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Nonlinear modeling and experimental evaluation of fluid-filled soft pads for robotic hands
No full textAfter a brief reminder about previous work, this paper addresses the dynamic characterization of fluid-filled soft pads for robotic hands. The adopted pad specimens are constituted by a single hyper-elastic material having hardness similar to that of the human thumb. The overall pad thickness is then divided into a continuous skin layer and an internal layer having communicating voids which are hermetically sealed and filled with a viscous fluid. Despite a more complicated design, it has been proven [1-3] that the pads present enhanced compliance and damping properties, a lower thickness and a higher surface hardness when compared to previously published solutions. In addition, a quasi-linear model, frequently used to describe the behavior of soft biological tissues can be applied in order to predict and control the pad interaction with the environment during grasping and manipulation tasks. In particular, the experimental tests necessary to evaluate the parameters which determine the pad dynamic response are described and discussed in detail
Progetto concettuale di un robot seriale per il trattamento della Labirintolitiasi
No full textNel presente lavoro viene affrontato con un approccio sistematico il progetto concettuale di un manipolatore seriale per applicazioni mediche, consistenti nella diagnosi e nel trattamento della Labirintolitiasi: si tratta di una comune forma di vertigine, attualmente curata attraverso apposite manovre liberatorie eseguite manualmente dal medico specialista che muove il capo del paziente lungo traiettorie determinate. La metodologia proposta si può applicare in generale per la sintesi topologica e dimensionale di catene cinematiche seriali. Il processo di design viene automatizzato mediante una tecnica di ottimizzazione basata su algoritmi genetici che permette di valutare in maniera oggettiva le performance di ogni possibile configurazione cinematica del manipolatore rispetto a funzioni obiettivo opportunamente definite nelle varie fasi progettuali. Una descrizione della architettura prescelta nel caso del robot per il trattamento della Labirintolitiasi esemplifica i risultati ottenuti
Nonlinear modeling and experimental evaluation of fluid-filled soft pads for robotic hands
No full textAfter a brief reminder about previous work, this paper addresses the dynamic characterization of fluid-filled soft pads for robotic hands. The adopted pad specimens are constituted by a single hyper-elastic material having hardness similar to that of the human thumb. The overall pad thickness is then divided into a continuous skin layer and an internal layer having communicating voids which are hermetically sealed and filled with a viscous fluid. Despite a more complicated design, it has been proven [1-3] that the pads present enhanced compliance and damping properties, a lower thickness and a higher surface hardness when compared to previously published solutions. In addition, a quasi-linear model, frequently used to describe the behavior of soft biological tissues can be applied in order to predict and control the pad interaction with the environment during grasping and manipulation tasks. In particular, the experimental tests necessary to evaluate the parameters which determine the pad dynamic response are described and discussed in detail
Progetto concettuale di un robot seriale per il trattamento della Labirintolitiasi
No full textNel presente lavoro viene affrontato con un approccio sistematico il progetto concettuale di un manipolatore seriale per applicazioni mediche, consistenti nella diagnosi e nel trattamento della Labirintolitiasi: si tratta di una comune forma di vertigine, attualmente curata attraverso apposite manovre liberatorie eseguite manualmente dal medico specialista che muove il capo del paziente lungo traiettorie determinate. La metodologia proposta si può applicare in generale per la sintesi topologica e dimensionale di catene cinematiche seriali. Il processo di design viene automatizzato mediante una tecnica di ottimizzazione basata su algoritmi genetici che permette di valutare in maniera oggettiva le performance di ogni possibile configurazione cinematica del manipolatore rispetto a funzioni obiettivo opportunamente definite nelle varie fasi progettuali. Una descrizione della architettura prescelta nel caso del robot per il trattamento della Labirintolitiasi esemplifica i risultati ottenuti
Differentiated layer design to modify the compliance of soft pads for robotic limbs
No full textMost of robotic soft pads studied so far were made with a thick layer of homogeneous material shaped around a rigid core; their behavior has been widely investigated in the literature, mainly under compressive contact load, showing typical non-linear relationship between contact deformation and applied load (the so called power law). This paper proposes differentiated layer design, that is the adoption of a single elastic material, dividing the overall thickness of the pad into layers with different structural design (e.g. a continuous skin layer coupled with an internal layer with voids). The purpose is to modify the actual pad compliance and the resulting power law; in particular, given the material and the allowable pad thickness, to increase the compliance with respect to a non structured pad. Some possible internal layer structures are described, compatible with rapid prototyping manufacturing. Their compressive behaviors are tested and comparatively evaluated showing that the concept can work and be exploited for useful application
Design Solutions and Methods for Robotic Hands that can Help Prosthetic Hands Development
No full textAfter introductory considerations on the main functional and design differences between anthropomorphic hands conceived as robotic end effectors or as prostheses, this chapter presents two topics related to advances in robotic hand design that seem transferable to prosthetic hands, in order to increase their functional capability yet coping with specific constraints like simplicity, lightweight, cost effectiveness, robustness, etc. The development of a bio-inspired robotic hand, called UB Hand IV, based on an endoskeletal articulated structure, actuated by tendons and covered by a soft dermal-epidermal layer is briefly illustrated, in order to show the potential of its design solutions to be transferred into prosthetic hands. The first part of the chapter presents alternative design approaches for articulated joints and finger structures based on purposely designed compliant hinges. The basic problem of compliant hinges adoption in robotic structures, that is the limitation of secondary compliance effects, is analyzed and considerations about comparative metrics are proposed. Two hinge morphologies which show promising features are critically compared and pros and cons the production of fully integral fingers with compliant joints are discussed. The second part reports on the development of thin soft covers for robotic (and prosthetic) hands capable of strictly mimicking the actual compliance of human finger pulps. A design method, called by the authors Differentiated Layer Design (DLD), is reviewed and its potential for application on both robotic and prosthetic devices is underlined. Conclusions summarize the main aspects that encourage the transfer of the described results from the world of robots to that of human portable devices
Dispositivo per la movimentazione di pazienti
No full textBackground
Dispositivi robotici per la manipolazione del corpo umano vengono al momento utilizzati in ambito entertainment, simulativo e ospedaliero. Si riportano tre esempi significativi:
Robocoaster dell’azienda Kuka Roboter GmbH: impiega manipolatori seriali a sei assi, prodotti e commercializzati da Kuka per applicazioni industriali generiche; la movimentazione di passeggeri (da due a quattro) ha scopo puramente ludico;
test su incidenti virtuali (pre-crashtest): impiega manipolatori seriali a sei assi commercialmente disponibili. Un esempio è rintracciabile presso l’università di Duisburg-Essen, ove un robot seriale movimenta una sedia per il trasporto di una singola persona a scopo simulativi;
Omniax Positioning System (OPS): sedia robotica motorizzata progettata dall’ Ing. William Scott sotto le specifiche del Dr. J.M. Epley, utilizzata alla Portland Otologic Clinic per la diagnosi e il trattamento di BPPV e varianti. La sedia mobile presenta 2 assi di moto capaci di realizzare rotazioni complete di 360o sugli assi di rollio e imbardata (roll e yaw) più un terzo grado di libertà "lento" per la regolazione del beccheggio (pitch). Il paziente può essere posizionato a qualsiasi angolatura rispetto al vettore gravità. Dal punto di vista cinematico OPS non è altro che un giroscopio i cui assi si intersecano all’incirca sul baricentro del paziente.
Allo stato, attuale le manovre riabilitative e diagnostiche vengono effettuate manualmente dal medico. Unico luogo al mondo ove possono essere effettuate in modo automatico è la Portland Otologic Clinic mediante il suddetto OPS. Tale sistema, al contrario da quanto indicato dal nome, si occupa di orientare (e non posizionare) il corpo del paziente.
Descrizione
la soluzione innovativa qui presentata rispetta, in sintesi, le seguenti specifiche:
replica automaticamente le manovre esistenti;
aggiunge flessibilità ai possibili orientamenti e posizionamenti del paziente rispetto al sistema OPS;
è più flessibile dal punto di vista cinematico in quanto risulta facilmente accessibile (non necessita di scalini), è in grado di compiere rotazioni eccentriche mantenendo il paziente in posizione verticale (in questo si diversifica dall’esistente), è in grado di effettuare rotazioni complete attorno a un asse passante per il centro di ogni canale semicircolare.
Al contrario di robot industriali disponibili in commercio, è compatibile all’uso in ambiente ospedaliero, sia dal punto di vista degli ingombri che dal punto di vista ergonomico. La struttura è progettata in modo tale da ottimizzare la distribuzione dei pesi e degli stress meccanici senza influire sui vincoli di natura cinematica che realizzano le specifiche di cui sopra.
In sintesi, il dispositivo permette il trattamento di forme resistenti di BPPV senza ricorrere alla chirurgia e si differenzia dall’esistente in quanto capace di effettuare manovre infattibili sia manualmente che mediante i dispositivi oggi disponibili in commercio.
Vantaggi
possibilità, come già citato, di curare persone anziane o obese difficilmente movimentabili manualmente (il fattore "impatto psicologico" sul paziente rappresenta un aspetto di sicura importanza);
possibilità di sperimentare nuove manovre;
la soluzione è originale sia nella topologia e nel dimensionamento dei link cinematici, sia nello scopo per cui viene realizzata;
la struttura portante la differenzia sostanzialmente da ogni manipolatore industriale di uso generic
Bond Graph Modeling And Simulation Of A Constant-Force Dielectric Elastomer Actuator
No full textConstant-Force actuators based on Dielectric Elastomers (DE) can be obtained by coupling a DE film with particular compliant frames whose structural properties must be carefully designed. In any case, the practical achievement of a desired force profile can be quite a challenging task owing to the time-dependent phenomena which affect the DE electromechanical response. Within this scenario, a hyper-viscoelastic model of a rectangular Constant-Force actuator is reported. The model, based on the Bond Graph formalism, can be used as an engineering tool when designing and/or controlling actuators which are expected to work under given nominal conditions. Numerical simulations are provided which predicts the system response to fast changes in activation voltage and actuator position as imposed by an external user
Valutazione della cedevolezza selettiva in giunti elastici per applicazioni robotiche
No full textSi presenta una metodologia per quantificare le prestazioni di giunti elasticiper applicazioni robotiche. In particolare, si considerano le caratteristiche di “cedevolezza selettiva”, riguardanti la capacità del giunto di fornire bassi valori di rigidezza lungo una direzione desiderata conservando elevata rigidezza in ogni altra direzione. In quest’ambito, si propongono indici di qualità utili a stabilire quale soluzione progettuale soddisfi al meglio i requisiti di una data applicazione. L’approccio è validato comparando quattro morfologie di giunto adatte a grandi spostamenti
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