Summary
Qui presentiamo un metodo di fabbricazione di attuatori morbida rete pneumatica con obliquo chambers. Gli attuatori sono in grado di generare accoppiato flessioni e torsioni mozioni, che allarga la loro applicazione nella robotica morbido.
Abstract
Attuatori in morbida rete pneumatica sono diventati uno dei dispositivi di azionamento più promettenti nella robotica morbido che beneficia del loro grande deformazione di flessione e basso input. Tuttavia, loro monotona curvatura forma di movimento nello spazio bidimensionale (2D) li tiene lontano per svariate applicazioni. Questa carta presenta un metodo di fabbricazione dettagliato degli attuatori morbida rete pneumatica con alloggiamenti obliqui, per esplorare i loro movimenti nello spazio tridimensionale (3D). Il design delle camere oblique consente attuatori con sintonizzabile accoppiato flessioni e torsioni funzionalità, che dà loro la possibilità di muoversi abilmente in manipolatori flessibili, per diventare robot biologicamente ispirati e dispositivi medici. Il processo di fabbricazione è basato sul metodo di stampaggio, tra cui il silicone elastomero preparazione, alloggiamento e base parti fabrication, attuatore, connessioni dei tubi, controlli per perdite e la riparazione di attuatore. Il metodo di fabbricazione garantisce la produzione rapida di una serie di attuatori con solo alcune modifiche negli stampi. I risultati del test mostrano l'alta qualità di attuatori e loro prominente flessioni e torsioni funzionalità. Esperimenti della pinza dimostrano i vantaggi dello sviluppo nell'adattare agli oggetti con diversi diametri e fornire attrito sufficiente.
Introduction
Attuatori pneumatici morbidi (ZPS) sono dispositivi morbidi che possono essere attivati anche dal semplice input di aria pressione1,2. Essi possono essere fabbricate con materiali diversi, quali elastomeri di silicone3, tessuti4, memoria di forma polimeri5e dielettrico elastomeri6. I ricercatori hanno tratto beneficio dalla loro natura di conformità, abile mozioni e montaggio semplice metodi7, tale che centri termali sono diventati uno dei dispositivi più promettenti per applicazioni di robotica morbido8,9. Centri termali in grado di realizzare vari movimenti sofisticati, come strisciante10, rotazione11e12 basato su vari tipi di deformazione, compresi tavolo allungabile, espandendo, flessione e torsione13, di rotolamento 14. per essere in grado di effettuare diversi tipi di movimenti, centri termali sono progettati in diverse strutture, quali un corpo lineare con canali paralleli15, una camera di monolitica con rinforzi in fibra16, e reti di ripetono Sub-chambers17. Tra questi, le Terme con le reti di ripetuti Sub-chambers, gli attuatori di morbida rete pneumatica, sono largamente impiegate perché possono generare grandi deformazioni sotto una pressione di ingresso relativamente bassa. Tuttavia, nella maggior parte dei disegni precedenti, questo tipo di attuatori può solo generare piegatura movimenti nello spazio 2D, che limita notevolmente le loro applicazioni.
Un attuatore pneumatico morbida rete consiste di un gruppo organizzato linearmente delle camere collegate da un canale interno. Ogni alloggiamento cubico contiene un paio di pareti opposte, che sono più sottili rispetto l'altra coppia e produce un'inflazione di due lati nella direzione perpendicolare alle pareti più sottili. Originariamente, le pareti più sottili delle sezioni sono perpendicolari all'asse lungo del corpo dell'attuatore e gonfiano con l'asse lungo. Questi inflazioni collineari in alloggiamenti e la base non estendibile conducono a una flessione pura integrante dell'attuatore. Per esplorare il movimento dell'attuatore nello spazio 3D, l'orientamento delle sezioni è sintonizzato in modo che le pareti laterali più sottili non sono più perpendicolare all'asse longitudinale dell'attuatore (Figura 1A), che consente la direzione di inflazione di ogni alloggiamento per offset dall'asse e diventare non collineari. Tutte le inflazioni parallele ma non collineari modificare il movimento dell'attuatore in un piegamento accoppiati e movimento di torsione in spazio 3D18. Questo movimento accoppiato consente gli attuatori più flessibilità e destrezza e rende gli attuatori un candidato adatto per applicazioni più pratiche, come flessibile manipolatori, robot biologicamente ispirati e dispositivi medici.
Questo protocollo viene illustrato il metodo di fabbricazione di questo tipo di attuatori morbida rete pneumatica con obliquo chambers. Esso include la preparazione elastomero siliconico, fabbricando la camera e le parti di base, montaggio dell'attuatore, il tubo di collegamento, controllo di tenuta e, se necessario, riparare l'attuatore. Può anche essere utilizzato per fabbricare normale morbida rete pneumatica attuatori e altri morbido che può essere prodotto con alcune semplici modifiche al metodo di stampaggio. Forniamo la procedura dettagliata per fabbricare un attuatore pneumatico morbido con camere obliqua di 30°. Per diverse applicazioni, attuatori con angoli di camera differenti possono essere fabbricati secondo lo stesso protocollo. Oltre a questo, gli attuatori possono essere combinati per formare un sistema Multi-attuatore per varie esigenze.
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Protocol
Nota: Il protocollo prevede le procedure di fabbricazione di un attuatore pneumatico morbida rete. Prima la procedura di fabbricazione, un set di stampi e diversi connettori di attuatore-tubazione, che sono progettati con progettazione assistita da elaboratore (CAD) il software deve essere di 3-D-stampati in anticipo. Gli stampi sono illustrati nella Figura 1B.
1. preparazione di elastomero di silicone
- Pesare 5 g di parte in elastomero di silicone B e 45 g della parte A [9:1 (A:B) parti in peso] nello stesso contenitore di miscelazione (Figura 2A). Utilizzare una siringa per assicurarsi che le proporzioni di ogni parte sono accurate.
Nota: Il rapporto di miscelazione varia per elastomeri di silicone diversi. La proporzione di ciascuna parte deve essere regolata quando è adottato un altro elastomero di silicone. - Mescolare l'elastomero di silicone bene con l'impastatrice planetaria centrifugo.
Nota: L'elastomero di silicone poteva essere conservato a bassa temperatura per estendere il tempo di elaborazione.
2. camera parte Fabrication
- Spruzzare il distaccante stampi per prodotti in elastomero di silicone in modo uniforme sulle superfici della muffa parte A e parte B.
- Assemblare la parte A e parte B dello stampo per la realizzazione di una camera. Tenere entrambe le estremità dello stampo con clip per impedire la fuoriuscita di elastomero di silicone.
- Assumere 5 mL di elastomero di silicone con una siringa e iniettare lentamente il foro dello stampo per fabbricare il lato di connessione (la struttura cilindrica a un'estremità dell'attuatore per il tubo di collegamento). Quindi, riempire lo stampo intero con l'elastomero di silicone (Figura 2B).
Nota: Mantenere un tasso di flusso debole e muoversi avanti e indietro lentamente, per consentire l'elastomero di silicone immettere le piccole strutture della muffa. - Bucare le bolle che si formano sulla superficie con la punta di un ago fino a quando non ci sono più bolle visibili (Figura 2C).
- Raschiare qualsiasi elastomero di silicone in eccesso con una lama lungo la superficie superiore dello stampo.
- Posizionare lo stampo in forno a 70 ° C fino a curata l'elastomero di silicone.
- Utilizzare una siringa per iniettare elastomero di silicone per le bolle e fori che appaiono sulla superficie dell'attuatore.
- Raschiare qualsiasi elastomero di silicone in eccesso sulla superficie.
- Posizionare lo stampo in forno a 70 ° C fino a curata l'elastomero di silicone.
3. base parte Fabrication
- Spruzzare il distaccante stampi per prodotti in elastomero di silicone in modo uniforme sulla superficie della parte di stampo C.
- Versare l'elastomero di silicone nella parte C della muffa.
- Bucare le bolle che si formano sulla superficie con la punta di un ago fino a quando non ci sono più bolle visibili.
- Raschiare qualsiasi elastomero di silicone in eccesso con una lama lungo la superficie superiore dello stampo.
- Posizionare lo stampo in forno a 70 ° C fino a curata l'elastomero di silicone.
4. attuatore
- Versare uniformemente uno strato di elastomero di silicone, 1 mm di spessore, su una faccia della parte di base.
- Posizionare la parte di alloggiamento sulla parte di base. Utilizzare una siringa per iniettare l'elastomero di silicone nello spazio tra la parte di camera e la parte di base (Figura 2D).
- Posizionare l'attuatore in forno a 70 ° C fino a curata l'elastomero di silicone.
5. tubo di attacco
- Toccare il connettore di attuatore-tubazione 3-D-stampati per accettare che la vite di un push-in perno maschio misura montaggio pneumatico.
- Utilizzare un ago per bucare la fine di collegamento dell'attuatore lungo la linea centrale del cilindro. Aumentare il diametro del foro con un tondino di acciaio, a circa 2 mm.
- Avvitare il raccordo di tubi di attuatore l'attuatore (Figura 2E).
- Spingere una sezione della tubazione nel perno maschio ad innesto Raccordo pneumatico fit.
6. perdita di controllo e riparazione
- Collegare l'attuatore alla fonte d'aria.
- Posizionare l'attuatore intero in acqua e pressurizzare l'attuatore (Figura 2F). Osservare se le bolle si formano a causa di una perdita.
- Utilizzare una siringa per iniettare l'elastomero di silicone in punti di perdita. Posizionare l'attuatore in forno a 70 ° C fino a curata l'elastomero di silicone.
- Se necessario, ripetere i passaggi 6.1-6.3.
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Representative Results
Attuatore singolo:
Per verificare il metodo di fabbricazione e dimostrare la funzione dell'attuatore, 30°, 45° e 60° attuatori sono stati fabbricati e testati. Per l'allestimento di esperimento, una pompa ad aria è stata impiegata per attivare la valvola. La valvola è stata collegata all'attuatore per controllare la pressione interna. L'attuatore singolo era fissato alla sua estremità di connessione e posizionato verticalmente. Mentre l'attuatore è stato essendo pressurizzato, due macchine fotografiche digitali sono stati utilizzati per catturare le sue posizioni da prospettive diverse. Analizzando le posizioni (Figura 3A) ha chiarito che il movimento dell'attuatore può essere descritta da due parametri: un angolo di curvatura e un angolo di torsione. Questi due parametri numericamente è in grado di distinguere le prestazioni degli attuatori con angoli di camera diversa.
Flessioni e torsioni test (figure 3B e 3C) ha illustrato il movimento degli attuatori nello spazio 3D. L'angolo di piegatura è l'angolo tra la linea del corpo in posizione di azionamento e la linea del corpo originale a unactuated stato18. L'angolo di torsione è l'angolo tra la linea di punta nella posizione ad azionamento e la linea di punta originale in unactuated statale18. Sono stati osservati e calcolati da 0 a 90 kPa, con un passo di pressione di 10 kPa. La trama di linea in figure 3B e 3C illustra come entrambi il bending e gli angoli di torsione aumentata rispetto all'aumento della pressione interna. I valori di curvatura e gli angoli di torsione mostrano l'effetto dell'angolo camera sulla mozione degli attuatori. Chambers con angoli maggiori hanno contribuito di più alla torsione rispetto alla flessione. Questo indica che movimenti e diverse configurazioni possono conseguire regolando l'angolo dell'alloggiamento di un attuatore di dimensioni fisse. Come mostrato in figure 3B 3C, nell'esperimento, tre attuatori testati ha mostrato capacità distinte a flessioni e torsioni. Per la capacità di flessione, il 30°, 45° e 60° attuatori potevano piegare fino a 295 °, 217 ° e 170 °, rispettivamente. Per la capacità di torsione, i massimi angoli di torsione per gli attuatori di 30°, 45° e 60° erano 227°, 307° e 382°, rispettivamente.
Usiamo il rapporto tra l'angolo di torsione e l'angolo di piegatura per analizzare lo stato di ogni attuatore testato sotto diverse pressioni interne (Figura 4). Questo valore può anche riflettere il generale andamento corrispondente all'angolo dell'alloggiamento degli attuatori. Per quanto riguarda un singolo attuatore, il valore del rapporto mostra un declino generale con l'aumento della pressione interna. Comportamento di torsione è dominante quando l'attuatore è iniziato a bassa pressione. Nella gamma centrale dell'azionamento, il comportamento di piegatura gradualmente prevale, e il crescente tasso di torsione comportamento comincia a declinare. Il comportamento di curvatura diventa dominante e il valore del rapporto deriva al minimo quando l'attuatore si avvicina la capacità massima di pressione. Da una prospettiva macro, l'attuatore con un più grande angolo dell'alloggiamento ha un valore maggiore del rapporto sotto lo stesso livello di pressurizzazione. Gli attuatori con angoli di camera più grandi sono preferibili per più auto-torsioni mentre gli attuatori con piccoli angoli di camera sono adatti per movimenti con torsioni ausiliari di piegatura. Questo rapporto consente la determinazione dell'angolo camera quando gli attuatori sono progettati per usi specifici.
Applicazione dell'attuatore con Chambers obliquo:
Il significato degli attuatori con obliquo chambers è per ampliare lo spazio di movimento degli attuatori pneumatici rete in uno spazio 3D. Forme più abbondanti di movimenti li rendono possiedono una più ampia gamma di applicazioni.
Come l'elemento centrale di una pinza morbida, attuatori con obliquo chambers Visualizza loro superiorità sulla afferrare, tenendo e manipolazione di oggetti di diverse forme, soprattutto a lungo, sottile e asta-come forme. Pinze, basati su attuatori pneumatici normale rete sempre hanno difficoltà ad afferrare oggetti lunghi, sottili e asta-come a causa della limitazione del raggio di curvatura. Tuttavia, attuatori con chambers obliqua possono superare questo limite generando una configurazione elicoidale regolabile in base all'oggetto e fornendo sufficiente attrito tra oggetti e se stesso. Figure 5A - 5C dimostrare un attuatore singolo 30 ° afferrare una palla di ping-pong, un disco USB e una penna. Figure 5 - 5F Visualizza una pinza assemblata da due attuatori di 30 °, afferrando un tubo di plastica, un martello di sollevamento e la modifica di un cilindro graduato, cooperando con un robot UR10.
Il protocollo fornisce un metodo di fabbricazione di un singolo attuatore con obliquo chambers. In seguito il protocollo, attuatori con angoli di camera differenti possono essere creati semplicemente modificando la muffa. Quando gli attuatori sono collegati in serie o in parallelo, movimenti complicati possono essere raggiunti. La progettazione programmabile di attuatori e la loro disposizione apre grandi possibilità per le applicazioni più ampie.
Figura 1: l'attuatore morbida rete pneumatica e gli stampi. Questi pannelli mostrano modelli CAD di (A), l'attuatore con camere obliqua di 30 ° e (B) gli stampi corrispondenti. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2 : Panoramica del processo di fabbricazione. Questi pannelli mostrano le diverse fasi del processo di fabbricazione: (A) l'elastomero di silicone, (B) versando l'elastomero di silicone, (C) piercing le bolle, (D) montaggio dell'attuatore, (E) nell'avvitamento di pesatura l'attuatore-tubazione di connettore e (F) controllo di tenuta. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3 : Spettacoli di testata attuatori. (A), questo pannello mostra le immagini di posizione dell'attuatore 30 ° da 0 a 90 kPa. (B) questo pannello mostra la piegatura angolo contro la pressione interna da 0 a 90 kPa. È ristampato da Wang et al. 18, con il permesso di Elsevier. (C), questo pannello mostra la torsione angolo contro la pressione interna da 0 a 90 kPa. È ristampato da Wang et al. 18, con il permesso di Elsevier. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 4 : Valutazione delle prestazioni. Questo pannello mostra il rapporto fra l'angolo di torsione e l'angolo di piegatura per il 30°, 45° e 60° attuatori, con pressione da 10 a 90 kPa. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 5 : Esperimenti di un singolo attuatore e una pinza molle composto da due attuatori. L'attuatore singolo coglie la palla (A), un ping-pong, (B) un USB disco e (C), una penna. La pinza (D) coglie un tubo di plastica, (E) solleva un martello e (F) manipola un cilindro graduato. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
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Discussion
La carta presenta un protocollo di metodo per guidare la realizzazione di attuatori morbida rete pneumatica con obliquo chambers. In seguito il protocollo, un attuatore può essere fabbricato in modo indipendente all'interno di 3 h. I passaggi chiave nel protocollo possono essere riassunti come segue. (i) l'elastomero di silicone è preparato in proporzione e mescola bene. (ii) l'elastomero di silicone viene versato nello stampo per la fabbricazione della parte camera e parte di base. (iii) le bolle sulla superficie esposta sono forate e qualsiasi elastomero di silicone in eccesso sulla superficie esposta viene raschiata. (iv) l'elastomero di silicone è guarito nel forno. (v) le due parti sono unite da elastomero siliconico. Il processo di fabbricazione è completato con un'altra fase di reticolazione in forno. (vi) l'attuatore è collegato a una fonte di aria per controllare eventuali perdite. L'attuatore deve essere riparato con l'elastomero di silicone se perde.
Per garantire le prestazioni di qualità e azionamento degli attuatori fabbricati, diversi passaggi critici nel protocollo sono discussi come segue, compresa la selezione del materiale, l'eliminazione delle bolle e il metodo di collegamento per tenuta all'aria.
L'elastomero di silicone dovrebbe avere un grande allungamento a trazione per assicurare la capacità di deformazione degli attuatori. Inoltre, l'elastomero di silicone dovrebbe avere buona fluidità allo stato liquido in modo che può essere versato senza intoppi le funzionalità di scala millimetrica dello stampo. L'elastomero di silicone selezionato nella sezione 1 del protocollo può generare fino a 700% di deformazione a trazione e bassa viscosità allo stato liquido. Questo elastomero di silicone può essere sostituito con altri materiali appropriati che soddisfano i requisiti di cui sopra.
L'aria che si mescola nella struttura interna dell'attuatore non polimerizzato nel processo di colata dovrebbe essere eliminata prima la muffa è posto nel forno, per evitare difetti nell'attuatore polimerizzato. L'aria mista saliranno fino alla superficie esposta delle bolle attuatore e forma non polimerizzate. Di conseguenza, il processo di piercing è condotto nelle sezioni 2 e 3 del protocollo. Questo processo può essere ignorato se il processo di colata è condotta in una camera a vuoto.
Collegamento dell'aria tra l'attuatore e la pompa di aria deve essere ben progettato per garantire la tenuta all'aria. In genere, il tubo può essere inserito direttamente nell'attuatore e incollato saldamente all'attuatore. Tuttavia, questo metodo di connessione richiede operazioni noiose e spesso conduce a perdite sotto una grande pressione interna. Il metodo nella sezione 5 del protocollo presenta un collegamento meccanico che è più facile da installare e più affidabile.
Le limitazioni della radice protocollo nel processo di stampaggio, che, in sostanza, è un metodo di fabbricazione 2,5-D19. L'alloggiamento è fatto collegando le varie parti con morfologia planare. Così, complicate strutture interne e le caratteristiche su scala ridotta sono difficili da raggiungere. Anche se morbidi approcci di stampa 3-d sono apparsi negli ultimi anni, i materiali per la stampa di questi sono troppo friabili per rendere sopportabile in contrasto con il metodo basato su stampaggio gli attuatori.
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Disclosures
Gli autori non hanno nulla a rivelare.
Acknowledgments
Questo lavoro è stato supportato dalla Fondazione della Cina nazionale di scienze naturali sotto Grant 51622506 e la scienza e tecnologia della Commissione della municipalità di Shanghai sotto 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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