[논문 리뷰] A Soft Robotic Gripper with Active Palm for In-Hand Object Reorientation

Thomas M. Mack, Ketao Zhang외 1명|arXiv (Cornell University)|2023. 07. 25.

Soft Robotics and ApplicationsEngineering인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 3D 프린팅으로 제작한 세 개의 손가락을 갖춘 소프트 로봇 그립퍼와 활성 회전 팔을 제안하며, 62g 이하의 물체를 600°/초 이상의 속도로 손 안에서 정밀하게 재배치할 수 있다. 그립퍼는 기계적 펌프를 이용한 공기압 구동과 손바닥에 부착된 진공 흡착 컵을 통해 그립 안정성을 향상시켜, 부서지기 쉬운, 실린더형, 천으로 된 물체와 같은 다양한 물체를 회전 중에 슬립 없이 신뢰성 있게 조작할 수 있다.

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.

연구 동기 및 목표

• 고도의 자유도나 복잡한 제어 시스템이 필요하지 않은 저복잡도의 소프트 로봇 그립퍼를 개발하는 것.
• 특히 비정형 모양이나 낮은 마찰 계수를 가진 물체의 경우에도 회전 조작 중에 안정적인 그립을 유지하는 문제를 해결하는 것.
• 회전 팔에 진공 흡착 컵을 통합하여 물체의 안정성 향상을 위한 이중 그립 지원을 제공하고, 회전 중 안정성을 높이는 것.
• 산업용 및 보조 로봇 환경에서 일상적인 물체를 단일 손으로 조작할 수 있도록 하여 전용 종단 효과기나 외부 센서에 대한 의존도를 줄이는 것.

제안 방법

• 일관된 작동과 하중 하에서의 수렴 방지를 위해 맞춤형 금형을 사용해 소프트하고 유연한 손가락을 설계 및 3D 프린팅하는 것.
• 압축 공기를 이용한 기계적 공기압 구동을 통해 손가락의 굽힘과 펴짐을 실현하여 쥐기와 놓기 기능을 수행하는 것.
• 물체를 손 안에서 재배치하기 위해 360°를 완전히 돌릴 수 있도록 회전 팔 메커니즘을 통합하는 것.
• 손바닥에 진공 흡착 컵을 통합하여 보조 그립을 제공하고, 회전 중 안정성을 향상시키며, 손가락이 완전히 작동하지 않을 경우에도 물체를 조작할 수 있도록 하는 것.
• 손가락 구동과 팔 회전을 순차적으로 제어하기 위해 모듈러한 제어 시스템을 통합하는 것.
• 복잡한 센서나 실시간 피드백이 필요 없이 기계적 탄성과 진공 보조 고정에 의존하는 피드백 없는 제어 전략을 적용하는 것.

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

실험 결과

연구 질문

• RQ1 회전 팔을 갖춘 소프트 로봇 그립퍼는 고정밀 센서나 복잡한 제어 알고리즘에 의존하지 않고도 다양한 종류의 물체에 대해 안정적인 손 안에서 재배치를 수행할 수 있는가?
• RQ2 손바닥에 진공 흡착 컵을 추가함으로써 고속 회전 중 그립 안정성과 물체 유지력이 어떻게 향상되는가?
• RQ3 3D 프린팅된 소프트 손가락이 전통적인 실리콘 몰딩 손가락에 비해 그립 일관성과 물체 조작 신뢰성 측면에서 얼마나 뛰어나게 성능을 발휘하는가?
• RQ4 그립퍼는 파손 가능성이 높거나 실린더형, 탄성 있는 물체를 포함한 다양한 형태, 무게, 재질의 물체를 슬립 없이나 제어를 잃지 않고 효과적으로 조작할 수 있는가?
• RQ5 크거나 비정형 모양의 물체를 다룰 경우 현재 설계의 기계적 및 작동적 제약은 무엇인가?

주요 결과

• 그립퍼는 62g 이하의 물체를 600°/초를 초과하는 속도로 슬립 없이 안정적으로 손 안에서 재배치하는 데 성공하여 고속이고 안정적인 손 안 재배치를 입증했다.
• 3D 프린팅된 손가락은 실린더형이나 무거운 물체(예: 58g 테이프 감은 것)를 회전하는 동안 기존의 몰딩 실리콘 손가락보다 더 나은 그립 유지 성능을 보였다.
• 손바닥의 진공 흡착 컵은 손가락과 무관하게 물체를 들어 올리고 안정화하는 데 충분한 고정력을 제공하여 이중성과 신뢰성을 추가했다.
• 테니스 볼(62g), 스투코폼 계란, 실린더형 용기, 고무 장갑 등 다양한 종류의 물체에 대해 일관된 성능을 유지했으며, 천으로 된 물체만 손가락 위로 떨어지거나 뒤덮이는 현상이 발생했다.
• 팔 회전 메커니즘 덕분에 물체를 손 안에서 360° 완전한 재배치가 가능했으며, 인간 사용자에게 최적의 손 건네기 방향을 확보할 수 있었다.
• 비대칭 무게 분포를 가진 물체를 다룰 때도 팔의 진공 그립이 기울어짐과 슬립을 방지하여 설계의 견고함을 입증했다.

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