Summary
Aquí presentamos un método de fabricación de actuadores suave red neumática con cámaras oblicuas. Los actuadores son capaces de generar doblar y torcer los movimientos, que amplía su aplicación en la robótica suave.
Abstract
Actuadores de la red neumática suave han convertido en uno de los dispositivos de actuación más prometedoras en robótica suave que se beneficia de su deformación de flexión grande y entrada. Sin embargo, su forma de movimiento flexión monótona en un espacio bidimensional (2-D) los mantiene lejos de amplias aplicaciones. Este trabajo presenta un método de fabricación detallada de actuadores suave red neumática con cámaras oblicuas, para explorar sus movimientos en el espacio tridimensional (3D). El diseño de cámaras oblicuas permite actuadores con armonioso junto doblando y torciendo las capacidades, que les da la posibilidad de mover diestramente en manipuladores flexibles, para convertirse en robots inspirados biológicamente y dispositivos médicos. El proceso de fabricación se basa en el método de moldeo, incluida la fabricación de piezas de silicona elastómero preparación, cámara y base montaje de actuador, conexiones de tubería, comprobaciones de fugas y reparación del actuador. El método de fabricación garantiza la fabricación rápida de una serie de actuadores con sólo algunas modificaciones en los moldes. Los resultados muestran la alta calidad de los actuadores y sus prominentes doblar y torcer las capacidades. Los experimentos de la pinza demostrar las ventajas del desarrollo en la adaptación a los objetos de diferentes diámetros y proveer suficiente fricción.
Introduction
Actuadores neumáticos blandos (SPAs) son dispositivos suaves que pueden ser actuados por la entrada simple de presión de aire1,2. Pueden ser fabricados con diversos materiales, como silicona elastómeros3, telas4, memoria de forma polímeros5y elastómeros dieléctricos6. Los investigadores se han beneficiado de su naturaleza de cumplimiento, diestros movimientos y métodos de fabricación simple7, tal que los SPAs se han convertido en uno de los dispositivos más prometedores para aplicaciones de robótica suave8,9. Balnearios pueden realizar varios movimientos sofisticados, como rastrero10, rotación11y12 basado en varios tipos de deformación, incluyendo ampliación, ampliar, flexión y torsión13, del balanceo 14. para ser capaz de hacer diferentes tipos de movimientos, SPAs están diseñados en diferentes estructuras, como un cuerpo lineal con canales paralelos15, una cámara monolítica con refuerzos de fibra de16, y repitieron de las redes de Sub-cámaras17. Entre ellos, los SPAs con redes de cámaras sub repetidas, los actuadores de la red neumática suave, se emplean extensamente porque pueden generar grandes deformaciones bajo una presión relativamente baja de la entrada. Sin embargo, en la mayoría de los diseños anteriores, este tipo de actuadores solamente puede generar movimientos de flexión en 2-D, lo cual limita mucho sus aplicaciones.
Un actuador suave red neumática consiste en un conjunto linealmente dispuesto de cámaras conectadas por un canal interno. Cada cámara cúbico contiene un par de paredes opuestas que son más delgadas que el otro par y produce una inflación de dos caras en la dirección perpendicular a las paredes más delgadas. Originalmente, las paredes más delgadas de las cámaras son perpendiculares al eje longitudinal del cuerpo actuador e inflan junto con el eje largo. Estas inflaciones colineales en cámaras y la base no extensible conducen a una flexión pura integral del actuador. Para explorar el movimiento del actuador en espacio 3D, la orientación de las cámaras se afina para que el disolvente laterales ya no son perpendiculares al eje largo del actuador (figura 1A), que permite a la dirección de la inflación de cada cámara offset del eje y no colineales. Las inflaciones paralelo pero no colineales cambian el movimiento del actuador en una flexión y torsión movimiento en el espacio 3D18. Este movimiento acoplado permite los actuadores más flexibilidad y destreza y hace los actuadores una candidata adecuada para aplicaciones más prácticas, tales como manipuladores flexibles, biológicamente inspirados robots y dispositivos médicos.
Este protocolo muestra el método de fabricación de este tipo de actuadores suave red neumática con cámaras oblicuas. Incluye preparación del elastómero de silicón, fabricación de la cámara y piezas base, montar el actuador, la tubería de conexión, comprobación de fugas y, si es necesario, reparar el servomotor. También puede utilizarse para fabricar actuadores neumático suave normal de la red y otros actuadores suaves que pueden ser producidos con algunas simples modificaciones al método de moldeo. Proporcionamos instrucciones detalladas para fabricar un actuador neumático suave con cámaras oblicua de 30 º. Para diferentes aplicaciones, se pueden fabricar actuadores con ángulos de cámara diferentes según el mismo protocolo. Aparte de eso, los actuadores pueden combinarse para formar un sistema actuador múltiple para las varias demandas.
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Protocol
Nota: El Protocolo establece los procedimientos de fabricación de un actuador suave red neumática. Antes del procedimiento de fabricación, un conjunto de moldes y varios conectores de la tubería del accionador, que están diseñados con diseño asistido por ordenador (CAD) software debe ser impreso a 3-D de antemano. Los moldes se muestran en la figura 1B.
1. preparación de elastómero de silicona
- Pesar 5 g de la parte en elastómero de silicona B y 45 g de la parte A [a: 9:1 (b) partes por peso] en el mismo contenedor para mezcla (figura 2A). Utilice una jeringa para asegurarse de que las proporciones de cada parte son exactas.
Nota: La proporción de mezcla varía de elastomeros de silicona diferentes. La proporción de cada parte debe ser ajustada cuando se adopta otro elastómero de silicona. - El elastómero de silicona se llevan bien con la batidora centrífuga planetaria.
Nota: El elastómero de silicona podría almacenarse a una temperatura baja para prolongar su tiempo de procesamiento.
2. cámara parte fabricación
- Rociar al agente desmoldante para productos de elastómero de silicona uniformemente sobre las superficies del molde parte A y parte B.
- Ensamble parte A y parte B del molde para la fabricación de una cámara. Sujete ambos extremos del molde con pinzas para evitar la fuga de elastómero de silicón.
- Tomar 5 mL de elastómero de silicona con una jeringa e inyecte lentamente en el agujero del molde para la fabricación final de conexión (la estructura cilíndrica en un extremo del actuador para la conexión de la tubería). Luego, llene el molde entero con el elastómero de silicona (figura 2B).
Nota: Mantenga un caudal bajo y mover hacia adelante y hacia atrás lentamente, dejar que el elastómero de silicona entre las estructuras pequeñas del molde. - Perforar las burbujas que se forman en la superficie con la punta de una aguja hasta que no haya más burbujas no visibles (figura 2C).
- Raspe cualquier elastómero de silicona sobrante con una cuchilla a lo largo de la superficie superior del molde.
- Coloque el molde en el horno a 70 ° C hasta que se cura el elastómero de silicona.
- Utilice una jeringa para inyectar elastómero de silicona en las burbujas y los agujeros que aparecen en la superficie del actuador.
- Raspe cualquier elastómero exceso de silicón en la superficie.
- Coloque el molde en el horno a 70 ° C hasta que se cura el elastómero de silicona.
3. base de la parte de fabricación
- Rocíe uniformemente el agente desmoldante para productos de elastómero de silicona en la superficie del molde parte C.
- Vierta el elastómero de silicona en la parte C del molde.
- Perforar las burbujas que se forman en la superficie con la punta de una aguja hasta que no hay más burbujas visibles.
- Raspe cualquier elastómero de silicona sobrante con una cuchilla a lo largo de la superficie superior del molde.
- Coloque el molde en el horno a 70 ° C hasta que se cura el elastómero de silicona.
4. actuador
- Vierta uniformemente una capa de elastómero de silicón, 1 mm de espesor, sobre una cara de la pieza base.
- Coloque la parte de la cámara en la parte de base. Use una jeringa para inyectar el elastómero de silicona en el espacio entre la cámara y la base (figura 2D).
- Coloque el actuador en el horno a 70 ° C hasta que se cura el elastómero de silicona.
5. tubo conexión
- Toque el conector de tubería del accionador de 3-D-impreso para aceptar que el tornillo de un semental macho push-fit ajuste neumático.
- Utilice una aguja para perforar el extremo de la conexión del actuador a lo largo de la línea central del cilindro. Aumentar el diámetro del agujero con una varilla de acero, a unos 2 mm.
- Atornille el conector de la tubería del accionador en el actuador (figura 2E).
- Empuje una sección de la tubería en el perno masculino empuje forma neumática encastre.
6. verificación y reparación de fugas
- Conectar el actuador a una fuente de aire.
- Coloque el actuador entero en el agua y presurizar el actuador (figura 2F). Observar si se forman burbujas debido a una fuga.
- Utilice una jeringa para inyectar el elastómero de silicona en los puntos de fuga. Coloque el actuador en el horno a 70 ° C hasta que se cura el elastómero de silicona.
- Si es necesario, repita los pasos 6.1-6.3.
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Representative Results
Solo actuador:
Para verificar el método de fabricación y demostrar la función del actuador, 30°, 45° y 60° actuadores fueron fabricados y probados. Para el montaje del experimento, se empleó una bomba de aire para activar la válvula. La válvula fue conectada al actuador para controlar la presión interna. El actuador solo se fija en su extremo de conexión y colocado verticalmente. Mientras el actuador estaba siendo presurizado, se utilizaron dos cámaras digitales para capturar sus posiciones desde diferentes perspectivas. Análisis de las posiciones (figura 3A) dejadas en claro que el movimiento del actuador pueden ser descrito por dos parámetros: un ángulo de flexión y un ángulo de torsión. Estos dos parámetros pueden distinguir numéricamente el funcionamiento de actuadores con ángulos de cámara diferentes.
Doblar y torcer las pruebas (figuras 3B y 3C) ilustran el movimiento de los actuadores en el espacio 3D. La flexión es el ángulo entre la línea de cuerpo en la posición de accionamiento y la línea original del cuerpo en el estado unactuated18. El ángulo de giro es el ángulo entre la línea de la punta en posición actuada y la línea original de la punta en estado unactuated18. Fueron observados y calculados a partir 0 a 90 kPa, con una diferencia de presión de 10 kPa. La trama de la línea de figuras 3B y 3C ilustra cómo ambos el doblez y los ángulos de torsión aumentaron con respecto al aumento de la presión interna. Los valores de la flexión y los torsión ángulos muestran el efecto del ángulo del compartimiento en el movimiento de los actuadores. Cámaras con ángulos más grandes contribuyeron más a la torsión que a la flexión. Esto indica que diversas configuraciones y movimientos se logra girando el ángulo de la cámara de un actuador de tamaño fijo. Como se muestra en las figuras 3B 3C, en el experimento, tres actuadores probados mostraron distintas capacidades en flexión y torsión. Para la capacidad de flexión, 30°, 45° y 60° actuadores doblaría hasta 295 °, 217 ° y 170 °, respectivamente. De la capacidad de torsión, los ángulos máximos de torsión para los actuadores de 30°, 45° y 60° fueron de 227° y 307° ° 382, respectivamente.
Utilizamos la relación entre el ángulo de torsión y el ángulo de flexión para analizar el estado de cada actuador probado bajo diferentes presiones internas (figura 4). Este valor también puede reflejar el rendimiento correspondiente al ángulo de la cámara de los actuadores. En cuanto a un único actuador, el valor de la proporción muestra una disminución general con el aumento de la presión interna. Torcer el comportamiento es dominante cuando el actuador se inicia a baja presión. En la gama media de la actuación, el comportamiento de flexión predomina gradualmente, y la tasa creciente del comportamiento torsión empieza a declinar. El comportamiento de flexión se convierte en dominante y el valor de la relación llega a un mínimo cuando el actuador acerca a su máxima capacidad de presión. Desde una perspectiva macro, el servomotor con un mayor ángulo de la cámara tiene un valor mayor del coeficiente bajo el mismo nivel de presurización. Los actuadores con ángulos de cámara más grandes son preferibles para los movimientos de la torsión más mientras que los actuadores con ángulos de cámara más pequeños son adecuados para flexión movimientos con movimientos de torsión auxiliares. Esta relación ayuda a la determinación del ángulo del compartimiento cuando actuadores están diseñados para usos específicos.
Aplicación del actuador con cámaras oblicuas:
La importancia de los actuadores con cámaras oblicuas es ampliar el espacio de movimiento de los actuadores neumáticos de red en un espacio 3D. Las formas más abundantes de movimientos hacen poseen una gama más amplia de la aplicación.
Como el elemento central de una pinza suave, actuadores con cámaras oblicuas muestran su superioridad en agarre, sostenga y manipular objetos de diferentes formas, especialmente largas y finas y formas de barra-como. Pinzas basados en actuadores de red neumáticos normal siempre tienen dificultades para agarrar objetos largos, delgados y barra-como debido a la limitación de la radio de curvatura. Sin embargo, los actuadores con cámaras oblicuas pueden superar esta limitación generando una configuración helicoidal ajustable según el objeto y proporcionar la suficiente fricción entre los objetos y a sí mismo. Figuras 5A - 5C demuestran un actuador solo 30 ° agarrando una pelota de ping-pong, un disco USB y un bolígrafo. Figuras 5 - 5F mostrar una pinza montada por dos actuadores 30 ° agarrar un tubo de plástico, levantar un martillo y la manipulación de un cilindro de medición, cooperando con un robot UR10.
El protocolo proporciona un método de fabricación de un solo actuador con cámaras oblicuas. Siguiendo el protocolo, pueden crearse actuadores con ángulos de cámara diferentes modificando simplemente el molde. Cuando actuadores están conectados en serie o en paralelo, pueden conseguirse movimientos complicados. El diseño programable de actuadores y su disposición abre grandes posibilidades para usos más extensos.
Figura 1: el actuador suave red neumática y los moldes. Estos paneles muestran modelos CAD de (A) el actuador con cámaras oblicuas de 30 ° y (B) los moldes correspondientes. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2 : Resumen del proceso de fabricación. Estos paneles muestran los diferentes pasos del proceso de fabricación de: (A) peso del elastómero de silicona, (B) verter el elastómero de silicona, (C) perforación de las burbujas, (D) de montaje del actuador, (E) atornillar el conector de la tubería del accionador y (F) comprobación de fugas. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3 : Funcionamientos de prueba actuadores. (A) este panel muestra los cuadros de posición del servomotor 30 ° de 0 a 90 kPa. (B) este panel muestra el doblez ángulo frente a la presión interna de 0 a 90 kPa. Se reimprime de Wang et al. 18, con permiso de Elsevier. (C) este panel muestra la torsión ángulo frente a la presión interna de 0 a 90 kPa. Se reimprime de Wang et al. 18, con permiso de Elsevier. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 4 : Evaluación de la actuación. Este panel muestra la relación entre el ángulo de torsión y el ángulo de flexión de 30°, 45° y actuadores de 60°, con presión de 10 a 90 kPa. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 5 : Experimentos de un solo actuador y una garra suave que consta de dos actuadores. El actuador solo agarra la bola (A) una mesa de ping-pong, (B) un USB disco y (C) una pluma. La garra (D) agarra un tubo de plástico (E) levanta un martillo y (F) manipula una probeta. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
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Discussion
Se presenta un protocolo del método para guiar la fabricación de actuadores de la red neumática suave con cámaras oblicuas. Siguiendo el protocolo, se puede fabricar uno actuador independientemente dentro de las 3 h. Los pasos claves en el protocolo se pueden resumir como sigue. (i) el elastómero de silicona se prepara en proporción y mezcla bien. (ii) el elastómero de silicona se vierte en el molde para la fabricación de la cámara y la base. (iii) las burbujas en la superficie expuesta se perforó y cualquier elastómero de silicona sobrante sobre la superficie expuesta se raspa apagado. (iv) el elastómero de silicón se cura en el horno. (v) las dos partes están unidas entre sí por el elastómero de silicona. El proceso de fabricación se completa con otro paso curado en el horno. (vi) el actuador está conectado a una fuente de aire para verificar fugas. El actuador debe ser reparado con el elastómero de silicona si se filtra.
Para asegurar el rendimiento de calidad y actuación de los actuadores fabricados, varios pasos críticos en el protocolo se discuten como sigue, incluyendo la selección del material, la eliminación de las burbujas y el método de conexión de hermeticidad.
El elastómero de silicona debe tener un alargamiento extensible grande para asegurar la capacidad de deformación de los actuadores. Además, el elastómero de silicona debe tener buena fluidez en su estado líquido por lo que se puede verter suavemente en las características de la escala milímetro del molde. El elastómero de silicona seleccionado en la sección 1 del Protocolo puede generar hasta 700% resistencia a deformación y baja viscosidad en estado líquido. Este elastómero de silicona puede reemplazarse con otros materiales adecuados que satisfagan los requisitos anteriores.
El aire mezclado en la estructura interna del actuador sin curar en el proceso de colada debe eliminarse antes de coloca el molde en el horno, para evitar defectos en el curado actuador. El aire mezclado se levantan a la superficie expuesta de las burbujas de actuador y forma no polimerizadas. Por lo tanto, el proceso de perforación se realiza en las secciones 2 y 3 del protocolo. Este proceso puede omitirse si el proceso de colada se lleva a cabo en una cámara de vacío.
La conexión de aire entre el accionador y la bomba de aire debe ser bien diseñada para garantizar la hermeticidad. Normalmente, el tubo puede ser insertado directamente en el actuador y pegado firmemente al actuador. Sin embargo, este método de conexión requiere operaciones tediosas y conduce a menudo a fugas bajo una gran presión interna. El método en el artículo 5 del protocolo presenta una conexión mecánica que es más fácil de instalar y más confiables.
Las limitaciones de la raíz del protocolo en el proceso de moldeo, que, en esencia, es un método de fabricación de 2,5-D19. La cámara se hace uniendo varias piezas con morfología planar. Así, estructuras internas complejas y características de pequeña escala son difíciles de alcanzar. Aunque suaves métodos de impresión 3-d han aparecido en los últimos años, los materiales de la impresión de estos son demasiado friables para hacer soportable en contraste con el método basado en el moldeado de los actuadores.
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Disclosures
Los autores no tienen nada que revelar.
Acknowledgments
Este trabajo fue financiado por la Fundación Nacional de Ciencias naturales de China, en Grant 51622506, la ciencia y tecnología Comisión de Shangai municipio bajo Grant 16JC1401000.
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 |
References
- Rus, D., Tolley, M. T. Design, fabrication and control of soft robots. Nature. 521 (7553), 467-475 (2015).
- Ilievski, F., Mazzeo, A. D., Shepherd, R. F., Chen, X., Whitesides, G. M.
- Shepherd, R. F., et al.
- Yap, H. K., et al. A fully fabric-based bidirectional soft robotic glove for assistance and rehabilitation of hand impaired patients. IEEE Robotics and Automation Letters. 2 (3), 1383-1390 (2017).
- Yang, Y., Chen, Y., Li, Y., Chen, M. Z. Q., Wei, Y. Bioinspired Robotic Fingers Based on Pneumatic Actuator and 3D Printing of Smart Material. Soft Robotics. 4 (2), 147-162 (2017).
- Gu, G. Y., Zhu, J., Zhu, L. M., Zhu, X. A survey on dielectric elastomer actuators for soft robots. Bioinspiration & Biomimetics. 12 (1), 011003 (2017).
- Holland, D. P., et al. The soft robotics toolkit: Strategies for overcoming obstacles to the wide dissemination of soft-robotic hardware. IEEE Robotics & Automation Magazine. 24 (1), 57-64 (2017).
- Galloway, K. C., et al. Soft Robotic Grippers for Biological Sampling on Deep Reefs. Soft Robotics. 3 (1), 23-33 (2016).
- Polygerinos, P., Wang, Z., Galloway, K. C., Wood, R. J., Walsh, C. J. Soft robotic glove for combined assistance and at-home rehabilitation. Robotics and Autonomous Systems. 73, 135-143 (2015).
- Tolley, M. T., et al. A Resilient, Untethered Soft Robot. Soft Robotics. 1 (3), 213-223 (2014).
- Ainla, A., Verma, M. S., Yang, D., Whitesides, G. M. Soft, Rotating Pneumatic Actuator. Soft Robotics. 4 (3), 297-304 (2017).
- Koizumi, Y., Shibata, M., Hirai, S. Rolling tensegrity driven by pneumatic soft actuators. 2012 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA). , Saint Paul, MN. (2012).
- Connolly, F., Polygerinos, P., Walsh, C. J., Bertoldi, K. Mechanical Programming of Soft Actuators by Varying Fiber Angle. Soft Robotics. 2 (1), 26-32 (2015).
- Connolly, F., Walsh, C. J., Bertoldi, K. Automatic design of fiber-reinforced soft actuators for trajectory matching. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 114 (1), 51-56 (2017).
- Martinez, R. V., et al. Robotic tentacles with three-dimensional mobility based on flexible elastomers. Advanced Materials. 25 (2), 205-212 (2013).
- Polygerinos, P., et al. Modeling of Soft Fiber-Reinforced Bending Actuators. IEEE Transactions on Robotics. 31 (3), 778-789 (2015).
- Mosadegh, B., et al. Pneumatic Networks for Soft Robotics that Actuate Rapidly. Advanced Functional Materials. 24 (15), 2163-2170 (2014).
- Wang, T., Ge, L., Gu, G. Programmable design of soft pneu-net actuators with oblique chambers can generate coupled bending and twisting motions. Sensors and Actuators A: Physical. 271, 131-138 (2018).
- Marchese, A. D., Katzschmann, R. K., Rus, D. A Recipe for Soft Fluidic Elastomer Robots. Soft Robotics. 2 (1), 7-25 (2015).
