Ευσταθής λαβή και χειρισμός αντικειμένου από ρομποτικά δάκτυλα με παραμορφώσιμα άκρα και δυνατότητα κύλισης στον δισδιάστατο χώρο

Abstract

This dissertation discusses the problem of stable grasping and object manipulation by a pair of robot fingers when fingertips are made of deformable material and are allowed to move on the object surface under rolling contact constraints. A contact motion model is proposed for deformable-rolling fingertips based on previously reported experimental findings on the rolling distance for a variety of materials. Α detailed derivation is made of the kinematics and dynamics of a pair of robotic fingers manipulating an object with deformable fingertips that are allowed to roll along the object surface. The equilibrium state is derived from the system dynamics and found to depend on the deformation and on the kind of material with regard to the fingertip’s rolling distance characteristics. Simple control laws are proposed for stabilizing the grasp and manipulating an object with parallel contact sides. The control law is a superposition of simple feedback control signals each designed for realizing grasp stabilization, regulation of object rotation and regulation of object position respectively. The control signals are shown to achieve asymptotic convergence to the desired state at a stable grasping configuration. Simulation results are presented confirming the theoretical findings.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή μελετά το πρόβλημα της ευσταθούς λαβής και του χειρισμού αντικειμένων από ένα ζευγάρι ρομποτικών δακτύλων με παραμορφώσιμα άκρα τα οποία έχουν την δυνατότητα κύλισης πάνω στην επιφάνεια του αντικειμένου. Προτείνεται ένα μαθηματικό μοντέλο για την κίνηση κύλισης παραμορφώσιμων ακροδαχτύλων το οποίο βασίζεται σε πειραματικά δεδομένα της απόστασης κύλισης για μια πλειάδα παραμορφώσιμων υλικών. Γίνεται η κινηματική και δυναμική ανάλυση του συστήματος «ρομποτικά δάκτυλα- αντικείμενο». Εξάγονται οι δυναμικές εξισώσεις του συστήματος συμπεριλαμβάνοντας και τους περιορισμούς κύλισης των ακροδαχτύλων. Μελετάται η κατάσταση ισορροπίας του συστήματος των ακροδαχτύλων με το αντικείμενο η οποία εξαρτάται από την παραμόρφωση και το είδος του υλικού που χρησιμοποιείται στα ακροδάχτυλα. Στη διατριβή παρουσιάζονται απλοί νόμοι ελέγχου για την ευσταθή λαβή και τον χειρισμό ενός αντικειμένου με παράλληλες πλευρές επαφής. Ο έλεγχος δεν προϋποθέτει την λύση των κινηματικών εξισώσεων του συστήματος για την σχεδίαση της τροχιάς των δακτύλων ούτε εξαρτάται από την πλήρη γνώση των δυναμικών παραμέτρων του. Ο έλεγχος βασίζεται στην επαλληλία απλών σημάτων ελέγχου που κάθε ένα από αυτά επιτυγχάνει ευσταθή λαβή με ή χωρίς έλεγχο της απόκλισης των επαφών πάνω στο αντικείμενο, στροφή και μετακίνηση του αντικειμένου. Τα σήματα ελέγχου χρησιμοποιούν ανάδραση μετρήσιμων μεγεθών μέσα από αισθητήρια που βρίσκονται στα δάκτυλα. Αποδεικνύεται η ασυμπτωτική σύγκληση του συστήματος στους επιθυμητούς στόχους που θέτουν τα σήματα ελέγχου και επιβεβαιώνονται τα θεωρητικά αποτελέσματα μέσω προσομοίωσης του συστήματος.