[論文レビュー] A Novel Design of Soft Robotic Hand with a Human-inspired Soft Palm for Dexterous Grasping

Haihang Wang, Fares J. Abu‐Dakka+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 2, 2020

Soft Robotics and Applications参考文献 17被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、人間の手にインspiredされた柔軟なパームとハイブリッド湾曲性を有する柔軟な指（HBSF）を備えた、革新的なソフトロボットハンドを提案する。気圧駆動により、モジュラーな柔軟パームを介して、広げ、曲げ、親指の外転を実現し、Feix分類の33の把持ポーズのうち32つを達成する。これにより、繊細な物や重い物を含む多様な物体に対して、頑丈で柔軟な把持が可能となる。

ABSTRACT

Soft robotic hands and grippers are increasingly attracting attention as a robotic end-effector. Compared with rigid counterparts, they are safer for human-robot and environment-robot interactions, easier to control, lower cost and weight, and more compliant. Current soft robotic hands have mostly focused on the soft fingers and bending actuators. However, the palm is also essential part for grasping. In this work, we propose a novel design of soft humanoid hand with pneumatic soft fingers and soft palm. The hand is inexpensive to fabricate. The configuration of the soft palm is based on modular design which can be easily applied into actuating all kinds of soft fingers before. The splaying of the fingers, bending of the whole palm, abduction and adduction of the thumb are implemented by the soft palm. Moreover, we present a new design of soft finger, called hybrid bending soft finger (HBSF). It can both bend in the grasping axis and deflect in the side-to-side axis as human-like motion. The functions of the HBSF and soft palm were simulated by SOFA framework. And their performance was tested in experiments. The 6 fingers with 1 to 11 segments were tested and analyzed. The versatility of the soft hand is evaluated and testified by the grasping experiments in real scenario according to Feix taxonomy. And the results present the diversity of grasps and show promise for grasping a variety of objects with different shapes and weights.

研究の動機と目的

• 高接触力と低適合性により、繊細な物や不規則な形状の物を扱うことが難しい剛性ロボットハンドの限界を解消すること。
• 動的指再配置を可能にする機能的で駆動可能な柔軟パームの統合により、ソフトロボットハンドにおける見過ごされた欠点を克服すること。
• 人間の動きを模倣した湾曲と横方向変形の両方を実現するためのハイブリッド湾曲性を有する柔軟指（HBSF）の設計。
• Feix把持分類と物理実験を用いて、実世界のシナリオにおけるハンドの把持性能を検証すること。
• 気圧駆動と被動的適合性により、低コストで軽量かつ安全な人間-ロボット相互作用を実証すること。

提案手法

• パームの広げ・曲げと親指の外転を駆動する2つの部品を備えたモジュラーな柔軟パームの設計。両方とも気圧駆動。
• PneuNetsのチャネルネットワーク構造と繊維補強を組み合わせることで、湾曲効率と力容量を向上させたハイブリッド湾曲性を有する柔軟指（HBSF）の開発。
• HBSFおよび柔軟パームの駆動を予測するため、SOFA物理エンジンを用いて有限要素法（FEM）シミュレーションを実施。
• シリコーンラバーや埋め込まれた空気室を用いて、気圧制御による駆動を備えた6本指のソフトハンドプロトタイプを製作。
• 段階的駆動戦略の実装：まずパーム機能（広げ、曲げ、親指の外転）を駆動して物体に適合させ、その後に指の圧力を上昇。
• フレンカ・エミカ・パンドアロボットアームを用いて、制御された運動（40 mm/s）下での把持安定性と再現性を検証する把持実験を実施。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 駆動可能で人間の手にインスパイアされた柔軟パームを備えたソフトロボットハンドは、剛性または固定パーム設計と比較して、著しく優れた把持の機敏性と適合性を実現できるか？
• RQ2 ハイブリッド湾曲性を有する柔軟指（HBSF）は、湾曲と横方向変形の両方において、人間の動きをどの程度模倣できるか？
• RQ3 ソフトハンドは、Feix分類で定義された全範囲の把持タイプにおいて、ポーズの多様性と安定性の観点から、どの程度の性能を示すか？
• RQ4 HBSF設計において、指セグメント数と駆動能力の間にはどのような性能トレードオフがあるか？特に、湾曲と変形の両方を達成する観点から。
• RQ5 ソフトハンドは、繊細な物や人間との安全な相互作用を実現しながら、重い物をしっかり把持するのに十分な力を持つことができるか？

主な発見

• ソフトハンドはFeix分類の33の把持ポーズのうち32つを達成し、高いポーズの機敏性と広範な適用可能性を示した。
• 11セグメントを有するHBSFが最適な性能を示し、最大68°の著しい湾曲と横方向変形を可能にし、多様な把持を実現した。
• 柔軟パームは最大68°の湾曲角と約90°の親指の外転角を達成し、複雑な物体への指の再配置を効果的に行えた。
• 143 gの水差しと541 gの椅子をしっかり把持する能力を示し、高い把持力と荷重容量を確認した。
• 人間-ロボット相互作用において、高い適合性と安全性を示し、接触時におけるハンドや被験者への損傷が一切認められなかった。
• 実験結果は、SOFAフレームワークからのシミュレーション予測を正当化し、FEMに基づく設計手法の信頼性を確認した。