In this study, an anthropomorphic robot hand design is newly presented by adopting two novel actuation principles, which are called dual-mode twisting actuation, EM joint locking mechanism. The robot hand is designed for the prosthetic use, so its design considerations are based on the requirements of the endusers of the commercial prosthesis. First of all, designing a light-weight and high-speed robot hand with large grasping force is still an unsolved problem. Motivated by the design challenge, this paper is devoted to proposing a design in which speedy motion and large grasping forces are both available, depending on the operational modes. For instance, the output force of a robot finger may not be necessarily large when it moves fast. The robot finger could move slowly if large force is needed. To implement this idea, we propose a new type of power transmission, referred to as dual-mode actuation with a passive clutch mechanism. To propose the design guidelines, the design parameters are derived analytically. Based on these results, a prototype of the robot finger is developed. Through experiments, the effectiveness of the proposed method is demonstrated. Second, the dexterity of the robot hand plays an important role to grasp various objects stably. The usage of a number of the actuators may lead bulky size and heavy weight or weak grasping force of the robot hand. Therefore, EM joint locking mechanism is also proposed to achieve highly dexterous motion without losing performances. This mechanism allows individual operation of each joint of the robot hand by joint locking mechanism, which implies that the enlarged workspace and various postures are available. Finally, an anthropomorphic robot hand for prosthetic applications is developed based on three proposed actuation mechanisms, which has similar performances such as weight, size, and speed to human hands. To verify the performance of the developed robot hand, the fingertip force and bending speed are measured, and also the dexterity is demonstrated by performing grasping tests for various objects. It is verified that the robot hand can achieve three major grasp patterns for conducting typical activities of daily life.
본 연구에서는 듀얼모드 줄꼬임 구동 및 관절잠금장치을 적용한 인간형 로봇핸드가 제안한다. 로봇핸드는 의수로 활용할 수 있도록 의수 사용자들의 요구사항을 고려하여 설계한다. 로보틱스 분야에서, 빠른 움직임과 큰 파지력을 가지는 경량의 로봇핸드를 설계하는 것은 아직 해결하지 못한 중요한 이슈이다. 이러한 문제점을 해결해보고자, 본 연구에서는 동작 모드에 따라서 고속 움직임과 큰 파지력을 낼 수 있는 설계 방안에 대해서 다룬다. 예를 들어, 로봇핸드가 물체를 잡기 전에는 큰 파지력을 내는 것보다 빠른 움직임이 더 필요하며, 반대로 파지 후에는 빠른 움직임보다 큰 파지력이 더 중요하다. 이러한 구동 개념을 바탕으로 새로운 동력 전달 메커니즘의 일종인 듀얼모드 줄꼬임 구동 메커니즘을 제안한다. 설계 가이드라인을 제시하기 위해, 설계 변수에 대한 해석을 수행한다. 그 해석을 바탕으로 제작된 듀얼모드 구동 메커니즘을 장착한 로봇핑거를 소개하고, 실험을 통해서 제안된 메커니즘의 유용성을 검증한다. 로봇핸드의 유연성은 물체를 안정적 파지에 많은 영향을 준다. 하지만, 다수의 구동기를 사용하면 로봇핸드가 커지고 무거워지며, 파지력도 약해지는 단점이 있다. 그래서, 본 연구에서는 유연한 모션을 구현하기 위해 관절잠금장치를 추가적으로 제안한다. 이 메커니즘은 불충분 구동을 하는 로봇핸드의 각 관절을 독립적으로 구동시킬 수 있도록 하기 때문에 더 넓은 영역의 작업 공간을 확보할 수 있으며, 다양한 파지 동작이 가능하도록 한다. 끝으로 제안된 두 메커니즘을 바탕으로 설계 및 개발된 인간형 로봇핸드를 소개하며, 개발된 로봇핸드의 크기, 무게, 속도, 힘 등의 성능을 검증한다. 또한, 다양한 물체를 파지하여 개발된 로봇핸드가 취할 수 있는 다양한 파지 패턴을 확인한다.