Sidra 2009– Società Italiana Docenti e Ricercatori in Automatica
17-19 Settembre 2009, Siracusa
On designing soft robotic hands adopting
visco-elastic covers and compliant joints:
Work in Progress
Progetto di mani robotiche utilizzando rivestimenti viscoelastici e
giunti “compliant”: WIP
Giovanni Berselli
[email protected]
Marco Brandi
[email protected]
Marco Piccinini
[email protected]
Prof. Gabriele Vassura
[email protected]
DIEM - Università of Bologna
Viale Risorgimento, 2, 40136 BOLOGNA, ITALY
SIDRA 2009 –Convegno Nazionale – 17-19 Settembre 2009
Linee guida della presentazione
• Mani robotiche antropomorfe: considerazioni introduttive
• Linee guida del progetto
• Rivestimento soffice (polpastrelli):
• risultati ottenuti e WIP
• Giunti “compliant”:
• risultati ottenuti e WIP
• Conclusioni
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Mani robotiche antropomorfe: considerazioni introduttive
• 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.
DLR hand II, 2007
Schunk Antropomorphic hand (SAH), 2007
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Linee guida del progetto
•
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)
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Introduzione
Nella progettazione di organi robotici antropomorfi il
RIVESTIMENTO SOFFICE ricopre un ruolo fondamentale:








Aumenta l’area di Contatto
Minore pressione di contatto
Maggiore assorbimento di disturbi esterni
Aumenta
la Sicurezza
(vibrazioni)
Consente
di esercitare
coppia torcente in
Agisce anche
in assenzauna
di controllo
direzione perpendicolare al piano
Migliora
l’accettazione
Adattamento
di forma da parte degli utenti
Stabilità di presa quando si afferrano oggetti
morfologicamente complessi
EPIDERMIDE
TESSUTO
OSSEO
UNGHIA
TESSUTI
SOFFICI
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Obiettivi
Progettare un rivestimento soffice dell’endoscheletro con
le seguenti caratteristiche
1)Aumento della cedevolezza
2)Riproduzione del comportamento dei polpastrelli umani
(condizioni quasi statiche)
Gomma siliconica.
Dipendenza da spessore
e composizione
(Tiezzi et all ‘06)
Forza (N)
Forza
(N)
Forza (N)
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
Forza (N)




Spostamento (mm)
Spostamento (mm)
Spostamento
Spostamento(mm)
(mm)
Curva Forza-Spostamento di un
polpastrello umano (Wu et al. 2003)
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Obiettivi
Lo spessore è un vincolo progettuale
Soluzioni per aumentare la cedevolezza del rivestimento a parità di spessore
Materiali cedevoli caratterizzati da bassissima durezza
Materiali porosi (gommapiuma)

Materiali omogenei con struttura DLD (Differentiated Layer Design)

Doppio strato: uno omogeneo esterno e uno discontinuo interno

Realizzabili tramite Prototipazione Rapida o colata in stampi
Strato
discontinuo
interno
Strato
omogeneo
esterno
Anima Rigida
Rivestimento
omogeneo
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 di
rivestimenti omogenei ed eterogenei
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Materiali
Materiali utilizzati per realizzare i provini (entrambi compatibili con la tecnologia
della Prototipazione Rapida):
Silicone 50 Shore 00 (Wacker Elastosil): tensione di
rottura 4.36 MPa, allungamento a rottura 47%, durezza 50 scala
Shore 00
Eccellenti proprietà meccaniche
Scarsa resistenza ad abrasioni e intagli
Tango Plus Fullcure 930: tensione a rottura 1.50 MPa,
allungamento a rottura 218%, durezza 27 scala Shore A
Scarse prestazioni meccaniche se sottoposto a
carichi ciclici (ortotropia)
Tempi di produzione molto brevi e buona finitura
superficiale
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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
Prove sperimentali
1)Provino emisferico su superficie emisferica
Condizione di carico: CARICO ASSIALE
SUPERFICIE
EMISFERICA
SUPERFICIE
PIANA
PROVINO
2)Provino emisferico su superficie piana
PROVINO
3)Provino cilindrico su superficie emisferica
4)Provino cilindrico su superficie piana
CARICO
NORMALE
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CARICO
NORMALE
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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.
Confronto curve Forza – Spostamento per
provini emisferici su superficie rigida.
DLD a microtravi inclinate
(P4)
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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
Aumento
della
cedevolezza
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
Comportamento
del polpastrello
umano
Carico Normale N (N)
Presenza
di cavità
Spostamento d (mm)
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Prove Sperimentali
Forza (N)
Confronto con i materiali eterogenei spugnosi (gommapiuma)
Spostamento (mm)
Curva Forza-Spostamento di un
polpastrello umano (Wu et al. 2003)
E’ possibile progettare rivestimenti
DLD con comportamento simile ai
materiali spugnosi
Materiali Spugnosi
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Rivestimento soffice (polpastrelli): modello FEM
•
•
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.
p 


(1  2  3  3)
p 1  p
N
W (1 , 2 , 3 )  
Compressione
p
p
p
Taglio
Provini
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Rivestimento soffice (polpastrelli): proprietà viscoelastiche
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
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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.
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Giunti “compliant”: esperienze passate
•
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
a molla elicoidale:
Giunti
a geometria
trabeiforme (flexural pivots):
(Lotti,
Zucchelli, Reggiani,
Vassura, 2006).
(Lotti
eVassura,Howell
et al. 2002-2005).
Vantaggi :
Vantaggi:
NO rottura
 
Attrito
ridottoa fatica
NO plasticità.
 
Struttura
monolitica

Cinematica
del giunto modellabile
Svantaggi
:
(Belluzzi,
1941
)

C.I.R.
mobile
(parasitic
motion)
Svantaggi
:

Cedevolezza
trasversale

Struttura
NON monolitica

Rottura
a fatica/plasticità
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Giunti “compliant”: proposte alternative
•
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.
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Risultati preliminari
•
•
•
Sono stati testati i primi prototipi di dita.
Effettuata integrazione di sensori:
• Posizione
• Forza (celle di carico)
Sedi per sensori ricavate direttamente nelle falangi.
Prototipo di dito
Sensori di posizione angolare integrati
Celle di carico integrate
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Conclusioni
Integrazione dei rivestimenti DLD
MODELLO CAD
DITO ROBOTICO
DLD
SUPPORTI
ENDOSCHELETRO
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Conclusioni
•
•
•
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
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Grazie
per la vostra
attenzione
?
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