Tutaj prezentujemy metodę produkcji miękkich pneumatycznych siłowników sieciowych z ukośnymi komorami. Siłowniki są zdolne do generowania sprzężonych ruchów zginania i skręcania, co rozszerza ich zastosowanie w miękkiej robotyce.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Produkcja miękkich pneumatycznych siłowników sieciowych z komorami skośnymi
* These authors contributed equally
W tym artykule
Podsumowanie
Streszczenie
Miękkie pneumatyczne siłowniki sieciowe stały się jednym z najbardziej obiecujących urządzeń uruchamiających w miękkiej robotyce, co korzysta z ich dużego odkształcenia przy zginaniu i niskiego nakładu pracy. Jednak ich monotonna forma ruchu zginającego w przestrzeni dwuwymiarowej (2D) trzyma je z dala od szerokich zastosowań. W artykule przedstawiono szczegółową metodę wytwarzania miękkich pneumatycznych siłowników sieciowych z ukośnymi komorami, w celu zbadania ich ruchów w przestrzeni trójwymiarowej (3D). Konstrukcja komór skośnych sprawia, że siłowniki z możliwością przestrajalnego sprzężonego zginania i skręcania, co daje im możliwość zręcznego poruszania się w elastycznych manipulatorach, stają się biologicznie inspirowanymi robotami i urządzeniami medycznymi. Proces produkcji opiera się na metodzie formowania, w tym przygotowaniu elastomeru silikonowego, produkcji części komory i podstawy, montażu siłownika, połączeń rurowych, kontroli szczelności i naprawy siłownika. Metoda produkcji gwarantuje szybkie wyprodukowanie serii siłowników przy zaledwie kilku modyfikacjach w formach. Wyniki testów wskazują na wysoką jakość siłowników oraz ich wybitne możliwości zginania i skręcania. Eksperymenty z chwytakiem pokazują zalety tego rozwiązania w dostosowywaniu się do obiektów o różnych średnicach i zapewnianiu wystarczającego tarcia.
Wprowadzenie
Miękkie siłowniki pneumatyczne (SPA) to miękkie urządzenia, które mogą być uruchamiane przez proste wprowadzenie ciśnienia powietrza1,2. Mogą być wytwarzane z różnych materiałów, takich jak elastomery silikonowe3, fabrics4, polimery z pamięcią kształtu5 i elastomery dielektryczne6. Naukowcy skorzystali z ich charakteru, jakim jest zgodność, zręczność ruchów i proste metody wytwarzania7, dzięki czemu SPA stały się jednym z najbardziej obiecujących urządzeń do zastosowań w miękkiej robotyce8,9. SPA mogą realizować różne wyrafinowane ruchy, takie jak pełzanie10, rotation11 i rolling12 w oparciu o różne rodzaje deformacji, w tym rozciąganie, rozszerzanie, zginanie i skręcanie13,14. Aby móc wykonywać różne rodzaje ruchów, SPA są projektowane w różnych strukturach, takich jak liniowe ciało z równoległymi kanałami15, monolityczna komora ze wzmocnieniami światłowodowymi16 oraz sieci powtarzających się podkomór17. Wśród nich szeroko stosowane są SPA z sieciami powtarzających się podkomór, miękkie pneumatyczne siłowniki sieciowe, ponieważ mogą generować duże odkształcenia pod stosunkowo niskim ciśnieniem wejściowym. Jednak w większości poprzednich konstrukcji tego typu siłowniki mogą generować ruchy zginające tylko w przestrzeni 2D, co znacznie ogranicza ich zastosowania.
Miękki pneumatyczny siłownik sieciowy składa się z liniowo ułożonej grupy komór połączonych wewnętrznym kanałem. Każda komora sześcienna zawiera parę przeciwległych ścianek, które są cieńsze niż druga para i powodują dwustronne napompowanie w kierunku prostopadłym do cieńszych ścianek. Pierwotnie cieńsze ścianki komór są prostopadłe do długiej osi korpusu siłownika i nadmuchują się wraz z długą osią. Te współliniowe inflacje w komorach i nierozciągliwej podstawie prowadzą do integralnego, czystego wygięcia siłownika. Aby zbadać ruch siłownika w przestrzeni 3D, orientacja komór jest dostrojona tak, aby cieńsze ścianki boczne nie były już prostopadłe do długiej osi siłownika (Rysunek 1A), co umożliwia przesunięcie kierunku pompowania każdej komory od osi i stanie się niewspółliniowym. Wszystkie równoległe, ale nie współliniowe inflacje zmieniają ruch siłownika w sprzężony ruch zginania i skręcania w przestrzeni 3-D 18. Ten sprzężony ruch zapewnia siłownikom większą elastyczność i zręczność manualną oraz sprawia, że siłowniki są odpowiednim kandydatem do bardziej praktycznych zastosowań, takich jak elastyczne manipulatory, roboty inspirowane biologią i urządzenia medyczne.
Ten protokół pokazuje metodę wytwarzania tego rodzaju miękkich pneumatycznych siłowników sieciowych z ukośnymi komorami. Obejmuje przygotowanie elastomeru silikonowego, wykonanie komory i części podstawy, montaż siłownika, podłączenie rurki, sprawdzenie szczelności i, jeśli to konieczne, naprawę siłownika. Może być również stosowany do wytwarzania normalnych miękkich pneumatycznych siłowników sieciowych i innych miękkich siłowników, które można wytwarzać z kilkoma prostymi modyfikacjami metody formowania. Zapewniamy szczegółowe kroki do wykonania miękkiego siłownika pneumatycznego z komorami skośnymi 30°. Do różnych zastosowań siłowniki o różnych kątach nachylenia komory mogą być produkowane zgodnie z tym samym protokołem. Oprócz tego siłowniki można łączyć w system wielosiłownikowy dla różnych wymagań.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Protokół
UWAGA: Protokół zawiera procedury produkcji miękkiego pneumatycznego siłownika sieciowego. Przed procedurą produkcyjną należy wcześniej wydrukować w 3D zestaw form i kilka łączników siłownik-rurka, które są zaprojektowane za pomocą oprogramowania do projektowania wspomaganego komputerowo (CAD). Formy są pokazane w Rysunek 1B.
1. Przygotowanie elastomeru silikonowego
- Odważyć 5 g elastomeru silikonowego część B i 45 g części A [9:1 (A:B) części wagowo] w tym samym pojemniku do mieszania (Rysunek 2A). Użyj strzykawki, aby upewnić się, że proporcje każdej części są dokładne.
UWAGA: Proporcje mieszania różnią się dla różnych elastomerów silikonowych. Proporcje każdej części należy dostosować, gdy zostanie przyjęty inny elastomer silikonowy. - Dobrze wymieszaj elastomer silikonowy z planetarnym mieszalnikiem odśrodkowym.
UWAGA: Elastomer silikonowy może być przechowywany w niskiej temperaturze, aby wydłużyć czas jego przetwarzania.
2. Produkcja części komory
- Rozpyl środek antyadhezyjny do produktów z elastomeru silikonowego równomiernie na powierzchnie części formy A i części B.
- Zmontuj część A i część B formy do produkcji komory. Przytrzymaj oba końce formy klipsami, aby zapobiec wyciekowi elastomeru silikonowego.
- Weź 5 ml elastomeru silikonowego za pomocą strzykawki i wstrzyknij go powoli do otworu formy w celu wykonania końcówki łączącej (cylindryczna struktura na jednym końcu siłownika do podłączenia rurki). Następnie wypełnij całą formę elastomerem silikonowym ( Rysunek 2B).
UWAGA: Utrzymuj niskie natężenie przepływu i powoli poruszaj się w przód iw tył, aby elastomer silikonowy mógł dostać się do maleńkich struktur formy. - Przebij bąbelki, które tworzą się na powierzchni, końcówką igły, aż nie będzie już widać bąbelków (Rysunek 2C).
- Zeskrob nadmiar elastomeru silikonowego za pomocą ostrza wzdłuż górnej powierzchni formy.
- Umieść formę w piekarniku w temperaturze 70 °C, aż elastomer silikonowy się utwardzi.
- Za pomocą strzykawki wstrzyknąć elastomer silikonowy w pęcherzyki i otwory, które pojawiają się na powierzchni siłownika.
- Zeskrob nadmiar elastomeru silikonowego z powierzchni.
- Umieść formę w piekarniku w temperaturze 70 °C, aż elastomer silikonowy się utwardzi.
3. Produkcja części bazowych
- Rozpyl środek antyadhezyjny do wyrobów z elastomeru silikonowego równomiernie na powierzchnię części formy C.
- Wlej elastomer silikonowy do części C formy.
- Przebij bąbelki, które tworzą się na powierzchni, końcówką igły, aż nie będzie już widać bąbelków.
- Zeskrob nadmiar elastomeru silikonowego za pomocą ostrza wzdłuż górnej powierzchni formy.
- Umieść formę w piekarniku w temperaturze 70 °C, aż elastomer silikonowy się utwardzi.
4. Zespół siłownika
- Równomiernie wylej warstwę elastomeru silikonowego o grubości 1 mm na jedną powierzchnię części podstawowej.
- Umieść część komory na części podstawy. Użyj strzykawki, aby wstrzyknąć elastomer silikonowy w przestrzeń między częścią komory a częścią podstawy (Rysunek 2D).
- Umieścić siłownik w suszarce w temperaturze 70 °C, aż elastomer silikonowy się utwardzi.
5. Przyłącze rurowe
- Dotknij wydrukowanego w 3D złącza rurki siłownika, aby zaakceptować męskiej złączki pneumatycznej wciskanej na wtyk .
- Użyj igły, aby przebić końcówkę łączącą siłownika wzdłuż linii środkowej cylindra. Zwiększ średnicę otworu za pomocą stalowego pręta do około 2 mm.
- Przykręć złącze rurki siłownika do siłownika (Rysunek 2E).
- Wciśnij odcinek rurki do męskiej złączki pneumatycznej wciskanej na wtyk .
6. Sprawdzenie i naprawa szczelności
- Podłącz siłownik do źródła powietrza.
- Umieść cały siłownik w wodzie i zwiększ ciśnienie w siłowniku (Rysunek 2F). Obserwuj, czy w wyniku wycieku powstają pęcherzyki.
- Za pomocą strzykawki wstrzyknąć elastomer silikonowy w miejsca nieszczelności. Umieścić siłownik w suszarce w temperaturze 70 °C, aż elastomer silikonowy się utwardzi.
- W razie potrzeby powtórz kroki 6.1 - 6.3.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Wyniki
Pojedynczy siłownik:
Aby zweryfikować metodę wytwarzania i zademonstrować działanie siłownika, wykonano i przetestowano siłowniki o kątach 30°, 45° i 60°. W układzie eksperymentalnym do aktywacji zaworu wykorzystano pompę powietrzną. Zawór podłączono do siłownika w celu kontrolowania ciśnienia wewnętrznego. Pojedynczy siłownik przymocowano za koniec przyłączeniowy i ustawiono pionowo. Podczas zwiększania ciśnienia w siłowniku, dwie kamery cyfrowe rejestrowały jego poł...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Dyskusja
W artykule przedstawiono protokół metodyczny ułatwiający wytwarzanie miękkich pneumatycznych siłowników sieciowych z komorami skośnymi. Zgodnie z protokołem, jeden siłownik może zostać wyprodukowany niezależnie w ciągu 3 godzin. Kluczowe kroki w protokole można podsumować w następujący sposób. (i) Elastomer silikonowy jest przygotowany w proporcjach i dobrze wymieszany. (ii) Elastomer silikonowy wlewa się do formy w celu wytworzenia części komory i części podstawowej. (iii) Bąbelki na odsłoniętej powierzchni są przebijan...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Oświadczenia
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
Podziękowania
Ta praca była wspierana przez Narodową Fundację Nauk Przyrodniczych Chin w ramach Grantu 51622506 oraz Komisję Nauki i Technologii Gminy Szanghaj w ramach Grantu 16JC1401000.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Materiały
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Elastomer silikonowy | Wacker | ELASTOSIL M4601 A/B | Materiał siłowników |
| Strzykawka | Shanghai Kindly Instrumenty medyczne | 10 ml | Służy do wstrzykiwania gumy silikonowej do otworu formy w celu wykonania końcówki łączącej |
| Precyzyjna waga | Shanghai Hochoice | UTP-313 | Służy do ważenia gumy silikonowej |
| Planetarny odśrodkowy mikser próżniowy | THINKY | ARE-310 | Służy do mieszania kauczuku silikonowego i odpieniania po procesie mieszania |
| Środek antyadhezyjny | Smooth-on | Release 200 | Służy do ułatwienia wyjmowania z formy i nbsp; |
| Igła | Shanghai Uprzejme instrumenty medyczne | Służy do przebijania pęcherzyków tworzących się na powierzchni | |
| Ostrze uniwersalne | M& G Artykuły papiernicze Chenguang | ASS91325 | Służy do zeskrobywania nadmiaru gumy silikonowej wzdłuż górnej powierzchni formy |
| Piec próżniowy | Ningbo SI Instrument | DZF-6050 | Służy do skrócenia czasu utwardzania gumy silikonowej |
| Męska złączka pneumatyczna wciskana na suwak | Zhe Jiang BLCH Pneumatic Science & Technologia | PC4-01 | Służy do łączenia rurki i wydrukowanego w 3D złącza rurki siłownika |
| Rurka | SMC | TU0425 | Służy do uruchamiania siłowników |
| Pompa próżniowa | Zhe Jiang BLCH Pneumatic Science & Technologia | używana jako źródło powietrza | |
| Zawór ciśnieniowy | Zhe Jiang BLCH Pneumatic Science & Technologia | IR1000-01BG | Służy do regulacji ciśnienia powietrza wejściowego |
Bibliografia
- 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).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Przedruki i uprawnienia
