Bio-inspired robotic gripper with hydrogel-silicone soft skin and 3d printed endoskeleton

Abstract

Neste projeto, desenvolve-se um dedo inovador e inspirado biologicamente, com fisiologia semelhante à de um dedo humano. O dedo "soft" é feito com um núcleo impresso em 3D para substituir o endoesqueleto dos dedos humanos, com uma pele elástica de silicone para substituir a camada epidérmica elástica e resiliente e um enchimento de hidrogel para substituir a camada dérmica. No dedo humano, a camada dérmica é mais macia do que a camada epidérmica e contém uma quantidade considerável de água, portanto, deve ser protegida pela camada epidérmica, que é mais resistente. Esta não só protege a camada subjacente do desgaste mecânico, mas também fornece uma barreira contra a perda de água. Por outro lado, a camada dérmica, ao ser mais suave, ajuda numa melhor adaptação local da pele para agarrar os objectos eficientemente. A camada epidérmica de silicone destina-se a ser elástica, maleável e protege o hidrogel de maneira que este não perca água ao longo do tempo. O enchimento de hidrogel do dedo é feito de poliacrilato de sódio e água destilada; o material utilizado como silicone é Ecoflex 00-30 e o endoesqueleto do dedo é feito de acrilonitrilo butadina estireno (ABS).Também foi desenvolvido um protótipo de baixo custo de uma pinça sub-atuada integrando três destes dedos. Tem um mecanismo baseado nos "push base toys" e foi inteiramente impresso numa impressora "fusion deposition modelling" (FDM) com material ácido poliláctico (PLA). Um único motor acciona o sistema puxando para cima e para baixo os tendões que estão integrados nos dedos, forçando-os abrir ou fechar, com o propósito de agarrar ou soltar objetos.Os dedos foram primeiramente testados individualmente. A força necessária para a flexão total dos dedos foi medida e comparada com uma versão anterior do dedo que contém apenas a camada epidérmica sem a camada dérmica de hidrogel. Os resultados mostram uma melhora na redução da força necessária para a flexão. Também a pinça integrada com a nova versão dos dedos foi desenvolvida e testada para agarrar vários objectos incluindo frutas macias.No final da dissertação, alguns ensaios de \textit{pick and place} são analisados e é concluído que foi conseguido um dedo "soft" óptimo que pode ser usado em pinças e próteses. Apesar do seu excelente desempenho, o preço geral dos materias usados para a pinça robótica desenvolvida nesta dissertação é de 15 Euros, incluindo o actuador. Também é apresentado trabalho futuro tanto para a pinça como para o dedo "soft".

On this project, an innovative and bio-inspired finger is developed, resembling the physiology of a biological human finger. The soft finger is made of a 3D-printed core to substitute the fingers’ endoskeleton, a silicon elastomer skin to substitute the elastic and resilient epidermal layer and a hydrogel filling to substitute the dermal layer. The dermal layer in human finger is softer than the epidermal layer and contains a considerable amount of water, and therefore should be protected by the more resilient epidermal layer, that not only protects the underlying layer from mechanical wear, but it also provides a barrier against losing the water. On the other hand, the softer dermal layer helps in better local adaptation of the skin to objects for efficient grasping. The silicone epidermal layer is intended to be elastic, malleable and protects the hydrogel from losing water over the time. The hydrogel filling of the finger is made from sodium polyacrylate (SPA) and distilled water; the material used as the silicone is Ecoflex 00-30 and the finger core is made of acrylonitrile butadine styrene (ABS).A low-cost prototype of an under-actuated gripper was also developed integrating three of these fingers. It has a mechanism based on the push base toys and it was fully printed on a fusion deposition modelling (FDM) printed with polylactic acid material (PLA). A single motor actuates the system by pulling up and down the tendons that are integrated in the fingers, making them open or close, in order to grip or drop objects.Fingers were tested first individually.The required force for full flexion of the fingers were measured and compared to a previous version of the finger that contains only the epidermal layer without containing the hydrogel dermal layer. Results show an improvement in reduction of the required force for flexion. Also the integrated gripper with the new version of the fingers were developed and tested for grasping several objects including soft fruits.At the end of the dissertation, some gripping tests are analysed and concluding that was achieved an optimal soft finger that can be used in grippers and prosthesis. Despite its excellent performance, the overall bill of materials of the full gripper developed in this dissertation is 15 Euros, including the actuator. Also future work is presented both for the gripper and the soft finger.