Name: Herstellung, Steuerung und Leistungsbewertung eines Gecko-inspirierten Softroboters (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2020-06-10T15:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 40 s
Description: Erfahren Sie die Herstellung und Steuerung eines gecko-inspirierten Softroboters zur Kletterbewertung. Diese Methode nutzt ein Soft-Robotics-Toolkit und ein pneumatisches Steuerungssystem für vielfältige Anwendungen.

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Die Autoren danken Fynn Knudsen, Aravinda Bhari und Jacob Muchynski für die hilfreichen Diskussionen und die Inspiration.

1. Drucken von Formen
<ol><li>Laden Sie die *.stl-Daten für Formen aus den Zusatzdaten 1 "CAD/Moulds/" herunter.</li>
	<li>Verwenden Sie die druckerspezifische Schneidesoftware, um die 3D-Modelle in einen Druckauftrag umzuwandeln.</li>
	<li>Drucken Sie die Formen mit einem 3D-Drucker.</li>
	<li>Reinigen Sie die bedruckten Formen, indem Sie sie 15 min in ein Ultraschallbad legen.</li>
	<li>Legen Sie die Formen für mindestens 3 h in eine UV-Kammer.</li>
</ol>2. Vorbereitung des Elastomers
<ol><li>Sammeln Sie folgendes, bevor Sie diesen Schritt starten: Elastomer (Teil A und Teil B), Spachtel, Kunststoffbecher, Form, Gewichtsskala, Kunststoffspritze, Schraubklemmen (oder ähnliches), Acrylglasplatte mit zwei entsprechenden Löchern, Messer.</li>
	<li>Mischen Sie Teil A und Teil B des Elastomers im Verhältnis 1:9 in einem Becher. Legen Sie den Becher auf eine Wägemaschine. Fügen Sie zunächst 5 g Teil B (dunkelrot) hinzu. Dann, mit einem Spachtel, fügen Sie 45 g Teil A (weiß und zähflüssig). HINWEIS: Stellen Sie sicher, dass die Genauigkeit des Wägens 1 g beträgt. 50 g reicht für einen Aktor aus. Der beste Weg, Teil A zu portionieren, ist, einen Spachtel zu nehmen und ihn abtropfen zu lassen. Mit dem verwendeten Spachtel sind ca. 6 g pro Entwässerungsvorgang möglich.</li>
	<li>Rühren Sie weiter, bis am Rand der Tasse keine weißen oder roten Bereiche mehr sichtbar sind.</li>
	<li>Legen Sie den Becher für 15 min in eine Vakuumkammer, um die Luft zu entfernen, die im Elastomer aufgrund des Rührvorgangs eingeschlossen ist.</li>
	<li>Füllen Sie das gemischte Elastomer in eine Plastikspritze. Dadurch kann das Elastomer viel präziser positioniert werden. HINWEIS: Ergänzende Abbildung 1 zeigt die in diesem Abschnitt beschriebenen Verarbeitungsschritte.</li>
</ol>3. Herstellung des oberen Teils (Basisteil)
<ol><li>Klemmen Sie eine Acrylglasplatte mit zwei entsprechenden Löchern auf die Form. Setzen Sie die Spritze in das untere Loch ein und drücken Sie das Elastomer in die Form.</li>
	<li>Tragen Sie Kraft auf die Spritze auf, indem Sie den Kolben drücken, bis das gemischte Elastomer aus dem oberen Loch auftaucht.</li>
	<li>Lösen Sie die Schraubklemmen und ziehen Sie die Acrylglasplatte seitlich ab. HINWEIS: Es ist wichtig, es zur Seite und nicht nach oben zu ziehen. Andernfalls wird das Elastomer aus der Form gezogen.</li>
	<li>Punktieren Sie die aufsteigenden Luftblasen mit einem scharfen Werkzeug. Nicht zu tief einstechen, da dies neue Luftblasen erzeugen wird, anstatt die vorhandenen zu entfernen. Es ist besonders wichtig, die größeren Blasen zu durchbohren, da diese später die Funktionalität des Aktuators erheblich beeinträchtigen werden. HINWEIS: Optional evakuieren Sie die gefüllte Form in der Vakuumkammer, um noch eingeschlossene Luft zu entfernen. Dabei kann es jedoch vorkommen, dass die aufsteigenden Luftblasen auf dem Weg zur Oberfläche auf der Form stecken bleiben und Löcher im Guss an funktional relevanten Bereichen schaffen. Ergänzende Abbildung 2 veranschaulicht dieses Phänomen.</li>
	<li>Die Form 30 min bei 65 °C in den Ofen geben.</li>
	<li>Prüfen Sie nach 10 min, ob der Gehalt des Elastomers deutlich gesunken ist. Dies geschieht, wenn die Form nicht vollständig dicht ist oder sich aufgrund des häufigen Gebrauchs leicht gebogen hat. Wenn der Pegel um mehr als 1 mm gesunken ist, füllen Sie das Elastomer nach. Fahren Sie dann mit der Aushärtung fort.</li>
	<li>Nach insgesamt 30 min im Ofen die Form herausnehmen und das extrudierte Elastomer mit einem Messer abschneiden.</li>
	<li>Öffnen Sie die Form, indem Sie mit einem Schraubendreher auseinander hebeln. Achten Sie darauf, keine für das Gießen relevanten Oberflächen zu beschädigen.</li>
	<li>Entfernen Sie den fast fertigen Aktuator aus dem Teil der Form, an dem er im vorherigen Schritt feststeckte. HINWEIS: Hier kann eine erste visuelle Überprüfung durchgeführt werden, um festzustellen, ob das Casting erfolgreich war. Werden irreparable Mängel festgestellt (siehe Zusatzabbildung 3), ist hier der Herstellungsprozess zu stoppen. Kleinere Löcher können später repariert werden. Es ist auch wichtig, dass die Dichtlippe über ihren gesamten Umfang so ausgeprägt wie möglich ist.</li>
	<li>Schneiden Sie alle hervorstehenden Grate mit einem Messer ab. Dies ist manchmal sehr mühsam, aber wichtig für ein gutes Endergebnis. HINWEIS: Ergänzende Abbildung 4 veranschaulicht die in diesem Abschnitt beschriebenen Verarbeitungsschritte. Die beschriebenen Schritte gelten für das Gießen der vier Beine (die Form finden Sie in der Zusatzdatei 1 "CAD/Moulds/small_leg_schwalbe*.stl") und den beiden Grundteilen des Oberkörpers ("CAD/Moulds/small_belly*.stl"). Um die Saugnäpfe (Füße des Roboters, zu finden in "CAD/Moulds/suctionCup*.stl") oder den unteren Teil des Oberkörpers ("CAD/Moulds/small_torso_base1*.stl") zu gießen, führen Sie die gleichen Prozessschritte aus, mit Ausnahme der Schritte 3.1 und 3.3, da diese Gussformen einen eingebauten Anschluss für die Spritze haben und daher keine zusätzliche Acrylglasplatte erforderlich ist. Insgesamt bauen Sie vier Basisteile des Beins, zwei Basisteile des Oberkörpers, einen unteren Teil des Oberkörpers und vier Saugnäpfe.</li>
</ol>4. Herstellung des unteren Teils (unterer Teil)
<ol><li>Schieben Sie ein Silikonrohr durch die dafür vorgesehenen Löcher in der Form des unteren Teils, siehe Ergänzende Abbildung 5.</li>
	<li>Füllen Sie die Form des Basisteils mit Elastomer und verteilen Sie sie mit dem kleinen Spachtel bis zu den Ecken. HINWEIS: Der Gehalt des Elastomers sollte nicht höher als 5 mm und nicht niedriger als 4 mm sein und muss das eingebettete Rohr vollständig abdecken. Die Form für den unteren Teil der Beine finden Sie in der Ergänzungsdatei 1 "CAD/Moulds/small_base_schwalbe.stl".</li>
	<li>Legen Sie die Form für 15-20 min zur Aushärtung in den Ofen. Für die folgenden Schritte ist es notwendig, dass der untere Teil vorerst mit dem oberen Teil verbunden bleibt.</li>
</ol>5. Verbinden der Basis und des unteren Teils
<ol><li>Füllen Sie die Form des unteren Teils mit Elastomer, so dass der Pegel 1–1,5 mm über dem bereits gehärteten Elastomer liegt.</li>
	<li>Setzen Sie eine Schmetterlingskanüle in das Basisteil ein und markieren Sie die Punktionsstelle, damit sie später leichter gefunden werden kann. Dieser Schritt ist notwendig, damit die expandierende Luft im Ofen entweichen kann.</li>
	<li>Legen Sie das Grundteil in die Bodenform und drücken Sie nur die Seiten leicht in das Elastomerbad.</li>
	<li>Den Aktuator 10–15 min in den Ofen stellen und anschließend entfernen. HINWEIS: Es sollte einfach sein, den Aktuator aus der Form zu entfernen. Wenn dies nicht der Fall ist, ist entweder das Elastomer noch nicht vollständig ausgehärtet (in diesem Fall erhöhen Sie die Aushärtungszeit um 10 min) oder der untere Teil ist in der Form stecken (in diesem Fall sollte es härter gezogen werden). Aber im Allgemeinen ist es ein schlechtes Zeichen, wenn der Aktuator nicht leicht freigegeben werden kann.</li>
	<li>Schließen Sie eine Druckquelle mithilfe der Punktionsstelle aus Schritt 5.2 an und führen Sie die abschließende Dichtheitsprüfung durch, siehe Ergänzende Abbildung 6. HINWEIS: Wenn kleine Leckagen vorhanden sind, können sie repariert werden. Die Anwendung eines kleinen Elastomers mit einem kleinen Spachtel und 10 min im Ofen sollte das Leck beheben. Wenn alle Leckagen behoben sind, ist der Aktuator bereit. Ergänzende Abbildung 6 veranschaulicht die in diesem Abschnitt beschriebenen Verarbeitungsschritte und die ergänzende Abbildung 7 veranschaulicht den gesamten prozessbeschriebenen Prozess, der in den Abschnitten 3 bis 5 beschrieben wird. Führen Sie die gleichen Schritte aus, mit Ausnahme von Schritt 5.1, bei dem Sie die Form, sondern den unteren Teil nicht direkt füllen.</li>
</ol>6. Verbindung aller Gliedmaßen
<ol><li>Befestigen Sie die teile, die mit einer Nadel auf einem Holzbrett verbunden werden sollen, damit sie im folgenden Prozessschritt zusammengehalten werden können.</li>
	<li>Bedecken Sie die Verbindungsfläche mit Elastomer, wie in der ergänzenden Abbildung 8Adargestellt. Stellen Sie sicher, dass die Verbindungsfläche sauber und fettfrei ist. Andernfalls werden die Teile an dieser Stelle delaminiert.</li>
	<li>Legen Sie die Baugruppe (siehe Zusatzabbildung 8B) für 10–15 min in den Ofen.</li>
</ol>7. Montage von Versorgungsrohreinlässe
<ol><li>Verbreitern Sie die Einfügemarke der Schmetterlingskanüle von Schritt 5.2 weiter, indem Sie eine 1 mm Allen-Taste verwenden.</li>
	<li>Legen Sie das Ende eines Silikonrohres mit einem maximalen Außendurchmesser von 3 mm über das Loch und drücken Sie es mit der Allen-Taste ein.</li>
	<li>Versiegeln Sie den Einlass mit einem kleinen Elastomer. Dies schützt auch vor mechanischer Beanspruchung.</li>
	<li>Legen Sie die Baugruppe für 10 min in den Ofen. HINWEIS: In der ergänzenden Abbildung 9 werden die in diesem Abschnitt beschriebenen Verarbeitungsschritte veranschaulicht.</li>
</ol>8. Bau des Steuerkastens
<ol><li>Laden Sie die entsprechenden *.dxf-Zeichnungen des Gehäuses aus Supplementary Data 1 "CAD/ControlBox/" herunter und schneiden Sie sie auf einem Laserschneider aus.</li>
	<li>Montieren Sie die "User Interface Unit" auf der Frontplatte gemäß Zusatzabbildung 10A und Zusatzabbildung 11.</li>
	<li>Bauen Sie die sechs "Ventileinheiten" nach Zusatzabbildung 10B und Zusatzabbildung 12.</li>
	<li>Montieren Sie die sechs "Ventileinheiten" und die "Benutzeroberflächeneinheit" auf der unteren Platte gemäß Der Zusatzabbildung 10C, der Zusatzabbildung 13 und der Zusatzabbildung 14. Montieren Sie die beiden Seitenwände und die Rückseite. Dann montieren Sie die obere Platte.</li>
	<li>Konfigurieren Sie die beiden in das Steuerfeld eingebetteten Single-Board-Computer gemäß Zusatzdatei 1 und laden Sie den vollständigen Ordner "Code" (einschließlich aller Unterordner) hoch, der in den Zusatzdaten 2 bereitgestellt wird, auf beide Boards.</li>
	<li>Laden Sie das Skript "Code/arduino_p_ctr.ino" in den Zusatzdaten 2 auf die sechs mikrocontroller hoch, die in der Steuerbox eingebettet sind.</li>
</ol>9. Aufbau eines Prüfstandes mit integriertem Messsystem
<ol><li>Laden Sie die entsprechende *.dxf-Zeichnung des Kamerahalters aus Supplementary Data 1 "CAD/TestBench/" herunter und schneiden Sie sie auf einem Laserschneider aus.</li>
	<li>Laden Sie die entsprechenden *.stl-Dateien der Klemmen aus Supplementary Data 1 "CAD/TestBench" herunter und drucken Sie sie auf einem 3D-Drucker aus.</li>
	<li>Montieren Sie den Kamerahalter mit den Klemmen auf einem DIN-A1-Plakatnachschlag nach Zusatzabbildung 15 und montieren Sie die Kamera und einen Einplatinencomputer am vorgesehenen Ort.</li>
	<li>Konfigurieren Sie die Ethernet-Schnittstelle und die SSH-Einstellungen des Single-Board-Computers gemäß den Abschnitten 4–5 der Zusatzdatei 1 und laden Sie den kompletten Ordner "Code" (Zusatzdaten 2) auf die Platine hoch.</li>
</ol>10. Einrichten des gesamten Systems
<ol><li>Erstellen Sie ein lokales Netzwerk und weisen Sie allen Single-Board-Computern und dem computer, der für die Überwachung verwendet wird, die richtige IP-Adresse aus dem Skript "Code/main.py" zu – oder schreiben Sie das Skript entsprechend um.</li>
	<li>Setzen Sie Nadeln in beide Enden des Oberkörpers ein, wie in DerZusatzabbildung 16dargestellt, so dass der Roboter nur die Gehebene mit den Stiften und seinen Füßen (Saugnäpfe) kontaktiert.</li>
	<li>Drucken Sie die visuellen Marker15 aus, die in der Zusatzdatei 2 auf einem DIN-A4-Blatt angegeben sind, und schneiden Sie sie mit einer Schere aus.</li>
	<li>Befestigen Sie die Marker mit Nadeln gemäß Zusatzabbildung 17am Roboter.</li>
	<li>Schließen Sie den Roboter an die Steuerbox an. ANMERKUNG: Abbildung 1 zeigt die Verdrahtung des gesamten Systems.</li>
</ol>11. Ausführen des Steuerkastens
<ol><li>Schalten Sie den Hauptschalter der Steuerbox ein und warten Sie, bis alles gestartet ist.</li>
	<li>Melden Sie sich mit SSH als "root" beim Hauptcomputer mit nur einem Board an, navigieren Sie zum Ordner "Code" und starten Sie das Steuerfeld mit dem Befehl " root@beaglebone: "python3 main.py". Starten Sie den Monitor auf dem PC gleichzeitig mit dem Befehl "user@pc: " python2 monitor.py". HINWEIS: Beide Programme müssen mehr oder weniger gleichzeitig gestartet werden. Das Programm "main.py", das auf dem Einplatinencomputer in der Steuerbox ausgeführt wird, versucht, eine Verbindung zu dem zur Überwachung verwendeten PC herzustellen. Wenn es keinen Abhöranschluss am PC gibt (ausgelöst durch das Skript "monitor.py"), wird der Monitor nicht gestartet. Mit Ausnahme von "monitor.py" sind alle in diesem Protokoll verwendeten Programme/Skripte für die Ausführung mit python3 vorgesehen.</li>
	<li>Schließen Sie eine Druckquelle an die Steuerbox (max. 1,2 bar) an.</li>
	<li>Schließen Sie eine Vakuumquelle an die Steuerbox an.</li>
</ol>12. Kalibrieren des Roboters
<ol><li>Stellen Sie den Roboter auf die Laufebene des Prüfstandes. Bei steilen Steigungen befestigen Sie eine Schnur zwischen der Vorderseite des Roboters und der Oberseite der Gehebene, um den Roboter an Ort und Stelle zu halten.</li>
	<li>Aktivieren Sie im Steuerfeld den Modus "Musterreferenz", indem Sie die Schaltfläche "Modus 2" drücken, wie in Der Ergänzenden Abbildung 18dargestellt.</li>
	<li>Blättern Sie durch das Menü, das auf der LCD-Anzeige angezeigt wird, indem Sie die Schaltflächen nach oben und unten verwenden, bis Sie den Eintrag "clb" finden. Drücken Sie dann die Eingabetaste.</li>
	<li>Scrollen Sie durch das nächste Menü bis zum Eintrag "mode_4.csv" und drücken Sie die Schaltfläche"Enter".</li>
	<li>Drücken Sie auf dem Monitor die Taste "Aufzeichnung",wie in der Zusatzabbildung 19dargestellt. HINWEIS: Durch Drücken der Schaltfläche"Record"wird automatisch eine *.csv-Datei auf dem Überwachungscomputer an der in "Code/Src/GUI/save.py:save_last_sample_as_csv()" angegebenen Position erstellt, d. h. der Ordner "current_exp" (Beispielmessungen finden Sie in Supplementary Data 3).</li>
	<li>Drücken Sie auf der Steuerbox die Taste "Funktion 1", um den Kalibrierungsvorgang zu starten.</li>
	<li>Nach der Kalibrierung drücken Sie die Taste "Aufzeichnen" auf dem Monitor, um die Aufnahme zu beenden, und die "Funktion 1" Taste auf der Steuerbox, um den Druckregler zu stoppen.</li>
	<li>Benennen Sie die automatisch erstellte Datei "current_exp/*.csv" um, damit sie später eindeutig identifiziert werden kann.</li>
	<li>Führen Sie das Skript "Calibration/eval_clb.py" aus, das in den Zusatzdaten 4 angegeben ist, und speichern Sie die Ausgabe (Koeffizienten der Polynomanpassung) in der Datei "Code/Src/Controller/calibration.py" als Eintrag mit dem Schlüsselwort "[Roboterversion]" im vorhandenen Wörterbuch.</li>
</ol>13. Erstellen eines Gangmusters
<ol><li>Führen Sie das Skript "Code/Patterns/create_pattern.py" aus und speichern Sie die ausgegebenen *.csv-Dateien im Ordner "Code/Patterns/[robot version]/". HINWEIS: Dieses Skript wandelt das vordefinierte Gangmuster für geraden Gang8 (siehe Ergänzende Abbildung 20A oder Ergänzende Animation 1), die in Winkelreferenzen formuliert sind, in roboterspezifische Druckreferenzen um. Um ein Gangmuster für steile Steigungen zu erzeugen, ändern Sie das Skript, indem Sie zeile 222 entkommentieren. Dadurch wird ein Muster gemäß Der Zusatzabbildung 20B oder der ergänzenden Animation 2generiert. Die Schnittstelle für Musterreferenzen, die vom Steuerfeld bereitgestellt werden, besteht aus *.csv-Dateien, in denen jede Zeile einen diskreten Sollwert für alle Aktuatoren definiert. Darin definieren die ersten acht Spalten die Referenzdrücke, die nächsten vier Spalten die Referenzen für die direkt wirkenden Ventile und die letzte Spalte definiert die Zeit, zu der dieser Sollwert gehalten werden soll.</li>
	<li>Synchronisieren Sie den Einplatinencomputer in der Steuerbox mit dem PC, d.h. laden Sie den Ordner "Code/Pattern/*" auf die Platine hoch. Dazu muss das Programm "main.py" unterbrochen werden (Strg+C).</li>
</ol>14. Durchführung des Kletterexperiments
<ol><li>Führen Sie die Schritte 11–13 für jede zu prüfende Neigung aus.</li>
	<li>Platzieren Sie den Roboter an der markierten Stelle auf der Gehebene.</li>
	<li>Wählen Sie eine Musterreferenz wie in den Schritten 12.2–12.4 beschrieben, aber wählen Sie im ersten Menü die gewünschte "Roboterversion" (anstelle von "clb") und im zweiten Menü die Musterreferenz entsprechend der aktuellen Neigung (anstelle von "mode_4.csv").</li>
	<li>Starten Sie die Aufzeichnung wie in Schritt 12.5 beschrieben.</li>
	<li>Drücken Sie die Taste "Funktion 1", um den Druckregler zu aktivieren.</li>
	<li>Lassen Sie den Roboter für mindestens 6 Zyklen gehen / klettern.</li>
	<li>Beenden Sie die Aufnahme, indem Sie die Taste"Aufnahme"auf dem Monitor drücken (wie in Schritt 12.7).</li>
	<li>Stellen Sie sicher, dass der Roboter nicht fällt, wenn Sie den nächsten Schritt ausführen.</li>
	<li>Stoppen Sie den Druckregler, indem Sie erneut die Taste "Funktion 1" drücken. Dadurch wird auch die Vakuumversorgung gestoppt, und folglich wird der Roboter fallen.</li>
	<li>Verschieben Sie die aufgezeichnete *.csv-Datei in den Ordner "ExpEvaluation/[robot version]/[pattern type]/[inclination]/". HINWEIS: Wiederholen Sie jeden Durchlauf mindestens fünf Mal, um eine solide Basis für den nächsten Schritt zu haben.</li>
</ol>15. Bewertung des Experiments
<ol><li>Führen Sie das Skript "ExpEvaluation/eval_vS11_adj_ptrn.py" aus, das in Zusatzdaten 5 bereitgestellt wird, um automatisch alle Messdaten zu bedeuten. ANMERKUNG: Dieses Skript gibt die Spur aller Füße, den aufgebrachten Druck über die Zeit, den gemessenen Biegewinkel aller Gliedmaßen im Zeitverlauf, die Geschwindigkeit des Roboters im Zeitverlauf, die Ausrichtung des Roboters im Zeitverlauf, die mittlere Geschwindigkeit über die Neigung (vgl. Abbildung 2A) und eine Annäherung der über die Neigung verbrauchten Energie (vgl. Abbildung 2B) aus.</li>
</ol>

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</ol>

Die Autoren erklären, dass sie keine konkurrierenden finanziellen Interessen haben.

Das vorgestellte Protokoll enthält viele verschiedene Aspekte im Zusammenhang mit dem Kletter-Softroboter aus Ref.9, einschließlich Fertigung, Steuerung, Kalibrierung und Leistungsbewertung. Im Folgenden werden die Vor- und Nachteile, die sich aus dem Protokoll ergeben, nach den oben genannten Aspekten erörtert und strukturiert.
Die vorgestellte Herstellungsmethode basiert stark auf der vorhandenen Literatur10,13. Ein wesentlicher Unterschied ist das Design des Aktuators. Um die einzelnen Gliedmaßen zu verbinden, werden an geeigneten Stellen Schwalbenschwanzführungen eingefügt, wie in der ergänzenden Abbildung 21dargestellt. Dies führt zu einer viel präziseren und robusteren Verbindung zwischen den Gliedmaßen im Vergleich zum vorherigen Design des Roboters8. Darüber hinaus sind die Versorgungsrohre in den unteren Teil der Aktuatoren eingebettet. Dieses integrierte Design ermöglicht die Vakuumzufuhr der Saugnäpfe und macht gleichzeitig die Bodenschicht nicht mehr dehnbar, was die Leistung des Aktuators deutlich erhöht. Ein weiterer Unterschied zu dem in der Literatur beschriebenen Verfahren besteht darin, dass das gemischte Elastomer nur einmal evakuiert wird (unmittelbar nach dem Mischen). Viele Quellen empfehlen, das Elastomer zweimal zu evakuieren: einmal nach dem Mischen und einmal nach dem Einfüllen in die Form. Es kann vorkommen, dass die Luft auf sehr kleinem Raum gefangen bleibt. In der Vakuumkammer dehnt sich diese Luft aus und steigt im besten Fall an die Oberfläche. Oft genug jedoch bleiben diese Luftblasen auf ihrem Weg stecken, was unangenehme Löcher im fertigen Guss schafft. Hier muss eine Entscheidung darüber getroffen werden, was wichtiger ist: perfekte Konturen auf der Unterseite des Grundteils oder so wenig Risiko wie möglich, einen nicht-funktionellen Aktuator herzustellen (vgl. Zusatzabbildung 2). In diesem Protokoll wird keine zweite Evakuierung durchgeführt. In dem vorgestellten Verfahren kann die Höhe des unteren Teils variieren, da es manuell gefüllt wird, und im Gegensatz zum Basisteil gibt es keine Möglichkeit, es nach dem Aushärten auf eine gleichmäßige Höhe zu schneiden. Um sicherzustellen, dass die Höhe des unteren Teils so gleichmäßig wie möglich ist, wird empfohlen, eine Spritze beim Befüllen der Form des unteren Teils zu verwenden und das eingegossene Volumen zu messen. Je nachdem, wie viel Zeit seit dem Mischen verstrichen ist, ändern sich die Fließeigenschaften des Elastomers jedoch deutlich. Daher wird empfohlen, immer frisch gemischtes Elastomer zu verwenden. Der Anschluss an die Basis und den unteren Teil des Aktuators bringt die größte Prozessunsicherheit mit sich. Wenn das Elastomerbad zu hoch ist, wird höchstwahrscheinlich auch der Luftkanal zwischen den Kammern abgedeckt. Dann ist der Aktuator nicht mehr nutzbar. Wenn das Elastomerbad zu niedrig ist, kann die Dichtlippe nicht in ihrem gesamten Umfang abgedeckt werden und der Aktuator würde auslaufen. Daher braucht es eine gewisse Menge an Praxis, um das Elastomerbad richtig zu dosieren. Wichtig für die Verbindung im Allgemeinen ist eine fettfreie Fügefläche. Ist die Fügefläche zu verunreinigt, kann der fertige Aktuator delaminatieren. Daher ist es wichtig, dass die Teile nur auf Oberflächen berührt werden, die nicht verbunden werden sollen. Eine wesentliche Einschränkung der Herstellungsmethode ist die Anzahl der zu realisierenden Stücke. Die Herstellung eines einzelnen Aktors dauert insgesamt mindestens zwei Stunden. Obwohl es möglich ist, mit mehreren Formen parallel zu arbeiten, sind mehr als vier aus Zeitgründen nicht zu empfehlen. Die Topfzeit des Elastomers ist zu kurz, um noch mehr Formen füllen zu können. Darüber hinaus halten die 3D-gedruckten Formen nur einer begrenzten Anzahl von Produktionszyklen (ca. 10–20) stand, bevor sie stark verformt werden oder brechen. Eine weitere Einschränkung sind die bereits diskutierten Prozessunsicherheiten. Da fast alle Prozessschritte manuell ausgeführt werden, ist jeder Aktuator etwas anders. Dies kann zu zwei Robotern führen, die in der Konstruktion identisch sind, aber zwei sehr unterschiedliche Verhaltensweisen aufweisen.
Mit der Steuerbox wird eine Methode zur Steuerung des Roboters bereitgestellt. Dennoch müssen für jedes pneumatische System die Steuergewinne des Skripts "Code/arduino_p_ctr.ino" individuell bestimmt werden. Dies ist im Protokoll nicht abgedeckt. Der "Druckreferenzmodus" der Steuerbox ermöglicht jedoch eine spielerische Handhabung des Roboters, so dass die Controller-Tuning ohne mehrere Skripte erfolgen kann. Eine weitere Einschränkung der Schaltbox sind die Kosten, da das Material insgesamt etwa 7000 US-Dollar kostet. Die Literatur11 bietet eine Bauanleitung für eine Steuerbox, die nur etwa 900 US-Dollar kostet und mit einigen Upgrades auch für den Betrieb des Roboters verwendet werden könnte.
Entscheidend für die Kalibrierung der einzelnen Aktuatoren ist die Wahl des Kalibrierverfahrens. Ergänzende Abbildung 22 zeigt den qualitativen Verlauf der Druckreferenzen im Zeitverlauf für vier verschiedene Verfahren und Ergänzende Abbildung 23 die resultierenden Winkeldruckkurven. Wie in letzterem zu sehen ist, ergibt jede Kalibrierungsmethode eine andere Winkeldruckkurve. Dies zeigt, dass das Verhältnis zwischen Druck und Winkel stark von der Belastung des Aktors abhängt. Daher muss das Kalibrierungsverfahren den realen Lastfall so gut wie möglich widerspiegeln. Daher ist es notwendig, das Kalibrierverfahren so weit wie möglich an die realen Betriebsbedingungen anzupassen. Die beste Gehleistung wird mit dem Kalibrierungsverfahren 4 erzielt. Wie jedoch in Abbildung 3Bzu sehen ist, sind die nachfolgenden Posen in der Reihe nicht vollständig symmetrisch, was ein Indikator für das Verbesserungspotenzial bei der Kalibrierung ist.
Entscheidend für das Messsystem ist die Montage der visuellen Marker15 in Abschnitt 10. Da sie nicht direkt an den gewünschten Punkten montiert werden können (weil die Rohre stören), müssen die gemessenen Punkte künstlich verschoben werden. Bei der Bestimmung dieses Offsetvektors (in Pixelkoordinaten der Kamera) ist besondere Vorsicht geboten; Andernfalls hat die gesamte Messung erhebliche systematische Fehler. Es muss auch sichergestellt werden, dass die Tags nicht mit der Zeit verschoben werden. Geschieht dies z.B. aufgrund eines Absturzes des Roboters, muss das entsprechende Tag exakt an der gleichen Stelle wieder montiert werden. In jedem Fall sollte regelmäßig überprüft werden, ob das Messsystem noch eine zuverlässige Leistung liefert.
Der begrenzende Faktor im Experiment ist die Fixierung der Füße. Um noch steilere Neigungen erklimmen zu können, muss der Befestigungsmechanismus überdacht werden. Derzeit ist der Roboter nicht in der Lage, seine Füße aktiv gegen die Laufebene zu drücken, und bei hohen Steigungen ist die durch die Schwerkraft verursachte normale Kraft zu klein, um die Saugnäpfe nah genug an das Gehflugzeug zu bringen, um eine zuverlässige Absaugung zu gewährleisten.
Das vorgestellte Herstellungsverfahren kann auf jeden Fluidelastomerantrieb übertragen werden und könnte daher für zukünftige Anwendungen interessant sein. Die vorgestellte Steuerbox ermöglicht die Steuerung jedes pneumatischen Systems, bestehend aus sechs einzelnen Aktuatoren (erweiterbar auf bis zu acht), einschließlich Roboterplattformen, da sie eine schnelle sensorische Rückkopplung erfordern. Daher könnte es als universelle Plattform für die Erprobung und Steuerung zukünftiger Roboter verwendet werden. Schließlich kann die vorgestellte Kalibriermethode grundsätzlich für jedes vorschubgesteuerte pneumatische System gelten. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass alle vorgestellten Methoden innerhalb des diskutierten Bereichs universell sind.

Die Interaktion zwischen Mensch und Maschine rückt immer enger. Die zunehmende Roboterdichte in Unternehmen und Haushalten stellt die Robotertechnik vor neue Herausforderungen. Häufig werden Gefahren durch Trennungsmethoden ausgeschlossen, aber in vielen Bereichen, insbesondere in Haushalten, ist dies keine zufriedenstellende Lösung. Soft Robotics beheis ist die Lösung dieses Problems, indem sie Eigenschaften weicher Materialien und Strukturen verwendet, um neue Maschinentypen zu entwickeln, die sich wie lebende Organismen verhalten1, weshalb weiche Roboter oft von biologischen Modellen inspiriert sind2. Die meisten weichen Roboter können in zwei verschiedene Typen eingeteilt werden: mobile Roboter und Roboter für Greifen und Manipulation3. Für weiche mobile Roboter sind typische Fortbewegungsprinzipien Crawling, Walking, Running, Jumping, Flying und Schwimmen4. Ein weiteres interessantes Anwendungsgebiet für Softroboter ist das Klettern – eine Kombination aus Fortbewegung und Haftung5. Weiche Maschinen sind sehr robust und können ihre Umgebung aufgrund ihrer Weichheit nicht beschädigen. Diese Eigenschaft prädestiniert diese Roboterklasse für das Klettern, da sie einen Sturz leicht überstehen können. Folglich bietet die Literatur mehrere Beispiele für weiche Roboter, die in der Lage sind,6,7,8zuklettern.
Das Ziel dieses Protokolls ist es, eine Methode zur Herstellung, Kontrolle und Bewertung der Leistung eines gecko-inspirierten, kletternden Weichen Roboters9bereitzustellen. Sein Design basiert auf der Verwendung von schnellen Pneunet weichen Biegeantriebe10 aus Elastomer. Es könnte jedoch auch ein anderes Soft-Aktuator-Design und/oder Material verwendet werden. Die Literatur bietet eine breite Palette von verschiedenen Designs von weichen Aktuatoren11 und geeigneten Materialien12. Die vorgestellte Herstellungsmethode ähnelt den bestehenden Methoden13, enthält aber einige Modifikationen, die zu erhöhter Wiederholbarkeit und Robustheit führen, zumindest im Fall des Softkletterroboters9. Das Verfahren gilt für schnelle Pneunetbiegeantriebe im Allgemeinen und könnte daher für Neulinge im Bereich der Aktuatorfertigung interessant sein.
Zur Steuerung pneumatischer betätigter Softroboter bietet die Literatur unterschiedliche Lösungen. Es reicht von kostengünstigen und einfach zu replizierenden Steuertafeln13 bis hin zu leistungsstarken, aber komplexeren Boards14, die ohne Spezialwerkzeuge nicht wieder aufgebaut werden können. Hier beigesteuert wird eine kurze Beschreibung für den Bau einer pneumatischen Steuerbox mit Hilfe eines Laserschneiders und eines Lötkolbens. Die Steuerbox ermöglicht die Versorgung von Druck und bietet sensorisches Feedback in Echtzeit, was besonders für Robotikanwendungen wichtig ist. Es kann jedoch auch für viele andere Anwendungen verwendet werden.

<table><tbody><tr><td>3D-Drucker</td><td>Formlabs</td><td>Form 2</td><td></td></tr><tr><td>Acrylglasplatte mit zwei Löchern</td> <td>-</td><td></td> <td>zum Gießen, siehe Ergänzende</td></tr><tr><td>Acrylglas-Rückwand-siehe</td><td></td><td></td> <td>Ergänzende</td></tr><tr><td>Acrylglas-Bodenplatte-siehe</td><td></td><td></td> <td>Ergänzende</td></tr><tr><td>Acrylglas-Frontplatte-siehe</td> <td>Ergänzende Acrylglas-Vorderplatte</td><td></td><td></td></tr><tr><td> Glas-Seitenteil-siehe</td><td></td><td></td> <td>Ergänzende</td></tr><tr><td>Acrylglas-Oberplatte-siehe</td><td></td><td></td> <td>Ergänzende</td></tr><tr><td>Arduino Nano</td><td>Arduino</td><td>A000005</td><td></td></tr><tr><td>Allan Key 1mm</td><td></td><td></td><td>in jeder Werkstatt erhältlich</td></tr><tr><td>BeagleBone Black</td><td>Beagleboard</td><td>BBB01-SC-505</td><td></td></tr><tr><td>Schmetterlingskanüle</td><td>B. Braun Melsungen AG</td><td>5039573</td><td></td></tr><tr><td>Klemme 1 für</td> <td>Messsystem-siehe</td><td></td><td></td></tr> <tr><td>Zusatzklemme 2 für</td> <td>Messsystem-siehe</td><td></td> <td>Zusatz-Cuttermesser</td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td>in jeder Werkstatt erhältlich</td></tr><tr><td>Direktwirkende Magnetventile</td><td>Norgren</td><td>EXCEL22 DM/49/MDZ83J/T4</td><td></td></tr><tr><td></td><td>Elastomer Wacker Chemie</td><td>ELASTOSIL M4601</td><td></td></tr><tr><td>Rahmenmesssystem Teil</td> <td>1-siehe</td><td></td> <td>Ergänzendes</td></tr><tr><td>Rahmenmesssystem Teil</td> <td>2-siehe</td><td></td> <td>Ergänzender</td></tr><tr><td>Lasercutter</td><td>Trotec</td><td>SP500</td><td></td></tr><tr><td>LED</td><td>RND COMPONENTS</td><td>RND 210-00013</td><td></td></tr><tr><td>LCD</td><td>JOY-IT</td><td>SBC-LCD16X2</td><td></td></tr><tr><td>Formunterteil</td> <td>Bein-siehe</td><td></td><td> </td></tr><tr><td>Ergänzungsform Unterteil Rumpf</td> <td>1-see</td><td></td><td></td></tr> <tr><td>Ergänzungsform Unterteil Rumpf</td> <td>2-siehe</td><td></td><td></td></tr> <tr><td>Ergänzungsform Schaft</td> <td>1-siehe</td><td></td> <td>Ergänzungsform</td></tr><tr><td>Schaft</td> <td>2-siehe</td><td></td><td></td></tr> <tr><td>Ergänzungsform Torso</td> <td>1-siehe</td><td></td> <td>Ergänzungsform</td></tr><tr><td>Torso 2</td><td>-</td><td></td><td>siehe Zusatz</td></tr><tr><td>Backofen</td><td>Binder</td><td>ED 115</td><td></td></tr><tr><td>Kunststoffbecher</td><td></td><td></td><td>in jedem Supermarkt erhältlich</td></tr><tr><td>Kunststoffspritze</td><td></td><td></td><td>in jeder Apotheke</td></tr><tr><td>erhältlich Plakattafel</td><td>Net-xpress.de (Händler)</td><td>10620232</td><td>als Lauffläche</td></tr><tr><td>Potentiometer</td><td>VISHAY</td><td>P16NM103MAB15</td><td></td></tr><tr><td>Netzteil</td><td>Impulsmaß</td><td>CPS20.241-C1</td><td></td></tr><tr><td>Drucksensor</td><td>Honeywell</td><td>SSCDANN150PG2A5</td><td></td></tr><tr><td>Druckquelle</td><td>EINHELL</td><td>4020600</td><td></td></tr><tr><td>Proportionalventile</td><td>Festo</td><td>MPYE-5-1/8-LF-010-B</td><td>6x</td></tr><tr><td>Raspberry Pi</td><td>RASPBERRY PI</td><td>RASPBERRY PI 3B+</td><td></td></tr><tr><td>Raspberry Pi Cam</td><td>RASPBERRY PI</td><td>RASPBERRY PI KAMERA V2.1</td><td></td></tr><tr><td>Harz</td><td>Formlabs</td><td>Grau Harz 1l</td><td></td></tr><tr><td>Schraubklemmen</td><td>VELLEMAN</td><td>3935-12</td><td></td></tr><tr><td>Silikonschlauch 2mm</td><td>Festo</td><td>PUN-H-2X0,4-NT</td><td>zum Anschluss des Roboters an die Steuerbox</td></tr><tr><td>Silikon Schlauch 2,5mm</td><td>Schlauch24</td><td>n/a</td><td>für Zuleitungsschlauch Einlass (https://www.ebay.de/itm/281761715815)</td></tr><tr><td>Schalter</td><td>MIYAMA</td><td>MS 165</td><td></td></tr><tr><td>Ultraschallbad</td><td>RND LAB</td><td>605-00034</td><td></td></tr><tr><td>UV-Kammer</td><td>formlabs</td><td>Form Cure</td><td></td></tr><tr><td>Vakuumkammer + Pumpe</td><td>COPALTEC</td><td>PURE PERFEKTION</td><td></td></tr><tr><td>Waage</td><td>KERN-SOHN</td><td>PCB 2500-2</td><td>min. Auflösung 1g</td></tr></tbody></table>

herstellung, steuerung und leistungsbewertung eines gecko-inspirierten softroboters

Manufacturing, Control, and Performance Evaluation of a Gecko-Inspired Soft Robot

Dieses Protokoll stellt eine Methode zur Herstellung, Steuerung und Bewertung der Leistung eines weichen Roboters dar, der geneigte flache Oberflächen mit Steigungen von bis zu 84° erklimmen kann. Die Herstellungsmethode gilt für die schnellen Pneunetbiegeantriebe im Allgemeinen und könnte daher für Neulinge im Bereich der Aktuatorfertigung interessant sein. Die Steuerung des Roboters erfolgt über eine pneumatische Steuerbox, die beliebige Drücke liefern kann und nur mit gekauften Komponenten, einem Laserschneider und einem Lötkolben gebaut werden kann. Für die Gehleistung des Roboters spielt die Druckwinkelkalibrierung eine entscheidende Rolle. Daher wird ein halbautomatisches Verfahren zur Druckwinkelkalibrierung vorgestellt. Bei hohen Steigungen (> 70°) kann sich der Roboter nicht mehr zuverlässig am Gehflugzeug fixieren. Daher wird das Gangmuster geändert, um sicherzustellen, dass die Füße auf der Gehebene befestigt werden können.

Dieses Protokoll enthält eine detaillierte Liste der Schritte, die für die Herstellung, Steuerung und Bewertung der Kletterleistung eines gecko-inspirierten Weichroboters durchgeführt werden müssen.

Herstellung, Steuerung und Leistungsbewertung eines Gecko-inspirierten Softroboters

This protocol presents a method for manufacturing, control, and evaluation of the performance of a soft robot that can climb inclined flat surfaces with ...

Diese Technik verwendet ein Soft-Robotik-Toolkit, um unseren gecko inspirierten Weichenroboter herzustellen, der durch eine universelle pneumatische Steuerbox manipuliert werden kann. Der Einsatz eines Softkletterroboters ermöglicht eine Vielzahl von Anwendungen, die hohe Anforderungen an die Maschine stellen. Zum Beispiel für die Reinigung von Solarspiegeln oder Wolkenkratzerfassaden.Grundsätzlich kann jeder andere weiche Roboter mit dieser Methode in jedem pneumatischen System mit einer Controller-Box betrieben werden. Die Herstellung der Aktuatoren erfolgt meist von Hand und erfordert Übung. Erwarten Sie nicht, dass es beim ersten Versuch perfekt funktioniert.Um das Elastomer vorzubereiten, fügen Sie fünf Gramm Elastomer Teil B Verbindung, und 45 Gramm Teil A Verbindung pro Aktuator zu einer Tasse auf einem Gleichgewicht. Und rühren Sie den Becherinhalt, bis keine weißen oder roten Bereiche am Rand der Tasse sichtbar sind. Legen Sie dann den Becher für 15 Minuten in eine Vakuumkammer, um luftbereite Luft zu entfernen, die während des Rührvorgangs im Elastomer gefangen wurde.Und laden Sie das Würfelgusselastomer in eine 50-Milliliter-Spritze. Zum Hersteller des Grundteils zuerst Acrylglasplatte mit zwei entsprechenden Löchern auf die Form klemmen und die Spritze in das untere Loch einsetzen. Drücken Sie den Kolben, um das Elastomer in eine Bein- oder Rumpfform zu laden.Wenn die Verbindung aus dem oberen Loch auftaucht, lösen Sie die Schraubklemmen und ziehen Sie die Acrylglasplatte seitlich von der Form ab. Verwenden Sie ein scharfes Werkzeug, um aufsteigende Luftblasen zu durchstechen. Dann fügen Sie zusätzliche seastomer.Punktieren Sie die aufsteigenden Blasen wieder und legen Sie die Form in war 65 Grad Celsius Ofen. Nach 30 Minuten nehmen Sie die Form aus dem Ofen und verwenden Sie ein Schneidmesser, um ein extrudiertes Elastomer zu entfernen. Legen Sie einen Hebelarm zwischen die Formteile, um ihn zu öffnen, ohne die Gussflächen zu beschädigen und das fast Aktuatorstück aus der Form zu entfernen.Wenn das Gießen erfolgreich war, verwenden Sie das Schneidmesser, um alle hervorstehenden Bänder zu entfernen. Für den Hersteller der Saugnäpfe und den unteren Teil des Oberkörpers folgen Sie dem gleichen Verfahren, aber ohne die Verwendung von zusätzlichen Acrylglasplatten. Zum Hersteller des unteren Teils des Beins drücken Sie ein Silikonrohr durch die Löcher im unteren Teil der Form und füllen Sie die Form mit Elastomer.Dann verwenden Sie einen kleinen Spachtel, um das Elastomer an die Ecken der Form zu verteilen und die Form im Ofen für 15 bis 20 Minuten zu härten. Wenn der Boden des Gusses abgekühlt ist, füllen Sie die Form des unteren Teils mit frischem Elastomer, auf ein bis 1,5 Millimeter über dem bereits gehärteten Elastomer und legen Sie eine Schmetterlingskanüle in den Basisguss ein. Nach der Markierung der Punktionsstelle zur späteren Identifizierung die obere Basis in die Bodenform legen und die Seiten leicht in das Elastomerbad drücken.Nach 10 bis 15 Minuten im Ofen, entfernen Sie den Aktuator aus der Form und verwenden Sie die Punktionsstelle, um das Gerät an eine Druckquelle anzuschließen, um eine abschließende Dichtheitsprüfung durchzuführen. Um den Rumpf zu fertigen füllen Sie das untere Teil mit Elastomer und legen Sie das Basisteil in den unteren Teil. Zur Vorbereitung der Gliedmaßenverbindungsfläche bedecken Sie die Verbindungsfläche mit Elastomer und befestigen Sie die zu verbindenden Teile mit Nadelnadeln auf einem Holzbrett.Nach der Aushärtung, verbinden Sie die Saugnäpfe mit den Beinen befestigt Nadeln im Oberkörper, um sicherzustellen, dass alle Teile in der gleichen Ebene sind, dann sind Sie die Montage für weitere 10 bis 15 Minuten. Verwenden Sie einen Ein-Millimeter-Alle-Schlüssel, um die Einfügemarke zu verbreitern und das Ende eines Silikonrohrs mit einem Durchmesser von nicht mehr als drei Millimetern über das Einsteckloch zu legen. Drücken Sie die Taste, um das Rohr in das Loch zu drücken und den Einlass mit einer kleinen Menge Elastomer zu versiegeln.Dann die Montage im Ofen für weitere 10 Minuten aushärten. Zur Einrichtung verbindet das gesamte System Versorgungsrohre mit den Einlässe aller Aktoren. Verbinden Sie die in den Beinen eingebetteten Versorgungsrohre mit den Saugnäpfen und befestigen Sie die Marker mit Nadeln am Roboter.Schließen Sie den Roboter an die Steuerbox an und schließen Sie eine Druckquelle mit einem maximalen Druck von 1,2 bar und eine Vakuumquelle an die Steuerbox an. Um ein Kletterexperiment durchzuführen, platzieren Sie den Roboter am Startpunkt des Wanderflugzeugs und starten Sie die Aufnahme. Drücken Sie Funktion eins, um den Druckregler zu aktivieren und lassen Sie den Roboter gehen und klettern für mindestens sechs Zyklen.Drücken Sie die Aufzeichnung, um die Aufzeichnung zu stoppen, und stellen Sie sicher, dass der Roboter nicht fällt, wenn der Druckregler angehalten wird. Drücken Sie dann die Funktion ein, um den Druckregler zu stoppen. Es ist notwendig, das Kalibrierverfahren so genau wie möglich an die realen Betriebsbedingungen anzupassen.Beim Ändern des Neigungswinkels der Gehebene ändern sich auch die Betriebsbedingungen. Daher muss die Winkeldruckkurve für jede Neigung neu kalibriert werden. Nach der Neukalibrierung in dieser Analyse war der Roboter nicht nur schneller, sondern konnte auch steilere Steigungen erklimmen und dabei weniger Energie verbrauchen.In diesen Bildern wird die Bewegung des Roboters für eine Neigung von 48 Grad gezeigt. Wie dargestellt, wurde die Kletterleistung des Roboters nach der Neukalibrierung deutlich verbessert, da die Positionsverschiebung im gleichen Zeitintervall fast doppelt so groß ist. Wie wir bei den Saugnäpfen beobachtet haben, können mit diesem Herstellungsverfahren verschiedene komplexe Formen hergestellt werden.Auch solche mit Undercuts. Beim Verbinden der einzelnen Teile ist es sehr wichtig, dass Verbündete in der gleichen Ebene, sonst wird die Kletterfähigkeit des Roboters drastisch reduziert werden. Der Roboter ist eine interessante Plattform für die Erforschung neuer Bewegungsstrategien.Zum Beispiel kann das Ausführen einer Kurve von diesem Roboter auf sehr unterschiedliche Weise durchgeführt werden.

manufacturing-control-performance-evaluation-gecko-inspired-soft

Research

Forschung

JoVE Journal

Engineering

Ingenieurwesen

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