Material und mechanische Nachbildung der menschlichen Hand

Material and mechanical emulation of the human hand

Émulation matérielle et mécanique de la main humaine

Nick Hockings (1)

1 Department of Mechanical Engineering - Bath

Die Hände und Füße machen die Hälfte der Komplexität des Bewegungsapparates aus, während die Haut der Hand auf viele wichtige Strukturen spezialisiert ist. Ein Großteil der Feinheit des Handmechanismus liegt im Weichgewebe, und die taktile und propriozeptive Empfindlichkeit hängt von der großen Anzahl von Mechanorezeptoren ab, die in spezifischen Strukturen des Weichgewebes eingebettet sind. Diese Dissertation untersucht synthetische Materialien und Herstellungstechniken, um Bauroboter zu ermöglichen, die die Biomechanik und die taktile Empfindlichkeit von Wirbeltieren reproduzieren - die histomimetische Robotik. Die materielle und mechanische Anatomie der Hand wird besprochen, wobei die Schwierigkeit der numerischen Messung in der Weichteilanatomie und der prädiktive Charakter des beschreibenden anatomischen Wissens hervorgehoben werden. Die biomechanischen Mechanismen der Hand und ihre Unterstützung der sensomotorischen Steuerung werden vorgestellt. Für die Emulation von Bändern, Gelenkoberflächen, Sehnennetzen, Scheiden, weichen Matrizen und dermalen Strukturen werden eine Reihe von Materialien und Auflagetechniken identifiziert. Es wird ein Verfahren zum thermoplastischen Ziehen von feinen elastischen Fasern mit Flüssigmetall-Amalgam-Kernen zum Verbinden von eingebetteten Sensoren gezeigt. Die Leistungsanforderungen der Skelettmuskulatur werden identifiziert. Es wird theoretisch gezeigt, dass zwei Klassen muskelartiger elektrostatischer MEMS-Volumenaktuatoren in der Lage sind, diese Anforderungen zu erfüllen. Es werden Mittel zu ihrer Herstellung und ihre zusätzliche Anwendung als Mechanorezeptoren beschrieben. Ein neuartiger Algorithmus für die maschinelle Wahrnehmung wird als Lösung für das Problem der Messung der Anatomie des Weichgewebes, CAD / CAE / CNC für den Aufbau von histomimetischen Robotern und der sensorischen Wahrnehmung durch solche Roboter vorgestellt. Die Ergebnisse der Arbeit stützen die Ansicht, dass die histomimetische Robotik ein praktikabler Ansatz ist, und identifizieren eine Reihe von Bereichen, die weiter untersucht werden müssen, einschließlich: Polymermodifikation durch Pfropfpolymerisation, automatisierte Layup-Werkzeuge und Maschinenwahrnehmung.

The hands and feet account for half of the complexity of the musculoskeletal system, while the skin of the hand is specialised with many important structures. Much of the subtlety of the mechanism of the hand lies in the soft tissues, and the tactile and proprioceptive sensitivity depends on the large number of mechanoreceptors embedded in specific structures of the soft tissues. This thesis investigates synthetic materials and manufacturing techniques to enable building robots that reproduce the biomechanics and tactile sensitivity of vertebrates – histomimetic robotics. The material and mechanical anatomy of the hand is reviewed, highlighting difficulty of numerical measurement in soft-tissue anatomy, and the predictive nature of descriptive anatomical knowledge. The biomechanical mechanisms of the hand and their support of sensorimotor control are presented. A palate of materials and layup techniques are identified for emulating ligaments, joint surfaces, tendon networks, sheaths, soft matrices, and dermal structures. A method for thermoplastically drawing fine elastic fibres, with liquid metal amalgam cores, for connecting embedded sensors is demonstrated. The performance requirements of skeletal muscles are identified. Two classes of muscle-like bulk MEMS electrostatic actuators are shown theoretically to be capable of meeting these requirements. Means to manufacture them, and their additional application as mechanoreceptors are described. A novel machine perception algorithm is outlined as a solution to the problem of measuring soft tissue anatomy, CAD/CAE/CNC for layup of histomimetic robots, and sensory perception by such robots. The results of the work support the view that histomimetic robotics is a viable approach, and identify a number of areas for further investigation including: polymer modification by graft-polymerisation, automated layup tools, and machine perception.

Les mains et les pieds représentent la moitié de la complexité du système musculo-squelettique, tandis que la peau de la main est spécialisée avec de nombreuses structures importantes. Une grande partie de la subtilité du mécanisme de la main réside dans les tissus mous, et la sensibilité tactile et proprioceptive dépend du grand nombre de mécanorécepteurs intégrés dans des structures spécifiques des tissus mous. Cette thèse étudie les matériaux synthétiques et les techniques de fabrication pour permettre la construction de robots qui reproduisent la biomécanique et la sensibilité tactile des vertébrés - la robotique histomimétique. Le matériel et l'anatomie mécanique de la main sont passés en revue, mettant en évidence la difficulté de la mesure numérique en anatomie des tissus mous, et la nature prédictive des connaissances anatomiques descriptives. Les mécanismes biomécaniques de la main et leur support au contrôle sensorimoteur sont présentés. Un éventail de matériaux et de techniques de superposition sont identifiés pour émuler les ligaments, les surfaces articulaires, les réseaux tendineux, les gaines, les matrices molles et les structures dermiques. Une méthode pour l'étirage thermoplastique de fines fibres élastiques, avec des noyaux d'amalgame en métal liquide, pour connecter des capteurs intégrés est démontrée. Les exigences de performance des muscles squelettiques sont identifiées. Deux classes d'actionneurs électrostatiques MEMS en vrac de type musculaire se sont révélées théoriquement capables de répondre à ces exigences. Les moyens de les fabriquer et leur application supplémentaire en tant que mécanorécepteurs sont décrits. Un nouvel algorithme de perception de la machine est présenté comme une solution au problème de la mesure de l'anatomie des tissus mous, CAD / CAE / CNC pour la mise en place de robots histomimétiques, et la perception sensorielle par de tels robots. Les résultats des travaux soutiennent l'idée que la robotique histomimétique est une approche viable et identifient un certain nombre de domaines à approfondir, notamment: la modification des polymères par polymérisation par greffe, les outils de stratification automatisés et la perception de la machine.

Mots clés: biomechanics; hand anatomy; robotics; materials science; mechanical engineering; computer vision; artificial muscle

Mots clés: biomécanique; anatomie de la main; robotique; science des matériaux; génie mécanique; vision par ordinateur; muscle artificiel

Domaines: Informatique; Robotique [cs.RO]; Vision par ordinateur et reconnaissance de formes [cs.CV]; Informatique et langage [cs.CL]; Matière Molle [cond-mat.soft]; Biomécanique [physics.med-ph]; Matériaux et structures en mécanique [physics.class-ph]; Mécanique des structures [physics.class-ph]

Nick Hockings. Material and mechanical emulation of the human hand. Computer science. University of Bath, 2017. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-02424937⟩