[论文解读] 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)|Sep 19, 2023

Advanced Sensor and Energy Harvesting MaterialsEngineering被引用 3

一句话总结

GelSight Svelte Hand 是一款低成本、三指式机械手，仅具备两个自由度，通过两台现成的伺服电机实现精密抓握、中等抓握和力量抓握。它通过在半刚性硅胶皮肤手指中嵌入三台低成本摄像头，实现全指触觉传感，提供大表面积的高分辨率接触反馈——为灵巧操作提供一种机械结构简单、成本低廉的触觉感知解决方案。

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}.

研究动机与目标

• 设计一款低成本、机械结构简单的机械手，无需增加自由度或复杂性，即可实现多种抓握模式。
• 在所有手指上实现丰富、高分辨率的触觉反馈，覆盖大面积接触区域，而不仅限于指尖。
• 通过利用15°电机偏移和类似翻板的指节布局，仅使用两台伺服电机控制三根手指，实现最小化驱动的灵巧操作。
• 在真实世界任务中展示其实际应用价值，例如需要高精度、高强度和触觉反馈的任务，如乐高积木抓取和工具抓握。
• 设计一种可扩展、可制造的结构，在柔顺性、刚性和触觉传感之间取得平衡，推动其在机器人研究与应用中的广泛应用。

提出的方法

• 该机械手采用三根 GelSight Svelte 触觉手指，每根手指均具有半刚性内骨骼和柔软硅胶皮肤，兼顾结构刚性与柔性接触。
• 每根手指集成一台摄像头，并配合曲面反光镜，实现对长条形曲面的全长触觉传感，以最少的硬件实现最大化的传感面积。
• 两台伺服电机驱动整个机械手：一台控制手指1（类似拇指），采用3:1齿轮比；另一台同时驱动手指2和3作为翻板结构，两台电机之间存在15°的夹角偏移，以实现多种抓握模式。
• 通过三步控制器序列执行抓握模式：先打开手指1，再将翻板结构（手指2和3）调整至目标角度以实现所需抓握，最后在扭矩控制下闭合手指1。
• 触觉信号通过基于摄像头的传感系统实时捕获，光学仿真确保传感皮肤在摄像头视场内的全覆盖。
• 通过使用现成组件并避免复杂的布线或传感器阵列，该设计在保持全指表面高触觉分辨率的同时，最大限度降低制造成本与复杂性。

实验结果

研究问题

• RQ1 一个2-DoF的机械手是否能在不增加驱动复杂性的情况下，实现多种类人抓握模式——包括精密抓握、中等抓握和力量抓握？
• RQ2 仅使用三台低成本摄像头和紧凑的光学设计，是否能够实现全指高空间分辨率的触觉传感？
• RQ3 如何在采用半刚性内骨骼和硅胶皮肤的软性触觉机械手中，平衡机械柔顺性与结构刚性？
• RQ4 来自大接触区域的丰富触觉反馈在多大程度上能提升真实任务中（如物体抓持和扭转）的操作性能？
• RQ5 是否可行设计出一款低成本、可扩展、可制造的机械手，以最少的硬件和控制开销支持灵巧操作？

主要发现

• GelSight Svelte Hand 仅使用两台伺服电机和15°电机偏移，成功实现了三种不同的抓握模式——夹持、侧向抓握和三指对握。
• 该机械手通过每根手指仅配备一台摄像头，利用曲面反光镜实现全指触觉传感，覆盖手指全长，提供高分辨率的接触反馈。
• 在夹持抓握模式下，手指1与手指2指尖之间的最大张开距离为63 mm，足以处理小型精密物体（如乐高积木）。
• 在侧向抓握模式下，手指1中部与手指3侧面之间的最大张开距离达到80 mm，可稳定抓握螺丝刀等工具。
• 三指对握抓握模式的最大张开距离为72 mm，手指1处可提供2.5 N的法向指尖力和高达6.3 N的切向力，展现出高力量与稳定性。
• 在物体抓持任务中采集的触觉图像清晰显示了纹理分布与接触区域细节，证实该系统能够为操作状态估计提供丰富且空间分辨的反馈。