Generative design procedure for embedding complex behaviour in pneumatic soft robots
Date
2020-03
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: Soft pneumatic actuators form part of the growing field of soft robots being used in areas not suited to conventional hard-linked robots. Applications include low-cost automation, wearable technology, and the handling of easily damaged produce/goods. Typically these actuators are manufactured as cast silicone bodies and are powered by compressed air. This research set out to develop methods whereby these actuators can be designed to best represent a desired behaviour and behavioural responses not previously possible. A bimodal actuator was developed where the bending direction can be altered by changes to the internal pressure. This allows non-trivial behaviour whilst using a single pressure source. A layer of a specially developed bilinear material facilitates this response. This bilinear material utilises a strain limiter crimped to an initial condition. As the paper layer decrimps, the response becomes stiffer and approximates that of the reinforcing paper layer. This change in stiffness allows for the preferential bending direction of the actuator to change. An additional stream of research focused on a modular actuator construction made up of smaller articulating units in series. These units are constructed to have a preferential bending direction. By changing the orientation of each unit, a different deformed actuator shape can be made. A design tool was developed where a genetic algorithm was coupled with a nonlinear finite element solver. This design tool optimises the design using the genetic information available in the initial population over multiple generations and presents a candidate that best resembles a desired profile specified as the objective function. A 2D reduced-order model was developed that reduces the time for each function evaluation from ≈ 20 min for a 3D numerical analysis, to ≈ 45 s. The design tool was tasked to solve design targets ranging from sin and cos functions of various amplitudes to final actuator tip positions. In each case, the inflated actuator resembled the desired profile. Five of these designs were manufactured using an aluminium mould with ±0.02 mm tolerances. The inflated actuators were 3D scanned and qualitatively compared to their numerical counterparts. The overall deformation shape of the physical models closely resembled that of the numerical models.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Sagte pneumatiese aktueerders vorm deel van die groeiende veld van sagte robotika wat gebruik word in gebiede wat nie geskik is vir konvensionele hardkoppelde robotte nie. Toepassings sluit in laekoste-outomatisering, drabare tegnologie en die hantering van maklik beskadigde gewasse/goedere. Tipies word hierdie aktueerders vervaardig as gegote silikoonliggame en word aangedryf deur saamgeperste lug. Hierdie navorsing is gemik daarop om metodes te ontwikkel waarmee hierdie aktueerders ontwerp kan word om gewenste gedrag te verteenwoordig sowel as gedrag wat nie voorheen moontlik was nie te behaal. ’n Bimodale aktueerder was ontwikkel waar die buigrigting verander kan word deur veranderinge aan die interne druk. Dit laat nie-triviale gedrag toe terwyl ’n enkele lugdrukbron gebruik word. ’n Spesiaal ontwikkelde bilineêre materiaal vergemaklik hierdie gedrag. Hierdie bilineêre materiaal maak gebruik van ’n vervormingsbeperker wat na ’n aanvanklike toestand gekrimp is. Soos die materiaal belas word en vervorm, neem die krimp in the papierlaag af en word die algehele respons van die materiaal stywer. Hierdie verandering in styfheid laat die voorkeurbuigrigting van die aktueerder verander. ’n Bykomende stroom navorsing het gefokus op ’n modulêre aktueerderkonstruksie wat bestaan uit kleiner eenhede gekoppel in serie. Hierdie een hede is ontwerp om ’n voorkeurbuigrigting te he. Deur die oriëntasie van elke eenheid te verander, kan ’n verskillende vervormde aktueerdervorm gemaak word. ’n Ontwerpinstrument was ontwikkel waar ’n genetiese algoritme gekoppel word aan ’n nie-lineêre eindige elementoplosser. Hierdie ontwerpinstrument optimeer die ontwerp deur gebruik te maak van genetiese inligting wat beskikbaar is in die aanvanklike bevolking oor verskeie generasies en bied ’n kandidaat aan wat die beste ooreenstem met ’n gewenste profiel wat as die objektiewe funksie gespesifiseer is. ’n Verminderdeorde 2D-model is ontwikkel wat die tyd vir elke funksie evaluasie van ≈ 20 min vir ’n 3D-numeriese analise, tot ≈ 45 s verminder. Die ontwerpinstrument het die opdrag gehad om ontwerpteikens op te los, wat wissel van sin- en cos-funksies van verskillende amplitudes tot finale aktueerderpuntposisies. In alle gevalle het die aktueerder gelyk soos die gewenste profiel. Vyf van hierdie ontwerpe was geproduseer met behulp van ’n aluminiumvorm wat vervaardig was met ±0.02 mm toleransies. Die werkende aktueerders, opgepomp tot die benodigde druk, is geskandeer om ’n 3D model van die fisiese part te skep. Hierdie 3D model was kwalitatief vergelyk met hul numeriese eweknie. Die algehele vervormingsvorm van die fisiese modelle het baie soos die numeriese modelle gelyk.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Sagte pneumatiese aktueerders vorm deel van die groeiende veld van sagte robotika wat gebruik word in gebiede wat nie geskik is vir konvensionele hardkoppelde robotte nie. Toepassings sluit in laekoste-outomatisering, drabare tegnologie en die hantering van maklik beskadigde gewasse/goedere. Tipies word hierdie aktueerders vervaardig as gegote silikoonliggame en word aangedryf deur saamgeperste lug. Hierdie navorsing is gemik daarop om metodes te ontwikkel waarmee hierdie aktueerders ontwerp kan word om gewenste gedrag te verteenwoordig sowel as gedrag wat nie voorheen moontlik was nie te behaal. ’n Bimodale aktueerder was ontwikkel waar die buigrigting verander kan word deur veranderinge aan die interne druk. Dit laat nie-triviale gedrag toe terwyl ’n enkele lugdrukbron gebruik word. ’n Spesiaal ontwikkelde bilineêre materiaal vergemaklik hierdie gedrag. Hierdie bilineêre materiaal maak gebruik van ’n vervormingsbeperker wat na ’n aanvanklike toestand gekrimp is. Soos die materiaal belas word en vervorm, neem die krimp in the papierlaag af en word die algehele respons van die materiaal stywer. Hierdie verandering in styfheid laat die voorkeurbuigrigting van die aktueerder verander. ’n Bykomende stroom navorsing het gefokus op ’n modulêre aktueerderkonstruksie wat bestaan uit kleiner eenhede gekoppel in serie. Hierdie een hede is ontwerp om ’n voorkeurbuigrigting te he. Deur die oriëntasie van elke eenheid te verander, kan ’n verskillende vervormde aktueerdervorm gemaak word. ’n Ontwerpinstrument was ontwikkel waar ’n genetiese algoritme gekoppel word aan ’n nie-lineêre eindige elementoplosser. Hierdie ontwerpinstrument optimeer die ontwerp deur gebruik te maak van genetiese inligting wat beskikbaar is in die aanvanklike bevolking oor verskeie generasies en bied ’n kandidaat aan wat die beste ooreenstem met ’n gewenste profiel wat as die objektiewe funksie gespesifiseer is. ’n Verminderdeorde 2D-model is ontwikkel wat die tyd vir elke funksie evaluasie van ≈ 20 min vir ’n 3D-numeriese analise, tot ≈ 45 s verminder. Die ontwerpinstrument het die opdrag gehad om ontwerpteikens op te los, wat wissel van sin- en cos-funksies van verskillende amplitudes tot finale aktueerderpuntposisies. In alle gevalle het die aktueerder gelyk soos die gewenste profiel. Vyf van hierdie ontwerpe was geproduseer met behulp van ’n aluminiumvorm wat vervaardig was met ±0.02 mm toleransies. Die werkende aktueerders, opgepomp tot die benodigde druk, is geskandeer om ’n 3D model van die fisiese part te skep. Hierdie 3D model was kwalitatief vergelyk met hul numeriese eweknie. Die algehele vervormingsvorm van die fisiese modelle het baie soos die numeriese modelle gelyk.
Description
Thesis (PhD)--Stellenbosch University, 2020.
Keywords
Robots, Automated control, Genetic programming (Computer Science), Generative design, Pneumatic control, Actuators -- Design, DMBedding, UCTD