Summary
Aqui nós apresentamos um método de fabricação de atuadores de rede pneumática macio com câmaras oblíquas. Os atuadores são capazes de gerar acoplado flexão e torção de movimentos, que amplia sua aplicação em robótica macia.
Abstract
Atuadores de rede pneumática macio se tornaram uma dos dispositivos de atuação mais promissoras em robótica macio que beneficia os grandes deformações de flexão e baixa entrada. No entanto, sua forma de movimento de flexão monótono em um espaço bidimensional (2D) os mantém longe de amplas aplicações. Este trabalho apresenta um método de fabricação detalhada dos atuadores de rede pneumática macio com câmaras oblíquas, para explorar seus movimentos no espaço tridimensional (3D). O design das câmaras oblíquas permite atuadores com ajustável acoplado a flexão e torção de recursos, que lhes dá a possibilidade de mover destreza em manipuladores flexíveis, tornar-se biologicamente inspirados de robôs e dispositivos médicos. O processo de fabricação baseia-se o método de moldagem, incluindo o conjunto do atuador, conexões de tubulação, fabricação de peças do silicone elastômero preparação, câmara e base, verifica se há vazamentos e reparo do atuador. O método de fabricação garante a fabricação rápida de uma série de atuadores com apenas algumas modificações nos moldes. Os resultados dos testes mostram a alta qualidade dos atuadores proeminente de flexão e torção capacidades. Experimentos do pegador de demonstram as vantagens do desenvolvimento em adaptar-se a objetos com diferentes diâmetros e fornecendo suficiente fricção.
Introduction
Actuadores pneumáticos macios (SPAs) são dispositivos macios que podem ser accionados pela simples entrada de ar pressão1,2. Eles podem ser fabricados com materiais diversos, tais como o de elastômeros de silicone3, tecidos4, memória de forma polímeros5e elastômeros dieléctrica6. Pesquisadores beneficiaram-se de sua natureza, de conformidade, movimentos hábeis e métodos de fabricação simples7, tal que os SPAs tornaram-se um dos dispositivos mais promissoras para aplicações de robótica macio8,9. Termas podem realizar vários movimentos sofisticados, tais como rastejando10, rotação11e12 , com base em vários tipos de deformação, inclusive estendendo-se, expandindo, flexão e torção13, de rolamento 14. para ser capaz de fazer diferentes tipos de movimentos, SPAs são projetados em estruturas diferentes, como um corpo linear com canais paralelos15, uma câmara monolítica com reforços de fibra16, e redes de repetida câmaras de sub17. Entre eles, os SPAs com redes de câmaras sub repetidas, os atuadores de rede pneumática macio, são amplamente empregados porque elas podem gerar grandes deformações sob uma pressão de entrada relativamente baixa. No entanto, na maioria dos projetos anteriores, este tipo de atuadores só pode gerar movimentos de dobrando no espaço 2-D, que limita muito suas aplicações.
Um atuador macio rede pneumática consiste num grupo arranjado linearmente das câmaras ligadas por um canal interno. Cada câmara cúbica contém um par de paredes opostas que são mais finos do que o outro par e produz uma inflação de dois lados na direção perpendicular às paredes mais finas. Originalmente, as paredes mais finas das câmaras são perpendiculares ao eixo longitudinal do corpo do atuador e inflam juntamente com eixo longo. Estas insuflações colineares em câmaras e a base não-extensível originar uma flexão pura integrante do atuador. Para explorar o movimento do atuador no espaço 3D, a orientação das câmaras é ajustada para que as paredes laterais do diluente não são mais perpendiculares ao eixo longo do atuador (Figura 1A), que permite a direção de inflação de cada câmara para o deslocamento do eixo e tornar-se não colineares. Todos as paralelas mas não-colineares insuflações mudarem o movimento do atuador em um acoplado flexão e torção de movimento no espaço 3-d.18. Este movimento acoplado permite que os atuadores mais flexibilidade e destreza e faz os atuadores um candidato adequado para aplicações mais práticas, tais como manipuladores flexíveis, robôs biologicamente inspirados e dispositivos médicos.
Este protocolo mostra o método de fabricação deste tipo de atuadores de rede pneumática macio com câmaras oblíquas. Ele inclui preparando o elastômero de silicone, fabricando a câmara e base peças, montagem do atuador, a tubagem de ligação, verificação de vazamentos e, se necessário, reparar o atuador. Ele também pode ser usado para fabricar atuadores de rede pneumática macio normal e outros atuadores macios que podem ser produzidos com algumas modificações simples para o método de moldagem. Nós fornecemos as etapas detalhadas para fabricar um atuador pneumático macio com câmaras oblíquo de 30°. Para diferentes aplicações, atuadores com ângulos de câmara diferentes podem ser fabricados de acordo com o mesmo protocolo. Além disso, os atuadores podem ser combinados para formar um sistema multi atuador para diversas demandas.
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Protocol
Nota: O protocolo fornece os procedimentos de fabricação de um atuador de rede pneumática macio. Antes do processo de fabricação, um conjunto de moldes e vários conectores do atuador-tubulação, que são projetados com desenho assistido por computador, software (CAD) deve ser 3-D-impresso com antecedência. Os moldes são mostrados na Figura 1B.
1. preparação de elastômero de silicone
- Pese 5 g de parte de elastômero de silicone B e 45 g de parte A [9:1 (A:B) partes em peso] no mesmo recipiente de misturando(Figura 2). Use uma seringa para certificar-se de que as proporções de cada parte são precisas.
Nota: A relação de mistura varia para elastómeros de silicone diferentes. A proporção de cada parte deve ser ajustada quando outro elastômero de silicone é adotado. - O elastômero de silicone se mistura com o misturador planetário e centrífugo.
Nota: O elastómero de silicone pode ser armazenado a uma temperatura baixa para estender seu tempo de processamento.
2. a câmara parte de fabricação
- Pulverizar o agente de liberação de molde para produtos de elastômero de silicone uniformemente sobre as superfícies do molde parte A e parte B.
- Monte a parte A e parte B do molde para a fabricação de uma câmara. Segure as duas extremidades do molde com clipes para evitar a fuga de elastômero de silicone.
- Tomar 5 mL de elastómero de silicone com uma seringa e injetá-lo lentamente no orifício do molde para fabricar o fim de conexão (a estrutura cilíndrica em uma extremidade do atuador para o tubo de ligação). Em seguida, encha o molde inteiro com o elastómero de silicone (Figura 2B).
Nota: Manter uma baixa taxa de fluxo e mover-se lentamente para a frente e para trás, para deixar o elastómero de silicone entrar as estruturas minúsculas do molde. - Fure as bolhas que se formam na superfície com a ponta de uma agulha, até que não há nenhuma bolha mais visível (Figura 2C).
- Raspar qualquer elastômero de silicone em excesso com uma lâmina ao longo da superfície superior do molde.
- Coloque o molde na estufa a 70 ° C até o elastómero de silicone está curado.
- Use uma seringa para injectar as bolhas e buracos que aparecem na superfície do atuador de elastômero de silicone.
- Raspar qualquer elastômero de silicone em excesso na superfície.
- Coloque o molde na estufa a 70 ° C até o elastómero de silicone está curado.
3. parte base de fabricação
- Pulverize o agente de liberação de molde para produtos de elastômero de silicone uniformemente na superfície da parte de molde C.
- Despeje o elastómero de silicone na parte C do molde.
- Fure as bolhas que se formam na superfície com a ponta de uma agulha, até que não há nenhuma bolha mais visível.
- Raspar qualquer elastômero de silicone em excesso com uma lâmina ao longo da superfície superior do molde.
- Coloque o molde na estufa a 70 ° C até o elastómero de silicone está curado.
4. atuador conjunto
- Despeje uniformemente uma camada de elastômero de silicone, 1 mm de espessura, sobre uma face da peça base.
- Coloque a peça de câmara na parte da base. Use uma seringa para injectar o elastómero de silicone no espaço entre a parte da câmara e a parte de base (Figura 2D).
- Coloque o atuador na estufa a 70 ° C até o elastómero de silicone está curado.
5. tubulação Conexão
- Toque o conector do atuador-tubo 3-D-impresso para aceitar que o parafuso de um macho garanhão empurrar-nos cabe pneumática encaixe.
- Use uma agulha para furar a ponta de conexão do atuador ao longo da linha central do cilindro. Aumente o diâmetro do furo com uma haste de aço, a cerca de 2 mm.
- Aparafuse o conector do atuador-tubo do atuador(Figura 2).
- Empurre uma seção de tubulação no macho garanhão empurrar-nos encaixe pneumático apto.
6. verificação e reparo de vazamento
- Conecte o atuador a uma fonte de ar.
- Coloque o atuador todo na água e pressurizar o atuador (Figura 2-F). Observe se as bolhas formam-se devido a um vazamento.
- Use uma seringa para injetar o elastômero de silicone em pontos de fuga. Coloque o atuador na estufa a 70 ° C até o elastómero de silicone está curado.
- Repita as etapas de 6.1-6.3, se necessário.
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Representative Results
Único atuador:
Para verificar o método de fabricação e demonstrar a função do atuador, 30°, 45° e 60° atuadores foram fabricados e testados. Para a montagem do experimento, uma bomba de ar foi empregada para ativar a válvula. A válvula estava ligada ao actuador para controlar a pressão interna. O único atuador foi fixado em sua extremidade de conexão e colocado verticalmente. Enquanto o atuador estava sendo pressurizado, duas câmeras digitais foram usadas para capturar as suas posições, de diferentes perspectivas. Analisar as posições(Figura 3), deixadas claro que o movimento do atuador pode ser descrita por dois parâmetros: um ângulo de flexão e um ângulo de torção. Estes dois parâmetros numericamente podem distinguir o desempenho dos atuadores com ângulos de câmara diferentes.
Flexão e torção de testes (figuras 3B e 3C) ilustrou o movimento dos atuadores no espaço 3D. O ângulo de flexão é o ângulo entre a linha de corpo na posição atuada e a linha original do corpo em estado unactuated18. O ângulo de torção é o ângulo entre a linha de ponta em posição atuada e a linha original de ponta no estado unactuated18. Foram observados e calculados de 0 a 90 kPa, com uma etapa de pressão de 10 kPa. A trama de linha nas figuras 3B e 3C ilustra como tanto a dobra e os ângulos de torção aumentaram em relação ao aumento da pressão interna. Os valores da flexão e os ângulos de torção mostram o efeito do ângulo da câmara sobre a moção dos atuadores. Câmaras com ângulos maiores contribuíram mais para a torção do que para a dobra. Isto indica que diversas configurações e movimentos podem ser alcançados por meio do ajuste do ângulo da câmara de um atuador de tamanho fixo. Conforme mostrado nas figuras 3B 3C, no experimento, três atuadores testados mostraram capacidades distintas em flexão e torção. Para a capacidade de dobra, a 30°, 45° e 60° atuadores poderiam dobrar até 295 °, 217 ° e 170 °, respectivamente. Para a capacidade de torção, os ângulos de torção máximos para os atuadores de 30°, 45° e 60° foram 227, 307° e 382°, respectivamente.
Nós usamos a relação entre o ângulo de torção e o ângulo de flexão para analisar o status de cada atuador testado sob diferentes pressões internas (Figura 4). Esse valor também pode refletir o desempenho global correspondente para o ângulo de Câmara dos atuadores. Quanto um único atuador, o valor do rácio mostra um declínio geral com o aumento da pressão interna. Comportamento de torção é dominante quando o atuador é iniciado em baixa pressão. Na faixa do meio da atuação, o comportamento de dobrando gradualmente prevalece, e a taxa crescente do comportamento torção começa a declinar. O comportamento de flexão torna-se dominante e o valor do rácio vem ao mínimo quando o atuador se aproxima de sua capacidade máxima de pressão. De uma perspectiva macro, o atuador com um maior ângulo de câmara tem um valor maior do rácio sob o mesmo nível de pressurização. Os atuadores com maiores ângulos de câmara são preferíveis para mais movimentos de torção, enquanto os atuadores com pequenos ângulos de câmara são adequados para movimentos com os movimentos de torção auxiliares de dobra. Essa proporção ajuda a determinação do ângulo da câmara quando atuadores são projetados para usos específicos.
Aplicação do atuador com câmaras oblíquas:
A importância dos atuadores com câmaras oblíquas é para expandir o espaço de movimento os accionadores pneumáticos de rede em um espaço 3D. Formas mais abundantes de movimentos torná-los possuem uma ampla gama de aplicação.
Como o elemento central de um prendedor macio, atuadores com câmaras oblíquas mostram sua superioridade no agarrar, segurar e manipular objetos de diferentes formas, especialmente longas, finas e haste-como formas. Pinças com base em atuadores pneumáticos de rede normal sempre tem dificuldades em agarrar objetos longos, finos e haste-como devido à limitação do raio de curvatura. No entanto, atuadores com câmaras oblíquas podem superar essa limitação, gerando uma configuração helicoidal ajustável de acordo com o objeto e fornecer suficiente atrito entre objetos e em si. Figuras 5A - 5C demonstram um atuador de simples 30 ° segurando uma bola de pingue-pongue, um disco USB e uma caneta. Figuras 5 - 5F mostrar uma alça montada por dois atuadores de 30 °, segurando um tubo de plástico, levantando um martelo e manipulando uma proveta graduada, cooperando com um robô UR10.
O protocolo fornece um método de fabricação de um único atuador com câmaras oblíquas. Seguindo o protocolo, atuadores com ângulos de câmara diferentes podem ser criados simplesmente modificando o molde. Quando atuadores são conectados em série ou em paralelo, movimentos complicados podem ser alcançados. O projeto programável de atuadores e seu arranjo abre grandes possibilidades para aplicações mais extensas.
Figura 1: o atuador de rede pneumática macio e os moldes. Estes painéis mostram modelos CAD de (A) o atuador com câmaras oblíquo de 30 ° e (B) os moldes correspondentes. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2 : Visão geral do processo de fabricação. Estes painéis mostram as diferentes etapas do processo de fabricação: (A) pesagem do elastômero de silicone, (B) derramando o elastômero de silicone, (C) perfuração as bolhas, (D) montar o atuador, (E) enroscando em o conector do atuador-tubo e (F) verificação de vazamentos. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3 : Performances de atuadores testados. (A), este painel mostra as fotos de posição do atuador 30 ° de 0 a 90 kPa. (B), este painel mostra a flexão ângulo contra a pressão interna de 0 a 90 kPa. Isso é reproduzido a partir de Wang et al. 18, com permissão da Elsevier. (C), este painel mostra a torção ângulo contra a pressão interna de 0 a 90 kPa. Isso é reproduzido a partir de Wang et al. 18, com permissão da Elsevier. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 4 : Avaliação de desempenho. Este painel mostra a relação entre o ângulo de torção e o ângulo de flexão de 30°, 45° e atuadores de 60°, com pressão de 10 a 90 kPa. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 5 : Experiências de um único atuador e um prendedor macio, consistindo de dois atuadores. O único atuador agarra a bola (A), um pingue-pongue, (B) um USB disco e (C), uma caneta. A pinça (D) apreende um tubo de plástico, (E) levanta um martelo e (F) manipula uma proveta graduada. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
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Discussion
O artigo apresenta um protocolo de método para orientar a fabricação de atuadores de rede pneumática macio com câmaras oblíquas. Seguindo o protocolo, um atuador pode ser fabricado independentemente dentro de 3 h. Os principais passos no protocolo podem ser resumidos como segue. (i) o elastómero de silicone é preparado na proporção e bem misturado. (ii) o elastómero de silicone é derramado no molde para a fabricação das partes a câmara e a base. (iii) as bolhas na superfície exposta são furadas e qualquer elastômero de silicone em excesso na superfície exposta é raspado. (iv) o elastómero de silicone é curado no forno. (v) as duas partes são ligadas pelo elastómero de silicone. O processo de fabricação é completado com mais um passo de curando no forno. (vi) o atuador é conectado a uma fonte de ar para verificar se há fugas. O atuador deve ser reparado com o elastómero de silicone se tem goteira.
Para garantir o desempenho de qualidade e atuação os accionadores fabricados, vários passos críticos no protocolo são discutidos como segue, incluindo a seleção do material, a eliminação de bolhas e o método de conexão para hermeticidade.
O elastômero de silicone deve ter um grande alongamento elástico para garantir a capacidade de deformação dos atuadores. Além disso, o elastómero de silicone deve ter boa fluidez no estado líquido que pode ser derramado suavemente as funcionalidades de milímetro-escala do molde. O elastômero de silicone selecionado na seção 1 do protocolo pode gerar até 700% de deformação elástica e baixa viscosidade em estado líquido. Este elastómero de silicone pode ser substituído por outros materiais apropriados que satisfazem os requisitos acima.
O ar misturado na estrutura interna do atuador não polimerizada no processo de vazamento deve ser eliminado antes que o molde é colocado no forno, para evitar defeitos no atuador curado. O ar misturado se levantará para a superfície exposta das bolhas do atuador e o formulário não polimerizadas. Portanto, o processo de perfuração é realizado nas seções 2 e 3 do protocolo. Este processo pode ser ignorado se o processo de vazamento é realizado em uma câmara de vácuo.
A conexão de ar entre o atuador e a bomba de ar deve ser bem concebido para garantir a estanquidade ao ar. Normalmente, o tubo pode ser inserido diretamente para o atuador e colado firmemente ao actuador. No entanto, este método de conexão requer operações tediosas e muitas vezes leva a vazamentos sob uma grande pressão interna. O método na seção 5 do protocolo apresenta uma ligação mecânica que é mais fácil de instalar e mais confiável.
As limitações da raiz do protocolo no processo de moldagem, que, em essência, é um método de fabricação de 2,5-D19. A câmara é feita Conectando várias partes com morfologia planar. Assim, complicadas estruturas internas e características de pequena escala são difíceis de alcançar. Embora macias abordagens impressão 3D têm aparecido nos últimos anos, os materiais de impressão destes são muito friáveis tornar os atuadores suportável em contraste com o método baseado no molde.
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Disclosures
Os autores não têm nada para divulgar.
Acknowledgments
Este trabalho foi apoiado pela nacional Fundação ciência Natural da China sob Grant 51622506 e a ciência e tecnologia Comissão de Xangai município 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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