[논문 리뷰] RBO Hand 3 -- A Platform for Soft Dexterous Manipulation

Steffen Puhlmann, Jason B. Harris외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 26.

Robot Manipulation and Learning인용 수 8

한 줄 요약

RBO Hand 3는 16개의 독립적인 풍압 액추에이터를 갖춘 부드럽고 인간형의 로봇 손으로, 내재된 유연성과 환경 제약의 활용을 통해 높은 민첩성과 내구성을 실현합니다. 전체 카판지 테스트 점수를 확보하고, GRASP 분류법의 33가지 그립 유형을 모두 수행하며, 손 안에서의 조작 기능을 제공하여 고도의 민첩한 조작 연구 플랫폼으로서의 효과성을 입증합니다.

ABSTRACT

We present the RBO Hand 3, a highly capable and versatile anthropomorphic soft hand based on pneumatic actuation. The RBO Hand 3 is designed to enable dexterous manipulation, to facilitate transfer of insights about human dexterity, and to serve as a robust research platform for extensive real-world experiments. It achieves these design goals by combining many degrees of actuation with intrinsic compliance, replicating relevant functioning of the human hand, and by combining robust components in a modular design. The RBO Hand 3 possesses 16 independent degrees of actuation, implemented in a dexterous opposable thumb, two-chambered fingers, an actuated palm, and the ability to spread the fingers. In this work, we derive the design objectives that are based on experimentation with the hand's predecessors, observations about human grasping, and insights about principles of dexterity. We explain in detail how the design features of the RBO Hand 3 achieve these goals and evaluate the hand by demonstrating its ability to achieve the highest possible score in the Kapandji test for thumb opposition, to realize all 33 grasp types of the comprehensive GRASP taxonomy, to replicate common human grasping strategies, and to perform dexterous in-hand manipulation.

연구 동기 및 목표

• 실생활 조작 실험을 위한 고도의 민첩성, 유연성, 내구성을 갖춘 부드러운 로봇 손을 개발하는 것.
• 인간의 민첩한 조작 전략을 인간형 설계와 내재된 유연성으로 로봇 시스템에 이행할 수 있도록 하는 것.
• 자주 수리가 필요하지 않은 장기적인 실험을 위한 신뢰성 있고 모듈식인 연구 플랫폼을 만드는 것.
• 내구성 있고 반복 가능한 상호작용을 통해 고정밀 데이터 수집을 가능하게 하여 기계학습 기반 조작을 지원하는 것.
• 고급 센서 및 제어 기술 통합을 통해 반응성과 성능을 향상시켜 소프트 로봇 공학을 발전시키는 것.

제안 방법

• 손은 높은 자유도를 확보하기 위해 16개의 독립적인 풍압 액추에이터를 사용하며, 민첩하고 반대되는 엄지손가락과 구동 가능한 손바닥을 포함합니다.
• 저비용의 부드러운 재료(예: 직물, 실리콘 고무)를 사용한 모듈식 설계를 통해 빠른 프로토타이핑과 내구성을 확보합니다.
• 기계적 탄성을 활용해 물체의 형태에 수동적으로 적응하고 접촉 동역학을 감소시킵니다.
• 표면과 벽과 같은 환경 제약을 활용하여 그립 및 조작의 불확실성을 줄입니다.
• 제어는 이진(on/off) 상태를 갖는 풍압 밸브를 기반으로 하지만, 향후 비례 밸브를 사용해 더 부드러운 액추에이션을 구현할 계획입니다.
• 부드러운 센서를 활용한 감지 피드백 개발 중이며, 이는 액체 금속 스트레인 센서, 편광 저항성 직물, 그리고 접촉 감지 및 힘 추정을 위한 음향 감지 기술을 포함합니다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 부드러운 로봇 손이 엄지손가락 반대 능력 테스트에서 최고 점수를 확보할 수 있는가?
• RQ2 부드러운 로봇 손이 GRASP 분류법의 33가지 그립 유형을 모두 수행할 수 있는가?
• RQ3 부드러운 로봇 손이 환경 제약을 활용하는 일반적인 인간의 그립 전략을 재현할 수 있는가?
• RQ4 부드러운 로봇 손이 외부 피드백 없이 내재된 탄성과 오픈 루프 제어만으로 손 안에서의 민첩한 조작을 수행할 수 있는가?
• RQ5 접촉이 많은 조작 실험을 위한 신뢰성 있고 장기적인 연구 플랫폼으로서 부드러운 로봇 손을 어떻게 설계할 수 있는가?

주요 결과

• RBO Hand 3는 카판지 테스트에서 최고 점수를 확보하여 완전한 엄지손가락 반대 능력을 입증했습니다.
• 손은 GRASP 분류법의 33가지 그립 자세를 모두 성공적으로 수행하여 높은 재구성 가능성과 민첩성을 확인했습니다.
• 탁상 실험에서 손은 인간 손과 유사한 가장 일반적인 그립 전략을 재현했으며, 환경 제약의 활용을 포함하여 내구성과 인간 손과의 功能 유사성을 입증했습니다.
• 손은 외부 힘 39 N까지 견딜 수 있는 강력한 기계적 내구성을 보였으며, 물체 뽑기 실험에서 검증되었습니다.
• 손은 외부 피드백 없이도 탄성 있고 구동 가능한 제약 조건을 재구성하여 물체를 돌리는 손 안에서의 조작을 성공적으로 수행했습니다.
• 손의 내재된 탄성 덕분에 불확실성 하에서 강력하고 민감한 조작이 가능해졌으며, 복잡한 센서 및 제어 시스템의 필요성을 줄였습니다.