락의 독립성에 해서는 역시 일상동작 중에서 손가락의 사용

빈도를 조사한 결과에 의하면 다섯 손가락은 반드시 독립적인 운동을 필요로

하지 않고 엄지 검지 중지가 같은 정도의 중요성을 자기며 다른 두 손가락은

사용 빈도에 있어서 이들 세 손가락보다 약 50 적으며 다른 세 손가락의 보

조 역할을 한다고 볼 수 있다 그리고 특히 중요한 것은 인간의 각 손가락은 잡

기 상물의 형상에 적응한 쥐기 즉 Passive 한 동작을 할 수 있다는 것이다 이

기능이 있다면 각 손가락이 독립적으로 동작하지 않더라도 또 다소 손의 자유

도를 제거하더라도 상물의 확실한 쥐기나 잡기 그리고 기타 손 작업에 큰 힘

을 발휘한다

- 35 -

34 표적인 동력원의 특징

동력원을 설계할 때 다음의 점을 고려하면서 가장 적합한 방식을 선택한다

1조작력(로보트가 내는 최 의 힘 예를들면 최 들어올린 힘)

2속응성(최 조작 속도)

3크기 중량(로보트의 크기와 중량의 제한)

4안정성(발열이나 과부하에 한 안전성)

5사용의 용이도

6수명가격

1 2 의 조작력 속응력은 로보트에 요구되는 성능에서 가장 기본적인 것인

데 이에 관련해서 크기나 중량의 제한 안정성 사용의 용이도 수명 가격 등을

고려해서 동력원을 선택한다 단 자주형 로보트에서는 2 차적 성능인 동력원의

중량이 첫째 요구 조건이 되는 경우가 많고 공업용 로보트에서는 저가격 사용

의 용이도 안전성이 중요 사항으로 우선시된다

모든 로봇은 동력원을 필요로한다 중요도에 따라 동력원을 선택해야 하는데

일반적으로 공기압식은 안전성이 뛰어난 반면 힘과 세밀한 위치제어가 어렵고

전기식은 응답성과 사용편리성 세밀한 위치제어가 가능하나 높은 힘을 내기 위

해서는 부가적인 기구부가 필요하다 유압식은 큰힘을 낼수있어서 속응성은 좋

으나 과부하시 상당한 발열이 있기 때문에 안전성에서 다른 동력원에 비해 떨

어진다 위 사항을 TABLE 3-1 로 분류하여 나타내었다

- 36 -

TABLE 3-1 Characteristics of power sources

전기식 유압식 공압식

사용용이성 편리하다 작동유의관리 관로의압력

필터관리에 유의

공급공기의 수분제거

윤활성의부가에 주의

수명 길다 기름에 윤활성이 있기

때문에 길다

공기에윤활성이 없어

유압 전기에 비해 짧다

가격 보통 가격 운영비 높음 저가격

응답속도

(반응성) 매우 빠르다 빠르다 늦다

하중능력 (소)에서 (중)정도의

하중능력 단히 큰 힘을 얻음 큰 힘은 없다

소음 적다 다소 크다 크다

- 37 -

제 4 장 능동형 그리퍼 설계

41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정

로봇 그리퍼의 정밀 파지 (Fingertip Grasp 손가락 끝을 이용하여 물체를 집

거나 바닥에누워있는 납작한 물체를 집는 행동)를 안정하게 하기 위해서는 손가

락 끝과 물체가 직각에 가까운 각도를 이룸으로 마찰력을 크게 하여 안정성을

높인다 또한 바닥에 놓인 물체를 집어 올릴 경우에도 물체표면의 법선 벡터와

손가락 끝의 각도가 클수록 물체를 효과적으로 구속하여 안정된 파지를 할 수

있다

그리퍼의 링크 시스템에 있어서 2 링크 손가락보다 3 링크 손가락을 쓸 때가

링크와 수평 평면이 이루는 각 (A)이 더 커지기 때문에 안정성이 더 좋다는 것

을 알 수 있다 그리고 안정성뿐만 아니라 식 (4-1)을 통하여 문체에 전해지는

Torque 값을 Fig 4-2 와 같이 그래프로 나타내면 0 도에서 75 도 정도까지는 A 각

이 커질수록 물체에 가해지는 토크 값이 점점 커지는 것을 알 수 있음으로 3 링

크 손가락을 쓰는 것이 파지력 증가됨을 알수 있다 ℓ3 의 길이가 길어질수록 A

가 작은 값을 가져서 정밀파지에 적당하지 않다

τ l cosA sinA l 1 cos A tan μ (41)

A cosempty

(42)

Fig 4-1

은 식을 통

각이 커짐을

움이 있고

Fig4-

에서 제 2 코

통해 구할 수

을 알 수 있다

최소 단위를

Fig4

-1 Configurati

코사인 법칙

있는데 이로

다 그러나 ℓ

를 1cm 로 하

-2 Change the

- 38 -

ion of the fing

을 이용하여

로부터 링크

ℓ3 가 1cm 인

하였기 때문에

e value of the a

gers on robot g

여 A 의 각을

길이 ℓ3 가

인 경우는 너

에 ℓ3 는 2cm

angle of phage

gripper

구하기 위해

작으면 작을

무 짧아서 파

로 결정하였

torque

해 (2) 와 같

을수록 A 의

파지의 어려

였다

42 모터

(1) 알고

앞 절에

여야 한다

는 모터의

이 작은 모

나 용량이

로 적절한

선정 알고

고리즘 정의

에서 설명한 기

로봇 팔에

선정은 동작

모터를 사용하

큰 모터를 사

모터의 선정

고리즘

기구들을 추

움직임을 전

작을 구현하는

하게 되면 기

사용하게 되

정이 중요하다

Fig 4-3 M

- 39 -

추후 로봇 시스

전달함에 있어

는데 중요한

기구의 원활한

면 모터의 외

다

Motor Selectio

스템에 적용을

어서 동력을

과제가 되겠

한 작동이 어

외형이 커지

on Algorithm

을 고려하여

공급과 제어

겠다 만일 토

려워지고 단

고 가격 또한

설계를 하

어를 수행하

토크나 용량

단순히 토크

한 증가하므

- 40 -

(2) 알고리즘 수행

모터를 선정하기 위해서 가장 우선적으로 해야 할 일은 기계구동부분을 결

정하고 구동부분을 어떠한 방식으로 작동을 시킬지 동작 패턴을 결정하여야 한

다 예를 들면 모터에서 나오는 힘을 받아서 볼 스크류를 이용하여 힘을 전달할

것인지 벨트 피니언 기어 혹은 풀리 등을 이용할 것인지를 결정하고 그에 따

른 적절한 구동방식을 결정한다 구동방식을 결정하게 되면 각각의 구동방식에

적합한 수식을 대입하여 부하토크를 계산한다 구동방식에 따른 부하토크를 구

하는 수식은 구동방식이나 구동장소 등에 따라 다소 상이하나 일반적인 수식은

다음과 같다

-BALL SCREW 구동

T FP2πn

μ F P2π

1i N ∙ m 43

F F mg sin α μ cos α N 44

-PULLEY 구동

T ∙ 45

μF D

2i N ∙ m

- 41 -

-WIRE middot BELT 구동 RACK middot PINION 구동

T F2πn

∙ πDi

FD2ni

N ∙ m 46

F F mg sin α μ cos s N 47

-실측에 의한 방법

T 48

직선운동 (커플링 직결 볼스크류 등)의 경우 위의 (43) (44) 이용하여 구할

수 있다 이때 F 는 축방향하중 F0 는 예압하중 μ0는 예압 NUT 의 마찰계수 η 은

효율i 는 감속비 PB 는볼스크류 피치를 나타낸다 회전운동 (풀리)의 경우 식

(45)를 이용하여 구할 수 있으며 FA는 외력 FB는 부하중량 (주축이 회전하기 시

작할 때의 힘) m 은 work 와 TABLE 의 총무계 μ 접동면의 마찰계수α는 경사각

도D 는 풀리의 지름을 나타낸다

실제현장에서는 선정된 모터의 토크를 확인하기 위해 실측에 의한 구동토크

를 계측하는데 스프링 저울을 구동 풀리에 연결지어 측정한다 이때 TL 은 회전

운동 부하토크에 해당하고 FB 는 부하중량 D 는 풀리의 직경을 나타낸다

위의 부하토크를 구하는 식들을 이용하여 부하토크를 구하게 되면 실제 모

터를 사용할 때 어느 정도의 시간적 여유를 두고 가속을 할 것인지 감속을 할

것인지를 결정하여야 한다 이를 위해서 우선 동작시킬 부분에 대한 관성모멘트

를 계산하

Fig 4-4

시한 것으로

dA 와 기준

이를 표현하

하여야 한다

4 는 관성모멘

로 X 와 Y

준축으로 부터

하면 식 (49)

Fig 4-4 Arb

I

멘트를 구하기

는 면적의 미

터의 거리의

)와 같다

- 42 -

bitrary shape o

y dA I

기 위한 절대

미소 요소 dA

제곱의 곱으

of planar area

x dA

대좌표 X Y

A 의 좌표이

으로 단면 2

축 상의 미소

이고 관성모멘

차 모멘트라

49

소면적을 도

멘트는 요소

라고도 한다

평면 면

가 있다 평

축에 대한

Fig 4-5

하는 평행한

관성모멘

식 (410

번째 적분은

면적의 관성

평행축 정리란

관성 모멘트

5 과 같이 도

한 xy 축 두

멘트의 정의로

I y

0) 에서 우변

은 Xc 축에

Fig 4-5

모멘트에 있

란 도심축에

트 사이의 관

도심을 원점으

좌표계의 평

로부터 x 축

y d dA

변의 첫 번째

대한 1 차 모

- 43 -

5 Parallel-axis

있어서 중요하

대한 관성

계를 나타낸

으로 하는 Xc

평행한 축 간

축에 대한 관

y dA

적분은 Xc

모멘트로서 X

theorem

하고 유용한

모멘트와 도

낸다

cYc 축과 임의

간의 거리를 d

성모멘트 Ix

2d y dA

축에 대한 관

Xc 축이 도심

정리로서 평

도심축에 평행

의의 점 O 를

d1 과 d2 로 표

는 식(410)와

d dA

관성모멘트

심을 통과하므

평행축 정리

행한 임의의

를 원점으로

표시한다

와 같다

410

I 이다 두

므로 적분의

- 44 -

값은 0 이다 세번째 적분은 면적 A 그 자체이다 따라서 식 (410)은 식 (411)과

같이 간단해진다

I I Ad 411

y 축에 대한 관성모멘트도 위와 같은 방법에 의해 식(412)과 같다

I I Ad 412

또한 면적의 평면에 수직인 수직축에 대한 관성모멘트를 극관성모멘트라 한

다 Fig 4-6 는 평면에 수직이고 O 점을 통과하는 축에 대한 극관성모멘트를 나

타낸 그림으로 이를 관성모멘트 식으로 표현하면 식 (413) 와 같다

I ρ dA 413

식 (413)와

즉 평면에

서로 수직인

극 관성

와 도심 C

와 식 (414)에

I

수직인 축에

인 두 축에 대

성모멘트에 대

에 대한 극

Fig 4-6 Arb

의해 식 (4

ρ dA

I

에 대한 극관

대한 관성모

대한 평행축

극 관성모멘트

- 45 -

bitrary shape o

ρ x y

415) 식 (41

x y dA

I I I

관성모멘트는

멘트의 합과

정리는 Fig

트를 각각 I

of Polar Area

y

16)과 같은 관

x dA y

는 평면 내의

과 같다

4-5 에서 유

와 I 로

관계식을 얻을

y dA

같은 지점을

유도할 수 있

로 표시하면

414

을 수 있다

415

416

을 통과하는

있다 원점 O

식 (416)에

- 46 -

서 식(417)을 유도할 수 있다

I I I I I I 417

I I I I A d d 418

I I Ad 419

식 (419)는 극 관성모멘트에 대한 평행축 정리를 나타낸다 즉 평면 내의 임의

의 한 점 O 에 대한 면적의 극관성모멘트는 도심 C 에 대한 극관성모멘트에 그

면적과 점 O 와 C 사이의 거리의 제곱의 곱을 더한 것과 같다

이상의 식에서 부하토크와 관성모멘트를 계산하여 모터를 가 선정한다 부하토

크의 경우 사용될 모터의 정격 토크를 넘어서지 않는 것을 선정한다 부하토크

를 TL 정상 부하 상태의 힘 PL 극 관성모멘트 IL 회전운동을 위한 힘 Pa 각속

도 가속 시 소요되는 시간을 ta 라 하고 식 (420)을 이용하여 부하가 일정하

게 작용할 때의 힘을 계산한다 마찬가지로 관성모멘트를 식 (421)에 대입하여

가속을 위한 회전 운동 시 필요한 힘을 계산한다 식 (420)과 식 (421)에서 계

산된 힘을 합산하면 모터를 회전시키기 위해 필요한 출력이 계산된다 이때 계

산된 출력보다 실제 사용할 모터의 정격 출력이 1~2 배 정도가 되도록 모터를

가 선정한다

- 47 -

P T ω 420

P 421

위의 과정을 통하여 모터를 가선정하고 가감속 토크 및 구동 토크를 계산한

다 각각의 토크를 계산하게 되면 모터를 최종적으로 선정하게 되는데 두 가지

사항을 고려하여 최종 선정한다 먼저 식 (422)을 통해서 계산되는 가속 시 소

요되는 기동 토크 TM 가 모터의 최대 토크를 넘지 않는 것으로 선정한다

T 422

두 번째로 Fig 4-7 의 속도 선도와 같이 모터의 가 감속 시간과 정상 동작

시간 등을 결정하여 식 (423)과 같이 실효치 토크 TS 를 구하고 실효 토크가 모

터의 정격 토크보다 크지 않도록 선정한다

T 423

Fig 4-7 Exa

- 48 -

ample of veloc

city guidance

- 49 -

(3) 알고리즘 적용

로봇시스템에 있어서 기구들의 관성모멘트와 토크 계산 후 적합한 모터를

선정하기 위해 시중에서 시판되는 모터를 조사하였다 로봇에 적용 가능한 모터

로는 크게 서버모터와 스텝모터 RC 서버모터 DC 모터로 구분 할 수 있었다 이

를 TABLE 4-1 과 같이 정리하였다

동력원의 6 가지 선정요소 중 우선순위를 부여하여 분류했을 때 핸드 그리퍼

의 특성상 가볍고 토크가 큰 RC 서버 모터 미니 서버모터를 선택할 수 도 있지

만 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터 중 토크를 증가시킬 수 있는

감속기가 있는 타입의 모터를 우선시 하였다

1 감속비를 사양할 수 있는 모터를 선정하여 계산한 토크를 확인한다

2 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터를 선정한다

3 CLOSED LOOP 제어를 통하여 정확한 위치를 검출할 수 있어야 한다

따라서 스텝모터중 lsquoOrsquo사의 ldquoαSTEPrdquo가 적합하다고 판단되어 모터를 선정하였다

- 50 -

TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics

미니서버모터 RC 서버모터 스텝모터 DC 모터

장점 동일사양대비 모터

중 10배정도 큰 토크

5v사용가벼움

정확한 위치제어

급격한 부하변동급가

속 유리

저렴한가격

보편화됨

단점 정지시 진동이 예상 약한 토크 THRUST하중이 모터

무계 이하여야 한다

유지보수가 잦다

크기 151588mm(10w20w)

2525111mm(30w)

392038mm 424234mm Oslash37mm917mm

동작전압 Dc 24V Dc 48V60V Dc 24V Dc 24V

무계 230g~400g 56g 150g 200g

허용토크 009Nm~03Nm 11~13kgfcm 18kgfcm (018Nm) 47kgfcm(1200)

감속기 다양한 감속비 가능 고정 감속기 감속기 무(072˚036) 다양한 감속비

제조사 야스카와 SGMM 하이텍 HS-5945 AUTONICS GCM 3429A

TABLE 4-2 αstep motor characteristics

외형 전압 전류 무계 토크 감속비 분해능

αSTEP 282884mm

4242127mm Dc24V 1~37A 250G 2~28 Nmiddotm 50~1001

00072pluse

00036pluse

- 51 -

43 1 차 능동형 그리퍼 설계

실린더를 사용하여 링크로 물체를 파지하던 그리퍼는 Fig 4-8 과 Fig 4-9 에

묘사하였다 이런 실린더를 사용한 그리퍼는 공압 효과를 도출할 수 있는 별도

의 펌프가 필요하고 동작을 구현할 수 있는 자유도를 증가시키는데 한계가 있

다 이런 실린더의 단점을 보완하고 전기모터의 장점을 사용하기 위해 웜기어와

웜휠 방식을 채택하여 2 자유도 능동형 그리퍼를 설계하였다

1 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-10 에 묘사하였으며 1 차설계한

능동형 그리퍼는 Two Fingertip Grasp 로 칭하겠다 파지한 물체를 회전 시키는

기능은 베벨기어를 사용하여 회전운동으로 구현하였고 실린더의 전middot후진 운동

을 전기모터의 회전운동으로 변환 시키기 위하여 웜기어와 웜휨을 선택하였다

전기모터에 의해 회전하는 운동은 웜기어와 웜휠에 의해 링크를 사용하여 물체

를 파지하였던 그리퍼와 동일한 운동효과를 가지게 되었다

웜기어와 웜휠을 사용하여 물체를 파지하는 능동형 그리퍼는 스윙형으로 설

계되었으며 파지력을 높이기 위한 각도를 적용하였다 링크를 사용하여 물체를

파지하는 형태의 그리퍼보다 기구의 크기를 줄일 수 있는 장점이 있는 반면 기

어들의 백래시에 의한 오차가 끝단에 누적될 수 있는 문제점을 가지고 있다또

한 기구부의 소재 변경으로 그리퍼의 무계를 줄일 수 도 있지만 가장 큰 무계

를 차지하는 모터를 그리퍼 자체에서 분리하게 할 수 있게 하려면 그리퍼 자체

의 구조변경이 필요하다

`

`

Fig 4-8 Par

Fig 4-9 Par

- 52 -

rallel-link gra

rallel-link gra

sps system 1

sps system 2

Fig 4-10

- 53 -

0 Two fingertipps grasp system

- 54 -

44 2 차 능동형 그리퍼 설계

1 차 설계한 능동형 그리퍼에서 발견된 문제점을 보안하기 위하여 2 차 능동

형 그리퍼를 설계하였다 2 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-11 에 묘사

하였으며 2 차설계한 능동형 그리퍼는 Four Fingertip Grasp 로 칭하겠다 이 장치

는 크게 동력원 동력 전달장치 핑거 그립장치로 구성되어있으며 이를 통합하

여 Fig 4-12 에 나타내었다

핑거 그립장치는 스윙형 그립의 단점을 보완하여 설계하였다 물체를 파지할

때 그립의 회전 반경이 주위 환경요소와 간섭을 발생시킬 수 있는데핑거가 전

진할때 샤프트와 핑거그립간의 나사결합형태를 통한 직선운동으로 개선하여 주

위환경요소에 영향을 주지 않도록 설계하였다 구동축의 핑거파지 메카니즘을

Fig 4-13 와 같이 간략화 하였고 이에 대한 세부 도면은 Fig 4-14 로 나타내었다

4 조 핑거 그립의 나사산과 테이퍼진 스크류축은 나사식으로 결합되며 상호

작용에 의해 점차 중심점으로 이동하여 물체를 파지하는 형태이다 사용된 2 개

의 샤프트는 중공축으로 설계하였으며 외부 샤프트는 4 조 핑거가 물체를 파지

하여 비트는 모션을 구현하는데 사용되었다 내부 샤프트는 핑거를 중심점으로

전진시켜는 기능을 수행한다 중공축으로 설계한 내부 샤프트는 차후 개발될 인

스트리먼트의 탈부착을 손쉽게 할수있도록 구현하였고 4 조로 설계된 핑거는 그

립시 인스트리먼트의 응력집중현상을 분산시키는 기능과 2 조로 그립하였을때

보다 안정적인 그립감을 형성한다

- 55 -

동력원과 동력전달장치는 Fig 4-15 에 나타내었으며 Two Fingertip Grasp system

의 문제점이었던 구동부의 모터의 설치 방법을 외부에 부착하는 형태로 변경하

여 우레탄 밸트를 사용하였다 또한 아이들러를 사용하여 밸트의 방향을 변경

하여 모터의 부착위치를 자유롭게 설정할 수 있도록 하였고 모터 브라켓에 슬

리브 홈을 설치하여 벨트의 장력을 조절할 수 있도록 하였다

Fig4-11

Fig4-12 Fou

- 56 -

Four fingertip

ur fingertips g

ps grasp system

grasp system la

m

ayout

Fig 4-13

Fig 4-14

- 57 -

Fingertip gra

4 Fingertip gr

asps mechanis

rasps extended

m

d

Fig 4-15

- 58 -

5 Power transmission devicce

- 59 -

제 5장 결 론

본 연구에서는 MIS 수술 로봇을 위한 햅틱 마스터장치 구동용 능동형 그리

퍼를 설계하기 위하여 그에 상응하는 자료 및 문헌 조사를 수행하였고 햅틱 마

스터에 적용 가능한 능동형 그리퍼를 설계하여 로봇 시스템의 초안을 구성하였

다 수술용 도구를 단순히 잡아주는 역할에서 벗어나 시스템에 추가적인 자유도

를 부여함으로써 그리퍼를 표현하였다 단순화된 그리퍼는 보다 저렴한 가격으

로 생산될 수 있으며 기존 로봇 수술시스템의 높은 비용을 절감할 수 있는 효

과를 가져올 수 있다

최종적으로 제안한 설계 안으로는 2 조 핑거그립를 사용하는 전기모터형 그

리퍼 와 추가적으로 개선한 4 조 전기모터형 핑거그립를 설계였다 스윙형 그립

의 단점을 보안하여 집중응력을 분산할 수 있는 구조로 설계하였고 그리퍼의

무계를 줄일 수 있는 방법을 제시하였다 이로써 원통형 도구 파지 시 안정성이

향상되었고 보다 원활하게 수술 도구를 교체 가능하도록 하였다

앞으로 촉감을 전달할 수 있는 센서의 개발로 햅틱 디바이스 인터페이스 장

치의 활용에 보다 높은 기여를 할 것이라 예상된다

-６０-

참고 문헌

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정보 및 제어부분 PP68~7020084

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PP49~5420084

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PP74~77200612

[4] 경기욱박준석 ldquo햅틱스 기술개발 동향 및 연구전망rdquo전자통신경향분석

21(5)PP93~108200610

[5] 권동수경기욱 ldquo의료용 로봇의 연구 현황과 전망rdquo기계저널

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[6] Yoichi OGAHARA Yusuke KAWATO Kenjiro TAKEMURA Takashi MAENO

ldquoA Wire-Driven Miniature Five Fingerd Robot Hand using Elastic Elements as

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[7] Ikuo Yamano Takashi Maeno ldquoFive-fingered Robot Hand using Ultrasonic Motors

and Elastic Elementsrdquoproceedings the 2005 IEEE International Conference on

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[8] 홍만복김광기 ldquo최소 침습수술로봇을위한 2-자유도 구형 메커니즘설계rdquo

한국정밀공학회 2009년 추계학술대회 논문집

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[9] 이재훈김형욱이병주서일홍 ldquo새로운 6자유도 병렬형 햅틱 기구의 최적설

계 및 해석rdquo한국정밀공학회 2003년 추계학술대회 논문집

[10] 조국훈이재훈이병주김희국 ldquo병렬형 그리퍼 메카니즘rdquo한국정밀공학회지

[11] 김갑순 ldquo3축 힘센서를 이용한 지능형 그리퍼 개발rdquo한국정밀공학회지 제

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[12] 고대성김성목김희국이병주 ldquo병진형 자유도와 1자유도 파지기능을 가지는

4자유도 병렬 메커니즘의 기구학분석rdquo한국정밀공학회 2007년 추계학술대회

• 제1장 서 론
• • 11 연구배경 및 연구목적
  • 12 연구내용
  • • 제2장 로봇 산업의 기술 현황
    • • 21 로봇산업의 동향
      • 22 의료용 로봇기술 현황
      • 23 의료용 로봇시장 전망
      • • 제3장 능동 그리퍼
        • • 31 최소침습 수술 햅틱 장치구현에 필요한 능동 그리퍼 제안
          • 32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류
          • 33 파지형태에 의한 그리퍼의 분류
          • 34 메카니컬 핸드의 구속기능
          • 35 대표적인 동력원의 특징
          • • 제4장 능동형 그리퍼 설계
            • • 41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정
              • 42 모터 선정 알고리즘
              • • 43 1 차 능동형 그리퍼 설계
                • 44 2 차 능동형 그리퍼 설계
                • • 제 5 장 결론
                  • 참고문헌
                  • TABLE 2-1 Domestic robot classification
                  • TABLE 2-2 Robot Production Company
                  • TABLE 3-1 Characteristics of power sources
                  • TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics
                  • TABLE 4-2 αSTEP Motor Characteristics
                  • Fig2-1 Phase of medical robots in the robot industry
                  • Fig2-2 Da Vinci surgical case number
                  • Fig3-1 Da Vinci robot system for MIS
                  • Fig3-2 Classified by the gripper grip action
                  • Fig3-3 Swing-type hand mechanism
                  • Fig3-4 Hand mechanism for translational type1 (parallel displacement)
                  • Fig3-5 Hand mechanism for translational type2 (Rack and pinion type)
                  • Fig3-6 Hand mechanism for three point pinch type
                  • Fig3-7 Movement of object
                  • Fig3-8 Contacts of the kind and the confining
                  • Fig3-9 Human Arm structure
                  • Fig4-1 Configuration of the fingers on robot gripper
                  • Fig4-2 Change the value of the angle of phage torque
                  • Fig4-3 Motor Selection Algorithm
                  • Fig4-4 Arbitrary Shape of Planar Area
                  • Fig4-5 Parallel-Axis Theorem
                  • Fig4-6 Arbitrary Shape of Polar Area
                  • Fig4-7 Example of Velocity Guidance
                  • Fig4-8 Parallel-link Grasp system 1
                  • Fig4-9 Parallel-link Grasp system 2
                  • Fig4-10 TWO Fingertip Grasp system
                  • Fig4-11 Four Fingertip Grasp System
                  • Fig4-12 Four Fingertip Grasp System layout
                  • Fig4-13 Fingertip Grasp Mechanism
                  • Fig4-14 Fingertip Grasp extended
                  • Fig4-15 Power Transmission Device

- 4 -

제 2장 로봇 산업의 기술 현황

21 로봇산업의 동향

(1) 국내로봇산업 분류체계

로봇이란 용어는 1921 년 카펠 차펙 (Karel Capek)이 쓴 희곡에서 유래하여

전통적인 로봇이란 반복 노동을 대체하는 자동화 기계로 인식되어 왔으나 현대

에 와서는 외부의 환경을 인식하고 지능을 바탕으로 스스로 판단하여 자율적으

로 동작하는 장치로 변모하였다 이렇게 변모하는 로봇산업은 현행 한국표준산

업 분류 체계상 단일제품 수준의 lsquo산업용로봇rsquo 으로만 분류하여 급성장이 예상

되는 lsquo서비스로봇rsquo 부분은 포함되어 있지 않았다 이에 산업자원부는 2007 년 1

월 로봇산업의 분류체계를 새롭게 마련하고 로봇산업의 승인통계를 구축하였다

이로써 1978 년 로봇산업이 시작한 이래 30 년 만에 비로소 로봇산업에 대한 명

확한 분류체계를 구축한 것이다

이 분류체계에서 로봇산업은 크게 개인서비스용 로봇 전문서비스용 로봇

제조업용 로봇 네트워크 로봇 로봇부품 및 부분품 등 대분류 5 개 중분류 28

개 소분류 136 개 항목으로 분류되어 있다 이를 구체적으로 살펴보면 TABLE

2- 1과 같다

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TABLE 2-1 Domestic robot classification

대분류 중분류

서비스 로봇

개인 서비스용가사용 생활 지원용 여가 지원용 교육

용 기타 개인서비스용

전문서비스용

빌딩 서비스용 극한작업용 의료 복지용

사회 인프라용 군사용 생물 생산용 기

타 전문 서비스용

제조업용 로봇

이적재용 공작물 착탈용 용접용 표면처

리용 조립분해용 가공용 공정용 시험

검사용 기타 제조업용

네트워크 로봇 -

로봇부품 및 부분품 로봇용 구조구동센싱제어통신소프트

웨어기타 부품 및 부분품

lt자료gt 산업자원부

ldquo의료 복지용 로봇rdquo은 전문서비스용 로봇의 한 분야로 로봇산업의 중분류로

분류되고 있다 의료 복지용 로봇은 다시 수술 로봇 재활 훈련용 로봇 의료진

단 및 검사용 로봇 기타 의료 복지 로봇 등으로 소분류체계를 구축된다

산업연구원 (2007)에서는 로봇산업에서의 의료용 로봇의 위상을 Fig 2-1 과

같이 도식화 하였다 의료용 로봇을 포괄하고 있는 지능형 로봇은 우리나라가

소득 3 만 달러 시대를 선도할 미래스타산업으로 타 분야에 대한 기술적 파급

효과가 큰 첨단기술의 복합체라는 점 때문에 특히 중요하다고 할 수 있다

- 6 -

Fig2-1 Phase of medical robots in the robot industry

(2) 국내로봇산업 규모

가 로봇생산 기업규모

앞 절과 같은 로봇산업 분류체계에 근거하여 2006 년부터 로봇산업 통계조사

가 체계적으로 이루어지기 시작하였다 이 통계조사에 따르면 국내 로봇생산을

담당하고 있는 기업은 TABLE 2-2와 같다 2006년 총 170개 제조업 로봇 77개

사 (453) 로봇부품 및 부분품 48 개사 (282) 개인 서비스용 로봇 24 개사

- 7 -

(141) 전문서비스용 로봇 13 개사 (76) 네트워크 로봇 8 개사 (47)로 분포

되어 있다 이와 같은 수치는 2005 년 대비 제조업용 로봇 관련 기업 수는 다소

감소하였으나 전문서비스용 로봇이나 개인서비스용 로봇 관련 기업 수는 다소

증가하였다 또한 기업체 당 평균 자본금은 5354 억으로 제조업을 제외하면 기

업체 당 평균 자본금이 가장 높은 분야는 개인 서비스용 로봇 (2570 억원) 가

장 낮은 분야는 전문 서비스용 로봇 (1106억원)으로 나타났다

이는 최근 수요가 증가하는 생활 관련 로봇들에 대한 대기업의 투자나 진입

이 두드러지면서 나타난 현상이며 이런 기업들의 투자에 따른 생활 로봇 기술

향상이 두더러 지게 나타나고 있다 따라서 의료용 로봇 산업분야의 체질강화

와 기업 경쟁력 강화를 위해서는 최근 늘어나는 수요창출에 발맞추어 중견기업

들의 투자와 연구개발이 집중되어야 할 것이다

한편 로봇기업의 매출액 규모는 1억 원 미만의 영세한 업체가 30 1억~10

억 원 규모의 업체가 282 10억~50억 원 규모의 업체도 282로 대부분의 로

봇기업은 매출액 규모 50 억 미만의 중소기업체인 것으로 나타났다 특히 의료

용 로봇은 영세한 업체가 담당하기에는 다소 연구개발과 투자비용이 많이 소요

되기 때문에 대기업이나 정부의 투자나 지원이 반드시 필요하다 이러한 상황에

서 국내 의료용 로봇 시장의 성장을 낙관하기는 다소 무리가 있다 따라서 대기

업들이나 정부는 의료용 로봇 시장 확대와 성장에 적극적으로 참여해야 할 것

이다

- 8 -

TABLE 2-2 Robot Production Company

구분

2005 2006

업체수 구성비 업체수 구성비

제조업용 로봇 60 333 77 453

전문서비스용 로봇 13 72 13 76

개인서비스용 로봇 39 217 24 141

네트워크 로봇 17 94 8 47

로봇부품 및 부분품 51 283 48 282

합계 180 1000 170 1000

나 로봇생산 생산규모

로봇기업의 생산 현황을 보면 2005 년에는 5722 억 원 정도였으나 2006 년에

는 7196 억 원으로 258의 증가율을 보였다 특히 의료 복지용 로봇 분야가 포

함되어 있는 전문서비스용 로봇은 2005 년에는 53 억 정도였으나 2006 년에는

124억으로 전년대비 1309의 높은 증가세를 보였다

최근 국내에서 개발된 환자 안내용 로봇인 스누봇 (SNUBOT)이나 내시경 로

봇인 미로캠 (MiroCam) 등의 개발로 인해 더욱더 생산 증가폭은 커질 것으로

전망한다 의료 복지용 로봇분야에서는 2005 년에는 생산이 거의 없었으며 2006

년에는 약 6 천 만원으로 증가하기는 하였으나 이는 다른 로봇 분야에 비하면

극히 미비한 생산액이며 수술 로봇이나 재활 로봇에 대한 생산은 거의 전무한

실정이다 한국과학기술정보연구원(KISTI)에 따르면 2006 년 국내 서비스 로봇

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(산업용 로봇 제외) 시장규모는 약 624 억 원으로 미비한 수준에 그쳤으나 2011

년 5117 억 원에 달하고 2013 년 이후는 수조 원에 달하는 황금시장으로 떠오를

것으로 예상하였다 또한 정부에서는 2005 년 국내 로봇산업 육성을 위해 2013

년까지 세계 시장 점유율 15 총생산 30 조원 수출 200 억 달러 고용창출 10

만 명 등 세계 3위의 로봇강국을 목표로 하고 있다

22 의료용 로봇기술 현황

(1) 의료용 로봇 유형 및 개념

의료용 로봇은 크게 수술 로봇 수술 시뮬레이션 재활로봇 기타 의료 로봇

등으로 분류된다

첫째 수술 로봇은 크게 두 가지의 유형으로 분류된다 먼저 수술 보조 로봇

(surgery assistant robot)은 수술실에서 집도의 명령에 따르면서 수술을 보조하거나

영상 가이드 역할을 해주는 로봇을 의미하며 수술 로봇 (surgery robot)은 의사를

대신하여 수술과정의 전체 혹은 일부를 의사 대신 혹은 의사와 함께 수술 작업

을 한다

둘째 수술 시뮬레이터 (surgery simulator)는 의사의 수술에 관한 숙련도를 높

이기 위하여 가상의 그래픽 환자 모델과 햅틱 장치 (haptic device) 등을 이용하

여 수술을 연습할 수 있게 하는 의료용 로봇이다 특히 근래에 들어 프로세스의

- 10 -

성능이 좋아지면서 MRI 나 CT 영상 등을 활용한 실시간 3 차원 볼륨이 가능해

지면서 의료용 시뮬레이터 개발은 가속화 되었다

셋째 재활 로봇 (rehabilitation robot)은 노인과 장애인의 재활치료와 일상생활

을 도와 주는 로봇 시스템으로 단순한 신체를 지지해 주는 역할을 벗어나 중증

환자나 노인의 신체 움직임을 향상시키고 빠른 시일 내에 회복하도록 주요 기

능을 수행하고 장애인의 장애를 극복하여 독립적인 생활을 가능하게 할 수 있

는 특정 기능의 로봇을 의미한다

넷째 기타 의료 로봇으로는 간호 로봇이나 안내로봇 등이 있다 현재의 간

호 인력을 도와서 수술이나 치료를 받는 환자를 보살피는 로봇으로서 정확한

투약과 수술 후 관리가 가능하도록 도와주는 기능과 환자의 이동 간병 및 산책

이 가능하고 말벗의 기능을 포함하는 로봇을 의미한다

(2) 의료용 로봇기술 개발현황

가 수술 로봇

현재까지 연구된 수술 로봇은 미세 수술용 원격수술 로봇 최소침습수술

(MIS) 로봇 관절 수술 로봇 등으로 분류할 수 있다

원격수술 로봇 시스템 일환으로 개발된 대표적인 로봇으로는 일본 동경대의

원격 수술 로봇 미국 NASA JPL 의 RAMS SRI International 의 원격 수술 로봇

한국과학기술원의 미세수술용 Slave 로봇 등이 있다

- 11 -

MIS 의 로봇 시스템 일환으로 개발된 대표적인 로봇으로는 미국의 UC 버클

리대의 수술 로봇시스템 Computer Motion 사의 내시경 보조 로봇인 이솝

(AESOP)과 복강경 수술 로봇인 제우스 (ZEUS) 제우스 보다 진보된 Intuitive

Surgical 의 다빈치 (daVinch) 등이 있다 이 중 다빈치는 수술용 로봇으로 거의

독점적인 위치로써 세계 로봇수술의 첨병역할을 하고 있다

관절 수술 로봇의 일환으로 개발된 대표적인 로봇으로는 미국 Integrated

Surgical System사의 로보닥 (Robodoc) 독일의 Orto Maque사의 CASPAR 영국의

Imperial College의 아크로보트 (Acrobot) 등이 있다

나 수술 시뮬레이터

수술 로봇 이외에 의사의 수술에 관한 숙련도를 높이기 위한 의료용 시뮬레

이터가 활발하게 연구되고 있다 특히 근래에 들어 프로세서의 성능이 좋아지면

서 MRI 나 CT 영상 등을 활용한 의료용 수술 시뮬레이터 개발이 가속화 되었

다 대표적인 수술 시뮬레이터로는 미국 Georgia Tech의 안구 수술 시뮬레이터

미국 Boston 다이나믹스사의 개복수술 시뮬레이터 Mitsubishi Electric Research Lab

의 무릎관절 내시경 시뮬레이션 영국 맨체스터 대학의 웹기반 시뮬레이터 등이

있다

다 재활 로봇

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노령인구와 장애인구의 증가로 로봇 기술의 필요성은 재활분야에도 확대되

고 있다 장애인의 독립적인 활동을 보장하고 삶의 질을 높이려는 노력은 유럽

등의 선진국을 중심으로 재활 로봇이 연구되어 왔으며 이탈리아에서 개발된

MOVAID 가 대표적인 재활 로봇이다 또 미국에서는 MIT 를 중심으로 RIC 과

같은 로봇 신경 재활 로봇들이 개발되고 있다 스위스에서는 보행 재활 로봇으

로 Lokomat 이 개발되었고 국내에서는 KAIST 에서 휠체어 로봇 시스템과 보행

보조 로봇 등이 연구되고 있다 이외에도 서강대학교에서는 SUBAR 라는 보행

재활 로봇을 개발하였다 이외에도 최근 미국의 Intouch Health 에서 개발한 RP-7

은 멀리 있는 환자의 병증을 파악하는 데 탁월한 원격진료 로봇으로 활용되고

있다

(3) 국내 의료용 로봇 적용사례

상기 서술한 의료용 로봇 중 가장 많은 각광을 받고 있으며 국내에서 적용

되고 있는 사례를 통해 의료용 로봇의 사용 실태를 파악보고자 한다 대표적인

복강경 수술 로봇인 Intuitive Surgical의 다빈치 로봇 시스템과 고관절 수술 로봇

인 Integrated Surgical System사의 로보닥을 중심으로 국내 실태를 살펴보고자 한

다

가 다빈치

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Fig 2-2 da Vinci surgical case number

다빈치 로봇은 1997 년 벨기에서 처음으로 환자에게 적용된 이래 국내에

2005 년 7 월 연세대학교 신촌 세브란스 병원에서 최초로 도입하여 2005 년 7 월

15 일 국내 최초로 다빈치를 이용한 로봇 수술이 이루어졌다 Fig 2-2 에서 보

듯이 수술사례는 계속적으로 증가하여 2008 년 1 월 말 현재 750 건이 넘는 수

술이 이루어졌다

다빈치 로봇은 전립선암 위암 대장남 부인암 식도암 갑상선암 간암 등

대부분의 암수술 및 중요 외과계 수술에 적용된다 이는 다빈치 로봇 수술이 가

져다 주는 효과인 개복수술이나 복강경 수술보다 수술회복기간이 단축되고 수

술시간도 감소시키는 역할과 무엇보다 수술 후 환자가 겪는 수술 후유증 확실

- 14 -

히 줄여주기 때문이다 특히 전립선암의 경우 대표적인 수술 후유증인 요실금

과 발기부전 등의 가능성이 대폭 줄어드는 것으로 알려져 있다

이와 같은 수술사례와 수술성과에도 불구하고 다빈치 로봇의 가격이 25 억

정도의 고가이기 때문에 영세한 의료기관에서 도입하기에는 다소 무리가 따르

고 있다 그러나 대형 병원들은 다빈치의 성공적인 수술사례를 통해 앞다투어

이를 도입하고 있다

2008 년 1 월 현재 신촌 세브란스 병원은 이미 3 대를 도입했고 영동 세브

란스 병원 고려대 안암병원 서울아산병원 한림대 강남병원 분당서울대병원

삼성서울병원 경북대병원 동아대병원 등 9 개 의료기관에 도입되어 있다 또한

최근 (2008 년 1 월 30 일) 연세대 세브란스병원은 로봇 수술의 활성화를 위해

Intuitive Surgical 과 공동으로 복강경 수술용 로봇 다빈치를 이용한 수술법을 배

우는 lsquo연세 다빈치 트레이닝 센터rsquo를 개소하였다

다빈치는 로봇 가격만큼 수술 비용에 있어서도 고가인데다 의료보험이 적

용되지 않아 수술 비용을 환자가 모두 부담해야 하는 실정이다 다빈치 로봇 수

술 비용은 700~2000 만 원선으로 기존의 수술 비용인 200~300 만 원 보다는 다

소 높은 가격이다 특히 전립선암의 경우 로봇 수술 비용은 1500 만 원 선으로

개복수술이나 복강경수술보다 5~7 배 정도의 높은 가격이다 그럼에도 불구하고

로봇 수술은 거의 모든 암 수술에 적용되고 있고 환자와 의사 모두 만족하는

수술법으로 자리잡아 가고 있다

- 15 -

나 로보닥

로봇이 외과적 기계로써 임상적으로 처음 국내에서 적용된 것은 1992 년 lsquo로

보닥rsquo이라는 의료용 로봇이다 미국에서 개발된 로보닥은 인공관절이 삽입될 환

자의 뼈를 로봇으로 가공해서 수술 성공률을 획기적으로 높였다 두꺼운 뼈를

정확한 형상으로 깎아내는 작업에는 CADCAM 자료에 따라 작동하는 로봇 팔

이 숙련된 외과의사를 간단히 능가했다 로보닥은 한국과 EU 의 판매승인을 획

득했고 결국 인공관절수술의 대세를 장악했다 세계적으로 8000 회 이상의 수술

이 로보닥을 이용하여 성공적으로 수행되었으며 2001년 FDA의 승인을 받기도

하였다

2002 년 국내 처음으로 로보닥이 도입된 이래로 이춘택 병원은 현재까지

2556 회라는 경이적인 수술건수를 기록하였다 그는 최소침습수술과 접목하여

로봇의 정밀성과 최소 절개기술을 결합시킴으로써 환자의 고통과 재활 기간을

크게 줄였다 그러나 로보닥의 가격은 무려 17 억 원이며 3 차원 영상까지 구현

하기 위해서는 10 억 원 상당의 멀티 CT 까지 도입해야만 한다 그렇기 때문에

소규모의 관절전문병원이 도입하기에는 다소 무리한 점이 있다 이러한 상황에

서 이춘택은 국내시장에 맞는 로봇개발을 위해 국산 부품 및 소프트웨어를 개

발 중에 있다 따라서 우리나라도 고령화 사회를 맞아 세계적으로 관절 수술이

급증하고 있는 상황에서 국내 기술로 만든 수술용 로봇이나 소프트웨어 개발은

국내 의료용 로봇시장의 활성화를 이룰 수 있다

- 16 -

23 의료용 로봇시장 전망

(1) 로봇산업 전망

로봇 분야별 세계시장 정세를 살펴보면 제조업용 로봇은 시장안전화 단계로

써 급격한 시장변화는 어려우며 신규 생산설비 및 기존 설비에 따른 수요가 대

부분 차지하고 있는 실정이다 개인서비스용 로봇은 가족구조의 핵가족화와 고

령화 현상으로 인한 가족인원으로서의 가정용 로봇에 대한 수요가 증가 추세에

있다 전문서비스용 로봇은 생산국과 생산기업이 극히 제한되어 있으며 제품가

격의 고가로 인해 시장형성에 있어서 생산국과 수요국이 불일치하고 있는 실정

이다 이러한 상황에서 로봇시장의 국가별 점유율을 살펴보면 일본 (28) 미국

(18) 독일 (16) 이탈리아 (10) 한국 (3)의 순으로 세계 5 위를 차지하고

있다 이와 같이 산업용 로봇의 경우는 우리나라의 세계적인 위상이 높지만 아

직까지 전문 서비스 분야 로봇에 대한 세계적인 위상은 미비하다

시장규모 전망과 국내 세계시장 점유율에 대한 전망은 다음과 같다 세계 로

봇시장의 규모는 2010 년에는 247억 5 백만 달러에서 2020년에는 717억 7 천만

달러에 이를 것으로 보고 있으며 연평균 107의 증가율을 예상하고 있다 분

야별로는 제조업용 로봇은 2010 년 세계시장의 114에서 2020 년 144의 비중

을 차지할 것으로 전망하고 있으며 전문서비스용 로봇은 2010 년 세계시장의

09에서 2020 년 21의 비중을 차지할 것으로 예상하고 있다 개인서비스용

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로봇은 2010 년 30에서 2020 년 70 수준에 달할 것으로 보고 있다 비록 전

문 서비스용 로봇산업의 규모는 미국 일본 독일에 비해 미미한 실정이나 전문

서비스용 로봇의 신시장을 개척하고 그 만큼의 기술력이 밑받침된다면 2020 년

세계시장에서의 더 큰 비중의 달성이 이루어질 것으로 본다

(2) 의료용 로봇기술 전망

의료용 로봇시장의 성장은 의료용 로봇기술 개발산업의 성장과 밀접한 관계

가 있다 세계적인 개발추세로는 의료용 로봇개발 하드웨어 분야에서는 일본이

경쟁력이 가장 높으며 소프트웨어 분야에서는 미국이 앞서나가고 있다 또한

독일은 하드웨어 및 소프트웨어 분야에서 동시에 상당한 연구 개발 능력을 보

유하고 있다 앞으로는 이 세 나라가 의료용 로봇 시장의 핵심 주자로 나설 것

으로 예상된다

산업연구원 (2007) 조사에 따르면 국내 로봇산업의 기술은 기술항목에 따라

다소 차이를 보이고 있으나 제조업용 로봇의 경우는 최고 기술 보유국 대비 평

균 85 정도에 육박하고 있으며 전문서비스용 로봇의 경우는 80 정도 개인서비

스용 로봇은 84 정도에 이르고 있는 것으로 나타났다 의료용 로봇 분야에서는

선두주자인 미국의 기술력을 100 이라고 봤을 때 현재 우리나라는 70 정도이며

2015년이 지나야 100 에 도달할 것으로 전망하였다 비록 의료용 로봇에서 세계

1위인 미국에 비해 우리는 아직 10년 이상 차이가 있지만 세계 최초로 국제 규

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모의 로봇랜드 조성과 로봇펀드 발생 등 정부 차원에서의 노력이 여러 가지 방

면에서 다양하게 펼쳐지고 있기 때문에 그 격차는 점차 줄어들 것으로 예상된

다

또한 IFR (2006) 자료에 따르면 한국 산업용 로봇은 세계 5 위의 강국[16]인

데 비해 의료용 로봇에 있어서는 약소국이다 이는 의료용 로봇의 개발비가 많

이 드는데 비해 국내 시장은 극히 제한적이어서 일반 기업의 참여가 아주 저조

하기 때문이다 국내에서 의료용 로봇 관련 기술 개발은 아직 걸음마 단계에 머

물러 있으며 벤처기업 및 대기업들이 개발해 상용화시키고 있는 기술이나 제품

도 대부분이 생활 가전형 로봇에 한정되어 있을 뿐 의료용 로봇분야는 아직 미

개척지로 남아 있다 하지만 국내에서도 의료용 로봇 개발을 수행하기 위해 대

학이나 연구소 차원에서 의료용 로봇에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다 먼

저 한국과학기술원이 8 년 전 설치한 휴먼 웰페어 로보틱 서저리 센터가 대표

적인 연구기관이다 이 연구소에서는 거동이 불편한 환자들을 위한 휠체어의 자

동화 시스템이나 복강경 수술 로봇 등 로봇 수술용 기구의 국산화에 초점을 맞

춰 진행 중이다 또한 최근에는 국립암센터 역시 산업자원부로부터 수술용 로

봇과 영상시스템을 주제로 한 의료용 로봇 개발자로 선정되어 연구에 들어갔다

비록 국내 의료 및 수술 로봇 관련 기술이 일본 미국 등에 비해 아직까지

뒤쳐져 있는 실정이지만 국내에서도 의료용 로봇 기술 개발이 이처럼 활발히

진행되고 있어서 향후 전망은 매우 밝다고 할 수 있다 또한 해외에서 각광을

받고 있는 캡슐형 내시경 연구 역시 국내에서 벌써 10 년째 계속 되고 있다 최

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근 한국과학기술연구원과 벤처기업인 인트로메딕이 개발한 세계 최소형 캡슐형

내시경인 미로캠 (MiroCam)은 2010 년까지 국내 캡슐형 내시경 시장의 80를

점유할 것으로 예상하고 있다 이러한 국산 의료용 로봇 개발을 통해 고부가가

치 시장인 세계 의료 시장에 뛰어들 수 있는 기반을 다졌다는 데에 큰 의미가

있다

전문 서비스용 로봇의 경우 제조업 로봇 관련 풍부한 경험을 바탕으로 전문

서비스용 로봇으로의 기술확대 메카트로닉스 (mechatronics) 관련 다양한 산업기

반과 세계적인 IT 인프라 보유국의 강점을 살리고 있다 또한 한국은 10 대 성

장동력간 연계 등을 통한 시너지 효과와 세계 전문서비스 로봇 시장이 초기형

성 단계임을 감안한다면 이 분야의 진출에 대한 절호의 기회이며 머지않아 의

료용 로봇 강국으로 진입할 수 있을 것으로 기대된다

- 20 -

제 3 장 능동 그리퍼

31 최소침습 수술 햅틱 장치 구현에 필요한 능동 그리퍼 제안

21 세기 로봇 기술 분야에서는 인간과 기계 시스템 간의 커뮤니케이션이 무

엇보다 중요하게 강조되며 이러한 인간과 기계 시스템의 의사소통은 주로 인간

의 감각 기관을 통해 이루어 진다 일반적으로 인간에게는 보고 듣고 냄새를

맡고 맛을 보고 피부로 느끼는 오감이 있으며 이러한 감각을 시각 청각 후

각 미각 촉각이라고 한다 따라서 이러한 인간의 감각에 정보를 전달하기 위

한 다양한 기계 시스템들이 개발되어 왔다 오감 중에서 현재 인간과 기계 시스

템간의 인터페이스 역할을 하는 표적인 감각으로는 사물을 보는 시각과 소리

를 듣는 청각이 주로 이용되고 있다 이를 위한 시스템들은 이미 상당한 수준으

로 발전해 현재 상용화 되어 활용되고 있다 하지만 이러한 시각과 청각 인터

페이스 만으로는 로봇의 제어에 한계가 있으며 오감 중에서 세 번째 감각인 촉

각에 한 인터페이스가 현재 활발히 연구 개척되고 있다 만약 가상현실에 촉

감 인터페이스가 적용된다면 기존의 시각과 청각에만 의존하던 가상 현실에 촉

감을 전달함으로써 실제 물건을 만지고 느낄 수 있으므로 가상현실을 보다 더

실감나게 할 수 있을 것이다 하지만 인간의 감각 중에서 촉각은 매우 민감한

감각으로 여기에 촉감 정보를 전달하는 인터페이스는 아직 많은 연구를 필요로

하고 있다

- 21 -

햅틱 (haptic)이란 단어의 사전적인 의미는 ldquoof or relating the sense of touch

tactilerdquo로써 물체를 만질 때 사람이 느낄 수 있는 촉각적 감각으로 피부가 물체

표면에 닿아서 느끼는 촉감 (tactile sensation)과 관절과 근육의 움직임이 방해 될

때 느껴지는 근 감각적인 힘 (kinesthetic force)의 두 가지 힘을 모두 합쳐서 부르

는 말이다 촉감 구현 연구는 물리적 장치를 이용하여 사람이 직접적인 접촉이

없이도 촉각 정보를 전달하는 방법에 관한 전반적인 연구 분야를 일컫는 말로

사람에게 원격지에 있는 물체의 물리적 특성을 전달하는 원격조작 혹은 원격현

장감에 관한 연구로부터 시작되었다 가상 혹은 실제 환경에서 촉감을 구현하기

위한 연구를 포괄적으로 의미하는 용어로 햅틱스 (haptics)라고 한다 주요 연구

분야는 사람이 직접 손에 쥐거나 착용하는 물리적 장치인 햅틱 디바이스 인터

페이스 (haptic interface) 가상 공간상의 물체에 기계적 성질을 부여하여 사실감

이 있는 상호작용을 제공하고자 하는 햅틱 렌더링 (haptic rendering) 사람의 촉

각 인지 특성에 관한 연구 (tactile perception) 등으로 나눌 수 있다 특히 햅틱

인터페이스 (haptic interface)는 햅틱 디바이스 (haptic device)라고도 불리우며 사람

에게 촉감을 전달하는 물리적인 장치를 말하며 더 넓은 의미로 사용하여 가상

의 환경을 촉감 전달을 통해서 느끼게 하는 시스템 전체를 가리키기도 한다 이

러한 햅틱 기술은 다양한 분야에서 활용될 수 있는데 표적인 분야로는 가상

현실 분야 인간-컴퓨터 인터페이스 분야 게임 등 사이버 커뮤니케이션 그리고

원격제어 로봇 등이 있다 특히 원격제어 로봇이 많이 활용되고 있는 의료 분

야에서 햅틱 구현은 매우 시급한 과제이다 현 의 수술은 점점 첨단의 수술 도

- 22 -

구와 로봇을 이용하여 집도되는 추세이며 최소침습수술 (minimally invasive

surgery MIS)이 그 표적인 예이다 이 수술법은 환부의 구멍에 수술도구와 카

메라를 삽입하여 집도의가 모니터를 보면서 시술함으로써 시술시간이 짧고 환

자의 회복이 빨라서 그 적용 범위가 점차 확 되고 있다 하지만 환자가 얻게

되는 이점에 반해 의사는 개복 수술에서 쉽게 이용하던 기술들을 더 이상 적용

할 수 없게 되어 집도에 있어 큰 어려움을 부담해야만 한다 즉 환자의 내부에

서 손의 움직임과 시야의 제약을 받게 되었고 손으로 환자의 장기나 뼈를 만지

고 상태를 확인할 수 없게 된 것이다 이러한 문제점들을 극복하기 위해 첨단의

의료용 로봇 시스템이 개발되었는데 의사 즉 오퍼레이터가 조작하는 마스터

(master) 로봇과 환자의 환부에서 수술을 진행하는 슬레이브 (slave) 로봇으로 구

분된다 슬레이브 로봇은 크게 수술 시 집도의 팔의 움직임을 구현하는 구동 암

(arm)과 수술도구를 홀딩 할 수 있는 그리퍼로 분류할 수 있다 구동 암의 움직

임은 수술 부위의 위치를 결정하면 별도 큰 움직임 없이 작동시킬 수 있으며

전달 수술 관통 수술이 아닌 경우에는 집도의가 느끼는 힘을 피드백 할 필요가

없다 하지만 그리퍼의 경우는 신체 일부분의 미세한 조직까지 전부 접촉해서

제거하거나 봉합하기 때문에 집도의가 수술 시 느끼는 힘을 구현하여야 보다

정밀한 수술을 수행할 수 있다 따라서 본 연구에서는 햅틱 장치가 적용된 마스

터 로봇과 마스터 로봇에서 형성된 힘을 느낄 수 있으며 원할한 수술을 진행할

수 있는 최소침습수술용 능동 그리퍼를 제안하겠다 Fig 3-1 은 상용 MIS 장치인

다빈치 로봇의 마스터와 슬레이브 그리고 그리퍼를 나타내고 있다

(a) sla

(b

Fig 3-1 da V

Operation Arm

Gripper

- 23 -

ave robot and g

b) master rob

Vinci robot sy

m

gripper

ot

stem for MIS

- 24 -

32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류

산업용 로봇은 그 기능 특성상 필요성에 의해 로봇의 말단부에 그리퍼를 부

착시킨다 이것은 인간의 손에 응되는 것으로서 메커니컬 핸드라고 칭하며 다

루는 상 물체를rdquo파지rdquo해 이동하는 목적으로 사용되는 도구이다

파지동작은 Fig 3-2 와 같이 세분화된다 인간의 손 손가락에는 많은 관절이

있으며 여러가지 작업이 가능하다 일상 생활에서의 붙잡기는 형식을 분류한 것

으로는 슐레징거의 12 형식이 있다 여기서 인간의 손에는 손가락이 있어서 그

것을 유지핸드라고 이름 붙이면 메커니컬 핸드에는 손가락이 없는 구성법이 있

는데 이것을 무지 핸드라고 이름 붙이기로 한다 이 무지 핸드는 기계적 물리적

으로 구조상 무지핸드로 한 것과 공구가 메커니컬 핸드와 일체화됐다고 생각하

는 공구 핸드가 있다 메커니컬 핸드를 분류해 보면 다음과 같다 진공이나 자

기 이용의 흡착 등 물리적 흡척형의 유지는 보통 평면(완만한 곡선도 포함)부를

흡착하는 형태로서 물체의 크기나 중량에 따라 여러 개가 설치되는 경우도 있

다 그러나 물체표면에 만곡부가 있는 경우나 구멍이나 공동이 있는 경우에는

적용할 수 없게 된다 또한 자력을 이용한 경우 철금속 재료를 다루게 되는데

경우에 따라서 매우 효율적이고 신뢰성이 높기는 하지만 물체에 잔류 자력이

남게 되는 문제점이 있다 받기형의 유지는 지지의 동작만을 가지고 있는 형태

이며 이는 전기한 흡착형 보다 적극적이 아니여서 약한 구속을 갖는다 변형하

기 쉬운 물체의 이송등에는 이를 채택한다 매달기형 유지는 중력 방향의 이동

1 자유도를 구속한다 잡기형 파지는 유연성에 의한 변형으로 접촉면적을 크게

하여 집는

상물을 외측

이용하는 등

33 파지형

파지 형

다 본 연구

하여 설명

(1) 두 손

형태이다 현

측에서 파지하

등의 파지방법

형태에 의한

형태로서는

구에서 사용할

명 하겠다

손가락 type

현재 많이 사

하거나 구멍

법이다

한 그리퍼의

상을 바깥에

할 메커니즘은

e

Fig 3-2 Cla

- 25 -

사용하고 있는

속에 손가락

의 분류

에서 파지하

은 바깥에서

assified by the

는 끼우기형

락을 넣은 후

는 것과 안에

파지하는 형

gripper grip ac

파지 형태는

후 벌려서 내

에서 파지하

형태가 유리하

ction

는 핸들링

내측사용면을

는 것이 있

하므로 이에

두 개의

상태를 유지

는 스윙형

안정되게 파

의 리지트한

지해서 개폐

핸드(swingin

파지하는 점에

손가락을 갖

되는 병진형

ng gripper)로

에서 병진형

(a) grinder c

(c

Fig 3-3 Sw

- 26 -

갖춘 것으로

핸드(transla

로 분류된다

보다 떨어진

crank

c) rotation joi

wing-type hand

실용례가 많

ational grippe

스윙형은 기

진다

(b) swing

int

d mechanism

많다 손가락이

er)와 그 방향

기구가 간단하

g block

이 상호평행

향이 변화하

하나 상이

병진형에

4 은 평행링

운동을 바꾸

에 회전시킴

로 유지되기

지된다 직

시키도록 한

가 전middot후진

피니온 방식

F

에서는 평행링

링크 방식의

꾸고 그 피니

킴으로써 손가

기 때문에 손

동형 신에

한 것도 있다

진하는 결점이

식이 채용된다

Fig 3-4 Hand

링크 랙middot피니

예로 직동형

니온 운동으로

가락 개폐를

손가락의 물체

에 회전형 액

다 평행링크를

이 있다 이문

다

mechanism fo

- 27 -

니온 나사이송

형 액추에이

로 평행링크의

얻는다 링크

체 파지면의

추에이터를

를 이용한 형

문제를 해결하

or translational

송 기구 등이

터의 운동을

의 하나의 링

크 PS 와 링

자세도 개폐

이용한 형식

형식은 개폐에

하는 방법으로

type1 (paralle

이 이용되고

랙과 피니온

링크 A 를 축

크 QR 은 항

폐 동작 중 일

식에서 평행링

에 의해서 손

로서 볼나사

el displacement

있다 Fig 3-

온으로 회전

축 P 의 주위

항상 평행으

일정하게 유

링크를 회전

손가락 위치

기구나 랙middot

nt)

Fig 3

는 핸드의

볼나사 기구

다

(2) 세 손

세 손가

가락으로 잡

F

-5 는 회전형

예이다볼나

구 각각을 손

손가락 type

가락을 가진 핸

잡는 것보다

Fig 3-5 Hand

형 액추에터로

나사 기구를 이

손가락에 부착

e

핸드에서는

안정된 파지

d mechanism fo

- 28 -

로 랙 피니온

이용하는 경

착 사라를 회

상을 3 점

지 동작을 할

or translational

온을 회전시킴

우에는 1

회전시킴으로

점에서 유지할

할 수 있다

l type2 (rack a

킴으로써 개폐

의 왼나사

써 개폐 동작

할수 있기 때

nd pinion type

폐동작을 하

오른나사의

작을 실현한

문에 두 손

e)

Fig 3-6

베벨기어를

구동해서 세

실현한 것

각 손가락을

복잡하며 중

6 은 세 손가

를 매개로 상

세 손가락을

이다 특히

을 개별 모터

중량도 증가하

Fig

락형 그리퍼

호 각도를 주

동작시킴으로

원통물체를

터로 구동하도

하기 때문에

3-6 Hand mec

- 29 -

의 일반적인

주어 결합한

로써 이른바

확실히 잡아

도록 한 3 지

실용례가 적

chanism for thr

인 형상을 나타

3 개의 볼

바 3 포인트 핀

아서 유지하

지형핸드도 개

적다

ree point pinch

타내고 있다

나사를 하나

핀치(three po

는데 유리하

개발되고 있으

h type

이 핸드는

나의 모터로

oint pinch)를

하다그 외에

으나기구가

34 메카니

(1) 구속

기계적

어서 형성되

전 구속 기

해서 언급하

으로 움직일

또 X Y 평

니컬 핸드의

속기능

구동장치에

되는 것으로

기능이 있다

하면 구속 상

일 수 있다

평면 X Y 면

의 구속기능

서 구속 형식

크게 나누어

그래서 핸드

상태의 물체는

이것을 물체

X Z 면상에

Fig 3-

- 30 -

능

식과 접촉 상

어서 반구속

드의 구속 기

는 Fig 3-7 와

체의 공전 (이

서 6 방향으

-7 Movement

상태와 포락

속 (받는 구속

기능을 결정하

와 같이 X Y

이동)에 관한

로 회전 한다

t of object

능력의 인자

속 는 구속

하는 물체의

Z 의 3 축상

6 동작 자유

다 이것을 물

자가 복합되

속)기능과 완

구속에

에서 6 방향

유도로 한다

물체의 자전

(회전)에 관

부여한 상태

행할 수 있

서는 회전의

핸드에

한 공간적

면 Fig 3-8

이 그림

를 구속한다

에서 7 자유

선접촉과 면

계수와 절선

(a

관한 6 동작

태에서 움직이

있다 또 완전

의 6 자유도를

의한 물체의

적인 포락 상

와 같이 된

(a)의 점접촉

다 그러나 1

유도를 구속

면접촉에는 각

선력법선력

a) point contac

Fig3

자유도로 한

이며 중력이

전 구속은 핸

를 무시하는

의 구속은 핸

상태로 정한다

다

촉은 접촉점

1 점접촉은 다

한다 (c)의

각각 마찰에

비와의 관계

ct (b

3-8 Contacts

- 31 -

한다 반구속은

이나 환경면의

드 자체로 1

경우도 적지

핸드와 물체의

다 먼저 접촉

방향의 1 자

다른 11 자유

면접촉은 11

위한 구속이

계로 구속불능

) line contact

of the kind an

은 12 자유도

의 구속을 받

12 자유도를

지 않다

의 접촉 상태

촉부의 구속

자유도를 구속

도를 구속할

1 자유도의 구

이 4 개와 6 개

능의 가능성을

nd the confini

도 중 몇 개의

아서 완전 구

행하는데 경

태 및 접촉부

능력을 모델

속한다 그러나

할 수 없다 (b

구속을 할 수

개 주어져 있

을 가진 구속

(c) surface co

ing

의 자유도를

구속으로 이

경우에 따라

부의 물체에

델로 나타내

나 1 자유도

b)는 선접촉

수 있다 단

있으며 마찰

속 성분이기

ontact

- 32 -

도 하다 또한 면접촉의 상태는 중력의 작용을 이용하면 받기를 형성하고 또

외계력을 이용하면 기를 형성한다

이들의 접촉상태는 물체의 형상과 핸드의 구속면으로 규정되는 것으로 핸드

만으로 결정하기는 어렵다 단 핸드의 구속면을 부드러운 재질로 형성하면 면

접촉의 이행이 용이하다 이와 같은 이유에서 물체에 접촉부가 포락도를 높이는

데에 따라서 물체 형상에 관계 없이 구속 능력을 증 시킬 수 있다

(2) 메커니컬 핸드의 자유도

로봇의 손은 그 용도를 불문하고 인간의 손 작업의 행을 목적으로 하는

것이므로 그 설계에 있어서 모델로 되는 것은 말할 것 도 없이 인간의 손이다

그래서 우선 기구에 하여 설명하기 전에 인간의 손의 구조 모델에 하여 설

명해 본다

AmiddotMorecki 에 의하면 인간의 상체는 그 해부학적 구조에 입각하면 Fig 3-9 와

같이 모델화할 수 있다 Fig 3-9 에서 숫자는 각각 골격 즉 링크를 나타내고 숫

자 II~ V 는 관절을 나타내고 있다 이와 같은 공간링크 기구의 자유도 F 는 가

동부수 n 자유도의 종류 f 를 가진 우 수를 Pf 라 하면 다음 식으로 나타낼

수 있다

6n sum ∙ P 12345 (3-1)

Fig 3-9

들 자유도가

을 Fig 3-9

P5=10 이므

인간의

유도 1 의

해 있으며

의 모델에서

가 있는 관절

9 와 같이 정

므로 위 식에

상지를 인공

액튜에이터를

22 개나 되

Fig 3

서는 n=19 P2

절에 작용하는

정의하고 그

서 FH=22 가

공적으로 정밀

를 27 필요

는 액튜에이

- 33 -

3-9 Human Ar

2=1 P3=2 P4

는 근군은 약

자유도 FH

가 된다

밀하게 재현하

요로 하게 된

터를 필요로

rm structure

4=6 P5=11 이

약 50 이라고

를 구하면

하려고 한다면

된다 또 손에

로 한다 그러

이므로 F=27

고 되어 있다

이 경우는 n

면 이상의 결

는 특히 자유

나 로봇의 손

이 된다 이

여기서 손

n=16 P4=6

결론에서 자

유도가 집중

손이 이만큼

- 34 -

의 수의 액튜에이터를 갖춘 것을 제작한다는 것은 크기 중량 제어면에서 볼

때 현시점에서는 불가능에 가깝다 특히 의수에 있어서는 상술한 바와 같은 형

상이나 조종성 등의 점에서 전혀 불가능하다고 해도 좋다 따라서 보통은 기능

에 주목하여 손에 집중해 있는 자유도의 간략화를 도모한다

인간의 잡기 동작에 주목해 보면 그 잡기 형상에는 12 종류가 있다고 하다

그러나 이것들은 엄지와 다른 12 종류가 있다고 한다 그러나 이것들은 엄지와

다른 4 손가락과의 관계에 주목하였을 때에 2 종류 즉 엄지가 다른 4 손가락과

항해서 동작하거나 그 측방에서 동작하는가로 분류할 수 있다 실제의 일상

동작에서 관찰하면 이들 중에서도 엄지와 손가락이 항해서 동작하는 소위 쥠

동작이 우선 첫 번째이고 또 다음에 엄지 검지 중지의 3 손가락의 선단으로

이루어지는 3Point Pinch 즉 잡기동작이 중요하다

더불어 손가락의 독립성에 해서는 역시 일상동작 중에서 손가락의 사용

빈도를 조사한 결과에 의하면 다섯 손가락은 반드시 독립적인 운동을 필요로

하지 않고 엄지 검지 중지가 같은 정도의 중요성을 자기며 다른 두 손가락은

사용 빈도에 있어서 이들 세 손가락보다 약 50 적으며 다른 세 손가락의 보

조 역할을 한다고 볼 수 있다 그리고 특히 중요한 것은 인간의 각 손가락은 잡

기 상물의 형상에 적응한 쥐기 즉 Passive 한 동작을 할 수 있다는 것이다 이

기능이 있다면 각 손가락이 독립적으로 동작하지 않더라도 또 다소 손의 자유

도를 제거하더라도 상물의 확실한 쥐기나 잡기 그리고 기타 손 작업에 큰 힘

을 발휘한다

- 35 -

34 표적인 동력원의 특징

동력원을 설계할 때 다음의 점을 고려하면서 가장 적합한 방식을 선택한다

1조작력(로보트가 내는 최 의 힘 예를들면 최 들어올린 힘)

2속응성(최 조작 속도)

3크기 중량(로보트의 크기와 중량의 제한)

4안정성(발열이나 과부하에 한 안전성)

5사용의 용이도

6수명가격

1 2 의 조작력 속응력은 로보트에 요구되는 성능에서 가장 기본적인 것인

데 이에 관련해서 크기나 중량의 제한 안정성 사용의 용이도 수명 가격 등을

고려해서 동력원을 선택한다 단 자주형 로보트에서는 2 차적 성능인 동력원의

중량이 첫째 요구 조건이 되는 경우가 많고 공업용 로보트에서는 저가격 사용

의 용이도 안전성이 중요 사항으로 우선시된다

모든 로봇은 동력원을 필요로한다 중요도에 따라 동력원을 선택해야 하는데

일반적으로 공기압식은 안전성이 뛰어난 반면 힘과 세밀한 위치제어가 어렵고

전기식은 응답성과 사용편리성 세밀한 위치제어가 가능하나 높은 힘을 내기 위

해서는 부가적인 기구부가 필요하다 유압식은 큰힘을 낼수있어서 속응성은 좋

으나 과부하시 상당한 발열이 있기 때문에 안전성에서 다른 동력원에 비해 떨

어진다 위 사항을 TABLE 3-1 로 분류하여 나타내었다

- 36 -

TABLE 3-1 Characteristics of power sources

전기식 유압식 공압식

사용용이성 편리하다 작동유의관리 관로의압력

필터관리에 유의

공급공기의 수분제거

윤활성의부가에 주의

수명 길다 기름에 윤활성이 있기

때문에 길다

공기에윤활성이 없어

유압 전기에 비해 짧다

가격 보통 가격 운영비 높음 저가격

응답속도

(반응성) 매우 빠르다 빠르다 늦다

하중능력 (소)에서 (중)정도의

하중능력 단히 큰 힘을 얻음 큰 힘은 없다

소음 적다 다소 크다 크다

- 37 -

제 4 장 능동형 그리퍼 설계

41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정

로봇 그리퍼의 정밀 파지 (Fingertip Grasp 손가락 끝을 이용하여 물체를 집

거나 바닥에누워있는 납작한 물체를 집는 행동)를 안정하게 하기 위해서는 손가

락 끝과 물체가 직각에 가까운 각도를 이룸으로 마찰력을 크게 하여 안정성을

높인다 또한 바닥에 놓인 물체를 집어 올릴 경우에도 물체표면의 법선 벡터와

손가락 끝의 각도가 클수록 물체를 효과적으로 구속하여 안정된 파지를 할 수

있다

그리퍼의 링크 시스템에 있어서 2 링크 손가락보다 3 링크 손가락을 쓸 때가

링크와 수평 평면이 이루는 각 (A)이 더 커지기 때문에 안정성이 더 좋다는 것

을 알 수 있다 그리고 안정성뿐만 아니라 식 (4-1)을 통하여 문체에 전해지는

Torque 값을 Fig 4-2 와 같이 그래프로 나타내면 0 도에서 75 도 정도까지는 A 각

이 커질수록 물체에 가해지는 토크 값이 점점 커지는 것을 알 수 있음으로 3 링

크 손가락을 쓰는 것이 파지력 증가됨을 알수 있다 ℓ3 의 길이가 길어질수록 A

가 작은 값을 가져서 정밀파지에 적당하지 않다

τ l cosA sinA l 1 cos A tan μ (41)

A cosempty

(42)

Fig 4-1

은 식을 통

각이 커짐을

움이 있고

Fig4-

에서 제 2 코

통해 구할 수

을 알 수 있다

최소 단위를

Fig4

-1 Configurati

코사인 법칙

있는데 이로

다 그러나 ℓ

를 1cm 로 하

-2 Change the

- 38 -

ion of the fing

을 이용하여

로부터 링크

ℓ3 가 1cm 인

하였기 때문에

e value of the a

gers on robot g

여 A 의 각을

길이 ℓ3 가

인 경우는 너

에 ℓ3 는 2cm

angle of phage

gripper

구하기 위해

작으면 작을

무 짧아서 파

로 결정하였

torque

해 (2) 와 같

을수록 A 의

파지의 어려

였다

42 모터

(1) 알고

앞 절에

여야 한다

는 모터의

이 작은 모

나 용량이

로 적절한

선정 알고

고리즘 정의

에서 설명한 기

로봇 팔에

선정은 동작

모터를 사용하

큰 모터를 사

모터의 선정

고리즘

기구들을 추

움직임을 전

작을 구현하는

하게 되면 기

사용하게 되

정이 중요하다

Fig 4-3 M

- 39 -

추후 로봇 시스

전달함에 있어

는데 중요한

기구의 원활한

면 모터의 외

다

Motor Selectio

스템에 적용을

어서 동력을

과제가 되겠

한 작동이 어

외형이 커지

on Algorithm

을 고려하여

공급과 제어

겠다 만일 토

려워지고 단

고 가격 또한

설계를 하

어를 수행하

토크나 용량

단순히 토크

한 증가하므

- 40 -

(2) 알고리즘 수행

모터를 선정하기 위해서 가장 우선적으로 해야 할 일은 기계구동부분을 결

정하고 구동부분을 어떠한 방식으로 작동을 시킬지 동작 패턴을 결정하여야 한

다 예를 들면 모터에서 나오는 힘을 받아서 볼 스크류를 이용하여 힘을 전달할

것인지 벨트 피니언 기어 혹은 풀리 등을 이용할 것인지를 결정하고 그에 따

른 적절한 구동방식을 결정한다 구동방식을 결정하게 되면 각각의 구동방식에

적합한 수식을 대입하여 부하토크를 계산한다 구동방식에 따른 부하토크를 구

하는 수식은 구동방식이나 구동장소 등에 따라 다소 상이하나 일반적인 수식은

다음과 같다

-BALL SCREW 구동

T FP2πn

μ F P2π

1i N ∙ m 43

F F mg sin α μ cos α N 44

-PULLEY 구동

T ∙ 45

μF D

2i N ∙ m

- 41 -

-WIRE middot BELT 구동 RACK middot PINION 구동

T F2πn

∙ πDi

FD2ni

N ∙ m 46

F F mg sin α μ cos s N 47

-실측에 의한 방법

T 48

직선운동 (커플링 직결 볼스크류 등)의 경우 위의 (43) (44) 이용하여 구할

수 있다 이때 F 는 축방향하중 F0 는 예압하중 μ0는 예압 NUT 의 마찰계수 η 은

효율i 는 감속비 PB 는볼스크류 피치를 나타낸다 회전운동 (풀리)의 경우 식

(45)를 이용하여 구할 수 있으며 FA는 외력 FB는 부하중량 (주축이 회전하기 시

작할 때의 힘) m 은 work 와 TABLE 의 총무계 μ 접동면의 마찰계수α는 경사각

도D 는 풀리의 지름을 나타낸다

실제현장에서는 선정된 모터의 토크를 확인하기 위해 실측에 의한 구동토크

를 계측하는데 스프링 저울을 구동 풀리에 연결지어 측정한다 이때 TL 은 회전

운동 부하토크에 해당하고 FB 는 부하중량 D 는 풀리의 직경을 나타낸다

위의 부하토크를 구하는 식들을 이용하여 부하토크를 구하게 되면 실제 모

터를 사용할 때 어느 정도의 시간적 여유를 두고 가속을 할 것인지 감속을 할

것인지를 결정하여야 한다 이를 위해서 우선 동작시킬 부분에 대한 관성모멘트

를 계산하

Fig 4-4

시한 것으로

dA 와 기준

이를 표현하

하여야 한다

4 는 관성모멘

로 X 와 Y

준축으로 부터

하면 식 (49)

Fig 4-4 Arb

I

멘트를 구하기

는 면적의 미

터의 거리의

)와 같다

- 42 -

bitrary shape o

y dA I

기 위한 절대

미소 요소 dA

제곱의 곱으

of planar area

x dA

대좌표 X Y

A 의 좌표이

으로 단면 2

축 상의 미소

이고 관성모멘

차 모멘트라

49

소면적을 도

멘트는 요소

라고도 한다

평면 면

가 있다 평

축에 대한

Fig 4-5

하는 평행한

관성모멘

식 (410

번째 적분은

면적의 관성

평행축 정리란

관성 모멘트

5 과 같이 도

한 xy 축 두

멘트의 정의로

I y

0) 에서 우변

은 Xc 축에

Fig 4-5

모멘트에 있

란 도심축에

트 사이의 관

도심을 원점으

좌표계의 평

로부터 x 축

y d dA

변의 첫 번째

대한 1 차 모

- 43 -

5 Parallel-axis

있어서 중요하

대한 관성

계를 나타낸

으로 하는 Xc

평행한 축 간

축에 대한 관

y dA

적분은 Xc

모멘트로서 X

theorem

하고 유용한

모멘트와 도

낸다

cYc 축과 임의

간의 거리를 d

성모멘트 Ix

2d y dA

축에 대한 관

Xc 축이 도심

정리로서 평

도심축에 평행

의의 점 O 를

d1 과 d2 로 표

는 식(410)와

d dA

관성모멘트

심을 통과하므

평행축 정리

행한 임의의

를 원점으로

표시한다

와 같다

410

I 이다 두

므로 적분의

- 44 -

값은 0 이다 세번째 적분은 면적 A 그 자체이다 따라서 식 (410)은 식 (411)과

같이 간단해진다

I I Ad 411

y 축에 대한 관성모멘트도 위와 같은 방법에 의해 식(412)과 같다

I I Ad 412

또한 면적의 평면에 수직인 수직축에 대한 관성모멘트를 극관성모멘트라 한

다 Fig 4-6 는 평면에 수직이고 O 점을 통과하는 축에 대한 극관성모멘트를 나

타낸 그림으로 이를 관성모멘트 식으로 표현하면 식 (413) 와 같다

I ρ dA 413

식 (413)와

즉 평면에

서로 수직인

극 관성

와 도심 C

와 식 (414)에

I

수직인 축에

인 두 축에 대

성모멘트에 대

에 대한 극

Fig 4-6 Arb

의해 식 (4

ρ dA

I

에 대한 극관

대한 관성모

대한 평행축

극 관성모멘트

- 45 -

bitrary shape o

ρ x y

415) 식 (41

x y dA

I I I

관성모멘트는

멘트의 합과

정리는 Fig

트를 각각 I

of Polar Area

y

16)과 같은 관

x dA y

는 평면 내의

과 같다

4-5 에서 유

와 I 로

관계식을 얻을

y dA

같은 지점을

유도할 수 있

로 표시하면

414

을 수 있다

415

416

을 통과하는

있다 원점 O

식 (416)에

- 46 -

서 식(417)을 유도할 수 있다

I I I I I I 417

I I I I A d d 418

I I Ad 419

식 (419)는 극 관성모멘트에 대한 평행축 정리를 나타낸다 즉 평면 내의 임의

의 한 점 O 에 대한 면적의 극관성모멘트는 도심 C 에 대한 극관성모멘트에 그

면적과 점 O 와 C 사이의 거리의 제곱의 곱을 더한 것과 같다

이상의 식에서 부하토크와 관성모멘트를 계산하여 모터를 가 선정한다 부하토

크의 경우 사용될 모터의 정격 토크를 넘어서지 않는 것을 선정한다 부하토크

를 TL 정상 부하 상태의 힘 PL 극 관성모멘트 IL 회전운동을 위한 힘 Pa 각속

도 가속 시 소요되는 시간을 ta 라 하고 식 (420)을 이용하여 부하가 일정하

게 작용할 때의 힘을 계산한다 마찬가지로 관성모멘트를 식 (421)에 대입하여

가속을 위한 회전 운동 시 필요한 힘을 계산한다 식 (420)과 식 (421)에서 계

산된 힘을 합산하면 모터를 회전시키기 위해 필요한 출력이 계산된다 이때 계

산된 출력보다 실제 사용할 모터의 정격 출력이 1~2 배 정도가 되도록 모터를

가 선정한다

- 47 -

P T ω 420

P 421

위의 과정을 통하여 모터를 가선정하고 가감속 토크 및 구동 토크를 계산한

다 각각의 토크를 계산하게 되면 모터를 최종적으로 선정하게 되는데 두 가지

사항을 고려하여 최종 선정한다 먼저 식 (422)을 통해서 계산되는 가속 시 소

요되는 기동 토크 TM 가 모터의 최대 토크를 넘지 않는 것으로 선정한다

T 422

두 번째로 Fig 4-7 의 속도 선도와 같이 모터의 가 감속 시간과 정상 동작

시간 등을 결정하여 식 (423)과 같이 실효치 토크 TS 를 구하고 실효 토크가 모

터의 정격 토크보다 크지 않도록 선정한다

T 423

Fig 4-7 Exa

- 48 -

ample of veloc

city guidance

- 49 -

(3) 알고리즘 적용

로봇시스템에 있어서 기구들의 관성모멘트와 토크 계산 후 적합한 모터를

선정하기 위해 시중에서 시판되는 모터를 조사하였다 로봇에 적용 가능한 모터

로는 크게 서버모터와 스텝모터 RC 서버모터 DC 모터로 구분 할 수 있었다 이

를 TABLE 4-1 과 같이 정리하였다

동력원의 6 가지 선정요소 중 우선순위를 부여하여 분류했을 때 핸드 그리퍼

의 특성상 가볍고 토크가 큰 RC 서버 모터 미니 서버모터를 선택할 수 도 있지

만 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터 중 토크를 증가시킬 수 있는

감속기가 있는 타입의 모터를 우선시 하였다

1 감속비를 사양할 수 있는 모터를 선정하여 계산한 토크를 확인한다

2 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터를 선정한다

3 CLOSED LOOP 제어를 통하여 정확한 위치를 검출할 수 있어야 한다

따라서 스텝모터중 lsquoOrsquo사의 ldquoαSTEPrdquo가 적합하다고 판단되어 모터를 선정하였다

- 50 -

TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics

미니서버모터 RC 서버모터 스텝모터 DC 모터

장점 동일사양대비 모터

중 10배정도 큰 토크

5v사용가벼움

정확한 위치제어

급격한 부하변동급가

속 유리

저렴한가격

보편화됨

단점 정지시 진동이 예상 약한 토크 THRUST하중이 모터

무계 이하여야 한다

유지보수가 잦다

크기 151588mm(10w20w)

2525111mm(30w)

392038mm 424234mm Oslash37mm917mm

동작전압 Dc 24V Dc 48V60V Dc 24V Dc 24V

무계 230g~400g 56g 150g 200g

허용토크 009Nm~03Nm 11~13kgfcm 18kgfcm (018Nm) 47kgfcm(1200)

감속기 다양한 감속비 가능 고정 감속기 감속기 무(072˚036) 다양한 감속비

제조사 야스카와 SGMM 하이텍 HS-5945 AUTONICS GCM 3429A

TABLE 4-2 αstep motor characteristics

외형 전압 전류 무계 토크 감속비 분해능

αSTEP 282884mm

4242127mm Dc24V 1~37A 250G 2~28 Nmiddotm 50~1001

00072pluse

00036pluse

- 51 -

43 1 차 능동형 그리퍼 설계

실린더를 사용하여 링크로 물체를 파지하던 그리퍼는 Fig 4-8 과 Fig 4-9 에

묘사하였다 이런 실린더를 사용한 그리퍼는 공압 효과를 도출할 수 있는 별도

의 펌프가 필요하고 동작을 구현할 수 있는 자유도를 증가시키는데 한계가 있

다 이런 실린더의 단점을 보완하고 전기모터의 장점을 사용하기 위해 웜기어와

웜휠 방식을 채택하여 2 자유도 능동형 그리퍼를 설계하였다

1 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-10 에 묘사하였으며 1 차설계한

능동형 그리퍼는 Two Fingertip Grasp 로 칭하겠다 파지한 물체를 회전 시키는

기능은 베벨기어를 사용하여 회전운동으로 구현하였고 실린더의 전middot후진 운동

을 전기모터의 회전운동으로 변환 시키기 위하여 웜기어와 웜휨을 선택하였다

전기모터에 의해 회전하는 운동은 웜기어와 웜휠에 의해 링크를 사용하여 물체

를 파지하였던 그리퍼와 동일한 운동효과를 가지게 되었다

웜기어와 웜휠을 사용하여 물체를 파지하는 능동형 그리퍼는 스윙형으로 설

계되었으며 파지력을 높이기 위한 각도를 적용하였다 링크를 사용하여 물체를

파지하는 형태의 그리퍼보다 기구의 크기를 줄일 수 있는 장점이 있는 반면 기

어들의 백래시에 의한 오차가 끝단에 누적될 수 있는 문제점을 가지고 있다또

한 기구부의 소재 변경으로 그리퍼의 무계를 줄일 수 도 있지만 가장 큰 무계

를 차지하는 모터를 그리퍼 자체에서 분리하게 할 수 있게 하려면 그리퍼 자체

의 구조변경이 필요하다

`

`

Fig 4-8 Par

Fig 4-9 Par

- 52 -

rallel-link gra

rallel-link gra

sps system 1

sps system 2

Fig 4-10

- 53 -

0 Two fingertipps grasp system

- 54 -

44 2 차 능동형 그리퍼 설계

1 차 설계한 능동형 그리퍼에서 발견된 문제점을 보안하기 위하여 2 차 능동

형 그리퍼를 설계하였다 2 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-11 에 묘사

하였으며 2 차설계한 능동형 그리퍼는 Four Fingertip Grasp 로 칭하겠다 이 장치

는 크게 동력원 동력 전달장치 핑거 그립장치로 구성되어있으며 이를 통합하

여 Fig 4-12 에 나타내었다

핑거 그립장치는 스윙형 그립의 단점을 보완하여 설계하였다 물체를 파지할

때 그립의 회전 반경이 주위 환경요소와 간섭을 발생시킬 수 있는데핑거가 전

진할때 샤프트와 핑거그립간의 나사결합형태를 통한 직선운동으로 개선하여 주

위환경요소에 영향을 주지 않도록 설계하였다 구동축의 핑거파지 메카니즘을

Fig 4-13 와 같이 간략화 하였고 이에 대한 세부 도면은 Fig 4-14 로 나타내었다

4 조 핑거 그립의 나사산과 테이퍼진 스크류축은 나사식으로 결합되며 상호

작용에 의해 점차 중심점으로 이동하여 물체를 파지하는 형태이다 사용된 2 개

의 샤프트는 중공축으로 설계하였으며 외부 샤프트는 4 조 핑거가 물체를 파지

하여 비트는 모션을 구현하는데 사용되었다 내부 샤프트는 핑거를 중심점으로

전진시켜는 기능을 수행한다 중공축으로 설계한 내부 샤프트는 차후 개발될 인

스트리먼트의 탈부착을 손쉽게 할수있도록 구현하였고 4 조로 설계된 핑거는 그

립시 인스트리먼트의 응력집중현상을 분산시키는 기능과 2 조로 그립하였을때

보다 안정적인 그립감을 형성한다

- 55 -

동력원과 동력전달장치는 Fig 4-15 에 나타내었으며 Two Fingertip Grasp system

의 문제점이었던 구동부의 모터의 설치 방법을 외부에 부착하는 형태로 변경하

여 우레탄 밸트를 사용하였다 또한 아이들러를 사용하여 밸트의 방향을 변경

하여 모터의 부착위치를 자유롭게 설정할 수 있도록 하였고 모터 브라켓에 슬

리브 홈을 설치하여 벨트의 장력을 조절할 수 있도록 하였다

Fig4-11

Fig4-12 Fou

- 56 -

Four fingertip

ur fingertips g

ps grasp system

grasp system la

m

ayout

Fig 4-13

Fig 4-14

- 57 -

Fingertip gra

4 Fingertip gr

asps mechanis

rasps extended

m

d

Fig 4-15

- 58 -

5 Power transmission devicce

- 59 -

제 5장 결 론

본 연구에서는 MIS 수술 로봇을 위한 햅틱 마스터장치 구동용 능동형 그리

퍼를 설계하기 위하여 그에 상응하는 자료 및 문헌 조사를 수행하였고 햅틱 마

스터에 적용 가능한 능동형 그리퍼를 설계하여 로봇 시스템의 초안을 구성하였

다 수술용 도구를 단순히 잡아주는 역할에서 벗어나 시스템에 추가적인 자유도

를 부여함으로써 그리퍼를 표현하였다 단순화된 그리퍼는 보다 저렴한 가격으

로 생산될 수 있으며 기존 로봇 수술시스템의 높은 비용을 절감할 수 있는 효

과를 가져올 수 있다

최종적으로 제안한 설계 안으로는 2 조 핑거그립를 사용하는 전기모터형 그

리퍼 와 추가적으로 개선한 4 조 전기모터형 핑거그립를 설계였다 스윙형 그립

의 단점을 보안하여 집중응력을 분산할 수 있는 구조로 설계하였고 그리퍼의

무계를 줄일 수 있는 방법을 제시하였다 이로써 원통형 도구 파지 시 안정성이

향상되었고 보다 원활하게 수술 도구를 교체 가능하도록 하였다

앞으로 촉감을 전달할 수 있는 센서의 개발로 햅틱 디바이스 인터페이스 장

치의 활용에 보다 높은 기여를 할 것이라 예상된다

-６０-

참고 문헌

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정보 및 제어부분 PP68~7020084

[2] 박정호 ldquo국내외 의료로봇 현황과 발전방향rdquo정보과학지 26(4)

PP49~5420084

[3] 편집부 ldquo수술지원로봇의 최신 기술 동향rdquo월간 자동화 기술 22(12)

PP74~77200612

[4] 경기욱박준석 ldquo햅틱스 기술개발 동향 및 연구전망rdquo전자통신경향분석

21(5)PP93~108200610

[5] 권동수경기욱 ldquo의료용 로봇의 연구 현황과 전망rdquo기계저널

42(3)PP38~44200203

[6] Yoichi OGAHARA Yusuke KAWATO Kenjiro TAKEMURA Takashi MAENO

ldquoA Wire-Driven Miniature Five Fingerd Robot Hand using Elastic Elements as

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[7] Ikuo Yamano Takashi Maeno ldquoFive-fingered Robot Hand using Ultrasonic Motors

and Elastic Elementsrdquoproceedings the 2005 IEEE International Conference on

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[8] 홍만복김광기 ldquo최소 침습수술로봇을위한 2-자유도 구형 메커니즘설계rdquo

한국정밀공학회 2009년 추계학술대회 논문집

-６１-

[9] 이재훈김형욱이병주서일홍 ldquo새로운 6자유도 병렬형 햅틱 기구의 최적설

계 및 해석rdquo한국정밀공학회 2003년 추계학술대회 논문집

[10] 조국훈이재훈이병주김희국 ldquo병렬형 그리퍼 메카니즘rdquo한국정밀공학회지

[11] 김갑순 ldquo3축 힘센서를 이용한 지능형 그리퍼 개발rdquo한국정밀공학회지 제

24권 제 3호 1999년

[12] 고대성김성목김희국이병주 ldquo병진형 자유도와 1자유도 파지기능을 가지는

4자유도 병렬 메커니즘의 기구학분석rdquo한국정밀공학회 2007년 추계학술대회

• 제1장 서 론
• • 11 연구배경 및 연구목적
  • 12 연구내용
  • • 제2장 로봇 산업의 기술 현황
    • • 21 로봇산업의 동향
      • 22 의료용 로봇기술 현황
      • 23 의료용 로봇시장 전망
      • • 제3장 능동 그리퍼
        • • 31 최소침습 수술 햅틱 장치구현에 필요한 능동 그리퍼 제안
          • 32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류
          • 33 파지형태에 의한 그리퍼의 분류
          • 34 메카니컬 핸드의 구속기능
          • 35 대표적인 동력원의 특징
          • • 제4장 능동형 그리퍼 설계
            • • 41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정
              • 42 모터 선정 알고리즘
              • • 43 1 차 능동형 그리퍼 설계
                • 44 2 차 능동형 그리퍼 설계
                • • 제 5 장 결론
                  • 참고문헌
                  • TABLE 2-1 Domestic robot classification
                  • TABLE 2-2 Robot Production Company
                  • TABLE 3-1 Characteristics of power sources
                  • TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics
                  • TABLE 4-2 αSTEP Motor Characteristics
                  • Fig2-1 Phase of medical robots in the robot industry
                  • Fig2-2 Da Vinci surgical case number
                  • Fig3-1 Da Vinci robot system for MIS
                  • Fig3-2 Classified by the gripper grip action
                  • Fig3-3 Swing-type hand mechanism
                  • Fig3-4 Hand mechanism for translational type1 (parallel displacement)
                  • Fig3-5 Hand mechanism for translational type2 (Rack and pinion type)
                  • Fig3-6 Hand mechanism for three point pinch type
                  • Fig3-7 Movement of object
                  • Fig3-8 Contacts of the kind and the confining
                  • Fig3-9 Human Arm structure
                  • Fig4-1 Configuration of the fingers on robot gripper
                  • Fig4-2 Change the value of the angle of phage torque
                  • Fig4-3 Motor Selection Algorithm
                  • Fig4-4 Arbitrary Shape of Planar Area
                  • Fig4-5 Parallel-Axis Theorem
                  • Fig4-6 Arbitrary Shape of Polar Area
                  • Fig4-7 Example of Velocity Guidance
                  • Fig4-8 Parallel-link Grasp system 1
                  • Fig4-9 Parallel-link Grasp system 2
                  • Fig4-10 TWO Fingertip Grasp system
                  • Fig4-11 Four Fingertip Grasp System
                  • Fig4-12 Four Fingertip Grasp System layout
                  • Fig4-13 Fingertip Grasp Mechanism
                  • Fig4-14 Fingertip Grasp extended
                  • Fig4-15 Power Transmission Device

- 5 -

TABLE 2-1 Domestic robot classification

대분류 중분류

서비스 로봇

개인 서비스용가사용 생활 지원용 여가 지원용 교육

용 기타 개인서비스용

전문서비스용

빌딩 서비스용 극한작업용 의료 복지용

사회 인프라용 군사용 생물 생산용 기

타 전문 서비스용

제조업용 로봇

이적재용 공작물 착탈용 용접용 표면처

리용 조립분해용 가공용 공정용 시험

검사용 기타 제조업용

네트워크 로봇 -

로봇부품 및 부분품 로봇용 구조구동센싱제어통신소프트

웨어기타 부품 및 부분품

lt자료gt 산업자원부

ldquo의료 복지용 로봇rdquo은 전문서비스용 로봇의 한 분야로 로봇산업의 중분류로

분류되고 있다 의료 복지용 로봇은 다시 수술 로봇 재활 훈련용 로봇 의료진

단 및 검사용 로봇 기타 의료 복지 로봇 등으로 소분류체계를 구축된다

산업연구원 (2007)에서는 로봇산업에서의 의료용 로봇의 위상을 Fig 2-1 과

같이 도식화 하였다 의료용 로봇을 포괄하고 있는 지능형 로봇은 우리나라가

소득 3 만 달러 시대를 선도할 미래스타산업으로 타 분야에 대한 기술적 파급

효과가 큰 첨단기술의 복합체라는 점 때문에 특히 중요하다고 할 수 있다

- 6 -

Fig2-1 Phase of medical robots in the robot industry

(2) 국내로봇산업 규모

가 로봇생산 기업규모

앞 절과 같은 로봇산업 분류체계에 근거하여 2006 년부터 로봇산업 통계조사

가 체계적으로 이루어지기 시작하였다 이 통계조사에 따르면 국내 로봇생산을

담당하고 있는 기업은 TABLE 2-2와 같다 2006년 총 170개 제조업 로봇 77개

사 (453) 로봇부품 및 부분품 48 개사 (282) 개인 서비스용 로봇 24 개사

- 7 -

(141) 전문서비스용 로봇 13 개사 (76) 네트워크 로봇 8 개사 (47)로 분포

되어 있다 이와 같은 수치는 2005 년 대비 제조업용 로봇 관련 기업 수는 다소

감소하였으나 전문서비스용 로봇이나 개인서비스용 로봇 관련 기업 수는 다소

증가하였다 또한 기업체 당 평균 자본금은 5354 억으로 제조업을 제외하면 기

업체 당 평균 자본금이 가장 높은 분야는 개인 서비스용 로봇 (2570 억원) 가

장 낮은 분야는 전문 서비스용 로봇 (1106억원)으로 나타났다

이는 최근 수요가 증가하는 생활 관련 로봇들에 대한 대기업의 투자나 진입

이 두드러지면서 나타난 현상이며 이런 기업들의 투자에 따른 생활 로봇 기술

향상이 두더러 지게 나타나고 있다 따라서 의료용 로봇 산업분야의 체질강화

와 기업 경쟁력 강화를 위해서는 최근 늘어나는 수요창출에 발맞추어 중견기업

들의 투자와 연구개발이 집중되어야 할 것이다

한편 로봇기업의 매출액 규모는 1억 원 미만의 영세한 업체가 30 1억~10

억 원 규모의 업체가 282 10억~50억 원 규모의 업체도 282로 대부분의 로

봇기업은 매출액 규모 50 억 미만의 중소기업체인 것으로 나타났다 특히 의료

용 로봇은 영세한 업체가 담당하기에는 다소 연구개발과 투자비용이 많이 소요

되기 때문에 대기업이나 정부의 투자나 지원이 반드시 필요하다 이러한 상황에

서 국내 의료용 로봇 시장의 성장을 낙관하기는 다소 무리가 있다 따라서 대기

업들이나 정부는 의료용 로봇 시장 확대와 성장에 적극적으로 참여해야 할 것

이다

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TABLE 2-2 Robot Production Company

구분

2005 2006

업체수 구성비 업체수 구성비

제조업용 로봇 60 333 77 453

전문서비스용 로봇 13 72 13 76

개인서비스용 로봇 39 217 24 141

네트워크 로봇 17 94 8 47

로봇부품 및 부분품 51 283 48 282

합계 180 1000 170 1000

나 로봇생산 생산규모

로봇기업의 생산 현황을 보면 2005 년에는 5722 억 원 정도였으나 2006 년에

는 7196 억 원으로 258의 증가율을 보였다 특히 의료 복지용 로봇 분야가 포

함되어 있는 전문서비스용 로봇은 2005 년에는 53 억 정도였으나 2006 년에는

124억으로 전년대비 1309의 높은 증가세를 보였다

최근 국내에서 개발된 환자 안내용 로봇인 스누봇 (SNUBOT)이나 내시경 로

봇인 미로캠 (MiroCam) 등의 개발로 인해 더욱더 생산 증가폭은 커질 것으로

전망한다 의료 복지용 로봇분야에서는 2005 년에는 생산이 거의 없었으며 2006

년에는 약 6 천 만원으로 증가하기는 하였으나 이는 다른 로봇 분야에 비하면

극히 미비한 생산액이며 수술 로봇이나 재활 로봇에 대한 생산은 거의 전무한

실정이다 한국과학기술정보연구원(KISTI)에 따르면 2006 년 국내 서비스 로봇

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(산업용 로봇 제외) 시장규모는 약 624 억 원으로 미비한 수준에 그쳤으나 2011

년 5117 억 원에 달하고 2013 년 이후는 수조 원에 달하는 황금시장으로 떠오를

것으로 예상하였다 또한 정부에서는 2005 년 국내 로봇산업 육성을 위해 2013

년까지 세계 시장 점유율 15 총생산 30 조원 수출 200 억 달러 고용창출 10

만 명 등 세계 3위의 로봇강국을 목표로 하고 있다

22 의료용 로봇기술 현황

(1) 의료용 로봇 유형 및 개념

의료용 로봇은 크게 수술 로봇 수술 시뮬레이션 재활로봇 기타 의료 로봇

등으로 분류된다

첫째 수술 로봇은 크게 두 가지의 유형으로 분류된다 먼저 수술 보조 로봇

(surgery assistant robot)은 수술실에서 집도의 명령에 따르면서 수술을 보조하거나

영상 가이드 역할을 해주는 로봇을 의미하며 수술 로봇 (surgery robot)은 의사를

대신하여 수술과정의 전체 혹은 일부를 의사 대신 혹은 의사와 함께 수술 작업

을 한다

둘째 수술 시뮬레이터 (surgery simulator)는 의사의 수술에 관한 숙련도를 높

이기 위하여 가상의 그래픽 환자 모델과 햅틱 장치 (haptic device) 등을 이용하

여 수술을 연습할 수 있게 하는 의료용 로봇이다 특히 근래에 들어 프로세스의

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성능이 좋아지면서 MRI 나 CT 영상 등을 활용한 실시간 3 차원 볼륨이 가능해

지면서 의료용 시뮬레이터 개발은 가속화 되었다

셋째 재활 로봇 (rehabilitation robot)은 노인과 장애인의 재활치료와 일상생활

을 도와 주는 로봇 시스템으로 단순한 신체를 지지해 주는 역할을 벗어나 중증

환자나 노인의 신체 움직임을 향상시키고 빠른 시일 내에 회복하도록 주요 기

능을 수행하고 장애인의 장애를 극복하여 독립적인 생활을 가능하게 할 수 있

는 특정 기능의 로봇을 의미한다

넷째 기타 의료 로봇으로는 간호 로봇이나 안내로봇 등이 있다 현재의 간

호 인력을 도와서 수술이나 치료를 받는 환자를 보살피는 로봇으로서 정확한

투약과 수술 후 관리가 가능하도록 도와주는 기능과 환자의 이동 간병 및 산책

이 가능하고 말벗의 기능을 포함하는 로봇을 의미한다

(2) 의료용 로봇기술 개발현황

가 수술 로봇

현재까지 연구된 수술 로봇은 미세 수술용 원격수술 로봇 최소침습수술

(MIS) 로봇 관절 수술 로봇 등으로 분류할 수 있다

원격수술 로봇 시스템 일환으로 개발된 대표적인 로봇으로는 일본 동경대의

원격 수술 로봇 미국 NASA JPL 의 RAMS SRI International 의 원격 수술 로봇

한국과학기술원의 미세수술용 Slave 로봇 등이 있다

- 11 -

MIS 의 로봇 시스템 일환으로 개발된 대표적인 로봇으로는 미국의 UC 버클

리대의 수술 로봇시스템 Computer Motion 사의 내시경 보조 로봇인 이솝

(AESOP)과 복강경 수술 로봇인 제우스 (ZEUS) 제우스 보다 진보된 Intuitive

Surgical 의 다빈치 (daVinch) 등이 있다 이 중 다빈치는 수술용 로봇으로 거의

독점적인 위치로써 세계 로봇수술의 첨병역할을 하고 있다

관절 수술 로봇의 일환으로 개발된 대표적인 로봇으로는 미국 Integrated

Surgical System사의 로보닥 (Robodoc) 독일의 Orto Maque사의 CASPAR 영국의

Imperial College의 아크로보트 (Acrobot) 등이 있다

나 수술 시뮬레이터

수술 로봇 이외에 의사의 수술에 관한 숙련도를 높이기 위한 의료용 시뮬레

이터가 활발하게 연구되고 있다 특히 근래에 들어 프로세서의 성능이 좋아지면

서 MRI 나 CT 영상 등을 활용한 의료용 수술 시뮬레이터 개발이 가속화 되었

다 대표적인 수술 시뮬레이터로는 미국 Georgia Tech의 안구 수술 시뮬레이터

미국 Boston 다이나믹스사의 개복수술 시뮬레이터 Mitsubishi Electric Research Lab

의 무릎관절 내시경 시뮬레이션 영국 맨체스터 대학의 웹기반 시뮬레이터 등이

있다

다 재활 로봇

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노령인구와 장애인구의 증가로 로봇 기술의 필요성은 재활분야에도 확대되

고 있다 장애인의 독립적인 활동을 보장하고 삶의 질을 높이려는 노력은 유럽

등의 선진국을 중심으로 재활 로봇이 연구되어 왔으며 이탈리아에서 개발된

MOVAID 가 대표적인 재활 로봇이다 또 미국에서는 MIT 를 중심으로 RIC 과

같은 로봇 신경 재활 로봇들이 개발되고 있다 스위스에서는 보행 재활 로봇으

로 Lokomat 이 개발되었고 국내에서는 KAIST 에서 휠체어 로봇 시스템과 보행

보조 로봇 등이 연구되고 있다 이외에도 서강대학교에서는 SUBAR 라는 보행

재활 로봇을 개발하였다 이외에도 최근 미국의 Intouch Health 에서 개발한 RP-7

은 멀리 있는 환자의 병증을 파악하는 데 탁월한 원격진료 로봇으로 활용되고

있다

(3) 국내 의료용 로봇 적용사례

상기 서술한 의료용 로봇 중 가장 많은 각광을 받고 있으며 국내에서 적용

되고 있는 사례를 통해 의료용 로봇의 사용 실태를 파악보고자 한다 대표적인

복강경 수술 로봇인 Intuitive Surgical의 다빈치 로봇 시스템과 고관절 수술 로봇

인 Integrated Surgical System사의 로보닥을 중심으로 국내 실태를 살펴보고자 한

다

가 다빈치

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Fig 2-2 da Vinci surgical case number

다빈치 로봇은 1997 년 벨기에서 처음으로 환자에게 적용된 이래 국내에

2005 년 7 월 연세대학교 신촌 세브란스 병원에서 최초로 도입하여 2005 년 7 월

15 일 국내 최초로 다빈치를 이용한 로봇 수술이 이루어졌다 Fig 2-2 에서 보

듯이 수술사례는 계속적으로 증가하여 2008 년 1 월 말 현재 750 건이 넘는 수

술이 이루어졌다

다빈치 로봇은 전립선암 위암 대장남 부인암 식도암 갑상선암 간암 등

대부분의 암수술 및 중요 외과계 수술에 적용된다 이는 다빈치 로봇 수술이 가

져다 주는 효과인 개복수술이나 복강경 수술보다 수술회복기간이 단축되고 수

술시간도 감소시키는 역할과 무엇보다 수술 후 환자가 겪는 수술 후유증 확실

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히 줄여주기 때문이다 특히 전립선암의 경우 대표적인 수술 후유증인 요실금

과 발기부전 등의 가능성이 대폭 줄어드는 것으로 알려져 있다

이와 같은 수술사례와 수술성과에도 불구하고 다빈치 로봇의 가격이 25 억

정도의 고가이기 때문에 영세한 의료기관에서 도입하기에는 다소 무리가 따르

고 있다 그러나 대형 병원들은 다빈치의 성공적인 수술사례를 통해 앞다투어

이를 도입하고 있다

2008 년 1 월 현재 신촌 세브란스 병원은 이미 3 대를 도입했고 영동 세브

란스 병원 고려대 안암병원 서울아산병원 한림대 강남병원 분당서울대병원

삼성서울병원 경북대병원 동아대병원 등 9 개 의료기관에 도입되어 있다 또한

최근 (2008 년 1 월 30 일) 연세대 세브란스병원은 로봇 수술의 활성화를 위해

Intuitive Surgical 과 공동으로 복강경 수술용 로봇 다빈치를 이용한 수술법을 배

우는 lsquo연세 다빈치 트레이닝 센터rsquo를 개소하였다

다빈치는 로봇 가격만큼 수술 비용에 있어서도 고가인데다 의료보험이 적

용되지 않아 수술 비용을 환자가 모두 부담해야 하는 실정이다 다빈치 로봇 수

술 비용은 700~2000 만 원선으로 기존의 수술 비용인 200~300 만 원 보다는 다

소 높은 가격이다 특히 전립선암의 경우 로봇 수술 비용은 1500 만 원 선으로

개복수술이나 복강경수술보다 5~7 배 정도의 높은 가격이다 그럼에도 불구하고

로봇 수술은 거의 모든 암 수술에 적용되고 있고 환자와 의사 모두 만족하는

수술법으로 자리잡아 가고 있다

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나 로보닥

로봇이 외과적 기계로써 임상적으로 처음 국내에서 적용된 것은 1992 년 lsquo로

보닥rsquo이라는 의료용 로봇이다 미국에서 개발된 로보닥은 인공관절이 삽입될 환

자의 뼈를 로봇으로 가공해서 수술 성공률을 획기적으로 높였다 두꺼운 뼈를

정확한 형상으로 깎아내는 작업에는 CADCAM 자료에 따라 작동하는 로봇 팔

이 숙련된 외과의사를 간단히 능가했다 로보닥은 한국과 EU 의 판매승인을 획

득했고 결국 인공관절수술의 대세를 장악했다 세계적으로 8000 회 이상의 수술

이 로보닥을 이용하여 성공적으로 수행되었으며 2001년 FDA의 승인을 받기도

하였다

2002 년 국내 처음으로 로보닥이 도입된 이래로 이춘택 병원은 현재까지

2556 회라는 경이적인 수술건수를 기록하였다 그는 최소침습수술과 접목하여

로봇의 정밀성과 최소 절개기술을 결합시킴으로써 환자의 고통과 재활 기간을

크게 줄였다 그러나 로보닥의 가격은 무려 17 억 원이며 3 차원 영상까지 구현

하기 위해서는 10 억 원 상당의 멀티 CT 까지 도입해야만 한다 그렇기 때문에

소규모의 관절전문병원이 도입하기에는 다소 무리한 점이 있다 이러한 상황에

서 이춘택은 국내시장에 맞는 로봇개발을 위해 국산 부품 및 소프트웨어를 개

발 중에 있다 따라서 우리나라도 고령화 사회를 맞아 세계적으로 관절 수술이

급증하고 있는 상황에서 국내 기술로 만든 수술용 로봇이나 소프트웨어 개발은

국내 의료용 로봇시장의 활성화를 이룰 수 있다

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23 의료용 로봇시장 전망

(1) 로봇산업 전망

로봇 분야별 세계시장 정세를 살펴보면 제조업용 로봇은 시장안전화 단계로

써 급격한 시장변화는 어려우며 신규 생산설비 및 기존 설비에 따른 수요가 대

부분 차지하고 있는 실정이다 개인서비스용 로봇은 가족구조의 핵가족화와 고

령화 현상으로 인한 가족인원으로서의 가정용 로봇에 대한 수요가 증가 추세에

있다 전문서비스용 로봇은 생산국과 생산기업이 극히 제한되어 있으며 제품가

격의 고가로 인해 시장형성에 있어서 생산국과 수요국이 불일치하고 있는 실정

이다 이러한 상황에서 로봇시장의 국가별 점유율을 살펴보면 일본 (28) 미국

(18) 독일 (16) 이탈리아 (10) 한국 (3)의 순으로 세계 5 위를 차지하고

있다 이와 같이 산업용 로봇의 경우는 우리나라의 세계적인 위상이 높지만 아

직까지 전문 서비스 분야 로봇에 대한 세계적인 위상은 미비하다

시장규모 전망과 국내 세계시장 점유율에 대한 전망은 다음과 같다 세계 로

봇시장의 규모는 2010 년에는 247억 5 백만 달러에서 2020년에는 717억 7 천만

달러에 이를 것으로 보고 있으며 연평균 107의 증가율을 예상하고 있다 분

야별로는 제조업용 로봇은 2010 년 세계시장의 114에서 2020 년 144의 비중

을 차지할 것으로 전망하고 있으며 전문서비스용 로봇은 2010 년 세계시장의

09에서 2020 년 21의 비중을 차지할 것으로 예상하고 있다 개인서비스용

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로봇은 2010 년 30에서 2020 년 70 수준에 달할 것으로 보고 있다 비록 전

문 서비스용 로봇산업의 규모는 미국 일본 독일에 비해 미미한 실정이나 전문

서비스용 로봇의 신시장을 개척하고 그 만큼의 기술력이 밑받침된다면 2020 년

세계시장에서의 더 큰 비중의 달성이 이루어질 것으로 본다

(2) 의료용 로봇기술 전망

의료용 로봇시장의 성장은 의료용 로봇기술 개발산업의 성장과 밀접한 관계

가 있다 세계적인 개발추세로는 의료용 로봇개발 하드웨어 분야에서는 일본이

경쟁력이 가장 높으며 소프트웨어 분야에서는 미국이 앞서나가고 있다 또한

독일은 하드웨어 및 소프트웨어 분야에서 동시에 상당한 연구 개발 능력을 보

유하고 있다 앞으로는 이 세 나라가 의료용 로봇 시장의 핵심 주자로 나설 것

으로 예상된다

산업연구원 (2007) 조사에 따르면 국내 로봇산업의 기술은 기술항목에 따라

다소 차이를 보이고 있으나 제조업용 로봇의 경우는 최고 기술 보유국 대비 평

균 85 정도에 육박하고 있으며 전문서비스용 로봇의 경우는 80 정도 개인서비

스용 로봇은 84 정도에 이르고 있는 것으로 나타났다 의료용 로봇 분야에서는

선두주자인 미국의 기술력을 100 이라고 봤을 때 현재 우리나라는 70 정도이며

2015년이 지나야 100 에 도달할 것으로 전망하였다 비록 의료용 로봇에서 세계

1위인 미국에 비해 우리는 아직 10년 이상 차이가 있지만 세계 최초로 국제 규

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모의 로봇랜드 조성과 로봇펀드 발생 등 정부 차원에서의 노력이 여러 가지 방

면에서 다양하게 펼쳐지고 있기 때문에 그 격차는 점차 줄어들 것으로 예상된

다

또한 IFR (2006) 자료에 따르면 한국 산업용 로봇은 세계 5 위의 강국[16]인

데 비해 의료용 로봇에 있어서는 약소국이다 이는 의료용 로봇의 개발비가 많

이 드는데 비해 국내 시장은 극히 제한적이어서 일반 기업의 참여가 아주 저조

하기 때문이다 국내에서 의료용 로봇 관련 기술 개발은 아직 걸음마 단계에 머

물러 있으며 벤처기업 및 대기업들이 개발해 상용화시키고 있는 기술이나 제품

도 대부분이 생활 가전형 로봇에 한정되어 있을 뿐 의료용 로봇분야는 아직 미

개척지로 남아 있다 하지만 국내에서도 의료용 로봇 개발을 수행하기 위해 대

학이나 연구소 차원에서 의료용 로봇에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다 먼

저 한국과학기술원이 8 년 전 설치한 휴먼 웰페어 로보틱 서저리 센터가 대표

적인 연구기관이다 이 연구소에서는 거동이 불편한 환자들을 위한 휠체어의 자

동화 시스템이나 복강경 수술 로봇 등 로봇 수술용 기구의 국산화에 초점을 맞

춰 진행 중이다 또한 최근에는 국립암센터 역시 산업자원부로부터 수술용 로

봇과 영상시스템을 주제로 한 의료용 로봇 개발자로 선정되어 연구에 들어갔다

비록 국내 의료 및 수술 로봇 관련 기술이 일본 미국 등에 비해 아직까지

뒤쳐져 있는 실정이지만 국내에서도 의료용 로봇 기술 개발이 이처럼 활발히

진행되고 있어서 향후 전망은 매우 밝다고 할 수 있다 또한 해외에서 각광을

받고 있는 캡슐형 내시경 연구 역시 국내에서 벌써 10 년째 계속 되고 있다 최

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근 한국과학기술연구원과 벤처기업인 인트로메딕이 개발한 세계 최소형 캡슐형

내시경인 미로캠 (MiroCam)은 2010 년까지 국내 캡슐형 내시경 시장의 80를

점유할 것으로 예상하고 있다 이러한 국산 의료용 로봇 개발을 통해 고부가가

치 시장인 세계 의료 시장에 뛰어들 수 있는 기반을 다졌다는 데에 큰 의미가

있다

전문 서비스용 로봇의 경우 제조업 로봇 관련 풍부한 경험을 바탕으로 전문

서비스용 로봇으로의 기술확대 메카트로닉스 (mechatronics) 관련 다양한 산업기

반과 세계적인 IT 인프라 보유국의 강점을 살리고 있다 또한 한국은 10 대 성

장동력간 연계 등을 통한 시너지 효과와 세계 전문서비스 로봇 시장이 초기형

성 단계임을 감안한다면 이 분야의 진출에 대한 절호의 기회이며 머지않아 의

료용 로봇 강국으로 진입할 수 있을 것으로 기대된다

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제 3 장 능동 그리퍼

31 최소침습 수술 햅틱 장치 구현에 필요한 능동 그리퍼 제안

21 세기 로봇 기술 분야에서는 인간과 기계 시스템 간의 커뮤니케이션이 무

엇보다 중요하게 강조되며 이러한 인간과 기계 시스템의 의사소통은 주로 인간

의 감각 기관을 통해 이루어 진다 일반적으로 인간에게는 보고 듣고 냄새를

맡고 맛을 보고 피부로 느끼는 오감이 있으며 이러한 감각을 시각 청각 후

각 미각 촉각이라고 한다 따라서 이러한 인간의 감각에 정보를 전달하기 위

한 다양한 기계 시스템들이 개발되어 왔다 오감 중에서 현재 인간과 기계 시스

템간의 인터페이스 역할을 하는 표적인 감각으로는 사물을 보는 시각과 소리

를 듣는 청각이 주로 이용되고 있다 이를 위한 시스템들은 이미 상당한 수준으

로 발전해 현재 상용화 되어 활용되고 있다 하지만 이러한 시각과 청각 인터

페이스 만으로는 로봇의 제어에 한계가 있으며 오감 중에서 세 번째 감각인 촉

각에 한 인터페이스가 현재 활발히 연구 개척되고 있다 만약 가상현실에 촉

감 인터페이스가 적용된다면 기존의 시각과 청각에만 의존하던 가상 현실에 촉

감을 전달함으로써 실제 물건을 만지고 느낄 수 있으므로 가상현실을 보다 더

실감나게 할 수 있을 것이다 하지만 인간의 감각 중에서 촉각은 매우 민감한

감각으로 여기에 촉감 정보를 전달하는 인터페이스는 아직 많은 연구를 필요로

하고 있다

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햅틱 (haptic)이란 단어의 사전적인 의미는 ldquoof or relating the sense of touch

tactilerdquo로써 물체를 만질 때 사람이 느낄 수 있는 촉각적 감각으로 피부가 물체

표면에 닿아서 느끼는 촉감 (tactile sensation)과 관절과 근육의 움직임이 방해 될

때 느껴지는 근 감각적인 힘 (kinesthetic force)의 두 가지 힘을 모두 합쳐서 부르

는 말이다 촉감 구현 연구는 물리적 장치를 이용하여 사람이 직접적인 접촉이

없이도 촉각 정보를 전달하는 방법에 관한 전반적인 연구 분야를 일컫는 말로

사람에게 원격지에 있는 물체의 물리적 특성을 전달하는 원격조작 혹은 원격현

장감에 관한 연구로부터 시작되었다 가상 혹은 실제 환경에서 촉감을 구현하기

위한 연구를 포괄적으로 의미하는 용어로 햅틱스 (haptics)라고 한다 주요 연구

분야는 사람이 직접 손에 쥐거나 착용하는 물리적 장치인 햅틱 디바이스 인터

페이스 (haptic interface) 가상 공간상의 물체에 기계적 성질을 부여하여 사실감

이 있는 상호작용을 제공하고자 하는 햅틱 렌더링 (haptic rendering) 사람의 촉

각 인지 특성에 관한 연구 (tactile perception) 등으로 나눌 수 있다 특히 햅틱

인터페이스 (haptic interface)는 햅틱 디바이스 (haptic device)라고도 불리우며 사람

에게 촉감을 전달하는 물리적인 장치를 말하며 더 넓은 의미로 사용하여 가상

의 환경을 촉감 전달을 통해서 느끼게 하는 시스템 전체를 가리키기도 한다 이

러한 햅틱 기술은 다양한 분야에서 활용될 수 있는데 표적인 분야로는 가상

현실 분야 인간-컴퓨터 인터페이스 분야 게임 등 사이버 커뮤니케이션 그리고

원격제어 로봇 등이 있다 특히 원격제어 로봇이 많이 활용되고 있는 의료 분

야에서 햅틱 구현은 매우 시급한 과제이다 현 의 수술은 점점 첨단의 수술 도

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구와 로봇을 이용하여 집도되는 추세이며 최소침습수술 (minimally invasive

surgery MIS)이 그 표적인 예이다 이 수술법은 환부의 구멍에 수술도구와 카

메라를 삽입하여 집도의가 모니터를 보면서 시술함으로써 시술시간이 짧고 환

자의 회복이 빨라서 그 적용 범위가 점차 확 되고 있다 하지만 환자가 얻게

되는 이점에 반해 의사는 개복 수술에서 쉽게 이용하던 기술들을 더 이상 적용

할 수 없게 되어 집도에 있어 큰 어려움을 부담해야만 한다 즉 환자의 내부에

서 손의 움직임과 시야의 제약을 받게 되었고 손으로 환자의 장기나 뼈를 만지

고 상태를 확인할 수 없게 된 것이다 이러한 문제점들을 극복하기 위해 첨단의

의료용 로봇 시스템이 개발되었는데 의사 즉 오퍼레이터가 조작하는 마스터

(master) 로봇과 환자의 환부에서 수술을 진행하는 슬레이브 (slave) 로봇으로 구

분된다 슬레이브 로봇은 크게 수술 시 집도의 팔의 움직임을 구현하는 구동 암

(arm)과 수술도구를 홀딩 할 수 있는 그리퍼로 분류할 수 있다 구동 암의 움직

임은 수술 부위의 위치를 결정하면 별도 큰 움직임 없이 작동시킬 수 있으며

전달 수술 관통 수술이 아닌 경우에는 집도의가 느끼는 힘을 피드백 할 필요가

없다 하지만 그리퍼의 경우는 신체 일부분의 미세한 조직까지 전부 접촉해서

제거하거나 봉합하기 때문에 집도의가 수술 시 느끼는 힘을 구현하여야 보다

정밀한 수술을 수행할 수 있다 따라서 본 연구에서는 햅틱 장치가 적용된 마스

터 로봇과 마스터 로봇에서 형성된 힘을 느낄 수 있으며 원할한 수술을 진행할

수 있는 최소침습수술용 능동 그리퍼를 제안하겠다 Fig 3-1 은 상용 MIS 장치인

다빈치 로봇의 마스터와 슬레이브 그리고 그리퍼를 나타내고 있다

(a) sla

(b

Fig 3-1 da V

Operation Arm

Gripper

- 23 -

ave robot and g

b) master rob

Vinci robot sy

m

gripper

ot

stem for MIS

- 24 -

32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류

산업용 로봇은 그 기능 특성상 필요성에 의해 로봇의 말단부에 그리퍼를 부

착시킨다 이것은 인간의 손에 응되는 것으로서 메커니컬 핸드라고 칭하며 다

루는 상 물체를rdquo파지rdquo해 이동하는 목적으로 사용되는 도구이다

파지동작은 Fig 3-2 와 같이 세분화된다 인간의 손 손가락에는 많은 관절이

있으며 여러가지 작업이 가능하다 일상 생활에서의 붙잡기는 형식을 분류한 것

으로는 슐레징거의 12 형식이 있다 여기서 인간의 손에는 손가락이 있어서 그

것을 유지핸드라고 이름 붙이면 메커니컬 핸드에는 손가락이 없는 구성법이 있

는데 이것을 무지 핸드라고 이름 붙이기로 한다 이 무지 핸드는 기계적 물리적

으로 구조상 무지핸드로 한 것과 공구가 메커니컬 핸드와 일체화됐다고 생각하

는 공구 핸드가 있다 메커니컬 핸드를 분류해 보면 다음과 같다 진공이나 자

기 이용의 흡착 등 물리적 흡척형의 유지는 보통 평면(완만한 곡선도 포함)부를

흡착하는 형태로서 물체의 크기나 중량에 따라 여러 개가 설치되는 경우도 있

다 그러나 물체표면에 만곡부가 있는 경우나 구멍이나 공동이 있는 경우에는

적용할 수 없게 된다 또한 자력을 이용한 경우 철금속 재료를 다루게 되는데

경우에 따라서 매우 효율적이고 신뢰성이 높기는 하지만 물체에 잔류 자력이

남게 되는 문제점이 있다 받기형의 유지는 지지의 동작만을 가지고 있는 형태

이며 이는 전기한 흡착형 보다 적극적이 아니여서 약한 구속을 갖는다 변형하

기 쉬운 물체의 이송등에는 이를 채택한다 매달기형 유지는 중력 방향의 이동

1 자유도를 구속한다 잡기형 파지는 유연성에 의한 변형으로 접촉면적을 크게

하여 집는

상물을 외측

이용하는 등

33 파지형

파지 형

다 본 연구

하여 설명

(1) 두 손

형태이다 현

측에서 파지하

등의 파지방법

형태에 의한

형태로서는

구에서 사용할

명 하겠다

손가락 type

현재 많이 사

하거나 구멍

법이다

한 그리퍼의

상을 바깥에

할 메커니즘은

e

Fig 3-2 Cla

- 25 -

사용하고 있는

속에 손가락

의 분류

에서 파지하

은 바깥에서

assified by the

는 끼우기형

락을 넣은 후

는 것과 안에

파지하는 형

gripper grip ac

파지 형태는

후 벌려서 내

에서 파지하

형태가 유리하

ction

는 핸들링

내측사용면을

는 것이 있

하므로 이에

두 개의

상태를 유지

는 스윙형

안정되게 파

의 리지트한

지해서 개폐

핸드(swingin

파지하는 점에

손가락을 갖

되는 병진형

ng gripper)로

에서 병진형

(a) grinder c

(c

Fig 3-3 Sw

- 26 -

갖춘 것으로

핸드(transla

로 분류된다

보다 떨어진

crank

c) rotation joi

wing-type hand

실용례가 많

ational grippe

스윙형은 기

진다

(b) swing

int

d mechanism

많다 손가락이

er)와 그 방향

기구가 간단하

g block

이 상호평행

향이 변화하

하나 상이

병진형에

4 은 평행링

운동을 바꾸

에 회전시킴

로 유지되기

지된다 직

시키도록 한

가 전middot후진

피니온 방식

F

에서는 평행링

링크 방식의

꾸고 그 피니

킴으로써 손가

기 때문에 손

동형 신에

한 것도 있다

진하는 결점이

식이 채용된다

Fig 3-4 Hand

링크 랙middot피니

예로 직동형

니온 운동으로

가락 개폐를

손가락의 물체

에 회전형 액

다 평행링크를

이 있다 이문

다

mechanism fo

- 27 -

니온 나사이송

형 액추에이

로 평행링크의

얻는다 링크

체 파지면의

추에이터를

를 이용한 형

문제를 해결하

or translational

송 기구 등이

터의 운동을

의 하나의 링

크 PS 와 링

자세도 개폐

이용한 형식

형식은 개폐에

하는 방법으로

type1 (paralle

이 이용되고

랙과 피니온

링크 A 를 축

크 QR 은 항

폐 동작 중 일

식에서 평행링

에 의해서 손

로서 볼나사

el displacement

있다 Fig 3-

온으로 회전

축 P 의 주위

항상 평행으

일정하게 유

링크를 회전

손가락 위치

기구나 랙middot

nt)

Fig 3

는 핸드의

볼나사 기구

다

(2) 세 손

세 손가

가락으로 잡

F

-5 는 회전형

예이다볼나

구 각각을 손

손가락 type

가락을 가진 핸

잡는 것보다

Fig 3-5 Hand

형 액추에터로

나사 기구를 이

손가락에 부착

e

핸드에서는

안정된 파지

d mechanism fo

- 28 -

로 랙 피니온

이용하는 경

착 사라를 회

상을 3 점

지 동작을 할

or translational

온을 회전시킴

우에는 1

회전시킴으로

점에서 유지할

할 수 있다

l type2 (rack a

킴으로써 개폐

의 왼나사

써 개폐 동작

할수 있기 때

nd pinion type

폐동작을 하

오른나사의

작을 실현한

문에 두 손

e)

Fig 3-6

베벨기어를

구동해서 세

실현한 것

각 손가락을

복잡하며 중

6 은 세 손가

를 매개로 상

세 손가락을

이다 특히

을 개별 모터

중량도 증가하

Fig

락형 그리퍼

호 각도를 주

동작시킴으로

원통물체를

터로 구동하도

하기 때문에

3-6 Hand mec

- 29 -

의 일반적인

주어 결합한

로써 이른바

확실히 잡아

도록 한 3 지

실용례가 적

chanism for thr

인 형상을 나타

3 개의 볼

바 3 포인트 핀

아서 유지하

지형핸드도 개

적다

ree point pinch

타내고 있다

나사를 하나

핀치(three po

는데 유리하

개발되고 있으

h type

이 핸드는

나의 모터로

oint pinch)를

하다그 외에

으나기구가

34 메카니

(1) 구속

기계적

어서 형성되

전 구속 기

해서 언급하

으로 움직일

또 X Y 평

니컬 핸드의

속기능

구동장치에

되는 것으로

기능이 있다

하면 구속 상

일 수 있다

평면 X Y 면

의 구속기능

서 구속 형식

크게 나누어

그래서 핸드

상태의 물체는

이것을 물체

X Z 면상에

Fig 3-

- 30 -

능

식과 접촉 상

어서 반구속

드의 구속 기

는 Fig 3-7 와

체의 공전 (이

서 6 방향으

-7 Movement

상태와 포락

속 (받는 구속

기능을 결정하

와 같이 X Y

이동)에 관한

로 회전 한다

t of object

능력의 인자

속 는 구속

하는 물체의

Z 의 3 축상

6 동작 자유

다 이것을 물

자가 복합되

속)기능과 완

구속에

에서 6 방향

유도로 한다

물체의 자전

(회전)에 관

부여한 상태

행할 수 있

서는 회전의

핸드에

한 공간적

면 Fig 3-8

이 그림

를 구속한다

에서 7 자유

선접촉과 면

계수와 절선

(a

관한 6 동작

태에서 움직이

있다 또 완전

의 6 자유도를

의한 물체의

적인 포락 상

와 같이 된

(a)의 점접촉

다 그러나 1

유도를 구속

면접촉에는 각

선력법선력

a) point contac

Fig3

자유도로 한

이며 중력이

전 구속은 핸

를 무시하는

의 구속은 핸

상태로 정한다

다

촉은 접촉점

1 점접촉은 다

한다 (c)의

각각 마찰에

비와의 관계

ct (b

3-8 Contacts

- 31 -

한다 반구속은

이나 환경면의

드 자체로 1

경우도 적지

핸드와 물체의

다 먼저 접촉

방향의 1 자

다른 11 자유

면접촉은 11

위한 구속이

계로 구속불능

) line contact

of the kind an

은 12 자유도

의 구속을 받

12 자유도를

지 않다

의 접촉 상태

촉부의 구속

자유도를 구속

도를 구속할

1 자유도의 구

이 4 개와 6 개

능의 가능성을

nd the confini

도 중 몇 개의

아서 완전 구

행하는데 경

태 및 접촉부

능력을 모델

속한다 그러나

할 수 없다 (b

구속을 할 수

개 주어져 있

을 가진 구속

(c) surface co

ing

의 자유도를

구속으로 이

경우에 따라

부의 물체에

델로 나타내

나 1 자유도

b)는 선접촉

수 있다 단

있으며 마찰

속 성분이기

ontact

- 32 -

도 하다 또한 면접촉의 상태는 중력의 작용을 이용하면 받기를 형성하고 또

외계력을 이용하면 기를 형성한다

이들의 접촉상태는 물체의 형상과 핸드의 구속면으로 규정되는 것으로 핸드

만으로 결정하기는 어렵다 단 핸드의 구속면을 부드러운 재질로 형성하면 면

접촉의 이행이 용이하다 이와 같은 이유에서 물체에 접촉부가 포락도를 높이는

데에 따라서 물체 형상에 관계 없이 구속 능력을 증 시킬 수 있다

(2) 메커니컬 핸드의 자유도

로봇의 손은 그 용도를 불문하고 인간의 손 작업의 행을 목적으로 하는

것이므로 그 설계에 있어서 모델로 되는 것은 말할 것 도 없이 인간의 손이다

그래서 우선 기구에 하여 설명하기 전에 인간의 손의 구조 모델에 하여 설

명해 본다

AmiddotMorecki 에 의하면 인간의 상체는 그 해부학적 구조에 입각하면 Fig 3-9 와

같이 모델화할 수 있다 Fig 3-9 에서 숫자는 각각 골격 즉 링크를 나타내고 숫

자 II~ V 는 관절을 나타내고 있다 이와 같은 공간링크 기구의 자유도 F 는 가

동부수 n 자유도의 종류 f 를 가진 우 수를 Pf 라 하면 다음 식으로 나타낼

수 있다

6n sum ∙ P 12345 (3-1)

Fig 3-9

들 자유도가

을 Fig 3-9

P5=10 이므

인간의

유도 1 의

해 있으며

의 모델에서

가 있는 관절

9 와 같이 정

므로 위 식에

상지를 인공

액튜에이터를

22 개나 되

Fig 3

서는 n=19 P2

절에 작용하는

정의하고 그

서 FH=22 가

공적으로 정밀

를 27 필요

는 액튜에이

- 33 -

3-9 Human Ar

2=1 P3=2 P4

는 근군은 약

자유도 FH

가 된다

밀하게 재현하

요로 하게 된

터를 필요로

rm structure

4=6 P5=11 이

약 50 이라고

를 구하면

하려고 한다면

된다 또 손에

로 한다 그러

이므로 F=27

고 되어 있다

이 경우는 n

면 이상의 결

는 특히 자유

나 로봇의 손

이 된다 이

여기서 손

n=16 P4=6

결론에서 자

유도가 집중

손이 이만큼

- 34 -

의 수의 액튜에이터를 갖춘 것을 제작한다는 것은 크기 중량 제어면에서 볼

때 현시점에서는 불가능에 가깝다 특히 의수에 있어서는 상술한 바와 같은 형

상이나 조종성 등의 점에서 전혀 불가능하다고 해도 좋다 따라서 보통은 기능

에 주목하여 손에 집중해 있는 자유도의 간략화를 도모한다

인간의 잡기 동작에 주목해 보면 그 잡기 형상에는 12 종류가 있다고 하다

그러나 이것들은 엄지와 다른 12 종류가 있다고 한다 그러나 이것들은 엄지와

다른 4 손가락과의 관계에 주목하였을 때에 2 종류 즉 엄지가 다른 4 손가락과

항해서 동작하거나 그 측방에서 동작하는가로 분류할 수 있다 실제의 일상

동작에서 관찰하면 이들 중에서도 엄지와 손가락이 항해서 동작하는 소위 쥠

동작이 우선 첫 번째이고 또 다음에 엄지 검지 중지의 3 손가락의 선단으로

이루어지는 3Point Pinch 즉 잡기동작이 중요하다

더불어 손가락의 독립성에 해서는 역시 일상동작 중에서 손가락의 사용

빈도를 조사한 결과에 의하면 다섯 손가락은 반드시 독립적인 운동을 필요로

하지 않고 엄지 검지 중지가 같은 정도의 중요성을 자기며 다른 두 손가락은

사용 빈도에 있어서 이들 세 손가락보다 약 50 적으며 다른 세 손가락의 보

조 역할을 한다고 볼 수 있다 그리고 특히 중요한 것은 인간의 각 손가락은 잡

기 상물의 형상에 적응한 쥐기 즉 Passive 한 동작을 할 수 있다는 것이다 이

기능이 있다면 각 손가락이 독립적으로 동작하지 않더라도 또 다소 손의 자유

도를 제거하더라도 상물의 확실한 쥐기나 잡기 그리고 기타 손 작업에 큰 힘

을 발휘한다

- 35 -

34 표적인 동력원의 특징

동력원을 설계할 때 다음의 점을 고려하면서 가장 적합한 방식을 선택한다

1조작력(로보트가 내는 최 의 힘 예를들면 최 들어올린 힘)

2속응성(최 조작 속도)

3크기 중량(로보트의 크기와 중량의 제한)

4안정성(발열이나 과부하에 한 안전성)

5사용의 용이도

6수명가격

1 2 의 조작력 속응력은 로보트에 요구되는 성능에서 가장 기본적인 것인

데 이에 관련해서 크기나 중량의 제한 안정성 사용의 용이도 수명 가격 등을

고려해서 동력원을 선택한다 단 자주형 로보트에서는 2 차적 성능인 동력원의

중량이 첫째 요구 조건이 되는 경우가 많고 공업용 로보트에서는 저가격 사용

의 용이도 안전성이 중요 사항으로 우선시된다

모든 로봇은 동력원을 필요로한다 중요도에 따라 동력원을 선택해야 하는데

일반적으로 공기압식은 안전성이 뛰어난 반면 힘과 세밀한 위치제어가 어렵고

전기식은 응답성과 사용편리성 세밀한 위치제어가 가능하나 높은 힘을 내기 위

해서는 부가적인 기구부가 필요하다 유압식은 큰힘을 낼수있어서 속응성은 좋

으나 과부하시 상당한 발열이 있기 때문에 안전성에서 다른 동력원에 비해 떨

어진다 위 사항을 TABLE 3-1 로 분류하여 나타내었다

- 36 -

TABLE 3-1 Characteristics of power sources

전기식 유압식 공압식

사용용이성 편리하다 작동유의관리 관로의압력

필터관리에 유의

공급공기의 수분제거

윤활성의부가에 주의

수명 길다 기름에 윤활성이 있기

때문에 길다

공기에윤활성이 없어

유압 전기에 비해 짧다

가격 보통 가격 운영비 높음 저가격

응답속도

(반응성) 매우 빠르다 빠르다 늦다

하중능력 (소)에서 (중)정도의

하중능력 단히 큰 힘을 얻음 큰 힘은 없다

소음 적다 다소 크다 크다

- 37 -

제 4 장 능동형 그리퍼 설계

41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정

로봇 그리퍼의 정밀 파지 (Fingertip Grasp 손가락 끝을 이용하여 물체를 집

거나 바닥에누워있는 납작한 물체를 집는 행동)를 안정하게 하기 위해서는 손가

락 끝과 물체가 직각에 가까운 각도를 이룸으로 마찰력을 크게 하여 안정성을

높인다 또한 바닥에 놓인 물체를 집어 올릴 경우에도 물체표면의 법선 벡터와

손가락 끝의 각도가 클수록 물체를 효과적으로 구속하여 안정된 파지를 할 수

있다

그리퍼의 링크 시스템에 있어서 2 링크 손가락보다 3 링크 손가락을 쓸 때가

링크와 수평 평면이 이루는 각 (A)이 더 커지기 때문에 안정성이 더 좋다는 것

을 알 수 있다 그리고 안정성뿐만 아니라 식 (4-1)을 통하여 문체에 전해지는

Torque 값을 Fig 4-2 와 같이 그래프로 나타내면 0 도에서 75 도 정도까지는 A 각

이 커질수록 물체에 가해지는 토크 값이 점점 커지는 것을 알 수 있음으로 3 링

크 손가락을 쓰는 것이 파지력 증가됨을 알수 있다 ℓ3 의 길이가 길어질수록 A

가 작은 값을 가져서 정밀파지에 적당하지 않다

τ l cosA sinA l 1 cos A tan μ (41)

A cosempty

(42)

Fig 4-1

은 식을 통

각이 커짐을

움이 있고

Fig4-

에서 제 2 코

통해 구할 수

을 알 수 있다

최소 단위를

Fig4

-1 Configurati

코사인 법칙

있는데 이로

다 그러나 ℓ

를 1cm 로 하

-2 Change the

- 38 -

ion of the fing

을 이용하여

로부터 링크

ℓ3 가 1cm 인

하였기 때문에

e value of the a

gers on robot g

여 A 의 각을

길이 ℓ3 가

인 경우는 너

에 ℓ3 는 2cm

angle of phage

gripper

구하기 위해

작으면 작을

무 짧아서 파

로 결정하였

torque

해 (2) 와 같

을수록 A 의

파지의 어려

였다

42 모터

(1) 알고

앞 절에

여야 한다

는 모터의

이 작은 모

나 용량이

로 적절한

선정 알고

고리즘 정의

에서 설명한 기

로봇 팔에

선정은 동작

모터를 사용하

큰 모터를 사

모터의 선정

고리즘

기구들을 추

움직임을 전

작을 구현하는

하게 되면 기

사용하게 되

정이 중요하다

Fig 4-3 M

- 39 -

추후 로봇 시스

전달함에 있어

는데 중요한

기구의 원활한

면 모터의 외

다

Motor Selectio

스템에 적용을

어서 동력을

과제가 되겠

한 작동이 어

외형이 커지

on Algorithm

을 고려하여

공급과 제어

겠다 만일 토

려워지고 단

고 가격 또한

설계를 하

어를 수행하

토크나 용량

단순히 토크

한 증가하므

- 40 -

(2) 알고리즘 수행

모터를 선정하기 위해서 가장 우선적으로 해야 할 일은 기계구동부분을 결

정하고 구동부분을 어떠한 방식으로 작동을 시킬지 동작 패턴을 결정하여야 한

다 예를 들면 모터에서 나오는 힘을 받아서 볼 스크류를 이용하여 힘을 전달할

것인지 벨트 피니언 기어 혹은 풀리 등을 이용할 것인지를 결정하고 그에 따

른 적절한 구동방식을 결정한다 구동방식을 결정하게 되면 각각의 구동방식에

적합한 수식을 대입하여 부하토크를 계산한다 구동방식에 따른 부하토크를 구

하는 수식은 구동방식이나 구동장소 등에 따라 다소 상이하나 일반적인 수식은

다음과 같다

-BALL SCREW 구동

T FP2πn

μ F P2π

1i N ∙ m 43

F F mg sin α μ cos α N 44

-PULLEY 구동

T ∙ 45

μF D

2i N ∙ m

- 41 -

-WIRE middot BELT 구동 RACK middot PINION 구동

T F2πn

∙ πDi

FD2ni

N ∙ m 46

F F mg sin α μ cos s N 47

-실측에 의한 방법

T 48

직선운동 (커플링 직결 볼스크류 등)의 경우 위의 (43) (44) 이용하여 구할

수 있다 이때 F 는 축방향하중 F0 는 예압하중 μ0는 예압 NUT 의 마찰계수 η 은

효율i 는 감속비 PB 는볼스크류 피치를 나타낸다 회전운동 (풀리)의 경우 식

(45)를 이용하여 구할 수 있으며 FA는 외력 FB는 부하중량 (주축이 회전하기 시

작할 때의 힘) m 은 work 와 TABLE 의 총무계 μ 접동면의 마찰계수α는 경사각

도D 는 풀리의 지름을 나타낸다

실제현장에서는 선정된 모터의 토크를 확인하기 위해 실측에 의한 구동토크

를 계측하는데 스프링 저울을 구동 풀리에 연결지어 측정한다 이때 TL 은 회전

운동 부하토크에 해당하고 FB 는 부하중량 D 는 풀리의 직경을 나타낸다

위의 부하토크를 구하는 식들을 이용하여 부하토크를 구하게 되면 실제 모

터를 사용할 때 어느 정도의 시간적 여유를 두고 가속을 할 것인지 감속을 할

것인지를 결정하여야 한다 이를 위해서 우선 동작시킬 부분에 대한 관성모멘트

를 계산하

Fig 4-4

시한 것으로

dA 와 기준

이를 표현하

하여야 한다

4 는 관성모멘

로 X 와 Y

준축으로 부터

하면 식 (49)

Fig 4-4 Arb

I

멘트를 구하기

는 면적의 미

터의 거리의

)와 같다

- 42 -

bitrary shape o

y dA I

기 위한 절대

미소 요소 dA

제곱의 곱으

of planar area

x dA

대좌표 X Y

A 의 좌표이

으로 단면 2

축 상의 미소

이고 관성모멘

차 모멘트라

49

소면적을 도

멘트는 요소

라고도 한다

평면 면

가 있다 평

축에 대한

Fig 4-5

하는 평행한

관성모멘

식 (410

번째 적분은

면적의 관성

평행축 정리란

관성 모멘트

5 과 같이 도

한 xy 축 두

멘트의 정의로

I y

0) 에서 우변

은 Xc 축에

Fig 4-5

모멘트에 있

란 도심축에

트 사이의 관

도심을 원점으

좌표계의 평

로부터 x 축

y d dA

변의 첫 번째

대한 1 차 모

- 43 -

5 Parallel-axis

있어서 중요하

대한 관성

계를 나타낸

으로 하는 Xc

평행한 축 간

축에 대한 관

y dA

적분은 Xc

모멘트로서 X

theorem

하고 유용한

모멘트와 도

낸다

cYc 축과 임의

간의 거리를 d

성모멘트 Ix

2d y dA

축에 대한 관

Xc 축이 도심

정리로서 평

도심축에 평행

의의 점 O 를

d1 과 d2 로 표

는 식(410)와

d dA

관성모멘트

심을 통과하므

평행축 정리

행한 임의의

를 원점으로

표시한다

와 같다

410

I 이다 두

므로 적분의

- 44 -

값은 0 이다 세번째 적분은 면적 A 그 자체이다 따라서 식 (410)은 식 (411)과

같이 간단해진다

I I Ad 411

y 축에 대한 관성모멘트도 위와 같은 방법에 의해 식(412)과 같다

I I Ad 412

또한 면적의 평면에 수직인 수직축에 대한 관성모멘트를 극관성모멘트라 한

다 Fig 4-6 는 평면에 수직이고 O 점을 통과하는 축에 대한 극관성모멘트를 나

타낸 그림으로 이를 관성모멘트 식으로 표현하면 식 (413) 와 같다

I ρ dA 413

식 (413)와

즉 평면에

서로 수직인

극 관성

와 도심 C

와 식 (414)에

I

수직인 축에

인 두 축에 대

성모멘트에 대

에 대한 극

Fig 4-6 Arb

의해 식 (4

ρ dA

I

에 대한 극관

대한 관성모

대한 평행축

극 관성모멘트

- 45 -

bitrary shape o

ρ x y

415) 식 (41

x y dA

I I I

관성모멘트는

멘트의 합과

정리는 Fig

트를 각각 I

of Polar Area

y

16)과 같은 관

x dA y

는 평면 내의

과 같다

4-5 에서 유

와 I 로

관계식을 얻을

y dA

같은 지점을

유도할 수 있

로 표시하면

414

을 수 있다

415

416

을 통과하는

있다 원점 O

식 (416)에

- 46 -

서 식(417)을 유도할 수 있다

I I I I I I 417

I I I I A d d 418

I I Ad 419

식 (419)는 극 관성모멘트에 대한 평행축 정리를 나타낸다 즉 평면 내의 임의

의 한 점 O 에 대한 면적의 극관성모멘트는 도심 C 에 대한 극관성모멘트에 그

면적과 점 O 와 C 사이의 거리의 제곱의 곱을 더한 것과 같다

이상의 식에서 부하토크와 관성모멘트를 계산하여 모터를 가 선정한다 부하토

크의 경우 사용될 모터의 정격 토크를 넘어서지 않는 것을 선정한다 부하토크

를 TL 정상 부하 상태의 힘 PL 극 관성모멘트 IL 회전운동을 위한 힘 Pa 각속

도 가속 시 소요되는 시간을 ta 라 하고 식 (420)을 이용하여 부하가 일정하

게 작용할 때의 힘을 계산한다 마찬가지로 관성모멘트를 식 (421)에 대입하여

가속을 위한 회전 운동 시 필요한 힘을 계산한다 식 (420)과 식 (421)에서 계

산된 힘을 합산하면 모터를 회전시키기 위해 필요한 출력이 계산된다 이때 계

산된 출력보다 실제 사용할 모터의 정격 출력이 1~2 배 정도가 되도록 모터를

가 선정한다

- 47 -

P T ω 420

P 421

위의 과정을 통하여 모터를 가선정하고 가감속 토크 및 구동 토크를 계산한

다 각각의 토크를 계산하게 되면 모터를 최종적으로 선정하게 되는데 두 가지

사항을 고려하여 최종 선정한다 먼저 식 (422)을 통해서 계산되는 가속 시 소

요되는 기동 토크 TM 가 모터의 최대 토크를 넘지 않는 것으로 선정한다

T 422

두 번째로 Fig 4-7 의 속도 선도와 같이 모터의 가 감속 시간과 정상 동작

시간 등을 결정하여 식 (423)과 같이 실효치 토크 TS 를 구하고 실효 토크가 모

터의 정격 토크보다 크지 않도록 선정한다

T 423

Fig 4-7 Exa

- 48 -

ample of veloc

city guidance

- 49 -

(3) 알고리즘 적용

로봇시스템에 있어서 기구들의 관성모멘트와 토크 계산 후 적합한 모터를

선정하기 위해 시중에서 시판되는 모터를 조사하였다 로봇에 적용 가능한 모터

로는 크게 서버모터와 스텝모터 RC 서버모터 DC 모터로 구분 할 수 있었다 이

를 TABLE 4-1 과 같이 정리하였다

동력원의 6 가지 선정요소 중 우선순위를 부여하여 분류했을 때 핸드 그리퍼

의 특성상 가볍고 토크가 큰 RC 서버 모터 미니 서버모터를 선택할 수 도 있지

만 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터 중 토크를 증가시킬 수 있는

감속기가 있는 타입의 모터를 우선시 하였다

1 감속비를 사양할 수 있는 모터를 선정하여 계산한 토크를 확인한다

2 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터를 선정한다

3 CLOSED LOOP 제어를 통하여 정확한 위치를 검출할 수 있어야 한다

따라서 스텝모터중 lsquoOrsquo사의 ldquoαSTEPrdquo가 적합하다고 판단되어 모터를 선정하였다

- 50 -

TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics

미니서버모터 RC 서버모터 스텝모터 DC 모터

장점 동일사양대비 모터

중 10배정도 큰 토크

5v사용가벼움

정확한 위치제어

급격한 부하변동급가

속 유리

저렴한가격

보편화됨

단점 정지시 진동이 예상 약한 토크 THRUST하중이 모터

무계 이하여야 한다

유지보수가 잦다

크기 151588mm(10w20w)

2525111mm(30w)

392038mm 424234mm Oslash37mm917mm

동작전압 Dc 24V Dc 48V60V Dc 24V Dc 24V

무계 230g~400g 56g 150g 200g

허용토크 009Nm~03Nm 11~13kgfcm 18kgfcm (018Nm) 47kgfcm(1200)

감속기 다양한 감속비 가능 고정 감속기 감속기 무(072˚036) 다양한 감속비

제조사 야스카와 SGMM 하이텍 HS-5945 AUTONICS GCM 3429A

TABLE 4-2 αstep motor characteristics

외형 전압 전류 무계 토크 감속비 분해능

αSTEP 282884mm

4242127mm Dc24V 1~37A 250G 2~28 Nmiddotm 50~1001

00072pluse

00036pluse

- 51 -

43 1 차 능동형 그리퍼 설계

실린더를 사용하여 링크로 물체를 파지하던 그리퍼는 Fig 4-8 과 Fig 4-9 에

묘사하였다 이런 실린더를 사용한 그리퍼는 공압 효과를 도출할 수 있는 별도

의 펌프가 필요하고 동작을 구현할 수 있는 자유도를 증가시키는데 한계가 있

다 이런 실린더의 단점을 보완하고 전기모터의 장점을 사용하기 위해 웜기어와

웜휠 방식을 채택하여 2 자유도 능동형 그리퍼를 설계하였다

1 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-10 에 묘사하였으며 1 차설계한

능동형 그리퍼는 Two Fingertip Grasp 로 칭하겠다 파지한 물체를 회전 시키는

기능은 베벨기어를 사용하여 회전운동으로 구현하였고 실린더의 전middot후진 운동

을 전기모터의 회전운동으로 변환 시키기 위하여 웜기어와 웜휨을 선택하였다

전기모터에 의해 회전하는 운동은 웜기어와 웜휠에 의해 링크를 사용하여 물체

를 파지하였던 그리퍼와 동일한 운동효과를 가지게 되었다

웜기어와 웜휠을 사용하여 물체를 파지하는 능동형 그리퍼는 스윙형으로 설

계되었으며 파지력을 높이기 위한 각도를 적용하였다 링크를 사용하여 물체를

파지하는 형태의 그리퍼보다 기구의 크기를 줄일 수 있는 장점이 있는 반면 기

어들의 백래시에 의한 오차가 끝단에 누적될 수 있는 문제점을 가지고 있다또

한 기구부의 소재 변경으로 그리퍼의 무계를 줄일 수 도 있지만 가장 큰 무계

를 차지하는 모터를 그리퍼 자체에서 분리하게 할 수 있게 하려면 그리퍼 자체

의 구조변경이 필요하다

`

`

Fig 4-8 Par

Fig 4-9 Par

- 52 -

rallel-link gra

rallel-link gra

sps system 1

sps system 2

Fig 4-10

- 53 -

0 Two fingertipps grasp system

- 54 -

44 2 차 능동형 그리퍼 설계

1 차 설계한 능동형 그리퍼에서 발견된 문제점을 보안하기 위하여 2 차 능동

형 그리퍼를 설계하였다 2 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-11 에 묘사

하였으며 2 차설계한 능동형 그리퍼는 Four Fingertip Grasp 로 칭하겠다 이 장치

는 크게 동력원 동력 전달장치 핑거 그립장치로 구성되어있으며 이를 통합하

여 Fig 4-12 에 나타내었다

핑거 그립장치는 스윙형 그립의 단점을 보완하여 설계하였다 물체를 파지할

때 그립의 회전 반경이 주위 환경요소와 간섭을 발생시킬 수 있는데핑거가 전

진할때 샤프트와 핑거그립간의 나사결합형태를 통한 직선운동으로 개선하여 주

위환경요소에 영향을 주지 않도록 설계하였다 구동축의 핑거파지 메카니즘을

Fig 4-13 와 같이 간략화 하였고 이에 대한 세부 도면은 Fig 4-14 로 나타내었다

4 조 핑거 그립의 나사산과 테이퍼진 스크류축은 나사식으로 결합되며 상호

작용에 의해 점차 중심점으로 이동하여 물체를 파지하는 형태이다 사용된 2 개

의 샤프트는 중공축으로 설계하였으며 외부 샤프트는 4 조 핑거가 물체를 파지

하여 비트는 모션을 구현하는데 사용되었다 내부 샤프트는 핑거를 중심점으로

전진시켜는 기능을 수행한다 중공축으로 설계한 내부 샤프트는 차후 개발될 인

스트리먼트의 탈부착을 손쉽게 할수있도록 구현하였고 4 조로 설계된 핑거는 그

립시 인스트리먼트의 응력집중현상을 분산시키는 기능과 2 조로 그립하였을때

보다 안정적인 그립감을 형성한다

- 55 -

동력원과 동력전달장치는 Fig 4-15 에 나타내었으며 Two Fingertip Grasp system

의 문제점이었던 구동부의 모터의 설치 방법을 외부에 부착하는 형태로 변경하

여 우레탄 밸트를 사용하였다 또한 아이들러를 사용하여 밸트의 방향을 변경

하여 모터의 부착위치를 자유롭게 설정할 수 있도록 하였고 모터 브라켓에 슬

리브 홈을 설치하여 벨트의 장력을 조절할 수 있도록 하였다

Fig4-11

Fig4-12 Fou

- 56 -

Four fingertip

ur fingertips g

ps grasp system

grasp system la

m

ayout

Fig 4-13

Fig 4-14

- 57 -

Fingertip gra

4 Fingertip gr

asps mechanis

rasps extended

m

d

Fig 4-15

- 58 -

5 Power transmission devicce

- 59 -

제 5장 결 론

본 연구에서는 MIS 수술 로봇을 위한 햅틱 마스터장치 구동용 능동형 그리

퍼를 설계하기 위하여 그에 상응하는 자료 및 문헌 조사를 수행하였고 햅틱 마

스터에 적용 가능한 능동형 그리퍼를 설계하여 로봇 시스템의 초안을 구성하였

다 수술용 도구를 단순히 잡아주는 역할에서 벗어나 시스템에 추가적인 자유도

를 부여함으로써 그리퍼를 표현하였다 단순화된 그리퍼는 보다 저렴한 가격으

로 생산될 수 있으며 기존 로봇 수술시스템의 높은 비용을 절감할 수 있는 효

과를 가져올 수 있다

최종적으로 제안한 설계 안으로는 2 조 핑거그립를 사용하는 전기모터형 그

리퍼 와 추가적으로 개선한 4 조 전기모터형 핑거그립를 설계였다 스윙형 그립

의 단점을 보안하여 집중응력을 분산할 수 있는 구조로 설계하였고 그리퍼의

무계를 줄일 수 있는 방법을 제시하였다 이로써 원통형 도구 파지 시 안정성이

향상되었고 보다 원활하게 수술 도구를 교체 가능하도록 하였다

앞으로 촉감을 전달할 수 있는 센서의 개발로 햅틱 디바이스 인터페이스 장

치의 활용에 보다 높은 기여를 할 것이라 예상된다

-６０-

참고 문헌

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• 제1장 서 론
• • 11 연구배경 및 연구목적
  • 12 연구내용
  • • 제2장 로봇 산업의 기술 현황
    • • 21 로봇산업의 동향
      • 22 의료용 로봇기술 현황
      • 23 의료용 로봇시장 전망
      • • 제3장 능동 그리퍼
        • • 31 최소침습 수술 햅틱 장치구현에 필요한 능동 그리퍼 제안
          • 32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류
          • 33 파지형태에 의한 그리퍼의 분류
          • 34 메카니컬 핸드의 구속기능
          • 35 대표적인 동력원의 특징
          • • 제4장 능동형 그리퍼 설계
            • • 41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정
              • 42 모터 선정 알고리즘
              • • 43 1 차 능동형 그리퍼 설계
                • 44 2 차 능동형 그리퍼 설계
                • • 제 5 장 결론
                  • 참고문헌
                  • TABLE 2-1 Domestic robot classification
                  • TABLE 2-2 Robot Production Company
                  • TABLE 3-1 Characteristics of power sources
                  • TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics
                  • TABLE 4-2 αSTEP Motor Characteristics
                  • Fig2-1 Phase of medical robots in the robot industry
                  • Fig2-2 Da Vinci surgical case number
                  • Fig3-1 Da Vinci robot system for MIS
                  • Fig3-2 Classified by the gripper grip action
                  • Fig3-3 Swing-type hand mechanism
                  • Fig3-4 Hand mechanism for translational type1 (parallel displacement)
                  • Fig3-5 Hand mechanism for translational type2 (Rack and pinion type)
                  • Fig3-6 Hand mechanism for three point pinch type
                  • Fig3-7 Movement of object
                  • Fig3-8 Contacts of the kind and the confining
                  • Fig3-9 Human Arm structure
                  • Fig4-1 Configuration of the fingers on robot gripper
                  • Fig4-2 Change the value of the angle of phage torque
                  • Fig4-3 Motor Selection Algorithm
                  • Fig4-4 Arbitrary Shape of Planar Area
                  • Fig4-5 Parallel-Axis Theorem
                  • Fig4-6 Arbitrary Shape of Polar Area
                  • Fig4-7 Example of Velocity Guidance
                  • Fig4-8 Parallel-link Grasp system 1
                  • Fig4-9 Parallel-link Grasp system 2
                  • Fig4-10 TWO Fingertip Grasp system
                  • Fig4-11 Four Fingertip Grasp System
                  • Fig4-12 Four Fingertip Grasp System layout
                  • Fig4-13 Fingertip Grasp Mechanism
                  • Fig4-14 Fingertip Grasp extended
                  • Fig4-15 Power Transmission Device

- 6 -

Fig2-1 Phase of medical robots in the robot industry

(2) 국내로봇산업 규모

가 로봇생산 기업규모

앞 절과 같은 로봇산업 분류체계에 근거하여 2006 년부터 로봇산업 통계조사

가 체계적으로 이루어지기 시작하였다 이 통계조사에 따르면 국내 로봇생산을

담당하고 있는 기업은 TABLE 2-2와 같다 2006년 총 170개 제조업 로봇 77개

사 (453) 로봇부품 및 부분품 48 개사 (282) 개인 서비스용 로봇 24 개사

- 7 -

(141) 전문서비스용 로봇 13 개사 (76) 네트워크 로봇 8 개사 (47)로 분포

되어 있다 이와 같은 수치는 2005 년 대비 제조업용 로봇 관련 기업 수는 다소

감소하였으나 전문서비스용 로봇이나 개인서비스용 로봇 관련 기업 수는 다소

증가하였다 또한 기업체 당 평균 자본금은 5354 억으로 제조업을 제외하면 기

업체 당 평균 자본금이 가장 높은 분야는 개인 서비스용 로봇 (2570 억원) 가

장 낮은 분야는 전문 서비스용 로봇 (1106억원)으로 나타났다

이는 최근 수요가 증가하는 생활 관련 로봇들에 대한 대기업의 투자나 진입

이 두드러지면서 나타난 현상이며 이런 기업들의 투자에 따른 생활 로봇 기술

향상이 두더러 지게 나타나고 있다 따라서 의료용 로봇 산업분야의 체질강화

와 기업 경쟁력 강화를 위해서는 최근 늘어나는 수요창출에 발맞추어 중견기업

들의 투자와 연구개발이 집중되어야 할 것이다

한편 로봇기업의 매출액 규모는 1억 원 미만의 영세한 업체가 30 1억~10

억 원 규모의 업체가 282 10억~50억 원 규모의 업체도 282로 대부분의 로

봇기업은 매출액 규모 50 억 미만의 중소기업체인 것으로 나타났다 특히 의료

용 로봇은 영세한 업체가 담당하기에는 다소 연구개발과 투자비용이 많이 소요

되기 때문에 대기업이나 정부의 투자나 지원이 반드시 필요하다 이러한 상황에

서 국내 의료용 로봇 시장의 성장을 낙관하기는 다소 무리가 있다 따라서 대기

업들이나 정부는 의료용 로봇 시장 확대와 성장에 적극적으로 참여해야 할 것

이다

- 8 -

TABLE 2-2 Robot Production Company

구분

2005 2006

업체수 구성비 업체수 구성비

제조업용 로봇 60 333 77 453

전문서비스용 로봇 13 72 13 76

개인서비스용 로봇 39 217 24 141

네트워크 로봇 17 94 8 47

로봇부품 및 부분품 51 283 48 282

합계 180 1000 170 1000

나 로봇생산 생산규모

로봇기업의 생산 현황을 보면 2005 년에는 5722 억 원 정도였으나 2006 년에

는 7196 억 원으로 258의 증가율을 보였다 특히 의료 복지용 로봇 분야가 포

함되어 있는 전문서비스용 로봇은 2005 년에는 53 억 정도였으나 2006 년에는

124억으로 전년대비 1309의 높은 증가세를 보였다

최근 국내에서 개발된 환자 안내용 로봇인 스누봇 (SNUBOT)이나 내시경 로

봇인 미로캠 (MiroCam) 등의 개발로 인해 더욱더 생산 증가폭은 커질 것으로

전망한다 의료 복지용 로봇분야에서는 2005 년에는 생산이 거의 없었으며 2006

년에는 약 6 천 만원으로 증가하기는 하였으나 이는 다른 로봇 분야에 비하면

극히 미비한 생산액이며 수술 로봇이나 재활 로봇에 대한 생산은 거의 전무한

실정이다 한국과학기술정보연구원(KISTI)에 따르면 2006 년 국내 서비스 로봇

- 9 -

(산업용 로봇 제외) 시장규모는 약 624 억 원으로 미비한 수준에 그쳤으나 2011

년 5117 억 원에 달하고 2013 년 이후는 수조 원에 달하는 황금시장으로 떠오를

것으로 예상하였다 또한 정부에서는 2005 년 국내 로봇산업 육성을 위해 2013

년까지 세계 시장 점유율 15 총생산 30 조원 수출 200 억 달러 고용창출 10

만 명 등 세계 3위의 로봇강국을 목표로 하고 있다

22 의료용 로봇기술 현황

(1) 의료용 로봇 유형 및 개념

의료용 로봇은 크게 수술 로봇 수술 시뮬레이션 재활로봇 기타 의료 로봇

등으로 분류된다

첫째 수술 로봇은 크게 두 가지의 유형으로 분류된다 먼저 수술 보조 로봇

(surgery assistant robot)은 수술실에서 집도의 명령에 따르면서 수술을 보조하거나

영상 가이드 역할을 해주는 로봇을 의미하며 수술 로봇 (surgery robot)은 의사를

대신하여 수술과정의 전체 혹은 일부를 의사 대신 혹은 의사와 함께 수술 작업

을 한다

둘째 수술 시뮬레이터 (surgery simulator)는 의사의 수술에 관한 숙련도를 높

이기 위하여 가상의 그래픽 환자 모델과 햅틱 장치 (haptic device) 등을 이용하

여 수술을 연습할 수 있게 하는 의료용 로봇이다 특히 근래에 들어 프로세스의

- 10 -

성능이 좋아지면서 MRI 나 CT 영상 등을 활용한 실시간 3 차원 볼륨이 가능해

지면서 의료용 시뮬레이터 개발은 가속화 되었다

셋째 재활 로봇 (rehabilitation robot)은 노인과 장애인의 재활치료와 일상생활

을 도와 주는 로봇 시스템으로 단순한 신체를 지지해 주는 역할을 벗어나 중증

환자나 노인의 신체 움직임을 향상시키고 빠른 시일 내에 회복하도록 주요 기

능을 수행하고 장애인의 장애를 극복하여 독립적인 생활을 가능하게 할 수 있

는 특정 기능의 로봇을 의미한다

넷째 기타 의료 로봇으로는 간호 로봇이나 안내로봇 등이 있다 현재의 간

호 인력을 도와서 수술이나 치료를 받는 환자를 보살피는 로봇으로서 정확한

투약과 수술 후 관리가 가능하도록 도와주는 기능과 환자의 이동 간병 및 산책

이 가능하고 말벗의 기능을 포함하는 로봇을 의미한다

(2) 의료용 로봇기술 개발현황

가 수술 로봇

현재까지 연구된 수술 로봇은 미세 수술용 원격수술 로봇 최소침습수술

(MIS) 로봇 관절 수술 로봇 등으로 분류할 수 있다

원격수술 로봇 시스템 일환으로 개발된 대표적인 로봇으로는 일본 동경대의

원격 수술 로봇 미국 NASA JPL 의 RAMS SRI International 의 원격 수술 로봇

한국과학기술원의 미세수술용 Slave 로봇 등이 있다

- 11 -

MIS 의 로봇 시스템 일환으로 개발된 대표적인 로봇으로는 미국의 UC 버클

리대의 수술 로봇시스템 Computer Motion 사의 내시경 보조 로봇인 이솝

(AESOP)과 복강경 수술 로봇인 제우스 (ZEUS) 제우스 보다 진보된 Intuitive

Surgical 의 다빈치 (daVinch) 등이 있다 이 중 다빈치는 수술용 로봇으로 거의

독점적인 위치로써 세계 로봇수술의 첨병역할을 하고 있다

관절 수술 로봇의 일환으로 개발된 대표적인 로봇으로는 미국 Integrated

Surgical System사의 로보닥 (Robodoc) 독일의 Orto Maque사의 CASPAR 영국의

Imperial College의 아크로보트 (Acrobot) 등이 있다

나 수술 시뮬레이터

수술 로봇 이외에 의사의 수술에 관한 숙련도를 높이기 위한 의료용 시뮬레

이터가 활발하게 연구되고 있다 특히 근래에 들어 프로세서의 성능이 좋아지면

서 MRI 나 CT 영상 등을 활용한 의료용 수술 시뮬레이터 개발이 가속화 되었

다 대표적인 수술 시뮬레이터로는 미국 Georgia Tech의 안구 수술 시뮬레이터

미국 Boston 다이나믹스사의 개복수술 시뮬레이터 Mitsubishi Electric Research Lab

의 무릎관절 내시경 시뮬레이션 영국 맨체스터 대학의 웹기반 시뮬레이터 등이

있다

다 재활 로봇

- 12 -

노령인구와 장애인구의 증가로 로봇 기술의 필요성은 재활분야에도 확대되

고 있다 장애인의 독립적인 활동을 보장하고 삶의 질을 높이려는 노력은 유럽

등의 선진국을 중심으로 재활 로봇이 연구되어 왔으며 이탈리아에서 개발된

MOVAID 가 대표적인 재활 로봇이다 또 미국에서는 MIT 를 중심으로 RIC 과

같은 로봇 신경 재활 로봇들이 개발되고 있다 스위스에서는 보행 재활 로봇으

로 Lokomat 이 개발되었고 국내에서는 KAIST 에서 휠체어 로봇 시스템과 보행

보조 로봇 등이 연구되고 있다 이외에도 서강대학교에서는 SUBAR 라는 보행

재활 로봇을 개발하였다 이외에도 최근 미국의 Intouch Health 에서 개발한 RP-7

은 멀리 있는 환자의 병증을 파악하는 데 탁월한 원격진료 로봇으로 활용되고

있다

(3) 국내 의료용 로봇 적용사례

상기 서술한 의료용 로봇 중 가장 많은 각광을 받고 있으며 국내에서 적용

되고 있는 사례를 통해 의료용 로봇의 사용 실태를 파악보고자 한다 대표적인

복강경 수술 로봇인 Intuitive Surgical의 다빈치 로봇 시스템과 고관절 수술 로봇

인 Integrated Surgical System사의 로보닥을 중심으로 국내 실태를 살펴보고자 한

다

가 다빈치

- 13 -

Fig 2-2 da Vinci surgical case number

다빈치 로봇은 1997 년 벨기에서 처음으로 환자에게 적용된 이래 국내에

2005 년 7 월 연세대학교 신촌 세브란스 병원에서 최초로 도입하여 2005 년 7 월

15 일 국내 최초로 다빈치를 이용한 로봇 수술이 이루어졌다 Fig 2-2 에서 보

듯이 수술사례는 계속적으로 증가하여 2008 년 1 월 말 현재 750 건이 넘는 수

술이 이루어졌다

다빈치 로봇은 전립선암 위암 대장남 부인암 식도암 갑상선암 간암 등

대부분의 암수술 및 중요 외과계 수술에 적용된다 이는 다빈치 로봇 수술이 가

져다 주는 효과인 개복수술이나 복강경 수술보다 수술회복기간이 단축되고 수

술시간도 감소시키는 역할과 무엇보다 수술 후 환자가 겪는 수술 후유증 확실

- 14 -

히 줄여주기 때문이다 특히 전립선암의 경우 대표적인 수술 후유증인 요실금

과 발기부전 등의 가능성이 대폭 줄어드는 것으로 알려져 있다

이와 같은 수술사례와 수술성과에도 불구하고 다빈치 로봇의 가격이 25 억

정도의 고가이기 때문에 영세한 의료기관에서 도입하기에는 다소 무리가 따르

고 있다 그러나 대형 병원들은 다빈치의 성공적인 수술사례를 통해 앞다투어

이를 도입하고 있다

2008 년 1 월 현재 신촌 세브란스 병원은 이미 3 대를 도입했고 영동 세브

란스 병원 고려대 안암병원 서울아산병원 한림대 강남병원 분당서울대병원

삼성서울병원 경북대병원 동아대병원 등 9 개 의료기관에 도입되어 있다 또한

최근 (2008 년 1 월 30 일) 연세대 세브란스병원은 로봇 수술의 활성화를 위해

Intuitive Surgical 과 공동으로 복강경 수술용 로봇 다빈치를 이용한 수술법을 배

우는 lsquo연세 다빈치 트레이닝 센터rsquo를 개소하였다

다빈치는 로봇 가격만큼 수술 비용에 있어서도 고가인데다 의료보험이 적

용되지 않아 수술 비용을 환자가 모두 부담해야 하는 실정이다 다빈치 로봇 수

술 비용은 700~2000 만 원선으로 기존의 수술 비용인 200~300 만 원 보다는 다

소 높은 가격이다 특히 전립선암의 경우 로봇 수술 비용은 1500 만 원 선으로

개복수술이나 복강경수술보다 5~7 배 정도의 높은 가격이다 그럼에도 불구하고

로봇 수술은 거의 모든 암 수술에 적용되고 있고 환자와 의사 모두 만족하는

수술법으로 자리잡아 가고 있다

- 15 -

나 로보닥

로봇이 외과적 기계로써 임상적으로 처음 국내에서 적용된 것은 1992 년 lsquo로

보닥rsquo이라는 의료용 로봇이다 미국에서 개발된 로보닥은 인공관절이 삽입될 환

자의 뼈를 로봇으로 가공해서 수술 성공률을 획기적으로 높였다 두꺼운 뼈를

정확한 형상으로 깎아내는 작업에는 CADCAM 자료에 따라 작동하는 로봇 팔

이 숙련된 외과의사를 간단히 능가했다 로보닥은 한국과 EU 의 판매승인을 획

득했고 결국 인공관절수술의 대세를 장악했다 세계적으로 8000 회 이상의 수술

이 로보닥을 이용하여 성공적으로 수행되었으며 2001년 FDA의 승인을 받기도

하였다

2002 년 국내 처음으로 로보닥이 도입된 이래로 이춘택 병원은 현재까지

2556 회라는 경이적인 수술건수를 기록하였다 그는 최소침습수술과 접목하여

로봇의 정밀성과 최소 절개기술을 결합시킴으로써 환자의 고통과 재활 기간을

크게 줄였다 그러나 로보닥의 가격은 무려 17 억 원이며 3 차원 영상까지 구현

하기 위해서는 10 억 원 상당의 멀티 CT 까지 도입해야만 한다 그렇기 때문에

소규모의 관절전문병원이 도입하기에는 다소 무리한 점이 있다 이러한 상황에

서 이춘택은 국내시장에 맞는 로봇개발을 위해 국산 부품 및 소프트웨어를 개

발 중에 있다 따라서 우리나라도 고령화 사회를 맞아 세계적으로 관절 수술이

급증하고 있는 상황에서 국내 기술로 만든 수술용 로봇이나 소프트웨어 개발은

국내 의료용 로봇시장의 활성화를 이룰 수 있다

- 16 -

23 의료용 로봇시장 전망

(1) 로봇산업 전망

로봇 분야별 세계시장 정세를 살펴보면 제조업용 로봇은 시장안전화 단계로

써 급격한 시장변화는 어려우며 신규 생산설비 및 기존 설비에 따른 수요가 대

부분 차지하고 있는 실정이다 개인서비스용 로봇은 가족구조의 핵가족화와 고

령화 현상으로 인한 가족인원으로서의 가정용 로봇에 대한 수요가 증가 추세에

있다 전문서비스용 로봇은 생산국과 생산기업이 극히 제한되어 있으며 제품가

격의 고가로 인해 시장형성에 있어서 생산국과 수요국이 불일치하고 있는 실정

이다 이러한 상황에서 로봇시장의 국가별 점유율을 살펴보면 일본 (28) 미국

(18) 독일 (16) 이탈리아 (10) 한국 (3)의 순으로 세계 5 위를 차지하고

있다 이와 같이 산업용 로봇의 경우는 우리나라의 세계적인 위상이 높지만 아

직까지 전문 서비스 분야 로봇에 대한 세계적인 위상은 미비하다

시장규모 전망과 국내 세계시장 점유율에 대한 전망은 다음과 같다 세계 로

봇시장의 규모는 2010 년에는 247억 5 백만 달러에서 2020년에는 717억 7 천만

달러에 이를 것으로 보고 있으며 연평균 107의 증가율을 예상하고 있다 분

야별로는 제조업용 로봇은 2010 년 세계시장의 114에서 2020 년 144의 비중

을 차지할 것으로 전망하고 있으며 전문서비스용 로봇은 2010 년 세계시장의

09에서 2020 년 21의 비중을 차지할 것으로 예상하고 있다 개인서비스용

- 17 -

로봇은 2010 년 30에서 2020 년 70 수준에 달할 것으로 보고 있다 비록 전

문 서비스용 로봇산업의 규모는 미국 일본 독일에 비해 미미한 실정이나 전문

서비스용 로봇의 신시장을 개척하고 그 만큼의 기술력이 밑받침된다면 2020 년

세계시장에서의 더 큰 비중의 달성이 이루어질 것으로 본다

(2) 의료용 로봇기술 전망

의료용 로봇시장의 성장은 의료용 로봇기술 개발산업의 성장과 밀접한 관계

가 있다 세계적인 개발추세로는 의료용 로봇개발 하드웨어 분야에서는 일본이

경쟁력이 가장 높으며 소프트웨어 분야에서는 미국이 앞서나가고 있다 또한

독일은 하드웨어 및 소프트웨어 분야에서 동시에 상당한 연구 개발 능력을 보

유하고 있다 앞으로는 이 세 나라가 의료용 로봇 시장의 핵심 주자로 나설 것

으로 예상된다

산업연구원 (2007) 조사에 따르면 국내 로봇산업의 기술은 기술항목에 따라

다소 차이를 보이고 있으나 제조업용 로봇의 경우는 최고 기술 보유국 대비 평

균 85 정도에 육박하고 있으며 전문서비스용 로봇의 경우는 80 정도 개인서비

스용 로봇은 84 정도에 이르고 있는 것으로 나타났다 의료용 로봇 분야에서는

선두주자인 미국의 기술력을 100 이라고 봤을 때 현재 우리나라는 70 정도이며

2015년이 지나야 100 에 도달할 것으로 전망하였다 비록 의료용 로봇에서 세계

1위인 미국에 비해 우리는 아직 10년 이상 차이가 있지만 세계 최초로 국제 규

- 18 -

모의 로봇랜드 조성과 로봇펀드 발생 등 정부 차원에서의 노력이 여러 가지 방

면에서 다양하게 펼쳐지고 있기 때문에 그 격차는 점차 줄어들 것으로 예상된

다

또한 IFR (2006) 자료에 따르면 한국 산업용 로봇은 세계 5 위의 강국[16]인

데 비해 의료용 로봇에 있어서는 약소국이다 이는 의료용 로봇의 개발비가 많

이 드는데 비해 국내 시장은 극히 제한적이어서 일반 기업의 참여가 아주 저조

하기 때문이다 국내에서 의료용 로봇 관련 기술 개발은 아직 걸음마 단계에 머

물러 있으며 벤처기업 및 대기업들이 개발해 상용화시키고 있는 기술이나 제품

도 대부분이 생활 가전형 로봇에 한정되어 있을 뿐 의료용 로봇분야는 아직 미

개척지로 남아 있다 하지만 국내에서도 의료용 로봇 개발을 수행하기 위해 대

학이나 연구소 차원에서 의료용 로봇에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다 먼

저 한국과학기술원이 8 년 전 설치한 휴먼 웰페어 로보틱 서저리 센터가 대표

적인 연구기관이다 이 연구소에서는 거동이 불편한 환자들을 위한 휠체어의 자

동화 시스템이나 복강경 수술 로봇 등 로봇 수술용 기구의 국산화에 초점을 맞

춰 진행 중이다 또한 최근에는 국립암센터 역시 산업자원부로부터 수술용 로

봇과 영상시스템을 주제로 한 의료용 로봇 개발자로 선정되어 연구에 들어갔다

비록 국내 의료 및 수술 로봇 관련 기술이 일본 미국 등에 비해 아직까지

뒤쳐져 있는 실정이지만 국내에서도 의료용 로봇 기술 개발이 이처럼 활발히

진행되고 있어서 향후 전망은 매우 밝다고 할 수 있다 또한 해외에서 각광을

받고 있는 캡슐형 내시경 연구 역시 국내에서 벌써 10 년째 계속 되고 있다 최

- 19 -

근 한국과학기술연구원과 벤처기업인 인트로메딕이 개발한 세계 최소형 캡슐형

내시경인 미로캠 (MiroCam)은 2010 년까지 국내 캡슐형 내시경 시장의 80를

점유할 것으로 예상하고 있다 이러한 국산 의료용 로봇 개발을 통해 고부가가

치 시장인 세계 의료 시장에 뛰어들 수 있는 기반을 다졌다는 데에 큰 의미가

있다

전문 서비스용 로봇의 경우 제조업 로봇 관련 풍부한 경험을 바탕으로 전문

서비스용 로봇으로의 기술확대 메카트로닉스 (mechatronics) 관련 다양한 산업기

반과 세계적인 IT 인프라 보유국의 강점을 살리고 있다 또한 한국은 10 대 성

장동력간 연계 등을 통한 시너지 효과와 세계 전문서비스 로봇 시장이 초기형

성 단계임을 감안한다면 이 분야의 진출에 대한 절호의 기회이며 머지않아 의

료용 로봇 강국으로 진입할 수 있을 것으로 기대된다

- 20 -

제 3 장 능동 그리퍼

31 최소침습 수술 햅틱 장치 구현에 필요한 능동 그리퍼 제안

21 세기 로봇 기술 분야에서는 인간과 기계 시스템 간의 커뮤니케이션이 무

엇보다 중요하게 강조되며 이러한 인간과 기계 시스템의 의사소통은 주로 인간

의 감각 기관을 통해 이루어 진다 일반적으로 인간에게는 보고 듣고 냄새를

맡고 맛을 보고 피부로 느끼는 오감이 있으며 이러한 감각을 시각 청각 후

각 미각 촉각이라고 한다 따라서 이러한 인간의 감각에 정보를 전달하기 위

한 다양한 기계 시스템들이 개발되어 왔다 오감 중에서 현재 인간과 기계 시스

템간의 인터페이스 역할을 하는 표적인 감각으로는 사물을 보는 시각과 소리

를 듣는 청각이 주로 이용되고 있다 이를 위한 시스템들은 이미 상당한 수준으

로 발전해 현재 상용화 되어 활용되고 있다 하지만 이러한 시각과 청각 인터

페이스 만으로는 로봇의 제어에 한계가 있으며 오감 중에서 세 번째 감각인 촉

각에 한 인터페이스가 현재 활발히 연구 개척되고 있다 만약 가상현실에 촉

감 인터페이스가 적용된다면 기존의 시각과 청각에만 의존하던 가상 현실에 촉

감을 전달함으로써 실제 물건을 만지고 느낄 수 있으므로 가상현실을 보다 더

실감나게 할 수 있을 것이다 하지만 인간의 감각 중에서 촉각은 매우 민감한

감각으로 여기에 촉감 정보를 전달하는 인터페이스는 아직 많은 연구를 필요로

하고 있다

- 21 -

햅틱 (haptic)이란 단어의 사전적인 의미는 ldquoof or relating the sense of touch

tactilerdquo로써 물체를 만질 때 사람이 느낄 수 있는 촉각적 감각으로 피부가 물체

표면에 닿아서 느끼는 촉감 (tactile sensation)과 관절과 근육의 움직임이 방해 될

때 느껴지는 근 감각적인 힘 (kinesthetic force)의 두 가지 힘을 모두 합쳐서 부르

는 말이다 촉감 구현 연구는 물리적 장치를 이용하여 사람이 직접적인 접촉이

없이도 촉각 정보를 전달하는 방법에 관한 전반적인 연구 분야를 일컫는 말로

사람에게 원격지에 있는 물체의 물리적 특성을 전달하는 원격조작 혹은 원격현

장감에 관한 연구로부터 시작되었다 가상 혹은 실제 환경에서 촉감을 구현하기

위한 연구를 포괄적으로 의미하는 용어로 햅틱스 (haptics)라고 한다 주요 연구

분야는 사람이 직접 손에 쥐거나 착용하는 물리적 장치인 햅틱 디바이스 인터

페이스 (haptic interface) 가상 공간상의 물체에 기계적 성질을 부여하여 사실감

이 있는 상호작용을 제공하고자 하는 햅틱 렌더링 (haptic rendering) 사람의 촉

각 인지 특성에 관한 연구 (tactile perception) 등으로 나눌 수 있다 특히 햅틱

인터페이스 (haptic interface)는 햅틱 디바이스 (haptic device)라고도 불리우며 사람

에게 촉감을 전달하는 물리적인 장치를 말하며 더 넓은 의미로 사용하여 가상

의 환경을 촉감 전달을 통해서 느끼게 하는 시스템 전체를 가리키기도 한다 이

러한 햅틱 기술은 다양한 분야에서 활용될 수 있는데 표적인 분야로는 가상

현실 분야 인간-컴퓨터 인터페이스 분야 게임 등 사이버 커뮤니케이션 그리고

원격제어 로봇 등이 있다 특히 원격제어 로봇이 많이 활용되고 있는 의료 분

야에서 햅틱 구현은 매우 시급한 과제이다 현 의 수술은 점점 첨단의 수술 도

- 22 -

구와 로봇을 이용하여 집도되는 추세이며 최소침습수술 (minimally invasive

surgery MIS)이 그 표적인 예이다 이 수술법은 환부의 구멍에 수술도구와 카

메라를 삽입하여 집도의가 모니터를 보면서 시술함으로써 시술시간이 짧고 환

자의 회복이 빨라서 그 적용 범위가 점차 확 되고 있다 하지만 환자가 얻게

되는 이점에 반해 의사는 개복 수술에서 쉽게 이용하던 기술들을 더 이상 적용

할 수 없게 되어 집도에 있어 큰 어려움을 부담해야만 한다 즉 환자의 내부에

서 손의 움직임과 시야의 제약을 받게 되었고 손으로 환자의 장기나 뼈를 만지

고 상태를 확인할 수 없게 된 것이다 이러한 문제점들을 극복하기 위해 첨단의

의료용 로봇 시스템이 개발되었는데 의사 즉 오퍼레이터가 조작하는 마스터

(master) 로봇과 환자의 환부에서 수술을 진행하는 슬레이브 (slave) 로봇으로 구

분된다 슬레이브 로봇은 크게 수술 시 집도의 팔의 움직임을 구현하는 구동 암

(arm)과 수술도구를 홀딩 할 수 있는 그리퍼로 분류할 수 있다 구동 암의 움직

임은 수술 부위의 위치를 결정하면 별도 큰 움직임 없이 작동시킬 수 있으며

전달 수술 관통 수술이 아닌 경우에는 집도의가 느끼는 힘을 피드백 할 필요가

없다 하지만 그리퍼의 경우는 신체 일부분의 미세한 조직까지 전부 접촉해서

제거하거나 봉합하기 때문에 집도의가 수술 시 느끼는 힘을 구현하여야 보다

정밀한 수술을 수행할 수 있다 따라서 본 연구에서는 햅틱 장치가 적용된 마스

터 로봇과 마스터 로봇에서 형성된 힘을 느낄 수 있으며 원할한 수술을 진행할

수 있는 최소침습수술용 능동 그리퍼를 제안하겠다 Fig 3-1 은 상용 MIS 장치인

다빈치 로봇의 마스터와 슬레이브 그리고 그리퍼를 나타내고 있다

(a) sla

(b

Fig 3-1 da V

Operation Arm

Gripper

- 23 -

ave robot and g

b) master rob

Vinci robot sy

m

gripper

ot

stem for MIS

- 24 -

32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류

산업용 로봇은 그 기능 특성상 필요성에 의해 로봇의 말단부에 그리퍼를 부

착시킨다 이것은 인간의 손에 응되는 것으로서 메커니컬 핸드라고 칭하며 다

루는 상 물체를rdquo파지rdquo해 이동하는 목적으로 사용되는 도구이다

파지동작은 Fig 3-2 와 같이 세분화된다 인간의 손 손가락에는 많은 관절이

있으며 여러가지 작업이 가능하다 일상 생활에서의 붙잡기는 형식을 분류한 것

으로는 슐레징거의 12 형식이 있다 여기서 인간의 손에는 손가락이 있어서 그

것을 유지핸드라고 이름 붙이면 메커니컬 핸드에는 손가락이 없는 구성법이 있

는데 이것을 무지 핸드라고 이름 붙이기로 한다 이 무지 핸드는 기계적 물리적

으로 구조상 무지핸드로 한 것과 공구가 메커니컬 핸드와 일체화됐다고 생각하

는 공구 핸드가 있다 메커니컬 핸드를 분류해 보면 다음과 같다 진공이나 자

기 이용의 흡착 등 물리적 흡척형의 유지는 보통 평면(완만한 곡선도 포함)부를

흡착하는 형태로서 물체의 크기나 중량에 따라 여러 개가 설치되는 경우도 있

다 그러나 물체표면에 만곡부가 있는 경우나 구멍이나 공동이 있는 경우에는

적용할 수 없게 된다 또한 자력을 이용한 경우 철금속 재료를 다루게 되는데

경우에 따라서 매우 효율적이고 신뢰성이 높기는 하지만 물체에 잔류 자력이

남게 되는 문제점이 있다 받기형의 유지는 지지의 동작만을 가지고 있는 형태

이며 이는 전기한 흡착형 보다 적극적이 아니여서 약한 구속을 갖는다 변형하

기 쉬운 물체의 이송등에는 이를 채택한다 매달기형 유지는 중력 방향의 이동

1 자유도를 구속한다 잡기형 파지는 유연성에 의한 변형으로 접촉면적을 크게

하여 집는

상물을 외측

이용하는 등

33 파지형

파지 형

다 본 연구

하여 설명

(1) 두 손

형태이다 현

측에서 파지하

등의 파지방법

형태에 의한

형태로서는

구에서 사용할

명 하겠다

손가락 type

현재 많이 사

하거나 구멍

법이다

한 그리퍼의

상을 바깥에

할 메커니즘은

e

Fig 3-2 Cla

- 25 -

사용하고 있는

속에 손가락

의 분류

에서 파지하

은 바깥에서

assified by the

는 끼우기형

락을 넣은 후

는 것과 안에

파지하는 형

gripper grip ac

파지 형태는

후 벌려서 내

에서 파지하

형태가 유리하

ction

는 핸들링

내측사용면을

는 것이 있

하므로 이에

두 개의

상태를 유지

는 스윙형

안정되게 파

의 리지트한

지해서 개폐

핸드(swingin

파지하는 점에

손가락을 갖

되는 병진형

ng gripper)로

에서 병진형

(a) grinder c

(c

Fig 3-3 Sw

- 26 -

갖춘 것으로

핸드(transla

로 분류된다

보다 떨어진

crank

c) rotation joi

wing-type hand

실용례가 많

ational grippe

스윙형은 기

진다

(b) swing

int

d mechanism

많다 손가락이

er)와 그 방향

기구가 간단하

g block

이 상호평행

향이 변화하

하나 상이

병진형에

4 은 평행링

운동을 바꾸

에 회전시킴

로 유지되기

지된다 직

시키도록 한

가 전middot후진

피니온 방식

F

에서는 평행링

링크 방식의

꾸고 그 피니

킴으로써 손가

기 때문에 손

동형 신에

한 것도 있다

진하는 결점이

식이 채용된다

Fig 3-4 Hand

링크 랙middot피니

예로 직동형

니온 운동으로

가락 개폐를

손가락의 물체

에 회전형 액

다 평행링크를

이 있다 이문

다

mechanism fo

- 27 -

니온 나사이송

형 액추에이

로 평행링크의

얻는다 링크

체 파지면의

추에이터를

를 이용한 형

문제를 해결하

or translational

송 기구 등이

터의 운동을

의 하나의 링

크 PS 와 링

자세도 개폐

이용한 형식

형식은 개폐에

하는 방법으로

type1 (paralle

이 이용되고

랙과 피니온

링크 A 를 축

크 QR 은 항

폐 동작 중 일

식에서 평행링

에 의해서 손

로서 볼나사

el displacement

있다 Fig 3-

온으로 회전

축 P 의 주위

항상 평행으

일정하게 유

링크를 회전

손가락 위치

기구나 랙middot

nt)

Fig 3

는 핸드의

볼나사 기구

다

(2) 세 손

세 손가

가락으로 잡

F

-5 는 회전형

예이다볼나

구 각각을 손

손가락 type

가락을 가진 핸

잡는 것보다

Fig 3-5 Hand

형 액추에터로

나사 기구를 이

손가락에 부착

e

핸드에서는

안정된 파지

d mechanism fo

- 28 -

로 랙 피니온

이용하는 경

착 사라를 회

상을 3 점

지 동작을 할

or translational

온을 회전시킴

우에는 1

회전시킴으로

점에서 유지할

할 수 있다

l type2 (rack a

킴으로써 개폐

의 왼나사

써 개폐 동작

할수 있기 때

nd pinion type

폐동작을 하

오른나사의

작을 실현한

문에 두 손

e)

Fig 3-6

베벨기어를

구동해서 세

실현한 것

각 손가락을

복잡하며 중

6 은 세 손가

를 매개로 상

세 손가락을

이다 특히

을 개별 모터

중량도 증가하

Fig

락형 그리퍼

호 각도를 주

동작시킴으로

원통물체를

터로 구동하도

하기 때문에

3-6 Hand mec

- 29 -

의 일반적인

주어 결합한

로써 이른바

확실히 잡아

도록 한 3 지

실용례가 적

chanism for thr

인 형상을 나타

3 개의 볼

바 3 포인트 핀

아서 유지하

지형핸드도 개

적다

ree point pinch

타내고 있다

나사를 하나

핀치(three po

는데 유리하

개발되고 있으

h type

이 핸드는

나의 모터로

oint pinch)를

하다그 외에

으나기구가

34 메카니

(1) 구속

기계적

어서 형성되

전 구속 기

해서 언급하

으로 움직일

또 X Y 평

니컬 핸드의

속기능

구동장치에

되는 것으로

기능이 있다

하면 구속 상

일 수 있다

평면 X Y 면

의 구속기능

서 구속 형식

크게 나누어

그래서 핸드

상태의 물체는

이것을 물체

X Z 면상에

Fig 3-

- 30 -

능

식과 접촉 상

어서 반구속

드의 구속 기

는 Fig 3-7 와

체의 공전 (이

서 6 방향으

-7 Movement

상태와 포락

속 (받는 구속

기능을 결정하

와 같이 X Y

이동)에 관한

로 회전 한다

t of object

능력의 인자

속 는 구속

하는 물체의

Z 의 3 축상

6 동작 자유

다 이것을 물

자가 복합되

속)기능과 완

구속에

에서 6 방향

유도로 한다

물체의 자전

(회전)에 관

부여한 상태

행할 수 있

서는 회전의

핸드에

한 공간적

면 Fig 3-8

이 그림

를 구속한다

에서 7 자유

선접촉과 면

계수와 절선

(a

관한 6 동작

태에서 움직이

있다 또 완전

의 6 자유도를

의한 물체의

적인 포락 상

와 같이 된

(a)의 점접촉

다 그러나 1

유도를 구속

면접촉에는 각

선력법선력

a) point contac

Fig3

자유도로 한

이며 중력이

전 구속은 핸

를 무시하는

의 구속은 핸

상태로 정한다

다

촉은 접촉점

1 점접촉은 다

한다 (c)의

각각 마찰에

비와의 관계

ct (b

3-8 Contacts

- 31 -

한다 반구속은

이나 환경면의

드 자체로 1

경우도 적지

핸드와 물체의

다 먼저 접촉

방향의 1 자

다른 11 자유

면접촉은 11

위한 구속이

계로 구속불능

) line contact

of the kind an

은 12 자유도

의 구속을 받

12 자유도를

지 않다

의 접촉 상태

촉부의 구속

자유도를 구속

도를 구속할

1 자유도의 구

이 4 개와 6 개

능의 가능성을

nd the confini

도 중 몇 개의

아서 완전 구

행하는데 경

태 및 접촉부

능력을 모델

속한다 그러나

할 수 없다 (b

구속을 할 수

개 주어져 있

을 가진 구속

(c) surface co

ing

의 자유도를

구속으로 이

경우에 따라

부의 물체에

델로 나타내

나 1 자유도

b)는 선접촉

수 있다 단

있으며 마찰

속 성분이기

ontact

- 32 -

도 하다 또한 면접촉의 상태는 중력의 작용을 이용하면 받기를 형성하고 또

외계력을 이용하면 기를 형성한다

이들의 접촉상태는 물체의 형상과 핸드의 구속면으로 규정되는 것으로 핸드

만으로 결정하기는 어렵다 단 핸드의 구속면을 부드러운 재질로 형성하면 면

접촉의 이행이 용이하다 이와 같은 이유에서 물체에 접촉부가 포락도를 높이는

데에 따라서 물체 형상에 관계 없이 구속 능력을 증 시킬 수 있다

(2) 메커니컬 핸드의 자유도

로봇의 손은 그 용도를 불문하고 인간의 손 작업의 행을 목적으로 하는

것이므로 그 설계에 있어서 모델로 되는 것은 말할 것 도 없이 인간의 손이다

그래서 우선 기구에 하여 설명하기 전에 인간의 손의 구조 모델에 하여 설

명해 본다

AmiddotMorecki 에 의하면 인간의 상체는 그 해부학적 구조에 입각하면 Fig 3-9 와

같이 모델화할 수 있다 Fig 3-9 에서 숫자는 각각 골격 즉 링크를 나타내고 숫

자 II~ V 는 관절을 나타내고 있다 이와 같은 공간링크 기구의 자유도 F 는 가

동부수 n 자유도의 종류 f 를 가진 우 수를 Pf 라 하면 다음 식으로 나타낼

수 있다

6n sum ∙ P 12345 (3-1)

Fig 3-9

들 자유도가

을 Fig 3-9

P5=10 이므

인간의

유도 1 의

해 있으며

의 모델에서

가 있는 관절

9 와 같이 정

므로 위 식에

상지를 인공

액튜에이터를

22 개나 되

Fig 3

서는 n=19 P2

절에 작용하는

정의하고 그

서 FH=22 가

공적으로 정밀

를 27 필요

는 액튜에이

- 33 -

3-9 Human Ar

2=1 P3=2 P4

는 근군은 약

자유도 FH

가 된다

밀하게 재현하

요로 하게 된

터를 필요로

rm structure

4=6 P5=11 이

약 50 이라고

를 구하면

하려고 한다면

된다 또 손에

로 한다 그러

이므로 F=27

고 되어 있다

이 경우는 n

면 이상의 결

는 특히 자유

나 로봇의 손

이 된다 이

여기서 손

n=16 P4=6

결론에서 자

유도가 집중

손이 이만큼

- 34 -

의 수의 액튜에이터를 갖춘 것을 제작한다는 것은 크기 중량 제어면에서 볼

때 현시점에서는 불가능에 가깝다 특히 의수에 있어서는 상술한 바와 같은 형

상이나 조종성 등의 점에서 전혀 불가능하다고 해도 좋다 따라서 보통은 기능

에 주목하여 손에 집중해 있는 자유도의 간략화를 도모한다

인간의 잡기 동작에 주목해 보면 그 잡기 형상에는 12 종류가 있다고 하다

그러나 이것들은 엄지와 다른 12 종류가 있다고 한다 그러나 이것들은 엄지와

다른 4 손가락과의 관계에 주목하였을 때에 2 종류 즉 엄지가 다른 4 손가락과

항해서 동작하거나 그 측방에서 동작하는가로 분류할 수 있다 실제의 일상

동작에서 관찰하면 이들 중에서도 엄지와 손가락이 항해서 동작하는 소위 쥠

동작이 우선 첫 번째이고 또 다음에 엄지 검지 중지의 3 손가락의 선단으로

이루어지는 3Point Pinch 즉 잡기동작이 중요하다

더불어 손가락의 독립성에 해서는 역시 일상동작 중에서 손가락의 사용

빈도를 조사한 결과에 의하면 다섯 손가락은 반드시 독립적인 운동을 필요로

하지 않고 엄지 검지 중지가 같은 정도의 중요성을 자기며 다른 두 손가락은

사용 빈도에 있어서 이들 세 손가락보다 약 50 적으며 다른 세 손가락의 보

조 역할을 한다고 볼 수 있다 그리고 특히 중요한 것은 인간의 각 손가락은 잡

기 상물의 형상에 적응한 쥐기 즉 Passive 한 동작을 할 수 있다는 것이다 이

기능이 있다면 각 손가락이 독립적으로 동작하지 않더라도 또 다소 손의 자유

도를 제거하더라도 상물의 확실한 쥐기나 잡기 그리고 기타 손 작업에 큰 힘

을 발휘한다

- 35 -

34 표적인 동력원의 특징

동력원을 설계할 때 다음의 점을 고려하면서 가장 적합한 방식을 선택한다

1조작력(로보트가 내는 최 의 힘 예를들면 최 들어올린 힘)

2속응성(최 조작 속도)

3크기 중량(로보트의 크기와 중량의 제한)

4안정성(발열이나 과부하에 한 안전성)

5사용의 용이도

6수명가격

1 2 의 조작력 속응력은 로보트에 요구되는 성능에서 가장 기본적인 것인

데 이에 관련해서 크기나 중량의 제한 안정성 사용의 용이도 수명 가격 등을

고려해서 동력원을 선택한다 단 자주형 로보트에서는 2 차적 성능인 동력원의

중량이 첫째 요구 조건이 되는 경우가 많고 공업용 로보트에서는 저가격 사용

의 용이도 안전성이 중요 사항으로 우선시된다

모든 로봇은 동력원을 필요로한다 중요도에 따라 동력원을 선택해야 하는데

일반적으로 공기압식은 안전성이 뛰어난 반면 힘과 세밀한 위치제어가 어렵고

전기식은 응답성과 사용편리성 세밀한 위치제어가 가능하나 높은 힘을 내기 위

해서는 부가적인 기구부가 필요하다 유압식은 큰힘을 낼수있어서 속응성은 좋

으나 과부하시 상당한 발열이 있기 때문에 안전성에서 다른 동력원에 비해 떨

어진다 위 사항을 TABLE 3-1 로 분류하여 나타내었다

- 36 -

TABLE 3-1 Characteristics of power sources

전기식 유압식 공압식

사용용이성 편리하다 작동유의관리 관로의압력

필터관리에 유의

공급공기의 수분제거

윤활성의부가에 주의

수명 길다 기름에 윤활성이 있기

때문에 길다

공기에윤활성이 없어

유압 전기에 비해 짧다

가격 보통 가격 운영비 높음 저가격

응답속도

(반응성) 매우 빠르다 빠르다 늦다

하중능력 (소)에서 (중)정도의

하중능력 단히 큰 힘을 얻음 큰 힘은 없다

소음 적다 다소 크다 크다

- 37 -

제 4 장 능동형 그리퍼 설계

41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정

로봇 그리퍼의 정밀 파지 (Fingertip Grasp 손가락 끝을 이용하여 물체를 집

거나 바닥에누워있는 납작한 물체를 집는 행동)를 안정하게 하기 위해서는 손가

락 끝과 물체가 직각에 가까운 각도를 이룸으로 마찰력을 크게 하여 안정성을

높인다 또한 바닥에 놓인 물체를 집어 올릴 경우에도 물체표면의 법선 벡터와

손가락 끝의 각도가 클수록 물체를 효과적으로 구속하여 안정된 파지를 할 수

있다

그리퍼의 링크 시스템에 있어서 2 링크 손가락보다 3 링크 손가락을 쓸 때가

링크와 수평 평면이 이루는 각 (A)이 더 커지기 때문에 안정성이 더 좋다는 것

을 알 수 있다 그리고 안정성뿐만 아니라 식 (4-1)을 통하여 문체에 전해지는

Torque 값을 Fig 4-2 와 같이 그래프로 나타내면 0 도에서 75 도 정도까지는 A 각

이 커질수록 물체에 가해지는 토크 값이 점점 커지는 것을 알 수 있음으로 3 링

크 손가락을 쓰는 것이 파지력 증가됨을 알수 있다 ℓ3 의 길이가 길어질수록 A

가 작은 값을 가져서 정밀파지에 적당하지 않다

τ l cosA sinA l 1 cos A tan μ (41)

A cosempty

(42)

Fig 4-1

은 식을 통

각이 커짐을

움이 있고

Fig4-

에서 제 2 코

통해 구할 수

을 알 수 있다

최소 단위를

Fig4

-1 Configurati

코사인 법칙

있는데 이로

다 그러나 ℓ

를 1cm 로 하

-2 Change the

- 38 -

ion of the fing

을 이용하여

로부터 링크

ℓ3 가 1cm 인

하였기 때문에

e value of the a

gers on robot g

여 A 의 각을

길이 ℓ3 가

인 경우는 너

에 ℓ3 는 2cm

angle of phage

gripper

구하기 위해

작으면 작을

무 짧아서 파

로 결정하였

torque

해 (2) 와 같

을수록 A 의

파지의 어려

였다

42 모터

(1) 알고

앞 절에

여야 한다

는 모터의

이 작은 모

나 용량이

로 적절한

선정 알고

고리즘 정의

에서 설명한 기

로봇 팔에

선정은 동작

모터를 사용하

큰 모터를 사

모터의 선정

고리즘

기구들을 추

움직임을 전

작을 구현하는

하게 되면 기

사용하게 되

정이 중요하다

Fig 4-3 M

- 39 -

추후 로봇 시스

전달함에 있어

는데 중요한

기구의 원활한

면 모터의 외

다

Motor Selectio

스템에 적용을

어서 동력을

과제가 되겠

한 작동이 어

외형이 커지

on Algorithm

을 고려하여

공급과 제어

겠다 만일 토

려워지고 단

고 가격 또한

설계를 하

어를 수행하

토크나 용량

단순히 토크

한 증가하므

- 40 -

(2) 알고리즘 수행

모터를 선정하기 위해서 가장 우선적으로 해야 할 일은 기계구동부분을 결

정하고 구동부분을 어떠한 방식으로 작동을 시킬지 동작 패턴을 결정하여야 한

다 예를 들면 모터에서 나오는 힘을 받아서 볼 스크류를 이용하여 힘을 전달할

것인지 벨트 피니언 기어 혹은 풀리 등을 이용할 것인지를 결정하고 그에 따

른 적절한 구동방식을 결정한다 구동방식을 결정하게 되면 각각의 구동방식에

적합한 수식을 대입하여 부하토크를 계산한다 구동방식에 따른 부하토크를 구

하는 수식은 구동방식이나 구동장소 등에 따라 다소 상이하나 일반적인 수식은

다음과 같다

-BALL SCREW 구동

T FP2πn

μ F P2π

1i N ∙ m 43

F F mg sin α μ cos α N 44

-PULLEY 구동

T ∙ 45

μF D

2i N ∙ m

- 41 -

-WIRE middot BELT 구동 RACK middot PINION 구동

T F2πn

∙ πDi

FD2ni

N ∙ m 46

F F mg sin α μ cos s N 47

-실측에 의한 방법

T 48

직선운동 (커플링 직결 볼스크류 등)의 경우 위의 (43) (44) 이용하여 구할

수 있다 이때 F 는 축방향하중 F0 는 예압하중 μ0는 예압 NUT 의 마찰계수 η 은

효율i 는 감속비 PB 는볼스크류 피치를 나타낸다 회전운동 (풀리)의 경우 식

(45)를 이용하여 구할 수 있으며 FA는 외력 FB는 부하중량 (주축이 회전하기 시

작할 때의 힘) m 은 work 와 TABLE 의 총무계 μ 접동면의 마찰계수α는 경사각

도D 는 풀리의 지름을 나타낸다

실제현장에서는 선정된 모터의 토크를 확인하기 위해 실측에 의한 구동토크

를 계측하는데 스프링 저울을 구동 풀리에 연결지어 측정한다 이때 TL 은 회전

운동 부하토크에 해당하고 FB 는 부하중량 D 는 풀리의 직경을 나타낸다

위의 부하토크를 구하는 식들을 이용하여 부하토크를 구하게 되면 실제 모

터를 사용할 때 어느 정도의 시간적 여유를 두고 가속을 할 것인지 감속을 할

것인지를 결정하여야 한다 이를 위해서 우선 동작시킬 부분에 대한 관성모멘트

를 계산하

Fig 4-4

시한 것으로

dA 와 기준

이를 표현하

하여야 한다

4 는 관성모멘

로 X 와 Y

준축으로 부터

하면 식 (49)

Fig 4-4 Arb

I

멘트를 구하기

는 면적의 미

터의 거리의

)와 같다

- 42 -

bitrary shape o

y dA I

기 위한 절대

미소 요소 dA

제곱의 곱으

of planar area

x dA

대좌표 X Y

A 의 좌표이

으로 단면 2

축 상의 미소

이고 관성모멘

차 모멘트라

49

소면적을 도

멘트는 요소

라고도 한다

평면 면

가 있다 평

축에 대한

Fig 4-5

하는 평행한

관성모멘

식 (410

번째 적분은

면적의 관성

평행축 정리란

관성 모멘트

5 과 같이 도

한 xy 축 두

멘트의 정의로

I y

0) 에서 우변

은 Xc 축에

Fig 4-5

모멘트에 있

란 도심축에

트 사이의 관

도심을 원점으

좌표계의 평

로부터 x 축

y d dA

변의 첫 번째

대한 1 차 모

- 43 -

5 Parallel-axis

있어서 중요하

대한 관성

계를 나타낸

으로 하는 Xc

평행한 축 간

축에 대한 관

y dA

적분은 Xc

모멘트로서 X

theorem

하고 유용한

모멘트와 도

낸다

cYc 축과 임의

간의 거리를 d

성모멘트 Ix

2d y dA

축에 대한 관

Xc 축이 도심

정리로서 평

도심축에 평행

의의 점 O 를

d1 과 d2 로 표

는 식(410)와

d dA

관성모멘트

심을 통과하므

평행축 정리

행한 임의의

를 원점으로

표시한다

와 같다

410

I 이다 두

므로 적분의

- 44 -

값은 0 이다 세번째 적분은 면적 A 그 자체이다 따라서 식 (410)은 식 (411)과

같이 간단해진다

I I Ad 411

y 축에 대한 관성모멘트도 위와 같은 방법에 의해 식(412)과 같다

I I Ad 412

또한 면적의 평면에 수직인 수직축에 대한 관성모멘트를 극관성모멘트라 한

다 Fig 4-6 는 평면에 수직이고 O 점을 통과하는 축에 대한 극관성모멘트를 나

타낸 그림으로 이를 관성모멘트 식으로 표현하면 식 (413) 와 같다

I ρ dA 413

식 (413)와

즉 평면에

서로 수직인

극 관성

와 도심 C

와 식 (414)에

I

수직인 축에

인 두 축에 대

성모멘트에 대

에 대한 극

Fig 4-6 Arb

의해 식 (4

ρ dA

I

에 대한 극관

대한 관성모

대한 평행축

극 관성모멘트

- 45 -

bitrary shape o

ρ x y

415) 식 (41

x y dA

I I I

관성모멘트는

멘트의 합과

정리는 Fig

트를 각각 I

of Polar Area

y

16)과 같은 관

x dA y

는 평면 내의

과 같다

4-5 에서 유

와 I 로

관계식을 얻을

y dA

같은 지점을

유도할 수 있

로 표시하면

414

을 수 있다

415

416

을 통과하는

있다 원점 O

식 (416)에

- 46 -

서 식(417)을 유도할 수 있다

I I I I I I 417

I I I I A d d 418

I I Ad 419

식 (419)는 극 관성모멘트에 대한 평행축 정리를 나타낸다 즉 평면 내의 임의

의 한 점 O 에 대한 면적의 극관성모멘트는 도심 C 에 대한 극관성모멘트에 그

면적과 점 O 와 C 사이의 거리의 제곱의 곱을 더한 것과 같다

이상의 식에서 부하토크와 관성모멘트를 계산하여 모터를 가 선정한다 부하토

크의 경우 사용될 모터의 정격 토크를 넘어서지 않는 것을 선정한다 부하토크

를 TL 정상 부하 상태의 힘 PL 극 관성모멘트 IL 회전운동을 위한 힘 Pa 각속

도 가속 시 소요되는 시간을 ta 라 하고 식 (420)을 이용하여 부하가 일정하

게 작용할 때의 힘을 계산한다 마찬가지로 관성모멘트를 식 (421)에 대입하여

가속을 위한 회전 운동 시 필요한 힘을 계산한다 식 (420)과 식 (421)에서 계

산된 힘을 합산하면 모터를 회전시키기 위해 필요한 출력이 계산된다 이때 계

산된 출력보다 실제 사용할 모터의 정격 출력이 1~2 배 정도가 되도록 모터를

가 선정한다

- 47 -

P T ω 420

P 421

위의 과정을 통하여 모터를 가선정하고 가감속 토크 및 구동 토크를 계산한

다 각각의 토크를 계산하게 되면 모터를 최종적으로 선정하게 되는데 두 가지

사항을 고려하여 최종 선정한다 먼저 식 (422)을 통해서 계산되는 가속 시 소

요되는 기동 토크 TM 가 모터의 최대 토크를 넘지 않는 것으로 선정한다

T 422

두 번째로 Fig 4-7 의 속도 선도와 같이 모터의 가 감속 시간과 정상 동작

시간 등을 결정하여 식 (423)과 같이 실효치 토크 TS 를 구하고 실효 토크가 모

터의 정격 토크보다 크지 않도록 선정한다

T 423

Fig 4-7 Exa

- 48 -

ample of veloc

city guidance

- 49 -

(3) 알고리즘 적용

로봇시스템에 있어서 기구들의 관성모멘트와 토크 계산 후 적합한 모터를

선정하기 위해 시중에서 시판되는 모터를 조사하였다 로봇에 적용 가능한 모터

로는 크게 서버모터와 스텝모터 RC 서버모터 DC 모터로 구분 할 수 있었다 이

를 TABLE 4-1 과 같이 정리하였다

동력원의 6 가지 선정요소 중 우선순위를 부여하여 분류했을 때 핸드 그리퍼

의 특성상 가볍고 토크가 큰 RC 서버 모터 미니 서버모터를 선택할 수 도 있지

만 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터 중 토크를 증가시킬 수 있는

감속기가 있는 타입의 모터를 우선시 하였다

1 감속비를 사양할 수 있는 모터를 선정하여 계산한 토크를 확인한다

2 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터를 선정한다

3 CLOSED LOOP 제어를 통하여 정확한 위치를 검출할 수 있어야 한다

따라서 스텝모터중 lsquoOrsquo사의 ldquoαSTEPrdquo가 적합하다고 판단되어 모터를 선정하였다

- 50 -

TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics

미니서버모터 RC 서버모터 스텝모터 DC 모터

장점 동일사양대비 모터

중 10배정도 큰 토크

5v사용가벼움

정확한 위치제어

급격한 부하변동급가

속 유리

저렴한가격

보편화됨

단점 정지시 진동이 예상 약한 토크 THRUST하중이 모터

무계 이하여야 한다

유지보수가 잦다

크기 151588mm(10w20w)

2525111mm(30w)

392038mm 424234mm Oslash37mm917mm

동작전압 Dc 24V Dc 48V60V Dc 24V Dc 24V

무계 230g~400g 56g 150g 200g

허용토크 009Nm~03Nm 11~13kgfcm 18kgfcm (018Nm) 47kgfcm(1200)

감속기 다양한 감속비 가능 고정 감속기 감속기 무(072˚036) 다양한 감속비

제조사 야스카와 SGMM 하이텍 HS-5945 AUTONICS GCM 3429A

TABLE 4-2 αstep motor characteristics

외형 전압 전류 무계 토크 감속비 분해능

αSTEP 282884mm

4242127mm Dc24V 1~37A 250G 2~28 Nmiddotm 50~1001

00072pluse

00036pluse

- 51 -

43 1 차 능동형 그리퍼 설계

실린더를 사용하여 링크로 물체를 파지하던 그리퍼는 Fig 4-8 과 Fig 4-9 에

묘사하였다 이런 실린더를 사용한 그리퍼는 공압 효과를 도출할 수 있는 별도

의 펌프가 필요하고 동작을 구현할 수 있는 자유도를 증가시키는데 한계가 있

다 이런 실린더의 단점을 보완하고 전기모터의 장점을 사용하기 위해 웜기어와

웜휠 방식을 채택하여 2 자유도 능동형 그리퍼를 설계하였다

1 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-10 에 묘사하였으며 1 차설계한

능동형 그리퍼는 Two Fingertip Grasp 로 칭하겠다 파지한 물체를 회전 시키는

기능은 베벨기어를 사용하여 회전운동으로 구현하였고 실린더의 전middot후진 운동

을 전기모터의 회전운동으로 변환 시키기 위하여 웜기어와 웜휨을 선택하였다

전기모터에 의해 회전하는 운동은 웜기어와 웜휠에 의해 링크를 사용하여 물체

를 파지하였던 그리퍼와 동일한 운동효과를 가지게 되었다

웜기어와 웜휠을 사용하여 물체를 파지하는 능동형 그리퍼는 스윙형으로 설

계되었으며 파지력을 높이기 위한 각도를 적용하였다 링크를 사용하여 물체를

파지하는 형태의 그리퍼보다 기구의 크기를 줄일 수 있는 장점이 있는 반면 기

어들의 백래시에 의한 오차가 끝단에 누적될 수 있는 문제점을 가지고 있다또

한 기구부의 소재 변경으로 그리퍼의 무계를 줄일 수 도 있지만 가장 큰 무계

를 차지하는 모터를 그리퍼 자체에서 분리하게 할 수 있게 하려면 그리퍼 자체

의 구조변경이 필요하다

`

`

Fig 4-8 Par

Fig 4-9 Par

- 52 -

rallel-link gra

rallel-link gra

sps system 1

sps system 2

Fig 4-10

- 53 -

0 Two fingertipps grasp system

- 54 -

44 2 차 능동형 그리퍼 설계

1 차 설계한 능동형 그리퍼에서 발견된 문제점을 보안하기 위하여 2 차 능동

형 그리퍼를 설계하였다 2 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-11 에 묘사

하였으며 2 차설계한 능동형 그리퍼는 Four Fingertip Grasp 로 칭하겠다 이 장치

는 크게 동력원 동력 전달장치 핑거 그립장치로 구성되어있으며 이를 통합하

여 Fig 4-12 에 나타내었다

핑거 그립장치는 스윙형 그립의 단점을 보완하여 설계하였다 물체를 파지할

때 그립의 회전 반경이 주위 환경요소와 간섭을 발생시킬 수 있는데핑거가 전

진할때 샤프트와 핑거그립간의 나사결합형태를 통한 직선운동으로 개선하여 주

위환경요소에 영향을 주지 않도록 설계하였다 구동축의 핑거파지 메카니즘을

Fig 4-13 와 같이 간략화 하였고 이에 대한 세부 도면은 Fig 4-14 로 나타내었다

4 조 핑거 그립의 나사산과 테이퍼진 스크류축은 나사식으로 결합되며 상호

작용에 의해 점차 중심점으로 이동하여 물체를 파지하는 형태이다 사용된 2 개

의 샤프트는 중공축으로 설계하였으며 외부 샤프트는 4 조 핑거가 물체를 파지

하여 비트는 모션을 구현하는데 사용되었다 내부 샤프트는 핑거를 중심점으로

전진시켜는 기능을 수행한다 중공축으로 설계한 내부 샤프트는 차후 개발될 인

스트리먼트의 탈부착을 손쉽게 할수있도록 구현하였고 4 조로 설계된 핑거는 그

립시 인스트리먼트의 응력집중현상을 분산시키는 기능과 2 조로 그립하였을때

보다 안정적인 그립감을 형성한다

- 55 -

동력원과 동력전달장치는 Fig 4-15 에 나타내었으며 Two Fingertip Grasp system

의 문제점이었던 구동부의 모터의 설치 방법을 외부에 부착하는 형태로 변경하

여 우레탄 밸트를 사용하였다 또한 아이들러를 사용하여 밸트의 방향을 변경

하여 모터의 부착위치를 자유롭게 설정할 수 있도록 하였고 모터 브라켓에 슬

리브 홈을 설치하여 벨트의 장력을 조절할 수 있도록 하였다

Fig4-11

Fig4-12 Fou

- 56 -

Four fingertip

ur fingertips g

ps grasp system

grasp system la

m

ayout

Fig 4-13

Fig 4-14

- 57 -

Fingertip gra

4 Fingertip gr

asps mechanis

rasps extended

m

d

Fig 4-15

- 58 -

5 Power transmission devicce

- 59 -

제 5장 결 론

본 연구에서는 MIS 수술 로봇을 위한 햅틱 마스터장치 구동용 능동형 그리

퍼를 설계하기 위하여 그에 상응하는 자료 및 문헌 조사를 수행하였고 햅틱 마

스터에 적용 가능한 능동형 그리퍼를 설계하여 로봇 시스템의 초안을 구성하였

다 수술용 도구를 단순히 잡아주는 역할에서 벗어나 시스템에 추가적인 자유도

를 부여함으로써 그리퍼를 표현하였다 단순화된 그리퍼는 보다 저렴한 가격으

로 생산될 수 있으며 기존 로봇 수술시스템의 높은 비용을 절감할 수 있는 효

과를 가져올 수 있다

최종적으로 제안한 설계 안으로는 2 조 핑거그립를 사용하는 전기모터형 그

리퍼 와 추가적으로 개선한 4 조 전기모터형 핑거그립를 설계였다 스윙형 그립

의 단점을 보안하여 집중응력을 분산할 수 있는 구조로 설계하였고 그리퍼의

무계를 줄일 수 있는 방법을 제시하였다 이로써 원통형 도구 파지 시 안정성이

향상되었고 보다 원활하게 수술 도구를 교체 가능하도록 하였다

앞으로 촉감을 전달할 수 있는 센서의 개발로 햅틱 디바이스 인터페이스 장

치의 활용에 보다 높은 기여를 할 것이라 예상된다

-６０-

참고 문헌

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한국정밀공학회 2009년 추계학술대회 논문집

-６１-

[9] 이재훈김형욱이병주서일홍 ldquo새로운 6자유도 병렬형 햅틱 기구의 최적설

계 및 해석rdquo한국정밀공학회 2003년 추계학술대회 논문집

[10] 조국훈이재훈이병주김희국 ldquo병렬형 그리퍼 메카니즘rdquo한국정밀공학회지

[11] 김갑순 ldquo3축 힘센서를 이용한 지능형 그리퍼 개발rdquo한국정밀공학회지 제

24권 제 3호 1999년

[12] 고대성김성목김희국이병주 ldquo병진형 자유도와 1자유도 파지기능을 가지는

4자유도 병렬 메커니즘의 기구학분석rdquo한국정밀공학회 2007년 추계학술대회

• 제1장 서 론
• • 11 연구배경 및 연구목적
  • 12 연구내용
  • • 제2장 로봇 산업의 기술 현황
    • • 21 로봇산업의 동향
      • 22 의료용 로봇기술 현황
      • 23 의료용 로봇시장 전망
      • • 제3장 능동 그리퍼
        • • 31 최소침습 수술 햅틱 장치구현에 필요한 능동 그리퍼 제안
          • 32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류
          • 33 파지형태에 의한 그리퍼의 분류
          • 34 메카니컬 핸드의 구속기능
          • 35 대표적인 동력원의 특징
          • • 제4장 능동형 그리퍼 설계
            • • 41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정
              • 42 모터 선정 알고리즘
              • • 43 1 차 능동형 그리퍼 설계
                • 44 2 차 능동형 그리퍼 설계
                • • 제 5 장 결론
                  • 참고문헌
                  • TABLE 2-1 Domestic robot classification
                  • TABLE 2-2 Robot Production Company
                  • TABLE 3-1 Characteristics of power sources
                  • TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics
                  • TABLE 4-2 αSTEP Motor Characteristics
                  • Fig2-1 Phase of medical robots in the robot industry
                  • Fig2-2 Da Vinci surgical case number
                  • Fig3-1 Da Vinci robot system for MIS
                  • Fig3-2 Classified by the gripper grip action
                  • Fig3-3 Swing-type hand mechanism
                  • Fig3-4 Hand mechanism for translational type1 (parallel displacement)
                  • Fig3-5 Hand mechanism for translational type2 (Rack and pinion type)
                  • Fig3-6 Hand mechanism for three point pinch type
                  • Fig3-7 Movement of object
                  • Fig3-8 Contacts of the kind and the confining
                  • Fig3-9 Human Arm structure
                  • Fig4-1 Configuration of the fingers on robot gripper
                  • Fig4-2 Change the value of the angle of phage torque
                  • Fig4-3 Motor Selection Algorithm
                  • Fig4-4 Arbitrary Shape of Planar Area
                  • Fig4-5 Parallel-Axis Theorem
                  • Fig4-6 Arbitrary Shape of Polar Area
                  • Fig4-7 Example of Velocity Guidance
                  • Fig4-8 Parallel-link Grasp system 1
                  • Fig4-9 Parallel-link Grasp system 2
                  • Fig4-10 TWO Fingertip Grasp system
                  • Fig4-11 Four Fingertip Grasp System
                  • Fig4-12 Four Fingertip Grasp System layout
                  • Fig4-13 Fingertip Grasp Mechanism
                  • Fig4-14 Fingertip Grasp extended
                  • Fig4-15 Power Transmission Device

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(141) 전문서비스용 로봇 13 개사 (76) 네트워크 로봇 8 개사 (47)로 분포

되어 있다 이와 같은 수치는 2005 년 대비 제조업용 로봇 관련 기업 수는 다소

감소하였으나 전문서비스용 로봇이나 개인서비스용 로봇 관련 기업 수는 다소

증가하였다 또한 기업체 당 평균 자본금은 5354 억으로 제조업을 제외하면 기

업체 당 평균 자본금이 가장 높은 분야는 개인 서비스용 로봇 (2570 억원) 가

장 낮은 분야는 전문 서비스용 로봇 (1106억원)으로 나타났다

이는 최근 수요가 증가하는 생활 관련 로봇들에 대한 대기업의 투자나 진입

이 두드러지면서 나타난 현상이며 이런 기업들의 투자에 따른 생활 로봇 기술

향상이 두더러 지게 나타나고 있다 따라서 의료용 로봇 산업분야의 체질강화

와 기업 경쟁력 강화를 위해서는 최근 늘어나는 수요창출에 발맞추어 중견기업

들의 투자와 연구개발이 집중되어야 할 것이다

한편 로봇기업의 매출액 규모는 1억 원 미만의 영세한 업체가 30 1억~10

억 원 규모의 업체가 282 10억~50억 원 규모의 업체도 282로 대부분의 로

봇기업은 매출액 규모 50 억 미만의 중소기업체인 것으로 나타났다 특히 의료

용 로봇은 영세한 업체가 담당하기에는 다소 연구개발과 투자비용이 많이 소요

되기 때문에 대기업이나 정부의 투자나 지원이 반드시 필요하다 이러한 상황에

서 국내 의료용 로봇 시장의 성장을 낙관하기는 다소 무리가 있다 따라서 대기

업들이나 정부는 의료용 로봇 시장 확대와 성장에 적극적으로 참여해야 할 것

이다

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TABLE 2-2 Robot Production Company

구분

2005 2006

업체수 구성비 업체수 구성비

제조업용 로봇 60 333 77 453

전문서비스용 로봇 13 72 13 76

개인서비스용 로봇 39 217 24 141

네트워크 로봇 17 94 8 47

로봇부품 및 부분품 51 283 48 282

합계 180 1000 170 1000

나 로봇생산 생산규모

로봇기업의 생산 현황을 보면 2005 년에는 5722 억 원 정도였으나 2006 년에

는 7196 억 원으로 258의 증가율을 보였다 특히 의료 복지용 로봇 분야가 포

함되어 있는 전문서비스용 로봇은 2005 년에는 53 억 정도였으나 2006 년에는

124억으로 전년대비 1309의 높은 증가세를 보였다

최근 국내에서 개발된 환자 안내용 로봇인 스누봇 (SNUBOT)이나 내시경 로

봇인 미로캠 (MiroCam) 등의 개발로 인해 더욱더 생산 증가폭은 커질 것으로

전망한다 의료 복지용 로봇분야에서는 2005 년에는 생산이 거의 없었으며 2006

년에는 약 6 천 만원으로 증가하기는 하였으나 이는 다른 로봇 분야에 비하면

극히 미비한 생산액이며 수술 로봇이나 재활 로봇에 대한 생산은 거의 전무한

실정이다 한국과학기술정보연구원(KISTI)에 따르면 2006 년 국내 서비스 로봇

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(산업용 로봇 제외) 시장규모는 약 624 억 원으로 미비한 수준에 그쳤으나 2011

년 5117 억 원에 달하고 2013 년 이후는 수조 원에 달하는 황금시장으로 떠오를

것으로 예상하였다 또한 정부에서는 2005 년 국내 로봇산업 육성을 위해 2013

년까지 세계 시장 점유율 15 총생산 30 조원 수출 200 억 달러 고용창출 10

만 명 등 세계 3위의 로봇강국을 목표로 하고 있다

22 의료용 로봇기술 현황

(1) 의료용 로봇 유형 및 개념

의료용 로봇은 크게 수술 로봇 수술 시뮬레이션 재활로봇 기타 의료 로봇

등으로 분류된다

첫째 수술 로봇은 크게 두 가지의 유형으로 분류된다 먼저 수술 보조 로봇

(surgery assistant robot)은 수술실에서 집도의 명령에 따르면서 수술을 보조하거나

영상 가이드 역할을 해주는 로봇을 의미하며 수술 로봇 (surgery robot)은 의사를

대신하여 수술과정의 전체 혹은 일부를 의사 대신 혹은 의사와 함께 수술 작업

을 한다

둘째 수술 시뮬레이터 (surgery simulator)는 의사의 수술에 관한 숙련도를 높

이기 위하여 가상의 그래픽 환자 모델과 햅틱 장치 (haptic device) 등을 이용하

여 수술을 연습할 수 있게 하는 의료용 로봇이다 특히 근래에 들어 프로세스의

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성능이 좋아지면서 MRI 나 CT 영상 등을 활용한 실시간 3 차원 볼륨이 가능해

지면서 의료용 시뮬레이터 개발은 가속화 되었다

셋째 재활 로봇 (rehabilitation robot)은 노인과 장애인의 재활치료와 일상생활

을 도와 주는 로봇 시스템으로 단순한 신체를 지지해 주는 역할을 벗어나 중증

환자나 노인의 신체 움직임을 향상시키고 빠른 시일 내에 회복하도록 주요 기

능을 수행하고 장애인의 장애를 극복하여 독립적인 생활을 가능하게 할 수 있

는 특정 기능의 로봇을 의미한다

넷째 기타 의료 로봇으로는 간호 로봇이나 안내로봇 등이 있다 현재의 간

호 인력을 도와서 수술이나 치료를 받는 환자를 보살피는 로봇으로서 정확한

투약과 수술 후 관리가 가능하도록 도와주는 기능과 환자의 이동 간병 및 산책

이 가능하고 말벗의 기능을 포함하는 로봇을 의미한다

(2) 의료용 로봇기술 개발현황

가 수술 로봇

현재까지 연구된 수술 로봇은 미세 수술용 원격수술 로봇 최소침습수술

(MIS) 로봇 관절 수술 로봇 등으로 분류할 수 있다

원격수술 로봇 시스템 일환으로 개발된 대표적인 로봇으로는 일본 동경대의

원격 수술 로봇 미국 NASA JPL 의 RAMS SRI International 의 원격 수술 로봇

한국과학기술원의 미세수술용 Slave 로봇 등이 있다

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MIS 의 로봇 시스템 일환으로 개발된 대표적인 로봇으로는 미국의 UC 버클

리대의 수술 로봇시스템 Computer Motion 사의 내시경 보조 로봇인 이솝

(AESOP)과 복강경 수술 로봇인 제우스 (ZEUS) 제우스 보다 진보된 Intuitive

Surgical 의 다빈치 (daVinch) 등이 있다 이 중 다빈치는 수술용 로봇으로 거의

독점적인 위치로써 세계 로봇수술의 첨병역할을 하고 있다

관절 수술 로봇의 일환으로 개발된 대표적인 로봇으로는 미국 Integrated

Surgical System사의 로보닥 (Robodoc) 독일의 Orto Maque사의 CASPAR 영국의

Imperial College의 아크로보트 (Acrobot) 등이 있다

나 수술 시뮬레이터

수술 로봇 이외에 의사의 수술에 관한 숙련도를 높이기 위한 의료용 시뮬레

이터가 활발하게 연구되고 있다 특히 근래에 들어 프로세서의 성능이 좋아지면

서 MRI 나 CT 영상 등을 활용한 의료용 수술 시뮬레이터 개발이 가속화 되었

다 대표적인 수술 시뮬레이터로는 미국 Georgia Tech의 안구 수술 시뮬레이터

미국 Boston 다이나믹스사의 개복수술 시뮬레이터 Mitsubishi Electric Research Lab

의 무릎관절 내시경 시뮬레이션 영국 맨체스터 대학의 웹기반 시뮬레이터 등이

있다

다 재활 로봇

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노령인구와 장애인구의 증가로 로봇 기술의 필요성은 재활분야에도 확대되

고 있다 장애인의 독립적인 활동을 보장하고 삶의 질을 높이려는 노력은 유럽

등의 선진국을 중심으로 재활 로봇이 연구되어 왔으며 이탈리아에서 개발된

MOVAID 가 대표적인 재활 로봇이다 또 미국에서는 MIT 를 중심으로 RIC 과

같은 로봇 신경 재활 로봇들이 개발되고 있다 스위스에서는 보행 재활 로봇으

로 Lokomat 이 개발되었고 국내에서는 KAIST 에서 휠체어 로봇 시스템과 보행

보조 로봇 등이 연구되고 있다 이외에도 서강대학교에서는 SUBAR 라는 보행

재활 로봇을 개발하였다 이외에도 최근 미국의 Intouch Health 에서 개발한 RP-7

은 멀리 있는 환자의 병증을 파악하는 데 탁월한 원격진료 로봇으로 활용되고

있다

(3) 국내 의료용 로봇 적용사례

상기 서술한 의료용 로봇 중 가장 많은 각광을 받고 있으며 국내에서 적용

되고 있는 사례를 통해 의료용 로봇의 사용 실태를 파악보고자 한다 대표적인

복강경 수술 로봇인 Intuitive Surgical의 다빈치 로봇 시스템과 고관절 수술 로봇

인 Integrated Surgical System사의 로보닥을 중심으로 국내 실태를 살펴보고자 한

다

가 다빈치

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Fig 2-2 da Vinci surgical case number

다빈치 로봇은 1997 년 벨기에서 처음으로 환자에게 적용된 이래 국내에

2005 년 7 월 연세대학교 신촌 세브란스 병원에서 최초로 도입하여 2005 년 7 월

15 일 국내 최초로 다빈치를 이용한 로봇 수술이 이루어졌다 Fig 2-2 에서 보

듯이 수술사례는 계속적으로 증가하여 2008 년 1 월 말 현재 750 건이 넘는 수

술이 이루어졌다

다빈치 로봇은 전립선암 위암 대장남 부인암 식도암 갑상선암 간암 등

대부분의 암수술 및 중요 외과계 수술에 적용된다 이는 다빈치 로봇 수술이 가

져다 주는 효과인 개복수술이나 복강경 수술보다 수술회복기간이 단축되고 수

술시간도 감소시키는 역할과 무엇보다 수술 후 환자가 겪는 수술 후유증 확실

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히 줄여주기 때문이다 특히 전립선암의 경우 대표적인 수술 후유증인 요실금

과 발기부전 등의 가능성이 대폭 줄어드는 것으로 알려져 있다

이와 같은 수술사례와 수술성과에도 불구하고 다빈치 로봇의 가격이 25 억

정도의 고가이기 때문에 영세한 의료기관에서 도입하기에는 다소 무리가 따르

고 있다 그러나 대형 병원들은 다빈치의 성공적인 수술사례를 통해 앞다투어

이를 도입하고 있다

2008 년 1 월 현재 신촌 세브란스 병원은 이미 3 대를 도입했고 영동 세브

란스 병원 고려대 안암병원 서울아산병원 한림대 강남병원 분당서울대병원

삼성서울병원 경북대병원 동아대병원 등 9 개 의료기관에 도입되어 있다 또한

최근 (2008 년 1 월 30 일) 연세대 세브란스병원은 로봇 수술의 활성화를 위해

Intuitive Surgical 과 공동으로 복강경 수술용 로봇 다빈치를 이용한 수술법을 배

우는 lsquo연세 다빈치 트레이닝 센터rsquo를 개소하였다

다빈치는 로봇 가격만큼 수술 비용에 있어서도 고가인데다 의료보험이 적

용되지 않아 수술 비용을 환자가 모두 부담해야 하는 실정이다 다빈치 로봇 수

술 비용은 700~2000 만 원선으로 기존의 수술 비용인 200~300 만 원 보다는 다

소 높은 가격이다 특히 전립선암의 경우 로봇 수술 비용은 1500 만 원 선으로

개복수술이나 복강경수술보다 5~7 배 정도의 높은 가격이다 그럼에도 불구하고

로봇 수술은 거의 모든 암 수술에 적용되고 있고 환자와 의사 모두 만족하는

수술법으로 자리잡아 가고 있다

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나 로보닥

로봇이 외과적 기계로써 임상적으로 처음 국내에서 적용된 것은 1992 년 lsquo로

보닥rsquo이라는 의료용 로봇이다 미국에서 개발된 로보닥은 인공관절이 삽입될 환

자의 뼈를 로봇으로 가공해서 수술 성공률을 획기적으로 높였다 두꺼운 뼈를

정확한 형상으로 깎아내는 작업에는 CADCAM 자료에 따라 작동하는 로봇 팔

이 숙련된 외과의사를 간단히 능가했다 로보닥은 한국과 EU 의 판매승인을 획

득했고 결국 인공관절수술의 대세를 장악했다 세계적으로 8000 회 이상의 수술

이 로보닥을 이용하여 성공적으로 수행되었으며 2001년 FDA의 승인을 받기도

하였다

2002 년 국내 처음으로 로보닥이 도입된 이래로 이춘택 병원은 현재까지

2556 회라는 경이적인 수술건수를 기록하였다 그는 최소침습수술과 접목하여

로봇의 정밀성과 최소 절개기술을 결합시킴으로써 환자의 고통과 재활 기간을

크게 줄였다 그러나 로보닥의 가격은 무려 17 억 원이며 3 차원 영상까지 구현

하기 위해서는 10 억 원 상당의 멀티 CT 까지 도입해야만 한다 그렇기 때문에

소규모의 관절전문병원이 도입하기에는 다소 무리한 점이 있다 이러한 상황에

서 이춘택은 국내시장에 맞는 로봇개발을 위해 국산 부품 및 소프트웨어를 개

발 중에 있다 따라서 우리나라도 고령화 사회를 맞아 세계적으로 관절 수술이

급증하고 있는 상황에서 국내 기술로 만든 수술용 로봇이나 소프트웨어 개발은

국내 의료용 로봇시장의 활성화를 이룰 수 있다

- 16 -

23 의료용 로봇시장 전망

(1) 로봇산업 전망

로봇 분야별 세계시장 정세를 살펴보면 제조업용 로봇은 시장안전화 단계로

써 급격한 시장변화는 어려우며 신규 생산설비 및 기존 설비에 따른 수요가 대

부분 차지하고 있는 실정이다 개인서비스용 로봇은 가족구조의 핵가족화와 고

령화 현상으로 인한 가족인원으로서의 가정용 로봇에 대한 수요가 증가 추세에

있다 전문서비스용 로봇은 생산국과 생산기업이 극히 제한되어 있으며 제품가

격의 고가로 인해 시장형성에 있어서 생산국과 수요국이 불일치하고 있는 실정

이다 이러한 상황에서 로봇시장의 국가별 점유율을 살펴보면 일본 (28) 미국

(18) 독일 (16) 이탈리아 (10) 한국 (3)의 순으로 세계 5 위를 차지하고

있다 이와 같이 산업용 로봇의 경우는 우리나라의 세계적인 위상이 높지만 아

직까지 전문 서비스 분야 로봇에 대한 세계적인 위상은 미비하다

시장규모 전망과 국내 세계시장 점유율에 대한 전망은 다음과 같다 세계 로

봇시장의 규모는 2010 년에는 247억 5 백만 달러에서 2020년에는 717억 7 천만

달러에 이를 것으로 보고 있으며 연평균 107의 증가율을 예상하고 있다 분

야별로는 제조업용 로봇은 2010 년 세계시장의 114에서 2020 년 144의 비중

을 차지할 것으로 전망하고 있으며 전문서비스용 로봇은 2010 년 세계시장의

09에서 2020 년 21의 비중을 차지할 것으로 예상하고 있다 개인서비스용

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로봇은 2010 년 30에서 2020 년 70 수준에 달할 것으로 보고 있다 비록 전

문 서비스용 로봇산업의 규모는 미국 일본 독일에 비해 미미한 실정이나 전문

서비스용 로봇의 신시장을 개척하고 그 만큼의 기술력이 밑받침된다면 2020 년

세계시장에서의 더 큰 비중의 달성이 이루어질 것으로 본다

(2) 의료용 로봇기술 전망

의료용 로봇시장의 성장은 의료용 로봇기술 개발산업의 성장과 밀접한 관계

가 있다 세계적인 개발추세로는 의료용 로봇개발 하드웨어 분야에서는 일본이

경쟁력이 가장 높으며 소프트웨어 분야에서는 미국이 앞서나가고 있다 또한

독일은 하드웨어 및 소프트웨어 분야에서 동시에 상당한 연구 개발 능력을 보

유하고 있다 앞으로는 이 세 나라가 의료용 로봇 시장의 핵심 주자로 나설 것

으로 예상된다

산업연구원 (2007) 조사에 따르면 국내 로봇산업의 기술은 기술항목에 따라

다소 차이를 보이고 있으나 제조업용 로봇의 경우는 최고 기술 보유국 대비 평

균 85 정도에 육박하고 있으며 전문서비스용 로봇의 경우는 80 정도 개인서비

스용 로봇은 84 정도에 이르고 있는 것으로 나타났다 의료용 로봇 분야에서는

선두주자인 미국의 기술력을 100 이라고 봤을 때 현재 우리나라는 70 정도이며

2015년이 지나야 100 에 도달할 것으로 전망하였다 비록 의료용 로봇에서 세계

1위인 미국에 비해 우리는 아직 10년 이상 차이가 있지만 세계 최초로 국제 규

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모의 로봇랜드 조성과 로봇펀드 발생 등 정부 차원에서의 노력이 여러 가지 방

면에서 다양하게 펼쳐지고 있기 때문에 그 격차는 점차 줄어들 것으로 예상된

다

또한 IFR (2006) 자료에 따르면 한국 산업용 로봇은 세계 5 위의 강국[16]인

데 비해 의료용 로봇에 있어서는 약소국이다 이는 의료용 로봇의 개발비가 많

이 드는데 비해 국내 시장은 극히 제한적이어서 일반 기업의 참여가 아주 저조

하기 때문이다 국내에서 의료용 로봇 관련 기술 개발은 아직 걸음마 단계에 머

물러 있으며 벤처기업 및 대기업들이 개발해 상용화시키고 있는 기술이나 제품

도 대부분이 생활 가전형 로봇에 한정되어 있을 뿐 의료용 로봇분야는 아직 미

개척지로 남아 있다 하지만 국내에서도 의료용 로봇 개발을 수행하기 위해 대

학이나 연구소 차원에서 의료용 로봇에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다 먼

저 한국과학기술원이 8 년 전 설치한 휴먼 웰페어 로보틱 서저리 센터가 대표

적인 연구기관이다 이 연구소에서는 거동이 불편한 환자들을 위한 휠체어의 자

동화 시스템이나 복강경 수술 로봇 등 로봇 수술용 기구의 국산화에 초점을 맞

춰 진행 중이다 또한 최근에는 국립암센터 역시 산업자원부로부터 수술용 로

봇과 영상시스템을 주제로 한 의료용 로봇 개발자로 선정되어 연구에 들어갔다

비록 국내 의료 및 수술 로봇 관련 기술이 일본 미국 등에 비해 아직까지

뒤쳐져 있는 실정이지만 국내에서도 의료용 로봇 기술 개발이 이처럼 활발히

진행되고 있어서 향후 전망은 매우 밝다고 할 수 있다 또한 해외에서 각광을

받고 있는 캡슐형 내시경 연구 역시 국내에서 벌써 10 년째 계속 되고 있다 최

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근 한국과학기술연구원과 벤처기업인 인트로메딕이 개발한 세계 최소형 캡슐형

내시경인 미로캠 (MiroCam)은 2010 년까지 국내 캡슐형 내시경 시장의 80를

점유할 것으로 예상하고 있다 이러한 국산 의료용 로봇 개발을 통해 고부가가

치 시장인 세계 의료 시장에 뛰어들 수 있는 기반을 다졌다는 데에 큰 의미가

있다

전문 서비스용 로봇의 경우 제조업 로봇 관련 풍부한 경험을 바탕으로 전문

서비스용 로봇으로의 기술확대 메카트로닉스 (mechatronics) 관련 다양한 산업기

반과 세계적인 IT 인프라 보유국의 강점을 살리고 있다 또한 한국은 10 대 성

장동력간 연계 등을 통한 시너지 효과와 세계 전문서비스 로봇 시장이 초기형

성 단계임을 감안한다면 이 분야의 진출에 대한 절호의 기회이며 머지않아 의

료용 로봇 강국으로 진입할 수 있을 것으로 기대된다

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제 3 장 능동 그리퍼

31 최소침습 수술 햅틱 장치 구현에 필요한 능동 그리퍼 제안

21 세기 로봇 기술 분야에서는 인간과 기계 시스템 간의 커뮤니케이션이 무

엇보다 중요하게 강조되며 이러한 인간과 기계 시스템의 의사소통은 주로 인간

의 감각 기관을 통해 이루어 진다 일반적으로 인간에게는 보고 듣고 냄새를

맡고 맛을 보고 피부로 느끼는 오감이 있으며 이러한 감각을 시각 청각 후

각 미각 촉각이라고 한다 따라서 이러한 인간의 감각에 정보를 전달하기 위

한 다양한 기계 시스템들이 개발되어 왔다 오감 중에서 현재 인간과 기계 시스

템간의 인터페이스 역할을 하는 표적인 감각으로는 사물을 보는 시각과 소리

를 듣는 청각이 주로 이용되고 있다 이를 위한 시스템들은 이미 상당한 수준으

로 발전해 현재 상용화 되어 활용되고 있다 하지만 이러한 시각과 청각 인터

페이스 만으로는 로봇의 제어에 한계가 있으며 오감 중에서 세 번째 감각인 촉

각에 한 인터페이스가 현재 활발히 연구 개척되고 있다 만약 가상현실에 촉

감 인터페이스가 적용된다면 기존의 시각과 청각에만 의존하던 가상 현실에 촉

감을 전달함으로써 실제 물건을 만지고 느낄 수 있으므로 가상현실을 보다 더

실감나게 할 수 있을 것이다 하지만 인간의 감각 중에서 촉각은 매우 민감한

감각으로 여기에 촉감 정보를 전달하는 인터페이스는 아직 많은 연구를 필요로

하고 있다

- 21 -

햅틱 (haptic)이란 단어의 사전적인 의미는 ldquoof or relating the sense of touch

tactilerdquo로써 물체를 만질 때 사람이 느낄 수 있는 촉각적 감각으로 피부가 물체

표면에 닿아서 느끼는 촉감 (tactile sensation)과 관절과 근육의 움직임이 방해 될

때 느껴지는 근 감각적인 힘 (kinesthetic force)의 두 가지 힘을 모두 합쳐서 부르

는 말이다 촉감 구현 연구는 물리적 장치를 이용하여 사람이 직접적인 접촉이

없이도 촉각 정보를 전달하는 방법에 관한 전반적인 연구 분야를 일컫는 말로

사람에게 원격지에 있는 물체의 물리적 특성을 전달하는 원격조작 혹은 원격현

장감에 관한 연구로부터 시작되었다 가상 혹은 실제 환경에서 촉감을 구현하기

위한 연구를 포괄적으로 의미하는 용어로 햅틱스 (haptics)라고 한다 주요 연구

분야는 사람이 직접 손에 쥐거나 착용하는 물리적 장치인 햅틱 디바이스 인터

페이스 (haptic interface) 가상 공간상의 물체에 기계적 성질을 부여하여 사실감

이 있는 상호작용을 제공하고자 하는 햅틱 렌더링 (haptic rendering) 사람의 촉

각 인지 특성에 관한 연구 (tactile perception) 등으로 나눌 수 있다 특히 햅틱

인터페이스 (haptic interface)는 햅틱 디바이스 (haptic device)라고도 불리우며 사람

에게 촉감을 전달하는 물리적인 장치를 말하며 더 넓은 의미로 사용하여 가상

의 환경을 촉감 전달을 통해서 느끼게 하는 시스템 전체를 가리키기도 한다 이

러한 햅틱 기술은 다양한 분야에서 활용될 수 있는데 표적인 분야로는 가상

현실 분야 인간-컴퓨터 인터페이스 분야 게임 등 사이버 커뮤니케이션 그리고

원격제어 로봇 등이 있다 특히 원격제어 로봇이 많이 활용되고 있는 의료 분

야에서 햅틱 구현은 매우 시급한 과제이다 현 의 수술은 점점 첨단의 수술 도

- 22 -

구와 로봇을 이용하여 집도되는 추세이며 최소침습수술 (minimally invasive

surgery MIS)이 그 표적인 예이다 이 수술법은 환부의 구멍에 수술도구와 카

메라를 삽입하여 집도의가 모니터를 보면서 시술함으로써 시술시간이 짧고 환

자의 회복이 빨라서 그 적용 범위가 점차 확 되고 있다 하지만 환자가 얻게

되는 이점에 반해 의사는 개복 수술에서 쉽게 이용하던 기술들을 더 이상 적용

할 수 없게 되어 집도에 있어 큰 어려움을 부담해야만 한다 즉 환자의 내부에

서 손의 움직임과 시야의 제약을 받게 되었고 손으로 환자의 장기나 뼈를 만지

고 상태를 확인할 수 없게 된 것이다 이러한 문제점들을 극복하기 위해 첨단의

의료용 로봇 시스템이 개발되었는데 의사 즉 오퍼레이터가 조작하는 마스터

(master) 로봇과 환자의 환부에서 수술을 진행하는 슬레이브 (slave) 로봇으로 구

분된다 슬레이브 로봇은 크게 수술 시 집도의 팔의 움직임을 구현하는 구동 암

(arm)과 수술도구를 홀딩 할 수 있는 그리퍼로 분류할 수 있다 구동 암의 움직

임은 수술 부위의 위치를 결정하면 별도 큰 움직임 없이 작동시킬 수 있으며

전달 수술 관통 수술이 아닌 경우에는 집도의가 느끼는 힘을 피드백 할 필요가

없다 하지만 그리퍼의 경우는 신체 일부분의 미세한 조직까지 전부 접촉해서

제거하거나 봉합하기 때문에 집도의가 수술 시 느끼는 힘을 구현하여야 보다

정밀한 수술을 수행할 수 있다 따라서 본 연구에서는 햅틱 장치가 적용된 마스

터 로봇과 마스터 로봇에서 형성된 힘을 느낄 수 있으며 원할한 수술을 진행할

수 있는 최소침습수술용 능동 그리퍼를 제안하겠다 Fig 3-1 은 상용 MIS 장치인

다빈치 로봇의 마스터와 슬레이브 그리고 그리퍼를 나타내고 있다

(a) sla

(b

Fig 3-1 da V

Operation Arm

Gripper

- 23 -

ave robot and g

b) master rob

Vinci robot sy

m

gripper

ot

stem for MIS

- 24 -

32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류

산업용 로봇은 그 기능 특성상 필요성에 의해 로봇의 말단부에 그리퍼를 부

착시킨다 이것은 인간의 손에 응되는 것으로서 메커니컬 핸드라고 칭하며 다

루는 상 물체를rdquo파지rdquo해 이동하는 목적으로 사용되는 도구이다

파지동작은 Fig 3-2 와 같이 세분화된다 인간의 손 손가락에는 많은 관절이

있으며 여러가지 작업이 가능하다 일상 생활에서의 붙잡기는 형식을 분류한 것

으로는 슐레징거의 12 형식이 있다 여기서 인간의 손에는 손가락이 있어서 그

것을 유지핸드라고 이름 붙이면 메커니컬 핸드에는 손가락이 없는 구성법이 있

는데 이것을 무지 핸드라고 이름 붙이기로 한다 이 무지 핸드는 기계적 물리적

으로 구조상 무지핸드로 한 것과 공구가 메커니컬 핸드와 일체화됐다고 생각하

는 공구 핸드가 있다 메커니컬 핸드를 분류해 보면 다음과 같다 진공이나 자

기 이용의 흡착 등 물리적 흡척형의 유지는 보통 평면(완만한 곡선도 포함)부를

흡착하는 형태로서 물체의 크기나 중량에 따라 여러 개가 설치되는 경우도 있

다 그러나 물체표면에 만곡부가 있는 경우나 구멍이나 공동이 있는 경우에는

적용할 수 없게 된다 또한 자력을 이용한 경우 철금속 재료를 다루게 되는데

경우에 따라서 매우 효율적이고 신뢰성이 높기는 하지만 물체에 잔류 자력이

남게 되는 문제점이 있다 받기형의 유지는 지지의 동작만을 가지고 있는 형태

이며 이는 전기한 흡착형 보다 적극적이 아니여서 약한 구속을 갖는다 변형하

기 쉬운 물체의 이송등에는 이를 채택한다 매달기형 유지는 중력 방향의 이동

1 자유도를 구속한다 잡기형 파지는 유연성에 의한 변형으로 접촉면적을 크게

하여 집는

상물을 외측

이용하는 등

33 파지형

파지 형

다 본 연구

하여 설명

(1) 두 손

형태이다 현

측에서 파지하

등의 파지방법

형태에 의한

형태로서는

구에서 사용할

명 하겠다

손가락 type

현재 많이 사

하거나 구멍

법이다

한 그리퍼의

상을 바깥에

할 메커니즘은

e

Fig 3-2 Cla

- 25 -

사용하고 있는

속에 손가락

의 분류

에서 파지하

은 바깥에서

assified by the

는 끼우기형

락을 넣은 후

는 것과 안에

파지하는 형

gripper grip ac

파지 형태는

후 벌려서 내

에서 파지하

형태가 유리하

ction

는 핸들링

내측사용면을

는 것이 있

하므로 이에

두 개의

상태를 유지

는 스윙형

안정되게 파

의 리지트한

지해서 개폐

핸드(swingin

파지하는 점에

손가락을 갖

되는 병진형

ng gripper)로

에서 병진형

(a) grinder c

(c

Fig 3-3 Sw

- 26 -

갖춘 것으로

핸드(transla

로 분류된다

보다 떨어진

crank

c) rotation joi

wing-type hand

실용례가 많

ational grippe

스윙형은 기

진다

(b) swing

int

d mechanism

많다 손가락이

er)와 그 방향

기구가 간단하

g block

이 상호평행

향이 변화하

하나 상이

병진형에

4 은 평행링

운동을 바꾸

에 회전시킴

로 유지되기

지된다 직

시키도록 한

가 전middot후진

피니온 방식

F

에서는 평행링

링크 방식의

꾸고 그 피니

킴으로써 손가

기 때문에 손

동형 신에

한 것도 있다

진하는 결점이

식이 채용된다

Fig 3-4 Hand

링크 랙middot피니

예로 직동형

니온 운동으로

가락 개폐를

손가락의 물체

에 회전형 액

다 평행링크를

이 있다 이문

다

mechanism fo

- 27 -

니온 나사이송

형 액추에이

로 평행링크의

얻는다 링크

체 파지면의

추에이터를

를 이용한 형

문제를 해결하

or translational

송 기구 등이

터의 운동을

의 하나의 링

크 PS 와 링

자세도 개폐

이용한 형식

형식은 개폐에

하는 방법으로

type1 (paralle

이 이용되고

랙과 피니온

링크 A 를 축

크 QR 은 항

폐 동작 중 일

식에서 평행링

에 의해서 손

로서 볼나사

el displacement

있다 Fig 3-

온으로 회전

축 P 의 주위

항상 평행으

일정하게 유

링크를 회전

손가락 위치

기구나 랙middot

nt)

Fig 3

는 핸드의

볼나사 기구

다

(2) 세 손

세 손가

가락으로 잡

F

-5 는 회전형

예이다볼나

구 각각을 손

손가락 type

가락을 가진 핸

잡는 것보다

Fig 3-5 Hand

형 액추에터로

나사 기구를 이

손가락에 부착

e

핸드에서는

안정된 파지

d mechanism fo

- 28 -

로 랙 피니온

이용하는 경

착 사라를 회

상을 3 점

지 동작을 할

or translational

온을 회전시킴

우에는 1

회전시킴으로

점에서 유지할

할 수 있다

l type2 (rack a

킴으로써 개폐

의 왼나사

써 개폐 동작

할수 있기 때

nd pinion type

폐동작을 하

오른나사의

작을 실현한

문에 두 손

e)

Fig 3-6

베벨기어를

구동해서 세

실현한 것

각 손가락을

복잡하며 중

6 은 세 손가

를 매개로 상

세 손가락을

이다 특히

을 개별 모터

중량도 증가하

Fig

락형 그리퍼

호 각도를 주

동작시킴으로

원통물체를

터로 구동하도

하기 때문에

3-6 Hand mec

- 29 -

의 일반적인

주어 결합한

로써 이른바

확실히 잡아

도록 한 3 지

실용례가 적

chanism for thr

인 형상을 나타

3 개의 볼

바 3 포인트 핀

아서 유지하

지형핸드도 개

적다

ree point pinch

타내고 있다

나사를 하나

핀치(three po

는데 유리하

개발되고 있으

h type

이 핸드는

나의 모터로

oint pinch)를

하다그 외에

으나기구가

34 메카니

(1) 구속

기계적

어서 형성되

전 구속 기

해서 언급하

으로 움직일

또 X Y 평

니컬 핸드의

속기능

구동장치에

되는 것으로

기능이 있다

하면 구속 상

일 수 있다

평면 X Y 면

의 구속기능

서 구속 형식

크게 나누어

그래서 핸드

상태의 물체는

이것을 물체

X Z 면상에

Fig 3-

- 30 -

능

식과 접촉 상

어서 반구속

드의 구속 기

는 Fig 3-7 와

체의 공전 (이

서 6 방향으

-7 Movement

상태와 포락

속 (받는 구속

기능을 결정하

와 같이 X Y

이동)에 관한

로 회전 한다

t of object

능력의 인자

속 는 구속

하는 물체의

Z 의 3 축상

6 동작 자유

다 이것을 물

자가 복합되

속)기능과 완

구속에

에서 6 방향

유도로 한다

물체의 자전

(회전)에 관

부여한 상태

행할 수 있

서는 회전의

핸드에

한 공간적

면 Fig 3-8

이 그림

를 구속한다

에서 7 자유

선접촉과 면

계수와 절선

(a

관한 6 동작

태에서 움직이

있다 또 완전

의 6 자유도를

의한 물체의

적인 포락 상

와 같이 된

(a)의 점접촉

다 그러나 1

유도를 구속

면접촉에는 각

선력법선력

a) point contac

Fig3

자유도로 한

이며 중력이

전 구속은 핸

를 무시하는

의 구속은 핸

상태로 정한다

다

촉은 접촉점

1 점접촉은 다

한다 (c)의

각각 마찰에

비와의 관계

ct (b

3-8 Contacts

- 31 -

한다 반구속은

이나 환경면의

드 자체로 1

경우도 적지

핸드와 물체의

다 먼저 접촉

방향의 1 자

다른 11 자유

면접촉은 11

위한 구속이

계로 구속불능

) line contact

of the kind an

은 12 자유도

의 구속을 받

12 자유도를

지 않다

의 접촉 상태

촉부의 구속

자유도를 구속

도를 구속할

1 자유도의 구

이 4 개와 6 개

능의 가능성을

nd the confini

도 중 몇 개의

아서 완전 구

행하는데 경

태 및 접촉부

능력을 모델

속한다 그러나

할 수 없다 (b

구속을 할 수

개 주어져 있

을 가진 구속

(c) surface co

ing

의 자유도를

구속으로 이

경우에 따라

부의 물체에

델로 나타내

나 1 자유도

b)는 선접촉

수 있다 단

있으며 마찰

속 성분이기

ontact

- 32 -

도 하다 또한 면접촉의 상태는 중력의 작용을 이용하면 받기를 형성하고 또

외계력을 이용하면 기를 형성한다

이들의 접촉상태는 물체의 형상과 핸드의 구속면으로 규정되는 것으로 핸드

만으로 결정하기는 어렵다 단 핸드의 구속면을 부드러운 재질로 형성하면 면

접촉의 이행이 용이하다 이와 같은 이유에서 물체에 접촉부가 포락도를 높이는

데에 따라서 물체 형상에 관계 없이 구속 능력을 증 시킬 수 있다

(2) 메커니컬 핸드의 자유도

로봇의 손은 그 용도를 불문하고 인간의 손 작업의 행을 목적으로 하는

것이므로 그 설계에 있어서 모델로 되는 것은 말할 것 도 없이 인간의 손이다

그래서 우선 기구에 하여 설명하기 전에 인간의 손의 구조 모델에 하여 설

명해 본다

AmiddotMorecki 에 의하면 인간의 상체는 그 해부학적 구조에 입각하면 Fig 3-9 와

같이 모델화할 수 있다 Fig 3-9 에서 숫자는 각각 골격 즉 링크를 나타내고 숫

자 II~ V 는 관절을 나타내고 있다 이와 같은 공간링크 기구의 자유도 F 는 가

동부수 n 자유도의 종류 f 를 가진 우 수를 Pf 라 하면 다음 식으로 나타낼

수 있다

6n sum ∙ P 12345 (3-1)

Fig 3-9

들 자유도가

을 Fig 3-9

P5=10 이므

인간의

유도 1 의

해 있으며

의 모델에서

가 있는 관절

9 와 같이 정

므로 위 식에

상지를 인공

액튜에이터를

22 개나 되

Fig 3

서는 n=19 P2

절에 작용하는

정의하고 그

서 FH=22 가

공적으로 정밀

를 27 필요

는 액튜에이

- 33 -

3-9 Human Ar

2=1 P3=2 P4

는 근군은 약

자유도 FH

가 된다

밀하게 재현하

요로 하게 된

터를 필요로

rm structure

4=6 P5=11 이

약 50 이라고

를 구하면

하려고 한다면

된다 또 손에

로 한다 그러

이므로 F=27

고 되어 있다

이 경우는 n

면 이상의 결

는 특히 자유

나 로봇의 손

이 된다 이

여기서 손

n=16 P4=6

결론에서 자

유도가 집중

손이 이만큼

- 34 -

의 수의 액튜에이터를 갖춘 것을 제작한다는 것은 크기 중량 제어면에서 볼

때 현시점에서는 불가능에 가깝다 특히 의수에 있어서는 상술한 바와 같은 형

상이나 조종성 등의 점에서 전혀 불가능하다고 해도 좋다 따라서 보통은 기능

에 주목하여 손에 집중해 있는 자유도의 간략화를 도모한다

인간의 잡기 동작에 주목해 보면 그 잡기 형상에는 12 종류가 있다고 하다

그러나 이것들은 엄지와 다른 12 종류가 있다고 한다 그러나 이것들은 엄지와

다른 4 손가락과의 관계에 주목하였을 때에 2 종류 즉 엄지가 다른 4 손가락과

항해서 동작하거나 그 측방에서 동작하는가로 분류할 수 있다 실제의 일상

동작에서 관찰하면 이들 중에서도 엄지와 손가락이 항해서 동작하는 소위 쥠

동작이 우선 첫 번째이고 또 다음에 엄지 검지 중지의 3 손가락의 선단으로

이루어지는 3Point Pinch 즉 잡기동작이 중요하다

더불어 손가락의 독립성에 해서는 역시 일상동작 중에서 손가락의 사용

빈도를 조사한 결과에 의하면 다섯 손가락은 반드시 독립적인 운동을 필요로

하지 않고 엄지 검지 중지가 같은 정도의 중요성을 자기며 다른 두 손가락은

사용 빈도에 있어서 이들 세 손가락보다 약 50 적으며 다른 세 손가락의 보

조 역할을 한다고 볼 수 있다 그리고 특히 중요한 것은 인간의 각 손가락은 잡

기 상물의 형상에 적응한 쥐기 즉 Passive 한 동작을 할 수 있다는 것이다 이

기능이 있다면 각 손가락이 독립적으로 동작하지 않더라도 또 다소 손의 자유

도를 제거하더라도 상물의 확실한 쥐기나 잡기 그리고 기타 손 작업에 큰 힘

을 발휘한다

- 35 -

34 표적인 동력원의 특징

동력원을 설계할 때 다음의 점을 고려하면서 가장 적합한 방식을 선택한다

1조작력(로보트가 내는 최 의 힘 예를들면 최 들어올린 힘)

2속응성(최 조작 속도)

3크기 중량(로보트의 크기와 중량의 제한)

4안정성(발열이나 과부하에 한 안전성)

5사용의 용이도

6수명가격

1 2 의 조작력 속응력은 로보트에 요구되는 성능에서 가장 기본적인 것인

데 이에 관련해서 크기나 중량의 제한 안정성 사용의 용이도 수명 가격 등을

고려해서 동력원을 선택한다 단 자주형 로보트에서는 2 차적 성능인 동력원의

중량이 첫째 요구 조건이 되는 경우가 많고 공업용 로보트에서는 저가격 사용

의 용이도 안전성이 중요 사항으로 우선시된다

모든 로봇은 동력원을 필요로한다 중요도에 따라 동력원을 선택해야 하는데

일반적으로 공기압식은 안전성이 뛰어난 반면 힘과 세밀한 위치제어가 어렵고

전기식은 응답성과 사용편리성 세밀한 위치제어가 가능하나 높은 힘을 내기 위

해서는 부가적인 기구부가 필요하다 유압식은 큰힘을 낼수있어서 속응성은 좋

으나 과부하시 상당한 발열이 있기 때문에 안전성에서 다른 동력원에 비해 떨

어진다 위 사항을 TABLE 3-1 로 분류하여 나타내었다

- 36 -

TABLE 3-1 Characteristics of power sources

전기식 유압식 공압식

사용용이성 편리하다 작동유의관리 관로의압력

필터관리에 유의

공급공기의 수분제거

윤활성의부가에 주의

수명 길다 기름에 윤활성이 있기

때문에 길다

공기에윤활성이 없어

유압 전기에 비해 짧다

가격 보통 가격 운영비 높음 저가격

응답속도

(반응성) 매우 빠르다 빠르다 늦다

하중능력 (소)에서 (중)정도의

하중능력 단히 큰 힘을 얻음 큰 힘은 없다

소음 적다 다소 크다 크다

- 37 -

제 4 장 능동형 그리퍼 설계

41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정

로봇 그리퍼의 정밀 파지 (Fingertip Grasp 손가락 끝을 이용하여 물체를 집

거나 바닥에누워있는 납작한 물체를 집는 행동)를 안정하게 하기 위해서는 손가

락 끝과 물체가 직각에 가까운 각도를 이룸으로 마찰력을 크게 하여 안정성을

높인다 또한 바닥에 놓인 물체를 집어 올릴 경우에도 물체표면의 법선 벡터와

손가락 끝의 각도가 클수록 물체를 효과적으로 구속하여 안정된 파지를 할 수

있다

그리퍼의 링크 시스템에 있어서 2 링크 손가락보다 3 링크 손가락을 쓸 때가

링크와 수평 평면이 이루는 각 (A)이 더 커지기 때문에 안정성이 더 좋다는 것

을 알 수 있다 그리고 안정성뿐만 아니라 식 (4-1)을 통하여 문체에 전해지는

Torque 값을 Fig 4-2 와 같이 그래프로 나타내면 0 도에서 75 도 정도까지는 A 각

이 커질수록 물체에 가해지는 토크 값이 점점 커지는 것을 알 수 있음으로 3 링

크 손가락을 쓰는 것이 파지력 증가됨을 알수 있다 ℓ3 의 길이가 길어질수록 A

가 작은 값을 가져서 정밀파지에 적당하지 않다

τ l cosA sinA l 1 cos A tan μ (41)

A cosempty

(42)

Fig 4-1

은 식을 통

각이 커짐을

움이 있고

Fig4-

에서 제 2 코

통해 구할 수

을 알 수 있다

최소 단위를

Fig4

-1 Configurati

코사인 법칙

있는데 이로

다 그러나 ℓ

를 1cm 로 하

-2 Change the

- 38 -

ion of the fing

을 이용하여

로부터 링크

ℓ3 가 1cm 인

하였기 때문에

e value of the a

gers on robot g

여 A 의 각을

길이 ℓ3 가

인 경우는 너

에 ℓ3 는 2cm

angle of phage

gripper

구하기 위해

작으면 작을

무 짧아서 파

로 결정하였

torque

해 (2) 와 같

을수록 A 의

파지의 어려

였다

42 모터

(1) 알고

앞 절에

여야 한다

는 모터의

이 작은 모

나 용량이

로 적절한

선정 알고

고리즘 정의

에서 설명한 기

로봇 팔에

선정은 동작

모터를 사용하

큰 모터를 사

모터의 선정

고리즘

기구들을 추

움직임을 전

작을 구현하는

하게 되면 기

사용하게 되

정이 중요하다

Fig 4-3 M

- 39 -

추후 로봇 시스

전달함에 있어

는데 중요한

기구의 원활한

면 모터의 외

다

Motor Selectio

스템에 적용을

어서 동력을

과제가 되겠

한 작동이 어

외형이 커지

on Algorithm

을 고려하여

공급과 제어

겠다 만일 토

려워지고 단

고 가격 또한

설계를 하

어를 수행하

토크나 용량

단순히 토크

한 증가하므

- 40 -

(2) 알고리즘 수행

모터를 선정하기 위해서 가장 우선적으로 해야 할 일은 기계구동부분을 결

정하고 구동부분을 어떠한 방식으로 작동을 시킬지 동작 패턴을 결정하여야 한

다 예를 들면 모터에서 나오는 힘을 받아서 볼 스크류를 이용하여 힘을 전달할

것인지 벨트 피니언 기어 혹은 풀리 등을 이용할 것인지를 결정하고 그에 따

른 적절한 구동방식을 결정한다 구동방식을 결정하게 되면 각각의 구동방식에

적합한 수식을 대입하여 부하토크를 계산한다 구동방식에 따른 부하토크를 구

하는 수식은 구동방식이나 구동장소 등에 따라 다소 상이하나 일반적인 수식은

다음과 같다

-BALL SCREW 구동

T FP2πn

μ F P2π

1i N ∙ m 43

F F mg sin α μ cos α N 44

-PULLEY 구동

T ∙ 45

μF D

2i N ∙ m

- 41 -

-WIRE middot BELT 구동 RACK middot PINION 구동

T F2πn

∙ πDi

FD2ni

N ∙ m 46

F F mg sin α μ cos s N 47

-실측에 의한 방법

T 48

직선운동 (커플링 직결 볼스크류 등)의 경우 위의 (43) (44) 이용하여 구할

수 있다 이때 F 는 축방향하중 F0 는 예압하중 μ0는 예압 NUT 의 마찰계수 η 은

효율i 는 감속비 PB 는볼스크류 피치를 나타낸다 회전운동 (풀리)의 경우 식

(45)를 이용하여 구할 수 있으며 FA는 외력 FB는 부하중량 (주축이 회전하기 시

작할 때의 힘) m 은 work 와 TABLE 의 총무계 μ 접동면의 마찰계수α는 경사각

도D 는 풀리의 지름을 나타낸다

실제현장에서는 선정된 모터의 토크를 확인하기 위해 실측에 의한 구동토크

를 계측하는데 스프링 저울을 구동 풀리에 연결지어 측정한다 이때 TL 은 회전

운동 부하토크에 해당하고 FB 는 부하중량 D 는 풀리의 직경을 나타낸다

위의 부하토크를 구하는 식들을 이용하여 부하토크를 구하게 되면 실제 모

터를 사용할 때 어느 정도의 시간적 여유를 두고 가속을 할 것인지 감속을 할

것인지를 결정하여야 한다 이를 위해서 우선 동작시킬 부분에 대한 관성모멘트

를 계산하

Fig 4-4

시한 것으로

dA 와 기준

이를 표현하

하여야 한다

4 는 관성모멘

로 X 와 Y

준축으로 부터

하면 식 (49)

Fig 4-4 Arb

I

멘트를 구하기

는 면적의 미

터의 거리의

)와 같다

- 42 -

bitrary shape o

y dA I

기 위한 절대

미소 요소 dA

제곱의 곱으

of planar area

x dA

대좌표 X Y

A 의 좌표이

으로 단면 2

축 상의 미소

이고 관성모멘

차 모멘트라

49

소면적을 도

멘트는 요소

라고도 한다

평면 면

가 있다 평

축에 대한

Fig 4-5

하는 평행한

관성모멘

식 (410

번째 적분은

면적의 관성

평행축 정리란

관성 모멘트

5 과 같이 도

한 xy 축 두

멘트의 정의로

I y

0) 에서 우변

은 Xc 축에

Fig 4-5

모멘트에 있

란 도심축에

트 사이의 관

도심을 원점으

좌표계의 평

로부터 x 축

y d dA

변의 첫 번째

대한 1 차 모

- 43 -

5 Parallel-axis

있어서 중요하

대한 관성

계를 나타낸

으로 하는 Xc

평행한 축 간

축에 대한 관

y dA

적분은 Xc

모멘트로서 X

theorem

하고 유용한

모멘트와 도

낸다

cYc 축과 임의

간의 거리를 d

성모멘트 Ix

2d y dA

축에 대한 관

Xc 축이 도심

정리로서 평

도심축에 평행

의의 점 O 를

d1 과 d2 로 표

는 식(410)와

d dA

관성모멘트

심을 통과하므

평행축 정리

행한 임의의

를 원점으로

표시한다

와 같다

410

I 이다 두

므로 적분의

- 44 -

값은 0 이다 세번째 적분은 면적 A 그 자체이다 따라서 식 (410)은 식 (411)과

같이 간단해진다

I I Ad 411

y 축에 대한 관성모멘트도 위와 같은 방법에 의해 식(412)과 같다

I I Ad 412

또한 면적의 평면에 수직인 수직축에 대한 관성모멘트를 극관성모멘트라 한

다 Fig 4-6 는 평면에 수직이고 O 점을 통과하는 축에 대한 극관성모멘트를 나

타낸 그림으로 이를 관성모멘트 식으로 표현하면 식 (413) 와 같다

I ρ dA 413

식 (413)와

즉 평면에

서로 수직인

극 관성

와 도심 C

와 식 (414)에

I

수직인 축에

인 두 축에 대

성모멘트에 대

에 대한 극

Fig 4-6 Arb

의해 식 (4

ρ dA

I

에 대한 극관

대한 관성모

대한 평행축

극 관성모멘트

- 45 -

bitrary shape o

ρ x y

415) 식 (41

x y dA

I I I

관성모멘트는

멘트의 합과

정리는 Fig

트를 각각 I

of Polar Area

y

16)과 같은 관

x dA y

는 평면 내의

과 같다

4-5 에서 유

와 I 로

관계식을 얻을

y dA

같은 지점을

유도할 수 있

로 표시하면

414

을 수 있다

415

416

을 통과하는

있다 원점 O

식 (416)에

- 46 -

서 식(417)을 유도할 수 있다

I I I I I I 417

I I I I A d d 418

I I Ad 419

식 (419)는 극 관성모멘트에 대한 평행축 정리를 나타낸다 즉 평면 내의 임의

의 한 점 O 에 대한 면적의 극관성모멘트는 도심 C 에 대한 극관성모멘트에 그

면적과 점 O 와 C 사이의 거리의 제곱의 곱을 더한 것과 같다

이상의 식에서 부하토크와 관성모멘트를 계산하여 모터를 가 선정한다 부하토

크의 경우 사용될 모터의 정격 토크를 넘어서지 않는 것을 선정한다 부하토크

를 TL 정상 부하 상태의 힘 PL 극 관성모멘트 IL 회전운동을 위한 힘 Pa 각속

도 가속 시 소요되는 시간을 ta 라 하고 식 (420)을 이용하여 부하가 일정하

게 작용할 때의 힘을 계산한다 마찬가지로 관성모멘트를 식 (421)에 대입하여

가속을 위한 회전 운동 시 필요한 힘을 계산한다 식 (420)과 식 (421)에서 계

산된 힘을 합산하면 모터를 회전시키기 위해 필요한 출력이 계산된다 이때 계

산된 출력보다 실제 사용할 모터의 정격 출력이 1~2 배 정도가 되도록 모터를

가 선정한다

- 47 -

P T ω 420

P 421

위의 과정을 통하여 모터를 가선정하고 가감속 토크 및 구동 토크를 계산한

다 각각의 토크를 계산하게 되면 모터를 최종적으로 선정하게 되는데 두 가지

사항을 고려하여 최종 선정한다 먼저 식 (422)을 통해서 계산되는 가속 시 소

요되는 기동 토크 TM 가 모터의 최대 토크를 넘지 않는 것으로 선정한다

T 422

두 번째로 Fig 4-7 의 속도 선도와 같이 모터의 가 감속 시간과 정상 동작

시간 등을 결정하여 식 (423)과 같이 실효치 토크 TS 를 구하고 실효 토크가 모

터의 정격 토크보다 크지 않도록 선정한다

T 423

Fig 4-7 Exa

- 48 -

ample of veloc

city guidance

- 49 -

(3) 알고리즘 적용

로봇시스템에 있어서 기구들의 관성모멘트와 토크 계산 후 적합한 모터를

선정하기 위해 시중에서 시판되는 모터를 조사하였다 로봇에 적용 가능한 모터

로는 크게 서버모터와 스텝모터 RC 서버모터 DC 모터로 구분 할 수 있었다 이

를 TABLE 4-1 과 같이 정리하였다

동력원의 6 가지 선정요소 중 우선순위를 부여하여 분류했을 때 핸드 그리퍼

의 특성상 가볍고 토크가 큰 RC 서버 모터 미니 서버모터를 선택할 수 도 있지

만 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터 중 토크를 증가시킬 수 있는

감속기가 있는 타입의 모터를 우선시 하였다

1 감속비를 사양할 수 있는 모터를 선정하여 계산한 토크를 확인한다

2 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터를 선정한다

3 CLOSED LOOP 제어를 통하여 정확한 위치를 검출할 수 있어야 한다

따라서 스텝모터중 lsquoOrsquo사의 ldquoαSTEPrdquo가 적합하다고 판단되어 모터를 선정하였다

- 50 -

TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics

미니서버모터 RC 서버모터 스텝모터 DC 모터

장점 동일사양대비 모터

중 10배정도 큰 토크

5v사용가벼움

정확한 위치제어

급격한 부하변동급가

속 유리

저렴한가격

보편화됨

단점 정지시 진동이 예상 약한 토크 THRUST하중이 모터

무계 이하여야 한다

유지보수가 잦다

크기 151588mm(10w20w)

2525111mm(30w)

392038mm 424234mm Oslash37mm917mm

동작전압 Dc 24V Dc 48V60V Dc 24V Dc 24V

무계 230g~400g 56g 150g 200g

허용토크 009Nm~03Nm 11~13kgfcm 18kgfcm (018Nm) 47kgfcm(1200)

감속기 다양한 감속비 가능 고정 감속기 감속기 무(072˚036) 다양한 감속비

제조사 야스카와 SGMM 하이텍 HS-5945 AUTONICS GCM 3429A

TABLE 4-2 αstep motor characteristics

외형 전압 전류 무계 토크 감속비 분해능

αSTEP 282884mm

4242127mm Dc24V 1~37A 250G 2~28 Nmiddotm 50~1001

00072pluse

00036pluse

- 51 -

43 1 차 능동형 그리퍼 설계

실린더를 사용하여 링크로 물체를 파지하던 그리퍼는 Fig 4-8 과 Fig 4-9 에

묘사하였다 이런 실린더를 사용한 그리퍼는 공압 효과를 도출할 수 있는 별도

의 펌프가 필요하고 동작을 구현할 수 있는 자유도를 증가시키는데 한계가 있

다 이런 실린더의 단점을 보완하고 전기모터의 장점을 사용하기 위해 웜기어와

웜휠 방식을 채택하여 2 자유도 능동형 그리퍼를 설계하였다

1 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-10 에 묘사하였으며 1 차설계한

능동형 그리퍼는 Two Fingertip Grasp 로 칭하겠다 파지한 물체를 회전 시키는

기능은 베벨기어를 사용하여 회전운동으로 구현하였고 실린더의 전middot후진 운동

을 전기모터의 회전운동으로 변환 시키기 위하여 웜기어와 웜휨을 선택하였다

전기모터에 의해 회전하는 운동은 웜기어와 웜휠에 의해 링크를 사용하여 물체

를 파지하였던 그리퍼와 동일한 운동효과를 가지게 되었다

웜기어와 웜휠을 사용하여 물체를 파지하는 능동형 그리퍼는 스윙형으로 설

계되었으며 파지력을 높이기 위한 각도를 적용하였다 링크를 사용하여 물체를

파지하는 형태의 그리퍼보다 기구의 크기를 줄일 수 있는 장점이 있는 반면 기

어들의 백래시에 의한 오차가 끝단에 누적될 수 있는 문제점을 가지고 있다또

한 기구부의 소재 변경으로 그리퍼의 무계를 줄일 수 도 있지만 가장 큰 무계

를 차지하는 모터를 그리퍼 자체에서 분리하게 할 수 있게 하려면 그리퍼 자체

의 구조변경이 필요하다

`

`

Fig 4-8 Par

Fig 4-9 Par

- 52 -

rallel-link gra

rallel-link gra

sps system 1

sps system 2

Fig 4-10

- 53 -

0 Two fingertipps grasp system

- 54 -

44 2 차 능동형 그리퍼 설계

1 차 설계한 능동형 그리퍼에서 발견된 문제점을 보안하기 위하여 2 차 능동

형 그리퍼를 설계하였다 2 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-11 에 묘사

하였으며 2 차설계한 능동형 그리퍼는 Four Fingertip Grasp 로 칭하겠다 이 장치

는 크게 동력원 동력 전달장치 핑거 그립장치로 구성되어있으며 이를 통합하

여 Fig 4-12 에 나타내었다

핑거 그립장치는 스윙형 그립의 단점을 보완하여 설계하였다 물체를 파지할

때 그립의 회전 반경이 주위 환경요소와 간섭을 발생시킬 수 있는데핑거가 전

진할때 샤프트와 핑거그립간의 나사결합형태를 통한 직선운동으로 개선하여 주

위환경요소에 영향을 주지 않도록 설계하였다 구동축의 핑거파지 메카니즘을

Fig 4-13 와 같이 간략화 하였고 이에 대한 세부 도면은 Fig 4-14 로 나타내었다

4 조 핑거 그립의 나사산과 테이퍼진 스크류축은 나사식으로 결합되며 상호

작용에 의해 점차 중심점으로 이동하여 물체를 파지하는 형태이다 사용된 2 개

의 샤프트는 중공축으로 설계하였으며 외부 샤프트는 4 조 핑거가 물체를 파지

하여 비트는 모션을 구현하는데 사용되었다 내부 샤프트는 핑거를 중심점으로

전진시켜는 기능을 수행한다 중공축으로 설계한 내부 샤프트는 차후 개발될 인

스트리먼트의 탈부착을 손쉽게 할수있도록 구현하였고 4 조로 설계된 핑거는 그

립시 인스트리먼트의 응력집중현상을 분산시키는 기능과 2 조로 그립하였을때

보다 안정적인 그립감을 형성한다

- 55 -

동력원과 동력전달장치는 Fig 4-15 에 나타내었으며 Two Fingertip Grasp system

의 문제점이었던 구동부의 모터의 설치 방법을 외부에 부착하는 형태로 변경하

여 우레탄 밸트를 사용하였다 또한 아이들러를 사용하여 밸트의 방향을 변경

하여 모터의 부착위치를 자유롭게 설정할 수 있도록 하였고 모터 브라켓에 슬

리브 홈을 설치하여 벨트의 장력을 조절할 수 있도록 하였다

Fig4-11

Fig4-12 Fou

- 56 -

Four fingertip

ur fingertips g

ps grasp system

grasp system la

m

ayout

Fig 4-13

Fig 4-14

- 57 -

Fingertip gra

4 Fingertip gr

asps mechanis

rasps extended

m

d

Fig 4-15

- 58 -

5 Power transmission devicce

- 59 -

제 5장 결 론

본 연구에서는 MIS 수술 로봇을 위한 햅틱 마스터장치 구동용 능동형 그리

퍼를 설계하기 위하여 그에 상응하는 자료 및 문헌 조사를 수행하였고 햅틱 마

스터에 적용 가능한 능동형 그리퍼를 설계하여 로봇 시스템의 초안을 구성하였

다 수술용 도구를 단순히 잡아주는 역할에서 벗어나 시스템에 추가적인 자유도

를 부여함으로써 그리퍼를 표현하였다 단순화된 그리퍼는 보다 저렴한 가격으

로 생산될 수 있으며 기존 로봇 수술시스템의 높은 비용을 절감할 수 있는 효

과를 가져올 수 있다

최종적으로 제안한 설계 안으로는 2 조 핑거그립를 사용하는 전기모터형 그

리퍼 와 추가적으로 개선한 4 조 전기모터형 핑거그립를 설계였다 스윙형 그립

의 단점을 보안하여 집중응력을 분산할 수 있는 구조로 설계하였고 그리퍼의

무계를 줄일 수 있는 방법을 제시하였다 이로써 원통형 도구 파지 시 안정성이

향상되었고 보다 원활하게 수술 도구를 교체 가능하도록 하였다

앞으로 촉감을 전달할 수 있는 센서의 개발로 햅틱 디바이스 인터페이스 장

치의 활용에 보다 높은 기여를 할 것이라 예상된다

-６０-

참고 문헌

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정보 및 제어부분 PP68~7020084

[2] 박정호 ldquo국내외 의료로봇 현황과 발전방향rdquo정보과학지 26(4)

PP49~5420084

[3] 편집부 ldquo수술지원로봇의 최신 기술 동향rdquo월간 자동화 기술 22(12)

PP74~77200612

[4] 경기욱박준석 ldquo햅틱스 기술개발 동향 및 연구전망rdquo전자통신경향분석

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[5] 권동수경기욱 ldquo의료용 로봇의 연구 현황과 전망rdquo기계저널

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한국정밀공학회 2009년 추계학술대회 논문집

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[9] 이재훈김형욱이병주서일홍 ldquo새로운 6자유도 병렬형 햅틱 기구의 최적설

계 및 해석rdquo한국정밀공학회 2003년 추계학술대회 논문집

[10] 조국훈이재훈이병주김희국 ldquo병렬형 그리퍼 메카니즘rdquo한국정밀공학회지

[11] 김갑순 ldquo3축 힘센서를 이용한 지능형 그리퍼 개발rdquo한국정밀공학회지 제

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[12] 고대성김성목김희국이병주 ldquo병진형 자유도와 1자유도 파지기능을 가지는

4자유도 병렬 메커니즘의 기구학분석rdquo한국정밀공학회 2007년 추계학술대회

• 제1장 서 론
• • 11 연구배경 및 연구목적
  • 12 연구내용
  • • 제2장 로봇 산업의 기술 현황
    • • 21 로봇산업의 동향
      • 22 의료용 로봇기술 현황
      • 23 의료용 로봇시장 전망
      • • 제3장 능동 그리퍼
        • • 31 최소침습 수술 햅틱 장치구현에 필요한 능동 그리퍼 제안
          • 32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류
          • 33 파지형태에 의한 그리퍼의 분류
          • 34 메카니컬 핸드의 구속기능
          • 35 대표적인 동력원의 특징
          • • 제4장 능동형 그리퍼 설계
            • • 41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정
              • 42 모터 선정 알고리즘
              • • 43 1 차 능동형 그리퍼 설계
                • 44 2 차 능동형 그리퍼 설계
                • • 제 5 장 결론
                  • 참고문헌
                  • TABLE 2-1 Domestic robot classification
                  • TABLE 2-2 Robot Production Company
                  • TABLE 3-1 Characteristics of power sources
                  • TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics
                  • TABLE 4-2 αSTEP Motor Characteristics
                  • Fig2-1 Phase of medical robots in the robot industry
                  • Fig2-2 Da Vinci surgical case number
                  • Fig3-1 Da Vinci robot system for MIS
                  • Fig3-2 Classified by the gripper grip action
                  • Fig3-3 Swing-type hand mechanism
                  • Fig3-4 Hand mechanism for translational type1 (parallel displacement)
                  • Fig3-5 Hand mechanism for translational type2 (Rack and pinion type)
                  • Fig3-6 Hand mechanism for three point pinch type
                  • Fig3-7 Movement of object
                  • Fig3-8 Contacts of the kind and the confining
                  • Fig3-9 Human Arm structure
                  • Fig4-1 Configuration of the fingers on robot gripper
                  • Fig4-2 Change the value of the angle of phage torque
                  • Fig4-3 Motor Selection Algorithm
                  • Fig4-4 Arbitrary Shape of Planar Area
                  • Fig4-5 Parallel-Axis Theorem
                  • Fig4-6 Arbitrary Shape of Polar Area
                  • Fig4-7 Example of Velocity Guidance
                  • Fig4-8 Parallel-link Grasp system 1
                  • Fig4-9 Parallel-link Grasp system 2
                  • Fig4-10 TWO Fingertip Grasp system
                  • Fig4-11 Four Fingertip Grasp System
                  • Fig4-12 Four Fingertip Grasp System layout
                  • Fig4-13 Fingertip Grasp Mechanism
                  • Fig4-14 Fingertip Grasp extended
                  • Fig4-15 Power Transmission Device

- 8 -

TABLE 2-2 Robot Production Company

구분

2005 2006

업체수 구성비 업체수 구성비

제조업용 로봇 60 333 77 453

전문서비스용 로봇 13 72 13 76

개인서비스용 로봇 39 217 24 141

네트워크 로봇 17 94 8 47

로봇부품 및 부분품 51 283 48 282

합계 180 1000 170 1000

나 로봇생산 생산규모

로봇기업의 생산 현황을 보면 2005 년에는 5722 억 원 정도였으나 2006 년에

는 7196 억 원으로 258의 증가율을 보였다 특히 의료 복지용 로봇 분야가 포

함되어 있는 전문서비스용 로봇은 2005 년에는 53 억 정도였으나 2006 년에는

124억으로 전년대비 1309의 높은 증가세를 보였다

최근 국내에서 개발된 환자 안내용 로봇인 스누봇 (SNUBOT)이나 내시경 로

봇인 미로캠 (MiroCam) 등의 개발로 인해 더욱더 생산 증가폭은 커질 것으로

전망한다 의료 복지용 로봇분야에서는 2005 년에는 생산이 거의 없었으며 2006

년에는 약 6 천 만원으로 증가하기는 하였으나 이는 다른 로봇 분야에 비하면

극히 미비한 생산액이며 수술 로봇이나 재활 로봇에 대한 생산은 거의 전무한

실정이다 한국과학기술정보연구원(KISTI)에 따르면 2006 년 국내 서비스 로봇

- 9 -

(산업용 로봇 제외) 시장규모는 약 624 억 원으로 미비한 수준에 그쳤으나 2011

년 5117 억 원에 달하고 2013 년 이후는 수조 원에 달하는 황금시장으로 떠오를

것으로 예상하였다 또한 정부에서는 2005 년 국내 로봇산업 육성을 위해 2013

년까지 세계 시장 점유율 15 총생산 30 조원 수출 200 억 달러 고용창출 10

만 명 등 세계 3위의 로봇강국을 목표로 하고 있다

22 의료용 로봇기술 현황

(1) 의료용 로봇 유형 및 개념

의료용 로봇은 크게 수술 로봇 수술 시뮬레이션 재활로봇 기타 의료 로봇

등으로 분류된다

첫째 수술 로봇은 크게 두 가지의 유형으로 분류된다 먼저 수술 보조 로봇

(surgery assistant robot)은 수술실에서 집도의 명령에 따르면서 수술을 보조하거나

영상 가이드 역할을 해주는 로봇을 의미하며 수술 로봇 (surgery robot)은 의사를

대신하여 수술과정의 전체 혹은 일부를 의사 대신 혹은 의사와 함께 수술 작업

을 한다

둘째 수술 시뮬레이터 (surgery simulator)는 의사의 수술에 관한 숙련도를 높

이기 위하여 가상의 그래픽 환자 모델과 햅틱 장치 (haptic device) 등을 이용하

여 수술을 연습할 수 있게 하는 의료용 로봇이다 특히 근래에 들어 프로세스의

- 10 -

성능이 좋아지면서 MRI 나 CT 영상 등을 활용한 실시간 3 차원 볼륨이 가능해

지면서 의료용 시뮬레이터 개발은 가속화 되었다

셋째 재활 로봇 (rehabilitation robot)은 노인과 장애인의 재활치료와 일상생활

을 도와 주는 로봇 시스템으로 단순한 신체를 지지해 주는 역할을 벗어나 중증

환자나 노인의 신체 움직임을 향상시키고 빠른 시일 내에 회복하도록 주요 기

능을 수행하고 장애인의 장애를 극복하여 독립적인 생활을 가능하게 할 수 있

는 특정 기능의 로봇을 의미한다

넷째 기타 의료 로봇으로는 간호 로봇이나 안내로봇 등이 있다 현재의 간

호 인력을 도와서 수술이나 치료를 받는 환자를 보살피는 로봇으로서 정확한

투약과 수술 후 관리가 가능하도록 도와주는 기능과 환자의 이동 간병 및 산책

이 가능하고 말벗의 기능을 포함하는 로봇을 의미한다

(2) 의료용 로봇기술 개발현황

가 수술 로봇

현재까지 연구된 수술 로봇은 미세 수술용 원격수술 로봇 최소침습수술

(MIS) 로봇 관절 수술 로봇 등으로 분류할 수 있다

원격수술 로봇 시스템 일환으로 개발된 대표적인 로봇으로는 일본 동경대의

원격 수술 로봇 미국 NASA JPL 의 RAMS SRI International 의 원격 수술 로봇

한국과학기술원의 미세수술용 Slave 로봇 등이 있다

- 11 -

MIS 의 로봇 시스템 일환으로 개발된 대표적인 로봇으로는 미국의 UC 버클

리대의 수술 로봇시스템 Computer Motion 사의 내시경 보조 로봇인 이솝

(AESOP)과 복강경 수술 로봇인 제우스 (ZEUS) 제우스 보다 진보된 Intuitive

Surgical 의 다빈치 (daVinch) 등이 있다 이 중 다빈치는 수술용 로봇으로 거의

독점적인 위치로써 세계 로봇수술의 첨병역할을 하고 있다

관절 수술 로봇의 일환으로 개발된 대표적인 로봇으로는 미국 Integrated

Surgical System사의 로보닥 (Robodoc) 독일의 Orto Maque사의 CASPAR 영국의

Imperial College의 아크로보트 (Acrobot) 등이 있다

나 수술 시뮬레이터

수술 로봇 이외에 의사의 수술에 관한 숙련도를 높이기 위한 의료용 시뮬레

이터가 활발하게 연구되고 있다 특히 근래에 들어 프로세서의 성능이 좋아지면

서 MRI 나 CT 영상 등을 활용한 의료용 수술 시뮬레이터 개발이 가속화 되었

다 대표적인 수술 시뮬레이터로는 미국 Georgia Tech의 안구 수술 시뮬레이터

미국 Boston 다이나믹스사의 개복수술 시뮬레이터 Mitsubishi Electric Research Lab

의 무릎관절 내시경 시뮬레이션 영국 맨체스터 대학의 웹기반 시뮬레이터 등이

있다

다 재활 로봇

- 12 -

노령인구와 장애인구의 증가로 로봇 기술의 필요성은 재활분야에도 확대되

고 있다 장애인의 독립적인 활동을 보장하고 삶의 질을 높이려는 노력은 유럽

등의 선진국을 중심으로 재활 로봇이 연구되어 왔으며 이탈리아에서 개발된

MOVAID 가 대표적인 재활 로봇이다 또 미국에서는 MIT 를 중심으로 RIC 과

같은 로봇 신경 재활 로봇들이 개발되고 있다 스위스에서는 보행 재활 로봇으

로 Lokomat 이 개발되었고 국내에서는 KAIST 에서 휠체어 로봇 시스템과 보행

보조 로봇 등이 연구되고 있다 이외에도 서강대학교에서는 SUBAR 라는 보행

재활 로봇을 개발하였다 이외에도 최근 미국의 Intouch Health 에서 개발한 RP-7

은 멀리 있는 환자의 병증을 파악하는 데 탁월한 원격진료 로봇으로 활용되고

있다

(3) 국내 의료용 로봇 적용사례

상기 서술한 의료용 로봇 중 가장 많은 각광을 받고 있으며 국내에서 적용

되고 있는 사례를 통해 의료용 로봇의 사용 실태를 파악보고자 한다 대표적인

복강경 수술 로봇인 Intuitive Surgical의 다빈치 로봇 시스템과 고관절 수술 로봇

인 Integrated Surgical System사의 로보닥을 중심으로 국내 실태를 살펴보고자 한

다

가 다빈치

- 13 -

Fig 2-2 da Vinci surgical case number

다빈치 로봇은 1997 년 벨기에서 처음으로 환자에게 적용된 이래 국내에

2005 년 7 월 연세대학교 신촌 세브란스 병원에서 최초로 도입하여 2005 년 7 월

15 일 국내 최초로 다빈치를 이용한 로봇 수술이 이루어졌다 Fig 2-2 에서 보

듯이 수술사례는 계속적으로 증가하여 2008 년 1 월 말 현재 750 건이 넘는 수

술이 이루어졌다

다빈치 로봇은 전립선암 위암 대장남 부인암 식도암 갑상선암 간암 등

대부분의 암수술 및 중요 외과계 수술에 적용된다 이는 다빈치 로봇 수술이 가

져다 주는 효과인 개복수술이나 복강경 수술보다 수술회복기간이 단축되고 수

술시간도 감소시키는 역할과 무엇보다 수술 후 환자가 겪는 수술 후유증 확실

- 14 -

히 줄여주기 때문이다 특히 전립선암의 경우 대표적인 수술 후유증인 요실금

과 발기부전 등의 가능성이 대폭 줄어드는 것으로 알려져 있다

이와 같은 수술사례와 수술성과에도 불구하고 다빈치 로봇의 가격이 25 억

정도의 고가이기 때문에 영세한 의료기관에서 도입하기에는 다소 무리가 따르

고 있다 그러나 대형 병원들은 다빈치의 성공적인 수술사례를 통해 앞다투어

이를 도입하고 있다

2008 년 1 월 현재 신촌 세브란스 병원은 이미 3 대를 도입했고 영동 세브

란스 병원 고려대 안암병원 서울아산병원 한림대 강남병원 분당서울대병원

삼성서울병원 경북대병원 동아대병원 등 9 개 의료기관에 도입되어 있다 또한

최근 (2008 년 1 월 30 일) 연세대 세브란스병원은 로봇 수술의 활성화를 위해

Intuitive Surgical 과 공동으로 복강경 수술용 로봇 다빈치를 이용한 수술법을 배

우는 lsquo연세 다빈치 트레이닝 센터rsquo를 개소하였다

다빈치는 로봇 가격만큼 수술 비용에 있어서도 고가인데다 의료보험이 적

용되지 않아 수술 비용을 환자가 모두 부담해야 하는 실정이다 다빈치 로봇 수

술 비용은 700~2000 만 원선으로 기존의 수술 비용인 200~300 만 원 보다는 다

소 높은 가격이다 특히 전립선암의 경우 로봇 수술 비용은 1500 만 원 선으로

개복수술이나 복강경수술보다 5~7 배 정도의 높은 가격이다 그럼에도 불구하고

로봇 수술은 거의 모든 암 수술에 적용되고 있고 환자와 의사 모두 만족하는

수술법으로 자리잡아 가고 있다

- 15 -

나 로보닥

로봇이 외과적 기계로써 임상적으로 처음 국내에서 적용된 것은 1992 년 lsquo로

보닥rsquo이라는 의료용 로봇이다 미국에서 개발된 로보닥은 인공관절이 삽입될 환

자의 뼈를 로봇으로 가공해서 수술 성공률을 획기적으로 높였다 두꺼운 뼈를

정확한 형상으로 깎아내는 작업에는 CADCAM 자료에 따라 작동하는 로봇 팔

이 숙련된 외과의사를 간단히 능가했다 로보닥은 한국과 EU 의 판매승인을 획

득했고 결국 인공관절수술의 대세를 장악했다 세계적으로 8000 회 이상의 수술

이 로보닥을 이용하여 성공적으로 수행되었으며 2001년 FDA의 승인을 받기도

하였다

2002 년 국내 처음으로 로보닥이 도입된 이래로 이춘택 병원은 현재까지

2556 회라는 경이적인 수술건수를 기록하였다 그는 최소침습수술과 접목하여

로봇의 정밀성과 최소 절개기술을 결합시킴으로써 환자의 고통과 재활 기간을

크게 줄였다 그러나 로보닥의 가격은 무려 17 억 원이며 3 차원 영상까지 구현

하기 위해서는 10 억 원 상당의 멀티 CT 까지 도입해야만 한다 그렇기 때문에

소규모의 관절전문병원이 도입하기에는 다소 무리한 점이 있다 이러한 상황에

서 이춘택은 국내시장에 맞는 로봇개발을 위해 국산 부품 및 소프트웨어를 개

발 중에 있다 따라서 우리나라도 고령화 사회를 맞아 세계적으로 관절 수술이

급증하고 있는 상황에서 국내 기술로 만든 수술용 로봇이나 소프트웨어 개발은

국내 의료용 로봇시장의 활성화를 이룰 수 있다

- 16 -

23 의료용 로봇시장 전망

(1) 로봇산업 전망

로봇 분야별 세계시장 정세를 살펴보면 제조업용 로봇은 시장안전화 단계로

써 급격한 시장변화는 어려우며 신규 생산설비 및 기존 설비에 따른 수요가 대

부분 차지하고 있는 실정이다 개인서비스용 로봇은 가족구조의 핵가족화와 고

령화 현상으로 인한 가족인원으로서의 가정용 로봇에 대한 수요가 증가 추세에

있다 전문서비스용 로봇은 생산국과 생산기업이 극히 제한되어 있으며 제품가

격의 고가로 인해 시장형성에 있어서 생산국과 수요국이 불일치하고 있는 실정

이다 이러한 상황에서 로봇시장의 국가별 점유율을 살펴보면 일본 (28) 미국

(18) 독일 (16) 이탈리아 (10) 한국 (3)의 순으로 세계 5 위를 차지하고

있다 이와 같이 산업용 로봇의 경우는 우리나라의 세계적인 위상이 높지만 아

직까지 전문 서비스 분야 로봇에 대한 세계적인 위상은 미비하다

시장규모 전망과 국내 세계시장 점유율에 대한 전망은 다음과 같다 세계 로

봇시장의 규모는 2010 년에는 247억 5 백만 달러에서 2020년에는 717억 7 천만

달러에 이를 것으로 보고 있으며 연평균 107의 증가율을 예상하고 있다 분

야별로는 제조업용 로봇은 2010 년 세계시장의 114에서 2020 년 144의 비중

을 차지할 것으로 전망하고 있으며 전문서비스용 로봇은 2010 년 세계시장의

09에서 2020 년 21의 비중을 차지할 것으로 예상하고 있다 개인서비스용

- 17 -

로봇은 2010 년 30에서 2020 년 70 수준에 달할 것으로 보고 있다 비록 전

문 서비스용 로봇산업의 규모는 미국 일본 독일에 비해 미미한 실정이나 전문

서비스용 로봇의 신시장을 개척하고 그 만큼의 기술력이 밑받침된다면 2020 년

세계시장에서의 더 큰 비중의 달성이 이루어질 것으로 본다

(2) 의료용 로봇기술 전망

의료용 로봇시장의 성장은 의료용 로봇기술 개발산업의 성장과 밀접한 관계

가 있다 세계적인 개발추세로는 의료용 로봇개발 하드웨어 분야에서는 일본이

경쟁력이 가장 높으며 소프트웨어 분야에서는 미국이 앞서나가고 있다 또한

독일은 하드웨어 및 소프트웨어 분야에서 동시에 상당한 연구 개발 능력을 보

유하고 있다 앞으로는 이 세 나라가 의료용 로봇 시장의 핵심 주자로 나설 것

으로 예상된다

산업연구원 (2007) 조사에 따르면 국내 로봇산업의 기술은 기술항목에 따라

다소 차이를 보이고 있으나 제조업용 로봇의 경우는 최고 기술 보유국 대비 평

균 85 정도에 육박하고 있으며 전문서비스용 로봇의 경우는 80 정도 개인서비

스용 로봇은 84 정도에 이르고 있는 것으로 나타났다 의료용 로봇 분야에서는

선두주자인 미국의 기술력을 100 이라고 봤을 때 현재 우리나라는 70 정도이며

2015년이 지나야 100 에 도달할 것으로 전망하였다 비록 의료용 로봇에서 세계

1위인 미국에 비해 우리는 아직 10년 이상 차이가 있지만 세계 최초로 국제 규

- 18 -

모의 로봇랜드 조성과 로봇펀드 발생 등 정부 차원에서의 노력이 여러 가지 방

면에서 다양하게 펼쳐지고 있기 때문에 그 격차는 점차 줄어들 것으로 예상된

다

또한 IFR (2006) 자료에 따르면 한국 산업용 로봇은 세계 5 위의 강국[16]인

데 비해 의료용 로봇에 있어서는 약소국이다 이는 의료용 로봇의 개발비가 많

이 드는데 비해 국내 시장은 극히 제한적이어서 일반 기업의 참여가 아주 저조

하기 때문이다 국내에서 의료용 로봇 관련 기술 개발은 아직 걸음마 단계에 머

물러 있으며 벤처기업 및 대기업들이 개발해 상용화시키고 있는 기술이나 제품

도 대부분이 생활 가전형 로봇에 한정되어 있을 뿐 의료용 로봇분야는 아직 미

개척지로 남아 있다 하지만 국내에서도 의료용 로봇 개발을 수행하기 위해 대

학이나 연구소 차원에서 의료용 로봇에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다 먼

저 한국과학기술원이 8 년 전 설치한 휴먼 웰페어 로보틱 서저리 센터가 대표

적인 연구기관이다 이 연구소에서는 거동이 불편한 환자들을 위한 휠체어의 자

동화 시스템이나 복강경 수술 로봇 등 로봇 수술용 기구의 국산화에 초점을 맞

춰 진행 중이다 또한 최근에는 국립암센터 역시 산업자원부로부터 수술용 로

봇과 영상시스템을 주제로 한 의료용 로봇 개발자로 선정되어 연구에 들어갔다

비록 국내 의료 및 수술 로봇 관련 기술이 일본 미국 등에 비해 아직까지

뒤쳐져 있는 실정이지만 국내에서도 의료용 로봇 기술 개발이 이처럼 활발히

진행되고 있어서 향후 전망은 매우 밝다고 할 수 있다 또한 해외에서 각광을

받고 있는 캡슐형 내시경 연구 역시 국내에서 벌써 10 년째 계속 되고 있다 최

- 19 -

근 한국과학기술연구원과 벤처기업인 인트로메딕이 개발한 세계 최소형 캡슐형

내시경인 미로캠 (MiroCam)은 2010 년까지 국내 캡슐형 내시경 시장의 80를

점유할 것으로 예상하고 있다 이러한 국산 의료용 로봇 개발을 통해 고부가가

치 시장인 세계 의료 시장에 뛰어들 수 있는 기반을 다졌다는 데에 큰 의미가

있다

전문 서비스용 로봇의 경우 제조업 로봇 관련 풍부한 경험을 바탕으로 전문

서비스용 로봇으로의 기술확대 메카트로닉스 (mechatronics) 관련 다양한 산업기

반과 세계적인 IT 인프라 보유국의 강점을 살리고 있다 또한 한국은 10 대 성

장동력간 연계 등을 통한 시너지 효과와 세계 전문서비스 로봇 시장이 초기형

성 단계임을 감안한다면 이 분야의 진출에 대한 절호의 기회이며 머지않아 의

료용 로봇 강국으로 진입할 수 있을 것으로 기대된다

- 20 -

제 3 장 능동 그리퍼

31 최소침습 수술 햅틱 장치 구현에 필요한 능동 그리퍼 제안

21 세기 로봇 기술 분야에서는 인간과 기계 시스템 간의 커뮤니케이션이 무

엇보다 중요하게 강조되며 이러한 인간과 기계 시스템의 의사소통은 주로 인간

의 감각 기관을 통해 이루어 진다 일반적으로 인간에게는 보고 듣고 냄새를

맡고 맛을 보고 피부로 느끼는 오감이 있으며 이러한 감각을 시각 청각 후

각 미각 촉각이라고 한다 따라서 이러한 인간의 감각에 정보를 전달하기 위

한 다양한 기계 시스템들이 개발되어 왔다 오감 중에서 현재 인간과 기계 시스

템간의 인터페이스 역할을 하는 표적인 감각으로는 사물을 보는 시각과 소리

를 듣는 청각이 주로 이용되고 있다 이를 위한 시스템들은 이미 상당한 수준으

로 발전해 현재 상용화 되어 활용되고 있다 하지만 이러한 시각과 청각 인터

페이스 만으로는 로봇의 제어에 한계가 있으며 오감 중에서 세 번째 감각인 촉

각에 한 인터페이스가 현재 활발히 연구 개척되고 있다 만약 가상현실에 촉

감 인터페이스가 적용된다면 기존의 시각과 청각에만 의존하던 가상 현실에 촉

감을 전달함으로써 실제 물건을 만지고 느낄 수 있으므로 가상현실을 보다 더

실감나게 할 수 있을 것이다 하지만 인간의 감각 중에서 촉각은 매우 민감한

감각으로 여기에 촉감 정보를 전달하는 인터페이스는 아직 많은 연구를 필요로

하고 있다

- 21 -

햅틱 (haptic)이란 단어의 사전적인 의미는 ldquoof or relating the sense of touch

tactilerdquo로써 물체를 만질 때 사람이 느낄 수 있는 촉각적 감각으로 피부가 물체

표면에 닿아서 느끼는 촉감 (tactile sensation)과 관절과 근육의 움직임이 방해 될

때 느껴지는 근 감각적인 힘 (kinesthetic force)의 두 가지 힘을 모두 합쳐서 부르

는 말이다 촉감 구현 연구는 물리적 장치를 이용하여 사람이 직접적인 접촉이

없이도 촉각 정보를 전달하는 방법에 관한 전반적인 연구 분야를 일컫는 말로

사람에게 원격지에 있는 물체의 물리적 특성을 전달하는 원격조작 혹은 원격현

장감에 관한 연구로부터 시작되었다 가상 혹은 실제 환경에서 촉감을 구현하기

위한 연구를 포괄적으로 의미하는 용어로 햅틱스 (haptics)라고 한다 주요 연구

분야는 사람이 직접 손에 쥐거나 착용하는 물리적 장치인 햅틱 디바이스 인터

페이스 (haptic interface) 가상 공간상의 물체에 기계적 성질을 부여하여 사실감

이 있는 상호작용을 제공하고자 하는 햅틱 렌더링 (haptic rendering) 사람의 촉

각 인지 특성에 관한 연구 (tactile perception) 등으로 나눌 수 있다 특히 햅틱

인터페이스 (haptic interface)는 햅틱 디바이스 (haptic device)라고도 불리우며 사람

에게 촉감을 전달하는 물리적인 장치를 말하며 더 넓은 의미로 사용하여 가상

의 환경을 촉감 전달을 통해서 느끼게 하는 시스템 전체를 가리키기도 한다 이

러한 햅틱 기술은 다양한 분야에서 활용될 수 있는데 표적인 분야로는 가상

현실 분야 인간-컴퓨터 인터페이스 분야 게임 등 사이버 커뮤니케이션 그리고

원격제어 로봇 등이 있다 특히 원격제어 로봇이 많이 활용되고 있는 의료 분

야에서 햅틱 구현은 매우 시급한 과제이다 현 의 수술은 점점 첨단의 수술 도

- 22 -

구와 로봇을 이용하여 집도되는 추세이며 최소침습수술 (minimally invasive

surgery MIS)이 그 표적인 예이다 이 수술법은 환부의 구멍에 수술도구와 카

메라를 삽입하여 집도의가 모니터를 보면서 시술함으로써 시술시간이 짧고 환

자의 회복이 빨라서 그 적용 범위가 점차 확 되고 있다 하지만 환자가 얻게

되는 이점에 반해 의사는 개복 수술에서 쉽게 이용하던 기술들을 더 이상 적용

할 수 없게 되어 집도에 있어 큰 어려움을 부담해야만 한다 즉 환자의 내부에

서 손의 움직임과 시야의 제약을 받게 되었고 손으로 환자의 장기나 뼈를 만지

고 상태를 확인할 수 없게 된 것이다 이러한 문제점들을 극복하기 위해 첨단의

의료용 로봇 시스템이 개발되었는데 의사 즉 오퍼레이터가 조작하는 마스터

(master) 로봇과 환자의 환부에서 수술을 진행하는 슬레이브 (slave) 로봇으로 구

분된다 슬레이브 로봇은 크게 수술 시 집도의 팔의 움직임을 구현하는 구동 암

(arm)과 수술도구를 홀딩 할 수 있는 그리퍼로 분류할 수 있다 구동 암의 움직

임은 수술 부위의 위치를 결정하면 별도 큰 움직임 없이 작동시킬 수 있으며

전달 수술 관통 수술이 아닌 경우에는 집도의가 느끼는 힘을 피드백 할 필요가

없다 하지만 그리퍼의 경우는 신체 일부분의 미세한 조직까지 전부 접촉해서

제거하거나 봉합하기 때문에 집도의가 수술 시 느끼는 힘을 구현하여야 보다

정밀한 수술을 수행할 수 있다 따라서 본 연구에서는 햅틱 장치가 적용된 마스

터 로봇과 마스터 로봇에서 형성된 힘을 느낄 수 있으며 원할한 수술을 진행할

수 있는 최소침습수술용 능동 그리퍼를 제안하겠다 Fig 3-1 은 상용 MIS 장치인

다빈치 로봇의 마스터와 슬레이브 그리고 그리퍼를 나타내고 있다

(a) sla

(b

Fig 3-1 da V

Operation Arm

Gripper

- 23 -

ave robot and g

b) master rob

Vinci robot sy

m

gripper

ot

stem for MIS

- 24 -

32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류

산업용 로봇은 그 기능 특성상 필요성에 의해 로봇의 말단부에 그리퍼를 부

착시킨다 이것은 인간의 손에 응되는 것으로서 메커니컬 핸드라고 칭하며 다

루는 상 물체를rdquo파지rdquo해 이동하는 목적으로 사용되는 도구이다

파지동작은 Fig 3-2 와 같이 세분화된다 인간의 손 손가락에는 많은 관절이

있으며 여러가지 작업이 가능하다 일상 생활에서의 붙잡기는 형식을 분류한 것

으로는 슐레징거의 12 형식이 있다 여기서 인간의 손에는 손가락이 있어서 그

것을 유지핸드라고 이름 붙이면 메커니컬 핸드에는 손가락이 없는 구성법이 있

는데 이것을 무지 핸드라고 이름 붙이기로 한다 이 무지 핸드는 기계적 물리적

으로 구조상 무지핸드로 한 것과 공구가 메커니컬 핸드와 일체화됐다고 생각하

는 공구 핸드가 있다 메커니컬 핸드를 분류해 보면 다음과 같다 진공이나 자

기 이용의 흡착 등 물리적 흡척형의 유지는 보통 평면(완만한 곡선도 포함)부를

흡착하는 형태로서 물체의 크기나 중량에 따라 여러 개가 설치되는 경우도 있

다 그러나 물체표면에 만곡부가 있는 경우나 구멍이나 공동이 있는 경우에는

적용할 수 없게 된다 또한 자력을 이용한 경우 철금속 재료를 다루게 되는데

경우에 따라서 매우 효율적이고 신뢰성이 높기는 하지만 물체에 잔류 자력이

남게 되는 문제점이 있다 받기형의 유지는 지지의 동작만을 가지고 있는 형태

이며 이는 전기한 흡착형 보다 적극적이 아니여서 약한 구속을 갖는다 변형하

기 쉬운 물체의 이송등에는 이를 채택한다 매달기형 유지는 중력 방향의 이동

1 자유도를 구속한다 잡기형 파지는 유연성에 의한 변형으로 접촉면적을 크게

하여 집는

상물을 외측

이용하는 등

33 파지형

파지 형

다 본 연구

하여 설명

(1) 두 손

형태이다 현

측에서 파지하

등의 파지방법

형태에 의한

형태로서는

구에서 사용할

명 하겠다

손가락 type

현재 많이 사

하거나 구멍

법이다

한 그리퍼의

상을 바깥에

할 메커니즘은

e

Fig 3-2 Cla

- 25 -

사용하고 있는

속에 손가락

의 분류

에서 파지하

은 바깥에서

assified by the

는 끼우기형

락을 넣은 후

는 것과 안에

파지하는 형

gripper grip ac

파지 형태는

후 벌려서 내

에서 파지하

형태가 유리하

ction

는 핸들링

내측사용면을

는 것이 있

하므로 이에

두 개의

상태를 유지

는 스윙형

안정되게 파

의 리지트한

지해서 개폐

핸드(swingin

파지하는 점에

손가락을 갖

되는 병진형

ng gripper)로

에서 병진형

(a) grinder c

(c

Fig 3-3 Sw

- 26 -

갖춘 것으로

핸드(transla

로 분류된다

보다 떨어진

crank

c) rotation joi

wing-type hand

실용례가 많

ational grippe

스윙형은 기

진다

(b) swing

int

d mechanism

많다 손가락이

er)와 그 방향

기구가 간단하

g block

이 상호평행

향이 변화하

하나 상이

병진형에

4 은 평행링

운동을 바꾸

에 회전시킴

로 유지되기

지된다 직

시키도록 한

가 전middot후진

피니온 방식

F

에서는 평행링

링크 방식의

꾸고 그 피니

킴으로써 손가

기 때문에 손

동형 신에

한 것도 있다

진하는 결점이

식이 채용된다

Fig 3-4 Hand

링크 랙middot피니

예로 직동형

니온 운동으로

가락 개폐를

손가락의 물체

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다 평행링크를

이 있다 이문

다

mechanism fo

- 27 -

니온 나사이송

형 액추에이

로 평행링크의

얻는다 링크

체 파지면의

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를 이용한 형

문제를 해결하

or translational

송 기구 등이

터의 운동을

의 하나의 링

크 PS 와 링

자세도 개폐

이용한 형식

형식은 개폐에

하는 방법으로

type1 (paralle

이 이용되고

랙과 피니온

링크 A 를 축

크 QR 은 항

폐 동작 중 일

식에서 평행링

에 의해서 손

로서 볼나사

el displacement

있다 Fig 3-

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축 P 의 주위

항상 평행으

일정하게 유

링크를 회전

손가락 위치

기구나 랙middot

nt)

Fig 3

는 핸드의

볼나사 기구

다

(2) 세 손

세 손가

가락으로 잡

F

-5 는 회전형

예이다볼나

구 각각을 손

손가락 type

가락을 가진 핸

잡는 것보다

Fig 3-5 Hand

형 액추에터로

나사 기구를 이

손가락에 부착

e

핸드에서는

안정된 파지

d mechanism fo

- 28 -

로 랙 피니온

이용하는 경

착 사라를 회

상을 3 점

지 동작을 할

or translational

온을 회전시킴

우에는 1

회전시킴으로

점에서 유지할

할 수 있다

l type2 (rack a

킴으로써 개폐

의 왼나사

써 개폐 동작

할수 있기 때

nd pinion type

폐동작을 하

오른나사의

작을 실현한

문에 두 손

e)

Fig 3-6

베벨기어를

구동해서 세

실현한 것

각 손가락을

복잡하며 중

6 은 세 손가

를 매개로 상

세 손가락을

이다 특히

을 개별 모터

중량도 증가하

Fig

락형 그리퍼

호 각도를 주

동작시킴으로

원통물체를

터로 구동하도

하기 때문에

3-6 Hand mec

- 29 -

의 일반적인

주어 결합한

로써 이른바

확실히 잡아

도록 한 3 지

실용례가 적

chanism for thr

인 형상을 나타

3 개의 볼

바 3 포인트 핀

아서 유지하

지형핸드도 개

적다

ree point pinch

타내고 있다

나사를 하나

핀치(three po

는데 유리하

개발되고 있으

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이 핸드는

나의 모터로

oint pinch)를

하다그 외에

으나기구가

34 메카니

(1) 구속

기계적

어서 형성되

전 구속 기

해서 언급하

으로 움직일

또 X Y 평

니컬 핸드의

속기능

구동장치에

되는 것으로

기능이 있다

하면 구속 상

일 수 있다

평면 X Y 면

의 구속기능

서 구속 형식

크게 나누어

그래서 핸드

상태의 물체는

이것을 물체

X Z 면상에

Fig 3-

- 30 -

능

식과 접촉 상

어서 반구속

드의 구속 기

는 Fig 3-7 와

체의 공전 (이

서 6 방향으

-7 Movement

상태와 포락

속 (받는 구속

기능을 결정하

와 같이 X Y

이동)에 관한

로 회전 한다

t of object

능력의 인자

속 는 구속

하는 물체의

Z 의 3 축상

6 동작 자유

다 이것을 물

자가 복합되

속)기능과 완

구속에

에서 6 방향

유도로 한다

물체의 자전

(회전)에 관

부여한 상태

행할 수 있

서는 회전의

핸드에

한 공간적

면 Fig 3-8

이 그림

를 구속한다

에서 7 자유

선접촉과 면

계수와 절선

(a

관한 6 동작

태에서 움직이

있다 또 완전

의 6 자유도를

의한 물체의

적인 포락 상

와 같이 된

(a)의 점접촉

다 그러나 1

유도를 구속

면접촉에는 각

선력법선력

a) point contac

Fig3

자유도로 한

이며 중력이

전 구속은 핸

를 무시하는

의 구속은 핸

상태로 정한다

다

촉은 접촉점

1 점접촉은 다

한다 (c)의

각각 마찰에

비와의 관계

ct (b

3-8 Contacts

- 31 -

한다 반구속은

이나 환경면의

드 자체로 1

경우도 적지

핸드와 물체의

다 먼저 접촉

방향의 1 자

다른 11 자유

면접촉은 11

위한 구속이

계로 구속불능

) line contact

of the kind an

은 12 자유도

의 구속을 받

12 자유도를

지 않다

의 접촉 상태

촉부의 구속

자유도를 구속

도를 구속할

1 자유도의 구

이 4 개와 6 개

능의 가능성을

nd the confini

도 중 몇 개의

아서 완전 구

행하는데 경

태 및 접촉부

능력을 모델

속한다 그러나

할 수 없다 (b

구속을 할 수

개 주어져 있

을 가진 구속

(c) surface co

ing

의 자유도를

구속으로 이

경우에 따라

부의 물체에

델로 나타내

나 1 자유도

b)는 선접촉

수 있다 단

있으며 마찰

속 성분이기

ontact

- 32 -

도 하다 또한 면접촉의 상태는 중력의 작용을 이용하면 받기를 형성하고 또

외계력을 이용하면 기를 형성한다

이들의 접촉상태는 물체의 형상과 핸드의 구속면으로 규정되는 것으로 핸드

만으로 결정하기는 어렵다 단 핸드의 구속면을 부드러운 재질로 형성하면 면

접촉의 이행이 용이하다 이와 같은 이유에서 물체에 접촉부가 포락도를 높이는

데에 따라서 물체 형상에 관계 없이 구속 능력을 증 시킬 수 있다

(2) 메커니컬 핸드의 자유도

로봇의 손은 그 용도를 불문하고 인간의 손 작업의 행을 목적으로 하는

것이므로 그 설계에 있어서 모델로 되는 것은 말할 것 도 없이 인간의 손이다

그래서 우선 기구에 하여 설명하기 전에 인간의 손의 구조 모델에 하여 설

명해 본다

AmiddotMorecki 에 의하면 인간의 상체는 그 해부학적 구조에 입각하면 Fig 3-9 와

같이 모델화할 수 있다 Fig 3-9 에서 숫자는 각각 골격 즉 링크를 나타내고 숫

자 II~ V 는 관절을 나타내고 있다 이와 같은 공간링크 기구의 자유도 F 는 가

동부수 n 자유도의 종류 f 를 가진 우 수를 Pf 라 하면 다음 식으로 나타낼

수 있다

6n sum ∙ P 12345 (3-1)

Fig 3-9

들 자유도가

을 Fig 3-9

P5=10 이므

인간의

유도 1 의

해 있으며

의 모델에서

가 있는 관절

9 와 같이 정

므로 위 식에

상지를 인공

액튜에이터를

22 개나 되

Fig 3

서는 n=19 P2

절에 작용하는

정의하고 그

서 FH=22 가

공적으로 정밀

를 27 필요

는 액튜에이

- 33 -

3-9 Human Ar

2=1 P3=2 P4

는 근군은 약

자유도 FH

가 된다

밀하게 재현하

요로 하게 된

터를 필요로

rm structure

4=6 P5=11 이

약 50 이라고

를 구하면

하려고 한다면

된다 또 손에

로 한다 그러

이므로 F=27

고 되어 있다

이 경우는 n

면 이상의 결

는 특히 자유

나 로봇의 손

이 된다 이

여기서 손

n=16 P4=6

결론에서 자

유도가 집중

손이 이만큼

- 34 -

의 수의 액튜에이터를 갖춘 것을 제작한다는 것은 크기 중량 제어면에서 볼

때 현시점에서는 불가능에 가깝다 특히 의수에 있어서는 상술한 바와 같은 형

상이나 조종성 등의 점에서 전혀 불가능하다고 해도 좋다 따라서 보통은 기능

에 주목하여 손에 집중해 있는 자유도의 간략화를 도모한다

인간의 잡기 동작에 주목해 보면 그 잡기 형상에는 12 종류가 있다고 하다

그러나 이것들은 엄지와 다른 12 종류가 있다고 한다 그러나 이것들은 엄지와

다른 4 손가락과의 관계에 주목하였을 때에 2 종류 즉 엄지가 다른 4 손가락과

항해서 동작하거나 그 측방에서 동작하는가로 분류할 수 있다 실제의 일상

동작에서 관찰하면 이들 중에서도 엄지와 손가락이 항해서 동작하는 소위 쥠

동작이 우선 첫 번째이고 또 다음에 엄지 검지 중지의 3 손가락의 선단으로

이루어지는 3Point Pinch 즉 잡기동작이 중요하다

더불어 손가락의 독립성에 해서는 역시 일상동작 중에서 손가락의 사용

빈도를 조사한 결과에 의하면 다섯 손가락은 반드시 독립적인 운동을 필요로

하지 않고 엄지 검지 중지가 같은 정도의 중요성을 자기며 다른 두 손가락은

사용 빈도에 있어서 이들 세 손가락보다 약 50 적으며 다른 세 손가락의 보

조 역할을 한다고 볼 수 있다 그리고 특히 중요한 것은 인간의 각 손가락은 잡

기 상물의 형상에 적응한 쥐기 즉 Passive 한 동작을 할 수 있다는 것이다 이

기능이 있다면 각 손가락이 독립적으로 동작하지 않더라도 또 다소 손의 자유

도를 제거하더라도 상물의 확실한 쥐기나 잡기 그리고 기타 손 작업에 큰 힘

을 발휘한다

- 35 -

34 표적인 동력원의 특징

동력원을 설계할 때 다음의 점을 고려하면서 가장 적합한 방식을 선택한다

1조작력(로보트가 내는 최 의 힘 예를들면 최 들어올린 힘)

2속응성(최 조작 속도)

3크기 중량(로보트의 크기와 중량의 제한)

4안정성(발열이나 과부하에 한 안전성)

5사용의 용이도

6수명가격

1 2 의 조작력 속응력은 로보트에 요구되는 성능에서 가장 기본적인 것인

데 이에 관련해서 크기나 중량의 제한 안정성 사용의 용이도 수명 가격 등을

고려해서 동력원을 선택한다 단 자주형 로보트에서는 2 차적 성능인 동력원의

중량이 첫째 요구 조건이 되는 경우가 많고 공업용 로보트에서는 저가격 사용

의 용이도 안전성이 중요 사항으로 우선시된다

모든 로봇은 동력원을 필요로한다 중요도에 따라 동력원을 선택해야 하는데

일반적으로 공기압식은 안전성이 뛰어난 반면 힘과 세밀한 위치제어가 어렵고

전기식은 응답성과 사용편리성 세밀한 위치제어가 가능하나 높은 힘을 내기 위

해서는 부가적인 기구부가 필요하다 유압식은 큰힘을 낼수있어서 속응성은 좋

으나 과부하시 상당한 발열이 있기 때문에 안전성에서 다른 동력원에 비해 떨

어진다 위 사항을 TABLE 3-1 로 분류하여 나타내었다

- 36 -

TABLE 3-1 Characteristics of power sources

전기식 유압식 공압식

사용용이성 편리하다 작동유의관리 관로의압력

필터관리에 유의

공급공기의 수분제거

윤활성의부가에 주의

수명 길다 기름에 윤활성이 있기

때문에 길다

공기에윤활성이 없어

유압 전기에 비해 짧다

가격 보통 가격 운영비 높음 저가격

응답속도

(반응성) 매우 빠르다 빠르다 늦다

하중능력 (소)에서 (중)정도의

하중능력 단히 큰 힘을 얻음 큰 힘은 없다

소음 적다 다소 크다 크다

- 37 -

제 4 장 능동형 그리퍼 설계

41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정

로봇 그리퍼의 정밀 파지 (Fingertip Grasp 손가락 끝을 이용하여 물체를 집

거나 바닥에누워있는 납작한 물체를 집는 행동)를 안정하게 하기 위해서는 손가

락 끝과 물체가 직각에 가까운 각도를 이룸으로 마찰력을 크게 하여 안정성을

높인다 또한 바닥에 놓인 물체를 집어 올릴 경우에도 물체표면의 법선 벡터와

손가락 끝의 각도가 클수록 물체를 효과적으로 구속하여 안정된 파지를 할 수

있다

그리퍼의 링크 시스템에 있어서 2 링크 손가락보다 3 링크 손가락을 쓸 때가

링크와 수평 평면이 이루는 각 (A)이 더 커지기 때문에 안정성이 더 좋다는 것

을 알 수 있다 그리고 안정성뿐만 아니라 식 (4-1)을 통하여 문체에 전해지는

Torque 값을 Fig 4-2 와 같이 그래프로 나타내면 0 도에서 75 도 정도까지는 A 각

이 커질수록 물체에 가해지는 토크 값이 점점 커지는 것을 알 수 있음으로 3 링

크 손가락을 쓰는 것이 파지력 증가됨을 알수 있다 ℓ3 의 길이가 길어질수록 A

가 작은 값을 가져서 정밀파지에 적당하지 않다

τ l cosA sinA l 1 cos A tan μ (41)

A cosempty

(42)

Fig 4-1

은 식을 통

각이 커짐을

움이 있고

Fig4-

에서 제 2 코

통해 구할 수

을 알 수 있다

최소 단위를

Fig4

-1 Configurati

코사인 법칙

있는데 이로

다 그러나 ℓ

를 1cm 로 하

-2 Change the

- 38 -

ion of the fing

을 이용하여

로부터 링크

ℓ3 가 1cm 인

하였기 때문에

e value of the a

gers on robot g

여 A 의 각을

길이 ℓ3 가

인 경우는 너

에 ℓ3 는 2cm

angle of phage

gripper

구하기 위해

작으면 작을

무 짧아서 파

로 결정하였

torque

해 (2) 와 같

을수록 A 의

파지의 어려

였다

42 모터

(1) 알고

앞 절에

여야 한다

는 모터의

이 작은 모

나 용량이

로 적절한

선정 알고

고리즘 정의

에서 설명한 기

로봇 팔에

선정은 동작

모터를 사용하

큰 모터를 사

모터의 선정

고리즘

기구들을 추

움직임을 전

작을 구현하는

하게 되면 기

사용하게 되

정이 중요하다

Fig 4-3 M

- 39 -

추후 로봇 시스

전달함에 있어

는데 중요한

기구의 원활한

면 모터의 외

다

Motor Selectio

스템에 적용을

어서 동력을

과제가 되겠

한 작동이 어

외형이 커지

on Algorithm

을 고려하여

공급과 제어

겠다 만일 토

려워지고 단

고 가격 또한

설계를 하

어를 수행하

토크나 용량

단순히 토크

한 증가하므

- 40 -

(2) 알고리즘 수행

모터를 선정하기 위해서 가장 우선적으로 해야 할 일은 기계구동부분을 결

정하고 구동부분을 어떠한 방식으로 작동을 시킬지 동작 패턴을 결정하여야 한

다 예를 들면 모터에서 나오는 힘을 받아서 볼 스크류를 이용하여 힘을 전달할

것인지 벨트 피니언 기어 혹은 풀리 등을 이용할 것인지를 결정하고 그에 따

른 적절한 구동방식을 결정한다 구동방식을 결정하게 되면 각각의 구동방식에

적합한 수식을 대입하여 부하토크를 계산한다 구동방식에 따른 부하토크를 구

하는 수식은 구동방식이나 구동장소 등에 따라 다소 상이하나 일반적인 수식은

다음과 같다

-BALL SCREW 구동

T FP2πn

μ F P2π

1i N ∙ m 43

F F mg sin α μ cos α N 44

-PULLEY 구동

T ∙ 45

μF D

2i N ∙ m

- 41 -

-WIRE middot BELT 구동 RACK middot PINION 구동

T F2πn

∙ πDi

FD2ni

N ∙ m 46

F F mg sin α μ cos s N 47

-실측에 의한 방법

T 48

직선운동 (커플링 직결 볼스크류 등)의 경우 위의 (43) (44) 이용하여 구할

수 있다 이때 F 는 축방향하중 F0 는 예압하중 μ0는 예압 NUT 의 마찰계수 η 은

효율i 는 감속비 PB 는볼스크류 피치를 나타낸다 회전운동 (풀리)의 경우 식

(45)를 이용하여 구할 수 있으며 FA는 외력 FB는 부하중량 (주축이 회전하기 시

작할 때의 힘) m 은 work 와 TABLE 의 총무계 μ 접동면의 마찰계수α는 경사각

도D 는 풀리의 지름을 나타낸다

실제현장에서는 선정된 모터의 토크를 확인하기 위해 실측에 의한 구동토크

를 계측하는데 스프링 저울을 구동 풀리에 연결지어 측정한다 이때 TL 은 회전

운동 부하토크에 해당하고 FB 는 부하중량 D 는 풀리의 직경을 나타낸다

위의 부하토크를 구하는 식들을 이용하여 부하토크를 구하게 되면 실제 모

터를 사용할 때 어느 정도의 시간적 여유를 두고 가속을 할 것인지 감속을 할

것인지를 결정하여야 한다 이를 위해서 우선 동작시킬 부분에 대한 관성모멘트

를 계산하

Fig 4-4

시한 것으로

dA 와 기준

이를 표현하

하여야 한다

4 는 관성모멘

로 X 와 Y

준축으로 부터

하면 식 (49)

Fig 4-4 Arb

I

멘트를 구하기

는 면적의 미

터의 거리의

)와 같다

- 42 -

bitrary shape o

y dA I

기 위한 절대

미소 요소 dA

제곱의 곱으

of planar area

x dA

대좌표 X Y

A 의 좌표이

으로 단면 2

축 상의 미소

이고 관성모멘

차 모멘트라

49

소면적을 도

멘트는 요소

라고도 한다

평면 면

가 있다 평

축에 대한

Fig 4-5

하는 평행한

관성모멘

식 (410

번째 적분은

면적의 관성

평행축 정리란

관성 모멘트

5 과 같이 도

한 xy 축 두

멘트의 정의로

I y

0) 에서 우변

은 Xc 축에

Fig 4-5

모멘트에 있

란 도심축에

트 사이의 관

도심을 원점으

좌표계의 평

로부터 x 축

y d dA

변의 첫 번째

대한 1 차 모

- 43 -

5 Parallel-axis

있어서 중요하

대한 관성

계를 나타낸

으로 하는 Xc

평행한 축 간

축에 대한 관

y dA

적분은 Xc

모멘트로서 X

theorem

하고 유용한

모멘트와 도

낸다

cYc 축과 임의

간의 거리를 d

성모멘트 Ix

2d y dA

축에 대한 관

Xc 축이 도심

정리로서 평

도심축에 평행

의의 점 O 를

d1 과 d2 로 표

는 식(410)와

d dA

관성모멘트

심을 통과하므

평행축 정리

행한 임의의

를 원점으로

표시한다

와 같다

410

I 이다 두

므로 적분의

- 44 -

값은 0 이다 세번째 적분은 면적 A 그 자체이다 따라서 식 (410)은 식 (411)과

같이 간단해진다

I I Ad 411

y 축에 대한 관성모멘트도 위와 같은 방법에 의해 식(412)과 같다

I I Ad 412

또한 면적의 평면에 수직인 수직축에 대한 관성모멘트를 극관성모멘트라 한

다 Fig 4-6 는 평면에 수직이고 O 점을 통과하는 축에 대한 극관성모멘트를 나

타낸 그림으로 이를 관성모멘트 식으로 표현하면 식 (413) 와 같다

I ρ dA 413

식 (413)와

즉 평면에

서로 수직인

극 관성

와 도심 C

와 식 (414)에

I

수직인 축에

인 두 축에 대

성모멘트에 대

에 대한 극

Fig 4-6 Arb

의해 식 (4

ρ dA

I

에 대한 극관

대한 관성모

대한 평행축

극 관성모멘트

- 45 -

bitrary shape o

ρ x y

415) 식 (41

x y dA

I I I

관성모멘트는

멘트의 합과

정리는 Fig

트를 각각 I

of Polar Area

y

16)과 같은 관

x dA y

는 평면 내의

과 같다

4-5 에서 유

와 I 로

관계식을 얻을

y dA

같은 지점을

유도할 수 있

로 표시하면

414

을 수 있다

415

416

을 통과하는

있다 원점 O

식 (416)에

- 46 -

서 식(417)을 유도할 수 있다

I I I I I I 417

I I I I A d d 418

I I Ad 419

식 (419)는 극 관성모멘트에 대한 평행축 정리를 나타낸다 즉 평면 내의 임의

의 한 점 O 에 대한 면적의 극관성모멘트는 도심 C 에 대한 극관성모멘트에 그

면적과 점 O 와 C 사이의 거리의 제곱의 곱을 더한 것과 같다

이상의 식에서 부하토크와 관성모멘트를 계산하여 모터를 가 선정한다 부하토

크의 경우 사용될 모터의 정격 토크를 넘어서지 않는 것을 선정한다 부하토크

를 TL 정상 부하 상태의 힘 PL 극 관성모멘트 IL 회전운동을 위한 힘 Pa 각속

도 가속 시 소요되는 시간을 ta 라 하고 식 (420)을 이용하여 부하가 일정하

게 작용할 때의 힘을 계산한다 마찬가지로 관성모멘트를 식 (421)에 대입하여

가속을 위한 회전 운동 시 필요한 힘을 계산한다 식 (420)과 식 (421)에서 계

산된 힘을 합산하면 모터를 회전시키기 위해 필요한 출력이 계산된다 이때 계

산된 출력보다 실제 사용할 모터의 정격 출력이 1~2 배 정도가 되도록 모터를

가 선정한다

- 47 -

P T ω 420

P 421

위의 과정을 통하여 모터를 가선정하고 가감속 토크 및 구동 토크를 계산한

다 각각의 토크를 계산하게 되면 모터를 최종적으로 선정하게 되는데 두 가지

사항을 고려하여 최종 선정한다 먼저 식 (422)을 통해서 계산되는 가속 시 소

요되는 기동 토크 TM 가 모터의 최대 토크를 넘지 않는 것으로 선정한다

T 422

두 번째로 Fig 4-7 의 속도 선도와 같이 모터의 가 감속 시간과 정상 동작

시간 등을 결정하여 식 (423)과 같이 실효치 토크 TS 를 구하고 실효 토크가 모

터의 정격 토크보다 크지 않도록 선정한다

T 423

Fig 4-7 Exa

- 48 -

ample of veloc

city guidance

- 49 -

(3) 알고리즘 적용

로봇시스템에 있어서 기구들의 관성모멘트와 토크 계산 후 적합한 모터를

선정하기 위해 시중에서 시판되는 모터를 조사하였다 로봇에 적용 가능한 모터

로는 크게 서버모터와 스텝모터 RC 서버모터 DC 모터로 구분 할 수 있었다 이

를 TABLE 4-1 과 같이 정리하였다

동력원의 6 가지 선정요소 중 우선순위를 부여하여 분류했을 때 핸드 그리퍼

의 특성상 가볍고 토크가 큰 RC 서버 모터 미니 서버모터를 선택할 수 도 있지

만 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터 중 토크를 증가시킬 수 있는

감속기가 있는 타입의 모터를 우선시 하였다

1 감속비를 사양할 수 있는 모터를 선정하여 계산한 토크를 확인한다

2 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터를 선정한다

3 CLOSED LOOP 제어를 통하여 정확한 위치를 검출할 수 있어야 한다

따라서 스텝모터중 lsquoOrsquo사의 ldquoαSTEPrdquo가 적합하다고 판단되어 모터를 선정하였다

- 50 -

TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics

미니서버모터 RC 서버모터 스텝모터 DC 모터

장점 동일사양대비 모터

중 10배정도 큰 토크

5v사용가벼움

정확한 위치제어

급격한 부하변동급가

속 유리

저렴한가격

보편화됨

단점 정지시 진동이 예상 약한 토크 THRUST하중이 모터

무계 이하여야 한다

유지보수가 잦다

크기 151588mm(10w20w)

2525111mm(30w)

392038mm 424234mm Oslash37mm917mm

동작전압 Dc 24V Dc 48V60V Dc 24V Dc 24V

무계 230g~400g 56g 150g 200g

허용토크 009Nm~03Nm 11~13kgfcm 18kgfcm (018Nm) 47kgfcm(1200)

감속기 다양한 감속비 가능 고정 감속기 감속기 무(072˚036) 다양한 감속비

제조사 야스카와 SGMM 하이텍 HS-5945 AUTONICS GCM 3429A

TABLE 4-2 αstep motor characteristics

외형 전압 전류 무계 토크 감속비 분해능

αSTEP 282884mm

4242127mm Dc24V 1~37A 250G 2~28 Nmiddotm 50~1001

00072pluse

00036pluse

- 51 -

43 1 차 능동형 그리퍼 설계

실린더를 사용하여 링크로 물체를 파지하던 그리퍼는 Fig 4-8 과 Fig 4-9 에

묘사하였다 이런 실린더를 사용한 그리퍼는 공압 효과를 도출할 수 있는 별도

의 펌프가 필요하고 동작을 구현할 수 있는 자유도를 증가시키는데 한계가 있

다 이런 실린더의 단점을 보완하고 전기모터의 장점을 사용하기 위해 웜기어와

웜휠 방식을 채택하여 2 자유도 능동형 그리퍼를 설계하였다

1 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-10 에 묘사하였으며 1 차설계한

능동형 그리퍼는 Two Fingertip Grasp 로 칭하겠다 파지한 물체를 회전 시키는

기능은 베벨기어를 사용하여 회전운동으로 구현하였고 실린더의 전middot후진 운동

을 전기모터의 회전운동으로 변환 시키기 위하여 웜기어와 웜휨을 선택하였다

전기모터에 의해 회전하는 운동은 웜기어와 웜휠에 의해 링크를 사용하여 물체

를 파지하였던 그리퍼와 동일한 운동효과를 가지게 되었다

웜기어와 웜휠을 사용하여 물체를 파지하는 능동형 그리퍼는 스윙형으로 설

계되었으며 파지력을 높이기 위한 각도를 적용하였다 링크를 사용하여 물체를

파지하는 형태의 그리퍼보다 기구의 크기를 줄일 수 있는 장점이 있는 반면 기

어들의 백래시에 의한 오차가 끝단에 누적될 수 있는 문제점을 가지고 있다또

한 기구부의 소재 변경으로 그리퍼의 무계를 줄일 수 도 있지만 가장 큰 무계

를 차지하는 모터를 그리퍼 자체에서 분리하게 할 수 있게 하려면 그리퍼 자체

의 구조변경이 필요하다

`

`

Fig 4-8 Par

Fig 4-9 Par

- 52 -

rallel-link gra

rallel-link gra

sps system 1

sps system 2

Fig 4-10

- 53 -

0 Two fingertipps grasp system

- 54 -

44 2 차 능동형 그리퍼 설계

1 차 설계한 능동형 그리퍼에서 발견된 문제점을 보안하기 위하여 2 차 능동

형 그리퍼를 설계하였다 2 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-11 에 묘사

하였으며 2 차설계한 능동형 그리퍼는 Four Fingertip Grasp 로 칭하겠다 이 장치

는 크게 동력원 동력 전달장치 핑거 그립장치로 구성되어있으며 이를 통합하

여 Fig 4-12 에 나타내었다

핑거 그립장치는 스윙형 그립의 단점을 보완하여 설계하였다 물체를 파지할

때 그립의 회전 반경이 주위 환경요소와 간섭을 발생시킬 수 있는데핑거가 전

진할때 샤프트와 핑거그립간의 나사결합형태를 통한 직선운동으로 개선하여 주

위환경요소에 영향을 주지 않도록 설계하였다 구동축의 핑거파지 메카니즘을

Fig 4-13 와 같이 간략화 하였고 이에 대한 세부 도면은 Fig 4-14 로 나타내었다

4 조 핑거 그립의 나사산과 테이퍼진 스크류축은 나사식으로 결합되며 상호

작용에 의해 점차 중심점으로 이동하여 물체를 파지하는 형태이다 사용된 2 개

의 샤프트는 중공축으로 설계하였으며 외부 샤프트는 4 조 핑거가 물체를 파지

하여 비트는 모션을 구현하는데 사용되었다 내부 샤프트는 핑거를 중심점으로

전진시켜는 기능을 수행한다 중공축으로 설계한 내부 샤프트는 차후 개발될 인

스트리먼트의 탈부착을 손쉽게 할수있도록 구현하였고 4 조로 설계된 핑거는 그

립시 인스트리먼트의 응력집중현상을 분산시키는 기능과 2 조로 그립하였을때

보다 안정적인 그립감을 형성한다

- 55 -

동력원과 동력전달장치는 Fig 4-15 에 나타내었으며 Two Fingertip Grasp system

의 문제점이었던 구동부의 모터의 설치 방법을 외부에 부착하는 형태로 변경하

여 우레탄 밸트를 사용하였다 또한 아이들러를 사용하여 밸트의 방향을 변경

하여 모터의 부착위치를 자유롭게 설정할 수 있도록 하였고 모터 브라켓에 슬

리브 홈을 설치하여 벨트의 장력을 조절할 수 있도록 하였다

Fig4-11

Fig4-12 Fou

- 56 -

Four fingertip

ur fingertips g

ps grasp system

grasp system la

m

ayout

Fig 4-13

Fig 4-14

- 57 -

Fingertip gra

4 Fingertip gr

asps mechanis

rasps extended

m

d

Fig 4-15

- 58 -

5 Power transmission devicce

- 59 -

제 5장 결 론

본 연구에서는 MIS 수술 로봇을 위한 햅틱 마스터장치 구동용 능동형 그리

퍼를 설계하기 위하여 그에 상응하는 자료 및 문헌 조사를 수행하였고 햅틱 마

스터에 적용 가능한 능동형 그리퍼를 설계하여 로봇 시스템의 초안을 구성하였

다 수술용 도구를 단순히 잡아주는 역할에서 벗어나 시스템에 추가적인 자유도

를 부여함으로써 그리퍼를 표현하였다 단순화된 그리퍼는 보다 저렴한 가격으

로 생산될 수 있으며 기존 로봇 수술시스템의 높은 비용을 절감할 수 있는 효

과를 가져올 수 있다

최종적으로 제안한 설계 안으로는 2 조 핑거그립를 사용하는 전기모터형 그

리퍼 와 추가적으로 개선한 4 조 전기모터형 핑거그립를 설계였다 스윙형 그립

의 단점을 보안하여 집중응력을 분산할 수 있는 구조로 설계하였고 그리퍼의

무계를 줄일 수 있는 방법을 제시하였다 이로써 원통형 도구 파지 시 안정성이

향상되었고 보다 원활하게 수술 도구를 교체 가능하도록 하였다

앞으로 촉감을 전달할 수 있는 센서의 개발로 햅틱 디바이스 인터페이스 장

치의 활용에 보다 높은 기여를 할 것이라 예상된다

-６０-

참고 문헌

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• 제1장 서 론
• • 11 연구배경 및 연구목적
  • 12 연구내용
  • • 제2장 로봇 산업의 기술 현황
    • • 21 로봇산업의 동향
      • 22 의료용 로봇기술 현황
      • 23 의료용 로봇시장 전망
      • • 제3장 능동 그리퍼
        • • 31 최소침습 수술 햅틱 장치구현에 필요한 능동 그리퍼 제안
          • 32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류
          • 33 파지형태에 의한 그리퍼의 분류
          • 34 메카니컬 핸드의 구속기능
          • 35 대표적인 동력원의 특징
          • • 제4장 능동형 그리퍼 설계
            • • 41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정
              • 42 모터 선정 알고리즘
              • • 43 1 차 능동형 그리퍼 설계
                • 44 2 차 능동형 그리퍼 설계
                • • 제 5 장 결론
                  • 참고문헌
                  • TABLE 2-1 Domestic robot classification
                  • TABLE 2-2 Robot Production Company
                  • TABLE 3-1 Characteristics of power sources
                  • TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics
                  • TABLE 4-2 αSTEP Motor Characteristics
                  • Fig2-1 Phase of medical robots in the robot industry
                  • Fig2-2 Da Vinci surgical case number
                  • Fig3-1 Da Vinci robot system for MIS
                  • Fig3-2 Classified by the gripper grip action
                  • Fig3-3 Swing-type hand mechanism
                  • Fig3-4 Hand mechanism for translational type1 (parallel displacement)
                  • Fig3-5 Hand mechanism for translational type2 (Rack and pinion type)
                  • Fig3-6 Hand mechanism for three point pinch type
                  • Fig3-7 Movement of object
                  • Fig3-8 Contacts of the kind and the confining
                  • Fig3-9 Human Arm structure
                  • Fig4-1 Configuration of the fingers on robot gripper
                  • Fig4-2 Change the value of the angle of phage torque
                  • Fig4-3 Motor Selection Algorithm
                  • Fig4-4 Arbitrary Shape of Planar Area
                  • Fig4-5 Parallel-Axis Theorem
                  • Fig4-6 Arbitrary Shape of Polar Area
                  • Fig4-7 Example of Velocity Guidance
                  • Fig4-8 Parallel-link Grasp system 1
                  • Fig4-9 Parallel-link Grasp system 2
                  • Fig4-10 TWO Fingertip Grasp system
                  • Fig4-11 Four Fingertip Grasp System
                  • Fig4-12 Four Fingertip Grasp System layout
                  • Fig4-13 Fingertip Grasp Mechanism
                  • Fig4-14 Fingertip Grasp extended
                  • Fig4-15 Power Transmission Device

- 9 -

(산업용 로봇 제외) 시장규모는 약 624 억 원으로 미비한 수준에 그쳤으나 2011

년 5117 억 원에 달하고 2013 년 이후는 수조 원에 달하는 황금시장으로 떠오를

것으로 예상하였다 또한 정부에서는 2005 년 국내 로봇산업 육성을 위해 2013

년까지 세계 시장 점유율 15 총생산 30 조원 수출 200 억 달러 고용창출 10

만 명 등 세계 3위의 로봇강국을 목표로 하고 있다

22 의료용 로봇기술 현황

(1) 의료용 로봇 유형 및 개념

의료용 로봇은 크게 수술 로봇 수술 시뮬레이션 재활로봇 기타 의료 로봇

등으로 분류된다

첫째 수술 로봇은 크게 두 가지의 유형으로 분류된다 먼저 수술 보조 로봇

(surgery assistant robot)은 수술실에서 집도의 명령에 따르면서 수술을 보조하거나

영상 가이드 역할을 해주는 로봇을 의미하며 수술 로봇 (surgery robot)은 의사를

대신하여 수술과정의 전체 혹은 일부를 의사 대신 혹은 의사와 함께 수술 작업

을 한다

둘째 수술 시뮬레이터 (surgery simulator)는 의사의 수술에 관한 숙련도를 높

이기 위하여 가상의 그래픽 환자 모델과 햅틱 장치 (haptic device) 등을 이용하

여 수술을 연습할 수 있게 하는 의료용 로봇이다 특히 근래에 들어 프로세스의

- 10 -

성능이 좋아지면서 MRI 나 CT 영상 등을 활용한 실시간 3 차원 볼륨이 가능해

지면서 의료용 시뮬레이터 개발은 가속화 되었다

셋째 재활 로봇 (rehabilitation robot)은 노인과 장애인의 재활치료와 일상생활

을 도와 주는 로봇 시스템으로 단순한 신체를 지지해 주는 역할을 벗어나 중증

환자나 노인의 신체 움직임을 향상시키고 빠른 시일 내에 회복하도록 주요 기

능을 수행하고 장애인의 장애를 극복하여 독립적인 생활을 가능하게 할 수 있

는 특정 기능의 로봇을 의미한다

넷째 기타 의료 로봇으로는 간호 로봇이나 안내로봇 등이 있다 현재의 간

호 인력을 도와서 수술이나 치료를 받는 환자를 보살피는 로봇으로서 정확한

투약과 수술 후 관리가 가능하도록 도와주는 기능과 환자의 이동 간병 및 산책

이 가능하고 말벗의 기능을 포함하는 로봇을 의미한다

(2) 의료용 로봇기술 개발현황

가 수술 로봇

현재까지 연구된 수술 로봇은 미세 수술용 원격수술 로봇 최소침습수술

(MIS) 로봇 관절 수술 로봇 등으로 분류할 수 있다

원격수술 로봇 시스템 일환으로 개발된 대표적인 로봇으로는 일본 동경대의

원격 수술 로봇 미국 NASA JPL 의 RAMS SRI International 의 원격 수술 로봇

한국과학기술원의 미세수술용 Slave 로봇 등이 있다

- 11 -

MIS 의 로봇 시스템 일환으로 개발된 대표적인 로봇으로는 미국의 UC 버클

리대의 수술 로봇시스템 Computer Motion 사의 내시경 보조 로봇인 이솝

(AESOP)과 복강경 수술 로봇인 제우스 (ZEUS) 제우스 보다 진보된 Intuitive

Surgical 의 다빈치 (daVinch) 등이 있다 이 중 다빈치는 수술용 로봇으로 거의

독점적인 위치로써 세계 로봇수술의 첨병역할을 하고 있다

관절 수술 로봇의 일환으로 개발된 대표적인 로봇으로는 미국 Integrated

Surgical System사의 로보닥 (Robodoc) 독일의 Orto Maque사의 CASPAR 영국의

Imperial College의 아크로보트 (Acrobot) 등이 있다

나 수술 시뮬레이터

수술 로봇 이외에 의사의 수술에 관한 숙련도를 높이기 위한 의료용 시뮬레

이터가 활발하게 연구되고 있다 특히 근래에 들어 프로세서의 성능이 좋아지면

서 MRI 나 CT 영상 등을 활용한 의료용 수술 시뮬레이터 개발이 가속화 되었

다 대표적인 수술 시뮬레이터로는 미국 Georgia Tech의 안구 수술 시뮬레이터

미국 Boston 다이나믹스사의 개복수술 시뮬레이터 Mitsubishi Electric Research Lab

의 무릎관절 내시경 시뮬레이션 영국 맨체스터 대학의 웹기반 시뮬레이터 등이

있다

다 재활 로봇

- 12 -

노령인구와 장애인구의 증가로 로봇 기술의 필요성은 재활분야에도 확대되

고 있다 장애인의 독립적인 활동을 보장하고 삶의 질을 높이려는 노력은 유럽

등의 선진국을 중심으로 재활 로봇이 연구되어 왔으며 이탈리아에서 개발된

MOVAID 가 대표적인 재활 로봇이다 또 미국에서는 MIT 를 중심으로 RIC 과

같은 로봇 신경 재활 로봇들이 개발되고 있다 스위스에서는 보행 재활 로봇으

로 Lokomat 이 개발되었고 국내에서는 KAIST 에서 휠체어 로봇 시스템과 보행

보조 로봇 등이 연구되고 있다 이외에도 서강대학교에서는 SUBAR 라는 보행

재활 로봇을 개발하였다 이외에도 최근 미국의 Intouch Health 에서 개발한 RP-7

은 멀리 있는 환자의 병증을 파악하는 데 탁월한 원격진료 로봇으로 활용되고

있다

(3) 국내 의료용 로봇 적용사례

상기 서술한 의료용 로봇 중 가장 많은 각광을 받고 있으며 국내에서 적용

되고 있는 사례를 통해 의료용 로봇의 사용 실태를 파악보고자 한다 대표적인

복강경 수술 로봇인 Intuitive Surgical의 다빈치 로봇 시스템과 고관절 수술 로봇

인 Integrated Surgical System사의 로보닥을 중심으로 국내 실태를 살펴보고자 한

다

가 다빈치

- 13 -

Fig 2-2 da Vinci surgical case number

다빈치 로봇은 1997 년 벨기에서 처음으로 환자에게 적용된 이래 국내에

2005 년 7 월 연세대학교 신촌 세브란스 병원에서 최초로 도입하여 2005 년 7 월

15 일 국내 최초로 다빈치를 이용한 로봇 수술이 이루어졌다 Fig 2-2 에서 보

듯이 수술사례는 계속적으로 증가하여 2008 년 1 월 말 현재 750 건이 넘는 수

술이 이루어졌다

다빈치 로봇은 전립선암 위암 대장남 부인암 식도암 갑상선암 간암 등

대부분의 암수술 및 중요 외과계 수술에 적용된다 이는 다빈치 로봇 수술이 가

져다 주는 효과인 개복수술이나 복강경 수술보다 수술회복기간이 단축되고 수

술시간도 감소시키는 역할과 무엇보다 수술 후 환자가 겪는 수술 후유증 확실

- 14 -

히 줄여주기 때문이다 특히 전립선암의 경우 대표적인 수술 후유증인 요실금

과 발기부전 등의 가능성이 대폭 줄어드는 것으로 알려져 있다

이와 같은 수술사례와 수술성과에도 불구하고 다빈치 로봇의 가격이 25 억

정도의 고가이기 때문에 영세한 의료기관에서 도입하기에는 다소 무리가 따르

고 있다 그러나 대형 병원들은 다빈치의 성공적인 수술사례를 통해 앞다투어

이를 도입하고 있다

2008 년 1 월 현재 신촌 세브란스 병원은 이미 3 대를 도입했고 영동 세브

란스 병원 고려대 안암병원 서울아산병원 한림대 강남병원 분당서울대병원

삼성서울병원 경북대병원 동아대병원 등 9 개 의료기관에 도입되어 있다 또한

최근 (2008 년 1 월 30 일) 연세대 세브란스병원은 로봇 수술의 활성화를 위해

Intuitive Surgical 과 공동으로 복강경 수술용 로봇 다빈치를 이용한 수술법을 배

우는 lsquo연세 다빈치 트레이닝 센터rsquo를 개소하였다

다빈치는 로봇 가격만큼 수술 비용에 있어서도 고가인데다 의료보험이 적

용되지 않아 수술 비용을 환자가 모두 부담해야 하는 실정이다 다빈치 로봇 수

술 비용은 700~2000 만 원선으로 기존의 수술 비용인 200~300 만 원 보다는 다

소 높은 가격이다 특히 전립선암의 경우 로봇 수술 비용은 1500 만 원 선으로

개복수술이나 복강경수술보다 5~7 배 정도의 높은 가격이다 그럼에도 불구하고

로봇 수술은 거의 모든 암 수술에 적용되고 있고 환자와 의사 모두 만족하는

수술법으로 자리잡아 가고 있다

- 15 -

나 로보닥

로봇이 외과적 기계로써 임상적으로 처음 국내에서 적용된 것은 1992 년 lsquo로

보닥rsquo이라는 의료용 로봇이다 미국에서 개발된 로보닥은 인공관절이 삽입될 환

자의 뼈를 로봇으로 가공해서 수술 성공률을 획기적으로 높였다 두꺼운 뼈를

정확한 형상으로 깎아내는 작업에는 CADCAM 자료에 따라 작동하는 로봇 팔

이 숙련된 외과의사를 간단히 능가했다 로보닥은 한국과 EU 의 판매승인을 획

득했고 결국 인공관절수술의 대세를 장악했다 세계적으로 8000 회 이상의 수술

이 로보닥을 이용하여 성공적으로 수행되었으며 2001년 FDA의 승인을 받기도

하였다

2002 년 국내 처음으로 로보닥이 도입된 이래로 이춘택 병원은 현재까지

2556 회라는 경이적인 수술건수를 기록하였다 그는 최소침습수술과 접목하여

로봇의 정밀성과 최소 절개기술을 결합시킴으로써 환자의 고통과 재활 기간을

크게 줄였다 그러나 로보닥의 가격은 무려 17 억 원이며 3 차원 영상까지 구현

하기 위해서는 10 억 원 상당의 멀티 CT 까지 도입해야만 한다 그렇기 때문에

소규모의 관절전문병원이 도입하기에는 다소 무리한 점이 있다 이러한 상황에

서 이춘택은 국내시장에 맞는 로봇개발을 위해 국산 부품 및 소프트웨어를 개

발 중에 있다 따라서 우리나라도 고령화 사회를 맞아 세계적으로 관절 수술이

급증하고 있는 상황에서 국내 기술로 만든 수술용 로봇이나 소프트웨어 개발은

국내 의료용 로봇시장의 활성화를 이룰 수 있다

- 16 -

23 의료용 로봇시장 전망

(1) 로봇산업 전망

로봇 분야별 세계시장 정세를 살펴보면 제조업용 로봇은 시장안전화 단계로

써 급격한 시장변화는 어려우며 신규 생산설비 및 기존 설비에 따른 수요가 대

부분 차지하고 있는 실정이다 개인서비스용 로봇은 가족구조의 핵가족화와 고

령화 현상으로 인한 가족인원으로서의 가정용 로봇에 대한 수요가 증가 추세에

있다 전문서비스용 로봇은 생산국과 생산기업이 극히 제한되어 있으며 제품가

격의 고가로 인해 시장형성에 있어서 생산국과 수요국이 불일치하고 있는 실정

이다 이러한 상황에서 로봇시장의 국가별 점유율을 살펴보면 일본 (28) 미국

(18) 독일 (16) 이탈리아 (10) 한국 (3)의 순으로 세계 5 위를 차지하고

있다 이와 같이 산업용 로봇의 경우는 우리나라의 세계적인 위상이 높지만 아

직까지 전문 서비스 분야 로봇에 대한 세계적인 위상은 미비하다

시장규모 전망과 국내 세계시장 점유율에 대한 전망은 다음과 같다 세계 로

봇시장의 규모는 2010 년에는 247억 5 백만 달러에서 2020년에는 717억 7 천만

달러에 이를 것으로 보고 있으며 연평균 107의 증가율을 예상하고 있다 분

야별로는 제조업용 로봇은 2010 년 세계시장의 114에서 2020 년 144의 비중

을 차지할 것으로 전망하고 있으며 전문서비스용 로봇은 2010 년 세계시장의

09에서 2020 년 21의 비중을 차지할 것으로 예상하고 있다 개인서비스용

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로봇은 2010 년 30에서 2020 년 70 수준에 달할 것으로 보고 있다 비록 전

문 서비스용 로봇산업의 규모는 미국 일본 독일에 비해 미미한 실정이나 전문

서비스용 로봇의 신시장을 개척하고 그 만큼의 기술력이 밑받침된다면 2020 년

세계시장에서의 더 큰 비중의 달성이 이루어질 것으로 본다

(2) 의료용 로봇기술 전망

의료용 로봇시장의 성장은 의료용 로봇기술 개발산업의 성장과 밀접한 관계

가 있다 세계적인 개발추세로는 의료용 로봇개발 하드웨어 분야에서는 일본이

경쟁력이 가장 높으며 소프트웨어 분야에서는 미국이 앞서나가고 있다 또한

독일은 하드웨어 및 소프트웨어 분야에서 동시에 상당한 연구 개발 능력을 보

유하고 있다 앞으로는 이 세 나라가 의료용 로봇 시장의 핵심 주자로 나설 것

으로 예상된다

산업연구원 (2007) 조사에 따르면 국내 로봇산업의 기술은 기술항목에 따라

다소 차이를 보이고 있으나 제조업용 로봇의 경우는 최고 기술 보유국 대비 평

균 85 정도에 육박하고 있으며 전문서비스용 로봇의 경우는 80 정도 개인서비

스용 로봇은 84 정도에 이르고 있는 것으로 나타났다 의료용 로봇 분야에서는

선두주자인 미국의 기술력을 100 이라고 봤을 때 현재 우리나라는 70 정도이며

2015년이 지나야 100 에 도달할 것으로 전망하였다 비록 의료용 로봇에서 세계

1위인 미국에 비해 우리는 아직 10년 이상 차이가 있지만 세계 최초로 국제 규

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모의 로봇랜드 조성과 로봇펀드 발생 등 정부 차원에서의 노력이 여러 가지 방

면에서 다양하게 펼쳐지고 있기 때문에 그 격차는 점차 줄어들 것으로 예상된

다

또한 IFR (2006) 자료에 따르면 한국 산업용 로봇은 세계 5 위의 강국[16]인

데 비해 의료용 로봇에 있어서는 약소국이다 이는 의료용 로봇의 개발비가 많

이 드는데 비해 국내 시장은 극히 제한적이어서 일반 기업의 참여가 아주 저조

하기 때문이다 국내에서 의료용 로봇 관련 기술 개발은 아직 걸음마 단계에 머

물러 있으며 벤처기업 및 대기업들이 개발해 상용화시키고 있는 기술이나 제품

도 대부분이 생활 가전형 로봇에 한정되어 있을 뿐 의료용 로봇분야는 아직 미

개척지로 남아 있다 하지만 국내에서도 의료용 로봇 개발을 수행하기 위해 대

학이나 연구소 차원에서 의료용 로봇에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다 먼

저 한국과학기술원이 8 년 전 설치한 휴먼 웰페어 로보틱 서저리 센터가 대표

적인 연구기관이다 이 연구소에서는 거동이 불편한 환자들을 위한 휠체어의 자

동화 시스템이나 복강경 수술 로봇 등 로봇 수술용 기구의 국산화에 초점을 맞

춰 진행 중이다 또한 최근에는 국립암센터 역시 산업자원부로부터 수술용 로

봇과 영상시스템을 주제로 한 의료용 로봇 개발자로 선정되어 연구에 들어갔다

비록 국내 의료 및 수술 로봇 관련 기술이 일본 미국 등에 비해 아직까지

뒤쳐져 있는 실정이지만 국내에서도 의료용 로봇 기술 개발이 이처럼 활발히

진행되고 있어서 향후 전망은 매우 밝다고 할 수 있다 또한 해외에서 각광을

받고 있는 캡슐형 내시경 연구 역시 국내에서 벌써 10 년째 계속 되고 있다 최

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근 한국과학기술연구원과 벤처기업인 인트로메딕이 개발한 세계 최소형 캡슐형

내시경인 미로캠 (MiroCam)은 2010 년까지 국내 캡슐형 내시경 시장의 80를

점유할 것으로 예상하고 있다 이러한 국산 의료용 로봇 개발을 통해 고부가가

치 시장인 세계 의료 시장에 뛰어들 수 있는 기반을 다졌다는 데에 큰 의미가

있다

전문 서비스용 로봇의 경우 제조업 로봇 관련 풍부한 경험을 바탕으로 전문

서비스용 로봇으로의 기술확대 메카트로닉스 (mechatronics) 관련 다양한 산업기

반과 세계적인 IT 인프라 보유국의 강점을 살리고 있다 또한 한국은 10 대 성

장동력간 연계 등을 통한 시너지 효과와 세계 전문서비스 로봇 시장이 초기형

성 단계임을 감안한다면 이 분야의 진출에 대한 절호의 기회이며 머지않아 의

료용 로봇 강국으로 진입할 수 있을 것으로 기대된다

- 20 -

제 3 장 능동 그리퍼

31 최소침습 수술 햅틱 장치 구현에 필요한 능동 그리퍼 제안

21 세기 로봇 기술 분야에서는 인간과 기계 시스템 간의 커뮤니케이션이 무

엇보다 중요하게 강조되며 이러한 인간과 기계 시스템의 의사소통은 주로 인간

의 감각 기관을 통해 이루어 진다 일반적으로 인간에게는 보고 듣고 냄새를

맡고 맛을 보고 피부로 느끼는 오감이 있으며 이러한 감각을 시각 청각 후

각 미각 촉각이라고 한다 따라서 이러한 인간의 감각에 정보를 전달하기 위

한 다양한 기계 시스템들이 개발되어 왔다 오감 중에서 현재 인간과 기계 시스

템간의 인터페이스 역할을 하는 표적인 감각으로는 사물을 보는 시각과 소리

를 듣는 청각이 주로 이용되고 있다 이를 위한 시스템들은 이미 상당한 수준으

로 발전해 현재 상용화 되어 활용되고 있다 하지만 이러한 시각과 청각 인터

페이스 만으로는 로봇의 제어에 한계가 있으며 오감 중에서 세 번째 감각인 촉

각에 한 인터페이스가 현재 활발히 연구 개척되고 있다 만약 가상현실에 촉

감 인터페이스가 적용된다면 기존의 시각과 청각에만 의존하던 가상 현실에 촉

감을 전달함으로써 실제 물건을 만지고 느낄 수 있으므로 가상현실을 보다 더

실감나게 할 수 있을 것이다 하지만 인간의 감각 중에서 촉각은 매우 민감한

감각으로 여기에 촉감 정보를 전달하는 인터페이스는 아직 많은 연구를 필요로

하고 있다

- 21 -

햅틱 (haptic)이란 단어의 사전적인 의미는 ldquoof or relating the sense of touch

tactilerdquo로써 물체를 만질 때 사람이 느낄 수 있는 촉각적 감각으로 피부가 물체

표면에 닿아서 느끼는 촉감 (tactile sensation)과 관절과 근육의 움직임이 방해 될

때 느껴지는 근 감각적인 힘 (kinesthetic force)의 두 가지 힘을 모두 합쳐서 부르

는 말이다 촉감 구현 연구는 물리적 장치를 이용하여 사람이 직접적인 접촉이

없이도 촉각 정보를 전달하는 방법에 관한 전반적인 연구 분야를 일컫는 말로

사람에게 원격지에 있는 물체의 물리적 특성을 전달하는 원격조작 혹은 원격현

장감에 관한 연구로부터 시작되었다 가상 혹은 실제 환경에서 촉감을 구현하기

위한 연구를 포괄적으로 의미하는 용어로 햅틱스 (haptics)라고 한다 주요 연구

분야는 사람이 직접 손에 쥐거나 착용하는 물리적 장치인 햅틱 디바이스 인터

페이스 (haptic interface) 가상 공간상의 물체에 기계적 성질을 부여하여 사실감

이 있는 상호작용을 제공하고자 하는 햅틱 렌더링 (haptic rendering) 사람의 촉

각 인지 특성에 관한 연구 (tactile perception) 등으로 나눌 수 있다 특히 햅틱

인터페이스 (haptic interface)는 햅틱 디바이스 (haptic device)라고도 불리우며 사람

에게 촉감을 전달하는 물리적인 장치를 말하며 더 넓은 의미로 사용하여 가상

의 환경을 촉감 전달을 통해서 느끼게 하는 시스템 전체를 가리키기도 한다 이

러한 햅틱 기술은 다양한 분야에서 활용될 수 있는데 표적인 분야로는 가상

현실 분야 인간-컴퓨터 인터페이스 분야 게임 등 사이버 커뮤니케이션 그리고

원격제어 로봇 등이 있다 특히 원격제어 로봇이 많이 활용되고 있는 의료 분

야에서 햅틱 구현은 매우 시급한 과제이다 현 의 수술은 점점 첨단의 수술 도

- 22 -

구와 로봇을 이용하여 집도되는 추세이며 최소침습수술 (minimally invasive

surgery MIS)이 그 표적인 예이다 이 수술법은 환부의 구멍에 수술도구와 카

메라를 삽입하여 집도의가 모니터를 보면서 시술함으로써 시술시간이 짧고 환

자의 회복이 빨라서 그 적용 범위가 점차 확 되고 있다 하지만 환자가 얻게

되는 이점에 반해 의사는 개복 수술에서 쉽게 이용하던 기술들을 더 이상 적용

할 수 없게 되어 집도에 있어 큰 어려움을 부담해야만 한다 즉 환자의 내부에

서 손의 움직임과 시야의 제약을 받게 되었고 손으로 환자의 장기나 뼈를 만지

고 상태를 확인할 수 없게 된 것이다 이러한 문제점들을 극복하기 위해 첨단의

의료용 로봇 시스템이 개발되었는데 의사 즉 오퍼레이터가 조작하는 마스터

(master) 로봇과 환자의 환부에서 수술을 진행하는 슬레이브 (slave) 로봇으로 구

분된다 슬레이브 로봇은 크게 수술 시 집도의 팔의 움직임을 구현하는 구동 암

(arm)과 수술도구를 홀딩 할 수 있는 그리퍼로 분류할 수 있다 구동 암의 움직

임은 수술 부위의 위치를 결정하면 별도 큰 움직임 없이 작동시킬 수 있으며

전달 수술 관통 수술이 아닌 경우에는 집도의가 느끼는 힘을 피드백 할 필요가

없다 하지만 그리퍼의 경우는 신체 일부분의 미세한 조직까지 전부 접촉해서

제거하거나 봉합하기 때문에 집도의가 수술 시 느끼는 힘을 구현하여야 보다

정밀한 수술을 수행할 수 있다 따라서 본 연구에서는 햅틱 장치가 적용된 마스

터 로봇과 마스터 로봇에서 형성된 힘을 느낄 수 있으며 원할한 수술을 진행할

수 있는 최소침습수술용 능동 그리퍼를 제안하겠다 Fig 3-1 은 상용 MIS 장치인

다빈치 로봇의 마스터와 슬레이브 그리고 그리퍼를 나타내고 있다

(a) sla

(b

Fig 3-1 da V

Operation Arm

Gripper

- 23 -

ave robot and g

b) master rob

Vinci robot sy

m

gripper

ot

stem for MIS

- 24 -

32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류

산업용 로봇은 그 기능 특성상 필요성에 의해 로봇의 말단부에 그리퍼를 부

착시킨다 이것은 인간의 손에 응되는 것으로서 메커니컬 핸드라고 칭하며 다

루는 상 물체를rdquo파지rdquo해 이동하는 목적으로 사용되는 도구이다

파지동작은 Fig 3-2 와 같이 세분화된다 인간의 손 손가락에는 많은 관절이

있으며 여러가지 작업이 가능하다 일상 생활에서의 붙잡기는 형식을 분류한 것

으로는 슐레징거의 12 형식이 있다 여기서 인간의 손에는 손가락이 있어서 그

것을 유지핸드라고 이름 붙이면 메커니컬 핸드에는 손가락이 없는 구성법이 있

는데 이것을 무지 핸드라고 이름 붙이기로 한다 이 무지 핸드는 기계적 물리적

으로 구조상 무지핸드로 한 것과 공구가 메커니컬 핸드와 일체화됐다고 생각하

는 공구 핸드가 있다 메커니컬 핸드를 분류해 보면 다음과 같다 진공이나 자

기 이용의 흡착 등 물리적 흡척형의 유지는 보통 평면(완만한 곡선도 포함)부를

흡착하는 형태로서 물체의 크기나 중량에 따라 여러 개가 설치되는 경우도 있

다 그러나 물체표면에 만곡부가 있는 경우나 구멍이나 공동이 있는 경우에는

적용할 수 없게 된다 또한 자력을 이용한 경우 철금속 재료를 다루게 되는데

경우에 따라서 매우 효율적이고 신뢰성이 높기는 하지만 물체에 잔류 자력이

남게 되는 문제점이 있다 받기형의 유지는 지지의 동작만을 가지고 있는 형태

이며 이는 전기한 흡착형 보다 적극적이 아니여서 약한 구속을 갖는다 변형하

기 쉬운 물체의 이송등에는 이를 채택한다 매달기형 유지는 중력 방향의 이동

1 자유도를 구속한다 잡기형 파지는 유연성에 의한 변형으로 접촉면적을 크게

하여 집는

상물을 외측

이용하는 등

33 파지형

파지 형

다 본 연구

하여 설명

(1) 두 손

형태이다 현

측에서 파지하

등의 파지방법

형태에 의한

형태로서는

구에서 사용할

명 하겠다

손가락 type

현재 많이 사

하거나 구멍

법이다

한 그리퍼의

상을 바깥에

할 메커니즘은

e

Fig 3-2 Cla

- 25 -

사용하고 있는

속에 손가락

의 분류

에서 파지하

은 바깥에서

assified by the

는 끼우기형

락을 넣은 후

는 것과 안에

파지하는 형

gripper grip ac

파지 형태는

후 벌려서 내

에서 파지하

형태가 유리하

ction

는 핸들링

내측사용면을

는 것이 있

하므로 이에

두 개의

상태를 유지

는 스윙형

안정되게 파

의 리지트한

지해서 개폐

핸드(swingin

파지하는 점에

손가락을 갖

되는 병진형

ng gripper)로

에서 병진형

(a) grinder c

(c

Fig 3-3 Sw

- 26 -

갖춘 것으로

핸드(transla

로 분류된다

보다 떨어진

crank

c) rotation joi

wing-type hand

실용례가 많

ational grippe

스윙형은 기

진다

(b) swing

int

d mechanism

많다 손가락이

er)와 그 방향

기구가 간단하

g block

이 상호평행

향이 변화하

하나 상이

병진형에

4 은 평행링

운동을 바꾸

에 회전시킴

로 유지되기

지된다 직

시키도록 한

가 전middot후진

피니온 방식

F

에서는 평행링

링크 방식의

꾸고 그 피니

킴으로써 손가

기 때문에 손

동형 신에

한 것도 있다

진하는 결점이

식이 채용된다

Fig 3-4 Hand

링크 랙middot피니

예로 직동형

니온 운동으로

가락 개폐를

손가락의 물체

에 회전형 액

다 평행링크를

이 있다 이문

다

mechanism fo

- 27 -

니온 나사이송

형 액추에이

로 평행링크의

얻는다 링크

체 파지면의

추에이터를

를 이용한 형

문제를 해결하

or translational

송 기구 등이

터의 운동을

의 하나의 링

크 PS 와 링

자세도 개폐

이용한 형식

형식은 개폐에

하는 방법으로

type1 (paralle

이 이용되고

랙과 피니온

링크 A 를 축

크 QR 은 항

폐 동작 중 일

식에서 평행링

에 의해서 손

로서 볼나사

el displacement

있다 Fig 3-

온으로 회전

축 P 의 주위

항상 평행으

일정하게 유

링크를 회전

손가락 위치

기구나 랙middot

nt)

Fig 3

는 핸드의

볼나사 기구

다

(2) 세 손

세 손가

가락으로 잡

F

-5 는 회전형

예이다볼나

구 각각을 손

손가락 type

가락을 가진 핸

잡는 것보다

Fig 3-5 Hand

형 액추에터로

나사 기구를 이

손가락에 부착

e

핸드에서는

안정된 파지

d mechanism fo

- 28 -

로 랙 피니온

이용하는 경

착 사라를 회

상을 3 점

지 동작을 할

or translational

온을 회전시킴

우에는 1

회전시킴으로

점에서 유지할

할 수 있다

l type2 (rack a

킴으로써 개폐

의 왼나사

써 개폐 동작

할수 있기 때

nd pinion type

폐동작을 하

오른나사의

작을 실현한

문에 두 손

e)

Fig 3-6

베벨기어를

구동해서 세

실현한 것

각 손가락을

복잡하며 중

6 은 세 손가

를 매개로 상

세 손가락을

이다 특히

을 개별 모터

중량도 증가하

Fig

락형 그리퍼

호 각도를 주

동작시킴으로

원통물체를

터로 구동하도

하기 때문에

3-6 Hand mec

- 29 -

의 일반적인

주어 결합한

로써 이른바

확실히 잡아

도록 한 3 지

실용례가 적

chanism for thr

인 형상을 나타

3 개의 볼

바 3 포인트 핀

아서 유지하

지형핸드도 개

적다

ree point pinch

타내고 있다

나사를 하나

핀치(three po

는데 유리하

개발되고 있으

h type

이 핸드는

나의 모터로

oint pinch)를

하다그 외에

으나기구가

34 메카니

(1) 구속

기계적

어서 형성되

전 구속 기

해서 언급하

으로 움직일

또 X Y 평

니컬 핸드의

속기능

구동장치에

되는 것으로

기능이 있다

하면 구속 상

일 수 있다

평면 X Y 면

의 구속기능

서 구속 형식

크게 나누어

그래서 핸드

상태의 물체는

이것을 물체

X Z 면상에

Fig 3-

- 30 -

능

식과 접촉 상

어서 반구속

드의 구속 기

는 Fig 3-7 와

체의 공전 (이

서 6 방향으

-7 Movement

상태와 포락

속 (받는 구속

기능을 결정하

와 같이 X Y

이동)에 관한

로 회전 한다

t of object

능력의 인자

속 는 구속

하는 물체의

Z 의 3 축상

6 동작 자유

다 이것을 물

자가 복합되

속)기능과 완

구속에

에서 6 방향

유도로 한다

물체의 자전

(회전)에 관

부여한 상태

행할 수 있

서는 회전의

핸드에

한 공간적

면 Fig 3-8

이 그림

를 구속한다

에서 7 자유

선접촉과 면

계수와 절선

(a

관한 6 동작

태에서 움직이

있다 또 완전

의 6 자유도를

의한 물체의

적인 포락 상

와 같이 된

(a)의 점접촉

다 그러나 1

유도를 구속

면접촉에는 각

선력법선력

a) point contac

Fig3

자유도로 한

이며 중력이

전 구속은 핸

를 무시하는

의 구속은 핸

상태로 정한다

다

촉은 접촉점

1 점접촉은 다

한다 (c)의

각각 마찰에

비와의 관계

ct (b

3-8 Contacts

- 31 -

한다 반구속은

이나 환경면의

드 자체로 1

경우도 적지

핸드와 물체의

다 먼저 접촉

방향의 1 자

다른 11 자유

면접촉은 11

위한 구속이

계로 구속불능

) line contact

of the kind an

은 12 자유도

의 구속을 받

12 자유도를

지 않다

의 접촉 상태

촉부의 구속

자유도를 구속

도를 구속할

1 자유도의 구

이 4 개와 6 개

능의 가능성을

nd the confini

도 중 몇 개의

아서 완전 구

행하는데 경

태 및 접촉부

능력을 모델

속한다 그러나

할 수 없다 (b

구속을 할 수

개 주어져 있

을 가진 구속

(c) surface co

ing

의 자유도를

구속으로 이

경우에 따라

부의 물체에

델로 나타내

나 1 자유도

b)는 선접촉

수 있다 단

있으며 마찰

속 성분이기

ontact

- 32 -

도 하다 또한 면접촉의 상태는 중력의 작용을 이용하면 받기를 형성하고 또

외계력을 이용하면 기를 형성한다

이들의 접촉상태는 물체의 형상과 핸드의 구속면으로 규정되는 것으로 핸드

만으로 결정하기는 어렵다 단 핸드의 구속면을 부드러운 재질로 형성하면 면

접촉의 이행이 용이하다 이와 같은 이유에서 물체에 접촉부가 포락도를 높이는

데에 따라서 물체 형상에 관계 없이 구속 능력을 증 시킬 수 있다

(2) 메커니컬 핸드의 자유도

로봇의 손은 그 용도를 불문하고 인간의 손 작업의 행을 목적으로 하는

것이므로 그 설계에 있어서 모델로 되는 것은 말할 것 도 없이 인간의 손이다

그래서 우선 기구에 하여 설명하기 전에 인간의 손의 구조 모델에 하여 설

명해 본다

AmiddotMorecki 에 의하면 인간의 상체는 그 해부학적 구조에 입각하면 Fig 3-9 와

같이 모델화할 수 있다 Fig 3-9 에서 숫자는 각각 골격 즉 링크를 나타내고 숫

자 II~ V 는 관절을 나타내고 있다 이와 같은 공간링크 기구의 자유도 F 는 가

동부수 n 자유도의 종류 f 를 가진 우 수를 Pf 라 하면 다음 식으로 나타낼

수 있다

6n sum ∙ P 12345 (3-1)

Fig 3-9

들 자유도가

을 Fig 3-9

P5=10 이므

인간의

유도 1 의

해 있으며

의 모델에서

가 있는 관절

9 와 같이 정

므로 위 식에

상지를 인공

액튜에이터를

22 개나 되

Fig 3

서는 n=19 P2

절에 작용하는

정의하고 그

서 FH=22 가

공적으로 정밀

를 27 필요

는 액튜에이

- 33 -

3-9 Human Ar

2=1 P3=2 P4

는 근군은 약

자유도 FH

가 된다

밀하게 재현하

요로 하게 된

터를 필요로

rm structure

4=6 P5=11 이

약 50 이라고

를 구하면

하려고 한다면

된다 또 손에

로 한다 그러

이므로 F=27

고 되어 있다

이 경우는 n

면 이상의 결

는 특히 자유

나 로봇의 손

이 된다 이

여기서 손

n=16 P4=6

결론에서 자

유도가 집중

손이 이만큼

- 34 -

의 수의 액튜에이터를 갖춘 것을 제작한다는 것은 크기 중량 제어면에서 볼

때 현시점에서는 불가능에 가깝다 특히 의수에 있어서는 상술한 바와 같은 형

상이나 조종성 등의 점에서 전혀 불가능하다고 해도 좋다 따라서 보통은 기능

에 주목하여 손에 집중해 있는 자유도의 간략화를 도모한다

인간의 잡기 동작에 주목해 보면 그 잡기 형상에는 12 종류가 있다고 하다

그러나 이것들은 엄지와 다른 12 종류가 있다고 한다 그러나 이것들은 엄지와

다른 4 손가락과의 관계에 주목하였을 때에 2 종류 즉 엄지가 다른 4 손가락과

항해서 동작하거나 그 측방에서 동작하는가로 분류할 수 있다 실제의 일상

동작에서 관찰하면 이들 중에서도 엄지와 손가락이 항해서 동작하는 소위 쥠

동작이 우선 첫 번째이고 또 다음에 엄지 검지 중지의 3 손가락의 선단으로

이루어지는 3Point Pinch 즉 잡기동작이 중요하다

더불어 손가락의 독립성에 해서는 역시 일상동작 중에서 손가락의 사용

빈도를 조사한 결과에 의하면 다섯 손가락은 반드시 독립적인 운동을 필요로

하지 않고 엄지 검지 중지가 같은 정도의 중요성을 자기며 다른 두 손가락은

사용 빈도에 있어서 이들 세 손가락보다 약 50 적으며 다른 세 손가락의 보

조 역할을 한다고 볼 수 있다 그리고 특히 중요한 것은 인간의 각 손가락은 잡

기 상물의 형상에 적응한 쥐기 즉 Passive 한 동작을 할 수 있다는 것이다 이

기능이 있다면 각 손가락이 독립적으로 동작하지 않더라도 또 다소 손의 자유

도를 제거하더라도 상물의 확실한 쥐기나 잡기 그리고 기타 손 작업에 큰 힘

을 발휘한다

- 35 -

34 표적인 동력원의 특징

동력원을 설계할 때 다음의 점을 고려하면서 가장 적합한 방식을 선택한다

1조작력(로보트가 내는 최 의 힘 예를들면 최 들어올린 힘)

2속응성(최 조작 속도)

3크기 중량(로보트의 크기와 중량의 제한)

4안정성(발열이나 과부하에 한 안전성)

5사용의 용이도

6수명가격

1 2 의 조작력 속응력은 로보트에 요구되는 성능에서 가장 기본적인 것인

데 이에 관련해서 크기나 중량의 제한 안정성 사용의 용이도 수명 가격 등을

고려해서 동력원을 선택한다 단 자주형 로보트에서는 2 차적 성능인 동력원의

중량이 첫째 요구 조건이 되는 경우가 많고 공업용 로보트에서는 저가격 사용

의 용이도 안전성이 중요 사항으로 우선시된다

모든 로봇은 동력원을 필요로한다 중요도에 따라 동력원을 선택해야 하는데

일반적으로 공기압식은 안전성이 뛰어난 반면 힘과 세밀한 위치제어가 어렵고

전기식은 응답성과 사용편리성 세밀한 위치제어가 가능하나 높은 힘을 내기 위

해서는 부가적인 기구부가 필요하다 유압식은 큰힘을 낼수있어서 속응성은 좋

으나 과부하시 상당한 발열이 있기 때문에 안전성에서 다른 동력원에 비해 떨

어진다 위 사항을 TABLE 3-1 로 분류하여 나타내었다

- 36 -

TABLE 3-1 Characteristics of power sources

전기식 유압식 공압식

사용용이성 편리하다 작동유의관리 관로의압력

필터관리에 유의

공급공기의 수분제거

윤활성의부가에 주의

수명 길다 기름에 윤활성이 있기

때문에 길다

공기에윤활성이 없어

유압 전기에 비해 짧다

가격 보통 가격 운영비 높음 저가격

응답속도

(반응성) 매우 빠르다 빠르다 늦다

하중능력 (소)에서 (중)정도의

하중능력 단히 큰 힘을 얻음 큰 힘은 없다

소음 적다 다소 크다 크다

- 37 -

제 4 장 능동형 그리퍼 설계

41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정

로봇 그리퍼의 정밀 파지 (Fingertip Grasp 손가락 끝을 이용하여 물체를 집

거나 바닥에누워있는 납작한 물체를 집는 행동)를 안정하게 하기 위해서는 손가

락 끝과 물체가 직각에 가까운 각도를 이룸으로 마찰력을 크게 하여 안정성을

높인다 또한 바닥에 놓인 물체를 집어 올릴 경우에도 물체표면의 법선 벡터와

손가락 끝의 각도가 클수록 물체를 효과적으로 구속하여 안정된 파지를 할 수

있다

그리퍼의 링크 시스템에 있어서 2 링크 손가락보다 3 링크 손가락을 쓸 때가

링크와 수평 평면이 이루는 각 (A)이 더 커지기 때문에 안정성이 더 좋다는 것

을 알 수 있다 그리고 안정성뿐만 아니라 식 (4-1)을 통하여 문체에 전해지는

Torque 값을 Fig 4-2 와 같이 그래프로 나타내면 0 도에서 75 도 정도까지는 A 각

이 커질수록 물체에 가해지는 토크 값이 점점 커지는 것을 알 수 있음으로 3 링

크 손가락을 쓰는 것이 파지력 증가됨을 알수 있다 ℓ3 의 길이가 길어질수록 A

가 작은 값을 가져서 정밀파지에 적당하지 않다

τ l cosA sinA l 1 cos A tan μ (41)

A cosempty

(42)

Fig 4-1

은 식을 통

각이 커짐을

움이 있고

Fig4-

에서 제 2 코

통해 구할 수

을 알 수 있다

최소 단위를

Fig4

-1 Configurati

코사인 법칙

있는데 이로

다 그러나 ℓ

를 1cm 로 하

-2 Change the

- 38 -

ion of the fing

을 이용하여

로부터 링크

ℓ3 가 1cm 인

하였기 때문에

e value of the a

gers on robot g

여 A 의 각을

길이 ℓ3 가

인 경우는 너

에 ℓ3 는 2cm

angle of phage

gripper

구하기 위해

작으면 작을

무 짧아서 파

로 결정하였

torque

해 (2) 와 같

을수록 A 의

파지의 어려

였다

42 모터

(1) 알고

앞 절에

여야 한다

는 모터의

이 작은 모

나 용량이

로 적절한

선정 알고

고리즘 정의

에서 설명한 기

로봇 팔에

선정은 동작

모터를 사용하

큰 모터를 사

모터의 선정

고리즘

기구들을 추

움직임을 전

작을 구현하는

하게 되면 기

사용하게 되

정이 중요하다

Fig 4-3 M

- 39 -

추후 로봇 시스

전달함에 있어

는데 중요한

기구의 원활한

면 모터의 외

다

Motor Selectio

스템에 적용을

어서 동력을

과제가 되겠

한 작동이 어

외형이 커지

on Algorithm

을 고려하여

공급과 제어

겠다 만일 토

려워지고 단

고 가격 또한

설계를 하

어를 수행하

토크나 용량

단순히 토크

한 증가하므

- 40 -

(2) 알고리즘 수행

모터를 선정하기 위해서 가장 우선적으로 해야 할 일은 기계구동부분을 결

정하고 구동부분을 어떠한 방식으로 작동을 시킬지 동작 패턴을 결정하여야 한

다 예를 들면 모터에서 나오는 힘을 받아서 볼 스크류를 이용하여 힘을 전달할

것인지 벨트 피니언 기어 혹은 풀리 등을 이용할 것인지를 결정하고 그에 따

른 적절한 구동방식을 결정한다 구동방식을 결정하게 되면 각각의 구동방식에

적합한 수식을 대입하여 부하토크를 계산한다 구동방식에 따른 부하토크를 구

하는 수식은 구동방식이나 구동장소 등에 따라 다소 상이하나 일반적인 수식은

다음과 같다

-BALL SCREW 구동

T FP2πn

μ F P2π

1i N ∙ m 43

F F mg sin α μ cos α N 44

-PULLEY 구동

T ∙ 45

μF D

2i N ∙ m

- 41 -

-WIRE middot BELT 구동 RACK middot PINION 구동

T F2πn

∙ πDi

FD2ni

N ∙ m 46

F F mg sin α μ cos s N 47

-실측에 의한 방법

T 48

직선운동 (커플링 직결 볼스크류 등)의 경우 위의 (43) (44) 이용하여 구할

수 있다 이때 F 는 축방향하중 F0 는 예압하중 μ0는 예압 NUT 의 마찰계수 η 은

효율i 는 감속비 PB 는볼스크류 피치를 나타낸다 회전운동 (풀리)의 경우 식

(45)를 이용하여 구할 수 있으며 FA는 외력 FB는 부하중량 (주축이 회전하기 시

작할 때의 힘) m 은 work 와 TABLE 의 총무계 μ 접동면의 마찰계수α는 경사각

도D 는 풀리의 지름을 나타낸다

실제현장에서는 선정된 모터의 토크를 확인하기 위해 실측에 의한 구동토크

를 계측하는데 스프링 저울을 구동 풀리에 연결지어 측정한다 이때 TL 은 회전

운동 부하토크에 해당하고 FB 는 부하중량 D 는 풀리의 직경을 나타낸다

위의 부하토크를 구하는 식들을 이용하여 부하토크를 구하게 되면 실제 모

터를 사용할 때 어느 정도의 시간적 여유를 두고 가속을 할 것인지 감속을 할

것인지를 결정하여야 한다 이를 위해서 우선 동작시킬 부분에 대한 관성모멘트

를 계산하

Fig 4-4

시한 것으로

dA 와 기준

이를 표현하

하여야 한다

4 는 관성모멘

로 X 와 Y

준축으로 부터

하면 식 (49)

Fig 4-4 Arb

I

멘트를 구하기

는 면적의 미

터의 거리의

)와 같다

- 42 -

bitrary shape o

y dA I

기 위한 절대

미소 요소 dA

제곱의 곱으

of planar area

x dA

대좌표 X Y

A 의 좌표이

으로 단면 2

축 상의 미소

이고 관성모멘

차 모멘트라

49

소면적을 도

멘트는 요소

라고도 한다

평면 면

가 있다 평

축에 대한

Fig 4-5

하는 평행한

관성모멘

식 (410

번째 적분은

면적의 관성

평행축 정리란

관성 모멘트

5 과 같이 도

한 xy 축 두

멘트의 정의로

I y

0) 에서 우변

은 Xc 축에

Fig 4-5

모멘트에 있

란 도심축에

트 사이의 관

도심을 원점으

좌표계의 평

로부터 x 축

y d dA

변의 첫 번째

대한 1 차 모

- 43 -

5 Parallel-axis

있어서 중요하

대한 관성

계를 나타낸

으로 하는 Xc

평행한 축 간

축에 대한 관

y dA

적분은 Xc

모멘트로서 X

theorem

하고 유용한

모멘트와 도

낸다

cYc 축과 임의

간의 거리를 d

성모멘트 Ix

2d y dA

축에 대한 관

Xc 축이 도심

정리로서 평

도심축에 평행

의의 점 O 를

d1 과 d2 로 표

는 식(410)와

d dA

관성모멘트

심을 통과하므

평행축 정리

행한 임의의

를 원점으로

표시한다

와 같다

410

I 이다 두

므로 적분의

- 44 -

값은 0 이다 세번째 적분은 면적 A 그 자체이다 따라서 식 (410)은 식 (411)과

같이 간단해진다

I I Ad 411

y 축에 대한 관성모멘트도 위와 같은 방법에 의해 식(412)과 같다

I I Ad 412

또한 면적의 평면에 수직인 수직축에 대한 관성모멘트를 극관성모멘트라 한

다 Fig 4-6 는 평면에 수직이고 O 점을 통과하는 축에 대한 극관성모멘트를 나

타낸 그림으로 이를 관성모멘트 식으로 표현하면 식 (413) 와 같다

I ρ dA 413

식 (413)와

즉 평면에

서로 수직인

극 관성

와 도심 C

와 식 (414)에

I

수직인 축에

인 두 축에 대

성모멘트에 대

에 대한 극

Fig 4-6 Arb

의해 식 (4

ρ dA

I

에 대한 극관

대한 관성모

대한 평행축

극 관성모멘트

- 45 -

bitrary shape o

ρ x y

415) 식 (41

x y dA

I I I

관성모멘트는

멘트의 합과

정리는 Fig

트를 각각 I

of Polar Area

y

16)과 같은 관

x dA y

는 평면 내의

과 같다

4-5 에서 유

와 I 로

관계식을 얻을

y dA

같은 지점을

유도할 수 있

로 표시하면

414

을 수 있다

415

416

을 통과하는

있다 원점 O

식 (416)에

- 46 -

서 식(417)을 유도할 수 있다

I I I I I I 417

I I I I A d d 418

I I Ad 419

식 (419)는 극 관성모멘트에 대한 평행축 정리를 나타낸다 즉 평면 내의 임의

의 한 점 O 에 대한 면적의 극관성모멘트는 도심 C 에 대한 극관성모멘트에 그

면적과 점 O 와 C 사이의 거리의 제곱의 곱을 더한 것과 같다

이상의 식에서 부하토크와 관성모멘트를 계산하여 모터를 가 선정한다 부하토

크의 경우 사용될 모터의 정격 토크를 넘어서지 않는 것을 선정한다 부하토크

를 TL 정상 부하 상태의 힘 PL 극 관성모멘트 IL 회전운동을 위한 힘 Pa 각속

도 가속 시 소요되는 시간을 ta 라 하고 식 (420)을 이용하여 부하가 일정하

게 작용할 때의 힘을 계산한다 마찬가지로 관성모멘트를 식 (421)에 대입하여

가속을 위한 회전 운동 시 필요한 힘을 계산한다 식 (420)과 식 (421)에서 계

산된 힘을 합산하면 모터를 회전시키기 위해 필요한 출력이 계산된다 이때 계

산된 출력보다 실제 사용할 모터의 정격 출력이 1~2 배 정도가 되도록 모터를

가 선정한다

- 47 -

P T ω 420

P 421

위의 과정을 통하여 모터를 가선정하고 가감속 토크 및 구동 토크를 계산한

다 각각의 토크를 계산하게 되면 모터를 최종적으로 선정하게 되는데 두 가지

사항을 고려하여 최종 선정한다 먼저 식 (422)을 통해서 계산되는 가속 시 소

요되는 기동 토크 TM 가 모터의 최대 토크를 넘지 않는 것으로 선정한다

T 422

두 번째로 Fig 4-7 의 속도 선도와 같이 모터의 가 감속 시간과 정상 동작

시간 등을 결정하여 식 (423)과 같이 실효치 토크 TS 를 구하고 실효 토크가 모

터의 정격 토크보다 크지 않도록 선정한다

T 423

Fig 4-7 Exa

- 48 -

ample of veloc

city guidance

- 49 -

(3) 알고리즘 적용

로봇시스템에 있어서 기구들의 관성모멘트와 토크 계산 후 적합한 모터를

선정하기 위해 시중에서 시판되는 모터를 조사하였다 로봇에 적용 가능한 모터

로는 크게 서버모터와 스텝모터 RC 서버모터 DC 모터로 구분 할 수 있었다 이

를 TABLE 4-1 과 같이 정리하였다

동력원의 6 가지 선정요소 중 우선순위를 부여하여 분류했을 때 핸드 그리퍼

의 특성상 가볍고 토크가 큰 RC 서버 모터 미니 서버모터를 선택할 수 도 있지

만 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터 중 토크를 증가시킬 수 있는

감속기가 있는 타입의 모터를 우선시 하였다

1 감속비를 사양할 수 있는 모터를 선정하여 계산한 토크를 확인한다

2 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터를 선정한다

3 CLOSED LOOP 제어를 통하여 정확한 위치를 검출할 수 있어야 한다

따라서 스텝모터중 lsquoOrsquo사의 ldquoαSTEPrdquo가 적합하다고 판단되어 모터를 선정하였다

- 50 -

TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics

미니서버모터 RC 서버모터 스텝모터 DC 모터

장점 동일사양대비 모터

중 10배정도 큰 토크

5v사용가벼움

정확한 위치제어

급격한 부하변동급가

속 유리

저렴한가격

보편화됨

단점 정지시 진동이 예상 약한 토크 THRUST하중이 모터

무계 이하여야 한다

유지보수가 잦다

크기 151588mm(10w20w)

2525111mm(30w)

392038mm 424234mm Oslash37mm917mm

동작전압 Dc 24V Dc 48V60V Dc 24V Dc 24V

무계 230g~400g 56g 150g 200g

허용토크 009Nm~03Nm 11~13kgfcm 18kgfcm (018Nm) 47kgfcm(1200)

감속기 다양한 감속비 가능 고정 감속기 감속기 무(072˚036) 다양한 감속비

제조사 야스카와 SGMM 하이텍 HS-5945 AUTONICS GCM 3429A

TABLE 4-2 αstep motor characteristics

외형 전압 전류 무계 토크 감속비 분해능

αSTEP 282884mm

4242127mm Dc24V 1~37A 250G 2~28 Nmiddotm 50~1001

00072pluse

00036pluse

- 51 -

43 1 차 능동형 그리퍼 설계

실린더를 사용하여 링크로 물체를 파지하던 그리퍼는 Fig 4-8 과 Fig 4-9 에

묘사하였다 이런 실린더를 사용한 그리퍼는 공압 효과를 도출할 수 있는 별도

의 펌프가 필요하고 동작을 구현할 수 있는 자유도를 증가시키는데 한계가 있

다 이런 실린더의 단점을 보완하고 전기모터의 장점을 사용하기 위해 웜기어와

웜휠 방식을 채택하여 2 자유도 능동형 그리퍼를 설계하였다

1 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-10 에 묘사하였으며 1 차설계한

능동형 그리퍼는 Two Fingertip Grasp 로 칭하겠다 파지한 물체를 회전 시키는

기능은 베벨기어를 사용하여 회전운동으로 구현하였고 실린더의 전middot후진 운동

을 전기모터의 회전운동으로 변환 시키기 위하여 웜기어와 웜휨을 선택하였다

전기모터에 의해 회전하는 운동은 웜기어와 웜휠에 의해 링크를 사용하여 물체

를 파지하였던 그리퍼와 동일한 운동효과를 가지게 되었다

웜기어와 웜휠을 사용하여 물체를 파지하는 능동형 그리퍼는 스윙형으로 설

계되었으며 파지력을 높이기 위한 각도를 적용하였다 링크를 사용하여 물체를

파지하는 형태의 그리퍼보다 기구의 크기를 줄일 수 있는 장점이 있는 반면 기

어들의 백래시에 의한 오차가 끝단에 누적될 수 있는 문제점을 가지고 있다또

한 기구부의 소재 변경으로 그리퍼의 무계를 줄일 수 도 있지만 가장 큰 무계

를 차지하는 모터를 그리퍼 자체에서 분리하게 할 수 있게 하려면 그리퍼 자체

의 구조변경이 필요하다

`

`

Fig 4-8 Par

Fig 4-9 Par

- 52 -

rallel-link gra

rallel-link gra

sps system 1

sps system 2

Fig 4-10

- 53 -

0 Two fingertipps grasp system

- 54 -

44 2 차 능동형 그리퍼 설계

1 차 설계한 능동형 그리퍼에서 발견된 문제점을 보안하기 위하여 2 차 능동

형 그리퍼를 설계하였다 2 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-11 에 묘사

하였으며 2 차설계한 능동형 그리퍼는 Four Fingertip Grasp 로 칭하겠다 이 장치

는 크게 동력원 동력 전달장치 핑거 그립장치로 구성되어있으며 이를 통합하

여 Fig 4-12 에 나타내었다

핑거 그립장치는 스윙형 그립의 단점을 보완하여 설계하였다 물체를 파지할

때 그립의 회전 반경이 주위 환경요소와 간섭을 발생시킬 수 있는데핑거가 전

진할때 샤프트와 핑거그립간의 나사결합형태를 통한 직선운동으로 개선하여 주

위환경요소에 영향을 주지 않도록 설계하였다 구동축의 핑거파지 메카니즘을

Fig 4-13 와 같이 간략화 하였고 이에 대한 세부 도면은 Fig 4-14 로 나타내었다

4 조 핑거 그립의 나사산과 테이퍼진 스크류축은 나사식으로 결합되며 상호

작용에 의해 점차 중심점으로 이동하여 물체를 파지하는 형태이다 사용된 2 개

의 샤프트는 중공축으로 설계하였으며 외부 샤프트는 4 조 핑거가 물체를 파지

하여 비트는 모션을 구현하는데 사용되었다 내부 샤프트는 핑거를 중심점으로

전진시켜는 기능을 수행한다 중공축으로 설계한 내부 샤프트는 차후 개발될 인

스트리먼트의 탈부착을 손쉽게 할수있도록 구현하였고 4 조로 설계된 핑거는 그

립시 인스트리먼트의 응력집중현상을 분산시키는 기능과 2 조로 그립하였을때

보다 안정적인 그립감을 형성한다

- 55 -

동력원과 동력전달장치는 Fig 4-15 에 나타내었으며 Two Fingertip Grasp system

의 문제점이었던 구동부의 모터의 설치 방법을 외부에 부착하는 형태로 변경하

여 우레탄 밸트를 사용하였다 또한 아이들러를 사용하여 밸트의 방향을 변경

하여 모터의 부착위치를 자유롭게 설정할 수 있도록 하였고 모터 브라켓에 슬

리브 홈을 설치하여 벨트의 장력을 조절할 수 있도록 하였다

Fig4-11

Fig4-12 Fou

- 56 -

Four fingertip

ur fingertips g

ps grasp system

grasp system la

m

ayout

Fig 4-13

Fig 4-14

- 57 -

Fingertip gra

4 Fingertip gr

asps mechanis

rasps extended

m

d

Fig 4-15

- 58 -

5 Power transmission devicce

- 59 -

제 5장 결 론

본 연구에서는 MIS 수술 로봇을 위한 햅틱 마스터장치 구동용 능동형 그리

퍼를 설계하기 위하여 그에 상응하는 자료 및 문헌 조사를 수행하였고 햅틱 마

스터에 적용 가능한 능동형 그리퍼를 설계하여 로봇 시스템의 초안을 구성하였

다 수술용 도구를 단순히 잡아주는 역할에서 벗어나 시스템에 추가적인 자유도

를 부여함으로써 그리퍼를 표현하였다 단순화된 그리퍼는 보다 저렴한 가격으

로 생산될 수 있으며 기존 로봇 수술시스템의 높은 비용을 절감할 수 있는 효

과를 가져올 수 있다

최종적으로 제안한 설계 안으로는 2 조 핑거그립를 사용하는 전기모터형 그

리퍼 와 추가적으로 개선한 4 조 전기모터형 핑거그립를 설계였다 스윙형 그립

의 단점을 보안하여 집중응력을 분산할 수 있는 구조로 설계하였고 그리퍼의

무계를 줄일 수 있는 방법을 제시하였다 이로써 원통형 도구 파지 시 안정성이

향상되었고 보다 원활하게 수술 도구를 교체 가능하도록 하였다

앞으로 촉감을 전달할 수 있는 센서의 개발로 햅틱 디바이스 인터페이스 장

치의 활용에 보다 높은 기여를 할 것이라 예상된다

-６０-

참고 문헌

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정보 및 제어부분 PP68~7020084

[2] 박정호 ldquo국내외 의료로봇 현황과 발전방향rdquo정보과학지 26(4)

PP49~5420084

[3] 편집부 ldquo수술지원로봇의 최신 기술 동향rdquo월간 자동화 기술 22(12)

PP74~77200612

[4] 경기욱박준석 ldquo햅틱스 기술개발 동향 및 연구전망rdquo전자통신경향분석

21(5)PP93~108200610

[5] 권동수경기욱 ldquo의료용 로봇의 연구 현황과 전망rdquo기계저널

42(3)PP38~44200203

[6] Yoichi OGAHARA Yusuke KAWATO Kenjiro TAKEMURA Takashi MAENO

ldquoA Wire-Driven Miniature Five Fingerd Robot Hand using Elastic Elements as

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[7] Ikuo Yamano Takashi Maeno ldquoFive-fingered Robot Hand using Ultrasonic Motors

and Elastic Elementsrdquoproceedings the 2005 IEEE International Conference on

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[8] 홍만복김광기 ldquo최소 침습수술로봇을위한 2-자유도 구형 메커니즘설계rdquo

한국정밀공학회 2009년 추계학술대회 논문집

-６１-

[9] 이재훈김형욱이병주서일홍 ldquo새로운 6자유도 병렬형 햅틱 기구의 최적설

계 및 해석rdquo한국정밀공학회 2003년 추계학술대회 논문집

[10] 조국훈이재훈이병주김희국 ldquo병렬형 그리퍼 메카니즘rdquo한국정밀공학회지

[11] 김갑순 ldquo3축 힘센서를 이용한 지능형 그리퍼 개발rdquo한국정밀공학회지 제

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[12] 고대성김성목김희국이병주 ldquo병진형 자유도와 1자유도 파지기능을 가지는

4자유도 병렬 메커니즘의 기구학분석rdquo한국정밀공학회 2007년 추계학술대회

• 제1장 서 론
• • 11 연구배경 및 연구목적
  • 12 연구내용
  • • 제2장 로봇 산업의 기술 현황
    • • 21 로봇산업의 동향
      • 22 의료용 로봇기술 현황
      • 23 의료용 로봇시장 전망
      • • 제3장 능동 그리퍼
        • • 31 최소침습 수술 햅틱 장치구현에 필요한 능동 그리퍼 제안
          • 32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류
          • 33 파지형태에 의한 그리퍼의 분류
          • 34 메카니컬 핸드의 구속기능
          • 35 대표적인 동력원의 특징
          • • 제4장 능동형 그리퍼 설계
            • • 41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정
              • 42 모터 선정 알고리즘
              • • 43 1 차 능동형 그리퍼 설계
                • 44 2 차 능동형 그리퍼 설계
                • • 제 5 장 결론
                  • 참고문헌
                  • TABLE 2-1 Domestic robot classification
                  • TABLE 2-2 Robot Production Company
                  • TABLE 3-1 Characteristics of power sources
                  • TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics
                  • TABLE 4-2 αSTEP Motor Characteristics
                  • Fig2-1 Phase of medical robots in the robot industry
                  • Fig2-2 Da Vinci surgical case number
                  • Fig3-1 Da Vinci robot system for MIS
                  • Fig3-2 Classified by the gripper grip action
                  • Fig3-3 Swing-type hand mechanism
                  • Fig3-4 Hand mechanism for translational type1 (parallel displacement)
                  • Fig3-5 Hand mechanism for translational type2 (Rack and pinion type)
                  • Fig3-6 Hand mechanism for three point pinch type
                  • Fig3-7 Movement of object
                  • Fig3-8 Contacts of the kind and the confining
                  • Fig3-9 Human Arm structure
                  • Fig4-1 Configuration of the fingers on robot gripper
                  • Fig4-2 Change the value of the angle of phage torque
                  • Fig4-3 Motor Selection Algorithm
                  • Fig4-4 Arbitrary Shape of Planar Area
                  • Fig4-5 Parallel-Axis Theorem
                  • Fig4-6 Arbitrary Shape of Polar Area
                  • Fig4-7 Example of Velocity Guidance
                  • Fig4-8 Parallel-link Grasp system 1
                  • Fig4-9 Parallel-link Grasp system 2
                  • Fig4-10 TWO Fingertip Grasp system
                  • Fig4-11 Four Fingertip Grasp System
                  • Fig4-12 Four Fingertip Grasp System layout
                  • Fig4-13 Fingertip Grasp Mechanism
                  • Fig4-14 Fingertip Grasp extended
                  • Fig4-15 Power Transmission Device

- 10 -

성능이 좋아지면서 MRI 나 CT 영상 등을 활용한 실시간 3 차원 볼륨이 가능해

지면서 의료용 시뮬레이터 개발은 가속화 되었다

셋째 재활 로봇 (rehabilitation robot)은 노인과 장애인의 재활치료와 일상생활

을 도와 주는 로봇 시스템으로 단순한 신체를 지지해 주는 역할을 벗어나 중증

환자나 노인의 신체 움직임을 향상시키고 빠른 시일 내에 회복하도록 주요 기

능을 수행하고 장애인의 장애를 극복하여 독립적인 생활을 가능하게 할 수 있

는 특정 기능의 로봇을 의미한다

넷째 기타 의료 로봇으로는 간호 로봇이나 안내로봇 등이 있다 현재의 간

호 인력을 도와서 수술이나 치료를 받는 환자를 보살피는 로봇으로서 정확한

투약과 수술 후 관리가 가능하도록 도와주는 기능과 환자의 이동 간병 및 산책

이 가능하고 말벗의 기능을 포함하는 로봇을 의미한다

(2) 의료용 로봇기술 개발현황

가 수술 로봇

현재까지 연구된 수술 로봇은 미세 수술용 원격수술 로봇 최소침습수술

(MIS) 로봇 관절 수술 로봇 등으로 분류할 수 있다

원격수술 로봇 시스템 일환으로 개발된 대표적인 로봇으로는 일본 동경대의

원격 수술 로봇 미국 NASA JPL 의 RAMS SRI International 의 원격 수술 로봇

한국과학기술원의 미세수술용 Slave 로봇 등이 있다

- 11 -

MIS 의 로봇 시스템 일환으로 개발된 대표적인 로봇으로는 미국의 UC 버클

리대의 수술 로봇시스템 Computer Motion 사의 내시경 보조 로봇인 이솝

(AESOP)과 복강경 수술 로봇인 제우스 (ZEUS) 제우스 보다 진보된 Intuitive

Surgical 의 다빈치 (daVinch) 등이 있다 이 중 다빈치는 수술용 로봇으로 거의

독점적인 위치로써 세계 로봇수술의 첨병역할을 하고 있다

관절 수술 로봇의 일환으로 개발된 대표적인 로봇으로는 미국 Integrated

Surgical System사의 로보닥 (Robodoc) 독일의 Orto Maque사의 CASPAR 영국의

Imperial College의 아크로보트 (Acrobot) 등이 있다

나 수술 시뮬레이터

수술 로봇 이외에 의사의 수술에 관한 숙련도를 높이기 위한 의료용 시뮬레

이터가 활발하게 연구되고 있다 특히 근래에 들어 프로세서의 성능이 좋아지면

서 MRI 나 CT 영상 등을 활용한 의료용 수술 시뮬레이터 개발이 가속화 되었

다 대표적인 수술 시뮬레이터로는 미국 Georgia Tech의 안구 수술 시뮬레이터

미국 Boston 다이나믹스사의 개복수술 시뮬레이터 Mitsubishi Electric Research Lab

의 무릎관절 내시경 시뮬레이션 영국 맨체스터 대학의 웹기반 시뮬레이터 등이

있다

다 재활 로봇

- 12 -

노령인구와 장애인구의 증가로 로봇 기술의 필요성은 재활분야에도 확대되

고 있다 장애인의 독립적인 활동을 보장하고 삶의 질을 높이려는 노력은 유럽

등의 선진국을 중심으로 재활 로봇이 연구되어 왔으며 이탈리아에서 개발된

MOVAID 가 대표적인 재활 로봇이다 또 미국에서는 MIT 를 중심으로 RIC 과

같은 로봇 신경 재활 로봇들이 개발되고 있다 스위스에서는 보행 재활 로봇으

로 Lokomat 이 개발되었고 국내에서는 KAIST 에서 휠체어 로봇 시스템과 보행

보조 로봇 등이 연구되고 있다 이외에도 서강대학교에서는 SUBAR 라는 보행

재활 로봇을 개발하였다 이외에도 최근 미국의 Intouch Health 에서 개발한 RP-7

은 멀리 있는 환자의 병증을 파악하는 데 탁월한 원격진료 로봇으로 활용되고

있다

(3) 국내 의료용 로봇 적용사례

상기 서술한 의료용 로봇 중 가장 많은 각광을 받고 있으며 국내에서 적용

되고 있는 사례를 통해 의료용 로봇의 사용 실태를 파악보고자 한다 대표적인

복강경 수술 로봇인 Intuitive Surgical의 다빈치 로봇 시스템과 고관절 수술 로봇

인 Integrated Surgical System사의 로보닥을 중심으로 국내 실태를 살펴보고자 한

다

가 다빈치

- 13 -

Fig 2-2 da Vinci surgical case number

다빈치 로봇은 1997 년 벨기에서 처음으로 환자에게 적용된 이래 국내에

2005 년 7 월 연세대학교 신촌 세브란스 병원에서 최초로 도입하여 2005 년 7 월

15 일 국내 최초로 다빈치를 이용한 로봇 수술이 이루어졌다 Fig 2-2 에서 보

듯이 수술사례는 계속적으로 증가하여 2008 년 1 월 말 현재 750 건이 넘는 수

술이 이루어졌다

다빈치 로봇은 전립선암 위암 대장남 부인암 식도암 갑상선암 간암 등

대부분의 암수술 및 중요 외과계 수술에 적용된다 이는 다빈치 로봇 수술이 가

져다 주는 효과인 개복수술이나 복강경 수술보다 수술회복기간이 단축되고 수

술시간도 감소시키는 역할과 무엇보다 수술 후 환자가 겪는 수술 후유증 확실

- 14 -

히 줄여주기 때문이다 특히 전립선암의 경우 대표적인 수술 후유증인 요실금

과 발기부전 등의 가능성이 대폭 줄어드는 것으로 알려져 있다

이와 같은 수술사례와 수술성과에도 불구하고 다빈치 로봇의 가격이 25 억

정도의 고가이기 때문에 영세한 의료기관에서 도입하기에는 다소 무리가 따르

고 있다 그러나 대형 병원들은 다빈치의 성공적인 수술사례를 통해 앞다투어

이를 도입하고 있다

2008 년 1 월 현재 신촌 세브란스 병원은 이미 3 대를 도입했고 영동 세브

란스 병원 고려대 안암병원 서울아산병원 한림대 강남병원 분당서울대병원

삼성서울병원 경북대병원 동아대병원 등 9 개 의료기관에 도입되어 있다 또한

최근 (2008 년 1 월 30 일) 연세대 세브란스병원은 로봇 수술의 활성화를 위해

Intuitive Surgical 과 공동으로 복강경 수술용 로봇 다빈치를 이용한 수술법을 배

우는 lsquo연세 다빈치 트레이닝 센터rsquo를 개소하였다

다빈치는 로봇 가격만큼 수술 비용에 있어서도 고가인데다 의료보험이 적

용되지 않아 수술 비용을 환자가 모두 부담해야 하는 실정이다 다빈치 로봇 수

술 비용은 700~2000 만 원선으로 기존의 수술 비용인 200~300 만 원 보다는 다

소 높은 가격이다 특히 전립선암의 경우 로봇 수술 비용은 1500 만 원 선으로

개복수술이나 복강경수술보다 5~7 배 정도의 높은 가격이다 그럼에도 불구하고

로봇 수술은 거의 모든 암 수술에 적용되고 있고 환자와 의사 모두 만족하는

수술법으로 자리잡아 가고 있다

- 15 -

나 로보닥

로봇이 외과적 기계로써 임상적으로 처음 국내에서 적용된 것은 1992 년 lsquo로

보닥rsquo이라는 의료용 로봇이다 미국에서 개발된 로보닥은 인공관절이 삽입될 환

자의 뼈를 로봇으로 가공해서 수술 성공률을 획기적으로 높였다 두꺼운 뼈를

정확한 형상으로 깎아내는 작업에는 CADCAM 자료에 따라 작동하는 로봇 팔

이 숙련된 외과의사를 간단히 능가했다 로보닥은 한국과 EU 의 판매승인을 획

득했고 결국 인공관절수술의 대세를 장악했다 세계적으로 8000 회 이상의 수술

이 로보닥을 이용하여 성공적으로 수행되었으며 2001년 FDA의 승인을 받기도

하였다

2002 년 국내 처음으로 로보닥이 도입된 이래로 이춘택 병원은 현재까지

2556 회라는 경이적인 수술건수를 기록하였다 그는 최소침습수술과 접목하여

로봇의 정밀성과 최소 절개기술을 결합시킴으로써 환자의 고통과 재활 기간을

크게 줄였다 그러나 로보닥의 가격은 무려 17 억 원이며 3 차원 영상까지 구현

하기 위해서는 10 억 원 상당의 멀티 CT 까지 도입해야만 한다 그렇기 때문에

소규모의 관절전문병원이 도입하기에는 다소 무리한 점이 있다 이러한 상황에

서 이춘택은 국내시장에 맞는 로봇개발을 위해 국산 부품 및 소프트웨어를 개

발 중에 있다 따라서 우리나라도 고령화 사회를 맞아 세계적으로 관절 수술이

급증하고 있는 상황에서 국내 기술로 만든 수술용 로봇이나 소프트웨어 개발은

국내 의료용 로봇시장의 활성화를 이룰 수 있다

- 16 -

23 의료용 로봇시장 전망

(1) 로봇산업 전망

로봇 분야별 세계시장 정세를 살펴보면 제조업용 로봇은 시장안전화 단계로

써 급격한 시장변화는 어려우며 신규 생산설비 및 기존 설비에 따른 수요가 대

부분 차지하고 있는 실정이다 개인서비스용 로봇은 가족구조의 핵가족화와 고

령화 현상으로 인한 가족인원으로서의 가정용 로봇에 대한 수요가 증가 추세에

있다 전문서비스용 로봇은 생산국과 생산기업이 극히 제한되어 있으며 제품가

격의 고가로 인해 시장형성에 있어서 생산국과 수요국이 불일치하고 있는 실정

이다 이러한 상황에서 로봇시장의 국가별 점유율을 살펴보면 일본 (28) 미국

(18) 독일 (16) 이탈리아 (10) 한국 (3)의 순으로 세계 5 위를 차지하고

있다 이와 같이 산업용 로봇의 경우는 우리나라의 세계적인 위상이 높지만 아

직까지 전문 서비스 분야 로봇에 대한 세계적인 위상은 미비하다

시장규모 전망과 국내 세계시장 점유율에 대한 전망은 다음과 같다 세계 로

봇시장의 규모는 2010 년에는 247억 5 백만 달러에서 2020년에는 717억 7 천만

달러에 이를 것으로 보고 있으며 연평균 107의 증가율을 예상하고 있다 분

야별로는 제조업용 로봇은 2010 년 세계시장의 114에서 2020 년 144의 비중

을 차지할 것으로 전망하고 있으며 전문서비스용 로봇은 2010 년 세계시장의

09에서 2020 년 21의 비중을 차지할 것으로 예상하고 있다 개인서비스용

- 17 -

로봇은 2010 년 30에서 2020 년 70 수준에 달할 것으로 보고 있다 비록 전

문 서비스용 로봇산업의 규모는 미국 일본 독일에 비해 미미한 실정이나 전문

서비스용 로봇의 신시장을 개척하고 그 만큼의 기술력이 밑받침된다면 2020 년

세계시장에서의 더 큰 비중의 달성이 이루어질 것으로 본다

(2) 의료용 로봇기술 전망

의료용 로봇시장의 성장은 의료용 로봇기술 개발산업의 성장과 밀접한 관계

가 있다 세계적인 개발추세로는 의료용 로봇개발 하드웨어 분야에서는 일본이

경쟁력이 가장 높으며 소프트웨어 분야에서는 미국이 앞서나가고 있다 또한

독일은 하드웨어 및 소프트웨어 분야에서 동시에 상당한 연구 개발 능력을 보

유하고 있다 앞으로는 이 세 나라가 의료용 로봇 시장의 핵심 주자로 나설 것

으로 예상된다

산업연구원 (2007) 조사에 따르면 국내 로봇산업의 기술은 기술항목에 따라

다소 차이를 보이고 있으나 제조업용 로봇의 경우는 최고 기술 보유국 대비 평

균 85 정도에 육박하고 있으며 전문서비스용 로봇의 경우는 80 정도 개인서비

스용 로봇은 84 정도에 이르고 있는 것으로 나타났다 의료용 로봇 분야에서는

선두주자인 미국의 기술력을 100 이라고 봤을 때 현재 우리나라는 70 정도이며

2015년이 지나야 100 에 도달할 것으로 전망하였다 비록 의료용 로봇에서 세계

1위인 미국에 비해 우리는 아직 10년 이상 차이가 있지만 세계 최초로 국제 규

- 18 -

모의 로봇랜드 조성과 로봇펀드 발생 등 정부 차원에서의 노력이 여러 가지 방

면에서 다양하게 펼쳐지고 있기 때문에 그 격차는 점차 줄어들 것으로 예상된

다

또한 IFR (2006) 자료에 따르면 한국 산업용 로봇은 세계 5 위의 강국[16]인

데 비해 의료용 로봇에 있어서는 약소국이다 이는 의료용 로봇의 개발비가 많

이 드는데 비해 국내 시장은 극히 제한적이어서 일반 기업의 참여가 아주 저조

하기 때문이다 국내에서 의료용 로봇 관련 기술 개발은 아직 걸음마 단계에 머

물러 있으며 벤처기업 및 대기업들이 개발해 상용화시키고 있는 기술이나 제품

도 대부분이 생활 가전형 로봇에 한정되어 있을 뿐 의료용 로봇분야는 아직 미

개척지로 남아 있다 하지만 국내에서도 의료용 로봇 개발을 수행하기 위해 대

학이나 연구소 차원에서 의료용 로봇에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다 먼

저 한국과학기술원이 8 년 전 설치한 휴먼 웰페어 로보틱 서저리 센터가 대표

적인 연구기관이다 이 연구소에서는 거동이 불편한 환자들을 위한 휠체어의 자

동화 시스템이나 복강경 수술 로봇 등 로봇 수술용 기구의 국산화에 초점을 맞

춰 진행 중이다 또한 최근에는 국립암센터 역시 산업자원부로부터 수술용 로

봇과 영상시스템을 주제로 한 의료용 로봇 개발자로 선정되어 연구에 들어갔다

비록 국내 의료 및 수술 로봇 관련 기술이 일본 미국 등에 비해 아직까지

뒤쳐져 있는 실정이지만 국내에서도 의료용 로봇 기술 개발이 이처럼 활발히

진행되고 있어서 향후 전망은 매우 밝다고 할 수 있다 또한 해외에서 각광을

받고 있는 캡슐형 내시경 연구 역시 국내에서 벌써 10 년째 계속 되고 있다 최

- 19 -

근 한국과학기술연구원과 벤처기업인 인트로메딕이 개발한 세계 최소형 캡슐형

내시경인 미로캠 (MiroCam)은 2010 년까지 국내 캡슐형 내시경 시장의 80를

점유할 것으로 예상하고 있다 이러한 국산 의료용 로봇 개발을 통해 고부가가

치 시장인 세계 의료 시장에 뛰어들 수 있는 기반을 다졌다는 데에 큰 의미가

있다

전문 서비스용 로봇의 경우 제조업 로봇 관련 풍부한 경험을 바탕으로 전문

서비스용 로봇으로의 기술확대 메카트로닉스 (mechatronics) 관련 다양한 산업기

반과 세계적인 IT 인프라 보유국의 강점을 살리고 있다 또한 한국은 10 대 성

장동력간 연계 등을 통한 시너지 효과와 세계 전문서비스 로봇 시장이 초기형

성 단계임을 감안한다면 이 분야의 진출에 대한 절호의 기회이며 머지않아 의

료용 로봇 강국으로 진입할 수 있을 것으로 기대된다

- 20 -

제 3 장 능동 그리퍼

31 최소침습 수술 햅틱 장치 구현에 필요한 능동 그리퍼 제안

21 세기 로봇 기술 분야에서는 인간과 기계 시스템 간의 커뮤니케이션이 무

엇보다 중요하게 강조되며 이러한 인간과 기계 시스템의 의사소통은 주로 인간

의 감각 기관을 통해 이루어 진다 일반적으로 인간에게는 보고 듣고 냄새를

맡고 맛을 보고 피부로 느끼는 오감이 있으며 이러한 감각을 시각 청각 후

각 미각 촉각이라고 한다 따라서 이러한 인간의 감각에 정보를 전달하기 위

한 다양한 기계 시스템들이 개발되어 왔다 오감 중에서 현재 인간과 기계 시스

템간의 인터페이스 역할을 하는 표적인 감각으로는 사물을 보는 시각과 소리

를 듣는 청각이 주로 이용되고 있다 이를 위한 시스템들은 이미 상당한 수준으

로 발전해 현재 상용화 되어 활용되고 있다 하지만 이러한 시각과 청각 인터

페이스 만으로는 로봇의 제어에 한계가 있으며 오감 중에서 세 번째 감각인 촉

각에 한 인터페이스가 현재 활발히 연구 개척되고 있다 만약 가상현실에 촉

감 인터페이스가 적용된다면 기존의 시각과 청각에만 의존하던 가상 현실에 촉

감을 전달함으로써 실제 물건을 만지고 느낄 수 있으므로 가상현실을 보다 더

실감나게 할 수 있을 것이다 하지만 인간의 감각 중에서 촉각은 매우 민감한

감각으로 여기에 촉감 정보를 전달하는 인터페이스는 아직 많은 연구를 필요로

하고 있다

- 21 -

햅틱 (haptic)이란 단어의 사전적인 의미는 ldquoof or relating the sense of touch

tactilerdquo로써 물체를 만질 때 사람이 느낄 수 있는 촉각적 감각으로 피부가 물체

표면에 닿아서 느끼는 촉감 (tactile sensation)과 관절과 근육의 움직임이 방해 될

때 느껴지는 근 감각적인 힘 (kinesthetic force)의 두 가지 힘을 모두 합쳐서 부르

는 말이다 촉감 구현 연구는 물리적 장치를 이용하여 사람이 직접적인 접촉이

없이도 촉각 정보를 전달하는 방법에 관한 전반적인 연구 분야를 일컫는 말로

사람에게 원격지에 있는 물체의 물리적 특성을 전달하는 원격조작 혹은 원격현

장감에 관한 연구로부터 시작되었다 가상 혹은 실제 환경에서 촉감을 구현하기

위한 연구를 포괄적으로 의미하는 용어로 햅틱스 (haptics)라고 한다 주요 연구

분야는 사람이 직접 손에 쥐거나 착용하는 물리적 장치인 햅틱 디바이스 인터

페이스 (haptic interface) 가상 공간상의 물체에 기계적 성질을 부여하여 사실감

이 있는 상호작용을 제공하고자 하는 햅틱 렌더링 (haptic rendering) 사람의 촉

각 인지 특성에 관한 연구 (tactile perception) 등으로 나눌 수 있다 특히 햅틱

인터페이스 (haptic interface)는 햅틱 디바이스 (haptic device)라고도 불리우며 사람

에게 촉감을 전달하는 물리적인 장치를 말하며 더 넓은 의미로 사용하여 가상

의 환경을 촉감 전달을 통해서 느끼게 하는 시스템 전체를 가리키기도 한다 이

러한 햅틱 기술은 다양한 분야에서 활용될 수 있는데 표적인 분야로는 가상

현실 분야 인간-컴퓨터 인터페이스 분야 게임 등 사이버 커뮤니케이션 그리고

원격제어 로봇 등이 있다 특히 원격제어 로봇이 많이 활용되고 있는 의료 분

야에서 햅틱 구현은 매우 시급한 과제이다 현 의 수술은 점점 첨단의 수술 도

- 22 -

구와 로봇을 이용하여 집도되는 추세이며 최소침습수술 (minimally invasive

surgery MIS)이 그 표적인 예이다 이 수술법은 환부의 구멍에 수술도구와 카

메라를 삽입하여 집도의가 모니터를 보면서 시술함으로써 시술시간이 짧고 환

자의 회복이 빨라서 그 적용 범위가 점차 확 되고 있다 하지만 환자가 얻게

되는 이점에 반해 의사는 개복 수술에서 쉽게 이용하던 기술들을 더 이상 적용

할 수 없게 되어 집도에 있어 큰 어려움을 부담해야만 한다 즉 환자의 내부에

서 손의 움직임과 시야의 제약을 받게 되었고 손으로 환자의 장기나 뼈를 만지

고 상태를 확인할 수 없게 된 것이다 이러한 문제점들을 극복하기 위해 첨단의

의료용 로봇 시스템이 개발되었는데 의사 즉 오퍼레이터가 조작하는 마스터

(master) 로봇과 환자의 환부에서 수술을 진행하는 슬레이브 (slave) 로봇으로 구

분된다 슬레이브 로봇은 크게 수술 시 집도의 팔의 움직임을 구현하는 구동 암

(arm)과 수술도구를 홀딩 할 수 있는 그리퍼로 분류할 수 있다 구동 암의 움직

임은 수술 부위의 위치를 결정하면 별도 큰 움직임 없이 작동시킬 수 있으며

전달 수술 관통 수술이 아닌 경우에는 집도의가 느끼는 힘을 피드백 할 필요가

없다 하지만 그리퍼의 경우는 신체 일부분의 미세한 조직까지 전부 접촉해서

제거하거나 봉합하기 때문에 집도의가 수술 시 느끼는 힘을 구현하여야 보다

정밀한 수술을 수행할 수 있다 따라서 본 연구에서는 햅틱 장치가 적용된 마스

터 로봇과 마스터 로봇에서 형성된 힘을 느낄 수 있으며 원할한 수술을 진행할

수 있는 최소침습수술용 능동 그리퍼를 제안하겠다 Fig 3-1 은 상용 MIS 장치인

다빈치 로봇의 마스터와 슬레이브 그리고 그리퍼를 나타내고 있다

(a) sla

(b

Fig 3-1 da V

Operation Arm

Gripper

- 23 -

ave robot and g

b) master rob

Vinci robot sy

m

gripper

ot

stem for MIS

- 24 -

32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류

산업용 로봇은 그 기능 특성상 필요성에 의해 로봇의 말단부에 그리퍼를 부

착시킨다 이것은 인간의 손에 응되는 것으로서 메커니컬 핸드라고 칭하며 다

루는 상 물체를rdquo파지rdquo해 이동하는 목적으로 사용되는 도구이다

파지동작은 Fig 3-2 와 같이 세분화된다 인간의 손 손가락에는 많은 관절이

있으며 여러가지 작업이 가능하다 일상 생활에서의 붙잡기는 형식을 분류한 것

으로는 슐레징거의 12 형식이 있다 여기서 인간의 손에는 손가락이 있어서 그

것을 유지핸드라고 이름 붙이면 메커니컬 핸드에는 손가락이 없는 구성법이 있

는데 이것을 무지 핸드라고 이름 붙이기로 한다 이 무지 핸드는 기계적 물리적

으로 구조상 무지핸드로 한 것과 공구가 메커니컬 핸드와 일체화됐다고 생각하

는 공구 핸드가 있다 메커니컬 핸드를 분류해 보면 다음과 같다 진공이나 자

기 이용의 흡착 등 물리적 흡척형의 유지는 보통 평면(완만한 곡선도 포함)부를

흡착하는 형태로서 물체의 크기나 중량에 따라 여러 개가 설치되는 경우도 있

다 그러나 물체표면에 만곡부가 있는 경우나 구멍이나 공동이 있는 경우에는

적용할 수 없게 된다 또한 자력을 이용한 경우 철금속 재료를 다루게 되는데

경우에 따라서 매우 효율적이고 신뢰성이 높기는 하지만 물체에 잔류 자력이

남게 되는 문제점이 있다 받기형의 유지는 지지의 동작만을 가지고 있는 형태

이며 이는 전기한 흡착형 보다 적극적이 아니여서 약한 구속을 갖는다 변형하

기 쉬운 물체의 이송등에는 이를 채택한다 매달기형 유지는 중력 방향의 이동

1 자유도를 구속한다 잡기형 파지는 유연성에 의한 변형으로 접촉면적을 크게

하여 집는

상물을 외측

이용하는 등

33 파지형

파지 형

다 본 연구

하여 설명

(1) 두 손

형태이다 현

측에서 파지하

등의 파지방법

형태에 의한

형태로서는

구에서 사용할

명 하겠다

손가락 type

현재 많이 사

하거나 구멍

법이다

한 그리퍼의

상을 바깥에

할 메커니즘은

e

Fig 3-2 Cla

- 25 -

사용하고 있는

속에 손가락

의 분류

에서 파지하

은 바깥에서

assified by the

는 끼우기형

락을 넣은 후

는 것과 안에

파지하는 형

gripper grip ac

파지 형태는

후 벌려서 내

에서 파지하

형태가 유리하

ction

는 핸들링

내측사용면을

는 것이 있

하므로 이에

두 개의

상태를 유지

는 스윙형

안정되게 파

의 리지트한

지해서 개폐

핸드(swingin

파지하는 점에

손가락을 갖

되는 병진형

ng gripper)로

에서 병진형

(a) grinder c

(c

Fig 3-3 Sw

- 26 -

갖춘 것으로

핸드(transla

로 분류된다

보다 떨어진

crank

c) rotation joi

wing-type hand

실용례가 많

ational grippe

스윙형은 기

진다

(b) swing

int

d mechanism

많다 손가락이

er)와 그 방향

기구가 간단하

g block

이 상호평행

향이 변화하

하나 상이

병진형에

4 은 평행링

운동을 바꾸

에 회전시킴

로 유지되기

지된다 직

시키도록 한

가 전middot후진

피니온 방식

F

에서는 평행링

링크 방식의

꾸고 그 피니

킴으로써 손가

기 때문에 손

동형 신에

한 것도 있다

진하는 결점이

식이 채용된다

Fig 3-4 Hand

링크 랙middot피니

예로 직동형

니온 운동으로

가락 개폐를

손가락의 물체

에 회전형 액

다 평행링크를

이 있다 이문

다

mechanism fo

- 27 -

니온 나사이송

형 액추에이

로 평행링크의

얻는다 링크

체 파지면의

추에이터를

를 이용한 형

문제를 해결하

or translational

송 기구 등이

터의 운동을

의 하나의 링

크 PS 와 링

자세도 개폐

이용한 형식

형식은 개폐에

하는 방법으로

type1 (paralle

이 이용되고

랙과 피니온

링크 A 를 축

크 QR 은 항

폐 동작 중 일

식에서 평행링

에 의해서 손

로서 볼나사

el displacement

있다 Fig 3-

온으로 회전

축 P 의 주위

항상 평행으

일정하게 유

링크를 회전

손가락 위치

기구나 랙middot

nt)

Fig 3

는 핸드의

볼나사 기구

다

(2) 세 손

세 손가

가락으로 잡

F

-5 는 회전형

예이다볼나

구 각각을 손

손가락 type

가락을 가진 핸

잡는 것보다

Fig 3-5 Hand

형 액추에터로

나사 기구를 이

손가락에 부착

e

핸드에서는

안정된 파지

d mechanism fo

- 28 -

로 랙 피니온

이용하는 경

착 사라를 회

상을 3 점

지 동작을 할

or translational

온을 회전시킴

우에는 1

회전시킴으로

점에서 유지할

할 수 있다

l type2 (rack a

킴으로써 개폐

의 왼나사

써 개폐 동작

할수 있기 때

nd pinion type

폐동작을 하

오른나사의

작을 실현한

문에 두 손

e)

Fig 3-6

베벨기어를

구동해서 세

실현한 것

각 손가락을

복잡하며 중

6 은 세 손가

를 매개로 상

세 손가락을

이다 특히

을 개별 모터

중량도 증가하

Fig

락형 그리퍼

호 각도를 주

동작시킴으로

원통물체를

터로 구동하도

하기 때문에

3-6 Hand mec

- 29 -

의 일반적인

주어 결합한

로써 이른바

확실히 잡아

도록 한 3 지

실용례가 적

chanism for thr

인 형상을 나타

3 개의 볼

바 3 포인트 핀

아서 유지하

지형핸드도 개

적다

ree point pinch

타내고 있다

나사를 하나

핀치(three po

는데 유리하

개발되고 있으

h type

이 핸드는

나의 모터로

oint pinch)를

하다그 외에

으나기구가

34 메카니

(1) 구속

기계적

어서 형성되

전 구속 기

해서 언급하

으로 움직일

또 X Y 평

니컬 핸드의

속기능

구동장치에

되는 것으로

기능이 있다

하면 구속 상

일 수 있다

평면 X Y 면

의 구속기능

서 구속 형식

크게 나누어

그래서 핸드

상태의 물체는

이것을 물체

X Z 면상에

Fig 3-

- 30 -

능

식과 접촉 상

어서 반구속

드의 구속 기

는 Fig 3-7 와

체의 공전 (이

서 6 방향으

-7 Movement

상태와 포락

속 (받는 구속

기능을 결정하

와 같이 X Y

이동)에 관한

로 회전 한다

t of object

능력의 인자

속 는 구속

하는 물체의

Z 의 3 축상

6 동작 자유

다 이것을 물

자가 복합되

속)기능과 완

구속에

에서 6 방향

유도로 한다

물체의 자전

(회전)에 관

부여한 상태

행할 수 있

서는 회전의

핸드에

한 공간적

면 Fig 3-8

이 그림

를 구속한다

에서 7 자유

선접촉과 면

계수와 절선

(a

관한 6 동작

태에서 움직이

있다 또 완전

의 6 자유도를

의한 물체의

적인 포락 상

와 같이 된

(a)의 점접촉

다 그러나 1

유도를 구속

면접촉에는 각

선력법선력

a) point contac

Fig3

자유도로 한

이며 중력이

전 구속은 핸

를 무시하는

의 구속은 핸

상태로 정한다

다

촉은 접촉점

1 점접촉은 다

한다 (c)의

각각 마찰에

비와의 관계

ct (b

3-8 Contacts

- 31 -

한다 반구속은

이나 환경면의

드 자체로 1

경우도 적지

핸드와 물체의

다 먼저 접촉

방향의 1 자

다른 11 자유

면접촉은 11

위한 구속이

계로 구속불능

) line contact

of the kind an

은 12 자유도

의 구속을 받

12 자유도를

지 않다

의 접촉 상태

촉부의 구속

자유도를 구속

도를 구속할

1 자유도의 구

이 4 개와 6 개

능의 가능성을

nd the confini

도 중 몇 개의

아서 완전 구

행하는데 경

태 및 접촉부

능력을 모델

속한다 그러나

할 수 없다 (b

구속을 할 수

개 주어져 있

을 가진 구속

(c) surface co

ing

의 자유도를

구속으로 이

경우에 따라

부의 물체에

델로 나타내

나 1 자유도

b)는 선접촉

수 있다 단

있으며 마찰

속 성분이기

ontact

- 32 -

도 하다 또한 면접촉의 상태는 중력의 작용을 이용하면 받기를 형성하고 또

외계력을 이용하면 기를 형성한다

이들의 접촉상태는 물체의 형상과 핸드의 구속면으로 규정되는 것으로 핸드

만으로 결정하기는 어렵다 단 핸드의 구속면을 부드러운 재질로 형성하면 면

접촉의 이행이 용이하다 이와 같은 이유에서 물체에 접촉부가 포락도를 높이는

데에 따라서 물체 형상에 관계 없이 구속 능력을 증 시킬 수 있다

(2) 메커니컬 핸드의 자유도

로봇의 손은 그 용도를 불문하고 인간의 손 작업의 행을 목적으로 하는

것이므로 그 설계에 있어서 모델로 되는 것은 말할 것 도 없이 인간의 손이다

그래서 우선 기구에 하여 설명하기 전에 인간의 손의 구조 모델에 하여 설

명해 본다

AmiddotMorecki 에 의하면 인간의 상체는 그 해부학적 구조에 입각하면 Fig 3-9 와

같이 모델화할 수 있다 Fig 3-9 에서 숫자는 각각 골격 즉 링크를 나타내고 숫

자 II~ V 는 관절을 나타내고 있다 이와 같은 공간링크 기구의 자유도 F 는 가

동부수 n 자유도의 종류 f 를 가진 우 수를 Pf 라 하면 다음 식으로 나타낼

수 있다

6n sum ∙ P 12345 (3-1)

Fig 3-9

들 자유도가

을 Fig 3-9

P5=10 이므

인간의

유도 1 의

해 있으며

의 모델에서

가 있는 관절

9 와 같이 정

므로 위 식에

상지를 인공

액튜에이터를

22 개나 되

Fig 3

서는 n=19 P2

절에 작용하는

정의하고 그

서 FH=22 가

공적으로 정밀

를 27 필요

는 액튜에이

- 33 -

3-9 Human Ar

2=1 P3=2 P4

는 근군은 약

자유도 FH

가 된다

밀하게 재현하

요로 하게 된

터를 필요로

rm structure

4=6 P5=11 이

약 50 이라고

를 구하면

하려고 한다면

된다 또 손에

로 한다 그러

이므로 F=27

고 되어 있다

이 경우는 n

면 이상의 결

는 특히 자유

나 로봇의 손

이 된다 이

여기서 손

n=16 P4=6

결론에서 자

유도가 집중

손이 이만큼

- 34 -

의 수의 액튜에이터를 갖춘 것을 제작한다는 것은 크기 중량 제어면에서 볼

때 현시점에서는 불가능에 가깝다 특히 의수에 있어서는 상술한 바와 같은 형

상이나 조종성 등의 점에서 전혀 불가능하다고 해도 좋다 따라서 보통은 기능

에 주목하여 손에 집중해 있는 자유도의 간략화를 도모한다

인간의 잡기 동작에 주목해 보면 그 잡기 형상에는 12 종류가 있다고 하다

그러나 이것들은 엄지와 다른 12 종류가 있다고 한다 그러나 이것들은 엄지와

다른 4 손가락과의 관계에 주목하였을 때에 2 종류 즉 엄지가 다른 4 손가락과

항해서 동작하거나 그 측방에서 동작하는가로 분류할 수 있다 실제의 일상

동작에서 관찰하면 이들 중에서도 엄지와 손가락이 항해서 동작하는 소위 쥠

동작이 우선 첫 번째이고 또 다음에 엄지 검지 중지의 3 손가락의 선단으로

이루어지는 3Point Pinch 즉 잡기동작이 중요하다

더불어 손가락의 독립성에 해서는 역시 일상동작 중에서 손가락의 사용

빈도를 조사한 결과에 의하면 다섯 손가락은 반드시 독립적인 운동을 필요로

하지 않고 엄지 검지 중지가 같은 정도의 중요성을 자기며 다른 두 손가락은

사용 빈도에 있어서 이들 세 손가락보다 약 50 적으며 다른 세 손가락의 보

조 역할을 한다고 볼 수 있다 그리고 특히 중요한 것은 인간의 각 손가락은 잡

기 상물의 형상에 적응한 쥐기 즉 Passive 한 동작을 할 수 있다는 것이다 이

기능이 있다면 각 손가락이 독립적으로 동작하지 않더라도 또 다소 손의 자유

도를 제거하더라도 상물의 확실한 쥐기나 잡기 그리고 기타 손 작업에 큰 힘

을 발휘한다

- 35 -

34 표적인 동력원의 특징

동력원을 설계할 때 다음의 점을 고려하면서 가장 적합한 방식을 선택한다

1조작력(로보트가 내는 최 의 힘 예를들면 최 들어올린 힘)

2속응성(최 조작 속도)

3크기 중량(로보트의 크기와 중량의 제한)

4안정성(발열이나 과부하에 한 안전성)

5사용의 용이도

6수명가격

1 2 의 조작력 속응력은 로보트에 요구되는 성능에서 가장 기본적인 것인

데 이에 관련해서 크기나 중량의 제한 안정성 사용의 용이도 수명 가격 등을

고려해서 동력원을 선택한다 단 자주형 로보트에서는 2 차적 성능인 동력원의

중량이 첫째 요구 조건이 되는 경우가 많고 공업용 로보트에서는 저가격 사용

의 용이도 안전성이 중요 사항으로 우선시된다

모든 로봇은 동력원을 필요로한다 중요도에 따라 동력원을 선택해야 하는데

일반적으로 공기압식은 안전성이 뛰어난 반면 힘과 세밀한 위치제어가 어렵고

전기식은 응답성과 사용편리성 세밀한 위치제어가 가능하나 높은 힘을 내기 위

해서는 부가적인 기구부가 필요하다 유압식은 큰힘을 낼수있어서 속응성은 좋

으나 과부하시 상당한 발열이 있기 때문에 안전성에서 다른 동력원에 비해 떨

어진다 위 사항을 TABLE 3-1 로 분류하여 나타내었다

- 36 -

TABLE 3-1 Characteristics of power sources

전기식 유압식 공압식

사용용이성 편리하다 작동유의관리 관로의압력

필터관리에 유의

공급공기의 수분제거

윤활성의부가에 주의

수명 길다 기름에 윤활성이 있기

때문에 길다

공기에윤활성이 없어

유압 전기에 비해 짧다

가격 보통 가격 운영비 높음 저가격

응답속도

(반응성) 매우 빠르다 빠르다 늦다

하중능력 (소)에서 (중)정도의

하중능력 단히 큰 힘을 얻음 큰 힘은 없다

소음 적다 다소 크다 크다

- 37 -

제 4 장 능동형 그리퍼 설계

41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정

로봇 그리퍼의 정밀 파지 (Fingertip Grasp 손가락 끝을 이용하여 물체를 집

거나 바닥에누워있는 납작한 물체를 집는 행동)를 안정하게 하기 위해서는 손가

락 끝과 물체가 직각에 가까운 각도를 이룸으로 마찰력을 크게 하여 안정성을

높인다 또한 바닥에 놓인 물체를 집어 올릴 경우에도 물체표면의 법선 벡터와

손가락 끝의 각도가 클수록 물체를 효과적으로 구속하여 안정된 파지를 할 수

있다

그리퍼의 링크 시스템에 있어서 2 링크 손가락보다 3 링크 손가락을 쓸 때가

링크와 수평 평면이 이루는 각 (A)이 더 커지기 때문에 안정성이 더 좋다는 것

을 알 수 있다 그리고 안정성뿐만 아니라 식 (4-1)을 통하여 문체에 전해지는

Torque 값을 Fig 4-2 와 같이 그래프로 나타내면 0 도에서 75 도 정도까지는 A 각

이 커질수록 물체에 가해지는 토크 값이 점점 커지는 것을 알 수 있음으로 3 링

크 손가락을 쓰는 것이 파지력 증가됨을 알수 있다 ℓ3 의 길이가 길어질수록 A

가 작은 값을 가져서 정밀파지에 적당하지 않다

τ l cosA sinA l 1 cos A tan μ (41)

A cosempty

(42)

Fig 4-1

은 식을 통

각이 커짐을

움이 있고

Fig4-

에서 제 2 코

통해 구할 수

을 알 수 있다

최소 단위를

Fig4

-1 Configurati

코사인 법칙

있는데 이로

다 그러나 ℓ

를 1cm 로 하

-2 Change the

- 38 -

ion of the fing

을 이용하여

로부터 링크

ℓ3 가 1cm 인

하였기 때문에

e value of the a

gers on robot g

여 A 의 각을

길이 ℓ3 가

인 경우는 너

에 ℓ3 는 2cm

angle of phage

gripper

구하기 위해

작으면 작을

무 짧아서 파

로 결정하였

torque

해 (2) 와 같

을수록 A 의

파지의 어려

였다

42 모터

(1) 알고

앞 절에

여야 한다

는 모터의

이 작은 모

나 용량이

로 적절한

선정 알고

고리즘 정의

에서 설명한 기

로봇 팔에

선정은 동작

모터를 사용하

큰 모터를 사

모터의 선정

고리즘

기구들을 추

움직임을 전

작을 구현하는

하게 되면 기

사용하게 되

정이 중요하다

Fig 4-3 M

- 39 -

추후 로봇 시스

전달함에 있어

는데 중요한

기구의 원활한

면 모터의 외

다

Motor Selectio

스템에 적용을

어서 동력을

과제가 되겠

한 작동이 어

외형이 커지

on Algorithm

을 고려하여

공급과 제어

겠다 만일 토

려워지고 단

고 가격 또한

설계를 하

어를 수행하

토크나 용량

단순히 토크

한 증가하므

- 40 -

(2) 알고리즘 수행

모터를 선정하기 위해서 가장 우선적으로 해야 할 일은 기계구동부분을 결

정하고 구동부분을 어떠한 방식으로 작동을 시킬지 동작 패턴을 결정하여야 한

다 예를 들면 모터에서 나오는 힘을 받아서 볼 스크류를 이용하여 힘을 전달할

것인지 벨트 피니언 기어 혹은 풀리 등을 이용할 것인지를 결정하고 그에 따

른 적절한 구동방식을 결정한다 구동방식을 결정하게 되면 각각의 구동방식에

적합한 수식을 대입하여 부하토크를 계산한다 구동방식에 따른 부하토크를 구

하는 수식은 구동방식이나 구동장소 등에 따라 다소 상이하나 일반적인 수식은

다음과 같다

-BALL SCREW 구동

T FP2πn

μ F P2π

1i N ∙ m 43

F F mg sin α μ cos α N 44

-PULLEY 구동

T ∙ 45

μF D

2i N ∙ m

- 41 -

-WIRE middot BELT 구동 RACK middot PINION 구동

T F2πn

∙ πDi

FD2ni

N ∙ m 46

F F mg sin α μ cos s N 47

-실측에 의한 방법

T 48

직선운동 (커플링 직결 볼스크류 등)의 경우 위의 (43) (44) 이용하여 구할

수 있다 이때 F 는 축방향하중 F0 는 예압하중 μ0는 예압 NUT 의 마찰계수 η 은

효율i 는 감속비 PB 는볼스크류 피치를 나타낸다 회전운동 (풀리)의 경우 식

(45)를 이용하여 구할 수 있으며 FA는 외력 FB는 부하중량 (주축이 회전하기 시

작할 때의 힘) m 은 work 와 TABLE 의 총무계 μ 접동면의 마찰계수α는 경사각

도D 는 풀리의 지름을 나타낸다

실제현장에서는 선정된 모터의 토크를 확인하기 위해 실측에 의한 구동토크

를 계측하는데 스프링 저울을 구동 풀리에 연결지어 측정한다 이때 TL 은 회전

운동 부하토크에 해당하고 FB 는 부하중량 D 는 풀리의 직경을 나타낸다

위의 부하토크를 구하는 식들을 이용하여 부하토크를 구하게 되면 실제 모

터를 사용할 때 어느 정도의 시간적 여유를 두고 가속을 할 것인지 감속을 할

것인지를 결정하여야 한다 이를 위해서 우선 동작시킬 부분에 대한 관성모멘트

를 계산하

Fig 4-4

시한 것으로

dA 와 기준

이를 표현하

하여야 한다

4 는 관성모멘

로 X 와 Y

준축으로 부터

하면 식 (49)

Fig 4-4 Arb

I

멘트를 구하기

는 면적의 미

터의 거리의

)와 같다

- 42 -

bitrary shape o

y dA I

기 위한 절대

미소 요소 dA

제곱의 곱으

of planar area

x dA

대좌표 X Y

A 의 좌표이

으로 단면 2

축 상의 미소

이고 관성모멘

차 모멘트라

49

소면적을 도

멘트는 요소

라고도 한다

평면 면

가 있다 평

축에 대한

Fig 4-5

하는 평행한

관성모멘

식 (410

번째 적분은

면적의 관성

평행축 정리란

관성 모멘트

5 과 같이 도

한 xy 축 두

멘트의 정의로

I y

0) 에서 우변

은 Xc 축에

Fig 4-5

모멘트에 있

란 도심축에

트 사이의 관

도심을 원점으

좌표계의 평

로부터 x 축

y d dA

변의 첫 번째

대한 1 차 모

- 43 -

5 Parallel-axis

있어서 중요하

대한 관성

계를 나타낸

으로 하는 Xc

평행한 축 간

축에 대한 관

y dA

적분은 Xc

모멘트로서 X

theorem

하고 유용한

모멘트와 도

낸다

cYc 축과 임의

간의 거리를 d

성모멘트 Ix

2d y dA

축에 대한 관

Xc 축이 도심

정리로서 평

도심축에 평행

의의 점 O 를

d1 과 d2 로 표

는 식(410)와

d dA

관성모멘트

심을 통과하므

평행축 정리

행한 임의의

를 원점으로

표시한다

와 같다

410

I 이다 두

므로 적분의

- 44 -

값은 0 이다 세번째 적분은 면적 A 그 자체이다 따라서 식 (410)은 식 (411)과

같이 간단해진다

I I Ad 411

y 축에 대한 관성모멘트도 위와 같은 방법에 의해 식(412)과 같다

I I Ad 412

또한 면적의 평면에 수직인 수직축에 대한 관성모멘트를 극관성모멘트라 한

다 Fig 4-6 는 평면에 수직이고 O 점을 통과하는 축에 대한 극관성모멘트를 나

타낸 그림으로 이를 관성모멘트 식으로 표현하면 식 (413) 와 같다

I ρ dA 413

식 (413)와

즉 평면에

서로 수직인

극 관성

와 도심 C

와 식 (414)에

I

수직인 축에

인 두 축에 대

성모멘트에 대

에 대한 극

Fig 4-6 Arb

의해 식 (4

ρ dA

I

에 대한 극관

대한 관성모

대한 평행축

극 관성모멘트

- 45 -

bitrary shape o

ρ x y

415) 식 (41

x y dA

I I I

관성모멘트는

멘트의 합과

정리는 Fig

트를 각각 I

of Polar Area

y

16)과 같은 관

x dA y

는 평면 내의

과 같다

4-5 에서 유

와 I 로

관계식을 얻을

y dA

같은 지점을

유도할 수 있

로 표시하면

414

을 수 있다

415

416

을 통과하는

있다 원점 O

식 (416)에

- 46 -

서 식(417)을 유도할 수 있다

I I I I I I 417

I I I I A d d 418

I I Ad 419

식 (419)는 극 관성모멘트에 대한 평행축 정리를 나타낸다 즉 평면 내의 임의

의 한 점 O 에 대한 면적의 극관성모멘트는 도심 C 에 대한 극관성모멘트에 그

면적과 점 O 와 C 사이의 거리의 제곱의 곱을 더한 것과 같다

이상의 식에서 부하토크와 관성모멘트를 계산하여 모터를 가 선정한다 부하토

크의 경우 사용될 모터의 정격 토크를 넘어서지 않는 것을 선정한다 부하토크

를 TL 정상 부하 상태의 힘 PL 극 관성모멘트 IL 회전운동을 위한 힘 Pa 각속

도 가속 시 소요되는 시간을 ta 라 하고 식 (420)을 이용하여 부하가 일정하

게 작용할 때의 힘을 계산한다 마찬가지로 관성모멘트를 식 (421)에 대입하여

가속을 위한 회전 운동 시 필요한 힘을 계산한다 식 (420)과 식 (421)에서 계

산된 힘을 합산하면 모터를 회전시키기 위해 필요한 출력이 계산된다 이때 계

산된 출력보다 실제 사용할 모터의 정격 출력이 1~2 배 정도가 되도록 모터를

가 선정한다

- 47 -

P T ω 420

P 421

위의 과정을 통하여 모터를 가선정하고 가감속 토크 및 구동 토크를 계산한

다 각각의 토크를 계산하게 되면 모터를 최종적으로 선정하게 되는데 두 가지

사항을 고려하여 최종 선정한다 먼저 식 (422)을 통해서 계산되는 가속 시 소

요되는 기동 토크 TM 가 모터의 최대 토크를 넘지 않는 것으로 선정한다

T 422

두 번째로 Fig 4-7 의 속도 선도와 같이 모터의 가 감속 시간과 정상 동작

시간 등을 결정하여 식 (423)과 같이 실효치 토크 TS 를 구하고 실효 토크가 모

터의 정격 토크보다 크지 않도록 선정한다

T 423

Fig 4-7 Exa

- 48 -

ample of veloc

city guidance

- 49 -

(3) 알고리즘 적용

로봇시스템에 있어서 기구들의 관성모멘트와 토크 계산 후 적합한 모터를

선정하기 위해 시중에서 시판되는 모터를 조사하였다 로봇에 적용 가능한 모터

로는 크게 서버모터와 스텝모터 RC 서버모터 DC 모터로 구분 할 수 있었다 이

를 TABLE 4-1 과 같이 정리하였다

동력원의 6 가지 선정요소 중 우선순위를 부여하여 분류했을 때 핸드 그리퍼

의 특성상 가볍고 토크가 큰 RC 서버 모터 미니 서버모터를 선택할 수 도 있지

만 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터 중 토크를 증가시킬 수 있는

감속기가 있는 타입의 모터를 우선시 하였다

1 감속비를 사양할 수 있는 모터를 선정하여 계산한 토크를 확인한다

2 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터를 선정한다

3 CLOSED LOOP 제어를 통하여 정확한 위치를 검출할 수 있어야 한다

따라서 스텝모터중 lsquoOrsquo사의 ldquoαSTEPrdquo가 적합하다고 판단되어 모터를 선정하였다

- 50 -

TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics

미니서버모터 RC 서버모터 스텝모터 DC 모터

장점 동일사양대비 모터

중 10배정도 큰 토크

5v사용가벼움

정확한 위치제어

급격한 부하변동급가

속 유리

저렴한가격

보편화됨

단점 정지시 진동이 예상 약한 토크 THRUST하중이 모터

무계 이하여야 한다

유지보수가 잦다

크기 151588mm(10w20w)

2525111mm(30w)

392038mm 424234mm Oslash37mm917mm

동작전압 Dc 24V Dc 48V60V Dc 24V Dc 24V

무계 230g~400g 56g 150g 200g

허용토크 009Nm~03Nm 11~13kgfcm 18kgfcm (018Nm) 47kgfcm(1200)

감속기 다양한 감속비 가능 고정 감속기 감속기 무(072˚036) 다양한 감속비

제조사 야스카와 SGMM 하이텍 HS-5945 AUTONICS GCM 3429A

TABLE 4-2 αstep motor characteristics

외형 전압 전류 무계 토크 감속비 분해능

αSTEP 282884mm

4242127mm Dc24V 1~37A 250G 2~28 Nmiddotm 50~1001

00072pluse

00036pluse

- 51 -

43 1 차 능동형 그리퍼 설계

실린더를 사용하여 링크로 물체를 파지하던 그리퍼는 Fig 4-8 과 Fig 4-9 에

묘사하였다 이런 실린더를 사용한 그리퍼는 공압 효과를 도출할 수 있는 별도

의 펌프가 필요하고 동작을 구현할 수 있는 자유도를 증가시키는데 한계가 있

다 이런 실린더의 단점을 보완하고 전기모터의 장점을 사용하기 위해 웜기어와

웜휠 방식을 채택하여 2 자유도 능동형 그리퍼를 설계하였다

1 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-10 에 묘사하였으며 1 차설계한

능동형 그리퍼는 Two Fingertip Grasp 로 칭하겠다 파지한 물체를 회전 시키는

기능은 베벨기어를 사용하여 회전운동으로 구현하였고 실린더의 전middot후진 운동

을 전기모터의 회전운동으로 변환 시키기 위하여 웜기어와 웜휨을 선택하였다

전기모터에 의해 회전하는 운동은 웜기어와 웜휠에 의해 링크를 사용하여 물체

를 파지하였던 그리퍼와 동일한 운동효과를 가지게 되었다

웜기어와 웜휠을 사용하여 물체를 파지하는 능동형 그리퍼는 스윙형으로 설

계되었으며 파지력을 높이기 위한 각도를 적용하였다 링크를 사용하여 물체를

파지하는 형태의 그리퍼보다 기구의 크기를 줄일 수 있는 장점이 있는 반면 기

어들의 백래시에 의한 오차가 끝단에 누적될 수 있는 문제점을 가지고 있다또

한 기구부의 소재 변경으로 그리퍼의 무계를 줄일 수 도 있지만 가장 큰 무계

를 차지하는 모터를 그리퍼 자체에서 분리하게 할 수 있게 하려면 그리퍼 자체

의 구조변경이 필요하다

`

`

Fig 4-8 Par

Fig 4-9 Par

- 52 -

rallel-link gra

rallel-link gra

sps system 1

sps system 2

Fig 4-10

- 53 -

0 Two fingertipps grasp system

- 54 -

44 2 차 능동형 그리퍼 설계

1 차 설계한 능동형 그리퍼에서 발견된 문제점을 보안하기 위하여 2 차 능동

형 그리퍼를 설계하였다 2 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-11 에 묘사

하였으며 2 차설계한 능동형 그리퍼는 Four Fingertip Grasp 로 칭하겠다 이 장치

는 크게 동력원 동력 전달장치 핑거 그립장치로 구성되어있으며 이를 통합하

여 Fig 4-12 에 나타내었다

핑거 그립장치는 스윙형 그립의 단점을 보완하여 설계하였다 물체를 파지할

때 그립의 회전 반경이 주위 환경요소와 간섭을 발생시킬 수 있는데핑거가 전

진할때 샤프트와 핑거그립간의 나사결합형태를 통한 직선운동으로 개선하여 주

위환경요소에 영향을 주지 않도록 설계하였다 구동축의 핑거파지 메카니즘을

Fig 4-13 와 같이 간략화 하였고 이에 대한 세부 도면은 Fig 4-14 로 나타내었다

4 조 핑거 그립의 나사산과 테이퍼진 스크류축은 나사식으로 결합되며 상호

작용에 의해 점차 중심점으로 이동하여 물체를 파지하는 형태이다 사용된 2 개

의 샤프트는 중공축으로 설계하였으며 외부 샤프트는 4 조 핑거가 물체를 파지

하여 비트는 모션을 구현하는데 사용되었다 내부 샤프트는 핑거를 중심점으로

전진시켜는 기능을 수행한다 중공축으로 설계한 내부 샤프트는 차후 개발될 인

스트리먼트의 탈부착을 손쉽게 할수있도록 구현하였고 4 조로 설계된 핑거는 그

립시 인스트리먼트의 응력집중현상을 분산시키는 기능과 2 조로 그립하였을때

보다 안정적인 그립감을 형성한다

- 55 -

동력원과 동력전달장치는 Fig 4-15 에 나타내었으며 Two Fingertip Grasp system

의 문제점이었던 구동부의 모터의 설치 방법을 외부에 부착하는 형태로 변경하

여 우레탄 밸트를 사용하였다 또한 아이들러를 사용하여 밸트의 방향을 변경

하여 모터의 부착위치를 자유롭게 설정할 수 있도록 하였고 모터 브라켓에 슬

리브 홈을 설치하여 벨트의 장력을 조절할 수 있도록 하였다

Fig4-11

Fig4-12 Fou

- 56 -

Four fingertip

ur fingertips g

ps grasp system

grasp system la

m

ayout

Fig 4-13

Fig 4-14

- 57 -

Fingertip gra

4 Fingertip gr

asps mechanis

rasps extended

m

d

Fig 4-15

- 58 -

5 Power transmission devicce

- 59 -

제 5장 결 론

본 연구에서는 MIS 수술 로봇을 위한 햅틱 마스터장치 구동용 능동형 그리

퍼를 설계하기 위하여 그에 상응하는 자료 및 문헌 조사를 수행하였고 햅틱 마

스터에 적용 가능한 능동형 그리퍼를 설계하여 로봇 시스템의 초안을 구성하였

다 수술용 도구를 단순히 잡아주는 역할에서 벗어나 시스템에 추가적인 자유도

를 부여함으로써 그리퍼를 표현하였다 단순화된 그리퍼는 보다 저렴한 가격으

로 생산될 수 있으며 기존 로봇 수술시스템의 높은 비용을 절감할 수 있는 효

과를 가져올 수 있다

최종적으로 제안한 설계 안으로는 2 조 핑거그립를 사용하는 전기모터형 그

리퍼 와 추가적으로 개선한 4 조 전기모터형 핑거그립를 설계였다 스윙형 그립

의 단점을 보안하여 집중응력을 분산할 수 있는 구조로 설계하였고 그리퍼의

무계를 줄일 수 있는 방법을 제시하였다 이로써 원통형 도구 파지 시 안정성이

향상되었고 보다 원활하게 수술 도구를 교체 가능하도록 하였다

앞으로 촉감을 전달할 수 있는 센서의 개발로 햅틱 디바이스 인터페이스 장

치의 활용에 보다 높은 기여를 할 것이라 예상된다

-６０-

참고 문헌

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• 제1장 서 론
• • 11 연구배경 및 연구목적
  • 12 연구내용
  • • 제2장 로봇 산업의 기술 현황
    • • 21 로봇산업의 동향
      • 22 의료용 로봇기술 현황
      • 23 의료용 로봇시장 전망
      • • 제3장 능동 그리퍼
        • • 31 최소침습 수술 햅틱 장치구현에 필요한 능동 그리퍼 제안
          • 32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류
          • 33 파지형태에 의한 그리퍼의 분류
          • 34 메카니컬 핸드의 구속기능
          • 35 대표적인 동력원의 특징
          • • 제4장 능동형 그리퍼 설계
            • • 41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정
              • 42 모터 선정 알고리즘
              • • 43 1 차 능동형 그리퍼 설계
                • 44 2 차 능동형 그리퍼 설계
                • • 제 5 장 결론
                  • 참고문헌
                  • TABLE 2-1 Domestic robot classification
                  • TABLE 2-2 Robot Production Company
                  • TABLE 3-1 Characteristics of power sources
                  • TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics
                  • TABLE 4-2 αSTEP Motor Characteristics
                  • Fig2-1 Phase of medical robots in the robot industry
                  • Fig2-2 Da Vinci surgical case number
                  • Fig3-1 Da Vinci robot system for MIS
                  • Fig3-2 Classified by the gripper grip action
                  • Fig3-3 Swing-type hand mechanism
                  • Fig3-4 Hand mechanism for translational type1 (parallel displacement)
                  • Fig3-5 Hand mechanism for translational type2 (Rack and pinion type)
                  • Fig3-6 Hand mechanism for three point pinch type
                  • Fig3-7 Movement of object
                  • Fig3-8 Contacts of the kind and the confining
                  • Fig3-9 Human Arm structure
                  • Fig4-1 Configuration of the fingers on robot gripper
                  • Fig4-2 Change the value of the angle of phage torque
                  • Fig4-3 Motor Selection Algorithm
                  • Fig4-4 Arbitrary Shape of Planar Area
                  • Fig4-5 Parallel-Axis Theorem
                  • Fig4-6 Arbitrary Shape of Polar Area
                  • Fig4-7 Example of Velocity Guidance
                  • Fig4-8 Parallel-link Grasp system 1
                  • Fig4-9 Parallel-link Grasp system 2
                  • Fig4-10 TWO Fingertip Grasp system
                  • Fig4-11 Four Fingertip Grasp System
                  • Fig4-12 Four Fingertip Grasp System layout
                  • Fig4-13 Fingertip Grasp Mechanism
                  • Fig4-14 Fingertip Grasp extended
                  • Fig4-15 Power Transmission Device

- 11 -

MIS 의 로봇 시스템 일환으로 개발된 대표적인 로봇으로는 미국의 UC 버클

리대의 수술 로봇시스템 Computer Motion 사의 내시경 보조 로봇인 이솝

(AESOP)과 복강경 수술 로봇인 제우스 (ZEUS) 제우스 보다 진보된 Intuitive

Surgical 의 다빈치 (daVinch) 등이 있다 이 중 다빈치는 수술용 로봇으로 거의

독점적인 위치로써 세계 로봇수술의 첨병역할을 하고 있다

관절 수술 로봇의 일환으로 개발된 대표적인 로봇으로는 미국 Integrated

Surgical System사의 로보닥 (Robodoc) 독일의 Orto Maque사의 CASPAR 영국의

Imperial College의 아크로보트 (Acrobot) 등이 있다

나 수술 시뮬레이터

수술 로봇 이외에 의사의 수술에 관한 숙련도를 높이기 위한 의료용 시뮬레

이터가 활발하게 연구되고 있다 특히 근래에 들어 프로세서의 성능이 좋아지면

서 MRI 나 CT 영상 등을 활용한 의료용 수술 시뮬레이터 개발이 가속화 되었

다 대표적인 수술 시뮬레이터로는 미국 Georgia Tech의 안구 수술 시뮬레이터

미국 Boston 다이나믹스사의 개복수술 시뮬레이터 Mitsubishi Electric Research Lab

의 무릎관절 내시경 시뮬레이션 영국 맨체스터 대학의 웹기반 시뮬레이터 등이

있다

다 재활 로봇

- 12 -

노령인구와 장애인구의 증가로 로봇 기술의 필요성은 재활분야에도 확대되

고 있다 장애인의 독립적인 활동을 보장하고 삶의 질을 높이려는 노력은 유럽

등의 선진국을 중심으로 재활 로봇이 연구되어 왔으며 이탈리아에서 개발된

MOVAID 가 대표적인 재활 로봇이다 또 미국에서는 MIT 를 중심으로 RIC 과

같은 로봇 신경 재활 로봇들이 개발되고 있다 스위스에서는 보행 재활 로봇으

로 Lokomat 이 개발되었고 국내에서는 KAIST 에서 휠체어 로봇 시스템과 보행

보조 로봇 등이 연구되고 있다 이외에도 서강대학교에서는 SUBAR 라는 보행

재활 로봇을 개발하였다 이외에도 최근 미국의 Intouch Health 에서 개발한 RP-7

은 멀리 있는 환자의 병증을 파악하는 데 탁월한 원격진료 로봇으로 활용되고

있다

(3) 국내 의료용 로봇 적용사례

상기 서술한 의료용 로봇 중 가장 많은 각광을 받고 있으며 국내에서 적용

되고 있는 사례를 통해 의료용 로봇의 사용 실태를 파악보고자 한다 대표적인

복강경 수술 로봇인 Intuitive Surgical의 다빈치 로봇 시스템과 고관절 수술 로봇

인 Integrated Surgical System사의 로보닥을 중심으로 국내 실태를 살펴보고자 한

다

가 다빈치

- 13 -

Fig 2-2 da Vinci surgical case number

다빈치 로봇은 1997 년 벨기에서 처음으로 환자에게 적용된 이래 국내에

2005 년 7 월 연세대학교 신촌 세브란스 병원에서 최초로 도입하여 2005 년 7 월

15 일 국내 최초로 다빈치를 이용한 로봇 수술이 이루어졌다 Fig 2-2 에서 보

듯이 수술사례는 계속적으로 증가하여 2008 년 1 월 말 현재 750 건이 넘는 수

술이 이루어졌다

다빈치 로봇은 전립선암 위암 대장남 부인암 식도암 갑상선암 간암 등

대부분의 암수술 및 중요 외과계 수술에 적용된다 이는 다빈치 로봇 수술이 가

져다 주는 효과인 개복수술이나 복강경 수술보다 수술회복기간이 단축되고 수

술시간도 감소시키는 역할과 무엇보다 수술 후 환자가 겪는 수술 후유증 확실

- 14 -

히 줄여주기 때문이다 특히 전립선암의 경우 대표적인 수술 후유증인 요실금

과 발기부전 등의 가능성이 대폭 줄어드는 것으로 알려져 있다

이와 같은 수술사례와 수술성과에도 불구하고 다빈치 로봇의 가격이 25 억

정도의 고가이기 때문에 영세한 의료기관에서 도입하기에는 다소 무리가 따르

고 있다 그러나 대형 병원들은 다빈치의 성공적인 수술사례를 통해 앞다투어

이를 도입하고 있다

2008 년 1 월 현재 신촌 세브란스 병원은 이미 3 대를 도입했고 영동 세브

란스 병원 고려대 안암병원 서울아산병원 한림대 강남병원 분당서울대병원

삼성서울병원 경북대병원 동아대병원 등 9 개 의료기관에 도입되어 있다 또한

최근 (2008 년 1 월 30 일) 연세대 세브란스병원은 로봇 수술의 활성화를 위해

Intuitive Surgical 과 공동으로 복강경 수술용 로봇 다빈치를 이용한 수술법을 배

우는 lsquo연세 다빈치 트레이닝 센터rsquo를 개소하였다

다빈치는 로봇 가격만큼 수술 비용에 있어서도 고가인데다 의료보험이 적

용되지 않아 수술 비용을 환자가 모두 부담해야 하는 실정이다 다빈치 로봇 수

술 비용은 700~2000 만 원선으로 기존의 수술 비용인 200~300 만 원 보다는 다

소 높은 가격이다 특히 전립선암의 경우 로봇 수술 비용은 1500 만 원 선으로

개복수술이나 복강경수술보다 5~7 배 정도의 높은 가격이다 그럼에도 불구하고

로봇 수술은 거의 모든 암 수술에 적용되고 있고 환자와 의사 모두 만족하는

수술법으로 자리잡아 가고 있다

- 15 -

나 로보닥

로봇이 외과적 기계로써 임상적으로 처음 국내에서 적용된 것은 1992 년 lsquo로

보닥rsquo이라는 의료용 로봇이다 미국에서 개발된 로보닥은 인공관절이 삽입될 환

자의 뼈를 로봇으로 가공해서 수술 성공률을 획기적으로 높였다 두꺼운 뼈를

정확한 형상으로 깎아내는 작업에는 CADCAM 자료에 따라 작동하는 로봇 팔

이 숙련된 외과의사를 간단히 능가했다 로보닥은 한국과 EU 의 판매승인을 획

득했고 결국 인공관절수술의 대세를 장악했다 세계적으로 8000 회 이상의 수술

이 로보닥을 이용하여 성공적으로 수행되었으며 2001년 FDA의 승인을 받기도

하였다

2002 년 국내 처음으로 로보닥이 도입된 이래로 이춘택 병원은 현재까지

2556 회라는 경이적인 수술건수를 기록하였다 그는 최소침습수술과 접목하여

로봇의 정밀성과 최소 절개기술을 결합시킴으로써 환자의 고통과 재활 기간을

크게 줄였다 그러나 로보닥의 가격은 무려 17 억 원이며 3 차원 영상까지 구현

하기 위해서는 10 억 원 상당의 멀티 CT 까지 도입해야만 한다 그렇기 때문에

소규모의 관절전문병원이 도입하기에는 다소 무리한 점이 있다 이러한 상황에

서 이춘택은 국내시장에 맞는 로봇개발을 위해 국산 부품 및 소프트웨어를 개

발 중에 있다 따라서 우리나라도 고령화 사회를 맞아 세계적으로 관절 수술이

급증하고 있는 상황에서 국내 기술로 만든 수술용 로봇이나 소프트웨어 개발은

국내 의료용 로봇시장의 활성화를 이룰 수 있다

- 16 -

23 의료용 로봇시장 전망

(1) 로봇산업 전망

로봇 분야별 세계시장 정세를 살펴보면 제조업용 로봇은 시장안전화 단계로

써 급격한 시장변화는 어려우며 신규 생산설비 및 기존 설비에 따른 수요가 대

부분 차지하고 있는 실정이다 개인서비스용 로봇은 가족구조의 핵가족화와 고

령화 현상으로 인한 가족인원으로서의 가정용 로봇에 대한 수요가 증가 추세에

있다 전문서비스용 로봇은 생산국과 생산기업이 극히 제한되어 있으며 제품가

격의 고가로 인해 시장형성에 있어서 생산국과 수요국이 불일치하고 있는 실정

이다 이러한 상황에서 로봇시장의 국가별 점유율을 살펴보면 일본 (28) 미국

(18) 독일 (16) 이탈리아 (10) 한국 (3)의 순으로 세계 5 위를 차지하고

있다 이와 같이 산업용 로봇의 경우는 우리나라의 세계적인 위상이 높지만 아

직까지 전문 서비스 분야 로봇에 대한 세계적인 위상은 미비하다

시장규모 전망과 국내 세계시장 점유율에 대한 전망은 다음과 같다 세계 로

봇시장의 규모는 2010 년에는 247억 5 백만 달러에서 2020년에는 717억 7 천만

달러에 이를 것으로 보고 있으며 연평균 107의 증가율을 예상하고 있다 분

야별로는 제조업용 로봇은 2010 년 세계시장의 114에서 2020 년 144의 비중

을 차지할 것으로 전망하고 있으며 전문서비스용 로봇은 2010 년 세계시장의

09에서 2020 년 21의 비중을 차지할 것으로 예상하고 있다 개인서비스용

- 17 -

로봇은 2010 년 30에서 2020 년 70 수준에 달할 것으로 보고 있다 비록 전

문 서비스용 로봇산업의 규모는 미국 일본 독일에 비해 미미한 실정이나 전문

서비스용 로봇의 신시장을 개척하고 그 만큼의 기술력이 밑받침된다면 2020 년

세계시장에서의 더 큰 비중의 달성이 이루어질 것으로 본다

(2) 의료용 로봇기술 전망

의료용 로봇시장의 성장은 의료용 로봇기술 개발산업의 성장과 밀접한 관계

가 있다 세계적인 개발추세로는 의료용 로봇개발 하드웨어 분야에서는 일본이

경쟁력이 가장 높으며 소프트웨어 분야에서는 미국이 앞서나가고 있다 또한

독일은 하드웨어 및 소프트웨어 분야에서 동시에 상당한 연구 개발 능력을 보

유하고 있다 앞으로는 이 세 나라가 의료용 로봇 시장의 핵심 주자로 나설 것

으로 예상된다

산업연구원 (2007) 조사에 따르면 국내 로봇산업의 기술은 기술항목에 따라

다소 차이를 보이고 있으나 제조업용 로봇의 경우는 최고 기술 보유국 대비 평

균 85 정도에 육박하고 있으며 전문서비스용 로봇의 경우는 80 정도 개인서비

스용 로봇은 84 정도에 이르고 있는 것으로 나타났다 의료용 로봇 분야에서는

선두주자인 미국의 기술력을 100 이라고 봤을 때 현재 우리나라는 70 정도이며

2015년이 지나야 100 에 도달할 것으로 전망하였다 비록 의료용 로봇에서 세계

1위인 미국에 비해 우리는 아직 10년 이상 차이가 있지만 세계 최초로 국제 규

- 18 -

모의 로봇랜드 조성과 로봇펀드 발생 등 정부 차원에서의 노력이 여러 가지 방

면에서 다양하게 펼쳐지고 있기 때문에 그 격차는 점차 줄어들 것으로 예상된

다

또한 IFR (2006) 자료에 따르면 한국 산업용 로봇은 세계 5 위의 강국[16]인

데 비해 의료용 로봇에 있어서는 약소국이다 이는 의료용 로봇의 개발비가 많

이 드는데 비해 국내 시장은 극히 제한적이어서 일반 기업의 참여가 아주 저조

하기 때문이다 국내에서 의료용 로봇 관련 기술 개발은 아직 걸음마 단계에 머

물러 있으며 벤처기업 및 대기업들이 개발해 상용화시키고 있는 기술이나 제품

도 대부분이 생활 가전형 로봇에 한정되어 있을 뿐 의료용 로봇분야는 아직 미

개척지로 남아 있다 하지만 국내에서도 의료용 로봇 개발을 수행하기 위해 대

학이나 연구소 차원에서 의료용 로봇에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다 먼

저 한국과학기술원이 8 년 전 설치한 휴먼 웰페어 로보틱 서저리 센터가 대표

적인 연구기관이다 이 연구소에서는 거동이 불편한 환자들을 위한 휠체어의 자

동화 시스템이나 복강경 수술 로봇 등 로봇 수술용 기구의 국산화에 초점을 맞

춰 진행 중이다 또한 최근에는 국립암센터 역시 산업자원부로부터 수술용 로

봇과 영상시스템을 주제로 한 의료용 로봇 개발자로 선정되어 연구에 들어갔다

비록 국내 의료 및 수술 로봇 관련 기술이 일본 미국 등에 비해 아직까지

뒤쳐져 있는 실정이지만 국내에서도 의료용 로봇 기술 개발이 이처럼 활발히

진행되고 있어서 향후 전망은 매우 밝다고 할 수 있다 또한 해외에서 각광을

받고 있는 캡슐형 내시경 연구 역시 국내에서 벌써 10 년째 계속 되고 있다 최

- 19 -

근 한국과학기술연구원과 벤처기업인 인트로메딕이 개발한 세계 최소형 캡슐형

내시경인 미로캠 (MiroCam)은 2010 년까지 국내 캡슐형 내시경 시장의 80를

점유할 것으로 예상하고 있다 이러한 국산 의료용 로봇 개발을 통해 고부가가

치 시장인 세계 의료 시장에 뛰어들 수 있는 기반을 다졌다는 데에 큰 의미가

있다

전문 서비스용 로봇의 경우 제조업 로봇 관련 풍부한 경험을 바탕으로 전문

서비스용 로봇으로의 기술확대 메카트로닉스 (mechatronics) 관련 다양한 산업기

반과 세계적인 IT 인프라 보유국의 강점을 살리고 있다 또한 한국은 10 대 성

장동력간 연계 등을 통한 시너지 효과와 세계 전문서비스 로봇 시장이 초기형

성 단계임을 감안한다면 이 분야의 진출에 대한 절호의 기회이며 머지않아 의

료용 로봇 강국으로 진입할 수 있을 것으로 기대된다

- 20 -

제 3 장 능동 그리퍼

31 최소침습 수술 햅틱 장치 구현에 필요한 능동 그리퍼 제안

21 세기 로봇 기술 분야에서는 인간과 기계 시스템 간의 커뮤니케이션이 무

엇보다 중요하게 강조되며 이러한 인간과 기계 시스템의 의사소통은 주로 인간

의 감각 기관을 통해 이루어 진다 일반적으로 인간에게는 보고 듣고 냄새를

맡고 맛을 보고 피부로 느끼는 오감이 있으며 이러한 감각을 시각 청각 후

각 미각 촉각이라고 한다 따라서 이러한 인간의 감각에 정보를 전달하기 위

한 다양한 기계 시스템들이 개발되어 왔다 오감 중에서 현재 인간과 기계 시스

템간의 인터페이스 역할을 하는 표적인 감각으로는 사물을 보는 시각과 소리

를 듣는 청각이 주로 이용되고 있다 이를 위한 시스템들은 이미 상당한 수준으

로 발전해 현재 상용화 되어 활용되고 있다 하지만 이러한 시각과 청각 인터

페이스 만으로는 로봇의 제어에 한계가 있으며 오감 중에서 세 번째 감각인 촉

각에 한 인터페이스가 현재 활발히 연구 개척되고 있다 만약 가상현실에 촉

감 인터페이스가 적용된다면 기존의 시각과 청각에만 의존하던 가상 현실에 촉

감을 전달함으로써 실제 물건을 만지고 느낄 수 있으므로 가상현실을 보다 더

실감나게 할 수 있을 것이다 하지만 인간의 감각 중에서 촉각은 매우 민감한

감각으로 여기에 촉감 정보를 전달하는 인터페이스는 아직 많은 연구를 필요로

하고 있다

- 21 -

햅틱 (haptic)이란 단어의 사전적인 의미는 ldquoof or relating the sense of touch

tactilerdquo로써 물체를 만질 때 사람이 느낄 수 있는 촉각적 감각으로 피부가 물체

표면에 닿아서 느끼는 촉감 (tactile sensation)과 관절과 근육의 움직임이 방해 될

때 느껴지는 근 감각적인 힘 (kinesthetic force)의 두 가지 힘을 모두 합쳐서 부르

는 말이다 촉감 구현 연구는 물리적 장치를 이용하여 사람이 직접적인 접촉이

없이도 촉각 정보를 전달하는 방법에 관한 전반적인 연구 분야를 일컫는 말로

사람에게 원격지에 있는 물체의 물리적 특성을 전달하는 원격조작 혹은 원격현

장감에 관한 연구로부터 시작되었다 가상 혹은 실제 환경에서 촉감을 구현하기

위한 연구를 포괄적으로 의미하는 용어로 햅틱스 (haptics)라고 한다 주요 연구

분야는 사람이 직접 손에 쥐거나 착용하는 물리적 장치인 햅틱 디바이스 인터

페이스 (haptic interface) 가상 공간상의 물체에 기계적 성질을 부여하여 사실감

이 있는 상호작용을 제공하고자 하는 햅틱 렌더링 (haptic rendering) 사람의 촉

각 인지 특성에 관한 연구 (tactile perception) 등으로 나눌 수 있다 특히 햅틱

인터페이스 (haptic interface)는 햅틱 디바이스 (haptic device)라고도 불리우며 사람

에게 촉감을 전달하는 물리적인 장치를 말하며 더 넓은 의미로 사용하여 가상

의 환경을 촉감 전달을 통해서 느끼게 하는 시스템 전체를 가리키기도 한다 이

러한 햅틱 기술은 다양한 분야에서 활용될 수 있는데 표적인 분야로는 가상

현실 분야 인간-컴퓨터 인터페이스 분야 게임 등 사이버 커뮤니케이션 그리고

원격제어 로봇 등이 있다 특히 원격제어 로봇이 많이 활용되고 있는 의료 분

야에서 햅틱 구현은 매우 시급한 과제이다 현 의 수술은 점점 첨단의 수술 도

- 22 -

구와 로봇을 이용하여 집도되는 추세이며 최소침습수술 (minimally invasive

surgery MIS)이 그 표적인 예이다 이 수술법은 환부의 구멍에 수술도구와 카

메라를 삽입하여 집도의가 모니터를 보면서 시술함으로써 시술시간이 짧고 환

자의 회복이 빨라서 그 적용 범위가 점차 확 되고 있다 하지만 환자가 얻게

되는 이점에 반해 의사는 개복 수술에서 쉽게 이용하던 기술들을 더 이상 적용

할 수 없게 되어 집도에 있어 큰 어려움을 부담해야만 한다 즉 환자의 내부에

서 손의 움직임과 시야의 제약을 받게 되었고 손으로 환자의 장기나 뼈를 만지

고 상태를 확인할 수 없게 된 것이다 이러한 문제점들을 극복하기 위해 첨단의

의료용 로봇 시스템이 개발되었는데 의사 즉 오퍼레이터가 조작하는 마스터

(master) 로봇과 환자의 환부에서 수술을 진행하는 슬레이브 (slave) 로봇으로 구

분된다 슬레이브 로봇은 크게 수술 시 집도의 팔의 움직임을 구현하는 구동 암

(arm)과 수술도구를 홀딩 할 수 있는 그리퍼로 분류할 수 있다 구동 암의 움직

임은 수술 부위의 위치를 결정하면 별도 큰 움직임 없이 작동시킬 수 있으며

전달 수술 관통 수술이 아닌 경우에는 집도의가 느끼는 힘을 피드백 할 필요가

없다 하지만 그리퍼의 경우는 신체 일부분의 미세한 조직까지 전부 접촉해서

제거하거나 봉합하기 때문에 집도의가 수술 시 느끼는 힘을 구현하여야 보다

정밀한 수술을 수행할 수 있다 따라서 본 연구에서는 햅틱 장치가 적용된 마스

터 로봇과 마스터 로봇에서 형성된 힘을 느낄 수 있으며 원할한 수술을 진행할

수 있는 최소침습수술용 능동 그리퍼를 제안하겠다 Fig 3-1 은 상용 MIS 장치인

다빈치 로봇의 마스터와 슬레이브 그리고 그리퍼를 나타내고 있다

(a) sla

(b

Fig 3-1 da V

Operation Arm

Gripper

- 23 -

ave robot and g

b) master rob

Vinci robot sy

m

gripper

ot

stem for MIS

- 24 -

32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류

산업용 로봇은 그 기능 특성상 필요성에 의해 로봇의 말단부에 그리퍼를 부

착시킨다 이것은 인간의 손에 응되는 것으로서 메커니컬 핸드라고 칭하며 다

루는 상 물체를rdquo파지rdquo해 이동하는 목적으로 사용되는 도구이다

파지동작은 Fig 3-2 와 같이 세분화된다 인간의 손 손가락에는 많은 관절이

있으며 여러가지 작업이 가능하다 일상 생활에서의 붙잡기는 형식을 분류한 것

으로는 슐레징거의 12 형식이 있다 여기서 인간의 손에는 손가락이 있어서 그

것을 유지핸드라고 이름 붙이면 메커니컬 핸드에는 손가락이 없는 구성법이 있

는데 이것을 무지 핸드라고 이름 붙이기로 한다 이 무지 핸드는 기계적 물리적

으로 구조상 무지핸드로 한 것과 공구가 메커니컬 핸드와 일체화됐다고 생각하

는 공구 핸드가 있다 메커니컬 핸드를 분류해 보면 다음과 같다 진공이나 자

기 이용의 흡착 등 물리적 흡척형의 유지는 보통 평면(완만한 곡선도 포함)부를

흡착하는 형태로서 물체의 크기나 중량에 따라 여러 개가 설치되는 경우도 있

다 그러나 물체표면에 만곡부가 있는 경우나 구멍이나 공동이 있는 경우에는

적용할 수 없게 된다 또한 자력을 이용한 경우 철금속 재료를 다루게 되는데

경우에 따라서 매우 효율적이고 신뢰성이 높기는 하지만 물체에 잔류 자력이

남게 되는 문제점이 있다 받기형의 유지는 지지의 동작만을 가지고 있는 형태

이며 이는 전기한 흡착형 보다 적극적이 아니여서 약한 구속을 갖는다 변형하

기 쉬운 물체의 이송등에는 이를 채택한다 매달기형 유지는 중력 방향의 이동

1 자유도를 구속한다 잡기형 파지는 유연성에 의한 변형으로 접촉면적을 크게

하여 집는

상물을 외측

이용하는 등

33 파지형

파지 형

다 본 연구

하여 설명

(1) 두 손

형태이다 현

측에서 파지하

등의 파지방법

형태에 의한

형태로서는

구에서 사용할

명 하겠다

손가락 type

현재 많이 사

하거나 구멍

법이다

한 그리퍼의

상을 바깥에

할 메커니즘은

e

Fig 3-2 Cla

- 25 -

사용하고 있는

속에 손가락

의 분류

에서 파지하

은 바깥에서

assified by the

는 끼우기형

락을 넣은 후

는 것과 안에

파지하는 형

gripper grip ac

파지 형태는

후 벌려서 내

에서 파지하

형태가 유리하

ction

는 핸들링

내측사용면을

는 것이 있

하므로 이에

두 개의

상태를 유지

는 스윙형

안정되게 파

의 리지트한

지해서 개폐

핸드(swingin

파지하는 점에

손가락을 갖

되는 병진형

ng gripper)로

에서 병진형

(a) grinder c

(c

Fig 3-3 Sw

- 26 -

갖춘 것으로

핸드(transla

로 분류된다

보다 떨어진

crank

c) rotation joi

wing-type hand

실용례가 많

ational grippe

스윙형은 기

진다

(b) swing

int

d mechanism

많다 손가락이

er)와 그 방향

기구가 간단하

g block

이 상호평행

향이 변화하

하나 상이

병진형에

4 은 평행링

운동을 바꾸

에 회전시킴

로 유지되기

지된다 직

시키도록 한

가 전middot후진

피니온 방식

F

에서는 평행링

링크 방식의

꾸고 그 피니

킴으로써 손가

기 때문에 손

동형 신에

한 것도 있다

진하는 결점이

식이 채용된다

Fig 3-4 Hand

링크 랙middot피니

예로 직동형

니온 운동으로

가락 개폐를

손가락의 물체

에 회전형 액

다 평행링크를

이 있다 이문

다

mechanism fo

- 27 -

니온 나사이송

형 액추에이

로 평행링크의

얻는다 링크

체 파지면의

추에이터를

를 이용한 형

문제를 해결하

or translational

송 기구 등이

터의 운동을

의 하나의 링

크 PS 와 링

자세도 개폐

이용한 형식

형식은 개폐에

하는 방법으로

type1 (paralle

이 이용되고

랙과 피니온

링크 A 를 축

크 QR 은 항

폐 동작 중 일

식에서 평행링

에 의해서 손

로서 볼나사

el displacement

있다 Fig 3-

온으로 회전

축 P 의 주위

항상 평행으

일정하게 유

링크를 회전

손가락 위치

기구나 랙middot

nt)

Fig 3

는 핸드의

볼나사 기구

다

(2) 세 손

세 손가

가락으로 잡

F

-5 는 회전형

예이다볼나

구 각각을 손

손가락 type

가락을 가진 핸

잡는 것보다

Fig 3-5 Hand

형 액추에터로

나사 기구를 이

손가락에 부착

e

핸드에서는

안정된 파지

d mechanism fo

- 28 -

로 랙 피니온

이용하는 경

착 사라를 회

상을 3 점

지 동작을 할

or translational

온을 회전시킴

우에는 1

회전시킴으로

점에서 유지할

할 수 있다

l type2 (rack a

킴으로써 개폐

의 왼나사

써 개폐 동작

할수 있기 때

nd pinion type

폐동작을 하

오른나사의

작을 실현한

문에 두 손

e)

Fig 3-6

베벨기어를

구동해서 세

실현한 것

각 손가락을

복잡하며 중

6 은 세 손가

를 매개로 상

세 손가락을

이다 특히

을 개별 모터

중량도 증가하

Fig

락형 그리퍼

호 각도를 주

동작시킴으로

원통물체를

터로 구동하도

하기 때문에

3-6 Hand mec

- 29 -

의 일반적인

주어 결합한

로써 이른바

확실히 잡아

도록 한 3 지

실용례가 적

chanism for thr

인 형상을 나타

3 개의 볼

바 3 포인트 핀

아서 유지하

지형핸드도 개

적다

ree point pinch

타내고 있다

나사를 하나

핀치(three po

는데 유리하

개발되고 있으

h type

이 핸드는

나의 모터로

oint pinch)를

하다그 외에

으나기구가

34 메카니

(1) 구속

기계적

어서 형성되

전 구속 기

해서 언급하

으로 움직일

또 X Y 평

니컬 핸드의

속기능

구동장치에

되는 것으로

기능이 있다

하면 구속 상

일 수 있다

평면 X Y 면

의 구속기능

서 구속 형식

크게 나누어

그래서 핸드

상태의 물체는

이것을 물체

X Z 면상에

Fig 3-

- 30 -

능

식과 접촉 상

어서 반구속

드의 구속 기

는 Fig 3-7 와

체의 공전 (이

서 6 방향으

-7 Movement

상태와 포락

속 (받는 구속

기능을 결정하

와 같이 X Y

이동)에 관한

로 회전 한다

t of object

능력의 인자

속 는 구속

하는 물체의

Z 의 3 축상

6 동작 자유

다 이것을 물

자가 복합되

속)기능과 완

구속에

에서 6 방향

유도로 한다

물체의 자전

(회전)에 관

부여한 상태

행할 수 있

서는 회전의

핸드에

한 공간적

면 Fig 3-8

이 그림

를 구속한다

에서 7 자유

선접촉과 면

계수와 절선

(a

관한 6 동작

태에서 움직이

있다 또 완전

의 6 자유도를

의한 물체의

적인 포락 상

와 같이 된

(a)의 점접촉

다 그러나 1

유도를 구속

면접촉에는 각

선력법선력

a) point contac

Fig3

자유도로 한

이며 중력이

전 구속은 핸

를 무시하는

의 구속은 핸

상태로 정한다

다

촉은 접촉점

1 점접촉은 다

한다 (c)의

각각 마찰에

비와의 관계

ct (b

3-8 Contacts

- 31 -

한다 반구속은

이나 환경면의

드 자체로 1

경우도 적지

핸드와 물체의

다 먼저 접촉

방향의 1 자

다른 11 자유

면접촉은 11

위한 구속이

계로 구속불능

) line contact

of the kind an

은 12 자유도

의 구속을 받

12 자유도를

지 않다

의 접촉 상태

촉부의 구속

자유도를 구속

도를 구속할

1 자유도의 구

이 4 개와 6 개

능의 가능성을

nd the confini

도 중 몇 개의

아서 완전 구

행하는데 경

태 및 접촉부

능력을 모델

속한다 그러나

할 수 없다 (b

구속을 할 수

개 주어져 있

을 가진 구속

(c) surface co

ing

의 자유도를

구속으로 이

경우에 따라

부의 물체에

델로 나타내

나 1 자유도

b)는 선접촉

수 있다 단

있으며 마찰

속 성분이기

ontact

- 32 -

도 하다 또한 면접촉의 상태는 중력의 작용을 이용하면 받기를 형성하고 또

외계력을 이용하면 기를 형성한다

이들의 접촉상태는 물체의 형상과 핸드의 구속면으로 규정되는 것으로 핸드

만으로 결정하기는 어렵다 단 핸드의 구속면을 부드러운 재질로 형성하면 면

접촉의 이행이 용이하다 이와 같은 이유에서 물체에 접촉부가 포락도를 높이는

데에 따라서 물체 형상에 관계 없이 구속 능력을 증 시킬 수 있다

(2) 메커니컬 핸드의 자유도

로봇의 손은 그 용도를 불문하고 인간의 손 작업의 행을 목적으로 하는

것이므로 그 설계에 있어서 모델로 되는 것은 말할 것 도 없이 인간의 손이다

그래서 우선 기구에 하여 설명하기 전에 인간의 손의 구조 모델에 하여 설

명해 본다

AmiddotMorecki 에 의하면 인간의 상체는 그 해부학적 구조에 입각하면 Fig 3-9 와

같이 모델화할 수 있다 Fig 3-9 에서 숫자는 각각 골격 즉 링크를 나타내고 숫

자 II~ V 는 관절을 나타내고 있다 이와 같은 공간링크 기구의 자유도 F 는 가

동부수 n 자유도의 종류 f 를 가진 우 수를 Pf 라 하면 다음 식으로 나타낼

수 있다

6n sum ∙ P 12345 (3-1)

Fig 3-9

들 자유도가

을 Fig 3-9

P5=10 이므

인간의

유도 1 의

해 있으며

의 모델에서

가 있는 관절

9 와 같이 정

므로 위 식에

상지를 인공

액튜에이터를

22 개나 되

Fig 3

서는 n=19 P2

절에 작용하는

정의하고 그

서 FH=22 가

공적으로 정밀

를 27 필요

는 액튜에이

- 33 -

3-9 Human Ar

2=1 P3=2 P4

는 근군은 약

자유도 FH

가 된다

밀하게 재현하

요로 하게 된

터를 필요로

rm structure

4=6 P5=11 이

약 50 이라고

를 구하면

하려고 한다면

된다 또 손에

로 한다 그러

이므로 F=27

고 되어 있다

이 경우는 n

면 이상의 결

는 특히 자유

나 로봇의 손

이 된다 이

여기서 손

n=16 P4=6

결론에서 자

유도가 집중

손이 이만큼

- 34 -

의 수의 액튜에이터를 갖춘 것을 제작한다는 것은 크기 중량 제어면에서 볼

때 현시점에서는 불가능에 가깝다 특히 의수에 있어서는 상술한 바와 같은 형

상이나 조종성 등의 점에서 전혀 불가능하다고 해도 좋다 따라서 보통은 기능

에 주목하여 손에 집중해 있는 자유도의 간략화를 도모한다

인간의 잡기 동작에 주목해 보면 그 잡기 형상에는 12 종류가 있다고 하다

그러나 이것들은 엄지와 다른 12 종류가 있다고 한다 그러나 이것들은 엄지와

다른 4 손가락과의 관계에 주목하였을 때에 2 종류 즉 엄지가 다른 4 손가락과

항해서 동작하거나 그 측방에서 동작하는가로 분류할 수 있다 실제의 일상

동작에서 관찰하면 이들 중에서도 엄지와 손가락이 항해서 동작하는 소위 쥠

동작이 우선 첫 번째이고 또 다음에 엄지 검지 중지의 3 손가락의 선단으로

이루어지는 3Point Pinch 즉 잡기동작이 중요하다

더불어 손가락의 독립성에 해서는 역시 일상동작 중에서 손가락의 사용

빈도를 조사한 결과에 의하면 다섯 손가락은 반드시 독립적인 운동을 필요로

하지 않고 엄지 검지 중지가 같은 정도의 중요성을 자기며 다른 두 손가락은

사용 빈도에 있어서 이들 세 손가락보다 약 50 적으며 다른 세 손가락의 보

조 역할을 한다고 볼 수 있다 그리고 특히 중요한 것은 인간의 각 손가락은 잡

기 상물의 형상에 적응한 쥐기 즉 Passive 한 동작을 할 수 있다는 것이다 이

기능이 있다면 각 손가락이 독립적으로 동작하지 않더라도 또 다소 손의 자유

도를 제거하더라도 상물의 확실한 쥐기나 잡기 그리고 기타 손 작업에 큰 힘

을 발휘한다

- 35 -

34 표적인 동력원의 특징

동력원을 설계할 때 다음의 점을 고려하면서 가장 적합한 방식을 선택한다

1조작력(로보트가 내는 최 의 힘 예를들면 최 들어올린 힘)

2속응성(최 조작 속도)

3크기 중량(로보트의 크기와 중량의 제한)

4안정성(발열이나 과부하에 한 안전성)

5사용의 용이도

6수명가격

1 2 의 조작력 속응력은 로보트에 요구되는 성능에서 가장 기본적인 것인

데 이에 관련해서 크기나 중량의 제한 안정성 사용의 용이도 수명 가격 등을

고려해서 동력원을 선택한다 단 자주형 로보트에서는 2 차적 성능인 동력원의

중량이 첫째 요구 조건이 되는 경우가 많고 공업용 로보트에서는 저가격 사용

의 용이도 안전성이 중요 사항으로 우선시된다

모든 로봇은 동력원을 필요로한다 중요도에 따라 동력원을 선택해야 하는데

일반적으로 공기압식은 안전성이 뛰어난 반면 힘과 세밀한 위치제어가 어렵고

전기식은 응답성과 사용편리성 세밀한 위치제어가 가능하나 높은 힘을 내기 위

해서는 부가적인 기구부가 필요하다 유압식은 큰힘을 낼수있어서 속응성은 좋

으나 과부하시 상당한 발열이 있기 때문에 안전성에서 다른 동력원에 비해 떨

어진다 위 사항을 TABLE 3-1 로 분류하여 나타내었다

- 36 -

TABLE 3-1 Characteristics of power sources

전기식 유압식 공압식

사용용이성 편리하다 작동유의관리 관로의압력

필터관리에 유의

공급공기의 수분제거

윤활성의부가에 주의

수명 길다 기름에 윤활성이 있기

때문에 길다

공기에윤활성이 없어

유압 전기에 비해 짧다

가격 보통 가격 운영비 높음 저가격

응답속도

(반응성) 매우 빠르다 빠르다 늦다

하중능력 (소)에서 (중)정도의

하중능력 단히 큰 힘을 얻음 큰 힘은 없다

소음 적다 다소 크다 크다

- 37 -

제 4 장 능동형 그리퍼 설계

41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정

로봇 그리퍼의 정밀 파지 (Fingertip Grasp 손가락 끝을 이용하여 물체를 집

거나 바닥에누워있는 납작한 물체를 집는 행동)를 안정하게 하기 위해서는 손가

락 끝과 물체가 직각에 가까운 각도를 이룸으로 마찰력을 크게 하여 안정성을

높인다 또한 바닥에 놓인 물체를 집어 올릴 경우에도 물체표면의 법선 벡터와

손가락 끝의 각도가 클수록 물체를 효과적으로 구속하여 안정된 파지를 할 수

있다

그리퍼의 링크 시스템에 있어서 2 링크 손가락보다 3 링크 손가락을 쓸 때가

링크와 수평 평면이 이루는 각 (A)이 더 커지기 때문에 안정성이 더 좋다는 것

을 알 수 있다 그리고 안정성뿐만 아니라 식 (4-1)을 통하여 문체에 전해지는

Torque 값을 Fig 4-2 와 같이 그래프로 나타내면 0 도에서 75 도 정도까지는 A 각

이 커질수록 물체에 가해지는 토크 값이 점점 커지는 것을 알 수 있음으로 3 링

크 손가락을 쓰는 것이 파지력 증가됨을 알수 있다 ℓ3 의 길이가 길어질수록 A

가 작은 값을 가져서 정밀파지에 적당하지 않다

τ l cosA sinA l 1 cos A tan μ (41)

A cosempty

(42)

Fig 4-1

은 식을 통

각이 커짐을

움이 있고

Fig4-

에서 제 2 코

통해 구할 수

을 알 수 있다

최소 단위를

Fig4

-1 Configurati

코사인 법칙

있는데 이로

다 그러나 ℓ

를 1cm 로 하

-2 Change the

- 38 -

ion of the fing

을 이용하여

로부터 링크

ℓ3 가 1cm 인

하였기 때문에

e value of the a

gers on robot g

여 A 의 각을

길이 ℓ3 가

인 경우는 너

에 ℓ3 는 2cm

angle of phage

gripper

구하기 위해

작으면 작을

무 짧아서 파

로 결정하였

torque

해 (2) 와 같

을수록 A 의

파지의 어려

였다

42 모터

(1) 알고

앞 절에

여야 한다

는 모터의

이 작은 모

나 용량이

로 적절한

선정 알고

고리즘 정의

에서 설명한 기

로봇 팔에

선정은 동작

모터를 사용하

큰 모터를 사

모터의 선정

고리즘

기구들을 추

움직임을 전

작을 구현하는

하게 되면 기

사용하게 되

정이 중요하다

Fig 4-3 M

- 39 -

추후 로봇 시스

전달함에 있어

는데 중요한

기구의 원활한

면 모터의 외

다

Motor Selectio

스템에 적용을

어서 동력을

과제가 되겠

한 작동이 어

외형이 커지

on Algorithm

을 고려하여

공급과 제어

겠다 만일 토

려워지고 단

고 가격 또한

설계를 하

어를 수행하

토크나 용량

단순히 토크

한 증가하므

- 40 -

(2) 알고리즘 수행

모터를 선정하기 위해서 가장 우선적으로 해야 할 일은 기계구동부분을 결

정하고 구동부분을 어떠한 방식으로 작동을 시킬지 동작 패턴을 결정하여야 한

다 예를 들면 모터에서 나오는 힘을 받아서 볼 스크류를 이용하여 힘을 전달할

것인지 벨트 피니언 기어 혹은 풀리 등을 이용할 것인지를 결정하고 그에 따

른 적절한 구동방식을 결정한다 구동방식을 결정하게 되면 각각의 구동방식에

적합한 수식을 대입하여 부하토크를 계산한다 구동방식에 따른 부하토크를 구

하는 수식은 구동방식이나 구동장소 등에 따라 다소 상이하나 일반적인 수식은

다음과 같다

-BALL SCREW 구동

T FP2πn

μ F P2π

1i N ∙ m 43

F F mg sin α μ cos α N 44

-PULLEY 구동

T ∙ 45

μF D

2i N ∙ m

- 41 -

-WIRE middot BELT 구동 RACK middot PINION 구동

T F2πn

∙ πDi

FD2ni

N ∙ m 46

F F mg sin α μ cos s N 47

-실측에 의한 방법

T 48

직선운동 (커플링 직결 볼스크류 등)의 경우 위의 (43) (44) 이용하여 구할

수 있다 이때 F 는 축방향하중 F0 는 예압하중 μ0는 예압 NUT 의 마찰계수 η 은

효율i 는 감속비 PB 는볼스크류 피치를 나타낸다 회전운동 (풀리)의 경우 식

(45)를 이용하여 구할 수 있으며 FA는 외력 FB는 부하중량 (주축이 회전하기 시

작할 때의 힘) m 은 work 와 TABLE 의 총무계 μ 접동면의 마찰계수α는 경사각

도D 는 풀리의 지름을 나타낸다

실제현장에서는 선정된 모터의 토크를 확인하기 위해 실측에 의한 구동토크

를 계측하는데 스프링 저울을 구동 풀리에 연결지어 측정한다 이때 TL 은 회전

운동 부하토크에 해당하고 FB 는 부하중량 D 는 풀리의 직경을 나타낸다

위의 부하토크를 구하는 식들을 이용하여 부하토크를 구하게 되면 실제 모

터를 사용할 때 어느 정도의 시간적 여유를 두고 가속을 할 것인지 감속을 할

것인지를 결정하여야 한다 이를 위해서 우선 동작시킬 부분에 대한 관성모멘트

를 계산하

Fig 4-4

시한 것으로

dA 와 기준

이를 표현하

하여야 한다

4 는 관성모멘

로 X 와 Y

준축으로 부터

하면 식 (49)

Fig 4-4 Arb

I

멘트를 구하기

는 면적의 미

터의 거리의

)와 같다

- 42 -

bitrary shape o

y dA I

기 위한 절대

미소 요소 dA

제곱의 곱으

of planar area

x dA

대좌표 X Y

A 의 좌표이

으로 단면 2

축 상의 미소

이고 관성모멘

차 모멘트라

49

소면적을 도

멘트는 요소

라고도 한다

평면 면

가 있다 평

축에 대한

Fig 4-5

하는 평행한

관성모멘

식 (410

번째 적분은

면적의 관성

평행축 정리란

관성 모멘트

5 과 같이 도

한 xy 축 두

멘트의 정의로

I y

0) 에서 우변

은 Xc 축에

Fig 4-5

모멘트에 있

란 도심축에

트 사이의 관

도심을 원점으

좌표계의 평

로부터 x 축

y d dA

변의 첫 번째

대한 1 차 모

- 43 -

5 Parallel-axis

있어서 중요하

대한 관성

계를 나타낸

으로 하는 Xc

평행한 축 간

축에 대한 관

y dA

적분은 Xc

모멘트로서 X

theorem

하고 유용한

모멘트와 도

낸다

cYc 축과 임의

간의 거리를 d

성모멘트 Ix

2d y dA

축에 대한 관

Xc 축이 도심

정리로서 평

도심축에 평행

의의 점 O 를

d1 과 d2 로 표

는 식(410)와

d dA

관성모멘트

심을 통과하므

평행축 정리

행한 임의의

를 원점으로

표시한다

와 같다

410

I 이다 두

므로 적분의

- 44 -

값은 0 이다 세번째 적분은 면적 A 그 자체이다 따라서 식 (410)은 식 (411)과

같이 간단해진다

I I Ad 411

y 축에 대한 관성모멘트도 위와 같은 방법에 의해 식(412)과 같다

I I Ad 412

또한 면적의 평면에 수직인 수직축에 대한 관성모멘트를 극관성모멘트라 한

다 Fig 4-6 는 평면에 수직이고 O 점을 통과하는 축에 대한 극관성모멘트를 나

타낸 그림으로 이를 관성모멘트 식으로 표현하면 식 (413) 와 같다

I ρ dA 413

식 (413)와

즉 평면에

서로 수직인

극 관성

와 도심 C

와 식 (414)에

I

수직인 축에

인 두 축에 대

성모멘트에 대

에 대한 극

Fig 4-6 Arb

의해 식 (4

ρ dA

I

에 대한 극관

대한 관성모

대한 평행축

극 관성모멘트

- 45 -

bitrary shape o

ρ x y

415) 식 (41

x y dA

I I I

관성모멘트는

멘트의 합과

정리는 Fig

트를 각각 I

of Polar Area

y

16)과 같은 관

x dA y

는 평면 내의

과 같다

4-5 에서 유

와 I 로

관계식을 얻을

y dA

같은 지점을

유도할 수 있

로 표시하면

414

을 수 있다

415

416

을 통과하는

있다 원점 O

식 (416)에

- 46 -

서 식(417)을 유도할 수 있다

I I I I I I 417

I I I I A d d 418

I I Ad 419

식 (419)는 극 관성모멘트에 대한 평행축 정리를 나타낸다 즉 평면 내의 임의

의 한 점 O 에 대한 면적의 극관성모멘트는 도심 C 에 대한 극관성모멘트에 그

면적과 점 O 와 C 사이의 거리의 제곱의 곱을 더한 것과 같다

이상의 식에서 부하토크와 관성모멘트를 계산하여 모터를 가 선정한다 부하토

크의 경우 사용될 모터의 정격 토크를 넘어서지 않는 것을 선정한다 부하토크

를 TL 정상 부하 상태의 힘 PL 극 관성모멘트 IL 회전운동을 위한 힘 Pa 각속

도 가속 시 소요되는 시간을 ta 라 하고 식 (420)을 이용하여 부하가 일정하

게 작용할 때의 힘을 계산한다 마찬가지로 관성모멘트를 식 (421)에 대입하여

가속을 위한 회전 운동 시 필요한 힘을 계산한다 식 (420)과 식 (421)에서 계

산된 힘을 합산하면 모터를 회전시키기 위해 필요한 출력이 계산된다 이때 계

산된 출력보다 실제 사용할 모터의 정격 출력이 1~2 배 정도가 되도록 모터를

가 선정한다

- 47 -

P T ω 420

P 421

위의 과정을 통하여 모터를 가선정하고 가감속 토크 및 구동 토크를 계산한

다 각각의 토크를 계산하게 되면 모터를 최종적으로 선정하게 되는데 두 가지

사항을 고려하여 최종 선정한다 먼저 식 (422)을 통해서 계산되는 가속 시 소

요되는 기동 토크 TM 가 모터의 최대 토크를 넘지 않는 것으로 선정한다

T 422

두 번째로 Fig 4-7 의 속도 선도와 같이 모터의 가 감속 시간과 정상 동작

시간 등을 결정하여 식 (423)과 같이 실효치 토크 TS 를 구하고 실효 토크가 모

터의 정격 토크보다 크지 않도록 선정한다

T 423

Fig 4-7 Exa

- 48 -

ample of veloc

city guidance

- 49 -

(3) 알고리즘 적용

로봇시스템에 있어서 기구들의 관성모멘트와 토크 계산 후 적합한 모터를

선정하기 위해 시중에서 시판되는 모터를 조사하였다 로봇에 적용 가능한 모터

로는 크게 서버모터와 스텝모터 RC 서버모터 DC 모터로 구분 할 수 있었다 이

를 TABLE 4-1 과 같이 정리하였다

동력원의 6 가지 선정요소 중 우선순위를 부여하여 분류했을 때 핸드 그리퍼

의 특성상 가볍고 토크가 큰 RC 서버 모터 미니 서버모터를 선택할 수 도 있지

만 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터 중 토크를 증가시킬 수 있는

감속기가 있는 타입의 모터를 우선시 하였다

1 감속비를 사양할 수 있는 모터를 선정하여 계산한 토크를 확인한다

2 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터를 선정한다

3 CLOSED LOOP 제어를 통하여 정확한 위치를 검출할 수 있어야 한다

따라서 스텝모터중 lsquoOrsquo사의 ldquoαSTEPrdquo가 적합하다고 판단되어 모터를 선정하였다

- 50 -

TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics

미니서버모터 RC 서버모터 스텝모터 DC 모터

장점 동일사양대비 모터

중 10배정도 큰 토크

5v사용가벼움

정확한 위치제어

급격한 부하변동급가

속 유리

저렴한가격

보편화됨

단점 정지시 진동이 예상 약한 토크 THRUST하중이 모터

무계 이하여야 한다

유지보수가 잦다

크기 151588mm(10w20w)

2525111mm(30w)

392038mm 424234mm Oslash37mm917mm

동작전압 Dc 24V Dc 48V60V Dc 24V Dc 24V

무계 230g~400g 56g 150g 200g

허용토크 009Nm~03Nm 11~13kgfcm 18kgfcm (018Nm) 47kgfcm(1200)

감속기 다양한 감속비 가능 고정 감속기 감속기 무(072˚036) 다양한 감속비

제조사 야스카와 SGMM 하이텍 HS-5945 AUTONICS GCM 3429A

TABLE 4-2 αstep motor characteristics

외형 전압 전류 무계 토크 감속비 분해능

αSTEP 282884mm

4242127mm Dc24V 1~37A 250G 2~28 Nmiddotm 50~1001

00072pluse

00036pluse

- 51 -

43 1 차 능동형 그리퍼 설계

실린더를 사용하여 링크로 물체를 파지하던 그리퍼는 Fig 4-8 과 Fig 4-9 에

묘사하였다 이런 실린더를 사용한 그리퍼는 공압 효과를 도출할 수 있는 별도

의 펌프가 필요하고 동작을 구현할 수 있는 자유도를 증가시키는데 한계가 있

다 이런 실린더의 단점을 보완하고 전기모터의 장점을 사용하기 위해 웜기어와

웜휠 방식을 채택하여 2 자유도 능동형 그리퍼를 설계하였다

1 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-10 에 묘사하였으며 1 차설계한

능동형 그리퍼는 Two Fingertip Grasp 로 칭하겠다 파지한 물체를 회전 시키는

기능은 베벨기어를 사용하여 회전운동으로 구현하였고 실린더의 전middot후진 운동

을 전기모터의 회전운동으로 변환 시키기 위하여 웜기어와 웜휨을 선택하였다

전기모터에 의해 회전하는 운동은 웜기어와 웜휠에 의해 링크를 사용하여 물체

를 파지하였던 그리퍼와 동일한 운동효과를 가지게 되었다

웜기어와 웜휠을 사용하여 물체를 파지하는 능동형 그리퍼는 스윙형으로 설

계되었으며 파지력을 높이기 위한 각도를 적용하였다 링크를 사용하여 물체를

파지하는 형태의 그리퍼보다 기구의 크기를 줄일 수 있는 장점이 있는 반면 기

어들의 백래시에 의한 오차가 끝단에 누적될 수 있는 문제점을 가지고 있다또

한 기구부의 소재 변경으로 그리퍼의 무계를 줄일 수 도 있지만 가장 큰 무계

를 차지하는 모터를 그리퍼 자체에서 분리하게 할 수 있게 하려면 그리퍼 자체

의 구조변경이 필요하다

`

`

Fig 4-8 Par

Fig 4-9 Par

- 52 -

rallel-link gra

rallel-link gra

sps system 1

sps system 2

Fig 4-10

- 53 -

0 Two fingertipps grasp system

- 54 -

44 2 차 능동형 그리퍼 설계

1 차 설계한 능동형 그리퍼에서 발견된 문제점을 보안하기 위하여 2 차 능동

형 그리퍼를 설계하였다 2 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-11 에 묘사

하였으며 2 차설계한 능동형 그리퍼는 Four Fingertip Grasp 로 칭하겠다 이 장치

는 크게 동력원 동력 전달장치 핑거 그립장치로 구성되어있으며 이를 통합하

여 Fig 4-12 에 나타내었다

핑거 그립장치는 스윙형 그립의 단점을 보완하여 설계하였다 물체를 파지할

때 그립의 회전 반경이 주위 환경요소와 간섭을 발생시킬 수 있는데핑거가 전

진할때 샤프트와 핑거그립간의 나사결합형태를 통한 직선운동으로 개선하여 주

위환경요소에 영향을 주지 않도록 설계하였다 구동축의 핑거파지 메카니즘을

Fig 4-13 와 같이 간략화 하였고 이에 대한 세부 도면은 Fig 4-14 로 나타내었다

4 조 핑거 그립의 나사산과 테이퍼진 스크류축은 나사식으로 결합되며 상호

작용에 의해 점차 중심점으로 이동하여 물체를 파지하는 형태이다 사용된 2 개

의 샤프트는 중공축으로 설계하였으며 외부 샤프트는 4 조 핑거가 물체를 파지

하여 비트는 모션을 구현하는데 사용되었다 내부 샤프트는 핑거를 중심점으로

전진시켜는 기능을 수행한다 중공축으로 설계한 내부 샤프트는 차후 개발될 인

스트리먼트의 탈부착을 손쉽게 할수있도록 구현하였고 4 조로 설계된 핑거는 그

립시 인스트리먼트의 응력집중현상을 분산시키는 기능과 2 조로 그립하였을때

보다 안정적인 그립감을 형성한다

- 55 -

동력원과 동력전달장치는 Fig 4-15 에 나타내었으며 Two Fingertip Grasp system

의 문제점이었던 구동부의 모터의 설치 방법을 외부에 부착하는 형태로 변경하

여 우레탄 밸트를 사용하였다 또한 아이들러를 사용하여 밸트의 방향을 변경

하여 모터의 부착위치를 자유롭게 설정할 수 있도록 하였고 모터 브라켓에 슬

리브 홈을 설치하여 벨트의 장력을 조절할 수 있도록 하였다

Fig4-11

Fig4-12 Fou

- 56 -

Four fingertip

ur fingertips g

ps grasp system

grasp system la

m

ayout

Fig 4-13

Fig 4-14

- 57 -

Fingertip gra

4 Fingertip gr

asps mechanis

rasps extended

m

d

Fig 4-15

- 58 -

5 Power transmission devicce

- 59 -

제 5장 결 론

본 연구에서는 MIS 수술 로봇을 위한 햅틱 마스터장치 구동용 능동형 그리

퍼를 설계하기 위하여 그에 상응하는 자료 및 문헌 조사를 수행하였고 햅틱 마

스터에 적용 가능한 능동형 그리퍼를 설계하여 로봇 시스템의 초안을 구성하였

다 수술용 도구를 단순히 잡아주는 역할에서 벗어나 시스템에 추가적인 자유도

를 부여함으로써 그리퍼를 표현하였다 단순화된 그리퍼는 보다 저렴한 가격으

로 생산될 수 있으며 기존 로봇 수술시스템의 높은 비용을 절감할 수 있는 효

과를 가져올 수 있다

최종적으로 제안한 설계 안으로는 2 조 핑거그립를 사용하는 전기모터형 그

리퍼 와 추가적으로 개선한 4 조 전기모터형 핑거그립를 설계였다 스윙형 그립

의 단점을 보안하여 집중응력을 분산할 수 있는 구조로 설계하였고 그리퍼의

무계를 줄일 수 있는 방법을 제시하였다 이로써 원통형 도구 파지 시 안정성이

향상되었고 보다 원활하게 수술 도구를 교체 가능하도록 하였다

앞으로 촉감을 전달할 수 있는 센서의 개발로 햅틱 디바이스 인터페이스 장

치의 활용에 보다 높은 기여를 할 것이라 예상된다

-６０-

참고 문헌

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정보 및 제어부분 PP68~7020084

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PP49~5420084

[3] 편집부 ldquo수술지원로봇의 최신 기술 동향rdquo월간 자동화 기술 22(12)

PP74~77200612

[4] 경기욱박준석 ldquo햅틱스 기술개발 동향 및 연구전망rdquo전자통신경향분석

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한국정밀공학회 2009년 추계학술대회 논문집

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[9] 이재훈김형욱이병주서일홍 ldquo새로운 6자유도 병렬형 햅틱 기구의 최적설

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[10] 조국훈이재훈이병주김희국 ldquo병렬형 그리퍼 메카니즘rdquo한국정밀공학회지

[11] 김갑순 ldquo3축 힘센서를 이용한 지능형 그리퍼 개발rdquo한국정밀공학회지 제

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[12] 고대성김성목김희국이병주 ldquo병진형 자유도와 1자유도 파지기능을 가지는

4자유도 병렬 메커니즘의 기구학분석rdquo한국정밀공학회 2007년 추계학술대회

• 제1장 서 론
• • 11 연구배경 및 연구목적
  • 12 연구내용
  • • 제2장 로봇 산업의 기술 현황
    • • 21 로봇산업의 동향
      • 22 의료용 로봇기술 현황
      • 23 의료용 로봇시장 전망
      • • 제3장 능동 그리퍼
        • • 31 최소침습 수술 햅틱 장치구현에 필요한 능동 그리퍼 제안
          • 32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류
          • 33 파지형태에 의한 그리퍼의 분류
          • 34 메카니컬 핸드의 구속기능
          • 35 대표적인 동력원의 특징
          • • 제4장 능동형 그리퍼 설계
            • • 41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정
              • 42 모터 선정 알고리즘
              • • 43 1 차 능동형 그리퍼 설계
                • 44 2 차 능동형 그리퍼 설계
                • • 제 5 장 결론
                  • 참고문헌
                  • TABLE 2-1 Domestic robot classification
                  • TABLE 2-2 Robot Production Company
                  • TABLE 3-1 Characteristics of power sources
                  • TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics
                  • TABLE 4-2 αSTEP Motor Characteristics
                  • Fig2-1 Phase of medical robots in the robot industry
                  • Fig2-2 Da Vinci surgical case number
                  • Fig3-1 Da Vinci robot system for MIS
                  • Fig3-2 Classified by the gripper grip action
                  • Fig3-3 Swing-type hand mechanism
                  • Fig3-4 Hand mechanism for translational type1 (parallel displacement)
                  • Fig3-5 Hand mechanism for translational type2 (Rack and pinion type)
                  • Fig3-6 Hand mechanism for three point pinch type
                  • Fig3-7 Movement of object
                  • Fig3-8 Contacts of the kind and the confining
                  • Fig3-9 Human Arm structure
                  • Fig4-1 Configuration of the fingers on robot gripper
                  • Fig4-2 Change the value of the angle of phage torque
                  • Fig4-3 Motor Selection Algorithm
                  • Fig4-4 Arbitrary Shape of Planar Area
                  • Fig4-5 Parallel-Axis Theorem
                  • Fig4-6 Arbitrary Shape of Polar Area
                  • Fig4-7 Example of Velocity Guidance
                  • Fig4-8 Parallel-link Grasp system 1
                  • Fig4-9 Parallel-link Grasp system 2
                  • Fig4-10 TWO Fingertip Grasp system
                  • Fig4-11 Four Fingertip Grasp System
                  • Fig4-12 Four Fingertip Grasp System layout
                  • Fig4-13 Fingertip Grasp Mechanism
                  • Fig4-14 Fingertip Grasp extended
                  • Fig4-15 Power Transmission Device

- 12 -

노령인구와 장애인구의 증가로 로봇 기술의 필요성은 재활분야에도 확대되

고 있다 장애인의 독립적인 활동을 보장하고 삶의 질을 높이려는 노력은 유럽

등의 선진국을 중심으로 재활 로봇이 연구되어 왔으며 이탈리아에서 개발된

MOVAID 가 대표적인 재활 로봇이다 또 미국에서는 MIT 를 중심으로 RIC 과

같은 로봇 신경 재활 로봇들이 개발되고 있다 스위스에서는 보행 재활 로봇으

로 Lokomat 이 개발되었고 국내에서는 KAIST 에서 휠체어 로봇 시스템과 보행

보조 로봇 등이 연구되고 있다 이외에도 서강대학교에서는 SUBAR 라는 보행

재활 로봇을 개발하였다 이외에도 최근 미국의 Intouch Health 에서 개발한 RP-7

은 멀리 있는 환자의 병증을 파악하는 데 탁월한 원격진료 로봇으로 활용되고

있다

(3) 국내 의료용 로봇 적용사례

상기 서술한 의료용 로봇 중 가장 많은 각광을 받고 있으며 국내에서 적용

되고 있는 사례를 통해 의료용 로봇의 사용 실태를 파악보고자 한다 대표적인

복강경 수술 로봇인 Intuitive Surgical의 다빈치 로봇 시스템과 고관절 수술 로봇

인 Integrated Surgical System사의 로보닥을 중심으로 국내 실태를 살펴보고자 한

다

가 다빈치

- 13 -

Fig 2-2 da Vinci surgical case number

다빈치 로봇은 1997 년 벨기에서 처음으로 환자에게 적용된 이래 국내에

2005 년 7 월 연세대학교 신촌 세브란스 병원에서 최초로 도입하여 2005 년 7 월

15 일 국내 최초로 다빈치를 이용한 로봇 수술이 이루어졌다 Fig 2-2 에서 보

듯이 수술사례는 계속적으로 증가하여 2008 년 1 월 말 현재 750 건이 넘는 수

술이 이루어졌다

다빈치 로봇은 전립선암 위암 대장남 부인암 식도암 갑상선암 간암 등

대부분의 암수술 및 중요 외과계 수술에 적용된다 이는 다빈치 로봇 수술이 가

져다 주는 효과인 개복수술이나 복강경 수술보다 수술회복기간이 단축되고 수

술시간도 감소시키는 역할과 무엇보다 수술 후 환자가 겪는 수술 후유증 확실

- 14 -

히 줄여주기 때문이다 특히 전립선암의 경우 대표적인 수술 후유증인 요실금

과 발기부전 등의 가능성이 대폭 줄어드는 것으로 알려져 있다

이와 같은 수술사례와 수술성과에도 불구하고 다빈치 로봇의 가격이 25 억

정도의 고가이기 때문에 영세한 의료기관에서 도입하기에는 다소 무리가 따르

고 있다 그러나 대형 병원들은 다빈치의 성공적인 수술사례를 통해 앞다투어

이를 도입하고 있다

2008 년 1 월 현재 신촌 세브란스 병원은 이미 3 대를 도입했고 영동 세브

란스 병원 고려대 안암병원 서울아산병원 한림대 강남병원 분당서울대병원

삼성서울병원 경북대병원 동아대병원 등 9 개 의료기관에 도입되어 있다 또한

최근 (2008 년 1 월 30 일) 연세대 세브란스병원은 로봇 수술의 활성화를 위해

Intuitive Surgical 과 공동으로 복강경 수술용 로봇 다빈치를 이용한 수술법을 배

우는 lsquo연세 다빈치 트레이닝 센터rsquo를 개소하였다

다빈치는 로봇 가격만큼 수술 비용에 있어서도 고가인데다 의료보험이 적

용되지 않아 수술 비용을 환자가 모두 부담해야 하는 실정이다 다빈치 로봇 수

술 비용은 700~2000 만 원선으로 기존의 수술 비용인 200~300 만 원 보다는 다

소 높은 가격이다 특히 전립선암의 경우 로봇 수술 비용은 1500 만 원 선으로

개복수술이나 복강경수술보다 5~7 배 정도의 높은 가격이다 그럼에도 불구하고

로봇 수술은 거의 모든 암 수술에 적용되고 있고 환자와 의사 모두 만족하는

수술법으로 자리잡아 가고 있다

- 15 -

나 로보닥

로봇이 외과적 기계로써 임상적으로 처음 국내에서 적용된 것은 1992 년 lsquo로

보닥rsquo이라는 의료용 로봇이다 미국에서 개발된 로보닥은 인공관절이 삽입될 환

자의 뼈를 로봇으로 가공해서 수술 성공률을 획기적으로 높였다 두꺼운 뼈를

정확한 형상으로 깎아내는 작업에는 CADCAM 자료에 따라 작동하는 로봇 팔

이 숙련된 외과의사를 간단히 능가했다 로보닥은 한국과 EU 의 판매승인을 획

득했고 결국 인공관절수술의 대세를 장악했다 세계적으로 8000 회 이상의 수술

이 로보닥을 이용하여 성공적으로 수행되었으며 2001년 FDA의 승인을 받기도

하였다

2002 년 국내 처음으로 로보닥이 도입된 이래로 이춘택 병원은 현재까지

2556 회라는 경이적인 수술건수를 기록하였다 그는 최소침습수술과 접목하여

로봇의 정밀성과 최소 절개기술을 결합시킴으로써 환자의 고통과 재활 기간을

크게 줄였다 그러나 로보닥의 가격은 무려 17 억 원이며 3 차원 영상까지 구현

하기 위해서는 10 억 원 상당의 멀티 CT 까지 도입해야만 한다 그렇기 때문에

소규모의 관절전문병원이 도입하기에는 다소 무리한 점이 있다 이러한 상황에

서 이춘택은 국내시장에 맞는 로봇개발을 위해 국산 부품 및 소프트웨어를 개

발 중에 있다 따라서 우리나라도 고령화 사회를 맞아 세계적으로 관절 수술이

급증하고 있는 상황에서 국내 기술로 만든 수술용 로봇이나 소프트웨어 개발은

국내 의료용 로봇시장의 활성화를 이룰 수 있다

- 16 -

23 의료용 로봇시장 전망

(1) 로봇산업 전망

로봇 분야별 세계시장 정세를 살펴보면 제조업용 로봇은 시장안전화 단계로

써 급격한 시장변화는 어려우며 신규 생산설비 및 기존 설비에 따른 수요가 대

부분 차지하고 있는 실정이다 개인서비스용 로봇은 가족구조의 핵가족화와 고

령화 현상으로 인한 가족인원으로서의 가정용 로봇에 대한 수요가 증가 추세에

있다 전문서비스용 로봇은 생산국과 생산기업이 극히 제한되어 있으며 제품가

격의 고가로 인해 시장형성에 있어서 생산국과 수요국이 불일치하고 있는 실정

이다 이러한 상황에서 로봇시장의 국가별 점유율을 살펴보면 일본 (28) 미국

(18) 독일 (16) 이탈리아 (10) 한국 (3)의 순으로 세계 5 위를 차지하고

있다 이와 같이 산업용 로봇의 경우는 우리나라의 세계적인 위상이 높지만 아

직까지 전문 서비스 분야 로봇에 대한 세계적인 위상은 미비하다

시장규모 전망과 국내 세계시장 점유율에 대한 전망은 다음과 같다 세계 로

봇시장의 규모는 2010 년에는 247억 5 백만 달러에서 2020년에는 717억 7 천만

달러에 이를 것으로 보고 있으며 연평균 107의 증가율을 예상하고 있다 분

야별로는 제조업용 로봇은 2010 년 세계시장의 114에서 2020 년 144의 비중

을 차지할 것으로 전망하고 있으며 전문서비스용 로봇은 2010 년 세계시장의

09에서 2020 년 21의 비중을 차지할 것으로 예상하고 있다 개인서비스용

- 17 -

로봇은 2010 년 30에서 2020 년 70 수준에 달할 것으로 보고 있다 비록 전

문 서비스용 로봇산업의 규모는 미국 일본 독일에 비해 미미한 실정이나 전문

서비스용 로봇의 신시장을 개척하고 그 만큼의 기술력이 밑받침된다면 2020 년

세계시장에서의 더 큰 비중의 달성이 이루어질 것으로 본다

(2) 의료용 로봇기술 전망

의료용 로봇시장의 성장은 의료용 로봇기술 개발산업의 성장과 밀접한 관계

가 있다 세계적인 개발추세로는 의료용 로봇개발 하드웨어 분야에서는 일본이

경쟁력이 가장 높으며 소프트웨어 분야에서는 미국이 앞서나가고 있다 또한

독일은 하드웨어 및 소프트웨어 분야에서 동시에 상당한 연구 개발 능력을 보

유하고 있다 앞으로는 이 세 나라가 의료용 로봇 시장의 핵심 주자로 나설 것

으로 예상된다

산업연구원 (2007) 조사에 따르면 국내 로봇산업의 기술은 기술항목에 따라

다소 차이를 보이고 있으나 제조업용 로봇의 경우는 최고 기술 보유국 대비 평

균 85 정도에 육박하고 있으며 전문서비스용 로봇의 경우는 80 정도 개인서비

스용 로봇은 84 정도에 이르고 있는 것으로 나타났다 의료용 로봇 분야에서는

선두주자인 미국의 기술력을 100 이라고 봤을 때 현재 우리나라는 70 정도이며

2015년이 지나야 100 에 도달할 것으로 전망하였다 비록 의료용 로봇에서 세계

1위인 미국에 비해 우리는 아직 10년 이상 차이가 있지만 세계 최초로 국제 규

- 18 -

모의 로봇랜드 조성과 로봇펀드 발생 등 정부 차원에서의 노력이 여러 가지 방

면에서 다양하게 펼쳐지고 있기 때문에 그 격차는 점차 줄어들 것으로 예상된

다

또한 IFR (2006) 자료에 따르면 한국 산업용 로봇은 세계 5 위의 강국[16]인

데 비해 의료용 로봇에 있어서는 약소국이다 이는 의료용 로봇의 개발비가 많

이 드는데 비해 국내 시장은 극히 제한적이어서 일반 기업의 참여가 아주 저조

하기 때문이다 국내에서 의료용 로봇 관련 기술 개발은 아직 걸음마 단계에 머

물러 있으며 벤처기업 및 대기업들이 개발해 상용화시키고 있는 기술이나 제품

도 대부분이 생활 가전형 로봇에 한정되어 있을 뿐 의료용 로봇분야는 아직 미

개척지로 남아 있다 하지만 국내에서도 의료용 로봇 개발을 수행하기 위해 대

학이나 연구소 차원에서 의료용 로봇에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다 먼

저 한국과학기술원이 8 년 전 설치한 휴먼 웰페어 로보틱 서저리 센터가 대표

적인 연구기관이다 이 연구소에서는 거동이 불편한 환자들을 위한 휠체어의 자

동화 시스템이나 복강경 수술 로봇 등 로봇 수술용 기구의 국산화에 초점을 맞

춰 진행 중이다 또한 최근에는 국립암센터 역시 산업자원부로부터 수술용 로

봇과 영상시스템을 주제로 한 의료용 로봇 개발자로 선정되어 연구에 들어갔다

비록 국내 의료 및 수술 로봇 관련 기술이 일본 미국 등에 비해 아직까지

뒤쳐져 있는 실정이지만 국내에서도 의료용 로봇 기술 개발이 이처럼 활발히

진행되고 있어서 향후 전망은 매우 밝다고 할 수 있다 또한 해외에서 각광을

받고 있는 캡슐형 내시경 연구 역시 국내에서 벌써 10 년째 계속 되고 있다 최

- 19 -

근 한국과학기술연구원과 벤처기업인 인트로메딕이 개발한 세계 최소형 캡슐형

내시경인 미로캠 (MiroCam)은 2010 년까지 국내 캡슐형 내시경 시장의 80를

점유할 것으로 예상하고 있다 이러한 국산 의료용 로봇 개발을 통해 고부가가

치 시장인 세계 의료 시장에 뛰어들 수 있는 기반을 다졌다는 데에 큰 의미가

있다

전문 서비스용 로봇의 경우 제조업 로봇 관련 풍부한 경험을 바탕으로 전문

서비스용 로봇으로의 기술확대 메카트로닉스 (mechatronics) 관련 다양한 산업기

반과 세계적인 IT 인프라 보유국의 강점을 살리고 있다 또한 한국은 10 대 성

장동력간 연계 등을 통한 시너지 효과와 세계 전문서비스 로봇 시장이 초기형

성 단계임을 감안한다면 이 분야의 진출에 대한 절호의 기회이며 머지않아 의

료용 로봇 강국으로 진입할 수 있을 것으로 기대된다

- 20 -

제 3 장 능동 그리퍼

31 최소침습 수술 햅틱 장치 구현에 필요한 능동 그리퍼 제안

21 세기 로봇 기술 분야에서는 인간과 기계 시스템 간의 커뮤니케이션이 무

엇보다 중요하게 강조되며 이러한 인간과 기계 시스템의 의사소통은 주로 인간

의 감각 기관을 통해 이루어 진다 일반적으로 인간에게는 보고 듣고 냄새를

맡고 맛을 보고 피부로 느끼는 오감이 있으며 이러한 감각을 시각 청각 후

각 미각 촉각이라고 한다 따라서 이러한 인간의 감각에 정보를 전달하기 위

한 다양한 기계 시스템들이 개발되어 왔다 오감 중에서 현재 인간과 기계 시스

템간의 인터페이스 역할을 하는 표적인 감각으로는 사물을 보는 시각과 소리

를 듣는 청각이 주로 이용되고 있다 이를 위한 시스템들은 이미 상당한 수준으

로 발전해 현재 상용화 되어 활용되고 있다 하지만 이러한 시각과 청각 인터

페이스 만으로는 로봇의 제어에 한계가 있으며 오감 중에서 세 번째 감각인 촉

각에 한 인터페이스가 현재 활발히 연구 개척되고 있다 만약 가상현실에 촉

감 인터페이스가 적용된다면 기존의 시각과 청각에만 의존하던 가상 현실에 촉

감을 전달함으로써 실제 물건을 만지고 느낄 수 있으므로 가상현실을 보다 더

실감나게 할 수 있을 것이다 하지만 인간의 감각 중에서 촉각은 매우 민감한

감각으로 여기에 촉감 정보를 전달하는 인터페이스는 아직 많은 연구를 필요로

하고 있다

- 21 -

햅틱 (haptic)이란 단어의 사전적인 의미는 ldquoof or relating the sense of touch

tactilerdquo로써 물체를 만질 때 사람이 느낄 수 있는 촉각적 감각으로 피부가 물체

표면에 닿아서 느끼는 촉감 (tactile sensation)과 관절과 근육의 움직임이 방해 될

때 느껴지는 근 감각적인 힘 (kinesthetic force)의 두 가지 힘을 모두 합쳐서 부르

는 말이다 촉감 구현 연구는 물리적 장치를 이용하여 사람이 직접적인 접촉이

없이도 촉각 정보를 전달하는 방법에 관한 전반적인 연구 분야를 일컫는 말로

사람에게 원격지에 있는 물체의 물리적 특성을 전달하는 원격조작 혹은 원격현

장감에 관한 연구로부터 시작되었다 가상 혹은 실제 환경에서 촉감을 구현하기

위한 연구를 포괄적으로 의미하는 용어로 햅틱스 (haptics)라고 한다 주요 연구

분야는 사람이 직접 손에 쥐거나 착용하는 물리적 장치인 햅틱 디바이스 인터

페이스 (haptic interface) 가상 공간상의 물체에 기계적 성질을 부여하여 사실감

이 있는 상호작용을 제공하고자 하는 햅틱 렌더링 (haptic rendering) 사람의 촉

각 인지 특성에 관한 연구 (tactile perception) 등으로 나눌 수 있다 특히 햅틱

인터페이스 (haptic interface)는 햅틱 디바이스 (haptic device)라고도 불리우며 사람

에게 촉감을 전달하는 물리적인 장치를 말하며 더 넓은 의미로 사용하여 가상

의 환경을 촉감 전달을 통해서 느끼게 하는 시스템 전체를 가리키기도 한다 이

러한 햅틱 기술은 다양한 분야에서 활용될 수 있는데 표적인 분야로는 가상

현실 분야 인간-컴퓨터 인터페이스 분야 게임 등 사이버 커뮤니케이션 그리고

원격제어 로봇 등이 있다 특히 원격제어 로봇이 많이 활용되고 있는 의료 분

야에서 햅틱 구현은 매우 시급한 과제이다 현 의 수술은 점점 첨단의 수술 도

- 22 -

구와 로봇을 이용하여 집도되는 추세이며 최소침습수술 (minimally invasive

surgery MIS)이 그 표적인 예이다 이 수술법은 환부의 구멍에 수술도구와 카

메라를 삽입하여 집도의가 모니터를 보면서 시술함으로써 시술시간이 짧고 환

자의 회복이 빨라서 그 적용 범위가 점차 확 되고 있다 하지만 환자가 얻게

되는 이점에 반해 의사는 개복 수술에서 쉽게 이용하던 기술들을 더 이상 적용

할 수 없게 되어 집도에 있어 큰 어려움을 부담해야만 한다 즉 환자의 내부에

서 손의 움직임과 시야의 제약을 받게 되었고 손으로 환자의 장기나 뼈를 만지

고 상태를 확인할 수 없게 된 것이다 이러한 문제점들을 극복하기 위해 첨단의

의료용 로봇 시스템이 개발되었는데 의사 즉 오퍼레이터가 조작하는 마스터

(master) 로봇과 환자의 환부에서 수술을 진행하는 슬레이브 (slave) 로봇으로 구

분된다 슬레이브 로봇은 크게 수술 시 집도의 팔의 움직임을 구현하는 구동 암

(arm)과 수술도구를 홀딩 할 수 있는 그리퍼로 분류할 수 있다 구동 암의 움직

임은 수술 부위의 위치를 결정하면 별도 큰 움직임 없이 작동시킬 수 있으며

전달 수술 관통 수술이 아닌 경우에는 집도의가 느끼는 힘을 피드백 할 필요가

없다 하지만 그리퍼의 경우는 신체 일부분의 미세한 조직까지 전부 접촉해서

제거하거나 봉합하기 때문에 집도의가 수술 시 느끼는 힘을 구현하여야 보다

정밀한 수술을 수행할 수 있다 따라서 본 연구에서는 햅틱 장치가 적용된 마스

터 로봇과 마스터 로봇에서 형성된 힘을 느낄 수 있으며 원할한 수술을 진행할

수 있는 최소침습수술용 능동 그리퍼를 제안하겠다 Fig 3-1 은 상용 MIS 장치인

다빈치 로봇의 마스터와 슬레이브 그리고 그리퍼를 나타내고 있다

(a) sla

(b

Fig 3-1 da V

Operation Arm

Gripper

- 23 -

ave robot and g

b) master rob

Vinci robot sy

m

gripper

ot

stem for MIS

- 24 -

32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류

산업용 로봇은 그 기능 특성상 필요성에 의해 로봇의 말단부에 그리퍼를 부

착시킨다 이것은 인간의 손에 응되는 것으로서 메커니컬 핸드라고 칭하며 다

루는 상 물체를rdquo파지rdquo해 이동하는 목적으로 사용되는 도구이다

파지동작은 Fig 3-2 와 같이 세분화된다 인간의 손 손가락에는 많은 관절이

있으며 여러가지 작업이 가능하다 일상 생활에서의 붙잡기는 형식을 분류한 것

으로는 슐레징거의 12 형식이 있다 여기서 인간의 손에는 손가락이 있어서 그

것을 유지핸드라고 이름 붙이면 메커니컬 핸드에는 손가락이 없는 구성법이 있

는데 이것을 무지 핸드라고 이름 붙이기로 한다 이 무지 핸드는 기계적 물리적

으로 구조상 무지핸드로 한 것과 공구가 메커니컬 핸드와 일체화됐다고 생각하

는 공구 핸드가 있다 메커니컬 핸드를 분류해 보면 다음과 같다 진공이나 자

기 이용의 흡착 등 물리적 흡척형의 유지는 보통 평면(완만한 곡선도 포함)부를

흡착하는 형태로서 물체의 크기나 중량에 따라 여러 개가 설치되는 경우도 있

다 그러나 물체표면에 만곡부가 있는 경우나 구멍이나 공동이 있는 경우에는

적용할 수 없게 된다 또한 자력을 이용한 경우 철금속 재료를 다루게 되는데

경우에 따라서 매우 효율적이고 신뢰성이 높기는 하지만 물체에 잔류 자력이

남게 되는 문제점이 있다 받기형의 유지는 지지의 동작만을 가지고 있는 형태

이며 이는 전기한 흡착형 보다 적극적이 아니여서 약한 구속을 갖는다 변형하

기 쉬운 물체의 이송등에는 이를 채택한다 매달기형 유지는 중력 방향의 이동

1 자유도를 구속한다 잡기형 파지는 유연성에 의한 변형으로 접촉면적을 크게

하여 집는

상물을 외측

이용하는 등

33 파지형

파지 형

다 본 연구

하여 설명

(1) 두 손

형태이다 현

측에서 파지하

등의 파지방법

형태에 의한

형태로서는

구에서 사용할

명 하겠다

손가락 type

현재 많이 사

하거나 구멍

법이다

한 그리퍼의

상을 바깥에

할 메커니즘은

e

Fig 3-2 Cla

- 25 -

사용하고 있는

속에 손가락

의 분류

에서 파지하

은 바깥에서

assified by the

는 끼우기형

락을 넣은 후

는 것과 안에

파지하는 형

gripper grip ac

파지 형태는

후 벌려서 내

에서 파지하

형태가 유리하

ction

는 핸들링

내측사용면을

는 것이 있

하므로 이에

두 개의

상태를 유지

는 스윙형

안정되게 파

의 리지트한

지해서 개폐

핸드(swingin

파지하는 점에

손가락을 갖

되는 병진형

ng gripper)로

에서 병진형

(a) grinder c

(c

Fig 3-3 Sw

- 26 -

갖춘 것으로

핸드(transla

로 분류된다

보다 떨어진

crank

c) rotation joi

wing-type hand

실용례가 많

ational grippe

스윙형은 기

진다

(b) swing

int

d mechanism

많다 손가락이

er)와 그 방향

기구가 간단하

g block

이 상호평행

향이 변화하

하나 상이

병진형에

4 은 평행링

운동을 바꾸

에 회전시킴

로 유지되기

지된다 직

시키도록 한

가 전middot후진

피니온 방식

F

에서는 평행링

링크 방식의

꾸고 그 피니

킴으로써 손가

기 때문에 손

동형 신에

한 것도 있다

진하는 결점이

식이 채용된다

Fig 3-4 Hand

링크 랙middot피니

예로 직동형

니온 운동으로

가락 개폐를

손가락의 물체

에 회전형 액

다 평행링크를

이 있다 이문

다

mechanism fo

- 27 -

니온 나사이송

형 액추에이

로 평행링크의

얻는다 링크

체 파지면의

추에이터를

를 이용한 형

문제를 해결하

or translational

송 기구 등이

터의 운동을

의 하나의 링

크 PS 와 링

자세도 개폐

이용한 형식

형식은 개폐에

하는 방법으로

type1 (paralle

이 이용되고

랙과 피니온

링크 A 를 축

크 QR 은 항

폐 동작 중 일

식에서 평행링

에 의해서 손

로서 볼나사

el displacement

있다 Fig 3-

온으로 회전

축 P 의 주위

항상 평행으

일정하게 유

링크를 회전

손가락 위치

기구나 랙middot

nt)

Fig 3

는 핸드의

볼나사 기구

다

(2) 세 손

세 손가

가락으로 잡

F

-5 는 회전형

예이다볼나

구 각각을 손

손가락 type

가락을 가진 핸

잡는 것보다

Fig 3-5 Hand

형 액추에터로

나사 기구를 이

손가락에 부착

e

핸드에서는

안정된 파지

d mechanism fo

- 28 -

로 랙 피니온

이용하는 경

착 사라를 회

상을 3 점

지 동작을 할

or translational

온을 회전시킴

우에는 1

회전시킴으로

점에서 유지할

할 수 있다

l type2 (rack a

킴으로써 개폐

의 왼나사

써 개폐 동작

할수 있기 때

nd pinion type

폐동작을 하

오른나사의

작을 실현한

문에 두 손

e)

Fig 3-6

베벨기어를

구동해서 세

실현한 것

각 손가락을

복잡하며 중

6 은 세 손가

를 매개로 상

세 손가락을

이다 특히

을 개별 모터

중량도 증가하

Fig

락형 그리퍼

호 각도를 주

동작시킴으로

원통물체를

터로 구동하도

하기 때문에

3-6 Hand mec

- 29 -

의 일반적인

주어 결합한

로써 이른바

확실히 잡아

도록 한 3 지

실용례가 적

chanism for thr

인 형상을 나타

3 개의 볼

바 3 포인트 핀

아서 유지하

지형핸드도 개

적다

ree point pinch

타내고 있다

나사를 하나

핀치(three po

는데 유리하

개발되고 있으

h type

이 핸드는

나의 모터로

oint pinch)를

하다그 외에

으나기구가

34 메카니

(1) 구속

기계적

어서 형성되

전 구속 기

해서 언급하

으로 움직일

또 X Y 평

니컬 핸드의

속기능

구동장치에

되는 것으로

기능이 있다

하면 구속 상

일 수 있다

평면 X Y 면

의 구속기능

서 구속 형식

크게 나누어

그래서 핸드

상태의 물체는

이것을 물체

X Z 면상에

Fig 3-

- 30 -

능

식과 접촉 상

어서 반구속

드의 구속 기

는 Fig 3-7 와

체의 공전 (이

서 6 방향으

-7 Movement

상태와 포락

속 (받는 구속

기능을 결정하

와 같이 X Y

이동)에 관한

로 회전 한다

t of object

능력의 인자

속 는 구속

하는 물체의

Z 의 3 축상

6 동작 자유

다 이것을 물

자가 복합되

속)기능과 완

구속에

에서 6 방향

유도로 한다

물체의 자전

(회전)에 관

부여한 상태

행할 수 있

서는 회전의

핸드에

한 공간적

면 Fig 3-8

이 그림

를 구속한다

에서 7 자유

선접촉과 면

계수와 절선

(a

관한 6 동작

태에서 움직이

있다 또 완전

의 6 자유도를

의한 물체의

적인 포락 상

와 같이 된

(a)의 점접촉

다 그러나 1

유도를 구속

면접촉에는 각

선력법선력

a) point contac

Fig3

자유도로 한

이며 중력이

전 구속은 핸

를 무시하는

의 구속은 핸

상태로 정한다

다

촉은 접촉점

1 점접촉은 다

한다 (c)의

각각 마찰에

비와의 관계

ct (b

3-8 Contacts

- 31 -

한다 반구속은

이나 환경면의

드 자체로 1

경우도 적지

핸드와 물체의

다 먼저 접촉

방향의 1 자

다른 11 자유

면접촉은 11

위한 구속이

계로 구속불능

) line contact

of the kind an

은 12 자유도

의 구속을 받

12 자유도를

지 않다

의 접촉 상태

촉부의 구속

자유도를 구속

도를 구속할

1 자유도의 구

이 4 개와 6 개

능의 가능성을

nd the confini

도 중 몇 개의

아서 완전 구

행하는데 경

태 및 접촉부

능력을 모델

속한다 그러나

할 수 없다 (b

구속을 할 수

개 주어져 있

을 가진 구속

(c) surface co

ing

의 자유도를

구속으로 이

경우에 따라

부의 물체에

델로 나타내

나 1 자유도

b)는 선접촉

수 있다 단

있으며 마찰

속 성분이기

ontact

- 32 -

도 하다 또한 면접촉의 상태는 중력의 작용을 이용하면 받기를 형성하고 또

외계력을 이용하면 기를 형성한다

이들의 접촉상태는 물체의 형상과 핸드의 구속면으로 규정되는 것으로 핸드

만으로 결정하기는 어렵다 단 핸드의 구속면을 부드러운 재질로 형성하면 면

접촉의 이행이 용이하다 이와 같은 이유에서 물체에 접촉부가 포락도를 높이는

데에 따라서 물체 형상에 관계 없이 구속 능력을 증 시킬 수 있다

(2) 메커니컬 핸드의 자유도

로봇의 손은 그 용도를 불문하고 인간의 손 작업의 행을 목적으로 하는

것이므로 그 설계에 있어서 모델로 되는 것은 말할 것 도 없이 인간의 손이다

그래서 우선 기구에 하여 설명하기 전에 인간의 손의 구조 모델에 하여 설

명해 본다

AmiddotMorecki 에 의하면 인간의 상체는 그 해부학적 구조에 입각하면 Fig 3-9 와

같이 모델화할 수 있다 Fig 3-9 에서 숫자는 각각 골격 즉 링크를 나타내고 숫

자 II~ V 는 관절을 나타내고 있다 이와 같은 공간링크 기구의 자유도 F 는 가

동부수 n 자유도의 종류 f 를 가진 우 수를 Pf 라 하면 다음 식으로 나타낼

수 있다

6n sum ∙ P 12345 (3-1)

Fig 3-9

들 자유도가

을 Fig 3-9

P5=10 이므

인간의

유도 1 의

해 있으며

의 모델에서

가 있는 관절

9 와 같이 정

므로 위 식에

상지를 인공

액튜에이터를

22 개나 되

Fig 3

서는 n=19 P2

절에 작용하는

정의하고 그

서 FH=22 가

공적으로 정밀

를 27 필요

는 액튜에이

- 33 -

3-9 Human Ar

2=1 P3=2 P4

는 근군은 약

자유도 FH

가 된다

밀하게 재현하

요로 하게 된

터를 필요로

rm structure

4=6 P5=11 이

약 50 이라고

를 구하면

하려고 한다면

된다 또 손에

로 한다 그러

이므로 F=27

고 되어 있다

이 경우는 n

면 이상의 결

는 특히 자유

나 로봇의 손

이 된다 이

여기서 손

n=16 P4=6

결론에서 자

유도가 집중

손이 이만큼

- 34 -

의 수의 액튜에이터를 갖춘 것을 제작한다는 것은 크기 중량 제어면에서 볼

때 현시점에서는 불가능에 가깝다 특히 의수에 있어서는 상술한 바와 같은 형

상이나 조종성 등의 점에서 전혀 불가능하다고 해도 좋다 따라서 보통은 기능

에 주목하여 손에 집중해 있는 자유도의 간략화를 도모한다

인간의 잡기 동작에 주목해 보면 그 잡기 형상에는 12 종류가 있다고 하다

그러나 이것들은 엄지와 다른 12 종류가 있다고 한다 그러나 이것들은 엄지와

다른 4 손가락과의 관계에 주목하였을 때에 2 종류 즉 엄지가 다른 4 손가락과

항해서 동작하거나 그 측방에서 동작하는가로 분류할 수 있다 실제의 일상

동작에서 관찰하면 이들 중에서도 엄지와 손가락이 항해서 동작하는 소위 쥠

동작이 우선 첫 번째이고 또 다음에 엄지 검지 중지의 3 손가락의 선단으로

이루어지는 3Point Pinch 즉 잡기동작이 중요하다

더불어 손가락의 독립성에 해서는 역시 일상동작 중에서 손가락의 사용

빈도를 조사한 결과에 의하면 다섯 손가락은 반드시 독립적인 운동을 필요로

하지 않고 엄지 검지 중지가 같은 정도의 중요성을 자기며 다른 두 손가락은

사용 빈도에 있어서 이들 세 손가락보다 약 50 적으며 다른 세 손가락의 보

조 역할을 한다고 볼 수 있다 그리고 특히 중요한 것은 인간의 각 손가락은 잡

기 상물의 형상에 적응한 쥐기 즉 Passive 한 동작을 할 수 있다는 것이다 이

기능이 있다면 각 손가락이 독립적으로 동작하지 않더라도 또 다소 손의 자유

도를 제거하더라도 상물의 확실한 쥐기나 잡기 그리고 기타 손 작업에 큰 힘

을 발휘한다

- 35 -

34 표적인 동력원의 특징

동력원을 설계할 때 다음의 점을 고려하면서 가장 적합한 방식을 선택한다

1조작력(로보트가 내는 최 의 힘 예를들면 최 들어올린 힘)

2속응성(최 조작 속도)

3크기 중량(로보트의 크기와 중량의 제한)

4안정성(발열이나 과부하에 한 안전성)

5사용의 용이도

6수명가격

1 2 의 조작력 속응력은 로보트에 요구되는 성능에서 가장 기본적인 것인

데 이에 관련해서 크기나 중량의 제한 안정성 사용의 용이도 수명 가격 등을

고려해서 동력원을 선택한다 단 자주형 로보트에서는 2 차적 성능인 동력원의

중량이 첫째 요구 조건이 되는 경우가 많고 공업용 로보트에서는 저가격 사용

의 용이도 안전성이 중요 사항으로 우선시된다

모든 로봇은 동력원을 필요로한다 중요도에 따라 동력원을 선택해야 하는데

일반적으로 공기압식은 안전성이 뛰어난 반면 힘과 세밀한 위치제어가 어렵고

전기식은 응답성과 사용편리성 세밀한 위치제어가 가능하나 높은 힘을 내기 위

해서는 부가적인 기구부가 필요하다 유압식은 큰힘을 낼수있어서 속응성은 좋

으나 과부하시 상당한 발열이 있기 때문에 안전성에서 다른 동력원에 비해 떨

어진다 위 사항을 TABLE 3-1 로 분류하여 나타내었다

- 36 -

TABLE 3-1 Characteristics of power sources

전기식 유압식 공압식

사용용이성 편리하다 작동유의관리 관로의압력

필터관리에 유의

공급공기의 수분제거

윤활성의부가에 주의

수명 길다 기름에 윤활성이 있기

때문에 길다

공기에윤활성이 없어

유압 전기에 비해 짧다

가격 보통 가격 운영비 높음 저가격

응답속도

(반응성) 매우 빠르다 빠르다 늦다

하중능력 (소)에서 (중)정도의

하중능력 단히 큰 힘을 얻음 큰 힘은 없다

소음 적다 다소 크다 크다

- 37 -

제 4 장 능동형 그리퍼 설계

41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정

로봇 그리퍼의 정밀 파지 (Fingertip Grasp 손가락 끝을 이용하여 물체를 집

거나 바닥에누워있는 납작한 물체를 집는 행동)를 안정하게 하기 위해서는 손가

락 끝과 물체가 직각에 가까운 각도를 이룸으로 마찰력을 크게 하여 안정성을

높인다 또한 바닥에 놓인 물체를 집어 올릴 경우에도 물체표면의 법선 벡터와

손가락 끝의 각도가 클수록 물체를 효과적으로 구속하여 안정된 파지를 할 수

있다

그리퍼의 링크 시스템에 있어서 2 링크 손가락보다 3 링크 손가락을 쓸 때가

링크와 수평 평면이 이루는 각 (A)이 더 커지기 때문에 안정성이 더 좋다는 것

을 알 수 있다 그리고 안정성뿐만 아니라 식 (4-1)을 통하여 문체에 전해지는

Torque 값을 Fig 4-2 와 같이 그래프로 나타내면 0 도에서 75 도 정도까지는 A 각

이 커질수록 물체에 가해지는 토크 값이 점점 커지는 것을 알 수 있음으로 3 링

크 손가락을 쓰는 것이 파지력 증가됨을 알수 있다 ℓ3 의 길이가 길어질수록 A

가 작은 값을 가져서 정밀파지에 적당하지 않다

τ l cosA sinA l 1 cos A tan μ (41)

A cosempty

(42)

Fig 4-1

은 식을 통

각이 커짐을

움이 있고

Fig4-

에서 제 2 코

통해 구할 수

을 알 수 있다

최소 단위를

Fig4

-1 Configurati

코사인 법칙

있는데 이로

다 그러나 ℓ

를 1cm 로 하

-2 Change the

- 38 -

ion of the fing

을 이용하여

로부터 링크

ℓ3 가 1cm 인

하였기 때문에

e value of the a

gers on robot g

여 A 의 각을

길이 ℓ3 가

인 경우는 너

에 ℓ3 는 2cm

angle of phage

gripper

구하기 위해

작으면 작을

무 짧아서 파

로 결정하였

torque

해 (2) 와 같

을수록 A 의

파지의 어려

였다

42 모터

(1) 알고

앞 절에

여야 한다

는 모터의

이 작은 모

나 용량이

로 적절한

선정 알고

고리즘 정의

에서 설명한 기

로봇 팔에

선정은 동작

모터를 사용하

큰 모터를 사

모터의 선정

고리즘

기구들을 추

움직임을 전

작을 구현하는

하게 되면 기

사용하게 되

정이 중요하다

Fig 4-3 M

- 39 -

추후 로봇 시스

전달함에 있어

는데 중요한

기구의 원활한

면 모터의 외

다

Motor Selectio

스템에 적용을

어서 동력을

과제가 되겠

한 작동이 어

외형이 커지

on Algorithm

을 고려하여

공급과 제어

겠다 만일 토

려워지고 단

고 가격 또한

설계를 하

어를 수행하

토크나 용량

단순히 토크

한 증가하므

- 40 -

(2) 알고리즘 수행

모터를 선정하기 위해서 가장 우선적으로 해야 할 일은 기계구동부분을 결

정하고 구동부분을 어떠한 방식으로 작동을 시킬지 동작 패턴을 결정하여야 한

다 예를 들면 모터에서 나오는 힘을 받아서 볼 스크류를 이용하여 힘을 전달할

것인지 벨트 피니언 기어 혹은 풀리 등을 이용할 것인지를 결정하고 그에 따

른 적절한 구동방식을 결정한다 구동방식을 결정하게 되면 각각의 구동방식에

적합한 수식을 대입하여 부하토크를 계산한다 구동방식에 따른 부하토크를 구

하는 수식은 구동방식이나 구동장소 등에 따라 다소 상이하나 일반적인 수식은

다음과 같다

-BALL SCREW 구동

T FP2πn

μ F P2π

1i N ∙ m 43

F F mg sin α μ cos α N 44

-PULLEY 구동

T ∙ 45

μF D

2i N ∙ m

- 41 -

-WIRE middot BELT 구동 RACK middot PINION 구동

T F2πn

∙ πDi

FD2ni

N ∙ m 46

F F mg sin α μ cos s N 47

-실측에 의한 방법

T 48

직선운동 (커플링 직결 볼스크류 등)의 경우 위의 (43) (44) 이용하여 구할

수 있다 이때 F 는 축방향하중 F0 는 예압하중 μ0는 예압 NUT 의 마찰계수 η 은

효율i 는 감속비 PB 는볼스크류 피치를 나타낸다 회전운동 (풀리)의 경우 식

(45)를 이용하여 구할 수 있으며 FA는 외력 FB는 부하중량 (주축이 회전하기 시

작할 때의 힘) m 은 work 와 TABLE 의 총무계 μ 접동면의 마찰계수α는 경사각

도D 는 풀리의 지름을 나타낸다

실제현장에서는 선정된 모터의 토크를 확인하기 위해 실측에 의한 구동토크

를 계측하는데 스프링 저울을 구동 풀리에 연결지어 측정한다 이때 TL 은 회전

운동 부하토크에 해당하고 FB 는 부하중량 D 는 풀리의 직경을 나타낸다

위의 부하토크를 구하는 식들을 이용하여 부하토크를 구하게 되면 실제 모

터를 사용할 때 어느 정도의 시간적 여유를 두고 가속을 할 것인지 감속을 할

것인지를 결정하여야 한다 이를 위해서 우선 동작시킬 부분에 대한 관성모멘트

를 계산하

Fig 4-4

시한 것으로

dA 와 기준

이를 표현하

하여야 한다

4 는 관성모멘

로 X 와 Y

준축으로 부터

하면 식 (49)

Fig 4-4 Arb

I

멘트를 구하기

는 면적의 미

터의 거리의

)와 같다

- 42 -

bitrary shape o

y dA I

기 위한 절대

미소 요소 dA

제곱의 곱으

of planar area

x dA

대좌표 X Y

A 의 좌표이

으로 단면 2

축 상의 미소

이고 관성모멘

차 모멘트라

49

소면적을 도

멘트는 요소

라고도 한다

평면 면

가 있다 평

축에 대한

Fig 4-5

하는 평행한

관성모멘

식 (410

번째 적분은

면적의 관성

평행축 정리란

관성 모멘트

5 과 같이 도

한 xy 축 두

멘트의 정의로

I y

0) 에서 우변

은 Xc 축에

Fig 4-5

모멘트에 있

란 도심축에

트 사이의 관

도심을 원점으

좌표계의 평

로부터 x 축

y d dA

변의 첫 번째

대한 1 차 모

- 43 -

5 Parallel-axis

있어서 중요하

대한 관성

계를 나타낸

으로 하는 Xc

평행한 축 간

축에 대한 관

y dA

적분은 Xc

모멘트로서 X

theorem

하고 유용한

모멘트와 도

낸다

cYc 축과 임의

간의 거리를 d

성모멘트 Ix

2d y dA

축에 대한 관

Xc 축이 도심

정리로서 평

도심축에 평행

의의 점 O 를

d1 과 d2 로 표

는 식(410)와

d dA

관성모멘트

심을 통과하므

평행축 정리

행한 임의의

를 원점으로

표시한다

와 같다

410

I 이다 두

므로 적분의

- 44 -

값은 0 이다 세번째 적분은 면적 A 그 자체이다 따라서 식 (410)은 식 (411)과

같이 간단해진다

I I Ad 411

y 축에 대한 관성모멘트도 위와 같은 방법에 의해 식(412)과 같다

I I Ad 412

또한 면적의 평면에 수직인 수직축에 대한 관성모멘트를 극관성모멘트라 한

다 Fig 4-6 는 평면에 수직이고 O 점을 통과하는 축에 대한 극관성모멘트를 나

타낸 그림으로 이를 관성모멘트 식으로 표현하면 식 (413) 와 같다

I ρ dA 413

식 (413)와

즉 평면에

서로 수직인

극 관성

와 도심 C

와 식 (414)에

I

수직인 축에

인 두 축에 대

성모멘트에 대

에 대한 극

Fig 4-6 Arb

의해 식 (4

ρ dA

I

에 대한 극관

대한 관성모

대한 평행축

극 관성모멘트

- 45 -

bitrary shape o

ρ x y

415) 식 (41

x y dA

I I I

관성모멘트는

멘트의 합과

정리는 Fig

트를 각각 I

of Polar Area

y

16)과 같은 관

x dA y

는 평면 내의

과 같다

4-5 에서 유

와 I 로

관계식을 얻을

y dA

같은 지점을

유도할 수 있

로 표시하면

414

을 수 있다

415

416

을 통과하는

있다 원점 O

식 (416)에

- 46 -

서 식(417)을 유도할 수 있다

I I I I I I 417

I I I I A d d 418

I I Ad 419

식 (419)는 극 관성모멘트에 대한 평행축 정리를 나타낸다 즉 평면 내의 임의

의 한 점 O 에 대한 면적의 극관성모멘트는 도심 C 에 대한 극관성모멘트에 그

면적과 점 O 와 C 사이의 거리의 제곱의 곱을 더한 것과 같다

이상의 식에서 부하토크와 관성모멘트를 계산하여 모터를 가 선정한다 부하토

크의 경우 사용될 모터의 정격 토크를 넘어서지 않는 것을 선정한다 부하토크

를 TL 정상 부하 상태의 힘 PL 극 관성모멘트 IL 회전운동을 위한 힘 Pa 각속

도 가속 시 소요되는 시간을 ta 라 하고 식 (420)을 이용하여 부하가 일정하

게 작용할 때의 힘을 계산한다 마찬가지로 관성모멘트를 식 (421)에 대입하여

가속을 위한 회전 운동 시 필요한 힘을 계산한다 식 (420)과 식 (421)에서 계

산된 힘을 합산하면 모터를 회전시키기 위해 필요한 출력이 계산된다 이때 계

산된 출력보다 실제 사용할 모터의 정격 출력이 1~2 배 정도가 되도록 모터를

가 선정한다

- 47 -

P T ω 420

P 421

위의 과정을 통하여 모터를 가선정하고 가감속 토크 및 구동 토크를 계산한

다 각각의 토크를 계산하게 되면 모터를 최종적으로 선정하게 되는데 두 가지

사항을 고려하여 최종 선정한다 먼저 식 (422)을 통해서 계산되는 가속 시 소

요되는 기동 토크 TM 가 모터의 최대 토크를 넘지 않는 것으로 선정한다

T 422

두 번째로 Fig 4-7 의 속도 선도와 같이 모터의 가 감속 시간과 정상 동작

시간 등을 결정하여 식 (423)과 같이 실효치 토크 TS 를 구하고 실효 토크가 모

터의 정격 토크보다 크지 않도록 선정한다

T 423

Fig 4-7 Exa

- 48 -

ample of veloc

city guidance

- 49 -

(3) 알고리즘 적용

로봇시스템에 있어서 기구들의 관성모멘트와 토크 계산 후 적합한 모터를

선정하기 위해 시중에서 시판되는 모터를 조사하였다 로봇에 적용 가능한 모터

로는 크게 서버모터와 스텝모터 RC 서버모터 DC 모터로 구분 할 수 있었다 이

를 TABLE 4-1 과 같이 정리하였다

동력원의 6 가지 선정요소 중 우선순위를 부여하여 분류했을 때 핸드 그리퍼

의 특성상 가볍고 토크가 큰 RC 서버 모터 미니 서버모터를 선택할 수 도 있지

만 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터 중 토크를 증가시킬 수 있는

감속기가 있는 타입의 모터를 우선시 하였다

1 감속비를 사양할 수 있는 모터를 선정하여 계산한 토크를 확인한다

2 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터를 선정한다

3 CLOSED LOOP 제어를 통하여 정확한 위치를 검출할 수 있어야 한다

따라서 스텝모터중 lsquoOrsquo사의 ldquoαSTEPrdquo가 적합하다고 판단되어 모터를 선정하였다

- 50 -

TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics

미니서버모터 RC 서버모터 스텝모터 DC 모터

장점 동일사양대비 모터

중 10배정도 큰 토크

5v사용가벼움

정확한 위치제어

급격한 부하변동급가

속 유리

저렴한가격

보편화됨

단점 정지시 진동이 예상 약한 토크 THRUST하중이 모터

무계 이하여야 한다

유지보수가 잦다

크기 151588mm(10w20w)

2525111mm(30w)

392038mm 424234mm Oslash37mm917mm

동작전압 Dc 24V Dc 48V60V Dc 24V Dc 24V

무계 230g~400g 56g 150g 200g

허용토크 009Nm~03Nm 11~13kgfcm 18kgfcm (018Nm) 47kgfcm(1200)

감속기 다양한 감속비 가능 고정 감속기 감속기 무(072˚036) 다양한 감속비

제조사 야스카와 SGMM 하이텍 HS-5945 AUTONICS GCM 3429A

TABLE 4-2 αstep motor characteristics

외형 전압 전류 무계 토크 감속비 분해능

αSTEP 282884mm

4242127mm Dc24V 1~37A 250G 2~28 Nmiddotm 50~1001

00072pluse

00036pluse

- 51 -

43 1 차 능동형 그리퍼 설계

실린더를 사용하여 링크로 물체를 파지하던 그리퍼는 Fig 4-8 과 Fig 4-9 에

묘사하였다 이런 실린더를 사용한 그리퍼는 공압 효과를 도출할 수 있는 별도

의 펌프가 필요하고 동작을 구현할 수 있는 자유도를 증가시키는데 한계가 있

다 이런 실린더의 단점을 보완하고 전기모터의 장점을 사용하기 위해 웜기어와

웜휠 방식을 채택하여 2 자유도 능동형 그리퍼를 설계하였다

1 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-10 에 묘사하였으며 1 차설계한

능동형 그리퍼는 Two Fingertip Grasp 로 칭하겠다 파지한 물체를 회전 시키는

기능은 베벨기어를 사용하여 회전운동으로 구현하였고 실린더의 전middot후진 운동

을 전기모터의 회전운동으로 변환 시키기 위하여 웜기어와 웜휨을 선택하였다

전기모터에 의해 회전하는 운동은 웜기어와 웜휠에 의해 링크를 사용하여 물체

를 파지하였던 그리퍼와 동일한 운동효과를 가지게 되었다

웜기어와 웜휠을 사용하여 물체를 파지하는 능동형 그리퍼는 스윙형으로 설

계되었으며 파지력을 높이기 위한 각도를 적용하였다 링크를 사용하여 물체를

파지하는 형태의 그리퍼보다 기구의 크기를 줄일 수 있는 장점이 있는 반면 기

어들의 백래시에 의한 오차가 끝단에 누적될 수 있는 문제점을 가지고 있다또

한 기구부의 소재 변경으로 그리퍼의 무계를 줄일 수 도 있지만 가장 큰 무계

를 차지하는 모터를 그리퍼 자체에서 분리하게 할 수 있게 하려면 그리퍼 자체

의 구조변경이 필요하다

`

`

Fig 4-8 Par

Fig 4-9 Par

- 52 -

rallel-link gra

rallel-link gra

sps system 1

sps system 2

Fig 4-10

- 53 -

0 Two fingertipps grasp system

- 54 -

44 2 차 능동형 그리퍼 설계

1 차 설계한 능동형 그리퍼에서 발견된 문제점을 보안하기 위하여 2 차 능동

형 그리퍼를 설계하였다 2 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-11 에 묘사

하였으며 2 차설계한 능동형 그리퍼는 Four Fingertip Grasp 로 칭하겠다 이 장치

는 크게 동력원 동력 전달장치 핑거 그립장치로 구성되어있으며 이를 통합하

여 Fig 4-12 에 나타내었다

핑거 그립장치는 스윙형 그립의 단점을 보완하여 설계하였다 물체를 파지할

때 그립의 회전 반경이 주위 환경요소와 간섭을 발생시킬 수 있는데핑거가 전

진할때 샤프트와 핑거그립간의 나사결합형태를 통한 직선운동으로 개선하여 주

위환경요소에 영향을 주지 않도록 설계하였다 구동축의 핑거파지 메카니즘을

Fig 4-13 와 같이 간략화 하였고 이에 대한 세부 도면은 Fig 4-14 로 나타내었다

4 조 핑거 그립의 나사산과 테이퍼진 스크류축은 나사식으로 결합되며 상호

작용에 의해 점차 중심점으로 이동하여 물체를 파지하는 형태이다 사용된 2 개

의 샤프트는 중공축으로 설계하였으며 외부 샤프트는 4 조 핑거가 물체를 파지

하여 비트는 모션을 구현하는데 사용되었다 내부 샤프트는 핑거를 중심점으로

전진시켜는 기능을 수행한다 중공축으로 설계한 내부 샤프트는 차후 개발될 인

스트리먼트의 탈부착을 손쉽게 할수있도록 구현하였고 4 조로 설계된 핑거는 그

립시 인스트리먼트의 응력집중현상을 분산시키는 기능과 2 조로 그립하였을때

보다 안정적인 그립감을 형성한다

- 55 -

동력원과 동력전달장치는 Fig 4-15 에 나타내었으며 Two Fingertip Grasp system

의 문제점이었던 구동부의 모터의 설치 방법을 외부에 부착하는 형태로 변경하

여 우레탄 밸트를 사용하였다 또한 아이들러를 사용하여 밸트의 방향을 변경

하여 모터의 부착위치를 자유롭게 설정할 수 있도록 하였고 모터 브라켓에 슬

리브 홈을 설치하여 벨트의 장력을 조절할 수 있도록 하였다

Fig4-11

Fig4-12 Fou

- 56 -

Four fingertip

ur fingertips g

ps grasp system

grasp system la

m

ayout

Fig 4-13

Fig 4-14

- 57 -

Fingertip gra

4 Fingertip gr

asps mechanis

rasps extended

m

d

Fig 4-15

- 58 -

5 Power transmission devicce

- 59 -

제 5장 결 론

본 연구에서는 MIS 수술 로봇을 위한 햅틱 마스터장치 구동용 능동형 그리

퍼를 설계하기 위하여 그에 상응하는 자료 및 문헌 조사를 수행하였고 햅틱 마

스터에 적용 가능한 능동형 그리퍼를 설계하여 로봇 시스템의 초안을 구성하였

다 수술용 도구를 단순히 잡아주는 역할에서 벗어나 시스템에 추가적인 자유도

를 부여함으로써 그리퍼를 표현하였다 단순화된 그리퍼는 보다 저렴한 가격으

로 생산될 수 있으며 기존 로봇 수술시스템의 높은 비용을 절감할 수 있는 효

과를 가져올 수 있다

최종적으로 제안한 설계 안으로는 2 조 핑거그립를 사용하는 전기모터형 그

리퍼 와 추가적으로 개선한 4 조 전기모터형 핑거그립를 설계였다 스윙형 그립

의 단점을 보안하여 집중응력을 분산할 수 있는 구조로 설계하였고 그리퍼의

무계를 줄일 수 있는 방법을 제시하였다 이로써 원통형 도구 파지 시 안정성이

향상되었고 보다 원활하게 수술 도구를 교체 가능하도록 하였다

앞으로 촉감을 전달할 수 있는 센서의 개발로 햅틱 디바이스 인터페이스 장

치의 활용에 보다 높은 기여를 할 것이라 예상된다

-６０-

참고 문헌

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정보 및 제어부분 PP68~7020084

[2] 박정호 ldquo국내외 의료로봇 현황과 발전방향rdquo정보과학지 26(4)

PP49~5420084

[3] 편집부 ldquo수술지원로봇의 최신 기술 동향rdquo월간 자동화 기술 22(12)

PP74~77200612

[4] 경기욱박준석 ldquo햅틱스 기술개발 동향 및 연구전망rdquo전자통신경향분석

21(5)PP93~108200610

[5] 권동수경기욱 ldquo의료용 로봇의 연구 현황과 전망rdquo기계저널

42(3)PP38~44200203

[6] Yoichi OGAHARA Yusuke KAWATO Kenjiro TAKEMURA Takashi MAENO

ldquoA Wire-Driven Miniature Five Fingerd Robot Hand using Elastic Elements as

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[7] Ikuo Yamano Takashi Maeno ldquoFive-fingered Robot Hand using Ultrasonic Motors

and Elastic Elementsrdquoproceedings the 2005 IEEE International Conference on

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[8] 홍만복김광기 ldquo최소 침습수술로봇을위한 2-자유도 구형 메커니즘설계rdquo

한국정밀공학회 2009년 추계학술대회 논문집

-６１-

[9] 이재훈김형욱이병주서일홍 ldquo새로운 6자유도 병렬형 햅틱 기구의 최적설

계 및 해석rdquo한국정밀공학회 2003년 추계학술대회 논문집

[10] 조국훈이재훈이병주김희국 ldquo병렬형 그리퍼 메카니즘rdquo한국정밀공학회지

[11] 김갑순 ldquo3축 힘센서를 이용한 지능형 그리퍼 개발rdquo한국정밀공학회지 제

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4자유도 병렬 메커니즘의 기구학분석rdquo한국정밀공학회 2007년 추계학술대회

• 제1장 서 론
• • 11 연구배경 및 연구목적
  • 12 연구내용
  • • 제2장 로봇 산업의 기술 현황
    • • 21 로봇산업의 동향
      • 22 의료용 로봇기술 현황
      • 23 의료용 로봇시장 전망
      • • 제3장 능동 그리퍼
        • • 31 최소침습 수술 햅틱 장치구현에 필요한 능동 그리퍼 제안
          • 32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류
          • 33 파지형태에 의한 그리퍼의 분류
          • 34 메카니컬 핸드의 구속기능
          • 35 대표적인 동력원의 특징
          • • 제4장 능동형 그리퍼 설계
            • • 41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정
              • 42 모터 선정 알고리즘
              • • 43 1 차 능동형 그리퍼 설계
                • 44 2 차 능동형 그리퍼 설계
                • • 제 5 장 결론
                  • 참고문헌
                  • TABLE 2-1 Domestic robot classification
                  • TABLE 2-2 Robot Production Company
                  • TABLE 3-1 Characteristics of power sources
                  • TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics
                  • TABLE 4-2 αSTEP Motor Characteristics
                  • Fig2-1 Phase of medical robots in the robot industry
                  • Fig2-2 Da Vinci surgical case number
                  • Fig3-1 Da Vinci robot system for MIS
                  • Fig3-2 Classified by the gripper grip action
                  • Fig3-3 Swing-type hand mechanism
                  • Fig3-4 Hand mechanism for translational type1 (parallel displacement)
                  • Fig3-5 Hand mechanism for translational type2 (Rack and pinion type)
                  • Fig3-6 Hand mechanism for three point pinch type
                  • Fig3-7 Movement of object
                  • Fig3-8 Contacts of the kind and the confining
                  • Fig3-9 Human Arm structure
                  • Fig4-1 Configuration of the fingers on robot gripper
                  • Fig4-2 Change the value of the angle of phage torque
                  • Fig4-3 Motor Selection Algorithm
                  • Fig4-4 Arbitrary Shape of Planar Area
                  • Fig4-5 Parallel-Axis Theorem
                  • Fig4-6 Arbitrary Shape of Polar Area
                  • Fig4-7 Example of Velocity Guidance
                  • Fig4-8 Parallel-link Grasp system 1
                  • Fig4-9 Parallel-link Grasp system 2
                  • Fig4-10 TWO Fingertip Grasp system
                  • Fig4-11 Four Fingertip Grasp System
                  • Fig4-12 Four Fingertip Grasp System layout
                  • Fig4-13 Fingertip Grasp Mechanism
                  • Fig4-14 Fingertip Grasp extended
                  • Fig4-15 Power Transmission Device

- 13 -

Fig 2-2 da Vinci surgical case number

다빈치 로봇은 1997 년 벨기에서 처음으로 환자에게 적용된 이래 국내에

2005 년 7 월 연세대학교 신촌 세브란스 병원에서 최초로 도입하여 2005 년 7 월

15 일 국내 최초로 다빈치를 이용한 로봇 수술이 이루어졌다 Fig 2-2 에서 보

듯이 수술사례는 계속적으로 증가하여 2008 년 1 월 말 현재 750 건이 넘는 수

술이 이루어졌다

다빈치 로봇은 전립선암 위암 대장남 부인암 식도암 갑상선암 간암 등

대부분의 암수술 및 중요 외과계 수술에 적용된다 이는 다빈치 로봇 수술이 가

져다 주는 효과인 개복수술이나 복강경 수술보다 수술회복기간이 단축되고 수

술시간도 감소시키는 역할과 무엇보다 수술 후 환자가 겪는 수술 후유증 확실

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히 줄여주기 때문이다 특히 전립선암의 경우 대표적인 수술 후유증인 요실금

과 발기부전 등의 가능성이 대폭 줄어드는 것으로 알려져 있다

이와 같은 수술사례와 수술성과에도 불구하고 다빈치 로봇의 가격이 25 억

정도의 고가이기 때문에 영세한 의료기관에서 도입하기에는 다소 무리가 따르

고 있다 그러나 대형 병원들은 다빈치의 성공적인 수술사례를 통해 앞다투어

이를 도입하고 있다

2008 년 1 월 현재 신촌 세브란스 병원은 이미 3 대를 도입했고 영동 세브

란스 병원 고려대 안암병원 서울아산병원 한림대 강남병원 분당서울대병원

삼성서울병원 경북대병원 동아대병원 등 9 개 의료기관에 도입되어 있다 또한

최근 (2008 년 1 월 30 일) 연세대 세브란스병원은 로봇 수술의 활성화를 위해

Intuitive Surgical 과 공동으로 복강경 수술용 로봇 다빈치를 이용한 수술법을 배

우는 lsquo연세 다빈치 트레이닝 센터rsquo를 개소하였다

다빈치는 로봇 가격만큼 수술 비용에 있어서도 고가인데다 의료보험이 적

용되지 않아 수술 비용을 환자가 모두 부담해야 하는 실정이다 다빈치 로봇 수

술 비용은 700~2000 만 원선으로 기존의 수술 비용인 200~300 만 원 보다는 다

소 높은 가격이다 특히 전립선암의 경우 로봇 수술 비용은 1500 만 원 선으로

개복수술이나 복강경수술보다 5~7 배 정도의 높은 가격이다 그럼에도 불구하고

로봇 수술은 거의 모든 암 수술에 적용되고 있고 환자와 의사 모두 만족하는

수술법으로 자리잡아 가고 있다

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나 로보닥

로봇이 외과적 기계로써 임상적으로 처음 국내에서 적용된 것은 1992 년 lsquo로

보닥rsquo이라는 의료용 로봇이다 미국에서 개발된 로보닥은 인공관절이 삽입될 환

자의 뼈를 로봇으로 가공해서 수술 성공률을 획기적으로 높였다 두꺼운 뼈를

정확한 형상으로 깎아내는 작업에는 CADCAM 자료에 따라 작동하는 로봇 팔

이 숙련된 외과의사를 간단히 능가했다 로보닥은 한국과 EU 의 판매승인을 획

득했고 결국 인공관절수술의 대세를 장악했다 세계적으로 8000 회 이상의 수술

이 로보닥을 이용하여 성공적으로 수행되었으며 2001년 FDA의 승인을 받기도

하였다

2002 년 국내 처음으로 로보닥이 도입된 이래로 이춘택 병원은 현재까지

2556 회라는 경이적인 수술건수를 기록하였다 그는 최소침습수술과 접목하여

로봇의 정밀성과 최소 절개기술을 결합시킴으로써 환자의 고통과 재활 기간을

크게 줄였다 그러나 로보닥의 가격은 무려 17 억 원이며 3 차원 영상까지 구현

하기 위해서는 10 억 원 상당의 멀티 CT 까지 도입해야만 한다 그렇기 때문에

소규모의 관절전문병원이 도입하기에는 다소 무리한 점이 있다 이러한 상황에

서 이춘택은 국내시장에 맞는 로봇개발을 위해 국산 부품 및 소프트웨어를 개

발 중에 있다 따라서 우리나라도 고령화 사회를 맞아 세계적으로 관절 수술이

급증하고 있는 상황에서 국내 기술로 만든 수술용 로봇이나 소프트웨어 개발은

국내 의료용 로봇시장의 활성화를 이룰 수 있다

- 16 -

23 의료용 로봇시장 전망

(1) 로봇산업 전망

로봇 분야별 세계시장 정세를 살펴보면 제조업용 로봇은 시장안전화 단계로

써 급격한 시장변화는 어려우며 신규 생산설비 및 기존 설비에 따른 수요가 대

부분 차지하고 있는 실정이다 개인서비스용 로봇은 가족구조의 핵가족화와 고

령화 현상으로 인한 가족인원으로서의 가정용 로봇에 대한 수요가 증가 추세에

있다 전문서비스용 로봇은 생산국과 생산기업이 극히 제한되어 있으며 제품가

격의 고가로 인해 시장형성에 있어서 생산국과 수요국이 불일치하고 있는 실정

이다 이러한 상황에서 로봇시장의 국가별 점유율을 살펴보면 일본 (28) 미국

(18) 독일 (16) 이탈리아 (10) 한국 (3)의 순으로 세계 5 위를 차지하고

있다 이와 같이 산업용 로봇의 경우는 우리나라의 세계적인 위상이 높지만 아

직까지 전문 서비스 분야 로봇에 대한 세계적인 위상은 미비하다

시장규모 전망과 국내 세계시장 점유율에 대한 전망은 다음과 같다 세계 로

봇시장의 규모는 2010 년에는 247억 5 백만 달러에서 2020년에는 717억 7 천만

달러에 이를 것으로 보고 있으며 연평균 107의 증가율을 예상하고 있다 분

야별로는 제조업용 로봇은 2010 년 세계시장의 114에서 2020 년 144의 비중

을 차지할 것으로 전망하고 있으며 전문서비스용 로봇은 2010 년 세계시장의

09에서 2020 년 21의 비중을 차지할 것으로 예상하고 있다 개인서비스용

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로봇은 2010 년 30에서 2020 년 70 수준에 달할 것으로 보고 있다 비록 전

문 서비스용 로봇산업의 규모는 미국 일본 독일에 비해 미미한 실정이나 전문

서비스용 로봇의 신시장을 개척하고 그 만큼의 기술력이 밑받침된다면 2020 년

세계시장에서의 더 큰 비중의 달성이 이루어질 것으로 본다

(2) 의료용 로봇기술 전망

의료용 로봇시장의 성장은 의료용 로봇기술 개발산업의 성장과 밀접한 관계

가 있다 세계적인 개발추세로는 의료용 로봇개발 하드웨어 분야에서는 일본이

경쟁력이 가장 높으며 소프트웨어 분야에서는 미국이 앞서나가고 있다 또한

독일은 하드웨어 및 소프트웨어 분야에서 동시에 상당한 연구 개발 능력을 보

유하고 있다 앞으로는 이 세 나라가 의료용 로봇 시장의 핵심 주자로 나설 것

으로 예상된다

산업연구원 (2007) 조사에 따르면 국내 로봇산업의 기술은 기술항목에 따라

다소 차이를 보이고 있으나 제조업용 로봇의 경우는 최고 기술 보유국 대비 평

균 85 정도에 육박하고 있으며 전문서비스용 로봇의 경우는 80 정도 개인서비

스용 로봇은 84 정도에 이르고 있는 것으로 나타났다 의료용 로봇 분야에서는

선두주자인 미국의 기술력을 100 이라고 봤을 때 현재 우리나라는 70 정도이며

2015년이 지나야 100 에 도달할 것으로 전망하였다 비록 의료용 로봇에서 세계

1위인 미국에 비해 우리는 아직 10년 이상 차이가 있지만 세계 최초로 국제 규

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모의 로봇랜드 조성과 로봇펀드 발생 등 정부 차원에서의 노력이 여러 가지 방

면에서 다양하게 펼쳐지고 있기 때문에 그 격차는 점차 줄어들 것으로 예상된

다

또한 IFR (2006) 자료에 따르면 한국 산업용 로봇은 세계 5 위의 강국[16]인

데 비해 의료용 로봇에 있어서는 약소국이다 이는 의료용 로봇의 개발비가 많

이 드는데 비해 국내 시장은 극히 제한적이어서 일반 기업의 참여가 아주 저조

하기 때문이다 국내에서 의료용 로봇 관련 기술 개발은 아직 걸음마 단계에 머

물러 있으며 벤처기업 및 대기업들이 개발해 상용화시키고 있는 기술이나 제품

도 대부분이 생활 가전형 로봇에 한정되어 있을 뿐 의료용 로봇분야는 아직 미

개척지로 남아 있다 하지만 국내에서도 의료용 로봇 개발을 수행하기 위해 대

학이나 연구소 차원에서 의료용 로봇에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다 먼

저 한국과학기술원이 8 년 전 설치한 휴먼 웰페어 로보틱 서저리 센터가 대표

적인 연구기관이다 이 연구소에서는 거동이 불편한 환자들을 위한 휠체어의 자

동화 시스템이나 복강경 수술 로봇 등 로봇 수술용 기구의 국산화에 초점을 맞

춰 진행 중이다 또한 최근에는 국립암센터 역시 산업자원부로부터 수술용 로

봇과 영상시스템을 주제로 한 의료용 로봇 개발자로 선정되어 연구에 들어갔다

비록 국내 의료 및 수술 로봇 관련 기술이 일본 미국 등에 비해 아직까지

뒤쳐져 있는 실정이지만 국내에서도 의료용 로봇 기술 개발이 이처럼 활발히

진행되고 있어서 향후 전망은 매우 밝다고 할 수 있다 또한 해외에서 각광을

받고 있는 캡슐형 내시경 연구 역시 국내에서 벌써 10 년째 계속 되고 있다 최

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근 한국과학기술연구원과 벤처기업인 인트로메딕이 개발한 세계 최소형 캡슐형

내시경인 미로캠 (MiroCam)은 2010 년까지 국내 캡슐형 내시경 시장의 80를

점유할 것으로 예상하고 있다 이러한 국산 의료용 로봇 개발을 통해 고부가가

치 시장인 세계 의료 시장에 뛰어들 수 있는 기반을 다졌다는 데에 큰 의미가

있다

전문 서비스용 로봇의 경우 제조업 로봇 관련 풍부한 경험을 바탕으로 전문

서비스용 로봇으로의 기술확대 메카트로닉스 (mechatronics) 관련 다양한 산업기

반과 세계적인 IT 인프라 보유국의 강점을 살리고 있다 또한 한국은 10 대 성

장동력간 연계 등을 통한 시너지 효과와 세계 전문서비스 로봇 시장이 초기형

성 단계임을 감안한다면 이 분야의 진출에 대한 절호의 기회이며 머지않아 의

료용 로봇 강국으로 진입할 수 있을 것으로 기대된다

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제 3 장 능동 그리퍼

31 최소침습 수술 햅틱 장치 구현에 필요한 능동 그리퍼 제안

21 세기 로봇 기술 분야에서는 인간과 기계 시스템 간의 커뮤니케이션이 무

엇보다 중요하게 강조되며 이러한 인간과 기계 시스템의 의사소통은 주로 인간

의 감각 기관을 통해 이루어 진다 일반적으로 인간에게는 보고 듣고 냄새를

맡고 맛을 보고 피부로 느끼는 오감이 있으며 이러한 감각을 시각 청각 후

각 미각 촉각이라고 한다 따라서 이러한 인간의 감각에 정보를 전달하기 위

한 다양한 기계 시스템들이 개발되어 왔다 오감 중에서 현재 인간과 기계 시스

템간의 인터페이스 역할을 하는 표적인 감각으로는 사물을 보는 시각과 소리

를 듣는 청각이 주로 이용되고 있다 이를 위한 시스템들은 이미 상당한 수준으

로 발전해 현재 상용화 되어 활용되고 있다 하지만 이러한 시각과 청각 인터

페이스 만으로는 로봇의 제어에 한계가 있으며 오감 중에서 세 번째 감각인 촉

각에 한 인터페이스가 현재 활발히 연구 개척되고 있다 만약 가상현실에 촉

감 인터페이스가 적용된다면 기존의 시각과 청각에만 의존하던 가상 현실에 촉

감을 전달함으로써 실제 물건을 만지고 느낄 수 있으므로 가상현실을 보다 더

실감나게 할 수 있을 것이다 하지만 인간의 감각 중에서 촉각은 매우 민감한

감각으로 여기에 촉감 정보를 전달하는 인터페이스는 아직 많은 연구를 필요로

하고 있다

- 21 -

햅틱 (haptic)이란 단어의 사전적인 의미는 ldquoof or relating the sense of touch

tactilerdquo로써 물체를 만질 때 사람이 느낄 수 있는 촉각적 감각으로 피부가 물체

표면에 닿아서 느끼는 촉감 (tactile sensation)과 관절과 근육의 움직임이 방해 될

때 느껴지는 근 감각적인 힘 (kinesthetic force)의 두 가지 힘을 모두 합쳐서 부르

는 말이다 촉감 구현 연구는 물리적 장치를 이용하여 사람이 직접적인 접촉이

없이도 촉각 정보를 전달하는 방법에 관한 전반적인 연구 분야를 일컫는 말로

사람에게 원격지에 있는 물체의 물리적 특성을 전달하는 원격조작 혹은 원격현

장감에 관한 연구로부터 시작되었다 가상 혹은 실제 환경에서 촉감을 구현하기

위한 연구를 포괄적으로 의미하는 용어로 햅틱스 (haptics)라고 한다 주요 연구

분야는 사람이 직접 손에 쥐거나 착용하는 물리적 장치인 햅틱 디바이스 인터

페이스 (haptic interface) 가상 공간상의 물체에 기계적 성질을 부여하여 사실감

이 있는 상호작용을 제공하고자 하는 햅틱 렌더링 (haptic rendering) 사람의 촉

각 인지 특성에 관한 연구 (tactile perception) 등으로 나눌 수 있다 특히 햅틱

인터페이스 (haptic interface)는 햅틱 디바이스 (haptic device)라고도 불리우며 사람

에게 촉감을 전달하는 물리적인 장치를 말하며 더 넓은 의미로 사용하여 가상

의 환경을 촉감 전달을 통해서 느끼게 하는 시스템 전체를 가리키기도 한다 이

러한 햅틱 기술은 다양한 분야에서 활용될 수 있는데 표적인 분야로는 가상

현실 분야 인간-컴퓨터 인터페이스 분야 게임 등 사이버 커뮤니케이션 그리고

원격제어 로봇 등이 있다 특히 원격제어 로봇이 많이 활용되고 있는 의료 분

야에서 햅틱 구현은 매우 시급한 과제이다 현 의 수술은 점점 첨단의 수술 도

- 22 -

구와 로봇을 이용하여 집도되는 추세이며 최소침습수술 (minimally invasive

surgery MIS)이 그 표적인 예이다 이 수술법은 환부의 구멍에 수술도구와 카

메라를 삽입하여 집도의가 모니터를 보면서 시술함으로써 시술시간이 짧고 환

자의 회복이 빨라서 그 적용 범위가 점차 확 되고 있다 하지만 환자가 얻게

되는 이점에 반해 의사는 개복 수술에서 쉽게 이용하던 기술들을 더 이상 적용

할 수 없게 되어 집도에 있어 큰 어려움을 부담해야만 한다 즉 환자의 내부에

서 손의 움직임과 시야의 제약을 받게 되었고 손으로 환자의 장기나 뼈를 만지

고 상태를 확인할 수 없게 된 것이다 이러한 문제점들을 극복하기 위해 첨단의

의료용 로봇 시스템이 개발되었는데 의사 즉 오퍼레이터가 조작하는 마스터

(master) 로봇과 환자의 환부에서 수술을 진행하는 슬레이브 (slave) 로봇으로 구

분된다 슬레이브 로봇은 크게 수술 시 집도의 팔의 움직임을 구현하는 구동 암

(arm)과 수술도구를 홀딩 할 수 있는 그리퍼로 분류할 수 있다 구동 암의 움직

임은 수술 부위의 위치를 결정하면 별도 큰 움직임 없이 작동시킬 수 있으며

전달 수술 관통 수술이 아닌 경우에는 집도의가 느끼는 힘을 피드백 할 필요가

없다 하지만 그리퍼의 경우는 신체 일부분의 미세한 조직까지 전부 접촉해서

제거하거나 봉합하기 때문에 집도의가 수술 시 느끼는 힘을 구현하여야 보다

정밀한 수술을 수행할 수 있다 따라서 본 연구에서는 햅틱 장치가 적용된 마스

터 로봇과 마스터 로봇에서 형성된 힘을 느낄 수 있으며 원할한 수술을 진행할

수 있는 최소침습수술용 능동 그리퍼를 제안하겠다 Fig 3-1 은 상용 MIS 장치인

다빈치 로봇의 마스터와 슬레이브 그리고 그리퍼를 나타내고 있다

(a) sla

(b

Fig 3-1 da V

Operation Arm

Gripper

- 23 -

ave robot and g

b) master rob

Vinci robot sy

m

gripper

ot

stem for MIS

- 24 -

32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류

산업용 로봇은 그 기능 특성상 필요성에 의해 로봇의 말단부에 그리퍼를 부

착시킨다 이것은 인간의 손에 응되는 것으로서 메커니컬 핸드라고 칭하며 다

루는 상 물체를rdquo파지rdquo해 이동하는 목적으로 사용되는 도구이다

파지동작은 Fig 3-2 와 같이 세분화된다 인간의 손 손가락에는 많은 관절이

있으며 여러가지 작업이 가능하다 일상 생활에서의 붙잡기는 형식을 분류한 것

으로는 슐레징거의 12 형식이 있다 여기서 인간의 손에는 손가락이 있어서 그

것을 유지핸드라고 이름 붙이면 메커니컬 핸드에는 손가락이 없는 구성법이 있

는데 이것을 무지 핸드라고 이름 붙이기로 한다 이 무지 핸드는 기계적 물리적

으로 구조상 무지핸드로 한 것과 공구가 메커니컬 핸드와 일체화됐다고 생각하

는 공구 핸드가 있다 메커니컬 핸드를 분류해 보면 다음과 같다 진공이나 자

기 이용의 흡착 등 물리적 흡척형의 유지는 보통 평면(완만한 곡선도 포함)부를

흡착하는 형태로서 물체의 크기나 중량에 따라 여러 개가 설치되는 경우도 있

다 그러나 물체표면에 만곡부가 있는 경우나 구멍이나 공동이 있는 경우에는

적용할 수 없게 된다 또한 자력을 이용한 경우 철금속 재료를 다루게 되는데

경우에 따라서 매우 효율적이고 신뢰성이 높기는 하지만 물체에 잔류 자력이

남게 되는 문제점이 있다 받기형의 유지는 지지의 동작만을 가지고 있는 형태

이며 이는 전기한 흡착형 보다 적극적이 아니여서 약한 구속을 갖는다 변형하

기 쉬운 물체의 이송등에는 이를 채택한다 매달기형 유지는 중력 방향의 이동

1 자유도를 구속한다 잡기형 파지는 유연성에 의한 변형으로 접촉면적을 크게

하여 집는

상물을 외측

이용하는 등

33 파지형

파지 형

다 본 연구

하여 설명

(1) 두 손

형태이다 현

측에서 파지하

등의 파지방법

형태에 의한

형태로서는

구에서 사용할

명 하겠다

손가락 type

현재 많이 사

하거나 구멍

법이다

한 그리퍼의

상을 바깥에

할 메커니즘은

e

Fig 3-2 Cla

- 25 -

사용하고 있는

속에 손가락

의 분류

에서 파지하

은 바깥에서

assified by the

는 끼우기형

락을 넣은 후

는 것과 안에

파지하는 형

gripper grip ac

파지 형태는

후 벌려서 내

에서 파지하

형태가 유리하

ction

는 핸들링

내측사용면을

는 것이 있

하므로 이에

두 개의

상태를 유지

는 스윙형

안정되게 파

의 리지트한

지해서 개폐

핸드(swingin

파지하는 점에

손가락을 갖

되는 병진형

ng gripper)로

에서 병진형

(a) grinder c

(c

Fig 3-3 Sw

- 26 -

갖춘 것으로

핸드(transla

로 분류된다

보다 떨어진

crank

c) rotation joi

wing-type hand

실용례가 많

ational grippe

스윙형은 기

진다

(b) swing

int

d mechanism

많다 손가락이

er)와 그 방향

기구가 간단하

g block

이 상호평행

향이 변화하

하나 상이

병진형에

4 은 평행링

운동을 바꾸

에 회전시킴

로 유지되기

지된다 직

시키도록 한

가 전middot후진

피니온 방식

F

에서는 평행링

링크 방식의

꾸고 그 피니

킴으로써 손가

기 때문에 손

동형 신에

한 것도 있다

진하는 결점이

식이 채용된다

Fig 3-4 Hand

링크 랙middot피니

예로 직동형

니온 운동으로

가락 개폐를

손가락의 물체

에 회전형 액

다 평행링크를

이 있다 이문

다

mechanism fo

- 27 -

니온 나사이송

형 액추에이

로 평행링크의

얻는다 링크

체 파지면의

추에이터를

를 이용한 형

문제를 해결하

or translational

송 기구 등이

터의 운동을

의 하나의 링

크 PS 와 링

자세도 개폐

이용한 형식

형식은 개폐에

하는 방법으로

type1 (paralle

이 이용되고

랙과 피니온

링크 A 를 축

크 QR 은 항

폐 동작 중 일

식에서 평행링

에 의해서 손

로서 볼나사

el displacement

있다 Fig 3-

온으로 회전

축 P 의 주위

항상 평행으

일정하게 유

링크를 회전

손가락 위치

기구나 랙middot

nt)

Fig 3

는 핸드의

볼나사 기구

다

(2) 세 손

세 손가

가락으로 잡

F

-5 는 회전형

예이다볼나

구 각각을 손

손가락 type

가락을 가진 핸

잡는 것보다

Fig 3-5 Hand

형 액추에터로

나사 기구를 이

손가락에 부착

e

핸드에서는

안정된 파지

d mechanism fo

- 28 -

로 랙 피니온

이용하는 경

착 사라를 회

상을 3 점

지 동작을 할

or translational

온을 회전시킴

우에는 1

회전시킴으로

점에서 유지할

할 수 있다

l type2 (rack a

킴으로써 개폐

의 왼나사

써 개폐 동작

할수 있기 때

nd pinion type

폐동작을 하

오른나사의

작을 실현한

문에 두 손

e)

Fig 3-6

베벨기어를

구동해서 세

실현한 것

각 손가락을

복잡하며 중

6 은 세 손가

를 매개로 상

세 손가락을

이다 특히

을 개별 모터

중량도 증가하

Fig

락형 그리퍼

호 각도를 주

동작시킴으로

원통물체를

터로 구동하도

하기 때문에

3-6 Hand mec

- 29 -

의 일반적인

주어 결합한

로써 이른바

확실히 잡아

도록 한 3 지

실용례가 적

chanism for thr

인 형상을 나타

3 개의 볼

바 3 포인트 핀

아서 유지하

지형핸드도 개

적다

ree point pinch

타내고 있다

나사를 하나

핀치(three po

는데 유리하

개발되고 있으

h type

이 핸드는

나의 모터로

oint pinch)를

하다그 외에

으나기구가

34 메카니

(1) 구속

기계적

어서 형성되

전 구속 기

해서 언급하

으로 움직일

또 X Y 평

니컬 핸드의

속기능

구동장치에

되는 것으로

기능이 있다

하면 구속 상

일 수 있다

평면 X Y 면

의 구속기능

서 구속 형식

크게 나누어

그래서 핸드

상태의 물체는

이것을 물체

X Z 면상에

Fig 3-

- 30 -

능

식과 접촉 상

어서 반구속

드의 구속 기

는 Fig 3-7 와

체의 공전 (이

서 6 방향으

-7 Movement

상태와 포락

속 (받는 구속

기능을 결정하

와 같이 X Y

이동)에 관한

로 회전 한다

t of object

능력의 인자

속 는 구속

하는 물체의

Z 의 3 축상

6 동작 자유

다 이것을 물

자가 복합되

속)기능과 완

구속에

에서 6 방향

유도로 한다

물체의 자전

(회전)에 관

부여한 상태

행할 수 있

서는 회전의

핸드에

한 공간적

면 Fig 3-8

이 그림

를 구속한다

에서 7 자유

선접촉과 면

계수와 절선

(a

관한 6 동작

태에서 움직이

있다 또 완전

의 6 자유도를

의한 물체의

적인 포락 상

와 같이 된

(a)의 점접촉

다 그러나 1

유도를 구속

면접촉에는 각

선력법선력

a) point contac

Fig3

자유도로 한

이며 중력이

전 구속은 핸

를 무시하는

의 구속은 핸

상태로 정한다

다

촉은 접촉점

1 점접촉은 다

한다 (c)의

각각 마찰에

비와의 관계

ct (b

3-8 Contacts

- 31 -

한다 반구속은

이나 환경면의

드 자체로 1

경우도 적지

핸드와 물체의

다 먼저 접촉

방향의 1 자

다른 11 자유

면접촉은 11

위한 구속이

계로 구속불능

) line contact

of the kind an

은 12 자유도

의 구속을 받

12 자유도를

지 않다

의 접촉 상태

촉부의 구속

자유도를 구속

도를 구속할

1 자유도의 구

이 4 개와 6 개

능의 가능성을

nd the confini

도 중 몇 개의

아서 완전 구

행하는데 경

태 및 접촉부

능력을 모델

속한다 그러나

할 수 없다 (b

구속을 할 수

개 주어져 있

을 가진 구속

(c) surface co

ing

의 자유도를

구속으로 이

경우에 따라

부의 물체에

델로 나타내

나 1 자유도

b)는 선접촉

수 있다 단

있으며 마찰

속 성분이기

ontact

- 32 -

도 하다 또한 면접촉의 상태는 중력의 작용을 이용하면 받기를 형성하고 또

외계력을 이용하면 기를 형성한다

이들의 접촉상태는 물체의 형상과 핸드의 구속면으로 규정되는 것으로 핸드

만으로 결정하기는 어렵다 단 핸드의 구속면을 부드러운 재질로 형성하면 면

접촉의 이행이 용이하다 이와 같은 이유에서 물체에 접촉부가 포락도를 높이는

데에 따라서 물체 형상에 관계 없이 구속 능력을 증 시킬 수 있다

(2) 메커니컬 핸드의 자유도

로봇의 손은 그 용도를 불문하고 인간의 손 작업의 행을 목적으로 하는

것이므로 그 설계에 있어서 모델로 되는 것은 말할 것 도 없이 인간의 손이다

그래서 우선 기구에 하여 설명하기 전에 인간의 손의 구조 모델에 하여 설

명해 본다

AmiddotMorecki 에 의하면 인간의 상체는 그 해부학적 구조에 입각하면 Fig 3-9 와

같이 모델화할 수 있다 Fig 3-9 에서 숫자는 각각 골격 즉 링크를 나타내고 숫

자 II~ V 는 관절을 나타내고 있다 이와 같은 공간링크 기구의 자유도 F 는 가

동부수 n 자유도의 종류 f 를 가진 우 수를 Pf 라 하면 다음 식으로 나타낼

수 있다

6n sum ∙ P 12345 (3-1)

Fig 3-9

들 자유도가

을 Fig 3-9

P5=10 이므

인간의

유도 1 의

해 있으며

의 모델에서

가 있는 관절

9 와 같이 정

므로 위 식에

상지를 인공

액튜에이터를

22 개나 되

Fig 3

서는 n=19 P2

절에 작용하는

정의하고 그

서 FH=22 가

공적으로 정밀

를 27 필요

는 액튜에이

- 33 -

3-9 Human Ar

2=1 P3=2 P4

는 근군은 약

자유도 FH

가 된다

밀하게 재현하

요로 하게 된

터를 필요로

rm structure

4=6 P5=11 이

약 50 이라고

를 구하면

하려고 한다면

된다 또 손에

로 한다 그러

이므로 F=27

고 되어 있다

이 경우는 n

면 이상의 결

는 특히 자유

나 로봇의 손

이 된다 이

여기서 손

n=16 P4=6

결론에서 자

유도가 집중

손이 이만큼

- 34 -

의 수의 액튜에이터를 갖춘 것을 제작한다는 것은 크기 중량 제어면에서 볼

때 현시점에서는 불가능에 가깝다 특히 의수에 있어서는 상술한 바와 같은 형

상이나 조종성 등의 점에서 전혀 불가능하다고 해도 좋다 따라서 보통은 기능

에 주목하여 손에 집중해 있는 자유도의 간략화를 도모한다

인간의 잡기 동작에 주목해 보면 그 잡기 형상에는 12 종류가 있다고 하다

그러나 이것들은 엄지와 다른 12 종류가 있다고 한다 그러나 이것들은 엄지와

다른 4 손가락과의 관계에 주목하였을 때에 2 종류 즉 엄지가 다른 4 손가락과

항해서 동작하거나 그 측방에서 동작하는가로 분류할 수 있다 실제의 일상

동작에서 관찰하면 이들 중에서도 엄지와 손가락이 항해서 동작하는 소위 쥠

동작이 우선 첫 번째이고 또 다음에 엄지 검지 중지의 3 손가락의 선단으로

이루어지는 3Point Pinch 즉 잡기동작이 중요하다

더불어 손가락의 독립성에 해서는 역시 일상동작 중에서 손가락의 사용

빈도를 조사한 결과에 의하면 다섯 손가락은 반드시 독립적인 운동을 필요로

하지 않고 엄지 검지 중지가 같은 정도의 중요성을 자기며 다른 두 손가락은

사용 빈도에 있어서 이들 세 손가락보다 약 50 적으며 다른 세 손가락의 보

조 역할을 한다고 볼 수 있다 그리고 특히 중요한 것은 인간의 각 손가락은 잡

기 상물의 형상에 적응한 쥐기 즉 Passive 한 동작을 할 수 있다는 것이다 이

기능이 있다면 각 손가락이 독립적으로 동작하지 않더라도 또 다소 손의 자유

도를 제거하더라도 상물의 확실한 쥐기나 잡기 그리고 기타 손 작업에 큰 힘

을 발휘한다

- 35 -

34 표적인 동력원의 특징

동력원을 설계할 때 다음의 점을 고려하면서 가장 적합한 방식을 선택한다

1조작력(로보트가 내는 최 의 힘 예를들면 최 들어올린 힘)

2속응성(최 조작 속도)

3크기 중량(로보트의 크기와 중량의 제한)

4안정성(발열이나 과부하에 한 안전성)

5사용의 용이도

6수명가격

1 2 의 조작력 속응력은 로보트에 요구되는 성능에서 가장 기본적인 것인

데 이에 관련해서 크기나 중량의 제한 안정성 사용의 용이도 수명 가격 등을

고려해서 동력원을 선택한다 단 자주형 로보트에서는 2 차적 성능인 동력원의

중량이 첫째 요구 조건이 되는 경우가 많고 공업용 로보트에서는 저가격 사용

의 용이도 안전성이 중요 사항으로 우선시된다

모든 로봇은 동력원을 필요로한다 중요도에 따라 동력원을 선택해야 하는데

일반적으로 공기압식은 안전성이 뛰어난 반면 힘과 세밀한 위치제어가 어렵고

전기식은 응답성과 사용편리성 세밀한 위치제어가 가능하나 높은 힘을 내기 위

해서는 부가적인 기구부가 필요하다 유압식은 큰힘을 낼수있어서 속응성은 좋

으나 과부하시 상당한 발열이 있기 때문에 안전성에서 다른 동력원에 비해 떨

어진다 위 사항을 TABLE 3-1 로 분류하여 나타내었다

- 36 -

TABLE 3-1 Characteristics of power sources

전기식 유압식 공압식

사용용이성 편리하다 작동유의관리 관로의압력

필터관리에 유의

공급공기의 수분제거

윤활성의부가에 주의

수명 길다 기름에 윤활성이 있기

때문에 길다

공기에윤활성이 없어

유압 전기에 비해 짧다

가격 보통 가격 운영비 높음 저가격

응답속도

(반응성) 매우 빠르다 빠르다 늦다

하중능력 (소)에서 (중)정도의

하중능력 단히 큰 힘을 얻음 큰 힘은 없다

소음 적다 다소 크다 크다

- 37 -

제 4 장 능동형 그리퍼 설계

41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정

로봇 그리퍼의 정밀 파지 (Fingertip Grasp 손가락 끝을 이용하여 물체를 집

거나 바닥에누워있는 납작한 물체를 집는 행동)를 안정하게 하기 위해서는 손가

락 끝과 물체가 직각에 가까운 각도를 이룸으로 마찰력을 크게 하여 안정성을

높인다 또한 바닥에 놓인 물체를 집어 올릴 경우에도 물체표면의 법선 벡터와

손가락 끝의 각도가 클수록 물체를 효과적으로 구속하여 안정된 파지를 할 수

있다

그리퍼의 링크 시스템에 있어서 2 링크 손가락보다 3 링크 손가락을 쓸 때가

링크와 수평 평면이 이루는 각 (A)이 더 커지기 때문에 안정성이 더 좋다는 것

을 알 수 있다 그리고 안정성뿐만 아니라 식 (4-1)을 통하여 문체에 전해지는

Torque 값을 Fig 4-2 와 같이 그래프로 나타내면 0 도에서 75 도 정도까지는 A 각

이 커질수록 물체에 가해지는 토크 값이 점점 커지는 것을 알 수 있음으로 3 링

크 손가락을 쓰는 것이 파지력 증가됨을 알수 있다 ℓ3 의 길이가 길어질수록 A

가 작은 값을 가져서 정밀파지에 적당하지 않다

τ l cosA sinA l 1 cos A tan μ (41)

A cosempty

(42)

Fig 4-1

은 식을 통

각이 커짐을

움이 있고

Fig4-

에서 제 2 코

통해 구할 수

을 알 수 있다

최소 단위를

Fig4

-1 Configurati

코사인 법칙

있는데 이로

다 그러나 ℓ

를 1cm 로 하

-2 Change the

- 38 -

ion of the fing

을 이용하여

로부터 링크

ℓ3 가 1cm 인

하였기 때문에

e value of the a

gers on robot g

여 A 의 각을

길이 ℓ3 가

인 경우는 너

에 ℓ3 는 2cm

angle of phage

gripper

구하기 위해

작으면 작을

무 짧아서 파

로 결정하였

torque

해 (2) 와 같

을수록 A 의

파지의 어려

였다

42 모터

(1) 알고

앞 절에

여야 한다

는 모터의

이 작은 모

나 용량이

로 적절한

선정 알고

고리즘 정의

에서 설명한 기

로봇 팔에

선정은 동작

모터를 사용하

큰 모터를 사

모터의 선정

고리즘

기구들을 추

움직임을 전

작을 구현하는

하게 되면 기

사용하게 되

정이 중요하다

Fig 4-3 M

- 39 -

추후 로봇 시스

전달함에 있어

는데 중요한

기구의 원활한

면 모터의 외

다

Motor Selectio

스템에 적용을

어서 동력을

과제가 되겠

한 작동이 어

외형이 커지

on Algorithm

을 고려하여

공급과 제어

겠다 만일 토

려워지고 단

고 가격 또한

설계를 하

어를 수행하

토크나 용량

단순히 토크

한 증가하므

- 40 -

(2) 알고리즘 수행

모터를 선정하기 위해서 가장 우선적으로 해야 할 일은 기계구동부분을 결

정하고 구동부분을 어떠한 방식으로 작동을 시킬지 동작 패턴을 결정하여야 한

다 예를 들면 모터에서 나오는 힘을 받아서 볼 스크류를 이용하여 힘을 전달할

것인지 벨트 피니언 기어 혹은 풀리 등을 이용할 것인지를 결정하고 그에 따

른 적절한 구동방식을 결정한다 구동방식을 결정하게 되면 각각의 구동방식에

적합한 수식을 대입하여 부하토크를 계산한다 구동방식에 따른 부하토크를 구

하는 수식은 구동방식이나 구동장소 등에 따라 다소 상이하나 일반적인 수식은

다음과 같다

-BALL SCREW 구동

T FP2πn

μ F P2π

1i N ∙ m 43

F F mg sin α μ cos α N 44

-PULLEY 구동

T ∙ 45

μF D

2i N ∙ m

- 41 -

-WIRE middot BELT 구동 RACK middot PINION 구동

T F2πn

∙ πDi

FD2ni

N ∙ m 46

F F mg sin α μ cos s N 47

-실측에 의한 방법

T 48

직선운동 (커플링 직결 볼스크류 등)의 경우 위의 (43) (44) 이용하여 구할

수 있다 이때 F 는 축방향하중 F0 는 예압하중 μ0는 예압 NUT 의 마찰계수 η 은

효율i 는 감속비 PB 는볼스크류 피치를 나타낸다 회전운동 (풀리)의 경우 식

(45)를 이용하여 구할 수 있으며 FA는 외력 FB는 부하중량 (주축이 회전하기 시

작할 때의 힘) m 은 work 와 TABLE 의 총무계 μ 접동면의 마찰계수α는 경사각

도D 는 풀리의 지름을 나타낸다

실제현장에서는 선정된 모터의 토크를 확인하기 위해 실측에 의한 구동토크

를 계측하는데 스프링 저울을 구동 풀리에 연결지어 측정한다 이때 TL 은 회전

운동 부하토크에 해당하고 FB 는 부하중량 D 는 풀리의 직경을 나타낸다

위의 부하토크를 구하는 식들을 이용하여 부하토크를 구하게 되면 실제 모

터를 사용할 때 어느 정도의 시간적 여유를 두고 가속을 할 것인지 감속을 할

것인지를 결정하여야 한다 이를 위해서 우선 동작시킬 부분에 대한 관성모멘트

를 계산하

Fig 4-4

시한 것으로

dA 와 기준

이를 표현하

하여야 한다

4 는 관성모멘

로 X 와 Y

준축으로 부터

하면 식 (49)

Fig 4-4 Arb

I

멘트를 구하기

는 면적의 미

터의 거리의

)와 같다

- 42 -

bitrary shape o

y dA I

기 위한 절대

미소 요소 dA

제곱의 곱으

of planar area

x dA

대좌표 X Y

A 의 좌표이

으로 단면 2

축 상의 미소

이고 관성모멘

차 모멘트라

49

소면적을 도

멘트는 요소

라고도 한다

평면 면

가 있다 평

축에 대한

Fig 4-5

하는 평행한

관성모멘

식 (410

번째 적분은

면적의 관성

평행축 정리란

관성 모멘트

5 과 같이 도

한 xy 축 두

멘트의 정의로

I y

0) 에서 우변

은 Xc 축에

Fig 4-5

모멘트에 있

란 도심축에

트 사이의 관

도심을 원점으

좌표계의 평

로부터 x 축

y d dA

변의 첫 번째

대한 1 차 모

- 43 -

5 Parallel-axis

있어서 중요하

대한 관성

계를 나타낸

으로 하는 Xc

평행한 축 간

축에 대한 관

y dA

적분은 Xc

모멘트로서 X

theorem

하고 유용한

모멘트와 도

낸다

cYc 축과 임의

간의 거리를 d

성모멘트 Ix

2d y dA

축에 대한 관

Xc 축이 도심

정리로서 평

도심축에 평행

의의 점 O 를

d1 과 d2 로 표

는 식(410)와

d dA

관성모멘트

심을 통과하므

평행축 정리

행한 임의의

를 원점으로

표시한다

와 같다

410

I 이다 두

므로 적분의

- 44 -

값은 0 이다 세번째 적분은 면적 A 그 자체이다 따라서 식 (410)은 식 (411)과

같이 간단해진다

I I Ad 411

y 축에 대한 관성모멘트도 위와 같은 방법에 의해 식(412)과 같다

I I Ad 412

또한 면적의 평면에 수직인 수직축에 대한 관성모멘트를 극관성모멘트라 한

다 Fig 4-6 는 평면에 수직이고 O 점을 통과하는 축에 대한 극관성모멘트를 나

타낸 그림으로 이를 관성모멘트 식으로 표현하면 식 (413) 와 같다

I ρ dA 413

식 (413)와

즉 평면에

서로 수직인

극 관성

와 도심 C

와 식 (414)에

I

수직인 축에

인 두 축에 대

성모멘트에 대

에 대한 극

Fig 4-6 Arb

의해 식 (4

ρ dA

I

에 대한 극관

대한 관성모

대한 평행축

극 관성모멘트

- 45 -

bitrary shape o

ρ x y

415) 식 (41

x y dA

I I I

관성모멘트는

멘트의 합과

정리는 Fig

트를 각각 I

of Polar Area

y

16)과 같은 관

x dA y

는 평면 내의

과 같다

4-5 에서 유

와 I 로

관계식을 얻을

y dA

같은 지점을

유도할 수 있

로 표시하면

414

을 수 있다

415

416

을 통과하는

있다 원점 O

식 (416)에

- 46 -

서 식(417)을 유도할 수 있다

I I I I I I 417

I I I I A d d 418

I I Ad 419

식 (419)는 극 관성모멘트에 대한 평행축 정리를 나타낸다 즉 평면 내의 임의

의 한 점 O 에 대한 면적의 극관성모멘트는 도심 C 에 대한 극관성모멘트에 그

면적과 점 O 와 C 사이의 거리의 제곱의 곱을 더한 것과 같다

이상의 식에서 부하토크와 관성모멘트를 계산하여 모터를 가 선정한다 부하토

크의 경우 사용될 모터의 정격 토크를 넘어서지 않는 것을 선정한다 부하토크

를 TL 정상 부하 상태의 힘 PL 극 관성모멘트 IL 회전운동을 위한 힘 Pa 각속

도 가속 시 소요되는 시간을 ta 라 하고 식 (420)을 이용하여 부하가 일정하

게 작용할 때의 힘을 계산한다 마찬가지로 관성모멘트를 식 (421)에 대입하여

가속을 위한 회전 운동 시 필요한 힘을 계산한다 식 (420)과 식 (421)에서 계

산된 힘을 합산하면 모터를 회전시키기 위해 필요한 출력이 계산된다 이때 계

산된 출력보다 실제 사용할 모터의 정격 출력이 1~2 배 정도가 되도록 모터를

가 선정한다

- 47 -

P T ω 420

P 421

위의 과정을 통하여 모터를 가선정하고 가감속 토크 및 구동 토크를 계산한

다 각각의 토크를 계산하게 되면 모터를 최종적으로 선정하게 되는데 두 가지

사항을 고려하여 최종 선정한다 먼저 식 (422)을 통해서 계산되는 가속 시 소

요되는 기동 토크 TM 가 모터의 최대 토크를 넘지 않는 것으로 선정한다

T 422

두 번째로 Fig 4-7 의 속도 선도와 같이 모터의 가 감속 시간과 정상 동작

시간 등을 결정하여 식 (423)과 같이 실효치 토크 TS 를 구하고 실효 토크가 모

터의 정격 토크보다 크지 않도록 선정한다

T 423

Fig 4-7 Exa

- 48 -

ample of veloc

city guidance

- 49 -

(3) 알고리즘 적용

로봇시스템에 있어서 기구들의 관성모멘트와 토크 계산 후 적합한 모터를

선정하기 위해 시중에서 시판되는 모터를 조사하였다 로봇에 적용 가능한 모터

로는 크게 서버모터와 스텝모터 RC 서버모터 DC 모터로 구분 할 수 있었다 이

를 TABLE 4-1 과 같이 정리하였다

동력원의 6 가지 선정요소 중 우선순위를 부여하여 분류했을 때 핸드 그리퍼

의 특성상 가볍고 토크가 큰 RC 서버 모터 미니 서버모터를 선택할 수 도 있지

만 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터 중 토크를 증가시킬 수 있는

감속기가 있는 타입의 모터를 우선시 하였다

1 감속비를 사양할 수 있는 모터를 선정하여 계산한 토크를 확인한다

2 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터를 선정한다

3 CLOSED LOOP 제어를 통하여 정확한 위치를 검출할 수 있어야 한다

따라서 스텝모터중 lsquoOrsquo사의 ldquoαSTEPrdquo가 적합하다고 판단되어 모터를 선정하였다

- 50 -

TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics

미니서버모터 RC 서버모터 스텝모터 DC 모터

장점 동일사양대비 모터

중 10배정도 큰 토크

5v사용가벼움

정확한 위치제어

급격한 부하변동급가

속 유리

저렴한가격

보편화됨

단점 정지시 진동이 예상 약한 토크 THRUST하중이 모터

무계 이하여야 한다

유지보수가 잦다

크기 151588mm(10w20w)

2525111mm(30w)

392038mm 424234mm Oslash37mm917mm

동작전압 Dc 24V Dc 48V60V Dc 24V Dc 24V

무계 230g~400g 56g 150g 200g

허용토크 009Nm~03Nm 11~13kgfcm 18kgfcm (018Nm) 47kgfcm(1200)

감속기 다양한 감속비 가능 고정 감속기 감속기 무(072˚036) 다양한 감속비

제조사 야스카와 SGMM 하이텍 HS-5945 AUTONICS GCM 3429A

TABLE 4-2 αstep motor characteristics

외형 전압 전류 무계 토크 감속비 분해능

αSTEP 282884mm

4242127mm Dc24V 1~37A 250G 2~28 Nmiddotm 50~1001

00072pluse

00036pluse

- 51 -

43 1 차 능동형 그리퍼 설계

실린더를 사용하여 링크로 물체를 파지하던 그리퍼는 Fig 4-8 과 Fig 4-9 에

묘사하였다 이런 실린더를 사용한 그리퍼는 공압 효과를 도출할 수 있는 별도

의 펌프가 필요하고 동작을 구현할 수 있는 자유도를 증가시키는데 한계가 있

다 이런 실린더의 단점을 보완하고 전기모터의 장점을 사용하기 위해 웜기어와

웜휠 방식을 채택하여 2 자유도 능동형 그리퍼를 설계하였다

1 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-10 에 묘사하였으며 1 차설계한

능동형 그리퍼는 Two Fingertip Grasp 로 칭하겠다 파지한 물체를 회전 시키는

기능은 베벨기어를 사용하여 회전운동으로 구현하였고 실린더의 전middot후진 운동

을 전기모터의 회전운동으로 변환 시키기 위하여 웜기어와 웜휨을 선택하였다

전기모터에 의해 회전하는 운동은 웜기어와 웜휠에 의해 링크를 사용하여 물체

를 파지하였던 그리퍼와 동일한 운동효과를 가지게 되었다

웜기어와 웜휠을 사용하여 물체를 파지하는 능동형 그리퍼는 스윙형으로 설

계되었으며 파지력을 높이기 위한 각도를 적용하였다 링크를 사용하여 물체를

파지하는 형태의 그리퍼보다 기구의 크기를 줄일 수 있는 장점이 있는 반면 기

어들의 백래시에 의한 오차가 끝단에 누적될 수 있는 문제점을 가지고 있다또

한 기구부의 소재 변경으로 그리퍼의 무계를 줄일 수 도 있지만 가장 큰 무계

를 차지하는 모터를 그리퍼 자체에서 분리하게 할 수 있게 하려면 그리퍼 자체

의 구조변경이 필요하다

`

`

Fig 4-8 Par

Fig 4-9 Par

- 52 -

rallel-link gra

rallel-link gra

sps system 1

sps system 2

Fig 4-10

- 53 -

0 Two fingertipps grasp system

- 54 -

44 2 차 능동형 그리퍼 설계

1 차 설계한 능동형 그리퍼에서 발견된 문제점을 보안하기 위하여 2 차 능동

형 그리퍼를 설계하였다 2 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-11 에 묘사

하였으며 2 차설계한 능동형 그리퍼는 Four Fingertip Grasp 로 칭하겠다 이 장치

는 크게 동력원 동력 전달장치 핑거 그립장치로 구성되어있으며 이를 통합하

여 Fig 4-12 에 나타내었다

핑거 그립장치는 스윙형 그립의 단점을 보완하여 설계하였다 물체를 파지할

때 그립의 회전 반경이 주위 환경요소와 간섭을 발생시킬 수 있는데핑거가 전

진할때 샤프트와 핑거그립간의 나사결합형태를 통한 직선운동으로 개선하여 주

위환경요소에 영향을 주지 않도록 설계하였다 구동축의 핑거파지 메카니즘을

Fig 4-13 와 같이 간략화 하였고 이에 대한 세부 도면은 Fig 4-14 로 나타내었다

4 조 핑거 그립의 나사산과 테이퍼진 스크류축은 나사식으로 결합되며 상호

작용에 의해 점차 중심점으로 이동하여 물체를 파지하는 형태이다 사용된 2 개

의 샤프트는 중공축으로 설계하였으며 외부 샤프트는 4 조 핑거가 물체를 파지

하여 비트는 모션을 구현하는데 사용되었다 내부 샤프트는 핑거를 중심점으로

전진시켜는 기능을 수행한다 중공축으로 설계한 내부 샤프트는 차후 개발될 인

스트리먼트의 탈부착을 손쉽게 할수있도록 구현하였고 4 조로 설계된 핑거는 그

립시 인스트리먼트의 응력집중현상을 분산시키는 기능과 2 조로 그립하였을때

보다 안정적인 그립감을 형성한다

- 55 -

동력원과 동력전달장치는 Fig 4-15 에 나타내었으며 Two Fingertip Grasp system

의 문제점이었던 구동부의 모터의 설치 방법을 외부에 부착하는 형태로 변경하

여 우레탄 밸트를 사용하였다 또한 아이들러를 사용하여 밸트의 방향을 변경

하여 모터의 부착위치를 자유롭게 설정할 수 있도록 하였고 모터 브라켓에 슬

리브 홈을 설치하여 벨트의 장력을 조절할 수 있도록 하였다

Fig4-11

Fig4-12 Fou

- 56 -

Four fingertip

ur fingertips g

ps grasp system

grasp system la

m

ayout

Fig 4-13

Fig 4-14

- 57 -

Fingertip gra

4 Fingertip gr

asps mechanis

rasps extended

m

d

Fig 4-15

- 58 -

5 Power transmission devicce

- 59 -

제 5장 결 론

본 연구에서는 MIS 수술 로봇을 위한 햅틱 마스터장치 구동용 능동형 그리

퍼를 설계하기 위하여 그에 상응하는 자료 및 문헌 조사를 수행하였고 햅틱 마

스터에 적용 가능한 능동형 그리퍼를 설계하여 로봇 시스템의 초안을 구성하였

다 수술용 도구를 단순히 잡아주는 역할에서 벗어나 시스템에 추가적인 자유도

를 부여함으로써 그리퍼를 표현하였다 단순화된 그리퍼는 보다 저렴한 가격으

로 생산될 수 있으며 기존 로봇 수술시스템의 높은 비용을 절감할 수 있는 효

과를 가져올 수 있다

최종적으로 제안한 설계 안으로는 2 조 핑거그립를 사용하는 전기모터형 그

리퍼 와 추가적으로 개선한 4 조 전기모터형 핑거그립를 설계였다 스윙형 그립

의 단점을 보안하여 집중응력을 분산할 수 있는 구조로 설계하였고 그리퍼의

무계를 줄일 수 있는 방법을 제시하였다 이로써 원통형 도구 파지 시 안정성이

향상되었고 보다 원활하게 수술 도구를 교체 가능하도록 하였다

앞으로 촉감을 전달할 수 있는 센서의 개발로 햅틱 디바이스 인터페이스 장

치의 활용에 보다 높은 기여를 할 것이라 예상된다

-６０-

참고 문헌

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PP49~5420084

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PP74~77200612

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-６１-

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계 및 해석rdquo한국정밀공학회 2003년 추계학술대회 논문집

[10] 조국훈이재훈이병주김희국 ldquo병렬형 그리퍼 메카니즘rdquo한국정밀공학회지

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4자유도 병렬 메커니즘의 기구학분석rdquo한국정밀공학회 2007년 추계학술대회

• 제1장 서 론
• • 11 연구배경 및 연구목적
  • 12 연구내용
  • • 제2장 로봇 산업의 기술 현황
    • • 21 로봇산업의 동향
      • 22 의료용 로봇기술 현황
      • 23 의료용 로봇시장 전망
      • • 제3장 능동 그리퍼
        • • 31 최소침습 수술 햅틱 장치구현에 필요한 능동 그리퍼 제안
          • 32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류
          • 33 파지형태에 의한 그리퍼의 분류
          • 34 메카니컬 핸드의 구속기능
          • 35 대표적인 동력원의 특징
          • • 제4장 능동형 그리퍼 설계
            • • 41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정
              • 42 모터 선정 알고리즘
              • • 43 1 차 능동형 그리퍼 설계
                • 44 2 차 능동형 그리퍼 설계
                • • 제 5 장 결론
                  • 참고문헌
                  • TABLE 2-1 Domestic robot classification
                  • TABLE 2-2 Robot Production Company
                  • TABLE 3-1 Characteristics of power sources
                  • TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics
                  • TABLE 4-2 αSTEP Motor Characteristics
                  • Fig2-1 Phase of medical robots in the robot industry
                  • Fig2-2 Da Vinci surgical case number
                  • Fig3-1 Da Vinci robot system for MIS
                  • Fig3-2 Classified by the gripper grip action
                  • Fig3-3 Swing-type hand mechanism
                  • Fig3-4 Hand mechanism for translational type1 (parallel displacement)
                  • Fig3-5 Hand mechanism for translational type2 (Rack and pinion type)
                  • Fig3-6 Hand mechanism for three point pinch type
                  • Fig3-7 Movement of object
                  • Fig3-8 Contacts of the kind and the confining
                  • Fig3-9 Human Arm structure
                  • Fig4-1 Configuration of the fingers on robot gripper
                  • Fig4-2 Change the value of the angle of phage torque
                  • Fig4-3 Motor Selection Algorithm
                  • Fig4-4 Arbitrary Shape of Planar Area
                  • Fig4-5 Parallel-Axis Theorem
                  • Fig4-6 Arbitrary Shape of Polar Area
                  • Fig4-7 Example of Velocity Guidance
                  • Fig4-8 Parallel-link Grasp system 1
                  • Fig4-9 Parallel-link Grasp system 2
                  • Fig4-10 TWO Fingertip Grasp system
                  • Fig4-11 Four Fingertip Grasp System
                  • Fig4-12 Four Fingertip Grasp System layout
                  • Fig4-13 Fingertip Grasp Mechanism
                  • Fig4-14 Fingertip Grasp extended
                  • Fig4-15 Power Transmission Device

- 14 -

히 줄여주기 때문이다 특히 전립선암의 경우 대표적인 수술 후유증인 요실금

과 발기부전 등의 가능성이 대폭 줄어드는 것으로 알려져 있다

이와 같은 수술사례와 수술성과에도 불구하고 다빈치 로봇의 가격이 25 억

정도의 고가이기 때문에 영세한 의료기관에서 도입하기에는 다소 무리가 따르

고 있다 그러나 대형 병원들은 다빈치의 성공적인 수술사례를 통해 앞다투어

이를 도입하고 있다

2008 년 1 월 현재 신촌 세브란스 병원은 이미 3 대를 도입했고 영동 세브

란스 병원 고려대 안암병원 서울아산병원 한림대 강남병원 분당서울대병원

삼성서울병원 경북대병원 동아대병원 등 9 개 의료기관에 도입되어 있다 또한

최근 (2008 년 1 월 30 일) 연세대 세브란스병원은 로봇 수술의 활성화를 위해

Intuitive Surgical 과 공동으로 복강경 수술용 로봇 다빈치를 이용한 수술법을 배

우는 lsquo연세 다빈치 트레이닝 센터rsquo를 개소하였다

다빈치는 로봇 가격만큼 수술 비용에 있어서도 고가인데다 의료보험이 적

용되지 않아 수술 비용을 환자가 모두 부담해야 하는 실정이다 다빈치 로봇 수

술 비용은 700~2000 만 원선으로 기존의 수술 비용인 200~300 만 원 보다는 다

소 높은 가격이다 특히 전립선암의 경우 로봇 수술 비용은 1500 만 원 선으로

개복수술이나 복강경수술보다 5~7 배 정도의 높은 가격이다 그럼에도 불구하고

로봇 수술은 거의 모든 암 수술에 적용되고 있고 환자와 의사 모두 만족하는

수술법으로 자리잡아 가고 있다

- 15 -

나 로보닥

로봇이 외과적 기계로써 임상적으로 처음 국내에서 적용된 것은 1992 년 lsquo로

보닥rsquo이라는 의료용 로봇이다 미국에서 개발된 로보닥은 인공관절이 삽입될 환

자의 뼈를 로봇으로 가공해서 수술 성공률을 획기적으로 높였다 두꺼운 뼈를

정확한 형상으로 깎아내는 작업에는 CADCAM 자료에 따라 작동하는 로봇 팔

이 숙련된 외과의사를 간단히 능가했다 로보닥은 한국과 EU 의 판매승인을 획

득했고 결국 인공관절수술의 대세를 장악했다 세계적으로 8000 회 이상의 수술

이 로보닥을 이용하여 성공적으로 수행되었으며 2001년 FDA의 승인을 받기도

하였다

2002 년 국내 처음으로 로보닥이 도입된 이래로 이춘택 병원은 현재까지

2556 회라는 경이적인 수술건수를 기록하였다 그는 최소침습수술과 접목하여

로봇의 정밀성과 최소 절개기술을 결합시킴으로써 환자의 고통과 재활 기간을

크게 줄였다 그러나 로보닥의 가격은 무려 17 억 원이며 3 차원 영상까지 구현

하기 위해서는 10 억 원 상당의 멀티 CT 까지 도입해야만 한다 그렇기 때문에

소규모의 관절전문병원이 도입하기에는 다소 무리한 점이 있다 이러한 상황에

서 이춘택은 국내시장에 맞는 로봇개발을 위해 국산 부품 및 소프트웨어를 개

발 중에 있다 따라서 우리나라도 고령화 사회를 맞아 세계적으로 관절 수술이

급증하고 있는 상황에서 국내 기술로 만든 수술용 로봇이나 소프트웨어 개발은

국내 의료용 로봇시장의 활성화를 이룰 수 있다

- 16 -

23 의료용 로봇시장 전망

(1) 로봇산업 전망

로봇 분야별 세계시장 정세를 살펴보면 제조업용 로봇은 시장안전화 단계로

써 급격한 시장변화는 어려우며 신규 생산설비 및 기존 설비에 따른 수요가 대

부분 차지하고 있는 실정이다 개인서비스용 로봇은 가족구조의 핵가족화와 고

령화 현상으로 인한 가족인원으로서의 가정용 로봇에 대한 수요가 증가 추세에

있다 전문서비스용 로봇은 생산국과 생산기업이 극히 제한되어 있으며 제품가

격의 고가로 인해 시장형성에 있어서 생산국과 수요국이 불일치하고 있는 실정

이다 이러한 상황에서 로봇시장의 국가별 점유율을 살펴보면 일본 (28) 미국

(18) 독일 (16) 이탈리아 (10) 한국 (3)의 순으로 세계 5 위를 차지하고

있다 이와 같이 산업용 로봇의 경우는 우리나라의 세계적인 위상이 높지만 아

직까지 전문 서비스 분야 로봇에 대한 세계적인 위상은 미비하다

시장규모 전망과 국내 세계시장 점유율에 대한 전망은 다음과 같다 세계 로

봇시장의 규모는 2010 년에는 247억 5 백만 달러에서 2020년에는 717억 7 천만

달러에 이를 것으로 보고 있으며 연평균 107의 증가율을 예상하고 있다 분

야별로는 제조업용 로봇은 2010 년 세계시장의 114에서 2020 년 144의 비중

을 차지할 것으로 전망하고 있으며 전문서비스용 로봇은 2010 년 세계시장의

09에서 2020 년 21의 비중을 차지할 것으로 예상하고 있다 개인서비스용

- 17 -

로봇은 2010 년 30에서 2020 년 70 수준에 달할 것으로 보고 있다 비록 전

문 서비스용 로봇산업의 규모는 미국 일본 독일에 비해 미미한 실정이나 전문

서비스용 로봇의 신시장을 개척하고 그 만큼의 기술력이 밑받침된다면 2020 년

세계시장에서의 더 큰 비중의 달성이 이루어질 것으로 본다

(2) 의료용 로봇기술 전망

의료용 로봇시장의 성장은 의료용 로봇기술 개발산업의 성장과 밀접한 관계

가 있다 세계적인 개발추세로는 의료용 로봇개발 하드웨어 분야에서는 일본이

경쟁력이 가장 높으며 소프트웨어 분야에서는 미국이 앞서나가고 있다 또한

독일은 하드웨어 및 소프트웨어 분야에서 동시에 상당한 연구 개발 능력을 보

유하고 있다 앞으로는 이 세 나라가 의료용 로봇 시장의 핵심 주자로 나설 것

으로 예상된다

산업연구원 (2007) 조사에 따르면 국내 로봇산업의 기술은 기술항목에 따라

다소 차이를 보이고 있으나 제조업용 로봇의 경우는 최고 기술 보유국 대비 평

균 85 정도에 육박하고 있으며 전문서비스용 로봇의 경우는 80 정도 개인서비

스용 로봇은 84 정도에 이르고 있는 것으로 나타났다 의료용 로봇 분야에서는

선두주자인 미국의 기술력을 100 이라고 봤을 때 현재 우리나라는 70 정도이며

2015년이 지나야 100 에 도달할 것으로 전망하였다 비록 의료용 로봇에서 세계

1위인 미국에 비해 우리는 아직 10년 이상 차이가 있지만 세계 최초로 국제 규

- 18 -

모의 로봇랜드 조성과 로봇펀드 발생 등 정부 차원에서의 노력이 여러 가지 방

면에서 다양하게 펼쳐지고 있기 때문에 그 격차는 점차 줄어들 것으로 예상된

다

또한 IFR (2006) 자료에 따르면 한국 산업용 로봇은 세계 5 위의 강국[16]인

데 비해 의료용 로봇에 있어서는 약소국이다 이는 의료용 로봇의 개발비가 많

이 드는데 비해 국내 시장은 극히 제한적이어서 일반 기업의 참여가 아주 저조

하기 때문이다 국내에서 의료용 로봇 관련 기술 개발은 아직 걸음마 단계에 머

물러 있으며 벤처기업 및 대기업들이 개발해 상용화시키고 있는 기술이나 제품

도 대부분이 생활 가전형 로봇에 한정되어 있을 뿐 의료용 로봇분야는 아직 미

개척지로 남아 있다 하지만 국내에서도 의료용 로봇 개발을 수행하기 위해 대

학이나 연구소 차원에서 의료용 로봇에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다 먼

저 한국과학기술원이 8 년 전 설치한 휴먼 웰페어 로보틱 서저리 센터가 대표

적인 연구기관이다 이 연구소에서는 거동이 불편한 환자들을 위한 휠체어의 자

동화 시스템이나 복강경 수술 로봇 등 로봇 수술용 기구의 국산화에 초점을 맞

춰 진행 중이다 또한 최근에는 국립암센터 역시 산업자원부로부터 수술용 로

봇과 영상시스템을 주제로 한 의료용 로봇 개발자로 선정되어 연구에 들어갔다

비록 국내 의료 및 수술 로봇 관련 기술이 일본 미국 등에 비해 아직까지

뒤쳐져 있는 실정이지만 국내에서도 의료용 로봇 기술 개발이 이처럼 활발히

진행되고 있어서 향후 전망은 매우 밝다고 할 수 있다 또한 해외에서 각광을

받고 있는 캡슐형 내시경 연구 역시 국내에서 벌써 10 년째 계속 되고 있다 최

- 19 -

근 한국과학기술연구원과 벤처기업인 인트로메딕이 개발한 세계 최소형 캡슐형

내시경인 미로캠 (MiroCam)은 2010 년까지 국내 캡슐형 내시경 시장의 80를

점유할 것으로 예상하고 있다 이러한 국산 의료용 로봇 개발을 통해 고부가가

치 시장인 세계 의료 시장에 뛰어들 수 있는 기반을 다졌다는 데에 큰 의미가

있다

전문 서비스용 로봇의 경우 제조업 로봇 관련 풍부한 경험을 바탕으로 전문

서비스용 로봇으로의 기술확대 메카트로닉스 (mechatronics) 관련 다양한 산업기

반과 세계적인 IT 인프라 보유국의 강점을 살리고 있다 또한 한국은 10 대 성

장동력간 연계 등을 통한 시너지 효과와 세계 전문서비스 로봇 시장이 초기형

성 단계임을 감안한다면 이 분야의 진출에 대한 절호의 기회이며 머지않아 의

료용 로봇 강국으로 진입할 수 있을 것으로 기대된다

- 20 -

제 3 장 능동 그리퍼

31 최소침습 수술 햅틱 장치 구현에 필요한 능동 그리퍼 제안

21 세기 로봇 기술 분야에서는 인간과 기계 시스템 간의 커뮤니케이션이 무

엇보다 중요하게 강조되며 이러한 인간과 기계 시스템의 의사소통은 주로 인간

의 감각 기관을 통해 이루어 진다 일반적으로 인간에게는 보고 듣고 냄새를

맡고 맛을 보고 피부로 느끼는 오감이 있으며 이러한 감각을 시각 청각 후

각 미각 촉각이라고 한다 따라서 이러한 인간의 감각에 정보를 전달하기 위

한 다양한 기계 시스템들이 개발되어 왔다 오감 중에서 현재 인간과 기계 시스

템간의 인터페이스 역할을 하는 표적인 감각으로는 사물을 보는 시각과 소리

를 듣는 청각이 주로 이용되고 있다 이를 위한 시스템들은 이미 상당한 수준으

로 발전해 현재 상용화 되어 활용되고 있다 하지만 이러한 시각과 청각 인터

페이스 만으로는 로봇의 제어에 한계가 있으며 오감 중에서 세 번째 감각인 촉

각에 한 인터페이스가 현재 활발히 연구 개척되고 있다 만약 가상현실에 촉

감 인터페이스가 적용된다면 기존의 시각과 청각에만 의존하던 가상 현실에 촉

감을 전달함으로써 실제 물건을 만지고 느낄 수 있으므로 가상현실을 보다 더

실감나게 할 수 있을 것이다 하지만 인간의 감각 중에서 촉각은 매우 민감한

감각으로 여기에 촉감 정보를 전달하는 인터페이스는 아직 많은 연구를 필요로

하고 있다

- 21 -

햅틱 (haptic)이란 단어의 사전적인 의미는 ldquoof or relating the sense of touch

tactilerdquo로써 물체를 만질 때 사람이 느낄 수 있는 촉각적 감각으로 피부가 물체

표면에 닿아서 느끼는 촉감 (tactile sensation)과 관절과 근육의 움직임이 방해 될

때 느껴지는 근 감각적인 힘 (kinesthetic force)의 두 가지 힘을 모두 합쳐서 부르

는 말이다 촉감 구현 연구는 물리적 장치를 이용하여 사람이 직접적인 접촉이

없이도 촉각 정보를 전달하는 방법에 관한 전반적인 연구 분야를 일컫는 말로

사람에게 원격지에 있는 물체의 물리적 특성을 전달하는 원격조작 혹은 원격현

장감에 관한 연구로부터 시작되었다 가상 혹은 실제 환경에서 촉감을 구현하기

위한 연구를 포괄적으로 의미하는 용어로 햅틱스 (haptics)라고 한다 주요 연구

분야는 사람이 직접 손에 쥐거나 착용하는 물리적 장치인 햅틱 디바이스 인터

페이스 (haptic interface) 가상 공간상의 물체에 기계적 성질을 부여하여 사실감

이 있는 상호작용을 제공하고자 하는 햅틱 렌더링 (haptic rendering) 사람의 촉

각 인지 특성에 관한 연구 (tactile perception) 등으로 나눌 수 있다 특히 햅틱

인터페이스 (haptic interface)는 햅틱 디바이스 (haptic device)라고도 불리우며 사람

에게 촉감을 전달하는 물리적인 장치를 말하며 더 넓은 의미로 사용하여 가상

의 환경을 촉감 전달을 통해서 느끼게 하는 시스템 전체를 가리키기도 한다 이

러한 햅틱 기술은 다양한 분야에서 활용될 수 있는데 표적인 분야로는 가상

현실 분야 인간-컴퓨터 인터페이스 분야 게임 등 사이버 커뮤니케이션 그리고

원격제어 로봇 등이 있다 특히 원격제어 로봇이 많이 활용되고 있는 의료 분

야에서 햅틱 구현은 매우 시급한 과제이다 현 의 수술은 점점 첨단의 수술 도

- 22 -

구와 로봇을 이용하여 집도되는 추세이며 최소침습수술 (minimally invasive

surgery MIS)이 그 표적인 예이다 이 수술법은 환부의 구멍에 수술도구와 카

메라를 삽입하여 집도의가 모니터를 보면서 시술함으로써 시술시간이 짧고 환

자의 회복이 빨라서 그 적용 범위가 점차 확 되고 있다 하지만 환자가 얻게

되는 이점에 반해 의사는 개복 수술에서 쉽게 이용하던 기술들을 더 이상 적용

할 수 없게 되어 집도에 있어 큰 어려움을 부담해야만 한다 즉 환자의 내부에

서 손의 움직임과 시야의 제약을 받게 되었고 손으로 환자의 장기나 뼈를 만지

고 상태를 확인할 수 없게 된 것이다 이러한 문제점들을 극복하기 위해 첨단의

의료용 로봇 시스템이 개발되었는데 의사 즉 오퍼레이터가 조작하는 마스터

(master) 로봇과 환자의 환부에서 수술을 진행하는 슬레이브 (slave) 로봇으로 구

분된다 슬레이브 로봇은 크게 수술 시 집도의 팔의 움직임을 구현하는 구동 암

(arm)과 수술도구를 홀딩 할 수 있는 그리퍼로 분류할 수 있다 구동 암의 움직

임은 수술 부위의 위치를 결정하면 별도 큰 움직임 없이 작동시킬 수 있으며

전달 수술 관통 수술이 아닌 경우에는 집도의가 느끼는 힘을 피드백 할 필요가

없다 하지만 그리퍼의 경우는 신체 일부분의 미세한 조직까지 전부 접촉해서

제거하거나 봉합하기 때문에 집도의가 수술 시 느끼는 힘을 구현하여야 보다

정밀한 수술을 수행할 수 있다 따라서 본 연구에서는 햅틱 장치가 적용된 마스

터 로봇과 마스터 로봇에서 형성된 힘을 느낄 수 있으며 원할한 수술을 진행할

수 있는 최소침습수술용 능동 그리퍼를 제안하겠다 Fig 3-1 은 상용 MIS 장치인

다빈치 로봇의 마스터와 슬레이브 그리고 그리퍼를 나타내고 있다

(a) sla

(b

Fig 3-1 da V

Operation Arm

Gripper

- 23 -

ave robot and g

b) master rob

Vinci robot sy

m

gripper

ot

stem for MIS

- 24 -

32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류

산업용 로봇은 그 기능 특성상 필요성에 의해 로봇의 말단부에 그리퍼를 부

착시킨다 이것은 인간의 손에 응되는 것으로서 메커니컬 핸드라고 칭하며 다

루는 상 물체를rdquo파지rdquo해 이동하는 목적으로 사용되는 도구이다

파지동작은 Fig 3-2 와 같이 세분화된다 인간의 손 손가락에는 많은 관절이

있으며 여러가지 작업이 가능하다 일상 생활에서의 붙잡기는 형식을 분류한 것

으로는 슐레징거의 12 형식이 있다 여기서 인간의 손에는 손가락이 있어서 그

것을 유지핸드라고 이름 붙이면 메커니컬 핸드에는 손가락이 없는 구성법이 있

는데 이것을 무지 핸드라고 이름 붙이기로 한다 이 무지 핸드는 기계적 물리적

으로 구조상 무지핸드로 한 것과 공구가 메커니컬 핸드와 일체화됐다고 생각하

는 공구 핸드가 있다 메커니컬 핸드를 분류해 보면 다음과 같다 진공이나 자

기 이용의 흡착 등 물리적 흡척형의 유지는 보통 평면(완만한 곡선도 포함)부를

흡착하는 형태로서 물체의 크기나 중량에 따라 여러 개가 설치되는 경우도 있

다 그러나 물체표면에 만곡부가 있는 경우나 구멍이나 공동이 있는 경우에는

적용할 수 없게 된다 또한 자력을 이용한 경우 철금속 재료를 다루게 되는데

경우에 따라서 매우 효율적이고 신뢰성이 높기는 하지만 물체에 잔류 자력이

남게 되는 문제점이 있다 받기형의 유지는 지지의 동작만을 가지고 있는 형태

이며 이는 전기한 흡착형 보다 적극적이 아니여서 약한 구속을 갖는다 변형하

기 쉬운 물체의 이송등에는 이를 채택한다 매달기형 유지는 중력 방향의 이동

1 자유도를 구속한다 잡기형 파지는 유연성에 의한 변형으로 접촉면적을 크게

하여 집는

상물을 외측

이용하는 등

33 파지형

파지 형

다 본 연구

하여 설명

(1) 두 손

형태이다 현

측에서 파지하

등의 파지방법

형태에 의한

형태로서는

구에서 사용할

명 하겠다

손가락 type

현재 많이 사

하거나 구멍

법이다

한 그리퍼의

상을 바깥에

할 메커니즘은

e

Fig 3-2 Cla

- 25 -

사용하고 있는

속에 손가락

의 분류

에서 파지하

은 바깥에서

assified by the

는 끼우기형

락을 넣은 후

는 것과 안에

파지하는 형

gripper grip ac

파지 형태는

후 벌려서 내

에서 파지하

형태가 유리하

ction

는 핸들링

내측사용면을

는 것이 있

하므로 이에

두 개의

상태를 유지

는 스윙형

안정되게 파

의 리지트한

지해서 개폐

핸드(swingin

파지하는 점에

손가락을 갖

되는 병진형

ng gripper)로

에서 병진형

(a) grinder c

(c

Fig 3-3 Sw

- 26 -

갖춘 것으로

핸드(transla

로 분류된다

보다 떨어진

crank

c) rotation joi

wing-type hand

실용례가 많

ational grippe

스윙형은 기

진다

(b) swing

int

d mechanism

많다 손가락이

er)와 그 방향

기구가 간단하

g block

이 상호평행

향이 변화하

하나 상이

병진형에

4 은 평행링

운동을 바꾸

에 회전시킴

로 유지되기

지된다 직

시키도록 한

가 전middot후진

피니온 방식

F

에서는 평행링

링크 방식의

꾸고 그 피니

킴으로써 손가

기 때문에 손

동형 신에

한 것도 있다

진하는 결점이

식이 채용된다

Fig 3-4 Hand

링크 랙middot피니

예로 직동형

니온 운동으로

가락 개폐를

손가락의 물체

에 회전형 액

다 평행링크를

이 있다 이문

다

mechanism fo

- 27 -

니온 나사이송

형 액추에이

로 평행링크의

얻는다 링크

체 파지면의

추에이터를

를 이용한 형

문제를 해결하

or translational

송 기구 등이

터의 운동을

의 하나의 링

크 PS 와 링

자세도 개폐

이용한 형식

형식은 개폐에

하는 방법으로

type1 (paralle

이 이용되고

랙과 피니온

링크 A 를 축

크 QR 은 항

폐 동작 중 일

식에서 평행링

에 의해서 손

로서 볼나사

el displacement

있다 Fig 3-

온으로 회전

축 P 의 주위

항상 평행으

일정하게 유

링크를 회전

손가락 위치

기구나 랙middot

nt)

Fig 3

는 핸드의

볼나사 기구

다

(2) 세 손

세 손가

가락으로 잡

F

-5 는 회전형

예이다볼나

구 각각을 손

손가락 type

가락을 가진 핸

잡는 것보다

Fig 3-5 Hand

형 액추에터로

나사 기구를 이

손가락에 부착

e

핸드에서는

안정된 파지

d mechanism fo

- 28 -

로 랙 피니온

이용하는 경

착 사라를 회

상을 3 점

지 동작을 할

or translational

온을 회전시킴

우에는 1

회전시킴으로

점에서 유지할

할 수 있다

l type2 (rack a

킴으로써 개폐

의 왼나사

써 개폐 동작

할수 있기 때

nd pinion type

폐동작을 하

오른나사의

작을 실현한

문에 두 손

e)

Fig 3-6

베벨기어를

구동해서 세

실현한 것

각 손가락을

복잡하며 중

6 은 세 손가

를 매개로 상

세 손가락을

이다 특히

을 개별 모터

중량도 증가하

Fig

락형 그리퍼

호 각도를 주

동작시킴으로

원통물체를

터로 구동하도

하기 때문에

3-6 Hand mec

- 29 -

의 일반적인

주어 결합한

로써 이른바

확실히 잡아

도록 한 3 지

실용례가 적

chanism for thr

인 형상을 나타

3 개의 볼

바 3 포인트 핀

아서 유지하

지형핸드도 개

적다

ree point pinch

타내고 있다

나사를 하나

핀치(three po

는데 유리하

개발되고 있으

h type

이 핸드는

나의 모터로

oint pinch)를

하다그 외에

으나기구가

34 메카니

(1) 구속

기계적

어서 형성되

전 구속 기

해서 언급하

으로 움직일

또 X Y 평

니컬 핸드의

속기능

구동장치에

되는 것으로

기능이 있다

하면 구속 상

일 수 있다

평면 X Y 면

의 구속기능

서 구속 형식

크게 나누어

그래서 핸드

상태의 물체는

이것을 물체

X Z 면상에

Fig 3-

- 30 -

능

식과 접촉 상

어서 반구속

드의 구속 기

는 Fig 3-7 와

체의 공전 (이

서 6 방향으

-7 Movement

상태와 포락

속 (받는 구속

기능을 결정하

와 같이 X Y

이동)에 관한

로 회전 한다

t of object

능력의 인자

속 는 구속

하는 물체의

Z 의 3 축상

6 동작 자유

다 이것을 물

자가 복합되

속)기능과 완

구속에

에서 6 방향

유도로 한다

물체의 자전

(회전)에 관

부여한 상태

행할 수 있

서는 회전의

핸드에

한 공간적

면 Fig 3-8

이 그림

를 구속한다

에서 7 자유

선접촉과 면

계수와 절선

(a

관한 6 동작

태에서 움직이

있다 또 완전

의 6 자유도를

의한 물체의

적인 포락 상

와 같이 된

(a)의 점접촉

다 그러나 1

유도를 구속

면접촉에는 각

선력법선력

a) point contac

Fig3

자유도로 한

이며 중력이

전 구속은 핸

를 무시하는

의 구속은 핸

상태로 정한다

다

촉은 접촉점

1 점접촉은 다

한다 (c)의

각각 마찰에

비와의 관계

ct (b

3-8 Contacts

- 31 -

한다 반구속은

이나 환경면의

드 자체로 1

경우도 적지

핸드와 물체의

다 먼저 접촉

방향의 1 자

다른 11 자유

면접촉은 11

위한 구속이

계로 구속불능

) line contact

of the kind an

은 12 자유도

의 구속을 받

12 자유도를

지 않다

의 접촉 상태

촉부의 구속

자유도를 구속

도를 구속할

1 자유도의 구

이 4 개와 6 개

능의 가능성을

nd the confini

도 중 몇 개의

아서 완전 구

행하는데 경

태 및 접촉부

능력을 모델

속한다 그러나

할 수 없다 (b

구속을 할 수

개 주어져 있

을 가진 구속

(c) surface co

ing

의 자유도를

구속으로 이

경우에 따라

부의 물체에

델로 나타내

나 1 자유도

b)는 선접촉

수 있다 단

있으며 마찰

속 성분이기

ontact

- 32 -

도 하다 또한 면접촉의 상태는 중력의 작용을 이용하면 받기를 형성하고 또

외계력을 이용하면 기를 형성한다

이들의 접촉상태는 물체의 형상과 핸드의 구속면으로 규정되는 것으로 핸드

만으로 결정하기는 어렵다 단 핸드의 구속면을 부드러운 재질로 형성하면 면

접촉의 이행이 용이하다 이와 같은 이유에서 물체에 접촉부가 포락도를 높이는

데에 따라서 물체 형상에 관계 없이 구속 능력을 증 시킬 수 있다

(2) 메커니컬 핸드의 자유도

로봇의 손은 그 용도를 불문하고 인간의 손 작업의 행을 목적으로 하는

것이므로 그 설계에 있어서 모델로 되는 것은 말할 것 도 없이 인간의 손이다

그래서 우선 기구에 하여 설명하기 전에 인간의 손의 구조 모델에 하여 설

명해 본다

AmiddotMorecki 에 의하면 인간의 상체는 그 해부학적 구조에 입각하면 Fig 3-9 와

같이 모델화할 수 있다 Fig 3-9 에서 숫자는 각각 골격 즉 링크를 나타내고 숫

자 II~ V 는 관절을 나타내고 있다 이와 같은 공간링크 기구의 자유도 F 는 가

동부수 n 자유도의 종류 f 를 가진 우 수를 Pf 라 하면 다음 식으로 나타낼

수 있다

6n sum ∙ P 12345 (3-1)

Fig 3-9

들 자유도가

을 Fig 3-9

P5=10 이므

인간의

유도 1 의

해 있으며

의 모델에서

가 있는 관절

9 와 같이 정

므로 위 식에

상지를 인공

액튜에이터를

22 개나 되

Fig 3

서는 n=19 P2

절에 작용하는

정의하고 그

서 FH=22 가

공적으로 정밀

를 27 필요

는 액튜에이

- 33 -

3-9 Human Ar

2=1 P3=2 P4

는 근군은 약

자유도 FH

가 된다

밀하게 재현하

요로 하게 된

터를 필요로

rm structure

4=6 P5=11 이

약 50 이라고

를 구하면

하려고 한다면

된다 또 손에

로 한다 그러

이므로 F=27

고 되어 있다

이 경우는 n

면 이상의 결

는 특히 자유

나 로봇의 손

이 된다 이

여기서 손

n=16 P4=6

결론에서 자

유도가 집중

손이 이만큼

- 34 -

의 수의 액튜에이터를 갖춘 것을 제작한다는 것은 크기 중량 제어면에서 볼

때 현시점에서는 불가능에 가깝다 특히 의수에 있어서는 상술한 바와 같은 형

상이나 조종성 등의 점에서 전혀 불가능하다고 해도 좋다 따라서 보통은 기능

에 주목하여 손에 집중해 있는 자유도의 간략화를 도모한다

인간의 잡기 동작에 주목해 보면 그 잡기 형상에는 12 종류가 있다고 하다

그러나 이것들은 엄지와 다른 12 종류가 있다고 한다 그러나 이것들은 엄지와

다른 4 손가락과의 관계에 주목하였을 때에 2 종류 즉 엄지가 다른 4 손가락과

항해서 동작하거나 그 측방에서 동작하는가로 분류할 수 있다 실제의 일상

동작에서 관찰하면 이들 중에서도 엄지와 손가락이 항해서 동작하는 소위 쥠

동작이 우선 첫 번째이고 또 다음에 엄지 검지 중지의 3 손가락의 선단으로

이루어지는 3Point Pinch 즉 잡기동작이 중요하다

더불어 손가락의 독립성에 해서는 역시 일상동작 중에서 손가락의 사용

빈도를 조사한 결과에 의하면 다섯 손가락은 반드시 독립적인 운동을 필요로

하지 않고 엄지 검지 중지가 같은 정도의 중요성을 자기며 다른 두 손가락은

사용 빈도에 있어서 이들 세 손가락보다 약 50 적으며 다른 세 손가락의 보

조 역할을 한다고 볼 수 있다 그리고 특히 중요한 것은 인간의 각 손가락은 잡

기 상물의 형상에 적응한 쥐기 즉 Passive 한 동작을 할 수 있다는 것이다 이

기능이 있다면 각 손가락이 독립적으로 동작하지 않더라도 또 다소 손의 자유

도를 제거하더라도 상물의 확실한 쥐기나 잡기 그리고 기타 손 작업에 큰 힘

을 발휘한다

- 35 -

34 표적인 동력원의 특징

동력원을 설계할 때 다음의 점을 고려하면서 가장 적합한 방식을 선택한다

1조작력(로보트가 내는 최 의 힘 예를들면 최 들어올린 힘)

2속응성(최 조작 속도)

3크기 중량(로보트의 크기와 중량의 제한)

4안정성(발열이나 과부하에 한 안전성)

5사용의 용이도

6수명가격

1 2 의 조작력 속응력은 로보트에 요구되는 성능에서 가장 기본적인 것인

데 이에 관련해서 크기나 중량의 제한 안정성 사용의 용이도 수명 가격 등을

고려해서 동력원을 선택한다 단 자주형 로보트에서는 2 차적 성능인 동력원의

중량이 첫째 요구 조건이 되는 경우가 많고 공업용 로보트에서는 저가격 사용

의 용이도 안전성이 중요 사항으로 우선시된다

모든 로봇은 동력원을 필요로한다 중요도에 따라 동력원을 선택해야 하는데

일반적으로 공기압식은 안전성이 뛰어난 반면 힘과 세밀한 위치제어가 어렵고

전기식은 응답성과 사용편리성 세밀한 위치제어가 가능하나 높은 힘을 내기 위

해서는 부가적인 기구부가 필요하다 유압식은 큰힘을 낼수있어서 속응성은 좋

으나 과부하시 상당한 발열이 있기 때문에 안전성에서 다른 동력원에 비해 떨

어진다 위 사항을 TABLE 3-1 로 분류하여 나타내었다

- 36 -

TABLE 3-1 Characteristics of power sources

전기식 유압식 공압식

사용용이성 편리하다 작동유의관리 관로의압력

필터관리에 유의

공급공기의 수분제거

윤활성의부가에 주의

수명 길다 기름에 윤활성이 있기

때문에 길다

공기에윤활성이 없어

유압 전기에 비해 짧다

가격 보통 가격 운영비 높음 저가격

응답속도

(반응성) 매우 빠르다 빠르다 늦다

하중능력 (소)에서 (중)정도의

하중능력 단히 큰 힘을 얻음 큰 힘은 없다

소음 적다 다소 크다 크다

- 37 -

제 4 장 능동형 그리퍼 설계

41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정

로봇 그리퍼의 정밀 파지 (Fingertip Grasp 손가락 끝을 이용하여 물체를 집

거나 바닥에누워있는 납작한 물체를 집는 행동)를 안정하게 하기 위해서는 손가

락 끝과 물체가 직각에 가까운 각도를 이룸으로 마찰력을 크게 하여 안정성을

높인다 또한 바닥에 놓인 물체를 집어 올릴 경우에도 물체표면의 법선 벡터와

손가락 끝의 각도가 클수록 물체를 효과적으로 구속하여 안정된 파지를 할 수

있다

그리퍼의 링크 시스템에 있어서 2 링크 손가락보다 3 링크 손가락을 쓸 때가

링크와 수평 평면이 이루는 각 (A)이 더 커지기 때문에 안정성이 더 좋다는 것

을 알 수 있다 그리고 안정성뿐만 아니라 식 (4-1)을 통하여 문체에 전해지는

Torque 값을 Fig 4-2 와 같이 그래프로 나타내면 0 도에서 75 도 정도까지는 A 각

이 커질수록 물체에 가해지는 토크 값이 점점 커지는 것을 알 수 있음으로 3 링

크 손가락을 쓰는 것이 파지력 증가됨을 알수 있다 ℓ3 의 길이가 길어질수록 A

가 작은 값을 가져서 정밀파지에 적당하지 않다

τ l cosA sinA l 1 cos A tan μ (41)

A cosempty

(42)

Fig 4-1

은 식을 통

각이 커짐을

움이 있고

Fig4-

에서 제 2 코

통해 구할 수

을 알 수 있다

최소 단위를

Fig4

-1 Configurati

코사인 법칙

있는데 이로

다 그러나 ℓ

를 1cm 로 하

-2 Change the

- 38 -

ion of the fing

을 이용하여

로부터 링크

ℓ3 가 1cm 인

하였기 때문에

e value of the a

gers on robot g

여 A 의 각을

길이 ℓ3 가

인 경우는 너

에 ℓ3 는 2cm

angle of phage

gripper

구하기 위해

작으면 작을

무 짧아서 파

로 결정하였

torque

해 (2) 와 같

을수록 A 의

파지의 어려

였다

42 모터

(1) 알고

앞 절에

여야 한다

는 모터의

이 작은 모

나 용량이

로 적절한

선정 알고

고리즘 정의

에서 설명한 기

로봇 팔에

선정은 동작

모터를 사용하

큰 모터를 사

모터의 선정

고리즘

기구들을 추

움직임을 전

작을 구현하는

하게 되면 기

사용하게 되

정이 중요하다

Fig 4-3 M

- 39 -

추후 로봇 시스

전달함에 있어

는데 중요한

기구의 원활한

면 모터의 외

다

Motor Selectio

스템에 적용을

어서 동력을

과제가 되겠

한 작동이 어

외형이 커지

on Algorithm

을 고려하여

공급과 제어

겠다 만일 토

려워지고 단

고 가격 또한

설계를 하

어를 수행하

토크나 용량

단순히 토크

한 증가하므

- 40 -

(2) 알고리즘 수행

모터를 선정하기 위해서 가장 우선적으로 해야 할 일은 기계구동부분을 결

정하고 구동부분을 어떠한 방식으로 작동을 시킬지 동작 패턴을 결정하여야 한

다 예를 들면 모터에서 나오는 힘을 받아서 볼 스크류를 이용하여 힘을 전달할

것인지 벨트 피니언 기어 혹은 풀리 등을 이용할 것인지를 결정하고 그에 따

른 적절한 구동방식을 결정한다 구동방식을 결정하게 되면 각각의 구동방식에

적합한 수식을 대입하여 부하토크를 계산한다 구동방식에 따른 부하토크를 구

하는 수식은 구동방식이나 구동장소 등에 따라 다소 상이하나 일반적인 수식은

다음과 같다

-BALL SCREW 구동

T FP2πn

μ F P2π

1i N ∙ m 43

F F mg sin α μ cos α N 44

-PULLEY 구동

T ∙ 45

μF D

2i N ∙ m

- 41 -

-WIRE middot BELT 구동 RACK middot PINION 구동

T F2πn

∙ πDi

FD2ni

N ∙ m 46

F F mg sin α μ cos s N 47

-실측에 의한 방법

T 48

직선운동 (커플링 직결 볼스크류 등)의 경우 위의 (43) (44) 이용하여 구할

수 있다 이때 F 는 축방향하중 F0 는 예압하중 μ0는 예압 NUT 의 마찰계수 η 은

효율i 는 감속비 PB 는볼스크류 피치를 나타낸다 회전운동 (풀리)의 경우 식

(45)를 이용하여 구할 수 있으며 FA는 외력 FB는 부하중량 (주축이 회전하기 시

작할 때의 힘) m 은 work 와 TABLE 의 총무계 μ 접동면의 마찰계수α는 경사각

도D 는 풀리의 지름을 나타낸다

실제현장에서는 선정된 모터의 토크를 확인하기 위해 실측에 의한 구동토크

를 계측하는데 스프링 저울을 구동 풀리에 연결지어 측정한다 이때 TL 은 회전

운동 부하토크에 해당하고 FB 는 부하중량 D 는 풀리의 직경을 나타낸다

위의 부하토크를 구하는 식들을 이용하여 부하토크를 구하게 되면 실제 모

터를 사용할 때 어느 정도의 시간적 여유를 두고 가속을 할 것인지 감속을 할

것인지를 결정하여야 한다 이를 위해서 우선 동작시킬 부분에 대한 관성모멘트

를 계산하

Fig 4-4

시한 것으로

dA 와 기준

이를 표현하

하여야 한다

4 는 관성모멘

로 X 와 Y

준축으로 부터

하면 식 (49)

Fig 4-4 Arb

I

멘트를 구하기

는 면적의 미

터의 거리의

)와 같다

- 42 -

bitrary shape o

y dA I

기 위한 절대

미소 요소 dA

제곱의 곱으

of planar area

x dA

대좌표 X Y

A 의 좌표이

으로 단면 2

축 상의 미소

이고 관성모멘

차 모멘트라

49

소면적을 도

멘트는 요소

라고도 한다

평면 면

가 있다 평

축에 대한

Fig 4-5

하는 평행한

관성모멘

식 (410

번째 적분은

면적의 관성

평행축 정리란

관성 모멘트

5 과 같이 도

한 xy 축 두

멘트의 정의로

I y

0) 에서 우변

은 Xc 축에

Fig 4-5

모멘트에 있

란 도심축에

트 사이의 관

도심을 원점으

좌표계의 평

로부터 x 축

y d dA

변의 첫 번째

대한 1 차 모

- 43 -

5 Parallel-axis

있어서 중요하

대한 관성

계를 나타낸

으로 하는 Xc

평행한 축 간

축에 대한 관

y dA

적분은 Xc

모멘트로서 X

theorem

하고 유용한

모멘트와 도

낸다

cYc 축과 임의

간의 거리를 d

성모멘트 Ix

2d y dA

축에 대한 관

Xc 축이 도심

정리로서 평

도심축에 평행

의의 점 O 를

d1 과 d2 로 표

는 식(410)와

d dA

관성모멘트

심을 통과하므

평행축 정리

행한 임의의

를 원점으로

표시한다

와 같다

410

I 이다 두

므로 적분의

- 44 -

값은 0 이다 세번째 적분은 면적 A 그 자체이다 따라서 식 (410)은 식 (411)과

같이 간단해진다

I I Ad 411

y 축에 대한 관성모멘트도 위와 같은 방법에 의해 식(412)과 같다

I I Ad 412

또한 면적의 평면에 수직인 수직축에 대한 관성모멘트를 극관성모멘트라 한

다 Fig 4-6 는 평면에 수직이고 O 점을 통과하는 축에 대한 극관성모멘트를 나

타낸 그림으로 이를 관성모멘트 식으로 표현하면 식 (413) 와 같다

I ρ dA 413

식 (413)와

즉 평면에

서로 수직인

극 관성

와 도심 C

와 식 (414)에

I

수직인 축에

인 두 축에 대

성모멘트에 대

에 대한 극

Fig 4-6 Arb

의해 식 (4

ρ dA

I

에 대한 극관

대한 관성모

대한 평행축

극 관성모멘트

- 45 -

bitrary shape o

ρ x y

415) 식 (41

x y dA

I I I

관성모멘트는

멘트의 합과

정리는 Fig

트를 각각 I

of Polar Area

y

16)과 같은 관

x dA y

는 평면 내의

과 같다

4-5 에서 유

와 I 로

관계식을 얻을

y dA

같은 지점을

유도할 수 있

로 표시하면

414

을 수 있다

415

416

을 통과하는

있다 원점 O

식 (416)에

- 46 -

서 식(417)을 유도할 수 있다

I I I I I I 417

I I I I A d d 418

I I Ad 419

식 (419)는 극 관성모멘트에 대한 평행축 정리를 나타낸다 즉 평면 내의 임의

의 한 점 O 에 대한 면적의 극관성모멘트는 도심 C 에 대한 극관성모멘트에 그

면적과 점 O 와 C 사이의 거리의 제곱의 곱을 더한 것과 같다

이상의 식에서 부하토크와 관성모멘트를 계산하여 모터를 가 선정한다 부하토

크의 경우 사용될 모터의 정격 토크를 넘어서지 않는 것을 선정한다 부하토크

를 TL 정상 부하 상태의 힘 PL 극 관성모멘트 IL 회전운동을 위한 힘 Pa 각속

도 가속 시 소요되는 시간을 ta 라 하고 식 (420)을 이용하여 부하가 일정하

게 작용할 때의 힘을 계산한다 마찬가지로 관성모멘트를 식 (421)에 대입하여

가속을 위한 회전 운동 시 필요한 힘을 계산한다 식 (420)과 식 (421)에서 계

산된 힘을 합산하면 모터를 회전시키기 위해 필요한 출력이 계산된다 이때 계

산된 출력보다 실제 사용할 모터의 정격 출력이 1~2 배 정도가 되도록 모터를

가 선정한다

- 47 -

P T ω 420

P 421

위의 과정을 통하여 모터를 가선정하고 가감속 토크 및 구동 토크를 계산한

다 각각의 토크를 계산하게 되면 모터를 최종적으로 선정하게 되는데 두 가지

사항을 고려하여 최종 선정한다 먼저 식 (422)을 통해서 계산되는 가속 시 소

요되는 기동 토크 TM 가 모터의 최대 토크를 넘지 않는 것으로 선정한다

T 422

두 번째로 Fig 4-7 의 속도 선도와 같이 모터의 가 감속 시간과 정상 동작

시간 등을 결정하여 식 (423)과 같이 실효치 토크 TS 를 구하고 실효 토크가 모

터의 정격 토크보다 크지 않도록 선정한다

T 423

Fig 4-7 Exa

- 48 -

ample of veloc

city guidance

- 49 -

(3) 알고리즘 적용

로봇시스템에 있어서 기구들의 관성모멘트와 토크 계산 후 적합한 모터를

선정하기 위해 시중에서 시판되는 모터를 조사하였다 로봇에 적용 가능한 모터

로는 크게 서버모터와 스텝모터 RC 서버모터 DC 모터로 구분 할 수 있었다 이

를 TABLE 4-1 과 같이 정리하였다

동력원의 6 가지 선정요소 중 우선순위를 부여하여 분류했을 때 핸드 그리퍼

의 특성상 가볍고 토크가 큰 RC 서버 모터 미니 서버모터를 선택할 수 도 있지

만 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터 중 토크를 증가시킬 수 있는

감속기가 있는 타입의 모터를 우선시 하였다

1 감속비를 사양할 수 있는 모터를 선정하여 계산한 토크를 확인한다

2 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터를 선정한다

3 CLOSED LOOP 제어를 통하여 정확한 위치를 검출할 수 있어야 한다

따라서 스텝모터중 lsquoOrsquo사의 ldquoαSTEPrdquo가 적합하다고 판단되어 모터를 선정하였다

- 50 -

TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics

미니서버모터 RC 서버모터 스텝모터 DC 모터

장점 동일사양대비 모터

중 10배정도 큰 토크

5v사용가벼움

정확한 위치제어

급격한 부하변동급가

속 유리

저렴한가격

보편화됨

단점 정지시 진동이 예상 약한 토크 THRUST하중이 모터

무계 이하여야 한다

유지보수가 잦다

크기 151588mm(10w20w)

2525111mm(30w)

392038mm 424234mm Oslash37mm917mm

동작전압 Dc 24V Dc 48V60V Dc 24V Dc 24V

무계 230g~400g 56g 150g 200g

허용토크 009Nm~03Nm 11~13kgfcm 18kgfcm (018Nm) 47kgfcm(1200)

감속기 다양한 감속비 가능 고정 감속기 감속기 무(072˚036) 다양한 감속비

제조사 야스카와 SGMM 하이텍 HS-5945 AUTONICS GCM 3429A

TABLE 4-2 αstep motor characteristics

외형 전압 전류 무계 토크 감속비 분해능

αSTEP 282884mm

4242127mm Dc24V 1~37A 250G 2~28 Nmiddotm 50~1001

00072pluse

00036pluse

- 51 -

43 1 차 능동형 그리퍼 설계

실린더를 사용하여 링크로 물체를 파지하던 그리퍼는 Fig 4-8 과 Fig 4-9 에

묘사하였다 이런 실린더를 사용한 그리퍼는 공압 효과를 도출할 수 있는 별도

의 펌프가 필요하고 동작을 구현할 수 있는 자유도를 증가시키는데 한계가 있

다 이런 실린더의 단점을 보완하고 전기모터의 장점을 사용하기 위해 웜기어와

웜휠 방식을 채택하여 2 자유도 능동형 그리퍼를 설계하였다

1 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-10 에 묘사하였으며 1 차설계한

능동형 그리퍼는 Two Fingertip Grasp 로 칭하겠다 파지한 물체를 회전 시키는

기능은 베벨기어를 사용하여 회전운동으로 구현하였고 실린더의 전middot후진 운동

을 전기모터의 회전운동으로 변환 시키기 위하여 웜기어와 웜휨을 선택하였다

전기모터에 의해 회전하는 운동은 웜기어와 웜휠에 의해 링크를 사용하여 물체

를 파지하였던 그리퍼와 동일한 운동효과를 가지게 되었다

웜기어와 웜휠을 사용하여 물체를 파지하는 능동형 그리퍼는 스윙형으로 설

계되었으며 파지력을 높이기 위한 각도를 적용하였다 링크를 사용하여 물체를

파지하는 형태의 그리퍼보다 기구의 크기를 줄일 수 있는 장점이 있는 반면 기

어들의 백래시에 의한 오차가 끝단에 누적될 수 있는 문제점을 가지고 있다또

한 기구부의 소재 변경으로 그리퍼의 무계를 줄일 수 도 있지만 가장 큰 무계

를 차지하는 모터를 그리퍼 자체에서 분리하게 할 수 있게 하려면 그리퍼 자체

의 구조변경이 필요하다

`

`

Fig 4-8 Par

Fig 4-9 Par

- 52 -

rallel-link gra

rallel-link gra

sps system 1

sps system 2

Fig 4-10

- 53 -

0 Two fingertipps grasp system

- 54 -

44 2 차 능동형 그리퍼 설계

1 차 설계한 능동형 그리퍼에서 발견된 문제점을 보안하기 위하여 2 차 능동

형 그리퍼를 설계하였다 2 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-11 에 묘사

하였으며 2 차설계한 능동형 그리퍼는 Four Fingertip Grasp 로 칭하겠다 이 장치

는 크게 동력원 동력 전달장치 핑거 그립장치로 구성되어있으며 이를 통합하

여 Fig 4-12 에 나타내었다

핑거 그립장치는 스윙형 그립의 단점을 보완하여 설계하였다 물체를 파지할

때 그립의 회전 반경이 주위 환경요소와 간섭을 발생시킬 수 있는데핑거가 전

진할때 샤프트와 핑거그립간의 나사결합형태를 통한 직선운동으로 개선하여 주

위환경요소에 영향을 주지 않도록 설계하였다 구동축의 핑거파지 메카니즘을

Fig 4-13 와 같이 간략화 하였고 이에 대한 세부 도면은 Fig 4-14 로 나타내었다

4 조 핑거 그립의 나사산과 테이퍼진 스크류축은 나사식으로 결합되며 상호

작용에 의해 점차 중심점으로 이동하여 물체를 파지하는 형태이다 사용된 2 개

의 샤프트는 중공축으로 설계하였으며 외부 샤프트는 4 조 핑거가 물체를 파지

하여 비트는 모션을 구현하는데 사용되었다 내부 샤프트는 핑거를 중심점으로

전진시켜는 기능을 수행한다 중공축으로 설계한 내부 샤프트는 차후 개발될 인

스트리먼트의 탈부착을 손쉽게 할수있도록 구현하였고 4 조로 설계된 핑거는 그

립시 인스트리먼트의 응력집중현상을 분산시키는 기능과 2 조로 그립하였을때

보다 안정적인 그립감을 형성한다

- 55 -

동력원과 동력전달장치는 Fig 4-15 에 나타내었으며 Two Fingertip Grasp system

의 문제점이었던 구동부의 모터의 설치 방법을 외부에 부착하는 형태로 변경하

여 우레탄 밸트를 사용하였다 또한 아이들러를 사용하여 밸트의 방향을 변경

하여 모터의 부착위치를 자유롭게 설정할 수 있도록 하였고 모터 브라켓에 슬

리브 홈을 설치하여 벨트의 장력을 조절할 수 있도록 하였다

Fig4-11

Fig4-12 Fou

- 56 -

Four fingertip

ur fingertips g

ps grasp system

grasp system la

m

ayout

Fig 4-13

Fig 4-14

- 57 -

Fingertip gra

4 Fingertip gr

asps mechanis

rasps extended

m

d

Fig 4-15

- 58 -

5 Power transmission devicce

- 59 -

제 5장 결 론

본 연구에서는 MIS 수술 로봇을 위한 햅틱 마스터장치 구동용 능동형 그리

퍼를 설계하기 위하여 그에 상응하는 자료 및 문헌 조사를 수행하였고 햅틱 마

스터에 적용 가능한 능동형 그리퍼를 설계하여 로봇 시스템의 초안을 구성하였

다 수술용 도구를 단순히 잡아주는 역할에서 벗어나 시스템에 추가적인 자유도

를 부여함으로써 그리퍼를 표현하였다 단순화된 그리퍼는 보다 저렴한 가격으

로 생산될 수 있으며 기존 로봇 수술시스템의 높은 비용을 절감할 수 있는 효

과를 가져올 수 있다

최종적으로 제안한 설계 안으로는 2 조 핑거그립를 사용하는 전기모터형 그

리퍼 와 추가적으로 개선한 4 조 전기모터형 핑거그립를 설계였다 스윙형 그립

의 단점을 보안하여 집중응력을 분산할 수 있는 구조로 설계하였고 그리퍼의

무계를 줄일 수 있는 방법을 제시하였다 이로써 원통형 도구 파지 시 안정성이

향상되었고 보다 원활하게 수술 도구를 교체 가능하도록 하였다

앞으로 촉감을 전달할 수 있는 센서의 개발로 햅틱 디바이스 인터페이스 장

치의 활용에 보다 높은 기여를 할 것이라 예상된다

-６０-

참고 문헌

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• 제1장 서 론
• • 11 연구배경 및 연구목적
  • 12 연구내용
  • • 제2장 로봇 산업의 기술 현황
    • • 21 로봇산업의 동향
      • 22 의료용 로봇기술 현황
      • 23 의료용 로봇시장 전망
      • • 제3장 능동 그리퍼
        • • 31 최소침습 수술 햅틱 장치구현에 필요한 능동 그리퍼 제안
          • 32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류
          • 33 파지형태에 의한 그리퍼의 분류
          • 34 메카니컬 핸드의 구속기능
          • 35 대표적인 동력원의 특징
          • • 제4장 능동형 그리퍼 설계
            • • 41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정
              • 42 모터 선정 알고리즘
              • • 43 1 차 능동형 그리퍼 설계
                • 44 2 차 능동형 그리퍼 설계
                • • 제 5 장 결론
                  • 참고문헌
                  • TABLE 2-1 Domestic robot classification
                  • TABLE 2-2 Robot Production Company
                  • TABLE 3-1 Characteristics of power sources
                  • TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics
                  • TABLE 4-2 αSTEP Motor Characteristics
                  • Fig2-1 Phase of medical robots in the robot industry
                  • Fig2-2 Da Vinci surgical case number
                  • Fig3-1 Da Vinci robot system for MIS
                  • Fig3-2 Classified by the gripper grip action
                  • Fig3-3 Swing-type hand mechanism
                  • Fig3-4 Hand mechanism for translational type1 (parallel displacement)
                  • Fig3-5 Hand mechanism for translational type2 (Rack and pinion type)
                  • Fig3-6 Hand mechanism for three point pinch type
                  • Fig3-7 Movement of object
                  • Fig3-8 Contacts of the kind and the confining
                  • Fig3-9 Human Arm structure
                  • Fig4-1 Configuration of the fingers on robot gripper
                  • Fig4-2 Change the value of the angle of phage torque
                  • Fig4-3 Motor Selection Algorithm
                  • Fig4-4 Arbitrary Shape of Planar Area
                  • Fig4-5 Parallel-Axis Theorem
                  • Fig4-6 Arbitrary Shape of Polar Area
                  • Fig4-7 Example of Velocity Guidance
                  • Fig4-8 Parallel-link Grasp system 1
                  • Fig4-9 Parallel-link Grasp system 2
                  • Fig4-10 TWO Fingertip Grasp system
                  • Fig4-11 Four Fingertip Grasp System
                  • Fig4-12 Four Fingertip Grasp System layout
                  • Fig4-13 Fingertip Grasp Mechanism
                  • Fig4-14 Fingertip Grasp extended
                  • Fig4-15 Power Transmission Device

- 15 -

나 로보닥

로봇이 외과적 기계로써 임상적으로 처음 국내에서 적용된 것은 1992 년 lsquo로

보닥rsquo이라는 의료용 로봇이다 미국에서 개발된 로보닥은 인공관절이 삽입될 환

자의 뼈를 로봇으로 가공해서 수술 성공률을 획기적으로 높였다 두꺼운 뼈를

정확한 형상으로 깎아내는 작업에는 CADCAM 자료에 따라 작동하는 로봇 팔

이 숙련된 외과의사를 간단히 능가했다 로보닥은 한국과 EU 의 판매승인을 획

득했고 결국 인공관절수술의 대세를 장악했다 세계적으로 8000 회 이상의 수술

이 로보닥을 이용하여 성공적으로 수행되었으며 2001년 FDA의 승인을 받기도

하였다

2002 년 국내 처음으로 로보닥이 도입된 이래로 이춘택 병원은 현재까지

2556 회라는 경이적인 수술건수를 기록하였다 그는 최소침습수술과 접목하여

로봇의 정밀성과 최소 절개기술을 결합시킴으로써 환자의 고통과 재활 기간을

크게 줄였다 그러나 로보닥의 가격은 무려 17 억 원이며 3 차원 영상까지 구현

하기 위해서는 10 억 원 상당의 멀티 CT 까지 도입해야만 한다 그렇기 때문에

소규모의 관절전문병원이 도입하기에는 다소 무리한 점이 있다 이러한 상황에

서 이춘택은 국내시장에 맞는 로봇개발을 위해 국산 부품 및 소프트웨어를 개

발 중에 있다 따라서 우리나라도 고령화 사회를 맞아 세계적으로 관절 수술이

급증하고 있는 상황에서 국내 기술로 만든 수술용 로봇이나 소프트웨어 개발은

국내 의료용 로봇시장의 활성화를 이룰 수 있다

- 16 -

23 의료용 로봇시장 전망

(1) 로봇산업 전망

로봇 분야별 세계시장 정세를 살펴보면 제조업용 로봇은 시장안전화 단계로

써 급격한 시장변화는 어려우며 신규 생산설비 및 기존 설비에 따른 수요가 대

부분 차지하고 있는 실정이다 개인서비스용 로봇은 가족구조의 핵가족화와 고

령화 현상으로 인한 가족인원으로서의 가정용 로봇에 대한 수요가 증가 추세에

있다 전문서비스용 로봇은 생산국과 생산기업이 극히 제한되어 있으며 제품가

격의 고가로 인해 시장형성에 있어서 생산국과 수요국이 불일치하고 있는 실정

이다 이러한 상황에서 로봇시장의 국가별 점유율을 살펴보면 일본 (28) 미국

(18) 독일 (16) 이탈리아 (10) 한국 (3)의 순으로 세계 5 위를 차지하고

있다 이와 같이 산업용 로봇의 경우는 우리나라의 세계적인 위상이 높지만 아

직까지 전문 서비스 분야 로봇에 대한 세계적인 위상은 미비하다

시장규모 전망과 국내 세계시장 점유율에 대한 전망은 다음과 같다 세계 로

봇시장의 규모는 2010 년에는 247억 5 백만 달러에서 2020년에는 717억 7 천만

달러에 이를 것으로 보고 있으며 연평균 107의 증가율을 예상하고 있다 분

야별로는 제조업용 로봇은 2010 년 세계시장의 114에서 2020 년 144의 비중

을 차지할 것으로 전망하고 있으며 전문서비스용 로봇은 2010 년 세계시장의

09에서 2020 년 21의 비중을 차지할 것으로 예상하고 있다 개인서비스용

- 17 -

로봇은 2010 년 30에서 2020 년 70 수준에 달할 것으로 보고 있다 비록 전

문 서비스용 로봇산업의 규모는 미국 일본 독일에 비해 미미한 실정이나 전문

서비스용 로봇의 신시장을 개척하고 그 만큼의 기술력이 밑받침된다면 2020 년

세계시장에서의 더 큰 비중의 달성이 이루어질 것으로 본다

(2) 의료용 로봇기술 전망

의료용 로봇시장의 성장은 의료용 로봇기술 개발산업의 성장과 밀접한 관계

가 있다 세계적인 개발추세로는 의료용 로봇개발 하드웨어 분야에서는 일본이

경쟁력이 가장 높으며 소프트웨어 분야에서는 미국이 앞서나가고 있다 또한

독일은 하드웨어 및 소프트웨어 분야에서 동시에 상당한 연구 개발 능력을 보

유하고 있다 앞으로는 이 세 나라가 의료용 로봇 시장의 핵심 주자로 나설 것

으로 예상된다

산업연구원 (2007) 조사에 따르면 국내 로봇산업의 기술은 기술항목에 따라

다소 차이를 보이고 있으나 제조업용 로봇의 경우는 최고 기술 보유국 대비 평

균 85 정도에 육박하고 있으며 전문서비스용 로봇의 경우는 80 정도 개인서비

스용 로봇은 84 정도에 이르고 있는 것으로 나타났다 의료용 로봇 분야에서는

선두주자인 미국의 기술력을 100 이라고 봤을 때 현재 우리나라는 70 정도이며

2015년이 지나야 100 에 도달할 것으로 전망하였다 비록 의료용 로봇에서 세계

1위인 미국에 비해 우리는 아직 10년 이상 차이가 있지만 세계 최초로 국제 규

- 18 -

모의 로봇랜드 조성과 로봇펀드 발생 등 정부 차원에서의 노력이 여러 가지 방

면에서 다양하게 펼쳐지고 있기 때문에 그 격차는 점차 줄어들 것으로 예상된

다

또한 IFR (2006) 자료에 따르면 한국 산업용 로봇은 세계 5 위의 강국[16]인

데 비해 의료용 로봇에 있어서는 약소국이다 이는 의료용 로봇의 개발비가 많

이 드는데 비해 국내 시장은 극히 제한적이어서 일반 기업의 참여가 아주 저조

하기 때문이다 국내에서 의료용 로봇 관련 기술 개발은 아직 걸음마 단계에 머

물러 있으며 벤처기업 및 대기업들이 개발해 상용화시키고 있는 기술이나 제품

도 대부분이 생활 가전형 로봇에 한정되어 있을 뿐 의료용 로봇분야는 아직 미

개척지로 남아 있다 하지만 국내에서도 의료용 로봇 개발을 수행하기 위해 대

학이나 연구소 차원에서 의료용 로봇에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다 먼

저 한국과학기술원이 8 년 전 설치한 휴먼 웰페어 로보틱 서저리 센터가 대표

적인 연구기관이다 이 연구소에서는 거동이 불편한 환자들을 위한 휠체어의 자

동화 시스템이나 복강경 수술 로봇 등 로봇 수술용 기구의 국산화에 초점을 맞

춰 진행 중이다 또한 최근에는 국립암센터 역시 산업자원부로부터 수술용 로

봇과 영상시스템을 주제로 한 의료용 로봇 개발자로 선정되어 연구에 들어갔다

비록 국내 의료 및 수술 로봇 관련 기술이 일본 미국 등에 비해 아직까지

뒤쳐져 있는 실정이지만 국내에서도 의료용 로봇 기술 개발이 이처럼 활발히

진행되고 있어서 향후 전망은 매우 밝다고 할 수 있다 또한 해외에서 각광을

받고 있는 캡슐형 내시경 연구 역시 국내에서 벌써 10 년째 계속 되고 있다 최

- 19 -

근 한국과학기술연구원과 벤처기업인 인트로메딕이 개발한 세계 최소형 캡슐형

내시경인 미로캠 (MiroCam)은 2010 년까지 국내 캡슐형 내시경 시장의 80를

점유할 것으로 예상하고 있다 이러한 국산 의료용 로봇 개발을 통해 고부가가

치 시장인 세계 의료 시장에 뛰어들 수 있는 기반을 다졌다는 데에 큰 의미가

있다

전문 서비스용 로봇의 경우 제조업 로봇 관련 풍부한 경험을 바탕으로 전문

서비스용 로봇으로의 기술확대 메카트로닉스 (mechatronics) 관련 다양한 산업기

반과 세계적인 IT 인프라 보유국의 강점을 살리고 있다 또한 한국은 10 대 성

장동력간 연계 등을 통한 시너지 효과와 세계 전문서비스 로봇 시장이 초기형

성 단계임을 감안한다면 이 분야의 진출에 대한 절호의 기회이며 머지않아 의

료용 로봇 강국으로 진입할 수 있을 것으로 기대된다

- 20 -

제 3 장 능동 그리퍼

31 최소침습 수술 햅틱 장치 구현에 필요한 능동 그리퍼 제안

21 세기 로봇 기술 분야에서는 인간과 기계 시스템 간의 커뮤니케이션이 무

엇보다 중요하게 강조되며 이러한 인간과 기계 시스템의 의사소통은 주로 인간

의 감각 기관을 통해 이루어 진다 일반적으로 인간에게는 보고 듣고 냄새를

맡고 맛을 보고 피부로 느끼는 오감이 있으며 이러한 감각을 시각 청각 후

각 미각 촉각이라고 한다 따라서 이러한 인간의 감각에 정보를 전달하기 위

한 다양한 기계 시스템들이 개발되어 왔다 오감 중에서 현재 인간과 기계 시스

템간의 인터페이스 역할을 하는 표적인 감각으로는 사물을 보는 시각과 소리

를 듣는 청각이 주로 이용되고 있다 이를 위한 시스템들은 이미 상당한 수준으

로 발전해 현재 상용화 되어 활용되고 있다 하지만 이러한 시각과 청각 인터

페이스 만으로는 로봇의 제어에 한계가 있으며 오감 중에서 세 번째 감각인 촉

각에 한 인터페이스가 현재 활발히 연구 개척되고 있다 만약 가상현실에 촉

감 인터페이스가 적용된다면 기존의 시각과 청각에만 의존하던 가상 현실에 촉

감을 전달함으로써 실제 물건을 만지고 느낄 수 있으므로 가상현실을 보다 더

실감나게 할 수 있을 것이다 하지만 인간의 감각 중에서 촉각은 매우 민감한

감각으로 여기에 촉감 정보를 전달하는 인터페이스는 아직 많은 연구를 필요로

하고 있다

- 21 -

햅틱 (haptic)이란 단어의 사전적인 의미는 ldquoof or relating the sense of touch

tactilerdquo로써 물체를 만질 때 사람이 느낄 수 있는 촉각적 감각으로 피부가 물체

표면에 닿아서 느끼는 촉감 (tactile sensation)과 관절과 근육의 움직임이 방해 될

때 느껴지는 근 감각적인 힘 (kinesthetic force)의 두 가지 힘을 모두 합쳐서 부르

는 말이다 촉감 구현 연구는 물리적 장치를 이용하여 사람이 직접적인 접촉이

없이도 촉각 정보를 전달하는 방법에 관한 전반적인 연구 분야를 일컫는 말로

사람에게 원격지에 있는 물체의 물리적 특성을 전달하는 원격조작 혹은 원격현

장감에 관한 연구로부터 시작되었다 가상 혹은 실제 환경에서 촉감을 구현하기

위한 연구를 포괄적으로 의미하는 용어로 햅틱스 (haptics)라고 한다 주요 연구

분야는 사람이 직접 손에 쥐거나 착용하는 물리적 장치인 햅틱 디바이스 인터

페이스 (haptic interface) 가상 공간상의 물체에 기계적 성질을 부여하여 사실감

이 있는 상호작용을 제공하고자 하는 햅틱 렌더링 (haptic rendering) 사람의 촉

각 인지 특성에 관한 연구 (tactile perception) 등으로 나눌 수 있다 특히 햅틱

인터페이스 (haptic interface)는 햅틱 디바이스 (haptic device)라고도 불리우며 사람

에게 촉감을 전달하는 물리적인 장치를 말하며 더 넓은 의미로 사용하여 가상

의 환경을 촉감 전달을 통해서 느끼게 하는 시스템 전체를 가리키기도 한다 이

러한 햅틱 기술은 다양한 분야에서 활용될 수 있는데 표적인 분야로는 가상

현실 분야 인간-컴퓨터 인터페이스 분야 게임 등 사이버 커뮤니케이션 그리고

원격제어 로봇 등이 있다 특히 원격제어 로봇이 많이 활용되고 있는 의료 분

야에서 햅틱 구현은 매우 시급한 과제이다 현 의 수술은 점점 첨단의 수술 도

- 22 -

구와 로봇을 이용하여 집도되는 추세이며 최소침습수술 (minimally invasive

surgery MIS)이 그 표적인 예이다 이 수술법은 환부의 구멍에 수술도구와 카

메라를 삽입하여 집도의가 모니터를 보면서 시술함으로써 시술시간이 짧고 환

자의 회복이 빨라서 그 적용 범위가 점차 확 되고 있다 하지만 환자가 얻게

되는 이점에 반해 의사는 개복 수술에서 쉽게 이용하던 기술들을 더 이상 적용

할 수 없게 되어 집도에 있어 큰 어려움을 부담해야만 한다 즉 환자의 내부에

서 손의 움직임과 시야의 제약을 받게 되었고 손으로 환자의 장기나 뼈를 만지

고 상태를 확인할 수 없게 된 것이다 이러한 문제점들을 극복하기 위해 첨단의

의료용 로봇 시스템이 개발되었는데 의사 즉 오퍼레이터가 조작하는 마스터

(master) 로봇과 환자의 환부에서 수술을 진행하는 슬레이브 (slave) 로봇으로 구

분된다 슬레이브 로봇은 크게 수술 시 집도의 팔의 움직임을 구현하는 구동 암

(arm)과 수술도구를 홀딩 할 수 있는 그리퍼로 분류할 수 있다 구동 암의 움직

임은 수술 부위의 위치를 결정하면 별도 큰 움직임 없이 작동시킬 수 있으며

전달 수술 관통 수술이 아닌 경우에는 집도의가 느끼는 힘을 피드백 할 필요가

없다 하지만 그리퍼의 경우는 신체 일부분의 미세한 조직까지 전부 접촉해서

제거하거나 봉합하기 때문에 집도의가 수술 시 느끼는 힘을 구현하여야 보다

정밀한 수술을 수행할 수 있다 따라서 본 연구에서는 햅틱 장치가 적용된 마스

터 로봇과 마스터 로봇에서 형성된 힘을 느낄 수 있으며 원할한 수술을 진행할

수 있는 최소침습수술용 능동 그리퍼를 제안하겠다 Fig 3-1 은 상용 MIS 장치인

다빈치 로봇의 마스터와 슬레이브 그리고 그리퍼를 나타내고 있다

(a) sla

(b

Fig 3-1 da V

Operation Arm

Gripper

- 23 -

ave robot and g

b) master rob

Vinci robot sy

m

gripper

ot

stem for MIS

- 24 -

32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류

산업용 로봇은 그 기능 특성상 필요성에 의해 로봇의 말단부에 그리퍼를 부

착시킨다 이것은 인간의 손에 응되는 것으로서 메커니컬 핸드라고 칭하며 다

루는 상 물체를rdquo파지rdquo해 이동하는 목적으로 사용되는 도구이다

파지동작은 Fig 3-2 와 같이 세분화된다 인간의 손 손가락에는 많은 관절이

있으며 여러가지 작업이 가능하다 일상 생활에서의 붙잡기는 형식을 분류한 것

으로는 슐레징거의 12 형식이 있다 여기서 인간의 손에는 손가락이 있어서 그

것을 유지핸드라고 이름 붙이면 메커니컬 핸드에는 손가락이 없는 구성법이 있

는데 이것을 무지 핸드라고 이름 붙이기로 한다 이 무지 핸드는 기계적 물리적

으로 구조상 무지핸드로 한 것과 공구가 메커니컬 핸드와 일체화됐다고 생각하

는 공구 핸드가 있다 메커니컬 핸드를 분류해 보면 다음과 같다 진공이나 자

기 이용의 흡착 등 물리적 흡척형의 유지는 보통 평면(완만한 곡선도 포함)부를

흡착하는 형태로서 물체의 크기나 중량에 따라 여러 개가 설치되는 경우도 있

다 그러나 물체표면에 만곡부가 있는 경우나 구멍이나 공동이 있는 경우에는

적용할 수 없게 된다 또한 자력을 이용한 경우 철금속 재료를 다루게 되는데

경우에 따라서 매우 효율적이고 신뢰성이 높기는 하지만 물체에 잔류 자력이

남게 되는 문제점이 있다 받기형의 유지는 지지의 동작만을 가지고 있는 형태

이며 이는 전기한 흡착형 보다 적극적이 아니여서 약한 구속을 갖는다 변형하

기 쉬운 물체의 이송등에는 이를 채택한다 매달기형 유지는 중력 방향의 이동

1 자유도를 구속한다 잡기형 파지는 유연성에 의한 변형으로 접촉면적을 크게

하여 집는

상물을 외측

이용하는 등

33 파지형

파지 형

다 본 연구

하여 설명

(1) 두 손

형태이다 현

측에서 파지하

등의 파지방법

형태에 의한

형태로서는

구에서 사용할

명 하겠다

손가락 type

현재 많이 사

하거나 구멍

법이다

한 그리퍼의

상을 바깥에

할 메커니즘은

e

Fig 3-2 Cla

- 25 -

사용하고 있는

속에 손가락

의 분류

에서 파지하

은 바깥에서

assified by the

는 끼우기형

락을 넣은 후

는 것과 안에

파지하는 형

gripper grip ac

파지 형태는

후 벌려서 내

에서 파지하

형태가 유리하

ction

는 핸들링

내측사용면을

는 것이 있

하므로 이에

두 개의

상태를 유지

는 스윙형

안정되게 파

의 리지트한

지해서 개폐

핸드(swingin

파지하는 점에

손가락을 갖

되는 병진형

ng gripper)로

에서 병진형

(a) grinder c

(c

Fig 3-3 Sw

- 26 -

갖춘 것으로

핸드(transla

로 분류된다

보다 떨어진

crank

c) rotation joi

wing-type hand

실용례가 많

ational grippe

스윙형은 기

진다

(b) swing

int

d mechanism

많다 손가락이

er)와 그 방향

기구가 간단하

g block

이 상호평행

향이 변화하

하나 상이

병진형에

4 은 평행링

운동을 바꾸

에 회전시킴

로 유지되기

지된다 직

시키도록 한

가 전middot후진

피니온 방식

F

에서는 평행링

링크 방식의

꾸고 그 피니

킴으로써 손가

기 때문에 손

동형 신에

한 것도 있다

진하는 결점이

식이 채용된다

Fig 3-4 Hand

링크 랙middot피니

예로 직동형

니온 운동으로

가락 개폐를

손가락의 물체

에 회전형 액

다 평행링크를

이 있다 이문

다

mechanism fo

- 27 -

니온 나사이송

형 액추에이

로 평행링크의

얻는다 링크

체 파지면의

추에이터를

를 이용한 형

문제를 해결하

or translational

송 기구 등이

터의 운동을

의 하나의 링

크 PS 와 링

자세도 개폐

이용한 형식

형식은 개폐에

하는 방법으로

type1 (paralle

이 이용되고

랙과 피니온

링크 A 를 축

크 QR 은 항

폐 동작 중 일

식에서 평행링

에 의해서 손

로서 볼나사

el displacement

있다 Fig 3-

온으로 회전

축 P 의 주위

항상 평행으

일정하게 유

링크를 회전

손가락 위치

기구나 랙middot

nt)

Fig 3

는 핸드의

볼나사 기구

다

(2) 세 손

세 손가

가락으로 잡

F

-5 는 회전형

예이다볼나

구 각각을 손

손가락 type

가락을 가진 핸

잡는 것보다

Fig 3-5 Hand

형 액추에터로

나사 기구를 이

손가락에 부착

e

핸드에서는

안정된 파지

d mechanism fo

- 28 -

로 랙 피니온

이용하는 경

착 사라를 회

상을 3 점

지 동작을 할

or translational

온을 회전시킴

우에는 1

회전시킴으로

점에서 유지할

할 수 있다

l type2 (rack a

킴으로써 개폐

의 왼나사

써 개폐 동작

할수 있기 때

nd pinion type

폐동작을 하

오른나사의

작을 실현한

문에 두 손

e)

Fig 3-6

베벨기어를

구동해서 세

실현한 것

각 손가락을

복잡하며 중

6 은 세 손가

를 매개로 상

세 손가락을

이다 특히

을 개별 모터

중량도 증가하

Fig

락형 그리퍼

호 각도를 주

동작시킴으로

원통물체를

터로 구동하도

하기 때문에

3-6 Hand mec

- 29 -

의 일반적인

주어 결합한

로써 이른바

확실히 잡아

도록 한 3 지

실용례가 적

chanism for thr

인 형상을 나타

3 개의 볼

바 3 포인트 핀

아서 유지하

지형핸드도 개

적다

ree point pinch

타내고 있다

나사를 하나

핀치(three po

는데 유리하

개발되고 있으

h type

이 핸드는

나의 모터로

oint pinch)를

하다그 외에

으나기구가

34 메카니

(1) 구속

기계적

어서 형성되

전 구속 기

해서 언급하

으로 움직일

또 X Y 평

니컬 핸드의

속기능

구동장치에

되는 것으로

기능이 있다

하면 구속 상

일 수 있다

평면 X Y 면

의 구속기능

서 구속 형식

크게 나누어

그래서 핸드

상태의 물체는

이것을 물체

X Z 면상에

Fig 3-

- 30 -

능

식과 접촉 상

어서 반구속

드의 구속 기

는 Fig 3-7 와

체의 공전 (이

서 6 방향으

-7 Movement

상태와 포락

속 (받는 구속

기능을 결정하

와 같이 X Y

이동)에 관한

로 회전 한다

t of object

능력의 인자

속 는 구속

하는 물체의

Z 의 3 축상

6 동작 자유

다 이것을 물

자가 복합되

속)기능과 완

구속에

에서 6 방향

유도로 한다

물체의 자전

(회전)에 관

부여한 상태

행할 수 있

서는 회전의

핸드에

한 공간적

면 Fig 3-8

이 그림

를 구속한다

에서 7 자유

선접촉과 면

계수와 절선

(a

관한 6 동작

태에서 움직이

있다 또 완전

의 6 자유도를

의한 물체의

적인 포락 상

와 같이 된

(a)의 점접촉

다 그러나 1

유도를 구속

면접촉에는 각

선력법선력

a) point contac

Fig3

자유도로 한

이며 중력이

전 구속은 핸

를 무시하는

의 구속은 핸

상태로 정한다

다

촉은 접촉점

1 점접촉은 다

한다 (c)의

각각 마찰에

비와의 관계

ct (b

3-8 Contacts

- 31 -

한다 반구속은

이나 환경면의

드 자체로 1

경우도 적지

핸드와 물체의

다 먼저 접촉

방향의 1 자

다른 11 자유

면접촉은 11

위한 구속이

계로 구속불능

) line contact

of the kind an

은 12 자유도

의 구속을 받

12 자유도를

지 않다

의 접촉 상태

촉부의 구속

자유도를 구속

도를 구속할

1 자유도의 구

이 4 개와 6 개

능의 가능성을

nd the confini

도 중 몇 개의

아서 완전 구

행하는데 경

태 및 접촉부

능력을 모델

속한다 그러나

할 수 없다 (b

구속을 할 수

개 주어져 있

을 가진 구속

(c) surface co

ing

의 자유도를

구속으로 이

경우에 따라

부의 물체에

델로 나타내

나 1 자유도

b)는 선접촉

수 있다 단

있으며 마찰

속 성분이기

ontact

- 32 -

도 하다 또한 면접촉의 상태는 중력의 작용을 이용하면 받기를 형성하고 또

외계력을 이용하면 기를 형성한다

이들의 접촉상태는 물체의 형상과 핸드의 구속면으로 규정되는 것으로 핸드

만으로 결정하기는 어렵다 단 핸드의 구속면을 부드러운 재질로 형성하면 면

접촉의 이행이 용이하다 이와 같은 이유에서 물체에 접촉부가 포락도를 높이는

데에 따라서 물체 형상에 관계 없이 구속 능력을 증 시킬 수 있다

(2) 메커니컬 핸드의 자유도

로봇의 손은 그 용도를 불문하고 인간의 손 작업의 행을 목적으로 하는

것이므로 그 설계에 있어서 모델로 되는 것은 말할 것 도 없이 인간의 손이다

그래서 우선 기구에 하여 설명하기 전에 인간의 손의 구조 모델에 하여 설

명해 본다

AmiddotMorecki 에 의하면 인간의 상체는 그 해부학적 구조에 입각하면 Fig 3-9 와

같이 모델화할 수 있다 Fig 3-9 에서 숫자는 각각 골격 즉 링크를 나타내고 숫

자 II~ V 는 관절을 나타내고 있다 이와 같은 공간링크 기구의 자유도 F 는 가

동부수 n 자유도의 종류 f 를 가진 우 수를 Pf 라 하면 다음 식으로 나타낼

수 있다

6n sum ∙ P 12345 (3-1)

Fig 3-9

들 자유도가

을 Fig 3-9

P5=10 이므

인간의

유도 1 의

해 있으며

의 모델에서

가 있는 관절

9 와 같이 정

므로 위 식에

상지를 인공

액튜에이터를

22 개나 되

Fig 3

서는 n=19 P2

절에 작용하는

정의하고 그

서 FH=22 가

공적으로 정밀

를 27 필요

는 액튜에이

- 33 -

3-9 Human Ar

2=1 P3=2 P4

는 근군은 약

자유도 FH

가 된다

밀하게 재현하

요로 하게 된

터를 필요로

rm structure

4=6 P5=11 이

약 50 이라고

를 구하면

하려고 한다면

된다 또 손에

로 한다 그러

이므로 F=27

고 되어 있다

이 경우는 n

면 이상의 결

는 특히 자유

나 로봇의 손

이 된다 이

여기서 손

n=16 P4=6

결론에서 자

유도가 집중

손이 이만큼

- 34 -

의 수의 액튜에이터를 갖춘 것을 제작한다는 것은 크기 중량 제어면에서 볼

때 현시점에서는 불가능에 가깝다 특히 의수에 있어서는 상술한 바와 같은 형

상이나 조종성 등의 점에서 전혀 불가능하다고 해도 좋다 따라서 보통은 기능

에 주목하여 손에 집중해 있는 자유도의 간략화를 도모한다

인간의 잡기 동작에 주목해 보면 그 잡기 형상에는 12 종류가 있다고 하다

그러나 이것들은 엄지와 다른 12 종류가 있다고 한다 그러나 이것들은 엄지와

다른 4 손가락과의 관계에 주목하였을 때에 2 종류 즉 엄지가 다른 4 손가락과

항해서 동작하거나 그 측방에서 동작하는가로 분류할 수 있다 실제의 일상

동작에서 관찰하면 이들 중에서도 엄지와 손가락이 항해서 동작하는 소위 쥠

동작이 우선 첫 번째이고 또 다음에 엄지 검지 중지의 3 손가락의 선단으로

이루어지는 3Point Pinch 즉 잡기동작이 중요하다

더불어 손가락의 독립성에 해서는 역시 일상동작 중에서 손가락의 사용

빈도를 조사한 결과에 의하면 다섯 손가락은 반드시 독립적인 운동을 필요로

하지 않고 엄지 검지 중지가 같은 정도의 중요성을 자기며 다른 두 손가락은

사용 빈도에 있어서 이들 세 손가락보다 약 50 적으며 다른 세 손가락의 보

조 역할을 한다고 볼 수 있다 그리고 특히 중요한 것은 인간의 각 손가락은 잡

기 상물의 형상에 적응한 쥐기 즉 Passive 한 동작을 할 수 있다는 것이다 이

기능이 있다면 각 손가락이 독립적으로 동작하지 않더라도 또 다소 손의 자유

도를 제거하더라도 상물의 확실한 쥐기나 잡기 그리고 기타 손 작업에 큰 힘

을 발휘한다

- 35 -

34 표적인 동력원의 특징

동력원을 설계할 때 다음의 점을 고려하면서 가장 적합한 방식을 선택한다

1조작력(로보트가 내는 최 의 힘 예를들면 최 들어올린 힘)

2속응성(최 조작 속도)

3크기 중량(로보트의 크기와 중량의 제한)

4안정성(발열이나 과부하에 한 안전성)

5사용의 용이도

6수명가격

1 2 의 조작력 속응력은 로보트에 요구되는 성능에서 가장 기본적인 것인

데 이에 관련해서 크기나 중량의 제한 안정성 사용의 용이도 수명 가격 등을

고려해서 동력원을 선택한다 단 자주형 로보트에서는 2 차적 성능인 동력원의

중량이 첫째 요구 조건이 되는 경우가 많고 공업용 로보트에서는 저가격 사용

의 용이도 안전성이 중요 사항으로 우선시된다

모든 로봇은 동력원을 필요로한다 중요도에 따라 동력원을 선택해야 하는데

일반적으로 공기압식은 안전성이 뛰어난 반면 힘과 세밀한 위치제어가 어렵고

전기식은 응답성과 사용편리성 세밀한 위치제어가 가능하나 높은 힘을 내기 위

해서는 부가적인 기구부가 필요하다 유압식은 큰힘을 낼수있어서 속응성은 좋

으나 과부하시 상당한 발열이 있기 때문에 안전성에서 다른 동력원에 비해 떨

어진다 위 사항을 TABLE 3-1 로 분류하여 나타내었다

- 36 -

TABLE 3-1 Characteristics of power sources

전기식 유압식 공압식

사용용이성 편리하다 작동유의관리 관로의압력

필터관리에 유의

공급공기의 수분제거

윤활성의부가에 주의

수명 길다 기름에 윤활성이 있기

때문에 길다

공기에윤활성이 없어

유압 전기에 비해 짧다

가격 보통 가격 운영비 높음 저가격

응답속도

(반응성) 매우 빠르다 빠르다 늦다

하중능력 (소)에서 (중)정도의

하중능력 단히 큰 힘을 얻음 큰 힘은 없다

소음 적다 다소 크다 크다

- 37 -

제 4 장 능동형 그리퍼 설계

41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정

로봇 그리퍼의 정밀 파지 (Fingertip Grasp 손가락 끝을 이용하여 물체를 집

거나 바닥에누워있는 납작한 물체를 집는 행동)를 안정하게 하기 위해서는 손가

락 끝과 물체가 직각에 가까운 각도를 이룸으로 마찰력을 크게 하여 안정성을

높인다 또한 바닥에 놓인 물체를 집어 올릴 경우에도 물체표면의 법선 벡터와

손가락 끝의 각도가 클수록 물체를 효과적으로 구속하여 안정된 파지를 할 수

있다

그리퍼의 링크 시스템에 있어서 2 링크 손가락보다 3 링크 손가락을 쓸 때가

링크와 수평 평면이 이루는 각 (A)이 더 커지기 때문에 안정성이 더 좋다는 것

을 알 수 있다 그리고 안정성뿐만 아니라 식 (4-1)을 통하여 문체에 전해지는

Torque 값을 Fig 4-2 와 같이 그래프로 나타내면 0 도에서 75 도 정도까지는 A 각

이 커질수록 물체에 가해지는 토크 값이 점점 커지는 것을 알 수 있음으로 3 링

크 손가락을 쓰는 것이 파지력 증가됨을 알수 있다 ℓ3 의 길이가 길어질수록 A

가 작은 값을 가져서 정밀파지에 적당하지 않다

τ l cosA sinA l 1 cos A tan μ (41)

A cosempty

(42)

Fig 4-1

은 식을 통

각이 커짐을

움이 있고

Fig4-

에서 제 2 코

통해 구할 수

을 알 수 있다

최소 단위를

Fig4

-1 Configurati

코사인 법칙

있는데 이로

다 그러나 ℓ

를 1cm 로 하

-2 Change the

- 38 -

ion of the fing

을 이용하여

로부터 링크

ℓ3 가 1cm 인

하였기 때문에

e value of the a

gers on robot g

여 A 의 각을

길이 ℓ3 가

인 경우는 너

에 ℓ3 는 2cm

angle of phage

gripper

구하기 위해

작으면 작을

무 짧아서 파

로 결정하였

torque

해 (2) 와 같

을수록 A 의

파지의 어려

였다

42 모터

(1) 알고

앞 절에

여야 한다

는 모터의

이 작은 모

나 용량이

로 적절한

선정 알고

고리즘 정의

에서 설명한 기

로봇 팔에

선정은 동작

모터를 사용하

큰 모터를 사

모터의 선정

고리즘

기구들을 추

움직임을 전

작을 구현하는

하게 되면 기

사용하게 되

정이 중요하다

Fig 4-3 M

- 39 -

추후 로봇 시스

전달함에 있어

는데 중요한

기구의 원활한

면 모터의 외

다

Motor Selectio

스템에 적용을

어서 동력을

과제가 되겠

한 작동이 어

외형이 커지

on Algorithm

을 고려하여

공급과 제어

겠다 만일 토

려워지고 단

고 가격 또한

설계를 하

어를 수행하

토크나 용량

단순히 토크

한 증가하므

- 40 -

(2) 알고리즘 수행

모터를 선정하기 위해서 가장 우선적으로 해야 할 일은 기계구동부분을 결

정하고 구동부분을 어떠한 방식으로 작동을 시킬지 동작 패턴을 결정하여야 한

다 예를 들면 모터에서 나오는 힘을 받아서 볼 스크류를 이용하여 힘을 전달할

것인지 벨트 피니언 기어 혹은 풀리 등을 이용할 것인지를 결정하고 그에 따

른 적절한 구동방식을 결정한다 구동방식을 결정하게 되면 각각의 구동방식에

적합한 수식을 대입하여 부하토크를 계산한다 구동방식에 따른 부하토크를 구

하는 수식은 구동방식이나 구동장소 등에 따라 다소 상이하나 일반적인 수식은

다음과 같다

-BALL SCREW 구동

T FP2πn

μ F P2π

1i N ∙ m 43

F F mg sin α μ cos α N 44

-PULLEY 구동

T ∙ 45

μF D

2i N ∙ m

- 41 -

-WIRE middot BELT 구동 RACK middot PINION 구동

T F2πn

∙ πDi

FD2ni

N ∙ m 46

F F mg sin α μ cos s N 47

-실측에 의한 방법

T 48

직선운동 (커플링 직결 볼스크류 등)의 경우 위의 (43) (44) 이용하여 구할

수 있다 이때 F 는 축방향하중 F0 는 예압하중 μ0는 예압 NUT 의 마찰계수 η 은

효율i 는 감속비 PB 는볼스크류 피치를 나타낸다 회전운동 (풀리)의 경우 식

(45)를 이용하여 구할 수 있으며 FA는 외력 FB는 부하중량 (주축이 회전하기 시

작할 때의 힘) m 은 work 와 TABLE 의 총무계 μ 접동면의 마찰계수α는 경사각

도D 는 풀리의 지름을 나타낸다

실제현장에서는 선정된 모터의 토크를 확인하기 위해 실측에 의한 구동토크

를 계측하는데 스프링 저울을 구동 풀리에 연결지어 측정한다 이때 TL 은 회전

운동 부하토크에 해당하고 FB 는 부하중량 D 는 풀리의 직경을 나타낸다

위의 부하토크를 구하는 식들을 이용하여 부하토크를 구하게 되면 실제 모

터를 사용할 때 어느 정도의 시간적 여유를 두고 가속을 할 것인지 감속을 할

것인지를 결정하여야 한다 이를 위해서 우선 동작시킬 부분에 대한 관성모멘트

를 계산하

Fig 4-4

시한 것으로

dA 와 기준

이를 표현하

하여야 한다

4 는 관성모멘

로 X 와 Y

준축으로 부터

하면 식 (49)

Fig 4-4 Arb

I

멘트를 구하기

는 면적의 미

터의 거리의

)와 같다

- 42 -

bitrary shape o

y dA I

기 위한 절대

미소 요소 dA

제곱의 곱으

of planar area

x dA

대좌표 X Y

A 의 좌표이

으로 단면 2

축 상의 미소

이고 관성모멘

차 모멘트라

49

소면적을 도

멘트는 요소

라고도 한다

평면 면

가 있다 평

축에 대한

Fig 4-5

하는 평행한

관성모멘

식 (410

번째 적분은

면적의 관성

평행축 정리란

관성 모멘트

5 과 같이 도

한 xy 축 두

멘트의 정의로

I y

0) 에서 우변

은 Xc 축에

Fig 4-5

모멘트에 있

란 도심축에

트 사이의 관

도심을 원점으

좌표계의 평

로부터 x 축

y d dA

변의 첫 번째

대한 1 차 모

- 43 -

5 Parallel-axis

있어서 중요하

대한 관성

계를 나타낸

으로 하는 Xc

평행한 축 간

축에 대한 관

y dA

적분은 Xc

모멘트로서 X

theorem

하고 유용한

모멘트와 도

낸다

cYc 축과 임의

간의 거리를 d

성모멘트 Ix

2d y dA

축에 대한 관

Xc 축이 도심

정리로서 평

도심축에 평행

의의 점 O 를

d1 과 d2 로 표

는 식(410)와

d dA

관성모멘트

심을 통과하므

평행축 정리

행한 임의의

를 원점으로

표시한다

와 같다

410

I 이다 두

므로 적분의

- 44 -

값은 0 이다 세번째 적분은 면적 A 그 자체이다 따라서 식 (410)은 식 (411)과

같이 간단해진다

I I Ad 411

y 축에 대한 관성모멘트도 위와 같은 방법에 의해 식(412)과 같다

I I Ad 412

또한 면적의 평면에 수직인 수직축에 대한 관성모멘트를 극관성모멘트라 한

다 Fig 4-6 는 평면에 수직이고 O 점을 통과하는 축에 대한 극관성모멘트를 나

타낸 그림으로 이를 관성모멘트 식으로 표현하면 식 (413) 와 같다

I ρ dA 413

식 (413)와

즉 평면에

서로 수직인

극 관성

와 도심 C

와 식 (414)에

I

수직인 축에

인 두 축에 대

성모멘트에 대

에 대한 극

Fig 4-6 Arb

의해 식 (4

ρ dA

I

에 대한 극관

대한 관성모

대한 평행축

극 관성모멘트

- 45 -

bitrary shape o

ρ x y

415) 식 (41

x y dA

I I I

관성모멘트는

멘트의 합과

정리는 Fig

트를 각각 I

of Polar Area

y

16)과 같은 관

x dA y

는 평면 내의

과 같다

4-5 에서 유

와 I 로

관계식을 얻을

y dA

같은 지점을

유도할 수 있

로 표시하면

414

을 수 있다

415

416

을 통과하는

있다 원점 O

식 (416)에

- 46 -

서 식(417)을 유도할 수 있다

I I I I I I 417

I I I I A d d 418

I I Ad 419

식 (419)는 극 관성모멘트에 대한 평행축 정리를 나타낸다 즉 평면 내의 임의

의 한 점 O 에 대한 면적의 극관성모멘트는 도심 C 에 대한 극관성모멘트에 그

면적과 점 O 와 C 사이의 거리의 제곱의 곱을 더한 것과 같다

이상의 식에서 부하토크와 관성모멘트를 계산하여 모터를 가 선정한다 부하토

크의 경우 사용될 모터의 정격 토크를 넘어서지 않는 것을 선정한다 부하토크

를 TL 정상 부하 상태의 힘 PL 극 관성모멘트 IL 회전운동을 위한 힘 Pa 각속

도 가속 시 소요되는 시간을 ta 라 하고 식 (420)을 이용하여 부하가 일정하

게 작용할 때의 힘을 계산한다 마찬가지로 관성모멘트를 식 (421)에 대입하여

가속을 위한 회전 운동 시 필요한 힘을 계산한다 식 (420)과 식 (421)에서 계

산된 힘을 합산하면 모터를 회전시키기 위해 필요한 출력이 계산된다 이때 계

산된 출력보다 실제 사용할 모터의 정격 출력이 1~2 배 정도가 되도록 모터를

가 선정한다

- 47 -

P T ω 420

P 421

위의 과정을 통하여 모터를 가선정하고 가감속 토크 및 구동 토크를 계산한

다 각각의 토크를 계산하게 되면 모터를 최종적으로 선정하게 되는데 두 가지

사항을 고려하여 최종 선정한다 먼저 식 (422)을 통해서 계산되는 가속 시 소

요되는 기동 토크 TM 가 모터의 최대 토크를 넘지 않는 것으로 선정한다

T 422

두 번째로 Fig 4-7 의 속도 선도와 같이 모터의 가 감속 시간과 정상 동작

시간 등을 결정하여 식 (423)과 같이 실효치 토크 TS 를 구하고 실효 토크가 모

터의 정격 토크보다 크지 않도록 선정한다

T 423

Fig 4-7 Exa

- 48 -

ample of veloc

city guidance

- 49 -

(3) 알고리즘 적용

로봇시스템에 있어서 기구들의 관성모멘트와 토크 계산 후 적합한 모터를

선정하기 위해 시중에서 시판되는 모터를 조사하였다 로봇에 적용 가능한 모터

로는 크게 서버모터와 스텝모터 RC 서버모터 DC 모터로 구분 할 수 있었다 이

를 TABLE 4-1 과 같이 정리하였다

동력원의 6 가지 선정요소 중 우선순위를 부여하여 분류했을 때 핸드 그리퍼

의 특성상 가볍고 토크가 큰 RC 서버 모터 미니 서버모터를 선택할 수 도 있지

만 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터 중 토크를 증가시킬 수 있는

감속기가 있는 타입의 모터를 우선시 하였다

1 감속비를 사양할 수 있는 모터를 선정하여 계산한 토크를 확인한다

2 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터를 선정한다

3 CLOSED LOOP 제어를 통하여 정확한 위치를 검출할 수 있어야 한다

따라서 스텝모터중 lsquoOrsquo사의 ldquoαSTEPrdquo가 적합하다고 판단되어 모터를 선정하였다

- 50 -

TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics

미니서버모터 RC 서버모터 스텝모터 DC 모터

장점 동일사양대비 모터

중 10배정도 큰 토크

5v사용가벼움

정확한 위치제어

급격한 부하변동급가

속 유리

저렴한가격

보편화됨

단점 정지시 진동이 예상 약한 토크 THRUST하중이 모터

무계 이하여야 한다

유지보수가 잦다

크기 151588mm(10w20w)

2525111mm(30w)

392038mm 424234mm Oslash37mm917mm

동작전압 Dc 24V Dc 48V60V Dc 24V Dc 24V

무계 230g~400g 56g 150g 200g

허용토크 009Nm~03Nm 11~13kgfcm 18kgfcm (018Nm) 47kgfcm(1200)

감속기 다양한 감속비 가능 고정 감속기 감속기 무(072˚036) 다양한 감속비

제조사 야스카와 SGMM 하이텍 HS-5945 AUTONICS GCM 3429A

TABLE 4-2 αstep motor characteristics

외형 전압 전류 무계 토크 감속비 분해능

αSTEP 282884mm

4242127mm Dc24V 1~37A 250G 2~28 Nmiddotm 50~1001

00072pluse

00036pluse

- 51 -

43 1 차 능동형 그리퍼 설계

실린더를 사용하여 링크로 물체를 파지하던 그리퍼는 Fig 4-8 과 Fig 4-9 에

묘사하였다 이런 실린더를 사용한 그리퍼는 공압 효과를 도출할 수 있는 별도

의 펌프가 필요하고 동작을 구현할 수 있는 자유도를 증가시키는데 한계가 있

다 이런 실린더의 단점을 보완하고 전기모터의 장점을 사용하기 위해 웜기어와

웜휠 방식을 채택하여 2 자유도 능동형 그리퍼를 설계하였다

1 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-10 에 묘사하였으며 1 차설계한

능동형 그리퍼는 Two Fingertip Grasp 로 칭하겠다 파지한 물체를 회전 시키는

기능은 베벨기어를 사용하여 회전운동으로 구현하였고 실린더의 전middot후진 운동

을 전기모터의 회전운동으로 변환 시키기 위하여 웜기어와 웜휨을 선택하였다

전기모터에 의해 회전하는 운동은 웜기어와 웜휠에 의해 링크를 사용하여 물체

를 파지하였던 그리퍼와 동일한 운동효과를 가지게 되었다

웜기어와 웜휠을 사용하여 물체를 파지하는 능동형 그리퍼는 스윙형으로 설

계되었으며 파지력을 높이기 위한 각도를 적용하였다 링크를 사용하여 물체를

파지하는 형태의 그리퍼보다 기구의 크기를 줄일 수 있는 장점이 있는 반면 기

어들의 백래시에 의한 오차가 끝단에 누적될 수 있는 문제점을 가지고 있다또

한 기구부의 소재 변경으로 그리퍼의 무계를 줄일 수 도 있지만 가장 큰 무계

를 차지하는 모터를 그리퍼 자체에서 분리하게 할 수 있게 하려면 그리퍼 자체

의 구조변경이 필요하다

`

`

Fig 4-8 Par

Fig 4-9 Par

- 52 -

rallel-link gra

rallel-link gra

sps system 1

sps system 2

Fig 4-10

- 53 -

0 Two fingertipps grasp system

- 54 -

44 2 차 능동형 그리퍼 설계

1 차 설계한 능동형 그리퍼에서 발견된 문제점을 보안하기 위하여 2 차 능동

형 그리퍼를 설계하였다 2 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-11 에 묘사

하였으며 2 차설계한 능동형 그리퍼는 Four Fingertip Grasp 로 칭하겠다 이 장치

는 크게 동력원 동력 전달장치 핑거 그립장치로 구성되어있으며 이를 통합하

여 Fig 4-12 에 나타내었다

핑거 그립장치는 스윙형 그립의 단점을 보완하여 설계하였다 물체를 파지할

때 그립의 회전 반경이 주위 환경요소와 간섭을 발생시킬 수 있는데핑거가 전

진할때 샤프트와 핑거그립간의 나사결합형태를 통한 직선운동으로 개선하여 주

위환경요소에 영향을 주지 않도록 설계하였다 구동축의 핑거파지 메카니즘을

Fig 4-13 와 같이 간략화 하였고 이에 대한 세부 도면은 Fig 4-14 로 나타내었다

4 조 핑거 그립의 나사산과 테이퍼진 스크류축은 나사식으로 결합되며 상호

작용에 의해 점차 중심점으로 이동하여 물체를 파지하는 형태이다 사용된 2 개

의 샤프트는 중공축으로 설계하였으며 외부 샤프트는 4 조 핑거가 물체를 파지

하여 비트는 모션을 구현하는데 사용되었다 내부 샤프트는 핑거를 중심점으로

전진시켜는 기능을 수행한다 중공축으로 설계한 내부 샤프트는 차후 개발될 인

스트리먼트의 탈부착을 손쉽게 할수있도록 구현하였고 4 조로 설계된 핑거는 그

립시 인스트리먼트의 응력집중현상을 분산시키는 기능과 2 조로 그립하였을때

보다 안정적인 그립감을 형성한다

- 55 -

동력원과 동력전달장치는 Fig 4-15 에 나타내었으며 Two Fingertip Grasp system

의 문제점이었던 구동부의 모터의 설치 방법을 외부에 부착하는 형태로 변경하

여 우레탄 밸트를 사용하였다 또한 아이들러를 사용하여 밸트의 방향을 변경

하여 모터의 부착위치를 자유롭게 설정할 수 있도록 하였고 모터 브라켓에 슬

리브 홈을 설치하여 벨트의 장력을 조절할 수 있도록 하였다

Fig4-11

Fig4-12 Fou

- 56 -

Four fingertip

ur fingertips g

ps grasp system

grasp system la

m

ayout

Fig 4-13

Fig 4-14

- 57 -

Fingertip gra

4 Fingertip gr

asps mechanis

rasps extended

m

d

Fig 4-15

- 58 -

5 Power transmission devicce

- 59 -

제 5장 결 론

본 연구에서는 MIS 수술 로봇을 위한 햅틱 마스터장치 구동용 능동형 그리

퍼를 설계하기 위하여 그에 상응하는 자료 및 문헌 조사를 수행하였고 햅틱 마

스터에 적용 가능한 능동형 그리퍼를 설계하여 로봇 시스템의 초안을 구성하였

다 수술용 도구를 단순히 잡아주는 역할에서 벗어나 시스템에 추가적인 자유도

를 부여함으로써 그리퍼를 표현하였다 단순화된 그리퍼는 보다 저렴한 가격으

로 생산될 수 있으며 기존 로봇 수술시스템의 높은 비용을 절감할 수 있는 효

과를 가져올 수 있다

최종적으로 제안한 설계 안으로는 2 조 핑거그립를 사용하는 전기모터형 그

리퍼 와 추가적으로 개선한 4 조 전기모터형 핑거그립를 설계였다 스윙형 그립

의 단점을 보안하여 집중응력을 분산할 수 있는 구조로 설계하였고 그리퍼의

무계를 줄일 수 있는 방법을 제시하였다 이로써 원통형 도구 파지 시 안정성이

향상되었고 보다 원활하게 수술 도구를 교체 가능하도록 하였다

앞으로 촉감을 전달할 수 있는 센서의 개발로 햅틱 디바이스 인터페이스 장

치의 활용에 보다 높은 기여를 할 것이라 예상된다

-６０-

참고 문헌

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정보 및 제어부분 PP68~7020084

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PP49~5420084

[3] 편집부 ldquo수술지원로봇의 최신 기술 동향rdquo월간 자동화 기술 22(12)

PP74~77200612

[4] 경기욱박준석 ldquo햅틱스 기술개발 동향 및 연구전망rdquo전자통신경향분석

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[5] 권동수경기욱 ldquo의료용 로봇의 연구 현황과 전망rdquo기계저널

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한국정밀공학회 2009년 추계학술대회 논문집

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[9] 이재훈김형욱이병주서일홍 ldquo새로운 6자유도 병렬형 햅틱 기구의 최적설

계 및 해석rdquo한국정밀공학회 2003년 추계학술대회 논문집

[10] 조국훈이재훈이병주김희국 ldquo병렬형 그리퍼 메카니즘rdquo한국정밀공학회지

[11] 김갑순 ldquo3축 힘센서를 이용한 지능형 그리퍼 개발rdquo한국정밀공학회지 제

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[12] 고대성김성목김희국이병주 ldquo병진형 자유도와 1자유도 파지기능을 가지는

4자유도 병렬 메커니즘의 기구학분석rdquo한국정밀공학회 2007년 추계학술대회

• 제1장 서 론
• • 11 연구배경 및 연구목적
  • 12 연구내용
  • • 제2장 로봇 산업의 기술 현황
    • • 21 로봇산업의 동향
      • 22 의료용 로봇기술 현황
      • 23 의료용 로봇시장 전망
      • • 제3장 능동 그리퍼
        • • 31 최소침습 수술 햅틱 장치구현에 필요한 능동 그리퍼 제안
          • 32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류
          • 33 파지형태에 의한 그리퍼의 분류
          • 34 메카니컬 핸드의 구속기능
          • 35 대표적인 동력원의 특징
          • • 제4장 능동형 그리퍼 설계
            • • 41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정
              • 42 모터 선정 알고리즘
              • • 43 1 차 능동형 그리퍼 설계
                • 44 2 차 능동형 그리퍼 설계
                • • 제 5 장 결론
                  • 참고문헌
                  • TABLE 2-1 Domestic robot classification
                  • TABLE 2-2 Robot Production Company
                  • TABLE 3-1 Characteristics of power sources
                  • TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics
                  • TABLE 4-2 αSTEP Motor Characteristics
                  • Fig2-1 Phase of medical robots in the robot industry
                  • Fig2-2 Da Vinci surgical case number
                  • Fig3-1 Da Vinci robot system for MIS
                  • Fig3-2 Classified by the gripper grip action
                  • Fig3-3 Swing-type hand mechanism
                  • Fig3-4 Hand mechanism for translational type1 (parallel displacement)
                  • Fig3-5 Hand mechanism for translational type2 (Rack and pinion type)
                  • Fig3-6 Hand mechanism for three point pinch type
                  • Fig3-7 Movement of object
                  • Fig3-8 Contacts of the kind and the confining
                  • Fig3-9 Human Arm structure
                  • Fig4-1 Configuration of the fingers on robot gripper
                  • Fig4-2 Change the value of the angle of phage torque
                  • Fig4-3 Motor Selection Algorithm
                  • Fig4-4 Arbitrary Shape of Planar Area
                  • Fig4-5 Parallel-Axis Theorem
                  • Fig4-6 Arbitrary Shape of Polar Area
                  • Fig4-7 Example of Velocity Guidance
                  • Fig4-8 Parallel-link Grasp system 1
                  • Fig4-9 Parallel-link Grasp system 2
                  • Fig4-10 TWO Fingertip Grasp system
                  • Fig4-11 Four Fingertip Grasp System
                  • Fig4-12 Four Fingertip Grasp System layout
                  • Fig4-13 Fingertip Grasp Mechanism
                  • Fig4-14 Fingertip Grasp extended
                  • Fig4-15 Power Transmission Device

- 16 -

23 의료용 로봇시장 전망

(1) 로봇산업 전망

로봇 분야별 세계시장 정세를 살펴보면 제조업용 로봇은 시장안전화 단계로

써 급격한 시장변화는 어려우며 신규 생산설비 및 기존 설비에 따른 수요가 대

부분 차지하고 있는 실정이다 개인서비스용 로봇은 가족구조의 핵가족화와 고

령화 현상으로 인한 가족인원으로서의 가정용 로봇에 대한 수요가 증가 추세에

있다 전문서비스용 로봇은 생산국과 생산기업이 극히 제한되어 있으며 제품가

격의 고가로 인해 시장형성에 있어서 생산국과 수요국이 불일치하고 있는 실정

이다 이러한 상황에서 로봇시장의 국가별 점유율을 살펴보면 일본 (28) 미국

(18) 독일 (16) 이탈리아 (10) 한국 (3)의 순으로 세계 5 위를 차지하고

있다 이와 같이 산업용 로봇의 경우는 우리나라의 세계적인 위상이 높지만 아

직까지 전문 서비스 분야 로봇에 대한 세계적인 위상은 미비하다

시장규모 전망과 국내 세계시장 점유율에 대한 전망은 다음과 같다 세계 로

봇시장의 규모는 2010 년에는 247억 5 백만 달러에서 2020년에는 717억 7 천만

달러에 이를 것으로 보고 있으며 연평균 107의 증가율을 예상하고 있다 분

야별로는 제조업용 로봇은 2010 년 세계시장의 114에서 2020 년 144의 비중

을 차지할 것으로 전망하고 있으며 전문서비스용 로봇은 2010 년 세계시장의

09에서 2020 년 21의 비중을 차지할 것으로 예상하고 있다 개인서비스용

- 17 -

로봇은 2010 년 30에서 2020 년 70 수준에 달할 것으로 보고 있다 비록 전

문 서비스용 로봇산업의 규모는 미국 일본 독일에 비해 미미한 실정이나 전문

서비스용 로봇의 신시장을 개척하고 그 만큼의 기술력이 밑받침된다면 2020 년

세계시장에서의 더 큰 비중의 달성이 이루어질 것으로 본다

(2) 의료용 로봇기술 전망

의료용 로봇시장의 성장은 의료용 로봇기술 개발산업의 성장과 밀접한 관계

가 있다 세계적인 개발추세로는 의료용 로봇개발 하드웨어 분야에서는 일본이

경쟁력이 가장 높으며 소프트웨어 분야에서는 미국이 앞서나가고 있다 또한

독일은 하드웨어 및 소프트웨어 분야에서 동시에 상당한 연구 개발 능력을 보

유하고 있다 앞으로는 이 세 나라가 의료용 로봇 시장의 핵심 주자로 나설 것

으로 예상된다

산업연구원 (2007) 조사에 따르면 국내 로봇산업의 기술은 기술항목에 따라

다소 차이를 보이고 있으나 제조업용 로봇의 경우는 최고 기술 보유국 대비 평

균 85 정도에 육박하고 있으며 전문서비스용 로봇의 경우는 80 정도 개인서비

스용 로봇은 84 정도에 이르고 있는 것으로 나타났다 의료용 로봇 분야에서는

선두주자인 미국의 기술력을 100 이라고 봤을 때 현재 우리나라는 70 정도이며

2015년이 지나야 100 에 도달할 것으로 전망하였다 비록 의료용 로봇에서 세계

1위인 미국에 비해 우리는 아직 10년 이상 차이가 있지만 세계 최초로 국제 규

- 18 -

모의 로봇랜드 조성과 로봇펀드 발생 등 정부 차원에서의 노력이 여러 가지 방

면에서 다양하게 펼쳐지고 있기 때문에 그 격차는 점차 줄어들 것으로 예상된

다

또한 IFR (2006) 자료에 따르면 한국 산업용 로봇은 세계 5 위의 강국[16]인

데 비해 의료용 로봇에 있어서는 약소국이다 이는 의료용 로봇의 개발비가 많

이 드는데 비해 국내 시장은 극히 제한적이어서 일반 기업의 참여가 아주 저조

하기 때문이다 국내에서 의료용 로봇 관련 기술 개발은 아직 걸음마 단계에 머

물러 있으며 벤처기업 및 대기업들이 개발해 상용화시키고 있는 기술이나 제품

도 대부분이 생활 가전형 로봇에 한정되어 있을 뿐 의료용 로봇분야는 아직 미

개척지로 남아 있다 하지만 국내에서도 의료용 로봇 개발을 수행하기 위해 대

학이나 연구소 차원에서 의료용 로봇에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다 먼

저 한국과학기술원이 8 년 전 설치한 휴먼 웰페어 로보틱 서저리 센터가 대표

적인 연구기관이다 이 연구소에서는 거동이 불편한 환자들을 위한 휠체어의 자

동화 시스템이나 복강경 수술 로봇 등 로봇 수술용 기구의 국산화에 초점을 맞

춰 진행 중이다 또한 최근에는 국립암센터 역시 산업자원부로부터 수술용 로

봇과 영상시스템을 주제로 한 의료용 로봇 개발자로 선정되어 연구에 들어갔다

비록 국내 의료 및 수술 로봇 관련 기술이 일본 미국 등에 비해 아직까지

뒤쳐져 있는 실정이지만 국내에서도 의료용 로봇 기술 개발이 이처럼 활발히

진행되고 있어서 향후 전망은 매우 밝다고 할 수 있다 또한 해외에서 각광을

받고 있는 캡슐형 내시경 연구 역시 국내에서 벌써 10 년째 계속 되고 있다 최

- 19 -

근 한국과학기술연구원과 벤처기업인 인트로메딕이 개발한 세계 최소형 캡슐형

내시경인 미로캠 (MiroCam)은 2010 년까지 국내 캡슐형 내시경 시장의 80를

점유할 것으로 예상하고 있다 이러한 국산 의료용 로봇 개발을 통해 고부가가

치 시장인 세계 의료 시장에 뛰어들 수 있는 기반을 다졌다는 데에 큰 의미가

있다

전문 서비스용 로봇의 경우 제조업 로봇 관련 풍부한 경험을 바탕으로 전문

서비스용 로봇으로의 기술확대 메카트로닉스 (mechatronics) 관련 다양한 산업기

반과 세계적인 IT 인프라 보유국의 강점을 살리고 있다 또한 한국은 10 대 성

장동력간 연계 등을 통한 시너지 효과와 세계 전문서비스 로봇 시장이 초기형

성 단계임을 감안한다면 이 분야의 진출에 대한 절호의 기회이며 머지않아 의

료용 로봇 강국으로 진입할 수 있을 것으로 기대된다

- 20 -

제 3 장 능동 그리퍼

31 최소침습 수술 햅틱 장치 구현에 필요한 능동 그리퍼 제안

21 세기 로봇 기술 분야에서는 인간과 기계 시스템 간의 커뮤니케이션이 무

엇보다 중요하게 강조되며 이러한 인간과 기계 시스템의 의사소통은 주로 인간

의 감각 기관을 통해 이루어 진다 일반적으로 인간에게는 보고 듣고 냄새를

맡고 맛을 보고 피부로 느끼는 오감이 있으며 이러한 감각을 시각 청각 후

각 미각 촉각이라고 한다 따라서 이러한 인간의 감각에 정보를 전달하기 위

한 다양한 기계 시스템들이 개발되어 왔다 오감 중에서 현재 인간과 기계 시스

템간의 인터페이스 역할을 하는 표적인 감각으로는 사물을 보는 시각과 소리

를 듣는 청각이 주로 이용되고 있다 이를 위한 시스템들은 이미 상당한 수준으

로 발전해 현재 상용화 되어 활용되고 있다 하지만 이러한 시각과 청각 인터

페이스 만으로는 로봇의 제어에 한계가 있으며 오감 중에서 세 번째 감각인 촉

각에 한 인터페이스가 현재 활발히 연구 개척되고 있다 만약 가상현실에 촉

감 인터페이스가 적용된다면 기존의 시각과 청각에만 의존하던 가상 현실에 촉

감을 전달함으로써 실제 물건을 만지고 느낄 수 있으므로 가상현실을 보다 더

실감나게 할 수 있을 것이다 하지만 인간의 감각 중에서 촉각은 매우 민감한

감각으로 여기에 촉감 정보를 전달하는 인터페이스는 아직 많은 연구를 필요로

하고 있다

- 21 -

햅틱 (haptic)이란 단어의 사전적인 의미는 ldquoof or relating the sense of touch

tactilerdquo로써 물체를 만질 때 사람이 느낄 수 있는 촉각적 감각으로 피부가 물체

표면에 닿아서 느끼는 촉감 (tactile sensation)과 관절과 근육의 움직임이 방해 될

때 느껴지는 근 감각적인 힘 (kinesthetic force)의 두 가지 힘을 모두 합쳐서 부르

는 말이다 촉감 구현 연구는 물리적 장치를 이용하여 사람이 직접적인 접촉이

없이도 촉각 정보를 전달하는 방법에 관한 전반적인 연구 분야를 일컫는 말로

사람에게 원격지에 있는 물체의 물리적 특성을 전달하는 원격조작 혹은 원격현

장감에 관한 연구로부터 시작되었다 가상 혹은 실제 환경에서 촉감을 구현하기

위한 연구를 포괄적으로 의미하는 용어로 햅틱스 (haptics)라고 한다 주요 연구

분야는 사람이 직접 손에 쥐거나 착용하는 물리적 장치인 햅틱 디바이스 인터

페이스 (haptic interface) 가상 공간상의 물체에 기계적 성질을 부여하여 사실감

이 있는 상호작용을 제공하고자 하는 햅틱 렌더링 (haptic rendering) 사람의 촉

각 인지 특성에 관한 연구 (tactile perception) 등으로 나눌 수 있다 특히 햅틱

인터페이스 (haptic interface)는 햅틱 디바이스 (haptic device)라고도 불리우며 사람

에게 촉감을 전달하는 물리적인 장치를 말하며 더 넓은 의미로 사용하여 가상

의 환경을 촉감 전달을 통해서 느끼게 하는 시스템 전체를 가리키기도 한다 이

러한 햅틱 기술은 다양한 분야에서 활용될 수 있는데 표적인 분야로는 가상

현실 분야 인간-컴퓨터 인터페이스 분야 게임 등 사이버 커뮤니케이션 그리고

원격제어 로봇 등이 있다 특히 원격제어 로봇이 많이 활용되고 있는 의료 분

야에서 햅틱 구현은 매우 시급한 과제이다 현 의 수술은 점점 첨단의 수술 도

- 22 -

구와 로봇을 이용하여 집도되는 추세이며 최소침습수술 (minimally invasive

surgery MIS)이 그 표적인 예이다 이 수술법은 환부의 구멍에 수술도구와 카

메라를 삽입하여 집도의가 모니터를 보면서 시술함으로써 시술시간이 짧고 환

자의 회복이 빨라서 그 적용 범위가 점차 확 되고 있다 하지만 환자가 얻게

되는 이점에 반해 의사는 개복 수술에서 쉽게 이용하던 기술들을 더 이상 적용

할 수 없게 되어 집도에 있어 큰 어려움을 부담해야만 한다 즉 환자의 내부에

서 손의 움직임과 시야의 제약을 받게 되었고 손으로 환자의 장기나 뼈를 만지

고 상태를 확인할 수 없게 된 것이다 이러한 문제점들을 극복하기 위해 첨단의

의료용 로봇 시스템이 개발되었는데 의사 즉 오퍼레이터가 조작하는 마스터

(master) 로봇과 환자의 환부에서 수술을 진행하는 슬레이브 (slave) 로봇으로 구

분된다 슬레이브 로봇은 크게 수술 시 집도의 팔의 움직임을 구현하는 구동 암

(arm)과 수술도구를 홀딩 할 수 있는 그리퍼로 분류할 수 있다 구동 암의 움직

임은 수술 부위의 위치를 결정하면 별도 큰 움직임 없이 작동시킬 수 있으며

전달 수술 관통 수술이 아닌 경우에는 집도의가 느끼는 힘을 피드백 할 필요가

없다 하지만 그리퍼의 경우는 신체 일부분의 미세한 조직까지 전부 접촉해서

제거하거나 봉합하기 때문에 집도의가 수술 시 느끼는 힘을 구현하여야 보다

정밀한 수술을 수행할 수 있다 따라서 본 연구에서는 햅틱 장치가 적용된 마스

터 로봇과 마스터 로봇에서 형성된 힘을 느낄 수 있으며 원할한 수술을 진행할

수 있는 최소침습수술용 능동 그리퍼를 제안하겠다 Fig 3-1 은 상용 MIS 장치인

다빈치 로봇의 마스터와 슬레이브 그리고 그리퍼를 나타내고 있다

(a) sla

(b

Fig 3-1 da V

Operation Arm

Gripper

- 23 -

ave robot and g

b) master rob

Vinci robot sy

m

gripper

ot

stem for MIS

- 24 -

32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류

산업용 로봇은 그 기능 특성상 필요성에 의해 로봇의 말단부에 그리퍼를 부

착시킨다 이것은 인간의 손에 응되는 것으로서 메커니컬 핸드라고 칭하며 다

루는 상 물체를rdquo파지rdquo해 이동하는 목적으로 사용되는 도구이다

파지동작은 Fig 3-2 와 같이 세분화된다 인간의 손 손가락에는 많은 관절이

있으며 여러가지 작업이 가능하다 일상 생활에서의 붙잡기는 형식을 분류한 것

으로는 슐레징거의 12 형식이 있다 여기서 인간의 손에는 손가락이 있어서 그

것을 유지핸드라고 이름 붙이면 메커니컬 핸드에는 손가락이 없는 구성법이 있

는데 이것을 무지 핸드라고 이름 붙이기로 한다 이 무지 핸드는 기계적 물리적

으로 구조상 무지핸드로 한 것과 공구가 메커니컬 핸드와 일체화됐다고 생각하

는 공구 핸드가 있다 메커니컬 핸드를 분류해 보면 다음과 같다 진공이나 자

기 이용의 흡착 등 물리적 흡척형의 유지는 보통 평면(완만한 곡선도 포함)부를

흡착하는 형태로서 물체의 크기나 중량에 따라 여러 개가 설치되는 경우도 있

다 그러나 물체표면에 만곡부가 있는 경우나 구멍이나 공동이 있는 경우에는

적용할 수 없게 된다 또한 자력을 이용한 경우 철금속 재료를 다루게 되는데

경우에 따라서 매우 효율적이고 신뢰성이 높기는 하지만 물체에 잔류 자력이

남게 되는 문제점이 있다 받기형의 유지는 지지의 동작만을 가지고 있는 형태

이며 이는 전기한 흡착형 보다 적극적이 아니여서 약한 구속을 갖는다 변형하

기 쉬운 물체의 이송등에는 이를 채택한다 매달기형 유지는 중력 방향의 이동

1 자유도를 구속한다 잡기형 파지는 유연성에 의한 변형으로 접촉면적을 크게

하여 집는

상물을 외측

이용하는 등

33 파지형

파지 형

다 본 연구

하여 설명

(1) 두 손

형태이다 현

측에서 파지하

등의 파지방법

형태에 의한

형태로서는

구에서 사용할

명 하겠다

손가락 type

현재 많이 사

하거나 구멍

법이다

한 그리퍼의

상을 바깥에

할 메커니즘은

e

Fig 3-2 Cla

- 25 -

사용하고 있는

속에 손가락

의 분류

에서 파지하

은 바깥에서

assified by the

는 끼우기형

락을 넣은 후

는 것과 안에

파지하는 형

gripper grip ac

파지 형태는

후 벌려서 내

에서 파지하

형태가 유리하

ction

는 핸들링

내측사용면을

는 것이 있

하므로 이에

두 개의

상태를 유지

는 스윙형

안정되게 파

의 리지트한

지해서 개폐

핸드(swingin

파지하는 점에

손가락을 갖

되는 병진형

ng gripper)로

에서 병진형

(a) grinder c

(c

Fig 3-3 Sw

- 26 -

갖춘 것으로

핸드(transla

로 분류된다

보다 떨어진

crank

c) rotation joi

wing-type hand

실용례가 많

ational grippe

스윙형은 기

진다

(b) swing

int

d mechanism

많다 손가락이

er)와 그 방향

기구가 간단하

g block

이 상호평행

향이 변화하

하나 상이

병진형에

4 은 평행링

운동을 바꾸

에 회전시킴

로 유지되기

지된다 직

시키도록 한

가 전middot후진

피니온 방식

F

에서는 평행링

링크 방식의

꾸고 그 피니

킴으로써 손가

기 때문에 손

동형 신에

한 것도 있다

진하는 결점이

식이 채용된다

Fig 3-4 Hand

링크 랙middot피니

예로 직동형

니온 운동으로

가락 개폐를

손가락의 물체

에 회전형 액

다 평행링크를

이 있다 이문

다

mechanism fo

- 27 -

니온 나사이송

형 액추에이

로 평행링크의

얻는다 링크

체 파지면의

추에이터를

를 이용한 형

문제를 해결하

or translational

송 기구 등이

터의 운동을

의 하나의 링

크 PS 와 링

자세도 개폐

이용한 형식

형식은 개폐에

하는 방법으로

type1 (paralle

이 이용되고

랙과 피니온

링크 A 를 축

크 QR 은 항

폐 동작 중 일

식에서 평행링

에 의해서 손

로서 볼나사

el displacement

있다 Fig 3-

온으로 회전

축 P 의 주위

항상 평행으

일정하게 유

링크를 회전

손가락 위치

기구나 랙middot

nt)

Fig 3

는 핸드의

볼나사 기구

다

(2) 세 손

세 손가

가락으로 잡

F

-5 는 회전형

예이다볼나

구 각각을 손

손가락 type

가락을 가진 핸

잡는 것보다

Fig 3-5 Hand

형 액추에터로

나사 기구를 이

손가락에 부착

e

핸드에서는

안정된 파지

d mechanism fo

- 28 -

로 랙 피니온

이용하는 경

착 사라를 회

상을 3 점

지 동작을 할

or translational

온을 회전시킴

우에는 1

회전시킴으로

점에서 유지할

할 수 있다

l type2 (rack a

킴으로써 개폐

의 왼나사

써 개폐 동작

할수 있기 때

nd pinion type

폐동작을 하

오른나사의

작을 실현한

문에 두 손

e)

Fig 3-6

베벨기어를

구동해서 세

실현한 것

각 손가락을

복잡하며 중

6 은 세 손가

를 매개로 상

세 손가락을

이다 특히

을 개별 모터

중량도 증가하

Fig

락형 그리퍼

호 각도를 주

동작시킴으로

원통물체를

터로 구동하도

하기 때문에

3-6 Hand mec

- 29 -

의 일반적인

주어 결합한

로써 이른바

확실히 잡아

도록 한 3 지

실용례가 적

chanism for thr

인 형상을 나타

3 개의 볼

바 3 포인트 핀

아서 유지하

지형핸드도 개

적다

ree point pinch

타내고 있다

나사를 하나

핀치(three po

는데 유리하

개발되고 있으

h type

이 핸드는

나의 모터로

oint pinch)를

하다그 외에

으나기구가

34 메카니

(1) 구속

기계적

어서 형성되

전 구속 기

해서 언급하

으로 움직일

또 X Y 평

니컬 핸드의

속기능

구동장치에

되는 것으로

기능이 있다

하면 구속 상

일 수 있다

평면 X Y 면

의 구속기능

서 구속 형식

크게 나누어

그래서 핸드

상태의 물체는

이것을 물체

X Z 면상에

Fig 3-

- 30 -

능

식과 접촉 상

어서 반구속

드의 구속 기

는 Fig 3-7 와

체의 공전 (이

서 6 방향으

-7 Movement

상태와 포락

속 (받는 구속

기능을 결정하

와 같이 X Y

이동)에 관한

로 회전 한다

t of object

능력의 인자

속 는 구속

하는 물체의

Z 의 3 축상

6 동작 자유

다 이것을 물

자가 복합되

속)기능과 완

구속에

에서 6 방향

유도로 한다

물체의 자전

(회전)에 관

부여한 상태

행할 수 있

서는 회전의

핸드에

한 공간적

면 Fig 3-8

이 그림

를 구속한다

에서 7 자유

선접촉과 면

계수와 절선

(a

관한 6 동작

태에서 움직이

있다 또 완전

의 6 자유도를

의한 물체의

적인 포락 상

와 같이 된

(a)의 점접촉

다 그러나 1

유도를 구속

면접촉에는 각

선력법선력

a) point contac

Fig3

자유도로 한

이며 중력이

전 구속은 핸

를 무시하는

의 구속은 핸

상태로 정한다

다

촉은 접촉점

1 점접촉은 다

한다 (c)의

각각 마찰에

비와의 관계

ct (b

3-8 Contacts

- 31 -

한다 반구속은

이나 환경면의

드 자체로 1

경우도 적지

핸드와 물체의

다 먼저 접촉

방향의 1 자

다른 11 자유

면접촉은 11

위한 구속이

계로 구속불능

) line contact

of the kind an

은 12 자유도

의 구속을 받

12 자유도를

지 않다

의 접촉 상태

촉부의 구속

자유도를 구속

도를 구속할

1 자유도의 구

이 4 개와 6 개

능의 가능성을

nd the confini

도 중 몇 개의

아서 완전 구

행하는데 경

태 및 접촉부

능력을 모델

속한다 그러나

할 수 없다 (b

구속을 할 수

개 주어져 있

을 가진 구속

(c) surface co

ing

의 자유도를

구속으로 이

경우에 따라

부의 물체에

델로 나타내

나 1 자유도

b)는 선접촉

수 있다 단

있으며 마찰

속 성분이기

ontact

- 32 -

도 하다 또한 면접촉의 상태는 중력의 작용을 이용하면 받기를 형성하고 또

외계력을 이용하면 기를 형성한다

이들의 접촉상태는 물체의 형상과 핸드의 구속면으로 규정되는 것으로 핸드

만으로 결정하기는 어렵다 단 핸드의 구속면을 부드러운 재질로 형성하면 면

접촉의 이행이 용이하다 이와 같은 이유에서 물체에 접촉부가 포락도를 높이는

데에 따라서 물체 형상에 관계 없이 구속 능력을 증 시킬 수 있다

(2) 메커니컬 핸드의 자유도

로봇의 손은 그 용도를 불문하고 인간의 손 작업의 행을 목적으로 하는

것이므로 그 설계에 있어서 모델로 되는 것은 말할 것 도 없이 인간의 손이다

그래서 우선 기구에 하여 설명하기 전에 인간의 손의 구조 모델에 하여 설

명해 본다

AmiddotMorecki 에 의하면 인간의 상체는 그 해부학적 구조에 입각하면 Fig 3-9 와

같이 모델화할 수 있다 Fig 3-9 에서 숫자는 각각 골격 즉 링크를 나타내고 숫

자 II~ V 는 관절을 나타내고 있다 이와 같은 공간링크 기구의 자유도 F 는 가

동부수 n 자유도의 종류 f 를 가진 우 수를 Pf 라 하면 다음 식으로 나타낼

수 있다

6n sum ∙ P 12345 (3-1)

Fig 3-9

들 자유도가

을 Fig 3-9

P5=10 이므

인간의

유도 1 의

해 있으며

의 모델에서

가 있는 관절

9 와 같이 정

므로 위 식에

상지를 인공

액튜에이터를

22 개나 되

Fig 3

서는 n=19 P2

절에 작용하는

정의하고 그

서 FH=22 가

공적으로 정밀

를 27 필요

는 액튜에이

- 33 -

3-9 Human Ar

2=1 P3=2 P4

는 근군은 약

자유도 FH

가 된다

밀하게 재현하

요로 하게 된

터를 필요로

rm structure

4=6 P5=11 이

약 50 이라고

를 구하면

하려고 한다면

된다 또 손에

로 한다 그러

이므로 F=27

고 되어 있다

이 경우는 n

면 이상의 결

는 특히 자유

나 로봇의 손

이 된다 이

여기서 손

n=16 P4=6

결론에서 자

유도가 집중

손이 이만큼

- 34 -

의 수의 액튜에이터를 갖춘 것을 제작한다는 것은 크기 중량 제어면에서 볼

때 현시점에서는 불가능에 가깝다 특히 의수에 있어서는 상술한 바와 같은 형

상이나 조종성 등의 점에서 전혀 불가능하다고 해도 좋다 따라서 보통은 기능

에 주목하여 손에 집중해 있는 자유도의 간략화를 도모한다

인간의 잡기 동작에 주목해 보면 그 잡기 형상에는 12 종류가 있다고 하다

그러나 이것들은 엄지와 다른 12 종류가 있다고 한다 그러나 이것들은 엄지와

다른 4 손가락과의 관계에 주목하였을 때에 2 종류 즉 엄지가 다른 4 손가락과

항해서 동작하거나 그 측방에서 동작하는가로 분류할 수 있다 실제의 일상

동작에서 관찰하면 이들 중에서도 엄지와 손가락이 항해서 동작하는 소위 쥠

동작이 우선 첫 번째이고 또 다음에 엄지 검지 중지의 3 손가락의 선단으로

이루어지는 3Point Pinch 즉 잡기동작이 중요하다

더불어 손가락의 독립성에 해서는 역시 일상동작 중에서 손가락의 사용

빈도를 조사한 결과에 의하면 다섯 손가락은 반드시 독립적인 운동을 필요로

하지 않고 엄지 검지 중지가 같은 정도의 중요성을 자기며 다른 두 손가락은

사용 빈도에 있어서 이들 세 손가락보다 약 50 적으며 다른 세 손가락의 보

조 역할을 한다고 볼 수 있다 그리고 특히 중요한 것은 인간의 각 손가락은 잡

기 상물의 형상에 적응한 쥐기 즉 Passive 한 동작을 할 수 있다는 것이다 이

기능이 있다면 각 손가락이 독립적으로 동작하지 않더라도 또 다소 손의 자유

도를 제거하더라도 상물의 확실한 쥐기나 잡기 그리고 기타 손 작업에 큰 힘

을 발휘한다

- 35 -

34 표적인 동력원의 특징

동력원을 설계할 때 다음의 점을 고려하면서 가장 적합한 방식을 선택한다

1조작력(로보트가 내는 최 의 힘 예를들면 최 들어올린 힘)

2속응성(최 조작 속도)

3크기 중량(로보트의 크기와 중량의 제한)

4안정성(발열이나 과부하에 한 안전성)

5사용의 용이도

6수명가격

1 2 의 조작력 속응력은 로보트에 요구되는 성능에서 가장 기본적인 것인

데 이에 관련해서 크기나 중량의 제한 안정성 사용의 용이도 수명 가격 등을

고려해서 동력원을 선택한다 단 자주형 로보트에서는 2 차적 성능인 동력원의

중량이 첫째 요구 조건이 되는 경우가 많고 공업용 로보트에서는 저가격 사용

의 용이도 안전성이 중요 사항으로 우선시된다

모든 로봇은 동력원을 필요로한다 중요도에 따라 동력원을 선택해야 하는데

일반적으로 공기압식은 안전성이 뛰어난 반면 힘과 세밀한 위치제어가 어렵고

전기식은 응답성과 사용편리성 세밀한 위치제어가 가능하나 높은 힘을 내기 위

해서는 부가적인 기구부가 필요하다 유압식은 큰힘을 낼수있어서 속응성은 좋

으나 과부하시 상당한 발열이 있기 때문에 안전성에서 다른 동력원에 비해 떨

어진다 위 사항을 TABLE 3-1 로 분류하여 나타내었다

- 36 -

TABLE 3-1 Characteristics of power sources

전기식 유압식 공압식

사용용이성 편리하다 작동유의관리 관로의압력

필터관리에 유의

공급공기의 수분제거

윤활성의부가에 주의

수명 길다 기름에 윤활성이 있기

때문에 길다

공기에윤활성이 없어

유압 전기에 비해 짧다

가격 보통 가격 운영비 높음 저가격

응답속도

(반응성) 매우 빠르다 빠르다 늦다

하중능력 (소)에서 (중)정도의

하중능력 단히 큰 힘을 얻음 큰 힘은 없다

소음 적다 다소 크다 크다

- 37 -

제 4 장 능동형 그리퍼 설계

41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정

로봇 그리퍼의 정밀 파지 (Fingertip Grasp 손가락 끝을 이용하여 물체를 집

거나 바닥에누워있는 납작한 물체를 집는 행동)를 안정하게 하기 위해서는 손가

락 끝과 물체가 직각에 가까운 각도를 이룸으로 마찰력을 크게 하여 안정성을

높인다 또한 바닥에 놓인 물체를 집어 올릴 경우에도 물체표면의 법선 벡터와

손가락 끝의 각도가 클수록 물체를 효과적으로 구속하여 안정된 파지를 할 수

있다

그리퍼의 링크 시스템에 있어서 2 링크 손가락보다 3 링크 손가락을 쓸 때가

링크와 수평 평면이 이루는 각 (A)이 더 커지기 때문에 안정성이 더 좋다는 것

을 알 수 있다 그리고 안정성뿐만 아니라 식 (4-1)을 통하여 문체에 전해지는

Torque 값을 Fig 4-2 와 같이 그래프로 나타내면 0 도에서 75 도 정도까지는 A 각

이 커질수록 물체에 가해지는 토크 값이 점점 커지는 것을 알 수 있음으로 3 링

크 손가락을 쓰는 것이 파지력 증가됨을 알수 있다 ℓ3 의 길이가 길어질수록 A

가 작은 값을 가져서 정밀파지에 적당하지 않다

τ l cosA sinA l 1 cos A tan μ (41)

A cosempty

(42)

Fig 4-1

은 식을 통

각이 커짐을

움이 있고

Fig4-

에서 제 2 코

통해 구할 수

을 알 수 있다

최소 단위를

Fig4

-1 Configurati

코사인 법칙

있는데 이로

다 그러나 ℓ

를 1cm 로 하

-2 Change the

- 38 -

ion of the fing

을 이용하여

로부터 링크

ℓ3 가 1cm 인

하였기 때문에

e value of the a

gers on robot g

여 A 의 각을

길이 ℓ3 가

인 경우는 너

에 ℓ3 는 2cm

angle of phage

gripper

구하기 위해

작으면 작을

무 짧아서 파

로 결정하였

torque

해 (2) 와 같

을수록 A 의

파지의 어려

였다

42 모터

(1) 알고

앞 절에

여야 한다

는 모터의

이 작은 모

나 용량이

로 적절한

선정 알고

고리즘 정의

에서 설명한 기

로봇 팔에

선정은 동작

모터를 사용하

큰 모터를 사

모터의 선정

고리즘

기구들을 추

움직임을 전

작을 구현하는

하게 되면 기

사용하게 되

정이 중요하다

Fig 4-3 M

- 39 -

추후 로봇 시스

전달함에 있어

는데 중요한

기구의 원활한

면 모터의 외

다

Motor Selectio

스템에 적용을

어서 동력을

과제가 되겠

한 작동이 어

외형이 커지

on Algorithm

을 고려하여

공급과 제어

겠다 만일 토

려워지고 단

고 가격 또한

설계를 하

어를 수행하

토크나 용량

단순히 토크

한 증가하므

- 40 -

(2) 알고리즘 수행

모터를 선정하기 위해서 가장 우선적으로 해야 할 일은 기계구동부분을 결

정하고 구동부분을 어떠한 방식으로 작동을 시킬지 동작 패턴을 결정하여야 한

다 예를 들면 모터에서 나오는 힘을 받아서 볼 스크류를 이용하여 힘을 전달할

것인지 벨트 피니언 기어 혹은 풀리 등을 이용할 것인지를 결정하고 그에 따

른 적절한 구동방식을 결정한다 구동방식을 결정하게 되면 각각의 구동방식에

적합한 수식을 대입하여 부하토크를 계산한다 구동방식에 따른 부하토크를 구

하는 수식은 구동방식이나 구동장소 등에 따라 다소 상이하나 일반적인 수식은

다음과 같다

-BALL SCREW 구동

T FP2πn

μ F P2π

1i N ∙ m 43

F F mg sin α μ cos α N 44

-PULLEY 구동

T ∙ 45

μF D

2i N ∙ m

- 41 -

-WIRE middot BELT 구동 RACK middot PINION 구동

T F2πn

∙ πDi

FD2ni

N ∙ m 46

F F mg sin α μ cos s N 47

-실측에 의한 방법

T 48

직선운동 (커플링 직결 볼스크류 등)의 경우 위의 (43) (44) 이용하여 구할

수 있다 이때 F 는 축방향하중 F0 는 예압하중 μ0는 예압 NUT 의 마찰계수 η 은

효율i 는 감속비 PB 는볼스크류 피치를 나타낸다 회전운동 (풀리)의 경우 식

(45)를 이용하여 구할 수 있으며 FA는 외력 FB는 부하중량 (주축이 회전하기 시

작할 때의 힘) m 은 work 와 TABLE 의 총무계 μ 접동면의 마찰계수α는 경사각

도D 는 풀리의 지름을 나타낸다

실제현장에서는 선정된 모터의 토크를 확인하기 위해 실측에 의한 구동토크

를 계측하는데 스프링 저울을 구동 풀리에 연결지어 측정한다 이때 TL 은 회전

운동 부하토크에 해당하고 FB 는 부하중량 D 는 풀리의 직경을 나타낸다

위의 부하토크를 구하는 식들을 이용하여 부하토크를 구하게 되면 실제 모

터를 사용할 때 어느 정도의 시간적 여유를 두고 가속을 할 것인지 감속을 할

것인지를 결정하여야 한다 이를 위해서 우선 동작시킬 부분에 대한 관성모멘트

를 계산하

Fig 4-4

시한 것으로

dA 와 기준

이를 표현하

하여야 한다

4 는 관성모멘

로 X 와 Y

준축으로 부터

하면 식 (49)

Fig 4-4 Arb

I

멘트를 구하기

는 면적의 미

터의 거리의

)와 같다

- 42 -

bitrary shape o

y dA I

기 위한 절대

미소 요소 dA

제곱의 곱으

of planar area

x dA

대좌표 X Y

A 의 좌표이

으로 단면 2

축 상의 미소

이고 관성모멘

차 모멘트라

49

소면적을 도

멘트는 요소

라고도 한다

평면 면

가 있다 평

축에 대한

Fig 4-5

하는 평행한

관성모멘

식 (410

번째 적분은

면적의 관성

평행축 정리란

관성 모멘트

5 과 같이 도

한 xy 축 두

멘트의 정의로

I y

0) 에서 우변

은 Xc 축에

Fig 4-5

모멘트에 있

란 도심축에

트 사이의 관

도심을 원점으

좌표계의 평

로부터 x 축

y d dA

변의 첫 번째

대한 1 차 모

- 43 -

5 Parallel-axis

있어서 중요하

대한 관성

계를 나타낸

으로 하는 Xc

평행한 축 간

축에 대한 관

y dA

적분은 Xc

모멘트로서 X

theorem

하고 유용한

모멘트와 도

낸다

cYc 축과 임의

간의 거리를 d

성모멘트 Ix

2d y dA

축에 대한 관

Xc 축이 도심

정리로서 평

도심축에 평행

의의 점 O 를

d1 과 d2 로 표

는 식(410)와

d dA

관성모멘트

심을 통과하므

평행축 정리

행한 임의의

를 원점으로

표시한다

와 같다

410

I 이다 두

므로 적분의

- 44 -

값은 0 이다 세번째 적분은 면적 A 그 자체이다 따라서 식 (410)은 식 (411)과

같이 간단해진다

I I Ad 411

y 축에 대한 관성모멘트도 위와 같은 방법에 의해 식(412)과 같다

I I Ad 412

또한 면적의 평면에 수직인 수직축에 대한 관성모멘트를 극관성모멘트라 한

다 Fig 4-6 는 평면에 수직이고 O 점을 통과하는 축에 대한 극관성모멘트를 나

타낸 그림으로 이를 관성모멘트 식으로 표현하면 식 (413) 와 같다

I ρ dA 413

식 (413)와

즉 평면에

서로 수직인

극 관성

와 도심 C

와 식 (414)에

I

수직인 축에

인 두 축에 대

성모멘트에 대

에 대한 극

Fig 4-6 Arb

의해 식 (4

ρ dA

I

에 대한 극관

대한 관성모

대한 평행축

극 관성모멘트

- 45 -

bitrary shape o

ρ x y

415) 식 (41

x y dA

I I I

관성모멘트는

멘트의 합과

정리는 Fig

트를 각각 I

of Polar Area

y

16)과 같은 관

x dA y

는 평면 내의

과 같다

4-5 에서 유

와 I 로

관계식을 얻을

y dA

같은 지점을

유도할 수 있

로 표시하면

414

을 수 있다

415

416

을 통과하는

있다 원점 O

식 (416)에

- 46 -

서 식(417)을 유도할 수 있다

I I I I I I 417

I I I I A d d 418

I I Ad 419

식 (419)는 극 관성모멘트에 대한 평행축 정리를 나타낸다 즉 평면 내의 임의

의 한 점 O 에 대한 면적의 극관성모멘트는 도심 C 에 대한 극관성모멘트에 그

면적과 점 O 와 C 사이의 거리의 제곱의 곱을 더한 것과 같다

이상의 식에서 부하토크와 관성모멘트를 계산하여 모터를 가 선정한다 부하토

크의 경우 사용될 모터의 정격 토크를 넘어서지 않는 것을 선정한다 부하토크

를 TL 정상 부하 상태의 힘 PL 극 관성모멘트 IL 회전운동을 위한 힘 Pa 각속

도 가속 시 소요되는 시간을 ta 라 하고 식 (420)을 이용하여 부하가 일정하

게 작용할 때의 힘을 계산한다 마찬가지로 관성모멘트를 식 (421)에 대입하여

가속을 위한 회전 운동 시 필요한 힘을 계산한다 식 (420)과 식 (421)에서 계

산된 힘을 합산하면 모터를 회전시키기 위해 필요한 출력이 계산된다 이때 계

산된 출력보다 실제 사용할 모터의 정격 출력이 1~2 배 정도가 되도록 모터를

가 선정한다

- 47 -

P T ω 420

P 421

위의 과정을 통하여 모터를 가선정하고 가감속 토크 및 구동 토크를 계산한

다 각각의 토크를 계산하게 되면 모터를 최종적으로 선정하게 되는데 두 가지

사항을 고려하여 최종 선정한다 먼저 식 (422)을 통해서 계산되는 가속 시 소

요되는 기동 토크 TM 가 모터의 최대 토크를 넘지 않는 것으로 선정한다

T 422

두 번째로 Fig 4-7 의 속도 선도와 같이 모터의 가 감속 시간과 정상 동작

시간 등을 결정하여 식 (423)과 같이 실효치 토크 TS 를 구하고 실효 토크가 모

터의 정격 토크보다 크지 않도록 선정한다

T 423

Fig 4-7 Exa

- 48 -

ample of veloc

city guidance

- 49 -

(3) 알고리즘 적용

로봇시스템에 있어서 기구들의 관성모멘트와 토크 계산 후 적합한 모터를

선정하기 위해 시중에서 시판되는 모터를 조사하였다 로봇에 적용 가능한 모터

로는 크게 서버모터와 스텝모터 RC 서버모터 DC 모터로 구분 할 수 있었다 이

를 TABLE 4-1 과 같이 정리하였다

동력원의 6 가지 선정요소 중 우선순위를 부여하여 분류했을 때 핸드 그리퍼

의 특성상 가볍고 토크가 큰 RC 서버 모터 미니 서버모터를 선택할 수 도 있지

만 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터 중 토크를 증가시킬 수 있는

감속기가 있는 타입의 모터를 우선시 하였다

1 감속비를 사양할 수 있는 모터를 선정하여 계산한 토크를 확인한다

2 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터를 선정한다

3 CLOSED LOOP 제어를 통하여 정확한 위치를 검출할 수 있어야 한다

따라서 스텝모터중 lsquoOrsquo사의 ldquoαSTEPrdquo가 적합하다고 판단되어 모터를 선정하였다

- 50 -

TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics

미니서버모터 RC 서버모터 스텝모터 DC 모터

장점 동일사양대비 모터

중 10배정도 큰 토크

5v사용가벼움

정확한 위치제어

급격한 부하변동급가

속 유리

저렴한가격

보편화됨

단점 정지시 진동이 예상 약한 토크 THRUST하중이 모터

무계 이하여야 한다

유지보수가 잦다

크기 151588mm(10w20w)

2525111mm(30w)

392038mm 424234mm Oslash37mm917mm

동작전압 Dc 24V Dc 48V60V Dc 24V Dc 24V

무계 230g~400g 56g 150g 200g

허용토크 009Nm~03Nm 11~13kgfcm 18kgfcm (018Nm) 47kgfcm(1200)

감속기 다양한 감속비 가능 고정 감속기 감속기 무(072˚036) 다양한 감속비

제조사 야스카와 SGMM 하이텍 HS-5945 AUTONICS GCM 3429A

TABLE 4-2 αstep motor characteristics

외형 전압 전류 무계 토크 감속비 분해능

αSTEP 282884mm

4242127mm Dc24V 1~37A 250G 2~28 Nmiddotm 50~1001

00072pluse

00036pluse

- 51 -

43 1 차 능동형 그리퍼 설계

실린더를 사용하여 링크로 물체를 파지하던 그리퍼는 Fig 4-8 과 Fig 4-9 에

묘사하였다 이런 실린더를 사용한 그리퍼는 공압 효과를 도출할 수 있는 별도

의 펌프가 필요하고 동작을 구현할 수 있는 자유도를 증가시키는데 한계가 있

다 이런 실린더의 단점을 보완하고 전기모터의 장점을 사용하기 위해 웜기어와

웜휠 방식을 채택하여 2 자유도 능동형 그리퍼를 설계하였다

1 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-10 에 묘사하였으며 1 차설계한

능동형 그리퍼는 Two Fingertip Grasp 로 칭하겠다 파지한 물체를 회전 시키는

기능은 베벨기어를 사용하여 회전운동으로 구현하였고 실린더의 전middot후진 운동

을 전기모터의 회전운동으로 변환 시키기 위하여 웜기어와 웜휨을 선택하였다

전기모터에 의해 회전하는 운동은 웜기어와 웜휠에 의해 링크를 사용하여 물체

를 파지하였던 그리퍼와 동일한 운동효과를 가지게 되었다

웜기어와 웜휠을 사용하여 물체를 파지하는 능동형 그리퍼는 스윙형으로 설

계되었으며 파지력을 높이기 위한 각도를 적용하였다 링크를 사용하여 물체를

파지하는 형태의 그리퍼보다 기구의 크기를 줄일 수 있는 장점이 있는 반면 기

어들의 백래시에 의한 오차가 끝단에 누적될 수 있는 문제점을 가지고 있다또

한 기구부의 소재 변경으로 그리퍼의 무계를 줄일 수 도 있지만 가장 큰 무계

를 차지하는 모터를 그리퍼 자체에서 분리하게 할 수 있게 하려면 그리퍼 자체

의 구조변경이 필요하다

`

`

Fig 4-8 Par

Fig 4-9 Par

- 52 -

rallel-link gra

rallel-link gra

sps system 1

sps system 2

Fig 4-10

- 53 -

0 Two fingertipps grasp system

- 54 -

44 2 차 능동형 그리퍼 설계

1 차 설계한 능동형 그리퍼에서 발견된 문제점을 보안하기 위하여 2 차 능동

형 그리퍼를 설계하였다 2 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-11 에 묘사

하였으며 2 차설계한 능동형 그리퍼는 Four Fingertip Grasp 로 칭하겠다 이 장치

는 크게 동력원 동력 전달장치 핑거 그립장치로 구성되어있으며 이를 통합하

여 Fig 4-12 에 나타내었다

핑거 그립장치는 스윙형 그립의 단점을 보완하여 설계하였다 물체를 파지할

때 그립의 회전 반경이 주위 환경요소와 간섭을 발생시킬 수 있는데핑거가 전

진할때 샤프트와 핑거그립간의 나사결합형태를 통한 직선운동으로 개선하여 주

위환경요소에 영향을 주지 않도록 설계하였다 구동축의 핑거파지 메카니즘을

Fig 4-13 와 같이 간략화 하였고 이에 대한 세부 도면은 Fig 4-14 로 나타내었다

4 조 핑거 그립의 나사산과 테이퍼진 스크류축은 나사식으로 결합되며 상호

작용에 의해 점차 중심점으로 이동하여 물체를 파지하는 형태이다 사용된 2 개

의 샤프트는 중공축으로 설계하였으며 외부 샤프트는 4 조 핑거가 물체를 파지

하여 비트는 모션을 구현하는데 사용되었다 내부 샤프트는 핑거를 중심점으로

전진시켜는 기능을 수행한다 중공축으로 설계한 내부 샤프트는 차후 개발될 인

스트리먼트의 탈부착을 손쉽게 할수있도록 구현하였고 4 조로 설계된 핑거는 그

립시 인스트리먼트의 응력집중현상을 분산시키는 기능과 2 조로 그립하였을때

보다 안정적인 그립감을 형성한다

- 55 -

동력원과 동력전달장치는 Fig 4-15 에 나타내었으며 Two Fingertip Grasp system

의 문제점이었던 구동부의 모터의 설치 방법을 외부에 부착하는 형태로 변경하

여 우레탄 밸트를 사용하였다 또한 아이들러를 사용하여 밸트의 방향을 변경

하여 모터의 부착위치를 자유롭게 설정할 수 있도록 하였고 모터 브라켓에 슬

리브 홈을 설치하여 벨트의 장력을 조절할 수 있도록 하였다

Fig4-11

Fig4-12 Fou

- 56 -

Four fingertip

ur fingertips g

ps grasp system

grasp system la

m

ayout

Fig 4-13

Fig 4-14

- 57 -

Fingertip gra

4 Fingertip gr

asps mechanis

rasps extended

m

d

Fig 4-15

- 58 -

5 Power transmission devicce

- 59 -

제 5장 결 론

본 연구에서는 MIS 수술 로봇을 위한 햅틱 마스터장치 구동용 능동형 그리

퍼를 설계하기 위하여 그에 상응하는 자료 및 문헌 조사를 수행하였고 햅틱 마

스터에 적용 가능한 능동형 그리퍼를 설계하여 로봇 시스템의 초안을 구성하였

다 수술용 도구를 단순히 잡아주는 역할에서 벗어나 시스템에 추가적인 자유도

를 부여함으로써 그리퍼를 표현하였다 단순화된 그리퍼는 보다 저렴한 가격으

로 생산될 수 있으며 기존 로봇 수술시스템의 높은 비용을 절감할 수 있는 효

과를 가져올 수 있다

최종적으로 제안한 설계 안으로는 2 조 핑거그립를 사용하는 전기모터형 그

리퍼 와 추가적으로 개선한 4 조 전기모터형 핑거그립를 설계였다 스윙형 그립

의 단점을 보안하여 집중응력을 분산할 수 있는 구조로 설계하였고 그리퍼의

무계를 줄일 수 있는 방법을 제시하였다 이로써 원통형 도구 파지 시 안정성이

향상되었고 보다 원활하게 수술 도구를 교체 가능하도록 하였다

앞으로 촉감을 전달할 수 있는 센서의 개발로 햅틱 디바이스 인터페이스 장

치의 활용에 보다 높은 기여를 할 것이라 예상된다

-６０-

참고 문헌

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정보 및 제어부분 PP68~7020084

[2] 박정호 ldquo국내외 의료로봇 현황과 발전방향rdquo정보과학지 26(4)

PP49~5420084

[3] 편집부 ldquo수술지원로봇의 최신 기술 동향rdquo월간 자동화 기술 22(12)

PP74~77200612

[4] 경기욱박준석 ldquo햅틱스 기술개발 동향 및 연구전망rdquo전자통신경향분석

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[5] 권동수경기욱 ldquo의료용 로봇의 연구 현황과 전망rdquo기계저널

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ldquoA Wire-Driven Miniature Five Fingerd Robot Hand using Elastic Elements as

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[8] 홍만복김광기 ldquo최소 침습수술로봇을위한 2-자유도 구형 메커니즘설계rdquo

한국정밀공학회 2009년 추계학술대회 논문집

-６１-

[9] 이재훈김형욱이병주서일홍 ldquo새로운 6자유도 병렬형 햅틱 기구의 최적설

계 및 해석rdquo한국정밀공학회 2003년 추계학술대회 논문집

[10] 조국훈이재훈이병주김희국 ldquo병렬형 그리퍼 메카니즘rdquo한국정밀공학회지

[11] 김갑순 ldquo3축 힘센서를 이용한 지능형 그리퍼 개발rdquo한국정밀공학회지 제

24권 제 3호 1999년

[12] 고대성김성목김희국이병주 ldquo병진형 자유도와 1자유도 파지기능을 가지는

4자유도 병렬 메커니즘의 기구학분석rdquo한국정밀공학회 2007년 추계학술대회

• 제1장 서 론
• • 11 연구배경 및 연구목적
  • 12 연구내용
  • • 제2장 로봇 산업의 기술 현황
    • • 21 로봇산업의 동향
      • 22 의료용 로봇기술 현황
      • 23 의료용 로봇시장 전망
      • • 제3장 능동 그리퍼
        • • 31 최소침습 수술 햅틱 장치구현에 필요한 능동 그리퍼 제안
          • 32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류
          • 33 파지형태에 의한 그리퍼의 분류
          • 34 메카니컬 핸드의 구속기능
          • 35 대표적인 동력원의 특징
          • • 제4장 능동형 그리퍼 설계
            • • 41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정
              • 42 모터 선정 알고리즘
              • • 43 1 차 능동형 그리퍼 설계
                • 44 2 차 능동형 그리퍼 설계
                • • 제 5 장 결론
                  • 참고문헌
                  • TABLE 2-1 Domestic robot classification
                  • TABLE 2-2 Robot Production Company
                  • TABLE 3-1 Characteristics of power sources
                  • TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics
                  • TABLE 4-2 αSTEP Motor Characteristics
                  • Fig2-1 Phase of medical robots in the robot industry
                  • Fig2-2 Da Vinci surgical case number
                  • Fig3-1 Da Vinci robot system for MIS
                  • Fig3-2 Classified by the gripper grip action
                  • Fig3-3 Swing-type hand mechanism
                  • Fig3-4 Hand mechanism for translational type1 (parallel displacement)
                  • Fig3-5 Hand mechanism for translational type2 (Rack and pinion type)
                  • Fig3-6 Hand mechanism for three point pinch type
                  • Fig3-7 Movement of object
                  • Fig3-8 Contacts of the kind and the confining
                  • Fig3-9 Human Arm structure
                  • Fig4-1 Configuration of the fingers on robot gripper
                  • Fig4-2 Change the value of the angle of phage torque
                  • Fig4-3 Motor Selection Algorithm
                  • Fig4-4 Arbitrary Shape of Planar Area
                  • Fig4-5 Parallel-Axis Theorem
                  • Fig4-6 Arbitrary Shape of Polar Area
                  • Fig4-7 Example of Velocity Guidance
                  • Fig4-8 Parallel-link Grasp system 1
                  • Fig4-9 Parallel-link Grasp system 2
                  • Fig4-10 TWO Fingertip Grasp system
                  • Fig4-11 Four Fingertip Grasp System
                  • Fig4-12 Four Fingertip Grasp System layout
                  • Fig4-13 Fingertip Grasp Mechanism
                  • Fig4-14 Fingertip Grasp extended
                  • Fig4-15 Power Transmission Device

- 17 -

로봇은 2010 년 30에서 2020 년 70 수준에 달할 것으로 보고 있다 비록 전

문 서비스용 로봇산업의 규모는 미국 일본 독일에 비해 미미한 실정이나 전문

서비스용 로봇의 신시장을 개척하고 그 만큼의 기술력이 밑받침된다면 2020 년

세계시장에서의 더 큰 비중의 달성이 이루어질 것으로 본다

(2) 의료용 로봇기술 전망

의료용 로봇시장의 성장은 의료용 로봇기술 개발산업의 성장과 밀접한 관계

가 있다 세계적인 개발추세로는 의료용 로봇개발 하드웨어 분야에서는 일본이

경쟁력이 가장 높으며 소프트웨어 분야에서는 미국이 앞서나가고 있다 또한

독일은 하드웨어 및 소프트웨어 분야에서 동시에 상당한 연구 개발 능력을 보

유하고 있다 앞으로는 이 세 나라가 의료용 로봇 시장의 핵심 주자로 나설 것

으로 예상된다

산업연구원 (2007) 조사에 따르면 국내 로봇산업의 기술은 기술항목에 따라

다소 차이를 보이고 있으나 제조업용 로봇의 경우는 최고 기술 보유국 대비 평

균 85 정도에 육박하고 있으며 전문서비스용 로봇의 경우는 80 정도 개인서비

스용 로봇은 84 정도에 이르고 있는 것으로 나타났다 의료용 로봇 분야에서는

선두주자인 미국의 기술력을 100 이라고 봤을 때 현재 우리나라는 70 정도이며

2015년이 지나야 100 에 도달할 것으로 전망하였다 비록 의료용 로봇에서 세계

1위인 미국에 비해 우리는 아직 10년 이상 차이가 있지만 세계 최초로 국제 규

- 18 -

모의 로봇랜드 조성과 로봇펀드 발생 등 정부 차원에서의 노력이 여러 가지 방

면에서 다양하게 펼쳐지고 있기 때문에 그 격차는 점차 줄어들 것으로 예상된

다

또한 IFR (2006) 자료에 따르면 한국 산업용 로봇은 세계 5 위의 강국[16]인

데 비해 의료용 로봇에 있어서는 약소국이다 이는 의료용 로봇의 개발비가 많

이 드는데 비해 국내 시장은 극히 제한적이어서 일반 기업의 참여가 아주 저조

하기 때문이다 국내에서 의료용 로봇 관련 기술 개발은 아직 걸음마 단계에 머

물러 있으며 벤처기업 및 대기업들이 개발해 상용화시키고 있는 기술이나 제품

도 대부분이 생활 가전형 로봇에 한정되어 있을 뿐 의료용 로봇분야는 아직 미

개척지로 남아 있다 하지만 국내에서도 의료용 로봇 개발을 수행하기 위해 대

학이나 연구소 차원에서 의료용 로봇에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다 먼

저 한국과학기술원이 8 년 전 설치한 휴먼 웰페어 로보틱 서저리 센터가 대표

적인 연구기관이다 이 연구소에서는 거동이 불편한 환자들을 위한 휠체어의 자

동화 시스템이나 복강경 수술 로봇 등 로봇 수술용 기구의 국산화에 초점을 맞

춰 진행 중이다 또한 최근에는 국립암센터 역시 산업자원부로부터 수술용 로

봇과 영상시스템을 주제로 한 의료용 로봇 개발자로 선정되어 연구에 들어갔다

비록 국내 의료 및 수술 로봇 관련 기술이 일본 미국 등에 비해 아직까지

뒤쳐져 있는 실정이지만 국내에서도 의료용 로봇 기술 개발이 이처럼 활발히

진행되고 있어서 향후 전망은 매우 밝다고 할 수 있다 또한 해외에서 각광을

받고 있는 캡슐형 내시경 연구 역시 국내에서 벌써 10 년째 계속 되고 있다 최

- 19 -

근 한국과학기술연구원과 벤처기업인 인트로메딕이 개발한 세계 최소형 캡슐형

내시경인 미로캠 (MiroCam)은 2010 년까지 국내 캡슐형 내시경 시장의 80를

점유할 것으로 예상하고 있다 이러한 국산 의료용 로봇 개발을 통해 고부가가

치 시장인 세계 의료 시장에 뛰어들 수 있는 기반을 다졌다는 데에 큰 의미가

있다

전문 서비스용 로봇의 경우 제조업 로봇 관련 풍부한 경험을 바탕으로 전문

서비스용 로봇으로의 기술확대 메카트로닉스 (mechatronics) 관련 다양한 산업기

반과 세계적인 IT 인프라 보유국의 강점을 살리고 있다 또한 한국은 10 대 성

장동력간 연계 등을 통한 시너지 효과와 세계 전문서비스 로봇 시장이 초기형

성 단계임을 감안한다면 이 분야의 진출에 대한 절호의 기회이며 머지않아 의

료용 로봇 강국으로 진입할 수 있을 것으로 기대된다

- 20 -

제 3 장 능동 그리퍼

31 최소침습 수술 햅틱 장치 구현에 필요한 능동 그리퍼 제안

21 세기 로봇 기술 분야에서는 인간과 기계 시스템 간의 커뮤니케이션이 무

엇보다 중요하게 강조되며 이러한 인간과 기계 시스템의 의사소통은 주로 인간

의 감각 기관을 통해 이루어 진다 일반적으로 인간에게는 보고 듣고 냄새를

맡고 맛을 보고 피부로 느끼는 오감이 있으며 이러한 감각을 시각 청각 후

각 미각 촉각이라고 한다 따라서 이러한 인간의 감각에 정보를 전달하기 위

한 다양한 기계 시스템들이 개발되어 왔다 오감 중에서 현재 인간과 기계 시스

템간의 인터페이스 역할을 하는 표적인 감각으로는 사물을 보는 시각과 소리

를 듣는 청각이 주로 이용되고 있다 이를 위한 시스템들은 이미 상당한 수준으

로 발전해 현재 상용화 되어 활용되고 있다 하지만 이러한 시각과 청각 인터

페이스 만으로는 로봇의 제어에 한계가 있으며 오감 중에서 세 번째 감각인 촉

각에 한 인터페이스가 현재 활발히 연구 개척되고 있다 만약 가상현실에 촉

감 인터페이스가 적용된다면 기존의 시각과 청각에만 의존하던 가상 현실에 촉

감을 전달함으로써 실제 물건을 만지고 느낄 수 있으므로 가상현실을 보다 더

실감나게 할 수 있을 것이다 하지만 인간의 감각 중에서 촉각은 매우 민감한

감각으로 여기에 촉감 정보를 전달하는 인터페이스는 아직 많은 연구를 필요로

하고 있다

- 21 -

햅틱 (haptic)이란 단어의 사전적인 의미는 ldquoof or relating the sense of touch

tactilerdquo로써 물체를 만질 때 사람이 느낄 수 있는 촉각적 감각으로 피부가 물체

표면에 닿아서 느끼는 촉감 (tactile sensation)과 관절과 근육의 움직임이 방해 될

때 느껴지는 근 감각적인 힘 (kinesthetic force)의 두 가지 힘을 모두 합쳐서 부르

는 말이다 촉감 구현 연구는 물리적 장치를 이용하여 사람이 직접적인 접촉이

없이도 촉각 정보를 전달하는 방법에 관한 전반적인 연구 분야를 일컫는 말로

사람에게 원격지에 있는 물체의 물리적 특성을 전달하는 원격조작 혹은 원격현

장감에 관한 연구로부터 시작되었다 가상 혹은 실제 환경에서 촉감을 구현하기

위한 연구를 포괄적으로 의미하는 용어로 햅틱스 (haptics)라고 한다 주요 연구

분야는 사람이 직접 손에 쥐거나 착용하는 물리적 장치인 햅틱 디바이스 인터

페이스 (haptic interface) 가상 공간상의 물체에 기계적 성질을 부여하여 사실감

이 있는 상호작용을 제공하고자 하는 햅틱 렌더링 (haptic rendering) 사람의 촉

각 인지 특성에 관한 연구 (tactile perception) 등으로 나눌 수 있다 특히 햅틱

인터페이스 (haptic interface)는 햅틱 디바이스 (haptic device)라고도 불리우며 사람

에게 촉감을 전달하는 물리적인 장치를 말하며 더 넓은 의미로 사용하여 가상

의 환경을 촉감 전달을 통해서 느끼게 하는 시스템 전체를 가리키기도 한다 이

러한 햅틱 기술은 다양한 분야에서 활용될 수 있는데 표적인 분야로는 가상

현실 분야 인간-컴퓨터 인터페이스 분야 게임 등 사이버 커뮤니케이션 그리고

원격제어 로봇 등이 있다 특히 원격제어 로봇이 많이 활용되고 있는 의료 분

야에서 햅틱 구현은 매우 시급한 과제이다 현 의 수술은 점점 첨단의 수술 도

- 22 -

구와 로봇을 이용하여 집도되는 추세이며 최소침습수술 (minimally invasive

surgery MIS)이 그 표적인 예이다 이 수술법은 환부의 구멍에 수술도구와 카

메라를 삽입하여 집도의가 모니터를 보면서 시술함으로써 시술시간이 짧고 환

자의 회복이 빨라서 그 적용 범위가 점차 확 되고 있다 하지만 환자가 얻게

되는 이점에 반해 의사는 개복 수술에서 쉽게 이용하던 기술들을 더 이상 적용

할 수 없게 되어 집도에 있어 큰 어려움을 부담해야만 한다 즉 환자의 내부에

서 손의 움직임과 시야의 제약을 받게 되었고 손으로 환자의 장기나 뼈를 만지

고 상태를 확인할 수 없게 된 것이다 이러한 문제점들을 극복하기 위해 첨단의

의료용 로봇 시스템이 개발되었는데 의사 즉 오퍼레이터가 조작하는 마스터

(master) 로봇과 환자의 환부에서 수술을 진행하는 슬레이브 (slave) 로봇으로 구

분된다 슬레이브 로봇은 크게 수술 시 집도의 팔의 움직임을 구현하는 구동 암

(arm)과 수술도구를 홀딩 할 수 있는 그리퍼로 분류할 수 있다 구동 암의 움직

임은 수술 부위의 위치를 결정하면 별도 큰 움직임 없이 작동시킬 수 있으며

전달 수술 관통 수술이 아닌 경우에는 집도의가 느끼는 힘을 피드백 할 필요가

없다 하지만 그리퍼의 경우는 신체 일부분의 미세한 조직까지 전부 접촉해서

제거하거나 봉합하기 때문에 집도의가 수술 시 느끼는 힘을 구현하여야 보다

정밀한 수술을 수행할 수 있다 따라서 본 연구에서는 햅틱 장치가 적용된 마스

터 로봇과 마스터 로봇에서 형성된 힘을 느낄 수 있으며 원할한 수술을 진행할

수 있는 최소침습수술용 능동 그리퍼를 제안하겠다 Fig 3-1 은 상용 MIS 장치인

다빈치 로봇의 마스터와 슬레이브 그리고 그리퍼를 나타내고 있다

(a) sla

(b

Fig 3-1 da V

Operation Arm

Gripper

- 23 -

ave robot and g

b) master rob

Vinci robot sy

m

gripper

ot

stem for MIS

- 24 -

32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류

산업용 로봇은 그 기능 특성상 필요성에 의해 로봇의 말단부에 그리퍼를 부

착시킨다 이것은 인간의 손에 응되는 것으로서 메커니컬 핸드라고 칭하며 다

루는 상 물체를rdquo파지rdquo해 이동하는 목적으로 사용되는 도구이다

파지동작은 Fig 3-2 와 같이 세분화된다 인간의 손 손가락에는 많은 관절이

있으며 여러가지 작업이 가능하다 일상 생활에서의 붙잡기는 형식을 분류한 것

으로는 슐레징거의 12 형식이 있다 여기서 인간의 손에는 손가락이 있어서 그

것을 유지핸드라고 이름 붙이면 메커니컬 핸드에는 손가락이 없는 구성법이 있

는데 이것을 무지 핸드라고 이름 붙이기로 한다 이 무지 핸드는 기계적 물리적

으로 구조상 무지핸드로 한 것과 공구가 메커니컬 핸드와 일체화됐다고 생각하

는 공구 핸드가 있다 메커니컬 핸드를 분류해 보면 다음과 같다 진공이나 자

기 이용의 흡착 등 물리적 흡척형의 유지는 보통 평면(완만한 곡선도 포함)부를

흡착하는 형태로서 물체의 크기나 중량에 따라 여러 개가 설치되는 경우도 있

다 그러나 물체표면에 만곡부가 있는 경우나 구멍이나 공동이 있는 경우에는

적용할 수 없게 된다 또한 자력을 이용한 경우 철금속 재료를 다루게 되는데

경우에 따라서 매우 효율적이고 신뢰성이 높기는 하지만 물체에 잔류 자력이

남게 되는 문제점이 있다 받기형의 유지는 지지의 동작만을 가지고 있는 형태

이며 이는 전기한 흡착형 보다 적극적이 아니여서 약한 구속을 갖는다 변형하

기 쉬운 물체의 이송등에는 이를 채택한다 매달기형 유지는 중력 방향의 이동

1 자유도를 구속한다 잡기형 파지는 유연성에 의한 변형으로 접촉면적을 크게

하여 집는

상물을 외측

이용하는 등

33 파지형

파지 형

다 본 연구

하여 설명

(1) 두 손

형태이다 현

측에서 파지하

등의 파지방법

형태에 의한

형태로서는

구에서 사용할

명 하겠다

손가락 type

현재 많이 사

하거나 구멍

법이다

한 그리퍼의

상을 바깥에

할 메커니즘은

e

Fig 3-2 Cla

- 25 -

사용하고 있는

속에 손가락

의 분류

에서 파지하

은 바깥에서

assified by the

는 끼우기형

락을 넣은 후

는 것과 안에

파지하는 형

gripper grip ac

파지 형태는

후 벌려서 내

에서 파지하

형태가 유리하

ction

는 핸들링

내측사용면을

는 것이 있

하므로 이에

두 개의

상태를 유지

는 스윙형

안정되게 파

의 리지트한

지해서 개폐

핸드(swingin

파지하는 점에

손가락을 갖

되는 병진형

ng gripper)로

에서 병진형

(a) grinder c

(c

Fig 3-3 Sw

- 26 -

갖춘 것으로

핸드(transla

로 분류된다

보다 떨어진

crank

c) rotation joi

wing-type hand

실용례가 많

ational grippe

스윙형은 기

진다

(b) swing

int

d mechanism

많다 손가락이

er)와 그 방향

기구가 간단하

g block

이 상호평행

향이 변화하

하나 상이

병진형에

4 은 평행링

운동을 바꾸

에 회전시킴

로 유지되기

지된다 직

시키도록 한

가 전middot후진

피니온 방식

F

에서는 평행링

링크 방식의

꾸고 그 피니

킴으로써 손가

기 때문에 손

동형 신에

한 것도 있다

진하는 결점이

식이 채용된다

Fig 3-4 Hand

링크 랙middot피니

예로 직동형

니온 운동으로

가락 개폐를

손가락의 물체

에 회전형 액

다 평행링크를

이 있다 이문

다

mechanism fo

- 27 -

니온 나사이송

형 액추에이

로 평행링크의

얻는다 링크

체 파지면의

추에이터를

를 이용한 형

문제를 해결하

or translational

송 기구 등이

터의 운동을

의 하나의 링

크 PS 와 링

자세도 개폐

이용한 형식

형식은 개폐에

하는 방법으로

type1 (paralle

이 이용되고

랙과 피니온

링크 A 를 축

크 QR 은 항

폐 동작 중 일

식에서 평행링

에 의해서 손

로서 볼나사

el displacement

있다 Fig 3-

온으로 회전

축 P 의 주위

항상 평행으

일정하게 유

링크를 회전

손가락 위치

기구나 랙middot

nt)

Fig 3

는 핸드의

볼나사 기구

다

(2) 세 손

세 손가

가락으로 잡

F

-5 는 회전형

예이다볼나

구 각각을 손

손가락 type

가락을 가진 핸

잡는 것보다

Fig 3-5 Hand

형 액추에터로

나사 기구를 이

손가락에 부착

e

핸드에서는

안정된 파지

d mechanism fo

- 28 -

로 랙 피니온

이용하는 경

착 사라를 회

상을 3 점

지 동작을 할

or translational

온을 회전시킴

우에는 1

회전시킴으로

점에서 유지할

할 수 있다

l type2 (rack a

킴으로써 개폐

의 왼나사

써 개폐 동작

할수 있기 때

nd pinion type

폐동작을 하

오른나사의

작을 실현한

문에 두 손

e)

Fig 3-6

베벨기어를

구동해서 세

실현한 것

각 손가락을

복잡하며 중

6 은 세 손가

를 매개로 상

세 손가락을

이다 특히

을 개별 모터

중량도 증가하

Fig

락형 그리퍼

호 각도를 주

동작시킴으로

원통물체를

터로 구동하도

하기 때문에

3-6 Hand mec

- 29 -

의 일반적인

주어 결합한

로써 이른바

확실히 잡아

도록 한 3 지

실용례가 적

chanism for thr

인 형상을 나타

3 개의 볼

바 3 포인트 핀

아서 유지하

지형핸드도 개

적다

ree point pinch

타내고 있다

나사를 하나

핀치(three po

는데 유리하

개발되고 있으

h type

이 핸드는

나의 모터로

oint pinch)를

하다그 외에

으나기구가

34 메카니

(1) 구속

기계적

어서 형성되

전 구속 기

해서 언급하

으로 움직일

또 X Y 평

니컬 핸드의

속기능

구동장치에

되는 것으로

기능이 있다

하면 구속 상

일 수 있다

평면 X Y 면

의 구속기능

서 구속 형식

크게 나누어

그래서 핸드

상태의 물체는

이것을 물체

X Z 면상에

Fig 3-

- 30 -

능

식과 접촉 상

어서 반구속

드의 구속 기

는 Fig 3-7 와

체의 공전 (이

서 6 방향으

-7 Movement

상태와 포락

속 (받는 구속

기능을 결정하

와 같이 X Y

이동)에 관한

로 회전 한다

t of object

능력의 인자

속 는 구속

하는 물체의

Z 의 3 축상

6 동작 자유

다 이것을 물

자가 복합되

속)기능과 완

구속에

에서 6 방향

유도로 한다

물체의 자전

(회전)에 관

부여한 상태

행할 수 있

서는 회전의

핸드에

한 공간적

면 Fig 3-8

이 그림

를 구속한다

에서 7 자유

선접촉과 면

계수와 절선

(a

관한 6 동작

태에서 움직이

있다 또 완전

의 6 자유도를

의한 물체의

적인 포락 상

와 같이 된

(a)의 점접촉

다 그러나 1

유도를 구속

면접촉에는 각

선력법선력

a) point contac

Fig3

자유도로 한

이며 중력이

전 구속은 핸

를 무시하는

의 구속은 핸

상태로 정한다

다

촉은 접촉점

1 점접촉은 다

한다 (c)의

각각 마찰에

비와의 관계

ct (b

3-8 Contacts

- 31 -

한다 반구속은

이나 환경면의

드 자체로 1

경우도 적지

핸드와 물체의

다 먼저 접촉

방향의 1 자

다른 11 자유

면접촉은 11

위한 구속이

계로 구속불능

) line contact

of the kind an

은 12 자유도

의 구속을 받

12 자유도를

지 않다

의 접촉 상태

촉부의 구속

자유도를 구속

도를 구속할

1 자유도의 구

이 4 개와 6 개

능의 가능성을

nd the confini

도 중 몇 개의

아서 완전 구

행하는데 경

태 및 접촉부

능력을 모델

속한다 그러나

할 수 없다 (b

구속을 할 수

개 주어져 있

을 가진 구속

(c) surface co

ing

의 자유도를

구속으로 이

경우에 따라

부의 물체에

델로 나타내

나 1 자유도

b)는 선접촉

수 있다 단

있으며 마찰

속 성분이기

ontact

- 32 -

도 하다 또한 면접촉의 상태는 중력의 작용을 이용하면 받기를 형성하고 또

외계력을 이용하면 기를 형성한다

이들의 접촉상태는 물체의 형상과 핸드의 구속면으로 규정되는 것으로 핸드

만으로 결정하기는 어렵다 단 핸드의 구속면을 부드러운 재질로 형성하면 면

접촉의 이행이 용이하다 이와 같은 이유에서 물체에 접촉부가 포락도를 높이는

데에 따라서 물체 형상에 관계 없이 구속 능력을 증 시킬 수 있다

(2) 메커니컬 핸드의 자유도

로봇의 손은 그 용도를 불문하고 인간의 손 작업의 행을 목적으로 하는

것이므로 그 설계에 있어서 모델로 되는 것은 말할 것 도 없이 인간의 손이다

그래서 우선 기구에 하여 설명하기 전에 인간의 손의 구조 모델에 하여 설

명해 본다

AmiddotMorecki 에 의하면 인간의 상체는 그 해부학적 구조에 입각하면 Fig 3-9 와

같이 모델화할 수 있다 Fig 3-9 에서 숫자는 각각 골격 즉 링크를 나타내고 숫

자 II~ V 는 관절을 나타내고 있다 이와 같은 공간링크 기구의 자유도 F 는 가

동부수 n 자유도의 종류 f 를 가진 우 수를 Pf 라 하면 다음 식으로 나타낼

수 있다

6n sum ∙ P 12345 (3-1)

Fig 3-9

들 자유도가

을 Fig 3-9

P5=10 이므

인간의

유도 1 의

해 있으며

의 모델에서

가 있는 관절

9 와 같이 정

므로 위 식에

상지를 인공

액튜에이터를

22 개나 되

Fig 3

서는 n=19 P2

절에 작용하는

정의하고 그

서 FH=22 가

공적으로 정밀

를 27 필요

는 액튜에이

- 33 -

3-9 Human Ar

2=1 P3=2 P4

는 근군은 약

자유도 FH

가 된다

밀하게 재현하

요로 하게 된

터를 필요로

rm structure

4=6 P5=11 이

약 50 이라고

를 구하면

하려고 한다면

된다 또 손에

로 한다 그러

이므로 F=27

고 되어 있다

이 경우는 n

면 이상의 결

는 특히 자유

나 로봇의 손

이 된다 이

여기서 손

n=16 P4=6

결론에서 자

유도가 집중

손이 이만큼

- 34 -

의 수의 액튜에이터를 갖춘 것을 제작한다는 것은 크기 중량 제어면에서 볼

때 현시점에서는 불가능에 가깝다 특히 의수에 있어서는 상술한 바와 같은 형

상이나 조종성 등의 점에서 전혀 불가능하다고 해도 좋다 따라서 보통은 기능

에 주목하여 손에 집중해 있는 자유도의 간략화를 도모한다

인간의 잡기 동작에 주목해 보면 그 잡기 형상에는 12 종류가 있다고 하다

그러나 이것들은 엄지와 다른 12 종류가 있다고 한다 그러나 이것들은 엄지와

다른 4 손가락과의 관계에 주목하였을 때에 2 종류 즉 엄지가 다른 4 손가락과

항해서 동작하거나 그 측방에서 동작하는가로 분류할 수 있다 실제의 일상

동작에서 관찰하면 이들 중에서도 엄지와 손가락이 항해서 동작하는 소위 쥠

동작이 우선 첫 번째이고 또 다음에 엄지 검지 중지의 3 손가락의 선단으로

이루어지는 3Point Pinch 즉 잡기동작이 중요하다

더불어 손가락의 독립성에 해서는 역시 일상동작 중에서 손가락의 사용

빈도를 조사한 결과에 의하면 다섯 손가락은 반드시 독립적인 운동을 필요로

하지 않고 엄지 검지 중지가 같은 정도의 중요성을 자기며 다른 두 손가락은

사용 빈도에 있어서 이들 세 손가락보다 약 50 적으며 다른 세 손가락의 보

조 역할을 한다고 볼 수 있다 그리고 특히 중요한 것은 인간의 각 손가락은 잡

기 상물의 형상에 적응한 쥐기 즉 Passive 한 동작을 할 수 있다는 것이다 이

기능이 있다면 각 손가락이 독립적으로 동작하지 않더라도 또 다소 손의 자유

도를 제거하더라도 상물의 확실한 쥐기나 잡기 그리고 기타 손 작업에 큰 힘

을 발휘한다

- 35 -

34 표적인 동력원의 특징

동력원을 설계할 때 다음의 점을 고려하면서 가장 적합한 방식을 선택한다

1조작력(로보트가 내는 최 의 힘 예를들면 최 들어올린 힘)

2속응성(최 조작 속도)

3크기 중량(로보트의 크기와 중량의 제한)

4안정성(발열이나 과부하에 한 안전성)

5사용의 용이도

6수명가격

1 2 의 조작력 속응력은 로보트에 요구되는 성능에서 가장 기본적인 것인

데 이에 관련해서 크기나 중량의 제한 안정성 사용의 용이도 수명 가격 등을

고려해서 동력원을 선택한다 단 자주형 로보트에서는 2 차적 성능인 동력원의

중량이 첫째 요구 조건이 되는 경우가 많고 공업용 로보트에서는 저가격 사용

의 용이도 안전성이 중요 사항으로 우선시된다

모든 로봇은 동력원을 필요로한다 중요도에 따라 동력원을 선택해야 하는데

일반적으로 공기압식은 안전성이 뛰어난 반면 힘과 세밀한 위치제어가 어렵고

전기식은 응답성과 사용편리성 세밀한 위치제어가 가능하나 높은 힘을 내기 위

해서는 부가적인 기구부가 필요하다 유압식은 큰힘을 낼수있어서 속응성은 좋

으나 과부하시 상당한 발열이 있기 때문에 안전성에서 다른 동력원에 비해 떨

어진다 위 사항을 TABLE 3-1 로 분류하여 나타내었다

- 36 -

TABLE 3-1 Characteristics of power sources

전기식 유압식 공압식

사용용이성 편리하다 작동유의관리 관로의압력

필터관리에 유의

공급공기의 수분제거

윤활성의부가에 주의

수명 길다 기름에 윤활성이 있기

때문에 길다

공기에윤활성이 없어

유압 전기에 비해 짧다

가격 보통 가격 운영비 높음 저가격

응답속도

(반응성) 매우 빠르다 빠르다 늦다

하중능력 (소)에서 (중)정도의

하중능력 단히 큰 힘을 얻음 큰 힘은 없다

소음 적다 다소 크다 크다

- 37 -

제 4 장 능동형 그리퍼 설계

41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정

로봇 그리퍼의 정밀 파지 (Fingertip Grasp 손가락 끝을 이용하여 물체를 집

거나 바닥에누워있는 납작한 물체를 집는 행동)를 안정하게 하기 위해서는 손가

락 끝과 물체가 직각에 가까운 각도를 이룸으로 마찰력을 크게 하여 안정성을

높인다 또한 바닥에 놓인 물체를 집어 올릴 경우에도 물체표면의 법선 벡터와

손가락 끝의 각도가 클수록 물체를 효과적으로 구속하여 안정된 파지를 할 수

있다

그리퍼의 링크 시스템에 있어서 2 링크 손가락보다 3 링크 손가락을 쓸 때가

링크와 수평 평면이 이루는 각 (A)이 더 커지기 때문에 안정성이 더 좋다는 것

을 알 수 있다 그리고 안정성뿐만 아니라 식 (4-1)을 통하여 문체에 전해지는

Torque 값을 Fig 4-2 와 같이 그래프로 나타내면 0 도에서 75 도 정도까지는 A 각

이 커질수록 물체에 가해지는 토크 값이 점점 커지는 것을 알 수 있음으로 3 링

크 손가락을 쓰는 것이 파지력 증가됨을 알수 있다 ℓ3 의 길이가 길어질수록 A

가 작은 값을 가져서 정밀파지에 적당하지 않다

τ l cosA sinA l 1 cos A tan μ (41)

A cosempty

(42)

Fig 4-1

은 식을 통

각이 커짐을

움이 있고

Fig4-

에서 제 2 코

통해 구할 수

을 알 수 있다

최소 단위를

Fig4

-1 Configurati

코사인 법칙

있는데 이로

다 그러나 ℓ

를 1cm 로 하

-2 Change the

- 38 -

ion of the fing

을 이용하여

로부터 링크

ℓ3 가 1cm 인

하였기 때문에

e value of the a

gers on robot g

여 A 의 각을

길이 ℓ3 가

인 경우는 너

에 ℓ3 는 2cm

angle of phage

gripper

구하기 위해

작으면 작을

무 짧아서 파

로 결정하였

torque

해 (2) 와 같

을수록 A 의

파지의 어려

였다

42 모터

(1) 알고

앞 절에

여야 한다

는 모터의

이 작은 모

나 용량이

로 적절한

선정 알고

고리즘 정의

에서 설명한 기

로봇 팔에

선정은 동작

모터를 사용하

큰 모터를 사

모터의 선정

고리즘

기구들을 추

움직임을 전

작을 구현하는

하게 되면 기

사용하게 되

정이 중요하다

Fig 4-3 M

- 39 -

추후 로봇 시스

전달함에 있어

는데 중요한

기구의 원활한

면 모터의 외

다

Motor Selectio

스템에 적용을

어서 동력을

과제가 되겠

한 작동이 어

외형이 커지

on Algorithm

을 고려하여

공급과 제어

겠다 만일 토

려워지고 단

고 가격 또한

설계를 하

어를 수행하

토크나 용량

단순히 토크

한 증가하므

- 40 -

(2) 알고리즘 수행

모터를 선정하기 위해서 가장 우선적으로 해야 할 일은 기계구동부분을 결

정하고 구동부분을 어떠한 방식으로 작동을 시킬지 동작 패턴을 결정하여야 한

다 예를 들면 모터에서 나오는 힘을 받아서 볼 스크류를 이용하여 힘을 전달할

것인지 벨트 피니언 기어 혹은 풀리 등을 이용할 것인지를 결정하고 그에 따

른 적절한 구동방식을 결정한다 구동방식을 결정하게 되면 각각의 구동방식에

적합한 수식을 대입하여 부하토크를 계산한다 구동방식에 따른 부하토크를 구

하는 수식은 구동방식이나 구동장소 등에 따라 다소 상이하나 일반적인 수식은

다음과 같다

-BALL SCREW 구동

T FP2πn

μ F P2π

1i N ∙ m 43

F F mg sin α μ cos α N 44

-PULLEY 구동

T ∙ 45

μF D

2i N ∙ m

- 41 -

-WIRE middot BELT 구동 RACK middot PINION 구동

T F2πn

∙ πDi

FD2ni

N ∙ m 46

F F mg sin α μ cos s N 47

-실측에 의한 방법

T 48

직선운동 (커플링 직결 볼스크류 등)의 경우 위의 (43) (44) 이용하여 구할

수 있다 이때 F 는 축방향하중 F0 는 예압하중 μ0는 예압 NUT 의 마찰계수 η 은

효율i 는 감속비 PB 는볼스크류 피치를 나타낸다 회전운동 (풀리)의 경우 식

(45)를 이용하여 구할 수 있으며 FA는 외력 FB는 부하중량 (주축이 회전하기 시

작할 때의 힘) m 은 work 와 TABLE 의 총무계 μ 접동면의 마찰계수α는 경사각

도D 는 풀리의 지름을 나타낸다

실제현장에서는 선정된 모터의 토크를 확인하기 위해 실측에 의한 구동토크

를 계측하는데 스프링 저울을 구동 풀리에 연결지어 측정한다 이때 TL 은 회전

운동 부하토크에 해당하고 FB 는 부하중량 D 는 풀리의 직경을 나타낸다

위의 부하토크를 구하는 식들을 이용하여 부하토크를 구하게 되면 실제 모

터를 사용할 때 어느 정도의 시간적 여유를 두고 가속을 할 것인지 감속을 할

것인지를 결정하여야 한다 이를 위해서 우선 동작시킬 부분에 대한 관성모멘트

를 계산하

Fig 4-4

시한 것으로

dA 와 기준

이를 표현하

하여야 한다

4 는 관성모멘

로 X 와 Y

준축으로 부터

하면 식 (49)

Fig 4-4 Arb

I

멘트를 구하기

는 면적의 미

터의 거리의

)와 같다

- 42 -

bitrary shape o

y dA I

기 위한 절대

미소 요소 dA

제곱의 곱으

of planar area

x dA

대좌표 X Y

A 의 좌표이

으로 단면 2

축 상의 미소

이고 관성모멘

차 모멘트라

49

소면적을 도

멘트는 요소

라고도 한다

평면 면

가 있다 평

축에 대한

Fig 4-5

하는 평행한

관성모멘

식 (410

번째 적분은

면적의 관성

평행축 정리란

관성 모멘트

5 과 같이 도

한 xy 축 두

멘트의 정의로

I y

0) 에서 우변

은 Xc 축에

Fig 4-5

모멘트에 있

란 도심축에

트 사이의 관

도심을 원점으

좌표계의 평

로부터 x 축

y d dA

변의 첫 번째

대한 1 차 모

- 43 -

5 Parallel-axis

있어서 중요하

대한 관성

계를 나타낸

으로 하는 Xc

평행한 축 간

축에 대한 관

y dA

적분은 Xc

모멘트로서 X

theorem

하고 유용한

모멘트와 도

낸다

cYc 축과 임의

간의 거리를 d

성모멘트 Ix

2d y dA

축에 대한 관

Xc 축이 도심

정리로서 평

도심축에 평행

의의 점 O 를

d1 과 d2 로 표

는 식(410)와

d dA

관성모멘트

심을 통과하므

평행축 정리

행한 임의의

를 원점으로

표시한다

와 같다

410

I 이다 두

므로 적분의

- 44 -

값은 0 이다 세번째 적분은 면적 A 그 자체이다 따라서 식 (410)은 식 (411)과

같이 간단해진다

I I Ad 411

y 축에 대한 관성모멘트도 위와 같은 방법에 의해 식(412)과 같다

I I Ad 412

또한 면적의 평면에 수직인 수직축에 대한 관성모멘트를 극관성모멘트라 한

다 Fig 4-6 는 평면에 수직이고 O 점을 통과하는 축에 대한 극관성모멘트를 나

타낸 그림으로 이를 관성모멘트 식으로 표현하면 식 (413) 와 같다

I ρ dA 413

식 (413)와

즉 평면에

서로 수직인

극 관성

와 도심 C

와 식 (414)에

I

수직인 축에

인 두 축에 대

성모멘트에 대

에 대한 극

Fig 4-6 Arb

의해 식 (4

ρ dA

I

에 대한 극관

대한 관성모

대한 평행축

극 관성모멘트

- 45 -

bitrary shape o

ρ x y

415) 식 (41

x y dA

I I I

관성모멘트는

멘트의 합과

정리는 Fig

트를 각각 I

of Polar Area

y

16)과 같은 관

x dA y

는 평면 내의

과 같다

4-5 에서 유

와 I 로

관계식을 얻을

y dA

같은 지점을

유도할 수 있

로 표시하면

414

을 수 있다

415

416

을 통과하는

있다 원점 O

식 (416)에

- 46 -

서 식(417)을 유도할 수 있다

I I I I I I 417

I I I I A d d 418

I I Ad 419

식 (419)는 극 관성모멘트에 대한 평행축 정리를 나타낸다 즉 평면 내의 임의

의 한 점 O 에 대한 면적의 극관성모멘트는 도심 C 에 대한 극관성모멘트에 그

면적과 점 O 와 C 사이의 거리의 제곱의 곱을 더한 것과 같다

이상의 식에서 부하토크와 관성모멘트를 계산하여 모터를 가 선정한다 부하토

크의 경우 사용될 모터의 정격 토크를 넘어서지 않는 것을 선정한다 부하토크

를 TL 정상 부하 상태의 힘 PL 극 관성모멘트 IL 회전운동을 위한 힘 Pa 각속

도 가속 시 소요되는 시간을 ta 라 하고 식 (420)을 이용하여 부하가 일정하

게 작용할 때의 힘을 계산한다 마찬가지로 관성모멘트를 식 (421)에 대입하여

가속을 위한 회전 운동 시 필요한 힘을 계산한다 식 (420)과 식 (421)에서 계

산된 힘을 합산하면 모터를 회전시키기 위해 필요한 출력이 계산된다 이때 계

산된 출력보다 실제 사용할 모터의 정격 출력이 1~2 배 정도가 되도록 모터를

가 선정한다

- 47 -

P T ω 420

P 421

위의 과정을 통하여 모터를 가선정하고 가감속 토크 및 구동 토크를 계산한

다 각각의 토크를 계산하게 되면 모터를 최종적으로 선정하게 되는데 두 가지

사항을 고려하여 최종 선정한다 먼저 식 (422)을 통해서 계산되는 가속 시 소

요되는 기동 토크 TM 가 모터의 최대 토크를 넘지 않는 것으로 선정한다

T 422

두 번째로 Fig 4-7 의 속도 선도와 같이 모터의 가 감속 시간과 정상 동작

시간 등을 결정하여 식 (423)과 같이 실효치 토크 TS 를 구하고 실효 토크가 모

터의 정격 토크보다 크지 않도록 선정한다

T 423

Fig 4-7 Exa

- 48 -

ample of veloc

city guidance

- 49 -

(3) 알고리즘 적용

로봇시스템에 있어서 기구들의 관성모멘트와 토크 계산 후 적합한 모터를

선정하기 위해 시중에서 시판되는 모터를 조사하였다 로봇에 적용 가능한 모터

로는 크게 서버모터와 스텝모터 RC 서버모터 DC 모터로 구분 할 수 있었다 이

를 TABLE 4-1 과 같이 정리하였다

동력원의 6 가지 선정요소 중 우선순위를 부여하여 분류했을 때 핸드 그리퍼

의 특성상 가볍고 토크가 큰 RC 서버 모터 미니 서버모터를 선택할 수 도 있지

만 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터 중 토크를 증가시킬 수 있는

감속기가 있는 타입의 모터를 우선시 하였다

1 감속비를 사양할 수 있는 모터를 선정하여 계산한 토크를 확인한다

2 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터를 선정한다

3 CLOSED LOOP 제어를 통하여 정확한 위치를 검출할 수 있어야 한다

따라서 스텝모터중 lsquoOrsquo사의 ldquoαSTEPrdquo가 적합하다고 판단되어 모터를 선정하였다

- 50 -

TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics

미니서버모터 RC 서버모터 스텝모터 DC 모터

장점 동일사양대비 모터

중 10배정도 큰 토크

5v사용가벼움

정확한 위치제어

급격한 부하변동급가

속 유리

저렴한가격

보편화됨

단점 정지시 진동이 예상 약한 토크 THRUST하중이 모터

무계 이하여야 한다

유지보수가 잦다

크기 151588mm(10w20w)

2525111mm(30w)

392038mm 424234mm Oslash37mm917mm

동작전압 Dc 24V Dc 48V60V Dc 24V Dc 24V

무계 230g~400g 56g 150g 200g

허용토크 009Nm~03Nm 11~13kgfcm 18kgfcm (018Nm) 47kgfcm(1200)

감속기 다양한 감속비 가능 고정 감속기 감속기 무(072˚036) 다양한 감속비

제조사 야스카와 SGMM 하이텍 HS-5945 AUTONICS GCM 3429A

TABLE 4-2 αstep motor characteristics

외형 전압 전류 무계 토크 감속비 분해능

αSTEP 282884mm

4242127mm Dc24V 1~37A 250G 2~28 Nmiddotm 50~1001

00072pluse

00036pluse

- 51 -

43 1 차 능동형 그리퍼 설계

실린더를 사용하여 링크로 물체를 파지하던 그리퍼는 Fig 4-8 과 Fig 4-9 에

묘사하였다 이런 실린더를 사용한 그리퍼는 공압 효과를 도출할 수 있는 별도

의 펌프가 필요하고 동작을 구현할 수 있는 자유도를 증가시키는데 한계가 있

다 이런 실린더의 단점을 보완하고 전기모터의 장점을 사용하기 위해 웜기어와

웜휠 방식을 채택하여 2 자유도 능동형 그리퍼를 설계하였다

1 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-10 에 묘사하였으며 1 차설계한

능동형 그리퍼는 Two Fingertip Grasp 로 칭하겠다 파지한 물체를 회전 시키는

기능은 베벨기어를 사용하여 회전운동으로 구현하였고 실린더의 전middot후진 운동

을 전기모터의 회전운동으로 변환 시키기 위하여 웜기어와 웜휨을 선택하였다

전기모터에 의해 회전하는 운동은 웜기어와 웜휠에 의해 링크를 사용하여 물체

를 파지하였던 그리퍼와 동일한 운동효과를 가지게 되었다

웜기어와 웜휠을 사용하여 물체를 파지하는 능동형 그리퍼는 스윙형으로 설

계되었으며 파지력을 높이기 위한 각도를 적용하였다 링크를 사용하여 물체를

파지하는 형태의 그리퍼보다 기구의 크기를 줄일 수 있는 장점이 있는 반면 기

어들의 백래시에 의한 오차가 끝단에 누적될 수 있는 문제점을 가지고 있다또

한 기구부의 소재 변경으로 그리퍼의 무계를 줄일 수 도 있지만 가장 큰 무계

를 차지하는 모터를 그리퍼 자체에서 분리하게 할 수 있게 하려면 그리퍼 자체

의 구조변경이 필요하다

`

`

Fig 4-8 Par

Fig 4-9 Par

- 52 -

rallel-link gra

rallel-link gra

sps system 1

sps system 2

Fig 4-10

- 53 -

0 Two fingertipps grasp system

- 54 -

44 2 차 능동형 그리퍼 설계

1 차 설계한 능동형 그리퍼에서 발견된 문제점을 보안하기 위하여 2 차 능동

형 그리퍼를 설계하였다 2 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-11 에 묘사

하였으며 2 차설계한 능동형 그리퍼는 Four Fingertip Grasp 로 칭하겠다 이 장치

는 크게 동력원 동력 전달장치 핑거 그립장치로 구성되어있으며 이를 통합하

여 Fig 4-12 에 나타내었다

핑거 그립장치는 스윙형 그립의 단점을 보완하여 설계하였다 물체를 파지할

때 그립의 회전 반경이 주위 환경요소와 간섭을 발생시킬 수 있는데핑거가 전

진할때 샤프트와 핑거그립간의 나사결합형태를 통한 직선운동으로 개선하여 주

위환경요소에 영향을 주지 않도록 설계하였다 구동축의 핑거파지 메카니즘을

Fig 4-13 와 같이 간략화 하였고 이에 대한 세부 도면은 Fig 4-14 로 나타내었다

4 조 핑거 그립의 나사산과 테이퍼진 스크류축은 나사식으로 결합되며 상호

작용에 의해 점차 중심점으로 이동하여 물체를 파지하는 형태이다 사용된 2 개

의 샤프트는 중공축으로 설계하였으며 외부 샤프트는 4 조 핑거가 물체를 파지

하여 비트는 모션을 구현하는데 사용되었다 내부 샤프트는 핑거를 중심점으로

전진시켜는 기능을 수행한다 중공축으로 설계한 내부 샤프트는 차후 개발될 인

스트리먼트의 탈부착을 손쉽게 할수있도록 구현하였고 4 조로 설계된 핑거는 그

립시 인스트리먼트의 응력집중현상을 분산시키는 기능과 2 조로 그립하였을때

보다 안정적인 그립감을 형성한다

- 55 -

동력원과 동력전달장치는 Fig 4-15 에 나타내었으며 Two Fingertip Grasp system

의 문제점이었던 구동부의 모터의 설치 방법을 외부에 부착하는 형태로 변경하

여 우레탄 밸트를 사용하였다 또한 아이들러를 사용하여 밸트의 방향을 변경

하여 모터의 부착위치를 자유롭게 설정할 수 있도록 하였고 모터 브라켓에 슬

리브 홈을 설치하여 벨트의 장력을 조절할 수 있도록 하였다

Fig4-11

Fig4-12 Fou

- 56 -

Four fingertip

ur fingertips g

ps grasp system

grasp system la

m

ayout

Fig 4-13

Fig 4-14

- 57 -

Fingertip gra

4 Fingertip gr

asps mechanis

rasps extended

m

d

Fig 4-15

- 58 -

5 Power transmission devicce

- 59 -

제 5장 결 론

본 연구에서는 MIS 수술 로봇을 위한 햅틱 마스터장치 구동용 능동형 그리

퍼를 설계하기 위하여 그에 상응하는 자료 및 문헌 조사를 수행하였고 햅틱 마

스터에 적용 가능한 능동형 그리퍼를 설계하여 로봇 시스템의 초안을 구성하였

다 수술용 도구를 단순히 잡아주는 역할에서 벗어나 시스템에 추가적인 자유도

를 부여함으로써 그리퍼를 표현하였다 단순화된 그리퍼는 보다 저렴한 가격으

로 생산될 수 있으며 기존 로봇 수술시스템의 높은 비용을 절감할 수 있는 효

과를 가져올 수 있다

최종적으로 제안한 설계 안으로는 2 조 핑거그립를 사용하는 전기모터형 그

리퍼 와 추가적으로 개선한 4 조 전기모터형 핑거그립를 설계였다 스윙형 그립

의 단점을 보안하여 집중응력을 분산할 수 있는 구조로 설계하였고 그리퍼의

무계를 줄일 수 있는 방법을 제시하였다 이로써 원통형 도구 파지 시 안정성이

향상되었고 보다 원활하게 수술 도구를 교체 가능하도록 하였다

앞으로 촉감을 전달할 수 있는 센서의 개발로 햅틱 디바이스 인터페이스 장

치의 활용에 보다 높은 기여를 할 것이라 예상된다

-６０-

참고 문헌

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정보 및 제어부분 PP68~7020084

[2] 박정호 ldquo국내외 의료로봇 현황과 발전방향rdquo정보과학지 26(4)

PP49~5420084

[3] 편집부 ldquo수술지원로봇의 최신 기술 동향rdquo월간 자동화 기술 22(12)

PP74~77200612

[4] 경기욱박준석 ldquo햅틱스 기술개발 동향 및 연구전망rdquo전자통신경향분석

21(5)PP93~108200610

[5] 권동수경기욱 ldquo의료용 로봇의 연구 현황과 전망rdquo기계저널

42(3)PP38~44200203

[6] Yoichi OGAHARA Yusuke KAWATO Kenjiro TAKEMURA Takashi MAENO

ldquoA Wire-Driven Miniature Five Fingerd Robot Hand using Elastic Elements as

Jointsrdquo Proceedings the 2003 IEEERSJ Intl Conferense on Intelligent Robots and

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[7] Ikuo Yamano Takashi Maeno ldquoFive-fingered Robot Hand using Ultrasonic Motors

and Elastic Elementsrdquoproceedings the 2005 IEEE International Conference on

Robotics and Automaion

[8] 홍만복김광기 ldquo최소 침습수술로봇을위한 2-자유도 구형 메커니즘설계rdquo

한국정밀공학회 2009년 추계학술대회 논문집

-６１-

[9] 이재훈김형욱이병주서일홍 ldquo새로운 6자유도 병렬형 햅틱 기구의 최적설

계 및 해석rdquo한국정밀공학회 2003년 추계학술대회 논문집

[10] 조국훈이재훈이병주김희국 ldquo병렬형 그리퍼 메카니즘rdquo한국정밀공학회지

[11] 김갑순 ldquo3축 힘센서를 이용한 지능형 그리퍼 개발rdquo한국정밀공학회지 제

24권 제 3호 1999년

[12] 고대성김성목김희국이병주 ldquo병진형 자유도와 1자유도 파지기능을 가지는

4자유도 병렬 메커니즘의 기구학분석rdquo한국정밀공학회 2007년 추계학술대회

• 제1장 서 론
• • 11 연구배경 및 연구목적
  • 12 연구내용
  • • 제2장 로봇 산업의 기술 현황
    • • 21 로봇산업의 동향
      • 22 의료용 로봇기술 현황
      • 23 의료용 로봇시장 전망
      • • 제3장 능동 그리퍼
        • • 31 최소침습 수술 햅틱 장치구현에 필요한 능동 그리퍼 제안
          • 32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류
          • 33 파지형태에 의한 그리퍼의 분류
          • 34 메카니컬 핸드의 구속기능
          • 35 대표적인 동력원의 특징
          • • 제4장 능동형 그리퍼 설계
            • • 41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정
              • 42 모터 선정 알고리즘
              • • 43 1 차 능동형 그리퍼 설계
                • 44 2 차 능동형 그리퍼 설계
                • • 제 5 장 결론
                  • 참고문헌
                  • TABLE 2-1 Domestic robot classification
                  • TABLE 2-2 Robot Production Company
                  • TABLE 3-1 Characteristics of power sources
                  • TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics
                  • TABLE 4-2 αSTEP Motor Characteristics
                  • Fig2-1 Phase of medical robots in the robot industry
                  • Fig2-2 Da Vinci surgical case number
                  • Fig3-1 Da Vinci robot system for MIS
                  • Fig3-2 Classified by the gripper grip action
                  • Fig3-3 Swing-type hand mechanism
                  • Fig3-4 Hand mechanism for translational type1 (parallel displacement)
                  • Fig3-5 Hand mechanism for translational type2 (Rack and pinion type)
                  • Fig3-6 Hand mechanism for three point pinch type
                  • Fig3-7 Movement of object
                  • Fig3-8 Contacts of the kind and the confining
                  • Fig3-9 Human Arm structure
                  • Fig4-1 Configuration of the fingers on robot gripper
                  • Fig4-2 Change the value of the angle of phage torque
                  • Fig4-3 Motor Selection Algorithm
                  • Fig4-4 Arbitrary Shape of Planar Area
                  • Fig4-5 Parallel-Axis Theorem
                  • Fig4-6 Arbitrary Shape of Polar Area
                  • Fig4-7 Example of Velocity Guidance
                  • Fig4-8 Parallel-link Grasp system 1
                  • Fig4-9 Parallel-link Grasp system 2
                  • Fig4-10 TWO Fingertip Grasp system
                  • Fig4-11 Four Fingertip Grasp System
                  • Fig4-12 Four Fingertip Grasp System layout
                  • Fig4-13 Fingertip Grasp Mechanism
                  • Fig4-14 Fingertip Grasp extended
                  • Fig4-15 Power Transmission Device

- 18 -

모의 로봇랜드 조성과 로봇펀드 발생 등 정부 차원에서의 노력이 여러 가지 방

면에서 다양하게 펼쳐지고 있기 때문에 그 격차는 점차 줄어들 것으로 예상된

다

또한 IFR (2006) 자료에 따르면 한국 산업용 로봇은 세계 5 위의 강국[16]인

데 비해 의료용 로봇에 있어서는 약소국이다 이는 의료용 로봇의 개발비가 많

이 드는데 비해 국내 시장은 극히 제한적이어서 일반 기업의 참여가 아주 저조

하기 때문이다 국내에서 의료용 로봇 관련 기술 개발은 아직 걸음마 단계에 머

물러 있으며 벤처기업 및 대기업들이 개발해 상용화시키고 있는 기술이나 제품

도 대부분이 생활 가전형 로봇에 한정되어 있을 뿐 의료용 로봇분야는 아직 미

개척지로 남아 있다 하지만 국내에서도 의료용 로봇 개발을 수행하기 위해 대

학이나 연구소 차원에서 의료용 로봇에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다 먼

저 한국과학기술원이 8 년 전 설치한 휴먼 웰페어 로보틱 서저리 센터가 대표

적인 연구기관이다 이 연구소에서는 거동이 불편한 환자들을 위한 휠체어의 자

동화 시스템이나 복강경 수술 로봇 등 로봇 수술용 기구의 국산화에 초점을 맞

춰 진행 중이다 또한 최근에는 국립암센터 역시 산업자원부로부터 수술용 로

봇과 영상시스템을 주제로 한 의료용 로봇 개발자로 선정되어 연구에 들어갔다

비록 국내 의료 및 수술 로봇 관련 기술이 일본 미국 등에 비해 아직까지

뒤쳐져 있는 실정이지만 국내에서도 의료용 로봇 기술 개발이 이처럼 활발히

진행되고 있어서 향후 전망은 매우 밝다고 할 수 있다 또한 해외에서 각광을

받고 있는 캡슐형 내시경 연구 역시 국내에서 벌써 10 년째 계속 되고 있다 최

- 19 -

근 한국과학기술연구원과 벤처기업인 인트로메딕이 개발한 세계 최소형 캡슐형

내시경인 미로캠 (MiroCam)은 2010 년까지 국내 캡슐형 내시경 시장의 80를

점유할 것으로 예상하고 있다 이러한 국산 의료용 로봇 개발을 통해 고부가가

치 시장인 세계 의료 시장에 뛰어들 수 있는 기반을 다졌다는 데에 큰 의미가

있다

전문 서비스용 로봇의 경우 제조업 로봇 관련 풍부한 경험을 바탕으로 전문

서비스용 로봇으로의 기술확대 메카트로닉스 (mechatronics) 관련 다양한 산업기

반과 세계적인 IT 인프라 보유국의 강점을 살리고 있다 또한 한국은 10 대 성

장동력간 연계 등을 통한 시너지 효과와 세계 전문서비스 로봇 시장이 초기형

성 단계임을 감안한다면 이 분야의 진출에 대한 절호의 기회이며 머지않아 의

료용 로봇 강국으로 진입할 수 있을 것으로 기대된다

- 20 -

제 3 장 능동 그리퍼

31 최소침습 수술 햅틱 장치 구현에 필요한 능동 그리퍼 제안

21 세기 로봇 기술 분야에서는 인간과 기계 시스템 간의 커뮤니케이션이 무

엇보다 중요하게 강조되며 이러한 인간과 기계 시스템의 의사소통은 주로 인간

의 감각 기관을 통해 이루어 진다 일반적으로 인간에게는 보고 듣고 냄새를

맡고 맛을 보고 피부로 느끼는 오감이 있으며 이러한 감각을 시각 청각 후

각 미각 촉각이라고 한다 따라서 이러한 인간의 감각에 정보를 전달하기 위

한 다양한 기계 시스템들이 개발되어 왔다 오감 중에서 현재 인간과 기계 시스

템간의 인터페이스 역할을 하는 표적인 감각으로는 사물을 보는 시각과 소리

를 듣는 청각이 주로 이용되고 있다 이를 위한 시스템들은 이미 상당한 수준으

로 발전해 현재 상용화 되어 활용되고 있다 하지만 이러한 시각과 청각 인터

페이스 만으로는 로봇의 제어에 한계가 있으며 오감 중에서 세 번째 감각인 촉

각에 한 인터페이스가 현재 활발히 연구 개척되고 있다 만약 가상현실에 촉

감 인터페이스가 적용된다면 기존의 시각과 청각에만 의존하던 가상 현실에 촉

감을 전달함으로써 실제 물건을 만지고 느낄 수 있으므로 가상현실을 보다 더

실감나게 할 수 있을 것이다 하지만 인간의 감각 중에서 촉각은 매우 민감한

감각으로 여기에 촉감 정보를 전달하는 인터페이스는 아직 많은 연구를 필요로

하고 있다

- 21 -

햅틱 (haptic)이란 단어의 사전적인 의미는 ldquoof or relating the sense of touch

tactilerdquo로써 물체를 만질 때 사람이 느낄 수 있는 촉각적 감각으로 피부가 물체

표면에 닿아서 느끼는 촉감 (tactile sensation)과 관절과 근육의 움직임이 방해 될

때 느껴지는 근 감각적인 힘 (kinesthetic force)의 두 가지 힘을 모두 합쳐서 부르

는 말이다 촉감 구현 연구는 물리적 장치를 이용하여 사람이 직접적인 접촉이

없이도 촉각 정보를 전달하는 방법에 관한 전반적인 연구 분야를 일컫는 말로

사람에게 원격지에 있는 물체의 물리적 특성을 전달하는 원격조작 혹은 원격현

장감에 관한 연구로부터 시작되었다 가상 혹은 실제 환경에서 촉감을 구현하기

위한 연구를 포괄적으로 의미하는 용어로 햅틱스 (haptics)라고 한다 주요 연구

분야는 사람이 직접 손에 쥐거나 착용하는 물리적 장치인 햅틱 디바이스 인터

페이스 (haptic interface) 가상 공간상의 물체에 기계적 성질을 부여하여 사실감

이 있는 상호작용을 제공하고자 하는 햅틱 렌더링 (haptic rendering) 사람의 촉

각 인지 특성에 관한 연구 (tactile perception) 등으로 나눌 수 있다 특히 햅틱

인터페이스 (haptic interface)는 햅틱 디바이스 (haptic device)라고도 불리우며 사람

에게 촉감을 전달하는 물리적인 장치를 말하며 더 넓은 의미로 사용하여 가상

의 환경을 촉감 전달을 통해서 느끼게 하는 시스템 전체를 가리키기도 한다 이

러한 햅틱 기술은 다양한 분야에서 활용될 수 있는데 표적인 분야로는 가상

현실 분야 인간-컴퓨터 인터페이스 분야 게임 등 사이버 커뮤니케이션 그리고

원격제어 로봇 등이 있다 특히 원격제어 로봇이 많이 활용되고 있는 의료 분

야에서 햅틱 구현은 매우 시급한 과제이다 현 의 수술은 점점 첨단의 수술 도

- 22 -

구와 로봇을 이용하여 집도되는 추세이며 최소침습수술 (minimally invasive

surgery MIS)이 그 표적인 예이다 이 수술법은 환부의 구멍에 수술도구와 카

메라를 삽입하여 집도의가 모니터를 보면서 시술함으로써 시술시간이 짧고 환

자의 회복이 빨라서 그 적용 범위가 점차 확 되고 있다 하지만 환자가 얻게

되는 이점에 반해 의사는 개복 수술에서 쉽게 이용하던 기술들을 더 이상 적용

할 수 없게 되어 집도에 있어 큰 어려움을 부담해야만 한다 즉 환자의 내부에

서 손의 움직임과 시야의 제약을 받게 되었고 손으로 환자의 장기나 뼈를 만지

고 상태를 확인할 수 없게 된 것이다 이러한 문제점들을 극복하기 위해 첨단의

의료용 로봇 시스템이 개발되었는데 의사 즉 오퍼레이터가 조작하는 마스터

(master) 로봇과 환자의 환부에서 수술을 진행하는 슬레이브 (slave) 로봇으로 구

분된다 슬레이브 로봇은 크게 수술 시 집도의 팔의 움직임을 구현하는 구동 암

(arm)과 수술도구를 홀딩 할 수 있는 그리퍼로 분류할 수 있다 구동 암의 움직

임은 수술 부위의 위치를 결정하면 별도 큰 움직임 없이 작동시킬 수 있으며

전달 수술 관통 수술이 아닌 경우에는 집도의가 느끼는 힘을 피드백 할 필요가

없다 하지만 그리퍼의 경우는 신체 일부분의 미세한 조직까지 전부 접촉해서

제거하거나 봉합하기 때문에 집도의가 수술 시 느끼는 힘을 구현하여야 보다

정밀한 수술을 수행할 수 있다 따라서 본 연구에서는 햅틱 장치가 적용된 마스

터 로봇과 마스터 로봇에서 형성된 힘을 느낄 수 있으며 원할한 수술을 진행할

수 있는 최소침습수술용 능동 그리퍼를 제안하겠다 Fig 3-1 은 상용 MIS 장치인

다빈치 로봇의 마스터와 슬레이브 그리고 그리퍼를 나타내고 있다

(a) sla

(b

Fig 3-1 da V

Operation Arm

Gripper

- 23 -

ave robot and g

b) master rob

Vinci robot sy

m

gripper

ot

stem for MIS

- 24 -

32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류

산업용 로봇은 그 기능 특성상 필요성에 의해 로봇의 말단부에 그리퍼를 부

착시킨다 이것은 인간의 손에 응되는 것으로서 메커니컬 핸드라고 칭하며 다

루는 상 물체를rdquo파지rdquo해 이동하는 목적으로 사용되는 도구이다

파지동작은 Fig 3-2 와 같이 세분화된다 인간의 손 손가락에는 많은 관절이

있으며 여러가지 작업이 가능하다 일상 생활에서의 붙잡기는 형식을 분류한 것

으로는 슐레징거의 12 형식이 있다 여기서 인간의 손에는 손가락이 있어서 그

것을 유지핸드라고 이름 붙이면 메커니컬 핸드에는 손가락이 없는 구성법이 있

는데 이것을 무지 핸드라고 이름 붙이기로 한다 이 무지 핸드는 기계적 물리적

으로 구조상 무지핸드로 한 것과 공구가 메커니컬 핸드와 일체화됐다고 생각하

는 공구 핸드가 있다 메커니컬 핸드를 분류해 보면 다음과 같다 진공이나 자

기 이용의 흡착 등 물리적 흡척형의 유지는 보통 평면(완만한 곡선도 포함)부를

흡착하는 형태로서 물체의 크기나 중량에 따라 여러 개가 설치되는 경우도 있

다 그러나 물체표면에 만곡부가 있는 경우나 구멍이나 공동이 있는 경우에는

적용할 수 없게 된다 또한 자력을 이용한 경우 철금속 재료를 다루게 되는데

경우에 따라서 매우 효율적이고 신뢰성이 높기는 하지만 물체에 잔류 자력이

남게 되는 문제점이 있다 받기형의 유지는 지지의 동작만을 가지고 있는 형태

이며 이는 전기한 흡착형 보다 적극적이 아니여서 약한 구속을 갖는다 변형하

기 쉬운 물체의 이송등에는 이를 채택한다 매달기형 유지는 중력 방향의 이동

1 자유도를 구속한다 잡기형 파지는 유연성에 의한 변형으로 접촉면적을 크게

하여 집는

상물을 외측

이용하는 등

33 파지형

파지 형

다 본 연구

하여 설명

(1) 두 손

형태이다 현

측에서 파지하

등의 파지방법

형태에 의한

형태로서는

구에서 사용할

명 하겠다

손가락 type

현재 많이 사

하거나 구멍

법이다

한 그리퍼의

상을 바깥에

할 메커니즘은

e

Fig 3-2 Cla

- 25 -

사용하고 있는

속에 손가락

의 분류

에서 파지하

은 바깥에서

assified by the

는 끼우기형

락을 넣은 후

는 것과 안에

파지하는 형

gripper grip ac

파지 형태는

후 벌려서 내

에서 파지하

형태가 유리하

ction

는 핸들링

내측사용면을

는 것이 있

하므로 이에

두 개의

상태를 유지

는 스윙형

안정되게 파

의 리지트한

지해서 개폐

핸드(swingin

파지하는 점에

손가락을 갖

되는 병진형

ng gripper)로

에서 병진형

(a) grinder c

(c

Fig 3-3 Sw

- 26 -

갖춘 것으로

핸드(transla

로 분류된다

보다 떨어진

crank

c) rotation joi

wing-type hand

실용례가 많

ational grippe

스윙형은 기

진다

(b) swing

int

d mechanism

많다 손가락이

er)와 그 방향

기구가 간단하

g block

이 상호평행

향이 변화하

하나 상이

병진형에

4 은 평행링

운동을 바꾸

에 회전시킴

로 유지되기

지된다 직

시키도록 한

가 전middot후진

피니온 방식

F

에서는 평행링

링크 방식의

꾸고 그 피니

킴으로써 손가

기 때문에 손

동형 신에

한 것도 있다

진하는 결점이

식이 채용된다

Fig 3-4 Hand

링크 랙middot피니

예로 직동형

니온 운동으로

가락 개폐를

손가락의 물체

에 회전형 액

다 평행링크를

이 있다 이문

다

mechanism fo

- 27 -

니온 나사이송

형 액추에이

로 평행링크의

얻는다 링크

체 파지면의

추에이터를

를 이용한 형

문제를 해결하

or translational

송 기구 등이

터의 운동을

의 하나의 링

크 PS 와 링

자세도 개폐

이용한 형식

형식은 개폐에

하는 방법으로

type1 (paralle

이 이용되고

랙과 피니온

링크 A 를 축

크 QR 은 항

폐 동작 중 일

식에서 평행링

에 의해서 손

로서 볼나사

el displacement

있다 Fig 3-

온으로 회전

축 P 의 주위

항상 평행으

일정하게 유

링크를 회전

손가락 위치

기구나 랙middot

nt)

Fig 3

는 핸드의

볼나사 기구

다

(2) 세 손

세 손가

가락으로 잡

F

-5 는 회전형

예이다볼나

구 각각을 손

손가락 type

가락을 가진 핸

잡는 것보다

Fig 3-5 Hand

형 액추에터로

나사 기구를 이

손가락에 부착

e

핸드에서는

안정된 파지

d mechanism fo

- 28 -

로 랙 피니온

이용하는 경

착 사라를 회

상을 3 점

지 동작을 할

or translational

온을 회전시킴

우에는 1

회전시킴으로

점에서 유지할

할 수 있다

l type2 (rack a

킴으로써 개폐

의 왼나사

써 개폐 동작

할수 있기 때

nd pinion type

폐동작을 하

오른나사의

작을 실현한

문에 두 손

e)

Fig 3-6

베벨기어를

구동해서 세

실현한 것

각 손가락을

복잡하며 중

6 은 세 손가

를 매개로 상

세 손가락을

이다 특히

을 개별 모터

중량도 증가하

Fig

락형 그리퍼

호 각도를 주

동작시킴으로

원통물체를

터로 구동하도

하기 때문에

3-6 Hand mec

- 29 -

의 일반적인

주어 결합한

로써 이른바

확실히 잡아

도록 한 3 지

실용례가 적

chanism for thr

인 형상을 나타

3 개의 볼

바 3 포인트 핀

아서 유지하

지형핸드도 개

적다

ree point pinch

타내고 있다

나사를 하나

핀치(three po

는데 유리하

개발되고 있으

h type

이 핸드는

나의 모터로

oint pinch)를

하다그 외에

으나기구가

34 메카니

(1) 구속

기계적

어서 형성되

전 구속 기

해서 언급하

으로 움직일

또 X Y 평

니컬 핸드의

속기능

구동장치에

되는 것으로

기능이 있다

하면 구속 상

일 수 있다

평면 X Y 면

의 구속기능

서 구속 형식

크게 나누어

그래서 핸드

상태의 물체는

이것을 물체

X Z 면상에

Fig 3-

- 30 -

능

식과 접촉 상

어서 반구속

드의 구속 기

는 Fig 3-7 와

체의 공전 (이

서 6 방향으

-7 Movement

상태와 포락

속 (받는 구속

기능을 결정하

와 같이 X Y

이동)에 관한

로 회전 한다

t of object

능력의 인자

속 는 구속

하는 물체의

Z 의 3 축상

6 동작 자유

다 이것을 물

자가 복합되

속)기능과 완

구속에

에서 6 방향

유도로 한다

물체의 자전

(회전)에 관

부여한 상태

행할 수 있

서는 회전의

핸드에

한 공간적

면 Fig 3-8

이 그림

를 구속한다

에서 7 자유

선접촉과 면

계수와 절선

(a

관한 6 동작

태에서 움직이

있다 또 완전

의 6 자유도를

의한 물체의

적인 포락 상

와 같이 된

(a)의 점접촉

다 그러나 1

유도를 구속

면접촉에는 각

선력법선력

a) point contac

Fig3

자유도로 한

이며 중력이

전 구속은 핸

를 무시하는

의 구속은 핸

상태로 정한다

다

촉은 접촉점

1 점접촉은 다

한다 (c)의

각각 마찰에

비와의 관계

ct (b

3-8 Contacts

- 31 -

한다 반구속은

이나 환경면의

드 자체로 1

경우도 적지

핸드와 물체의

다 먼저 접촉

방향의 1 자

다른 11 자유

면접촉은 11

위한 구속이

계로 구속불능

) line contact

of the kind an

은 12 자유도

의 구속을 받

12 자유도를

지 않다

의 접촉 상태

촉부의 구속

자유도를 구속

도를 구속할

1 자유도의 구

이 4 개와 6 개

능의 가능성을

nd the confini

도 중 몇 개의

아서 완전 구

행하는데 경

태 및 접촉부

능력을 모델

속한다 그러나

할 수 없다 (b

구속을 할 수

개 주어져 있

을 가진 구속

(c) surface co

ing

의 자유도를

구속으로 이

경우에 따라

부의 물체에

델로 나타내

나 1 자유도

b)는 선접촉

수 있다 단

있으며 마찰

속 성분이기

ontact

- 32 -

도 하다 또한 면접촉의 상태는 중력의 작용을 이용하면 받기를 형성하고 또

외계력을 이용하면 기를 형성한다

이들의 접촉상태는 물체의 형상과 핸드의 구속면으로 규정되는 것으로 핸드

만으로 결정하기는 어렵다 단 핸드의 구속면을 부드러운 재질로 형성하면 면

접촉의 이행이 용이하다 이와 같은 이유에서 물체에 접촉부가 포락도를 높이는

데에 따라서 물체 형상에 관계 없이 구속 능력을 증 시킬 수 있다

(2) 메커니컬 핸드의 자유도

로봇의 손은 그 용도를 불문하고 인간의 손 작업의 행을 목적으로 하는

것이므로 그 설계에 있어서 모델로 되는 것은 말할 것 도 없이 인간의 손이다

그래서 우선 기구에 하여 설명하기 전에 인간의 손의 구조 모델에 하여 설

명해 본다

AmiddotMorecki 에 의하면 인간의 상체는 그 해부학적 구조에 입각하면 Fig 3-9 와

같이 모델화할 수 있다 Fig 3-9 에서 숫자는 각각 골격 즉 링크를 나타내고 숫

자 II~ V 는 관절을 나타내고 있다 이와 같은 공간링크 기구의 자유도 F 는 가

동부수 n 자유도의 종류 f 를 가진 우 수를 Pf 라 하면 다음 식으로 나타낼

수 있다

6n sum ∙ P 12345 (3-1)

Fig 3-9

들 자유도가

을 Fig 3-9

P5=10 이므

인간의

유도 1 의

해 있으며

의 모델에서

가 있는 관절

9 와 같이 정

므로 위 식에

상지를 인공

액튜에이터를

22 개나 되

Fig 3

서는 n=19 P2

절에 작용하는

정의하고 그

서 FH=22 가

공적으로 정밀

를 27 필요

는 액튜에이

- 33 -

3-9 Human Ar

2=1 P3=2 P4

는 근군은 약

자유도 FH

가 된다

밀하게 재현하

요로 하게 된

터를 필요로

rm structure

4=6 P5=11 이

약 50 이라고

를 구하면

하려고 한다면

된다 또 손에

로 한다 그러

이므로 F=27

고 되어 있다

이 경우는 n

면 이상의 결

는 특히 자유

나 로봇의 손

이 된다 이

여기서 손

n=16 P4=6

결론에서 자

유도가 집중

손이 이만큼

- 34 -

의 수의 액튜에이터를 갖춘 것을 제작한다는 것은 크기 중량 제어면에서 볼

때 현시점에서는 불가능에 가깝다 특히 의수에 있어서는 상술한 바와 같은 형

상이나 조종성 등의 점에서 전혀 불가능하다고 해도 좋다 따라서 보통은 기능

에 주목하여 손에 집중해 있는 자유도의 간략화를 도모한다

인간의 잡기 동작에 주목해 보면 그 잡기 형상에는 12 종류가 있다고 하다

그러나 이것들은 엄지와 다른 12 종류가 있다고 한다 그러나 이것들은 엄지와

다른 4 손가락과의 관계에 주목하였을 때에 2 종류 즉 엄지가 다른 4 손가락과

항해서 동작하거나 그 측방에서 동작하는가로 분류할 수 있다 실제의 일상

동작에서 관찰하면 이들 중에서도 엄지와 손가락이 항해서 동작하는 소위 쥠

동작이 우선 첫 번째이고 또 다음에 엄지 검지 중지의 3 손가락의 선단으로

이루어지는 3Point Pinch 즉 잡기동작이 중요하다

더불어 손가락의 독립성에 해서는 역시 일상동작 중에서 손가락의 사용

빈도를 조사한 결과에 의하면 다섯 손가락은 반드시 독립적인 운동을 필요로

하지 않고 엄지 검지 중지가 같은 정도의 중요성을 자기며 다른 두 손가락은

사용 빈도에 있어서 이들 세 손가락보다 약 50 적으며 다른 세 손가락의 보

조 역할을 한다고 볼 수 있다 그리고 특히 중요한 것은 인간의 각 손가락은 잡

기 상물의 형상에 적응한 쥐기 즉 Passive 한 동작을 할 수 있다는 것이다 이

기능이 있다면 각 손가락이 독립적으로 동작하지 않더라도 또 다소 손의 자유

도를 제거하더라도 상물의 확실한 쥐기나 잡기 그리고 기타 손 작업에 큰 힘

을 발휘한다

- 35 -

34 표적인 동력원의 특징

동력원을 설계할 때 다음의 점을 고려하면서 가장 적합한 방식을 선택한다

1조작력(로보트가 내는 최 의 힘 예를들면 최 들어올린 힘)

2속응성(최 조작 속도)

3크기 중량(로보트의 크기와 중량의 제한)

4안정성(발열이나 과부하에 한 안전성)

5사용의 용이도

6수명가격

1 2 의 조작력 속응력은 로보트에 요구되는 성능에서 가장 기본적인 것인

데 이에 관련해서 크기나 중량의 제한 안정성 사용의 용이도 수명 가격 등을

고려해서 동력원을 선택한다 단 자주형 로보트에서는 2 차적 성능인 동력원의

중량이 첫째 요구 조건이 되는 경우가 많고 공업용 로보트에서는 저가격 사용

의 용이도 안전성이 중요 사항으로 우선시된다

모든 로봇은 동력원을 필요로한다 중요도에 따라 동력원을 선택해야 하는데

일반적으로 공기압식은 안전성이 뛰어난 반면 힘과 세밀한 위치제어가 어렵고

전기식은 응답성과 사용편리성 세밀한 위치제어가 가능하나 높은 힘을 내기 위

해서는 부가적인 기구부가 필요하다 유압식은 큰힘을 낼수있어서 속응성은 좋

으나 과부하시 상당한 발열이 있기 때문에 안전성에서 다른 동력원에 비해 떨

어진다 위 사항을 TABLE 3-1 로 분류하여 나타내었다

- 36 -

TABLE 3-1 Characteristics of power sources

전기식 유압식 공압식

사용용이성 편리하다 작동유의관리 관로의압력

필터관리에 유의

공급공기의 수분제거

윤활성의부가에 주의

수명 길다 기름에 윤활성이 있기

때문에 길다

공기에윤활성이 없어

유압 전기에 비해 짧다

가격 보통 가격 운영비 높음 저가격

응답속도

(반응성) 매우 빠르다 빠르다 늦다

하중능력 (소)에서 (중)정도의

하중능력 단히 큰 힘을 얻음 큰 힘은 없다

소음 적다 다소 크다 크다

- 37 -

제 4 장 능동형 그리퍼 설계

41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정

로봇 그리퍼의 정밀 파지 (Fingertip Grasp 손가락 끝을 이용하여 물체를 집

거나 바닥에누워있는 납작한 물체를 집는 행동)를 안정하게 하기 위해서는 손가

락 끝과 물체가 직각에 가까운 각도를 이룸으로 마찰력을 크게 하여 안정성을

높인다 또한 바닥에 놓인 물체를 집어 올릴 경우에도 물체표면의 법선 벡터와

손가락 끝의 각도가 클수록 물체를 효과적으로 구속하여 안정된 파지를 할 수

있다

그리퍼의 링크 시스템에 있어서 2 링크 손가락보다 3 링크 손가락을 쓸 때가

링크와 수평 평면이 이루는 각 (A)이 더 커지기 때문에 안정성이 더 좋다는 것

을 알 수 있다 그리고 안정성뿐만 아니라 식 (4-1)을 통하여 문체에 전해지는

Torque 값을 Fig 4-2 와 같이 그래프로 나타내면 0 도에서 75 도 정도까지는 A 각

이 커질수록 물체에 가해지는 토크 값이 점점 커지는 것을 알 수 있음으로 3 링

크 손가락을 쓰는 것이 파지력 증가됨을 알수 있다 ℓ3 의 길이가 길어질수록 A

가 작은 값을 가져서 정밀파지에 적당하지 않다

τ l cosA sinA l 1 cos A tan μ (41)

A cosempty

(42)

Fig 4-1

은 식을 통

각이 커짐을

움이 있고

Fig4-

에서 제 2 코

통해 구할 수

을 알 수 있다

최소 단위를

Fig4

-1 Configurati

코사인 법칙

있는데 이로

다 그러나 ℓ

를 1cm 로 하

-2 Change the

- 38 -

ion of the fing

을 이용하여

로부터 링크

ℓ3 가 1cm 인

하였기 때문에

e value of the a

gers on robot g

여 A 의 각을

길이 ℓ3 가

인 경우는 너

에 ℓ3 는 2cm

angle of phage

gripper

구하기 위해

작으면 작을

무 짧아서 파

로 결정하였

torque

해 (2) 와 같

을수록 A 의

파지의 어려

였다

42 모터

(1) 알고

앞 절에

여야 한다

는 모터의

이 작은 모

나 용량이

로 적절한

선정 알고

고리즘 정의

에서 설명한 기

로봇 팔에

선정은 동작

모터를 사용하

큰 모터를 사

모터의 선정

고리즘

기구들을 추

움직임을 전

작을 구현하는

하게 되면 기

사용하게 되

정이 중요하다

Fig 4-3 M

- 39 -

추후 로봇 시스

전달함에 있어

는데 중요한

기구의 원활한

면 모터의 외

다

Motor Selectio

스템에 적용을

어서 동력을

과제가 되겠

한 작동이 어

외형이 커지

on Algorithm

을 고려하여

공급과 제어

겠다 만일 토

려워지고 단

고 가격 또한

설계를 하

어를 수행하

토크나 용량

단순히 토크

한 증가하므

- 40 -

(2) 알고리즘 수행

모터를 선정하기 위해서 가장 우선적으로 해야 할 일은 기계구동부분을 결

정하고 구동부분을 어떠한 방식으로 작동을 시킬지 동작 패턴을 결정하여야 한

다 예를 들면 모터에서 나오는 힘을 받아서 볼 스크류를 이용하여 힘을 전달할

것인지 벨트 피니언 기어 혹은 풀리 등을 이용할 것인지를 결정하고 그에 따

른 적절한 구동방식을 결정한다 구동방식을 결정하게 되면 각각의 구동방식에

적합한 수식을 대입하여 부하토크를 계산한다 구동방식에 따른 부하토크를 구

하는 수식은 구동방식이나 구동장소 등에 따라 다소 상이하나 일반적인 수식은

다음과 같다

-BALL SCREW 구동

T FP2πn

μ F P2π

1i N ∙ m 43

F F mg sin α μ cos α N 44

-PULLEY 구동

T ∙ 45

μF D

2i N ∙ m

- 41 -

-WIRE middot BELT 구동 RACK middot PINION 구동

T F2πn

∙ πDi

FD2ni

N ∙ m 46

F F mg sin α μ cos s N 47

-실측에 의한 방법

T 48

직선운동 (커플링 직결 볼스크류 등)의 경우 위의 (43) (44) 이용하여 구할

수 있다 이때 F 는 축방향하중 F0 는 예압하중 μ0는 예압 NUT 의 마찰계수 η 은

효율i 는 감속비 PB 는볼스크류 피치를 나타낸다 회전운동 (풀리)의 경우 식

(45)를 이용하여 구할 수 있으며 FA는 외력 FB는 부하중량 (주축이 회전하기 시

작할 때의 힘) m 은 work 와 TABLE 의 총무계 μ 접동면의 마찰계수α는 경사각

도D 는 풀리의 지름을 나타낸다

실제현장에서는 선정된 모터의 토크를 확인하기 위해 실측에 의한 구동토크

를 계측하는데 스프링 저울을 구동 풀리에 연결지어 측정한다 이때 TL 은 회전

운동 부하토크에 해당하고 FB 는 부하중량 D 는 풀리의 직경을 나타낸다

위의 부하토크를 구하는 식들을 이용하여 부하토크를 구하게 되면 실제 모

터를 사용할 때 어느 정도의 시간적 여유를 두고 가속을 할 것인지 감속을 할

것인지를 결정하여야 한다 이를 위해서 우선 동작시킬 부분에 대한 관성모멘트

를 계산하

Fig 4-4

시한 것으로

dA 와 기준

이를 표현하

하여야 한다

4 는 관성모멘

로 X 와 Y

준축으로 부터

하면 식 (49)

Fig 4-4 Arb

I

멘트를 구하기

는 면적의 미

터의 거리의

)와 같다

- 42 -

bitrary shape o

y dA I

기 위한 절대

미소 요소 dA

제곱의 곱으

of planar area

x dA

대좌표 X Y

A 의 좌표이

으로 단면 2

축 상의 미소

이고 관성모멘

차 모멘트라

49

소면적을 도

멘트는 요소

라고도 한다

평면 면

가 있다 평

축에 대한

Fig 4-5

하는 평행한

관성모멘

식 (410

번째 적분은

면적의 관성

평행축 정리란

관성 모멘트

5 과 같이 도

한 xy 축 두

멘트의 정의로

I y

0) 에서 우변

은 Xc 축에

Fig 4-5

모멘트에 있

란 도심축에

트 사이의 관

도심을 원점으

좌표계의 평

로부터 x 축

y d dA

변의 첫 번째

대한 1 차 모

- 43 -

5 Parallel-axis

있어서 중요하

대한 관성

계를 나타낸

으로 하는 Xc

평행한 축 간

축에 대한 관

y dA

적분은 Xc

모멘트로서 X

theorem

하고 유용한

모멘트와 도

낸다

cYc 축과 임의

간의 거리를 d

성모멘트 Ix

2d y dA

축에 대한 관

Xc 축이 도심

정리로서 평

도심축에 평행

의의 점 O 를

d1 과 d2 로 표

는 식(410)와

d dA

관성모멘트

심을 통과하므

평행축 정리

행한 임의의

를 원점으로

표시한다

와 같다

410

I 이다 두

므로 적분의

- 44 -

값은 0 이다 세번째 적분은 면적 A 그 자체이다 따라서 식 (410)은 식 (411)과

같이 간단해진다

I I Ad 411

y 축에 대한 관성모멘트도 위와 같은 방법에 의해 식(412)과 같다

I I Ad 412

또한 면적의 평면에 수직인 수직축에 대한 관성모멘트를 극관성모멘트라 한

다 Fig 4-6 는 평면에 수직이고 O 점을 통과하는 축에 대한 극관성모멘트를 나

타낸 그림으로 이를 관성모멘트 식으로 표현하면 식 (413) 와 같다

I ρ dA 413

식 (413)와

즉 평면에

서로 수직인

극 관성

와 도심 C

와 식 (414)에

I

수직인 축에

인 두 축에 대

성모멘트에 대

에 대한 극

Fig 4-6 Arb

의해 식 (4

ρ dA

I

에 대한 극관

대한 관성모

대한 평행축

극 관성모멘트

- 45 -

bitrary shape o

ρ x y

415) 식 (41

x y dA

I I I

관성모멘트는

멘트의 합과

정리는 Fig

트를 각각 I

of Polar Area

y

16)과 같은 관

x dA y

는 평면 내의

과 같다

4-5 에서 유

와 I 로

관계식을 얻을

y dA

같은 지점을

유도할 수 있

로 표시하면

414

을 수 있다

415

416

을 통과하는

있다 원점 O

식 (416)에

- 46 -

서 식(417)을 유도할 수 있다

I I I I I I 417

I I I I A d d 418

I I Ad 419

식 (419)는 극 관성모멘트에 대한 평행축 정리를 나타낸다 즉 평면 내의 임의

의 한 점 O 에 대한 면적의 극관성모멘트는 도심 C 에 대한 극관성모멘트에 그

면적과 점 O 와 C 사이의 거리의 제곱의 곱을 더한 것과 같다

이상의 식에서 부하토크와 관성모멘트를 계산하여 모터를 가 선정한다 부하토

크의 경우 사용될 모터의 정격 토크를 넘어서지 않는 것을 선정한다 부하토크

를 TL 정상 부하 상태의 힘 PL 극 관성모멘트 IL 회전운동을 위한 힘 Pa 각속

도 가속 시 소요되는 시간을 ta 라 하고 식 (420)을 이용하여 부하가 일정하

게 작용할 때의 힘을 계산한다 마찬가지로 관성모멘트를 식 (421)에 대입하여

가속을 위한 회전 운동 시 필요한 힘을 계산한다 식 (420)과 식 (421)에서 계

산된 힘을 합산하면 모터를 회전시키기 위해 필요한 출력이 계산된다 이때 계

산된 출력보다 실제 사용할 모터의 정격 출력이 1~2 배 정도가 되도록 모터를

가 선정한다

- 47 -

P T ω 420

P 421

위의 과정을 통하여 모터를 가선정하고 가감속 토크 및 구동 토크를 계산한

다 각각의 토크를 계산하게 되면 모터를 최종적으로 선정하게 되는데 두 가지

사항을 고려하여 최종 선정한다 먼저 식 (422)을 통해서 계산되는 가속 시 소

요되는 기동 토크 TM 가 모터의 최대 토크를 넘지 않는 것으로 선정한다

T 422

두 번째로 Fig 4-7 의 속도 선도와 같이 모터의 가 감속 시간과 정상 동작

시간 등을 결정하여 식 (423)과 같이 실효치 토크 TS 를 구하고 실효 토크가 모

터의 정격 토크보다 크지 않도록 선정한다

T 423

Fig 4-7 Exa

- 48 -

ample of veloc

city guidance

- 49 -

(3) 알고리즘 적용

로봇시스템에 있어서 기구들의 관성모멘트와 토크 계산 후 적합한 모터를

선정하기 위해 시중에서 시판되는 모터를 조사하였다 로봇에 적용 가능한 모터

로는 크게 서버모터와 스텝모터 RC 서버모터 DC 모터로 구분 할 수 있었다 이

를 TABLE 4-1 과 같이 정리하였다

동력원의 6 가지 선정요소 중 우선순위를 부여하여 분류했을 때 핸드 그리퍼

의 특성상 가볍고 토크가 큰 RC 서버 모터 미니 서버모터를 선택할 수 도 있지

만 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터 중 토크를 증가시킬 수 있는

감속기가 있는 타입의 모터를 우선시 하였다

1 감속비를 사양할 수 있는 모터를 선정하여 계산한 토크를 확인한다

2 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터를 선정한다

3 CLOSED LOOP 제어를 통하여 정확한 위치를 검출할 수 있어야 한다

따라서 스텝모터중 lsquoOrsquo사의 ldquoαSTEPrdquo가 적합하다고 판단되어 모터를 선정하였다

- 50 -

TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics

미니서버모터 RC 서버모터 스텝모터 DC 모터

장점 동일사양대비 모터

중 10배정도 큰 토크

5v사용가벼움

정확한 위치제어

급격한 부하변동급가

속 유리

저렴한가격

보편화됨

단점 정지시 진동이 예상 약한 토크 THRUST하중이 모터

무계 이하여야 한다

유지보수가 잦다

크기 151588mm(10w20w)

2525111mm(30w)

392038mm 424234mm Oslash37mm917mm

동작전압 Dc 24V Dc 48V60V Dc 24V Dc 24V

무계 230g~400g 56g 150g 200g

허용토크 009Nm~03Nm 11~13kgfcm 18kgfcm (018Nm) 47kgfcm(1200)

감속기 다양한 감속비 가능 고정 감속기 감속기 무(072˚036) 다양한 감속비

제조사 야스카와 SGMM 하이텍 HS-5945 AUTONICS GCM 3429A

TABLE 4-2 αstep motor characteristics

외형 전압 전류 무계 토크 감속비 분해능

αSTEP 282884mm

4242127mm Dc24V 1~37A 250G 2~28 Nmiddotm 50~1001

00072pluse

00036pluse

- 51 -

43 1 차 능동형 그리퍼 설계

실린더를 사용하여 링크로 물체를 파지하던 그리퍼는 Fig 4-8 과 Fig 4-9 에

묘사하였다 이런 실린더를 사용한 그리퍼는 공압 효과를 도출할 수 있는 별도

의 펌프가 필요하고 동작을 구현할 수 있는 자유도를 증가시키는데 한계가 있

다 이런 실린더의 단점을 보완하고 전기모터의 장점을 사용하기 위해 웜기어와

웜휠 방식을 채택하여 2 자유도 능동형 그리퍼를 설계하였다

1 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-10 에 묘사하였으며 1 차설계한

능동형 그리퍼는 Two Fingertip Grasp 로 칭하겠다 파지한 물체를 회전 시키는

기능은 베벨기어를 사용하여 회전운동으로 구현하였고 실린더의 전middot후진 운동

을 전기모터의 회전운동으로 변환 시키기 위하여 웜기어와 웜휨을 선택하였다

전기모터에 의해 회전하는 운동은 웜기어와 웜휠에 의해 링크를 사용하여 물체

를 파지하였던 그리퍼와 동일한 운동효과를 가지게 되었다

웜기어와 웜휠을 사용하여 물체를 파지하는 능동형 그리퍼는 스윙형으로 설

계되었으며 파지력을 높이기 위한 각도를 적용하였다 링크를 사용하여 물체를

파지하는 형태의 그리퍼보다 기구의 크기를 줄일 수 있는 장점이 있는 반면 기

어들의 백래시에 의한 오차가 끝단에 누적될 수 있는 문제점을 가지고 있다또

한 기구부의 소재 변경으로 그리퍼의 무계를 줄일 수 도 있지만 가장 큰 무계

를 차지하는 모터를 그리퍼 자체에서 분리하게 할 수 있게 하려면 그리퍼 자체

의 구조변경이 필요하다

`

`

Fig 4-8 Par

Fig 4-9 Par

- 52 -

rallel-link gra

rallel-link gra

sps system 1

sps system 2

Fig 4-10

- 53 -

0 Two fingertipps grasp system

- 54 -

44 2 차 능동형 그리퍼 설계

1 차 설계한 능동형 그리퍼에서 발견된 문제점을 보안하기 위하여 2 차 능동

형 그리퍼를 설계하였다 2 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-11 에 묘사

하였으며 2 차설계한 능동형 그리퍼는 Four Fingertip Grasp 로 칭하겠다 이 장치

는 크게 동력원 동력 전달장치 핑거 그립장치로 구성되어있으며 이를 통합하

여 Fig 4-12 에 나타내었다

핑거 그립장치는 스윙형 그립의 단점을 보완하여 설계하였다 물체를 파지할

때 그립의 회전 반경이 주위 환경요소와 간섭을 발생시킬 수 있는데핑거가 전

진할때 샤프트와 핑거그립간의 나사결합형태를 통한 직선운동으로 개선하여 주

위환경요소에 영향을 주지 않도록 설계하였다 구동축의 핑거파지 메카니즘을

Fig 4-13 와 같이 간략화 하였고 이에 대한 세부 도면은 Fig 4-14 로 나타내었다

4 조 핑거 그립의 나사산과 테이퍼진 스크류축은 나사식으로 결합되며 상호

작용에 의해 점차 중심점으로 이동하여 물체를 파지하는 형태이다 사용된 2 개

의 샤프트는 중공축으로 설계하였으며 외부 샤프트는 4 조 핑거가 물체를 파지

하여 비트는 모션을 구현하는데 사용되었다 내부 샤프트는 핑거를 중심점으로

전진시켜는 기능을 수행한다 중공축으로 설계한 내부 샤프트는 차후 개발될 인

스트리먼트의 탈부착을 손쉽게 할수있도록 구현하였고 4 조로 설계된 핑거는 그

립시 인스트리먼트의 응력집중현상을 분산시키는 기능과 2 조로 그립하였을때

보다 안정적인 그립감을 형성한다

- 55 -

동력원과 동력전달장치는 Fig 4-15 에 나타내었으며 Two Fingertip Grasp system

의 문제점이었던 구동부의 모터의 설치 방법을 외부에 부착하는 형태로 변경하

여 우레탄 밸트를 사용하였다 또한 아이들러를 사용하여 밸트의 방향을 변경

하여 모터의 부착위치를 자유롭게 설정할 수 있도록 하였고 모터 브라켓에 슬

리브 홈을 설치하여 벨트의 장력을 조절할 수 있도록 하였다

Fig4-11

Fig4-12 Fou

- 56 -

Four fingertip

ur fingertips g

ps grasp system

grasp system la

m

ayout

Fig 4-13

Fig 4-14

- 57 -

Fingertip gra

4 Fingertip gr

asps mechanis

rasps extended

m

d

Fig 4-15

- 58 -

5 Power transmission devicce

- 59 -

제 5장 결 론

본 연구에서는 MIS 수술 로봇을 위한 햅틱 마스터장치 구동용 능동형 그리

퍼를 설계하기 위하여 그에 상응하는 자료 및 문헌 조사를 수행하였고 햅틱 마

스터에 적용 가능한 능동형 그리퍼를 설계하여 로봇 시스템의 초안을 구성하였

다 수술용 도구를 단순히 잡아주는 역할에서 벗어나 시스템에 추가적인 자유도

를 부여함으로써 그리퍼를 표현하였다 단순화된 그리퍼는 보다 저렴한 가격으

로 생산될 수 있으며 기존 로봇 수술시스템의 높은 비용을 절감할 수 있는 효

과를 가져올 수 있다

최종적으로 제안한 설계 안으로는 2 조 핑거그립를 사용하는 전기모터형 그

리퍼 와 추가적으로 개선한 4 조 전기모터형 핑거그립를 설계였다 스윙형 그립

의 단점을 보안하여 집중응력을 분산할 수 있는 구조로 설계하였고 그리퍼의

무계를 줄일 수 있는 방법을 제시하였다 이로써 원통형 도구 파지 시 안정성이

향상되었고 보다 원활하게 수술 도구를 교체 가능하도록 하였다

앞으로 촉감을 전달할 수 있는 센서의 개발로 햅틱 디바이스 인터페이스 장

치의 활용에 보다 높은 기여를 할 것이라 예상된다

-６０-

참고 문헌

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정보 및 제어부분 PP68~7020084

[2] 박정호 ldquo국내외 의료로봇 현황과 발전방향rdquo정보과학지 26(4)

PP49~5420084

[3] 편집부 ldquo수술지원로봇의 최신 기술 동향rdquo월간 자동화 기술 22(12)

PP74~77200612

[4] 경기욱박준석 ldquo햅틱스 기술개발 동향 및 연구전망rdquo전자통신경향분석

21(5)PP93~108200610

[5] 권동수경기욱 ldquo의료용 로봇의 연구 현황과 전망rdquo기계저널

42(3)PP38~44200203

[6] Yoichi OGAHARA Yusuke KAWATO Kenjiro TAKEMURA Takashi MAENO

ldquoA Wire-Driven Miniature Five Fingerd Robot Hand using Elastic Elements as

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[7] Ikuo Yamano Takashi Maeno ldquoFive-fingered Robot Hand using Ultrasonic Motors

and Elastic Elementsrdquoproceedings the 2005 IEEE International Conference on

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[8] 홍만복김광기 ldquo최소 침습수술로봇을위한 2-자유도 구형 메커니즘설계rdquo

한국정밀공학회 2009년 추계학술대회 논문집

-６１-

[9] 이재훈김형욱이병주서일홍 ldquo새로운 6자유도 병렬형 햅틱 기구의 최적설

계 및 해석rdquo한국정밀공학회 2003년 추계학술대회 논문집

[10] 조국훈이재훈이병주김희국 ldquo병렬형 그리퍼 메카니즘rdquo한국정밀공학회지

[11] 김갑순 ldquo3축 힘센서를 이용한 지능형 그리퍼 개발rdquo한국정밀공학회지 제

24권 제 3호 1999년

[12] 고대성김성목김희국이병주 ldquo병진형 자유도와 1자유도 파지기능을 가지는

4자유도 병렬 메커니즘의 기구학분석rdquo한국정밀공학회 2007년 추계학술대회

• 제1장 서 론
• • 11 연구배경 및 연구목적
  • 12 연구내용
  • • 제2장 로봇 산업의 기술 현황
    • • 21 로봇산업의 동향
      • 22 의료용 로봇기술 현황
      • 23 의료용 로봇시장 전망
      • • 제3장 능동 그리퍼
        • • 31 최소침습 수술 햅틱 장치구현에 필요한 능동 그리퍼 제안
          • 32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류
          • 33 파지형태에 의한 그리퍼의 분류
          • 34 메카니컬 핸드의 구속기능
          • 35 대표적인 동력원의 특징
          • • 제4장 능동형 그리퍼 설계
            • • 41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정
              • 42 모터 선정 알고리즘
              • • 43 1 차 능동형 그리퍼 설계
                • 44 2 차 능동형 그리퍼 설계
                • • 제 5 장 결론
                  • 참고문헌
                  • TABLE 2-1 Domestic robot classification
                  • TABLE 2-2 Robot Production Company
                  • TABLE 3-1 Characteristics of power sources
                  • TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics
                  • TABLE 4-2 αSTEP Motor Characteristics
                  • Fig2-1 Phase of medical robots in the robot industry
                  • Fig2-2 Da Vinci surgical case number
                  • Fig3-1 Da Vinci robot system for MIS
                  • Fig3-2 Classified by the gripper grip action
                  • Fig3-3 Swing-type hand mechanism
                  • Fig3-4 Hand mechanism for translational type1 (parallel displacement)
                  • Fig3-5 Hand mechanism for translational type2 (Rack and pinion type)
                  • Fig3-6 Hand mechanism for three point pinch type
                  • Fig3-7 Movement of object
                  • Fig3-8 Contacts of the kind and the confining
                  • Fig3-9 Human Arm structure
                  • Fig4-1 Configuration of the fingers on robot gripper
                  • Fig4-2 Change the value of the angle of phage torque
                  • Fig4-3 Motor Selection Algorithm
                  • Fig4-4 Arbitrary Shape of Planar Area
                  • Fig4-5 Parallel-Axis Theorem
                  • Fig4-6 Arbitrary Shape of Polar Area
                  • Fig4-7 Example of Velocity Guidance
                  • Fig4-8 Parallel-link Grasp system 1
                  • Fig4-9 Parallel-link Grasp system 2
                  • Fig4-10 TWO Fingertip Grasp system
                  • Fig4-11 Four Fingertip Grasp System
                  • Fig4-12 Four Fingertip Grasp System layout
                  • Fig4-13 Fingertip Grasp Mechanism
                  • Fig4-14 Fingertip Grasp extended
                  • Fig4-15 Power Transmission Device

- 19 -

근 한국과학기술연구원과 벤처기업인 인트로메딕이 개발한 세계 최소형 캡슐형

내시경인 미로캠 (MiroCam)은 2010 년까지 국내 캡슐형 내시경 시장의 80를

점유할 것으로 예상하고 있다 이러한 국산 의료용 로봇 개발을 통해 고부가가

치 시장인 세계 의료 시장에 뛰어들 수 있는 기반을 다졌다는 데에 큰 의미가

있다

전문 서비스용 로봇의 경우 제조업 로봇 관련 풍부한 경험을 바탕으로 전문

서비스용 로봇으로의 기술확대 메카트로닉스 (mechatronics) 관련 다양한 산업기

반과 세계적인 IT 인프라 보유국의 강점을 살리고 있다 또한 한국은 10 대 성

장동력간 연계 등을 통한 시너지 효과와 세계 전문서비스 로봇 시장이 초기형

성 단계임을 감안한다면 이 분야의 진출에 대한 절호의 기회이며 머지않아 의

료용 로봇 강국으로 진입할 수 있을 것으로 기대된다

- 20 -

제 3 장 능동 그리퍼

31 최소침습 수술 햅틱 장치 구현에 필요한 능동 그리퍼 제안

21 세기 로봇 기술 분야에서는 인간과 기계 시스템 간의 커뮤니케이션이 무

엇보다 중요하게 강조되며 이러한 인간과 기계 시스템의 의사소통은 주로 인간

의 감각 기관을 통해 이루어 진다 일반적으로 인간에게는 보고 듣고 냄새를

맡고 맛을 보고 피부로 느끼는 오감이 있으며 이러한 감각을 시각 청각 후

각 미각 촉각이라고 한다 따라서 이러한 인간의 감각에 정보를 전달하기 위

한 다양한 기계 시스템들이 개발되어 왔다 오감 중에서 현재 인간과 기계 시스

템간의 인터페이스 역할을 하는 표적인 감각으로는 사물을 보는 시각과 소리

를 듣는 청각이 주로 이용되고 있다 이를 위한 시스템들은 이미 상당한 수준으

로 발전해 현재 상용화 되어 활용되고 있다 하지만 이러한 시각과 청각 인터

페이스 만으로는 로봇의 제어에 한계가 있으며 오감 중에서 세 번째 감각인 촉

각에 한 인터페이스가 현재 활발히 연구 개척되고 있다 만약 가상현실에 촉

감 인터페이스가 적용된다면 기존의 시각과 청각에만 의존하던 가상 현실에 촉

감을 전달함으로써 실제 물건을 만지고 느낄 수 있으므로 가상현실을 보다 더

실감나게 할 수 있을 것이다 하지만 인간의 감각 중에서 촉각은 매우 민감한

감각으로 여기에 촉감 정보를 전달하는 인터페이스는 아직 많은 연구를 필요로

하고 있다

- 21 -

햅틱 (haptic)이란 단어의 사전적인 의미는 ldquoof or relating the sense of touch

tactilerdquo로써 물체를 만질 때 사람이 느낄 수 있는 촉각적 감각으로 피부가 물체

표면에 닿아서 느끼는 촉감 (tactile sensation)과 관절과 근육의 움직임이 방해 될

때 느껴지는 근 감각적인 힘 (kinesthetic force)의 두 가지 힘을 모두 합쳐서 부르

는 말이다 촉감 구현 연구는 물리적 장치를 이용하여 사람이 직접적인 접촉이

없이도 촉각 정보를 전달하는 방법에 관한 전반적인 연구 분야를 일컫는 말로

사람에게 원격지에 있는 물체의 물리적 특성을 전달하는 원격조작 혹은 원격현

장감에 관한 연구로부터 시작되었다 가상 혹은 실제 환경에서 촉감을 구현하기

위한 연구를 포괄적으로 의미하는 용어로 햅틱스 (haptics)라고 한다 주요 연구

분야는 사람이 직접 손에 쥐거나 착용하는 물리적 장치인 햅틱 디바이스 인터

페이스 (haptic interface) 가상 공간상의 물체에 기계적 성질을 부여하여 사실감

이 있는 상호작용을 제공하고자 하는 햅틱 렌더링 (haptic rendering) 사람의 촉

각 인지 특성에 관한 연구 (tactile perception) 등으로 나눌 수 있다 특히 햅틱

인터페이스 (haptic interface)는 햅틱 디바이스 (haptic device)라고도 불리우며 사람

에게 촉감을 전달하는 물리적인 장치를 말하며 더 넓은 의미로 사용하여 가상

의 환경을 촉감 전달을 통해서 느끼게 하는 시스템 전체를 가리키기도 한다 이

러한 햅틱 기술은 다양한 분야에서 활용될 수 있는데 표적인 분야로는 가상

현실 분야 인간-컴퓨터 인터페이스 분야 게임 등 사이버 커뮤니케이션 그리고

원격제어 로봇 등이 있다 특히 원격제어 로봇이 많이 활용되고 있는 의료 분

야에서 햅틱 구현은 매우 시급한 과제이다 현 의 수술은 점점 첨단의 수술 도

- 22 -

구와 로봇을 이용하여 집도되는 추세이며 최소침습수술 (minimally invasive

surgery MIS)이 그 표적인 예이다 이 수술법은 환부의 구멍에 수술도구와 카

메라를 삽입하여 집도의가 모니터를 보면서 시술함으로써 시술시간이 짧고 환

자의 회복이 빨라서 그 적용 범위가 점차 확 되고 있다 하지만 환자가 얻게

되는 이점에 반해 의사는 개복 수술에서 쉽게 이용하던 기술들을 더 이상 적용

할 수 없게 되어 집도에 있어 큰 어려움을 부담해야만 한다 즉 환자의 내부에

서 손의 움직임과 시야의 제약을 받게 되었고 손으로 환자의 장기나 뼈를 만지

고 상태를 확인할 수 없게 된 것이다 이러한 문제점들을 극복하기 위해 첨단의

의료용 로봇 시스템이 개발되었는데 의사 즉 오퍼레이터가 조작하는 마스터

(master) 로봇과 환자의 환부에서 수술을 진행하는 슬레이브 (slave) 로봇으로 구

분된다 슬레이브 로봇은 크게 수술 시 집도의 팔의 움직임을 구현하는 구동 암

(arm)과 수술도구를 홀딩 할 수 있는 그리퍼로 분류할 수 있다 구동 암의 움직

임은 수술 부위의 위치를 결정하면 별도 큰 움직임 없이 작동시킬 수 있으며

전달 수술 관통 수술이 아닌 경우에는 집도의가 느끼는 힘을 피드백 할 필요가

없다 하지만 그리퍼의 경우는 신체 일부분의 미세한 조직까지 전부 접촉해서

제거하거나 봉합하기 때문에 집도의가 수술 시 느끼는 힘을 구현하여야 보다

정밀한 수술을 수행할 수 있다 따라서 본 연구에서는 햅틱 장치가 적용된 마스

터 로봇과 마스터 로봇에서 형성된 힘을 느낄 수 있으며 원할한 수술을 진행할

수 있는 최소침습수술용 능동 그리퍼를 제안하겠다 Fig 3-1 은 상용 MIS 장치인

다빈치 로봇의 마스터와 슬레이브 그리고 그리퍼를 나타내고 있다

(a) sla

(b

Fig 3-1 da V

Operation Arm

Gripper

- 23 -

ave robot and g

b) master rob

Vinci robot sy

m

gripper

ot

stem for MIS

- 24 -

32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류

산업용 로봇은 그 기능 특성상 필요성에 의해 로봇의 말단부에 그리퍼를 부

착시킨다 이것은 인간의 손에 응되는 것으로서 메커니컬 핸드라고 칭하며 다

루는 상 물체를rdquo파지rdquo해 이동하는 목적으로 사용되는 도구이다

파지동작은 Fig 3-2 와 같이 세분화된다 인간의 손 손가락에는 많은 관절이

있으며 여러가지 작업이 가능하다 일상 생활에서의 붙잡기는 형식을 분류한 것

으로는 슐레징거의 12 형식이 있다 여기서 인간의 손에는 손가락이 있어서 그

것을 유지핸드라고 이름 붙이면 메커니컬 핸드에는 손가락이 없는 구성법이 있

는데 이것을 무지 핸드라고 이름 붙이기로 한다 이 무지 핸드는 기계적 물리적

으로 구조상 무지핸드로 한 것과 공구가 메커니컬 핸드와 일체화됐다고 생각하

는 공구 핸드가 있다 메커니컬 핸드를 분류해 보면 다음과 같다 진공이나 자

기 이용의 흡착 등 물리적 흡척형의 유지는 보통 평면(완만한 곡선도 포함)부를

흡착하는 형태로서 물체의 크기나 중량에 따라 여러 개가 설치되는 경우도 있

다 그러나 물체표면에 만곡부가 있는 경우나 구멍이나 공동이 있는 경우에는

적용할 수 없게 된다 또한 자력을 이용한 경우 철금속 재료를 다루게 되는데

경우에 따라서 매우 효율적이고 신뢰성이 높기는 하지만 물체에 잔류 자력이

남게 되는 문제점이 있다 받기형의 유지는 지지의 동작만을 가지고 있는 형태

이며 이는 전기한 흡착형 보다 적극적이 아니여서 약한 구속을 갖는다 변형하

기 쉬운 물체의 이송등에는 이를 채택한다 매달기형 유지는 중력 방향의 이동

1 자유도를 구속한다 잡기형 파지는 유연성에 의한 변형으로 접촉면적을 크게

하여 집는

상물을 외측

이용하는 등

33 파지형

파지 형

다 본 연구

하여 설명

(1) 두 손

형태이다 현

측에서 파지하

등의 파지방법

형태에 의한

형태로서는

구에서 사용할

명 하겠다

손가락 type

현재 많이 사

하거나 구멍

법이다

한 그리퍼의

상을 바깥에

할 메커니즘은

e

Fig 3-2 Cla

- 25 -

사용하고 있는

속에 손가락

의 분류

에서 파지하

은 바깥에서

assified by the

는 끼우기형

락을 넣은 후

는 것과 안에

파지하는 형

gripper grip ac

파지 형태는

후 벌려서 내

에서 파지하

형태가 유리하

ction

는 핸들링

내측사용면을

는 것이 있

하므로 이에

두 개의

상태를 유지

는 스윙형

안정되게 파

의 리지트한

지해서 개폐

핸드(swingin

파지하는 점에

손가락을 갖

되는 병진형

ng gripper)로

에서 병진형

(a) grinder c

(c

Fig 3-3 Sw

- 26 -

갖춘 것으로

핸드(transla

로 분류된다

보다 떨어진

crank

c) rotation joi

wing-type hand

실용례가 많

ational grippe

스윙형은 기

진다

(b) swing

int

d mechanism

많다 손가락이

er)와 그 방향

기구가 간단하

g block

이 상호평행

향이 변화하

하나 상이

병진형에

4 은 평행링

운동을 바꾸

에 회전시킴

로 유지되기

지된다 직

시키도록 한

가 전middot후진

피니온 방식

F

에서는 평행링

링크 방식의

꾸고 그 피니

킴으로써 손가

기 때문에 손

동형 신에

한 것도 있다

진하는 결점이

식이 채용된다

Fig 3-4 Hand

링크 랙middot피니

예로 직동형

니온 운동으로

가락 개폐를

손가락의 물체

에 회전형 액

다 평행링크를

이 있다 이문

다

mechanism fo

- 27 -

니온 나사이송

형 액추에이

로 평행링크의

얻는다 링크

체 파지면의

추에이터를

를 이용한 형

문제를 해결하

or translational

송 기구 등이

터의 운동을

의 하나의 링

크 PS 와 링

자세도 개폐

이용한 형식

형식은 개폐에

하는 방법으로

type1 (paralle

이 이용되고

랙과 피니온

링크 A 를 축

크 QR 은 항

폐 동작 중 일

식에서 평행링

에 의해서 손

로서 볼나사

el displacement

있다 Fig 3-

온으로 회전

축 P 의 주위

항상 평행으

일정하게 유

링크를 회전

손가락 위치

기구나 랙middot

nt)

Fig 3

는 핸드의

볼나사 기구

다

(2) 세 손

세 손가

가락으로 잡

F

-5 는 회전형

예이다볼나

구 각각을 손

손가락 type

가락을 가진 핸

잡는 것보다

Fig 3-5 Hand

형 액추에터로

나사 기구를 이

손가락에 부착

e

핸드에서는

안정된 파지

d mechanism fo

- 28 -

로 랙 피니온

이용하는 경

착 사라를 회

상을 3 점

지 동작을 할

or translational

온을 회전시킴

우에는 1

회전시킴으로

점에서 유지할

할 수 있다

l type2 (rack a

킴으로써 개폐

의 왼나사

써 개폐 동작

할수 있기 때

nd pinion type

폐동작을 하

오른나사의

작을 실현한

문에 두 손

e)

Fig 3-6

베벨기어를

구동해서 세

실현한 것

각 손가락을

복잡하며 중

6 은 세 손가

를 매개로 상

세 손가락을

이다 특히

을 개별 모터

중량도 증가하

Fig

락형 그리퍼

호 각도를 주

동작시킴으로

원통물체를

터로 구동하도

하기 때문에

3-6 Hand mec

- 29 -

의 일반적인

주어 결합한

로써 이른바

확실히 잡아

도록 한 3 지

실용례가 적

chanism for thr

인 형상을 나타

3 개의 볼

바 3 포인트 핀

아서 유지하

지형핸드도 개

적다

ree point pinch

타내고 있다

나사를 하나

핀치(three po

는데 유리하

개발되고 있으

h type

이 핸드는

나의 모터로

oint pinch)를

하다그 외에

으나기구가

34 메카니

(1) 구속

기계적

어서 형성되

전 구속 기

해서 언급하

으로 움직일

또 X Y 평

니컬 핸드의

속기능

구동장치에

되는 것으로

기능이 있다

하면 구속 상

일 수 있다

평면 X Y 면

의 구속기능

서 구속 형식

크게 나누어

그래서 핸드

상태의 물체는

이것을 물체

X Z 면상에

Fig 3-

- 30 -

능

식과 접촉 상

어서 반구속

드의 구속 기

는 Fig 3-7 와

체의 공전 (이

서 6 방향으

-7 Movement

상태와 포락

속 (받는 구속

기능을 결정하

와 같이 X Y

이동)에 관한

로 회전 한다

t of object

능력의 인자

속 는 구속

하는 물체의

Z 의 3 축상

6 동작 자유

다 이것을 물

자가 복합되

속)기능과 완

구속에

에서 6 방향

유도로 한다

물체의 자전

(회전)에 관

부여한 상태

행할 수 있

서는 회전의

핸드에

한 공간적

면 Fig 3-8

이 그림

를 구속한다

에서 7 자유

선접촉과 면

계수와 절선

(a

관한 6 동작

태에서 움직이

있다 또 완전

의 6 자유도를

의한 물체의

적인 포락 상

와 같이 된

(a)의 점접촉

다 그러나 1

유도를 구속

면접촉에는 각

선력법선력

a) point contac

Fig3

자유도로 한

이며 중력이

전 구속은 핸

를 무시하는

의 구속은 핸

상태로 정한다

다

촉은 접촉점

1 점접촉은 다

한다 (c)의

각각 마찰에

비와의 관계

ct (b

3-8 Contacts

- 31 -

한다 반구속은

이나 환경면의

드 자체로 1

경우도 적지

핸드와 물체의

다 먼저 접촉

방향의 1 자

다른 11 자유

면접촉은 11

위한 구속이

계로 구속불능

) line contact

of the kind an

은 12 자유도

의 구속을 받

12 자유도를

지 않다

의 접촉 상태

촉부의 구속

자유도를 구속

도를 구속할

1 자유도의 구

이 4 개와 6 개

능의 가능성을

nd the confini

도 중 몇 개의

아서 완전 구

행하는데 경

태 및 접촉부

능력을 모델

속한다 그러나

할 수 없다 (b

구속을 할 수

개 주어져 있

을 가진 구속

(c) surface co

ing

의 자유도를

구속으로 이

경우에 따라

부의 물체에

델로 나타내

나 1 자유도

b)는 선접촉

수 있다 단

있으며 마찰

속 성분이기

ontact

- 32 -

도 하다 또한 면접촉의 상태는 중력의 작용을 이용하면 받기를 형성하고 또

외계력을 이용하면 기를 형성한다

이들의 접촉상태는 물체의 형상과 핸드의 구속면으로 규정되는 것으로 핸드

만으로 결정하기는 어렵다 단 핸드의 구속면을 부드러운 재질로 형성하면 면

접촉의 이행이 용이하다 이와 같은 이유에서 물체에 접촉부가 포락도를 높이는

데에 따라서 물체 형상에 관계 없이 구속 능력을 증 시킬 수 있다

(2) 메커니컬 핸드의 자유도

로봇의 손은 그 용도를 불문하고 인간의 손 작업의 행을 목적으로 하는

것이므로 그 설계에 있어서 모델로 되는 것은 말할 것 도 없이 인간의 손이다

그래서 우선 기구에 하여 설명하기 전에 인간의 손의 구조 모델에 하여 설

명해 본다

AmiddotMorecki 에 의하면 인간의 상체는 그 해부학적 구조에 입각하면 Fig 3-9 와

같이 모델화할 수 있다 Fig 3-9 에서 숫자는 각각 골격 즉 링크를 나타내고 숫

자 II~ V 는 관절을 나타내고 있다 이와 같은 공간링크 기구의 자유도 F 는 가

동부수 n 자유도의 종류 f 를 가진 우 수를 Pf 라 하면 다음 식으로 나타낼

수 있다

6n sum ∙ P 12345 (3-1)

Fig 3-9

들 자유도가

을 Fig 3-9

P5=10 이므

인간의

유도 1 의

해 있으며

의 모델에서

가 있는 관절

9 와 같이 정

므로 위 식에

상지를 인공

액튜에이터를

22 개나 되

Fig 3

서는 n=19 P2

절에 작용하는

정의하고 그

서 FH=22 가

공적으로 정밀

를 27 필요

는 액튜에이

- 33 -

3-9 Human Ar

2=1 P3=2 P4

는 근군은 약

자유도 FH

가 된다

밀하게 재현하

요로 하게 된

터를 필요로

rm structure

4=6 P5=11 이

약 50 이라고

를 구하면

하려고 한다면

된다 또 손에

로 한다 그러

이므로 F=27

고 되어 있다

이 경우는 n

면 이상의 결

는 특히 자유

나 로봇의 손

이 된다 이

여기서 손

n=16 P4=6

결론에서 자

유도가 집중

손이 이만큼

- 34 -

의 수의 액튜에이터를 갖춘 것을 제작한다는 것은 크기 중량 제어면에서 볼

때 현시점에서는 불가능에 가깝다 특히 의수에 있어서는 상술한 바와 같은 형

상이나 조종성 등의 점에서 전혀 불가능하다고 해도 좋다 따라서 보통은 기능

에 주목하여 손에 집중해 있는 자유도의 간략화를 도모한다

인간의 잡기 동작에 주목해 보면 그 잡기 형상에는 12 종류가 있다고 하다

그러나 이것들은 엄지와 다른 12 종류가 있다고 한다 그러나 이것들은 엄지와

다른 4 손가락과의 관계에 주목하였을 때에 2 종류 즉 엄지가 다른 4 손가락과

항해서 동작하거나 그 측방에서 동작하는가로 분류할 수 있다 실제의 일상

동작에서 관찰하면 이들 중에서도 엄지와 손가락이 항해서 동작하는 소위 쥠

동작이 우선 첫 번째이고 또 다음에 엄지 검지 중지의 3 손가락의 선단으로

이루어지는 3Point Pinch 즉 잡기동작이 중요하다

더불어 손가락의 독립성에 해서는 역시 일상동작 중에서 손가락의 사용

빈도를 조사한 결과에 의하면 다섯 손가락은 반드시 독립적인 운동을 필요로

하지 않고 엄지 검지 중지가 같은 정도의 중요성을 자기며 다른 두 손가락은

사용 빈도에 있어서 이들 세 손가락보다 약 50 적으며 다른 세 손가락의 보

조 역할을 한다고 볼 수 있다 그리고 특히 중요한 것은 인간의 각 손가락은 잡

기 상물의 형상에 적응한 쥐기 즉 Passive 한 동작을 할 수 있다는 것이다 이

기능이 있다면 각 손가락이 독립적으로 동작하지 않더라도 또 다소 손의 자유

도를 제거하더라도 상물의 확실한 쥐기나 잡기 그리고 기타 손 작업에 큰 힘

을 발휘한다

- 35 -

34 표적인 동력원의 특징

동력원을 설계할 때 다음의 점을 고려하면서 가장 적합한 방식을 선택한다

1조작력(로보트가 내는 최 의 힘 예를들면 최 들어올린 힘)

2속응성(최 조작 속도)

3크기 중량(로보트의 크기와 중량의 제한)

4안정성(발열이나 과부하에 한 안전성)

5사용의 용이도

6수명가격

1 2 의 조작력 속응력은 로보트에 요구되는 성능에서 가장 기본적인 것인

데 이에 관련해서 크기나 중량의 제한 안정성 사용의 용이도 수명 가격 등을

고려해서 동력원을 선택한다 단 자주형 로보트에서는 2 차적 성능인 동력원의

중량이 첫째 요구 조건이 되는 경우가 많고 공업용 로보트에서는 저가격 사용

의 용이도 안전성이 중요 사항으로 우선시된다

모든 로봇은 동력원을 필요로한다 중요도에 따라 동력원을 선택해야 하는데

일반적으로 공기압식은 안전성이 뛰어난 반면 힘과 세밀한 위치제어가 어렵고

전기식은 응답성과 사용편리성 세밀한 위치제어가 가능하나 높은 힘을 내기 위

해서는 부가적인 기구부가 필요하다 유압식은 큰힘을 낼수있어서 속응성은 좋

으나 과부하시 상당한 발열이 있기 때문에 안전성에서 다른 동력원에 비해 떨

어진다 위 사항을 TABLE 3-1 로 분류하여 나타내었다

- 36 -

TABLE 3-1 Characteristics of power sources

전기식 유압식 공압식

사용용이성 편리하다 작동유의관리 관로의압력

필터관리에 유의

공급공기의 수분제거

윤활성의부가에 주의

수명 길다 기름에 윤활성이 있기

때문에 길다

공기에윤활성이 없어

유압 전기에 비해 짧다

가격 보통 가격 운영비 높음 저가격

응답속도

(반응성) 매우 빠르다 빠르다 늦다

하중능력 (소)에서 (중)정도의

하중능력 단히 큰 힘을 얻음 큰 힘은 없다

소음 적다 다소 크다 크다

- 37 -

제 4 장 능동형 그리퍼 설계

41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정

로봇 그리퍼의 정밀 파지 (Fingertip Grasp 손가락 끝을 이용하여 물체를 집

거나 바닥에누워있는 납작한 물체를 집는 행동)를 안정하게 하기 위해서는 손가

락 끝과 물체가 직각에 가까운 각도를 이룸으로 마찰력을 크게 하여 안정성을

높인다 또한 바닥에 놓인 물체를 집어 올릴 경우에도 물체표면의 법선 벡터와

손가락 끝의 각도가 클수록 물체를 효과적으로 구속하여 안정된 파지를 할 수

있다

그리퍼의 링크 시스템에 있어서 2 링크 손가락보다 3 링크 손가락을 쓸 때가

링크와 수평 평면이 이루는 각 (A)이 더 커지기 때문에 안정성이 더 좋다는 것

을 알 수 있다 그리고 안정성뿐만 아니라 식 (4-1)을 통하여 문체에 전해지는

Torque 값을 Fig 4-2 와 같이 그래프로 나타내면 0 도에서 75 도 정도까지는 A 각

이 커질수록 물체에 가해지는 토크 값이 점점 커지는 것을 알 수 있음으로 3 링

크 손가락을 쓰는 것이 파지력 증가됨을 알수 있다 ℓ3 의 길이가 길어질수록 A

가 작은 값을 가져서 정밀파지에 적당하지 않다

τ l cosA sinA l 1 cos A tan μ (41)

A cosempty

(42)

Fig 4-1

은 식을 통

각이 커짐을

움이 있고

Fig4-

에서 제 2 코

통해 구할 수

을 알 수 있다

최소 단위를

Fig4

-1 Configurati

코사인 법칙

있는데 이로

다 그러나 ℓ

를 1cm 로 하

-2 Change the

- 38 -

ion of the fing

을 이용하여

로부터 링크

ℓ3 가 1cm 인

하였기 때문에

e value of the a

gers on robot g

여 A 의 각을

길이 ℓ3 가

인 경우는 너

에 ℓ3 는 2cm

angle of phage

gripper

구하기 위해

작으면 작을

무 짧아서 파

로 결정하였

torque

해 (2) 와 같

을수록 A 의

파지의 어려

였다

42 모터

(1) 알고

앞 절에

여야 한다

는 모터의

이 작은 모

나 용량이

로 적절한

선정 알고

고리즘 정의

에서 설명한 기

로봇 팔에

선정은 동작

모터를 사용하

큰 모터를 사

모터의 선정

고리즘

기구들을 추

움직임을 전

작을 구현하는

하게 되면 기

사용하게 되

정이 중요하다

Fig 4-3 M

- 39 -

추후 로봇 시스

전달함에 있어

는데 중요한

기구의 원활한

면 모터의 외

다

Motor Selectio

스템에 적용을

어서 동력을

과제가 되겠

한 작동이 어

외형이 커지

on Algorithm

을 고려하여

공급과 제어

겠다 만일 토

려워지고 단

고 가격 또한

설계를 하

어를 수행하

토크나 용량

단순히 토크

한 증가하므

- 40 -

(2) 알고리즘 수행

모터를 선정하기 위해서 가장 우선적으로 해야 할 일은 기계구동부분을 결

정하고 구동부분을 어떠한 방식으로 작동을 시킬지 동작 패턴을 결정하여야 한

다 예를 들면 모터에서 나오는 힘을 받아서 볼 스크류를 이용하여 힘을 전달할

것인지 벨트 피니언 기어 혹은 풀리 등을 이용할 것인지를 결정하고 그에 따

른 적절한 구동방식을 결정한다 구동방식을 결정하게 되면 각각의 구동방식에

적합한 수식을 대입하여 부하토크를 계산한다 구동방식에 따른 부하토크를 구

하는 수식은 구동방식이나 구동장소 등에 따라 다소 상이하나 일반적인 수식은

다음과 같다

-BALL SCREW 구동

T FP2πn

μ F P2π

1i N ∙ m 43

F F mg sin α μ cos α N 44

-PULLEY 구동

T ∙ 45

μF D

2i N ∙ m

- 41 -

-WIRE middot BELT 구동 RACK middot PINION 구동

T F2πn

∙ πDi

FD2ni

N ∙ m 46

F F mg sin α μ cos s N 47

-실측에 의한 방법

T 48

직선운동 (커플링 직결 볼스크류 등)의 경우 위의 (43) (44) 이용하여 구할

수 있다 이때 F 는 축방향하중 F0 는 예압하중 μ0는 예압 NUT 의 마찰계수 η 은

효율i 는 감속비 PB 는볼스크류 피치를 나타낸다 회전운동 (풀리)의 경우 식

(45)를 이용하여 구할 수 있으며 FA는 외력 FB는 부하중량 (주축이 회전하기 시

작할 때의 힘) m 은 work 와 TABLE 의 총무계 μ 접동면의 마찰계수α는 경사각

도D 는 풀리의 지름을 나타낸다

실제현장에서는 선정된 모터의 토크를 확인하기 위해 실측에 의한 구동토크

를 계측하는데 스프링 저울을 구동 풀리에 연결지어 측정한다 이때 TL 은 회전

운동 부하토크에 해당하고 FB 는 부하중량 D 는 풀리의 직경을 나타낸다

위의 부하토크를 구하는 식들을 이용하여 부하토크를 구하게 되면 실제 모

터를 사용할 때 어느 정도의 시간적 여유를 두고 가속을 할 것인지 감속을 할

것인지를 결정하여야 한다 이를 위해서 우선 동작시킬 부분에 대한 관성모멘트

를 계산하

Fig 4-4

시한 것으로

dA 와 기준

이를 표현하

하여야 한다

4 는 관성모멘

로 X 와 Y

준축으로 부터

하면 식 (49)

Fig 4-4 Arb

I

멘트를 구하기

는 면적의 미

터의 거리의

)와 같다

- 42 -

bitrary shape o

y dA I

기 위한 절대

미소 요소 dA

제곱의 곱으

of planar area

x dA

대좌표 X Y

A 의 좌표이

으로 단면 2

축 상의 미소

이고 관성모멘

차 모멘트라

49

소면적을 도

멘트는 요소

라고도 한다

평면 면

가 있다 평

축에 대한

Fig 4-5

하는 평행한

관성모멘

식 (410

번째 적분은

면적의 관성

평행축 정리란

관성 모멘트

5 과 같이 도

한 xy 축 두

멘트의 정의로

I y

0) 에서 우변

은 Xc 축에

Fig 4-5

모멘트에 있

란 도심축에

트 사이의 관

도심을 원점으

좌표계의 평

로부터 x 축

y d dA

변의 첫 번째

대한 1 차 모

- 43 -

5 Parallel-axis

있어서 중요하

대한 관성

계를 나타낸

으로 하는 Xc

평행한 축 간

축에 대한 관

y dA

적분은 Xc

모멘트로서 X

theorem

하고 유용한

모멘트와 도

낸다

cYc 축과 임의

간의 거리를 d

성모멘트 Ix

2d y dA

축에 대한 관

Xc 축이 도심

정리로서 평

도심축에 평행

의의 점 O 를

d1 과 d2 로 표

는 식(410)와

d dA

관성모멘트

심을 통과하므

평행축 정리

행한 임의의

를 원점으로

표시한다

와 같다

410

I 이다 두

므로 적분의

- 44 -

값은 0 이다 세번째 적분은 면적 A 그 자체이다 따라서 식 (410)은 식 (411)과

같이 간단해진다

I I Ad 411

y 축에 대한 관성모멘트도 위와 같은 방법에 의해 식(412)과 같다

I I Ad 412

또한 면적의 평면에 수직인 수직축에 대한 관성모멘트를 극관성모멘트라 한

다 Fig 4-6 는 평면에 수직이고 O 점을 통과하는 축에 대한 극관성모멘트를 나

타낸 그림으로 이를 관성모멘트 식으로 표현하면 식 (413) 와 같다

I ρ dA 413

식 (413)와

즉 평면에

서로 수직인

극 관성

와 도심 C

와 식 (414)에

I

수직인 축에

인 두 축에 대

성모멘트에 대

에 대한 극

Fig 4-6 Arb

의해 식 (4

ρ dA

I

에 대한 극관

대한 관성모

대한 평행축

극 관성모멘트

- 45 -

bitrary shape o

ρ x y

415) 식 (41

x y dA

I I I

관성모멘트는

멘트의 합과

정리는 Fig

트를 각각 I

of Polar Area

y

16)과 같은 관

x dA y

는 평면 내의

과 같다

4-5 에서 유

와 I 로

관계식을 얻을

y dA

같은 지점을

유도할 수 있

로 표시하면

414

을 수 있다

415

416

을 통과하는

있다 원점 O

식 (416)에

- 46 -

서 식(417)을 유도할 수 있다

I I I I I I 417

I I I I A d d 418

I I Ad 419

식 (419)는 극 관성모멘트에 대한 평행축 정리를 나타낸다 즉 평면 내의 임의

의 한 점 O 에 대한 면적의 극관성모멘트는 도심 C 에 대한 극관성모멘트에 그

면적과 점 O 와 C 사이의 거리의 제곱의 곱을 더한 것과 같다

이상의 식에서 부하토크와 관성모멘트를 계산하여 모터를 가 선정한다 부하토

크의 경우 사용될 모터의 정격 토크를 넘어서지 않는 것을 선정한다 부하토크

를 TL 정상 부하 상태의 힘 PL 극 관성모멘트 IL 회전운동을 위한 힘 Pa 각속

도 가속 시 소요되는 시간을 ta 라 하고 식 (420)을 이용하여 부하가 일정하

게 작용할 때의 힘을 계산한다 마찬가지로 관성모멘트를 식 (421)에 대입하여

가속을 위한 회전 운동 시 필요한 힘을 계산한다 식 (420)과 식 (421)에서 계

산된 힘을 합산하면 모터를 회전시키기 위해 필요한 출력이 계산된다 이때 계

산된 출력보다 실제 사용할 모터의 정격 출력이 1~2 배 정도가 되도록 모터를

가 선정한다

- 47 -

P T ω 420

P 421

위의 과정을 통하여 모터를 가선정하고 가감속 토크 및 구동 토크를 계산한

다 각각의 토크를 계산하게 되면 모터를 최종적으로 선정하게 되는데 두 가지

사항을 고려하여 최종 선정한다 먼저 식 (422)을 통해서 계산되는 가속 시 소

요되는 기동 토크 TM 가 모터의 최대 토크를 넘지 않는 것으로 선정한다

T 422

두 번째로 Fig 4-7 의 속도 선도와 같이 모터의 가 감속 시간과 정상 동작

시간 등을 결정하여 식 (423)과 같이 실효치 토크 TS 를 구하고 실효 토크가 모

터의 정격 토크보다 크지 않도록 선정한다

T 423

Fig 4-7 Exa

- 48 -

ample of veloc

city guidance

- 49 -

(3) 알고리즘 적용

로봇시스템에 있어서 기구들의 관성모멘트와 토크 계산 후 적합한 모터를

선정하기 위해 시중에서 시판되는 모터를 조사하였다 로봇에 적용 가능한 모터

로는 크게 서버모터와 스텝모터 RC 서버모터 DC 모터로 구분 할 수 있었다 이

를 TABLE 4-1 과 같이 정리하였다

동력원의 6 가지 선정요소 중 우선순위를 부여하여 분류했을 때 핸드 그리퍼

의 특성상 가볍고 토크가 큰 RC 서버 모터 미니 서버모터를 선택할 수 도 있지

만 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터 중 토크를 증가시킬 수 있는

감속기가 있는 타입의 모터를 우선시 하였다

1 감속비를 사양할 수 있는 모터를 선정하여 계산한 토크를 확인한다

2 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터를 선정한다

3 CLOSED LOOP 제어를 통하여 정확한 위치를 검출할 수 있어야 한다

따라서 스텝모터중 lsquoOrsquo사의 ldquoαSTEPrdquo가 적합하다고 판단되어 모터를 선정하였다

- 50 -

TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics

미니서버모터 RC 서버모터 스텝모터 DC 모터

장점 동일사양대비 모터

중 10배정도 큰 토크

5v사용가벼움

정확한 위치제어

급격한 부하변동급가

속 유리

저렴한가격

보편화됨

단점 정지시 진동이 예상 약한 토크 THRUST하중이 모터

무계 이하여야 한다

유지보수가 잦다

크기 151588mm(10w20w)

2525111mm(30w)

392038mm 424234mm Oslash37mm917mm

동작전압 Dc 24V Dc 48V60V Dc 24V Dc 24V

무계 230g~400g 56g 150g 200g

허용토크 009Nm~03Nm 11~13kgfcm 18kgfcm (018Nm) 47kgfcm(1200)

감속기 다양한 감속비 가능 고정 감속기 감속기 무(072˚036) 다양한 감속비

제조사 야스카와 SGMM 하이텍 HS-5945 AUTONICS GCM 3429A

TABLE 4-2 αstep motor characteristics

외형 전압 전류 무계 토크 감속비 분해능

αSTEP 282884mm

4242127mm Dc24V 1~37A 250G 2~28 Nmiddotm 50~1001

00072pluse

00036pluse

- 51 -

43 1 차 능동형 그리퍼 설계

실린더를 사용하여 링크로 물체를 파지하던 그리퍼는 Fig 4-8 과 Fig 4-9 에

묘사하였다 이런 실린더를 사용한 그리퍼는 공압 효과를 도출할 수 있는 별도

의 펌프가 필요하고 동작을 구현할 수 있는 자유도를 증가시키는데 한계가 있

다 이런 실린더의 단점을 보완하고 전기모터의 장점을 사용하기 위해 웜기어와

웜휠 방식을 채택하여 2 자유도 능동형 그리퍼를 설계하였다

1 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-10 에 묘사하였으며 1 차설계한

능동형 그리퍼는 Two Fingertip Grasp 로 칭하겠다 파지한 물체를 회전 시키는

기능은 베벨기어를 사용하여 회전운동으로 구현하였고 실린더의 전middot후진 운동

을 전기모터의 회전운동으로 변환 시키기 위하여 웜기어와 웜휨을 선택하였다

전기모터에 의해 회전하는 운동은 웜기어와 웜휠에 의해 링크를 사용하여 물체

를 파지하였던 그리퍼와 동일한 운동효과를 가지게 되었다

웜기어와 웜휠을 사용하여 물체를 파지하는 능동형 그리퍼는 스윙형으로 설

계되었으며 파지력을 높이기 위한 각도를 적용하였다 링크를 사용하여 물체를

파지하는 형태의 그리퍼보다 기구의 크기를 줄일 수 있는 장점이 있는 반면 기

어들의 백래시에 의한 오차가 끝단에 누적될 수 있는 문제점을 가지고 있다또

한 기구부의 소재 변경으로 그리퍼의 무계를 줄일 수 도 있지만 가장 큰 무계

를 차지하는 모터를 그리퍼 자체에서 분리하게 할 수 있게 하려면 그리퍼 자체

의 구조변경이 필요하다

`

`

Fig 4-8 Par

Fig 4-9 Par

- 52 -

rallel-link gra

rallel-link gra

sps system 1

sps system 2

Fig 4-10

- 53 -

0 Two fingertipps grasp system

- 54 -

44 2 차 능동형 그리퍼 설계

1 차 설계한 능동형 그리퍼에서 발견된 문제점을 보안하기 위하여 2 차 능동

형 그리퍼를 설계하였다 2 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-11 에 묘사

하였으며 2 차설계한 능동형 그리퍼는 Four Fingertip Grasp 로 칭하겠다 이 장치

는 크게 동력원 동력 전달장치 핑거 그립장치로 구성되어있으며 이를 통합하

여 Fig 4-12 에 나타내었다

핑거 그립장치는 스윙형 그립의 단점을 보완하여 설계하였다 물체를 파지할

때 그립의 회전 반경이 주위 환경요소와 간섭을 발생시킬 수 있는데핑거가 전

진할때 샤프트와 핑거그립간의 나사결합형태를 통한 직선운동으로 개선하여 주

위환경요소에 영향을 주지 않도록 설계하였다 구동축의 핑거파지 메카니즘을

Fig 4-13 와 같이 간략화 하였고 이에 대한 세부 도면은 Fig 4-14 로 나타내었다

4 조 핑거 그립의 나사산과 테이퍼진 스크류축은 나사식으로 결합되며 상호

작용에 의해 점차 중심점으로 이동하여 물체를 파지하는 형태이다 사용된 2 개

의 샤프트는 중공축으로 설계하였으며 외부 샤프트는 4 조 핑거가 물체를 파지

하여 비트는 모션을 구현하는데 사용되었다 내부 샤프트는 핑거를 중심점으로

전진시켜는 기능을 수행한다 중공축으로 설계한 내부 샤프트는 차후 개발될 인

스트리먼트의 탈부착을 손쉽게 할수있도록 구현하였고 4 조로 설계된 핑거는 그

립시 인스트리먼트의 응력집중현상을 분산시키는 기능과 2 조로 그립하였을때

보다 안정적인 그립감을 형성한다

- 55 -

동력원과 동력전달장치는 Fig 4-15 에 나타내었으며 Two Fingertip Grasp system

의 문제점이었던 구동부의 모터의 설치 방법을 외부에 부착하는 형태로 변경하

여 우레탄 밸트를 사용하였다 또한 아이들러를 사용하여 밸트의 방향을 변경

하여 모터의 부착위치를 자유롭게 설정할 수 있도록 하였고 모터 브라켓에 슬

리브 홈을 설치하여 벨트의 장력을 조절할 수 있도록 하였다

Fig4-11

Fig4-12 Fou

- 56 -

Four fingertip

ur fingertips g

ps grasp system

grasp system la

m

ayout

Fig 4-13

Fig 4-14

- 57 -

Fingertip gra

4 Fingertip gr

asps mechanis

rasps extended

m

d

Fig 4-15

- 58 -

5 Power transmission devicce

- 59 -

제 5장 결 론

본 연구에서는 MIS 수술 로봇을 위한 햅틱 마스터장치 구동용 능동형 그리

퍼를 설계하기 위하여 그에 상응하는 자료 및 문헌 조사를 수행하였고 햅틱 마

스터에 적용 가능한 능동형 그리퍼를 설계하여 로봇 시스템의 초안을 구성하였

다 수술용 도구를 단순히 잡아주는 역할에서 벗어나 시스템에 추가적인 자유도

를 부여함으로써 그리퍼를 표현하였다 단순화된 그리퍼는 보다 저렴한 가격으

로 생산될 수 있으며 기존 로봇 수술시스템의 높은 비용을 절감할 수 있는 효

과를 가져올 수 있다

최종적으로 제안한 설계 안으로는 2 조 핑거그립를 사용하는 전기모터형 그

리퍼 와 추가적으로 개선한 4 조 전기모터형 핑거그립를 설계였다 스윙형 그립

의 단점을 보안하여 집중응력을 분산할 수 있는 구조로 설계하였고 그리퍼의

무계를 줄일 수 있는 방법을 제시하였다 이로써 원통형 도구 파지 시 안정성이

향상되었고 보다 원활하게 수술 도구를 교체 가능하도록 하였다

앞으로 촉감을 전달할 수 있는 센서의 개발로 햅틱 디바이스 인터페이스 장

치의 활용에 보다 높은 기여를 할 것이라 예상된다

-６０-

참고 문헌

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정보 및 제어부분 PP68~7020084

[2] 박정호 ldquo국내외 의료로봇 현황과 발전방향rdquo정보과학지 26(4)

PP49~5420084

[3] 편집부 ldquo수술지원로봇의 최신 기술 동향rdquo월간 자동화 기술 22(12)

PP74~77200612

[4] 경기욱박준석 ldquo햅틱스 기술개발 동향 및 연구전망rdquo전자통신경향분석

21(5)PP93~108200610

[5] 권동수경기욱 ldquo의료용 로봇의 연구 현황과 전망rdquo기계저널

42(3)PP38~44200203

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[8] 홍만복김광기 ldquo최소 침습수술로봇을위한 2-자유도 구형 메커니즘설계rdquo

한국정밀공학회 2009년 추계학술대회 논문집

-６１-

[9] 이재훈김형욱이병주서일홍 ldquo새로운 6자유도 병렬형 햅틱 기구의 최적설

계 및 해석rdquo한국정밀공학회 2003년 추계학술대회 논문집

[10] 조국훈이재훈이병주김희국 ldquo병렬형 그리퍼 메카니즘rdquo한국정밀공학회지

[11] 김갑순 ldquo3축 힘센서를 이용한 지능형 그리퍼 개발rdquo한국정밀공학회지 제

24권 제 3호 1999년

[12] 고대성김성목김희국이병주 ldquo병진형 자유도와 1자유도 파지기능을 가지는

4자유도 병렬 메커니즘의 기구학분석rdquo한국정밀공학회 2007년 추계학술대회

• 제1장 서 론
• • 11 연구배경 및 연구목적
  • 12 연구내용
  • • 제2장 로봇 산업의 기술 현황
    • • 21 로봇산업의 동향
      • 22 의료용 로봇기술 현황
      • 23 의료용 로봇시장 전망
      • • 제3장 능동 그리퍼
        • • 31 최소침습 수술 햅틱 장치구현에 필요한 능동 그리퍼 제안
          • 32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류
          • 33 파지형태에 의한 그리퍼의 분류
          • 34 메카니컬 핸드의 구속기능
          • 35 대표적인 동력원의 특징
          • • 제4장 능동형 그리퍼 설계
            • • 41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정
              • 42 모터 선정 알고리즘
              • • 43 1 차 능동형 그리퍼 설계
                • 44 2 차 능동형 그리퍼 설계
                • • 제 5 장 결론
                  • 참고문헌
                  • TABLE 2-1 Domestic robot classification
                  • TABLE 2-2 Robot Production Company
                  • TABLE 3-1 Characteristics of power sources
                  • TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics
                  • TABLE 4-2 αSTEP Motor Characteristics
                  • Fig2-1 Phase of medical robots in the robot industry
                  • Fig2-2 Da Vinci surgical case number
                  • Fig3-1 Da Vinci robot system for MIS
                  • Fig3-2 Classified by the gripper grip action
                  • Fig3-3 Swing-type hand mechanism
                  • Fig3-4 Hand mechanism for translational type1 (parallel displacement)
                  • Fig3-5 Hand mechanism for translational type2 (Rack and pinion type)
                  • Fig3-6 Hand mechanism for three point pinch type
                  • Fig3-7 Movement of object
                  • Fig3-8 Contacts of the kind and the confining
                  • Fig3-9 Human Arm structure
                  • Fig4-1 Configuration of the fingers on robot gripper
                  • Fig4-2 Change the value of the angle of phage torque
                  • Fig4-3 Motor Selection Algorithm
                  • Fig4-4 Arbitrary Shape of Planar Area
                  • Fig4-5 Parallel-Axis Theorem
                  • Fig4-6 Arbitrary Shape of Polar Area
                  • Fig4-7 Example of Velocity Guidance
                  • Fig4-8 Parallel-link Grasp system 1
                  • Fig4-9 Parallel-link Grasp system 2
                  • Fig4-10 TWO Fingertip Grasp system
                  • Fig4-11 Four Fingertip Grasp System
                  • Fig4-12 Four Fingertip Grasp System layout
                  • Fig4-13 Fingertip Grasp Mechanism
                  • Fig4-14 Fingertip Grasp extended
                  • Fig4-15 Power Transmission Device

- 20 -

제 3 장 능동 그리퍼

31 최소침습 수술 햅틱 장치 구현에 필요한 능동 그리퍼 제안

21 세기 로봇 기술 분야에서는 인간과 기계 시스템 간의 커뮤니케이션이 무

엇보다 중요하게 강조되며 이러한 인간과 기계 시스템의 의사소통은 주로 인간

의 감각 기관을 통해 이루어 진다 일반적으로 인간에게는 보고 듣고 냄새를

맡고 맛을 보고 피부로 느끼는 오감이 있으며 이러한 감각을 시각 청각 후

각 미각 촉각이라고 한다 따라서 이러한 인간의 감각에 정보를 전달하기 위

한 다양한 기계 시스템들이 개발되어 왔다 오감 중에서 현재 인간과 기계 시스

템간의 인터페이스 역할을 하는 표적인 감각으로는 사물을 보는 시각과 소리

를 듣는 청각이 주로 이용되고 있다 이를 위한 시스템들은 이미 상당한 수준으

로 발전해 현재 상용화 되어 활용되고 있다 하지만 이러한 시각과 청각 인터

페이스 만으로는 로봇의 제어에 한계가 있으며 오감 중에서 세 번째 감각인 촉

각에 한 인터페이스가 현재 활발히 연구 개척되고 있다 만약 가상현실에 촉

감 인터페이스가 적용된다면 기존의 시각과 청각에만 의존하던 가상 현실에 촉

감을 전달함으로써 실제 물건을 만지고 느낄 수 있으므로 가상현실을 보다 더

실감나게 할 수 있을 것이다 하지만 인간의 감각 중에서 촉각은 매우 민감한

감각으로 여기에 촉감 정보를 전달하는 인터페이스는 아직 많은 연구를 필요로

하고 있다

- 21 -

햅틱 (haptic)이란 단어의 사전적인 의미는 ldquoof or relating the sense of touch

tactilerdquo로써 물체를 만질 때 사람이 느낄 수 있는 촉각적 감각으로 피부가 물체

표면에 닿아서 느끼는 촉감 (tactile sensation)과 관절과 근육의 움직임이 방해 될

때 느껴지는 근 감각적인 힘 (kinesthetic force)의 두 가지 힘을 모두 합쳐서 부르

는 말이다 촉감 구현 연구는 물리적 장치를 이용하여 사람이 직접적인 접촉이

없이도 촉각 정보를 전달하는 방법에 관한 전반적인 연구 분야를 일컫는 말로

사람에게 원격지에 있는 물체의 물리적 특성을 전달하는 원격조작 혹은 원격현

장감에 관한 연구로부터 시작되었다 가상 혹은 실제 환경에서 촉감을 구현하기

위한 연구를 포괄적으로 의미하는 용어로 햅틱스 (haptics)라고 한다 주요 연구

분야는 사람이 직접 손에 쥐거나 착용하는 물리적 장치인 햅틱 디바이스 인터

페이스 (haptic interface) 가상 공간상의 물체에 기계적 성질을 부여하여 사실감

이 있는 상호작용을 제공하고자 하는 햅틱 렌더링 (haptic rendering) 사람의 촉

각 인지 특성에 관한 연구 (tactile perception) 등으로 나눌 수 있다 특히 햅틱

인터페이스 (haptic interface)는 햅틱 디바이스 (haptic device)라고도 불리우며 사람

에게 촉감을 전달하는 물리적인 장치를 말하며 더 넓은 의미로 사용하여 가상

의 환경을 촉감 전달을 통해서 느끼게 하는 시스템 전체를 가리키기도 한다 이

러한 햅틱 기술은 다양한 분야에서 활용될 수 있는데 표적인 분야로는 가상

현실 분야 인간-컴퓨터 인터페이스 분야 게임 등 사이버 커뮤니케이션 그리고

원격제어 로봇 등이 있다 특히 원격제어 로봇이 많이 활용되고 있는 의료 분

야에서 햅틱 구현은 매우 시급한 과제이다 현 의 수술은 점점 첨단의 수술 도

- 22 -

구와 로봇을 이용하여 집도되는 추세이며 최소침습수술 (minimally invasive

surgery MIS)이 그 표적인 예이다 이 수술법은 환부의 구멍에 수술도구와 카

메라를 삽입하여 집도의가 모니터를 보면서 시술함으로써 시술시간이 짧고 환

자의 회복이 빨라서 그 적용 범위가 점차 확 되고 있다 하지만 환자가 얻게

되는 이점에 반해 의사는 개복 수술에서 쉽게 이용하던 기술들을 더 이상 적용

할 수 없게 되어 집도에 있어 큰 어려움을 부담해야만 한다 즉 환자의 내부에

서 손의 움직임과 시야의 제약을 받게 되었고 손으로 환자의 장기나 뼈를 만지

고 상태를 확인할 수 없게 된 것이다 이러한 문제점들을 극복하기 위해 첨단의

의료용 로봇 시스템이 개발되었는데 의사 즉 오퍼레이터가 조작하는 마스터

(master) 로봇과 환자의 환부에서 수술을 진행하는 슬레이브 (slave) 로봇으로 구

분된다 슬레이브 로봇은 크게 수술 시 집도의 팔의 움직임을 구현하는 구동 암

(arm)과 수술도구를 홀딩 할 수 있는 그리퍼로 분류할 수 있다 구동 암의 움직

임은 수술 부위의 위치를 결정하면 별도 큰 움직임 없이 작동시킬 수 있으며

전달 수술 관통 수술이 아닌 경우에는 집도의가 느끼는 힘을 피드백 할 필요가

없다 하지만 그리퍼의 경우는 신체 일부분의 미세한 조직까지 전부 접촉해서

제거하거나 봉합하기 때문에 집도의가 수술 시 느끼는 힘을 구현하여야 보다

정밀한 수술을 수행할 수 있다 따라서 본 연구에서는 햅틱 장치가 적용된 마스

터 로봇과 마스터 로봇에서 형성된 힘을 느낄 수 있으며 원할한 수술을 진행할

수 있는 최소침습수술용 능동 그리퍼를 제안하겠다 Fig 3-1 은 상용 MIS 장치인

다빈치 로봇의 마스터와 슬레이브 그리고 그리퍼를 나타내고 있다

(a) sla

(b

Fig 3-1 da V

Operation Arm

Gripper

- 23 -

ave robot and g

b) master rob

Vinci robot sy

m

gripper

ot

stem for MIS

- 24 -

32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류

산업용 로봇은 그 기능 특성상 필요성에 의해 로봇의 말단부에 그리퍼를 부

착시킨다 이것은 인간의 손에 응되는 것으로서 메커니컬 핸드라고 칭하며 다

루는 상 물체를rdquo파지rdquo해 이동하는 목적으로 사용되는 도구이다

파지동작은 Fig 3-2 와 같이 세분화된다 인간의 손 손가락에는 많은 관절이

있으며 여러가지 작업이 가능하다 일상 생활에서의 붙잡기는 형식을 분류한 것

으로는 슐레징거의 12 형식이 있다 여기서 인간의 손에는 손가락이 있어서 그

것을 유지핸드라고 이름 붙이면 메커니컬 핸드에는 손가락이 없는 구성법이 있

는데 이것을 무지 핸드라고 이름 붙이기로 한다 이 무지 핸드는 기계적 물리적

으로 구조상 무지핸드로 한 것과 공구가 메커니컬 핸드와 일체화됐다고 생각하

는 공구 핸드가 있다 메커니컬 핸드를 분류해 보면 다음과 같다 진공이나 자

기 이용의 흡착 등 물리적 흡척형의 유지는 보통 평면(완만한 곡선도 포함)부를

흡착하는 형태로서 물체의 크기나 중량에 따라 여러 개가 설치되는 경우도 있

다 그러나 물체표면에 만곡부가 있는 경우나 구멍이나 공동이 있는 경우에는

적용할 수 없게 된다 또한 자력을 이용한 경우 철금속 재료를 다루게 되는데

경우에 따라서 매우 효율적이고 신뢰성이 높기는 하지만 물체에 잔류 자력이

남게 되는 문제점이 있다 받기형의 유지는 지지의 동작만을 가지고 있는 형태

이며 이는 전기한 흡착형 보다 적극적이 아니여서 약한 구속을 갖는다 변형하

기 쉬운 물체의 이송등에는 이를 채택한다 매달기형 유지는 중력 방향의 이동

1 자유도를 구속한다 잡기형 파지는 유연성에 의한 변형으로 접촉면적을 크게

하여 집는

상물을 외측

이용하는 등

33 파지형

파지 형

다 본 연구

하여 설명

(1) 두 손

형태이다 현

측에서 파지하

등의 파지방법

형태에 의한

형태로서는

구에서 사용할

명 하겠다

손가락 type

현재 많이 사

하거나 구멍

법이다

한 그리퍼의

상을 바깥에

할 메커니즘은

e

Fig 3-2 Cla

- 25 -

사용하고 있는

속에 손가락

의 분류

에서 파지하

은 바깥에서

assified by the

는 끼우기형

락을 넣은 후

는 것과 안에

파지하는 형

gripper grip ac

파지 형태는

후 벌려서 내

에서 파지하

형태가 유리하

ction

는 핸들링

내측사용면을

는 것이 있

하므로 이에

두 개의

상태를 유지

는 스윙형

안정되게 파

의 리지트한

지해서 개폐

핸드(swingin

파지하는 점에

손가락을 갖

되는 병진형

ng gripper)로

에서 병진형

(a) grinder c

(c

Fig 3-3 Sw

- 26 -

갖춘 것으로

핸드(transla

로 분류된다

보다 떨어진

crank

c) rotation joi

wing-type hand

실용례가 많

ational grippe

스윙형은 기

진다

(b) swing

int

d mechanism

많다 손가락이

er)와 그 방향

기구가 간단하

g block

이 상호평행

향이 변화하

하나 상이

병진형에

4 은 평행링

운동을 바꾸

에 회전시킴

로 유지되기

지된다 직

시키도록 한

가 전middot후진

피니온 방식

F

에서는 평행링

링크 방식의

꾸고 그 피니

킴으로써 손가

기 때문에 손

동형 신에

한 것도 있다

진하는 결점이

식이 채용된다

Fig 3-4 Hand

링크 랙middot피니

예로 직동형

니온 운동으로

가락 개폐를

손가락의 물체

에 회전형 액

다 평행링크를

이 있다 이문

다

mechanism fo

- 27 -

니온 나사이송

형 액추에이

로 평행링크의

얻는다 링크

체 파지면의

추에이터를

를 이용한 형

문제를 해결하

or translational

송 기구 등이

터의 운동을

의 하나의 링

크 PS 와 링

자세도 개폐

이용한 형식

형식은 개폐에

하는 방법으로

type1 (paralle

이 이용되고

랙과 피니온

링크 A 를 축

크 QR 은 항

폐 동작 중 일

식에서 평행링

에 의해서 손

로서 볼나사

el displacement

있다 Fig 3-

온으로 회전

축 P 의 주위

항상 평행으

일정하게 유

링크를 회전

손가락 위치

기구나 랙middot

nt)

Fig 3

는 핸드의

볼나사 기구

다

(2) 세 손

세 손가

가락으로 잡

F

-5 는 회전형

예이다볼나

구 각각을 손

손가락 type

가락을 가진 핸

잡는 것보다

Fig 3-5 Hand

형 액추에터로

나사 기구를 이

손가락에 부착

e

핸드에서는

안정된 파지

d mechanism fo

- 28 -

로 랙 피니온

이용하는 경

착 사라를 회

상을 3 점

지 동작을 할

or translational

온을 회전시킴

우에는 1

회전시킴으로

점에서 유지할

할 수 있다

l type2 (rack a

킴으로써 개폐

의 왼나사

써 개폐 동작

할수 있기 때

nd pinion type

폐동작을 하

오른나사의

작을 실현한

문에 두 손

e)

Fig 3-6

베벨기어를

구동해서 세

실현한 것

각 손가락을

복잡하며 중

6 은 세 손가

를 매개로 상

세 손가락을

이다 특히

을 개별 모터

중량도 증가하

Fig

락형 그리퍼

호 각도를 주

동작시킴으로

원통물체를

터로 구동하도

하기 때문에

3-6 Hand mec

- 29 -

의 일반적인

주어 결합한

로써 이른바

확실히 잡아

도록 한 3 지

실용례가 적

chanism for thr

인 형상을 나타

3 개의 볼

바 3 포인트 핀

아서 유지하

지형핸드도 개

적다

ree point pinch

타내고 있다

나사를 하나

핀치(three po

는데 유리하

개발되고 있으

h type

이 핸드는

나의 모터로

oint pinch)를

하다그 외에

으나기구가

34 메카니

(1) 구속

기계적

어서 형성되

전 구속 기

해서 언급하

으로 움직일

또 X Y 평

니컬 핸드의

속기능

구동장치에

되는 것으로

기능이 있다

하면 구속 상

일 수 있다

평면 X Y 면

의 구속기능

서 구속 형식

크게 나누어

그래서 핸드

상태의 물체는

이것을 물체

X Z 면상에

Fig 3-

- 30 -

능

식과 접촉 상

어서 반구속

드의 구속 기

는 Fig 3-7 와

체의 공전 (이

서 6 방향으

-7 Movement

상태와 포락

속 (받는 구속

기능을 결정하

와 같이 X Y

이동)에 관한

로 회전 한다

t of object

능력의 인자

속 는 구속

하는 물체의

Z 의 3 축상

6 동작 자유

다 이것을 물

자가 복합되

속)기능과 완

구속에

에서 6 방향

유도로 한다

물체의 자전

(회전)에 관

부여한 상태

행할 수 있

서는 회전의

핸드에

한 공간적

면 Fig 3-8

이 그림

를 구속한다

에서 7 자유

선접촉과 면

계수와 절선

(a

관한 6 동작

태에서 움직이

있다 또 완전

의 6 자유도를

의한 물체의

적인 포락 상

와 같이 된

(a)의 점접촉

다 그러나 1

유도를 구속

면접촉에는 각

선력법선력

a) point contac

Fig3

자유도로 한

이며 중력이

전 구속은 핸

를 무시하는

의 구속은 핸

상태로 정한다

다

촉은 접촉점

1 점접촉은 다

한다 (c)의

각각 마찰에

비와의 관계

ct (b

3-8 Contacts

- 31 -

한다 반구속은

이나 환경면의

드 자체로 1

경우도 적지

핸드와 물체의

다 먼저 접촉

방향의 1 자

다른 11 자유

면접촉은 11

위한 구속이

계로 구속불능

) line contact

of the kind an

은 12 자유도

의 구속을 받

12 자유도를

지 않다

의 접촉 상태

촉부의 구속

자유도를 구속

도를 구속할

1 자유도의 구

이 4 개와 6 개

능의 가능성을

nd the confini

도 중 몇 개의

아서 완전 구

행하는데 경

태 및 접촉부

능력을 모델

속한다 그러나

할 수 없다 (b

구속을 할 수

개 주어져 있

을 가진 구속

(c) surface co

ing

의 자유도를

구속으로 이

경우에 따라

부의 물체에

델로 나타내

나 1 자유도

b)는 선접촉

수 있다 단

있으며 마찰

속 성분이기

ontact

- 32 -

도 하다 또한 면접촉의 상태는 중력의 작용을 이용하면 받기를 형성하고 또

외계력을 이용하면 기를 형성한다

이들의 접촉상태는 물체의 형상과 핸드의 구속면으로 규정되는 것으로 핸드

만으로 결정하기는 어렵다 단 핸드의 구속면을 부드러운 재질로 형성하면 면

접촉의 이행이 용이하다 이와 같은 이유에서 물체에 접촉부가 포락도를 높이는

데에 따라서 물체 형상에 관계 없이 구속 능력을 증 시킬 수 있다

(2) 메커니컬 핸드의 자유도

로봇의 손은 그 용도를 불문하고 인간의 손 작업의 행을 목적으로 하는

것이므로 그 설계에 있어서 모델로 되는 것은 말할 것 도 없이 인간의 손이다

그래서 우선 기구에 하여 설명하기 전에 인간의 손의 구조 모델에 하여 설

명해 본다

AmiddotMorecki 에 의하면 인간의 상체는 그 해부학적 구조에 입각하면 Fig 3-9 와

같이 모델화할 수 있다 Fig 3-9 에서 숫자는 각각 골격 즉 링크를 나타내고 숫

자 II~ V 는 관절을 나타내고 있다 이와 같은 공간링크 기구의 자유도 F 는 가

동부수 n 자유도의 종류 f 를 가진 우 수를 Pf 라 하면 다음 식으로 나타낼

수 있다

6n sum ∙ P 12345 (3-1)

Fig 3-9

들 자유도가

을 Fig 3-9

P5=10 이므

인간의

유도 1 의

해 있으며

의 모델에서

가 있는 관절

9 와 같이 정

므로 위 식에

상지를 인공

액튜에이터를

22 개나 되

Fig 3

서는 n=19 P2

절에 작용하는

정의하고 그

서 FH=22 가

공적으로 정밀

를 27 필요

는 액튜에이

- 33 -

3-9 Human Ar

2=1 P3=2 P4

는 근군은 약

자유도 FH

가 된다

밀하게 재현하

요로 하게 된

터를 필요로

rm structure

4=6 P5=11 이

약 50 이라고

를 구하면

하려고 한다면

된다 또 손에

로 한다 그러

이므로 F=27

고 되어 있다

이 경우는 n

면 이상의 결

는 특히 자유

나 로봇의 손

이 된다 이

여기서 손

n=16 P4=6

결론에서 자

유도가 집중

손이 이만큼

- 34 -

의 수의 액튜에이터를 갖춘 것을 제작한다는 것은 크기 중량 제어면에서 볼

때 현시점에서는 불가능에 가깝다 특히 의수에 있어서는 상술한 바와 같은 형

상이나 조종성 등의 점에서 전혀 불가능하다고 해도 좋다 따라서 보통은 기능

에 주목하여 손에 집중해 있는 자유도의 간략화를 도모한다

인간의 잡기 동작에 주목해 보면 그 잡기 형상에는 12 종류가 있다고 하다

그러나 이것들은 엄지와 다른 12 종류가 있다고 한다 그러나 이것들은 엄지와

다른 4 손가락과의 관계에 주목하였을 때에 2 종류 즉 엄지가 다른 4 손가락과

항해서 동작하거나 그 측방에서 동작하는가로 분류할 수 있다 실제의 일상

동작에서 관찰하면 이들 중에서도 엄지와 손가락이 항해서 동작하는 소위 쥠

동작이 우선 첫 번째이고 또 다음에 엄지 검지 중지의 3 손가락의 선단으로

이루어지는 3Point Pinch 즉 잡기동작이 중요하다

더불어 손가락의 독립성에 해서는 역시 일상동작 중에서 손가락의 사용

빈도를 조사한 결과에 의하면 다섯 손가락은 반드시 독립적인 운동을 필요로

하지 않고 엄지 검지 중지가 같은 정도의 중요성을 자기며 다른 두 손가락은

사용 빈도에 있어서 이들 세 손가락보다 약 50 적으며 다른 세 손가락의 보

조 역할을 한다고 볼 수 있다 그리고 특히 중요한 것은 인간의 각 손가락은 잡

기 상물의 형상에 적응한 쥐기 즉 Passive 한 동작을 할 수 있다는 것이다 이

기능이 있다면 각 손가락이 독립적으로 동작하지 않더라도 또 다소 손의 자유

도를 제거하더라도 상물의 확실한 쥐기나 잡기 그리고 기타 손 작업에 큰 힘

을 발휘한다

- 35 -

34 표적인 동력원의 특징

동력원을 설계할 때 다음의 점을 고려하면서 가장 적합한 방식을 선택한다

1조작력(로보트가 내는 최 의 힘 예를들면 최 들어올린 힘)

2속응성(최 조작 속도)

3크기 중량(로보트의 크기와 중량의 제한)

4안정성(발열이나 과부하에 한 안전성)

5사용의 용이도

6수명가격

1 2 의 조작력 속응력은 로보트에 요구되는 성능에서 가장 기본적인 것인

데 이에 관련해서 크기나 중량의 제한 안정성 사용의 용이도 수명 가격 등을

고려해서 동력원을 선택한다 단 자주형 로보트에서는 2 차적 성능인 동력원의

중량이 첫째 요구 조건이 되는 경우가 많고 공업용 로보트에서는 저가격 사용

의 용이도 안전성이 중요 사항으로 우선시된다

모든 로봇은 동력원을 필요로한다 중요도에 따라 동력원을 선택해야 하는데

일반적으로 공기압식은 안전성이 뛰어난 반면 힘과 세밀한 위치제어가 어렵고

전기식은 응답성과 사용편리성 세밀한 위치제어가 가능하나 높은 힘을 내기 위

해서는 부가적인 기구부가 필요하다 유압식은 큰힘을 낼수있어서 속응성은 좋

으나 과부하시 상당한 발열이 있기 때문에 안전성에서 다른 동력원에 비해 떨

어진다 위 사항을 TABLE 3-1 로 분류하여 나타내었다

- 36 -

TABLE 3-1 Characteristics of power sources

전기식 유압식 공압식

사용용이성 편리하다 작동유의관리 관로의압력

필터관리에 유의

공급공기의 수분제거

윤활성의부가에 주의

수명 길다 기름에 윤활성이 있기

때문에 길다

공기에윤활성이 없어

유압 전기에 비해 짧다

가격 보통 가격 운영비 높음 저가격

응답속도

(반응성) 매우 빠르다 빠르다 늦다

하중능력 (소)에서 (중)정도의

하중능력 단히 큰 힘을 얻음 큰 힘은 없다

소음 적다 다소 크다 크다

- 37 -

제 4 장 능동형 그리퍼 설계

41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정

로봇 그리퍼의 정밀 파지 (Fingertip Grasp 손가락 끝을 이용하여 물체를 집

거나 바닥에누워있는 납작한 물체를 집는 행동)를 안정하게 하기 위해서는 손가

락 끝과 물체가 직각에 가까운 각도를 이룸으로 마찰력을 크게 하여 안정성을

높인다 또한 바닥에 놓인 물체를 집어 올릴 경우에도 물체표면의 법선 벡터와

손가락 끝의 각도가 클수록 물체를 효과적으로 구속하여 안정된 파지를 할 수

있다

그리퍼의 링크 시스템에 있어서 2 링크 손가락보다 3 링크 손가락을 쓸 때가

링크와 수평 평면이 이루는 각 (A)이 더 커지기 때문에 안정성이 더 좋다는 것

을 알 수 있다 그리고 안정성뿐만 아니라 식 (4-1)을 통하여 문체에 전해지는

Torque 값을 Fig 4-2 와 같이 그래프로 나타내면 0 도에서 75 도 정도까지는 A 각

이 커질수록 물체에 가해지는 토크 값이 점점 커지는 것을 알 수 있음으로 3 링

크 손가락을 쓰는 것이 파지력 증가됨을 알수 있다 ℓ3 의 길이가 길어질수록 A

가 작은 값을 가져서 정밀파지에 적당하지 않다

τ l cosA sinA l 1 cos A tan μ (41)

A cosempty

(42)

Fig 4-1

은 식을 통

각이 커짐을

움이 있고

Fig4-

에서 제 2 코

통해 구할 수

을 알 수 있다

최소 단위를

Fig4

-1 Configurati

코사인 법칙

있는데 이로

다 그러나 ℓ

를 1cm 로 하

-2 Change the

- 38 -

ion of the fing

을 이용하여

로부터 링크

ℓ3 가 1cm 인

하였기 때문에

e value of the a

gers on robot g

여 A 의 각을

길이 ℓ3 가

인 경우는 너

에 ℓ3 는 2cm

angle of phage

gripper

구하기 위해

작으면 작을

무 짧아서 파

로 결정하였

torque

해 (2) 와 같

을수록 A 의

파지의 어려

였다

42 모터

(1) 알고

앞 절에

여야 한다

는 모터의

이 작은 모

나 용량이

로 적절한

선정 알고

고리즘 정의

에서 설명한 기

로봇 팔에

선정은 동작

모터를 사용하

큰 모터를 사

모터의 선정

고리즘

기구들을 추

움직임을 전

작을 구현하는

하게 되면 기

사용하게 되

정이 중요하다

Fig 4-3 M

- 39 -

추후 로봇 시스

전달함에 있어

는데 중요한

기구의 원활한

면 모터의 외

다

Motor Selectio

스템에 적용을

어서 동력을

과제가 되겠

한 작동이 어

외형이 커지

on Algorithm

을 고려하여

공급과 제어

겠다 만일 토

려워지고 단

고 가격 또한

설계를 하

어를 수행하

토크나 용량

단순히 토크

한 증가하므

- 40 -

(2) 알고리즘 수행

모터를 선정하기 위해서 가장 우선적으로 해야 할 일은 기계구동부분을 결

정하고 구동부분을 어떠한 방식으로 작동을 시킬지 동작 패턴을 결정하여야 한

다 예를 들면 모터에서 나오는 힘을 받아서 볼 스크류를 이용하여 힘을 전달할

것인지 벨트 피니언 기어 혹은 풀리 등을 이용할 것인지를 결정하고 그에 따

른 적절한 구동방식을 결정한다 구동방식을 결정하게 되면 각각의 구동방식에

적합한 수식을 대입하여 부하토크를 계산한다 구동방식에 따른 부하토크를 구

하는 수식은 구동방식이나 구동장소 등에 따라 다소 상이하나 일반적인 수식은

다음과 같다

-BALL SCREW 구동

T FP2πn

μ F P2π

1i N ∙ m 43

F F mg sin α μ cos α N 44

-PULLEY 구동

T ∙ 45

μF D

2i N ∙ m

- 41 -

-WIRE middot BELT 구동 RACK middot PINION 구동

T F2πn

∙ πDi

FD2ni

N ∙ m 46

F F mg sin α μ cos s N 47

-실측에 의한 방법

T 48

직선운동 (커플링 직결 볼스크류 등)의 경우 위의 (43) (44) 이용하여 구할

수 있다 이때 F 는 축방향하중 F0 는 예압하중 μ0는 예압 NUT 의 마찰계수 η 은

효율i 는 감속비 PB 는볼스크류 피치를 나타낸다 회전운동 (풀리)의 경우 식

(45)를 이용하여 구할 수 있으며 FA는 외력 FB는 부하중량 (주축이 회전하기 시

작할 때의 힘) m 은 work 와 TABLE 의 총무계 μ 접동면의 마찰계수α는 경사각

도D 는 풀리의 지름을 나타낸다

실제현장에서는 선정된 모터의 토크를 확인하기 위해 실측에 의한 구동토크

를 계측하는데 스프링 저울을 구동 풀리에 연결지어 측정한다 이때 TL 은 회전

운동 부하토크에 해당하고 FB 는 부하중량 D 는 풀리의 직경을 나타낸다

위의 부하토크를 구하는 식들을 이용하여 부하토크를 구하게 되면 실제 모

터를 사용할 때 어느 정도의 시간적 여유를 두고 가속을 할 것인지 감속을 할

것인지를 결정하여야 한다 이를 위해서 우선 동작시킬 부분에 대한 관성모멘트

를 계산하

Fig 4-4

시한 것으로

dA 와 기준

이를 표현하

하여야 한다

4 는 관성모멘

로 X 와 Y

준축으로 부터

하면 식 (49)

Fig 4-4 Arb

I

멘트를 구하기

는 면적의 미

터의 거리의

)와 같다

- 42 -

bitrary shape o

y dA I

기 위한 절대

미소 요소 dA

제곱의 곱으

of planar area

x dA

대좌표 X Y

A 의 좌표이

으로 단면 2

축 상의 미소

이고 관성모멘

차 모멘트라

49

소면적을 도

멘트는 요소

라고도 한다

평면 면

가 있다 평

축에 대한

Fig 4-5

하는 평행한

관성모멘

식 (410

번째 적분은

면적의 관성

평행축 정리란

관성 모멘트

5 과 같이 도

한 xy 축 두

멘트의 정의로

I y

0) 에서 우변

은 Xc 축에

Fig 4-5

모멘트에 있

란 도심축에

트 사이의 관

도심을 원점으

좌표계의 평

로부터 x 축

y d dA

변의 첫 번째

대한 1 차 모

- 43 -

5 Parallel-axis

있어서 중요하

대한 관성

계를 나타낸

으로 하는 Xc

평행한 축 간

축에 대한 관

y dA

적분은 Xc

모멘트로서 X

theorem

하고 유용한

모멘트와 도

낸다

cYc 축과 임의

간의 거리를 d

성모멘트 Ix

2d y dA

축에 대한 관

Xc 축이 도심

정리로서 평

도심축에 평행

의의 점 O 를

d1 과 d2 로 표

는 식(410)와

d dA

관성모멘트

심을 통과하므

평행축 정리

행한 임의의

를 원점으로

표시한다

와 같다

410

I 이다 두

므로 적분의

- 44 -

값은 0 이다 세번째 적분은 면적 A 그 자체이다 따라서 식 (410)은 식 (411)과

같이 간단해진다

I I Ad 411

y 축에 대한 관성모멘트도 위와 같은 방법에 의해 식(412)과 같다

I I Ad 412

또한 면적의 평면에 수직인 수직축에 대한 관성모멘트를 극관성모멘트라 한

다 Fig 4-6 는 평면에 수직이고 O 점을 통과하는 축에 대한 극관성모멘트를 나

타낸 그림으로 이를 관성모멘트 식으로 표현하면 식 (413) 와 같다

I ρ dA 413

식 (413)와

즉 평면에

서로 수직인

극 관성

와 도심 C

와 식 (414)에

I

수직인 축에

인 두 축에 대

성모멘트에 대

에 대한 극

Fig 4-6 Arb

의해 식 (4

ρ dA

I

에 대한 극관

대한 관성모

대한 평행축

극 관성모멘트

- 45 -

bitrary shape o

ρ x y

415) 식 (41

x y dA

I I I

관성모멘트는

멘트의 합과

정리는 Fig

트를 각각 I

of Polar Area

y

16)과 같은 관

x dA y

는 평면 내의

과 같다

4-5 에서 유

와 I 로

관계식을 얻을

y dA

같은 지점을

유도할 수 있

로 표시하면

414

을 수 있다

415

416

을 통과하는

있다 원점 O

식 (416)에

- 46 -

서 식(417)을 유도할 수 있다

I I I I I I 417

I I I I A d d 418

I I Ad 419

식 (419)는 극 관성모멘트에 대한 평행축 정리를 나타낸다 즉 평면 내의 임의

의 한 점 O 에 대한 면적의 극관성모멘트는 도심 C 에 대한 극관성모멘트에 그

면적과 점 O 와 C 사이의 거리의 제곱의 곱을 더한 것과 같다

이상의 식에서 부하토크와 관성모멘트를 계산하여 모터를 가 선정한다 부하토

크의 경우 사용될 모터의 정격 토크를 넘어서지 않는 것을 선정한다 부하토크

를 TL 정상 부하 상태의 힘 PL 극 관성모멘트 IL 회전운동을 위한 힘 Pa 각속

도 가속 시 소요되는 시간을 ta 라 하고 식 (420)을 이용하여 부하가 일정하

게 작용할 때의 힘을 계산한다 마찬가지로 관성모멘트를 식 (421)에 대입하여

가속을 위한 회전 운동 시 필요한 힘을 계산한다 식 (420)과 식 (421)에서 계

산된 힘을 합산하면 모터를 회전시키기 위해 필요한 출력이 계산된다 이때 계

산된 출력보다 실제 사용할 모터의 정격 출력이 1~2 배 정도가 되도록 모터를

가 선정한다

- 47 -

P T ω 420

P 421

위의 과정을 통하여 모터를 가선정하고 가감속 토크 및 구동 토크를 계산한

다 각각의 토크를 계산하게 되면 모터를 최종적으로 선정하게 되는데 두 가지

사항을 고려하여 최종 선정한다 먼저 식 (422)을 통해서 계산되는 가속 시 소

요되는 기동 토크 TM 가 모터의 최대 토크를 넘지 않는 것으로 선정한다

T 422

두 번째로 Fig 4-7 의 속도 선도와 같이 모터의 가 감속 시간과 정상 동작

시간 등을 결정하여 식 (423)과 같이 실효치 토크 TS 를 구하고 실효 토크가 모

터의 정격 토크보다 크지 않도록 선정한다

T 423

Fig 4-7 Exa

- 48 -

ample of veloc

city guidance

- 49 -

(3) 알고리즘 적용

로봇시스템에 있어서 기구들의 관성모멘트와 토크 계산 후 적합한 모터를

선정하기 위해 시중에서 시판되는 모터를 조사하였다 로봇에 적용 가능한 모터

로는 크게 서버모터와 스텝모터 RC 서버모터 DC 모터로 구분 할 수 있었다 이

를 TABLE 4-1 과 같이 정리하였다

동력원의 6 가지 선정요소 중 우선순위를 부여하여 분류했을 때 핸드 그리퍼

의 특성상 가볍고 토크가 큰 RC 서버 모터 미니 서버모터를 선택할 수 도 있지

만 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터 중 토크를 증가시킬 수 있는

감속기가 있는 타입의 모터를 우선시 하였다

1 감속비를 사양할 수 있는 모터를 선정하여 계산한 토크를 확인한다

2 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터를 선정한다

3 CLOSED LOOP 제어를 통하여 정확한 위치를 검출할 수 있어야 한다

따라서 스텝모터중 lsquoOrsquo사의 ldquoαSTEPrdquo가 적합하다고 판단되어 모터를 선정하였다

- 50 -

TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics

미니서버모터 RC 서버모터 스텝모터 DC 모터

장점 동일사양대비 모터

중 10배정도 큰 토크

5v사용가벼움

정확한 위치제어

급격한 부하변동급가

속 유리

저렴한가격

보편화됨

단점 정지시 진동이 예상 약한 토크 THRUST하중이 모터

무계 이하여야 한다

유지보수가 잦다

크기 151588mm(10w20w)

2525111mm(30w)

392038mm 424234mm Oslash37mm917mm

동작전압 Dc 24V Dc 48V60V Dc 24V Dc 24V

무계 230g~400g 56g 150g 200g

허용토크 009Nm~03Nm 11~13kgfcm 18kgfcm (018Nm) 47kgfcm(1200)

감속기 다양한 감속비 가능 고정 감속기 감속기 무(072˚036) 다양한 감속비

제조사 야스카와 SGMM 하이텍 HS-5945 AUTONICS GCM 3429A

TABLE 4-2 αstep motor characteristics

외형 전압 전류 무계 토크 감속비 분해능

αSTEP 282884mm

4242127mm Dc24V 1~37A 250G 2~28 Nmiddotm 50~1001

00072pluse

00036pluse

- 51 -

43 1 차 능동형 그리퍼 설계

실린더를 사용하여 링크로 물체를 파지하던 그리퍼는 Fig 4-8 과 Fig 4-9 에

묘사하였다 이런 실린더를 사용한 그리퍼는 공압 효과를 도출할 수 있는 별도

의 펌프가 필요하고 동작을 구현할 수 있는 자유도를 증가시키는데 한계가 있

다 이런 실린더의 단점을 보완하고 전기모터의 장점을 사용하기 위해 웜기어와

웜휠 방식을 채택하여 2 자유도 능동형 그리퍼를 설계하였다

1 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-10 에 묘사하였으며 1 차설계한

능동형 그리퍼는 Two Fingertip Grasp 로 칭하겠다 파지한 물체를 회전 시키는

기능은 베벨기어를 사용하여 회전운동으로 구현하였고 실린더의 전middot후진 운동

을 전기모터의 회전운동으로 변환 시키기 위하여 웜기어와 웜휨을 선택하였다

전기모터에 의해 회전하는 운동은 웜기어와 웜휠에 의해 링크를 사용하여 물체

를 파지하였던 그리퍼와 동일한 운동효과를 가지게 되었다

웜기어와 웜휠을 사용하여 물체를 파지하는 능동형 그리퍼는 스윙형으로 설

계되었으며 파지력을 높이기 위한 각도를 적용하였다 링크를 사용하여 물체를

파지하는 형태의 그리퍼보다 기구의 크기를 줄일 수 있는 장점이 있는 반면 기

어들의 백래시에 의한 오차가 끝단에 누적될 수 있는 문제점을 가지고 있다또

한 기구부의 소재 변경으로 그리퍼의 무계를 줄일 수 도 있지만 가장 큰 무계

를 차지하는 모터를 그리퍼 자체에서 분리하게 할 수 있게 하려면 그리퍼 자체

의 구조변경이 필요하다

`

`

Fig 4-8 Par

Fig 4-9 Par

- 52 -

rallel-link gra

rallel-link gra

sps system 1

sps system 2

Fig 4-10

- 53 -

0 Two fingertipps grasp system

- 54 -

44 2 차 능동형 그리퍼 설계

1 차 설계한 능동형 그리퍼에서 발견된 문제점을 보안하기 위하여 2 차 능동

형 그리퍼를 설계하였다 2 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-11 에 묘사

하였으며 2 차설계한 능동형 그리퍼는 Four Fingertip Grasp 로 칭하겠다 이 장치

는 크게 동력원 동력 전달장치 핑거 그립장치로 구성되어있으며 이를 통합하

여 Fig 4-12 에 나타내었다

핑거 그립장치는 스윙형 그립의 단점을 보완하여 설계하였다 물체를 파지할

때 그립의 회전 반경이 주위 환경요소와 간섭을 발생시킬 수 있는데핑거가 전

진할때 샤프트와 핑거그립간의 나사결합형태를 통한 직선운동으로 개선하여 주

위환경요소에 영향을 주지 않도록 설계하였다 구동축의 핑거파지 메카니즘을

Fig 4-13 와 같이 간략화 하였고 이에 대한 세부 도면은 Fig 4-14 로 나타내었다

4 조 핑거 그립의 나사산과 테이퍼진 스크류축은 나사식으로 결합되며 상호

작용에 의해 점차 중심점으로 이동하여 물체를 파지하는 형태이다 사용된 2 개

의 샤프트는 중공축으로 설계하였으며 외부 샤프트는 4 조 핑거가 물체를 파지

하여 비트는 모션을 구현하는데 사용되었다 내부 샤프트는 핑거를 중심점으로

전진시켜는 기능을 수행한다 중공축으로 설계한 내부 샤프트는 차후 개발될 인

스트리먼트의 탈부착을 손쉽게 할수있도록 구현하였고 4 조로 설계된 핑거는 그

립시 인스트리먼트의 응력집중현상을 분산시키는 기능과 2 조로 그립하였을때

보다 안정적인 그립감을 형성한다

- 55 -

동력원과 동력전달장치는 Fig 4-15 에 나타내었으며 Two Fingertip Grasp system

의 문제점이었던 구동부의 모터의 설치 방법을 외부에 부착하는 형태로 변경하

여 우레탄 밸트를 사용하였다 또한 아이들러를 사용하여 밸트의 방향을 변경

하여 모터의 부착위치를 자유롭게 설정할 수 있도록 하였고 모터 브라켓에 슬

리브 홈을 설치하여 벨트의 장력을 조절할 수 있도록 하였다

Fig4-11

Fig4-12 Fou

- 56 -

Four fingertip

ur fingertips g

ps grasp system

grasp system la

m

ayout

Fig 4-13

Fig 4-14

- 57 -

Fingertip gra

4 Fingertip gr

asps mechanis

rasps extended

m

d

Fig 4-15

- 58 -

5 Power transmission devicce

- 59 -

제 5장 결 론

본 연구에서는 MIS 수술 로봇을 위한 햅틱 마스터장치 구동용 능동형 그리

퍼를 설계하기 위하여 그에 상응하는 자료 및 문헌 조사를 수행하였고 햅틱 마

스터에 적용 가능한 능동형 그리퍼를 설계하여 로봇 시스템의 초안을 구성하였

다 수술용 도구를 단순히 잡아주는 역할에서 벗어나 시스템에 추가적인 자유도

를 부여함으로써 그리퍼를 표현하였다 단순화된 그리퍼는 보다 저렴한 가격으

로 생산될 수 있으며 기존 로봇 수술시스템의 높은 비용을 절감할 수 있는 효

과를 가져올 수 있다

최종적으로 제안한 설계 안으로는 2 조 핑거그립를 사용하는 전기모터형 그

리퍼 와 추가적으로 개선한 4 조 전기모터형 핑거그립를 설계였다 스윙형 그립

의 단점을 보안하여 집중응력을 분산할 수 있는 구조로 설계하였고 그리퍼의

무계를 줄일 수 있는 방법을 제시하였다 이로써 원통형 도구 파지 시 안정성이

향상되었고 보다 원활하게 수술 도구를 교체 가능하도록 하였다

앞으로 촉감을 전달할 수 있는 센서의 개발로 햅틱 디바이스 인터페이스 장

치의 활용에 보다 높은 기여를 할 것이라 예상된다

-６０-

참고 문헌

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[9] 이재훈김형욱이병주서일홍 ldquo새로운 6자유도 병렬형 햅틱 기구의 최적설

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[10] 조국훈이재훈이병주김희국 ldquo병렬형 그리퍼 메카니즘rdquo한국정밀공학회지

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• 제1장 서 론
• • 11 연구배경 및 연구목적
  • 12 연구내용
  • • 제2장 로봇 산업의 기술 현황
    • • 21 로봇산업의 동향
      • 22 의료용 로봇기술 현황
      • 23 의료용 로봇시장 전망
      • • 제3장 능동 그리퍼
        • • 31 최소침습 수술 햅틱 장치구현에 필요한 능동 그리퍼 제안
          • 32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류
          • 33 파지형태에 의한 그리퍼의 분류
          • 34 메카니컬 핸드의 구속기능
          • 35 대표적인 동력원의 특징
          • • 제4장 능동형 그리퍼 설계
            • • 41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정
              • 42 모터 선정 알고리즘
              • • 43 1 차 능동형 그리퍼 설계
                • 44 2 차 능동형 그리퍼 설계
                • • 제 5 장 결론
                  • 참고문헌
                  • TABLE 2-1 Domestic robot classification
                  • TABLE 2-2 Robot Production Company
                  • TABLE 3-1 Characteristics of power sources
                  • TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics
                  • TABLE 4-2 αSTEP Motor Characteristics
                  • Fig2-1 Phase of medical robots in the robot industry
                  • Fig2-2 Da Vinci surgical case number
                  • Fig3-1 Da Vinci robot system for MIS
                  • Fig3-2 Classified by the gripper grip action
                  • Fig3-3 Swing-type hand mechanism
                  • Fig3-4 Hand mechanism for translational type1 (parallel displacement)
                  • Fig3-5 Hand mechanism for translational type2 (Rack and pinion type)
                  • Fig3-6 Hand mechanism for three point pinch type
                  • Fig3-7 Movement of object
                  • Fig3-8 Contacts of the kind and the confining
                  • Fig3-9 Human Arm structure
                  • Fig4-1 Configuration of the fingers on robot gripper
                  • Fig4-2 Change the value of the angle of phage torque
                  • Fig4-3 Motor Selection Algorithm
                  • Fig4-4 Arbitrary Shape of Planar Area
                  • Fig4-5 Parallel-Axis Theorem
                  • Fig4-6 Arbitrary Shape of Polar Area
                  • Fig4-7 Example of Velocity Guidance
                  • Fig4-8 Parallel-link Grasp system 1
                  • Fig4-9 Parallel-link Grasp system 2
                  • Fig4-10 TWO Fingertip Grasp system
                  • Fig4-11 Four Fingertip Grasp System
                  • Fig4-12 Four Fingertip Grasp System layout
                  • Fig4-13 Fingertip Grasp Mechanism
                  • Fig4-14 Fingertip Grasp extended
                  • Fig4-15 Power Transmission Device

- 21 -

햅틱 (haptic)이란 단어의 사전적인 의미는 ldquoof or relating the sense of touch

tactilerdquo로써 물체를 만질 때 사람이 느낄 수 있는 촉각적 감각으로 피부가 물체

표면에 닿아서 느끼는 촉감 (tactile sensation)과 관절과 근육의 움직임이 방해 될

때 느껴지는 근 감각적인 힘 (kinesthetic force)의 두 가지 힘을 모두 합쳐서 부르

는 말이다 촉감 구현 연구는 물리적 장치를 이용하여 사람이 직접적인 접촉이

없이도 촉각 정보를 전달하는 방법에 관한 전반적인 연구 분야를 일컫는 말로

사람에게 원격지에 있는 물체의 물리적 특성을 전달하는 원격조작 혹은 원격현

장감에 관한 연구로부터 시작되었다 가상 혹은 실제 환경에서 촉감을 구현하기

위한 연구를 포괄적으로 의미하는 용어로 햅틱스 (haptics)라고 한다 주요 연구

분야는 사람이 직접 손에 쥐거나 착용하는 물리적 장치인 햅틱 디바이스 인터

페이스 (haptic interface) 가상 공간상의 물체에 기계적 성질을 부여하여 사실감

이 있는 상호작용을 제공하고자 하는 햅틱 렌더링 (haptic rendering) 사람의 촉

각 인지 특성에 관한 연구 (tactile perception) 등으로 나눌 수 있다 특히 햅틱

인터페이스 (haptic interface)는 햅틱 디바이스 (haptic device)라고도 불리우며 사람

에게 촉감을 전달하는 물리적인 장치를 말하며 더 넓은 의미로 사용하여 가상

의 환경을 촉감 전달을 통해서 느끼게 하는 시스템 전체를 가리키기도 한다 이

러한 햅틱 기술은 다양한 분야에서 활용될 수 있는데 표적인 분야로는 가상

현실 분야 인간-컴퓨터 인터페이스 분야 게임 등 사이버 커뮤니케이션 그리고

원격제어 로봇 등이 있다 특히 원격제어 로봇이 많이 활용되고 있는 의료 분

야에서 햅틱 구현은 매우 시급한 과제이다 현 의 수술은 점점 첨단의 수술 도

- 22 -

구와 로봇을 이용하여 집도되는 추세이며 최소침습수술 (minimally invasive

surgery MIS)이 그 표적인 예이다 이 수술법은 환부의 구멍에 수술도구와 카

메라를 삽입하여 집도의가 모니터를 보면서 시술함으로써 시술시간이 짧고 환

자의 회복이 빨라서 그 적용 범위가 점차 확 되고 있다 하지만 환자가 얻게

되는 이점에 반해 의사는 개복 수술에서 쉽게 이용하던 기술들을 더 이상 적용

할 수 없게 되어 집도에 있어 큰 어려움을 부담해야만 한다 즉 환자의 내부에

서 손의 움직임과 시야의 제약을 받게 되었고 손으로 환자의 장기나 뼈를 만지

고 상태를 확인할 수 없게 된 것이다 이러한 문제점들을 극복하기 위해 첨단의

의료용 로봇 시스템이 개발되었는데 의사 즉 오퍼레이터가 조작하는 마스터

(master) 로봇과 환자의 환부에서 수술을 진행하는 슬레이브 (slave) 로봇으로 구

분된다 슬레이브 로봇은 크게 수술 시 집도의 팔의 움직임을 구현하는 구동 암

(arm)과 수술도구를 홀딩 할 수 있는 그리퍼로 분류할 수 있다 구동 암의 움직

임은 수술 부위의 위치를 결정하면 별도 큰 움직임 없이 작동시킬 수 있으며

전달 수술 관통 수술이 아닌 경우에는 집도의가 느끼는 힘을 피드백 할 필요가

없다 하지만 그리퍼의 경우는 신체 일부분의 미세한 조직까지 전부 접촉해서

제거하거나 봉합하기 때문에 집도의가 수술 시 느끼는 힘을 구현하여야 보다

정밀한 수술을 수행할 수 있다 따라서 본 연구에서는 햅틱 장치가 적용된 마스

터 로봇과 마스터 로봇에서 형성된 힘을 느낄 수 있으며 원할한 수술을 진행할

수 있는 최소침습수술용 능동 그리퍼를 제안하겠다 Fig 3-1 은 상용 MIS 장치인

다빈치 로봇의 마스터와 슬레이브 그리고 그리퍼를 나타내고 있다

(a) sla

(b

Fig 3-1 da V

Operation Arm

Gripper

- 23 -

ave robot and g

b) master rob

Vinci robot sy

m

gripper

ot

stem for MIS

- 24 -

32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류

산업용 로봇은 그 기능 특성상 필요성에 의해 로봇의 말단부에 그리퍼를 부

착시킨다 이것은 인간의 손에 응되는 것으로서 메커니컬 핸드라고 칭하며 다

루는 상 물체를rdquo파지rdquo해 이동하는 목적으로 사용되는 도구이다

파지동작은 Fig 3-2 와 같이 세분화된다 인간의 손 손가락에는 많은 관절이

있으며 여러가지 작업이 가능하다 일상 생활에서의 붙잡기는 형식을 분류한 것

으로는 슐레징거의 12 형식이 있다 여기서 인간의 손에는 손가락이 있어서 그

것을 유지핸드라고 이름 붙이면 메커니컬 핸드에는 손가락이 없는 구성법이 있

는데 이것을 무지 핸드라고 이름 붙이기로 한다 이 무지 핸드는 기계적 물리적

으로 구조상 무지핸드로 한 것과 공구가 메커니컬 핸드와 일체화됐다고 생각하

는 공구 핸드가 있다 메커니컬 핸드를 분류해 보면 다음과 같다 진공이나 자

기 이용의 흡착 등 물리적 흡척형의 유지는 보통 평면(완만한 곡선도 포함)부를

흡착하는 형태로서 물체의 크기나 중량에 따라 여러 개가 설치되는 경우도 있

다 그러나 물체표면에 만곡부가 있는 경우나 구멍이나 공동이 있는 경우에는

적용할 수 없게 된다 또한 자력을 이용한 경우 철금속 재료를 다루게 되는데

경우에 따라서 매우 효율적이고 신뢰성이 높기는 하지만 물체에 잔류 자력이

남게 되는 문제점이 있다 받기형의 유지는 지지의 동작만을 가지고 있는 형태

이며 이는 전기한 흡착형 보다 적극적이 아니여서 약한 구속을 갖는다 변형하

기 쉬운 물체의 이송등에는 이를 채택한다 매달기형 유지는 중력 방향의 이동

1 자유도를 구속한다 잡기형 파지는 유연성에 의한 변형으로 접촉면적을 크게

하여 집는

상물을 외측

이용하는 등

33 파지형

파지 형

다 본 연구

하여 설명

(1) 두 손

형태이다 현

측에서 파지하

등의 파지방법

형태에 의한

형태로서는

구에서 사용할

명 하겠다

손가락 type

현재 많이 사

하거나 구멍

법이다

한 그리퍼의

상을 바깥에

할 메커니즘은

e

Fig 3-2 Cla

- 25 -

사용하고 있는

속에 손가락

의 분류

에서 파지하

은 바깥에서

assified by the

는 끼우기형

락을 넣은 후

는 것과 안에

파지하는 형

gripper grip ac

파지 형태는

후 벌려서 내

에서 파지하

형태가 유리하

ction

는 핸들링

내측사용면을

는 것이 있

하므로 이에

두 개의

상태를 유지

는 스윙형

안정되게 파

의 리지트한

지해서 개폐

핸드(swingin

파지하는 점에

손가락을 갖

되는 병진형

ng gripper)로

에서 병진형

(a) grinder c

(c

Fig 3-3 Sw

- 26 -

갖춘 것으로

핸드(transla

로 분류된다

보다 떨어진

crank

c) rotation joi

wing-type hand

실용례가 많

ational grippe

스윙형은 기

진다

(b) swing

int

d mechanism

많다 손가락이

er)와 그 방향

기구가 간단하

g block

이 상호평행

향이 변화하

하나 상이

병진형에

4 은 평행링

운동을 바꾸

에 회전시킴

로 유지되기

지된다 직

시키도록 한

가 전middot후진

피니온 방식

F

에서는 평행링

링크 방식의

꾸고 그 피니

킴으로써 손가

기 때문에 손

동형 신에

한 것도 있다

진하는 결점이

식이 채용된다

Fig 3-4 Hand

링크 랙middot피니

예로 직동형

니온 운동으로

가락 개폐를

손가락의 물체

에 회전형 액

다 평행링크를

이 있다 이문

다

mechanism fo

- 27 -

니온 나사이송

형 액추에이

로 평행링크의

얻는다 링크

체 파지면의

추에이터를

를 이용한 형

문제를 해결하

or translational

송 기구 등이

터의 운동을

의 하나의 링

크 PS 와 링

자세도 개폐

이용한 형식

형식은 개폐에

하는 방법으로

type1 (paralle

이 이용되고

랙과 피니온

링크 A 를 축

크 QR 은 항

폐 동작 중 일

식에서 평행링

에 의해서 손

로서 볼나사

el displacement

있다 Fig 3-

온으로 회전

축 P 의 주위

항상 평행으

일정하게 유

링크를 회전

손가락 위치

기구나 랙middot

nt)

Fig 3

는 핸드의

볼나사 기구

다

(2) 세 손

세 손가

가락으로 잡

F

-5 는 회전형

예이다볼나

구 각각을 손

손가락 type

가락을 가진 핸

잡는 것보다

Fig 3-5 Hand

형 액추에터로

나사 기구를 이

손가락에 부착

e

핸드에서는

안정된 파지

d mechanism fo

- 28 -

로 랙 피니온

이용하는 경

착 사라를 회

상을 3 점

지 동작을 할

or translational

온을 회전시킴

우에는 1

회전시킴으로

점에서 유지할

할 수 있다

l type2 (rack a

킴으로써 개폐

의 왼나사

써 개폐 동작

할수 있기 때

nd pinion type

폐동작을 하

오른나사의

작을 실현한

문에 두 손

e)

Fig 3-6

베벨기어를

구동해서 세

실현한 것

각 손가락을

복잡하며 중

6 은 세 손가

를 매개로 상

세 손가락을

이다 특히

을 개별 모터

중량도 증가하

Fig

락형 그리퍼

호 각도를 주

동작시킴으로

원통물체를

터로 구동하도

하기 때문에

3-6 Hand mec

- 29 -

의 일반적인

주어 결합한

로써 이른바

확실히 잡아

도록 한 3 지

실용례가 적

chanism for thr

인 형상을 나타

3 개의 볼

바 3 포인트 핀

아서 유지하

지형핸드도 개

적다

ree point pinch

타내고 있다

나사를 하나

핀치(three po

는데 유리하

개발되고 있으

h type

이 핸드는

나의 모터로

oint pinch)를

하다그 외에

으나기구가

34 메카니

(1) 구속

기계적

어서 형성되

전 구속 기

해서 언급하

으로 움직일

또 X Y 평

니컬 핸드의

속기능

구동장치에

되는 것으로

기능이 있다

하면 구속 상

일 수 있다

평면 X Y 면

의 구속기능

서 구속 형식

크게 나누어

그래서 핸드

상태의 물체는

이것을 물체

X Z 면상에

Fig 3-

- 30 -

능

식과 접촉 상

어서 반구속

드의 구속 기

는 Fig 3-7 와

체의 공전 (이

서 6 방향으

-7 Movement

상태와 포락

속 (받는 구속

기능을 결정하

와 같이 X Y

이동)에 관한

로 회전 한다

t of object

능력의 인자

속 는 구속

하는 물체의

Z 의 3 축상

6 동작 자유

다 이것을 물

자가 복합되

속)기능과 완

구속에

에서 6 방향

유도로 한다

물체의 자전

(회전)에 관

부여한 상태

행할 수 있

서는 회전의

핸드에

한 공간적

면 Fig 3-8

이 그림

를 구속한다

에서 7 자유

선접촉과 면

계수와 절선

(a

관한 6 동작

태에서 움직이

있다 또 완전

의 6 자유도를

의한 물체의

적인 포락 상

와 같이 된

(a)의 점접촉

다 그러나 1

유도를 구속

면접촉에는 각

선력법선력

a) point contac

Fig3

자유도로 한

이며 중력이

전 구속은 핸

를 무시하는

의 구속은 핸

상태로 정한다

다

촉은 접촉점

1 점접촉은 다

한다 (c)의

각각 마찰에

비와의 관계

ct (b

3-8 Contacts

- 31 -

한다 반구속은

이나 환경면의

드 자체로 1

경우도 적지

핸드와 물체의

다 먼저 접촉

방향의 1 자

다른 11 자유

면접촉은 11

위한 구속이

계로 구속불능

) line contact

of the kind an

은 12 자유도

의 구속을 받

12 자유도를

지 않다

의 접촉 상태

촉부의 구속

자유도를 구속

도를 구속할

1 자유도의 구

이 4 개와 6 개

능의 가능성을

nd the confini

도 중 몇 개의

아서 완전 구

행하는데 경

태 및 접촉부

능력을 모델

속한다 그러나

할 수 없다 (b

구속을 할 수

개 주어져 있

을 가진 구속

(c) surface co

ing

의 자유도를

구속으로 이

경우에 따라

부의 물체에

델로 나타내

나 1 자유도

b)는 선접촉

수 있다 단

있으며 마찰

속 성분이기

ontact

- 32 -

도 하다 또한 면접촉의 상태는 중력의 작용을 이용하면 받기를 형성하고 또

외계력을 이용하면 기를 형성한다

이들의 접촉상태는 물체의 형상과 핸드의 구속면으로 규정되는 것으로 핸드

만으로 결정하기는 어렵다 단 핸드의 구속면을 부드러운 재질로 형성하면 면

접촉의 이행이 용이하다 이와 같은 이유에서 물체에 접촉부가 포락도를 높이는

데에 따라서 물체 형상에 관계 없이 구속 능력을 증 시킬 수 있다

(2) 메커니컬 핸드의 자유도

로봇의 손은 그 용도를 불문하고 인간의 손 작업의 행을 목적으로 하는

것이므로 그 설계에 있어서 모델로 되는 것은 말할 것 도 없이 인간의 손이다

그래서 우선 기구에 하여 설명하기 전에 인간의 손의 구조 모델에 하여 설

명해 본다

AmiddotMorecki 에 의하면 인간의 상체는 그 해부학적 구조에 입각하면 Fig 3-9 와

같이 모델화할 수 있다 Fig 3-9 에서 숫자는 각각 골격 즉 링크를 나타내고 숫

자 II~ V 는 관절을 나타내고 있다 이와 같은 공간링크 기구의 자유도 F 는 가

동부수 n 자유도의 종류 f 를 가진 우 수를 Pf 라 하면 다음 식으로 나타낼

수 있다

6n sum ∙ P 12345 (3-1)

Fig 3-9

들 자유도가

을 Fig 3-9

P5=10 이므

인간의

유도 1 의

해 있으며

의 모델에서

가 있는 관절

9 와 같이 정

므로 위 식에

상지를 인공

액튜에이터를

22 개나 되

Fig 3

서는 n=19 P2

절에 작용하는

정의하고 그

서 FH=22 가

공적으로 정밀

를 27 필요

는 액튜에이

- 33 -

3-9 Human Ar

2=1 P3=2 P4

는 근군은 약

자유도 FH

가 된다

밀하게 재현하

요로 하게 된

터를 필요로

rm structure

4=6 P5=11 이

약 50 이라고

를 구하면

하려고 한다면

된다 또 손에

로 한다 그러

이므로 F=27

고 되어 있다

이 경우는 n

면 이상의 결

는 특히 자유

나 로봇의 손

이 된다 이

여기서 손

n=16 P4=6

결론에서 자

유도가 집중

손이 이만큼

- 34 -

의 수의 액튜에이터를 갖춘 것을 제작한다는 것은 크기 중량 제어면에서 볼

때 현시점에서는 불가능에 가깝다 특히 의수에 있어서는 상술한 바와 같은 형

상이나 조종성 등의 점에서 전혀 불가능하다고 해도 좋다 따라서 보통은 기능

에 주목하여 손에 집중해 있는 자유도의 간략화를 도모한다

인간의 잡기 동작에 주목해 보면 그 잡기 형상에는 12 종류가 있다고 하다

그러나 이것들은 엄지와 다른 12 종류가 있다고 한다 그러나 이것들은 엄지와

다른 4 손가락과의 관계에 주목하였을 때에 2 종류 즉 엄지가 다른 4 손가락과

항해서 동작하거나 그 측방에서 동작하는가로 분류할 수 있다 실제의 일상

동작에서 관찰하면 이들 중에서도 엄지와 손가락이 항해서 동작하는 소위 쥠

동작이 우선 첫 번째이고 또 다음에 엄지 검지 중지의 3 손가락의 선단으로

이루어지는 3Point Pinch 즉 잡기동작이 중요하다

더불어 손가락의 독립성에 해서는 역시 일상동작 중에서 손가락의 사용

빈도를 조사한 결과에 의하면 다섯 손가락은 반드시 독립적인 운동을 필요로

하지 않고 엄지 검지 중지가 같은 정도의 중요성을 자기며 다른 두 손가락은

사용 빈도에 있어서 이들 세 손가락보다 약 50 적으며 다른 세 손가락의 보

조 역할을 한다고 볼 수 있다 그리고 특히 중요한 것은 인간의 각 손가락은 잡

기 상물의 형상에 적응한 쥐기 즉 Passive 한 동작을 할 수 있다는 것이다 이

기능이 있다면 각 손가락이 독립적으로 동작하지 않더라도 또 다소 손의 자유

도를 제거하더라도 상물의 확실한 쥐기나 잡기 그리고 기타 손 작업에 큰 힘

을 발휘한다

- 35 -

34 표적인 동력원의 특징

동력원을 설계할 때 다음의 점을 고려하면서 가장 적합한 방식을 선택한다

1조작력(로보트가 내는 최 의 힘 예를들면 최 들어올린 힘)

2속응성(최 조작 속도)

3크기 중량(로보트의 크기와 중량의 제한)

4안정성(발열이나 과부하에 한 안전성)

5사용의 용이도

6수명가격

1 2 의 조작력 속응력은 로보트에 요구되는 성능에서 가장 기본적인 것인

데 이에 관련해서 크기나 중량의 제한 안정성 사용의 용이도 수명 가격 등을

고려해서 동력원을 선택한다 단 자주형 로보트에서는 2 차적 성능인 동력원의

중량이 첫째 요구 조건이 되는 경우가 많고 공업용 로보트에서는 저가격 사용

의 용이도 안전성이 중요 사항으로 우선시된다

모든 로봇은 동력원을 필요로한다 중요도에 따라 동력원을 선택해야 하는데

일반적으로 공기압식은 안전성이 뛰어난 반면 힘과 세밀한 위치제어가 어렵고

전기식은 응답성과 사용편리성 세밀한 위치제어가 가능하나 높은 힘을 내기 위

해서는 부가적인 기구부가 필요하다 유압식은 큰힘을 낼수있어서 속응성은 좋

으나 과부하시 상당한 발열이 있기 때문에 안전성에서 다른 동력원에 비해 떨

어진다 위 사항을 TABLE 3-1 로 분류하여 나타내었다

- 36 -

TABLE 3-1 Characteristics of power sources

전기식 유압식 공압식

사용용이성 편리하다 작동유의관리 관로의압력

필터관리에 유의

공급공기의 수분제거

윤활성의부가에 주의

수명 길다 기름에 윤활성이 있기

때문에 길다

공기에윤활성이 없어

유압 전기에 비해 짧다

가격 보통 가격 운영비 높음 저가격

응답속도

(반응성) 매우 빠르다 빠르다 늦다

하중능력 (소)에서 (중)정도의

하중능력 단히 큰 힘을 얻음 큰 힘은 없다

소음 적다 다소 크다 크다

- 37 -

제 4 장 능동형 그리퍼 설계

41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정

로봇 그리퍼의 정밀 파지 (Fingertip Grasp 손가락 끝을 이용하여 물체를 집

거나 바닥에누워있는 납작한 물체를 집는 행동)를 안정하게 하기 위해서는 손가

락 끝과 물체가 직각에 가까운 각도를 이룸으로 마찰력을 크게 하여 안정성을

높인다 또한 바닥에 놓인 물체를 집어 올릴 경우에도 물체표면의 법선 벡터와

손가락 끝의 각도가 클수록 물체를 효과적으로 구속하여 안정된 파지를 할 수

있다

그리퍼의 링크 시스템에 있어서 2 링크 손가락보다 3 링크 손가락을 쓸 때가

링크와 수평 평면이 이루는 각 (A)이 더 커지기 때문에 안정성이 더 좋다는 것

을 알 수 있다 그리고 안정성뿐만 아니라 식 (4-1)을 통하여 문체에 전해지는

Torque 값을 Fig 4-2 와 같이 그래프로 나타내면 0 도에서 75 도 정도까지는 A 각

이 커질수록 물체에 가해지는 토크 값이 점점 커지는 것을 알 수 있음으로 3 링

크 손가락을 쓰는 것이 파지력 증가됨을 알수 있다 ℓ3 의 길이가 길어질수록 A

가 작은 값을 가져서 정밀파지에 적당하지 않다

τ l cosA sinA l 1 cos A tan μ (41)

A cosempty

(42)

Fig 4-1

은 식을 통

각이 커짐을

움이 있고

Fig4-

에서 제 2 코

통해 구할 수

을 알 수 있다

최소 단위를

Fig4

-1 Configurati

코사인 법칙

있는데 이로

다 그러나 ℓ

를 1cm 로 하

-2 Change the

- 38 -

ion of the fing

을 이용하여

로부터 링크

ℓ3 가 1cm 인

하였기 때문에

e value of the a

gers on robot g

여 A 의 각을

길이 ℓ3 가

인 경우는 너

에 ℓ3 는 2cm

angle of phage

gripper

구하기 위해

작으면 작을

무 짧아서 파

로 결정하였

torque

해 (2) 와 같

을수록 A 의

파지의 어려

였다

42 모터

(1) 알고

앞 절에

여야 한다

는 모터의

이 작은 모

나 용량이

로 적절한

선정 알고

고리즘 정의

에서 설명한 기

로봇 팔에

선정은 동작

모터를 사용하

큰 모터를 사

모터의 선정

고리즘

기구들을 추

움직임을 전

작을 구현하는

하게 되면 기

사용하게 되

정이 중요하다

Fig 4-3 M

- 39 -

추후 로봇 시스

전달함에 있어

는데 중요한

기구의 원활한

면 모터의 외

다

Motor Selectio

스템에 적용을

어서 동력을

과제가 되겠

한 작동이 어

외형이 커지

on Algorithm

을 고려하여

공급과 제어

겠다 만일 토

려워지고 단

고 가격 또한

설계를 하

어를 수행하

토크나 용량

단순히 토크

한 증가하므

- 40 -

(2) 알고리즘 수행

모터를 선정하기 위해서 가장 우선적으로 해야 할 일은 기계구동부분을 결

정하고 구동부분을 어떠한 방식으로 작동을 시킬지 동작 패턴을 결정하여야 한

다 예를 들면 모터에서 나오는 힘을 받아서 볼 스크류를 이용하여 힘을 전달할

것인지 벨트 피니언 기어 혹은 풀리 등을 이용할 것인지를 결정하고 그에 따

른 적절한 구동방식을 결정한다 구동방식을 결정하게 되면 각각의 구동방식에

적합한 수식을 대입하여 부하토크를 계산한다 구동방식에 따른 부하토크를 구

하는 수식은 구동방식이나 구동장소 등에 따라 다소 상이하나 일반적인 수식은

다음과 같다

-BALL SCREW 구동

T FP2πn

μ F P2π

1i N ∙ m 43

F F mg sin α μ cos α N 44

-PULLEY 구동

T ∙ 45

μF D

2i N ∙ m

- 41 -

-WIRE middot BELT 구동 RACK middot PINION 구동

T F2πn

∙ πDi

FD2ni

N ∙ m 46

F F mg sin α μ cos s N 47

-실측에 의한 방법

T 48

직선운동 (커플링 직결 볼스크류 등)의 경우 위의 (43) (44) 이용하여 구할

수 있다 이때 F 는 축방향하중 F0 는 예압하중 μ0는 예압 NUT 의 마찰계수 η 은

효율i 는 감속비 PB 는볼스크류 피치를 나타낸다 회전운동 (풀리)의 경우 식

(45)를 이용하여 구할 수 있으며 FA는 외력 FB는 부하중량 (주축이 회전하기 시

작할 때의 힘) m 은 work 와 TABLE 의 총무계 μ 접동면의 마찰계수α는 경사각

도D 는 풀리의 지름을 나타낸다

실제현장에서는 선정된 모터의 토크를 확인하기 위해 실측에 의한 구동토크

를 계측하는데 스프링 저울을 구동 풀리에 연결지어 측정한다 이때 TL 은 회전

운동 부하토크에 해당하고 FB 는 부하중량 D 는 풀리의 직경을 나타낸다

위의 부하토크를 구하는 식들을 이용하여 부하토크를 구하게 되면 실제 모

터를 사용할 때 어느 정도의 시간적 여유를 두고 가속을 할 것인지 감속을 할

것인지를 결정하여야 한다 이를 위해서 우선 동작시킬 부분에 대한 관성모멘트

를 계산하

Fig 4-4

시한 것으로

dA 와 기준

이를 표현하

하여야 한다

4 는 관성모멘

로 X 와 Y

준축으로 부터

하면 식 (49)

Fig 4-4 Arb

I

멘트를 구하기

는 면적의 미

터의 거리의

)와 같다

- 42 -

bitrary shape o

y dA I

기 위한 절대

미소 요소 dA

제곱의 곱으

of planar area

x dA

대좌표 X Y

A 의 좌표이

으로 단면 2

축 상의 미소

이고 관성모멘

차 모멘트라

49

소면적을 도

멘트는 요소

라고도 한다

평면 면

가 있다 평

축에 대한

Fig 4-5

하는 평행한

관성모멘

식 (410

번째 적분은

면적의 관성

평행축 정리란

관성 모멘트

5 과 같이 도

한 xy 축 두

멘트의 정의로

I y

0) 에서 우변

은 Xc 축에

Fig 4-5

모멘트에 있

란 도심축에

트 사이의 관

도심을 원점으

좌표계의 평

로부터 x 축

y d dA

변의 첫 번째

대한 1 차 모

- 43 -

5 Parallel-axis

있어서 중요하

대한 관성

계를 나타낸

으로 하는 Xc

평행한 축 간

축에 대한 관

y dA

적분은 Xc

모멘트로서 X

theorem

하고 유용한

모멘트와 도

낸다

cYc 축과 임의

간의 거리를 d

성모멘트 Ix

2d y dA

축에 대한 관

Xc 축이 도심

정리로서 평

도심축에 평행

의의 점 O 를

d1 과 d2 로 표

는 식(410)와

d dA

관성모멘트

심을 통과하므

평행축 정리

행한 임의의

를 원점으로

표시한다

와 같다

410

I 이다 두

므로 적분의

- 44 -

값은 0 이다 세번째 적분은 면적 A 그 자체이다 따라서 식 (410)은 식 (411)과

같이 간단해진다

I I Ad 411

y 축에 대한 관성모멘트도 위와 같은 방법에 의해 식(412)과 같다

I I Ad 412

또한 면적의 평면에 수직인 수직축에 대한 관성모멘트를 극관성모멘트라 한

다 Fig 4-6 는 평면에 수직이고 O 점을 통과하는 축에 대한 극관성모멘트를 나

타낸 그림으로 이를 관성모멘트 식으로 표현하면 식 (413) 와 같다

I ρ dA 413

식 (413)와

즉 평면에

서로 수직인

극 관성

와 도심 C

와 식 (414)에

I

수직인 축에

인 두 축에 대

성모멘트에 대

에 대한 극

Fig 4-6 Arb

의해 식 (4

ρ dA

I

에 대한 극관

대한 관성모

대한 평행축

극 관성모멘트

- 45 -

bitrary shape o

ρ x y

415) 식 (41

x y dA

I I I

관성모멘트는

멘트의 합과

정리는 Fig

트를 각각 I

of Polar Area

y

16)과 같은 관

x dA y

는 평면 내의

과 같다

4-5 에서 유

와 I 로

관계식을 얻을

y dA

같은 지점을

유도할 수 있

로 표시하면

414

을 수 있다

415

416

을 통과하는

있다 원점 O

식 (416)에

- 46 -

서 식(417)을 유도할 수 있다

I I I I I I 417

I I I I A d d 418

I I Ad 419

식 (419)는 극 관성모멘트에 대한 평행축 정리를 나타낸다 즉 평면 내의 임의

의 한 점 O 에 대한 면적의 극관성모멘트는 도심 C 에 대한 극관성모멘트에 그

면적과 점 O 와 C 사이의 거리의 제곱의 곱을 더한 것과 같다

이상의 식에서 부하토크와 관성모멘트를 계산하여 모터를 가 선정한다 부하토

크의 경우 사용될 모터의 정격 토크를 넘어서지 않는 것을 선정한다 부하토크

를 TL 정상 부하 상태의 힘 PL 극 관성모멘트 IL 회전운동을 위한 힘 Pa 각속

도 가속 시 소요되는 시간을 ta 라 하고 식 (420)을 이용하여 부하가 일정하

게 작용할 때의 힘을 계산한다 마찬가지로 관성모멘트를 식 (421)에 대입하여

가속을 위한 회전 운동 시 필요한 힘을 계산한다 식 (420)과 식 (421)에서 계

산된 힘을 합산하면 모터를 회전시키기 위해 필요한 출력이 계산된다 이때 계

산된 출력보다 실제 사용할 모터의 정격 출력이 1~2 배 정도가 되도록 모터를

가 선정한다

- 47 -

P T ω 420

P 421

위의 과정을 통하여 모터를 가선정하고 가감속 토크 및 구동 토크를 계산한

다 각각의 토크를 계산하게 되면 모터를 최종적으로 선정하게 되는데 두 가지

사항을 고려하여 최종 선정한다 먼저 식 (422)을 통해서 계산되는 가속 시 소

요되는 기동 토크 TM 가 모터의 최대 토크를 넘지 않는 것으로 선정한다

T 422

두 번째로 Fig 4-7 의 속도 선도와 같이 모터의 가 감속 시간과 정상 동작

시간 등을 결정하여 식 (423)과 같이 실효치 토크 TS 를 구하고 실효 토크가 모

터의 정격 토크보다 크지 않도록 선정한다

T 423

Fig 4-7 Exa

- 48 -

ample of veloc

city guidance

- 49 -

(3) 알고리즘 적용

로봇시스템에 있어서 기구들의 관성모멘트와 토크 계산 후 적합한 모터를

선정하기 위해 시중에서 시판되는 모터를 조사하였다 로봇에 적용 가능한 모터

로는 크게 서버모터와 스텝모터 RC 서버모터 DC 모터로 구분 할 수 있었다 이

를 TABLE 4-1 과 같이 정리하였다

동력원의 6 가지 선정요소 중 우선순위를 부여하여 분류했을 때 핸드 그리퍼

의 특성상 가볍고 토크가 큰 RC 서버 모터 미니 서버모터를 선택할 수 도 있지

만 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터 중 토크를 증가시킬 수 있는

감속기가 있는 타입의 모터를 우선시 하였다

1 감속비를 사양할 수 있는 모터를 선정하여 계산한 토크를 확인한다

2 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터를 선정한다

3 CLOSED LOOP 제어를 통하여 정확한 위치를 검출할 수 있어야 한다

따라서 스텝모터중 lsquoOrsquo사의 ldquoαSTEPrdquo가 적합하다고 판단되어 모터를 선정하였다

- 50 -

TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics

미니서버모터 RC 서버모터 스텝모터 DC 모터

장점 동일사양대비 모터

중 10배정도 큰 토크

5v사용가벼움

정확한 위치제어

급격한 부하변동급가

속 유리

저렴한가격

보편화됨

단점 정지시 진동이 예상 약한 토크 THRUST하중이 모터

무계 이하여야 한다

유지보수가 잦다

크기 151588mm(10w20w)

2525111mm(30w)

392038mm 424234mm Oslash37mm917mm

동작전압 Dc 24V Dc 48V60V Dc 24V Dc 24V

무계 230g~400g 56g 150g 200g

허용토크 009Nm~03Nm 11~13kgfcm 18kgfcm (018Nm) 47kgfcm(1200)

감속기 다양한 감속비 가능 고정 감속기 감속기 무(072˚036) 다양한 감속비

제조사 야스카와 SGMM 하이텍 HS-5945 AUTONICS GCM 3429A

TABLE 4-2 αstep motor characteristics

외형 전압 전류 무계 토크 감속비 분해능

αSTEP 282884mm

4242127mm Dc24V 1~37A 250G 2~28 Nmiddotm 50~1001

00072pluse

00036pluse

- 51 -

43 1 차 능동형 그리퍼 설계

실린더를 사용하여 링크로 물체를 파지하던 그리퍼는 Fig 4-8 과 Fig 4-9 에

묘사하였다 이런 실린더를 사용한 그리퍼는 공압 효과를 도출할 수 있는 별도

의 펌프가 필요하고 동작을 구현할 수 있는 자유도를 증가시키는데 한계가 있

다 이런 실린더의 단점을 보완하고 전기모터의 장점을 사용하기 위해 웜기어와

웜휠 방식을 채택하여 2 자유도 능동형 그리퍼를 설계하였다

1 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-10 에 묘사하였으며 1 차설계한

능동형 그리퍼는 Two Fingertip Grasp 로 칭하겠다 파지한 물체를 회전 시키는

기능은 베벨기어를 사용하여 회전운동으로 구현하였고 실린더의 전middot후진 운동

을 전기모터의 회전운동으로 변환 시키기 위하여 웜기어와 웜휨을 선택하였다

전기모터에 의해 회전하는 운동은 웜기어와 웜휠에 의해 링크를 사용하여 물체

를 파지하였던 그리퍼와 동일한 운동효과를 가지게 되었다

웜기어와 웜휠을 사용하여 물체를 파지하는 능동형 그리퍼는 스윙형으로 설

계되었으며 파지력을 높이기 위한 각도를 적용하였다 링크를 사용하여 물체를

파지하는 형태의 그리퍼보다 기구의 크기를 줄일 수 있는 장점이 있는 반면 기

어들의 백래시에 의한 오차가 끝단에 누적될 수 있는 문제점을 가지고 있다또

한 기구부의 소재 변경으로 그리퍼의 무계를 줄일 수 도 있지만 가장 큰 무계

를 차지하는 모터를 그리퍼 자체에서 분리하게 할 수 있게 하려면 그리퍼 자체

의 구조변경이 필요하다

`

`

Fig 4-8 Par

Fig 4-9 Par

- 52 -

rallel-link gra

rallel-link gra

sps system 1

sps system 2

Fig 4-10

- 53 -

0 Two fingertipps grasp system

- 54 -

44 2 차 능동형 그리퍼 설계

1 차 설계한 능동형 그리퍼에서 발견된 문제점을 보안하기 위하여 2 차 능동

형 그리퍼를 설계하였다 2 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-11 에 묘사

하였으며 2 차설계한 능동형 그리퍼는 Four Fingertip Grasp 로 칭하겠다 이 장치

는 크게 동력원 동력 전달장치 핑거 그립장치로 구성되어있으며 이를 통합하

여 Fig 4-12 에 나타내었다

핑거 그립장치는 스윙형 그립의 단점을 보완하여 설계하였다 물체를 파지할

때 그립의 회전 반경이 주위 환경요소와 간섭을 발생시킬 수 있는데핑거가 전

진할때 샤프트와 핑거그립간의 나사결합형태를 통한 직선운동으로 개선하여 주

위환경요소에 영향을 주지 않도록 설계하였다 구동축의 핑거파지 메카니즘을

Fig 4-13 와 같이 간략화 하였고 이에 대한 세부 도면은 Fig 4-14 로 나타내었다

4 조 핑거 그립의 나사산과 테이퍼진 스크류축은 나사식으로 결합되며 상호

작용에 의해 점차 중심점으로 이동하여 물체를 파지하는 형태이다 사용된 2 개

의 샤프트는 중공축으로 설계하였으며 외부 샤프트는 4 조 핑거가 물체를 파지

하여 비트는 모션을 구현하는데 사용되었다 내부 샤프트는 핑거를 중심점으로

전진시켜는 기능을 수행한다 중공축으로 설계한 내부 샤프트는 차후 개발될 인

스트리먼트의 탈부착을 손쉽게 할수있도록 구현하였고 4 조로 설계된 핑거는 그

립시 인스트리먼트의 응력집중현상을 분산시키는 기능과 2 조로 그립하였을때

보다 안정적인 그립감을 형성한다

- 55 -

동력원과 동력전달장치는 Fig 4-15 에 나타내었으며 Two Fingertip Grasp system

의 문제점이었던 구동부의 모터의 설치 방법을 외부에 부착하는 형태로 변경하

여 우레탄 밸트를 사용하였다 또한 아이들러를 사용하여 밸트의 방향을 변경

하여 모터의 부착위치를 자유롭게 설정할 수 있도록 하였고 모터 브라켓에 슬

리브 홈을 설치하여 벨트의 장력을 조절할 수 있도록 하였다

Fig4-11

Fig4-12 Fou

- 56 -

Four fingertip

ur fingertips g

ps grasp system

grasp system la

m

ayout

Fig 4-13

Fig 4-14

- 57 -

Fingertip gra

4 Fingertip gr

asps mechanis

rasps extended

m

d

Fig 4-15

- 58 -

5 Power transmission devicce

- 59 -

제 5장 결 론

본 연구에서는 MIS 수술 로봇을 위한 햅틱 마스터장치 구동용 능동형 그리

퍼를 설계하기 위하여 그에 상응하는 자료 및 문헌 조사를 수행하였고 햅틱 마

스터에 적용 가능한 능동형 그리퍼를 설계하여 로봇 시스템의 초안을 구성하였

다 수술용 도구를 단순히 잡아주는 역할에서 벗어나 시스템에 추가적인 자유도

를 부여함으로써 그리퍼를 표현하였다 단순화된 그리퍼는 보다 저렴한 가격으

로 생산될 수 있으며 기존 로봇 수술시스템의 높은 비용을 절감할 수 있는 효

과를 가져올 수 있다

최종적으로 제안한 설계 안으로는 2 조 핑거그립를 사용하는 전기모터형 그

리퍼 와 추가적으로 개선한 4 조 전기모터형 핑거그립를 설계였다 스윙형 그립

의 단점을 보안하여 집중응력을 분산할 수 있는 구조로 설계하였고 그리퍼의

무계를 줄일 수 있는 방법을 제시하였다 이로써 원통형 도구 파지 시 안정성이

향상되었고 보다 원활하게 수술 도구를 교체 가능하도록 하였다

앞으로 촉감을 전달할 수 있는 센서의 개발로 햅틱 디바이스 인터페이스 장

치의 활용에 보다 높은 기여를 할 것이라 예상된다

-６０-

참고 문헌

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[9] 이재훈김형욱이병주서일홍 ldquo새로운 6자유도 병렬형 햅틱 기구의 최적설

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4자유도 병렬 메커니즘의 기구학분석rdquo한국정밀공학회 2007년 추계학술대회

• 제1장 서 론
• • 11 연구배경 및 연구목적
  • 12 연구내용
  • • 제2장 로봇 산업의 기술 현황
    • • 21 로봇산업의 동향
      • 22 의료용 로봇기술 현황
      • 23 의료용 로봇시장 전망
      • • 제3장 능동 그리퍼
        • • 31 최소침습 수술 햅틱 장치구현에 필요한 능동 그리퍼 제안
          • 32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류
          • 33 파지형태에 의한 그리퍼의 분류
          • 34 메카니컬 핸드의 구속기능
          • 35 대표적인 동력원의 특징
          • • 제4장 능동형 그리퍼 설계
            • • 41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정
              • 42 모터 선정 알고리즘
              • • 43 1 차 능동형 그리퍼 설계
                • 44 2 차 능동형 그리퍼 설계
                • • 제 5 장 결론
                  • 참고문헌
                  • TABLE 2-1 Domestic robot classification
                  • TABLE 2-2 Robot Production Company
                  • TABLE 3-1 Characteristics of power sources
                  • TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics
                  • TABLE 4-2 αSTEP Motor Characteristics
                  • Fig2-1 Phase of medical robots in the robot industry
                  • Fig2-2 Da Vinci surgical case number
                  • Fig3-1 Da Vinci robot system for MIS
                  • Fig3-2 Classified by the gripper grip action
                  • Fig3-3 Swing-type hand mechanism
                  • Fig3-4 Hand mechanism for translational type1 (parallel displacement)
                  • Fig3-5 Hand mechanism for translational type2 (Rack and pinion type)
                  • Fig3-6 Hand mechanism for three point pinch type
                  • Fig3-7 Movement of object
                  • Fig3-8 Contacts of the kind and the confining
                  • Fig3-9 Human Arm structure
                  • Fig4-1 Configuration of the fingers on robot gripper
                  • Fig4-2 Change the value of the angle of phage torque
                  • Fig4-3 Motor Selection Algorithm
                  • Fig4-4 Arbitrary Shape of Planar Area
                  • Fig4-5 Parallel-Axis Theorem
                  • Fig4-6 Arbitrary Shape of Polar Area
                  • Fig4-7 Example of Velocity Guidance
                  • Fig4-8 Parallel-link Grasp system 1
                  • Fig4-9 Parallel-link Grasp system 2
                  • Fig4-10 TWO Fingertip Grasp system
                  • Fig4-11 Four Fingertip Grasp System
                  • Fig4-12 Four Fingertip Grasp System layout
                  • Fig4-13 Fingertip Grasp Mechanism
                  • Fig4-14 Fingertip Grasp extended
                  • Fig4-15 Power Transmission Device

- 22 -

구와 로봇을 이용하여 집도되는 추세이며 최소침습수술 (minimally invasive

surgery MIS)이 그 표적인 예이다 이 수술법은 환부의 구멍에 수술도구와 카

메라를 삽입하여 집도의가 모니터를 보면서 시술함으로써 시술시간이 짧고 환

자의 회복이 빨라서 그 적용 범위가 점차 확 되고 있다 하지만 환자가 얻게

되는 이점에 반해 의사는 개복 수술에서 쉽게 이용하던 기술들을 더 이상 적용

할 수 없게 되어 집도에 있어 큰 어려움을 부담해야만 한다 즉 환자의 내부에

서 손의 움직임과 시야의 제약을 받게 되었고 손으로 환자의 장기나 뼈를 만지

고 상태를 확인할 수 없게 된 것이다 이러한 문제점들을 극복하기 위해 첨단의

의료용 로봇 시스템이 개발되었는데 의사 즉 오퍼레이터가 조작하는 마스터

(master) 로봇과 환자의 환부에서 수술을 진행하는 슬레이브 (slave) 로봇으로 구

분된다 슬레이브 로봇은 크게 수술 시 집도의 팔의 움직임을 구현하는 구동 암

(arm)과 수술도구를 홀딩 할 수 있는 그리퍼로 분류할 수 있다 구동 암의 움직

임은 수술 부위의 위치를 결정하면 별도 큰 움직임 없이 작동시킬 수 있으며

전달 수술 관통 수술이 아닌 경우에는 집도의가 느끼는 힘을 피드백 할 필요가

없다 하지만 그리퍼의 경우는 신체 일부분의 미세한 조직까지 전부 접촉해서

제거하거나 봉합하기 때문에 집도의가 수술 시 느끼는 힘을 구현하여야 보다

정밀한 수술을 수행할 수 있다 따라서 본 연구에서는 햅틱 장치가 적용된 마스

터 로봇과 마스터 로봇에서 형성된 힘을 느낄 수 있으며 원할한 수술을 진행할

수 있는 최소침습수술용 능동 그리퍼를 제안하겠다 Fig 3-1 은 상용 MIS 장치인

다빈치 로봇의 마스터와 슬레이브 그리고 그리퍼를 나타내고 있다

(a) sla

(b

Fig 3-1 da V

Operation Arm

Gripper

- 23 -

ave robot and g

b) master rob

Vinci robot sy

m

gripper

ot

stem for MIS

- 24 -

32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류

산업용 로봇은 그 기능 특성상 필요성에 의해 로봇의 말단부에 그리퍼를 부

착시킨다 이것은 인간의 손에 응되는 것으로서 메커니컬 핸드라고 칭하며 다

루는 상 물체를rdquo파지rdquo해 이동하는 목적으로 사용되는 도구이다

파지동작은 Fig 3-2 와 같이 세분화된다 인간의 손 손가락에는 많은 관절이

있으며 여러가지 작업이 가능하다 일상 생활에서의 붙잡기는 형식을 분류한 것

으로는 슐레징거의 12 형식이 있다 여기서 인간의 손에는 손가락이 있어서 그

것을 유지핸드라고 이름 붙이면 메커니컬 핸드에는 손가락이 없는 구성법이 있

는데 이것을 무지 핸드라고 이름 붙이기로 한다 이 무지 핸드는 기계적 물리적

으로 구조상 무지핸드로 한 것과 공구가 메커니컬 핸드와 일체화됐다고 생각하

는 공구 핸드가 있다 메커니컬 핸드를 분류해 보면 다음과 같다 진공이나 자

기 이용의 흡착 등 물리적 흡척형의 유지는 보통 평면(완만한 곡선도 포함)부를

흡착하는 형태로서 물체의 크기나 중량에 따라 여러 개가 설치되는 경우도 있

다 그러나 물체표면에 만곡부가 있는 경우나 구멍이나 공동이 있는 경우에는

적용할 수 없게 된다 또한 자력을 이용한 경우 철금속 재료를 다루게 되는데

경우에 따라서 매우 효율적이고 신뢰성이 높기는 하지만 물체에 잔류 자력이

남게 되는 문제점이 있다 받기형의 유지는 지지의 동작만을 가지고 있는 형태

이며 이는 전기한 흡착형 보다 적극적이 아니여서 약한 구속을 갖는다 변형하

기 쉬운 물체의 이송등에는 이를 채택한다 매달기형 유지는 중력 방향의 이동

1 자유도를 구속한다 잡기형 파지는 유연성에 의한 변형으로 접촉면적을 크게

하여 집는

상물을 외측

이용하는 등

33 파지형

파지 형

다 본 연구

하여 설명

(1) 두 손

형태이다 현

측에서 파지하

등의 파지방법

형태에 의한

형태로서는

구에서 사용할

명 하겠다

손가락 type

현재 많이 사

하거나 구멍

법이다

한 그리퍼의

상을 바깥에

할 메커니즘은

e

Fig 3-2 Cla

- 25 -

사용하고 있는

속에 손가락

의 분류

에서 파지하

은 바깥에서

assified by the

는 끼우기형

락을 넣은 후

는 것과 안에

파지하는 형

gripper grip ac

파지 형태는

후 벌려서 내

에서 파지하

형태가 유리하

ction

는 핸들링

내측사용면을

는 것이 있

하므로 이에

두 개의

상태를 유지

는 스윙형

안정되게 파

의 리지트한

지해서 개폐

핸드(swingin

파지하는 점에

손가락을 갖

되는 병진형

ng gripper)로

에서 병진형

(a) grinder c

(c

Fig 3-3 Sw

- 26 -

갖춘 것으로

핸드(transla

로 분류된다

보다 떨어진

crank

c) rotation joi

wing-type hand

실용례가 많

ational grippe

스윙형은 기

진다

(b) swing

int

d mechanism

많다 손가락이

er)와 그 방향

기구가 간단하

g block

이 상호평행

향이 변화하

하나 상이

병진형에

4 은 평행링

운동을 바꾸

에 회전시킴

로 유지되기

지된다 직

시키도록 한

가 전middot후진

피니온 방식

F

에서는 평행링

링크 방식의

꾸고 그 피니

킴으로써 손가

기 때문에 손

동형 신에

한 것도 있다

진하는 결점이

식이 채용된다

Fig 3-4 Hand

링크 랙middot피니

예로 직동형

니온 운동으로

가락 개폐를

손가락의 물체

에 회전형 액

다 평행링크를

이 있다 이문

다

mechanism fo

- 27 -

니온 나사이송

형 액추에이

로 평행링크의

얻는다 링크

체 파지면의

추에이터를

를 이용한 형

문제를 해결하

or translational

송 기구 등이

터의 운동을

의 하나의 링

크 PS 와 링

자세도 개폐

이용한 형식

형식은 개폐에

하는 방법으로

type1 (paralle

이 이용되고

랙과 피니온

링크 A 를 축

크 QR 은 항

폐 동작 중 일

식에서 평행링

에 의해서 손

로서 볼나사

el displacement

있다 Fig 3-

온으로 회전

축 P 의 주위

항상 평행으

일정하게 유

링크를 회전

손가락 위치

기구나 랙middot

nt)

Fig 3

는 핸드의

볼나사 기구

다

(2) 세 손

세 손가

가락으로 잡

F

-5 는 회전형

예이다볼나

구 각각을 손

손가락 type

가락을 가진 핸

잡는 것보다

Fig 3-5 Hand

형 액추에터로

나사 기구를 이

손가락에 부착

e

핸드에서는

안정된 파지

d mechanism fo

- 28 -

로 랙 피니온

이용하는 경

착 사라를 회

상을 3 점

지 동작을 할

or translational

온을 회전시킴

우에는 1

회전시킴으로

점에서 유지할

할 수 있다

l type2 (rack a

킴으로써 개폐

의 왼나사

써 개폐 동작

할수 있기 때

nd pinion type

폐동작을 하

오른나사의

작을 실현한

문에 두 손

e)

Fig 3-6

베벨기어를

구동해서 세

실현한 것

각 손가락을

복잡하며 중

6 은 세 손가

를 매개로 상

세 손가락을

이다 특히

을 개별 모터

중량도 증가하

Fig

락형 그리퍼

호 각도를 주

동작시킴으로

원통물체를

터로 구동하도

하기 때문에

3-6 Hand mec

- 29 -

의 일반적인

주어 결합한

로써 이른바

확실히 잡아

도록 한 3 지

실용례가 적

chanism for thr

인 형상을 나타

3 개의 볼

바 3 포인트 핀

아서 유지하

지형핸드도 개

적다

ree point pinch

타내고 있다

나사를 하나

핀치(three po

는데 유리하

개발되고 있으

h type

이 핸드는

나의 모터로

oint pinch)를

하다그 외에

으나기구가

34 메카니

(1) 구속

기계적

어서 형성되

전 구속 기

해서 언급하

으로 움직일

또 X Y 평

니컬 핸드의

속기능

구동장치에

되는 것으로

기능이 있다

하면 구속 상

일 수 있다

평면 X Y 면

의 구속기능

서 구속 형식

크게 나누어

그래서 핸드

상태의 물체는

이것을 물체

X Z 면상에

Fig 3-

- 30 -

능

식과 접촉 상

어서 반구속

드의 구속 기

는 Fig 3-7 와

체의 공전 (이

서 6 방향으

-7 Movement

상태와 포락

속 (받는 구속

기능을 결정하

와 같이 X Y

이동)에 관한

로 회전 한다

t of object

능력의 인자

속 는 구속

하는 물체의

Z 의 3 축상

6 동작 자유

다 이것을 물

자가 복합되

속)기능과 완

구속에

에서 6 방향

유도로 한다

물체의 자전

(회전)에 관

부여한 상태

행할 수 있

서는 회전의

핸드에

한 공간적

면 Fig 3-8

이 그림

를 구속한다

에서 7 자유

선접촉과 면

계수와 절선

(a

관한 6 동작

태에서 움직이

있다 또 완전

의 6 자유도를

의한 물체의

적인 포락 상

와 같이 된

(a)의 점접촉

다 그러나 1

유도를 구속

면접촉에는 각

선력법선력

a) point contac

Fig3

자유도로 한

이며 중력이

전 구속은 핸

를 무시하는

의 구속은 핸

상태로 정한다

다

촉은 접촉점

1 점접촉은 다

한다 (c)의

각각 마찰에

비와의 관계

ct (b

3-8 Contacts

- 31 -

한다 반구속은

이나 환경면의

드 자체로 1

경우도 적지

핸드와 물체의

다 먼저 접촉

방향의 1 자

다른 11 자유

면접촉은 11

위한 구속이

계로 구속불능

) line contact

of the kind an

은 12 자유도

의 구속을 받

12 자유도를

지 않다

의 접촉 상태

촉부의 구속

자유도를 구속

도를 구속할

1 자유도의 구

이 4 개와 6 개

능의 가능성을

nd the confini

도 중 몇 개의

아서 완전 구

행하는데 경

태 및 접촉부

능력을 모델

속한다 그러나

할 수 없다 (b

구속을 할 수

개 주어져 있

을 가진 구속

(c) surface co

ing

의 자유도를

구속으로 이

경우에 따라

부의 물체에

델로 나타내

나 1 자유도

b)는 선접촉

수 있다 단

있으며 마찰

속 성분이기

ontact

- 32 -

도 하다 또한 면접촉의 상태는 중력의 작용을 이용하면 받기를 형성하고 또

외계력을 이용하면 기를 형성한다

이들의 접촉상태는 물체의 형상과 핸드의 구속면으로 규정되는 것으로 핸드

만으로 결정하기는 어렵다 단 핸드의 구속면을 부드러운 재질로 형성하면 면

접촉의 이행이 용이하다 이와 같은 이유에서 물체에 접촉부가 포락도를 높이는

데에 따라서 물체 형상에 관계 없이 구속 능력을 증 시킬 수 있다

(2) 메커니컬 핸드의 자유도

로봇의 손은 그 용도를 불문하고 인간의 손 작업의 행을 목적으로 하는

것이므로 그 설계에 있어서 모델로 되는 것은 말할 것 도 없이 인간의 손이다

그래서 우선 기구에 하여 설명하기 전에 인간의 손의 구조 모델에 하여 설

명해 본다

AmiddotMorecki 에 의하면 인간의 상체는 그 해부학적 구조에 입각하면 Fig 3-9 와

같이 모델화할 수 있다 Fig 3-9 에서 숫자는 각각 골격 즉 링크를 나타내고 숫

자 II~ V 는 관절을 나타내고 있다 이와 같은 공간링크 기구의 자유도 F 는 가

동부수 n 자유도의 종류 f 를 가진 우 수를 Pf 라 하면 다음 식으로 나타낼

수 있다

6n sum ∙ P 12345 (3-1)

Fig 3-9

들 자유도가

을 Fig 3-9

P5=10 이므

인간의

유도 1 의

해 있으며

의 모델에서

가 있는 관절

9 와 같이 정

므로 위 식에

상지를 인공

액튜에이터를

22 개나 되

Fig 3

서는 n=19 P2

절에 작용하는

정의하고 그

서 FH=22 가

공적으로 정밀

를 27 필요

는 액튜에이

- 33 -

3-9 Human Ar

2=1 P3=2 P4

는 근군은 약

자유도 FH

가 된다

밀하게 재현하

요로 하게 된

터를 필요로

rm structure

4=6 P5=11 이

약 50 이라고

를 구하면

하려고 한다면

된다 또 손에

로 한다 그러

이므로 F=27

고 되어 있다

이 경우는 n

면 이상의 결

는 특히 자유

나 로봇의 손

이 된다 이

여기서 손

n=16 P4=6

결론에서 자

유도가 집중

손이 이만큼

- 34 -

의 수의 액튜에이터를 갖춘 것을 제작한다는 것은 크기 중량 제어면에서 볼

때 현시점에서는 불가능에 가깝다 특히 의수에 있어서는 상술한 바와 같은 형

상이나 조종성 등의 점에서 전혀 불가능하다고 해도 좋다 따라서 보통은 기능

에 주목하여 손에 집중해 있는 자유도의 간략화를 도모한다

인간의 잡기 동작에 주목해 보면 그 잡기 형상에는 12 종류가 있다고 하다

그러나 이것들은 엄지와 다른 12 종류가 있다고 한다 그러나 이것들은 엄지와

다른 4 손가락과의 관계에 주목하였을 때에 2 종류 즉 엄지가 다른 4 손가락과

항해서 동작하거나 그 측방에서 동작하는가로 분류할 수 있다 실제의 일상

동작에서 관찰하면 이들 중에서도 엄지와 손가락이 항해서 동작하는 소위 쥠

동작이 우선 첫 번째이고 또 다음에 엄지 검지 중지의 3 손가락의 선단으로

이루어지는 3Point Pinch 즉 잡기동작이 중요하다

더불어 손가락의 독립성에 해서는 역시 일상동작 중에서 손가락의 사용

빈도를 조사한 결과에 의하면 다섯 손가락은 반드시 독립적인 운동을 필요로

하지 않고 엄지 검지 중지가 같은 정도의 중요성을 자기며 다른 두 손가락은

사용 빈도에 있어서 이들 세 손가락보다 약 50 적으며 다른 세 손가락의 보

조 역할을 한다고 볼 수 있다 그리고 특히 중요한 것은 인간의 각 손가락은 잡

기 상물의 형상에 적응한 쥐기 즉 Passive 한 동작을 할 수 있다는 것이다 이

기능이 있다면 각 손가락이 독립적으로 동작하지 않더라도 또 다소 손의 자유

도를 제거하더라도 상물의 확실한 쥐기나 잡기 그리고 기타 손 작업에 큰 힘

을 발휘한다

- 35 -

34 표적인 동력원의 특징

동력원을 설계할 때 다음의 점을 고려하면서 가장 적합한 방식을 선택한다

1조작력(로보트가 내는 최 의 힘 예를들면 최 들어올린 힘)

2속응성(최 조작 속도)

3크기 중량(로보트의 크기와 중량의 제한)

4안정성(발열이나 과부하에 한 안전성)

5사용의 용이도

6수명가격

1 2 의 조작력 속응력은 로보트에 요구되는 성능에서 가장 기본적인 것인

데 이에 관련해서 크기나 중량의 제한 안정성 사용의 용이도 수명 가격 등을

고려해서 동력원을 선택한다 단 자주형 로보트에서는 2 차적 성능인 동력원의

중량이 첫째 요구 조건이 되는 경우가 많고 공업용 로보트에서는 저가격 사용

의 용이도 안전성이 중요 사항으로 우선시된다

모든 로봇은 동력원을 필요로한다 중요도에 따라 동력원을 선택해야 하는데

일반적으로 공기압식은 안전성이 뛰어난 반면 힘과 세밀한 위치제어가 어렵고

전기식은 응답성과 사용편리성 세밀한 위치제어가 가능하나 높은 힘을 내기 위

해서는 부가적인 기구부가 필요하다 유압식은 큰힘을 낼수있어서 속응성은 좋

으나 과부하시 상당한 발열이 있기 때문에 안전성에서 다른 동력원에 비해 떨

어진다 위 사항을 TABLE 3-1 로 분류하여 나타내었다

- 36 -

TABLE 3-1 Characteristics of power sources

전기식 유압식 공압식

사용용이성 편리하다 작동유의관리 관로의압력

필터관리에 유의

공급공기의 수분제거

윤활성의부가에 주의

수명 길다 기름에 윤활성이 있기

때문에 길다

공기에윤활성이 없어

유압 전기에 비해 짧다

가격 보통 가격 운영비 높음 저가격

응답속도

(반응성) 매우 빠르다 빠르다 늦다

하중능력 (소)에서 (중)정도의

하중능력 단히 큰 힘을 얻음 큰 힘은 없다

소음 적다 다소 크다 크다

- 37 -

제 4 장 능동형 그리퍼 설계

41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정

로봇 그리퍼의 정밀 파지 (Fingertip Grasp 손가락 끝을 이용하여 물체를 집

거나 바닥에누워있는 납작한 물체를 집는 행동)를 안정하게 하기 위해서는 손가

락 끝과 물체가 직각에 가까운 각도를 이룸으로 마찰력을 크게 하여 안정성을

높인다 또한 바닥에 놓인 물체를 집어 올릴 경우에도 물체표면의 법선 벡터와

손가락 끝의 각도가 클수록 물체를 효과적으로 구속하여 안정된 파지를 할 수

있다

그리퍼의 링크 시스템에 있어서 2 링크 손가락보다 3 링크 손가락을 쓸 때가

링크와 수평 평면이 이루는 각 (A)이 더 커지기 때문에 안정성이 더 좋다는 것

을 알 수 있다 그리고 안정성뿐만 아니라 식 (4-1)을 통하여 문체에 전해지는

Torque 값을 Fig 4-2 와 같이 그래프로 나타내면 0 도에서 75 도 정도까지는 A 각

이 커질수록 물체에 가해지는 토크 값이 점점 커지는 것을 알 수 있음으로 3 링

크 손가락을 쓰는 것이 파지력 증가됨을 알수 있다 ℓ3 의 길이가 길어질수록 A

가 작은 값을 가져서 정밀파지에 적당하지 않다

τ l cosA sinA l 1 cos A tan μ (41)

A cosempty

(42)

Fig 4-1

은 식을 통

각이 커짐을

움이 있고

Fig4-

에서 제 2 코

통해 구할 수

을 알 수 있다

최소 단위를

Fig4

-1 Configurati

코사인 법칙

있는데 이로

다 그러나 ℓ

를 1cm 로 하

-2 Change the

- 38 -

ion of the fing

을 이용하여

로부터 링크

ℓ3 가 1cm 인

하였기 때문에

e value of the a

gers on robot g

여 A 의 각을

길이 ℓ3 가

인 경우는 너

에 ℓ3 는 2cm

angle of phage

gripper

구하기 위해

작으면 작을

무 짧아서 파

로 결정하였

torque

해 (2) 와 같

을수록 A 의

파지의 어려

였다

42 모터

(1) 알고

앞 절에

여야 한다

는 모터의

이 작은 모

나 용량이

로 적절한

선정 알고

고리즘 정의

에서 설명한 기

로봇 팔에

선정은 동작

모터를 사용하

큰 모터를 사

모터의 선정

고리즘

기구들을 추

움직임을 전

작을 구현하는

하게 되면 기

사용하게 되

정이 중요하다

Fig 4-3 M

- 39 -

추후 로봇 시스

전달함에 있어

는데 중요한

기구의 원활한

면 모터의 외

다

Motor Selectio

스템에 적용을

어서 동력을

과제가 되겠

한 작동이 어

외형이 커지

on Algorithm

을 고려하여

공급과 제어

겠다 만일 토

려워지고 단

고 가격 또한

설계를 하

어를 수행하

토크나 용량

단순히 토크

한 증가하므

- 40 -

(2) 알고리즘 수행

모터를 선정하기 위해서 가장 우선적으로 해야 할 일은 기계구동부분을 결

정하고 구동부분을 어떠한 방식으로 작동을 시킬지 동작 패턴을 결정하여야 한

다 예를 들면 모터에서 나오는 힘을 받아서 볼 스크류를 이용하여 힘을 전달할

것인지 벨트 피니언 기어 혹은 풀리 등을 이용할 것인지를 결정하고 그에 따

른 적절한 구동방식을 결정한다 구동방식을 결정하게 되면 각각의 구동방식에

적합한 수식을 대입하여 부하토크를 계산한다 구동방식에 따른 부하토크를 구

하는 수식은 구동방식이나 구동장소 등에 따라 다소 상이하나 일반적인 수식은

다음과 같다

-BALL SCREW 구동

T FP2πn

μ F P2π

1i N ∙ m 43

F F mg sin α μ cos α N 44

-PULLEY 구동

T ∙ 45

μF D

2i N ∙ m

- 41 -

-WIRE middot BELT 구동 RACK middot PINION 구동

T F2πn

∙ πDi

FD2ni

N ∙ m 46

F F mg sin α μ cos s N 47

-실측에 의한 방법

T 48

직선운동 (커플링 직결 볼스크류 등)의 경우 위의 (43) (44) 이용하여 구할

수 있다 이때 F 는 축방향하중 F0 는 예압하중 μ0는 예압 NUT 의 마찰계수 η 은

효율i 는 감속비 PB 는볼스크류 피치를 나타낸다 회전운동 (풀리)의 경우 식

(45)를 이용하여 구할 수 있으며 FA는 외력 FB는 부하중량 (주축이 회전하기 시

작할 때의 힘) m 은 work 와 TABLE 의 총무계 μ 접동면의 마찰계수α는 경사각

도D 는 풀리의 지름을 나타낸다

실제현장에서는 선정된 모터의 토크를 확인하기 위해 실측에 의한 구동토크

를 계측하는데 스프링 저울을 구동 풀리에 연결지어 측정한다 이때 TL 은 회전

운동 부하토크에 해당하고 FB 는 부하중량 D 는 풀리의 직경을 나타낸다

위의 부하토크를 구하는 식들을 이용하여 부하토크를 구하게 되면 실제 모

터를 사용할 때 어느 정도의 시간적 여유를 두고 가속을 할 것인지 감속을 할

것인지를 결정하여야 한다 이를 위해서 우선 동작시킬 부분에 대한 관성모멘트

를 계산하

Fig 4-4

시한 것으로

dA 와 기준

이를 표현하

하여야 한다

4 는 관성모멘

로 X 와 Y

준축으로 부터

하면 식 (49)

Fig 4-4 Arb

I

멘트를 구하기

는 면적의 미

터의 거리의

)와 같다

- 42 -

bitrary shape o

y dA I

기 위한 절대

미소 요소 dA

제곱의 곱으

of planar area

x dA

대좌표 X Y

A 의 좌표이

으로 단면 2

축 상의 미소

이고 관성모멘

차 모멘트라

49

소면적을 도

멘트는 요소

라고도 한다

평면 면

가 있다 평

축에 대한

Fig 4-5

하는 평행한

관성모멘

식 (410

번째 적분은

면적의 관성

평행축 정리란

관성 모멘트

5 과 같이 도

한 xy 축 두

멘트의 정의로

I y

0) 에서 우변

은 Xc 축에

Fig 4-5

모멘트에 있

란 도심축에

트 사이의 관

도심을 원점으

좌표계의 평

로부터 x 축

y d dA

변의 첫 번째

대한 1 차 모

- 43 -

5 Parallel-axis

있어서 중요하

대한 관성

계를 나타낸

으로 하는 Xc

평행한 축 간

축에 대한 관

y dA

적분은 Xc

모멘트로서 X

theorem

하고 유용한

모멘트와 도

낸다

cYc 축과 임의

간의 거리를 d

성모멘트 Ix

2d y dA

축에 대한 관

Xc 축이 도심

정리로서 평

도심축에 평행

의의 점 O 를

d1 과 d2 로 표

는 식(410)와

d dA

관성모멘트

심을 통과하므

평행축 정리

행한 임의의

를 원점으로

표시한다

와 같다

410

I 이다 두

므로 적분의

- 44 -

값은 0 이다 세번째 적분은 면적 A 그 자체이다 따라서 식 (410)은 식 (411)과

같이 간단해진다

I I Ad 411

y 축에 대한 관성모멘트도 위와 같은 방법에 의해 식(412)과 같다

I I Ad 412

또한 면적의 평면에 수직인 수직축에 대한 관성모멘트를 극관성모멘트라 한

다 Fig 4-6 는 평면에 수직이고 O 점을 통과하는 축에 대한 극관성모멘트를 나

타낸 그림으로 이를 관성모멘트 식으로 표현하면 식 (413) 와 같다

I ρ dA 413

식 (413)와

즉 평면에

서로 수직인

극 관성

와 도심 C

와 식 (414)에

I

수직인 축에

인 두 축에 대

성모멘트에 대

에 대한 극

Fig 4-6 Arb

의해 식 (4

ρ dA

I

에 대한 극관

대한 관성모

대한 평행축

극 관성모멘트

- 45 -

bitrary shape o

ρ x y

415) 식 (41

x y dA

I I I

관성모멘트는

멘트의 합과

정리는 Fig

트를 각각 I

of Polar Area

y

16)과 같은 관

x dA y

는 평면 내의

과 같다

4-5 에서 유

와 I 로

관계식을 얻을

y dA

같은 지점을

유도할 수 있

로 표시하면

414

을 수 있다

415

416

을 통과하는

있다 원점 O

식 (416)에

- 46 -

서 식(417)을 유도할 수 있다

I I I I I I 417

I I I I A d d 418

I I Ad 419

식 (419)는 극 관성모멘트에 대한 평행축 정리를 나타낸다 즉 평면 내의 임의

의 한 점 O 에 대한 면적의 극관성모멘트는 도심 C 에 대한 극관성모멘트에 그

면적과 점 O 와 C 사이의 거리의 제곱의 곱을 더한 것과 같다

이상의 식에서 부하토크와 관성모멘트를 계산하여 모터를 가 선정한다 부하토

크의 경우 사용될 모터의 정격 토크를 넘어서지 않는 것을 선정한다 부하토크

를 TL 정상 부하 상태의 힘 PL 극 관성모멘트 IL 회전운동을 위한 힘 Pa 각속

도 가속 시 소요되는 시간을 ta 라 하고 식 (420)을 이용하여 부하가 일정하

게 작용할 때의 힘을 계산한다 마찬가지로 관성모멘트를 식 (421)에 대입하여

가속을 위한 회전 운동 시 필요한 힘을 계산한다 식 (420)과 식 (421)에서 계

산된 힘을 합산하면 모터를 회전시키기 위해 필요한 출력이 계산된다 이때 계

산된 출력보다 실제 사용할 모터의 정격 출력이 1~2 배 정도가 되도록 모터를

가 선정한다

- 47 -

P T ω 420

P 421

위의 과정을 통하여 모터를 가선정하고 가감속 토크 및 구동 토크를 계산한

다 각각의 토크를 계산하게 되면 모터를 최종적으로 선정하게 되는데 두 가지

사항을 고려하여 최종 선정한다 먼저 식 (422)을 통해서 계산되는 가속 시 소

요되는 기동 토크 TM 가 모터의 최대 토크를 넘지 않는 것으로 선정한다

T 422

두 번째로 Fig 4-7 의 속도 선도와 같이 모터의 가 감속 시간과 정상 동작

시간 등을 결정하여 식 (423)과 같이 실효치 토크 TS 를 구하고 실효 토크가 모

터의 정격 토크보다 크지 않도록 선정한다

T 423

Fig 4-7 Exa

- 48 -

ample of veloc

city guidance

- 49 -

(3) 알고리즘 적용

로봇시스템에 있어서 기구들의 관성모멘트와 토크 계산 후 적합한 모터를

선정하기 위해 시중에서 시판되는 모터를 조사하였다 로봇에 적용 가능한 모터

로는 크게 서버모터와 스텝모터 RC 서버모터 DC 모터로 구분 할 수 있었다 이

를 TABLE 4-1 과 같이 정리하였다

동력원의 6 가지 선정요소 중 우선순위를 부여하여 분류했을 때 핸드 그리퍼

의 특성상 가볍고 토크가 큰 RC 서버 모터 미니 서버모터를 선택할 수 도 있지

만 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터 중 토크를 증가시킬 수 있는

감속기가 있는 타입의 모터를 우선시 하였다

1 감속비를 사양할 수 있는 모터를 선정하여 계산한 토크를 확인한다

2 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터를 선정한다

3 CLOSED LOOP 제어를 통하여 정확한 위치를 검출할 수 있어야 한다

따라서 스텝모터중 lsquoOrsquo사의 ldquoαSTEPrdquo가 적합하다고 판단되어 모터를 선정하였다

- 50 -

TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics

미니서버모터 RC 서버모터 스텝모터 DC 모터

장점 동일사양대비 모터

중 10배정도 큰 토크

5v사용가벼움

정확한 위치제어

급격한 부하변동급가

속 유리

저렴한가격

보편화됨

단점 정지시 진동이 예상 약한 토크 THRUST하중이 모터

무계 이하여야 한다

유지보수가 잦다

크기 151588mm(10w20w)

2525111mm(30w)

392038mm 424234mm Oslash37mm917mm

동작전압 Dc 24V Dc 48V60V Dc 24V Dc 24V

무계 230g~400g 56g 150g 200g

허용토크 009Nm~03Nm 11~13kgfcm 18kgfcm (018Nm) 47kgfcm(1200)

감속기 다양한 감속비 가능 고정 감속기 감속기 무(072˚036) 다양한 감속비

제조사 야스카와 SGMM 하이텍 HS-5945 AUTONICS GCM 3429A

TABLE 4-2 αstep motor characteristics

외형 전압 전류 무계 토크 감속비 분해능

αSTEP 282884mm

4242127mm Dc24V 1~37A 250G 2~28 Nmiddotm 50~1001

00072pluse

00036pluse

- 51 -

43 1 차 능동형 그리퍼 설계

실린더를 사용하여 링크로 물체를 파지하던 그리퍼는 Fig 4-8 과 Fig 4-9 에

묘사하였다 이런 실린더를 사용한 그리퍼는 공압 효과를 도출할 수 있는 별도

의 펌프가 필요하고 동작을 구현할 수 있는 자유도를 증가시키는데 한계가 있

다 이런 실린더의 단점을 보완하고 전기모터의 장점을 사용하기 위해 웜기어와

웜휠 방식을 채택하여 2 자유도 능동형 그리퍼를 설계하였다

1 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-10 에 묘사하였으며 1 차설계한

능동형 그리퍼는 Two Fingertip Grasp 로 칭하겠다 파지한 물체를 회전 시키는

기능은 베벨기어를 사용하여 회전운동으로 구현하였고 실린더의 전middot후진 운동

을 전기모터의 회전운동으로 변환 시키기 위하여 웜기어와 웜휨을 선택하였다

전기모터에 의해 회전하는 운동은 웜기어와 웜휠에 의해 링크를 사용하여 물체

를 파지하였던 그리퍼와 동일한 운동효과를 가지게 되었다

웜기어와 웜휠을 사용하여 물체를 파지하는 능동형 그리퍼는 스윙형으로 설

계되었으며 파지력을 높이기 위한 각도를 적용하였다 링크를 사용하여 물체를

파지하는 형태의 그리퍼보다 기구의 크기를 줄일 수 있는 장점이 있는 반면 기

어들의 백래시에 의한 오차가 끝단에 누적될 수 있는 문제점을 가지고 있다또

한 기구부의 소재 변경으로 그리퍼의 무계를 줄일 수 도 있지만 가장 큰 무계

를 차지하는 모터를 그리퍼 자체에서 분리하게 할 수 있게 하려면 그리퍼 자체

의 구조변경이 필요하다

`

`

Fig 4-8 Par

Fig 4-9 Par

- 52 -

rallel-link gra

rallel-link gra

sps system 1

sps system 2

Fig 4-10

- 53 -

0 Two fingertipps grasp system

- 54 -

44 2 차 능동형 그리퍼 설계

1 차 설계한 능동형 그리퍼에서 발견된 문제점을 보안하기 위하여 2 차 능동

형 그리퍼를 설계하였다 2 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-11 에 묘사

하였으며 2 차설계한 능동형 그리퍼는 Four Fingertip Grasp 로 칭하겠다 이 장치

는 크게 동력원 동력 전달장치 핑거 그립장치로 구성되어있으며 이를 통합하

여 Fig 4-12 에 나타내었다

핑거 그립장치는 스윙형 그립의 단점을 보완하여 설계하였다 물체를 파지할

때 그립의 회전 반경이 주위 환경요소와 간섭을 발생시킬 수 있는데핑거가 전

진할때 샤프트와 핑거그립간의 나사결합형태를 통한 직선운동으로 개선하여 주

위환경요소에 영향을 주지 않도록 설계하였다 구동축의 핑거파지 메카니즘을

Fig 4-13 와 같이 간략화 하였고 이에 대한 세부 도면은 Fig 4-14 로 나타내었다

4 조 핑거 그립의 나사산과 테이퍼진 스크류축은 나사식으로 결합되며 상호

작용에 의해 점차 중심점으로 이동하여 물체를 파지하는 형태이다 사용된 2 개

의 샤프트는 중공축으로 설계하였으며 외부 샤프트는 4 조 핑거가 물체를 파지

하여 비트는 모션을 구현하는데 사용되었다 내부 샤프트는 핑거를 중심점으로

전진시켜는 기능을 수행한다 중공축으로 설계한 내부 샤프트는 차후 개발될 인

스트리먼트의 탈부착을 손쉽게 할수있도록 구현하였고 4 조로 설계된 핑거는 그

립시 인스트리먼트의 응력집중현상을 분산시키는 기능과 2 조로 그립하였을때

보다 안정적인 그립감을 형성한다

- 55 -

동력원과 동력전달장치는 Fig 4-15 에 나타내었으며 Two Fingertip Grasp system

의 문제점이었던 구동부의 모터의 설치 방법을 외부에 부착하는 형태로 변경하

여 우레탄 밸트를 사용하였다 또한 아이들러를 사용하여 밸트의 방향을 변경

하여 모터의 부착위치를 자유롭게 설정할 수 있도록 하였고 모터 브라켓에 슬

리브 홈을 설치하여 벨트의 장력을 조절할 수 있도록 하였다

Fig4-11

Fig4-12 Fou

- 56 -

Four fingertip

ur fingertips g

ps grasp system

grasp system la

m

ayout

Fig 4-13

Fig 4-14

- 57 -

Fingertip gra

4 Fingertip gr

asps mechanis

rasps extended

m

d

Fig 4-15

- 58 -

5 Power transmission devicce

- 59 -

제 5장 결 론

본 연구에서는 MIS 수술 로봇을 위한 햅틱 마스터장치 구동용 능동형 그리

퍼를 설계하기 위하여 그에 상응하는 자료 및 문헌 조사를 수행하였고 햅틱 마

스터에 적용 가능한 능동형 그리퍼를 설계하여 로봇 시스템의 초안을 구성하였

다 수술용 도구를 단순히 잡아주는 역할에서 벗어나 시스템에 추가적인 자유도

를 부여함으로써 그리퍼를 표현하였다 단순화된 그리퍼는 보다 저렴한 가격으

로 생산될 수 있으며 기존 로봇 수술시스템의 높은 비용을 절감할 수 있는 효

과를 가져올 수 있다

최종적으로 제안한 설계 안으로는 2 조 핑거그립를 사용하는 전기모터형 그

리퍼 와 추가적으로 개선한 4 조 전기모터형 핑거그립를 설계였다 스윙형 그립

의 단점을 보안하여 집중응력을 분산할 수 있는 구조로 설계하였고 그리퍼의

무계를 줄일 수 있는 방법을 제시하였다 이로써 원통형 도구 파지 시 안정성이

향상되었고 보다 원활하게 수술 도구를 교체 가능하도록 하였다

앞으로 촉감을 전달할 수 있는 센서의 개발로 햅틱 디바이스 인터페이스 장

치의 활용에 보다 높은 기여를 할 것이라 예상된다

-６０-

참고 문헌

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계 및 해석rdquo한국정밀공학회 2003년 추계학술대회 논문집

[10] 조국훈이재훈이병주김희국 ldquo병렬형 그리퍼 메카니즘rdquo한국정밀공학회지

[11] 김갑순 ldquo3축 힘센서를 이용한 지능형 그리퍼 개발rdquo한국정밀공학회지 제

24권 제 3호 1999년

[12] 고대성김성목김희국이병주 ldquo병진형 자유도와 1자유도 파지기능을 가지는

4자유도 병렬 메커니즘의 기구학분석rdquo한국정밀공학회 2007년 추계학술대회

• 제1장 서 론
• • 11 연구배경 및 연구목적
  • 12 연구내용
  • • 제2장 로봇 산업의 기술 현황
    • • 21 로봇산업의 동향
      • 22 의료용 로봇기술 현황
      • 23 의료용 로봇시장 전망
      • • 제3장 능동 그리퍼
        • • 31 최소침습 수술 햅틱 장치구현에 필요한 능동 그리퍼 제안
          • 32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류
          • 33 파지형태에 의한 그리퍼의 분류
          • 34 메카니컬 핸드의 구속기능
          • 35 대표적인 동력원의 특징
          • • 제4장 능동형 그리퍼 설계
            • • 41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정
              • 42 모터 선정 알고리즘
              • • 43 1 차 능동형 그리퍼 설계
                • 44 2 차 능동형 그리퍼 설계
                • • 제 5 장 결론
                  • 참고문헌
                  • TABLE 2-1 Domestic robot classification
                  • TABLE 2-2 Robot Production Company
                  • TABLE 3-1 Characteristics of power sources
                  • TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics
                  • TABLE 4-2 αSTEP Motor Characteristics
                  • Fig2-1 Phase of medical robots in the robot industry
                  • Fig2-2 Da Vinci surgical case number
                  • Fig3-1 Da Vinci robot system for MIS
                  • Fig3-2 Classified by the gripper grip action
                  • Fig3-3 Swing-type hand mechanism
                  • Fig3-4 Hand mechanism for translational type1 (parallel displacement)
                  • Fig3-5 Hand mechanism for translational type2 (Rack and pinion type)
                  • Fig3-6 Hand mechanism for three point pinch type
                  • Fig3-7 Movement of object
                  • Fig3-8 Contacts of the kind and the confining
                  • Fig3-9 Human Arm structure
                  • Fig4-1 Configuration of the fingers on robot gripper
                  • Fig4-2 Change the value of the angle of phage torque
                  • Fig4-3 Motor Selection Algorithm
                  • Fig4-4 Arbitrary Shape of Planar Area
                  • Fig4-5 Parallel-Axis Theorem
                  • Fig4-6 Arbitrary Shape of Polar Area
                  • Fig4-7 Example of Velocity Guidance
                  • Fig4-8 Parallel-link Grasp system 1
                  • Fig4-9 Parallel-link Grasp system 2
                  • Fig4-10 TWO Fingertip Grasp system
                  • Fig4-11 Four Fingertip Grasp System
                  • Fig4-12 Four Fingertip Grasp System layout
                  • Fig4-13 Fingertip Grasp Mechanism
                  • Fig4-14 Fingertip Grasp extended
                  • Fig4-15 Power Transmission Device

(a) sla

(b

Fig 3-1 da V

Operation Arm

Gripper

- 23 -

ave robot and g

b) master rob

Vinci robot sy

m

gripper

ot

stem for MIS

- 24 -

32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류

산업용 로봇은 그 기능 특성상 필요성에 의해 로봇의 말단부에 그리퍼를 부

착시킨다 이것은 인간의 손에 응되는 것으로서 메커니컬 핸드라고 칭하며 다

루는 상 물체를rdquo파지rdquo해 이동하는 목적으로 사용되는 도구이다

파지동작은 Fig 3-2 와 같이 세분화된다 인간의 손 손가락에는 많은 관절이

있으며 여러가지 작업이 가능하다 일상 생활에서의 붙잡기는 형식을 분류한 것

으로는 슐레징거의 12 형식이 있다 여기서 인간의 손에는 손가락이 있어서 그

것을 유지핸드라고 이름 붙이면 메커니컬 핸드에는 손가락이 없는 구성법이 있

는데 이것을 무지 핸드라고 이름 붙이기로 한다 이 무지 핸드는 기계적 물리적

으로 구조상 무지핸드로 한 것과 공구가 메커니컬 핸드와 일체화됐다고 생각하

는 공구 핸드가 있다 메커니컬 핸드를 분류해 보면 다음과 같다 진공이나 자

기 이용의 흡착 등 물리적 흡척형의 유지는 보통 평면(완만한 곡선도 포함)부를

흡착하는 형태로서 물체의 크기나 중량에 따라 여러 개가 설치되는 경우도 있

다 그러나 물체표면에 만곡부가 있는 경우나 구멍이나 공동이 있는 경우에는

적용할 수 없게 된다 또한 자력을 이용한 경우 철금속 재료를 다루게 되는데

경우에 따라서 매우 효율적이고 신뢰성이 높기는 하지만 물체에 잔류 자력이

남게 되는 문제점이 있다 받기형의 유지는 지지의 동작만을 가지고 있는 형태

이며 이는 전기한 흡착형 보다 적극적이 아니여서 약한 구속을 갖는다 변형하

기 쉬운 물체의 이송등에는 이를 채택한다 매달기형 유지는 중력 방향의 이동

1 자유도를 구속한다 잡기형 파지는 유연성에 의한 변형으로 접촉면적을 크게

하여 집는

상물을 외측

이용하는 등

33 파지형

파지 형

다 본 연구

하여 설명

(1) 두 손

형태이다 현

측에서 파지하

등의 파지방법

형태에 의한

형태로서는

구에서 사용할

명 하겠다

손가락 type

현재 많이 사

하거나 구멍

법이다

한 그리퍼의

상을 바깥에

할 메커니즘은

e

Fig 3-2 Cla

- 25 -

사용하고 있는

속에 손가락

의 분류

에서 파지하

은 바깥에서

assified by the

는 끼우기형

락을 넣은 후

는 것과 안에

파지하는 형

gripper grip ac

파지 형태는

후 벌려서 내

에서 파지하

형태가 유리하

ction

는 핸들링

내측사용면을

는 것이 있

하므로 이에

두 개의

상태를 유지

는 스윙형

안정되게 파

의 리지트한

지해서 개폐

핸드(swingin

파지하는 점에

손가락을 갖

되는 병진형

ng gripper)로

에서 병진형

(a) grinder c

(c

Fig 3-3 Sw

- 26 -

갖춘 것으로

핸드(transla

로 분류된다

보다 떨어진

crank

c) rotation joi

wing-type hand

실용례가 많

ational grippe

스윙형은 기

진다

(b) swing

int

d mechanism

많다 손가락이

er)와 그 방향

기구가 간단하

g block

이 상호평행

향이 변화하

하나 상이

병진형에

4 은 평행링

운동을 바꾸

에 회전시킴

로 유지되기

지된다 직

시키도록 한

가 전middot후진

피니온 방식

F

에서는 평행링

링크 방식의

꾸고 그 피니

킴으로써 손가

기 때문에 손

동형 신에

한 것도 있다

진하는 결점이

식이 채용된다

Fig 3-4 Hand

링크 랙middot피니

예로 직동형

니온 운동으로

가락 개폐를

손가락의 물체

에 회전형 액

다 평행링크를

이 있다 이문

다

mechanism fo

- 27 -

니온 나사이송

형 액추에이

로 평행링크의

얻는다 링크

체 파지면의

추에이터를

를 이용한 형

문제를 해결하

or translational

송 기구 등이

터의 운동을

의 하나의 링

크 PS 와 링

자세도 개폐

이용한 형식

형식은 개폐에

하는 방법으로

type1 (paralle

이 이용되고

랙과 피니온

링크 A 를 축

크 QR 은 항

폐 동작 중 일

식에서 평행링

에 의해서 손

로서 볼나사

el displacement

있다 Fig 3-

온으로 회전

축 P 의 주위

항상 평행으

일정하게 유

링크를 회전

손가락 위치

기구나 랙middot

nt)

Fig 3

는 핸드의

볼나사 기구

다

(2) 세 손

세 손가

가락으로 잡

F

-5 는 회전형

예이다볼나

구 각각을 손

손가락 type

가락을 가진 핸

잡는 것보다

Fig 3-5 Hand

형 액추에터로

나사 기구를 이

손가락에 부착

e

핸드에서는

안정된 파지

d mechanism fo

- 28 -

로 랙 피니온

이용하는 경

착 사라를 회

상을 3 점

지 동작을 할

or translational

온을 회전시킴

우에는 1

회전시킴으로

점에서 유지할

할 수 있다

l type2 (rack a

킴으로써 개폐

의 왼나사

써 개폐 동작

할수 있기 때

nd pinion type

폐동작을 하

오른나사의

작을 실현한

문에 두 손

e)

Fig 3-6

베벨기어를

구동해서 세

실현한 것

각 손가락을

복잡하며 중

6 은 세 손가

를 매개로 상

세 손가락을

이다 특히

을 개별 모터

중량도 증가하

Fig

락형 그리퍼

호 각도를 주

동작시킴으로

원통물체를

터로 구동하도

하기 때문에

3-6 Hand mec

- 29 -

의 일반적인

주어 결합한

로써 이른바

확실히 잡아

도록 한 3 지

실용례가 적

chanism for thr

인 형상을 나타

3 개의 볼

바 3 포인트 핀

아서 유지하

지형핸드도 개

적다

ree point pinch

타내고 있다

나사를 하나

핀치(three po

는데 유리하

개발되고 있으

h type

이 핸드는

나의 모터로

oint pinch)를

하다그 외에

으나기구가

34 메카니

(1) 구속

기계적

어서 형성되

전 구속 기

해서 언급하

으로 움직일

또 X Y 평

니컬 핸드의

속기능

구동장치에

되는 것으로

기능이 있다

하면 구속 상

일 수 있다

평면 X Y 면

의 구속기능

서 구속 형식

크게 나누어

그래서 핸드

상태의 물체는

이것을 물체

X Z 면상에

Fig 3-

- 30 -

능

식과 접촉 상

어서 반구속

드의 구속 기

는 Fig 3-7 와

체의 공전 (이

서 6 방향으

-7 Movement

상태와 포락

속 (받는 구속

기능을 결정하

와 같이 X Y

이동)에 관한

로 회전 한다

t of object

능력의 인자

속 는 구속

하는 물체의

Z 의 3 축상

6 동작 자유

다 이것을 물

자가 복합되

속)기능과 완

구속에

에서 6 방향

유도로 한다

물체의 자전

(회전)에 관

부여한 상태

행할 수 있

서는 회전의

핸드에

한 공간적

면 Fig 3-8

이 그림

를 구속한다

에서 7 자유

선접촉과 면

계수와 절선

(a

관한 6 동작

태에서 움직이

있다 또 완전

의 6 자유도를

의한 물체의

적인 포락 상

와 같이 된

(a)의 점접촉

다 그러나 1

유도를 구속

면접촉에는 각

선력법선력

a) point contac

Fig3

자유도로 한

이며 중력이

전 구속은 핸

를 무시하는

의 구속은 핸

상태로 정한다

다

촉은 접촉점

1 점접촉은 다

한다 (c)의

각각 마찰에

비와의 관계

ct (b

3-8 Contacts

- 31 -

한다 반구속은

이나 환경면의

드 자체로 1

경우도 적지

핸드와 물체의

다 먼저 접촉

방향의 1 자

다른 11 자유

면접촉은 11

위한 구속이

계로 구속불능

) line contact

of the kind an

은 12 자유도

의 구속을 받

12 자유도를

지 않다

의 접촉 상태

촉부의 구속

자유도를 구속

도를 구속할

1 자유도의 구

이 4 개와 6 개

능의 가능성을

nd the confini

도 중 몇 개의

아서 완전 구

행하는데 경

태 및 접촉부

능력을 모델

속한다 그러나

할 수 없다 (b

구속을 할 수

개 주어져 있

을 가진 구속

(c) surface co

ing

의 자유도를

구속으로 이

경우에 따라

부의 물체에

델로 나타내

나 1 자유도

b)는 선접촉

수 있다 단

있으며 마찰

속 성분이기

ontact

- 32 -

도 하다 또한 면접촉의 상태는 중력의 작용을 이용하면 받기를 형성하고 또

외계력을 이용하면 기를 형성한다

이들의 접촉상태는 물체의 형상과 핸드의 구속면으로 규정되는 것으로 핸드

만으로 결정하기는 어렵다 단 핸드의 구속면을 부드러운 재질로 형성하면 면

접촉의 이행이 용이하다 이와 같은 이유에서 물체에 접촉부가 포락도를 높이는

데에 따라서 물체 형상에 관계 없이 구속 능력을 증 시킬 수 있다

(2) 메커니컬 핸드의 자유도

로봇의 손은 그 용도를 불문하고 인간의 손 작업의 행을 목적으로 하는

것이므로 그 설계에 있어서 모델로 되는 것은 말할 것 도 없이 인간의 손이다

그래서 우선 기구에 하여 설명하기 전에 인간의 손의 구조 모델에 하여 설

명해 본다

AmiddotMorecki 에 의하면 인간의 상체는 그 해부학적 구조에 입각하면 Fig 3-9 와

같이 모델화할 수 있다 Fig 3-9 에서 숫자는 각각 골격 즉 링크를 나타내고 숫

자 II~ V 는 관절을 나타내고 있다 이와 같은 공간링크 기구의 자유도 F 는 가

동부수 n 자유도의 종류 f 를 가진 우 수를 Pf 라 하면 다음 식으로 나타낼

수 있다

6n sum ∙ P 12345 (3-1)

Fig 3-9

들 자유도가

을 Fig 3-9

P5=10 이므

인간의

유도 1 의

해 있으며

의 모델에서

가 있는 관절

9 와 같이 정

므로 위 식에

상지를 인공

액튜에이터를

22 개나 되

Fig 3

서는 n=19 P2

절에 작용하는

정의하고 그

서 FH=22 가

공적으로 정밀

를 27 필요

는 액튜에이

- 33 -

3-9 Human Ar

2=1 P3=2 P4

는 근군은 약

자유도 FH

가 된다

밀하게 재현하

요로 하게 된

터를 필요로

rm structure

4=6 P5=11 이

약 50 이라고

를 구하면

하려고 한다면

된다 또 손에

로 한다 그러

이므로 F=27

고 되어 있다

이 경우는 n

면 이상의 결

는 특히 자유

나 로봇의 손

이 된다 이

여기서 손

n=16 P4=6

결론에서 자

유도가 집중

손이 이만큼

- 34 -

의 수의 액튜에이터를 갖춘 것을 제작한다는 것은 크기 중량 제어면에서 볼

때 현시점에서는 불가능에 가깝다 특히 의수에 있어서는 상술한 바와 같은 형

상이나 조종성 등의 점에서 전혀 불가능하다고 해도 좋다 따라서 보통은 기능

에 주목하여 손에 집중해 있는 자유도의 간략화를 도모한다

인간의 잡기 동작에 주목해 보면 그 잡기 형상에는 12 종류가 있다고 하다

그러나 이것들은 엄지와 다른 12 종류가 있다고 한다 그러나 이것들은 엄지와

다른 4 손가락과의 관계에 주목하였을 때에 2 종류 즉 엄지가 다른 4 손가락과

항해서 동작하거나 그 측방에서 동작하는가로 분류할 수 있다 실제의 일상

동작에서 관찰하면 이들 중에서도 엄지와 손가락이 항해서 동작하는 소위 쥠

동작이 우선 첫 번째이고 또 다음에 엄지 검지 중지의 3 손가락의 선단으로

이루어지는 3Point Pinch 즉 잡기동작이 중요하다

더불어 손가락의 독립성에 해서는 역시 일상동작 중에서 손가락의 사용

빈도를 조사한 결과에 의하면 다섯 손가락은 반드시 독립적인 운동을 필요로

하지 않고 엄지 검지 중지가 같은 정도의 중요성을 자기며 다른 두 손가락은

사용 빈도에 있어서 이들 세 손가락보다 약 50 적으며 다른 세 손가락의 보

조 역할을 한다고 볼 수 있다 그리고 특히 중요한 것은 인간의 각 손가락은 잡

기 상물의 형상에 적응한 쥐기 즉 Passive 한 동작을 할 수 있다는 것이다 이

기능이 있다면 각 손가락이 독립적으로 동작하지 않더라도 또 다소 손의 자유

도를 제거하더라도 상물의 확실한 쥐기나 잡기 그리고 기타 손 작업에 큰 힘

을 발휘한다

- 35 -

34 표적인 동력원의 특징

동력원을 설계할 때 다음의 점을 고려하면서 가장 적합한 방식을 선택한다

1조작력(로보트가 내는 최 의 힘 예를들면 최 들어올린 힘)

2속응성(최 조작 속도)

3크기 중량(로보트의 크기와 중량의 제한)

4안정성(발열이나 과부하에 한 안전성)

5사용의 용이도

6수명가격

1 2 의 조작력 속응력은 로보트에 요구되는 성능에서 가장 기본적인 것인

데 이에 관련해서 크기나 중량의 제한 안정성 사용의 용이도 수명 가격 등을

고려해서 동력원을 선택한다 단 자주형 로보트에서는 2 차적 성능인 동력원의

중량이 첫째 요구 조건이 되는 경우가 많고 공업용 로보트에서는 저가격 사용

의 용이도 안전성이 중요 사항으로 우선시된다

모든 로봇은 동력원을 필요로한다 중요도에 따라 동력원을 선택해야 하는데

일반적으로 공기압식은 안전성이 뛰어난 반면 힘과 세밀한 위치제어가 어렵고

전기식은 응답성과 사용편리성 세밀한 위치제어가 가능하나 높은 힘을 내기 위

해서는 부가적인 기구부가 필요하다 유압식은 큰힘을 낼수있어서 속응성은 좋

으나 과부하시 상당한 발열이 있기 때문에 안전성에서 다른 동력원에 비해 떨

어진다 위 사항을 TABLE 3-1 로 분류하여 나타내었다

- 36 -

TABLE 3-1 Characteristics of power sources

전기식 유압식 공압식

사용용이성 편리하다 작동유의관리 관로의압력

필터관리에 유의

공급공기의 수분제거

윤활성의부가에 주의

수명 길다 기름에 윤활성이 있기

때문에 길다

공기에윤활성이 없어

유압 전기에 비해 짧다

가격 보통 가격 운영비 높음 저가격

응답속도

(반응성) 매우 빠르다 빠르다 늦다

하중능력 (소)에서 (중)정도의

하중능력 단히 큰 힘을 얻음 큰 힘은 없다

소음 적다 다소 크다 크다

- 37 -

제 4 장 능동형 그리퍼 설계

41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정

로봇 그리퍼의 정밀 파지 (Fingertip Grasp 손가락 끝을 이용하여 물체를 집

거나 바닥에누워있는 납작한 물체를 집는 행동)를 안정하게 하기 위해서는 손가

락 끝과 물체가 직각에 가까운 각도를 이룸으로 마찰력을 크게 하여 안정성을

높인다 또한 바닥에 놓인 물체를 집어 올릴 경우에도 물체표면의 법선 벡터와

손가락 끝의 각도가 클수록 물체를 효과적으로 구속하여 안정된 파지를 할 수

있다

그리퍼의 링크 시스템에 있어서 2 링크 손가락보다 3 링크 손가락을 쓸 때가

링크와 수평 평면이 이루는 각 (A)이 더 커지기 때문에 안정성이 더 좋다는 것

을 알 수 있다 그리고 안정성뿐만 아니라 식 (4-1)을 통하여 문체에 전해지는

Torque 값을 Fig 4-2 와 같이 그래프로 나타내면 0 도에서 75 도 정도까지는 A 각

이 커질수록 물체에 가해지는 토크 값이 점점 커지는 것을 알 수 있음으로 3 링

크 손가락을 쓰는 것이 파지력 증가됨을 알수 있다 ℓ3 의 길이가 길어질수록 A

가 작은 값을 가져서 정밀파지에 적당하지 않다

τ l cosA sinA l 1 cos A tan μ (41)

A cosempty

(42)

Fig 4-1

은 식을 통

각이 커짐을

움이 있고

Fig4-

에서 제 2 코

통해 구할 수

을 알 수 있다

최소 단위를

Fig4

-1 Configurati

코사인 법칙

있는데 이로

다 그러나 ℓ

를 1cm 로 하

-2 Change the

- 38 -

ion of the fing

을 이용하여

로부터 링크

ℓ3 가 1cm 인

하였기 때문에

e value of the a

gers on robot g

여 A 의 각을

길이 ℓ3 가

인 경우는 너

에 ℓ3 는 2cm

angle of phage

gripper

구하기 위해

작으면 작을

무 짧아서 파

로 결정하였

torque

해 (2) 와 같

을수록 A 의

파지의 어려

였다

42 모터

(1) 알고

앞 절에

여야 한다

는 모터의

이 작은 모

나 용량이

로 적절한

선정 알고

고리즘 정의

에서 설명한 기

로봇 팔에

선정은 동작

모터를 사용하

큰 모터를 사

모터의 선정

고리즘

기구들을 추

움직임을 전

작을 구현하는

하게 되면 기

사용하게 되

정이 중요하다

Fig 4-3 M

- 39 -

추후 로봇 시스

전달함에 있어

는데 중요한

기구의 원활한

면 모터의 외

다

Motor Selectio

스템에 적용을

어서 동력을

과제가 되겠

한 작동이 어

외형이 커지

on Algorithm

을 고려하여

공급과 제어

겠다 만일 토

려워지고 단

고 가격 또한

설계를 하

어를 수행하

토크나 용량

단순히 토크

한 증가하므

- 40 -

(2) 알고리즘 수행

모터를 선정하기 위해서 가장 우선적으로 해야 할 일은 기계구동부분을 결

정하고 구동부분을 어떠한 방식으로 작동을 시킬지 동작 패턴을 결정하여야 한

다 예를 들면 모터에서 나오는 힘을 받아서 볼 스크류를 이용하여 힘을 전달할

것인지 벨트 피니언 기어 혹은 풀리 등을 이용할 것인지를 결정하고 그에 따

른 적절한 구동방식을 결정한다 구동방식을 결정하게 되면 각각의 구동방식에

적합한 수식을 대입하여 부하토크를 계산한다 구동방식에 따른 부하토크를 구

하는 수식은 구동방식이나 구동장소 등에 따라 다소 상이하나 일반적인 수식은

다음과 같다

-BALL SCREW 구동

T FP2πn

μ F P2π

1i N ∙ m 43

F F mg sin α μ cos α N 44

-PULLEY 구동

T ∙ 45

μF D

2i N ∙ m

- 41 -

-WIRE middot BELT 구동 RACK middot PINION 구동

T F2πn

∙ πDi

FD2ni

N ∙ m 46

F F mg sin α μ cos s N 47

-실측에 의한 방법

T 48

직선운동 (커플링 직결 볼스크류 등)의 경우 위의 (43) (44) 이용하여 구할

수 있다 이때 F 는 축방향하중 F0 는 예압하중 μ0는 예압 NUT 의 마찰계수 η 은

효율i 는 감속비 PB 는볼스크류 피치를 나타낸다 회전운동 (풀리)의 경우 식

(45)를 이용하여 구할 수 있으며 FA는 외력 FB는 부하중량 (주축이 회전하기 시

작할 때의 힘) m 은 work 와 TABLE 의 총무계 μ 접동면의 마찰계수α는 경사각

도D 는 풀리의 지름을 나타낸다

실제현장에서는 선정된 모터의 토크를 확인하기 위해 실측에 의한 구동토크

를 계측하는데 스프링 저울을 구동 풀리에 연결지어 측정한다 이때 TL 은 회전

운동 부하토크에 해당하고 FB 는 부하중량 D 는 풀리의 직경을 나타낸다

위의 부하토크를 구하는 식들을 이용하여 부하토크를 구하게 되면 실제 모

터를 사용할 때 어느 정도의 시간적 여유를 두고 가속을 할 것인지 감속을 할

것인지를 결정하여야 한다 이를 위해서 우선 동작시킬 부분에 대한 관성모멘트

를 계산하

Fig 4-4

시한 것으로

dA 와 기준

이를 표현하

하여야 한다

4 는 관성모멘

로 X 와 Y

준축으로 부터

하면 식 (49)

Fig 4-4 Arb

I

멘트를 구하기

는 면적의 미

터의 거리의

)와 같다

- 42 -

bitrary shape o

y dA I

기 위한 절대

미소 요소 dA

제곱의 곱으

of planar area

x dA

대좌표 X Y

A 의 좌표이

으로 단면 2

축 상의 미소

이고 관성모멘

차 모멘트라

49

소면적을 도

멘트는 요소

라고도 한다

평면 면

가 있다 평

축에 대한

Fig 4-5

하는 평행한

관성모멘

식 (410

번째 적분은

면적의 관성

평행축 정리란

관성 모멘트

5 과 같이 도

한 xy 축 두

멘트의 정의로

I y

0) 에서 우변

은 Xc 축에

Fig 4-5

모멘트에 있

란 도심축에

트 사이의 관

도심을 원점으

좌표계의 평

로부터 x 축

y d dA

변의 첫 번째

대한 1 차 모

- 43 -

5 Parallel-axis

있어서 중요하

대한 관성

계를 나타낸

으로 하는 Xc

평행한 축 간

축에 대한 관

y dA

적분은 Xc

모멘트로서 X

theorem

하고 유용한

모멘트와 도

낸다

cYc 축과 임의

간의 거리를 d

성모멘트 Ix

2d y dA

축에 대한 관

Xc 축이 도심

정리로서 평

도심축에 평행

의의 점 O 를

d1 과 d2 로 표

는 식(410)와

d dA

관성모멘트

심을 통과하므

평행축 정리

행한 임의의

를 원점으로

표시한다

와 같다

410

I 이다 두

므로 적분의

- 44 -

값은 0 이다 세번째 적분은 면적 A 그 자체이다 따라서 식 (410)은 식 (411)과

같이 간단해진다

I I Ad 411

y 축에 대한 관성모멘트도 위와 같은 방법에 의해 식(412)과 같다

I I Ad 412

또한 면적의 평면에 수직인 수직축에 대한 관성모멘트를 극관성모멘트라 한

다 Fig 4-6 는 평면에 수직이고 O 점을 통과하는 축에 대한 극관성모멘트를 나

타낸 그림으로 이를 관성모멘트 식으로 표현하면 식 (413) 와 같다

I ρ dA 413

식 (413)와

즉 평면에

서로 수직인

극 관성

와 도심 C

와 식 (414)에

I

수직인 축에

인 두 축에 대

성모멘트에 대

에 대한 극

Fig 4-6 Arb

의해 식 (4

ρ dA

I

에 대한 극관

대한 관성모

대한 평행축

극 관성모멘트

- 45 -

bitrary shape o

ρ x y

415) 식 (41

x y dA

I I I

관성모멘트는

멘트의 합과

정리는 Fig

트를 각각 I

of Polar Area

y

16)과 같은 관

x dA y

는 평면 내의

과 같다

4-5 에서 유

와 I 로

관계식을 얻을

y dA

같은 지점을

유도할 수 있

로 표시하면

414

을 수 있다

415

416

을 통과하는

있다 원점 O

식 (416)에

- 46 -

서 식(417)을 유도할 수 있다

I I I I I I 417

I I I I A d d 418

I I Ad 419

식 (419)는 극 관성모멘트에 대한 평행축 정리를 나타낸다 즉 평면 내의 임의

의 한 점 O 에 대한 면적의 극관성모멘트는 도심 C 에 대한 극관성모멘트에 그

면적과 점 O 와 C 사이의 거리의 제곱의 곱을 더한 것과 같다

이상의 식에서 부하토크와 관성모멘트를 계산하여 모터를 가 선정한다 부하토

크의 경우 사용될 모터의 정격 토크를 넘어서지 않는 것을 선정한다 부하토크

를 TL 정상 부하 상태의 힘 PL 극 관성모멘트 IL 회전운동을 위한 힘 Pa 각속

도 가속 시 소요되는 시간을 ta 라 하고 식 (420)을 이용하여 부하가 일정하

게 작용할 때의 힘을 계산한다 마찬가지로 관성모멘트를 식 (421)에 대입하여

가속을 위한 회전 운동 시 필요한 힘을 계산한다 식 (420)과 식 (421)에서 계

산된 힘을 합산하면 모터를 회전시키기 위해 필요한 출력이 계산된다 이때 계

산된 출력보다 실제 사용할 모터의 정격 출력이 1~2 배 정도가 되도록 모터를

가 선정한다

- 47 -

P T ω 420

P 421

위의 과정을 통하여 모터를 가선정하고 가감속 토크 및 구동 토크를 계산한

다 각각의 토크를 계산하게 되면 모터를 최종적으로 선정하게 되는데 두 가지

사항을 고려하여 최종 선정한다 먼저 식 (422)을 통해서 계산되는 가속 시 소

요되는 기동 토크 TM 가 모터의 최대 토크를 넘지 않는 것으로 선정한다

T 422

두 번째로 Fig 4-7 의 속도 선도와 같이 모터의 가 감속 시간과 정상 동작

시간 등을 결정하여 식 (423)과 같이 실효치 토크 TS 를 구하고 실효 토크가 모

터의 정격 토크보다 크지 않도록 선정한다

T 423

Fig 4-7 Exa

- 48 -

ample of veloc

city guidance

- 49 -

(3) 알고리즘 적용

로봇시스템에 있어서 기구들의 관성모멘트와 토크 계산 후 적합한 모터를

선정하기 위해 시중에서 시판되는 모터를 조사하였다 로봇에 적용 가능한 모터

로는 크게 서버모터와 스텝모터 RC 서버모터 DC 모터로 구분 할 수 있었다 이

를 TABLE 4-1 과 같이 정리하였다

동력원의 6 가지 선정요소 중 우선순위를 부여하여 분류했을 때 핸드 그리퍼

의 특성상 가볍고 토크가 큰 RC 서버 모터 미니 서버모터를 선택할 수 도 있지

만 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터 중 토크를 증가시킬 수 있는

감속기가 있는 타입의 모터를 우선시 하였다

1 감속비를 사양할 수 있는 모터를 선정하여 계산한 토크를 확인한다

2 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터를 선정한다

3 CLOSED LOOP 제어를 통하여 정확한 위치를 검출할 수 있어야 한다

따라서 스텝모터중 lsquoOrsquo사의 ldquoαSTEPrdquo가 적합하다고 판단되어 모터를 선정하였다

- 50 -

TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics

미니서버모터 RC 서버모터 스텝모터 DC 모터

장점 동일사양대비 모터

중 10배정도 큰 토크

5v사용가벼움

정확한 위치제어

급격한 부하변동급가

속 유리

저렴한가격

보편화됨

단점 정지시 진동이 예상 약한 토크 THRUST하중이 모터

무계 이하여야 한다

유지보수가 잦다

크기 151588mm(10w20w)

2525111mm(30w)

392038mm 424234mm Oslash37mm917mm

동작전압 Dc 24V Dc 48V60V Dc 24V Dc 24V

무계 230g~400g 56g 150g 200g

허용토크 009Nm~03Nm 11~13kgfcm 18kgfcm (018Nm) 47kgfcm(1200)

감속기 다양한 감속비 가능 고정 감속기 감속기 무(072˚036) 다양한 감속비

제조사 야스카와 SGMM 하이텍 HS-5945 AUTONICS GCM 3429A

TABLE 4-2 αstep motor characteristics

외형 전압 전류 무계 토크 감속비 분해능

αSTEP 282884mm

4242127mm Dc24V 1~37A 250G 2~28 Nmiddotm 50~1001

00072pluse

00036pluse

- 51 -

43 1 차 능동형 그리퍼 설계

실린더를 사용하여 링크로 물체를 파지하던 그리퍼는 Fig 4-8 과 Fig 4-9 에

묘사하였다 이런 실린더를 사용한 그리퍼는 공압 효과를 도출할 수 있는 별도

의 펌프가 필요하고 동작을 구현할 수 있는 자유도를 증가시키는데 한계가 있

다 이런 실린더의 단점을 보완하고 전기모터의 장점을 사용하기 위해 웜기어와

웜휠 방식을 채택하여 2 자유도 능동형 그리퍼를 설계하였다

1 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-10 에 묘사하였으며 1 차설계한

능동형 그리퍼는 Two Fingertip Grasp 로 칭하겠다 파지한 물체를 회전 시키는

기능은 베벨기어를 사용하여 회전운동으로 구현하였고 실린더의 전middot후진 운동

을 전기모터의 회전운동으로 변환 시키기 위하여 웜기어와 웜휨을 선택하였다

전기모터에 의해 회전하는 운동은 웜기어와 웜휠에 의해 링크를 사용하여 물체

를 파지하였던 그리퍼와 동일한 운동효과를 가지게 되었다

웜기어와 웜휠을 사용하여 물체를 파지하는 능동형 그리퍼는 스윙형으로 설

계되었으며 파지력을 높이기 위한 각도를 적용하였다 링크를 사용하여 물체를

파지하는 형태의 그리퍼보다 기구의 크기를 줄일 수 있는 장점이 있는 반면 기

어들의 백래시에 의한 오차가 끝단에 누적될 수 있는 문제점을 가지고 있다또

한 기구부의 소재 변경으로 그리퍼의 무계를 줄일 수 도 있지만 가장 큰 무계

를 차지하는 모터를 그리퍼 자체에서 분리하게 할 수 있게 하려면 그리퍼 자체

의 구조변경이 필요하다

`

`

Fig 4-8 Par

Fig 4-9 Par

- 52 -

rallel-link gra

rallel-link gra

sps system 1

sps system 2

Fig 4-10

- 53 -

0 Two fingertipps grasp system

- 54 -

44 2 차 능동형 그리퍼 설계

1 차 설계한 능동형 그리퍼에서 발견된 문제점을 보안하기 위하여 2 차 능동

형 그리퍼를 설계하였다 2 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-11 에 묘사

하였으며 2 차설계한 능동형 그리퍼는 Four Fingertip Grasp 로 칭하겠다 이 장치

는 크게 동력원 동력 전달장치 핑거 그립장치로 구성되어있으며 이를 통합하

여 Fig 4-12 에 나타내었다

핑거 그립장치는 스윙형 그립의 단점을 보완하여 설계하였다 물체를 파지할

때 그립의 회전 반경이 주위 환경요소와 간섭을 발생시킬 수 있는데핑거가 전

진할때 샤프트와 핑거그립간의 나사결합형태를 통한 직선운동으로 개선하여 주

위환경요소에 영향을 주지 않도록 설계하였다 구동축의 핑거파지 메카니즘을

Fig 4-13 와 같이 간략화 하였고 이에 대한 세부 도면은 Fig 4-14 로 나타내었다

4 조 핑거 그립의 나사산과 테이퍼진 스크류축은 나사식으로 결합되며 상호

작용에 의해 점차 중심점으로 이동하여 물체를 파지하는 형태이다 사용된 2 개

의 샤프트는 중공축으로 설계하였으며 외부 샤프트는 4 조 핑거가 물체를 파지

하여 비트는 모션을 구현하는데 사용되었다 내부 샤프트는 핑거를 중심점으로

전진시켜는 기능을 수행한다 중공축으로 설계한 내부 샤프트는 차후 개발될 인

스트리먼트의 탈부착을 손쉽게 할수있도록 구현하였고 4 조로 설계된 핑거는 그

립시 인스트리먼트의 응력집중현상을 분산시키는 기능과 2 조로 그립하였을때

보다 안정적인 그립감을 형성한다

- 55 -

동력원과 동력전달장치는 Fig 4-15 에 나타내었으며 Two Fingertip Grasp system

의 문제점이었던 구동부의 모터의 설치 방법을 외부에 부착하는 형태로 변경하

여 우레탄 밸트를 사용하였다 또한 아이들러를 사용하여 밸트의 방향을 변경

하여 모터의 부착위치를 자유롭게 설정할 수 있도록 하였고 모터 브라켓에 슬

리브 홈을 설치하여 벨트의 장력을 조절할 수 있도록 하였다

Fig4-11

Fig4-12 Fou

- 56 -

Four fingertip

ur fingertips g

ps grasp system

grasp system la

m

ayout

Fig 4-13

Fig 4-14

- 57 -

Fingertip gra

4 Fingertip gr

asps mechanis

rasps extended

m

d

Fig 4-15

- 58 -

5 Power transmission devicce

- 59 -

제 5장 결 론

본 연구에서는 MIS 수술 로봇을 위한 햅틱 마스터장치 구동용 능동형 그리

퍼를 설계하기 위하여 그에 상응하는 자료 및 문헌 조사를 수행하였고 햅틱 마

스터에 적용 가능한 능동형 그리퍼를 설계하여 로봇 시스템의 초안을 구성하였

다 수술용 도구를 단순히 잡아주는 역할에서 벗어나 시스템에 추가적인 자유도

를 부여함으로써 그리퍼를 표현하였다 단순화된 그리퍼는 보다 저렴한 가격으

로 생산될 수 있으며 기존 로봇 수술시스템의 높은 비용을 절감할 수 있는 효

과를 가져올 수 있다

최종적으로 제안한 설계 안으로는 2 조 핑거그립를 사용하는 전기모터형 그

리퍼 와 추가적으로 개선한 4 조 전기모터형 핑거그립를 설계였다 스윙형 그립

의 단점을 보안하여 집중응력을 분산할 수 있는 구조로 설계하였고 그리퍼의

무계를 줄일 수 있는 방법을 제시하였다 이로써 원통형 도구 파지 시 안정성이

향상되었고 보다 원활하게 수술 도구를 교체 가능하도록 하였다

앞으로 촉감을 전달할 수 있는 센서의 개발로 햅틱 디바이스 인터페이스 장

치의 활용에 보다 높은 기여를 할 것이라 예상된다

-６０-

참고 문헌

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정보 및 제어부분 PP68~7020084

[2] 박정호 ldquo국내외 의료로봇 현황과 발전방향rdquo정보과학지 26(4)

PP49~5420084

[3] 편집부 ldquo수술지원로봇의 최신 기술 동향rdquo월간 자동화 기술 22(12)

PP74~77200612

[4] 경기욱박준석 ldquo햅틱스 기술개발 동향 및 연구전망rdquo전자통신경향분석

21(5)PP93~108200610

[5] 권동수경기욱 ldquo의료용 로봇의 연구 현황과 전망rdquo기계저널

42(3)PP38~44200203

[6] Yoichi OGAHARA Yusuke KAWATO Kenjiro TAKEMURA Takashi MAENO

ldquoA Wire-Driven Miniature Five Fingerd Robot Hand using Elastic Elements as

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[7] Ikuo Yamano Takashi Maeno ldquoFive-fingered Robot Hand using Ultrasonic Motors

and Elastic Elementsrdquoproceedings the 2005 IEEE International Conference on

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[8] 홍만복김광기 ldquo최소 침습수술로봇을위한 2-자유도 구형 메커니즘설계rdquo

한국정밀공학회 2009년 추계학술대회 논문집

-６１-

[9] 이재훈김형욱이병주서일홍 ldquo새로운 6자유도 병렬형 햅틱 기구의 최적설

계 및 해석rdquo한국정밀공학회 2003년 추계학술대회 논문집

[10] 조국훈이재훈이병주김희국 ldquo병렬형 그리퍼 메카니즘rdquo한국정밀공학회지

[11] 김갑순 ldquo3축 힘센서를 이용한 지능형 그리퍼 개발rdquo한국정밀공학회지 제

24권 제 3호 1999년

[12] 고대성김성목김희국이병주 ldquo병진형 자유도와 1자유도 파지기능을 가지는

4자유도 병렬 메커니즘의 기구학분석rdquo한국정밀공학회 2007년 추계학술대회

• 제1장 서 론
• • 11 연구배경 및 연구목적
  • 12 연구내용
  • • 제2장 로봇 산업의 기술 현황
    • • 21 로봇산업의 동향
      • 22 의료용 로봇기술 현황
      • 23 의료용 로봇시장 전망
      • • 제3장 능동 그리퍼
        • • 31 최소침습 수술 햅틱 장치구현에 필요한 능동 그리퍼 제안
          • 32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류
          • 33 파지형태에 의한 그리퍼의 분류
          • 34 메카니컬 핸드의 구속기능
          • 35 대표적인 동력원의 특징
          • • 제4장 능동형 그리퍼 설계
            • • 41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정
              • 42 모터 선정 알고리즘
              • • 43 1 차 능동형 그리퍼 설계
                • 44 2 차 능동형 그리퍼 설계
                • • 제 5 장 결론
                  • 참고문헌
                  • TABLE 2-1 Domestic robot classification
                  • TABLE 2-2 Robot Production Company
                  • TABLE 3-1 Characteristics of power sources
                  • TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics
                  • TABLE 4-2 αSTEP Motor Characteristics
                  • Fig2-1 Phase of medical robots in the robot industry
                  • Fig2-2 Da Vinci surgical case number
                  • Fig3-1 Da Vinci robot system for MIS
                  • Fig3-2 Classified by the gripper grip action
                  • Fig3-3 Swing-type hand mechanism
                  • Fig3-4 Hand mechanism for translational type1 (parallel displacement)
                  • Fig3-5 Hand mechanism for translational type2 (Rack and pinion type)
                  • Fig3-6 Hand mechanism for three point pinch type
                  • Fig3-7 Movement of object
                  • Fig3-8 Contacts of the kind and the confining
                  • Fig3-9 Human Arm structure
                  • Fig4-1 Configuration of the fingers on robot gripper
                  • Fig4-2 Change the value of the angle of phage torque
                  • Fig4-3 Motor Selection Algorithm
                  • Fig4-4 Arbitrary Shape of Planar Area
                  • Fig4-5 Parallel-Axis Theorem
                  • Fig4-6 Arbitrary Shape of Polar Area
                  • Fig4-7 Example of Velocity Guidance
                  • Fig4-8 Parallel-link Grasp system 1
                  • Fig4-9 Parallel-link Grasp system 2
                  • Fig4-10 TWO Fingertip Grasp system
                  • Fig4-11 Four Fingertip Grasp System
                  • Fig4-12 Four Fingertip Grasp System layout
                  • Fig4-13 Fingertip Grasp Mechanism
                  • Fig4-14 Fingertip Grasp extended
                  • Fig4-15 Power Transmission Device

- 24 -

32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류

산업용 로봇은 그 기능 특성상 필요성에 의해 로봇의 말단부에 그리퍼를 부

착시킨다 이것은 인간의 손에 응되는 것으로서 메커니컬 핸드라고 칭하며 다

루는 상 물체를rdquo파지rdquo해 이동하는 목적으로 사용되는 도구이다

파지동작은 Fig 3-2 와 같이 세분화된다 인간의 손 손가락에는 많은 관절이

있으며 여러가지 작업이 가능하다 일상 생활에서의 붙잡기는 형식을 분류한 것

으로는 슐레징거의 12 형식이 있다 여기서 인간의 손에는 손가락이 있어서 그

것을 유지핸드라고 이름 붙이면 메커니컬 핸드에는 손가락이 없는 구성법이 있

는데 이것을 무지 핸드라고 이름 붙이기로 한다 이 무지 핸드는 기계적 물리적

으로 구조상 무지핸드로 한 것과 공구가 메커니컬 핸드와 일체화됐다고 생각하

는 공구 핸드가 있다 메커니컬 핸드를 분류해 보면 다음과 같다 진공이나 자

기 이용의 흡착 등 물리적 흡척형의 유지는 보통 평면(완만한 곡선도 포함)부를

흡착하는 형태로서 물체의 크기나 중량에 따라 여러 개가 설치되는 경우도 있

다 그러나 물체표면에 만곡부가 있는 경우나 구멍이나 공동이 있는 경우에는

적용할 수 없게 된다 또한 자력을 이용한 경우 철금속 재료를 다루게 되는데

경우에 따라서 매우 효율적이고 신뢰성이 높기는 하지만 물체에 잔류 자력이

남게 되는 문제점이 있다 받기형의 유지는 지지의 동작만을 가지고 있는 형태

이며 이는 전기한 흡착형 보다 적극적이 아니여서 약한 구속을 갖는다 변형하

기 쉬운 물체의 이송등에는 이를 채택한다 매달기형 유지는 중력 방향의 이동

1 자유도를 구속한다 잡기형 파지는 유연성에 의한 변형으로 접촉면적을 크게

하여 집는

상물을 외측

이용하는 등

33 파지형

파지 형

다 본 연구

하여 설명

(1) 두 손

형태이다 현

측에서 파지하

등의 파지방법

형태에 의한

형태로서는

구에서 사용할

명 하겠다

손가락 type

현재 많이 사

하거나 구멍

법이다

한 그리퍼의

상을 바깥에

할 메커니즘은

e

Fig 3-2 Cla

- 25 -

사용하고 있는

속에 손가락

의 분류

에서 파지하

은 바깥에서

assified by the

는 끼우기형

락을 넣은 후

는 것과 안에

파지하는 형

gripper grip ac

파지 형태는

후 벌려서 내

에서 파지하

형태가 유리하

ction

는 핸들링

내측사용면을

는 것이 있

하므로 이에

두 개의

상태를 유지

는 스윙형

안정되게 파

의 리지트한

지해서 개폐

핸드(swingin

파지하는 점에

손가락을 갖

되는 병진형

ng gripper)로

에서 병진형

(a) grinder c

(c

Fig 3-3 Sw

- 26 -

갖춘 것으로

핸드(transla

로 분류된다

보다 떨어진

crank

c) rotation joi

wing-type hand

실용례가 많

ational grippe

스윙형은 기

진다

(b) swing

int

d mechanism

많다 손가락이

er)와 그 방향

기구가 간단하

g block

이 상호평행

향이 변화하

하나 상이

병진형에

4 은 평행링

운동을 바꾸

에 회전시킴

로 유지되기

지된다 직

시키도록 한

가 전middot후진

피니온 방식

F

에서는 평행링

링크 방식의

꾸고 그 피니

킴으로써 손가

기 때문에 손

동형 신에

한 것도 있다

진하는 결점이

식이 채용된다

Fig 3-4 Hand

링크 랙middot피니

예로 직동형

니온 운동으로

가락 개폐를

손가락의 물체

에 회전형 액

다 평행링크를

이 있다 이문

다

mechanism fo

- 27 -

니온 나사이송

형 액추에이

로 평행링크의

얻는다 링크

체 파지면의

추에이터를

를 이용한 형

문제를 해결하

or translational

송 기구 등이

터의 운동을

의 하나의 링

크 PS 와 링

자세도 개폐

이용한 형식

형식은 개폐에

하는 방법으로

type1 (paralle

이 이용되고

랙과 피니온

링크 A 를 축

크 QR 은 항

폐 동작 중 일

식에서 평행링

에 의해서 손

로서 볼나사

el displacement

있다 Fig 3-

온으로 회전

축 P 의 주위

항상 평행으

일정하게 유

링크를 회전

손가락 위치

기구나 랙middot

nt)

Fig 3

는 핸드의

볼나사 기구

다

(2) 세 손

세 손가

가락으로 잡

F

-5 는 회전형

예이다볼나

구 각각을 손

손가락 type

가락을 가진 핸

잡는 것보다

Fig 3-5 Hand

형 액추에터로

나사 기구를 이

손가락에 부착

e

핸드에서는

안정된 파지

d mechanism fo

- 28 -

로 랙 피니온

이용하는 경

착 사라를 회

상을 3 점

지 동작을 할

or translational

온을 회전시킴

우에는 1

회전시킴으로

점에서 유지할

할 수 있다

l type2 (rack a

킴으로써 개폐

의 왼나사

써 개폐 동작

할수 있기 때

nd pinion type

폐동작을 하

오른나사의

작을 실현한

문에 두 손

e)

Fig 3-6

베벨기어를

구동해서 세

실현한 것

각 손가락을

복잡하며 중

6 은 세 손가

를 매개로 상

세 손가락을

이다 특히

을 개별 모터

중량도 증가하

Fig

락형 그리퍼

호 각도를 주

동작시킴으로

원통물체를

터로 구동하도

하기 때문에

3-6 Hand mec

- 29 -

의 일반적인

주어 결합한

로써 이른바

확실히 잡아

도록 한 3 지

실용례가 적

chanism for thr

인 형상을 나타

3 개의 볼

바 3 포인트 핀

아서 유지하

지형핸드도 개

적다

ree point pinch

타내고 있다

나사를 하나

핀치(three po

는데 유리하

개발되고 있으

h type

이 핸드는

나의 모터로

oint pinch)를

하다그 외에

으나기구가

34 메카니

(1) 구속

기계적

어서 형성되

전 구속 기

해서 언급하

으로 움직일

또 X Y 평

니컬 핸드의

속기능

구동장치에

되는 것으로

기능이 있다

하면 구속 상

일 수 있다

평면 X Y 면

의 구속기능

서 구속 형식

크게 나누어

그래서 핸드

상태의 물체는

이것을 물체

X Z 면상에

Fig 3-

- 30 -

능

식과 접촉 상

어서 반구속

드의 구속 기

는 Fig 3-7 와

체의 공전 (이

서 6 방향으

-7 Movement

상태와 포락

속 (받는 구속

기능을 결정하

와 같이 X Y

이동)에 관한

로 회전 한다

t of object

능력의 인자

속 는 구속

하는 물체의

Z 의 3 축상

6 동작 자유

다 이것을 물

자가 복합되

속)기능과 완

구속에

에서 6 방향

유도로 한다

물체의 자전

(회전)에 관

부여한 상태

행할 수 있

서는 회전의

핸드에

한 공간적

면 Fig 3-8

이 그림

를 구속한다

에서 7 자유

선접촉과 면

계수와 절선

(a

관한 6 동작

태에서 움직이

있다 또 완전

의 6 자유도를

의한 물체의

적인 포락 상

와 같이 된

(a)의 점접촉

다 그러나 1

유도를 구속

면접촉에는 각

선력법선력

a) point contac

Fig3

자유도로 한

이며 중력이

전 구속은 핸

를 무시하는

의 구속은 핸

상태로 정한다

다

촉은 접촉점

1 점접촉은 다

한다 (c)의

각각 마찰에

비와의 관계

ct (b

3-8 Contacts

- 31 -

한다 반구속은

이나 환경면의

드 자체로 1

경우도 적지

핸드와 물체의

다 먼저 접촉

방향의 1 자

다른 11 자유

면접촉은 11

위한 구속이

계로 구속불능

) line contact

of the kind an

은 12 자유도

의 구속을 받

12 자유도를

지 않다

의 접촉 상태

촉부의 구속

자유도를 구속

도를 구속할

1 자유도의 구

이 4 개와 6 개

능의 가능성을

nd the confini

도 중 몇 개의

아서 완전 구

행하는데 경

태 및 접촉부

능력을 모델

속한다 그러나

할 수 없다 (b

구속을 할 수

개 주어져 있

을 가진 구속

(c) surface co

ing

의 자유도를

구속으로 이

경우에 따라

부의 물체에

델로 나타내

나 1 자유도

b)는 선접촉

수 있다 단

있으며 마찰

속 성분이기

ontact

- 32 -

도 하다 또한 면접촉의 상태는 중력의 작용을 이용하면 받기를 형성하고 또

외계력을 이용하면 기를 형성한다

이들의 접촉상태는 물체의 형상과 핸드의 구속면으로 규정되는 것으로 핸드

만으로 결정하기는 어렵다 단 핸드의 구속면을 부드러운 재질로 형성하면 면

접촉의 이행이 용이하다 이와 같은 이유에서 물체에 접촉부가 포락도를 높이는

데에 따라서 물체 형상에 관계 없이 구속 능력을 증 시킬 수 있다

(2) 메커니컬 핸드의 자유도

로봇의 손은 그 용도를 불문하고 인간의 손 작업의 행을 목적으로 하는

것이므로 그 설계에 있어서 모델로 되는 것은 말할 것 도 없이 인간의 손이다

그래서 우선 기구에 하여 설명하기 전에 인간의 손의 구조 모델에 하여 설

명해 본다

AmiddotMorecki 에 의하면 인간의 상체는 그 해부학적 구조에 입각하면 Fig 3-9 와

같이 모델화할 수 있다 Fig 3-9 에서 숫자는 각각 골격 즉 링크를 나타내고 숫

자 II~ V 는 관절을 나타내고 있다 이와 같은 공간링크 기구의 자유도 F 는 가

동부수 n 자유도의 종류 f 를 가진 우 수를 Pf 라 하면 다음 식으로 나타낼

수 있다

6n sum ∙ P 12345 (3-1)

Fig 3-9

들 자유도가

을 Fig 3-9

P5=10 이므

인간의

유도 1 의

해 있으며

의 모델에서

가 있는 관절

9 와 같이 정

므로 위 식에

상지를 인공

액튜에이터를

22 개나 되

Fig 3

서는 n=19 P2

절에 작용하는

정의하고 그

서 FH=22 가

공적으로 정밀

를 27 필요

는 액튜에이

- 33 -

3-9 Human Ar

2=1 P3=2 P4

는 근군은 약

자유도 FH

가 된다

밀하게 재현하

요로 하게 된

터를 필요로

rm structure

4=6 P5=11 이

약 50 이라고

를 구하면

하려고 한다면

된다 또 손에

로 한다 그러

이므로 F=27

고 되어 있다

이 경우는 n

면 이상의 결

는 특히 자유

나 로봇의 손

이 된다 이

여기서 손

n=16 P4=6

결론에서 자

유도가 집중

손이 이만큼

- 34 -

의 수의 액튜에이터를 갖춘 것을 제작한다는 것은 크기 중량 제어면에서 볼

때 현시점에서는 불가능에 가깝다 특히 의수에 있어서는 상술한 바와 같은 형

상이나 조종성 등의 점에서 전혀 불가능하다고 해도 좋다 따라서 보통은 기능

에 주목하여 손에 집중해 있는 자유도의 간략화를 도모한다

인간의 잡기 동작에 주목해 보면 그 잡기 형상에는 12 종류가 있다고 하다

그러나 이것들은 엄지와 다른 12 종류가 있다고 한다 그러나 이것들은 엄지와

다른 4 손가락과의 관계에 주목하였을 때에 2 종류 즉 엄지가 다른 4 손가락과

항해서 동작하거나 그 측방에서 동작하는가로 분류할 수 있다 실제의 일상

동작에서 관찰하면 이들 중에서도 엄지와 손가락이 항해서 동작하는 소위 쥠

동작이 우선 첫 번째이고 또 다음에 엄지 검지 중지의 3 손가락의 선단으로

이루어지는 3Point Pinch 즉 잡기동작이 중요하다

더불어 손가락의 독립성에 해서는 역시 일상동작 중에서 손가락의 사용

빈도를 조사한 결과에 의하면 다섯 손가락은 반드시 독립적인 운동을 필요로

하지 않고 엄지 검지 중지가 같은 정도의 중요성을 자기며 다른 두 손가락은

사용 빈도에 있어서 이들 세 손가락보다 약 50 적으며 다른 세 손가락의 보

조 역할을 한다고 볼 수 있다 그리고 특히 중요한 것은 인간의 각 손가락은 잡

기 상물의 형상에 적응한 쥐기 즉 Passive 한 동작을 할 수 있다는 것이다 이

기능이 있다면 각 손가락이 독립적으로 동작하지 않더라도 또 다소 손의 자유

도를 제거하더라도 상물의 확실한 쥐기나 잡기 그리고 기타 손 작업에 큰 힘

을 발휘한다

- 35 -

34 표적인 동력원의 특징

동력원을 설계할 때 다음의 점을 고려하면서 가장 적합한 방식을 선택한다

1조작력(로보트가 내는 최 의 힘 예를들면 최 들어올린 힘)

2속응성(최 조작 속도)

3크기 중량(로보트의 크기와 중량의 제한)

4안정성(발열이나 과부하에 한 안전성)

5사용의 용이도

6수명가격

1 2 의 조작력 속응력은 로보트에 요구되는 성능에서 가장 기본적인 것인

데 이에 관련해서 크기나 중량의 제한 안정성 사용의 용이도 수명 가격 등을

고려해서 동력원을 선택한다 단 자주형 로보트에서는 2 차적 성능인 동력원의

중량이 첫째 요구 조건이 되는 경우가 많고 공업용 로보트에서는 저가격 사용

의 용이도 안전성이 중요 사항으로 우선시된다

모든 로봇은 동력원을 필요로한다 중요도에 따라 동력원을 선택해야 하는데

일반적으로 공기압식은 안전성이 뛰어난 반면 힘과 세밀한 위치제어가 어렵고

전기식은 응답성과 사용편리성 세밀한 위치제어가 가능하나 높은 힘을 내기 위

해서는 부가적인 기구부가 필요하다 유압식은 큰힘을 낼수있어서 속응성은 좋

으나 과부하시 상당한 발열이 있기 때문에 안전성에서 다른 동력원에 비해 떨

어진다 위 사항을 TABLE 3-1 로 분류하여 나타내었다

- 36 -

TABLE 3-1 Characteristics of power sources

전기식 유압식 공압식

사용용이성 편리하다 작동유의관리 관로의압력

필터관리에 유의

공급공기의 수분제거

윤활성의부가에 주의

수명 길다 기름에 윤활성이 있기

때문에 길다

공기에윤활성이 없어

유압 전기에 비해 짧다

가격 보통 가격 운영비 높음 저가격

응답속도

(반응성) 매우 빠르다 빠르다 늦다

하중능력 (소)에서 (중)정도의

하중능력 단히 큰 힘을 얻음 큰 힘은 없다

소음 적다 다소 크다 크다

- 37 -

제 4 장 능동형 그리퍼 설계

41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정

로봇 그리퍼의 정밀 파지 (Fingertip Grasp 손가락 끝을 이용하여 물체를 집

거나 바닥에누워있는 납작한 물체를 집는 행동)를 안정하게 하기 위해서는 손가

락 끝과 물체가 직각에 가까운 각도를 이룸으로 마찰력을 크게 하여 안정성을

높인다 또한 바닥에 놓인 물체를 집어 올릴 경우에도 물체표면의 법선 벡터와

손가락 끝의 각도가 클수록 물체를 효과적으로 구속하여 안정된 파지를 할 수

있다

그리퍼의 링크 시스템에 있어서 2 링크 손가락보다 3 링크 손가락을 쓸 때가

링크와 수평 평면이 이루는 각 (A)이 더 커지기 때문에 안정성이 더 좋다는 것

을 알 수 있다 그리고 안정성뿐만 아니라 식 (4-1)을 통하여 문체에 전해지는

Torque 값을 Fig 4-2 와 같이 그래프로 나타내면 0 도에서 75 도 정도까지는 A 각

이 커질수록 물체에 가해지는 토크 값이 점점 커지는 것을 알 수 있음으로 3 링

크 손가락을 쓰는 것이 파지력 증가됨을 알수 있다 ℓ3 의 길이가 길어질수록 A

가 작은 값을 가져서 정밀파지에 적당하지 않다

τ l cosA sinA l 1 cos A tan μ (41)

A cosempty

(42)

Fig 4-1

은 식을 통

각이 커짐을

움이 있고

Fig4-

에서 제 2 코

통해 구할 수

을 알 수 있다

최소 단위를

Fig4

-1 Configurati

코사인 법칙

있는데 이로

다 그러나 ℓ

를 1cm 로 하

-2 Change the

- 38 -

ion of the fing

을 이용하여

로부터 링크

ℓ3 가 1cm 인

하였기 때문에

e value of the a

gers on robot g

여 A 의 각을

길이 ℓ3 가

인 경우는 너

에 ℓ3 는 2cm

angle of phage

gripper

구하기 위해

작으면 작을

무 짧아서 파

로 결정하였

torque

해 (2) 와 같

을수록 A 의

파지의 어려

였다

42 모터

(1) 알고

앞 절에

여야 한다

는 모터의

이 작은 모

나 용량이

로 적절한

선정 알고

고리즘 정의

에서 설명한 기

로봇 팔에

선정은 동작

모터를 사용하

큰 모터를 사

모터의 선정

고리즘

기구들을 추

움직임을 전

작을 구현하는

하게 되면 기

사용하게 되

정이 중요하다

Fig 4-3 M

- 39 -

추후 로봇 시스

전달함에 있어

는데 중요한

기구의 원활한

면 모터의 외

다

Motor Selectio

스템에 적용을

어서 동력을

과제가 되겠

한 작동이 어

외형이 커지

on Algorithm

을 고려하여

공급과 제어

겠다 만일 토

려워지고 단

고 가격 또한

설계를 하

어를 수행하

토크나 용량

단순히 토크

한 증가하므

- 40 -

(2) 알고리즘 수행

모터를 선정하기 위해서 가장 우선적으로 해야 할 일은 기계구동부분을 결

정하고 구동부분을 어떠한 방식으로 작동을 시킬지 동작 패턴을 결정하여야 한

다 예를 들면 모터에서 나오는 힘을 받아서 볼 스크류를 이용하여 힘을 전달할

것인지 벨트 피니언 기어 혹은 풀리 등을 이용할 것인지를 결정하고 그에 따

른 적절한 구동방식을 결정한다 구동방식을 결정하게 되면 각각의 구동방식에

적합한 수식을 대입하여 부하토크를 계산한다 구동방식에 따른 부하토크를 구

하는 수식은 구동방식이나 구동장소 등에 따라 다소 상이하나 일반적인 수식은

다음과 같다

-BALL SCREW 구동

T FP2πn

μ F P2π

1i N ∙ m 43

F F mg sin α μ cos α N 44

-PULLEY 구동

T ∙ 45

μF D

2i N ∙ m

- 41 -

-WIRE middot BELT 구동 RACK middot PINION 구동

T F2πn

∙ πDi

FD2ni

N ∙ m 46

F F mg sin α μ cos s N 47

-실측에 의한 방법

T 48

직선운동 (커플링 직결 볼스크류 등)의 경우 위의 (43) (44) 이용하여 구할

수 있다 이때 F 는 축방향하중 F0 는 예압하중 μ0는 예압 NUT 의 마찰계수 η 은

효율i 는 감속비 PB 는볼스크류 피치를 나타낸다 회전운동 (풀리)의 경우 식

(45)를 이용하여 구할 수 있으며 FA는 외력 FB는 부하중량 (주축이 회전하기 시

작할 때의 힘) m 은 work 와 TABLE 의 총무계 μ 접동면의 마찰계수α는 경사각

도D 는 풀리의 지름을 나타낸다

실제현장에서는 선정된 모터의 토크를 확인하기 위해 실측에 의한 구동토크

를 계측하는데 스프링 저울을 구동 풀리에 연결지어 측정한다 이때 TL 은 회전

운동 부하토크에 해당하고 FB 는 부하중량 D 는 풀리의 직경을 나타낸다

위의 부하토크를 구하는 식들을 이용하여 부하토크를 구하게 되면 실제 모

터를 사용할 때 어느 정도의 시간적 여유를 두고 가속을 할 것인지 감속을 할

것인지를 결정하여야 한다 이를 위해서 우선 동작시킬 부분에 대한 관성모멘트

를 계산하

Fig 4-4

시한 것으로

dA 와 기준

이를 표현하

하여야 한다

4 는 관성모멘

로 X 와 Y

준축으로 부터

하면 식 (49)

Fig 4-4 Arb

I

멘트를 구하기

는 면적의 미

터의 거리의

)와 같다

- 42 -

bitrary shape o

y dA I

기 위한 절대

미소 요소 dA

제곱의 곱으

of planar area

x dA

대좌표 X Y

A 의 좌표이

으로 단면 2

축 상의 미소

이고 관성모멘

차 모멘트라

49

소면적을 도

멘트는 요소

라고도 한다

평면 면

가 있다 평

축에 대한

Fig 4-5

하는 평행한

관성모멘

식 (410

번째 적분은

면적의 관성

평행축 정리란

관성 모멘트

5 과 같이 도

한 xy 축 두

멘트의 정의로

I y

0) 에서 우변

은 Xc 축에

Fig 4-5

모멘트에 있

란 도심축에

트 사이의 관

도심을 원점으

좌표계의 평

로부터 x 축

y d dA

변의 첫 번째

대한 1 차 모

- 43 -

5 Parallel-axis

있어서 중요하

대한 관성

계를 나타낸

으로 하는 Xc

평행한 축 간

축에 대한 관

y dA

적분은 Xc

모멘트로서 X

theorem

하고 유용한

모멘트와 도

낸다

cYc 축과 임의

간의 거리를 d

성모멘트 Ix

2d y dA

축에 대한 관

Xc 축이 도심

정리로서 평

도심축에 평행

의의 점 O 를

d1 과 d2 로 표

는 식(410)와

d dA

관성모멘트

심을 통과하므

평행축 정리

행한 임의의

를 원점으로

표시한다

와 같다

410

I 이다 두

므로 적분의

- 44 -

값은 0 이다 세번째 적분은 면적 A 그 자체이다 따라서 식 (410)은 식 (411)과

같이 간단해진다

I I Ad 411

y 축에 대한 관성모멘트도 위와 같은 방법에 의해 식(412)과 같다

I I Ad 412

또한 면적의 평면에 수직인 수직축에 대한 관성모멘트를 극관성모멘트라 한

다 Fig 4-6 는 평면에 수직이고 O 점을 통과하는 축에 대한 극관성모멘트를 나

타낸 그림으로 이를 관성모멘트 식으로 표현하면 식 (413) 와 같다

I ρ dA 413

식 (413)와

즉 평면에

서로 수직인

극 관성

와 도심 C

와 식 (414)에

I

수직인 축에

인 두 축에 대

성모멘트에 대

에 대한 극

Fig 4-6 Arb

의해 식 (4

ρ dA

I

에 대한 극관

대한 관성모

대한 평행축

극 관성모멘트

- 45 -

bitrary shape o

ρ x y

415) 식 (41

x y dA

I I I

관성모멘트는

멘트의 합과

정리는 Fig

트를 각각 I

of Polar Area

y

16)과 같은 관

x dA y

는 평면 내의

과 같다

4-5 에서 유

와 I 로

관계식을 얻을

y dA

같은 지점을

유도할 수 있

로 표시하면

414

을 수 있다

415

416

을 통과하는

있다 원점 O

식 (416)에

- 46 -

서 식(417)을 유도할 수 있다

I I I I I I 417

I I I I A d d 418

I I Ad 419

식 (419)는 극 관성모멘트에 대한 평행축 정리를 나타낸다 즉 평면 내의 임의

의 한 점 O 에 대한 면적의 극관성모멘트는 도심 C 에 대한 극관성모멘트에 그

면적과 점 O 와 C 사이의 거리의 제곱의 곱을 더한 것과 같다

이상의 식에서 부하토크와 관성모멘트를 계산하여 모터를 가 선정한다 부하토

크의 경우 사용될 모터의 정격 토크를 넘어서지 않는 것을 선정한다 부하토크

를 TL 정상 부하 상태의 힘 PL 극 관성모멘트 IL 회전운동을 위한 힘 Pa 각속

도 가속 시 소요되는 시간을 ta 라 하고 식 (420)을 이용하여 부하가 일정하

게 작용할 때의 힘을 계산한다 마찬가지로 관성모멘트를 식 (421)에 대입하여

가속을 위한 회전 운동 시 필요한 힘을 계산한다 식 (420)과 식 (421)에서 계

산된 힘을 합산하면 모터를 회전시키기 위해 필요한 출력이 계산된다 이때 계

산된 출력보다 실제 사용할 모터의 정격 출력이 1~2 배 정도가 되도록 모터를

가 선정한다

- 47 -

P T ω 420

P 421

위의 과정을 통하여 모터를 가선정하고 가감속 토크 및 구동 토크를 계산한

다 각각의 토크를 계산하게 되면 모터를 최종적으로 선정하게 되는데 두 가지

사항을 고려하여 최종 선정한다 먼저 식 (422)을 통해서 계산되는 가속 시 소

요되는 기동 토크 TM 가 모터의 최대 토크를 넘지 않는 것으로 선정한다

T 422

두 번째로 Fig 4-7 의 속도 선도와 같이 모터의 가 감속 시간과 정상 동작

시간 등을 결정하여 식 (423)과 같이 실효치 토크 TS 를 구하고 실효 토크가 모

터의 정격 토크보다 크지 않도록 선정한다

T 423

Fig 4-7 Exa

- 48 -

ample of veloc

city guidance

- 49 -

(3) 알고리즘 적용

로봇시스템에 있어서 기구들의 관성모멘트와 토크 계산 후 적합한 모터를

선정하기 위해 시중에서 시판되는 모터를 조사하였다 로봇에 적용 가능한 모터

로는 크게 서버모터와 스텝모터 RC 서버모터 DC 모터로 구분 할 수 있었다 이

를 TABLE 4-1 과 같이 정리하였다

동력원의 6 가지 선정요소 중 우선순위를 부여하여 분류했을 때 핸드 그리퍼

의 특성상 가볍고 토크가 큰 RC 서버 모터 미니 서버모터를 선택할 수 도 있지

만 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터 중 토크를 증가시킬 수 있는

감속기가 있는 타입의 모터를 우선시 하였다

1 감속비를 사양할 수 있는 모터를 선정하여 계산한 토크를 확인한다

2 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터를 선정한다

3 CLOSED LOOP 제어를 통하여 정확한 위치를 검출할 수 있어야 한다

따라서 스텝모터중 lsquoOrsquo사의 ldquoαSTEPrdquo가 적합하다고 판단되어 모터를 선정하였다

- 50 -

TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics

미니서버모터 RC 서버모터 스텝모터 DC 모터

장점 동일사양대비 모터

중 10배정도 큰 토크

5v사용가벼움

정확한 위치제어

급격한 부하변동급가

속 유리

저렴한가격

보편화됨

단점 정지시 진동이 예상 약한 토크 THRUST하중이 모터

무계 이하여야 한다

유지보수가 잦다

크기 151588mm(10w20w)

2525111mm(30w)

392038mm 424234mm Oslash37mm917mm

동작전압 Dc 24V Dc 48V60V Dc 24V Dc 24V

무계 230g~400g 56g 150g 200g

허용토크 009Nm~03Nm 11~13kgfcm 18kgfcm (018Nm) 47kgfcm(1200)

감속기 다양한 감속비 가능 고정 감속기 감속기 무(072˚036) 다양한 감속비

제조사 야스카와 SGMM 하이텍 HS-5945 AUTONICS GCM 3429A

TABLE 4-2 αstep motor characteristics

외형 전압 전류 무계 토크 감속비 분해능

αSTEP 282884mm

4242127mm Dc24V 1~37A 250G 2~28 Nmiddotm 50~1001

00072pluse

00036pluse

- 51 -

43 1 차 능동형 그리퍼 설계

실린더를 사용하여 링크로 물체를 파지하던 그리퍼는 Fig 4-8 과 Fig 4-9 에

묘사하였다 이런 실린더를 사용한 그리퍼는 공압 효과를 도출할 수 있는 별도

의 펌프가 필요하고 동작을 구현할 수 있는 자유도를 증가시키는데 한계가 있

다 이런 실린더의 단점을 보완하고 전기모터의 장점을 사용하기 위해 웜기어와

웜휠 방식을 채택하여 2 자유도 능동형 그리퍼를 설계하였다

1 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-10 에 묘사하였으며 1 차설계한

능동형 그리퍼는 Two Fingertip Grasp 로 칭하겠다 파지한 물체를 회전 시키는

기능은 베벨기어를 사용하여 회전운동으로 구현하였고 실린더의 전middot후진 운동

을 전기모터의 회전운동으로 변환 시키기 위하여 웜기어와 웜휨을 선택하였다

전기모터에 의해 회전하는 운동은 웜기어와 웜휠에 의해 링크를 사용하여 물체

를 파지하였던 그리퍼와 동일한 운동효과를 가지게 되었다

웜기어와 웜휠을 사용하여 물체를 파지하는 능동형 그리퍼는 스윙형으로 설

계되었으며 파지력을 높이기 위한 각도를 적용하였다 링크를 사용하여 물체를

파지하는 형태의 그리퍼보다 기구의 크기를 줄일 수 있는 장점이 있는 반면 기

어들의 백래시에 의한 오차가 끝단에 누적될 수 있는 문제점을 가지고 있다또

한 기구부의 소재 변경으로 그리퍼의 무계를 줄일 수 도 있지만 가장 큰 무계

를 차지하는 모터를 그리퍼 자체에서 분리하게 할 수 있게 하려면 그리퍼 자체

의 구조변경이 필요하다

`

`

Fig 4-8 Par

Fig 4-9 Par

- 52 -

rallel-link gra

rallel-link gra

sps system 1

sps system 2

Fig 4-10

- 53 -

0 Two fingertipps grasp system

- 54 -

44 2 차 능동형 그리퍼 설계

1 차 설계한 능동형 그리퍼에서 발견된 문제점을 보안하기 위하여 2 차 능동

형 그리퍼를 설계하였다 2 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-11 에 묘사

하였으며 2 차설계한 능동형 그리퍼는 Four Fingertip Grasp 로 칭하겠다 이 장치

는 크게 동력원 동력 전달장치 핑거 그립장치로 구성되어있으며 이를 통합하

여 Fig 4-12 에 나타내었다

핑거 그립장치는 스윙형 그립의 단점을 보완하여 설계하였다 물체를 파지할

때 그립의 회전 반경이 주위 환경요소와 간섭을 발생시킬 수 있는데핑거가 전

진할때 샤프트와 핑거그립간의 나사결합형태를 통한 직선운동으로 개선하여 주

위환경요소에 영향을 주지 않도록 설계하였다 구동축의 핑거파지 메카니즘을

Fig 4-13 와 같이 간략화 하였고 이에 대한 세부 도면은 Fig 4-14 로 나타내었다

4 조 핑거 그립의 나사산과 테이퍼진 스크류축은 나사식으로 결합되며 상호

작용에 의해 점차 중심점으로 이동하여 물체를 파지하는 형태이다 사용된 2 개

의 샤프트는 중공축으로 설계하였으며 외부 샤프트는 4 조 핑거가 물체를 파지

하여 비트는 모션을 구현하는데 사용되었다 내부 샤프트는 핑거를 중심점으로

전진시켜는 기능을 수행한다 중공축으로 설계한 내부 샤프트는 차후 개발될 인

스트리먼트의 탈부착을 손쉽게 할수있도록 구현하였고 4 조로 설계된 핑거는 그

립시 인스트리먼트의 응력집중현상을 분산시키는 기능과 2 조로 그립하였을때

보다 안정적인 그립감을 형성한다

- 55 -

동력원과 동력전달장치는 Fig 4-15 에 나타내었으며 Two Fingertip Grasp system

의 문제점이었던 구동부의 모터의 설치 방법을 외부에 부착하는 형태로 변경하

여 우레탄 밸트를 사용하였다 또한 아이들러를 사용하여 밸트의 방향을 변경

하여 모터의 부착위치를 자유롭게 설정할 수 있도록 하였고 모터 브라켓에 슬

리브 홈을 설치하여 벨트의 장력을 조절할 수 있도록 하였다

Fig4-11

Fig4-12 Fou

- 56 -

Four fingertip

ur fingertips g

ps grasp system

grasp system la

m

ayout

Fig 4-13

Fig 4-14

- 57 -

Fingertip gra

4 Fingertip gr

asps mechanis

rasps extended

m

d

Fig 4-15

- 58 -

5 Power transmission devicce

- 59 -

제 5장 결 론

본 연구에서는 MIS 수술 로봇을 위한 햅틱 마스터장치 구동용 능동형 그리

퍼를 설계하기 위하여 그에 상응하는 자료 및 문헌 조사를 수행하였고 햅틱 마

스터에 적용 가능한 능동형 그리퍼를 설계하여 로봇 시스템의 초안을 구성하였

다 수술용 도구를 단순히 잡아주는 역할에서 벗어나 시스템에 추가적인 자유도

를 부여함으로써 그리퍼를 표현하였다 단순화된 그리퍼는 보다 저렴한 가격으

로 생산될 수 있으며 기존 로봇 수술시스템의 높은 비용을 절감할 수 있는 효

과를 가져올 수 있다

최종적으로 제안한 설계 안으로는 2 조 핑거그립를 사용하는 전기모터형 그

리퍼 와 추가적으로 개선한 4 조 전기모터형 핑거그립를 설계였다 스윙형 그립

의 단점을 보안하여 집중응력을 분산할 수 있는 구조로 설계하였고 그리퍼의

무계를 줄일 수 있는 방법을 제시하였다 이로써 원통형 도구 파지 시 안정성이

향상되었고 보다 원활하게 수술 도구를 교체 가능하도록 하였다

앞으로 촉감을 전달할 수 있는 센서의 개발로 햅틱 디바이스 인터페이스 장

치의 활용에 보다 높은 기여를 할 것이라 예상된다

-６０-

참고 문헌

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PP74~77200612

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[5] 권동수경기욱 ldquo의료용 로봇의 연구 현황과 전망rdquo기계저널

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한국정밀공학회 2009년 추계학술대회 논문집

-６１-

[9] 이재훈김형욱이병주서일홍 ldquo새로운 6자유도 병렬형 햅틱 기구의 최적설

계 및 해석rdquo한국정밀공학회 2003년 추계학술대회 논문집

[10] 조국훈이재훈이병주김희국 ldquo병렬형 그리퍼 메카니즘rdquo한국정밀공학회지

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• 제1장 서 론
• • 11 연구배경 및 연구목적
  • 12 연구내용
  • • 제2장 로봇 산업의 기술 현황
    • • 21 로봇산업의 동향
      • 22 의료용 로봇기술 현황
      • 23 의료용 로봇시장 전망
      • • 제3장 능동 그리퍼
        • • 31 최소침습 수술 햅틱 장치구현에 필요한 능동 그리퍼 제안
          • 32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류
          • 33 파지형태에 의한 그리퍼의 분류
          • 34 메카니컬 핸드의 구속기능
          • 35 대표적인 동력원의 특징
          • • 제4장 능동형 그리퍼 설계
            • • 41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정
              • 42 모터 선정 알고리즘
              • • 43 1 차 능동형 그리퍼 설계
                • 44 2 차 능동형 그리퍼 설계
                • • 제 5 장 결론
                  • 참고문헌
                  • TABLE 2-1 Domestic robot classification
                  • TABLE 2-2 Robot Production Company
                  • TABLE 3-1 Characteristics of power sources
                  • TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics
                  • TABLE 4-2 αSTEP Motor Characteristics
                  • Fig2-1 Phase of medical robots in the robot industry
                  • Fig2-2 Da Vinci surgical case number
                  • Fig3-1 Da Vinci robot system for MIS
                  • Fig3-2 Classified by the gripper grip action
                  • Fig3-3 Swing-type hand mechanism
                  • Fig3-4 Hand mechanism for translational type1 (parallel displacement)
                  • Fig3-5 Hand mechanism for translational type2 (Rack and pinion type)
                  • Fig3-6 Hand mechanism for three point pinch type
                  • Fig3-7 Movement of object
                  • Fig3-8 Contacts of the kind and the confining
                  • Fig3-9 Human Arm structure
                  • Fig4-1 Configuration of the fingers on robot gripper
                  • Fig4-2 Change the value of the angle of phage torque
                  • Fig4-3 Motor Selection Algorithm
                  • Fig4-4 Arbitrary Shape of Planar Area
                  • Fig4-5 Parallel-Axis Theorem
                  • Fig4-6 Arbitrary Shape of Polar Area
                  • Fig4-7 Example of Velocity Guidance
                  • Fig4-8 Parallel-link Grasp system 1
                  • Fig4-9 Parallel-link Grasp system 2
                  • Fig4-10 TWO Fingertip Grasp system
                  • Fig4-11 Four Fingertip Grasp System
                  • Fig4-12 Four Fingertip Grasp System layout
                  • Fig4-13 Fingertip Grasp Mechanism
                  • Fig4-14 Fingertip Grasp extended
                  • Fig4-15 Power Transmission Device

하여 집는

상물을 외측

이용하는 등

33 파지형

파지 형

다 본 연구

하여 설명

(1) 두 손

형태이다 현

측에서 파지하

등의 파지방법

형태에 의한

형태로서는

구에서 사용할

명 하겠다

손가락 type

현재 많이 사

하거나 구멍

법이다

한 그리퍼의

상을 바깥에

할 메커니즘은

e

Fig 3-2 Cla

- 25 -

사용하고 있는

속에 손가락

의 분류

에서 파지하

은 바깥에서

assified by the

는 끼우기형

락을 넣은 후

는 것과 안에

파지하는 형

gripper grip ac

파지 형태는

후 벌려서 내

에서 파지하

형태가 유리하

ction

는 핸들링

내측사용면을

는 것이 있

하므로 이에

두 개의

상태를 유지

는 스윙형

안정되게 파

의 리지트한

지해서 개폐

핸드(swingin

파지하는 점에

손가락을 갖

되는 병진형

ng gripper)로

에서 병진형

(a) grinder c

(c

Fig 3-3 Sw

- 26 -

갖춘 것으로

핸드(transla

로 분류된다

보다 떨어진

crank

c) rotation joi

wing-type hand

실용례가 많

ational grippe

스윙형은 기

진다

(b) swing

int

d mechanism

많다 손가락이

er)와 그 방향

기구가 간단하

g block

이 상호평행

향이 변화하

하나 상이

병진형에

4 은 평행링

운동을 바꾸

에 회전시킴

로 유지되기

지된다 직

시키도록 한

가 전middot후진

피니온 방식

F

에서는 평행링

링크 방식의

꾸고 그 피니

킴으로써 손가

기 때문에 손

동형 신에

한 것도 있다

진하는 결점이

식이 채용된다

Fig 3-4 Hand

링크 랙middot피니

예로 직동형

니온 운동으로

가락 개폐를

손가락의 물체

에 회전형 액

다 평행링크를

이 있다 이문

다

mechanism fo

- 27 -

니온 나사이송

형 액추에이

로 평행링크의

얻는다 링크

체 파지면의

추에이터를

를 이용한 형

문제를 해결하

or translational

송 기구 등이

터의 운동을

의 하나의 링

크 PS 와 링

자세도 개폐

이용한 형식

형식은 개폐에

하는 방법으로

type1 (paralle

이 이용되고

랙과 피니온

링크 A 를 축

크 QR 은 항

폐 동작 중 일

식에서 평행링

에 의해서 손

로서 볼나사

el displacement

있다 Fig 3-

온으로 회전

축 P 의 주위

항상 평행으

일정하게 유

링크를 회전

손가락 위치

기구나 랙middot

nt)

Fig 3

는 핸드의

볼나사 기구

다

(2) 세 손

세 손가

가락으로 잡

F

-5 는 회전형

예이다볼나

구 각각을 손

손가락 type

가락을 가진 핸

잡는 것보다

Fig 3-5 Hand

형 액추에터로

나사 기구를 이

손가락에 부착

e

핸드에서는

안정된 파지

d mechanism fo

- 28 -

로 랙 피니온

이용하는 경

착 사라를 회

상을 3 점

지 동작을 할

or translational

온을 회전시킴

우에는 1

회전시킴으로

점에서 유지할

할 수 있다

l type2 (rack a

킴으로써 개폐

의 왼나사

써 개폐 동작

할수 있기 때

nd pinion type

폐동작을 하

오른나사의

작을 실현한

문에 두 손

e)

Fig 3-6

베벨기어를

구동해서 세

실현한 것

각 손가락을

복잡하며 중

6 은 세 손가

를 매개로 상

세 손가락을

이다 특히

을 개별 모터

중량도 증가하

Fig

락형 그리퍼

호 각도를 주

동작시킴으로

원통물체를

터로 구동하도

하기 때문에

3-6 Hand mec

- 29 -

의 일반적인

주어 결합한

로써 이른바

확실히 잡아

도록 한 3 지

실용례가 적

chanism for thr

인 형상을 나타

3 개의 볼

바 3 포인트 핀

아서 유지하

지형핸드도 개

적다

ree point pinch

타내고 있다

나사를 하나

핀치(three po

는데 유리하

개발되고 있으

h type

이 핸드는

나의 모터로

oint pinch)를

하다그 외에

으나기구가

34 메카니

(1) 구속

기계적

어서 형성되

전 구속 기

해서 언급하

으로 움직일

또 X Y 평

니컬 핸드의

속기능

구동장치에

되는 것으로

기능이 있다

하면 구속 상

일 수 있다

평면 X Y 면

의 구속기능

서 구속 형식

크게 나누어

그래서 핸드

상태의 물체는

이것을 물체

X Z 면상에

Fig 3-

- 30 -

능

식과 접촉 상

어서 반구속

드의 구속 기

는 Fig 3-7 와

체의 공전 (이

서 6 방향으

-7 Movement

상태와 포락

속 (받는 구속

기능을 결정하

와 같이 X Y

이동)에 관한

로 회전 한다

t of object

능력의 인자

속 는 구속

하는 물체의

Z 의 3 축상

6 동작 자유

다 이것을 물

자가 복합되

속)기능과 완

구속에

에서 6 방향

유도로 한다

물체의 자전

(회전)에 관

부여한 상태

행할 수 있

서는 회전의

핸드에

한 공간적

면 Fig 3-8

이 그림

를 구속한다

에서 7 자유

선접촉과 면

계수와 절선

(a

관한 6 동작

태에서 움직이

있다 또 완전

의 6 자유도를

의한 물체의

적인 포락 상

와 같이 된

(a)의 점접촉

다 그러나 1

유도를 구속

면접촉에는 각

선력법선력

a) point contac

Fig3

자유도로 한

이며 중력이

전 구속은 핸

를 무시하는

의 구속은 핸

상태로 정한다

다

촉은 접촉점

1 점접촉은 다

한다 (c)의

각각 마찰에

비와의 관계

ct (b

3-8 Contacts

- 31 -

한다 반구속은

이나 환경면의

드 자체로 1

경우도 적지

핸드와 물체의

다 먼저 접촉

방향의 1 자

다른 11 자유

면접촉은 11

위한 구속이

계로 구속불능

) line contact

of the kind an

은 12 자유도

의 구속을 받

12 자유도를

지 않다

의 접촉 상태

촉부의 구속

자유도를 구속

도를 구속할

1 자유도의 구

이 4 개와 6 개

능의 가능성을

nd the confini

도 중 몇 개의

아서 완전 구

행하는데 경

태 및 접촉부

능력을 모델

속한다 그러나

할 수 없다 (b

구속을 할 수

개 주어져 있

을 가진 구속

(c) surface co

ing

의 자유도를

구속으로 이

경우에 따라

부의 물체에

델로 나타내

나 1 자유도

b)는 선접촉

수 있다 단

있으며 마찰

속 성분이기

ontact

- 32 -

도 하다 또한 면접촉의 상태는 중력의 작용을 이용하면 받기를 형성하고 또

외계력을 이용하면 기를 형성한다

이들의 접촉상태는 물체의 형상과 핸드의 구속면으로 규정되는 것으로 핸드

만으로 결정하기는 어렵다 단 핸드의 구속면을 부드러운 재질로 형성하면 면

접촉의 이행이 용이하다 이와 같은 이유에서 물체에 접촉부가 포락도를 높이는

데에 따라서 물체 형상에 관계 없이 구속 능력을 증 시킬 수 있다

(2) 메커니컬 핸드의 자유도

로봇의 손은 그 용도를 불문하고 인간의 손 작업의 행을 목적으로 하는

것이므로 그 설계에 있어서 모델로 되는 것은 말할 것 도 없이 인간의 손이다

그래서 우선 기구에 하여 설명하기 전에 인간의 손의 구조 모델에 하여 설

명해 본다

AmiddotMorecki 에 의하면 인간의 상체는 그 해부학적 구조에 입각하면 Fig 3-9 와

같이 모델화할 수 있다 Fig 3-9 에서 숫자는 각각 골격 즉 링크를 나타내고 숫

자 II~ V 는 관절을 나타내고 있다 이와 같은 공간링크 기구의 자유도 F 는 가

동부수 n 자유도의 종류 f 를 가진 우 수를 Pf 라 하면 다음 식으로 나타낼

수 있다

6n sum ∙ P 12345 (3-1)

Fig 3-9

들 자유도가

을 Fig 3-9

P5=10 이므

인간의

유도 1 의

해 있으며

의 모델에서

가 있는 관절

9 와 같이 정

므로 위 식에

상지를 인공

액튜에이터를

22 개나 되

Fig 3

서는 n=19 P2

절에 작용하는

정의하고 그

서 FH=22 가

공적으로 정밀

를 27 필요

는 액튜에이

- 33 -

3-9 Human Ar

2=1 P3=2 P4

는 근군은 약

자유도 FH

가 된다

밀하게 재현하

요로 하게 된

터를 필요로

rm structure

4=6 P5=11 이

약 50 이라고

를 구하면

하려고 한다면

된다 또 손에

로 한다 그러

이므로 F=27

고 되어 있다

이 경우는 n

면 이상의 결

는 특히 자유

나 로봇의 손

이 된다 이

여기서 손

n=16 P4=6

결론에서 자

유도가 집중

손이 이만큼

- 34 -

의 수의 액튜에이터를 갖춘 것을 제작한다는 것은 크기 중량 제어면에서 볼

때 현시점에서는 불가능에 가깝다 특히 의수에 있어서는 상술한 바와 같은 형

상이나 조종성 등의 점에서 전혀 불가능하다고 해도 좋다 따라서 보통은 기능

에 주목하여 손에 집중해 있는 자유도의 간략화를 도모한다

인간의 잡기 동작에 주목해 보면 그 잡기 형상에는 12 종류가 있다고 하다

그러나 이것들은 엄지와 다른 12 종류가 있다고 한다 그러나 이것들은 엄지와

다른 4 손가락과의 관계에 주목하였을 때에 2 종류 즉 엄지가 다른 4 손가락과

항해서 동작하거나 그 측방에서 동작하는가로 분류할 수 있다 실제의 일상

동작에서 관찰하면 이들 중에서도 엄지와 손가락이 항해서 동작하는 소위 쥠

동작이 우선 첫 번째이고 또 다음에 엄지 검지 중지의 3 손가락의 선단으로

이루어지는 3Point Pinch 즉 잡기동작이 중요하다

더불어 손가락의 독립성에 해서는 역시 일상동작 중에서 손가락의 사용

빈도를 조사한 결과에 의하면 다섯 손가락은 반드시 독립적인 운동을 필요로

하지 않고 엄지 검지 중지가 같은 정도의 중요성을 자기며 다른 두 손가락은

사용 빈도에 있어서 이들 세 손가락보다 약 50 적으며 다른 세 손가락의 보

조 역할을 한다고 볼 수 있다 그리고 특히 중요한 것은 인간의 각 손가락은 잡

기 상물의 형상에 적응한 쥐기 즉 Passive 한 동작을 할 수 있다는 것이다 이

기능이 있다면 각 손가락이 독립적으로 동작하지 않더라도 또 다소 손의 자유

도를 제거하더라도 상물의 확실한 쥐기나 잡기 그리고 기타 손 작업에 큰 힘

을 발휘한다

- 35 -

34 표적인 동력원의 특징

동력원을 설계할 때 다음의 점을 고려하면서 가장 적합한 방식을 선택한다

1조작력(로보트가 내는 최 의 힘 예를들면 최 들어올린 힘)

2속응성(최 조작 속도)

3크기 중량(로보트의 크기와 중량의 제한)

4안정성(발열이나 과부하에 한 안전성)

5사용의 용이도

6수명가격

1 2 의 조작력 속응력은 로보트에 요구되는 성능에서 가장 기본적인 것인

데 이에 관련해서 크기나 중량의 제한 안정성 사용의 용이도 수명 가격 등을

고려해서 동력원을 선택한다 단 자주형 로보트에서는 2 차적 성능인 동력원의

중량이 첫째 요구 조건이 되는 경우가 많고 공업용 로보트에서는 저가격 사용

의 용이도 안전성이 중요 사항으로 우선시된다

모든 로봇은 동력원을 필요로한다 중요도에 따라 동력원을 선택해야 하는데

일반적으로 공기압식은 안전성이 뛰어난 반면 힘과 세밀한 위치제어가 어렵고

전기식은 응답성과 사용편리성 세밀한 위치제어가 가능하나 높은 힘을 내기 위

해서는 부가적인 기구부가 필요하다 유압식은 큰힘을 낼수있어서 속응성은 좋

으나 과부하시 상당한 발열이 있기 때문에 안전성에서 다른 동력원에 비해 떨

어진다 위 사항을 TABLE 3-1 로 분류하여 나타내었다

- 36 -

TABLE 3-1 Characteristics of power sources

전기식 유압식 공압식

사용용이성 편리하다 작동유의관리 관로의압력

필터관리에 유의

공급공기의 수분제거

윤활성의부가에 주의

수명 길다 기름에 윤활성이 있기

때문에 길다

공기에윤활성이 없어

유압 전기에 비해 짧다

가격 보통 가격 운영비 높음 저가격

응답속도

(반응성) 매우 빠르다 빠르다 늦다

하중능력 (소)에서 (중)정도의

하중능력 단히 큰 힘을 얻음 큰 힘은 없다

소음 적다 다소 크다 크다

- 37 -

제 4 장 능동형 그리퍼 설계

41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정

로봇 그리퍼의 정밀 파지 (Fingertip Grasp 손가락 끝을 이용하여 물체를 집

거나 바닥에누워있는 납작한 물체를 집는 행동)를 안정하게 하기 위해서는 손가

락 끝과 물체가 직각에 가까운 각도를 이룸으로 마찰력을 크게 하여 안정성을

높인다 또한 바닥에 놓인 물체를 집어 올릴 경우에도 물체표면의 법선 벡터와

손가락 끝의 각도가 클수록 물체를 효과적으로 구속하여 안정된 파지를 할 수

있다

그리퍼의 링크 시스템에 있어서 2 링크 손가락보다 3 링크 손가락을 쓸 때가

링크와 수평 평면이 이루는 각 (A)이 더 커지기 때문에 안정성이 더 좋다는 것

을 알 수 있다 그리고 안정성뿐만 아니라 식 (4-1)을 통하여 문체에 전해지는

Torque 값을 Fig 4-2 와 같이 그래프로 나타내면 0 도에서 75 도 정도까지는 A 각

이 커질수록 물체에 가해지는 토크 값이 점점 커지는 것을 알 수 있음으로 3 링

크 손가락을 쓰는 것이 파지력 증가됨을 알수 있다 ℓ3 의 길이가 길어질수록 A

가 작은 값을 가져서 정밀파지에 적당하지 않다

τ l cosA sinA l 1 cos A tan μ (41)

A cosempty

(42)

Fig 4-1

은 식을 통

각이 커짐을

움이 있고

Fig4-

에서 제 2 코

통해 구할 수

을 알 수 있다

최소 단위를

Fig4

-1 Configurati

코사인 법칙

있는데 이로

다 그러나 ℓ

를 1cm 로 하

-2 Change the

- 38 -

ion of the fing

을 이용하여

로부터 링크

ℓ3 가 1cm 인

하였기 때문에

e value of the a

gers on robot g

여 A 의 각을

길이 ℓ3 가

인 경우는 너

에 ℓ3 는 2cm

angle of phage

gripper

구하기 위해

작으면 작을

무 짧아서 파

로 결정하였

torque

해 (2) 와 같

을수록 A 의

파지의 어려

였다

42 모터

(1) 알고

앞 절에

여야 한다

는 모터의

이 작은 모

나 용량이

로 적절한

선정 알고

고리즘 정의

에서 설명한 기

로봇 팔에

선정은 동작

모터를 사용하

큰 모터를 사

모터의 선정

고리즘

기구들을 추

움직임을 전

작을 구현하는

하게 되면 기

사용하게 되

정이 중요하다

Fig 4-3 M

- 39 -

추후 로봇 시스

전달함에 있어

는데 중요한

기구의 원활한

면 모터의 외

다

Motor Selectio

스템에 적용을

어서 동력을

과제가 되겠

한 작동이 어

외형이 커지

on Algorithm

을 고려하여

공급과 제어

겠다 만일 토

려워지고 단

고 가격 또한

설계를 하

어를 수행하

토크나 용량

단순히 토크

한 증가하므

- 40 -

(2) 알고리즘 수행

모터를 선정하기 위해서 가장 우선적으로 해야 할 일은 기계구동부분을 결

정하고 구동부분을 어떠한 방식으로 작동을 시킬지 동작 패턴을 결정하여야 한

다 예를 들면 모터에서 나오는 힘을 받아서 볼 스크류를 이용하여 힘을 전달할

것인지 벨트 피니언 기어 혹은 풀리 등을 이용할 것인지를 결정하고 그에 따

른 적절한 구동방식을 결정한다 구동방식을 결정하게 되면 각각의 구동방식에

적합한 수식을 대입하여 부하토크를 계산한다 구동방식에 따른 부하토크를 구

하는 수식은 구동방식이나 구동장소 등에 따라 다소 상이하나 일반적인 수식은

다음과 같다

-BALL SCREW 구동

T FP2πn

μ F P2π

1i N ∙ m 43

F F mg sin α μ cos α N 44

-PULLEY 구동

T ∙ 45

μF D

2i N ∙ m

- 41 -

-WIRE middot BELT 구동 RACK middot PINION 구동

T F2πn

∙ πDi

FD2ni

N ∙ m 46

F F mg sin α μ cos s N 47

-실측에 의한 방법

T 48

직선운동 (커플링 직결 볼스크류 등)의 경우 위의 (43) (44) 이용하여 구할

수 있다 이때 F 는 축방향하중 F0 는 예압하중 μ0는 예압 NUT 의 마찰계수 η 은

효율i 는 감속비 PB 는볼스크류 피치를 나타낸다 회전운동 (풀리)의 경우 식

(45)를 이용하여 구할 수 있으며 FA는 외력 FB는 부하중량 (주축이 회전하기 시

작할 때의 힘) m 은 work 와 TABLE 의 총무계 μ 접동면의 마찰계수α는 경사각

도D 는 풀리의 지름을 나타낸다

실제현장에서는 선정된 모터의 토크를 확인하기 위해 실측에 의한 구동토크

를 계측하는데 스프링 저울을 구동 풀리에 연결지어 측정한다 이때 TL 은 회전

운동 부하토크에 해당하고 FB 는 부하중량 D 는 풀리의 직경을 나타낸다

위의 부하토크를 구하는 식들을 이용하여 부하토크를 구하게 되면 실제 모

터를 사용할 때 어느 정도의 시간적 여유를 두고 가속을 할 것인지 감속을 할

것인지를 결정하여야 한다 이를 위해서 우선 동작시킬 부분에 대한 관성모멘트

를 계산하

Fig 4-4

시한 것으로

dA 와 기준

이를 표현하

하여야 한다

4 는 관성모멘

로 X 와 Y

준축으로 부터

하면 식 (49)

Fig 4-4 Arb

I

멘트를 구하기

는 면적의 미

터의 거리의

)와 같다

- 42 -

bitrary shape o

y dA I

기 위한 절대

미소 요소 dA

제곱의 곱으

of planar area

x dA

대좌표 X Y

A 의 좌표이

으로 단면 2

축 상의 미소

이고 관성모멘

차 모멘트라

49

소면적을 도

멘트는 요소

라고도 한다

평면 면

가 있다 평

축에 대한

Fig 4-5

하는 평행한

관성모멘

식 (410

번째 적분은

면적의 관성

평행축 정리란

관성 모멘트

5 과 같이 도

한 xy 축 두

멘트의 정의로

I y

0) 에서 우변

은 Xc 축에

Fig 4-5

모멘트에 있

란 도심축에

트 사이의 관

도심을 원점으

좌표계의 평

로부터 x 축

y d dA

변의 첫 번째

대한 1 차 모

- 43 -

5 Parallel-axis

있어서 중요하

대한 관성

계를 나타낸

으로 하는 Xc

평행한 축 간

축에 대한 관

y dA

적분은 Xc

모멘트로서 X

theorem

하고 유용한

모멘트와 도

낸다

cYc 축과 임의

간의 거리를 d

성모멘트 Ix

2d y dA

축에 대한 관

Xc 축이 도심

정리로서 평

도심축에 평행

의의 점 O 를

d1 과 d2 로 표

는 식(410)와

d dA

관성모멘트

심을 통과하므

평행축 정리

행한 임의의

를 원점으로

표시한다

와 같다

410

I 이다 두

므로 적분의

- 44 -

값은 0 이다 세번째 적분은 면적 A 그 자체이다 따라서 식 (410)은 식 (411)과

같이 간단해진다

I I Ad 411

y 축에 대한 관성모멘트도 위와 같은 방법에 의해 식(412)과 같다

I I Ad 412

또한 면적의 평면에 수직인 수직축에 대한 관성모멘트를 극관성모멘트라 한

다 Fig 4-6 는 평면에 수직이고 O 점을 통과하는 축에 대한 극관성모멘트를 나

타낸 그림으로 이를 관성모멘트 식으로 표현하면 식 (413) 와 같다

I ρ dA 413

식 (413)와

즉 평면에

서로 수직인

극 관성

와 도심 C

와 식 (414)에

I

수직인 축에

인 두 축에 대

성모멘트에 대

에 대한 극

Fig 4-6 Arb

의해 식 (4

ρ dA

I

에 대한 극관

대한 관성모

대한 평행축

극 관성모멘트

- 45 -

bitrary shape o

ρ x y

415) 식 (41

x y dA

I I I

관성모멘트는

멘트의 합과

정리는 Fig

트를 각각 I

of Polar Area

y

16)과 같은 관

x dA y

는 평면 내의

과 같다

4-5 에서 유

와 I 로

관계식을 얻을

y dA

같은 지점을

유도할 수 있

로 표시하면

414

을 수 있다

415

416

을 통과하는

있다 원점 O

식 (416)에

- 46 -

서 식(417)을 유도할 수 있다

I I I I I I 417

I I I I A d d 418

I I Ad 419

식 (419)는 극 관성모멘트에 대한 평행축 정리를 나타낸다 즉 평면 내의 임의

의 한 점 O 에 대한 면적의 극관성모멘트는 도심 C 에 대한 극관성모멘트에 그

면적과 점 O 와 C 사이의 거리의 제곱의 곱을 더한 것과 같다

이상의 식에서 부하토크와 관성모멘트를 계산하여 모터를 가 선정한다 부하토

크의 경우 사용될 모터의 정격 토크를 넘어서지 않는 것을 선정한다 부하토크

를 TL 정상 부하 상태의 힘 PL 극 관성모멘트 IL 회전운동을 위한 힘 Pa 각속

도 가속 시 소요되는 시간을 ta 라 하고 식 (420)을 이용하여 부하가 일정하

게 작용할 때의 힘을 계산한다 마찬가지로 관성모멘트를 식 (421)에 대입하여

가속을 위한 회전 운동 시 필요한 힘을 계산한다 식 (420)과 식 (421)에서 계

산된 힘을 합산하면 모터를 회전시키기 위해 필요한 출력이 계산된다 이때 계

산된 출력보다 실제 사용할 모터의 정격 출력이 1~2 배 정도가 되도록 모터를

가 선정한다

- 47 -

P T ω 420

P 421

위의 과정을 통하여 모터를 가선정하고 가감속 토크 및 구동 토크를 계산한

다 각각의 토크를 계산하게 되면 모터를 최종적으로 선정하게 되는데 두 가지

사항을 고려하여 최종 선정한다 먼저 식 (422)을 통해서 계산되는 가속 시 소

요되는 기동 토크 TM 가 모터의 최대 토크를 넘지 않는 것으로 선정한다

T 422

두 번째로 Fig 4-7 의 속도 선도와 같이 모터의 가 감속 시간과 정상 동작

시간 등을 결정하여 식 (423)과 같이 실효치 토크 TS 를 구하고 실효 토크가 모

터의 정격 토크보다 크지 않도록 선정한다

T 423

Fig 4-7 Exa

- 48 -

ample of veloc

city guidance

- 49 -

(3) 알고리즘 적용

로봇시스템에 있어서 기구들의 관성모멘트와 토크 계산 후 적합한 모터를

선정하기 위해 시중에서 시판되는 모터를 조사하였다 로봇에 적용 가능한 모터

로는 크게 서버모터와 스텝모터 RC 서버모터 DC 모터로 구분 할 수 있었다 이

를 TABLE 4-1 과 같이 정리하였다

동력원의 6 가지 선정요소 중 우선순위를 부여하여 분류했을 때 핸드 그리퍼

의 특성상 가볍고 토크가 큰 RC 서버 모터 미니 서버모터를 선택할 수 도 있지

만 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터 중 토크를 증가시킬 수 있는

감속기가 있는 타입의 모터를 우선시 하였다

1 감속비를 사양할 수 있는 모터를 선정하여 계산한 토크를 확인한다

2 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터를 선정한다

3 CLOSED LOOP 제어를 통하여 정확한 위치를 검출할 수 있어야 한다

따라서 스텝모터중 lsquoOrsquo사의 ldquoαSTEPrdquo가 적합하다고 판단되어 모터를 선정하였다

- 50 -

TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics

미니서버모터 RC 서버모터 스텝모터 DC 모터

장점 동일사양대비 모터

중 10배정도 큰 토크

5v사용가벼움

정확한 위치제어

급격한 부하변동급가

속 유리

저렴한가격

보편화됨

단점 정지시 진동이 예상 약한 토크 THRUST하중이 모터

무계 이하여야 한다

유지보수가 잦다

크기 151588mm(10w20w)

2525111mm(30w)

392038mm 424234mm Oslash37mm917mm

동작전압 Dc 24V Dc 48V60V Dc 24V Dc 24V

무계 230g~400g 56g 150g 200g

허용토크 009Nm~03Nm 11~13kgfcm 18kgfcm (018Nm) 47kgfcm(1200)

감속기 다양한 감속비 가능 고정 감속기 감속기 무(072˚036) 다양한 감속비

제조사 야스카와 SGMM 하이텍 HS-5945 AUTONICS GCM 3429A

TABLE 4-2 αstep motor characteristics

외형 전압 전류 무계 토크 감속비 분해능

αSTEP 282884mm

4242127mm Dc24V 1~37A 250G 2~28 Nmiddotm 50~1001

00072pluse

00036pluse

- 51 -

43 1 차 능동형 그리퍼 설계

실린더를 사용하여 링크로 물체를 파지하던 그리퍼는 Fig 4-8 과 Fig 4-9 에

묘사하였다 이런 실린더를 사용한 그리퍼는 공압 효과를 도출할 수 있는 별도

의 펌프가 필요하고 동작을 구현할 수 있는 자유도를 증가시키는데 한계가 있

다 이런 실린더의 단점을 보완하고 전기모터의 장점을 사용하기 위해 웜기어와

웜휠 방식을 채택하여 2 자유도 능동형 그리퍼를 설계하였다

1 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-10 에 묘사하였으며 1 차설계한

능동형 그리퍼는 Two Fingertip Grasp 로 칭하겠다 파지한 물체를 회전 시키는

기능은 베벨기어를 사용하여 회전운동으로 구현하였고 실린더의 전middot후진 운동

을 전기모터의 회전운동으로 변환 시키기 위하여 웜기어와 웜휨을 선택하였다

전기모터에 의해 회전하는 운동은 웜기어와 웜휠에 의해 링크를 사용하여 물체

를 파지하였던 그리퍼와 동일한 운동효과를 가지게 되었다

웜기어와 웜휠을 사용하여 물체를 파지하는 능동형 그리퍼는 스윙형으로 설

계되었으며 파지력을 높이기 위한 각도를 적용하였다 링크를 사용하여 물체를

파지하는 형태의 그리퍼보다 기구의 크기를 줄일 수 있는 장점이 있는 반면 기

어들의 백래시에 의한 오차가 끝단에 누적될 수 있는 문제점을 가지고 있다또

한 기구부의 소재 변경으로 그리퍼의 무계를 줄일 수 도 있지만 가장 큰 무계

를 차지하는 모터를 그리퍼 자체에서 분리하게 할 수 있게 하려면 그리퍼 자체

의 구조변경이 필요하다

`

`

Fig 4-8 Par

Fig 4-9 Par

- 52 -

rallel-link gra

rallel-link gra

sps system 1

sps system 2

Fig 4-10

- 53 -

0 Two fingertipps grasp system

- 54 -

44 2 차 능동형 그리퍼 설계

1 차 설계한 능동형 그리퍼에서 발견된 문제점을 보안하기 위하여 2 차 능동

형 그리퍼를 설계하였다 2 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-11 에 묘사

하였으며 2 차설계한 능동형 그리퍼는 Four Fingertip Grasp 로 칭하겠다 이 장치

는 크게 동력원 동력 전달장치 핑거 그립장치로 구성되어있으며 이를 통합하

여 Fig 4-12 에 나타내었다

핑거 그립장치는 스윙형 그립의 단점을 보완하여 설계하였다 물체를 파지할

때 그립의 회전 반경이 주위 환경요소와 간섭을 발생시킬 수 있는데핑거가 전

진할때 샤프트와 핑거그립간의 나사결합형태를 통한 직선운동으로 개선하여 주

위환경요소에 영향을 주지 않도록 설계하였다 구동축의 핑거파지 메카니즘을

Fig 4-13 와 같이 간략화 하였고 이에 대한 세부 도면은 Fig 4-14 로 나타내었다

4 조 핑거 그립의 나사산과 테이퍼진 스크류축은 나사식으로 결합되며 상호

작용에 의해 점차 중심점으로 이동하여 물체를 파지하는 형태이다 사용된 2 개

의 샤프트는 중공축으로 설계하였으며 외부 샤프트는 4 조 핑거가 물체를 파지

하여 비트는 모션을 구현하는데 사용되었다 내부 샤프트는 핑거를 중심점으로

전진시켜는 기능을 수행한다 중공축으로 설계한 내부 샤프트는 차후 개발될 인

스트리먼트의 탈부착을 손쉽게 할수있도록 구현하였고 4 조로 설계된 핑거는 그

립시 인스트리먼트의 응력집중현상을 분산시키는 기능과 2 조로 그립하였을때

보다 안정적인 그립감을 형성한다

- 55 -

동력원과 동력전달장치는 Fig 4-15 에 나타내었으며 Two Fingertip Grasp system

의 문제점이었던 구동부의 모터의 설치 방법을 외부에 부착하는 형태로 변경하

여 우레탄 밸트를 사용하였다 또한 아이들러를 사용하여 밸트의 방향을 변경

하여 모터의 부착위치를 자유롭게 설정할 수 있도록 하였고 모터 브라켓에 슬

리브 홈을 설치하여 벨트의 장력을 조절할 수 있도록 하였다

Fig4-11

Fig4-12 Fou

- 56 -

Four fingertip

ur fingertips g

ps grasp system

grasp system la

m

ayout

Fig 4-13

Fig 4-14

- 57 -

Fingertip gra

4 Fingertip gr

asps mechanis

rasps extended

m

d

Fig 4-15

- 58 -

5 Power transmission devicce

- 59 -

제 5장 결 론

본 연구에서는 MIS 수술 로봇을 위한 햅틱 마스터장치 구동용 능동형 그리

퍼를 설계하기 위하여 그에 상응하는 자료 및 문헌 조사를 수행하였고 햅틱 마

스터에 적용 가능한 능동형 그리퍼를 설계하여 로봇 시스템의 초안을 구성하였

다 수술용 도구를 단순히 잡아주는 역할에서 벗어나 시스템에 추가적인 자유도

를 부여함으로써 그리퍼를 표현하였다 단순화된 그리퍼는 보다 저렴한 가격으

로 생산될 수 있으며 기존 로봇 수술시스템의 높은 비용을 절감할 수 있는 효

과를 가져올 수 있다

최종적으로 제안한 설계 안으로는 2 조 핑거그립를 사용하는 전기모터형 그

리퍼 와 추가적으로 개선한 4 조 전기모터형 핑거그립를 설계였다 스윙형 그립

의 단점을 보안하여 집중응력을 분산할 수 있는 구조로 설계하였고 그리퍼의

무계를 줄일 수 있는 방법을 제시하였다 이로써 원통형 도구 파지 시 안정성이

향상되었고 보다 원활하게 수술 도구를 교체 가능하도록 하였다

앞으로 촉감을 전달할 수 있는 센서의 개발로 햅틱 디바이스 인터페이스 장

치의 활용에 보다 높은 기여를 할 것이라 예상된다

-６０-

참고 문헌

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정보 및 제어부분 PP68~7020084

[2] 박정호 ldquo국내외 의료로봇 현황과 발전방향rdquo정보과학지 26(4)

PP49~5420084

[3] 편집부 ldquo수술지원로봇의 최신 기술 동향rdquo월간 자동화 기술 22(12)

PP74~77200612

[4] 경기욱박준석 ldquo햅틱스 기술개발 동향 및 연구전망rdquo전자통신경향분석

21(5)PP93~108200610

[5] 권동수경기욱 ldquo의료용 로봇의 연구 현황과 전망rdquo기계저널

42(3)PP38~44200203

[6] Yoichi OGAHARA Yusuke KAWATO Kenjiro TAKEMURA Takashi MAENO

ldquoA Wire-Driven Miniature Five Fingerd Robot Hand using Elastic Elements as

Jointsrdquo Proceedings the 2003 IEEERSJ Intl Conferense on Intelligent Robots and

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[7] Ikuo Yamano Takashi Maeno ldquoFive-fingered Robot Hand using Ultrasonic Motors

and Elastic Elementsrdquoproceedings the 2005 IEEE International Conference on

Robotics and Automaion

[8] 홍만복김광기 ldquo최소 침습수술로봇을위한 2-자유도 구형 메커니즘설계rdquo

한국정밀공학회 2009년 추계학술대회 논문집

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[9] 이재훈김형욱이병주서일홍 ldquo새로운 6자유도 병렬형 햅틱 기구의 최적설

계 및 해석rdquo한국정밀공학회 2003년 추계학술대회 논문집

[10] 조국훈이재훈이병주김희국 ldquo병렬형 그리퍼 메카니즘rdquo한국정밀공학회지

[11] 김갑순 ldquo3축 힘센서를 이용한 지능형 그리퍼 개발rdquo한국정밀공학회지 제

24권 제 3호 1999년

[12] 고대성김성목김희국이병주 ldquo병진형 자유도와 1자유도 파지기능을 가지는

4자유도 병렬 메커니즘의 기구학분석rdquo한국정밀공학회 2007년 추계학술대회

• 제1장 서 론
• • 11 연구배경 및 연구목적
  • 12 연구내용
  • • 제2장 로봇 산업의 기술 현황
    • • 21 로봇산업의 동향
      • 22 의료용 로봇기술 현황
      • 23 의료용 로봇시장 전망
      • • 제3장 능동 그리퍼
        • • 31 최소침습 수술 햅틱 장치구현에 필요한 능동 그리퍼 제안
          • 32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류
          • 33 파지형태에 의한 그리퍼의 분류
          • 34 메카니컬 핸드의 구속기능
          • 35 대표적인 동력원의 특징
          • • 제4장 능동형 그리퍼 설계
            • • 41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정
              • 42 모터 선정 알고리즘
              • • 43 1 차 능동형 그리퍼 설계
                • 44 2 차 능동형 그리퍼 설계
                • • 제 5 장 결론
                  • 참고문헌
                  • TABLE 2-1 Domestic robot classification
                  • TABLE 2-2 Robot Production Company
                  • TABLE 3-1 Characteristics of power sources
                  • TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics
                  • TABLE 4-2 αSTEP Motor Characteristics
                  • Fig2-1 Phase of medical robots in the robot industry
                  • Fig2-2 Da Vinci surgical case number
                  • Fig3-1 Da Vinci robot system for MIS
                  • Fig3-2 Classified by the gripper grip action
                  • Fig3-3 Swing-type hand mechanism
                  • Fig3-4 Hand mechanism for translational type1 (parallel displacement)
                  • Fig3-5 Hand mechanism for translational type2 (Rack and pinion type)
                  • Fig3-6 Hand mechanism for three point pinch type
                  • Fig3-7 Movement of object
                  • Fig3-8 Contacts of the kind and the confining
                  • Fig3-9 Human Arm structure
                  • Fig4-1 Configuration of the fingers on robot gripper
                  • Fig4-2 Change the value of the angle of phage torque
                  • Fig4-3 Motor Selection Algorithm
                  • Fig4-4 Arbitrary Shape of Planar Area
                  • Fig4-5 Parallel-Axis Theorem
                  • Fig4-6 Arbitrary Shape of Polar Area
                  • Fig4-7 Example of Velocity Guidance
                  • Fig4-8 Parallel-link Grasp system 1
                  • Fig4-9 Parallel-link Grasp system 2
                  • Fig4-10 TWO Fingertip Grasp system
                  • Fig4-11 Four Fingertip Grasp System
                  • Fig4-12 Four Fingertip Grasp System layout
                  • Fig4-13 Fingertip Grasp Mechanism
                  • Fig4-14 Fingertip Grasp extended
                  • Fig4-15 Power Transmission Device

두 개의

상태를 유지

는 스윙형

안정되게 파

의 리지트한

지해서 개폐

핸드(swingin

파지하는 점에

손가락을 갖

되는 병진형

ng gripper)로

에서 병진형

(a) grinder c

(c

Fig 3-3 Sw

- 26 -

갖춘 것으로

핸드(transla

로 분류된다

보다 떨어진

crank

c) rotation joi

wing-type hand

실용례가 많

ational grippe

스윙형은 기

진다

(b) swing

int

d mechanism

많다 손가락이

er)와 그 방향

기구가 간단하

g block

이 상호평행

향이 변화하

하나 상이

병진형에

4 은 평행링

운동을 바꾸

에 회전시킴

로 유지되기

지된다 직

시키도록 한

가 전middot후진

피니온 방식

F

에서는 평행링

링크 방식의

꾸고 그 피니

킴으로써 손가

기 때문에 손

동형 신에

한 것도 있다

진하는 결점이

식이 채용된다

Fig 3-4 Hand

링크 랙middot피니

예로 직동형

니온 운동으로

가락 개폐를

손가락의 물체

에 회전형 액

다 평행링크를

이 있다 이문

다

mechanism fo

- 27 -

니온 나사이송

형 액추에이

로 평행링크의

얻는다 링크

체 파지면의

추에이터를

를 이용한 형

문제를 해결하

or translational

송 기구 등이

터의 운동을

의 하나의 링

크 PS 와 링

자세도 개폐

이용한 형식

형식은 개폐에

하는 방법으로

type1 (paralle

이 이용되고

랙과 피니온

링크 A 를 축

크 QR 은 항

폐 동작 중 일

식에서 평행링

에 의해서 손

로서 볼나사

el displacement

있다 Fig 3-

온으로 회전

축 P 의 주위

항상 평행으

일정하게 유

링크를 회전

손가락 위치

기구나 랙middot

nt)

Fig 3

는 핸드의

볼나사 기구

다

(2) 세 손

세 손가

가락으로 잡

F

-5 는 회전형

예이다볼나

구 각각을 손

손가락 type

가락을 가진 핸

잡는 것보다

Fig 3-5 Hand

형 액추에터로

나사 기구를 이

손가락에 부착

e

핸드에서는

안정된 파지

d mechanism fo

- 28 -

로 랙 피니온

이용하는 경

착 사라를 회

상을 3 점

지 동작을 할

or translational

온을 회전시킴

우에는 1

회전시킴으로

점에서 유지할

할 수 있다

l type2 (rack a

킴으로써 개폐

의 왼나사

써 개폐 동작

할수 있기 때

nd pinion type

폐동작을 하

오른나사의

작을 실현한

문에 두 손

e)

Fig 3-6

베벨기어를

구동해서 세

실현한 것

각 손가락을

복잡하며 중

6 은 세 손가

를 매개로 상

세 손가락을

이다 특히

을 개별 모터

중량도 증가하

Fig

락형 그리퍼

호 각도를 주

동작시킴으로

원통물체를

터로 구동하도

하기 때문에

3-6 Hand mec

- 29 -

의 일반적인

주어 결합한

로써 이른바

확실히 잡아

도록 한 3 지

실용례가 적

chanism for thr

인 형상을 나타

3 개의 볼

바 3 포인트 핀

아서 유지하

지형핸드도 개

적다

ree point pinch

타내고 있다

나사를 하나

핀치(three po

는데 유리하

개발되고 있으

h type

이 핸드는

나의 모터로

oint pinch)를

하다그 외에

으나기구가

34 메카니

(1) 구속

기계적

어서 형성되

전 구속 기

해서 언급하

으로 움직일

또 X Y 평

니컬 핸드의

속기능

구동장치에

되는 것으로

기능이 있다

하면 구속 상

일 수 있다

평면 X Y 면

의 구속기능

서 구속 형식

크게 나누어

그래서 핸드

상태의 물체는

이것을 물체

X Z 면상에

Fig 3-

- 30 -

능

식과 접촉 상

어서 반구속

드의 구속 기

는 Fig 3-7 와

체의 공전 (이

서 6 방향으

-7 Movement

상태와 포락

속 (받는 구속

기능을 결정하

와 같이 X Y

이동)에 관한

로 회전 한다

t of object

능력의 인자

속 는 구속

하는 물체의

Z 의 3 축상

6 동작 자유

다 이것을 물

자가 복합되

속)기능과 완

구속에

에서 6 방향

유도로 한다

물체의 자전

(회전)에 관

부여한 상태

행할 수 있

서는 회전의

핸드에

한 공간적

면 Fig 3-8

이 그림

를 구속한다

에서 7 자유

선접촉과 면

계수와 절선

(a

관한 6 동작

태에서 움직이

있다 또 완전

의 6 자유도를

의한 물체의

적인 포락 상

와 같이 된

(a)의 점접촉

다 그러나 1

유도를 구속

면접촉에는 각

선력법선력

a) point contac

Fig3

자유도로 한

이며 중력이

전 구속은 핸

를 무시하는

의 구속은 핸

상태로 정한다

다

촉은 접촉점

1 점접촉은 다

한다 (c)의

각각 마찰에

비와의 관계

ct (b

3-8 Contacts

- 31 -

한다 반구속은

이나 환경면의

드 자체로 1

경우도 적지

핸드와 물체의

다 먼저 접촉

방향의 1 자

다른 11 자유

면접촉은 11

위한 구속이

계로 구속불능

) line contact

of the kind an

은 12 자유도

의 구속을 받

12 자유도를

지 않다

의 접촉 상태

촉부의 구속

자유도를 구속

도를 구속할

1 자유도의 구

이 4 개와 6 개

능의 가능성을

nd the confini

도 중 몇 개의

아서 완전 구

행하는데 경

태 및 접촉부

능력을 모델

속한다 그러나

할 수 없다 (b

구속을 할 수

개 주어져 있

을 가진 구속

(c) surface co

ing

의 자유도를

구속으로 이

경우에 따라

부의 물체에

델로 나타내

나 1 자유도

b)는 선접촉

수 있다 단

있으며 마찰

속 성분이기

ontact

- 32 -

도 하다 또한 면접촉의 상태는 중력의 작용을 이용하면 받기를 형성하고 또

외계력을 이용하면 기를 형성한다

이들의 접촉상태는 물체의 형상과 핸드의 구속면으로 규정되는 것으로 핸드

만으로 결정하기는 어렵다 단 핸드의 구속면을 부드러운 재질로 형성하면 면

접촉의 이행이 용이하다 이와 같은 이유에서 물체에 접촉부가 포락도를 높이는

데에 따라서 물체 형상에 관계 없이 구속 능력을 증 시킬 수 있다

(2) 메커니컬 핸드의 자유도

로봇의 손은 그 용도를 불문하고 인간의 손 작업의 행을 목적으로 하는

것이므로 그 설계에 있어서 모델로 되는 것은 말할 것 도 없이 인간의 손이다

그래서 우선 기구에 하여 설명하기 전에 인간의 손의 구조 모델에 하여 설

명해 본다

AmiddotMorecki 에 의하면 인간의 상체는 그 해부학적 구조에 입각하면 Fig 3-9 와

같이 모델화할 수 있다 Fig 3-9 에서 숫자는 각각 골격 즉 링크를 나타내고 숫

자 II~ V 는 관절을 나타내고 있다 이와 같은 공간링크 기구의 자유도 F 는 가

동부수 n 자유도의 종류 f 를 가진 우 수를 Pf 라 하면 다음 식으로 나타낼

수 있다

6n sum ∙ P 12345 (3-1)

Fig 3-9

들 자유도가

을 Fig 3-9

P5=10 이므

인간의

유도 1 의

해 있으며

의 모델에서

가 있는 관절

9 와 같이 정

므로 위 식에

상지를 인공

액튜에이터를

22 개나 되

Fig 3

서는 n=19 P2

절에 작용하는

정의하고 그

서 FH=22 가

공적으로 정밀

를 27 필요

는 액튜에이

- 33 -

3-9 Human Ar

2=1 P3=2 P4

는 근군은 약

자유도 FH

가 된다

밀하게 재현하

요로 하게 된

터를 필요로

rm structure

4=6 P5=11 이

약 50 이라고

를 구하면

하려고 한다면

된다 또 손에

로 한다 그러

이므로 F=27

고 되어 있다

이 경우는 n

면 이상의 결

는 특히 자유

나 로봇의 손

이 된다 이

여기서 손

n=16 P4=6

결론에서 자

유도가 집중

손이 이만큼

- 34 -

의 수의 액튜에이터를 갖춘 것을 제작한다는 것은 크기 중량 제어면에서 볼

때 현시점에서는 불가능에 가깝다 특히 의수에 있어서는 상술한 바와 같은 형

상이나 조종성 등의 점에서 전혀 불가능하다고 해도 좋다 따라서 보통은 기능

에 주목하여 손에 집중해 있는 자유도의 간략화를 도모한다

인간의 잡기 동작에 주목해 보면 그 잡기 형상에는 12 종류가 있다고 하다

그러나 이것들은 엄지와 다른 12 종류가 있다고 한다 그러나 이것들은 엄지와

다른 4 손가락과의 관계에 주목하였을 때에 2 종류 즉 엄지가 다른 4 손가락과

항해서 동작하거나 그 측방에서 동작하는가로 분류할 수 있다 실제의 일상

동작에서 관찰하면 이들 중에서도 엄지와 손가락이 항해서 동작하는 소위 쥠

동작이 우선 첫 번째이고 또 다음에 엄지 검지 중지의 3 손가락의 선단으로

이루어지는 3Point Pinch 즉 잡기동작이 중요하다

더불어 손가락의 독립성에 해서는 역시 일상동작 중에서 손가락의 사용

빈도를 조사한 결과에 의하면 다섯 손가락은 반드시 독립적인 운동을 필요로

하지 않고 엄지 검지 중지가 같은 정도의 중요성을 자기며 다른 두 손가락은

사용 빈도에 있어서 이들 세 손가락보다 약 50 적으며 다른 세 손가락의 보

조 역할을 한다고 볼 수 있다 그리고 특히 중요한 것은 인간의 각 손가락은 잡

기 상물의 형상에 적응한 쥐기 즉 Passive 한 동작을 할 수 있다는 것이다 이

기능이 있다면 각 손가락이 독립적으로 동작하지 않더라도 또 다소 손의 자유

도를 제거하더라도 상물의 확실한 쥐기나 잡기 그리고 기타 손 작업에 큰 힘

을 발휘한다

- 35 -

34 표적인 동력원의 특징

동력원을 설계할 때 다음의 점을 고려하면서 가장 적합한 방식을 선택한다

1조작력(로보트가 내는 최 의 힘 예를들면 최 들어올린 힘)

2속응성(최 조작 속도)

3크기 중량(로보트의 크기와 중량의 제한)

4안정성(발열이나 과부하에 한 안전성)

5사용의 용이도

6수명가격

1 2 의 조작력 속응력은 로보트에 요구되는 성능에서 가장 기본적인 것인

데 이에 관련해서 크기나 중량의 제한 안정성 사용의 용이도 수명 가격 등을

고려해서 동력원을 선택한다 단 자주형 로보트에서는 2 차적 성능인 동력원의

중량이 첫째 요구 조건이 되는 경우가 많고 공업용 로보트에서는 저가격 사용

의 용이도 안전성이 중요 사항으로 우선시된다

모든 로봇은 동력원을 필요로한다 중요도에 따라 동력원을 선택해야 하는데

일반적으로 공기압식은 안전성이 뛰어난 반면 힘과 세밀한 위치제어가 어렵고

전기식은 응답성과 사용편리성 세밀한 위치제어가 가능하나 높은 힘을 내기 위

해서는 부가적인 기구부가 필요하다 유압식은 큰힘을 낼수있어서 속응성은 좋

으나 과부하시 상당한 발열이 있기 때문에 안전성에서 다른 동력원에 비해 떨

어진다 위 사항을 TABLE 3-1 로 분류하여 나타내었다

- 36 -

TABLE 3-1 Characteristics of power sources

전기식 유압식 공압식

사용용이성 편리하다 작동유의관리 관로의압력

필터관리에 유의

공급공기의 수분제거

윤활성의부가에 주의

수명 길다 기름에 윤활성이 있기

때문에 길다

공기에윤활성이 없어

유압 전기에 비해 짧다

가격 보통 가격 운영비 높음 저가격

응답속도

(반응성) 매우 빠르다 빠르다 늦다

하중능력 (소)에서 (중)정도의

하중능력 단히 큰 힘을 얻음 큰 힘은 없다

소음 적다 다소 크다 크다

- 37 -

제 4 장 능동형 그리퍼 설계

41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정

로봇 그리퍼의 정밀 파지 (Fingertip Grasp 손가락 끝을 이용하여 물체를 집

거나 바닥에누워있는 납작한 물체를 집는 행동)를 안정하게 하기 위해서는 손가

락 끝과 물체가 직각에 가까운 각도를 이룸으로 마찰력을 크게 하여 안정성을

높인다 또한 바닥에 놓인 물체를 집어 올릴 경우에도 물체표면의 법선 벡터와

손가락 끝의 각도가 클수록 물체를 효과적으로 구속하여 안정된 파지를 할 수

있다

그리퍼의 링크 시스템에 있어서 2 링크 손가락보다 3 링크 손가락을 쓸 때가

링크와 수평 평면이 이루는 각 (A)이 더 커지기 때문에 안정성이 더 좋다는 것

을 알 수 있다 그리고 안정성뿐만 아니라 식 (4-1)을 통하여 문체에 전해지는

Torque 값을 Fig 4-2 와 같이 그래프로 나타내면 0 도에서 75 도 정도까지는 A 각

이 커질수록 물체에 가해지는 토크 값이 점점 커지는 것을 알 수 있음으로 3 링

크 손가락을 쓰는 것이 파지력 증가됨을 알수 있다 ℓ3 의 길이가 길어질수록 A

가 작은 값을 가져서 정밀파지에 적당하지 않다

τ l cosA sinA l 1 cos A tan μ (41)

A cosempty

(42)

Fig 4-1

은 식을 통

각이 커짐을

움이 있고

Fig4-

에서 제 2 코

통해 구할 수

을 알 수 있다

최소 단위를

Fig4

-1 Configurati

코사인 법칙

있는데 이로

다 그러나 ℓ

를 1cm 로 하

-2 Change the

- 38 -

ion of the fing

을 이용하여

로부터 링크

ℓ3 가 1cm 인

하였기 때문에

e value of the a

gers on robot g

여 A 의 각을

길이 ℓ3 가

인 경우는 너

에 ℓ3 는 2cm

angle of phage

gripper

구하기 위해

작으면 작을

무 짧아서 파

로 결정하였

torque

해 (2) 와 같

을수록 A 의

파지의 어려

였다

42 모터

(1) 알고

앞 절에

여야 한다

는 모터의

이 작은 모

나 용량이

로 적절한

선정 알고

고리즘 정의

에서 설명한 기

로봇 팔에

선정은 동작

모터를 사용하

큰 모터를 사

모터의 선정

고리즘

기구들을 추

움직임을 전

작을 구현하는

하게 되면 기

사용하게 되

정이 중요하다

Fig 4-3 M

- 39 -

추후 로봇 시스

전달함에 있어

는데 중요한

기구의 원활한

면 모터의 외

다

Motor Selectio

스템에 적용을

어서 동력을

과제가 되겠

한 작동이 어

외형이 커지

on Algorithm

을 고려하여

공급과 제어

겠다 만일 토

려워지고 단

고 가격 또한

설계를 하

어를 수행하

토크나 용량

단순히 토크

한 증가하므

- 40 -

(2) 알고리즘 수행

모터를 선정하기 위해서 가장 우선적으로 해야 할 일은 기계구동부분을 결

정하고 구동부분을 어떠한 방식으로 작동을 시킬지 동작 패턴을 결정하여야 한

다 예를 들면 모터에서 나오는 힘을 받아서 볼 스크류를 이용하여 힘을 전달할

것인지 벨트 피니언 기어 혹은 풀리 등을 이용할 것인지를 결정하고 그에 따

른 적절한 구동방식을 결정한다 구동방식을 결정하게 되면 각각의 구동방식에

적합한 수식을 대입하여 부하토크를 계산한다 구동방식에 따른 부하토크를 구

하는 수식은 구동방식이나 구동장소 등에 따라 다소 상이하나 일반적인 수식은

다음과 같다

-BALL SCREW 구동

T FP2πn

μ F P2π

1i N ∙ m 43

F F mg sin α μ cos α N 44

-PULLEY 구동

T ∙ 45

μF D

2i N ∙ m

- 41 -

-WIRE middot BELT 구동 RACK middot PINION 구동

T F2πn

∙ πDi

FD2ni

N ∙ m 46

F F mg sin α μ cos s N 47

-실측에 의한 방법

T 48

직선운동 (커플링 직결 볼스크류 등)의 경우 위의 (43) (44) 이용하여 구할

수 있다 이때 F 는 축방향하중 F0 는 예압하중 μ0는 예압 NUT 의 마찰계수 η 은

효율i 는 감속비 PB 는볼스크류 피치를 나타낸다 회전운동 (풀리)의 경우 식

(45)를 이용하여 구할 수 있으며 FA는 외력 FB는 부하중량 (주축이 회전하기 시

작할 때의 힘) m 은 work 와 TABLE 의 총무계 μ 접동면의 마찰계수α는 경사각

도D 는 풀리의 지름을 나타낸다

실제현장에서는 선정된 모터의 토크를 확인하기 위해 실측에 의한 구동토크

를 계측하는데 스프링 저울을 구동 풀리에 연결지어 측정한다 이때 TL 은 회전

운동 부하토크에 해당하고 FB 는 부하중량 D 는 풀리의 직경을 나타낸다

위의 부하토크를 구하는 식들을 이용하여 부하토크를 구하게 되면 실제 모

터를 사용할 때 어느 정도의 시간적 여유를 두고 가속을 할 것인지 감속을 할

것인지를 결정하여야 한다 이를 위해서 우선 동작시킬 부분에 대한 관성모멘트

를 계산하

Fig 4-4

시한 것으로

dA 와 기준

이를 표현하

하여야 한다

4 는 관성모멘

로 X 와 Y

준축으로 부터

하면 식 (49)

Fig 4-4 Arb

I

멘트를 구하기

는 면적의 미

터의 거리의

)와 같다

- 42 -

bitrary shape o

y dA I

기 위한 절대

미소 요소 dA

제곱의 곱으

of planar area

x dA

대좌표 X Y

A 의 좌표이

으로 단면 2

축 상의 미소

이고 관성모멘

차 모멘트라

49

소면적을 도

멘트는 요소

라고도 한다

평면 면

가 있다 평

축에 대한

Fig 4-5

하는 평행한

관성모멘

식 (410

번째 적분은

면적의 관성

평행축 정리란

관성 모멘트

5 과 같이 도

한 xy 축 두

멘트의 정의로

I y

0) 에서 우변

은 Xc 축에

Fig 4-5

모멘트에 있

란 도심축에

트 사이의 관

도심을 원점으

좌표계의 평

로부터 x 축

y d dA

변의 첫 번째

대한 1 차 모

- 43 -

5 Parallel-axis

있어서 중요하

대한 관성

계를 나타낸

으로 하는 Xc

평행한 축 간

축에 대한 관

y dA

적분은 Xc

모멘트로서 X

theorem

하고 유용한

모멘트와 도

낸다

cYc 축과 임의

간의 거리를 d

성모멘트 Ix

2d y dA

축에 대한 관

Xc 축이 도심

정리로서 평

도심축에 평행

의의 점 O 를

d1 과 d2 로 표

는 식(410)와

d dA

관성모멘트

심을 통과하므

평행축 정리

행한 임의의

를 원점으로

표시한다

와 같다

410

I 이다 두

므로 적분의

- 44 -

값은 0 이다 세번째 적분은 면적 A 그 자체이다 따라서 식 (410)은 식 (411)과

같이 간단해진다

I I Ad 411

y 축에 대한 관성모멘트도 위와 같은 방법에 의해 식(412)과 같다

I I Ad 412

또한 면적의 평면에 수직인 수직축에 대한 관성모멘트를 극관성모멘트라 한

다 Fig 4-6 는 평면에 수직이고 O 점을 통과하는 축에 대한 극관성모멘트를 나

타낸 그림으로 이를 관성모멘트 식으로 표현하면 식 (413) 와 같다

I ρ dA 413

식 (413)와

즉 평면에

서로 수직인

극 관성

와 도심 C

와 식 (414)에

I

수직인 축에

인 두 축에 대

성모멘트에 대

에 대한 극

Fig 4-6 Arb

의해 식 (4

ρ dA

I

에 대한 극관

대한 관성모

대한 평행축

극 관성모멘트

- 45 -

bitrary shape o

ρ x y

415) 식 (41

x y dA

I I I

관성모멘트는

멘트의 합과

정리는 Fig

트를 각각 I

of Polar Area

y

16)과 같은 관

x dA y

는 평면 내의

과 같다

4-5 에서 유

와 I 로

관계식을 얻을

y dA

같은 지점을

유도할 수 있

로 표시하면

414

을 수 있다

415

416

을 통과하는

있다 원점 O

식 (416)에

- 46 -

서 식(417)을 유도할 수 있다

I I I I I I 417

I I I I A d d 418

I I Ad 419

식 (419)는 극 관성모멘트에 대한 평행축 정리를 나타낸다 즉 평면 내의 임의

의 한 점 O 에 대한 면적의 극관성모멘트는 도심 C 에 대한 극관성모멘트에 그

면적과 점 O 와 C 사이의 거리의 제곱의 곱을 더한 것과 같다

이상의 식에서 부하토크와 관성모멘트를 계산하여 모터를 가 선정한다 부하토

크의 경우 사용될 모터의 정격 토크를 넘어서지 않는 것을 선정한다 부하토크

를 TL 정상 부하 상태의 힘 PL 극 관성모멘트 IL 회전운동을 위한 힘 Pa 각속

도 가속 시 소요되는 시간을 ta 라 하고 식 (420)을 이용하여 부하가 일정하

게 작용할 때의 힘을 계산한다 마찬가지로 관성모멘트를 식 (421)에 대입하여

가속을 위한 회전 운동 시 필요한 힘을 계산한다 식 (420)과 식 (421)에서 계

산된 힘을 합산하면 모터를 회전시키기 위해 필요한 출력이 계산된다 이때 계

산된 출력보다 실제 사용할 모터의 정격 출력이 1~2 배 정도가 되도록 모터를

가 선정한다

- 47 -

P T ω 420

P 421

위의 과정을 통하여 모터를 가선정하고 가감속 토크 및 구동 토크를 계산한

다 각각의 토크를 계산하게 되면 모터를 최종적으로 선정하게 되는데 두 가지

사항을 고려하여 최종 선정한다 먼저 식 (422)을 통해서 계산되는 가속 시 소

요되는 기동 토크 TM 가 모터의 최대 토크를 넘지 않는 것으로 선정한다

T 422

두 번째로 Fig 4-7 의 속도 선도와 같이 모터의 가 감속 시간과 정상 동작

시간 등을 결정하여 식 (423)과 같이 실효치 토크 TS 를 구하고 실효 토크가 모

터의 정격 토크보다 크지 않도록 선정한다

T 423

Fig 4-7 Exa

- 48 -

ample of veloc

city guidance

- 49 -

(3) 알고리즘 적용

로봇시스템에 있어서 기구들의 관성모멘트와 토크 계산 후 적합한 모터를

선정하기 위해 시중에서 시판되는 모터를 조사하였다 로봇에 적용 가능한 모터

로는 크게 서버모터와 스텝모터 RC 서버모터 DC 모터로 구분 할 수 있었다 이

를 TABLE 4-1 과 같이 정리하였다

동력원의 6 가지 선정요소 중 우선순위를 부여하여 분류했을 때 핸드 그리퍼

의 특성상 가볍고 토크가 큰 RC 서버 모터 미니 서버모터를 선택할 수 도 있지

만 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터 중 토크를 증가시킬 수 있는

감속기가 있는 타입의 모터를 우선시 하였다

1 감속비를 사양할 수 있는 모터를 선정하여 계산한 토크를 확인한다

2 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터를 선정한다

3 CLOSED LOOP 제어를 통하여 정확한 위치를 검출할 수 있어야 한다

따라서 스텝모터중 lsquoOrsquo사의 ldquoαSTEPrdquo가 적합하다고 판단되어 모터를 선정하였다

- 50 -

TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics

미니서버모터 RC 서버모터 스텝모터 DC 모터

장점 동일사양대비 모터

중 10배정도 큰 토크

5v사용가벼움

정확한 위치제어

급격한 부하변동급가

속 유리

저렴한가격

보편화됨

단점 정지시 진동이 예상 약한 토크 THRUST하중이 모터

무계 이하여야 한다

유지보수가 잦다

크기 151588mm(10w20w)

2525111mm(30w)

392038mm 424234mm Oslash37mm917mm

동작전압 Dc 24V Dc 48V60V Dc 24V Dc 24V

무계 230g~400g 56g 150g 200g

허용토크 009Nm~03Nm 11~13kgfcm 18kgfcm (018Nm) 47kgfcm(1200)

감속기 다양한 감속비 가능 고정 감속기 감속기 무(072˚036) 다양한 감속비

제조사 야스카와 SGMM 하이텍 HS-5945 AUTONICS GCM 3429A

TABLE 4-2 αstep motor characteristics

외형 전압 전류 무계 토크 감속비 분해능

αSTEP 282884mm

4242127mm Dc24V 1~37A 250G 2~28 Nmiddotm 50~1001

00072pluse

00036pluse

- 51 -

43 1 차 능동형 그리퍼 설계

실린더를 사용하여 링크로 물체를 파지하던 그리퍼는 Fig 4-8 과 Fig 4-9 에

묘사하였다 이런 실린더를 사용한 그리퍼는 공압 효과를 도출할 수 있는 별도

의 펌프가 필요하고 동작을 구현할 수 있는 자유도를 증가시키는데 한계가 있

다 이런 실린더의 단점을 보완하고 전기모터의 장점을 사용하기 위해 웜기어와

웜휠 방식을 채택하여 2 자유도 능동형 그리퍼를 설계하였다

1 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-10 에 묘사하였으며 1 차설계한

능동형 그리퍼는 Two Fingertip Grasp 로 칭하겠다 파지한 물체를 회전 시키는

기능은 베벨기어를 사용하여 회전운동으로 구현하였고 실린더의 전middot후진 운동

을 전기모터의 회전운동으로 변환 시키기 위하여 웜기어와 웜휨을 선택하였다

전기모터에 의해 회전하는 운동은 웜기어와 웜휠에 의해 링크를 사용하여 물체

를 파지하였던 그리퍼와 동일한 운동효과를 가지게 되었다

웜기어와 웜휠을 사용하여 물체를 파지하는 능동형 그리퍼는 스윙형으로 설

계되었으며 파지력을 높이기 위한 각도를 적용하였다 링크를 사용하여 물체를

파지하는 형태의 그리퍼보다 기구의 크기를 줄일 수 있는 장점이 있는 반면 기

어들의 백래시에 의한 오차가 끝단에 누적될 수 있는 문제점을 가지고 있다또

한 기구부의 소재 변경으로 그리퍼의 무계를 줄일 수 도 있지만 가장 큰 무계

를 차지하는 모터를 그리퍼 자체에서 분리하게 할 수 있게 하려면 그리퍼 자체

의 구조변경이 필요하다

`

`

Fig 4-8 Par

Fig 4-9 Par

- 52 -

rallel-link gra

rallel-link gra

sps system 1

sps system 2

Fig 4-10

- 53 -

0 Two fingertipps grasp system

- 54 -

44 2 차 능동형 그리퍼 설계

1 차 설계한 능동형 그리퍼에서 발견된 문제점을 보안하기 위하여 2 차 능동

형 그리퍼를 설계하였다 2 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-11 에 묘사

하였으며 2 차설계한 능동형 그리퍼는 Four Fingertip Grasp 로 칭하겠다 이 장치

는 크게 동력원 동력 전달장치 핑거 그립장치로 구성되어있으며 이를 통합하

여 Fig 4-12 에 나타내었다

핑거 그립장치는 스윙형 그립의 단점을 보완하여 설계하였다 물체를 파지할

때 그립의 회전 반경이 주위 환경요소와 간섭을 발생시킬 수 있는데핑거가 전

진할때 샤프트와 핑거그립간의 나사결합형태를 통한 직선운동으로 개선하여 주

위환경요소에 영향을 주지 않도록 설계하였다 구동축의 핑거파지 메카니즘을

Fig 4-13 와 같이 간략화 하였고 이에 대한 세부 도면은 Fig 4-14 로 나타내었다

4 조 핑거 그립의 나사산과 테이퍼진 스크류축은 나사식으로 결합되며 상호

작용에 의해 점차 중심점으로 이동하여 물체를 파지하는 형태이다 사용된 2 개

의 샤프트는 중공축으로 설계하였으며 외부 샤프트는 4 조 핑거가 물체를 파지

하여 비트는 모션을 구현하는데 사용되었다 내부 샤프트는 핑거를 중심점으로

전진시켜는 기능을 수행한다 중공축으로 설계한 내부 샤프트는 차후 개발될 인

스트리먼트의 탈부착을 손쉽게 할수있도록 구현하였고 4 조로 설계된 핑거는 그

립시 인스트리먼트의 응력집중현상을 분산시키는 기능과 2 조로 그립하였을때

보다 안정적인 그립감을 형성한다

- 55 -

동력원과 동력전달장치는 Fig 4-15 에 나타내었으며 Two Fingertip Grasp system

의 문제점이었던 구동부의 모터의 설치 방법을 외부에 부착하는 형태로 변경하

여 우레탄 밸트를 사용하였다 또한 아이들러를 사용하여 밸트의 방향을 변경

하여 모터의 부착위치를 자유롭게 설정할 수 있도록 하였고 모터 브라켓에 슬

리브 홈을 설치하여 벨트의 장력을 조절할 수 있도록 하였다

Fig4-11

Fig4-12 Fou

- 56 -

Four fingertip

ur fingertips g

ps grasp system

grasp system la

m

ayout

Fig 4-13

Fig 4-14

- 57 -

Fingertip gra

4 Fingertip gr

asps mechanis

rasps extended

m

d

Fig 4-15

- 58 -

5 Power transmission devicce

- 59 -

제 5장 결 론

본 연구에서는 MIS 수술 로봇을 위한 햅틱 마스터장치 구동용 능동형 그리

퍼를 설계하기 위하여 그에 상응하는 자료 및 문헌 조사를 수행하였고 햅틱 마

스터에 적용 가능한 능동형 그리퍼를 설계하여 로봇 시스템의 초안을 구성하였

다 수술용 도구를 단순히 잡아주는 역할에서 벗어나 시스템에 추가적인 자유도

를 부여함으로써 그리퍼를 표현하였다 단순화된 그리퍼는 보다 저렴한 가격으

로 생산될 수 있으며 기존 로봇 수술시스템의 높은 비용을 절감할 수 있는 효

과를 가져올 수 있다

최종적으로 제안한 설계 안으로는 2 조 핑거그립를 사용하는 전기모터형 그

리퍼 와 추가적으로 개선한 4 조 전기모터형 핑거그립를 설계였다 스윙형 그립

의 단점을 보안하여 집중응력을 분산할 수 있는 구조로 설계하였고 그리퍼의

무계를 줄일 수 있는 방법을 제시하였다 이로써 원통형 도구 파지 시 안정성이

향상되었고 보다 원활하게 수술 도구를 교체 가능하도록 하였다

앞으로 촉감을 전달할 수 있는 센서의 개발로 햅틱 디바이스 인터페이스 장

치의 활용에 보다 높은 기여를 할 것이라 예상된다

-６０-

참고 문헌

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정보 및 제어부분 PP68~7020084

[2] 박정호 ldquo국내외 의료로봇 현황과 발전방향rdquo정보과학지 26(4)

PP49~5420084

[3] 편집부 ldquo수술지원로봇의 최신 기술 동향rdquo월간 자동화 기술 22(12)

PP74~77200612

[4] 경기욱박준석 ldquo햅틱스 기술개발 동향 및 연구전망rdquo전자통신경향분석

21(5)PP93~108200610

[5] 권동수경기욱 ldquo의료용 로봇의 연구 현황과 전망rdquo기계저널

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[6] Yoichi OGAHARA Yusuke KAWATO Kenjiro TAKEMURA Takashi MAENO

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[8] 홍만복김광기 ldquo최소 침습수술로봇을위한 2-자유도 구형 메커니즘설계rdquo

한국정밀공학회 2009년 추계학술대회 논문집

-６１-

[9] 이재훈김형욱이병주서일홍 ldquo새로운 6자유도 병렬형 햅틱 기구의 최적설

계 및 해석rdquo한국정밀공학회 2003년 추계학술대회 논문집

[10] 조국훈이재훈이병주김희국 ldquo병렬형 그리퍼 메카니즘rdquo한국정밀공학회지

[11] 김갑순 ldquo3축 힘센서를 이용한 지능형 그리퍼 개발rdquo한국정밀공학회지 제

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[12] 고대성김성목김희국이병주 ldquo병진형 자유도와 1자유도 파지기능을 가지는

4자유도 병렬 메커니즘의 기구학분석rdquo한국정밀공학회 2007년 추계학술대회

• 제1장 서 론
• • 11 연구배경 및 연구목적
  • 12 연구내용
  • • 제2장 로봇 산업의 기술 현황
    • • 21 로봇산업의 동향
      • 22 의료용 로봇기술 현황
      • 23 의료용 로봇시장 전망
      • • 제3장 능동 그리퍼
        • • 31 최소침습 수술 햅틱 장치구현에 필요한 능동 그리퍼 제안
          • 32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류
          • 33 파지형태에 의한 그리퍼의 분류
          • 34 메카니컬 핸드의 구속기능
          • 35 대표적인 동력원의 특징
          • • 제4장 능동형 그리퍼 설계
            • • 41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정
              • 42 모터 선정 알고리즘
              • • 43 1 차 능동형 그리퍼 설계
                • 44 2 차 능동형 그리퍼 설계
                • • 제 5 장 결론
                  • 참고문헌
                  • TABLE 2-1 Domestic robot classification
                  • TABLE 2-2 Robot Production Company
                  • TABLE 3-1 Characteristics of power sources
                  • TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics
                  • TABLE 4-2 αSTEP Motor Characteristics
                  • Fig2-1 Phase of medical robots in the robot industry
                  • Fig2-2 Da Vinci surgical case number
                  • Fig3-1 Da Vinci robot system for MIS
                  • Fig3-2 Classified by the gripper grip action
                  • Fig3-3 Swing-type hand mechanism
                  • Fig3-4 Hand mechanism for translational type1 (parallel displacement)
                  • Fig3-5 Hand mechanism for translational type2 (Rack and pinion type)
                  • Fig3-6 Hand mechanism for three point pinch type
                  • Fig3-7 Movement of object
                  • Fig3-8 Contacts of the kind and the confining
                  • Fig3-9 Human Arm structure
                  • Fig4-1 Configuration of the fingers on robot gripper
                  • Fig4-2 Change the value of the angle of phage torque
                  • Fig4-3 Motor Selection Algorithm
                  • Fig4-4 Arbitrary Shape of Planar Area
                  • Fig4-5 Parallel-Axis Theorem
                  • Fig4-6 Arbitrary Shape of Polar Area
                  • Fig4-7 Example of Velocity Guidance
                  • Fig4-8 Parallel-link Grasp system 1
                  • Fig4-9 Parallel-link Grasp system 2
                  • Fig4-10 TWO Fingertip Grasp system
                  • Fig4-11 Four Fingertip Grasp System
                  • Fig4-12 Four Fingertip Grasp System layout
                  • Fig4-13 Fingertip Grasp Mechanism
                  • Fig4-14 Fingertip Grasp extended
                  • Fig4-15 Power Transmission Device

병진형에

4 은 평행링

운동을 바꾸

에 회전시킴

로 유지되기

지된다 직

시키도록 한

가 전middot후진

피니온 방식

F

에서는 평행링

링크 방식의

꾸고 그 피니

킴으로써 손가

기 때문에 손

동형 신에

한 것도 있다

진하는 결점이

식이 채용된다

Fig 3-4 Hand

링크 랙middot피니

예로 직동형

니온 운동으로

가락 개폐를

손가락의 물체

에 회전형 액

다 평행링크를

이 있다 이문

다

mechanism fo

- 27 -

니온 나사이송

형 액추에이

로 평행링크의

얻는다 링크

체 파지면의

추에이터를

를 이용한 형

문제를 해결하

or translational

송 기구 등이

터의 운동을

의 하나의 링

크 PS 와 링

자세도 개폐

이용한 형식

형식은 개폐에

하는 방법으로

type1 (paralle

이 이용되고

랙과 피니온

링크 A 를 축

크 QR 은 항

폐 동작 중 일

식에서 평행링

에 의해서 손

로서 볼나사

el displacement

있다 Fig 3-

온으로 회전

축 P 의 주위

항상 평행으

일정하게 유

링크를 회전

손가락 위치

기구나 랙middot

nt)

Fig 3

는 핸드의

볼나사 기구

다

(2) 세 손

세 손가

가락으로 잡

F

-5 는 회전형

예이다볼나

구 각각을 손

손가락 type

가락을 가진 핸

잡는 것보다

Fig 3-5 Hand

형 액추에터로

나사 기구를 이

손가락에 부착

e

핸드에서는

안정된 파지

d mechanism fo

- 28 -

로 랙 피니온

이용하는 경

착 사라를 회

상을 3 점

지 동작을 할

or translational

온을 회전시킴

우에는 1

회전시킴으로

점에서 유지할

할 수 있다

l type2 (rack a

킴으로써 개폐

의 왼나사

써 개폐 동작

할수 있기 때

nd pinion type

폐동작을 하

오른나사의

작을 실현한

문에 두 손

e)

Fig 3-6

베벨기어를

구동해서 세

실현한 것

각 손가락을

복잡하며 중

6 은 세 손가

를 매개로 상

세 손가락을

이다 특히

을 개별 모터

중량도 증가하

Fig

락형 그리퍼

호 각도를 주

동작시킴으로

원통물체를

터로 구동하도

하기 때문에

3-6 Hand mec

- 29 -

의 일반적인

주어 결합한

로써 이른바

확실히 잡아

도록 한 3 지

실용례가 적

chanism for thr

인 형상을 나타

3 개의 볼

바 3 포인트 핀

아서 유지하

지형핸드도 개

적다

ree point pinch

타내고 있다

나사를 하나

핀치(three po

는데 유리하

개발되고 있으

h type

이 핸드는

나의 모터로

oint pinch)를

하다그 외에

으나기구가

34 메카니

(1) 구속

기계적

어서 형성되

전 구속 기

해서 언급하

으로 움직일

또 X Y 평

니컬 핸드의

속기능

구동장치에

되는 것으로

기능이 있다

하면 구속 상

일 수 있다

평면 X Y 면

의 구속기능

서 구속 형식

크게 나누어

그래서 핸드

상태의 물체는

이것을 물체

X Z 면상에

Fig 3-

- 30 -

능

식과 접촉 상

어서 반구속

드의 구속 기

는 Fig 3-7 와

체의 공전 (이

서 6 방향으

-7 Movement

상태와 포락

속 (받는 구속

기능을 결정하

와 같이 X Y

이동)에 관한

로 회전 한다

t of object

능력의 인자

속 는 구속

하는 물체의

Z 의 3 축상

6 동작 자유

다 이것을 물

자가 복합되

속)기능과 완

구속에

에서 6 방향

유도로 한다

물체의 자전

(회전)에 관

부여한 상태

행할 수 있

서는 회전의

핸드에

한 공간적

면 Fig 3-8

이 그림

를 구속한다

에서 7 자유

선접촉과 면

계수와 절선

(a

관한 6 동작

태에서 움직이

있다 또 완전

의 6 자유도를

의한 물체의

적인 포락 상

와 같이 된

(a)의 점접촉

다 그러나 1

유도를 구속

면접촉에는 각

선력법선력

a) point contac

Fig3

자유도로 한

이며 중력이

전 구속은 핸

를 무시하는

의 구속은 핸

상태로 정한다

다

촉은 접촉점

1 점접촉은 다

한다 (c)의

각각 마찰에

비와의 관계

ct (b

3-8 Contacts

- 31 -

한다 반구속은

이나 환경면의

드 자체로 1

경우도 적지

핸드와 물체의

다 먼저 접촉

방향의 1 자

다른 11 자유

면접촉은 11

위한 구속이

계로 구속불능

) line contact

of the kind an

은 12 자유도

의 구속을 받

12 자유도를

지 않다

의 접촉 상태

촉부의 구속

자유도를 구속

도를 구속할

1 자유도의 구

이 4 개와 6 개

능의 가능성을

nd the confini

도 중 몇 개의

아서 완전 구

행하는데 경

태 및 접촉부

능력을 모델

속한다 그러나

할 수 없다 (b

구속을 할 수

개 주어져 있

을 가진 구속

(c) surface co

ing

의 자유도를

구속으로 이

경우에 따라

부의 물체에

델로 나타내

나 1 자유도

b)는 선접촉

수 있다 단

있으며 마찰

속 성분이기

ontact

- 32 -

도 하다 또한 면접촉의 상태는 중력의 작용을 이용하면 받기를 형성하고 또

외계력을 이용하면 기를 형성한다

이들의 접촉상태는 물체의 형상과 핸드의 구속면으로 규정되는 것으로 핸드

만으로 결정하기는 어렵다 단 핸드의 구속면을 부드러운 재질로 형성하면 면

접촉의 이행이 용이하다 이와 같은 이유에서 물체에 접촉부가 포락도를 높이는

데에 따라서 물체 형상에 관계 없이 구속 능력을 증 시킬 수 있다

(2) 메커니컬 핸드의 자유도

로봇의 손은 그 용도를 불문하고 인간의 손 작업의 행을 목적으로 하는

것이므로 그 설계에 있어서 모델로 되는 것은 말할 것 도 없이 인간의 손이다

그래서 우선 기구에 하여 설명하기 전에 인간의 손의 구조 모델에 하여 설

명해 본다

AmiddotMorecki 에 의하면 인간의 상체는 그 해부학적 구조에 입각하면 Fig 3-9 와

같이 모델화할 수 있다 Fig 3-9 에서 숫자는 각각 골격 즉 링크를 나타내고 숫

자 II~ V 는 관절을 나타내고 있다 이와 같은 공간링크 기구의 자유도 F 는 가

동부수 n 자유도의 종류 f 를 가진 우 수를 Pf 라 하면 다음 식으로 나타낼

수 있다

6n sum ∙ P 12345 (3-1)

Fig 3-9

들 자유도가

을 Fig 3-9

P5=10 이므

인간의

유도 1 의

해 있으며

의 모델에서

가 있는 관절

9 와 같이 정

므로 위 식에

상지를 인공

액튜에이터를

22 개나 되

Fig 3

서는 n=19 P2

절에 작용하는

정의하고 그

서 FH=22 가

공적으로 정밀

를 27 필요

는 액튜에이

- 33 -

3-9 Human Ar

2=1 P3=2 P4

는 근군은 약

자유도 FH

가 된다

밀하게 재현하

요로 하게 된

터를 필요로

rm structure

4=6 P5=11 이

약 50 이라고

를 구하면

하려고 한다면

된다 또 손에

로 한다 그러

이므로 F=27

고 되어 있다

이 경우는 n

면 이상의 결

는 특히 자유

나 로봇의 손

이 된다 이

여기서 손

n=16 P4=6

결론에서 자

유도가 집중

손이 이만큼

- 34 -

의 수의 액튜에이터를 갖춘 것을 제작한다는 것은 크기 중량 제어면에서 볼

때 현시점에서는 불가능에 가깝다 특히 의수에 있어서는 상술한 바와 같은 형

상이나 조종성 등의 점에서 전혀 불가능하다고 해도 좋다 따라서 보통은 기능

에 주목하여 손에 집중해 있는 자유도의 간략화를 도모한다

인간의 잡기 동작에 주목해 보면 그 잡기 형상에는 12 종류가 있다고 하다

그러나 이것들은 엄지와 다른 12 종류가 있다고 한다 그러나 이것들은 엄지와

다른 4 손가락과의 관계에 주목하였을 때에 2 종류 즉 엄지가 다른 4 손가락과

항해서 동작하거나 그 측방에서 동작하는가로 분류할 수 있다 실제의 일상

동작에서 관찰하면 이들 중에서도 엄지와 손가락이 항해서 동작하는 소위 쥠

동작이 우선 첫 번째이고 또 다음에 엄지 검지 중지의 3 손가락의 선단으로

이루어지는 3Point Pinch 즉 잡기동작이 중요하다

더불어 손가락의 독립성에 해서는 역시 일상동작 중에서 손가락의 사용

빈도를 조사한 결과에 의하면 다섯 손가락은 반드시 독립적인 운동을 필요로

하지 않고 엄지 검지 중지가 같은 정도의 중요성을 자기며 다른 두 손가락은

사용 빈도에 있어서 이들 세 손가락보다 약 50 적으며 다른 세 손가락의 보

조 역할을 한다고 볼 수 있다 그리고 특히 중요한 것은 인간의 각 손가락은 잡

기 상물의 형상에 적응한 쥐기 즉 Passive 한 동작을 할 수 있다는 것이다 이

기능이 있다면 각 손가락이 독립적으로 동작하지 않더라도 또 다소 손의 자유

도를 제거하더라도 상물의 확실한 쥐기나 잡기 그리고 기타 손 작업에 큰 힘

을 발휘한다

- 35 -

34 표적인 동력원의 특징

동력원을 설계할 때 다음의 점을 고려하면서 가장 적합한 방식을 선택한다

1조작력(로보트가 내는 최 의 힘 예를들면 최 들어올린 힘)

2속응성(최 조작 속도)

3크기 중량(로보트의 크기와 중량의 제한)

4안정성(발열이나 과부하에 한 안전성)

5사용의 용이도

6수명가격

1 2 의 조작력 속응력은 로보트에 요구되는 성능에서 가장 기본적인 것인

데 이에 관련해서 크기나 중량의 제한 안정성 사용의 용이도 수명 가격 등을

고려해서 동력원을 선택한다 단 자주형 로보트에서는 2 차적 성능인 동력원의

중량이 첫째 요구 조건이 되는 경우가 많고 공업용 로보트에서는 저가격 사용

의 용이도 안전성이 중요 사항으로 우선시된다

모든 로봇은 동력원을 필요로한다 중요도에 따라 동력원을 선택해야 하는데

일반적으로 공기압식은 안전성이 뛰어난 반면 힘과 세밀한 위치제어가 어렵고

전기식은 응답성과 사용편리성 세밀한 위치제어가 가능하나 높은 힘을 내기 위

해서는 부가적인 기구부가 필요하다 유압식은 큰힘을 낼수있어서 속응성은 좋

으나 과부하시 상당한 발열이 있기 때문에 안전성에서 다른 동력원에 비해 떨

어진다 위 사항을 TABLE 3-1 로 분류하여 나타내었다

- 36 -

TABLE 3-1 Characteristics of power sources

전기식 유압식 공압식

사용용이성 편리하다 작동유의관리 관로의압력

필터관리에 유의

공급공기의 수분제거

윤활성의부가에 주의

수명 길다 기름에 윤활성이 있기

때문에 길다

공기에윤활성이 없어

유압 전기에 비해 짧다

가격 보통 가격 운영비 높음 저가격

응답속도

(반응성) 매우 빠르다 빠르다 늦다

하중능력 (소)에서 (중)정도의

하중능력 단히 큰 힘을 얻음 큰 힘은 없다

소음 적다 다소 크다 크다

- 37 -

제 4 장 능동형 그리퍼 설계

41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정

로봇 그리퍼의 정밀 파지 (Fingertip Grasp 손가락 끝을 이용하여 물체를 집

거나 바닥에누워있는 납작한 물체를 집는 행동)를 안정하게 하기 위해서는 손가

락 끝과 물체가 직각에 가까운 각도를 이룸으로 마찰력을 크게 하여 안정성을

높인다 또한 바닥에 놓인 물체를 집어 올릴 경우에도 물체표면의 법선 벡터와

손가락 끝의 각도가 클수록 물체를 효과적으로 구속하여 안정된 파지를 할 수

있다

그리퍼의 링크 시스템에 있어서 2 링크 손가락보다 3 링크 손가락을 쓸 때가

링크와 수평 평면이 이루는 각 (A)이 더 커지기 때문에 안정성이 더 좋다는 것

을 알 수 있다 그리고 안정성뿐만 아니라 식 (4-1)을 통하여 문체에 전해지는

Torque 값을 Fig 4-2 와 같이 그래프로 나타내면 0 도에서 75 도 정도까지는 A 각

이 커질수록 물체에 가해지는 토크 값이 점점 커지는 것을 알 수 있음으로 3 링

크 손가락을 쓰는 것이 파지력 증가됨을 알수 있다 ℓ3 의 길이가 길어질수록 A

가 작은 값을 가져서 정밀파지에 적당하지 않다

τ l cosA sinA l 1 cos A tan μ (41)

A cosempty

(42)

Fig 4-1

은 식을 통

각이 커짐을

움이 있고

Fig4-

에서 제 2 코

통해 구할 수

을 알 수 있다

최소 단위를

Fig4

-1 Configurati

코사인 법칙

있는데 이로

다 그러나 ℓ

를 1cm 로 하

-2 Change the

- 38 -

ion of the fing

을 이용하여

로부터 링크

ℓ3 가 1cm 인

하였기 때문에

e value of the a

gers on robot g

여 A 의 각을

길이 ℓ3 가

인 경우는 너

에 ℓ3 는 2cm

angle of phage

gripper

구하기 위해

작으면 작을

무 짧아서 파

로 결정하였

torque

해 (2) 와 같

을수록 A 의

파지의 어려

였다

42 모터

(1) 알고

앞 절에

여야 한다

는 모터의

이 작은 모

나 용량이

로 적절한

선정 알고

고리즘 정의

에서 설명한 기

로봇 팔에

선정은 동작

모터를 사용하

큰 모터를 사

모터의 선정

고리즘

기구들을 추

움직임을 전

작을 구현하는

하게 되면 기

사용하게 되

정이 중요하다

Fig 4-3 M

- 39 -

추후 로봇 시스

전달함에 있어

는데 중요한

기구의 원활한

면 모터의 외

다

Motor Selectio

스템에 적용을

어서 동력을

과제가 되겠

한 작동이 어

외형이 커지

on Algorithm

을 고려하여

공급과 제어

겠다 만일 토

려워지고 단

고 가격 또한

설계를 하

어를 수행하

토크나 용량

단순히 토크

한 증가하므

- 40 -

(2) 알고리즘 수행

모터를 선정하기 위해서 가장 우선적으로 해야 할 일은 기계구동부분을 결

정하고 구동부분을 어떠한 방식으로 작동을 시킬지 동작 패턴을 결정하여야 한

다 예를 들면 모터에서 나오는 힘을 받아서 볼 스크류를 이용하여 힘을 전달할

것인지 벨트 피니언 기어 혹은 풀리 등을 이용할 것인지를 결정하고 그에 따

른 적절한 구동방식을 결정한다 구동방식을 결정하게 되면 각각의 구동방식에

적합한 수식을 대입하여 부하토크를 계산한다 구동방식에 따른 부하토크를 구

하는 수식은 구동방식이나 구동장소 등에 따라 다소 상이하나 일반적인 수식은

다음과 같다

-BALL SCREW 구동

T FP2πn

μ F P2π

1i N ∙ m 43

F F mg sin α μ cos α N 44

-PULLEY 구동

T ∙ 45

μF D

2i N ∙ m

- 41 -

-WIRE middot BELT 구동 RACK middot PINION 구동

T F2πn

∙ πDi

FD2ni

N ∙ m 46

F F mg sin α μ cos s N 47

-실측에 의한 방법

T 48

직선운동 (커플링 직결 볼스크류 등)의 경우 위의 (43) (44) 이용하여 구할

수 있다 이때 F 는 축방향하중 F0 는 예압하중 μ0는 예압 NUT 의 마찰계수 η 은

효율i 는 감속비 PB 는볼스크류 피치를 나타낸다 회전운동 (풀리)의 경우 식

(45)를 이용하여 구할 수 있으며 FA는 외력 FB는 부하중량 (주축이 회전하기 시

작할 때의 힘) m 은 work 와 TABLE 의 총무계 μ 접동면의 마찰계수α는 경사각

도D 는 풀리의 지름을 나타낸다

실제현장에서는 선정된 모터의 토크를 확인하기 위해 실측에 의한 구동토크

를 계측하는데 스프링 저울을 구동 풀리에 연결지어 측정한다 이때 TL 은 회전

운동 부하토크에 해당하고 FB 는 부하중량 D 는 풀리의 직경을 나타낸다

위의 부하토크를 구하는 식들을 이용하여 부하토크를 구하게 되면 실제 모

터를 사용할 때 어느 정도의 시간적 여유를 두고 가속을 할 것인지 감속을 할

것인지를 결정하여야 한다 이를 위해서 우선 동작시킬 부분에 대한 관성모멘트

를 계산하

Fig 4-4

시한 것으로

dA 와 기준

이를 표현하

하여야 한다

4 는 관성모멘

로 X 와 Y

준축으로 부터

하면 식 (49)

Fig 4-4 Arb

I

멘트를 구하기

는 면적의 미

터의 거리의

)와 같다

- 42 -

bitrary shape o

y dA I

기 위한 절대

미소 요소 dA

제곱의 곱으

of planar area

x dA

대좌표 X Y

A 의 좌표이

으로 단면 2

축 상의 미소

이고 관성모멘

차 모멘트라

49

소면적을 도

멘트는 요소

라고도 한다

평면 면

가 있다 평

축에 대한

Fig 4-5

하는 평행한

관성모멘

식 (410

번째 적분은

면적의 관성

평행축 정리란

관성 모멘트

5 과 같이 도

한 xy 축 두

멘트의 정의로

I y

0) 에서 우변

은 Xc 축에

Fig 4-5

모멘트에 있

란 도심축에

트 사이의 관

도심을 원점으

좌표계의 평

로부터 x 축

y d dA

변의 첫 번째

대한 1 차 모

- 43 -

5 Parallel-axis

있어서 중요하

대한 관성

계를 나타낸

으로 하는 Xc

평행한 축 간

축에 대한 관

y dA

적분은 Xc

모멘트로서 X

theorem

하고 유용한

모멘트와 도

낸다

cYc 축과 임의

간의 거리를 d

성모멘트 Ix

2d y dA

축에 대한 관

Xc 축이 도심

정리로서 평

도심축에 평행

의의 점 O 를

d1 과 d2 로 표

는 식(410)와

d dA

관성모멘트

심을 통과하므

평행축 정리

행한 임의의

를 원점으로

표시한다

와 같다

410

I 이다 두

므로 적분의

- 44 -

값은 0 이다 세번째 적분은 면적 A 그 자체이다 따라서 식 (410)은 식 (411)과

같이 간단해진다

I I Ad 411

y 축에 대한 관성모멘트도 위와 같은 방법에 의해 식(412)과 같다

I I Ad 412

또한 면적의 평면에 수직인 수직축에 대한 관성모멘트를 극관성모멘트라 한

다 Fig 4-6 는 평면에 수직이고 O 점을 통과하는 축에 대한 극관성모멘트를 나

타낸 그림으로 이를 관성모멘트 식으로 표현하면 식 (413) 와 같다

I ρ dA 413

식 (413)와

즉 평면에

서로 수직인

극 관성

와 도심 C

와 식 (414)에

I

수직인 축에

인 두 축에 대

성모멘트에 대

에 대한 극

Fig 4-6 Arb

의해 식 (4

ρ dA

I

에 대한 극관

대한 관성모

대한 평행축

극 관성모멘트

- 45 -

bitrary shape o

ρ x y

415) 식 (41

x y dA

I I I

관성모멘트는

멘트의 합과

정리는 Fig

트를 각각 I

of Polar Area

y

16)과 같은 관

x dA y

는 평면 내의

과 같다

4-5 에서 유

와 I 로

관계식을 얻을

y dA

같은 지점을

유도할 수 있

로 표시하면

414

을 수 있다

415

416

을 통과하는

있다 원점 O

식 (416)에

- 46 -

서 식(417)을 유도할 수 있다

I I I I I I 417

I I I I A d d 418

I I Ad 419

식 (419)는 극 관성모멘트에 대한 평행축 정리를 나타낸다 즉 평면 내의 임의

의 한 점 O 에 대한 면적의 극관성모멘트는 도심 C 에 대한 극관성모멘트에 그

면적과 점 O 와 C 사이의 거리의 제곱의 곱을 더한 것과 같다

이상의 식에서 부하토크와 관성모멘트를 계산하여 모터를 가 선정한다 부하토

크의 경우 사용될 모터의 정격 토크를 넘어서지 않는 것을 선정한다 부하토크

를 TL 정상 부하 상태의 힘 PL 극 관성모멘트 IL 회전운동을 위한 힘 Pa 각속

도 가속 시 소요되는 시간을 ta 라 하고 식 (420)을 이용하여 부하가 일정하

게 작용할 때의 힘을 계산한다 마찬가지로 관성모멘트를 식 (421)에 대입하여

가속을 위한 회전 운동 시 필요한 힘을 계산한다 식 (420)과 식 (421)에서 계

산된 힘을 합산하면 모터를 회전시키기 위해 필요한 출력이 계산된다 이때 계

산된 출력보다 실제 사용할 모터의 정격 출력이 1~2 배 정도가 되도록 모터를

가 선정한다

- 47 -

P T ω 420

P 421

위의 과정을 통하여 모터를 가선정하고 가감속 토크 및 구동 토크를 계산한

다 각각의 토크를 계산하게 되면 모터를 최종적으로 선정하게 되는데 두 가지

사항을 고려하여 최종 선정한다 먼저 식 (422)을 통해서 계산되는 가속 시 소

요되는 기동 토크 TM 가 모터의 최대 토크를 넘지 않는 것으로 선정한다

T 422

두 번째로 Fig 4-7 의 속도 선도와 같이 모터의 가 감속 시간과 정상 동작

시간 등을 결정하여 식 (423)과 같이 실효치 토크 TS 를 구하고 실효 토크가 모

터의 정격 토크보다 크지 않도록 선정한다

T 423

Fig 4-7 Exa

- 48 -

ample of veloc

city guidance

- 49 -

(3) 알고리즘 적용

로봇시스템에 있어서 기구들의 관성모멘트와 토크 계산 후 적합한 모터를

선정하기 위해 시중에서 시판되는 모터를 조사하였다 로봇에 적용 가능한 모터

로는 크게 서버모터와 스텝모터 RC 서버모터 DC 모터로 구분 할 수 있었다 이

를 TABLE 4-1 과 같이 정리하였다

동력원의 6 가지 선정요소 중 우선순위를 부여하여 분류했을 때 핸드 그리퍼

의 특성상 가볍고 토크가 큰 RC 서버 모터 미니 서버모터를 선택할 수 도 있지

만 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터 중 토크를 증가시킬 수 있는

감속기가 있는 타입의 모터를 우선시 하였다

1 감속비를 사양할 수 있는 모터를 선정하여 계산한 토크를 확인한다

2 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터를 선정한다

3 CLOSED LOOP 제어를 통하여 정확한 위치를 검출할 수 있어야 한다

따라서 스텝모터중 lsquoOrsquo사의 ldquoαSTEPrdquo가 적합하다고 판단되어 모터를 선정하였다

- 50 -

TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics

미니서버모터 RC 서버모터 스텝모터 DC 모터

장점 동일사양대비 모터

중 10배정도 큰 토크

5v사용가벼움

정확한 위치제어

급격한 부하변동급가

속 유리

저렴한가격

보편화됨

단점 정지시 진동이 예상 약한 토크 THRUST하중이 모터

무계 이하여야 한다

유지보수가 잦다

크기 151588mm(10w20w)

2525111mm(30w)

392038mm 424234mm Oslash37mm917mm

동작전압 Dc 24V Dc 48V60V Dc 24V Dc 24V

무계 230g~400g 56g 150g 200g

허용토크 009Nm~03Nm 11~13kgfcm 18kgfcm (018Nm) 47kgfcm(1200)

감속기 다양한 감속비 가능 고정 감속기 감속기 무(072˚036) 다양한 감속비

제조사 야스카와 SGMM 하이텍 HS-5945 AUTONICS GCM 3429A

TABLE 4-2 αstep motor characteristics

외형 전압 전류 무계 토크 감속비 분해능

αSTEP 282884mm

4242127mm Dc24V 1~37A 250G 2~28 Nmiddotm 50~1001

00072pluse

00036pluse

- 51 -

43 1 차 능동형 그리퍼 설계

실린더를 사용하여 링크로 물체를 파지하던 그리퍼는 Fig 4-8 과 Fig 4-9 에

묘사하였다 이런 실린더를 사용한 그리퍼는 공압 효과를 도출할 수 있는 별도

의 펌프가 필요하고 동작을 구현할 수 있는 자유도를 증가시키는데 한계가 있

다 이런 실린더의 단점을 보완하고 전기모터의 장점을 사용하기 위해 웜기어와

웜휠 방식을 채택하여 2 자유도 능동형 그리퍼를 설계하였다

1 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-10 에 묘사하였으며 1 차설계한

능동형 그리퍼는 Two Fingertip Grasp 로 칭하겠다 파지한 물체를 회전 시키는

기능은 베벨기어를 사용하여 회전운동으로 구현하였고 실린더의 전middot후진 운동

을 전기모터의 회전운동으로 변환 시키기 위하여 웜기어와 웜휨을 선택하였다

전기모터에 의해 회전하는 운동은 웜기어와 웜휠에 의해 링크를 사용하여 물체

를 파지하였던 그리퍼와 동일한 운동효과를 가지게 되었다

웜기어와 웜휠을 사용하여 물체를 파지하는 능동형 그리퍼는 스윙형으로 설

계되었으며 파지력을 높이기 위한 각도를 적용하였다 링크를 사용하여 물체를

파지하는 형태의 그리퍼보다 기구의 크기를 줄일 수 있는 장점이 있는 반면 기

어들의 백래시에 의한 오차가 끝단에 누적될 수 있는 문제점을 가지고 있다또

한 기구부의 소재 변경으로 그리퍼의 무계를 줄일 수 도 있지만 가장 큰 무계

를 차지하는 모터를 그리퍼 자체에서 분리하게 할 수 있게 하려면 그리퍼 자체

의 구조변경이 필요하다

`

`

Fig 4-8 Par

Fig 4-9 Par

- 52 -

rallel-link gra

rallel-link gra

sps system 1

sps system 2

Fig 4-10

- 53 -

0 Two fingertipps grasp system

- 54 -

44 2 차 능동형 그리퍼 설계

1 차 설계한 능동형 그리퍼에서 발견된 문제점을 보안하기 위하여 2 차 능동

형 그리퍼를 설계하였다 2 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-11 에 묘사

하였으며 2 차설계한 능동형 그리퍼는 Four Fingertip Grasp 로 칭하겠다 이 장치

는 크게 동력원 동력 전달장치 핑거 그립장치로 구성되어있으며 이를 통합하

여 Fig 4-12 에 나타내었다

핑거 그립장치는 스윙형 그립의 단점을 보완하여 설계하였다 물체를 파지할

때 그립의 회전 반경이 주위 환경요소와 간섭을 발생시킬 수 있는데핑거가 전

진할때 샤프트와 핑거그립간의 나사결합형태를 통한 직선운동으로 개선하여 주

위환경요소에 영향을 주지 않도록 설계하였다 구동축의 핑거파지 메카니즘을

Fig 4-13 와 같이 간략화 하였고 이에 대한 세부 도면은 Fig 4-14 로 나타내었다

4 조 핑거 그립의 나사산과 테이퍼진 스크류축은 나사식으로 결합되며 상호

작용에 의해 점차 중심점으로 이동하여 물체를 파지하는 형태이다 사용된 2 개

의 샤프트는 중공축으로 설계하였으며 외부 샤프트는 4 조 핑거가 물체를 파지

하여 비트는 모션을 구현하는데 사용되었다 내부 샤프트는 핑거를 중심점으로

전진시켜는 기능을 수행한다 중공축으로 설계한 내부 샤프트는 차후 개발될 인

스트리먼트의 탈부착을 손쉽게 할수있도록 구현하였고 4 조로 설계된 핑거는 그

립시 인스트리먼트의 응력집중현상을 분산시키는 기능과 2 조로 그립하였을때

보다 안정적인 그립감을 형성한다

- 55 -

동력원과 동력전달장치는 Fig 4-15 에 나타내었으며 Two Fingertip Grasp system

의 문제점이었던 구동부의 모터의 설치 방법을 외부에 부착하는 형태로 변경하

여 우레탄 밸트를 사용하였다 또한 아이들러를 사용하여 밸트의 방향을 변경

하여 모터의 부착위치를 자유롭게 설정할 수 있도록 하였고 모터 브라켓에 슬

리브 홈을 설치하여 벨트의 장력을 조절할 수 있도록 하였다

Fig4-11

Fig4-12 Fou

- 56 -

Four fingertip

ur fingertips g

ps grasp system

grasp system la

m

ayout

Fig 4-13

Fig 4-14

- 57 -

Fingertip gra

4 Fingertip gr

asps mechanis

rasps extended

m

d

Fig 4-15

- 58 -

5 Power transmission devicce

- 59 -

제 5장 결 론

본 연구에서는 MIS 수술 로봇을 위한 햅틱 마스터장치 구동용 능동형 그리

퍼를 설계하기 위하여 그에 상응하는 자료 및 문헌 조사를 수행하였고 햅틱 마

스터에 적용 가능한 능동형 그리퍼를 설계하여 로봇 시스템의 초안을 구성하였

다 수술용 도구를 단순히 잡아주는 역할에서 벗어나 시스템에 추가적인 자유도

를 부여함으로써 그리퍼를 표현하였다 단순화된 그리퍼는 보다 저렴한 가격으

로 생산될 수 있으며 기존 로봇 수술시스템의 높은 비용을 절감할 수 있는 효

과를 가져올 수 있다

최종적으로 제안한 설계 안으로는 2 조 핑거그립를 사용하는 전기모터형 그

리퍼 와 추가적으로 개선한 4 조 전기모터형 핑거그립를 설계였다 스윙형 그립

의 단점을 보안하여 집중응력을 분산할 수 있는 구조로 설계하였고 그리퍼의

무계를 줄일 수 있는 방법을 제시하였다 이로써 원통형 도구 파지 시 안정성이

향상되었고 보다 원활하게 수술 도구를 교체 가능하도록 하였다

앞으로 촉감을 전달할 수 있는 센서의 개발로 햅틱 디바이스 인터페이스 장

치의 활용에 보다 높은 기여를 할 것이라 예상된다

-６０-

참고 문헌

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[11] 김갑순 ldquo3축 힘센서를 이용한 지능형 그리퍼 개발rdquo한국정밀공학회지 제

24권 제 3호 1999년

[12] 고대성김성목김희국이병주 ldquo병진형 자유도와 1자유도 파지기능을 가지는

4자유도 병렬 메커니즘의 기구학분석rdquo한국정밀공학회 2007년 추계학술대회

• 제1장 서 론
• • 11 연구배경 및 연구목적
  • 12 연구내용
  • • 제2장 로봇 산업의 기술 현황
    • • 21 로봇산업의 동향
      • 22 의료용 로봇기술 현황
      • 23 의료용 로봇시장 전망
      • • 제3장 능동 그리퍼
        • • 31 최소침습 수술 햅틱 장치구현에 필요한 능동 그리퍼 제안
          • 32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류
          • 33 파지형태에 의한 그리퍼의 분류
          • 34 메카니컬 핸드의 구속기능
          • 35 대표적인 동력원의 특징
          • • 제4장 능동형 그리퍼 설계
            • • 41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정
              • 42 모터 선정 알고리즘
              • • 43 1 차 능동형 그리퍼 설계
                • 44 2 차 능동형 그리퍼 설계
                • • 제 5 장 결론
                  • 참고문헌
                  • TABLE 2-1 Domestic robot classification
                  • TABLE 2-2 Robot Production Company
                  • TABLE 3-1 Characteristics of power sources
                  • TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics
                  • TABLE 4-2 αSTEP Motor Characteristics
                  • Fig2-1 Phase of medical robots in the robot industry
                  • Fig2-2 Da Vinci surgical case number
                  • Fig3-1 Da Vinci robot system for MIS
                  • Fig3-2 Classified by the gripper grip action
                  • Fig3-3 Swing-type hand mechanism
                  • Fig3-4 Hand mechanism for translational type1 (parallel displacement)
                  • Fig3-5 Hand mechanism for translational type2 (Rack and pinion type)
                  • Fig3-6 Hand mechanism for three point pinch type
                  • Fig3-7 Movement of object
                  • Fig3-8 Contacts of the kind and the confining
                  • Fig3-9 Human Arm structure
                  • Fig4-1 Configuration of the fingers on robot gripper
                  • Fig4-2 Change the value of the angle of phage torque
                  • Fig4-3 Motor Selection Algorithm
                  • Fig4-4 Arbitrary Shape of Planar Area
                  • Fig4-5 Parallel-Axis Theorem
                  • Fig4-6 Arbitrary Shape of Polar Area
                  • Fig4-7 Example of Velocity Guidance
                  • Fig4-8 Parallel-link Grasp system 1
                  • Fig4-9 Parallel-link Grasp system 2
                  • Fig4-10 TWO Fingertip Grasp system
                  • Fig4-11 Four Fingertip Grasp System
                  • Fig4-12 Four Fingertip Grasp System layout
                  • Fig4-13 Fingertip Grasp Mechanism
                  • Fig4-14 Fingertip Grasp extended
                  • Fig4-15 Power Transmission Device

Fig 3

는 핸드의

볼나사 기구

다

(2) 세 손

세 손가

가락으로 잡

F

-5 는 회전형

예이다볼나

구 각각을 손

손가락 type

가락을 가진 핸

잡는 것보다

Fig 3-5 Hand

형 액추에터로

나사 기구를 이

손가락에 부착

e

핸드에서는

안정된 파지

d mechanism fo

- 28 -

로 랙 피니온

이용하는 경

착 사라를 회

상을 3 점

지 동작을 할

or translational

온을 회전시킴

우에는 1

회전시킴으로

점에서 유지할

할 수 있다

l type2 (rack a

킴으로써 개폐

의 왼나사

써 개폐 동작

할수 있기 때

nd pinion type

폐동작을 하

오른나사의

작을 실현한

문에 두 손

e)

Fig 3-6

베벨기어를

구동해서 세

실현한 것

각 손가락을

복잡하며 중

6 은 세 손가

를 매개로 상

세 손가락을

이다 특히

을 개별 모터

중량도 증가하

Fig

락형 그리퍼

호 각도를 주

동작시킴으로

원통물체를

터로 구동하도

하기 때문에

3-6 Hand mec

- 29 -

의 일반적인

주어 결합한

로써 이른바

확실히 잡아

도록 한 3 지

실용례가 적

chanism for thr

인 형상을 나타

3 개의 볼

바 3 포인트 핀

아서 유지하

지형핸드도 개

적다

ree point pinch

타내고 있다

나사를 하나

핀치(three po

는데 유리하

개발되고 있으

h type

이 핸드는

나의 모터로

oint pinch)를

하다그 외에

으나기구가

34 메카니

(1) 구속

기계적

어서 형성되

전 구속 기

해서 언급하

으로 움직일

또 X Y 평

니컬 핸드의

속기능

구동장치에

되는 것으로

기능이 있다

하면 구속 상

일 수 있다

평면 X Y 면

의 구속기능

서 구속 형식

크게 나누어

그래서 핸드

상태의 물체는

이것을 물체

X Z 면상에

Fig 3-

- 30 -

능

식과 접촉 상

어서 반구속

드의 구속 기

는 Fig 3-7 와

체의 공전 (이

서 6 방향으

-7 Movement

상태와 포락

속 (받는 구속

기능을 결정하

와 같이 X Y

이동)에 관한

로 회전 한다

t of object

능력의 인자

속 는 구속

하는 물체의

Z 의 3 축상

6 동작 자유

다 이것을 물

자가 복합되

속)기능과 완

구속에

에서 6 방향

유도로 한다

물체의 자전

(회전)에 관

부여한 상태

행할 수 있

서는 회전의

핸드에

한 공간적

면 Fig 3-8

이 그림

를 구속한다

에서 7 자유

선접촉과 면

계수와 절선

(a

관한 6 동작

태에서 움직이

있다 또 완전

의 6 자유도를

의한 물체의

적인 포락 상

와 같이 된

(a)의 점접촉

다 그러나 1

유도를 구속

면접촉에는 각

선력법선력

a) point contac

Fig3

자유도로 한

이며 중력이

전 구속은 핸

를 무시하는

의 구속은 핸

상태로 정한다

다

촉은 접촉점

1 점접촉은 다

한다 (c)의

각각 마찰에

비와의 관계

ct (b

3-8 Contacts

- 31 -

한다 반구속은

이나 환경면의

드 자체로 1

경우도 적지

핸드와 물체의

다 먼저 접촉

방향의 1 자

다른 11 자유

면접촉은 11

위한 구속이

계로 구속불능

) line contact

of the kind an

은 12 자유도

의 구속을 받

12 자유도를

지 않다

의 접촉 상태

촉부의 구속

자유도를 구속

도를 구속할

1 자유도의 구

이 4 개와 6 개

능의 가능성을

nd the confini

도 중 몇 개의

아서 완전 구

행하는데 경

태 및 접촉부

능력을 모델

속한다 그러나

할 수 없다 (b

구속을 할 수

개 주어져 있

을 가진 구속

(c) surface co

ing

의 자유도를

구속으로 이

경우에 따라

부의 물체에

델로 나타내

나 1 자유도

b)는 선접촉

수 있다 단

있으며 마찰

속 성분이기

ontact

- 32 -

도 하다 또한 면접촉의 상태는 중력의 작용을 이용하면 받기를 형성하고 또

외계력을 이용하면 기를 형성한다

이들의 접촉상태는 물체의 형상과 핸드의 구속면으로 규정되는 것으로 핸드

만으로 결정하기는 어렵다 단 핸드의 구속면을 부드러운 재질로 형성하면 면

접촉의 이행이 용이하다 이와 같은 이유에서 물체에 접촉부가 포락도를 높이는

데에 따라서 물체 형상에 관계 없이 구속 능력을 증 시킬 수 있다

(2) 메커니컬 핸드의 자유도

로봇의 손은 그 용도를 불문하고 인간의 손 작업의 행을 목적으로 하는

것이므로 그 설계에 있어서 모델로 되는 것은 말할 것 도 없이 인간의 손이다

그래서 우선 기구에 하여 설명하기 전에 인간의 손의 구조 모델에 하여 설

명해 본다

AmiddotMorecki 에 의하면 인간의 상체는 그 해부학적 구조에 입각하면 Fig 3-9 와

같이 모델화할 수 있다 Fig 3-9 에서 숫자는 각각 골격 즉 링크를 나타내고 숫

자 II~ V 는 관절을 나타내고 있다 이와 같은 공간링크 기구의 자유도 F 는 가

동부수 n 자유도의 종류 f 를 가진 우 수를 Pf 라 하면 다음 식으로 나타낼

수 있다

6n sum ∙ P 12345 (3-1)

Fig 3-9

들 자유도가

을 Fig 3-9

P5=10 이므

인간의

유도 1 의

해 있으며

의 모델에서

가 있는 관절

9 와 같이 정

므로 위 식에

상지를 인공

액튜에이터를

22 개나 되

Fig 3

서는 n=19 P2

절에 작용하는

정의하고 그

서 FH=22 가

공적으로 정밀

를 27 필요

는 액튜에이

- 33 -

3-9 Human Ar

2=1 P3=2 P4

는 근군은 약

자유도 FH

가 된다

밀하게 재현하

요로 하게 된

터를 필요로

rm structure

4=6 P5=11 이

약 50 이라고

를 구하면

하려고 한다면

된다 또 손에

로 한다 그러

이므로 F=27

고 되어 있다

이 경우는 n

면 이상의 결

는 특히 자유

나 로봇의 손

이 된다 이

여기서 손

n=16 P4=6

결론에서 자

유도가 집중

손이 이만큼

- 34 -

의 수의 액튜에이터를 갖춘 것을 제작한다는 것은 크기 중량 제어면에서 볼

때 현시점에서는 불가능에 가깝다 특히 의수에 있어서는 상술한 바와 같은 형

상이나 조종성 등의 점에서 전혀 불가능하다고 해도 좋다 따라서 보통은 기능

에 주목하여 손에 집중해 있는 자유도의 간략화를 도모한다

인간의 잡기 동작에 주목해 보면 그 잡기 형상에는 12 종류가 있다고 하다

그러나 이것들은 엄지와 다른 12 종류가 있다고 한다 그러나 이것들은 엄지와

다른 4 손가락과의 관계에 주목하였을 때에 2 종류 즉 엄지가 다른 4 손가락과

항해서 동작하거나 그 측방에서 동작하는가로 분류할 수 있다 실제의 일상

동작에서 관찰하면 이들 중에서도 엄지와 손가락이 항해서 동작하는 소위 쥠

동작이 우선 첫 번째이고 또 다음에 엄지 검지 중지의 3 손가락의 선단으로

이루어지는 3Point Pinch 즉 잡기동작이 중요하다

더불어 손가락의 독립성에 해서는 역시 일상동작 중에서 손가락의 사용

빈도를 조사한 결과에 의하면 다섯 손가락은 반드시 독립적인 운동을 필요로

하지 않고 엄지 검지 중지가 같은 정도의 중요성을 자기며 다른 두 손가락은

사용 빈도에 있어서 이들 세 손가락보다 약 50 적으며 다른 세 손가락의 보

조 역할을 한다고 볼 수 있다 그리고 특히 중요한 것은 인간의 각 손가락은 잡

기 상물의 형상에 적응한 쥐기 즉 Passive 한 동작을 할 수 있다는 것이다 이

기능이 있다면 각 손가락이 독립적으로 동작하지 않더라도 또 다소 손의 자유

도를 제거하더라도 상물의 확실한 쥐기나 잡기 그리고 기타 손 작업에 큰 힘

을 발휘한다

- 35 -

34 표적인 동력원의 특징

동력원을 설계할 때 다음의 점을 고려하면서 가장 적합한 방식을 선택한다

1조작력(로보트가 내는 최 의 힘 예를들면 최 들어올린 힘)

2속응성(최 조작 속도)

3크기 중량(로보트의 크기와 중량의 제한)

4안정성(발열이나 과부하에 한 안전성)

5사용의 용이도

6수명가격

1 2 의 조작력 속응력은 로보트에 요구되는 성능에서 가장 기본적인 것인

데 이에 관련해서 크기나 중량의 제한 안정성 사용의 용이도 수명 가격 등을

고려해서 동력원을 선택한다 단 자주형 로보트에서는 2 차적 성능인 동력원의

중량이 첫째 요구 조건이 되는 경우가 많고 공업용 로보트에서는 저가격 사용

의 용이도 안전성이 중요 사항으로 우선시된다

모든 로봇은 동력원을 필요로한다 중요도에 따라 동력원을 선택해야 하는데

일반적으로 공기압식은 안전성이 뛰어난 반면 힘과 세밀한 위치제어가 어렵고

전기식은 응답성과 사용편리성 세밀한 위치제어가 가능하나 높은 힘을 내기 위

해서는 부가적인 기구부가 필요하다 유압식은 큰힘을 낼수있어서 속응성은 좋

으나 과부하시 상당한 발열이 있기 때문에 안전성에서 다른 동력원에 비해 떨

어진다 위 사항을 TABLE 3-1 로 분류하여 나타내었다

- 36 -

TABLE 3-1 Characteristics of power sources

전기식 유압식 공압식

사용용이성 편리하다 작동유의관리 관로의압력

필터관리에 유의

공급공기의 수분제거

윤활성의부가에 주의

수명 길다 기름에 윤활성이 있기

때문에 길다

공기에윤활성이 없어

유압 전기에 비해 짧다

가격 보통 가격 운영비 높음 저가격

응답속도

(반응성) 매우 빠르다 빠르다 늦다

하중능력 (소)에서 (중)정도의

하중능력 단히 큰 힘을 얻음 큰 힘은 없다

소음 적다 다소 크다 크다

- 37 -

제 4 장 능동형 그리퍼 설계

41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정

로봇 그리퍼의 정밀 파지 (Fingertip Grasp 손가락 끝을 이용하여 물체를 집

거나 바닥에누워있는 납작한 물체를 집는 행동)를 안정하게 하기 위해서는 손가

락 끝과 물체가 직각에 가까운 각도를 이룸으로 마찰력을 크게 하여 안정성을

높인다 또한 바닥에 놓인 물체를 집어 올릴 경우에도 물체표면의 법선 벡터와

손가락 끝의 각도가 클수록 물체를 효과적으로 구속하여 안정된 파지를 할 수

있다

그리퍼의 링크 시스템에 있어서 2 링크 손가락보다 3 링크 손가락을 쓸 때가

링크와 수평 평면이 이루는 각 (A)이 더 커지기 때문에 안정성이 더 좋다는 것

을 알 수 있다 그리고 안정성뿐만 아니라 식 (4-1)을 통하여 문체에 전해지는

Torque 값을 Fig 4-2 와 같이 그래프로 나타내면 0 도에서 75 도 정도까지는 A 각

이 커질수록 물체에 가해지는 토크 값이 점점 커지는 것을 알 수 있음으로 3 링

크 손가락을 쓰는 것이 파지력 증가됨을 알수 있다 ℓ3 의 길이가 길어질수록 A

가 작은 값을 가져서 정밀파지에 적당하지 않다

τ l cosA sinA l 1 cos A tan μ (41)

A cosempty

(42)

Fig 4-1

은 식을 통

각이 커짐을

움이 있고

Fig4-

에서 제 2 코

통해 구할 수

을 알 수 있다

최소 단위를

Fig4

-1 Configurati

코사인 법칙

있는데 이로

다 그러나 ℓ

를 1cm 로 하

-2 Change the

- 38 -

ion of the fing

을 이용하여

로부터 링크

ℓ3 가 1cm 인

하였기 때문에

e value of the a

gers on robot g

여 A 의 각을

길이 ℓ3 가

인 경우는 너

에 ℓ3 는 2cm

angle of phage

gripper

구하기 위해

작으면 작을

무 짧아서 파

로 결정하였

torque

해 (2) 와 같

을수록 A 의

파지의 어려

였다

42 모터

(1) 알고

앞 절에

여야 한다

는 모터의

이 작은 모

나 용량이

로 적절한

선정 알고

고리즘 정의

에서 설명한 기

로봇 팔에

선정은 동작

모터를 사용하

큰 모터를 사

모터의 선정

고리즘

기구들을 추

움직임을 전

작을 구현하는

하게 되면 기

사용하게 되

정이 중요하다

Fig 4-3 M

- 39 -

추후 로봇 시스

전달함에 있어

는데 중요한

기구의 원활한

면 모터의 외

다

Motor Selectio

스템에 적용을

어서 동력을

과제가 되겠

한 작동이 어

외형이 커지

on Algorithm

을 고려하여

공급과 제어

겠다 만일 토

려워지고 단

고 가격 또한

설계를 하

어를 수행하

토크나 용량

단순히 토크

한 증가하므

- 40 -

(2) 알고리즘 수행

모터를 선정하기 위해서 가장 우선적으로 해야 할 일은 기계구동부분을 결

정하고 구동부분을 어떠한 방식으로 작동을 시킬지 동작 패턴을 결정하여야 한

다 예를 들면 모터에서 나오는 힘을 받아서 볼 스크류를 이용하여 힘을 전달할

것인지 벨트 피니언 기어 혹은 풀리 등을 이용할 것인지를 결정하고 그에 따

른 적절한 구동방식을 결정한다 구동방식을 결정하게 되면 각각의 구동방식에

적합한 수식을 대입하여 부하토크를 계산한다 구동방식에 따른 부하토크를 구

하는 수식은 구동방식이나 구동장소 등에 따라 다소 상이하나 일반적인 수식은

다음과 같다

-BALL SCREW 구동

T FP2πn

μ F P2π

1i N ∙ m 43

F F mg sin α μ cos α N 44

-PULLEY 구동

T ∙ 45

μF D

2i N ∙ m

- 41 -

-WIRE middot BELT 구동 RACK middot PINION 구동

T F2πn

∙ πDi

FD2ni

N ∙ m 46

F F mg sin α μ cos s N 47

-실측에 의한 방법

T 48

직선운동 (커플링 직결 볼스크류 등)의 경우 위의 (43) (44) 이용하여 구할

수 있다 이때 F 는 축방향하중 F0 는 예압하중 μ0는 예압 NUT 의 마찰계수 η 은

효율i 는 감속비 PB 는볼스크류 피치를 나타낸다 회전운동 (풀리)의 경우 식

(45)를 이용하여 구할 수 있으며 FA는 외력 FB는 부하중량 (주축이 회전하기 시

작할 때의 힘) m 은 work 와 TABLE 의 총무계 μ 접동면의 마찰계수α는 경사각

도D 는 풀리의 지름을 나타낸다

실제현장에서는 선정된 모터의 토크를 확인하기 위해 실측에 의한 구동토크

를 계측하는데 스프링 저울을 구동 풀리에 연결지어 측정한다 이때 TL 은 회전

운동 부하토크에 해당하고 FB 는 부하중량 D 는 풀리의 직경을 나타낸다

위의 부하토크를 구하는 식들을 이용하여 부하토크를 구하게 되면 실제 모

터를 사용할 때 어느 정도의 시간적 여유를 두고 가속을 할 것인지 감속을 할

것인지를 결정하여야 한다 이를 위해서 우선 동작시킬 부분에 대한 관성모멘트

를 계산하

Fig 4-4

시한 것으로

dA 와 기준

이를 표현하

하여야 한다

4 는 관성모멘

로 X 와 Y

준축으로 부터

하면 식 (49)

Fig 4-4 Arb

I

멘트를 구하기

는 면적의 미

터의 거리의

)와 같다

- 42 -

bitrary shape o

y dA I

기 위한 절대

미소 요소 dA

제곱의 곱으

of planar area

x dA

대좌표 X Y

A 의 좌표이

으로 단면 2

축 상의 미소

이고 관성모멘

차 모멘트라

49

소면적을 도

멘트는 요소

라고도 한다

평면 면

가 있다 평

축에 대한

Fig 4-5

하는 평행한

관성모멘

식 (410

번째 적분은

면적의 관성

평행축 정리란

관성 모멘트

5 과 같이 도

한 xy 축 두

멘트의 정의로

I y

0) 에서 우변

은 Xc 축에

Fig 4-5

모멘트에 있

란 도심축에

트 사이의 관

도심을 원점으

좌표계의 평

로부터 x 축

y d dA

변의 첫 번째

대한 1 차 모

- 43 -

5 Parallel-axis

있어서 중요하

대한 관성

계를 나타낸

으로 하는 Xc

평행한 축 간

축에 대한 관

y dA

적분은 Xc

모멘트로서 X

theorem

하고 유용한

모멘트와 도

낸다

cYc 축과 임의

간의 거리를 d

성모멘트 Ix

2d y dA

축에 대한 관

Xc 축이 도심

정리로서 평

도심축에 평행

의의 점 O 를

d1 과 d2 로 표

는 식(410)와

d dA

관성모멘트

심을 통과하므

평행축 정리

행한 임의의

를 원점으로

표시한다

와 같다

410

I 이다 두

므로 적분의

- 44 -

값은 0 이다 세번째 적분은 면적 A 그 자체이다 따라서 식 (410)은 식 (411)과

같이 간단해진다

I I Ad 411

y 축에 대한 관성모멘트도 위와 같은 방법에 의해 식(412)과 같다

I I Ad 412

또한 면적의 평면에 수직인 수직축에 대한 관성모멘트를 극관성모멘트라 한

다 Fig 4-6 는 평면에 수직이고 O 점을 통과하는 축에 대한 극관성모멘트를 나

타낸 그림으로 이를 관성모멘트 식으로 표현하면 식 (413) 와 같다

I ρ dA 413

식 (413)와

즉 평면에

서로 수직인

극 관성

와 도심 C

와 식 (414)에

I

수직인 축에

인 두 축에 대

성모멘트에 대

에 대한 극

Fig 4-6 Arb

의해 식 (4

ρ dA

I

에 대한 극관

대한 관성모

대한 평행축

극 관성모멘트

- 45 -

bitrary shape o

ρ x y

415) 식 (41

x y dA

I I I

관성모멘트는

멘트의 합과

정리는 Fig

트를 각각 I

of Polar Area

y

16)과 같은 관

x dA y

는 평면 내의

과 같다

4-5 에서 유

와 I 로

관계식을 얻을

y dA

같은 지점을

유도할 수 있

로 표시하면

414

을 수 있다

415

416

을 통과하는

있다 원점 O

식 (416)에

- 46 -

서 식(417)을 유도할 수 있다

I I I I I I 417

I I I I A d d 418

I I Ad 419

식 (419)는 극 관성모멘트에 대한 평행축 정리를 나타낸다 즉 평면 내의 임의

의 한 점 O 에 대한 면적의 극관성모멘트는 도심 C 에 대한 극관성모멘트에 그

면적과 점 O 와 C 사이의 거리의 제곱의 곱을 더한 것과 같다

이상의 식에서 부하토크와 관성모멘트를 계산하여 모터를 가 선정한다 부하토

크의 경우 사용될 모터의 정격 토크를 넘어서지 않는 것을 선정한다 부하토크

를 TL 정상 부하 상태의 힘 PL 극 관성모멘트 IL 회전운동을 위한 힘 Pa 각속

도 가속 시 소요되는 시간을 ta 라 하고 식 (420)을 이용하여 부하가 일정하

게 작용할 때의 힘을 계산한다 마찬가지로 관성모멘트를 식 (421)에 대입하여

가속을 위한 회전 운동 시 필요한 힘을 계산한다 식 (420)과 식 (421)에서 계

산된 힘을 합산하면 모터를 회전시키기 위해 필요한 출력이 계산된다 이때 계

산된 출력보다 실제 사용할 모터의 정격 출력이 1~2 배 정도가 되도록 모터를

가 선정한다

- 47 -

P T ω 420

P 421

위의 과정을 통하여 모터를 가선정하고 가감속 토크 및 구동 토크를 계산한

다 각각의 토크를 계산하게 되면 모터를 최종적으로 선정하게 되는데 두 가지

사항을 고려하여 최종 선정한다 먼저 식 (422)을 통해서 계산되는 가속 시 소

요되는 기동 토크 TM 가 모터의 최대 토크를 넘지 않는 것으로 선정한다

T 422

두 번째로 Fig 4-7 의 속도 선도와 같이 모터의 가 감속 시간과 정상 동작

시간 등을 결정하여 식 (423)과 같이 실효치 토크 TS 를 구하고 실효 토크가 모

터의 정격 토크보다 크지 않도록 선정한다

T 423

Fig 4-7 Exa

- 48 -

ample of veloc

city guidance

- 49 -

(3) 알고리즘 적용

로봇시스템에 있어서 기구들의 관성모멘트와 토크 계산 후 적합한 모터를

선정하기 위해 시중에서 시판되는 모터를 조사하였다 로봇에 적용 가능한 모터

로는 크게 서버모터와 스텝모터 RC 서버모터 DC 모터로 구분 할 수 있었다 이

를 TABLE 4-1 과 같이 정리하였다

동력원의 6 가지 선정요소 중 우선순위를 부여하여 분류했을 때 핸드 그리퍼

의 특성상 가볍고 토크가 큰 RC 서버 모터 미니 서버모터를 선택할 수 도 있지

만 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터 중 토크를 증가시킬 수 있는

감속기가 있는 타입의 모터를 우선시 하였다

1 감속비를 사양할 수 있는 모터를 선정하여 계산한 토크를 확인한다

2 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터를 선정한다

3 CLOSED LOOP 제어를 통하여 정확한 위치를 검출할 수 있어야 한다

따라서 스텝모터중 lsquoOrsquo사의 ldquoαSTEPrdquo가 적합하다고 판단되어 모터를 선정하였다

- 50 -

TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics

미니서버모터 RC 서버모터 스텝모터 DC 모터

장점 동일사양대비 모터

중 10배정도 큰 토크

5v사용가벼움

정확한 위치제어

급격한 부하변동급가

속 유리

저렴한가격

보편화됨

단점 정지시 진동이 예상 약한 토크 THRUST하중이 모터

무계 이하여야 한다

유지보수가 잦다

크기 151588mm(10w20w)

2525111mm(30w)

392038mm 424234mm Oslash37mm917mm

동작전압 Dc 24V Dc 48V60V Dc 24V Dc 24V

무계 230g~400g 56g 150g 200g

허용토크 009Nm~03Nm 11~13kgfcm 18kgfcm (018Nm) 47kgfcm(1200)

감속기 다양한 감속비 가능 고정 감속기 감속기 무(072˚036) 다양한 감속비

제조사 야스카와 SGMM 하이텍 HS-5945 AUTONICS GCM 3429A

TABLE 4-2 αstep motor characteristics

외형 전압 전류 무계 토크 감속비 분해능

αSTEP 282884mm

4242127mm Dc24V 1~37A 250G 2~28 Nmiddotm 50~1001

00072pluse

00036pluse

- 51 -

43 1 차 능동형 그리퍼 설계

실린더를 사용하여 링크로 물체를 파지하던 그리퍼는 Fig 4-8 과 Fig 4-9 에

묘사하였다 이런 실린더를 사용한 그리퍼는 공압 효과를 도출할 수 있는 별도

의 펌프가 필요하고 동작을 구현할 수 있는 자유도를 증가시키는데 한계가 있

다 이런 실린더의 단점을 보완하고 전기모터의 장점을 사용하기 위해 웜기어와

웜휠 방식을 채택하여 2 자유도 능동형 그리퍼를 설계하였다

1 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-10 에 묘사하였으며 1 차설계한

능동형 그리퍼는 Two Fingertip Grasp 로 칭하겠다 파지한 물체를 회전 시키는

기능은 베벨기어를 사용하여 회전운동으로 구현하였고 실린더의 전middot후진 운동

을 전기모터의 회전운동으로 변환 시키기 위하여 웜기어와 웜휨을 선택하였다

전기모터에 의해 회전하는 운동은 웜기어와 웜휠에 의해 링크를 사용하여 물체

를 파지하였던 그리퍼와 동일한 운동효과를 가지게 되었다

웜기어와 웜휠을 사용하여 물체를 파지하는 능동형 그리퍼는 스윙형으로 설

계되었으며 파지력을 높이기 위한 각도를 적용하였다 링크를 사용하여 물체를

파지하는 형태의 그리퍼보다 기구의 크기를 줄일 수 있는 장점이 있는 반면 기

어들의 백래시에 의한 오차가 끝단에 누적될 수 있는 문제점을 가지고 있다또

한 기구부의 소재 변경으로 그리퍼의 무계를 줄일 수 도 있지만 가장 큰 무계

를 차지하는 모터를 그리퍼 자체에서 분리하게 할 수 있게 하려면 그리퍼 자체

의 구조변경이 필요하다

`

`

Fig 4-8 Par

Fig 4-9 Par

- 52 -

rallel-link gra

rallel-link gra

sps system 1

sps system 2

Fig 4-10

- 53 -

0 Two fingertipps grasp system

- 54 -

44 2 차 능동형 그리퍼 설계

1 차 설계한 능동형 그리퍼에서 발견된 문제점을 보안하기 위하여 2 차 능동

형 그리퍼를 설계하였다 2 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-11 에 묘사

하였으며 2 차설계한 능동형 그리퍼는 Four Fingertip Grasp 로 칭하겠다 이 장치

는 크게 동력원 동력 전달장치 핑거 그립장치로 구성되어있으며 이를 통합하

여 Fig 4-12 에 나타내었다

핑거 그립장치는 스윙형 그립의 단점을 보완하여 설계하였다 물체를 파지할

때 그립의 회전 반경이 주위 환경요소와 간섭을 발생시킬 수 있는데핑거가 전

진할때 샤프트와 핑거그립간의 나사결합형태를 통한 직선운동으로 개선하여 주

위환경요소에 영향을 주지 않도록 설계하였다 구동축의 핑거파지 메카니즘을

Fig 4-13 와 같이 간략화 하였고 이에 대한 세부 도면은 Fig 4-14 로 나타내었다

4 조 핑거 그립의 나사산과 테이퍼진 스크류축은 나사식으로 결합되며 상호

작용에 의해 점차 중심점으로 이동하여 물체를 파지하는 형태이다 사용된 2 개

의 샤프트는 중공축으로 설계하였으며 외부 샤프트는 4 조 핑거가 물체를 파지

하여 비트는 모션을 구현하는데 사용되었다 내부 샤프트는 핑거를 중심점으로

전진시켜는 기능을 수행한다 중공축으로 설계한 내부 샤프트는 차후 개발될 인

스트리먼트의 탈부착을 손쉽게 할수있도록 구현하였고 4 조로 설계된 핑거는 그

립시 인스트리먼트의 응력집중현상을 분산시키는 기능과 2 조로 그립하였을때

보다 안정적인 그립감을 형성한다

- 55 -

동력원과 동력전달장치는 Fig 4-15 에 나타내었으며 Two Fingertip Grasp system

의 문제점이었던 구동부의 모터의 설치 방법을 외부에 부착하는 형태로 변경하

여 우레탄 밸트를 사용하였다 또한 아이들러를 사용하여 밸트의 방향을 변경

하여 모터의 부착위치를 자유롭게 설정할 수 있도록 하였고 모터 브라켓에 슬

리브 홈을 설치하여 벨트의 장력을 조절할 수 있도록 하였다

Fig4-11

Fig4-12 Fou

- 56 -

Four fingertip

ur fingertips g

ps grasp system

grasp system la

m

ayout

Fig 4-13

Fig 4-14

- 57 -

Fingertip gra

4 Fingertip gr

asps mechanis

rasps extended

m

d

Fig 4-15

- 58 -

5 Power transmission devicce

- 59 -

제 5장 결 론

본 연구에서는 MIS 수술 로봇을 위한 햅틱 마스터장치 구동용 능동형 그리

퍼를 설계하기 위하여 그에 상응하는 자료 및 문헌 조사를 수행하였고 햅틱 마

스터에 적용 가능한 능동형 그리퍼를 설계하여 로봇 시스템의 초안을 구성하였

다 수술용 도구를 단순히 잡아주는 역할에서 벗어나 시스템에 추가적인 자유도

를 부여함으로써 그리퍼를 표현하였다 단순화된 그리퍼는 보다 저렴한 가격으

로 생산될 수 있으며 기존 로봇 수술시스템의 높은 비용을 절감할 수 있는 효

과를 가져올 수 있다

최종적으로 제안한 설계 안으로는 2 조 핑거그립를 사용하는 전기모터형 그

리퍼 와 추가적으로 개선한 4 조 전기모터형 핑거그립를 설계였다 스윙형 그립

의 단점을 보안하여 집중응력을 분산할 수 있는 구조로 설계하였고 그리퍼의

무계를 줄일 수 있는 방법을 제시하였다 이로써 원통형 도구 파지 시 안정성이

향상되었고 보다 원활하게 수술 도구를 교체 가능하도록 하였다

앞으로 촉감을 전달할 수 있는 센서의 개발로 햅틱 디바이스 인터페이스 장

치의 활용에 보다 높은 기여를 할 것이라 예상된다

-６０-

참고 문헌

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정보 및 제어부분 PP68~7020084

[2] 박정호 ldquo국내외 의료로봇 현황과 발전방향rdquo정보과학지 26(4)

PP49~5420084

[3] 편집부 ldquo수술지원로봇의 최신 기술 동향rdquo월간 자동화 기술 22(12)

PP74~77200612

[4] 경기욱박준석 ldquo햅틱스 기술개발 동향 및 연구전망rdquo전자통신경향분석

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[5] 권동수경기욱 ldquo의료용 로봇의 연구 현황과 전망rdquo기계저널

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한국정밀공학회 2009년 추계학술대회 논문집

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[9] 이재훈김형욱이병주서일홍 ldquo새로운 6자유도 병렬형 햅틱 기구의 최적설

계 및 해석rdquo한국정밀공학회 2003년 추계학술대회 논문집

[10] 조국훈이재훈이병주김희국 ldquo병렬형 그리퍼 메카니즘rdquo한국정밀공학회지

[11] 김갑순 ldquo3축 힘센서를 이용한 지능형 그리퍼 개발rdquo한국정밀공학회지 제

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[12] 고대성김성목김희국이병주 ldquo병진형 자유도와 1자유도 파지기능을 가지는

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• 제1장 서 론
• • 11 연구배경 및 연구목적
  • 12 연구내용
  • • 제2장 로봇 산업의 기술 현황
    • • 21 로봇산업의 동향
      • 22 의료용 로봇기술 현황
      • 23 의료용 로봇시장 전망
      • • 제3장 능동 그리퍼
        • • 31 최소침습 수술 햅틱 장치구현에 필요한 능동 그리퍼 제안
          • 32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류
          • 33 파지형태에 의한 그리퍼의 분류
          • 34 메카니컬 핸드의 구속기능
          • 35 대표적인 동력원의 특징
          • • 제4장 능동형 그리퍼 설계
            • • 41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정
              • 42 모터 선정 알고리즘
              • • 43 1 차 능동형 그리퍼 설계
                • 44 2 차 능동형 그리퍼 설계
                • • 제 5 장 결론
                  • 참고문헌
                  • TABLE 2-1 Domestic robot classification
                  • TABLE 2-2 Robot Production Company
                  • TABLE 3-1 Characteristics of power sources
                  • TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics
                  • TABLE 4-2 αSTEP Motor Characteristics
                  • Fig2-1 Phase of medical robots in the robot industry
                  • Fig2-2 Da Vinci surgical case number
                  • Fig3-1 Da Vinci robot system for MIS
                  • Fig3-2 Classified by the gripper grip action
                  • Fig3-3 Swing-type hand mechanism
                  • Fig3-4 Hand mechanism for translational type1 (parallel displacement)
                  • Fig3-5 Hand mechanism for translational type2 (Rack and pinion type)
                  • Fig3-6 Hand mechanism for three point pinch type
                  • Fig3-7 Movement of object
                  • Fig3-8 Contacts of the kind and the confining
                  • Fig3-9 Human Arm structure
                  • Fig4-1 Configuration of the fingers on robot gripper
                  • Fig4-2 Change the value of the angle of phage torque
                  • Fig4-3 Motor Selection Algorithm
                  • Fig4-4 Arbitrary Shape of Planar Area
                  • Fig4-5 Parallel-Axis Theorem
                  • Fig4-6 Arbitrary Shape of Polar Area
                  • Fig4-7 Example of Velocity Guidance
                  • Fig4-8 Parallel-link Grasp system 1
                  • Fig4-9 Parallel-link Grasp system 2
                  • Fig4-10 TWO Fingertip Grasp system
                  • Fig4-11 Four Fingertip Grasp System
                  • Fig4-12 Four Fingertip Grasp System layout
                  • Fig4-13 Fingertip Grasp Mechanism
                  • Fig4-14 Fingertip Grasp extended
                  • Fig4-15 Power Transmission Device

Fig 3-6

베벨기어를

구동해서 세

실현한 것

각 손가락을

복잡하며 중

6 은 세 손가

를 매개로 상

세 손가락을

이다 특히

을 개별 모터

중량도 증가하

Fig

락형 그리퍼

호 각도를 주

동작시킴으로

원통물체를

터로 구동하도

하기 때문에

3-6 Hand mec

- 29 -

의 일반적인

주어 결합한

로써 이른바

확실히 잡아

도록 한 3 지

실용례가 적

chanism for thr

인 형상을 나타

3 개의 볼

바 3 포인트 핀

아서 유지하

지형핸드도 개

적다

ree point pinch

타내고 있다

나사를 하나

핀치(three po

는데 유리하

개발되고 있으

h type

이 핸드는

나의 모터로

oint pinch)를

하다그 외에

으나기구가

34 메카니

(1) 구속

기계적

어서 형성되

전 구속 기

해서 언급하

으로 움직일

또 X Y 평

니컬 핸드의

속기능

구동장치에

되는 것으로

기능이 있다

하면 구속 상

일 수 있다

평면 X Y 면

의 구속기능

서 구속 형식

크게 나누어

그래서 핸드

상태의 물체는

이것을 물체

X Z 면상에

Fig 3-

- 30 -

능

식과 접촉 상

어서 반구속

드의 구속 기

는 Fig 3-7 와

체의 공전 (이

서 6 방향으

-7 Movement

상태와 포락

속 (받는 구속

기능을 결정하

와 같이 X Y

이동)에 관한

로 회전 한다

t of object

능력의 인자

속 는 구속

하는 물체의

Z 의 3 축상

6 동작 자유

다 이것을 물

자가 복합되

속)기능과 완

구속에

에서 6 방향

유도로 한다

물체의 자전

(회전)에 관

부여한 상태

행할 수 있

서는 회전의

핸드에

한 공간적

면 Fig 3-8

이 그림

를 구속한다

에서 7 자유

선접촉과 면

계수와 절선

(a

관한 6 동작

태에서 움직이

있다 또 완전

의 6 자유도를

의한 물체의

적인 포락 상

와 같이 된

(a)의 점접촉

다 그러나 1

유도를 구속

면접촉에는 각

선력법선력

a) point contac

Fig3

자유도로 한

이며 중력이

전 구속은 핸

를 무시하는

의 구속은 핸

상태로 정한다

다

촉은 접촉점

1 점접촉은 다

한다 (c)의

각각 마찰에

비와의 관계

ct (b

3-8 Contacts

- 31 -

한다 반구속은

이나 환경면의

드 자체로 1

경우도 적지

핸드와 물체의

다 먼저 접촉

방향의 1 자

다른 11 자유

면접촉은 11

위한 구속이

계로 구속불능

) line contact

of the kind an

은 12 자유도

의 구속을 받

12 자유도를

지 않다

의 접촉 상태

촉부의 구속

자유도를 구속

도를 구속할

1 자유도의 구

이 4 개와 6 개

능의 가능성을

nd the confini

도 중 몇 개의

아서 완전 구

행하는데 경

태 및 접촉부

능력을 모델

속한다 그러나

할 수 없다 (b

구속을 할 수

개 주어져 있

을 가진 구속

(c) surface co

ing

의 자유도를

구속으로 이

경우에 따라

부의 물체에

델로 나타내

나 1 자유도

b)는 선접촉

수 있다 단

있으며 마찰

속 성분이기

ontact

- 32 -

도 하다 또한 면접촉의 상태는 중력의 작용을 이용하면 받기를 형성하고 또

외계력을 이용하면 기를 형성한다

이들의 접촉상태는 물체의 형상과 핸드의 구속면으로 규정되는 것으로 핸드

만으로 결정하기는 어렵다 단 핸드의 구속면을 부드러운 재질로 형성하면 면

접촉의 이행이 용이하다 이와 같은 이유에서 물체에 접촉부가 포락도를 높이는

데에 따라서 물체 형상에 관계 없이 구속 능력을 증 시킬 수 있다

(2) 메커니컬 핸드의 자유도

로봇의 손은 그 용도를 불문하고 인간의 손 작업의 행을 목적으로 하는

것이므로 그 설계에 있어서 모델로 되는 것은 말할 것 도 없이 인간의 손이다

그래서 우선 기구에 하여 설명하기 전에 인간의 손의 구조 모델에 하여 설

명해 본다

AmiddotMorecki 에 의하면 인간의 상체는 그 해부학적 구조에 입각하면 Fig 3-9 와

같이 모델화할 수 있다 Fig 3-9 에서 숫자는 각각 골격 즉 링크를 나타내고 숫

자 II~ V 는 관절을 나타내고 있다 이와 같은 공간링크 기구의 자유도 F 는 가

동부수 n 자유도의 종류 f 를 가진 우 수를 Pf 라 하면 다음 식으로 나타낼

수 있다

6n sum ∙ P 12345 (3-1)

Fig 3-9

들 자유도가

을 Fig 3-9

P5=10 이므

인간의

유도 1 의

해 있으며

의 모델에서

가 있는 관절

9 와 같이 정

므로 위 식에

상지를 인공

액튜에이터를

22 개나 되

Fig 3

서는 n=19 P2

절에 작용하는

정의하고 그

서 FH=22 가

공적으로 정밀

를 27 필요

는 액튜에이

- 33 -

3-9 Human Ar

2=1 P3=2 P4

는 근군은 약

자유도 FH

가 된다

밀하게 재현하

요로 하게 된

터를 필요로

rm structure

4=6 P5=11 이

약 50 이라고

를 구하면

하려고 한다면

된다 또 손에

로 한다 그러

이므로 F=27

고 되어 있다

이 경우는 n

면 이상의 결

는 특히 자유

나 로봇의 손

이 된다 이

여기서 손

n=16 P4=6

결론에서 자

유도가 집중

손이 이만큼

- 34 -

의 수의 액튜에이터를 갖춘 것을 제작한다는 것은 크기 중량 제어면에서 볼

때 현시점에서는 불가능에 가깝다 특히 의수에 있어서는 상술한 바와 같은 형

상이나 조종성 등의 점에서 전혀 불가능하다고 해도 좋다 따라서 보통은 기능

에 주목하여 손에 집중해 있는 자유도의 간략화를 도모한다

인간의 잡기 동작에 주목해 보면 그 잡기 형상에는 12 종류가 있다고 하다

그러나 이것들은 엄지와 다른 12 종류가 있다고 한다 그러나 이것들은 엄지와

다른 4 손가락과의 관계에 주목하였을 때에 2 종류 즉 엄지가 다른 4 손가락과

항해서 동작하거나 그 측방에서 동작하는가로 분류할 수 있다 실제의 일상

동작에서 관찰하면 이들 중에서도 엄지와 손가락이 항해서 동작하는 소위 쥠

동작이 우선 첫 번째이고 또 다음에 엄지 검지 중지의 3 손가락의 선단으로

이루어지는 3Point Pinch 즉 잡기동작이 중요하다

더불어 손가락의 독립성에 해서는 역시 일상동작 중에서 손가락의 사용

빈도를 조사한 결과에 의하면 다섯 손가락은 반드시 독립적인 운동을 필요로

하지 않고 엄지 검지 중지가 같은 정도의 중요성을 자기며 다른 두 손가락은

사용 빈도에 있어서 이들 세 손가락보다 약 50 적으며 다른 세 손가락의 보

조 역할을 한다고 볼 수 있다 그리고 특히 중요한 것은 인간의 각 손가락은 잡

기 상물의 형상에 적응한 쥐기 즉 Passive 한 동작을 할 수 있다는 것이다 이

기능이 있다면 각 손가락이 독립적으로 동작하지 않더라도 또 다소 손의 자유

도를 제거하더라도 상물의 확실한 쥐기나 잡기 그리고 기타 손 작업에 큰 힘

을 발휘한다

- 35 -

34 표적인 동력원의 특징

동력원을 설계할 때 다음의 점을 고려하면서 가장 적합한 방식을 선택한다

1조작력(로보트가 내는 최 의 힘 예를들면 최 들어올린 힘)

2속응성(최 조작 속도)

3크기 중량(로보트의 크기와 중량의 제한)

4안정성(발열이나 과부하에 한 안전성)

5사용의 용이도

6수명가격

1 2 의 조작력 속응력은 로보트에 요구되는 성능에서 가장 기본적인 것인

데 이에 관련해서 크기나 중량의 제한 안정성 사용의 용이도 수명 가격 등을

고려해서 동력원을 선택한다 단 자주형 로보트에서는 2 차적 성능인 동력원의

중량이 첫째 요구 조건이 되는 경우가 많고 공업용 로보트에서는 저가격 사용

의 용이도 안전성이 중요 사항으로 우선시된다

모든 로봇은 동력원을 필요로한다 중요도에 따라 동력원을 선택해야 하는데

일반적으로 공기압식은 안전성이 뛰어난 반면 힘과 세밀한 위치제어가 어렵고

전기식은 응답성과 사용편리성 세밀한 위치제어가 가능하나 높은 힘을 내기 위

해서는 부가적인 기구부가 필요하다 유압식은 큰힘을 낼수있어서 속응성은 좋

으나 과부하시 상당한 발열이 있기 때문에 안전성에서 다른 동력원에 비해 떨

어진다 위 사항을 TABLE 3-1 로 분류하여 나타내었다

- 36 -

TABLE 3-1 Characteristics of power sources

전기식 유압식 공압식

사용용이성 편리하다 작동유의관리 관로의압력

필터관리에 유의

공급공기의 수분제거

윤활성의부가에 주의

수명 길다 기름에 윤활성이 있기

때문에 길다

공기에윤활성이 없어

유압 전기에 비해 짧다

가격 보통 가격 운영비 높음 저가격

응답속도

(반응성) 매우 빠르다 빠르다 늦다

하중능력 (소)에서 (중)정도의

하중능력 단히 큰 힘을 얻음 큰 힘은 없다

소음 적다 다소 크다 크다

- 37 -

제 4 장 능동형 그리퍼 설계

41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정

로봇 그리퍼의 정밀 파지 (Fingertip Grasp 손가락 끝을 이용하여 물체를 집

거나 바닥에누워있는 납작한 물체를 집는 행동)를 안정하게 하기 위해서는 손가

락 끝과 물체가 직각에 가까운 각도를 이룸으로 마찰력을 크게 하여 안정성을

높인다 또한 바닥에 놓인 물체를 집어 올릴 경우에도 물체표면의 법선 벡터와

손가락 끝의 각도가 클수록 물체를 효과적으로 구속하여 안정된 파지를 할 수

있다

그리퍼의 링크 시스템에 있어서 2 링크 손가락보다 3 링크 손가락을 쓸 때가

링크와 수평 평면이 이루는 각 (A)이 더 커지기 때문에 안정성이 더 좋다는 것

을 알 수 있다 그리고 안정성뿐만 아니라 식 (4-1)을 통하여 문체에 전해지는

Torque 값을 Fig 4-2 와 같이 그래프로 나타내면 0 도에서 75 도 정도까지는 A 각

이 커질수록 물체에 가해지는 토크 값이 점점 커지는 것을 알 수 있음으로 3 링

크 손가락을 쓰는 것이 파지력 증가됨을 알수 있다 ℓ3 의 길이가 길어질수록 A

가 작은 값을 가져서 정밀파지에 적당하지 않다

τ l cosA sinA l 1 cos A tan μ (41)

A cosempty

(42)

Fig 4-1

은 식을 통

각이 커짐을

움이 있고

Fig4-

에서 제 2 코

통해 구할 수

을 알 수 있다

최소 단위를

Fig4

-1 Configurati

코사인 법칙

있는데 이로

다 그러나 ℓ

를 1cm 로 하

-2 Change the

- 38 -

ion of the fing

을 이용하여

로부터 링크

ℓ3 가 1cm 인

하였기 때문에

e value of the a

gers on robot g

여 A 의 각을

길이 ℓ3 가

인 경우는 너

에 ℓ3 는 2cm

angle of phage

gripper

구하기 위해

작으면 작을

무 짧아서 파

로 결정하였

torque

해 (2) 와 같

을수록 A 의

파지의 어려

였다

42 모터

(1) 알고

앞 절에

여야 한다

는 모터의

이 작은 모

나 용량이

로 적절한

선정 알고

고리즘 정의

에서 설명한 기

로봇 팔에

선정은 동작

모터를 사용하

큰 모터를 사

모터의 선정

고리즘

기구들을 추

움직임을 전

작을 구현하는

하게 되면 기

사용하게 되

정이 중요하다

Fig 4-3 M

- 39 -

추후 로봇 시스

전달함에 있어

는데 중요한

기구의 원활한

면 모터의 외

다

Motor Selectio

스템에 적용을

어서 동력을

과제가 되겠

한 작동이 어

외형이 커지

on Algorithm

을 고려하여

공급과 제어

겠다 만일 토

려워지고 단

고 가격 또한

설계를 하

어를 수행하

토크나 용량

단순히 토크

한 증가하므

- 40 -

(2) 알고리즘 수행

모터를 선정하기 위해서 가장 우선적으로 해야 할 일은 기계구동부분을 결

정하고 구동부분을 어떠한 방식으로 작동을 시킬지 동작 패턴을 결정하여야 한

다 예를 들면 모터에서 나오는 힘을 받아서 볼 스크류를 이용하여 힘을 전달할

것인지 벨트 피니언 기어 혹은 풀리 등을 이용할 것인지를 결정하고 그에 따

른 적절한 구동방식을 결정한다 구동방식을 결정하게 되면 각각의 구동방식에

적합한 수식을 대입하여 부하토크를 계산한다 구동방식에 따른 부하토크를 구

하는 수식은 구동방식이나 구동장소 등에 따라 다소 상이하나 일반적인 수식은

다음과 같다

-BALL SCREW 구동

T FP2πn

μ F P2π

1i N ∙ m 43

F F mg sin α μ cos α N 44

-PULLEY 구동

T ∙ 45

μF D

2i N ∙ m

- 41 -

-WIRE middot BELT 구동 RACK middot PINION 구동

T F2πn

∙ πDi

FD2ni

N ∙ m 46

F F mg sin α μ cos s N 47

-실측에 의한 방법

T 48

직선운동 (커플링 직결 볼스크류 등)의 경우 위의 (43) (44) 이용하여 구할

수 있다 이때 F 는 축방향하중 F0 는 예압하중 μ0는 예압 NUT 의 마찰계수 η 은

효율i 는 감속비 PB 는볼스크류 피치를 나타낸다 회전운동 (풀리)의 경우 식

(45)를 이용하여 구할 수 있으며 FA는 외력 FB는 부하중량 (주축이 회전하기 시

작할 때의 힘) m 은 work 와 TABLE 의 총무계 μ 접동면의 마찰계수α는 경사각

도D 는 풀리의 지름을 나타낸다

실제현장에서는 선정된 모터의 토크를 확인하기 위해 실측에 의한 구동토크

를 계측하는데 스프링 저울을 구동 풀리에 연결지어 측정한다 이때 TL 은 회전

운동 부하토크에 해당하고 FB 는 부하중량 D 는 풀리의 직경을 나타낸다

위의 부하토크를 구하는 식들을 이용하여 부하토크를 구하게 되면 실제 모

터를 사용할 때 어느 정도의 시간적 여유를 두고 가속을 할 것인지 감속을 할

것인지를 결정하여야 한다 이를 위해서 우선 동작시킬 부분에 대한 관성모멘트

를 계산하

Fig 4-4

시한 것으로

dA 와 기준

이를 표현하

하여야 한다

4 는 관성모멘

로 X 와 Y

준축으로 부터

하면 식 (49)

Fig 4-4 Arb

I

멘트를 구하기

는 면적의 미

터의 거리의

)와 같다

- 42 -

bitrary shape o

y dA I

기 위한 절대

미소 요소 dA

제곱의 곱으

of planar area

x dA

대좌표 X Y

A 의 좌표이

으로 단면 2

축 상의 미소

이고 관성모멘

차 모멘트라

49

소면적을 도

멘트는 요소

라고도 한다

평면 면

가 있다 평

축에 대한

Fig 4-5

하는 평행한

관성모멘

식 (410

번째 적분은

면적의 관성

평행축 정리란

관성 모멘트

5 과 같이 도

한 xy 축 두

멘트의 정의로

I y

0) 에서 우변

은 Xc 축에

Fig 4-5

모멘트에 있

란 도심축에

트 사이의 관

도심을 원점으

좌표계의 평

로부터 x 축

y d dA

변의 첫 번째

대한 1 차 모

- 43 -

5 Parallel-axis

있어서 중요하

대한 관성

계를 나타낸

으로 하는 Xc

평행한 축 간

축에 대한 관

y dA

적분은 Xc

모멘트로서 X

theorem

하고 유용한

모멘트와 도

낸다

cYc 축과 임의

간의 거리를 d

성모멘트 Ix

2d y dA

축에 대한 관

Xc 축이 도심

정리로서 평

도심축에 평행

의의 점 O 를

d1 과 d2 로 표

는 식(410)와

d dA

관성모멘트

심을 통과하므

평행축 정리

행한 임의의

를 원점으로

표시한다

와 같다

410

I 이다 두

므로 적분의

- 44 -

값은 0 이다 세번째 적분은 면적 A 그 자체이다 따라서 식 (410)은 식 (411)과

같이 간단해진다

I I Ad 411

y 축에 대한 관성모멘트도 위와 같은 방법에 의해 식(412)과 같다

I I Ad 412

또한 면적의 평면에 수직인 수직축에 대한 관성모멘트를 극관성모멘트라 한

다 Fig 4-6 는 평면에 수직이고 O 점을 통과하는 축에 대한 극관성모멘트를 나

타낸 그림으로 이를 관성모멘트 식으로 표현하면 식 (413) 와 같다

I ρ dA 413

식 (413)와

즉 평면에

서로 수직인

극 관성

와 도심 C

와 식 (414)에

I

수직인 축에

인 두 축에 대

성모멘트에 대

에 대한 극

Fig 4-6 Arb

의해 식 (4

ρ dA

I

에 대한 극관

대한 관성모

대한 평행축

극 관성모멘트

- 45 -

bitrary shape o

ρ x y

415) 식 (41

x y dA

I I I

관성모멘트는

멘트의 합과

정리는 Fig

트를 각각 I

of Polar Area

y

16)과 같은 관

x dA y

는 평면 내의

과 같다

4-5 에서 유

와 I 로

관계식을 얻을

y dA

같은 지점을

유도할 수 있

로 표시하면

414

을 수 있다

415

416

을 통과하는

있다 원점 O

식 (416)에

- 46 -

서 식(417)을 유도할 수 있다

I I I I I I 417

I I I I A d d 418

I I Ad 419

식 (419)는 극 관성모멘트에 대한 평행축 정리를 나타낸다 즉 평면 내의 임의

의 한 점 O 에 대한 면적의 극관성모멘트는 도심 C 에 대한 극관성모멘트에 그

면적과 점 O 와 C 사이의 거리의 제곱의 곱을 더한 것과 같다

이상의 식에서 부하토크와 관성모멘트를 계산하여 모터를 가 선정한다 부하토

크의 경우 사용될 모터의 정격 토크를 넘어서지 않는 것을 선정한다 부하토크

를 TL 정상 부하 상태의 힘 PL 극 관성모멘트 IL 회전운동을 위한 힘 Pa 각속

도 가속 시 소요되는 시간을 ta 라 하고 식 (420)을 이용하여 부하가 일정하

게 작용할 때의 힘을 계산한다 마찬가지로 관성모멘트를 식 (421)에 대입하여

가속을 위한 회전 운동 시 필요한 힘을 계산한다 식 (420)과 식 (421)에서 계

산된 힘을 합산하면 모터를 회전시키기 위해 필요한 출력이 계산된다 이때 계

산된 출력보다 실제 사용할 모터의 정격 출력이 1~2 배 정도가 되도록 모터를

가 선정한다

- 47 -

P T ω 420

P 421

위의 과정을 통하여 모터를 가선정하고 가감속 토크 및 구동 토크를 계산한

다 각각의 토크를 계산하게 되면 모터를 최종적으로 선정하게 되는데 두 가지

사항을 고려하여 최종 선정한다 먼저 식 (422)을 통해서 계산되는 가속 시 소

요되는 기동 토크 TM 가 모터의 최대 토크를 넘지 않는 것으로 선정한다

T 422

두 번째로 Fig 4-7 의 속도 선도와 같이 모터의 가 감속 시간과 정상 동작

시간 등을 결정하여 식 (423)과 같이 실효치 토크 TS 를 구하고 실효 토크가 모

터의 정격 토크보다 크지 않도록 선정한다

T 423

Fig 4-7 Exa

- 48 -

ample of veloc

city guidance

- 49 -

(3) 알고리즘 적용

로봇시스템에 있어서 기구들의 관성모멘트와 토크 계산 후 적합한 모터를

선정하기 위해 시중에서 시판되는 모터를 조사하였다 로봇에 적용 가능한 모터

로는 크게 서버모터와 스텝모터 RC 서버모터 DC 모터로 구분 할 수 있었다 이

를 TABLE 4-1 과 같이 정리하였다

동력원의 6 가지 선정요소 중 우선순위를 부여하여 분류했을 때 핸드 그리퍼

의 특성상 가볍고 토크가 큰 RC 서버 모터 미니 서버모터를 선택할 수 도 있지

만 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터 중 토크를 증가시킬 수 있는

감속기가 있는 타입의 모터를 우선시 하였다

1 감속비를 사양할 수 있는 모터를 선정하여 계산한 토크를 확인한다

2 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터를 선정한다

3 CLOSED LOOP 제어를 통하여 정확한 위치를 검출할 수 있어야 한다

따라서 스텝모터중 lsquoOrsquo사의 ldquoαSTEPrdquo가 적합하다고 판단되어 모터를 선정하였다

- 50 -

TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics

미니서버모터 RC 서버모터 스텝모터 DC 모터

장점 동일사양대비 모터

중 10배정도 큰 토크

5v사용가벼움

정확한 위치제어

급격한 부하변동급가

속 유리

저렴한가격

보편화됨

단점 정지시 진동이 예상 약한 토크 THRUST하중이 모터

무계 이하여야 한다

유지보수가 잦다

크기 151588mm(10w20w)

2525111mm(30w)

392038mm 424234mm Oslash37mm917mm

동작전압 Dc 24V Dc 48V60V Dc 24V Dc 24V

무계 230g~400g 56g 150g 200g

허용토크 009Nm~03Nm 11~13kgfcm 18kgfcm (018Nm) 47kgfcm(1200)

감속기 다양한 감속비 가능 고정 감속기 감속기 무(072˚036) 다양한 감속비

제조사 야스카와 SGMM 하이텍 HS-5945 AUTONICS GCM 3429A

TABLE 4-2 αstep motor characteristics

외형 전압 전류 무계 토크 감속비 분해능

αSTEP 282884mm

4242127mm Dc24V 1~37A 250G 2~28 Nmiddotm 50~1001

00072pluse

00036pluse

- 51 -

43 1 차 능동형 그리퍼 설계

실린더를 사용하여 링크로 물체를 파지하던 그리퍼는 Fig 4-8 과 Fig 4-9 에

묘사하였다 이런 실린더를 사용한 그리퍼는 공압 효과를 도출할 수 있는 별도

의 펌프가 필요하고 동작을 구현할 수 있는 자유도를 증가시키는데 한계가 있

다 이런 실린더의 단점을 보완하고 전기모터의 장점을 사용하기 위해 웜기어와

웜휠 방식을 채택하여 2 자유도 능동형 그리퍼를 설계하였다

1 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-10 에 묘사하였으며 1 차설계한

능동형 그리퍼는 Two Fingertip Grasp 로 칭하겠다 파지한 물체를 회전 시키는

기능은 베벨기어를 사용하여 회전운동으로 구현하였고 실린더의 전middot후진 운동

을 전기모터의 회전운동으로 변환 시키기 위하여 웜기어와 웜휨을 선택하였다

전기모터에 의해 회전하는 운동은 웜기어와 웜휠에 의해 링크를 사용하여 물체

를 파지하였던 그리퍼와 동일한 운동효과를 가지게 되었다

웜기어와 웜휠을 사용하여 물체를 파지하는 능동형 그리퍼는 스윙형으로 설

계되었으며 파지력을 높이기 위한 각도를 적용하였다 링크를 사용하여 물체를

파지하는 형태의 그리퍼보다 기구의 크기를 줄일 수 있는 장점이 있는 반면 기

어들의 백래시에 의한 오차가 끝단에 누적될 수 있는 문제점을 가지고 있다또

한 기구부의 소재 변경으로 그리퍼의 무계를 줄일 수 도 있지만 가장 큰 무계

를 차지하는 모터를 그리퍼 자체에서 분리하게 할 수 있게 하려면 그리퍼 자체

의 구조변경이 필요하다

`

`

Fig 4-8 Par

Fig 4-9 Par

- 52 -

rallel-link gra

rallel-link gra

sps system 1

sps system 2

Fig 4-10

- 53 -

0 Two fingertipps grasp system

- 54 -

44 2 차 능동형 그리퍼 설계

1 차 설계한 능동형 그리퍼에서 발견된 문제점을 보안하기 위하여 2 차 능동

형 그리퍼를 설계하였다 2 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-11 에 묘사

하였으며 2 차설계한 능동형 그리퍼는 Four Fingertip Grasp 로 칭하겠다 이 장치

는 크게 동력원 동력 전달장치 핑거 그립장치로 구성되어있으며 이를 통합하

여 Fig 4-12 에 나타내었다

핑거 그립장치는 스윙형 그립의 단점을 보완하여 설계하였다 물체를 파지할

때 그립의 회전 반경이 주위 환경요소와 간섭을 발생시킬 수 있는데핑거가 전

진할때 샤프트와 핑거그립간의 나사결합형태를 통한 직선운동으로 개선하여 주

위환경요소에 영향을 주지 않도록 설계하였다 구동축의 핑거파지 메카니즘을

Fig 4-13 와 같이 간략화 하였고 이에 대한 세부 도면은 Fig 4-14 로 나타내었다

4 조 핑거 그립의 나사산과 테이퍼진 스크류축은 나사식으로 결합되며 상호

작용에 의해 점차 중심점으로 이동하여 물체를 파지하는 형태이다 사용된 2 개

의 샤프트는 중공축으로 설계하였으며 외부 샤프트는 4 조 핑거가 물체를 파지

하여 비트는 모션을 구현하는데 사용되었다 내부 샤프트는 핑거를 중심점으로

전진시켜는 기능을 수행한다 중공축으로 설계한 내부 샤프트는 차후 개발될 인

스트리먼트의 탈부착을 손쉽게 할수있도록 구현하였고 4 조로 설계된 핑거는 그

립시 인스트리먼트의 응력집중현상을 분산시키는 기능과 2 조로 그립하였을때

보다 안정적인 그립감을 형성한다

- 55 -

동력원과 동력전달장치는 Fig 4-15 에 나타내었으며 Two Fingertip Grasp system

의 문제점이었던 구동부의 모터의 설치 방법을 외부에 부착하는 형태로 변경하

여 우레탄 밸트를 사용하였다 또한 아이들러를 사용하여 밸트의 방향을 변경

하여 모터의 부착위치를 자유롭게 설정할 수 있도록 하였고 모터 브라켓에 슬

리브 홈을 설치하여 벨트의 장력을 조절할 수 있도록 하였다

Fig4-11

Fig4-12 Fou

- 56 -

Four fingertip

ur fingertips g

ps grasp system

grasp system la

m

ayout

Fig 4-13

Fig 4-14

- 57 -

Fingertip gra

4 Fingertip gr

asps mechanis

rasps extended

m

d

Fig 4-15

- 58 -

5 Power transmission devicce

- 59 -

제 5장 결 론

본 연구에서는 MIS 수술 로봇을 위한 햅틱 마스터장치 구동용 능동형 그리

퍼를 설계하기 위하여 그에 상응하는 자료 및 문헌 조사를 수행하였고 햅틱 마

스터에 적용 가능한 능동형 그리퍼를 설계하여 로봇 시스템의 초안을 구성하였

다 수술용 도구를 단순히 잡아주는 역할에서 벗어나 시스템에 추가적인 자유도

를 부여함으로써 그리퍼를 표현하였다 단순화된 그리퍼는 보다 저렴한 가격으

로 생산될 수 있으며 기존 로봇 수술시스템의 높은 비용을 절감할 수 있는 효

과를 가져올 수 있다

최종적으로 제안한 설계 안으로는 2 조 핑거그립를 사용하는 전기모터형 그

리퍼 와 추가적으로 개선한 4 조 전기모터형 핑거그립를 설계였다 스윙형 그립

의 단점을 보안하여 집중응력을 분산할 수 있는 구조로 설계하였고 그리퍼의

무계를 줄일 수 있는 방법을 제시하였다 이로써 원통형 도구 파지 시 안정성이

향상되었고 보다 원활하게 수술 도구를 교체 가능하도록 하였다

앞으로 촉감을 전달할 수 있는 센서의 개발로 햅틱 디바이스 인터페이스 장

치의 활용에 보다 높은 기여를 할 것이라 예상된다

-６０-

참고 문헌

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정보 및 제어부분 PP68~7020084

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PP49~5420084

[3] 편집부 ldquo수술지원로봇의 최신 기술 동향rdquo월간 자동화 기술 22(12)

PP74~77200612

[4] 경기욱박준석 ldquo햅틱스 기술개발 동향 및 연구전망rdquo전자통신경향분석

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[5] 권동수경기욱 ldquo의료용 로봇의 연구 현황과 전망rdquo기계저널

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[6] Yoichi OGAHARA Yusuke KAWATO Kenjiro TAKEMURA Takashi MAENO

ldquoA Wire-Driven Miniature Five Fingerd Robot Hand using Elastic Elements as

Jointsrdquo Proceedings the 2003 IEEERSJ Intl Conferense on Intelligent Robots and

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[7] Ikuo Yamano Takashi Maeno ldquoFive-fingered Robot Hand using Ultrasonic Motors

and Elastic Elementsrdquoproceedings the 2005 IEEE International Conference on

Robotics and Automaion

[8] 홍만복김광기 ldquo최소 침습수술로봇을위한 2-자유도 구형 메커니즘설계rdquo

한국정밀공학회 2009년 추계학술대회 논문집

-６１-

[9] 이재훈김형욱이병주서일홍 ldquo새로운 6자유도 병렬형 햅틱 기구의 최적설

계 및 해석rdquo한국정밀공학회 2003년 추계학술대회 논문집

[10] 조국훈이재훈이병주김희국 ldquo병렬형 그리퍼 메카니즘rdquo한국정밀공학회지

[11] 김갑순 ldquo3축 힘센서를 이용한 지능형 그리퍼 개발rdquo한국정밀공학회지 제

24권 제 3호 1999년

[12] 고대성김성목김희국이병주 ldquo병진형 자유도와 1자유도 파지기능을 가지는

4자유도 병렬 메커니즘의 기구학분석rdquo한국정밀공학회 2007년 추계학술대회

• 제1장 서 론
• • 11 연구배경 및 연구목적
  • 12 연구내용
  • • 제2장 로봇 산업의 기술 현황
    • • 21 로봇산업의 동향
      • 22 의료용 로봇기술 현황
      • 23 의료용 로봇시장 전망
      • • 제3장 능동 그리퍼
        • • 31 최소침습 수술 햅틱 장치구현에 필요한 능동 그리퍼 제안
          • 32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류
          • 33 파지형태에 의한 그리퍼의 분류
          • 34 메카니컬 핸드의 구속기능
          • 35 대표적인 동력원의 특징
          • • 제4장 능동형 그리퍼 설계
            • • 41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정
              • 42 모터 선정 알고리즘
              • • 43 1 차 능동형 그리퍼 설계
                • 44 2 차 능동형 그리퍼 설계
                • • 제 5 장 결론
                  • 참고문헌
                  • TABLE 2-1 Domestic robot classification
                  • TABLE 2-2 Robot Production Company
                  • TABLE 3-1 Characteristics of power sources
                  • TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics
                  • TABLE 4-2 αSTEP Motor Characteristics
                  • Fig2-1 Phase of medical robots in the robot industry
                  • Fig2-2 Da Vinci surgical case number
                  • Fig3-1 Da Vinci robot system for MIS
                  • Fig3-2 Classified by the gripper grip action
                  • Fig3-3 Swing-type hand mechanism
                  • Fig3-4 Hand mechanism for translational type1 (parallel displacement)
                  • Fig3-5 Hand mechanism for translational type2 (Rack and pinion type)
                  • Fig3-6 Hand mechanism for three point pinch type
                  • Fig3-7 Movement of object
                  • Fig3-8 Contacts of the kind and the confining
                  • Fig3-9 Human Arm structure
                  • Fig4-1 Configuration of the fingers on robot gripper
                  • Fig4-2 Change the value of the angle of phage torque
                  • Fig4-3 Motor Selection Algorithm
                  • Fig4-4 Arbitrary Shape of Planar Area
                  • Fig4-5 Parallel-Axis Theorem
                  • Fig4-6 Arbitrary Shape of Polar Area
                  • Fig4-7 Example of Velocity Guidance
                  • Fig4-8 Parallel-link Grasp system 1
                  • Fig4-9 Parallel-link Grasp system 2
                  • Fig4-10 TWO Fingertip Grasp system
                  • Fig4-11 Four Fingertip Grasp System
                  • Fig4-12 Four Fingertip Grasp System layout
                  • Fig4-13 Fingertip Grasp Mechanism
                  • Fig4-14 Fingertip Grasp extended
                  • Fig4-15 Power Transmission Device

34 메카니

(1) 구속

기계적

어서 형성되

전 구속 기

해서 언급하

으로 움직일

또 X Y 평

니컬 핸드의

속기능

구동장치에

되는 것으로

기능이 있다

하면 구속 상

일 수 있다

평면 X Y 면

의 구속기능

서 구속 형식

크게 나누어

그래서 핸드

상태의 물체는

이것을 물체

X Z 면상에

Fig 3-

- 30 -

능

식과 접촉 상

어서 반구속

드의 구속 기

는 Fig 3-7 와

체의 공전 (이

서 6 방향으

-7 Movement

상태와 포락

속 (받는 구속

기능을 결정하

와 같이 X Y

이동)에 관한

로 회전 한다

t of object

능력의 인자

속 는 구속

하는 물체의

Z 의 3 축상

6 동작 자유

다 이것을 물

자가 복합되

속)기능과 완

구속에

에서 6 방향

유도로 한다

물체의 자전

(회전)에 관

부여한 상태

행할 수 있

서는 회전의

핸드에

한 공간적

면 Fig 3-8

이 그림

를 구속한다

에서 7 자유

선접촉과 면

계수와 절선

(a

관한 6 동작

태에서 움직이

있다 또 완전

의 6 자유도를

의한 물체의

적인 포락 상

와 같이 된

(a)의 점접촉

다 그러나 1

유도를 구속

면접촉에는 각

선력법선력

a) point contac

Fig3

자유도로 한

이며 중력이

전 구속은 핸

를 무시하는

의 구속은 핸

상태로 정한다

다

촉은 접촉점

1 점접촉은 다

한다 (c)의

각각 마찰에

비와의 관계

ct (b

3-8 Contacts

- 31 -

한다 반구속은

이나 환경면의

드 자체로 1

경우도 적지

핸드와 물체의

다 먼저 접촉

방향의 1 자

다른 11 자유

면접촉은 11

위한 구속이

계로 구속불능

) line contact

of the kind an

은 12 자유도

의 구속을 받

12 자유도를

지 않다

의 접촉 상태

촉부의 구속

자유도를 구속

도를 구속할

1 자유도의 구

이 4 개와 6 개

능의 가능성을

nd the confini

도 중 몇 개의

아서 완전 구

행하는데 경

태 및 접촉부

능력을 모델

속한다 그러나

할 수 없다 (b

구속을 할 수

개 주어져 있

을 가진 구속

(c) surface co

ing

의 자유도를

구속으로 이

경우에 따라

부의 물체에

델로 나타내

나 1 자유도

b)는 선접촉

수 있다 단

있으며 마찰

속 성분이기

ontact

- 32 -

도 하다 또한 면접촉의 상태는 중력의 작용을 이용하면 받기를 형성하고 또

외계력을 이용하면 기를 형성한다

이들의 접촉상태는 물체의 형상과 핸드의 구속면으로 규정되는 것으로 핸드

만으로 결정하기는 어렵다 단 핸드의 구속면을 부드러운 재질로 형성하면 면

접촉의 이행이 용이하다 이와 같은 이유에서 물체에 접촉부가 포락도를 높이는

데에 따라서 물체 형상에 관계 없이 구속 능력을 증 시킬 수 있다

(2) 메커니컬 핸드의 자유도

로봇의 손은 그 용도를 불문하고 인간의 손 작업의 행을 목적으로 하는

것이므로 그 설계에 있어서 모델로 되는 것은 말할 것 도 없이 인간의 손이다

그래서 우선 기구에 하여 설명하기 전에 인간의 손의 구조 모델에 하여 설

명해 본다

AmiddotMorecki 에 의하면 인간의 상체는 그 해부학적 구조에 입각하면 Fig 3-9 와

같이 모델화할 수 있다 Fig 3-9 에서 숫자는 각각 골격 즉 링크를 나타내고 숫

자 II~ V 는 관절을 나타내고 있다 이와 같은 공간링크 기구의 자유도 F 는 가

동부수 n 자유도의 종류 f 를 가진 우 수를 Pf 라 하면 다음 식으로 나타낼

수 있다

6n sum ∙ P 12345 (3-1)

Fig 3-9

들 자유도가

을 Fig 3-9

P5=10 이므

인간의

유도 1 의

해 있으며

의 모델에서

가 있는 관절

9 와 같이 정

므로 위 식에

상지를 인공

액튜에이터를

22 개나 되

Fig 3

서는 n=19 P2

절에 작용하는

정의하고 그

서 FH=22 가

공적으로 정밀

를 27 필요

는 액튜에이

- 33 -

3-9 Human Ar

2=1 P3=2 P4

는 근군은 약

자유도 FH

가 된다

밀하게 재현하

요로 하게 된

터를 필요로

rm structure

4=6 P5=11 이

약 50 이라고

를 구하면

하려고 한다면

된다 또 손에

로 한다 그러

이므로 F=27

고 되어 있다

이 경우는 n

면 이상의 결

는 특히 자유

나 로봇의 손

이 된다 이

여기서 손

n=16 P4=6

결론에서 자

유도가 집중

손이 이만큼

- 34 -

의 수의 액튜에이터를 갖춘 것을 제작한다는 것은 크기 중량 제어면에서 볼

때 현시점에서는 불가능에 가깝다 특히 의수에 있어서는 상술한 바와 같은 형

상이나 조종성 등의 점에서 전혀 불가능하다고 해도 좋다 따라서 보통은 기능

에 주목하여 손에 집중해 있는 자유도의 간략화를 도모한다

인간의 잡기 동작에 주목해 보면 그 잡기 형상에는 12 종류가 있다고 하다

그러나 이것들은 엄지와 다른 12 종류가 있다고 한다 그러나 이것들은 엄지와

다른 4 손가락과의 관계에 주목하였을 때에 2 종류 즉 엄지가 다른 4 손가락과

항해서 동작하거나 그 측방에서 동작하는가로 분류할 수 있다 실제의 일상

동작에서 관찰하면 이들 중에서도 엄지와 손가락이 항해서 동작하는 소위 쥠

동작이 우선 첫 번째이고 또 다음에 엄지 검지 중지의 3 손가락의 선단으로

이루어지는 3Point Pinch 즉 잡기동작이 중요하다

더불어 손가락의 독립성에 해서는 역시 일상동작 중에서 손가락의 사용

빈도를 조사한 결과에 의하면 다섯 손가락은 반드시 독립적인 운동을 필요로

하지 않고 엄지 검지 중지가 같은 정도의 중요성을 자기며 다른 두 손가락은

사용 빈도에 있어서 이들 세 손가락보다 약 50 적으며 다른 세 손가락의 보

조 역할을 한다고 볼 수 있다 그리고 특히 중요한 것은 인간의 각 손가락은 잡

기 상물의 형상에 적응한 쥐기 즉 Passive 한 동작을 할 수 있다는 것이다 이

기능이 있다면 각 손가락이 독립적으로 동작하지 않더라도 또 다소 손의 자유

도를 제거하더라도 상물의 확실한 쥐기나 잡기 그리고 기타 손 작업에 큰 힘

을 발휘한다

- 35 -

34 표적인 동력원의 특징

동력원을 설계할 때 다음의 점을 고려하면서 가장 적합한 방식을 선택한다

1조작력(로보트가 내는 최 의 힘 예를들면 최 들어올린 힘)

2속응성(최 조작 속도)

3크기 중량(로보트의 크기와 중량의 제한)

4안정성(발열이나 과부하에 한 안전성)

5사용의 용이도

6수명가격

1 2 의 조작력 속응력은 로보트에 요구되는 성능에서 가장 기본적인 것인

데 이에 관련해서 크기나 중량의 제한 안정성 사용의 용이도 수명 가격 등을

고려해서 동력원을 선택한다 단 자주형 로보트에서는 2 차적 성능인 동력원의

중량이 첫째 요구 조건이 되는 경우가 많고 공업용 로보트에서는 저가격 사용

의 용이도 안전성이 중요 사항으로 우선시된다

모든 로봇은 동력원을 필요로한다 중요도에 따라 동력원을 선택해야 하는데

일반적으로 공기압식은 안전성이 뛰어난 반면 힘과 세밀한 위치제어가 어렵고

전기식은 응답성과 사용편리성 세밀한 위치제어가 가능하나 높은 힘을 내기 위

해서는 부가적인 기구부가 필요하다 유압식은 큰힘을 낼수있어서 속응성은 좋

으나 과부하시 상당한 발열이 있기 때문에 안전성에서 다른 동력원에 비해 떨

어진다 위 사항을 TABLE 3-1 로 분류하여 나타내었다

- 36 -

TABLE 3-1 Characteristics of power sources

전기식 유압식 공압식

사용용이성 편리하다 작동유의관리 관로의압력

필터관리에 유의

공급공기의 수분제거

윤활성의부가에 주의

수명 길다 기름에 윤활성이 있기

때문에 길다

공기에윤활성이 없어

유압 전기에 비해 짧다

가격 보통 가격 운영비 높음 저가격

응답속도

(반응성) 매우 빠르다 빠르다 늦다

하중능력 (소)에서 (중)정도의

하중능력 단히 큰 힘을 얻음 큰 힘은 없다

소음 적다 다소 크다 크다

- 37 -

제 4 장 능동형 그리퍼 설계

41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정

로봇 그리퍼의 정밀 파지 (Fingertip Grasp 손가락 끝을 이용하여 물체를 집

거나 바닥에누워있는 납작한 물체를 집는 행동)를 안정하게 하기 위해서는 손가

락 끝과 물체가 직각에 가까운 각도를 이룸으로 마찰력을 크게 하여 안정성을

높인다 또한 바닥에 놓인 물체를 집어 올릴 경우에도 물체표면의 법선 벡터와

손가락 끝의 각도가 클수록 물체를 효과적으로 구속하여 안정된 파지를 할 수

있다

그리퍼의 링크 시스템에 있어서 2 링크 손가락보다 3 링크 손가락을 쓸 때가

링크와 수평 평면이 이루는 각 (A)이 더 커지기 때문에 안정성이 더 좋다는 것

을 알 수 있다 그리고 안정성뿐만 아니라 식 (4-1)을 통하여 문체에 전해지는

Torque 값을 Fig 4-2 와 같이 그래프로 나타내면 0 도에서 75 도 정도까지는 A 각

이 커질수록 물체에 가해지는 토크 값이 점점 커지는 것을 알 수 있음으로 3 링

크 손가락을 쓰는 것이 파지력 증가됨을 알수 있다 ℓ3 의 길이가 길어질수록 A

가 작은 값을 가져서 정밀파지에 적당하지 않다

τ l cosA sinA l 1 cos A tan μ (41)

A cosempty

(42)

Fig 4-1

은 식을 통

각이 커짐을

움이 있고

Fig4-

에서 제 2 코

통해 구할 수

을 알 수 있다

최소 단위를

Fig4

-1 Configurati

코사인 법칙

있는데 이로

다 그러나 ℓ

를 1cm 로 하

-2 Change the

- 38 -

ion of the fing

을 이용하여

로부터 링크

ℓ3 가 1cm 인

하였기 때문에

e value of the a

gers on robot g

여 A 의 각을

길이 ℓ3 가

인 경우는 너

에 ℓ3 는 2cm

angle of phage

gripper

구하기 위해

작으면 작을

무 짧아서 파

로 결정하였

torque

해 (2) 와 같

을수록 A 의

파지의 어려

였다

42 모터

(1) 알고

앞 절에

여야 한다

는 모터의

이 작은 모

나 용량이

로 적절한

선정 알고

고리즘 정의

에서 설명한 기

로봇 팔에

선정은 동작

모터를 사용하

큰 모터를 사

모터의 선정

고리즘

기구들을 추

움직임을 전

작을 구현하는

하게 되면 기

사용하게 되

정이 중요하다

Fig 4-3 M

- 39 -

추후 로봇 시스

전달함에 있어

는데 중요한

기구의 원활한

면 모터의 외

다

Motor Selectio

스템에 적용을

어서 동력을

과제가 되겠

한 작동이 어

외형이 커지

on Algorithm

을 고려하여

공급과 제어

겠다 만일 토

려워지고 단

고 가격 또한

설계를 하

어를 수행하

토크나 용량

단순히 토크

한 증가하므

- 40 -

(2) 알고리즘 수행

모터를 선정하기 위해서 가장 우선적으로 해야 할 일은 기계구동부분을 결

정하고 구동부분을 어떠한 방식으로 작동을 시킬지 동작 패턴을 결정하여야 한

다 예를 들면 모터에서 나오는 힘을 받아서 볼 스크류를 이용하여 힘을 전달할

것인지 벨트 피니언 기어 혹은 풀리 등을 이용할 것인지를 결정하고 그에 따

른 적절한 구동방식을 결정한다 구동방식을 결정하게 되면 각각의 구동방식에

적합한 수식을 대입하여 부하토크를 계산한다 구동방식에 따른 부하토크를 구

하는 수식은 구동방식이나 구동장소 등에 따라 다소 상이하나 일반적인 수식은

다음과 같다

-BALL SCREW 구동

T FP2πn

μ F P2π

1i N ∙ m 43

F F mg sin α μ cos α N 44

-PULLEY 구동

T ∙ 45

μF D

2i N ∙ m

- 41 -

-WIRE middot BELT 구동 RACK middot PINION 구동

T F2πn

∙ πDi

FD2ni

N ∙ m 46

F F mg sin α μ cos s N 47

-실측에 의한 방법

T 48

직선운동 (커플링 직결 볼스크류 등)의 경우 위의 (43) (44) 이용하여 구할

수 있다 이때 F 는 축방향하중 F0 는 예압하중 μ0는 예압 NUT 의 마찰계수 η 은

효율i 는 감속비 PB 는볼스크류 피치를 나타낸다 회전운동 (풀리)의 경우 식

(45)를 이용하여 구할 수 있으며 FA는 외력 FB는 부하중량 (주축이 회전하기 시

작할 때의 힘) m 은 work 와 TABLE 의 총무계 μ 접동면의 마찰계수α는 경사각

도D 는 풀리의 지름을 나타낸다

실제현장에서는 선정된 모터의 토크를 확인하기 위해 실측에 의한 구동토크

를 계측하는데 스프링 저울을 구동 풀리에 연결지어 측정한다 이때 TL 은 회전

운동 부하토크에 해당하고 FB 는 부하중량 D 는 풀리의 직경을 나타낸다

위의 부하토크를 구하는 식들을 이용하여 부하토크를 구하게 되면 실제 모

터를 사용할 때 어느 정도의 시간적 여유를 두고 가속을 할 것인지 감속을 할

것인지를 결정하여야 한다 이를 위해서 우선 동작시킬 부분에 대한 관성모멘트

를 계산하

Fig 4-4

시한 것으로

dA 와 기준

이를 표현하

하여야 한다

4 는 관성모멘

로 X 와 Y

준축으로 부터

하면 식 (49)

Fig 4-4 Arb

I

멘트를 구하기

는 면적의 미

터의 거리의

)와 같다

- 42 -

bitrary shape o

y dA I

기 위한 절대

미소 요소 dA

제곱의 곱으

of planar area

x dA

대좌표 X Y

A 의 좌표이

으로 단면 2

축 상의 미소

이고 관성모멘

차 모멘트라

49

소면적을 도

멘트는 요소

라고도 한다

평면 면

가 있다 평

축에 대한

Fig 4-5

하는 평행한

관성모멘

식 (410

번째 적분은

면적의 관성

평행축 정리란

관성 모멘트

5 과 같이 도

한 xy 축 두

멘트의 정의로

I y

0) 에서 우변

은 Xc 축에

Fig 4-5

모멘트에 있

란 도심축에

트 사이의 관

도심을 원점으

좌표계의 평

로부터 x 축

y d dA

변의 첫 번째

대한 1 차 모

- 43 -

5 Parallel-axis

있어서 중요하

대한 관성

계를 나타낸

으로 하는 Xc

평행한 축 간

축에 대한 관

y dA

적분은 Xc

모멘트로서 X

theorem

하고 유용한

모멘트와 도

낸다

cYc 축과 임의

간의 거리를 d

성모멘트 Ix

2d y dA

축에 대한 관

Xc 축이 도심

정리로서 평

도심축에 평행

의의 점 O 를

d1 과 d2 로 표

는 식(410)와

d dA

관성모멘트

심을 통과하므

평행축 정리

행한 임의의

를 원점으로

표시한다

와 같다

410

I 이다 두

므로 적분의

- 44 -

값은 0 이다 세번째 적분은 면적 A 그 자체이다 따라서 식 (410)은 식 (411)과

같이 간단해진다

I I Ad 411

y 축에 대한 관성모멘트도 위와 같은 방법에 의해 식(412)과 같다

I I Ad 412

또한 면적의 평면에 수직인 수직축에 대한 관성모멘트를 극관성모멘트라 한

다 Fig 4-6 는 평면에 수직이고 O 점을 통과하는 축에 대한 극관성모멘트를 나

타낸 그림으로 이를 관성모멘트 식으로 표현하면 식 (413) 와 같다

I ρ dA 413

식 (413)와

즉 평면에

서로 수직인

극 관성

와 도심 C

와 식 (414)에

I

수직인 축에

인 두 축에 대

성모멘트에 대

에 대한 극

Fig 4-6 Arb

의해 식 (4

ρ dA

I

에 대한 극관

대한 관성모

대한 평행축

극 관성모멘트

- 45 -

bitrary shape o

ρ x y

415) 식 (41

x y dA

I I I

관성모멘트는

멘트의 합과

정리는 Fig

트를 각각 I

of Polar Area

y

16)과 같은 관

x dA y

는 평면 내의

과 같다

4-5 에서 유

와 I 로

관계식을 얻을

y dA

같은 지점을

유도할 수 있

로 표시하면

414

을 수 있다

415

416

을 통과하는

있다 원점 O

식 (416)에

- 46 -

서 식(417)을 유도할 수 있다

I I I I I I 417

I I I I A d d 418

I I Ad 419

식 (419)는 극 관성모멘트에 대한 평행축 정리를 나타낸다 즉 평면 내의 임의

의 한 점 O 에 대한 면적의 극관성모멘트는 도심 C 에 대한 극관성모멘트에 그

면적과 점 O 와 C 사이의 거리의 제곱의 곱을 더한 것과 같다

이상의 식에서 부하토크와 관성모멘트를 계산하여 모터를 가 선정한다 부하토

크의 경우 사용될 모터의 정격 토크를 넘어서지 않는 것을 선정한다 부하토크

를 TL 정상 부하 상태의 힘 PL 극 관성모멘트 IL 회전운동을 위한 힘 Pa 각속

도 가속 시 소요되는 시간을 ta 라 하고 식 (420)을 이용하여 부하가 일정하

게 작용할 때의 힘을 계산한다 마찬가지로 관성모멘트를 식 (421)에 대입하여

가속을 위한 회전 운동 시 필요한 힘을 계산한다 식 (420)과 식 (421)에서 계

산된 힘을 합산하면 모터를 회전시키기 위해 필요한 출력이 계산된다 이때 계

산된 출력보다 실제 사용할 모터의 정격 출력이 1~2 배 정도가 되도록 모터를

가 선정한다

- 47 -

P T ω 420

P 421

위의 과정을 통하여 모터를 가선정하고 가감속 토크 및 구동 토크를 계산한

다 각각의 토크를 계산하게 되면 모터를 최종적으로 선정하게 되는데 두 가지

사항을 고려하여 최종 선정한다 먼저 식 (422)을 통해서 계산되는 가속 시 소

요되는 기동 토크 TM 가 모터의 최대 토크를 넘지 않는 것으로 선정한다

T 422

두 번째로 Fig 4-7 의 속도 선도와 같이 모터의 가 감속 시간과 정상 동작

시간 등을 결정하여 식 (423)과 같이 실효치 토크 TS 를 구하고 실효 토크가 모

터의 정격 토크보다 크지 않도록 선정한다

T 423

Fig 4-7 Exa

- 48 -

ample of veloc

city guidance

- 49 -

(3) 알고리즘 적용

로봇시스템에 있어서 기구들의 관성모멘트와 토크 계산 후 적합한 모터를

선정하기 위해 시중에서 시판되는 모터를 조사하였다 로봇에 적용 가능한 모터

로는 크게 서버모터와 스텝모터 RC 서버모터 DC 모터로 구분 할 수 있었다 이

를 TABLE 4-1 과 같이 정리하였다

동력원의 6 가지 선정요소 중 우선순위를 부여하여 분류했을 때 핸드 그리퍼

의 특성상 가볍고 토크가 큰 RC 서버 모터 미니 서버모터를 선택할 수 도 있지

만 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터 중 토크를 증가시킬 수 있는

감속기가 있는 타입의 모터를 우선시 하였다

1 감속비를 사양할 수 있는 모터를 선정하여 계산한 토크를 확인한다

2 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터를 선정한다

3 CLOSED LOOP 제어를 통하여 정확한 위치를 검출할 수 있어야 한다

따라서 스텝모터중 lsquoOrsquo사의 ldquoαSTEPrdquo가 적합하다고 판단되어 모터를 선정하였다

- 50 -

TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics

미니서버모터 RC 서버모터 스텝모터 DC 모터

장점 동일사양대비 모터

중 10배정도 큰 토크

5v사용가벼움

정확한 위치제어

급격한 부하변동급가

속 유리

저렴한가격

보편화됨

단점 정지시 진동이 예상 약한 토크 THRUST하중이 모터

무계 이하여야 한다

유지보수가 잦다

크기 151588mm(10w20w)

2525111mm(30w)

392038mm 424234mm Oslash37mm917mm

동작전압 Dc 24V Dc 48V60V Dc 24V Dc 24V

무계 230g~400g 56g 150g 200g

허용토크 009Nm~03Nm 11~13kgfcm 18kgfcm (018Nm) 47kgfcm(1200)

감속기 다양한 감속비 가능 고정 감속기 감속기 무(072˚036) 다양한 감속비

제조사 야스카와 SGMM 하이텍 HS-5945 AUTONICS GCM 3429A

TABLE 4-2 αstep motor characteristics

외형 전압 전류 무계 토크 감속비 분해능

αSTEP 282884mm

4242127mm Dc24V 1~37A 250G 2~28 Nmiddotm 50~1001

00072pluse

00036pluse

- 51 -

43 1 차 능동형 그리퍼 설계

실린더를 사용하여 링크로 물체를 파지하던 그리퍼는 Fig 4-8 과 Fig 4-9 에

묘사하였다 이런 실린더를 사용한 그리퍼는 공압 효과를 도출할 수 있는 별도

의 펌프가 필요하고 동작을 구현할 수 있는 자유도를 증가시키는데 한계가 있

다 이런 실린더의 단점을 보완하고 전기모터의 장점을 사용하기 위해 웜기어와

웜휠 방식을 채택하여 2 자유도 능동형 그리퍼를 설계하였다

1 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-10 에 묘사하였으며 1 차설계한

능동형 그리퍼는 Two Fingertip Grasp 로 칭하겠다 파지한 물체를 회전 시키는

기능은 베벨기어를 사용하여 회전운동으로 구현하였고 실린더의 전middot후진 운동

을 전기모터의 회전운동으로 변환 시키기 위하여 웜기어와 웜휨을 선택하였다

전기모터에 의해 회전하는 운동은 웜기어와 웜휠에 의해 링크를 사용하여 물체

를 파지하였던 그리퍼와 동일한 운동효과를 가지게 되었다

웜기어와 웜휠을 사용하여 물체를 파지하는 능동형 그리퍼는 스윙형으로 설

계되었으며 파지력을 높이기 위한 각도를 적용하였다 링크를 사용하여 물체를

파지하는 형태의 그리퍼보다 기구의 크기를 줄일 수 있는 장점이 있는 반면 기

어들의 백래시에 의한 오차가 끝단에 누적될 수 있는 문제점을 가지고 있다또

한 기구부의 소재 변경으로 그리퍼의 무계를 줄일 수 도 있지만 가장 큰 무계

를 차지하는 모터를 그리퍼 자체에서 분리하게 할 수 있게 하려면 그리퍼 자체

의 구조변경이 필요하다

`

`

Fig 4-8 Par

Fig 4-9 Par

- 52 -

rallel-link gra

rallel-link gra

sps system 1

sps system 2

Fig 4-10

- 53 -

0 Two fingertipps grasp system

- 54 -

44 2 차 능동형 그리퍼 설계

1 차 설계한 능동형 그리퍼에서 발견된 문제점을 보안하기 위하여 2 차 능동

형 그리퍼를 설계하였다 2 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-11 에 묘사

하였으며 2 차설계한 능동형 그리퍼는 Four Fingertip Grasp 로 칭하겠다 이 장치

는 크게 동력원 동력 전달장치 핑거 그립장치로 구성되어있으며 이를 통합하

여 Fig 4-12 에 나타내었다

핑거 그립장치는 스윙형 그립의 단점을 보완하여 설계하였다 물체를 파지할

때 그립의 회전 반경이 주위 환경요소와 간섭을 발생시킬 수 있는데핑거가 전

진할때 샤프트와 핑거그립간의 나사결합형태를 통한 직선운동으로 개선하여 주

위환경요소에 영향을 주지 않도록 설계하였다 구동축의 핑거파지 메카니즘을

Fig 4-13 와 같이 간략화 하였고 이에 대한 세부 도면은 Fig 4-14 로 나타내었다

4 조 핑거 그립의 나사산과 테이퍼진 스크류축은 나사식으로 결합되며 상호

작용에 의해 점차 중심점으로 이동하여 물체를 파지하는 형태이다 사용된 2 개

의 샤프트는 중공축으로 설계하였으며 외부 샤프트는 4 조 핑거가 물체를 파지

하여 비트는 모션을 구현하는데 사용되었다 내부 샤프트는 핑거를 중심점으로

전진시켜는 기능을 수행한다 중공축으로 설계한 내부 샤프트는 차후 개발될 인

스트리먼트의 탈부착을 손쉽게 할수있도록 구현하였고 4 조로 설계된 핑거는 그

립시 인스트리먼트의 응력집중현상을 분산시키는 기능과 2 조로 그립하였을때

보다 안정적인 그립감을 형성한다

- 55 -

동력원과 동력전달장치는 Fig 4-15 에 나타내었으며 Two Fingertip Grasp system

의 문제점이었던 구동부의 모터의 설치 방법을 외부에 부착하는 형태로 변경하

여 우레탄 밸트를 사용하였다 또한 아이들러를 사용하여 밸트의 방향을 변경

하여 모터의 부착위치를 자유롭게 설정할 수 있도록 하였고 모터 브라켓에 슬

리브 홈을 설치하여 벨트의 장력을 조절할 수 있도록 하였다

Fig4-11

Fig4-12 Fou

- 56 -

Four fingertip

ur fingertips g

ps grasp system

grasp system la

m

ayout

Fig 4-13

Fig 4-14

- 57 -

Fingertip gra

4 Fingertip gr

asps mechanis

rasps extended

m

d

Fig 4-15

- 58 -

5 Power transmission devicce

- 59 -

제 5장 결 론

본 연구에서는 MIS 수술 로봇을 위한 햅틱 마스터장치 구동용 능동형 그리

퍼를 설계하기 위하여 그에 상응하는 자료 및 문헌 조사를 수행하였고 햅틱 마

스터에 적용 가능한 능동형 그리퍼를 설계하여 로봇 시스템의 초안을 구성하였

다 수술용 도구를 단순히 잡아주는 역할에서 벗어나 시스템에 추가적인 자유도

를 부여함으로써 그리퍼를 표현하였다 단순화된 그리퍼는 보다 저렴한 가격으

로 생산될 수 있으며 기존 로봇 수술시스템의 높은 비용을 절감할 수 있는 효

과를 가져올 수 있다

최종적으로 제안한 설계 안으로는 2 조 핑거그립를 사용하는 전기모터형 그

리퍼 와 추가적으로 개선한 4 조 전기모터형 핑거그립를 설계였다 스윙형 그립

의 단점을 보안하여 집중응력을 분산할 수 있는 구조로 설계하였고 그리퍼의

무계를 줄일 수 있는 방법을 제시하였다 이로써 원통형 도구 파지 시 안정성이

향상되었고 보다 원활하게 수술 도구를 교체 가능하도록 하였다

앞으로 촉감을 전달할 수 있는 센서의 개발로 햅틱 디바이스 인터페이스 장

치의 활용에 보다 높은 기여를 할 것이라 예상된다

-６０-

참고 문헌

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[9] 이재훈김형욱이병주서일홍 ldquo새로운 6자유도 병렬형 햅틱 기구의 최적설

계 및 해석rdquo한국정밀공학회 2003년 추계학술대회 논문집

[10] 조국훈이재훈이병주김희국 ldquo병렬형 그리퍼 메카니즘rdquo한국정밀공학회지

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• 제1장 서 론
• • 11 연구배경 및 연구목적
  • 12 연구내용
  • • 제2장 로봇 산업의 기술 현황
    • • 21 로봇산업의 동향
      • 22 의료용 로봇기술 현황
      • 23 의료용 로봇시장 전망
      • • 제3장 능동 그리퍼
        • • 31 최소침습 수술 햅틱 장치구현에 필요한 능동 그리퍼 제안
          • 32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류
          • 33 파지형태에 의한 그리퍼의 분류
          • 34 메카니컬 핸드의 구속기능
          • 35 대표적인 동력원의 특징
          • • 제4장 능동형 그리퍼 설계
            • • 41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정
              • 42 모터 선정 알고리즘
              • • 43 1 차 능동형 그리퍼 설계
                • 44 2 차 능동형 그리퍼 설계
                • • 제 5 장 결론
                  • 참고문헌
                  • TABLE 2-1 Domestic robot classification
                  • TABLE 2-2 Robot Production Company
                  • TABLE 3-1 Characteristics of power sources
                  • TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics
                  • TABLE 4-2 αSTEP Motor Characteristics
                  • Fig2-1 Phase of medical robots in the robot industry
                  • Fig2-2 Da Vinci surgical case number
                  • Fig3-1 Da Vinci robot system for MIS
                  • Fig3-2 Classified by the gripper grip action
                  • Fig3-3 Swing-type hand mechanism
                  • Fig3-4 Hand mechanism for translational type1 (parallel displacement)
                  • Fig3-5 Hand mechanism for translational type2 (Rack and pinion type)
                  • Fig3-6 Hand mechanism for three point pinch type
                  • Fig3-7 Movement of object
                  • Fig3-8 Contacts of the kind and the confining
                  • Fig3-9 Human Arm structure
                  • Fig4-1 Configuration of the fingers on robot gripper
                  • Fig4-2 Change the value of the angle of phage torque
                  • Fig4-3 Motor Selection Algorithm
                  • Fig4-4 Arbitrary Shape of Planar Area
                  • Fig4-5 Parallel-Axis Theorem
                  • Fig4-6 Arbitrary Shape of Polar Area
                  • Fig4-7 Example of Velocity Guidance
                  • Fig4-8 Parallel-link Grasp system 1
                  • Fig4-9 Parallel-link Grasp system 2
                  • Fig4-10 TWO Fingertip Grasp system
                  • Fig4-11 Four Fingertip Grasp System
                  • Fig4-12 Four Fingertip Grasp System layout
                  • Fig4-13 Fingertip Grasp Mechanism
                  • Fig4-14 Fingertip Grasp extended
                  • Fig4-15 Power Transmission Device

(회전)에 관

부여한 상태

행할 수 있

서는 회전의

핸드에

한 공간적

면 Fig 3-8

이 그림

를 구속한다

에서 7 자유

선접촉과 면

계수와 절선

(a

관한 6 동작

태에서 움직이

있다 또 완전

의 6 자유도를

의한 물체의

적인 포락 상

와 같이 된

(a)의 점접촉

다 그러나 1

유도를 구속

면접촉에는 각

선력법선력

a) point contac

Fig3

자유도로 한

이며 중력이

전 구속은 핸

를 무시하는

의 구속은 핸

상태로 정한다

다

촉은 접촉점

1 점접촉은 다

한다 (c)의

각각 마찰에

비와의 관계

ct (b

3-8 Contacts

- 31 -

한다 반구속은

이나 환경면의

드 자체로 1

경우도 적지

핸드와 물체의

다 먼저 접촉

방향의 1 자

다른 11 자유

면접촉은 11

위한 구속이

계로 구속불능

) line contact

of the kind an

은 12 자유도

의 구속을 받

12 자유도를

지 않다

의 접촉 상태

촉부의 구속

자유도를 구속

도를 구속할

1 자유도의 구

이 4 개와 6 개

능의 가능성을

nd the confini

도 중 몇 개의

아서 완전 구

행하는데 경

태 및 접촉부

능력을 모델

속한다 그러나

할 수 없다 (b

구속을 할 수

개 주어져 있

을 가진 구속

(c) surface co

ing

의 자유도를

구속으로 이

경우에 따라

부의 물체에

델로 나타내

나 1 자유도

b)는 선접촉

수 있다 단

있으며 마찰

속 성분이기

ontact

- 32 -

도 하다 또한 면접촉의 상태는 중력의 작용을 이용하면 받기를 형성하고 또

외계력을 이용하면 기를 형성한다

이들의 접촉상태는 물체의 형상과 핸드의 구속면으로 규정되는 것으로 핸드

만으로 결정하기는 어렵다 단 핸드의 구속면을 부드러운 재질로 형성하면 면

접촉의 이행이 용이하다 이와 같은 이유에서 물체에 접촉부가 포락도를 높이는

데에 따라서 물체 형상에 관계 없이 구속 능력을 증 시킬 수 있다

(2) 메커니컬 핸드의 자유도

로봇의 손은 그 용도를 불문하고 인간의 손 작업의 행을 목적으로 하는

것이므로 그 설계에 있어서 모델로 되는 것은 말할 것 도 없이 인간의 손이다

그래서 우선 기구에 하여 설명하기 전에 인간의 손의 구조 모델에 하여 설

명해 본다

AmiddotMorecki 에 의하면 인간의 상체는 그 해부학적 구조에 입각하면 Fig 3-9 와

같이 모델화할 수 있다 Fig 3-9 에서 숫자는 각각 골격 즉 링크를 나타내고 숫

자 II~ V 는 관절을 나타내고 있다 이와 같은 공간링크 기구의 자유도 F 는 가

동부수 n 자유도의 종류 f 를 가진 우 수를 Pf 라 하면 다음 식으로 나타낼

수 있다

6n sum ∙ P 12345 (3-1)

Fig 3-9

들 자유도가

을 Fig 3-9

P5=10 이므

인간의

유도 1 의

해 있으며

의 모델에서

가 있는 관절

9 와 같이 정

므로 위 식에

상지를 인공

액튜에이터를

22 개나 되

Fig 3

서는 n=19 P2

절에 작용하는

정의하고 그

서 FH=22 가

공적으로 정밀

를 27 필요

는 액튜에이

- 33 -

3-9 Human Ar

2=1 P3=2 P4

는 근군은 약

자유도 FH

가 된다

밀하게 재현하

요로 하게 된

터를 필요로

rm structure

4=6 P5=11 이

약 50 이라고

를 구하면

하려고 한다면

된다 또 손에

로 한다 그러

이므로 F=27

고 되어 있다

이 경우는 n

면 이상의 결

는 특히 자유

나 로봇의 손

이 된다 이

여기서 손

n=16 P4=6

결론에서 자

유도가 집중

손이 이만큼

- 34 -

의 수의 액튜에이터를 갖춘 것을 제작한다는 것은 크기 중량 제어면에서 볼

때 현시점에서는 불가능에 가깝다 특히 의수에 있어서는 상술한 바와 같은 형

상이나 조종성 등의 점에서 전혀 불가능하다고 해도 좋다 따라서 보통은 기능

에 주목하여 손에 집중해 있는 자유도의 간략화를 도모한다

인간의 잡기 동작에 주목해 보면 그 잡기 형상에는 12 종류가 있다고 하다

그러나 이것들은 엄지와 다른 12 종류가 있다고 한다 그러나 이것들은 엄지와

다른 4 손가락과의 관계에 주목하였을 때에 2 종류 즉 엄지가 다른 4 손가락과

항해서 동작하거나 그 측방에서 동작하는가로 분류할 수 있다 실제의 일상

동작에서 관찰하면 이들 중에서도 엄지와 손가락이 항해서 동작하는 소위 쥠

동작이 우선 첫 번째이고 또 다음에 엄지 검지 중지의 3 손가락의 선단으로

이루어지는 3Point Pinch 즉 잡기동작이 중요하다

더불어 손가락의 독립성에 해서는 역시 일상동작 중에서 손가락의 사용

빈도를 조사한 결과에 의하면 다섯 손가락은 반드시 독립적인 운동을 필요로

하지 않고 엄지 검지 중지가 같은 정도의 중요성을 자기며 다른 두 손가락은

사용 빈도에 있어서 이들 세 손가락보다 약 50 적으며 다른 세 손가락의 보

조 역할을 한다고 볼 수 있다 그리고 특히 중요한 것은 인간의 각 손가락은 잡

기 상물의 형상에 적응한 쥐기 즉 Passive 한 동작을 할 수 있다는 것이다 이

기능이 있다면 각 손가락이 독립적으로 동작하지 않더라도 또 다소 손의 자유

도를 제거하더라도 상물의 확실한 쥐기나 잡기 그리고 기타 손 작업에 큰 힘

을 발휘한다

- 35 -

34 표적인 동력원의 특징

동력원을 설계할 때 다음의 점을 고려하면서 가장 적합한 방식을 선택한다

1조작력(로보트가 내는 최 의 힘 예를들면 최 들어올린 힘)

2속응성(최 조작 속도)

3크기 중량(로보트의 크기와 중량의 제한)

4안정성(발열이나 과부하에 한 안전성)

5사용의 용이도

6수명가격

1 2 의 조작력 속응력은 로보트에 요구되는 성능에서 가장 기본적인 것인

데 이에 관련해서 크기나 중량의 제한 안정성 사용의 용이도 수명 가격 등을

고려해서 동력원을 선택한다 단 자주형 로보트에서는 2 차적 성능인 동력원의

중량이 첫째 요구 조건이 되는 경우가 많고 공업용 로보트에서는 저가격 사용

의 용이도 안전성이 중요 사항으로 우선시된다

모든 로봇은 동력원을 필요로한다 중요도에 따라 동력원을 선택해야 하는데

일반적으로 공기압식은 안전성이 뛰어난 반면 힘과 세밀한 위치제어가 어렵고

전기식은 응답성과 사용편리성 세밀한 위치제어가 가능하나 높은 힘을 내기 위

해서는 부가적인 기구부가 필요하다 유압식은 큰힘을 낼수있어서 속응성은 좋

으나 과부하시 상당한 발열이 있기 때문에 안전성에서 다른 동력원에 비해 떨

어진다 위 사항을 TABLE 3-1 로 분류하여 나타내었다

- 36 -

TABLE 3-1 Characteristics of power sources

전기식 유압식 공압식

사용용이성 편리하다 작동유의관리 관로의압력

필터관리에 유의

공급공기의 수분제거

윤활성의부가에 주의

수명 길다 기름에 윤활성이 있기

때문에 길다

공기에윤활성이 없어

유압 전기에 비해 짧다

가격 보통 가격 운영비 높음 저가격

응답속도

(반응성) 매우 빠르다 빠르다 늦다

하중능력 (소)에서 (중)정도의

하중능력 단히 큰 힘을 얻음 큰 힘은 없다

소음 적다 다소 크다 크다

- 37 -

제 4 장 능동형 그리퍼 설계

41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정

로봇 그리퍼의 정밀 파지 (Fingertip Grasp 손가락 끝을 이용하여 물체를 집

거나 바닥에누워있는 납작한 물체를 집는 행동)를 안정하게 하기 위해서는 손가

락 끝과 물체가 직각에 가까운 각도를 이룸으로 마찰력을 크게 하여 안정성을

높인다 또한 바닥에 놓인 물체를 집어 올릴 경우에도 물체표면의 법선 벡터와

손가락 끝의 각도가 클수록 물체를 효과적으로 구속하여 안정된 파지를 할 수

있다

그리퍼의 링크 시스템에 있어서 2 링크 손가락보다 3 링크 손가락을 쓸 때가

링크와 수평 평면이 이루는 각 (A)이 더 커지기 때문에 안정성이 더 좋다는 것

을 알 수 있다 그리고 안정성뿐만 아니라 식 (4-1)을 통하여 문체에 전해지는

Torque 값을 Fig 4-2 와 같이 그래프로 나타내면 0 도에서 75 도 정도까지는 A 각

이 커질수록 물체에 가해지는 토크 값이 점점 커지는 것을 알 수 있음으로 3 링

크 손가락을 쓰는 것이 파지력 증가됨을 알수 있다 ℓ3 의 길이가 길어질수록 A

가 작은 값을 가져서 정밀파지에 적당하지 않다

τ l cosA sinA l 1 cos A tan μ (41)

A cosempty

(42)

Fig 4-1

은 식을 통

각이 커짐을

움이 있고

Fig4-

에서 제 2 코

통해 구할 수

을 알 수 있다

최소 단위를

Fig4

-1 Configurati

코사인 법칙

있는데 이로

다 그러나 ℓ

를 1cm 로 하

-2 Change the

- 38 -

ion of the fing

을 이용하여

로부터 링크

ℓ3 가 1cm 인

하였기 때문에

e value of the a

gers on robot g

여 A 의 각을

길이 ℓ3 가

인 경우는 너

에 ℓ3 는 2cm

angle of phage

gripper

구하기 위해

작으면 작을

무 짧아서 파

로 결정하였

torque

해 (2) 와 같

을수록 A 의

파지의 어려

였다

42 모터

(1) 알고

앞 절에

여야 한다

는 모터의

이 작은 모

나 용량이

로 적절한

선정 알고

고리즘 정의

에서 설명한 기

로봇 팔에

선정은 동작

모터를 사용하

큰 모터를 사

모터의 선정

고리즘

기구들을 추

움직임을 전

작을 구현하는

하게 되면 기

사용하게 되

정이 중요하다

Fig 4-3 M

- 39 -

추후 로봇 시스

전달함에 있어

는데 중요한

기구의 원활한

면 모터의 외

다

Motor Selectio

스템에 적용을

어서 동력을

과제가 되겠

한 작동이 어

외형이 커지

on Algorithm

을 고려하여

공급과 제어

겠다 만일 토

려워지고 단

고 가격 또한

설계를 하

어를 수행하

토크나 용량

단순히 토크

한 증가하므

- 40 -

(2) 알고리즘 수행

모터를 선정하기 위해서 가장 우선적으로 해야 할 일은 기계구동부분을 결

정하고 구동부분을 어떠한 방식으로 작동을 시킬지 동작 패턴을 결정하여야 한

다 예를 들면 모터에서 나오는 힘을 받아서 볼 스크류를 이용하여 힘을 전달할

것인지 벨트 피니언 기어 혹은 풀리 등을 이용할 것인지를 결정하고 그에 따

른 적절한 구동방식을 결정한다 구동방식을 결정하게 되면 각각의 구동방식에

적합한 수식을 대입하여 부하토크를 계산한다 구동방식에 따른 부하토크를 구

하는 수식은 구동방식이나 구동장소 등에 따라 다소 상이하나 일반적인 수식은

다음과 같다

-BALL SCREW 구동

T FP2πn

μ F P2π

1i N ∙ m 43

F F mg sin α μ cos α N 44

-PULLEY 구동

T ∙ 45

μF D

2i N ∙ m

- 41 -

-WIRE middot BELT 구동 RACK middot PINION 구동

T F2πn

∙ πDi

FD2ni

N ∙ m 46

F F mg sin α μ cos s N 47

-실측에 의한 방법

T 48

직선운동 (커플링 직결 볼스크류 등)의 경우 위의 (43) (44) 이용하여 구할

수 있다 이때 F 는 축방향하중 F0 는 예압하중 μ0는 예압 NUT 의 마찰계수 η 은

효율i 는 감속비 PB 는볼스크류 피치를 나타낸다 회전운동 (풀리)의 경우 식

(45)를 이용하여 구할 수 있으며 FA는 외력 FB는 부하중량 (주축이 회전하기 시

작할 때의 힘) m 은 work 와 TABLE 의 총무계 μ 접동면의 마찰계수α는 경사각

도D 는 풀리의 지름을 나타낸다

실제현장에서는 선정된 모터의 토크를 확인하기 위해 실측에 의한 구동토크

를 계측하는데 스프링 저울을 구동 풀리에 연결지어 측정한다 이때 TL 은 회전

운동 부하토크에 해당하고 FB 는 부하중량 D 는 풀리의 직경을 나타낸다

위의 부하토크를 구하는 식들을 이용하여 부하토크를 구하게 되면 실제 모

터를 사용할 때 어느 정도의 시간적 여유를 두고 가속을 할 것인지 감속을 할

것인지를 결정하여야 한다 이를 위해서 우선 동작시킬 부분에 대한 관성모멘트

를 계산하

Fig 4-4

시한 것으로

dA 와 기준

이를 표현하

하여야 한다

4 는 관성모멘

로 X 와 Y

준축으로 부터

하면 식 (49)

Fig 4-4 Arb

I

멘트를 구하기

는 면적의 미

터의 거리의

)와 같다

- 42 -

bitrary shape o

y dA I

기 위한 절대

미소 요소 dA

제곱의 곱으

of planar area

x dA

대좌표 X Y

A 의 좌표이

으로 단면 2

축 상의 미소

이고 관성모멘

차 모멘트라

49

소면적을 도

멘트는 요소

라고도 한다

평면 면

가 있다 평

축에 대한

Fig 4-5

하는 평행한

관성모멘

식 (410

번째 적분은

면적의 관성

평행축 정리란

관성 모멘트

5 과 같이 도

한 xy 축 두

멘트의 정의로

I y

0) 에서 우변

은 Xc 축에

Fig 4-5

모멘트에 있

란 도심축에

트 사이의 관

도심을 원점으

좌표계의 평

로부터 x 축

y d dA

변의 첫 번째

대한 1 차 모

- 43 -

5 Parallel-axis

있어서 중요하

대한 관성

계를 나타낸

으로 하는 Xc

평행한 축 간

축에 대한 관

y dA

적분은 Xc

모멘트로서 X

theorem

하고 유용한

모멘트와 도

낸다

cYc 축과 임의

간의 거리를 d

성모멘트 Ix

2d y dA

축에 대한 관

Xc 축이 도심

정리로서 평

도심축에 평행

의의 점 O 를

d1 과 d2 로 표

는 식(410)와

d dA

관성모멘트

심을 통과하므

평행축 정리

행한 임의의

를 원점으로

표시한다

와 같다

410

I 이다 두

므로 적분의

- 44 -

값은 0 이다 세번째 적분은 면적 A 그 자체이다 따라서 식 (410)은 식 (411)과

같이 간단해진다

I I Ad 411

y 축에 대한 관성모멘트도 위와 같은 방법에 의해 식(412)과 같다

I I Ad 412

또한 면적의 평면에 수직인 수직축에 대한 관성모멘트를 극관성모멘트라 한

다 Fig 4-6 는 평면에 수직이고 O 점을 통과하는 축에 대한 극관성모멘트를 나

타낸 그림으로 이를 관성모멘트 식으로 표현하면 식 (413) 와 같다

I ρ dA 413

식 (413)와

즉 평면에

서로 수직인

극 관성

와 도심 C

와 식 (414)에

I

수직인 축에

인 두 축에 대

성모멘트에 대

에 대한 극

Fig 4-6 Arb

의해 식 (4

ρ dA

I

에 대한 극관

대한 관성모

대한 평행축

극 관성모멘트

- 45 -

bitrary shape o

ρ x y

415) 식 (41

x y dA

I I I

관성모멘트는

멘트의 합과

정리는 Fig

트를 각각 I

of Polar Area

y

16)과 같은 관

x dA y

는 평면 내의

과 같다

4-5 에서 유

와 I 로

관계식을 얻을

y dA

같은 지점을

유도할 수 있

로 표시하면

414

을 수 있다

415

416

을 통과하는

있다 원점 O

식 (416)에

- 46 -

서 식(417)을 유도할 수 있다

I I I I I I 417

I I I I A d d 418

I I Ad 419

식 (419)는 극 관성모멘트에 대한 평행축 정리를 나타낸다 즉 평면 내의 임의

의 한 점 O 에 대한 면적의 극관성모멘트는 도심 C 에 대한 극관성모멘트에 그

면적과 점 O 와 C 사이의 거리의 제곱의 곱을 더한 것과 같다

이상의 식에서 부하토크와 관성모멘트를 계산하여 모터를 가 선정한다 부하토

크의 경우 사용될 모터의 정격 토크를 넘어서지 않는 것을 선정한다 부하토크

를 TL 정상 부하 상태의 힘 PL 극 관성모멘트 IL 회전운동을 위한 힘 Pa 각속

도 가속 시 소요되는 시간을 ta 라 하고 식 (420)을 이용하여 부하가 일정하

게 작용할 때의 힘을 계산한다 마찬가지로 관성모멘트를 식 (421)에 대입하여

가속을 위한 회전 운동 시 필요한 힘을 계산한다 식 (420)과 식 (421)에서 계

산된 힘을 합산하면 모터를 회전시키기 위해 필요한 출력이 계산된다 이때 계

산된 출력보다 실제 사용할 모터의 정격 출력이 1~2 배 정도가 되도록 모터를

가 선정한다

- 47 -

P T ω 420

P 421

위의 과정을 통하여 모터를 가선정하고 가감속 토크 및 구동 토크를 계산한

다 각각의 토크를 계산하게 되면 모터를 최종적으로 선정하게 되는데 두 가지

사항을 고려하여 최종 선정한다 먼저 식 (422)을 통해서 계산되는 가속 시 소

요되는 기동 토크 TM 가 모터의 최대 토크를 넘지 않는 것으로 선정한다

T 422

두 번째로 Fig 4-7 의 속도 선도와 같이 모터의 가 감속 시간과 정상 동작

시간 등을 결정하여 식 (423)과 같이 실효치 토크 TS 를 구하고 실효 토크가 모

터의 정격 토크보다 크지 않도록 선정한다

T 423

Fig 4-7 Exa

- 48 -

ample of veloc

city guidance

- 49 -

(3) 알고리즘 적용

로봇시스템에 있어서 기구들의 관성모멘트와 토크 계산 후 적합한 모터를

선정하기 위해 시중에서 시판되는 모터를 조사하였다 로봇에 적용 가능한 모터

로는 크게 서버모터와 스텝모터 RC 서버모터 DC 모터로 구분 할 수 있었다 이

를 TABLE 4-1 과 같이 정리하였다

동력원의 6 가지 선정요소 중 우선순위를 부여하여 분류했을 때 핸드 그리퍼

의 특성상 가볍고 토크가 큰 RC 서버 모터 미니 서버모터를 선택할 수 도 있지

만 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터 중 토크를 증가시킬 수 있는

감속기가 있는 타입의 모터를 우선시 하였다

1 감속비를 사양할 수 있는 모터를 선정하여 계산한 토크를 확인한다

2 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터를 선정한다

3 CLOSED LOOP 제어를 통하여 정확한 위치를 검출할 수 있어야 한다

따라서 스텝모터중 lsquoOrsquo사의 ldquoαSTEPrdquo가 적합하다고 판단되어 모터를 선정하였다

- 50 -

TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics

미니서버모터 RC 서버모터 스텝모터 DC 모터

장점 동일사양대비 모터

중 10배정도 큰 토크

5v사용가벼움

정확한 위치제어

급격한 부하변동급가

속 유리

저렴한가격

보편화됨

단점 정지시 진동이 예상 약한 토크 THRUST하중이 모터

무계 이하여야 한다

유지보수가 잦다

크기 151588mm(10w20w)

2525111mm(30w)

392038mm 424234mm Oslash37mm917mm

동작전압 Dc 24V Dc 48V60V Dc 24V Dc 24V

무계 230g~400g 56g 150g 200g

허용토크 009Nm~03Nm 11~13kgfcm 18kgfcm (018Nm) 47kgfcm(1200)

감속기 다양한 감속비 가능 고정 감속기 감속기 무(072˚036) 다양한 감속비

제조사 야스카와 SGMM 하이텍 HS-5945 AUTONICS GCM 3429A

TABLE 4-2 αstep motor characteristics

외형 전압 전류 무계 토크 감속비 분해능

αSTEP 282884mm

4242127mm Dc24V 1~37A 250G 2~28 Nmiddotm 50~1001

00072pluse

00036pluse

- 51 -

43 1 차 능동형 그리퍼 설계

실린더를 사용하여 링크로 물체를 파지하던 그리퍼는 Fig 4-8 과 Fig 4-9 에

묘사하였다 이런 실린더를 사용한 그리퍼는 공압 효과를 도출할 수 있는 별도

의 펌프가 필요하고 동작을 구현할 수 있는 자유도를 증가시키는데 한계가 있

다 이런 실린더의 단점을 보완하고 전기모터의 장점을 사용하기 위해 웜기어와

웜휠 방식을 채택하여 2 자유도 능동형 그리퍼를 설계하였다

1 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-10 에 묘사하였으며 1 차설계한

능동형 그리퍼는 Two Fingertip Grasp 로 칭하겠다 파지한 물체를 회전 시키는

기능은 베벨기어를 사용하여 회전운동으로 구현하였고 실린더의 전middot후진 운동

을 전기모터의 회전운동으로 변환 시키기 위하여 웜기어와 웜휨을 선택하였다

전기모터에 의해 회전하는 운동은 웜기어와 웜휠에 의해 링크를 사용하여 물체

를 파지하였던 그리퍼와 동일한 운동효과를 가지게 되었다

웜기어와 웜휠을 사용하여 물체를 파지하는 능동형 그리퍼는 스윙형으로 설

계되었으며 파지력을 높이기 위한 각도를 적용하였다 링크를 사용하여 물체를

파지하는 형태의 그리퍼보다 기구의 크기를 줄일 수 있는 장점이 있는 반면 기

어들의 백래시에 의한 오차가 끝단에 누적될 수 있는 문제점을 가지고 있다또

한 기구부의 소재 변경으로 그리퍼의 무계를 줄일 수 도 있지만 가장 큰 무계

를 차지하는 모터를 그리퍼 자체에서 분리하게 할 수 있게 하려면 그리퍼 자체

의 구조변경이 필요하다

`

`

Fig 4-8 Par

Fig 4-9 Par

- 52 -

rallel-link gra

rallel-link gra

sps system 1

sps system 2

Fig 4-10

- 53 -

0 Two fingertipps grasp system

- 54 -

44 2 차 능동형 그리퍼 설계

1 차 설계한 능동형 그리퍼에서 발견된 문제점을 보안하기 위하여 2 차 능동

형 그리퍼를 설계하였다 2 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-11 에 묘사

하였으며 2 차설계한 능동형 그리퍼는 Four Fingertip Grasp 로 칭하겠다 이 장치

는 크게 동력원 동력 전달장치 핑거 그립장치로 구성되어있으며 이를 통합하

여 Fig 4-12 에 나타내었다

핑거 그립장치는 스윙형 그립의 단점을 보완하여 설계하였다 물체를 파지할

때 그립의 회전 반경이 주위 환경요소와 간섭을 발생시킬 수 있는데핑거가 전

진할때 샤프트와 핑거그립간의 나사결합형태를 통한 직선운동으로 개선하여 주

위환경요소에 영향을 주지 않도록 설계하였다 구동축의 핑거파지 메카니즘을

Fig 4-13 와 같이 간략화 하였고 이에 대한 세부 도면은 Fig 4-14 로 나타내었다

4 조 핑거 그립의 나사산과 테이퍼진 스크류축은 나사식으로 결합되며 상호

작용에 의해 점차 중심점으로 이동하여 물체를 파지하는 형태이다 사용된 2 개

의 샤프트는 중공축으로 설계하였으며 외부 샤프트는 4 조 핑거가 물체를 파지

하여 비트는 모션을 구현하는데 사용되었다 내부 샤프트는 핑거를 중심점으로

전진시켜는 기능을 수행한다 중공축으로 설계한 내부 샤프트는 차후 개발될 인

스트리먼트의 탈부착을 손쉽게 할수있도록 구현하였고 4 조로 설계된 핑거는 그

립시 인스트리먼트의 응력집중현상을 분산시키는 기능과 2 조로 그립하였을때

보다 안정적인 그립감을 형성한다

- 55 -

동력원과 동력전달장치는 Fig 4-15 에 나타내었으며 Two Fingertip Grasp system

의 문제점이었던 구동부의 모터의 설치 방법을 외부에 부착하는 형태로 변경하

여 우레탄 밸트를 사용하였다 또한 아이들러를 사용하여 밸트의 방향을 변경

하여 모터의 부착위치를 자유롭게 설정할 수 있도록 하였고 모터 브라켓에 슬

리브 홈을 설치하여 벨트의 장력을 조절할 수 있도록 하였다

Fig4-11

Fig4-12 Fou

- 56 -

Four fingertip

ur fingertips g

ps grasp system

grasp system la

m

ayout

Fig 4-13

Fig 4-14

- 57 -

Fingertip gra

4 Fingertip gr

asps mechanis

rasps extended

m

d

Fig 4-15

- 58 -

5 Power transmission devicce

- 59 -

제 5장 결 론

본 연구에서는 MIS 수술 로봇을 위한 햅틱 마스터장치 구동용 능동형 그리

퍼를 설계하기 위하여 그에 상응하는 자료 및 문헌 조사를 수행하였고 햅틱 마

스터에 적용 가능한 능동형 그리퍼를 설계하여 로봇 시스템의 초안을 구성하였

다 수술용 도구를 단순히 잡아주는 역할에서 벗어나 시스템에 추가적인 자유도

를 부여함으로써 그리퍼를 표현하였다 단순화된 그리퍼는 보다 저렴한 가격으

로 생산될 수 있으며 기존 로봇 수술시스템의 높은 비용을 절감할 수 있는 효

과를 가져올 수 있다

최종적으로 제안한 설계 안으로는 2 조 핑거그립를 사용하는 전기모터형 그

리퍼 와 추가적으로 개선한 4 조 전기모터형 핑거그립를 설계였다 스윙형 그립

의 단점을 보안하여 집중응력을 분산할 수 있는 구조로 설계하였고 그리퍼의

무계를 줄일 수 있는 방법을 제시하였다 이로써 원통형 도구 파지 시 안정성이

향상되었고 보다 원활하게 수술 도구를 교체 가능하도록 하였다

앞으로 촉감을 전달할 수 있는 센서의 개발로 햅틱 디바이스 인터페이스 장

치의 활용에 보다 높은 기여를 할 것이라 예상된다

-６０-

참고 문헌

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정보 및 제어부분 PP68~7020084

[2] 박정호 ldquo국내외 의료로봇 현황과 발전방향rdquo정보과학지 26(4)

PP49~5420084

[3] 편집부 ldquo수술지원로봇의 최신 기술 동향rdquo월간 자동화 기술 22(12)

PP74~77200612

[4] 경기욱박준석 ldquo햅틱스 기술개발 동향 및 연구전망rdquo전자통신경향분석

21(5)PP93~108200610

[5] 권동수경기욱 ldquo의료용 로봇의 연구 현황과 전망rdquo기계저널

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[6] Yoichi OGAHARA Yusuke KAWATO Kenjiro TAKEMURA Takashi MAENO

ldquoA Wire-Driven Miniature Five Fingerd Robot Hand using Elastic Elements as

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[7] Ikuo Yamano Takashi Maeno ldquoFive-fingered Robot Hand using Ultrasonic Motors

and Elastic Elementsrdquoproceedings the 2005 IEEE International Conference on

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[8] 홍만복김광기 ldquo최소 침습수술로봇을위한 2-자유도 구형 메커니즘설계rdquo

한국정밀공학회 2009년 추계학술대회 논문집

-６１-

[9] 이재훈김형욱이병주서일홍 ldquo새로운 6자유도 병렬형 햅틱 기구의 최적설

계 및 해석rdquo한국정밀공학회 2003년 추계학술대회 논문집

[10] 조국훈이재훈이병주김희국 ldquo병렬형 그리퍼 메카니즘rdquo한국정밀공학회지

[11] 김갑순 ldquo3축 힘센서를 이용한 지능형 그리퍼 개발rdquo한국정밀공학회지 제

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[12] 고대성김성목김희국이병주 ldquo병진형 자유도와 1자유도 파지기능을 가지는

4자유도 병렬 메커니즘의 기구학분석rdquo한국정밀공학회 2007년 추계학술대회

• 제1장 서 론
• • 11 연구배경 및 연구목적
  • 12 연구내용
  • • 제2장 로봇 산업의 기술 현황
    • • 21 로봇산업의 동향
      • 22 의료용 로봇기술 현황
      • 23 의료용 로봇시장 전망
      • • 제3장 능동 그리퍼
        • • 31 최소침습 수술 햅틱 장치구현에 필요한 능동 그리퍼 제안
          • 32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류
          • 33 파지형태에 의한 그리퍼의 분류
          • 34 메카니컬 핸드의 구속기능
          • 35 대표적인 동력원의 특징
          • • 제4장 능동형 그리퍼 설계
            • • 41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정
              • 42 모터 선정 알고리즘
              • • 43 1 차 능동형 그리퍼 설계
                • 44 2 차 능동형 그리퍼 설계
                • • 제 5 장 결론
                  • 참고문헌
                  • TABLE 2-1 Domestic robot classification
                  • TABLE 2-2 Robot Production Company
                  • TABLE 3-1 Characteristics of power sources
                  • TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics
                  • TABLE 4-2 αSTEP Motor Characteristics
                  • Fig2-1 Phase of medical robots in the robot industry
                  • Fig2-2 Da Vinci surgical case number
                  • Fig3-1 Da Vinci robot system for MIS
                  • Fig3-2 Classified by the gripper grip action
                  • Fig3-3 Swing-type hand mechanism
                  • Fig3-4 Hand mechanism for translational type1 (parallel displacement)
                  • Fig3-5 Hand mechanism for translational type2 (Rack and pinion type)
                  • Fig3-6 Hand mechanism for three point pinch type
                  • Fig3-7 Movement of object
                  • Fig3-8 Contacts of the kind and the confining
                  • Fig3-9 Human Arm structure
                  • Fig4-1 Configuration of the fingers on robot gripper
                  • Fig4-2 Change the value of the angle of phage torque
                  • Fig4-3 Motor Selection Algorithm
                  • Fig4-4 Arbitrary Shape of Planar Area
                  • Fig4-5 Parallel-Axis Theorem
                  • Fig4-6 Arbitrary Shape of Polar Area
                  • Fig4-7 Example of Velocity Guidance
                  • Fig4-8 Parallel-link Grasp system 1
                  • Fig4-9 Parallel-link Grasp system 2
                  • Fig4-10 TWO Fingertip Grasp system
                  • Fig4-11 Four Fingertip Grasp System
                  • Fig4-12 Four Fingertip Grasp System layout
                  • Fig4-13 Fingertip Grasp Mechanism
                  • Fig4-14 Fingertip Grasp extended
                  • Fig4-15 Power Transmission Device

- 32 -

도 하다 또한 면접촉의 상태는 중력의 작용을 이용하면 받기를 형성하고 또

외계력을 이용하면 기를 형성한다

이들의 접촉상태는 물체의 형상과 핸드의 구속면으로 규정되는 것으로 핸드

만으로 결정하기는 어렵다 단 핸드의 구속면을 부드러운 재질로 형성하면 면

접촉의 이행이 용이하다 이와 같은 이유에서 물체에 접촉부가 포락도를 높이는

데에 따라서 물체 형상에 관계 없이 구속 능력을 증 시킬 수 있다

(2) 메커니컬 핸드의 자유도

로봇의 손은 그 용도를 불문하고 인간의 손 작업의 행을 목적으로 하는

것이므로 그 설계에 있어서 모델로 되는 것은 말할 것 도 없이 인간의 손이다

그래서 우선 기구에 하여 설명하기 전에 인간의 손의 구조 모델에 하여 설

명해 본다

AmiddotMorecki 에 의하면 인간의 상체는 그 해부학적 구조에 입각하면 Fig 3-9 와

같이 모델화할 수 있다 Fig 3-9 에서 숫자는 각각 골격 즉 링크를 나타내고 숫

자 II~ V 는 관절을 나타내고 있다 이와 같은 공간링크 기구의 자유도 F 는 가

동부수 n 자유도의 종류 f 를 가진 우 수를 Pf 라 하면 다음 식으로 나타낼

수 있다

6n sum ∙ P 12345 (3-1)

Fig 3-9

들 자유도가

을 Fig 3-9

P5=10 이므

인간의

유도 1 의

해 있으며

의 모델에서

가 있는 관절

9 와 같이 정

므로 위 식에

상지를 인공

액튜에이터를

22 개나 되

Fig 3

서는 n=19 P2

절에 작용하는

정의하고 그

서 FH=22 가

공적으로 정밀

를 27 필요

는 액튜에이

- 33 -

3-9 Human Ar

2=1 P3=2 P4

는 근군은 약

자유도 FH

가 된다

밀하게 재현하

요로 하게 된

터를 필요로

rm structure

4=6 P5=11 이

약 50 이라고

를 구하면

하려고 한다면

된다 또 손에

로 한다 그러

이므로 F=27

고 되어 있다

이 경우는 n

면 이상의 결

는 특히 자유

나 로봇의 손

이 된다 이

여기서 손

n=16 P4=6

결론에서 자

유도가 집중

손이 이만큼

- 34 -

의 수의 액튜에이터를 갖춘 것을 제작한다는 것은 크기 중량 제어면에서 볼

때 현시점에서는 불가능에 가깝다 특히 의수에 있어서는 상술한 바와 같은 형

상이나 조종성 등의 점에서 전혀 불가능하다고 해도 좋다 따라서 보통은 기능

에 주목하여 손에 집중해 있는 자유도의 간략화를 도모한다

인간의 잡기 동작에 주목해 보면 그 잡기 형상에는 12 종류가 있다고 하다

그러나 이것들은 엄지와 다른 12 종류가 있다고 한다 그러나 이것들은 엄지와

다른 4 손가락과의 관계에 주목하였을 때에 2 종류 즉 엄지가 다른 4 손가락과

항해서 동작하거나 그 측방에서 동작하는가로 분류할 수 있다 실제의 일상

동작에서 관찰하면 이들 중에서도 엄지와 손가락이 항해서 동작하는 소위 쥠

동작이 우선 첫 번째이고 또 다음에 엄지 검지 중지의 3 손가락의 선단으로

이루어지는 3Point Pinch 즉 잡기동작이 중요하다

더불어 손가락의 독립성에 해서는 역시 일상동작 중에서 손가락의 사용

빈도를 조사한 결과에 의하면 다섯 손가락은 반드시 독립적인 운동을 필요로

하지 않고 엄지 검지 중지가 같은 정도의 중요성을 자기며 다른 두 손가락은

사용 빈도에 있어서 이들 세 손가락보다 약 50 적으며 다른 세 손가락의 보

조 역할을 한다고 볼 수 있다 그리고 특히 중요한 것은 인간의 각 손가락은 잡

기 상물의 형상에 적응한 쥐기 즉 Passive 한 동작을 할 수 있다는 것이다 이

기능이 있다면 각 손가락이 독립적으로 동작하지 않더라도 또 다소 손의 자유

도를 제거하더라도 상물의 확실한 쥐기나 잡기 그리고 기타 손 작업에 큰 힘

을 발휘한다

- 35 -

34 표적인 동력원의 특징

동력원을 설계할 때 다음의 점을 고려하면서 가장 적합한 방식을 선택한다

1조작력(로보트가 내는 최 의 힘 예를들면 최 들어올린 힘)

2속응성(최 조작 속도)

3크기 중량(로보트의 크기와 중량의 제한)

4안정성(발열이나 과부하에 한 안전성)

5사용의 용이도

6수명가격

1 2 의 조작력 속응력은 로보트에 요구되는 성능에서 가장 기본적인 것인

데 이에 관련해서 크기나 중량의 제한 안정성 사용의 용이도 수명 가격 등을

고려해서 동력원을 선택한다 단 자주형 로보트에서는 2 차적 성능인 동력원의

중량이 첫째 요구 조건이 되는 경우가 많고 공업용 로보트에서는 저가격 사용

의 용이도 안전성이 중요 사항으로 우선시된다

모든 로봇은 동력원을 필요로한다 중요도에 따라 동력원을 선택해야 하는데

일반적으로 공기압식은 안전성이 뛰어난 반면 힘과 세밀한 위치제어가 어렵고

전기식은 응답성과 사용편리성 세밀한 위치제어가 가능하나 높은 힘을 내기 위

해서는 부가적인 기구부가 필요하다 유압식은 큰힘을 낼수있어서 속응성은 좋

으나 과부하시 상당한 발열이 있기 때문에 안전성에서 다른 동력원에 비해 떨

어진다 위 사항을 TABLE 3-1 로 분류하여 나타내었다

- 36 -

TABLE 3-1 Characteristics of power sources

전기식 유압식 공압식

사용용이성 편리하다 작동유의관리 관로의압력

필터관리에 유의

공급공기의 수분제거

윤활성의부가에 주의

수명 길다 기름에 윤활성이 있기

때문에 길다

공기에윤활성이 없어

유압 전기에 비해 짧다

가격 보통 가격 운영비 높음 저가격

응답속도

(반응성) 매우 빠르다 빠르다 늦다

하중능력 (소)에서 (중)정도의

하중능력 단히 큰 힘을 얻음 큰 힘은 없다

소음 적다 다소 크다 크다

- 37 -

제 4 장 능동형 그리퍼 설계

41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정

로봇 그리퍼의 정밀 파지 (Fingertip Grasp 손가락 끝을 이용하여 물체를 집

거나 바닥에누워있는 납작한 물체를 집는 행동)를 안정하게 하기 위해서는 손가

락 끝과 물체가 직각에 가까운 각도를 이룸으로 마찰력을 크게 하여 안정성을

높인다 또한 바닥에 놓인 물체를 집어 올릴 경우에도 물체표면의 법선 벡터와

손가락 끝의 각도가 클수록 물체를 효과적으로 구속하여 안정된 파지를 할 수

있다

그리퍼의 링크 시스템에 있어서 2 링크 손가락보다 3 링크 손가락을 쓸 때가

링크와 수평 평면이 이루는 각 (A)이 더 커지기 때문에 안정성이 더 좋다는 것

을 알 수 있다 그리고 안정성뿐만 아니라 식 (4-1)을 통하여 문체에 전해지는

Torque 값을 Fig 4-2 와 같이 그래프로 나타내면 0 도에서 75 도 정도까지는 A 각

이 커질수록 물체에 가해지는 토크 값이 점점 커지는 것을 알 수 있음으로 3 링

크 손가락을 쓰는 것이 파지력 증가됨을 알수 있다 ℓ3 의 길이가 길어질수록 A

가 작은 값을 가져서 정밀파지에 적당하지 않다

τ l cosA sinA l 1 cos A tan μ (41)

A cosempty

(42)

Fig 4-1

은 식을 통

각이 커짐을

움이 있고

Fig4-

에서 제 2 코

통해 구할 수

을 알 수 있다

최소 단위를

Fig4

-1 Configurati

코사인 법칙

있는데 이로

다 그러나 ℓ

를 1cm 로 하

-2 Change the

- 38 -

ion of the fing

을 이용하여

로부터 링크

ℓ3 가 1cm 인

하였기 때문에

e value of the a

gers on robot g

여 A 의 각을

길이 ℓ3 가

인 경우는 너

에 ℓ3 는 2cm

angle of phage

gripper

구하기 위해

작으면 작을

무 짧아서 파

로 결정하였

torque

해 (2) 와 같

을수록 A 의

파지의 어려

였다

42 모터

(1) 알고

앞 절에

여야 한다

는 모터의

이 작은 모

나 용량이

로 적절한

선정 알고

고리즘 정의

에서 설명한 기

로봇 팔에

선정은 동작

모터를 사용하

큰 모터를 사

모터의 선정

고리즘

기구들을 추

움직임을 전

작을 구현하는

하게 되면 기

사용하게 되

정이 중요하다

Fig 4-3 M

- 39 -

추후 로봇 시스

전달함에 있어

는데 중요한

기구의 원활한

면 모터의 외

다

Motor Selectio

스템에 적용을

어서 동력을

과제가 되겠

한 작동이 어

외형이 커지

on Algorithm

을 고려하여

공급과 제어

겠다 만일 토

려워지고 단

고 가격 또한

설계를 하

어를 수행하

토크나 용량

단순히 토크

한 증가하므

- 40 -

(2) 알고리즘 수행

모터를 선정하기 위해서 가장 우선적으로 해야 할 일은 기계구동부분을 결

정하고 구동부분을 어떠한 방식으로 작동을 시킬지 동작 패턴을 결정하여야 한

다 예를 들면 모터에서 나오는 힘을 받아서 볼 스크류를 이용하여 힘을 전달할

것인지 벨트 피니언 기어 혹은 풀리 등을 이용할 것인지를 결정하고 그에 따

른 적절한 구동방식을 결정한다 구동방식을 결정하게 되면 각각의 구동방식에

적합한 수식을 대입하여 부하토크를 계산한다 구동방식에 따른 부하토크를 구

하는 수식은 구동방식이나 구동장소 등에 따라 다소 상이하나 일반적인 수식은

다음과 같다

-BALL SCREW 구동

T FP2πn

μ F P2π

1i N ∙ m 43

F F mg sin α μ cos α N 44

-PULLEY 구동

T ∙ 45

μF D

2i N ∙ m

- 41 -

-WIRE middot BELT 구동 RACK middot PINION 구동

T F2πn

∙ πDi

FD2ni

N ∙ m 46

F F mg sin α μ cos s N 47

-실측에 의한 방법

T 48

직선운동 (커플링 직결 볼스크류 등)의 경우 위의 (43) (44) 이용하여 구할

수 있다 이때 F 는 축방향하중 F0 는 예압하중 μ0는 예압 NUT 의 마찰계수 η 은

효율i 는 감속비 PB 는볼스크류 피치를 나타낸다 회전운동 (풀리)의 경우 식

(45)를 이용하여 구할 수 있으며 FA는 외력 FB는 부하중량 (주축이 회전하기 시

작할 때의 힘) m 은 work 와 TABLE 의 총무계 μ 접동면의 마찰계수α는 경사각

도D 는 풀리의 지름을 나타낸다

실제현장에서는 선정된 모터의 토크를 확인하기 위해 실측에 의한 구동토크

를 계측하는데 스프링 저울을 구동 풀리에 연결지어 측정한다 이때 TL 은 회전

운동 부하토크에 해당하고 FB 는 부하중량 D 는 풀리의 직경을 나타낸다

위의 부하토크를 구하는 식들을 이용하여 부하토크를 구하게 되면 실제 모

터를 사용할 때 어느 정도의 시간적 여유를 두고 가속을 할 것인지 감속을 할

것인지를 결정하여야 한다 이를 위해서 우선 동작시킬 부분에 대한 관성모멘트

를 계산하

Fig 4-4

시한 것으로

dA 와 기준

이를 표현하

하여야 한다

4 는 관성모멘

로 X 와 Y

준축으로 부터

하면 식 (49)

Fig 4-4 Arb

I

멘트를 구하기

는 면적의 미

터의 거리의

)와 같다

- 42 -

bitrary shape o

y dA I

기 위한 절대

미소 요소 dA

제곱의 곱으

of planar area

x dA

대좌표 X Y

A 의 좌표이

으로 단면 2

축 상의 미소

이고 관성모멘

차 모멘트라

49

소면적을 도

멘트는 요소

라고도 한다

평면 면

가 있다 평

축에 대한

Fig 4-5

하는 평행한

관성모멘

식 (410

번째 적분은

면적의 관성

평행축 정리란

관성 모멘트

5 과 같이 도

한 xy 축 두

멘트의 정의로

I y

0) 에서 우변

은 Xc 축에

Fig 4-5

모멘트에 있

란 도심축에

트 사이의 관

도심을 원점으

좌표계의 평

로부터 x 축

y d dA

변의 첫 번째

대한 1 차 모

- 43 -

5 Parallel-axis

있어서 중요하

대한 관성

계를 나타낸

으로 하는 Xc

평행한 축 간

축에 대한 관

y dA

적분은 Xc

모멘트로서 X

theorem

하고 유용한

모멘트와 도

낸다

cYc 축과 임의

간의 거리를 d

성모멘트 Ix

2d y dA

축에 대한 관

Xc 축이 도심

정리로서 평

도심축에 평행

의의 점 O 를

d1 과 d2 로 표

는 식(410)와

d dA

관성모멘트

심을 통과하므

평행축 정리

행한 임의의

를 원점으로

표시한다

와 같다

410

I 이다 두

므로 적분의

- 44 -

값은 0 이다 세번째 적분은 면적 A 그 자체이다 따라서 식 (410)은 식 (411)과

같이 간단해진다

I I Ad 411

y 축에 대한 관성모멘트도 위와 같은 방법에 의해 식(412)과 같다

I I Ad 412

또한 면적의 평면에 수직인 수직축에 대한 관성모멘트를 극관성모멘트라 한

다 Fig 4-6 는 평면에 수직이고 O 점을 통과하는 축에 대한 극관성모멘트를 나

타낸 그림으로 이를 관성모멘트 식으로 표현하면 식 (413) 와 같다

I ρ dA 413

식 (413)와

즉 평면에

서로 수직인

극 관성

와 도심 C

와 식 (414)에

I

수직인 축에

인 두 축에 대

성모멘트에 대

에 대한 극

Fig 4-6 Arb

의해 식 (4

ρ dA

I

에 대한 극관

대한 관성모

대한 평행축

극 관성모멘트

- 45 -

bitrary shape o

ρ x y

415) 식 (41

x y dA

I I I

관성모멘트는

멘트의 합과

정리는 Fig

트를 각각 I

of Polar Area

y

16)과 같은 관

x dA y

는 평면 내의

과 같다

4-5 에서 유

와 I 로

관계식을 얻을

y dA

같은 지점을

유도할 수 있

로 표시하면

414

을 수 있다

415

416

을 통과하는

있다 원점 O

식 (416)에

- 46 -

서 식(417)을 유도할 수 있다

I I I I I I 417

I I I I A d d 418

I I Ad 419

식 (419)는 극 관성모멘트에 대한 평행축 정리를 나타낸다 즉 평면 내의 임의

의 한 점 O 에 대한 면적의 극관성모멘트는 도심 C 에 대한 극관성모멘트에 그

면적과 점 O 와 C 사이의 거리의 제곱의 곱을 더한 것과 같다

이상의 식에서 부하토크와 관성모멘트를 계산하여 모터를 가 선정한다 부하토

크의 경우 사용될 모터의 정격 토크를 넘어서지 않는 것을 선정한다 부하토크

를 TL 정상 부하 상태의 힘 PL 극 관성모멘트 IL 회전운동을 위한 힘 Pa 각속

도 가속 시 소요되는 시간을 ta 라 하고 식 (420)을 이용하여 부하가 일정하

게 작용할 때의 힘을 계산한다 마찬가지로 관성모멘트를 식 (421)에 대입하여

가속을 위한 회전 운동 시 필요한 힘을 계산한다 식 (420)과 식 (421)에서 계

산된 힘을 합산하면 모터를 회전시키기 위해 필요한 출력이 계산된다 이때 계

산된 출력보다 실제 사용할 모터의 정격 출력이 1~2 배 정도가 되도록 모터를

가 선정한다

- 47 -

P T ω 420

P 421

위의 과정을 통하여 모터를 가선정하고 가감속 토크 및 구동 토크를 계산한

다 각각의 토크를 계산하게 되면 모터를 최종적으로 선정하게 되는데 두 가지

사항을 고려하여 최종 선정한다 먼저 식 (422)을 통해서 계산되는 가속 시 소

요되는 기동 토크 TM 가 모터의 최대 토크를 넘지 않는 것으로 선정한다

T 422

두 번째로 Fig 4-7 의 속도 선도와 같이 모터의 가 감속 시간과 정상 동작

시간 등을 결정하여 식 (423)과 같이 실효치 토크 TS 를 구하고 실효 토크가 모

터의 정격 토크보다 크지 않도록 선정한다

T 423

Fig 4-7 Exa

- 48 -

ample of veloc

city guidance

- 49 -

(3) 알고리즘 적용

로봇시스템에 있어서 기구들의 관성모멘트와 토크 계산 후 적합한 모터를

선정하기 위해 시중에서 시판되는 모터를 조사하였다 로봇에 적용 가능한 모터

로는 크게 서버모터와 스텝모터 RC 서버모터 DC 모터로 구분 할 수 있었다 이

를 TABLE 4-1 과 같이 정리하였다

동력원의 6 가지 선정요소 중 우선순위를 부여하여 분류했을 때 핸드 그리퍼

의 특성상 가볍고 토크가 큰 RC 서버 모터 미니 서버모터를 선택할 수 도 있지

만 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터 중 토크를 증가시킬 수 있는

감속기가 있는 타입의 모터를 우선시 하였다

1 감속비를 사양할 수 있는 모터를 선정하여 계산한 토크를 확인한다

2 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터를 선정한다

3 CLOSED LOOP 제어를 통하여 정확한 위치를 검출할 수 있어야 한다

따라서 스텝모터중 lsquoOrsquo사의 ldquoαSTEPrdquo가 적합하다고 판단되어 모터를 선정하였다

- 50 -

TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics

미니서버모터 RC 서버모터 스텝모터 DC 모터

장점 동일사양대비 모터

중 10배정도 큰 토크

5v사용가벼움

정확한 위치제어

급격한 부하변동급가

속 유리

저렴한가격

보편화됨

단점 정지시 진동이 예상 약한 토크 THRUST하중이 모터

무계 이하여야 한다

유지보수가 잦다

크기 151588mm(10w20w)

2525111mm(30w)

392038mm 424234mm Oslash37mm917mm

동작전압 Dc 24V Dc 48V60V Dc 24V Dc 24V

무계 230g~400g 56g 150g 200g

허용토크 009Nm~03Nm 11~13kgfcm 18kgfcm (018Nm) 47kgfcm(1200)

감속기 다양한 감속비 가능 고정 감속기 감속기 무(072˚036) 다양한 감속비

제조사 야스카와 SGMM 하이텍 HS-5945 AUTONICS GCM 3429A

TABLE 4-2 αstep motor characteristics

외형 전압 전류 무계 토크 감속비 분해능

αSTEP 282884mm

4242127mm Dc24V 1~37A 250G 2~28 Nmiddotm 50~1001

00072pluse

00036pluse

- 51 -

43 1 차 능동형 그리퍼 설계

실린더를 사용하여 링크로 물체를 파지하던 그리퍼는 Fig 4-8 과 Fig 4-9 에

묘사하였다 이런 실린더를 사용한 그리퍼는 공압 효과를 도출할 수 있는 별도

의 펌프가 필요하고 동작을 구현할 수 있는 자유도를 증가시키는데 한계가 있

다 이런 실린더의 단점을 보완하고 전기모터의 장점을 사용하기 위해 웜기어와

웜휠 방식을 채택하여 2 자유도 능동형 그리퍼를 설계하였다

1 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-10 에 묘사하였으며 1 차설계한

능동형 그리퍼는 Two Fingertip Grasp 로 칭하겠다 파지한 물체를 회전 시키는

기능은 베벨기어를 사용하여 회전운동으로 구현하였고 실린더의 전middot후진 운동

을 전기모터의 회전운동으로 변환 시키기 위하여 웜기어와 웜휨을 선택하였다

전기모터에 의해 회전하는 운동은 웜기어와 웜휠에 의해 링크를 사용하여 물체

를 파지하였던 그리퍼와 동일한 운동효과를 가지게 되었다

웜기어와 웜휠을 사용하여 물체를 파지하는 능동형 그리퍼는 스윙형으로 설

계되었으며 파지력을 높이기 위한 각도를 적용하였다 링크를 사용하여 물체를

파지하는 형태의 그리퍼보다 기구의 크기를 줄일 수 있는 장점이 있는 반면 기

어들의 백래시에 의한 오차가 끝단에 누적될 수 있는 문제점을 가지고 있다또

한 기구부의 소재 변경으로 그리퍼의 무계를 줄일 수 도 있지만 가장 큰 무계

를 차지하는 모터를 그리퍼 자체에서 분리하게 할 수 있게 하려면 그리퍼 자체

의 구조변경이 필요하다

`

`

Fig 4-8 Par

Fig 4-9 Par

- 52 -

rallel-link gra

rallel-link gra

sps system 1

sps system 2

Fig 4-10

- 53 -

0 Two fingertipps grasp system

- 54 -

44 2 차 능동형 그리퍼 설계

1 차 설계한 능동형 그리퍼에서 발견된 문제점을 보안하기 위하여 2 차 능동

형 그리퍼를 설계하였다 2 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-11 에 묘사

하였으며 2 차설계한 능동형 그리퍼는 Four Fingertip Grasp 로 칭하겠다 이 장치

는 크게 동력원 동력 전달장치 핑거 그립장치로 구성되어있으며 이를 통합하

여 Fig 4-12 에 나타내었다

핑거 그립장치는 스윙형 그립의 단점을 보완하여 설계하였다 물체를 파지할

때 그립의 회전 반경이 주위 환경요소와 간섭을 발생시킬 수 있는데핑거가 전

진할때 샤프트와 핑거그립간의 나사결합형태를 통한 직선운동으로 개선하여 주

위환경요소에 영향을 주지 않도록 설계하였다 구동축의 핑거파지 메카니즘을

Fig 4-13 와 같이 간략화 하였고 이에 대한 세부 도면은 Fig 4-14 로 나타내었다

4 조 핑거 그립의 나사산과 테이퍼진 스크류축은 나사식으로 결합되며 상호

작용에 의해 점차 중심점으로 이동하여 물체를 파지하는 형태이다 사용된 2 개

의 샤프트는 중공축으로 설계하였으며 외부 샤프트는 4 조 핑거가 물체를 파지

하여 비트는 모션을 구현하는데 사용되었다 내부 샤프트는 핑거를 중심점으로

전진시켜는 기능을 수행한다 중공축으로 설계한 내부 샤프트는 차후 개발될 인

스트리먼트의 탈부착을 손쉽게 할수있도록 구현하였고 4 조로 설계된 핑거는 그

립시 인스트리먼트의 응력집중현상을 분산시키는 기능과 2 조로 그립하였을때

보다 안정적인 그립감을 형성한다

- 55 -

동력원과 동력전달장치는 Fig 4-15 에 나타내었으며 Two Fingertip Grasp system

의 문제점이었던 구동부의 모터의 설치 방법을 외부에 부착하는 형태로 변경하

여 우레탄 밸트를 사용하였다 또한 아이들러를 사용하여 밸트의 방향을 변경

하여 모터의 부착위치를 자유롭게 설정할 수 있도록 하였고 모터 브라켓에 슬

리브 홈을 설치하여 벨트의 장력을 조절할 수 있도록 하였다

Fig4-11

Fig4-12 Fou

- 56 -

Four fingertip

ur fingertips g

ps grasp system

grasp system la

m

ayout

Fig 4-13

Fig 4-14

- 57 -

Fingertip gra

4 Fingertip gr

asps mechanis

rasps extended

m

d

Fig 4-15

- 58 -

5 Power transmission devicce

- 59 -

제 5장 결 론

본 연구에서는 MIS 수술 로봇을 위한 햅틱 마스터장치 구동용 능동형 그리

퍼를 설계하기 위하여 그에 상응하는 자료 및 문헌 조사를 수행하였고 햅틱 마

스터에 적용 가능한 능동형 그리퍼를 설계하여 로봇 시스템의 초안을 구성하였

다 수술용 도구를 단순히 잡아주는 역할에서 벗어나 시스템에 추가적인 자유도

를 부여함으로써 그리퍼를 표현하였다 단순화된 그리퍼는 보다 저렴한 가격으

로 생산될 수 있으며 기존 로봇 수술시스템의 높은 비용을 절감할 수 있는 효

과를 가져올 수 있다

최종적으로 제안한 설계 안으로는 2 조 핑거그립를 사용하는 전기모터형 그

리퍼 와 추가적으로 개선한 4 조 전기모터형 핑거그립를 설계였다 스윙형 그립

의 단점을 보안하여 집중응력을 분산할 수 있는 구조로 설계하였고 그리퍼의

무계를 줄일 수 있는 방법을 제시하였다 이로써 원통형 도구 파지 시 안정성이

향상되었고 보다 원활하게 수술 도구를 교체 가능하도록 하였다

앞으로 촉감을 전달할 수 있는 센서의 개발로 햅틱 디바이스 인터페이스 장

치의 활용에 보다 높은 기여를 할 것이라 예상된다

-６０-

참고 문헌

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정보 및 제어부분 PP68~7020084

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PP49~5420084

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PP74~77200612

[4] 경기욱박준석 ldquo햅틱스 기술개발 동향 및 연구전망rdquo전자통신경향분석

21(5)PP93~108200610

[5] 권동수경기욱 ldquo의료용 로봇의 연구 현황과 전망rdquo기계저널

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[6] Yoichi OGAHARA Yusuke KAWATO Kenjiro TAKEMURA Takashi MAENO

ldquoA Wire-Driven Miniature Five Fingerd Robot Hand using Elastic Elements as

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[7] Ikuo Yamano Takashi Maeno ldquoFive-fingered Robot Hand using Ultrasonic Motors

and Elastic Elementsrdquoproceedings the 2005 IEEE International Conference on

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[8] 홍만복김광기 ldquo최소 침습수술로봇을위한 2-자유도 구형 메커니즘설계rdquo

한국정밀공학회 2009년 추계학술대회 논문집

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[9] 이재훈김형욱이병주서일홍 ldquo새로운 6자유도 병렬형 햅틱 기구의 최적설

계 및 해석rdquo한국정밀공학회 2003년 추계학술대회 논문집

[10] 조국훈이재훈이병주김희국 ldquo병렬형 그리퍼 메카니즘rdquo한국정밀공학회지

[11] 김갑순 ldquo3축 힘센서를 이용한 지능형 그리퍼 개발rdquo한국정밀공학회지 제

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[12] 고대성김성목김희국이병주 ldquo병진형 자유도와 1자유도 파지기능을 가지는

4자유도 병렬 메커니즘의 기구학분석rdquo한국정밀공학회 2007년 추계학술대회

• 제1장 서 론
• • 11 연구배경 및 연구목적
  • 12 연구내용
  • • 제2장 로봇 산업의 기술 현황
    • • 21 로봇산업의 동향
      • 22 의료용 로봇기술 현황
      • 23 의료용 로봇시장 전망
      • • 제3장 능동 그리퍼
        • • 31 최소침습 수술 햅틱 장치구현에 필요한 능동 그리퍼 제안
          • 32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류
          • 33 파지형태에 의한 그리퍼의 분류
          • 34 메카니컬 핸드의 구속기능
          • 35 대표적인 동력원의 특징
          • • 제4장 능동형 그리퍼 설계
            • • 41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정
              • 42 모터 선정 알고리즘
              • • 43 1 차 능동형 그리퍼 설계
                • 44 2 차 능동형 그리퍼 설계
                • • 제 5 장 결론
                  • 참고문헌
                  • TABLE 2-1 Domestic robot classification
                  • TABLE 2-2 Robot Production Company
                  • TABLE 3-1 Characteristics of power sources
                  • TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics
                  • TABLE 4-2 αSTEP Motor Characteristics
                  • Fig2-1 Phase of medical robots in the robot industry
                  • Fig2-2 Da Vinci surgical case number
                  • Fig3-1 Da Vinci robot system for MIS
                  • Fig3-2 Classified by the gripper grip action
                  • Fig3-3 Swing-type hand mechanism
                  • Fig3-4 Hand mechanism for translational type1 (parallel displacement)
                  • Fig3-5 Hand mechanism for translational type2 (Rack and pinion type)
                  • Fig3-6 Hand mechanism for three point pinch type
                  • Fig3-7 Movement of object
                  • Fig3-8 Contacts of the kind and the confining
                  • Fig3-9 Human Arm structure
                  • Fig4-1 Configuration of the fingers on robot gripper
                  • Fig4-2 Change the value of the angle of phage torque
                  • Fig4-3 Motor Selection Algorithm
                  • Fig4-4 Arbitrary Shape of Planar Area
                  • Fig4-5 Parallel-Axis Theorem
                  • Fig4-6 Arbitrary Shape of Polar Area
                  • Fig4-7 Example of Velocity Guidance
                  • Fig4-8 Parallel-link Grasp system 1
                  • Fig4-9 Parallel-link Grasp system 2
                  • Fig4-10 TWO Fingertip Grasp system
                  • Fig4-11 Four Fingertip Grasp System
                  • Fig4-12 Four Fingertip Grasp System layout
                  • Fig4-13 Fingertip Grasp Mechanism
                  • Fig4-14 Fingertip Grasp extended
                  • Fig4-15 Power Transmission Device

Fig 3-9

들 자유도가

을 Fig 3-9

P5=10 이므

인간의

유도 1 의

해 있으며

의 모델에서

가 있는 관절

9 와 같이 정

므로 위 식에

상지를 인공

액튜에이터를

22 개나 되

Fig 3

서는 n=19 P2

절에 작용하는

정의하고 그

서 FH=22 가

공적으로 정밀

를 27 필요

는 액튜에이

- 33 -

3-9 Human Ar

2=1 P3=2 P4

는 근군은 약

자유도 FH

가 된다

밀하게 재현하

요로 하게 된

터를 필요로

rm structure

4=6 P5=11 이

약 50 이라고

를 구하면

하려고 한다면

된다 또 손에

로 한다 그러

이므로 F=27

고 되어 있다

이 경우는 n

면 이상의 결

는 특히 자유

나 로봇의 손

이 된다 이

여기서 손

n=16 P4=6

결론에서 자

유도가 집중

손이 이만큼

- 34 -

의 수의 액튜에이터를 갖춘 것을 제작한다는 것은 크기 중량 제어면에서 볼

때 현시점에서는 불가능에 가깝다 특히 의수에 있어서는 상술한 바와 같은 형

상이나 조종성 등의 점에서 전혀 불가능하다고 해도 좋다 따라서 보통은 기능

에 주목하여 손에 집중해 있는 자유도의 간략화를 도모한다

인간의 잡기 동작에 주목해 보면 그 잡기 형상에는 12 종류가 있다고 하다

그러나 이것들은 엄지와 다른 12 종류가 있다고 한다 그러나 이것들은 엄지와

다른 4 손가락과의 관계에 주목하였을 때에 2 종류 즉 엄지가 다른 4 손가락과

항해서 동작하거나 그 측방에서 동작하는가로 분류할 수 있다 실제의 일상

동작에서 관찰하면 이들 중에서도 엄지와 손가락이 항해서 동작하는 소위 쥠

동작이 우선 첫 번째이고 또 다음에 엄지 검지 중지의 3 손가락의 선단으로

이루어지는 3Point Pinch 즉 잡기동작이 중요하다

더불어 손가락의 독립성에 해서는 역시 일상동작 중에서 손가락의 사용

빈도를 조사한 결과에 의하면 다섯 손가락은 반드시 독립적인 운동을 필요로

하지 않고 엄지 검지 중지가 같은 정도의 중요성을 자기며 다른 두 손가락은

사용 빈도에 있어서 이들 세 손가락보다 약 50 적으며 다른 세 손가락의 보

조 역할을 한다고 볼 수 있다 그리고 특히 중요한 것은 인간의 각 손가락은 잡

기 상물의 형상에 적응한 쥐기 즉 Passive 한 동작을 할 수 있다는 것이다 이

기능이 있다면 각 손가락이 독립적으로 동작하지 않더라도 또 다소 손의 자유

도를 제거하더라도 상물의 확실한 쥐기나 잡기 그리고 기타 손 작업에 큰 힘

을 발휘한다

- 35 -

34 표적인 동력원의 특징

동력원을 설계할 때 다음의 점을 고려하면서 가장 적합한 방식을 선택한다

1조작력(로보트가 내는 최 의 힘 예를들면 최 들어올린 힘)

2속응성(최 조작 속도)

3크기 중량(로보트의 크기와 중량의 제한)

4안정성(발열이나 과부하에 한 안전성)

5사용의 용이도

6수명가격

1 2 의 조작력 속응력은 로보트에 요구되는 성능에서 가장 기본적인 것인

데 이에 관련해서 크기나 중량의 제한 안정성 사용의 용이도 수명 가격 등을

고려해서 동력원을 선택한다 단 자주형 로보트에서는 2 차적 성능인 동력원의

중량이 첫째 요구 조건이 되는 경우가 많고 공업용 로보트에서는 저가격 사용

의 용이도 안전성이 중요 사항으로 우선시된다

모든 로봇은 동력원을 필요로한다 중요도에 따라 동력원을 선택해야 하는데

일반적으로 공기압식은 안전성이 뛰어난 반면 힘과 세밀한 위치제어가 어렵고

전기식은 응답성과 사용편리성 세밀한 위치제어가 가능하나 높은 힘을 내기 위

해서는 부가적인 기구부가 필요하다 유압식은 큰힘을 낼수있어서 속응성은 좋

으나 과부하시 상당한 발열이 있기 때문에 안전성에서 다른 동력원에 비해 떨

어진다 위 사항을 TABLE 3-1 로 분류하여 나타내었다

- 36 -

TABLE 3-1 Characteristics of power sources

전기식 유압식 공압식

사용용이성 편리하다 작동유의관리 관로의압력

필터관리에 유의

공급공기의 수분제거

윤활성의부가에 주의

수명 길다 기름에 윤활성이 있기

때문에 길다

공기에윤활성이 없어

유압 전기에 비해 짧다

가격 보통 가격 운영비 높음 저가격

응답속도

(반응성) 매우 빠르다 빠르다 늦다

하중능력 (소)에서 (중)정도의

하중능력 단히 큰 힘을 얻음 큰 힘은 없다

소음 적다 다소 크다 크다

- 37 -

제 4 장 능동형 그리퍼 설계

41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정

로봇 그리퍼의 정밀 파지 (Fingertip Grasp 손가락 끝을 이용하여 물체를 집

거나 바닥에누워있는 납작한 물체를 집는 행동)를 안정하게 하기 위해서는 손가

락 끝과 물체가 직각에 가까운 각도를 이룸으로 마찰력을 크게 하여 안정성을

높인다 또한 바닥에 놓인 물체를 집어 올릴 경우에도 물체표면의 법선 벡터와

손가락 끝의 각도가 클수록 물체를 효과적으로 구속하여 안정된 파지를 할 수

있다

그리퍼의 링크 시스템에 있어서 2 링크 손가락보다 3 링크 손가락을 쓸 때가

링크와 수평 평면이 이루는 각 (A)이 더 커지기 때문에 안정성이 더 좋다는 것

을 알 수 있다 그리고 안정성뿐만 아니라 식 (4-1)을 통하여 문체에 전해지는

Torque 값을 Fig 4-2 와 같이 그래프로 나타내면 0 도에서 75 도 정도까지는 A 각

이 커질수록 물체에 가해지는 토크 값이 점점 커지는 것을 알 수 있음으로 3 링

크 손가락을 쓰는 것이 파지력 증가됨을 알수 있다 ℓ3 의 길이가 길어질수록 A

가 작은 값을 가져서 정밀파지에 적당하지 않다

τ l cosA sinA l 1 cos A tan μ (41)

A cosempty

(42)

Fig 4-1

은 식을 통

각이 커짐을

움이 있고

Fig4-

에서 제 2 코

통해 구할 수

을 알 수 있다

최소 단위를

Fig4

-1 Configurati

코사인 법칙

있는데 이로

다 그러나 ℓ

를 1cm 로 하

-2 Change the

- 38 -

ion of the fing

을 이용하여

로부터 링크

ℓ3 가 1cm 인

하였기 때문에

e value of the a

gers on robot g

여 A 의 각을

길이 ℓ3 가

인 경우는 너

에 ℓ3 는 2cm

angle of phage

gripper

구하기 위해

작으면 작을

무 짧아서 파

로 결정하였

torque

해 (2) 와 같

을수록 A 의

파지의 어려

였다

42 모터

(1) 알고

앞 절에

여야 한다

는 모터의

이 작은 모

나 용량이

로 적절한

선정 알고

고리즘 정의

에서 설명한 기

로봇 팔에

선정은 동작

모터를 사용하

큰 모터를 사

모터의 선정

고리즘

기구들을 추

움직임을 전

작을 구현하는

하게 되면 기

사용하게 되

정이 중요하다

Fig 4-3 M

- 39 -

추후 로봇 시스

전달함에 있어

는데 중요한

기구의 원활한

면 모터의 외

다

Motor Selectio

스템에 적용을

어서 동력을

과제가 되겠

한 작동이 어

외형이 커지

on Algorithm

을 고려하여

공급과 제어

겠다 만일 토

려워지고 단

고 가격 또한

설계를 하

어를 수행하

토크나 용량

단순히 토크

한 증가하므

- 40 -

(2) 알고리즘 수행

모터를 선정하기 위해서 가장 우선적으로 해야 할 일은 기계구동부분을 결

정하고 구동부분을 어떠한 방식으로 작동을 시킬지 동작 패턴을 결정하여야 한

다 예를 들면 모터에서 나오는 힘을 받아서 볼 스크류를 이용하여 힘을 전달할

것인지 벨트 피니언 기어 혹은 풀리 등을 이용할 것인지를 결정하고 그에 따

른 적절한 구동방식을 결정한다 구동방식을 결정하게 되면 각각의 구동방식에

적합한 수식을 대입하여 부하토크를 계산한다 구동방식에 따른 부하토크를 구

하는 수식은 구동방식이나 구동장소 등에 따라 다소 상이하나 일반적인 수식은

다음과 같다

-BALL SCREW 구동

T FP2πn

μ F P2π

1i N ∙ m 43

F F mg sin α μ cos α N 44

-PULLEY 구동

T ∙ 45

μF D

2i N ∙ m

- 41 -

-WIRE middot BELT 구동 RACK middot PINION 구동

T F2πn

∙ πDi

FD2ni

N ∙ m 46

F F mg sin α μ cos s N 47

-실측에 의한 방법

T 48

직선운동 (커플링 직결 볼스크류 등)의 경우 위의 (43) (44) 이용하여 구할

수 있다 이때 F 는 축방향하중 F0 는 예압하중 μ0는 예압 NUT 의 마찰계수 η 은

효율i 는 감속비 PB 는볼스크류 피치를 나타낸다 회전운동 (풀리)의 경우 식

(45)를 이용하여 구할 수 있으며 FA는 외력 FB는 부하중량 (주축이 회전하기 시

작할 때의 힘) m 은 work 와 TABLE 의 총무계 μ 접동면의 마찰계수α는 경사각

도D 는 풀리의 지름을 나타낸다

실제현장에서는 선정된 모터의 토크를 확인하기 위해 실측에 의한 구동토크

를 계측하는데 스프링 저울을 구동 풀리에 연결지어 측정한다 이때 TL 은 회전

운동 부하토크에 해당하고 FB 는 부하중량 D 는 풀리의 직경을 나타낸다

위의 부하토크를 구하는 식들을 이용하여 부하토크를 구하게 되면 실제 모

터를 사용할 때 어느 정도의 시간적 여유를 두고 가속을 할 것인지 감속을 할

것인지를 결정하여야 한다 이를 위해서 우선 동작시킬 부분에 대한 관성모멘트

를 계산하

Fig 4-4

시한 것으로

dA 와 기준

이를 표현하

하여야 한다

4 는 관성모멘

로 X 와 Y

준축으로 부터

하면 식 (49)

Fig 4-4 Arb

I

멘트를 구하기

는 면적의 미

터의 거리의

)와 같다

- 42 -

bitrary shape o

y dA I

기 위한 절대

미소 요소 dA

제곱의 곱으

of planar area

x dA

대좌표 X Y

A 의 좌표이

으로 단면 2

축 상의 미소

이고 관성모멘

차 모멘트라

49

소면적을 도

멘트는 요소

라고도 한다

평면 면

가 있다 평

축에 대한

Fig 4-5

하는 평행한

관성모멘

식 (410

번째 적분은

면적의 관성

평행축 정리란

관성 모멘트

5 과 같이 도

한 xy 축 두

멘트의 정의로

I y

0) 에서 우변

은 Xc 축에

Fig 4-5

모멘트에 있

란 도심축에

트 사이의 관

도심을 원점으

좌표계의 평

로부터 x 축

y d dA

변의 첫 번째

대한 1 차 모

- 43 -

5 Parallel-axis

있어서 중요하

대한 관성

계를 나타낸

으로 하는 Xc

평행한 축 간

축에 대한 관

y dA

적분은 Xc

모멘트로서 X

theorem

하고 유용한

모멘트와 도

낸다

cYc 축과 임의

간의 거리를 d

성모멘트 Ix

2d y dA

축에 대한 관

Xc 축이 도심

정리로서 평

도심축에 평행

의의 점 O 를

d1 과 d2 로 표

는 식(410)와

d dA

관성모멘트

심을 통과하므

평행축 정리

행한 임의의

를 원점으로

표시한다

와 같다

410

I 이다 두

므로 적분의

- 44 -

값은 0 이다 세번째 적분은 면적 A 그 자체이다 따라서 식 (410)은 식 (411)과

같이 간단해진다

I I Ad 411

y 축에 대한 관성모멘트도 위와 같은 방법에 의해 식(412)과 같다

I I Ad 412

또한 면적의 평면에 수직인 수직축에 대한 관성모멘트를 극관성모멘트라 한

다 Fig 4-6 는 평면에 수직이고 O 점을 통과하는 축에 대한 극관성모멘트를 나

타낸 그림으로 이를 관성모멘트 식으로 표현하면 식 (413) 와 같다

I ρ dA 413

식 (413)와

즉 평면에

서로 수직인

극 관성

와 도심 C

와 식 (414)에

I

수직인 축에

인 두 축에 대

성모멘트에 대

에 대한 극

Fig 4-6 Arb

의해 식 (4

ρ dA

I

에 대한 극관

대한 관성모

대한 평행축

극 관성모멘트

- 45 -

bitrary shape o

ρ x y

415) 식 (41

x y dA

I I I

관성모멘트는

멘트의 합과

정리는 Fig

트를 각각 I

of Polar Area

y

16)과 같은 관

x dA y

는 평면 내의

과 같다

4-5 에서 유

와 I 로

관계식을 얻을

y dA

같은 지점을

유도할 수 있

로 표시하면

414

을 수 있다

415

416

을 통과하는

있다 원점 O

식 (416)에

- 46 -

서 식(417)을 유도할 수 있다

I I I I I I 417

I I I I A d d 418

I I Ad 419

식 (419)는 극 관성모멘트에 대한 평행축 정리를 나타낸다 즉 평면 내의 임의

의 한 점 O 에 대한 면적의 극관성모멘트는 도심 C 에 대한 극관성모멘트에 그

면적과 점 O 와 C 사이의 거리의 제곱의 곱을 더한 것과 같다

이상의 식에서 부하토크와 관성모멘트를 계산하여 모터를 가 선정한다 부하토

크의 경우 사용될 모터의 정격 토크를 넘어서지 않는 것을 선정한다 부하토크

를 TL 정상 부하 상태의 힘 PL 극 관성모멘트 IL 회전운동을 위한 힘 Pa 각속

도 가속 시 소요되는 시간을 ta 라 하고 식 (420)을 이용하여 부하가 일정하

게 작용할 때의 힘을 계산한다 마찬가지로 관성모멘트를 식 (421)에 대입하여

가속을 위한 회전 운동 시 필요한 힘을 계산한다 식 (420)과 식 (421)에서 계

산된 힘을 합산하면 모터를 회전시키기 위해 필요한 출력이 계산된다 이때 계

산된 출력보다 실제 사용할 모터의 정격 출력이 1~2 배 정도가 되도록 모터를

가 선정한다

- 47 -

P T ω 420

P 421

위의 과정을 통하여 모터를 가선정하고 가감속 토크 및 구동 토크를 계산한

다 각각의 토크를 계산하게 되면 모터를 최종적으로 선정하게 되는데 두 가지

사항을 고려하여 최종 선정한다 먼저 식 (422)을 통해서 계산되는 가속 시 소

요되는 기동 토크 TM 가 모터의 최대 토크를 넘지 않는 것으로 선정한다

T 422

두 번째로 Fig 4-7 의 속도 선도와 같이 모터의 가 감속 시간과 정상 동작

시간 등을 결정하여 식 (423)과 같이 실효치 토크 TS 를 구하고 실효 토크가 모

터의 정격 토크보다 크지 않도록 선정한다

T 423

Fig 4-7 Exa

- 48 -

ample of veloc

city guidance

- 49 -

(3) 알고리즘 적용

로봇시스템에 있어서 기구들의 관성모멘트와 토크 계산 후 적합한 모터를

선정하기 위해 시중에서 시판되는 모터를 조사하였다 로봇에 적용 가능한 모터

로는 크게 서버모터와 스텝모터 RC 서버모터 DC 모터로 구분 할 수 있었다 이

를 TABLE 4-1 과 같이 정리하였다

동력원의 6 가지 선정요소 중 우선순위를 부여하여 분류했을 때 핸드 그리퍼

의 특성상 가볍고 토크가 큰 RC 서버 모터 미니 서버모터를 선택할 수 도 있지

만 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터 중 토크를 증가시킬 수 있는

감속기가 있는 타입의 모터를 우선시 하였다

1 감속비를 사양할 수 있는 모터를 선정하여 계산한 토크를 확인한다

2 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터를 선정한다

3 CLOSED LOOP 제어를 통하여 정확한 위치를 검출할 수 있어야 한다

따라서 스텝모터중 lsquoOrsquo사의 ldquoαSTEPrdquo가 적합하다고 판단되어 모터를 선정하였다

- 50 -

TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics

미니서버모터 RC 서버모터 스텝모터 DC 모터

장점 동일사양대비 모터

중 10배정도 큰 토크

5v사용가벼움

정확한 위치제어

급격한 부하변동급가

속 유리

저렴한가격

보편화됨

단점 정지시 진동이 예상 약한 토크 THRUST하중이 모터

무계 이하여야 한다

유지보수가 잦다

크기 151588mm(10w20w)

2525111mm(30w)

392038mm 424234mm Oslash37mm917mm

동작전압 Dc 24V Dc 48V60V Dc 24V Dc 24V

무계 230g~400g 56g 150g 200g

허용토크 009Nm~03Nm 11~13kgfcm 18kgfcm (018Nm) 47kgfcm(1200)

감속기 다양한 감속비 가능 고정 감속기 감속기 무(072˚036) 다양한 감속비

제조사 야스카와 SGMM 하이텍 HS-5945 AUTONICS GCM 3429A

TABLE 4-2 αstep motor characteristics

외형 전압 전류 무계 토크 감속비 분해능

αSTEP 282884mm

4242127mm Dc24V 1~37A 250G 2~28 Nmiddotm 50~1001

00072pluse

00036pluse

- 51 -

43 1 차 능동형 그리퍼 설계

실린더를 사용하여 링크로 물체를 파지하던 그리퍼는 Fig 4-8 과 Fig 4-9 에

묘사하였다 이런 실린더를 사용한 그리퍼는 공압 효과를 도출할 수 있는 별도

의 펌프가 필요하고 동작을 구현할 수 있는 자유도를 증가시키는데 한계가 있

다 이런 실린더의 단점을 보완하고 전기모터의 장점을 사용하기 위해 웜기어와

웜휠 방식을 채택하여 2 자유도 능동형 그리퍼를 설계하였다

1 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-10 에 묘사하였으며 1 차설계한

능동형 그리퍼는 Two Fingertip Grasp 로 칭하겠다 파지한 물체를 회전 시키는

기능은 베벨기어를 사용하여 회전운동으로 구현하였고 실린더의 전middot후진 운동

을 전기모터의 회전운동으로 변환 시키기 위하여 웜기어와 웜휨을 선택하였다

전기모터에 의해 회전하는 운동은 웜기어와 웜휠에 의해 링크를 사용하여 물체

를 파지하였던 그리퍼와 동일한 운동효과를 가지게 되었다

웜기어와 웜휠을 사용하여 물체를 파지하는 능동형 그리퍼는 스윙형으로 설

계되었으며 파지력을 높이기 위한 각도를 적용하였다 링크를 사용하여 물체를

파지하는 형태의 그리퍼보다 기구의 크기를 줄일 수 있는 장점이 있는 반면 기

어들의 백래시에 의한 오차가 끝단에 누적될 수 있는 문제점을 가지고 있다또

한 기구부의 소재 변경으로 그리퍼의 무계를 줄일 수 도 있지만 가장 큰 무계

를 차지하는 모터를 그리퍼 자체에서 분리하게 할 수 있게 하려면 그리퍼 자체

의 구조변경이 필요하다

`

`

Fig 4-8 Par

Fig 4-9 Par

- 52 -

rallel-link gra

rallel-link gra

sps system 1

sps system 2

Fig 4-10

- 53 -

0 Two fingertipps grasp system

- 54 -

44 2 차 능동형 그리퍼 설계

1 차 설계한 능동형 그리퍼에서 발견된 문제점을 보안하기 위하여 2 차 능동

형 그리퍼를 설계하였다 2 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-11 에 묘사

하였으며 2 차설계한 능동형 그리퍼는 Four Fingertip Grasp 로 칭하겠다 이 장치

는 크게 동력원 동력 전달장치 핑거 그립장치로 구성되어있으며 이를 통합하

여 Fig 4-12 에 나타내었다

핑거 그립장치는 스윙형 그립의 단점을 보완하여 설계하였다 물체를 파지할

때 그립의 회전 반경이 주위 환경요소와 간섭을 발생시킬 수 있는데핑거가 전

진할때 샤프트와 핑거그립간의 나사결합형태를 통한 직선운동으로 개선하여 주

위환경요소에 영향을 주지 않도록 설계하였다 구동축의 핑거파지 메카니즘을

Fig 4-13 와 같이 간략화 하였고 이에 대한 세부 도면은 Fig 4-14 로 나타내었다

4 조 핑거 그립의 나사산과 테이퍼진 스크류축은 나사식으로 결합되며 상호

작용에 의해 점차 중심점으로 이동하여 물체를 파지하는 형태이다 사용된 2 개

의 샤프트는 중공축으로 설계하였으며 외부 샤프트는 4 조 핑거가 물체를 파지

하여 비트는 모션을 구현하는데 사용되었다 내부 샤프트는 핑거를 중심점으로

전진시켜는 기능을 수행한다 중공축으로 설계한 내부 샤프트는 차후 개발될 인

스트리먼트의 탈부착을 손쉽게 할수있도록 구현하였고 4 조로 설계된 핑거는 그

립시 인스트리먼트의 응력집중현상을 분산시키는 기능과 2 조로 그립하였을때

보다 안정적인 그립감을 형성한다

- 55 -

동력원과 동력전달장치는 Fig 4-15 에 나타내었으며 Two Fingertip Grasp system

의 문제점이었던 구동부의 모터의 설치 방법을 외부에 부착하는 형태로 변경하

여 우레탄 밸트를 사용하였다 또한 아이들러를 사용하여 밸트의 방향을 변경

하여 모터의 부착위치를 자유롭게 설정할 수 있도록 하였고 모터 브라켓에 슬

리브 홈을 설치하여 벨트의 장력을 조절할 수 있도록 하였다

Fig4-11

Fig4-12 Fou

- 56 -

Four fingertip

ur fingertips g

ps grasp system

grasp system la

m

ayout

Fig 4-13

Fig 4-14

- 57 -

Fingertip gra

4 Fingertip gr

asps mechanis

rasps extended

m

d

Fig 4-15

- 58 -

5 Power transmission devicce

- 59 -

제 5장 결 론

본 연구에서는 MIS 수술 로봇을 위한 햅틱 마스터장치 구동용 능동형 그리

퍼를 설계하기 위하여 그에 상응하는 자료 및 문헌 조사를 수행하였고 햅틱 마

스터에 적용 가능한 능동형 그리퍼를 설계하여 로봇 시스템의 초안을 구성하였

다 수술용 도구를 단순히 잡아주는 역할에서 벗어나 시스템에 추가적인 자유도

를 부여함으로써 그리퍼를 표현하였다 단순화된 그리퍼는 보다 저렴한 가격으

로 생산될 수 있으며 기존 로봇 수술시스템의 높은 비용을 절감할 수 있는 효

과를 가져올 수 있다

최종적으로 제안한 설계 안으로는 2 조 핑거그립를 사용하는 전기모터형 그

리퍼 와 추가적으로 개선한 4 조 전기모터형 핑거그립를 설계였다 스윙형 그립

의 단점을 보안하여 집중응력을 분산할 수 있는 구조로 설계하였고 그리퍼의

무계를 줄일 수 있는 방법을 제시하였다 이로써 원통형 도구 파지 시 안정성이

향상되었고 보다 원활하게 수술 도구를 교체 가능하도록 하였다

앞으로 촉감을 전달할 수 있는 센서의 개발로 햅틱 디바이스 인터페이스 장

치의 활용에 보다 높은 기여를 할 것이라 예상된다

-６０-

참고 문헌

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[2] 박정호 ldquo국내외 의료로봇 현황과 발전방향rdquo정보과학지 26(4)

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[3] 편집부 ldquo수술지원로봇의 최신 기술 동향rdquo월간 자동화 기술 22(12)

PP74~77200612

[4] 경기욱박준석 ldquo햅틱스 기술개발 동향 및 연구전망rdquo전자통신경향분석

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[5] 권동수경기욱 ldquo의료용 로봇의 연구 현황과 전망rdquo기계저널

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-６１-

[9] 이재훈김형욱이병주서일홍 ldquo새로운 6자유도 병렬형 햅틱 기구의 최적설

계 및 해석rdquo한국정밀공학회 2003년 추계학술대회 논문집

[10] 조국훈이재훈이병주김희국 ldquo병렬형 그리퍼 메카니즘rdquo한국정밀공학회지

[11] 김갑순 ldquo3축 힘센서를 이용한 지능형 그리퍼 개발rdquo한국정밀공학회지 제

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[12] 고대성김성목김희국이병주 ldquo병진형 자유도와 1자유도 파지기능을 가지는

4자유도 병렬 메커니즘의 기구학분석rdquo한국정밀공학회 2007년 추계학술대회

• 제1장 서 론
• • 11 연구배경 및 연구목적
  • 12 연구내용
  • • 제2장 로봇 산업의 기술 현황
    • • 21 로봇산업의 동향
      • 22 의료용 로봇기술 현황
      • 23 의료용 로봇시장 전망
      • • 제3장 능동 그리퍼
        • • 31 최소침습 수술 햅틱 장치구현에 필요한 능동 그리퍼 제안
          • 32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류
          • 33 파지형태에 의한 그리퍼의 분류
          • 34 메카니컬 핸드의 구속기능
          • 35 대표적인 동력원의 특징
          • • 제4장 능동형 그리퍼 설계
            • • 41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정
              • 42 모터 선정 알고리즘
              • • 43 1 차 능동형 그리퍼 설계
                • 44 2 차 능동형 그리퍼 설계
                • • 제 5 장 결론
                  • 참고문헌
                  • TABLE 2-1 Domestic robot classification
                  • TABLE 2-2 Robot Production Company
                  • TABLE 3-1 Characteristics of power sources
                  • TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics
                  • TABLE 4-2 αSTEP Motor Characteristics
                  • Fig2-1 Phase of medical robots in the robot industry
                  • Fig2-2 Da Vinci surgical case number
                  • Fig3-1 Da Vinci robot system for MIS
                  • Fig3-2 Classified by the gripper grip action
                  • Fig3-3 Swing-type hand mechanism
                  • Fig3-4 Hand mechanism for translational type1 (parallel displacement)
                  • Fig3-5 Hand mechanism for translational type2 (Rack and pinion type)
                  • Fig3-6 Hand mechanism for three point pinch type
                  • Fig3-7 Movement of object
                  • Fig3-8 Contacts of the kind and the confining
                  • Fig3-9 Human Arm structure
                  • Fig4-1 Configuration of the fingers on robot gripper
                  • Fig4-2 Change the value of the angle of phage torque
                  • Fig4-3 Motor Selection Algorithm
                  • Fig4-4 Arbitrary Shape of Planar Area
                  • Fig4-5 Parallel-Axis Theorem
                  • Fig4-6 Arbitrary Shape of Polar Area
                  • Fig4-7 Example of Velocity Guidance
                  • Fig4-8 Parallel-link Grasp system 1
                  • Fig4-9 Parallel-link Grasp system 2
                  • Fig4-10 TWO Fingertip Grasp system
                  • Fig4-11 Four Fingertip Grasp System
                  • Fig4-12 Four Fingertip Grasp System layout
                  • Fig4-13 Fingertip Grasp Mechanism
                  • Fig4-14 Fingertip Grasp extended
                  • Fig4-15 Power Transmission Device

- 34 -

의 수의 액튜에이터를 갖춘 것을 제작한다는 것은 크기 중량 제어면에서 볼

때 현시점에서는 불가능에 가깝다 특히 의수에 있어서는 상술한 바와 같은 형

상이나 조종성 등의 점에서 전혀 불가능하다고 해도 좋다 따라서 보통은 기능

에 주목하여 손에 집중해 있는 자유도의 간략화를 도모한다

인간의 잡기 동작에 주목해 보면 그 잡기 형상에는 12 종류가 있다고 하다

그러나 이것들은 엄지와 다른 12 종류가 있다고 한다 그러나 이것들은 엄지와

다른 4 손가락과의 관계에 주목하였을 때에 2 종류 즉 엄지가 다른 4 손가락과

항해서 동작하거나 그 측방에서 동작하는가로 분류할 수 있다 실제의 일상

동작에서 관찰하면 이들 중에서도 엄지와 손가락이 항해서 동작하는 소위 쥠

동작이 우선 첫 번째이고 또 다음에 엄지 검지 중지의 3 손가락의 선단으로

이루어지는 3Point Pinch 즉 잡기동작이 중요하다

더불어 손가락의 독립성에 해서는 역시 일상동작 중에서 손가락의 사용

빈도를 조사한 결과에 의하면 다섯 손가락은 반드시 독립적인 운동을 필요로

하지 않고 엄지 검지 중지가 같은 정도의 중요성을 자기며 다른 두 손가락은

사용 빈도에 있어서 이들 세 손가락보다 약 50 적으며 다른 세 손가락의 보

조 역할을 한다고 볼 수 있다 그리고 특히 중요한 것은 인간의 각 손가락은 잡

기 상물의 형상에 적응한 쥐기 즉 Passive 한 동작을 할 수 있다는 것이다 이

기능이 있다면 각 손가락이 독립적으로 동작하지 않더라도 또 다소 손의 자유

도를 제거하더라도 상물의 확실한 쥐기나 잡기 그리고 기타 손 작업에 큰 힘

을 발휘한다

- 35 -

34 표적인 동력원의 특징

동력원을 설계할 때 다음의 점을 고려하면서 가장 적합한 방식을 선택한다

1조작력(로보트가 내는 최 의 힘 예를들면 최 들어올린 힘)

2속응성(최 조작 속도)

3크기 중량(로보트의 크기와 중량의 제한)

4안정성(발열이나 과부하에 한 안전성)

5사용의 용이도

6수명가격

1 2 의 조작력 속응력은 로보트에 요구되는 성능에서 가장 기본적인 것인

데 이에 관련해서 크기나 중량의 제한 안정성 사용의 용이도 수명 가격 등을

고려해서 동력원을 선택한다 단 자주형 로보트에서는 2 차적 성능인 동력원의

중량이 첫째 요구 조건이 되는 경우가 많고 공업용 로보트에서는 저가격 사용

의 용이도 안전성이 중요 사항으로 우선시된다

모든 로봇은 동력원을 필요로한다 중요도에 따라 동력원을 선택해야 하는데

일반적으로 공기압식은 안전성이 뛰어난 반면 힘과 세밀한 위치제어가 어렵고

전기식은 응답성과 사용편리성 세밀한 위치제어가 가능하나 높은 힘을 내기 위

해서는 부가적인 기구부가 필요하다 유압식은 큰힘을 낼수있어서 속응성은 좋

으나 과부하시 상당한 발열이 있기 때문에 안전성에서 다른 동력원에 비해 떨

어진다 위 사항을 TABLE 3-1 로 분류하여 나타내었다

- 36 -

TABLE 3-1 Characteristics of power sources

전기식 유압식 공압식

사용용이성 편리하다 작동유의관리 관로의압력

필터관리에 유의

공급공기의 수분제거

윤활성의부가에 주의

수명 길다 기름에 윤활성이 있기

때문에 길다

공기에윤활성이 없어

유압 전기에 비해 짧다

가격 보통 가격 운영비 높음 저가격

응답속도

(반응성) 매우 빠르다 빠르다 늦다

하중능력 (소)에서 (중)정도의

하중능력 단히 큰 힘을 얻음 큰 힘은 없다

소음 적다 다소 크다 크다

- 37 -

제 4 장 능동형 그리퍼 설계

41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정

로봇 그리퍼의 정밀 파지 (Fingertip Grasp 손가락 끝을 이용하여 물체를 집

거나 바닥에누워있는 납작한 물체를 집는 행동)를 안정하게 하기 위해서는 손가

락 끝과 물체가 직각에 가까운 각도를 이룸으로 마찰력을 크게 하여 안정성을

높인다 또한 바닥에 놓인 물체를 집어 올릴 경우에도 물체표면의 법선 벡터와

손가락 끝의 각도가 클수록 물체를 효과적으로 구속하여 안정된 파지를 할 수

있다

그리퍼의 링크 시스템에 있어서 2 링크 손가락보다 3 링크 손가락을 쓸 때가

링크와 수평 평면이 이루는 각 (A)이 더 커지기 때문에 안정성이 더 좋다는 것

을 알 수 있다 그리고 안정성뿐만 아니라 식 (4-1)을 통하여 문체에 전해지는

Torque 값을 Fig 4-2 와 같이 그래프로 나타내면 0 도에서 75 도 정도까지는 A 각

이 커질수록 물체에 가해지는 토크 값이 점점 커지는 것을 알 수 있음으로 3 링

크 손가락을 쓰는 것이 파지력 증가됨을 알수 있다 ℓ3 의 길이가 길어질수록 A

가 작은 값을 가져서 정밀파지에 적당하지 않다

τ l cosA sinA l 1 cos A tan μ (41)

A cosempty

(42)

Fig 4-1

은 식을 통

각이 커짐을

움이 있고

Fig4-

에서 제 2 코

통해 구할 수

을 알 수 있다

최소 단위를

Fig4

-1 Configurati

코사인 법칙

있는데 이로

다 그러나 ℓ

를 1cm 로 하

-2 Change the

- 38 -

ion of the fing

을 이용하여

로부터 링크

ℓ3 가 1cm 인

하였기 때문에

e value of the a

gers on robot g

여 A 의 각을

길이 ℓ3 가

인 경우는 너

에 ℓ3 는 2cm

angle of phage

gripper

구하기 위해

작으면 작을

무 짧아서 파

로 결정하였

torque

해 (2) 와 같

을수록 A 의

파지의 어려

였다

42 모터

(1) 알고

앞 절에

여야 한다

는 모터의

이 작은 모

나 용량이

로 적절한

선정 알고

고리즘 정의

에서 설명한 기

로봇 팔에

선정은 동작

모터를 사용하

큰 모터를 사

모터의 선정

고리즘

기구들을 추

움직임을 전

작을 구현하는

하게 되면 기

사용하게 되

정이 중요하다

Fig 4-3 M

- 39 -

추후 로봇 시스

전달함에 있어

는데 중요한

기구의 원활한

면 모터의 외

다

Motor Selectio

스템에 적용을

어서 동력을

과제가 되겠

한 작동이 어

외형이 커지

on Algorithm

을 고려하여

공급과 제어

겠다 만일 토

려워지고 단

고 가격 또한

설계를 하

어를 수행하

토크나 용량

단순히 토크

한 증가하므

- 40 -

(2) 알고리즘 수행

모터를 선정하기 위해서 가장 우선적으로 해야 할 일은 기계구동부분을 결

정하고 구동부분을 어떠한 방식으로 작동을 시킬지 동작 패턴을 결정하여야 한

다 예를 들면 모터에서 나오는 힘을 받아서 볼 스크류를 이용하여 힘을 전달할

것인지 벨트 피니언 기어 혹은 풀리 등을 이용할 것인지를 결정하고 그에 따

른 적절한 구동방식을 결정한다 구동방식을 결정하게 되면 각각의 구동방식에

적합한 수식을 대입하여 부하토크를 계산한다 구동방식에 따른 부하토크를 구

하는 수식은 구동방식이나 구동장소 등에 따라 다소 상이하나 일반적인 수식은

다음과 같다

-BALL SCREW 구동

T FP2πn

μ F P2π

1i N ∙ m 43

F F mg sin α μ cos α N 44

-PULLEY 구동

T ∙ 45

μF D

2i N ∙ m

- 41 -

-WIRE middot BELT 구동 RACK middot PINION 구동

T F2πn

∙ πDi

FD2ni

N ∙ m 46

F F mg sin α μ cos s N 47

-실측에 의한 방법

T 48

직선운동 (커플링 직결 볼스크류 등)의 경우 위의 (43) (44) 이용하여 구할

수 있다 이때 F 는 축방향하중 F0 는 예압하중 μ0는 예압 NUT 의 마찰계수 η 은

효율i 는 감속비 PB 는볼스크류 피치를 나타낸다 회전운동 (풀리)의 경우 식

(45)를 이용하여 구할 수 있으며 FA는 외력 FB는 부하중량 (주축이 회전하기 시

작할 때의 힘) m 은 work 와 TABLE 의 총무계 μ 접동면의 마찰계수α는 경사각

도D 는 풀리의 지름을 나타낸다

실제현장에서는 선정된 모터의 토크를 확인하기 위해 실측에 의한 구동토크

를 계측하는데 스프링 저울을 구동 풀리에 연결지어 측정한다 이때 TL 은 회전

운동 부하토크에 해당하고 FB 는 부하중량 D 는 풀리의 직경을 나타낸다

위의 부하토크를 구하는 식들을 이용하여 부하토크를 구하게 되면 실제 모

터를 사용할 때 어느 정도의 시간적 여유를 두고 가속을 할 것인지 감속을 할

것인지를 결정하여야 한다 이를 위해서 우선 동작시킬 부분에 대한 관성모멘트

를 계산하

Fig 4-4

시한 것으로

dA 와 기준

이를 표현하

하여야 한다

4 는 관성모멘

로 X 와 Y

준축으로 부터

하면 식 (49)

Fig 4-4 Arb

I

멘트를 구하기

는 면적의 미

터의 거리의

)와 같다

- 42 -

bitrary shape o

y dA I

기 위한 절대

미소 요소 dA

제곱의 곱으

of planar area

x dA

대좌표 X Y

A 의 좌표이

으로 단면 2

축 상의 미소

이고 관성모멘

차 모멘트라

49

소면적을 도

멘트는 요소

라고도 한다

평면 면

가 있다 평

축에 대한

Fig 4-5

하는 평행한

관성모멘

식 (410

번째 적분은

면적의 관성

평행축 정리란

관성 모멘트

5 과 같이 도

한 xy 축 두

멘트의 정의로

I y

0) 에서 우변

은 Xc 축에

Fig 4-5

모멘트에 있

란 도심축에

트 사이의 관

도심을 원점으

좌표계의 평

로부터 x 축

y d dA

변의 첫 번째

대한 1 차 모

- 43 -

5 Parallel-axis

있어서 중요하

대한 관성

계를 나타낸

으로 하는 Xc

평행한 축 간

축에 대한 관

y dA

적분은 Xc

모멘트로서 X

theorem

하고 유용한

모멘트와 도

낸다

cYc 축과 임의

간의 거리를 d

성모멘트 Ix

2d y dA

축에 대한 관

Xc 축이 도심

정리로서 평

도심축에 평행

의의 점 O 를

d1 과 d2 로 표

는 식(410)와

d dA

관성모멘트

심을 통과하므

평행축 정리

행한 임의의

를 원점으로

표시한다

와 같다

410

I 이다 두

므로 적분의

- 44 -

값은 0 이다 세번째 적분은 면적 A 그 자체이다 따라서 식 (410)은 식 (411)과

같이 간단해진다

I I Ad 411

y 축에 대한 관성모멘트도 위와 같은 방법에 의해 식(412)과 같다

I I Ad 412

또한 면적의 평면에 수직인 수직축에 대한 관성모멘트를 극관성모멘트라 한

다 Fig 4-6 는 평면에 수직이고 O 점을 통과하는 축에 대한 극관성모멘트를 나

타낸 그림으로 이를 관성모멘트 식으로 표현하면 식 (413) 와 같다

I ρ dA 413

식 (413)와

즉 평면에

서로 수직인

극 관성

와 도심 C

와 식 (414)에

I

수직인 축에

인 두 축에 대

성모멘트에 대

에 대한 극

Fig 4-6 Arb

의해 식 (4

ρ dA

I

에 대한 극관

대한 관성모

대한 평행축

극 관성모멘트

- 45 -

bitrary shape o

ρ x y

415) 식 (41

x y dA

I I I

관성모멘트는

멘트의 합과

정리는 Fig

트를 각각 I

of Polar Area

y

16)과 같은 관

x dA y

는 평면 내의

과 같다

4-5 에서 유

와 I 로

관계식을 얻을

y dA

같은 지점을

유도할 수 있

로 표시하면

414

을 수 있다

415

416

을 통과하는

있다 원점 O

식 (416)에

- 46 -

서 식(417)을 유도할 수 있다

I I I I I I 417

I I I I A d d 418

I I Ad 419

식 (419)는 극 관성모멘트에 대한 평행축 정리를 나타낸다 즉 평면 내의 임의

의 한 점 O 에 대한 면적의 극관성모멘트는 도심 C 에 대한 극관성모멘트에 그

면적과 점 O 와 C 사이의 거리의 제곱의 곱을 더한 것과 같다

이상의 식에서 부하토크와 관성모멘트를 계산하여 모터를 가 선정한다 부하토

크의 경우 사용될 모터의 정격 토크를 넘어서지 않는 것을 선정한다 부하토크

를 TL 정상 부하 상태의 힘 PL 극 관성모멘트 IL 회전운동을 위한 힘 Pa 각속

도 가속 시 소요되는 시간을 ta 라 하고 식 (420)을 이용하여 부하가 일정하

게 작용할 때의 힘을 계산한다 마찬가지로 관성모멘트를 식 (421)에 대입하여

가속을 위한 회전 운동 시 필요한 힘을 계산한다 식 (420)과 식 (421)에서 계

산된 힘을 합산하면 모터를 회전시키기 위해 필요한 출력이 계산된다 이때 계

산된 출력보다 실제 사용할 모터의 정격 출력이 1~2 배 정도가 되도록 모터를

가 선정한다

- 47 -

P T ω 420

P 421

위의 과정을 통하여 모터를 가선정하고 가감속 토크 및 구동 토크를 계산한

다 각각의 토크를 계산하게 되면 모터를 최종적으로 선정하게 되는데 두 가지

사항을 고려하여 최종 선정한다 먼저 식 (422)을 통해서 계산되는 가속 시 소

요되는 기동 토크 TM 가 모터의 최대 토크를 넘지 않는 것으로 선정한다

T 422

두 번째로 Fig 4-7 의 속도 선도와 같이 모터의 가 감속 시간과 정상 동작

시간 등을 결정하여 식 (423)과 같이 실효치 토크 TS 를 구하고 실효 토크가 모

터의 정격 토크보다 크지 않도록 선정한다

T 423

Fig 4-7 Exa

- 48 -

ample of veloc

city guidance

- 49 -

(3) 알고리즘 적용

로봇시스템에 있어서 기구들의 관성모멘트와 토크 계산 후 적합한 모터를

선정하기 위해 시중에서 시판되는 모터를 조사하였다 로봇에 적용 가능한 모터

로는 크게 서버모터와 스텝모터 RC 서버모터 DC 모터로 구분 할 수 있었다 이

를 TABLE 4-1 과 같이 정리하였다

동력원의 6 가지 선정요소 중 우선순위를 부여하여 분류했을 때 핸드 그리퍼

의 특성상 가볍고 토크가 큰 RC 서버 모터 미니 서버모터를 선택할 수 도 있지

만 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터 중 토크를 증가시킬 수 있는

감속기가 있는 타입의 모터를 우선시 하였다

1 감속비를 사양할 수 있는 모터를 선정하여 계산한 토크를 확인한다

2 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터를 선정한다

3 CLOSED LOOP 제어를 통하여 정확한 위치를 검출할 수 있어야 한다

따라서 스텝모터중 lsquoOrsquo사의 ldquoαSTEPrdquo가 적합하다고 판단되어 모터를 선정하였다

- 50 -

TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics

미니서버모터 RC 서버모터 스텝모터 DC 모터

장점 동일사양대비 모터

중 10배정도 큰 토크

5v사용가벼움

정확한 위치제어

급격한 부하변동급가

속 유리

저렴한가격

보편화됨

단점 정지시 진동이 예상 약한 토크 THRUST하중이 모터

무계 이하여야 한다

유지보수가 잦다

크기 151588mm(10w20w)

2525111mm(30w)

392038mm 424234mm Oslash37mm917mm

동작전압 Dc 24V Dc 48V60V Dc 24V Dc 24V

무계 230g~400g 56g 150g 200g

허용토크 009Nm~03Nm 11~13kgfcm 18kgfcm (018Nm) 47kgfcm(1200)

감속기 다양한 감속비 가능 고정 감속기 감속기 무(072˚036) 다양한 감속비

제조사 야스카와 SGMM 하이텍 HS-5945 AUTONICS GCM 3429A

TABLE 4-2 αstep motor characteristics

외형 전압 전류 무계 토크 감속비 분해능

αSTEP 282884mm

4242127mm Dc24V 1~37A 250G 2~28 Nmiddotm 50~1001

00072pluse

00036pluse

- 51 -

43 1 차 능동형 그리퍼 설계

실린더를 사용하여 링크로 물체를 파지하던 그리퍼는 Fig 4-8 과 Fig 4-9 에

묘사하였다 이런 실린더를 사용한 그리퍼는 공압 효과를 도출할 수 있는 별도

의 펌프가 필요하고 동작을 구현할 수 있는 자유도를 증가시키는데 한계가 있

다 이런 실린더의 단점을 보완하고 전기모터의 장점을 사용하기 위해 웜기어와

웜휠 방식을 채택하여 2 자유도 능동형 그리퍼를 설계하였다

1 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-10 에 묘사하였으며 1 차설계한

능동형 그리퍼는 Two Fingertip Grasp 로 칭하겠다 파지한 물체를 회전 시키는

기능은 베벨기어를 사용하여 회전운동으로 구현하였고 실린더의 전middot후진 운동

을 전기모터의 회전운동으로 변환 시키기 위하여 웜기어와 웜휨을 선택하였다

전기모터에 의해 회전하는 운동은 웜기어와 웜휠에 의해 링크를 사용하여 물체

를 파지하였던 그리퍼와 동일한 운동효과를 가지게 되었다

웜기어와 웜휠을 사용하여 물체를 파지하는 능동형 그리퍼는 스윙형으로 설

계되었으며 파지력을 높이기 위한 각도를 적용하였다 링크를 사용하여 물체를

파지하는 형태의 그리퍼보다 기구의 크기를 줄일 수 있는 장점이 있는 반면 기

어들의 백래시에 의한 오차가 끝단에 누적될 수 있는 문제점을 가지고 있다또

한 기구부의 소재 변경으로 그리퍼의 무계를 줄일 수 도 있지만 가장 큰 무계

를 차지하는 모터를 그리퍼 자체에서 분리하게 할 수 있게 하려면 그리퍼 자체

의 구조변경이 필요하다

`

`

Fig 4-8 Par

Fig 4-9 Par

- 52 -

rallel-link gra

rallel-link gra

sps system 1

sps system 2

Fig 4-10

- 53 -

0 Two fingertipps grasp system

- 54 -

44 2 차 능동형 그리퍼 설계

1 차 설계한 능동형 그리퍼에서 발견된 문제점을 보안하기 위하여 2 차 능동

형 그리퍼를 설계하였다 2 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-11 에 묘사

하였으며 2 차설계한 능동형 그리퍼는 Four Fingertip Grasp 로 칭하겠다 이 장치

는 크게 동력원 동력 전달장치 핑거 그립장치로 구성되어있으며 이를 통합하

여 Fig 4-12 에 나타내었다

핑거 그립장치는 스윙형 그립의 단점을 보완하여 설계하였다 물체를 파지할

때 그립의 회전 반경이 주위 환경요소와 간섭을 발생시킬 수 있는데핑거가 전

진할때 샤프트와 핑거그립간의 나사결합형태를 통한 직선운동으로 개선하여 주

위환경요소에 영향을 주지 않도록 설계하였다 구동축의 핑거파지 메카니즘을

Fig 4-13 와 같이 간략화 하였고 이에 대한 세부 도면은 Fig 4-14 로 나타내었다

4 조 핑거 그립의 나사산과 테이퍼진 스크류축은 나사식으로 결합되며 상호

작용에 의해 점차 중심점으로 이동하여 물체를 파지하는 형태이다 사용된 2 개

의 샤프트는 중공축으로 설계하였으며 외부 샤프트는 4 조 핑거가 물체를 파지

하여 비트는 모션을 구현하는데 사용되었다 내부 샤프트는 핑거를 중심점으로

전진시켜는 기능을 수행한다 중공축으로 설계한 내부 샤프트는 차후 개발될 인

스트리먼트의 탈부착을 손쉽게 할수있도록 구현하였고 4 조로 설계된 핑거는 그

립시 인스트리먼트의 응력집중현상을 분산시키는 기능과 2 조로 그립하였을때

보다 안정적인 그립감을 형성한다

- 55 -

동력원과 동력전달장치는 Fig 4-15 에 나타내었으며 Two Fingertip Grasp system

의 문제점이었던 구동부의 모터의 설치 방법을 외부에 부착하는 형태로 변경하

여 우레탄 밸트를 사용하였다 또한 아이들러를 사용하여 밸트의 방향을 변경

하여 모터의 부착위치를 자유롭게 설정할 수 있도록 하였고 모터 브라켓에 슬

리브 홈을 설치하여 벨트의 장력을 조절할 수 있도록 하였다

Fig4-11

Fig4-12 Fou

- 56 -

Four fingertip

ur fingertips g

ps grasp system

grasp system la

m

ayout

Fig 4-13

Fig 4-14

- 57 -

Fingertip gra

4 Fingertip gr

asps mechanis

rasps extended

m

d

Fig 4-15

- 58 -

5 Power transmission devicce

- 59 -

제 5장 결 론

본 연구에서는 MIS 수술 로봇을 위한 햅틱 마스터장치 구동용 능동형 그리

퍼를 설계하기 위하여 그에 상응하는 자료 및 문헌 조사를 수행하였고 햅틱 마

스터에 적용 가능한 능동형 그리퍼를 설계하여 로봇 시스템의 초안을 구성하였

다 수술용 도구를 단순히 잡아주는 역할에서 벗어나 시스템에 추가적인 자유도

를 부여함으로써 그리퍼를 표현하였다 단순화된 그리퍼는 보다 저렴한 가격으

로 생산될 수 있으며 기존 로봇 수술시스템의 높은 비용을 절감할 수 있는 효

과를 가져올 수 있다

최종적으로 제안한 설계 안으로는 2 조 핑거그립를 사용하는 전기모터형 그

리퍼 와 추가적으로 개선한 4 조 전기모터형 핑거그립를 설계였다 스윙형 그립

의 단점을 보안하여 집중응력을 분산할 수 있는 구조로 설계하였고 그리퍼의

무계를 줄일 수 있는 방법을 제시하였다 이로써 원통형 도구 파지 시 안정성이

향상되었고 보다 원활하게 수술 도구를 교체 가능하도록 하였다

앞으로 촉감을 전달할 수 있는 센서의 개발로 햅틱 디바이스 인터페이스 장

치의 활용에 보다 높은 기여를 할 것이라 예상된다

-６０-

참고 문헌

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• 제1장 서 론
• • 11 연구배경 및 연구목적
  • 12 연구내용
  • • 제2장 로봇 산업의 기술 현황
    • • 21 로봇산업의 동향
      • 22 의료용 로봇기술 현황
      • 23 의료용 로봇시장 전망
      • • 제3장 능동 그리퍼
        • • 31 최소침습 수술 햅틱 장치구현에 필요한 능동 그리퍼 제안
          • 32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류
          • 33 파지형태에 의한 그리퍼의 분류
          • 34 메카니컬 핸드의 구속기능
          • 35 대표적인 동력원의 특징
          • • 제4장 능동형 그리퍼 설계
            • • 41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정
              • 42 모터 선정 알고리즘
              • • 43 1 차 능동형 그리퍼 설계
                • 44 2 차 능동형 그리퍼 설계
                • • 제 5 장 결론
                  • 참고문헌
                  • TABLE 2-1 Domestic robot classification
                  • TABLE 2-2 Robot Production Company
                  • TABLE 3-1 Characteristics of power sources
                  • TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics
                  • TABLE 4-2 αSTEP Motor Characteristics
                  • Fig2-1 Phase of medical robots in the robot industry
                  • Fig2-2 Da Vinci surgical case number
                  • Fig3-1 Da Vinci robot system for MIS
                  • Fig3-2 Classified by the gripper grip action
                  • Fig3-3 Swing-type hand mechanism
                  • Fig3-4 Hand mechanism for translational type1 (parallel displacement)
                  • Fig3-5 Hand mechanism for translational type2 (Rack and pinion type)
                  • Fig3-6 Hand mechanism for three point pinch type
                  • Fig3-7 Movement of object
                  • Fig3-8 Contacts of the kind and the confining
                  • Fig3-9 Human Arm structure
                  • Fig4-1 Configuration of the fingers on robot gripper
                  • Fig4-2 Change the value of the angle of phage torque
                  • Fig4-3 Motor Selection Algorithm
                  • Fig4-4 Arbitrary Shape of Planar Area
                  • Fig4-5 Parallel-Axis Theorem
                  • Fig4-6 Arbitrary Shape of Polar Area
                  • Fig4-7 Example of Velocity Guidance
                  • Fig4-8 Parallel-link Grasp system 1
                  • Fig4-9 Parallel-link Grasp system 2
                  • Fig4-10 TWO Fingertip Grasp system
                  • Fig4-11 Four Fingertip Grasp System
                  • Fig4-12 Four Fingertip Grasp System layout
                  • Fig4-13 Fingertip Grasp Mechanism
                  • Fig4-14 Fingertip Grasp extended
                  • Fig4-15 Power Transmission Device

- 35 -

34 표적인 동력원의 특징

동력원을 설계할 때 다음의 점을 고려하면서 가장 적합한 방식을 선택한다

1조작력(로보트가 내는 최 의 힘 예를들면 최 들어올린 힘)

2속응성(최 조작 속도)

3크기 중량(로보트의 크기와 중량의 제한)

4안정성(발열이나 과부하에 한 안전성)

5사용의 용이도

6수명가격

1 2 의 조작력 속응력은 로보트에 요구되는 성능에서 가장 기본적인 것인

데 이에 관련해서 크기나 중량의 제한 안정성 사용의 용이도 수명 가격 등을

고려해서 동력원을 선택한다 단 자주형 로보트에서는 2 차적 성능인 동력원의

중량이 첫째 요구 조건이 되는 경우가 많고 공업용 로보트에서는 저가격 사용

의 용이도 안전성이 중요 사항으로 우선시된다

모든 로봇은 동력원을 필요로한다 중요도에 따라 동력원을 선택해야 하는데

일반적으로 공기압식은 안전성이 뛰어난 반면 힘과 세밀한 위치제어가 어렵고

전기식은 응답성과 사용편리성 세밀한 위치제어가 가능하나 높은 힘을 내기 위

해서는 부가적인 기구부가 필요하다 유압식은 큰힘을 낼수있어서 속응성은 좋

으나 과부하시 상당한 발열이 있기 때문에 안전성에서 다른 동력원에 비해 떨

어진다 위 사항을 TABLE 3-1 로 분류하여 나타내었다

- 36 -

TABLE 3-1 Characteristics of power sources

전기식 유압식 공압식

사용용이성 편리하다 작동유의관리 관로의압력

필터관리에 유의

공급공기의 수분제거

윤활성의부가에 주의

수명 길다 기름에 윤활성이 있기

때문에 길다

공기에윤활성이 없어

유압 전기에 비해 짧다

가격 보통 가격 운영비 높음 저가격

응답속도

(반응성) 매우 빠르다 빠르다 늦다

하중능력 (소)에서 (중)정도의

하중능력 단히 큰 힘을 얻음 큰 힘은 없다

소음 적다 다소 크다 크다

- 37 -

제 4 장 능동형 그리퍼 설계

41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정

로봇 그리퍼의 정밀 파지 (Fingertip Grasp 손가락 끝을 이용하여 물체를 집

거나 바닥에누워있는 납작한 물체를 집는 행동)를 안정하게 하기 위해서는 손가

락 끝과 물체가 직각에 가까운 각도를 이룸으로 마찰력을 크게 하여 안정성을

높인다 또한 바닥에 놓인 물체를 집어 올릴 경우에도 물체표면의 법선 벡터와

손가락 끝의 각도가 클수록 물체를 효과적으로 구속하여 안정된 파지를 할 수

있다

그리퍼의 링크 시스템에 있어서 2 링크 손가락보다 3 링크 손가락을 쓸 때가

링크와 수평 평면이 이루는 각 (A)이 더 커지기 때문에 안정성이 더 좋다는 것

을 알 수 있다 그리고 안정성뿐만 아니라 식 (4-1)을 통하여 문체에 전해지는

Torque 값을 Fig 4-2 와 같이 그래프로 나타내면 0 도에서 75 도 정도까지는 A 각

이 커질수록 물체에 가해지는 토크 값이 점점 커지는 것을 알 수 있음으로 3 링

크 손가락을 쓰는 것이 파지력 증가됨을 알수 있다 ℓ3 의 길이가 길어질수록 A

가 작은 값을 가져서 정밀파지에 적당하지 않다

τ l cosA sinA l 1 cos A tan μ (41)

A cosempty

(42)

Fig 4-1

은 식을 통

각이 커짐을

움이 있고

Fig4-

에서 제 2 코

통해 구할 수

을 알 수 있다

최소 단위를

Fig4

-1 Configurati

코사인 법칙

있는데 이로

다 그러나 ℓ

를 1cm 로 하

-2 Change the

- 38 -

ion of the fing

을 이용하여

로부터 링크

ℓ3 가 1cm 인

하였기 때문에

e value of the a

gers on robot g

여 A 의 각을

길이 ℓ3 가

인 경우는 너

에 ℓ3 는 2cm

angle of phage

gripper

구하기 위해

작으면 작을

무 짧아서 파

로 결정하였

torque

해 (2) 와 같

을수록 A 의

파지의 어려

였다

42 모터

(1) 알고

앞 절에

여야 한다

는 모터의

이 작은 모

나 용량이

로 적절한

선정 알고

고리즘 정의

에서 설명한 기

로봇 팔에

선정은 동작

모터를 사용하

큰 모터를 사

모터의 선정

고리즘

기구들을 추

움직임을 전

작을 구현하는

하게 되면 기

사용하게 되

정이 중요하다

Fig 4-3 M

- 39 -

추후 로봇 시스

전달함에 있어

는데 중요한

기구의 원활한

면 모터의 외

다

Motor Selectio

스템에 적용을

어서 동력을

과제가 되겠

한 작동이 어

외형이 커지

on Algorithm

을 고려하여

공급과 제어

겠다 만일 토

려워지고 단

고 가격 또한

설계를 하

어를 수행하

토크나 용량

단순히 토크

한 증가하므

- 40 -

(2) 알고리즘 수행

모터를 선정하기 위해서 가장 우선적으로 해야 할 일은 기계구동부분을 결

정하고 구동부분을 어떠한 방식으로 작동을 시킬지 동작 패턴을 결정하여야 한

다 예를 들면 모터에서 나오는 힘을 받아서 볼 스크류를 이용하여 힘을 전달할

것인지 벨트 피니언 기어 혹은 풀리 등을 이용할 것인지를 결정하고 그에 따

른 적절한 구동방식을 결정한다 구동방식을 결정하게 되면 각각의 구동방식에

적합한 수식을 대입하여 부하토크를 계산한다 구동방식에 따른 부하토크를 구

하는 수식은 구동방식이나 구동장소 등에 따라 다소 상이하나 일반적인 수식은

다음과 같다

-BALL SCREW 구동

T FP2πn

μ F P2π

1i N ∙ m 43

F F mg sin α μ cos α N 44

-PULLEY 구동

T ∙ 45

μF D

2i N ∙ m

- 41 -

-WIRE middot BELT 구동 RACK middot PINION 구동

T F2πn

∙ πDi

FD2ni

N ∙ m 46

F F mg sin α μ cos s N 47

-실측에 의한 방법

T 48

직선운동 (커플링 직결 볼스크류 등)의 경우 위의 (43) (44) 이용하여 구할

수 있다 이때 F 는 축방향하중 F0 는 예압하중 μ0는 예압 NUT 의 마찰계수 η 은

효율i 는 감속비 PB 는볼스크류 피치를 나타낸다 회전운동 (풀리)의 경우 식

(45)를 이용하여 구할 수 있으며 FA는 외력 FB는 부하중량 (주축이 회전하기 시

작할 때의 힘) m 은 work 와 TABLE 의 총무계 μ 접동면의 마찰계수α는 경사각

도D 는 풀리의 지름을 나타낸다

실제현장에서는 선정된 모터의 토크를 확인하기 위해 실측에 의한 구동토크

를 계측하는데 스프링 저울을 구동 풀리에 연결지어 측정한다 이때 TL 은 회전

운동 부하토크에 해당하고 FB 는 부하중량 D 는 풀리의 직경을 나타낸다

위의 부하토크를 구하는 식들을 이용하여 부하토크를 구하게 되면 실제 모

터를 사용할 때 어느 정도의 시간적 여유를 두고 가속을 할 것인지 감속을 할

것인지를 결정하여야 한다 이를 위해서 우선 동작시킬 부분에 대한 관성모멘트

를 계산하

Fig 4-4

시한 것으로

dA 와 기준

이를 표현하

하여야 한다

4 는 관성모멘

로 X 와 Y

준축으로 부터

하면 식 (49)

Fig 4-4 Arb

I

멘트를 구하기

는 면적의 미

터의 거리의

)와 같다

- 42 -

bitrary shape o

y dA I

기 위한 절대

미소 요소 dA

제곱의 곱으

of planar area

x dA

대좌표 X Y

A 의 좌표이

으로 단면 2

축 상의 미소

이고 관성모멘

차 모멘트라

49

소면적을 도

멘트는 요소

라고도 한다

평면 면

가 있다 평

축에 대한

Fig 4-5

하는 평행한

관성모멘

식 (410

번째 적분은

면적의 관성

평행축 정리란

관성 모멘트

5 과 같이 도

한 xy 축 두

멘트의 정의로

I y

0) 에서 우변

은 Xc 축에

Fig 4-5

모멘트에 있

란 도심축에

트 사이의 관

도심을 원점으

좌표계의 평

로부터 x 축

y d dA

변의 첫 번째

대한 1 차 모

- 43 -

5 Parallel-axis

있어서 중요하

대한 관성

계를 나타낸

으로 하는 Xc

평행한 축 간

축에 대한 관

y dA

적분은 Xc

모멘트로서 X

theorem

하고 유용한

모멘트와 도

낸다

cYc 축과 임의

간의 거리를 d

성모멘트 Ix

2d y dA

축에 대한 관

Xc 축이 도심

정리로서 평

도심축에 평행

의의 점 O 를

d1 과 d2 로 표

는 식(410)와

d dA

관성모멘트

심을 통과하므

평행축 정리

행한 임의의

를 원점으로

표시한다

와 같다

410

I 이다 두

므로 적분의

- 44 -

값은 0 이다 세번째 적분은 면적 A 그 자체이다 따라서 식 (410)은 식 (411)과

같이 간단해진다

I I Ad 411

y 축에 대한 관성모멘트도 위와 같은 방법에 의해 식(412)과 같다

I I Ad 412

또한 면적의 평면에 수직인 수직축에 대한 관성모멘트를 극관성모멘트라 한

다 Fig 4-6 는 평면에 수직이고 O 점을 통과하는 축에 대한 극관성모멘트를 나

타낸 그림으로 이를 관성모멘트 식으로 표현하면 식 (413) 와 같다

I ρ dA 413

식 (413)와

즉 평면에

서로 수직인

극 관성

와 도심 C

와 식 (414)에

I

수직인 축에

인 두 축에 대

성모멘트에 대

에 대한 극

Fig 4-6 Arb

의해 식 (4

ρ dA

I

에 대한 극관

대한 관성모

대한 평행축

극 관성모멘트

- 45 -

bitrary shape o

ρ x y

415) 식 (41

x y dA

I I I

관성모멘트는

멘트의 합과

정리는 Fig

트를 각각 I

of Polar Area

y

16)과 같은 관

x dA y

는 평면 내의

과 같다

4-5 에서 유

와 I 로

관계식을 얻을

y dA

같은 지점을

유도할 수 있

로 표시하면

414

을 수 있다

415

416

을 통과하는

있다 원점 O

식 (416)에

- 46 -

서 식(417)을 유도할 수 있다

I I I I I I 417

I I I I A d d 418

I I Ad 419

식 (419)는 극 관성모멘트에 대한 평행축 정리를 나타낸다 즉 평면 내의 임의

의 한 점 O 에 대한 면적의 극관성모멘트는 도심 C 에 대한 극관성모멘트에 그

면적과 점 O 와 C 사이의 거리의 제곱의 곱을 더한 것과 같다

이상의 식에서 부하토크와 관성모멘트를 계산하여 모터를 가 선정한다 부하토

크의 경우 사용될 모터의 정격 토크를 넘어서지 않는 것을 선정한다 부하토크

를 TL 정상 부하 상태의 힘 PL 극 관성모멘트 IL 회전운동을 위한 힘 Pa 각속

도 가속 시 소요되는 시간을 ta 라 하고 식 (420)을 이용하여 부하가 일정하

게 작용할 때의 힘을 계산한다 마찬가지로 관성모멘트를 식 (421)에 대입하여

가속을 위한 회전 운동 시 필요한 힘을 계산한다 식 (420)과 식 (421)에서 계

산된 힘을 합산하면 모터를 회전시키기 위해 필요한 출력이 계산된다 이때 계

산된 출력보다 실제 사용할 모터의 정격 출력이 1~2 배 정도가 되도록 모터를

가 선정한다

- 47 -

P T ω 420

P 421

위의 과정을 통하여 모터를 가선정하고 가감속 토크 및 구동 토크를 계산한

다 각각의 토크를 계산하게 되면 모터를 최종적으로 선정하게 되는데 두 가지

사항을 고려하여 최종 선정한다 먼저 식 (422)을 통해서 계산되는 가속 시 소

요되는 기동 토크 TM 가 모터의 최대 토크를 넘지 않는 것으로 선정한다

T 422

두 번째로 Fig 4-7 의 속도 선도와 같이 모터의 가 감속 시간과 정상 동작

시간 등을 결정하여 식 (423)과 같이 실효치 토크 TS 를 구하고 실효 토크가 모

터의 정격 토크보다 크지 않도록 선정한다

T 423

Fig 4-7 Exa

- 48 -

ample of veloc

city guidance

- 49 -

(3) 알고리즘 적용

로봇시스템에 있어서 기구들의 관성모멘트와 토크 계산 후 적합한 모터를

선정하기 위해 시중에서 시판되는 모터를 조사하였다 로봇에 적용 가능한 모터

로는 크게 서버모터와 스텝모터 RC 서버모터 DC 모터로 구분 할 수 있었다 이

를 TABLE 4-1 과 같이 정리하였다

동력원의 6 가지 선정요소 중 우선순위를 부여하여 분류했을 때 핸드 그리퍼

의 특성상 가볍고 토크가 큰 RC 서버 모터 미니 서버모터를 선택할 수 도 있지

만 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터 중 토크를 증가시킬 수 있는

감속기가 있는 타입의 모터를 우선시 하였다

1 감속비를 사양할 수 있는 모터를 선정하여 계산한 토크를 확인한다

2 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터를 선정한다

3 CLOSED LOOP 제어를 통하여 정확한 위치를 검출할 수 있어야 한다

따라서 스텝모터중 lsquoOrsquo사의 ldquoαSTEPrdquo가 적합하다고 판단되어 모터를 선정하였다

- 50 -

TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics

미니서버모터 RC 서버모터 스텝모터 DC 모터

장점 동일사양대비 모터

중 10배정도 큰 토크

5v사용가벼움

정확한 위치제어

급격한 부하변동급가

속 유리

저렴한가격

보편화됨

단점 정지시 진동이 예상 약한 토크 THRUST하중이 모터

무계 이하여야 한다

유지보수가 잦다

크기 151588mm(10w20w)

2525111mm(30w)

392038mm 424234mm Oslash37mm917mm

동작전압 Dc 24V Dc 48V60V Dc 24V Dc 24V

무계 230g~400g 56g 150g 200g

허용토크 009Nm~03Nm 11~13kgfcm 18kgfcm (018Nm) 47kgfcm(1200)

감속기 다양한 감속비 가능 고정 감속기 감속기 무(072˚036) 다양한 감속비

제조사 야스카와 SGMM 하이텍 HS-5945 AUTONICS GCM 3429A

TABLE 4-2 αstep motor characteristics

외형 전압 전류 무계 토크 감속비 분해능

αSTEP 282884mm

4242127mm Dc24V 1~37A 250G 2~28 Nmiddotm 50~1001

00072pluse

00036pluse

- 51 -

43 1 차 능동형 그리퍼 설계

실린더를 사용하여 링크로 물체를 파지하던 그리퍼는 Fig 4-8 과 Fig 4-9 에

묘사하였다 이런 실린더를 사용한 그리퍼는 공압 효과를 도출할 수 있는 별도

의 펌프가 필요하고 동작을 구현할 수 있는 자유도를 증가시키는데 한계가 있

다 이런 실린더의 단점을 보완하고 전기모터의 장점을 사용하기 위해 웜기어와

웜휠 방식을 채택하여 2 자유도 능동형 그리퍼를 설계하였다

1 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-10 에 묘사하였으며 1 차설계한

능동형 그리퍼는 Two Fingertip Grasp 로 칭하겠다 파지한 물체를 회전 시키는

기능은 베벨기어를 사용하여 회전운동으로 구현하였고 실린더의 전middot후진 운동

을 전기모터의 회전운동으로 변환 시키기 위하여 웜기어와 웜휨을 선택하였다

전기모터에 의해 회전하는 운동은 웜기어와 웜휠에 의해 링크를 사용하여 물체

를 파지하였던 그리퍼와 동일한 운동효과를 가지게 되었다

웜기어와 웜휠을 사용하여 물체를 파지하는 능동형 그리퍼는 스윙형으로 설

계되었으며 파지력을 높이기 위한 각도를 적용하였다 링크를 사용하여 물체를

파지하는 형태의 그리퍼보다 기구의 크기를 줄일 수 있는 장점이 있는 반면 기

어들의 백래시에 의한 오차가 끝단에 누적될 수 있는 문제점을 가지고 있다또

한 기구부의 소재 변경으로 그리퍼의 무계를 줄일 수 도 있지만 가장 큰 무계

를 차지하는 모터를 그리퍼 자체에서 분리하게 할 수 있게 하려면 그리퍼 자체

의 구조변경이 필요하다

`

`

Fig 4-8 Par

Fig 4-9 Par

- 52 -

rallel-link gra

rallel-link gra

sps system 1

sps system 2

Fig 4-10

- 53 -

0 Two fingertipps grasp system

- 54 -

44 2 차 능동형 그리퍼 설계

1 차 설계한 능동형 그리퍼에서 발견된 문제점을 보안하기 위하여 2 차 능동

형 그리퍼를 설계하였다 2 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-11 에 묘사

하였으며 2 차설계한 능동형 그리퍼는 Four Fingertip Grasp 로 칭하겠다 이 장치

는 크게 동력원 동력 전달장치 핑거 그립장치로 구성되어있으며 이를 통합하

여 Fig 4-12 에 나타내었다

핑거 그립장치는 스윙형 그립의 단점을 보완하여 설계하였다 물체를 파지할

때 그립의 회전 반경이 주위 환경요소와 간섭을 발생시킬 수 있는데핑거가 전

진할때 샤프트와 핑거그립간의 나사결합형태를 통한 직선운동으로 개선하여 주

위환경요소에 영향을 주지 않도록 설계하였다 구동축의 핑거파지 메카니즘을

Fig 4-13 와 같이 간략화 하였고 이에 대한 세부 도면은 Fig 4-14 로 나타내었다

4 조 핑거 그립의 나사산과 테이퍼진 스크류축은 나사식으로 결합되며 상호

작용에 의해 점차 중심점으로 이동하여 물체를 파지하는 형태이다 사용된 2 개

의 샤프트는 중공축으로 설계하였으며 외부 샤프트는 4 조 핑거가 물체를 파지

하여 비트는 모션을 구현하는데 사용되었다 내부 샤프트는 핑거를 중심점으로

전진시켜는 기능을 수행한다 중공축으로 설계한 내부 샤프트는 차후 개발될 인

스트리먼트의 탈부착을 손쉽게 할수있도록 구현하였고 4 조로 설계된 핑거는 그

립시 인스트리먼트의 응력집중현상을 분산시키는 기능과 2 조로 그립하였을때

보다 안정적인 그립감을 형성한다

- 55 -

동력원과 동력전달장치는 Fig 4-15 에 나타내었으며 Two Fingertip Grasp system

의 문제점이었던 구동부의 모터의 설치 방법을 외부에 부착하는 형태로 변경하

여 우레탄 밸트를 사용하였다 또한 아이들러를 사용하여 밸트의 방향을 변경

하여 모터의 부착위치를 자유롭게 설정할 수 있도록 하였고 모터 브라켓에 슬

리브 홈을 설치하여 벨트의 장력을 조절할 수 있도록 하였다

Fig4-11

Fig4-12 Fou

- 56 -

Four fingertip

ur fingertips g

ps grasp system

grasp system la

m

ayout

Fig 4-13

Fig 4-14

- 57 -

Fingertip gra

4 Fingertip gr

asps mechanis

rasps extended

m

d

Fig 4-15

- 58 -

5 Power transmission devicce

- 59 -

제 5장 결 론

본 연구에서는 MIS 수술 로봇을 위한 햅틱 마스터장치 구동용 능동형 그리

퍼를 설계하기 위하여 그에 상응하는 자료 및 문헌 조사를 수행하였고 햅틱 마

스터에 적용 가능한 능동형 그리퍼를 설계하여 로봇 시스템의 초안을 구성하였

다 수술용 도구를 단순히 잡아주는 역할에서 벗어나 시스템에 추가적인 자유도

를 부여함으로써 그리퍼를 표현하였다 단순화된 그리퍼는 보다 저렴한 가격으

로 생산될 수 있으며 기존 로봇 수술시스템의 높은 비용을 절감할 수 있는 효

과를 가져올 수 있다

최종적으로 제안한 설계 안으로는 2 조 핑거그립를 사용하는 전기모터형 그

리퍼 와 추가적으로 개선한 4 조 전기모터형 핑거그립를 설계였다 스윙형 그립

의 단점을 보안하여 집중응력을 분산할 수 있는 구조로 설계하였고 그리퍼의

무계를 줄일 수 있는 방법을 제시하였다 이로써 원통형 도구 파지 시 안정성이

향상되었고 보다 원활하게 수술 도구를 교체 가능하도록 하였다

앞으로 촉감을 전달할 수 있는 센서의 개발로 햅틱 디바이스 인터페이스 장

치의 활용에 보다 높은 기여를 할 것이라 예상된다

-６０-

참고 문헌

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PP74~77200612

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[9] 이재훈김형욱이병주서일홍 ldquo새로운 6자유도 병렬형 햅틱 기구의 최적설

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[10] 조국훈이재훈이병주김희국 ldquo병렬형 그리퍼 메카니즘rdquo한국정밀공학회지

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4자유도 병렬 메커니즘의 기구학분석rdquo한국정밀공학회 2007년 추계학술대회

• 제1장 서 론
• • 11 연구배경 및 연구목적
  • 12 연구내용
  • • 제2장 로봇 산업의 기술 현황
    • • 21 로봇산업의 동향
      • 22 의료용 로봇기술 현황
      • 23 의료용 로봇시장 전망
      • • 제3장 능동 그리퍼
        • • 31 최소침습 수술 햅틱 장치구현에 필요한 능동 그리퍼 제안
          • 32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류
          • 33 파지형태에 의한 그리퍼의 분류
          • 34 메카니컬 핸드의 구속기능
          • 35 대표적인 동력원의 특징
          • • 제4장 능동형 그리퍼 설계
            • • 41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정
              • 42 모터 선정 알고리즘
              • • 43 1 차 능동형 그리퍼 설계
                • 44 2 차 능동형 그리퍼 설계
                • • 제 5 장 결론
                  • 참고문헌
                  • TABLE 2-1 Domestic robot classification
                  • TABLE 2-2 Robot Production Company
                  • TABLE 3-1 Characteristics of power sources
                  • TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics
                  • TABLE 4-2 αSTEP Motor Characteristics
                  • Fig2-1 Phase of medical robots in the robot industry
                  • Fig2-2 Da Vinci surgical case number
                  • Fig3-1 Da Vinci robot system for MIS
                  • Fig3-2 Classified by the gripper grip action
                  • Fig3-3 Swing-type hand mechanism
                  • Fig3-4 Hand mechanism for translational type1 (parallel displacement)
                  • Fig3-5 Hand mechanism for translational type2 (Rack and pinion type)
                  • Fig3-6 Hand mechanism for three point pinch type
                  • Fig3-7 Movement of object
                  • Fig3-8 Contacts of the kind and the confining
                  • Fig3-9 Human Arm structure
                  • Fig4-1 Configuration of the fingers on robot gripper
                  • Fig4-2 Change the value of the angle of phage torque
                  • Fig4-3 Motor Selection Algorithm
                  • Fig4-4 Arbitrary Shape of Planar Area
                  • Fig4-5 Parallel-Axis Theorem
                  • Fig4-6 Arbitrary Shape of Polar Area
                  • Fig4-7 Example of Velocity Guidance
                  • Fig4-8 Parallel-link Grasp system 1
                  • Fig4-9 Parallel-link Grasp system 2
                  • Fig4-10 TWO Fingertip Grasp system
                  • Fig4-11 Four Fingertip Grasp System
                  • Fig4-12 Four Fingertip Grasp System layout
                  • Fig4-13 Fingertip Grasp Mechanism
                  • Fig4-14 Fingertip Grasp extended
                  • Fig4-15 Power Transmission Device

- 36 -

TABLE 3-1 Characteristics of power sources

전기식 유압식 공압식

사용용이성 편리하다 작동유의관리 관로의압력

필터관리에 유의

공급공기의 수분제거

윤활성의부가에 주의

수명 길다 기름에 윤활성이 있기

때문에 길다

공기에윤활성이 없어

유압 전기에 비해 짧다

가격 보통 가격 운영비 높음 저가격

응답속도

(반응성) 매우 빠르다 빠르다 늦다

하중능력 (소)에서 (중)정도의

하중능력 단히 큰 힘을 얻음 큰 힘은 없다

소음 적다 다소 크다 크다

- 37 -

제 4 장 능동형 그리퍼 설계

41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정

로봇 그리퍼의 정밀 파지 (Fingertip Grasp 손가락 끝을 이용하여 물체를 집

거나 바닥에누워있는 납작한 물체를 집는 행동)를 안정하게 하기 위해서는 손가

락 끝과 물체가 직각에 가까운 각도를 이룸으로 마찰력을 크게 하여 안정성을

높인다 또한 바닥에 놓인 물체를 집어 올릴 경우에도 물체표면의 법선 벡터와

손가락 끝의 각도가 클수록 물체를 효과적으로 구속하여 안정된 파지를 할 수

있다

그리퍼의 링크 시스템에 있어서 2 링크 손가락보다 3 링크 손가락을 쓸 때가

링크와 수평 평면이 이루는 각 (A)이 더 커지기 때문에 안정성이 더 좋다는 것

을 알 수 있다 그리고 안정성뿐만 아니라 식 (4-1)을 통하여 문체에 전해지는

Torque 값을 Fig 4-2 와 같이 그래프로 나타내면 0 도에서 75 도 정도까지는 A 각

이 커질수록 물체에 가해지는 토크 값이 점점 커지는 것을 알 수 있음으로 3 링

크 손가락을 쓰는 것이 파지력 증가됨을 알수 있다 ℓ3 의 길이가 길어질수록 A

가 작은 값을 가져서 정밀파지에 적당하지 않다

τ l cosA sinA l 1 cos A tan μ (41)

A cosempty

(42)

Fig 4-1

은 식을 통

각이 커짐을

움이 있고

Fig4-

에서 제 2 코

통해 구할 수

을 알 수 있다

최소 단위를

Fig4

-1 Configurati

코사인 법칙

있는데 이로

다 그러나 ℓ

를 1cm 로 하

-2 Change the

- 38 -

ion of the fing

을 이용하여

로부터 링크

ℓ3 가 1cm 인

하였기 때문에

e value of the a

gers on robot g

여 A 의 각을

길이 ℓ3 가

인 경우는 너

에 ℓ3 는 2cm

angle of phage

gripper

구하기 위해

작으면 작을

무 짧아서 파

로 결정하였

torque

해 (2) 와 같

을수록 A 의

파지의 어려

였다

42 모터

(1) 알고

앞 절에

여야 한다

는 모터의

이 작은 모

나 용량이

로 적절한

선정 알고

고리즘 정의

에서 설명한 기

로봇 팔에

선정은 동작

모터를 사용하

큰 모터를 사

모터의 선정

고리즘

기구들을 추

움직임을 전

작을 구현하는

하게 되면 기

사용하게 되

정이 중요하다

Fig 4-3 M

- 39 -

추후 로봇 시스

전달함에 있어

는데 중요한

기구의 원활한

면 모터의 외

다

Motor Selectio

스템에 적용을

어서 동력을

과제가 되겠

한 작동이 어

외형이 커지

on Algorithm

을 고려하여

공급과 제어

겠다 만일 토

려워지고 단

고 가격 또한

설계를 하

어를 수행하

토크나 용량

단순히 토크

한 증가하므

- 40 -

(2) 알고리즘 수행

모터를 선정하기 위해서 가장 우선적으로 해야 할 일은 기계구동부분을 결

정하고 구동부분을 어떠한 방식으로 작동을 시킬지 동작 패턴을 결정하여야 한

다 예를 들면 모터에서 나오는 힘을 받아서 볼 스크류를 이용하여 힘을 전달할

것인지 벨트 피니언 기어 혹은 풀리 등을 이용할 것인지를 결정하고 그에 따

른 적절한 구동방식을 결정한다 구동방식을 결정하게 되면 각각의 구동방식에

적합한 수식을 대입하여 부하토크를 계산한다 구동방식에 따른 부하토크를 구

하는 수식은 구동방식이나 구동장소 등에 따라 다소 상이하나 일반적인 수식은

다음과 같다

-BALL SCREW 구동

T FP2πn

μ F P2π

1i N ∙ m 43

F F mg sin α μ cos α N 44

-PULLEY 구동

T ∙ 45

μF D

2i N ∙ m

- 41 -

-WIRE middot BELT 구동 RACK middot PINION 구동

T F2πn

∙ πDi

FD2ni

N ∙ m 46

F F mg sin α μ cos s N 47

-실측에 의한 방법

T 48

직선운동 (커플링 직결 볼스크류 등)의 경우 위의 (43) (44) 이용하여 구할

수 있다 이때 F 는 축방향하중 F0 는 예압하중 μ0는 예압 NUT 의 마찰계수 η 은

효율i 는 감속비 PB 는볼스크류 피치를 나타낸다 회전운동 (풀리)의 경우 식

(45)를 이용하여 구할 수 있으며 FA는 외력 FB는 부하중량 (주축이 회전하기 시

작할 때의 힘) m 은 work 와 TABLE 의 총무계 μ 접동면의 마찰계수α는 경사각

도D 는 풀리의 지름을 나타낸다

실제현장에서는 선정된 모터의 토크를 확인하기 위해 실측에 의한 구동토크

를 계측하는데 스프링 저울을 구동 풀리에 연결지어 측정한다 이때 TL 은 회전

운동 부하토크에 해당하고 FB 는 부하중량 D 는 풀리의 직경을 나타낸다

위의 부하토크를 구하는 식들을 이용하여 부하토크를 구하게 되면 실제 모

터를 사용할 때 어느 정도의 시간적 여유를 두고 가속을 할 것인지 감속을 할

것인지를 결정하여야 한다 이를 위해서 우선 동작시킬 부분에 대한 관성모멘트

를 계산하

Fig 4-4

시한 것으로

dA 와 기준

이를 표현하

하여야 한다

4 는 관성모멘

로 X 와 Y

준축으로 부터

하면 식 (49)

Fig 4-4 Arb

I

멘트를 구하기

는 면적의 미

터의 거리의

)와 같다

- 42 -

bitrary shape o

y dA I

기 위한 절대

미소 요소 dA

제곱의 곱으

of planar area

x dA

대좌표 X Y

A 의 좌표이

으로 단면 2

축 상의 미소

이고 관성모멘

차 모멘트라

49

소면적을 도

멘트는 요소

라고도 한다

평면 면

가 있다 평

축에 대한

Fig 4-5

하는 평행한

관성모멘

식 (410

번째 적분은

면적의 관성

평행축 정리란

관성 모멘트

5 과 같이 도

한 xy 축 두

멘트의 정의로

I y

0) 에서 우변

은 Xc 축에

Fig 4-5

모멘트에 있

란 도심축에

트 사이의 관

도심을 원점으

좌표계의 평

로부터 x 축

y d dA

변의 첫 번째

대한 1 차 모

- 43 -

5 Parallel-axis

있어서 중요하

대한 관성

계를 나타낸

으로 하는 Xc

평행한 축 간

축에 대한 관

y dA

적분은 Xc

모멘트로서 X

theorem

하고 유용한

모멘트와 도

낸다

cYc 축과 임의

간의 거리를 d

성모멘트 Ix

2d y dA

축에 대한 관

Xc 축이 도심

정리로서 평

도심축에 평행

의의 점 O 를

d1 과 d2 로 표

는 식(410)와

d dA

관성모멘트

심을 통과하므

평행축 정리

행한 임의의

를 원점으로

표시한다

와 같다

410

I 이다 두

므로 적분의

- 44 -

값은 0 이다 세번째 적분은 면적 A 그 자체이다 따라서 식 (410)은 식 (411)과

같이 간단해진다

I I Ad 411

y 축에 대한 관성모멘트도 위와 같은 방법에 의해 식(412)과 같다

I I Ad 412

또한 면적의 평면에 수직인 수직축에 대한 관성모멘트를 극관성모멘트라 한

다 Fig 4-6 는 평면에 수직이고 O 점을 통과하는 축에 대한 극관성모멘트를 나

타낸 그림으로 이를 관성모멘트 식으로 표현하면 식 (413) 와 같다

I ρ dA 413

식 (413)와

즉 평면에

서로 수직인

극 관성

와 도심 C

와 식 (414)에

I

수직인 축에

인 두 축에 대

성모멘트에 대

에 대한 극

Fig 4-6 Arb

의해 식 (4

ρ dA

I

에 대한 극관

대한 관성모

대한 평행축

극 관성모멘트

- 45 -

bitrary shape o

ρ x y

415) 식 (41

x y dA

I I I

관성모멘트는

멘트의 합과

정리는 Fig

트를 각각 I

of Polar Area

y

16)과 같은 관

x dA y

는 평면 내의

과 같다

4-5 에서 유

와 I 로

관계식을 얻을

y dA

같은 지점을

유도할 수 있

로 표시하면

414

을 수 있다

415

416

을 통과하는

있다 원점 O

식 (416)에

- 46 -

서 식(417)을 유도할 수 있다

I I I I I I 417

I I I I A d d 418

I I Ad 419

식 (419)는 극 관성모멘트에 대한 평행축 정리를 나타낸다 즉 평면 내의 임의

의 한 점 O 에 대한 면적의 극관성모멘트는 도심 C 에 대한 극관성모멘트에 그

면적과 점 O 와 C 사이의 거리의 제곱의 곱을 더한 것과 같다

이상의 식에서 부하토크와 관성모멘트를 계산하여 모터를 가 선정한다 부하토

크의 경우 사용될 모터의 정격 토크를 넘어서지 않는 것을 선정한다 부하토크

를 TL 정상 부하 상태의 힘 PL 극 관성모멘트 IL 회전운동을 위한 힘 Pa 각속

도 가속 시 소요되는 시간을 ta 라 하고 식 (420)을 이용하여 부하가 일정하

게 작용할 때의 힘을 계산한다 마찬가지로 관성모멘트를 식 (421)에 대입하여

가속을 위한 회전 운동 시 필요한 힘을 계산한다 식 (420)과 식 (421)에서 계

산된 힘을 합산하면 모터를 회전시키기 위해 필요한 출력이 계산된다 이때 계

산된 출력보다 실제 사용할 모터의 정격 출력이 1~2 배 정도가 되도록 모터를

가 선정한다

- 47 -

P T ω 420

P 421

위의 과정을 통하여 모터를 가선정하고 가감속 토크 및 구동 토크를 계산한

다 각각의 토크를 계산하게 되면 모터를 최종적으로 선정하게 되는데 두 가지

사항을 고려하여 최종 선정한다 먼저 식 (422)을 통해서 계산되는 가속 시 소

요되는 기동 토크 TM 가 모터의 최대 토크를 넘지 않는 것으로 선정한다

T 422

두 번째로 Fig 4-7 의 속도 선도와 같이 모터의 가 감속 시간과 정상 동작

시간 등을 결정하여 식 (423)과 같이 실효치 토크 TS 를 구하고 실효 토크가 모

터의 정격 토크보다 크지 않도록 선정한다

T 423

Fig 4-7 Exa

- 48 -

ample of veloc

city guidance

- 49 -

(3) 알고리즘 적용

로봇시스템에 있어서 기구들의 관성모멘트와 토크 계산 후 적합한 모터를

선정하기 위해 시중에서 시판되는 모터를 조사하였다 로봇에 적용 가능한 모터

로는 크게 서버모터와 스텝모터 RC 서버모터 DC 모터로 구분 할 수 있었다 이

를 TABLE 4-1 과 같이 정리하였다

동력원의 6 가지 선정요소 중 우선순위를 부여하여 분류했을 때 핸드 그리퍼

의 특성상 가볍고 토크가 큰 RC 서버 모터 미니 서버모터를 선택할 수 도 있지

만 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터 중 토크를 증가시킬 수 있는

감속기가 있는 타입의 모터를 우선시 하였다

1 감속비를 사양할 수 있는 모터를 선정하여 계산한 토크를 확인한다

2 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터를 선정한다

3 CLOSED LOOP 제어를 통하여 정확한 위치를 검출할 수 있어야 한다

따라서 스텝모터중 lsquoOrsquo사의 ldquoαSTEPrdquo가 적합하다고 판단되어 모터를 선정하였다

- 50 -

TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics

미니서버모터 RC 서버모터 스텝모터 DC 모터

장점 동일사양대비 모터

중 10배정도 큰 토크

5v사용가벼움

정확한 위치제어

급격한 부하변동급가

속 유리

저렴한가격

보편화됨

단점 정지시 진동이 예상 약한 토크 THRUST하중이 모터

무계 이하여야 한다

유지보수가 잦다

크기 151588mm(10w20w)

2525111mm(30w)

392038mm 424234mm Oslash37mm917mm

동작전압 Dc 24V Dc 48V60V Dc 24V Dc 24V

무계 230g~400g 56g 150g 200g

허용토크 009Nm~03Nm 11~13kgfcm 18kgfcm (018Nm) 47kgfcm(1200)

감속기 다양한 감속비 가능 고정 감속기 감속기 무(072˚036) 다양한 감속비

제조사 야스카와 SGMM 하이텍 HS-5945 AUTONICS GCM 3429A

TABLE 4-2 αstep motor characteristics

외형 전압 전류 무계 토크 감속비 분해능

αSTEP 282884mm

4242127mm Dc24V 1~37A 250G 2~28 Nmiddotm 50~1001

00072pluse

00036pluse

- 51 -

43 1 차 능동형 그리퍼 설계

실린더를 사용하여 링크로 물체를 파지하던 그리퍼는 Fig 4-8 과 Fig 4-9 에

묘사하였다 이런 실린더를 사용한 그리퍼는 공압 효과를 도출할 수 있는 별도

의 펌프가 필요하고 동작을 구현할 수 있는 자유도를 증가시키는데 한계가 있

다 이런 실린더의 단점을 보완하고 전기모터의 장점을 사용하기 위해 웜기어와

웜휠 방식을 채택하여 2 자유도 능동형 그리퍼를 설계하였다

1 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-10 에 묘사하였으며 1 차설계한

능동형 그리퍼는 Two Fingertip Grasp 로 칭하겠다 파지한 물체를 회전 시키는

기능은 베벨기어를 사용하여 회전운동으로 구현하였고 실린더의 전middot후진 운동

을 전기모터의 회전운동으로 변환 시키기 위하여 웜기어와 웜휨을 선택하였다

전기모터에 의해 회전하는 운동은 웜기어와 웜휠에 의해 링크를 사용하여 물체

를 파지하였던 그리퍼와 동일한 운동효과를 가지게 되었다

웜기어와 웜휠을 사용하여 물체를 파지하는 능동형 그리퍼는 스윙형으로 설

계되었으며 파지력을 높이기 위한 각도를 적용하였다 링크를 사용하여 물체를

파지하는 형태의 그리퍼보다 기구의 크기를 줄일 수 있는 장점이 있는 반면 기

어들의 백래시에 의한 오차가 끝단에 누적될 수 있는 문제점을 가지고 있다또

한 기구부의 소재 변경으로 그리퍼의 무계를 줄일 수 도 있지만 가장 큰 무계

를 차지하는 모터를 그리퍼 자체에서 분리하게 할 수 있게 하려면 그리퍼 자체

의 구조변경이 필요하다

`

`

Fig 4-8 Par

Fig 4-9 Par

- 52 -

rallel-link gra

rallel-link gra

sps system 1

sps system 2

Fig 4-10

- 53 -

0 Two fingertipps grasp system

- 54 -

44 2 차 능동형 그리퍼 설계

1 차 설계한 능동형 그리퍼에서 발견된 문제점을 보안하기 위하여 2 차 능동

형 그리퍼를 설계하였다 2 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-11 에 묘사

하였으며 2 차설계한 능동형 그리퍼는 Four Fingertip Grasp 로 칭하겠다 이 장치

는 크게 동력원 동력 전달장치 핑거 그립장치로 구성되어있으며 이를 통합하

여 Fig 4-12 에 나타내었다

핑거 그립장치는 스윙형 그립의 단점을 보완하여 설계하였다 물체를 파지할

때 그립의 회전 반경이 주위 환경요소와 간섭을 발생시킬 수 있는데핑거가 전

진할때 샤프트와 핑거그립간의 나사결합형태를 통한 직선운동으로 개선하여 주

위환경요소에 영향을 주지 않도록 설계하였다 구동축의 핑거파지 메카니즘을

Fig 4-13 와 같이 간략화 하였고 이에 대한 세부 도면은 Fig 4-14 로 나타내었다

4 조 핑거 그립의 나사산과 테이퍼진 스크류축은 나사식으로 결합되며 상호

작용에 의해 점차 중심점으로 이동하여 물체를 파지하는 형태이다 사용된 2 개

의 샤프트는 중공축으로 설계하였으며 외부 샤프트는 4 조 핑거가 물체를 파지

하여 비트는 모션을 구현하는데 사용되었다 내부 샤프트는 핑거를 중심점으로

전진시켜는 기능을 수행한다 중공축으로 설계한 내부 샤프트는 차후 개발될 인

스트리먼트의 탈부착을 손쉽게 할수있도록 구현하였고 4 조로 설계된 핑거는 그

립시 인스트리먼트의 응력집중현상을 분산시키는 기능과 2 조로 그립하였을때

보다 안정적인 그립감을 형성한다

- 55 -

동력원과 동력전달장치는 Fig 4-15 에 나타내었으며 Two Fingertip Grasp system

의 문제점이었던 구동부의 모터의 설치 방법을 외부에 부착하는 형태로 변경하

여 우레탄 밸트를 사용하였다 또한 아이들러를 사용하여 밸트의 방향을 변경

하여 모터의 부착위치를 자유롭게 설정할 수 있도록 하였고 모터 브라켓에 슬

리브 홈을 설치하여 벨트의 장력을 조절할 수 있도록 하였다

Fig4-11

Fig4-12 Fou

- 56 -

Four fingertip

ur fingertips g

ps grasp system

grasp system la

m

ayout

Fig 4-13

Fig 4-14

- 57 -

Fingertip gra

4 Fingertip gr

asps mechanis

rasps extended

m

d

Fig 4-15

- 58 -

5 Power transmission devicce

- 59 -

제 5장 결 론

본 연구에서는 MIS 수술 로봇을 위한 햅틱 마스터장치 구동용 능동형 그리

퍼를 설계하기 위하여 그에 상응하는 자료 및 문헌 조사를 수행하였고 햅틱 마

스터에 적용 가능한 능동형 그리퍼를 설계하여 로봇 시스템의 초안을 구성하였

다 수술용 도구를 단순히 잡아주는 역할에서 벗어나 시스템에 추가적인 자유도

를 부여함으로써 그리퍼를 표현하였다 단순화된 그리퍼는 보다 저렴한 가격으

로 생산될 수 있으며 기존 로봇 수술시스템의 높은 비용을 절감할 수 있는 효

과를 가져올 수 있다

최종적으로 제안한 설계 안으로는 2 조 핑거그립를 사용하는 전기모터형 그

리퍼 와 추가적으로 개선한 4 조 전기모터형 핑거그립를 설계였다 스윙형 그립

의 단점을 보안하여 집중응력을 분산할 수 있는 구조로 설계하였고 그리퍼의

무계를 줄일 수 있는 방법을 제시하였다 이로써 원통형 도구 파지 시 안정성이

향상되었고 보다 원활하게 수술 도구를 교체 가능하도록 하였다

앞으로 촉감을 전달할 수 있는 센서의 개발로 햅틱 디바이스 인터페이스 장

치의 활용에 보다 높은 기여를 할 것이라 예상된다

-６０-

참고 문헌

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PP74~77200612

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한국정밀공학회 2009년 추계학술대회 논문집

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[9] 이재훈김형욱이병주서일홍 ldquo새로운 6자유도 병렬형 햅틱 기구의 최적설

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[12] 고대성김성목김희국이병주 ldquo병진형 자유도와 1자유도 파지기능을 가지는

4자유도 병렬 메커니즘의 기구학분석rdquo한국정밀공학회 2007년 추계학술대회

• 제1장 서 론
• • 11 연구배경 및 연구목적
  • 12 연구내용
  • • 제2장 로봇 산업의 기술 현황
    • • 21 로봇산업의 동향
      • 22 의료용 로봇기술 현황
      • 23 의료용 로봇시장 전망
      • • 제3장 능동 그리퍼
        • • 31 최소침습 수술 햅틱 장치구현에 필요한 능동 그리퍼 제안
          • 32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류
          • 33 파지형태에 의한 그리퍼의 분류
          • 34 메카니컬 핸드의 구속기능
          • 35 대표적인 동력원의 특징
          • • 제4장 능동형 그리퍼 설계
            • • 41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정
              • 42 모터 선정 알고리즘
              • • 43 1 차 능동형 그리퍼 설계
                • 44 2 차 능동형 그리퍼 설계
                • • 제 5 장 결론
                  • 참고문헌
                  • TABLE 2-1 Domestic robot classification
                  • TABLE 2-2 Robot Production Company
                  • TABLE 3-1 Characteristics of power sources
                  • TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics
                  • TABLE 4-2 αSTEP Motor Characteristics
                  • Fig2-1 Phase of medical robots in the robot industry
                  • Fig2-2 Da Vinci surgical case number
                  • Fig3-1 Da Vinci robot system for MIS
                  • Fig3-2 Classified by the gripper grip action
                  • Fig3-3 Swing-type hand mechanism
                  • Fig3-4 Hand mechanism for translational type1 (parallel displacement)
                  • Fig3-5 Hand mechanism for translational type2 (Rack and pinion type)
                  • Fig3-6 Hand mechanism for three point pinch type
                  • Fig3-7 Movement of object
                  • Fig3-8 Contacts of the kind and the confining
                  • Fig3-9 Human Arm structure
                  • Fig4-1 Configuration of the fingers on robot gripper
                  • Fig4-2 Change the value of the angle of phage torque
                  • Fig4-3 Motor Selection Algorithm
                  • Fig4-4 Arbitrary Shape of Planar Area
                  • Fig4-5 Parallel-Axis Theorem
                  • Fig4-6 Arbitrary Shape of Polar Area
                  • Fig4-7 Example of Velocity Guidance
                  • Fig4-8 Parallel-link Grasp system 1
                  • Fig4-9 Parallel-link Grasp system 2
                  • Fig4-10 TWO Fingertip Grasp system
                  • Fig4-11 Four Fingertip Grasp System
                  • Fig4-12 Four Fingertip Grasp System layout
                  • Fig4-13 Fingertip Grasp Mechanism
                  • Fig4-14 Fingertip Grasp extended
                  • Fig4-15 Power Transmission Device

- 37 -

제 4 장 능동형 그리퍼 설계

41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정

로봇 그리퍼의 정밀 파지 (Fingertip Grasp 손가락 끝을 이용하여 물체를 집

거나 바닥에누워있는 납작한 물체를 집는 행동)를 안정하게 하기 위해서는 손가

락 끝과 물체가 직각에 가까운 각도를 이룸으로 마찰력을 크게 하여 안정성을

높인다 또한 바닥에 놓인 물체를 집어 올릴 경우에도 물체표면의 법선 벡터와

손가락 끝의 각도가 클수록 물체를 효과적으로 구속하여 안정된 파지를 할 수

있다

그리퍼의 링크 시스템에 있어서 2 링크 손가락보다 3 링크 손가락을 쓸 때가

링크와 수평 평면이 이루는 각 (A)이 더 커지기 때문에 안정성이 더 좋다는 것

을 알 수 있다 그리고 안정성뿐만 아니라 식 (4-1)을 통하여 문체에 전해지는

Torque 값을 Fig 4-2 와 같이 그래프로 나타내면 0 도에서 75 도 정도까지는 A 각

이 커질수록 물체에 가해지는 토크 값이 점점 커지는 것을 알 수 있음으로 3 링

크 손가락을 쓰는 것이 파지력 증가됨을 알수 있다 ℓ3 의 길이가 길어질수록 A

가 작은 값을 가져서 정밀파지에 적당하지 않다

τ l cosA sinA l 1 cos A tan μ (41)

A cosempty

(42)

Fig 4-1

은 식을 통

각이 커짐을

움이 있고

Fig4-

에서 제 2 코

통해 구할 수

을 알 수 있다

최소 단위를

Fig4

-1 Configurati

코사인 법칙

있는데 이로

다 그러나 ℓ

를 1cm 로 하

-2 Change the

- 38 -

ion of the fing

을 이용하여

로부터 링크

ℓ3 가 1cm 인

하였기 때문에

e value of the a

gers on robot g

여 A 의 각을

길이 ℓ3 가

인 경우는 너

에 ℓ3 는 2cm

angle of phage

gripper

구하기 위해

작으면 작을

무 짧아서 파

로 결정하였

torque

해 (2) 와 같

을수록 A 의

파지의 어려

였다

42 모터

(1) 알고

앞 절에

여야 한다

는 모터의

이 작은 모

나 용량이

로 적절한

선정 알고

고리즘 정의

에서 설명한 기

로봇 팔에

선정은 동작

모터를 사용하

큰 모터를 사

모터의 선정

고리즘

기구들을 추

움직임을 전

작을 구현하는

하게 되면 기

사용하게 되

정이 중요하다

Fig 4-3 M

- 39 -

추후 로봇 시스

전달함에 있어

는데 중요한

기구의 원활한

면 모터의 외

다

Motor Selectio

스템에 적용을

어서 동력을

과제가 되겠

한 작동이 어

외형이 커지

on Algorithm

을 고려하여

공급과 제어

겠다 만일 토

려워지고 단

고 가격 또한

설계를 하

어를 수행하

토크나 용량

단순히 토크

한 증가하므

- 40 -

(2) 알고리즘 수행

모터를 선정하기 위해서 가장 우선적으로 해야 할 일은 기계구동부분을 결

정하고 구동부분을 어떠한 방식으로 작동을 시킬지 동작 패턴을 결정하여야 한

다 예를 들면 모터에서 나오는 힘을 받아서 볼 스크류를 이용하여 힘을 전달할

것인지 벨트 피니언 기어 혹은 풀리 등을 이용할 것인지를 결정하고 그에 따

른 적절한 구동방식을 결정한다 구동방식을 결정하게 되면 각각의 구동방식에

적합한 수식을 대입하여 부하토크를 계산한다 구동방식에 따른 부하토크를 구

하는 수식은 구동방식이나 구동장소 등에 따라 다소 상이하나 일반적인 수식은

다음과 같다

-BALL SCREW 구동

T FP2πn

μ F P2π

1i N ∙ m 43

F F mg sin α μ cos α N 44

-PULLEY 구동

T ∙ 45

μF D

2i N ∙ m

- 41 -

-WIRE middot BELT 구동 RACK middot PINION 구동

T F2πn

∙ πDi

FD2ni

N ∙ m 46

F F mg sin α μ cos s N 47

-실측에 의한 방법

T 48

직선운동 (커플링 직결 볼스크류 등)의 경우 위의 (43) (44) 이용하여 구할

수 있다 이때 F 는 축방향하중 F0 는 예압하중 μ0는 예압 NUT 의 마찰계수 η 은

효율i 는 감속비 PB 는볼스크류 피치를 나타낸다 회전운동 (풀리)의 경우 식

(45)를 이용하여 구할 수 있으며 FA는 외력 FB는 부하중량 (주축이 회전하기 시

작할 때의 힘) m 은 work 와 TABLE 의 총무계 μ 접동면의 마찰계수α는 경사각

도D 는 풀리의 지름을 나타낸다

실제현장에서는 선정된 모터의 토크를 확인하기 위해 실측에 의한 구동토크

를 계측하는데 스프링 저울을 구동 풀리에 연결지어 측정한다 이때 TL 은 회전

운동 부하토크에 해당하고 FB 는 부하중량 D 는 풀리의 직경을 나타낸다

위의 부하토크를 구하는 식들을 이용하여 부하토크를 구하게 되면 실제 모

터를 사용할 때 어느 정도의 시간적 여유를 두고 가속을 할 것인지 감속을 할

것인지를 결정하여야 한다 이를 위해서 우선 동작시킬 부분에 대한 관성모멘트

를 계산하

Fig 4-4

시한 것으로

dA 와 기준

이를 표현하

하여야 한다

4 는 관성모멘

로 X 와 Y

준축으로 부터

하면 식 (49)

Fig 4-4 Arb

I

멘트를 구하기

는 면적의 미

터의 거리의

)와 같다

- 42 -

bitrary shape o

y dA I

기 위한 절대

미소 요소 dA

제곱의 곱으

of planar area

x dA

대좌표 X Y

A 의 좌표이

으로 단면 2

축 상의 미소

이고 관성모멘

차 모멘트라

49

소면적을 도

멘트는 요소

라고도 한다

평면 면

가 있다 평

축에 대한

Fig 4-5

하는 평행한

관성모멘

식 (410

번째 적분은

면적의 관성

평행축 정리란

관성 모멘트

5 과 같이 도

한 xy 축 두

멘트의 정의로

I y

0) 에서 우변

은 Xc 축에

Fig 4-5

모멘트에 있

란 도심축에

트 사이의 관

도심을 원점으

좌표계의 평

로부터 x 축

y d dA

변의 첫 번째

대한 1 차 모

- 43 -

5 Parallel-axis

있어서 중요하

대한 관성

계를 나타낸

으로 하는 Xc

평행한 축 간

축에 대한 관

y dA

적분은 Xc

모멘트로서 X

theorem

하고 유용한

모멘트와 도

낸다

cYc 축과 임의

간의 거리를 d

성모멘트 Ix

2d y dA

축에 대한 관

Xc 축이 도심

정리로서 평

도심축에 평행

의의 점 O 를

d1 과 d2 로 표

는 식(410)와

d dA

관성모멘트

심을 통과하므

평행축 정리

행한 임의의

를 원점으로

표시한다

와 같다

410

I 이다 두

므로 적분의

- 44 -

값은 0 이다 세번째 적분은 면적 A 그 자체이다 따라서 식 (410)은 식 (411)과

같이 간단해진다

I I Ad 411

y 축에 대한 관성모멘트도 위와 같은 방법에 의해 식(412)과 같다

I I Ad 412

또한 면적의 평면에 수직인 수직축에 대한 관성모멘트를 극관성모멘트라 한

다 Fig 4-6 는 평면에 수직이고 O 점을 통과하는 축에 대한 극관성모멘트를 나

타낸 그림으로 이를 관성모멘트 식으로 표현하면 식 (413) 와 같다

I ρ dA 413

식 (413)와

즉 평면에

서로 수직인

극 관성

와 도심 C

와 식 (414)에

I

수직인 축에

인 두 축에 대

성모멘트에 대

에 대한 극

Fig 4-6 Arb

의해 식 (4

ρ dA

I

에 대한 극관

대한 관성모

대한 평행축

극 관성모멘트

- 45 -

bitrary shape o

ρ x y

415) 식 (41

x y dA

I I I

관성모멘트는

멘트의 합과

정리는 Fig

트를 각각 I

of Polar Area

y

16)과 같은 관

x dA y

는 평면 내의

과 같다

4-5 에서 유

와 I 로

관계식을 얻을

y dA

같은 지점을

유도할 수 있

로 표시하면

414

을 수 있다

415

416

을 통과하는

있다 원점 O

식 (416)에

- 46 -

서 식(417)을 유도할 수 있다

I I I I I I 417

I I I I A d d 418

I I Ad 419

식 (419)는 극 관성모멘트에 대한 평행축 정리를 나타낸다 즉 평면 내의 임의

의 한 점 O 에 대한 면적의 극관성모멘트는 도심 C 에 대한 극관성모멘트에 그

면적과 점 O 와 C 사이의 거리의 제곱의 곱을 더한 것과 같다

이상의 식에서 부하토크와 관성모멘트를 계산하여 모터를 가 선정한다 부하토

크의 경우 사용될 모터의 정격 토크를 넘어서지 않는 것을 선정한다 부하토크

를 TL 정상 부하 상태의 힘 PL 극 관성모멘트 IL 회전운동을 위한 힘 Pa 각속

도 가속 시 소요되는 시간을 ta 라 하고 식 (420)을 이용하여 부하가 일정하

게 작용할 때의 힘을 계산한다 마찬가지로 관성모멘트를 식 (421)에 대입하여

가속을 위한 회전 운동 시 필요한 힘을 계산한다 식 (420)과 식 (421)에서 계

산된 힘을 합산하면 모터를 회전시키기 위해 필요한 출력이 계산된다 이때 계

산된 출력보다 실제 사용할 모터의 정격 출력이 1~2 배 정도가 되도록 모터를

가 선정한다

- 47 -

P T ω 420

P 421

위의 과정을 통하여 모터를 가선정하고 가감속 토크 및 구동 토크를 계산한

다 각각의 토크를 계산하게 되면 모터를 최종적으로 선정하게 되는데 두 가지

사항을 고려하여 최종 선정한다 먼저 식 (422)을 통해서 계산되는 가속 시 소

요되는 기동 토크 TM 가 모터의 최대 토크를 넘지 않는 것으로 선정한다

T 422

두 번째로 Fig 4-7 의 속도 선도와 같이 모터의 가 감속 시간과 정상 동작

시간 등을 결정하여 식 (423)과 같이 실효치 토크 TS 를 구하고 실효 토크가 모

터의 정격 토크보다 크지 않도록 선정한다

T 423

Fig 4-7 Exa

- 48 -

ample of veloc

city guidance

- 49 -

(3) 알고리즘 적용

로봇시스템에 있어서 기구들의 관성모멘트와 토크 계산 후 적합한 모터를

선정하기 위해 시중에서 시판되는 모터를 조사하였다 로봇에 적용 가능한 모터

로는 크게 서버모터와 스텝모터 RC 서버모터 DC 모터로 구분 할 수 있었다 이

를 TABLE 4-1 과 같이 정리하였다

동력원의 6 가지 선정요소 중 우선순위를 부여하여 분류했을 때 핸드 그리퍼

의 특성상 가볍고 토크가 큰 RC 서버 모터 미니 서버모터를 선택할 수 도 있지

만 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터 중 토크를 증가시킬 수 있는

감속기가 있는 타입의 모터를 우선시 하였다

1 감속비를 사양할 수 있는 모터를 선정하여 계산한 토크를 확인한다

2 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터를 선정한다

3 CLOSED LOOP 제어를 통하여 정확한 위치를 검출할 수 있어야 한다

따라서 스텝모터중 lsquoOrsquo사의 ldquoαSTEPrdquo가 적합하다고 판단되어 모터를 선정하였다

- 50 -

TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics

미니서버모터 RC 서버모터 스텝모터 DC 모터

장점 동일사양대비 모터

중 10배정도 큰 토크

5v사용가벼움

정확한 위치제어

급격한 부하변동급가

속 유리

저렴한가격

보편화됨

단점 정지시 진동이 예상 약한 토크 THRUST하중이 모터

무계 이하여야 한다

유지보수가 잦다

크기 151588mm(10w20w)

2525111mm(30w)

392038mm 424234mm Oslash37mm917mm

동작전압 Dc 24V Dc 48V60V Dc 24V Dc 24V

무계 230g~400g 56g 150g 200g

허용토크 009Nm~03Nm 11~13kgfcm 18kgfcm (018Nm) 47kgfcm(1200)

감속기 다양한 감속비 가능 고정 감속기 감속기 무(072˚036) 다양한 감속비

제조사 야스카와 SGMM 하이텍 HS-5945 AUTONICS GCM 3429A

TABLE 4-2 αstep motor characteristics

외형 전압 전류 무계 토크 감속비 분해능

αSTEP 282884mm

4242127mm Dc24V 1~37A 250G 2~28 Nmiddotm 50~1001

00072pluse

00036pluse

- 51 -

43 1 차 능동형 그리퍼 설계

실린더를 사용하여 링크로 물체를 파지하던 그리퍼는 Fig 4-8 과 Fig 4-9 에

묘사하였다 이런 실린더를 사용한 그리퍼는 공압 효과를 도출할 수 있는 별도

의 펌프가 필요하고 동작을 구현할 수 있는 자유도를 증가시키는데 한계가 있

다 이런 실린더의 단점을 보완하고 전기모터의 장점을 사용하기 위해 웜기어와

웜휠 방식을 채택하여 2 자유도 능동형 그리퍼를 설계하였다

1 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-10 에 묘사하였으며 1 차설계한

능동형 그리퍼는 Two Fingertip Grasp 로 칭하겠다 파지한 물체를 회전 시키는

기능은 베벨기어를 사용하여 회전운동으로 구현하였고 실린더의 전middot후진 운동

을 전기모터의 회전운동으로 변환 시키기 위하여 웜기어와 웜휨을 선택하였다

전기모터에 의해 회전하는 운동은 웜기어와 웜휠에 의해 링크를 사용하여 물체

를 파지하였던 그리퍼와 동일한 운동효과를 가지게 되었다

웜기어와 웜휠을 사용하여 물체를 파지하는 능동형 그리퍼는 스윙형으로 설

계되었으며 파지력을 높이기 위한 각도를 적용하였다 링크를 사용하여 물체를

파지하는 형태의 그리퍼보다 기구의 크기를 줄일 수 있는 장점이 있는 반면 기

어들의 백래시에 의한 오차가 끝단에 누적될 수 있는 문제점을 가지고 있다또

한 기구부의 소재 변경으로 그리퍼의 무계를 줄일 수 도 있지만 가장 큰 무계

를 차지하는 모터를 그리퍼 자체에서 분리하게 할 수 있게 하려면 그리퍼 자체

의 구조변경이 필요하다

`

`

Fig 4-8 Par

Fig 4-9 Par

- 52 -

rallel-link gra

rallel-link gra

sps system 1

sps system 2

Fig 4-10

- 53 -

0 Two fingertipps grasp system

- 54 -

44 2 차 능동형 그리퍼 설계

1 차 설계한 능동형 그리퍼에서 발견된 문제점을 보안하기 위하여 2 차 능동

형 그리퍼를 설계하였다 2 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-11 에 묘사

하였으며 2 차설계한 능동형 그리퍼는 Four Fingertip Grasp 로 칭하겠다 이 장치

는 크게 동력원 동력 전달장치 핑거 그립장치로 구성되어있으며 이를 통합하

여 Fig 4-12 에 나타내었다

핑거 그립장치는 스윙형 그립의 단점을 보완하여 설계하였다 물체를 파지할

때 그립의 회전 반경이 주위 환경요소와 간섭을 발생시킬 수 있는데핑거가 전

진할때 샤프트와 핑거그립간의 나사결합형태를 통한 직선운동으로 개선하여 주

위환경요소에 영향을 주지 않도록 설계하였다 구동축의 핑거파지 메카니즘을

Fig 4-13 와 같이 간략화 하였고 이에 대한 세부 도면은 Fig 4-14 로 나타내었다

4 조 핑거 그립의 나사산과 테이퍼진 스크류축은 나사식으로 결합되며 상호

작용에 의해 점차 중심점으로 이동하여 물체를 파지하는 형태이다 사용된 2 개

의 샤프트는 중공축으로 설계하였으며 외부 샤프트는 4 조 핑거가 물체를 파지

하여 비트는 모션을 구현하는데 사용되었다 내부 샤프트는 핑거를 중심점으로

전진시켜는 기능을 수행한다 중공축으로 설계한 내부 샤프트는 차후 개발될 인

스트리먼트의 탈부착을 손쉽게 할수있도록 구현하였고 4 조로 설계된 핑거는 그

립시 인스트리먼트의 응력집중현상을 분산시키는 기능과 2 조로 그립하였을때

보다 안정적인 그립감을 형성한다

- 55 -

동력원과 동력전달장치는 Fig 4-15 에 나타내었으며 Two Fingertip Grasp system

의 문제점이었던 구동부의 모터의 설치 방법을 외부에 부착하는 형태로 변경하

여 우레탄 밸트를 사용하였다 또한 아이들러를 사용하여 밸트의 방향을 변경

하여 모터의 부착위치를 자유롭게 설정할 수 있도록 하였고 모터 브라켓에 슬

리브 홈을 설치하여 벨트의 장력을 조절할 수 있도록 하였다

Fig4-11

Fig4-12 Fou

- 56 -

Four fingertip

ur fingertips g

ps grasp system

grasp system la

m

ayout

Fig 4-13

Fig 4-14

- 57 -

Fingertip gra

4 Fingertip gr

asps mechanis

rasps extended

m

d

Fig 4-15

- 58 -

5 Power transmission devicce

- 59 -

제 5장 결 론

본 연구에서는 MIS 수술 로봇을 위한 햅틱 마스터장치 구동용 능동형 그리

퍼를 설계하기 위하여 그에 상응하는 자료 및 문헌 조사를 수행하였고 햅틱 마

스터에 적용 가능한 능동형 그리퍼를 설계하여 로봇 시스템의 초안을 구성하였

다 수술용 도구를 단순히 잡아주는 역할에서 벗어나 시스템에 추가적인 자유도

를 부여함으로써 그리퍼를 표현하였다 단순화된 그리퍼는 보다 저렴한 가격으

로 생산될 수 있으며 기존 로봇 수술시스템의 높은 비용을 절감할 수 있는 효

과를 가져올 수 있다

최종적으로 제안한 설계 안으로는 2 조 핑거그립를 사용하는 전기모터형 그

리퍼 와 추가적으로 개선한 4 조 전기모터형 핑거그립를 설계였다 스윙형 그립

의 단점을 보안하여 집중응력을 분산할 수 있는 구조로 설계하였고 그리퍼의

무계를 줄일 수 있는 방법을 제시하였다 이로써 원통형 도구 파지 시 안정성이

향상되었고 보다 원활하게 수술 도구를 교체 가능하도록 하였다

앞으로 촉감을 전달할 수 있는 센서의 개발로 햅틱 디바이스 인터페이스 장

치의 활용에 보다 높은 기여를 할 것이라 예상된다

-６０-

참고 문헌

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[2] 박정호 ldquo국내외 의료로봇 현황과 발전방향rdquo정보과학지 26(4)

PP49~5420084

[3] 편집부 ldquo수술지원로봇의 최신 기술 동향rdquo월간 자동화 기술 22(12)

PP74~77200612

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[5] 권동수경기욱 ldquo의료용 로봇의 연구 현황과 전망rdquo기계저널

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한국정밀공학회 2009년 추계학술대회 논문집

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[9] 이재훈김형욱이병주서일홍 ldquo새로운 6자유도 병렬형 햅틱 기구의 최적설

계 및 해석rdquo한국정밀공학회 2003년 추계학술대회 논문집

[10] 조국훈이재훈이병주김희국 ldquo병렬형 그리퍼 메카니즘rdquo한국정밀공학회지

[11] 김갑순 ldquo3축 힘센서를 이용한 지능형 그리퍼 개발rdquo한국정밀공학회지 제

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[12] 고대성김성목김희국이병주 ldquo병진형 자유도와 1자유도 파지기능을 가지는

4자유도 병렬 메커니즘의 기구학분석rdquo한국정밀공학회 2007년 추계학술대회

• 제1장 서 론
• • 11 연구배경 및 연구목적
  • 12 연구내용
  • • 제2장 로봇 산업의 기술 현황
    • • 21 로봇산업의 동향
      • 22 의료용 로봇기술 현황
      • 23 의료용 로봇시장 전망
      • • 제3장 능동 그리퍼
        • • 31 최소침습 수술 햅틱 장치구현에 필요한 능동 그리퍼 제안
          • 32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류
          • 33 파지형태에 의한 그리퍼의 분류
          • 34 메카니컬 핸드의 구속기능
          • 35 대표적인 동력원의 특징
          • • 제4장 능동형 그리퍼 설계
            • • 41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정
              • 42 모터 선정 알고리즘
              • • 43 1 차 능동형 그리퍼 설계
                • 44 2 차 능동형 그리퍼 설계
                • • 제 5 장 결론
                  • 참고문헌
                  • TABLE 2-1 Domestic robot classification
                  • TABLE 2-2 Robot Production Company
                  • TABLE 3-1 Characteristics of power sources
                  • TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics
                  • TABLE 4-2 αSTEP Motor Characteristics
                  • Fig2-1 Phase of medical robots in the robot industry
                  • Fig2-2 Da Vinci surgical case number
                  • Fig3-1 Da Vinci robot system for MIS
                  • Fig3-2 Classified by the gripper grip action
                  • Fig3-3 Swing-type hand mechanism
                  • Fig3-4 Hand mechanism for translational type1 (parallel displacement)
                  • Fig3-5 Hand mechanism for translational type2 (Rack and pinion type)
                  • Fig3-6 Hand mechanism for three point pinch type
                  • Fig3-7 Movement of object
                  • Fig3-8 Contacts of the kind and the confining
                  • Fig3-9 Human Arm structure
                  • Fig4-1 Configuration of the fingers on robot gripper
                  • Fig4-2 Change the value of the angle of phage torque
                  • Fig4-3 Motor Selection Algorithm
                  • Fig4-4 Arbitrary Shape of Planar Area
                  • Fig4-5 Parallel-Axis Theorem
                  • Fig4-6 Arbitrary Shape of Polar Area
                  • Fig4-7 Example of Velocity Guidance
                  • Fig4-8 Parallel-link Grasp system 1
                  • Fig4-9 Parallel-link Grasp system 2
                  • Fig4-10 TWO Fingertip Grasp system
                  • Fig4-11 Four Fingertip Grasp System
                  • Fig4-12 Four Fingertip Grasp System layout
                  • Fig4-13 Fingertip Grasp Mechanism
                  • Fig4-14 Fingertip Grasp extended
                  • Fig4-15 Power Transmission Device

Fig 4-1

은 식을 통

각이 커짐을

움이 있고

Fig4-

에서 제 2 코

통해 구할 수

을 알 수 있다

최소 단위를

Fig4

-1 Configurati

코사인 법칙

있는데 이로

다 그러나 ℓ

를 1cm 로 하

-2 Change the

- 38 -

ion of the fing

을 이용하여

로부터 링크

ℓ3 가 1cm 인

하였기 때문에

e value of the a

gers on robot g

여 A 의 각을

길이 ℓ3 가

인 경우는 너

에 ℓ3 는 2cm

angle of phage

gripper

구하기 위해

작으면 작을

무 짧아서 파

로 결정하였

torque

해 (2) 와 같

을수록 A 의

파지의 어려

였다

42 모터

(1) 알고

앞 절에

여야 한다

는 모터의

이 작은 모

나 용량이

로 적절한

선정 알고

고리즘 정의

에서 설명한 기

로봇 팔에

선정은 동작

모터를 사용하

큰 모터를 사

모터의 선정

고리즘

기구들을 추

움직임을 전

작을 구현하는

하게 되면 기

사용하게 되

정이 중요하다

Fig 4-3 M

- 39 -

추후 로봇 시스

전달함에 있어

는데 중요한

기구의 원활한

면 모터의 외

다

Motor Selectio

스템에 적용을

어서 동력을

과제가 되겠

한 작동이 어

외형이 커지

on Algorithm

을 고려하여

공급과 제어

겠다 만일 토

려워지고 단

고 가격 또한

설계를 하

어를 수행하

토크나 용량

단순히 토크

한 증가하므

- 40 -

(2) 알고리즘 수행

모터를 선정하기 위해서 가장 우선적으로 해야 할 일은 기계구동부분을 결

정하고 구동부분을 어떠한 방식으로 작동을 시킬지 동작 패턴을 결정하여야 한

다 예를 들면 모터에서 나오는 힘을 받아서 볼 스크류를 이용하여 힘을 전달할

것인지 벨트 피니언 기어 혹은 풀리 등을 이용할 것인지를 결정하고 그에 따

른 적절한 구동방식을 결정한다 구동방식을 결정하게 되면 각각의 구동방식에

적합한 수식을 대입하여 부하토크를 계산한다 구동방식에 따른 부하토크를 구

하는 수식은 구동방식이나 구동장소 등에 따라 다소 상이하나 일반적인 수식은

다음과 같다

-BALL SCREW 구동

T FP2πn

μ F P2π

1i N ∙ m 43

F F mg sin α μ cos α N 44

-PULLEY 구동

T ∙ 45

μF D

2i N ∙ m

- 41 -

-WIRE middot BELT 구동 RACK middot PINION 구동

T F2πn

∙ πDi

FD2ni

N ∙ m 46

F F mg sin α μ cos s N 47

-실측에 의한 방법

T 48

직선운동 (커플링 직결 볼스크류 등)의 경우 위의 (43) (44) 이용하여 구할

수 있다 이때 F 는 축방향하중 F0 는 예압하중 μ0는 예압 NUT 의 마찰계수 η 은

효율i 는 감속비 PB 는볼스크류 피치를 나타낸다 회전운동 (풀리)의 경우 식

(45)를 이용하여 구할 수 있으며 FA는 외력 FB는 부하중량 (주축이 회전하기 시

작할 때의 힘) m 은 work 와 TABLE 의 총무계 μ 접동면의 마찰계수α는 경사각

도D 는 풀리의 지름을 나타낸다

실제현장에서는 선정된 모터의 토크를 확인하기 위해 실측에 의한 구동토크

를 계측하는데 스프링 저울을 구동 풀리에 연결지어 측정한다 이때 TL 은 회전

운동 부하토크에 해당하고 FB 는 부하중량 D 는 풀리의 직경을 나타낸다

위의 부하토크를 구하는 식들을 이용하여 부하토크를 구하게 되면 실제 모

터를 사용할 때 어느 정도의 시간적 여유를 두고 가속을 할 것인지 감속을 할

것인지를 결정하여야 한다 이를 위해서 우선 동작시킬 부분에 대한 관성모멘트

를 계산하

Fig 4-4

시한 것으로

dA 와 기준

이를 표현하

하여야 한다

4 는 관성모멘

로 X 와 Y

준축으로 부터

하면 식 (49)

Fig 4-4 Arb

I

멘트를 구하기

는 면적의 미

터의 거리의

)와 같다

- 42 -

bitrary shape o

y dA I

기 위한 절대

미소 요소 dA

제곱의 곱으

of planar area

x dA

대좌표 X Y

A 의 좌표이

으로 단면 2

축 상의 미소

이고 관성모멘

차 모멘트라

49

소면적을 도

멘트는 요소

라고도 한다

평면 면

가 있다 평

축에 대한

Fig 4-5

하는 평행한

관성모멘

식 (410

번째 적분은

면적의 관성

평행축 정리란

관성 모멘트

5 과 같이 도

한 xy 축 두

멘트의 정의로

I y

0) 에서 우변

은 Xc 축에

Fig 4-5

모멘트에 있

란 도심축에

트 사이의 관

도심을 원점으

좌표계의 평

로부터 x 축

y d dA

변의 첫 번째

대한 1 차 모

- 43 -

5 Parallel-axis

있어서 중요하

대한 관성

계를 나타낸

으로 하는 Xc

평행한 축 간

축에 대한 관

y dA

적분은 Xc

모멘트로서 X

theorem

하고 유용한

모멘트와 도

낸다

cYc 축과 임의

간의 거리를 d

성모멘트 Ix

2d y dA

축에 대한 관

Xc 축이 도심

정리로서 평

도심축에 평행

의의 점 O 를

d1 과 d2 로 표

는 식(410)와

d dA

관성모멘트

심을 통과하므

평행축 정리

행한 임의의

를 원점으로

표시한다

와 같다

410

I 이다 두

므로 적분의

- 44 -

값은 0 이다 세번째 적분은 면적 A 그 자체이다 따라서 식 (410)은 식 (411)과

같이 간단해진다

I I Ad 411

y 축에 대한 관성모멘트도 위와 같은 방법에 의해 식(412)과 같다

I I Ad 412

또한 면적의 평면에 수직인 수직축에 대한 관성모멘트를 극관성모멘트라 한

다 Fig 4-6 는 평면에 수직이고 O 점을 통과하는 축에 대한 극관성모멘트를 나

타낸 그림으로 이를 관성모멘트 식으로 표현하면 식 (413) 와 같다

I ρ dA 413

식 (413)와

즉 평면에

서로 수직인

극 관성

와 도심 C

와 식 (414)에

I

수직인 축에

인 두 축에 대

성모멘트에 대

에 대한 극

Fig 4-6 Arb

의해 식 (4

ρ dA

I

에 대한 극관

대한 관성모

대한 평행축

극 관성모멘트

- 45 -

bitrary shape o

ρ x y

415) 식 (41

x y dA

I I I

관성모멘트는

멘트의 합과

정리는 Fig

트를 각각 I

of Polar Area

y

16)과 같은 관

x dA y

는 평면 내의

과 같다

4-5 에서 유

와 I 로

관계식을 얻을

y dA

같은 지점을

유도할 수 있

로 표시하면

414

을 수 있다

415

416

을 통과하는

있다 원점 O

식 (416)에

- 46 -

서 식(417)을 유도할 수 있다

I I I I I I 417

I I I I A d d 418

I I Ad 419

식 (419)는 극 관성모멘트에 대한 평행축 정리를 나타낸다 즉 평면 내의 임의

의 한 점 O 에 대한 면적의 극관성모멘트는 도심 C 에 대한 극관성모멘트에 그

면적과 점 O 와 C 사이의 거리의 제곱의 곱을 더한 것과 같다

이상의 식에서 부하토크와 관성모멘트를 계산하여 모터를 가 선정한다 부하토

크의 경우 사용될 모터의 정격 토크를 넘어서지 않는 것을 선정한다 부하토크

를 TL 정상 부하 상태의 힘 PL 극 관성모멘트 IL 회전운동을 위한 힘 Pa 각속

도 가속 시 소요되는 시간을 ta 라 하고 식 (420)을 이용하여 부하가 일정하

게 작용할 때의 힘을 계산한다 마찬가지로 관성모멘트를 식 (421)에 대입하여

가속을 위한 회전 운동 시 필요한 힘을 계산한다 식 (420)과 식 (421)에서 계

산된 힘을 합산하면 모터를 회전시키기 위해 필요한 출력이 계산된다 이때 계

산된 출력보다 실제 사용할 모터의 정격 출력이 1~2 배 정도가 되도록 모터를

가 선정한다

- 47 -

P T ω 420

P 421

위의 과정을 통하여 모터를 가선정하고 가감속 토크 및 구동 토크를 계산한

다 각각의 토크를 계산하게 되면 모터를 최종적으로 선정하게 되는데 두 가지

사항을 고려하여 최종 선정한다 먼저 식 (422)을 통해서 계산되는 가속 시 소

요되는 기동 토크 TM 가 모터의 최대 토크를 넘지 않는 것으로 선정한다

T 422

두 번째로 Fig 4-7 의 속도 선도와 같이 모터의 가 감속 시간과 정상 동작

시간 등을 결정하여 식 (423)과 같이 실효치 토크 TS 를 구하고 실효 토크가 모

터의 정격 토크보다 크지 않도록 선정한다

T 423

Fig 4-7 Exa

- 48 -

ample of veloc

city guidance

- 49 -

(3) 알고리즘 적용

로봇시스템에 있어서 기구들의 관성모멘트와 토크 계산 후 적합한 모터를

선정하기 위해 시중에서 시판되는 모터를 조사하였다 로봇에 적용 가능한 모터

로는 크게 서버모터와 스텝모터 RC 서버모터 DC 모터로 구분 할 수 있었다 이

를 TABLE 4-1 과 같이 정리하였다

동력원의 6 가지 선정요소 중 우선순위를 부여하여 분류했을 때 핸드 그리퍼

의 특성상 가볍고 토크가 큰 RC 서버 모터 미니 서버모터를 선택할 수 도 있지

만 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터 중 토크를 증가시킬 수 있는

감속기가 있는 타입의 모터를 우선시 하였다

1 감속비를 사양할 수 있는 모터를 선정하여 계산한 토크를 확인한다

2 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터를 선정한다

3 CLOSED LOOP 제어를 통하여 정확한 위치를 검출할 수 있어야 한다

따라서 스텝모터중 lsquoOrsquo사의 ldquoαSTEPrdquo가 적합하다고 판단되어 모터를 선정하였다

- 50 -

TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics

미니서버모터 RC 서버모터 스텝모터 DC 모터

장점 동일사양대비 모터

중 10배정도 큰 토크

5v사용가벼움

정확한 위치제어

급격한 부하변동급가

속 유리

저렴한가격

보편화됨

단점 정지시 진동이 예상 약한 토크 THRUST하중이 모터

무계 이하여야 한다

유지보수가 잦다

크기 151588mm(10w20w)

2525111mm(30w)

392038mm 424234mm Oslash37mm917mm

동작전압 Dc 24V Dc 48V60V Dc 24V Dc 24V

무계 230g~400g 56g 150g 200g

허용토크 009Nm~03Nm 11~13kgfcm 18kgfcm (018Nm) 47kgfcm(1200)

감속기 다양한 감속비 가능 고정 감속기 감속기 무(072˚036) 다양한 감속비

제조사 야스카와 SGMM 하이텍 HS-5945 AUTONICS GCM 3429A

TABLE 4-2 αstep motor characteristics

외형 전압 전류 무계 토크 감속비 분해능

αSTEP 282884mm

4242127mm Dc24V 1~37A 250G 2~28 Nmiddotm 50~1001

00072pluse

00036pluse

- 51 -

43 1 차 능동형 그리퍼 설계

실린더를 사용하여 링크로 물체를 파지하던 그리퍼는 Fig 4-8 과 Fig 4-9 에

묘사하였다 이런 실린더를 사용한 그리퍼는 공압 효과를 도출할 수 있는 별도

의 펌프가 필요하고 동작을 구현할 수 있는 자유도를 증가시키는데 한계가 있

다 이런 실린더의 단점을 보완하고 전기모터의 장점을 사용하기 위해 웜기어와

웜휠 방식을 채택하여 2 자유도 능동형 그리퍼를 설계하였다

1 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-10 에 묘사하였으며 1 차설계한

능동형 그리퍼는 Two Fingertip Grasp 로 칭하겠다 파지한 물체를 회전 시키는

기능은 베벨기어를 사용하여 회전운동으로 구현하였고 실린더의 전middot후진 운동

을 전기모터의 회전운동으로 변환 시키기 위하여 웜기어와 웜휨을 선택하였다

전기모터에 의해 회전하는 운동은 웜기어와 웜휠에 의해 링크를 사용하여 물체

를 파지하였던 그리퍼와 동일한 운동효과를 가지게 되었다

웜기어와 웜휠을 사용하여 물체를 파지하는 능동형 그리퍼는 스윙형으로 설

계되었으며 파지력을 높이기 위한 각도를 적용하였다 링크를 사용하여 물체를

파지하는 형태의 그리퍼보다 기구의 크기를 줄일 수 있는 장점이 있는 반면 기

어들의 백래시에 의한 오차가 끝단에 누적될 수 있는 문제점을 가지고 있다또

한 기구부의 소재 변경으로 그리퍼의 무계를 줄일 수 도 있지만 가장 큰 무계

를 차지하는 모터를 그리퍼 자체에서 분리하게 할 수 있게 하려면 그리퍼 자체

의 구조변경이 필요하다

`

`

Fig 4-8 Par

Fig 4-9 Par

- 52 -

rallel-link gra

rallel-link gra

sps system 1

sps system 2

Fig 4-10

- 53 -

0 Two fingertipps grasp system

- 54 -

44 2 차 능동형 그리퍼 설계

1 차 설계한 능동형 그리퍼에서 발견된 문제점을 보안하기 위하여 2 차 능동

형 그리퍼를 설계하였다 2 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-11 에 묘사

하였으며 2 차설계한 능동형 그리퍼는 Four Fingertip Grasp 로 칭하겠다 이 장치

는 크게 동력원 동력 전달장치 핑거 그립장치로 구성되어있으며 이를 통합하

여 Fig 4-12 에 나타내었다

핑거 그립장치는 스윙형 그립의 단점을 보완하여 설계하였다 물체를 파지할

때 그립의 회전 반경이 주위 환경요소와 간섭을 발생시킬 수 있는데핑거가 전

진할때 샤프트와 핑거그립간의 나사결합형태를 통한 직선운동으로 개선하여 주

위환경요소에 영향을 주지 않도록 설계하였다 구동축의 핑거파지 메카니즘을

Fig 4-13 와 같이 간략화 하였고 이에 대한 세부 도면은 Fig 4-14 로 나타내었다

4 조 핑거 그립의 나사산과 테이퍼진 스크류축은 나사식으로 결합되며 상호

작용에 의해 점차 중심점으로 이동하여 물체를 파지하는 형태이다 사용된 2 개

의 샤프트는 중공축으로 설계하였으며 외부 샤프트는 4 조 핑거가 물체를 파지

하여 비트는 모션을 구현하는데 사용되었다 내부 샤프트는 핑거를 중심점으로

전진시켜는 기능을 수행한다 중공축으로 설계한 내부 샤프트는 차후 개발될 인

스트리먼트의 탈부착을 손쉽게 할수있도록 구현하였고 4 조로 설계된 핑거는 그

립시 인스트리먼트의 응력집중현상을 분산시키는 기능과 2 조로 그립하였을때

보다 안정적인 그립감을 형성한다

- 55 -

동력원과 동력전달장치는 Fig 4-15 에 나타내었으며 Two Fingertip Grasp system

의 문제점이었던 구동부의 모터의 설치 방법을 외부에 부착하는 형태로 변경하

여 우레탄 밸트를 사용하였다 또한 아이들러를 사용하여 밸트의 방향을 변경

하여 모터의 부착위치를 자유롭게 설정할 수 있도록 하였고 모터 브라켓에 슬

리브 홈을 설치하여 벨트의 장력을 조절할 수 있도록 하였다

Fig4-11

Fig4-12 Fou

- 56 -

Four fingertip

ur fingertips g

ps grasp system

grasp system la

m

ayout

Fig 4-13

Fig 4-14

- 57 -

Fingertip gra

4 Fingertip gr

asps mechanis

rasps extended

m

d

Fig 4-15

- 58 -

5 Power transmission devicce

- 59 -

제 5장 결 론

본 연구에서는 MIS 수술 로봇을 위한 햅틱 마스터장치 구동용 능동형 그리

퍼를 설계하기 위하여 그에 상응하는 자료 및 문헌 조사를 수행하였고 햅틱 마

스터에 적용 가능한 능동형 그리퍼를 설계하여 로봇 시스템의 초안을 구성하였

다 수술용 도구를 단순히 잡아주는 역할에서 벗어나 시스템에 추가적인 자유도

를 부여함으로써 그리퍼를 표현하였다 단순화된 그리퍼는 보다 저렴한 가격으

로 생산될 수 있으며 기존 로봇 수술시스템의 높은 비용을 절감할 수 있는 효

과를 가져올 수 있다

최종적으로 제안한 설계 안으로는 2 조 핑거그립를 사용하는 전기모터형 그

리퍼 와 추가적으로 개선한 4 조 전기모터형 핑거그립를 설계였다 스윙형 그립

의 단점을 보안하여 집중응력을 분산할 수 있는 구조로 설계하였고 그리퍼의

무계를 줄일 수 있는 방법을 제시하였다 이로써 원통형 도구 파지 시 안정성이

향상되었고 보다 원활하게 수술 도구를 교체 가능하도록 하였다

앞으로 촉감을 전달할 수 있는 센서의 개발로 햅틱 디바이스 인터페이스 장

치의 활용에 보다 높은 기여를 할 것이라 예상된다

-６０-

참고 문헌

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정보 및 제어부분 PP68~7020084

[2] 박정호 ldquo국내외 의료로봇 현황과 발전방향rdquo정보과학지 26(4)

PP49~5420084

[3] 편집부 ldquo수술지원로봇의 최신 기술 동향rdquo월간 자동화 기술 22(12)

PP74~77200612

[4] 경기욱박준석 ldquo햅틱스 기술개발 동향 및 연구전망rdquo전자통신경향분석

21(5)PP93~108200610

[5] 권동수경기욱 ldquo의료용 로봇의 연구 현황과 전망rdquo기계저널

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[6] Yoichi OGAHARA Yusuke KAWATO Kenjiro TAKEMURA Takashi MAENO

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[7] Ikuo Yamano Takashi Maeno ldquoFive-fingered Robot Hand using Ultrasonic Motors

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[8] 홍만복김광기 ldquo최소 침습수술로봇을위한 2-자유도 구형 메커니즘설계rdquo

한국정밀공학회 2009년 추계학술대회 논문집

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[9] 이재훈김형욱이병주서일홍 ldquo새로운 6자유도 병렬형 햅틱 기구의 최적설

계 및 해석rdquo한국정밀공학회 2003년 추계학술대회 논문집

[10] 조국훈이재훈이병주김희국 ldquo병렬형 그리퍼 메카니즘rdquo한국정밀공학회지

[11] 김갑순 ldquo3축 힘센서를 이용한 지능형 그리퍼 개발rdquo한국정밀공학회지 제

24권 제 3호 1999년

[12] 고대성김성목김희국이병주 ldquo병진형 자유도와 1자유도 파지기능을 가지는

4자유도 병렬 메커니즘의 기구학분석rdquo한국정밀공학회 2007년 추계학술대회

• 제1장 서 론
• • 11 연구배경 및 연구목적
  • 12 연구내용
  • • 제2장 로봇 산업의 기술 현황
    • • 21 로봇산업의 동향
      • 22 의료용 로봇기술 현황
      • 23 의료용 로봇시장 전망
      • • 제3장 능동 그리퍼
        • • 31 최소침습 수술 햅틱 장치구현에 필요한 능동 그리퍼 제안
          • 32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류
          • 33 파지형태에 의한 그리퍼의 분류
          • 34 메카니컬 핸드의 구속기능
          • 35 대표적인 동력원의 특징
          • • 제4장 능동형 그리퍼 설계
            • • 41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정
              • 42 모터 선정 알고리즘
              • • 43 1 차 능동형 그리퍼 설계
                • 44 2 차 능동형 그리퍼 설계
                • • 제 5 장 결론
                  • 참고문헌
                  • TABLE 2-1 Domestic robot classification
                  • TABLE 2-2 Robot Production Company
                  • TABLE 3-1 Characteristics of power sources
                  • TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics
                  • TABLE 4-2 αSTEP Motor Characteristics
                  • Fig2-1 Phase of medical robots in the robot industry
                  • Fig2-2 Da Vinci surgical case number
                  • Fig3-1 Da Vinci robot system for MIS
                  • Fig3-2 Classified by the gripper grip action
                  • Fig3-3 Swing-type hand mechanism
                  • Fig3-4 Hand mechanism for translational type1 (parallel displacement)
                  • Fig3-5 Hand mechanism for translational type2 (Rack and pinion type)
                  • Fig3-6 Hand mechanism for three point pinch type
                  • Fig3-7 Movement of object
                  • Fig3-8 Contacts of the kind and the confining
                  • Fig3-9 Human Arm structure
                  • Fig4-1 Configuration of the fingers on robot gripper
                  • Fig4-2 Change the value of the angle of phage torque
                  • Fig4-3 Motor Selection Algorithm
                  • Fig4-4 Arbitrary Shape of Planar Area
                  • Fig4-5 Parallel-Axis Theorem
                  • Fig4-6 Arbitrary Shape of Polar Area
                  • Fig4-7 Example of Velocity Guidance
                  • Fig4-8 Parallel-link Grasp system 1
                  • Fig4-9 Parallel-link Grasp system 2
                  • Fig4-10 TWO Fingertip Grasp system
                  • Fig4-11 Four Fingertip Grasp System
                  • Fig4-12 Four Fingertip Grasp System layout
                  • Fig4-13 Fingertip Grasp Mechanism
                  • Fig4-14 Fingertip Grasp extended
                  • Fig4-15 Power Transmission Device

42 모터

(1) 알고

앞 절에

여야 한다

는 모터의

이 작은 모

나 용량이

로 적절한

선정 알고

고리즘 정의

에서 설명한 기

로봇 팔에

선정은 동작

모터를 사용하

큰 모터를 사

모터의 선정

고리즘

기구들을 추

움직임을 전

작을 구현하는

하게 되면 기

사용하게 되

정이 중요하다

Fig 4-3 M

- 39 -

추후 로봇 시스

전달함에 있어

는데 중요한

기구의 원활한

면 모터의 외

다

Motor Selectio

스템에 적용을

어서 동력을

과제가 되겠

한 작동이 어

외형이 커지

on Algorithm

을 고려하여

공급과 제어

겠다 만일 토

려워지고 단

고 가격 또한

설계를 하

어를 수행하

토크나 용량

단순히 토크

한 증가하므

- 40 -

(2) 알고리즘 수행

모터를 선정하기 위해서 가장 우선적으로 해야 할 일은 기계구동부분을 결

정하고 구동부분을 어떠한 방식으로 작동을 시킬지 동작 패턴을 결정하여야 한

다 예를 들면 모터에서 나오는 힘을 받아서 볼 스크류를 이용하여 힘을 전달할

것인지 벨트 피니언 기어 혹은 풀리 등을 이용할 것인지를 결정하고 그에 따

른 적절한 구동방식을 결정한다 구동방식을 결정하게 되면 각각의 구동방식에

적합한 수식을 대입하여 부하토크를 계산한다 구동방식에 따른 부하토크를 구

하는 수식은 구동방식이나 구동장소 등에 따라 다소 상이하나 일반적인 수식은

다음과 같다

-BALL SCREW 구동

T FP2πn

μ F P2π

1i N ∙ m 43

F F mg sin α μ cos α N 44

-PULLEY 구동

T ∙ 45

μF D

2i N ∙ m

- 41 -

-WIRE middot BELT 구동 RACK middot PINION 구동

T F2πn

∙ πDi

FD2ni

N ∙ m 46

F F mg sin α μ cos s N 47

-실측에 의한 방법

T 48

직선운동 (커플링 직결 볼스크류 등)의 경우 위의 (43) (44) 이용하여 구할

수 있다 이때 F 는 축방향하중 F0 는 예압하중 μ0는 예압 NUT 의 마찰계수 η 은

효율i 는 감속비 PB 는볼스크류 피치를 나타낸다 회전운동 (풀리)의 경우 식

(45)를 이용하여 구할 수 있으며 FA는 외력 FB는 부하중량 (주축이 회전하기 시

작할 때의 힘) m 은 work 와 TABLE 의 총무계 μ 접동면의 마찰계수α는 경사각

도D 는 풀리의 지름을 나타낸다

실제현장에서는 선정된 모터의 토크를 확인하기 위해 실측에 의한 구동토크

를 계측하는데 스프링 저울을 구동 풀리에 연결지어 측정한다 이때 TL 은 회전

운동 부하토크에 해당하고 FB 는 부하중량 D 는 풀리의 직경을 나타낸다

위의 부하토크를 구하는 식들을 이용하여 부하토크를 구하게 되면 실제 모

터를 사용할 때 어느 정도의 시간적 여유를 두고 가속을 할 것인지 감속을 할

것인지를 결정하여야 한다 이를 위해서 우선 동작시킬 부분에 대한 관성모멘트

를 계산하

Fig 4-4

시한 것으로

dA 와 기준

이를 표현하

하여야 한다

4 는 관성모멘

로 X 와 Y

준축으로 부터

하면 식 (49)

Fig 4-4 Arb

I

멘트를 구하기

는 면적의 미

터의 거리의

)와 같다

- 42 -

bitrary shape o

y dA I

기 위한 절대

미소 요소 dA

제곱의 곱으

of planar area

x dA

대좌표 X Y

A 의 좌표이

으로 단면 2

축 상의 미소

이고 관성모멘

차 모멘트라

49

소면적을 도

멘트는 요소

라고도 한다

평면 면

가 있다 평

축에 대한

Fig 4-5

하는 평행한

관성모멘

식 (410

번째 적분은

면적의 관성

평행축 정리란

관성 모멘트

5 과 같이 도

한 xy 축 두

멘트의 정의로

I y

0) 에서 우변

은 Xc 축에

Fig 4-5

모멘트에 있

란 도심축에

트 사이의 관

도심을 원점으

좌표계의 평

로부터 x 축

y d dA

변의 첫 번째

대한 1 차 모

- 43 -

5 Parallel-axis

있어서 중요하

대한 관성

계를 나타낸

으로 하는 Xc

평행한 축 간

축에 대한 관

y dA

적분은 Xc

모멘트로서 X

theorem

하고 유용한

모멘트와 도

낸다

cYc 축과 임의

간의 거리를 d

성모멘트 Ix

2d y dA

축에 대한 관

Xc 축이 도심

정리로서 평

도심축에 평행

의의 점 O 를

d1 과 d2 로 표

는 식(410)와

d dA

관성모멘트

심을 통과하므

평행축 정리

행한 임의의

를 원점으로

표시한다

와 같다

410

I 이다 두

므로 적분의

- 44 -

값은 0 이다 세번째 적분은 면적 A 그 자체이다 따라서 식 (410)은 식 (411)과

같이 간단해진다

I I Ad 411

y 축에 대한 관성모멘트도 위와 같은 방법에 의해 식(412)과 같다

I I Ad 412

또한 면적의 평면에 수직인 수직축에 대한 관성모멘트를 극관성모멘트라 한

다 Fig 4-6 는 평면에 수직이고 O 점을 통과하는 축에 대한 극관성모멘트를 나

타낸 그림으로 이를 관성모멘트 식으로 표현하면 식 (413) 와 같다

I ρ dA 413

식 (413)와

즉 평면에

서로 수직인

극 관성

와 도심 C

와 식 (414)에

I

수직인 축에

인 두 축에 대

성모멘트에 대

에 대한 극

Fig 4-6 Arb

의해 식 (4

ρ dA

I

에 대한 극관

대한 관성모

대한 평행축

극 관성모멘트

- 45 -

bitrary shape o

ρ x y

415) 식 (41

x y dA

I I I

관성모멘트는

멘트의 합과

정리는 Fig

트를 각각 I

of Polar Area

y

16)과 같은 관

x dA y

는 평면 내의

과 같다

4-5 에서 유

와 I 로

관계식을 얻을

y dA

같은 지점을

유도할 수 있

로 표시하면

414

을 수 있다

415

416

을 통과하는

있다 원점 O

식 (416)에

- 46 -

서 식(417)을 유도할 수 있다

I I I I I I 417

I I I I A d d 418

I I Ad 419

식 (419)는 극 관성모멘트에 대한 평행축 정리를 나타낸다 즉 평면 내의 임의

의 한 점 O 에 대한 면적의 극관성모멘트는 도심 C 에 대한 극관성모멘트에 그

면적과 점 O 와 C 사이의 거리의 제곱의 곱을 더한 것과 같다

이상의 식에서 부하토크와 관성모멘트를 계산하여 모터를 가 선정한다 부하토

크의 경우 사용될 모터의 정격 토크를 넘어서지 않는 것을 선정한다 부하토크

를 TL 정상 부하 상태의 힘 PL 극 관성모멘트 IL 회전운동을 위한 힘 Pa 각속

도 가속 시 소요되는 시간을 ta 라 하고 식 (420)을 이용하여 부하가 일정하

게 작용할 때의 힘을 계산한다 마찬가지로 관성모멘트를 식 (421)에 대입하여

가속을 위한 회전 운동 시 필요한 힘을 계산한다 식 (420)과 식 (421)에서 계

산된 힘을 합산하면 모터를 회전시키기 위해 필요한 출력이 계산된다 이때 계

산된 출력보다 실제 사용할 모터의 정격 출력이 1~2 배 정도가 되도록 모터를

가 선정한다

- 47 -

P T ω 420

P 421

위의 과정을 통하여 모터를 가선정하고 가감속 토크 및 구동 토크를 계산한

다 각각의 토크를 계산하게 되면 모터를 최종적으로 선정하게 되는데 두 가지

사항을 고려하여 최종 선정한다 먼저 식 (422)을 통해서 계산되는 가속 시 소

요되는 기동 토크 TM 가 모터의 최대 토크를 넘지 않는 것으로 선정한다

T 422

두 번째로 Fig 4-7 의 속도 선도와 같이 모터의 가 감속 시간과 정상 동작

시간 등을 결정하여 식 (423)과 같이 실효치 토크 TS 를 구하고 실효 토크가 모

터의 정격 토크보다 크지 않도록 선정한다

T 423

Fig 4-7 Exa

- 48 -

ample of veloc

city guidance

- 49 -

(3) 알고리즘 적용

로봇시스템에 있어서 기구들의 관성모멘트와 토크 계산 후 적합한 모터를

선정하기 위해 시중에서 시판되는 모터를 조사하였다 로봇에 적용 가능한 모터

로는 크게 서버모터와 스텝모터 RC 서버모터 DC 모터로 구분 할 수 있었다 이

를 TABLE 4-1 과 같이 정리하였다

동력원의 6 가지 선정요소 중 우선순위를 부여하여 분류했을 때 핸드 그리퍼

의 특성상 가볍고 토크가 큰 RC 서버 모터 미니 서버모터를 선택할 수 도 있지

만 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터 중 토크를 증가시킬 수 있는

감속기가 있는 타입의 모터를 우선시 하였다

1 감속비를 사양할 수 있는 모터를 선정하여 계산한 토크를 확인한다

2 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터를 선정한다

3 CLOSED LOOP 제어를 통하여 정확한 위치를 검출할 수 있어야 한다

따라서 스텝모터중 lsquoOrsquo사의 ldquoαSTEPrdquo가 적합하다고 판단되어 모터를 선정하였다

- 50 -

TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics

미니서버모터 RC 서버모터 스텝모터 DC 모터

장점 동일사양대비 모터

중 10배정도 큰 토크

5v사용가벼움

정확한 위치제어

급격한 부하변동급가

속 유리

저렴한가격

보편화됨

단점 정지시 진동이 예상 약한 토크 THRUST하중이 모터

무계 이하여야 한다

유지보수가 잦다

크기 151588mm(10w20w)

2525111mm(30w)

392038mm 424234mm Oslash37mm917mm

동작전압 Dc 24V Dc 48V60V Dc 24V Dc 24V

무계 230g~400g 56g 150g 200g

허용토크 009Nm~03Nm 11~13kgfcm 18kgfcm (018Nm) 47kgfcm(1200)

감속기 다양한 감속비 가능 고정 감속기 감속기 무(072˚036) 다양한 감속비

제조사 야스카와 SGMM 하이텍 HS-5945 AUTONICS GCM 3429A

TABLE 4-2 αstep motor characteristics

외형 전압 전류 무계 토크 감속비 분해능

αSTEP 282884mm

4242127mm Dc24V 1~37A 250G 2~28 Nmiddotm 50~1001

00072pluse

00036pluse

- 51 -

43 1 차 능동형 그리퍼 설계

실린더를 사용하여 링크로 물체를 파지하던 그리퍼는 Fig 4-8 과 Fig 4-9 에

묘사하였다 이런 실린더를 사용한 그리퍼는 공압 효과를 도출할 수 있는 별도

의 펌프가 필요하고 동작을 구현할 수 있는 자유도를 증가시키는데 한계가 있

다 이런 실린더의 단점을 보완하고 전기모터의 장점을 사용하기 위해 웜기어와

웜휠 방식을 채택하여 2 자유도 능동형 그리퍼를 설계하였다

1 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-10 에 묘사하였으며 1 차설계한

능동형 그리퍼는 Two Fingertip Grasp 로 칭하겠다 파지한 물체를 회전 시키는

기능은 베벨기어를 사용하여 회전운동으로 구현하였고 실린더의 전middot후진 운동

을 전기모터의 회전운동으로 변환 시키기 위하여 웜기어와 웜휨을 선택하였다

전기모터에 의해 회전하는 운동은 웜기어와 웜휠에 의해 링크를 사용하여 물체

를 파지하였던 그리퍼와 동일한 운동효과를 가지게 되었다

웜기어와 웜휠을 사용하여 물체를 파지하는 능동형 그리퍼는 스윙형으로 설

계되었으며 파지력을 높이기 위한 각도를 적용하였다 링크를 사용하여 물체를

파지하는 형태의 그리퍼보다 기구의 크기를 줄일 수 있는 장점이 있는 반면 기

어들의 백래시에 의한 오차가 끝단에 누적될 수 있는 문제점을 가지고 있다또

한 기구부의 소재 변경으로 그리퍼의 무계를 줄일 수 도 있지만 가장 큰 무계

를 차지하는 모터를 그리퍼 자체에서 분리하게 할 수 있게 하려면 그리퍼 자체

의 구조변경이 필요하다

`

`

Fig 4-8 Par

Fig 4-9 Par

- 52 -

rallel-link gra

rallel-link gra

sps system 1

sps system 2

Fig 4-10

- 53 -

0 Two fingertipps grasp system

- 54 -

44 2 차 능동형 그리퍼 설계

1 차 설계한 능동형 그리퍼에서 발견된 문제점을 보안하기 위하여 2 차 능동

형 그리퍼를 설계하였다 2 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-11 에 묘사

하였으며 2 차설계한 능동형 그리퍼는 Four Fingertip Grasp 로 칭하겠다 이 장치

는 크게 동력원 동력 전달장치 핑거 그립장치로 구성되어있으며 이를 통합하

여 Fig 4-12 에 나타내었다

핑거 그립장치는 스윙형 그립의 단점을 보완하여 설계하였다 물체를 파지할

때 그립의 회전 반경이 주위 환경요소와 간섭을 발생시킬 수 있는데핑거가 전

진할때 샤프트와 핑거그립간의 나사결합형태를 통한 직선운동으로 개선하여 주

위환경요소에 영향을 주지 않도록 설계하였다 구동축의 핑거파지 메카니즘을

Fig 4-13 와 같이 간략화 하였고 이에 대한 세부 도면은 Fig 4-14 로 나타내었다

4 조 핑거 그립의 나사산과 테이퍼진 스크류축은 나사식으로 결합되며 상호

작용에 의해 점차 중심점으로 이동하여 물체를 파지하는 형태이다 사용된 2 개

의 샤프트는 중공축으로 설계하였으며 외부 샤프트는 4 조 핑거가 물체를 파지

하여 비트는 모션을 구현하는데 사용되었다 내부 샤프트는 핑거를 중심점으로

전진시켜는 기능을 수행한다 중공축으로 설계한 내부 샤프트는 차후 개발될 인

스트리먼트의 탈부착을 손쉽게 할수있도록 구현하였고 4 조로 설계된 핑거는 그

립시 인스트리먼트의 응력집중현상을 분산시키는 기능과 2 조로 그립하였을때

보다 안정적인 그립감을 형성한다

- 55 -

동력원과 동력전달장치는 Fig 4-15 에 나타내었으며 Two Fingertip Grasp system

의 문제점이었던 구동부의 모터의 설치 방법을 외부에 부착하는 형태로 변경하

여 우레탄 밸트를 사용하였다 또한 아이들러를 사용하여 밸트의 방향을 변경

하여 모터의 부착위치를 자유롭게 설정할 수 있도록 하였고 모터 브라켓에 슬

리브 홈을 설치하여 벨트의 장력을 조절할 수 있도록 하였다

Fig4-11

Fig4-12 Fou

- 56 -

Four fingertip

ur fingertips g

ps grasp system

grasp system la

m

ayout

Fig 4-13

Fig 4-14

- 57 -

Fingertip gra

4 Fingertip gr

asps mechanis

rasps extended

m

d

Fig 4-15

- 58 -

5 Power transmission devicce

- 59 -

제 5장 결 론

본 연구에서는 MIS 수술 로봇을 위한 햅틱 마스터장치 구동용 능동형 그리

퍼를 설계하기 위하여 그에 상응하는 자료 및 문헌 조사를 수행하였고 햅틱 마

스터에 적용 가능한 능동형 그리퍼를 설계하여 로봇 시스템의 초안을 구성하였

다 수술용 도구를 단순히 잡아주는 역할에서 벗어나 시스템에 추가적인 자유도

를 부여함으로써 그리퍼를 표현하였다 단순화된 그리퍼는 보다 저렴한 가격으

로 생산될 수 있으며 기존 로봇 수술시스템의 높은 비용을 절감할 수 있는 효

과를 가져올 수 있다

최종적으로 제안한 설계 안으로는 2 조 핑거그립를 사용하는 전기모터형 그

리퍼 와 추가적으로 개선한 4 조 전기모터형 핑거그립를 설계였다 스윙형 그립

의 단점을 보안하여 집중응력을 분산할 수 있는 구조로 설계하였고 그리퍼의

무계를 줄일 수 있는 방법을 제시하였다 이로써 원통형 도구 파지 시 안정성이

향상되었고 보다 원활하게 수술 도구를 교체 가능하도록 하였다

앞으로 촉감을 전달할 수 있는 센서의 개발로 햅틱 디바이스 인터페이스 장

치의 활용에 보다 높은 기여를 할 것이라 예상된다

-６０-

참고 문헌

[1] 나군호 ldquo로봇수술의 현재와 미래rdquo대한전기학회 2008년도 학술대회 논문

정보 및 제어부분 PP68~7020084

[2] 박정호 ldquo국내외 의료로봇 현황과 발전방향rdquo정보과학지 26(4)

PP49~5420084

[3] 편집부 ldquo수술지원로봇의 최신 기술 동향rdquo월간 자동화 기술 22(12)

PP74~77200612

[4] 경기욱박준석 ldquo햅틱스 기술개발 동향 및 연구전망rdquo전자통신경향분석

21(5)PP93~108200610

[5] 권동수경기욱 ldquo의료용 로봇의 연구 현황과 전망rdquo기계저널

42(3)PP38~44200203

[6] Yoichi OGAHARA Yusuke KAWATO Kenjiro TAKEMURA Takashi MAENO

ldquoA Wire-Driven Miniature Five Fingerd Robot Hand using Elastic Elements as

Jointsrdquo Proceedings the 2003 IEEERSJ Intl Conferense on Intelligent Robots and

Systems

[7] Ikuo Yamano Takashi Maeno ldquoFive-fingered Robot Hand using Ultrasonic Motors

and Elastic Elementsrdquoproceedings the 2005 IEEE International Conference on

Robotics and Automaion

[8] 홍만복김광기 ldquo최소 침습수술로봇을위한 2-자유도 구형 메커니즘설계rdquo

한국정밀공학회 2009년 추계학술대회 논문집

-６１-

[9] 이재훈김형욱이병주서일홍 ldquo새로운 6자유도 병렬형 햅틱 기구의 최적설

계 및 해석rdquo한국정밀공학회 2003년 추계학술대회 논문집

[10] 조국훈이재훈이병주김희국 ldquo병렬형 그리퍼 메카니즘rdquo한국정밀공학회지

[11] 김갑순 ldquo3축 힘센서를 이용한 지능형 그리퍼 개발rdquo한국정밀공학회지 제

24권 제 3호 1999년

[12] 고대성김성목김희국이병주 ldquo병진형 자유도와 1자유도 파지기능을 가지는

4자유도 병렬 메커니즘의 기구학분석rdquo한국정밀공학회 2007년 추계학술대회

• 제1장 서 론
• • 11 연구배경 및 연구목적
  • 12 연구내용
  • • 제2장 로봇 산업의 기술 현황
    • • 21 로봇산업의 동향
      • 22 의료용 로봇기술 현황
      • 23 의료용 로봇시장 전망
      • • 제3장 능동 그리퍼
        • • 31 최소침습 수술 햅틱 장치구현에 필요한 능동 그리퍼 제안
          • 32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류
          • 33 파지형태에 의한 그리퍼의 분류
          • 34 메카니컬 핸드의 구속기능
          • 35 대표적인 동력원의 특징
          • • 제4장 능동형 그리퍼 설계
            • • 41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정
              • 42 모터 선정 알고리즘
              • • 43 1 차 능동형 그리퍼 설계
                • 44 2 차 능동형 그리퍼 설계
                • • 제 5 장 결론
                  • 참고문헌
                  • TABLE 2-1 Domestic robot classification
                  • TABLE 2-2 Robot Production Company
                  • TABLE 3-1 Characteristics of power sources
                  • TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics
                  • TABLE 4-2 αSTEP Motor Characteristics
                  • Fig2-1 Phase of medical robots in the robot industry
                  • Fig2-2 Da Vinci surgical case number
                  • Fig3-1 Da Vinci robot system for MIS
                  • Fig3-2 Classified by the gripper grip action
                  • Fig3-3 Swing-type hand mechanism
                  • Fig3-4 Hand mechanism for translational type1 (parallel displacement)
                  • Fig3-5 Hand mechanism for translational type2 (Rack and pinion type)
                  • Fig3-6 Hand mechanism for three point pinch type
                  • Fig3-7 Movement of object
                  • Fig3-8 Contacts of the kind and the confining
                  • Fig3-9 Human Arm structure
                  • Fig4-1 Configuration of the fingers on robot gripper
                  • Fig4-2 Change the value of the angle of phage torque
                  • Fig4-3 Motor Selection Algorithm
                  • Fig4-4 Arbitrary Shape of Planar Area
                  • Fig4-5 Parallel-Axis Theorem
                  • Fig4-6 Arbitrary Shape of Polar Area
                  • Fig4-7 Example of Velocity Guidance
                  • Fig4-8 Parallel-link Grasp system 1
                  • Fig4-9 Parallel-link Grasp system 2
                  • Fig4-10 TWO Fingertip Grasp system
                  • Fig4-11 Four Fingertip Grasp System
                  • Fig4-12 Four Fingertip Grasp System layout
                  • Fig4-13 Fingertip Grasp Mechanism
                  • Fig4-14 Fingertip Grasp extended
                  • Fig4-15 Power Transmission Device

- 40 -

(2) 알고리즘 수행

모터를 선정하기 위해서 가장 우선적으로 해야 할 일은 기계구동부분을 결

정하고 구동부분을 어떠한 방식으로 작동을 시킬지 동작 패턴을 결정하여야 한

다 예를 들면 모터에서 나오는 힘을 받아서 볼 스크류를 이용하여 힘을 전달할

것인지 벨트 피니언 기어 혹은 풀리 등을 이용할 것인지를 결정하고 그에 따

른 적절한 구동방식을 결정한다 구동방식을 결정하게 되면 각각의 구동방식에

적합한 수식을 대입하여 부하토크를 계산한다 구동방식에 따른 부하토크를 구

하는 수식은 구동방식이나 구동장소 등에 따라 다소 상이하나 일반적인 수식은

다음과 같다

-BALL SCREW 구동

T FP2πn

μ F P2π

1i N ∙ m 43

F F mg sin α μ cos α N 44

-PULLEY 구동

T ∙ 45

μF D

2i N ∙ m

- 41 -

-WIRE middot BELT 구동 RACK middot PINION 구동

T F2πn

∙ πDi

FD2ni

N ∙ m 46

F F mg sin α μ cos s N 47

-실측에 의한 방법

T 48

직선운동 (커플링 직결 볼스크류 등)의 경우 위의 (43) (44) 이용하여 구할

수 있다 이때 F 는 축방향하중 F0 는 예압하중 μ0는 예압 NUT 의 마찰계수 η 은

효율i 는 감속비 PB 는볼스크류 피치를 나타낸다 회전운동 (풀리)의 경우 식

(45)를 이용하여 구할 수 있으며 FA는 외력 FB는 부하중량 (주축이 회전하기 시

작할 때의 힘) m 은 work 와 TABLE 의 총무계 μ 접동면의 마찰계수α는 경사각

도D 는 풀리의 지름을 나타낸다

실제현장에서는 선정된 모터의 토크를 확인하기 위해 실측에 의한 구동토크

를 계측하는데 스프링 저울을 구동 풀리에 연결지어 측정한다 이때 TL 은 회전

운동 부하토크에 해당하고 FB 는 부하중량 D 는 풀리의 직경을 나타낸다

위의 부하토크를 구하는 식들을 이용하여 부하토크를 구하게 되면 실제 모

터를 사용할 때 어느 정도의 시간적 여유를 두고 가속을 할 것인지 감속을 할

것인지를 결정하여야 한다 이를 위해서 우선 동작시킬 부분에 대한 관성모멘트

를 계산하

Fig 4-4

시한 것으로

dA 와 기준

이를 표현하

하여야 한다

4 는 관성모멘

로 X 와 Y

준축으로 부터

하면 식 (49)

Fig 4-4 Arb

I

멘트를 구하기

는 면적의 미

터의 거리의

)와 같다

- 42 -

bitrary shape o

y dA I

기 위한 절대

미소 요소 dA

제곱의 곱으

of planar area

x dA

대좌표 X Y

A 의 좌표이

으로 단면 2

축 상의 미소

이고 관성모멘

차 모멘트라

49

소면적을 도

멘트는 요소

라고도 한다

평면 면

가 있다 평

축에 대한

Fig 4-5

하는 평행한

관성모멘

식 (410

번째 적분은

면적의 관성

평행축 정리란

관성 모멘트

5 과 같이 도

한 xy 축 두

멘트의 정의로

I y

0) 에서 우변

은 Xc 축에

Fig 4-5

모멘트에 있

란 도심축에

트 사이의 관

도심을 원점으

좌표계의 평

로부터 x 축

y d dA

변의 첫 번째

대한 1 차 모

- 43 -

5 Parallel-axis

있어서 중요하

대한 관성

계를 나타낸

으로 하는 Xc

평행한 축 간

축에 대한 관

y dA

적분은 Xc

모멘트로서 X

theorem

하고 유용한

모멘트와 도

낸다

cYc 축과 임의

간의 거리를 d

성모멘트 Ix

2d y dA

축에 대한 관

Xc 축이 도심

정리로서 평

도심축에 평행

의의 점 O 를

d1 과 d2 로 표

는 식(410)와

d dA

관성모멘트

심을 통과하므

평행축 정리

행한 임의의

를 원점으로

표시한다

와 같다

410

I 이다 두

므로 적분의

- 44 -

값은 0 이다 세번째 적분은 면적 A 그 자체이다 따라서 식 (410)은 식 (411)과

같이 간단해진다

I I Ad 411

y 축에 대한 관성모멘트도 위와 같은 방법에 의해 식(412)과 같다

I I Ad 412

또한 면적의 평면에 수직인 수직축에 대한 관성모멘트를 극관성모멘트라 한

다 Fig 4-6 는 평면에 수직이고 O 점을 통과하는 축에 대한 극관성모멘트를 나

타낸 그림으로 이를 관성모멘트 식으로 표현하면 식 (413) 와 같다

I ρ dA 413

식 (413)와

즉 평면에

서로 수직인

극 관성

와 도심 C

와 식 (414)에

I

수직인 축에

인 두 축에 대

성모멘트에 대

에 대한 극

Fig 4-6 Arb

의해 식 (4

ρ dA

I

에 대한 극관

대한 관성모

대한 평행축

극 관성모멘트

- 45 -

bitrary shape o

ρ x y

415) 식 (41

x y dA

I I I

관성모멘트는

멘트의 합과

정리는 Fig

트를 각각 I

of Polar Area

y

16)과 같은 관

x dA y

는 평면 내의

과 같다

4-5 에서 유

와 I 로

관계식을 얻을

y dA

같은 지점을

유도할 수 있

로 표시하면

414

을 수 있다

415

416

을 통과하는

있다 원점 O

식 (416)에

- 46 -

서 식(417)을 유도할 수 있다

I I I I I I 417

I I I I A d d 418

I I Ad 419

식 (419)는 극 관성모멘트에 대한 평행축 정리를 나타낸다 즉 평면 내의 임의

의 한 점 O 에 대한 면적의 극관성모멘트는 도심 C 에 대한 극관성모멘트에 그

면적과 점 O 와 C 사이의 거리의 제곱의 곱을 더한 것과 같다

이상의 식에서 부하토크와 관성모멘트를 계산하여 모터를 가 선정한다 부하토

크의 경우 사용될 모터의 정격 토크를 넘어서지 않는 것을 선정한다 부하토크

를 TL 정상 부하 상태의 힘 PL 극 관성모멘트 IL 회전운동을 위한 힘 Pa 각속

도 가속 시 소요되는 시간을 ta 라 하고 식 (420)을 이용하여 부하가 일정하

게 작용할 때의 힘을 계산한다 마찬가지로 관성모멘트를 식 (421)에 대입하여

가속을 위한 회전 운동 시 필요한 힘을 계산한다 식 (420)과 식 (421)에서 계

산된 힘을 합산하면 모터를 회전시키기 위해 필요한 출력이 계산된다 이때 계

산된 출력보다 실제 사용할 모터의 정격 출력이 1~2 배 정도가 되도록 모터를

가 선정한다

- 47 -

P T ω 420

P 421

위의 과정을 통하여 모터를 가선정하고 가감속 토크 및 구동 토크를 계산한

다 각각의 토크를 계산하게 되면 모터를 최종적으로 선정하게 되는데 두 가지

사항을 고려하여 최종 선정한다 먼저 식 (422)을 통해서 계산되는 가속 시 소

요되는 기동 토크 TM 가 모터의 최대 토크를 넘지 않는 것으로 선정한다

T 422

두 번째로 Fig 4-7 의 속도 선도와 같이 모터의 가 감속 시간과 정상 동작

시간 등을 결정하여 식 (423)과 같이 실효치 토크 TS 를 구하고 실효 토크가 모

터의 정격 토크보다 크지 않도록 선정한다

T 423

Fig 4-7 Exa

- 48 -

ample of veloc

city guidance

- 49 -

(3) 알고리즘 적용

로봇시스템에 있어서 기구들의 관성모멘트와 토크 계산 후 적합한 모터를

선정하기 위해 시중에서 시판되는 모터를 조사하였다 로봇에 적용 가능한 모터

로는 크게 서버모터와 스텝모터 RC 서버모터 DC 모터로 구분 할 수 있었다 이

를 TABLE 4-1 과 같이 정리하였다

동력원의 6 가지 선정요소 중 우선순위를 부여하여 분류했을 때 핸드 그리퍼

의 특성상 가볍고 토크가 큰 RC 서버 모터 미니 서버모터를 선택할 수 도 있지

만 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터 중 토크를 증가시킬 수 있는

감속기가 있는 타입의 모터를 우선시 하였다

1 감속비를 사양할 수 있는 모터를 선정하여 계산한 토크를 확인한다

2 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터를 선정한다

3 CLOSED LOOP 제어를 통하여 정확한 위치를 검출할 수 있어야 한다

따라서 스텝모터중 lsquoOrsquo사의 ldquoαSTEPrdquo가 적합하다고 판단되어 모터를 선정하였다

- 50 -

TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics

미니서버모터 RC 서버모터 스텝모터 DC 모터

장점 동일사양대비 모터

중 10배정도 큰 토크

5v사용가벼움

정확한 위치제어

급격한 부하변동급가

속 유리

저렴한가격

보편화됨

단점 정지시 진동이 예상 약한 토크 THRUST하중이 모터

무계 이하여야 한다

유지보수가 잦다

크기 151588mm(10w20w)

2525111mm(30w)

392038mm 424234mm Oslash37mm917mm

동작전압 Dc 24V Dc 48V60V Dc 24V Dc 24V

무계 230g~400g 56g 150g 200g

허용토크 009Nm~03Nm 11~13kgfcm 18kgfcm (018Nm) 47kgfcm(1200)

감속기 다양한 감속비 가능 고정 감속기 감속기 무(072˚036) 다양한 감속비

제조사 야스카와 SGMM 하이텍 HS-5945 AUTONICS GCM 3429A

TABLE 4-2 αstep motor characteristics

외형 전압 전류 무계 토크 감속비 분해능

αSTEP 282884mm

4242127mm Dc24V 1~37A 250G 2~28 Nmiddotm 50~1001

00072pluse

00036pluse

- 51 -

43 1 차 능동형 그리퍼 설계

실린더를 사용하여 링크로 물체를 파지하던 그리퍼는 Fig 4-8 과 Fig 4-9 에

묘사하였다 이런 실린더를 사용한 그리퍼는 공압 효과를 도출할 수 있는 별도

의 펌프가 필요하고 동작을 구현할 수 있는 자유도를 증가시키는데 한계가 있

다 이런 실린더의 단점을 보완하고 전기모터의 장점을 사용하기 위해 웜기어와

웜휠 방식을 채택하여 2 자유도 능동형 그리퍼를 설계하였다

1 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-10 에 묘사하였으며 1 차설계한

능동형 그리퍼는 Two Fingertip Grasp 로 칭하겠다 파지한 물체를 회전 시키는

기능은 베벨기어를 사용하여 회전운동으로 구현하였고 실린더의 전middot후진 운동

을 전기모터의 회전운동으로 변환 시키기 위하여 웜기어와 웜휨을 선택하였다

전기모터에 의해 회전하는 운동은 웜기어와 웜휠에 의해 링크를 사용하여 물체

를 파지하였던 그리퍼와 동일한 운동효과를 가지게 되었다

웜기어와 웜휠을 사용하여 물체를 파지하는 능동형 그리퍼는 스윙형으로 설

계되었으며 파지력을 높이기 위한 각도를 적용하였다 링크를 사용하여 물체를

파지하는 형태의 그리퍼보다 기구의 크기를 줄일 수 있는 장점이 있는 반면 기

어들의 백래시에 의한 오차가 끝단에 누적될 수 있는 문제점을 가지고 있다또

한 기구부의 소재 변경으로 그리퍼의 무계를 줄일 수 도 있지만 가장 큰 무계

를 차지하는 모터를 그리퍼 자체에서 분리하게 할 수 있게 하려면 그리퍼 자체

의 구조변경이 필요하다

`

`

Fig 4-8 Par

Fig 4-9 Par

- 52 -

rallel-link gra

rallel-link gra

sps system 1

sps system 2

Fig 4-10

- 53 -

0 Two fingertipps grasp system

- 54 -

44 2 차 능동형 그리퍼 설계

1 차 설계한 능동형 그리퍼에서 발견된 문제점을 보안하기 위하여 2 차 능동

형 그리퍼를 설계하였다 2 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-11 에 묘사

하였으며 2 차설계한 능동형 그리퍼는 Four Fingertip Grasp 로 칭하겠다 이 장치

는 크게 동력원 동력 전달장치 핑거 그립장치로 구성되어있으며 이를 통합하

여 Fig 4-12 에 나타내었다

핑거 그립장치는 스윙형 그립의 단점을 보완하여 설계하였다 물체를 파지할

때 그립의 회전 반경이 주위 환경요소와 간섭을 발생시킬 수 있는데핑거가 전

진할때 샤프트와 핑거그립간의 나사결합형태를 통한 직선운동으로 개선하여 주

위환경요소에 영향을 주지 않도록 설계하였다 구동축의 핑거파지 메카니즘을

Fig 4-13 와 같이 간략화 하였고 이에 대한 세부 도면은 Fig 4-14 로 나타내었다

4 조 핑거 그립의 나사산과 테이퍼진 스크류축은 나사식으로 결합되며 상호

작용에 의해 점차 중심점으로 이동하여 물체를 파지하는 형태이다 사용된 2 개

의 샤프트는 중공축으로 설계하였으며 외부 샤프트는 4 조 핑거가 물체를 파지

하여 비트는 모션을 구현하는데 사용되었다 내부 샤프트는 핑거를 중심점으로

전진시켜는 기능을 수행한다 중공축으로 설계한 내부 샤프트는 차후 개발될 인

스트리먼트의 탈부착을 손쉽게 할수있도록 구현하였고 4 조로 설계된 핑거는 그

립시 인스트리먼트의 응력집중현상을 분산시키는 기능과 2 조로 그립하였을때

보다 안정적인 그립감을 형성한다

- 55 -

동력원과 동력전달장치는 Fig 4-15 에 나타내었으며 Two Fingertip Grasp system

의 문제점이었던 구동부의 모터의 설치 방법을 외부에 부착하는 형태로 변경하

여 우레탄 밸트를 사용하였다 또한 아이들러를 사용하여 밸트의 방향을 변경

하여 모터의 부착위치를 자유롭게 설정할 수 있도록 하였고 모터 브라켓에 슬

리브 홈을 설치하여 벨트의 장력을 조절할 수 있도록 하였다

Fig4-11

Fig4-12 Fou

- 56 -

Four fingertip

ur fingertips g

ps grasp system

grasp system la

m

ayout

Fig 4-13

Fig 4-14

- 57 -

Fingertip gra

4 Fingertip gr

asps mechanis

rasps extended

m

d

Fig 4-15

- 58 -

5 Power transmission devicce

- 59 -

제 5장 결 론

본 연구에서는 MIS 수술 로봇을 위한 햅틱 마스터장치 구동용 능동형 그리

퍼를 설계하기 위하여 그에 상응하는 자료 및 문헌 조사를 수행하였고 햅틱 마

스터에 적용 가능한 능동형 그리퍼를 설계하여 로봇 시스템의 초안을 구성하였

다 수술용 도구를 단순히 잡아주는 역할에서 벗어나 시스템에 추가적인 자유도

를 부여함으로써 그리퍼를 표현하였다 단순화된 그리퍼는 보다 저렴한 가격으

로 생산될 수 있으며 기존 로봇 수술시스템의 높은 비용을 절감할 수 있는 효

과를 가져올 수 있다

최종적으로 제안한 설계 안으로는 2 조 핑거그립를 사용하는 전기모터형 그

리퍼 와 추가적으로 개선한 4 조 전기모터형 핑거그립를 설계였다 스윙형 그립

의 단점을 보안하여 집중응력을 분산할 수 있는 구조로 설계하였고 그리퍼의

무계를 줄일 수 있는 방법을 제시하였다 이로써 원통형 도구 파지 시 안정성이

향상되었고 보다 원활하게 수술 도구를 교체 가능하도록 하였다

앞으로 촉감을 전달할 수 있는 센서의 개발로 햅틱 디바이스 인터페이스 장

치의 활용에 보다 높은 기여를 할 것이라 예상된다

-６０-

참고 문헌

[1] 나군호 ldquo로봇수술의 현재와 미래rdquo대한전기학회 2008년도 학술대회 논문

정보 및 제어부분 PP68~7020084

[2] 박정호 ldquo국내외 의료로봇 현황과 발전방향rdquo정보과학지 26(4)

PP49~5420084

[3] 편집부 ldquo수술지원로봇의 최신 기술 동향rdquo월간 자동화 기술 22(12)

PP74~77200612

[4] 경기욱박준석 ldquo햅틱스 기술개발 동향 및 연구전망rdquo전자통신경향분석

21(5)PP93~108200610

[5] 권동수경기욱 ldquo의료용 로봇의 연구 현황과 전망rdquo기계저널

42(3)PP38~44200203

[6] Yoichi OGAHARA Yusuke KAWATO Kenjiro TAKEMURA Takashi MAENO

ldquoA Wire-Driven Miniature Five Fingerd Robot Hand using Elastic Elements as

Jointsrdquo Proceedings the 2003 IEEERSJ Intl Conferense on Intelligent Robots and

Systems

[7] Ikuo Yamano Takashi Maeno ldquoFive-fingered Robot Hand using Ultrasonic Motors

and Elastic Elementsrdquoproceedings the 2005 IEEE International Conference on

Robotics and Automaion

[8] 홍만복김광기 ldquo최소 침습수술로봇을위한 2-자유도 구형 메커니즘설계rdquo

한국정밀공학회 2009년 추계학술대회 논문집

-６１-

[9] 이재훈김형욱이병주서일홍 ldquo새로운 6자유도 병렬형 햅틱 기구의 최적설

계 및 해석rdquo한국정밀공학회 2003년 추계학술대회 논문집

[10] 조국훈이재훈이병주김희국 ldquo병렬형 그리퍼 메카니즘rdquo한국정밀공학회지

[11] 김갑순 ldquo3축 힘센서를 이용한 지능형 그리퍼 개발rdquo한국정밀공학회지 제

24권 제 3호 1999년

[12] 고대성김성목김희국이병주 ldquo병진형 자유도와 1자유도 파지기능을 가지는

4자유도 병렬 메커니즘의 기구학분석rdquo한국정밀공학회 2007년 추계학술대회

• 제1장 서 론
• • 11 연구배경 및 연구목적
  • 12 연구내용
  • • 제2장 로봇 산업의 기술 현황
    • • 21 로봇산업의 동향
      • 22 의료용 로봇기술 현황
      • 23 의료용 로봇시장 전망
      • • 제3장 능동 그리퍼
        • • 31 최소침습 수술 햅틱 장치구현에 필요한 능동 그리퍼 제안
          • 32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류
          • 33 파지형태에 의한 그리퍼의 분류
          • 34 메카니컬 핸드의 구속기능
          • 35 대표적인 동력원의 특징
          • • 제4장 능동형 그리퍼 설계
            • • 41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정
              • 42 모터 선정 알고리즘
              • • 43 1 차 능동형 그리퍼 설계
                • 44 2 차 능동형 그리퍼 설계
                • • 제 5 장 결론
                  • 참고문헌
                  • TABLE 2-1 Domestic robot classification
                  • TABLE 2-2 Robot Production Company
                  • TABLE 3-1 Characteristics of power sources
                  • TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics
                  • TABLE 4-2 αSTEP Motor Characteristics
                  • Fig2-1 Phase of medical robots in the robot industry
                  • Fig2-2 Da Vinci surgical case number
                  • Fig3-1 Da Vinci robot system for MIS
                  • Fig3-2 Classified by the gripper grip action
                  • Fig3-3 Swing-type hand mechanism
                  • Fig3-4 Hand mechanism for translational type1 (parallel displacement)
                  • Fig3-5 Hand mechanism for translational type2 (Rack and pinion type)
                  • Fig3-6 Hand mechanism for three point pinch type
                  • Fig3-7 Movement of object
                  • Fig3-8 Contacts of the kind and the confining
                  • Fig3-9 Human Arm structure
                  • Fig4-1 Configuration of the fingers on robot gripper
                  • Fig4-2 Change the value of the angle of phage torque
                  • Fig4-3 Motor Selection Algorithm
                  • Fig4-4 Arbitrary Shape of Planar Area
                  • Fig4-5 Parallel-Axis Theorem
                  • Fig4-6 Arbitrary Shape of Polar Area
                  • Fig4-7 Example of Velocity Guidance
                  • Fig4-8 Parallel-link Grasp system 1
                  • Fig4-9 Parallel-link Grasp system 2
                  • Fig4-10 TWO Fingertip Grasp system
                  • Fig4-11 Four Fingertip Grasp System
                  • Fig4-12 Four Fingertip Grasp System layout
                  • Fig4-13 Fingertip Grasp Mechanism
                  • Fig4-14 Fingertip Grasp extended
                  • Fig4-15 Power Transmission Device

- 41 -

-WIRE middot BELT 구동 RACK middot PINION 구동

T F2πn

∙ πDi

FD2ni

N ∙ m 46

F F mg sin α μ cos s N 47

-실측에 의한 방법

T 48

직선운동 (커플링 직결 볼스크류 등)의 경우 위의 (43) (44) 이용하여 구할

수 있다 이때 F 는 축방향하중 F0 는 예압하중 μ0는 예압 NUT 의 마찰계수 η 은

효율i 는 감속비 PB 는볼스크류 피치를 나타낸다 회전운동 (풀리)의 경우 식

(45)를 이용하여 구할 수 있으며 FA는 외력 FB는 부하중량 (주축이 회전하기 시

작할 때의 힘) m 은 work 와 TABLE 의 총무계 μ 접동면의 마찰계수α는 경사각

도D 는 풀리의 지름을 나타낸다

실제현장에서는 선정된 모터의 토크를 확인하기 위해 실측에 의한 구동토크

를 계측하는데 스프링 저울을 구동 풀리에 연결지어 측정한다 이때 TL 은 회전

운동 부하토크에 해당하고 FB 는 부하중량 D 는 풀리의 직경을 나타낸다

위의 부하토크를 구하는 식들을 이용하여 부하토크를 구하게 되면 실제 모

터를 사용할 때 어느 정도의 시간적 여유를 두고 가속을 할 것인지 감속을 할

것인지를 결정하여야 한다 이를 위해서 우선 동작시킬 부분에 대한 관성모멘트

를 계산하

Fig 4-4

시한 것으로

dA 와 기준

이를 표현하

하여야 한다

4 는 관성모멘

로 X 와 Y

준축으로 부터

하면 식 (49)

Fig 4-4 Arb

I

멘트를 구하기

는 면적의 미

터의 거리의

)와 같다

- 42 -

bitrary shape o

y dA I

기 위한 절대

미소 요소 dA

제곱의 곱으

of planar area

x dA

대좌표 X Y

A 의 좌표이

으로 단면 2

축 상의 미소

이고 관성모멘

차 모멘트라

49

소면적을 도

멘트는 요소

라고도 한다

평면 면

가 있다 평

축에 대한

Fig 4-5

하는 평행한

관성모멘

식 (410

번째 적분은

면적의 관성

평행축 정리란

관성 모멘트

5 과 같이 도

한 xy 축 두

멘트의 정의로

I y

0) 에서 우변

은 Xc 축에

Fig 4-5

모멘트에 있

란 도심축에

트 사이의 관

도심을 원점으

좌표계의 평

로부터 x 축

y d dA

변의 첫 번째

대한 1 차 모

- 43 -

5 Parallel-axis

있어서 중요하

대한 관성

계를 나타낸

으로 하는 Xc

평행한 축 간

축에 대한 관

y dA

적분은 Xc

모멘트로서 X

theorem

하고 유용한

모멘트와 도

낸다

cYc 축과 임의

간의 거리를 d

성모멘트 Ix

2d y dA

축에 대한 관

Xc 축이 도심

정리로서 평

도심축에 평행

의의 점 O 를

d1 과 d2 로 표

는 식(410)와

d dA

관성모멘트

심을 통과하므

평행축 정리

행한 임의의

를 원점으로

표시한다

와 같다

410

I 이다 두

므로 적분의

- 44 -

값은 0 이다 세번째 적분은 면적 A 그 자체이다 따라서 식 (410)은 식 (411)과

같이 간단해진다

I I Ad 411

y 축에 대한 관성모멘트도 위와 같은 방법에 의해 식(412)과 같다

I I Ad 412

또한 면적의 평면에 수직인 수직축에 대한 관성모멘트를 극관성모멘트라 한

다 Fig 4-6 는 평면에 수직이고 O 점을 통과하는 축에 대한 극관성모멘트를 나

타낸 그림으로 이를 관성모멘트 식으로 표현하면 식 (413) 와 같다

I ρ dA 413

식 (413)와

즉 평면에

서로 수직인

극 관성

와 도심 C

와 식 (414)에

I

수직인 축에

인 두 축에 대

성모멘트에 대

에 대한 극

Fig 4-6 Arb

의해 식 (4

ρ dA

I

에 대한 극관

대한 관성모

대한 평행축

극 관성모멘트

- 45 -

bitrary shape o

ρ x y

415) 식 (41

x y dA

I I I

관성모멘트는

멘트의 합과

정리는 Fig

트를 각각 I

of Polar Area

y

16)과 같은 관

x dA y

는 평면 내의

과 같다

4-5 에서 유

와 I 로

관계식을 얻을

y dA

같은 지점을

유도할 수 있

로 표시하면

414

을 수 있다

415

416

을 통과하는

있다 원점 O

식 (416)에

- 46 -

서 식(417)을 유도할 수 있다

I I I I I I 417

I I I I A d d 418

I I Ad 419

식 (419)는 극 관성모멘트에 대한 평행축 정리를 나타낸다 즉 평면 내의 임의

의 한 점 O 에 대한 면적의 극관성모멘트는 도심 C 에 대한 극관성모멘트에 그

면적과 점 O 와 C 사이의 거리의 제곱의 곱을 더한 것과 같다

이상의 식에서 부하토크와 관성모멘트를 계산하여 모터를 가 선정한다 부하토

크의 경우 사용될 모터의 정격 토크를 넘어서지 않는 것을 선정한다 부하토크

를 TL 정상 부하 상태의 힘 PL 극 관성모멘트 IL 회전운동을 위한 힘 Pa 각속

도 가속 시 소요되는 시간을 ta 라 하고 식 (420)을 이용하여 부하가 일정하

게 작용할 때의 힘을 계산한다 마찬가지로 관성모멘트를 식 (421)에 대입하여

가속을 위한 회전 운동 시 필요한 힘을 계산한다 식 (420)과 식 (421)에서 계

산된 힘을 합산하면 모터를 회전시키기 위해 필요한 출력이 계산된다 이때 계

산된 출력보다 실제 사용할 모터의 정격 출력이 1~2 배 정도가 되도록 모터를

가 선정한다

- 47 -

P T ω 420

P 421

위의 과정을 통하여 모터를 가선정하고 가감속 토크 및 구동 토크를 계산한

다 각각의 토크를 계산하게 되면 모터를 최종적으로 선정하게 되는데 두 가지

사항을 고려하여 최종 선정한다 먼저 식 (422)을 통해서 계산되는 가속 시 소

요되는 기동 토크 TM 가 모터의 최대 토크를 넘지 않는 것으로 선정한다

T 422

두 번째로 Fig 4-7 의 속도 선도와 같이 모터의 가 감속 시간과 정상 동작

시간 등을 결정하여 식 (423)과 같이 실효치 토크 TS 를 구하고 실효 토크가 모

터의 정격 토크보다 크지 않도록 선정한다

T 423

Fig 4-7 Exa

- 48 -

ample of veloc

city guidance

- 49 -

(3) 알고리즘 적용

로봇시스템에 있어서 기구들의 관성모멘트와 토크 계산 후 적합한 모터를

선정하기 위해 시중에서 시판되는 모터를 조사하였다 로봇에 적용 가능한 모터

로는 크게 서버모터와 스텝모터 RC 서버모터 DC 모터로 구분 할 수 있었다 이

를 TABLE 4-1 과 같이 정리하였다

동력원의 6 가지 선정요소 중 우선순위를 부여하여 분류했을 때 핸드 그리퍼

의 특성상 가볍고 토크가 큰 RC 서버 모터 미니 서버모터를 선택할 수 도 있지

만 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터 중 토크를 증가시킬 수 있는

감속기가 있는 타입의 모터를 우선시 하였다

1 감속비를 사양할 수 있는 모터를 선정하여 계산한 토크를 확인한다

2 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터를 선정한다

3 CLOSED LOOP 제어를 통하여 정확한 위치를 검출할 수 있어야 한다

따라서 스텝모터중 lsquoOrsquo사의 ldquoαSTEPrdquo가 적합하다고 판단되어 모터를 선정하였다

- 50 -

TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics

미니서버모터 RC 서버모터 스텝모터 DC 모터

장점 동일사양대비 모터

중 10배정도 큰 토크

5v사용가벼움

정확한 위치제어

급격한 부하변동급가

속 유리

저렴한가격

보편화됨

단점 정지시 진동이 예상 약한 토크 THRUST하중이 모터

무계 이하여야 한다

유지보수가 잦다

크기 151588mm(10w20w)

2525111mm(30w)

392038mm 424234mm Oslash37mm917mm

동작전압 Dc 24V Dc 48V60V Dc 24V Dc 24V

무계 230g~400g 56g 150g 200g

허용토크 009Nm~03Nm 11~13kgfcm 18kgfcm (018Nm) 47kgfcm(1200)

감속기 다양한 감속비 가능 고정 감속기 감속기 무(072˚036) 다양한 감속비

제조사 야스카와 SGMM 하이텍 HS-5945 AUTONICS GCM 3429A

TABLE 4-2 αstep motor characteristics

외형 전압 전류 무계 토크 감속비 분해능

αSTEP 282884mm

4242127mm Dc24V 1~37A 250G 2~28 Nmiddotm 50~1001

00072pluse

00036pluse

- 51 -

43 1 차 능동형 그리퍼 설계

실린더를 사용하여 링크로 물체를 파지하던 그리퍼는 Fig 4-8 과 Fig 4-9 에

묘사하였다 이런 실린더를 사용한 그리퍼는 공압 효과를 도출할 수 있는 별도

의 펌프가 필요하고 동작을 구현할 수 있는 자유도를 증가시키는데 한계가 있

다 이런 실린더의 단점을 보완하고 전기모터의 장점을 사용하기 위해 웜기어와

웜휠 방식을 채택하여 2 자유도 능동형 그리퍼를 설계하였다

1 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-10 에 묘사하였으며 1 차설계한

능동형 그리퍼는 Two Fingertip Grasp 로 칭하겠다 파지한 물체를 회전 시키는

기능은 베벨기어를 사용하여 회전운동으로 구현하였고 실린더의 전middot후진 운동

을 전기모터의 회전운동으로 변환 시키기 위하여 웜기어와 웜휨을 선택하였다

전기모터에 의해 회전하는 운동은 웜기어와 웜휠에 의해 링크를 사용하여 물체

를 파지하였던 그리퍼와 동일한 운동효과를 가지게 되었다

웜기어와 웜휠을 사용하여 물체를 파지하는 능동형 그리퍼는 스윙형으로 설

계되었으며 파지력을 높이기 위한 각도를 적용하였다 링크를 사용하여 물체를

파지하는 형태의 그리퍼보다 기구의 크기를 줄일 수 있는 장점이 있는 반면 기

어들의 백래시에 의한 오차가 끝단에 누적될 수 있는 문제점을 가지고 있다또

한 기구부의 소재 변경으로 그리퍼의 무계를 줄일 수 도 있지만 가장 큰 무계

를 차지하는 모터를 그리퍼 자체에서 분리하게 할 수 있게 하려면 그리퍼 자체

의 구조변경이 필요하다

`

`

Fig 4-8 Par

Fig 4-9 Par

- 52 -

rallel-link gra

rallel-link gra

sps system 1

sps system 2

Fig 4-10

- 53 -

0 Two fingertipps grasp system

- 54 -

44 2 차 능동형 그리퍼 설계

1 차 설계한 능동형 그리퍼에서 발견된 문제점을 보안하기 위하여 2 차 능동

형 그리퍼를 설계하였다 2 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-11 에 묘사

하였으며 2 차설계한 능동형 그리퍼는 Four Fingertip Grasp 로 칭하겠다 이 장치

는 크게 동력원 동력 전달장치 핑거 그립장치로 구성되어있으며 이를 통합하

여 Fig 4-12 에 나타내었다

핑거 그립장치는 스윙형 그립의 단점을 보완하여 설계하였다 물체를 파지할

때 그립의 회전 반경이 주위 환경요소와 간섭을 발생시킬 수 있는데핑거가 전

진할때 샤프트와 핑거그립간의 나사결합형태를 통한 직선운동으로 개선하여 주

위환경요소에 영향을 주지 않도록 설계하였다 구동축의 핑거파지 메카니즘을

Fig 4-13 와 같이 간략화 하였고 이에 대한 세부 도면은 Fig 4-14 로 나타내었다

4 조 핑거 그립의 나사산과 테이퍼진 스크류축은 나사식으로 결합되며 상호

작용에 의해 점차 중심점으로 이동하여 물체를 파지하는 형태이다 사용된 2 개

의 샤프트는 중공축으로 설계하였으며 외부 샤프트는 4 조 핑거가 물체를 파지

하여 비트는 모션을 구현하는데 사용되었다 내부 샤프트는 핑거를 중심점으로

전진시켜는 기능을 수행한다 중공축으로 설계한 내부 샤프트는 차후 개발될 인

스트리먼트의 탈부착을 손쉽게 할수있도록 구현하였고 4 조로 설계된 핑거는 그

립시 인스트리먼트의 응력집중현상을 분산시키는 기능과 2 조로 그립하였을때

보다 안정적인 그립감을 형성한다

- 55 -

동력원과 동력전달장치는 Fig 4-15 에 나타내었으며 Two Fingertip Grasp system

의 문제점이었던 구동부의 모터의 설치 방법을 외부에 부착하는 형태로 변경하

여 우레탄 밸트를 사용하였다 또한 아이들러를 사용하여 밸트의 방향을 변경

하여 모터의 부착위치를 자유롭게 설정할 수 있도록 하였고 모터 브라켓에 슬

리브 홈을 설치하여 벨트의 장력을 조절할 수 있도록 하였다

Fig4-11

Fig4-12 Fou

- 56 -

Four fingertip

ur fingertips g

ps grasp system

grasp system la

m

ayout

Fig 4-13

Fig 4-14

- 57 -

Fingertip gra

4 Fingertip gr

asps mechanis

rasps extended

m

d

Fig 4-15

- 58 -

5 Power transmission devicce

- 59 -

제 5장 결 론

본 연구에서는 MIS 수술 로봇을 위한 햅틱 마스터장치 구동용 능동형 그리

퍼를 설계하기 위하여 그에 상응하는 자료 및 문헌 조사를 수행하였고 햅틱 마

스터에 적용 가능한 능동형 그리퍼를 설계하여 로봇 시스템의 초안을 구성하였

다 수술용 도구를 단순히 잡아주는 역할에서 벗어나 시스템에 추가적인 자유도

를 부여함으로써 그리퍼를 표현하였다 단순화된 그리퍼는 보다 저렴한 가격으

로 생산될 수 있으며 기존 로봇 수술시스템의 높은 비용을 절감할 수 있는 효

과를 가져올 수 있다

최종적으로 제안한 설계 안으로는 2 조 핑거그립를 사용하는 전기모터형 그

리퍼 와 추가적으로 개선한 4 조 전기모터형 핑거그립를 설계였다 스윙형 그립

의 단점을 보안하여 집중응력을 분산할 수 있는 구조로 설계하였고 그리퍼의

무계를 줄일 수 있는 방법을 제시하였다 이로써 원통형 도구 파지 시 안정성이

향상되었고 보다 원활하게 수술 도구를 교체 가능하도록 하였다

앞으로 촉감을 전달할 수 있는 센서의 개발로 햅틱 디바이스 인터페이스 장

치의 활용에 보다 높은 기여를 할 것이라 예상된다

-６０-

참고 문헌

[1] 나군호 ldquo로봇수술의 현재와 미래rdquo대한전기학회 2008년도 학술대회 논문

정보 및 제어부분 PP68~7020084

[2] 박정호 ldquo국내외 의료로봇 현황과 발전방향rdquo정보과학지 26(4)

PP49~5420084

[3] 편집부 ldquo수술지원로봇의 최신 기술 동향rdquo월간 자동화 기술 22(12)

PP74~77200612

[4] 경기욱박준석 ldquo햅틱스 기술개발 동향 및 연구전망rdquo전자통신경향분석

21(5)PP93~108200610

[5] 권동수경기욱 ldquo의료용 로봇의 연구 현황과 전망rdquo기계저널

42(3)PP38~44200203

[6] Yoichi OGAHARA Yusuke KAWATO Kenjiro TAKEMURA Takashi MAENO

ldquoA Wire-Driven Miniature Five Fingerd Robot Hand using Elastic Elements as

Jointsrdquo Proceedings the 2003 IEEERSJ Intl Conferense on Intelligent Robots and

Systems

[7] Ikuo Yamano Takashi Maeno ldquoFive-fingered Robot Hand using Ultrasonic Motors

and Elastic Elementsrdquoproceedings the 2005 IEEE International Conference on

Robotics and Automaion

[8] 홍만복김광기 ldquo최소 침습수술로봇을위한 2-자유도 구형 메커니즘설계rdquo

한국정밀공학회 2009년 추계학술대회 논문집

-６１-

[9] 이재훈김형욱이병주서일홍 ldquo새로운 6자유도 병렬형 햅틱 기구의 최적설

계 및 해석rdquo한국정밀공학회 2003년 추계학술대회 논문집

[10] 조국훈이재훈이병주김희국 ldquo병렬형 그리퍼 메카니즘rdquo한국정밀공학회지

[11] 김갑순 ldquo3축 힘센서를 이용한 지능형 그리퍼 개발rdquo한국정밀공학회지 제

24권 제 3호 1999년

[12] 고대성김성목김희국이병주 ldquo병진형 자유도와 1자유도 파지기능을 가지는

4자유도 병렬 메커니즘의 기구학분석rdquo한국정밀공학회 2007년 추계학술대회

• 제1장 서 론
• • 11 연구배경 및 연구목적
  • 12 연구내용
  • • 제2장 로봇 산업의 기술 현황
    • • 21 로봇산업의 동향
      • 22 의료용 로봇기술 현황
      • 23 의료용 로봇시장 전망
      • • 제3장 능동 그리퍼
        • • 31 최소침습 수술 햅틱 장치구현에 필요한 능동 그리퍼 제안
          • 32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류
          • 33 파지형태에 의한 그리퍼의 분류
          • 34 메카니컬 핸드의 구속기능
          • 35 대표적인 동력원의 특징
          • • 제4장 능동형 그리퍼 설계
            • • 41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정
              • 42 모터 선정 알고리즘
              • • 43 1 차 능동형 그리퍼 설계
                • 44 2 차 능동형 그리퍼 설계
                • • 제 5 장 결론
                  • 참고문헌
                  • TABLE 2-1 Domestic robot classification
                  • TABLE 2-2 Robot Production Company
                  • TABLE 3-1 Characteristics of power sources
                  • TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics
                  • TABLE 4-2 αSTEP Motor Characteristics
                  • Fig2-1 Phase of medical robots in the robot industry
                  • Fig2-2 Da Vinci surgical case number
                  • Fig3-1 Da Vinci robot system for MIS
                  • Fig3-2 Classified by the gripper grip action
                  • Fig3-3 Swing-type hand mechanism
                  • Fig3-4 Hand mechanism for translational type1 (parallel displacement)
                  • Fig3-5 Hand mechanism for translational type2 (Rack and pinion type)
                  • Fig3-6 Hand mechanism for three point pinch type
                  • Fig3-7 Movement of object
                  • Fig3-8 Contacts of the kind and the confining
                  • Fig3-9 Human Arm structure
                  • Fig4-1 Configuration of the fingers on robot gripper
                  • Fig4-2 Change the value of the angle of phage torque
                  • Fig4-3 Motor Selection Algorithm
                  • Fig4-4 Arbitrary Shape of Planar Area
                  • Fig4-5 Parallel-Axis Theorem
                  • Fig4-6 Arbitrary Shape of Polar Area
                  • Fig4-7 Example of Velocity Guidance
                  • Fig4-8 Parallel-link Grasp system 1
                  • Fig4-9 Parallel-link Grasp system 2
                  • Fig4-10 TWO Fingertip Grasp system
                  • Fig4-11 Four Fingertip Grasp System
                  • Fig4-12 Four Fingertip Grasp System layout
                  • Fig4-13 Fingertip Grasp Mechanism
                  • Fig4-14 Fingertip Grasp extended
                  • Fig4-15 Power Transmission Device

를 계산하

Fig 4-4

시한 것으로

dA 와 기준

이를 표현하

하여야 한다

4 는 관성모멘

로 X 와 Y

준축으로 부터

하면 식 (49)

Fig 4-4 Arb

I

멘트를 구하기

는 면적의 미

터의 거리의

)와 같다

- 42 -

bitrary shape o

y dA I

기 위한 절대

미소 요소 dA

제곱의 곱으

of planar area

x dA

대좌표 X Y

A 의 좌표이

으로 단면 2

축 상의 미소

이고 관성모멘

차 모멘트라

49

소면적을 도

멘트는 요소

라고도 한다

평면 면

가 있다 평

축에 대한

Fig 4-5

하는 평행한

관성모멘

식 (410

번째 적분은

면적의 관성

평행축 정리란

관성 모멘트

5 과 같이 도

한 xy 축 두

멘트의 정의로

I y

0) 에서 우변

은 Xc 축에

Fig 4-5

모멘트에 있

란 도심축에

트 사이의 관

도심을 원점으

좌표계의 평

로부터 x 축

y d dA

변의 첫 번째

대한 1 차 모

- 43 -

5 Parallel-axis

있어서 중요하

대한 관성

계를 나타낸

으로 하는 Xc

평행한 축 간

축에 대한 관

y dA

적분은 Xc

모멘트로서 X

theorem

하고 유용한

모멘트와 도

낸다

cYc 축과 임의

간의 거리를 d

성모멘트 Ix

2d y dA

축에 대한 관

Xc 축이 도심

정리로서 평

도심축에 평행

의의 점 O 를

d1 과 d2 로 표

는 식(410)와

d dA

관성모멘트

심을 통과하므

평행축 정리

행한 임의의

를 원점으로

표시한다

와 같다

410

I 이다 두

므로 적분의

- 44 -

값은 0 이다 세번째 적분은 면적 A 그 자체이다 따라서 식 (410)은 식 (411)과

같이 간단해진다

I I Ad 411

y 축에 대한 관성모멘트도 위와 같은 방법에 의해 식(412)과 같다

I I Ad 412

또한 면적의 평면에 수직인 수직축에 대한 관성모멘트를 극관성모멘트라 한

다 Fig 4-6 는 평면에 수직이고 O 점을 통과하는 축에 대한 극관성모멘트를 나

타낸 그림으로 이를 관성모멘트 식으로 표현하면 식 (413) 와 같다

I ρ dA 413

식 (413)와

즉 평면에

서로 수직인

극 관성

와 도심 C

와 식 (414)에

I

수직인 축에

인 두 축에 대

성모멘트에 대

에 대한 극

Fig 4-6 Arb

의해 식 (4

ρ dA

I

에 대한 극관

대한 관성모

대한 평행축

극 관성모멘트

- 45 -

bitrary shape o

ρ x y

415) 식 (41

x y dA

I I I

관성모멘트는

멘트의 합과

정리는 Fig

트를 각각 I

of Polar Area

y

16)과 같은 관

x dA y

는 평면 내의

과 같다

4-5 에서 유

와 I 로

관계식을 얻을

y dA

같은 지점을

유도할 수 있

로 표시하면

414

을 수 있다

415

416

을 통과하는

있다 원점 O

식 (416)에

- 46 -

서 식(417)을 유도할 수 있다

I I I I I I 417

I I I I A d d 418

I I Ad 419

식 (419)는 극 관성모멘트에 대한 평행축 정리를 나타낸다 즉 평면 내의 임의

의 한 점 O 에 대한 면적의 극관성모멘트는 도심 C 에 대한 극관성모멘트에 그

면적과 점 O 와 C 사이의 거리의 제곱의 곱을 더한 것과 같다

이상의 식에서 부하토크와 관성모멘트를 계산하여 모터를 가 선정한다 부하토

크의 경우 사용될 모터의 정격 토크를 넘어서지 않는 것을 선정한다 부하토크

를 TL 정상 부하 상태의 힘 PL 극 관성모멘트 IL 회전운동을 위한 힘 Pa 각속

도 가속 시 소요되는 시간을 ta 라 하고 식 (420)을 이용하여 부하가 일정하

게 작용할 때의 힘을 계산한다 마찬가지로 관성모멘트를 식 (421)에 대입하여

가속을 위한 회전 운동 시 필요한 힘을 계산한다 식 (420)과 식 (421)에서 계

산된 힘을 합산하면 모터를 회전시키기 위해 필요한 출력이 계산된다 이때 계

산된 출력보다 실제 사용할 모터의 정격 출력이 1~2 배 정도가 되도록 모터를

가 선정한다

- 47 -

P T ω 420

P 421

위의 과정을 통하여 모터를 가선정하고 가감속 토크 및 구동 토크를 계산한

다 각각의 토크를 계산하게 되면 모터를 최종적으로 선정하게 되는데 두 가지

사항을 고려하여 최종 선정한다 먼저 식 (422)을 통해서 계산되는 가속 시 소

요되는 기동 토크 TM 가 모터의 최대 토크를 넘지 않는 것으로 선정한다

T 422

두 번째로 Fig 4-7 의 속도 선도와 같이 모터의 가 감속 시간과 정상 동작

시간 등을 결정하여 식 (423)과 같이 실효치 토크 TS 를 구하고 실효 토크가 모

터의 정격 토크보다 크지 않도록 선정한다

T 423

Fig 4-7 Exa

- 48 -

ample of veloc

city guidance

- 49 -

(3) 알고리즘 적용

로봇시스템에 있어서 기구들의 관성모멘트와 토크 계산 후 적합한 모터를

선정하기 위해 시중에서 시판되는 모터를 조사하였다 로봇에 적용 가능한 모터

로는 크게 서버모터와 스텝모터 RC 서버모터 DC 모터로 구분 할 수 있었다 이

를 TABLE 4-1 과 같이 정리하였다

동력원의 6 가지 선정요소 중 우선순위를 부여하여 분류했을 때 핸드 그리퍼

의 특성상 가볍고 토크가 큰 RC 서버 모터 미니 서버모터를 선택할 수 도 있지

만 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터 중 토크를 증가시킬 수 있는

감속기가 있는 타입의 모터를 우선시 하였다

1 감속비를 사양할 수 있는 모터를 선정하여 계산한 토크를 확인한다

2 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터를 선정한다

3 CLOSED LOOP 제어를 통하여 정확한 위치를 검출할 수 있어야 한다

따라서 스텝모터중 lsquoOrsquo사의 ldquoαSTEPrdquo가 적합하다고 판단되어 모터를 선정하였다

- 50 -

TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics

미니서버모터 RC 서버모터 스텝모터 DC 모터

장점 동일사양대비 모터

중 10배정도 큰 토크

5v사용가벼움

정확한 위치제어

급격한 부하변동급가

속 유리

저렴한가격

보편화됨

단점 정지시 진동이 예상 약한 토크 THRUST하중이 모터

무계 이하여야 한다

유지보수가 잦다

크기 151588mm(10w20w)

2525111mm(30w)

392038mm 424234mm Oslash37mm917mm

동작전압 Dc 24V Dc 48V60V Dc 24V Dc 24V

무계 230g~400g 56g 150g 200g

허용토크 009Nm~03Nm 11~13kgfcm 18kgfcm (018Nm) 47kgfcm(1200)

감속기 다양한 감속비 가능 고정 감속기 감속기 무(072˚036) 다양한 감속비

제조사 야스카와 SGMM 하이텍 HS-5945 AUTONICS GCM 3429A

TABLE 4-2 αstep motor characteristics

외형 전압 전류 무계 토크 감속비 분해능

αSTEP 282884mm

4242127mm Dc24V 1~37A 250G 2~28 Nmiddotm 50~1001

00072pluse

00036pluse

- 51 -

43 1 차 능동형 그리퍼 설계

실린더를 사용하여 링크로 물체를 파지하던 그리퍼는 Fig 4-8 과 Fig 4-9 에

묘사하였다 이런 실린더를 사용한 그리퍼는 공압 효과를 도출할 수 있는 별도

의 펌프가 필요하고 동작을 구현할 수 있는 자유도를 증가시키는데 한계가 있

다 이런 실린더의 단점을 보완하고 전기모터의 장점을 사용하기 위해 웜기어와

웜휠 방식을 채택하여 2 자유도 능동형 그리퍼를 설계하였다

1 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-10 에 묘사하였으며 1 차설계한

능동형 그리퍼는 Two Fingertip Grasp 로 칭하겠다 파지한 물체를 회전 시키는

기능은 베벨기어를 사용하여 회전운동으로 구현하였고 실린더의 전middot후진 운동

을 전기모터의 회전운동으로 변환 시키기 위하여 웜기어와 웜휨을 선택하였다

전기모터에 의해 회전하는 운동은 웜기어와 웜휠에 의해 링크를 사용하여 물체

를 파지하였던 그리퍼와 동일한 운동효과를 가지게 되었다

웜기어와 웜휠을 사용하여 물체를 파지하는 능동형 그리퍼는 스윙형으로 설

계되었으며 파지력을 높이기 위한 각도를 적용하였다 링크를 사용하여 물체를

파지하는 형태의 그리퍼보다 기구의 크기를 줄일 수 있는 장점이 있는 반면 기

어들의 백래시에 의한 오차가 끝단에 누적될 수 있는 문제점을 가지고 있다또

한 기구부의 소재 변경으로 그리퍼의 무계를 줄일 수 도 있지만 가장 큰 무계

를 차지하는 모터를 그리퍼 자체에서 분리하게 할 수 있게 하려면 그리퍼 자체

의 구조변경이 필요하다

`

`

Fig 4-8 Par

Fig 4-9 Par

- 52 -

rallel-link gra

rallel-link gra

sps system 1

sps system 2

Fig 4-10

- 53 -

0 Two fingertipps grasp system

- 54 -

44 2 차 능동형 그리퍼 설계

1 차 설계한 능동형 그리퍼에서 발견된 문제점을 보안하기 위하여 2 차 능동

형 그리퍼를 설계하였다 2 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-11 에 묘사

하였으며 2 차설계한 능동형 그리퍼는 Four Fingertip Grasp 로 칭하겠다 이 장치

는 크게 동력원 동력 전달장치 핑거 그립장치로 구성되어있으며 이를 통합하

여 Fig 4-12 에 나타내었다

핑거 그립장치는 스윙형 그립의 단점을 보완하여 설계하였다 물체를 파지할

때 그립의 회전 반경이 주위 환경요소와 간섭을 발생시킬 수 있는데핑거가 전

진할때 샤프트와 핑거그립간의 나사결합형태를 통한 직선운동으로 개선하여 주

위환경요소에 영향을 주지 않도록 설계하였다 구동축의 핑거파지 메카니즘을

Fig 4-13 와 같이 간략화 하였고 이에 대한 세부 도면은 Fig 4-14 로 나타내었다

4 조 핑거 그립의 나사산과 테이퍼진 스크류축은 나사식으로 결합되며 상호

작용에 의해 점차 중심점으로 이동하여 물체를 파지하는 형태이다 사용된 2 개

의 샤프트는 중공축으로 설계하였으며 외부 샤프트는 4 조 핑거가 물체를 파지

하여 비트는 모션을 구현하는데 사용되었다 내부 샤프트는 핑거를 중심점으로

전진시켜는 기능을 수행한다 중공축으로 설계한 내부 샤프트는 차후 개발될 인

스트리먼트의 탈부착을 손쉽게 할수있도록 구현하였고 4 조로 설계된 핑거는 그

립시 인스트리먼트의 응력집중현상을 분산시키는 기능과 2 조로 그립하였을때

보다 안정적인 그립감을 형성한다

- 55 -

동력원과 동력전달장치는 Fig 4-15 에 나타내었으며 Two Fingertip Grasp system

의 문제점이었던 구동부의 모터의 설치 방법을 외부에 부착하는 형태로 변경하

여 우레탄 밸트를 사용하였다 또한 아이들러를 사용하여 밸트의 방향을 변경

하여 모터의 부착위치를 자유롭게 설정할 수 있도록 하였고 모터 브라켓에 슬

리브 홈을 설치하여 벨트의 장력을 조절할 수 있도록 하였다

Fig4-11

Fig4-12 Fou

- 56 -

Four fingertip

ur fingertips g

ps grasp system

grasp system la

m

ayout

Fig 4-13

Fig 4-14

- 57 -

Fingertip gra

4 Fingertip gr

asps mechanis

rasps extended

m

d

Fig 4-15

- 58 -

5 Power transmission devicce

- 59 -

제 5장 결 론

본 연구에서는 MIS 수술 로봇을 위한 햅틱 마스터장치 구동용 능동형 그리

퍼를 설계하기 위하여 그에 상응하는 자료 및 문헌 조사를 수행하였고 햅틱 마

스터에 적용 가능한 능동형 그리퍼를 설계하여 로봇 시스템의 초안을 구성하였

다 수술용 도구를 단순히 잡아주는 역할에서 벗어나 시스템에 추가적인 자유도

를 부여함으로써 그리퍼를 표현하였다 단순화된 그리퍼는 보다 저렴한 가격으

로 생산될 수 있으며 기존 로봇 수술시스템의 높은 비용을 절감할 수 있는 효

과를 가져올 수 있다

최종적으로 제안한 설계 안으로는 2 조 핑거그립를 사용하는 전기모터형 그

리퍼 와 추가적으로 개선한 4 조 전기모터형 핑거그립를 설계였다 스윙형 그립

의 단점을 보안하여 집중응력을 분산할 수 있는 구조로 설계하였고 그리퍼의

무계를 줄일 수 있는 방법을 제시하였다 이로써 원통형 도구 파지 시 안정성이

향상되었고 보다 원활하게 수술 도구를 교체 가능하도록 하였다

앞으로 촉감을 전달할 수 있는 센서의 개발로 햅틱 디바이스 인터페이스 장

치의 활용에 보다 높은 기여를 할 것이라 예상된다

-６０-

참고 문헌

[1] 나군호 ldquo로봇수술의 현재와 미래rdquo대한전기학회 2008년도 학술대회 논문

정보 및 제어부분 PP68~7020084

[2] 박정호 ldquo국내외 의료로봇 현황과 발전방향rdquo정보과학지 26(4)

PP49~5420084

[3] 편집부 ldquo수술지원로봇의 최신 기술 동향rdquo월간 자동화 기술 22(12)

PP74~77200612

[4] 경기욱박준석 ldquo햅틱스 기술개발 동향 및 연구전망rdquo전자통신경향분석

21(5)PP93~108200610

[5] 권동수경기욱 ldquo의료용 로봇의 연구 현황과 전망rdquo기계저널

42(3)PP38~44200203

[6] Yoichi OGAHARA Yusuke KAWATO Kenjiro TAKEMURA Takashi MAENO

ldquoA Wire-Driven Miniature Five Fingerd Robot Hand using Elastic Elements as

Jointsrdquo Proceedings the 2003 IEEERSJ Intl Conferense on Intelligent Robots and

Systems

[7] Ikuo Yamano Takashi Maeno ldquoFive-fingered Robot Hand using Ultrasonic Motors

and Elastic Elementsrdquoproceedings the 2005 IEEE International Conference on

Robotics and Automaion

[8] 홍만복김광기 ldquo최소 침습수술로봇을위한 2-자유도 구형 메커니즘설계rdquo

한국정밀공학회 2009년 추계학술대회 논문집

-６１-

[9] 이재훈김형욱이병주서일홍 ldquo새로운 6자유도 병렬형 햅틱 기구의 최적설

계 및 해석rdquo한국정밀공학회 2003년 추계학술대회 논문집

[10] 조국훈이재훈이병주김희국 ldquo병렬형 그리퍼 메카니즘rdquo한국정밀공학회지

[11] 김갑순 ldquo3축 힘센서를 이용한 지능형 그리퍼 개발rdquo한국정밀공학회지 제

24권 제 3호 1999년

[12] 고대성김성목김희국이병주 ldquo병진형 자유도와 1자유도 파지기능을 가지는

4자유도 병렬 메커니즘의 기구학분석rdquo한국정밀공학회 2007년 추계학술대회

• 제1장 서 론
• • 11 연구배경 및 연구목적
  • 12 연구내용
  • • 제2장 로봇 산업의 기술 현황
    • • 21 로봇산업의 동향
      • 22 의료용 로봇기술 현황
      • 23 의료용 로봇시장 전망
      • • 제3장 능동 그리퍼
        • • 31 최소침습 수술 햅틱 장치구현에 필요한 능동 그리퍼 제안
          • 32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류
          • 33 파지형태에 의한 그리퍼의 분류
          • 34 메카니컬 핸드의 구속기능
          • 35 대표적인 동력원의 특징
          • • 제4장 능동형 그리퍼 설계
            • • 41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정
              • 42 모터 선정 알고리즘
              • • 43 1 차 능동형 그리퍼 설계
                • 44 2 차 능동형 그리퍼 설계
                • • 제 5 장 결론
                  • 참고문헌
                  • TABLE 2-1 Domestic robot classification
                  • TABLE 2-2 Robot Production Company
                  • TABLE 3-1 Characteristics of power sources
                  • TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics
                  • TABLE 4-2 αSTEP Motor Characteristics
                  • Fig2-1 Phase of medical robots in the robot industry
                  • Fig2-2 Da Vinci surgical case number
                  • Fig3-1 Da Vinci robot system for MIS
                  • Fig3-2 Classified by the gripper grip action
                  • Fig3-3 Swing-type hand mechanism
                  • Fig3-4 Hand mechanism for translational type1 (parallel displacement)
                  • Fig3-5 Hand mechanism for translational type2 (Rack and pinion type)
                  • Fig3-6 Hand mechanism for three point pinch type
                  • Fig3-7 Movement of object
                  • Fig3-8 Contacts of the kind and the confining
                  • Fig3-9 Human Arm structure
                  • Fig4-1 Configuration of the fingers on robot gripper
                  • Fig4-2 Change the value of the angle of phage torque
                  • Fig4-3 Motor Selection Algorithm
                  • Fig4-4 Arbitrary Shape of Planar Area
                  • Fig4-5 Parallel-Axis Theorem
                  • Fig4-6 Arbitrary Shape of Polar Area
                  • Fig4-7 Example of Velocity Guidance
                  • Fig4-8 Parallel-link Grasp system 1
                  • Fig4-9 Parallel-link Grasp system 2
                  • Fig4-10 TWO Fingertip Grasp system
                  • Fig4-11 Four Fingertip Grasp System
                  • Fig4-12 Four Fingertip Grasp System layout
                  • Fig4-13 Fingertip Grasp Mechanism
                  • Fig4-14 Fingertip Grasp extended
                  • Fig4-15 Power Transmission Device

평면 면

가 있다 평

축에 대한

Fig 4-5

하는 평행한

관성모멘

식 (410

번째 적분은

면적의 관성

평행축 정리란

관성 모멘트

5 과 같이 도

한 xy 축 두

멘트의 정의로

I y

0) 에서 우변

은 Xc 축에

Fig 4-5

모멘트에 있

란 도심축에

트 사이의 관

도심을 원점으

좌표계의 평

로부터 x 축

y d dA

변의 첫 번째

대한 1 차 모

- 43 -

5 Parallel-axis

있어서 중요하

대한 관성

계를 나타낸

으로 하는 Xc

평행한 축 간

축에 대한 관

y dA

적분은 Xc

모멘트로서 X

theorem

하고 유용한

모멘트와 도

낸다

cYc 축과 임의

간의 거리를 d

성모멘트 Ix

2d y dA

축에 대한 관

Xc 축이 도심

정리로서 평

도심축에 평행

의의 점 O 를

d1 과 d2 로 표

는 식(410)와

d dA

관성모멘트

심을 통과하므

평행축 정리

행한 임의의

를 원점으로

표시한다

와 같다

410

I 이다 두

므로 적분의

- 44 -

값은 0 이다 세번째 적분은 면적 A 그 자체이다 따라서 식 (410)은 식 (411)과

같이 간단해진다

I I Ad 411

y 축에 대한 관성모멘트도 위와 같은 방법에 의해 식(412)과 같다

I I Ad 412

또한 면적의 평면에 수직인 수직축에 대한 관성모멘트를 극관성모멘트라 한

다 Fig 4-6 는 평면에 수직이고 O 점을 통과하는 축에 대한 극관성모멘트를 나

타낸 그림으로 이를 관성모멘트 식으로 표현하면 식 (413) 와 같다

I ρ dA 413

식 (413)와

즉 평면에

서로 수직인

극 관성

와 도심 C

와 식 (414)에

I

수직인 축에

인 두 축에 대

성모멘트에 대

에 대한 극

Fig 4-6 Arb

의해 식 (4

ρ dA

I

에 대한 극관

대한 관성모

대한 평행축

극 관성모멘트

- 45 -

bitrary shape o

ρ x y

415) 식 (41

x y dA

I I I

관성모멘트는

멘트의 합과

정리는 Fig

트를 각각 I

of Polar Area

y

16)과 같은 관

x dA y

는 평면 내의

과 같다

4-5 에서 유

와 I 로

관계식을 얻을

y dA

같은 지점을

유도할 수 있

로 표시하면

414

을 수 있다

415

416

을 통과하는

있다 원점 O

식 (416)에

- 46 -

서 식(417)을 유도할 수 있다

I I I I I I 417

I I I I A d d 418

I I Ad 419

식 (419)는 극 관성모멘트에 대한 평행축 정리를 나타낸다 즉 평면 내의 임의

의 한 점 O 에 대한 면적의 극관성모멘트는 도심 C 에 대한 극관성모멘트에 그

면적과 점 O 와 C 사이의 거리의 제곱의 곱을 더한 것과 같다

이상의 식에서 부하토크와 관성모멘트를 계산하여 모터를 가 선정한다 부하토

크의 경우 사용될 모터의 정격 토크를 넘어서지 않는 것을 선정한다 부하토크

를 TL 정상 부하 상태의 힘 PL 극 관성모멘트 IL 회전운동을 위한 힘 Pa 각속

도 가속 시 소요되는 시간을 ta 라 하고 식 (420)을 이용하여 부하가 일정하

게 작용할 때의 힘을 계산한다 마찬가지로 관성모멘트를 식 (421)에 대입하여

가속을 위한 회전 운동 시 필요한 힘을 계산한다 식 (420)과 식 (421)에서 계

산된 힘을 합산하면 모터를 회전시키기 위해 필요한 출력이 계산된다 이때 계

산된 출력보다 실제 사용할 모터의 정격 출력이 1~2 배 정도가 되도록 모터를

가 선정한다

- 47 -

P T ω 420

P 421

위의 과정을 통하여 모터를 가선정하고 가감속 토크 및 구동 토크를 계산한

다 각각의 토크를 계산하게 되면 모터를 최종적으로 선정하게 되는데 두 가지

사항을 고려하여 최종 선정한다 먼저 식 (422)을 통해서 계산되는 가속 시 소

요되는 기동 토크 TM 가 모터의 최대 토크를 넘지 않는 것으로 선정한다

T 422

두 번째로 Fig 4-7 의 속도 선도와 같이 모터의 가 감속 시간과 정상 동작

시간 등을 결정하여 식 (423)과 같이 실효치 토크 TS 를 구하고 실효 토크가 모

터의 정격 토크보다 크지 않도록 선정한다

T 423

Fig 4-7 Exa

- 48 -

ample of veloc

city guidance

- 49 -

(3) 알고리즘 적용

로봇시스템에 있어서 기구들의 관성모멘트와 토크 계산 후 적합한 모터를

선정하기 위해 시중에서 시판되는 모터를 조사하였다 로봇에 적용 가능한 모터

로는 크게 서버모터와 스텝모터 RC 서버모터 DC 모터로 구분 할 수 있었다 이

를 TABLE 4-1 과 같이 정리하였다

동력원의 6 가지 선정요소 중 우선순위를 부여하여 분류했을 때 핸드 그리퍼

의 특성상 가볍고 토크가 큰 RC 서버 모터 미니 서버모터를 선택할 수 도 있지

만 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터 중 토크를 증가시킬 수 있는

감속기가 있는 타입의 모터를 우선시 하였다

1 감속비를 사양할 수 있는 모터를 선정하여 계산한 토크를 확인한다

2 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터를 선정한다

3 CLOSED LOOP 제어를 통하여 정확한 위치를 검출할 수 있어야 한다

따라서 스텝모터중 lsquoOrsquo사의 ldquoαSTEPrdquo가 적합하다고 판단되어 모터를 선정하였다

- 50 -

TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics

미니서버모터 RC 서버모터 스텝모터 DC 모터

장점 동일사양대비 모터

중 10배정도 큰 토크

5v사용가벼움

정확한 위치제어

급격한 부하변동급가

속 유리

저렴한가격

보편화됨

단점 정지시 진동이 예상 약한 토크 THRUST하중이 모터

무계 이하여야 한다

유지보수가 잦다

크기 151588mm(10w20w)

2525111mm(30w)

392038mm 424234mm Oslash37mm917mm

동작전압 Dc 24V Dc 48V60V Dc 24V Dc 24V

무계 230g~400g 56g 150g 200g

허용토크 009Nm~03Nm 11~13kgfcm 18kgfcm (018Nm) 47kgfcm(1200)

감속기 다양한 감속비 가능 고정 감속기 감속기 무(072˚036) 다양한 감속비

제조사 야스카와 SGMM 하이텍 HS-5945 AUTONICS GCM 3429A

TABLE 4-2 αstep motor characteristics

외형 전압 전류 무계 토크 감속비 분해능

αSTEP 282884mm

4242127mm Dc24V 1~37A 250G 2~28 Nmiddotm 50~1001

00072pluse

00036pluse

- 51 -

43 1 차 능동형 그리퍼 설계

실린더를 사용하여 링크로 물체를 파지하던 그리퍼는 Fig 4-8 과 Fig 4-9 에

묘사하였다 이런 실린더를 사용한 그리퍼는 공압 효과를 도출할 수 있는 별도

의 펌프가 필요하고 동작을 구현할 수 있는 자유도를 증가시키는데 한계가 있

다 이런 실린더의 단점을 보완하고 전기모터의 장점을 사용하기 위해 웜기어와

웜휠 방식을 채택하여 2 자유도 능동형 그리퍼를 설계하였다

1 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-10 에 묘사하였으며 1 차설계한

능동형 그리퍼는 Two Fingertip Grasp 로 칭하겠다 파지한 물체를 회전 시키는

기능은 베벨기어를 사용하여 회전운동으로 구현하였고 실린더의 전middot후진 운동

을 전기모터의 회전운동으로 변환 시키기 위하여 웜기어와 웜휨을 선택하였다

전기모터에 의해 회전하는 운동은 웜기어와 웜휠에 의해 링크를 사용하여 물체

를 파지하였던 그리퍼와 동일한 운동효과를 가지게 되었다

웜기어와 웜휠을 사용하여 물체를 파지하는 능동형 그리퍼는 스윙형으로 설

계되었으며 파지력을 높이기 위한 각도를 적용하였다 링크를 사용하여 물체를

파지하는 형태의 그리퍼보다 기구의 크기를 줄일 수 있는 장점이 있는 반면 기

어들의 백래시에 의한 오차가 끝단에 누적될 수 있는 문제점을 가지고 있다또

한 기구부의 소재 변경으로 그리퍼의 무계를 줄일 수 도 있지만 가장 큰 무계

를 차지하는 모터를 그리퍼 자체에서 분리하게 할 수 있게 하려면 그리퍼 자체

의 구조변경이 필요하다

`

`

Fig 4-8 Par

Fig 4-9 Par

- 52 -

rallel-link gra

rallel-link gra

sps system 1

sps system 2

Fig 4-10

- 53 -

0 Two fingertipps grasp system

- 54 -

44 2 차 능동형 그리퍼 설계

1 차 설계한 능동형 그리퍼에서 발견된 문제점을 보안하기 위하여 2 차 능동

형 그리퍼를 설계하였다 2 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-11 에 묘사

하였으며 2 차설계한 능동형 그리퍼는 Four Fingertip Grasp 로 칭하겠다 이 장치

는 크게 동력원 동력 전달장치 핑거 그립장치로 구성되어있으며 이를 통합하

여 Fig 4-12 에 나타내었다

핑거 그립장치는 스윙형 그립의 단점을 보완하여 설계하였다 물체를 파지할

때 그립의 회전 반경이 주위 환경요소와 간섭을 발생시킬 수 있는데핑거가 전

진할때 샤프트와 핑거그립간의 나사결합형태를 통한 직선운동으로 개선하여 주

위환경요소에 영향을 주지 않도록 설계하였다 구동축의 핑거파지 메카니즘을

Fig 4-13 와 같이 간략화 하였고 이에 대한 세부 도면은 Fig 4-14 로 나타내었다

4 조 핑거 그립의 나사산과 테이퍼진 스크류축은 나사식으로 결합되며 상호

작용에 의해 점차 중심점으로 이동하여 물체를 파지하는 형태이다 사용된 2 개

의 샤프트는 중공축으로 설계하였으며 외부 샤프트는 4 조 핑거가 물체를 파지

하여 비트는 모션을 구현하는데 사용되었다 내부 샤프트는 핑거를 중심점으로

전진시켜는 기능을 수행한다 중공축으로 설계한 내부 샤프트는 차후 개발될 인

스트리먼트의 탈부착을 손쉽게 할수있도록 구현하였고 4 조로 설계된 핑거는 그

립시 인스트리먼트의 응력집중현상을 분산시키는 기능과 2 조로 그립하였을때

보다 안정적인 그립감을 형성한다

- 55 -

동력원과 동력전달장치는 Fig 4-15 에 나타내었으며 Two Fingertip Grasp system

의 문제점이었던 구동부의 모터의 설치 방법을 외부에 부착하는 형태로 변경하

여 우레탄 밸트를 사용하였다 또한 아이들러를 사용하여 밸트의 방향을 변경

하여 모터의 부착위치를 자유롭게 설정할 수 있도록 하였고 모터 브라켓에 슬

리브 홈을 설치하여 벨트의 장력을 조절할 수 있도록 하였다

Fig4-11

Fig4-12 Fou

- 56 -

Four fingertip

ur fingertips g

ps grasp system

grasp system la

m

ayout

Fig 4-13

Fig 4-14

- 57 -

Fingertip gra

4 Fingertip gr

asps mechanis

rasps extended

m

d

Fig 4-15

- 58 -

5 Power transmission devicce

- 59 -

제 5장 결 론

본 연구에서는 MIS 수술 로봇을 위한 햅틱 마스터장치 구동용 능동형 그리

퍼를 설계하기 위하여 그에 상응하는 자료 및 문헌 조사를 수행하였고 햅틱 마

스터에 적용 가능한 능동형 그리퍼를 설계하여 로봇 시스템의 초안을 구성하였

다 수술용 도구를 단순히 잡아주는 역할에서 벗어나 시스템에 추가적인 자유도

를 부여함으로써 그리퍼를 표현하였다 단순화된 그리퍼는 보다 저렴한 가격으

로 생산될 수 있으며 기존 로봇 수술시스템의 높은 비용을 절감할 수 있는 효

과를 가져올 수 있다

최종적으로 제안한 설계 안으로는 2 조 핑거그립를 사용하는 전기모터형 그

리퍼 와 추가적으로 개선한 4 조 전기모터형 핑거그립를 설계였다 스윙형 그립

의 단점을 보안하여 집중응력을 분산할 수 있는 구조로 설계하였고 그리퍼의

무계를 줄일 수 있는 방법을 제시하였다 이로써 원통형 도구 파지 시 안정성이

향상되었고 보다 원활하게 수술 도구를 교체 가능하도록 하였다

앞으로 촉감을 전달할 수 있는 센서의 개발로 햅틱 디바이스 인터페이스 장

치의 활용에 보다 높은 기여를 할 것이라 예상된다

-６０-

참고 문헌

[1] 나군호 ldquo로봇수술의 현재와 미래rdquo대한전기학회 2008년도 학술대회 논문

정보 및 제어부분 PP68~7020084

[2] 박정호 ldquo국내외 의료로봇 현황과 발전방향rdquo정보과학지 26(4)

PP49~5420084

[3] 편집부 ldquo수술지원로봇의 최신 기술 동향rdquo월간 자동화 기술 22(12)

PP74~77200612

[4] 경기욱박준석 ldquo햅틱스 기술개발 동향 및 연구전망rdquo전자통신경향분석

21(5)PP93~108200610

[5] 권동수경기욱 ldquo의료용 로봇의 연구 현황과 전망rdquo기계저널

42(3)PP38~44200203

[6] Yoichi OGAHARA Yusuke KAWATO Kenjiro TAKEMURA Takashi MAENO

ldquoA Wire-Driven Miniature Five Fingerd Robot Hand using Elastic Elements as

Jointsrdquo Proceedings the 2003 IEEERSJ Intl Conferense on Intelligent Robots and

Systems

[7] Ikuo Yamano Takashi Maeno ldquoFive-fingered Robot Hand using Ultrasonic Motors

and Elastic Elementsrdquoproceedings the 2005 IEEE International Conference on

Robotics and Automaion

[8] 홍만복김광기 ldquo최소 침습수술로봇을위한 2-자유도 구형 메커니즘설계rdquo

한국정밀공학회 2009년 추계학술대회 논문집

-６１-

[9] 이재훈김형욱이병주서일홍 ldquo새로운 6자유도 병렬형 햅틱 기구의 최적설

계 및 해석rdquo한국정밀공학회 2003년 추계학술대회 논문집

[10] 조국훈이재훈이병주김희국 ldquo병렬형 그리퍼 메카니즘rdquo한국정밀공학회지

[11] 김갑순 ldquo3축 힘센서를 이용한 지능형 그리퍼 개발rdquo한국정밀공학회지 제

24권 제 3호 1999년

[12] 고대성김성목김희국이병주 ldquo병진형 자유도와 1자유도 파지기능을 가지는

4자유도 병렬 메커니즘의 기구학분석rdquo한국정밀공학회 2007년 추계학술대회

• 제1장 서 론
• • 11 연구배경 및 연구목적
  • 12 연구내용
  • • 제2장 로봇 산업의 기술 현황
    • • 21 로봇산업의 동향
      • 22 의료용 로봇기술 현황
      • 23 의료용 로봇시장 전망
      • • 제3장 능동 그리퍼
        • • 31 최소침습 수술 햅틱 장치구현에 필요한 능동 그리퍼 제안
          • 32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류
          • 33 파지형태에 의한 그리퍼의 분류
          • 34 메카니컬 핸드의 구속기능
          • 35 대표적인 동력원의 특징
          • • 제4장 능동형 그리퍼 설계
            • • 41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정
              • 42 모터 선정 알고리즘
              • • 43 1 차 능동형 그리퍼 설계
                • 44 2 차 능동형 그리퍼 설계
                • • 제 5 장 결론
                  • 참고문헌
                  • TABLE 2-1 Domestic robot classification
                  • TABLE 2-2 Robot Production Company
                  • TABLE 3-1 Characteristics of power sources
                  • TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics
                  • TABLE 4-2 αSTEP Motor Characteristics
                  • Fig2-1 Phase of medical robots in the robot industry
                  • Fig2-2 Da Vinci surgical case number
                  • Fig3-1 Da Vinci robot system for MIS
                  • Fig3-2 Classified by the gripper grip action
                  • Fig3-3 Swing-type hand mechanism
                  • Fig3-4 Hand mechanism for translational type1 (parallel displacement)
                  • Fig3-5 Hand mechanism for translational type2 (Rack and pinion type)
                  • Fig3-6 Hand mechanism for three point pinch type
                  • Fig3-7 Movement of object
                  • Fig3-8 Contacts of the kind and the confining
                  • Fig3-9 Human Arm structure
                  • Fig4-1 Configuration of the fingers on robot gripper
                  • Fig4-2 Change the value of the angle of phage torque
                  • Fig4-3 Motor Selection Algorithm
                  • Fig4-4 Arbitrary Shape of Planar Area
                  • Fig4-5 Parallel-Axis Theorem
                  • Fig4-6 Arbitrary Shape of Polar Area
                  • Fig4-7 Example of Velocity Guidance
                  • Fig4-8 Parallel-link Grasp system 1
                  • Fig4-9 Parallel-link Grasp system 2
                  • Fig4-10 TWO Fingertip Grasp system
                  • Fig4-11 Four Fingertip Grasp System
                  • Fig4-12 Four Fingertip Grasp System layout
                  • Fig4-13 Fingertip Grasp Mechanism
                  • Fig4-14 Fingertip Grasp extended
                  • Fig4-15 Power Transmission Device

- 44 -

값은 0 이다 세번째 적분은 면적 A 그 자체이다 따라서 식 (410)은 식 (411)과

같이 간단해진다

I I Ad 411

y 축에 대한 관성모멘트도 위와 같은 방법에 의해 식(412)과 같다

I I Ad 412

또한 면적의 평면에 수직인 수직축에 대한 관성모멘트를 극관성모멘트라 한

다 Fig 4-6 는 평면에 수직이고 O 점을 통과하는 축에 대한 극관성모멘트를 나

타낸 그림으로 이를 관성모멘트 식으로 표현하면 식 (413) 와 같다

I ρ dA 413

식 (413)와

즉 평면에

서로 수직인

극 관성

와 도심 C

와 식 (414)에

I

수직인 축에

인 두 축에 대

성모멘트에 대

에 대한 극

Fig 4-6 Arb

의해 식 (4

ρ dA

I

에 대한 극관

대한 관성모

대한 평행축

극 관성모멘트

- 45 -

bitrary shape o

ρ x y

415) 식 (41

x y dA

I I I

관성모멘트는

멘트의 합과

정리는 Fig

트를 각각 I

of Polar Area

y

16)과 같은 관

x dA y

는 평면 내의

과 같다

4-5 에서 유

와 I 로

관계식을 얻을

y dA

같은 지점을

유도할 수 있

로 표시하면

414

을 수 있다

415

416

을 통과하는

있다 원점 O

식 (416)에

- 46 -

서 식(417)을 유도할 수 있다

I I I I I I 417

I I I I A d d 418

I I Ad 419

식 (419)는 극 관성모멘트에 대한 평행축 정리를 나타낸다 즉 평면 내의 임의

의 한 점 O 에 대한 면적의 극관성모멘트는 도심 C 에 대한 극관성모멘트에 그

면적과 점 O 와 C 사이의 거리의 제곱의 곱을 더한 것과 같다

이상의 식에서 부하토크와 관성모멘트를 계산하여 모터를 가 선정한다 부하토

크의 경우 사용될 모터의 정격 토크를 넘어서지 않는 것을 선정한다 부하토크

를 TL 정상 부하 상태의 힘 PL 극 관성모멘트 IL 회전운동을 위한 힘 Pa 각속

도 가속 시 소요되는 시간을 ta 라 하고 식 (420)을 이용하여 부하가 일정하

게 작용할 때의 힘을 계산한다 마찬가지로 관성모멘트를 식 (421)에 대입하여

가속을 위한 회전 운동 시 필요한 힘을 계산한다 식 (420)과 식 (421)에서 계

산된 힘을 합산하면 모터를 회전시키기 위해 필요한 출력이 계산된다 이때 계

산된 출력보다 실제 사용할 모터의 정격 출력이 1~2 배 정도가 되도록 모터를

가 선정한다

- 47 -

P T ω 420

P 421

위의 과정을 통하여 모터를 가선정하고 가감속 토크 및 구동 토크를 계산한

다 각각의 토크를 계산하게 되면 모터를 최종적으로 선정하게 되는데 두 가지

사항을 고려하여 최종 선정한다 먼저 식 (422)을 통해서 계산되는 가속 시 소

요되는 기동 토크 TM 가 모터의 최대 토크를 넘지 않는 것으로 선정한다

T 422

두 번째로 Fig 4-7 의 속도 선도와 같이 모터의 가 감속 시간과 정상 동작

시간 등을 결정하여 식 (423)과 같이 실효치 토크 TS 를 구하고 실효 토크가 모

터의 정격 토크보다 크지 않도록 선정한다

T 423

Fig 4-7 Exa

- 48 -

ample of veloc

city guidance

- 49 -

(3) 알고리즘 적용

로봇시스템에 있어서 기구들의 관성모멘트와 토크 계산 후 적합한 모터를

선정하기 위해 시중에서 시판되는 모터를 조사하였다 로봇에 적용 가능한 모터

로는 크게 서버모터와 스텝모터 RC 서버모터 DC 모터로 구분 할 수 있었다 이

를 TABLE 4-1 과 같이 정리하였다

동력원의 6 가지 선정요소 중 우선순위를 부여하여 분류했을 때 핸드 그리퍼

의 특성상 가볍고 토크가 큰 RC 서버 모터 미니 서버모터를 선택할 수 도 있지

만 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터 중 토크를 증가시킬 수 있는

감속기가 있는 타입의 모터를 우선시 하였다

1 감속비를 사양할 수 있는 모터를 선정하여 계산한 토크를 확인한다

2 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터를 선정한다

3 CLOSED LOOP 제어를 통하여 정확한 위치를 검출할 수 있어야 한다

따라서 스텝모터중 lsquoOrsquo사의 ldquoαSTEPrdquo가 적합하다고 판단되어 모터를 선정하였다

- 50 -

TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics

미니서버모터 RC 서버모터 스텝모터 DC 모터

장점 동일사양대비 모터

중 10배정도 큰 토크

5v사용가벼움

정확한 위치제어

급격한 부하변동급가

속 유리

저렴한가격

보편화됨

단점 정지시 진동이 예상 약한 토크 THRUST하중이 모터

무계 이하여야 한다

유지보수가 잦다

크기 151588mm(10w20w)

2525111mm(30w)

392038mm 424234mm Oslash37mm917mm

동작전압 Dc 24V Dc 48V60V Dc 24V Dc 24V

무계 230g~400g 56g 150g 200g

허용토크 009Nm~03Nm 11~13kgfcm 18kgfcm (018Nm) 47kgfcm(1200)

감속기 다양한 감속비 가능 고정 감속기 감속기 무(072˚036) 다양한 감속비

제조사 야스카와 SGMM 하이텍 HS-5945 AUTONICS GCM 3429A

TABLE 4-2 αstep motor characteristics

외형 전압 전류 무계 토크 감속비 분해능

αSTEP 282884mm

4242127mm Dc24V 1~37A 250G 2~28 Nmiddotm 50~1001

00072pluse

00036pluse

- 51 -

43 1 차 능동형 그리퍼 설계

실린더를 사용하여 링크로 물체를 파지하던 그리퍼는 Fig 4-8 과 Fig 4-9 에

묘사하였다 이런 실린더를 사용한 그리퍼는 공압 효과를 도출할 수 있는 별도

의 펌프가 필요하고 동작을 구현할 수 있는 자유도를 증가시키는데 한계가 있

다 이런 실린더의 단점을 보완하고 전기모터의 장점을 사용하기 위해 웜기어와

웜휠 방식을 채택하여 2 자유도 능동형 그리퍼를 설계하였다

1 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-10 에 묘사하였으며 1 차설계한

능동형 그리퍼는 Two Fingertip Grasp 로 칭하겠다 파지한 물체를 회전 시키는

기능은 베벨기어를 사용하여 회전운동으로 구현하였고 실린더의 전middot후진 운동

을 전기모터의 회전운동으로 변환 시키기 위하여 웜기어와 웜휨을 선택하였다

전기모터에 의해 회전하는 운동은 웜기어와 웜휠에 의해 링크를 사용하여 물체

를 파지하였던 그리퍼와 동일한 운동효과를 가지게 되었다

웜기어와 웜휠을 사용하여 물체를 파지하는 능동형 그리퍼는 스윙형으로 설

계되었으며 파지력을 높이기 위한 각도를 적용하였다 링크를 사용하여 물체를

파지하는 형태의 그리퍼보다 기구의 크기를 줄일 수 있는 장점이 있는 반면 기

어들의 백래시에 의한 오차가 끝단에 누적될 수 있는 문제점을 가지고 있다또

한 기구부의 소재 변경으로 그리퍼의 무계를 줄일 수 도 있지만 가장 큰 무계

를 차지하는 모터를 그리퍼 자체에서 분리하게 할 수 있게 하려면 그리퍼 자체

의 구조변경이 필요하다

`

`

Fig 4-8 Par

Fig 4-9 Par

- 52 -

rallel-link gra

rallel-link gra

sps system 1

sps system 2

Fig 4-10

- 53 -

0 Two fingertipps grasp system

- 54 -

44 2 차 능동형 그리퍼 설계

1 차 설계한 능동형 그리퍼에서 발견된 문제점을 보안하기 위하여 2 차 능동

형 그리퍼를 설계하였다 2 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-11 에 묘사

하였으며 2 차설계한 능동형 그리퍼는 Four Fingertip Grasp 로 칭하겠다 이 장치

는 크게 동력원 동력 전달장치 핑거 그립장치로 구성되어있으며 이를 통합하

여 Fig 4-12 에 나타내었다

핑거 그립장치는 스윙형 그립의 단점을 보완하여 설계하였다 물체를 파지할

때 그립의 회전 반경이 주위 환경요소와 간섭을 발생시킬 수 있는데핑거가 전

진할때 샤프트와 핑거그립간의 나사결합형태를 통한 직선운동으로 개선하여 주

위환경요소에 영향을 주지 않도록 설계하였다 구동축의 핑거파지 메카니즘을

Fig 4-13 와 같이 간략화 하였고 이에 대한 세부 도면은 Fig 4-14 로 나타내었다

4 조 핑거 그립의 나사산과 테이퍼진 스크류축은 나사식으로 결합되며 상호

작용에 의해 점차 중심점으로 이동하여 물체를 파지하는 형태이다 사용된 2 개

의 샤프트는 중공축으로 설계하였으며 외부 샤프트는 4 조 핑거가 물체를 파지

하여 비트는 모션을 구현하는데 사용되었다 내부 샤프트는 핑거를 중심점으로

전진시켜는 기능을 수행한다 중공축으로 설계한 내부 샤프트는 차후 개발될 인

스트리먼트의 탈부착을 손쉽게 할수있도록 구현하였고 4 조로 설계된 핑거는 그

립시 인스트리먼트의 응력집중현상을 분산시키는 기능과 2 조로 그립하였을때

보다 안정적인 그립감을 형성한다

- 55 -

동력원과 동력전달장치는 Fig 4-15 에 나타내었으며 Two Fingertip Grasp system

의 문제점이었던 구동부의 모터의 설치 방법을 외부에 부착하는 형태로 변경하

여 우레탄 밸트를 사용하였다 또한 아이들러를 사용하여 밸트의 방향을 변경

하여 모터의 부착위치를 자유롭게 설정할 수 있도록 하였고 모터 브라켓에 슬

리브 홈을 설치하여 벨트의 장력을 조절할 수 있도록 하였다

Fig4-11

Fig4-12 Fou

- 56 -

Four fingertip

ur fingertips g

ps grasp system

grasp system la

m

ayout

Fig 4-13

Fig 4-14

- 57 -

Fingertip gra

4 Fingertip gr

asps mechanis

rasps extended

m

d

Fig 4-15

- 58 -

5 Power transmission devicce

- 59 -

제 5장 결 론

본 연구에서는 MIS 수술 로봇을 위한 햅틱 마스터장치 구동용 능동형 그리

퍼를 설계하기 위하여 그에 상응하는 자료 및 문헌 조사를 수행하였고 햅틱 마

스터에 적용 가능한 능동형 그리퍼를 설계하여 로봇 시스템의 초안을 구성하였

다 수술용 도구를 단순히 잡아주는 역할에서 벗어나 시스템에 추가적인 자유도

를 부여함으로써 그리퍼를 표현하였다 단순화된 그리퍼는 보다 저렴한 가격으

로 생산될 수 있으며 기존 로봇 수술시스템의 높은 비용을 절감할 수 있는 효

과를 가져올 수 있다

최종적으로 제안한 설계 안으로는 2 조 핑거그립를 사용하는 전기모터형 그

리퍼 와 추가적으로 개선한 4 조 전기모터형 핑거그립를 설계였다 스윙형 그립

의 단점을 보안하여 집중응력을 분산할 수 있는 구조로 설계하였고 그리퍼의

무계를 줄일 수 있는 방법을 제시하였다 이로써 원통형 도구 파지 시 안정성이

향상되었고 보다 원활하게 수술 도구를 교체 가능하도록 하였다

앞으로 촉감을 전달할 수 있는 센서의 개발로 햅틱 디바이스 인터페이스 장

치의 활용에 보다 높은 기여를 할 것이라 예상된다

-６０-

참고 문헌

[1] 나군호 ldquo로봇수술의 현재와 미래rdquo대한전기학회 2008년도 학술대회 논문

정보 및 제어부분 PP68~7020084

[2] 박정호 ldquo국내외 의료로봇 현황과 발전방향rdquo정보과학지 26(4)

PP49~5420084

[3] 편집부 ldquo수술지원로봇의 최신 기술 동향rdquo월간 자동화 기술 22(12)

PP74~77200612

[4] 경기욱박준석 ldquo햅틱스 기술개발 동향 및 연구전망rdquo전자통신경향분석

21(5)PP93~108200610

[5] 권동수경기욱 ldquo의료용 로봇의 연구 현황과 전망rdquo기계저널

42(3)PP38~44200203

[6] Yoichi OGAHARA Yusuke KAWATO Kenjiro TAKEMURA Takashi MAENO

ldquoA Wire-Driven Miniature Five Fingerd Robot Hand using Elastic Elements as

Jointsrdquo Proceedings the 2003 IEEERSJ Intl Conferense on Intelligent Robots and

Systems

[7] Ikuo Yamano Takashi Maeno ldquoFive-fingered Robot Hand using Ultrasonic Motors

and Elastic Elementsrdquoproceedings the 2005 IEEE International Conference on

Robotics and Automaion

[8] 홍만복김광기 ldquo최소 침습수술로봇을위한 2-자유도 구형 메커니즘설계rdquo

한국정밀공학회 2009년 추계학술대회 논문집

-６１-

[9] 이재훈김형욱이병주서일홍 ldquo새로운 6자유도 병렬형 햅틱 기구의 최적설

계 및 해석rdquo한국정밀공학회 2003년 추계학술대회 논문집

[10] 조국훈이재훈이병주김희국 ldquo병렬형 그리퍼 메카니즘rdquo한국정밀공학회지

[11] 김갑순 ldquo3축 힘센서를 이용한 지능형 그리퍼 개발rdquo한국정밀공학회지 제

24권 제 3호 1999년

[12] 고대성김성목김희국이병주 ldquo병진형 자유도와 1자유도 파지기능을 가지는

4자유도 병렬 메커니즘의 기구학분석rdquo한국정밀공학회 2007년 추계학술대회

• 제1장 서 론
• • 11 연구배경 및 연구목적
  • 12 연구내용
  • • 제2장 로봇 산업의 기술 현황
    • • 21 로봇산업의 동향
      • 22 의료용 로봇기술 현황
      • 23 의료용 로봇시장 전망
      • • 제3장 능동 그리퍼
        • • 31 최소침습 수술 햅틱 장치구현에 필요한 능동 그리퍼 제안
          • 32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류
          • 33 파지형태에 의한 그리퍼의 분류
          • 34 메카니컬 핸드의 구속기능
          • 35 대표적인 동력원의 특징
          • • 제4장 능동형 그리퍼 설계
            • • 41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정
              • 42 모터 선정 알고리즘
              • • 43 1 차 능동형 그리퍼 설계
                • 44 2 차 능동형 그리퍼 설계
                • • 제 5 장 결론
                  • 참고문헌
                  • TABLE 2-1 Domestic robot classification
                  • TABLE 2-2 Robot Production Company
                  • TABLE 3-1 Characteristics of power sources
                  • TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics
                  • TABLE 4-2 αSTEP Motor Characteristics
                  • Fig2-1 Phase of medical robots in the robot industry
                  • Fig2-2 Da Vinci surgical case number
                  • Fig3-1 Da Vinci robot system for MIS
                  • Fig3-2 Classified by the gripper grip action
                  • Fig3-3 Swing-type hand mechanism
                  • Fig3-4 Hand mechanism for translational type1 (parallel displacement)
                  • Fig3-5 Hand mechanism for translational type2 (Rack and pinion type)
                  • Fig3-6 Hand mechanism for three point pinch type
                  • Fig3-7 Movement of object
                  • Fig3-8 Contacts of the kind and the confining
                  • Fig3-9 Human Arm structure
                  • Fig4-1 Configuration of the fingers on robot gripper
                  • Fig4-2 Change the value of the angle of phage torque
                  • Fig4-3 Motor Selection Algorithm
                  • Fig4-4 Arbitrary Shape of Planar Area
                  • Fig4-5 Parallel-Axis Theorem
                  • Fig4-6 Arbitrary Shape of Polar Area
                  • Fig4-7 Example of Velocity Guidance
                  • Fig4-8 Parallel-link Grasp system 1
                  • Fig4-9 Parallel-link Grasp system 2
                  • Fig4-10 TWO Fingertip Grasp system
                  • Fig4-11 Four Fingertip Grasp System
                  • Fig4-12 Four Fingertip Grasp System layout
                  • Fig4-13 Fingertip Grasp Mechanism
                  • Fig4-14 Fingertip Grasp extended
                  • Fig4-15 Power Transmission Device

식 (413)와

즉 평면에

서로 수직인

극 관성

와 도심 C

와 식 (414)에

I

수직인 축에

인 두 축에 대

성모멘트에 대

에 대한 극

Fig 4-6 Arb

의해 식 (4

ρ dA

I

에 대한 극관

대한 관성모

대한 평행축

극 관성모멘트

- 45 -

bitrary shape o

ρ x y

415) 식 (41

x y dA

I I I

관성모멘트는

멘트의 합과

정리는 Fig

트를 각각 I

of Polar Area

y

16)과 같은 관

x dA y

는 평면 내의

과 같다

4-5 에서 유

와 I 로

관계식을 얻을

y dA

같은 지점을

유도할 수 있

로 표시하면

414

을 수 있다

415

416

을 통과하는

있다 원점 O

식 (416)에

- 46 -

서 식(417)을 유도할 수 있다

I I I I I I 417

I I I I A d d 418

I I Ad 419

식 (419)는 극 관성모멘트에 대한 평행축 정리를 나타낸다 즉 평면 내의 임의

의 한 점 O 에 대한 면적의 극관성모멘트는 도심 C 에 대한 극관성모멘트에 그

면적과 점 O 와 C 사이의 거리의 제곱의 곱을 더한 것과 같다

이상의 식에서 부하토크와 관성모멘트를 계산하여 모터를 가 선정한다 부하토

크의 경우 사용될 모터의 정격 토크를 넘어서지 않는 것을 선정한다 부하토크

를 TL 정상 부하 상태의 힘 PL 극 관성모멘트 IL 회전운동을 위한 힘 Pa 각속

도 가속 시 소요되는 시간을 ta 라 하고 식 (420)을 이용하여 부하가 일정하

게 작용할 때의 힘을 계산한다 마찬가지로 관성모멘트를 식 (421)에 대입하여

가속을 위한 회전 운동 시 필요한 힘을 계산한다 식 (420)과 식 (421)에서 계

산된 힘을 합산하면 모터를 회전시키기 위해 필요한 출력이 계산된다 이때 계

산된 출력보다 실제 사용할 모터의 정격 출력이 1~2 배 정도가 되도록 모터를

가 선정한다

- 47 -

P T ω 420

P 421

위의 과정을 통하여 모터를 가선정하고 가감속 토크 및 구동 토크를 계산한

다 각각의 토크를 계산하게 되면 모터를 최종적으로 선정하게 되는데 두 가지

사항을 고려하여 최종 선정한다 먼저 식 (422)을 통해서 계산되는 가속 시 소

요되는 기동 토크 TM 가 모터의 최대 토크를 넘지 않는 것으로 선정한다

T 422

두 번째로 Fig 4-7 의 속도 선도와 같이 모터의 가 감속 시간과 정상 동작

시간 등을 결정하여 식 (423)과 같이 실효치 토크 TS 를 구하고 실효 토크가 모

터의 정격 토크보다 크지 않도록 선정한다

T 423

Fig 4-7 Exa

- 48 -

ample of veloc

city guidance

- 49 -

(3) 알고리즘 적용

로봇시스템에 있어서 기구들의 관성모멘트와 토크 계산 후 적합한 모터를

선정하기 위해 시중에서 시판되는 모터를 조사하였다 로봇에 적용 가능한 모터

로는 크게 서버모터와 스텝모터 RC 서버모터 DC 모터로 구분 할 수 있었다 이

를 TABLE 4-1 과 같이 정리하였다

동력원의 6 가지 선정요소 중 우선순위를 부여하여 분류했을 때 핸드 그리퍼

의 특성상 가볍고 토크가 큰 RC 서버 모터 미니 서버모터를 선택할 수 도 있지

만 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터 중 토크를 증가시킬 수 있는

감속기가 있는 타입의 모터를 우선시 하였다

1 감속비를 사양할 수 있는 모터를 선정하여 계산한 토크를 확인한다

2 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터를 선정한다

3 CLOSED LOOP 제어를 통하여 정확한 위치를 검출할 수 있어야 한다

따라서 스텝모터중 lsquoOrsquo사의 ldquoαSTEPrdquo가 적합하다고 판단되어 모터를 선정하였다

- 50 -

TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics

미니서버모터 RC 서버모터 스텝모터 DC 모터

장점 동일사양대비 모터

중 10배정도 큰 토크

5v사용가벼움

정확한 위치제어

급격한 부하변동급가

속 유리

저렴한가격

보편화됨

단점 정지시 진동이 예상 약한 토크 THRUST하중이 모터

무계 이하여야 한다

유지보수가 잦다

크기 151588mm(10w20w)

2525111mm(30w)

392038mm 424234mm Oslash37mm917mm

동작전압 Dc 24V Dc 48V60V Dc 24V Dc 24V

무계 230g~400g 56g 150g 200g

허용토크 009Nm~03Nm 11~13kgfcm 18kgfcm (018Nm) 47kgfcm(1200)

감속기 다양한 감속비 가능 고정 감속기 감속기 무(072˚036) 다양한 감속비

제조사 야스카와 SGMM 하이텍 HS-5945 AUTONICS GCM 3429A

TABLE 4-2 αstep motor characteristics

외형 전압 전류 무계 토크 감속비 분해능

αSTEP 282884mm

4242127mm Dc24V 1~37A 250G 2~28 Nmiddotm 50~1001

00072pluse

00036pluse

- 51 -

43 1 차 능동형 그리퍼 설계

실린더를 사용하여 링크로 물체를 파지하던 그리퍼는 Fig 4-8 과 Fig 4-9 에

묘사하였다 이런 실린더를 사용한 그리퍼는 공압 효과를 도출할 수 있는 별도

의 펌프가 필요하고 동작을 구현할 수 있는 자유도를 증가시키는데 한계가 있

다 이런 실린더의 단점을 보완하고 전기모터의 장점을 사용하기 위해 웜기어와

웜휠 방식을 채택하여 2 자유도 능동형 그리퍼를 설계하였다

1 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-10 에 묘사하였으며 1 차설계한

능동형 그리퍼는 Two Fingertip Grasp 로 칭하겠다 파지한 물체를 회전 시키는

기능은 베벨기어를 사용하여 회전운동으로 구현하였고 실린더의 전middot후진 운동

을 전기모터의 회전운동으로 변환 시키기 위하여 웜기어와 웜휨을 선택하였다

전기모터에 의해 회전하는 운동은 웜기어와 웜휠에 의해 링크를 사용하여 물체

를 파지하였던 그리퍼와 동일한 운동효과를 가지게 되었다

웜기어와 웜휠을 사용하여 물체를 파지하는 능동형 그리퍼는 스윙형으로 설

계되었으며 파지력을 높이기 위한 각도를 적용하였다 링크를 사용하여 물체를

파지하는 형태의 그리퍼보다 기구의 크기를 줄일 수 있는 장점이 있는 반면 기

어들의 백래시에 의한 오차가 끝단에 누적될 수 있는 문제점을 가지고 있다또

한 기구부의 소재 변경으로 그리퍼의 무계를 줄일 수 도 있지만 가장 큰 무계

를 차지하는 모터를 그리퍼 자체에서 분리하게 할 수 있게 하려면 그리퍼 자체

의 구조변경이 필요하다

`

`

Fig 4-8 Par

Fig 4-9 Par

- 52 -

rallel-link gra

rallel-link gra

sps system 1

sps system 2

Fig 4-10

- 53 -

0 Two fingertipps grasp system

- 54 -

44 2 차 능동형 그리퍼 설계

1 차 설계한 능동형 그리퍼에서 발견된 문제점을 보안하기 위하여 2 차 능동

형 그리퍼를 설계하였다 2 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-11 에 묘사

하였으며 2 차설계한 능동형 그리퍼는 Four Fingertip Grasp 로 칭하겠다 이 장치

는 크게 동력원 동력 전달장치 핑거 그립장치로 구성되어있으며 이를 통합하

여 Fig 4-12 에 나타내었다

핑거 그립장치는 스윙형 그립의 단점을 보완하여 설계하였다 물체를 파지할

때 그립의 회전 반경이 주위 환경요소와 간섭을 발생시킬 수 있는데핑거가 전

진할때 샤프트와 핑거그립간의 나사결합형태를 통한 직선운동으로 개선하여 주

위환경요소에 영향을 주지 않도록 설계하였다 구동축의 핑거파지 메카니즘을

Fig 4-13 와 같이 간략화 하였고 이에 대한 세부 도면은 Fig 4-14 로 나타내었다

4 조 핑거 그립의 나사산과 테이퍼진 스크류축은 나사식으로 결합되며 상호

작용에 의해 점차 중심점으로 이동하여 물체를 파지하는 형태이다 사용된 2 개

의 샤프트는 중공축으로 설계하였으며 외부 샤프트는 4 조 핑거가 물체를 파지

하여 비트는 모션을 구현하는데 사용되었다 내부 샤프트는 핑거를 중심점으로

전진시켜는 기능을 수행한다 중공축으로 설계한 내부 샤프트는 차후 개발될 인

스트리먼트의 탈부착을 손쉽게 할수있도록 구현하였고 4 조로 설계된 핑거는 그

립시 인스트리먼트의 응력집중현상을 분산시키는 기능과 2 조로 그립하였을때

보다 안정적인 그립감을 형성한다

- 55 -

동력원과 동력전달장치는 Fig 4-15 에 나타내었으며 Two Fingertip Grasp system

의 문제점이었던 구동부의 모터의 설치 방법을 외부에 부착하는 형태로 변경하

여 우레탄 밸트를 사용하였다 또한 아이들러를 사용하여 밸트의 방향을 변경

하여 모터의 부착위치를 자유롭게 설정할 수 있도록 하였고 모터 브라켓에 슬

리브 홈을 설치하여 벨트의 장력을 조절할 수 있도록 하였다

Fig4-11

Fig4-12 Fou

- 56 -

Four fingertip

ur fingertips g

ps grasp system

grasp system la

m

ayout

Fig 4-13

Fig 4-14

- 57 -

Fingertip gra

4 Fingertip gr

asps mechanis

rasps extended

m

d

Fig 4-15

- 58 -

5 Power transmission devicce

- 59 -

제 5장 결 론

본 연구에서는 MIS 수술 로봇을 위한 햅틱 마스터장치 구동용 능동형 그리

퍼를 설계하기 위하여 그에 상응하는 자료 및 문헌 조사를 수행하였고 햅틱 마

스터에 적용 가능한 능동형 그리퍼를 설계하여 로봇 시스템의 초안을 구성하였

다 수술용 도구를 단순히 잡아주는 역할에서 벗어나 시스템에 추가적인 자유도

를 부여함으로써 그리퍼를 표현하였다 단순화된 그리퍼는 보다 저렴한 가격으

로 생산될 수 있으며 기존 로봇 수술시스템의 높은 비용을 절감할 수 있는 효

과를 가져올 수 있다

최종적으로 제안한 설계 안으로는 2 조 핑거그립를 사용하는 전기모터형 그

리퍼 와 추가적으로 개선한 4 조 전기모터형 핑거그립를 설계였다 스윙형 그립

의 단점을 보안하여 집중응력을 분산할 수 있는 구조로 설계하였고 그리퍼의

무계를 줄일 수 있는 방법을 제시하였다 이로써 원통형 도구 파지 시 안정성이

향상되었고 보다 원활하게 수술 도구를 교체 가능하도록 하였다

앞으로 촉감을 전달할 수 있는 센서의 개발로 햅틱 디바이스 인터페이스 장

치의 활용에 보다 높은 기여를 할 것이라 예상된다

-６０-

참고 문헌

[1] 나군호 ldquo로봇수술의 현재와 미래rdquo대한전기학회 2008년도 학술대회 논문

정보 및 제어부분 PP68~7020084

[2] 박정호 ldquo국내외 의료로봇 현황과 발전방향rdquo정보과학지 26(4)

PP49~5420084

[3] 편집부 ldquo수술지원로봇의 최신 기술 동향rdquo월간 자동화 기술 22(12)

PP74~77200612

[4] 경기욱박준석 ldquo햅틱스 기술개발 동향 및 연구전망rdquo전자통신경향분석

21(5)PP93~108200610

[5] 권동수경기욱 ldquo의료용 로봇의 연구 현황과 전망rdquo기계저널

42(3)PP38~44200203

[6] Yoichi OGAHARA Yusuke KAWATO Kenjiro TAKEMURA Takashi MAENO

ldquoA Wire-Driven Miniature Five Fingerd Robot Hand using Elastic Elements as

Jointsrdquo Proceedings the 2003 IEEERSJ Intl Conferense on Intelligent Robots and

Systems

[7] Ikuo Yamano Takashi Maeno ldquoFive-fingered Robot Hand using Ultrasonic Motors

and Elastic Elementsrdquoproceedings the 2005 IEEE International Conference on

Robotics and Automaion

[8] 홍만복김광기 ldquo최소 침습수술로봇을위한 2-자유도 구형 메커니즘설계rdquo

한국정밀공학회 2009년 추계학술대회 논문집

-６１-

[9] 이재훈김형욱이병주서일홍 ldquo새로운 6자유도 병렬형 햅틱 기구의 최적설

계 및 해석rdquo한국정밀공학회 2003년 추계학술대회 논문집

[10] 조국훈이재훈이병주김희국 ldquo병렬형 그리퍼 메카니즘rdquo한국정밀공학회지

[11] 김갑순 ldquo3축 힘센서를 이용한 지능형 그리퍼 개발rdquo한국정밀공학회지 제

24권 제 3호 1999년

[12] 고대성김성목김희국이병주 ldquo병진형 자유도와 1자유도 파지기능을 가지는

4자유도 병렬 메커니즘의 기구학분석rdquo한국정밀공학회 2007년 추계학술대회

• 제1장 서 론
• • 11 연구배경 및 연구목적
  • 12 연구내용
  • • 제2장 로봇 산업의 기술 현황
    • • 21 로봇산업의 동향
      • 22 의료용 로봇기술 현황
      • 23 의료용 로봇시장 전망
      • • 제3장 능동 그리퍼
        • • 31 최소침습 수술 햅틱 장치구현에 필요한 능동 그리퍼 제안
          • 32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류
          • 33 파지형태에 의한 그리퍼의 분류
          • 34 메카니컬 핸드의 구속기능
          • 35 대표적인 동력원의 특징
          • • 제4장 능동형 그리퍼 설계
            • • 41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정
              • 42 모터 선정 알고리즘
              • • 43 1 차 능동형 그리퍼 설계
                • 44 2 차 능동형 그리퍼 설계
                • • 제 5 장 결론
                  • 참고문헌
                  • TABLE 2-1 Domestic robot classification
                  • TABLE 2-2 Robot Production Company
                  • TABLE 3-1 Characteristics of power sources
                  • TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics
                  • TABLE 4-2 αSTEP Motor Characteristics
                  • Fig2-1 Phase of medical robots in the robot industry
                  • Fig2-2 Da Vinci surgical case number
                  • Fig3-1 Da Vinci robot system for MIS
                  • Fig3-2 Classified by the gripper grip action
                  • Fig3-3 Swing-type hand mechanism
                  • Fig3-4 Hand mechanism for translational type1 (parallel displacement)
                  • Fig3-5 Hand mechanism for translational type2 (Rack and pinion type)
                  • Fig3-6 Hand mechanism for three point pinch type
                  • Fig3-7 Movement of object
                  • Fig3-8 Contacts of the kind and the confining
                  • Fig3-9 Human Arm structure
                  • Fig4-1 Configuration of the fingers on robot gripper
                  • Fig4-2 Change the value of the angle of phage torque
                  • Fig4-3 Motor Selection Algorithm
                  • Fig4-4 Arbitrary Shape of Planar Area
                  • Fig4-5 Parallel-Axis Theorem
                  • Fig4-6 Arbitrary Shape of Polar Area
                  • Fig4-7 Example of Velocity Guidance
                  • Fig4-8 Parallel-link Grasp system 1
                  • Fig4-9 Parallel-link Grasp system 2
                  • Fig4-10 TWO Fingertip Grasp system
                  • Fig4-11 Four Fingertip Grasp System
                  • Fig4-12 Four Fingertip Grasp System layout
                  • Fig4-13 Fingertip Grasp Mechanism
                  • Fig4-14 Fingertip Grasp extended
                  • Fig4-15 Power Transmission Device

- 46 -

서 식(417)을 유도할 수 있다

I I I I I I 417

I I I I A d d 418

I I Ad 419

식 (419)는 극 관성모멘트에 대한 평행축 정리를 나타낸다 즉 평면 내의 임의

의 한 점 O 에 대한 면적의 극관성모멘트는 도심 C 에 대한 극관성모멘트에 그

면적과 점 O 와 C 사이의 거리의 제곱의 곱을 더한 것과 같다

이상의 식에서 부하토크와 관성모멘트를 계산하여 모터를 가 선정한다 부하토

크의 경우 사용될 모터의 정격 토크를 넘어서지 않는 것을 선정한다 부하토크

를 TL 정상 부하 상태의 힘 PL 극 관성모멘트 IL 회전운동을 위한 힘 Pa 각속

도 가속 시 소요되는 시간을 ta 라 하고 식 (420)을 이용하여 부하가 일정하

게 작용할 때의 힘을 계산한다 마찬가지로 관성모멘트를 식 (421)에 대입하여

가속을 위한 회전 운동 시 필요한 힘을 계산한다 식 (420)과 식 (421)에서 계

산된 힘을 합산하면 모터를 회전시키기 위해 필요한 출력이 계산된다 이때 계

산된 출력보다 실제 사용할 모터의 정격 출력이 1~2 배 정도가 되도록 모터를

가 선정한다

- 47 -

P T ω 420

P 421

위의 과정을 통하여 모터를 가선정하고 가감속 토크 및 구동 토크를 계산한

다 각각의 토크를 계산하게 되면 모터를 최종적으로 선정하게 되는데 두 가지

사항을 고려하여 최종 선정한다 먼저 식 (422)을 통해서 계산되는 가속 시 소

요되는 기동 토크 TM 가 모터의 최대 토크를 넘지 않는 것으로 선정한다

T 422

두 번째로 Fig 4-7 의 속도 선도와 같이 모터의 가 감속 시간과 정상 동작

시간 등을 결정하여 식 (423)과 같이 실효치 토크 TS 를 구하고 실효 토크가 모

터의 정격 토크보다 크지 않도록 선정한다

T 423

Fig 4-7 Exa

- 48 -

ample of veloc

city guidance

- 49 -

(3) 알고리즘 적용

로봇시스템에 있어서 기구들의 관성모멘트와 토크 계산 후 적합한 모터를

선정하기 위해 시중에서 시판되는 모터를 조사하였다 로봇에 적용 가능한 모터

로는 크게 서버모터와 스텝모터 RC 서버모터 DC 모터로 구분 할 수 있었다 이

를 TABLE 4-1 과 같이 정리하였다

동력원의 6 가지 선정요소 중 우선순위를 부여하여 분류했을 때 핸드 그리퍼

의 특성상 가볍고 토크가 큰 RC 서버 모터 미니 서버모터를 선택할 수 도 있지

만 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터 중 토크를 증가시킬 수 있는

감속기가 있는 타입의 모터를 우선시 하였다

1 감속비를 사양할 수 있는 모터를 선정하여 계산한 토크를 확인한다

2 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터를 선정한다

3 CLOSED LOOP 제어를 통하여 정확한 위치를 검출할 수 있어야 한다

따라서 스텝모터중 lsquoOrsquo사의 ldquoαSTEPrdquo가 적합하다고 판단되어 모터를 선정하였다

- 50 -

TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics

미니서버모터 RC 서버모터 스텝모터 DC 모터

장점 동일사양대비 모터

중 10배정도 큰 토크

5v사용가벼움

정확한 위치제어

급격한 부하변동급가

속 유리

저렴한가격

보편화됨

단점 정지시 진동이 예상 약한 토크 THRUST하중이 모터

무계 이하여야 한다

유지보수가 잦다

크기 151588mm(10w20w)

2525111mm(30w)

392038mm 424234mm Oslash37mm917mm

동작전압 Dc 24V Dc 48V60V Dc 24V Dc 24V

무계 230g~400g 56g 150g 200g

허용토크 009Nm~03Nm 11~13kgfcm 18kgfcm (018Nm) 47kgfcm(1200)

감속기 다양한 감속비 가능 고정 감속기 감속기 무(072˚036) 다양한 감속비

제조사 야스카와 SGMM 하이텍 HS-5945 AUTONICS GCM 3429A

TABLE 4-2 αstep motor characteristics

외형 전압 전류 무계 토크 감속비 분해능

αSTEP 282884mm

4242127mm Dc24V 1~37A 250G 2~28 Nmiddotm 50~1001

00072pluse

00036pluse

- 51 -

43 1 차 능동형 그리퍼 설계

실린더를 사용하여 링크로 물체를 파지하던 그리퍼는 Fig 4-8 과 Fig 4-9 에

묘사하였다 이런 실린더를 사용한 그리퍼는 공압 효과를 도출할 수 있는 별도

의 펌프가 필요하고 동작을 구현할 수 있는 자유도를 증가시키는데 한계가 있

다 이런 실린더의 단점을 보완하고 전기모터의 장점을 사용하기 위해 웜기어와

웜휠 방식을 채택하여 2 자유도 능동형 그리퍼를 설계하였다

1 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-10 에 묘사하였으며 1 차설계한

능동형 그리퍼는 Two Fingertip Grasp 로 칭하겠다 파지한 물체를 회전 시키는

기능은 베벨기어를 사용하여 회전운동으로 구현하였고 실린더의 전middot후진 운동

을 전기모터의 회전운동으로 변환 시키기 위하여 웜기어와 웜휨을 선택하였다

전기모터에 의해 회전하는 운동은 웜기어와 웜휠에 의해 링크를 사용하여 물체

를 파지하였던 그리퍼와 동일한 운동효과를 가지게 되었다

웜기어와 웜휠을 사용하여 물체를 파지하는 능동형 그리퍼는 스윙형으로 설

계되었으며 파지력을 높이기 위한 각도를 적용하였다 링크를 사용하여 물체를

파지하는 형태의 그리퍼보다 기구의 크기를 줄일 수 있는 장점이 있는 반면 기

어들의 백래시에 의한 오차가 끝단에 누적될 수 있는 문제점을 가지고 있다또

한 기구부의 소재 변경으로 그리퍼의 무계를 줄일 수 도 있지만 가장 큰 무계

를 차지하는 모터를 그리퍼 자체에서 분리하게 할 수 있게 하려면 그리퍼 자체

의 구조변경이 필요하다

`

`

Fig 4-8 Par

Fig 4-9 Par

- 52 -

rallel-link gra

rallel-link gra

sps system 1

sps system 2

Fig 4-10

- 53 -

0 Two fingertipps grasp system

- 54 -

44 2 차 능동형 그리퍼 설계

1 차 설계한 능동형 그리퍼에서 발견된 문제점을 보안하기 위하여 2 차 능동

형 그리퍼를 설계하였다 2 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-11 에 묘사

하였으며 2 차설계한 능동형 그리퍼는 Four Fingertip Grasp 로 칭하겠다 이 장치

는 크게 동력원 동력 전달장치 핑거 그립장치로 구성되어있으며 이를 통합하

여 Fig 4-12 에 나타내었다

핑거 그립장치는 스윙형 그립의 단점을 보완하여 설계하였다 물체를 파지할

때 그립의 회전 반경이 주위 환경요소와 간섭을 발생시킬 수 있는데핑거가 전

진할때 샤프트와 핑거그립간의 나사결합형태를 통한 직선운동으로 개선하여 주

위환경요소에 영향을 주지 않도록 설계하였다 구동축의 핑거파지 메카니즘을

Fig 4-13 와 같이 간략화 하였고 이에 대한 세부 도면은 Fig 4-14 로 나타내었다

4 조 핑거 그립의 나사산과 테이퍼진 스크류축은 나사식으로 결합되며 상호

작용에 의해 점차 중심점으로 이동하여 물체를 파지하는 형태이다 사용된 2 개

의 샤프트는 중공축으로 설계하였으며 외부 샤프트는 4 조 핑거가 물체를 파지

하여 비트는 모션을 구현하는데 사용되었다 내부 샤프트는 핑거를 중심점으로

전진시켜는 기능을 수행한다 중공축으로 설계한 내부 샤프트는 차후 개발될 인

스트리먼트의 탈부착을 손쉽게 할수있도록 구현하였고 4 조로 설계된 핑거는 그

립시 인스트리먼트의 응력집중현상을 분산시키는 기능과 2 조로 그립하였을때

보다 안정적인 그립감을 형성한다

- 55 -

동력원과 동력전달장치는 Fig 4-15 에 나타내었으며 Two Fingertip Grasp system

의 문제점이었던 구동부의 모터의 설치 방법을 외부에 부착하는 형태로 변경하

여 우레탄 밸트를 사용하였다 또한 아이들러를 사용하여 밸트의 방향을 변경

하여 모터의 부착위치를 자유롭게 설정할 수 있도록 하였고 모터 브라켓에 슬

리브 홈을 설치하여 벨트의 장력을 조절할 수 있도록 하였다

Fig4-11

Fig4-12 Fou

- 56 -

Four fingertip

ur fingertips g

ps grasp system

grasp system la

m

ayout

Fig 4-13

Fig 4-14

- 57 -

Fingertip gra

4 Fingertip gr

asps mechanis

rasps extended

m

d

Fig 4-15

- 58 -

5 Power transmission devicce

- 59 -

제 5장 결 론

본 연구에서는 MIS 수술 로봇을 위한 햅틱 마스터장치 구동용 능동형 그리

퍼를 설계하기 위하여 그에 상응하는 자료 및 문헌 조사를 수행하였고 햅틱 마

스터에 적용 가능한 능동형 그리퍼를 설계하여 로봇 시스템의 초안을 구성하였

다 수술용 도구를 단순히 잡아주는 역할에서 벗어나 시스템에 추가적인 자유도

를 부여함으로써 그리퍼를 표현하였다 단순화된 그리퍼는 보다 저렴한 가격으

로 생산될 수 있으며 기존 로봇 수술시스템의 높은 비용을 절감할 수 있는 효

과를 가져올 수 있다

최종적으로 제안한 설계 안으로는 2 조 핑거그립를 사용하는 전기모터형 그

리퍼 와 추가적으로 개선한 4 조 전기모터형 핑거그립를 설계였다 스윙형 그립

의 단점을 보안하여 집중응력을 분산할 수 있는 구조로 설계하였고 그리퍼의

무계를 줄일 수 있는 방법을 제시하였다 이로써 원통형 도구 파지 시 안정성이

향상되었고 보다 원활하게 수술 도구를 교체 가능하도록 하였다

앞으로 촉감을 전달할 수 있는 센서의 개발로 햅틱 디바이스 인터페이스 장

치의 활용에 보다 높은 기여를 할 것이라 예상된다

-６０-

참고 문헌

[1] 나군호 ldquo로봇수술의 현재와 미래rdquo대한전기학회 2008년도 학술대회 논문

정보 및 제어부분 PP68~7020084

[2] 박정호 ldquo국내외 의료로봇 현황과 발전방향rdquo정보과학지 26(4)

PP49~5420084

[3] 편집부 ldquo수술지원로봇의 최신 기술 동향rdquo월간 자동화 기술 22(12)

PP74~77200612

[4] 경기욱박준석 ldquo햅틱스 기술개발 동향 및 연구전망rdquo전자통신경향분석

21(5)PP93~108200610

[5] 권동수경기욱 ldquo의료용 로봇의 연구 현황과 전망rdquo기계저널

42(3)PP38~44200203

[6] Yoichi OGAHARA Yusuke KAWATO Kenjiro TAKEMURA Takashi MAENO

ldquoA Wire-Driven Miniature Five Fingerd Robot Hand using Elastic Elements as

Jointsrdquo Proceedings the 2003 IEEERSJ Intl Conferense on Intelligent Robots and

Systems

[7] Ikuo Yamano Takashi Maeno ldquoFive-fingered Robot Hand using Ultrasonic Motors

and Elastic Elementsrdquoproceedings the 2005 IEEE International Conference on

Robotics and Automaion

[8] 홍만복김광기 ldquo최소 침습수술로봇을위한 2-자유도 구형 메커니즘설계rdquo

한국정밀공학회 2009년 추계학술대회 논문집

-６１-

[9] 이재훈김형욱이병주서일홍 ldquo새로운 6자유도 병렬형 햅틱 기구의 최적설

계 및 해석rdquo한국정밀공학회 2003년 추계학술대회 논문집

[10] 조국훈이재훈이병주김희국 ldquo병렬형 그리퍼 메카니즘rdquo한국정밀공학회지

[11] 김갑순 ldquo3축 힘센서를 이용한 지능형 그리퍼 개발rdquo한국정밀공학회지 제

24권 제 3호 1999년

[12] 고대성김성목김희국이병주 ldquo병진형 자유도와 1자유도 파지기능을 가지는

4자유도 병렬 메커니즘의 기구학분석rdquo한국정밀공학회 2007년 추계학술대회

• 제1장 서 론
• • 11 연구배경 및 연구목적
  • 12 연구내용
  • • 제2장 로봇 산업의 기술 현황
    • • 21 로봇산업의 동향
      • 22 의료용 로봇기술 현황
      • 23 의료용 로봇시장 전망
      • • 제3장 능동 그리퍼
        • • 31 최소침습 수술 햅틱 장치구현에 필요한 능동 그리퍼 제안
          • 32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류
          • 33 파지형태에 의한 그리퍼의 분류
          • 34 메카니컬 핸드의 구속기능
          • 35 대표적인 동력원의 특징
          • • 제4장 능동형 그리퍼 설계
            • • 41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정
              • 42 모터 선정 알고리즘
              • • 43 1 차 능동형 그리퍼 설계
                • 44 2 차 능동형 그리퍼 설계
                • • 제 5 장 결론
                  • 참고문헌
                  • TABLE 2-1 Domestic robot classification
                  • TABLE 2-2 Robot Production Company
                  • TABLE 3-1 Characteristics of power sources
                  • TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics
                  • TABLE 4-2 αSTEP Motor Characteristics
                  • Fig2-1 Phase of medical robots in the robot industry
                  • Fig2-2 Da Vinci surgical case number
                  • Fig3-1 Da Vinci robot system for MIS
                  • Fig3-2 Classified by the gripper grip action
                  • Fig3-3 Swing-type hand mechanism
                  • Fig3-4 Hand mechanism for translational type1 (parallel displacement)
                  • Fig3-5 Hand mechanism for translational type2 (Rack and pinion type)
                  • Fig3-6 Hand mechanism for three point pinch type
                  • Fig3-7 Movement of object
                  • Fig3-8 Contacts of the kind and the confining
                  • Fig3-9 Human Arm structure
                  • Fig4-1 Configuration of the fingers on robot gripper
                  • Fig4-2 Change the value of the angle of phage torque
                  • Fig4-3 Motor Selection Algorithm
                  • Fig4-4 Arbitrary Shape of Planar Area
                  • Fig4-5 Parallel-Axis Theorem
                  • Fig4-6 Arbitrary Shape of Polar Area
                  • Fig4-7 Example of Velocity Guidance
                  • Fig4-8 Parallel-link Grasp system 1
                  • Fig4-9 Parallel-link Grasp system 2
                  • Fig4-10 TWO Fingertip Grasp system
                  • Fig4-11 Four Fingertip Grasp System
                  • Fig4-12 Four Fingertip Grasp System layout
                  • Fig4-13 Fingertip Grasp Mechanism
                  • Fig4-14 Fingertip Grasp extended
                  • Fig4-15 Power Transmission Device

- 47 -

P T ω 420

P 421

위의 과정을 통하여 모터를 가선정하고 가감속 토크 및 구동 토크를 계산한

다 각각의 토크를 계산하게 되면 모터를 최종적으로 선정하게 되는데 두 가지

사항을 고려하여 최종 선정한다 먼저 식 (422)을 통해서 계산되는 가속 시 소

요되는 기동 토크 TM 가 모터의 최대 토크를 넘지 않는 것으로 선정한다

T 422

두 번째로 Fig 4-7 의 속도 선도와 같이 모터의 가 감속 시간과 정상 동작

시간 등을 결정하여 식 (423)과 같이 실효치 토크 TS 를 구하고 실효 토크가 모

터의 정격 토크보다 크지 않도록 선정한다

T 423

Fig 4-7 Exa

- 48 -

ample of veloc

city guidance

- 49 -

(3) 알고리즘 적용

로봇시스템에 있어서 기구들의 관성모멘트와 토크 계산 후 적합한 모터를

선정하기 위해 시중에서 시판되는 모터를 조사하였다 로봇에 적용 가능한 모터

로는 크게 서버모터와 스텝모터 RC 서버모터 DC 모터로 구분 할 수 있었다 이

를 TABLE 4-1 과 같이 정리하였다

동력원의 6 가지 선정요소 중 우선순위를 부여하여 분류했을 때 핸드 그리퍼

의 특성상 가볍고 토크가 큰 RC 서버 모터 미니 서버모터를 선택할 수 도 있지

만 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터 중 토크를 증가시킬 수 있는

감속기가 있는 타입의 모터를 우선시 하였다

1 감속비를 사양할 수 있는 모터를 선정하여 계산한 토크를 확인한다

2 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터를 선정한다

3 CLOSED LOOP 제어를 통하여 정확한 위치를 검출할 수 있어야 한다

따라서 스텝모터중 lsquoOrsquo사의 ldquoαSTEPrdquo가 적합하다고 판단되어 모터를 선정하였다

- 50 -

TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics

미니서버모터 RC 서버모터 스텝모터 DC 모터

장점 동일사양대비 모터

중 10배정도 큰 토크

5v사용가벼움

정확한 위치제어

급격한 부하변동급가

속 유리

저렴한가격

보편화됨

단점 정지시 진동이 예상 약한 토크 THRUST하중이 모터

무계 이하여야 한다

유지보수가 잦다

크기 151588mm(10w20w)

2525111mm(30w)

392038mm 424234mm Oslash37mm917mm

동작전압 Dc 24V Dc 48V60V Dc 24V Dc 24V

무계 230g~400g 56g 150g 200g

허용토크 009Nm~03Nm 11~13kgfcm 18kgfcm (018Nm) 47kgfcm(1200)

감속기 다양한 감속비 가능 고정 감속기 감속기 무(072˚036) 다양한 감속비

제조사 야스카와 SGMM 하이텍 HS-5945 AUTONICS GCM 3429A

TABLE 4-2 αstep motor characteristics

외형 전압 전류 무계 토크 감속비 분해능

αSTEP 282884mm

4242127mm Dc24V 1~37A 250G 2~28 Nmiddotm 50~1001

00072pluse

00036pluse

- 51 -

43 1 차 능동형 그리퍼 설계

실린더를 사용하여 링크로 물체를 파지하던 그리퍼는 Fig 4-8 과 Fig 4-9 에

묘사하였다 이런 실린더를 사용한 그리퍼는 공압 효과를 도출할 수 있는 별도

의 펌프가 필요하고 동작을 구현할 수 있는 자유도를 증가시키는데 한계가 있

다 이런 실린더의 단점을 보완하고 전기모터의 장점을 사용하기 위해 웜기어와

웜휠 방식을 채택하여 2 자유도 능동형 그리퍼를 설계하였다

1 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-10 에 묘사하였으며 1 차설계한

능동형 그리퍼는 Two Fingertip Grasp 로 칭하겠다 파지한 물체를 회전 시키는

기능은 베벨기어를 사용하여 회전운동으로 구현하였고 실린더의 전middot후진 운동

을 전기모터의 회전운동으로 변환 시키기 위하여 웜기어와 웜휨을 선택하였다

전기모터에 의해 회전하는 운동은 웜기어와 웜휠에 의해 링크를 사용하여 물체

를 파지하였던 그리퍼와 동일한 운동효과를 가지게 되었다

웜기어와 웜휠을 사용하여 물체를 파지하는 능동형 그리퍼는 스윙형으로 설

계되었으며 파지력을 높이기 위한 각도를 적용하였다 링크를 사용하여 물체를

파지하는 형태의 그리퍼보다 기구의 크기를 줄일 수 있는 장점이 있는 반면 기

어들의 백래시에 의한 오차가 끝단에 누적될 수 있는 문제점을 가지고 있다또

한 기구부의 소재 변경으로 그리퍼의 무계를 줄일 수 도 있지만 가장 큰 무계

를 차지하는 모터를 그리퍼 자체에서 분리하게 할 수 있게 하려면 그리퍼 자체

의 구조변경이 필요하다

`

`

Fig 4-8 Par

Fig 4-9 Par

- 52 -

rallel-link gra

rallel-link gra

sps system 1

sps system 2

Fig 4-10

- 53 -

0 Two fingertipps grasp system

- 54 -

44 2 차 능동형 그리퍼 설계

1 차 설계한 능동형 그리퍼에서 발견된 문제점을 보안하기 위하여 2 차 능동

형 그리퍼를 설계하였다 2 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-11 에 묘사

하였으며 2 차설계한 능동형 그리퍼는 Four Fingertip Grasp 로 칭하겠다 이 장치

는 크게 동력원 동력 전달장치 핑거 그립장치로 구성되어있으며 이를 통합하

여 Fig 4-12 에 나타내었다

핑거 그립장치는 스윙형 그립의 단점을 보완하여 설계하였다 물체를 파지할

때 그립의 회전 반경이 주위 환경요소와 간섭을 발생시킬 수 있는데핑거가 전

진할때 샤프트와 핑거그립간의 나사결합형태를 통한 직선운동으로 개선하여 주

위환경요소에 영향을 주지 않도록 설계하였다 구동축의 핑거파지 메카니즘을

Fig 4-13 와 같이 간략화 하였고 이에 대한 세부 도면은 Fig 4-14 로 나타내었다

4 조 핑거 그립의 나사산과 테이퍼진 스크류축은 나사식으로 결합되며 상호

작용에 의해 점차 중심점으로 이동하여 물체를 파지하는 형태이다 사용된 2 개

의 샤프트는 중공축으로 설계하였으며 외부 샤프트는 4 조 핑거가 물체를 파지

하여 비트는 모션을 구현하는데 사용되었다 내부 샤프트는 핑거를 중심점으로

전진시켜는 기능을 수행한다 중공축으로 설계한 내부 샤프트는 차후 개발될 인

스트리먼트의 탈부착을 손쉽게 할수있도록 구현하였고 4 조로 설계된 핑거는 그

립시 인스트리먼트의 응력집중현상을 분산시키는 기능과 2 조로 그립하였을때

보다 안정적인 그립감을 형성한다

- 55 -

동력원과 동력전달장치는 Fig 4-15 에 나타내었으며 Two Fingertip Grasp system

의 문제점이었던 구동부의 모터의 설치 방법을 외부에 부착하는 형태로 변경하

여 우레탄 밸트를 사용하였다 또한 아이들러를 사용하여 밸트의 방향을 변경

하여 모터의 부착위치를 자유롭게 설정할 수 있도록 하였고 모터 브라켓에 슬

리브 홈을 설치하여 벨트의 장력을 조절할 수 있도록 하였다

Fig4-11

Fig4-12 Fou

- 56 -

Four fingertip

ur fingertips g

ps grasp system

grasp system la

m

ayout

Fig 4-13

Fig 4-14

- 57 -

Fingertip gra

4 Fingertip gr

asps mechanis

rasps extended

m

d

Fig 4-15

- 58 -

5 Power transmission devicce

- 59 -

제 5장 결 론

본 연구에서는 MIS 수술 로봇을 위한 햅틱 마스터장치 구동용 능동형 그리

퍼를 설계하기 위하여 그에 상응하는 자료 및 문헌 조사를 수행하였고 햅틱 마

스터에 적용 가능한 능동형 그리퍼를 설계하여 로봇 시스템의 초안을 구성하였

다 수술용 도구를 단순히 잡아주는 역할에서 벗어나 시스템에 추가적인 자유도

를 부여함으로써 그리퍼를 표현하였다 단순화된 그리퍼는 보다 저렴한 가격으

로 생산될 수 있으며 기존 로봇 수술시스템의 높은 비용을 절감할 수 있는 효

과를 가져올 수 있다

최종적으로 제안한 설계 안으로는 2 조 핑거그립를 사용하는 전기모터형 그

리퍼 와 추가적으로 개선한 4 조 전기모터형 핑거그립를 설계였다 스윙형 그립

의 단점을 보안하여 집중응력을 분산할 수 있는 구조로 설계하였고 그리퍼의

무계를 줄일 수 있는 방법을 제시하였다 이로써 원통형 도구 파지 시 안정성이

향상되었고 보다 원활하게 수술 도구를 교체 가능하도록 하였다

앞으로 촉감을 전달할 수 있는 센서의 개발로 햅틱 디바이스 인터페이스 장

치의 활용에 보다 높은 기여를 할 것이라 예상된다

-６０-

참고 문헌

[1] 나군호 ldquo로봇수술의 현재와 미래rdquo대한전기학회 2008년도 학술대회 논문

정보 및 제어부분 PP68~7020084

[2] 박정호 ldquo국내외 의료로봇 현황과 발전방향rdquo정보과학지 26(4)

PP49~5420084

[3] 편집부 ldquo수술지원로봇의 최신 기술 동향rdquo월간 자동화 기술 22(12)

PP74~77200612

[4] 경기욱박준석 ldquo햅틱스 기술개발 동향 및 연구전망rdquo전자통신경향분석

21(5)PP93~108200610

[5] 권동수경기욱 ldquo의료용 로봇의 연구 현황과 전망rdquo기계저널

42(3)PP38~44200203

[6] Yoichi OGAHARA Yusuke KAWATO Kenjiro TAKEMURA Takashi MAENO

ldquoA Wire-Driven Miniature Five Fingerd Robot Hand using Elastic Elements as

Jointsrdquo Proceedings the 2003 IEEERSJ Intl Conferense on Intelligent Robots and

Systems

[7] Ikuo Yamano Takashi Maeno ldquoFive-fingered Robot Hand using Ultrasonic Motors

and Elastic Elementsrdquoproceedings the 2005 IEEE International Conference on

Robotics and Automaion

[8] 홍만복김광기 ldquo최소 침습수술로봇을위한 2-자유도 구형 메커니즘설계rdquo

한국정밀공학회 2009년 추계학술대회 논문집

-６１-

[9] 이재훈김형욱이병주서일홍 ldquo새로운 6자유도 병렬형 햅틱 기구의 최적설

계 및 해석rdquo한국정밀공학회 2003년 추계학술대회 논문집

[10] 조국훈이재훈이병주김희국 ldquo병렬형 그리퍼 메카니즘rdquo한국정밀공학회지

[11] 김갑순 ldquo3축 힘센서를 이용한 지능형 그리퍼 개발rdquo한국정밀공학회지 제

24권 제 3호 1999년

[12] 고대성김성목김희국이병주 ldquo병진형 자유도와 1자유도 파지기능을 가지는

4자유도 병렬 메커니즘의 기구학분석rdquo한국정밀공학회 2007년 추계학술대회

• 제1장 서 론
• • 11 연구배경 및 연구목적
  • 12 연구내용
  • • 제2장 로봇 산업의 기술 현황
    • • 21 로봇산업의 동향
      • 22 의료용 로봇기술 현황
      • 23 의료용 로봇시장 전망
      • • 제3장 능동 그리퍼
        • • 31 최소침습 수술 햅틱 장치구현에 필요한 능동 그리퍼 제안
          • 32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류
          • 33 파지형태에 의한 그리퍼의 분류
          • 34 메카니컬 핸드의 구속기능
          • 35 대표적인 동력원의 특징
          • • 제4장 능동형 그리퍼 설계
            • • 41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정
              • 42 모터 선정 알고리즘
              • • 43 1 차 능동형 그리퍼 설계
                • 44 2 차 능동형 그리퍼 설계
                • • 제 5 장 결론
                  • 참고문헌
                  • TABLE 2-1 Domestic robot classification
                  • TABLE 2-2 Robot Production Company
                  • TABLE 3-1 Characteristics of power sources
                  • TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics
                  • TABLE 4-2 αSTEP Motor Characteristics
                  • Fig2-1 Phase of medical robots in the robot industry
                  • Fig2-2 Da Vinci surgical case number
                  • Fig3-1 Da Vinci robot system for MIS
                  • Fig3-2 Classified by the gripper grip action
                  • Fig3-3 Swing-type hand mechanism
                  • Fig3-4 Hand mechanism for translational type1 (parallel displacement)
                  • Fig3-5 Hand mechanism for translational type2 (Rack and pinion type)
                  • Fig3-6 Hand mechanism for three point pinch type
                  • Fig3-7 Movement of object
                  • Fig3-8 Contacts of the kind and the confining
                  • Fig3-9 Human Arm structure
                  • Fig4-1 Configuration of the fingers on robot gripper
                  • Fig4-2 Change the value of the angle of phage torque
                  • Fig4-3 Motor Selection Algorithm
                  • Fig4-4 Arbitrary Shape of Planar Area
                  • Fig4-5 Parallel-Axis Theorem
                  • Fig4-6 Arbitrary Shape of Polar Area
                  • Fig4-7 Example of Velocity Guidance
                  • Fig4-8 Parallel-link Grasp system 1
                  • Fig4-9 Parallel-link Grasp system 2
                  • Fig4-10 TWO Fingertip Grasp system
                  • Fig4-11 Four Fingertip Grasp System
                  • Fig4-12 Four Fingertip Grasp System layout
                  • Fig4-13 Fingertip Grasp Mechanism
                  • Fig4-14 Fingertip Grasp extended
                  • Fig4-15 Power Transmission Device

Fig 4-7 Exa

- 48 -

ample of veloc

city guidance

- 49 -

(3) 알고리즘 적용

로봇시스템에 있어서 기구들의 관성모멘트와 토크 계산 후 적합한 모터를

선정하기 위해 시중에서 시판되는 모터를 조사하였다 로봇에 적용 가능한 모터

로는 크게 서버모터와 스텝모터 RC 서버모터 DC 모터로 구분 할 수 있었다 이

를 TABLE 4-1 과 같이 정리하였다

동력원의 6 가지 선정요소 중 우선순위를 부여하여 분류했을 때 핸드 그리퍼

의 특성상 가볍고 토크가 큰 RC 서버 모터 미니 서버모터를 선택할 수 도 있지

만 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터 중 토크를 증가시킬 수 있는

감속기가 있는 타입의 모터를 우선시 하였다

1 감속비를 사양할 수 있는 모터를 선정하여 계산한 토크를 확인한다

2 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터를 선정한다

3 CLOSED LOOP 제어를 통하여 정확한 위치를 검출할 수 있어야 한다

따라서 스텝모터중 lsquoOrsquo사의 ldquoαSTEPrdquo가 적합하다고 판단되어 모터를 선정하였다

- 50 -

TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics

미니서버모터 RC 서버모터 스텝모터 DC 모터

장점 동일사양대비 모터

중 10배정도 큰 토크

5v사용가벼움

정확한 위치제어

급격한 부하변동급가

속 유리

저렴한가격

보편화됨

단점 정지시 진동이 예상 약한 토크 THRUST하중이 모터

무계 이하여야 한다

유지보수가 잦다

크기 151588mm(10w20w)

2525111mm(30w)

392038mm 424234mm Oslash37mm917mm

동작전압 Dc 24V Dc 48V60V Dc 24V Dc 24V

무계 230g~400g 56g 150g 200g

허용토크 009Nm~03Nm 11~13kgfcm 18kgfcm (018Nm) 47kgfcm(1200)

감속기 다양한 감속비 가능 고정 감속기 감속기 무(072˚036) 다양한 감속비

제조사 야스카와 SGMM 하이텍 HS-5945 AUTONICS GCM 3429A

TABLE 4-2 αstep motor characteristics

외형 전압 전류 무계 토크 감속비 분해능

αSTEP 282884mm

4242127mm Dc24V 1~37A 250G 2~28 Nmiddotm 50~1001

00072pluse

00036pluse

- 51 -

43 1 차 능동형 그리퍼 설계

실린더를 사용하여 링크로 물체를 파지하던 그리퍼는 Fig 4-8 과 Fig 4-9 에

묘사하였다 이런 실린더를 사용한 그리퍼는 공압 효과를 도출할 수 있는 별도

의 펌프가 필요하고 동작을 구현할 수 있는 자유도를 증가시키는데 한계가 있

다 이런 실린더의 단점을 보완하고 전기모터의 장점을 사용하기 위해 웜기어와

웜휠 방식을 채택하여 2 자유도 능동형 그리퍼를 설계하였다

1 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-10 에 묘사하였으며 1 차설계한

능동형 그리퍼는 Two Fingertip Grasp 로 칭하겠다 파지한 물체를 회전 시키는

기능은 베벨기어를 사용하여 회전운동으로 구현하였고 실린더의 전middot후진 운동

을 전기모터의 회전운동으로 변환 시키기 위하여 웜기어와 웜휨을 선택하였다

전기모터에 의해 회전하는 운동은 웜기어와 웜휠에 의해 링크를 사용하여 물체

를 파지하였던 그리퍼와 동일한 운동효과를 가지게 되었다

웜기어와 웜휠을 사용하여 물체를 파지하는 능동형 그리퍼는 스윙형으로 설

계되었으며 파지력을 높이기 위한 각도를 적용하였다 링크를 사용하여 물체를

파지하는 형태의 그리퍼보다 기구의 크기를 줄일 수 있는 장점이 있는 반면 기

어들의 백래시에 의한 오차가 끝단에 누적될 수 있는 문제점을 가지고 있다또

한 기구부의 소재 변경으로 그리퍼의 무계를 줄일 수 도 있지만 가장 큰 무계

를 차지하는 모터를 그리퍼 자체에서 분리하게 할 수 있게 하려면 그리퍼 자체

의 구조변경이 필요하다

`

`

Fig 4-8 Par

Fig 4-9 Par

- 52 -

rallel-link gra

rallel-link gra

sps system 1

sps system 2

Fig 4-10

- 53 -

0 Two fingertipps grasp system

- 54 -

44 2 차 능동형 그리퍼 설계

1 차 설계한 능동형 그리퍼에서 발견된 문제점을 보안하기 위하여 2 차 능동

형 그리퍼를 설계하였다 2 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-11 에 묘사

하였으며 2 차설계한 능동형 그리퍼는 Four Fingertip Grasp 로 칭하겠다 이 장치

는 크게 동력원 동력 전달장치 핑거 그립장치로 구성되어있으며 이를 통합하

여 Fig 4-12 에 나타내었다

핑거 그립장치는 스윙형 그립의 단점을 보완하여 설계하였다 물체를 파지할

때 그립의 회전 반경이 주위 환경요소와 간섭을 발생시킬 수 있는데핑거가 전

진할때 샤프트와 핑거그립간의 나사결합형태를 통한 직선운동으로 개선하여 주

위환경요소에 영향을 주지 않도록 설계하였다 구동축의 핑거파지 메카니즘을

Fig 4-13 와 같이 간략화 하였고 이에 대한 세부 도면은 Fig 4-14 로 나타내었다

4 조 핑거 그립의 나사산과 테이퍼진 스크류축은 나사식으로 결합되며 상호

작용에 의해 점차 중심점으로 이동하여 물체를 파지하는 형태이다 사용된 2 개

의 샤프트는 중공축으로 설계하였으며 외부 샤프트는 4 조 핑거가 물체를 파지

하여 비트는 모션을 구현하는데 사용되었다 내부 샤프트는 핑거를 중심점으로

전진시켜는 기능을 수행한다 중공축으로 설계한 내부 샤프트는 차후 개발될 인

스트리먼트의 탈부착을 손쉽게 할수있도록 구현하였고 4 조로 설계된 핑거는 그

립시 인스트리먼트의 응력집중현상을 분산시키는 기능과 2 조로 그립하였을때

보다 안정적인 그립감을 형성한다

- 55 -

동력원과 동력전달장치는 Fig 4-15 에 나타내었으며 Two Fingertip Grasp system

의 문제점이었던 구동부의 모터의 설치 방법을 외부에 부착하는 형태로 변경하

여 우레탄 밸트를 사용하였다 또한 아이들러를 사용하여 밸트의 방향을 변경

하여 모터의 부착위치를 자유롭게 설정할 수 있도록 하였고 모터 브라켓에 슬

리브 홈을 설치하여 벨트의 장력을 조절할 수 있도록 하였다

Fig4-11

Fig4-12 Fou

- 56 -

Four fingertip

ur fingertips g

ps grasp system

grasp system la

m

ayout

Fig 4-13

Fig 4-14

- 57 -

Fingertip gra

4 Fingertip gr

asps mechanis

rasps extended

m

d

Fig 4-15

- 58 -

5 Power transmission devicce

- 59 -

제 5장 결 론

본 연구에서는 MIS 수술 로봇을 위한 햅틱 마스터장치 구동용 능동형 그리

퍼를 설계하기 위하여 그에 상응하는 자료 및 문헌 조사를 수행하였고 햅틱 마

스터에 적용 가능한 능동형 그리퍼를 설계하여 로봇 시스템의 초안을 구성하였

다 수술용 도구를 단순히 잡아주는 역할에서 벗어나 시스템에 추가적인 자유도

를 부여함으로써 그리퍼를 표현하였다 단순화된 그리퍼는 보다 저렴한 가격으

로 생산될 수 있으며 기존 로봇 수술시스템의 높은 비용을 절감할 수 있는 효

과를 가져올 수 있다

최종적으로 제안한 설계 안으로는 2 조 핑거그립를 사용하는 전기모터형 그

리퍼 와 추가적으로 개선한 4 조 전기모터형 핑거그립를 설계였다 스윙형 그립

의 단점을 보안하여 집중응력을 분산할 수 있는 구조로 설계하였고 그리퍼의

무계를 줄일 수 있는 방법을 제시하였다 이로써 원통형 도구 파지 시 안정성이

향상되었고 보다 원활하게 수술 도구를 교체 가능하도록 하였다

앞으로 촉감을 전달할 수 있는 센서의 개발로 햅틱 디바이스 인터페이스 장

치의 활용에 보다 높은 기여를 할 것이라 예상된다

-６０-

참고 문헌

[1] 나군호 ldquo로봇수술의 현재와 미래rdquo대한전기학회 2008년도 학술대회 논문

정보 및 제어부분 PP68~7020084

[2] 박정호 ldquo국내외 의료로봇 현황과 발전방향rdquo정보과학지 26(4)

PP49~5420084

[3] 편집부 ldquo수술지원로봇의 최신 기술 동향rdquo월간 자동화 기술 22(12)

PP74~77200612

[4] 경기욱박준석 ldquo햅틱스 기술개발 동향 및 연구전망rdquo전자통신경향분석

21(5)PP93~108200610

[5] 권동수경기욱 ldquo의료용 로봇의 연구 현황과 전망rdquo기계저널

42(3)PP38~44200203

[6] Yoichi OGAHARA Yusuke KAWATO Kenjiro TAKEMURA Takashi MAENO

ldquoA Wire-Driven Miniature Five Fingerd Robot Hand using Elastic Elements as

Jointsrdquo Proceedings the 2003 IEEERSJ Intl Conferense on Intelligent Robots and

Systems

[7] Ikuo Yamano Takashi Maeno ldquoFive-fingered Robot Hand using Ultrasonic Motors

and Elastic Elementsrdquoproceedings the 2005 IEEE International Conference on

Robotics and Automaion

[8] 홍만복김광기 ldquo최소 침습수술로봇을위한 2-자유도 구형 메커니즘설계rdquo

한국정밀공학회 2009년 추계학술대회 논문집

-６１-

[9] 이재훈김형욱이병주서일홍 ldquo새로운 6자유도 병렬형 햅틱 기구의 최적설

계 및 해석rdquo한국정밀공학회 2003년 추계학술대회 논문집

[10] 조국훈이재훈이병주김희국 ldquo병렬형 그리퍼 메카니즘rdquo한국정밀공학회지

[11] 김갑순 ldquo3축 힘센서를 이용한 지능형 그리퍼 개발rdquo한국정밀공학회지 제

24권 제 3호 1999년

[12] 고대성김성목김희국이병주 ldquo병진형 자유도와 1자유도 파지기능을 가지는

4자유도 병렬 메커니즘의 기구학분석rdquo한국정밀공학회 2007년 추계학술대회

• 제1장 서 론
• • 11 연구배경 및 연구목적
  • 12 연구내용
  • • 제2장 로봇 산업의 기술 현황
    • • 21 로봇산업의 동향
      • 22 의료용 로봇기술 현황
      • 23 의료용 로봇시장 전망
      • • 제3장 능동 그리퍼
        • • 31 최소침습 수술 햅틱 장치구현에 필요한 능동 그리퍼 제안
          • 32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류
          • 33 파지형태에 의한 그리퍼의 분류
          • 34 메카니컬 핸드의 구속기능
          • 35 대표적인 동력원의 특징
          • • 제4장 능동형 그리퍼 설계
            • • 41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정
              • 42 모터 선정 알고리즘
              • • 43 1 차 능동형 그리퍼 설계
                • 44 2 차 능동형 그리퍼 설계
                • • 제 5 장 결론
                  • 참고문헌
                  • TABLE 2-1 Domestic robot classification
                  • TABLE 2-2 Robot Production Company
                  • TABLE 3-1 Characteristics of power sources
                  • TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics
                  • TABLE 4-2 αSTEP Motor Characteristics
                  • Fig2-1 Phase of medical robots in the robot industry
                  • Fig2-2 Da Vinci surgical case number
                  • Fig3-1 Da Vinci robot system for MIS
                  • Fig3-2 Classified by the gripper grip action
                  • Fig3-3 Swing-type hand mechanism
                  • Fig3-4 Hand mechanism for translational type1 (parallel displacement)
                  • Fig3-5 Hand mechanism for translational type2 (Rack and pinion type)
                  • Fig3-6 Hand mechanism for three point pinch type
                  • Fig3-7 Movement of object
                  • Fig3-8 Contacts of the kind and the confining
                  • Fig3-9 Human Arm structure
                  • Fig4-1 Configuration of the fingers on robot gripper
                  • Fig4-2 Change the value of the angle of phage torque
                  • Fig4-3 Motor Selection Algorithm
                  • Fig4-4 Arbitrary Shape of Planar Area
                  • Fig4-5 Parallel-Axis Theorem
                  • Fig4-6 Arbitrary Shape of Polar Area
                  • Fig4-7 Example of Velocity Guidance
                  • Fig4-8 Parallel-link Grasp system 1
                  • Fig4-9 Parallel-link Grasp system 2
                  • Fig4-10 TWO Fingertip Grasp system
                  • Fig4-11 Four Fingertip Grasp System
                  • Fig4-12 Four Fingertip Grasp System layout
                  • Fig4-13 Fingertip Grasp Mechanism
                  • Fig4-14 Fingertip Grasp extended
                  • Fig4-15 Power Transmission Device

- 49 -

(3) 알고리즘 적용

로봇시스템에 있어서 기구들의 관성모멘트와 토크 계산 후 적합한 모터를

선정하기 위해 시중에서 시판되는 모터를 조사하였다 로봇에 적용 가능한 모터

로는 크게 서버모터와 스텝모터 RC 서버모터 DC 모터로 구분 할 수 있었다 이

를 TABLE 4-1 과 같이 정리하였다

동력원의 6 가지 선정요소 중 우선순위를 부여하여 분류했을 때 핸드 그리퍼

의 특성상 가볍고 토크가 큰 RC 서버 모터 미니 서버모터를 선택할 수 도 있지

만 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터 중 토크를 증가시킬 수 있는

감속기가 있는 타입의 모터를 우선시 하였다

1 감속비를 사양할 수 있는 모터를 선정하여 계산한 토크를 확인한다

2 급격한 부하변동이나 급가속에 유리한 모터를 선정한다

3 CLOSED LOOP 제어를 통하여 정확한 위치를 검출할 수 있어야 한다

따라서 스텝모터중 lsquoOrsquo사의 ldquoαSTEPrdquo가 적합하다고 판단되어 모터를 선정하였다

- 50 -

TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics

미니서버모터 RC 서버모터 스텝모터 DC 모터

장점 동일사양대비 모터

중 10배정도 큰 토크

5v사용가벼움

정확한 위치제어

급격한 부하변동급가

속 유리

저렴한가격

보편화됨

단점 정지시 진동이 예상 약한 토크 THRUST하중이 모터

무계 이하여야 한다

유지보수가 잦다

크기 151588mm(10w20w)

2525111mm(30w)

392038mm 424234mm Oslash37mm917mm

동작전압 Dc 24V Dc 48V60V Dc 24V Dc 24V

무계 230g~400g 56g 150g 200g

허용토크 009Nm~03Nm 11~13kgfcm 18kgfcm (018Nm) 47kgfcm(1200)

감속기 다양한 감속비 가능 고정 감속기 감속기 무(072˚036) 다양한 감속비

제조사 야스카와 SGMM 하이텍 HS-5945 AUTONICS GCM 3429A

TABLE 4-2 αstep motor characteristics

외형 전압 전류 무계 토크 감속비 분해능

αSTEP 282884mm

4242127mm Dc24V 1~37A 250G 2~28 Nmiddotm 50~1001

00072pluse

00036pluse

- 51 -

43 1 차 능동형 그리퍼 설계

실린더를 사용하여 링크로 물체를 파지하던 그리퍼는 Fig 4-8 과 Fig 4-9 에

묘사하였다 이런 실린더를 사용한 그리퍼는 공압 효과를 도출할 수 있는 별도

의 펌프가 필요하고 동작을 구현할 수 있는 자유도를 증가시키는데 한계가 있

다 이런 실린더의 단점을 보완하고 전기모터의 장점을 사용하기 위해 웜기어와

웜휠 방식을 채택하여 2 자유도 능동형 그리퍼를 설계하였다

1 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-10 에 묘사하였으며 1 차설계한

능동형 그리퍼는 Two Fingertip Grasp 로 칭하겠다 파지한 물체를 회전 시키는

기능은 베벨기어를 사용하여 회전운동으로 구현하였고 실린더의 전middot후진 운동

을 전기모터의 회전운동으로 변환 시키기 위하여 웜기어와 웜휨을 선택하였다

전기모터에 의해 회전하는 운동은 웜기어와 웜휠에 의해 링크를 사용하여 물체

를 파지하였던 그리퍼와 동일한 운동효과를 가지게 되었다

웜기어와 웜휠을 사용하여 물체를 파지하는 능동형 그리퍼는 스윙형으로 설

계되었으며 파지력을 높이기 위한 각도를 적용하였다 링크를 사용하여 물체를

파지하는 형태의 그리퍼보다 기구의 크기를 줄일 수 있는 장점이 있는 반면 기

어들의 백래시에 의한 오차가 끝단에 누적될 수 있는 문제점을 가지고 있다또

한 기구부의 소재 변경으로 그리퍼의 무계를 줄일 수 도 있지만 가장 큰 무계

를 차지하는 모터를 그리퍼 자체에서 분리하게 할 수 있게 하려면 그리퍼 자체

의 구조변경이 필요하다

`

`

Fig 4-8 Par

Fig 4-9 Par

- 52 -

rallel-link gra

rallel-link gra

sps system 1

sps system 2

Fig 4-10

- 53 -

0 Two fingertipps grasp system

- 54 -

44 2 차 능동형 그리퍼 설계

1 차 설계한 능동형 그리퍼에서 발견된 문제점을 보안하기 위하여 2 차 능동

형 그리퍼를 설계하였다 2 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-11 에 묘사

하였으며 2 차설계한 능동형 그리퍼는 Four Fingertip Grasp 로 칭하겠다 이 장치

는 크게 동력원 동력 전달장치 핑거 그립장치로 구성되어있으며 이를 통합하

여 Fig 4-12 에 나타내었다

핑거 그립장치는 스윙형 그립의 단점을 보완하여 설계하였다 물체를 파지할

때 그립의 회전 반경이 주위 환경요소와 간섭을 발생시킬 수 있는데핑거가 전

진할때 샤프트와 핑거그립간의 나사결합형태를 통한 직선운동으로 개선하여 주

위환경요소에 영향을 주지 않도록 설계하였다 구동축의 핑거파지 메카니즘을

Fig 4-13 와 같이 간략화 하였고 이에 대한 세부 도면은 Fig 4-14 로 나타내었다

4 조 핑거 그립의 나사산과 테이퍼진 스크류축은 나사식으로 결합되며 상호

작용에 의해 점차 중심점으로 이동하여 물체를 파지하는 형태이다 사용된 2 개

의 샤프트는 중공축으로 설계하였으며 외부 샤프트는 4 조 핑거가 물체를 파지

하여 비트는 모션을 구현하는데 사용되었다 내부 샤프트는 핑거를 중심점으로

전진시켜는 기능을 수행한다 중공축으로 설계한 내부 샤프트는 차후 개발될 인

스트리먼트의 탈부착을 손쉽게 할수있도록 구현하였고 4 조로 설계된 핑거는 그

립시 인스트리먼트의 응력집중현상을 분산시키는 기능과 2 조로 그립하였을때

보다 안정적인 그립감을 형성한다

- 55 -

동력원과 동력전달장치는 Fig 4-15 에 나타내었으며 Two Fingertip Grasp system

의 문제점이었던 구동부의 모터의 설치 방법을 외부에 부착하는 형태로 변경하

여 우레탄 밸트를 사용하였다 또한 아이들러를 사용하여 밸트의 방향을 변경

하여 모터의 부착위치를 자유롭게 설정할 수 있도록 하였고 모터 브라켓에 슬

리브 홈을 설치하여 벨트의 장력을 조절할 수 있도록 하였다

Fig4-11

Fig4-12 Fou

- 56 -

Four fingertip

ur fingertips g

ps grasp system

grasp system la

m

ayout

Fig 4-13

Fig 4-14

- 57 -

Fingertip gra

4 Fingertip gr

asps mechanis

rasps extended

m

d

Fig 4-15

- 58 -

5 Power transmission devicce

- 59 -

제 5장 결 론

본 연구에서는 MIS 수술 로봇을 위한 햅틱 마스터장치 구동용 능동형 그리

퍼를 설계하기 위하여 그에 상응하는 자료 및 문헌 조사를 수행하였고 햅틱 마

스터에 적용 가능한 능동형 그리퍼를 설계하여 로봇 시스템의 초안을 구성하였

다 수술용 도구를 단순히 잡아주는 역할에서 벗어나 시스템에 추가적인 자유도

를 부여함으로써 그리퍼를 표현하였다 단순화된 그리퍼는 보다 저렴한 가격으

로 생산될 수 있으며 기존 로봇 수술시스템의 높은 비용을 절감할 수 있는 효

과를 가져올 수 있다

최종적으로 제안한 설계 안으로는 2 조 핑거그립를 사용하는 전기모터형 그

리퍼 와 추가적으로 개선한 4 조 전기모터형 핑거그립를 설계였다 스윙형 그립

의 단점을 보안하여 집중응력을 분산할 수 있는 구조로 설계하였고 그리퍼의

무계를 줄일 수 있는 방법을 제시하였다 이로써 원통형 도구 파지 시 안정성이

향상되었고 보다 원활하게 수술 도구를 교체 가능하도록 하였다

앞으로 촉감을 전달할 수 있는 센서의 개발로 햅틱 디바이스 인터페이스 장

치의 활용에 보다 높은 기여를 할 것이라 예상된다

-６０-

참고 문헌

[1] 나군호 ldquo로봇수술의 현재와 미래rdquo대한전기학회 2008년도 학술대회 논문

정보 및 제어부분 PP68~7020084

[2] 박정호 ldquo국내외 의료로봇 현황과 발전방향rdquo정보과학지 26(4)

PP49~5420084

[3] 편집부 ldquo수술지원로봇의 최신 기술 동향rdquo월간 자동화 기술 22(12)

PP74~77200612

[4] 경기욱박준석 ldquo햅틱스 기술개발 동향 및 연구전망rdquo전자통신경향분석

21(5)PP93~108200610

[5] 권동수경기욱 ldquo의료용 로봇의 연구 현황과 전망rdquo기계저널

42(3)PP38~44200203

[6] Yoichi OGAHARA Yusuke KAWATO Kenjiro TAKEMURA Takashi MAENO

ldquoA Wire-Driven Miniature Five Fingerd Robot Hand using Elastic Elements as

Jointsrdquo Proceedings the 2003 IEEERSJ Intl Conferense on Intelligent Robots and

Systems

[7] Ikuo Yamano Takashi Maeno ldquoFive-fingered Robot Hand using Ultrasonic Motors

and Elastic Elementsrdquoproceedings the 2005 IEEE International Conference on

Robotics and Automaion

[8] 홍만복김광기 ldquo최소 침습수술로봇을위한 2-자유도 구형 메커니즘설계rdquo

한국정밀공학회 2009년 추계학술대회 논문집

-６１-

[9] 이재훈김형욱이병주서일홍 ldquo새로운 6자유도 병렬형 햅틱 기구의 최적설

계 및 해석rdquo한국정밀공학회 2003년 추계학술대회 논문집

[10] 조국훈이재훈이병주김희국 ldquo병렬형 그리퍼 메카니즘rdquo한국정밀공학회지

[11] 김갑순 ldquo3축 힘센서를 이용한 지능형 그리퍼 개발rdquo한국정밀공학회지 제

24권 제 3호 1999년

[12] 고대성김성목김희국이병주 ldquo병진형 자유도와 1자유도 파지기능을 가지는

4자유도 병렬 메커니즘의 기구학분석rdquo한국정밀공학회 2007년 추계학술대회

• 제1장 서 론
• • 11 연구배경 및 연구목적
  • 12 연구내용
  • • 제2장 로봇 산업의 기술 현황
    • • 21 로봇산업의 동향
      • 22 의료용 로봇기술 현황
      • 23 의료용 로봇시장 전망
      • • 제3장 능동 그리퍼
        • • 31 최소침습 수술 햅틱 장치구현에 필요한 능동 그리퍼 제안
          • 32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류
          • 33 파지형태에 의한 그리퍼의 분류
          • 34 메카니컬 핸드의 구속기능
          • 35 대표적인 동력원의 특징
          • • 제4장 능동형 그리퍼 설계
            • • 41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정
              • 42 모터 선정 알고리즘
              • • 43 1 차 능동형 그리퍼 설계
                • 44 2 차 능동형 그리퍼 설계
                • • 제 5 장 결론
                  • 참고문헌
                  • TABLE 2-1 Domestic robot classification
                  • TABLE 2-2 Robot Production Company
                  • TABLE 3-1 Characteristics of power sources
                  • TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics
                  • TABLE 4-2 αSTEP Motor Characteristics
                  • Fig2-1 Phase of medical robots in the robot industry
                  • Fig2-2 Da Vinci surgical case number
                  • Fig3-1 Da Vinci robot system for MIS
                  • Fig3-2 Classified by the gripper grip action
                  • Fig3-3 Swing-type hand mechanism
                  • Fig3-4 Hand mechanism for translational type1 (parallel displacement)
                  • Fig3-5 Hand mechanism for translational type2 (Rack and pinion type)
                  • Fig3-6 Hand mechanism for three point pinch type
                  • Fig3-7 Movement of object
                  • Fig3-8 Contacts of the kind and the confining
                  • Fig3-9 Human Arm structure
                  • Fig4-1 Configuration of the fingers on robot gripper
                  • Fig4-2 Change the value of the angle of phage torque
                  • Fig4-3 Motor Selection Algorithm
                  • Fig4-4 Arbitrary Shape of Planar Area
                  • Fig4-5 Parallel-Axis Theorem
                  • Fig4-6 Arbitrary Shape of Polar Area
                  • Fig4-7 Example of Velocity Guidance
                  • Fig4-8 Parallel-link Grasp system 1
                  • Fig4-9 Parallel-link Grasp system 2
                  • Fig4-10 TWO Fingertip Grasp system
                  • Fig4-11 Four Fingertip Grasp System
                  • Fig4-12 Four Fingertip Grasp System layout
                  • Fig4-13 Fingertip Grasp Mechanism
                  • Fig4-14 Fingertip Grasp extended
                  • Fig4-15 Power Transmission Device

- 50 -

TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics

미니서버모터 RC 서버모터 스텝모터 DC 모터

장점 동일사양대비 모터

중 10배정도 큰 토크

5v사용가벼움

정확한 위치제어

급격한 부하변동급가

속 유리

저렴한가격

보편화됨

단점 정지시 진동이 예상 약한 토크 THRUST하중이 모터

무계 이하여야 한다

유지보수가 잦다

크기 151588mm(10w20w)

2525111mm(30w)

392038mm 424234mm Oslash37mm917mm

동작전압 Dc 24V Dc 48V60V Dc 24V Dc 24V

무계 230g~400g 56g 150g 200g

허용토크 009Nm~03Nm 11~13kgfcm 18kgfcm (018Nm) 47kgfcm(1200)

감속기 다양한 감속비 가능 고정 감속기 감속기 무(072˚036) 다양한 감속비

제조사 야스카와 SGMM 하이텍 HS-5945 AUTONICS GCM 3429A

TABLE 4-2 αstep motor characteristics

외형 전압 전류 무계 토크 감속비 분해능

αSTEP 282884mm

4242127mm Dc24V 1~37A 250G 2~28 Nmiddotm 50~1001

00072pluse

00036pluse

- 51 -

43 1 차 능동형 그리퍼 설계

실린더를 사용하여 링크로 물체를 파지하던 그리퍼는 Fig 4-8 과 Fig 4-9 에

묘사하였다 이런 실린더를 사용한 그리퍼는 공압 효과를 도출할 수 있는 별도

의 펌프가 필요하고 동작을 구현할 수 있는 자유도를 증가시키는데 한계가 있

다 이런 실린더의 단점을 보완하고 전기모터의 장점을 사용하기 위해 웜기어와

웜휠 방식을 채택하여 2 자유도 능동형 그리퍼를 설계하였다

1 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-10 에 묘사하였으며 1 차설계한

능동형 그리퍼는 Two Fingertip Grasp 로 칭하겠다 파지한 물체를 회전 시키는

기능은 베벨기어를 사용하여 회전운동으로 구현하였고 실린더의 전middot후진 운동

을 전기모터의 회전운동으로 변환 시키기 위하여 웜기어와 웜휨을 선택하였다

전기모터에 의해 회전하는 운동은 웜기어와 웜휠에 의해 링크를 사용하여 물체

를 파지하였던 그리퍼와 동일한 운동효과를 가지게 되었다

웜기어와 웜휠을 사용하여 물체를 파지하는 능동형 그리퍼는 스윙형으로 설

계되었으며 파지력을 높이기 위한 각도를 적용하였다 링크를 사용하여 물체를

파지하는 형태의 그리퍼보다 기구의 크기를 줄일 수 있는 장점이 있는 반면 기

어들의 백래시에 의한 오차가 끝단에 누적될 수 있는 문제점을 가지고 있다또

한 기구부의 소재 변경으로 그리퍼의 무계를 줄일 수 도 있지만 가장 큰 무계

를 차지하는 모터를 그리퍼 자체에서 분리하게 할 수 있게 하려면 그리퍼 자체

의 구조변경이 필요하다

`

`

Fig 4-8 Par

Fig 4-9 Par

- 52 -

rallel-link gra

rallel-link gra

sps system 1

sps system 2

Fig 4-10

- 53 -

0 Two fingertipps grasp system

- 54 -

44 2 차 능동형 그리퍼 설계

1 차 설계한 능동형 그리퍼에서 발견된 문제점을 보안하기 위하여 2 차 능동

형 그리퍼를 설계하였다 2 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-11 에 묘사

하였으며 2 차설계한 능동형 그리퍼는 Four Fingertip Grasp 로 칭하겠다 이 장치

는 크게 동력원 동력 전달장치 핑거 그립장치로 구성되어있으며 이를 통합하

여 Fig 4-12 에 나타내었다

핑거 그립장치는 스윙형 그립의 단점을 보완하여 설계하였다 물체를 파지할

때 그립의 회전 반경이 주위 환경요소와 간섭을 발생시킬 수 있는데핑거가 전

진할때 샤프트와 핑거그립간의 나사결합형태를 통한 직선운동으로 개선하여 주

위환경요소에 영향을 주지 않도록 설계하였다 구동축의 핑거파지 메카니즘을

Fig 4-13 와 같이 간략화 하였고 이에 대한 세부 도면은 Fig 4-14 로 나타내었다

4 조 핑거 그립의 나사산과 테이퍼진 스크류축은 나사식으로 결합되며 상호

작용에 의해 점차 중심점으로 이동하여 물체를 파지하는 형태이다 사용된 2 개

의 샤프트는 중공축으로 설계하였으며 외부 샤프트는 4 조 핑거가 물체를 파지

하여 비트는 모션을 구현하는데 사용되었다 내부 샤프트는 핑거를 중심점으로

전진시켜는 기능을 수행한다 중공축으로 설계한 내부 샤프트는 차후 개발될 인

스트리먼트의 탈부착을 손쉽게 할수있도록 구현하였고 4 조로 설계된 핑거는 그

립시 인스트리먼트의 응력집중현상을 분산시키는 기능과 2 조로 그립하였을때

보다 안정적인 그립감을 형성한다

- 55 -

동력원과 동력전달장치는 Fig 4-15 에 나타내었으며 Two Fingertip Grasp system

의 문제점이었던 구동부의 모터의 설치 방법을 외부에 부착하는 형태로 변경하

여 우레탄 밸트를 사용하였다 또한 아이들러를 사용하여 밸트의 방향을 변경

하여 모터의 부착위치를 자유롭게 설정할 수 있도록 하였고 모터 브라켓에 슬

리브 홈을 설치하여 벨트의 장력을 조절할 수 있도록 하였다

Fig4-11

Fig4-12 Fou

- 56 -

Four fingertip

ur fingertips g

ps grasp system

grasp system la

m

ayout

Fig 4-13

Fig 4-14

- 57 -

Fingertip gra

4 Fingertip gr

asps mechanis

rasps extended

m

d

Fig 4-15

- 58 -

5 Power transmission devicce

- 59 -

제 5장 결 론

본 연구에서는 MIS 수술 로봇을 위한 햅틱 마스터장치 구동용 능동형 그리

퍼를 설계하기 위하여 그에 상응하는 자료 및 문헌 조사를 수행하였고 햅틱 마

스터에 적용 가능한 능동형 그리퍼를 설계하여 로봇 시스템의 초안을 구성하였

다 수술용 도구를 단순히 잡아주는 역할에서 벗어나 시스템에 추가적인 자유도

를 부여함으로써 그리퍼를 표현하였다 단순화된 그리퍼는 보다 저렴한 가격으

로 생산될 수 있으며 기존 로봇 수술시스템의 높은 비용을 절감할 수 있는 효

과를 가져올 수 있다

최종적으로 제안한 설계 안으로는 2 조 핑거그립를 사용하는 전기모터형 그

리퍼 와 추가적으로 개선한 4 조 전기모터형 핑거그립를 설계였다 스윙형 그립

의 단점을 보안하여 집중응력을 분산할 수 있는 구조로 설계하였고 그리퍼의

무계를 줄일 수 있는 방법을 제시하였다 이로써 원통형 도구 파지 시 안정성이

향상되었고 보다 원활하게 수술 도구를 교체 가능하도록 하였다

앞으로 촉감을 전달할 수 있는 센서의 개발로 햅틱 디바이스 인터페이스 장

치의 활용에 보다 높은 기여를 할 것이라 예상된다

-６０-

참고 문헌

[1] 나군호 ldquo로봇수술의 현재와 미래rdquo대한전기학회 2008년도 학술대회 논문

정보 및 제어부분 PP68~7020084

[2] 박정호 ldquo국내외 의료로봇 현황과 발전방향rdquo정보과학지 26(4)

PP49~5420084

[3] 편집부 ldquo수술지원로봇의 최신 기술 동향rdquo월간 자동화 기술 22(12)

PP74~77200612

[4] 경기욱박준석 ldquo햅틱스 기술개발 동향 및 연구전망rdquo전자통신경향분석

21(5)PP93~108200610

[5] 권동수경기욱 ldquo의료용 로봇의 연구 현황과 전망rdquo기계저널

42(3)PP38~44200203

[6] Yoichi OGAHARA Yusuke KAWATO Kenjiro TAKEMURA Takashi MAENO

ldquoA Wire-Driven Miniature Five Fingerd Robot Hand using Elastic Elements as

Jointsrdquo Proceedings the 2003 IEEERSJ Intl Conferense on Intelligent Robots and

Systems

[7] Ikuo Yamano Takashi Maeno ldquoFive-fingered Robot Hand using Ultrasonic Motors

and Elastic Elementsrdquoproceedings the 2005 IEEE International Conference on

Robotics and Automaion

[8] 홍만복김광기 ldquo최소 침습수술로봇을위한 2-자유도 구형 메커니즘설계rdquo

한국정밀공학회 2009년 추계학술대회 논문집

-６１-

[9] 이재훈김형욱이병주서일홍 ldquo새로운 6자유도 병렬형 햅틱 기구의 최적설

계 및 해석rdquo한국정밀공학회 2003년 추계학술대회 논문집

[10] 조국훈이재훈이병주김희국 ldquo병렬형 그리퍼 메카니즘rdquo한국정밀공학회지

[11] 김갑순 ldquo3축 힘센서를 이용한 지능형 그리퍼 개발rdquo한국정밀공학회지 제

24권 제 3호 1999년

[12] 고대성김성목김희국이병주 ldquo병진형 자유도와 1자유도 파지기능을 가지는

4자유도 병렬 메커니즘의 기구학분석rdquo한국정밀공학회 2007년 추계학술대회

• 제1장 서 론
• • 11 연구배경 및 연구목적
  • 12 연구내용
  • • 제2장 로봇 산업의 기술 현황
    • • 21 로봇산업의 동향
      • 22 의료용 로봇기술 현황
      • 23 의료용 로봇시장 전망
      • • 제3장 능동 그리퍼
        • • 31 최소침습 수술 햅틱 장치구현에 필요한 능동 그리퍼 제안
          • 32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류
          • 33 파지형태에 의한 그리퍼의 분류
          • 34 메카니컬 핸드의 구속기능
          • 35 대표적인 동력원의 특징
          • • 제4장 능동형 그리퍼 설계
            • • 41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정
              • 42 모터 선정 알고리즘
              • • 43 1 차 능동형 그리퍼 설계
                • 44 2 차 능동형 그리퍼 설계
                • • 제 5 장 결론
                  • 참고문헌
                  • TABLE 2-1 Domestic robot classification
                  • TABLE 2-2 Robot Production Company
                  • TABLE 3-1 Characteristics of power sources
                  • TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics
                  • TABLE 4-2 αSTEP Motor Characteristics
                  • Fig2-1 Phase of medical robots in the robot industry
                  • Fig2-2 Da Vinci surgical case number
                  • Fig3-1 Da Vinci robot system for MIS
                  • Fig3-2 Classified by the gripper grip action
                  • Fig3-3 Swing-type hand mechanism
                  • Fig3-4 Hand mechanism for translational type1 (parallel displacement)
                  • Fig3-5 Hand mechanism for translational type2 (Rack and pinion type)
                  • Fig3-6 Hand mechanism for three point pinch type
                  • Fig3-7 Movement of object
                  • Fig3-8 Contacts of the kind and the confining
                  • Fig3-9 Human Arm structure
                  • Fig4-1 Configuration of the fingers on robot gripper
                  • Fig4-2 Change the value of the angle of phage torque
                  • Fig4-3 Motor Selection Algorithm
                  • Fig4-4 Arbitrary Shape of Planar Area
                  • Fig4-5 Parallel-Axis Theorem
                  • Fig4-6 Arbitrary Shape of Polar Area
                  • Fig4-7 Example of Velocity Guidance
                  • Fig4-8 Parallel-link Grasp system 1
                  • Fig4-9 Parallel-link Grasp system 2
                  • Fig4-10 TWO Fingertip Grasp system
                  • Fig4-11 Four Fingertip Grasp System
                  • Fig4-12 Four Fingertip Grasp System layout
                  • Fig4-13 Fingertip Grasp Mechanism
                  • Fig4-14 Fingertip Grasp extended
                  • Fig4-15 Power Transmission Device

- 51 -

43 1 차 능동형 그리퍼 설계

실린더를 사용하여 링크로 물체를 파지하던 그리퍼는 Fig 4-8 과 Fig 4-9 에

묘사하였다 이런 실린더를 사용한 그리퍼는 공압 효과를 도출할 수 있는 별도

의 펌프가 필요하고 동작을 구현할 수 있는 자유도를 증가시키는데 한계가 있

다 이런 실린더의 단점을 보완하고 전기모터의 장점을 사용하기 위해 웜기어와

웜휠 방식을 채택하여 2 자유도 능동형 그리퍼를 설계하였다

1 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-10 에 묘사하였으며 1 차설계한

능동형 그리퍼는 Two Fingertip Grasp 로 칭하겠다 파지한 물체를 회전 시키는

기능은 베벨기어를 사용하여 회전운동으로 구현하였고 실린더의 전middot후진 운동

을 전기모터의 회전운동으로 변환 시키기 위하여 웜기어와 웜휨을 선택하였다

전기모터에 의해 회전하는 운동은 웜기어와 웜휠에 의해 링크를 사용하여 물체

를 파지하였던 그리퍼와 동일한 운동효과를 가지게 되었다

웜기어와 웜휠을 사용하여 물체를 파지하는 능동형 그리퍼는 스윙형으로 설

계되었으며 파지력을 높이기 위한 각도를 적용하였다 링크를 사용하여 물체를

파지하는 형태의 그리퍼보다 기구의 크기를 줄일 수 있는 장점이 있는 반면 기

어들의 백래시에 의한 오차가 끝단에 누적될 수 있는 문제점을 가지고 있다또

한 기구부의 소재 변경으로 그리퍼의 무계를 줄일 수 도 있지만 가장 큰 무계

를 차지하는 모터를 그리퍼 자체에서 분리하게 할 수 있게 하려면 그리퍼 자체

의 구조변경이 필요하다

`

`

Fig 4-8 Par

Fig 4-9 Par

- 52 -

rallel-link gra

rallel-link gra

sps system 1

sps system 2

Fig 4-10

- 53 -

0 Two fingertipps grasp system

- 54 -

44 2 차 능동형 그리퍼 설계

1 차 설계한 능동형 그리퍼에서 발견된 문제점을 보안하기 위하여 2 차 능동

형 그리퍼를 설계하였다 2 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-11 에 묘사

하였으며 2 차설계한 능동형 그리퍼는 Four Fingertip Grasp 로 칭하겠다 이 장치

는 크게 동력원 동력 전달장치 핑거 그립장치로 구성되어있으며 이를 통합하

여 Fig 4-12 에 나타내었다

핑거 그립장치는 스윙형 그립의 단점을 보완하여 설계하였다 물체를 파지할

때 그립의 회전 반경이 주위 환경요소와 간섭을 발생시킬 수 있는데핑거가 전

진할때 샤프트와 핑거그립간의 나사결합형태를 통한 직선운동으로 개선하여 주

위환경요소에 영향을 주지 않도록 설계하였다 구동축의 핑거파지 메카니즘을

Fig 4-13 와 같이 간략화 하였고 이에 대한 세부 도면은 Fig 4-14 로 나타내었다

4 조 핑거 그립의 나사산과 테이퍼진 스크류축은 나사식으로 결합되며 상호

작용에 의해 점차 중심점으로 이동하여 물체를 파지하는 형태이다 사용된 2 개

의 샤프트는 중공축으로 설계하였으며 외부 샤프트는 4 조 핑거가 물체를 파지

하여 비트는 모션을 구현하는데 사용되었다 내부 샤프트는 핑거를 중심점으로

전진시켜는 기능을 수행한다 중공축으로 설계한 내부 샤프트는 차후 개발될 인

스트리먼트의 탈부착을 손쉽게 할수있도록 구현하였고 4 조로 설계된 핑거는 그

립시 인스트리먼트의 응력집중현상을 분산시키는 기능과 2 조로 그립하였을때

보다 안정적인 그립감을 형성한다

- 55 -

동력원과 동력전달장치는 Fig 4-15 에 나타내었으며 Two Fingertip Grasp system

의 문제점이었던 구동부의 모터의 설치 방법을 외부에 부착하는 형태로 변경하

여 우레탄 밸트를 사용하였다 또한 아이들러를 사용하여 밸트의 방향을 변경

하여 모터의 부착위치를 자유롭게 설정할 수 있도록 하였고 모터 브라켓에 슬

리브 홈을 설치하여 벨트의 장력을 조절할 수 있도록 하였다

Fig4-11

Fig4-12 Fou

- 56 -

Four fingertip

ur fingertips g

ps grasp system

grasp system la

m

ayout

Fig 4-13

Fig 4-14

- 57 -

Fingertip gra

4 Fingertip gr

asps mechanis

rasps extended

m

d

Fig 4-15

- 58 -

5 Power transmission devicce

- 59 -

제 5장 결 론

본 연구에서는 MIS 수술 로봇을 위한 햅틱 마스터장치 구동용 능동형 그리

퍼를 설계하기 위하여 그에 상응하는 자료 및 문헌 조사를 수행하였고 햅틱 마

스터에 적용 가능한 능동형 그리퍼를 설계하여 로봇 시스템의 초안을 구성하였

다 수술용 도구를 단순히 잡아주는 역할에서 벗어나 시스템에 추가적인 자유도

를 부여함으로써 그리퍼를 표현하였다 단순화된 그리퍼는 보다 저렴한 가격으

로 생산될 수 있으며 기존 로봇 수술시스템의 높은 비용을 절감할 수 있는 효

과를 가져올 수 있다

최종적으로 제안한 설계 안으로는 2 조 핑거그립를 사용하는 전기모터형 그

리퍼 와 추가적으로 개선한 4 조 전기모터형 핑거그립를 설계였다 스윙형 그립

의 단점을 보안하여 집중응력을 분산할 수 있는 구조로 설계하였고 그리퍼의

무계를 줄일 수 있는 방법을 제시하였다 이로써 원통형 도구 파지 시 안정성이

향상되었고 보다 원활하게 수술 도구를 교체 가능하도록 하였다

앞으로 촉감을 전달할 수 있는 센서의 개발로 햅틱 디바이스 인터페이스 장

치의 활용에 보다 높은 기여를 할 것이라 예상된다

-６０-

참고 문헌

[1] 나군호 ldquo로봇수술의 현재와 미래rdquo대한전기학회 2008년도 학술대회 논문

정보 및 제어부분 PP68~7020084

[2] 박정호 ldquo국내외 의료로봇 현황과 발전방향rdquo정보과학지 26(4)

PP49~5420084

[3] 편집부 ldquo수술지원로봇의 최신 기술 동향rdquo월간 자동화 기술 22(12)

PP74~77200612

[4] 경기욱박준석 ldquo햅틱스 기술개발 동향 및 연구전망rdquo전자통신경향분석

21(5)PP93~108200610

[5] 권동수경기욱 ldquo의료용 로봇의 연구 현황과 전망rdquo기계저널

42(3)PP38~44200203

[6] Yoichi OGAHARA Yusuke KAWATO Kenjiro TAKEMURA Takashi MAENO

ldquoA Wire-Driven Miniature Five Fingerd Robot Hand using Elastic Elements as

Jointsrdquo Proceedings the 2003 IEEERSJ Intl Conferense on Intelligent Robots and

Systems

[7] Ikuo Yamano Takashi Maeno ldquoFive-fingered Robot Hand using Ultrasonic Motors

and Elastic Elementsrdquoproceedings the 2005 IEEE International Conference on

Robotics and Automaion

[8] 홍만복김광기 ldquo최소 침습수술로봇을위한 2-자유도 구형 메커니즘설계rdquo

한국정밀공학회 2009년 추계학술대회 논문집

-６１-

[9] 이재훈김형욱이병주서일홍 ldquo새로운 6자유도 병렬형 햅틱 기구의 최적설

계 및 해석rdquo한국정밀공학회 2003년 추계학술대회 논문집

[10] 조국훈이재훈이병주김희국 ldquo병렬형 그리퍼 메카니즘rdquo한국정밀공학회지

[11] 김갑순 ldquo3축 힘센서를 이용한 지능형 그리퍼 개발rdquo한국정밀공학회지 제

24권 제 3호 1999년

[12] 고대성김성목김희국이병주 ldquo병진형 자유도와 1자유도 파지기능을 가지는

4자유도 병렬 메커니즘의 기구학분석rdquo한국정밀공학회 2007년 추계학술대회

• 제1장 서 론
• • 11 연구배경 및 연구목적
  • 12 연구내용
  • • 제2장 로봇 산업의 기술 현황
    • • 21 로봇산업의 동향
      • 22 의료용 로봇기술 현황
      • 23 의료용 로봇시장 전망
      • • 제3장 능동 그리퍼
        • • 31 최소침습 수술 햅틱 장치구현에 필요한 능동 그리퍼 제안
          • 32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류
          • 33 파지형태에 의한 그리퍼의 분류
          • 34 메카니컬 핸드의 구속기능
          • 35 대표적인 동력원의 특징
          • • 제4장 능동형 그리퍼 설계
            • • 41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정
              • 42 모터 선정 알고리즘
              • • 43 1 차 능동형 그리퍼 설계
                • 44 2 차 능동형 그리퍼 설계
                • • 제 5 장 결론
                  • 참고문헌
                  • TABLE 2-1 Domestic robot classification
                  • TABLE 2-2 Robot Production Company
                  • TABLE 3-1 Characteristics of power sources
                  • TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics
                  • TABLE 4-2 αSTEP Motor Characteristics
                  • Fig2-1 Phase of medical robots in the robot industry
                  • Fig2-2 Da Vinci surgical case number
                  • Fig3-1 Da Vinci robot system for MIS
                  • Fig3-2 Classified by the gripper grip action
                  • Fig3-3 Swing-type hand mechanism
                  • Fig3-4 Hand mechanism for translational type1 (parallel displacement)
                  • Fig3-5 Hand mechanism for translational type2 (Rack and pinion type)
                  • Fig3-6 Hand mechanism for three point pinch type
                  • Fig3-7 Movement of object
                  • Fig3-8 Contacts of the kind and the confining
                  • Fig3-9 Human Arm structure
                  • Fig4-1 Configuration of the fingers on robot gripper
                  • Fig4-2 Change the value of the angle of phage torque
                  • Fig4-3 Motor Selection Algorithm
                  • Fig4-4 Arbitrary Shape of Planar Area
                  • Fig4-5 Parallel-Axis Theorem
                  • Fig4-6 Arbitrary Shape of Polar Area
                  • Fig4-7 Example of Velocity Guidance
                  • Fig4-8 Parallel-link Grasp system 1
                  • Fig4-9 Parallel-link Grasp system 2
                  • Fig4-10 TWO Fingertip Grasp system
                  • Fig4-11 Four Fingertip Grasp System
                  • Fig4-12 Four Fingertip Grasp System layout
                  • Fig4-13 Fingertip Grasp Mechanism
                  • Fig4-14 Fingertip Grasp extended
                  • Fig4-15 Power Transmission Device

`

`

Fig 4-8 Par

Fig 4-9 Par

- 52 -

rallel-link gra

rallel-link gra

sps system 1

sps system 2

Fig 4-10

- 53 -

0 Two fingertipps grasp system

- 54 -

44 2 차 능동형 그리퍼 설계

1 차 설계한 능동형 그리퍼에서 발견된 문제점을 보안하기 위하여 2 차 능동

형 그리퍼를 설계하였다 2 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-11 에 묘사

하였으며 2 차설계한 능동형 그리퍼는 Four Fingertip Grasp 로 칭하겠다 이 장치

는 크게 동력원 동력 전달장치 핑거 그립장치로 구성되어있으며 이를 통합하

여 Fig 4-12 에 나타내었다

핑거 그립장치는 스윙형 그립의 단점을 보완하여 설계하였다 물체를 파지할

때 그립의 회전 반경이 주위 환경요소와 간섭을 발생시킬 수 있는데핑거가 전

진할때 샤프트와 핑거그립간의 나사결합형태를 통한 직선운동으로 개선하여 주

위환경요소에 영향을 주지 않도록 설계하였다 구동축의 핑거파지 메카니즘을

Fig 4-13 와 같이 간략화 하였고 이에 대한 세부 도면은 Fig 4-14 로 나타내었다

4 조 핑거 그립의 나사산과 테이퍼진 스크류축은 나사식으로 결합되며 상호

작용에 의해 점차 중심점으로 이동하여 물체를 파지하는 형태이다 사용된 2 개

의 샤프트는 중공축으로 설계하였으며 외부 샤프트는 4 조 핑거가 물체를 파지

하여 비트는 모션을 구현하는데 사용되었다 내부 샤프트는 핑거를 중심점으로

전진시켜는 기능을 수행한다 중공축으로 설계한 내부 샤프트는 차후 개발될 인

스트리먼트의 탈부착을 손쉽게 할수있도록 구현하였고 4 조로 설계된 핑거는 그

립시 인스트리먼트의 응력집중현상을 분산시키는 기능과 2 조로 그립하였을때

보다 안정적인 그립감을 형성한다

- 55 -

동력원과 동력전달장치는 Fig 4-15 에 나타내었으며 Two Fingertip Grasp system

의 문제점이었던 구동부의 모터의 설치 방법을 외부에 부착하는 형태로 변경하

여 우레탄 밸트를 사용하였다 또한 아이들러를 사용하여 밸트의 방향을 변경

하여 모터의 부착위치를 자유롭게 설정할 수 있도록 하였고 모터 브라켓에 슬

리브 홈을 설치하여 벨트의 장력을 조절할 수 있도록 하였다

Fig4-11

Fig4-12 Fou

- 56 -

Four fingertip

ur fingertips g

ps grasp system

grasp system la

m

ayout

Fig 4-13

Fig 4-14

- 57 -

Fingertip gra

4 Fingertip gr

asps mechanis

rasps extended

m

d

Fig 4-15

- 58 -

5 Power transmission devicce

- 59 -

제 5장 결 론

본 연구에서는 MIS 수술 로봇을 위한 햅틱 마스터장치 구동용 능동형 그리

퍼를 설계하기 위하여 그에 상응하는 자료 및 문헌 조사를 수행하였고 햅틱 마

스터에 적용 가능한 능동형 그리퍼를 설계하여 로봇 시스템의 초안을 구성하였

다 수술용 도구를 단순히 잡아주는 역할에서 벗어나 시스템에 추가적인 자유도

를 부여함으로써 그리퍼를 표현하였다 단순화된 그리퍼는 보다 저렴한 가격으

로 생산될 수 있으며 기존 로봇 수술시스템의 높은 비용을 절감할 수 있는 효

과를 가져올 수 있다

최종적으로 제안한 설계 안으로는 2 조 핑거그립를 사용하는 전기모터형 그

리퍼 와 추가적으로 개선한 4 조 전기모터형 핑거그립를 설계였다 스윙형 그립

의 단점을 보안하여 집중응력을 분산할 수 있는 구조로 설계하였고 그리퍼의

무계를 줄일 수 있는 방법을 제시하였다 이로써 원통형 도구 파지 시 안정성이

향상되었고 보다 원활하게 수술 도구를 교체 가능하도록 하였다

앞으로 촉감을 전달할 수 있는 센서의 개발로 햅틱 디바이스 인터페이스 장

치의 활용에 보다 높은 기여를 할 것이라 예상된다

-６０-

참고 문헌

[1] 나군호 ldquo로봇수술의 현재와 미래rdquo대한전기학회 2008년도 학술대회 논문

정보 및 제어부분 PP68~7020084

[2] 박정호 ldquo국내외 의료로봇 현황과 발전방향rdquo정보과학지 26(4)

PP49~5420084

[3] 편집부 ldquo수술지원로봇의 최신 기술 동향rdquo월간 자동화 기술 22(12)

PP74~77200612

[4] 경기욱박준석 ldquo햅틱스 기술개발 동향 및 연구전망rdquo전자통신경향분석

21(5)PP93~108200610

[5] 권동수경기욱 ldquo의료용 로봇의 연구 현황과 전망rdquo기계저널

42(3)PP38~44200203

[6] Yoichi OGAHARA Yusuke KAWATO Kenjiro TAKEMURA Takashi MAENO

ldquoA Wire-Driven Miniature Five Fingerd Robot Hand using Elastic Elements as

Jointsrdquo Proceedings the 2003 IEEERSJ Intl Conferense on Intelligent Robots and

Systems

[7] Ikuo Yamano Takashi Maeno ldquoFive-fingered Robot Hand using Ultrasonic Motors

and Elastic Elementsrdquoproceedings the 2005 IEEE International Conference on

Robotics and Automaion

[8] 홍만복김광기 ldquo최소 침습수술로봇을위한 2-자유도 구형 메커니즘설계rdquo

한국정밀공학회 2009년 추계학술대회 논문집

-６１-

[9] 이재훈김형욱이병주서일홍 ldquo새로운 6자유도 병렬형 햅틱 기구의 최적설

계 및 해석rdquo한국정밀공학회 2003년 추계학술대회 논문집

[10] 조국훈이재훈이병주김희국 ldquo병렬형 그리퍼 메카니즘rdquo한국정밀공학회지

[11] 김갑순 ldquo3축 힘센서를 이용한 지능형 그리퍼 개발rdquo한국정밀공학회지 제

24권 제 3호 1999년

[12] 고대성김성목김희국이병주 ldquo병진형 자유도와 1자유도 파지기능을 가지는

4자유도 병렬 메커니즘의 기구학분석rdquo한국정밀공학회 2007년 추계학술대회

• 제1장 서 론
• • 11 연구배경 및 연구목적
  • 12 연구내용
  • • 제2장 로봇 산업의 기술 현황
    • • 21 로봇산업의 동향
      • 22 의료용 로봇기술 현황
      • 23 의료용 로봇시장 전망
      • • 제3장 능동 그리퍼
        • • 31 최소침습 수술 햅틱 장치구현에 필요한 능동 그리퍼 제안
          • 32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류
          • 33 파지형태에 의한 그리퍼의 분류
          • 34 메카니컬 핸드의 구속기능
          • 35 대표적인 동력원의 특징
          • • 제4장 능동형 그리퍼 설계
            • • 41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정
              • 42 모터 선정 알고리즘
              • • 43 1 차 능동형 그리퍼 설계
                • 44 2 차 능동형 그리퍼 설계
                • • 제 5 장 결론
                  • 참고문헌
                  • TABLE 2-1 Domestic robot classification
                  • TABLE 2-2 Robot Production Company
                  • TABLE 3-1 Characteristics of power sources
                  • TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics
                  • TABLE 4-2 αSTEP Motor Characteristics
                  • Fig2-1 Phase of medical robots in the robot industry
                  • Fig2-2 Da Vinci surgical case number
                  • Fig3-1 Da Vinci robot system for MIS
                  • Fig3-2 Classified by the gripper grip action
                  • Fig3-3 Swing-type hand mechanism
                  • Fig3-4 Hand mechanism for translational type1 (parallel displacement)
                  • Fig3-5 Hand mechanism for translational type2 (Rack and pinion type)
                  • Fig3-6 Hand mechanism for three point pinch type
                  • Fig3-7 Movement of object
                  • Fig3-8 Contacts of the kind and the confining
                  • Fig3-9 Human Arm structure
                  • Fig4-1 Configuration of the fingers on robot gripper
                  • Fig4-2 Change the value of the angle of phage torque
                  • Fig4-3 Motor Selection Algorithm
                  • Fig4-4 Arbitrary Shape of Planar Area
                  • Fig4-5 Parallel-Axis Theorem
                  • Fig4-6 Arbitrary Shape of Polar Area
                  • Fig4-7 Example of Velocity Guidance
                  • Fig4-8 Parallel-link Grasp system 1
                  • Fig4-9 Parallel-link Grasp system 2
                  • Fig4-10 TWO Fingertip Grasp system
                  • Fig4-11 Four Fingertip Grasp System
                  • Fig4-12 Four Fingertip Grasp System layout
                  • Fig4-13 Fingertip Grasp Mechanism
                  • Fig4-14 Fingertip Grasp extended
                  • Fig4-15 Power Transmission Device

Fig 4-10

- 53 -

0 Two fingertipps grasp system

- 54 -

44 2 차 능동형 그리퍼 설계

1 차 설계한 능동형 그리퍼에서 발견된 문제점을 보안하기 위하여 2 차 능동

형 그리퍼를 설계하였다 2 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-11 에 묘사

하였으며 2 차설계한 능동형 그리퍼는 Four Fingertip Grasp 로 칭하겠다 이 장치

는 크게 동력원 동력 전달장치 핑거 그립장치로 구성되어있으며 이를 통합하

여 Fig 4-12 에 나타내었다

핑거 그립장치는 스윙형 그립의 단점을 보완하여 설계하였다 물체를 파지할

때 그립의 회전 반경이 주위 환경요소와 간섭을 발생시킬 수 있는데핑거가 전

진할때 샤프트와 핑거그립간의 나사결합형태를 통한 직선운동으로 개선하여 주

위환경요소에 영향을 주지 않도록 설계하였다 구동축의 핑거파지 메카니즘을

Fig 4-13 와 같이 간략화 하였고 이에 대한 세부 도면은 Fig 4-14 로 나타내었다

4 조 핑거 그립의 나사산과 테이퍼진 스크류축은 나사식으로 결합되며 상호

작용에 의해 점차 중심점으로 이동하여 물체를 파지하는 형태이다 사용된 2 개

의 샤프트는 중공축으로 설계하였으며 외부 샤프트는 4 조 핑거가 물체를 파지

하여 비트는 모션을 구현하는데 사용되었다 내부 샤프트는 핑거를 중심점으로

전진시켜는 기능을 수행한다 중공축으로 설계한 내부 샤프트는 차후 개발될 인

스트리먼트의 탈부착을 손쉽게 할수있도록 구현하였고 4 조로 설계된 핑거는 그

립시 인스트리먼트의 응력집중현상을 분산시키는 기능과 2 조로 그립하였을때

보다 안정적인 그립감을 형성한다

- 55 -

동력원과 동력전달장치는 Fig 4-15 에 나타내었으며 Two Fingertip Grasp system

의 문제점이었던 구동부의 모터의 설치 방법을 외부에 부착하는 형태로 변경하

여 우레탄 밸트를 사용하였다 또한 아이들러를 사용하여 밸트의 방향을 변경

하여 모터의 부착위치를 자유롭게 설정할 수 있도록 하였고 모터 브라켓에 슬

리브 홈을 설치하여 벨트의 장력을 조절할 수 있도록 하였다

Fig4-11

Fig4-12 Fou

- 56 -

Four fingertip

ur fingertips g

ps grasp system

grasp system la

m

ayout

Fig 4-13

Fig 4-14

- 57 -

Fingertip gra

4 Fingertip gr

asps mechanis

rasps extended

m

d

Fig 4-15

- 58 -

5 Power transmission devicce

- 59 -

제 5장 결 론

본 연구에서는 MIS 수술 로봇을 위한 햅틱 마스터장치 구동용 능동형 그리

퍼를 설계하기 위하여 그에 상응하는 자료 및 문헌 조사를 수행하였고 햅틱 마

스터에 적용 가능한 능동형 그리퍼를 설계하여 로봇 시스템의 초안을 구성하였

다 수술용 도구를 단순히 잡아주는 역할에서 벗어나 시스템에 추가적인 자유도

를 부여함으로써 그리퍼를 표현하였다 단순화된 그리퍼는 보다 저렴한 가격으

로 생산될 수 있으며 기존 로봇 수술시스템의 높은 비용을 절감할 수 있는 효

과를 가져올 수 있다

최종적으로 제안한 설계 안으로는 2 조 핑거그립를 사용하는 전기모터형 그

리퍼 와 추가적으로 개선한 4 조 전기모터형 핑거그립를 설계였다 스윙형 그립

의 단점을 보안하여 집중응력을 분산할 수 있는 구조로 설계하였고 그리퍼의

무계를 줄일 수 있는 방법을 제시하였다 이로써 원통형 도구 파지 시 안정성이

향상되었고 보다 원활하게 수술 도구를 교체 가능하도록 하였다

앞으로 촉감을 전달할 수 있는 센서의 개발로 햅틱 디바이스 인터페이스 장

치의 활용에 보다 높은 기여를 할 것이라 예상된다

-６０-

참고 문헌

[1] 나군호 ldquo로봇수술의 현재와 미래rdquo대한전기학회 2008년도 학술대회 논문

정보 및 제어부분 PP68~7020084

[2] 박정호 ldquo국내외 의료로봇 현황과 발전방향rdquo정보과학지 26(4)

PP49~5420084

[3] 편집부 ldquo수술지원로봇의 최신 기술 동향rdquo월간 자동화 기술 22(12)

PP74~77200612

[4] 경기욱박준석 ldquo햅틱스 기술개발 동향 및 연구전망rdquo전자통신경향분석

21(5)PP93~108200610

[5] 권동수경기욱 ldquo의료용 로봇의 연구 현황과 전망rdquo기계저널

42(3)PP38~44200203

[6] Yoichi OGAHARA Yusuke KAWATO Kenjiro TAKEMURA Takashi MAENO

ldquoA Wire-Driven Miniature Five Fingerd Robot Hand using Elastic Elements as

Jointsrdquo Proceedings the 2003 IEEERSJ Intl Conferense on Intelligent Robots and

Systems

[7] Ikuo Yamano Takashi Maeno ldquoFive-fingered Robot Hand using Ultrasonic Motors

and Elastic Elementsrdquoproceedings the 2005 IEEE International Conference on

Robotics and Automaion

[8] 홍만복김광기 ldquo최소 침습수술로봇을위한 2-자유도 구형 메커니즘설계rdquo

한국정밀공학회 2009년 추계학술대회 논문집

-６１-

[9] 이재훈김형욱이병주서일홍 ldquo새로운 6자유도 병렬형 햅틱 기구의 최적설

계 및 해석rdquo한국정밀공학회 2003년 추계학술대회 논문집

[10] 조국훈이재훈이병주김희국 ldquo병렬형 그리퍼 메카니즘rdquo한국정밀공학회지

[11] 김갑순 ldquo3축 힘센서를 이용한 지능형 그리퍼 개발rdquo한국정밀공학회지 제

24권 제 3호 1999년

[12] 고대성김성목김희국이병주 ldquo병진형 자유도와 1자유도 파지기능을 가지는

4자유도 병렬 메커니즘의 기구학분석rdquo한국정밀공학회 2007년 추계학술대회

• 제1장 서 론
• • 11 연구배경 및 연구목적
  • 12 연구내용
  • • 제2장 로봇 산업의 기술 현황
    • • 21 로봇산업의 동향
      • 22 의료용 로봇기술 현황
      • 23 의료용 로봇시장 전망
      • • 제3장 능동 그리퍼
        • • 31 최소침습 수술 햅틱 장치구현에 필요한 능동 그리퍼 제안
          • 32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류
          • 33 파지형태에 의한 그리퍼의 분류
          • 34 메카니컬 핸드의 구속기능
          • 35 대표적인 동력원의 특징
          • • 제4장 능동형 그리퍼 설계
            • • 41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정
              • 42 모터 선정 알고리즘
              • • 43 1 차 능동형 그리퍼 설계
                • 44 2 차 능동형 그리퍼 설계
                • • 제 5 장 결론
                  • 참고문헌
                  • TABLE 2-1 Domestic robot classification
                  • TABLE 2-2 Robot Production Company
                  • TABLE 3-1 Characteristics of power sources
                  • TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics
                  • TABLE 4-2 αSTEP Motor Characteristics
                  • Fig2-1 Phase of medical robots in the robot industry
                  • Fig2-2 Da Vinci surgical case number
                  • Fig3-1 Da Vinci robot system for MIS
                  • Fig3-2 Classified by the gripper grip action
                  • Fig3-3 Swing-type hand mechanism
                  • Fig3-4 Hand mechanism for translational type1 (parallel displacement)
                  • Fig3-5 Hand mechanism for translational type2 (Rack and pinion type)
                  • Fig3-6 Hand mechanism for three point pinch type
                  • Fig3-7 Movement of object
                  • Fig3-8 Contacts of the kind and the confining
                  • Fig3-9 Human Arm structure
                  • Fig4-1 Configuration of the fingers on robot gripper
                  • Fig4-2 Change the value of the angle of phage torque
                  • Fig4-3 Motor Selection Algorithm
                  • Fig4-4 Arbitrary Shape of Planar Area
                  • Fig4-5 Parallel-Axis Theorem
                  • Fig4-6 Arbitrary Shape of Polar Area
                  • Fig4-7 Example of Velocity Guidance
                  • Fig4-8 Parallel-link Grasp system 1
                  • Fig4-9 Parallel-link Grasp system 2
                  • Fig4-10 TWO Fingertip Grasp system
                  • Fig4-11 Four Fingertip Grasp System
                  • Fig4-12 Four Fingertip Grasp System layout
                  • Fig4-13 Fingertip Grasp Mechanism
                  • Fig4-14 Fingertip Grasp extended
                  • Fig4-15 Power Transmission Device

- 54 -

44 2 차 능동형 그리퍼 설계

1 차 설계한 능동형 그리퍼에서 발견된 문제점을 보안하기 위하여 2 차 능동

형 그리퍼를 설계하였다 2 차 설계한 2 자유도 능동형 그리퍼는 Fig 4-11 에 묘사

하였으며 2 차설계한 능동형 그리퍼는 Four Fingertip Grasp 로 칭하겠다 이 장치

는 크게 동력원 동력 전달장치 핑거 그립장치로 구성되어있으며 이를 통합하

여 Fig 4-12 에 나타내었다

핑거 그립장치는 스윙형 그립의 단점을 보완하여 설계하였다 물체를 파지할

때 그립의 회전 반경이 주위 환경요소와 간섭을 발생시킬 수 있는데핑거가 전

진할때 샤프트와 핑거그립간의 나사결합형태를 통한 직선운동으로 개선하여 주

위환경요소에 영향을 주지 않도록 설계하였다 구동축의 핑거파지 메카니즘을

Fig 4-13 와 같이 간략화 하였고 이에 대한 세부 도면은 Fig 4-14 로 나타내었다

4 조 핑거 그립의 나사산과 테이퍼진 스크류축은 나사식으로 결합되며 상호

작용에 의해 점차 중심점으로 이동하여 물체를 파지하는 형태이다 사용된 2 개

의 샤프트는 중공축으로 설계하였으며 외부 샤프트는 4 조 핑거가 물체를 파지

하여 비트는 모션을 구현하는데 사용되었다 내부 샤프트는 핑거를 중심점으로

전진시켜는 기능을 수행한다 중공축으로 설계한 내부 샤프트는 차후 개발될 인

스트리먼트의 탈부착을 손쉽게 할수있도록 구현하였고 4 조로 설계된 핑거는 그

립시 인스트리먼트의 응력집중현상을 분산시키는 기능과 2 조로 그립하였을때

보다 안정적인 그립감을 형성한다

- 55 -

동력원과 동력전달장치는 Fig 4-15 에 나타내었으며 Two Fingertip Grasp system

의 문제점이었던 구동부의 모터의 설치 방법을 외부에 부착하는 형태로 변경하

여 우레탄 밸트를 사용하였다 또한 아이들러를 사용하여 밸트의 방향을 변경

하여 모터의 부착위치를 자유롭게 설정할 수 있도록 하였고 모터 브라켓에 슬

리브 홈을 설치하여 벨트의 장력을 조절할 수 있도록 하였다

Fig4-11

Fig4-12 Fou

- 56 -

Four fingertip

ur fingertips g

ps grasp system

grasp system la

m

ayout

Fig 4-13

Fig 4-14

- 57 -

Fingertip gra

4 Fingertip gr

asps mechanis

rasps extended

m

d

Fig 4-15

- 58 -

5 Power transmission devicce

- 59 -

제 5장 결 론

본 연구에서는 MIS 수술 로봇을 위한 햅틱 마스터장치 구동용 능동형 그리

퍼를 설계하기 위하여 그에 상응하는 자료 및 문헌 조사를 수행하였고 햅틱 마

스터에 적용 가능한 능동형 그리퍼를 설계하여 로봇 시스템의 초안을 구성하였

다 수술용 도구를 단순히 잡아주는 역할에서 벗어나 시스템에 추가적인 자유도

를 부여함으로써 그리퍼를 표현하였다 단순화된 그리퍼는 보다 저렴한 가격으

로 생산될 수 있으며 기존 로봇 수술시스템의 높은 비용을 절감할 수 있는 효

과를 가져올 수 있다

최종적으로 제안한 설계 안으로는 2 조 핑거그립를 사용하는 전기모터형 그

리퍼 와 추가적으로 개선한 4 조 전기모터형 핑거그립를 설계였다 스윙형 그립

의 단점을 보안하여 집중응력을 분산할 수 있는 구조로 설계하였고 그리퍼의

무계를 줄일 수 있는 방법을 제시하였다 이로써 원통형 도구 파지 시 안정성이

향상되었고 보다 원활하게 수술 도구를 교체 가능하도록 하였다

앞으로 촉감을 전달할 수 있는 센서의 개발로 햅틱 디바이스 인터페이스 장

치의 활용에 보다 높은 기여를 할 것이라 예상된다

-６０-

참고 문헌

[1] 나군호 ldquo로봇수술의 현재와 미래rdquo대한전기학회 2008년도 학술대회 논문

정보 및 제어부분 PP68~7020084

[2] 박정호 ldquo국내외 의료로봇 현황과 발전방향rdquo정보과학지 26(4)

PP49~5420084

[3] 편집부 ldquo수술지원로봇의 최신 기술 동향rdquo월간 자동화 기술 22(12)

PP74~77200612

[4] 경기욱박준석 ldquo햅틱스 기술개발 동향 및 연구전망rdquo전자통신경향분석

21(5)PP93~108200610

[5] 권동수경기욱 ldquo의료용 로봇의 연구 현황과 전망rdquo기계저널

42(3)PP38~44200203

[6] Yoichi OGAHARA Yusuke KAWATO Kenjiro TAKEMURA Takashi MAENO

ldquoA Wire-Driven Miniature Five Fingerd Robot Hand using Elastic Elements as

Jointsrdquo Proceedings the 2003 IEEERSJ Intl Conferense on Intelligent Robots and

Systems

[7] Ikuo Yamano Takashi Maeno ldquoFive-fingered Robot Hand using Ultrasonic Motors

and Elastic Elementsrdquoproceedings the 2005 IEEE International Conference on

Robotics and Automaion

[8] 홍만복김광기 ldquo최소 침습수술로봇을위한 2-자유도 구형 메커니즘설계rdquo

한국정밀공학회 2009년 추계학술대회 논문집

-６１-

[9] 이재훈김형욱이병주서일홍 ldquo새로운 6자유도 병렬형 햅틱 기구의 최적설

계 및 해석rdquo한국정밀공학회 2003년 추계학술대회 논문집

[10] 조국훈이재훈이병주김희국 ldquo병렬형 그리퍼 메카니즘rdquo한국정밀공학회지

[11] 김갑순 ldquo3축 힘센서를 이용한 지능형 그리퍼 개발rdquo한국정밀공학회지 제

24권 제 3호 1999년

[12] 고대성김성목김희국이병주 ldquo병진형 자유도와 1자유도 파지기능을 가지는

4자유도 병렬 메커니즘의 기구학분석rdquo한국정밀공학회 2007년 추계학술대회

• 제1장 서 론
• • 11 연구배경 및 연구목적
  • 12 연구내용
  • • 제2장 로봇 산업의 기술 현황
    • • 21 로봇산업의 동향
      • 22 의료용 로봇기술 현황
      • 23 의료용 로봇시장 전망
      • • 제3장 능동 그리퍼
        • • 31 최소침습 수술 햅틱 장치구현에 필요한 능동 그리퍼 제안
          • 32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류
          • 33 파지형태에 의한 그리퍼의 분류
          • 34 메카니컬 핸드의 구속기능
          • 35 대표적인 동력원의 특징
          • • 제4장 능동형 그리퍼 설계
            • • 41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정
              • 42 모터 선정 알고리즘
              • • 43 1 차 능동형 그리퍼 설계
                • 44 2 차 능동형 그리퍼 설계
                • • 제 5 장 결론
                  • 참고문헌
                  • TABLE 2-1 Domestic robot classification
                  • TABLE 2-2 Robot Production Company
                  • TABLE 3-1 Characteristics of power sources
                  • TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics
                  • TABLE 4-2 αSTEP Motor Characteristics
                  • Fig2-1 Phase of medical robots in the robot industry
                  • Fig2-2 Da Vinci surgical case number
                  • Fig3-1 Da Vinci robot system for MIS
                  • Fig3-2 Classified by the gripper grip action
                  • Fig3-3 Swing-type hand mechanism
                  • Fig3-4 Hand mechanism for translational type1 (parallel displacement)
                  • Fig3-5 Hand mechanism for translational type2 (Rack and pinion type)
                  • Fig3-6 Hand mechanism for three point pinch type
                  • Fig3-7 Movement of object
                  • Fig3-8 Contacts of the kind and the confining
                  • Fig3-9 Human Arm structure
                  • Fig4-1 Configuration of the fingers on robot gripper
                  • Fig4-2 Change the value of the angle of phage torque
                  • Fig4-3 Motor Selection Algorithm
                  • Fig4-4 Arbitrary Shape of Planar Area
                  • Fig4-5 Parallel-Axis Theorem
                  • Fig4-6 Arbitrary Shape of Polar Area
                  • Fig4-7 Example of Velocity Guidance
                  • Fig4-8 Parallel-link Grasp system 1
                  • Fig4-9 Parallel-link Grasp system 2
                  • Fig4-10 TWO Fingertip Grasp system
                  • Fig4-11 Four Fingertip Grasp System
                  • Fig4-12 Four Fingertip Grasp System layout
                  • Fig4-13 Fingertip Grasp Mechanism
                  • Fig4-14 Fingertip Grasp extended
                  • Fig4-15 Power Transmission Device

- 55 -

동력원과 동력전달장치는 Fig 4-15 에 나타내었으며 Two Fingertip Grasp system

의 문제점이었던 구동부의 모터의 설치 방법을 외부에 부착하는 형태로 변경하

여 우레탄 밸트를 사용하였다 또한 아이들러를 사용하여 밸트의 방향을 변경

하여 모터의 부착위치를 자유롭게 설정할 수 있도록 하였고 모터 브라켓에 슬

리브 홈을 설치하여 벨트의 장력을 조절할 수 있도록 하였다

Fig4-11

Fig4-12 Fou

- 56 -

Four fingertip

ur fingertips g

ps grasp system

grasp system la

m

ayout

Fig 4-13

Fig 4-14

- 57 -

Fingertip gra

4 Fingertip gr

asps mechanis

rasps extended

m

d

Fig 4-15

- 58 -

5 Power transmission devicce

- 59 -

제 5장 결 론

본 연구에서는 MIS 수술 로봇을 위한 햅틱 마스터장치 구동용 능동형 그리

퍼를 설계하기 위하여 그에 상응하는 자료 및 문헌 조사를 수행하였고 햅틱 마

스터에 적용 가능한 능동형 그리퍼를 설계하여 로봇 시스템의 초안을 구성하였

다 수술용 도구를 단순히 잡아주는 역할에서 벗어나 시스템에 추가적인 자유도

를 부여함으로써 그리퍼를 표현하였다 단순화된 그리퍼는 보다 저렴한 가격으

로 생산될 수 있으며 기존 로봇 수술시스템의 높은 비용을 절감할 수 있는 효

과를 가져올 수 있다

최종적으로 제안한 설계 안으로는 2 조 핑거그립를 사용하는 전기모터형 그

리퍼 와 추가적으로 개선한 4 조 전기모터형 핑거그립를 설계였다 스윙형 그립

의 단점을 보안하여 집중응력을 분산할 수 있는 구조로 설계하였고 그리퍼의

무계를 줄일 수 있는 방법을 제시하였다 이로써 원통형 도구 파지 시 안정성이

향상되었고 보다 원활하게 수술 도구를 교체 가능하도록 하였다

앞으로 촉감을 전달할 수 있는 센서의 개발로 햅틱 디바이스 인터페이스 장

치의 활용에 보다 높은 기여를 할 것이라 예상된다

-６０-

참고 문헌

[1] 나군호 ldquo로봇수술의 현재와 미래rdquo대한전기학회 2008년도 학술대회 논문

정보 및 제어부분 PP68~7020084

[2] 박정호 ldquo국내외 의료로봇 현황과 발전방향rdquo정보과학지 26(4)

PP49~5420084

[3] 편집부 ldquo수술지원로봇의 최신 기술 동향rdquo월간 자동화 기술 22(12)

PP74~77200612

[4] 경기욱박준석 ldquo햅틱스 기술개발 동향 및 연구전망rdquo전자통신경향분석

21(5)PP93~108200610

[5] 권동수경기욱 ldquo의료용 로봇의 연구 현황과 전망rdquo기계저널

42(3)PP38~44200203

[6] Yoichi OGAHARA Yusuke KAWATO Kenjiro TAKEMURA Takashi MAENO

ldquoA Wire-Driven Miniature Five Fingerd Robot Hand using Elastic Elements as

Jointsrdquo Proceedings the 2003 IEEERSJ Intl Conferense on Intelligent Robots and

Systems

[7] Ikuo Yamano Takashi Maeno ldquoFive-fingered Robot Hand using Ultrasonic Motors

and Elastic Elementsrdquoproceedings the 2005 IEEE International Conference on

Robotics and Automaion

[8] 홍만복김광기 ldquo최소 침습수술로봇을위한 2-자유도 구형 메커니즘설계rdquo

한국정밀공학회 2009년 추계학술대회 논문집

-６１-

[9] 이재훈김형욱이병주서일홍 ldquo새로운 6자유도 병렬형 햅틱 기구의 최적설

계 및 해석rdquo한국정밀공학회 2003년 추계학술대회 논문집

[10] 조국훈이재훈이병주김희국 ldquo병렬형 그리퍼 메카니즘rdquo한국정밀공학회지

[11] 김갑순 ldquo3축 힘센서를 이용한 지능형 그리퍼 개발rdquo한국정밀공학회지 제

24권 제 3호 1999년

[12] 고대성김성목김희국이병주 ldquo병진형 자유도와 1자유도 파지기능을 가지는

4자유도 병렬 메커니즘의 기구학분석rdquo한국정밀공학회 2007년 추계학술대회

• 제1장 서 론
• • 11 연구배경 및 연구목적
  • 12 연구내용
  • • 제2장 로봇 산업의 기술 현황
    • • 21 로봇산업의 동향
      • 22 의료용 로봇기술 현황
      • 23 의료용 로봇시장 전망
      • • 제3장 능동 그리퍼
        • • 31 최소침습 수술 햅틱 장치구현에 필요한 능동 그리퍼 제안
          • 32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류
          • 33 파지형태에 의한 그리퍼의 분류
          • 34 메카니컬 핸드의 구속기능
          • 35 대표적인 동력원의 특징
          • • 제4장 능동형 그리퍼 설계
            • • 41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정
              • 42 모터 선정 알고리즘
              • • 43 1 차 능동형 그리퍼 설계
                • 44 2 차 능동형 그리퍼 설계
                • • 제 5 장 결론
                  • 참고문헌
                  • TABLE 2-1 Domestic robot classification
                  • TABLE 2-2 Robot Production Company
                  • TABLE 3-1 Characteristics of power sources
                  • TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics
                  • TABLE 4-2 αSTEP Motor Characteristics
                  • Fig2-1 Phase of medical robots in the robot industry
                  • Fig2-2 Da Vinci surgical case number
                  • Fig3-1 Da Vinci robot system for MIS
                  • Fig3-2 Classified by the gripper grip action
                  • Fig3-3 Swing-type hand mechanism
                  • Fig3-4 Hand mechanism for translational type1 (parallel displacement)
                  • Fig3-5 Hand mechanism for translational type2 (Rack and pinion type)
                  • Fig3-6 Hand mechanism for three point pinch type
                  • Fig3-7 Movement of object
                  • Fig3-8 Contacts of the kind and the confining
                  • Fig3-9 Human Arm structure
                  • Fig4-1 Configuration of the fingers on robot gripper
                  • Fig4-2 Change the value of the angle of phage torque
                  • Fig4-3 Motor Selection Algorithm
                  • Fig4-4 Arbitrary Shape of Planar Area
                  • Fig4-5 Parallel-Axis Theorem
                  • Fig4-6 Arbitrary Shape of Polar Area
                  • Fig4-7 Example of Velocity Guidance
                  • Fig4-8 Parallel-link Grasp system 1
                  • Fig4-9 Parallel-link Grasp system 2
                  • Fig4-10 TWO Fingertip Grasp system
                  • Fig4-11 Four Fingertip Grasp System
                  • Fig4-12 Four Fingertip Grasp System layout
                  • Fig4-13 Fingertip Grasp Mechanism
                  • Fig4-14 Fingertip Grasp extended
                  • Fig4-15 Power Transmission Device

Fig4-11

Fig4-12 Fou

- 56 -

Four fingertip

ur fingertips g

ps grasp system

grasp system la

m

ayout

Fig 4-13

Fig 4-14

- 57 -

Fingertip gra

4 Fingertip gr

asps mechanis

rasps extended

m

d

Fig 4-15

- 58 -

5 Power transmission devicce

- 59 -

제 5장 결 론

본 연구에서는 MIS 수술 로봇을 위한 햅틱 마스터장치 구동용 능동형 그리

퍼를 설계하기 위하여 그에 상응하는 자료 및 문헌 조사를 수행하였고 햅틱 마

스터에 적용 가능한 능동형 그리퍼를 설계하여 로봇 시스템의 초안을 구성하였

다 수술용 도구를 단순히 잡아주는 역할에서 벗어나 시스템에 추가적인 자유도

를 부여함으로써 그리퍼를 표현하였다 단순화된 그리퍼는 보다 저렴한 가격으

로 생산될 수 있으며 기존 로봇 수술시스템의 높은 비용을 절감할 수 있는 효

과를 가져올 수 있다

최종적으로 제안한 설계 안으로는 2 조 핑거그립를 사용하는 전기모터형 그

리퍼 와 추가적으로 개선한 4 조 전기모터형 핑거그립를 설계였다 스윙형 그립

의 단점을 보안하여 집중응력을 분산할 수 있는 구조로 설계하였고 그리퍼의

무계를 줄일 수 있는 방법을 제시하였다 이로써 원통형 도구 파지 시 안정성이

향상되었고 보다 원활하게 수술 도구를 교체 가능하도록 하였다

앞으로 촉감을 전달할 수 있는 센서의 개발로 햅틱 디바이스 인터페이스 장

치의 활용에 보다 높은 기여를 할 것이라 예상된다

-６０-

참고 문헌

[1] 나군호 ldquo로봇수술의 현재와 미래rdquo대한전기학회 2008년도 학술대회 논문

정보 및 제어부분 PP68~7020084

[2] 박정호 ldquo국내외 의료로봇 현황과 발전방향rdquo정보과학지 26(4)

PP49~5420084

[3] 편집부 ldquo수술지원로봇의 최신 기술 동향rdquo월간 자동화 기술 22(12)

PP74~77200612

[4] 경기욱박준석 ldquo햅틱스 기술개발 동향 및 연구전망rdquo전자통신경향분석

21(5)PP93~108200610

[5] 권동수경기욱 ldquo의료용 로봇의 연구 현황과 전망rdquo기계저널

42(3)PP38~44200203

[6] Yoichi OGAHARA Yusuke KAWATO Kenjiro TAKEMURA Takashi MAENO

ldquoA Wire-Driven Miniature Five Fingerd Robot Hand using Elastic Elements as

Jointsrdquo Proceedings the 2003 IEEERSJ Intl Conferense on Intelligent Robots and

Systems

[7] Ikuo Yamano Takashi Maeno ldquoFive-fingered Robot Hand using Ultrasonic Motors

and Elastic Elementsrdquoproceedings the 2005 IEEE International Conference on

Robotics and Automaion

[8] 홍만복김광기 ldquo최소 침습수술로봇을위한 2-자유도 구형 메커니즘설계rdquo

한국정밀공학회 2009년 추계학술대회 논문집

-６１-

[9] 이재훈김형욱이병주서일홍 ldquo새로운 6자유도 병렬형 햅틱 기구의 최적설

계 및 해석rdquo한국정밀공학회 2003년 추계학술대회 논문집

[10] 조국훈이재훈이병주김희국 ldquo병렬형 그리퍼 메카니즘rdquo한국정밀공학회지

[11] 김갑순 ldquo3축 힘센서를 이용한 지능형 그리퍼 개발rdquo한국정밀공학회지 제

24권 제 3호 1999년

[12] 고대성김성목김희국이병주 ldquo병진형 자유도와 1자유도 파지기능을 가지는

4자유도 병렬 메커니즘의 기구학분석rdquo한국정밀공학회 2007년 추계학술대회

• 제1장 서 론
• • 11 연구배경 및 연구목적
  • 12 연구내용
  • • 제2장 로봇 산업의 기술 현황
    • • 21 로봇산업의 동향
      • 22 의료용 로봇기술 현황
      • 23 의료용 로봇시장 전망
      • • 제3장 능동 그리퍼
        • • 31 최소침습 수술 햅틱 장치구현에 필요한 능동 그리퍼 제안
          • 32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류
          • 33 파지형태에 의한 그리퍼의 분류
          • 34 메카니컬 핸드의 구속기능
          • 35 대표적인 동력원의 특징
          • • 제4장 능동형 그리퍼 설계
            • • 41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정
              • 42 모터 선정 알고리즘
              • • 43 1 차 능동형 그리퍼 설계
                • 44 2 차 능동형 그리퍼 설계
                • • 제 5 장 결론
                  • 참고문헌
                  • TABLE 2-1 Domestic robot classification
                  • TABLE 2-2 Robot Production Company
                  • TABLE 3-1 Characteristics of power sources
                  • TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics
                  • TABLE 4-2 αSTEP Motor Characteristics
                  • Fig2-1 Phase of medical robots in the robot industry
                  • Fig2-2 Da Vinci surgical case number
                  • Fig3-1 Da Vinci robot system for MIS
                  • Fig3-2 Classified by the gripper grip action
                  • Fig3-3 Swing-type hand mechanism
                  • Fig3-4 Hand mechanism for translational type1 (parallel displacement)
                  • Fig3-5 Hand mechanism for translational type2 (Rack and pinion type)
                  • Fig3-6 Hand mechanism for three point pinch type
                  • Fig3-7 Movement of object
                  • Fig3-8 Contacts of the kind and the confining
                  • Fig3-9 Human Arm structure
                  • Fig4-1 Configuration of the fingers on robot gripper
                  • Fig4-2 Change the value of the angle of phage torque
                  • Fig4-3 Motor Selection Algorithm
                  • Fig4-4 Arbitrary Shape of Planar Area
                  • Fig4-5 Parallel-Axis Theorem
                  • Fig4-6 Arbitrary Shape of Polar Area
                  • Fig4-7 Example of Velocity Guidance
                  • Fig4-8 Parallel-link Grasp system 1
                  • Fig4-9 Parallel-link Grasp system 2
                  • Fig4-10 TWO Fingertip Grasp system
                  • Fig4-11 Four Fingertip Grasp System
                  • Fig4-12 Four Fingertip Grasp System layout
                  • Fig4-13 Fingertip Grasp Mechanism
                  • Fig4-14 Fingertip Grasp extended
                  • Fig4-15 Power Transmission Device

Fig 4-13

Fig 4-14

- 57 -

Fingertip gra

4 Fingertip gr

asps mechanis

rasps extended

m

d

Fig 4-15

- 58 -

5 Power transmission devicce

- 59 -

제 5장 결 론

본 연구에서는 MIS 수술 로봇을 위한 햅틱 마스터장치 구동용 능동형 그리

퍼를 설계하기 위하여 그에 상응하는 자료 및 문헌 조사를 수행하였고 햅틱 마

스터에 적용 가능한 능동형 그리퍼를 설계하여 로봇 시스템의 초안을 구성하였

다 수술용 도구를 단순히 잡아주는 역할에서 벗어나 시스템에 추가적인 자유도

를 부여함으로써 그리퍼를 표현하였다 단순화된 그리퍼는 보다 저렴한 가격으

로 생산될 수 있으며 기존 로봇 수술시스템의 높은 비용을 절감할 수 있는 효

과를 가져올 수 있다

최종적으로 제안한 설계 안으로는 2 조 핑거그립를 사용하는 전기모터형 그

리퍼 와 추가적으로 개선한 4 조 전기모터형 핑거그립를 설계였다 스윙형 그립

의 단점을 보안하여 집중응력을 분산할 수 있는 구조로 설계하였고 그리퍼의

무계를 줄일 수 있는 방법을 제시하였다 이로써 원통형 도구 파지 시 안정성이

향상되었고 보다 원활하게 수술 도구를 교체 가능하도록 하였다

앞으로 촉감을 전달할 수 있는 센서의 개발로 햅틱 디바이스 인터페이스 장

치의 활용에 보다 높은 기여를 할 것이라 예상된다

-６０-

참고 문헌

[1] 나군호 ldquo로봇수술의 현재와 미래rdquo대한전기학회 2008년도 학술대회 논문

정보 및 제어부분 PP68~7020084

[2] 박정호 ldquo국내외 의료로봇 현황과 발전방향rdquo정보과학지 26(4)

PP49~5420084

[3] 편집부 ldquo수술지원로봇의 최신 기술 동향rdquo월간 자동화 기술 22(12)

PP74~77200612

[4] 경기욱박준석 ldquo햅틱스 기술개발 동향 및 연구전망rdquo전자통신경향분석

21(5)PP93~108200610

[5] 권동수경기욱 ldquo의료용 로봇의 연구 현황과 전망rdquo기계저널

42(3)PP38~44200203

[6] Yoichi OGAHARA Yusuke KAWATO Kenjiro TAKEMURA Takashi MAENO

ldquoA Wire-Driven Miniature Five Fingerd Robot Hand using Elastic Elements as

Jointsrdquo Proceedings the 2003 IEEERSJ Intl Conferense on Intelligent Robots and

Systems

[7] Ikuo Yamano Takashi Maeno ldquoFive-fingered Robot Hand using Ultrasonic Motors

and Elastic Elementsrdquoproceedings the 2005 IEEE International Conference on

Robotics and Automaion

[8] 홍만복김광기 ldquo최소 침습수술로봇을위한 2-자유도 구형 메커니즘설계rdquo

한국정밀공학회 2009년 추계학술대회 논문집

-６１-

[9] 이재훈김형욱이병주서일홍 ldquo새로운 6자유도 병렬형 햅틱 기구의 최적설

계 및 해석rdquo한국정밀공학회 2003년 추계학술대회 논문집

[10] 조국훈이재훈이병주김희국 ldquo병렬형 그리퍼 메카니즘rdquo한국정밀공학회지

[11] 김갑순 ldquo3축 힘센서를 이용한 지능형 그리퍼 개발rdquo한국정밀공학회지 제

24권 제 3호 1999년

[12] 고대성김성목김희국이병주 ldquo병진형 자유도와 1자유도 파지기능을 가지는

4자유도 병렬 메커니즘의 기구학분석rdquo한국정밀공학회 2007년 추계학술대회

• 제1장 서 론
• • 11 연구배경 및 연구목적
  • 12 연구내용
  • • 제2장 로봇 산업의 기술 현황
    • • 21 로봇산업의 동향
      • 22 의료용 로봇기술 현황
      • 23 의료용 로봇시장 전망
      • • 제3장 능동 그리퍼
        • • 31 최소침습 수술 햅틱 장치구현에 필요한 능동 그리퍼 제안
          • 32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류
          • 33 파지형태에 의한 그리퍼의 분류
          • 34 메카니컬 핸드의 구속기능
          • 35 대표적인 동력원의 특징
          • • 제4장 능동형 그리퍼 설계
            • • 41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정
              • 42 모터 선정 알고리즘
              • • 43 1 차 능동형 그리퍼 설계
                • 44 2 차 능동형 그리퍼 설계
                • • 제 5 장 결론
                  • 참고문헌
                  • TABLE 2-1 Domestic robot classification
                  • TABLE 2-2 Robot Production Company
                  • TABLE 3-1 Characteristics of power sources
                  • TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics
                  • TABLE 4-2 αSTEP Motor Characteristics
                  • Fig2-1 Phase of medical robots in the robot industry
                  • Fig2-2 Da Vinci surgical case number
                  • Fig3-1 Da Vinci robot system for MIS
                  • Fig3-2 Classified by the gripper grip action
                  • Fig3-3 Swing-type hand mechanism
                  • Fig3-4 Hand mechanism for translational type1 (parallel displacement)
                  • Fig3-5 Hand mechanism for translational type2 (Rack and pinion type)
                  • Fig3-6 Hand mechanism for three point pinch type
                  • Fig3-7 Movement of object
                  • Fig3-8 Contacts of the kind and the confining
                  • Fig3-9 Human Arm structure
                  • Fig4-1 Configuration of the fingers on robot gripper
                  • Fig4-2 Change the value of the angle of phage torque
                  • Fig4-3 Motor Selection Algorithm
                  • Fig4-4 Arbitrary Shape of Planar Area
                  • Fig4-5 Parallel-Axis Theorem
                  • Fig4-6 Arbitrary Shape of Polar Area
                  • Fig4-7 Example of Velocity Guidance
                  • Fig4-8 Parallel-link Grasp system 1
                  • Fig4-9 Parallel-link Grasp system 2
                  • Fig4-10 TWO Fingertip Grasp system
                  • Fig4-11 Four Fingertip Grasp System
                  • Fig4-12 Four Fingertip Grasp System layout
                  • Fig4-13 Fingertip Grasp Mechanism
                  • Fig4-14 Fingertip Grasp extended
                  • Fig4-15 Power Transmission Device

Fig 4-15

- 58 -

5 Power transmission devicce

- 59 -

제 5장 결 론

본 연구에서는 MIS 수술 로봇을 위한 햅틱 마스터장치 구동용 능동형 그리

퍼를 설계하기 위하여 그에 상응하는 자료 및 문헌 조사를 수행하였고 햅틱 마

스터에 적용 가능한 능동형 그리퍼를 설계하여 로봇 시스템의 초안을 구성하였

다 수술용 도구를 단순히 잡아주는 역할에서 벗어나 시스템에 추가적인 자유도

를 부여함으로써 그리퍼를 표현하였다 단순화된 그리퍼는 보다 저렴한 가격으

로 생산될 수 있으며 기존 로봇 수술시스템의 높은 비용을 절감할 수 있는 효

과를 가져올 수 있다

최종적으로 제안한 설계 안으로는 2 조 핑거그립를 사용하는 전기모터형 그

리퍼 와 추가적으로 개선한 4 조 전기모터형 핑거그립를 설계였다 스윙형 그립

의 단점을 보안하여 집중응력을 분산할 수 있는 구조로 설계하였고 그리퍼의

무계를 줄일 수 있는 방법을 제시하였다 이로써 원통형 도구 파지 시 안정성이

향상되었고 보다 원활하게 수술 도구를 교체 가능하도록 하였다

앞으로 촉감을 전달할 수 있는 센서의 개발로 햅틱 디바이스 인터페이스 장

치의 활용에 보다 높은 기여를 할 것이라 예상된다

-６０-

참고 문헌

[1] 나군호 ldquo로봇수술의 현재와 미래rdquo대한전기학회 2008년도 학술대회 논문

정보 및 제어부분 PP68~7020084

[2] 박정호 ldquo국내외 의료로봇 현황과 발전방향rdquo정보과학지 26(4)

PP49~5420084

[3] 편집부 ldquo수술지원로봇의 최신 기술 동향rdquo월간 자동화 기술 22(12)

PP74~77200612

[4] 경기욱박준석 ldquo햅틱스 기술개발 동향 및 연구전망rdquo전자통신경향분석

21(5)PP93~108200610

[5] 권동수경기욱 ldquo의료용 로봇의 연구 현황과 전망rdquo기계저널

42(3)PP38~44200203

[6] Yoichi OGAHARA Yusuke KAWATO Kenjiro TAKEMURA Takashi MAENO

ldquoA Wire-Driven Miniature Five Fingerd Robot Hand using Elastic Elements as

Jointsrdquo Proceedings the 2003 IEEERSJ Intl Conferense on Intelligent Robots and

Systems

[7] Ikuo Yamano Takashi Maeno ldquoFive-fingered Robot Hand using Ultrasonic Motors

and Elastic Elementsrdquoproceedings the 2005 IEEE International Conference on

Robotics and Automaion

[8] 홍만복김광기 ldquo최소 침습수술로봇을위한 2-자유도 구형 메커니즘설계rdquo

한국정밀공학회 2009년 추계학술대회 논문집

-６１-

[9] 이재훈김형욱이병주서일홍 ldquo새로운 6자유도 병렬형 햅틱 기구의 최적설

계 및 해석rdquo한국정밀공학회 2003년 추계학술대회 논문집

[10] 조국훈이재훈이병주김희국 ldquo병렬형 그리퍼 메카니즘rdquo한국정밀공학회지

[11] 김갑순 ldquo3축 힘센서를 이용한 지능형 그리퍼 개발rdquo한국정밀공학회지 제

24권 제 3호 1999년

[12] 고대성김성목김희국이병주 ldquo병진형 자유도와 1자유도 파지기능을 가지는

4자유도 병렬 메커니즘의 기구학분석rdquo한국정밀공학회 2007년 추계학술대회

• 제1장 서 론
• • 11 연구배경 및 연구목적
  • 12 연구내용
  • • 제2장 로봇 산업의 기술 현황
    • • 21 로봇산업의 동향
      • 22 의료용 로봇기술 현황
      • 23 의료용 로봇시장 전망
      • • 제3장 능동 그리퍼
        • • 31 최소침습 수술 햅틱 장치구현에 필요한 능동 그리퍼 제안
          • 32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류
          • 33 파지형태에 의한 그리퍼의 분류
          • 34 메카니컬 핸드의 구속기능
          • 35 대표적인 동력원의 특징
          • • 제4장 능동형 그리퍼 설계
            • • 41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정
              • 42 모터 선정 알고리즘
              • • 43 1 차 능동형 그리퍼 설계
                • 44 2 차 능동형 그리퍼 설계
                • • 제 5 장 결론
                  • 참고문헌
                  • TABLE 2-1 Domestic robot classification
                  • TABLE 2-2 Robot Production Company
                  • TABLE 3-1 Characteristics of power sources
                  • TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics
                  • TABLE 4-2 αSTEP Motor Characteristics
                  • Fig2-1 Phase of medical robots in the robot industry
                  • Fig2-2 Da Vinci surgical case number
                  • Fig3-1 Da Vinci robot system for MIS
                  • Fig3-2 Classified by the gripper grip action
                  • Fig3-3 Swing-type hand mechanism
                  • Fig3-4 Hand mechanism for translational type1 (parallel displacement)
                  • Fig3-5 Hand mechanism for translational type2 (Rack and pinion type)
                  • Fig3-6 Hand mechanism for three point pinch type
                  • Fig3-7 Movement of object
                  • Fig3-8 Contacts of the kind and the confining
                  • Fig3-9 Human Arm structure
                  • Fig4-1 Configuration of the fingers on robot gripper
                  • Fig4-2 Change the value of the angle of phage torque
                  • Fig4-3 Motor Selection Algorithm
                  • Fig4-4 Arbitrary Shape of Planar Area
                  • Fig4-5 Parallel-Axis Theorem
                  • Fig4-6 Arbitrary Shape of Polar Area
                  • Fig4-7 Example of Velocity Guidance
                  • Fig4-8 Parallel-link Grasp system 1
                  • Fig4-9 Parallel-link Grasp system 2
                  • Fig4-10 TWO Fingertip Grasp system
                  • Fig4-11 Four Fingertip Grasp System
                  • Fig4-12 Four Fingertip Grasp System layout
                  • Fig4-13 Fingertip Grasp Mechanism
                  • Fig4-14 Fingertip Grasp extended
                  • Fig4-15 Power Transmission Device

- 59 -

제 5장 결 론

본 연구에서는 MIS 수술 로봇을 위한 햅틱 마스터장치 구동용 능동형 그리

퍼를 설계하기 위하여 그에 상응하는 자료 및 문헌 조사를 수행하였고 햅틱 마

스터에 적용 가능한 능동형 그리퍼를 설계하여 로봇 시스템의 초안을 구성하였

다 수술용 도구를 단순히 잡아주는 역할에서 벗어나 시스템에 추가적인 자유도

를 부여함으로써 그리퍼를 표현하였다 단순화된 그리퍼는 보다 저렴한 가격으

로 생산될 수 있으며 기존 로봇 수술시스템의 높은 비용을 절감할 수 있는 효

과를 가져올 수 있다

최종적으로 제안한 설계 안으로는 2 조 핑거그립를 사용하는 전기모터형 그

리퍼 와 추가적으로 개선한 4 조 전기모터형 핑거그립를 설계였다 스윙형 그립

의 단점을 보안하여 집중응력을 분산할 수 있는 구조로 설계하였고 그리퍼의

무계를 줄일 수 있는 방법을 제시하였다 이로써 원통형 도구 파지 시 안정성이

향상되었고 보다 원활하게 수술 도구를 교체 가능하도록 하였다

앞으로 촉감을 전달할 수 있는 센서의 개발로 햅틱 디바이스 인터페이스 장

치의 활용에 보다 높은 기여를 할 것이라 예상된다

-６０-

참고 문헌

[1] 나군호 ldquo로봇수술의 현재와 미래rdquo대한전기학회 2008년도 학술대회 논문

정보 및 제어부분 PP68~7020084

[2] 박정호 ldquo국내외 의료로봇 현황과 발전방향rdquo정보과학지 26(4)

PP49~5420084

[3] 편집부 ldquo수술지원로봇의 최신 기술 동향rdquo월간 자동화 기술 22(12)

PP74~77200612

[4] 경기욱박준석 ldquo햅틱스 기술개발 동향 및 연구전망rdquo전자통신경향분석

21(5)PP93~108200610

[5] 권동수경기욱 ldquo의료용 로봇의 연구 현황과 전망rdquo기계저널

42(3)PP38~44200203

[6] Yoichi OGAHARA Yusuke KAWATO Kenjiro TAKEMURA Takashi MAENO

ldquoA Wire-Driven Miniature Five Fingerd Robot Hand using Elastic Elements as

Jointsrdquo Proceedings the 2003 IEEERSJ Intl Conferense on Intelligent Robots and

Systems

[7] Ikuo Yamano Takashi Maeno ldquoFive-fingered Robot Hand using Ultrasonic Motors

and Elastic Elementsrdquoproceedings the 2005 IEEE International Conference on

Robotics and Automaion

[8] 홍만복김광기 ldquo최소 침습수술로봇을위한 2-자유도 구형 메커니즘설계rdquo

한국정밀공학회 2009년 추계학술대회 논문집

-６１-

[9] 이재훈김형욱이병주서일홍 ldquo새로운 6자유도 병렬형 햅틱 기구의 최적설

계 및 해석rdquo한국정밀공학회 2003년 추계학술대회 논문집

[10] 조국훈이재훈이병주김희국 ldquo병렬형 그리퍼 메카니즘rdquo한국정밀공학회지

[11] 김갑순 ldquo3축 힘센서를 이용한 지능형 그리퍼 개발rdquo한국정밀공학회지 제

24권 제 3호 1999년

[12] 고대성김성목김희국이병주 ldquo병진형 자유도와 1자유도 파지기능을 가지는

4자유도 병렬 메커니즘의 기구학분석rdquo한국정밀공학회 2007년 추계학술대회

• 제1장 서 론
• • 11 연구배경 및 연구목적
  • 12 연구내용
  • • 제2장 로봇 산업의 기술 현황
    • • 21 로봇산업의 동향
      • 22 의료용 로봇기술 현황
      • 23 의료용 로봇시장 전망
      • • 제3장 능동 그리퍼
        • • 31 최소침습 수술 햅틱 장치구현에 필요한 능동 그리퍼 제안
          • 32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류
          • 33 파지형태에 의한 그리퍼의 분류
          • 34 메카니컬 핸드의 구속기능
          • 35 대표적인 동력원의 특징
          • • 제4장 능동형 그리퍼 설계
            • • 41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정
              • 42 모터 선정 알고리즘
              • • 43 1 차 능동형 그리퍼 설계
                • 44 2 차 능동형 그리퍼 설계
                • • 제 5 장 결론
                  • 참고문헌
                  • TABLE 2-1 Domestic robot classification
                  • TABLE 2-2 Robot Production Company
                  • TABLE 3-1 Characteristics of power sources
                  • TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics
                  • TABLE 4-2 αSTEP Motor Characteristics
                  • Fig2-1 Phase of medical robots in the robot industry
                  • Fig2-2 Da Vinci surgical case number
                  • Fig3-1 Da Vinci robot system for MIS
                  • Fig3-2 Classified by the gripper grip action
                  • Fig3-3 Swing-type hand mechanism
                  • Fig3-4 Hand mechanism for translational type1 (parallel displacement)
                  • Fig3-5 Hand mechanism for translational type2 (Rack and pinion type)
                  • Fig3-6 Hand mechanism for three point pinch type
                  • Fig3-7 Movement of object
                  • Fig3-8 Contacts of the kind and the confining
                  • Fig3-9 Human Arm structure
                  • Fig4-1 Configuration of the fingers on robot gripper
                  • Fig4-2 Change the value of the angle of phage torque
                  • Fig4-3 Motor Selection Algorithm
                  • Fig4-4 Arbitrary Shape of Planar Area
                  • Fig4-5 Parallel-Axis Theorem
                  • Fig4-6 Arbitrary Shape of Polar Area
                  • Fig4-7 Example of Velocity Guidance
                  • Fig4-8 Parallel-link Grasp system 1
                  • Fig4-9 Parallel-link Grasp system 2
                  • Fig4-10 TWO Fingertip Grasp system
                  • Fig4-11 Four Fingertip Grasp System
                  • Fig4-12 Four Fingertip Grasp System layout
                  • Fig4-13 Fingertip Grasp Mechanism
                  • Fig4-14 Fingertip Grasp extended
                  • Fig4-15 Power Transmission Device

-６０-

참고 문헌

[1] 나군호 ldquo로봇수술의 현재와 미래rdquo대한전기학회 2008년도 학술대회 논문

정보 및 제어부분 PP68~7020084

[2] 박정호 ldquo국내외 의료로봇 현황과 발전방향rdquo정보과학지 26(4)

PP49~5420084

[3] 편집부 ldquo수술지원로봇의 최신 기술 동향rdquo월간 자동화 기술 22(12)

PP74~77200612

[4] 경기욱박준석 ldquo햅틱스 기술개발 동향 및 연구전망rdquo전자통신경향분석

21(5)PP93~108200610

[5] 권동수경기욱 ldquo의료용 로봇의 연구 현황과 전망rdquo기계저널

42(3)PP38~44200203

[6] Yoichi OGAHARA Yusuke KAWATO Kenjiro TAKEMURA Takashi MAENO

ldquoA Wire-Driven Miniature Five Fingerd Robot Hand using Elastic Elements as

Jointsrdquo Proceedings the 2003 IEEERSJ Intl Conferense on Intelligent Robots and

Systems

[7] Ikuo Yamano Takashi Maeno ldquoFive-fingered Robot Hand using Ultrasonic Motors

and Elastic Elementsrdquoproceedings the 2005 IEEE International Conference on

Robotics and Automaion

[8] 홍만복김광기 ldquo최소 침습수술로봇을위한 2-자유도 구형 메커니즘설계rdquo

한국정밀공학회 2009년 추계학술대회 논문집

-６１-

[9] 이재훈김형욱이병주서일홍 ldquo새로운 6자유도 병렬형 햅틱 기구의 최적설

계 및 해석rdquo한국정밀공학회 2003년 추계학술대회 논문집

[10] 조국훈이재훈이병주김희국 ldquo병렬형 그리퍼 메카니즘rdquo한국정밀공학회지

[11] 김갑순 ldquo3축 힘센서를 이용한 지능형 그리퍼 개발rdquo한국정밀공학회지 제

24권 제 3호 1999년

[12] 고대성김성목김희국이병주 ldquo병진형 자유도와 1자유도 파지기능을 가지는

4자유도 병렬 메커니즘의 기구학분석rdquo한국정밀공학회 2007년 추계학술대회

• 제1장 서 론
• • 11 연구배경 및 연구목적
  • 12 연구내용
  • • 제2장 로봇 산업의 기술 현황
    • • 21 로봇산업의 동향
      • 22 의료용 로봇기술 현황
      • 23 의료용 로봇시장 전망
      • • 제3장 능동 그리퍼
        • • 31 최소침습 수술 햅틱 장치구현에 필요한 능동 그리퍼 제안
          • 32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류
          • 33 파지형태에 의한 그리퍼의 분류
          • 34 메카니컬 핸드의 구속기능
          • 35 대표적인 동력원의 특징
          • • 제4장 능동형 그리퍼 설계
            • • 41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정
              • 42 모터 선정 알고리즘
              • • 43 1 차 능동형 그리퍼 설계
                • 44 2 차 능동형 그리퍼 설계
                • • 제 5 장 결론
                  • 참고문헌
                  • TABLE 2-1 Domestic robot classification
                  • TABLE 2-2 Robot Production Company
                  • TABLE 3-1 Characteristics of power sources
                  • TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics
                  • TABLE 4-2 αSTEP Motor Characteristics
                  • Fig2-1 Phase of medical robots in the robot industry
                  • Fig2-2 Da Vinci surgical case number
                  • Fig3-1 Da Vinci robot system for MIS
                  • Fig3-2 Classified by the gripper grip action
                  • Fig3-3 Swing-type hand mechanism
                  • Fig3-4 Hand mechanism for translational type1 (parallel displacement)
                  • Fig3-5 Hand mechanism for translational type2 (Rack and pinion type)
                  • Fig3-6 Hand mechanism for three point pinch type
                  • Fig3-7 Movement of object
                  • Fig3-8 Contacts of the kind and the confining
                  • Fig3-9 Human Arm structure
                  • Fig4-1 Configuration of the fingers on robot gripper
                  • Fig4-2 Change the value of the angle of phage torque
                  • Fig4-3 Motor Selection Algorithm
                  • Fig4-4 Arbitrary Shape of Planar Area
                  • Fig4-5 Parallel-Axis Theorem
                  • Fig4-6 Arbitrary Shape of Polar Area
                  • Fig4-7 Example of Velocity Guidance
                  • Fig4-8 Parallel-link Grasp system 1
                  • Fig4-9 Parallel-link Grasp system 2
                  • Fig4-10 TWO Fingertip Grasp system
                  • Fig4-11 Four Fingertip Grasp System
                  • Fig4-12 Four Fingertip Grasp System layout
                  • Fig4-13 Fingertip Grasp Mechanism
                  • Fig4-14 Fingertip Grasp extended
                  • Fig4-15 Power Transmission Device

-６１-

[9] 이재훈김형욱이병주서일홍 ldquo새로운 6자유도 병렬형 햅틱 기구의 최적설

계 및 해석rdquo한국정밀공학회 2003년 추계학술대회 논문집

[10] 조국훈이재훈이병주김희국 ldquo병렬형 그리퍼 메카니즘rdquo한국정밀공학회지

[11] 김갑순 ldquo3축 힘센서를 이용한 지능형 그리퍼 개발rdquo한국정밀공학회지 제

24권 제 3호 1999년

[12] 고대성김성목김희국이병주 ldquo병진형 자유도와 1자유도 파지기능을 가지는

4자유도 병렬 메커니즘의 기구학분석rdquo한국정밀공학회 2007년 추계학술대회

• 제1장 서 론
• • 11 연구배경 및 연구목적
  • 12 연구내용
  • • 제2장 로봇 산업의 기술 현황
    • • 21 로봇산업의 동향
      • 22 의료용 로봇기술 현황
      • 23 의료용 로봇시장 전망
      • • 제3장 능동 그리퍼
        • • 31 최소침습 수술 햅틱 장치구현에 필요한 능동 그리퍼 제안
          • 32 파지동작에 의한 그리퍼의 분류
          • 33 파지형태에 의한 그리퍼의 분류
          • 34 메카니컬 핸드의 구속기능
          • 35 대표적인 동력원의 특징
          • • 제4장 능동형 그리퍼 설계
            • • 41 파지력 증가를 위한 그리퍼 각도 설정
              • 42 모터 선정 알고리즘
              • • 43 1 차 능동형 그리퍼 설계
                • 44 2 차 능동형 그리퍼 설계
                • • 제 5 장 결론
                  • 참고문헌
                  • TABLE 2-1 Domestic robot classification
                  • TABLE 2-2 Robot Production Company
                  • TABLE 3-1 Characteristics of power sources
                  • TABLE 4-1 Comparison of motor characteristics
                  • TABLE 4-2 αSTEP Motor Characteristics
                  • Fig2-1 Phase of medical robots in the robot industry
                  • Fig2-2 Da Vinci surgical case number
                  • Fig3-1 Da Vinci robot system for MIS
                  • Fig3-2 Classified by the gripper grip action
                  • Fig3-3 Swing-type hand mechanism
                  • Fig3-4 Hand mechanism for translational type1 (parallel displacement)
                  • Fig3-5 Hand mechanism for translational type2 (Rack and pinion type)
                  • Fig3-6 Hand mechanism for three point pinch type
                  • Fig3-7 Movement of object
                  • Fig3-8 Contacts of the kind and the confining
                  • Fig3-9 Human Arm structure
                  • Fig4-1 Configuration of the fingers on robot gripper
                  • Fig4-2 Change the value of the angle of phage torque
                  • Fig4-3 Motor Selection Algorithm
                  • Fig4-4 Arbitrary Shape of Planar Area
                  • Fig4-5 Parallel-Axis Theorem
                  • Fig4-6 Arbitrary Shape of Polar Area
                  • Fig4-7 Example of Velocity Guidance
                  • Fig4-8 Parallel-link Grasp system 1
                  • Fig4-9 Parallel-link Grasp system 2
                  • Fig4-10 TWO Fingertip Grasp system
                  • Fig4-11 Four Fingertip Grasp System
                  • Fig4-12 Four Fingertip Grasp System layout
                  • Fig4-13 Fingertip Grasp Mechanism
                  • Fig4-14 Fingertip Grasp extended
                  • Fig4-15 Power Transmission Device