스프링 백본을 활용한 연속체 로봇의 이론 및 개발

Abstract

산업용 로봇이 도래한 1970년대 중반 이후, 로봇은 진화해왔다. 산업용 로봇과 현대 로봇의 큰 차이점은 인간-로봇 상호작용 개념의 도입 여부이다. 산업용 로봇의 경우에는 작동하는 동안 인간과 로봇 사이에 상호작용이 존재하지 않는다. 그러나 인간과 로봇이 공존하는 시대가 열리면서 인간의 생활에 많은 로봇이 직·간접적으로 관여하게 되었고, 인간과 로봇 사이에 상호작용이 이루어지고 있다. 이러한 서비스 로봇은 인간을 대상으로 상호작용하기 때문에 인간과 로봇이 공존하는 환경에서 다양한 서비스를 제공할 뿐만 아니라 안전성이 보장 되도록 설계되어야 한다. 현재까지의 연구사례를 살펴보면 많은 연구자들에 의해 다중 모듈 형태의 연속체 로봇 및 유연한 굴곡이 가능한 구조의 수술 로봇이 개발되고 있다. 코끼리 코를 연상시키는 로봇 팔이나 뱀의 형상과 동작을 모사한 로봇 등이 이미 개발되었다. 그러나 이러한 메커니즘들은 인간과의 상호작용을 고려하지 않은 경우가 대부분이고 상호접촉 시 인간의 안전을 보장하지 못하는 구조이다. 따라서 본 논문에서는 인간-로봇 상호접촉 시 안전을 보장할 수 있는 스프링 백본 구조를 이용한 연속체 로봇의 새로운 메커니즘을 제시하고 이를 활용하여 Gesture 표현을 위한 Soft Arm, 4자유도 연속체 로봇, 6자유도 연속체 로봇을 개발하였다. 본 논문에서 제안하는 스프링 백본 메커니즘은 스프링, 실린더, 와이어로 구성되어 있으며, 인간과 로봇의 접촉 또는 충돌 시 구조적으로 충격을 흡수하여 안전성을 보장할 수 있는 것이 특징이다. 2장에서는 스프링 백본 메커니즘과 그 기구학을 소개하고, 3, 4, 5장에서는 제안한 메커니즘의 응용으로서Gesture 표현을 위한 Soft Arm, 4자유도 연속체 로봇, 6자유도 연속체 로봇을 각각 소개한다. 또한 각 메커니즘의 디자인을 소개하고, 각각의 시스템에 대한 기구학을 유도하고 시뮬레이션 및 실험을 통하여 그 성능을 입증한다.; Since the advent of industrial robots in mid 1970th, robots have been evolved. The big difference between industrial robots and modern robots lies whether the concept of Human-Robot interaction is employed or not. Industrial robots play the role of routine pick-and place tasks according to the taught command. Therefore, there is no interaction between the robot and the human operator during operation. However, in this era of human-robot coexistence, many kinds of robots engage directly or indirectly in human life. Since these service robots interact with human physically or indirectly, a small position error or some programming error might cause crash between human and robot and resultantly damage the human body. Therefore, robot must have a soft structure that can absorb the shock or impact when contacting the human body. Design of a structurally soft robot hardware or precise control algorithm is required at the existence of such probable physical interaction. Thus, this thesis proposes a spring backboned mechanism for a continuum robot and three kinds of the continuum robots as applications of the proposed mechanism. The special features of the proposed mechanism are the flexibility and the backdrivability of the whole body by using a spring backbone. Thus, even in the case of collision with human, this device is able to absorb the impact structurally. This device is applicable to human-robot interaction tasks in which safety issue is of significance.