[論文レビュー] Fast 3D Modeling of Anthropomorphic Robotic Hands Based on A Multi-layer Deformable Design

Li Tian, Hanhui Li+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 7, 2020

Robot Manipulation and Learning参考文献 33被引用数 5

ひとこと要約

本論文では、人体の解剖学的構造を模倣し、皮膚、軟部組織（同心円チューブ構造を介して）、骨の層を統合した高速で低コストかつカスタマイズ可能な3Dプリント可能なマルチレイヤーロボットハンドの設計を提案する。3Dスキャンと骨モデリングのための高速テンプレートマッチング手法を用い、運動制御にはアンダーアクチュエーテッドシステムを採用することで、高い変形性を実現し、壊れやすい物品（例：絹ごはん）を含む多様な物体の把持において、従来の設計を上回る性能を発揮する。

ABSTRACT

Current anthropomorphic robotic hands mainly focus on improving their dexterity by devising new mechanical structures and actuation systems. However, most of them rely on a single structure/system (e.g., bone-only) and ignore the fact that the human hand is composed of multiple functional structures (e.g., skin, bones, muscles, and tendons). This not only increases the difficulty of the design process but also lowers the robustness and flexibility of the fabricated hand. Besides, other factors like customization, the time and cost for production, and the degree of resemblance between human hands and robotic hands, remain omitted. To tackle these problems, this study proposes a 3D printable multi-layer design that models the hand with the layers of skin, tissues, and bones. The proposed design first obtains the 3D surface model of a target hand via 3D scanning, and then generates the 3D bone models from the surface model based on a fast template matching method. To overcome the disadvantage of the rigid bone layer in deformation, the tissue layer is introduced and represented by a concentric tube based structure, of which the deformability can be explicitly controlled by a parameter. Besides, a low-cost yet effective underactuated system is adopted to drive the fabricated hand. The proposed design is tested with 33 widely used object grasping types, as well as special objects like fragile silken tofu, and outperforms previous designs remarkably. With the proposed design, anthropomorphic robotic hands can be produced fast with low cost, and be customizable and deformable.

研究の動機と目的

• 単一構造の設計（例：剛性の骨や柔ららかな材料のみ）に依存する既存のロボットハンドの限界（耐久性、柔軟性、人間らしさの欠如）を是正すること。
• 皮膚、組織、骨の複数の解剖学的層をモデリングすることで、カスタマイズ性の向上、製造コストと時間の低減、人間の手に類似した外観の向上を図ること。
• 3Dスキャンと自動骨再構築を用いた、個人に合わせたロボットハンドの高速かつ正確な3Dモデリングを可能とすること。
• チューブの厚さ（σ）を制御することで、機械的挙動が明示的に制御可能な同心円チューブ構造に基づくソフト組織層により、高い変形性を実現すること。
• ストリングのアタッチメントポイントを調整可能なアンダーアクチュエーテッドシステムを用いることで、人間の手に類似した自然な指の屈曲・伸展軌道を実現し、制御を簡素化すること。

提案手法

• 3Dスキャンパイプラインにより、ターゲットとなる人間の手の表面幾何形状をキャプチャし、個別化されたモデリングを実現する。
• 高速なテンプレートマッチングアルゴリズムを用いて、スキャンされた表面データから正確な3D骨モデルを生成し、迅速かつ自動的な骨再構築を可能にする。
• 組織層は、3Dプリント可能な柔ららかな材料で作られた同心円チューブ構造としてモデリングされ、チューブの厚さ（σ）が変形性を制御する。
• 骨層は、指の運動を制御するアクチュエーターに接続された剛性の内部構造として3Dプリントされる。
• ストリングアタッチメントポイントを調整可能なアンダーアクチュエーテッド tendons ドライブシステムにより、自然な指の屈曲が可能となり、最適な構成（デザイン6）では2.0 kgの引張力が達成された。
• 皮膚、組織、骨の全マルチレイヤー構造は、低コストな3Dプリントにより製造可能であり、迅速でカスタマイズ可能かつスケーラブルな生産が可能となる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 皮膚、組織、骨の3層構造を模倣したマルチレイヤーロボットハンド設計は、単一構造の設計よりも優れた変形性と人間らしさを実現できるか？
• RQ2 3Dスキャンと高速テンプレートマッチングを用いることで、表面スキャンから正確で個人に合わせた3D骨モデルをどのように生成できるか？
• RQ3 同心円チューブ構造に基づくソフト組織層は、人間の指の自然な変形をどの程度再現できるか？また、その剛性は明示的に制御可能か？
• RQ4 アンダーアクチュエーテッド tendons システムの性能は、既存の設計と比較して、屈曲時の自然な指先の軌道をどの程度再現できるか？
• RQ5 提案されたマルチレイヤー設計は、標準的および壊れやすい物体（例：絹ごはん）を効果的に把持でき、従来のロボットハンドシステムを上回る性能を発揮できるか？

主な発見

• チューブ厚さσ = 0.4 mmの同心円チューブ構造に基づく組織層が、人間の指の変形曲線に最も近づき、最適な変形性を示した。
• 提案されたアンダーアクチュエーテッドシステム（デザイン6）は最大2.0 kgの引張力を達成し、デザイン2（0.91 kg）を顕著に上回り、人間の指の運動に類似した指先の軌道を実現した。
• このハンドは、フェイクステストセットに含まれる33種類の標準的物体（壊れやすいものや滑らかなもの、例：絹ごはん、ビー玉など）をすべて正常に把持できた。これは、剛性または変形性が低いハンドでは困難な課題であった。
• 高速テンプレートマッチング手法により、表面スキャンから迅速かつ正確な3D骨モデルの生成が可能となり、設計時間と複雑さが削減された。
• マルチレイヤー構造のおかげで、複雑な駆動システムの必要性が低減され、コストと製造時間の削減が実現した一方で、機敏性と耐久性を維持した。
• 3Dスキャン、3Dプリント、およびマルチレイヤー解剖学的構造の組み合わせにより、完全にカスタマイズ可能で低コストかつ高変形性の人工的で人間らしいロボットハンドの実現が可能になった。