[논문 리뷰] A Novel Design of Soft Robotic Hand with a Human-inspired Soft Palm for Dexterous Grasping

Haihang Wang, Fares J. Abu‐Dakka외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 09. 02.

Soft Robotics and Applications참고 문헌 17인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 인체 유사한 부드러운 손바닥과 하이브리드 굽힘 부드러운 손가락(HBSF)을 갖춘 새로운 소프트 로봇 손을 제안한다. 기계적 압력에 의해 구동되며, 모듈식 부드러운 손바닥을 통해 펼침, 굽힘, 엄지손가락 뻣뻣함을 가능하게 하여, 흔들림 없는 유연한 그립으로 다양한 물체, 특히 취약하거나 무거운 물체를 안정적으로 쥐는 데 성공했다. Feix 분류 체계의 33가지 그립 자세 중 32개를 구현하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 높은 접촉력과 낮은 유연성으로 인해 취약하거나 비정형 형태의 물체를 다루는 데 어려움을 겪는 고체 로봇 손의 한계를 해결하기 위해.
• 다이내믹한 손가락 재배치를 가능하게 하는 功能성의 구동 가능한 부드러운 손바닥을 통합함으로써 소프트 로봇 손의 관점에서 간과된 문제를 해결하기 위해.
• 더 뛰어난 기민성 향상을 위해 굽힘과 횡방향 변형에서 모두 인간과 유사한 운동을 모방하는 하이브리드 굽힘 부드러운 손가락(HBSF)을 설계하기 위해.
• Feix 그립 분류 체계와 물리적 실험을 통해 실제 환경에서의 그립 성능을 검증하기 위해.
• 기계적 압력 구동과 수동 유연성 덕분에 저비용, 경량, 안전한 인간-로봇 상호작용을 구현하기 위해.

제안 방법

• 손바닥 펼침과 굽힘을 위한 하나, 엄지손가락 뻣뻣함을 위한 다른 하나의 두 개의 제어 가능한 부분을 갖춘 모듈식 부드러운 손바닥 설계. 모두 기계적 압력에 의해 작동한다.
• PneuNets의 챔버 네트워크 구조와 섬유 보강을 융합하여 굽힘 효율성과 힘 용량을 향상시킨 하이브리드 굽힘 부드러운 손가락(HBSF) 개발.
• HBSF와 소프트 손바닥의 구동을 위한 유한요소법(FEM) 시뮬레이션을 위해 SOFA 물리 엔진 사용. 운동 및 힘 반응 예측.
• 실리콘 고무와 내장된 공기 챔버를 사용하여 기계적 압력 제어로 작동하는 6지부 소프트 손 프로토타입 제작.
• 순차적 작동 전략 구현: 먼저 손바닥 기능(펼침, 굽힘, 엄지손가락 뻣뻣함)을 작동시켜 물체에 맞추고, 그 다음 손가락을 압력 공급.
• Franka Emika Panda 로봇 암을 사용하여 제어된 운동(40 mm/s) 조건에서 그립 안정성과 반복성을 테스트하기 위한 그립 실험 수행.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 구동 가능한 인체 유사 부드러운 손바닥을 갖춘 소프트 로봇 손이 고체 또는 고정된 손바닥 설계에 비해 그립 기민성과 적응 능력에서 뚜렷한 향상을 이룰 수 있는가?
• RQ2 하이브리드 굽힘 부드러운 손가락(HBSF)이 굽힘과 횡방향 변형에서 모두 인간과 유사한 운동을 얼마나 잘 재현할 수 있는가? 이는 더 넓은 그립 다양성 향상에 기여하는가?
• RQ3 Feix 분류 체계에서 정의된 모든 유형의 그립에 대해 소프트 손이 얼마나 잘 기능하는가? 특히 자세 다양성과 안정성 측면에서 어떻게 평가되는가?
• RQ4 HBSF 설계에서 손가락 세그먼트 수와 작동 능력 사이의 성능 상충 관계는 어떠한가? 특히 굽힘과 변형을 동시에 달성하는 데서 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 소프트 손은 취약한 물체나 인간과의 상호작용에서 안전하고 유연한 접촉을 달성할 수 있는가? 동시에 무거운 물체를 쥐는 데 필요한 충분한 그립력도 유지하는가?

주요 결과

• 소프트 손은 Feix 분류 체계의 33가지 그립 자세 중 32개를 성공적으로 달성하여 높은 자세 기민성과 광범위한 적용 가능성을 입증하였다.
• 11개 세그먼트로 구성된 HBSF는 최적의 성능을 보였으며, 최대 68°의 굽힘과 횡방향 변형을 동시에 가능하게 하여 다양한 그립을 구현할 수 있었다.
• 손바닥은 최대 굽힘 각도 68°와 약 90°의 엄지손가락 뻣뻣함 각도를 달성하여 복잡한 물체에 대한 손가락 재배치를 효과적으로 수행하였다.
• 143g의 물뿌리개와 541g의 의자를 안정적으로 쥐었으며, 이는 높은 그립력과 하중 용량을 확인시켰다.
• 인간-로봇 상호작용에서 높은 유연성과 안전성을 보였으며, 접촉 중 손이나 인간 참가자에게 손상이 발생하지 않았다.
• 실험 결과는 SOFA 프레임워크에서의 시뮬레이션 예측을 정확히 검증하였으며, FEM 기반 설계 접근법의 신뢰성을 확인하였다.