Fabrikation af bløde pneumatisk netværk aktuatorer med skrå kamre

Summary

Her præsenterer vi en fabrikation metode til bløde pneumatisk netværk aktuatorer med skrå kamre. Aktuatorer er i stand til at generere koblede bøje og vride bevægelser, som udvider deres anvendelse i blød robotteknologi.

Abstract

Blød pneumatisk netværk aktuatorer er blevet en af de mest lovende aktivering enheder i blød robotics hvilke fordele fra deres store bøjning deformation og lav input. Men deres ensformige bøjning bevægelse form i todimensionale (2D) plads holder dem væk fra brede programmer. Dette papir præsenterer en detaljeret fabrikation metode til bløde pneumatisk netværk aktuatorer med skrå kamre, til at udforske deres bevægelser i tre-dimensionelle (3-D) rum. Design af skrå kamre giver aktuatorer med afstemmelige kombineret bøjning og vride kapaciteter, hvilket giver dem mulighed for at flytte lempeligt i fleksible manipulatorer, bliver biologisk inspirerede robotter og medicinsk udstyr. Fabrikationsproces er baseret på metoden molding, herunder silikoneelastomer forberedelse, kammer og base dele fabrikation, aktuator forsamling, slangen forbindelser, kontrol for utætheder og aktuatoren reparation. Metoden fabrikation garanterer hurtig produktion af en serie af aktuatorer med kun et par ændringer i formene. Testresultater viser høj kvalitet af aktuatorer og deres fremtrædende bøje og vride kapaciteter. Eksperimenter af gribepunkterne demonstrere fordelene ved udvikling i tilpasning til objekter med forskellige diametre og giver tilstrækkelig friktion.

Introduction

Blød pneumatisk aktuatorer (SBO) er blød enheder, der kan aktiveres ved den simple input af luft Tryk^1,2. De kan fremstilles med forskellige materialer, såsom silikone elastomerer³, tekstiler⁴, figur-hukommelse polymerer⁵og dielektriske elastomerer⁶. Forskere har nydt godt af deres karakter af overholdelse, behændig bevægelser og enkel fabrikation metoder⁷, således at kurbade er blevet en af de mest lovende enheder for blød robotics programmer^8,9. SPAs kan realisere forskellige avancerede bevægelser, såsom krybende¹⁰, rotation¹¹, og rullende¹² baseret på forskellige typer af deformation, herunder udvide, udvide, bøje og vride^{13, 14}. for at være i stand til at gøre forskellige typer af bevægelser, kurbade er designet i forskellige strukturer, som en lineær krop med parallelle kanaler¹⁵, en monolitisk kammer med fiber-forstærkninger¹⁶, og gentages, netværk af sub kamre¹⁷. Blandt dem, er kurbade med netværk af gentagne sub kamre, bløde pneumatisk netværk aktuatorer, bredt ansat fordi de kan skabe store deformationer under en relativt lav input pres. I de fleste af de tidligere design, kan denne type af aktuatorer kun generere bøjning bevægelser i 2D-plads, som stærkt begrænser deres programmer.

En blød pneumatisk netværk aktuator består af et lineært arrangeret gruppe af kamre forbundet af en intern kanal. Kamrene cubic indeholder et par modsatte vægge, som er tyndere end de andre par og producerer en to-sidet inflation i retningen vinkelret på de tyndere vægge. Oprindeligt, de tyndere vægge af afdelingerne er vinkelret på længdeaksen af aktuator kroppen og puste sammen med den lange akse. Disse kolineære inflations i kamre og den ikke-extensible base føre til en integreret ren bøjning af aktuatoren. For at udforske den aktuatoren bevægelse i 3D-rum, er orientering af afdelingerne indstillet således at tyndere-sidevæggene er ikke længere vinkelret på længdeaksen af aktuator (fig. 1A), som gør det muligt for inflationen retning af hvert kammer modregnet fra aksen og bliver ikke kolineære. Alle parallelle, men ikke-kolineære inflations ændre aktuatoren bevægelse i en kombineret bøjning og vride bevægelse i 3D-rummet¹⁸. Denne koblede motion giver aktuatorer, mere fleksibilitet og smidighed og gør aktuatorer en egnet kandidat til mere praktiske anvendelser, såsom fleksibel manipulatorer, biologisk inspirerede robotter og medicinsk udstyr.

Denne protokol viser metoden fabrikation af denne slags bløde pneumatisk netværk aktuatorer med skrå kamre. Det omfatter udarbejdelsen af silikoneelastomer, opdigte kammer og base dele, montering af aktuator, forbinder slangen, kontrol for utætheder og, om nødvendigt, reparere aktuatoren. Det kan også bruges til at fabrikere normal bløde pneumatisk netværk aktuatorer og andre bløde aktuatorer, som kan produceres med nogle simple ændringer til metoden støbning. Vi leverer detaljerede trin til at fabrikere en blød pneumatisk aktuator med 30° skråtstillede kamre. Til forskellige applikationer, kan aktuatorer med forskellig kammer vinkler være fremstillet efter samme protokol. Bortset fra at, kan aktuatorer kombineres for at danne en multi aktuator system for forskellige krav.

Protocol

Bemærk: Protokollen giver fabrikation procedurerne i en blød pneumatisk netværk aktuator. Før proceduren fabrikation, et sæt af forme og flere aktuator-slange stik, som er designet med computerstøttet design (CAD) programmel skal være 3-3-d-trykt på forhånd. Formene er vist i figur 1B.

1. silikone Elastomer forberedelse

1. Afvejes 5 g af silikoneelastomer del B og 45 g i del A [9:1 (A:B) dele af vægt] i samme blanding beholder (fig. 2A). Bruge en sprøjte for at sikre andele af hver del er nøjagtige.
   Bemærk: Den blandingsforholdet varierer for forskellige silikone elastomerer. Andelen af hver del bør justeres, når en anden silikoneelastomer er vedtaget.
2. Bland silikoneelastomer godt med den planetariske centrifugal mixer.
   Bemærk: Silikoneelastomer kunne opbevares ved lav temperatur til at udvide sin behandlingstid.

2. salen del fabrikation

1. Spray formen frigivelse agent for silikoneelastomer produkter jævnt på overfladen af mug del A og del B.
2. Samle del A og del B af støbeform til fremstilling af et kammer. Holde begge ender af formen med clips til at forhindre udsivning af silikoneelastomer.
3. Tage 5 mL af silikoneelastomer med en sprøjte og injicere det langsomt ind i hul af formen for at fabrikere forbindelse ende (den cylindriske struktur i den ene ende af aktuator for tilslutning af slangen). Derefter udfylde hele formen med silikoneelastomer (figur 2B).
   Bemærk: Holde en lav gennemstrømningshastighed og flytte frem og tilbage langsomt at lade silikoneelastomer indtaste de små strukturer af mug.
4. Gennembore de bobler, der dannes på overfladen med spidsen af en nål, indtil der ingen flere bobler synlige (fig. 2C).
5. Skrabe ned eventuelle overskydende silikoneelastomer med en kniv langs den øvre overflade af mug.
6. Sted formen i ovnen ved 70 ° C indtil silikoneelastomer er helbredt.
7. Bruge en sprøjte til at tilføre bobler og huller, som vises på overfladen af aktuatoren silikoneelastomer.
8. Skrabe ned eventuelle overskydende silikoneelastomer på overfladen.
9. Sted formen i ovnen ved 70 ° C indtil silikoneelastomer er helbredt.

3. basen del fabrikation

1. Spray skimmel frigivelse agent for silikoneelastomer produkter jævnt på overfladen af mold del C.
2. Hæld silikoneelastomer i del C af mold.
3. Gennembore de bobler, der danner på overfladen med spidsen af en nål, indtil der ses ingen flere bobler.
4. Skrabe ned eventuelle overskydende silikoneelastomer med en kniv langs den øvre overflade af mug.
5. Sted formen i ovnen ved 70 ° C indtil silikoneelastomer er helbredt.

4. aktuatoren forsamling

1. Jævnt hæld et lag af silikoneelastomer, 1 mm i tykkelse, på et ansigt af den base del.
2. Placér kammer del på den base del. Bruge en sprøjte til at tilføre rummet mellem kammer del og den base del (figur 2D) silikoneelastomer.
3. Placer aktuatoren i ovnen ved 70 ° C, indtil silikoneelastomer er helbredt.

5. rør forbindelse

1. Tryk på udskrives 3 3-d aktuator-slangen stik til at acceptere skrue af en mandlig stud push-in passer pneumatisk montering.
2. Brug en nål til at gennembore forbindelse slutningen af aktuator langs midterlinjen af cylinderen. Øge diameteren af hullet med en stålstang, omkring 2 mm.
3. Skru aktuator-slange stik i aktuator (figur 2E).
4. Skubbe en sektion af rør i mandlig stud push-in fit pneumatisk montering.

6. lække kontrol og reparation

1. Tilsluttes en luft-source aktuator.
2. Placere hele aktuatoren i vandet og presse aktuator (figur 2F). Observere om bobler er dannet på grund af en lækage.
3. Bruge en sprøjte til at tilføre lækage point silikoneelastomer. Placer aktuatoren i ovnen ved 70 ° C, indtil silikoneelastomer er helbredt.
4. Gentag trin 6.1-6.3, hvis nødvendigt.

Representative Results

Enkelt aktuator:
For at kontrollere metoden fabrikation og demonstrere funktionen af aktuator, 30°, 45° og 60° er aktuatorer fremstillet og testet. For eksperimentet set-up, var en luftpumpe ansat til at aktivere ventilen. Ventilen var forbundet til aktuatoren til at styre den interne pres. Enkelt aktuatoren blev fast i sin tilslutning ende og placeret vertikalt. Mens aktuatoren var at være tryk, blev to digitale kameraer brugt til at fange sin positioner fra forskellige perspektiver. Analysere positioner (fig. 3A) gjort det klart, at forslaget om aktuator kan beskrives ved to parametre: en bøjning vinkel og en vride vinkel. Disse to parametre kan numerisk skelne udførelsen af aktuatorer med forskellig kammer vinkler.

Bøje og vride prøver (tal 3B og 3 C) illustreret bevægelse af aktuatorer i 3D-rum. Bøjning vinkel er vinklen mellem linjen krop i den aktiverede holdning og den oprindelige organ linje i unactuated tilstand¹⁸. Vride vinklen er vinklen mellem den aflæsse i aktiverede position og den oprindelige tip linje i unactuated tilstand¹⁸. De blev observeret og beregnet ud fra 0 til 90 kPa, med et pres skridt 10 kPa. Linje plot i tal 3B og 3 C viser, hvordan både bøjning og vride vinkler steg med hensyn til forhøjelsen af den indre pres. Værdierne af bøjning og vride vinkler viser effekten af kammer vinkel på forslaget om aktuatorer. Kamre med større vinkler bidraget mere til at vride end til bøjning. Dette indikerer, at forskellige konfigurationer og bevægelser kan opnås ved tuning kammer vinkel på en fast størrelse aktuator. Som vist i tal 3B 3 C, i eksperimentet, viste tre testede aktuatorer forskellige kapaciteter i bøje og vride. Til bøjning kapacitet, 30°, 45° og 60° kunne aktuatorer bøje op til 295 °, 217 ° og 170 °, henholdsvis. For de vride evne var de maksimale vride vinkler til 30°, 45° og 60° aktuatorer 227°, 307° og 382°, henholdsvis.

Vi bruger forholdet mellem ryglænets vrid og bøjning vinkel til at analysere status for hver testet aktuator under forskellige interne pres (figur 4). Denne værdi kan også afspejle de samlede resultater svarende til kammer vinkel af aktuatorer. At en enkelt aktuator viser værdien af forholdet en generel tilbagegang med forhøjelsen af indre pres. Vride adfærd er dominerende, når aktuatoren er startet på den lavtryk. I den midterste række aktivering, bøjning adfærd hersker gradvist og den stigende sats af den snoede opførsel begynder at falde. Den bøjning adfærd bliver dominerende og værdien af forholdet kommer til et minimum, når aktuatoren nærmer sig sin maksimale kapacitet på tryk. Fra et makro-perspektiv har aktuator med en større kammer vinkel en større værdi af forholdet under samme opretholdelse tryk i hovedbrandledningssystemet niveau. Aktuatorer med større kammer vinkler er at foretrække frem for flere selvstændige vride bevægelser, mens aktuatorer med mindre kammer vinkler er egnet til bukning bevægelser med hjælpeansatte vride bevægelser. Denne ratio hjælper bestemmelse af kammer vinkel når aktuatorer er designet til specifikke anvendelser.

Anvendelse af aktuator med skrå kamre:
Betydningen af aktuatorer med skrå kamre er at udvide bevægelse plads af pneumatiske netværk aktuatorer til et 3D-rum. Mere udbredte former for bevægelser gør dem besidder et bredere program udvalg.

Som det centrale element i en blød gripper Vis aktuatorer med skrå kamre deres overlegenhed på grådige, holding og manipulere objekter i forskellige former, især lange, tynde, og stang-lignende figurer. Gribere baseret på normale pneumatisk netværk aktuatorer altid har vanskeligheder med at fatte lange, tynde og stang-lignende objekter på grund af begrænsningen af bøjning radius. Aktuatorer med skrå kamre kan imidlertid overvinde denne begrænsning ved at generere en justerbar spiralformet konfiguration efter objektet og yde tilstrækkelig friktion mellem objekter og sig selv. Tal 5A - 5 C viser en enkelt 30 ° aktuator fatte en ping-pong bold, en USB-disk og en pen. Tallene 5 d - 5F Vis en gripper samles af to 30 ° aktuatorer fatte et plastikrør, hejse et hammer og manipulere et måleglas, samarbejde med en UR10 robot.

Protokollen giver en fabrikation metode til en enkelt aktuator med skrå kamre. Efter protokollen, aktuatorer med forskellig kammer vinkler kan være lavet af blot ændre formen. Når aktuatorer er forbundet i serie eller parallel, kan komplicerede bevægelser opnås. Den programmerbare design af aktuatorer og deres arrangement åbner store muligheder for mere omfattende programmer.

Figur 1: blød pneumatisk netværk aktuator og forme. Disse paneler viser CAD modeller af (A) aktuator med 30 ° skråtstillede kamre og (B) de tilsvarende forme. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 2 : Oversigt over fabrikationsproces. Disse paneler viser de forskellige trin i fabrikationsproces: (A) vejer silikoneelastomer, (B) hælde silikoneelastomer, (C) piercing bobler, (D) montering af aktuator, (E) skrue i aktuator-slange stik, og (F) kontrol for utætheder. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 3 : Opførelser af testede aktuatorer. (A) dette panel viser holdning billeder af 30 ° aktuatoren fra 0 til 90 kPa. (B) dette panel viser den bøjning vinkel versus den indre pres fra 0 til 90 kPa. Det er genoptrykt fra Wang et al. ¹⁸, med tilladelse fra Elsevier. (C) dette panel viser den snoede vinkel versus den indre pres fra 0 til 90 kPa. Det er genoptrykt fra Wang et al. ¹⁸, med tilladelse fra Elsevier. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 4 : Evaluering af ydeevne. Dette panel viser forholdet mellem ryglænets vrid og bøjning vinkel for 30°, 45° og 60° aktuatorer, med pres fra 10 til 90 kPa. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 5 : Eksperimenter af en enkelt aktuator og en blød gripper bestående af to aktuatorer. Enkelt aktuatoren griber (A) en ping-pong bolden, (B) en USB disk og (C) en pen. Gripper (D) griber et plastikrør, (E) løfter en hammer, og (F) manipulerer et måleglas. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Discussion

Papiret præsenterer en metode protokol for at guide fabrikation af bløde pneumatisk netværk aktuatorer med skrå kamre. Efter protokollen, kan være fabrikeret en aktuator selvstændigt inden for 3 h. De vigtigste skridt i protokollen kan sammenfattes som følger. (i) den silikoneelastomer er udarbejdet i andel og blandes godt. (ii) silikoneelastomer hældes i formen for fabrikation af kammer-del og den base del. (iii) boblerne på den synlige overflade er gennemboret og eventuelle overskydende silikoneelastomer på den synlige overflade er skrabes. (iv) silikoneelastomer er helbredt i ovnen. (v) de to dele er bundet sammen af silikoneelastomer. Fabrikationsproces er afsluttet med en anden hærdning trin i ovnen. (vi) at aktuatoren er forbundet til en luft kilde til at kontrollere for eventuelle lækager. Aktuatoren bør repareres med silikoneelastomer, hvis det lækager.

For at sikre kvalitet og aktivering af de fabrikerede aktuatorer, er flere kritiske trin i protokollen diskuteret som følger, herunder udvælgelsen af materialet, eliminering af bobler, og metoden tilslutning til luft-tæthed.

Silikoneelastomer bør have en stor trækstyrke brudforlængelse at sikre deformation kapacitet af aktuatorer. Silikoneelastomer bør derudover har god flydende i flydende tilstand, således at det kan hældes jævnt i millimeter-skala funktioner af formen. Silikoneelastomer valgt i afsnit 1 i protokollen kan generere op til 700% trækstyrke deformation og lav viskositet i en flydende tilstand. Denne silikoneelastomer kan erstattes med andre rigtige materialer, der opfylder ovenstående krav.

Luften blandet i den interne struktur i det uhærdede aktuator i silende processen bør fjernes, før formen er placeret i ovnen, for at undgå fejl i den hærdede aktuator. Den blandede luft vil stige op til udsatte overfladen af uhærdet aktuator og form boblerne. Derfor, den piercing proces foregår i afsnit 2 og 3 i protokollen. Denne proces kan være springes over, hvis den silende proces foregår i en vakuumkammer.

Air forbindelsen mellem aktuator og luftpumpe bør godt designet til at garantere luft-tæthed. Typisk, slangen kan indsættes direkte i aktuator og limet fast til aktuatoren. Men denne forbindelsesmetode kræver kedelige operationer og ofte fører til utætheder under en stor indre pres. Metoden i afsnit 5 i protokollen præsenterer en mekanisk forbindelse, som er nemmere at installere og mere pålidelig.

Begrænsninger af protokol rod i støbeprocessen, som i det væsentlige er en 2.5 D fabrikationsanlæg metode¹⁹. Salen er lavet ved at forbinde flere dele med planar morfologi. Således er komplicerede indre strukturer og små kendetegn vanskelige at nå. Selvom bløde 3D-print tilgange er dukket op i de seneste år, er de udskrivning materialer af disse også letsmuldrende at gøre aktuatorer udholdelig i modsætning til sprøjtestøbning-baseret metode.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Silicone elastomer	Wacker	ELASTOSIL M4601 A/B	Material of the actuators
Syringe	Shanghai Kindly Medical Instruments	10 ml	Used to inject silicone rubber into the hole of the mold for fabricating the connection end
Precision scale	Shanghai Hochoice	UTP-313	Used to weigh the silicone rubber
Planetary centrifugal vacuum mixer	THINKY	ARE-310	Used to mix the silicone rubber and defoam after mixing process
Release agent	Smooth-on	Release 200	Used for ease of demolding
Needle	Shanghai Kindly Medical Instruments		Used for Piercing the bubbles form on the surface
Utility blade	M&G Chenguang Stationery	ASS91325	Used for Scraping off excess silicone rubber along the upper surface of the mold
Vacuum oven	Ningbo SI Instrument	DZF-6050	Used to reduce the cure time of the silicone rubber
Male stud push in fit pneumatic fitting	Zhe Jiang BLCH Pneumatic Science & Technology	PC4-01	Used to connect the tubing and the 3D-printed actuator tubing connector
Tubing	SMC	TU0425	Used for actuating the actuators
Vacuum pump	Zhe Jiang BLCH Pneumatic Science & Technology		Used as the air source
Pressure valve	Zhe Jiang BLCH Pneumatic Science & Technology	IR1000-01BG	Used for adjusting the input air pressure