Study and Analysis of Design Optimization and Synthesis of Robotic ARM

A robot is a mechanical or virtual artificial agent, usually an electro-mechanical machine that is guided by a computer program or electronic circuitry. Robots can be autonomous or semi-autonomous. In this thesis, design optimization strategies and synthesis for robotic arm are studied. In the design process, novel optimization methods have been developed to reduce the mass of the whole robotic arm. The optimization of the robotic arm is conducted at three different levels, with the main objective to minimize the robot mass. At the first level, only the drive-train of the robotic arm is optimized. The design process of a robotic arm is decomposed into selection of components for the drive-train to reduce the weight At the second level, kinematic data is combined with the drive-train in the optimization. For this purpose, a dynamic model of the robot is required. Constraints are formulated on the motors, gearboxes and kinematic performance At the third level, a systematic optimization approach is developed, which contains design variables of structural dimensions, geometric dimensions and drive-train composes. Constraints are formulated on the stiffness and deformation. The stiffness and deformation of the arm are calculated through FEA simulation. The main objective of the thesis is to design optimization and synthesis analysis of robotic arm. The corresponding deflections, stresses and strains for that load will be find out by suing the method of finite element analysis

Ground Robotic Hand Applications for the Space Program study (GRASP)

This document reports on a NASA-STDP effort to address research interests of the NASA Kennedy Space Center (KSC) through a study entitled, Ground Robotic-Hand Applications for the Space Program (GRASP). The primary objective of the GRASP study was to identify beneficial applications of specialized end-effectors and robotic hand devices for automating any ground operations which are performed at the Kennedy Space Center. Thus, operations for expendable vehicles, the Space Shuttle and its components, and all payloads were included in the study. Typical benefits of automating operations, or augmenting human operators performing physical tasks, include: reduced costs; enhanced safety and reliability; and reduced processing turnaround time

Motion representation with spiking neural networks for grasping and manipulation

Die Natur bedient sich Millionen von Jahren der Evolution, um adaptive physikalische Systeme mit effizienten Steuerungsstrategien zu erzeugen. Im Gegensatz zur konventionellen Robotik plant der Mensch nicht einfach eine Bewegung und führt sie aus, sondern es gibt eine Kombination aus mehreren Regelkreisen, die zusammenarbeiten, um den Arm zu bewegen und ein Objekt mit der Hand zu greifen. Mit der Forschung an humanoiden und biologisch inspirierten Robotern werden komplexe kinematische Strukturen und komplizierte Aktor- und Sensorsysteme entwickelt. Diese Systeme sind schwierig zu steuern und zu programmieren, und die klassischen Methoden der Robotik können deren Stärken nicht immer optimal ausnutzen. Die neurowissenschaftliche Forschung hat große Fortschritte beim Verständnis der verschiedenen Gehirnregionen und ihrer entsprechenden Funktionen gemacht. Dennoch basieren die meisten Modelle auf groß angelegten Simulationen, die sich auf die Reproduktion der Konnektivität und der statistischen neuronalen Aktivität konzentrieren. Dies öffnet eine Lücke bei der Anwendung verschiedener Paradigmen, um Gehirnmechanismen und Lernprinzipien zu validieren und Funktionsmodelle zur Steuerung von Robotern zu entwickeln. Ein vielversprechendes Paradigma ist die ereignis-basierte Berechnung mit SNNs. SNNs fokussieren sich auf die biologischen Aspekte von Neuronen und replizieren deren Arbeitsweise. Sie sind für spike- basierte Kommunikation ausgelegt und ermöglichen die Erforschung von Mechanismen des Gehirns für das Lernen mittels neuronaler Plastizität. Spike-basierte Kommunikation nutzt hoch parallelisierten Hardware-Optimierungen mittels neuromorpher Chips, die einen geringen Energieverbrauch und schnelle lokale Operationen ermöglichen. In dieser Arbeit werden verschiedene SNNs zur Durchführung von Bewegungss- teuerung für Manipulations- und Greifaufgaben mit einem Roboterarm und einer anthropomorphen Hand vorgestellt. Diese basieren auf biologisch inspirierten funktionalen Modellen des menschlichen Gehirns. Ein Motor-Primitiv wird auf parametrische Weise mit einem Aktivierungsparameter und einer Abbildungsfunktion auf die Roboterkinematik übertragen. Die Topologie des SNNs spiegelt die kinematische Struktur des Roboters wider. Die Steuerung des Roboters erfolgt über das Joint Position Interface. Um komplexe Bewegungen und Verhaltensweisen modellieren zu können, werden die Primitive in verschiedenen Schichten einer Hierarchie angeordnet. Dies ermöglicht die Kombination und Parametrisierung der Primitiven und die Wiederverwendung von einfachen Primitiven für verschiedene Bewegungen. Es gibt verschiedene Aktivierungsmechanismen für den Parameter, der ein Motorprimitiv steuert — willkürliche, rhythmische und reflexartige. Außerdem bestehen verschiedene Möglichkeiten neue Motorprimitive entweder online oder offline zu lernen. Die Bewegung kann entweder als Funktion modelliert oder durch Imitation der menschlichen Ausführung gelernt werden. Die SNNs können in andere Steuerungssysteme integriert oder mit anderen SNNs kombiniert werden. Die Berechnung der inversen Kinematik oder die Validierung von Konfigurationen für die Planung ist nicht erforderlich, da der Motorprimitivraum nur durchführbare Bewegungen hat und keine ungültigen Konfigurationen enthält. Für die Evaluierung wurden folgende Szenarien betrachtet, das Zeigen auf verschiedene Ziele, das Verfolgen einer Trajektorie, das Ausführen von rhythmischen oder sich wiederholenden Bewegungen, das Ausführen von Reflexen und das Greifen von einfachen Objekten. Zusätzlich werden die Modelle des Arms und der Hand kombiniert und erweitert, um die mehrbeinige Fortbewegung als Anwendungsfall der Steuerungsarchitektur mit Motorprimitiven zu modellieren. Als Anwendungen für einen Arm (3 DoFs) wurden die Erzeugung von Zeigebewegungen und das perzeptionsgetriebene Erreichen von Zielen modelliert. Zur Erzeugung von Zeigebewegun- gen wurde ein Basisprimitiv, das auf den Mittelpunkt einer Ebene zeigt, offline mit vier Korrekturprimitiven kombiniert, die eine neue Trajektorie erzeugen. Für das wahrnehmungsgesteuerte Erreichen eines Ziels werden drei Primitive online kombiniert unter Verwendung eines Zielsignals. Als Anwendungen für eine Fünf-Finger-Hand (9 DoFs) wurden individuelle Finger-aktivierungen und Soft-Grasping mit nachgiebiger Steuerung modelliert. Die Greif- bewegungen werden mit Motor-Primitiven in einer Hierarchie modelliert, wobei die Finger-Primitive die Synergien zwischen den Gelenken und die Hand-Primitive die unterschiedlichen Affordanzen zur Koordination der Finger darstellen. Für jeden Finger werden zwei Reflexe hinzugefügt, zum Aktivieren oder Stoppen der Bewegung bei Kontakt und zum Aktivieren der nachgiebigen Steuerung. Dieser Ansatz bietet enorme Flexibilität, da Motorprimitive wiederverwendet, parametrisiert und auf unterschiedliche Weise kombiniert werden können. Neue Primitive können definiert oder gelernt werden. Ein wichtiger Aspekt dieser Arbeit ist, dass im Gegensatz zu Deep Learning und End-to-End-Lernmethoden, keine umfangreichen Datensätze benötigt werden, um neue Bewegungen zu lernen. Durch die Verwendung von Motorprimitiven kann der gleiche Modellierungsansatz für verschiedene Roboter verwendet werden, indem die Abbildung der Primitive auf die Roboterkinematik neu definiert wird. Die Experimente zeigen, dass durch Motor- primitive die Motorsteuerung für die Manipulation, das Greifen und die Lokomotion vereinfacht werden kann. SNNs für Robotikanwendungen ist immer noch ein Diskussionspunkt. Es gibt keinen State-of-the-Art-Lernalgorithmus, es gibt kein Framework ähnlich dem für Deep Learning, und die Parametrisierung von SNNs ist eine Kunst. Nichtsdestotrotz können Robotikanwendungen - wie Manipulation und Greifen - Benchmarks und realistische Szenarien liefern, um neurowissenschaftliche Modelle zu validieren. Außerdem kann die Robotik die Möglichkeiten der ereignis- basierten Berechnung mit SNNs und neuromorpher Hardware nutzen. Die physikalis- che Nachbildung eines biologischen Systems, das vollständig mit SNNs implementiert und auf echten Robotern evaluiert wurde, kann neue Erkenntnisse darüber liefern, wie der Mensch die Motorsteuerung und Sensorverarbeitung durchführt und wie diese in der Robotik angewendet werden können. Modellfreie Bewegungssteuerungen, inspiriert von den Mechanismen des menschlichen Gehirns, können die Programmierung von Robotern verbessern, indem sie die Steuerung adaptiver und flexibler machen

An Overview on Principles for Energy Efficient Robot Locomotion

Despite enhancements in the development of robotic systems, the energy economy of today's robots lags far behind that of biological systems. This is in particular critical for untethered legged robot locomotion. To elucidate the current stage of energy efficiency in legged robotic systems, this paper provides an overview on recent advancements in development of such platforms. The covered different perspectives include actuation, leg structure, control and locomotion principles. We review various robotic actuators exploiting compliance in series and in parallel with the drive-train to permit energy recycling during locomotion. We discuss the importance of limb segmentation under efficiency aspects and with respect to design, dynamics analysis and control of legged robots. This paper also reviews a number of control approaches allowing for energy efficient locomotion of robots by exploiting the natural dynamics of the system, and by utilizing optimal control approaches targeting locomotion expenditure. To this end, a set of locomotion principles elaborating on models for energetics, dynamics, and of the systems is studied

Functional mimicry of Ruffini receptors with fibre Bragg gratings and deep neural networks enables a bio-inspired large-area tactile-sensitive skin

Collaborative robots are expected to physically interact with humans in daily living and the workplace, including industrial and healthcare settings. A key related enabling technology is tactile sensing, which currently requires addressing the outstanding scientific challenge to simultaneously detect contact location and intensity by means of soft conformable artificial skins adapting over large areas to the complex curved geometries of robot embodiments. In this work, the development of a large-area sensitive soft skin with a curved geometry is presented, allowing for robot total-body coverage through modular patches. The biomimetic skin consists of a soft polymeric matrix, resembling a human forearm, embedded with photonic fibre Bragg grating transducers, which partially mimics Ruffini mechanoreceptor functionality with diffuse, overlapping receptive fields. A convolutional neural network deep learning algorithm and a multigrid neuron integration process were implemented to decode the fibre Bragg grating sensor outputs for inference of contact force magnitude and localization through the skin surface. Results of 35 mN (interquartile range 56 mN) and 3.2 mm (interquartile range 2.3 mm) median errors were achieved for force and localization predictions, respectively. Demonstrations with an anthropomorphic arm pave the way towards artificial intelligence based integrated skins enabling safe human–robot cooperation via machine intelligence