INFLUENCE OF ACTUATOR MORPHOLOGY ON GRASPING PERFORMANCE OF SOFT ROBOTIC GRIPPERS IN AGRICULTURE: SIMULATION STUDY

Elsamanty, Mahmoud; Hafez, Nourhan; Abd Rabbo, Saber; Sokar, Mohamed I.

doi:10.21608/auej.2023.219521.1385

INFLUENCE OF ACTUATOR MORPHOLOGY ON GRASPING PERFORMANCE OF SOFT ROBOTIC GRIPPERS IN AGRICULTURE: SIMULATION STUDY

Document Type : Original Article

Authors

¹ Mechanical Engineering Department, Faculty of Engineering at Shubra, Benha University, Egypt. / Mechatronics and Robotics Department, School of Innovative Design, E-JUST, Egypt.

² Mechanical Engineering Department, Faculty of Engineering at Shubra, Benha University, Egypt.

10.21608/auej.2023.219521.1385

Abstract

Soft pneumatic actuators (SPAs) with tailored actuator morphology are extensively employed in precise agriculture for cultivating sensitive crops. This study investigates the impact of varying the geometrical parameters of the elastomer finger, specifically the rib pitch (P_r) and finger width (w_f), on the SPA bending variables, including deflection angle (Ø) and deflection along the X- and Y-axis. Sample SPAs were fabricated to validate Yeoh’s 3rd-order model. All designed molds used to cure the soft elastic finger (elastomer) were created on a 3D printer.
Finite element analysis (FEA) was conducted by ANSYS to analyze the impact of each geometrical parameter individually and continuously varied along the longitudinal axis. The FEA results indicate a variation in the deflection angle from 13.01° to 108.50°. Furthermore, the deflection along the X-axis ranges from 0.85 mm to -213.54 mm, while the Y-axis varies from 32.55 mm to 148.45 mm. The study demonstrates that the geometrical parameters of the elastomer finger significantly influence SPA bending variables, with the rib pitch (P_r) exerting a greater impact on the deflection angle than the finger width (w_f). The deflection on the X-axis exceeds that on the Y-axis. The findings of this study can inform the design of SPAs with tailored actuator morphology and bending properties for precise agriculture applications.

تُستخدم المشغلات الهوائية اللينة (SPAs) المزودة بتشكيل مشغل مخصص على نطاق واسع في الزراعة الدقيقة، لزراعة المحاصيل الحساسة. تبحث هذه الدراسة في تأثير تغيير المعاملات الهندسية لإصبع المطاط الصناعي، وتحديداً خطوة الضلع (P_r) وعرض الإصبع (w_f) ، على متغيرات الانحناء SPA ، بما في ذلك زاوية الانحراف (Ø) والانحراف على طول X- و Y- محور. تم تصنيع عينة SPAs للتحقق من نموذج Yeoh من الدرجة الثالثة. تم إنشاء جميع القوالب المصممة المستخدمة لصب الإصبع المرن الناعم (المطاط الصناعي) باستخدام طابعة ثلاثية الأبعاد. تم إجراء تحليل العناصر المحدودة (FEA) لتحليل تأثير كل معامل هندسي على حدة ومتنوعة باستمرار على طول المحور الطولي. تشير نتائج FEA إلى اختلاف في زاوية الانحراف من 13.01 درجة إلى 108.50 درجة. علاوة على ذلك، يتراوح الانحراف على طول المحور X من 0.85 مم إلى -213.54 مم، بينما يتراوح المحور Y من 32.55 مم إلى 148.45 مم. توضح الدراسة أن المعاملات الهندسية للإصبع المطاطي تؤثر بشكل كبير على متغيرات الانحناء SPA، حيث يكون لخطوة الضلع (Pr) تأثير أكبر على زاوية الانحراف من عرض الإصبع (w_f). يتجاوز الانحراف على المحور "س X" ذلك على المحور "ص Y". يمكن لنتائج هذه الدراسة أن تفيد في تصميم SPAs مع مورفولوجيا المشغل المصممة خصيصًا وخصائص الانحناء للتطبيقات الزراعية الدقيقة.

Keywords