Modeling, Analysis, and Design of Flexible Mechanisms Inspired by DNA-Helix Structure and Its Applications

Abstract

DNA 나선 구조는 두 개의 긴 가닥이 서로 꼬여있는 이중 나선과 이를 연결하는 산으로 구성되어 있다. DNA 구조는 광학, 회로 요소, 나노 기술, 건축 등과 같은 다양한 연구 분야에 영감을 주었다. 그러나 수술 도구, 로봇 조작기 등과 같은 로봇 메커니즘 설계에 DNA 구조를 적용한 선행 연구는 좀처럼 찾아보기 힘들다. 와이어 구동 메커니즘을 다루는 많은 연구들에서 보고 된 바와 같이 구동와이어가 느슨해지는 문제는 도전적인 문제 중 하나이다. 이러한 문제점들을 해결하기 위해서, 기계적 솔루션, 구조적 솔루션, 알고리즘 솔루션과 같은 구동와이어가 느슨해지는 현상을 보상하기위한 여러방법들이 제안되었다. 그러나 연속체 로봇이 구불구불한 환경으로 인한 예기치 못한 곡률 구간을 통과하게 되면 이러한 기존의 보정 방법들의 성능이 저하된다. 본 연구는 나선의 길이가 DNA 구조의 굴곡에 관계없이 거의 일정하게 유지되는 현상에서 영감을 얻어, 본 논문에서는 여러 와이어에 의해 구동되는 DNA모사 유연한 메커니즘을 제안하여 구동와이어가 느슨해지는 현상을 해결하고자 한다. 첫째, 최신 Lie-group screw 이론을 사용하여 단일의 유연한 중심 뼈대를 감싸는 나선형 와이어 길이에 대한 기구학적 모델을 제안한다. 아울러 이를 확장하여, 각각 다른 곡률을 가질 수 있는 여러 개의 유연한 중심 뼈대를 포함한 일반 모델을 제안한다. 둘째, 본 논문은 굴곡 시 와이어가 느슨해 지거나 부족하지 않고 일정한 길이를 유지하게하는 유연한 메커니즘의 설계를 위한 지침들을 제안한다. 실제로, 나선 와이어는 반작용 효과를 얻기 위해 2 의 주기 동안 유연한 메커니즘을 감싸야 하는 것이 실험적으로 밝혀졌다. 셋째, 나선형 와이어 배열을 활용하여 후두-인두 수술에 적합한 유연한 수술 장치를 설계하고 구현하였다. 최신 Lie-group screw 이론을 기반으로 한 수술 장치의 정기구학 및 역기구학 모델링을 사용하여, 제안된 유연한 메커니즘을 구동하는 와이어가 느슨해지거나 팽팽해지지 않는 효과가 팬텀 실험, 시뮬레이션, 정량적실험을 통해 입증되었다. 넷째, 유연한 메커니즘을 위한 나선형 와이어 배열은 손목구조를 포함하는 로봇손 메커니즘에도 적용되었다. 와이어로 구동되는 로봇손에서는 손목이 회전할 때 와이어가 느슨해지는 현상이 보고되고 있다. 나선형 와이어 배열이 있는 유연한 실린더는 와이어가 느슨해 짐으로 인한 지연없이 각 손가락의 움직임을 제어하는데 사용된다. 하지만, 이러한 여러 개의 유연한 실린더가 손목을 통과 할 때, 여러 개의 실린더 모듈 간의 또 다른 길이 차이 문제가 손목에서 발생하게 된다. 본 논문에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 나선형 와이어의 배열이 포함된 실린더 모듈들을 나선형으로 배치하는 디자인이 제안되었다. 제안된 와이어 구동 로봇 손 설계의 효과는 손목을 구부림에도 불구하고 손바닥에 대한 각 손가락 관절의 적은 움직임 및 손가락 구동의 적은 동작 지연을 확인함으로써 입증되었다. 전반적으로 본 연구는 최신 Lie-group screw 이론에 기반한 곡선 중심 뼈대를 둘러싸는 나선형 와이어의 기구학적 모델링, 유연한 메커니즘의 설계 지침, 유연한 메커니즘의 의료 분야 및 산업 분야로의 적용에 기여하였다.