Manipulación diestra utilizando dedos robóticos con yemas deformables

Abstract

Esta tesis presenta una investigación acerca de la destreza que tiene la mano, específicamente en su capacidad de realizar agarre y manipulación de objetos. Con la finalidad de imitar esta destreza, se busca desarrollar un modelamiento de la mano a partir de principios físicos y analogías fisiológicas, así como también de generar señales de actuación similares, emulando al sistema nervioso central del ser humano. El modelamiento del problema se basa en un objeto que es manipulado por dos dedos robóticos con yemas semi-esféricas y deformables. Para caracterizar el comportamiento del contacto entre las yemas y el objeto, se utilizan dos recientes modelos de deformación (modelo de Arimoto y modelo de Inoue & Hirai), los cuales permiten un mejor agarre del objeto a través de un área o superficie de contacto. Además, la forma semi-esférica de las yemas permite la existencia de un rodamiento entre las yemas y el objeto, propiedad trascendental en las diversas tareas de manipulación. En base al principio de superposición, el cual separa tareas complejas en diversas tareas simples, se diseñan estrategias de control que garantizan un agarre estable y manipulación del objeto. Luego, con el fin de preservar la pasividad en lazo cerrado ante cada una de estas tareas, se modifica la energía potencial del sistema de modo de garantizar la convergencia de las variables de control. Para el caso en que se tiene un movimiento planar (2D), tanto de los dedos como del objeto, se realiza un estudio de factores que tienen relevancia en el agarre y la manipulación, como es el caso de los grados de libertad del sistema, y el tamaño y la masa del objeto. Posteriormente, para el modelo de deformación de Arimoto, se propone una nueva ley de control para el agarre estable del objeto, que garantiza la convergencia de la fuerza de contacto a su valor deseado y que no considera la información del objeto (caso ciego), por lo que no es necesario contar con sensores externos, como es el caso de cámaras o sensores infrarrojos, para obtener el estado del objeto. Además, se proponen nuevos algoritmos de control ciegos para la manipulación del objeto (orientación y traslación), como también para el caso con gravedad. Adicionalmente, se diseñan nuevas estrategias de control para agarre estable y manipulación utilizando el modelo de deformación de Inoue & Hirai. A diferencia del modelo de Arimoto, este modelo de deformación considera más fenómenos físicos, como la deformación tangencial y la dependencia de la orientación relativa entre la yema y el objeto. Se muestran analogías entre los dos modelos, lo cual es de gran relevancia dependiendo si se busca un comportamiento general del sistema, o si se desea obtener una descripción más exacta de la deformación. Se extrapolan los desarrollos para el caso en que se tiene un movimiento tridimensional del dedo pulgar con la modelación de Arimoto, teniendo especial cuidado en modelar las restricciones de rodamiento y los movimientos del objeto. Ante esto, es posible imponer objetivos de control en diferentes ángulos mediante nuevos algoritmos de control ciegos, manteniendo una estructura similar a las estrategias diseñadas para el caso 2D. Finalmente, se verifica el desempeño de las leyes propuestas mediante simulaciones numéricas. Los resultados obtenidos en los casos estudiados comprueban los desempeños previstos teóricamente, especialmente los referidos a la estabilidad del sistema y a la convergencia de las variables de control.