Dit protocol biedt een gedetailleerde lijst van stappen die moeten worden uitgevoerd voor de productie, controle en evaluatie van de klimprestaties van een gekko-geïnspireerde zachte robot.
Dit protocol presenteert een methode voor de productie, controle en evaluatie van de prestaties van een zachte robot die hellende vlakke oppervlakken kan beklimmen met hellingen tot 84°. De productiemethode geldt voor de snelle pneunet buigactuatoren in het algemeen en kan daarom interessant zijn voor nieuwkomers op het gebied van actuatorproductie. De besturing van de robot wordt bereikt door middel van een pneumatische besturingskast die willekeurige druk kan leveren en kan worden gebouwd door alleen gekochte componenten, een lasersnijder en een soldeerbout te gebruiken. Voor de loopprestaties van de robot speelt de drukhoekkalibratie een cruciale rol. Daarom wordt een semi-geautomatiseerde methode voor de drukhoekkalibratie gepresenteerd. Bij hoge hellingen (> 70°) kan de robot zich niet meer betrouwbaar aan het loopvlak vastmaken. Daarom wordt het gangpatroon aangepast om ervoor te zorgen dat de voeten op het loopvlak kunnen worden bevestigd.
De interactie tussen mens en machine wordt steeds hechter. De toenemende robotdichtheid in bedrijven en huishoudens vormt nieuwe uitdagingen voor de robottechnologie. Vaak worden gevaren uitgesloten door scheidingsmethoden, maar op veel gebieden, vooral in huishoudens, is dit geen bevredigende oplossing. Zachte robotica pakt dit probleem aan door eigenschappen van zachte materialen en structuren te gebruiken om nieuwe soorten machines te ontwikkelen die zich gedragen als levende organismen1, daarom worden zachte robots vaak geïnspireerd door biologische modellen2. De meeste zachte robots kunnen worden ingedeeld in twee verschillende soorten: mobiele robots en robots ontworpen voor aangrijpen en manipulatie3. Voor zachte mobiele robots, typische motorische principes zijn kruipen, lopen, hardlopen, springen, vliegen en zwemmen4. Een ander interessant toepassingsgebied voor zachte robots is klimmen – een combinatie van bewegingsvrijheid en hechting5. Zachte machines zijn zeer robuust en kunnen hun omgeving niet beschadigen door hun zachtheid. Deze karakteristieke predestines deze robot klasse voor klimmen, omdat ze gemakkelijk kunnen overleven een val. De literatuur biedt dan ook verschillende voorbeelden van zachte robots die 6,7,,88kunnen beklimmen .
Het doel van dit protocol is om een methode te bieden voor de productie, controle en evalueren van de prestaties van een gekko-geïnspireerde, klimmen zachte robot9. Het ontwerp is gebaseerd op het gebruik van snelle pneunet soft bending actuatoren10 gemaakt van elastomeer. Er kan echter ook een ander ontwerp en/of materiaal van zachte actuator worden gebruikt. De literatuur biedt een breed scala aan verschillende ontwerpen van zachte actuatoren11 en geschikte materialen12. De gepresenteerde productiemethode is vergelijkbaar met bestaande methoden13, maar bevat enkele wijzigingen die resulteren in verhoogde herhaalbaarheid en robuustheid, althans in het geval van de zachte klimrobot9. De methode geldt voor snelle pneunet buigactuatoren in het algemeen en kan daarom interessant zijn voor nieuwkomers op het gebied van actuatorproductie.
Voor het beheersen van pneumatische geacteerde zachte robots biedt de literatuur verschillende oplossingen. Het varieert van goedkope en eenvoudig te repliceren bedieningsborden13 tot krachtige maar complexere boards14, die niet kunnen worden herbouwd zonder speciaal gereedschap. Hier wordt een korte beschrijving gegeven voor het bouwen van een pneumatische besturingskast met alleen een lasersnijder en een soldeerbout. De control box maakt het mogelijk om elke druk te leveren en biedt real-time zintuiglijke feedback, wat vooral belangrijk is voor robotica toepassingen. Het kan echter ook worden gebruikt voor vele andere toepassingen.
Het gepresenteerde protocol bevat veel verschillende aspecten met betrekking tot de klimzachte robot van Ref.9, waaronder productie, controle, kalibratie en prestatie-evaluatie. In het volgende worden de voor- en nadelen die voortvloeien uit het protocol besproken en gestructureerd volgens de bovengenoemde aspecten.
De gepresenteerde productiemethode is sterk gebaseerd op de bestaande literatuur10,13. Een wezenlijk verschil is het ontwerp van de actuator. Om zich aan de afzonderlijke ledematen te voegen, worden zwaluwstaartgeleiders op de juiste punten ingebracht, zoals weergegeven in aanvullend figuur 21. Dit resulteert in een veel preciezere en robuustere verbinding tussen de ledematen in vergelijking met het vorige ontwerp van de robot8. Bovendien zijn de aanvoerbuizen ingebed in het onderste deel van de actuatoren. Dit geïntegreerde ontwerp maakt het mogelijk om de zuignappen te voorzien van vacuüm en tegelijkertijd maakt de onderste laag niet meer rekbaar, wat de prestaties van de actuator aanzienlijk verhoogt. Een ander verschil met de procedure beschreven in de literatuur is dat de gemengde elastomeer slechts eenmaal wordt geëvacueerd (onmiddellijk na het mengen). Veel bronnen raden het evacueren van de elastomeer twee keer: een keer na het mengen en eenmaal nadat het is gevuld in de mal. Het kan gebeuren dat de lucht blijft gevangen in zeer kleine ruimtes. In de vacuümkamer zet deze lucht uit en stijgt in het beste geval naar het oppervlak. Vaak genoeg, echter, deze luchtbellen vast komen te zitten op hun weg, het creëren van onaangename gaten in de afgewerkte gieten. Hier moet een beslissing worden genomen over wat belangrijker is: perfecte contouren aan de onderkant van het basisdeel of zo min mogelijk risico van het produceren van een niet-functionele actuator (zie aanvullende figuur 2). In dit protocol wordt geen tweede evacuatie uitgevoerd. In de gepresenteerde procedure kan de hoogte van het onderste deel variëren omdat het handmatig wordt gevuld, en, in tegenstelling tot het basisdeel, is er geen mogelijkheid om het na het uitharden tot een uniforme hoogte te snijden. Om ervoor te zorgen dat de hoogte van het onderste deel zo uniform mogelijk is, wordt aanbevolen om een spuit te gebruiken bij het vullen van de mal van het onderste deel en om het volume te meten dat erin wordt gegoten. Echter, afhankelijk van hoeveel tijd is verstreken sinds het mengen, de stroom eigenschappen van de elastomeer aanzienlijk veranderen. Daarom wordt aanbevolen om altijd vers gemengde elastomeer te gebruiken. Het verbinden van de basis en het onderste deel van de actuator brengt de grootste procesonzekerheid met zich mee. Als het elastomeerbad te hoog is, zal het luchtkanaal tussen de kamers waarschijnlijk ook worden afgedekt. Dan is de actuator niet meer bruikbaar. Als het elastomeerbad te laag is, kan de afdichtingslip niet in de gehele omtrek worden bedekt en zou de actuator lekken. Daarom is een bepaalde hoeveelheid oefening nodig om het elastomeerbad correct te doseren. Belangrijk voor toetreding in het algemeen is een vetvrije verbinding oppervlak. Als het verbindingsoppervlak te verontreinigd is, kan de afgewerkte actuator delamineren. Daarom is het essentieel om ervoor te zorgen dat de onderdelen alleen worden aangeraakt op oppervlakken die niet moeten worden samengevoegd. Een belangrijke beperking van de productiemethode is het aantal te realiseren stukken. De productie van één actuator duurt in totaal minstens twee uur. Hoewel het mogelijk is om te werken met verschillende mallen parallel, meer dan vier is niet aan te bevelen als gevolg van tijdsdruk. De potlevensduur van het elastomeer is te kort om nog meer mallen te kunnen vullen. Bovendien zijn de 3D-geprinte mallen slechts bestand tegen een beperkt aantal productiecycli (ca. 10-20) voordat ze zeer vervormd raken of breken. Een verdere beperking is de reeds besproken procesonzekerheden. Aangezien bijna alle processtappen handmatig worden uitgevoerd, is elke actuator een beetje anders. Dit kan leiden tot twee robots die identiek zijn in de bouw, maar tonen twee zeer verschillende gedragingen.
Met de controlebox wordt een methode geleverd om de robot te bedienen. Niettemin moet voor elk pneumatisch systeem de controlewinst van het script “Code/arduino_p_ctr.ino” individueel worden bepaald. Dit valt niet onder het protocol. Echter, de “druk referentie modus” van de control box maakt een speelse behandeling van de robot, zodat controller tuning kan worden gemaakt zonder het schrijven van meerdere scripts. Een andere beperking van de control box is de kosten als het materiaal kost ongeveer 7000 US $ in totaal. De literatuur11 biedt een bouwinstructie voor een controledoos die slechts ongeveer 900 US$ kost en met sommige verbeteringen ook zou kunnen worden gebruikt om de robot te bedienen.
Cruciaal voor de kalibratie van de individuele actuatoren is de keuze van de kalibratieprocedure. Aanvullend figuur 22 toont het kwalitatieve verloop van de drukreferenties in de loop van de tijd voor vier verschillende procedures en aanvullende figuur 23 toont de resulterende hoekdrukcurven. Zoals te zien is in de laatste, elke methode van kalibratie resulteert in een andere hoek-druk curve. Dit toont aan dat de relatie tussen druk en hoek sterk afhankelijk is van de belasting die op de actuator werkt. Daarom moet de kalibratieprocedure de echte belastingsgeval zo goed mogelijk weergeven. Daarom moet de kalibratieprocedure zoveel mogelijk worden aangepast aan de werkelijke bedrijfsomstandigheden. De beste loopprestaties worden verkregen met kalibratieprocedure 4. Zoals echter te zien is in figuur 3B,zijn de daaropvolgende poses in de serie niet volledig symmetrisch, wat een indicator is voor het potentieel van verbetering van de kalibratie.
Cruciaal voor het meetsysteem is de montage van de visuele markeringen15 in sectie 10. Omdat ze niet direct op de gewenste punten kunnen worden gemonteerd (omdat de buizen interfereren), moeten de gemeten punten kunstmatig worden verschoven. Bij het bepalen van deze offsetvector (in pixelcoördinaten van de camera) moet bijzondere aandacht worden betraaand; anders zal de hele meting aanzienlijke systematische fouten bevatten. Er moet ook voor worden gezorgd dat de tags niet met de tijd worden verplaatst. Als dit gebeurt, bijvoorbeeld als gevolg van een val van de robot, moet de bijbehorende tag op exact dezelfde plaats opnieuw worden gemonteerd. In ieder geval moet regelmatig worden gecontroleerd of het meetsysteem nog steeds een betrouwbaar vermogen produceert.
De beperkende factor in het experiment is de fixatie van de voeten. Om nog steilere neigingen te kunnen beklimmen, moet het fixatiemechanisme worden heroverwogen. Momenteel is de robot niet in staat om actief zijn voeten tegen het loopvlak te duwen, en voor hoge hellingen is de normale kracht veroorzaakt door de zwaartekracht te klein om de zuignappen dicht genoeg bij het loopvlak te brengen om betrouwbare zuigkracht te garanderen.
De gepresenteerde productiemethode kan worden overgedragen naar elke fluidic elastomeeractuator en kan daarom interessant zijn voor toekomstige toepassingen. De gepresenteerde controlebox maakt de controle van elk pneumatisch systeem dat bestaat uit zes individuele actuatoren (uitbreidbaar tot acht), met inbegrip van robotplatforms als ze vereisen snelle zintuiglijke feedback. Daarom kan het worden gebruikt als een universeel platform voor het testen en besturen van toekomstige robots. Ten slotte kan de gepresenteerde kalibratiemethode in principe voor elk feed-forward gecontroleerd pneumatisch systeem zijn. Samengevat zijn alle gepresenteerde methoden universeel binnen de besproken scope.
The authors have nothing to disclose.
De auteurs willen Fynn Knudsen, Aravinda Bhari en Jacob Muchynski bedanken voor nuttige discussies en de inspiratie.
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 |