Towards soft supernumerary robotics: position and stiffness control of a bio-inspired robotic joint

Research in the realm of supernumerary robotics, particularly focusing on extra robotic limbs (XRL), has witnessed substantial growth over the past two decades. These additional limbs aim to assist impaired individuals or augment the capabilities of healthy ones, spanning from supporting balance and load carrying with extra legs to aiding in overhead tasks and precision maneuvers with additional arms. This thesis explores the design of a soft actuated robotic joint usefull for developing a supernumerary robotic arm. In contrast to the predominant rigid XRL designs, recent advancements have pivoted towards soft actuation mechanism, promising lighter and more comfortable systems with improved human-machine interaction. The device is conceived in all its parts, from the actuation unit to the control and sens- ing unit. The develped system incorporates 3D printed custom components and cus- tom high-torque, highly stretchable pneumatic artificial muscles based on thermoplastic polyurethane (TPU) in a bio-inspired antagonistic scheme. This design allows for inde- pendent control of both position and stiffness, akin to the biological elbow system, by regulating the pressure within the pneumatic artificial muscles. The proposed solution is based on smart and simple control logic, and it is tested in position and stiffness tracking condition, and it is validated in dynamical conditions, showing very low error in tracking both in position and in stiffness. Results suggest a good level of adaptability, which needs to be further studied in the future towars fully soft wearability, aiming to augment human capabilities in working condition.

La ricerca nel campo della robotica soprannumeraria, in particolare quella sugli arti robotici sopranumerari (XRL), ha registrato una crescita sostanziale negli ultimi due decenni. Questi arti robotici hanno lo scopo di assistere le persone disabili o di aumentare le capacità di quelle sane, spaziando dal supporto all'equilibrio e al trasporto di carichi con gambe aggiuntive, all'aiuto in operazioni usuranti e manovre di precisione con brac- cia aggiuntive. Questa tesi esplora la progettazione di un giunto robotico ad attuazione basata sulla robotica soft, utile per lo sviluppo di un braccio robotico soprannumerario. Rispetto ai XRL rigidi più utilizzati, i recenti progressi si sono orientati verso un mecca- nismo di attuazione basato sulla tecnologia soft, che permette di avere sistemi più leggeri e confortevoli con una migliore interazione uomo-macchina. Il dispositivo è concepito in tutte le sue parti, dall'unità di attuazione all'unità di controllo e sensoristica. Il sistema sviluppato incorpora componenti personalizzate stampate in 3D e muscoli artificiali pneumatici caratterizzati da alta coppia e altamente estensibili basati su poliuretano termoplastico (TPU) in uno schema antagonista di ispirato alla anatomia umana del gomito. Questo design permette di controllare in modo indipendente sia la posizione che la rigidezza, come il sistema biologico del gomito, regolando la pressione all'interno dei muscoli artificiali pneumatici. La soluzione proposta, basata su una logica di controllo semplice e intelligente, è stata testata in condizioni di tracking della posizione e della rigidezza ed è stata convalidata in condizioni dinamiche, mostrando un errore molto basso nel tracking sia della posizione che della rigidezza. I risultati suggeriscono un buon livello di adattabilità, che dovrà essere ulteriormente stu- diata in futuro verso indossabilità completamente basata sulla robotica soft, con l'obiettivo di aumentare le capacità umane in condizioni di lavoro.