Robust optimal design of a soft biaxial actuator

This thesis applies numerical optimization techniques selected according to the features of specific design optimization problems to be tackled: absence of a priori information on system performance, black-box models, high dimensionality problems, and computational expensive models. For addressing the limitations imposed by such features, a methodological framework that integrates both optimization and global sensitivity analysis has been proposed. The problem of robust design optimization is also treated, by proposing the use of the β-equivalent deterministic formulation. Two different applications have been developed. The first on the design of the sole mechanism of the FootGlove, a haptic device for virtual try-on of user-customized shoes, and the second on the design of a specific part of the sole of the FootGlove: a soft biaxial pneumatic actuator able to develop different displacements in its principal in-plane directions. The entire development process of the actuator has been covered, from the concept, passing through the optimal design, prototype construction, and finally experimental testing. The entire methodological framework has been applied in concomitance with technological aspects related to the fused deposition modeling manufacturing process. Then, a robust optimization has been formulated and solved for the soft biaxial actuator, where aspects related to manufacturing process are included in the optimization problem, taking into account also part manufacturing constraints. Finally, an extension to the classical robust formulation is proposed, where optimal standard deviations are calculated, rather than given as fixed parameters to the optimization problem. The effectiveness of the approach has been demonstrated by application to a sample structural design problem.

Questo lavoro di tesi utilizza tecniche di ottimizzazione numerica, selezionate secondo le caratteristiche specifiche dei problemi di ottimizzazione trattati, come: assenza di informazioni a priori sulle prestazioni del sistema, modelli black–box , problemi multi-dimensionali e modelli con alto onere di calcolo. Per affrontare le limitazioni imposte dalle suddette caratteristiche, si è proposto un framework metodologico nel quale si integrano entrambi concetti di ottimizzazione e analisi di sensitività globale. Si sviluppa inoltre il problema di ottimizzazione robusta, proponendo l’utilizzo della formulazione deterministica β-equivalente. Si sono sviluppate due applicazioni. La prima consiste nella progettazione del meccanismo della suola del FootGlove, un dispositivo aptico per la prova virtuale di scarpe user–customized. La seconda applicazione è focalizzata alla progettazione di una parte specifica della suola del FootGlove: un attuatore pneumatico biassiale in grado di sviluppare diversi spostamenti nelle direzioni principali sul piano della suola. Lo sviluppo dell’attuatore comprende le fasi di concettualizzazione, ottimizzazione numerica, costruzione del prototipo e prova esperimentale. Il framework metodologico è stato applicato in concomitanza degli aspetti tecnologici associati al processo di modellazione a deposizione fusa. Inoltre, per l’attuatore biassiale è stata formulata e risolta una ottimizzazione robusta, dove gli aspetti relazionati al processo di fabbricazione sono integrati nella progettazione considerando vincoli di manifattura del prodotto. Finalmente, si propone un ampliamento della formulazione robusta classica, dove le deviazioni standard ottimali sono calcolate invece di essere incluse come parametri fissi nel problema di ottimizzazione. La effettività del approccio è stata dimostrata tramite applicazione a un problema strutturale di esempio.