[논문 리뷰] PAPRAS: Plug-And-Play Robotic Arm System

Joohyung Kim, Dhruv C Mathur외 2명|arXiv (Cornell University)|2023. 02. 19.

Advanced Manufacturing and Logistics Optimization인용 수 13

한 줄 요약

PAPRAS는 도킹 마운트와 오픈 소스 소프트웨어를 갖춘 경량 모듈식 플러그-앤-플레이 로봇 팔 시스템으로, 낮은 지연 멀티에이전트 제어를 가능하게 하며, 주방, 커피 제조, 모바일, 수트업 작업에서 시연됩니다.

ABSTRACT

This paper presents a novel robotic arm system, named PAPRAS (Plug-And-Play Robotic Arm System). PAPRAS consists of a portable robotic arm(s), docking mount(s), and software architecture including a control system. By analyzing the target task spaces at home, the dimensions and configuration of PAPRAS are determined. PAPRAS's arm is light (less than 6kg) with an optimized 3D-printed structure, and it has a high payload (3kg) as a human-arm-sized manipulator. A locking mechanism is embedded in the structure for better portability and the 3D-printed docking mount can be installed easily. PAPRAS's software architecture is developed on an open-source framework and optimized for low-latency multiagent-based distributed manipulator control. A process to create new demonstrations is presented to show PAPRAS's ease of use and efficiency. In the paper, simulations and hardware experiments are presented in various demonstrations, including sink-to-dishwasher manipulation, coffee making, mobile manipulation on a quadruped, and suit-up demo to validate the hardware and software design.

연구 동기 및 목표

• 가정/인간-로봇 협업에 적합한 휴대 가능하고 가벼운 고적재용 로봇 팔 설계.
• 플러그 앤 플레이 배치를 가능하게 하는 모듈식 도킹 시스템 개발 및 쉬운 휴대성 확보.
• 저지연 멀티에이전트 분산 제어에 최적화된 오픈 소스 소프트웨어 아키텍처 개발.
• 주방 작업, 커피 제조, 모바일 조작, 보조 의상 착용 시연에서 하드웨어와 소프트웨어를 시뮬레이션 및 실제 시연으로 검증.

제안 방법

• 주방 테이블 주변의 작업 공간에 맞게 6-DoF 팔을 만들도록 OpenMANIPULATOR-P를 수정하고 두 가지 버전(짧은 버전과 긴 버전) 최적화.
• 플러그앤플레이 마운트와 휴대성을 가능하게 하는 남/여 구간과 잠금 기능이 있는 도킹 메커니즘 구현.
• 가볍고 3D 프린트 링크 및 토폴로지 최적화를 활용해 무게를 줄이되 강성 및 유효 만능 페이로드 유지.
• 전역 매개변수 서버, 인지, 계획, 제어, 하드웨어 인터페이스를 갖춘 오픈 소스 ROS Noetic 기반 소프트웨어 아키텍처 개발.
• 단일 또는 다수의 호스트 컴퓨터에서 여러 팔을 제어할 수 있는 저지연 분산 제어 프레임워크 사용.
• 인지(DOPE, OpenPose), 계획(MoveIt, TRAC-IK, OMPL) 및 시뮬레이션(Gazebo)을 통합해 자율 조작 및 작업 시연 가능하게 함.

Figure 1 : PAPRAS mounted in various environments using the plug-and-play feature and executing manipulation tasks.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 가정 환경에서 안전하고 효과적으로 작동하도록 휴대 가능한 플러그 앤 플레이 로봇 팔 시스템을 어떻게 설계할 수 있는가?
• RQ2 도킹 마운트와 경량 3D 프린팅 링크가 휴대성을 보장하면서 충분한 페이로드를 유지할 수 있는가?
• RQ3 통합 소프트웨어 스택이 분산 컴퓨팅 유닛 간의 저지연 멀티에이전트 조작을 가능하게 하는가?
• RQ4 PAPRAS가 싱크에서 식기 세척기, 커피 제조, 보행형 모바일 조작, 수트업에 이르는 다양한 시연을 수행하여 하드웨어와 소프트웨어 통합을 검증할 수 있는가?

주요 결과

• PAPRAS 암의 무게는 버전에 따라 약 4.77–4.89 kg이고, 페이로드는 2.5–3 kg이다.
• 800–900 mm 도달 범위를 갖춘 6-DoF OpenMANIPULATOR-P 기반 설계는 주방 및 설거지 작업의 작업 공간 요구를 충족한다.
• 토폴로지 최적화 및 3D 프린팅은 강성 유지하면서 링크 무게를 감소시킨다(링크 2: 644.0 g에서 231.9 g; 링크 3: 496.0 g에서 211.6 g; 링크 5: 114.0 g에서 35.7 g).
• 도킹 마운트는 팔의 잠금 해제를 쉽게 가능하게 하여 플러그 앤 플레이 배치 및 휴대성을 용이하게 한다.
• ROS Noetic 기반의 소프트웨어 스택은 저지연 멀티에이전트 제어, 인지, 계획 및 시뮬레이션을 지원하여 싱크에서 식기 세척기까지의 시연, 커피 제조 및 의복 착용 작업을 가능하게 한다.
• 하드웨어 실험은 주방 환경에서 페이로드 취급 및 모션 플래닝을 검증했다.

(a) Table (top)