Design and Manufacturing of soft robotics mechanisms: improving the reliability of pneumatic-based solutions

Abstract

Atualmente, os robôs operam em diversos tipos de indústria, serviços médicos e até mesmo em aplicações de lazer. Os robôs têm melhorado as suas características ao nível da velocidade, precisão e capacidade de repetição de tarefas. Contudo, os mecanismos robóticos tradicionais são normalmente constituídos por materiais rígidos, apresentando dificuldades de deformação e adaptação, principalmente no manuseamento de objetos frágeis e/ou complexos, assim como em aplicações onde o ambiente não é perfeitamente conhecido. Estas aplicações requerem um comportamento robótico complacente, tanto ao nível de software como de hardware. Assim, surge uma nova subárea da robótica, chamada soft robotics. Baseando-se em estruturas biológicas, esta assenta no desenvolvimento de componentes robóticos com materiais elásticos, flexíveis e de baixa rigidez (materiais suaves). Esta subárea comprovou apresentar potencial significativo na fabricação de grippers e manipuladores. A possibilidade de fabricar estruturas de materiais suaves, permite criar formas realísticas, diminuir o peso, lidar com um vasto número de objetos e aumentar a segurança dos equipamentos. Neste âmbito, esta dissertação apresenta o design e o processo de fabricação de um protótipo de uma mão robótica, atuada pneumaticamente, concebida com materiais suaves, parcialmente fabricados pelo processo de impressão 3D. Este conceito permite o desenvolvimento de uma mão robótica a um custo relativamente reduzido, com forma anatómica e reduzida complexidade de controlo. O estudo do comportamento dos materiais elásticos é também estudado nesta dissertação. É proposto um modelo numérico, utilizado na Análise de Elementos Finitos (FEA) para simular o comportamento da mão quando esta está atuada. Os resultados das simulações são comparados com testes experimentais, comprovando assim parcialmente a viabilidade do modelo numérico.

Nowadays, robots are used in a wide range of applications such as industrial manufacturing, medical services and even in leisure applications. Robots have substantially increased their capabilities in terms of speed, precision and task execution abilities. However, they are commonly made of rigid materials, presenting limitations in terms of deformation and adaptation when handling fragile and/or complex objects, especially when the environment is not entirely known. These applications require a complacent robot behaviour both at software and hardware level. In order to deal with such a requirement, a new robotics subarea, called soft robotics, arises. This new subarea is based on biological structures and allows a designer to create robot components, with elastic, flexible and low rigidity materials (soft materials). Soft robotics has proven its potential in the manufacture of grippers and manipulators. Soft materials provide the ability to create realistic shapes, reduced weight and increase the safety of the equipment. In this context, this dissertation presents the design and manufacture of a pneumatic robotic hand prototype made of soft materials, and partially fabricated by 3D printing. This concept allows the design and fabrication of an anthropomorphic hand at a low cost, with anatomical shape, desired compliance and reduced control complexity (since the number of actuated degrees-of-freedom is lower than the number of degrees-of-freedom of the robotic hand). There is no systematic procedure or methodology to simulate the behaviour of elastic materials. A numerical model implemented in Finite Element Analysis (FEA) is proposed to simulate the hand behaviour when it is actuated. Simulations results proved the model effectiveness when compared with experimental tests.