Summary
Denne protokol indeholder en detaljeret liste over trin, der skal udføres til fremstilling, kontrol og evaluering af klatrepræstationen for en gecko-inspireret blød robot.
Abstract
Denne protokol præsenterer en metode til fremstilling, kontrol og evaluering af en blød robots ydeevne, der kan klatre flade overflader med skråninger på op til 84°. Fremstillingsmetoden gælder for de hurtige pneunet bøjning aktuatorer i almindelighed og kan derfor være interessant for nytilkomne til området for aktuatorfremstilling. Styringen af robotten opnås ved hjælp af en pneumatisk kontrolboks, der kan give vilkårlige tryk og kan bygges ved kun at bruge købte komponenter, en laserskærer og et loddejern. For robottens gangydelse spiller trykvinkelkalibreringen en afgørende rolle. Derfor præsenteres en halvautomatisk metode til trykvinkelkalibrering. Ved høje hældninger (> 70°) kan robotten ikke længere pålideligt fastgøre sig til gangplanet. Derfor er gangart mønster ændret for at sikre, at fødderne kan fastgøres på vandreplanet.
Introduction
Samspillet mellem mennesker og maskiner bliver konstant tættere. Den stigende robottæthed i virksomheder og husholdninger skaber nye udfordringer for robotteknologien. Ofte er farer udelukket ved separationsmetoder, men på mange områder, især i husholdningerne, er dette ikke en tilfredsstillende løsning. Blød robotteknologi tackler dette problem ved at bruge egenskaber af bløde materialer og strukturer til at udvikle nye typer af maskiner, der opfører sig som levende organismer1, hvilket er grunden til bløde robotter er ofte inspireret af biologiske modeller2. De fleste bløde robotter kan inddeles i to forskellige typer: mobile robotter og robotter, der er designet til gribe- og manipulation3. For bløde mobile robotter, er typiske bevægelse principper kravler, gå, løb, hoppe, flyvende, og svømning4. Et andet interessant anvendelsesområde for bløde robotter er klatring - en kombination af bevægelse og vedhæftning5. Bløde maskiner er meget robuste og kan ikke beskadige deres omgivelser på grund af deres blødhed. Denne karakteristiske predestines denne robot klasse til klatring, da de nemt kan overleve et fald. Derfor indeholder litteraturen flere eksempler på bløde robotter, der kan klatre6,7,8.
Målet med denne protokol er at give en metode til fremstilling, kontrol og evaluering af udførelsen af en gecko-inspireret, klatring blød robot9. Dens design er baseret på brugen af hurtige pneunet bløde bøjning aktuatorer10 lavet af elastomer. Der kan dog også anvendes et andet blødt aktuatordesign og/eller andet materiale. Litteraturen tilbyder en bred vifte af forskellige designs af bløde aktuatorer11 og egnede materialer12. Den præsenterede fremstillingsmetode svarer til eksisterende metoder13, men omfatter nogle ændringer, der resulterer i øget repeterbarhed og robusthed, i det mindste for den bløde klatrerobot9. Metoden gælder for hurtige pneunet bøjning aktuatorer i almindelighed og kan derfor være interessant for nytilkomne til området for aktuator fremstilling.
Til styring af pneumatiske aktiverede bløde robotter giver litteraturen forskellige løsninger. Det spænder fra billige og let at replikere kontrolkort13 til kraftfulde, men mere kompleksebrædder 14, som ikke kan genopbygges uden specialværktøj. Her gives en kort beskrivelse til opbygning af en pneumatisk kontrolboks ved kun at bruge en laserskærer og et loddejern. Kontrolboksen giver mulighed for at levere ethvert tryk og tilbyder sensorisk feedback i realtid, hvilket er særligt vigtigt for robotapplikationer. Men, Det kan også bruges til mange andre applikationer.
Protocol
1. Trykning af forme
- Download *.stl data for forme fra de supplerende data 1 "CAD / Moulds /".
- Brug den printerspecifikke udskæringssoftware til at konvertere 3D-modellerne til et udskriftsjob.
- Udskriv formene ved hjælp af en 3D-printer.
- Rengør de trykte forme ved at sætte dem i 15 minutter i et ultralydsbad.
- Sæt forme i mindst 3 timer i et UV-kammer.
2. Forberedelse af elastomeren
- Saml følgende, før du starter dette trin: elastomer (del A og del B), spatel, plast kop, skimmel, vægtskala, plast sprøjte, skrue klemmer (eller lignende), akryl glasplade med to tilsvarende huller, cutter kniv.
- Bland del A og del B af elastomer i en 1:9 forholdet i en kop. Anst samme kop på en vejemaskine. Først tilsættes 5 g del B (mørkerød). Derefter ved hjælp af en spatel, tilsæt 45 g del A (hvid og tyktflydende).
BEMÆRK: Sørg for, at nøjagtigheden af vejningen er til 1 g. 50 g er nok til en aktuator. Den bedste måde for portioning del A er at tage en spatel og lad det dræne. Ca. 6 g pr. dræning er mulig med den anvendte spatel. - Hold omrøring, indtil der ikke er flere hvide eller røde områder synlige i kanten af koppen.
- Sæt koppen i 15 minutter i et vakuumkammer for at fjerne den luft, der er fanget i elastomeren på grund af omrøringsprocessen.
- Fyld den blandede elastomer i en plastiksprøjte. Dette gør det muligt for elastomeren at blive placeret meget mere præcist.
BEMÆRK: Supplerende figur 1 illustrerer de behandlingstrin, der er beskrevet i dette afsnit.
3. Fremstilling af den øverste del (basisdel)
- Klem en akryl glasplade med to tilsvarende huller på formen. Sæt sprøjten i det nederste hul og tryk elastomeren ind i formen.
- Påfør kraft på sprøjten ved at skubbe stemplet, indtil den blandede elastomer kommer ud af det øverste hul.
- Løsn skrueklemmerne og træk akrylglaspladen sidelæns af.
BEMÆRK: Det er vigtigt at trække den ud til siden og ikke opad. Ellers vil elastomeren blive trukket ud af formen. - Punkter de stigende luftbobler med et skarpt værktøj. Må ikke punktere for dybt, da dette vil skabe nye luftbobler i stedet for at fjerne de eksisterende. Det er især vigtigt at gennembore de større bobler, da disse senere vil påvirke aktuatorens funktionalitet betydeligt.
BEMÆRK: Du kan eventuelt evakuere den fyldte form i vakuumkammeret for at fjerne den luft, der stadig er fanget. Når du gør det, kan det dog ske, at de stigende luftbobler sidder fast på formen på vej til overfladen og skaber huller i støbningen på funktionelt relevante områder. Supplerende figur 2 illustrerer dette fænomen. - Sæt formen i ovnen ved 65 °C i 30 min.
- Kontroller efter 10 min, hvis niveauet af elastomeren er faldet betydeligt. Dette sker, hvis formen ikke er helt stram eller har bøjet lidt på grund af hyppig brug. Hvis niveauet er faldet mere end 1 mm, skal elastomeren fyldes igen. Fortsæt derefter med at kurere.
- Efter i alt 30 min i ovnen, tage ud formen og afbrød ekstruderet elastomer med en kniv.
- Åbn formen ved at skille formen ad med en skruetrækker. Pas på ikke at beskadige overflader, der er relevante for støbning.
- Fjern den næsten færdige aktuator fra den del af formen, som den havde stukket i det foregående trin.
BEMÆRK: En første visuel kontrol kan foretages her for at se, om støbning var en succes. Hvis der konstateres uoprettelige fejl (se supplerende figur 3),skal fremstillingsprocessen standses her. Mindre huller kan repareres senere. Det er også vigtigt, at forsegling læbe er så udtalt som muligt over hele sin omkreds. - Skær eventuelle fremspringende grater af med en kniv. Dette er nogle gange meget besværligt, men afgørende for et godt endeligt resultat.
BEMÆRK: Supplerende figur 4 illustrerer de behandlingstrin, der er beskrevet i dette afsnit. De beskrevne trin gælder for støbning af de fire ben (formen kan findes i supplerende fil 1 "CAD/Moulds/small_leg_schwalbe*.stl") og de to basisdele af torsoen ("CAD/Moulds/small_belly*.stl"). For at kaste sugekopperne (robottens fødder, der findes i "CAD/Moulds/suctionCup*.stl") eller den nederste del af torsoen ("CAD/Moulds/small_torso_base1*.stl"), skal du udføre de samme procestrin, med undtagelse af trin 3.1 og 3.3, da disse forme til støbning har en indbygget port til sprøjten, og der derfor ikke kræves yderligere akrylglasplade. I alt bygge fire base dele af benet, to base dele af torso, en nederste del af torso, og fire sugekopper.
4. Fremstilling af nederste del (nederste del)
- Skub et silikonerør gennem de huller, der er til dette formål i formen af den nederste del, se supplerende figur 5.
- Fyld formen af basen del med elastomer og distribuere det med den lille spatel op til hjørnerne.
BEMÆRK: Elastomerens niveau må ikke være højere end 5 mm og ikke under 4 mm og skal helt dække det indbyggede rør. Formen til den nederste del af benene findes i supplerende fil 1 "CAD/Moulds/small_base_schwalbe.stl". - Sæt formen i ovnen i 15-20 min til hærdning. For de følgende trin, er det nødvendigt, at den nederste del forbliver i formen for tiden sammen med den øverste del.
5. Tilslutning til basen og den nederste del
- Fyld formen af den nederste del med elastomer, så niveauet er 1-1,5 mm over den allerede hærdede elastomer.
- Indsæt en sommerfugleyler i basisdelen, og marker punkteringsstedet, så det lettere kan findes senere. Dette trin er nødvendigt for at lade den ekspanderende luft i ovnen for at undslippe.
- Placer basisdelen i den nederste form og tryk kun siderne lidt ind i elastomerbadet.
- Sæt aktuatoren i ovnen i 10-15 min og fjern formen bagefter.
BEMÆRK: Det skal være nemt at fjerne aktuatoren fra formen. Hvis det ikke lykkes, enten elastomer er endnu ikke fuldt helbredt (i dette tilfælde, øge hærdningstiden med 10 mere min) eller den nederste del sidder fast i formen (i dette tilfælde bør det trækkes hårdere). Men generelt er det et dårligt tegn, hvis aktuatoren ikke kan frigives let. - Tilslut en trykkilde ved hjælp af punkteringsstedet fra trin 5.2, og udfør den endelige lækagetest, se supplerende figur 6.
BEMÆRK: Hvis der er små lækager til stede, kan de repareres. Anvendelse af en lille elastomer med en lille spatel og 10 min i ovnen skal fastsætte lækagen. Hvis alle utætheder er fastgjort, er aktuatoren klar. Supplerende figur 6 illustrerer de behandlingstrin, der er beskrevet i dette afsnit, og supplerende figur 7 illustrerer hele den proces, der er beskrevet i afsnit 3-5. For at tilslutte sig basen og den nederste del af torsoen, udføre de samme trin, med undtagelse af trin 5.1, hvor du ikke fylder formen, men den nederste del direkte.
6. Sammenføjning af alle lemmer
- Fastgør de dele, der skal sammen med en nål på et træbræt, så de kan holdes sammen i følgende procestrin.
- Tildækkes sammenføjningsfladen med elastomer som vist i supplerende figur 8A. Sørg for, at sammenføjningsoverfladen er ren og fri for fedt. Ellers vil delene delaminere på dette tidspunkt.
- Sæt samlingen (se supplerende figur 8B)i 10-15 minutter i ovnen.
7. Montering af indløb af forsyningsrør
- Udskrid indføringspunktet på sommerfugledylen fra trin 5.2 yderligere ved hjælp af en 1 mm unbrakonøgle.
- Anlå enden af et silikonerør med en maksimal ydre diameter på 3 mm over hullet, og tryk det ind med unbrakonøglen.
- Forsegle indløbet med en lille elastomer. Dette beskytter også mod mekanisk stress.
- Sæt samlingen i 10 minutter i ovnen.
BEMÆRK: Supplerende figur 9 illustrerer de behandlingstrin, der er beskrevet i dette afsnit.
8. Opbygning af kontrolboksen
- Download de tilsvarende *.dxf tegninger af huset fra supplerende data 1 "CAD / ControlBox /" og skær dem ud på en laserskærer.
- "Brugergrænsefladeenheden" monteres på frontpanelet i henhold til supplerende figur 10A og supplerende figur 11.
- Byg de seks "Ventilenheder" i henhold til supplerende figur 10B og supplerende figur 12.
- De seks "Ventilenheder" og "Brugergrænsefladeenheden" samles på bundpanelet i overensstemmelse med supplerende figur 10C, supplerende figur 13 og supplerende figur 14. Saml de to sidepaneler og bagpanelet. Endelig skal du samle det øverste panel.
- Konfigurer de to enkeltkortede computere, der er integreret i kontrolboksen i henhold til supplerende fil 1, og upload hele mappen "Code" (herunder alle undermapper), der findes i de supplerende data 2, til begge tavler.
- Upload scriptet "Code/arduino_p_ctr.ino", der findes i de supplerende data 2, til de seks mikrocontrollere, der er integreret i kontrolboksen.
9. Opbygning af en prøvebænk med indbygget målesystem
- Download den tilsvarende *.dxf tegning af kameraholderen fra supplerende data 1 "CAD/TestBench/" og skær den ud på en laserskærer.
- Download de tilsvarende *.stl filer af klemmer fra supplerende data 1 "CAD / TestBench" og udskrive dem på en 3D-printer.
- Kameraholderen monteres med klemmerne på et DIN-A1 plakatpanel i henhold til supplerende figur 15, og monter kameraet og en enkeltpensionscomputer på det ønskede sted.
- Konfigurer ethernet-grænsefladen og SSH-indstillingerne for den ene-board-computer i henhold til afsnit 4-5 i supplerende fil 1, og upload hele mappen "Code" (Supplerende data 2) på tavlen.
10. Opsætning af hele systemet
- Opret et lokalt netværk, og tildel den korrekte IP-adresse fra scriptet "Code/main.py" til alle enkeltbordscomputere og den computer, der bruges til overvågning – eller omskrivning af scriptet i overensstemmelse hermed.
- Sæt nåle i begge ender af torsoen som vist i supplerende figur 16, så robotten kun kontakter gangplanet med stifterne og dens fødder (sugekopper).
- Udskriv de visuellemarkører 15 i supplerende fil 2 på et DIN-A4 ark og skær dem ud med en saks.
- Fastgør markørerne til robotten ved hjælp af nåle i henhold til supplerende figur 17.
- Tilslut robotten til kontrolboksen.
BEMÆRK: Figur 1 illustrerer ledningerne i hele systemet.
11. Kørsel af kontrolboksen
- Tænd for styreboksens hovedkontakt, og vent, indtil alt er startet op.
- Log ind på den vigtigste enkelt-board computer som "root" ved hjælp af SSH, gå til mappen "Kode", og start kontrolboksen ved kommandoen "root@beaglebone:~# python3 main.py". På samme tid, starte skærmen på den personlige computer ved kommandoen "user@pc:~ python2 monitor.py".
BEMÆRK: Begge programmer skal starte mere eller mindre på samme tid. Programmet "main.py" kører på enkelt-bord computer i kontrolboksen forsøger at oprette forbindelse til den personlige computer, der anvendes til overvågning. Hvis der ikke er nogen lytteport på den personlige computer (udløst af scriptet "monitor.py), starter skærmen ikke. Med undtagelse af "monitor.py" er alle programmer/scripts, der bruges i denne protokol, beregnet til at køre med python3. - Tilslut en trykkilde til kontrolboksen (maks. 1,2 bar).
- Tilslut en vakuumkilde til kontrolboksen.
12. Kalibrering af robotten
- Anse robotten på prøvebænkens gangplan. Ved stejle hældninger fastgøres en snor mellem robottens front og toppen af vandreplanet for at holde robotten på plads.
- På kontrolboksen aktiveres "mønsterreference" ved at trykke på knappen "mode 2" som vist i supplerende figur 18.
- Rul gennem den menu, der vises på LCD-skærmen, ved hjælp af op- og nedknapperne, indtil du finder posten "clb". Tryk derefter på enter-knappen.
- Rul gennem den næste menu op til punktet "mode_4.csv", og tryk på knappen"enter".
- Tryk på knappen "optag" på skærmen som vist i det supplerende figur 19.
BEMÆRK: Hvis du trykker på knappen"post",oprettes der automatisk en *.csv-fil på overvågningscomputeren på det sted, der er angivet i "Code/Src/GUI/save.py:save_last_sample_as_csv()", som er mappen "current_exp" (eksempelmålingerne findes i supplerende data 3). - Tryk på knappen " funktion 1 " påkontrolboksenfor at starte kalibreringsproceduren.
- Efter kalibreringen skal du trykke på knappen "optag" på skærmen for at stoppe optagelsen og "funktion 1" knappen på kontrolboksen for at stoppe trykregulatoren.
- Omdøb den automatisk oprettede "current_exp/*.csv"-fil, så den kan identificeres entydigt senere.
- Kør scriptet "Kalibrering/eval_clb.py", der findes i de supplerende data 4, og gem outputtet (koefficienterne for den polynomiale pasform) i filen "Code/Src/Controller/calibration.py" som en post med nøgleordet "[robotversion]" i den eksisterende ordbog.
13. Oprettelse af et gangmønster
- Kør scriptet "Code/Patterns/create_pattern.py", og gem de udtalte *.csv-fil(er) i mappen "Kode/mønstre/[robotversion]/".
BEMÆRK: Dette script konverterer det foruddefinerede gangmønster til lige gangart8 (se Supplerende figur 20A eller Supplerende Animation 1) formuleret i vinkelreferencer til robotspecifikke trykreferencer. Hvis du vil generere et gangmønster for stejle hældninger, skal du ændre scriptet ved at fjerne linje 222. Dette vil generere et mønster i henhold til supplerende figur 20B eller supplerende animation 2. Grænsefladen for mønsterreferencer fra kontrolboksen består af *.csv-filer, hvor hver række definerer et separat sætpunkt for alle aktuatorer. Deri definerer de første otte kolonner referencetryk, de næste fire kolonner definerer referencerne for de direkte fungerende ventiler, og den sidste kolonne definerer det tidspunkt, hvor dette sætpunkt skal holdes. - Synkroniser den enkelte computer i kontrolboksen med den personlige computer, dvs. Til dette formål skal programmet "main.py" afbrydes (Ctrl+C).
14. Udførelse af klatreeksperimentet
- Udfør trin 11-13 for hver hældning, der skal testes.
- Ansting robotten på det markerede punkt på vandreflyet.
- Vælg en mønsterreference som beskrevet i trin 12.2-12.4, men vælg i den første menu den ønskede "robotversion" (i stedet for "clb"), og i den anden menu refererer mønsteret i henhold til den aktuelle hældning (i stedet for "mode_4.csv").
- Begynd at optage som beskrevet i trin 12.5.
- Tryk på knappen "funktion 1" for at aktivere trykregulatoren.
- Lad robotten gå/klatre i mindst 6 cyklusser.
- Stop optagelsen ved at trykke på knappen "optag" på skærmen (som i trin 12.7).
- Sørg for, at robotten ikke falder, når den udfører det næste trin.
- Stop trykstyringen ved igen at trykke på "funktion 1 "-knappen. Dette vil også stoppe vakuumforsyningen, og derfor vil robotten falde.
- Flyt den indspillede *.csv-fil til mappen "ExpEvaluation/[robotversion]/[mønstertype]/[hældning]/".
BEMÆRK: Gentag hvert løb mindst fem gange for at have en solid base for det næste trin.
15. Evaluering af eksperimentet
- Kør scriptet "ExpEvaluation/eval_vS11_adj_ptrn.py" i supplerende data 5 for automatisk at betyde over alle måledata.
BEMÆRK: Dette script udsender sporet af alle fødder, det anvendte tryk over tid, den målte bøjningsvinkel for alle lemmer over tid, robottens hastighed over tid, robottens retning over tid, middelhastigheden over hældning (jf. figur 2A) og en tilnærmelse af den energi, der bruges over hældning (jf. figur 2B).
Representative Results
Den præsenterede protokol resulterer i tre ting: en blød klatrerobot, en universelt anvendelig kontrolboks og en styringsstrategi for robottens lige bevægelse, der øger dens evne til at klatre og samtidig reducerer dens forbrugte energi. Kontrolboksen, der er beskrevet i afsnit 8, muliggør en kontinuerlig forsyning af det ønskede trykniveau på op til seks kanaler (kan udvides til otte) og desuden på fire kanaler, hvor der leveres vakuum (kan udvides efter behov). "User Interface Unit" gør det nemt for brugeren at betjene kontrolboksen under kørsel, og grænsefladen til skærmen gør det muligt at få vist og gemt de målte data direkte som en csv-fil. Mønsterreferencetilstanden i kontrolboksen giver brugeren en intuitiv grænseflade til at sløjfe foruddefinerede mønstre. Dette kan være gangart mønster af robotten, som i denne protokol, eller det kan bruges til aktuator træthed test, eller ethvert andet program, der kræver cyklisk belastning. Figur 1 viser alle hardwarekomponenter, der er samlet i kontrolboksen og målesystemet, og hvordan de er tilsluttet.
Gangmønsteret for robottens lige bevægelse er formuleret i kantede referencer8. For at betjene robotten skal disse kantede referencer omdannes til trykreferencer. Den kontrolstrategi, der anvendes i denne protokol, er baseret på en forudgående vinkeltrykkalibrering. Hver kalibreringsmetode resulterer i en anden alfatrykskurve. Det er derfor nødvendigt så vidt muligt at tilpasse kalibreringsproceduren til de reelle driftsforhold. Når du ændrer hældningsvinklen på gangplanet, ændres driftsbetingelserne også. Derfor skal vinkeltrykskurven kalibreres igen for hver hældning. Figur 2A viser robottens hastighed for forskellige hældninger med en uændret kalibrering og en ny kalibreret vinkeltrykkurve. Eksperimentet viser tydeligt effektiviteten af rekalibreringen. Den re-kalibrerede robot er ikke kun langt hurtigere, det er også i stand til at klatre stejlere hældninger (84° i stedet for 76 °), mens forbruge mindre energi9 som afbildet i figur 2B. I figur 3vises en række fotografier af robottens bevægelse for en hældning på 48°. Figuren viser tydeligt, at klatreydelsen med rekalibrering vist i figur 3B er meget bedre end med uændret kalibrering vist i figur 3A, da positionsskiftet inden for samme tidsinterval er næsten dobbelt så stort. Denne robot kan bevæge sig meget hurtigt i forhold til andre bløde robotter. Qin et al.7 opsummerer de fremadrettede hastigheder på forskellige bløde robotter. Uden nyttelast og i det vandrette plan er robotten, der er beskrevet i denne protokol, fem gange hurtigere i forhold til kropslængden end den hurtigste robot i Ref.7.
Figur 1: Diagram over hardwarekomponenter, der er samlet i kontrolboksen. Deri 
betegnes trykreferencen for i-th-kanalen, ui kontrolsignalet fra i-thproportionalventilen, vektoren, der 
indeholder vinkelreferencerne, α vektoren, der indeholder vinkelmålingerne, x vektoren, der indeholder positionsmålingerne, og ƒ vektoren, der indeholder kontrolsignalerne for de direkte virkende magnetventiler, dvs. UI er en forkortelse for "User Interface Unit", BBB er en forkortelse for BeagleBone Black, dvs enkelt-board computer, der anvendes i kontrolboksen, og RPi er en forkortelse for Raspberry Pi, dvs enkelt-bord computer, der anvendes i målesystemet. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 2: Evaluering af klatrepræstationen. Stiplede kurver viser værdierne for konstante og solide kurver for rekalibrerede trykreferencer. (A) Robottens fremadgående hastighed for forskellige hældningsvinkler. BB) Energiforbrug til forskellige hældningsvinkler. Dette tal er tilpasset fra Ref.9. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 3: Serie af fotos af robottens bevægelse med en hældning på 48°. Den tid, der er gået mellem hvert billede, er 1,2 s. (A) Bevægelse for konstant trykreferencer og (B) bevægelsen for rekalibrerede trykreferencer. Klik her for at se en større version af dette tal.
Supplerende figur 1: Udarbejdelse af elastomeren. Klik her for at downloade dette tal.
Supplerende figur 2: Sammenligning af luftbobledannelse under evakuering før og efter støbning. AA) Evakuering af elastomeren udføres kun før støbning. Fanget luftbobler ophold på plads, men de er mere i det område af bump, som ikke i høj grad påvirker aktuatorens funktionalitet. (B)Evakuering udføres før og efter støbning. Fanget luftbobler stige, men går i stå igen på oversiden af stiverne og skabe huller i aktuatoren, som kan påvirke funktionaliteten. Klik her for at downloade dette tal.
Supplerende figur 3: Eksempler på vellykkede og mislykkede hærdede støbeemner. Øverste række viser vellykkede eksempler og eksempler på den nederste række uden at blive eksempler. Hvis defekten ikke er tydeligt genkendelig, er den markeret med en grøn cirkel. Klik her for at downloade dette tal.
Supplerende figur 4: Fremstilling af basisdelen. Klik her for at downloade dette tal.
Supplerende figur 5: Ordning for fremstilling af den nederste del. Et rør (som senere anvendes som forsyningsrør til sugekoppen) er fastspændt i formen før støbning. Derefter er formen fyldt med flydende elastomer. Klik her for at downloade dette tal.
Supplerende figur 6: Sammenføjning af basis og bunddel. Klik her for at downloade dette tal.
Supplerende figur 7: Lamineringsstøbning af en blød bøjnings aktuator. Flydende elastomer er repræsenteret i rød, hærdet elastomer i lys rød, og den stamme-begrænsende lag samt forme i sort. (A) Blandet elastomer hældes i to separate forme - en for basisdelen og en for den nederste del. Dermed er den nederste del kun halvt fyldt. En stamme-begrænsende lag (levering rør) indsættes derefter i den nederste del skimmel. (B) Delene hærdes, og basisdelen afsælges. (C) Den nederste del skimmel er fyldt til toppen med flydende elastomer. (D) Basisdelen er dyppet i denne form. (E) De to dele hærdes sammen. (F) Aktuatoren er demolderet. Dette tal er baseret på ref.13. Klik her for at downloade dette tal.
Supplerende figur 8: Sammenføjning af alle lemmer. AA) Dækker overflader, der skal sammenfiskes med flydende elastomer. bB) Gengivet visning af hele samlingen. Klik her for at downloade dette tal.
Supplerende figur 9: Montering af tilførselsrørsindtag. Klik her for at downloade dette tal.
Supplerende figur 10: Fotografier af kontrolboksen. (A)Front visning af brugergrænsefladen enhed for at gøre det muligt for brugeren at interagere med robotten. (B)Detaljevisning af en ventilenhed. (C) Øverste visning af hele kontrolboksen. Klik her for at downloade dette tal.
Supplerende figur 11: Kredsløbsdiagram for brugergrænsefladeenheden. Klik her for at downloade dette tal.
Supplerende figur 12: Ventilenhedens kredsløbsdiagram. Klik her for at downloade dette tal.
Supplerende figur 13: Forenklet kredsløbsdiagram for hele kontrolboksen. Klik her for at downloade dette tal.
Supplerende figur 14: Diagram over brugte stifter af de enkeltbrætcomputere, der er integreret i kontrolboksen. (A) Brugte stifter af brættet er nødvendige for brugerkommunikation. (B) Brugte stifter af brættet er nødvendige for robot kontrol. Klik her for at downloade dette tal.
Supplerende figur 15: Gengivet visning af vandreplanet med installeret målesystem. Klik her for at downloade dette tal.
Supplerende figur 16: Visualisering af løfteeffekten. Pin nåle med 6 mm hoveder indsættes i begge ender af torsoen. Dette minimerer friktionen under gang og får sugekopperne til at have fuld kontakt med gangplanet. Klik her for at downloade dette tal.
Supplerende figur 17: Samling af de visuelle markører. Markørerne er monteret på robotten ved hjælp af pin nåle. Markør 0 er monteret på den forreste venstre fod, markør 1 på torsoens forside, markør 2 på den forreste højre fod, markør 3 på den bageste venstre fod, markør 4 på torsoens bagside og markør 5 på den bageste højre fod. Til montering af markør 4 anvendes tre nåle, der anvendes Dette tal tilpasses fra ref.9. Klik her for at downloade dette tal.
Supplerende figur 18: Forklaring af knapperne i kontrolboksen. Klik her for at downloade dette tal.
Supplerende figur 19: Forklaring af knapperne i den grafiske brugergrænseflade. Klik her for at downloade dette tal.
Supplerende figur 20: Gangmønstre til lige bevægelse af robotten. Faste fødder er angivet af fyldte cirkler og ikke-fastfod af ubesatte cirkler. (A) Gangmønster for lave og moderate hældningsvinkler (< 70°). (B) Gangmønster til høje tilbøjeligheder (> 70°). Vakuum påføres røde og sorte fyldte fødder. Sorte fyldte fødder er fastgjort til jorden, mens røde fødder ikke nødvendigvis behøver at være. For at sikre fikseringen svinges den fod, der skal fastgøres, frem og tilbage én gang. Dette tal er tilpasset fra Ref.9. Klik her for at downloade dette tal.
Supplerende figur 21: Afsmeltet eksplosionsvisning af den bløde klatrerobot. Svalehaler er placeret ved benene og tilsvarende keyways i torsoens ender. Dette gør sammenføjningsprocessen meget mere præcis. Dette tal er tilpasset fra Ref.9. Klik her for at downloade dette tal.
Supplerende figur 22: Forskellige kalibreringsprocedurer til bestemmelse af trykvinkelkurven. Hver underfigur viser det kvalitative trykforløb og snapshots af den tilsvarende robotstilling. (A) Hver aktuator er oppustet kontinuerligt begynder fra 0 bar op til 1 bar, mens alle andre forbliver trykløse. b) Der påføres et trykplateau på en enkelt aktuator i 3 s. derefter er det deflateret helt for 2 s. I næste runde øges niveauet af trykplateauet med tilvæksten, indtil plateauet når 1 bar. Dette gøres for hver aktuator individuelt. C) Samme procedure som i modus 2, men her anvendes samme plateau på aktuatorer (0,3,4), henholdsvis aktuatorer (1,2,5), på samme tid. (D)Samme procedure som i modus 3, men plateauer for aktuatorer (0,3) starter ved 0 bar (som før) og slutter ved 1,2 bar (i stedet for 1 bar). Grundlæggende øges forøgelsen for aktuatorer (0,3), mens intervallerne for de andre aktuatorer forbliver de samme. Klik her for at downloade dette tal.
Supplerende figur 23: Vinkeltrykskurver til forskellige kalibreringsprocedurer. Klik her for at downloade dette tal.
Supplerende Animation 1: Animation af robottens lige gangart. Klik her for at downloade denne fil.
Supplerende Animation 2: Animation af robottens klatring gangart. Klik her for at downloade denne fil.
Supplerende fil 1: Instruktioner til konfiguration af enkelt-board computere. Klik her for at downloade denne fil.
Supplerende fil 2: Udskriv skabelon til de visuelle mærker. Klik her for at downloade denne fil.
Supplerende data 1: CAD-filer. Denne zip-komprimerede mappe indeholder *.stl-filer til udskrivning af forme, *.dxf-filer til laserskæring huset af kontrolboksen, *.stl-filer til udskrivning af klemmer, der anvendes til målesystemet, og *.dxf-fil til laserskæring rammen af målesystemet. Klik her for at downloade denne fil.
Supplerende data 2: Kode til at køre på de enkelte computere. Denne zip-komprimerede mappe indeholder de programmer og deres kilder, der kører på brættet, der anvendes til "User Interface Unit", bestyrelsen bruges til robot kontrol, og bestyrelsen bruges til billedbehandling. Overfør hele mappen til alle tre opslagstavler. Klik her for at downloade denne fil.
Supplerende data 3: Eksemplariske måledata. Denne zip-komprimerede mappe indeholder to *.csv-filer, der blev genereret under kalibreringsproceduren. Klik her for at downloade denne fil.
Supplerende data 4: Kalibreringsscript. Denne zip-komprimerede mappe indeholder python-scriptet og dets kilder til evaluering af de måledata, der genereres under kalibreringsproceduren. Klik her for at downloade denne fil.
Supplerende data 5: Evalueringsscript. Denne zip-komprimerede mappe indeholder to python scripts og deres kilder til evaluering af de måledata, der genereres under klatreeksperimentet. Desuden indeholder den alle de måledata, der anvendes til generering af figur 2. Klik her for at downloade denne fil.
Discussion
Den præsenterede protokol indeholder mange forskellige aspekter relateret til klatrebløderobotten fra Ref.9, herunder fremstilling, kontrol, kalibrering og evaluering af ydeevnen. I det følgende diskuteres og struktureres fordele og ulemper som følge af protokollen i overensstemmelse med ovennævnte aspekter.
Den præsenterede fremstillingsmetode er stærkt baseret på den eksisterende litteratur10,13. En væsentlig forskel er udformningen af aktuatoren. For at slutte sig til de enkelte lemmer indsættes svalehalestyre på passende steder, som vist i supplerende figur 21. Dette resulterer i en langt mere præcis og robust forbindelse mellem lemmerne sammenlignet med robottens tidligere design8. Desuden er forsyningsrørene indlejret i den nederste del af aktuatorerne. Dette integrerede design gør det muligt at levere sugekopperne med vakuum og gør samtidig det nederste lag ikke længere strækbart, hvilket øger aktuatorens ydeevne betydeligt. En anden forskel i forhold til den procedure, der er beskrevet i litteraturen, er, at den blandede elastomer kun evakueres én gang (umiddelbart efter blanding). Mange kilder anbefaler at evakuere elastomer to gange: en gang efter blanding og en gang efter det er blevet fyldt ind i formen. Det kan ske, at luften forbliver fanget i meget små rum. I vakuumkammeret udvider denne luft sig og stiger i bedste fald op til overfladen. Ofte nok, men disse luftbobler sidder fast på deres vej, hvilket skaber ubehagelige huller i den færdige støbning. Her skal der træffes beslutning om, hvad der er vigtigst: perfekte konturer på basisdelens bundside eller så lille risiko som muligt for at fremstille en ikke-funktionel aktuator (jf. supplerende figur 2). I denne protokol udføres der ingen anden evakuering. I den fremlagte procedure kan højden af den nederste del variere, da den fyldes manuelt, og i modsætning til basisdelen er der ingen mulighed for at skære den til en ensartet højde efter hærdning. For at sikre, at højden på den nederste del er så ensartet som muligt, anbefales det at bruge en sprøjte, når formen af den nederste del fyldes, og at måle det volumen, der hældes i. Men afhængigt af hvor meget tid der er gået siden blanding, flow egenskaber af elastomeren ændre sig betydeligt. Derfor anbefales det altid at bruge friskblandet elastomer. Tilslutning til basen og den nederste del af aktuatoren indebærer den største procesusikkerhed. Hvis elastomerbadet er for højt, vil luftkanalen mellem kamrene højst sandsynligt også være dækket. Derefter er aktuatoren ikke længere brugbar. Hvis elastomerbadet er for lavt, kan forseglingslæben ikke være dækket i hele omkredsen, og aktuatoren lækker. Derfor tager det en vis mængde praksis at dosere elastomerbadet korrekt. Vigtigt for at deltage i almindelighed er en fedt-fri sammenføjning overflade. Hvis sammenføjningsoverfladen er for forurenet, kan den færdige aktuator delaminere. Derfor er det vigtigt at sikre, at delene kun berøres på overflader, der ikke skal samles. En væsentlig begrænsning af fremstillingsmetoden er antallet af stykker, der skal realiseres. Produktionen af en enkelt aktuator tager i alt mindst to timer. Selv om det er muligt at arbejde med flere forme parallelt, mere end fire er ikke anbefalelsesværdig på grund af tidspres. Potten liv elastomer er for kort til at være i stand til at fylde endnu flere forme. Desuden kan de 3D-printede forme kun modstå et begrænset antal produktionscyklusser (ca. 10-20), før de bliver meget deforme eller går i stykker. En yderligere begrænsning er den procesusikkerhed, der allerede er blevet drøftet. Da næsten alle procestrin udføres manuelt, er hver aktuator lidt anderledes. Dette kan føre til to robotter, der er identiske i byggeriet, men viser to meget forskellige adfærd.
Med kontrolboksen er der en metode til at styre robotten. Ikke desto mindre, for hvert pneumatiske system, kontrol gevinster af scriptet "Kode / arduino_p_ctr.ino" skal bestemmes individuelt. Dette er ikke omfattet af protokollen. Kontrolboksens "trykreferencetilstand" giver dog mulighed for en legende håndtering af robotten, så controllertuning kan foretages uden at skrive flere scripts. En anden begrænsning af kontrolboksen er dens omkostninger, da materialet koster omkring 7000 US $ i alt. Litteraturen11 tilbyder en byggevejledning til en kontrolboks, der kun koster omkring 900 US $ og med nogle opgraderinger kan også bruges til at betjene robotten.
Afgørende for kalibreringen af de enkelte aktuatorer er valget af kalibreringsproceduren. Supplerende figur 22 viser trykreferencernes kvalitative forløb over tid for fire forskellige procedurer, og supplerende figur 23 viser de resulterende vinkeltrykkurver. Som det kan ses i sidstnævnte, hver kalibreringsmetode resulterer i en anden vinkel-tryk kurve. Dette viser, at forholdet mellem tryk og vinkel er stærkt afhængig af belastningen, der fungerer på aktuatoren. Derfor skal kalibreringsproceduren afspejle den reelle belastningstilfælde så godt som muligt. Det er derfor nødvendigt så vidt muligt at tilpasse kalibreringsproceduren til de reelle driftsforhold. Den bedste gangydelse opnås med kalibreringsprocedure 4. Som det fremgår af figur 3B, er de efterfølgende stillinger i serien imidlertid ikke helt symmetriske, hvilket er en indikator for potentialet for forbedring af kalibreringen.
Afgørende for målesystemet er samlingen af de visuellemarkører 15 i afsnit 10. Da de ikke kan monteres direkte ved de ønskede punkter (fordi rørene forstyrrer), skal de målte punkter skiftes kunstigt. Der skal være særlig omhu ved bestemmelse af denne offsetvektor (i kameraets pixelkoordinater). Ellers vil hele målingen have betydelige systematiske fejl. Det skal også sikres, at mærkerne ikke fortrænges med tiden. Hvis dette sker, f.eks. Under alle omstændigheder bør det regelmæssigt kontrolleres, om målesystemet stadig giver pålidelig effekt.
Den begrænsende faktor i forsøget er fikseringen af fødderne. For at kunne forcere endnu stejlere tilbøjeligheder skal fikseringsmekanismen tages op til fornyet overvejelse. I øjeblikket er robotten ikke i stand til aktivt at skubbe sine fødder mod vandreplanet, og for høje hældninger er den normale kraft forårsaget af tyngdekraften for lille til at bringe sugekopperne tæt nok på gangplanet for at sikre pålidelig sugning.
Den præsenterede fremstillingsmetode kan overføres til enhver flydende elastomer aktuator og kan derfor være interessant for fremtidige anvendelser. Den præsenterede kontrolboks gør det muligt at styre ethvert pneumatiske system bestående af seks individuelle aktuatorer (kan udvides op til otte), herunder robotplatforme, da de kræver hurtig sensorisk feedback. Derfor kan det bruges som en universel platform til test og styring af fremtidige robotter. Endelig kan den præsenterede kalibreringsmetode i princippet være til ethvert fremføringsstyret pneumatiske system. Sammenfattende er alle præsenterede metoder universelle inden for det diskuterede anvendelsesområde.
Disclosures
Forfatterne erklærer, at de ikke har nogen konkurrerende finansielle interesser.
Acknowledgments
Forfatterne vil gerne takke Fynn Knudsen, Aravinda Bhari og Jacob Muchynski for nyttige diskussioner og inspiration.
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
- Majidi, C. Soft robotics: a perspective-current trends and prospects for the future. Soft Robotics. 1 (1), 5-11 (2014).
- 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).
