Generally, there are three criteria that define how well a humanoid robot hand resembles human hand: shape (anthropomorphism), dexterity (degree of freedom) and sensation (sensor). In fact, it is not easy to fulfill three requirements all at the same time. An anthropomorphic robot hand may not have powerful grasping force due to space, geometry constraints. A highly sensitive robot hand requires tactile sensor installed in each finger link and signal processing device to process data. However, this robot hand is prone to hazardous environment, moisture, and vibration.
Balancing between three criteria, we designed humanoid robot hand that is anthropomorphism, optimized for grasping task and light weight. We emphasized grasping task over other tasks because it is main and common function of human hand. We invented a novel mechanism which combines pulley, belt and torsion spring to create under-actuated behavior. Rather than using tactile sensors or force torque sensors, we devised an observer algorithm to predict grasping force. This method eliminates the need of A/D converters, current sensors, analog amplifiers, filters and signal cables, which are the source of maintenance, calibration problem and increases in weight and size of robot hand.
To verify our under-actuated mechanism and observer algorithm, a two-finger robot hand is controlled by a host PC through serial communication. The experiment result is quite promising. The robot hand can hold light object in different geometries like sphere, cylinder, square box, cone, thin plate, etc. Finger can sense the external force thus it knows when it contacts to an object and maintains grasping force as desired.
흔히, 휴머노이드 로봇의 손이 인간의 손을 얼마나 잘 모사하느냐는 세 가지 관점에서 평가를 한다; 모양(同形的 측면), 유연성(자유도), 그리고 감각(센서). 사실 이 세 가지 조건을 동시에 완벽하게 갖추기는 쉽지 않다. 인간의 손과 똑같이 닮은 로봇 손을 만든다 하여도 공간적, 기하학적 제약 조건에 의해 악력이 모자를 수도 있다. 높은 수준의 감각을 가진 손을 만들기 위해선 모든 손가락 관절마다 촉각 센서를 달아야 하며, 모아진 데이터를 처리하기 위한 신호 처리 장치도 필요로 한다. 하지만 로봇 손은 흔히 굉장히 위험하거나 습하고, 진동이 많은 환경에서 사용되므로 무리가 있다.
세 가지 조건을 균형 있게 만족시키기 위해, 가벼우면서도 최적화된 악력을 가지며, 인간의 손 모양과 굉장히 흡사한 휴머노이드 로봇 손을 설계하였다. 특히나, 이 논문에서는 인간의 손의 주된 기능인 악력에 관련된 과제가 강조되어있다. 또한, 불충분 구동 양태를 만들어 내기 위하여 풀리, 벨트, 비틀림 스프링을 조합한 새로운 메커니즘이 개발되었다. 많은 촉각 센서와 힘-토크 센서를 쓰기보단, 관측기 알고리즘을 사용하여 악력을 예측하는 방법을 고안하였다. 이 알고리즘을 통해 로봇 손의 크기 및 중량을 늘리고, 원점 조정 문제가 발생하고, 지속성에 문제의 원인이 되었던 각종 A/D 변환기, 전류 측정 센서, 아날로그 증폭기, 필터, 신호 케이블 등의 수를 현격히 줄일 수 있었다.
설계된 불충분 구동 매커니즘과 관측기 알고리즘을 검증하기 위해, 시리얼 통신을 통해 호스트 PC로 제어되는 두 손가락 로봇이 사용되었고, 꽤 전도유망한 결과를 얻을 수 있었다. 로봇 손은 구, 실린더, 사각 박스, 얇은 판, 원뿔 형등 여러 다른 외형을 가진 가벼운 물체들을 잘 잡을 수 있었다. 손가락들은 외력을 측정할 수 있기에 손가락이 물건에 닿는 시점을 알 수 있고, 또한 원하는 악력을 유지할 수 있다.
