Design and fabrication of soft grasping mechanisms

Abstract

Soft robotics, characterized by flexible and deformable structures, has emerged as a promising field to address some limitations in traditional rigid robotics. While rigid robots excel in precision and strength, they often lack the adaptability and safety required for human interaction and delicate tasks.This dissertation explores ways to improve an already existing flexible and pneumatically actuated robotic hand, such as the optimization of fabrication processes and enhancing the hand’s functionality. Several changes have been incorporated to the robotic hand, such as the adoption of more flexible materials, adjustments to the hand's geometry and thickness, the integration of silicone to the palm to amplify the coefficient of friction, and the implementation of a new actuator reinforcement method, using a unidirectional elastic bandage as reinforcement.These adaptations have undergone testing and have demonstrated several notable improvements. One such test involved a cyclic loading examination, where the force required to bend a variety of sample fingers to a specific angle was measured, along with the angle at which these fingers naturally returned when not subjected to flexion. Some tests were conducted on the actuators in relation to the pressure applied, such as horizontal displacement, bending angles, and finger force.The actuators are now more resistant to tearing and more stretchable, which allows the fingers to apply greater force during closure and achieve more extensive closing angles. The modified geometry enhances object grasping as the hand conforms more effectively around objects. Additionally, the bending resistance in the fingers has decreased, requiring less pressure to achieve the same bending angles.

A robótica soft, caracterizada por estruturas flexíveis e deformáveis, surge como uma área promissora para superar algumas limitações da robótica rígida tradicional. Embora os robôs rígidos se destaquem pela sua precisão e força, frequentemente carecem da adaptabilidade e segurança necessárias para interação com seres humanos e tarefas delicadas.Esta dissertação explora maneiras de melhorar uma mão robótica flexível e atuada pneumaticamente já existente, como a otimização de processos de fabrico e o aprimorar da funcionalidade da mão.Várias alterações foram feitas na mão robótica, como a adoção de materiais mais flexíveis, ajustes na geometria e espessura da mão, a integração de silicone na palma da mão para aumentar o coeficiente de atrito e a implementação de um novo método de reforço do atuador, usando uma ligadura unidirecionalmente elástica.Estas adaptações foram submetidas a uma série de testes que revelaram diversas melhorias notáveis. Um desses testes envolveu uma análise de carga cíclica, na qual a quantidade de força necessária para dobrar uma variedade de dedos de amostra até um ângulo específico foi medida, bem como o ângulo ao qual os dedos naturalmente retornavam quando não estavam sob flexão. Além disso, outros testes foram realizados nos atuadores em relação à pressão aplicada nos mesmos, incluindo avaliações da deformação, ângulos de flexão e a força exercida pelos dedos.Os atuadores são, agora, mais resistentes a rasgos e mais elásticos, o que permite que os dedos exerçam maior força durante a sua flexão e alcancem ângulos de curvatura mais amplos. As alterações à geometria melhoram a capacidade de agarrar objetos, uma vez que a mão se adapta mais eficazmente em torno deles. Para além disso, a resistência à flexão dos dedos diminuiu, exigindo menos pressão exercida nos atuadores para alcançar os mesmos ângulos de flexão.