Development of Multi-Fingered Universal Robot Hand with Torque Limiter Mechanism

Development of Multi-Fingered Universal Robot Hand with Torque Limiter Mechanism

Today,  various industrial robots  are developed and  used  all over the world. However, these industrial robots  are specialized in particular operations. In fact, one industrial robot  is not able  to be designed for operating various tasks.  One  of the  causes  is that  general-purpose and  multifunctional robot  hands substituted human manual-handling task  are not  brought to realization. If these  robot  hands like human hands are consummated, the applicable field of industrial robots  is extended, and  the utilization efficiency is improved very much.

A human hand has  mechanical handling function such  as grab,  grip,  pinch,  push and  pull. In addition, it can  sense  the  feeling  such  as configuration, hard, flexible,  smoothness and asperity. In other  words, a human hand is a multifunctional and  a universal end  effector. Many  research works  on robot  hand have been studied all over the world in order to imitate human hand and  achieve  the  similar  function to human hand. However, it is not  attained that  a  robot  hand system  has  the  coordinative function to  human hand’s  one  yet.  For resolving this  problem,  it  is  necessity  that  software  system  processes  various  sensors’ information effectively. Additionally, it is also necessity that hardware system has drive mechanism, multi Degrees Of Freedom (DOFs) linkage mechanism and some sensors that allocated in  limited spatial restrictions.

Consequently, we  produced the  Universal Robot Hand I as shown in Fig.1. The robot  hand system  has  tactile  sensors, joint  torque sensors, joint angle  sensors and  the similar  structure to human hand’s one. We have  studied on the robot hand’s mechanism, the sensory information processing and  the kinematic control.

Fig. 1. Universal robot hand I

In this  paper, a new  robot  hand is developed on  resulting knowledge for  advancing our study. Universal Robot  Hand II has  actuators, transmission gears,  reduction gears,  and Torque   Limiter   Mechanisms in  the  fingers.   Using  the  Torque   Limiter   Mechanisms,  the fingers  can  sustain overload not  by  the  gears  but  by  the  structure. This  is the  imitative behavior of a human finger.  This paper describes that  new small robot  hand mechanism has five fingers  at the first. At the second, this Torque  Limiter  Mechanism is introduced. At the third, the  effects  of  Torque   Limiter  Mechanism are  verified in  experiments. At  the  last, results of these experiments are summarized and concluded.

Specifications of developed robot hand

Basic design

This  section  describes  the  basic  design  of  developed  robot  hand.  Fig.  2  (left)  shows “Universal Robot  Hand II”. The height  between the lower  limit  of the palm  and  the upper limit  of the  middle finger  is 290mm.  The width of the  robot  hand opened up  between the thumb and  the little finger is 416mm. The size of this robot hand is a little larger  than  human hand. Thus,  this  size is enough to imitate human hand workings. The weight of the  robot thumb is 0.262kg, the weight of the every  other  finger  is 0.250kg, and  the total weight of the robot hand without the pedestal is 1.323kg.

Fig. 2. Universal robot hand II and configuration of DOFs

This robot  hand has 16 DOFs. Thumb has four DOFs (the IP, the MP, the CM1 and  the CM2 joints),  and  the other  fingers  have  three  DOFs (the PIP, the MP1 and  the MP2 joint). Every DIP joint is interlocked with  the PIP joint. These DOFs and  the movable directions of joints are shown in Fig. 2 (right).

This  robot   hand has  the  multi-axis  force/torque  sensors  in  every   fingertip and   tactile sensors on every  finger  pad.  The multi-axis force/torque sensor  is able to measure the force and  torque at  fingertip. This  sensor  in every  fingertip is as  shown in Fig.3 (upper right). Tactile sensor  is able to measure the pressure distribution on the finger  pad.  This sensor  on every  finger pad  is as shown in Fig. 3 (lower  right).

Fig. 3. Multi-axis force/torque sensor  (BL AUTOTEC, LTD.) and  array-type tactile sensor

The  overview of the  control  system  for  this  robot  hand is shown in  Fig.  4. This  control computer gets  the  pulse  from  the  encoders in  every  motor,  the  value  from  multi-axis force/torque  sensors in every  fingertip and  the  pressure distribution from  the  array-type tactile  sensors  on  every  finger  pad.  The  fingers  are  controlled through driver circuits according to these data.

Fig. 4. Control system  for universal robot hand

Basic performance

It is shown that  the basic performance of the developed robot  hand. The movable range  of joints  is as shown in Table  1. 0 [deg.]  is extended position and  the  flexion  direction is the plus  direction. This movable range  of robot hand is similar  or over the human’s one.

Thumb (deg.) Others (deg.)
IP Joint 0 -110 DIP Joint 0 – 95
MP Joint 0 -110 PIP Joint 0 – 95
CM1 Joint 0 -110 MP1 Joint 0 -110
CM2 Joint 0 -110 MP2 Joint 0 -110

Table 1. Movable range  of each joint

The step responses of every  finger  are shown in Fig. 5. From this figure,  DIP & PIP operates slower  than  the other  joints. As the PIP joint is operated with  the DIP joint, the load of DIP & PIP is about  twice larger  than  the other  joints’ one. Thus, DIP & PIP operates with  about  half the angular velocity.  Therefore this  Universal Robot  Hand II has enough response velocity for our future study.

Fig. 5. Result of step response experiments

Superior function

Typically, the  robot  finger  is classified  into  a hard finger  and  an elastic  finger.  In the  hard finger,  the  rotation of the  actuator responds plainly to the  angle  of the  joint.  In the  elastic finger, the fingertip can be moved with elastic members depending on the external force. However, a human finger  acts as both  a hard finger  and  an elastic  finger  depending on a situation. Thus,  Torque  Limiter  Mechanism is fitted  into  the  joint  of this  Universal Robot Hand II. With  this  mechanism, driving mechanism in joints  is started to skid  from  setup skidding torque. By implementation with this mechanism, the driving mechanism can be protected against overload, and the robot hand may grasp objects flexibly.

Torque limiter mechanism

Mechanism

Torque Limiter Mechanism is constructed by a fixed plate, a rotating plate and rollers held between these plates  as shown in Fig. 6. These rollers  are tilted  on an angle of  degrees. The skidding torque is expressed in (1).

 rsin

(1)

where,  is the coefficient  of the friction  between rollers,  plates.  is the radius of rollers,  and P  is  the  pressure by  the  adjustment  nut.  Every  20  joints  of  this  robot  hand have  this mechanism as shown in Fig. 7.

Fig. 6. Inner  structure of finger  joint with  torque limiter mechanism

Fig. 7. Cross-section view and side view of torque limiter mechanism

Fig. 8. Angle of adjustment nut vs skidding torque

Fig. 8 shows the relation between the clenched angle of an adjustment nut and the skidding torque. From Fig. 8, the skidding torque is adjustable from maximum to minimum of motor torque. In other  word, this finger  is able to be adjusted as a hard finger  or a passive finger.

Advantages in finger behavior

Torque Limiter  Mechanism has  some  advantages on  the  operation of the  Universal Robot Hand II. The behavior of the finger  with  the mechanism is shown in Fig. 9 and  Fig. 10. The PIP joint and  the DIP joint are normally located as shown in Fig. 9 (a). The DIP joint is flexed in conjunction with  PIP joint as same  degrees. It is thought that  excess overload is operated at the  distal  phalanx. As shown in Fig. 9 (b). If torque by the  external force  exceeds  setup skidding torque, modules of drive  gearing are turned over  toward the direction of fending off the force to the mechanical stopper as one structure. This mechanism doesn’t only make the  actuators to  be  protected against the  overload, but  also  support the  external force mechanistically without output power of actuators by the position of particularity.

Fig. 9. Overloaded operation with  torque limiter mechanism

Flexible  grasp with  Torque Limiter  Mechanism is as shown by Fig. 10. Typically, a robot finger  takes  the form  in Fig. 10 (a) in case of grasping a thin  object. This is because that  the commonly-used robot  hand has engaged DIP and  PIP joints in imitation of human joints. On the other hand, in case of grasping a thin object with human fingers, these fingertips are collimated, and  increases area  of contact  between these  finger  pads. Thus,  developed robot hand operates skidding mechanism in the DIP joint. Robot fingertips are collimated, and increases area of contact  in Fig. 10 (b). Herewith, developed robot  hand doesn’t pinch  a thin object with  a point  contact  but with  plane  contact.

Fig. 10. Clip operation with  thin object

Experiments

Alleviation of impact force

Experimental setup

In this experiment, the protection of drive train is verified. The outline of this experiment is shown in  Fig.  11. The  DIP  and  the  MP2  are  fixed  with  a  bump against the  mechanical stopper. The  PIP  is  flexed  at  a  tilt,  45 [deg.],  and  the  skidding mechanism is  tried  and enabled to operate with  tuning the adjustment nut.  The adjustment nut  of MP1 is clenched up  to the  disabled angle.  Drive  the  MP1 and  contact  hardly the  fingertip to a rigid  object. Keep  sliding the  PIP  to  a  bump against the  stopper of  the  PIP  joint  and  fastening the fingertip on the object for a few seconds. Extend the MP1 to a bump against stopper of the MP1 joint. Values of the fingertip force and the encoder (MP1) are measured during this experiment.

Fig. 11. Impact force experiment

In addition, the  adjustment nut  of PIP is clenched up  and  the  similar experiment without

Torque Limiter  Mechanism is conducted for comparison.

Experimental results

The result of this experiment is shown in Fig. 12. The blue line represents the fingertip force in the  case of “Torque Limiter  Mechanism is active”,  and  the  black  line represents the  inactive case. The red line is the value  of encoder in the MP1. At 130[step], the fingertip force increases drastically. There  is strong evidence that  the fingertip touched on a rigid  object. At 600[step], the  fingertip force decreases precipitously. The fingertip pulled away  from  the  object at this time. As shown by this graph, the case with  active  skidding mechanism has the lower  impact force than  the case with  inactive one. After that, the fingertip force is kept  low during the joint is  skidding. The  fingertip force  in  active  case  converges to  the  force  in  inactive case  in accordance with  the joint is skidded to a bump against the stopper. The fingertip force during this period is lower  than  converged value.  By the result of multiple experiments, the average peak  of the force is 0.33 [kgf] in inactive case and  0.20 [kgf] in active  case. The peak  in active case is drop by about 40% from in inactive case. As identified above, this Torque Limiter Mechanism protects the finger against the accidental overload. Meanwhile, a transition at 700 [step] is impact force by a bump against the stopper at the MP1 joint.

Fig. 12. Transition of encoder contacted against rigid  object

Mismatch between joint angle and counted pulse

This  skidding  mechanism  protects  the  finger  against  the  accidental  overload  by  the experiment in Section  4.1. However, this skidding mechanism has one problem. In the case of the joint is driving and  skidding, this problem must  be considerable. In this case, the joint angle  recognized by the encoder is different from  the real joint angle.  The encoder is set in every  motor, and  the  joint  angle  is recognized indirectly by the  number of rotations. The motor drives the joint through the skidding mechanism, and  the recognized angle  has a gap with  the real angle  in the skidding case. Thus,  in this section,  compensating method for this gap is validated the evidence.

Experimental setup

In this section,  this gap is compensated in the following equation.

where, is the fingertip force and  Fthreshold is the threshold of the fingertip force. is the motor torque and  Tthreshold is the threshold of the torque.  is the angle of the joint and is the control step.  The  fingertip force  is over  the  constant value  Fthreshold, in other  words, the  fingertip contacts an object. In addition, the motor torque is over the constant value  Tthreshold, in other words, the torque is able to operate the skidding mechanism. In this  instance, as operating the skidding mechanism, the angle is not counted up (down). In other instance, the angle is counted up (down).

As shown in Fig. 13, the  finger  hits  a rigid  object three  times  from  the  position of 0 [deg.] using  the  above  method. Meanwhile, the  rigid  object  is set  at  91 [deg.],  and  the  finger  is extended back to 12.5 [deg.]  by measuring the experimental movie.  The finger  is controlled by the time-control method.

Fig. 13. Outline of experiment about mismatch between joint angle and  counted pulse

Experimental results

The  result of this  experiment is shown by Fig. 14. The  red  line  is the  fingertip force.  The black line  and the  blue  line  is  the  value  of  the  encoder in  MP1.  The  black  line  is the compensated data,  and  the blue line is the raw  data.  As shown in Fig. 14, the impact force is measured. This has a reason that the DIP and  PIP joints of the finger  extended to the stopper and  the skidding mechanism of the DIP and  PIP joints are inactive. Thus,  the impact force is not alleviated.

Fig. 14. Transition of fingertip force contacted against rigid  object

The  angular  difference  is  1.5  [deg.]  between  the  first  tap  and  the  second  tap  in  the compensated data.  The  angular difference is 0.5[deg.]  between the  second and  the  third. After  multi-cycle experiments, the  angular difference is 2 [deg.]  at a maximum by one tap. This  compensating method has  cumulative difference but  is practical. Depending on  the desired accuracy of control system, the  values of encoders should be  reset  with  a bump against the stopper. The results show  that this compensating method is effective.

Conclusions

In this  paper, it is declared that  the multi-fingered universal robot  hand is developed. This robot  hand is named “Universal Robot  Hand.” This robot  hand has  5 fingers,  20 joints  and 16 DOFs. This robot  hand is a little bigger  than  a human hand. Every  DOF is driven by the

DC motor in the finger.  Every  joint has  Torque Limiter  Mechanism. This mechanism is the clutch  brake  system. The drive  mechanism in the joint can be protected against overload by using   the  skidding mechanism. At  the  skidding time,  the  joint  angle  recognized by  the encoder is different from the real joint angle.  However the difference can be corrected by the software method.

7 Comments

No comments yet. Why don’t you start the discussion?

Comments are closed