Caracterización de elastómeros líquidos para análisis de deformaciones en actuadores inflables elásticos, a través de la evaluación de modelos hiperelásticos

Abstract

RESUMEN: Materiales no convencionales y denominados suaves son frecuentemente usados en Robótica deformable, estos materiales deben ser caracterizados para estimar el comportamiento de estructuras complejas y de múltiples movimientos. Esta investigación presenta la caracterización de los Cauchos: Ecoflex-0030, Dragón Skin 20, Mold Star 15 Slow y Mold Star 30 siguiendo la norma ISO37:2011 para tracción y la norma ISO7743:2017 para compresión. Las curvas experimentales de esfuerzo-deformación son ajustadas a través del software Ansys para obtener las constantes de los modelos hiperelásticos de Yeoh y Mooney-Rivlin, el modelo de Yeoh presenta mejor ajuste para cada uno de los materiales. Por otra parte, se propone un actuador deformable con movimientos de expansión-contracción para evaluar el modelo de Yeoh mediante el software Abaqus, los resultados muestran el efecto del material en el comportamiento del actuador (principalmente en la presión); el mayor desplazamiento logrado por el actuador es con el material Dragon Skin 20 (20.22 mm) a una presión de 20 KPa. Finalmente, se muestra la validación experimental del actuador construido en los materiales Ecoflex 00-30 y Mold Star 15 Slow, mediante visión por computadora, se comparan los resultados del modelado contra los experimentales, el error calculado, en t´erminos de presión, se considera despreciable (1.3 KPa y 5.5 KPa respectivamente) debido a la variabilidad en la manufactura y a la geometría compleja del actuador. Adem´as, se presenta un anexo que contiene el desarrollo de un manipulador deformable denominado “Soft Robotic Arm”, en el cual se implementó el actuador con movimientos de expansión-contracción desarrollado en este trabajo. Este es el resultado de una estancia de investigación que se realizó en la Leibniz Universit¨at Hannover en el Institute f¨ur Montagetechnik. El manipulador deformable demuestra la versatilidad del actuador propuesto para otorgar un movimiento de traslación y permite un amplio rango de movilidad en el manipulador. ABSTRACT: This research demonstrates that the rubbers characterization through the tensile and compression test are enough to estimate soft structures performance. It is presented the characterization of the rubbers Ecoflex-0030, Dragon Skin 20, Mold Star 15 Slow and Mold Star 30 by using the standards ISO 37:2011 and ISO 7734:2017 for tensile and compression tests, respectively. The experimental stress-strain curves are adjusted by means ANSYS and the parameters of the Yeoh and Mooney-Rivlin hyperelastic models are calculated. The Yeoh model shows the best fit for each material. On the other hand, an expanding-contracting soft actuator of complex morphology is proposed to evaluate its performance with the Yeoh model parameters for all materials, by using ABAQUS. The actuator was manufactured in Ecoflex 00-30 and Mold Star 15 Slow through casting. For both materials an experimental evaluation was performed by means computer vision; the estimated and real pressure-displacement ratio was compared, the error is considered negligible. Moreover, the development of a soft manipulator, called “Soft Robotic Arm”, is presented in an annex at the end. The expanding-contracting soft actuator was implemented in this work. This is the result of the internship research in the Leibniz Universit¨at Hannover at Institute f¨ur Montagetechnik. The soft manipulator demonstrates the versatility of the soft actuator for doing possible a translation motion and get a huge mobility in this manipulator