Force Analysis of Minimal Self-adaptive Fingers Using Variations of Four-Bar Linkages

Les préhenseurs sont l'un des éléments les plus critiques et les plus importants dans le domaine de la robotique car elles sont le moyen par lequel le robot interagit avec son environnement. L'utilisation typique d'un actionneur pour chaque degré de liberté (DDL) de la pince conduit généralement à des conceptions très complexes et à des algorithmes avancés pour le contrôle des moteurs et des capteurs impliqués. Cependant, les pinces auto-adaptatives ou aussi communément appelées sous-actionnées ont généralement une conception et un contrôle beaucoup plus simples du fait de leur capacité à s'adapter à la forme de l'objet à saisir. Par conséquent, les pinces auto-adaptatives font l'objet d'un nombre croissant de recherches en raison de leur faible coût et de leur simple fabrication et contrôle. Par rapport aux recherches précédentes, ce travail ne vise pas à rendre les doigts auto-adaptatifs plus capables mais plus simples. Une tendance courante dans la recherche est de se concentrer sur l'amélioration des solutions existantes en ajoutant de nouvelles pièces, capteurs ou actionneurs, ce qui complexifie souvent les conceptions. Une autre approche, tout comme l'approche proposée ici, consiste à rendre la conception aussi simple que possible et à analyser le compromis qui en résulte entre complexité et performance. Dans ce but, quatre versions de doigts auto-adaptatifs basés sur le mécanisme à un DDL le plus simple, le mécanisme à quatre barres, sont présentées dans ce travail. Cependant, quatre variantes de ce mécanisme sont discutées, dont certaines avec un joint prismatique. Ces doigts sont conçus dans le but d'être attachés et utilisés avec les mêmes pinces de translation standard que l'on trouve dans les industries de fabrication et d'emballage car elles sont aussi simples à contrôler que les mâchoires monolithiques standard, mais offrent également une adaptabilité de forme aux objets. Le but ultime de ce travail est d'évaluer si les liaisons les plus simples pour les doigts adaptatifs peuvent produire le même niveau de performance en termes de forces de préhension que des conceptions plus complexes. À cette fin, des recherches antérieures sont d'abord présentées afin d'acquérir plus de connaissances sur le sujet. Une analyse de force et une optimisation sur les quatre conceptions à l'aide d'une analyse kinétostatique et de trois critères d'optimisation sont ensuite présentées et les résultats sont présentés et discutés. Enfin, trois conceptions potentiellement plus efficaces avec des joints prismatiques sont présentées. À la lumière de cette étude, il est montré que des conceptions plus simples ne signifient pas nécessairement des performances plus faibles, car les résultats peuvent être considérés comme au moins comparables à d'autres conceptions entièrement actionnées.

Abstract

Grippers are one of the most critical and important elements in the field of robotics because they are the means by which the robot interacts with its surroundings. The typical use of one actuator for each degree- of-freedom (DOF) of the gripper generally leads to very complex designs and advanced algorithms for the control of the motors and the sensors involved. However, self-adaptive or also commonly called underactuated grippers generally have a much simpler design and control because of their ability to adapt to the shape of the object to be seized. Therefore, self-adaptive grippers are the focus of a growing number of research because of their low cost and simple manufacturing and control. Compared to previous research, this work does not aim at making self-adaptive fingers more capable but simpler. One common trend in research is to focus on improving existing solutions by adding new parts, sensors, or actuators, often complexifying designs. Another, just like the approach proposed here, is to focus on making the design as simple as possible and to analyse the resulting trade-off between complexity and performance. To this aim, four versions of self-adaptive fingers based on the simplest one DOF linkage, the four-bar linkage, are presented in this work. However, four variations of four-bar linkages are discussed including some with a prismatic joint. These fingers are designed with the aim of being attached to and used with the same standard translational grippers as one finds in the manufacturing and packaging industries since they are as simple to control as the standard monolithic jaws, but also offer shape adaptability to the objects. The ultimate purpose of this work is to evaluate whether simplest linkages for adaptive fingers can produce the same level of performance in terms of grasp forces as more complex designs. To this aim, previous research is presented first in order to gain more knowledge on the topic. A force analysis and optimization on the four designs using a kinetostatic analysis and three optimization criteria are then presented and results are shown and discussed. Finally, three potentially more efficient designs with prismatic joints are presented. In the light of this study, it is shown that simpler designs do not necessarily mean weaker performance, as the results can be considered at least comparable with other fully actuated designs.