Quasi-dynamic analysis, design optimization, and evaluation of a two-finger underactuated hand

Underactuated hands are able to achieve shape adaptation to conformally grasp a wide variety of objects, while keeping low undesirable hand attributes such as weight, size, complexity and cost. The available analytical and simulation studies of planar underactuated hands normally assume quasi-static conditions and a fixed object. In the present paper, a new quasi-dynamic analysis of the grasping process in the horizontal plane by a planar, two-finger, four-joint underactuated hand is presented. The study considers object movement during the grasping process, and also contact friction with a surface that supports the object. An extensive and versatile simulation program, based on the analysis, is developed to investigate the effects of various parameters of hand and object on the grasping process. A prototype hand has been developed and the simulation results are validated experimentally. An extensive and detailed study and optimization exercise is carried out using the developed simulation tool. Specifically, the study concerns a manipulative grasping process that moves the object to the hand centerline during the process. Important new findings on the influence of link dimensions, link angular speeds, friction with the supporting surface, object mass and object size on the grasping performance of the hand in this scenario are presented. The results are used to establish new design guidelines for the hand. In particular, the results indicate that in the case where there is limited information on the size and precise initial location of the object to be grasped, the optimal hand design would involve inner to outer phalange size ratios of approximately 3:1, and inner phalange joints that are very close to each other.peer-reviewe

Augmentation de performance des doigts sous-actionnés par actionnement multiple

RÉSUMÉ Les préhenseurs font partie des éléments critiques en robotique, notamment lorsqu’ils sont amenés à saisir des objets de formes et de grandeurs différentes. L’utilisation typique d’un actionneur pour chaque degré de liberté (DDL) constitue un système complexe nécessitant généralement l’utilisation de plusieurs capteurs et d’algorithmes de contrôle évolués. Les concepts sous-actionnés, pour leur part, ne nécessitent généralement pas ces éléments. Ils suscitent donc un intérêt grandissant et font l’objet de plus en plus d’études, le coût et le poids devenant des enjeux inévitables. La plupart des mécanismes sous-actionnés n’utilisent pas plus d’un actionneur agissant sur les mêmes DDL. Pour les doigts sous-actionnés, sujet de ce mémoire, l’utilisation d’un seul actionneur peut limiter les performances. L’objectif de la présente étude est de quantifier les avantages de l’actionnement multiple, c’est-à-dire l’utilisation de plusieurs actionneurs. Deux cas sont étudiés. Le premier porte sur l’amélioration des performances du point de vue de la saisie d’objets. Le deuxième porte sur le contrôle de la trajectoire de fermeture, c’est-à-dire le mouvement libre du doigt sans qu’il y ait contact avec un objet. Dans le premier cas, l’amélioration des performances de la prise englobante, c’est-à-dire enveloppant l’objet en maximisant le nombre de contacts, est évaluée pour différentes combinaisons d’actionneurs, après une optimisation de la géométrie pour chacune d’entre elles. Deux architectures sont étudiées, une pour laquelle un maximum de trois couples d’actionnement sont distribués à l’intérieur du mécanisme, et l’autre pouvant accueillir deux actionneurs dans la paume. Pour la première, une amélioration marquée de la performance est observée, alors que pour la deuxième, la différence est plutôt modeste. Dans le deuxième cas, l’architecture comportant deux actionneurs dans la paume est optimisée pour obtenir deux trajectoires de fermeture différentes. L’actionnement du doigt par un des actionneurs occasionne une trajectoire analogue à une prise englobante alors que l’utilisation du second en occasionne une pour laquelle la phalange distale demeure perpendiculaire à la paume. Un prototype de ce doigt ayant le comportement escompté est présenté. À la lumière de cette étude, il est clair qu’il y a avantage à utiliser plusieurs actionneurs sur un doigt sous-actionné, que ce soit pour améliorer les performances de la saisie d’objets ou pour permettre le contrôle de la trajectoire de fermeture.----------ABSTRACT Grippers are one of the critical elements in robotics, especially when they get to grasp differently shaped and sized objects. Typical use of one actuator per degree of freedom (DOF) leads to complex mechanisms generally needing many sensors and advanced control algorithms. However in most cases, underactuated designs do not need those components. Therefore, underactuated grippers are the focus of a growing number of works as cost and weight become inescapable issues. Most underactuated mechanisms use no more than one actuator for a set of DOF. As for underactuated fingers, topic of this work, using a single actuator can limit their performance. The main objective of this work is to quantify the advantages of multiple drive actuation, i.e., using several actuators. Two cases are studied. The first focuses on grasp performance augmentation. The second one is about motion control. In the first study case, grasp performance augmentation is assessed for various combinations of actuators, geometry being optimized for each one. Two architectures are studied, one for which a maximum of three torques inputs are distributed throughout the mechanism, and another able to accommodate two actuators in the palm. For the first one, a significant performance amelioration is observed, while for the second one, the difference is modest. In the second study case, the architecture using two actuators in the palm is optimized in order to obtain two distinct closing motions. Driving the finger with one actuator leads to a enveloping grasp like motion, while using the second one leads to a pinch grasp preshaping, i.e., a closing motion for which the distal phalanx remains perpendicular to the palm. A prototype showing the expected behaviour is presented. In the light of this study, it is clear that using several actuators on an underactuated finger is an advantage, whether it be for grasp performance augmentation or to allow motion control

Etude et conception d’un préhenseur versatile sous-actionné : application dans la préparationde commandes de détail

The objective of this thesis is to propose a practical solution to the autonomous picking of objects with various geometries. This study takes place in an industrial context defined by the Intelpick project aiming to robotize the process of retail orders preparation, and meets specific constraints such as a short cycle time among others. Thus, this dissertation focuses on the study of grippers whose gripping execution is fast and also whose grasp planning can be achieved by simple and fast algorithms. This dual objective can be fulfilled using underactuated robotic hands. Indeed, the concept of underactuation in grasping can be used as a strategy to reduce the number of actuators and sensors while keeping the ability of the hand to mechanically adapt to the shape of the object. However, this type of gripper is subject to peculiar and unstable behaviours such as the ejection phenomenon. Due to the lack of criteria suitable for the stability analysis of a grasp exerted by an underactuated hand, we extend both properties of form closure and force closure to this particular case. Thus, we present a method for the analysis of 1st order form closure, a method for the analysis of higher order form closure and a necessary condition for force closure. These works allow us to highlight the relevance of unidirectional mechanisms in improving the capability of the hand to produce stable grasps and vanishing the ejection phenomenon. Finally, the results of these works are put into practice in the design of two adaptive robotic hands TWIX and Octopus.L’objectif de cette thèse est de proposer une solution opérationnelle à la problématique de la prise autonome d’objets aux géométries variées. Cette étude se déroule dans un contexte industriel défini par le projet Intelpick visant à automatiser le processus de préparation de commandes de détail, et répond par conséquent à certaines contraintes spécifiques à cette application, en termes de temps de cycle notamment. Ainsi, nous nous concentrons sur l’étude de préhenseurs dont l’exécution de la saisie est rapide mais également dont la planification de prise est simple et peu coûteuse en temps de calcul. Ce double objectif peut être rempli par la conception de mains robotiques sous-actionnées. En effet, le concept du sous-actionnement appliqué à la préhension permet de réduire le nombre d’actionneurs et capteurs tout en conférant à la main la capacité de s’adapter mécaniquement à la géométrie de l’objet saisi. Cependant, ce type de préhenseur est sujet à des comportements singuliers et instables tels que le phénomène d’éjection. Devant le manque de critères propres à l’analyse de la stabilité d’une prise exercée par une main sous-actionnée, nous proposons d’étendre les propriétés de fermeture géométrique et de fermeture en force à ce cas particulier. Ainsi, nous présentons une méthode d’analyse de la fermeture géométrique au 1er ordre, une méthode d’analyse de la fermeture géométrique à un ordre supérieur, ainsi qu’une condition nécessaire pour la fermeture en force. Ces travaux nous permettent de mettre en avant la nécessité d’introduire des mécanismes unidirectionnels dans la transmission du mouvement de fermeture de la main en vue d'améliorer ses capacités à produire des prises stables et d'éliminer le phénomène d’éjection. Finalement, les résultats de ces travaux sont mis en pratique dans la conception de deux prototypes de préhenseur TWIX et Octopus

Mechanical design of a new pneumatically driven underactuated hand

International audienc

Garras con sensores táctiles intrínsecos para manipular alimentos con robots

[EN] The primary handling of food with robots calls for the development of new manipulation devices, especially when products are easily damaged and have a wide range of shapes and textures. These difficulties are even greater in the agricultural industry because the quality of the products is also checked during the manual handling process. This PhD dissertation provides solutions to these issues and helps to further introduce robotics into the handling of food. Several methods for handling food are included and analyzed, and specific solutions are proposed and then validated with prototypes. The research focuses on devices capable of adapting themselves to the shapes of the products without increasing the complexity of the mechanism. After analyzing several different solutions, the method chosen involves the use of under-actuated mechanisms, compliant mechanisms and fingers with pads filled with granular fluids. These fluids can behave as quasi-liquids or quasi-solids due to the jamming transition, which provides a soft initial grasp and can support high stresses during fast movements performed by the robot. The additive manufacturing process provides an opportunity to develop robot grippers that are lighter, simpler, more flexible and cheaper. By using this process elastic mechanisms are manufactured in a single part, which are equivalent to mechanisms with several rigid parts connected by joints. Laser sintering is employed to produce pneumatic actuators, with different types of motions, based on the elastic properties of the materials used in this manufacturing process. As a result, the systems can be simplified to achieve grippers, with several fingers, that are produced as a single part. In order to estimate the freshness and quality of agricultural products while they are being grasped, accelerometers are added to the fingers of several grippers. Accelerometers are economical and act as intrinsic tactile sensors. They can be easily embedded, thereby reducing the risk of getting damaged due to contact with the product, and allow each of the grasping phases to be identified. To achieve good performance of the accelerometers, a specific process is defined for the robot gripper, which touches the products a few times. In addition, several gripper prototypes are manufactured with diverse under-actuated mechanisms, jamming systems, and a new program that processes the signals from the accelerometers using different procedures in order to obtain parameters that can be used to estimate the quality of products. These parameters are correlated with data from destructive tests that are commonly used as a reference. The best performance of the accelerometers is achieved when the finger employs a granular fluid, a correlation coefficient of 0.937 being accomplished for the ripeness of mangoes and 0.872 for the firmness of eggplants.[ES] La manipulación primaria de alimentos con robots precisa del desarrollo de nuevos sistemas de manipulación especialmente cuando los productos son sensibles al daño y presentan una amplia variabilidad de formas y texturas. En el sector agroalimentario las dificultades son aún mayores ya que la manipulación manual sirve además para inspeccionar los productos durante el proceso. Está tesis aporta soluciones a estos problemas facilitando la incorporación de la robótica. En la tesis se recopilan y analizan diversas soluciones para poder manipular alimentos proponiendo soluciones concretas que luego son validadas con prototipos. La investigación se centra en aquellos sistemas que son capaces de auto adaptarse a las formas de los productos sin incrementar la complejidad del mecanismo. Tras analizar diversas técnicas se propone el uso de mecanismos infra-actuados, mecanismos flexibles y dedos con fluidos granulares que, al estar encerrados dentro de una membrana, se comportan como cuasi-líquidos o cuasi-sólidos gracias a la transición jamming, permitiendo un agarre inicial suave y la posibilidad de transmitir esfuerzos elevados durante los movimientos del robot. En la búsqueda de garras más ligeras, sencillas, flexibles y económicas se aprovecha la oportunidad que brinda la tecnología de fabricación aditiva de material. Gracias a este proceso se fabrican mecanismos flexibles realizados en una única pieza y que equivalen a mecanismos de garras realizados con varias piezas rígidas unidos por articulaciones. Mediante el sinterizado por láser, se fabrican actuadores neumáticos, con diversos tipos de movimiento, basados en la flexibilidad del material empleado en su fabricación. En conjunto se simplifican los sistemas llegando a realizar garras flexibles de varios dedos fabricadas en una única pieza. Para evaluar la calidad y frescura de los productos agroalimentarios durante el agarre se emplean acelerómetros localizados en los dedos de varias garras. Los acelerómetros son económicos y se comportan como sensores táctiles intrínsecos, están fuera del contacto directo con el producto evitando desgastes por contacto y permiten identificar las distintas fases de agarre. Para lograr esto se desarrolla un proceso específico del robot con la garra, que palpa varias veces el producto. Se fabrican diversos tipos de garra con distintas tecnologías de mecanismos infra-actuados y sistemas jamming y se programa un algoritmo original de procesado de señal que con diversas técnicas es capaz de extraer parámetros de los acelerómetros que sirven para evaluar la calidad de los productos. Estos parámetros son correlacionados con los datos de ensayos destructivos que son habitualmente empleados como referencia. Las mejores capacidades se consiguen empleando garras con jamming lográndose coeficientes de correlación de 0.937 en índices de madurez con mangos y 0.872 en firmeza de berenjenas.[CA] La manipulació primària d'aliments amb robots precisa del desenvolupament de nous sistemes de manipulació especialment quan els productes són sensibles al dany i presenten una àmplia variabilitat de formes i textures. En el sector agroalimentari les dificultats són encara més grans ja que la manipulació manual serveix a més per a inspeccionar els productes durant el procés. Aquesta tesi aporta solucions a aquests problemes facilitant la incorporació de la robòtica. En la tesi es recopilen i analitzen diverses solucions per a poder manipular aliments proposant solucions concretes que després són validades amb prototips. La investigació es centra en aquells sistemes que són capaços d'auto adaptar-se a la forma dels productes sense incrementar la complexitat del mecanisme. Després d'analitzar diverses tècniques es proposa l'ús de mecanismes infra-actuats, mecanismes flexibles i dits amb fluids granulars que, tancats dins d'una membrana, es comporten com quasi-líquids o quasi-sòlids gràcies a la transició jamming, permetent una prensió inicial suau i la possibilitat de transmetre esforços elevats durant els moviments del robot. En la recerca d'urpes més lleugeres, senzilles, flexibles i econòmiques s'aprofita l'oportunitat que brinda la tecnologia de fabricació additiva de material. Gràcies a aquest procés es fabriquen mecanismes flexibles realitzats en una única peça i que equivalen a mecanismes d'urpes realitzats amb diverses peces rígides unides per articulacions. Mitjançant el sinteritzat per làser, es fabriquen actuadors pneumàtics, amb diversos tipus de moviment, basats en la flexibilitat del material emprat en la seva fabricació. En conjunt es simplifiquen els sistemes arribant a realitzar urpes flexibles de diversos dits fabricades en una única peça. Per a avaluar la qualitat i frescor dels productes agroalimentaris durant la manipulació s'empren acceleròmetres localitzats en els dits de diverses urpes. Els acceleròmetres són econòmics i es comporten com a sensors tàctils intrínsecs, sense estar en contacte directe amb el producte evitant desgastos per aquest motiu, i permeten identificar les diferents fases d'prensió. Per aconseguir això es desenvolupa un procés específic del robot amb l'urpa, que palpa diverses vegades el producte. Es fabriquen diversos tipus d'urpa amb diferents tecnologies de mecanismes infra-actuats i sistemes jamming i es programa un algoritme original de processat de senyal que, amb diverses tècniques, és capaç d'extreure paràmetres dels acceleròmetres que serveixen per a avaluar la qualitat dels productes. Aquests paràmetres són correlacionats amb les dades d'assajos destructius que són habitualment emprats com a referència. Les millors capacitats s'aconsegueixen emprant urpes amb jamming assolint-se coeficients de correlació de 0,937 en índexs de maduresa amb mangos i 0,872 en fermesa d'albergínies.Blanes Campos, C. (2016). Garras con sensores táctiles intrínsecos para manipular alimentos con robots [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/68481TESI

Synthèse et commande de dispositifs haptiques pour la communication à distance : application à une interface robotique anthropomorphe pour la poignée de main

Les systèmes de communication à distance entre les individus ont évolué significativement au cours des dernières années, de concert avec les innovations technologiques caractérisant notre société. Afin de réaliser une communication réaliste et intuitive, le système doit être capable de stimuler les sens qui sont habituellement impliqués dans l’interaction entre deux personnes, tels que l’ouïe, la vision et le toucher. Le téléphone a représenté une innovation importante dans les communications en permettant enfin de pouvoir parler avec son interlocuteur directement, sans devoir employer un signal codé comme le code Morse. Cette communication a été améliorée en introduisant les appels vidéo, lesquels permettent non seulement d’entendre l’interlocuteur mais aussi de le voir. Plusieurs recherches ont cependant démontré que le sens du toucher joue également un rôle très important dans les interactions entre individus. Une technologie relativement récente, connue comme technologie haptique, aborde le problème de la transmission du sens du toucher à distance, dans le but de mettre en oeuvre une communication complète et encore plus réaliste. Cette technologie a également d’autres applications tout aussi importantes. À titre d’exemple, l’haptique est utilisée dans le domaine de la réadaptation et de l’apprentissage guidé de personnes ayant des déficiences motrices. Cette thèse porte sur le développement de la technologie haptique pour la communication à distance entre deux individus. L’objectif final est la réalisation d’un système permettant aux deux utilisateurs de se serrer la main à distance. Afin d’atteindre cet objectif, nous devons aborder deux problèmes différents, tels que la conception d’une interface capable de reproduire le mouvement désiré et l’implémentation d’une loi de commande garantissant le comportement correct de cette interface. Toujours dans le cadre de l’interaction à distance par le biais d’un dispositif haptique, une interface pour l’apprentissage de l’écriture manuelle est également présentée. Cette application permet de démontrer, entre autres, l’importance d’un signal haptique dans l’interaction humain-humain et son influence sur les utilisateurs.Remote communication systems have significantly improved in the course of the recent years, in concert with technological innovations of our society. In order to realize a realistic and intuitive communication, the system must activate the part of the sensory system that is normally stimulated in an interaction between two people, i.e., the auditory system, the visual system and the haptic perception system, which concerns touch. The telephone represented an innovating communication system. It allowed to directly talk to the interlocutor without any need for a coded signal such as the Morse code. Remote communications have been further improved with the introduction of the video calls, which allow people not only to talk to but also to see each other. Several researches proved that the sense of touch plays a crucial role in social interactions. Haptic technology, which is relatively recent, approaches the problems related to the perception and the transmission of touch. One objective is to render remote communications even more complete and realistic. Haptic technology is also used in other important applications such as, for instance, rehabilitation and guided learning process of people with movement impairments. This thesis concerns the development of the haptic technology devoted to the implementation of remote communication systems. The final objective is to realize a teleoperation system which allows two users to remotely shake hands. In order to achieve this objective, two main issues must be faced : the design of a haptic interface capable of reproducing the required movement and the implementation of a control law which guarantees the proper response of such an interface. In the framework of a remote interaction via a haptic device, an interface for the training and assessment of handwriting capabilities is also presented. The latter application demonstrates the importance of haptic signals in a remote human-human interaction and its influence on the users