该协议提供了为壁虎启发的软机器人的爬升性能的制造、控制和评估而要执行的步骤的详细列表。
该协议提出了一种制造、控制和评估软机器人性能的方法,这种软机器人可以爬上坡度高达 84° 的倾斜平坦表面。制造方法一般适用于快速的 pneunet 弯曲执行器,因此对于执行器制造领域的新手来说可能很有趣。机器人的控制是通过气动控制箱实现的,该控制箱可以提供任意压力,并且只能使用购买的部件、激光切割机和焊接铁进行制造。对于机器人的行走性能,压力角校准起着至关重要的作用。因此,提出了一种半自动的压力角校准方法。在高倾斜度 (> 70°) 下,机器人无法再可靠地固定到行走平面上。因此,将修改步态模式,以确保脚可以固定在行走平面上。
人与机器之间的相互作用越来越近。公司和家庭中机器人密度的增加给机器人技术带来了新的挑战。通常,隔离方法排除了危险,但在许多地区,特别是在家庭中,这不是一个令人满意的解决办法。软机器人通过利用软材料和结构的特性来开发新型机器来解决这个问题,这种机器的行为就像生物体1一样,这就是为什么软机器人经常受到生物模型2的启发。大多数软机器人可以分为两种不同的类型:移动机器人和机器人专为抓握和操纵3。对于软移动机器人,典型的运动原则是爬行,行走,跑步,跳跃,飞行和游泳4。软机器人的另一个有趣的应用领域是攀登——运动和粘附力5的组合。软机器非常坚固,不能因柔软性而损坏周围环境。这种特性使这个机器人类的攀登,因为他们可以很容易地生存秋天。因此,文献提供了几个软机器人能够,攀登6,7,8,7的例子。
该协议的目标是提供一种方法,制造,控制和评估一个壁虎启发,攀登软机器人9的性能。其设计基于使用快速肺炎软弯曲执行器10 的弹性体。但是,也可以使用另一种软执行器和/或材料。文献提供了广泛的软执行器11和合适的材料12 的不同设计。提出的制造方法与现有方法13类似, 但包括一些修改,导致增加的可重复性和鲁棒性,至少在软攀爬机器人9的情况下。该方法适用于一般快速的 pneunet 弯曲执行器,因此,对于新进入执行器制造领域的新手来说,这种方法可能很有趣。
为了控制气动驱动软机器人,文献提供了不同的解决方案。它的范围从低成本和易于复制的控制板13 到强大但更复杂的板14,这是无法重建没有特殊工具。下面简要介绍了仅使用激光切割机和焊接铁构建气动控制箱。控制箱允许提供任何压力,并提供实时感官反馈,这对于机器人应用尤为重要。但是,它也可用于许多其他应用程序。
提出的协议包括与攀爬软机器人相关的许多不同方面,包括制造、控制、校准和性能评估。下面,根据上述方面讨论和构建协议产生的利弊。
提出的制造方法以现有的文献10、13,为基础。显著区别在于执行器的设计。要连接各个四肢,在适当的点插入鸽尾参考线,如补充图21 所示。与之前的机器人8设计相比,这能使四肢之间更加精确和坚固的连接。此外,电源管嵌入执行器的底部。这种集成设计允许为吸盘提供真空,同时使底层不再可拉伸,从而显著提高执行器的性能。与文献中描述的程序的另一个区别是混合弹性体只疏散一次(混合后立即)。许多来源建议两次疏散弹性体:一次在混合后,一次在填充到模具中。空气可能仍然被困在非常小的空间中。在真空室中,这种空气膨胀,在最好的情况下上升到表面。然而,这些气泡往往在路上卡住,在成品铸造中造成令人不快的孔洞。在这里,必须决定什么更重要:在基础部分的底部完美的轮廓或尽可能少的风险产生一个非功能性执行器(参见补充图2)。在此协议中,不执行第二次疏散。在介绍的过程中,底部部分的高度可能因手动填充而变化,而且与基础零件不同,固化后不可能将其切割到均匀的高度。为确保底部的高度尽可能均匀,建议在填充底部模具时使用注射器,并测量倒入的体积。但是,根据混合后经过的时间,弹性体的流量特性会显著变化。因此,建议始终使用新鲜混合的弹性体。连接执行器的底座和底部涉及最大的过程不确定性。如果弹性体浴体过高,则腔室之间的空气通道也很可能被覆盖。然后,执行器不再可用。如果弹性体浴过低,密封唇可能无法覆盖其整个周长,执行器会泄漏。因此,正确给弹性体浴剂量需要一定量的实践。一般来说,连接的重要就是无脂肪连接表面。如果连接表面太污染,成品执行器可能会脱光。因此,必须确保仅接触不连接的曲面上。制造方法的一个主要限制是要实现的件数。单个执行器的生产总共至少需要两个小时。虽然可以并行处理多个模具,但由于时间限制,不推荐使用四种模具。弹性体的盆栽寿命太短,无法填充更多的模具。此外,3D 打印模具在非常变形或断裂之前只能承受有限数量的生产周期(约 10~20)。另一个限制是已经讨论过的过程不确定性。由于几乎所有过程步骤都是手动执行的,因此每个执行器都略有不同。这可能导致两个机器人在构造中是相同的,但表现出两种非常不同的行为。
使用控制箱,提供了控制机器人的方法。然而,对于每个气动系统,脚本”代码/arduino_p_ctr.ino”的控制增益必须单独确定。协议中未介绍此内容。但是,控制盒的”压力参考模式”允许对机器人进行俏皮的处理,因此无需编写多个脚本即可进行控制器调优。控制箱的另一个限制是成本,因为材料总成本约为7000美元。文献11 提供了一个控制箱的建筑说明,成本只有约900美元,并一些升级也可用于操作机器人。
校准过程的选择是各个执行器的校准关键。 补充图 22 显示了四个不同程序的压力参考在一段时间中的定性 过程,补充图 23 显示了产生的角度压力曲线。如后者,每种方法的校准结果都会导致不同的角度-压力曲线。这表明压力和角度之间的关系高度依赖于执行器上的负载。因此,校准过程必须尽可能最好地反映实际负载情况。因此,有必要尽可能根据实际操作条件调整校准程序。通过校准程序 4 获得最佳行走性能。然而,如图 3B所示,该系列中的后续姿势并非完全对称,这是校准改进潜力的指标。
对测量系统至关重要的是第 10 节中视觉标记 15 的组装。由于它们不能直接安装在所需点(因为管子干扰),因此必须人工移动测量点。在确定此偏移矢量时(以摄像机的像素坐标表示)时必须特别小心;否则,整个测量将存在严重的系统误差。还必须确保标记不会随着时间而替换。如果发生这种情况,例如,由于机器人的垮台,必须在完全相同的位置重新安装相应的标记。在任何情况下,应定期检查测量系统是否仍产生可靠的输出。
实验中的限制因素是脚的固定。为了能够攀登更陡峭的倾斜点,必须重新考虑固定机制。目前,机器人无法将脚对着行走平面进行主动,对于高倾斜度,重力造成的正常力太小,使吸盘离行走平面足够近,无法确保可靠的吸力。
提出的制造方法可以转移到任何流体弹性体执行器上,因此,对于未来的应用来说,这种方法是有趣的。提供的控制箱可控制任何气动系统,由六个独立执行器(可扩展至八个),包括机器人平台,因为它们需要快速的感官反馈。因此,它可以作为测试和控制未来机器人的通用平台。最后,提出的校准方法原则上可以用于任何前馈控制气动系统。总之,所有提出的方法在讨论范围内都是通用的。
The authors have nothing to disclose.
作者们感谢芬恩·克努德森、阿拉文达·巴里和雅各布·穆钦斯基的有益讨论和灵感。
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 |