Slack-based Sequencing for Underactuated Grasping in a Multi-Tendon Soft Robotic Glove with Bidirectional Motor Actuation = 다중 텐던 장갑형 로봇의 부족구동 파지를 위한 슬랙 기반 순차 구동 메커니즘의 개발 및 양방향 모터 구동의 활용

국문 초록 (Abstract)

인간의 손은 다양한 물체와의 상호작용을 가능하게 하는 파지(grasping) 기능 을 통해 일상생활에서 핵심적인 역할을 수행한다. 파지 동작은 물체에 접근하여 손의 자세를 형성하는 사전형성(pre-shaping 단계와, 손으로 물체를 감싸 고정하는 포위(enclosing) 단계의 두 연속적인 단계로 구성된다. 각 단계에서 엄지는 높은 자유도와 대립 운동(opposition) 능력을 바탕으로 다양한 파지 자세를 형성하고 안정적인 파지를 수행하는 데 중심적인 역할을 한다. 이러한 파지 기능과 엄지의 중요성에 따라, 손 기능이 저하된 사용자를 위한 다양한 장갑형 로봇이 개발되어 왔다. 최근에는 유연한 재료와 텐던 구동 방식으로 착용부를 간소화했으나, 전체 시스템의 사용성을 높이기 위해서는 구동부 또한 소형화 및 경량화가 필요하다. 특히, 구동기의 수는 시스템의 크기와 무게에 직접적인 영향을 주기 때 문에, 소수의 구동기로 다수의 텐던을 제어하려는 다양한 전략들이 제안되어 왔다. 그러나 기존 접근법들은 구현 가능한 파지 자세의 종류가 제한되거나 실사용을 위한 추가적인 구동기 감소가 여전히 요구된다.
본 학위 논문에서는 하나의 구동기와 복수의 텐던을 사용하여 power grasp, precision grasp, lateral pinch 등의 다양한 파지 자세를 구현할 수 있는 장갑형 로봇(Exo-Glove Poly III)을 제안한다. 제안된 로봇은 슬랙(여유 길이) 기반 순차 구동과 모터의 양방향 회전을 활용하여, 센서나 복잡한 제어 없이 시간 순서가 내재된 동작을 구현한다. 뿐 만 아니라 각 텐던의 슬랙 길이를 조절함으로써 모터가 여러 텐던을 동시에 당기더라도 동작이 시간차를 두고 순차적으로 발생하며, 모터의 회전 방향에 따라 외전된 엄지 파지 전략과 내전된 엄지 파지 전략을 선택적으로 구현할 수 있다. 착용부는 기존 Exo-Glove Poly II를 기반으로 설계되었으며, 엄지의 움직임을 보조하기 위한 모듈과 텐던 경로를 추가하고, 수동 요소 및 경로 통합을 통해 전체 텐던 수를 최소화하였다. 제안된 시스템은 한 명의 비장애인과 한 명의 척수손상 장애인을 대상으로 실험적으로 검증되었으며, 슬랙기반 순차 구동이 파지 동작의 시간 순서를 효과적으로 제어함을 확인하였다. 이를 통해 일상에서 자주 사용되는 아홉 가지 파지 유형 중 여덟 가지를 단일 구동기로 구현할 수 있었으며, 파지 시 충분한 파지력을 물체에 가할 수 있음을 보였다. 나아가, 시스템의 직관적 제어성(intuitive control)을 높이기 위해 비전 기반의도 인식 알고리즘을 적용하였고, 이는 시각적 정보를 기반으로 파지 전략을 추론함으로써 물리적 인터페이스 없이도 알고리즘이 파지 전략을 선택할 수 있음을 보여주었다.
본 학위 논문은 슬랙 기반 순차 구동이 단일 구동기로도 다양한 파지 동작을 가능함을 보였으며, 다자유도 시스템을 제어할 수 있는 새로운 부족구동 메커니즘을 제시하였다.

국문 초록 (Abstract)

인간의 손은 다양한 물체와의 상호작용을 가능하게 하는 파지(grasping) 기능 을 통해 일상생활에서 핵심적인 역할을 수행한다. 파지 동작은 물체에 접근하여 손의 자세를 형성하는 사전형성(pre-shaping 단계와, 손으로 물체를 감싸 고정하는 포위(enclosing) 단계의 두 연속적인 단계로 구성된다. 각 단계에서 엄지는 높은 자유도와 대립 운동(opposition) 능력을 바탕으로 다양한 파지 자세를 형성하고 안정적인 파지를 수행하는 데 중심적인 역할을 한다. 이러한 파지 기능과 엄지의 중요성에 따라, 손 기능이 저하된 사용자를 위한 다양한 장갑형 로봇이 개발되어 왔다. 최근에는 유연한 재료와 텐던 구동 방식으로 착용부를 간소화했으나, 전체 시스템의 사용성을 높이기 위해서는 구동부 또한 소형화 및 경량화가 필요하다. 특히, 구동기의 수는 시스템의 크기와 무게에 직접적인 영향을 주기 때 문에, 소수의 구동기로 다수의 텐던을 제어하려는 다양한 전략들이 제안되어 왔다. 그러나 기존 접근법들은 구현 가능한 파지 자세의 종류가 제한되거나 실사용을 위한 추가적인 구동기 감소가 여전히 요구된다.
본 학위 논문에서는 하나의 구동기와 복수의 텐던을 사용하여 power grasp, precision grasp, lateral pinch 등의 다양한 파지 자세를 구현할 수 있는 장갑형 로봇(Exo-Glove Poly III)을 제안한다. 제안된 로봇은 슬랙(여유 길이) 기반 순차 구동과 모터의 양방향 회전을 활용하여, 센서나 복잡한 제어 없이 시간 순서가 내재된 동작을 구현한다. 뿐 만 아니라 각 텐던의 슬랙 길이를 조절함으로써 모터가 여러 텐던을 동시에 당기더라도 동작이 시간차를 두고 순차적으로 발생하며, 모터의 회전 방향에 따라 외전된 엄지 파지 전략과 내전된 엄지 파지 전략을 선택적으로 구현할 수 있다. 착용부는 기존 Exo-Glove Poly II를 기반으로 설계되었으며, 엄지의 움직임을 보조하기 위한 모듈과 텐던 경로를 추가하고, 수동 요소 및 경로 통합을 통해 전체 텐던 수를 최소화하였다. 제안된 시스템은 한 명의 비장애인과 한 명의 척수손상 장애인을 대상으로 실험적으로 검증되었으며, 슬랙기반 순차 구동이 파지 동작의 시간 순서를 효과적으로 제어함을 확인하였다. 이를 통해 일상에서 자주 사용되는 아홉 가지 파지 유형 중 여덟 가지를 단일 구동기로 구현할 수 있었으며, 파지 시 충분한 파지력을 물체에 가할 수 있음을 보였다. 나아가, 시스템의 직관적 제어성(intuitive control)을 높이기 위해 비전 기반의도 인식 알고리즘을 적용하였고, 이는 시각적 정보를 기반으로 파지 전략을 추론함으로써 물리적 인터페이스 없이도 알고리즘이 파지 전략을 선택할 수 있음을 보여주었다.
본 학위 논문은 슬랙 기반 순차 구동이 단일 구동기로도 다양한 파지 동작을 가능함을 보였으며, 다자유도 시스템을 제어할 수 있는 새로운 부족구동 메커니즘을 제시하였다.

목차 (Table of Contents)

• 1 Introduction 1
• 1.1 Background 1
• 1.1.1 Prehension of the Human Hand 1
• 1.1.2 Characteristics of the Thumb and its Role in Prehension 4
• 1.1.3 Soft Robotic Glove for People with Hand Impairments 8
• 1.1.4 Design Considerations: Usability in Soft Robotic Gloves 13
• 1.2 Problem Definition 15
• 1.3 Contributions 18
• 2 Passive Sequencing for Underactuated Grasping 21
• 2.1 Definition of Passive Sequencing 21
• 2.2 Previous Approaches 22
• 2.2.1 Stiffness-based Passive Sequencing 23
• 2.2.2 Geometry-based Passive Sequencing 24
• 2.3 Slack-based Sequential Mechanism 25
• 2.3.1 Principle of the SSM 26
• 2.3.2 Length-based Mechanism 26
• 2.4 Applying Proposed Passive Sequencing to Grasp Assistance 32
• 2.4.1 Simplifying Grasping Strategies with Slack-based Passive Sequencing 34
• 3 Design of Soft Robotic Glove for Assisting Selected Thumb Motions 39
• 3.1 Background 39
• 3.1.1 Thumb Motions Generated by Tendon-Driven Soft Robotic Gloves 39
• 3.1.2 Proposed Approach 40
• 3.2 Glove Design 41
• 3.2.1 Thumb Module 43
• 3.2.2 Main Glove 45
• 3.2.3 Tendon Routing 47
• 3.3 Experiments and Results 50
• 3.3.1 Measurement of Joint Angle and Hand Aperture Size 52
• 3.3.2 Performance Verification of the Tendon Routing of the TM and the EB 56
• 3.3.3 Comparison between Conventional Flexor Routing and the Thumb Encloser 66
• 3.4 Summary 72
• 4 Actuation System and Integration with Wearable Components 76
• 4.1 Background 76
• 4.1.1 Tendon-driven actuators for SRGs 76
• 4.2 Proposed Approach 77
• 4.3 Actuator Design 78
• 4.3.1 Driving section 78
• 4.3.2 Slack-length Adjusting Section 87
• 4.3.3 Slack storage 89
• 4.4 Embedding Human-Specific Parameters into the Motion Control Sequence 90
• 4.4.1 Parametric Study on the AbTGS 90
• 4.4.2 Parametric Study on the AdTGS 93
• 4.4.3 Control Strategy of Designed Motion Sequence 95
• 4.5 Integration with the Wearable Component 99
• 4.6 Experimental Evaluation of Integrated System 102
• 4.6.1 Motion Generation with Designed Sequence by SSA 103
• 4.6.2 Grip Strength Measurement 117
• 4.6.3 Grasping Demonstrations 122
• 4.6.4 Robustness of the Actuator upon Repeated Actuation 127
• 4.7 Summary 137
• 5 Application of Intention Detection Algorithm to the EGP III 138
• 5.1 Background 138
• 5.1.1 Intuitive Control and Intention Detection 138
• 5.1.2 Proposed Approach 140
• 5.2 Data Acquisition 140
• 5.2.1 Data Acquisition Setting 140
• 5.2.2 Data Acquisition Process and Labeling 143
• 5.3 Algorithm 147
• 5.4 Integration of an Intention Detection Algorithm with the EGP III 147
• 5.4.1 Analysis on Intention Detection 157
• 5. Summary 162
• 6 Conclusion 165
• 6.1 Summary 165
• 6.2 Limitations and Future Work 168
• 6.2.1 Miniature-motor-based Slack-enabling Mechanism 170
• References 173