인체의 유연한 구조적 특성을 모방한 로봇 핸드의 시스템 개발
Development of Robotic Hand System Mimicking Flexible Structural Characteristics of the Human Anaotmy
- 주제어 (키워드) 로봇 핸드 , 로봇 메커니즘 , 힘줄 구동 메커니즘 , 니켈-티타늄 합금선 , 인체 모방적 , 인간 친화적 , Robotic Hand , Mechanism , Tendon-driven Mechanism , Nitinol(Nikel-Titanium Alloy) Wire , Anthropomorphic
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 정석환
- 발행년도 2025
- 학위수여년월 2025. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 기계공학과
- 실제 URI http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000079656
- UCI I804:11029-000000079656
- 본문언어 한국어
- 저작권 서강대학교 논문은 저작권 보호를 받습니다.
초록 (요약문)
본 연구는 인간 손가락, 손바닥, 손목뼈의 해부학적 구조와 근육, 힘줄 메커니즘을 모사한 로봇핸드의 설계 및 시스템 개발을 목표로 한다. 본 로봇 핸드는 인간 손의 자유도와 파지 역학이 주요한 영향을 미치는 수근중수(CMC) 관절과 손목뼈의 구조를 정밀하게 모델링하여 인간 손의 자연스러운 움직임을 재현하며, 인체 구조를 모방한 힘줄 구동 메커니즘과 구름 관절을 활용하여 인간 손의 광범위한 운동 범위(ROM)를 구현한다. 크기 (높이 180mm,너비 75mm,두께 18mm)는 한국 20대 평균 손치수를 기반으로 설계되었 으며, 뼈와 근육 구조뿐만 아니라 인간 피부의 유연한 특성과 두께 및 형상을 참조하여 설계하면서 해부학적으로 정밀한 설계를 구현하였다. 전체적인 로봇 핸드의 평형 상태 복귀를 위해 Nitinol(니켈-티타늄합금) 와이어를 사용하였고, 손등면을 따라 서로 다른 직경의 니티놀 와이어와 인장 스프링을 설치해 공간 활용성을 극대화하였다. 로봇 핸드는 총 15자유도를 가지고 있으며, 13개의 액츄에이터의 상호작용을 통해 각 관절의 굽힘 동작을 구현하고, 간단한 파지 동작 실험을 통해 성능을 검증할 예정이다. 이를 통해 인간 손의 정교함과 유연성을 초경량, 저비용으로 재현하였고, 인체 모방 로봇 핸드 디자인의 프레임워크를 제안하는 것을 목표로 한다.
more초록 (요약문)
This study presents the design and system development of a robotic hand that mimics the anatomical structure of human fingers, palm, and wrist bones, as well as the mechanisms of muscles and tendons. The robotic hand precisely models the structure of the CMC joint and wrist bones, where degrees of freedom and articulatory kinematics significantly influence the function, to reproduce the realistic movements of the human hand. By utilizing a tendon-driven mechanism and rolling joints that imitate human anatomy, the robotic hand achieves a wide ROM similar to that of a human hand. The dimensions (180 mm in height, 75 mm in width, and 18 mm in thickness) are based on the average hand size of Korean individuals in their 20s. The design not only incorporates the bone and muscle structures but also references the flexibility, thickness, and shape of human skin to ensure anatomically precise construction. To return the hand to an equilibrium state along with Nitinol Wires and extension springs, were installed along to optimize space utilization. The robotic hand has a total of 15 degrees of freedom, with 13 actuators operating together to enable bending motions of each joint. Simple grasping experiments will be conducted to verify its performance. Through this, the study aims to propose a design framework for a lightweight, low-cost robotic hand that replicates the precision and flexibility of the human hand.
more목차
I Introduction 1
II Design and Mechanism 5
A Design 5
a Finger Design 6
b Palm Design 10
c Skin Design 14
B Mechanism 19
a Tendon-driven Mechanism 19
b Joint Return Mechanism 25
III Kinematics 32
IV Experiment 41
A Robot Hand Overview 41
B Grasping Test 43
C Similarity Test 46
D Deformation Test 49
E Payload Test 52
F Contact Area Test 55
V Conclusion and Discussion 58
A Conclusion 58
B Discussion 60
References 61
