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Methodenartikel

Herstellung von weichen pneumatische Netzwerk Aktoren mit schrägen Kammern

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DOI:

10.3791/58277

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17. August 2018

 ,  ,  , 
1State Key Laboratory of Mechanical System and Vibration, Shanghai Jiao Tong University, 2Robotics Institute, School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, 3University of Michigan-Shanghai Jiao Tong University Joint Institute, Shanghai Jiao Tong University

* These authors contributed equally

In diesem Artikel

Zusammenfassung

Hier präsentieren wir ein Herstellungsverfahren von weichen pneumatische Netzwerk Aktoren mit schrägen Kammern. Die Aktuatoren sind geeignet zur Erzeugung gekoppelten biegen und verdrehen Bewegungen, die erweitert ihre Anwendung in der weiche Robotik.

Zusammenfassung

Weiche pneumatische Netzwerk Aktoren sind eines der vielversprechendsten Betätigung Geräte in der weiche Robotik welche Vorteile aus ihrer großen Biegung Verformung und low-Input geworden. Jedoch hält sie ihre monotonen Biegung Bewegung Form im zweidimensionalen (2D) Raum vom breite Anwendungen. Dieses Papier stellt eine detaillierte Herstellungsverfahren weichen pneumatische Netzwerk Antriebe mit schrägen Kammern, um ihre Bewegungen im dreidimensionalen (3D) Raum zu erkunden. Das Design der schrägen Kammern ermöglicht Stellantriebe mit einstellbaren biegen und verdrehen Fähigkeiten, verleiht ihnen die Möglichkeit, in flexiblen Manipulatoren geschickt bewegen, biologisch inspirierte Roboter und Medizinprodukte werden gekoppelt. Die Fertigung basiert auf die Formteil-Methode, einschließlich Silikon Elastomer Vorbereitung, Kammer und Basis Teile Fertigung, Aktor Montage, Schlauchverbindungen, Kontrollen auf Dichtheit und Antrieb Reparatur. Das Herstellungsverfahren garantiert die schnelle Herstellung einer Reihe von Aktoren mit wenigen Modifikationen in den Formen. Die Testergebnisse zeigen die hohe Qualität der Antriebe und deren prominente biegen und verdrehen Fähigkeiten. Versuche des Greifers zeigen die Vorteile der Entwicklung bei der Anpassung an Objekten mit unterschiedlichen Durchmessern und Bereitstellung ausreichend Reibung.

Einleitung

Weiche pneumatische Antriebe (BSG) sind weiche Geräte, die durch die einfache Eingabe von Luft Druck1,2betätigt werden können. Sie können mit verschiedenen Materialien wie Silikon Elastomere3, Stoffe4, Formgedächtnis-Polymere5und Dielektrische Elastomere6hergestellt werden. Forscher profitierten von ihrer Natur von Compliance, geschickten Bewegungen und einfache Herstellung Methoden7, so dass Spa eines der vielversprechendsten Geräte für weiche Robotik-Anwendungen8,9geworden sind. Thermen realisieren verschiedene anspruchsvolle Bewegungen, wie10, Drehung11, kriechend und Rollen12 basierend auf verschiedenen Arten der Verformung, einschließlich der Verlängerung, Erweiterung, biegen und verdrehen13, 14. um verschiedene Arten von Bewegungen machen zu können, sollen in verschiedenen Strukturen, z. B. eine lineare Körper mit parallelen Kanälen15, einer monolithischen Kammer mit Glasfaser-Verstärkung16, Thermen und Netzwerke von wiederholt teilkammern17. Unter ihnen sind die Thermen mit Netzen von wiederholten teilkammern, weiche pneumatische Netzwerk Aktoren, weit verbreitet eingesetzt, da sie große Verformungen unter einer relativ niedrigen Eingangsdruck erzeugen können. Jedoch kann die meisten früheren Entwürfe, diese Art von Aktoren nur Verbiegende Bewegungen in 2-D-Raum, generieren ihre Anwendungen erheblich einschränkt.

Eine weiche pneumatische Netzwerk Antrieb besteht aus einer linear angeordnete Gruppe von Kammern, die durch einen internen Kanal verbunden. Jeder Kubikmeter Kammer enthält ein paar der gegenüberliegenden Wänden, die dünner als die anderen beiden sind und produziert eine zweiseitige Inflation in der Richtung senkrecht zu den dünneren Wänden. Ursprünglich die dünnere Wände der Kammern sind senkrecht zur Längsachse des Körpers Antrieb und zusammen mit der langen Achse aufblasen. Diese kollinearen Inflationen in Kammern und der nicht erweiterbare Basis führen zu ein integraler reine Biegung des Antriebs. Um den Aktor Bewegung im 3D-Raum zu erkunden, ist die Ausrichtung der Kammern abgestimmt, so dass die dünneren Seitenwände nicht mehr senkrecht zur Längsachse des Antriebs (Abb. 1A), sind die Inflation Richtung jeder Kammer ermöglicht zum Ausgleich von der Achse und werden nicht kollinear. Alle parallelen, aber nicht kollinear Inflationen verwandeln sich die Bewegung des Antriebs in einer gekoppelten Biege- und Drehbewegung im 3D-Raum18. Diese gekoppelte Bewegung ermöglicht die Antriebe mehr Flexibilität und Geschicklichkeit und Aktoren einen geeigneten Kandidat für praktische Anwendungen, z. B. flexible Manipulatoren, biologisch inspirierte Roboter und medizinische Geräte.

Dieses Protokoll zeigt die Herstellung dieser Art von weichen pneumatische Netzwerk Aktoren mit schrägen Kammern. Freuen Sie sich auf Vorbereitung der Silikon-Elastomer, Herstellung von Kammer und Unterteile, Montage des Antriebs, den Schlauch anschließen, auf Dichtheit prüfen und ggf. Reparatur des Antriebs. Es kann auch zur fertigen normalen weichen pneumatische Netzwerk Aktoren und andere weiche Aktoren, die mit einigen einfachen Änderungen an Spritzguss-Verfahren hergestellt werden können. Wir bieten detaillierte Schritte, um eine weiche Pneumatikantrieb mit 30° schräge Kammern zu fabrizieren. Für unterschiedliche Anwendungen können Stellantriebe mit verschiedenen Kammer Winkel nach dem gleichen Protokoll hergestellt werden. Darüber hinaus können die Antriebe zu einem Multi-Antrieb System für verschiedene Anforderungen kombiniert werden.

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Protokoll

Hinweis: Das Protokoll sieht die Herstellung Verfahren eines weichen pneumatische Netzwerk-Antriebs. Vor der Herstellung Verfahren, eine Reihe von Formen und mehrere Aktor-Schlauch-Anschlüsse sollen die mit Computer-aided Design (CAD) Software 3-D-gedruckt im voraus sein muss. Die Formen sind in Abbildung 1Bdargestellt.

(1) Silikon-Elastomer-Vorbereitung

  1. Wiegt 5 g Silikon elastomerteil B und 45 g Teil A [9:1 (a) Gewichtsteile] im gleichen Mischbehälter (Abb. 2A). Verwenden Sie eine Spritze, um sicherzustellen, dass die Proportionen der einzelnen Teile korrekt sind.
    Hinweis: Das Mischungsverhältnis variiert für verschiedene Silikonelastomere. Der Anteil der einzelnen Teile sollten angepasst werden, wenn ein anderes Silikon-Elastomer angenommen wird.
  2. Mischen Sie die Silikon-Elastomer mit zentrifugalen Planetenmischer gut.
    Hinweis: Die Silikon-Elastomer kann bei niedrigen Temperaturen verlängern die Verarbeitungszeit gespeichert werden.

2. Kammer Teil Fertigung

  1. Sprühen Sie das Schimmel-Trennmittel für Silikon-Elastomer-Produkte gleichmäßig auf den Oberflächen der Form Teil A und Teil B.
  2. Montieren Sie Teil A und Teil B der Form für die Herstellung einer Kammer. Halten Sie beide Enden der Form mit Clips, um zu verhindern das Austreten von Silikon-Elastomer.
  3. Nehmen Sie 5 mL Silikon-Elastomer mit einer Spritze und Spritzen Sie es langsam in das Loch der Form für die Herstellung der Verbindung Ende (die zylindrische Struktur an einem Ende des Antriebs für den Anschluss der Schläuche). Füllen Sie die ganze Form mit Silikon-Elastomer (Abbildung 2B).
    Hinweis: Halten Sie eine low-Flow-Rate und bewegen Sie sich hin und her langsam, die Silikon-Elastomer, die winzigen Strukturen der Form eingeben zu lassen.
  4. Stechen Sie die Luftblasen, die bilden auf der Oberfläche mit einer Nadelspitze bis gibt es keine mehr Bläschen sichtbar (Abbildung 2C).
  5. Kratzen Sie überschüssiges Silikon-Elastomer mit einer Klinge entlang der Oberseite der Form.
  6. Legen Sie die Form in den Ofen bei 70 ° C, bis das Silikon-Elastomer ausgehärtet ist.
  7. Verwenden Sie eine Spritze, um Silikon-Elastomer in die Bläschen und die Löcher auf der Oberfläche des Antriebs zu injizieren.
  8. Jede überschüssige Silikon-Elastomer auf der Oberfläche abkratzen.
  9. Legen Sie die Form in den Ofen bei 70 ° C, bis das Silikon-Elastomer ausgehärtet ist.

3. Basisteil Fertigung

  1. Spray Schimmel-Trennmittel für Silikon-Elastomer-Produkte gleichmäßig auf der Oberfläche des das Formteil C.
  2. Gießen Sie die Silikon-Elastomer in Teil C der Form.
  3. Stechen Sie die Luftblasen, die bilden auf der Oberfläche mit einer Nadelspitze, bis keine Luftblasen mehr sichtbar sind.
  4. Kratzen Sie überschüssiges Silikon-Elastomer mit einer Klinge entlang der Oberseite der Form.
  5. Legen Sie die Form in den Ofen bei 70 ° C, bis das Silikon-Elastomer ausgehärtet ist.

(4) Antrieb-Montage

  1. Gießen Sie gleichmäßig eine Schicht aus Silikon-Elastomer, 1 mm Dicke, auf der einen Seite des Basisteils.
  2. Ort der Kammer Teil auf dem Basisteil. Verwenden Sie eine Spritze, um die Silikon-Elastomer in den Raum zwischen der Kammer und dem Basisteil (Abbildung 2D) zu injizieren.
  3. Legen Sie den Antrieb im Backofen bei 70 ° C, bis das Silikon-Elastomer ausgehärtet ist.

(5) Schlauchanschluss

  1. Tippen Sie auf die 3-D-gedruckt Aktor-Schlauchanschluss zu akzeptieren, dass die Schraube von einem männlichen Gestüt-Push-in pneumatische Armatur passen.
  2. Verwenden Sie eine Nadel, um die Verbindung Ende des Antriebs entlang der Mittellinie des Zylinders zu durchbohren. Der Durchmesser der Bohrung mit einer Stahlstange, etwa 2 mm zu erhöhen.
  3. Schrauben Sie den Aktor-Schlauchanschluss in den Antrieb (Abb. 2E).
  4. Schieben Sie einen Teil der Schläuche in der männlichen Gestüt Push-in Fit pneumatische Armatur.

(6) auslaufen Sie überprüfen und reparieren

  1. Den Antrieb an eine Luftquelle anschließen.
  2. Den gesamte Antrieb im Wasser zu platzieren und den Antrieb (Abbildung 2F) unter Druck zu setzen. Beobachten Sie, ob aufgrund eines Lecks Bläschen gebildet werden.
  3. Verwenden Sie eine Spritze, die Silikon-Elastomer leckagestellen zuzuführen. Legen Sie den Antrieb im Backofen bei 70 ° C, bis das Silikon-Elastomer ausgehärtet ist.
  4. Wiederholen Sie die Schritte 6.1-6.3, wenn nötig.

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Ergebnisse

Einzigen Antrieb:
Um die Herstellungsverfahren zu überprüfen und zeigen die Funktion des Antriebs, 30°, 45° und 60° wurden Aktoren hergestellt und getestet. Für das Experiment Set-up war eine Luftpumpe eingesetzt, um das Ventil zu aktivieren. Das Ventil war der Antrieb, den internen Druck zu kontrollieren verbunden. Der einzige Antrieb wurde an seinem Ende Verbindung und vertikal angeordnet. Während der Antrieb unter Druck war, wurden zwei Digitalkameras verwendet, um ...

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Diskussion

Der Beitrag stellt ein Protokoll über Methode zur Herstellung von weichen pneumatische Netzwerk Aktoren mit schrägen Kammern führen. Im Anschluss an das Protokoll kann ein Aktor selbstständig innerhalb von 3 h hergestellt werden. Die wichtigsten Schritte im Protokoll können wie folgt zusammengefasst werden. (i) das Silikon-Elastomer ist im Verhältnis vorbereitet und gut gemischt. (Ii) das Silikon-Elastomer ist in die Form für die Herstellung von der Kammer und dem base Teil gegossen. (Iii) die Luftblasen auf die freilieg...

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Offenlegungen

Die Autoren haben nichts preisgeben.

Danksagungen

Diese Arbeit wurde von der National Natural Science Foundation of China unter Grant 51622506 und die Wissenschaft und Technologie Kommission der Shanghai Municipality unter Grant 16JC1401000 unterstützt.

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
SilikonelastomerWackerELASTOSIL M4601 A/BWerkstoff der Antriebe
Spritze Shanghai Kindly Medical Instruments 10 mlWird verwendet, um Silikonkautschuk in das Loch der Form für die Herstellung des Verbindungsendes zu injizieren
PräzisionswaageShanghai HochoiceUTP-313Wird zum Wiegen des Silikonkautschuks verwendet
Planetenzentrifugal-VakuummischerTHINKYARE-310Wird verwendet, um den Silikonkautschuk zu mischen und nach dem Mischvorgang zu entschäumen
TrennmittelSmooth-onRelease 200Wird zur einfachen Entformung verwendet & nbsp;
NeedleShanghai Freundliche medizinische Instrumente Wird zum Durchstechen der Blasen verwendet, die sich auf der Oberfläche bilden
UniversalklingeM& G Chenguang StationeryASS91325Wird zum Abkratzen von überschüssigem Silikonkautschuk entlang der Oberseite der Form verwendet.
VakuumofenNingbo SI InstrumentDZF-6050Wird verwendet, um die Aushärtungszeit des Silikonkautschuks zu verkürzen
Pneumatische Steckverbindung mit männlichem BolzenZhe Jiang BLCH Pneumatik Wissenschaft & TechnologiePC4-01Wird verwendet, um die Schläuche und den 3D-gedruckten Aktuatorschlauchverbinder
zu verbinden SchlauchSMCTU0425Wird für die Betätigung der Aktuatoren
verwendet VakuumpumpeZhe Jiang BLCH Pneumatik Wissenschaft & Technologie, die als Luftquelle
verwendet wird DruckventilZhe Jiang BLCH Pneumatische Wissenschaft & TechnologieIR1000-01BGWird zur Einstellung des Eingangsluftdrucks verwendet

Referenzen

  1. Rus, D., Tolley, M. T. Design, fabrication and control of soft robots. Nature. 521 (7553), 467-475 (2015).
  2. Ilievski, F., Mazzeo, A. D., Shepherd, R. F., Chen, X., Whitesides, G. M. Soft robotics for chemists. Angewandte Chemie International Edition. 50 (8), 1890-1895 (2011).
  3. Shepherd, R. F., et al. Multigait soft robot. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 108 (51), 20400-20403 (2011).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. Galloway, K. C., et al. Soft Robotic Grippers for Biological Sampling on Deep Reefs. Soft Robotics. 3 (1), 23-33 (2016).
  9. 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).
  10. Tolley, M. T., et al. A Resilient, Untethered Soft Robot. Soft Robotics. 1 (3), 213-223 (2014).
  11. Ainla, A., Verma, M. S., Yang, D., Whitesides, G. M. Soft, Rotating Pneumatic Actuator. Soft Robotics. 4 (3), 297-304 (2017).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. Martinez, R. V., et al. Robotic tentacles with three-dimensional mobility based on flexible elastomers. Advanced Materials. 25 (2), 205-212 (2013).
  16. Polygerinos, P., et al. Modeling of Soft Fiber-Reinforced Bending Actuators. IEEE Transactions on Robotics. 31 (3), 778-789 (2015).
  17. Mosadegh, B., et al. Pneumatic Networks for Soft Robotics that Actuate Rapidly. Advanced Functional Materials. 24 (15), 2163-2170 (2014).
  18. 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).
  19. Marchese, A. D., Katzschmann, R. K., Rus, D. A Recipe for Soft Fluidic Elastomer Robots. Soft Robotics. 2 (1), 7-25 (2015).

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