Design of a bistable compliant soft gripper utilizing 3D printing technologies

The aim of this thesis is to explore the feasibility of applying a bistable mechanism to a soft compliant gripper. A bistable gripper would have two stable positions: the open position and the closed position. The gripper would not require any external energy to hold any of the two position, external energy would be required only on the opening phase of the gripper. The gripper is designed so that the bistable mechanism also provides for mechanical sensing of contact with the target object to be grasped causing an automatic closure of the gripper. The claw mechanism, which consists of the system that translate the linear motion of the bistable mechanism into the opening and closing motion, was designed first as a rigid mechanism and after were converted into a flexible compliant mechanism. The bistable mechanism and the claw mechanism were analysed separately and combined together to create the final gripper. Computer Finite Element Method (FEM) were implemented to obtain force-displacement relationships to analyse the bistable behaviour of the gripper. Multiple 3D printing materials and methods were explored for the realization of the gripper. In the experimentation phase unexpected asymmetric behaviour reduced the rigidity of the bistable mechanism making it difficult to hold consistently the open position, this effect can be compensated by applying a precompression increasing its activation force. Further analysis and experimentation and improvements have to be performed to better analyse the practicality of a similar type of gripper.

Lo scopo di questa tesi è esplorare la fattibilità di applicare un meccanismo bistabile a una pinza morbida. Una pinza bistabile avrebbe due posizioni stabili: la posizione aperta e la posizione chiusa. La pinza non richiederebbe alcuna energia esterna per mantenere una delle due posizioni, energia esterna sarebbe necessaria solo nella fase di apertura della pinza. La pinza è progettata in modo che il meccanismo bistabile fornisca anche la rilevazione meccanica del contatto con l'oggetto da afferrare, causando una chiusura automatica della pinza. Il meccanismo a tenaglia, che consiste nel sistema che trasforma il movimento lineare del meccanismo bistabile in movimento di apertura e chiusura, è stato progettato prima come meccanismo rigido e successivamente è stato convertito in un meccanismo flessibile. Il meccanismo bistabile e il meccanismo a tenaglia sono stati analizzati separatamente e poi combinati insieme per creare la pinza finale. Sono state implementate simulazioni al computer con il metodo degli elementi finiti (FEM) per ottenere le relazioni forza-spostamento per analizzare il comportamento bistabile della pinza. Sono stati esplorati diversi materiali e metodi di stampa 3D per la realizzazione della pinza. Nella fase di sperimentazione si è verificato un comportamento asimmetrico inatteso che ha ridotto la rigidità del meccanismo bistabile, rendendo difficile mantenere costantemente la posizione aperta. Questo effetto può essere compensato applicando una precompressione che aumenti la forza di attivazione. Ulteriori analisi, sperimentazioni e miglioramenti devono essere effettuati per valutare meglio la praticità di un tipo simile di pinza.