Development of a sensory system for bending monitoring and control of a soft robotic articulation

Soft robotics has gained increasing attention for its ability to interact safely and adaptively with humans and delicate environments. One of the key challenges in this field is integrating reliable sensing systems for real-time monitoring and control. This thesis focuses on developing and evaluating a new piezoresistive sensor system embedded in soft robotic articulations specifically designed for bending monitoring and control. The proposed system utilizes a flexible thermoplastic polyurethane composite sensor (TPU/CB) to detect angular deformations by measuring changes in electrical resistance. A global electromechanical characterization evaluates the sensor’s sensitivity, repeata bility, and reliability under various mechanical stresses. Additionally, a mathematical resistance-to-angle model is developed to enable accurate bending estimation. To validate its performance, the sensor is integrated into a soft robotic neck structure. Multiple control strategies, including PID and frequency-based control, are implemented to assess their effectiveness in achieving precise bending regulation. The results demonstrate that while TPU-based sensors provide promising feedback capabilities, their non linearity and resistance drift over time pose challenges for long-term control stability. In contrast, commercially available flex sensors exhibit superior precision and stability, making them a viable benchmark for successful control development. The findings of this research highlight the potential of flexible sensors for soft robotics applications, paving the way for improved proprioceptive capabilities in soft robotic systems. Future work will focus on refining sensor materials, enhancing control algorithms, and exploring alternative actuation mechanisms to achieve fully integrated, autonomous soft robots.

La robotica soft sta riscuotendo crescente attenzione per la sua capacità di interagire in modo sicuro e adattivo con gli esseri umani e ambienti delicati. Una delle principali sfide in questo campo è l’integrazione di sistemi sensoriali affidabili per il monitoraggio e il controllo in tempo reale. Questa tesi si concentra sullo sviluppo e la valutazione di un nuovo sistema sensoriale piezoresistivo integrato in articolazioni robotiche morbide, specificamente progettato per il monitoraggio e il controllo della flessione. Il sistema proposto utilizza un sensore composito flessibile in poliuretano termoplastico (TPU/CB) per rilevare le deformazioni angolari misurando le variazioni di resistenza elettrica. Viene condotta una caratterizzazione elettromeccanica globale per valutare la sensibilità, la ripetibilità e l’affidabilità del sensore sotto diversi stress meccanici. Inoltre, è stato sviluppato un modello matematico della relazione resistenza-angolo per consentire una stima accurata della flessione. Per validare le prestazioni del sensore, esso viene integrato in una struttura robotica morbida a forma di collo. Sono implementate diverse strategie di controllo, tra cui il controllo PID e il controllo basato sulla frequenza, per valutare l’efficacia del sistema nel raggiungere una regolazione precisa della flessione. I risultati dimostrano che, sebbene i sensori in TPU offrano capacità di feedback promettenti, la loro non-linearità e la deriva della resistenza nel tempo pongono sfide per la stabilità del controllo a lungo termine. Al contrario, i sensori flessibili disponibili in commercio mostrano una precisione e una stabilità superiori, rendendoli un valido punto di riferimento per lo sviluppo di un controllo efficace. I risultati di questa ricerca evidenziano il potenziale dei sensori flessibili nelle applicazioni di soft robotics, aprendo la strada a capacità propriocettive avanzate nei sistemi robotici morbidi. Il lavoro futuro si concentrerà sul miglioramento dei materiali sensoriali, sull’ottimizzazione degli algoritmi di controllo e sull’esplorazione di meccanismi di attuazione alternativi per ottenere robot morbidi completamente integrati e autonomi.