Design and Implementation of a Multi-Fingered Hand using a Spring Backbone

Abstract

로봇이 물체를 잡거나 접촉할 때 발생할 수 있는 충격, 손상 등의 문제를 해결하기 위한 소프트 핑거에 대한 연구가 많이 진행되고 있다. 기존에 개발된 소프트 핑거는 손가락 끝 부분에 유연한 핑거 팁을 달아 충격을 방지, 흡수하는 방식이다. 그러나 이러한 메커니즘들은 힘반영의 기능을 지니고 있지 않다. 또한 대부분의 손가락 메커니즘은 손가락 말단을 제외하고 휨이 없는 강체이다. 따라서 본 논문에서는 구조적으로 유연하며 백드라이브 가능한 새로운 소프트 핑거 메커니즘을 제안한다. 먼저, 스프링과 와이어를 이용한 4 자유도 소프트 핑거 메커니즘의 구조를 제시하고, 기하학을 이용하여 기구학 모델을 유도한다. 또한 와이어를 이용하여 각 손가락 마디를 제어하는 방법을 소개하고 마지막으로, 소개된 제어 방법을 이용하여 소프트 핑거가 주어진 경로를 따라 구동되는 실험 결과를 제시하여 제안한 소프트 핑거의 성능을 입증한다. 입증된 소프트 핑거를 이용하여 서비스 로봇에 응용할 수 있는 다지손 메커니즘을 소개한다. 사람의 손을 본 떠 손바닥과 5개의 손가락으로 구성된 이 메커니즘은 와이어 3개로 5개의 손가락을 동시에 제어한다. 먼저, 풀리와 와이어를 이용한 다지손 메커니즘의 손바닥 내부 구조를 제시하고, 다지손 메커니즘의 전체적인 모습과 특징을 소개한다. 마지막으로 물체를 잡는 동작과 수직방향으로 물체를 드는 동작의 실험을 통하여 다지손 메커니즘의 유용성을 입증하고 사람의 몸과의 충돌 실험을 통하여 안전성을 입증한다.; As many human-like robots have been developed, the robots have become familiar with human. Especially in the area of service robots, robot hands operate with human or contact with the human body directly. Therefore the grasping robots must require safety for a human. In this thesis, a new soft finger mechanism using a spring as a backbone is proposed. It is a 4 DOF mechanism that consists of a spring and 3 cylinders, which behave like joints with 3 up-and-down rotations and 1 left-and-right rotation. To control each joint, cylinders have small holes in their cross-sectional areas, and wires of different length are penetrated into these holes. Each joint can be controlled by pulling the corresponding wire. The forward kinematics is solved by using the geometry of mechanism. And the relationship (Jacobian) between the linear velocity of the wires and the joint angular rate is obtained. A virtual simulator is developed to test the validity of the kinematic model. In the experiment, first, the position control is conducted by tracking a given trajectory. Second, the flexibility and safety of the mechanism is proved by showing that the soft finger is deflected in a safe manner, in spite of the collision with environment. Also, an underactuated soft multi-fingered hand applying the 2 DOF soft finger is presented. The structure and the kinematics of the 2 DOF soft finger are introduced and the soft multi-fingered hand using five 2 DOF soft fingers is presented. Three wires are used to control the grasping behavior of this device. Finally, usefulness of the multi-fingered hand is demonstrated through experimental work for grasping objects, lifting objects, and verifying the flexibility and safety of the hand.