A Scale-invariant generative design process for 2D Soft robot actuators
Date
2021-03
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: Designing soft robotic components is a novel problem that traditional design methods may not be equipped to solve. Generative design approaches in
conjunction with accurate FEM modelling is presented as a potential method
of obtaining interesting and unique soft robotic actuator designs.
A review is done of soft robotics, computationally modelling non-linear
materials, generative design methods, and applicable mathematical concepts.
Based on the review, a methodology is developed for the design of soft robotic
actuators.
A software pipeline is constructed for the exploration of a 2D design space.
Pattern generating methods including Lindenmayer systems and CPPNs are
used to formulate internal geometries of actuator components. Generative
design approaches including Monte Carlo simulations and evolutionary algorithms are used to generate and evaluate large populations of actuator units.
FEM is used to accurately model and simulate unit properties and behaviours.
Objective functions are de ned to evaluate unit performances.
Results are found to indicate the validity of the design methodology. Physical models representative of successful simulated models are cast with a modular mould. These models are tested and compared to simulated results. FEM
models were found to be accurate predictors of the shape deformation of actuator units.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Die ontwerp van sagte robotkomponente is 'n nuwe probleem wat nie noodwendig opgelos kan word deur tradisionele ontwerpmetodes nie. Generatiewe ontwerpbenaderings tesame met akkurate FEM-modellering word voorgestel as 'n moontlike metode om interessante en unieke sagte robotaktuatorontwerpe te bekom. Navorsing word gedoen oor sagte robotika, die virtuele modellering van nie-lineêre materiale, generatiewe ontwerpmetodes en toepaslike wiskundige konsepte. Op grond van die navorsing word 'n metodologie ontwikkel vir die ontwerp van sagte robotaktuators. 'n Sagtewarepypleiding word ontwerp vir die verkenning van 'n 2D ontwerpruimte. Patroongenererende metodes, insluitend Lindenmayer-stelsels en CPPN's, word gebruik om interne dimensies van aktuators te formuleer. Generatiewe ontwerpbenaderings, insluitend Monte Carlo-simulasies en evolusionêre algoritmes, word gebruik om groot populasies van aktuators te genereer en te evalueer. FEM word gebruik om aktuator eienskappe en gedrag akkuraat te modelleer en te simuleer. Doelwitfunksies word gede nieer om aktuator gedrag te evalueer. Daar word gevind dat resultate die geldigheid van die ontwerpmetodologie aandui. Fisiese modelle wat verteenwoordigend is van suksesvolle gesimuleerde modelle word in 'n moduêre bak gegiet. Hierdie modelle word getoets en vergelyk met die gesimuleerde resultate. Daar is gevind dat FEM-modelle akkurate voorspellers is vir die vervorming van aktuators.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Die ontwerp van sagte robotkomponente is 'n nuwe probleem wat nie noodwendig opgelos kan word deur tradisionele ontwerpmetodes nie. Generatiewe ontwerpbenaderings tesame met akkurate FEM-modellering word voorgestel as 'n moontlike metode om interessante en unieke sagte robotaktuatorontwerpe te bekom. Navorsing word gedoen oor sagte robotika, die virtuele modellering van nie-lineêre materiale, generatiewe ontwerpmetodes en toepaslike wiskundige konsepte. Op grond van die navorsing word 'n metodologie ontwikkel vir die ontwerp van sagte robotaktuators. 'n Sagtewarepypleiding word ontwerp vir die verkenning van 'n 2D ontwerpruimte. Patroongenererende metodes, insluitend Lindenmayer-stelsels en CPPN's, word gebruik om interne dimensies van aktuators te formuleer. Generatiewe ontwerpbenaderings, insluitend Monte Carlo-simulasies en evolusionêre algoritmes, word gebruik om groot populasies van aktuators te genereer en te evalueer. FEM word gebruik om aktuator eienskappe en gedrag akkuraat te modelleer en te simuleer. Doelwitfunksies word gede nieer om aktuator gedrag te evalueer. Daar word gevind dat resultate die geldigheid van die ontwerpmetodologie aandui. Fisiese modelle wat verteenwoordigend is van suksesvolle gesimuleerde modelle word in 'n moduêre bak gegiet. Hierdie modelle word getoets en vergelyk met die gesimuleerde resultate. Daar is gevind dat FEM-modelle akkurate voorspellers is vir die vervorming van aktuators.
Description
Thesis (MEng)--Stellenbosch University, 2021.
Keywords
Soft robotics --Actuators, Generative design, Finite Element Analysis, Lindenmayer systems, UCTD