Manufacturing, Control, and Performance Evaluation of a Gecko-Inspired Soft Robot

Lars Schiller; Arthur Seibel; Josef Schlattmann

doi:10.3791/61422

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Ingegneria

Herstellung, Steuerung und Leistungsbewertung eines Gecko-inspirierten Softroboters

Published: June 10, 2020

doi:

10.3791/61422

Lars Schiller¹, Arthur Seibel², Josef Schlattmann¹

¹Workgroup on System Technologies and Engineering Design Methodology,Hamburg University of Technology, ²Fraunhofer Research Institution for Additive Manufacturing Technologies IAPT

Summary

Dieses Protokoll enthält eine detaillierte Liste der Schritte, die für die Herstellung, Steuerung und Bewertung der Kletterleistung eines gecko-inspirierten Weichroboters durchgeführt werden müssen.

Abstract

Dieses Protokoll stellt eine Methode zur Herstellung, Steuerung und Bewertung der Leistung eines weichen Roboters dar, der geneigte flache Oberflächen mit Steigungen von bis zu 84° erklimmen kann. Die Herstellungsmethode gilt für die schnellen Pneunetbiegeantriebe im Allgemeinen und könnte daher für Neulinge im Bereich der Aktuatorfertigung interessant sein. Die Steuerung des Roboters erfolgt über eine pneumatische Steuerbox, die beliebige Drücke liefern kann und nur mit gekauften Komponenten, einem Laserschneider und einem Lötkolben gebaut werden kann. Für die Gehleistung des Roboters spielt die Druckwinkelkalibrierung eine entscheidende Rolle. Daher wird ein halbautomatisches Verfahren zur Druckwinkelkalibrierung vorgestellt. Bei hohen Steigungen (> 70°) kann sich der Roboter nicht mehr zuverlässig am Gehflugzeug fixieren. Daher wird das Gangmuster geändert, um sicherzustellen, dass die Füße auf der Gehebene befestigt werden können.

Introduction

Die Interaktion zwischen Mensch und Maschine rückt immer enger. Die zunehmende Roboterdichte in Unternehmen und Haushalten stellt die Robotertechnik vor neue Herausforderungen. Häufig werden Gefahren durch Trennungsmethoden ausgeschlossen, aber in vielen Bereichen, insbesondere in Haushalten, ist dies keine zufriedenstellende Lösung. Soft Robotics beheis ist die Lösung dieses Problems, indem sie Eigenschaften weicher Materialien und Strukturen verwendet, um neue Maschinentypen zu entwickeln, die sich wie lebende Organismen verhalten¹, weshalb weiche Roboter oft von biologischen Modellen inspiriert sind². Die meisten weichen Roboter können in zwei verschiedene Typen eingeteilt werden: mobile Roboter und Roboter für Greifen und Manipulation³. Für weiche mobile Roboter sind typische Fortbewegungsprinzipien Crawling, Walking, Running, Jumping, Flying und Schwimmen⁴. Ein weiteres interessantes Anwendungsgebiet für Softroboter ist das Klettern – eine Kombination aus Fortbewegung und Haftung⁵. Weiche Maschinen sind sehr robust und können ihre Umgebung aufgrund ihrer Weichheit nicht beschädigen. Diese Eigenschaft prädestiniert diese Roboterklasse für das Klettern, da sie einen Sturz leicht überstehen können. Folglich bietet die Literatur mehrere Beispiele für weiche Roboter, die in der Lage sind,⁶^,⁷,⁸^zuklettern.

Das Ziel dieses Protokolls ist es, eine Methode zur Herstellung, Kontrolle und Bewertung der Leistung eines gecko-inspirierten, kletternden Weichen Roboters⁹bereitzustellen. Sein Design basiert auf der Verwendung von schnellen Pneunet weichen Biegeantriebe¹⁰ aus Elastomer. Es könnte jedoch auch ein anderes Soft-Aktuator-Design und/oder Material verwendet werden. Die Literatur bietet eine breite Palette von verschiedenen Designs von weichen Aktuatoren¹¹ und geeigneten Materialien¹². Die vorgestellte Herstellungsmethode ähnelt den bestehenden Methoden^13, enthält aber einige Modifikationen, die zu erhöhter Wiederholbarkeit und Robustheit führen, zumindest im Fall des Softkletterroboters⁹. Das Verfahren gilt für schnelle Pneunetbiegeantriebe im Allgemeinen und könnte daher für Neulinge im Bereich der Aktuatorfertigung interessant sein.

Zur Steuerung pneumatischer betätigter Softroboter bietet die Literatur unterschiedliche Lösungen. Es reicht von kostengünstigen und einfach zu replizierenden Steuertafeln¹³ bis hin zu leistungsstarken, aber komplexeren Boards¹⁴, die ohne Spezialwerkzeuge nicht wieder aufgebaut werden können. Hier beigesteuert wird eine kurze Beschreibung für den Bau einer pneumatischen Steuerbox mit Hilfe eines Laserschneiders und eines Lötkolbens. Die Steuerbox ermöglicht die Versorgung von Druck und bietet sensorisches Feedback in Echtzeit, was besonders für Robotikanwendungen wichtig ist. Es kann jedoch auch für viele andere Anwendungen verwendet werden.

Protocol

1. Drucken von Formen Laden Sie die *.stl-Daten für Formen aus den Zusatzdaten 1 “CAD/Moulds/” herunter. Verwenden Sie die druckerspezifische Schneidesoftware, um die 3D-Modelle in einen Druckauftrag umzuwandeln. Drucken Sie die Formen mit einem 3D-Drucker. Reinigen Sie die bedruckten Formen, indem Sie sie 15 min in ein Ultraschallbad legen. Legen Sie die Formen für mindestens 3 h in eine UV-Kammer. 2. Vorbereitung des Elastomers Sammeln Sie folgendes, bevor Sie diesen Schritt starten: Elastomer (Teil A und Teil B), Spachtel, Kunststoffbecher, Form, Gewichtsskala, Kunststoffspritze, Schraubklemmen (oder ähnliches), Acrylglasplatte mit zwei entsprechenden Löchern, Messer. Mischen Sie Teil A und Teil B des Elastomers im Verhältnis 1:9 in einem Becher. Legen Sie den Becher auf eine Wägemaschine. Fügen Sie zunächst 5 g Teil B (dunkelrot) hinzu. Dann, mit einem Spachtel, fügen Sie 45 g Teil A (weiß und zähflüssig).HINWEIS: Stellen Sie sicher, dass die Genauigkeit des Wägens 1 g beträgt. 50 g reicht für einen Aktor aus. Der beste Weg, Teil A zu portionieren, ist, einen Spachtel zu nehmen und ihn abtropfen zu lassen. Mit dem verwendeten Spachtel sind ca. 6 g pro Entwässerungsvorgang möglich. Rühren Sie weiter, bis am Rand der Tasse keine weißen oder roten Bereiche mehr sichtbar sind. Legen Sie den Becher für 15 min in eine Vakuumkammer, um die Luft zu entfernen, die im Elastomer aufgrund des Rührvorgangs eingeschlossen ist. Füllen Sie das gemischte Elastomer in eine Plastikspritze. Dadurch kann das Elastomer viel präziser positioniert werden.HINWEIS: Ergänzende Abbildung 1 zeigt die in diesem Abschnitt beschriebenen Verarbeitungsschritte. 3. Herstellung des oberen Teils (Basisteil) Klemmen Sie eine Acrylglasplatte mit zwei entsprechenden Löchern auf die Form. Setzen Sie die Spritze in das untere Loch ein und drücken Sie das Elastomer in die Form. Tragen Sie Kraft auf die Spritze auf, indem Sie den Kolben drücken, bis das gemischte Elastomer aus dem oberen Loch auftaucht. Lösen Sie die Schraubklemmen und ziehen Sie die Acrylglasplatte seitlich ab.HINWEIS: Es ist wichtig, es zur Seite und nicht nach oben zu ziehen. Andernfalls wird das Elastomer aus der Form gezogen. Punktieren Sie die aufsteigenden Luftblasen mit einem scharfen Werkzeug. Nicht zu tief einstechen, da dies neue Luftblasen erzeugen wird, anstatt die vorhandenen zu entfernen. Es ist besonders wichtig, die größeren Blasen zu durchbohren, da diese später die Funktionalität des Aktuators erheblich beeinträchtigen werden.HINWEIS: Optional evakuieren Sie die gefüllte Form in der Vakuumkammer, um noch eingeschlossene Luft zu entfernen. Dabei kann es jedoch vorkommen, dass die aufsteigenden Luftblasen auf dem Weg zur Oberfläche auf der Form stecken bleiben und Löcher im Guss an funktional relevanten Bereichen schaffen. Ergänzende Abbildung 2 veranschaulicht dieses Phänomen. Die Form 30 min bei 65 °C in den Ofen geben. Prüfen Sie nach 10 min, ob der Gehalt des Elastomers deutlich gesunken ist. Dies geschieht, wenn die Form nicht vollständig dicht ist oder sich aufgrund des häufigen Gebrauchs leicht gebogen hat. Wenn der Pegel um mehr als 1 mm gesunken ist, füllen Sie das Elastomer nach. Fahren Sie dann mit der Aushärtung fort. Nach insgesamt 30 min im Ofen die Form herausnehmen und das extrudierte Elastomer mit einem Messer abschneiden. Öffnen Sie die Form, indem Sie mit einem Schraubendreher auseinander hebeln. Achten Sie darauf, keine für das Gießen relevanten Oberflächen zu beschädigen. Entfernen Sie den fast fertigen Aktuator aus dem Teil der Form, an dem er im vorherigen Schritt feststeckte.HINWEIS: Hier kann eine erste visuelle Überprüfung durchgeführt werden, um festzustellen, ob das Casting erfolgreich war. Werden irreparable Mängel festgestellt (siehe Zusatzabbildung 3), ist hier der Herstellungsprozess zu stoppen. Kleinere Löcher können später repariert werden. Es ist auch wichtig, dass die Dichtlippe über ihren gesamten Umfang so ausgeprägt wie möglich ist. Schneiden Sie alle hervorstehenden Grate mit einem Messer ab. Dies ist manchmal sehr mühsam, aber wichtig für ein gutes Endergebnis.HINWEIS: Ergänzende Abbildung 4 veranschaulicht die in diesem Abschnitt beschriebenen Verarbeitungsschritte. Die beschriebenen Schritte gelten für das Gießen der vier Beine (die Form finden Sie in der Zusatzdatei 1 “CAD/Moulds/small_leg_schwalbe*.stl”) und den beiden Grundteilen des Oberkörpers (“CAD/Moulds/small_belly*.stl”). Um die Saugnäpfe (Füße des Roboters, zu finden in “CAD/Moulds/suctionCup*.stl”) oder den unteren Teil des Oberkörpers (“CAD/Moulds/small_torso_base1*.stl”) zu gießen, führen Sie die gleichen Prozessschritte aus, mit Ausnahme der Schritte 3.1 und 3.3, da diese Gussformen einen eingebauten Anschluss für die Spritze haben und daher keine zusätzliche Acrylglasplatte erforderlich ist. Insgesamt bauen Sie vier Basisteile des Beins, zwei Basisteile des Oberkörpers, einen unteren Teil des Oberkörpers und vier Saugnäpfe. 4. Herstellung des unteren Teils (unterer Teil) Schieben Sie ein Silikonrohr durch die dafür vorgesehenen Löcher in der Form des unteren Teils, siehe Ergänzende Abbildung 5. Füllen Sie die Form des Basisteils mit Elastomer und verteilen Sie sie mit dem kleinen Spachtel bis zu den Ecken.HINWEIS: Der Gehalt des Elastomers sollte nicht höher als 5 mm und nicht niedriger als 4 mm sein und muss das eingebettete Rohr vollständig abdecken. Die Form für den unteren Teil der Beine finden Sie in der Ergänzungsdatei 1 “CAD/Moulds/small_base_schwalbe.stl”. Legen Sie die Form für 15-20 min zur Aushärtung in den Ofen. Für die folgenden Schritte ist es notwendig, dass der untere Teil vorerst mit dem oberen Teil verbunden bleibt. 5. Verbinden der Basis und des unteren Teils Füllen Sie die Form des unteren Teils mit Elastomer, so dass der Pegel 1–1,5 mm über dem bereits gehärteten Elastomer liegt. Setzen Sie eine Schmetterlingskanüle in das Basisteil ein und markieren Sie die Punktionsstelle, damit sie später leichter gefunden werden kann. Dieser Schritt ist notwendig, damit die expandierende Luft im Ofen entweichen kann. Legen Sie das Grundteil in die Bodenform und drücken Sie nur die Seiten leicht in das Elastomerbad. Den Aktuator 10–15 min in den Ofen stellen und anschließend entfernen.HINWEIS: Es sollte einfach sein, den Aktuator aus der Form zu entfernen. Wenn dies nicht der Fall ist, ist entweder das Elastomer noch nicht vollständig ausgehärtet (in diesem Fall erhöhen Sie die Aushärtungszeit um 10 min) oder der untere Teil ist in der Form stecken (in diesem Fall sollte es härter gezogen werden). Aber im Allgemeinen ist es ein schlechtes Zeichen, wenn der Aktuator nicht leicht freigegeben werden kann. Schließen Sie eine Druckquelle mithilfe der Punktionsstelle aus Schritt 5.2 an und führen Sie die abschließende Dichtheitsprüfung durch, siehe Ergänzende Abbildung 6.HINWEIS: Wenn kleine Leckagen vorhanden sind, können sie repariert werden. Die Anwendung eines kleinen Elastomers mit einem kleinen Spachtel und 10 min im Ofen sollte das Leck beheben. Wenn alle Leckagen behoben sind, ist der Aktuator bereit. Ergänzende Abbildung 6 veranschaulicht die in diesem Abschnitt beschriebenen Verarbeitungsschritte und die ergänzende Abbildung 7 veranschaulicht den gesamten prozessbeschriebenen Prozess, der in den Abschnitten 3 bis 5 beschrieben wird. Führen Sie die gleichen Schritte aus, mit Ausnahme von Schritt 5.1, bei dem Sie die Form, sondern den unteren Teil nicht direkt füllen. 6. Verbindung aller Gliedmaßen Befestigen Sie die teile, die mit einer Nadel auf einem Holzbrett verbunden werden sollen, damit sie im folgenden Prozessschritt zusammengehalten werden können. Bedecken Sie die Verbindungsfläche mit Elastomer, wie in der ergänzenden Abbildung 8Adargestellt. Stellen Sie sicher, dass die Verbindungsfläche sauber und fettfrei ist. Andernfalls werden die Teile an dieser Stelle delaminiert. Legen Sie die Baugruppe (siehe Zusatzabbildung 8B) für 10–15 min in den Ofen. 7. Montage von Versorgungsrohreinlässe Verbreitern Sie die Einfügemarke der Schmetterlingskanüle von Schritt 5.2 weiter, indem Sie eine 1 mm Allen-Taste verwenden. Legen Sie das Ende eines Silikonrohres mit einem maximalen Außendurchmesser von 3 mm über das Loch und drücken Sie es mit der Allen-Taste ein. Versiegeln Sie den Einlass mit einem kleinen Elastomer. Dies schützt auch vor mechanischer Beanspruchung. Legen Sie die Baugruppe für 10 min in den Ofen.HINWEIS: In der ergänzenden Abbildung 9 werden die in diesem Abschnitt beschriebenen Verarbeitungsschritte veranschaulicht. 8. Bau des Steuerkastens Laden Sie die entsprechenden *.dxf-Zeichnungen des Gehäuses aus Supplementary Data 1 “CAD/ControlBox/” herunter und schneiden Sie sie auf einem Laserschneider aus. Montieren Sie die “User Interface Unit” auf der Frontplatte gemäß Zusatzabbildung 10A und Zusatzabbildung 11. Bauen Sie die sechs “Ventileinheiten” nach Zusatzabbildung 10B und Zusatzabbildung 12. Montieren Sie die sechs “Ventileinheiten” und die “Benutzeroberflächeneinheit” auf der unteren Platte gemäß Der Zusatzabbildung 10C, der Zusatzabbildung 13 und der Zusatzabbildung 14. Montieren Sie die beiden Seitenwände und die Rückseite. Dann montieren Sie die obere Platte. Konfigurieren Sie die beiden in das Steuerfeld eingebetteten Single-Board-Computer gemäß Zusatzdatei 1 und laden Sie den vollständigen Ordner “Code” (einschließlich aller Unterordner) hoch, der in den Zusatzdaten 2 bereitgestellt wird, auf beide Boards. Laden Sie das Skript “Code/arduino_p_ctr.ino” in den Zusatzdaten 2 auf die sechs mikrocontroller hoch, die in der Steuerbox eingebettet sind. 9. Aufbau eines Prüfstandes mit integriertem Messsystem Laden Sie die entsprechende *.dxf-Zeichnung des Kamerahalters aus Supplementary Data 1 “CAD/TestBench/” herunter und schneiden Sie sie auf einem Laserschneider aus. Laden Sie die entsprechenden *.stl-Dateien der Klemmen aus Supplementary Data 1 “CAD/TestBench” herunter und drucken Sie sie auf einem 3D-Drucker aus. Montieren Sie den Kamerahalter mit den Klemmen auf einem DIN-A1-Plakatnachschlag nach Zusatzabbildung 15 und montieren Sie die Kamera und einen Einplatinencomputer am vorgesehenen Ort. Konfigurieren Sie die Ethernet-Schnittstelle und die SSH-Einstellungen des Single-Board-Computers gemäß den Abschnitten 4–5 der Zusatzdatei 1 und laden Sie den kompletten Ordner “Code” (Zusatzdaten 2) auf die Platine hoch. 10. Einrichten des gesamten Systems Erstellen Sie ein lokales Netzwerk und weisen Sie allen Single-Board-Computern und dem computer, der für die Überwachung verwendet wird, die richtige IP-Adresse aus dem Skript “Code/main.py” zu – oder schreiben Sie das Skript entsprechend um. Setzen Sie Nadeln in beide Enden des Oberkörpers ein, wie in DerZusatzabbildung 16dargestellt, so dass der Roboter nur die Gehebene mit den Stiften und seinen Füßen (Saugnäpfe) kontaktiert. Drucken Sie die visuellen Marker15 aus, die in der Zusatzdatei 2 auf einem DIN-A4-Blatt angegeben sind, und schneiden Sie sie mit einer Schere aus. Befestigen Sie die Marker mit Nadeln gemäß Zusatzabbildung 17am Roboter. Schließen Sie den Roboter an die Steuerbox an.ANMERKUNG: Abbildung 1 zeigt die Verdrahtung des gesamten Systems. 11. Ausführen des Steuerkastens Schalten Sie den Hauptschalter der Steuerbox ein und warten Sie, bis alles gestartet ist. Melden Sie sich mit SSH als “root” beim Hauptcomputer mit nur einem Board an, navigieren Sie zum Ordner “Code” und starten Sie das Steuerfeld mit dem Befehl ” root@beaglebone: “python3 main.py”. Starten Sie den Monitor auf dem PC gleichzeitig mit dem Befehl “user@pc: ” python2 monitor.py”.HINWEIS: Beide Programme müssen mehr oder weniger gleichzeitig gestartet werden. Das Programm “main.py”, das auf dem Einplatinencomputer in der Steuerbox ausgeführt wird, versucht, eine Verbindung zu dem zur Überwachung verwendeten PC herzustellen. Wenn es keinen Abhöranschluss am PC gibt (ausgelöst durch das Skript “monitor.py”), wird der Monitor nicht gestartet. Mit Ausnahme von “monitor.py” sind alle in diesem Protokoll verwendeten Programme/Skripte für die Ausführung mit python3 vorgesehen. Schließen Sie eine Druckquelle an die Steuerbox (max. 1,2 bar) an. Schließen Sie eine Vakuumquelle an die Steuerbox an. 12. Kalibrieren des Roboters Stellen Sie den Roboter auf die Laufebene des Prüfstandes. Bei steilen Steigungen befestigen Sie eine Schnur zwischen der Vorderseite des Roboters und der Oberseite der Gehebene, um den Roboter an Ort und Stelle zu halten. Aktivieren Sie im Steuerfeld den Modus “Musterreferenz”, indem Sie die Schaltfläche “Modus 2” drücken, wie in Der Ergänzenden Abbildung 18dargestellt. Blättern Sie durch das Menü, das auf der LCD-Anzeige angezeigt wird, indem Sie die Schaltflächen nach oben und unten verwenden, bis Sie den Eintrag “clb” finden. Drücken Sie dann die Eingabetaste. Scrollen Sie durch das nächste Menü bis zum Eintrag “mode_4.csv” und drücken Sie die Schaltfläche”Enter”. Drücken Sie auf dem Monitor die Taste “Aufzeichnung”,wie in der Zusatzabbildung 19dargestellt.HINWEIS: Durch Drücken der Schaltfläche”Record”wird automatisch eine *.csv-Datei auf dem Überwachungscomputer an der in “Code/Src/GUI/save.py:save_last_sample_as_csv()” angegebenen Position erstellt, d. h. der Ordner “current_exp” (Beispielmessungen finden Sie in Supplementary Data 3). Drücken Sie auf der Steuerbox die Taste “Funktion 1”, um den Kalibrierungsvorgang zu starten. Nach der Kalibrierung drücken Sie die Taste “Aufzeichnen” auf dem Monitor, um die Aufnahme zu beenden, und die “Funktion 1” Taste auf der Steuerbox, um den Druckregler zu stoppen. Benennen Sie die automatisch erstellte Datei “current_exp/*.csv” um, damit sie später eindeutig identifiziert werden kann. Führen Sie das Skript “Calibration/eval_clb.py” aus, das in den Zusatzdaten 4 angegeben ist, und speichern Sie die Ausgabe (Koeffizienten der Polynomanpassung) in der Datei “Code/Src/Controller/calibration.py” als Eintrag mit dem Schlüsselwort “[Roboterversion]” im vorhandenen Wörterbuch. 13. Erstellen eines Gangmusters Führen Sie das Skript “Code/Patterns/create_pattern.py” aus und speichern Sie die ausgegebenen *.csv-Dateien im Ordner “Code/Patterns/[robot version]/”.HINWEIS: Dieses Skript wandelt das vordefinierte Gangmuster für geraden Gang8 (siehe Ergänzende Abbildung 20A oder Ergänzende Animation 1), die in Winkelreferenzen formuliert sind, in roboterspezifische Druckreferenzen um. Um ein Gangmuster für steile Steigungen zu erzeugen, ändern Sie das Skript, indem Sie zeile 222 entkommentieren. Dadurch wird ein Muster gemäß Der Zusatzabbildung 20B oder der ergänzenden Animation 2generiert. Die Schnittstelle für Musterreferenzen, die vom Steuerfeld bereitgestellt werden, besteht aus *.csv-Dateien, in denen jede Zeile einen diskreten Sollwert für alle Aktuatoren definiert. Darin definieren die ersten acht Spalten die Referenzdrücke, die nächsten vier Spalten die Referenzen für die direkt wirkenden Ventile und die letzte Spalte definiert die Zeit, zu der dieser Sollwert gehalten werden soll. Synchronisieren Sie den Einplatinencomputer in der Steuerbox mit dem PC, d.h. laden Sie den Ordner “Code/Pattern/*” auf die Platine hoch. Dazu muss das Programm “main.py” unterbrochen werden (Strg+C). 14. Durchführung des Kletterexperiments Führen Sie die Schritte 11–13 für jede zu prüfende Neigung aus. Platzieren Sie den Roboter an der markierten Stelle auf der Gehebene. Wählen Sie eine Musterreferenz wie in den Schritten 12.2–12.4 beschrieben, aber wählen Sie im ersten Menü die gewünschte “Roboterversion” (anstelle von “clb”) und im zweiten Menü die Musterreferenz entsprechend der aktuellen Neigung (anstelle von “mode_4.csv”). Starten Sie die Aufzeichnung wie in Schritt 12.5 beschrieben. Drücken Sie die Taste “Funktion 1”, um den Druckregler zu aktivieren. Lassen Sie den Roboter für mindestens 6 Zyklen gehen / klettern. Beenden Sie die Aufnahme, indem Sie die Taste”Aufnahme”auf dem Monitor drücken (wie in Schritt 12.7). Stellen Sie sicher, dass der Roboter nicht fällt, wenn Sie den nächsten Schritt ausführen. Stoppen Sie den Druckregler, indem Sie erneut die Taste “Funktion 1” drücken. Dadurch wird auch die Vakuumversorgung gestoppt, und folglich wird der Roboter fallen. Verschieben Sie die aufgezeichnete *.csv-Datei in den Ordner “ExpEvaluation/[robot version]/[pattern type]/[inclination]/”.HINWEIS: Wiederholen Sie jeden Durchlauf mindestens fünf Mal, um eine solide Basis für den nächsten Schritt zu haben. 15. Bewertung des Experiments Führen Sie das Skript “ExpEvaluation/eval_vS11_adj_ptrn.py” aus, das in Zusatzdaten 5 bereitgestellt wird, um automatisch alle Messdaten zu bedeuten.ANMERKUNG: Dieses Skript gibt die Spur aller Füße, den aufgebrachten Druck über die Zeit, den gemessenen Biegewinkel aller Gliedmaßen im Zeitverlauf, die Geschwindigkeit des Roboters im Zeitverlauf, die Ausrichtung des Roboters im Zeitverlauf, die mittlere Geschwindigkeit über die Neigung (vgl. Abbildung 2A) und eine Annäherung der über die Neigung verbrauchten Energie (vgl. Abbildung 2B) aus.

Representative Results

Das vorgestellte Protokoll führt zu drei Dingen: einem Soft-Kletterroboter, einer universell einsetzbaren Steuerbox und einer Steuerungsstrategie für die gerade Bewegung des Roboters, die seine Kletterfähigkeit erhöht und gleichzeitig seine verbrauchte Energie verringert. Die in Abschnitt 8 beschriebene Steuerbox ermöglicht eine kontinuierliche Versorgung jedes gewünschten Druckpegels auf bis zu sechs Kanälen (erweiterbar auf acht) und zusätzlich auf vier Kanälen die Vakuumversorgung (je nach Bedarf erweiterbar). Die “User Interface Unit” ermöglicht es dem Anwender, die Steuerbox zur Laufzeit einfach zu bedienen und die Schnittstelle zum Monitor ermöglicht es, die gemessenen Daten direkt einzusehen und als csv-Datei zu speichern. Der Muster-Referenz-Modus der Steuerbox bietet dem Benutzer eine intuitive Benutzeroberfläche, um vordefinierte Muster zu schleifen. Dies kann das Gangmuster des Roboters sein, wie in diesem Protokoll, oder es kann für Aktuator-Ermüdungstests verwendet werden, oder jede andere Anwendung, die zyklische Belastung erfordert. Abbildung 1 zeigt alle in der Steuerbox und im Messsystem montierten Hardwarekomponenten sowie deren Verbindung. Das Gangmuster für die gerade Bewegung des Roboters ist in Winkelreferenzen8formuliert. Um den Roboter zu bedienen, müssen diese Winkelreferenzen in Druckreferenzen umgewandelt werden. Die in diesem Protokoll verwendete Steuerungsstrategie basiert auf einer vorherigen Winkeldruckkalibrierung. Jede Kalibrierungsmethode führt zu einer anderen Alpha-Druck-Kurve. Daher ist es notwendig, das Kalibrierverfahren so weit wie möglich an die realen Betriebsbedingungen anzupassen. Beim Ändern des Neigungswinkels der Gehebene ändern sich auch die Betriebsbedingungen. Daher muss die Winkeldruckkurve für jede Neigung neu kalibriert werden. Abbildung 2A zeigt die Geschwindigkeit des Roboters für verschiedene Steigungen mit unveränderter Kalibrierung und einer neu kalibrierten Winkeldruckkurve. Das Experiment zeigt deutlich die Wirksamkeit der Neukalibrierung. Der neu kalibrierte Roboter ist nicht nur viel schneller, er ist auch in der Lage, steilere Steigungen (84° statt 76°) zu klettern und gleichzeitig weniger Energie9 zu verbrauchen, wie in Abbildung 2Bdargestellt. In Abbildung 3wird eine Reihe von Fotografien der Bewegung des Roboters für eine Neigung von 48° gezeigt. Die Abbildung zeigt deutlich, dass die in Abbildung 3B dargestellte Kletterleistung mit Rekalibrierung viel besser ist als bei unveränderter Kalibrierung in Abbildung 3A, da die Positionsverschiebung innerhalb desselben Zeitintervalls fast doppelt so groß ist. Dieser Roboter kann sich im Vergleich zu anderen weichen Robotern sehr schnell bewegen. Qin et al.7 fassen die Vorwärtsgeschwindigkeiten verschiedener weicher Roboter zusammen. Ohne Nutzlast und in der horizontalen Ebene ist der in diesem Protokoll beschriebene Roboter im Verhältnis zur Körperlänge fünfmal schneller als der schnellste Roboter in Ref.7. Abbildung 1: Diagramm der im Steuerkasten montierten Hardwarekomponenten. Darin bezeichnet sich die Druckreferenz für den i-th-Kanal, ui das Steuersignal des i-tenProportionalventils, den i Vektor, der die Winkelreferenzen enthält, den Vektor, der die Winkelmessungen enthält, x den Vektor, der die Positionsmessungen enthält, und den Vektor, der die Steuersignale für die direkt wirkenden Magnetventile enthält, d.h. die Fixationszustände der Füße. α UI ist die Abkürzung für “User Interface Unit”, BBB ist eine Abkürzung für BeagleBone Black, d.h. der Einplatinencomputer, der in der Steuerbox verwendet wird, und RPi ist die Abkürzung für Raspberry Pi, d.h. der Einplatinencomputer, der im Messsystem verwendet wird. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen. Abbildung 2: Bewertung der Kletterleistung. Gestrichelte Kurven zeigen die Werte für konstante und feste Kurven für neu kalibrierte Druckreferenzen an. (A) Vorwärtsgeschwindigkeit des Roboters für verschiedene Neigungswinkel. (B) Energieverbrauch für verschiedene Neigungswinkel. Diese Figur ist ab Ref.9angepasst. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen. Abbildung 3: Serie von Fotos der Bewegung des Roboters bei einer Neigung von 48°. Die zwischen jedem Foto verstrichene Zeit beträgt 1,2 s. (A) Bewegung für konstante Druckreferenzen und (B) die Bewegung für neu kalibrierte Druckreferenzen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen. Ergänzende Abbildung 1: Vorbereitung des Elastomers. Bitte klicken Sie hier, um diese Abbildung herunterzuladen. Ergänzende Abbildung 2: Vergleich der Luftblasenbildung während der Evakuierung vor und nach dem Gießen. (A) Die Evakuierung des Elastomers erfolgt erst vor dem Gießen. Gefangene Luftblasen bleiben an Ort und Stelle, aber sie sind mehr im Bereich der Unebenheiten, die die Funktionalität des Aktuators nicht stark beeinträchtigt. (B) Die Evakuierung erfolgt vor und nach dem Gießen. Gefangene Luftblasen steigen auf, bleiben aber wieder auf der Oberseite der Federbeine stecken und schaffen Löcher im Aktuator, die die Funktionalität beeinträchtigen können. Bitte klicken Sie hier, um diese Abbildung herunterzuladen. Ergänzende Abbildung 3: Beispiele für erfolgreiche und erfolglose ausgehärtete Gussteile. Die obere Zeile zeigt erfolgreiche Beispiele und untere, erfolglose Beispiele. Wenn der Defekt nicht eindeutig erkennbar ist, ist er mit einem grünen Kreis gekennzeichnet. Bitte klicken Sie hier, um diese Abbildung herunterzuladen. Ergänzende Abbildung 4: Herstellung des Basisteils. Bitte klicken Sie hier, um diese Abbildung herunterzuladen. Ergänzende Abbildung 5: Schema für die Herstellung des unteren Teils. Vor dem Gießen wird ein Rohr (das später als Versorgungsrohr für den Saugnapf verwendet wird) in die Form eingespannt. Dann wird die Form mit flüssigem Elastomer gefüllt. Bitte klicken Sie hier, um diese Abbildung herunterzuladen. Ergänzende Abbildung 6: Verbindung von Basis und unterem Teil. Bitte klicken Sie hier, um diese Abbildung herunterzuladen. Ergänzende Abbildung 7: Laminierungsguss eines weichen Biegeaktors. Flüssiges Elastomer ist in rot, gehärtetem Elastomer in hellrot dargestellt, die dehnungsbegrenzende Schicht sowie die Formen in Schwarz. (A) Gemischtes Elastomer wird in zwei separate Formen gegossen – eine für das Basisteil und eine für den unteren Teil. Dabei ist der untere Teil nur zur Hälfte gefüllt. Anschließend wird eine dehnungsbegrenzende Schicht (Versorgungsrohr) in die untere Teileform eingesetzt. (B) Die Teile sind ausgehärtet und das Basisteil ist entoldt. (C) Die untere Teileform wird nach oben mit flüssigem Elastomer gefüllt. (D) Das Grundteil wird in diese Form getaucht. (E) Die beiden Teile sind zusammen ausgehärtet. (F) Der Aktuator ist entoldt. Diese Zahl basiert auf Ref.13. Bitte klicken Sie hier, um diese Abbildung herunterzuladen. Ergänzende Abbildung 8: Verbindung aller Gliedmaßen. (A) Abdeckung der zu verzahnenden Oberflächen mit flüssigem Elastomer. (B) Gerenderte Ansicht der gesamten Baugruppe. Bitte klicken Sie hier, um diese Abbildung herunterzuladen. Ergänzende Abbildung 9: Montage der Versorgungsrohreinlässe. Bitte klicken Sie hier, um diese Abbildung herunterzuladen. Ergänzende Abbildung 10: Fotos des Steuerkastens. (A) Frontansicht der Benutzeroberflächeneinheit, damit der Benutzer mit dem Roboter interagieren kann. (B) Detailansicht einer Ventileinheit. (C) Obere Ansicht des gesamten Steuerfelds. Bitte klicken Sie hier, um diese Abbildung herunterzuladen. Ergänzende Abbildung 11: Schaltplan der Benutzeroberflächeneinheit. Bitte klicken Sie hier, um diese Abbildung herunterzuladen. Ergänzende Abbildung 12: Schaltplan der Ventileinheit. Bitte klicken Sie hier, um diese Abbildung herunterzuladen. Ergänzende Abbildung 13: Vereinfachtes Schaltplan des gesamten Steuerkastens. Bitte klicken Sie hier, um diese Abbildung herunterzuladen. Ergänzende Abbildung 14: Diagramm der verwendeten Pins der in die Steuerbox eingebetteten Einplatinencomputer. (A) Verwendete Pins der Platine, die für die Benutzerkommunikation benötigt werden. (B) Verwendete Stifte der Platine für die Robotersteuerung benötigt. Bitte klicken Sie hier, um diese Abbildung herunterzuladen. Ergänzende Abbildung 15: Gerenderte Ansicht der Gehebene mit installiertem Messsystem. Bitte klicken Sie hier, um diese Abbildung herunterzuladen. Ergänzende Abbildung 16: Visualisierung des Hebeeffekts. Nadelnadeln mit 6 mm Köpfen werden in beide Enden des Oberkörpers eingesetzt. Dies minimiert die Reibung beim Gehen und bewirkt, dass die Saugnäpfe vollen Kontakt mit dem Gehflugzeug haben. Bitte klicken Sie hier, um diese Abbildung herunterzuladen. Ergänzende Abbildung 17: Montage der visuellen Marker. Die Marker werden mit Nadeln am Roboter montiert. Marker 0 ist am vorderen linken Fuß montiert, Marker 1 an der Vorderseite des Oberkörpers, Marker 2 am vorderen rechten Fuß, Marker 3 am hinteren linken Fuß, Marker 4 am Rücken des Oberkörpers und Marker 5 am hinteren rechten Fuß. Für die Montage von Marker 4 werden drei Nadeln verwendet Diese Figur ist ab Ref.9angepasst. Bitte klicken Sie hier, um diese Abbildung herunterzuladen. Ergänzende Abbildung 18: Legende der Tasten des Steuerkastens. Bitte klicken Sie hier, um diese Abbildung herunterzuladen. Ergänzende Abbildung 19: Legende der Schaltflächen der grafischen Benutzeroberfläche. Bitte klicken Sie hier, um diese Abbildung herunterzuladen. Ergänzende Abbildung 20: Gait-Muster für die gerade Bewegung des Roboters. Feste Füße werden durch gefüllte Kreise und unfixierte Füße durch ungefüllte Kreise angezeigt. (A) Gait-Muster für niedrige und moderate Neigungswinkel (< 70°). (B) Gait-Muster für hohe Neigungen (> 70°). Vakuum wird auf rote und schwarz gefüllte Füße aufgetragen. Schwarz gefüllte Füße sind am Boden befestigt, während rote Füße nicht unbedingt sein müssen. Um die Fixierung zu sichern, wird der zu fixierende Fuß einmal hin und her geschwungen. Diese Figur ist ab Ref.9angepasst. Bitte klicken Sie hier, um diese Abbildung herunterzuladen. Ergänzende Abbildung 21: Gerenderte Explosionsansicht des Softkletterroboters. Schwalbenschwänze befinden sich an den Beinen und den entsprechenden Schlüsselwegen an den Enden des Oberkörpers. Dadurch wird der Fügeprozess viel präziser. Diese Figur ist ab Ref.9angepasst. Bitte klicken Sie hier, um diese Abbildung herunterzuladen. Ergänzende Abbildung 22: Unterschiedliche Kalibrierverfahren zur Bestimmung der Druckwinkelkurve. Jede Unterfigur zeigt den qualitativen Druckverlauf und Schnappschüsse der entsprechenden Roboterpose. (A) Jeder Aktuator wird kontinuierlich von 0 bar bis zu 1 bar aufgeblasen, während alle anderen drucklos bleiben. (B) Ein Druckplateau wird auf einen einzigen Aktuator für 3 s aufgebracht; dann wird es für 2 s vollständig entleert. In der nächsten Runde wird das Niveau des Druckplateaus um das Inkrement erhöht, bis das Plateau 1 bar erreicht. Dies geschieht für jeden Aktuator einzeln. (C) Das gleiche Verfahren wie in Modus 2, aber hier wird das gleiche Plateau auf Aktoren (0,3,4) bzw. Aktoren (1,2,5) zur gleichen Zeit angewendet. (D) Das gleiche Verfahren wie in Modus 3, aber Plateaus für Aktoren (0,3) beginnen bei 0 bar (wie zuvor) und enden bei 1,2 bar (anstelle von 1 bar). Grundsätzlich ist das Inkrement für Aktoren (0,3) leicht erhöht, während die Inkremente für die anderen Aktoren gleich bleiben. Bitte klicken Sie hier, um diese Abbildung herunterzuladen. Ergänzende Abbildung 23: Winkeldruckkurven für verschiedene Kalibrierverfahren. Bitte klicken Sie hier, um diese Abbildung herunterzuladen. Ergänzende Animation 1: Animation des geraden Ganges des Roboters. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen. Ergänzende Animation 2: Animation des Klettergangs des Roboters. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen. Ergänzende Datei 1: Anleitung zum Konfigurieren der Einplatinencomputer. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen. Ergänzende Datei 2: Vorlage für die visuellen Marker drucken. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen. Zusatzdaten 1: CAD-Dateien. Dieser zip-komprimierte Ordner enthält die *.stl-Dateien zum Drucken der Formen, die *.dxf-Dateien zum Laserschneiden des Gehäuses der Steuerbox, die *.stl-Dateien zum Drucken der für das Messsystem verwendeten Klemmen und die *.dxf-Datei zum Laserschneiden des Rahmens des Messsystems. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen. Zusatzdaten 2: Code für die Ausführung auf den Einplatinencomputern. Dieser zip-komprimierte Ordner enthält die Programme und deren Quellen, die auf dem Board laufen, das für die “User Interface Unit”, das für die Robotersteuerung verwendete Board, und das Für die Bildverarbeitung verwendete Board verwendet wird. Laden Sie den vollständigen Ordner auf alle drei Boards hoch. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen. Zusatzdaten 3: Beispielhafte Messdaten. Dieser zip-komprimierte Ordner enthält zwei *.csv-Dateien, die während des Kalibrierungsvorgangs generiert wurden. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen. Ergänzende Daten 4: Kalibrierskript. Dieser zip-komprimierte Ordner enthält das Python-Skript und seine Quellen zur Auswertung der während des Kalibrierungsvorgangs generierten Messdaten. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen. Ergänzende Daten 5: Evaluierungsskript. Dieser zip-komprimierte Ordner enthält zwei Python-Skripte und deren Quellen zur Auswertung der während des Kletterexperiments generierten Messdaten. Darüber hinaus enthält es alle Messdaten, die für die Generierung von Abbildung 2verwendet werden. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Discussion

Das vorgestellte Protokoll enthält viele verschiedene Aspekte im Zusammenhang mit dem Kletter-Softroboter aus Ref.⁹, einschließlich Fertigung, Steuerung, Kalibrierung und Leistungsbewertung. Im Folgenden werden die Vor- und Nachteile, die sich aus dem Protokoll ergeben, nach den oben genannten Aspekten erörtert und strukturiert.

Die vorgestellte Herstellungsmethode basiert stark auf der vorhandenen Literatur¹⁰^,¹³. Ein wesentlicher Unterschied ist das Design des Aktuators. Um die einzelnen Gliedmaßen zu verbinden, werden an geeigneten Stellen Schwalbenschwanzführungen eingefügt, wie in der ergänzenden Abbildung 21dargestellt. Dies führt zu einer viel präziseren und robusteren Verbindung zwischen den Gliedmaßen im Vergleich zum vorherigen Design des Roboters⁸. Darüber hinaus sind die Versorgungsrohre in den unteren Teil der Aktuatoren eingebettet. Dieses integrierte Design ermöglicht die Vakuumzufuhr der Saugnäpfe und macht gleichzeitig die Bodenschicht nicht mehr dehnbar, was die Leistung des Aktuators deutlich erhöht. Ein weiterer Unterschied zu dem in der Literatur beschriebenen Verfahren besteht darin, dass das gemischte Elastomer nur einmal evakuiert wird (unmittelbar nach dem Mischen). Viele Quellen empfehlen, das Elastomer zweimal zu evakuieren: einmal nach dem Mischen und einmal nach dem Einfüllen in die Form. Es kann vorkommen, dass die Luft auf sehr kleinem Raum gefangen bleibt. In der Vakuumkammer dehnt sich diese Luft aus und steigt im besten Fall an die Oberfläche. Oft genug jedoch bleiben diese Luftblasen auf ihrem Weg stecken, was unangenehme Löcher im fertigen Guss schafft. Hier muss eine Entscheidung darüber getroffen werden, was wichtiger ist: perfekte Konturen auf der Unterseite des Grundteils oder so wenig Risiko wie möglich, einen nicht-funktionellen Aktuator herzustellen (vgl. Zusatzabbildung 2). In diesem Protokoll wird keine zweite Evakuierung durchgeführt. In dem vorgestellten Verfahren kann die Höhe des unteren Teils variieren, da es manuell gefüllt wird, und im Gegensatz zum Basisteil gibt es keine Möglichkeit, es nach dem Aushärten auf eine gleichmäßige Höhe zu schneiden. Um sicherzustellen, dass die Höhe des unteren Teils so gleichmäßig wie möglich ist, wird empfohlen, eine Spritze beim Befüllen der Form des unteren Teils zu verwenden und das eingegossene Volumen zu messen. Je nachdem, wie viel Zeit seit dem Mischen verstrichen ist, ändern sich die Fließeigenschaften des Elastomers jedoch deutlich. Daher wird empfohlen, immer frisch gemischtes Elastomer zu verwenden. Der Anschluss an die Basis und den unteren Teil des Aktuators bringt die größte Prozessunsicherheit mit sich. Wenn das Elastomerbad zu hoch ist, wird höchstwahrscheinlich auch der Luftkanal zwischen den Kammern abgedeckt. Dann ist der Aktuator nicht mehr nutzbar. Wenn das Elastomerbad zu niedrig ist, kann die Dichtlippe nicht in ihrem gesamten Umfang abgedeckt werden und der Aktuator würde auslaufen. Daher braucht es eine gewisse Menge an Praxis, um das Elastomerbad richtig zu dosieren. Wichtig für die Verbindung im Allgemeinen ist eine fettfreie Fügefläche. Ist die Fügefläche zu verunreinigt, kann der fertige Aktuator delaminatieren. Daher ist es wichtig, dass die Teile nur auf Oberflächen berührt werden, die nicht verbunden werden sollen. Eine wesentliche Einschränkung der Herstellungsmethode ist die Anzahl der zu realisierenden Stücke. Die Herstellung eines einzelnen Aktors dauert insgesamt mindestens zwei Stunden. Obwohl es möglich ist, mit mehreren Formen parallel zu arbeiten, sind mehr als vier aus Zeitgründen nicht zu empfehlen. Die Topfzeit des Elastomers ist zu kurz, um noch mehr Formen füllen zu können. Darüber hinaus halten die 3D-gedruckten Formen nur einer begrenzten Anzahl von Produktionszyklen (ca. 10–20) stand, bevor sie stark verformt werden oder brechen. Eine weitere Einschränkung sind die bereits diskutierten Prozessunsicherheiten. Da fast alle Prozessschritte manuell ausgeführt werden, ist jeder Aktuator etwas anders. Dies kann zu zwei Robotern führen, die in der Konstruktion identisch sind, aber zwei sehr unterschiedliche Verhaltensweisen aufweisen.

Mit der Steuerbox wird eine Methode zur Steuerung des Roboters bereitgestellt. Dennoch müssen für jedes pneumatische System die Steuergewinne des Skripts “Code/arduino_p_ctr.ino” individuell bestimmt werden. Dies ist im Protokoll nicht abgedeckt. Der “Druckreferenzmodus” der Steuerbox ermöglicht jedoch eine spielerische Handhabung des Roboters, so dass die Controller-Tuning ohne mehrere Skripte erfolgen kann. Eine weitere Einschränkung der Schaltbox sind die Kosten, da das Material insgesamt etwa 7000 US-Dollar kostet. Die Literatur¹¹ bietet eine Bauanleitung für eine Steuerbox, die nur etwa 900 US-Dollar kostet und mit einigen Upgrades auch für den Betrieb des Roboters verwendet werden könnte.

Entscheidend für die Kalibrierung der einzelnen Aktuatoren ist die Wahl des Kalibrierverfahrens. Ergänzende Abbildung 22 zeigt den qualitativen Verlauf der Druckreferenzen im Zeitverlauf für vier verschiedene Verfahren und Ergänzende Abbildung 23 die resultierenden Winkeldruckkurven. Wie in letzterem zu sehen ist, ergibt jede Kalibrierungsmethode eine andere Winkeldruckkurve. Dies zeigt, dass das Verhältnis zwischen Druck und Winkel stark von der Belastung des Aktors abhängt. Daher muss das Kalibrierungsverfahren den realen Lastfall so gut wie möglich widerspiegeln. Daher ist es notwendig, das Kalibrierverfahren so weit wie möglich an die realen Betriebsbedingungen anzupassen. Die beste Gehleistung wird mit dem Kalibrierungsverfahren 4 erzielt. Wie jedoch in Abbildung 3Bzu sehen ist, sind die nachfolgenden Posen in der Reihe nicht vollständig symmetrisch, was ein Indikator für das Verbesserungspotenzial bei der Kalibrierung ist.

Entscheidend für das Messsystem ist die Montage der visuellen Marker¹⁵ in Abschnitt 10. Da sie nicht direkt an den gewünschten Punkten montiert werden können (weil die Rohre stören), müssen die gemessenen Punkte künstlich verschoben werden. Bei der Bestimmung dieses Offsetvektors (in Pixelkoordinaten der Kamera) ist besondere Vorsicht geboten; Andernfalls hat die gesamte Messung erhebliche systematische Fehler. Es muss auch sichergestellt werden, dass die Tags nicht mit der Zeit verschoben werden. Geschieht dies z.B. aufgrund eines Absturzes des Roboters, muss das entsprechende Tag exakt an der gleichen Stelle wieder montiert werden. In jedem Fall sollte regelmäßig überprüft werden, ob das Messsystem noch eine zuverlässige Leistung liefert.

Der begrenzende Faktor im Experiment ist die Fixierung der Füße. Um noch steilere Neigungen erklimmen zu können, muss der Befestigungsmechanismus überdacht werden. Derzeit ist der Roboter nicht in der Lage, seine Füße aktiv gegen die Laufebene zu drücken, und bei hohen Steigungen ist die durch die Schwerkraft verursachte normale Kraft zu klein, um die Saugnäpfe nah genug an das Gehflugzeug zu bringen, um eine zuverlässige Absaugung zu gewährleisten.

Das vorgestellte Herstellungsverfahren kann auf jeden Fluidelastomerantrieb übertragen werden und könnte daher für zukünftige Anwendungen interessant sein. Die vorgestellte Steuerbox ermöglicht die Steuerung jedes pneumatischen Systems, bestehend aus sechs einzelnen Aktuatoren (erweiterbar auf bis zu acht), einschließlich Roboterplattformen, da sie eine schnelle sensorische Rückkopplung erfordern. Daher könnte es als universelle Plattform für die Erprobung und Steuerung zukünftiger Roboter verwendet werden. Schließlich kann die vorgestellte Kalibriermethode grundsätzlich für jedes vorschubgesteuerte pneumatische System gelten. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass alle vorgestellten Methoden innerhalb des diskutierten Bereichs universell sind.

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Die Autoren danken Fynn Knudsen, Aravinda Bhari und Jacob Muchynski für die hilfreichen Diskussionen und die Inspiration.

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

Riferimenti

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

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Citazione di questo articolo

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).