Summary
Här presenterar vi en fabrication metod av mjuka pneumatiska nätverk ställdon med sneda kammare. Manöverdonen är kan generera kopplade böjning och vridning rörelser, som breddar deras tillämpning i mjuk robotics.
Abstract
Mjuka pneumatiska nätverk ställdon har blivit en av de mest lovande aktivering-enheterna i mjuk robotics som gynnas av sin stora böjande deformation och låg input. Men håller deras monotona böjande rörelse form i tvådimensionell (2D) rymden dem borta från breda tillämpningar. Detta papper presenterar en detaljerad fabrication metod av mjuka pneumatiska nätverk ställdon med sneda chambers, att utforska deras rörelser i tredimensionella (3D) utrymme. Utformningen av sneda kamrarna gör ställdon med avstämbara tillsammans böjning och vridning kapacitet, vilket ger dem möjlighet att flytta skickligt i flexibla manipulatorer, att bli biologiskt inspirerad robotar och medicintekniska produkter. Tillverkningsprocessen är baserad på metoden gjutning, inklusive silikon elastomer förberedelse, kammare och base delar fabrication, ställdonet, slangkopplingarna, kontroller för läckor och ställdon reparation. Metoden tillverkning garanterar snabb tillverkning av en serie av ställdon med endast ett fåtal ändringar i formarna. Testresultaten visar den höga kvaliteten på manöverdonen och deras framstående böjning och vridning av kapacitet. Experiment av griparen Visa fördelarna med utvecklingen i anpassning till objekt med olika diametrar och tillhandahålla tillräcklig friktion.
Introduction
Mjuka pneumatiska manöverdon (Spa) är mjuk enheter som kan aktiveras vid enkel inmatning av luft tryck1,2. De kan tillverkas med olika material, såsom silikon elastomerer3, tyger4, form-minne polymerer5och dielektrisk elastomerer6. Forskare har gynnats av sin natur kan efterlevnad, händiga rörelser och enkla fabrication metoder7, sådan att SPAs har blivit en av de mest lovande enheterna för mjuk robotik program8,9. SPAs kan förverkliga olika sofistikerade rörelser, såsom krypande10, rotation11, och rullande12 baserat på olika typer av deformation, inklusive förlängning, expanderande, böja och vrida13, 14. för att kunna göra olika typer av rörelser, SPAs är utformade i olika strukturer, såsom en linjär kropp med parallella kanaler15, en monolitisk kammare med fiber-förstärkningar16, och nätverk av upprepade sub chambers17. Bland dem, är spa med nätverk av upprepade sub kamrar, på mjuka pneumatiska nätverk-ställdonen, allmänt anställda eftersom de kan generera stora deformationer under en relativt låg input tryck. Dock i de flesta av de tidigare formgivningar, kan denna typ av manöverdon bara generera böjande rörelser i 2-D utrymme, vilket kraftigt begränsar deras applikationer.
En mjuk pneumatiska nätverk ställdon består av ett linjärt arrangerade grupp av kamrarna förbinds med en inre kanal. Varje kubikmeter kammare innehåller ett par motsatta väggar som är tunnare än det andra paret och producerar en dubbelsidig inflation i riktning vinkelrätt mot de tunnare väggarna. Ursprungligen, tunnare väggarna i kamrarna är vinkelrät mot den långa axeln av manöverdonet kroppen och blåsa upp tillsammans med den långa axeln. Dessa collinear uppblåstheten i kamrarna och icke-extensible basen leda till en integrerad ren böjning av manöverdonet. För att utforska ställdonets rörelse i 3D-rymden, är orienteringen av kamrarna inställd så att tunnare-sidoväggarna inte längre vinkelrätt mot den långa axeln av manöverdonet (figur 1A), vilket gör att inflationen riktning varje kammare förskjutning från axeln och bli inte collinear. Alla de parallella men inte-collinear inflations ändra förslaget till ställdonet till en kopplat böjning och vridning rörelse i 3-D utrymme18. Detta kopplat motion möjliggör manöverdonen mer flexibilitet och fingerkänsla och gör manöverdonen en lämplig kandidat för mer praktiska applikationer, såsom flexibla manipulatorer, biologiskt inspirerad robotar och medicintekniska produkter.
Detta protokoll visar metoden tillverkning av denna typ av mjuka pneumatiska nätverk ställdon med sneda kammare. Det omfattar utarbetandet av silikonelastomer, fabricera plenisalen och bas delar, Montera ställdonet, kopplar in slangen, kontrollera efter läckor och, om nödvändigt, reparera ställdonet. Det kan också användas för att fabricera normala mjuka pneumatiska nätverk ställdon och andra mjuka ställdon som kan produceras med några enkla ändringar till metoden gjutning. Vi tillhandahåller detaljerade steg för att fabricera en mjuk pneumatiskt manöverdon med 30° sneda kammare. För olika applikationer, kan ställdon med olika kammare vinklar fabriceras enligt samma protokoll. Bortsett från det, kan manöverdonen kombineras för att bilda ett flera ställdon system för olika krav.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Obs: Protokollet ger fabrication förfarandena i en mjuk pneumatiska nätverk ställdon. Innan förfarandet fabrication, en uppsättning formar och flera ställdon-slangar kopplingar, som är utformade med datorstödd konstruktion (CAD) programvara måste vara 3-D-tryckt i förväg. Formarna är visas i figur 1B.
1. silikon Elastomer förberedelse
- Väg in 5 g av silikon elastomer del B och 45 g i del A [9:1 (a: b) viktdelar] i samma Skakningsbehållare (figur 2A). Använd en spruta för att se till proportionerna av varje del är korrekta.
Obs: Mixningsförhållandet varierar för olika silikonelastomerer. Andelen av varje del bör justeras när en annan silikonelastomerer antas. - Blanda silikonelastomerer väl med den planetariska centrifugal mixern.
Obs: Silikonelastomerer kunde lagras på en låg temperatur att förlänga sin bearbetningstid.
2. kammaren del Fabrication
- Spraya den mögel släppmedel för silikon elastomer produkter jämnt på ytor av mögel del A och del B.
- Montera del A och del B av mögel för tillverkning av en kammare. Håll båda ändar av mögel med clips för att förhindra läckage av silikonelastomer.
- Ta 5 mL av silikonelastomer med en spruta och injicera långsamt in i hålet på formen för att fabricera anslutning slutet (cylindriska struktur i ena änden av manöverdonet för att ansluta slangar). Fyll sedan hela formen med silikonelastomerer (figur 2B).
Obs: Håll en låg flödeshastighet och flytta fram och tillbaka långsamt, att låta den silikonelastomerer ange de små strukturerna av mögel. - Pierce bubblorna som bildas på ytan med spetsen av en nål tills det finns inga fler bubblor syns (figur 2C).
- Skrapa bort eventuella överskott silikon-elastomer med en kniv längs den övre ytan av mögel.
- Placera formen i ugnen på 70 ° C tills silikonelastomerer är botad.
- Använd en spruta för att injicera silikonelastomer in i bubblor och hål som visas på ytan av manöverdonet.
- Skrapa bort eventuella överskott silikonelastomerer på ytan.
- Placera formen i ugnen på 70 ° C tills silikonelastomerer är botad.
3. bas del Fabrication
- Spraya den mögel släppmedel för silikon elastomer produkter jämnt på ytan av den mögel del C.
- Häll silikonelastomerer i del C av mögel.
- Pierce bubblorna som bildas på ytan med spetsen av en nål tills det syns inga fler bubblor.
- Skrapa bort eventuella överskott silikon-elastomer med en kniv längs den övre ytan av mögel.
- Placera formen i ugnen på 70 ° C tills silikonelastomerer är botad.
4. ställdonet
- Jämnt hälla ett lager av silikonelastomer, 1 mm i tjocklek, på ena sidan av den grundläggande delen.
- Placera den kammare delen på den bas delen. Använd en spruta för att injicera silikonelastomerer i utrymmet mellan den kammaren delen och den bas (figur 2D).
- Placera ställdonet i ugn på 70 ° C tills silikonelastomerer är botad.
5. slang anslutning
- Tryck på 3-D-tryckt ställdon-slangar kontakten för att acceptera skruven för en manlig stud push-passar pneumatiska montering.
- Använda en nål för att genomborra anslutning slutet av manöverdonet längs mittlinjen av cylindern. Öka diametern på hålet med en stålstav, ca 2 mm.
- Skruva fast kopplingen ställdon-slangar i ställdonet (figur 2E).
- Tryck in ett avsnitt av slangar i den manliga stud fit pneumatiska snabbanslutning.
6. läcka kontroll och reparation
- Anslut ställdonet till en luft-källa.
- Placera hela ställdonet i vattnet och trycksätta ställdonet (figur 2F). Observera om bubblor bildas på grund av en läcka.
- Använd en spruta för att injicera läckagepunkter silikonelastomerer. Placera ställdonet i ugn på 70 ° C tills silikonelastomerer är botad.
- Upprepa steg 6.1-6.3 om det behövs.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Enda ställdon:
För att verifiera metoden fabrication och demonstrera funktionen av ställdon, 30°, 45° och 60° var ställdon fabricerade och testade. För experiment set-up anställdes en luftpump för att aktivera ventilen. Ventilen var ansluten till ställdonet att styra det inre trycket. Enda ställdonet var fast vid dess anslutning slut och placerade vertikalt. Medan ställdonet var att vara trycksatt, användes två digitalkameror att fånga sina positioner från olika perspektiv. Analysera de ståndpunkter (figur 3A) klargjort att ställdonets rörelse kan beskrivas med två parametrar: ett böjande vinkel och en vridande vinkel. Dessa två parametrar kan numeriskt skilja prestanda för ställdon med olika kammare vinklar.
Böjning och vridning tester (siffror 3B och 3 C) illustrerad av manöverdonen i 3D-rymden. Böjande vinkeln är vinkeln mellan raden kropp i manövrerad position och den ursprungliga kropp linjen i unactuated staten18. Vridning vinkeln är vinkeln mellan tip linjen i manövrerad position och den ursprungliga tip-raden i unactuated staten18. De observerade och beräknas från 0 till 90 kPa, med en trycket steg 10 kPa. Line tomten i siffror 3B och 3 C illustrerar hur både böjning och vridning vinklarna ökat med avseende på ökning av det inre trycket. Värdena för böjning och vridning vinklarna visar effekten av den avdelning vinkeln på manöverdonen rörelse. Kammare med större vinklar befolkningsökande vrider än att böjningen. Detta indikerar att olika konfigurationer och rörelser kan uppnås genom att trimma kammare vinkeln på en fast storlek ställdon. Som visas i siffror 3B 3 C, i experimentet, visade tre testade ställdon distinkta funktioner i böjning och vridning. För bockning förmåga, 30°, 45° och 60° kunde ställdon böja upp till 295 °, 217 ° och 170 °, respektive. För vridande kapacitet var maximal vridning vinklarna för de 30°, 45° och 60° ställdon 227°, 307° 382°, respektive.
Vi använder förhållandet vridning vinkeln och böjande vinkeln för att analysera status för varje testad ställdon under olika inre tryck (figur 4). Detta värde kan också återspegla den totala prestandan motsvarar kammare vinkeln på manöverdonen. Om en enda manöverdon visar värdet av förhållandet en allmän nedgång med ökningen av inre tryck. Vrida beteende är dominerande när ställdonet startas vid låga tryck. I mitt urval av aktivering, böjande beteendet segrar gradvis och den ökande andelen vridande beteendet börjar sjunka. Böjande beteendet blir dominerande och värdet av förhållandet kommer till ett minimum när ställdonet närmar sig sin maximala kapacitet av trycket. Från ett makro-perspektiv har ställdonet med en större kammare vinkel ett större värde av förhållandet under samma trycksättning nivå. Ställdon med större kammare vinklar är att föredra för mer själv vridande rörelser medan ställdon med mindre kammare vinklar är lämplig för bockning rörelser med extra vridande rörelser. Detta förhållande hjälper bestämning av kammaren vinkeln när ställdon är avsedda för särskilda ändamål.
Tillämpning av manöverdonet med sneda kammare:
Betydelsen av ställdon med sneda kammare är att utöka motion utrymmet av pneumatiska nätverk manöverdonen i en 3D-rymden. Rikligare former av rörelser gör dem besitter ett bredare användningsområde.
Som kärnan i en mjuk gripdon Visa ställdon med sneda kammare sin överlägsenhet på gripa, hålla, och manipulera objekt i olika former, särskilt långa, tunna, och rod-liknande former. Gripdon baserat på normal pneumatiska nätverk ställdon alltid har svårt att greppa långa, tunna och rod-liknande objekt på grund av begränsningen av böjradie. Ställdon med sneda kammare kan dock övervinna denna begränsning genom att generera en justerbar spiralformade konfiguration enligt objektet och ge tillräcklig friktion mellan objekt och sig själv. Siffror 5A - 5 C visar ett enda 30 ° ställdon greppa en ping-pong-boll, en USB-disk och en penna. Siffrorna 5 d - 5F Visa en gripper monteras av två 30 ° ställdon greppa ett plaströr, lyft en hammare, och manipulera en mätcylinder, samarbetar med en UR10 robot.
Protokollet ger en fabrication metod för en enda manöverdon med sneda chambers. Efter protokollet, ställdon med olika kammare vinklar kan skapas genom att helt enkelt ändra formen. När ställdon kopplas i serie eller parallellt, kan komplicerade rörelser uppnås. Programmerbara utformning av ställdon och deras arrangemang öppnar upp stora möjligheter för mer omfattande program.
Figur 1: mjuka pneumatiska nätverk ställdonet och formarna. Dessa paneler visar CAD modeller av (A) ställdonet med 30 ° sneda kammare och (B) motsvarande formarna. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2 : Översikt över tillverkningsprocessen. Dessa paneler visar de olika stegen i tillverkningsprocessen: (A) vägning av silikonelastomer, (B) hälla av silikonelastomer, (C) piercing bubblor, (D) Montera ställdonet, (E) Skruva i att ställdonet-slang anslutning, och (F) Kontrollera efter läckor. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3 : Föreställningar av testade manöverdon. (A) denna panel visar position bilderna Aktiveringsorganets 30 ° från 0 till 90 kPa. (B) denna panel visar den böjande vinkel jämfört med det inre trycket från 0 till 90 kPa. Det är omtryckt från Wang et al. 18, med tillstånd från Elsevier. (C), denna panel visar den vridande vinkel jämfört med det inre trycket från 0 till 90 kPa. Det är omtryckt från Wang et al. 18, med tillstånd från Elsevier. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 4 : Utvärdering av prestanda. I denna panel visas förhållandet mellan vridning vinkeln och böjande vinkeln för 30°, 45° och 60° ställdon, med påtryckningar från 10 till 90 kPa. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 5 : Experiment av en enda ställdon och en mjuk gripper bestående av två manöverdon. Enda ställdonet griper (A) en Bordtennis boll, (B), en USB disk och (C), en penna. Griparen (D) griper ett plaströr, (E) lyfter en hammare, och (F) manipulerar en mätcylinder. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Uppsatsen presenterar en metod-protokollet för att vägleda tillverkning av mjuka pneumatiska nätverk ställdon med sneda kammare. Efter protokollet, ett manöverdon kan fabriceras självständigt inom 3 h. De viktigaste stegen i protokollet kan sammanfattas enligt följande. a silikonelastomerer bereds i proportion och blandas väl. (ii) silikonelastomerer hälls i formen för tillverkning av den kammaren delen och den bas. (iii) bubblor på den exponerade ytan är genomborrad och eventuella överskjutande silikonelastomerer på den exponerade ytan skrapas bort. (iv) silikonelastomerer härdas i ugnen. (v) de två delarna limmas ihop av silikonelastomerer. Tillverkningsprocessen är klar med ett annat bota steg i ugnen. (vi) ställdonet är ansluten till en luft källa att leta efter eventuella läckor. Manöverdonet ska repareras med silikonelastomerer om det läcker.
För att säkerställa kvalitet och styrning prestanda för de påhittade ställdon, diskuteras flera kritiska steg i protokollet som följer, inklusive val av material, eliminering av bubblor och anslutande metoden för lufttäthet.
Av silikonelastomerer bör ha en stor draghållfasthet töjning att säkerställa funktionen deformation av manöverdonen. Dessutom bör silikonelastomerer har god flytbarhet i dess flytande form så att den kan hällas smidigt i millimeter-skala funktioner av mögel. De silikon-elastomer som valts i avsnitt 1 i protokollet kan generera upp till 700% draghållfasthet deformation och låg viskositet i ett flytande tillstånd. Detta silikonelastomer kan ersättas med andra korrekt material som uppfyller kraven ovan.
Luften blandas i den interna strukturen ohärdade ställdonets i hälla processen bör undanröjas innan formen placeras i ugnen, för att undvika brister i härdade ställdonet. Blandade luften stiger till den exponerade ytan av ohärdat ställdon och bildar bubblor. Därför bedrivs piercing processen i avsnitten 2 och 3 i protokollet. Denna process kan hoppas över om hälla processen utförs i en vakuumkammare.
Air anslutningen mellan ställdonet och luftpumpen bör utformas väl för att garantera lufttäthet. Typiskt, slangen kan infogas direkt i ställdonet och limmade fast på manöverdonet. Men den här anslutningsmetoden kräver tråkiga operationer och leder ofta till läckor under ett stort inre tryck. Metoden i avsnitt 5 i protokollet presenterar en mekanisk anslutning som är enklare att installera och mer tillförlitlig.
Begränsningar av protokollet roten i processen formning, som i huvudsak är ett 2.5-D tillverkning metod19. Kammaren är tillverkad genom att ansluta flera delar med planar morfologi. Således, komplicerade inre strukturer och småskaliga egenskaper är svåra att uppnå. Även mjuka 3D-utskrift metoder har dykt upp under de senaste åren, är utskrift material av dessa alltför spröda att göra manöverdonen uthärdligt i motsats till formblåsning-baserade metoden.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har något att avslöja.
Acknowledgments
Detta arbete stöds av den nationella naturvetenskap Foundation i Kina under Grant 51622506 och vetenskap och teknik kommissionen i Shanghai kommun under Grant 16JC1401000.
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
- 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).
