כאן אנו מציגים את שיטת ייצור מפעילים רשת פנאומטיים רך עם צ'יימברס עקיפה. מפעילים מסוגלים לייצר בשילוב כפיפה, פיתול. עתירות, אשר מרחיב את היישום שלהם ברובוטיקה רך.
הרשמה ל-JoVE נדרשת לצפייה בתוכן זה. התחברו או התחילו בגרסת ניסיון בחינם.
מאמר שיטה
ייצור של מפעילים רשת פנאומטיים רך עם המלוכסן צ'יימברס
* These authors contributed equally
במאמר זה
סיכום
תקציר
מפעילים רשת פנאומטיים רך הפכו אחד מההתקנים הופעה המבטיחים ביותר ברובוטיקה רך הנהנה מן דפורמציה כיפוף גדול שלהם נמוכה קלט. עם זאת, את הטופס תנועה כיפוף חד גונית שלהם בחלל דו-ממדית (2-D) שומר אותם הרחק יישומים רחב. מאמר זה מציג שיטת ייצור מפורט מפעילים רשת פנאומטיים רך עם המלוכסן צ'יימברס, לחקור את תנועותיהם במרחב תלת-ממדי (3-D). העיצוב של צ'יימברס המלוכסן מאפשר מפעילים עם tunable בשילוב כפיפה, פיתול יכולות, אשר נותן להם את האפשרות לגור הזריזות סימולטורי גמיש, להיות רובוטים ביולוגית בהשראת, ומכשור רפואי. תהליך ייצור מבוססת על שיטת היציקה, כולל סיליקון elastomer הכנה, הקאמרית ובסיס חלקים ייצור, הרכבה למפעיל, חיבורי צינורות, בדיקת נזילות, ותיקון למפעיל. שיטת ייצור מבטיח ייצור מהיר של סדרת מפעילים עם רק כמה שינויים בתוך התבניות. תוצאות הבדיקה מראים את האיכות הגבוהה של מפעילים שלהם בולטים כיפוף ואת פיתול יכולות. ניסויים של התפיסה מדגימים את היתרונות של פיתוח להסתגל עצמים בעזרת קטרים שונים ומספקת מספיק חיכוך.
מבוא
רך גלילי (ספא) הם התקנים רך יכול להיות actuated מאת קלט פשוטים של אוויר בלחץ1,2. הם יכולים להיות מפוברק עם חומרים מגוונים, כגון אלסטומרים סיליקון3, בדים4, זיכרון פולימרים5אלסטומרים מבודד6. חוקרים נהנו מן הטבע שלהם של ציות, בתנועות מיומנות, שיטות ייצור פשוט7, כך ספא הפכו לאחד ההתקנים המבטיחים ביותר עבור רך רובוטיקה יישומים8,9. ספא יכולים להבין תנועות מתוחכמים שונים, כגון זוחלת10, סיבוב11, וציפוי12 בהתבסס על סוגים שונים של דפורמציה, כולל הרחבת הרחבה, כפיפה, פיתול13, 14. כדי שתוכל לבצע סוגים שונים של תנועות, ספא בעיצוב מבנים שונים, כגון גוף ליניארי עם ערוצים מקבילים15, תא מונוליטי עם סיבים-תגבורת16, וחזר רשתות של צ'יימברס משנה17. ביניהם, המרחצאות עם רשתות של חללים תת חוזרות ונשנות, מפעילים רשת מועדוני רך, מועסקים נרחב כי הם יכולים ליצור דפורמציות גדולות תחת לחץ קלט נמוכה יחסית. עם זאת, ברוב העיצובים הקודמים, סוג זה של מפעילים יכול רק ליצור תנועות כיפוף במרחב דו-ממדי, אשר מגביל מאוד את היישומים שלהם.
למפעיל רשת פנאומטיים רך מורכבת מקבוצה מסודרים באופן ליניארי של חללים המחוברים באמצעות ערוץ פנימי. כל תא מעוקב מכיל זוג מול קירות אשר דק יותר זוג אחרים ומייצרת של אינפלציה דו צדדי בכיוון בניצב הקירות דקים. במקור, הקירות דקים של התאים הם בניצב לציר הארוך של הגוף למפעיל ונפח יחד עם ציר זמן. אלה inflations קוליניאריות צ'יימברס, הבסיס הלא-להרחבה להוביל נפרד טהור כיפוף במפעיל. על מנת לחקור תנועה במפעיל במרחב תלת-ממדי, הכיוון של התאים הוא מכוון כך רזה-הקירות כבר לא בניצב לציר הארוך של מפעיל (איור 1א'), אשר מאפשרת את הכיוון האינפלציה של כל תא כדי לקזז מן הציר ולהיות לא קוליניאריות. כל inflations מקבילים אך לא-קוליניאריות לשנות את התנועה של מפעיל לתוך בשילוב כפיפה סיבוביות תנועה מרחב תלת-ממדי18. זו תנועה בשילוב מאפשר מפעילים זריזות וגמישות יותר והופך מפעילים מועמדת מתאימה עבור יישומים מעשיים יותר, כמו סימולטורי גמיש, רובוטים ביולוגית בהשראת, ומכשור רפואי.
פרוטוקול זה מציג שיטת ייצור של סוג זה של מפעילים רשת פנאומטיים רך עם צ'יימברס עקיפה. זה כולל הכנת elastomer סיליקון, בדיית הקאמרית של חלקים הבסיס, בהרכבת במפעיל, חיבור הצנרת, בודק שאין דליפות, ותיקון, במידת הצורך, במפעיל. זה יכול לשמש גם כדי לבדות מפעילים רשת רגילה פנאומטיים רך, אחרים מפעילים רך אשר יכול להיות מיוצר עם כמה שינויים פשוטים בשיטת היציקה. אנו מספקים את השלבים המפורטים כדי לבדות משאבות הידראוליות רך עם צ'יימברס המלוכסן 30°. ליישומים שונים, מפעילים עם זוויות שונות קאמרית יכול להיות מפוברק על פי באותו הפרוטוקול. חוץ מזה, מפעילים ניתן לשלב כדי ליצור מערכת למפעיל מרובות עבור דרישות שונות.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
פרוטוקול
הערה: הפרוטוקול מספק את תהליכי ייצור למפעיל רשת פנאומטיים רך. לפני ההליך פבריקציה נוספת, ערכה של תבניות, מספר מחברים למפעיל-אבובים, אשר נועדו עם תכנון בעזרת מחשב (CAD) התוכנה חייבת להיות 3-ממד-מודפס מראש. התבניות מוצגות באיור 1ב'.
1. סיליקון Elastomer הכנה
- שוקל 5 g של סיליקון elastomer חלק B ו- g 45 של חלק א' [9:1 (A:B) חלקים לפי משקל] באותה ערבוב אריזה (איור 2א). השתמש במזרק כדי לוודא שיחסי הגודל של כל חלק מדויקות.
הערה: יחס ערבוב משתנה עבור אלסטומרים סיליקון שונים. צריך להיות מותאם את הפרופורציה של כל חלק כאשר elastomer סיליקון אחר הוא מאומץ. - מערבבים את elastomer סיליקון עם המיקסר צנטריפוגלי פלנטרית.
הערה: elastomer סיליקון שניתן לאחסנו בטמפרטורה נמוכה כדי להאריך את זמן העיבוד שלו.
2. לשכת חלק פבריקציה נוספת
- תרסיס סוכן שחרור של כייר מוצרי סיליקון elastomer באופן שווה על המשטחים של עובש בחלק א', חלק ב'
- להרכיב חלק א' וחלק ב', התבנית הזיוף של תא. להחזיק בשני הקצוות של העובש עם קליפים כדי למנוע דליפת סיליקון elastomer.
- לקחת 5 מ של אלסטומר סיליקון עם מזרק ולהזריק אותו לאט החור של, התבנית בדיית בסוף החיבור (המבנה גלילי בקצה אחד של מפעיל עבור חיבור הצנרת). ואז, למלא כל העובש סיליקון אלסטומר (איור 2B).
הערה: לשמור על קצב זרימה נמוכה ולעבור הלוך ושוב לאט, לתת את elastomer סיליקון להזין את המבנים זעירים של העובש. - פירס הבועות היוצרים על פני השטח עם קצה מחט עד ישנם, אין עוד בועות גלוי (איור 2C).
- לגרד את כל elastomer עודף סיליקון עם סכין לאורך פני השטח העליון של העובש.
- המקום התבנית בתנור ב 70 ° C עד elastomer סיליקון הוא נרפא.
- השתמש במזרק כדי להזריק סיליקון elastomer לתוך בועות וחורים אשר מופיעות על פני השטח של מפעיל.
- לגרד את כל elastomer סיליקון עודף על פני השטח.
- המקום התבנית בתנור ב 70 ° C עד elastomer סיליקון הוא נרפא.
3. הבסיס חלק פבריקציה נוספת
- תרסיס סוכן שחרור של כייר מוצרי סיליקון elastomer באופן שווה על פני השטח של החלק עובש ג
- יוצקים את elastomer סיליקון לחלק ג' של העובש.
- פירס הבועות היוצרים על פני השטח עם קצה מחט עד שם גלויים, אין עוד בועות.
- לגרד את כל elastomer עודף סיליקון עם סכין לאורך פני השטח העליון של העובש.
- המקום התבנית בתנור ב 70 ° C עד elastomer סיליקון הוא נרפא.
4. בוכנה להרכבה
- אחיד שופכים שכבה של סיליקון elastomer, 1 מ מ עובי, על פרצוף אחד של החלק הבסיסי.
- מניחים את החלק קאמרית על החלק הבסיסי. השתמש במזרק כדי להזריק את elastomer סיליקון לחלל שבין החלק קאמרית ואת החלק הבסיסי (איור 2D).
- המקום במפעיל בתנור ב 70 ° C עד elastomer סיליקון הוא נרפא.
5. צינורות חיבור
- הקש על המחבר למפעיל-אבובים 3-ממד-מודפס כדי לקבל שהבורג של הרבעה זכר דחיפה פנימה להתאים התאמה פנאומטיים.
- שימוש במחט לנקב בסוף החיבור במפעיל לאורך האמצע של הגליל. להגדיל את קוטר החור עם מוט מתכת, עד בערך 2 מ מ.
- להבריג את המחבר למפעיל-אבובים במפעיל (איור 2E).
- לדחוף את מקטע של צינורות לתוך הרבעה זכר דחיפה פנימה בכושר פנאומטיים ההתאמה.
6. בדיקת ותיקון דליפה
- להתחבר למפעיל את מקור האוויר.
- מקם כל במפעיל במים ולאחר לחצים במפעיל (איור 2F). שים לב אם בועות נוצרות עקב דליפה.
- השתמש מזרק להחדיר את elastomer סיליקון לתוך נקודות דליפה. המקום במפעיל בתנור ב 70 ° C עד elastomer סיליקון הוא נרפא.
- חזור על שלבים 6.1-6.3 במידת הצורך.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
תוצאות
מפעיל יחיד:
כדי לאמת את שיטת ייצור להדגים את תפקוד למפעיל, 30 מעלות, 45° ו 60° מפעילים היו מפוברק ונבדק. עבור קביעת ניסוי, משאבת אוויר הועסק כדי להפעיל את השסתום. המסתם היה מחובר במפעיל לשלוט את הלחץ הפנימי. במפעיל יחיד קבוע בקצה החיבור שלו, להציב במאונך. ואילו היה להיות בלחץ במפעיל, שתי מצלמות דיגיטליות שימשו כדי ללכוד את עמדותיה מזוויות שונות. לנתח העמדות (איור 3א) הבהיר את התנועה של מפעיל יכול להיות מתואר על ידי שני פרמ...
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
דיון
הנייר מציג שיטת פרוטוקול להנחות את הזיוף של מפעילים רשת פנאומטיים רך עם צ'יימברס עקיפה. בעקבות הפרוטוקול, למפעיל אחד יכול להיות מפוברק באופן עצמאי תוך 3 שעות. ניתן לסכם את השלבים החשובים בפרוטוקול כדלקמן. (i) אלסטומר סיליקון מוכן בפרופורציה, לערבב היטב. (ii) אלסטומר סיליקון ויוצקים לתבנית עבור הזיוף של החלק קאמרית ואת החלק הבסיסי. (iii) הבועות על פני השטח החשוף חורים, כל elastomer סיליקון עודף על פני השטח החשוף הוא שרט את. (iv) אלסטומר סיליקון נרפא בתנור. (v) לשני החלקים נדבקות על ידי elastomer סיליקון. תהליך ייצור הושלמ...
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
גילויים
המחברים אין לחשוף.
תודות
עבודה זו נתמכה על ידי הלאומי מדעי הטבע קרן של סין תחת גרנט 51622506 ומדע ועיריית טכנולוגיה עמלה של שנגחאי תחת גרנט 16JC1401000.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
חומרים
| שם | חברה | מספר קטלוג | הערות |
|---|---|---|---|
| אלסטומר סיליקון | Wacker | ELASTOSIL M4601 A/B | חומר המפעילים |
| מזרק | שנחאי Kind Medical Instruments | 10 מ"ל | משמש להזרקת גומי סיליקון לחור התבנית לייצור קצה החיבור |
| סולם דיוק | שנחאי Hochoice | UTP-313 | משמש לשקילת גומי הסיליקון |
| מערבל ואקום צנטריפוגלי פלנטרי | THINKY | ARE-310 | משמש לערבוב גומי הסיליקון ומסיר הקצף לאחר תהליך הערבוב |
| חומר שחרור | שחרור חלק | 200 | משמש להקלת פירוק נ.ב.פ; |
| מחט | שנחאי מכשירים רפואיים חביבים | משמש לניקוב הבועות שנוצרות על פני השטח | |
| להב שירות | M& ASS91325 נייר מכתבים G Chenguang | משמש לגירוד עודפי גומי סיליקון לאורך המשטח העליון של התבנית | |
| תנור ואקום | Ningbo SI Instrument | DZF-6050 | משמש להפחתת זמן הריפוי של גומי סיליקון |
| זכר חתיך לדחוף בהתאמה התאמה פנאומטית | Zhe Jiang BLCH מדע פנאומטי & טכנולוגיה | PC4-01 | משמש לחיבור הצינורות ומחבר צינורות המפעיל המודפס בתלת מימד |
| צינורות | SMC | TU0425 | משמש להפעלת המפעילים |
| משאבת ואקום | Zhe Jiang BLCH מדע פנאומטי & טכנולוגיה | המשמשת כמקור האוויר | |
| שסתום לחץ | Zhe Jiang BLCH מדע פנאומטי & טכנולוגיה | IR1000-01BG | משמש להתאמת לחץ האוויר הנכנס |
מקורות
- 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).
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
הדפסות חוזרות והרשאות
