Nouvelle conception d'un préhenseur robotique souple pour la manipulation dextre

Innovative Design of a Soft Robotic Gripper for In-hand Manipulation

• Auteur / Autrice : Amir Pagoli
• Direction : Yuri Lapusta, Frédéric Chapelle, Juan Antonio Corrales Ramón, Youcef Mezouar
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Mécanique
• Date : Soutenance le 07/12/2021
• Etablissement(s) : Université Clermont Auvergne (2021-...)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences pour l'ingénieur (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pascal (Aubière, Puy-de-Dôme)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Youcef Mezouar, Véronique Perdereau, Kaspar Althoefer
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pierre Renaud, Jean-Pierre Gazeau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Robotique molle

Mots clés libres

Robotique souple

Manipulation dextre

Préhenseur dextre

Paume active

FEA

Analyse FEM

Dextérité

Articulation mobile

Capteur souple

Capteur tactile

Capteur capacitif

Calibration

Réseau de neurones

Soft robotics

In-hand manipulation

Dexterous gripper

Active palm

FEA

FEM analysis

Dexterity

Movable joint

Soft sensor

Tactile sensor

Capacitive senor

Calibration

Neural network

Résumé

Ce manuscrit de thèse est une dissertation en format multi-articles sur la conception, l'optimisation et la fabrication d'actionneurs pneumatiques souples pour des applications robotiques souples. Introduite comme une nouvelle technologie ces dernières années, la robotique souple ouvre de nouveaux horizons dans le domaine de la robotique grâce à des caractéristiques prometteuses telles que l'adaptabilité, la légèreté, la facilité d'assemblage et le faible coût pour réaliser des configurations complexes dans divers environnements. Même s'il existe une grande diversité d'applications pour les SFA, de nombreux défis subsistent dans ce domaine, notamment le contrôle de la rigidité et de la flexion. Pour illustrer les applications méthodologiques et théoriques actuelles des systèmes robotiques souples, le premier article présente une revue systématique des actionneurs fluidiques souples qui ont relèvent les défis critiques en matière de matériaux souples et actifs, de méthodes de traitement, d'architectures de préhension, de capteurs et de méthodes de contrôle. Différents modèles constitutifs de matériaux en silicone proposés et testés dans la littérature sont régénérés par le logiciel ABAQUS afin de comparer les données de déformation et de contrainte réelles issues des modèles constitutifs avec les données d'essai de traction standard basées sur la norme ASTM412. Cet article montre que la plupart de ces modèles peuvent prédire le modèle du matériau de manière acceptable dans une petite gamme de données de contrainte-déformation. Mais pour de grandes valeurs de contrainte-déformation, quelques-uns d'entre eux prédisent le comportement du matériau silicone avec précision. Le deuxième article présente un nouveau type de doigt souple avec une articulation mobile à commande pneumatique basée sur le contrôle du point de flexion et une rigidité variable. Le doigt proposé est plus performant que les solutions précédentes en termes d'espace 3D atteignable et de forces de contact applicables au bout du doigt en changeant la position de son articulation, et donc, le point de flexion. La méthode des éléments finis et l'algorithme NSGA-II sont appliqués pour optimiser la géométrie de l'articulation afin de maximiser l'angle de flexion et de minimiser les dimensions de l'articulation. Le troisième article de cette thèse se concentre sur le développement d'un nouveau type de préhenseur souple dextre avec trois doigts reconfigurables et une paume active améliorant les capacités de manipulation dextre. Dans chaque doigt, le point de flexion et la longueur de manipulation effective peuvent être modifiés et contrôlés en déplaçant une tige rigide insérée dans le trou central du doigt. La capacité de manipulation dextre de préhenseur robotique souple est validée par différents tests expérimentaux, notamment la rotation, les saisies multiples et le roulement. Par conséquent, deux types de paume artificiel à vide (ventouse et particules granulaires) sont utilisés pour garantir une large gamme de tâches de manipulation d'objets que les préhenseurs souples proposés précédemment ne peuvent pas complètement réaliser. Dans le dernier chapitre de cette thèse, le quatrième article propose un capteur tactile peu coûteux et facile à fabriquer pour des applications en robotique. Il est très flexible et facile à utiliser, ce qui en fait un choix approprié pour les applications de robots souples. La plupart des matériaux (encre conductrice, silicone, carte de contrôle) utilisés dans la fabrication de ce capteur sont peu coûteux et peuvent être trouvés facilement sur le marché. Le capteur capacitif proposé peut détecter la position et la force appliquée en mesurant la charge électrique des électrodes. En raison des incertitudes et des bruits, un réseau neuronal artificiel est proposé pour calibrer la force correspondant à la tension produite.

This document is a multiple-article format dissertation investigating the design, optimization, and fabrication of soft pneumatic actuators (SFAs) for soft robotic applications. Introduced as a novel technology in recent years, soft robotics broadens new horizons in robotics thanks to promising characteristics such as adaptability, lightweight, less assembly, and low cost to perform complicated configurations in various environments. Even though there is a large diversity of applications for SFAs, many challenges remain in this field, including stiffness and bending shape control. To illustrate the current methodological and theoretical applications of soft robotic systems, the first article presents a systematic review of soft fluidic actuators that tried to address the critical challenges in soft and active materials, processing methods, gripper architectures, sensors, and control methods. Different constitutive models of silicone materials proposed and tested in the literature are regenerated by ABAQUS software to compare the engineering and true strain-stress data from the constitutive models with standard uniaxial tensile test data based on ASTM412. This paper shows that most of these models can predict the material model acceptably in a small range of stress-strain data. But for large strain-stress values, a few of them predict the behavior of the silicone material accurately. The second article presents a novel type of soft finger with a pneumatic-actuated movable joint based on bending point control and variable stiffness. The proposed finger is more flexible than previous solutions in terms of the attainable 3D space and applicable contact forces at the fingertip by changing the position of its joint, and thus, the bending point. The finite element method (FEM) and NSGA-II algorithm are applied to optimize the joint geometry to maximize the bending angle and minimize the joint dimensions. The third article in this dissertation is focused on developing a new type of dexterous soft gripper with three reconfigurable fingers and an active palm enhancing in-hand manipulation capabilities. In each finger, the bending point and the effective manipulation length can be changed and controlled by moving a stiff rod inserted inside the center hole of the finger. The in-hand manipulation capability of this soft robotic gripper is validated by different experimental tests, including rotation, regrasping, and rolling. Therefore, two types of vacuum palms (suction cup and granular particles) are utilized to guarantee a wide range of object manipulation tasks that previously suggested soft grippers cannot completely perform. In the final chapter of this dissertation, the fourth article proposed a low-cost, easy fabrication tactile sensor for soft robot application. It is very flexible and easy use which make it an appropriate choice for soft robot application. Most of the materials (conductive ink, silicone, control board) used in the fabrication of this sensor are inexpensive and can be found easily in the market. The proposed capacitive sensor can detect the position and applied force by measuring the electric charge of the electrodes. Due to the uncertainties and noises, an Artificial neural network is suggested to calibrate the force corresponding to the produced voltage.