MARC

 008260126s2025        us                              c    eng  d
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■035    ▼a(MiAaPQ)Stanfordgh127qw7656
■040    ▼aMiAaPQ▼cMiAaPQ
■0820  ▼a300
■1001  ▼aOsele,  Obumneme  Godson.
■24510▼aMechanically  Compliant  Growing  Robotic  Systems  for  Manipulating  Payloads
■260    ▼a[Sl]▼bStanford  University▼c2025
■260  1▼aAnn  Arbor▼bProQuest  Dissertations  &  Theses▼c2025
■300    ▼a137  p
■500    ▼aSource:  Dissertations  Abstracts  International,  Volume:  87-02,  Section:  B.
■500    ▼aAdvisor:  Okamura,  Allison.
■5021  ▼aThesis  (Ph.D.)--Stanford  University,  2025.
■520    ▼aSoft  growing  robot  designs  unlock  new  modes  of  motion  that  enable  exploration  of  unstructured,  unknown,  and  difficult-to-reach  environments  while  leveraging  their  mechanical  compliance  to  access  novel  manipulation  capabilities.  One  realization  is  soft  growing  inflated-beam  robots,  commonly  referred  to  as  vine  robots,  which  achieve  growth  by  pressure-driven  eversion  of  the  robot's  compliant  tube-shaped  body  from  its  tip.  The  robot  body's  compliance  allows  for  it  to  be  compactly  stored  and  everted  to  achieve  high  extension  ratios,  navigate  high  curvatures,  and  fit  into  tight  spaces.  While  the  deployment  of  these  systems  for  inspection  and  exploration  has  garnered  research  attention,  there  is  little  known  about  how  these  systems  can  be  used  for  material  handling  and  transfer.  Because  they  are  built  using  lightweight  and  compliant  materials,  soft  robots  typically  apply  small  forces.  Here,  we  consider  designs  that  exploit  loading  configurations  for  which  these  compliant  materials  can  deliver  large  forces.  This  dissertation  expands  the  utility  of  this  class  of  soft  growing  robot  by  introducing  novel  deployment  approaches  and  design  principles  that  leverage  its  intrinsic  properties  for  the  purposes  of  securing,  harnessing,  and  transferring  significant  payloads.  This  work  also  introduces  a  novel  mechanically  compliant  growing  manipulator  inspired  by  soft  growing  inflated  beam  robots  capable  of  considerable  payloads  due  to  one  of  its  intrinsic  properties:  curvature  induced  rigidity.  A  benefit  of  soft  growing  inflated  beam  robots  commonly  discussed  in  literature  is  their  ability  to  apply  pulling  forces  due  to  the  inextensibility  of  their  membrane  material.  However,  their  growth  mechanism  involving  the  addition  and  removal  of  material  at  their  tip  during  growth  and  retraction  makes  it  difficult  to  secure  their  distal  ends  robustly  to  objects  of  interest  without  hindering  their  ability  to  grow.  Prior  works  have  utilized  tip-mount  and  internal  reeling  mechanisms  to  enable  carrying  of  payloads,  but  these  mechanisms  compromise  the  navigational  abilities  of  the  robots.  We  present  a  new  method  for  securing  a  vine  robot  to  objects  or  its  environment  that  exploits  their  unique  eversion-based  growth  mechanism  and  flexibility,  while  keeping  the  tip  of  the  robot  free  of  encumbrance.  Our  implementation  is  a  tip-clutching  winch,  into  which  soft  growing  inflated  beam  robots  can  insert  themselves  and  anchor  to  via  powerful  overlapping  belt  friction.  The  device  enables  passive,  high-strength,  and  reversible  fastening,  and  can  easily  release  the  soft  growing  inflated  beam  robot.  This  approach  enables  carrying  of  loads  an  order  of  magnitude  greater  than  previously  reported,  as  well  as  novel  material  transport  and  locomotion  capabilities.  Employing  the  tip-clutching  winch  as  a  tool  for  enhancing  the  payload-securing  ability  of  a  soft  growing  inflated  beam  robot,  we  introduce  how  these  robots  can  be  used  in  a  novel  class  of  grasping  mechanisms  we  call  Loop  Closure  Grasping  to  achieve  strong,  gentle  and  versatile  grasps.  A  grasp-ing  mechanism  must  both  create  a  stable  grasp  and  subsequently  hold  that  grasp  in  a  manner  that  permits  safe  and  effective  object  manipulation.  Previous  grasping  mechanisms  have  attempted  to  meet  different  functional  requirements  by  employing  either  an  open-loop  or  a  closed-loop  topology,  despite  neither  meeting  all  distinct  design  needs.  This  new  class  of  grasping  addresses  the  different  functional  requirements  of  the  different  stages  of  the  grasping  process  through  topological  transformations  between  open-loop  and  closed-loop  morphologies.  We  formalize  open-  and  closed-loop  mechanisms  in  the  context  of  grasping,  elucidate  their  fundamental  differences  and  unique  benefits,  present  the  loop  closure  grasping  method,  and  propose  an  architecture  and  principles  for  loop  clo-sure  grasping  system  design.  We  implement  this  loop  closure  grasping  paradigm  using  soft  growing  inflated  beams,  winches,  and  clamps  to  navigate  open-loop  mechanisms  around  an  object  into  the  desired  closed-loop  configurations,  eventually  fastening  the  beams'  tips  to  close  the  loop.  We  show  that  loop  closure  enables  simultaneously  strong,  gentle,  and  versatile  grasping  involving  historically  challenging  objects,  environments,  and  configurations.  We  further  elucidate  potential  applications  of  soft  growing  inflated  beam  robots,  with  a  novel  method  of  mechanically  programming  the  cross-section  of  soft  everting  robotic  structures  using  flexible  strips  that  constrain  radial  expansion  between  points  along  the  outer  membrane.  Our  method  enables  simultaneously  wide  and  thin  profiles  while  maintaining  the  full  multi-axis  flexibility  of  traditional  slings.  We  used  this  method  to  prototype  a  soft  growing  robotic  sling  system,  and  demonstrate  its  use  for  assisting  a  single  caregiver  in  bed-to-chair  patient  transfer.  We  also  develop  and  validate  a  model  relating  the  geometric  design  specifications  to  the  fabrication  parameters,  and  experimentally  characterize  their  effects  on  growth  rate.  Lastly,  inspired  by  the  growing  robots  discussed  thus  far,  we  develop  a  novel  lightweight,  growing  manipulator,  known  as  TapeBot,  equipped  with  small  stowed  configuration,  high  extension  ratios,  and  multiple  degrees  of  freedom  that  can  manipulate  light  and  medium-weight  payloads  via  curvature-induced  rigidity.  Growth  is  achieved  using  a  pair  of  spooling  tape  springs  as  its  backbone  which  are  pinched  together  to  form  a  reconfigurable  revolute  joint  using  a  nodal  structure  that  can  travel  along  the  tapes  We  present  the  design,  implementation,  kinematic  models,  and  stiffness  behavior  of  its  tape  spring  backbone  and  revolute  joint,  quasistatic  performance  of  this  manipulator  and,  design  considerations  for  its  pinching  mechanism.
■590    ▼aSchool  code:  0212.
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■690    ▼a0771
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■71020▼aStanford  University.
■7730  ▼tDissertations  Abstracts  International▼g87-02B.
■790    ▼a0212
■791    ▼aPh.D.
■792    ▼a2025
■793    ▼aEnglish
■85640▼uhttp://www.riss.kr/pdu/ddodLink.do?id=T17359209▼nKERIS▼z이  자료의  원문은  한국교육학술정보원에서  제공합니다.

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