Name: ヤモリにインスパイアされたソフトロボットの製造・制御・性能評価 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2020-06-10T15:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 40 s
Description: 学ぶヤモリにインスパイアされたソフトロボットの製造・制御・性能評価。エラストマーアクチュエータの手作業による製造法と空圧制御システムを用いた登攀実験の手法を解説。再較正により登攀性能が向上し、太陽光発電パネルや高層ビル外壁の清掃などへの応用が期待される。

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著者たちは、フィン・クヌーセン、アラヴィンダ・バリ、ジェイコブ・ムチンスキーに有益な議論とインスピレーションを感謝したいと考えています。

<ol><li>Majidi, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Soft+robotics%3A+a+perspective-current+trends+and+prospects+for+the+future%5BTitle%5D)+AND+%22Soft+Robotics%22%5BJournal%5D)">Soft robotics: a perspective-current trends and prospects for the future.</a> Soft Robotics. 1 (1), 5-11 (2014).</li>
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著者らは、競合する財政的利益はないと宣言している。

提示されたプロトコルは、製造、制御、キャリブレーション、および性能評価を含むRef.9からのクライミングソフトロボットに関連する多くの異なる側面を含みます。以下では、プロトコルに由来する長所と短所について、上記の側面に従って議論され、構造化される。
提示された製造方法は、既存の文献10,13,13に強く基づいている。大きな違いはアクチュエータの設計です。個々の手足を結合するために、補助図 21に示すように、鳩尾ガイドが適切なポイントに挿入されます。これは、ロボット8の以前の設計と比較して、四肢間のはるかに正確で堅牢な接続をもたらします。さらに、供給管はアクチュエーターの下部に埋め込まれている。この統合設計により、吸引カップに真空を供給できると同時に、ボトムレイヤが伸縮性をなくし、アクチュエータの性能が大幅に向上します。文献に記載されている手順との別の違いは、混合エラストマーが(混合直後に)一度だけ避難することである。多くのソースは、エラストマーを2回避難することをお勧めします:混合後に1回、金型に充填された後に1回。空気が非常に小さな空間に閉じ込められたままである可能性があります。真空チャンバーでは、この空気が膨張し、最良のケースでは表面に上昇します。しかし、多くの場合、これらの気泡は途中で立ち往生し、完成した鋳造に不快な穴を作り出します。ここでは、より重要なものについて決定する必要があります:ベース部の底面に完全な輪郭または非機能的アクチュエータを製造するリスクができるだけ少ない(cf.補助図2)。このプロトコルでは、2 回目の避難は行われません。提示された手順では、下部部分の高さは手動で充填される際に変化する可能性があり、また、ベース部品とは異なり、硬化後に均一な高さに切断する可能性はありません。底部の高さができるだけ均一になるように、底部の金型を充填する際にシリンジを使用し、流し込んだ体積を測定することをお勧めします。しかしながら、混合後の経過時間に応じて、エラストマーの流動特性は大きく変化する。そのため、常に新鮮な混合エラストマーを使用することをお勧めします。ベースとアクチュエータの下部を結合するには、プロセスの不確実性が最も大きくて済みます。エラストマー浴場が高すぎる場合、チャンバー間の空気チャネルも同様に覆われる可能性が高くなります。その後、アクチュエータはもはや使用できません。エラストマー浴が低すぎると、シールリップが全周で覆われず、アクチュエータが漏れる可能性があります。したがって、エラストマー浴を正しく投与するには、ある程度の練習が必要です。一般的に接合に重要なのは、無脂肪結合面です。接合面が汚染され過ぎると、完成したアクチュエータが剥離する可能性があります。したがって、パーツが結合されないサーフェスにのみ接触されるようにすることが重要です。製造方法の大きな制限は、実現する個数です。単一のアクチュエータの生産は、合計で少なくとも2時間かかります。複数の金型を並行して扱うことは可能ですが、時間の制約により4つ以上は推奨されません。エラストマーのポットライフは短すぎて、さらに多くの金型を充填することはできません。さらに、3D プリント金型は、非常に変形または破壊される前に、限られた数の生産サイクル(約10~20)にしか耐えられない。さらなる制限は、既に議論されているプロセスの不確実性です。ほとんどすべてのプロセスステップは手動で行われるので、各アクチュエータは少し異なります。これは、建設中に同一であるが、2つの非常に異なる動作を示す2つのロボットにつながる可能性があります。
制御ボックスを使用して、ロボットを制御するメソッドが提供されます。しかし、空気圧システムごとに、スクリプト"Code/arduino_p_ctr.ino"の制御ゲインを個別に決定する必要があります。これはプロトコルではカバーされていません。しかし、コントロールボックスの「圧力基準モード」は、ロボットの遊び心のある処理を可能にし、コントローラのチューニングを複数のスクリプトを書かずに行うことができます。コントロールボックスのもう一つの制限は、材料コストが合計で約7000米ドルであるため、そのコストです。文献11 は、約900米ドルの費用がかかり、いくつかのアップグレードでロボットを操作するために使用することができるコントロールボックスのための建物の指示を提供しています。
個々のアクチュエータのキャリブレーションに重要なのは、キャリブレーション手順の選択です。 補足図22 は、4つの異なる手順に対する経時の圧力基準の定性的な経過を示し、 補足図23 は結果として得られる角度圧力曲線を示す。後者に見られるように、較正の各方法は異なる角度圧曲線をもたらす。これは、圧力と角度の関係がアクチュエータに作用する荷重に大きく依存していることを示しています。したがって、キャリブレーション手順は、可能な限り最良の実際の荷重ケースを反映する必要があります。したがって、キャリブレーション手順を可能な限り実際の動作条件に適合させる必要があります。最良の歩行性能は、較正手順4で得られる。しかし、 図3Bに示すように、シリーズの後続のポーズは完全に対称的ではなく、キャリブレーションの改善の可能性を示す指標です。
測定システムにとって重要なのは、セクション10における視覚マーカー15 の組立である。(チューブが干渉するため)目的のポイントに直接取り付けることができないので、測定された点は人工的にシフトする必要があります。このオフセットベクトル(カメラのピクセル座標)を決定する際には、特別な注意が必要です。それ以外の場合、測定全体に大きな系統誤差が発生します。また、タグが時間とともに置き換われないようにする必要もあります。このような場合、例えば、ロボットのダウンにより、対応するタグをまったく同じ場所に再マウントする必要があります。いずれの場合も、測定システムが信頼性の高い出力を生成するかどうかを定期的にチェックする必要があります。
実験の制限要因は、足の固定です。さらに急な傾斜を登ることができるように、固定機構を再考する必要があります。現在、ロボットは積極的に歩く平面に対して足を押すのができず、高い傾斜のために、重力によって引き起こされる正常な力は、信頼性の高い吸引を確実にするために歩く飛行機に十分近い吸引カップを持って来るには小さすぎます。
提示された製造方法はあらゆる流動エラストマーアクチュエーターに移すことができるので、将来の適用のために興味深いかもしれない。提示された制御箱は彼らが速い感覚フィードバックを要求するようにロボットプラットホームを含む6つの個々のアクチュエーター(8まで拡張可能)から成るあらゆる空気圧システムの制御を可能にする。したがって、将来のロボットのテストと制御のための普遍的なプラットフォームとして使用することができます。最後に、提示された較正方法は、原則として、任意のフィードフォワード制御空気圧システムにすることができる。要約すると、提示されたすべてのメソッドは、議論された範囲内で普遍的です。

人間と機械の相互作用は絶えず近づいています。企業や家庭のロボット密度の増大は、ロボット技術に新たな課題をもたらします。多くの場合、危険は分離方法によって除外されますが、多くの地域、特に家庭では、これは満足のいく解決策ではありません。ソフトロボティクスは、柔らかい材料や構造の特性を利用して、生物のように振る舞う新しいタイプの機械を開発することでこの問題に取り組んでいます。2ほとんどのソフトロボットは、2つの異なるタイプに分類することができます: 握りと操作のために設計された移動式ロボットとロボット3.ソフト移動ロボットの場合、典型的な移動原理は、クロール、ウォーキング、ランニング、ジャンプ、フライング、水泳4です。ソフトロボットのためのアプリケーションのもう一つの興味深い分野は、登山です - 移動と接着の組み合わせ5.ソフトマシンは非常に堅牢で、柔らかさのために周囲に損傷を与えることはできません。この特性は、彼らが簡単に落下を生き残ることができるので、登山のためにこのロボットクラスを先取りします。その結果、文献は,、6、7、87を登ることができるソフト6ロボットのいくつかの例を提供しています。8
このプロトコルの目的は、ヤモリに触発されたクライミングソフトロボット9の性能を製造、制御、評価する方法を提供することです。その設計はエラストマーから成っている速いニューネット柔らかい曲がるアクチュエーター10 の使用に基づいている。しかし、別のソフトアクチュエータの設計や材料も使用できます。文献は、ソフトアクチュエータ11 と適切な材料12の異なるデザインの広い範囲を提供しています。提示された製造方法は既存の方法13 と類似しているが、少なくともソフトクライミングロボット9の場合には、再現性と堅牢性の向上をもたらすいくつかの修正が含まれている。この方法は、一般的に高速ニューネット曲げアクチュエータに有効であり、したがって、アクチュエータ製造の分野への新規参入者にとって興味深いかもしれません。
空気圧作動ソフトロボットを制御するために、文献は異なるソリューションを提供します。これは、低コストで簡単に再現できる制御ボード13 から、強力だがより複雑なボード14まで、特別なツールなしでは再構築できません。ここでは、レーザーカッターとはんだ付けアイロンのみを使用して空気圧制御ボックスを構築するための簡単な説明が提供されています。制御箱はあらゆる圧力の供給を可能にし、ロボティクスの適用のために特に重要である、リアルタイムの感覚フィードバックを提供する。ただし、他の多くのアプリケーションにも使用できます。

<table><tbody><tr><td>3Dプリンタ</td><td>Formlabs</td><td>Form 2</td><td></td></tr><tr><td>アクリルガラスプレート</td><td></td> 2つの穴<td></td>-<td>鋳造用、参照 補助</td></tr><tr><td>アクリルガラスの背面パネル</td><td>-</td><td></td><td>参照</td></tr> 補助<tr><td>アクリルガラスの底パネル</td><td>-</td><td></td><td>参照</td></tr> 補助<tr><td>アクリルガラスのフロントパネル</td><td>-</td><td></td><td>参照</td></tr> 補助<tr><td>アクリルガラスサイドパネル</td><td>-</td><td></td><td>参照 補助</td></tr><tr><td>アクリルガラストップパネル</td><td>-</td><td></td><td>参照</td></tr><tr><td>補助Arduino</td>ナノ<td>Arduino</td><td>A000005</td><td></td></tr><tr><td>アランキー 1mm</td><td></td><td></td><td>すべてのワークショップで利用可能</td></tr><tr><td>BeagleBone ブラック</td><td>ビーグルボード</td><td>BBB01-SC-505</td><td></td></tr><tr><td>バタフライカニューレ</td><td>B. Braun Melsungen AG</td><td>5039573</td><td></td></tr><tr><td></td>測定システム<td></td><td></td><td>用クランプ1</td></tr>-<tr><td>測定システム用補助クランプ2</td>を参照<td>-</td><td></td><td>すべての</td></tr><tr><td>ワークショップで利用可能な</td>補助<td>カッターナイフ</td><td></td><td></td></tr>を参照 <tr><td>直動式ソレノイドバルブ</td><td>ノルグレン</td><td>EXCEL22 DM/49/MDZ83J/T4</td><td></td></tr>エラ<tr><td>ストマー</td><td>ワッカーケミー</td><td>エラストシルM4601</td><td></td></tr><tr><td>フレーム測定システムパート1</td><td>-</td><td></td><td>参照 補助</td></tr><tr><td>フレーム測定システムパート2</td><td>-</td><td></td><td>参照 補助</td></tr><tr><td>レーザーカッター</td><td>Trotec</td><td>SP500</td><td></td></tr><tr><td>LED</td><td>RNDコンポーネント</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>モールドボトムパーツ脚</td><td></td><td></td><td>-見る補助</td></tr><tr><td>金型底部胴体1</td><td>-</td><td></td><td>補助</td></tr><tr><td>金型底部胴体2</td><td>-</td><td></td><td>補助</td></tr><tr><td>金型脚1</td><td>-</td><td></td><td>補助</td></tr><tr><td>金型脚</td><td></td><td></td>2-<td>補助</td></tr><tr><td>金型胴体1</td><td>-</td><td></td><td>補助</td></tr><tr><td>金型胴体2</td><td></td><td></td>を参照<td>補足を参照してください</td></tr><tr><td>オーブン</td><td>バインダーED</td><td>115</td><td></td></tr><tr><td>プラスチックカップ</td><td></td><td></td>は<td>、すべてのスーパーマーケットで利用可能</td></tr><tr><td>プラスチックシリンジ</td><td></td><td></td>は<td>、すべての薬局</td></tr><tr><td>のポスターパネル</td><td>Net-xpress.de(ディストリビューター)</td><td>10620232</td><td>ウォーキングプレーン</td></tr>ポ<tr><td>テンショメータ</td><td>VISHAY</td><td>P16NM103MAB15</td><td></td></tr><tr><td>電源</td><td>パルス寸法として利用可能</td><td>CPS20.241-C1</td><td></td></tr><tr><td>圧力</td><td>センサーHoneywell</td><td>SSCDANN150PG2A5</td><td></td></tr><tr><td>圧力源</td>EINHELL4020600<td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>比例弁</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 RASPBERRY</td><td>PI 3B +</td><td></td></tr> <tr><td>Raspberry Pi</td>カム <td>RASPBERRY PI RASPBERRY</td><td>PI カメラV2.1</td><td></td></tr><tr><td>樹脂</td><td>Formlabs</td><td>グレー 樹脂 1l</td><td></td></tr><tr><td>ネジクランプ</td><td>VELLEMAN</td><td>3935-12</td><td></td></tr><tr><td>シリコンチューブ 2mm</td><td>Festo</td><td>PUN-H-2X0,4-NT</td><td>ロボットをコントロールボックスに接続するため</td></tr><tr><td>シリコンチューブ 2.5mm</td><td>Schlauch24</td><td>n/a</td><td>供給チューブ入口用 (https://www.ebay.de/itm/281761715815)</td></tr><tr><td>スイッチ</td><td>MIYAMA</td><td>MS 165</td><td></td></tr><tr><td>超音波浴</td><td>RND LAB</td><td>605-00034</td><td></td></tr><tr><td>UVチャンバー</td><td>formlabs</td><td>Form Cure</td><td></td></tr><tr><td>真空チャンバー+ポンプ</td><td>COPALTEC</td><td>PURE PERFEKTION 重量</td><td></td></tr><tr><td>スケール</td><td>KERN-SOHN</td><td>PCB 2500-2</td><td>分分解能 1g</td></tr></tbody></table>

ヤモリにインスパイアされたソフトロボットの製造・制御・性能評価

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

このプロトコルは、最大84°の傾斜平らな表面を登ることができるソフトロボットの製造、制御、および性能評価のための方法を提示します。製造方法は一般的に高速ニューネット曲げアクチュエーターに有効であり、したがって、アクチュエータ製造の分野への新規参入者にとって興味深いかもしれません。ロボットの制御は、任意の圧力を提供することができ、購入したコンポーネント、レーザーカッター、およびはんだ付け鉄を使用してのみ構築することができる空気圧制御ボックスによって達成される。ロボットの歩行性能のために、圧力角の口径測定は重要な役割を果たす。従って、圧力角キャリブレーションのための半自動方式が提示される。高い傾斜(>70°)で、ロボットはもはや確実に歩く平面に自分自身を固定することはできません。したがって、歩行パターンは、足が歩行平面上に固定されるように修正されます。

このプロトコルは、ヤモリにインスパイアされたソフトロボットのクライミング性能の製造、制御、評価のために実行されるステップの詳細なリストを提供します。

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

この技術は、柔らかいロボット工学ツールキットを使用して、普遍的な空気圧制御ボックスで操作できるGeckoに触発されたソフトロボットを製造します。ソフトクライミングロボットを使用することで、機械に高い要求を課す多種多様なアプリケーションが可能になります。例えば、太陽ミラーや超高層ビルのファサードのクリーニングのために。基本的に他のソフトロボットは、任意の空気圧システムでこの方法を使用して製造することができ、コントローラボックスで動作させることができます。アクチュエータの製造は主に手作業で行われ、練習が必要です。最初の試みで完璧に動作することを期待しないでください。エラストマーを準備するには、エラストマーパートB化合物を5グラム、アクチュエーターあたり45グラムのパートA化合物をカップにバランスで加えます。そして、カップの端に白または赤の領域が見えなくなるまでカップの内容物をかき混ぜます。その後、カップを真空チャンバーに15分間置き、攪拌プロセス中にエラストマーに閉じ込められた空気を取り除きます。そして、50ミリリットルの注射器にダイキャストエラストマーをロードします。ベース部品のメーカーに最初に金型に2つの対応する穴を持つアクリルガラス板をクランプし、下の穴にシリンジを挿入します。プランジャーを押し下ろして、エラストマーを脚または胴体型に積み込みます。上部の穴から化合物が出てきたら、スクリュークランプを緩め、アクリルガラス板を金型から横に引っ張ります。鋭利なツールを使用して、上昇する気泡を穿刺します。その後、余分なエラストマーを追加します。再び上昇気泡を穿刺し、65°Cのオーブンにカビを入れます。30分後、オーブンから金型を取り出し、カッターナイフを使用して押し出されたエラストマーを取り除きます。鋳型の間にレバーアームを挿入して、鋳物表面を損傷することなく開き、ほとんどアクチュエータを金型から取り外します。鋳造が成功した場合は、カッターナイフを使用して突き出たバンドを取り除く。サクションカップと胴体の底部のメーカーに、同じ手順に従いますが、追加のアクリルガラスプレートを使用せずに。脚の下部のメーカーに鋳型の下部の穴を通してシリコーンチューブを押し、エラストマーで金型を充填します。その後、小さなへらを使用してエラストマーを金型の角に分配し、オーブンで15〜20分間金型を硬化させます。鋳造の底部が冷却されたら、底部の金型を新鮮なエラストマーで満たし、すでに硬化したエラストマーの1〜1.5ミリメートル上に充填し、バタフライカニューレをベースキャスティングに挿入します。後で識別するために穿刺部位をマークした後、上部のベースを底型に入れ、側面をエラストマー浴にわずかに押し込みます。オーブンで10〜15分後、金型からアクチュエータを取り出し、穿刺部位を使用してデバイスを圧力源に接続して最終的な漏れ試験を行います。胴体を製造するには、下部部分をエラストマーで充填し、底部にベース部を配置します。四肢接合面をエラストマーで接合面に覆い、ピン針を使用して木製のボードに接合する部品を固定します。硬化後、足を付けた針を胴体に取り付けて吸引カップを結合し、すべての部品が同じ平面にあることを確認し、さらに10〜15分間アセンブリになります。1ミリメートルのアレンキーを使用して挿入点を広げ、直径3ミリメートル以下のシリコンチューブの端を挿入穴の上に置きます。穴にチューブを押し込み、少量のエラストマーで入口を密封するためにキーを使用します。その後、オーブンでさらに10分間アセンブリを硬化させます。システム全体を設定するには、すべてのアクチュエータの入口に供給チューブを接続します。足に埋め込まれた供給チューブを吸引カップに接続し、ピン針を使用してマーカーをロボットに取り付けます。ロボットをコントロールボックスに接続し、最大圧力1.2バールと真空源をコントロールボックスに接続します。クライミング実験を行う場合は、ロボットを歩く平面の起点に置き、記録を開始します。機能1を押して圧力コントローラを作動させ、ロボットを歩かせて少なくとも6サイクル上昇させます。記録を停止し、圧力コントローラが停止したときにロボットが落下しないことを確認するために、レコードを押してください。次に、機能1を押して圧力コントローラを停止します。キャリブレーション手順を、できるだけ厳密に実際の動作条件に適合させる必要があります。歩行平面の傾斜角度を変更すると、運転条件も変わります。したがって、角度圧力曲線は各傾きについて再調整する必要があります。この分析で再較正した後、ロボットはより速く、より少ないエネルギーを消費しながらより急な傾斜を登ることができました。これらの画像では、48度の傾きに対するロボットの動きが示されている。図示したように、同じ時間間隔内の位置のシフトがほぼ2倍大きいため、再較正後にロボットのクライミング性能が大幅に向上した。吸引カップで観察したように、この製造方法で異なる複雑な形状を作り出すことができます。アンダーカットを持つ人でさえも。個々のパーツを結合する場合、同じ平面内の味方が、そうでなければロボットのクライミング能力が大幅に低下することが非常に重要です。ロボットは新しい動きの戦略を研究するための興味深いプラットホームである。例えば、このロボットは、カーブの実行を非常に異なる方法で実行できます。

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