SUPERVISOR
محمدجعفر صدیق دامغانی زاده (استاد مشاور) شهرام هادیان جزی (استاد مشاور) مهدی کشمیری (استاد راهنما)
STUDENT
Amin Fakhari
امین فخاری
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1388
TITLE
Slippage Analysis and Control in Manipulation of Objects in Contact with Even Surfaces Using Soft Fingers
: Using soft fingers increases stability and dexterity in object grasping and manipulation. This is because of the enlargement of the contact interface between the soft fingers and the object. Therefore, a frictional moment along with tangential frictional force and normal force is applied on the contact interface. In this research, soft contact modeling and also dynamic analysis and slippage control in object manipulation with the use of soft fingers is studied. Previous models for pressures distribution in the contact interface of a soft finger have been proposed without considering the effect of the tangential forces which are usually exerted in the contact interface of a soft finger during grasping and manipulation. Therefore, a new and more accurate model is proposed to describe the asymmetry of the pressure distribution in the contact interface of a hemispherical soft finger under the existence of both normal and tangential forces. This model is derived based upon observations from previous literature. According to the proposed model, an improved and more accurate friction limit surface is presented. Then, the soft contact forces in object grasping are examined experimentally. Although slippage phenomenon has a crucial role in robust grasping and stable manipulation, in the most of previous researches in the field of finger manipulation, it is assumed that the slippage between finger and object does not occur. Therefore, at first, general models of one-dimensional and also planar slippage in soft contacts are proposed. In these methods, equality and inequality relations of different states of planar contact are rewritten in the form of a single second-order differential equation with variable coefficients. These coefficients are determined on the basis of the slippage conditions. The planar slippage model is derived based on the concept and features of ellipsoid approximation of the friction limit surface. These methods are used in dynamic analysis of manipulation of an object using a planar two-link soft finger and also a spatial three-link soft finger on a horizontal surface. For each case, a controller is designed to reduce and remove the undesired slippage occurs between soft finger and object and simultaneously to move the object on a predefined desired path. The controllers designed for planar two-link soft finger are based on the rigid fingertip model using the concept of feedback linearization and also sliding mode for each phase of the system dynamics and the controller designed for spatial three-link soft finger is similar to what human beings do when manipulating an object on a horizontal plane. Numerical simulations verify the acceptable performance of the controller in removing the undesired finger slippage and moving the object on a predefined path despite of a slippage occurrence and also parametric and surface uncertainties. Keywords:1- Contact Modeling, 2- Soft Finger, 3- Grasping and Manipulation, 4- Friction Limit Surface, 5- Slippage Control
: استفاده از انگشتان نرم باعث افزایش پایداری و چالاکی در گرفتن و جابجایی اجسام می‌شود. این امر به‌دلیل به وجود آمدن یک سطح تماس بین انگشت نرم و جسم است. به‌دلیل ایجاد این سطح تماس، یک ممان اصطکاکی به همراه نیروی مماسی اصطکاکی و نیروی عمودی در سطح تماس اعمال می‌شود. به طور کلی، در این تحقیق به مدل‌سازی تماس نرم و همچنین تحلیل دینامیکی و کنترل لغزش در جابجایی یک جسم با استفاده از انگشتان نرم پرداخته می‌شود. مدل‌های مختلفی برای بیان توزیع فشار در سطح تماس انگشت نرم و جسم ارائه شده است. این مدل‌ها بدون در نظر گرفتن اثر نیروهای مماسی که معمولاً در سطح تماس انگشت نرم و جسم در حین گرفتن و جابجایی وارد می‌شود، ارائه شده اند. داشتن یک مدل دقیق از توزیع فشار سطح تماس برای طراحی سنسورهای لامسه و همچنین بهبود مدل‌سازی سطح محدود اصطکاکی ضروری است. بنابراین، یک مدل جدید و دقیق‌تر برای بیان عدم تقارن توزیع فشار در سطح تماس یک انگشت نرم نیم‌کروی تحت نیروهای عمودی و مماسی پیشنهاد می‌شود. این مدل بر اساس مشاهده‌های آزمایشگاهی گذشته که بیان می‌کند سطح تماس در جهت اعمال نیروی مماسی تغییر شکل می‌دهد، بدست می‌آید. مطابق با مدل توزیع فشار پیشنهاد شده، مدل دقیق‌تری از سطح محدود اصطکاکی نیز ارائه شده و با مدل‌های قبلی مقایسه می‌شود. در ادامه، به بررسی آزمایشگاهی نیروهای تماس نرم در گرفتن یک جسم پرداخته می‌شود. اگرچه پدیده لغزش نقش اساسی در گرفتن و جابجایی مقاوم و پایدار اجسام بازی می‌کند، ولی در اکثر تحقیقات گذشته در زمینه انگشتان نرم، فرض بر آن است که لغزشی بین انگشت و جسم رخ نمی‌دهد. بنابراین، ابتدا به تحلیل و ارائه مدل‌های جامعی از لغزش یک‌بعدی و همچنین لغزش صفحه‌ای در تماس نرم پرداخته می‌شود. در این مدل‌ها، روابط مساوی و نامساوی وضعیت‌های گوناگون تماس به یک معادله دیفرانسیل مرتبه دوم با ضرایب متغیر تبدیل شده که این ضرایب بسته به شرایط لغزش تعیین می‌شوند. در مدل‌سازی لغزش صفحه‌ای، از مفهوم و ویژگی‌های تقریب بیضی‌گون سطح محدود اصطکاکی استفاده می‌شود. از مدل‌های ارائه شده در آنالیز دینامیکی جابجایی یک جسم بر روی یک مسیر از پیش تعیین شده در صفحه افقی توسط یک انگشت نرم دوعضوی صفحه‌ای و همچنین یک انگشت نرم سه‌عضوی فضایی استفاده می‌شود. در مدل‌سازی‌های دینامیکی، از نتایج آزمایشگاهی بدست آمده در مورد جهت نیروها در تماس نرم و مدل سطح محدود اصطکاکی ارائه‌شده، استفاده می‌شود. همچنین، مدل تماس توانی به همراه یک میراکننده ویسکوز خطی برای مدل‌سازی رفتار الاستیک و اثر میرایی انتهای نرم انگشت مورد استفاده قرار می‌گیرد. به منظور افزایش دقت مدل‌سازی دینامیکی انگشت نرم، دینامیک انتهای نرم انگشت با دینامیک عضوهای صلب آن ترکیب می‌شود. سپس برای هر حالت، یک کنترل‌کننده مناسب به منظور کاهش و حذف لغزش‌های ناخواسته که در حین جابجایی جسم بین انگشت نرم و جسم رخ می‌دهد، طراحی می‌شود. کنترل‌کننده‌های طراحی شده برای انگشت نرم دوعضوی صفحه‌ای بر اساس مدل انگشت صلب و استفاده از مفهوم خطی‌سازی بازخورد و همچنین مدلغزشی برای هر فاز از دینامیک سیستم بوده و کنترل‌کننده طراحی شده برای انگشت نرم سه‌عضوی فضایی با الگوبرداری از رفتار انسان در جابجایی یک جسم بر روی صفحه افقی است. نتایج شبیه‌سازی‌های عددی نشان می‌دهد که کنترل‌کننده‌های طراحی شده، عملکرد مناسبی را نه‌تنها در کاهش و حذف لغزش‌های ناخواسته، بلکه در حرکت جسم بر روی مسیر مطلوب با وجود انواع نامعینی‌های پارامتری و سطحی دارد. لغات کلیدی: 1- مدل‌سازی تماس، 2- انگشت نرم، 3- گرفتن و جابجایی، 4- سطح محدود اصطکاکی، 5- کنترل لغزش