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
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
SIDRA 2009 –Convegno Nazionale – 17-19 Settembre 2009
• 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
SIDRA 2009 –Convegno Nazionale – 17-19 Settembre 2009
• 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
SIDRA 2009 –Convegno Nazionale – 17-19 Settembre 2009
5
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
SIDRA 2009 –Convegno Nazionale – 17-19 Settembre 2009
6
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
)
SIDRA 2009 –Convegno Nazionale – 17-19 Settembre 2009
7
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
SIDRA 2009 –Convegno Nazionale – 17-19 Settembre 2009
8
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
SIDRA 2009 –Convegno Nazionale – 17-19 Settembre 2009
9
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):
SIDRA 2009 –Convegno Nazionale – 17-19 Settembre 2009
10
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
SIDRA 2009 –Convegno Nazionale – 17-19 Settembre 2009
11
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.
SIDRA 2009 –Convegno Nazionale – 17-19 Settembre 2009
12
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)
SIDRA 2009 –Convegno Nazionale – 17-19 Settembre 2009
Materiali Spugnosi
13
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)
SIDRA 2009 –Convegno Nazionale – 17-19 Settembre 2009
• 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
SIDRA 2009 –Convegno Nazionale – 17-19 Settembre 2009
15
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
SIDRA 2009 –Convegno Nazionale – 17-19 Settembre 2009
Rivestimento soffice (polpastrelli): proprietà viscoelastiche
16
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.
SIDRA 2009 –Convegno Nazionale – 17-19 Settembre 2009
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)
SIDRA 2009 –Convegno Nazionale – 17-19 Settembre 2009
• 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
SIDRA 2009 –Convegno Nazionale – 17-19 Settembre 2009
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
SIDRA 2009 –Convegno Nazionale – 17-19 Settembre 2009
Risultati preliminari
20
Conclusioni
Integrazione dei rivestimenti DLD
MODELLO CAD DITO ROBOTICO
DLDSUPPORTI
ENDOSCHELETRO
SIDRA 2009 –Convegno Nazionale – 17-19 Settembre 2009
• 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
SIDRA 2009 –Convegno Nazionale – 17-19 Settembre 2009
22
Grazie per la vostra attenzione
?SIDRA 2009 –Convegno Nazionale – 17-19 Settembre 2009