Underactuated Hand

• 다른 이름: underactuated gripper, adaptive gripper, self-adaptive hand, underactuated robotic hand
• 카테고리: Mechanical structure › Arms & end-effectors
• 태그: grippers, end-effectors, grasping, mechanism-design, tendon-driven, manipulation

관절보다 액추에이터가 적은 로봇 손이나 그리퍼로, 텐던, 링크 기구, 스프링을 사용해 손가락이 쥔 물체의 형상을 수동적으로 감싸고 그에 맞춰지게 한다.

정의

저구동 손(underactuated hand)은 자유도보다 액추에이터가 적은 로봇 손과 그리퍼이다. 각 관절을 저마다의 모터로 구동하는 대신, 하나의 액추에이터가 손가락을 따라 지나가는 텐던, 링크 기구, 차동 장치 같은 기계적 전달 장치를 통해 여러 관절을 구동하며, 스프링이나 컴플라이언트 관절이 기본 자세를 정한다. 나머지 자유도는 직접 제어되지 않고, 손가락과 물체 사이의 접촉에 의해 결정된다.

이점은 적응적이고 형상에 맞춰지는 파지이다. 손가락이 닫힐 때 밑마디는 물체에 닿을 때까지 움직이며, 그 마디가 막히면 전달 장치가 바깥 마디들을 계속 구동해 물체를 감싸며 구부러지게 한다. 따라서 손은 물체의 모델이나 정밀한 감지 없이도 불규칙한 형상을 감싼다. 이 때문에 저구동 손은 관절 수가 비슷한 완전 구동 손보다 더 단순하고, 가볍고, 저렴하고, 견고하다.

트레이드오프는 줄어든 손재주이다. 관절을 독립적으로 명령할 수 없으므로, 저구동 손은 파워 파지와 감싸 쥐기에는 능하지만, 손가락이 물체의 위치를 제어된 방식으로 바꿔야 하는 손 안 조작(in-hand manipulation)에는 한계가 있다. 또한 그 거동은 마찰, 스프링 강성, 접촉 위치에 따라 달라지므로 정밀한 손끝 파지는 예측하기 어려울 수 있다.

저구동은 상용 적응형 그리퍼와, 3D 프린팅 가능한 텐던 구동 손을 공개하는 Yale OpenHand 프로젝트 같은 오픈소스 설계에 널리 쓰인다. 설계 원리는 Birglen, Laliberté, Gosselin의 책 Underactuated Robotic Hands에서 깊이 있게 다룬다.

중요한 이유

형상을 모르거나 형상이 다양한 물체를 쥐는 것은 로봇공학에서 가장 어려운 문제 중 하나이며, 저구동 손은 그 상당 부분을 감지와 제어 대신 기계적으로 해결한다. 모터 하나와 단순한 제어로 신뢰성 있는 파지를 가능하게 하므로 모바일 매니퓰레이터, 물류, 저가 및 오픈소스 로봇에서 흔히 쓰인다.

주요 응용

• 물류와 빈 피킹을 위한 적응형 그리퍼
• 의수
• 오픈소스 및 저가 로봇 손
• 가정과 농장 같은 비정형 환경에서의 파지
• 학습 기반 조작 연구를 위한 로봇 손

실제 사례

픽 앤 플레이스 로봇이나 가정용 로봇에 쓸 손을 고르는 팀은 모터가 한두 개뿐이고 단순한 열기/닫기 명령만 있으면 되므로 저구동 설계로 시작하는 경우가 많다. 오픈소스 제작에서는 손가락을 흔히 텐던 채널과 플렉셔 관절 또는 핀 관절을 넣어 3D 프린팅하고, 서보 하나가 텐던을 감는다. 엔지니어는 손가락 마디가 의도한 순서로 닫히도록 스프링이나 플렉셔의 강성을 튜닝하고, 대표적인 물체 세트로 파지를 시험해 손이 큰 물체를 감싸면서도 작은 물체를 집을 수 있는지 확인한다. 이런 손으로 조작 정책을 학습시킬 때는 실제 손가락 관절 각도가 명령된 액추에이터 위치와 다르다는 사실을 고려하며, 때로는 이를 측정하기 위해 관절 인코더를 추가한다.

흔한 오해

• 저구동은 약하거나 힘이 부족하다는 뜻이다 — 이 용어는 관절보다 액추에이터가 적다는 뜻이지, 쥐는 힘이 약하다는 뜻이 아니다
• 저구동 손은 제어할 수 없다 — 자세는 액추에이터와 접촉이 함께 정하며, 설계 목적인 파지에 대해서는 예측 가능하게 거동한다
• 저구동 손은 완전 구동 손이 할 수 있는 모든 것을 할 수 있다 — 단순성과 적응성을 얻는 대신 독립적인 손가락 제어와, 그와 함께 손 안 손재주의 상당 부분을 포기한다

알아야 할 사람

• 그리퍼 및 엔드 이펙터 설계자
• 조작 및 파지 연구자
• 의수·의지 엔지니어
• 저가 로봇 손을 만드는 메이커

관련 기술

• 텐던 구동(Tendon-Driven Actuation)
• Yale OpenHand
• 컴플라이언트 메커니즘(Compliant Mechanisms)
• 적응형 그리퍼(Adaptive Gripper)
• 소프트 그리퍼(Soft Gripper)
• 플렉셔 관절(Flexure Joints)

관련 용어

• Gripper
• Dexterous Manipulation
• End Effector

관련 프로젝트

• LeRobot: HuggingFace ML library for real-world robotics in PyTorch
• Isaac Lab: NVIDIA robot learning framework: one task API across Newton, PhysX and Isaac Sim
• NVIDIA Isaac GR00T: NVIDIA open foundation model for humanoid robot reasoning and skills
• OpenVLA: 7B-parameter Vision-Language-Action model for robotic manipulation
• Drake: MIT robotics toolbox for model-based dynamics, optimization, and control system design
• OpenArm: 7DOF humanoid arm for physical AI research in contact-rich environments