[論文レビュー] Design and Kinematic Optimization of a Novel Underactuated Robotic Hand Exoskeleton

Mine Saraç, Massimiliano Solazzi+3 more|arXiv (Cornell University)|May 7, 2020

Stroke Rehabilitation and Recovery参考文献 16被引用数 37

ひとこと要約

この論文は、各指につき1つの直線アクチュエータを用いた新規のアンダーアクチュエーテッド・リンク機構型手指外骨格を提案し、その運動学と静力学を分析し、リンク長を最適化して力伝達と把持適応性を最大化する。

ABSTRACT

This study presents the design and the kinematic optimization of a novel, underactuated, linkage-based robotic hand exoskeleton to assist users in performing grasping tasks. The device has been designed to apply only normal forces to the finger phalanges during flexion/extension of the fingers, while providing automatic adaptability for different finger sizes. Thus, the easiness of the attachment to the user's fingers and better comfort have been ensured. The analyses of the device kinematic pose, statics, and stability of grasp have been performed. These analyses have been used to optimize the link lengths of the mechanism, ensuring that a reasonable range of motion is satisfied while maximizing the force transmission on the finger joints. Finally, the usability of a prototype with multiple fingers has been tested during grasping tasks with different objects.

研究の動機と目的

• 平面状のアンダーアクチュエーション手指外骨格を導入し、指背節にはのみ法線力を作用させる。
• 機械的な調整なしに、異なる指のサイズや把持形状に自動的に適応することを保証する。
• 姿勢、静力学、把持安定性を分析して、力伝達を高めるリンク長を最適化する。
• 複数指プロトタイプで実現可能性をデモンストレーションし、さまざまな物体を把持する評価を行う。

提案手法

• 親指の外転/内転を除く、指を平面上の開チェーンとしてモデル化する。
• 指節に受動スライダを取り付け、各指部を単一の直線アクチュエータで駆動する。
• 指の姿勢とアクチュエータ変位から一意的な構成を得るため、4つの独立ベクトルループを用いて姿勢解析を行う。
• アクチュエータの速度と測定速度を指関節の速度に関連付ける微分運動学ヤコビ行列を導出する。
• 逆ヤコビ行列転置を用いた静的把持解析を実施し、アクチュエータ力と指関節トルクを関連づける。
• 関節範囲と安全比を守りつつ、組み合わせトルク指標を最大化するよう、感度分析を伴う制約付き全探索でリンク長を最適化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アンダーアクチュエーション型リンク機構の手外骨格は、把持時に指節へ安定で垂直な力伝達をどのように実現できるか？
• RQ2 異なる指サイズに対して自然な関節可動域を保ちつつ、力伝達を最大化するリンク長の構成は何か？
• RQ3 形状や大きさの異なる物体を自然な把持で把まえるために、指1本あたり1つのアクチュエータで十分か？
• RQ4 提案デバイスで安全かつ効果的な把持を確保するために必要な運動学的・静力学的制約は何か？

主な発見

• 最適化された複数指外骨格は現実的な指関節可動域を可能にし、示指のMCP 0–80°, PIP 0–90°。
• 感度分析により、性能に最も影響する6つのリンク長（EJ, CI, EF, ED, CD, BC）が特定された。
• 制約付き全探索により、初期構成に比べて性能指標pを約50%向上させた。
• 指示指のプロトタイプ実装は、3Dプリントによって最大屈曲・伸展構成を達成した。
• 本設計は小・中・大の手サイズに対応し、広範な実用性を示している。