Simulation for design of 3D printed pneumatic hyperelastic soft bodies with embedded strain limiting structures

Soft bodies provide new ways for mechanisms to work. They can make actions, such as grabbing, simpler than with rigid structures. However, predicting the behaviour of various soft body designs is challenging. Computational fabrication technologies have revolutionized the fabrication process, but it still takes about a day to create a model. Hence, even with rapid prototyping, iterative random trial and error design process is impractical. Motivated by these facts, in this thesis, we create a user-driven pneumatic soft body simulation tool. The tool allows the user to design and explore the capabilities of air pressure actuated soft bodies without going through laborious fabrication. Our models consist of air chambers, and strain limiting structures. The user can change the air pressure in the air chambers, thus creating deformations. Strain limiting structures are used for controlling the resulting deformations. For example, if we increase the pressure inside an air chamber without strain limiting structures, it deforms similar to a balloon. However, using strain limiting structures, we can achieve a bending deformation instead. Our simulation is composed of three energy components. First, a finite element method formulation that represents the continuum mechanics of silicone. Second, a pressure formulation, which models the pressure forces actuated in the model. Last, flexible rods, which work as strain limiting structures. The system is solved using static equilibrium. We provide qualitative comparison between simulated and fabricated results to validate our method. Finally, we discuss the limitations of the system, and future work.Les corps mous apportent de nouvelles capacités aux machines. Ils permettent d'effectuer des actions, telles que la saisie d'objets, plus simplement que des structures rigides. Cependant, il est encore difficile de prédire leurs comportements lors de leur conception. Meme si l'informatiques a révolutionné leur processus de fabrication, il faut encore environ une journée pour créer un modèle. Par conséquent, et même avec un prototypage rapide, une fabrication itérative par essais-erreurs reste laborieuse en pratique. Motivés par ces faits, nous présentons dans cette thèse un outil de simulation de corps mous pneumatiques. L'outil permet à l'utilisateur de concevoir et d'explorer les capacités de ces corps actionnés par pression d'air sans devoir les fabriquer. Nos modèles sont constitués de chambres à air et de structures limitant les contraintes. L'utilisateur peut modifier la pression d'air dans les chambres, créant ainsi des déformations. Les structures limitant les contraintes sont utilisées pour contrôler les déformations résultantes. Par exemple, en augmentant la pression à l'intérieur d'une chambre à air sans structures de limitation de contrainte, celle-ci se déforme comme un ballon. Cependant, en utilisant des structures limitant les contraintes, nous pouvons obtenir des déformations telles ques des flexions. Notre sinulation a trois composants énergétiques. Premièrement, une formulation de méthode par éléments finis qui représente la mécanique du continuum du silicone. Deuxièmement, une formulation qui modélise les forces de pression activées dans le modèle. Enfin, des tiges flexibles,qui fonctionnent comme des structures limitant les contraintes. Le système est résolu en utilisant un équilibre statique. Pour valider notre méthode, nous faisons une comparaison qualitative des résultats de machines réels et simulés. Enfin, nous discutons des limites du système et des futurs travaux