Modelagem paramétrica e simulação de garras origami com padrão Yoshimura para robótica suave.

Abstract

Este trabalho apresenta a modelagem paramétrica e a simulação interativa de uma garra robótica flexível baseada no padrão geométrico de Yoshimura, com foco em aplicações na robótica suave. O objetivo principal foi desenvolver um modelo tridimensional controlável por camadas, capaz de representar com precisão a cinemática de estruturas reconfiguráveis inspiradas em origami. A metodologia foi construída a partir de observações geométricas e análise do movimento, resultando em um modelo computacional original, implementado em ambiente MATLAB®. A estrutura simulada permite o controle independente dos ângulos de cada camada, bem como a visualização dinâmica do comportamento tridimensional da garra. A interface desenvolvida, construída com o App Designer, integra controles paramétricos, exportação de dados e organização didática para fins educacionais. A simulação foi validada qualitativamente por meio da construção de protótipos físicos em diferentes materiais (papel, tecido e impressão 3D), com análise comparativa dos estados de abertura. Os resultados indicam alta fidelidade geométrica entre o modelo simulado e os protótipos, especialmente na configuração inicial e intermediária, embora restrições físicas tenham limitado a replicação exata da abertura total observada na simulação. O trabalho também mapeia variações estruturais derivadas do padrão Yoshimura, discutindo as transições entre geometrias do tipo “pattern” e “bellows”, e propõe uma abordagem metodológica sistematizada com potencial de uso educacional. A contribuição desta pesquisa está na combinação de modelagem matemática original, simulação responsiva e aplicação prática em ambientes não estruturados, destacando-se como uma alternativa viável e acessível para o projeto de mecanismos flexíveis e exploratórios em robótica suave.

This work presents the parametric modeling and interactive simulation of a flexible robotic gripper based on the geometric Yoshimura pattern, focusing on applications in soft robotics. The main objective was to develop a three-dimensional, layer-controlled model capable of accurately representing the kinematics of reconfigurable origami-inspired structures. The methodology was built from geometric observations and motion analysis, resulting in an original computational model implemented in MATLAB®. The simulated structure allows independent angular control of each layer, as well as real-time visualization of the gripper’s 3D behavior. The developed interface, built using App Designer, integrates parametric controls, data export functionality, and an educational layout. The simulation was qualitatively validated through the construction of physical prototypes using different materials (paper, fabric, and 3D-printed polymer), followed by comparative analysis of various opening states. The results indicate a high degree of geometric fidelity between the simulated model and the physical prototypes, especially in the initial and intermediate configurations, although physical limitations prevented exact replication of the fully opened state observed in the simulation. This study also maps structural variations derived from the Yoshimura pattern, discussing transitions between “pattern” and “bellows”-type geometries, and proposes a structured methodological approach with educational potential. The main contribution lies in the integration of original mathematical modeling, responsive simulation, and practical application to unstructured environments, offering a viable and accessible alternative for designing flexible and exploratory mechanisms in soft robotics.