애니메트로닉스를 위한 기어트레인형 손가락 구조{gear train driving type finger structure for animatronics}

본 발명은 영상 콘텐츠 분야나 전시 공연물에 관련한 사실적 동작 표현을 위한 특수 효과 애니메트로닉스 분야에서 사람 손의 사실적 구동표현을 위한 내부 손가락 뼈대와 관절의 구성에 관한 것으로 16개의 관절을 움직임이 원활하게 하고 손가락의 동작 표현 시에 각 관절이 원활하고 견고하게 움직이게 하기위한 새로운 발명으로 기존의 와이어를 이용한 동작 구조에 비하여 그 방법을 달리한 발명이다.

애니메트로닉스 기법에서 대부분 움직임을 표현하는 구조로 와이어를 적용하고 있다. 공간에 여유가 있고 큰 부피를 구성하는데 문제가 없는 모양의 경우에는 와이어 기법은 효율적인 동력 전달 방법이나, 사람 손과 같이 그 뼈대의 지름이 8mm 이하 정도로 가느다란 형태의 구조에서는 매우 많은 문제점을 보이고 있다. 도 8은 와이어를 이용한 사람의 손 뼈대 구조를 나타낸 그림이다. 한 개의 관절을 움직이기 위하여 두 개의 와이어가 관절의 굽힘과 펴짐을 위하여 사용된다. 따라서 도 6과 같이 한 개의 손가락에는 3개의 동작 마디가 있기 때문에 도 6의 그림처럼 6가닥의 와이어(606,607,608,609,610,611)가 필요하다.

이렇게 와이어를 이용하여 사람 손의 구동 가능한 뼈대를 구성하면 총 관절 16개를 가지는 손을 제작할 경우 필요한 와이어 가닥은 총 32개가 필요하게 된다. 이는 최종적으로 관절을 구동하는 엑츄에이터에서 와이어를 설치 고정하는데 어렵고 또한 관절마디마디 마다 와이어와 관절 부의 마찰로 동작이 원활하지 못한 문제를 가지게 된다. 또한 와이어는 그 자체의 탄성으로 인하여 늘어짐을 나타내어 손을 동작 시킬 때 불확실한 동작을 만들게 된다. 특수효과에 이용되는 손의 동작은 사실감 있는 동작을 표현하는데 있어서 원하는 동작을 얻기 어렵다. 그리고 도 8과 같이 다수의 와이어의 설치상의 문제뿐만 아니라 와이어의 단선등과 같은 문제가 발생 할 경우 유지 보수가 매우 어려운 문제점을 가지고 있다.

특수효과 손은 최종적으로 외부에 사실적 표현을 위한 피부가 덥혀 씌워지므로 와이어는 이 피부와의 마찰 문제도 발생하게 된다. 최근 영상 콘텐츠 제작에 사용되는 이러한 특수기법 소품들의 필요성이 매우 고조되고 있어 그 사용 빈도가 높은 반면 제작상의 어려움과 유지보수의 문제점 그리고 고가의 제작비용 등의 문제를 가지고 있다.

이러한 특수효과 소품은 한 번 제작 시에 많은 비용이 발생하므로 재사용이 가능하도록 견고성과 다양한 동작 표현이 가능한 동작의 확실성을 보장할 수 있는 구조적 제조 기법이 요구되나 가느다란 구조의 손가락과 같은 형태를 표현하기에 기존의 방법과 구조는 많은 문제점이 내포되어 있다.

종래 기술은 와이어를 이용하여 관절을 움직이는데 있어서 손가락의 원활한 동작을 만들기 힘들고 다수의 와이어의 설치가 매우 구조적으로 어렵고 또한 와이어의 단선 시에 유지보수가 매우 어려웠다. 이를 극복하기 위하여 견고성을 가지는 소형 기어의 적용과 볼트 너트 체결이 아닌 체결 구를 이용한 간단한 결합형 체결구조의 적용으로 애니메트로닉스 손의 동작성능을 개선하고 유지보수를 쉽게 하기 위한 기존 방식과는 전혀 다른 원리의 손가락 관절 구동 발명을 채택함으로서 손가락 관절의 동작 속도의 개선, 손가락 동작의 명확성, 고장 발생 시의 유지 보수를 획기적으로 개선하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 사실적 동작 표현을 위한 특수 효과 로봇 분야에서 인간의 손을 구동표현 위한 내부 손가락 뼈대와 관절의 구성에 관한 것으로 16개의 관절을 움직임이 원활하고 손가락의 동작 시에 각 관절이 원활하고 견고하게 움직이게 하기위한 새로운 발명으로 기존의 와이어를 이용한 동작 구조에 비하여 그 방법을 달리한 발명이다.

본 발명은 기본적으로 손가락의 뼈대 구성을 하는데 있어서 첫 번째 마디(201,203)를 고정 핀 (202)으로 연결 구성하고 두 번째 마디(204)에 내부 기어트레인(207)을 포함한 형태로 첫 번째 마디와 관절을 결합 구성한다. 두 번째 마디의 결합은 두 번째 마디 결합 구(205,206)에 의하여 고정되고 세 번째 마디(211,215) 는 기어 고정판(212)에 설치된 세 번째 마디 기어 트레인(214)을 포함한 형태로 세 번째 마디 결합 구(209,210)에 의하여 결합되며 두 번째 마디에 연결된다. 손가락 관절의 움직임은 세 번째 마디의 첫째기어(214)의 회전을 통하여 기어트레인을 통하여 첫 번째 마디까지 동력이 전달되어 각각의 손가락 마디가 굽힘 운동을 발생하게 하여 손가락의 움직임을 만들게 된다. 기존 방법에서는 와이어를 이용하여 손가락의 관절을 움직이는데 이 경우 와이어의 늘어짐으로 동작이 견고하지 못하고 와이어의 끊어짐 등의 문제와 단면 8mm 이하의 뼈대 구성에 따른 동력전달의 어려움의 문제가 있다. 또한 와이어의 경우 한 관절 당 2개의 와이어가 필요하여 손가락 하나에 6개의 와이어가닥이 필요하여 따라서 구동구조가 매우 복잡 하였으나 본 발명을 통하여 이러한 문제를 모두 해소 하였다. 본 발명은 기어만을 통한 손가락 운동의 동력 전달로 사실모형의 손의 동작성 및 내구성을 향상시키고 표현력을 개선하였다.

본 발명은 사실적 동작 표현을 위한 특수 효과 로봇 분야에서 인간의 손을 구동표현 위한 내부 손가락 뼈대와 관절의 구성에 관한 것으로 16개의 관절을 움직임이 원활하고 손가락의 동작 시에 각 관절이 원활하고 견고하게 움직이는 효과가 있다.

상기의 목적을 달성하기위해 본 발명은 손가락의 첫 번째 마디뼈에 해당하는 첫 번째 마디의 뼈대(201,203)와 두 뼈대를 이어주는 연결 고정 핀(202)과 두 번째 마디의 뼈에 해당하는 두 번째 마디 뼈대 (204,216)와 두 번째 마디 내에 설치되는 다수의 기어(207)와 기어고정 핀 그리고 두 번째 마디를 고정 결합하는 두 번째 마디 결합 체결 구(205,206)와 세 번째 마디뼈에 해당하는 세 번째 뼈대(211,215)와 그 내부에서 기어를 결합할 수 있는 기어 고정 판(212)과 이 기어고정판에 기어를 결합하기 위한 다수의 기어 고정 핀(213)과 기어 고정 핀에 결합되는 다수의 기어(214)가 있고 이 세 번째 마디의 전체 결합을 위한 세 번째 마디 결합 체결 구(209,210) 로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명은 외부에 피부가 씌워지는 경우 구동 기어가 외부 피부와 구동 시에 마찰이나 간섭이 발생되지 않도록 손가락 뼈대의 미세한 공간 내부로 기어를 배치 설계한 것을 특징으로 하고 있다.

본 발명의 동작 메커니즘은 도 9를 이용하여 상세히 설명한다. 손바닥 과 손가락이 만나는 부위는 도 9의 손바닥 구조(900)이다. 손바닥(900) 내부로 부터 2개의 구동 와이어(901)가 나와서 1차 구동축(902)을 움직인다. 최초의 동력 전달은 기존 방식의 와이어 방식과 동일하다. 이는 손바닥 안의 공간은 충분히 넓기 때문에 손가락에서 발생하는 와이어 방식의 문제점은 거의 발생하지 않는다. 따라서 와이어 방식의 장점을 이용하여 1차 동력 전달을 꾀할 수 있다.

1차 구동축(902)은 세 번째 마디(907)의 기어(904)에 동력을 전달하여 세 번째 마디 구동축(905)을 중심으로 세 번째 손가락 마디를 움직이게 한다. 이 움직임에 의하여 세 번째 손가락 마디의 내부 기어(906)들은 기어의 연결 구조 특성으로 회전력을 세 번째 마디의 끝단 기어(908)까지 전달시킨다. 세 번째 마디의 끝 단기어(908)는 두 번째 마디의 첫 단 기어(910)와 서로 연결되어 있어서 두 번째 마디의 첫 단 기어(910)는 세 번째 마디 끝단기어(908)의 회전량에 따라서 회전을 하게 된다. 두 번째 마디의 첫 단 기어(910)로 전달된 동력은 두 번째 마디의 내부 기어(911)들을 통하여 두 번째 마디의 끝단기어(913)로 동력이 전달된다. 두 번째 마디의 끈단 기어(913)와 연결된 첫 번째 손끝 마디(916)의 기어(915)에 동력이 전달되어 손끝이 첫 번째 마디(916)의 관절 중심(914)을 축으로 회전한다.

상기와 같은 동작 구조를 가지는 5개의 손가락을 도 1과 같이 엄지(101), 검지(102), 중지(103), 약지(104), 새끼지(105)를 손바닥(106)에 배치 결합하여 전체적인 손의 동작 뼈대를 구성한다. 각각의 손가락의 길이는 사람의 손가락뼈의 길이 비율에 맞추어 그 길이를 달리 하고 간격과 각도를 도 1과 같이 구성하여 만들어지게 된다.

각 손가락 뼈대의 사이즈는 8mm 이하의 좁은 폭을 가지며 따라서 전체 구조물의 결합 시 매우 공간의 협소함과 결합의 견고성이 떨어지므로 손가락 마디 구조물들의 결합 방식은 마디 결합 체결 구 (205,206,209,210)를 이용하여 결합된다.

도 2의 마디 체결 구 도 2의205, 도2의206, 도2의 209, 도2의 210은 도 3의 304와 도3의 310과 같이 서로 맞물려 견고하게 결합된다. 공간상의 협소함과 체결상의 편리성을 위하여 볼트나 너트와 같은 체결 기구는 사용하지 않아서 조립 분해가 간단한 장점을 갖는다.

손가락의 동작에 있어서 동력의 전달 구성이 강성체인 기어를 통하여 이루어지므로 와이어의 늘어짐에서 발생하는 느슨함과 같은 현상의 발생이 없고 결합위치 가 일정하여 안정적인 손가락의 구조 형태를 형성할 수 있다.

이렇게 구성된 도 4의 완성된 손은 각각의 손가락이 개별적으로 부드럽게 원활히 동작됨으로써 손으로 표현할 수 있는 주먹 쥐기, 손 펴기 및 손가락으로 지시하기 가위바위보, 손의 경련 표현, 등등의 다양한 표현을 실제 사람의 손과 같은 사실적인 피부를 외부에 씌우고도 원활하게 표현한다.

이상의 구성 및 작용을 지니는 본 발명의 애니메트로닉스 손 관절은 16관절로 구성이 가능하여 손의 복잡한 동작표현을 가능하게 하고 인간의 뼈대 굵기로 구성이 가능하여 외부에 실리콘 특수 피부를 씌우더라도 실제 사람의 손의 치수를 벗어나지 않는 크기를 유지할 수 있고 와이어가 아닌 기어를 통한 동력 전달로 동작의 견고성을 유지하고 동작을 확실하게 표현할 수 있는 성능의 현저한 개선을 가져왔고, 유지 보수의 측면에서도 분해 조립의 용이하여 시스템의 운영에 효율성을 제공한다. 본 발명은 특수 효과에 사용하는 사람의 손을 제작 사용하는 경제적 효과뿐만 아니라 로봇에 적용 될 수 있는 사실적인 로봇 손의 응용에도 매우 그 효용가치가 높다고 판단된다. 또한 단순 반복 동작을 무수히 해야 하는 동작 전시관, 과학관 등의 동작 전시물에 적용 시 그 효용 가치가 높다고 판단된다.

도 1은 본 발명 기어 트레인 구조의 사실모형 손의 정면 구조도

도 2는 본 발명 기어 트레인 구조의 손가락 조립 구성도

도 3은 본 발명 기어 트레인 구조의 손가락 사시도

도 4는 본 발명에서 구성한 손가락을 가지는 동작모형 손의 사시도

도 5는 기존 방식의 와이어 동작 형 손의 정면 구조도

도 6은 기존 방식의 와이어 동작 형 손가락 조립 구성도

도 7은 기존 방식의 와이어 동작 형 손가락 사시도

도 8은 기존 방식의 와이어 동작 형 손가락을 가지는 손의 사시도

도 9는 본 발명에서 구성한 손가락의 동력 전달 과정도

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

101: 엄지 102 : 검지 103 : 중지 104 : 약지 105 : 새끼지

106 : 손바닥

201-203 : 첫째마디뼈대 202 : 첫째마디 고정 핀 204 : 둘째마디 뼈대

205,206 : 둘째마디 결합 구 207 : 둘째마디 기어 트레인

209-210 : 셋째마디 결합 구 211,215 : 셋째마디 뼈대

214 : 셋째마디 기어 트레인 212 : 셋째마디 기어 고정판

213 : 셋째마디 기어 고정 핀

301: 첫 번째 마디 305 : 두 번째 마디 309 : 세 번째 마디

302:첫 번째 마디관절 307:두 번째 마디관절 312:세 번째 마디관절

304,310 : 마디 결합 구

401-403 : 검지의 마디관절 404-407 : 엄지의 마디관절

506,507 : 검지 구동 와이어 508,509 : 엄지 구동 와이어

601,602 : 기존 방식 첫 번째 마디

606,607,608,704,705,706 : 관절 구동 와이어