[论文解读] Fast 3D Modeling of Anthropomorphic Robotic Hands Based on A Multi-layer Deformable Design

Li Tian, Hanhui Li+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 7, 2020

Robot Manipulation and Learning参考文献 33被引用 5

一句话总结

本文提出了一种快速、低成本、可定制的3D打印多层机器人手设计，其灵感源自人体解剖结构，集成了皮肤、软组织（通过同轴管结构实现）和骨骼层。通过3D扫描与一种快速模板匹配方法进行骨骼建模，并结合欠驱动系统实现运动控制，该手实现了高变形性，在抓取各类物体（包括丝状豆腐等易碎物品）方面优于以往设计。

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.

研究动机与目标

• 解决现有机器人手依赖单一结构设计（如仅刚性骨骼或仅软材料）所导致的鲁棒性、灵活性和类人程度降低的问题。
• 通过建模皮肤、组织和骨骼等多个人体解剖层次，提升定制化程度，降低制造成本与时间，并增强与人手的相似度。
• 利用3D扫描与自动骨骼重建技术，实现个性化机器人手的快速、精确3D建模。
• 通过基于同轴管的软组织层实现高变形性，其力学行为可通过管壁厚度显式控制。
• 采用欠驱动系统简化驱动方式，实现类似人手的自然手指屈伸轨迹。

提出的方法

• 3D扫描流程捕获目标人手的表面几何形状，用于个性化建模。
• 快速模板匹配算法从扫描表面数据中生成精确的3D骨骼模型，实现快速且自动化的骨骼重建。
• 组织层建模为由3D打印软材料制成的同轴管结构，其中管壁厚度（σ）控制变形性。
• 骨骼层通过3D打印形成刚性内部结构，并与执行器连接以实现受控的手指运动。
• 采用可调节绳索连接点的欠驱动肌腱驱动系统，实现自然的手指屈曲，最优配置（设计6）达到2.0 kg的拉力强度。
• 整个多层结构——包括皮肤、组织和骨骼——均通过低成本3D打印制造，实现快速、可定制且可扩展的生产。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过模仿人手解剖结构（皮肤、组织、骨骼）的多层机器人手设计，在变形性和类人程度上优于单一结构设计？
• RQ2 如何利用3D扫描与快速模板匹配技术，从表面扫描数据中生成准确、个性化的3D骨骼模型？
• RQ3 基于同轴管的软组织层在多大程度上能复现人手指的自然变形？其刚度是否可显式控制？
• RQ4 与现有设计相比，欠驱动肌腱系统在模拟手指屈曲过程中指尖轨迹的表现如何？
• RQ5 所提出的多层设计能否成功抓取标准物体及易碎物体（如丝状豆腐），并优于以往的机器人手系统？

主要发现

• 当管壁厚度σ = 0.4 mm时，基于同轴管的组织层最接近人手指的变形曲线，表现出最佳变形性。
• 所提出的欠驱动系统（设计6）最大拉力强度达到2.0 kg，显著优于设计2（0.91 kg），并实现了与人手运动高度相似的指尖轨迹。
• 该手成功抓取了Feix测试集中全部33种标准物体，包括丝状豆腐和玻璃珠等易碎且光滑的物体，这些物体对刚性或变形性较低的手而言极具挑战。
• 快速模板匹配方法实现了从表面扫描中快速且精确的3D骨骼模型生成，显著减少了设计时间和复杂度。
• 多层设计降低了对复杂驱动系统的需求，从而降低了成本与制造时间，同时保持了灵活性与鲁棒性。
• 3D扫描、3D打印与多层解剖结构的结合，实现了完全可定制、低成本且高度可变形的类人形机器人手。