Gecko'dan Esinlenilmiş Yumuşak Robotun İmalatı, Kontrolü ve Performans Değerlendirmesi

1. Kalıpların basımı Kalıplar için *.stl verilerini Ek Veri 1 “CAD/Kalıplar/” adresinden indirin. 3B modelleri yazdırma işine dönüştürmek için yazıcıya özgü dilimleme yazılımını kullanın. Kalıpları 3B yazıcı kullanarak yazdırın. Bir ultrasonik banyoda 15 dakika koyarak baskılı kalıpları temizleyin. Bir UV odasında en az 3 saat için kalıpları koyun. 2. Elastomerin hazırlanması Bu adımı başlatmadan önce aşağıdakileri toplayın: elastomer (bölüm A ve bölüm B), spatula, plastik bardak, kalıp, ağırlık ölçeği, plastik şırınga, vida kelepçeleri (veya benzeri), iki ilgili delikli akrilik cam plaka, kesici bıçak. Bir fincan 1:9 oranında elastomer parçası A ve bölüm B karıştırın. Bardağı bir tartım makinesine yerleştirin. İlk olarak, bölüm B (koyu kırmızı) 5 g ekleyin. Daha sonra, bir spatula kullanarak, parça A (beyaz ve viskoz) 45 g ekleyin.NOT: Tartım doğruluğunun 1 g. 50 g olduğundan emin olun, bir aktüatör için yeterlidir. Bölüm A bölümü için en iyi yolu bir spatula almak ve drenaj izin vermektir. Kullanılan spatula ile drenaj işlemi başına yaklaşık 6 g mümkündür. Bardağın kenarında daha fazla beyaz veya kırmızı alan görünene kadar karıştırmaya devam edin. Karıştırma işlemi nedeniyle elastomer içinde sıkışıp hava kaldırmak için bir vakum odasına 15 dakika için fincan koyun. Karışık elastomeri plastik bir şırıngaya doldurun. Bu, elastomerin çok daha hassas bir şekilde konumlandırılmasını sağlar.NOT: Ek Şekil 1 bu bölümde açıklanan işleme adımlarını göstermektedir. 3. Üst kısmın imalatı (baz parçası) Kalıp üzerine karşılık gelen iki delik ile bir akrilik cam plaka kelepçe. Şırıngayı alt deliğe yerleştirin ve elastomeri kalıba bastırın. Karışık elastomer üst delikten çıkana kadar pistonu iterek şırıngaya kuvvet uygulayın. Vida kelepçelerini gevşetin ve akrilik cam plakayı yana doğru çekin.NOT: Yukarı değil, yana doğru çekmek önemlidir. Aksi takdirde, elastomer kalıp dışarı çekilir. Yükselen hava kabarcıklarını keskin bir aletle delin. Bu mevcut olanları kaldırmak yerine yeni hava kabarcıkları yaratacak gibi çok derin delinmeyin. Bu daha sonra önemli ölçüde aktüatör işlevselliğini etkileyecek gibi büyük kabarcıklar delmek için özellikle önemlidir.NOT: İsteğe bağlı olarak, vakum odasında ki dolu kalıbı boşaltın ve hala sıkışmış havayı çıkarın. Bunu yaparken, ancak, yükselen hava kabarcıkları yüzeye giderken kalıp sıkışmış ve işlevsel olarak ilgili alanlarda döküm delikler oluşturmak olabilir. Ek Şekil 2 bu olguya göstermektedir. Kalıbı 65 °C’de 30 dk fırında bekletin. Elastomer düzeyi önemli ölçüde düşmüş olup olmadığını 10 dakika sonra kontrol edin. Bu kalıp tamamen sıkı değilse veya sık kullanım nedeniyle hafifçe bükülmüş ise olur. Seviye 1 mm’den fazla düşmüşse, elastomeri yeniden doldurun. Sonra, tedavi devam edin. Fırında toplam 30 dakika sonra, kalıp çıkarmak ve bir kesici bıçak ile ekstrüzyon elastomer kesti. Bir tornavida ile ayrı levering tarafından kalıp açın. Döküm için ilgili yüzeylere zarar vermemeye dikkat edin. Bir önceki adımda sıkışmış olan kalıbın parçasından neredeyse tamamlanmış aktüatörçıkarın.NOT: Döküm başarılı olup olmadığını görmek için burada ilk görsel kontrol yapılabilir. Onarılamaz kusurlar bulunursa (bkz. Ek Şekil 3),üretim süreci burada durdurulur. Küçük delikler daha sonra onarılabilir. Sızdırmazlık dudağının tüm çevresi boyunca mümkün olduğunca belirgin olması da önemlidir. Çıkıntılı çapakları kesici bıçakla kesin. Bu bazen çok zahmetli, ama iyi bir sonuç için gerekli.NOT: Ek Şekil 4 bu bölümde açıklanan işleme adımlarını göstermektedir. Açıklanan adımlar dört bacağın dökümü için geçerlidir (kalıp Ek Dosya 1 “CAD/Kalıplar/small_leg_schwalbe*.stl”) ve gövdenin iki temel parçası (“CAD/Kalıplar/small_belly*.stl”) bulunabilir. Emme kaplarını (robotun ayakları, “CAD/Kalıplar/emmeKupası*.stl”) veya gövdenin alt kısmında (“CAD/Kalıplar/small_torso_base1*.stl”) atmak için, döküm için bu kalıplar şırınga için dahili bir bağlantı noktasına sahip olduğundan ve bu nedenle ek akrilik cam plaka gerektirmediği için 3.1 ve 3.3 basamakları hariç aynı işlem adımlarını uygulayın. Toplamda, bacak dört baz parçaları inşa, gövde iki baz parçaları, gövde bir alt parçası, ve dört emme bardak. 4. Alt parçaimalatı (alt kısım) Alt kısmının kalıbında bu amaç için sağlanan deliklerden silikon tüp itin, Bkz. Ek Şekil 5. Elastomer ile temel parçasının kalıbını doldurun ve köşelere kadar küçük spatula ile dağıtın.NOT: Elastomer in seviyesi 5 mm’den daha yüksek ve 4 mm’den daha düşük olmamalı ve gömülü tüpü tamamen kapsaymalıdır. Bacakların alt kısmı için kalıp Ek Dosya 1 “CAD /Kalıplar/small_base_schwalbe.stl” bulunabilir. Kür için 15-20 dk için fırına kalıp koyun. Aşağıdaki adımlar için, alt kısmın üst kısmı ile birleştirilmiş olan süre için kalıp kalır gereklidir. 5. Taban ve alt kısmın birleştirilmesi Alt kısmın kalıbını elastomerle doldurun, böylece seviye zaten sertleşmiş elastomerin 1-1,5 mm üzerinde olacak. Taban kısmına bir kelebek kanüli yerleştirin ve daha sonra daha kolay bulunabilmesi için delinme alanını işaretleyin. Bu adım, fırında genişleyen havanın kaçabilmesi için gereklidir. Alt kalıbın içine taban kısmını yerleştirin ve elastomer banyo içine hafifçe sadece kenarları basın. 10-15 dakika fırına aktüatör koyun ve daha sonra kalıp çıkarın.NOT: Aktüatörün kalıptan çıkarılması kolay olmalıdır. Bunu yapamazsa, ya elastomer henüz tam olarak tedavi edilmez (bu durumda, 10 dakika daha kür süresini artırmak) veya alt kısmı kalıp sıkışmış (bu durumda, daha sert çekilmelidir). Ama genel olarak, aktüatör kolayca serbest bırakılamaz eğer kötü bir işarettir. Adım 5.2’deki delinme bölgesini kullanarak bir basınç kaynağı bağlayın ve son sızıntı testini yapın, bkz.NOT: Küçük sızıntılar varsa, bunlar onarılabilir. Küçük bir spatula ve fırında 10 dk ile küçük bir elastomer uygulama sızıntı yı düzeltmek gerekir. Tüm sızıntılar giderilirse, aktüatör hazırdır. Ek Şekil 6 bu bölümde açıklanan işleme adımlarını ve Ek Şekil 7 Bölüm 3-5’te açıklanan tüm süreci göstermektedir. Gövdenin taban ve alt kısmına katılmak için, kalıbı değil alt kısmı doğrudan doldurmadığınız adım 5.1 dışında aynı adımları gerçekleştirin. 6. Tüm uzuvların birleştirilmesi Tahta bir tahta üzerinde iğne iğnesi ile birleştirilecek parçaları düzeltin, böylece aşağıdaki işlem adımda bir arada tutulabilir. Tamamlayıcı Şekil 8A’dagösterildiği gibi birleştirme yüzeyini elastomer ile kapatın. Birleştirme yüzeyinin temiz ve yağsız olduğundan emin olun. Aksi takdirde, parçalar bu noktada delaminnate olacaktır. 10-15 dk boyunca montajı (Bkz. Ek Şekil 8B)fırına koyun. 7. Besleme borusu girişlerinin montajı Kelebek kanonunun ekleme noktasını 1 mm Allen tuşu kullanarak 5.2 adımdan daha fazla genişletin. Maksimum dış çapı 3 mm olan silikon bir tüpün ucunu deliğin üzerine yerleştirin ve Allen tuşu ile bastırın. Girişi küçük bir elastomerle kapatın. Bu aynı zamanda mekanik strese karşı korur. Fırına 10 dk için montaj koyun.NOT: Ek Şekil 9 bu bölümde açıklanan işleme adımlarını göstermektedir. 8. Kontrol kutusunun oluşturulması Ek Veri 1 “CAD/ControlBox/” adresinden gövdenin ilgili *.dxf çizimlerini indirin ve lazer kesiciyle kesin. Ön panelde Ek Şekil 10A ve Ek Şekil 11’egöre “Kullanıcı Arabirimi Birimi”ni bir araya getirin. Ek Şekil 10B ve Ek Şekil 12’yegöre altı “Vana Ünitesi” oluşturun. Alt panelde yer alan altı adet “Vana Ünitesi” ve “Kullanıcı Arabirimi Birimi”ni Ek Şekil 10C, Ek Şekil 13 ve Ek Şekil 14’egöre monte edin. İki yan panelleri ve arka paneli birleştirin. Son olarak, üst paneli monte edin. Denetim kutusuna gömülü iki tek kartlı bilgisayarı Ek Dosya 1’e göre yapılandırın ve Ek Veri 2’de sağlanan “Kod” klasörünü (tüm alt klasörler dahil) her iki panoya yükleyin. Ek Veri 2’de sağlanan “Code/arduino_p_ctr.ino” komut dosyasını kontrol kutusuna gömülü altı mikro denetleyiciye yükleyin. 9. Gömülü ölçüm sistemi ile bir test tezgahı oluşturma Kamera tutucunun karşılık gelen *.dxf çizimini Ek Veriler 1 “CAD/TestBench/” adresinden indirin ve lazer kesiciyle kesin. Ek Veri 1 “CAD/TestBench” kelepçelerinin karşılık gelen *.stl dosyalarını indirin ve bunları bir 3D yazıcıya yazdırın. Kamera tutucuyu Ek Şekil 15’e göre DIN-A1 poster paneliüzerindeki kelepçelerle birleştirin ve kamerayı ve tek kartlı bilgisayarı istenilen yere monte edin. Ethernet arabirimini ve tek kartlı bilgisayarın SSH ayarlarını Ek Dosya 1’in Bölüm 4-5’ine göre yapılandırın ve “Kod”(Ek Veri 2)klasörünün tamamını tahtaya yükleyin. 10. Tüm sistemin kurulması Yerel bir ağ oluşturun ve “Code/main.py” komut dosyasından doğru IP adresini tüm tek kartlı bilgisayarlara ve izleme için kullanılan bilgisayara atayın veya komut dosyasını buna göre yeniden yazın. Ek Şekil 16’dagösterildiği gibi gövdenin her iki ucuna iğne iğnesi yerleştirin, böylece robot yürüyen düzleme sadece pimleri ve ayaklarıyla (emme kapları) temas eder. Ek Dosya 2’de verilen görsel işaretleyicileri15’i Bir DIN-A4 sayfasına yazdırın ve makasla kesin. İşaretleri Ek Şekil 17’yegöre iğne iğneleri kullanarak robota takın. Robotu kontrol kutusuna bağlayın.NOT: Şekil 1 tüm sistemin kablolama gösterilmektedir. 11. Kontrol kutusunu çalıştırma Kontrol kutusunun ana anahtarında güç ve her şey önyükleme kadar bekleyin. SSH kullanarak ana tek tahtalı bilgisayara “root” olarak giriş yapın, “Kod” klasörüne göz atın ve kontrol kutusunu” root@beaglebone:~# python3 main.py” komutuyla başlatın. Aynı zamanda, “user@pc:~ python2 monitor.py” komutu ile kişisel bilgisayardaki monitörü başlatın.NOT: Her iki program da aynı anda az ya da çok başlamalıdır. Denetim kutusunda tek kartlı bilgisayarda çalışan “main.py” programı, izleme için kullanılan kişisel bilgisayara bağlanmaya çalışır. Kişisel bilgisayarda dinleme bağlantı noktası yoksa (“monitor.py” komut dosyası tarafından tetiklenen), monitör başlamaz. “monitor.py” dışında, bu protokolde kullanılan tüm programlar/komut dosyaları python3 ile birlikte çalışacak şekilde tasarlanmıştır. Bir basınç kaynağını kontrol kutusuna bağlayın (maksimum 1,2 bar). Bir vakum kaynağını kontrol kutusuna bağlayın. 12. Robotun kalibrasyonu Robotu test bankının yürüyen uçağına yerleştirin. Dik eğimler için, robotu yerinde tutmak için robotun ön kısmı ile yürüyen uçağın üst kısmı arasına bir dize takın. Kontrol kutusunda, Ek Şekil 18’degösterildiği gibi “mod 2″ düğmesine basarak ” desenreferans” modunu etkinleştirin. “clb” girişini bulana kadar yukarı ve aşağı düğmelerini kullanarak LCD’de görüntülenen menüde ilerleyin. Ardından enter düğmesine basın. Sonraki menüde “mode_4.csv” girişine gidin ve”enter” düğmesine basın. Monitörde, Ek Şekil 19’dagösterildiği gibi “kayıt” düğmesine basın.NOT: “kayıt” düğmesine basıldığında otomatik olarak “Kod/Src/GUI/save.py:save_last_sample_as_csv()”de belirtilen yerde izleme bilgisayarında bir *.csv dosyası oluşturulur, bu klasör “current_exp” (örnek ölçümler Ek Veri 3’tesağlanır). Kontrol kutusunda kalibrasyon işlemini başlatmak için “fonksiyon 1” düğmesine basın. Kalibrasyondan sonra, kaydı durdurmak için monitördeki “kayıt” düğmesine ve basınç denetleyicisini durdurmak için kontrol kutusundaki “fonksiyon 1” düğmesine basın. Otomatik olarak oluşturulan “current_exp/*.csv” dosyasını yeniden adlandırın, böylece daha sonra benzersiz bir şekilde tanımlanabilir. Ek Veri 4’te sağlanan “Calibration/eval_clb.py” komut dosyasını çalıştırın ve çıktıyı (polinom sığdırma katsayıları) mevcut sözlükiçinde “[robot sürümü]” anahtar sözcüğünün yer aldığı bir giriş olarak “Code/Src/Controller/calibration.py” dosyasında saklayın. 13. Yürüyüş deseni oluşturma “Code/Patterns/create_pattern.py” komut dosyasını çalıştırın ve çıktılanan *.csv dosyasını(lar) “Code/Patterns/[robot version]/” klasöründe saklayın.NOT: Bu komut dosyası, açı referanslarında formüle edilmiş düz yürüyüş8 için önceden tanımlanmış yürüyüş deseni 8’i (bkz. Ek Şekil 20A veya Ek Animasyon 1’ebakınız) robota özgü basınç referanslarına dönüştürür. Dik eğimler için bir yürüyüş deseni oluşturmak için, 222 satırını açıklamadan ederek komut dosyasını değiştirin. Bu Ek Şekil 20B veya Ek Animasyon 2göre bir desen üretecektir. Denetim kutusu tarafından sağlanan desen başvuruları için arayüz, her satırın tüm aktüatörler için ayrı bir ayar noktası tanımladığı *.csv dosyalarından oluşur. Burada, ilk sekiz sütun başvuru baskılarını tanımlar, sonraki dört sütun doğrudan hareket eden valfler için başvuruları tanımlar ve son sütun bu ayar noktasının tutulması gereken zamanı tanımlar. Kontrol kutusundaki tek kartlı bilgisayarı kişisel bilgisayarla senkronize edin, yani “Kod/Desen/*” klasörünü tahtaya yükleyin. Bu amaçla “main.py” programının kesilmesi gerekir (Ctrl+C). 14. Tırmanma deneyinin gerçekleştirilmesi Test edilecek her eğim için 11-13 adımlarını gerçekleştirin. Robotu yürüyen düzlemde işaretli noktaya yerleştirin. 12.2-12.4 adımlarında açıklandığı gibi bir desen başvurusu seçin, ancak ilk menüde istenilen “robot versiyonu” (“clb” yerine) ve ikinci menüde geçerli eğime göre desen referansını (“mode_4.csv” yerine) seçin. Adım 12.5’te açıklandığı gibi kayda başlayın. Basınç denetleyicisini etkinleştirmek için “fonksiyon 1” düğmesine basın. Robotun en az 6 döngü boyunca yürümesine/tırmanmasına izin verin. Monitördeki “kayıt” düğmesine basarak kaydı durdurun (adım 12.7’deki gibi). Bir sonraki adımı uygularken robotun düşmeyeceğinden emin olun. “fonksiyon 1” düğmesine tekrar basarak basınç denetleyicisini durdurun. Bu da vakum kaynağı duracak, ve sonuç olarak robot düşecek. Kaydedilen *.csv dosyasını “ExpEvaluation/[robot sürümü]/[desen türü]/[eğim]/” klasörüne taşıyın.NOT: Bir sonraki adım için sağlam bir taban olması için her çalıştırmayı en az beş kez tekrarlayın. 15. Deneyin değerlendirilmesi Tüm ölçüm verilerini otomatik olarak ifade etmek için Ek Veri 5’te sağlanan “ExpEvaluation/eval_vS11_adj_ptrn.py” komut dosyasını çalıştırın.NOT: Bu komut dosyası tüm ayakların izini, zaman içinde uygulanan basıncı, zaman içinde tüm uzuvların ölçülen bükme açısını, robotun zaman içinde hızını, zaman içinde robotun yönünü, eğim üzerindeki ortalama hızı (cf. Şekil 2A)ve eğim üzerinde kullanılan enerjinin yaklaşık olarak çıkışını (cf. Şekil 2B).