ABSTRACT
Direct-drive robot arms, often utilized in manipulators and humanoid robots, face challenges related to increased distal mass and reduced backdrivability due to motors being placed at each joint. This paper presents a 4-DOF elbow-wrist mechanism for a robot arm driven by wires. The design includes the upper arm, elbow, upper forearm, lower forearm, and wrist, with all actuators concentrated in the upper arm to minimize distal mass. To achieve this, the mechanism employs rolling-contact joints, forearm rotator idlers, and agonist-antagonist wire pairs. Additionally, a differential mechanism is integrated at the wrist, allowing for yaw rotation at the forearm while enabling roll and pitch rotations at a single point, thereby eliminating inter-axis offset and mimicking human wrist motion. A prototype was fabricated and evaluated, achieving an elbow flexion of 107°, forearm yaw exceeding 90° in both directions, wrist roll of 63° and 50° in each direction, and wrist pitch of 33° in both directions. The independence of each degree of freedom was validated, and torque efficiency from the upper arm to the wrist tip was measured and analyzed.
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KEYWORDS: Wire-driven, Rolling-contact joint, Differential mechanism, Human-inspired wrist mechanism
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KEYWORDS: 와이어 구동, 구름관절, 디퍼렌셜 메커니즘, 인체모사 손목 메커니즘
1. 서론
로봇은 산업 현장의 생산 자동화 과정에서 매니퓰레이터, 협동로봇과 같이 넓은 구동 범위를 갖는 다관절 로봇 팔 형태로 개발되어 투입되었으며[
1-
4], 근래에는 휴머노이드 로봇[
5-
8]에서 사람의 어깨와 손목 회전을 구현할 수 있도록 발전하고 있다. 이들은 대체로 각 관절에 모터가 직결되는 방식으로, 높은 토크 출력과 정밀한 위치 제어 능력을 갖는다. 그러나 팔 말단이 무거워짐에 따라 근위부 모터가 더 커져야 하고, 역구동성이 저하되며, 경량화와 소형화에 한계가 발생한다.
이러한 한계를 극복하기 위해 구동 모터를 근위부에 배치하고 유연 와이어를 통해 원격 기구 동작을 구현하는 방식이 연구되어 왔다[
9-
11]. 텐던 쉬스(Tendon-sheath) 또는 보우덴 케이블(Bowden Cable) 방식은 외부 하우징과 내부 케이블로 구성되어 와이어 배선의 공간 활용성이 높으나[
12,
13], 케이블과 하우징 사이의 마찰로 인해 장력이 불균일해지고 백래시가 발생하여 구동 정밀도가 저하되는 단점이 있다. 반면, 아이들러와 텐셔너를 활용한 풀리 라우팅 방식은 와이어 이탈을 방지하기 위해 구성품의 배치에 유의해야 하지만, 구름관절 구조와 함께 적용됨으로써 백래시를 효과적으로 감소시킬 수 있다[
14,
15].
특히, 로봇 팔의 말단인 손목 메커니즘의 경우, 모터 직결 방식에서는 어깨 관절과 유사한 3자유도 직렬 구조를 적용하는 사례가 있으며[
16,
17], 와이어 방식에서는 구름관절을 이용해 원격으로 손목 회전을 구현하는 연구도 이루어졌다[
13-
15]. 그러나 이들은 축 간 거리 또는 링크 연결에 필요한 공간으로 인해 손목 자체의 길이가 길어져 핸드의 구동 범위에 간섭이 발생할 수 있다. 또한, 인체 손목의 회전 방식[
18,
19]과 유사한 동작을 구현하기 위해 두 개의 선형 구동원에 디퍼렌셜 메커니즘을 적용하는 연구도 존재하나[
20,
21], 이 또한 전완에 적용할 시 팔 말단이 무거워지는 단점이 있다.
본 연구에서는 이러한 점을 고려하여 상완, 팔꿈치, 전완 상단, 전완 하단, 손목으로 구성되고 풀리 라우팅 방식으로 구동되는 로봇 팔꿈치-손목 메커니즘을 제안한다. 해당 메커니즘은 인체 손목의 회전 방식을 모사하여 Yaw 회전이 전완에서 이루어지고, Roll 및 Pitch 회전이 축 간 거리 없이 한 점에서 구현되도록 설계되었다. 구름관절, 전완 회전부 아이들러, 디퍼렌셜 메커니즘 및 주동-길항 방식의 유연 와이어를 적용하여 각 자유도의 독립 구동, 안정적인 동력 전달, 구동부의 상완 배치를 통한 기구 말단 경량화를 목표로 한다.
2. 팔꿈치-손목 메커니즘
Fig. 1은 본 연구에서 설계한 팔꿈치-손목 메커니즘의 전반적인 형상을 나타낸 것이다. 각 구간에는 구동 와이어 간 간섭 최소화, 각 자유도의 독립적 구동, 와이어 이탈 방지 및 백래시 최소화를 위한 메커니즘이 적용되었으며, 이에 대한 상세한 내용은 다음과 같다.
2.1 주동-길항 메커니즘
인체의 움직임은 특정 방향의 동작을 수행하는 주동근의 수축과, 이에 대응하는 길항근의 이완으로 이루어진다. 하나의 관절에서 양방향 회전을 구현하기 위해서는 주동근과 길항근의 역할을 각각 담당하는 두 개의 구동원이 필요하다.
본 연구에서는 팔꿈치, 전완 Yaw, 손목 Roll 및 Pitch의 양방향 회전을 구현하기 위해 총 8가닥의 구동 와이어를 사용한다. 각 자유도에 대해 주동-길항 작용하는 두 가닥의 구동 와이어가 팔꿈치 구름관절을 서로 반대 방향으로 교차하며 지나가는데, 이때 한 방향으로의 수축량과 동일한 양만큼 반대 방향으로 이완됨으로써 구름관절의 회전 각도에 관계없이 전체 와이어 길이가 일정하게 유지된다.
Fig. 2는 이 개념을 도식화하여 나타낸 것이다.
이를 통해 주동-길항 작용하는 구동 와이어를 폐루프 구성함으로써 하나의 구동원 회전으로 하나의 자유도에 대한 양방향 구동이 가능해지며, 따라서 상완에는 두 가닥의 구동 와이어가 연결된 네 개의 모터가 배치된다.
2.2 팔꿈치 구성
팔꿈치 구동 와이어는 구름관절의 회전을 구현하기 위해 상완에 위치한 아이들러를 한 바퀴 감아 지나간 후, 충분한 구동 범위를 확보할 수 있도록 전완 상단에 위치한 풀리에 고정된다. 전완과 손목 구동 와이어는 각각 팔꿈치 아이들러를 경유하도록 설계되어, 팔꿈치의 회전이 전완과 손목에 간섭하지 않도록 하였다.
Fig. 3은 상완과 팔꿈치에서의 각 자유도 구동 와이어 경로를 나타낸 것으로, 구동 와이어의 색은 팔꿈치(검정), 전완 Yaw(초록), 손목 Roll-Pitch(빨강, 파랑)으로 구분하여 나타 내었다.
각 자유도의 독립 구동을 위해서는 구름관절 상에서 각 구동 와이어의 수축 및 이완 비율이 동일해야 하므로, 각 구동 와이어가 지나는 팔꿈치 아이들러의 직경은 구름관절 양면의 반경 비율과 동일하게 설계되어야 하며, 본 연구에서는 이를 1 : 1로 설계하였다. 이를 통해 전완과 손목을 팔꿈치로부터 독립시키고 모든 구동부를 상완에 배치함으로써 팔 말단부의 경량화를 실현하였다.
2.3 전완 구성
전완 상단은 팔꿈치 구름관절을 포함하며 회전이 발생하지 않는 구간으로, 전완 Yaw 풀리를 포함하는 전완 하단의 회전을 구현하기 위해 베어링 형태로 설계되었다. 설계상으로는 전완 상단이 외경, 전완 하단이 내경에 해당한다. 팔꿈치 아이들러와 전완 Yaw 풀리 사이에는 구동 와이어가 지나는 평면을 전환해 주는 편향 아이들러가 전완 상단에 배치된다.
Fig. 4는 전완 Yaw 구동 와이어의 경로를 나타낸 것이다. 전완 상단과 하단을 연결하는 전완 회전부는 고리 형태로 설계되어 손목 Roll 및 Pitch 구동 와이어가 통과할 수 있는 구조이다.
만약 손목 구동 와이어의 말단이 별도의 추가 메커니즘 없이 팔꿈치 구름관절과 동일한 평면 상에 위치할 경우, 전완 Yaw 회전 시 전완 상단과 하단의 평면이 비틀어지면서 구동 와이어에 변위가 발생하고, 특정 각도 이상에서는 와이어가 아이들러로부터 이탈하는 문제가 발생한다. 본 연구에서는 이를 해결하기 위해 전완 회전부와 동심으로 손목 구동 와이어용 아이들러를 배치하고, 앞서 전완 Yaw 구동 와이어에 적용한 것과 마찬가지로 구동 와이어가 지나는 평면을 전환하는 편향 아이들러를 전완 상단과 하단에 각각 추가 배치하였다.
Fig. 5는 전완 회전부에서 손목 구동 와이어가 경유하는 아이들러의 배치를 나타낸 것이며, 이를 통해 와이어 이탈 문제를 방지하고 온전한 구동 범위를 확보하였다.
설계상에서는 전완 회전부 아이들러가 전완 상단에 고정되어 있으나, 전완 하단에 고정되더라도 정상적인 구동이 가능하다. 2세트의 손목 구동 와이어가 서로 간섭하지 않도록 전완 회전부 아이들러의 직경을 서로 다르게 설계하였으며,
Fig. 6은 전완 회전부에서의 손목 구동 와이어 경로 및 상호 간섭이 발생하지 않음을 나타낸 것이다. 이로써 2세트의 손목 구동 와이어는 상호 독립적으로 동작하며, 전완 Yaw 회전은 손목 2자유도 회전으로부터 독립된다. 다만, 전완 Yaw 회전 시 전완 회전부 아이들러 상의 손목 구동 와이어에 변위가 발생하므로, 손목 2자유도 회전은 전완 Yaw 회전으로부터 완전히 독립적이지는 않다.
한편, 이와 유사하게 디퍼렌셜 기어를 결합하여 와이어 변위를 발생시키지 않는 메커니즘에 관한 선행 연구가 존재한다[
13]. 그러나 본 연구에서는 전완의 경량화를 우선시하여, 전완 Yaw 회전 시 발생하는 손목 구동 와이어의 변위 문제를 별도의 기구적 추가 없이 구동부의 제어 보상을 통해 해결한다.
본 연구에서는 전완 Yaw, 손목 Roll 및 Pitch의 세 회전축이 한 점에서 교차하여 축 간 거리가 없는 디퍼렌셜 메커니즘을 도입함으로써 각 축 간의 독립성을 확보하고, 사람의 손목 회전과 유사한 동작을 구현한다. 전완 하단에는 주동-길항 작용하는 2세트의 손목 구동 와이어 말단이 고정되는 블록이 위치하며, 모터의 회전 운동을 선형 변위로 변환할 수 있도록 설계되었다.
해당 블록과 손목 프레임에 디퍼렌셜 메커니즘이 적용되었으므로, 두 블록이 서로 반대 방향으로 이동하면 손목 Roll 회전이, 동일 방향으로 이동하면 손목 Pitch 회전이 발생한다. 이때 각 블록에 전달된 두 모터의 힘은 Roll 및 Pitch 각 회전 방향에 대해 손목 토크로 합산되어 출력되므로, 토크 출력 향상에 유리한 구조이기도 하다.
이를 구현하기 위해 손목 프레임 양단과 와이어 블록 사이에는 선형 변위를 회전 운동으로 변환하는 연결부가 필요하다.
Fig. 7은 그뤼블러 방정식(Grübler's Formula) 적용을 위해 해당 부위를 도식화한 것으로, 이에 기반한 5자유도 핀조인트 링크가 연결부로 채택되었으며,
식(1)에 사용된 계수는
Table 1과 같다.
Fig. 8은 전완 하단에서의 구동 와이어 경로를 나타낸 것이다.
Figs. 3,
6,
8에 나타난 와이어 경로를 종합하면, 각 블록의 모터 회전에 따른 와이어 진행 방향이 서로 반대임을 확인할 수 있으며, 모터 제어 시 이를 고려하여야 한다.
3. 프로토타입 제작 및 검증
3.1 프로토타입 제작
앞서 제안한 메커니즘을 검증하기 위해 프로토타입을 제작하였다. 풀리, 아이들러 및 전반적인 프레임은 ABS 재질로 3D 프린팅하였고, 각 회전부에는 금속 샤프트와 볼베어링(MISUMI, C-SE674ZZ)을 삽입하였다. 전완 상단과 하단 사이에는 크로스 롤러링(SAMICK THK, RA8008)을 삽입하였으며, 이와 함께 U홈 베어링(MISUMI, E-SZU4-12)을 아이들러로 사용하였다. 손목 roll-pitch 구동 와이어 말단이 고정되는 블록의 선형 변위 구현을 위해 길이 60 mm의 LM 가이드(SAMICK THK, SRS5M)를 적용하였다. 각 자유도의 구동기로는 다이나믹셀 (Robotis, XH430-V350-R)과 테프론 코팅된 직경 0.6 mm의 7 × 1 9 SUS 와이어(Carl Stahl Sava Industries, 103214)를 사용하였다.
모터는 통신 보드(Robotis, U2D2 및 U2D2 PHB)를 통해 24 V 외부 전원을 공급받으며, PC에서 Python 코드를 통해 제어되었다.
팔꿈치 구름관절의 직경은 50 mm, 전완 Yaw 풀리의 외경은 88 mm로 제작되었으며, 전완 회전부 아이들러는 각각 직경 48 및 40 mm로 제작되었다. 모터에 결합된 풀리의 직경은 각도 제어의 편의를 위해 이들과 1 : 1 비율로 설계되었다. 또한, 각 구동 와이어 양단이 고정되는 풀리에는 와이어 장력 조절을 위해 M2 볼트를 이용한 텐셔너가 적용되었다.
3.2 최대 구동 범위 검증
제작한 프로토타입의 각 자유도별 최대 구동 범위를 검증하기 위해 모터를 위치 제어하였다. 측정 결과, 팔꿈치 회전은 107°, 전완 Yaw 회전은 양방향 각 90° 이상, 손목 Roll 회전은 내측 63°, 외측 50°, 손목 Pitch 회전은 상하 방향으로 각 33°의 최대 회전각을 달성하였다.
Fig. 9는 각 자유도가 최대 회전각에 도달하였을 때의 모습을 나타낸 것이다.
Table 2는 제작한 프로토타입과 실제 인체의 팔꿈치-손목 최대 구동 범위를 비교한 것으로, 팔꿈치 및 전완 회전각은 Zwerus et al. [
18]의 연구에서 측정된 남성 표본값을, 손목 회전 각은 Ryu et al. [
19]의 연구에서 측정된 값을 인용하였다.
3.3 각 자유도의 독립성 검증
Fig. 9(a)에서 나타나듯이 팔꿈치 회전은 전완과 손목에 간섭하지 않는다. 그러나 앞서 언급한 바와 같이 전완 회전부 아이들러 구조로 인해 전완 Yaw 회전 시 손목 구동 와이어에 변위가 발생하므로, 별도의 모터 회전각 보상 없이는 손목 회전각이 유지되지 않는다. 반면, 손목 회전은 전완에 간섭하지 않으며,
Fig. 10은 이를 검증한 것이다.
3.4 토크 효율 검증
제작한 프로토타입의 모터 출력 토크 대비 손목 출력 토크 성능을 검증하기 위해 모터를 전류 제어하였다. 손목에 구형 팁을 갖는 프레임을 결합하여 완전히 펴진 상태에서 Roll 및 Pitch 각 방향 회전 시 발생하는 회전력을 로드셀(CASSCALE KOREA, SB-20L)을 이용해 측정하였다.
Fig. 11은 실험 환경을 도식화한 것으로, 팔꿈치는 0°로 고정하였으며, 손목 Pitch 방향 회전력 측정 시에는 전완 Yaw를 0°로, 손목 Roll 방향 회전력 측정 시에는 전완 Yaw를 90°로 각각 고정하였다.
Fig. 12는 손목 Roll 및 Pitch 방향 회전 시 구동 와이어 말단의 힘에 대해 링크, 손목 회전축 및 추가 결합품의 모멘트 암을 고려하여 팁에서 출력되는 힘을 계산한 것이다.
각 구동 와이어에 동일한 힘을 인가하기 위해 모터 풀리 반경 20 및 24 mm를 각각 고려하여, 각 모터에 전류를 25, 75, 125, 175 mA 및 30, 90, 150, 210 mA로 단계적으로 입력하며 팁 포스를 측정하였다.
Fig. 13은 각 회전 방향에 대해 10회 반복 측정한 결과의 평균값과 예측값 대비 측정값의 출력 효율을 함께 나타낸 것이다. 여기서 예측값은 실제 모터에 인가된 전류값에 다이나믹셀의 토크 상수 4.714 Nm/A와 각 모터 풀리 반경을 적용하여 산출한 두 와이어의 장력이 블록까지 손실 없이 전달된다고 가정한 조건에서,
Fig. 12의 모멘트 암 분석을 통해 계산된 손목 프레임 팁의 출력 힘이다.
측정 결과, 입력 토크가 증가함에 따라 출력 효율이 감소하는 경향이 나타났다. 그러나 그 감소 폭이 상당한 수준으로 확인되어, 손목이 고정되지 않은 상태에서 두 모터를 반복 구동하며 부하 전류를 추가로 측정한 결과, 각각 약 30 및 100 mA 수준의 전류가 부하되는 것으로 확인되었다. 이는 모터 회전 시 기어 맞물림에 의해 소비되는 일정량의 토크와, 와이어 경로에서 발생하는 마찰력을 극복하기 위해 요구되는 토크의 합에 해당한다. 두 모터 중 더 큰 전류값을 나타내는 모터는 파란색으로 표시된 구동 와이어에 해당하며, 해당 와이어의 풀리 및 아이들러가 상완 프레임과 접촉하여 보다 큰 마찰력이 발생함으로써 더 큰 토크가 요구되는 것으로 추정된다.
이러한 점을 고려하면, 2세트의 손목 구동 와이어는 모터 풀리에서 동일한 장력이 발생하도록 전류가 인가되었으나, 실질적으로는 비대칭적인 마찰로 인해 블록에 전달되는 힘이 동일하지 않다. 이로 인해 팁에 작용하는 힘이 Roll 및 Pitch 방향의 수직력이 아닌 비스듬한 방향으로 발생하게 되며, 이것이 예측값과 측정값의 차이를 크게 만드는 주된 원인으로 판단된다. 이 외에도 와이어 경로 전반에 걸친 마찰 손실과, 전완 회전부 아이들러를 통과하는 손목 구동 와이어가 회전축 방향으로 힘을 가할 때 해당 아이들러가 고정되는 프레임이 외팔보 구조인 데다 ABS 소재로 3D 프린팅된 부품이어서 강성이 낮아 프레임의 탄성 변형에 대부분의 힘이 소비되는 것 또한 효율 저하의 원인으로 판단된다.
4. 결론
본 연구에서는 팔꿈치, 전완, 손목 회전을 와이어로 원격 구동하고 구동부를 상완으로 집중시켜 팔 말단을 경량화할 수 있는 4자유도 팔꿈치-손목 메커니즘을 제안하였다. 프로토타입을 제작하여 구름관절, 전완 회전부 아이들러, 디퍼렌셜 메커니즘과 와이어를 이용한 각 관절의 원격 회전을 구현하였으며, 각 자유도의 독립성과 최대 구동 범위, 손목 Roll 및 Pitch 회전 시 토크 효율을 검증하였다.
또한, 전완 Yaw를 제외한 자유도의 최대 구동 범위가 인체 기준에 비해 다소 낮은 수준으로 확인되었으나, 이는 구동 범위를 제한하는 상완 및 전완 하단의 프레임 형상, 손목 모멘트 암의 길이, 구름관절 반경 등 기구부 설계 최적화를 통해 개선 가능한 것으로 판단된다.
손목 반복 회전 시 팔꿈치의 비틀림과 전완의 미세한 회전이 관찰되었는데, 이는 텐셔너 구조의 장력 조절 범위 한계로 인해 일부 와이어가 느슨해진 상태와, 3D 프린팅된 프레임의 낮은 강성에 의한 탄성 변형이 복합적으로 작용한 결과로 판단 된다.
특히, 상완 구동부의 입력 토크 대비 손목 출력 토크 효율이 상당히 낮은 수준으로 확인되었는데, 이는 아이들러와 와이어 간 마찰 및 회전 요소와 프레임 간 접촉 마찰에 의한 동력 손실이 주된 원인인 것으로 판단된다.
향후 연구에서는 이러한 문제들을 개선하기 위해 텐셔너 설계를 고도화하여 와이어 장력 조절 성능을 향상시키고, 팔꿈치 회전축 구조를 보강하여 불필요한 비틀림을 억제함으로써 기구의 안정성을 높일 것이다. 아울러 부품 및 모터 풀리의 와이어 경로 구조와 적합한 유격 설계를 개선하여 마찰을 저감함으로써 토크 출력 효율을 향상시키고, 전체 기구의 기구학적 해석을 수행하여 정밀 제어 기반의 보다 완성도 높은 팔꿈치-손목 메커니즘을 개발하고자 한다.
FOOTNOTES
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ACKNOWLEDGEMENT
이 연구는 2025년도 산업통상자원부 및 산업기술기획평가원(KEIT) 연구비 지원에 의한 연구이다(00443339).
Fig. 1Overall design of the proposed robot arm mechanism
Fig. 2Rolling-contact joint and agonist-antagonist wire
Fig. 3Wire routing at the upper arm and elbow
Fig. 4Forearm yaw drive wire routing at the forearm rotator
Fig. 5Wrist drive wire idler configuration at the forearm rotator
Fig. 6Wrist roll-pitch drive wire routing at the forearm rotator
Fig. 7Wrist differential mechanism schematic for applying Grübler’s formula
Fig. 8Wrist roll-pitch drive wire routing at the forearm and wrist
Fig. 9Maximum range of motion of the proposed mechanism
Fig. 10Independence verification of forearm and wrist rotation
Fig. 11Schematic of the experimental setup for measuring the tip force of the wrist frame
Fig. 12Moment arm analysis of the wrist link and frame
Fig. 13Torque efficiency measurement results for wrist roll and pitch rotations
Table 1Variables for
Fig. 7 and Eq. (1)
Table 1
|
Variable |
Meaning |
Value |
|
M
|
Degrees of freedom of the mechanism |
2 |
|
N
|
Total number of links including the fixed link |
12 |
|
ni
|
i-th link |
- |
|
fi
|
Degrees of freedom of the i-th joint |
f1 = 2
f2-13 = 1 |
|
J
|
Total number of joints |
13 |
Table 2Comparison of maximum range of motion between the proposed mechanism and existing studies
Table 2
|
Part |
Motion |
Reference [°] |
This study [°] |
|
Elbow |
Flexion |
143 |
107 |
|
Extension |
0 |
0 |
|
Forearm yaw |
Pronation |
78 |
90 |
|
Supination |
85 |
90 |
|
Wrist roll |
Flexion |
78 |
63 |
|
Extension |
60 |
50 |
|
Wrist pitch |
Radial deviation |
21 |
33 |
|
Ulnar deviation |
38 |
33 |
REFERENCES
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- 21. Bridgwater, L. B., Ihrke, C. A., Diftler, M. A., Abdallah, M. E., Radford, N. A., Rogers, J. M., Yayathi, S., Askew, R .S., Linn, D. M., (2012), The robonaut 2 hand – designed to do work with tools, Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation. 3425-3430.
Biography
- Haneol Lee
Post-Doc. in Korea Institute of Machinery and Materials (KIMM). His research interest is robotic mechanisms.
- Jongwoo Park
Principal Researcher in Korea Institute of Machinery and Materials (KIMM). His research interests include robotics, integrated systems, and network control.
- Hyunmin Do
Principal Researcher in Korea Institute of Machinery and Materials (KIMM). His research interests include robot hand, tactile intelligence, grasping and manipulation.
- Hyunmok Jung
Senior Researcher in Korea Institute of Machinery and Materials (KIMM). His research interest is industrial robot system and robot actuator system.
- Joonho Lee
Senior Researcher in Korea Institute of Machinery and Materials (KIMM). His research interest is robotic mechanisms.
- Jeongdo Ahn
Senior Researcher in Korea Institute of Machinery and Materials (KIMM). His research interests include tendon-driven mechanism for robot hand and upper limb, flexible endoscopic surgery robot and twowheeled legged robot.
