Design of a soft robot with the use of digital modeling, dielectric elastomer actuators and 3D printing

Abstract

Los robots blandos surgen de la necesidad de reproducir los movimientos de los seres vivos como las plantas, animales y humanos. Hasta el momento, los únicos robots que existían se producían con materiales rígidos como los plásticos duros y metales. La introducción de materiales blandos para la producción de robots permite los movimientos de deformación elástica y la formación de curvaturas, además de los movimientos de traslación y rotación en las tres dimensiones. El objetivo principal de este proyecto consiste en aprender sobre la materia, sobretodo sobre los materiales blandos y los agentes externos capaces de estimular los mismos y, por último, encontrar una función útil para el diseño y producción de un robot blando. La parte más importante de los robots blandos es el actuador, dado que es el responsable de transformar el efecto del estímulo del agente externo en movimiento. La variedad de materiales blandos disponibles para fabricar estos actuadores es bastante limitada con las tecnologías de hoy en día. Para esta investigación en particular, se decidió usar un actuador dieléctrico de elastómero y, consecuentemente, energía eléctrica para estimularlo. Durante el proceso creativo surgió la idea de fabricar un robot blando con la capacidad de trepar por las paredes. Para poder llevar esto acabo se necesita incluir la idea de las fuerzas de electro adhesión para el diseño de los pies del robot. Estos, al igual que el actuador, necesitan energía eléctrica para su funcionamiento.

The relatively new field of soft robotics was born from the need and desire to build robots that mimicked living organisms such as plants, animals and humans not only aesthetically but also functionally. The inherent and structural compliance of soft smart materials allow soft robots to deform (stretching and compressing) and store energy. That is, besides the three dimensional translational and rotational motions, soft robots are able to deform and bend resembling the anatomy of animals and human beings. The ultimate goal of this project is to become familiar with the soft robotics field, study the soft smart materials and external agents that stimulate them and finally, come up with an application or function and design and manufacture a robot to perform it. The most important part of a soft robot is its actuator, which is able to transform the external stimulus into motion. The choice of soft smart materials to build these is limited with the current technologies. For this specific research, the decision was made to build a dielectric elastomer actuator made of VHB tape as the dielectric membrane, acrylic sheet cut outs used to pre-stretch the membrane and carbon grease for the electrodes. As a result of choosing a dielectric material for the actuator, the external stimulus required must come from a source of electric supply. During the creative process the idea of building a soft wall climbing robot was brought up. In order to do this, another important element had to be included in the model: electro adhesive feet. These are made of the acrylic sheet cut outs, regular paper, graphite and once again the VHB tape. Electro adhesion forces also require power supply. They are necessary to hold the robot to the walls as it climbs.