Integration of tactile sensing and feedback control of an under-actuated gripper with adjustable modes of operation

Abstract

Garras robóticas sub-atuadas apresentam um design compacto e estratégias simples de controlo e atuação, mas com o custo de configurações estáveis, quando comparados com sistemas totalmente atuados. Assim, torna-se importante o estudo e compreensão das forças de interação entre as garras e os objetos que são por elas agarrados. Tendo estas considerações como base, esta tese aborda o desenvolvimento de uma garra sub-atuada inspirada em origamis e que possui juntas de rigidez ajustáveis e sensores táteis, sendo estes utilizados com o objetivo de iniciar o estudo de configurações efetivas para agarrar objetos. No trabalho aqui apresentado, uma garra sub-atuada é composta por dois dedos robóticos, sendo estes fabricados usando métodos precisos e uma técnica de fabricação de camada-a camada que permite a integração de múltiplas camadas funcionais, tornando, por isso, o processo escalável e personalizável ao meio envolvente onde a garra será inserida. Uma camada de rigidez ajustável, composta por um heater elástico embebido num polímero com memória, permite adotar diferentes configurações e ajustar a compliance dos dedos do manipulador. O heater é responsável por ativar termicamente o polímero, modulando a sua rigidez e, por conseguinte, ativando as juntas desejadas. Assim, múltiplas configurações para os dedos da garra podem ser definidas para agarrar diferentes objetos, dependendo do seu tamanho, forma, peso e tarefa a ser executada. Para além disso, um sistema de sensores táteis é integrado nos seus dedos com o objetivo de fornecer a informação acerca da interação entre a garra e o objeto. Finalmente, o estudo de configurações efetivas para agarrar objetos é realizado simulando inicialmente o movimento livre da garra sub-atuada, i.e., quando não existe um objeto a ser segurado. Os resultados são comparados com a configuração esperada quando o limite das juntas é atingido. Seguidamente, dois modos de operação são testados usando a garra fabricada: uma pega de força e uma pega de precisão. A fase de pega de um objeto é inicialmente estudada usando uma configuração de pega de força para que se compreenda como o envolvimento de um objeto permite atingir uma pega estável. Posteriormente, é realizado o estudo da pega de objetos de diferentes tamanhos, utilizando pegas de precisão, com o objetivo de analisar o feedback das forças de contato proporcionado pelos sensores táteis. Os resultados mostram a importância do uso de sensores táteis para compreender e agarrar objetos do quotidiano, uma vez que tais sistemas permitem controlar e ajustar as forças de contato para melhorar as pegas e garantir interações mais seguras entre a garra e o meio que o envolve.

Under-actuated robotic grippers offer compact design and simple actuation and control strategies, but at the cost of limited stable configurations when compared with fully actuated systems. Thus, it is important to understand and study the interaction forces between the objects being grasped by the gripper. Taken this matter into consideration, this thesis addresses the development of an origami based under-actuated gripper with adjustable stiffness joints and tactile sensors with the goal of initiating the study of effective grasp configurations. In this work, a tendon-driven robogami under-actuated gripper is composed by two robotic fingers which are manufactured using precise fabrication methods and a unique layer by-layer manufacturing technique that allows integrating multiple functional layers, making such process scalable and customizable to the environment where the griper will be inserted. An adjustable stiffness layer (ASL) composed by a stretchable heater embedded inside a shape memory polymer (SMP) allows achieving different configurations for the fingers and adjust the compliance of the gripper. The stretchable heater is responsible for thermally activating the SMP modulating its stiffness and hence activating the desired joints. Thus, multiple configurations for the fingers of the gripper can be defined to grasp different objects depending on their size, shape, weight and task to be performed. Also, a tactile sensing system is integrated on the fingers to provide the interaction information between the gripper and the object. Finally, the study of effective grasps configuration is performed by initially simulating the free motion of the tendon-driven robogami under-actuated gripper, i.e. when there is not an object being grasped. The results are compared to the expected configuration when joint limit is reached. Then, two modes of operation are tested using the manufactured gripper, a power grasp and a precision grasp. The grasping phase of an object is initially studied for the power grasp to understand how enveloping an object allows achieving stable grasps. Afterwards, the grasping study of different sized objects using precision grasps is performed, with the goal to analyze the contact forces feedback provided by the tactile sensors. The results show the importance of using tactile sensors to perceive and grasp daily objects, since such systems allows controlling and adjust the contact forces to improve grasps and ensure safer interactions between the gripper and the surrounding environment.