In this thesis, we propose a twisted-string-based compact actuation mechanism and its control algorithm to overcome the limitation of the actuation performance of robotic systems. The motor-fixed gear-based system, which is a representative drive mechanism for robotic systems, cannot achieve a wide range of speed-torque driving area because of its thermal and mechanical limitations. In particular, in the case of a small-sized robot system, the volume occupied by the actuator is considerably limited, so there are many restrictions on the selection of the actuator. As a result, the final performance of the robot is also limited. To overcome this limitation, various small multi-speed or continuously variable transmission mechanisms that can amplify the speed or torque output have been proposed. However, because of the complexity of the mechanism and the limitation for miniaturization of the mechanism parts, the existing transmission mechanisms have difficulty to apply to real robotic systems.
The proposed actuation mechanism combines a compliant twisted-string mechanism and a rigid-clutch-based mechanism to provide a compact and simple mechanism and an automatic transmission mechanism, which can increase the speed-torque operating area. The proposed actuation mechanism has two twisted-string drive modes with different twisted radii, and each drive mode produces different input-output transmission ratios. The drive modes are dynamically separated and produce a complete transmission shifting mechanism. With the proposed mechanism, the transmission mechanism can be implemented in a compact robotic system and contribute to the expansion of the speed-torque or speed-force drive area for robotic systems. In particular, we attempt to overcome the performance limitation of the existing fixed-gear-driven robots by applying the proposed mechanism to small robots such as robot hands and grippers. For the force control, a small force sensor design based on the photo-interrupter has been proposed, which can be implemented in a sufficiently small space to mount on a robot finger. Low- and high-lever controllers are designed to control the force and automatic transmission shifting. The proposed mechanism has been implemented in a single module, and its performance has been experimentally verified.
본 논문에서는 로봇 시스템의 구동 한계를 극복하기 위한 콤팩트한 줄 꼬임 기반의 구동 메커니즘의 설계와 이를 위한 제어 알고리즘을 제시한다. 로봇 시스템을 위한 대표적인 구동 메커니즘인 모터-고정 기어 기반의 시스템은 그것의 열 및 물리적 한계로 인해 넒은 속도-토크 구동 범위를 가질 수 없다. 특히 소형 로봇 시스템의 경우 구동기가 차지할 수 있는 부피가 상당히 한정되므로 구동기의 선택에 있어 많은 제약을 받게 되며, 결과적으로 로봇의 최종 성능 역시 제한된다. 이를 해결하기 위해 토크와 속도를 증폭 할 수 있는 다양한 소형 변속 메커니즘이 제안되었지만 구동 메커니즘의 복잡성 및 기계부품의 소형화 한계로 인해 지금까지는 실제 적용에 많은 한계점을 가지고 있다.
제안되는 구동 메커니즘은 줄 꼬임이라는 유연(compliant) 메커니즘과 기존의 클러치 시스템인 강체(rigid) 메커니즘을 결합하여 부피가 작고 간단한 메커니즘을 가지면서도 토크와 속도의 증폭이 가능한 자동 변속 메커니즘 기능을 제공한다. 제안하는 구동 메커니즘은 꼬임 반지름이 다른 두 가지의 줄 꼬임 구동 모드를 가지며 각 구동 모드는 서로 다른 입-출력 변속 비를 생성한다. 두 구동 모드는 역학적으로 완전히 분리되어 완벽한 변속 메커니즘을 제공한다. 이를 통해 기존에 불가능하였던 콤팩트한 변속 메커니즘이 구현 될 수 있으며, 로봇 시스템의 출력 범위의 확장에 기여할 수 있을 것이다. 특히, 로봇 핸드나 그리퍼와 같은 소형 로봇에 제안하는 구동 메커니즘을 적용하여 기존 기어 구동 기반의 로봇 성능 한계를 극복하고자 한다.
본 메커니즘의 힘 제어를 위해 포터 인터럽터 기반의 소형 힘 센서 설계가 제안되었으며 이는 로봇 손가락에 설치될 정도의 작은 크기로 제작이 가능하다. 제안된 변속 메커니즘의 제어를 위해 하위 및 상위 제어기가 설계되었다.
제안된 변속 메커니즘은 구동 모듈로 시제품으로 제작되었으며 모듈 및 로봇 그리퍼에 대한 시험평가를 통해 그 성능이 검증되었다.
