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The thesis considers the problem of grasping for autonomous robots, with a focus on the design and construction of robotic hands and grippers. The approach we take is to fundamentally reconsider the basic motivation and goals for grasping that steer hand design. We consider grasping as the result of reliable and robust patterns of interaction between hand, object and environment which are mechanically opaque to the robot. This motivates the investigation of a new type of robotic hands, pneumatic soft hands. These hands enable the robot to collide with objects safely, maintain contact under disturbance, and provide many places of contact for a robust grasp. At the same time they intend to lower requirements on control and perception compared to fully actuated hands. Due to the fundamental change in perspective compared to the classical, mechanics-centric view in grasping, I believe we will ultimately have to reconsider all aspects of a robot system to use soft hands effectively. We call this alternative view the Soft Manipulation paradigm. In this thesis we propose a list of defining principles for Soft Manipulation and focus on the ramifications for hand hardware, but we also consider the adjacent domains of hand control and grasping strategies. Research on soft hands is complicated by the fact that the technology and body of knowledge for building soft hands only is emerging right now. The thesis contributes the groundwork for soft hand research by developing a coherent and comprehensive set of tools to rapidly prototype pneumatic soft hands. This toolkit is built around a versatile and easy to prototype actuator design named PneuFlex. The thesis will cover all aspects of prototyping such as designing mechanical properties, manufacturing actuators, assembling them into hands, and controlling them without interfering in their compliance. We also propose and validate a fast and stable dynamic simulation model for the simulation of pneumatic soft hands which for the first time makes interactive and automated design of soft hands feasible. The thesis also explores the properties and capabilities of pneumatic soft hands in a series of grasping experiments with the help of two artifacts, the RBO Hand 1 and RBO Hand 2. We investigate their shape adaptability, their grasp dexterity, and their suitability for implementing grasping strategies that exploit environment constraints to motion for robust execution. We will see that soft hands built with technology developed in the first part of the thesis provide a solid foundation for further research on Soft Manipulation.
Diese Dissertation betrachtet das Problem des Greifens für autonome Roboter mit Fokus auf die Gestaltung und Konstruktion von Roboterhänden. Wir überdenken in unserem Ansatz dabei die fundamentalen Vorstellungen und Ziele für funktionelle Roboterhände. Wir verstehen dabei Greifen als das Ergebnis zuverlässiger und robuster Interaktionen zwischen Hand, zu greifendem Objekt und dessen Umgebung. Die zugrundeliegende Mechanik dieser Interaktion ist dem Roboter dabei nicht zugänglich. Aus der geänderten Aufgabenstellung folgt eine neue Art, Roboterhände zu bauen: pneumatische weiche Hände. Diese Hände sollen dem Roboter ermöglichen, sicher mit Objekten zu kollidieren, Kontakt während einer Bewegung zu halten, und viele Kontaktpunkte zu erzeugen. Gleichzeitig zielen diese weichen Hände auf eine Reduktion der Anforderungen an Regelung und Wahrnehmung ab, im Gegensatz zu klassischen, vollständig kontrollierten Händen. Aufgrund des grundlegenden Perspektivenwechsels gegenüber der vorherrschenden, mechanisch-zentrischen Sichtweise müssen letztlich alle Aspekte eines Robotersystems überdacht werden, will man weiche Hände effektiv nutzen. Zwar konzentriert sich der Inhalt dieser Arbeit auf weiche Hände an sich, streift aber auch die Themen Regelung und Greifstrategien. Die Forschung an weichen Händen gestaltet sich jedoch noch schwierig, da das Wissen um Konstruktion und Verwendung weicher Hände gerade erst erarbeitet wird. Deshalb trägt diese Dissertation ein umfassendes und kohärentes System für die schnellen Bau weicher Hände rund um die so genannten PneuFlex Aktoren zusammen. Die Arbeit beleuchtet alle Aspekte des Handdesigns, vom Entwurf mechanischer Eigenschaften, der Herstellung von Aktoren, dem Zusammenfügen zu kompletten Händen bis zu einer Steuermethode die die Nachgiebigkeit weicher pneumatischer Aktoren optimal ausnützen kann. Wir präsentieren und validieren außerdem eine schnelle und stabile dynamische Simulation pneumatischer weicher Hände. Dieser Durchbruch ermöglicht erstmals das interaktive oder automatisierte Design weicher Hände zu deren Anpassung an spezifische Anwendungen. Im zweiten Teil untersucht die Arbeit die Eigenschaften und Fähigkeiten von pneumatischen weichen Händen in einer Reihe von Experimenten mit Hilfe zweier Artefakte, der RBO Hand 1 und RBO Hand 2. Wir untersuchen dabei deren Formanpassungsfähigkeit, die erreichbare Griffvielfalt, und ihre Eignung für Greifstrategien, die auf dem Ausnutzen von Einschränkungen der Roboterbewegung durch umgebende Objekte aufbauen. Wir werden dabei auch sehen, dass pneumatische weiche Hände für weiterführende Forschung an nachgiebiger Manipulation bestens geeignet sind.
