StRETcH: A Soft to Resistive Elastic Tactile Hand

저자: Carolyn Matl, Josephine Koe, Ruzena Bajcsy · ICRA 2021

라이선스

• 오픈 액세스
• 논문: CC BY 4.0

아래 내용은 모두 논문의 라이선스(CC BY 4.0)에 따라 논문 전문을 바탕으로 하며, 그림에는 저자를 표기했습니다.

요약

평행 그리퍼가 늘이고 깊이 카메라가 촬영하는 EcoFlex 멤브레인으로, 변형 가능한 물체를 감지하고 성형하기 위한 강성 조절형 소프트 촉각 엔드 이펙터를 만든다.

중요한 이유

이 설계는 표준 평행 그리퍼와 기성 깊이 카메라를 재사용하며, 주조한 실리콘 시트와 3D 프린팅한 손가락 마운트만이 맞춤 부품이다. 하나의 엔드 이펙터가 형상 측정을 위한 부드럽고 순응적인 모드와 물체를 누르고 성형하기 위한 더 단단한 모드 사이를 전환할 수 있으며, 반죽 성형 시연은 두 모드를 차례로 사용한다.

문제

반죽 같은 고체 변형 물체를 조작하려면 접촉 형상과 물체의 컴플라이언스가 모두 필요하지만, 기존 촉각 센서는 보통 둘 중 하나만 측정한다. GelSight 같은 소프트 광학 센서는 접촉을 고해상도로 촬영하지만 멤브레인 강성이 고정되어 있어, 스스로 물체를 변형시키기 전까지 좁은 범위의 물체 경도만 감지한다.

제안 방법

StRETcH는 UR5 팔에 장착된 Robotiq 2지 그리퍼의 손가락 사이에 100 × 90 × 2 mm의 평평한 EcoFlex 50 실리콘 멤브레인을 매달고, Intel RealSense SR305 깊이 카메라가 뒤쪽에서 멤브레인을 촬영한다. 그리퍼를 벌리면 멤브레인이 단축 방향으로 늘어나 강성이 높아진다. 접촉 영역은 국소 곡률을 기준으로 깊이 영상에서 분할된다. 멤브레인의 응답은 Hertz 접촉 이론에 따라 유효 탄성 계수 E*를 늘임에 대해 보정한 등가 탄성 반공간으로 모델링되며, 이를 통해 핸드는 접촉 형상과 늘임 상태로부터 접촉력을 추정할 수 있다.

핵심 통찰

• 그리퍼로 멤브레인을 단축 방향으로 늘이는 것은 저자들의 이전 SOFTcell 손끝에서 쓰인 공압 가압보다 강성을 제어하기 쉬운 방법이다.
• 늘임이 작은 상태는 형상 감도가 가장 높고, 늘임이 큰 상태는 더 큰 접촉력을 허용하므로 이 핸드는 다중 모드 센서-액추에이터로 동작한다.
• 멤브레인이 단단할수록 서브밀리미터 형상 정확도에 필요한 압입 깊이가 깊어진다. 2 mm 미만의 압입은 모든 시험용 원기둥에서 성능이 나빴다.
• 멤브레인을 등가 탄성 반공간으로 다루는 것은 물리적으로 정확하지 않지만, 약 3 mm 이상의 압입에서는 힘 데이터에 잘 맞고 실시간으로 쓸 만큼 빠르다.
• 먼저 접촉 반경을 측정한 뒤 물체가 휠 때까지 누르면서 늘임을 높이면, 컴플라이언스가 다른 재료를 구별하는 강성 대리 지표를 얻을 수 있다.

주요 결과

• 유효 탄성 계수는 멤브레인을 늘여 약 4 kPa에서 9 kPa까지 제어할 수 있으며, 5회 시행에서 분산이 작았다.
• 적절한 압입 깊이와 늘임에서 접촉 형상 추정은 서브밀리미터 정확도에 도달한다. 나무 물체 재구성은 실제 치수와 2 mm 이내, 종이 물체 높이는 3 mm 이내였다.
• Leave-one-out 하중-힘 추정 오차는 평균 0.023 ± 0.011 N으로 작동 범위의 1% 미만이었다(Section V-C). 결론에서는 평균 오차를 ±0.025 N 미만으로 기술한다.
• 풍선의 강성 대리 지표: 공기 0.387 ± 0.081, 물 0.726 ± 0.085, 치아 푸딩 1.112 ± 0.178, 치아 씨앗 1.431 ± 0.182 N/mm.
• Play-Doh 정육면체를 굴려 구로 만들고 눌러 쿠키 모양으로 만들었으며, 평균 원형도는 0.888이었다(정사각형은 0.785, 원은 1).

한계

• 강성과 그에 따른 가할 수 있는 힘은 멤브레인 두께와 그리퍼가 허용하는 최대 늘임에 의해 상한이 정해진다.
• Hertz 반공간 모델은 근사이다. 멤브레인은 탄성 반공간과 역학적으로 다르고 더 복잡하다.
• 접촉 분할은 물체가 평평하거나 볼록하고 멤브레인의 단일 표면 요소보다 크다고 가정한다.
• 반죽을 굴려 구로 만드는 데 평균 약 10분, 최대 20분이 걸렸으며, 굴리는 동안의 접선 방향 견인력은 모델링되지 않았다.
• 풍선 강성 값은 1자유도 근사에서 얻은 대리 지표이며, 깊이 센서 잡음은 약 ±1 mm였다.

분야에 미친 영향

이 논문은 IEEE ICRA 2021 Best Paper Award in Robot Manipulation을 수상했으며 인용 수는 5회이다. 멤브레인 주조, 마운트, 센서 등 전체 제작 과정을 설명하지만 코드, 데이터, 설계 파일 공개는 명시하지 않는다.

초록

소프트 광학 촉각 센서는 고해상도 접촉 형상과 물체 컴플라이언스 추정 같은 중요한 특징을 포착하여 로봇이 변형 가능한 물체를 조작할 수 있게 한다. 본 연구는 쉽게 제작할 수 있고 로봇 암에 통합하기 쉬운 가변 강성 소프트 촉각 엔드 이펙터 StRETcH(Soft to Resistive Elastic Tactile Hand)를 제시한다. 탄성 멤브레인이 두 로봇 손가락 사이에 매달려 있으며, 탄성 멤브레인의 변형을 포착하는 깊이 센서가 서브밀리미터 정확도의 접촉 형상 추정을 가능하게 한다. 평행 그리퍼는 멤브레인을 단축 방향으로 늘여 강성을 바꾸며, 이를 통해 StRETcH의 유효 탄성 계수를 약 4kPa에서 9kPa까지 제어 가능하게 조절한다. 본 연구는 StRETcH를 사용하여 강체 및 변형 가능한 물체의 접촉 형상을 재구성하고, 서로 다른 물질로 채운 풍선 네 개의 강성을 추정하며, 반죽을 원하는 모양으로 조작한다.

링크

• arXiv 2105.08154: https://arxiv.org/abs/2105.08154
• DOI 10.1109/ICRA48506.2021.9561822: https://doi.org/10.1109/ICRA48506.2021.9561822
• PDF: https://arxiv.org/pdf/2105.08154v1