얇은 연공압 액추에이터 및 로봇의 신속한 제조
Summary
이 프로토콜은 얇은 폼 팩터를 가진 부드러운 공압 액추에이터 및 로봇의 신속한 제조 방법을 설명합니다. 제조 방법은 열가소성 폴리 우레탄 (TPU) 시트의 적층과 액추에이터와 로봇을 형성하는 2 차원 패턴의 레이저 절단 / 용접으로 시작합니다.
Abstract
이 프로토콜은 열 프레스 및 레이저 커터 기계를 사용하여 초박형 폼 팩터를 가진 소프트 공압 액추에이터 및 로봇의 신속한 제조 방법을 설명합니다. 이 방법은 ~ 93 °C의 온도에서 10 분 동안 열 프레스를 사용하여 열가소성 폴리 우레탄 (TPU) 시트의 적층으로 시작합니다. 다음으로, 레이저 커터 기계의 파라미터는 최대 버스트 압력의 직사각형 풍선을 생성하도록 최적화됩니다. 최적화된 파라미터를 사용하여 소프트 액추에이터는 레이저 절단/용접을 세 번 순차적으로 합니다. 다음으로, 디스펜싱 바늘이 액추에이터에 부착되어 팽창될 수 있습니다. 액추에이터의 편향에 대한 기하학적 파라미터의 효과는 채널 폭과 길이를 변화시켜 체계적으로 연구됩니다. 마지막으로, 액추에이터의 성능은 광학 카메라와 유체 디스펜서를 사용하는 것이 특징입니다. 실리콘 성형을 기반으로 하는 연공액추에이터의 종래의 제조 방법은 시간이 많이 소요된다(몇 시간). 또한 강력하지만 부피가 큰 액추에이터를 생성하여 액추에이터의 응용 프로그램을 제한합니다. 또한 얇은 공압 액추에이터의 미세 가공은 시간과 비용이 많이 듭니다. 현재 작업에서 제안 된 제조 방법은 초박형 공압 액추에이터의 빠르고 간단하고 비용 효율적인 제조 방법을 도입하여 이러한 문제를 해결합니다.
Introduction
연공액 액추에이터의 제조에서 한 걸음 앞으로, 제안 된 방법은 열가소성 폴리 우레탄 (TPU)으로 만든 초박형 (~ 70 μm) 공압 액추에이터의 신속한 제조를 보여줍니다 1. 이 액추에이터는 로봇이 가볍거나 작은 공간 내에 장착되어야 하는 응용 분야에서 특히 유용합니다. 이러한 응용 프로그램은 경피 수술 조작기, 웨어러블 액추에이터, 수색 및 구조 로봇, 비행 또는 수영 로봇으로 구상 될 수있다.
실리콘 성형을 기반으로 하는 얇은 연질 공압 액추에이터의 기존 제조 방법은 3D 프린팅 금형의 낮은 분해능과 얇은 액추에이터(0.5mm 미만)의 탈장 어려움으로 인해 시간이 많이 걸리고 매우 까다롭습니다. 특히, 얇은 액추에이터의 제작은 특수 공구 및 방법2의적용을 필요로한다.
미세 제작 기술은 얇은 액추에이터3,4,5,6,7을제작하기 위해 채택 될 수있다. 양자택일로, Ikeuchi 외. 멤브레인 마이크로 엠보싱8를사용하여 얇은 공압 액추에이터를 개발하였다. 이러한 방법은 효과적이지만 비용이 많이 드는 도구가 필요하며 시간이 많이 걸립니다. 따라서 응용 프로그램이 제한되어 있습니다.
Paek et al.은 원통형 템플릿의 딥 코팅을 사용하여 소규모 소프트 액추에이터의 제조를 위한 간단한 방법을입증하였다 2. 효과적이지만, 이 방법의 광범위한 적용에 두 가지 문제가 있다: 첫째, 딥 코팅 피처의 두께를 제어하기가 쉽지 않으며, 둘째, 그 적용은 제한된 수의 3차원(3D) 설계로 제한된 수의 설계로 제한된다.
Peano 액추에이터9,10 및 파우치 모터(11,12)는 얇은 폼 팩터 (즉, 두께가 작은 넓은 영역)를 초래하는 컴팩트한 2 차원 (2D) 디자인을 가지고 있습니다. Veale et al. 보고 선형 Peano 액추에이터 강화 플라스틱 및 섬유 실리콘 복합재료로만든1,8. Niiyama 외. 열 스탬핑 및 열 그리기 시스템에 의해 제조 된 열가소성 필름을 사용하여 파우치 모터를 개발11,12.
Peano 액추에이터와 파우치 모터의 2D 설계는 작동되지 않은 상태에서 매우 얇아지지만, 인플레이션시 제로 볼륨 챔버는 상대적으로 큰 부피로 확장되어 트랜스카테터 테라피 또는 수색 및 구조 임무와 같은 제한된 공간에서작동을 위한 적용을 제한합니다1. 이러한 설계와 는 달리, 현재 방법에서 제안 된 소프트 액추에이터는 상대적으로 작은 균주와 작동 할 수 있습니다. 따라서, 심지어 작동 상태에서 그들은 상대적으로 작은 공간을 차지1.
Protocol
Representative Results
Discussion
소프트 액추에이터 제작의 중요한 단계는 다음과 같습니다: i) 2D CAD 설계. 적절한 2D 레이아웃은 액추에이터의 변형(예: 선형, 편축, 굽힘 및 회전 모션)을 지시할 수 있습니다. ii) TPU 층의 적층. TPU 필름은 레이저 절단 전에 열을 가압하여 층이 평평하고 모든 곳에서 접촉할 수 있도록 합니다. iii) 레이저 절단 / 용접. 마지막 단계로, 적층 된 TPU 층은 레이저 절단 / 부드러운 액추에이터로 용접된다.
프로토콜의 성공률은 100% 수율을 생성할 수 있습니다(예: 20개의 액추에이터를 동시에 만들었습니다). 주요 요인은 적층 단계입니다 : 최상의 결과를 얻으려면 TPU를 열 프레스 공정 전에 가능한 한 많이 평평하게해야합니다. 힘 센서를 통해 열 프레스 플레이트의 다른 영역을 검사하면 압력 분포가 균일하지 않은 것으로 나타났습니다. 불균일한 압력 분포는 TPU 시트의 불완전한 적층이 될 수 있으며, 이로 인해 불완전한 레이저 절단/용접 및 누설이 발생할 수 있습니다. 또는 레이저 절단/용접 중에 TPU 필름의 작은 주름으로 인한 불균일한 열 전달은 누설을 일으킬 수 있습니다.
종래의 방법에 비해, 제안된 방법은 다음과 같은 몇 가지 장점을 갖는다: i) 간단한 2D 설계. 현재 의 방법은 레이저 절단 / 액추에이터를 용접하는 2D CAD 설계를 필요로하지만 (다양한 패턴을 사용할 수있습니다 1),실리콘 주조에 기초한 기존의 제조 방법은 3D 금형 설계를 필요로한다. ii) 신속한 제조. CAD 설계에서 TPU 층의 라미네이션및 레이저 절단/용접에 이르는 제작 시간은 몇 분 안에 발생할 수 있지만, 기존의 제작 방법은 몇 시간이 걸릴 수 있습니다. 조립없이 소프트 장치와 소프트 로봇을 한 단계로 제작할 수 있으므로 소프트 로봇과 장치는 다양한 유형의 액추에이터 조합으로 설계할 수 있으며 CAD 모델은 조립없이 단일 단계로 최종 제품에 레이저 절단/용접될 수 있습니다. 예를 들어, 두 가지 유형의 굽힘 액추에이터로 구성된 4개의 다리로 구성된 수영 로봇은 앞에서설명한것처럼 조립 단계를 필요 없이 단 몇 분 만에 2D CAD 설계로 제작됩니다.
이 작업의 미래 방향으로, 열가소성 재료의 다른 유형은 부드러운 액추에이터의 제조를 위해 채택 될 수있다. 일반적으로 이러한 재료는 액추에이터로 사용하려면 탄성 거동이 있어야 합니다. 더 단단한 열가소성 재료의 적용은 이전에 모가담 등의 그림 S6에 특징과 비교하여 액추에이터의 더 높은 버스트 압력과 더 높은 차단력을 초래할 것이다1,0.1 N까지 힘을 보여주는. 따라서, 외골격 스위트와 같이 더 높은 차단력이 요구되는 경우로 액추에이터의 적용을 확장할 수 있다.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
우리는이 작품에 자금을 지원 심장 혈관 이미징의 달리오 연구소에 감사드립니다.
Materials
| Force Sensor | Omega | KHLVA-102 | https://www.omega.co.uk/pptst/KHRA-KHLVA-KHA-SERIES.html |
| High Precision Dispensers Ultimus I | Nordson | http://www.nordsonefd.com/searchengines/google/en/AirPoweredDispensers/?gclid=CjwKCAjw36DpBRAYEiwAmVVDMPuZ50xXoyzK3gvnghCA7yZUfJg4o9V28yDHKjY5Gs159RJIcMk_choCJIgQAvD_BwE | |
| Laser Cutter VLS2.30 | Universal Laser System | https://www.ulsinc.com/products/platforms/vls2-30 | |
| PowerPress Heat Press | Power Heat Press | OX-A1 | https://www.howtoheatpress.com/power-press-15×15-heat-press-review/ |
| PTFE Thread Sealant tape | McMaster-Carr | 4934A11 | https://www.mcmaster.com/ptfe-tape |
| Stainless Steel Dispensing Needle | McMaster-Carr | 75165A754 | https://www.mcmaster.com/75165a754 |
| Super Glue Loctite 409 | Henkel | 229654 | https://www.henkel-adhesives.com/us/en/product/instant-adhesives/loctite_409.html |
| Thermoplastic polyurethane Airtech’s Stretchlon 200 | ACP Composites | v-11A | https://store.acpsales.com/products/3321/stretchlon-200-high-stretch-bag-film-60 |
| Universal Testing Systems | Instron | 5943 |
References
- Moghadam, A. A. A., et al. Laser Cutting as a Rapid Method for Fabricating Thin Soft Pneumatic Actuators and Robots. Soft Robotics. 5 (4), 443-451 (2018).
- Paek, J. W., Cho, I., Kim, J. Y. Microrobotic tentacles with spiral bending capability based on shape-engineered elastomeric microtubes. Scientific Reports. 5, (2015).
- Gorissen, B., et al. Flexible pneumatic twisting actuators and their application to tilting micromirrors. Sensors and Actuators A-Physical. 216, 426-431 (2014).
- Gorissen, B., De Volder, M., De Greef, A., Reynaerts, D. Theoretical and experimental analysis of pneumatic balloon microactuators. Sensors and Actuators A-Physical. 168 (1), 58-65 (2011).
- Jeong, O. C., Konishi, S. All PDMS pneumatic microfinger with bidirectional motion and its application. Journal of Microelectromechanical Systems. 15 (4), 896-903 (2006).
- Konishi, S., Shimomura, S., Tajima, S., Tabata, Y. Implementation of soft microfingers for a hMSC aggregate manipulation system. Microsystems & Nanoengineering. 2, (2016).
- Lu, Y. W., Kim, C. J. Microhand for biological applications. Applied Physics Letters. 89 (16), (2006).
- Ikeuchi, M., Ikuta, K. Development of Pressure-Driven Micro Active Catheter using Membrane Micro Emboss Following Excimer Laser Ablation (MeME-X) Process. 2009 IEEE International Conference on Robotics and Automation. , (2009).
- Sanan, S., Lynn, P. S., Griffith, S. T. Pneumatic Torsional Actuators for Inflatable Robots. Journal of Mechanisms and Robotics. 6 (3), 031003 (2014).
- Veale, A. J., Xie, S. Q., Anderson, I. A. Modeling the Peano fluidic muscle and the effects of its material properties on its static and dynamic behavior. Smart Materials and Structures. 25 (6), (2016).
- Niiyama, R., Rognon, C., Kuniyoshi, Y. Printable Pneumatic Artificial Muscles for Anatomy-based Humanoid Robots. 2015 IEEE-RAS 15th International Conference on Humanoid Robots (Humanoids). , (2015).
- Niiyama, R., et al. Pouch Motors: Printable Soft Actuators Integrated with Computational Design. Soft Robotics. 2 (2), 59-70 (2015).
