Kiri-Spoon: A Kirigami Utensil for Robot-Assisted Feeding

要約

移動に制限のある何百万人もの成人にとって、食事をとることは日々の課題である。この社会的ニーズに対応するため、様々なロボットシステムが開発されてきた。残念ながら、ロボット支援摂食のエンドユーザーへの普及は限定的であるが、その理由の一つは、既存の装置が多様な食品をシームレスに把持、操作、摂食することができないためである。最近の研究では、食物の獲得と咬合移動のための新しいアルゴリズムを作成することによって、この問題に対処しようとしている。しかし、このようなアルゴリズムの開発と並行して、我々は、機械的知性によって、ロボットアームが人間に食物を供給することが根本的に容易になるという仮説を立てている。そこで私たちは、ロボット支援摂食用に特別に設計された柔らかい調理器具、桐スプーンを提案する。Kiri-Spoonは、スプーン状の切り紙構造で構成されており、作動させると、切り紙シートが曲率の増加するボウルに変形する。Kiri-Spoonを搭載したロボットアームは、切り紙構造を利用して、食べ物を捕捉する際に、食べ物を包み込み、ロボットが移動する際にその食べ物を収納し、その後、ユーザーの口に適切に食べ物を放出することができる。全体として、Kiri-Spoonは、標準的なスプーンの馴染みやすく快適な形状と、ソフトなロボットグリッパーのより高い機能を兼ね備えている。以下では、まず関係者主導の設計プロセスを適用し、Kiri-Spoonが介護者や身体障害者のニーズを満たすことを確認する。次に、Kiri-Spoonのダイナミクスを特徴付け、スプーンの形状と作動力を関連付ける力学モデルを導出する。本論文は、(a)Kiri-Spoonが提供する機械的優位性、(b)障害を持つユーザーが我々のシステムをどのように認識するか、(c)Kiri-Spoonの機械的知性が最先端のアルゴリズムをどのように補完するか、を評価する3つの個別の実験で締めくくられる。我々の結果は、Kiri-Spoonが多様な食品、複数のロボットプラットフォーム、異なる操作アルゴリズムにおいてロボット支援摂食を進歩させることを示唆している。

要約(オリジナル)

For millions of adults with mobility limitations, eating meals is a daily challenge. A variety of robotic systems have been developed to address this societal need. Unfortunately, end-user adoption of robot-assisted feeding is limited, in part because existing devices are unable to seamlessly grasp, manipulate, and feed diverse foods. Recent works seek to address this issue by creating new algorithms for food acquisition and bite transfer. In parallel to these algorithmic developments, however, we hypothesize that mechanical intelligence will make it fundamentally easier for robot arms to feed humans. We therefore propose Kiri-Spoon, a soft utensil specifically designed for robot-assisted feeding. Kiri-Spoon consists of a spoon-shaped kirigami structure: when actuated, the kirigami sheet deforms into a bowl of increasing curvature. Robot arms equipped with Kiri-Spoon can leverage the kirigami structure to wrap-around morsels during acquisition, contain those items as the robot moves, and then compliantly release the food into the user’s mouth. Overall, Kiri-Spoon combines the familiar and comfortable shape of a standard spoon with the increased capabilities of soft robotic grippers. In what follows, we first apply a stakeholder-driven design process to ensure that Kiri-Spoon meets the needs of caregivers and users with physical disabilities. We next characterize the dynamics of Kiri-Spoon, and derive a mechanics model to relate actuation force to the spoon’s shape. The paper concludes with three separate experiments that evaluate (a) the mechanical advantage provided by Kiri-Spoon, (b) the ways users with disabilities perceive our system, and (c) how the mechanical intelligence of Kiri-Spoon complements state-of-the-art algorithms. Our results suggest that Kiri-Spoon advances robot-assisted feeding across diverse foods, multiple robotic platforms, and different manipulation algorithms.

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