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.
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.
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.
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.
The authors have nothing to disclose.
Författarna vill tacka Fynn Knudsen, Aravinda Bhari och Jacob Muchynski för hjälpsamma diskussioner och inspiration.
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 |