A Prototype Telepresence Robot for Use in the Investigation of Ebola and Lassa Virus Threatened Villages in Nigeria

The article investigates the idea of low-cost, telepresence-based mobile robots for eventual use within villages and rural areas in Nigeria, where diseases such as the Ebola Virus Disease (EVD) and Lassa Haemorrhagic Fever (LHF) are common, yet human intervention is constrained due to the great risk of transmission through bodily fluids. To illustrate the concept and practical issues arising, a systems design approach is taken to identify some of the engineering requirements; and, in the focus of this article, a prototype has been developed at Lancaster University. The robotic device is semihumanoid in that the upper half features two 7-DOF manipulators, designed in part to resemble human operation, while the lower half consists of a four-wheeled base, prioritising ease of operation and reliability over the flexibility offered by a leg-based system

A Prototype Telepresence Robot for Use in the Investigation of Ebola and Lassa Virus Threatened Villages in Nigeria

The article investigates the idea of low-cost, telepresence-based mobile robots for eventual use within villages and rural areas in Nigeria, where diseases such as the Ebola Virus Disease (EVD) and Lassa Haemorrhagic Fever (LHF) are common, yet human intervention is constrained due to the great risk of transmission through bodily fluids. To illustrate the concept and practical issues arising, a systems design approach is taken to identify some of the engineering requirements; and, in the focus of this article, a prototype has been developed at Lancaster University. The robotic device is semi-humanoid in that the upper half features two 7-DOF manipulators, designed in part to resemble human operation, while the lower half consists of a four-wheeled base, prioritising ease of operation and reliability over the flexibility offered by a leg-based system

A prototype telepresence robot for use in the investigation of ebola and lassa virus threatened villages in Nigeria

The article investigates the idea of low-cost, telepresence-based mobile robots for eventual use within villages and rural areas in Nigeria, where diseases such as the Ebola Virus Disease (EVD) and Lassa Haemorrhagic Fever (LHF) are common, yet human intervention is constrained due to the great risk of transmission through bodily fluids. To illustrate the concept and practical issues arising, a systems design approach is taken to identify some of the engineering requirements; and, in the focus of this article, a prototype has been developed at Lancaster University. The robotic device is semi-humanoid in that the upper half features two 7-DOF manipulators, designed in part to resemble human operation, while the lower half consists of a four-wheeled base, prioritising ease of operation and reliability over the flexibility offered by a leg-based system

A Human-Embodied Drone for Dexterous Aerial Manipulation

Current drones perform a wide variety of tasks in surveillance, photography, agriculture, package delivery, etc. However, these tasks are performed passively without the use of human interaction. Aerial manipulation shifts this paradigm and implements drones with robotic arms that allow interaction with the environment rather than simply sensing it. For example, in construction, aerial manipulation in conjunction with human interaction could allow operators to perform several tasks, such as hosing decks, drill into surfaces, and sealing cracks via a drone. This integration with drones will henceforth be known as dexterous aerial manipulation. Our recent work integrated the worker’s experience into aerial manipulation using haptic technology. The net effect was such a system could enable the worker to leverage drones and complete tasks while utilizing haptics on the task site remotely. However, the tasks were completed within the operator’s line-of-sight. Until now, immersive AR/VR frameworks has rarely been integrated in aerial manipulation. Yet, such a framework allows the drones to embody and transport the operator’s senses, actions, and presence to a remote location in real-time. As a result, the operator can both physically interact with the environment and socially interact with actual workers on the worksite. This dissertation presents a human-embodied drone interface for dexterous aerial manipulation. Using VR/AR technology, the interface allows the operator to leverage their intelligence to collaboratively perform desired tasks anytime, anywhere with a drone that possesses great dexterity

Conception et évaluation d'actionneurs à embrayages magnétorhéologiques pour la robotique collaborative

La robotique collaborative se démarque de la robotique industrielle par sa sécurité dans le but de travailler en collaboration avec les humains. Toutefois, la majorité des robots collaboratifs sériels reposent sur un actionnement à haut ratio de réduction, ce qui augmente considérablement la masse reflétée à l’effecteur du robot, et donc, nuit à la sécurité. Pour pallier cette masse reflétée et maintenir un seuil minimal de sécurité, les vitesses d’opération sont abaissées, nuisant ainsi directement à la productivité des entreprises. Afin de minimiser la masse reflétée à l’effecteur, les masses des actionneurs ainsi que leur inertie reflétée doivent être minimisés. Les embrayages à fluide magnétorhéologique (MR) maintenus en glissement continus découplent l’inertie provenant de la source de puissance, souvent un moteur et un réducteur, offrant ainsi un actionneur possédant un haut rapport couple-inertie. Toutefois, les embrayages MR, utilisés de façon antagoniste, ajoutent des composantes à l’actionneur ce qui réduit la densité de couple, et donc, augmente la masse reflétée à l’effecteur du robot. Certains actionneurs MR [1–3] ont été développés, mais leur basse densité de couple contrebalance leur faible inertie lorsqu’utilisés comme actionneurs aux articulations de robots collaboratifs sériels. Cette constatation a mené à ma question de recherche : Comment profiter de la faible inertie des actionneurs MR pour maximiser les performances dynamiques des robots collaboratifs sériels? L’objectif de ce projet de recherche vise donc à étudier le potentiel des embrayages MR en robotique collaborative. Pour ce faire, deux architectures MR sont développées et testées expérimentalement. La première architecture consiste en une articulation robotisée modulaire comportant des embrayages MR en glissement continu et possédant un rapport couple/masse et une taille équivalente à l’actionneur d’Universal Robots (UR) de couple égal, mais possédant un rapport couple/inertie 150 fois supérieur. À l’intérieur de l’articulation, deux chaines de puissance (2 moteurs et 2 embrayages MR) indépendantes se rejoignent à la sortie du joint offrant ainsi une redondance et augmentant la densité de couple comparativement à une architecture standard (1 moteur pour 2 embrayages MR). La deuxième architecture étudiée consiste en un actionnement délocalisé du robot où les embrayages MR sont situés à la base du robot et une transmission hydrostatique à membranes déroulantes achemine la puissance aux articulations. Cette architecture a été testée expérimentalement dans un contexte de bras robotisé surnuméraire. Contrairement à l’articulation MR, cette architecture n’offre pas une modularité habituellement recherchée en robotique sérielle, mais offre la possibilité de réduire l’inertie de la structure avec la délocalisation de l’actionnement. Finalement, les deux architectures développées ont été comparées à une architecture standard (haut ratio avec réducteur harmonique) afin de situer le potentiel du MR en robotique collaborative. Cette analyse théorique a démontré que pour un robot collaboratif sériel à 6 degrés de liberté, les architectures MR ont le potentiel d’accélérer 6 et 3 fois plus (respectivement) que le robot standard d’UR, composé d’actionneurs à hauts ratios

Étude de faisabilité d’un système de distribution de puissance hydrostatique utilisant des embrayages magnétorhéologiques destiné aux exosquelettes

Les exosquelettes sont des robots mobiles assistant les humains de multiples façons, que ce soit pour la réadaptation, l’augmentation de la force ou la réduction du coût métabolique. Plusieurs exosquelettes sont maintenant commercialisés et utilisés dans des domaines militaires, médicaux et industriels. Ces dispositifs doivent interagir avec l’humain, et donc posséder un haut niveau de transparence mécanique qui est atteint ultimement lorsque les mouvements humains ne sont pas affectés par le robot. Cette aptitude constitue en fait le plus grand défi de conception d’un exosquelette. Les deux caractéristiques qui définissent une bonne transparence sont une bande passante élevée et une bonne réversibilité du mécanisme. Pour atteindre ces deux critères, le système de distribution de puissance, constitué de l’actionnement et de la transmission, doit être léger, doit posséder peu d’inertie reflétée et peu de friction. Les systèmes de distribution de puissance utilisés actuellement dans les exosquelettes comportent par contre un compromis fondamental entre une bonne densité de force et un bon niveau de transparence; en général, les exosquelettes forts ne sont pas transparents, et vice-versa. Certaines applications requièrent par contre à la fois force et transparence, un exosquelette pour la course en est un bon exemple. Dans le but de pallier cette problématique, ce mémoire présente le développement et la caractérisation d’un système de distribution de puissance possédant une bonne densité de force ainsi qu’un bon niveau de transparence. Ce système est composé d’embrayages magnétorhéologiques (MR) couplés à une transmission hydrostatique comportant des cylindres à membranes déroulantes. Les embrayages MR possèdent une bonne bande passante (>50 Hz), une bonne densité de force et peu d’inertie reflétée. Couplée aux embrayages MR, la transmission hydrostatique est très rigide, possède peu de friction ainsi qu’une faible inertie. La transparence a été évaluée expérimentalement et à l’aide d’un modèle analytique et numérique. Les résultats obtenus démontrent que le système est à la fois fort et transparent, ce qui lui confère un haut potentiel d’être employé dans les exosquelettes. Les essais expérimentaux ont été effectués sur une interface haptique à un degré de liberté prenant la forme d’un joystick. Les résultats démontrent une bonne transparence du système avec une bande passante supérieure à 40 Hz et des niveaux des forces restrictives (inertie et friction) ne dépassant pas 11 % de la force maximale (bonne réversibilité du mécanisme) de 112 N au bout du joint haptique. Le modèle analytique et numérique élaboré confirme ces résultats et sert également de guide à la conception en fournissant des tendances de bande passante et de forces restrictives en fonctions de différents paramètres de la transmission hydrostatique. Enfin, les performances de ce système ouvrent la voie à de nombreuses applications d’exosquelettes transparents, forts, peu coûteux et versatiles

Hydraulically-actuated compliant revolute joint for medical robotic systems based on multimaterial additive manufacturing

IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA), Montréal, Canada, janvier 2019 Research team : AV

Effective Viscous Damping Enables Morphological Computation in Legged Locomotion

Muscle models and animal observations suggest that physical damping is beneficial for stabilization. Still, only a few implementations of mechanical damping exist in compliant robotic legged locomotion. It remains unclear how physical damping can be exploited for locomotion tasks, while its advantages as sensor-free, adaptive force- and negative work-producing actuators are promising. In a simplified numerical leg model, we studied the energy dissipation from viscous and Coulomb damping during vertical drops with ground-level perturbations. A parallel spring-damper is engaged between touch-down and mid-stance, and its damper auto-disengages during mid-stance and takeoff. Our simulations indicate that an adjustable and viscous damper is desired. In hardware we explored effective viscous damping and adjustability and quantified the dissipated energy. We tested two mechanical, leg-mounted damping mechanisms; a commercial hydraulic damper, and a custom-made pneumatic damper. The pneumatic damper exploits a rolling diaphragm with an adjustable orifice, minimizing Coulomb damping effects while permitting adjustable resistance. Experimental results show that the leg-mounted, hydraulic damper exhibits the most effective viscous damping. Adjusting the orifice setting did not result in substantial changes of dissipated energy per drop, unlike adjusting damping parameters in the numerical model. Consequently, we also emphasize the importance of characterizing physical dampers during real legged impacts to evaluate their effectiveness for compliant legged locomotion

Safe Supervisory Control of Soft Robot Actuators

Although soft robots show safer interactions with their environment than traditional robots, soft mechanisms and actuators still have significant potential for damage or degradation particularly during unmodeled contact. This article introduces a feedback strategy for safe soft actuator operation during control of a soft robot. To do so, a supervisory controller monitors actuator state and dynamically saturates control inputs to avoid conditions that could lead to physical damage. We prove that, under certain conditions, the supervisory controller is stable and verifiably safe. We then demonstrate completely onboard operation of the supervisory controller using a soft thermally-actuated robot limb with embedded shape memory alloy (SMA) actuators and sensing. Tests performed with the supervisor verify its theoretical properties and show stabilization of the robot limb's pose in free space. Finally, experiments show that our approach prevents overheating during contact (including environmental constraints and human contact) or when infeasible motions are commanded. This supervisory controller, and its ability to be executed with completely onboard sensing, has the potential to make soft robot actuators reliable enough for practical use