Evaluación de fabricación, control y rendimiento de un robot blando inspirado en Gecko

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).