Augmentation de performance des doigts sous-actionnés par actionnement multiple

Les préhenseurs font partie des éléments critiques en robotique, notamment lorsqu'ils sont amenés à saisir des objets de formes et de grandeurs différentes. L'utilisation typique d'un actionneur pour chaque degré de liberté (DDL) constitue un système complexe nécessitant généralement l'utilisation de plusieurs capteurs et d'algorithmes de contrôle évolués. Les concepts sous-actionnés, pour leur part, ne nécessitent généralement pas ces éléments. Ils suscitent donc un intérêt grandissant et font l'objet de plus en plus d'études, le coût et le poids devenant des enjeux inévitables. La plupart des mécanismes sous-actionnés n'utilisent pas plus d'un actionneur agissant sur les mêmes DDL. Pour les doigts sous-actionnés, sujet de ce mémoire, l'utilisation d'un seul actionneur peut limiter les performances. L'objectif de la présente étude est de quantifier les avantages de l'actionnement multiple, c'est-à-dire l'utilisation de plusieurs actionneurs. Deux cas sont étudiés. Le premier porte sur l'amélioration des performances du point de vue de la saisie d'objets. Le deuxième porte sur le contrôle de la trajectoire de fermeture, c'est-à-dire le mouvement libre du doigt sans qu'il y ait contact avec un objet. Dans le premier cas, l'amélioration des performances de la prise englobante, c'est-à-dire enveloppant l'objet en maximisant le nombre de contacts, est évaluée pour différentes combinaisons d'actionneurs, après une optimisation de la géométrie pour chacune d'entre elles. Deux architectures sont étudiées, une pour laquelle un maximum de trois couples d'actionnement sont distribués à l'intérieur du mécanisme, et l'autre pouvant accueillir deux actionneurs dans la paume. Pour la première, une amélioration marquée de la performance est observée, alors que pour la deuxième, la différence est plutôt modeste. Dans le deuxième cas, l'architecture comportant deux actionneurs dans la paume est optimisée pour obtenir deux trajectoires de fermeture différentes. L'actionnement du doigt par un des actionneurs occasionne une trajectoire analogue à une prise englobante alors que l'utilisation du second en occasionne une pour laquelle la phalange distale demeure perpendiculaire à la paume. Un prototype de ce doigt ayant le comportement escompté est présenté. À la lumière de cette étude, il est clair qu'il y a avantage à utiliser plusieurs actionneurs sur un doigt sous-actionné, que ce soit pour améliorer les performances de la saisie d'objets ou pour permettre le contrôle de la trajectoire de fermeture.

Abstract

Grippers are one of the critical elements in robotics, especially when they get to grasp differently shaped and sized objects. Typical use of one actuator per degree of freedom (DOF) leads to complex mechanisms generally needing many sensors and advanced control algorithms. However in most cases, underactuated designs do not need those components. Therefore, underactuated grippers are the focus of a growing number of works as cost and weight become inescapable issues. Most underactuated mechanisms use no more than one actuator for a set of DOF. As for underactuated fingers, topic of this work, using a single actuator can limit their performance. The main objective of this work is to quantify the advantages of multiple drive actuation, i.e., using several actuators. Two cases are studied. The first focuses on grasp performance augmentation. The second one is about motion control. In the first study case, grasp performance augmentation is assessed for various combinations of actuators, geometry being optimized for each one. Two architectures are studied, one for which a maximum of three torques inputs are distributed throughout the mechanism, and another able to accommodate two actuators in the palm. For the first one, a significant performance amelioration is observed, while for the second one, the difference is modest. In the second study case, the architecture using two actuators in the palm is optimized in order to obtain two distinct closing motions. Driving the finger with one actuator leads to a enveloping grasp like motion, while using the second one leads to a pinch grasp preshaping, i.e., a closing motion for which the distal phalanx remains perpendicular to the palm. A prototype showing the expected behaviour is presented. In the light of this study, it is clear that using several actuators on an underactuated finger is an advantage, whether it be for grasp performance augmentation or to allow motion control.