LEAP Hand

Home > Hardware > Hands > LEAP Hand

Overview

LEAP Hand (Low-cost, Efficient, and AnthroPomorphic Hand)는 Carnegie Mellon University (CMU)의 Kenneth Shaw, Ananye Agarwal, Deepak Pathak 연구진이 개발한 오픈소스 덱스터러스 로봇 핸드이다. RSS 2023에서 발표되었으며, 로봇 학습 연구의 접근성을 높이기 위해 설계되었다.

LEAP Hand V1 스펙 (RSS 2023)

항목	스펙	출처
자유도 (DoF)	16 DoF (손가락당 4 DoF)	[Shaw et al., 2023]
모터	Dynamixel XC330 (Full) / XL330 (Lite)	[ROBOTIS]
가격	~$2,000 (Full) / ~$700 (Lite)	[v1.leaphand.com]
조립 시간	4시간 이내	[Shaw et al., 2023]
무게	595g (4손가락 구성)	[Shaw et al., 2023]
크기	인간 손 대비 약 30% 큼	[Shaw et al., 2023]
그립 강도	19.5 N (Pull-out Force Test)	[Shaw et al., 2023]
비용 비교	Allegro Hand의 1/8, Shadow Hand의 1/50	[Shaw et al., 2023]

참고: 위 스펙은 LEAP Hand V1 기준이다. V2 시리즈는 별도 섹션 참조.

핵심 의의

덱스터러스 매니퓰레이션의 민주화

LEAP Hand의 가장 큰 의의는 고성능 덱스터러스 매니퓰레이션 연구의 민주화이다.

기존 덱스터러스 핸드의 문제점:

Shadow Hand: $100,000+ 비용으로 대형 연구기관만 접근 가능
Allegro Hand: $16,000 수준이지만 여전히 높은 진입장벽
높은 비용이 조작(manipulation) 연구의 발전을 저해

LEAP Hand가 제공하는 가치:

$2,000로 동등 이상의 성능 제공
3D 프린터와 드라이버만으로 조립 가능
전 세계 연구자들이 덱스터러스 매니퓰레이션 연구 시작 가능
교육 목적으로도 활용 가능 (Lite 버전 $700)

“LEAP Hand significantly outperforms its closest competitor Allegro Hand in all experiments while being 1/8th of the cost.” — Shaw et al., RSS 2023

설계 철학

1. 인간형 운동학 구조 (Anthropomorphic Kinematics)

LEAP Hand는 인간 손의 해부학적 구조를 모방하면서도 이를 초월하는 운동학적 설계를 채택했다.

손가락 구조 (각 손가락 4 DoF):

MCP-1: 굴곡/신전 (Flexion/Extension)
MCP-2: 내전/외전 (Adduction/Abduction)
PIP: 근위지절간관절
DIP: 원위지절간관절

핵심 혁신 - Universal Abduction-Adduction Mechanism:

인간 손은 손가락을 펼쳤을 때만 좌우로 움직일 수 있음
LEAP Hand는 손가락 위치에 관계없이 모든 자유도를 유지
MCP 관절에 모터를 배치하여 어떤 자세에서도 최대 유연성 확보

2. 강도와 내구성 (Strength & Durability)

RSS 2023 논문에서 보고된 성능 지표:

단일 손가락 끝으로 2kg 무게를 1시간 이상 지탱 가능 [Shaw et al., 2023, Section V-A]
반복 동작 시 관절 각도 오차 0.05 라디안 미만 [Shaw et al., 2023, Section V-B]
장시간 고토크 출력에도 과열 없음
파워 밀도: 1.045 N×DOF/(cm²) [Shaw et al., 2023, Table II]

3. 제조 접근성 (Manufacturing Accessibility)

제조 요소	세부 사항
3D 프린터	Ender 3 (약 $200) 사용 가능
재료	PLA 플라스틱 + Ninjaflex (손가락 끝)
출력 시간	전체 부품 24시간 이내
추가 부품	Robotis 강화 플라스틱 브라켓

조립 가이드

필요 장비

3D 프린터: Direct drive 방식 권장 (예: Ender 3 S1 Pro)
필라멘트: PLA (구조물) + TPU/Ninjaflex (손가락 끝)
드라이버: 기본 수공구
Dynamixel 모터 세트: XC330 (Full) 또는 XL330 (Lite)

조립 단계 (약 4시간)

부품 출력 (24시간 소요, 사전 준비)
- Cura 슬라이서 Regular Quality 설정 사용
- 모든 STL 파일 출력
손바닥 조립 (~1시간)
- MCP 모터 마운트 설치
- 배선 라우팅
손가락 조립 (~2시간)
- 각 손가락 4개 관절 조립
- Dynamixel 모터 연결
- 플렉서블 팁 장착
통합 및 테스트 (~1시간)
- 전체 조립
- 모터 ID 설정
- API 연결 테스트

소프트웨어 설정

설치 방법 (GitHub에서 직접 설치):

# LEAP Hand API 저장소 클론
git clone https://github.com/leap-hand/LEAP_Hand_API.git
cd LEAP_Hand_API

# Python 의존성 설치 (저장소 내 python 폴더 참조)
cd python
pip install -r requirements.txt

기본 사용 예시:

# 공식 API 예시 (main.py 참조)
# Dynamixel Wizard로 포트 확인 후 설정

from leap_hand import LeapNode
import numpy as np

# 포트 설정 (시스템에 따라 다름)
leap = LeapNode(port="/dev/ttyUSB0")

# 관절 각도 읽기
current_position = leap.read_pos()  # 16개 관절 위치 (라디안)

# 목표 위치 설정 (16 DoF)
target_angles = np.zeros(16)  # 홈 포지션
leap.set_allegro(target_angles)

주의: 위 코드는 개념 예시이다. 정확한 API 사용법은 공식 GitHub 저장소의 python/ 폴더 내 예제 참조.

지원 환경:

Python, C++, ROS/ROS2
Dynamixel SDK 기반 다른 언어도 가능
Isaac Gym/Lab 시뮬레이션 환경 제공

ROS 사용 시:

# LEAP Hand ROS 노드 실행 (leap_hand_ros 패키지)
# 저장소의 ros/ 폴더에서 catkin 빌드 후 사용
roslaunch leap_hand_ros example.launch

VLA 연구 활용

로봇 학습에 최적화된 설계

LEAP Hand는 단순한 하드웨어가 아닌, 로봇 학습 연구를 위해 설계된 플랫폼이다.

1. 텔레오퍼레이션 데이터 수집

인간 손 동작을 실시간으로 미러링하는 소프트웨어 제공
VLA 모델 학습용 고품질 데모 데이터 수집 가능
YouTube 영상에서 학습한 스킬을 실제 로봇에 전이

2. 시뮬레이션-실제 전이 (Sim-to-Real)

튜닝된 Isaac Gym/Lab 시뮬레이션 환경 제공
URDF 모델 공개로 다양한 시뮬레이터 호환
시뮬레이션에서 학습 후 실제 하드웨어로 직접 전이 가능

3. 강화학습 실험

입력	출력	주기
관절 각도 (16개)	목표 관절 각도 (16개)	20 Hz

Position, Current, Current-based Position, Velocity 제어 모드 지원
최대 전류 제한 조정 가능 (300mA → 550mA)

4. VLA 연구 사례

다양한 물체 조작: 스프 캔, 머스타드 병, 머그컵, 야구공, 드릴 등
복잡한 작업 수행: 서랍 열기, 컵 쌓기, 박스 회전
멀티태스크 학습: 단일 정책으로 여러 조작 작업 수행

버전 비교: V1 vs V2 시리즈

중요: V1과 V2는 별개의 제품 라인이다. V2는 V1의 “업그레이드”가 아닌 다른 설계 철학을 가진 제품이다.

항목	V1 (2023)¹	V2 (2024)²	V2 Advanced (2024)³
가격	~$2,000	~$200	~$300
DoF	16	8	17
조립 시간	4시간	2시간	3시간
구조	전통적 Rigid	하이브리드 Rigid-Soft	하이브리드 Rigid-Soft
대상	연구용 (고성능)	교육/데모용	연구용 (고순응성)
공식 사이트	v1.leaphand.com	v2.leaphand.com	v2-adv.leaphand.com

V2 시리즈 특징

하이브리드 Rigid-Soft 구조: 3D 프린트된 유연 구조와 강체 구조의 조합
높은 순응성 (Compliance): 물체와의 접촉 시 자연스러운 적응
극적인 비용 절감: V1 대비 약 1/10 가격
V2 Advanced: 손바닥에 구동 관절 추가 (17 DoF), 인간형 MCP 운동학

가격 참고: 위 가격은 2024년 기준 공식 사이트 정보이며, 변동될 수 있다.

References

논문

Shaw, K., Agarwal, A., & Pathak, D. (2023). LEAP Hand: Low-Cost, Efficient, and Anthropomorphic Hand for Robot Learning. Robotics: Science and Systems (RSS) 2023.
- PDF
- arXiv

공식 리소스

프로젝트 웹사이트: v1.leaphand.com | v2.leaphand.com
GitHub: github.com/leap-hand
부품 구매: ROBOTIS LEAP Hand Bundle

CMU 관련

CMU News: Lending a Hand
Kenneth Shaw Master’s Thesis: CMU-RI-TR-24-02