순응형 파지와 정밀한 집기가 가능한 유연한 인공의수 :A Compliant Prosthetic Hand with Precise Pinching and Adaptive Grasping Capabilities

이덕원

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자료유형: 학위논문

저자정보: 이덕원 (한국기술교육대학교, 한국기술교육대학교 일반대학원)

지도교수: 김용재

발행연도: 2017

저작권: 한국기술교육대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2017

순응형 파지와 정밀한 집기가 가능한 유연한 인공의수

이덕원 전기전자통신공학과 2017.01 학위논문

2016

순응형 파지와 정밀한 집기가 가능한 유연한 그리퍼의 강도 및 강성 분석

이덕원 , 전형석 , 정용준 외 1명 제어로봇시스템학회 논문지 2016.10 학술저널

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이 논문에서는 손 절단장애인들이 일상생활에서 다양한 물체를 집거나 파지할 수 있는 새로운 구조와 사람 손과 유사한 형태를 가진 능동적인 의수를 제안한다. 사람 손은 매우 복잡한 구조로 되어 있으며 외부와 상호작용하는 통로이다. 일상 생활하는데 중요한 요소이기 때문에 손 이하가 절단된 환자들은 일반사람들과 같은 생활을 유지하는데 어려움이 있다. 이와 같은 어려움을 해결하면서 전통적인 의수와 달리 다양한 물체를 파지하거나 집을 수 있는 능동적인 의수 개발이 필요하다.
새로운 구조는 평행 집기와 순응형 파지가 가능한 구조이다. 평행사변형 구조와 사다리꼴 구조의 결합으로 이루어져 있으며 각 구조의 링크는 유연한 빔 구조를 이용하였다. 평행사변형 구조는 산업용 그리퍼에서 볼수 있는 평행 집기가 가능한 구조이며 사다리꼴 구조는 순차적으로 평행 집기와 순응형 파지가 동작할 수 있는 구조이다. 각 링크 사이에는 얇고긴 막대를 핀으로 결합하여 형상을 유지하면서 접촉면으로부터의 힘을 골
고루 다른 링크에 전달한다. 새로운 구조에 대하여 평행 집기 시 손끝의 강도와 강성을 수식적으로 유도하고 순응형 파지 시 손가락 전체의 강성에 대해 유도하였다. 유도한 수식을 검증하기 위해 실험모델을 제작하여 실험결과와 비교분석한다.
이 구조를 바탕으로 실제 의수에 사용된 수정된 구조를 제안한다. 제안된 구조는 사람과 상이한 동작을 가능하게 하는 평행사변형 구조를 제외 하고 사다리꼴 구조만으로 구성된 구조이다. 인장력만 받는 부분은 kevla r belt와 실리콘을 이용하여 외력에 순응하며 안정적으로 다양한 물체를 파지 할 수 있도록 제작한다. 구동부는 DC 모터를 사용하며 고 토크를 위해 웜기어를 사용한다. 모터, 기어, 모터 드라이버 모두 손바닥에 내장 하고 사람 손과 유사한 형상으로 제작한다.
실험에서는 제작된 의수의 집기 힘과 ADLs(Activities of Daily Living)에 대한 검증 결과를 보여준다. ADLs검증 시 A.Dollar의 분류학을 통해 17가지 파지 유형 중 일생 생활에서 사용 빈도수가 높은 10가지에 대하여 실험을 진행한다. 집기 힘은 21.43N이며 집안일을 할 때 일반적으로 사용 하는 집기 힘 보다 5N이상 크다. 그리고 선정된 10가지 파지 유형 중 6가지 유형의 파지가 가능하다. 검증 결과를 토대로 기존의 상용/연구용 의수들과 비교하고 제안하는 인공의수의 장단점에 대해 분석한다.

This paper suggests an active prosthetic hand with a new structure, which enables hand amputees to pinch or grasp various objects in everyday life and a similar form to the hands of a human. The human hand is made up of a very complex structures and it is a passage that interacts with the environment. Since it is an important element to living a life, the patients whose hands are amputated find it difficult to maintain the same living standard as ordinary people. In order to solve these difficulties, it is necessary to develop an active prosthetic hand capable of grasping or pinching various objects unlike the traditional prosthetic hand.
The new structure is a structure capable of parallel pinching and adaptive grasping. It consists of a parallelogram and a trapezoidal structure, and each link uses a flexible beam structure. The parallelogram structure is a structure that can be seen in an industrial gripper, and a trapezoidal structure is a structure in which a parallel pinching and an adaptive grasping can be operated sequentially.
Between each link, a thin and long rod is connected with a pin to maintain the shape and transmit the force from the contact surface to the other links evenly. For the new structure, the strength and stiffness of the fingertips are derived numerically and the stiffness of the whole fingers during the adaptive grasping is derived. In order to verify the derived formulas, a simulation model is produced for a comparative analysis between the theoretical values and the simulation results.
Based on this structure, the paper suggests a modified structure used for the prosthetic hand. The proposed structure is composed of only a trapezoidal structure except for the parallelogram structure which enables a different motion from the human being. The link which receives only tensile force is able to grip various objects stably by using a kevlar belt and silicone. The actuation component uses a DC motor and uses a worm gear for high torque. All motors, gears and motor drivers are built into the palm of the hand and shaped like a human hand.
In the experiment, the verification results of the pinching force and ADLs (Activities of Daily Living) is shown. In the case of ADLs validation, through the taxonomy of Dollar, we present the results of the experiment conducted on ten grasp types with high frequency of use in daily-life among seventeen grasp types . The pinching force is 21.43N, which is more than 5N larger than the usual pinching force
when doing housework. Further, six grasp types are possible among the selected ten grasp types. Based on the results of the verification, we compare proposed prosthetic hand with hand of commercial / research and analyze the advantages and disadvantages of proposed prosthetic hand.

#인공 의수 #순응형 파지 #정밀 집기 #유연 구조 #유연 재료 #Prosthetic hand #Compliant grasping #Precise pinching #Flexible structure #Soft material

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