人間の手のような幅広い可動域と大きな把握力を持つ5指ロボット手の開発

Core Concepts

人間の手のような幅広い可動域と大きな把握力を実現するため、親指の可動域を広げる機構と4指の可変剛性関節機構を組み合わせたロボットハンドを開発した。

Abstract

本研究では、人間の手の特徴である親指の可動域の広さと4指の可変剛性関節を実現するための機構を開発した。
親指の可動域の広さは、3つの加工スプリングを組み合わせることで実現した。これにより、親指の対向運動と外転-内転運動を広範囲に発現できる。
4指の可変剛性関節は、アゴニスト腱駆動方式を用いて実現した。これにより、指が物体に沿って曲がる柔軟性と、指の側面を使って力を伝達する剛性を切り替えられる。
開発したハンドを用いて、様々な形状の物体の把握、大荷重の支持、ドアノブの回転や机の拭き掃除といった動作を実現した。これらの結果から、本ハンドが人間の手のような高い器用さと大きな把握力を兼ね備えていることが示された。

Stats

本ハンドは最大400Nの荷重に耐えられる。
本ハンドの親指CM関節の剛性は、対向運動用が903 deg/Nm、外転-内転運動用が443 deg/Nmである。
4指のMP関節の剛性は664 deg/Nm、PIP関節が863 deg/Nm、DIP関節が443 deg/Nmである。

Quotes

"人間の手は様々な形状と大きさの物体を把握し、手の中で操作することができ、体重を支えるほどの大きな把握力を発揮することができる。一方で、ほとんどのロボットハンドはこの両方を実現することが難しい。"
"そのため本研究では、様々な物体を把握し、大きな把握力を発揮できるハンドを開発した。"

Key Insights Distilled From

Five-fingered Hand with Wide Range of Thumb Using Combination of Machined Springs and Variable Stiffness Joints

by Shogo Makino... at arxiv.org 03-27-2024

https://arxiv.org/pdf/2403.17452.pdf

Deeper Inquiries

人間の手のような器用さと大きな把握力を両立するためには、どのような他の機構や制御方式が考えられるだろうか

人間の手のような器用さと大きな把握力を両立するためには、他の機構や制御方式として、人間の手の機能をさらに模倣するだけでなく、新しいアプローチが考えられます。例えば、人間の手には触覚があり、物体を掴む際に触覚情報を活用して力の調整を行います。ロボットハンドにも触覚センサーを組み込み、物体の硬さや形状を感知して適切な力を加えることが重要です。また、人間の手は視覚との連携により精密な作業を行いますので、ロボットハンドにもビジョンシステムを組み込み、物体を正確に認識して操作する能力を付与することが有効です。

本ハンドの可変剛性機構は、物体に沿って曲がる柔軟性と力伝達の剛性を切り替えられるが、これ以外にどのような応用が考えられるだろうか

本ハンドの可変剛性機構は、物体に沿って曲がる柔軟性と力伝達の剛性を切り替えることができますが、他の応用としては以下のようなものが考えられます。

医療分野: ロボット手術において、手術器具を持つ際に力の調整が必要な場面で可変剛性機構を活用することで、外科医の操作をサポートする。
産業用途: 特定の作業において、物体をしっかりと掴む必要がある場合と、物体を優しく扱う必要がある場合といった状況で、剛性を切り替えることで柔軟に対応する。

人間の手の機能を模倣するだけでなく、ロボットハンドならではの新しい機能を発見するためには、どのような発想の転換が必要だろうか

人間の手の機能を模倣するだけでなく、ロボットハンドならではの新しい機能を発見するためには、以下のような発想の転換が必要です。

柔軟性と剛性の統合: 人間の手には柔軟性と剛性が組み合わさっていますが、ロボットハンドではこれらを効果的に統合することで、多様な作業に対応できるハンドを開発する。
自己学習機能の導入: ロボットハンドには、環境や物体に適応するための自己学習機能を組み込むことで、新しい作業にも迅速に対応できるようにする。
協調作業の実現: 複数のロボットハンドが協力して作業を行う場合、協調制御や情報共有の仕組みを構築することで、より複雑なタスクにも対応可能とする。