Developing a robotic thumb with limited backdrivability

Abstract

The goal set in this thesis was to develop a robotic thumb with at least one backdrivable joint with a 15 N minimum grip strength, all within a human hands’ size constraints. Backdrivability is the mechanical principle of being able to transfer force from input to output and vice versa. Using this principle lets the thumb to act as a force measurer for the fingers, allowing for precise grip strength measurement with a non-complex hand using few sensors. Backdrivability also makes it possible for the robot to safely interact with humans, since it will always be possible to escape the robots grip. No prosthetic or robotic hand on the market today can do this. This project was started in a previous subject where research on creating a robotic hand was done. A possible solution for robotic fingers were found. The idea was to remove the outmost joint in the finger and control the two remaining joints directly. This resulted in many motors with little gain in controllability. An idea to create a backdrivable thumb came from these issues late in the development stage, and became the basis for this thesis. Using the Integrated Product Development (IPD) method, the market was first found as mentioned above. The product requirements were worked out with the costumer, and by using Pughs matrix the optimal solutions for the design could be found. The limiting factor was creating a backdrivable transmission system with little friction and backlash. To find the optimal solution, several transmission types were tested. Few transmissions worked well under heavy loads when used from output to input. A proof of concept prototype using timing belts and threaded screw-like gears was created to test the transmissions in a more real-life situation. This prototype uncovered a relation between geared backdrivable transmissions and friction that was unmentioned clearly in any sources, and an idea was stipulated on how backdrivability degrades with static friction in gear trains. Recommended further work is figuring out how to compensate for static friction in geared backdrivable systems for robots. Work on minimizing friction in small gear trains will also significantly further the possibilities of creating a small and geared backdrivable thumb. In addition, it is important to continue to look for the correct simplifications, not only the most optimal solutions.

Målet med denne masteroppgaven var å utvikle en robottommel med minst ett ledd som kan tilbakevirkes med en gripestyrke på minimum 15 N. Tommelen skal være innenfor målene til en gjennomsnittlig menneskelig hånd. Tilbakevirkende kraft omfatter i denne masteroppgaven det mekaniske prinsippet om at giroverføringer tillater at kraft overføres fra start til slutt, og slutt til start i giroverføringen. Ved å benytte dette prinsippet kan robottommelen fungere som en kraftmåler for de øvrige fingrene, og tillate nøyaktig måling av gripestyrke med få sensorer. Hvis tommelen kan tilbakevirkes kan systemet bli mindre komplekst samtidig som interaksjon mellom robot og menneske blir sikrere. Grunnen til økt sikkerhet er at grepet til roboten vil være lett å unnslippe. Per dags dato tilbyr ikke eksisterende proteser eller robothender denne muligheten. Undersøkelser rundt utvikling av en robothånd ble gjort i et forprosjekt høsten 2017. En mulig løsning ble funnet for fingrene. Ideen bak løsningen var å ha direkte kontroll av to ledd i fingeren. Dette resulterte i mange motorer med lavt utbytte sett i forhold til økt kontroll. Ideen bak en tommel med tilbakevirkende kraft kom sent i forprosjektet, og er videreført i denne masteroppgaven. Ved å bruke integrert produktutvikling ble markedet funnet først, som nevnt ovenfor. Produktkravene ble funnet med kunden, og ved å bruke Pughs matrise kunne de optimale produktløsningene bli funnet. Masteroppgavens begrensende faktor var utvikling av en robottommel med lite friksjon og lite tilbakeslag, samtidig som det skulle være mulig å stoppe robotens gripekrefter. For å finne den optimale løsningen ble flere typer kraftoverføringer vurdert. Få av de identifiserte overføringselementene var tilpasset tyngre belastninger i begge retninger, og for å teste et overføringskonsept ble en prototype laget. Prototypen bestod av tannreimer og gjengede skruer som ble benyttet til gir, og de utførte testene viste en relasjon mellom girede tilbakevirkende overføringssystemer og friksjon. Relasjonen er ikke tydelig beskrevet i de vitenskapelige studiene funnet i den tidlige fasen av prosjektet. På bakgrunn av resultatene fra prototypetestingen ble en antagelse formulert rundt hvordan statisk friksjon spres i et girsystem som må fungere tilbakevirkende. Det anbefales å jobbe videre for å finne en løsning som kan kompensere for statisk friksjon i et girsystem med muligheter for tilbakevirkende kraft. Ved å finne en slik løsning økes mulighetene rundt utviklingen av en liten, sikker og giret robottommel med mulighet for virkende krefter i begge retninger. I tillegg er det viktig å fortsette og lete etter de beste forenklingene, ikke bare de mest optimale løsningene.