The Effects of Poisson's Ratio on the Indentation Behaviour of Materials with Embedded System in an Elastic Matrix

Soft materials with an embedded stiffer layer are increasingly used in medical and sports engineering. A detailed understanding of the mechanical behaviour of such a material system under localised load and resistance to indentation is very important. In this work, the deformation of an isotropic soft matrix with a buried stiffer thin layer under a circular flat indenter was investigated through finite element (FE) modelling. A practical approach in simulating the indentation resistance of such a system (soft matrix with a buried thin stiffer layer) is evaluated. The numerical result is correlated with the data based on analytical approaches for both homogenous materials and elastic half space with an embedded stiffer layer. The influence of Poisson’s ratio and auxeticity of the matrix on the deformation and indentation stiffness of the material system under different conditions (indenter size, sheet thickness and embedment depth) were established and main influences of the Poisson’s ratio on the material deformation and stresses are discussed. The result shows that the influence of matrix auxeticity on indentation resistance is highly depth dependent, with over 30% enhancement of the indentation resistance being predicted for materials with matrix of a negative Poisson’s ratio

Manos Robóticas Antropomórficas: una revisión

This paper presents a review on main topic regarding to anthropomorphic robotic hands developed in the last years, taking into account the more important mechatronics designs submit on the literature, and making a comparison between them. The next chapters deepen on level of anthropomorphism and dexterity in advanced actuated hands and upper limbs prostheses, as well as a brief overview on issues such as grasping, transmission mechanisms, sensory and actuator system, and also a short introduction on under-actuated robotic hands is reported.Este artículo presenta una revisión de los principales desarrollos que se han hecho en los últimos años en manos robóticas antropomórficas. Las primeras secciones tratan temas como el grado de antropomorfismo y de destreza en las manos robóticas más avanzadas, incluyendo una comparación entre ellas. También se abordan temas como la capacidad de agarre de los efectores finales, los mecanismos de trasmisión, el sistema actuador y sensórico, así como una breve introducción al tema de manos robóticas sub-actuadas. Dirección de correspondencia: Carrera 11 # 101-80, Bogotá (Colombia)

複数の静電容量型柔軟触覚デバイスを用いた三軸力センサの開発

早大学位記番号:新7325早稲田大

Experimental Testing and Numerical Investigation of Materials with Embedded Systems during Indentation and Complex Loading Conditions

In this work, parametric FE (Finite Element) modelling has been developed and used to study the deformation of soft materials with different embedded systems under indentation and more complex conditions. The deformation of a soft material with an embedded stiffer layer under cylindrical flat indenter was investigated through FE modelling. A practical approach in modelling embedded system is evaluated and presented. The FE results are correlated with an analytical solution for homogenous materials and results from a mathematical approach for embedded systems in a half space. The influence of auxeticity on the indentation stiffness ratio and the de-formation of the embedded system under different conditions (indenter size, thickness and embedment depth of the embedded layer) was established and key mechanisms of the Poisson’s ratio effect are highlighted. The results show that the auxeticity of the matrix has a direct influence on the indentation stiffness of the system with an embedded layer. The enhancement of indentation resistance due to embedment increases, as the matrix Poisson’s ratio is decreased to zero and to negative values. The indentation stiffness could be increased by over 30% with a thin inextensible shell on top of a negative Poisson’s ratio matrix. The deformation of the embedded layer is found to be significantly influenced by the auxeticity of the matrix. Selected case studies show that the modelling approach developed is effective in simulating piezoelectrical sensors, and force sensitive resistor, as well as investigating the deformation and embedded auxetic meshes. A full scale parametric FE foot model is developed to simulate the deformation of the human foot under different conditions including soles with embedded shells and negative Poisson’s ratio. The models used a full bone structure and effective embedded structure method to increase the modelling efficiency. A hexahedral dominated meshing scheme was applied on the surface of the foot bones and skin. An explicit solver (Abaqus/Explicit) was used to simulate the transient landing process. Navicular drop tests have been performed and the displacement of the Navicular bone is measured using a 3D image analysing system. The experimental results show a good agreement with the numerical models and published data. The detailed deformation of the Navicular bone and factors affecting the Navicular bone displacement and measurement is discussed. The stress level and rate of stress increase in the Metatarsals and the injury risk in the foot between forefoot strike (FS) and rearfoot (RS) is evaluated and discussed. A detailed full parametric FE foot model is developed and validated. The deformation and internal energy of the foot and stresses in the metatarsals are comparatively investigated. The results for forefoot strike tests showed an overall higher average stress level in the metatarsals during the entire landing cycle than that for rearfoot strike. The increased rate of the metatarsal stress from the 0.5 body weight (BW) to 2 BW load point is 30.76% for forefoot strike and 21.39% for rearfoot strike. The maximum rate of stress increase among the five metatarsals is observed on the 1st metatarsal in both landing modes. The results indicate that high stress level during forefoot landing phase may increase potential of metatarsal injuries. The FE was used to evaluate the effect of embedded shell and auxetic materials on the foot-shoe sole interaction influencing both the contact area and the pressure. The work suggests that application of the auxetic matrix with embedded shell can reinforce the indentation resistance without changing the elastic modulus of the material which can optimise the wearing experience as well as providing enough support for wearers. . Potential approaches of using auxetic structures and randomly distributed 2D inclusion embedded in a soft matrix for footwear application is discussed. The design and modelling of foot prosthetic, which resembles the human foot structure with a rigid structure embedded in soft matrix is also presented and discussed

Error minimising gradients for improving cerebellar model articulation controller performance

In motion control applications where the desired trajectory velocity exceeds an actuator’s maximum velocity limitations, large position errors will occur between the desired and actual trajectory responses. In these situations standard control approaches cannot predict the output saturation of the actuator and thus the associated error summation cannot be minimised.An adaptive feedforward control solution such as the Cerebellar Model Articulation Controller (CMAC) is able to provide an inherent level of prediction for these situations, moving the system output in the direction of the excessive desired velocity before actuator saturation occurs. However the pre-empting level of a CMAC is not adaptive, and thus the optimal point in time to start moving the system output in the direction of the excessive desired velocity remains unsolved. While the CMAC can adaptively minimise an actuator’s position error, the minimisation of the summation of error over time created by the divergence of the desired and actual trajectory responses requires an additional adaptive level of control.This thesis presents an improved method of training CMACs to minimise the summation of error over time created when the desired trajectory velocity exceeds the actuator’s maximum velocity limitations. This improved method called the Error Minimising Gradient Controller (EMGC) is able to adaptively modify a CMAC’s training signal so that the CMAC will start to move the output of the system in the direction of the excessive desired velocity with an optimised pre-empting level.The EMGC was originally created to minimise the loss of linguistic information conveyed through an actuated series of concatenated hand sign gestures reproducing deafblind sign language. The EMGC concept however is able to be implemented on any system where the error summation associated with excessive desired velocities needs to be minimised, with the EMGC producing an improved output approximation over using a CMAC alone.In this thesis, the EMGC was tested and benchmarked against a feedforward / feedback combined controller using a CMAC and PID controller. The EMGC was tested on an air-muscle actuator for a variety of situations comprising of a position discontinuity in a continuous desired trajectory. Tested situations included various discontinuity magnitudes together with varying approach and departure gradient profiles.Testing demonstrated that the addition of an EMGC can reduce a situation’s error summation magnitude if the base CMAC controller has not already provided a prior enough pre-empting output in the direction of the situation. The addition of an EMGC to a CMAC produces an improved approximation of reproduced motion trajectories, not only minimising position error for a single sampling instance, but also over time for periodic signals

Caracterización, Modelado y Diseño de Sensores Táctiles Piezorresistivos

Un sensor táctil es un dispositivo con el que se obtiene información del entorno mediante el contacto con él. Su implementación se basa en distribuir una serie de unidades sensoriales de fuerza, a las que denominamos tácteles, de forma matricial; de modo que al contactar con un objeto se detecta la distribución de fuerzas, su forma, su orientación, etc. El campo de aplicación de estos sensores es muy amplio, por ejemplo en medicina, robótica, o tele-presencia, siendo especialmente necesarios en entornos complejos, no estructurados o peligros. En el presente trabajo se proponen diferentes sensores basados en polímeros piezorresistivos, cuya estructura se basa en una matriz flexible de electrodos sobre la que se coloca una lámina de un material electro-activo que disminuye su resistencia con el aumento de la presión aplicada. Se analizan y caracterizan los sensores, que están orientados a aplicaciones de gran área con tecnologías de bajo coste. Para la elaboración de las matrices de electrodos se utilizan dos tecnologías: una placa de circuito impreso sobre un sustrato flexible (tecnología PCB), y técnicas de serigrafía sobre un sustrato plástico (tecnología screen-printing). Los sensores fabricados se caracterizan desde el punto de vista de su respuesta, evaluando parámetros como la sensibilidad, la linealidad, la histéresis, el tiempo de respuesta, la deriva y la dispersión; y analizando también la influencia que ciertos factores de diseño, como el tamaño y geometría de los electrodos, o la conductividad del material activo, tienen sobre estas características. Para los sensores fabricados con la tecnología de screen-printing (construidos mediante la superposición de capas de diferentes materiales) se propone un método de control de la sensibilidad y rango en base a la constante elástica de dos de las capas. Para explicar los resultados experimentales se hace uso de una herramienta de análisis de elementos finitos y del modelo de Winkler, que permite modelar las rugosidades en la interfaz de contacto entre los electrodos y el material piezorresistivo. Por otro lado, se proponen, diseñan y fabrican dos estructuras que superpuestas a los sensores anteriores les dotan de la capacidad de detectar fuerzas tanto normales como tangenciales. Las componentes de las fuerzas tangenciales se obtienen del desequilibrio de fuerzas que registran los tácteles del sensor que hace de base. Ambas propuestas se analizan con una herramienta de análisis de elementos finitos. Además, se muestran resultados experimentales de los prototipos fabricados para ilustrar su viabilidad. Por último, se describe un trabajo concreto de fabricación de un sensor de gran área para cubrir el brazo de un robot de rescate haciendo uso de elementos discretos de fuerza comerciales (FSR). En él se proponen, implementan y evalúan algunas estrategias de diseño que mejoran la respuesta de los FSR. De todo el trabajo desarrollado, se adquiere un conocimiento acerca de cómo abordar el diseño de este tipo de sensores táctiles y de aquellos realizados con tecnologías similares, extrayendo conclusiones y reglas de diseño básicas. Así mismo, se describen las diversas plataformas de test para los sensores táctiles que han sido fabricadas y que en su conjunto constituyen una infraestructura automatizada de caracterización, muy útil para futuros trabajos

Propuesta y Evaluación de Algoritmos para la Corrección de Errores en Sensores Táctiles

Los sensores táctiles suelen ser matrices de unidades detectoras denominadas tácteles, utilizados habitualmente en robótica para proporcionar capacidades de percepción en aplicaciones que requieren de contacto físico con objetos. Así, es posible determinar su forma, tamaño, textura o dureza permitiendo a los robots interactuar de forma autónoma y con seguridad en un entorno que puede mostrar condiciones cambiantes. Sin embargo, la necesidad de cubrir grandes áreas de contacto de manera flexible y con bajo coste, lleva a utilizar sensores que presentan errores de histéresis, no linealidad, deriva o dispersión. Esto provoca una escasa presencia efectiva de estos sensores en las plataformas robóticas existentes en la actualidad. En esta tesis, en primer lugar, se estudia el efecto de estos errores sobre la información de control derivada de las imágenes táctiles obtenidas como respuesta de un sensor al contacto con un objeto, y que se utiliza en tareas de manipulación robótica. Se realiza el estudio sobre dos sensores táctiles piezo-resistivos, uno flexible de bajo coste y propenso a errores, y otro comercial con menores limitaciones. En segundo lugar, a nivel de táctel, se exploran y proponen algoritmos de corrección de las no linealidades de histéresis complejas mostradas por el sensor de bajo coste, que permitan obtener medidas precisas y fiables de la presión ejercida sobre su superficie. Se analizan tres métodos utilizados por otro tipo de sensores y actuadores: el modelo generalizado de Prandtl-Ishlinskii, un modelo modificado del método clásico de Prandtl-Ishlinskii y un modelo basado en polinomios que aproximan las curvas externas de los bucles de histéresis. Además, como aportación principal de esta tesis, se propone un nuevo algoritmo de modelado denominado ELAM. Este método se basa en la determinación por algoritmos de aproximación de unos puntos intermedios en las curvas y la aplicación de distintas estrategias de mapeo lineal de las curvas externas a las internas del bucle de histéresis medido experimentalmente. El análisis de las medidas y pruebas realizadas, muestra que los errores a nivel de matriz tienen una influencia sobre los parámetros de control similar a otras fuentes admitidas como la dispersión y la resolución limitada. La información extraída del contacto del objeto con un sensor de bajo coste es suficientemente buena en términos de distribución espacial y orientación como para ser utilizada en aplicaciones robóticas, pero no lo es sobre la fuerza de contacto, por lo que en aplicaciones que necesiten una alta precisión en la medida de la presión ejercida, será necesario compensar los errores del sensor. En este sentido, se demuestra que el método ELAM propuesto en esta tesis, consigue un modelo con un ajuste mucho más preciso a los datos experimentales que los otros métodos evaluados. Además, se trata de un método flexible, simple de implementar en dispositivos como FPGAs para aplicaciones en tiempo real, con pocos parámetros de control, apropiado para ciclos de histéresis complejos de otros tipos de sensores o actuadores y que permite corregir los errores de histéresis, no linealidad y dispersión en la respuesta de los sensores táctiles