Design of 5 D.O.F Robot Hand with an Artificial Skin for an Android Robot

Design of 5 D.O.F Robot Hand with an Artificial Skin for an Android Robot

There  have  been  many  researches of  robot  hands in  robot  fields  and  they  have  been considered one  of the  most  complicated area.  There  are  many  reasons why  researches of robotic  hand are difficult,  and  these are from complicated structures and  functions of hands. There  are many  types  of robotic  hands in robotics  area,  but  they  can be classified  to major two categories. The one is a robotic  hand for an operation in industrial area and  the other  is an experimental hand like human hand. The most  of robotic  hands in industrial area  are 1

D.O.F  or  2 D.O.F  gripers and  they  are  designed for  precise,  repetitive operations. In  the other  area,  human like  robotic  hands, main  concerns are  how  the  shape  of robotic  hands resembles human hands and  how  the  robotic  hands can  operate like human hands. Most human like robotic  hands have  3 ~ 5 fingers  like  human hands and  their  shape,  size  and functions are designed based  on human hand. For a long  time,  major  area  in researches of robotic  hand has  been  an industrial area,  but  the  importance of human like robotic  hands are  getting more  and  more  increasing, because the  needs  of robots  will  be changed from industrial fields  to human friendly environment such  as home,  office, hospital, school  and so on. In brief, the mainstream of robotics  will be changed from  industrial robots  to service robots.  One  of the  important factors  for  service  robots  in human friendly environment is their  appearance. In general, most of humans are feeling friendly and  comfortably to similar appearance like them,  so the appearance of service  robots  should resemble human and  their hands should imitate human hands, too. For this  reason,  there  have  been  many  researches for human like robotic  hands.

Haruhisa Kawasaki developed Gifu hand 2 which  has 5 independent fingers.  It has 16 D.O.F and  20 joints,  so it is one  of the  most  complicated hands. It can  operate all joint  of each fingers  and  with  attached tactile  sensors, delicate grip  can be operated.  However, its size is big to install  to the human size robot  (Haruhisa Kawasaki. et al., 2002). F. Lotti used  spring joint and  tendon to make  UBH 3. It has  5 fingers  and  human like skin  and  like Gifu hand, each  finger  has  independent joint.  The  characteristics of this  hand is using  a spring to its joint and  this  make  its structure simple,  but  this  hand uses  too many  motors and  they  are located in other  place,  so this  hand is not  good  to humanoid robot  (F. Lotti.  et al., 2005). Kenji KANEKO  developed human size  multi  fingered hand. It has  13 D.O.F  complicated fingers  and  all devices  are located  in hand but it has 4 fingers  and  the back of the hand is too big like glove. In this reason,  the shape  of this hand is a little bit different to human hand, so it  can  be  used  to  humanoid robot  not  android robot  (Kenji  KANEKO.  et  al.,  2007). The HONDA ASIMO is the most well-known humanoid robot in the world and its hand shape  is like human. Its appearance and  size is like human and  all devices  are included in hand but it has  only  1 D.O.F, so it is impossible to express variable gestures (K. hirai.  et al., 1998) (H. Hirose. et al., 2001). N.Dechev used spring, links and ball nut joint to make multi fingered prosthetic hand. This hand can passive adaptive grasp by using  only one actuator and  it has human like shape,  5 fingers  but  it can’t express variable motions because there  is only  one active  joint. This hand shows  possibility that  prosthetic hands can be applied to human like robot  (N. Dechev.  et al., 2000). Many  of exist hands used  motors as actuators but Feifei Zhao used  pneumatic type  actuators. This hand was made  of rubber tube,  so there  are no links or wires and  the structure is so simple.  However, this hand can’t make gesture of human finger and  its shape  is different to human hand (Feifei Zhao. et al., 2006).

The many  existing  researches of human like hands can be applied to humanoid robots  but not  matched  to  android robots.  An  android robot  is  one  of  humanoid robots  but  its appearance is  more  similar   to  human appearance than   appearance of  humanoid robot. When  the  android robot  is  designed,  uncanny-vally  must  be  concerned,  in  particular (Shimada M.  et  al.,  2009).  In  this  reason,  the  hand of  an  android required the  nearest appearance to human hand than  existing  variable human like hands and  the design is more difficult  than  one  of humanoid hand. There  are  three  required factors  to the  design of an android robot  hands. Firstly,  the  size  is  very  important,  because it  must  be  matched to whole  body  in proportion. It can be hard to make  small size hand due  to its complexity, but if the proportion is contrary to human body,  it can look ugly.  Secondly, even  if the size of hand is satisfied, shape  must  be concerned. Most  of humanoid robot  hands satisfy  the size policy, but the shape is not curved surface like human hand. Mechanical parts are generally angulate, so the space which  can be used  is narrow and  this makes  the design of an android robot  hand hard. Thirdly, android robot  hands need  an artificial  skin.   The artificial  skin  is major  difference between humanoid  robot  hands and  android robot  hands. The  artificial skins  which  is used  to android robot  hands need  human like touch,  color and  flexibility  for driving.

In this research, an android robot hand for an android robot EveR 3 is presented. The EveR 3 is an android robot  for stage performances as an actress,  so the hand of EveR 3 was made  for variable gestures as  acting  not  grasping. This  hand has  five  fingers  with  5  D.O.F  and artificial  skin.  DC motors and  screw-nut are  used  as actuators and  the  hand is driven by links. The shape  is based  on 3D model  which  was made  by scanning data  from real human. The artificial  skin was  made  by silicon complex and  its shape  was  also based  on 3D model, so its appearance is very similar  to human hand.

Design policies

Applied android robot

The presented android robot  hand is made  for an android robot  EveR 3. EveR 3 is the latest model  of EveR  1 which  was  the  first  android robot  in  Korea.  It was  designed for  stage performances as an actress. Because this android robot was designed as an actress, it has an elegant appearance and  delicate body  which  can  express human like  motions. To  make human like motions, it has  41 D.O.F (9 D.O.F in face, 22 D.O.F in body,  10 D.O.F in both hands) and  its height  is 165cm, weight is 55kg. It can  move  on the  stage  by two  wheeled mobile  lower  body  and  was controlled by wireless LAN. Fig.1 shows  an android robot  EveR 3 with  skin, dress  and  mechanical drawing. Why this robot  was made  as a woman is to hide the mobile  lower  body.  As an actress,  moving on the stage is necessity, but its appearance is different to humans one,  so we can hide  this  parts  with  long  skirt  and  to wear  a skirt,  the woman robot  is chosen  not a man.  There  is already an android robot  can walk,  but  it is not enough to  fast,  stable  moving (Shin’ichiro Nakaoka. et  al., 2009) (Kenji  KANEKO.  et  al.,2009). To make  a woman android robot  is more  difficult  than  a man  android robot,  because it has  more  curved body,  narrow space  and  especially it is more  sensitive in appearance. This android robot  EveR 3 is based  on Korean  young woman. To play  emotional acting,  it has  face which  has  9 D.O.F and  an  artificial  skin  to make  expressions. The full  body  was made  by 3D data  which  is from real human scanning data  and  this data  is also used  to make hand, skin.  The hand is designed by using  this data,  so the size and  shape  are decided from this  reference. The artificial  skin  was  also made  by this  data  but  little bit different, because the  skin  design  needs  making  mold.  To  make  mold  for  an  artificial  skin,  RP  (Rapid prototype) mock  up  was  made  from  3D data  and  the  mold  was  made  by using  mock  up. Silicon complex is used  as an artificial  skin.  There  are many  materials which  are reviewed for an artificial  skin, but why  silicon complex is selected is its characteristics are most like to human skin.  The  appearance is the  most  important factor  to android robots,  so these  are design policies for hands.

Fig. 1. The android robot EveR 3 and its mechanical drawing.

Design policies

The goal of this  design is to make  a human like hand as possible. To achieve  this  goal, the design policies are established and  those are about  size, shape  and  skin. The priority of these policies focused on appearance but not performance.

Size

The size of the  hand is based  on an android robot  which  was  already mentioned, EveR 3. The model of an android robot EveR 3 is Korean young woman whose height is 165cm and weight is 50kg. When  humanoid robots  which  use real human as model are designed, they use  only  size like height,  length  of the  limb  etc. in general. However, android robots  need more  strict  observation of size not only height, length of joint but  also circumference of joint, each  part.  To make  exact reference of model, the original model  was  scanned by 3D scanner and the scanned data  was handled by 3D MAX. From this process,  the data  which  can be used CAD program (Solid works)  was earned. This data contained all information of size of original model  and  this  can  measure exactly  by CAD.  The size  of hand from  original model  can  be measured exactly,  too. The required size data  which  is needed to realize  same  size of original model  is length of each  finger,  length of each  joint  of finger,  circumference of each  finger, thickness of palm  and length of palm.  Of course,  it is hard to realize  exact size of each factor of original model, but this process can help to make  a robot  hand which  is the nearest to human hand than  any  other  existing  hands. Fig.  2 shows  the  real  size  of robotic  hand especially mechanical structure and  comparison with  real  human hand whose  is the  designer of this hand (168cm, Korean  man).  Even if this man’s hand is small, the robotic  hand is smaller than his one. Table.1 shows  parameters of main factor which  are considered to design.

Fig. 2. Mechanical part  of robotic  hand and comparison with real human hand.

Total length 168 mm (from fingertip to wrist  joint)
Width 80 mm (when  thumb finger is bended)
Thickness (Palm) 27 mm
Weight 450 g
Index finger 37/23/ 18 mm (1st, 2nd, 3rd  joint)
Middle finger 40/28/18 mm  (1st, 2nd, 3rd  joint)
Ring finger 36/25/18 mm  (1st, 2nd, 3rd  joint)
Little finger 26/18/15 mm  (1st, 2nd, 3rd  joint)
Thumb finger 32/18 mm        (1st, 2nd, 3rd  joint)

Table 1. The pamameters of developed android hand.

Shape

The consideration of shape  of an android robot  hand is as important as one of its size. There are  many  humanoid robot  hands whose  size  satisfy  human like  size,  because humanoid robots  are  designed as real  human size.  However, most  of their  designs are  not  like  real human hand especially shape.  Even if humanoid robots  have  similar  appearance to human, its design is based  on  robot  basically,  so shape  of human is curved but  one  of humanoid robots  is angulate (AKACHI  K. et al., 2005) (Ill-Woo  Park.  et al., 2005) (Jun-Ho  Oh.  et al.,2006). The  android robot  hand should have  curved design and  it  make  hard to  design, because most  of  mechanical parts  are  angulate, so  the  space  which  can  be  used  is  very narrow. To design human like curved shape, 3D scanned hand data which was already mentioned was used.  There is consideration to use that data. The shape of this data is full straightened, so it is hard to know the shape when the finger bended. Some processing was applied to  original data  to  make  bended shape   by  3D  graphics program (Maya).  Fig.  3 shows  variable shape  of finger  to check. From these  processes, the nearest reference 3D data to real human hand can be obtained.

Fig. 3. The handled 3D data  to check shape  by graphics program.

Skin

The  skin  is the  most  important factor  to make  human like  hand, because skin  is the  part which  is shown intuitively. There  are  some  considerations for an  artificial  skin.  These  are texture, color  and  details  like  wrinkle, so it needs  not  only  technology but  also  arts.  The silicon  composite was  selected as  an  artificial   skin,  because it  is  the  closest  material to human skin than  any other  materials and  it is easy to handle. The artificial  skin also used  3D data  as a reference, but  there  are  more  steps  to use.  To make  a silicon  complex skin,  the mold  is  needed, because the  process  of  making silicon  complex is  like  one  of  making plasters. The 3D data  was  used  to make  mock  up  model. To make  exactly  same  model to original model, RP  (Rapid  prototype) was  used  to  make  mock  up  model. After  making mock  up,  mold  was  made  by using  this mock  up  model, and  a silicon  complex skin  can be made.  The artificial  skin  which  is made  by silicon  complex is very  similar  to human skin, but to raise the similarity, make  up was taken  in final step. Though the mechanical part  was made by consideration of shape, there are gaps between parts and skin. This gaps can make wrinkles when the  finger  bended. To  solve  this  problem, art  clay  was  attached to  gaps between mechanical parts  and skin.  Fig. 4 shows a silicon composite artificial  skin for hand.

Fig. 4. A silicon composite artificial  skin for an android robot hand.

Hardware design

Finger design

The finger design is the most important part  in this android robot  hand. The presented hand has 5 fingers  like human hand and  total  5 D.O.F with  1 D.O.F each finger.  Actually, human finger  has  3 D.O.F at proximal joint, middle joint and  distal  joint to bend  or stretch  and  1

D.O.F to spread, so there  are 4 D.O.F in each finger  basically.  In case of thumb finger,  there is  no  middle joint,  so  it  has  3  D.O.F  (proximal, distal  and  1  D.O.F  for  abduction and adduction).  There  are at least 25 D.O.F in real hand, so it is very  hard to realize  by robotic hands, because there  are  not  enough spaces  to  install  actuators in  hand. For  this  reason, most of humanoid or android hands have smaller number of D.O.F than one of human. Of course,  there  are some  hands which  have  many  D.O.F like one of human, but  their  size are bigger  than  human hands (H. Liu. et al., 2008) or they  have  other  large  spaces  which  have  a lot  of  actuators  instead  (Yuichi  Kurita.  et  al.,  2009).  For  these  reasons,  the  hands for humanoid robots  or android robots  should have  less D.O.F than  one of human hand. In this research, the 5 D.O.F hand is designed to express fundamental motion of human hand like straightening – bending of each  finger.  The best  feature of this  hand is that  the each  finger was made  as a modular structure independently. Most of robotic  hands have  their  actuators like motors in palm  or forearm and  their  finger  is connected to palm,  but  the finger  of this hand has an actuator (DC motor),  sensor  and  gears  as its own components. The combination of these  components becomes  independent finger  module. Why this finger  was designed as a module is for easy  maintenance.

The android robot  EveR 3 which  this hand is applied to was  designed for stage  performance especially commercial performances not  just  using  in the  laboratory for researches, so reliability and  maintenance is one  of the  most  important factors.  The  modular  structure  can  give  fast  and  easy  maintenance  of  hardware.  For example, when the middle finger  breaks  down, replacing of the middle finger  module is the only maintenance of all. It is fast, easy and  low cost. Fig. 5 shows  the disassembled hand by each module.

Fig. 5. The disassembled hand by each module (fingers  and palm).

The organization of a finger  module consists  of a geared DC motor  as an actuator, a screw- nut,  a linear  potentiometer and  joint links. The joint links  are composed of three  phalanges as a proximal joint, middle and  a distal  like human finger.  In case of a thumb finger,  it is little  different to  other  fingers.  There  are  only  a  proximal and  a  distal  phalange. These phalanges are frame  of finger  and  these  joints are connected inner  links and  the inner  links make  subordination of  driving of  three  joints.  Fig.  6 shows   the  composition of  a  finger module.

Fig. 6. The composition of a finger module.

The  power of the  used  DC  motor  is 6mNm and  it  uses  5V (GM-12F,  Motor  Bank).  The dimension of motor  is 36x10x12mm  (including gear  head)  and  its weight is 10g. The power of motor  is not  enough to drive  the  finger  with  skin,  a gear  head  whose  ratio  is 1/50 was attached to the motor.  The screw-nut is used  to drive  links of finger  for saving  spaces.  If the motor  is placed to rotation of links horizontally, it is hard to arrange the motors, because all joints of proximal phalanges are placed in same axis. The advantage of this type to arrange motors is easy to design and disadvantage is using of space ineffectively. To place motor vertically to rotational axis of links,  worm gear,  bevel  gear  or screw-nut can be considered which  connect  motor  to joint. Why  the screw-nut is selected is that  it is easy to make  small size and a linear potentiometer can be attached to nut.   The nut is connected to a linear potentiometer and  an  inner  link  1. The  linear  potentiometer (RDC1047, ALPS) is used  to feedback control   of  motor   and  initialize. The  motor   is  small,  so  it  is  hard to  attach   an encoder to it, so the  linear  potentiometer is used  by calculating of gear  ratio  and  lead  of screw-nut, the  RPM  of motor  can  be  obtained. The  linear  potentiometer uses  5V and  its linearity is +/- 5%. The most  of parts  are made  by aluminum (6061alloy) for light weight, a screw-nut is made  by brass for low friction and inner  links are made  by steel (sus304).

Mechanism of motion

The motion of the finger is occurred by rotation of inner link 1 and the one of left links are subordinated by kinematic relation. Fig. 7 describes the motion of each links when the finger bended and  straightened. The motion of finger  can be described by following. The proximal phalange is connected to housing of actuating parts  and  middle phalange, distal  phalange are  connected in serial  order. Three  inner  links  are  connected among three  phalanges and these  inner  links  make  subordinate relation of each phalange. The inner  link 1 is connected to nut  and  its center  of rotation is located  under of proximal phalange and  their  centers  of rotations are  different, so when  the  inner  link  1 is pulled by  nut;  the  proximal phalange rotates by difference of their  center  of rotation. The shape  of inner  link 1 is like a boomerang and  each tail is connected to nut and  inner  link 2, so when  the inner  link 1 is pulled, it starts rotate  and  it pulls  inner  link 2. The mechanism of rotation of middle phalange is same to one of proximal phalange. The  inner  link  2 is connected to  middle phalange and  the  point  is different to the center  of rotation of the middle phalange, so when  the inner  link 2 is pulled by inner  link 1, the middle phalange rotates. The inner  link 3 is connected to proximal phalange and  distal  phalange. The connected point  of inner  link 3 in proximal phalange is different to the  center  of rotation of the  middle phalange and  the  connected point  in distal  phalange is different to the center of rotation of distal  phalange. When the inner  link 3 is pulled by rotation of the middle phalange, the distal phalange rotates as same to the middle phalange.

The angle of rotation of each joint is decided by the length and  center  of rotation of each inner links.  The length  of proximal phalange, middle phalange and  distal  phalange is fixed  value which  is based  on the original human model, so the values  of inner  links (length, position of center  of rotation) are design factors  in this hand. This robotic  hand was  made  to gesture but not grasp. The gesture which  is purposed is natural fist, so the design factors of the inner  links are  decided when fully  bended shape  of hand becomes  fist.  The  angles  of proximal joint, middle joint and  distal  joint are 60 degree, 90degree and  45 degree when  the shape  of hand is fist. The structure of fingers  is same except the thumb finger but the sizes are different. In case of human hand, the middle finger  is the longest, the index  finger  and  ring  finger  are similar, and little finger is the smallest size, so this hand wad followed that order.

Fig. 7. The mechanism of bending.

Palm and wrist design

The design of palm  is simple  as compared with  the one of finger.  The presented hand is just combination of finger  modules, so the palm  part  is the connecter of finger  modules. Even if the  role is simple,  there  are some  considerations in palm  design, because it can decide the shape  of hand by arrangement of finger  modules. The most  of robot  fingers  are arranged in same  axis in front,  top  view  but  in case of human, they  are  different. The design of palm considered  this  difference,  so  the  height  and  distance  of  each  fingers  is  adjusted  by arrangement of attached points. Fig. 8 shows arrangement of finger modules. The one more consideration of palm  design is the  attachment of thumb finger.  The human thumb finger has  3 D.O.F  especially including abduction-adduction  and  some  of  humanoid robot  has same D.O.F. In case of robot hand which is designed for grasping, the D.O.F for abduction- adduction motion is very  important, but  in this  research, there  is only  1 D.O.F  by out  of space.   Because the only 1 D.O.F is for bending, the attachment to palm  is important to decide the  shape  of hand. The  attachment position is considered natural shape  of hand when the hand is fully straightened and  fist. The attachment angle is decided 81 degree in top view and 15 degree in front  views.  This  arrangement is shown in Fig. 8. The  angle  and  position are decided by one part and the shape can be changed easily by replacement of this part, thumb connecter. The palm part consists  of a palm connecter which  connects 4 finger modules, thumb connecter and wrist connecter, so it is very simple  and it is easy to change the shape.

The wrist  design is based  on 3D model  like hand design. The human wrist  has 2 D.O.F but the wrist  of this robot  has 1 D.O.F by out  of space.  The wrist  design is included to forearm design and  this  forearm has  wrist  joint,  forearm yaw  joint  and  controllers for  hand and forearm, so there  are space problems. To solve this problems, smallest harmonic drive  (CSF-5-100-2XH,  Harmonic  drive),   BLBC  motors  (RE20Flat  5W,  Maxon)   and   self-developed controller was  used  for getting over  narrow space  problem. The  controller for hand used DSP and  it has  6 analog  input ports  for sensors (Linear  potentiometer) and  it can control  6 DC  motors. Though this  hand has  5  D.O.F,  this  controller has  6  ports  for  abduction- adduction  motion of  thumb finger  in  future works.   The  BLBC controller was  also  self- developed to satisfy  small  spaces.  It can  control  2 BLDC motors and  there  are  4 ports  for encoders, proximity sensors and  it used  DSP, too. The proximity sensor  (GL-6H, Sunx) was used  for initializing. From these  efforts,  slim size wrist  design which  can match  to reference model can be made.  Fig. 9 shows the wrist design and controllers.

Fig. 8. The shape  of palm,  thumb joint and  attachment position.

Fig. 9. The wrist  design and controllers (hand controller, forearm controller).

Skin design

The skin part, especially an artificial skin, is very important factor of hand for an android robot, because it is the only shown part  optically in outside. The skin design is basically similar to one of hand, but there are more steps than hand design. There are three steps  to make  skin part.  

These are mock up, mold  and  material making. Firstly, the mock up is made by original 3D model. This mock up is used  to make  mold  for skin, so it is needed to be like original model  as  possible. To realize  original model  exactly,  the  mold  was  made  by  RP (Rapid  prototype) and  the  exact  same  model to original can  be made.  Secondly, the  mold was used  to cast skin and  this is made  by mock up. This process  is similar  to make  a plaster caster.  The mold  was  made  by silicon, but  this is not tough to make  skin several  times.  The CNC  based  metal  mold  was  replaced to the  silicon  mold  and  this  mold  was  tough to use several  times,  but  it was  expensive to make.  Thirdly, the artificial  skin is made  by mock-up and  mold.  There  are  some  materials as  an  artificial  skin  like  urethane, latex,  rubber and silicon.  The  silicon  complex was  selected  the  material of artificial  skin,  because it has  the closet texture to human skin and  it is easy to handle. In addition, the characteristic of silicon can  be  changed easily  by  the  mixture ratio  of  an  emulsion. This  mixture ratio  between silicon  and  an  emulsion decides the  durableness of  the  skin.  It  is  very  important the durableness of material to make  an artificial  skin,  because if the  durableness of the  skin  is hard, it  can  be  stiff  resistance to  move  but  soft,  it  tears  easily.  Through many  times  of experiments, the  optimal mixture ratio  between silicon  and  an  emulsion can  be obtained. The  pigments were  used  to  make  human like  color  and  they  were  made  by  blending of some  colors and  added with  an emulsion. After completion of skin, the wrinkles are added to skin by make-up to raise reality.  

Even if this artificial  skin of hand can realize  the human hand and  mechanical parts  are  designed by  3D  data  from  human, there  are  some  gaps between skin and  mechanical parts.  The kind  of art clay was  used  to fill these  gaps.  The art clay  is easy  to handle and  build  shape.  From  these  processes, the  artificial  skin  for  robo hand which  has  the  closest  shape  to human can be produced. Fig. 10 shows the  mock-up, mold  and  the artificial  skin.

Fig. 10. The mock-up, mold  and finished artificial  hand skin

Kinematics of finger modules

o            

.

Fig. 11. The simplified image  of finger and  parameters

J1 Proximal joint
J2 Middle joint
J3 Distal joint
l1 Proximal phalange
l2 Middle phalange
l3 Distal phalange
l4 Inner  link 1
l5 Inner  link 1 (other  limb)
l6 Inner  link 2
l7 Inner  link 3
U(xy) Distance by screw-nut (input)

Table 2. Parameters for kinematics

y         y 

l6  

(P3x   P)

 (P    P   )2

(3)

P3   J)

The  l6   is the  designed value  and   P3 can be known by forward kinematics from J. These formulas are also solved  by Matlab,  because they are too complicated to solve by hand.

The structure of distal  joint is simple  4 bar linkage,  so the 3  can be solved  easier than . The 3  is known by solving  simultaneous equations (4).

y         y 

l7  

(Px   P3)

 (P    P   )2

(4)

P5   J)

How  to get unknown values  is same to get unknown in .

Even  if the complicated kinematics was  solved,  it was  not  used  to operate hand except  for

calculating .

Experiment and discussions

This hand was  made  for gestures like human hand not  grasping, so experiments are  very simple.  From  this  purpose, the experiments were  taken  to check how  this  hand can realize gestures like the one of human similarly and  verify  the torque of hand is enough or not to move  under the  resistance of  skin.  Even  if  some  experiments were  taken  to  know  the resistance of skin by pieces  of silicon, there  are great  differences between pieces  of skin and hand shaped skin.  The exact  experiments can  be taken  by material engineering area,  so it was  not efficient  way  to check the resistance of skin, tests to the real model  was  taken.  The performed experiments to gestures are basically  to express rock-paper-scissors posture. The 6 postures are performed including rock-paper-scissors and during these postures, how the shapes are  natural like  the  shape   of  hand of human in  same  posture was  checked. The tearing and wrinkle at the surface, adequateness of torque are also checked. Fig. 12 shows 6 postures with  the completed hand. The gear  ratio  was  1/30 at first, but  it is not  enough to bend  the finger  fully, so the gear ratio  was changed to 1/50 and  it worked well. In addition to  change of  the  gear  ratio,  the  thickness of  skin  was  thinner and  this  made   problem. Because  the  transmittance becomes  high,  the  inner  mechanical part  can  be shown even  if there  is make-up to the  skin.  The mixture ratio  among silicon,  pigments and  an  emulsion should be  more  researched. There  are  no  barometers for  a  point  of  similarity between presented hand and  human hand, so the evaluation of this hand is subjectively. The esthetic valuation basis  should be needed as future works.  There  are  some  needs  of improvement after experiments. Firstly,  the exact measure of the resistance of skin is needed. It is not easy to know  the resistance of the real shape,  but  trial-error ways  are not efficient.  Secondly, the cost of hand is too expensive. This hand is not just for researches, the cost is one of the most important factors.  The  small  and  exquisite parts  caused high  cost,  so  the  more  simple structure and  parts  should be designed. Thirdly, the 1 D.O.F thumb finger  and  no spread of fingers  are not enough to gesture like human. Even if there  are not enough spaces  in hand, the  spread fingers  and  abduction-adduction  motion of thumb finger  should be  added to make natural gestures like human.

Fig. 12. The 6 postures with completed hand.

Conclusion

In this  paper, 5 D.O.F hand for an android robot  with  an artificial  skin  was  presented. The hand of an android robot  required human like appearance because of an android robot  is the  nearest robot  to human. The presented robotic  hand has  5 D.O.F fingers  and  its shape and  size are based  on Korean  young woman. There are three  design policies  which  are size, shape  and  skin  to make  this  hand and  these  are for the closest  realization of human hand. The  finger  used  D.C motor,  screw-nut and  liner  potentiometer and  linkage  structure as a power transmission. The characteristic of mechanical design is a modular structure. Each finger module has its own power and sensor independently, so this design can bring easy maintenance by changing modules. The finger module was designed to suit the shape  which is based  on 3D data  from  human hand. The hand is just combination of each finger  module and  palm  part.  The palm  part  decides the shape  of hand by arrangement of finger  modules and  it is also designed by 3D data  based  on human hand.  The artificial  skin  was  made  of silicon  complex which  was  selected as  the  nearest material to  human skin.  To make  this silicon  complex, mock-up and  mold  and  mixture of  materials are  needed. After  these processes, the closest  android hand to real human hand can be produced. This hand is not for grasping but gesture, so experiments are for evaluation how  it has similar  appearance to human hand and  can make  variable gestures. In experiments, this hand can express variable postures include rock-paper-scissors and  its appearance is similar  to human hand. There are some improvements to this hand. The 5 D.O.F is not enough to realize variable gestures of human hand especially spread of fingers and adduction-abduction. In addition, the exact valuation standard of similarity in appearance should be researched. These should be the future works  in this research.

3 Comments

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

Comments are closed