Analyse de la saisie d'objets déformables par des pinces adaptatives

L'évaluation des interactions entre systèmes robotiques et leurs environnements est un paramètre critique lors de la conception de ces systèmes, d'autant plus lorsque cela implique de la saisie. L'étude, ainsi que la commercialisation de pinces dites sous-actionnées se développent depuis quelques années, mais pour l'instant leurs utilisations se sont limitées à la saisie d'objet rigide. Lors de cette thèse la saisie d'objet déformable par des pinces sous-actionnées est considérée. L'objectif étant de proposer un modèle simple qui permet de simuler une telle interaction pour pouvoir ensuite réaliser des optimisations d'architectures de pince afin de maximiser leur avantage principal qui est l'adaptation mécanique. En effet, les pinces sousactionnées adaptent mécaniquement (et donc sans contrôle complexe) leurs formes, c'est-àdire la position de leurs phalanges à l'image des doigts humains, à la forme des objets qu'elles saisissent. La méthode commune pour simuler les déformations d'un solide, la méthode classique des éléments finis, n'est pas adaptée lorsque l'on veut simuler rapidement des interactions, par exemple pour des applications temps réels ou des optimisations, de par sa complexité. Donc, dans cette thèse un modèle utilisant des points pour discrétiser la géométrie de l'objet reliés par des ressorts pour approcher la rigidité est choisi. L'objectif est de proposer un modèle complet doigts/objet permettant de simuler les interactions simplement et surtout rapidement, tout en gardant une certaine précision. Dans cette thèse, deux approches sont présentées pour faire le lien entre le modèle de l'objet et celui des doigts. D'abord une approche énergétique, où en fonction du travail apporté par l'actionnement, on cherchera à minimiser l'énergie emmagasinée dans le système complet, puis une approche directe avec le principe fondamental de la statique. Dans ce dernier cas, il a fallu développer les formules connues de force de contact de doigt sous-actionné, afin de permettre le calcul lorsqu'il y a plusieurs contacts par phalange du doigt. Finalement, le second modèle qui présentait de meilleurs résultats que le premier a été utilisé afin d'optimiser une pince sous-actionnée afin de minimiser les déformations des objets qu'elle saisit. De plus, cette pince a été conçue afin de ne nécessiter aucune étape de montage lors de sa fabrication. Au final, lors de cette thèse un modèle numérique rapide permettant de calculer les interactions objets déformables/pinces mécaniques à été développé, et un prototype de pince optimisé grâce à ce modèle a été développé.

Abstract

Evaluations of the interactions between robotic systems and their environments is a critical parameter when designing these systems, especially when it involves grasping. The analysis as well as the distribution of underactuated grippers have been developed for a few years, but currently their use is limited to grasping rigid objects. In this thesis, the interactions with a deformable object by underactuated grippers are considered. The goal is to propose a simple model which makes it possible to simulate such an interaction in order to be able to carry out optimizations of the clamp architecture. The objective of the optimization is to maximize the main advantage of underactuation, the mechanical adaptation. Indeed, the underactuated grippers mechanically adapt (therefore without complex control) their shapes, the position of their phalanges, to the shape of the objects they grasp. The most common method to study the deformations of a solid, the finite element method, is not suitable when the goal is to quickly simulate interactions, for example for real-time applications or optimizations, due to its complexity. So in this thesis a model using points to discretize the geometry of the object and springs to approach the rigidity is chosen. The objective is to propose a complete finger/object model allowing fast simulations of interactions. In this thesis, two approaches are presented to make the link between the models of the object and the fingers. First an energy approach, i.e. depending on the work provided by the actuation, the energy stored in the complete system is minimized to calculate the position of the system, then a direct approach with the fundamental principle of statics. In the latter case, it was necessary to develop the formulas for the contact force of the underactuated finger already developped, to calculate cases when several contacts per phalanx of the finger happen. Finally, the second model, which presented better results than the first one, was used to optimize an underactuated gripper to minimize deformation of the objects it grasps. Moreover, this gripper has also been designed to require zero assembly step during its manufacture.