Design and implementation of a soft robot using Dielectric Elastomer Actuators (DEAs) and digital modeling for 3D printing

Abstract

Como complemento de los robots convencionales, se ha producido en las dos últimas décadas un incipiente desarrollo de la robótica blanda, una tecnología innovadora cuyas principales ventajas son la deformabilidad, ligereza y adaptabilidad de sus componentes. Esta ciencia está basada en el uso de actuadores blandos, que reaccionan a un estímulo exterior deformándose y generando un movimiento similar al de un vegetal o un músculo animal. Existen muchos tipos de actuadores en función del estímulo al que responden, pero en este trabajo solo hablaremos de los elastómeros dieléctricos (DEAs), que responden a estímulos eléctricos. Estos actuadores están constituidos por una lámina de material dieléctrico, situada entre dos electrodos flexibles, que conforman un condensador. Al aplicar un voltaje alto (kV) entre los electrodos, aparece una fuerza de atracción en el interior del dieléctrico que provoca que el sistema se comprima en grosor y aumente en superficie. Dado el estado inicial de desarrollo de esta tecnología, este proyecto tiene como objetivo la investigación y el desarrollo de una nueva aplicación para los robots blandos. Para obtener una configuración que funcione, se han elaborado varios diseños, con la ayuda de herramientas de diseño digital e impresoras 3D. Tras numerosos experimentos con las diferentes configuraciones, se escogió como prototipo final a desarrollar, un caudalímetro de sección rectangular con base móvil. El mecanismo estaría movido por dos actuadores curvos unidos, y su aplicación propuesta es la regulación del flujo respiratorio de un paciente para una óptima dosificación de gases medicinales, integrándose en un complejo equipo de electromedicina.

As a complement to conventional robots, there has been an incipient development of soft robotics in the last two decades, an innovative technology whose main advantages are the deformability, lightness and adaptability of its components. This science is based on the use of soft actuators, which react to an external stimulus by deforming themselves and generating a movement similar to that of a vegetable or an animal muscle. There are many types of actuators depending on the stimulus to which they respond, but in this work we will only talk about dielectric elastomers (DEAs), which respond to electrical stimuli. These actuators are constituted by a layer of dielectric material, located between two compliant electrodes, which form a capacitor. When a high voltage (kV) is applied between the electrodes, an attraction force appears inside the dielectric, which causes the system to compress in thickness and increase in surface. Given the initial state of development of this technology, the aim of this project is to research and develop a new application for soft robots. In order to obtain a configuration that works, several designs have been created with the help of digital design tools and 3D printers. After numerous experiments with the different configurations, a rectangular cross-section flowmeter with a mobile base was chosen as the final prototype to be implemented. The mechanism would be moved by two curved actuators joined together, and its proposed application is the regulation of the respiratory flow of a patient for an optimal dosage of medical gases, being integrated into a complex electromedical equipment.