Progettazione e sviluppo di un oggetto dotato di sensori di forza per la valutazione delle capacità prensili nella robotica morbida

The core of the thesis is the design and development of a sensor-equipped cube made from soft materials with a lattice structure. Specifically, the sensing principle is optical in which the loss of light within a waveguide is exploited to determine the force originating the deformation. A lattice-based cubic structure is compressed in a specific direction by means of a rotary mechanical system based on a set of tendons, i.e. high-strength wires which, when suitably constrained, allow for uniform compression of the object. At the same time, an external user will apply a force on two sides of the cube, causing it to deform proportionally. To determine the cube’s state of compression with confidence, BOAT (Bidirectional Optical Sensors for Actuation Tracking) sensors are used, while, for the force applied externally, tactile sensors are exploited; both technologies have already been developed but never characterized or adapted for the purposes of this thesis. The aim is therefore to evaluate the response of the tactile sensors as a function of changes in the cube’s stiffness or state of compression, in order to understand the degree to which they influence each another. In order to get practical results, several stages have been carried out, including the design of the lattice structure, of the sensors and of the pulling system, followed by fabrication and assembly, leading up to the testing phase and related concluding observations.

Il fulcro della tesi è la progettazione e lo sviluppo di un cubo sensorizzato realizzato con materiali morbidi e con una struttura reticolare. In particolare, il principio di sensing è quello ottico dove la perdita della luce all’interno di una guida d’onda viene ricondotta alla forza impressa per deformare la guida stessa. Nello specifico, la struttura viene compressa in una determinata direzione grazie ad un sistema meccanico rotatorio basato su un insieme di tendini, ovvero fili con elevata robustezza che permettono una compressione omogenea dell’oggetto, se opportunamente vincolati. Allo stesso tempo un utente esterno imprimerà una forza sui due lati del cubo, il quale subirà una deformazione proporzionale ad essa. Per conoscere con certezza lo stato di compressione del cubo si andranno ad utilizzare dei sensori BOAT (Bidirectional Optical Sensors for Actuation Tracking), mentre per la forza applicata all’esterno saranno usati dei sensori tattili. Entrambe le tecnologie sono state già sviluppate ma mai caratterizzate e adattate allo scopo di questa tesi. L’obiettivo è quindi valutare la risposta dei sensori tattili in funzione del cambiamento di rigidezza o stato di compressione del cubo, in modo da capire quanto si influenzino vicendevolmente. Per arrivare ad ottenere risultati concreti sono state sviluppate diverse fasi, come la progettazione della struttura reticolare, sensori e sistema di tirata passando per la fabbricazione e assemblaggio, fino ad arrivare alla fase di test e alle considerazioni finali.