Design of an innovative finger force sensor for the new iCub hand

The force sensorisation of robotic grippers and robotic hands is an everpresent topic in nowadays robotic world. In this context, one of the products developed by the Italian Institute of Technology in Genoa, is iCub, an open-source humanoid robot. Used all over the world for research purposes, it is the result of continuous updates from the different research centres. The actual iCub version has no force sensor inside of the hand’s finger, a must have feature to perform dexterous manipulation and grasping motions. The purpose of this work is therefore to implement a force sensor inside of the new iCub hand’s finger, by investigating different sensoring options and sensor locations, to obtain a solution which can be used to enhance grasping skills and which can be easily implemented in other hand’s fingers. This thesis begins with the state of art analysis of iCub robot and force sensor solutions. It follows a study of possible sensor locations supported by dynamic analysis to evaluate the forces acting on the finger’s constituting components. The loadcell type and its location in the finger linkage have been selected taking into account the finger geometry, the desired components strength and the desired finger range of motion. Eventually, the best sensor design has been defined thanks to Finite Element Analysis and the load cell elastic element has been assessed from a static and fatigue perspectives. The final result of this work is represented by the detailed design of iCub’s finger force sensor. In particular, it consists of a finger lever that was redesigned and sensorized to measure the grasping forces. It is now possible to produce the new component and start the validation testing of the new iCub hand.

L’applicazione di sensori di forza all’interno di pinze e mani robotiche è un tema spesso presente nel mondo della robotica attuale. In questo contesto, uno dei prodotti sviluppati dall’Istituto Italiano di Tecnologia a Genova, è iCub, un robot umanoide open-source. Utilizzato in molte parti del mondo per scopi di ricerca, è il risultato dei continui miglioramenti da parte dei diversi centri di ricerca. La versione attuale di iCub non ha sensori di forza nelle dita della mano, una caratteristica fondamentale per poter effettuare agili manipolazioni di oggetti e movimenti di prensione. Lo scopo del presente lavoro, pertanto, consiste nell’implementare un sensore di forza all’interno del dito della nuova mano di iCub, investigando diverse opzioni di sensorizzazione e posizioni del sensore, per ottenere una soluzione che può essere utilizzata per migliorare le capacità di prensione di oggetti e che può essere facilmente implementata nelle altre dita della mano. Questa tesi comincia con un’analisi dello stato dell’arte del robot iCub e delle possibili soluzioni di sensori di forza. Successivamente segue uno studio sulle possibili posizioni del sensore, supportate dalle analisi dinamiche eseguite per valutare le forze agenti sui relativi componenti. Il tipo di cella di carico e la sua posizione all’interno del componente del dito sono state selezionate prendendo in considerazione la geometria del dito, il valore di resistenza del componente desiderato e la desiderata capacità di movimento. Successivamente, viene scelta la miglior posizione del sensore all’interno della cella di carico grazie all’Analisi agli Elementi Finiti e il componente oggetto di studio viene dimensionato da un punto di vista di resistenza statica e a fatica. Il risultato finale di questo lavoro è rappresentato dal progetto esecutivo del sensore di forza del dito di iCub. In particolare riguarda un leveraggio del dito che è stato riprogettato e sensorizzato per rilevare le forze agenti. E’ ora possibile realizzare il nuovo componente e iniziare i test per la sua validazione sulla nuova mano di iCub.