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

1. 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 DIEM - Università of Bologna Viale Risorgimento, 2, 40136 BOLOGNA, ITALY SIDRA 2009 –Convegno Nazionale – 17-19 Settembre 2009

2. 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 SIDRA 2009 –Convegno Nazionale – 17-19 Settembre 2009

3. 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 SIDRA 2009 –Convegno Nazionale – 17-19 Settembre 2009

4. 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) SIDRA 2009 –Convegno Nazionale – 17-19 Settembre 2009

5. Introduzione Nella progettazione di organi robotici antropomorfi il RIVESTIMENTO SOFFICE ricopre un ruolo fondamentale: EPIDERMIDE • 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 TESSUTO OSSEO UNGHIA • Aumenta la Sicurezza • Agisce anche in assenza di controllo • Migliora l’accettazione da parte degli utenti TESSUTI SOFFICI SIDRA 2009 –Convegno Nazionale – 17-19 Settembre 2009

6. Obiettivi • Progettare un rivestimento soffice dell’endoscheletro con le seguenti caratteristiche • Aumento della cedevolezza • Riproduzione del comportamento dei polpastrelli umani (condizioni quasi statiche) • 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 Gomma siliconica. Dipendenza da spessore e composizione (Tiezzi et all ‘06) Forza (N) Forza (N) Forza (N) Forza (N) Curva Forza-Spostamento di un polpastrello umano (Wu et al. 2003) Spostamento (mm) Spostamento (mm) Spostamento (mm) Spostamento (mm) 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 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 Anima Rigida Rivestimento omogeneo Strato omogeneo esterno 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 di • rivestimenti omogenei ed eterogenei SIDRA 2009 –Convegno Nazionale – 17-19 Settembre 2009

9. 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 SIDRA 2009 –Convegno Nazionale – 17-19 Settembre 2009

10. Prove Sperimentali • Strumentazione: • Motore lineare con Encoder • Cella di carico monoassiale • Provino • Superficie rigida Condizione di carico: CARICO ASSIALE SUPERFICIE RIGIDA MOTORE LINEARE CELLA DI CARICO PROVINI • Prove sperimentali • Provino emisferico su superficie emisferica • Provino emisferico su superficie piana • Provino cilindrico su superficie emisferica • Provino cilindrico su superficie piana SUPERFICIE EMISFERICA SUPERFICIE PIANA PROVINO PROVINO CARICO NORMALE CARICO NORMALE 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-hardeningintensificato 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 Aumento della cedevolezza Comportamento del polpastrello umano Presenza di cavità Il comportamento dei provini DLD P1, P2 e del provino omogeneo P5 è esprimibile con una curva di potenza (Power Law – Kao, 2001) Carico Normale N (N) Il comportamento dei provino DLD P3 e P4 è esprimibile con una curva spezzata Spostamento d (mm) SIDRA 2009 –Convegno Nazionale – 17-19 Settembre 2009

13. Prove Sperimentali Confronto con i materiali eterogenei spugnosi (gommapiuma) Forza (N) Curva Forza-Spostamento di un polpastrello umano (Wu et al. 2003) E’ possibile progettare rivestimenti DLD con comportamento simile ai materiali spugnosi Materiali Spugnosi Spostamento (mm) SIDRA 2009 –Convegno Nazionale – 17-19 Settembre 2009

14. 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. Compressione Taglio Provini SIDRA 2009 –Convegno Nazionale – 17-19 Settembre 2009

15. 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 SIDRA 2009 –Convegno Nazionale – 17-19 Settembre 2009

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 16

17. 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: • (Lotti, Zucchelli, Reggiani, Vassura, 2006). • Vantaggi : • NO rottura a fatica • NO plasticità. • Cinematica del giunto modellabile (Belluzzi, 1941) • Svantaggi : • Struttura NON monolitica Giunti a geometria trabeiforme (flexural pivots): (Lotti eVassura,Howell et al. 2002-2005). Vantaggi: • Attrito ridotto • Struttura monolitica • Svantaggi : • C.I.R. mobile (parasitic motion) • Cedevolezza trasversale • Rottura a fatica/plasticità SIDRA 2009 –Convegno Nazionale – 17-19 Settembre 2009

18. 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. SIDRA 2009 –Convegno Nazionale – 17-19 Settembre 2009

19. 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. Sensori di posizione angolare integrati Celle di carico integrate SIDRA 2009 –Convegno Nazionale – 17-19 Settembre 2009 Prototipo di dito

20. Conclusioni Integrazione dei rivestimenti DLD MODELLO CAD DITO ROBOTICO DLD SUPPORTI ENDOSCHELETRO SIDRA 2009 –Convegno Nazionale – 17-19 Settembre 2009 20

21. Conclusioni • Si sono definite delle linee guida per il progetto di mani robotiche innovative: • Ricoprimento soffice (polpastrello) a DLD e strutturefluid-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 SIDRA 2009 –Convegno Nazionale – 17-19 Settembre 2009

22. Grazie per la vostra attenzione ? SIDRA 2009 –Convegno Nazionale – 17-19 Settembre 2009