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Ingeniería

Evaluación de fabricación, control y rendimiento de un robot blando inspirado en 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 proporciona una lista detallada de los pasos a realizar para la fabricación, control y evaluación del rendimiento de escalada de un robot blando inspirado en gecko.

Abstract

Este protocolo presenta un método para la fabricación, control y evaluación del rendimiento de un robot blando que puede escalar superficies planas inclinadas con pendientes de hasta 84o. El método de fabricación es válido para los actuadores de flexión pneunet rápidos en general y, por lo tanto, podría ser interesante para los recién llegados al campo de la fabricación de actuadores. El control del robot se logra mediante una caja de control neumático que puede proporcionar presiones arbitrarias y se puede construir utilizando sólo componentes comprados, un cortador láser y un soldador. Para el rendimiento de marcha del robot, la calibración del ángulo de presión juega un papel crucial. Por lo tanto, se presenta un método semiautomático para la calibración del ángulo de presión. A inclinaciones altas (> 70o), el robot ya no puede fijarse de forma fiable al plano de marcha. Por lo tanto, el patrón de marcha se modifica para garantizar que los pies se pueden fijar en el plano de marcha.

Introduction

La interacción entre humanos y máquinas está cada vez más cerca. La creciente densidad de robots en empresas y hogares plantea nuevos desafíos para la tecnología robótica. Con frecuencia, los peligros se excluyen por métodos de separación, pero en muchas áreas, especialmente en los hogares, esta no es una solución satisfactoria. La robótica blanda aborda este problema mediante el uso de propiedades de materiales blandos y estructuras para desarrollar nuevos tipos de máquinas que se comportan como organismos vivos1,por lo que los robots blandos a menudo se inspiran en los modelos biológicos2. La mayoría de los robots blandos se pueden clasificar en dos tipos diferentes: robots móviles y robots diseñados para el agarre y la manipulación3. Para los robots móviles blandos, los principios típicos de la locomoción son gatear, caminar, correr, saltar, volar y nadar4. Otro campo interesante de aplicación para robots blandos es la escalada – una combinación de locomoción y adhesión5. Las máquinas blandas son muy robustas y no pueden dañar su entorno debido a su suavidad. Esta característica predestina a esta clase de robots para la escalada, ya que pueden sobrevivir fácilmente a una caída. En consecuencia, la literatura ofrece varios ejemplos de robots blandos capaces de escalar6,,7,,8.

El objetivo de este protocolo es proporcionar un método para fabricar, controlar y evaluar el rendimiento de un robot blando de escalada inspirado en gecko9. Su diseño se basa en el uso de actuadores de flexión suave pneunet rápidos10 hechos de elastómero. Sin embargo, también se podría utilizar otro diseño y/o material de actuador suave. La literatura ofrece una amplia gama de diferentes diseños de actuadores blandos11 y materiales adecuados12. El método de fabricación presentado es similar a los métodos existentes13, pero incluye algunas modificaciones que resultan en una mayor repetibilidad y robustez, al menos en el caso del robot de escalada blanda9. El método es válido para los actuadores de flexión pneunet rápidos en general y, por lo tanto, podría ser interesante para los recién llegados al campo de la fabricación de actuadores.

Para el control de robots blandos accionados neumáticos, la literatura proporciona diferentes soluciones. Abarca desde placas de control de bajo costo y fáciles de replicar13 hasta potentes pero más complejas placas14,que no se pueden reconstruir sin herramientas especiales. Aquí, se proporciona una breve descripción para la construcción de una caja de control neumático utilizando sólo un cortador láser y un soldador. La caja de control permite el suministro de cualquier presión y ofrece retroalimentación sensorial en tiempo real, que es especialmente importante para aplicaciones robóticas. Sin embargo, también se puede utilizar para muchas otras aplicaciones.

Protocol

1. Impresión de moldes Descargue los datos *.stl para moldes de los datos complementarios 1 “CAD/Moulds/”. Utilice el software de corte específico de la impresora para convertir los modelos 3D en un trabajo de impresión. Imprima los moldes con una impresora 3D. Limpie los moldes impresos poniéndolos durante 15 minutos en un baño ultrasónico. Coloque los moldes durante al menos 3 horas en una cámara UV. 2. Preparación del elastómero Reúna lo siguiente antes de comenzar este paso: elastómero (parte A y parte B), espátula, copa de plástico, molde, báscula de peso, jeringa de plástico, abrazaderas de tornillo (o similares), placa de vidrio acrílico con dos orificios correspondientes, cuchillo de corte. Mezclar la parte A y la parte B del elastómero en una proporción de 1:9 en una taza. Coloque la taza en una máquina de pesaje. Primero, agregue 5 g de la parte B (rojo oscuro). Luego, usando una espátula, agregue 45 g de la parte A (blanca y viscosa).NOTA: Asegúrese de que la precisión del pesaje es de 1 g. 50 g es suficiente para un actuador. La mejor manera de porciones parte de la parte A es tomar una espátula y dejar que drene. Aproximadamente 6 g por operación de drenaje es posible con la espátula utilizada. Siga revolviendo hasta que no se visiblen más áreas blancas o rojas en el borde de la copa. Coloque la copa durante 15 minutos en una cámara de vacío para eliminar el aire que queda atrapado en el elastómero debido al proceso de agitación. Llene el elastómero mezclado en una jeringa de plástico. Esto permite que el elastómero se posicione con mucha más precisión.NOTA: La figura complementaria 1 ilustra los pasos de procesamiento descritos en esta sección. 3. Fabricación de la parte superior (parte base) Sujete una placa de vidrio acrílico con dos orificios correspondientes en el molde. Inserte la jeringa en el orificio inferior y presione el elastómero en el molde. Aplique fuerza a la jeringa empujando el émbolo hasta que el elastómero mezclado salga del orificio superior. Afloje las abrazaderas del tornillo y tire de la placa de vidrio acrílico hacia los lados.NOTA: Es importante tirar hacia un lado y no hacia arriba. De lo contrario, el elastómero será sacado del molde. Perfore las burbujas de aire en aumento con una herramienta afilada. No pinte demasiado profundamente, ya que esto creará nuevas burbujas de aire en lugar de eliminar las existentes. Es especialmente importante perforar las burbujas más grandes, ya que estas más tarde afectarán significativamente la funcionalidad del actuador.NOTA: Opcionalmente, evacúe el molde lleno en la cámara de vacío para eliminar el aire que aún esté atrapado. Al hacerlo, sin embargo, puede suceder que las burbujas de aire en ascenso se atasquen en el molde en su camino a la superficie y crean agujeros en la fundición en áreas funcionalmente relevantes. La Figura Complementaria 2 ilustra este fenómeno. Poner el molde en el horno a 65 oC durante 30 min. Compruebe después de 10 minutos si el nivel del elastómero ha disminuido significativamente. Esto sucede si el molde no está completamente apretado o se ha doblado ligeramente debido al uso frecuente. Si el nivel ha bajado más de 1 mm, rellene el elastómero. Entonces, continúe curando. Después de un total de 30 minutos en el horno, sacar el molde y cortar el elastómero extruido con un cuchillo de corte. Abra el molde desmontando con un destornillador. Tenga cuidado de no dañar superficies relevantes para la fundición. Retire el actuador casi terminado de la parte del molde a la que se había pegado en el paso anterior.NOTA: Aquí se puede realizar una primera comprobación visual para ver si la fundición se realizó correctamente. Si se encuentran defectos irreparables (véase la Figura complementaria 3), el proceso de fabricación debe detenerse aquí. Los agujeros más pequeños se pueden reparar más tarde. También es importante que el labio de sellado sea lo más pronunciado posible sobre toda su circunferencia. Corte las rebabas salientes con un cuchillo de corte. Esto a veces es muy laborioso, pero esencial para un buen resultado final.NOTA: La figura complementaria 4 ilustra los pasos de procesamiento descritos en esta sección. Los pasos descritos son válidos para la fundición de las cuatro patas (el molde se puede encontrar en el archivo suplementario 1 “CAD/Moulds/small_leg_schwalbe*.stl”) y las dos partes base del torso (“CAD/Moulds/small_belly*.stl”). Para fundir las ventosas (pies del robot, que se encuentran en “CAD/Moulds/suctionCup*.stl”) o en la parte inferior del torso (“CAD/Moulds/small_torso_base1*.stl”), lleve a cabo los mismos pasos de proceso, con la excepción de los pasos 3.1 y 3.3, ya que estos moldes para fundición tienen un puerto incorporado para la jeringa y, por lo tanto, no se requiere ninguna placa de vidrio acrílica adicional. En total, construir cuatro partes base de la pierna, dos partes base del torso, una parte inferior del torso, y cuatro ventosas. 4. Fabricación de la parte inferior (parte inferior) Empuje un tubo de silicona a través de los orificios previstos para este propósito en el molde de la parte inferior, véase la Figura complementaria 5. Llene el molde de la parte base con elastómero y distribúyalo con la pequeña espátula hasta las esquinas.NOTA: El nivel del elastómero no debe ser superior a 5 mm y no inferior a 4 mm y debe cubrir completamente el tubo embebido. El molde para la parte inferior de las patas se puede encontrar en El archivo suplementario 1 “CAD/Moulds/small_base_schwalbe.stl”. Poner el molde en el horno durante 15-20 minutos para el curado. Para los pasos siguientes, es necesario que la parte inferior permanezca en el molde por el tiempo que se une con la parte superior. 5. Unión de la base y la parte inferior Llene el molde de la parte inferior con elastómero de modo que el nivel sea de 1-1,5 mm por encima del elastómero ya endurecido. Inserte una cánula de mariposa en la parte base y marque el sitio de punción para que se pueda encontrar más fácilmente más tarde. Este paso es necesario para permitir que el aire en expansión en el horno escape. Coloque la parte base en el molde inferior y presione sólo los lados ligeramente en el baño de elastómero. Coloque el actuador en el horno durante 10-15 minutos y retire el molde después.NOTA: Debe ser fácil quitar el actuador del molde. Si no lo hace, el elastómero aún no está completamente curado (en este caso, aumentar el tiempo de curado en 10 minutos más) o la parte inferior está atascada en el molde (en este caso, se debe tirar más fuerte). Pero en general, es una mala señal si el actuador no se puede liberar fácilmente. Conecte una fuente de presión utilizando el sitio de punción del paso 5.2 y realice la prueba de fuga final, consulte la Figura complementaria 6.NOTA: Si hay pequeñas fugas, se pueden reparar. Aplicación de un poco de elastómero con una pequeña espátula y 10 minutos en el horno debe arreglar la fuga. Si se fijan todas las fugas, el actuador está listo. La Figura complementaria 6 ilustra los pasos de procesamiento descritos en esta sección y la Figura complementaria 7 ilustra todo el proceso descrito en las Secciones 3–5. Para unir la base y la parte inferior del torso, realice los mismos pasos, con excepción del paso 5.1, donde no se rellena el molde, sino la parte inferior directamente. 6. Unión de todas las extremidades Fije las piezas que se van a unir con una aguja de pasador en una tabla de madera para que puedan mantenerse juntas en el siguiente paso del proceso. Cubra la superficie de unión con elastómero como se muestra en la Figura Suplementaria 8A. Asegúrese de que la superficie de unión esté limpia y libre de grasa. De lo contrario, las partes se delaminarán en este punto. Coloque el conjunto (ver Figura suplementaria 8B) durante 10-15 minutos en el horno. 7. Montaje de entradas de tubos de suministro Amplíe el punto de inserción de la cánula de mariposa desde el paso 5.2 más mediante el uso de una tecla Allen de 1 mm. Coloque el extremo de un tubo de silicona con un diámetro exterior máximo de 3 mm sobre el orificio y presiónelo con la tecla Allen. Selle la entrada con un poco de elastómero. Esto también protege contra el estrés mecánico. Coloque el conjunto durante 10 minutos en el horno.NOTA: La figura complementaria 9 ilustra los pasos de procesamiento descritos en esta sección. 8. Construcción de la caja de control Descargue los dibujos *.dxf correspondientes de la carcasa de Supplementary Data 1 “CAD/ControlBox/” y córtelos en un cortador láser. Ensamble la “Unidad de interfaz de usuario” en el panel frontal de acuerdo con la Figura Complementaria 10A y la Figura Complementaria 11. Construya las seis “Unidades de Válvula” de acuerdo con la Figura Suplementaria 10B y la Figura Suplementaria 12. Ensamble las seis “Unidades de válvula” y la “Unidad de interfaz de usuario” en el panel inferior de acuerdo con la Figura Complementaria 10C, figura complementaria 13 y Figura complementaria 14. Ensamble los dos paneles laterales y el panel posterior. Por último, montar el panel superior. Configure los dos equipos de una sola placa incrustados en el cuadro de control de acuerdo con el archivo suplementario 1 y cargue la carpeta completa “Código” (incluidas todas las subcarpetas) proporcionada en los datos complementarios 2 en ambos tableros. Cargue el script “Code/arduino_p_ctr.ino” proporcionado en los datos complementarios 2 en los seis microcontroladores incrustados en el cuadro de control. 9. Construir un banco de pruebas con sistema de medición integrado Descargue el dibujo *.dxf correspondiente del soporte de la cámara de Los datos suplementarios 1 “CAD/TestBench/” y córtelo en un cortador láser. Descargue los archivos *.stl correspondientes de las abrazaderas de Datos Suplementarios 1 “CAD/TestBench” e imprímalos en una impresora 3D. Montar el soporte de la cámara con las abrazaderas en un panel de póster DIN-A1 de acuerdo con la figura suplementaria 15 y montar la cámara y un ordenador de una sola placa en la ubicación deseada. Configure la interfaz Ethernet y la configuración SSH del ordenador de placa única de acuerdo con las Secciones 4–5 del Archivo Suplementario 1 y cargue la carpeta completa “Código” (Datos Suplementarios 2) en la placa. 10. Configuración de todo el sistema Cree una red local y asigne la dirección IP correcta desde el script “Code/main.py” a todos los equipos de placa única y al equipo utilizado para la supervisión, o vuelva a escribir el script en consecuencia. Inserte las agujas del pasador en ambos extremos del torso como se muestra en la Figura Suplementaria 16,de modo que el robot sólo entre en contacto con el plano de caminata con los pasadores y sus pies (ventosas). Imprima los marcadores visuales15 proporcionados en el archivo suplementario 2 en una hoja DIN-A4 y córtelos con una tijera. Fije los marcadores al robot utilizando agujas de pasador de acuerdo con la Figura Complementaria 17. Conecte el robot a la caja de control.NOTA: La Figura 1 ilustra el cableado de todo el sistema. 11. Funcionamiento de la caja de control Encienda el interruptor principal de la caja de control y espere hasta que todo se arranque. Inicie sesión en el equipo principal de una sola placa como “raíz” mediante SSH, vaya a la carpeta “Código” e inicie el cuadro de control con el comando “root@beaglebone:- python3 main.py”. Al mismo tiempo, inicie el monitor en el ordenador personal con el comando “user@pc:- python2 monitor.py”.NOTA: Ambos programas deben iniciarse más o menos al mismo tiempo. El programa “main.py” que se ejecuta en el ordenador de placa única de la caja de control intenta conectarse al ordenador personal utilizado para la supervisión. Si no hay ningún puerto de escucha en el ordenador personal (activado por el script “monitor.py”), el monitor no se iniciará. A excepción de “monitor.py”, todos los programas/scripts utilizados en este protocolo están diseñados para ejecutarse con python3. Conecte una fuente de presión a la caja de control (máx. 1,2 bar). Conecte una fuente de vacío a la caja de control. 12. Calibración del robot Coloque el robot en el plano de paseo del banco de pruebas. Para inclinaciones pronunciadas, coloque una cuerda entre el frente del robot y la parte superior del avión andante para mantener el robot en su lugar. En el cuadro de control, active el modo “pattern reference” pulsando el botón “mode 2″como se muestra en la figura suplementaria 18. Desplácese por el menú que se muestra en la pantalla LCD utilizando los botones arriba y abajo hasta que encuentre la entrada “clb”. A continuación, pulse el botón Intro. Desplácese por el siguiente menú hasta la entrada “mode_4.csv” y pulse el botón”enter”. En el monitor, pulse el botón “record” como se muestra en la figura complementaria 19.NOTA: Al pulsar el botón “record” se creará automáticamente un archivo *.csv en el equipo de supervisión en la ubicación especificada en “Code/Src/GUI/save.py:save_last_sample_as_csv()”, que es la carpeta “current_exp” (se proporcionan medidas de ejemplo en Datos suplementarios 3). En el cuadro de control, pulse el botón “función 1” para iniciar el procedimiento de calibración. Después de la calibración, pulse el botón “record” en el monitor para detener la grabación y el botón “function 1” en la caja de control para detener el controlador de presión. Cambie el nombre del archivo “current_exp/*.csv” creado automáticamente para que pueda identificarse de forma única más adelante. Ejecute el script “Calibration/eval_clb.py” proporcionado en los datos complementarios 4 y almacene la salida (coeficientes del ajuste polinómico) en el archivo “Code/Src/Controller/calibration.py” como una entrada con la palabra clave “[versión del robot]” dentro del diccionario existente. 13. Creación de un patrón de marcha Ejecute el script “Code/Patterns/create_pattern.py” y almacene los archivos *.csv con salida en la carpeta “Code/Patterns/[robot version]/”.NOTA: Este script convierte el patrón de marcha predefinido para la marcha recta8 (consulte la Figura complementaria 20A o Animación suplementaria 1) formulado en referencias angulares en referencias de presión específicas del robot. Para generar un patrón de marcha para inclinaciones pronunciadas, modifique el script asignando el comentario de la línea 222. Esto generará un patrón según la Figura Suplementaria 20B o Animación Suplementaria 2. La interfaz para las referencias de patrón proporcionadas por el cuadro de control consta de archivos *.csv donde cada fila define un punto de ajuste discreto para todos los actuadores. En ella, las primeras ocho columnas definen las presiones de referencia, las cuatro columnas siguientes definen las referencias para las válvulas de acción directa y la última columna define la hora en que se debe mantener este punto de ajuste. Sincronice el ordenador de una sola placa en la caja de control con el ordenador personal, es decir, cargue la carpeta “Code/Pattern/*” en la placa. Para ello, el programa “main.py” tiene que ser interrumpido (Ctrl+C). 14. Llevar a cabo el experimento de escalada Realice los pasos 11–13 para cada inclinación a probar. Coloque el robot en el punto marcado en el plano a pie. Seleccione una referencia de patrón como se describe en los pasos 12.2–12.4, pero seleccione en el primer menú la “versión de robot” deseada (en lugar de “clb”), y en el segundo menú la referencia de patrón de acuerdo con la inclinación actual (en lugar de “mode_4.csv”). Comience a grabar como se describe en el paso 12.5. Pulse el botón “function 1” para activar el controlador de presión. Deje que el robot camine/suba durante al menos 6 ciclos. Detenga la grabación pulsando el botón”grabar”en el monitor (como en el paso 12.7). Asegúrese de que el robot no se caiga al ejecutar el siguiente paso. Detenga el controlador de presión pulsando de nuevo el botón “función 1”. Esto también detendrá el suministro de vacío, y en consecuencia el robot caerá. Mueva el archivo *.csv grabado a la carpeta “ExpEvaluation/[robot version]/[pattern type]/[inclination]/”.NOTA: Repita cada ejecución al menos cinco veces para tener una base sólida para el siguiente paso. 15. Evaluación del experimento Ejecute el script “ExpEvaluation/eval_vS11_adj_ptrn.py” proporcionado en Datos suplementarios 5 para significar automáticamente todos los datos de medición.NOTA: Este script genera la pista de todos los pies, la presión aplicada en el tiempo, el ángulo de flexión medido de todas las extremidades a lo largo del tiempo, la velocidad del robot a lo largo del tiempo, la orientación del robot a lo largo del tiempo, la velocidad media sobre la inclinación (cf. Figura 2A),y una aproximación de la energía utilizada sobre la inclinación (cf. Figura 2B).

Representative Results

El protocolo presentado da como resultado tres cosas: un robot de escalada suave, una caja de control universalmente aplicable y una estrategia de control para el movimiento recto del robot que aumenta su capacidad de escalar y al mismo tiempo disminuye su energía consumida. La caja de control descrita en la Sección 8 permite un suministro continuo de cualquier nivel de presión deseado en hasta seis canales (ampliables a ocho) y adicionalmente en cuatro canales el suministro de vacío (ampliable según sea necesario). La “Unidad de interfaz de usuario” permite al usuario operar fácilmente la caja de control en tiempo de ejecución y la interfaz al monitor permite que los datos medidos se vean y guarden directamente como un archivo csv. El modo de referencia de patrón del cuadro de control proporciona al usuario una interfaz intuitiva para bucle de patrones predefinidos. Este puede ser el patrón de marcha del robot, como en este protocolo, o se puede utilizar para las pruebas de fatiga del actuador, o cualquier otra aplicación que requiera carga cíclica. La Figura 1 muestra todos los componentes de hardware ensamblados en la caja de control y el sistema de medición y cómo están conectados. El patrón de marcha para el movimiento recto del robot está formulado en referencias angulares8. Para operar el robot, esas referencias angulares deben convertirse en referencias a presión. La estrategia de control utilizada en este protocolo se basa en una calibración de presión angular previa. Cada método de calibración da como resultado una curva de presión alfa diferente. Por lo tanto, es necesario adaptar el procedimiento de calibración a las condiciones reales de funcionamiento en la medida de lo posible. Al cambiar el ángulo de inclinación del plano de marcha, las condiciones de funcionamiento también cambian. Por lo tanto, la curva de ángulo-presión debe ser recalibrada para cada inclinación. La Figura 2A muestra la velocidad del robot para varias inclinaciones con una calibración sin cambios y una curva de presión angular recalibrada. El experimento muestra claramente la eficacia de la recalibración. El robot recalibrado no sólo es mucho más rápido, sino que también es capaz de escalar inclinaciones más pronunciadas (84o en lugar de 76o) mientras consume menos energía9 como se muestra en la Figura 2B. En la Figura 3,se muestra una serie de fotografías del movimiento del robot para una inclinación de 48o. La figura ilustra claramente que el rendimiento de escalada con recalibración que se muestra en la Figura 3B es mucho mejor que con la calibración sin cambios que se muestra en la Figura 3A, ya que el cambio de posición dentro del mismo intervalo de tiempo es casi el doble de grande. Este robot puede moverse muy rápido en comparación con otros robots blandos. Qin et al.7 resumen las velocidades hacia adelante de varios robots blandos. Sin carga útil y en el plano horizontal, el robot descrito en este protocolo es cinco veces más rápido en relación con la longitud del cuerpo que el robot más rápido en Ref.7. Figura 1: Diagrama de componentes de hardware ensamblados en la caja de control. En ella se denota la referencia de presión para el canal i-és, ui la señal de control de la válvula proporcional i-th, el vector que contiene las referencias angulares, el vector que contiene las mediciones de ángulo, x el vector que contiene las mediciones de posición, y ƒ vector que contiene las señales de control para las válvulas solenoides de acción directa, es decir, los estados de fijación de los pies. LA interfaz de usuario es la abreviatura de “User Interface Unit”, BBB es una abreviatura de BeagleBone Black, es decir, el ordenador de una sola placa utilizado en la caja de control, y RPi es la abreviatura de Raspberry Pi, es decir, el ordenador de una sola placa utilizado en el sistema de medición. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 2: Evaluación del rendimiento de escalada. Las curvas discontinuas muestran los valores de las curvas constantes y sólidas para las referencias de presión recalibradas. (A) Velocidad de avance del robot para varios ángulos de inclinación. (B) Consumo de energía para diversos ángulos de inclinación. Esta figura está adaptada de la Ref.9. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 3: Serie de fotos del movimiento del robot con una inclinación de 48o. El tiempo transcurrido entre cada foto es de 1,2 s. (A) Movimiento para referencias de presión constante y (B) el movimiento para referencias de presión recalibradas. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura complementaria 1: Preparación del elastómero. Haga clic aquí para descargar esta figura. Figura complementaria 2: Comparación de la formación de burbujas de aire durante la evacuación antes y después de la fundición. (A) La evacuación del elastómero se realiza sólo antes de la fundición. Las burbujas de aire atrapadas permanecen en su lugar, pero están más en el área de los baches, lo que no afecta en gran medida a la funcionalidad del actuador. (B) La evacuación se realiza antes y después de la fundición. Las burbujas de aire atrapadas se elevan, pero se atascan de nuevo en la parte superior de los puntales y crean agujeros en el actuador que pueden afectar a la funcionalidad. Haga clic aquí para descargar esta figura. Figura complementaria 3: Ejemplos de conversiones curadas exitosas y sin éxito. La fila superior muestra ejemplos correctos y ejemplos sin éxito en la fila inferior. Si el defecto no es claramente reconocible, se marca con un círculo verde. Haga clic aquí para descargar esta figura. Figura complementaria 4: Fabricación de la pieza base. Haga clic aquí para descargar esta figura. Figura complementaria 5: Esquema para la fabricación de la parte inferior. Un tubo (que más tarde se utiliza como el tubo de suministro para la ventosa) se sujeta en el molde antes de la fundición. Luego, el molde se llena de elastómero líquido. Haga clic aquí para descargar esta figura. Figura complementaria 6: Unión de la base y la parte inferior. Haga clic aquí para descargar esta figura. Figura complementaria 7: Fundición de laminación de un actuador de flexión suave. El elastómero líquido se representa en rojo, elastómero curado en rojo claro, y la capa de limitación de tensión, así como los moldes en negro. (A) Elastómero mixto se vierte en dos moldes separados: uno para la parte base y otro para la parte inferior. Por lo tanto, la parte inferior sólo está medio llena. A continuación, se inserta una capa de limitación de tensión (tubo de suministro) en el molde de la parte inferior. (B) Las piezas se curan y la parte base se demolda. (C) El molde de la parte inferior se llena hasta la parte superior con elastómero líquido. (D) La pieza base se sumerge en este molde. (E) Las dos partes se curan juntas. (F) El actuador está desmolado. Esta cifra se basa en la referencia13. Haga clic aquí para descargar esta figura. Figura complementaria 8: Unión de todas las extremidades. (A) Cubrir las superficies a unir con elastómero fluido. (B) Vista renderizada del ensamblaje completo. Haga clic aquí para descargar esta figura. Figura complementaria 9: Montaje de las entradas del tubo de alimentación. Haga clic aquí para descargar esta figura. Figura complementaria 10: Fotografías de la caja de control. (A) Vista frontal de la unidad de interfaz de usuario para permitir al usuario interactuar con el robot. (B) Vista de detalle de una unidad de válvula. (C) Vista superior de todo el cuadro de control. Haga clic aquí para descargar esta figura. Figura complementaria 11: Diagrama de circuito de la unidad de interfaz de usuario. Haga clic aquí para descargar esta figura. Figura complementaria 12: Diagrama de circuito de la unidad de válvulas. Haga clic aquí para descargar esta figura. Figura complementaria 13: Diagrama de circuito simplificado de toda la caja de control. Haga clic aquí para descargar esta figura. Figura complementaria 14: Diagrama de pines usados de los equipos de placa única incrustados en el cuadro de control. (A) Pines usados de la placa necesarios para la comunicación del usuario. (B) Pines usados de la placa necesarios para el control del robot. Haga clic aquí para descargar esta figura. Figura complementaria 15: Vista renderizada del plano de paseo con sistema de medición instalado. Haga clic aquí para descargar esta figura. Figura complementaria 16: Visualización del efecto de elevación. Las agujas de pasador con cabezales de 6 mm se insertan en ambos extremos del torso. Esto minimiza la fricción durante la marcha y hace que las ventosas tengan contacto completo con el plano de caminata. Haga clic aquí para descargar esta figura. Figura complementaria 17: Montaje de los marcadores visuales. Los marcadores se montan en el robot mediante el uso de agujas de pasador. El marcador 0 está montado en el pie delantero izquierdo, el marcador 1 en la parte delantera del torso, el marcador 2 en el pie derecho delantero, el marcador 3 en el pie izquierdo trasero, el marcador 4 en la parte posterior del torso y el marcador 5 en el pie derecho trasero. Para el montaje del marcador 4, se utilizan agujas de tres pines Esta figura se adapta de la referencia9. Haga clic aquí para descargar esta figura. Figura complementaria 18: Leyenda de los botones del cuadro de control. Haga clic aquí para descargar esta figura. Figura complementaria 19: Leyenda de los botones de la interfaz gráfica de usuario. Haga clic aquí para descargar esta figura. Figura complementaria 20: Patrones de gait para el movimiento recto del robot. Los pies fijos se indican mediante círculos rellenos y pies sin fijar por círculos sin rellenar. (A) Patrón de gait para ángulos de inclinación bajos y moderados (< 70o). (B) Patrón de gait para inclinaciones altas (> 70o). El vacío se aplica a los pies llenos de rojo y negro. Los pies rellenos de negro se fijan al suelo, mientras que los pies rojos no necesariamente tienen que serlo. Con el fin de asegurar la fijación, el pie a fijar se balancea hacia adelante y hacia atrás una vez. Esta figura está adaptada de la Ref.9. Haga clic aquí para descargar esta figura. Figura complementaria 21: Vista de explosión renderizada del robot de escalada suave. Las colas de milano se encuentran en las piernas y las llaves correspondientes en los extremos del torso. Esto hace que el proceso de unión sea mucho más preciso. Esta figura está adaptada de la Ref.9. Haga clic aquí para descargar esta figura. Figura complementaria 22: Diferentes procedimientos de calibración para la determinación de la curva de ángulo de presión. Cada subfigura muestra el curso de presión cualitativa y las instantáneas de la pose del robot correspondiente. (A) Cada actuador se infla continuamente a partir de 0 bar hasta 1 bar, mientras que todos los demás permanecen sin presión. (B) Se aplica una meseta de presión a un solo actuador para 3 s; entonces, se desinfla completamente durante 2 s. En la siguiente ronda, el nivel de la meseta de presión se incrementa por el incremento hasta que la meseta alcanza 1 bar. Esto se hace para cada actuador individualmente. (C) El mismo procedimiento que en el modo 2, pero aquí, se aplica la misma meseta a los actuadores (0,3,4), respectivamente, a los actuadores (1,2,5), al mismo tiempo. (D) El mismo procedimiento que en el modo 3, pero las mesetas para actuadores (0,3) están comenzando en 0 bar (como antes) y terminando en 1,2 bar (en lugar de 1 bar). Básicamente, el incremento para los actuadores (0,3) aumenta ligeramente, mientras que los incrementos para los otros actuadores siguen siendo los mismos. Haga clic aquí para descargar esta figura. Figura complementaria 23: Curvas de presión angular para diferentes procedimientos de calibración. Haga clic aquí para descargar esta figura. Animación Suplementaria 1: Animación de la marcha recta del robot. Haga clic aquí para descargar este archivo. Animación Suplementaria 2: Animación de la marcha de escalada del robot. Haga clic aquí para descargar este archivo. Archivo suplementario 1: Instrucciones para configurar los equipos de placa única. Haga clic aquí para descargar este archivo. Archivo suplementario 2: Imprimir plantilla para los marcadores visuales. Haga clic aquí para descargar este archivo. Datos suplementarios 1: Archivos CAD. Esta carpeta comprimida contiene los *.stl-files para imprimir los moldes, los *.dxf-files para cortar por láser la carcasa de la caja de control, los *.stl-files para imprimir las abrazaderas utilizadas para el sistema de medición y el *.dxf-file para cortar por láser el marco del sistema de medición. Haga clic aquí para descargar este archivo. Datos suplementarios 2: Código para ejecutar en los equipos de una sola placa. Esta carpeta comprimida contiene los programas y sus fuentes que se ejecutan en la placa utilizada para la “Unidad de interfaz de usuario”, la placa utilizada para el control de robots y la placa utilizada para el procesamiento de imágenes. Cargue la carpeta completa en los tres tableros. Haga clic aquí para descargar este archivo. Datos complementarios 3: Datos de medición ejemplares. Esta carpeta comprimida contiene dos archivos *.csv generados durante el procedimiento de calibración. Haga clic aquí para descargar este archivo. Datos suplementarios 4: Script de calibración. Esta carpeta comprimida zip contiene la secuencia de comandos python y sus fuentes para evaluar los datos de medición generados durante el procedimiento de calibración. Haga clic aquí para descargar este archivo. Datos suplementarios 5: Script de evaluación. Esta carpeta comprimida contiene dos scripts de Python y sus fuentes para evaluar los datos de medición generados durante el experimento de escalada. Además, contiene todos los datos de medición utilizados para la generación de la Figura 2. Haga clic aquí para descargar este archivo.

Discussion

El protocolo presentado incluye muchos aspectos diferentes relacionados con el robot blando de escalada de la referencia9,incluyendo la fabricación, el control, la calibración y la evaluación del rendimiento. A continuación, los pros y los contras resultantes del protocolo se discuten y estructuran de acuerdo con los aspectos mencionados anteriormente.

El método de fabricación presentado se basa fuertemente en la literatura existente10,13. Una diferencia sustancial es el diseño del actuador. Para unir las extremidades individuales, se insertan guías de cola de milano en los puntos apropiados, como se muestra en la Figura complementaria 21. Esto da como resultado una conexión mucho más precisa y robusta entre las extremidades en comparación con el diseño anterior del robot8. Además, los tubos de suministro están incrustados en la parte inferior de los actuadores. Este diseño integrado permite que las ventosas se suministren con vacío y al mismo tiempo hace que la capa inferior ya no sea elástico, lo que aumenta significativamente el rendimiento del actuador. Otra diferencia con el procedimiento descrito en la literatura es que el elastómero mixto es evacuado sólo una vez (inmediatamente después de la mezcla). Muchas fuentes recomiendan evacuar el elastómero dos veces: una vez después de la mezcla y una vez después de que se ha llenado en el molde. Puede suceder que el aire permanezca atrapado en espacios muy pequeños. En la cámara de vacío, este aire se expande y en el mejor de los casos se eleva a la superficie. A menudo, sin embargo, estas burbujas de aire se atascan en su camino, creando agujeros desagradables en la fundición terminada. Aquí, se debe tomar una decisión sobre lo que es más importante: contornos perfectos en la parte inferior de la parte base o el menor riesgo posible de producir un actuador no funcional (cf. Figura complementaria 2). En este protocolo, no se realiza ninguna segunda evacuación. En el procedimiento presentado, la altura de la parte inferior puede variar a medida que se llena manualmente, y, a diferencia de la parte base, no hay posibilidad de cortarla a una altura uniforme después del curado. Para asegurarse de que la altura de la parte inferior es lo más uniforme posible, se recomienda utilizar una jeringa al llenar el molde de la parte inferior y medir el volumen vertido. Sin embargo, dependiendo de cuánto tiempo haya transcurrido desde la mezcla, las propiedades de flujo del elastómero cambian significativamente. Por lo tanto, se recomienda utilizar siempre elastómero recién mezclado. La unión de la base y la parte inferior del actuador implica la mayor incertidumbre del proceso. Si el baño de elastómero es demasiado alto, lo más probable es que el canal de aire entre las cámaras también esté cubierto. Entonces, el actuador ya no se puede usar. Si el baño de elastómero es demasiado bajo, es posible que el labio de sellado no esté cubierto en toda su circunferencia y el actuador se escape. Por lo tanto, se necesita una cierta cantidad de práctica para dosificar el baño de elastómero correctamente. Importante para unirse en general es una superficie de unión libre de grasa. Si la superficie de unión está demasiado contaminada, el actuador terminado puede delaminarse. Por lo tanto, es esencial asegurarse de que las piezas sólo se tocan en superficies que no se van a unir. Una limitación importante del método de fabricación es el número de piezas a realizar. La producción de un solo actuador tarda al menos dos horas en total. Aunque es posible trabajar con varios moldes en paralelo, más de cuatro no es recomendable debido a restricciones de tiempo. La vida útil de la olla del elastómero es demasiado corta para poder llenar aún más moldes. Además, los moldes impresos en 3D solo soportan un número limitado de ciclos de producción (aprox. 10–20) antes de que se deformen o se rompan. Otra limitación son las incertidumbres del proceso ya discutidas. Dado que casi todos los pasos del proceso se realizan manualmente, cada actuador es un poco diferente. Esto puede conducir a dos robots que son idénticos en la construcción, pero muestran dos comportamientos muy diferentes.

Con la caja de control, se proporciona un método para controlar el robot. Sin embargo, para cada sistema neumático, las ganancias de control del script “Code/arduino_p_ctr.ino” deben determinarse individualmente. Esto no está cubierto en el protocolo. Sin embargo, el “modo de referencia de presión” de la caja de control permite un manejo lúdico del robot, por lo que la sintonización del controlador se puede hacer sin escribir varios scripts. Otra limitación de la caja de control es su costo, ya que el material cuesta alrededor de 7000 dólares estadounidenses en total. La literatura11 ofrece una instrucción de construcción para una caja de control que cuesta sólo unos 900 dólares estadounidenses y con algunas mejoras también podría ser utilizado para operar el robot.

Crítico para la calibración de los actuadores individuales es la elección del procedimiento de calibración. La Figura Complementaria 22 muestra el curso cualitativo de las referencias de presión a lo largo del tiempo para cuatro procedimientos diferentes y la Figura Suplementaria 23 muestra las curvas de presión de ángulo resultantes. Como se puede ver en este último, cada método de calibración da como resultado una curva de presión de ángulo diferente. Esto muestra que la relación entre la presión y el ángulo depende en gran medida de la carga que actúa sobre el actuador. Por lo tanto, el procedimiento de calibración debe reflejar la caja de carga real lo mejor posible. Por lo tanto, es necesario adaptar el procedimiento de calibración a las condiciones reales de funcionamiento en la medida de lo posible. El mejor rendimiento de marcha se obtiene con el procedimiento de calibración 4. Sin embargo, como se puede ver en la Figura 3B,las posturas posteriores de la serie no son completamente simétricas, lo que es un indicador del potencial de mejora en la calibración.

Crítico para el sistema de medición es el montaje de los marcadores visuales15 en la Sección 10. Dado que no se pueden montar directamente en los puntos deseados (porque los tubos interfieren), los puntos medidos deben ser desplazados artificialmente. Se debe tener especial cuidado al determinar este vector de desplazamiento (en coordenadas de píxel de la cámara); de lo contrario, toda la medición tendrá errores sistemáticos significativos. También debe asegurarse de que las etiquetas no se desplazan con el tiempo. Si esto sucede, por ejemplo, debido a una caída del robot, la etiqueta correspondiente debe volver a montarse en el mismo lugar exacto. En cualquier caso, se debe comprobar periódicamente si el sistema de medición sigue produciendo una salida fiable.

El factor limitante en el experimento es la fijación de los pies. Para poder escalar inclinaciones aún más pronunciadas, hay que reconsiderar el mecanismo de fijación. Actualmente, el robot no es capaz de empujar activamente sus pies contra el plano de caminar, y para altas inclinaciones, la fuerza normal causada por la gravedad es demasiado pequeña para llevar las ventosas lo suficientemente cerca del plano de caminar para asegurar una succión confiable.

El método de fabricación presentado se puede transferir a cualquier actuador de elastómero fluido y, por lo tanto, podría ser interesante para futuras aplicaciones. La caja de control presentada permite el control de cualquier sistema neumático que consta de seis actuadores individuales (ampliables hasta ocho), incluyendo plataformas robóticas, ya que requieren una rápida retroalimentación sensorial. Por lo tanto, podría ser utilizado como una plataforma universal para probar y controlar futuros robots. Por último, el método de calibración presentado puede ser, en principio, para cualquier sistema neumático controlado por avance de alimentación. En resumen, todos los métodos presentados son universales dentro del ámbito discutido.

Divulgaciones

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

A los autores les gusta dar las gracias a Fynn Knudsen, Aravinda Bhari y Jacob Muchynski por sus útiles discusiones y la inspiración.

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
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Referencias

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

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Citar este artículo
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).
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