Summary
Detta protokoll ger en detaljerad lista över steg som ska utföras för tillverkning, kontroll och utvärdering av klättring prestanda av en gecko-inspirerad mjuk robot.
Abstract
Detta protokoll presenterar en metod för tillverkning, kontroll och utvärdering av prestandan hos en mjuk robot som kan klättra lutande plana ytor med sluttningar på upp till 84°. Tillverkningsmetoden är giltig för de snabba pneunetböjningsdonen i allmänhet och kan därför vara intressant för nykomlingar till området för ställdonstillverkning. Styrningen av roboten uppnås med hjälp av en pneumatisk styrbox som kan ge godtyckliga tryck och som kan byggas genom att endast använda inköpta komponenter, en laserskärare och ett lödkolv. För robotens gångprestanda spelar tryckvinkelkalibreringen en avgörande roll. Därför presenteras en halvautomatisk metod för tryckvinkelkalibreringen. Vid höga lutningar (> 70°) kan roboten inte längre på ett tillförlitligt sätt fixera sig till gångplanet. Därför modifieras gångmönstret för att säkerställa att fötterna kan fixeras på gångplanet.
Introduction
Samspelet mellan människor och maskiner blir ständigt närmare. Den ökande robottätheten i företag och hushåll innebär nya utmaningar för robottekniken. Ofta utesluts faror genom separationsmetoder, men i många områden, särskilt i hushållen, är detta inte en tillfredsställande lösning. Mjuk robotteknik tacklar detta problem genom att använda egenskaper hos mjuka material och strukturer för att utveckla nya typer av maskiner som beter sig som levande organismer1, varför mjuka robotar ofta är inspirerade av biologiska modeller2. De flesta mjuka robotar kan klassificeras i två olika typer: mobila robotar och robotar avsedda för gripande och manipulation3. För mjuka mobila robotar är typiska förflyttningsprinciper krypande, promenader, löpning, hoppning, flygning och simning4. Ett annat intressant användningsområde för mjuka robotar är klättring – en kombination av förflyttning och vidhäftning5. Mjuka maskiner är mycket robusta och kan inte skada sin omgivning på grund av sin mjukhet. Denna karakteristiska predestines denna robot klass för klättring, eftersom de lätt kan överleva ett fall. Följaktligen litteraturen erbjuder flera exempel på mjuka robotar som kan klättra6,7,8.
Målet med detta protokoll är att tillhandahålla en metod för att tillverka, kontrollera, och utvärdera prestandan hos en gecko-inspirerad, klättring mjuk robot9. Dess design är baserad på användning av snabba pneunet mjuk böjningsdon10 tillverkade av elastomer. Men en annan mjuk ställdon design och / eller material skulle också kunna användas. Litteraturen erbjuder ett brett utbud av olika utföranden av mjuka ställdon11 och lämpliga material12. Den presenterade tillverkningsmetoden liknar befintliga metoder13 men innehåller vissa modifieringar som resulterar i ökad repeterbarhet och robusthet, åtminstone när det gäller den mjuka klätterroboten9. Metoden är giltig för snabba pneunet böjdon i allmänhet och kan därför vara intressant för nykomlingar till området ställdon tillverkning.
För att kontrollera pneumatiska agerar mjuka robotar ger litteraturen olika lösningar. Den sträcker sig från billiga och lätt-till-replikera kontrollkort13 till kraftfulla men mer komplexa styrelser14, som inte kan byggas om utan specialverktyg. Här ges en kort beskrivning för att bygga en pneumatisk styrdosa genom att endast använda en laserskärare och ett lödkolv. Styrboxen möjliggör tillförsel av vilket tryck som helst och erbjuder sensorisk feedback i realtid, vilket är särskilt viktigt för robotprogram. Det kan dock också användas för många andra applikationer.
Protocol
1. Utskrift av formar
- Ladda ner *.stl-data för formar från tilläggsdata 1 "CAD/Formar/".
- Använd den skrivarspecifika skivningsprogrammet för att omvandla 3D-modellerna till en utskrift.
- Skriv ut formar med hjälp av en 3D-skrivare.
- Rengör de tryckta formar genom att sätta dem i 15 min i ett ultraljud bad.
- Sätt formar i minst 3 h i en UV-kammare.
2. Förbereda elastomeren
- Samla följande innan du startar detta steg: elastomer (del A och del B), spatel, plastkopp, mögel, viktskala, plastspruta, skruvklämmor (eller liknande), akrylglasplatta med två motsvarande hål, skärarkniv.
- Blanda del A och del B av elastomer i en 1:9 förhållande i en kopp. Ställ koppen på en vågmaskin. Lägg först till 5 g av del B (mörkröd). Sedan, med hjälp av en spatel, tillsätt 45 g av del A (vit och trögflytande).
OBS: Se till att vägningens noggrannhet är till 1 g. 50 g räcker till ett manöverdon. Det bästa sättet för portionering del A är att ta en spatel och låt det rinna. Cirka 6 g per avtappningsdrift är möjlig med den använda spateln. - Håll omrörning tills inga fler vita eller röda områden är synliga i kanten av koppen.
- Sätt koppen i 15 min i en vakuumkammare för att ta bort den luft som är instängd i elastomer på grund av omrörningsprocessen.
- Fyll den blandade elastomeren i en plastspruta. Detta gör att elastomeren kan placeras mycket mer exakt.
OBS: Kompletterande figur 1 illustrerar de bearbetningssteg som beskrivs i detta avsnitt.
3. Tillverkning av övre delen (basdel)
- Kläm fast en akrylglasplatta med två motsvarande hål på formen. Sätt sprutan i det nedre hålet och tryck in elastomeren i formen.
- Applicera kraft på sprutan genom att trycka på kolven tills den blandade elastomern kommer ut ur det övre hålet.
- Lossa skruvklämmorna och dra av akrylglasskivan i sidled.
OBS: Det är viktigt att dra bort den åt sidan och inte uppåt. Annars kommer elastomer dras ut ur formen. - Punktera de stigande luftbubblorna med ett vasst verktyg. Punktera inte för djupt eftersom detta kommer att skapa nya luftbubblor snarare än att ta bort de befintliga. Det är särskilt viktigt att genomborra de större bubblorna eftersom dessa senare kommer att avsevärt påverka funktionsdugligheterna hos ställdonet.
OBS: Valfritt, evakuera den fyllda formen i vakuumkammaren för att avlägsna eventuell luft fortfarande instängd. När man gör det kan det dock hända att de stigande luftbubblorna fastnar på formen på väg till ytan och skapar hål i gjutningen på funktionellt relevanta områden. Kompletterande figur 2 illustrerar detta fenomen. - Sätt formen i ugnen vid 65 °C i 30 min.
- Kontrollera efter 10 min om nivån på elastomeren har sjunkit betydligt. Detta händer om formen inte är helt tight eller har böjt något på grund av frekvent användning. Om nivån har sjunkit mer än 1 mm, fyll på elastomer. Sedan fortsätter du att bota.
- Efter totalt 30 min i ugnen, ta ut formen och skär av den extruderade elastomeren med en kutterkniv.
- Öppna formen genom att spak isär med en skruvmejsel. Var försiktig så att ytor som är relevanta för gjutning inte skadas.
- Ta bort den nästan färdiga ställdon från den del av formen som den hade fastnat i föregående steg.
OBS: En första visuell kontroll kan göras här för att se om gjutning var framgångsrik. Om irreparabel defekter hittas (se Kompletterande Figur 3), skall tillverkningsprocessen stoppas här. Mindre hål kan repareras senare. Det är också viktigt att tätningsläppen är så uttalad som möjligt över hela dess omkrets. - Skär av eventuella utskjutande grader med en kniv. Detta är ibland mycket mödosamt, men nödvändigt för ett bra slutresultat.
OBS: Kompletterande figur 4 illustrerar de bearbetningssteg som beskrivs i detta avsnitt. De beskrivna stegen är giltiga för gjutning av de fyra benen (formen finns i Tilläggsfil 1 "CAD/Moulds/small_leg_schwalbe*.stl") och de två basdelarna av bålen ("CAD/Moulds/small_belly*.stl"). För att gjuta sugkopparna (robotens fötter, som ska finnas i "CAD/Moulds/sugCup*.stl") eller den nedre delen av bålen ("CAD/Moulds/small_torso_base1*.stl"), utför samma processsteg, med undantag för steg 3.1 och 3.3 då dessa formar för gjutning har en inbyggd port för sprutan och därför krävs ingen ytterligare akrylglasplatta. Totalt bygga fyra bas delar av benet, två bas delar av bålen, en botten del av bålen, och fyra sugkoppar.
4. Tillverkning av underdel (nedersta delen)
- Tryck ett silikonrör genom hålen som tillhandahålls för detta ändamål i formen av den nedre delen, se Kompletterande Figur 5.
- Fyll formen av basdelen med elastomer och fördela den med den lilla spatel upp till hörnen.
OBS: Nivån på elastomeren ska inte vara högre än 5 mm och inte lägre än 4 mm och måste helt täcka det inbäddade röret. Formen för den nedre delen av benen finns i Supplementary File 1 "CAD/Moulds/small_base_schwalbe.stl". - Sätt formen i ugnen för 15–20 min för härdning. För följande steg är det nödvändigt att bottendelen förblir i formen tills dess förenas med den översta delen.
5. Sammanfogning av bas och bottendel
- Fyll den nedersta delens form med elastomer så att nivån är 1–1,5 mm över den redan härdade elastomeren.
- Sätt in en fjärils kanyl i basdelen och markera punktionsstället så att den lättare kan hittas senare. Detta steg är nödvändigt för att den expanderande luften i ugnen ska kunna fly.
- Placera basdelen i bottenformen och tryck endast in sidorna något i elastomerbadet.
- Sätt in ställdonet i ugnen i 10–15 min och ta bort formen efteråt.
OBS: Det ska vara lätt att ta bort ställdonet från formen. Om den inte gör det, antingen elastomer ännu inte är helt botad (i detta fall, öka härdningstiden med 10 mer min) eller den nedre delen har fastnat i formen (i detta fall bör det dras hårdare). Men i allmänhet är det ett dåligt tecken om ställdonet inte kan släppas lätt. - Anslut en tryckkälla genom att använda punkteringsstället från steg 5.2 och utför det slutliga läckagetestet, se Kompletterande figur 6.
OBS: Om små läckor finns kan de repareras. Applicering av lite elastomer med en liten spatel och 10 min i ugnen ska åtgärda läckan. Om alla läckor är fixerade är manöverdonet klart. Kompletterande figur 6 illustrerar de bearbetningssteg som beskrivs i detta avsnitt och kompletterande figur 7 illustrerar hela den process som beskrivs i avsnitt 3–5. För att ansluta basen och botten delen av bålen, utföra samma steg, med undantag för steg 5.1, där du inte fyller formen utan bottendelen direkt.
6. Sammanfogning av alla lemmar
- Fixera de delar som ska sammanfogas med en nålnål på en träbräda så att de kan hållas samman i följande processten.
- Täck sammanfogningsytan med elastomer enligt bild 8Akompletterande . Se till att fogningsytan är ren och fri från fett. Annars kommer delarna delaminate på denna punkt.
- Sätt monteringen (se Kompletterande Bild 8B) i 10–15 min i ugnen.
7. Montering av tillförselrörsinlopp
- Bredda infogningspunkten för fjärilskanylen från steg 5.2 ytterligare genom att använda en 1 mm insexnyckel.
- Placera änden på ett silikonrör med en maximal ytterdiameter på 3 mm över hålet och tryck in den med insexnyckeln.
- Täta inloppet med lite elastomer. Detta skyddar också mot mekanisk stress.
- Sätt monteringen i 10 min i ugnen.
OBS: Kompletterande figur 9 illustrerar de bearbetningssteg som beskrivs i detta avsnitt.
8. Bygga kontrollboxen
- Ladda ner motsvarande *.dxf ritningar av huset från Tilläggsdata 1 "CAD/ControlBox/" och skär ut dem på en laserskärare.
- Montera "Användargränssnittsenheten" på frontpanelen enligt kompletterande figur 10A och kompletterande figur 11.
- Bygg de sex "Ventilenheterna" enligt kompletterande figur 10B och kompletterande figur 12.
- Montera de sex "Ventilenheterna" och "Användargränssnittsenheten" på bottenpanelen enligt kompletterande figur 10C, tilläggsfigur 13, och kompletterande figur 14. Sätt ihop de två sidopanelerna och ryggpanelen. Sist, montera den övre panelen.
- Konfigurera de två single-board-datorerna som är inbäddade i kontrollboxen enligt Tilläggsfil 1 och ladda upp den kompletta mappen "Code" (inklusive alla undermappar) som finns i Tilläggsdata 2 på båda anslagstavlorna.
- Ladda upp skriptet "Code/arduino_p_ctr.ino" som finns i Supplementary Data 2 på de sex mikrostyrenheterna som är inbäddade i kontrollboxen.
9. Bygga en provbänk med inbäddat mätsystem
- Ladda ner motsvarande *.dxf ritning av kamerahållaren från Supplementary Data 1 "CAD/TestBench/" och skär ut den på en laserskärare.
- Ladda ner motsvarande *.stl-filer av klämmorna från Tilläggsdata 1 "CAD/TestBench" och skriv ut dem på en 3D-skrivare.
- Montera in kamerahållaren med klämmorna på en DIN-A1-affischpanel enligt Tilläggs bild 15 och montera kameran och en enkel ombord-dator på avsedd plats.
- Konfigurera ethernetgränssnittet och SSH-inställningarna för enkortsdatorn enligt avsnitt 4–5 i Tilläggsfil 1 och ladda upp den kompletta mappen "Code" (Supplementary Data 2) på tavlan.
10. Ställa in hela systemet
- Skapa ett lokalt nätverk och tilldela rätt IP-adress från skriptet "Code/main.py" till alla single-board datorer och den dator som används för övervakning - eller skriva om skriptet därefter.
- Stick nålar i båda ändarna av bålen som visas i Kompletterande Figur 16, så att roboten endast kontakter gångplanet med stiften och dess fötter (sugkoppar).
- Skriv ut de visuellamarkörerna 15 som finns i Tilläggsfil 2 på ett DIN-A4-ark och klipp ut dem med hjälp av en sax.
- Fäst markörerna på roboten med hjälp av stiftnålar enligt Kompletterande Figur 17.
- Koppla roboten till styrboxen.
OBS: Bild 1 illustrerar ledningarna i hela systemet.
11. Köra kontrollboxen
- Ström på kontrollboxens huvudbrytare och vänta tills allt är startat.
- Logga in i huvud enkortsdator som "root" med hjälp av SSH, bläddra till mappen "Code", och starta kontrollrutan med kommandot "root@beaglebone:~# python3 main.py". Samtidigt startar du bildskärmen på persondatorn med kommandot "user@pc:~ python2 monitor.py".
OBS: Båda programmen måste starta mer eller mindre samtidigt. Programmet "main.py" som körs på enkortsdatorn i kontrollboxen försöker ansluta till den persondator som används för övervakning. Om det inte finns någon lyssningsport vid persondatorn (som utlöses av skriptet "monitor.py"), startar inte bildskärmen. Förutom "monitor.py", är alla program/skript som används i detta protokoll avsedda att köras med python3. - Anslut en tryckkälla till manöverboxen (max. 1,2 bar).
- Anslut en vakuumkälla till styrboxen.
12. Kalibrera roboten
- Placera roboten på provbänkens gångplan. För branta lutningar, fäst en sträng mellan robotens framsida och toppen av gångplanet för att hålla roboten på plats.
- På manöverboxen aktiverar du läget "mönsterreferens" genom att trycka på knappen "läge 2" enligt tilläggsfigur 18.
- Bläddra igenom menyn som visas på LCD-skärmen genom att använda upp- och ned-knapparna tills du hittar posten "clb". Tryck sedan på enterknappen.
- Bläddra igenom nästa meny fram till posten "mode_4.csv" och tryck på knappen"enter".
- På bildskärmen trycker du på knappen"record " som visas i tilläggsfigur 19.
OBS: Om knappen "spelain " skapas automatiskt en *.csv-fil på övervakningsdatorn på den plats som anges i "Code/Src/GUI/save.py:save_last_sample_as_csv()", som är mappen "current_exp" (exempelmätningar tillhandahålls i Tilläggsdata 3). - På manöverboxen trycker du på knappen "funktion 1" för att starta kalibreringsproceduren.
- Efter kalibreringen trycker du på knappen "record" på monitorn för att stoppa inspelningen och knappen "funktion 1" på manöverboxen för att stoppa tryckregulatorn.
- Byt namn på den automatiskt skapade "current_exp/*.csv" fil så att den kan identifieras unikt senare.
- Kör skriptet "Calibration/eval_clb.py" som tillhandahålls i Supplementary Data 4 och lagra utdata (koefficienter för polynompassningen) i filen "Code/Src/Controller/calibration.py" som en post med nyckelordet "[robotversion]" inom den befintliga ordlistan.
13. Att skapa ett gångmönster
- Kör skriptet "Kod/Mönster/create_pattern.py" och lagra den uttonade *.csv-filen(-filer) i mappen "Kod/Mönster/[robotversion]/".
OBS: Detta skript omvandlar det fördefinierade gångmönstret för rak gång8 (se Kompletterande Figur 20A eller Tilläggsanimation 1) formulerad i vinkelreferenser till robotspecifika tryckreferenser. För att generera ett gångmönster för branta lutningar, modifiera skriptet genom att avkommenter linje 222. Detta kommer att generera ett mönster enligt Kompletterande Figur 20B eller Tilläggsanimation 2. Gränssnittet för mönsterreferenser som tillhandahålls av kontrollboxen består av *.csv-filer där varje rad definierar ett diskret börvärde för alla ställdon. Däri definierar de första åtta kolumnerna referenstrycken, nästa fyra kolumner definierar referenserna för de direktverkande ventilerna och den sista kolumnen definierar tiden detta bördyr ska hållas. - Synkronisera single-board datorn i styrboxen med persondatorn, dvs,, ladda upp mappen "Kod/ Mönster/*" på tavlan. För detta ändamål måste programmet "main.py" avbrytas (Ctrl+C).
14. Utföra klättringsexperimentet
- Utför steg 11–13 för varje lutning som ska testas.
- Placera roboten vid den markerade punkten på gångplanet.
- Välj en mönsterreferens enligt beskrivningen i steg 12.2–12.4, men välj i den första menyn önskad "robotversion" (i stället för "clb"), och i den andra menyn mönstrets referens enligt den aktuella lutningen (i stället för "mode_4.csv").
- Starta inspelningen enligt beskrivningen i steg 12.5.
- Tryck på knappen "funktion 1" för att aktivera tryckregulatorn.
- Låt roboten gå/klättra i minst 6 cykler.
- Stoppa inspelningen genom att trycka på knappen "spelain " på bildskärmen (som i steg 12.7).
- Se till att roboten inte kommer att falla när du utför nästa steg.
- Stoppa tryckregulatorn genom att trycka igen knappen "funktion 1" . Detta kommer också att stoppa vakuumtillförseln, och följaktligen kommer roboten att falla.
- Flytta in den inspelade filen *.csv i mappen "ExpEvaluation/[robotversion]/[mönstertyp]/[lutning]/".
OBS: Upprepa varje körning minst fem gånger för att få en solid bas för nästa steg.
15. Utvärdering av försöket
- Kör skriptet "ExpEvaluation/eval_vS11_adj_ptrn.py" som tillhandahålls i Tilläggsdata 5 för att automatiskt betyda över alla mätdata.
OBS: Detta skript utgångar spåret av alla fötter, det tillämpade trycket över tiden, den uppmätta böjvinkeln för alla lemmar över tiden, robotens hastighet över tid, robotens inriktning över tiden, medelhastigheten över lutning (jfr Figur 2A), och en approximation av den energi som används över lutning (jfr figur 2B).
Representative Results
Det presenterade protokollet resulterar i tre saker: en mjukklättringsrobot, en universellt tillämplig kontrollbox och en kontrollstrategi för robotens raka rörelse som ökar dess förmåga att klättra och samtidigt minskar dess förbrukade energi. Styrboxen som beskrivs i Avsnitt 8 möjliggör en kontinuerlig försörjning av eventuell önskad trycknivå på upp till sex kanaler (utbyggbart till åtta) och dessutom på fyra kanaler tillförseln av vakuum (utbyggbart enligt behov). "Användargränssnittsenheten" gör det möjligt för användaren att enkelt driva kontrollboxen vid körning och gränssnittet till övervakaren gör att de uppmätta data direkt kan ses och sparas som en csv-fil. Mönstret-referens läge av kontrollboxen ger användaren ett intuitivt gränssnitt för att slinga fördefinierade mönster. Detta kan vara gångmönstret för roboten, som i detta protokoll, eller det kan användas för ställdonet utmattningstestning, eller någon annan applikation som kräver cyklisk lastning. Bild 1 föreställer alla maskinvarukomponenter som monterats i styrboxen och mätsystemet och hur de är sammankopplade.
Gångmönstret för robotens raka rörelse är formulerat i vinkelreferenser8. För att driva roboten måste dessa kantiga referenser omvandlas till tryckreferenser. Den kontrollstrategi som används i detta protokoll baseras på en tidigare vinkeltryckskalibrering. Varje metod för kalibrering resulterar i en annan alfa-tryckkurva. Därför är det nödvändigt att anpassa kalibreringsförfarandet till de verkliga driftsförhållandena i möjligaste mån. Vid byte av lutningsvinkeln på gångplanet ändras också driftsförhållandena. Därför måste vinkel-tryckkurvan kalibreras om för varje lutning. Bild 2A visar robotens hastighet för olika lutningar med en oförändrad kalibrering och en omkalibrerad vinkel-tryckkurva. Experimentet visar tydligt effektiviteten i omkalibreringen. Den rekalibrerade roboten är inte bara vägen snabbare, den är också kunna klättra brantare lutningar (84 ° istället för 76 °) samtidigt som mindre energi9 som avbildas i figur 2B. I figur 3visas en serie fotografier av robotens rörelse för en lutning på 48°. Figuren illustrerar tydligt att klättringsprestandan med omkalibrering som visas i figur 3B är mycket bättre än med oförändrad kalibrering som visas i figur 3A då skiftet i position inom samma tidsintervall är nästan dubbelt så stort. Denna robot kan flytta mycket snabbt jämfört med andra mjuka robotar. Qin et al.7 sammanfattar de framåt hastigheter av olika mjuka robotar. Utan nyttolast och i det horisontella planet är roboten som beskrivs i detta protokoll fem gånger snabbare i förhållande till kroppslängden än den snabbaste roboten i Ref.7.
Bild 1: Diagram över maskinvarukomponenter som satts ihop i kontrollboxen. Däri 
betecknar tryckreferensen för i -th-kanalen, ui styrsignalen för den i-th proportionella ventilen, den vektor som innehåller vinkelreferenserna, α vektorn som innehåller vinkelmätningarna,x den 
vektor som innehåller positionsmätningarna, och ƒ vektorn som innehåller styrsignalerna för de direktverkande magnetventilerna, dvs. α UI är en förkortning för "User Interface Unit", BBB är en förkortning för BeagleBone Black, dvs, den enkortsdator som används i kontrollboxen, och RPi är en förkortning för Raspberry Pi, dvs. Vänligen klicka här för att visa en större version av denna figur.
Figur 2: Utvärdering av klättringsprestationen. Streckade kurvor visar värdena för konstanta och fasta kurvor för omkalibrerade tryckreferenser. (A) Robotens hastighet framåt för olika lutningsvinklar. (B) Energiförbrukning för olika lutningsvinklar. Denna siffra är anpassad från Ref.9. Vänligen klicka här för att visa en större version av denna figur.
Bild 3: Serie bilder av robotens rörelse vid en lutning på 48°. Tiden som förflutit mellan varje foto är 1,2 s. (A) Rörelse för konstanta tryckreferenser och (B) rörelsen för omkalibrerade tryckreferenser. Vänligen klicka här för att visa en större version av denna figur.
Kompletterande figur 1: Beredning av elastomeren. Vänligen klicka här för att ladda ner denna siffra.
Kompletterande figur 2: Jämförelse av luftbubblarbildning vid evakuering före och efter gjutning. (A) Evakuering av elastomeren utförs endast före gjutning. Fångade luftbubblor stannar på plats, men de är mer i området för gupp, vilket inte i hög grad påverkar ställdonets funktionalitet. (B) Evakuering utförs före och efter gjutning. Instängda luftbubblor stiger men fastnar igen på den övre sidan av stöttor och skapa hål i ställdonet som kan påverka funktionaliteten. Vänligen klicka här för att ladda ner denna siffra.
Kompletterande figur 3: Exempel på lyckade och misslyckade botade gjutgods. Övre raden visar lyckade exempel och nedre raden misslyckade exempel. Om felet inte är klart igenkännlig, markeras den med en grön cirkel. Vänligen klicka här för att ladda ner denna siffra.
Kompletterande figur 4: Tillverkning av basdelen. Vänligen klicka här för att ladda ner denna siffra.
Kompletterande figur 5: System för tillverkning av den nedersta delen. Ett rör (som senare används som tillförselrör för sugkoppen) kläms fast i formen före gjutning. Sedan är formen fylld med flytande elastomer. Vänligen klicka här för att ladda ner denna siffra.
Kompletterande figur 6: Sammanfogning av bas och bottendel. Vänligen klicka här för att ladda ner denna siffra.
Kompletterande figur 7: Lamineringsgjutning av ett mjukt böjdon. Flytande elastomer är representerad i rött, härdad elastomer i ljusrött, och det töjsbegränsande skiktet samt formar i svart. (A) Blandad elastomer hälls i två separata formar – en för basdelen och en för den nedersta delen. Därigenom är den nedersta delen bara halvfylld. Ett töjbegränsande skikt (tillförselrör) sätts sedan in i den nedersta delen mögel. (B) Delarna härdas och basdelen är demolded. (C) Bottendelen mögel är fylld till toppen med flytande elastomer. (D) Basdelen doppas i denna form. (E) De två delarna botas tillsammans. (F) Ställdonet är demolded. Denna siffra är baserad på Ref.13. Vänligen klicka här för att ladda ner denna siffra.
Kompletterande figur 8: Sammanfogning av alla lemmar. (A) Täcker de ytor som skall sammanfogas med fluidelastomer. (B) Återgiven vy över den kompletta monteringen. Vänligen klicka här för att ladda ner denna siffra.
Kompletterande figur 9: Montering av tillförselrörets inlopp. Vänligen klicka här för att ladda ner denna siffra.
Kompletterande figur 10: Fotografier av kontrollboxen. (A) Frontvy av användargränssnittsenheten för att användaren ska kunna interagera med roboten. (B) Detaljvy av en ventilenhet. (C) Toppvy över hela kontrollboxen. Vänligen klicka här för att ladda ner denna siffra.
Kompletterande figur 11: Kretsschema för enheten för användargränssnitt. Vänligen klicka här för att ladda ner denna siffra.
Kompletterande figur 12: Ventilenhetens kretsschema. Vänligen klicka här för att ladda ner denna siffra.
Kompletterande figur 13: Förenklat kretsschema över hela manöverboxen. Vänligen klicka här för att ladda ner denna siffra.
Kompletterande figur 14: Diagram över använda stift av de enkortsdatorer som är inbäddade i kontrollboxen. (A) Begagnade stift på tavlan som behövs för användarkommunikation. (B) Används stift av styrelsen behövs för robotstyrning. Vänligen klicka här för att ladda ner denna siffra.
Kompletterande figur 15: Återgiven vy över gångplanet med installerat mätsystem. Vänligen klicka här för att ladda ner denna siffra.
Kompletterande figur 16: Visualisering av lyfteffekten. Nålar med stift med 6 mm huvuden sätts in i bålens båda ändar. Detta minimerar friktionen under gång och gör att sugkopparna har full kontakt med gångplanet. Vänligen klicka här för att ladda ner denna siffra.
Kompletterande figur 17: Montering av de visuella markörerna. Markörerna monteras på roboten genom att använda nålar med stift. Märkpenna 0 monteras framtill vänster fot, märkpenna 1 vid bålens framsida, märkpenna 2 framtill höger fot, märkpenna 3 baktill vänster fot, märkpenna 4 vid bålens baksida, och markering 5 baktill höger fot. För monteringen av markör 4 används tre stiftnålar Denna figur anpassas från Referens.9. Vänligen klicka här för att ladda ner denna siffra.
Kompletterande figur 18: Förklaring till knappar i manöverboxen. Vänligen klicka här för att ladda ner denna siffra.
Kompletterande figur 19: Förklaring av knappar i det grafiska användargränssnittet. Vänligen klicka här för att ladda ner denna siffra.
Kompletterande figur 20: Gångmönster för rak rörelse av roboten. Fasta fötter anges av fyllda cirklar och ofixerade fötter av ofyllda cirklar. (A) Gångmönster för låga och måttliga lutningsvinklar (< 70°). (B) Gångmönster för höga lutningar (> 70°). Vakuum appliceras på röda och svarta fyllda fötter. Svart fyllda fötter är fast på marken, medan röda fötter inte nödvändigtvis måste vara. För att fixeringen ska kunna säkras svängs foten som ska fixeras fram och tillbaka en gång. Denna siffra är anpassad från Ref.9. Vänligen klicka här för att ladda ner denna siffra.
Kompletterande figur 21: Återgiven explosionsvy av den mjuka klätterroboten. Dovetails finns vid benen och motsvarande keyways vid bålens ändar. Detta gör sammanfogningsprocessen mycket mer exakt. Denna siffra är anpassad från Ref.9. Vänligen klicka här för att ladda ner denna siffra.
Kompletterande figur 22: Olika kalibreringsrutiner för bestämning av tryck-vinkelkurvan. Varje underfigur visar den kvalitativa tryckkursen och ögonblicksbilder av motsvarande robot pose. (A) Varje manöverdon blåses upp kontinuerligt med början från 0 bar upp till 1 bar, medan alla andra förblir trycklösa. (B)En tryckplatå appliceras på ett enda manöverdon för 3 s; sedan deflateras den helt för 2 s. I nästa omgång ökas nivån på tryckplatån genom steg tills platån når 1 bar. Detta görs för varje ställdon individuellt. (C) Samma förfarande som i läge 2, men här, samma platå tillämpas på ställdon (0,3,4), respektive ställdon (1,2,5), samtidigt. (D) Samma procedur som i läge 3, men platåer för ställdon (0,3) börjar vid 0 bar (som tidigare) och slutar på 1,2 bar (i stället för 1 bar). I grund och botten ökas steg för ställdon (0,3) något, medan ökningarna för de andra ställdonen förblir desamma. Vänligen klicka här för att ladda ner denna siffra.
Kompletterande figur 23: Vinkel-tryckkurvor för olika kalibreringsprocedurer. Vänligen klicka här för att ladda ner denna siffra.
Kompletterande Animation 1: Animering av robotens raka gång. Vänligen klicka här för att ladda ner denna fil.
Kompletterande Animation 2: Animation av robotens klättring gång. Vänligen klicka här för att ladda ner denna fil.
Tilläggsfil 1: Instruktioner för konfigurering av single-board-datorerna. Vänligen klicka här för att ladda ner denna fil.
Tilläggsfil 2: Skriv ut mall för de visuella markörerna. Vänligen klicka här för att ladda ner denna fil.
Kompletterande Data 1: CAD-filer. Denna zip-komprimerade mapp innehåller *.stl-filer för utskrift av formar, den *.dxf-filer för laser skära huset av kontrollboxen, den *.stl-filer för utskrift av klämmorna som används för mätsystemet, och * .dxf-fil för laserskärning ramen av mätsystemet. Vänligen klicka här för att ladda ner denna fil.
Tilläggsdata 2: Kod som ska köras på enkortsdatorerna. Denna zip-komprimerade mapp innehåller programmen och deras källor som körs på tavlan som används för "User Interface Unit", styrelsen som används för robotstyrning, och styrelsen som används för bildbehandling. Överför den kompletta mappen till alla tre anslagstavlorna. Vänligen klicka här för att ladda ner denna fil.
Kompletterande uppgifter 3: Exemplariska mätdata. Denna zip-komprimerade mapp innehåller två *.csv-filer som genereras under kalibreringsproceduren. Vänligen klicka här för att ladda ner denna fil.
Kompletterande Data 4: Kalibreringsskript. Denna zip-komprimerade mapp innehåller python-skriptet och dess källor för utvärdering av mätdata som genereras under kalibreringsproceduren. Vänligen klicka här för att ladda ner denna fil.
Kompletterande Data 5: Utvärderingsskript. Den här zip-komprimerade mappen innehåller två pythonskript och deras källor för utvärdering av mätdata som genereras under klättringsexperimentet. Dessutom innehåller den alla mätdata som används för generering av figur 2. Vänligen klicka här för att ladda ner denna fil.
Discussion
Det presenterade protokollet innehåller många olika aspekter relaterade till klättringen mjuk robot från Ref.9, inklusive tillverkning, kontroll, kalibrering, och utvärdering av prestanda. I det följande diskuteras och struktureras de för- och nackdelar som följer av protokollet enligt de aspekter som nämns ovan.
Den presenterade tillverkningsmetoden baseras starkt på den existerandelitteraturen 10,13. En väsentlig skillnad är utformningen av manöverdonet. För att ansluta sig till de enskilda extremiteterna sätts du in i styrlinjer med dovetail vid lämpliga punkter, som visas i Kompletterande figur 21. Detta resulterar i en mycket mer exakt och robust koppling mellan armar och ben jämfört med den tidigare utformningen av roboten8. Vidare är tillförselrören inbäddade i underdelen av ställdonen. Denna integrerade konstruktion gör att sugkopparna kan levereras med vakuum och samtidigt gör det understa lagret inte längre töjbart, vilket avsevärt ökar manöverdonens prestanda. En annan skillnad till tillvägagångssättet som beskrivas i litteraturen, är att den blandade elastomeren evakueras endast en gång (omgående efter blandning). Många källor rekommenderar evakuera elastomer två gånger: en gång efter blandning och en gång efter det har fyllts i formen. Det kan hända att luften förblir instängd i mycket små utrymmen. I vakuumkammaren expanderar denna luft och i bästa fall stiger till ytan. Ofta nog, dock dessa luftbubblor fastnar på väg, skapa obehagliga hål i den färdiga gjutning. Här måste ett beslut fattas om vad som är viktigare: perfekta konturer på bottensidan av basdelen eller så liten risk som möjligt för att producera ett icke-funktionellt ställdon (jfr tilläggsfigur 2). I detta protokoll utförs ingen andra evakuering. I det framlagda förfarandet kan bottendelens höjd variera då den fylls manuellt, och till skillnad från för basdelen finns det ingen möjlighet att klippa den till en jämn höjd efter härdning. För att säkerställa att bottendelens höjd är så enhetlig som möjligt, rekommenderas att man använder en spruta när man fyller underdelens form och mäter den volym som hälls i. Beroende på hur lång tid som har förflutit sedan blandning förändras dock elastomerens flödesegenskaper avsevärt. Därför rekommenderas att alltid använda nyblandad elastomer. Att ansluta sig till basen och den nedersta delen av ställdonet innebär den största processosäkerheten. Om elastomerbadet är för högt kommer luftkanalen mellan kamrarna med största risk också att täckas över. Då är ställdonet inte längre användbart. Om elastomerbadet är för lågt kan tätningsläppen inte täckas i hela sin omkrets och manöverdonet skulle läcka. Därför tar det en viss mängd praxis att dosera elastomerbadet korrekt. Viktigt för att gå med i allmänhet är en fettfri fogningsyta. Om fogningsytan är för förorenad kan det färdiga manöverdonet avlaminate. Därför är det väsentligt att se till att delarna endast berörs på ytor som inte ska sammanfogas. En stor begränsning av tillverkningsmetoden är antalet bitar som ska realiseras. Produktionen av ett enda manöverdon tar sammanlagt minst två timmar. Även om det är möjligt att arbeta med flera formar parallellt, är mer än fyra inte recommendable på grund av tidsbrist. Kruklivet i elastomeren är för kort för att kunna fylla ännu fler formar. Dessutom tål de 3D-tryckta formarna endast ett begränsat antal produktionscykler (ca 10–20) innan de blir mycket deformerade eller går sönder. En ytterligare begränsning är de processosäkerheter som redan diskuterats. Eftersom nästan alla processsteg utförs manuellt är varje ställdon lite annorlunda. Detta kan leda till två robotar som är identiska i konstruktion men visar två mycket olika beteenden.
Med styrboxen tillhandahålls en metod för att styra roboten. Trots det måste för varje pneumatiskt system kontrollvinsterna av skriptet "Code/arduino_p_ctr.ino" fastställas individuellt. Detta omfattas inte av protokollet. Men kontrollboxens "tryckreferensläge" möjliggör en lekfull hantering av roboten, så att styrenhetsjustering kan göras utan att skriva flera skript. En annan begränsning av kontrollboxen är dess kostnad då materialet kostar ca 7000 US$ totalt. Litteraturen11 erbjuder en byggnadsinstruktion för en kontrollbox som kostar endast cirka 900 US$ och med vissa uppgraderingar kan också användas för att driva roboten.
Kritiskt för kalibreringen av de enskilda ställdonen är valet av kalibreringsproceduren. Kompletterande figur 22 visar den kvalitativa kursen för tryckreferenserna över tiden för fyra olika förfaranden och Kompletterande Figur 23 visar de resulterande vinkeltryckskurvorna. Som kan ses i den senare, varje metod för kalibrering resulterar i en annan vinkel-tryckkurva. Detta visar att förhållandet mellan tryck och vinkel är mycket beroende av den belastning som verkar på ställdonet. Därför måste kalibreringsförfarandet återspegla det verkliga lastfallet så gott som möjligt. Följaktligen är det nödvändigt att anpassa kalibreringsförfarandet till de verkliga driftsförhållandena i så stor utsträckning som möjligt. Bästa gångprestanda erhålls med kalibreringsprocedur 4. Som man däremot kan se i figur 3Bär de efterföljande poserna i serien inte helt symmetriska, vilket är en indikator för potentialen av förbättring av kalibreringen.
Kritiskt för mätsystemet är monteringen av de visuella markörerna15 i Avsnitt 10. Eftersom de inte kan monteras direkt vid önskade punkter (eftersom rören stör), måste de uppmätta punkterna förskjutas på konstgjord väg. Särskild försiktighet måste vidtas vid fastställandet av denna offset vektor (i pixel koordinater av kameran); i annat fall kommer hela mätningen att ha betydande systematiska fel. Man måste också se till att taggarna inte tränger undan med tiden. Om detta händer, t.ex. I vilket fall som helst bör man regelbundet kontrollera om mätsystemet fortfarande producerar tillförlitlig utgång.
Den begränsande faktorn i experimentet är fixeringen av fötterna. För att kunna klättra ännu brantare lutningar måste fixeringsmekanismen omprövas. För närvarande är roboten inte kunna aktivt driva fötterna mot gångplanet, och för höga lutningar, den normala kraften som orsakas av gravitationen är för liten för att få sugkoppar tillräckligt nära gångplanet för att säkerställa tillförlitlig sug.
Den presenterade tillverkningsmetoden kan överföras till vilket fluidiskt elastomerdon som helst och kan därför vara intressant för framtida tillämpningar. Den presenterade styrboxen möjliggör styrning av alla pneumatiska system som består av sex enskilda ställdon (utbyggbara upp till åtta), inklusive robotplattformar eftersom de kräver snabb sensorisk feedback. Därför kan den användas som en universell plattform för testning och kontroll av framtida robotar. Slutligen kan den presenterade kalibreringsmetoden i princip vara till vilket matningsstyrt pneumatiskt system som helst. Sammanfattningsvis är alla presenterade metoder universella inom den diskuterade räckvidden.
Disclosures
Författarna förklarar att de inte har några konkurrerande ekonomiska intressen.
Acknowledgments
Författarna vill tacka Fynn Knudsen, Aravinda Bhari och Jacob Muchynski för hjälpsamma diskussioner och inspiration.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 3D Printer | Formlabs | Form 2 | |
| acrylic glass plate with two holes | - | for casting, see Supplementary | |
| acrylic glass back panel | - | see Supplementary | |
| acrylic glass bottom panel | - | see Supplementary | |
| acrylic glass front panel | - | see Supplementary | |
| acrylic glass side panel | - | see Supplementary | |
| acrylic glass top panel | - | see Supplementary | |
| Arduino Nano | Arduino | A000005 | |
| Allan Key 1mm | available in every workshop | ||
| BeagleBone Black | beagleboard | BBB01-SC-505 | |
| butterfly cannula | B. Braun Melsungen AG | 5039573 | |
| clamp 1 for measurement system | - | see Supplementary | |
| Clamp 2 for measurement system | - | see Supplementary | |
| cutter knife | available in every workshop | ||
| direct acting solenoid valves | Norgren | EXCEL22 DM/49/MDZ83J/T4 | |
| elastomer | Wacker Chemie | ELASTOSIL M4601 | |
| frame measurement system part 1 | - | see Supplementary | |
| frame measurement system part 2 | - | see Supplementary | |
| laser cutter | Trotec | SP500 | |
| LED | RND COMPONENTS | RND 210-00013 | |
| LCD | JOY-IT | SBC-LCD16X2 | |
| mould bottom part leg | - | see Supplementary | |
| mould bottom part torso 1 | - | see Supplementary | |
| mould bottom part torso 2 | - | see Supplementary | |
| mould leg 1 | - | see Supplementary | |
| mould leg 2 | - | see Supplementary | |
| mould torso 1 | - | see Supplementary | |
| mould torso 2 | - | see Supplementary | |
| oven | Binder | ED 115 | |
| Plastic Cup | available in every supermarket | ||
| Plastic syringe | available in every pharmacy | ||
| poster panel | Net-xpress.de (distributor) | 10620232 | as walking plane |
| Potentiometer | VISHAY | P16NM103MAB15 | |
| Power Supply | Pulse Dimension | CPS20.241-C1 | |
| pressure sensor | Honeywell | SSCDANN150PG2A5 | |
| Pressure Source | EINHELL | 4020600 | |
| proportional valves | Festo | MPYE-5-1/8-LF-010-B | 6x |
| Raspberry Pi | RASPBERRY PI | RASPBERRY PI 3B+ | |
| Raspberry Pi Cam | RASPBERRY PI | RASPBERRY PI CAMERA V2.1 | |
| resin | formlabs | grey resin 1l | |
| screw clamps | VELLEMAN | 3935-12 | |
| silicon tube 2mm | Festo | PUN-H-2X0,4-NT | for connecting robot to control box |
| silicone Tube 2.5mm | Schlauch24 | n/a | for supply tube inlet (https://www.ebay.de/itm/281761715815) |
| Switches | MIYAMA | MS 165 | |
| ultrasonic bath | RND LAB | 605-00034 | |
| UV chamber | formlabs | Form Cure | |
| Vacuum chamber + pump | COPALTEC | PURE PERFEKTION | |
| weight scale | KERN-SOHN | PCB 2500-2 | min. resolution 1g |
References
- Majidi, C. Soft robotics: a perspective-current trends and prospects for the future. Soft Robotics. 1 (1), 5-11 (2014).
- Kim, S., Laschi, C., Trimmer, B. Soft robotics: a bioinspired evolution in robotics. Trends in Biotechnology. 31 (5), 287-294 (2013).
- Rus, D., Tolley, M. T. Design, fabrication and control of soft robots. Nature. 521 (7553), 467-475 (2015).
- Calisti, M., Picardi, G., Laschi, C. Fundamentals of soft robot locomotion. Journal of the Royal Society Interface. 14 (130), 0101 (2017).
- Chu, B., Jung, K., Han, C. S., Hong, D. A survey of climbing robots: locomotion and adhesion. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing. 11 (4), 633-647 (2010).
- Gu, G., Zou, J., Zhao, R., Zhao, X., Zhu, X. Soft wall-climbing robots. Science Robotics. 3 (25), 2874 (2018).
- Qin, L. A versatile soft crawling robot with rapid locomotion. Soft Robotics. 6 (4), 455-467 (2019).
- Seibel, A., Schiller, L. Systematic engineering design helps creating new soft machines. Robotics and Biomimetics. 5 (1), 5 (2018).
- Schiller, L., Seibel, A., Schlattmann, J. Toward a gecko-inspired, climbing soft robot. Frontiers in Neurorobotics. 13 (1), 106 (2019).
- Mosadegh, B., et al. Pneumatic networks for soft robotics that actuate rapidly. Advanced Functional Materials. 24 (15), 2163-2170 (2014).
- Elango, N., Faudzi, A. A. M. A review article: investigations on soft materials for soft robot manipulations. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 80 (5-8), 1027-1037 (2015).
- Natarajan, E., Razif, M. R., Faudzi, A., Palanikumar, K. Evaluation of a suitable material for soft actuator through experiments and FE simulations. International Journal of Manufacturing, Materials, and Mechanical Engineering. 10 (2), 64-76 (2020).
- Soft Robotics Toolkit [software]. , Available from: https://softroboticstoolkit.com (2020).
- PneumaticBox [software]. , Available from: https://www.robotics.tu-berlin.de/menue/software_and_tutorials/pneumaticbox/ (2020).
- Wang, J., Olson, E. Apriltag 2: efficient and robust fiducial detection. Proceedings of the IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS). , Daejeon, South Korea. 4193-4198 (2016).
