Grasp Synthesis Algorithms for Multifingered Robot Hands

Abstract

Η ανάπτυξη σύνθετων, ανθρωπομορφικών, επιδέξιων ρομποτικών χεριών, με στόχο είτε την ενσωμάτωσή τους σε ρομπότ οικιακής και βιομηχανικής χρήσης, είτε ακόμα την τοποθέτησή τους σε ανθρώπους με αναπηρίες έχει φέρει το πρόβλημα της λαβής αντικειμένων από ρομποτικά χέρια στο προσκήνιο της σύγχρονης ρομποτικής. Πρόκειται για ένα πολυπαραμετρικό πρόβλημα κατά το οποίο το μηχανικό σύστημα (ρομποτικό χέρι) αλληλεπιδρά με το φυσικό περιβάλλον, προκειμένου να εκτελέσει μια επιθυμητή εργασία/χειρισμό. Συνεπώς, προκύπτει η ανάγκη για ανάπτυξη αλγορίθμων που δεδομένων όλων των απαραίτητων πληροφοριών, θα υπολογίζουν όλες τις παραμέτρους μιας επιτυχούς λαβής, λαμβάνοντας υπόψη τους περιορισμούς που επιβάλλονται από την κατασκευή του χεριού αλλά και από τον περιβάλλοντα χώρο, με τελικό στόχο την ικανοποίηση των προδιαγραφών που έχουν τεθεί για τη συγκεκριμένη λαβή. Σε αυτή την διπλωματική εργασία, ερευνάται το πρόβλημα του υπολογισμού της βέλτιστης λαβής ως προς διάφορες πτυχές, διασφαλίζοντας ότι ικανοποιούνται οι προαναφερθέντες περιορισμοί. Το πρόβλημα αντιμετωπίζεται για δύο διαφορετικούς τύπους ρομποτικού χεριού. Συγκεκριμένα, αλγόριθμοι βελτιστοποίησης έχουν αναπτυχθεί για την περίπτωση i) ενός ρομποτικού χεριού δεκαπέντε βαθμών ελευθερίας και ii) ένός συνεργιστικού υποεπενεργούμενου ρομποτικού χεριού που η κίνησή του διέπεται από τους ίδιους κανόνες με ένα ανθρώπινο χέρι. Και για τις δύο περιπτώσεις, ως κινηματικό μοντέλο έχει ληφθεί αυτό του ρομποτικού χεριού \textlatin{DLR}/\textlatin{HIT} ΙΙ. Έμφαση έχει δοθεί στην ελαχιστοποίηση των δυνάμεων επαφής των δακτύλων, προκειμένου να ελαχιστοποιηθεί η ενεργειακή κατανάλωση και επίσης να διασφαλιστεί η ακεραιότητα του αντικειμένου που μας ενδιαφέρει. Επιπλέον, κριτήρια που αφορούν την ικανότητα του μηχανισμού του χεριού να παράγει τις απαιτούμενες δυνάμεις, καθώς επίσης και τη συμβατότητα της λαβής με τον επιθυμητό επακόλουθο χειρισμό/εργασία έχουν επίσης συμπεριληφθεί στην παρούσα ανάλυση. Ειδικότερα, μετά τη μοντελοποίηση της προς εκτέλεση από το ρομποτικό χέρι εργασίας, οι αλγόριθμοι που προτείνονται οδηγούν σε υιοθέτηση από το χέρι συγκεκριμένης κινηματικής κατάστασης που ευνοεί την εκτέλεση της εργασίας. Τέλος, προτείνεται ένας αλγόριθμος που στοχεύει στη βελτίωση της ποιότητας της λαβής ενός αντικειμένου σε πραγματικό χρόνο, μετά από αξιολόγηση πληροφοριών που παρέχονται από αισθητήρες αφής, όρασης και μέτρησης δύναμης. Η αποτελεσματικότητα όλων των αναπτυχθέντων αλγορίθμων βελτιστοποίησης ελέγχεται και αποτυπώνεται μέσω μιας μελέτης προσομοίωσης. Τρισδιάστατες εικόνες που αναπαριστούν τα αποτελέσματα των διαφόρων περιπτώσεων που εξετάζονται, παρατίθενται μαζί με διαγράμματα που αφορούν τη σύγκλιση των υιοθετηθέντων κριτηρίων.

The development of complex, human-like, multi-fingered robot hands, aiming at being incorporated in household robotics, prosthetics or even in industrial applications and space has brought the problem of grasping in the spotlight of modern robotics research. Grasping is a multiparametric problem during which the mechanical system (robot hand) interacts with the physical environment in order to perform a manipulation task. Therefore, there arises the need for the development of algorithms that, given sufficient information, produce successful grasps, taking into consideration the constraints imposed by the mechanical structure of the hand and also by the structure of the surrounding environment, aiming at satisfying the grasping task's requirements. In this diploma thesis, the problem of deriving optimal grasps with respect to different aspects of Grasp Quality is addressed, ensuring that the aforementioned constraints are satisfied. The study conducted involves different approaches of this problem. In particular, optimization schemes are developed for the case of i) a robot hand with 15 actuated DOFs and ii) a hypothetical synergistic underactuated hand. For both, the kinematic model of the DLR/HIT II five-fingered robot hand has been considered. Emphasis is given to the grasping force minimization in order to derive grasps consuming the least possible amount of power and also ensure that the grasped object does not break. Besides, criteria concerning the ability of the hand's mechanism to produce the required forces and the task compatibility of a certain grasp have also been considered. Upon modeling the desired task that needs to be executed by the robot hand, our optimization schemes lead to hand's postures that favor its execution. Finally, an algorithm that aims at improving the Grasp Quality in real-time mode, after assessing information provided by tactile/force/vision sensors, is developed. The efficiency of all the developed optimization schemes and algorithms is clarified through a simulation study for the model of the DLR/HIT II five-fingered robot hand. 3D plots representing the simulation results of various cases are provided, along with diagrams concerning the convergence of the criteria adopted.