Summary
Hier präsentieren wir ein Herstellungsverfahren von weichen pneumatische Netzwerk Aktoren mit schrägen Kammern. Die Aktuatoren sind geeignet zur Erzeugung gekoppelten biegen und verdrehen Bewegungen, die erweitert ihre Anwendung in der weiche Robotik.
Abstract
Weiche pneumatische Netzwerk Aktoren sind eines der vielversprechendsten Betätigung Geräte in der weiche Robotik welche Vorteile aus ihrer großen Biegung Verformung und low-Input geworden. Jedoch hält sie ihre monotonen Biegung Bewegung Form im zweidimensionalen (2D) Raum vom breite Anwendungen. Dieses Papier stellt eine detaillierte Herstellungsverfahren weichen pneumatische Netzwerk Antriebe mit schrägen Kammern, um ihre Bewegungen im dreidimensionalen (3D) Raum zu erkunden. Das Design der schrägen Kammern ermöglicht Stellantriebe mit einstellbaren biegen und verdrehen Fähigkeiten, verleiht ihnen die Möglichkeit, in flexiblen Manipulatoren geschickt bewegen, biologisch inspirierte Roboter und Medizinprodukte werden gekoppelt. Die Fertigung basiert auf die Formteil-Methode, einschließlich Silikon Elastomer Vorbereitung, Kammer und Basis Teile Fertigung, Aktor Montage, Schlauchverbindungen, Kontrollen auf Dichtheit und Antrieb Reparatur. Das Herstellungsverfahren garantiert die schnelle Herstellung einer Reihe von Aktoren mit wenigen Modifikationen in den Formen. Die Testergebnisse zeigen die hohe Qualität der Antriebe und deren prominente biegen und verdrehen Fähigkeiten. Versuche des Greifers zeigen die Vorteile der Entwicklung bei der Anpassung an Objekten mit unterschiedlichen Durchmessern und Bereitstellung ausreichend Reibung.
Introduction
Weiche pneumatische Antriebe (BSG) sind weiche Geräte, die durch die einfache Eingabe von Luft Druck1,2betätigt werden können. Sie können mit verschiedenen Materialien wie Silikon Elastomere3, Stoffe4, Formgedächtnis-Polymere5und Dielektrische Elastomere6hergestellt werden. Forscher profitierten von ihrer Natur von Compliance, geschickten Bewegungen und einfache Herstellung Methoden7, so dass Spa eines der vielversprechendsten Geräte für weiche Robotik-Anwendungen8,9geworden sind. Thermen realisieren verschiedene anspruchsvolle Bewegungen, wie10, Drehung11, kriechend und Rollen12 basierend auf verschiedenen Arten der Verformung, einschließlich der Verlängerung, Erweiterung, biegen und verdrehen13, 14. um verschiedene Arten von Bewegungen machen zu können, sollen in verschiedenen Strukturen, z. B. eine lineare Körper mit parallelen Kanälen15, einer monolithischen Kammer mit Glasfaser-Verstärkung16, Thermen und Netzwerke von wiederholt teilkammern17. Unter ihnen sind die Thermen mit Netzen von wiederholten teilkammern, weiche pneumatische Netzwerk Aktoren, weit verbreitet eingesetzt, da sie große Verformungen unter einer relativ niedrigen Eingangsdruck erzeugen können. Jedoch kann die meisten früheren Entwürfe, diese Art von Aktoren nur Verbiegende Bewegungen in 2-D-Raum, generieren ihre Anwendungen erheblich einschränkt.
Eine weiche pneumatische Netzwerk Antrieb besteht aus einer linear angeordnete Gruppe von Kammern, die durch einen internen Kanal verbunden. Jeder Kubikmeter Kammer enthält ein paar der gegenüberliegenden Wänden, die dünner als die anderen beiden sind und produziert eine zweiseitige Inflation in der Richtung senkrecht zu den dünneren Wänden. Ursprünglich die dünnere Wände der Kammern sind senkrecht zur Längsachse des Körpers Antrieb und zusammen mit der langen Achse aufblasen. Diese kollinearen Inflationen in Kammern und der nicht erweiterbare Basis führen zu ein integraler reine Biegung des Antriebs. Um den Aktor Bewegung im 3D-Raum zu erkunden, ist die Ausrichtung der Kammern abgestimmt, so dass die dünneren Seitenwände nicht mehr senkrecht zur Längsachse des Antriebs (Abb. 1A), sind die Inflation Richtung jeder Kammer ermöglicht zum Ausgleich von der Achse und werden nicht kollinear. Alle parallelen, aber nicht kollinear Inflationen verwandeln sich die Bewegung des Antriebs in einer gekoppelten Biege- und Drehbewegung im 3D-Raum18. Diese gekoppelte Bewegung ermöglicht die Antriebe mehr Flexibilität und Geschicklichkeit und Aktoren einen geeigneten Kandidat für praktische Anwendungen, z. B. flexible Manipulatoren, biologisch inspirierte Roboter und medizinische Geräte.
Dieses Protokoll zeigt die Herstellung dieser Art von weichen pneumatische Netzwerk Aktoren mit schrägen Kammern. Freuen Sie sich auf Vorbereitung der Silikon-Elastomer, Herstellung von Kammer und Unterteile, Montage des Antriebs, den Schlauch anschließen, auf Dichtheit prüfen und ggf. Reparatur des Antriebs. Es kann auch zur fertigen normalen weichen pneumatische Netzwerk Aktoren und andere weiche Aktoren, die mit einigen einfachen Änderungen an Spritzguss-Verfahren hergestellt werden können. Wir bieten detaillierte Schritte, um eine weiche Pneumatikantrieb mit 30° schräge Kammern zu fabrizieren. Für unterschiedliche Anwendungen können Stellantriebe mit verschiedenen Kammer Winkel nach dem gleichen Protokoll hergestellt werden. Darüber hinaus können die Antriebe zu einem Multi-Antrieb System für verschiedene Anforderungen kombiniert werden.
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Protocol
Hinweis: Das Protokoll sieht die Herstellung Verfahren eines weichen pneumatische Netzwerk-Antriebs. Vor der Herstellung Verfahren, eine Reihe von Formen und mehrere Aktor-Schlauch-Anschlüsse sollen die mit Computer-aided Design (CAD) Software 3-D-gedruckt im voraus sein muss. Die Formen sind in Abbildung 1Bdargestellt.
(1) Silikon-Elastomer-Vorbereitung
- Wiegt 5 g Silikon elastomerteil B und 45 g Teil A [9:1 (a) Gewichtsteile] im gleichen Mischbehälter (Abb. 2A). Verwenden Sie eine Spritze, um sicherzustellen, dass die Proportionen der einzelnen Teile korrekt sind.
Hinweis: Das Mischungsverhältnis variiert für verschiedene Silikonelastomere. Der Anteil der einzelnen Teile sollten angepasst werden, wenn ein anderes Silikon-Elastomer angenommen wird. - Mischen Sie die Silikon-Elastomer mit zentrifugalen Planetenmischer gut.
Hinweis: Die Silikon-Elastomer kann bei niedrigen Temperaturen verlängern die Verarbeitungszeit gespeichert werden.
2. Kammer Teil Fertigung
- Sprühen Sie das Schimmel-Trennmittel für Silikon-Elastomer-Produkte gleichmäßig auf den Oberflächen der Form Teil A und Teil B.
- Montieren Sie Teil A und Teil B der Form für die Herstellung einer Kammer. Halten Sie beide Enden der Form mit Clips, um zu verhindern das Austreten von Silikon-Elastomer.
- Nehmen Sie 5 mL Silikon-Elastomer mit einer Spritze und Spritzen Sie es langsam in das Loch der Form für die Herstellung der Verbindung Ende (die zylindrische Struktur an einem Ende des Antriebs für den Anschluss der Schläuche). Füllen Sie die ganze Form mit Silikon-Elastomer (Abbildung 2B).
Hinweis: Halten Sie eine low-Flow-Rate und bewegen Sie sich hin und her langsam, die Silikon-Elastomer, die winzigen Strukturen der Form eingeben zu lassen. - Stechen Sie die Luftblasen, die bilden auf der Oberfläche mit einer Nadelspitze bis gibt es keine mehr Bläschen sichtbar (Abbildung 2C).
- Kratzen Sie überschüssiges Silikon-Elastomer mit einer Klinge entlang der Oberseite der Form.
- Legen Sie die Form in den Ofen bei 70 ° C, bis das Silikon-Elastomer ausgehärtet ist.
- Verwenden Sie eine Spritze, um Silikon-Elastomer in die Bläschen und die Löcher auf der Oberfläche des Antriebs zu injizieren.
- Jede überschüssige Silikon-Elastomer auf der Oberfläche abkratzen.
- Legen Sie die Form in den Ofen bei 70 ° C, bis das Silikon-Elastomer ausgehärtet ist.
3. Basisteil Fertigung
- Spray Schimmel-Trennmittel für Silikon-Elastomer-Produkte gleichmäßig auf der Oberfläche des das Formteil C.
- Gießen Sie die Silikon-Elastomer in Teil C der Form.
- Stechen Sie die Luftblasen, die bilden auf der Oberfläche mit einer Nadelspitze, bis keine Luftblasen mehr sichtbar sind.
- Kratzen Sie überschüssiges Silikon-Elastomer mit einer Klinge entlang der Oberseite der Form.
- Legen Sie die Form in den Ofen bei 70 ° C, bis das Silikon-Elastomer ausgehärtet ist.
(4) Antrieb-Montage
- Gießen Sie gleichmäßig eine Schicht aus Silikon-Elastomer, 1 mm Dicke, auf der einen Seite des Basisteils.
- Ort der Kammer Teil auf dem Basisteil. Verwenden Sie eine Spritze, um die Silikon-Elastomer in den Raum zwischen der Kammer und dem Basisteil (Abbildung 2D) zu injizieren.
- Legen Sie den Antrieb im Backofen bei 70 ° C, bis das Silikon-Elastomer ausgehärtet ist.
(5) Schlauchanschluss
- Tippen Sie auf die 3-D-gedruckt Aktor-Schlauchanschluss zu akzeptieren, dass die Schraube von einem männlichen Gestüt-Push-in pneumatische Armatur passen.
- Verwenden Sie eine Nadel, um die Verbindung Ende des Antriebs entlang der Mittellinie des Zylinders zu durchbohren. Der Durchmesser der Bohrung mit einer Stahlstange, etwa 2 mm zu erhöhen.
- Schrauben Sie den Aktor-Schlauchanschluss in den Antrieb (Abb. 2E).
- Schieben Sie einen Teil der Schläuche in der männlichen Gestüt Push-in Fit pneumatische Armatur.
(6) auslaufen Sie überprüfen und reparieren
- Den Antrieb an eine Luftquelle anschließen.
- Den gesamte Antrieb im Wasser zu platzieren und den Antrieb (Abbildung 2F) unter Druck zu setzen. Beobachten Sie, ob aufgrund eines Lecks Bläschen gebildet werden.
- Verwenden Sie eine Spritze, die Silikon-Elastomer leckagestellen zuzuführen. Legen Sie den Antrieb im Backofen bei 70 ° C, bis das Silikon-Elastomer ausgehärtet ist.
- Wiederholen Sie die Schritte 6.1-6.3, wenn nötig.
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Representative Results
Einzigen Antrieb:
Um die Herstellungsverfahren zu überprüfen und zeigen die Funktion des Antriebs, 30°, 45° und 60° wurden Aktoren hergestellt und getestet. Für das Experiment Set-up war eine Luftpumpe eingesetzt, um das Ventil zu aktivieren. Das Ventil war der Antrieb, den internen Druck zu kontrollieren verbunden. Der einzige Antrieb wurde an seinem Ende Verbindung und vertikal angeordnet. Während der Antrieb unter Druck war, wurden zwei Digitalkameras verwendet, um seine Positionen aus unterschiedlichen Blickwinkeln zu erfassen. Analyse der Positionen(Abbildung 3)deutlich gemacht, dass die Bewegung des Antriebs kann durch zwei Parameter beschrieben werden: ein Biegewinkel und ein Verdrehwinkel. Diese beiden Parameter können die Leistung der Antriebe mit verschiedenen Kammer Winkel numerisch unterscheiden.
Biegen und verdrehen Tests (Zahlen 3 b und 3 C) illustriert die Bewegung der Antriebe im 3D-Raum. Der Biegewinkel ist der Winkel zwischen der Körper in der betätigten Position und die Originalzeile Körper in unactuated Zustand18. Der Verdrehwinkel ist der Winkel zwischen der Spitze betätigten Position und die Originalzeile Spitze in unactuated Zustand18. Sie beobachtet und von 0 bis 90 kPa, mit einem Druck-Schritt von 10 kPa berechnet. Das Liniendiagramm in Zahlen 3 b und 3 C zeigt, wie beide das Biegen und verdrehen Winkel erhöht in Bezug auf die Erhöhung des Innendrucks. Die Werte der Biegung und Verdrehung Winkel zeigen die Wirkung der Kammerwinkel auf die Bewegung der Antriebe. Kammern mit größeren Winkeln mehr zu drehen als die Biegung beigetragen. Dies bedeutet, dass verschiedene Konfigurationen und Bewegungen durch tuning den Kammerwinkel eines Aktors fester Größe erreicht werden können. Wie in Zahlen 3 b 3 C, im Experiment zeigte drei getesteten Antriebe unterschiedliche Fähigkeiten beim Biegen und verdrehen. Für die Biegung Fähigkeit, 30°, 45° und 60° konnte Aktoren bzw. bis zu 295 °, 217 ° und 170 ° beugen. Für die Verdrehung Fähigkeit waren die maximale Drehung Winkel für 30°, 45° und 60° Aktoren 227°, 307° und 382°.
Wir verwenden das Verhältnis zwischen der Verdrehwinkel und den Biegewinkel, analysieren den Status jeder getesteten Antrieb unter verschiedenen innendrücken (Abbildung 4). Dieser Wert kann auch die Gesamtleistung der Kammerwinkel der Stellglieder entsprechend reflektieren. Zu einem einzigen Antrieb zeigt den Wert des Verhältnisses eine allgemeine Abnahme mit der Zunahme der Innendruck. Verhalten zu verdrehen ist dominant, wenn der Antrieb bei niedrigem Druck gestartet wird. Im mittleren Bereich der Betätigung das Biegeverhalten allmählich herrscht, und die zunehmende Geschwindigkeit der Drehung Verhalten beginnt zu sinken. Das Biegeverhalten wird dominant und der Wert des Verhältnisses kommt auf ein Minimum, nähert sich der Antrieb seine maximale Kapazität des Drucks. Aus einer Makro-Perspektive hat der Antrieb mit einem größeren Kammerwinkel einen größeren Wert des Verhältnisses unter dem Niveau der Druckbeaufschlagung. Die Stellantriebe mit größeren Kammer Winkeln sind für mehr selbst verdrehen Bewegungen vorzuziehen, während die Antriebe mit kleiner Kammer Winkel für Bewegungen mit zusätzlichen Verdrehung Bewegungen biegen geeignet sind. Dieses Verhältnis hilft die Bestimmung der Kammerwinkel bei Aktoren für spezifische Anwendungen ausgelegt sind.
Anwendung des Antriebs mit schrägen Kammern:
Die Bedeutung der Antriebe mit schrägen Kammern ist es, die Bewegung der pneumatischen Netzwerk Aktoren in einen 3-d-Raum erweitern. Reichliche Formen der Bewegungen machen sie ein breiteres Anwendungsspektrum besitzen.
Als Kernelement eines weichen Greifers anzeigen Aktoren mit schrägen Kammern ihre Überlegenheit auf greifen, halten und manipulieren von Objekten in verschiedenen Formen, vor allem lange, dünne, und stabförmige Formen. Greifer basierend auf normalen pneumatische Netzwerk Antriebe immer haben Schwierigkeiten, lange, dünne und stabförmige Gegenstände durch die Begrenzung der Biegeradius zu erfassen. Aktoren mit schrägen Kammern können jedoch diese Einschränkung überwunden, indem eine einstellbare spiralförmige Konfiguration nach dem Objekt erzeugen und ausreichende Reibung zwischen Objekten und selbst. Figuren 5A - 5 C zeigen einen einzigen 30° Antrieb greifen einen Tischtennisball, eine USB-Festplatte und einen Stift. Zahlen 5 - 5F zeigen ein Greifer durch zwei 30 ° Aktuatoren greifen ein Kunststoffrohr montiert, heben einen Hammer, und Manipulation ein Messzylinder, zusammen mit einem UR10-Roboter.
Das Protokoll sieht ein Herstellungsverfahren von einem einzigen Antrieb mit schrägen Kammern. Nach dem Protokoll können Stellantriebe mit verschiedenen Kammer Winkel einfach ändern die Form erstellt werden. Wenn Antriebe Parallel oder in Serie angeschlossen sind, können komplizierte Bewegungen erreicht. Die programmierbare Gestaltung von Aktoren und deren Anordnung eröffnet große Möglichkeiten für umfangreichere Anwendungen.
Abbildung 1: der weiche pneumatische Netzwerk-Antrieb und die Formen. Diese Tafeln zeigen CAD-Modelle (A) den Antrieb mit 30° schräge Kammern und (B) die entsprechenden Formen. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 2 : Überblick über den Fertigungsprozess. Diese Tafeln zeigen die verschiedenen Schritte der Herstellung: (A) mit einem Gewicht von Silikon-Elastomer, (B) Gießen Silikon-Elastomer, (C) piercing die Bläschen, (D) Montage des Antriebs (E) einschrauben der Aktor-Schlauchanschluss und (F) auf Dichtheit prüfen. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 3 : Aufführungen der getesteten Antriebe. (A) dieses Panel zeigt die Position-Bilder von der 30 °-Antrieb von 0 bis 90 kPa. (B) dieses Panel zeigt die Biegung Winkel im Vergleich zu den internen Druck von 0 bis 90 kPa. Es ist von Wang Et Al. nachgedruckt. 18, mit freundlicher Genehmigung von Elsevier. (C) dieser Bereich zeigt die Verdrehung Winkel im Vergleich zu den Innendruck von 0 bis 90 kPa. Es ist von Wang Et Al. nachgedruckt. 18, mit freundlicher Genehmigung von Elsevier. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 4 : Leistungsbewertung. Dieses Fenster zeigt das Verhältnis der Verdrehwinkel und den Biegewinkel 30°, 45° und 60° Stellantriebe mit Druck von 10 bis 90 kPa. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 5 : Experimente mit einem einzigen Antrieb und einem weichen Greifer, bestehend aus zwei Aktoren. Der einzige Antrieb greift (A) ein Ping-Pong-Ball, (B) eine USB-Festplatte und (C) einen Stift. Der Greifer (D) greift ein Kunststoffrohr (E) hebt einen Hammer und (F) manipuliert ein Messzylinder. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
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Discussion
Der Beitrag stellt ein Protokoll über Methode zur Herstellung von weichen pneumatische Netzwerk Aktoren mit schrägen Kammern führen. Im Anschluss an das Protokoll kann ein Aktor selbstständig innerhalb von 3 h hergestellt werden. Die wichtigsten Schritte im Protokoll können wie folgt zusammengefasst werden. (i) das Silikon-Elastomer ist im Verhältnis vorbereitet und gut gemischt. (Ii) das Silikon-Elastomer ist in die Form für die Herstellung von der Kammer und dem base Teil gegossen. (Iii) die Luftblasen auf die freiliegende Oberfläche sind durchbohrt und überschüssigen Silikon-Elastomer auf die freiliegende Oberfläche abgeschabt. (iv) das Silikon-Elastomer wird im Ofen ausgehärtet. (V) die beiden Teile sind miteinander verbunden durch das Silikon-Elastomer. Die Herstellung abgeschlossen ist mit einem anderen heilenden Schritt in den Ofen. (vi) der Antrieb ist mit einer Luftquelle für Undichtigkeiten überprüfen verbunden. Der Antrieb sollte mit Silikon-Elastomer repariert werden, wenn es undicht ist.
Zur Gewährleistung der Qualität und Betätigung Leistung der gefertigten Aktoren werden mehrere wichtige Schritte im Protokoll wie folgt erläutert einschließlich der Auswahl des Materials, die Beseitigung von Luftblasen und die verbindenden Methode für die Luftdichtheit.
Die Silikon-Elastomer sollte eine große Zugfestigkeit Dehnung um die Verformungsfähigkeit der Aktoren zu gewährleisten haben. Darüber hinaus sollte das Silikon-Elastomer gute Fließfähigkeit in seinem flüssigen Zustand haben, so dass es problemlos in die Millimeter-Skala-Funktionen der Form gegossen werden kann. Die Silikon-Elastomer ausgewählt in Abschnitt 1 des Protokolls kann bis zu 700 % Zug-Verformungs- und niedrige Viskosität in einem flüssigen Zustand generieren. Diese Silikon-Elastomer kann durch andere geeignete Materialien ersetzt werden, die oben genannten Anforderungen erfüllt.
Die Luft in der inneren Struktur des ausgehärteten Antriebs Gießen dabei sollten beseitigt werden, bevor die Form in den Ofen, um Mängel in der ausgehärteten Antrieb zu vermeiden werden. Die Mischluft wird auf die freiliegende Oberfläche noch nicht ausgehärteten Antrieb und bilden Blasen aufsteigen. Daher ist das piercing in den Abschnitten 2 und 3 des Protokolls verliefen. Dieser Prozess kann übersprungen werden, wenn die strömende Prozess in einer Vakuumkammer durchgeführt wird.
Die Luft-Verbindung zwischen Antrieb und die Luftpumpe sollte gut entworfen werden, um die Luftdichtigkeit zu gewährleisten. In der Regel kann das Rohr direkt in den Antrieb eingesetzt und fest an den Aktor geklebt. Aber diese Verbindungsmethode erfordert langwierige Operationen und führt oft zu Lecks unter einer großen inneren Druck. Die Methode im Abschnitt 5 des Protokolls stellt eine mechanische Verbindung ist einfacher zu installieren und zuverlässiger.
Die Grenzen der eigentlichen Protokoll in der Spritzguss-Prozess, der ist im Wesentlichen ein 2,5-D Herstellung Methode19. Die Kammer erfolgt durch mehrere Verbindungsteile mit planaren Morphologie. Komplizierte innere Strukturen und kleine Merkmale sind so schwer zu erreichen. Obwohl weichen 3-d-Druck Ansätze in den letzten Jahren erschienen sind, sind die Druckmaterialien davon zu brüchig machen die Antriebe erträglich im Gegensatz zu der Guß-basierte Methode.
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Disclosures
Die Autoren haben nichts preisgeben.
Acknowledgments
Diese Arbeit wurde von der National Natural Science Foundation of China unter Grant 51622506 und die Wissenschaft und Technologie Kommission der Shanghai Municipality unter Grant 16JC1401000 unterstützt.
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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