Productie, controle en prestatie-evaluatie van een gecko-geïnspireerde softrobot

Summary

Dit protocol biedt een gedetailleerde lijst van stappen die moeten worden uitgevoerd voor de productie, controle en evaluatie van de klimprestaties van een gekko-geïnspireerde zachte robot.

Abstract

Dit protocol presenteert een methode voor de productie, controle en evaluatie van de prestaties van een zachte robot die hellende vlakke oppervlakken kan beklimmen met hellingen tot 84°. De productiemethode geldt voor de snelle pneunet buigactuatoren in het algemeen en kan daarom interessant zijn voor nieuwkomers op het gebied van actuatorproductie. De besturing van de robot wordt bereikt door middel van een pneumatische besturingskast die willekeurige druk kan leveren en kan worden gebouwd door alleen gekochte componenten, een lasersnijder en een soldeerbout te gebruiken. Voor de loopprestaties van de robot speelt de drukhoekkalibratie een cruciale rol. Daarom wordt een semi-geautomatiseerde methode voor de drukhoekkalibratie gepresenteerd. Bij hoge hellingen (> 70°) kan de robot zich niet meer betrouwbaar aan het loopvlak vastmaken. Daarom wordt het gangpatroon aangepast om ervoor te zorgen dat de voeten op het loopvlak kunnen worden bevestigd.

Introduction

De interactie tussen mens en machine wordt steeds hechter. De toenemende robotdichtheid in bedrijven en huishoudens vormt nieuwe uitdagingen voor de robottechnologie. Vaak worden gevaren uitgesloten door scheidingsmethoden, maar op veel gebieden, vooral in huishoudens, is dit geen bevredigende oplossing. Zachte robotica pakt dit probleem aan door eigenschappen van zachte materialen en structuren te gebruiken om nieuwe soorten machines te ontwikkelen die zich gedragen als levende organismen¹, daarom worden zachte robots vaak geïnspireerd door biologische modellen². De meeste zachte robots kunnen worden ingedeeld in twee verschillende soorten: mobiele robots en robots ontworpen voor aangrijpen en manipulatie^3. Voor zachte mobiele robots, typische motorische principes zijn kruipen, lopen, hardlopen, springen, vliegen en zwemmen⁴. Een ander interessant toepassingsgebied voor zachte robots is klimmen - een combinatie van bewegingsvrijheid en hechting⁵. Zachte machines zijn zeer robuust en kunnen hun omgeving niet beschadigen door hun zachtheid. Deze karakteristieke predestines deze robot klasse voor klimmen, omdat ze gemakkelijk kunnen overleven een val. De literatuur biedt dan ook verschillende voorbeelden van zachte robots die 6^,7,^,88kunnen beklimmen .

Het doel van dit protocol is om een methode te bieden voor de productie, controle en evalueren van de prestaties van een gekko-geïnspireerde, klimmen zachte robot⁹. Het ontwerp is gebaseerd op het gebruik van snelle pneunet soft bending actuatoren¹⁰ gemaakt van elastomeer. Er kan echter ook een ander ontwerp en/of materiaal van zachte actuator worden gebruikt. De literatuur biedt een breed scala aan verschillende ontwerpen van zachte actuatoren¹¹ en geschikte materialen¹². De gepresenteerde productiemethode is vergelijkbaar met bestaande methoden^13, maar bevat enkele wijzigingen die resulteren in verhoogde herhaalbaarheid en robuustheid, althans in het geval van de zachte klimrobot⁹. De methode geldt voor snelle pneunet buigactuatoren in het algemeen en kan daarom interessant zijn voor nieuwkomers op het gebied van actuatorproductie.

Voor het beheersen van pneumatische geacteerde zachte robots biedt de literatuur verschillende oplossingen. Het varieert van goedkope en eenvoudig te repliceren bedieningsborden¹³ tot krachtige maar complexere boards¹⁴, die niet kunnen worden herbouwd zonder speciaal gereedschap. Hier wordt een korte beschrijving gegeven voor het bouwen van een pneumatische besturingskast met alleen een lasersnijder en een soldeerbout. De control box maakt het mogelijk om elke druk te leveren en biedt real-time zintuiglijke feedback, wat vooral belangrijk is voor robotica toepassingen. Het kan echter ook worden gebruikt voor vele andere toepassingen.

Protocol

1. Afdrukken van mallen

1. Download de *.stl-gegevens voor mallen uit de Aanvullende Gegevens 1 "CAD/Moulds/".
2. Gebruik de printerspecifieke snijsoftware om de 3D-modellen om te zetten in een afdruktaak.
3. Print de mallen met een 3D-printer.
4. Reinig de bedrukte mallen door ze 15 minuten in een ultrasoon bad te zetten.
5. Doe de mallen voor ten minste 3 uur in een UV-kamer.

2. Voorbereiding van het elastomeer

1. Verzamel het volgende voordat u aan deze stap begint: elastomeer (deel A en deel B), spatel, plastic beker, schimmel, gewichtsschaal, plastic spuit, schroefklemmen (of iets dergelijks), acrylglasplaat met twee overeenkomstige gaten, snijmes.
2. Meng deel A en deel B van de elastomeer in een 1:9 verhouding in een beker. Leg de beker op een weegmachine. Voeg eerst 5 g van deel B (donkerrood) toe. Voeg vervolgens met behulp van een spatel 45 g deel A (wit en stroperig) toe.
   LET OP: Zorg ervoor dat de nauwkeurigheid van de weging is tot 1 g. 50 g is genoeg voor een actuator. De beste manier voor portionering deel A is om een spatel te nemen en te laten uitlekken. Ongeveer 6 g per drainerende werking is mogelijk met de gebruikte spatel.
3. Blijf roeren totdat er geen witte of rode gebieden meer zichtbaar zijn aan de rand van de beker.
4. Doe de beker gedurende 15 minuten in een vacuümkamer om de lucht te verwijderen die gevangen zit in het elastomeer als gevolg van het roerproces.
5. Vul het gemengde elastomeer in een plastic spuit. Hierdoor kan het elastomeer veel nauwkeuriger worden geplaatst.
   OPMERKING: Aanvullende figuur 1 illustreert de in deze sectie beschreven verwerkingsstappen.

3. Productie van het bovenste deel (basisdeel)

1. Klem een acrylglasplaat met twee overeenkomstige gaten op de mal. Steek de spuit in het onderste gat en druk het elastomeer in de mal.
2. Breng kracht aan op de spuit door de zuiger te duwen totdat het gemengde elastomeer uit het bovenste gat tevoorschijn komt.
3. Maak de schroefklemmen los en trek de acrylglasplaat zijwaarts af.
   LET OP: Het is belangrijk om het naar de zijkant te trekken en niet naar boven. Anders wordt het elastomeer uit de mal getrokken.
4. Doorboort de stijgende luchtbellen met een scherp gereedschap. Niet te diep doorboren als dit zal leiden tot nieuwe luchtbellen in plaats van de bestaande te verwijderen. Het is vooral belangrijk om de grotere bellen te doorboren, omdat deze later de functionaliteit van de actuator aanzienlijk zullen beïnvloeden.
   OPMERKING: Evacueer optioneel de gevulde mal in de vacuümkamer om nog gevangen lucht te verwijderen. Daarbij kan het echter gebeuren dat de stijgende luchtbellen vast komen te zitten op de mal op weg naar het oppervlak en gaten in het gieten op functioneel relevante gebieden te creëren. Aanvullend figuur 2 illustreert dit verschijnsel.
5. Zet de mal 30 minuten in de oven op 65 °C.
6. Controleer na 10 minuten of het niveau van de elastomeer aanzienlijk is gedaald. Dit gebeurt als de mal niet volledig strak is of licht gebogen is als gevolg van frequent gebruik. Als het niveau meer dan 1 mm is gedaald, vult u het elastomeer opnieuw. Ga dan verder met genezen.
7. Na een totaal van 30 minuten in de oven, neem de mal en snijd de geëxtrudeerde elastomeer met een snijmes.
8. Open de mal door uit elkaar te gaan met een schroevendraaier. Let erop dat oppervlakken die relevant zijn voor het gieten niet beschadigen.
9. Verwijder de bijna afgewerkte actuator uit het deel van de mal waaraan het had geplakt in de vorige stap.
   LET OP: Een eerste visuele controle kan hier worden gemaakt om te zien of casting succesvol was. Als onherstelbare gebreken worden gevonden (zie aanvullende figuur 3),moet het productieproces hier worden gestopt. Kleinere gaten kunnen later worden gerepareerd. Het is ook belangrijk dat de afdichting lip is zo uitgesproken mogelijk over de gehele omtrek.
10. Snijd alle uitstekende bramen af met een messenmes. Dit is soms zeer moeizaam, maar essentieel voor een goed eindresultaat.
    OPMERKING: Aanvullende figuur 4 illustreert de in deze sectie beschreven verwerkingsstappen. De beschreven stappen zijn geldig voor het gieten van de vier poten (de mal is te vinden in Supplementy File 1 "CAD/Moulds/small_leg_schwalbe*.stl") en de twee basisdelen van de romp ("CAD/Moulds/small_belly*.stl"). Om de zuignappen (voeten van de robot, te vinden in "CAD/Moulds/zuigCup*.stl") of het onderste deel van de romp ("CAD/Moulds/small_torso_base1*.stl") te werpen, voert dezelfde processtappen uit, met uitzondering van de stappen 3.1 en 3.3 omdat deze mallen voor giet gieten een ingebouwde poort voor de spuit hebben en daarom geen extra acrylglasplaat nodig is. In totaal bouwen vier basisdelen van het been, twee basisdelen van de romp, een onderste deel van de romp, en vier zuignappen.

4. Productie van het onderste deel (onderste deel)

1. Duw een siliconen buis door de gaten die voor dit doel in de mal van het onderste deel, zie Aanvullende figuur 5.
2. Vul de mal van het basisdeel met elastomeer en verdeel het met de kleine spatel tot aan de hoeken.
   OPMERKING: Het elameergehalte mag niet hoger zijn dan 5 mm en niet lager dan 4 mm en moet de ingebouwde buis volledig bedekken. De mal voor het onderste deel van de benen is te vinden in Supplementy File 1 "CAD/Moulds/small_base_schwalbe.stl".
3. Zet de mal in de oven voor 15-20 min voor het uitharden. Voor de volgende stappen is het noodzakelijk dat het onderste deel blijft in de mal voor het moment verbonden met het bovenste deel.

5. Toetreding tot de basis en het onderste deel

1. Vul de mal van het onderste deel met elastomeer, zodat het niveau is 1-1,5 mm boven de reeds geharde elastomeer.
2. Steek een vlinder canule in het basisdeel en markeer de punctieplaats, zodat deze later gemakkelijker te vinden is. Deze stap is nodig om de uitdijende lucht in de oven te laten ontsnappen.
3. Plaats het onderste deel in de onderste mal en druk alleen de zijkanten iets in het elastomeerbad.
4. Zet de actuator 10-15 minuten in de oven en verwijder de mal daarna.
   LET OP: Het moet gemakkelijk zijn om de actuator uit de mal te verwijderen. Als het niet te doen, ofwel de elastomeer is nog niet volledig genezen (in dit geval, verhoging van de uithardingstijd met 10 meer min) of het onderste deel zit vast in de mal (in dit geval, moet het harder worden getrokken). Maar in het algemeen is het een slecht teken als de actuator niet gemakkelijk kan worden vrijgegeven.
5. Sluit een drukbron aan met behulp van de punctieplaats vanaf stap 5.2 en voer de laatste lekkagetest uit, zie Aanvullende figuur 6.
   LET OP: Als er kleine lekken aanwezig zijn, kunnen ze worden gerepareerd. Toepassing van een beetje elastomeer met een kleine spatel en 10 min in de oven moet het lek vast te stellen. Als alle lekken zijn verholpen, is de actuator klaar. Aanvullend figuur 6 illustreert de in deze afdeling beschreven verwerkingsstappen en aanvullend figuur 7 illustreert het gehele proces dat in de afdelingen 3–5 wordt beschreven. Voor het aansluiten van de basis en het onderste deel van de romp, voer dezelfde stappen uit, met uitzondering van stap 5.1, waar je de mal niet direct vult, maar het onderste deel.

6. Toetreding van alle ledematen

1. Bevestig de onderdelen die moeten worden samengevoegd met een speld naald op een houten plank, zodat ze samen kunnen worden gehouden in de volgende processtap.
2. Bedek het verbindingsoppervlak met elastomeer zoals weergegeven in aanvullend figuur 8A. Zorg ervoor dat het verbindingsoppervlak schoon en vetvrij is. Anders worden de onderdelen op dit punt gedelaminaat.
3. Zet de montage (zie aanvullende figuur 8B)10-15 minuten in de oven.

7. Montage van inhammen voor de toevoerbuis

1. Verbreed de invoegpositie van de vlinder canule vanaf stap 5.2 verder met behulp van een 1 mm Allen-toets.
2. Plaats het uiteinde van een siliconen buis met een maximale buitendiameter van 3 mm over het gat en druk het in met de Allen-toets.
3. Sluit de inlaat af met een beetje elastomeer. Dit beschermt ook tegen mechanische stress.
4. Zet de montage 10 minuten in de oven.
   OPMERKING: Aanvullende figuur 9 illustreert de in deze sectie beschreven verwerkingsstappen.

8. Het bouwen van de controlebox

1. Download de bijbehorende *.dxf tekeningen van de behuizing uit Aanvullende Gegevens 1 "CAD/ControlBox/" en knip ze uit op een lasersnijder.
2. Monteer de "User Interface Unit" op het voorpaneel volgens aanvullende figuur 10A en aanvullende figuur 11.
3. Bouw de zes "Valve Units" volgens aanvullende figuur 10B en aanvullend figuur 12.
4. Monteer de zes "Valve Units" en de "User Interface Unit" op het onderste paneel volgens aanvullende figuur 10C, aanvullende figuur 13 en aanvullende figuur 14. Monteer de twee zijpanelen en het achterpaneel. Als laatste, monteer het bovenste paneel.
5. Configureer de twee computers met één bord die zijn ingesloten in het controlevak volgens aanvullende bestand 1 en upload de volledige map "Code" (inclusief alle submappen) in de aanvullende gegevens 2 op beide borden.
6. Upload het script "Code/arduino_p_ctr.ino" in de Aanvullende Gegevens 2 naar de zes microcontrollers die in het controlevak zijn ingebed.

9. Het bouwen van een testbank met ingebouwd meetsysteem

1. Download de bijbehorende *.dxf tekening van de camerahouder uit Aanvullende Gegevens 1 "CAD/TestBench/" en knip deze uit op een lasersnijder.
2. Download de bijbehorende *.stl bestanden van de klemmen van Additional Data 1 "CAD/TestBench" en print ze af op een 3D-printer.
3. Monteer de camerahouder met de klemmen op een DIN-A1 posterpaneel volgens aanvullende figuur 15 en monteer de camera en een single-board computer op de beoogde locatie.
4. Configureer de ethernetinterface en de SSH-instellingen van de single-board computer volgens sectie 4–5 van Supplementabestand 1 en upload de volledige map "Code" (Aanvullende gegevens 2) op het bord.

10. Het hele systeem opzetten

1. Maak een lokaal netwerk en wijs het juiste IP-adres toe uit het script "Code/main.py" aan alle single-board computers en de computer die wordt gebruikt voor het bewaken - of herschrijf het script dienovereenkomstig.
2. Steeknaalden in beide uiteinden van de romp, zoals weergegeven in aanvullende figuur 16,zodat de robot alleen contact maakt met het loopvlak met de pinnen en zijn voeten (zuignappen).
3. Print de visuele markeringen¹⁵ in aanvullend bestand 2 op een DIN-A4-vel en knip ze uit met een schaar.
4. Bevestig de markeringen aan de robot met behulp van speldennaalden volgens aanvullende figuur 17.
5. Sluit de robot aan op de controlebox.
   OPMERKING: Figuur 1 illustreert de bedrading van het hele systeem.

11. Het controlevak uitvoeren

1. Schakel de hoofdschakelaar van de control box in en wacht tot alles is opgestart.
2. Log in op de hoofdcomputer met één bord als "root" met SSH, blader naar de map "Code" en start het controlevak met de opdracht "root@beaglebone:~# python3 main.py". Tegelijkertijd start u de monitor op de personal computer met de opdracht "user@pc:~ python2 monitor.py".
   OPMERKING: Beide programma's moeten min of meer tegelijk starten. Het programma "main.py" draait op de single-board computer in de control box probeert verbinding te maken met de personal computer die wordt gebruikt voor monitoring. Als er geen luisterpoort op de personal computer is (geactiveerd door het script "monitor.py"), wordt de monitor niet gestart. Behalve "monitor.py" zijn alle programma's/scripts die in dit protocol worden gebruikt, bedoeld om met python3 te worden uitgevoerd.
3. Sluit een drukbron aan op de controlebox (max. 1,2 bar).
4. Sluit een vacuümbron aan op de controlekast.

12. Kalibreren van de robot

1. Plaats de robot op het loopvlak van de testbank. Voor steile hellingen, bevestig een string tussen de voorkant van de robot en de bovenkant van het loopvlak om de robot op zijn plaats te houden.
2. Activeer op de controlevak de "patroonreferentie" modus door op de knop "modus 2" te drukken, zoals weergegeven in aanvullende figuur 18.
3. Scroll door het menu weergegeven op het LCD-scherm met behulp van de omhoog en omlaag knoppen totdat u de vermelding "clb". Druk vervolgens enter op de enter-knop.
4. Blader door het volgende menu tot aan het item "mode_4.csv" en druk op de knop"enter".
5. Druk op de monitor op de knop "opnemen" zoals weergegeven in het aanvullende cijfer 19.
   OPMERKING: Als u op de knop"opnemen"drukt, wordt automatisch een *.csv-bestand gemaakt op de bewakingscomputer op de locatie die is opgegeven in "Code/Src/GUI/save.py:save_last_sample_as_csv()", de map "current_exp" (voorbeeldmetingen worden weergegeven in aanvullende gegevens 3).
6. Druk op de knop " functie 1 " op de knop "functie 1" om de kalibratieprocedure te starten.
7. Druk na kalibratie op de "opname" knop op de monitor om de opname te stoppen en de "functie 1" knop op de controlebox om de drukregelaar te stoppen.
8. Wijzig de naam van het automatisch gemaakte bestand 'current_exp/*.csv', zodat het later op unieke wijze kan worden geïdentificeerd.
9. Voer het script "Kalibratie/eval_clb.py" in de aanvullende gegevens 4 uit en sla de uitvoer (coëfficiënten van de polynomiale pasvorm) op in het bestand "Code/Src/Controller/calibration.py" als vermelding met het trefwoord "[robotversie]" in het bestaande woordenboek.

13. Een gangpatroon maken

1. Voer het script "Code/Patterns/create_pattern.py" uit en sla het uitvoerde *.csv-bestand(en) op in de map "Code/Patterns/[robotversie]/".
   OPMERKING: Dit script zet het vooraf gedefinieerde gangpatroon voor rechte gang⁸ (zie Aanvullende figuur 20A of aanvullende animatie 1)om in hoekverwijzingen in robotspecifieke drukreferenties. Als u een gangpatroon voor steile hellingen wilt genereren, wijzigt u het script door regel 222 niet te plaatsen. Dit zal een patroon genereren volgens aanvullende figuur 20B of aanvullende animatie 2. De interface voor patroonverwijzingen die door het controlevak worden verstrekt, bestaat uit *.csv-bestanden waarbij elke rij een afzonderlijk instelpunt definieert voor alle actuatoren. Daarin definiëren de eerste acht kolommen de referentiedruk, definiëren de volgende vier kolommen de verwijzingen voor de direct werkende kleppen en definieert de laatste kolom de tijd die dit ingestelde punt moet worden aangehouden.
2. Synchroniseer de single-board computer in het controlevak met de personal computer, d.w.z. upload de map "Code/Pattern/*" op het bord. Hiervoor moet het programma "main.py" worden onderbroken (Ctrl+C).

14. Het uitvoeren van het klimexperiment

1. Voer stappen 11–13 uit voor elke te testen neiging.
2. Plaats de robot op het gemarkeerde punt op het loopvlak.
3. Selecteer een patroonverwijzing zoals beschreven in stap 12.2–12.4, maar selecteer in het eerste menu de gewenste "robotversie" (in plaats van "clb"), en selecteer in het tweede menu de patroonverwijzing volgens de huidige helling (in plaats van "mode_4.csv").
4. Begin met opnemen zoals beschreven in stap 12.5.
5. Druk op de knop "functie 1" om de drukregelaar te activeren.
6. Laat de robot minstens 6 cycli lopen/beklimmen.
7. Stop met opnemen door op de "record" knop op de monitor te drukken (zoals in stap 12.7).
8. Zorg ervoor dat de robot niet zal vallen bij het uitvoeren van de volgende stap.
9. Stop de drukregelaar door opnieuw op de "functie 1" knop te drukken. Dit zal ook stoppen met de vacuümtoevoer, en dus de robot zal vallen.
10. Verplaats het opgenomen *.csv-bestand naar de map "ExpEvaluation/[robotversie]/[patroontype]/[helling]/".
    OPMERKING: Herhaal elke run minstens vijf keer om een solide basis te hebben voor de volgende stap.

15. Evaluatie van het experiment

1. Voer het script "ExpEvaluation/eval_vS11_adj_ptrn.py" in Aanvullende Gegevens 5 uit om automatisch alle meetgegevens te bedoelen.
   OPMERKING: Dit script brengt het spoor van alle voeten, de toegepaste druk na verloop van tijd, de gemeten buighoek van alle ledematen na verloop van tijd, de snelheid van de robot na verloop van tijd, de oriëntatie van de robot in de tijd, de gemiddelde snelheid over helling (zie figuur 2A), en een benadering van de energie die wordt gebruikt over de helling (zie figuur 2B).

Results

Het gepresenteerde protocol resulteert in drie dingen: een zachte klimrobot, een universeel toepasbare controlebox en een controlestrategie voor de rechte beweging van de robot die zijn vermogen om te klimmen verhoogt en tegelijkertijd zijn verbruikte energie vermindert. De in punt 8 beschreven controlebox maakt een continue toevoer van elk gewenst drukniveau op maximaal zes kanalen (uitbreidbaar tot acht) en bovendien op vier kanalen de levering van vacuüm mogelijk (uitbreidbaar indien nodig). Met de "User Interface Unit" kan de gebruiker het controlevak eenvoudig bedienen tijdens runtime en de interface naar de monitor maakt het mogelijk om de gemeten gegevens direct te bekijken en op te slaan als een csv-bestand. De patroonreferentiemodus van het besturingselementvak biedt de gebruiker een intuïtieve interface om vooraf gedefinieerde patronen te herhalen. Dit kan het gangpatroon van de robot zijn, zoals in dit protocol, of het kan worden gebruikt voor vermoeidheidstesten van de actuator, of een andere toepassing die cyclische belasting vereist. Figuur 1 toont alle hardwarecomponenten die in de controlekast en het meetsysteem zijn gemonteerd en hoe ze zijn aangesloten.

Het gangpatroon voor de rechte beweging van de robot is geformuleerd in hoekige verwijzingen⁸. Om de robot te bedienen, moeten die hoekige verwijzingen worden omgezet in drukreferenties. De besturingsstrategie die in dit protocol wordt gebruikt, is gebaseerd op een eerdere hoekdrukkalibratie. Elke kalibratiemethode resulteert in een andere alfadrukcurve. Daarom is het noodzakelijk om de kalibratieprocedure zoveel mogelijk aan te passen aan de werkelijke bedrijfsomstandigheden. Bij het veranderen van de hellingshoek van het loopvlak veranderen ook de bedrijfsomstandigheden. Daarom moet de hoekdrukcurve voor elke helling opnieuw worden gekalibreerd. Figuur 2A toont de snelheid van de robot voor verschillende hellingen met een ongewijzigde kalibratie en een opnieuw gekalibreerde hoekdrukcurve. Het experiment toont duidelijk de effectiviteit van de re-kalibratie. De opnieuw gekalibreerde robot is niet alleen veel sneller, hij kan ook steilere hellingen beklimmen (84° in plaats van 76°), terwijl hij minder energie verbruikt⁹ zoals afgebeeld in figuur 2B. In figuur 3wordt een reeks foto's van de beweging van de robot getoond voor een helling van 48°. De figuur illustreert duidelijk dat de klimprestaties met re-kalibratie in figuur 3B veel beter zijn dan bij ongewijzigde kalibratie in figuur 3A, omdat de verschuiving in positie binnen hetzelfde tijdsinterval bijna twee keer zo groot is. Deze robot kan zeer snel bewegen in vergelijking met andere zachte robots. Qin et al.⁷ vat de voorwaartse snelheden van verschillende zachte robots samen. Zonder laadvermogen en in het horizontale vlak is de in dit protocol beschreven robot vijf keer sneller ten opzichte van de lichaamslengte dan de snelste robot in Ref.⁷.

Figuur 1: Diagram van hardwarecomponenten die in het controlevak zijn gemonteerd. Daarin wordt de drukverwijzing voor het i-th-kanaal, u_i het controlesignaal van de i-th proportionele klep, ide vector met de hoekverwijzingen, α de vector met de hoekmetingen, x de vector met de positiemetingen en ƒ de vector die de controlesignalen voor de directwerkende solenoïde kleppen bevat, d.w.z. de fixatietoestanden van de voeten. UI is een afkorting voor "User Interface Unit", BBB is een afkorting voor BeagleBone Black, dat wil zeggen, de single-board computer die wordt gebruikt in de control box, en RPi is een afkorting voor Raspberry Pi, dat wil zeggen, de single-board computer die wordt gebruikt in het meetsysteem. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figuur 2: Evaluatie van de klimprestaties. Gestippelde curven tonen de waarden voor constante en vaste curven voor opnieuw gekalibreerde drukverwijzingen. (A) Voorwaartse snelheid van de robot voor verschillende hellingshoeken. (B) Energieverbruik voor verschillende hellingshoeken. Dit cijfer is aangepast van Ref.⁹. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figuur 3: Reeks foto's van de beweging van de robot met een helling van 48°. De tijd die tussen elke foto is verstreken is 1,2 s. (A) Beweging voor constante druk verwijzingen en (B) de beweging voor opnieuw gekalibreerde druk verwijzingen. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Aanvullend figuur 1: Voorbereiding van het elastomeer. Klik hier om dit cijfer te downloaden.

Aanvullend figuur 2: Vergelijking van luchtbelvorming tijdens evacuatie voor en na het gieten. (A) Evacuatie van het elastomeer wordt alleen uitgevoerd voordat het giet. Gevangen luchtbellen blijven op hun plaats, maar ze zijn meer in het gebied van de hobbels, die niet sterk van invloed op de functionaliteit van de actuator. (B) Evacuatie wordt uitgevoerd voor en na het gieten. Gevangen luchtbellen stijgen maar komen weer vast te zitten aan de bovenzijde van de stutten en creëren gaten in de actuator die de functionaliteit kunnen beïnvloeden. Klik hier om dit cijfer te downloaden.

Aanvullende figuur 3: Voorbeelden van succesvolle en mislukte gezouten gietstukken. Bovenste rij toont succesvolle voorbeelden en mislukte voorbeelden van de onderste rij. Als het defect niet duidelijk herkenbaar is, wordt het gemarkeerd met een groene cirkel. Klik hier om dit cijfer te downloaden.

Aanvullend figuur 4: Fabricage van het basisonderdeel. Klik hier om dit cijfer te downloaden.

Aanvullend figuur 5: Regeling voor de vervaardiging van het onderste deel. Een buis (die later wordt gebruikt als de voedingsbuis voor de zuignap) wordt geklemd in de mal voor het gieten. Vervolgens wordt de mal gevuld met vloeibare elastomeer. Klik hier om dit cijfer te downloaden.

Aanvullend figuur 6: Samenvoeging van het basis- en onderste deel. Klik hier om dit cijfer te downloaden.

Aanvullend figuur 7: Laminatie gieten van een zacht buigende actuator. Vloeibare elastomeer wordt vertegenwoordigd in rood, genezen elastomeer in lichtrood, en de stambeperkende laag en de mallen in het zwart. (A) Gemengd elastomeer wordt gegoten in twee afzonderlijke mallen - een voor het onderste deel en een voor het onderste deel. Daardoor is het onderste deel slechts half gevuld. Een stambeperkende laag (toevoerbuis) wordt vervolgens in het onderste deel mal. (B) De onderdelen zijn uitgehard en het basisdeel is gedemolded. (C) Het onderste deel schimmel is gevuld naar de top met vloeibare elastomeer. (D) Het basisdeel wordt ondergedompeld in deze mal. (E) De twee delen zijn samen genezen. (F) De actuator is demolded. Dit cijfer is gebaseerd op Ref.¹³. Klik hier om dit cijfer te downloaden.

Aanvullend figuur 8: Samenvoeging van alle ledematen. (A) Het bedekken van de oppervlakken die moeten worden verbonden met vloeistofelastomeen. (B) Gerenderd beeld van de volledige assemblage. Klik hier om dit cijfer te downloaden.

Aanvullend figuur 9: Montage van de inhammen van de toevoerbuis. Klik hier om dit cijfer te downloaden.

Aanvullende figuur 10: Foto's van het controlevak. (A) Vooraanzicht van de user interface unit voor het inschakelen van de gebruiker om te communiceren met de robot. (B) Detail weergave van een Valve Unit. (C) Bovenste weergave van het gehele controlevak. Klik hier om dit cijfer te downloaden.

Aanvullende figuur 11: Circuitdiagram van de user interface-eenheid. Klik hier om dit cijfer te downloaden.

Aanvullende figuur 12: Circuitdiagram van de klepunit. Klik hier om dit cijfer te downloaden.

Aanvullend figuur 13: Vereenvoudigd schakeldiagram van het gehele controlevak. Klik hier om dit cijfer te downloaden.

Aanvullende figuur 14: diagram met gebruikte pinnen van de computers met één bord die in het controlevak zijn ingebouwd. (A) Gebruikte pinnen van het bord nodig voor de communicatie van de gebruiker. (B) Gebruikte pinnen van het bord dat nodig is voor robotbesturing. Klik hier om dit cijfer te downloaden.

Aanvullend figuur 15: Gerenderd zicht op het loopvlak met geïnstalleerd meetsysteem. Klik hier om dit cijfer te downloaden.

Aanvullend figuur 16: Visualisatie van het hijseffect. Speldennaalden met 6 mm koppen worden in beide uiteinden van de romp gestoken. Dit minimaliseert wrijving tijdens het lopen en zorgt ervoor dat de zuignappen volledig contact hebben met het loopvlak. Klik hier om dit cijfer te downloaden.

Aanvullende figuur 17: Verzameling van de visuele markeringen. De markeringen worden met behulp van speldennaalden op de robot gemonteerd. Marker 0 is gemonteerd op de linker voorste linkervoet, marker 1 aan de voorzijde van de romp, marker 2 aan de rechter voorste voet, marker 3 aan de achterste linkervoet, marker 4 aan de achterkant van de romp, en marker 5 aan de achterste rechtervoet. Voor de montage van marker 4 worden drie speldennaalden gebruikt Dit cijfer is aangepast van Ref.⁹. Klik hier om dit cijfer te downloaden.

Aanvullende figuur 18: Legend of knoppen van het controlevak. Klik hier om dit cijfer te downloaden.

Aanvullende figuur 19: Legend of buttons van de grafische gebruikersinterface. Klik hier om dit cijfer te downloaden.

Aanvullende figuur 20: Looppatronen voor rechte beweging van de robot. Vaste voeten worden aangegeven door gevulde cirkels en niet-vaste voeten door ongevulde cirkels. (A) Gait patroon voor lage en matige hellingshoeken (< 70°). (B) Gangpatroon voor hoge hellingshoeken (> 70°). Vacuüm wordt toegepast op rode en zwart gevulde voeten. Zwart gevulde voeten zijn bevestigd aan de grond, terwijl rode voeten niet noodzakelijkerwijs hoeft te worden. Om de fixatie te beveiligen, wordt de te repareren voet één keer heen en weer geslingerd. Dit cijfer is aangepast van Ref.⁹. Klik hier om dit cijfer te downloaden.

Aanvullende figuur 21: Gerenderd explosie zicht op de zachte klimrobot. Zwaluwstaarten bevinden zich aan de benen en de bijbehorende keyways aan de uiteinden van de romp. Dit maakt het verbindingsproces veel nauwkeuriger. Dit cijfer is aangepast van Ref.⁹. Klik hier om dit cijfer te downloaden.

Aanvullend figuur 22: Verschillende kalibratieprocedures voor de bepaling van de drukhoekcurve. Elke subfiguur toont de kwalitatieve drukcursus en snapshots van de bijbehorende robotpose. (A) Elke actuator wordt continu opgeblazen vanaf 0 bar tot 1 bar, terwijl alle andere drukloos blijven. (B) Op één actuator voor 3 s wordt een drukplateau aangebracht; dan wordt het volledig leeggelopen voor 2 s. In de volgende ronde wordt het niveau van het drukplateau verhoogd met de toename tot het plateau 1 bar bereikt. Dit wordt gedaan voor elke actuator individueel. (C) Dezelfde procedure als in modus 2, maar hier wordt hetzelfde plateau toegepast op actuatoren (0,3,4), respectievelijk actuatoren (1,2,5), tegelijkertijd. (D) Dezelfde procedure als in modus 3, maar plateaus voor actuatoren (0,3) beginnen bij 0 bar (zoals voorheen) en eindigen op 1,2 bar (in plaats van 1 bar). In principe wordt de toename voor actuatoren (0,3) iets verhoogd, terwijl de verhogingen voor de andere actuatoren hetzelfde blijven. Klik hier om dit cijfer te downloaden.

Aanvullend figuur 23: Hoekdrukcurven voor verschillende kalibratieprocedures. Klik hier om dit cijfer te downloaden.

Aanvullende animatie 1: animatie van de rechte gang van de robot. Klik hier om dit bestand te downloaden.

Aanvullende animatie 2: animatie van de klim gang van de robot. Klik hier om dit bestand te downloaden.

Aanvullend bestand 1: instructies voor het configureren van de computers met één bord. Klik hier om dit bestand te downloaden.

Aanvullend bestand 2: afdruksjabloon voor de visuele markeringen. Klik hier om dit bestand te downloaden.

Aanvullende gegevens 1: CAD-bestanden. Deze zip-gecomprimeerde map bevat de *.stl-bestanden voor het afdrukken van de mallen, de *.dxf-bestanden voor lasersnijden van de behuizing van de control box, de *.stl-bestanden voor het afdrukken van de klemmen die worden gebruikt voor het meetsysteem, en de *.dxf-bestand voor laser snijden het frame van het meetsysteem. Klik hier om dit bestand te downloaden.

Aanvullende gegevens 2: Code om te draaien op de single-board computers. Deze zip-gecomprimeerde map bevat de programma's en hun bronnen die op het bord worden uitgevoerd die worden gebruikt voor de "User Interface Unit", het bord dat wordt gebruikt voor robotbesturing en het bord dat wordt gebruikt voor beeldverwerking. Upload de volledige map naar alle drie de borden. Klik hier om dit bestand te downloaden.

Aanvullende gegevens 3: Voorbeeldige meetgegevens. Deze zip-gecomprimeerde map bevat twee *.csv-bestanden die tijdens de kalibratieprocedure zijn gegenereerd. Klik hier om dit bestand te downloaden.

Aanvullende gegevens 4: kalibratiescript. Deze zip-gecomprimeerde map bevat het python-script en de bronnen ervan voor het evalueren van de meetgegevens die tijdens de kalibratieprocedure worden gegenereerd. Klik hier om dit bestand te downloaden.

Aanvullende gegevens 5: Evaluatiescript. Deze zip-gecomprimeerde map bevat twee python-scripts en hun bronnen voor het evalueren van de meetgegevens die tijdens het klimexperiment worden gegenereerd. Bovendien bevat het alle meetgegevens die worden gebruikt voor het genereren van figuur 2. Klik hier om dit bestand te downloaden.

Discussion

Het gepresenteerde protocol bevat veel verschillende aspecten met betrekking tot de klimzachte robot van Ref.⁹, waaronder productie, controle, kalibratie en prestatie-evaluatie. In het volgende worden de voor- en nadelen die voortvloeien uit het protocol besproken en gestructureerd volgens de bovengenoemde aspecten.

De gepresenteerde productiemethode is sterk gebaseerd op de bestaande literatuur^10,13. Een wezenlijk verschil is het ontwerp van de actuator. Om zich aan de afzonderlijke ledematen te voegen, worden zwaluwstaartgeleiders op de juiste punten ingebracht, zoals weergegeven in aanvullend figuur 21. Dit resulteert in een veel preciezere en robuustere verbinding tussen de ledematen in vergelijking met het vorige ontwerp van de robot^8. Bovendien zijn de aanvoerbuizen ingebed in het onderste deel van de actuatoren. Dit geïntegreerde ontwerp maakt het mogelijk om de zuignappen te voorzien van vacuüm en tegelijkertijd maakt de onderste laag niet meer rekbaar, wat de prestaties van de actuator aanzienlijk verhoogt. Een ander verschil met de procedure beschreven in de literatuur is dat de gemengde elastomeer slechts eenmaal wordt geëvacueerd (onmiddellijk na het mengen). Veel bronnen raden het evacueren van de elastomeer twee keer: een keer na het mengen en eenmaal nadat het is gevuld in de mal. Het kan gebeuren dat de lucht blijft gevangen in zeer kleine ruimtes. In de vacuümkamer zet deze lucht uit en stijgt in het beste geval naar het oppervlak. Vaak genoeg, echter, deze luchtbellen vast komen te zitten op hun weg, het creëren van onaangename gaten in de afgewerkte gieten. Hier moet een beslissing worden genomen over wat belangrijker is: perfecte contouren aan de onderkant van het basisdeel of zo min mogelijk risico van het produceren van een niet-functionele actuator (zie aanvullende figuur 2). In dit protocol wordt geen tweede evacuatie uitgevoerd. In de gepresenteerde procedure kan de hoogte van het onderste deel variëren omdat het handmatig wordt gevuld, en, in tegenstelling tot het basisdeel, is er geen mogelijkheid om het na het uitharden tot een uniforme hoogte te snijden. Om ervoor te zorgen dat de hoogte van het onderste deel zo uniform mogelijk is, wordt aanbevolen om een spuit te gebruiken bij het vullen van de mal van het onderste deel en om het volume te meten dat erin wordt gegoten. Echter, afhankelijk van hoeveel tijd is verstreken sinds het mengen, de stroom eigenschappen van de elastomeer aanzienlijk veranderen. Daarom wordt aanbevolen om altijd vers gemengde elastomeer te gebruiken. Het verbinden van de basis en het onderste deel van de actuator brengt de grootste procesonzekerheid met zich mee. Als het elastomeerbad te hoog is, zal het luchtkanaal tussen de kamers waarschijnlijk ook worden afgedekt. Dan is de actuator niet meer bruikbaar. Als het elastomeerbad te laag is, kan de afdichtingslip niet in de gehele omtrek worden bedekt en zou de actuator lekken. Daarom is een bepaalde hoeveelheid oefening nodig om het elastomeerbad correct te doseren. Belangrijk voor toetreding in het algemeen is een vetvrije verbinding oppervlak. Als het verbindingsoppervlak te verontreinigd is, kan de afgewerkte actuator delamineren. Daarom is het essentieel om ervoor te zorgen dat de onderdelen alleen worden aangeraakt op oppervlakken die niet moeten worden samengevoegd. Een belangrijke beperking van de productiemethode is het aantal te realiseren stukken. De productie van één actuator duurt in totaal minstens twee uur. Hoewel het mogelijk is om te werken met verschillende mallen parallel, meer dan vier is niet aan te bevelen als gevolg van tijdsdruk. De potlevensduur van het elastomeer is te kort om nog meer mallen te kunnen vullen. Bovendien zijn de 3D-geprinte mallen slechts bestand tegen een beperkt aantal productiecycli (ca. 10-20) voordat ze zeer vervormd raken of breken. Een verdere beperking is de reeds besproken procesonzekerheden. Aangezien bijna alle processtappen handmatig worden uitgevoerd, is elke actuator een beetje anders. Dit kan leiden tot twee robots die identiek zijn in de bouw, maar tonen twee zeer verschillende gedragingen.

Met de controlebox wordt een methode geleverd om de robot te bedienen. Niettemin moet voor elk pneumatisch systeem de controlewinst van het script "Code/arduino_p_ctr.ino" individueel worden bepaald. Dit valt niet onder het protocol. Echter, de "druk referentie modus" van de control box maakt een speelse behandeling van de robot, zodat controller tuning kan worden gemaakt zonder het schrijven van meerdere scripts. Een andere beperking van de control box is de kosten als het materiaal kost ongeveer 7000 US $ in totaal. De literatuur¹¹ biedt een bouwinstructie voor een controledoos die slechts ongeveer 900 US$ kost en met sommige verbeteringen ook zou kunnen worden gebruikt om de robot te bedienen.

Cruciaal voor de kalibratie van de individuele actuatoren is de keuze van de kalibratieprocedure. Aanvullend figuur 22 toont het kwalitatieve verloop van de drukreferenties in de loop van de tijd voor vier verschillende procedures en aanvullende figuur 23 toont de resulterende hoekdrukcurven. Zoals te zien is in de laatste, elke methode van kalibratie resulteert in een andere hoek-druk curve. Dit toont aan dat de relatie tussen druk en hoek sterk afhankelijk is van de belasting die op de actuator werkt. Daarom moet de kalibratieprocedure de echte belastingsgeval zo goed mogelijk weergeven. Daarom moet de kalibratieprocedure zoveel mogelijk worden aangepast aan de werkelijke bedrijfsomstandigheden. De beste loopprestaties worden verkregen met kalibratieprocedure 4. Zoals echter te zien is in figuur 3B,zijn de daaropvolgende poses in de serie niet volledig symmetrisch, wat een indicator is voor het potentieel van verbetering van de kalibratie.

Cruciaal voor het meetsysteem is de montage van de visuele markeringen¹⁵ in sectie 10. Omdat ze niet direct op de gewenste punten kunnen worden gemonteerd (omdat de buizen interfereren), moeten de gemeten punten kunstmatig worden verschoven. Bij het bepalen van deze offsetvector (in pixelcoördinaten van de camera) moet bijzondere aandacht worden betraaand; anders zal de hele meting aanzienlijke systematische fouten bevatten. Er moet ook voor worden gezorgd dat de tags niet met de tijd worden verplaatst. Als dit gebeurt, bijvoorbeeld als gevolg van een val van de robot, moet de bijbehorende tag op exact dezelfde plaats opnieuw worden gemonteerd. In ieder geval moet regelmatig worden gecontroleerd of het meetsysteem nog steeds een betrouwbaar vermogen produceert.

De beperkende factor in het experiment is de fixatie van de voeten. Om nog steilere neigingen te kunnen beklimmen, moet het fixatiemechanisme worden heroverwogen. Momenteel is de robot niet in staat om actief zijn voeten tegen het loopvlak te duwen, en voor hoge hellingen is de normale kracht veroorzaakt door de zwaartekracht te klein om de zuignappen dicht genoeg bij het loopvlak te brengen om betrouwbare zuigkracht te garanderen.

De gepresenteerde productiemethode kan worden overgedragen naar elke fluidic elastomeeractuator en kan daarom interessant zijn voor toekomstige toepassingen. De gepresenteerde controlebox maakt de controle van elk pneumatisch systeem dat bestaat uit zes individuele actuatoren (uitbreidbaar tot acht), met inbegrip van robotplatforms als ze vereisen snelle zintuiglijke feedback. Daarom kan het worden gebruikt als een universeel platform voor het testen en besturen van toekomstige robots. Ten slotte kan de gepresenteerde kalibratiemethode in principe voor elk feed-forward gecontroleerd pneumatisch systeem zijn. Samengevat zijn alle gepresenteerde methoden universeel binnen de besproken scope.

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
3D Printer	Formlabs	Form 2
acrylic glass plate with two holes	-		voor gieten, zie aanvullend materiaal
acrylic glass back panel	-		zie aanvullend materiaal
acrylic glass bottom panel	-		zie aanvullend materiaal
acrylic glass front panel	-		zie aanvullend materiaal
acrylic glass side panel	-		zie aanvullend materiaal
acrylic glass top panel	-		zie aanvullend materiaal
Arduino Nano	Arduino	A000005
Allan Key 1mm			beschikbaar in elke werkplaats
BeagleBone Black	beagleboard	BBB01-SC-505
butterfly cannula	B. Braun Melsungen AG	5039573
clamp 1 for measurement system	-		zie aanvullend materiaal
Clamp 2 for measurement system	-		zie aanvullend materiaal
cutter knife			beschikbaar in elke werkplaats
direct acting solenoid valves	Norgren	EXCEL22 DM/49/MDZ83J/T4
elastomer	Wacker Chemie	ELASTOSIL M4601
frame measurement system part 1	-		zie aanvullend materiaal
frame measurement system part 2	-		zie aanvullend materiaal
laser cutter	Trotec	SP500
LED	RND COMPONENTS	RND 210-00013
LCD	JOY-IT	SBC-LCD16X2
mould bottom part leg	-		zie aanvullend materiaal
mould bottom part torso 1	-		zie aanvullend materiaal
mould bottom part torso 2	-		zie aanvullend materiaal
mould leg 1	-		zie aanvullend materiaal
mould leg 2	-		zie aanvullend materiaal
mould torso 1	-		zie aanvullend materiaal
mould torso 2	-		zie aanvullend materiaal
oven	Binder	ED 115
Plastic Cup			beschikbaar in elke supermarkt
Plastic syringe			beschikbaar in elke apotheek
poster panel	Net-xpress.de (distributeur)	10620232	als loopvlak
Potentiometer	VISHAY	P16NM103MAB15
Power Supply	Pulse Dimension	CPS20.241-C1
pressure sensor	Honeywell	SSCDANN150PG2A5
Pressure Source	EINHELL	4020600
proportional valves	Festo	MPYE-5-1/8-LF-010-B	6x
Raspberry Pi	RASPBERRY PI	RASPBERRY PI 3B+
Raspberry Pi Cam	RASPBERRY PI	RASPBERRY PI CAMERA V2.1
resin	formlabs	grey resin 1l
screw clamps	VELLEMAN	3935-12
silicon tube 2mm	Festo	PUN-H-2X0,4-NT	voor het verbinden van de robot met de controlebox
silicone Tube 2.5mm	Schlauch24	n/a	voor toevoerslang inlaat (https://www.ebay.de/itm/281761715815)
Switches	MIYAMA	MS 165
ultrasonic bath	RND LAB	605-00034
UV chamber	formlabs	Form Cure
Vacuum chamber + pump	COPALTEC	PURE PERFEKTION
weight scale	KERN-SOHN	PCB 2500-2	min. resolutie 1g