Hier presenteren we een methode van de fabricage van zachte pneumatische netwerk actuatoren met schuine chambers. De aandrijvers zijn geschikt voor het genereren van gekoppelde buigen en verdraaien bewegingen, die hun toepassing in zachte robotica verbreedt.
Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Methodenartikel
Fabricage van zachte pneumatische netwerk Actuators met schuine Chambers
* These authors contributed equally
In dit artikel
Samenvatting
Samenvatting
Zachte pneumatische netwerk actuatoren uitgegroeid tot een van de meest veelbelovende bediening apparaten in zachte robotica ten gunste van hun grote buigende vervorming en lage inzet. Echter houdt hun monotone buigende beweging vorm in tweedimensionale (2D) ruimte ze uit de buurt van brede toepassingen. Dit document stelt een gedetailleerde fabricage methode van zachte pneumatische netwerk actuatoren met schuine chambers, hun bewegingen in de driedimensionale (3-D) ruimte verkennen. Het ontwerp van schuine kamers kunt actuators met afstembare buigen en draaien van vermogens, die geeft hen de mogelijkheid om naar viel in flexibele manipulatoren, biologisch geïnspireerde robots en medische hulpmiddelen worden gekoppeld. Het fabricageproces is gebaseerd op de methode van de molding, met inbegrip van de silicone-elastomeer voorbereiding, kamer en base delen fabricage actuator vergadering, slang verbindingen, controle op lekken, en actuator reparatie. De fabricage methode garandeert de snelle productie van een serie actuators met slechts een paar wijzigingen in de mallen. De testresultaten tonen de hoge kwaliteit van de aandrijvingen hun prominente buigen en draaien van de mogelijkheden. Experimenten van de grijper tonen de voordelen van de ontwikkeling bij de aanpassing aan de objecten met verschillende diameters en voldoende wrijving.
Inleiding
Zachte pneumatische aandrijvingen (SBZ's) zijn zachte apparaten die kunnen worden bediend door de eenvoudige invoer van lucht druk1,2. Ze kunnen worden vervaardigd met diverse materialen, zoals silicone-elastomeren3, stoffen4, vorm-geheugen polymeren5en diëlektrische elastomeren6. Onderzoekers hebben geprofiteerd van hun aard van naleving, vingervlugge bewegingen en eenvoudige fabricage methoden7, zodanig dat SPAs uitgegroeid tot een van de meest veelbelovende middelen voor zachte robotica toepassingen8,9. Kuuroorden kunnen realiseren verschillende geavanceerde bewegingen, zoals10, rotatie11, kruipen en doorlopende12 op basis van verschillende soorten vervorming, met inbegrip van de uitbreiding, de uitbreiding, buigen en draaien van13, 14. om te kunnen maken van verschillende soorten bewegingen, kuuroorden zijn ontworpen in verschillende structuren, zoals een lineaire lichaam met parallelle kanalen15, een monolithische kamer met vezel-versterkingen16, en netwerken van herhaald sub kamers17. Onder hen, zijn de kuuroorden met netwerken van herhaalde sub chambers, de zachte pneumatische netwerk actuators, wijd werkzaam omdat ze grote vervormingen onder een relatief lage input druk kunnen genereren. Echter in de meeste van de vorige ontwerpen, kan dit type van aandrijvingen alleen genereren buigende bewegingen in 2D-ruimte, die sterk hun toepassingen beperkt.
Een netwerk van zachte pneumatische actuator bestaat uit een lineair gerangschikt aantal kamers verbonden door een interne kanaal. Elke kubieke kamer bevat een paar van tegenovergestelde muren die dunner dan de andere paar zijn en produceert een twee-zijdige inflatie in de richting loodrecht op de muren dunner. Oorspronkelijk, de dunnere muren van de kamers staan loodrecht op de lengteas van het lichaam van de bedieningssleutel en blazen samen met de lengteas. Deze collineaire inflaties in de kamers en de niet-verlengbare basis leiden tot een integraal puur buigen van de bedieningssleutel. Verkennen van de bedieningssleutel beweging in de 3D-ruimte, is de oriëntatie van de kamers afgestemd, zodat de dunnere-zijwanden zijn niet langer loodrecht op de lengteas van de bedieningssleutel (Figuur 1A), waarmee de inflatie richting van elke kamer verschoven ten opzichte van de as en niet collineaire geworden. De beweging van de bedieningssleutel wijzigen alle de parallelle maar niet-collineaire inflaties in een gekoppelde buigen en draaien van beweging in de 3D-ruimte18. Deze gekoppelde motie de actuatoren in staat stelt meer soepelheid en vingergevoeligheid en maakt de actuatoren een geschikte kandidaat voor meer praktische toepassingen, zoals flexibele manipulatoren, biologisch geïnspireerde robots en medische hulpmiddelen.
Dit protocol wordt aangegeven welke methode van de fabricage van dit soort zachte pneumatische netwerk actuators met schuine kamers. Het omvat de silicone-elastomeer, fabriceren van de kamer en de basis onderdelen, montage van de bedieningssleutel, aansluiten van de buis controleren op lekkage en, indien nodig, herstellen de bedieningssleutel voorbereiden. Het kan ook worden gebruikt om fabriceren van normale netwerk voor zachte pneumatische aandrijvingen en andere zachte actuatoren die kunnen worden geproduceerd met enkele eenvoudige aanpassingen aan de methode molding. Wij bieden gedetailleerde stappen om een zachte pneumatische actuator met 30° schuin chambers. Voor verschillende toepassingen, kunnen actuators met verschillende kamer hoeken worden vervaardigd volgens hetzelfde protocol. Afgezien van dat, kunnen de actuatoren worden gecombineerd tot een multi actuator systeem voor verschillende eisen.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Protocol
Opmerking: Het protocol biedt de procedures van de fabricage van een netwerk van zachte pneumatische actuator. Vóór de fabricage-procedure, een aantal mallen en verschillende actuator-buis connectoren, die zijn ontworpen met computer-aided design (CAD)-software moet 3-d-3-d-afgedrukt op voorhand. De mallen worden weergegeven in Figuur 1B.
1. silicone-elastomeer voorbereiding
- Weeg 5 g van silicone-elastomeer deel B en 45 g van deel A [9:1 (A:B) delen door het gewicht] in dezelfde mengen container(Figuur 2). Gebruiken een spuit om ervoor te zorgen dat de omvang van elk deel kloppen.
Opmerking: De mengverhouding varieert voor verschillende silicone-elastomeren. Het aandeel van elk deel moet worden aangepast wanneer een ander silicone-elastomeer wordt aangenomen. - De silicone-elastomeer goed mengen met de planetaire centrifugaal mixer.
Opmerking: De silicone-elastomeer kan worden opgeslagen op een lage temperatuur te verlengen de verwerkingstijd.
2. de kamer deel Fabrication
- Spray de schimmel release agent voor silicone-elastomeer producten gelijkmatig over het oppervlak van de schimmel deelA en deel B.
- Het assembleren van deel A en deel B van de mal voor de fabricage van een kamer. Houd beide uiteinden van de schimmel met clips om te voorkomen dat de lekkage van silicone-elastomeer.
- Neem 5 mL van silicone-elastomeer met een spuit en het langzaam te injecteren in het gat van de mal voor het fabriceren van het einde van de verbinding (de cilindrische structuur aan de ene kant van de bedieningssleutel voor het aansluiten van de slang). Daarna vult u de hele schimmel met de silicone-elastomeer (Figuur 2B).
Opmerking: Houd een lage stroomsnelheid en langzaam heen en weer, om te laten de silicone-elastomeer Voer de kleine structuren van de schimmel. - Doorboren de belletjes die op het oppervlak met de punt van een naald, vormen zolang er niet zonder meer bubbels zichtbaar (Figuur 2C zijn).
- Eventuele overtollige silicone-elastomeer Schraap met een mes langs het bovenoppervlak van de schimmel.
- Plaats de mal in de oven op 70 ° C tot de silicone-elastomeer is genezen.
- Gebruik een spuit te injecteren silicone-elastomeer in de belletjes en gaatjes die op het oppervlak van de bedieningssleutel verschijnen.
- Schraap eventuele overtollige silicone-elastomeer op het oppervlak.
- Plaats de mal in de oven op 70 ° C tot de silicone-elastomeer is genezen.
3. basisartikel Fabrication
- Spray de schimmel release agent voor silicone-elastomeer producten gelijkmatig op het oppervlak van de schimmel deel C.
- Giet de silicone-elastomeer in deel C van de schimmel.
- Doorboren de belletjes die op het oppervlak met de punt van een naald, vormen zolang er niet zonder meer bubbels zichtbaar zijn.
- Eventuele overtollige silicone-elastomeer Schraap met een mes langs het bovenoppervlak van de schimmel.
- Plaats de mal in de oven op 70 ° C tot de silicone-elastomeer is genezen.
4. actuator vergadering
- Giet een laagje silicone-elastomeer, 1 mm dik, gelijkmatig op één gezicht van het basisartikel.
- Plaats het gedeelte van de kamer op het basisartikel. Gebruik een spuit te injecteren de silicone-elastomeer in de ruimte tussen het deel van de kamer en het basisartikel (Figuur 2D).
- Plaats de bedieningssleutel in de oven op 70 ° C tot de silicone-elastomeer is genezen.
5. buis verbinding
- Tik op de connector van de bedieningssleutel-tubing 3-d-3-d-afgedrukt om te accepteren dat de schroef van een mannelijke stud push-in: passen pneumatische montage.
- Gebruik een naald te doorboren het einde van de verbinding van de bedieningssleutel langs de middellijn van de cilinder. Vergroot de diameter van het gat met een stalen staaf, tot ongeveer 2 mm.
- Schroef de actuator-slang-aansluiting in de bedieningssleutel(Figuur 2).
- Duw een gedeelte van de buis in de mannelijke stud push-in: fit pneumatische montage.
6. het lekken van controle en reparatie
- De bedieningssleutel verbinden met een lucht-bron.
- Plaats van de hele bedieningssleutel in het water en druk uitoefenen op de actuator (Figuur 2F). Observeren of belletjes worden gevormd als gevolg van een lek.
- Gebruik een spuit te injecteren de silicone-elastomeer in lek punten. Plaats de bedieningssleutel in de oven op 70 ° C tot de silicone-elastomeer is genezen.
- Herhaal stap 6.1-6.3 indien nodig.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Resultaten
Enkele Actuator:
Om te controleren of de fabricage methode en demonstreren van de functie van de bedieningssleutel, 30°, 45° en 60° werden actuatoren vervaardigd en getest. Voor de opbouw van het experiment, was een luchtpomp werkzaam te activeren van de klep. De klep was aangesloten op de bedieningssleutel om de interne druk regelen. De één bedieningssleutel was vastgesteld op het einde van de verbinding en verticaal geplaatst. Terwijl de bedieningssleutel was wordt d...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Discussie
Het papier presenteert een protocol van de methode om de fabricage van zachte pneumatische netwerk actuators met schuine kamers. Naar aanleiding van het protocol, kan een actuator onafhankelijk binnen 3 uur worden vervaardigd. De belangrijkste stappen in het protocol kunnen als volgt worden samengevat. (i) de silicone-elastomeer is voorbereid in verhouding en goed gemengd. (ii) de silicone-elastomeer is gegoten in de mal voor de fabricage van de kamer deel en het basisartikel. (iii) de bubbels op het blootgestelde opperv...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Openbaarmakingen
De auteurs hebben niets te onthullen.
Dankbetuigingen
Dit werk werd gesteund door de nationale Natural Science Foundation van China onder Grant 51622506 en de wetenschap en technologie Commissie van Shanghai gemeente onder Grant 16JC1401000.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Materialen
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| Silicone elastomer | Wacker | ELASTOSIL M4601 A/B | Materiaal van de actuatoren |
| Spuit | Shanghai Kindly Medical Instruments | 10 ml | Wordt gebruikt om siliconenrubber in het gat van de mal te injecteren voor het fabriceren van de verbindingsaansluiting |
| Precisieschaal | Shanghai Hochoice | UTP-313 | Wordt gebruikt om het siliconenrubber te wegen |
| Planetaire centrifugale vacuümmixer | THINKY | ARE-310 | Wordt gebruikt om het siliconenrubber en de schuimvorming na het mengproces te mengen |
| Ontvormingsmiddel | Smooth-on | Release 200 | Wordt gebruikt voor gemakkelijke ontvorming |
| Naald | Shanghai Kindly Medical Instruments | Wordt gebruikt om de bubbels die zich op het oppervlak vormen te doorboren | |
| Gebruiksmes | M&G Chenguang Stationery | ASS91325 | Wordt gebruikt om overtollig siliconenrubber langs het bovenoppervlak van de mal te schrapen |
| Vacuümoven | Ningbo SI Instrument | DZF-6050 | Wordt gebruikt om de uithardingstijd van het siliconenrubber te verkorten |
| Pneumatische fitting met mannelijke nop | Zhe Jiang BLCH Pneumatic Science & Technology | PC4-01 | Wordt gebruikt om de slang en de 3D-geprinte actuator-slangverbinder te verbinden |
| Slang | SMC | TU0425 | Wordt gebruikt voor het aansturen van de actuatoren |
| Vacuumpomp | Zhe Jiang BLCH Pneumatic Science & Technology | Wordt gebruikt als luchtbron | |
| Drukklep | Zhe Jiang BLCH Pneumatic Science & Technology | IR1000-01BG | Wordt gebruikt voor het aanpassen van de ingangsluchtdruk |
Referenties
- 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).
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Herprints en machtigingen
