İnce Yumuşak Pnömatik Aktüatör ve Robotların Hızlı İmalatı
Summary
Bu protokol, yumuşak pnömatik aktüatörlerin ve robotların ince form faktörüne sahip hızlı üretim yöntemini açıklamaktadır. Üretim yöntemi termoplastik poliüretan (TPU) levhaların laminasyonu ile başlar ve ardından iki boyutlu bir örüntünün lazer lekesi/kaynaktan aktüatör ve robotlar oluşturur.
Abstract
Bu protokol, bir ısı presi ve lazer kesici makine kullanarak ultra ince form faktörü ile yumuşak pnömatik aktüatörler ve robotlar hızlı üretim için bir yöntem açıklar. Yöntem, ~93 °C sıcaklıkta 10 dk ısı presi kullanarak termoplastik poliüretan (TPU) levhaların laminasyonu ile başlar. Daha sonra, lazer kesici makinenin parametreleri maksimum patlama basıncı ile dikdörtgen bir balon üretmek için optimize edin. Optimize edilmiş parametreler kullanılarak yumuşak aktüatörler lazer kesim/kaynaklı üç kez sırayla yapılır. Daha sonra, bir dağıtım iğnesi aktüatöre bağlanır ve şişirilmesine izin verilir. Geometrik parametrelerin aktüatörün saptırMa üzerindeki etkisi kanal genişliği ve uzunluğu değiştirilerek sistematik olarak incelenir. Son olarak, aktüatör performansı bir optik kamera ve sıvı dağıtıcı kullanılarak karakterize edilir. Silikon kalıplama dayalı yumuşak pnömatik aktüatörlerin geleneksel üretim yöntemleri zaman alıcı (birkaç saat). Ayrıca, aktüatörün uygulamalarını sınırlayan güçlü ama hantal aktüatörlerle sonuçlanır. Ayrıca, ince pnömatik aktüatörlerin mikroimalatı hem zaman alıcı hem de pahalıdır. Mevcut çalışmada önerilen üretim yöntemi ultra ince pnömatik aktüatörler hızlı, basit ve uygun maliyetli üretim yöntemi getirerek bu sorunları çözer.
Introduction
Yumuşak pnömatik aktüatörlerin üretiminde ileri ye doğru bir adım olarak, önerilen yöntem termoplastik poliüretan (TPU)1’denyapılmış ultraince (~70 μm) pnömatik aktüatörlerin hızlı imalatını göstermektedir. Bu aktüatörler özellikle robotların hafif olmasını ve/veya küçük alanlara sığmasını gerektiren uygulamalarda kullanışlıdır. Bu tür uygulamalar transkateter cerrahi manipülatörler, giyilebilir aktüatörler, arama kurtarma robotları ve uçan veya yüzme robotları olarak öngörülebilir.
Silikon kalıplama dayalı ince yumuşak pnömatik aktüatörlerin geleneksel üretim yöntemi, zaman alıcı (birkaç saat) ve çok 3D baskılı kalıplar düşük çözünürlüğü ve ince (az 0,5 mm) aktüatörlerin demolding zorluklar nedeniyle zordur. Özellikle, ince aktüatörlerin imalatı özel araç ve yöntemlerin uygulanmasını gerektirir2.
Mikrofabrikasyon teknikleri ince aktüatörler3,4,5,6,7imal etmek için kabul edilebilir. Alternatif olarak, Ikeuchi ve ark membran mikro kabartma8kullanarak ince pnömatik aktüatörler geliştirdik. Bu yöntemler, etkili olmasına rağmen, pahalı araçlar gerektirir ve zaman alıcıdır. Böylece, sınırlı uygulamaları var.
Paek ve ark. silindirikşablonlar2 daldırma kaplama kullanarak küçük ölçekli yumuşak aktüatörlerin imalatı için basit bir yöntem gösterdi. Etkili olmasına rağmen, bu yöntemin yaygın olarak uygulanması ile ilgili iki sorun vardır: Birincisi, daldırma kaplı özelliklerin kalınlığını kontrol etmek kolay değildir, ve ikinci olarak, uygulama üç boyutlu sınırlı sayıda (3D) tasarımlar ile sınırlıdır.
Peano aktüatörler9,10 ve kese motorları11,12 ince form faktörleri (yani, küçük kalınlıkta büyük alanlar) neden kompakt iki boyutlu (2D) tasarımlar var. Veale ve ark. takviyeli plastik ve tekstil-silikon kompozitler1,8yapılmış lineer Peano aktüatörlerin bildirilen gelişimi . Niiyama ve ark. ısı damgalama ve ısı çekme sistemleri11,12tarafından üretilen termoplastik filmler kullanarak kese motorları geliştirdi.
Peano aktüatörleri ve kese motorların 2D tasarımı onları çok ince onların unactated devlet yapar iken, enflasyon üzerine onların sıfır hacimli oda nispeten büyük bir hacim genişletir, böylece transkateter tedaviler veya arama ve kurtarma misyonları gibi sınırlı alanlarda operasyon için uygulama sınırlayan1. Bu tasarımların aksine, mevcut yöntemde önerilen yumuşak aktüatörler nispeten küçük suşları ile harekete geçebilirsiniz. Böylece, hatta aktüel durumda nispeten küçük alanlardaişgal 1.
Protocol
Representative Results
Discussion
Yumuşak aktüatörlerin imalatındaki kritik adımlar şunlardır: i) 2D CAD tasarımı. Uygun bir 2B düzen aktüatörde deformasyon (örneğin doğrusal, biaksiyel, bükme ve dönme hareketi) dikte edebilir. ii) TPU tabakalarının laminasyonu. TPU filmleri, katmanların düz ve her yerde temas halinde olduğundan emin olmak için lazer kesimden önce ısıya basılır. iii) Lazer kesim/kaynak. Son adım olarak, lamine TPU katmanları lazer kesim / yumuşak aktüatörler içine kaynaklı.
Protokolün başarı oranı %100 verim üretebilir (örneğin, aynı anda 20 aktüatör yaptık). Birincil faktör laminasyon adımıdır: en iyi sonuçları elde etmek için, TPU ısı pres işeyciönce mümkün olduğunca düzleştirilmiş olmalıdır. Bir kuvvet sensörü ile ısı pres plakasının farklı bölgelerinin incelenmesi basınç dağılımının tek düze olmadığını gösterebilir. Tek tip olmayan basınç dağılımı TPU levhaların kusurlu laminasyonuna neden olabilir ve bu da kusurlu lazer kesim/kaynak ve sızıntıile sonuçlanır. Alternatif olarak, lazer kesim/kaynak sırasında TPU filmindeki küçük kırışıklıklar nedeniyle tek tip olmayan ısı transferi sızıntıya neden olabilir.
Geleneksel yöntemlerle karşılaştırıldığında, önerilen yöntemin çeşitli avantajları vardır: i) Basit 2D tasarım. Mevcut yöntem sadece lazer kesim / kaynak aktüatörleri (çeşitli desenler mevcuttur1)için 2D CAD tasarımları gerektirir iken, silikon döküm dayalı geleneksel üretim yöntemleri 3D kalıp tasarımı gerektirir. ii) Hızlı üretim. CAD tasarımından TPU tabakalarının laminasyonuna ve lazer kesim/kaynak üretimine kadar üretim süresi birkaç dakika içinde gerçekleşebilir, oysa geleneksel üretim yöntemi birkaç saat sürer. Yumuşak cihazların ve yumuşak robotların tek bir adımda üretilmesine izin vererek, montaj olmadan, yumuşak robotlar ve cihazlar farklı aktüatör türlerinin bir kombinasyonundan tasarlanabilir ve CAD modeli herhangi bir montaj gerektirmeden tek bir adımda son ürüne lazerle kesilebilir/kaynaklanabilir. Örneğin, her biri iki tip bükme aktüatörlerinden oluşan dört ayaklı bir yüzme robotu, daha önce gösterildiğigibi,herhangi bir montaj adımı gerektirmeden sadece birkaç dakika içinde 2D CAD tasarımından imal edilebilir.
Bu çalışmanın gelecekteki yönü olarak, yumuşak aktüatörlerin imalatı için farklı tipte termoplastik malzemeler benimsenebilir. Genellikle, bu malzemelerin aktüatör olarak kullanılmak üzere elastik davranış olması gerekir. Daha sert termoplastik malzemenin uygulanması, daha önce Moghadam ve ark.1’inŞekil S6’sında karakterize edilenlere göre daha yüksek patlama basıncı ve aktüatörlerin daha yüksek engelleme kuvveti ile sonuçlanır ve 0,1 N’ye kadar kuvvetleri gösterir. Böylece aktüatörlerin uygulamasını dış iskelet süitleri gibi daha yüksek engelleme kuvvetinin gerekli olduğu durumlara uzatabilir.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dalio Kardiyovasküler Görüntüleme Enstitüsü’ne bu çalışmayı finanse ettiği için teşekkür ederiz.
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).
