Nous présentons ici une méthode de fabrication des vérins souples réseau pneumatique avec chambres obliques. Les actionneurs sont capables de générer des couplés de flexion et de torsion des requêtes, qui élargit leur application en robotique doux.
Un abonnement JoVE est requis pour visualiser ce contenu. Connectez-vous ou commencez votre période d'essai gratuite.
Article de méthode
Fabrication de doux réseau pneumatique actionneurs avec chambres Oblique
* These authors contributed equally
Dans cet article
Résumé
Résumé
Actionneurs réseau pneumatique doux sont devenus un des dispositifs de déclenchement plus prometteurs en robotique soft qui bénéficie de leurs grandes déformations de flexion et un apport réduit. Toutefois, leur forme de mouvement flexion monotone dans l’espace à deux dimensions (2d) ils maintiennent loin de vastes applications. Cet article présente une méthode de fabrication détaillées des actionneurs de réseau pneumatique doux avec des chambres obliques, d’explorer leurs mouvements dans l’espace à trois dimensions (3d). La conception des chambres obliques permet aux actionneurs avec tunable couplé de flexion et de torsion des capacités, ce qui leur donne la possibilité de bouger adroitement dans manipulateurs flexibles, pour devenir biologiquement inspirés des robots et des dispositifs médicaux. Le procédé de fabrication est basé sur la méthode de moulage, y compris du silicone élastomère préparation, chambre et base pièces fabrication, raccords de tuyauterie, actionneur, vérifie les fuites et la réparation de l’actionneur. Le procédé de fabrication garantit la fabrication rapide d’une série d’actionneurs avec seulement quelques modifications dans les moules. Les résultats des tests montrent la grande qualité des actionneurs et leur flexion et de torsion des capacités proéminent. Expériences de la pince démontrent les avantages de la mise au point en s’adaptant aux objets de différents diamètres et frottement suffisant.
Introduction
Vérins pneumatiques souples (SPAs) sont des dispositifs douces qui peuvent être actionnées par la simple entrée d’air pression1,2. Ils peuvent être fabriqués avec des matériaux divers, comme les élastomères de silicone3, tissus4, mémoire de forme polymères5et élastomères diélectrique6. Les chercheurs ont bénéficié de leur nature de conformité, mouvements agiles et de méthodes de fabrication simple7, tels que les SPAs sont devenus un des dispositifs plus prometteurs pour applications de robotique doux8,9. SPAs peuvent réaliser divers mouvements sophistiqués, tels que rampante de10à11de rotation et rouler12 basé sur différents types de déformation, y compris les étendre, élargir, flexion et torsion13, 14. pour être en mesure de faire différents types de mouvements, les SPAs sont conçus dans différentes structures, comme un corps linéaire avec canaux parallèles15, une chambre monolithique avec fibre-renforts16, et réseaux de reprise sous-chambres17. Parmi eux, les SPAs avec les réseaux des sous-chambres répétées, les vérins souples réseau pneumatique, sont largement employés parce qu’ils peuvent générer des grandes déformations sous une pression d’entrée relativement faible. Toutefois, dans la plupart des conceptions précédentes, ce type d’actionneurs peut générer uniquement des mouvements de flexion dans l’espace 2D, ce qui limite considérablement leurs applications.
Un actionneur réseau pneumatique souple constituée d’un groupe arrangé linéairement des chambres reliées par un canal interne. Chaque chambre cubique contient une paire de parois opposées qui sont plus minces que l’autre paire et produit une inflation recto-verso dans la direction perpendiculaire aux parois plus minces. A l’origine, les plus minces parois des chambres sont perpendiculaires à l’axe longitudinal du corps de l’actionneur et gonflent avec l’axe longitudinal. Ces inflations colinéaires dans chambres et de la base non extensible conduisent à une flexion pure intégrale de l’actionneur. Afin d’étudier le mouvement de l’actionneur dans un espace 3D, l’orientation des chambres est à l’écoute pour que les parois latérales-diluant ne sont plus perpendiculaires à l’axe longitudinal de l’actionneur (Figure 1A), qui permet à la direction de l’inflation de chaque chambre décalage de l’axe et ne deviennent pas colinéaires. Tous les inflations parallèles mais non colinéaires transforment le mouvement de l’actionneur une flexion couplés et le mouvement de torsion dans un espace 3D18. Ce mouvement couplé permet les actionneurs plus de flexibilité et de dextérité et rend les actionneurs un candidat approprié pour des applications plus pratiques, comme manipulateurs flexibles, inspirée des robots et dispositifs médicaux.
Ce protocole indique la méthode de fabrication de ce type d’actionneurs réseau pneumatique doux avec chambres obliques. Vous y préparer l’élastomère de silicone, fabrication de la chambre et les pièces de base, montage de l’actionneur, le tube de raccordement, vérification des fuites et, si nécessaire, réparer l’actionneur. Il peut également être utilisé pour fabriquer des actionneurs normale du réseau pneumatique doux et autres actionneurs souples qui peuvent être produits avec quelques modifications simples à la méthode de moulage. Nous fournissons des instructions détaillées pour fabriquer un actionneur pneumatique doux avec chambres oblique à 30°. Pour différentes applications, actionneurs avec des angles différents de chambre peuvent être fabriqués selon le même protocole. En dehors de cela, les actionneurs peuvent être combinés pour former un système multi-actionneur pour diverses demandes.
Accès restreint. Veuillez vous connecter ou commencer un essai pour afficher ce contenu.
Protocole
Remarque : Le protocole prévoit des procédures de la fabrication d’un actionneur réseau pneumatique doux. Avant la procédure de fabrication, une série de moules et plusieurs connecteurs de tuyauterie de l’interrupteur, qui sont conçus avec la conception assistée par ordinateur (CAO) doit être 3-D-imprimé à l’avance. Les moules sont illustrés à la Figure 1B.
1. préparation d’élastomère silicone
- Peser 5 g de la partie élastomère de silicone B et 45 g de la partie A [9:1 (b) des parties en poids] dans le même récipient à mélanger (Figure 2A). Utiliser une seringue pour s’assurer que les proportions de chaque partie sont exactes.
NOTE : Le rapport de mélange varie pour les élastomères de silicone différents. La proportion de chaque pièce doit être ajustée quand un autre élastomère de silicone est adopté. - L’élastomère de silicone bien mélanger avec le mélangeur centrifuge.
Remarque : L’élastomère de silicone puisse être stocké à une basse température pour prolonger sa durée de traitement.
2. chambre partie Fabrication
- Vaporiser de l’agent de démoulage du moule pour produits élastomères silicone uniformément sur les surfaces du moule partie A et partie B.
- Assembler la partie A et partie B du moule pour la fabrication d’une chambre. Tenir les deux extrémités du moule avec clips pour empêcher la fuite d’élastomère de silicone.
- Prélever 5 mL d’élastomère de silicone avec une seringue et injecter lentement dans le trou du moule pour la fabrication de la fin de la connexion (la structure cylindrique à une extrémité de l’actionneur pour la tubulure de raccordement). Ensuite, remplissez le moule entière avec l’élastomère de silicone (Figure 2B).
NOTE : Conserver un débit faible et se déplacer en arrière lentement, pour laisser l’élastomère de silicone à entrer dans les structures minuscules du moule. - Percer les bulles qui se forment sur la surface avec la pointe d’une aiguille jusqu'à ce qu’il n’y a pas plus de bulles visibles (Figure 2C).
- Gratter tout élastomère excès de silicone avec une lame le long de la surface supérieure du moule.
- Placer le moule dans le four à 70 ° C jusqu'à ce que l’élastomère de silicone est guéri.
- Utiliser une seringue pour injecter élastomère de silicone dans les bulles et les trous qui apparaissent à la surface de l’actionneur.
- Gratter tout élastomère de silicone excédentaire à la surface.
- Placer le moule dans le four à 70 ° C jusqu'à ce que l’élastomère de silicone est guéri.
3. base partie Fabrication
- Vaporiser de l’agent de démoulage du moule pour produits élastomères silicone uniformément sur la surface de la pièce de moule C.
- Dans la partie C du moule, verser l’élastomère de silicone.
- Percer les bulles qui se forment sur la surface avec la pointe d’une aiguille jusqu'à ce qu’il n’y a pas plus de bulles visibles.
- Gratter tout élastomère excès de silicone avec une lame le long de la surface supérieure du moule.
- Placer le moule dans le four à 70 ° C jusqu'à ce que l’élastomère de silicone est guéri.
4. actionneur
- Versez uniformément une couche d’élastomère de silicone, 1 mm d’épaisseur, sur une des faces de l’élément de base.
- Placez la partie de la chambre sur l’élément de base. Utiliser une seringue pour injecter l’élastomère de silicone dans l’espace entre la partie de la chambre et la pièce de base (Figure 2D).
- Placer l’actionneur dans le four à 70 ° C jusqu'à ce que l’élastomère de silicone est guéri.
5. raccord
- Tapez sur le connecteur de tuyauterie de l’interrupteur 3-D-imprimé pour accepter que la vis d’un goujon mâle push-in adapter raccord pneumatique.
- Utiliser une aiguille pour percer l’extrémité de la connexion de l’actionneur, le long de l’axe du cylindre. Augmenter le diamètre du trou avec une tige en acier, à environ 2 mm.
- Visser le raccord de tuyauterie de l’interrupteur sur le vérin (Figure 2E).
- Pousser une section de tube dans le goujon mâle ajustement pneumatique raccord.
6. vérification et réparation des fuites
- Raccorder l’actionneur à une source d’air.
- Placez l’ensemble actionneur dans l’eau et pressuriser le vérin (Figure 2F). Observer si des bulles sont forment en raison d’une fuite.
- Utiliser une seringue pour injecter l’élastomère de silicone dans les points de fuite. Placer l’actionneur dans le four à 70 ° C jusqu'à ce que l’élastomère de silicone est guéri.
- Répétez les étapes 6.1 à 6.3 si nécessaire.
Accès restreint. Veuillez vous connecter ou commencer un essai pour afficher ce contenu.
Résultats
Actionneur simple :
Pour vérifier la méthode de fabrication et démonstration de la fonction de l’actionneur, 30°, 45° et 60° actionneurs ont été fabriqués et testés. Pour le montage de l’expérience, une pompe à air a été utilisée pour activer la valve. La vanne a été raccordée à l’actionneur pour contrôler la pression interne. L’actionneur simple a été fixé à l’extrémité de la connexion et placé à la verticale. Pendant que l’actionneur a été étant pressurisé, deux appa...
Accès restreint. Veuillez vous connecter ou commencer un essai pour afficher ce contenu.
Discussion
Cet article présente une méthode de protocole afin de guider la fabrication des actionneurs de réseau pneumatique doux avec chambres obliques. Suite au protocole, un déclencheur peut être fabriqué indépendamment au sein de 3 h. Les étapes clés du protocole peuvent se résumer comme suit. (i) l’élastomère de silicone est préparé en proportion et bien mélanger. (ii) l’élastomère de silicone est coulé dans le moule pour la fabrication de la partie de la chambre et la pièce de base. (iii) les bulles sur la surface exposée son...
Accès restreint. Veuillez vous connecter ou commencer un essai pour afficher ce contenu.
Déclarations de divulgation
Les auteurs n’ont rien à divulguer.
Remerciements
Ce travail a été soutenu par la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine sous Grant 51622506 et de la Science et Technology Commission de la municipalité de Shanghai sous Grant 16JC1401000.
Accès restreint. Veuillez vous connecter ou commencer un essai pour afficher ce contenu.
Matériaux
| Nom | Entreprise | Numéro de catalogue | Commentaires |
|---|---|---|---|
| Élastomère de silicone | Wacker | ELASTOSIL M4601 A/B | Matériau de la seringue des actionneurs |
| ; | Shanghai Kindly Medical Instruments ; | 10 ml | Utilisé pour injecter du caoutchouc de silicone dans le trou du moule pour la fabrication de l’extrémité de connexion |
| Balance de précision | Shanghai Hochoice | UTP-313 | Utilisé pour peser le caoutchouc de silicone |
| Mélangeur sous vide centrifuge planétaire | THINKY | ARE-310 | Utilisé pour mélanger le caoutchouc de silicone et démouler après le processus de mélange |
| Agent de démoulage | Smooth-on | Release 200 | Utilisé pour faciliter le démoulage et nbsp ; |
| Aiguille | Shanghai Kindly Medical Instruments ; | Utilisé pour percer les bulles qui se forment sur la surface | |
| Lame utilitaire | M& G Chenguang Papeterie | ASS91325 | Utilisé pour gratter l’excès de caoutchouc de silicone le long de la surface supérieure du moule ; |
| Four à vide | Ningbo SI Instrument | DZF-6050 | Utilisé pour réduire le temps de durcissement du caoutchouc de silicone |
| Goujon mâle enfichable raccord pneumatique | Zhe Jiang BLCH Pneumatic Science & Technologie | PC4-01 | Utilisé pour connecter le tube et le connecteur de tube de l’actionneur imprimé en 3D |
| Tube | SMC | TU0425 | Utilisé pour actionner les actionneurs |
| Pompe à vide | Zhe Jiang BLCH Pneumatic Science & Technologie | Utilisé comme la soupape de pression de source d’air | |
| Zhe Jiang BLCH Pneumatic Science & Technologie | IR1000-01BG | Utilisé pour le réglage de la pression d’air d’entrée |
Références
- Rus, D., Tolley, M. T. Design, fabrication and control of soft robots. Nature. 521 (7553), 467-475 (2015).
- Ilievski, F., Mazzeo, A. D., Shepherd, R. F., Chen, X., Whitesides, G. M. Soft robotics for chemists. Angewandte Chemie International Edition. 50 (8), 1890-1895 (2011).
- 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).
- Yap, H. K., et al. A fully fabric-based bidirectional soft robotic glove for assistance and rehabilitation of hand impaired patients. IEEE Robotics and Automation Letters. 2 (3), 1383-1390 (2017).
- Yang, Y., Chen, Y., Li, Y., Chen, M. Z. Q., Wei, Y. Bioinspired Robotic Fingers Based on Pneumatic Actuator and 3D Printing of Smart Material. Soft Robotics. 4 (2), 147-162 (2017).
- Gu, G. Y., Zhu, J., Zhu, L. M., Zhu, X. A survey on dielectric elastomer actuators for soft robots. Bioinspiration & Biomimetics. 12 (1), 011003(2017).
- Holland, D. P., et al. The soft robotics toolkit: Strategies for overcoming obstacles to the wide dissemination of soft-robotic hardware. IEEE Robotics & Automation Magazine. 24 (1), 57-64 (2017).
- Galloway, K. C., et al. Soft Robotic Grippers for Biological Sampling on Deep Reefs. Soft Robotics. 3 (1), 23-33 (2016).
- Polygerinos, P., Wang, Z., Galloway, K. C., Wood, R. J., Walsh, C. J. Soft robotic glove for combined assistance and at-home rehabilitation. Robotics and Autonomous Systems. 73, 135-143 (2015).
- Tolley, M. T., et al. A Resilient, Untethered Soft Robot. Soft Robotics. 1 (3), 213-223 (2014).
- Ainla, A., Verma, M. S., Yang, D., Whitesides, G. M. Soft, Rotating Pneumatic Actuator. Soft Robotics. 4 (3), 297-304 (2017).
- Koizumi, Y., Shibata, M., Hirai, S. Rolling tensegrity driven by pneumatic soft actuators. 2012 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA). , Saint Paul, MN. (2012).
- Connolly, F., Polygerinos, P., Walsh, C. J., Bertoldi, K. Mechanical Programming of Soft Actuators by Varying Fiber Angle. Soft Robotics. 2 (1), 26-32 (2015).
- Connolly, F., Walsh, C. J., Bertoldi, K. Automatic design of fiber-reinforced soft actuators for trajectory matching. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 114 (1), 51-56 (2017).
- Martinez, R. V., et al. Robotic tentacles with three-dimensional mobility based on flexible elastomers. Advanced Materials. 25 (2), 205-212 (2013).
- Polygerinos, P., et al. Modeling of Soft Fiber-Reinforced Bending Actuators. IEEE Transactions on Robotics. 31 (3), 778-789 (2015).
- Mosadegh, B., et al. Pneumatic Networks for Soft Robotics that Actuate Rapidly. Advanced Functional Materials. 24 (15), 2163-2170 (2014).
- Wang, T., Ge, L., Gu, G. Programmable design of soft pneu-net actuators with oblique chambers can generate coupled bending and twisting motions. Sensors and Actuators A: Physical. 271, 131-138 (2018).
- Marchese, A. D., Katzschmann, R. K., Rus, D. A Recipe for Soft Fluidic Elastomer Robots. Soft Robotics. 2 (1), 7-25 (2015).
Accès restreint. Veuillez vous connecter ou commencer un essai pour afficher ce contenu.
Réimpressions et autorisations
