Síntese de pega para uma mão robótica de 6 graus de liberdade.

Abstract

Nas últimas décadas o uso dos robôs tem migrado da indústria tradicional para áreas do conhecimento de alta complexidade como a indústria nuclear, a indústria aeroespacial e a exploração oceânica. A inserção da robótica nestas áreas do conhecimento têm exigido cada vez mais do desenvolvimento de robôs autônomos que possam agir em ambientes imprevisíveis e que possam lidar com objetos de características físicas diferentes, tornadose um dos principais desafios da robótica, da inteligência artificial e das ciências cognitivas. Neste trabalho é proposto um método de síntese de pega para uma mão robótica de dois dedos e seis graus de liberdade. A síntese de pega consiste basicamente em descobrir onde e como colocar os dedos sobre a superfície de um objeto que um robô precisa manipular. Este processo busca encontrar a melhor posição de contato entre os dedos da mão robótica e um objeto a ser manipulado ao mesmo tempo que são contrabalanceadas as cargas externas ao objeto e se garante a melhor postura da mão robótica para executar uma tarefa previamente definida. O método proposto nesta monografia busca uma solução algorítmica ao problema de pega através da otimização de duas características intrínsecas ao processo. A primeira característica e o seu correspondente algoritmo, buscam garantir os critérios de estabilidade estática forçando que os somatórios de forças e momentos encontrados na interface do contato sejam iguais a zero. A otimização desta característica junto com um conjunto de restrições usando um algoritmo de evolução diferencial (DE), resulta em pontos de contato contendo forças e momentos otimizados a serem aplicados ao objeto por meio dos dedos da mão robótica. A segunda característica e o seu correspondente algoritmo, visam minimizar o consumo energético das juntas atuadas da mão robótica, resultando em uma posição e orientação no espaço mais adequados aos requisitos de pega. Requisitos estes que nada mais são do que os pontos de contato, as forças e os momentos calculados como resultado do algoritmo de otimização da primeira característica. Em comparação com as abordagens existentes na literatura, o método aqui proposto diferencia-se por tratar a síntese de pega a partir da definição das tarefas a ser executadas em conjunto com a obtenção de de forças de fechamento ideais. O método proposto foi validado através de algoritmos de síntese de pega específicos desenvolvidos para uma mão robótica de 6 graus de liberdade e que foram implementados e aperfeiçoados usando software MATLAB. Nove casos de estudo, considerando direções e magnitudes diferentes para as forças e momentos externos presentes na definição da tarefa são apresentados como principais resultados de validação do método proposto.

In the last decades, the use of robots has migrated from the traditional industry to highly complex areas of knowledge such as the nuclear industry, the aerospace industry and ocean exploration. The insertion of robotics in these areas of knowledge has increasingly demanded the development of autonomous robots that can act in unpredictable environments and that can grasp objects with different physical characteristics, becoming one of the main challenges of robotics, artificial intelligence and cognitive sciences. In this work, a method of grasping synthesis is proposed for a robotic hand with two fingers and six degrees of freedom. Grasping synthesis basically consists of discovering where and how to place the fingers on the surface of an object that a robot needs to manipulate. This process seeks to find the best contact position between the fingers of the robotic hand and an object to be manipulated at the same time that external loads to the object are balanced and the best posture of the robotic hand is guaranteed in order to perform a previously defined task. The proposed method in this work presents an algorithmic solution to the grasping problem by optimizing two intrinsic characteristics to the process. The first characteristic and its corresponding algorithm, seek to guarantee the static stability criteria by forcing the sum of forces and moments found in the contact interface to be equal to zero. The optimization of this characteristic together with a set of restrictions using a differential evolution algorithm (DE), results in contact points containing optimized forces and moments to be applied to the object through the fingers of the robotic hand. The second characteristic and its corresponding algorithm, minimize the energy consumption of the actuated joints of the robotic hand, resulting in a more adequate position and orientation in the space according to the handle requirements. These requirements are nothing more than the points of contact, forces and moments calculated as a result of the optimization algorithm of the first characteristic. In comparison with the existing approaches in the literature, the method proposed here differs in the fact that it deals with the gasping synthesis from the definition of the tasks to be performed in conjunction with the achievement of ideal closing forces. The proposed method was validated using specific grasping synthesis algorithms developed for a robotic hand with 6 degrees of freedom and which were implemented and improved using MATLAB software. Nine study cases, considering different directions and magnitudes for the external forces and moments present in the task definition, are presented to validate the main results for the proposed method.