DIEM - Università of Bologna Viale Risorgimento, 2, 40136 BOLOGNA, ITALY

On designing soft robotic hands adopting visco-elastic covers and compliant joints:

Work in ProgressProgetto di mani robotiche utilizzando rivestimenti viscoelastici e

giunti “compliant”: WIP

DIEM - Università of BolognaViale Risorgimento, 2, 40136 BOLOGNA, ITALY

Giovanni [email protected]

Marco [email protected]

Marco [email protected]

Prof. Gabriele Vassura

[email protected]

Sidra 2009– Società Italiana Docenti e Ricercatori in Automatica17-19 Settembre 2009, Siracusa

SIDRA 2009 –Convegno Nazionale – 17-19 Settembre 2009

• Mani robotiche antropomorfe: considerazioni introduttive

• Linee guida del progetto

• Rivestimento soffice (polpastrelli):• risultati ottenuti e WIP

• Giunti “compliant”: • risultati ottenuti e WIP

• Conclusioni

Linee guida della presentazione


• Grande interesse sottolineato dalla nascita di nuovi prototipi (DLR hand III, 2009, Schunk Antropomorphic hand (SAH), 2007).

• Prototipi ancora lontani dalle funzionalità della mano umana. Aspetti critici:• Complessità di costruzione e montaggio, elevati costi.• Scarsa affidabilità.• Scarsa integrabilità di sistemi sensoriali.• Scarsa idoneità all’utilizzo in ambienti critici.• Dimensioni eccessive (?).

• Possibili concause -> progetto meccanico inadeguato:• Ispirato a soluzioni costruttive mutuate dalla meccanica tradizionale• NON ispirato a modelli biologici di cui si vorrebbe imitare la funzionalità.

Schunk Antropomorphic hand (SAH), 2007DLR hand II, 2007

Mani robotiche antropomorfe: considerazioni introduttive


• Linee guida del progetto:

• Attuazione remota e trasmissione tendini (avvolti su percorsi circolari ricavati direttamente nelle falangi).

• Struttura articolata modulare endoscheletrica:– Rivestimento soffice.– Giunti non convenzionali i.e. “compliant”– Senoristica integrata (UNIBO-DEIS, UNINA)

Linee guida del progetto


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Introduzione

UNGHIA

EPIDERMIDE

TESSUTO OSSEO

TESSUTI SOFFICI

Nella progettazione di organi robotici antropomorfi il RIVESTIMENTO SOFFICE ricopre un ruolo fondamentale:

Aumenta la Sicurezza

Agisce anche in assenza di controllo

Migliora l’accettazione da parte degli utenti

Aumenta l’area di Contatto Minore pressione di contatto Maggiore assorbimento di disturbi esterni

(vibrazioni) Consente di esercitare una coppia torcente in

direzione perpendicolare al piano Adattamento di forma Stabilità di presa quando si afferrano oggetti

morfologicamente complessi


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ObiettiviProgettare un rivestimento soffice dell’endoscheletro con le seguenti caratteristiche 1)Aumento della cedevolezza2)Riproduzione del comportamento dei polpastrelli umani (condizioni quasi statiche)

Gomma siliconica. Dipendenza da spessore e composizione (Tiezzi et all ‘06)

Forz

a (N

)

Spostamento (mm)Curva Forza-Spostamento di un polpastrello umano (Wu et al. 2003)

Forz

a (N

)

Spostamento (mm)

Adottare materiali caratterizzati da bassa durezza Problemi di affidabilità ed usura superficiale Adottare elevati spessori di rivestimento Problemi di dimensionamento. Fissato l’ingombro del dito non è possibile ridurre la

struttura interna quindi anche lo spessore del rivestimento è limitato

Spostamento (mm)

Forz

a (N

)

Spostamento (mm)

Forz

a (N

)


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Obiettivi

Lo spessore è un vincolo progettuale

Soluzioni per aumentare la cedevolezza del rivestimento a parità di spessoreMateriali cedevoli caratterizzati da bassissima durezzaMateriali porosi (gommapiuma)

Materiali omogenei con struttura DLD (Differentiated Layer Design)Doppio strato: uno omogeneo esterno e uno discontinuo internoRealizzabili tramite Prototipazione Rapida o colata in stampi

Anima Rigida

Rivestimento omogeneo

Strato omogeneo

esterno

Strato discontinuo

interno

Anima Rigida


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DLD – Variazioni Morfologiche

Sviluppo concettuale della struttura Differentiated Layer Design:

Modello con protrusioni emisferice equidistanziate

Modello con cavità emisferiche equidistanziate

Modello con costole assialsimmetriche

• Le costole sono inclinate di 45° rispetto la superficie

• Un carico normale provoca la flessione delle costole

Modello con microtravi equidistanziate

• Un carico normale provoca la flessione di ogni

singola trave

Confronto con modelli dirivestimenti omogenei ed eterogenei


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Materiali

Silicone 50 Shore 00 (Wacker Elastosil): tensione di rottura 4.36 MPa, allungamento a rottura 47%, durezza 50 scala Shore 00Eccellenti proprietà meccanicheScarsa resistenza ad abrasioni e intagli

Tango Plus Fullcure 930: tensione a rottura 1.50 MPa, allungamento a rottura 218%, durezza 27 scala Shore AScarse prestazioni meccaniche se sottoposto a carichi ciclici (ortotropia)Tempi di produzione molto brevi e buona finitura superficiale

Materiali utilizzati per realizzare i provini (entrambi compatibili con la tecnologia della Prototipazione Rapida):


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Prove Sperimentali

Strumentazione:

Motore lineare con Encoder

Cella di carico monoassiale

Provino

Superficie rigida

MOTORE LINEARE

CELLA DI CARICO PROVINI

SUPERFICIE RIGIDA

SUPERFICIE EMISFERICA

SUPERFICIE PIANA

PROVINO

CARICO NORMALE

CARICO NORMALE

PROVINO

Condizione di carico: CARICO ASSIALE

Prove sperimentali

1)Provino emisferico su superficie emisferica

2)Provino emisferico su superficie piana

3)Provino cilindrico su superficie emisferica

4)Provino cilindrico su superficie piana


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Prove Sperimentali

Provino emisferico su superficie rigida

P1, P2, P3, P4 = DLD

P5 = provino omogeneo

HU = polpastrello umanoc

Tutti i provini presentano un tipico comportamento di self-hardening intensificato dalla presenza di un anima rigida ed alterato, a parità di spessore, dalla morfologia dello strato intermedio.

DLD a microtravi inclinate (P4)

Confronto curve Forza – Spostamento per provini emisferici su superficie rigida.


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Modello Matematico

Le prove sperimentali dimostrano come il concetto di DLD sia un metodo efficiente per modificare il comportamento a deformazione di rivestimenti soffici per organi robotici

Presenza di cavità

Aumento della

cedevolezza

Comportamento del polpastrello

umano

Il comportamento dei provini DLD P1, P2 e del provino omogeneo P5 è esprimibile con una curva di potenza (Power Law – Kao, 2001)

Il comportamento dei provino DLD P3 e P4 è esprimibile con una curva spezzata

Caric

o N

orm

ale

N (N

)

Spostamento (mm)


Materiali Spugnosi

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Prove Sperimentali

Confronto con i materiali eterogenei spugnosi (gommapiuma)

E’ possibile progettare rivestimenti DLD con comportamento simile ai

materiali spugnosi

Curva Forza-Spostamento di un polpastrello umano (Wu et al. 2003)

Forz

a (N

)

Spostamento (mm)


• Costanti del modello determinate sperimentalmente. Dipendenti da:• Materiale• Geometria

• Modello FEM• Predire i parametri della power-law in differenti configurazioni di carico e geometrie.• Materiali considerati incomprimibili.• Comportamento iper-elastico in condizioni quasi-statiche.• Leggi costitutive: modello di Ogden del primo ordine.

N

p p

p pppW1

321321 )3(),,(

Compressione Taglio Provini

Rivestimento soffice (polpastrelli): modello FEM


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Presenza di Pad viscoelastici

Miglior dissipazione di energia

Aumento nel tempo dell’area di contatto e

miglior distribuzione di pressioni

Miglior stabilità e mantenimento della presa

Utilizzo di strutture a layers differenziati

riempite con fluido viscoso

Strato superficiale (pelle) invariata

(adeguata durezza)

Mantenimento di un basso spessore


Rivestimento soffice (polpastrelli): proprietà viscoelastiche

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Modello Matematico

Il comportamento dei provini DLD riempiti di fluido è esprimibile con semplici modelli di tipo “quasi-linear” (Fung, 1993)

In conclusione:

Polpastrelli di basso spessore a comportamento

viscoelastico simile al polpastrello umano.


Giunti a geometria trabeiforme (flexural pivots): (Lotti eVassura,Howell et al. 2002-2005).

Vantaggi: Attrito ridotto Struttura monoliticaSvantaggi : C.I.R. mobile (parasitic motion) Cedevolezza trasversale Rottura a fatica/plasticità

Giunti a molla elicoidale:(Lotti, Zucchelli, Reggiani, Vassura, 2006).

Vantaggi : NO rottura a fatica NO plasticità. Cinematica del giunto modellabile

(Belluzzi, 1941)Svantaggi : Struttura NON monolitica

• Obiettivi :• Massima integrazione fra i componenti delle dita ->• Riduzione delle procedure di assemblaggio (e costi)


• Caratteristiche volute :• Alta “compliance selettiva”• Assenza teorica di moti parassita (C.o.R. fisso)• Possibilmente mono-materiale

Giunti “compliant”: esperienze passate

• Alternative proposte:• Giunti compliant a elica, realizzati di pezzo (simil-polipropilene).• Giunti compliant a spirale, realizzati di pezzo (simil-polipropilene).• Giunti compliant a croce da utilizzare per escursioni angolari limitate -> movimenti di

abduzione e adduzione.• Giunto compliant realizzati da molle elicoidali (acciaio), integrate nella struttura del dito

realizzata in materiale plastico.

Giunti “compliant”: proposte alternative


Prototipo di dito

Sensori di posizione angolare integrati

• Sono stati testati i primi prototipi di dita.• Effettuata integrazione di sensori:

• Posizione• Forza (celle di carico)

• Sedi per sensori ricavate direttamente nelle falangi.

Celle di carico integrate


Risultati preliminari

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Conclusioni

Integrazione dei rivestimenti DLD

MODELLO CAD DITO ROBOTICO

DLDSUPPORTI

ENDOSCHELETRO


• Si sono definite delle linee guida per il progetto di mani robotiche innovative:• Ricoprimento soffice (polpastrello) a DLD e strutture fluid-filled.• Giunti “compliant” per la realizzazione della struttura articolare del dito.

• Test preliminari mostrano la fattibilità pratica delle soluzioni proposte. Tali soluzioni risultano promettenti in termini di:• Possibilità di riprodurre caratteristiche tipiche della mano umana i.e.:

• Cedevolezza degli strati superficiali• Cedevolezza della struttura articolare

• Riduzione della complessità in fase di assemblaggio -> riduzione dei costi• Alta modularità e compatibilità con diverse tipologie di attuazione (remota)

• Sviluppi futuri:• Simulazione del comportamento dinamico dei polpastrelli (FEM multi fisico)• Ottimizzazione delle geometrie proposte di giunti “compliant”.• Definizione di indici progettuali per la valutazione comparativa dei giunti

Conclusioni


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Grazie per la vostra attenzione

?SIDRA 2009 –Convegno Nazionale – 17-19 Settembre 2009

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scarsa affidabilit

uninalinee guida

wipconclusionilinee

mani robotiche antropomorfe

scarsa integrabilit

risultati ottenuti