Enhancing the Versatility and Performance of Soft Robotic Grippers, Hands, and Crawling Robots Through Three-Dimensional-Printed Multifunctional Buckling Joints

夹持器 爬行 刚度 软机器人 机器人 屈曲 有限元法 工程类 计算机科学 机器人学 弯曲 机械工程 结构工程 人工智能 解剖 医学
作者
Chih-Wen Ou Yang,Shao-Yi Yu,Che-Wei Chan,Chien-Yao Tseng,Cai Jing-fang,Han‐Pang Huang,Jia‐Yang Juang
出处
期刊:Soft robotics [Mary Ann Liebert]
标识
DOI:10.1089/soro.2023.0111
摘要

Soft robotic grippers and hands offer adaptability, lightweight construction, and enhanced safety in human–robot interactions. In this study, we introduce vacuum-actuated soft robotic finger joints to overcome their limitations in stiffness, response, and load-carrying capability. Our design—optimized through parametric design and three-dimensional (3D) printing—achieves high stiffness using vacuum pressure and a buckling mechanism for large bending angles (>90°) and rapid response times (0.24 s). We develop a theoretical model and nonlinear finite-element simulations to validate the experimental results and provide valuable insights into the underlying mechanics and visualization of the deformation and stress field. We showcase versatile applications of the buckling joints: a three-finger gripper with a large lifting ratio (∼96), a five-finger robotic hand capable of replicating human gestures and adeptly grasping objects of various characteristics in static and dynamic scenarios, and a planar-crawling robot carrying loads 30 times its weight at 0.89 body length per second (BL/s). In addition, a jellyfish-inspired robot crawls in circular pipes at 0.47 BL/s. By enhancing soft robotic grippers' functionality and performance, our study expands their applications and paves the way for innovation through 3D-printed multifunctional buckling joints.
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