JoVE Journal > Engineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
工程学

Avaliação de fabricação, controle e desempenho de um robô macio inspirado em gecko

Published: June 10, 2020
doi:
10.3791/61422
, ,
1Workgroup on System Technologies and Engineering Design Methodology,Hamburg University of Technology, 2Fraunhofer Research Institution for Additive Manufacturing Technologies IAPT

Summary

Este protocolo fornece uma lista detalhada de etapas a serem realizadas para a fabricação, controle e avaliação do desempenho de escalada de um robô macio inspirado em lagartixas.

Abstract

Este protocolo apresenta um método de fabricação, controle e avaliação do desempenho de um robô macio que pode escalar superfícies planas inclinadas com encostas de até 84°. O método de fabricação é válido para os atuadores de dobra de pneunet rápido em geral e pode, portanto, ser interessante para os recém-chegados ao campo da fabricação de atuadores. O controle do robô é alcançado por meio de uma caixa de controle pneumático que pode fornecer pressões arbitrárias e pode ser construída apenas usando componentes comprados, um cortador a laser e um ferro de solda. Para o desempenho ambulante do robô, a calibração do ângulo de pressão desempenha um papel crucial. Portanto, é apresentado um método semi-automatizado para a calibração do ângulo de pressão. Em altas inclinações (> 70°), o robô não pode mais se fixar de forma confiável ao plano de caminhada. Portanto, o padrão de marcha é modificado para garantir que os pés possam ser fixados no plano de caminhada.

Introduction

A interação entre humanos e máquinas está se tornando constantemente mais próxima. O aumento da densidade de robôs em empresas e famílias representa novos desafios para a tecnologia robô. Frequentemente, os perigos são excluídos pelos métodos de separação, mas em muitas áreas, especialmente nos domicílios, esta não é uma solução satisfatória. A robótica suave resolve esse problema usando propriedades de materiais e estruturas macias para desenvolver novos tipos de máquinas que se comportam como organismos vivos1, razão pela qual os robôs macios são frequentemente inspirados pelos modelos biológicos2. A maioria dos robôs macios pode ser classificada em dois tipos diferentes: robôs móveis e robôs projetados para agarrar e manipular3. Para robôs móveis macios, os princípios típicos de locomoção são rastejar, andar, correr, saltar, voar e nadar4. Outro campo interessante de aplicação para robôs macios é a escalada – uma combinação de locomoção e adesão5. As máquinas macias são muito robustas e não podem danificar seus arredores devido à sua maciez. Essa característica antecede esta classe robô para escalar, pois eles podem facilmente sobreviver a uma queda. Consequentemente, a literatura oferece vários exemplos de robôs macios capazes de escalar6,,7,8.

O objetivo deste protocolo é fornecer um método para fabricar, controlar e avaliar o desempenho9de um robô macio inspirado em lagartixa. Seu design é baseado no uso de atuadores de dobra macia de pneunet rápido10 feitos de elastômero. No entanto, outro design de atuador macio e/ou material também poderia ser usado. A literatura oferece uma ampla gama de diferentes desenhos de atuadores macios11 e materiais adequados12. O método de fabricação apresentado é semelhante aos métodos existentes13, mas inclui algumas modificações que resultam em maior repetibilidade e robustez, pelo menos no caso do robô de escalada suave9. O método é válido para atuadores de dobra de pneunet rápido em geral e pode, portanto, ser interessante para os recém-chegados ao campo da fabricação de atuadores.

Para o controle de robôs macios acionados pneumáticos, a literatura fornece diferentes soluções. Ele varia de placas de controle de baixo custo e fáceis de replicar13 a placas poderosas, mas mais complexas14,que não podem ser reconstruídas sem ferramentas especiais. Aqui, uma breve descrição é fornecida para a construção de uma caixa de controle pneumático usando apenas um cortador a laser e um ferro de solda. A caixa de controle permite o fornecimento de qualquer pressão e oferece feedback sensorial em tempo real, o que é especialmente importante para aplicações robóticas. No entanto, ele também pode ser usado para muitas outras aplicações.

Protocol

1. Impressão de moldes Baixe os dados *.stl para moldes dos Dados Complementares 1 “CAD/Moldes/”. Use o software de corte específico da impressora para converter os modelos 3D em um trabalho de impressão. Imprima os moldes usando uma impressora 3D. Limpe os moldes impressos colocando-os por 15 minutos em um banho ultrassônico. Coloque os moldes por pelo menos 3 h em uma câmara UV. 2. Preparando o elastômero Junte o seguinte antes de iniciar esta etapa: elastômero (parte A e parte B), espátula, copo plástico, molde, balança de peso, seringa plástica, grampos de parafuso (ou similares), placa de vidro acrílico com dois orifícios correspondentes, faca de corte. Misture a parte A e a parte B do elastômero em uma proporção de 1:9 em uma xícara. Coloque o copo em uma máquina de pesagem. Primeiro, adicione 5 g da parte B (vermelho escuro). Em seguida, usando uma espátula, adicione 45 g da parte A (branca e viscosa).NOTA: Certifique-se de que a precisão da pesagem é de 1 g. 50 g é suficiente para um atuador. A melhor maneira de porção a parte A é pegar uma espátula e deixá-la drenar. Aproximadamente 6 g por operação de drenagem é possível com a espátula utilizada. Continue mexendo até que não haja mais áreas brancas ou vermelhas na borda do copo. Coloque o copo por 15 minutos em uma câmara de vácuo para remover o ar que está preso no elastômero devido ao processo de agitação. Encha o elastômero misto em uma seringa de plástico. Isso permite que o elastômero seja posicionado com muito mais precisão.NOTA: A Figura Suplementar 1 ilustra as etapas de processamento descritas nesta seção. 3. Fabricação da parte superior (parte base) Fixar uma placa de vidro acrílico com dois orifícios correspondentes no molde. Insira a seringa no orifício inferior e pressione o elastômero no molde. Aplique força na seringa empurrando o êmbolo até que o elastômero misto saia do orifício superior. Solte os grampos do parafuso e retire a placa de vidro acrílico de lado.NOTA: É importante puxá-lo para o lado e não para cima. Caso contrário, o elastômero será retirado do molde. Perfure as bolhas de ar em ascensão com uma ferramenta afiada. Não fure muito profundamente, pois isso criará novas bolhas de ar em vez de remover as existentes. É especialmente importante perfurar as bolhas maiores, pois estas afetarão significativamente a funcionalidade do atuador.NOTA: Opcionalmente, evacue o molde preenchido na câmara de vácuo para remover qualquer ar ainda preso. Ao fazê-lo, no entanto, pode acontecer que as bolhas de ar em ascensão ficam presas no molde em seu caminho para a superfície e criam buracos na fundição em áreas funcionalmente relevantes. Figura Suplementar 2 ilustra esse fenômeno. Coloque o molde no forno a 65 °C por 30 min. Verifique depois de 10 minutos se o nível do elastômero caiu significativamente. Isso acontece se o molde não estiver completamente apertado ou tiver dobrado ligeiramente devido ao uso frequente. Se o nível caiu mais de 1 mm, recheie o elastômero. Então, continue curando. Depois de um total de 30 minutos no forno, retire o molde e corte o elastômero extrudado com uma faca de corte. Abra o molde, desmontando com uma chave de fenda. Tenha cuidado para não danificar superfícies relevantes para a fundição. Remova o atuador quase acabado da parte do molde ao qual ele havia ficado na etapa anterior.NOTA: Uma primeira verificação visual pode ser feita aqui para ver se o elenco foi bem sucedido. Se forem encontrados defeitos irreparáveis (ver Figura Suplementar 3),o processo de fabricação deve ser interrompido aqui. Buracos menores podem ser reparados mais tarde. Também é importante que o lábio de vedação seja o mais pronunciado possível sobre toda a sua circunferência. Corte qualquer rebarbas salientes com uma faca de corte. Isso às vezes é muito trabalhoso, mas essencial para um bom resultado final.NOTA: A Figura Suplementar 4 ilustra as etapas de processamento descritas nesta seção. As etapas descritas são válidas para a fundição das quatro pernas (o molde pode ser encontrado no Arquivo Suplementar 1 “CAD/Moldes/small_leg_schwalbe*.stl”) e nas duas partes base do torso (“CAD/Moldes/small_belly*.stl”). Para lançar as ventosas (pés do robô, para ser encontrado em “CAD/Moulds/suctionCup*.stl”) ou na parte inferior do torso (“CAD/Moulds/small_torso_base1*.stl”), realizar as mesmas etapas de processo, com exceção das etapas 3.1 e 3.3, pois esses moldes para fundição possuem uma porta embutida para a seringa e, portanto, nenhuma placa de vidro acrílica adicional é necessária. No total, construa quatro partes base da perna, duas partes base do tronco, uma parte inferior do tronco e quatro ventosas. 4. Fabricação de parte inferior (parte inferior) Empurre um tubo de silicone através dos orifícios fornecidos para este fim no molde da parte inferior, consulte Figura Suplementar 5. Encha o molde da parte base com elastômero e distribua-o com a espátula pequena até os cantos.NOTA: O nível do elastômero não deve ser superior a 5 mm e não inferior a 4 mm e deve cobrir completamente o tubo embutido. O molde para a parte inferior das pernas pode ser encontrado no Arquivo Suplementar 1 “CAD/Moldes/small_base_schwalbe.stl”. Coloque o molde no forno por 15 a 20 minutos para a cura. Para as etapas seguintes, é necessário que a parte inferior permaneça no molde por enquanto junto com a parte superior. 5. Juntando-se à base e parte inferior Encha o molde da parte inferior com elastômero para que o nível esteja 1-1,5 mm acima do elastômero já endurecido. Insira uma cânula borboleta na parte base e marque o local da punção para que ela possa ser encontrada mais facilmente mais facilmente mais tarde. Esta etapa é necessária para permitir que o ar em expansão no forno escape. Coloque a parte base no molde inferior e pressione apenas os lados ligeiramente no banho de elastômero. Coloque o atuador no forno por 10-15 min e remova o molde depois.NOTA: Deve ser fácil remover o atuador do molde. Se não o fizer, ou o elastômero ainda não está totalmente curado (neste caso, aumente o tempo de cura em mais 10 minutos) ou a parte inferior está presa no molde (neste caso, deve ser puxada com mais força). Mas, em geral, é um mau sinal se o atuador não pode ser liberado facilmente. Conecte uma fonte de pressão usando o local de punção da etapa 5.2 e realize o teste final de vazamento, consulte Figura Suplementar 6.NOTA: Se pequenos vazamentos estiverem presentes, eles podem ser reparados. Aplicação de um pouco de elastômero com uma espátula pequena e 10 min no forno deve corrigir o vazamento. Se todos os vazamentos forem corrigidos, o atuador está pronto. A Figura Suplementar 6 ilustra as etapas de processamento descritas nesta seção e a Figura Suplementar 7 ilustra todo o processo descrito nas Seções 3-5. Para juntar a parte base e inferior do tronco, realize os mesmos passos, com exceção da etapa 5.1, onde você não preenche o molde, mas a parte inferior diretamente. 6. Junção de todos os membros Fixar as peças a serem unidas com uma agulha de pino em uma tábua de madeira para que possam ser mantidas juntas na etapa seguinte do processo. Cubra a superfície de junção com elastômero, conforme mostrado na Figura Suplementar 8A. Certifique-se de que a superfície de junção está limpa e livre de gordura. Caso contrário, as peças irão deminar neste momento. Coloque o conjunto (ver Figura Suplementar 8B) por 10-15 min no forno. 7. Montagem de entradas de tubos de alimentação Amplie o ponto de inserção da cânula borboleta a partir da etapa 5.2 ainda mais usando uma chave Allen de 1 mm. Coloque a extremidade de um tubo de silicone com um diâmetro externo máximo de 3 mm sobre o orifício e pressione-o com a tecla Allen. Sele a entrada com um pouco de elastômero. Isso também protege contra o estresse mecânico. Coloque o conjunto por 10 minutos no forno.NOTA: A Figura 9 complementar ilustra as etapas de processamento descritas nesta seção. 8. Construindo a caixa de controle Baixe os desenhos correspondentes *.dxf da carcaça de Dados Suplementares 1 “CAD/ControlBox/” e corte-os em um cortador a laser. Montar a “Unidade de Interface do Usuário” no painel frontal de acordo com a Figura Suplementar 10A e Figura Suplementar 11. Construir as seis “Unidades de Válvula” de acordo com a Figura Suplementar 10B e Figura Suplementar 12. Monte as seis “Unidades da Válvula” e a “Unidade de Interface do Usuário” no painel inferior de acordo com a Figura Suplementar 10C, Figura Suplementar 13 e Figura Suplementar 14. Monte os dois painéis laterais e o painel traseiro. Por último, monte o painel superior. Configure os dois computadores de placa única incorporados na caixa de controle de acordo com o Arquivo Suplementar 1 e carregue a pasta completa “Código” (incluindo todas as subpatas) fornecida nos Dados Suplementares 2 em ambas as placas. Carregue o script “Code/arduino_p_ctr.ino” fornecido nos Dados Complementares 2 nos seis microcontroladores incorporados na caixa de controle. 9. Construir um banco de teste com sistema de medição incorporado Baixe o desenho correspondente *.dxf do suporte da câmera do Dados Suplementares 1 “CAD/TestBench/” e corte-o em um cortador a laser. Baixe os arquivos *.stl correspondentes dos grampos dos dados complementares 1 “CAD/TestBench” e imprima-os em uma impressora 3D. Monte o suporte da câmera com os grampos em um painel de pôster DIN-A1 de acordo com a Figura Suplementar 15 e monte a câmera e um computador de placa única no local pretendido. Configure a interface ethernet e as configurações SSH do computador de placa única de acordo com as Seções 4-5 do Arquivo Suplementar 1 e carregue a pasta completa “Código”(Dados Complementares 2) para a placa. 10. Configuração de todo o sistema Crie uma rede local e atribua o endereço IP correto do script “Code/main.py” a todos os computadores de placa única e o computador usado para monitorar – ou reescrever o script de acordo. Insira agulhas de pinos em ambas as extremidades do torso, como mostrado na Figura Suplementar 16,de modo que o robô só entre em contato com o plano ambulante com os pinos e seus pés (ventosas). Imprima os marcadores visuais15 fornecidos no Arquivo Suplementar 2 em uma folha DIN-A4 e corte-os usando uma tesoura. Conecte os marcadores ao robô usando agulhas de pino de acordo com a Figura Suplementar 17. Conecte o robô à caixa de controle.NOTA: A Figura 1 ilustra a fiação de todo o sistema. 11. Executando a caixa de controle Ligue o interruptor principal da caixa de controle e espere até que tudo seja inicializado. Entre no computador principal de placa única como “raiz” usando SSH, navegue até a pasta “Código” e inicie a caixa de controle pelo comando “root@beaglebone:~# python3 main.py”. Ao mesmo tempo, inicie o monitor no computador pessoal pelo comando “user@pc:~ python2 monitor.py”.NOTA: Ambos os programas devem começar mais ou menos ao mesmo tempo. O programa “main.py” em execução no computador de placa única na caixa de controle tenta se conectar ao computador pessoal usado para monitoramento. Se não houver uma porta de escuta no computador pessoal (acionada pelo script “monitor.py”), o monitor não será acionado. Exceto “monitor.py”, todos os programas/scripts usados neste protocolo destinam-se a rodar com python3. Conecte uma fonte de pressão à caixa de controle (max. 1.2 bar). Conecte uma fonte de vácuo à caixa de controle. 12. Calibrando o robô Coloque o robô no plano ambulante do banco de testes. Para inclinações íngremes, conecte uma corda entre a frente do robô e o topo do plano de caminhada, a fim de manter o robô no lugar. Na caixa de controle, ative o modo dereferência de padrãoempurrando o botão ” mode2″ como mostrado na Figura Complementar 18. Role o menu exibido no LCD usando os botões para cima e para baixo até encontrar a entrada “clb”. Em seguida, aperte o botão de digitar. Role o menu seguinte até a entrada “mode_4.csv” e pressione o botão”digitar”. No monitor, pressione o botão “gravar”, como mostrado na Figura Suplementar 19.NOTA: Pressionar o botão “gravar” criará automaticamente um arquivo *.csv no computador de monitoramento no local especificado em “Code/Src/GUI/save.py:save_last_sample_as_csv()”, que é a pasta “current_exp” (as medidas de exemplo são fornecidas em Dados Complementares 3). Na caixa de controle, pressione o botão “função 1” para iniciar o procedimento de calibração. Após a calibração, pressione o botão “gravar” no monitor para parar a gravação e o botão “função 1” na caixa de controle para parar o controlador de pressão. Renomeie o arquivo “current_exp/*.csv” criado automaticamente para que ele possa ser identificado com exclusividade mais tarde. Execute o script “Calibration/eval_clb.py” fornecido nos Dados Suplementares 4 e armazene a saída (coeficientes do ajuste polinomial) no arquivo “Code/Src/Controller/calibration.py” como uma entrada com a palavra-chave “[versão robô]” dentro do dicionário existente. 13. Criando um padrão de marcha Execute o script “Code/Patterns/create_pattern.py” e armazene o arquivo *.csv (s) com saída na pasta “Código/Padrões/[versão robô]/”.NOTA: Este script converte o padrão de marcha predefinido para marcha reta8 (ver Figura Suplementar 20A ou Animação Suplementar 1) formulado em referências de ângulo em referências de pressão específicas do robô. Para gerar um padrão de marcha para inclinações íngremes, modifique o script sem comentários da linha 222. Isso gerará um padrão de acordo com a Figura Suplementar 20B ou Animação Suplementar 2. A interface para referências de padrão fornecidas pela caixa de controle consiste em arquivos *.csv onde cada linha define um ponto de ajuste discreto para todos os atuadores. Nisso, as oito primeiras colunas definem as pressões de referência, as quatro próximas colunas definem as referências para as válvulas de ação direta, e a última coluna define o tempo que este ponto de ajuste deve ser mantido. Sincronizar o computador de placa única na caixa de controle com o computador pessoal, ou seja, carregar a pasta “Código/Padrão/*” na placa. Para isso, o programa “main.py” deve ser interrompido (Ctrl+C). 14. Realizando o experimento de escalada Realize as etapas 11-13 para que cada inclinação seja testada. Coloque o robô no ponto marcado no avião a pé. Selecione uma referência de padrão descrita nas etapas 12.2-12.4, mas selecione no primeiro menu a “versão robô” desejada (em vez de “clb”), e no segundo menu a referência padrão de acordo com a inclinação atual (em vez de “mode_4.csv”). Comece a gravar conforme descrito na etapa 12.5. Pressione o botão “função 1” para ativar o controlador de pressão. Deixe o robô andar/subir por pelo menos 6 ciclos. Pare de gravar apertando o botão “gravar” no monitor (como na etapa 12.7). Certifique-se de que o robô não cairá ao executar o próximo passo. Pare o controlador de pressão pressionando novamente o botão “função 1”. Isso também vai parar o suprimento de vácuo, e consequentemente o robô vai cair. Mova o arquivo *.csv gravado para a pasta “ExpEvaluation/[versão robô]/[tipo de padrão]/[inclinação]/”.NOTA: Repita cada corrida pelo menos cinco vezes para ter uma base sólida para o próximo passo. 15. Avaliação do experimento Execute o script “ExpEvaluation/eval_vS11_adj_ptrn.py” fornecido em Dados Suplementares 5 para significar automaticamente sobre todos os dados de medição.NOTA: Este script produz a faixa de todos os pés, a pressão aplicada ao longo do tempo, o ângulo de dobra medido de todos os membros ao longo do tempo, a velocidade do robô ao longo do tempo, a orientação do robô ao longo do tempo, a velocidade média sobre inclinação (cf. Figura 2A), e uma aproximação da energia usada sobre inclinação (cf. Figura 2B).

Representative Results

O protocolo apresentado resulta em três coisas: um robô de escalada suave, uma caixa de controle universalmente aplicável, e uma estratégia de controle para o movimento reto do robô que aumenta sua capacidade de subir e, ao mesmo tempo, diminui sua energia consumida. A caixa de controle descrita na Seção 8 permite um fornecimento contínuo de qualquer nível de pressão desejado em até seis canais (expansível a oito) e, adicionalmente, em quatro canais, a oferta de vácuo (expansível conforme necessário). A “Unidade de Interface do Usuário” permite que o usuário opere facilmente a caixa de controle no tempo de execução e a interface para o monitor permite que os dados medidos sejam visualizados diretamente e salvos como um arquivo csv. O modo de referência de padrão da caixa de controle fornece ao usuário uma interface intuitiva para loop padrões predefinidos. Este pode ser o padrão de marcha do robô, como neste protocolo, ou pode ser usado para testes de fadiga atuadores, ou qualquer outra aplicação que exija carregamento cíclico. A Figura 1 retrata todos os componentes de hardware montados na caixa de controle e no sistema de medição e como eles estão conectados. O padrão de marcha para o movimento reto do robô é formulado em referências angulares8. Para operar o robô, essas referências angulares devem ser convertidas em referências de pressão. A estratégia de controle utilizada neste protocolo baseia-se em uma calibração prévia de pressão angular. Cada método de calibração resulta em uma curva de pressão alfa diferente. Portanto, é necessário adaptar o procedimento de calibração às condições reais de funcionamento, tanto quanto possível. Ao alterar o ângulo de inclinação do plano de caminhada, as condições de operação também mudam. Portanto, a curva de pressão angular deve ser recalib calibrada para cada inclinação. A Figura 2A mostra a velocidade do robô para várias inclinações com uma calibração inalterada e uma curva de pressão angular recaliblada. O experimento mostra claramente a eficácia da recalibrência. O robô recalib calibrado não é apenas muito mais rápido, ele também é capaz de escalar inclinações mais íngremes (84° em vez de 76°) enquanto consome menos energia9 como descrito na Figura 2B. Na Figura 3,uma série de fotografias do movimento do robô é mostrada para uma inclinação de 48°. A figura ilustra claramente que o desempenho de escalada com recalibratura mostrada na Figura 3B é muito melhor do que com calibração inalterada mostrada na Figura 3A, pois a mudança de posição dentro do mesmo intervalo de tempo é quase duas vezes maior. Este robô pode se mover muito rápido comparado com outros robôs macios. Qin et al.7 resumem as velocidades dianteiras de vários robôs macios. Sem carga útil e no plano horizontal, o robô descrito neste protocolo é cinco vezes mais rápido em relação ao comprimento do corpo do que o robô mais rápido no Ref.7. Figura 1: Diagrama de componentes de hardware montados na caixa de controle. Lá, denota a referência ide pressão para o i -th channel, ui o sinal de controle da válvula proporcional i-th, o vetor contendo as referências angulares, α o vetor contendo as medidas de ângulo, x o vetor contendo as medidas de posição, e φ o vetor contendo os sinais de controle para as válvulas solenoides de ação direta, ou seja, os estados de fixação dos pés. A interface é abreviação de “User Interface Unit”, BBB é uma abreviação para BeagleBone Black, ou seja, o computador de placa única usado na caixa de controle, e o RPi é abreviação de Raspberry Pi, ou seja, o computador de placa única usado no sistema de medição. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. Figura 2: Avaliação do desempenho de escalada. Curvas tracejadas mostram os valores para curvas constantes e sólidas para referências de pressão recalibrecidas. (A) Velocidade de frente do robô para vários ângulos de inclinação. (B) Consumo de energia para vários ângulos de inclinação. Este valor é adaptado do Ref.9. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. Figura 3: Série de fotos do movimento do robô a uma inclinação de 48°. O tempo decorrido entre cada foto é de 1,2 s. (A) Movimento para referências de pressão constantes e (B) o movimento para referências de pressão recalibrada. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. Figura suplementar 1: Preparação do elastômero. Clique aqui para baixar este número. Figura suplementar 2: Comparação da formação de bolhas de ar durante a evacuação antes e depois do fundamento. (A) A evacuação do elastômero é realizada somente antes do casting. Bolhas de ar presas permanecem no lugar, mas estão mais na área das lombadas, o que não afeta muito a funcionalidade do atuador. (B) A evacuação é realizada antes e depois do casting. Bolhas de ar presas sobem, mas ficam presas novamente na parte superior dos suportes e criam buracos no atuador que podem afetar a funcionalidade. Clique aqui para baixar este número. Figura suplementar 3: Exemplos de fundições curadas bem sucedidas e mal sucedidas. A linha superior mostra exemplos bem-sucedidos e exemplos mal sucedidos da linha inferior. Se o defeito não é claramente reconhecível, ele é marcado com um círculo verde. Clique aqui para baixar este número. Figura suplementar 4: Fabricação da parte base. Clique aqui para baixar este número. Figura suplementar 5: Esquema para fabricação da parte inferior. Um tubo (que é posteriormente usado como tubo de alimentação para a ventosa) é fixado no molde antes de fundir. Em seguida, o molde é preenchido com elastômero líquido. Clique aqui para baixar este número. Figura suplementar 6: Adesão da base e parte inferior. Clique aqui para baixar este número. Figura suplementar 7: Fundição de laminação de um atuador de dobra macia. O elastômero líquido é representado em vermelho, elastômero curado em vermelho claro, e a camada limitante de tensão, bem como os moldes em preto. (A) O elastômero misto é derramado em dois moldes separados – um para a parte base e outro para a parte inferior. Assim, a parte inferior está apenas meio cheia. Uma camada limitante de tensão (tubo de alimentação) é então inserida no molde da parte inferior. (B) As peças são curadas e a parte base é desoldada. (C) O molde da parte inferior é preenchido até a parte superior com elastômero líquido. (D) A parte base é mergulhada neste molde. (E) As duas partes são curadas juntas. (F) O atuador é deformado. Este número é baseado no Ref.13. Clique aqui para baixar este número. Figura Suplementar 8: Junção de todos os membros. (A) Cobrindo as superfícies a serem unidas com o elastômero fluido. (B) Vista renderizada da montagem completa. Clique aqui para baixar este número. Figura suplementar 9: Montagem das entradas do tubo de alimentação. Clique aqui para baixar este número. Figura suplementar 10: Fotografias da caixa de controle. (A) Visão frontal da Unidade de Interface do Usuário para permitir que o usuário interaja com o robô. (B) Visão detalhada de uma unidade de válvula. (C) Vista superior de toda a caixa de controle. Clique aqui para baixar este número. Figura suplementar 11: Diagrama do circuito da Unidade de Interface do Usuário. Clique aqui para baixar este número. Figura suplementar 12: Diagrama do circuito da Unidade da Válvula. Clique aqui para baixar este número. Figura suplementar 13: Diagrama de circuito simplificado de toda a caixa de controle. Clique aqui para baixar este número. Figura suplementar 14: Diagrama de pinos usados dos computadores de placa única embutidos na caixa de controle. (A) Pinos usados da placa necessários para a comunicação do usuário. (B) Pinos usados da placa necessários para o controle do robô. Clique aqui para baixar este número. Figura suplementar 15: Visão renderizada do plano de caminhada com sistema de medição instalado. Clique aqui para baixar este número. Figura suplementar 16: Visualização do efeito elevatório. Agulhas de pino com cabeças de 6 mm são inseridas em ambas as extremidades do tronco. Isso minimiza o atrito durante a caminhada e faz com que as ventosas tenham contato total com o avião a pé. Clique aqui para baixar este número. Figura Suplementar 17: Montagem dos marcadores visuais. Os marcadores são montados no robô usando agulhas de pino. O marcador 0 é montado no pé esquerdo dianteiro, marcador 1 na frente do torso, marcador 2 no pé direito dianteiro, marcador 3 no pé esquerdo traseiro, marcador 4 nas costas do torso, e marcador 5 no pé direito traseiro. Para a montagem do marcador 4, são utilizadas três agulhas de pinos Esta figura é adaptada a partir do Ref.9. Clique aqui para baixar este número. Figura suplementar 18: Legenda de botões da caixa de controle. Clique aqui para baixar este número. Figura suplementar 19: Legenda de botões da Interface Gráfica do Usuário. Clique aqui para baixar este número. Figura suplementar 20: Padrões de marcha para o movimento reto do robô. Os pés fixos são indicados por círculos cheios e pés não fixados por círculos não preenchidos. (A) Padrão de marcha para ângulos de inclinação baixos e moderados (< 70°). (B) Padrão de marcha para altas inclinações (> 70°). O vácuo é aplicado aos pés vermelhos e pretos. Pés pretos cheios são fixados no chão, enquanto os pés vermelhos não necessariamente têm que ser. Para garantir a fixação, o pé a ser fixado é balançado para frente e para trás uma vez. Este valor é adaptado do Ref.9. Clique aqui para baixar este número. Figura suplementar 21: Visão de explosão renderizada do robô de escalada macia. As tranças estão localizadas nas pernas e nas chaves correspondentes nas extremidades do tronco. Isso torna o processo de junção muito mais preciso. Este valor é adaptado do Ref.9. Clique aqui para baixar este número. Figura suplementar 22: Diferentes procedimentos de calibração para a determinação da curva de ângulo de pressão. Cada subfigura mostra o curso de pressão qualitativa e instantâneos da pose do robô correspondente. (A) Cada atuador é inflado continuamente a partir de 0 bar até 1 bar, enquanto todos os outros permanecem sem pressão. (B) Um planador de pressão é aplicado a um único atuador para 3 s; então, é esvaziado completamente para 2 s. Na próxima rodada, o nível do planalto de pressão é aumentado pelo incremento até que o planalto atinja 1 bar. Isso é feito para cada atuador individualmente. (C) Mesmo procedimento do modo 2, mas aqui, o mesmo patamar é aplicado aos atuadores (0,3,4), respectivamente atuadores (1,2,5), ao mesmo tempo. (D) Mesmo procedimento do modo 3, mas os platôs para atuadores (0,3) estão começando em 0 bar (como antes) e terminando em 1,2 bar (em vez de 1 bar). Basicamente, o incremento para atuadores (0,3) é ligeiramente aumentado, enquanto os incrementos para os outros atuadores permanecem os mesmos. Clique aqui para baixar este número. Figura suplementar 23: Curvas de pressão angular para diferentes procedimentos de calibração. Clique aqui para baixar este número. Animação suplementar 1: Animação da marcha reta do robô. Clique aqui para baixar este arquivo. Animação Suplementar 2: Animação da marcha de escalada do robô. Clique aqui para baixar este arquivo. Arquivo complementar 1: Instruções para configurar os computadores de placa única. Clique aqui para baixar este arquivo. Arquivo suplementar 2: Imprimir modelo para os marcadores visuais. Clique aqui para baixar este arquivo. Dados Complementares 1: Arquivos CAD. Esta pasta comprimida por zip contém os arquivos *.stl para impressão dos moldes, os arquivos *.dxf para cortar a carcaça da caixa de controle, os arquivos *.stl para imprimir os grampos usados para o sistema de medição e o arquivo *.dxf para cortar a laser o quadro do sistema de medição. Clique aqui para baixar este arquivo. Dados Complementares 2: Código para execução nos computadores de placa única. Esta pasta comprimida por zip contém os programas e suas fontes em execução na placa usada para a “Unidade de Interface do Usuário”, a placa usada para controle de robôs e a placa usada para processamento de imagens. Carregue a pasta completa para as três placas. Clique aqui para baixar este arquivo. Dados Complementares 3: Dados de medição exemplares. Esta pasta comprimida por zip contém dois arquivos *.csv gerados durante o procedimento de calibração. Clique aqui para baixar este arquivo. Dados Complementares 4: Script de calibração. Esta pasta comprimida por zip contém o script python e suas fontes para avaliar os dados de medição gerados durante o procedimento de calibração. Clique aqui para baixar este arquivo. Dados Complementares 5: Roteiro de avaliação. Esta pasta comprimida por zip contém dois scripts python e suas fontes para avaliar os dados de medição gerados durante o experimento de escalada. Além disso, contém todos os dados de medição utilizados para a geração da Figura 2. Clique aqui para baixar este arquivo.

Discussion

O protocolo apresentado inclui muitos aspectos diferentes relacionados ao robô macio de escalada do Ref.9, incluindo fabricação, controle, calibração e avaliação de desempenho. A seguir, os prós e contras resultantes do protocolo são discutidos e estruturados de acordo com os aspectos mencionados acima.

O método de fabricação apresentado baseia-se fortemente na literatura existente10,13. Uma diferença substancial é o projeto do atuador. Para ingressar nos membros individuais, as guias de dovetail são inseridas em pontos apropriados, conforme mostrado na Figura Suplementar 21. Isso resulta em uma conexão muito mais precisa e robusta entre os membros em comparação com o design anterior do robô8. Além disso, os tubos de alimentação estão embutidos na parte inferior dos atuadores. Este design integrado permite que as ventosas sejam fornecidas com vácuo e, ao mesmo tempo, torna a camada inferior não mais elástica, o que aumenta significativamente o desempenho do atuador. Outra diferença para o procedimento descrito na literatura é que o elastômero misto é evacuado apenas uma vez (imediatamente após a mistura). Muitas fontes recomendam evacuar o elastomer duas vezes: uma após a mistura e uma depois de ter sido preenchida no molde. Pode acontecer que o ar permaneça preso em espaços muito pequenos. Na câmara de vácuo, este ar se expande e, na melhor das hipóteses, sobe à superfície. Muitas vezes, no entanto, essas bolhas de ar ficam presas em seu caminho, criando buracos desagradáveis no elenco acabado. Aqui, deve-se tomar uma decisão quanto ao mais importante: contornos perfeitos na parte inferior da parte base ou o menor risco possível de produzir um atuador não funcional (cf. Figura Suplementar 2). Neste protocolo, nenhuma segunda evacuação é realizada. No procedimento apresentado, a altura da parte inferior pode variar, pois é preenchida manualmente, e, ao contrário da parte base, não há possibilidade de cortá-la a uma altura uniforme após a cura. Para garantir que a altura da parte inferior seja o mais uniforme possível, recomenda-se usar uma seringa ao preencher o molde da parte inferior e medir o volume derramado. No entanto, dependendo de quanto tempo se passou desde a mistura, as propriedades de fluxo do elastômero mudam significativamente. Por isso, recomenda-se sempre usar elastômero recém-misturado. A adesão à base e à parte inferior do atuador envolve a maior incerteza do processo. Se o banho de elastômero for muito alto, o canal de ar entre as câmaras provavelmente será coberto também. Então, o atuador não é mais utilizável. Se o banho de elastômero estiver muito baixo, o lábio de vedação pode não estar coberto em toda a sua circunferência e o atuador vazaria. Portanto, é preciso uma certa quantidade de prática para dosar corretamente o banho de elastômero. Importante para a adesão em geral é uma superfície de junção sem gordura. Se a superfície de junção estiver muito contaminada, o atuador acabado pode deminar. Portanto, é essencial garantir que as peças sejam tocadas apenas em superfícies que não devem ser unidas. Uma grande limitação do método de fabricação é o número de peças a serem realizadas. A produção de um único atuador leva pelo menos duas horas no total. Embora seja possível trabalhar com vários moldes em paralelo, mais de quatro não é recomendável devido a restrições de tempo. A vida útil do elastômero é muito curta para ser capaz de preencher ainda mais moldes. Além disso, os moldes impressos em 3D só suportam um número limitado de ciclos de produção (aproximadamente 10-20) antes de ficarem muito deformados ou quebrarem. Outra limitação é o processo de incertezas já discutido. Como quase todas as etapas do processo são realizadas manualmente, cada atuador é um pouco diferente. Isso pode levar a dois robôs idênticos na construção, mas mostram dois comportamentos muito diferentes.

Com a caixa de controle, um método é fornecido para controlar o robô. No entanto, para cada sistema pneumático, os ganhos de controle do script “Code/arduino_p_ctr.ino” devem ser determinados individualmente. Isso não está coberto pelo protocolo. No entanto, o “modo de referência de pressão” da caixa de controle permite um manuseio lúdico do robô, de modo que a sintonia do controlador possa ser feita sem escrever vários scripts. Outra limitação da caixa de controle é o seu custo, pois o material custa cerca de US$ 7.000 no total. A literatura11 oferece uma instrução de construção para uma caixa de controle que custa apenas cerca de 900 US$ e com alguns upgrades também poderia ser usado para operar o robô.

Fundamental para a calibração dos atuadores individuais é a escolha do procedimento de calibração. A Figura Complementar 22 mostra o curso qualitativo das referências de pressão ao longo do tempo para quatro procedimentos diferentes e a Figura Suplementar 23 mostra as curvas de pressão de ângulo resultantes. Como pode ser visto neste último, cada método de calibração resulta em uma curva de pressão angular diferente. Isso mostra que a relação entre pressão e ângulo é altamente dependente da carga que atua no atuador. Portanto, o procedimento de calibração deve refletir o verdadeiro caso de carga da melhor forma possível. Consequentemente, é necessário adaptar o procedimento de calibração às condições reais de funcionamento, tanto quanto possível. O melhor desempenho de caminhada é obtido com o procedimento de calibração 4. No entanto, como pode ser visto na Figura 3B,as poses subsequentes da série não são completamente simétricas, o que é um indicador para o potencial de melhora na calibração.

Crítico para o sistema de medição é a montagem dos marcadores visuais15 na Seção 10. Uma vez que não podem ser montados diretamente nos pontos desejados (porque os tubos interferem), os pontos medidos devem ser deslocados artificialmente. Deve-se tomar cuidado especial ao determinar este vetor de deslocamento (em coordenadas de pixels da câmera); caso contrário, toda a medição terá erros sistemáticos significativos. Deve-se também garantir que as tags não se desloquem com o tempo. Se isso acontecer, por exemplo, devido a uma queda do robô, a tag correspondente deve ser remontada exatamente no mesmo lugar. De qualquer forma, deve ser verificado regularmente se o sistema de medição ainda produz saída confiável.

O fator limitante no experimento é a fixação dos pés. Para poder escalar inclinações ainda mais íngremes, o mecanismo de fixação deve ser reconsiderado. Atualmente, o robô não é capaz de empurrar ativamente seus pés contra o plano ambulante, e para altas inclinações, a força normal causada pela gravidade é muito pequena para aproximar as ventosas do plano de caminhada para garantir uma sucção confiável.

O método de fabricação apresentado pode ser transferido para qualquer atuador de elastômero fluido e pode, portanto, ser interessante para aplicações futuras. A caixa de controle apresentada permite o controle de qualquer sistema pneumático composto por seis atuadores individuais (expansíveis até oito), incluindo plataformas robóticas, pois requerem feedback sensorial rápido. Portanto, poderia ser usado como uma plataforma universal para testar e controlar futuros robôs. Finalmente, o método de calibração apresentado pode ser, em princípio, para qualquer sistema pneumático controlado por alimentação. Em resumo, todos os métodos apresentados são universais dentro do escopo discutido.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Os autores gostam de agradecer fynn Knudsen, Aravinda Bhari e Jacob Muchynski por discussões úteis e inspiração.

Materials

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
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Majidi, C. Soft robotics: a perspective-current trends and prospects for the future. Soft Robotics. 1 (1), 5-11 (2014).
  2. Kim, S., Laschi, C., Trimmer, B. Soft robotics: a bioinspired evolution in robotics. Trends in Biotechnology. 31 (5), 287-294 (2013).
  3. Rus, D., Tolley, M. T. Design, fabrication and control of soft robots. Nature. 521 (7553), 467-475 (2015).
  4. Calisti, M., Picardi, G., Laschi, C. Fundamentals of soft robot locomotion. Journal of the Royal Society Interface. 14 (130), 0101 (2017).
  5. 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).
  6. Gu, G., Zou, J., Zhao, R., Zhao, X., Zhu, X. Soft wall-climbing robots. Science Robotics. 3 (25), 2874 (2018).
  7. Qin, L. A versatile soft crawling robot with rapid locomotion. Soft Robotics. 6 (4), 455-467 (2019).
  8. Seibel, A., Schiller, L. Systematic engineering design helps creating new soft machines. Robotics and Biomimetics. 5 (1), 5 (2018).
  9. Schiller, L., Seibel, A., Schlattmann, J. Toward a gecko-inspired, climbing soft robot. Frontiers in Neurorobotics. 13 (1), 106 (2019).
  10. Mosadegh, B., et al. Pneumatic networks for soft robotics that actuate rapidly. Advanced Functional Materials. 24 (15), 2163-2170 (2014).
  11. 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).
  12. 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).
  13. . Soft Robotics Toolkit [software] Available from: https://softroboticstoolkit.com (2020)
  14. . PneumaticBox [software] Available from: https://www.robotics.tu-berlin.de/menue/software_and_tutorials/pneumaticbox/ (2020)
  15. Wang, J., Olson, E. Apriltag 2: efficient and robust fiducial detection. Proceedings of the IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS). , 4193-4198 (2016).

Tags

Soft RoboticsGecko-inspiredSoft RobotPneumatic ControlActuator ManufacturingElastomer CastingVacuum ChamberMold DesignSuction CupsSilicone TubesPerformance Evaluation

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Schiller, L., Seibel, A., Schlattmann, J. Manufacturing, Control, and Performance Evaluation of a Gecko-Inspired Soft Robot. J. Vis. Exp. (160), e61422, doi:10.3791/61422 (2020).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image