Robotic Finger Design with Human Musculoskeletal Characteristics

Abstract

What the manipulator can perform is determined by what the end-effectors, including the robotic hand, can do because it is the gateway that directly interacts with the surrounding environment or objects. In order for robots to have human-level task performance in a human-centered environment, the robotic hand with human-hand-level capabilities is essential. Here, the human-hand-level capabilities include not only force-speed, and dexterity, but also size and weight. However, to our knowledge, no robotic hand exists that simultaneously realizes the weight, size, force, and dexterity of the human hand and continues to remain a challenge. In this thesis, to improve the performance of the robotic hand, the modular robotic finger design with three novel mechanisms based on the musculoskeletal characteristics of the human hand was proposed.

First, the tendon-driven robotic finger with intrinsic/extrinsic actuator arrangement like the muscle arrangement of the human hand was proposed and analyzed. The robotic finger consists of five different tendons and ligaments. By analyzing the fingertip speed while a human is performing various object grasping motions, the actuators of the robotic finger were separated into intrinsic actuators responsible for slow motion and an extrinsic actuator that performs the motions requiring both large force and high speed.

Second, elastomeric continuously variable transmission (ElaCVT), a new concept relating to continuously variable transmission (CVT), was designed to improve the performance of the electric motors remaining weight and size and applied as an extrinsic actuator of the robotic finger. The primary purpose of ElaCVT is to expand the operating region of a twisted string actuator (TSA) and duplicate the force-velocity curve of the muscles by passively changing the reduction ratio according to the external load applied to the end of the TSA. A combination of ElaCVT and TSA (ElaCVT-TSA) is proposed as a linear actuator. With ElaCVT-TSA, an expansion of the operating region of electric motors to the operating region of the muscles was experimentally demonstrated.

Finally, as the flexion/extension joints of the robotic finger, anthropomorphic rolling contact joint, which mimicked the structures of the human finger joint like tongue-and-groove, and collateral ligaments, was proposed. As compliant joints not only compensate for the lack of actuated degrees of freedom of an under-actuated system and improve grasp stability but also prevent system failure from unexpected contacts, various types of compliant joints have been applied to end-effectors. Although joint compliance increases the success rate of power grasping, when the finger wraps around large objects, it can reduce the grasping success rate in pinch gripping when dealing with small objects using the fingertips. To overcome this drawback, anthropomorphic rolling contact joint is designed to passively adjust the torsional stiffness according to the joint angle without additional weight and space. With the anthropomorphic rolling contact joint, the stability of pinch grasping improved.

엔드이팩터는 로봇과 주변 환경이 상호작용하는 통로로 매니퓰레이터가 수행할 수 있는 작업은 엔드이펙터의 성능에 제한된다. 사람 중심의 환경에 로봇이 적용되어 사람 수준의 다양한 작업을 수행하기 위해서는 사람 손 수준의 성능을 갖는 로봇 손이 필수적이며 사람 손 수준의 성능은 단순히 힘-속도, 자유도만을 포함하는 것이 아닌 크기와 무게 그리고 물체 조작에 도움을 주는 여러 손 특성도 포함한다. 그러나 현재까지 사람 손 수준의 무게, 크기, 힘 그리고 자유도를 모두 만족시키는 로봇 손은 개발되지 않았으며 여전히 도전적인 과제로 남아있다. 본 논문에서는 로봇 손가락의 성능을 향상하기 위하여 사람의 근골격 특성을 반영한 세 가지의 새로운 메커니즘을 제안하고 이를 통합한 모듈형 로봇 손가락 구조를 보인다.

첫 번째로, 사람의 손 근육 배치와 유사한 내재/외재 구동기 배치를 적용한 힘줄 구동 로봇 손가락 구조를 제안하고 분석한다. 로봇 손가락은 다섯 개의 서로 다른 힘줄과 인대로 구성된다. 사람 손동작 분석에 기반하여 로봇 손가락의 구동기는 느린 속도를 담당하는 내재 구동기와 빠르고 큰 힘이 모두 요구되는 외재 구동기로 구분된다.

두 번째로, 구동기의 크기와 무게를 유지하며 성능을 향상하기 위하여 새로운 개념의 무단 변속기 Elastomeric Continuously Variable Transmission (ElaCVT) 을 제안하고 이를 로봇 손가락의 외재 구동기에 적용하였다. ElaCVT는 선형 구동기의 작동 영역을 확장하고 출력단에 가해지는 외부 하중에 따라 감속비를 수동적으로 변경하여 근육의 힘-속도 곡선을 모사할 수 있다. 본 연구에서는 근육의 특성을 모사하기 위해 선형 액추에이터로 ElaCVT에 줄 꼬임 메커니즘을 적용한 ElaCVT-TSA를 제안, 근육의 동작 영역을 모사할 수 있음을 보였다.

마지막으로 로봇 손가락의 모든 굽힘/펼침 관절에 적용된 사람의 관절구조를 모사한 유연 구름 접촉 관절 (Anthropomorphic Rolling Contact joint)을 제안한다. Anthropomorphic rolling contact joint는 사람 관절의 tongue-and-groove 형상과 collateral ligament를 모사하여 관절의 안정성을 향상시켰다. 기존의 유연 관절과 달리 관절이 펴진 상태에서는 유연한 상태를 유지하며 굽혀진 상태에서는 강성이 증가한다는 특징을 갖는다. 특히, 강성 변화에 별도의 구동기가 요구되지 않아 기존의 관절에서 무게, 크기 증가 없이 해당 특징 구현이 가능하다. 이는 로봇 손가락에 적용되어 손가락을 펴고 물체를 탐색하는 과정에서는 충격을 흡수하여 안정적인 접촉을 구현할 수 있으며 물체를 파지하는 과정에서는 손가락을 굽혀 강인하게 물체를 파지할 수 있게 한다. Anthropomorphic rolling contact joint를 적용한 그립퍼를 이용하여 제안하는 가변 강성 유연 관절이 pinch grasping의 파지 안정성을 높임을 보였다.