Summary
Здесь мы представляем метод изготовления мягких пневмосети электроприводов с наклонной камеры. Приводы способны создавать спаренных изгиб и кручение движений, который расширяет их применение в мягкой робототехники.
Abstract
Мягкие пневматические сетевые приводы стали одним из наиболее перспективных срабатывания устройств в мягкой робототехника какие выгоды от их большие деформации изгиба и низкой ввода. Однако их однообразной изгиб формы движения в двумерном пространстве (2-D) держит их от широкого применения. Этот документ представляет подробный изготовления мягких пневмосети электроприводов с наклонной камеры, исследовать их движения в трехмерном пространстве (3-D). Дизайн наклонной камеры позволяет приводы с перестраиваемой сочетании изгиб и кручение возможности, что дает им возможность двигаться ловко в гибких манипуляторов, чтобы стать биологически вдохновили роботов и медицинских приборов. Процесс изготовления на основе метода литья под давлением, включая силиконовые эластомера подготовки, камеры и базы частей изготовление, привод Ассамблеи, соединения труб, проверки на утечки и ремонт привода. Метод изготовления гарантирует быстрое производство серии приводы с лишь несколько изменений в формы. Результаты тестирования показывают высокое качество электроприводы и их выдающихся изгиб и кручение возможностей. Эксперименты захват демонстрации преимуществ развития в адаптации к объектам с различными диаметрами и обеспечение достаточного трения.
Introduction
Мягкие пневматические приводы (курорты) являются мягкие устройства, которые могут приводиться в действие простой ввод воздуха давление1,2. Они могут быть изготовлены с различными материалами, например силиконовые эластомеры3, ткани4, памяти формы полимеров5и6диэлектрических эластомеров. Исследователи извлекли пользу из их характер соблюдения, ловкие движения и простое изготовление методы7, таким образом, что курорты стали одним из наиболее перспективных устройств для мягких робототехника приложения8,9. Курорты могут реализовать различные сложных ходатайств, например ползучего10,11вращение и подвижного12 на основе различных типов деформации, включая расширение, расширения, изгиб и кручение13, 14. чтобы иметь возможность сделать различные виды движений, курорты разработаны в различных структурах, таких как линейная тела с параллельных каналов15, монолитные камеры с волоконно подкрепления16, и повторил сетей суб камеры17. Среди них курорты с сетями неоднократные суб палат, мягкие пневматические сетевые приводы, широко используются потому, что они могут генерировать большие деформации под относительно низкого входного давления. Однако в большинстве предыдущих конструкций, этот тип привода может создавать только изгиб движений в пространстве 2-D, который значительно ограничивает их применение.
Мягкие пневматические сети привода состоит из линейно расположенных группы палат, соединены внутренним каналом. Каждый кубический палаты содержит пару противоположных стен, которые тоньше, чем другие пары и производит двухсторонняя инфляции в направлении, перпендикулярном тонкие стены. Первоначально тонкие стены палат перпендикулярно длинной оси привода тела и надуть наряду с длинной оси. Эти коллинеарных инфляции в камерах и нерасширяемым база привести к неотъемлемой чистый изгиб привода. Изыскивать электропривода движения в трехмерном пространстве, ориентацию камеры настраивается так что растворитель боковые стенки больше не перпендикулярно длинной оси привода (рис. 1A), которая позволяет инфляции направлении каждой камеры смещение от оси и не стать коллинеарных. Все параллельные, но не коллинеарны инфляционные изменить движение привода в сочетании изгиб и кручение движения в трехмерном пространстве18. Этот спаренных движения позволяет приводы, больше гибкости и ловкости и делает приводы подходящим кандидатом для более практических приложений, таких как гибкая манипуляторов, биологически вдохновили роботов и медицинские приборы.
Этот протокол показывает метод изготовления такого рода мягкие пневматические сети приводов с наклонной камеры. Она включает в себя подготовку силиконового эластомера, изготовления камеры и базовой части, монтаж привода, соединительные трубы, проверку на предмет утечек и, при необходимости, ремонт привода. Он также может использоваться для изготовления обычных мягкие пневматические сетевых приводов и других мягких приводов, которые могут быть произведены с некоторые простые изменения в метод литья. Мы предоставляем подробные шаги для изготовления мягких пневмопривод с наклонной камеры 30°. Для различных приложений приводы с углами различные камеры могут быть изготовлены согласно такой же протокол. Кроме того приводы могут быть объединены для формирования нескольких привода системы для различных требований.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Примечание: Протокол предусматривает процедуры изготовления мягкой пневмосети привода. Перед началом процедуры изготовления, набор форм и несколько приводов трубки разъемы, которые разработаны с автоматизированного проектирования (САПР) должны быть напечатаны 3 объемным заранее. Формы показаны на рисунке 1B.
1. силиконовые эластомера подготовка
- Весят 5 g силиконовый эластомер части B и 45 g части A [9:1 (: b) частей по весу] в том же контейнере смешивания (рисA). Используйте шприц, чтобы убедиться, что пропорции каждой части точны.
Примечание: Смешивая коэффициент варьируется для различных силиконовые эластомеры. Доля каждой части должна быть скорректирована, когда принимается другой силиконового эластомера. - Силиконового эластомера хорошо перемешать с планетарным смесителем центробежные.
Примечание: Силиконового эластомера может храниться при низкой температуре продлить время его обработки.
2. Палата часть изготовление
- Spray смазочное средство для силиконового эластомера продуктов равномерно на поверхности плесень часть А и часть B.
- Сборки A и B частью пресс-формы для изготовления камеры. Держите оба конца плесень с зажимами для предотвращения утечки силиконового эластомера.
- Возьмите 5 мл силиконового эластомера с помощью шприца и вставляют его медленно отверстие пресс-формы для изготовления конце соединения (цилиндрические структуры на одном конце привода для соединения труб). Затем заполните всю форму с силиконового эластомера (рис. 2B).
Примечание: Держать низкий расход потока и двигаться взад и вперед медленно, чтобы позволить силиконового эластомера введите крошечные структуры формы. - Проколоть пузыри, которые образуют на поверхности с кончика иглы, до тех пор, пока есть не более видимые пузырьки (рис. 2C).
- Соскрести любой избыток силиконового эластомера с лезвие вдоль верхней поверхности плесень.
- Место плесень в духовке при 70 ° C до тех пор, пока лечится силиконового эластомера.
- Используйте шприц для введения силиконового эластомера в пузыри и отверстия, которые появляются на поверхности привода.
- Соскрести любой избыток силиконового эластомера на поверхности.
- Место плесень в духовке при 70 ° C до тех пор, пока лечится силиконового эластомера.
3. Базовая часть изготовление
- Спрей смазочное средство для изделия силиконовые эластомера равномерно на поверхности плесень части C.
- Залейте силиконового эластомера в части C плесень.
- Проколоть пузыри, которые образуют на поверхности с кончика иглы, до тех пор, пока есть нет больше пузырьков видны.
- Соскрести любой избыток силиконового эластомера с лезвие вдоль верхней поверхности плесень.
- Место плесень в духовке при 70 ° C до тех пор, пока лечится силиконового эластомера.
4. привод Ассамблеи
- Равномерно залейте слой силиконового эластомера, 1 мм в толщину, на одной стороне базовой части.
- Поместите часть камеры на базовой части. Используйте шприц для введения силиконового эластомера в пространство между часть камеры и базовой части (рис. 2D).
- Место привода в духовке при 70 ° C до тех пор, пока лечится силиконового эластомера.
5. Шланги подключения
- Кран 3-объемным-печатный привода трубки разъем согласиться что винт push-в мужской стад подходят пневматические установки.
- Используйте иглы для прокалывания конец связи привода вдоль осевой цилиндр. Увеличьте диаметр отверстия с стальной стержень, около 2 мм.
- Винт привода трубки разъем в привода (2 рисунокE).
- Вставьте секции труб в мужской стад подходят пневматические Быстроразьемное.
6. Проверка и ремонт утечки
- Подключите привод к источнику воздуха.
- Поместите весь привод в воде и давление привода (Рисунок 2F). Наблюдаем ли пузырьки образуются из-за утечки.
- Используйте шприц для вставки силиконового эластомера в точки утечки. Место привода в духовке при 70 ° C до тех пор, пока лечится силиконового эластомера.
- При необходимости повторите шаги 6.1-6.3.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Один привод:
Чтобы проверить метод изготовления и продемонстрировать функции привода, 30°, 45° и 60° приводы были изготовлены и испытаны. Для настройки эксперимента воздушный насос работал для активации клапана. Клапан был подключен к приводу контролировать внутреннее давление. Один привод было зафиксировано в его конце соединения и вертикально. Хотя последнее время под давлением привода, две цифровые камеры были использованы для захвата свои позиции с разных точек зрения. Анализ позиции (рисA) ясно, что движение привода могут быть описаны два параметра: изгибающий угол и Угол скручивания. Эти два параметра численно может различать производительность приводы с различными камеру углов.
Изгиб и кручение тесты (цифры 3B и 3 C) показано движение приводами в трехмерном пространстве. Угол изгиба — угол между линией тела в положении сработанный и оригинальные линии тела в unactuated государства18. Угол скручивания — угол между линией кончик сработанный позиции и оригинальный наконечник линии в unactuated состояние18. Они были наблюдали и рассчитывается от 0 до 90 кПа, с шагом давлении 10 кПа. Участок линии фигуры 3B и 3 C показывает, как оба изгиба и скручивания углы увеличился в отношении увеличения внутреннего давления. Значения изгиба и скручивания углы показывают эффект угол передней камеры на движение приводами. Камеры с большие углы внесла больший вклад скручивание чем к изгибу. Это означает, что различных конфигураций и ходатайств могут быть достигнуты путем настройки угол передней камеры фиксированного размера привода. Как показано в цифры 3B 3 C, в эксперименте, три испытания приводов показали различные возможности в изгиб и кручение. Для гибки возможности, 30°, 45° и 60° приводы могут согнуть до 295 °, 217 ° и 170 °, соответственно. Для скручивания возможности максимальная скручивания углы для 30°, 45° и 60° приводы были 227°, 307° и 382°, соответственно.
Мы используем соотношение Угол скручивания и изгиба угол для анализа состояния каждого испытания привода под различными внутреннего давления (рис. 4). Это значение может также отражать общую производительность, соответствующий угол передней камеры приводов. Что касается одного привода значение коэффициента показывает общее снижение с увеличением внутреннего давления. Скручивание поведение является доминирующей, когда привода запускается при низком давлении. В среднем диапазоне срабатывания изгиб поведение постепенно превалирует, и рост скручивания поведения начинает снижаться. Изгиб поведение становится доминирующим и значение коэффициента приходит к минимуму, когда привод приближается к максимальной емкости давления. С точки зрения макро привода с больший угол камеры имеет большее значение соотношения с тем же уровнем наддув. Приводы с большие углы камеры являются предпочтительными для более самостоятельной скручивания движения, в то время как приводы с меньшие углы камеры подходят для гибки движений с вспомогательные вращательные движения. Это соотношение помогает определение угла камеры, когда приводы предназначены для конкретных видов использования.
Применение привода наклонной камеры:
Значение приводы с наклонной камеры должен расширить пространство пневмосети приводы движения в трехмерном пространстве. Более обильные форм движений сделать их обладают более широкого спектра приложений.
Как основной элемент мягкой захвата электроприводы с наклонной камеры показать свое превосходство на щипцы, проведение и управление объектами различных форм, особенно длинные, тонкие, и стержня как формы. Захваты, основанных на обычных пневмосети приводы всегда испытывают трудности с схватив длинный, тонкий и стержня как объекты из-за ограничения радиус изгиба. Однако электроприводы с наклонной камеры могут преодолеть это ограничение путем генерации регулируемый винтовой конфигурации согласно объект и предоставления достаточного трения между объектами и сам. Фигуры 5A - 5 C продемонстрировать один 30 ° привода, схватив пинг-понг мячом, диск USB и ручка. Показатели 5 d - 5F шоу, захват, собранные двумя приводами 30 °, схватив пластиковую трубку, подъема молота и манипулирования Измерительный цилиндр, сотрудничает с UR10 робота.
Протокол предоставляет метод изготовления одного привода наклонной камеры. После протокол приводы с углами различные камеры могут быть созданы, просто изменив плесень. Когда приводы соединены последовательно или параллельно, сложных движений может быть достигнуто. Программируемый проектирование приводов и их расположение открывает большие возможности для более широкого применения.
Рисунок 1: мягкие пневматические сети привода и формы. Эти панели показывают CAD модели (A) привода наклонной камеры 30 ° с и (B) соответствующей формы. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 2 : Обзор процесса изготовления. Эти панели показывают различные этапы процесса изготовления: (A) весом силиконового эластомера, (B) лить силиконового эластомера, (C) пирсинг пузыри, (D) Монтаж привода, (E) шуруповерты в привод трубы соединитель и (F) проверку на предмет утечек. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 3 : Выступления протестированных электроприводов. (A) Эта группа показывает положение фотографии 30 ° привода от 0 до 90 кПа. (B) Эта группа показывает изгибающий угол против внутреннего давления от 0 до 90 кПа. Она перепечатана из Wang et al. 18, с разрешения Elsevier. (C) Эта группа показывает скручивания угол против внутреннего давления от 0 до 90 кПа. Она перепечатана из Wang et al. 18, с разрешения Elsevier. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 4 : Оценка эффективности. Эта панель показывает соотношение Угол скручивания и изгиба угол 30°, 45° и 60° приводов, с давлением от 10 до 90 кПа. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 5 : Опыты одного привода и мягкие захваты, состоящий из двух приводов. Один привод захватывает (A) Настольный теннис шар, (B) USB диск и (C) ручка. (D) захвата захватывает пластиковую трубку, (E) снимает молоток и (F) управляет Измерительный цилиндр. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
В статье представлен метод протокола для изготовления мягких пневмосети приводы с наклонной камеры. После протокола один привод может быть изготовлена самостоятельно в течение 3 ч. Ключевые шаги в протоколе могут быть резюмированы следующим образом. (i силиконового эластомера подготовлен в пропорции и хорошо перемешивают. (ii силиконового эластомера заливается в формы для изготовления камеры часть и часть базы. (iii пузырьков на поверхности подвергаются пронзил и соскрести любой избыток силиконового эластомера на внешней поверхности. (iv силиконового эластомера лечится в духовке. (v две части связаны вместе, силиконового эластомера. Процесс изготовления завершается с другим шагом полимеризации в духовке. (vi) привод подключен к источнику воздуха, чтобы проверить на наличие течи. Привода должен быть восстановлен с силиконового эластомера, если его утечки.
Для обеспечения качества и срабатывания производительности сфабрикованные приводы, несколько важных шагов в протоколе рассматриваются следующим образом, включая подбор материала, ликвидации пузыри и метод соединения на герметичность.
Силиконового эластомера должен иметь большой растяжения удлинение для обеспечения возможности деформации приводов. Кроме того силиконового эластомера должны иметь хорошую текучесть в жидком состоянии, так что он может плавно разливают миллиметр шкала особенности формы. Силиконового эластомера, выбранного в разделе 1 протокола может генерировать до 700% растяжение деформацию и низкой вязкости в жидком состоянии. Этот силиконового эластомера могут быть заменены другими надлежащие материалы, удовлетворяющие вышеуказанным требованиям.
Воздуха, смешанного во внутренней структуре неотвержденных привода в процессе разливки должны быть устранены прежде, чем формы помещается в печь, чтобы избежать дефектов в вылечить привода. Смешанные воздух будет подниматься к поверхности подвергаются неотвержденных привода и формы пузырей. Таким образом пирсинг процесс проводится в разделах 2 и 3 протокола. Этот процесс может быть пропущен при розлива процесс проводится в вакуумной камере.
Воздуха связь между приводом и воздушный насос должен хорошо разработана для обеспечения герметичности. Как правило трубки можно вставляется непосредственно в привод и прочно приклеены к приводу. Однако этот способ подключения требует трудоемкой операции и часто приводит к утечки под большой внутреннее давление. Метод в разделе 5 протокола представляет механические соединения, который легче установить и более надежным.
Ограничения протокола корня в процессе формования, который, по сути, является метод изготовления 2,5 D19. Палата производится путем соединения нескольких частей с планарной морфологии. Таким образом трудно добиться сложных внутренних структур и мелкие характеристики. Хотя в последние годы появились мягкие подходы 3-D печати, полиграфических материалов этих слишком рыхлая, чтобы сделать приводы прочные, в отличие от метода на основе формования.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Авторы не имеют ничего сообщать.
Acknowledgments
Эта работа была поддержана национальной фонд естественных наук Китая Грант 51622506 и науки и технологии Комиссии муниципалитета Шанхая под Грант 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
- 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).
