[논문 리뷰] GelSight Svelte Hand: A Three-finger, Two-DoF, Tactile-rich, Low-cost Robot Hand for Dexterous Manipulation

Jialiang Zhao, Edward H. Adelson|arXiv (Cornell University)|2023. 09. 19.

Advanced Sensor and Energy Harvesting MaterialsEngineering인용 수 3

한 줄 요약

GelSight Svelte Hand는 두 대의 오프더쇼프 서보 모터를 사용하여 정밀, 중간, 강력한 잡기와 같은 다양한 잡기 방식을 가능하게 하는 저비용, 3지지형 로봇 손입니다. 반투명한 실리콘 피부를 가진 유연성 있는 프레임에 내장된 세 대의 저비용 카메라를 통해 손가락 전체에 걸쳐 고해상도의 접촉 피드백을 제공하는 풀 손가락 触각 감지 기능을 실현하여, 기계적으로 단순하고 비용 효율적인 다지능 조작 기술을 제공합니다.

ABSTRACT

This paper presents GelSight Svelte Hand, a novel 3-finger 2-DoF tactile robotic hand that is capable of performing precision grasps, power grasps, and intermediate grasps. Rich tactile signals are obtained from one camera on each finger, with an extended sensing area similar to the full length of a human finger. Each finger of GelSight Svelte Hand is supported by a semi-rigid endoskeleton and covered with soft silicone materials, which provide both rigidity and compliance. We describe the design, fabrication, functionalities, and tactile sensing capability of GelSight Svelte Hand in this paper. More information is available on our website: \url{https://gelsight-svelte.alanz.info}.

연구 동기 및 목표

• 액추에이터의 자유도나 복잡성을 증가시키지 않고도 다수의 잡기 방식을 지원할 수 있는 저비용이고 기계적으로 단순한 로봇 손을 설계하는 것.
• 손가락 끝뿐만 아니라 모든 손가락 전체에 걸쳐 넓은 접촉 면적에서 고해상도의 풍부한 촉각 피드백을 제공하는 것.
• 15° 모터 오차와 플립퍼 유사한 손가락 배열을 활용하여 세 개의 손가락에 대해 단지 두 대의 서보 모터만으로도 다지능 조작을 가능하게 하는 것.
• 레고 블록 조작 및 도구 잡기와 같은 정밀성, 강도, 촉각 피드백이 요구되는 실제 작업에서의 실용성을 입증하는 것.
• 로봇 공학 연구 및 적용 분야에서의 광범위한 보급을 위해 유연성, 강성, 촉각 감지 능력을 균형 잡고 설계 가능한 스케일러블하고 제작 가능한 솔루션을 만드는 것.

제안 방법

• 손은 세 개의 GelSight Svelte 촉각 손가락을 사용하며, 각 손가락은 반유연한 내골격과 부드러운 실리콘 피부를 갖추어 기계적 강성과 유연한 접촉을 동시에 확보합니다.
• 각 손가락은 곡면 거울을 활용해 단일 카메라로도 연장된 곡면 전체에 걸쳐 풀 손가락 촉각 감지를 가능하게 하여 최소한의 하드웨어로 최대한의 감지 면적을 확보합니다.
• 두 대의 서보 모터가 손을 구동합니다: 하나는 손가락 1(엄지처럼 작동)을 3:1 기어비로 제어하고, 다른 하나는 손가락 2와 3를 함께 플립퍼 방식으로 제어하며, 모터 간에 15°의 각도 오차를 두어 다양한 잡기 모드를 가능하게 합니다.
• 잡기 모드는 세 단계 제어 시퀀스를 통해 실행됩니다: 손가락 1을 열고, 목표 각도로 플립퍼(손가락 2 및 3)를 위치시킨 후, 토크 제어 방식으로 손가락 1을 닫습니다.
• 촉각 신호는 카메라 기반 감지 시스템을 통해 실시간으로 캡처되며, 광학 시뮬레이션을 통해 카메라의 시야 내에서 감지 피부 전체가 커버됨을 보장합니다.
• 오프더쇼프 부품을 사용하고 복잡한 배선이나 센서 어레이를 피하는 방식으로 비용과 복잡성을 최소화하면서도, 손가락 전체 표면에서 고해상도의 촉각 해상도를 유지합니다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2-DoF 로봇 손이 액추에이터 복잡성을 증가시키지 않고도 인간과 유사한 정밀, 중간, 강력한 잡기 모드를 모두 구현할 수 있는가?
• RQ2 세 대의 저비용 카메라와 컴act한 광학 설계만으로도 고공간 해상도의 풀 손가락 촉각 감지를 실현할 수 있는가?
• RQ3 반유연한 내골격과 실리콘 피부를 사용할 때, 부드럽고 촉각 감지 능력이 있는 로봇 손에서 기계적 유연성과 기계적 강성을 어떻게 균형 잡을 수 있는가?
• RQ4 넓은 접촉 면적에서의 풍부한 촉각 피드백이 실제 작업, 예를 들어 물체 들기 및 비틀기 작업에서 조작 성능을 얼마나 향상시킬 수 있는가?
• RQ5 최소한의 하드웨어와 제어 오버헤드로도 다지능 조작을 지원할 수 있는 저비용, 확장 가능하고 제작 가능한 로봇 손을 구현하는 것이 가능한가?

주요 결과

• GelSight Svelte Hand는 단지 두 대의 서보 모터와 15° 모터 오차를 활용하여 정밀, 중간, 세 손가락 대칭 잡기와 같은 세 가지의 고유한 잡기 모드를 성공적으로 수행합니다.
• 각 손가락에 단일 카메라를 사용하여 곡면 거울을 활용해 손가락 전체 길이에 걸쳐 풀 손가락 촉각 감지를 실현하며, 고해상도의 접촉 피드백을 제공합니다.
• 정밀 잡기 모드에서 손가락 1과 손가락 2 끝 사이의 최대 개구는 63 mm이며, 레고 블록과 같은 작은 정밀 물체를 다룰 수 있는 데 충분합니다.
• 중간 잡기 모드에서 손가락 1의 중앙과 손가락 3의 측면 사이의 최대 개구는 80 mm에 달하여 스크류드라이버와 같은 도구를 안정적으로 다룰 수 있습니다.
• 세 손가락 대칭 잡기 모드에서는 최대 개구가 72 mm에 달하며, 손가락 1에서 정규력은 2.5 N, 탄성력은 최대 6.3 N까지 제공되어 높은 강도와 안정성을 입증합니다.
• 물체를 잡는 작업 중 수집한 촉각 이미지에서 질감과 접촉 분포의 세부 정보를 명확히 확인할 수 있었으며, 이는 시스템이 조작 상태 추정을 위한 공간적으로 분해능이 높은 피드백을 제공할 수 있음을 확인합니다.