Быстрое производство тонких мягких пневматических актуаторов и роботов
Summary
Этот протокол описывает метод быстрого производства мягких пневматических приводов и роботов с тонким форм-фактором. Метод изготовления начинается с ламинирования термопластичных полиуретановых (ТПУ) листов с последующей лазерной резки / сварки двумерного шаблона для формирования приводов и роботов.
Abstract
Этот протокол описывает метод быстрого производства мягких пневматических приводов и роботов с ультратонким форм-фактором с использованием теплового пресса и лазерного резака машины. Метод начинается с ламинирования термопластичных полиуретановых (ТПУ) листов с использованием теплового пресса в течение 10 мин при температуре 93 градусов по Цельсию. Далее параметры лазерного резака машины оптимизированы для получения прямоугольного шара с максимальным давлением разрыва. Используя оптимизированные параметры, мягкие приводы лазерной огранки / сварки в три раза последовательно. Далее к актуатору крепится распределительная игла, позволяющая надуть ее. Влияние геометрических параметров на отклонение актуатора систематически изучается путем изменения ширины и длины канала. Наконец, производительность свистого актахарактеризуется с помощью оптической камеры и распределителя жидкости. Обычные методы изготовления мягких пневматических приводов на основе силиконовой литья отнимают много времени (несколько часов). Они также приводят к сильным, но громоздким привода, что ограничивает приложения привода. Кроме того, микросборка тонких пневматических приводов занимает много времени и дорого. Предлагаемый метод производства в текущей работе решает эти проблемы путем внедрения быстрого, простого и экономически эффективного метода изготовления ультратонких пневматических приводов.
Introduction
В качестве шага вперед в производстве мягких пневматических приводов, предлагаемый метод иллюстрирует быстрое изготовление ультратонких (70 мкм) пневматических приводов из термопластичных полиуретана (ТПУ)1. Эти приводы особенно полезны в приложениях, которые требуют, чтобы роботы были легкими и/или вписываются в небольшие пространства. Такие приложения могут быть предусмотрены как транскатетер хирургических манипуляторов, носимых приводов, поисково-спасательных роботов, а также летающих или плавающих роботов.
Обычный метод производства тонких мягких пневматических приводов, который основан на силиконовой литья, занимает много времени (несколько часов) и очень сложной из-за низкого разрешения 3D печатных форм и трудности в демольдинге тонких (менее 0,5 мм) приводов. В частности, изготовление тонких приводов требует применения специализированных инструментов и методов2.
Методы микрофабрикации могут быть приняты для изготовления тонких приводов3,4,5,6,7. Кроме того, Ikeuchi et al. разработали тонкие пневматические приводы с использованием мембранного микро-типсинг8. Эти методы, хотя и эффективны, требуют дорогостоящих инструментов и отнимают много времени. Таким образом, они имеют ограниченные приложения.
Paek et al. продемонстрировали простой метод изготовления мелкомасштабных мягких приводов с использованием окунательных цилиндрических шаблонов2. Несмотря на свою эффективность, существует две проблемы с широким применением этого метода: во-первых, не так-то просто контролировать толщину функций с покрытием, а во-вторых, его применение ограничено ограниченным числом трехмерных (3D) конструкций.
Peano приводы9,10 и мешок двигатели11,12 имеют компактные двумерные (2D) конструкции, которые приводят к тонким форм-факторов (т.е. большие площади с небольшой толщиной). Veale et al. сообщили о разработке линейных приводов Peano из армированно пластиковых и текстильных силиконовых композитов1,8. Niiyama et al. разработали двигатели с пакетом с использованием термопластичных пленок, изготовленных с помощью систем тепловой штамповки и теплового рисования11,12.
В то время как 2D дизайн Peano приводов и мешок двигателей делает их очень тонкими в их неотработанных состоянии, на инфляцию их нулевой объем камеры расширяется до относительно большого объема, тем самым ограничивая их применение для работы в ограниченных пространствах, таких как транскатетер терапии или поисково-спасательных миссий1. В отличие от этих конструкций, предлагаемые мягкие приводы в текущем методе могут действовать с относительно небольшими штаммами. Таким образом, даже в актуативном состоянии они занимают относительно небольшие пространства1.
Protocol
Representative Results
Discussion
Критические шаги в изготовлении мягких приводов включают в себя: i) 2D CAD дизайн. Правильный 2D макет может диктовать деформацию действия (например, линейное, биаксиальное, изгибиваемый и вращательное движение). ii) Ламинирование слоев ТПУ. Пленки TPU отжаты езду подгреты перед лазерной резкой для того чтобы убеждаться слои плоски и в конформном контакте везде. iii) Лазерный разрез/сварной шв. В качестве последнего шага ламинированные слои ТПУ являются лазерной огранкой/свареной в мягкие приводы.
Успешность протокола может дать 100% доходность (например, мы сделали 20 приводов одновременно). Основным фактором является шаг ламинирования: чтобы получить наилучшие результаты, ТПУ должен быть максимально сплющен перед процессом теплового пресса. Изучение различных областей тепловой пластины пресс с датчиком силы может показать, что распределение давления не является однородным. Неравномерное распределение давления может привести к несовершенному ламинированию листов ТПУ, что, в свою очередь, приводит к несовершенной лазерной резке/сварке и утечке. Кроме того, неоднородная передача тепла из-за мелких морщин в пленке ТПУ во время лазерной резки/сварки может привести к утечке.
По сравнению с обычными методами, предлагаемый метод имеет ряд преимуществ, включая: i) Простой 2D дизайн. В то время как текущий метод требует только 2D CAD конструкций для лазерной вырезать / сварки приводов (различные модели доступны1), обычные методы изготовления на основе силиконового литья требуют 3D дизайн формы. ii) Быстрое изготовление. Время изготовления от дизайна CAD до ламинирования слоев ТПУ и лазерной резки/сварки может произойти за несколько минут, в то время как обычный метод изготовления займет несколько часов. Позволяя изготовление мягких устройств и мягких роботов в один шаг, без сборки, мягкие роботы и устройства могут быть разработаны из комбинации различных типов приводов, и модель CAD может быть лазерной вырезать / сваренный в конечный продукт в один шаг, не требуя какой-либо сборки. Например, плавательный робот, состоящий из четырех ног, каждая из которых состоит из двух типов изгиба приводов, изготовлен из 2D CAD дизайн всего за несколько минут, не требуя каких-либо шагов сборки, как ранее продемонстрировали1.
В качестве будущего направления этой работы могут быть приняты различные виды термопластичных материалов для изготовления мягких приводов. Как правило, эти материалы должны иметь эластичное поведение, чтобы использовать сяпотку в качестве приводов. Применение более жесткого термопластичных материалов приведет к более высокому давлению взрывов и более высокой блокирующей силе приводов по сравнению с теми, которые ранее характеризовались на рисунке S6 Moghadam et al.1,показывая силы до 0,1 N. Таким образом, он может расширить применение приводов в случаях, когда требуется более высокая сила блокировки, например, экзоскелетные наборы.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Мы благодарим Институт сердечно-сосудистой визуализации Далио за финансирование этой работы.
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).
