Herstellung, Steuerung und Leistungsbewertung eines Gecko-inspirierten Softroboters

1. Drucken von Formen Laden Sie die *.stl-Daten für Formen aus den Zusatzdaten 1 “CAD/Moulds/” herunter. Verwenden Sie die druckerspezifische Schneidesoftware, um die 3D-Modelle in einen Druckauftrag umzuwandeln. Drucken Sie die Formen mit einem 3D-Drucker. Reinigen Sie die bedruckten Formen, indem Sie sie 15 min in ein Ultraschallbad legen. Legen Sie die Formen für mindestens 3 h in eine UV-Kammer. 2. Vorbereitung des Elastomers Sammeln Sie folgendes, bevor Sie diesen Schritt starten: Elastomer (Teil A und Teil B), Spachtel, Kunststoffbecher, Form, Gewichtsskala, Kunststoffspritze, Schraubklemmen (oder ähnliches), Acrylglasplatte mit zwei entsprechenden Löchern, Messer. Mischen Sie Teil A und Teil B des Elastomers im Verhältnis 1:9 in einem Becher. Legen Sie den Becher auf eine Wägemaschine. Fügen Sie zunächst 5 g Teil B (dunkelrot) hinzu. Dann, mit einem Spachtel, fügen Sie 45 g Teil A (weiß und zähflüssig).HINWEIS: Stellen Sie sicher, dass die Genauigkeit des Wägens 1 g beträgt. 50 g reicht für einen Aktor aus. Der beste Weg, Teil A zu portionieren, ist, einen Spachtel zu nehmen und ihn abtropfen zu lassen. Mit dem verwendeten Spachtel sind ca. 6 g pro Entwässerungsvorgang möglich. Rühren Sie weiter, bis am Rand der Tasse keine weißen oder roten Bereiche mehr sichtbar sind. Legen Sie den Becher für 15 min in eine Vakuumkammer, um die Luft zu entfernen, die im Elastomer aufgrund des Rührvorgangs eingeschlossen ist. Füllen Sie das gemischte Elastomer in eine Plastikspritze. Dadurch kann das Elastomer viel präziser positioniert werden.HINWEIS: Ergänzende Abbildung 1 zeigt die in diesem Abschnitt beschriebenen Verarbeitungsschritte. 3. Herstellung des oberen Teils (Basisteil) Klemmen Sie eine Acrylglasplatte mit zwei entsprechenden Löchern auf die Form. Setzen Sie die Spritze in das untere Loch ein und drücken Sie das Elastomer in die Form. Tragen Sie Kraft auf die Spritze auf, indem Sie den Kolben drücken, bis das gemischte Elastomer aus dem oberen Loch auftaucht. Lösen Sie die Schraubklemmen und ziehen Sie die Acrylglasplatte seitlich ab.HINWEIS: Es ist wichtig, es zur Seite und nicht nach oben zu ziehen. Andernfalls wird das Elastomer aus der Form gezogen. Punktieren Sie die aufsteigenden Luftblasen mit einem scharfen Werkzeug. Nicht zu tief einstechen, da dies neue Luftblasen erzeugen wird, anstatt die vorhandenen zu entfernen. Es ist besonders wichtig, die größeren Blasen zu durchbohren, da diese später die Funktionalität des Aktuators erheblich beeinträchtigen werden.HINWEIS: Optional evakuieren Sie die gefüllte Form in der Vakuumkammer, um noch eingeschlossene Luft zu entfernen. Dabei kann es jedoch vorkommen, dass die aufsteigenden Luftblasen auf dem Weg zur Oberfläche auf der Form stecken bleiben und Löcher im Guss an funktional relevanten Bereichen schaffen. Ergänzende Abbildung 2 veranschaulicht dieses Phänomen. Die Form 30 min bei 65 °C in den Ofen geben. Prüfen Sie nach 10 min, ob der Gehalt des Elastomers deutlich gesunken ist. Dies geschieht, wenn die Form nicht vollständig dicht ist oder sich aufgrund des häufigen Gebrauchs leicht gebogen hat. Wenn der Pegel um mehr als 1 mm gesunken ist, füllen Sie das Elastomer nach. Fahren Sie dann mit der Aushärtung fort. Nach insgesamt 30 min im Ofen die Form herausnehmen und das extrudierte Elastomer mit einem Messer abschneiden. Öffnen Sie die Form, indem Sie mit einem Schraubendreher auseinander hebeln. Achten Sie darauf, keine für das Gießen relevanten Oberflächen zu beschädigen. Entfernen Sie den fast fertigen Aktuator aus dem Teil der Form, an dem er im vorherigen Schritt feststeckte.HINWEIS: Hier kann eine erste visuelle Überprüfung durchgeführt werden, um festzustellen, ob das Casting erfolgreich war. Werden irreparable Mängel festgestellt (siehe Zusatzabbildung 3), ist hier der Herstellungsprozess zu stoppen. Kleinere Löcher können später repariert werden. Es ist auch wichtig, dass die Dichtlippe über ihren gesamten Umfang so ausgeprägt wie möglich ist. Schneiden Sie alle hervorstehenden Grate mit einem Messer ab. Dies ist manchmal sehr mühsam, aber wichtig für ein gutes Endergebnis.HINWEIS: Ergänzende Abbildung 4 veranschaulicht die in diesem Abschnitt beschriebenen Verarbeitungsschritte. Die beschriebenen Schritte gelten für das Gießen der vier Beine (die Form finden Sie in der Zusatzdatei 1 “CAD/Moulds/small_leg_schwalbe*.stl”) und den beiden Grundteilen des Oberkörpers (“CAD/Moulds/small_belly*.stl”). Um die Saugnäpfe (Füße des Roboters, zu finden in “CAD/Moulds/suctionCup*.stl”) oder den unteren Teil des Oberkörpers (“CAD/Moulds/small_torso_base1*.stl”) zu gießen, führen Sie die gleichen Prozessschritte aus, mit Ausnahme der Schritte 3.1 und 3.3, da diese Gussformen einen eingebauten Anschluss für die Spritze haben und daher keine zusätzliche Acrylglasplatte erforderlich ist. Insgesamt bauen Sie vier Basisteile des Beins, zwei Basisteile des Oberkörpers, einen unteren Teil des Oberkörpers und vier Saugnäpfe. 4. Herstellung des unteren Teils (unterer Teil) Schieben Sie ein Silikonrohr durch die dafür vorgesehenen Löcher in der Form des unteren Teils, siehe Ergänzende Abbildung 5. Füllen Sie die Form des Basisteils mit Elastomer und verteilen Sie sie mit dem kleinen Spachtel bis zu den Ecken.HINWEIS: Der Gehalt des Elastomers sollte nicht höher als 5 mm und nicht niedriger als 4 mm sein und muss das eingebettete Rohr vollständig abdecken. Die Form für den unteren Teil der Beine finden Sie in der Ergänzungsdatei 1 “CAD/Moulds/small_base_schwalbe.stl”. Legen Sie die Form für 15-20 min zur Aushärtung in den Ofen. Für die folgenden Schritte ist es notwendig, dass der untere Teil vorerst mit dem oberen Teil verbunden bleibt. 5. Verbinden der Basis und des unteren Teils Füllen Sie die Form des unteren Teils mit Elastomer, so dass der Pegel 1–1,5 mm über dem bereits gehärteten Elastomer liegt. Setzen Sie eine Schmetterlingskanüle in das Basisteil ein und markieren Sie die Punktionsstelle, damit sie später leichter gefunden werden kann. Dieser Schritt ist notwendig, damit die expandierende Luft im Ofen entweichen kann. Legen Sie das Grundteil in die Bodenform und drücken Sie nur die Seiten leicht in das Elastomerbad. Den Aktuator 10–15 min in den Ofen stellen und anschließend entfernen.HINWEIS: Es sollte einfach sein, den Aktuator aus der Form zu entfernen. Wenn dies nicht der Fall ist, ist entweder das Elastomer noch nicht vollständig ausgehärtet (in diesem Fall erhöhen Sie die Aushärtungszeit um 10 min) oder der untere Teil ist in der Form stecken (in diesem Fall sollte es härter gezogen werden). Aber im Allgemeinen ist es ein schlechtes Zeichen, wenn der Aktuator nicht leicht freigegeben werden kann. Schließen Sie eine Druckquelle mithilfe der Punktionsstelle aus Schritt 5.2 an und führen Sie die abschließende Dichtheitsprüfung durch, siehe Ergänzende Abbildung 6.HINWEIS: Wenn kleine Leckagen vorhanden sind, können sie repariert werden. Die Anwendung eines kleinen Elastomers mit einem kleinen Spachtel und 10 min im Ofen sollte das Leck beheben. Wenn alle Leckagen behoben sind, ist der Aktuator bereit. Ergänzende Abbildung 6 veranschaulicht die in diesem Abschnitt beschriebenen Verarbeitungsschritte und die ergänzende Abbildung 7 veranschaulicht den gesamten prozessbeschriebenen Prozess, der in den Abschnitten 3 bis 5 beschrieben wird. Führen Sie die gleichen Schritte aus, mit Ausnahme von Schritt 5.1, bei dem Sie die Form, sondern den unteren Teil nicht direkt füllen. 6. Verbindung aller Gliedmaßen Befestigen Sie die teile, die mit einer Nadel auf einem Holzbrett verbunden werden sollen, damit sie im folgenden Prozessschritt zusammengehalten werden können. Bedecken Sie die Verbindungsfläche mit Elastomer, wie in der ergänzenden Abbildung 8Adargestellt. Stellen Sie sicher, dass die Verbindungsfläche sauber und fettfrei ist. Andernfalls werden die Teile an dieser Stelle delaminiert. Legen Sie die Baugruppe (siehe Zusatzabbildung 8B) für 10–15 min in den Ofen. 7. Montage von Versorgungsrohreinlässe Verbreitern Sie die Einfügemarke der Schmetterlingskanüle von Schritt 5.2 weiter, indem Sie eine 1 mm Allen-Taste verwenden. Legen Sie das Ende eines Silikonrohres mit einem maximalen Außendurchmesser von 3 mm über das Loch und drücken Sie es mit der Allen-Taste ein. Versiegeln Sie den Einlass mit einem kleinen Elastomer. Dies schützt auch vor mechanischer Beanspruchung. Legen Sie die Baugruppe für 10 min in den Ofen.HINWEIS: In der ergänzenden Abbildung 9 werden die in diesem Abschnitt beschriebenen Verarbeitungsschritte veranschaulicht. 8. Bau des Steuerkastens Laden Sie die entsprechenden *.dxf-Zeichnungen des Gehäuses aus Supplementary Data 1 “CAD/ControlBox/” herunter und schneiden Sie sie auf einem Laserschneider aus. Montieren Sie die “User Interface Unit” auf der Frontplatte gemäß Zusatzabbildung 10A und Zusatzabbildung 11. Bauen Sie die sechs “Ventileinheiten” nach Zusatzabbildung 10B und Zusatzabbildung 12. Montieren Sie die sechs “Ventileinheiten” und die “Benutzeroberflächeneinheit” auf der unteren Platte gemäß Der Zusatzabbildung 10C, der Zusatzabbildung 13 und der Zusatzabbildung 14. Montieren Sie die beiden Seitenwände und die Rückseite. Dann montieren Sie die obere Platte. Konfigurieren Sie die beiden in das Steuerfeld eingebetteten Single-Board-Computer gemäß Zusatzdatei 1 und laden Sie den vollständigen Ordner “Code” (einschließlich aller Unterordner) hoch, der in den Zusatzdaten 2 bereitgestellt wird, auf beide Boards. Laden Sie das Skript “Code/arduino_p_ctr.ino” in den Zusatzdaten 2 auf die sechs mikrocontroller hoch, die in der Steuerbox eingebettet sind. 9. Aufbau eines Prüfstandes mit integriertem Messsystem Laden Sie die entsprechende *.dxf-Zeichnung des Kamerahalters aus Supplementary Data 1 “CAD/TestBench/” herunter und schneiden Sie sie auf einem Laserschneider aus. Laden Sie die entsprechenden *.stl-Dateien der Klemmen aus Supplementary Data 1 “CAD/TestBench” herunter und drucken Sie sie auf einem 3D-Drucker aus. Montieren Sie den Kamerahalter mit den Klemmen auf einem DIN-A1-Plakatnachschlag nach Zusatzabbildung 15 und montieren Sie die Kamera und einen Einplatinencomputer am vorgesehenen Ort. Konfigurieren Sie die Ethernet-Schnittstelle und die SSH-Einstellungen des Single-Board-Computers gemäß den Abschnitten 4–5 der Zusatzdatei 1 und laden Sie den kompletten Ordner “Code” (Zusatzdaten 2) auf die Platine hoch. 10. Einrichten des gesamten Systems Erstellen Sie ein lokales Netzwerk und weisen Sie allen Single-Board-Computern und dem computer, der für die Überwachung verwendet wird, die richtige IP-Adresse aus dem Skript “Code/main.py” zu – oder schreiben Sie das Skript entsprechend um. Setzen Sie Nadeln in beide Enden des Oberkörpers ein, wie in DerZusatzabbildung 16dargestellt, so dass der Roboter nur die Gehebene mit den Stiften und seinen Füßen (Saugnäpfe) kontaktiert. Drucken Sie die visuellen Marker15 aus, die in der Zusatzdatei 2 auf einem DIN-A4-Blatt angegeben sind, und schneiden Sie sie mit einer Schere aus. Befestigen Sie die Marker mit Nadeln gemäß Zusatzabbildung 17am Roboter. Schließen Sie den Roboter an die Steuerbox an.ANMERKUNG: Abbildung 1 zeigt die Verdrahtung des gesamten Systems. 11. Ausführen des Steuerkastens Schalten Sie den Hauptschalter der Steuerbox ein und warten Sie, bis alles gestartet ist. Melden Sie sich mit SSH als “root” beim Hauptcomputer mit nur einem Board an, navigieren Sie zum Ordner “Code” und starten Sie das Steuerfeld mit dem Befehl ” root@beaglebone: “python3 main.py”. Starten Sie den Monitor auf dem PC gleichzeitig mit dem Befehl “user@pc: ” python2 monitor.py”.HINWEIS: Beide Programme müssen mehr oder weniger gleichzeitig gestartet werden. Das Programm “main.py”, das auf dem Einplatinencomputer in der Steuerbox ausgeführt wird, versucht, eine Verbindung zu dem zur Überwachung verwendeten PC herzustellen. Wenn es keinen Abhöranschluss am PC gibt (ausgelöst durch das Skript “monitor.py”), wird der Monitor nicht gestartet. Mit Ausnahme von “monitor.py” sind alle in diesem Protokoll verwendeten Programme/Skripte für die Ausführung mit python3 vorgesehen. Schließen Sie eine Druckquelle an die Steuerbox (max. 1,2 bar) an. Schließen Sie eine Vakuumquelle an die Steuerbox an. 12. Kalibrieren des Roboters Stellen Sie den Roboter auf die Laufebene des Prüfstandes. Bei steilen Steigungen befestigen Sie eine Schnur zwischen der Vorderseite des Roboters und der Oberseite der Gehebene, um den Roboter an Ort und Stelle zu halten. Aktivieren Sie im Steuerfeld den Modus “Musterreferenz”, indem Sie die Schaltfläche “Modus 2” drücken, wie in Der Ergänzenden Abbildung 18dargestellt. Blättern Sie durch das Menü, das auf der LCD-Anzeige angezeigt wird, indem Sie die Schaltflächen nach oben und unten verwenden, bis Sie den Eintrag “clb” finden. Drücken Sie dann die Eingabetaste. Scrollen Sie durch das nächste Menü bis zum Eintrag “mode_4.csv” und drücken Sie die Schaltfläche”Enter”. Drücken Sie auf dem Monitor die Taste “Aufzeichnung”,wie in der Zusatzabbildung 19dargestellt.HINWEIS: Durch Drücken der Schaltfläche”Record”wird automatisch eine *.csv-Datei auf dem Überwachungscomputer an der in “Code/Src/GUI/save.py:save_last_sample_as_csv()” angegebenen Position erstellt, d. h. der Ordner “current_exp” (Beispielmessungen finden Sie in Supplementary Data 3). Drücken Sie auf der Steuerbox die Taste “Funktion 1”, um den Kalibrierungsvorgang zu starten. Nach der Kalibrierung drücken Sie die Taste “Aufzeichnen” auf dem Monitor, um die Aufnahme zu beenden, und die “Funktion 1” Taste auf der Steuerbox, um den Druckregler zu stoppen. Benennen Sie die automatisch erstellte Datei “current_exp/*.csv” um, damit sie später eindeutig identifiziert werden kann. Führen Sie das Skript “Calibration/eval_clb.py” aus, das in den Zusatzdaten 4 angegeben ist, und speichern Sie die Ausgabe (Koeffizienten der Polynomanpassung) in der Datei “Code/Src/Controller/calibration.py” als Eintrag mit dem Schlüsselwort “[Roboterversion]” im vorhandenen Wörterbuch. 13. Erstellen eines Gangmusters Führen Sie das Skript “Code/Patterns/create_pattern.py” aus und speichern Sie die ausgegebenen *.csv-Dateien im Ordner “Code/Patterns/[robot version]/”.HINWEIS: Dieses Skript wandelt das vordefinierte Gangmuster für geraden Gang8 (siehe Ergänzende Abbildung 20A oder Ergänzende Animation 1), die in Winkelreferenzen formuliert sind, in roboterspezifische Druckreferenzen um. Um ein Gangmuster für steile Steigungen zu erzeugen, ändern Sie das Skript, indem Sie zeile 222 entkommentieren. Dadurch wird ein Muster gemäß Der Zusatzabbildung 20B oder der ergänzenden Animation 2generiert. Die Schnittstelle für Musterreferenzen, die vom Steuerfeld bereitgestellt werden, besteht aus *.csv-Dateien, in denen jede Zeile einen diskreten Sollwert für alle Aktuatoren definiert. Darin definieren die ersten acht Spalten die Referenzdrücke, die nächsten vier Spalten die Referenzen für die direkt wirkenden Ventile und die letzte Spalte definiert die Zeit, zu der dieser Sollwert gehalten werden soll. Synchronisieren Sie den Einplatinencomputer in der Steuerbox mit dem PC, d.h. laden Sie den Ordner “Code/Pattern/*” auf die Platine hoch. Dazu muss das Programm “main.py” unterbrochen werden (Strg+C). 14. Durchführung des Kletterexperiments Führen Sie die Schritte 11–13 für jede zu prüfende Neigung aus. Platzieren Sie den Roboter an der markierten Stelle auf der Gehebene. Wählen Sie eine Musterreferenz wie in den Schritten 12.2–12.4 beschrieben, aber wählen Sie im ersten Menü die gewünschte “Roboterversion” (anstelle von “clb”) und im zweiten Menü die Musterreferenz entsprechend der aktuellen Neigung (anstelle von “mode_4.csv”). Starten Sie die Aufzeichnung wie in Schritt 12.5 beschrieben. Drücken Sie die Taste “Funktion 1”, um den Druckregler zu aktivieren. Lassen Sie den Roboter für mindestens 6 Zyklen gehen / klettern. Beenden Sie die Aufnahme, indem Sie die Taste”Aufnahme”auf dem Monitor drücken (wie in Schritt 12.7). Stellen Sie sicher, dass der Roboter nicht fällt, wenn Sie den nächsten Schritt ausführen. Stoppen Sie den Druckregler, indem Sie erneut die Taste “Funktion 1” drücken. Dadurch wird auch die Vakuumversorgung gestoppt, und folglich wird der Roboter fallen. Verschieben Sie die aufgezeichnete *.csv-Datei in den Ordner “ExpEvaluation/[robot version]/[pattern type]/[inclination]/”.HINWEIS: Wiederholen Sie jeden Durchlauf mindestens fünf Mal, um eine solide Basis für den nächsten Schritt zu haben. 15. Bewertung des Experiments Führen Sie das Skript “ExpEvaluation/eval_vS11_adj_ptrn.py” aus, das in Zusatzdaten 5 bereitgestellt wird, um automatisch alle Messdaten zu bedeuten.ANMERKUNG: Dieses Skript gibt die Spur aller Füße, den aufgebrachten Druck über die Zeit, den gemessenen Biegewinkel aller Gliedmaßen im Zeitverlauf, die Geschwindigkeit des Roboters im Zeitverlauf, die Ausrichtung des Roboters im Zeitverlauf, die mittlere Geschwindigkeit über die Neigung (vgl. Abbildung 2A) und eine Annäherung der über die Neigung verbrauchten Energie (vgl. Abbildung 2B) aus.