Kinematic Design Optimization of Anthropomorphic Tendon Driven Robot Hand = 인간형 장력 구동 로봇 손의 기구 설계 최적화

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This thesis presents a novel robot hand developed to have closer dexterity of human's precision grip, while not requiring the complex control algorithm. The robot hand has total 17 DOF (Degree Of Freedom) and includes 14 back-drivable actuation systems. A new performance index for robot hands with the idea of mimicking the human hand's precision grip, the procedure of kinematic optimization of robot hand using this performance index, and the procedure of experimental evaluation to see the grasping capability of the robot hand are explained.

First, to develop a robot hand which can grasp various objects stably and carry out fine manipulation on those objects like a human hand, an investigation and analysis are performed on the human hand's skeletal structure and tendon-ligament system in Chapter 2. In this process, important differences between the human hand and existing robot hands are discovered, which are the nature of the DIP and PIP joint coupling, a different number of DOF in the thumb, and the existence of the IMC joints in the palm. These features are considered during designing the robot hand.

In the second, to overcome the situation that researchers are developing robot hands depending on their inspiration and experience because of the lack of method that can evaluate the performance of robot hands, a new performance index named `Interactivity of Fingers (IF)' is proposed and applied to four existing robot hands to show the usefulness of the IF. Moreover, two mathematical models of a robot hand (one with IMC joints and the other with none) are built and compared to each other to confirm the advantage of the IMC joints in the palm. Then, design optimization of the robot hand is carried out using the IF. The optimization is performed by using a Genetic algorithm (GA). In this process, it is possible to define the position and orientation of the CMC (or Saddle) joint of the thumb systematically.

Next, in Chapter 5, the design process of the robot hand including the aforementioned features in Chapter 2 is described. The robot hand is composed of the finger module, the thumb module, and the IMC joint module so that it is convenient to repair malfunctioning module by simply replacing the damaged module with a new one. Since the robot hand was designed to be manufactured using a 3D-printer, the size of the robot hand is designed to be 1.5 times bigger than that of the human hand because of the weak solidity of frame's material. The kinematic analysis including the forward and inverse kinematics of the robot hand is also addressed.

Finally, the weight, the payload, and the control system, and grasping strategy of the robot hand are provided in Chapter 6. To show the high grasping capability, experimental evaluation on the robot hand using the coordinate center of the workspace intersection volume is carried out. The robot hand's index finger, middle finger, and thumb are directed to the coordinate center of the workspace intersection volume, then the center of gravity of various objects, such as a rectangular sponge (25mm thickness), a roll of insulation tape (30mm radius), a coin of KRW 100 (12mm radius) and KRW 10 (9mm radius) are located at this position. This shows very promising results, that even the tiny object, a coin of KRW 10, is easily grasped.

국문 초록 (Abstract)

본 논문에서는 사람 손의 정밀 파지 능력에 근접하기 위하여 개발된 로봇 손에 대하여 서술한다. 개발된 로봇 손은 총 17 자유도를 가지며, 14개의 back-drivable 능력을 가진 구동 시스템으로 구성되어 있다. 본 논문은 사람 손의 정밀 파지 동작 분석을 통하여 개발한 로봇 손을 위한 성능 지표, 이를 이용한 로봇 손의 구조 최적화 및 개발된 로봇 손의 물체 파지를 통한 성능 평가 결과에 대하여 기술한다.

먼저 2장에서는 로봇 손을 설계하기에 앞서 사람 손과 현재까지 개발되어온 로봇 손의 특징에 대하여 수행한 분석 내용에 대하여 설명한다. 결과 사람 손과 기개발된 로봇 손에는, DIP (Distal Inter Phalangeal)와 PIP (Proximal Inter Phalangeal) 관절의 구속 방식, 엄지의 자유도와 구속된 움직임, 손바닥의 IMC (Inter-Metacarpal) 관절의 존재여부, 이렇게 3가지의 큰 차이점이 있음을 발견할 수 있었다. 이 특징들은 로봇 손의 설계 단계에서 반영하였다.

3장과 4장에서는 로봇 손의 성능 평가 방법의 부재로 인하여 연구자의 영감과 경험에 의존하여 개발되어온 로봇 손 개발 현실의 한계를 극복해 보고자, 사람 손의 정밀 파지 동작을 분석하여 서로 다른 구조를 가지는 로봇 손의 성능을 비교할 수 있는 성능지표를 제안하였다. 이 성능지표는 여러 기개발된 로봇 손으로의 적용 및 비교를 통하여 유용성을 입증하였다. 또한, 로봇 손에 IMC (Inter-Metacarpal) 관절을 적용함으로써 얻을 수 있는 이득을 수치적으로 계산할 수 있었다. 또한, 제안한 성능지표와 유전자 알고리즘을 이용하여 로봇 손의 손가락 길이, 손가락 간의 각도, 엄지의 길이, 엄지 안장 관절 (CMC or Saddle joint) 시작 위치, 엄지 안장 관절 (CMC or Saddle joint)의 방향 등 로봇 손을 설계하는대 있어서 중요한 요소들을 최적화 했다.

5장에서는 2장에서 설명한 특징들을 포함한 로봇 손의 설계 과정을 기술하였다. 로봇 손은 크게 손가락 모듈, 엄지 모듈, IMC 모듈, 3가지로 구성되어 있어 오작동 되는 부분만을 분리하여 보수 할 수 있도록 설계하였다. 이 로봇 손은 3D 프린터를 이용하여 제작되었기 때문에, 낮은 강도를 가진 재료의 특성상 로봇 손이 내는 힘을 견디기 위하여 사람 손의 1.5배 크기로 제작 되었다. 로봇 제어를 위한 손가락과 엄지의 정/역기구한 정보 또한 제공된다.

마지막으로 6장에서는 로봇 손의 무게, 손가락이 외부 환경에 가할 수 있는 최대 힘, 제어기의 구성을 설명한다. 각 손가락 관절의 움직임 정확성 및 재현성을 확인하기 위한 실험의 내용을 기술하였다. 엄지-검지-중지의 중복된 작업영역의 중심 좌표에 20mm 두께의 직육면체의 스폰지, 30mm 반경의 절연테이프, 12mm 반경의 100원짜리 동전 및 9mm 반경의 10원짜리 동전의 중심을 위치 시킨 후 잡는 실험을 진행하여 개발된 로봇 손의 정밀 파지 능력의 우수성을 검증하였다.

목차 (Table of Contents)

• 1 Introduction ..... 1
• 1.1 Literature Survey ..... 3
• 1.1.1 Development of Robot Hands ..... 3
• 1.1.2 Performance Index for Robot Hands ..... 7
• 1.2 Research Objectives ..... 9
• 2 Analysis of the Human Hand ..... 23
• 2.1 Anatomy of the Human Hand ..... 24
• 2.2 Differences between the Human Hand and Existing Robot Hands ..... 27
• 2.2.1 Active and Passive DOF (Degree Of Freedom) in the PIP and DIP Joints ..... 27
• 2.2.2 Coupled Movement of humb ..... 28
• 2.2.3 Existence of IMC (Inter-Metacarpal) Joints in the Palm ..... 28
• 2.3 Construction of a Mathematical Model of the Robot Hand ..... 29
• 3 Interactivity of the Fingers : a New Performance Index for Robot Hand ..... 41
• 3.1 Interactivity of Fingers (IF) ..... 42
• 3.2 Procedure to Calculate the Workspace Intersection Volumes ..... 45
• 3.2.1 Input of Parameters ..... 45
• 3.2.2 Collection of Sampled Points of the Fingertips' Workspace ..... 45
• 3.2.3 Finding Common Points between workspaces ..... 45
• 3.2.4 Conversion of Common Points to Nearest Integer Coordinates ..... 46
• 3.2.5 Filling Blanks caused by Sampling ..... 46
• 3.3 Comparison of IFs for Existing Robot Hands and the Assumed Human Hand Model ..... 47
• 3.4 Advantage of the IMC (Inter-Metacarpal) Joints' Application in the Palm ..... 50
• 4 Kinematic Design Optimization of the Robot Hand ..... 65
• 4.1 Introduction of the Genetic Algorithm ..... 66
• 4.1.1 Selection ..... 67
• 4.1.2 Crossbreeding (Crossover) ..... 67
• 4.1.3 Mutation ..... 67
• 4.2 Optimization Procedure of the Structure of the Robot Hand's Model ..... 68
• 4.2.1 Input of Initial Values ..... 69
• 4.2.2 Creation of Initial Parent Sets ..... 69
• 4.2.3 Calculation of the Interactivity of Fingers (IF) ..... 70
• 4.2.4 Collection of Superior Parent Sets ..... 70
• 4.2.5 Generating Children Sets ..... 71
• 4.2.6 Termination of Optimization ..... 71
• 4.3 Discussion of the Optimization Result of the Robot Hand's Model ..... 73
• 5 Design of a Tendon Robot Hand ..... 87
• 5.1 Development of a Robot Finger Module ..... 88
• 5.1.1 Mathematical Model of the Active DIP-PIP (ADP) joint ..... 88
• 5.1.2 Design of an Active DIP-PIP Joint Module ..... 90
• 5.1.3 Design of MCP Joint Module of Robot Finger ..... 92
• 5.2 Design of IMC (Inter-Metacarpal) Joints ..... 94
• 5.3 Design of the Thumb Module ..... 95
• 5.4 Design of the Soft Fingertip ..... 95
• 5.5 Integration of the whole Robot Hand ..... 96
• 5.6 Analysis of the Robot Hand ..... 97
• 5.6.1 Forward and Inverse Kinematics of the Finger Module ..... 97
• 5.6.2 Forward and Inverse Kinematics of the Thumb ..... 101
• 6 Experimental Evaluation ..... 143
• 6.1 A back-drivable Mechanism ..... 144
• 6.2 Evaluation of Grasping Capability ..... 148
• 6.2.1 Communication System ..... 148
• 6.2.2 Weight and Payload ..... 149
• 6.2.3 Grasping Strategy for the Robot Hand ..... 151
• 6.2.4 Experiment Evaluation of Grasping Capability ..... 153
• 7 Conclusions ..... 205
• 7.1 Summary ..... 205
• 7.2 Epilogue ..... 208
• Bibliography ..... 209