Cable-Driven Extendable Manipulator with a Tendon-Decoupled 3-DOF Rolling-Contact Wrist

Abstract

본 논문에서는 텔레스코픽 확장 관절과 말단부 관절 간의 기계적 디커플링을 달성하는 케이블 구동 확장형 매니퓰레이터를 제안한다. 프리즘형 확장 관절을 지나 말단부 관절로 동력이 전달되는 구조에서는, 확장 및 수축 동작에 따라 전달 길이와 장력이 변화하여 확장 관절과 말단부 관절 간의 기계적 커플링이 발생하는 문제가 있다. 이러한 커플링은 구조적 복잡성을 증가시키고 관절 간 독립적인 제어를 어렵게 만든다. 이를 해결하기 위해, 본 연구에서는 확장 관절의 동작 중에도 케이블의 길이와 장력이 유지되도록 하는 기계적 디커플링 전달 구조를 제안한다. 제안된 구조는 확장 구간에서 발생하는 기하학적 변화와 동력 전달을 구조적으로 분리함으로써, 확장 관절의 동작이 말단부 관절의 구동 조건에 영향을 미치지 않도록 한다. 또한, 확장된 자세에서도 충분한 자세 제어 능력을 확보하기 위해, 최소한의 케이블 가닥 수로 3자유도 회전을 구현하는 컴팩트한 롤링 컨택 기반 손목 관절을 설계하였다. 제안된 손목 메커니즘은 피치와 요 회전을 동일한 접촉점을 기준으로 ±180° 범위에서 구현하며, 중앙 축을 따라 연속적인 롤 회전을 제공함으로써 전방위 자세 제어가 가능하다. 제안된 매니퓰레이터의 성능은 확장 관절과 손목 관절의 운동 정확도 측정 실험과, 확장 동작 중 손목 구동 케이블 장력 변화를 측정하는 디커플링 검증 실험을 통해 평가되었다. 실험 결과, 제안된 구조는 안정적인 관절 구동 특성을 보이며 확장 관절과 말단부 관절 간의 기계적 커플링이 효과적으로 억제됨을 확인하였다. 본 연구는 긴 작업 반경과 높은 자세 자유도를 요구하는 응용을 위한 기계적으로 디커플링된 확장형 매니퓰레이터 구조를 제시한다.|This paper presents a cable-driven extendable manipulator that achieves mechanical decoupling between a telescopic extension joint and distal joints. In manipulators where actuation power must pass through a prismatic joint to reach distal joints, extension and retraction of the telescopic stage typically induce variations in transmission length and tension, resulting in mechanical coupling between the extension motion and distal joint actuation. Such coupling complicates system design and degrades independent joint controllability. To address this issue, this study proposes a mechanically decoupled routing structure that allows actuation cables to pass through the telescopic joint without experiencing length or tension variations during extension. By structurally separating geometric changes and force transmission along the extension stage, the proposed mechanism ensures that the extension motion does not influence the actuation conditions of distal joints, and vice versa. In addition, to provide sufficient orientation capability at extended configurations without increasing routing complexity, a compact three-degree-of-freedom wrist mechanism is introduced. The proposed wrist employs a rolling-contact structure in which pitch and yaw rotations are realized about a shared contact point, enabling a wide rotational range of ±180° in both directions, while a continuous roll rotation is provided about the central axis. This configuration achieves omnidirectional orientation control using a minimal number of actuation cables. The performance of the proposed manipulator was experimentally evaluated through motion accuracy measurements of the extension and wrist joints, as well as tension-based decoupling validation during extension motion. The results confirm that the proposed structure provides stable joint actuation and effectively suppresses mechanical coupling between the telescopic joint and distal joints. Overall, this work demonstrates a mechanically decoupled and structurally efficient extendable manipulator architecture suitable for applications requiring long reach and dexterous orientation control. Keywords: Cable-driven, Telescopic mechanism, Rolling-contact joint, Omnidirectional wrist, Cable decoupling