Desenvolvimento e caracterização de garras bio-inspiradas para sistemas robóticos industriais e colaborativos

Abstract

A manipulação de objetos frágeis ou irregulares motiva o desenvolvimento de garras robóticas capazes de adaptar a sua geometria ao contacto. Esta dissertação apresenta o desenvolvimento e a caracterização experimental de uma garra bio-inspirada baseada na arquitetura SpiRobs, fabricada em TPU por fabrico aditivo e acionada por cabo. Foi desenvolvido um objeto cilíndrico com dois sensores resistivos de força (FSR, do inglês Force Sensing Resistor), utilizado numa metodologia de mapeamento circunferencial. Compararam-se duas configurações fabricadas e dois deslocamentos nominais do cabo, com quatro repetições por condição. A soma escalar das forças estimadas nos sensores foi normalizada por uma área CAD fixa, obtendo-se uma pressão média equivalente, distinta da pressão local na interface. Os ensaios revelaram perfis angulares não uniformes. O aumento do deslocamento nominal do cabo esteve associado a maior força média, com variação mais acentuada na configuração de 20% de preenchimento. Estas tendências são específicas dos protótipos ensaiados: foi utilizado um exemplar por configuração, existiram diferenças adicionais de fabrico e a calibração do Sensor 2 foi extensamente extrapolada. A análise de sensibilidade explicita a dependência das comparações relativamente a essa contribuição. A análise por elementos finitos (FEA, do inglês Finite Element Analysis) e a modelação multicorpo permitiram explorar qualitativamente o fecho da garra, sem validação quantitativa. Numa segunda linha de desenvolvimento, foram fabricados dedos pneumáticos em silicone e realizada uma caracterização mecânica preliminar para modelação hiperelástica. A contribuição central é uma metodologia experimental de baixo custo para comparar assinaturas circunferenciais de força e pressão média equivalente. A sua divulgação deu origem ao artigo publicado Characterization of Deformation and Pressure Fields in SpiRob Soft Grippers for Delicate Manipulation.

Handling fragile or irregular objects motivates the development of robotic grippers that adapt their geometry to contact. This dissertation presents the development and experimental characterization of a cable-driven bio-inspired gripper based on the SpiRobs architecture and additively manufactured from TPU. A cylindrical object instrumented with two force-sensing resistors (FSRs) was developed for circumferential mapping. Two manufactured configurations and two nominal cable displacements were compared, with four repetitions per condition. The scalar sum of the estimated sensor forces was normalized by a fixed CAD reference area to obtain an equivalent mean pressure, distinct from local interface pressure. The tests revealed non-uniform angular profiles. Increasing nominal cable displacement was associated with higher mean force, with a larger change in the 20% infill configuration. These trends are specific to the tested prototypes: only one specimen of each configuration was used, fabrication parameters also differed, and the calibration of Sensor 2 was extensively extrapolated. A sensitivity analysis makes the dependence of the comparisons on this contribution explicit. Finite element analysis (FEA) and multibody modelling supported a qualitative exploration of gripper closure, without quantitative validation. As a second line of development, pneumatic silicone fingers were manufactured and a preliminary mechanical characterization was conducted to support hyperelastic modelling. The main contribution is a low-cost experimental methodology for comparing circumferential force and equivalent mean pressure signatures. Its dissemination resulted in the published article Characterization of Deformation and Pressure Fields in SpiRob Soft Grippers for Delicate Manipulation.