Summary
Nous présentons ici une méthode de fabrication des vérins souples réseau pneumatique avec chambres obliques. Les actionneurs sont capables de générer des couplés de flexion et de torsion des requêtes, qui élargit leur application en robotique doux.
Abstract
Actionneurs réseau pneumatique doux sont devenus un des dispositifs de déclenchement plus prometteurs en robotique soft qui bénéficie de leurs grandes déformations de flexion et un apport réduit. Toutefois, leur forme de mouvement flexion monotone dans l’espace à deux dimensions (2d) ils maintiennent loin de vastes applications. Cet article présente une méthode de fabrication détaillées des actionneurs de réseau pneumatique doux avec des chambres obliques, d’explorer leurs mouvements dans l’espace à trois dimensions (3d). La conception des chambres obliques permet aux actionneurs avec tunable couplé de flexion et de torsion des capacités, ce qui leur donne la possibilité de bouger adroitement dans manipulateurs flexibles, pour devenir biologiquement inspirés des robots et des dispositifs médicaux. Le procédé de fabrication est basé sur la méthode de moulage, y compris du silicone élastomère préparation, chambre et base pièces fabrication, raccords de tuyauterie, actionneur, vérifie les fuites et la réparation de l’actionneur. Le procédé de fabrication garantit la fabrication rapide d’une série d’actionneurs avec seulement quelques modifications dans les moules. Les résultats des tests montrent la grande qualité des actionneurs et leur flexion et de torsion des capacités proéminent. Expériences de la pince démontrent les avantages de la mise au point en s’adaptant aux objets de différents diamètres et frottement suffisant.
Introduction
Vérins pneumatiques souples (SPAs) sont des dispositifs douces qui peuvent être actionnées par la simple entrée d’air pression1,2. Ils peuvent être fabriqués avec des matériaux divers, comme les élastomères de silicone3, tissus4, mémoire de forme polymères5et élastomères diélectrique6. Les chercheurs ont bénéficié de leur nature de conformité, mouvements agiles et de méthodes de fabrication simple7, tels que les SPAs sont devenus un des dispositifs plus prometteurs pour applications de robotique doux8,9. SPAs peuvent réaliser divers mouvements sophistiqués, tels que rampante de10à11de rotation et rouler12 basé sur différents types de déformation, y compris les étendre, élargir, flexion et torsion13, 14. pour être en mesure de faire différents types de mouvements, les SPAs sont conçus dans différentes structures, comme un corps linéaire avec canaux parallèles15, une chambre monolithique avec fibre-renforts16, et réseaux de reprise sous-chambres17. Parmi eux, les SPAs avec les réseaux des sous-chambres répétées, les vérins souples réseau pneumatique, sont largement employés parce qu’ils peuvent générer des grandes déformations sous une pression d’entrée relativement faible. Toutefois, dans la plupart des conceptions précédentes, ce type d’actionneurs peut générer uniquement des mouvements de flexion dans l’espace 2D, ce qui limite considérablement leurs applications.
Un actionneur réseau pneumatique souple constituée d’un groupe arrangé linéairement des chambres reliées par un canal interne. Chaque chambre cubique contient une paire de parois opposées qui sont plus minces que l’autre paire et produit une inflation recto-verso dans la direction perpendiculaire aux parois plus minces. A l’origine, les plus minces parois des chambres sont perpendiculaires à l’axe longitudinal du corps de l’actionneur et gonflent avec l’axe longitudinal. Ces inflations colinéaires dans chambres et de la base non extensible conduisent à une flexion pure intégrale de l’actionneur. Afin d’étudier le mouvement de l’actionneur dans un espace 3D, l’orientation des chambres est à l’écoute pour que les parois latérales-diluant ne sont plus perpendiculaires à l’axe longitudinal de l’actionneur (Figure 1A), qui permet à la direction de l’inflation de chaque chambre décalage de l’axe et ne deviennent pas colinéaires. Tous les inflations parallèles mais non colinéaires transforment le mouvement de l’actionneur une flexion couplés et le mouvement de torsion dans un espace 3D18. Ce mouvement couplé permet les actionneurs plus de flexibilité et de dextérité et rend les actionneurs un candidat approprié pour des applications plus pratiques, comme manipulateurs flexibles, inspirée des robots et dispositifs médicaux.
Ce protocole indique la méthode de fabrication de ce type d’actionneurs réseau pneumatique doux avec chambres obliques. Vous y préparer l’élastomère de silicone, fabrication de la chambre et les pièces de base, montage de l’actionneur, le tube de raccordement, vérification des fuites et, si nécessaire, réparer l’actionneur. Il peut également être utilisé pour fabriquer des actionneurs normale du réseau pneumatique doux et autres actionneurs souples qui peuvent être produits avec quelques modifications simples à la méthode de moulage. Nous fournissons des instructions détaillées pour fabriquer un actionneur pneumatique doux avec chambres oblique à 30°. Pour différentes applications, actionneurs avec des angles différents de chambre peuvent être fabriqués selon le même protocole. En dehors de cela, les actionneurs peuvent être combinés pour former un système multi-actionneur pour diverses demandes.
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Protocol
Remarque : Le protocole prévoit des procédures de la fabrication d’un actionneur réseau pneumatique doux. Avant la procédure de fabrication, une série de moules et plusieurs connecteurs de tuyauterie de l’interrupteur, qui sont conçus avec la conception assistée par ordinateur (CAO) doit être 3-D-imprimé à l’avance. Les moules sont illustrés à la Figure 1B.
1. préparation d’élastomère silicone
- Peser 5 g de la partie élastomère de silicone B et 45 g de la partie A [9:1 (b) des parties en poids] dans le même récipient à mélanger (Figure 2A). Utiliser une seringue pour s’assurer que les proportions de chaque partie sont exactes.
NOTE : Le rapport de mélange varie pour les élastomères de silicone différents. La proportion de chaque pièce doit être ajustée quand un autre élastomère de silicone est adopté. - L’élastomère de silicone bien mélanger avec le mélangeur centrifuge.
Remarque : L’élastomère de silicone puisse être stocké à une basse température pour prolonger sa durée de traitement.
2. chambre partie Fabrication
- Vaporiser de l’agent de démoulage du moule pour produits élastomères silicone uniformément sur les surfaces du moule partie A et partie B.
- Assembler la partie A et partie B du moule pour la fabrication d’une chambre. Tenir les deux extrémités du moule avec clips pour empêcher la fuite d’élastomère de silicone.
- Prélever 5 mL d’élastomère de silicone avec une seringue et injecter lentement dans le trou du moule pour la fabrication de la fin de la connexion (la structure cylindrique à une extrémité de l’actionneur pour la tubulure de raccordement). Ensuite, remplissez le moule entière avec l’élastomère de silicone (Figure 2B).
NOTE : Conserver un débit faible et se déplacer en arrière lentement, pour laisser l’élastomère de silicone à entrer dans les structures minuscules du moule. - Percer les bulles qui se forment sur la surface avec la pointe d’une aiguille jusqu'à ce qu’il n’y a pas plus de bulles visibles (Figure 2C).
- Gratter tout élastomère excès de silicone avec une lame le long de la surface supérieure du moule.
- Placer le moule dans le four à 70 ° C jusqu'à ce que l’élastomère de silicone est guéri.
- Utiliser une seringue pour injecter élastomère de silicone dans les bulles et les trous qui apparaissent à la surface de l’actionneur.
- Gratter tout élastomère de silicone excédentaire à la surface.
- Placer le moule dans le four à 70 ° C jusqu'à ce que l’élastomère de silicone est guéri.
3. base partie Fabrication
- Vaporiser de l’agent de démoulage du moule pour produits élastomères silicone uniformément sur la surface de la pièce de moule C.
- Dans la partie C du moule, verser l’élastomère de silicone.
- Percer les bulles qui se forment sur la surface avec la pointe d’une aiguille jusqu'à ce qu’il n’y a pas plus de bulles visibles.
- Gratter tout élastomère excès de silicone avec une lame le long de la surface supérieure du moule.
- Placer le moule dans le four à 70 ° C jusqu'à ce que l’élastomère de silicone est guéri.
4. actionneur
- Versez uniformément une couche d’élastomère de silicone, 1 mm d’épaisseur, sur une des faces de l’élément de base.
- Placez la partie de la chambre sur l’élément de base. Utiliser une seringue pour injecter l’élastomère de silicone dans l’espace entre la partie de la chambre et la pièce de base (Figure 2D).
- Placer l’actionneur dans le four à 70 ° C jusqu'à ce que l’élastomère de silicone est guéri.
5. raccord
- Tapez sur le connecteur de tuyauterie de l’interrupteur 3-D-imprimé pour accepter que la vis d’un goujon mâle push-in adapter raccord pneumatique.
- Utiliser une aiguille pour percer l’extrémité de la connexion de l’actionneur, le long de l’axe du cylindre. Augmenter le diamètre du trou avec une tige en acier, à environ 2 mm.
- Visser le raccord de tuyauterie de l’interrupteur sur le vérin (Figure 2E).
- Pousser une section de tube dans le goujon mâle ajustement pneumatique raccord.
6. vérification et réparation des fuites
- Raccorder l’actionneur à une source d’air.
- Placez l’ensemble actionneur dans l’eau et pressuriser le vérin (Figure 2F). Observer si des bulles sont forment en raison d’une fuite.
- Utiliser une seringue pour injecter l’élastomère de silicone dans les points de fuite. Placer l’actionneur dans le four à 70 ° C jusqu'à ce que l’élastomère de silicone est guéri.
- Répétez les étapes 6.1 à 6.3 si nécessaire.
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Representative Results
Actionneur simple :
Pour vérifier la méthode de fabrication et démonstration de la fonction de l’actionneur, 30°, 45° et 60° actionneurs ont été fabriqués et testés. Pour le montage de l’expérience, une pompe à air a été utilisée pour activer la valve. La vanne a été raccordée à l’actionneur pour contrôler la pression interne. L’actionneur simple a été fixé à l’extrémité de la connexion et placé à la verticale. Pendant que l’actionneur a été étant pressurisé, deux appareils photo numériques ont été utilisés pour capturer ses positions sous des angles différents. Analyser les positions (Figure 3A) pries précisé que la motion de l’actionneur peut être décrite par deux paramètres : un angle de flexion et un angle de torsion. Ces deux paramètres peuvent distinguer numériquement les performances des actionneurs avec des angles différents de chambre.
Flexion et de torsion des tests (Figures 3 b et 3C) a illustré la motion des actionneurs dans un espace 3D. L’angle de pliage est l’angle entre la ligne de corps dans la position de la commande et la ligne originale du corps dans l' état non-activation18. L’angle de torsion est l’angle entre la ligne de pointe en position activée et la ligne originale de pointe en état non-activation18. Ils ont été observées et calculées à partir de 0 à 90 kPa, avec une étape de pression de 10 kPa. Le graphique linéaire en chiffres 3 b et 3C illustre comment les deux la flexion et les angles de torsion a augmenté en ce qui concerne l’augmentation de la pression interne. Les valeurs de la courbure et les angles de torsion montrent l’effet de l’angle de la chambre sur la motion des actionneurs. Chambres avec grands angles davantage contribué à la torsion que pour le pliage. Ceci indique que des requêtes et diverses configurations peuvent être atteint par le réglage de l’angle de la chambre d’un actionneur de taille fixe. Tel qu’illustré dans les Figures 3 b 3C, dans l’expérience, trois actionneurs testés a montré des capacités distinctes en flexion et de torsion. Pour la capacité de flexion, les 30°, 45° et 60° actionneurs pourraient tordre jusqu'à 295 °, 217 ° et 170 °, respectivement. Pour la capacité de torsion, les angles de torsion maximales pour les actionneurs de 30°, 45° et 60° étaient de 227° ° 307 et 382°, respectivement.
Le rapport entre l’angle de torsion et de l’angle de flexion nous permet d’analyser l’état de chaque actionneur testé sous différentes pressions internes (Figure 4). Cette valeur peut également refléter la performance globale correspond à l’angle de la Chambre des actionneurs. Quant à un actionneur unique, la valeur du ratio montre une baisse générale avec l’augmentation de la pression interne. Comportement de torsion est dominante lorsque l’actionneur est démarrée à la basse pression. Dans le milieu de gamme de l’actionnement, le comportement en flexion progressivement l’emporte, et l’augmentation du taux du comportement torsion commence à décliner. Le comportement en flexion devient dominant et la valeur du ratio est livré au minimum quand l’actionneur s’approche de sa capacité maximale de la pression. D’un point de vue macro, l’actionneur avec un angle plus grand de la chambre a une valeur plus élevée du ratio sous le même niveau de pressurisation. Les actionneurs avec des angles de chambre plus grande et sont préférables pour plus de torsion automatique tandis que les vérins avec des angles de chambre plus petites ne conviennent pas pour le cintrage des requêtes avec auxiliaire de torsion. Ce ratio permet la détermination de l’angle de la chambre lorsque les actionneurs sont conçus pour des utilisations spécifiques.
Application de l’actionneur avec chambres Oblique :
L’importance des actionneurs avec chambres obliques est d’élargir l’espace de mouvement des actionneurs pneumatiques réseau dans un espace 3D. Des formes plus abondantes de mouvements rendent possèdent une plus large gamme d’applications.
Comme l’élément central d’une pince souple, actionneurs avec chambres obliques montrent leur supériorité sur saisissant, tenant et manipuler des objets de différentes formes, particulièrement longues, minces et formes bâtonnet. Basé sur les actionneurs pneumatiques normale du réseau toujours les pinces ont du mal à saisir les objets longs, minces et bâtonnet en raison de la limitation de la rayon de cintrage. Cependant, actionneurs avec chambres obliques peuvent contourner cette limitation en générant une configuration hélicoïdale réglable selon l’objet et en fournissant suffisamment friction entre objets et lui-même. Figures 5 a - 5C démontrer un actionneur unique 30 ° saisir une balle de ping-pong, un disque USB et un stylo. Figures 5 - 5F spectacle une pince Assemblée par deux moteurs de 30 °, saisissant un tube en plastique, un marteau de levage et de manipuler une éprouvette graduée, en coopération avec un robot UR10.
Le protocole fournit une méthode de fabrication d’un actionneur simple taille et obliques. Suite au protocole, actionneurs avec des angles différents de chambre peuvent être créées en modifiant simplement le moule. Quand actionneurs sont connectées en série ou en parallèle, des requêtes complexes sont possibles. La conception programmable d’actionneurs et de leur disposition ouvre de grandes possibilités pour des applications plus vastes.
Figure 1: l’actionneur réseau pneumatique doux et les moules. Ces panneaux montrent des modèles CAO de (A), l’actionneur avec chambres oblique à 30 °) et (B) les moules correspondants. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 2 : Vue d’ensemble du processus de fabrication. Ces panneaux montrent les différentes étapes du processus de fabrication : (A) l’élastomère de silicone, (B) couler l’élastomère de silicone, (C) percer les bulles, (D) montage de l’actionneur, (E) en vissant de pesage le connecteur de tuyauterie de l’interrupteur et (F) vérification des fuites. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 3 : Représentations des actionneurs testés. (A), ce panneau montre les photos de la position de l’actionneur de 30 ° de 0 à 90 kPa. (B), ce panneau indique la flexion angle par rapport à la pression interne de 0 à 90 kPa. Il est tiré à Wang et al. 18, avec la permission de Elsevier. (C), ce panneau affiche la torsion angle par rapport à la pression interne de 0 à 90 kPa. Il est tiré à Wang et al. 18, avec la permission de Elsevier. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 4 : Évaluation du rendement. Ce panneau montre le rapport entre l’angle de torsion et de l’angle de flexion de 30°, 45° et actionneurs de 60°, avec une pression de 10 à 90 kPa. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 5 : Expériences d’un actionneur unique et une pince souple composé de deux actionneurs. L’actionneur unique saisit la balle de (A), un ping-pong, (B), un port USB disque et (C), un stylo. La pince (D) saisit un tube en plastique, (E) soulève un marteau, et (F) manipule une éprouvette graduée. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
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Discussion
Cet article présente une méthode de protocole afin de guider la fabrication des actionneurs de réseau pneumatique doux avec chambres obliques. Suite au protocole, un déclencheur peut être fabriqué indépendamment au sein de 3 h. Les étapes clés du protocole peuvent se résumer comme suit. (i) l’élastomère de silicone est préparé en proportion et bien mélanger. (ii) l’élastomère de silicone est coulé dans le moule pour la fabrication de la partie de la chambre et la pièce de base. (iii) les bulles sur la surface exposée sont percés et tout élastomère silicone excès sur la surface exposée est gratté. (iv) l’élastomère de silicone est séché au four. (v) les deux parties sont collées ensemble par l’élastomère de silicone. Le procédé de fabrication est complété par une autre étape de polymérisation dans le four. (vi) l’actionneur est connecté à une source d’air pour vérifier les éventuelles fuites. L’actionneur doit être réparée avec l’élastomère de silicone si elle fuit.
Pour assurer une prestation de qualité et de la manoeuvre des vérins fabriqués, plusieurs étapes cruciales dans le protocole sont discutés ci-dessous, y compris le choix du matériau, l’élimination des bulles et la méthode de raccordement d’étanchéité à le pour air.
L’élastomère de silicone devrait avoir un grand allongement de traction afin de garantir la capacité de déformation des actionneurs. En outre, l’élastomère de silicone devrait avoir bonne fluidité dans son état liquide afin qu’il peut être versé en douceur dans les caractéristiques de l’échelle millimétrique du moule. L’élastomère de silicone, sélectionné à l’article 1 du protocole peut générer jusqu'à 700 % déformation en traction et faible viscosité à l’état liquide. Cet élastomère de silicone peut être remplacé avec d’autres matériaux appropriés qui satisfont aux exigences ci-dessus.
L’air mélangé dans la structure interne de l’actionneur non polymérisée dans le processus de coulée doit être éliminée avant que le moule est placé dans le four, pour éviter les défauts de l’actionneur durci. L’air mélangé se lève pour la surface exposée des bulles actionneur et forme non polymérisées. Par conséquent, le processus de perçage est mené dans les sections 2 et 3 du protocole. Ce processus peut être ignoré si le processus de coulage est conduit dans une chambre à vide.
Le raccord d’air entre l’actionneur et la pompe à air doit être bien conçu pour garantir l’étanchéité à l’air. En général, les tubes peuvent être insérés directement dans le vérin et collé fermement à l’actionneur. Toutefois, cette méthode de connexion requiert des opérations fastidieuses et conduit souvent à des fuites sous une grande pression interne. La méthode à l’article 5 du protocole propose un raccordement mécanique qui est plus fiable et plus facile à installer.
Les limites de la racine de protocole dans le processus de moulage, qui, par essence, est une méthode de fabrication de 2,5-D19. La chambre est faite en connectant plusieurs pièces dont la morphologie planaire. Ainsi, des structures internes complexes et caractéristiques à petite échelle sont difficiles à obtenir. Bien que les approches d’impression 3D soft sont apparus ces dernières années, le matériel d’impression de ces est trop friable pour rendre les actionneurs supportable contrairement à la méthode axée sur le moulage.
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Disclosures
Les auteurs n’ont rien à divulguer.
Acknowledgments
Ce travail a été soutenu par la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine sous Grant 51622506 et de la Science et Technology Commission de la municipalité de Shanghai sous 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
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