快速制造薄软气动执行器和机器人

Engineering
 

Summary

该协议描述了一种快速制造具有薄外形的软气动执行器和机器人的方法。制造方法从热塑性聚氨酯 (TPU) 板材的层压开始,然后激光切割/焊接二维模式以形成执行器和机器人。

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Amiri Moghadam, A. A., Caprio, A., Alaie, S., Min, J. K., Dunham, S., Mosadegh, B. Rapid Manufacturing of Thin Soft Pneumatic Actuators and Robots. J. Vis. Exp. (153), e60595, doi:10.3791/60595 (2019).

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Abstract

该协议描述了一种使用热压机和激光切割机快速制造具有超薄外形的软气动执行器和机器人的方法。该方法从热塑性聚氨酯 (TPU) 板材的层压开始,在 +93°C 温度下使用热压机进行 10 分钟。其次,对激光切割机的参数进行了优化,以产生具有最大爆裂压力的矩形气球。使用优化的参数,软执行器按顺序进行三次激光切割/焊接。接下来,将点胶针连接到执行器上,使其膨胀。通过改变通道宽度和长度,系统地研究了几何参数对执行器偏转的影响。最后,使用光学摄像机和流体分配器对执行器的性能进行描述。基于硅胶成型的软气动执行器的传统制造方法非常耗时(几个小时)。它们还会产生强大但笨重的执行器,从而限制了执行器的应用。此外,薄气动执行器的微制造既耗时又昂贵。目前工作中建议的制造方法通过引入超薄气动执行器的快速、简单且经济高效的制造方法,解决了这些问题。

Introduction

作为软气动执行器制造的一步,该方法说明了由热塑性聚氨酯 (TPU)1制成的超薄 (±70 μm) 气动执行器的快速制造。这些执行器在要求机器人重量轻和/或适合小空间的应用方面特别有用。这种应用可以设想为跨导管手术操纵器、可穿戴执行器、搜索和救援机器人以及飞行或游泳机器人。

基于硅胶成型的薄软气动执行器的传统制造方法非常耗时(几个小时),由于 3D 打印模具的分辨率低,并且难以对薄(小于 0.5 mm)执行器进行脱模。特别是,制造薄执行器需要应用专用工具和方法2。

微加工技术可以采用制造薄执行器3,4,5,6,7。另外,Ikeuchi等人还利用膜微压8开发了薄气动执行器。这些方法虽然有效,但需要昂贵的工具,而且非常耗时。因此,它们的应用有限。

Paek等人演示了一种使用圆柱形模板2的浸涂来制造小型软执行器的简单方法。该方法虽然有效,但存在两个问题:第一,控制浸涂特征的厚度并不容易;其次,其应用仅限于数量有限的三维(3D)设计。

Peano 执行器9、10和袋电机11、12具有紧凑的二维 (2D) 设计,导致外形小巧(即厚度较小的大面积)。Veale等人报告说,开发由增强塑料和纺织硅复合物1、8制成的线性Peano执行器。Niiyama等人利用热塑胶薄膜研制出热塑胶薄膜,由热冲压和导热系统11、12制造。

虽然Peano执行器和袋电机的2D设计使它们非常薄,在未激活的状态,通货膨胀时,他们的零体积室扩大到一个相对大的体积,从而限制了其操作在有限的空间,如转导管疗法或搜索和救援任务1。与这些设计不同,当前方法中建议的软执行器可以以相对较小的应变进行驱动。因此,即使在激活状态下,它们也占用相对较小的空间1

Protocol

1. 通过热压平滑 TPU 板材

  1. 校准用于热压的力传感器。
    1. 将力传感器夹在两层硅胶(50 毫米 x 50 毫米 x 3 毫米厚)之间。将力传感器和硅胶层放在拉伸机的压缩板/铁锤之间。通过顺时针转动热压机旋钮并记下传感器的力和电阻,缩短制片器之间的距离。
    2. 使用数字卡钳测量传感器的面积,并将力值除以测量区域以获取压力数据。使用电子表格校准传感器,将直线拟合到压力与电阻数据。
  2. 将力传感器置于热压器内并转动压力旋钮,直到从传感器读取 ±200 kPa 的压力。
  3. 戴上手套,以避免TPU薄膜受到任何污染。
  4. 用剪刀或激光切割机切割四层 TPU 以适合热压板(30 mm x 30 mm)。放置四张,以便所有四个边对齐。
  5. 将 TPU 纸张放在热压机内。
  6. 将热压机的温度设置为 +200 °F (+93 °C)。完全关闭热压机。
  7. 将薄膜放在热压机内10分钟。打开热压机,取出层压TPU薄膜,在步骤3.12中进行激光切割。

2. 寻找最佳激光参数

  1. 如第 1 节所述,热压两层 TPU。
  2. 使用计算机辅助设计 (CAD) 软件,设计一个 20 mm 边形的正方形和 4 mm x 8 mm 的矩形,作为方形气球的入口。
  3. 激光切割/焊接从步骤 2.1 的 TPU 层步骤 2.2 的方形模式,使用激光刀具软件中的以下设置:将每英寸脉冲 (PPI) 设置为 500,功率从 10% 到 100% 不等,每个功率值的速度从 10% 到 100% 不等。
  4. 用剪刀切割方形气球入口的末端。
  5. 在方形气球入口内插入一根针,在它周围涂上胶水(材料表),并将聚四氟乙烯(PTFE)胶带包裹在连接周围。
    注:5分钟后即可使用。
  6. 使用精确的流体分配器充气,确定方形气球的平均爆裂压力。
  7. 使用精确的流体分配器增加气球的压力,直到气球爆裂。测量并记下爆裂压力。重复此步骤 5 倍并获取平均爆裂压力。
  8. 对全范围功率和速度值重复步骤 2.1_2.7,并将方形气球的最大爆裂压力及其相关功率和速度值确定为激光机的最佳参数。

3. 通过激光切割/焊接制造执行器

  1. 使用 CAD 软件设计所需的执行器模式。
    注: AutoCAD 2017 用于此协议。
  2. 通过突出显示设计的所有部分,选择 CAD 软件中的整个设计。
  3. 在"属性"部分下的任务栏中,将线粗改为 0 mm,以便软件成功打印到激光切割机。
  4. 从任务栏中,选择"打印"。在菜单中将打印机名称更改为"VLS2.30"。
  5. 在"打印机设置"中,选择纸张大小作为用户定义的横向
  6. 在"绘图比例"部分中,取消选择"适合纸张"选项,然后将图像大小缩放为 1 mm = 一个长度单位。
  7. 在"绘图偏移"(原点设置为可打印区域)中,选中"绘图"选项居中。
  8. 按下电源按钮打开空气滤清器。
  9. 按下电源按钮或单击通用激光系统控制面板软件上的电源图标,打开激光切割机。
  10. 在"设置"选项中,设置速度 = 60%,PPI = 500,功率 = 80%。
    注:这些参数可能需要根据所使用的系统的特定激光功率进行更改。
  11. 使用对焦视图工具,将激光笔移到图案的左上角和右下角,以确保整个图案适合步骤 1.10 中制作的层压 TPU 薄膜(30 mm x 30 mm)。
  12. 要对激光机进行聚焦,将镜头托架移到桌子中间。将焦点工具放在桌子上,向上移动表,直到对焦工具的顶部接触镜头托架的前部。然后,缓慢向上移动桌子,直到镜头托架击中对焦工具的凹槽并向前颠簸。
    注: 激光聚焦,可与 3.11 中的参数一起使用。
  13. 在不改变 TPU 表的位置的情况下,再次运行激光,但降低速度 = 55%,增加功率 = 85%,并保持 PPI = 500。
  14. 执行第三次激光运行,以确保执行器中不存在泄漏。设置速度 = 50%,增加功率 = 90%,并保持 PPI = 500。

4. 用 Luer 锁连接粘合不锈钢点胶针

  1. 用剪刀切割气球执行器入口的末端。
  2. 在气球执行器入口内插入针头,在它周围涂上胶水,然后将 PTFE 胶带包裹在连接周围。
    注:5分钟后即可使用。

5. 软执行器的特性

  1. 将摄像机安装在执行器上,使其具有足够的距离,使执行器在摄像机内处于加压和未加压状态。
  2. 保持执行器的方向,使其加压时的偏转与摄像机正交。
  3. 使用精确的流体分配器增加执行器的压力,直到其偏转到其全部范围内而不会爆裂。假定整个范围为执行器的最大偏转,不会因过度膨胀而变形或泄漏或爆裂。
  4. 增加执行器压力,直到其达到其全部范围的 ±20%,并记下压力。
  5. 使用步骤 5.1 中的相机拍摄执行器的照片,然后使用图像处理软件(例如 ImageJ)测量图像中执行器尖端的 X 和 Y 坐标。
  6. 重复步骤 5.4 和 5.5,直到达到执行器偏转的整个范围。
  7. 使用绘图软件绘制执行器偏转与充气压力的 X-Y 图形。

Representative Results

为了演示该方法,我们演示了单个弯曲执行器的制造。为了制造这个执行器,四张尺寸为25厘米x25厘米的TPU被切割,堆叠在一起,然后用热压机平滑(图1A)。按照协议,热压在设定的温度为200°F时应用10分钟。层压板中的褶皱可能导致激光切割步骤期间的粘接问题,因此确保表面完全光滑对于可重现的结果至关重要。例如,图 1B显示了包含不会产生所需结果的褶皱的结果层压,而图 1C显示了足够平坦的结果,以产生所需的结果。

气动执行器的二维设计在 AutoCAD 中绘制。此执行器只需绘制一个 8 mm x 150 mm 的矩形即可创建。在设计中心添加了八条线的线性图案,每条线长 1.34 mm,间距为 10 mm(图 2中以红色突出显示)。最后,通过添加 4 mm x 8 mm 的开放式矩形来设计执行器的开口(图 2中以蓝色突出显示)。补充材料中提供了用于此示例线性执行器的 AutoCAD 文件 (.dwg)。

然后,将TPU的层压四层堆栈放入激光切割机(图3A),并使用激光切割机的软件导入2D设计。激光切割机上的对焦工具验证了 2D 绘图在层压 TPU 纸张上的贴合位置。对于第一次运行,激光切割设定为速度 = 60%,功率 = 80%,PPI = 500。一旦完成,在不改变聚氨酯片的位置的情况下,以速度 = 55%、功率 = 85%、PPI = 500 的速度启动具有新设置的第二次运行。同一过程在第三次以速度 = 50%、功率 = 90%和 PPI = 500 的速度重复使用新设置。降低速度并增加功率会使气动执行器在更长时间内暴露在热源上,并允许其熔化和粘结,以确保无泄漏的气球能够轻松地与 TPU 板的其余部分分离(图 3B)。需要注意的是,激光切割机总是同时切割和焊接TPU;切割和焊接不是以单独的步骤完成的,也不是通过不同的设置实现的。

为了将执行器与供气单元耦合,用剪刀切割了执行器的开口,并在激光切割执行器的第二层和第三层之间插入了不锈钢针(图 4B)。为了保持无泄漏系统,针头外侧事先被胶水覆盖(图4C)。然后,执行器和不锈钢针的界面用PTFE胶带紧紧地包裹起来(图4D)。

最后,使用数字流体分配器,气动执行器(图5A)被膨胀到5 psi的压力,以观察设计线阵的区域的偏转(图5B)。

Figure 1
图1:热压片。A) 热压机的图像与要层压的 TPU 板。(B) 低层压板与过度皱纹的示例图像。(C) 表面光滑成功层压板的示例图像。请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 2
图2:执行器设计。用于形成单个弯曲执行器的 CAD 绘图的图像。底部设计显示执行器的轮廓,中间设计显示作为弯曲特征添加的单条线,顶部设计显示一个完整的执行器。红色框突出显示构成执行器弯曲区域的要素。蓝色框突出显示用于连接用于加压的指针的区域。请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 3
图3:激光切割机。A) 激光切割机中层压板的图像.(BC)激光切割后要移除的致动器图像。(C) 执行器的图像。请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 4
图 4:针连接。图片描述使用胶水 (B) 将钝针 (A) 连接到气球执行器的步骤作为粘合剂.针插入执行器的窄端,用剪刀(C) 打开,并用 PTFE 胶带 (D) 密封。请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 5
图5:弯曲执行器。A) 处于未加压状态的执行器的图像。(B) 处于加压状态的执行器的图像。请点击此处查看此图的较大版本。

补充材料。 请点击此处下载此文件。

Discussion

软执行器制造的关键步骤包括:i) 二维 CAD 设计。正确的 2D 布局可以指示执行器的变形(例如线性、双轴、弯曲和旋转运动)。ii) TPU 层的层压。TPU 薄膜在激光切割前进行热压,以确保层是平坦的,并且在任何地方都保持相位接触。iii) 激光切割/焊接。作为最后一步,层压TPU层被激光切割/焊接成软执行器。

该协议的成功率可以产生100%的收率(例如,我们同时制作了20个执行器)。主要因素是层压步骤:为了获得最佳效果,在热压过程之前,应尽可能将 TPU 压平。 使用力传感器检查热压板的不同区域可能会显示压力分布不均匀。非均匀压力分布可能导致 TPU 板材的层压不完美,进而导致激光切割/焊接和泄漏的不完美。或者,在激光切割/焊接过程中,由于 TPU 薄膜中的小褶皱而导致的非均匀传热可能会导致泄漏。

与传统方法相比,该方法具有以下几个优点:(一)简单的二维设计。虽然目前的方法只需要2D CAD设计激光切割/焊接执行器(各种模式有1),传统的制造方法基于硅胶铸造需要3D模具设计。ii) 快速制造。从 CAD 设计到 TPU 层层层层层层和激光切割/焊接的制造时间可以在几分钟内完成,而传统的制造方法需要几个小时。通过允许一步制造软设备和软机器人,无需组装,软机器人和设备可以从不同类型的执行器的组合进行设计,CAD 模型可以在一个步骤中激光切割/焊接到最终产品中,而无需任何装配。例如,一个游泳机器人,由四条腿组成,每条腿由两种类型的弯曲执行器组成,只需几分钟即可由2D CAD设计制成,无需任何装配步骤,如前文所示。

作为这项工作的未来方向,可以使用不同类型的热塑性材料来制造软执行器。通常,这些材料需要具有弹性行为才能用作执行器。与Moghadam等人1的图S6相比,使用更硬的热塑性材料将导致执行器更高的爆裂压力和更高的阻滞力,显示力高达0.1N。因此,它可以将执行器的应用扩展到需要更高阻隔力的情况,例如外骨骼套件。

Disclosures

作者没有什么可透露的。

Acknowledgments

我们感谢达里奥心血管成像研究所为这项工作提供资金。

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Force Sensor Omega KHLVA-102 https://www.omega.co.uk/pptst/KHRA-KHLVA-KHA-SERIES.html
High Precision Dispensers Ultimus I Nordson http://www.nordsonefd.com/searchengines/google/en/AirPoweredDispensers/?gclid=CjwKCAjw36DpBRAYEiwAmVVDMPuZ50xXoyzK3gvnghCA7yZUfJg4o9V28yDHKjY5Gs159RJIcMk_choCJIgQAvD_BwE
Laser Cutter VLS2.30 Universal Laser System https://www.ulsinc.com/products/platforms/vls2-30
PowerPress Heat Press Power Heat Press OX-A1 https://www.howtoheatpress.com/power-press-15x15-heat-press-review/
PTFE Thread Sealant tape McMaster-Carr 4934A11 https://www.mcmaster.com/ptfe-tape
Stainless Steel Dispensing Needle McMaster-Carr 75165A754 https://www.mcmaster.com/75165a754
Super Glue Loctite 409 Henkel 229654 https://www.henkel-adhesives.com/us/en/product/instant-adhesives/loctite_409.html
Thermoplastic polyurethane Airtech’s Stretchlon 200 ACP Composites v-11A https://store.acpsales.com/products/3321/stretchlon-200-high-stretch-bag-film-60
Universal Testing Systems Instron 5943

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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