Summary
本文介绍了一种带斜腔的软气动网络驱动器的制作方法。该驱动器能够产生耦合弯曲和扭转运动, 从而拓宽了它们在软机器人中的应用。
Abstract
软气动网络驱动器已成为软机器人中最有希望的驱动装置之一, 其主要优点是弯曲变形大, 输入低。然而, 它们在二维 (2 维) 空间中单调的弯曲运动形式使它们远离广泛的应用。本文给出了斜腔软气动网络驱动器的详细制作方法, 探讨了其在三维 (3) 空间中的运动。斜腔的设计使驱动器具有可调谐的耦合弯曲和扭转能力, 使他们有可能在灵活的机械手中移动巧妙, 成为生物启发的机器人和医疗设备。制造过程是基于成型方法, 包括硅胶弹性体的准备, 室和基础零件的制造, 执行器装配, 油管连接, 检查泄漏, 和执行器维修。该制造方法保证了在模具中只进行少量修改的一系列驱动器的快速制造。试验结果表明, 该传动机构质量优良, 弯曲、扭转能力显著。该夹具的实验表明, 在适应不同直径的物体和提供足够的摩擦力方面发展的优势。
Introduction
软气动执行器 (spa) 是软的设备, 可以驱动的简单输入气压1,2。它们可以用不同的材料制造, 如硅胶弹性体3、织物4、形状记忆聚合物5和介电弹性6。研究人员从他们的依从性, 灵巧的动作, 和简单的制造方法7, 使温泉已成为最有希望的设备, 软机器人应用8,9。温泉可以实现各种复杂的运动, 如蠕动10, 旋转11, 和滚动12基于各种类型的变形, 包括扩展, 扩大, 弯曲, 扭曲13,14. 为了能够做出不同类型的运动, 温泉浴场设计在不同的结构中, 例如一个具有平行通道15的线性机构, 一个带有纤维增强16的单室, 以及重复的网络分庭17。其中, 带有重复分室网络的软气动网络执行器, 由于在较低的输入压力下能产生较大的变形, 因而得到了广泛的应用。然而, 在以前的大多数设计中, 这种类型的执行器只能产生2维空间的弯曲运动, 这极大地限制了它们的应用。
软气动网络执行器由一个由内部通道连接的线性排列的腔组组成。每立方室包含一对相对地比另一对更薄的对面墙壁, 并且在垂直于更薄的墙壁的方向产生双面通货膨胀。原来, 更薄的腔壁垂直于执行机构的长轴, 并随着长轴膨胀。这些共线通货膨胀在腔室和不可扩展的基板导致一个整体的纯弯曲的执行器。为了探索3维空间中执行器的运动, 调整腔的方向, 使较薄的侧壁不再垂直于执行器的长轴 (图 1A), 从而使每个腔室的膨胀方向从轴偏移并变为非共线。所有平行但非共线通货膨胀将执行器的运动改变为3维空间18的耦合弯曲和扭转运动。这种耦合的运动使执行器更灵活和灵巧, 使执行器一个合适的候选更实际的应用, 如灵活的机械手, 生物启发的机器人, 和医疗设备。
该协议说明了该类软气动网络驱动器的制造方法。它包括准备硅胶弹性体, 制造室和基部, 组装执行器, 连接油管, 检查泄漏, 并在必要时, 修复执行器。它还可用于制造正常的软气动网络执行器和其他软执行机构, 可以通过对成型方法的一些简单修改来制作。我们提供了详细的步骤, 以制造一个软的气动执行器与30°斜室。对于不同的应用, 不同腔角的执行机构可以根据相同的协议进行制造。此外, 执行机构可以结合起来, 形成一个多执行器系统的各种要求。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
注: 该协议提供了软气动网络执行器的制作程序。在制作过程之前, 一组模具和几个执行器-油管连接器, 这是设计的计算机辅助设计 (CAD) 软件必须提前3维打印。模具见图 1B。
1. 硅胶弹性体的制备
- 在同一混合容器 (图 2A) 中, 将5克的硅胶弹性体 B 和 45 g 部分 A (9:1 (A: B) 零件按重量) 称量。使用注射器确保每部分的比例是准确的。
注: 不同的硅胶弹性体的混合比例各不相同。当采用另一种硅胶弹性体时, 应调整各部分的比例。 - 将硅胶弹性体与行星式离心搅拌机混合均匀。
注: 硅胶弹性体可以储存在低温下, 以延长其加工时间。
2. 室零件制造
- 将硅弹性体产品的脱模剂均匀喷涂在模具的表面 A 部和 B 部。
- 装配模具的 a 部和 B 部以制作一个腔室。用夹子夹住模具两端, 防止硅胶弹性体泄漏。
- 用注射器将5毫升的硅胶弹性体注入, 慢慢插入模具的孔中, 以制造连接端 (用于连接油管的执行器一端的圆柱结构)。然后, 用硅胶弹性体填充整个模具 (图 2B)。
注意: 保持低流速和来回移动缓慢, 让硅胶弹性体进入模具的微小结构。 - 刺穿表面上与针尖形成的气泡, 直到没有可见的气泡 (图 2C)。
- 用刀片在模具的上表面刮掉多余的硅弹性体。
- 将模具放在烤箱中70摄氏度, 直到硅胶弹性体固化。
- 使用注射器将硅胶弹性体注入到出现在执行器表面的气泡和孔中。
- 在表面上刮掉多余的硅胶弹性体。
- 将模具放在烤箱中70摄氏度, 直到硅胶弹性体固化。
3. 基础零件制造
- 在模具的表面均匀喷涂硅弹性体产品的脱模剂。
- 将硅胶弹性体倒入模具的 C 部。
- 刺穿表面上与针尖形成的气泡, 直到没有更多的气泡可见。
- 用刀片在模具的上表面刮掉多余的硅弹性体。
- 将模具放在烤箱中70摄氏度, 直到硅胶弹性体固化。
4. 执行器总成
- 均匀倒一层硅胶弹性体, 厚度1毫米, 在一面的基部。
- 将会议厅部分放置在底座上。使用注射器将硅胶弹性体注入腔室部分和底座之间的空间 (图 2D)。
- 将驱动器放入烤箱中70摄氏度, 直到硅胶弹性体固化。
5. 油管连接
- 点击3维打印执行器-油管连接器, 接受男性螺柱推入适合气动配件螺丝。
- 使用针刺穿传动器的连接端沿着气缸的中线。用钢杆增加孔直径约2毫米。
- 将执行器-油管接头拧入驱动器 (图 2E)。
- 将一节油管推入雄螺柱推入配合气动装置。
6. 泄漏检查和维修
- 将执行器连接到空气源。
- 将整个执行器放在水中, 并对执行器施加压力 (图 2F)。观察气泡是否因泄漏而形成。
- 用注射器将硅胶弹性体注入泄漏点。将驱动器放入烤箱中70摄氏度, 直到硅胶弹性体固化。
- 如果需要, 重复步骤 6.1-6.3。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
单驱动器:
为了验证制造方法, 证明了执行器的功能, 并对其进行了测试。对于实验装置, 采用空气泵来激活阀门。阀门连接到执行器以控制内部压力。单执行器固定在其连接端, 垂直放置。当执行器被加压时, 两个数码相机被用来从不同的角度捕捉它的位置。分析位置 (图 3A), 明确了执行机构的运动可以用两个参数来描述: 弯曲角度和扭转角度。这两个参数可以对不同腔角的执行器的性能进行数值判别。
弯曲和扭转试验 (图 3B和3C) 说明了驱动器在3维空间的运动。弯曲角度是在含有非驱动状态18中, 在驱动位置的车身线与原始车身线之间的夹角。扭角是在含有非驱动状态18中, 在驱动位置的尖端线与原始尖端线之间的夹角。他们被观察和计算从0到90人民军, 以10人民军的压力步。图 3B和3C中的折线图说明了在内部压力增大的情况下, 弯曲和扭转角度的增加。弯曲和扭转角的值显示了腔角对执行器运动的影响。房间以更大的角度贡献了更多对扭转比对弯曲。这表明, 可以通过调整固定尺寸的执行机构的腔角来实现不同的配置和运动。如图 3B 3C所示, 在实验中, 三个测试的执行机构在弯曲和扭曲方面表现出独特的能力。对于弯曲能力, 295°、45°和60°c 执行器分别可以弯曲到217°和170°。对于扭振能力, 227°、45°和60°c 执行器的最大扭转角分别为307°和382°。
利用扭角和弯角的比值分析了不同内部压力下各测试执行机构的状态 (图 4)。该值还可以反映与执行器的腔角相对应的整体性能。对于单个执行器, 该比值的值随着内部压力的增加而呈普遍下降趋势。当执行器在低压下启动时, 扭行为是主导的。在驱动的中间范围内, 弯曲行为逐渐盛行, 扭曲行为的上升速率开始下降。当执行器接近其最大压力能力时, 弯曲行为成为主导, 而比值的值降到最低。从宏观角度看, 具有较大腔角的执行器在同一加压水平下具有较大的比值值。更大的腔角的执行器更适合于更多的自扭运动, 而较小腔角的执行器适用于具有辅助扭转运动的弯曲运动。此比率有助于确定在执行器设计为特定用途时的腔角。
斜腔执行器的应用:
斜腔机构的作用是将气动网络驱动器的运动空间扩展到3维空间。更丰富的运动形式使他们拥有更广泛的应用范围。
斜腔传动器作为软夹持器的核心部件, 在抓、抓、操纵不同形状的物体时, 特别是长、薄、杆状形状等方面表现出优越性。基于常规气动网络执行器的爪由于弯曲半径的限制, 在抓长、薄、杆类物体方面总是存在困难。然而, 带斜腔的执行器可以通过根据物体产生可调的螺旋构型, 并在物体和自身之间提供足够的摩擦力来克服这种限制。图 5A - 5C演示一个单一的30°执行器抓取乒乓球, 一个 USB 磁盘, 和一支钢笔。图 5D - 5F显示了一个抓取器组装由两个30°执行机构抓一个塑料管, 起重锤, 并操纵测量缸, 与 UR10 机器人合作。
该协议提供了一个带有斜腔的单执行器的制作方法。根据该协议, 可以通过简单地修改模具来创建不同腔角的驱动器。当执行器串联或平行连接时, 可以实现复杂的运动。执行器的可编程设计及其布置为更广泛的应用开辟了广阔的前景。
图 1:软气动网络执行器和模具.这些面板显示的 CAD 模型 (A) 的驱动器与30°斜室和 (B) 相应的模具。请单击此处查看此图的较大版本.
图 2: 制造过程概述.这些面板显示了制造过程的不同步骤: (A) 称量硅胶弹性体, (B) 浇注硅胶弹性体, (C) 刺穿气泡, (D) 装配执行器, (E) 拧紧执行器-油管接头, (F) 检查是否有泄漏。请单击此处查看此图的较大版本.
图 3: 测试执行器的性能.(A) 本小组显示了0至90帕的30°执行机构的位置图片。(B) 本小组显示的弯曲角度与内部压力从0至90帕。这是从王等的重印。18, 征得 Elsevier 的许可。(C) 本小组显示扭角与内部压力由0至90帕。这是从王等的重印。18, 征得 Elsevier 的许可。请单击此处查看此图的较大版本.
图 4: 绩效评估.此面板显示的是, 在10到90帕的压力下, 在30°、45°和60°c 执行器的扭角和弯曲角的比率。请单击此处查看此图的较大版本.
图 5: 由两个执行器组成的单驱动器和软夹具的实验.单执行器掌握 (a) 乒乓球, (B) USB 盘, (C) 笔。夹持器 (D) 掌握塑料管, (E) 提起锤子, (F) 操纵测量缸。请单击此处查看此图的较大版本.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
本文提出了一种用斜腔法指导软气动网络驱动器制作的方法协议。根据该协议, 一个执行器可以在3小时内独立制造。该议定书的关键步骤可归纳如下。(i) 硅胶弹性体是按比例和混合井配制而成的。(二) 将硅胶弹性体倒入模具中, 用于制造室部零件和底座。(iii) 暴露表面的气泡被刺穿, 暴露表面上的任何多余的硅胶弹性体被刮掉。(iv) 硅胶弹性体在烤箱中固化。(v) 两部分由硅胶弹性体粘合在一起。制造过程是完成与另一个固化步骤在烤箱。(vi) 执行器与空气源连接, 以检查是否有泄漏。执行器应与硅胶弹性体, 如果它泄漏的修复。
为保证预制执行机构的质量和驱动性能, 讨论了该协议的几个关键步骤, 包括材料的选择、气泡的消除以及气密性的连接方法。
硅弹性体应具有较大的拉伸伸长率, 以保证执行器的变形能力。此外, 硅胶弹性体在其液态状态下应具有良好的流动性, 使其能够顺利地倒入模具的毫米级特征。在该协议1节中选择的硅胶弹性体可以产生多达700% 的拉伸变形和低粘度的液体状态。这种硅胶弹性体可以用其他符合上述要求的合适材料代替。
在将模具放入烤箱之前, 应先消除混合在成灾驱动器内部结构中的空气, 以避免在固化的执行器中出现缺陷。混合空气将上升到暴露表面的成灾执行器和形成气泡。因此, 穿孔过程是在议定书2和3节进行的。如果浇注过程在真空室进行, 则可以跳过此过程。
执行器与空气泵之间的空气连接应设计得很好, 以保证气密性。通常, 油管可以直接插入到执行器中, 并牢牢地粘在执行器上。但是, 这种连接方法需要繁琐的操作, 并且通常会导致在较大的内部压力下泄漏。该协议5节中的方法提供了一种更易于安装和更可靠的机械连接。
在成型过程中, 协议根的局限性, 实质上是2.5 维制造方法19。腔室是通过连接多个部分与平面形貌。因此, 复杂的内部结构和小尺度特征难以实现。虽然近年来出现了软的3维印刷方法, 但这些印刷材料太易碎, 无法使执行器与成型方法相比更耐用。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
作者没有什么可透露的。
Acknowledgments
这项工作得到了中国国家自然科学基金授予51622506和上海市科技委员会授予16JC1401000 的支持。
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).
