Summary
该协议提供了为壁虎启发的软机器人的爬升性能的制造、控制和评估而要执行的步骤的详细列表。
Abstract
该协议提出了一种制造、控制和评估软机器人性能的方法，这种软机器人可以爬上坡度高达 84° 的倾斜平坦表面。制造方法一般适用于快速的 pneunet 弯曲执行器，因此对于执行器制造领域的新手来说可能很有趣。机器人的控制是通过气动控制箱实现的，该控制箱可以提供任意压力，并且只能使用购买的部件、激光切割机和焊接铁进行制造。对于机器人的行走性能，压力角校准起着至关重要的作用。因此，提出了一种半自动的压力角校准方法。在高倾斜度 （> 70°） 下，机器人无法再可靠地固定到行走平面上。因此，将修改步态模式，以确保脚可以固定在行走平面上。
Introduction
人与机器之间的相互作用越来越近。公司和家庭中机器人密度的增加给机器人技术带来了新的挑战。通常，隔离方法排除了危险，但在许多地区，特别是在家庭中，这不是一个令人满意的解决办法。软机器人通过利用软材料和结构的特性来开发新型机器来解决这个问题，这种机器的行为就像生物体1一样，这就是为什么软机器人经常受到生物模型2的启发。大多数软机器人可以分为两种不同的类型：移动机器人和机器人专为抓握和操纵3。对于软移动机器人，典型的运动原则是爬行，行走，跑步，跳跃，飞行和游泳4。软机器人的另一个有趣的应用领域是攀登——运动和粘附力5的组合。软机器非常坚固，不能因柔软性而损坏周围环境。这种特性使这个机器人类的攀登，因为他们可以很容易地生存秋天。因此，文献提供了几个软机器人能够,攀登6，7，8,7的例子。
该协议的目标是提供一种方法，制造，控制和评估一个壁虎启发，攀登软机器人9的性能。其设计基于使用快速肺炎软弯曲执行器10 的弹性体。但是，也可以使用另一种软执行器和/或材料。文献提供了广泛的软执行器11和合适的材料12 的不同设计。提出的制造方法与现有方法13类似， 但包括一些修改，导致增加的可重复性和鲁棒性，至少在软攀爬机器人9的情况下。该方法适用于一般快速的 pneunet 弯曲执行器，因此，对于新进入执行器制造领域的新手来说，这种方法可能很有趣。
为了控制气动驱动软机器人，文献提供了不同的解决方案。它的范围从低成本和易于复制的控制板13 到强大但更复杂的板14，这是无法重建没有特殊工具。下面简要介绍了仅使用激光切割机和焊接铁构建气动控制箱。控制箱允许提供任何压力，并提供实时感官反馈，这对于机器人应用尤为重要。但是，它也可用于许多其他应用程序。
Protocol
1. 模具印刷
- 从补充数据 1"CAD/模具/" 下载 模具的 *.stl 数据。
- 使用特定于打印机的切片软件将 3D 模型转换为打印作业。
- 使用 3D 打印机打印模具。
- 将印刷模具放在超声波浴中 15 分钟，清洁它们。
- 将模具放在紫外线室中至少 3 小时。
2. 制备弹性体
- 在开始此步骤之前，请收集以下方法：弹性体（A 部分和 B 部分）、铲子、塑料杯、模具、重量秤、塑料注射器、螺钉夹（或类似）、丙烯酸玻璃板和两个相应的孔、刀具刀。
- 将弹性体的 A 部分和 B 部分以 1：9 的比例混合在杯中。将杯子放在称重机上。首先，添加 5 g 的 B 部分（深红色）。然后，使用铲子，添加 45 g 的零件 A（白色和粘性）。
注：确保称重精度为 1 g. 50 g 足够一个执行器。分部分 A 的最佳方式是拿一把铲子，让它排出。使用铲，每个排空操作大约 6 g。 - 继续搅拌，直到杯子边缘不再显示白色或红色区域。
- 将杯放在真空室中 15 分钟，以去除由于搅拌过程而滞留在弹性体中的空气。
- 将混合弹性体填充到塑料注射器中。这使得弹性体的定位更加精确。
注 ：补充图 1 说明了本节中描述的处理步骤。
3. 上部制造（基础零件）
- 将具有两个相应孔的丙烯酸玻璃板夹在模具上。将注射器插入下孔，然后将弹性体压入模具中。
- 通过推柱塞对注射器施加力，直到混合弹性体从上孔中出现。
- 松开螺钉夹侧拉丙烯酸玻璃板。
注：重要的是把它拉到侧面，而不是向上。否则，弹性体将从模具中拉出。 - 用锋利的工具刺穿上升的气泡。不要穿刺太深，因为这将产生新的气泡，而不是删除现有的。刺穿较大的气泡尤为重要，因为这些气泡稍后会显著影响执行器的功能。
注：可选，请排空真空室中填充的模具，以清除仍然捕获的任何空气。但是，在这样做时，上升的气泡可能会卡在模具上，在模具上形成与功能相关的区域的铸件孔。 补充图 2 说明了这一现象。 - 将模具在65°C下放入烤箱30分钟。
- 10分钟后检查弹性体水平是否显著下降。如果模具未完全紧或由于频繁使用而轻微弯曲，将发生这种情况。如果水平下降超过 1 mm，则重新填充弹性体。然后，继续固化。
- 在烤箱中总共30分钟后，拿出模具，用刀具切割切割挤出的弹性体。
- 用螺丝刀撬开模具。小心不要损坏与铸造相关的表面。
- 从模具上卡到的部件上拆下几乎完成的执行器。
注意：可以在此处进行第一次目视检查，以查看强制转换是否成功。如果发现无法弥补的缺陷（参见 补充图3），则制造过程将在这里停止。较小的孔可以稍后修复。同样重要的是，密封唇在其整个圆周内尽可能明显。 - 用刀具切割切断任何突出的毛刺。这有时非常费力，但对一个好的最终结果至关重要。
注 ：补充图 4 说明了本节中描述的处理步骤。所述步骤适用于铸造四条腿（模具可以在补充文件 1"CAD/ 模具/small_leg_schwalbe*.stl"）和躯干的两个基本部分（"CAD/模具/small_belly*.stl"）中找到。铸造吸盘（吸盘的脚，在"CAD/模具/吸盘*.stl"）或躯干底部（"CAD/Moulds/small_torso_base1*.stl"）时，执行相同的工艺步骤，步骤3.1和3.3除外，因为这些用于铸造的模具具有注射器的内置端口，因此不需要额外的丙烯酸玻璃板。总共建造腿部的四个基础部分、躯干的两个基础部分、躯干的底部部分和四个吸盘。
4. 下部（下部）的制造
- 在底部的模具中，将硅胶管推入为此提供的孔，参见 附加图 5。
- 用弹性体填充基座的模具，并将其与小铲子一起分配到角落。
注：弹性体的水平不应高于5毫米，不得低于4毫米，并且必须完全覆盖嵌入式管。腿部底部的模具可以在补充文件 1"CAD/ 模具/small_base_schwalbe.stl"中找到。 - 将模具放入烤箱15~20分钟进行固化。对于以下步骤，底部必须保留在模具中，以便与顶部部分连接。
5. 连接底座和底部
- 用弹性体填充底部的模具，使水平比已经硬化的弹性体高 1~1.5 mm。
- 将蝴蝶管插入底座，并标记穿刺点，以便以后更容易找到。此步骤是必要的，使膨胀的空气在烤箱中逃脱。
- 将基座部分放入底部模具中，仅将两侧稍微压入弹性体浴中。
- 将执行器放入烤箱 10~15 分钟，然后拆下模具。
注：从模具中拆下执行器应该很容易。如果它不能这样做，要么弹性体尚未完全固化（在这种情况下，增加固化时间10分钟），或底部卡在模具中（在这种情况下，应更努力地拉。但一般来说，如果执行器不能轻易释放，这是一个坏兆头。 - 使用步骤 5.2 中的穿刺站点连接压力源并执行最终泄漏测试，请 参见附加图 6。
注：如果存在小泄漏，可以修复。在烤箱中应用带小铲子和 10 分钟的小弹性体，可以修复泄漏。如果所有泄漏都已修复，执行器已准备就绪。 补充图 6 说明了本节中描述的处理步骤， 补充图 7 说明了第 3-5 节中描述的整个过程。对于连接躯干的基础和底部，执行相同的步骤，步骤 5.1 除外，其中不直接填充模具，而是直接填充底部。
6. 所有四肢的加入
- 将要用针固定在木板上的零件，以便它们可以在以下工艺步骤中固定在一起。
- 用弹性体覆盖连接表面，如补充 图8A所示。确保连接表面清洁且不含脂肪。否则，零件此时将去压。
- 将组件（参见 附加图 8B）放入烤箱 10-15 分钟。
7. 安装供应管入口
- 使用 1 mm Allen 键，从步骤 5.2 进一步扩大蝴蝶管的插入点。
- 将最大外径为 3 mm 的硅胶管的末端放在孔上，然后用 Allen 键压中。
- 用一点弹性体密封入口。这还可以防止机械应力。
- 将组件放入烤箱 10 分钟。
注 ：补充图 9 说明了本节中描述的处理步骤。
8. 构建控制箱
- 从补充数据 1"CAD/ControlBox/" 下载 相应的外壳图纸 *.dxf 图纸，并在激光切割机上切割出来。
- 根据补充图 10A 和附加图11组装前面板上的"用户界面单元"。
- 根据补充图10B和补充图12构建六个"阀门单元"。
- 根据补充图 10C、补充图 13 和补充图 14，在底部面板上组装六个" 阀门 单元"和"用户界面单元"。组装两个侧面板和后面板。最后，组装顶部面板。
- 根据补充文件 1 配置嵌入控制框中的 两台单板计算机， 并将补充数据 2 中提供的完整文件夹"Code"（包括所有 子文件夹）上载到 两个板上。
- 将补充数据 2 中arduino_p_ctr.ino 中提供的脚本上传到控制盒中嵌入的六个微控制器。
9. 建造嵌入式测量系统的试验台
- 从补充数据 1"CAD/TestBench/" 中 下载相机支架的相应 *.dxf 绘图，并在激光切割机上剪切。
- 从补充数据 1"CAD/TestBench"下载 相应的 *.stl 夹具文件，并在 3D 打印机上打印。
- 根据补充图 15 将摄像机支架与夹夹在 DIN-A1 海报面板上，并在预定位置安装摄像机和单板计算机。
- 根据补充文件 1 的第 4-5 节配置单板计算机的以太网接口和 SSH 设置， 并将完整的文件夹"代码"（补充数据2）上传到板上。
10. 设置整个系统
- 创建本地网络，并将脚本"Code/main.py"中的正确 IP 地址分配给所有单板计算机和用于监视的计算机，或相应地重写脚本。
- 将针针插入躯干两端，如 补充图 16所示，以便机器人仅使用针脚及其脚（吸盘）接触行走平面。
- 打印 DIN-A4 纸张上补充文件 2 中提供的视觉标记15，然后使用剪刀将它们切出。
- 根据补充图 17，使用针针将标记连接到机器人。
- 将机器人连接到控制盒。
注 ：图 1 说明了整个系统的布线。
11. 运行控制箱
- 打开控制箱的主开关电源，等待所有开关启动。
- 使用 SSH 以"root"名称登录主单板计算机，浏览到文件夹"代码"，然后通过命令"root@beaglebone：#python3 main.py"启动控制框。同时，通过命令"user@pc：[python22monitor.py显示器。
注意：两个程序必须同时或多或少地启动。在控制main.py单板计算机上运行的程序"自动"尝试连接到用于监视的个人计算机。如果个人计算机上没有侦听端口（由脚本"monitor.py"触发），则监视器不会启动。除"monitor.py"外，此协议中使用的所有程序/脚本均使用 python3 运行。 - 将压力源连接到控制箱（最大 1.2 bar）。
- 将真空源连接到控制盒。
12. 校准机器人
- 将机器人放在测试台的行走平面上。对于陡峭的斜坡，在机器人的前部和行走平面顶部之间连接一根绳子，以便将机器人保持到位。
- 在控制箱上，通过按下"模式2"按钮激活"模式参考"模式，如补充 图18所示。
- 使用向上和向下按钮滚动显示的 LCD 上的菜单，直到找到条目"clb"。然后，按下 输入 按钮。
- 滚动浏览下一个菜单，然后点击mode_4.csv"，然后按下"输入" 按钮。
- 在监视器上，按"记录"按钮，如补充图 19 所示。
注：按下"记录"按钮将自动在"代码/Src/GUI/save.save.py.py.save_last_sample_as_csv（）"中指定的位置在监控计算机上创建一个 *.csv 文件，该位置是文件夹"current_exp"（补充数据 3 中提供了示例测量）。 - 在控制箱上，按"功能 1"按钮开始校准过程。
- 校准后，按显示器上的"记录"按钮停止记录，按控制箱上的"功能1"按钮停止压力控制器。
- 重命名自动创建的"current_exp/*.csv"文件，以便以后可以唯一标识该文件。
- 运行补充数据 4 中提供的脚本"校准/eval_clb.py"，并在文件"代码/Src/控制器/校准.py"中存储输出（多项式拟合系数），作为现有字典中关键字"[机器人版本]"的条目。
13. 创建步态模式
- 运行脚本"代码/模式/create_pattern.py"，将输出的 *.csv 文件存储在文件夹"代码/模式/[机器人版本]/"。
注：此脚本将直步态 8 的预定义步态模式（ 参见在角度参考中表述的附加 图 20A 或辅助动画 1）转换为特定于机器人的压力参考。要为陡峭倾斜生成步态模式，请通过取消注释行 222 修改脚本。这将根据补充图 20B 或补充 动画 2 生成模式。控制框提供的模式引用接口由 *.csv 文件组成，其中每行定义所有执行器的离散设定点。其中，前八列定义参考压力，后四列定义直接作用阀的参考，最后一列定义应持有此设定点的时间。 - 将控制箱中的单板计算机与个人计算机同步，即将文件夹"代码/模式/*"上传到主板上。为此，必须中断"main.py"程序 （Ctrl+C）。
14. 进行攀岩实验
- 对要测试的每个倾斜度执行步骤 11~13。
- 将机器人放在行走平面上的标记点。
- 选择步骤 12.2–12.4 中描述的模式参考，但在第一个菜单中选择所需的"机器人版本"（而不是"clb"），在第二个菜单中选择基于当前倾斜度（而不是"mode_4.csv"）的模式参考。
- 开始录制，如步骤 12.5 中所述。
- 按下"功能1"按钮以激活压力控制器。
- 让机器人步行/爬爬至少6个周期。
- 通过按下显示器上的"记录"按钮停止录制（如步骤 12.7）。
- 执行下一步时，确保机器人不会坠落。
- 再次按下"功能1" 按钮，停止压力控制器。这也将停止真空供应，因此机器人将下降。
- 将录制的 *.csv 文件移动到文件夹"扩展/[机器人版本]/[模式类型]/[倾斜]/"。
注意：重复每次运行至少五次，以便为下一步有一个坚实的基础。
15. 评估实验
- 运行补充数据 5 中提供的脚本"eval_vS11_adj_ptrn评估/评估/评估 .py"， 以自动表示所有测量数据。
注：此脚本输出所有脚的轨道、一段时间施加的压力、所有四肢的测量弯曲角度、机器人在一定时间上的速度、机器人在时间上的方向、平均速度超过倾角（参见图 2A）以及倾角上所用能量的近似值（参见图 2B）。
Representative Results
提出的协议有三方面：一个软攀爬机器人，一个普遍适用的控制箱，以及一个控制策略的机器人的直运动，增加其爬升能力，同时减少其消耗的能量。第 8 节中描述的控制箱可在多达 6 个通道（可扩展至 8 个通道）上连续提供任何所需压力水平，并在四个通道上连续提供真空供应（可根据需要扩展）。"用户界面单元"使用户能够在运行时轻松操作控制盒，监视器的接口允许将测量的数据直接查看并保存为 csv 文件。控制框的模式引用模式为用户提供了一个直观的界面来循环预定义的模式。这可能是机器人的步态模式，如本协议中，也可以用于执行器疲劳测试，或任何其他需要循环加载的应用。 图 1 描述了在控制箱和测量系统中组装的所有硬件组件及其连接方式。
机器人直运动的步态模式在角度参考文献8中形成。要操作机器人，必须将这些角度参考转换为压力参考。该协议中使用的控制策略基于先前的角度压力校准。每种校准方法都产生不同的α压力曲线。因此，有必要尽可能根据实际操作条件调整校准程序。改变行走平面的倾角时，操作条件也发生变化。因此，必须针对每个倾角重新校准角度压力曲线。 图 2A 显示了机器人在各种斜坡上的速度，并具有未更改的校准和重新校准的角度压力曲线。实验清楚地表明了重新校准的有效性。重新校准的机器人不仅速度更快，还能够爬上更陡峭的斜坡（84°而不是76°），同时消耗更少的能量9， 如图 2B所示。在 图3中，一系列机器人运动的照片显示了48°的倾角。该图清楚地说明图 3B 所示的重新校准的爬升性能比图 3A 中显示的未更改校准要好得多，因为在同一时间间隔内位置的移位几乎是两倍大。与其他软机器人相比，这种机器人可以快速移动。秦等人总结了 各种软机器人的前进速度。在没有有效载荷和水平平面中，本协议中描述的机器人相对于身体长度的速度比参考7中最快的机器人快五倍。
图1：在控制箱中组装的硬件组件图。其中 
表示 i-th 通道i的压力参考，ui i i 比例阀的控制信号、包含角度参考的矢量 
、包含角度测量的矢量、包含位置测量的向量和 = 包含直接作用电磁阀的控制信号的向量，即脚的固定状态。UI 是"用户界面单元"的缩写，BBB 是 BeagleBone Black 的缩写，即控制箱中使用的单板计算机，而 PI 是树莓派（即测量系统中使用的单板计算机）的缩写。请单击此处查看此图的较大版本。
图2：攀登性能评估。虚线曲线显示用于重新校准压力参考的常量曲线和实心曲线的值。（A） 机器人的前进速度，用于各种倾角。（B） 各种倾角的能量消耗。这个数字是根据参考9。请单击此处查看此图的较大版本。
图3：机器人在48°倾角下运动的照片系列。每张照片之间经过的时间为 1.2 s. （A） 恒定压力参考的运动和 （B） 重新校准压力参考的运动。 请单击此处查看此图的较大版本。
补充图1：弹性体的制备。请点击这里下载此图。
补充图2：铸造前和铸造后疏散过程中气泡形成比较。 （A） 弹性体的疏散仅在铸造前进行。捕获的气泡保持原位，但它们更位于凹凸区域，不会极大地影响执行器的功能。（B） 在铸造之前和之后进行疏散。受困的气泡上升，但再次卡在支柱的上侧，并在执行器上产生孔，从而影响功能。 请点击这里下载此图。
补充图3：成功和未成功的固化铸件的例子。 上行显示成功示例和下行不成功示例。如果缺陷无法清晰识别，则用绿色圆圈标记。 请点击这里下载此图。
补充图4：基础零件的制造。请点击这里下载此图。
补充图5：制造底部的方案。 在铸造前，将管（后来用作吸盘的供应管）夹入模具中。然后，模具中填充液体弹性体。 请点击这里下载此图。
补充图6：基部分和底部分的连接。请点击这里下载此图。
补充图7：软弯曲执行器的层压铸造。液体弹性体以红色表示，固化弹性体为浅红色，应变层以及黑色模具。（A） 混合弹性体倒入两个独立的模具中，一种用于基础零件，另一种用于底部。因此，底部仅填充一半。然后将应变限制层（供应管）插入到底部模具中。（B） 零件固化，基础零件脱标。（C） 底部模具用液体弹性体填充到顶部。（D） 基座部分浸入此模具中。（E） 这两个部分一起固化.（F） 执行器已脱标。这个数字是根据参考文献13 .请点击这里下载此图。
补充图8：所有四肢的连接。 （A） 覆盖与流体弹性体连接的表面。（B） 完整装配体的渲染视图。 请点击这里下载此图。
补充图9：安装供应管入口。请点击这里下载此图。
补充图10：控制箱的照片。 （A） 用户界面单元的前视图，使用户能够与机器人进行交互。（B） 阀门单元的详细信息视图。（C） 整个控制箱的顶视图。 请点击这里下载此图。
补充图11：用户界面单元的电路图。请点击这里下载此图。
补充图12：阀门单元的电路图。请点击这里下载此图。
补充图13：整个控制箱的简化电路图。请点击这里下载此图。
补充图14：嵌入控制箱中的单板计算机的二手引脚图。 （A） 用户通信所需的板的已用引脚。（B） 机器人控制所需的电路板的用过的引脚。 请点击这里下载此图。
补充图15：使用已安装的测量系统的行走平面的渲染视图。请点击这里下载此图。
补充图16：提升效果的可视化。 带 6 mm 头的针头插入躯干两端。这样可以最大限度地减少行走过程中的摩擦，使吸盘与行走平面完全接触。 请点击这里下载此图。
补充图17：视觉标记的组装。 标记使用针针安装在机器人上。标记 0 安装在左前脚，标记 1 安装在躯干的前脚，标记 2 安装在右脚前脚，标记 3 安装在左后脚，标记 4 安装在躯干后部，标记 5 安装在右后脚。对于标记 4 的组装，使用三根针针此图改编自参考9。 请点击这里下载此图。
补充图18：控制箱按钮的图例。请点击这里下载此图。
补充图19：图形用户界面按钮的图例。请点击这里下载此图。
补充图20：机器人直运动的步态模式。固定英尺由填充的圆圈和未填充的圆表示，（A） 低倾角和中等倾角的步态模式（< 70°）。（B） 高倾角的步态模式（> 70°）。真空适用于红色和黑色填充的脚。黑色填充的脚固定在地面上，而红色的脚不一定必须。为了保证固定，要固定的脚来回摆动一次。这个数字是根据参考9。请点击这里下载此图。
补充图21：软攀爬机器人的渲染爆炸视图。鸽尾位于腿部，相应的键道位于躯干末端。这使得连接过程更加精确。这个数字是根据参考9。请点击这里下载此图。
补充图22：确定压力角曲线的不同校准程序。 每个子图显示相应机器人姿势的定性压力过程和快照。（A） 每个执行器从 0 bar 到 1 bar 连续膨胀，而其他所有执行器保持无压力。（B） 压力高原应用于单个执行器 3 s;然后， 它完全放气 2 s 。下一轮，压力高原水平增加增量，直到高原达到1 bar。这是每个执行器单独完成的。（C） 与模式 2 中的相同程序，但在这里，同一高原同时应用于执行器 （0，3，4），分别应用于执行器 （1，2，5）。（D） 与模式 3 中的程序相同，但执行器 （0，3） 的高原从 0 bar（与之前相同）开始，以 1.2 bar（而不是 1 bar）结束。基本上，执行器 （0，3） 的增量略有增加，而其他执行器的增量保持不变。 请点击这里下载此图。
补充图23：不同校准程序的角度压力曲线。请点击这里下载此图。
补充动画1：机器人直步态的动画。请点击这里下载此文件。
补充动画2：机器人攀爬步态的动画。请点击这里下载此文件。
补充文件 1：配置单板计算机的说明。请点击这里下载此文件。
补充文件 2：打印视觉标记的模板。请点击这里下载此文件。
补充数据 1：CAD 文件。 此 zip 压缩文件夹包含用于打印模具的 *.stl 文件、用于激光切割控制箱外壳的 *.dxf 文件、用于打印用于测量系统的夹子的 *.stl 文件以及用于激光切割测量系统框架的 *.dxf 文件。 请点击这里下载此文件。
补充数据 2：在单板计算机上运行的代码。 此 zip 压缩文件夹包含运行在用于"用户界面单元"的板上的程序及其源、用于机器人控制的板和用于图像处理的板。将完整文件夹上载到所有三个板。 请点击这里下载此文件。
补充数据3：示范性测量数据。 此压缩文件夹包含校准过程中生成的两个 *.csv 文件。 请点击这里下载此文件。
补充数据 4：校准脚本。 此 zip 压缩文件夹包含 python 脚本及其源，用于评估校准过程中生成的测量数据。 请点击这里下载此文件。
补充数据 5：评估脚本。 此 zip 压缩文件夹包含两个 python 脚本及其源，用于评估爬爬实验期间生成的测量数据。此外，它还包含用于生成图 2 的所有测量数据。 请点击这里下载此文件。
Discussion
提出的协议包括与攀爬软机器人相关的许多不同方面，包括制造、控制、校准和性能评估。下面，根据上述方面讨论和构建协议产生的利弊。
提出的制造方法以现有的文献10、13,为基础。显著区别在于执行器的设计。要连接各个四肢，在适当的点插入鸽尾参考线，如补充图21 所示。与之前的机器人8设计相比，这能使四肢之间更加精确和坚固的连接。此外，电源管嵌入执行器的底部。这种集成设计允许为吸盘提供真空，同时使底层不再可拉伸，从而显著提高执行器的性能。与文献中描述的程序的另一个区别是混合弹性体只疏散一次（混合后立即）。许多来源建议两次疏散弹性体：一次在混合后，一次在填充到模具中。空气可能仍然被困在非常小的空间中。在真空室中，这种空气膨胀，在最好的情况下上升到表面。然而，这些气泡往往在路上卡住，在成品铸造中造成令人不快的孔洞。在这里，必须决定什么更重要：在基础部分的底部完美的轮廓或尽可能少的风险产生一个非功能性执行器（参见补充图2）。在此协议中，不执行第二次疏散。在介绍的过程中，底部部分的高度可能因手动填充而变化，而且与基础零件不同，固化后不可能将其切割到均匀的高度。为确保底部的高度尽可能均匀，建议在填充底部模具时使用注射器，并测量倒入的体积。但是，根据混合后经过的时间，弹性体的流量特性会显著变化。因此，建议始终使用新鲜混合的弹性体。连接执行器的底座和底部涉及最大的过程不确定性。如果弹性体浴体过高，则腔室之间的空气通道也很可能被覆盖。然后，执行器不再可用。如果弹性体浴过低，密封唇可能无法覆盖其整个周长，执行器会泄漏。因此，正确给弹性体浴剂量需要一定量的实践。一般来说，连接的重要就是无脂肪连接表面。如果连接表面太污染，成品执行器可能会脱光。因此，必须确保仅接触不连接的曲面上。制造方法的一个主要限制是要实现的件数。单个执行器的生产总共至少需要两个小时。虽然可以并行处理多个模具，但由于时间限制，不推荐使用四种模具。弹性体的盆栽寿命太短，无法填充更多的模具。此外，3D 打印模具在非常变形或断裂之前只能承受有限数量的生产周期（约 10~20）。另一个限制是已经讨论过的过程不确定性。由于几乎所有过程步骤都是手动执行的，因此每个执行器都略有不同。这可能导致两个机器人在构造中是相同的，但表现出两种非常不同的行为。
使用控制箱，提供了控制机器人的方法。然而，对于每个气动系统，脚本"代码/arduino_p_ctr.ino"的控制增益必须单独确定。协议中未介绍此内容。但是，控制盒的"压力参考模式"允许对机器人进行俏皮的处理，因此无需编写多个脚本即可进行控制器调优。控制箱的另一个限制是成本，因为材料总成本约为7000美元。文献11 提供了一个控制箱的建筑说明，成本只有约900美元，并一些升级也可用于操作机器人。
校准过程的选择是各个执行器的校准关键。 补充图 22 显示了四个不同程序的压力参考在一段时间中的定性 过程，补充图 23 显示了产生的角度压力曲线。如后者，每种方法的校准结果都会导致不同的角度-压力曲线。这表明压力和角度之间的关系高度依赖于执行器上的负载。因此，校准过程必须尽可能最好地反映实际负载情况。因此，有必要尽可能根据实际操作条件调整校准程序。通过校准程序 4 获得最佳行走性能。然而，如图 3B所示，该系列中的后续姿势并非完全对称，这是校准改进潜力的指标。
对测量系统至关重要的是第 10 节中视觉标记 15 的组装。由于它们不能直接安装在所需点（因为管子干扰），因此必须人工移动测量点。在确定此偏移矢量时（以摄像机的像素坐标表示）时必须特别小心;否则，整个测量将存在严重的系统误差。还必须确保标记不会随着时间而替换。如果发生这种情况，例如，由于机器人的垮台，必须在完全相同的位置重新安装相应的标记。在任何情况下，应定期检查测量系统是否仍产生可靠的输出。
实验中的限制因素是脚的固定。为了能够攀登更陡峭的倾斜点，必须重新考虑固定机制。目前，机器人无法将脚对着行走平面进行主动，对于高倾斜度，重力造成的正常力太小，使吸盘离行走平面足够近，无法确保可靠的吸力。
提出的制造方法可以转移到任何流体弹性体执行器上，因此，对于未来的应用来说，这种方法是有趣的。提供的控制箱可控制任何气动系统，由六个独立执行器（可扩展至八个），包括机器人平台，因为它们需要快速的感官反馈。因此，它可以作为测试和控制未来机器人的通用平台。最后，提出的校准方法原则上可以用于任何前馈控制气动系统。总之，所有提出的方法在讨论范围内都是通用的。
Disclosures
提交人宣称他们没有相互竞争的经济利益。
Acknowledgments
作者们感谢芬恩·克努德森、阿拉文达·巴里和雅各布·穆钦斯基的有益讨论和灵感。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 3D Printer | Formlabs | Form 2 | |
| acrylic glass plate with two holes | - | for casting, see Supplementary | |
| acrylic glass back panel | - | see Supplementary | |
| acrylic glass bottom panel | - | see Supplementary | |
| acrylic glass front panel | - | see Supplementary | |
| acrylic glass side panel | - | see Supplementary | |
| acrylic glass top panel | - | see Supplementary | |
| Arduino Nano | Arduino | A000005 | |
| Allan Key 1mm | available in every workshop | ||
| BeagleBone Black | beagleboard | BBB01-SC-505 | |
| butterfly cannula | B. Braun Melsungen AG | 5039573 | |
| clamp 1 for measurement system | - | see Supplementary | |
| Clamp 2 for measurement system | - | see Supplementary | |
| cutter knife | available in every workshop | ||
| direct acting solenoid valves | Norgren | EXCEL22 DM/49/MDZ83J/T4 | |
| elastomer | Wacker Chemie | ELASTOSIL M4601 | |
| frame measurement system part 1 | - | see Supplementary | |
| frame measurement system part 2 | - | see Supplementary | |
| laser cutter | Trotec | SP500 | |
| LED | RND COMPONENTS | RND 210-00013 | |
| LCD | JOY-IT | SBC-LCD16X2 | |
| mould bottom part leg | - | see Supplementary | |
| mould bottom part torso 1 | - | see Supplementary | |
| mould bottom part torso 2 | - | see Supplementary | |
| mould leg 1 | - | see Supplementary | |
| mould leg 2 | - | see Supplementary | |
| mould torso 1 | - | see Supplementary | |
| mould torso 2 | - | see Supplementary | |
| oven | Binder | ED 115 | |
| Plastic Cup | available in every supermarket | ||
| Plastic syringe | available in every pharmacy | ||
| poster panel | Net-xpress.de (distributor) | 10620232 | as walking plane |
| Potentiometer | VISHAY | P16NM103MAB15 | |
| Power Supply | Pulse Dimension | CPS20.241-C1 | |
| pressure sensor | Honeywell | SSCDANN150PG2A5 | |
| Pressure Source | EINHELL | 4020600 | |
| proportional valves | Festo | MPYE-5-1/8-LF-010-B | 6x |
| Raspberry Pi | RASPBERRY PI | RASPBERRY PI 3B+ | |
| Raspberry Pi Cam | RASPBERRY PI | RASPBERRY PI CAMERA V2.1 | |
| resin | formlabs | grey resin 1l | |
| screw clamps | VELLEMAN | 3935-12 | |
| silicon tube 2mm | Festo | PUN-H-2X0,4-NT | for connecting robot to control box |
| silicone Tube 2.5mm | Schlauch24 | n/a | for supply tube inlet (https://www.ebay.de/itm/281761715815) |
| Switches | MIYAMA | MS 165 | |
| ultrasonic bath | RND LAB | 605-00034 | |
| UV chamber | formlabs | Form Cure | |
| Vacuum chamber + pump | COPALTEC | PURE PERFEKTION | |
| weight scale | KERN-SOHN | PCB 2500-2 | min. resolution 1g |
References
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- Kim, S., Laschi, C., Trimmer, B. Soft robotics: a bioinspired evolution in robotics. Trends in Biotechnology. 31 (5), 287-294 (2013).
- Rus, D., Tolley, M. T. Design, fabrication and control of soft robots. Nature. 521 (7553), 467-475 (2015).
- Calisti, M., Picardi, G., Laschi, C.
- Chu, B., Jung, K., Han, C. S., Hong, D. A survey of climbing robots: locomotion and adhesion. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing. 11 (4), 633-647 (2010).
- Gu, G., Zou, J., Zhao, R., Zhao, X., Zhu, X.
- Qin, L. A versatile soft crawling robot with rapid locomotion. Soft Robotics. 6 (4), 455-467 (2019).
- Seibel, A., Schiller, L. Systematic engineering design helps creating new soft machines. Robotics and Biomimetics. 5 (1), 5 (2018).
- Schiller, L., Seibel, A., Schlattmann, J. Toward a gecko-inspired, climbing soft robot. Frontiers in Neurorobotics. 13 (1), 106 (2019).
- Mosadegh, B., et al. Pneumatic networks for soft robotics that actuate rapidly. Advanced Functional Materials. 24 (15), 2163-2170 (2014).
- Elango, N., Faudzi, A. A. M. A review article: investigations on soft materials for soft robot manipulations. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 80 (5-8), 1027-1037 (2015).
- Natarajan, E., Razif, M. R., Faudzi, A., Palanikumar, K. Evaluation of a suitable material for soft actuator through experiments and FE simulations. International Journal of Manufacturing, Materials, and Mechanical Engineering. 10 (2), 64-76 (2020).
- Soft Robotics Toolkit [software]. , Available from: https://softroboticstoolkit.com (2020).
- PneumaticBox [software]. , Available from: https://www.robotics.tu-berlin.de/menue/software_and_tutorials/pneumaticbox/ (2020).
- Wang, J., Olson, E. Apriltag 2: efficient and robust fiducial detection. Proceedings of the IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS). , Daejeon, South Korea. 4193-4198 (2016).
