[논문 리뷰] Fast 3D Modeling of Anthropomorphic Robotic Hands Based on A Multi-layer Deformable Design

Li Tian, Hanhui Li외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 11. 07.

Robot Manipulation and Learning참고 문헌 33인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 인간 해부학을 영감으로 삼아 빠르고 저비용이며 맞춤형 3D 프린팅이 가능한 다층 로봇 손 설계를 제안한다. 피부, 연조직(공심관 구조를 통한), 뼈 층을 통합하여 높은 변형 능력을 구현하며, 3D 스캔과 빠른 템플릿 매칭 방법을 활용해 뼈 모델링을 수행하고, 운동 제어를 위해 언더액チュ에이티드 시스템을 적용함으로써 다양한 물체, 특히 실크 토퍼와 같은 취약한 물체를 잡는 데서 이전 설계를 능가한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기존 로봇 손이 단일 구조 설계(예: 고정된 뼈 또는 순수 연질 재료)에 의존함으로써 내구성, 유연성, 인간형에 떨어지는 한계를 해결하기 위해.
• 피부, 조직, 뼈 등의 다양한 해부학적 층을 모델링하여 맞춤형 설계를 향상시키고, 제작 비용과 시간을 줄이며 인간 손에 가까운 외형을 향상시키기 위해.
• 3D 스캔과 자동 뼈 재구성 기술을 통해 개인화된 로봇 손의 빠르고 정확한 3D 모델링을 가능하게 하기 위해.
• 관통관 기반의 연조직 층을 통해 기계적 거동을 관리 가능한 두께(σ)로 제어함으로써 고도로 변형 가능한 성능을 달성하기 위해.
• 인간 손과 유사한 자연스러운 손가락 굽힘 및 펴짐 궤적을 구현할 수 있도록 언더액추에이티드 시스템을 활용해 액추에이션을 단순화하기 위해.

제안 방법

• 3D 스캔 파이프라인을 통해 대상 수체의 표면 기하학을 캡처하여 개인 맞춤형 모델링을 수행한다.
• 빠른 템플릿 매칭 알고리즘을 통해 스캔된 표면 데이터에서 정확한 3D 뼈 모델을 생성함으로써, 신속하고 자동화된 뼈 재구성을 가능하게 한다.
• 조직 층은 3D 프린팅 가능한 연질 재료로 구성된 공심관 구조로 모델링되며, 관의 두께(σ)가 변형 능력을 제어한다.
• 뼈 층은 3D 프린팅된 고정된 내부 구조로, 손가락 운동을 제어하기 위한 액추에이터에 연결된다.
• 조절 가능한 줄 고정 지점이 있는 언더액추에이티드 테이던드라이브 시스템을 통해 자연스러운 손가락 굽힘을 구현하며, 최적의 구성(디자인 6)은 2.0 kg의 인장 강도를 달성한다.
• 피부, 조직, 뼈로 구성된 전체 다층 설계는 저비용 3D 프린팅을 통해 제작되어, 신속하고 맞춤형이며 확장 가능한 생산이 가능하다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 피부, 조직, 뼈 층을 모방한 다층 로봇 손 설계가 단일 구조 설계보다 변형 능력과 인간형에 더 뛰어난가?
• RQ2 3D 스캔과 빠른 템플릿 매칭는 표면 스캔에서 정확하고 개인화된 3D 뼈 모델을 어떻게 생성할 수 있는가?
• RQ3 공심관 기반의 연조직 층이 인간 손가락의 자연스러운 변형을 어느 정도 재현할 수 있으며, 그 강성은 명시적으로 제어 가능한가?
• RQ4 언더액추에이티드 테이던드라이브 시스템의 성능은 기존 설계 대비 굽힘 시 손끝 궤적을 얼마나 자연스럽게 재현하는가?
• RQ5 제안된 다층 설계는 표준 물체뿐 아니라 실크 토퍼와 같은 취약한 물체까지 성공적으로 쥘 수 있는가? 이는 이전의 로봇 손 시스템을 능가하는가?

주요 결과

• 관통관 기반의 조직 층에서 관의 두께 σ = 0.4 mm일 때 인간 손가락의 변형 곡선과 가장 유사하게 나타나 최적의 변형 능력을 보였다.
• 제안된 언더액추에이티드 시스템(디자인 6)은 최대 2.0 kg의 인장 강도를 달성하여 디자인 2(0.91 kg)를 크게 능가했으며, 손끝 궤적이 인간 손의 움직임과 유사하게 나타났다.
• 손은 테스트 세트의 33종의 표준 물체를 모두 성공적으로 쥐었으며, 실크 토퍼나 구슬과 같이 취약하고 매끄러운 물체도 빠르게 쥐는 데 성공했다. 이는 고정된 뼈나 변형 능력이 떨어지는 손에 비해 어려운 과제였다.
• 빠른 템플릿 매칭 방법을 통해 표면 스캔에서 빠르고 정확한 3D 뼈 모델 생성이 가능해져 설계 시간과 복잡성이 감소했다.
• 다층 설계 덕분에 복잡한 액추에이션 시스템의 필요성이 줄어들어 비용과 제작 시간이 감소했으며, 동시에 민첩성과 내구성은 유지되었다.
• 3D 스캔, 3D 프린팅, 다층 해부학적 구조의 조합은 완전히 맞춤형이며 저비용이며 고도로 변형 가능한 인간형 로봇 손을 실현한다.