[論文レビュー] A Soft Robotic Gripper with Active Palm for In-Hand Object Reorientation

Thomas M. Mack, Ketao Zhang+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 25, 2023

Soft Robotics and ApplicationsEngineering被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、3Dプリントされた3本指構造とアクティブな回転式パームを備えたソフトロボットグリッパーを提案する。このグリッパーは、62gまでの物体を1秒あたり600°を超える速度で正確に手の中で再配置可能であり、気圧駆動とパームに設けられた真空吸引カップにより、グリップの安定性が向上し、滑りを防ぐ。これにより、壊れやすい、円筒形、布状の物体など多様な物体を信頼性高く操作可能である。

ABSTRACT

The human hand has an inherent ability to manipulate and re-orientate objects without external assistance. As a consequence, we are able to operate tools and perform an array of actions using just one hand, without having to continuously re-grasp objects. Emulating this functionality in robotic end-effectors remains a key area of study with efforts being made to create advanced control systems that could be used to operate complex manipulators. In this paper, a three fingered soft gripper with an active rotary palm is presented as a simpler, alternative method of performing in-hand rotations. The gripper, complete with its pneumatic suction cup to prevent object slippage, was tested and found to be able to effectively grasp and rotate a variety of objects both quickly and precisely.

研究の動機と目的

• 高自由度や複雑な制御システムを必要としない、低複雑性なソフトロボットグリッパーの開発を目的とする。
• 不規則な形状や低摩擦の物体に対して、回転操作中の安定したグリップを維持する課題に対処すること。
• パームに真空吸引カップを統合することで、冗長なグリップサポートを提供し、回転中の物体の安定性を向上させること。
• 産業用および支援ロボティクスの現場で日常的な物体を片手で操作可能にし、専用エンドエフェクターや外部センシングに依存することを減らすこと。

提案手法

• 一貫した駆動性能を確保し、荷重下での収束を防ぐために、特別な金型を用いたソフトで柔軟な指の設計と3Dプリント。
• 圧縮空気を用いた気圧駆動により、指の屈曲と伸展を実現し、把持と解放を可能にする。
• 物体を手の中で360°回転可能にし、再把持を必要としない回転パーム機構の実装。
• パームに真空吸引カップを設け、二次的なグリップを提供することで、回転中の安定性を向上させ、指が完全に接触していない場合でも物体を扱えるようにする。
• 指の駆動とパームの回転を順次制御するためのモジュラーでモジュラー化された制御システムの統合。
• 複雑なセンシングやリアルタイムフィードバックを最小限に抑えるために、機械的柔軟性と真空補助固定に依存するフィードバックフリー制御戦略の採用。

Figure 1 : The gripper using the soft, 3D printed fingers

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 回転式パームを備えたソフトロボットグリッパーは、高精度のセンサーや複雑な制御アルゴリズムに依存せずに、多様な物体タイプの安定した手の中での再配置を達成できるか？
• RQ2 パームに真空吸引カップを追加することで、高速回転中のグリップ安定性と物体保持性はどの程度向上するか？
• RQ3 3Dプリントされたソフト指は、従来のモールド加工によるシリコーン指に比べて、グリップの一貫性と物体取り扱いの信頼性においてどの程度優れているか？
• RQ4 壊れやすい、円筒形、柔軟な物体を含め、形状・重量・素材が異なる物体を、滑りや制御の喪失なしに効果的に扱えるか？
• RQ5 大がかりなまたは不規則な形状の物体を扱う際、現在の設計における機械的・運用的限界は何か？

主な発見

• グリッパーは62gまでの物体を1秒あたり600°を超える速度で滑りを伴わず回転させることに成功し、高速かつ安定した手の中での再配置を実証した。
• 3Dプリントされた指は、特に円筒形や58gのテープロールのような重い物体に対して、回転中のグリップを維持する点で、モールド加工されたシリコーン指を上回った性能を示した。
• パームに設けられた真空吸引カップは、指とは独立して物体を保持・安定化させるのに十分な保持力を発揮し、冗長性と信頼性を追加した。
• テニスボール（62g）、スチロフォームの卵、円筒形の容器、ゴム手袋など多様な物体タイプにおいて、一貫した性能を維持したが、布状の物体は指に垂れ下がったことで問題を引き起こした。
• パームの回転機構により、物体を手の中で360°完全に再配置可能であり、人間ユーザーにとって最適なハンドオーバー方向を実現した。
• 非対称な質量分布を持つ物体の取り扱いにおいても、パームの真空グリップが転倒や滑りを防ぎ、回転中に安定性を維持した。

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