[논문 리뷰] Design and Kinematic Optimization of a Novel Underactuated Robotic Hand Exoskeleton

Mine Saraç, Massimiliano Solazzi외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 05. 07.

Stroke Rehabilitation and Recovery참고 문헌 16인용 수 37

한 줄 요약

논문은 각 손가락마다 단일 선형 액추에이터를 사용하는 새로운 언더액추에이티드, 링키지 기반의 손 보조 외골격을 제안하고, 그 운동학과 정역학을 분석하며, 힘 전달과 파지 적응성을 극대화하기 위해 링크 길이를 최적화한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 평면형의 언더액추에이티드 손 외골격을 소개하고, 손가락 말단 뼈에만 법선 방향의 힘을 작용시킨다.
• 기계적 조정 없이 다양한 손가락 크기와 파지 형태에 자동으로 적응하도록 보장한다.
• 포즈, 정역학, 그리고 파지 안정성을 분석하여 높은 힘 전달을 위한 링크 길이를 최적화한다.
• 다중 손가락 프로토타입으로 실현 가능성을 시연하고 다양한 물체에 대한 파지를 평가한다.

제안 방법

• 엄지의 벌림/벌림(adduction/abduction)을 제외한 평면 개방 체인으로 손가락을 모델링한다.
• 손가락 골단에 수동 슬라이더를 부착하고 각 손가락 구성요소를 단일 선형 액추에이터로 구동한다.
• 네 개의 독립 벡터 루프를 사용해 자세 해석을 수행하고, 손가락 자세와 액추에이터 변위로부터 고유 구성을 얻는다.
• 액추에이터 속도와 측정 속도를 손가락 관절 속도에 연결하기 위한 미분 운동학 야코비안(Jacobian)을 도출한다.
• 역 야코비안 전치에 의한 정역학 파지 해석을 수행하고, 액추에이터 힘을 손가락 관절 토크에 연결한다.
• 링크 길이를 제약이 있는 포괄적 탐색과 민감도 분석으로 최적화하여, 관절 범위와 안전 비율을 준수하면서 결합 토크 척도 합을 최대화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 그립 도중 손가락 골단에 안정적으로 수직 힘을 전달하는 언더액추에이터 링키지 기반 손 외골격은 어떻게 달성될 수 있는가?
• RQ2 다양한 손 크기에 대해 자연스러운 관절 범위를 보존하면서 힘 전달을 극대화하는 링크 길이 구성은 무엇인가?
• RQ3 각 손가락당 단일 액추에이터가 모양과 크기가 다양한 물체에 걸쳐 자연스러운 파지를 충분히 수행할 수 있는가?
• RQ4 제안된 기기로 안전하고 효과적인 파지를 보장하기 위한 운동학 및 정역학 제약은 무엇인가?

주요 결과

• 최적화된 다손가 외골격은 검지의 경우 MCP 0–80°, PIP 0–90°의 실제적인 손가락 관절 범위를 가능하게 한다.
• 감도 분석은 여섯 개의 주요 링크 길이(EJ, CI, EF, ED, CD, BC)가 성능에 가장 큰 영향을 준다는 것을 확인했다.
• 제약을 가진 전수 탐색은 초기 구성보다 성능 지수 p를 약 50% 증가시킨다.
• 지수(검지) 손가락 구현은 3D 프린팅으로 최대 굴곡/신전 구성을 달성했다.
• 설계는 소형, 중형, 대형의 손 크기에도 적용 가능하여 넓은 사용성을 시사한다.