Summary
ここで斜めの部屋の柔らかい空気ネットワーク アクチュエータの作製方法を提案する.アクチュエータは、ソフト ロボットへの応用を広げるの結合曲げとねじれの動きを生成する能力があります。
Abstract
柔らかい空気ネットワーク アクチュエータはソフト ロボットの最も有望な作動装置のいずれかに大きな曲げ変形と低入力からメリットをなっています。しかし、2 次元 (2-d) 空間で動き、単調な曲げのフォームは幅広いアプリケーションからそれらを保ちます。3 次元 (3-D) 空間での運動を探求する、斜めの部屋に柔らかい空気ネットワーク アクチュエータの詳細な製作法を提案する.斜めの部屋の設計により可変アクチュエータ曲げおよびねじり機能、生物ロボットや医療機器になる柔軟マニピュレーターで器用に移動する可能性を与えるそれらを結合できます。製造工程は、成形方法、シリコーンのエラストマーの準備、商工会議所、基盤部品の製作、アクチュエーター、チューブ接続リーク、および修理のチェックなどに基づいています。作製方法は、金型内にいくつか変更するだけでアクチュエータのシリーズの迅速な製造を保証します。テスト結果は、アクチュエータおよび顕著な曲げおよびねじり機能の質の高さを示します。グリップの実験は、異なる直径を持つオブジェクトに適応し、十分な摩擦を提供することで開発の利点を示しています。
Introduction
空気圧ソフトアクチュエータ (スパ) は、空気圧1,2の簡単な入力で作動することができますソフト デバイスです。彼らは、シリコーンのエラストマー3生地4、形状記憶ポリマー5、誘電エラストマー6などの様々 な素材を加工できます。研究者は、コンプライアンス、器用な動き、簡単な作製方法7の性質から恩恵を受けている温泉ソフト ロボット アプリケーション8,9の最も有望なデバイスの一つとなっていることなど。温泉は、忍び寄る10、11回転と変形、拡張、拡張、曲げ、ねじれ13,などの様々 なタイプに基づく12の圧延などの様々 な高度な動きを実現できます。14. 運動のさまざまな種類を作ることができる、スパを並列チャンネル15、繊維強化16、モノリシック商工会議所と線状体など、異なる構造のデザインし、のネットワークが繰り返されるサブ室17。繰り返しサブの部屋、柔らかい空気ネットワーク アクチュエータ ネットワークと温泉は、比較的低い入力圧力の下で大きな変形を生成できるため、それらの間で広く採用されています。ただし、以前の設計のほとんどでこのタイプのアクチュエータは応用を大幅制限 2 D 空間で曲げ運動をのみ生成できます。
柔らかい空気ネットワーク アクチュエータは、内部のチャネルによって接続されているチャンバの線形整理されたグループで構成されます。各三次商工会議所は他のペアよりも薄く、反対側の壁のペアが含まれている、薄い壁に垂直な方向の 2 つの両面のインフレを生成します。もともと、部屋の薄い壁はアクチュエータのボディの長い軸に垂直な長軸に沿ってを膨らませます。室と非拡張可能なベースでこれらの同一線上にあるインフレはアクチュエータの不可欠な純粋な曲げに します。シンナー側の壁がもはや各商工会議所のインフレ方向を可能にする (図 1A)、アクチュエータの長い軸に垂直な 3次元空間内のアクチュエータの動きを探検するには、部屋の向きが調整されて軸からのオフセットと同一線上でなくなります。すべての平行が同一線上にないインフレは結合曲げと動きを 3次元空間18に捩れにアクチュエータの動きを変更します。この連成運動アクチュエータを有効により多くの柔軟性と器用さ、アクチュエータ柔軟マニピュレーター、生物ロボット、医療機器より実用的なアプリケーションに適してします。
このプロトコルは、このような斜めの部屋に柔らかい空気ネットワーク アクチュエータの作製方法を示しています。商工会議所・基本部品、アクチュエータを組み立て、チューブを接続、リークのチェックと、必要に応じて、修復アクチュエータを製造、シリコーン ・ エラストマーの準備が含まれます。通常の柔らかい空気ネットワーク アクチュエータおよび成形方法にいくつかの簡単な変更を作り出すことができる他のソフトのアクチュエータにも使えます。我々 は 30 ° 斜め室空気圧ソフトアクチュエータを作製する詳細な手順を提供します。別のアプリケーションで同じプロトコルにしたがって異なるチャンバー角アクチュエータを加工できます。それを除けば、アクチュエータを各種要求に対する複数のアクチュエータ システムを形成する結合できます。
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Protocol
注: プロトコル ソフト空気ネットワーク アクチュエータの作製手順について説明します。作製手順、金型のセットといくつかのアクチュエータ チューブ コネクタ、前にコンピューター支援設計 (CAD) ソフトウェア 3 D 印刷は事前が必要とする設計されています。金型は図 1Bに示します。
1. シリコーンのエラストマーの準備
- シリコーンのエラストマーのパート B の 5 g と 【 重量 9:1 (A:B) パーツ 】 の A の部分の同じ混合容器 (図 2A) に、45 g の重量を量る。注射器を使用して、各部分の縦横の比率が正確かどうかを確認します。
メモ: 異なるシリコーンエラストマーの混合比が違います。別シリコーン ・ エラストマーを採用する場合、各部分の割合を調整必要があります。 - シリコーン ・ エラストマーを惑星遠心攪拌機とよく混ぜます。
注: その処理時間を延長する低温シリコーン ・ エラストマーを格納できます。
2. 商工会議所一部作製
- シリコーンのエラストマー製品の離型剤を金型パート A および B. の部分の表面に均等にスプレーします。
- パート A とパート B チャンバーの加工用金型を組立します。シリコーン ・ エラストマーの漏れを防止するクリップ型の両端を保持します。
- シリコーン ・ エラストマーの 5 mL を注射器で取るし、接続終了 (管を接続するためのアクチュエータの一方の端の円筒状の構造物) を製造するための金型の穴にゆっくりと挿入します。その後、シリコーン ・ エラストマー (図 2B) と成形品全体を入力します。
注: 低流速率を維持し、前後ゆっくりシリコーン ・ エラストマー金型の小さな構造を入力させる。 - ないより多くの泡表示 (図 2C) がないと、針の先端と表面に形成される気泡の穴を開けます。
- 金型の上面に沿って刃を持つ任意の余分なシリコーン ・ エラストマーこすり。
- シリコーン ・ エラストマーを治るまで 70 の ° C のオーブンで型を置きます。
- 泡とアクチュエータの表面に表示される穴にシリコーン ・ エラストマーを注入するのに注射器を使用します。
- 表面上の任意の過剰なシリコーン ・ エラストマーをこすり落とします。
- シリコーン ・ エラストマーを治るまで 70 の ° C のオーブンで型を置きます。
3. 基本部品作製
- C 金型部の表面に均等にシリコーンのエラストマー製品の離型剤をスプレーします。
- 金型部 C にシリコーン ・ エラストマーを注ぐ。
- ないより多くの泡が表示されるまで、針の先端と表面に形成される気泡の穴を開けます。
- 金型の上面に沿って刃を持つ任意の余分なシリコーン ・ エラストマーこすり。
- シリコーン ・ エラストマーを治るまで 70 の ° C のオーブンで型を置きます。
4. アクチュエーター
- 基本部分の 1 つの面にシリコーン ・ エラストマー、厚さ 1 mm の層を均等に注ぐ。
- ベース部分にチャンバー パーツを配置します。チャンバー部分と基本部分 (図 2D) 間のスペースにシリコーン ・ エラストマーを注入するのに注射器を使用します。
- シリコーン ・ エラストマーを治るまで 70 の ° C のオーブンでアクチュエータを配置します。
5. チューブ接続
- 男性スタッドのプッシュでのネジに合う空気圧管継手を受け入れるように 3 D 印刷アクチュエータ チューブ コネクタをタップします。
- シリンダーの中心線に沿ってアクチュエータの接続終了を貫通するのに針を使用します。約 2 mm の鋼棒で穴の直径を高めます。
- ネジ (図 2E) アクチュエータにアクチュエータ チューブ コネクタ。
- 男性スタッドでプッシュ フィット空気圧継手にチューブのセクションをプッシュします。
6. リークのチェックと修復
- アクチュエータを空気源に接続します。
- 水の全体のアクチュエータを配置し、加圧アクチュエータ (図 2F)。リークによる気泡を形成するかどうかを確認します。
- リーク ポイントにシリコーン ・ エラストマーを注入するのに注射器を使用します。シリコーン ・ エラストマーを治るまで 70 の ° C のオーブンでアクチュエータを配置します。
- 6.1-6.3 の手順を必要に応じて繰り返します。
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Representative Results
単一のアクチュエータ:
作製方法を確認し、アクチュエータ、30 °、45 °、60 ° の関数を示すアクチュエータが作製し、テストします。テスト設定の空気ポンプはバルブをアクティブに採用されました。バルブは、内部の圧力を制御するアクチュエータに接続されました。単一のアクチュエータはその接続端に固定され、垂直に置かれました。アクチュエータが加圧されている間、2 つのデジタル カメラはさまざまな視点からその位置をキャプチャする使用されました。2 つのパラメーターで記述できることを明らかにした位置 (図 3A) アクチュエータの運動を解析: 曲げ角度、ねじれ角度。これらの 2 つのパラメーターは数値別チャンバー角アクチュエータの性能を区別できます。
曲げおよびねじり試験 (図 3 b 3 C) は、3次元空間におけるアクチュエータの動きを示します。曲げ角度は、作動位置のボディー ラインと非状態18オリジナル ボディー ライン間の角度です。ねじれの角度は、作動位置に先端の行と非状態18元 tip ライン間の角度です。彼らの観察・ 90 kpa、10 kPa の圧力のステップ 0 から計算されます。図 3 bと3 Cの線プロットを示していますどのように両方曲げとねじれの角度は、内部圧力の増加に関して増加します。曲げとねじれの角度の値は、アクチュエータの動きで隅角の効果を示します。大きい角度が付いている部屋は、曲げ加工するよりもねじれにより貢献。これは多様な構成と動、固定サイズのアクチュエータの隅角をチューニングによって達成されることを示します。図 3B 3 C実験に示すように 3 つのテストのアクチュエータは曲げおよびねじりの個別機能を示した。曲げ能力、30 °、45 °、60 ° のアクチュエータはそれぞれ 295 °、217 ° 170 ° まで曲げることができます。ねじれの力の最大ねじれ角度 30 °、45 °、60 ° のアクチュエータ用であった 227 °、307 ° 382 °。
ねじれ角度、ベンド角度の比率を使用して、異なる内部圧力 (図 4) の下で各テストのアクチュエータの状態を分析します。この値はまた、アクチュエータの隅角に対応する全体的なパフォーマンスを反映できます。単一のアクチュエータとしては、比の値は、内部圧力の増加の一般的な低下を示しています。低圧でアクチュエータを始めたとき、ねじれ現象が支配的です。作動の範囲の中間の曲げ挙動が徐々 に優勢し、ねじれの動作の増加率が低下し始めます。曲げの挙動が支配的になるし、アクチュエータ圧力の最大容量に近づくとき比の値が最小値になります。マクロの観点から大きな隅角とアクチュエータは同じ加圧レベル下比の大きい値を持ちます。大きい商工会議所角アクチュエータは、商工会議所のより小さい角度でアクチュエータ動補助のねじれ運動を曲げに適しています詳細自己ねじれ運動のために望ましい。この比率アクチュエータは、特定の用途向けに設計された隅角の決定に役立ちます。
斜めの部屋とアクチュエータのアプリケーション:
斜めの部屋とアクチュエータの意義は 3次元空間にネットワークの空気圧アクチュエータの運動スペースを広げることです。動のより豊富なフォームより広範な適用範囲を持っているように。
ソフト グリップのコア要素として斜室をもつアクチュエータは把握、保持、およびさまざまな形、特に長い、薄いと棒のような形のオブジェクトを操作するのに彼らの優越を示します。常に通常の空気圧ネットワーク アクチュエータに基づくグリッパー曲げ半径の制限のための長い、細い、および棒のような物を握るの困難があります。ただし、斜めの部屋アクチュエータは、オブジェクトに応じて調節可能なヘリカル構成を生成し、オブジェクトとそれ自身の間に十分な摩擦を提供することによってこの制限を克服できます。図 5 a - 5 C示すピンポン玉、USB ディスク、およびペンの把握 1 つ 30 ° アクチュエータ。図 5 - 5 階をハンマーを持ち上げて、メスシリンダーの操作グリップがプラスチック チューブを把持する 2 つの 30 ° アクチュエータによって組み立てられる協力 UR10 ロボット。
プロトコルは、斜めの部屋で単一のアクチュエータの作製方法を提供します。次のプロトコルは、金型を変更するだけで異なるチャンバー角アクチュエータを作成できます。アクチュエータは、直列または並列に接続している、複雑な動きが実現できます。アクチュエータとその配置のプログラム可能な設計より広範なアプリケーションのための素晴らしい可能性を開きます。
図 1:柔らかい空気ネットワーク アクチュエータと金型これらのパネルは 30 ° 斜め室をもつアクチュエータ (A) と (B) の CAD モデルに対応する金型を表示します。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 2: 作製プロセスの概要。これらのパネルは作製プロセスの別のステップを表示: (A) 計量シリコーンエラストマー (B) シリコーンエラストマー (C) 組み立てでねじアクチュエータ (E) (D) に、泡をピアスを注ぐアクチュエータ チューブ コネクタ、および (F) が漏れのチェックします。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 3: テスト アクチュエータの特性。(A) このパネル 90 kPa に 0 から 30 ° のアクチュエータの位置の写真を示しています。(B) このパネルは、曲げ角度対90 kPa に 0 から内部の圧力を示しています。それは王らから転載します。18、エルゼビアから権限を持つ。(C) このパネルは、ねじれ角度対90 kPa に 0 から内部の圧力を示しています。それは王らから転載します。18、エルゼビアから権限を持つ。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 4: 性能評価します。このパネルは、ねじれと曲げ角度 30 °、45 °、60 ° のアクチュエータ、10 から 90 kpa の圧力との比を示しています。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 5: 単一のアクチュエータと 2 つのアクチュエータから成るソフト グリップの実験します。単一のアクチュエータは、(A)、卓球ボール、(B)、USB ディスク、および (C) ペンを握ります。(D) グリッパーを握るプラスチック製のチューブ、(E) ハンマーを持ち上げる、(F) は、メスシリンダーを操作します。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
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Discussion
斜めの部屋に柔らかい空気ネットワーク アクチュエータの作製をガイドする方法プロトコルを提案します。次のプロトコルは、1 つのアクチュエータは 3 h 内で独立して加工できます。プロトコルのキーの手順の要約は以下のとおりです。(i) シリコーン ・ エラストマーは割合で準備し、よく混合します。(ii) シリコーン ・ エラストマーは、チャンバー部とベース部の製造のための金型に注がれています。(iii) 表面上の泡をピアスし、表面上の任意の過剰なシリコーン ・ エラストマーを掻き。(iv) シリコーン ・ エラストマー、オーブンで硬化させます。(v) の 2 つの部分は、シリコーン ・ エラストマーで接着しています。オーブンで硬化一歩と作製完了です。(vi) のアクチュエータは、任意のリークをチェックするための空気源に接続されます。アクチュエータは漏れる場合シリコーン ・ エラストマーを修理する必要があります。
作製したアクチュエータの品質及び作動のパフォーマンスを確保するには、プロトコルのいくつかの重要なステップは以下で論じるが、材料、気泡の除去と気密接続方法の選択を含みます。
シリコーン ・ エラストマー アクチュエータの変形能力を確保するために大きな引張伸びが必要です。さらに、シリコーン ・ エラストマー必要があります良好な流動性の液体の状態で金型のミリ波スケール機能にスムーズに注ぐことができるように。プロトコルのセクション 1 で選択したシリコーン ・ エラストマーを 700% 引張変形と低粘度の液体状態を生成できます。このシリコーン ・ エラストマーは、上記の要件を満たすその他の適切な材料で置き換えることができます。
鋳造工程で未硬化のアクチュエータの内部構造の混合空気は、金型は硬化のアクチュエータの欠陥を避けるために、オーブンに置かれる前に排除すべき。混合気体は、未硬化のアクチュエータとフォームの泡の表面にまで上昇します。したがって、ピアスのプロセスはセクション 2 と 3 のプロトコルで行われています。注ぐプロセスは真空チャンバー内で行われている場合、このプロセスをスキップできます。
気密性を保証するもアクチュエータとエアーポンプの空気接続設計してください。通常、チューブをアクチュエータに直接挿入、アクチュエータにしっかりと接着することができます。ただし、この接続方法は面倒な操作が必要で、しばしば大規模な内部圧力の下で漏出をもたらします。プロトコルのセクション 5 でメソッドにはインストールが簡単でありより信頼性の高い接続する機械。
成形プロセスは、本質的には 2.5 D 加工法19プロトコル ルートの制限。商工会議所は、平面形態といくつかの部分の接続によって行われます。したがって、複雑な内部構造と小規模特性は実現が困難です。3次元ソフトの印刷方法は、近年登場している、これらの印刷物はアクチュエータを耐え成形法とは対照的にあまりにももろい。
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Disclosures
著者が明らかに何もありません。
Acknowledgments
この作品は、グラント 51622506 および科学の下で中国の国家自然科学基金と助成金 16JC1401000 の下で上海自治体の技術委員会によって支持されました。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Silicone elastomer | Wacker | ELASTOSIL M4601 A/B | Material of the actuators |
| Syringe | Shanghai Kindly Medical Instruments | 10 ml | Used to inject silicone rubber into the hole of the mold for fabricating the connection end |
| Precision scale | Shanghai Hochoice | UTP-313 | Used to weigh the silicone rubber |
| Planetary centrifugal vacuum mixer | THINKY | ARE-310 | Used to mix the silicone rubber and defoam after mixing process |
| Release agent | Smooth-on | Release 200 | Used for ease of demolding |
| Needle | Shanghai Kindly Medical Instruments | Used for Piercing the bubbles form on the surface | |
| Utility blade | M&G Chenguang Stationery | ASS91325 | Used for Scraping off excess silicone rubber along the upper surface of the mold |
| Vacuum oven | Ningbo SI Instrument | DZF-6050 | Used to reduce the cure time of the silicone rubber |
| Male stud push in fit pneumatic fitting | Zhe Jiang BLCH Pneumatic Science & Technology | PC4-01 | Used to connect the tubing and the 3D-printed actuator tubing connector |
| Tubing | SMC | TU0425 | Used for actuating the actuators |
| Vacuum pump | Zhe Jiang BLCH Pneumatic Science & Technology | Used as the air source | |
| Pressure valve | Zhe Jiang BLCH Pneumatic Science & Technology | IR1000-01BG | Used for adjusting the input air pressure |
References
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