Embodied Manipulation with Past and Future Morphologies through an Open Parametric Hand Design

要約

人間の形をしたロボット ハンドは、比類のない多用途性と優れた運動能力を備えており、幅広いタスクを正確、パワー、堅牢に実行できます。
古生物学的記録や動物界では、さまざまな代替ハンドや作動デザインが見られます。
形態学的設計空間とその結果として生じる創発的な動作を理解することは、器用な操作とその進化についての理解を助けるだけでなく、設計の最適化、人間の能力の達成、そして最終的には人間の能力を超えることにも役立ちます。
手の具体化の探求は、現実世界ではカスタマイズ可能な手にアクセスできないこと、および複雑な相互作用のシミュレーションにおける現実のギャップによって、これまで制限されてきました。
簡素化されたカスタマイズ、製造、および制御のための技術を設計機能と統合して、動作の多様性を最大化するオープン パラメトリック設計を導入します。
非線形回転ジョイント、解剖学的腱ルーティング、および低自由度の調整作動システムにより、器用な動作を損なうことなく、一体型の 3D 印刷可能な手を迅速に製造できます。
これを実証するために、設計の低レベルの動作範囲と安定性を評価し、2 桁にわたる可変剛性を示しました。
さらに、人間、親指を 2 本持つ鏡像人間、およびアイアイの手の 3 つの手のデザインを作成しました。
操作テストでは、さまざまな物体を扱う際の各手の習熟度のばらつきを評価し、各設計に固有の新たな動作を実証します。
全体として、私たちはロボットハンドの新しい可能なデザインに光を当て、さまざまな手の形態や構造を比較対照するためのデザインスペースを提供し、身体的操作を探求するための実用的でオープンソースのデザインを共有します。

要約(オリジナル)

A human-shaped robotic hand offers unparalleled versatility and fine motor skills, enabling it to perform a broad spectrum of tasks with precision, power and robustness. Across the paleontological record and animal kingdom we see a wide range of alternative hand and actuation designs. Understanding the morphological design space and the resulting emergent behaviors can not only aid our understanding of dexterous manipulation and its evolution, but also assist design optimization, achieving, and eventually surpassing human capabilities. Exploration of hand embodiment has to date been limited by inaccessibility of customizable hands in the real-world, and by the reality gap in simulation of complex interactions. We introduce an open parametric design which integrates techniques for simplified customization, fabrication, and control with design features to maximize behavioral diversity. Non-linear rolling joints, anatomical tendon routing, and a low degree-of-freedom, modulating, actuation system, enable rapid production of single-piece 3D printable hands without compromising dexterous behaviors. To demonstrate this, we evaluated the design’s low-level behavior range and stability, showing variable stiffness over two orders of magnitude. Additionally, we fabricated three hand designs: human, mirrored human with two thumbs, and aye-aye hands. Manipulation tests evaluate the variation in each hand’s proficiency at handling diverse objects, and demonstrate emergent behaviors unique to each design. Overall, we shed light on new possible designs for robotic hands, provide a design space to compare and contrast different hand morphologies and structures, and share a practical and open-source design for exploring embodied manipulation.

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