Contribuciones al diseño y modelado de garras robóticas multifunción con materiales deformables

Abstract

The adoption of robotic manipulation in industrial settings has reached significant maturity, enabling process automation, efficiency gains, and cost reductions. However, applying similar technologies to sectors such as agriculture remains an underexplored challenge. Agriculture requires robotic systems capable of safely operating in unstructured environments, handling delicate objects like fruits and vegetables, and ensuring compatibility with dynamic and unpredictable tasks. Soft robotics, characterized by the use of compliant and adaptable materials, emerges as a transformative solution for these challenges. By utilizing materials with elasticity moduli comparable to biological tissues such as muscles or skin, soft robotics enables precise manipulation and interaction with the environment, making it particularly suitable for agricultural applications.

This thesis investigates the potential of soft robotics in agriculture, focusing specifically on the design, modelling, and control of soft grippers for harvesting tasks and pick-and-place operations. Through the development of three soft gripper designs, this research explores the use of advanced materials such as thermoplastic elastomers (TPE) and polydimethylsiloxane (PDMS), alongside manufacturing techniques like 3D printing and moulding, to create prototypes designed with an emphasis on cost-effectiveness, modularity, and adaptability. These grippers were tested in real-world conditions using dual-arm robotic systems, showcasing their suitability for handling high-value crops in unstructured environments.

The research also introduces advanced simulation and modelling techniques to address the inherent complexities of soft actuators. Using methods such as the Sparse Identification of Nonlinear Dynamics (SINDy) algorithm, the thesis accurately characterizes actuator behaviour, minimizing the need for extensive experimental data. Finite Element Method (FEM) simulations were employed to model soft contact interactions and deformation under load, further refining the gripper designs. Virtual representations of objects, combined with real-time sensing, enhanced the development of grip planning strategies, ensuring precision and efficiency in dynamic agricultural tasks.

Additionally, the thesis emphasizes the importance of quality control and standardization in soft robotics. Novel methodologies for performance assessment were developed, including computer vision-based techniques and tools for measuring displacement and contact forces. These efforts aim to establish benchmarks for the reliable integration of soft robotics into commercial and agricultural systems.

In summary, this thesis bridges the gap between industrial soft robotics and agricultural needs, contributing innovative designs, methodologies, and control strategies for soft grippers. By addressing key challenges in material selection, modelling, and practical implementation, the research lays a foundation for advancing soft robotics in agriculture and other sectors that demand safe and adaptable robotic solutions.

La adopción de la manipulación robótica en entornos industriales ha alcanzado una madurez significativa, permitiendo la automatización de procesos, el aumento de la eficiencia y la reducción de costos. Sin embargo, la aplicación de tecnologías similares en sectores como la agricultura sigue siendo un desafío poco explorado. La agricultura requiere sistemas robóticos capaces de operar de manera segura en entornos no estructurados, manejar objetos delicados como frutas y verduras, y garantizar su compatibilidad con tareas dinámicas e impredecibles. La robótica blanda, caracterizada por el uso de materiales flexibles y adaptables, se presenta como una solución transformadora para estos desafíos. Al utilizar materiales con módulos de elasticidad comparables a tejidos biológicos, como los músculos o la piel, la robótica blanda permite una interacción precisa y segura con el entorno, haciéndola particularmente adecuada para aplicaciones agrícolas.

En este contexto, esta tesis explora el potencial de la robótica blanda en la agricultura, enfocándose específicamente en el diseño, modelado y control de pinzas blandas para tareas de cosecha y operaciones pick-and-place. A través del desarrollo de tres diseños innovadores, se ha investigado el uso de materiales avanzados como los elastómeros termoplásticos (TPE) y el polidimetilsiloxano (PDMS), junto con técnicas de fabricación como la impresión 3D y el moldeo. Estos prototipos, diseñados con un enfoque en la rentabilidad, la modularidad y la adaptabilidad, se han validado en condiciones reales utilizando sistemas robóticos de doble brazo, demostrando su eficacia para manejar cultivos de alto valor en entornos no estructurados.

La investigación también introduce técnicas avanzadas de simulación y modelado para abordar las complejidades inherentes de los actuadores blandos. Mediante métodos como el algoritmo de Identificación Dispersa de Dinámicas No Lineales (SINDy, por sus siglas en inglés), se ha caracterizado con precisión el comportamiento de los actuadores diseñados, reduciendo la necesidad de datos experimentales extensivos. Además, se han empleado simulaciones basadas en el Método de Elementos Finitos (FEM, por sus siglas en inglés) para modelar las interacciones de contacto blando y la deformación bajo carga, lo que ha permitido refinar aún más los diseños de las pinzas. Las representaciones virtuales de objetos, combinadas con la información en tiempo real proporcionada por los sensores, ha contribuido a mejorar el desarrollo de estrategias de planificación de agarre, garantizando precisión y eficiencia en tareas agrícolas dinámicas.

Asimismo, la tesis enfatiza la importancia del control de calidad y la estandarización en la robótica blanda. Se han desarrollado metodologías novedosas para la evaluación del desempeño, incluyendo técnicas basadas en visión por computador y herramientas para medir el desplazamiento y las fuerzas de contacto. Estos avances buscan establecer parámetros de referencia para la integración robusta de la robótica blanda en sistemas comerciales agrícolas.

En resumen, esta tesis pretende contribuir a reducir la brecha entre la robótica blanda industrial y las demandas del sector agrícola, aportando diseños innovadores, metodologías avanzadas y estrategias de control para garras blandas. Al abordar desafíos clave relacionados con la selección de materiales, el modelado y la implementación práctica, la investigación establece una base sólida para el avance de la robótica blanda en la agricultura y en otros sectores que requieren soluciones robóticas seguras y adaptables.