ייצור של מפעילים רשת פנאומטיים רך עם המלוכסן צ'יימברס
Summary
כאן אנו מציגים את שיטת ייצור מפעילים רשת פנאומטיים רך עם צ’יימברס עקיפה. מפעילים מסוגלים לייצר בשילוב כפיפה, פיתול. עתירות, אשר מרחיב את היישום שלהם ברובוטיקה רך.
Abstract
מפעילים רשת פנאומטיים רך הפכו אחד מההתקנים הופעה המבטיחים ביותר ברובוטיקה רך הנהנה מן דפורמציה כיפוף גדול שלהם נמוכה קלט. עם זאת, את הטופס תנועה כיפוף חד גונית שלהם בחלל דו-ממדית (2-D) שומר אותם הרחק יישומים רחב. מאמר זה מציג שיטת ייצור מפורט מפעילים רשת פנאומטיים רך עם המלוכסן צ’יימברס, לחקור את תנועותיהם במרחב תלת-ממדי (3-D). העיצוב של צ’יימברס המלוכסן מאפשר מפעילים עם tunable בשילוב כפיפה, פיתול יכולות, אשר נותן להם את האפשרות לגור הזריזות סימולטורי גמיש, להיות רובוטים ביולוגית בהשראת, ומכשור רפואי. תהליך ייצור מבוססת על שיטת היציקה, כולל סיליקון elastomer הכנה, הקאמרית ובסיס חלקים ייצור, הרכבה למפעיל, חיבורי צינורות, בדיקת נזילות, ותיקון למפעיל. שיטת ייצור מבטיח ייצור מהיר של סדרת מפעילים עם רק כמה שינויים בתוך התבניות. תוצאות הבדיקה מראים את האיכות הגבוהה של מפעילים שלהם בולטים כיפוף ואת פיתול יכולות. ניסויים של התפיסה מדגימים את היתרונות של פיתוח להסתגל עצמים בעזרת קטרים שונים ומספקת מספיק חיכוך.
Introduction
רך גלילי (ספא) הם התקנים רך יכול להיות actuated מאת קלט פשוטים של אוויר בלחץ1,2. הם יכולים להיות מפוברק עם חומרים מגוונים, כגון אלסטומרים סיליקון3, בדים4, זיכרון פולימרים5אלסטומרים מבודד6. חוקרים נהנו מן הטבע שלהם של ציות, בתנועות מיומנות, שיטות ייצור פשוט7, כך ספא הפכו לאחד ההתקנים המבטיחים ביותר עבור רך רובוטיקה יישומים8,9. ספא יכולים להבין תנועות מתוחכמים שונים, כגון זוחלת10, סיבוב11, וציפוי12 בהתבסס על סוגים שונים של דפורמציה, כולל הרחבת הרחבה, כפיפה, פיתול13, 14. כדי שתוכל לבצע סוגים שונים של תנועות, ספא בעיצוב מבנים שונים, כגון גוף ליניארי עם ערוצים מקבילים15, תא מונוליטי עם סיבים-תגבורת16, וחזר רשתות של צ’יימברס משנה17. ביניהם, המרחצאות עם רשתות של חללים תת חוזרות ונשנות, מפעילים רשת מועדוני רך, מועסקים נרחב כי הם יכולים ליצור דפורמציות גדולות תחת לחץ קלט נמוכה יחסית. עם זאת, ברוב העיצובים הקודמים, סוג זה של מפעילים יכול רק ליצור תנועות כיפוף במרחב דו-ממדי, אשר מגביל מאוד את היישומים שלהם.
למפעיל רשת פנאומטיים רך מורכבת מקבוצה מסודרים באופן ליניארי של חללים המחוברים באמצעות ערוץ פנימי. כל תא מעוקב מכיל זוג מול קירות אשר דק יותר זוג אחרים ומייצרת של אינפלציה דו צדדי בכיוון בניצב הקירות דקים. במקור, הקירות דקים של התאים הם בניצב לציר הארוך של הגוף למפעיל ונפח יחד עם ציר זמן. אלה inflations קוליניאריות צ’יימברס, הבסיס הלא-להרחבה להוביל נפרד טהור כיפוף במפעיל. על מנת לחקור תנועה במפעיל במרחב תלת-ממדי, הכיוון של התאים הוא מכוון כך רזה-הקירות כבר לא בניצב לציר הארוך של מפעיל (איור 1א’), אשר מאפשרת את הכיוון האינפלציה של כל תא כדי לקזז מן הציר ולהיות לא קוליניאריות. כל inflations מקבילים אך לא-קוליניאריות לשנות את התנועה של מפעיל לתוך בשילוב כפיפה סיבוביות תנועה מרחב תלת-ממדי18. זו תנועה בשילוב מאפשר מפעילים זריזות וגמישות יותר והופך מפעילים מועמדת מתאימה עבור יישומים מעשיים יותר, כמו סימולטורי גמיש, רובוטים ביולוגית בהשראת, ומכשור רפואי.
פרוטוקול זה מציג שיטת ייצור של סוג זה של מפעילים רשת פנאומטיים רך עם צ’יימברס עקיפה. זה כולל הכנת elastomer סיליקון, בדיית הקאמרית של חלקים הבסיס, בהרכבת במפעיל, חיבור הצנרת, בודק שאין דליפות, ותיקון, במידת הצורך, במפעיל. זה יכול לשמש גם כדי לבדות מפעילים רשת רגילה פנאומטיים רך, אחרים מפעילים רך אשר יכול להיות מיוצר עם כמה שינויים פשוטים בשיטת היציקה. אנו מספקים את השלבים המפורטים כדי לבדות משאבות הידראוליות רך עם צ’יימברס המלוכסן 30°. ליישומים שונים, מפעילים עם זוויות שונות קאמרית יכול להיות מפוברק על פי באותו הפרוטוקול. חוץ מזה, מפעילים ניתן לשלב כדי ליצור מערכת למפעיל מרובות עבור דרישות שונות.
Protocol
Representative Results
Discussion
הנייר מציג שיטת פרוטוקול להנחות את הזיוף של מפעילים רשת פנאומטיים רך עם צ’יימברס עקיפה. בעקבות הפרוטוקול, למפעיל אחד יכול להיות מפוברק באופן עצמאי תוך 3 שעות. ניתן לסכם את השלבים החשובים בפרוטוקול כדלקמן. (i) אלסטומר סיליקון מוכן בפרופורציה, לערבב היטב. (ii) אלסטומר סיליקון ויוצקים לתבנית עבו?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה על ידי הלאומי מדעי הטבע קרן של סין תחת גרנט 51622506 ומדע ועיריית טכנולוגיה עמלה של שנגחאי תחת גרנט 16JC1401000.
Materials
| Silicone elastomer | Wacker | ELASTOSIL M4601 A/B | Material of the actuators |
| Syringe | Shanghai Kindly Medical Instruments | 10 ml | Used to inject silicone rubber into the hole of the mold for fabricating the connection end |
| Precision scale | Shanghai Hochoice | UTP-313 | Used to weigh the silicone rubber |
| Planetary centrifugal vacuum mixer | THINKY | ARE-310 | Used to mix the silicone rubber and defoam after mixing process |
| Release agent | Smooth-on | Release 200 | Used for ease of demolding |
| Needle | Shanghai Kindly Medical Instruments | Used for Piercing the bubbles form on the surface | |
| Utility blade | M&G Chenguang Stationery | ASS91325 | Used for Scraping off excess silicone rubber along the upper surface of the mold |
| Vacuum oven | Ningbo SI Instrument | DZF-6050 | Used to reduce the cure time of the silicone rubber |
| Male stud push in fit pneumatic fitting | Zhe Jiang BLCH Pneumatic Science & Technology | PC4-01 | Used to connect the tubing and the 3D-printed actuator tubing connector |
| Tubing | SMC | TU0425 | Used for actuating the actuators |
| Vacuum pump | Zhe Jiang BLCH Pneumatic Science & Technology | Used as the air source | |
| Pressure valve | Zhe Jiang BLCH Pneumatic Science & Technology | IR1000-01BG | Used for adjusting the input air pressure |
References
- Rus, D., Tolley, M. T. Design, fabrication and control of soft robots. Nature. 521 (7553), 467-475 (2015).
- Ilievski, F., Mazzeo, A. D., Shepherd, R. F., Chen, X., Whitesides, G. M. Soft robotics for chemists. Angewandte Chemie International Edition. 50 (8), 1890-1895 (2011).
- Shepherd, R. F., et al. Multigait soft robot. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 108 (51), 20400-20403 (2011).
- Yap, H. K., et al. A fully fabric-based bidirectional soft robotic glove for assistance and rehabilitation of hand impaired patients. IEEE Robotics and Automation Letters. 2 (3), 1383-1390 (2017).
- Yang, Y., Chen, Y., Li, Y., Chen, M. Z. Q., Wei, Y. Bioinspired Robotic Fingers Based on Pneumatic Actuator and 3D Printing of Smart Material. Soft Robotics. 4 (2), 147-162 (2017).
- Gu, G. Y., Zhu, J., Zhu, L. M., Zhu, X. A survey on dielectric elastomer actuators for soft robots. Bioinspiration & Biomimetics. 12 (1), 011003 (2017).
- Holland, D. P., et al. The soft robotics toolkit: Strategies for overcoming obstacles to the wide dissemination of soft-robotic hardware. IEEE Robotics & Automation Magazine. 24 (1), 57-64 (2017).
- Galloway, K. C., et al. Soft Robotic Grippers for Biological Sampling on Deep Reefs. Soft Robotics. 3 (1), 23-33 (2016).
- Polygerinos, P., Wang, Z., Galloway, K. C., Wood, R. J., Walsh, C. J. Soft robotic glove for combined assistance and at-home rehabilitation. Robotics and Autonomous Systems. 73, 135-143 (2015).
- Tolley, M. T., et al. A Resilient, Untethered Soft Robot. Soft Robotics. 1 (3), 213-223 (2014).
- Ainla, A., Verma, M. S., Yang, D., Whitesides, G. M. Soft, Rotating Pneumatic Actuator. Soft Robotics. 4 (3), 297-304 (2017).
- Koizumi, Y., Shibata, M., Hirai, S. Rolling tensegrity driven by pneumatic soft actuators. 2012 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA). , (2012).
- Connolly, F., Polygerinos, P., Walsh, C. J., Bertoldi, K. Mechanical Programming of Soft Actuators by Varying Fiber Angle. Soft Robotics. 2 (1), 26-32 (2015).
- Connolly, F., Walsh, C. J., Bertoldi, K. Automatic design of fiber-reinforced soft actuators for trajectory matching. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 114 (1), 51-56 (2017).
- Martinez, R. V., et al. Robotic tentacles with three-dimensional mobility based on flexible elastomers. Advanced Materials. 25 (2), 205-212 (2013).
- Polygerinos, P., et al. Modeling of Soft Fiber-Reinforced Bending Actuators. IEEE Transactions on Robotics. 31 (3), 778-789 (2015).
- Mosadegh, B., et al. Pneumatic Networks for Soft Robotics that Actuate Rapidly. Advanced Functional Materials. 24 (15), 2163-2170 (2014).
- Wang, T., Ge, L., Gu, G. Programmable design of soft pneu-net actuators with oblique chambers can generate coupled bending and twisting motions. Sensors and Actuators A: Physical. 271, 131-138 (2018).
- Marchese, A. D., Katzschmann, R. K., Rus, D. A Recipe for Soft Fluidic Elastomer Robots. Soft Robotics. 2 (1), 7-25 (2015).
