Diseño e implementación de herramientas para la fabricación y caracterización de actuadores neumáticos basados en la robótica blanda

Abstract

Este trabajo de graduación se centró en el desarrollo de herramientas y técnicas para la caracterización y puesta a prueba de actuadores neumáticos blandos, con la intención de iniciar la investigación de robótica blanda en la Universidad del Valle de Guatemala. Primero, se implementó una máquina de ensayos a tensión para elastómeros, con la cual se realizaron ensayos a tensión pura y planar de probetas fabricadas con la silicona Eco ex 00 30. Estos ensayos resultaron en diagramas de esfuerzo- deformación del material, los cuales se compararon con resultados obtenidos utilizando una máquina de ensayos profesional. En el caso de los ensayos a tensión pura, la máquina de ensayos implementada fue capaz de producir resultados con un porcentaje de error menor al 10%, mientras que los ensayos a tensión planar, se produjo un porcentaje de error máximo del 60%. A continuación, se diseñó un actuador neumático blando y se utilizó su modelo CAD para la simulación de la respuesta del actuador frente a una entrada de presión utilizando análisis de elementos nitos. El mallado del modelo de estas simulaciones se validó con métricas de calidad de malla. Como resultado, se obtuvieron diagramas de deformación total y esfuerzo máximo equivalente de Von Mises vs. presión interna del actuador. Después, se diseñó un molde para la implementación física del actuador neumático blando, utilizando consideraciones de diseño y fabricación digital. El resultado fue un molde impreso en 3D capaz de producir consistentemente actuadores neumáticos blandos funcionales, los cuales se probaron al utilizarlos como pinzas para la sujeción de diferentes objetos con forma irregular. Luego, se implementó una plataforma de pruebas para una caracterización detallada del actuador neumático blando fabricado. Así, fue posible obtener histogramas experimentales de desplazamiento y fuerza vs. presión interna del actuador. Estos resultados fueron utilizados para validar las simulaciones realizadas anteriormente. Por último, se redactaron manuales de uso para la máquina de ensayos y para la plataforma de pruebas. Los manuales de uso fueron compartidos con estudiantes de ingeniería mecatrónica para validar que fueran lo suficientemente descriptivos como para que nuevos usuarios fueran capaces de usar estos equipos.

This graduation project is focused on developing tools and techniques for the characte rization and testing of soft pneumatic actuators, aiming to initiate soft robotics research at Universidad del Valle de Guatemala. First, a tensile testing machine for elastomers whas developed to perform pure tension and planar tension tests on specimens made from Eco ex 00-30 silicone. These test resulted in stress- strain diagrams for the material, which were compared to results obtained using a professional testing machine. For pure tension tests, the implemented testing machine was able to produce results with an error percentage of less than 10%, while for planar tension tests, a maximum error percentage 0f 60% was oberved. Next, a soft pneumatic actuator was designed, and its CAD model was used to simulate the actuator's response to a pressure input using nite element analysis. The meshing of the model in these simulations was validated with mesh quality metrics. As a result, total deformation and maximum equivalent Von Mises stress diagrams were obtained versus the internal pressure of the actuator. Subsequently, a mold was designed for the physical implementation of the soft pneumatic actuator, applying design considerations and digital manufacturing techniques. The result was a 3D-printed mold capable of consistently producing functional soft pneumatic actua tors, which were tested as soft grippers for holding various objects with irregular shapes. Then, a testing platform was implemented for a detailed characterization of the fabrica ted soft pneumatic actuator. This setup made it possible to obtain experimental displace ment and force histograms versus the actuator's internal pressure. These results were used to validate the previously conducted simulations. Finally, user manuals were drafted for the testing machine and the testing platform. The user manuals were shared with mechatronics engineering students to verify that they were su ciently descriptive for new users to operate these devices e ectively.