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Engineering

Valutazione di produzione, controllo e prestazioni di un robot morbido ispirato a Gecko

Published: June 10, 2020
doi:
10.3791/61422
, ,
1Workgroup on System Technologies and Engineering Design Methodology,Hamburg University of Technology, 2Fraunhofer Research Institution for Additive Manufacturing Technologies IAPT

Summary

Questo protocollo fornisce un elenco dettagliato dei passaggi da eseguire per la produzione, il controllo e la valutazione delle prestazioni di arrampicata di un robot morbido ispirato al geco.

Abstract

Questo protocollo presenta un metodo per la produzione, il controllo e la valutazione delle prestazioni di un robot morbido che può salire superfici piane inclinate con pendenze fino a 84 gradi. Il metodo di produzione è valido per gli attuatori di piegatura pneunet veloce in generale e potrebbe, pertanto, essere interessante per i nuovi arrivati nel campo della produzione di attuatori. Il controllo del robot si ottiene attraverso una scatola di controllo pneumatica in grado di fornire pressioni arbitrarie e può essere costruita solo utilizzando componenti acquistati, una fresa laser e un ferro da saldatura. Per le prestazioni di camminata del robot, la calibrazione pressione-angolo svolge un ruolo cruciale. Pertanto, viene presentato un metodo semi-automatico per la calibrazione pressione-angolo. Con pendenze elevate (> 70 gradi), il robot non è più in grado di fissarsi in modo affidabile al piano a piedi. Pertanto, il modello di andatura viene modificato per garantire che i piedi possono essere fissati sul piano a piedi.

Introduction

L’interazione tra esseri umani e macchine si sta avvicinando sempre di più. La crescente densità di robot nelle aziende e nelle famiglie pone nuove sfide per la tecnologia dei robot. Spesso, i pericoli sono esclusi dai metodi di separazione, ma in molte aree, soprattutto nelle famiglie, questa non è una soluzione soddisfacente. La robotica morbida affronta questo problema utilizzando le proprietà dei materiali morbidi e delle strutture per sviluppare nuovi tipi di macchine che si comportano come organismiviventi 1, motivo per cui i robot morbidi sono spesso ispirati ai modelli biologici2. La maggior parte dei robot morbidi può essere classificata in due tipi diversi: robot mobili e robot progettati per afferrare e manipolare3. Per i robot mobili morbidi, i principi tipici della locomozione sono strisciare, camminare, correre, saltare, volare e nuotare4. Un altro campo interessante di applicazione per i robot morbidi è l’arrampicata – una combinazione di locomozione e adesione5. Le macchine morbide sono molto robuste e non possono danneggiare l’ambiente circostante a causa della loro morbidezza. Questa caratteristica predestines questa classe di robot per l’arrampicata, in quanto possono facilmente sopravvivere a una caduta. Di conseguenza, la letteratura offre diversi esempi di robot morbidi in grado di salire6,7,8.

L’obiettivo di questo protocollo è quello di fornire un metodo per produrre, controllare e valutare le prestazioni di un robot morbido di arrampicata di ispirazione geco9. Il suo design si basa sull’uso di attuatori di piegatura morbida pneunetveloce 10 in elastomero. Tuttavia, potrebbe essere utilizzato anche un altro disegno e/o materiale dell’attuatore morbido. La letteratura offre una vasta gamma di diversi disegni di attuatori morbidi11 e materiali adatti12. Il metodo di produzione presentato è simile ai metodiesistenti 13 ma include alcune modifiche che si tras risultatono una maggiore ripetibilità e robustezza, almeno nel caso del robot da arrampicata morbida9. Il metodo è valido per gli attuatori di piegatura pneunet veloce in generale e potrebbe, pertanto, essere interessante per i nuovi arrivati nel campo della produzione di attuatori.

Per il controllo dei robot morbidi azionati pneumatici, la letteratura fornisce diverse soluzioni. Si va da schede di controllo a basso costo e facili dareplicare 13 a schede potenti ma piùcomplesse 14, che non possono essere ricostruite senza strumenti speciali. Qui, viene fornita una breve descrizione per la costruzione di una scatola di controllo pneumatica utilizzando solo una fresa laser e un ferro da saldatura. La scatola di controllo consente la fornitura di qualsiasi pressione e offre feedback sensoriali in tempo reale, che è particolarmente importante per le applicazioni robotiche. Tuttavia, può essere utilizzato anche per molte altre applicazioni.

Protocol

1. Stampa di stampi Scaricare i dati stl per gli stampi dal supplemento Data 1 “CAD/Moulds/”. Utilizzare il software di sezionamento specifico della stampante per convertire i modelli 3D in un processo di stampa. Stampare gli stampi utilizzando una stampante 3D. Pulire gli stampi stampati mettendoli per 15 minuti in un bagno ad ultrasuoni. Mettere gli stampi per almeno 3 h in una camera UV. 2. Preparare l’elastomero Raccogliere quanto segue prima di iniziare questo passaggio: elastomer (parte A e parte B), spatola, tazza di plastica, muffa, scala di peso, siringa di plastica, morsetti a vite (o simili), piastra di vetro acrilico con due fori corrispondenti, coltello da taglio. Mescolare la parte A e la parte B dell’elastomero in un rapporto 1:9 in una tazza. Posizionare la tazza su una pesatrice. In primo luogo, aggiungere 5 g della parte B (rosso scuro). Quindi, utilizzando una spatola, aggiungere 45 g della parte A (bianco e viscoso).NOTA: Assicurarsi che la precisione della pesata sia di 1 g. 50 g è sufficiente per un attuatore. Il modo migliore per la porzione parte A è quello di prendere una spatola e lasciarla drenare. Circa 6 g per operazione di drenaggio è possibile con la spatola utilizzata. Continuare a mescolare fino a quando non sono visibili più aree bianche o rosse sul bordo della coppa. Mettere la tazza per 15 minuti in una camera a vuoto per rimuovere l’aria che è intrappolata nell’elastomero a causa del processo di agitazione. Riempire l’elastomero misto in una siringa di plastica. Questo permette all’elastomero di essere posizionato in modo molto più preciso.NOTA: nella Figura supplementare 1 vengono illustrati i passaggi di elaborazione descritti in questa sezione. 3. Produzione della parte superiore (parte di base) Bloccare una lastra di vetro acrilico con due fori corrispondenti sullo stampo. Inserire la siringa nel foro inferiore e premere l’elastomero nello stampo. Applicare la forza alla siringa spingendo lo stantuffo fino a quando l’elastomero misto emerge dal foro superiore. Allentare i morsetti a vite e tirare fuori la piastra di vetro acrilico lateralmente.NOTA: È importante tirarlo fuori di lato e non verso l’alto. In caso contrario, l’elastomero verrà tirato fuori dalla muffa. Forare le bolle d’aria in aumento con uno strumento affilato. Non forare troppo profondamente in quanto questo creerà nuove bolle d’aria piuttosto che rimuovere quelle esistenti. È particolarmente importante perforare le bolle più grandi in quanto queste in seguito influenzeranno in modo significativo la funzionalità dell’attuatore.NOTA: Facoltativamente, evacuare lo stampo riempito nella camera a vuoto per rimuovere l’aria ancora intrappolata. Quando si fa così, tuttavia, può accadere che le bolle d’aria in aumento si bloccano sullo stampo sulla loro strada verso la superficie e creano fori nella colata in aree funzionalmente rilevanti. La Figura supplementare 2 illustra questo fenomeno. Mettere lo stampo in forno a 65 gradi centigradi per 30 minuti. Controllare dopo 10 minuti se il livello dell’elastomero è diminuito in modo significativo. Questo accade se lo stampo non è completamente stretto o si è piegato leggermente a causa di un uso frequente. Se il livello è sceso di più di 1 mm, ricaricare l’elastomero. Quindi, continua a curare. Dopo un totale di 30 min in forno, togliere lo stampo e tagliare l’elastomer estruso con un coltello da taglio. Aprire lo stampo facendo leva con un cacciavite. Fare attenzione a non danneggiare le superfici rilevanti per la colata. Rimuovere l’attuatore quasi finito dalla parte dello stampo a cui si era bloccato nel passaggio precedente.NOTA: Un primo controllo visivo può essere effettuato qui per vedere se il casting ha avuto successo. Se vengono riscontrati difetti irreparabili (vedere la Figura supplementare 3), il processo di produzione deve essere interrotto in questo caso. I fori più piccoli possono essere riparati in un secondo momento. È anche importante che il labbro di tenuta sia il più pronunciato possibile su tutta la sua circonferenza. Tagliare eventuali bave sporgenti con un coltello da taglio. Questo è a volte molto laborioso, ma essenziale per un buon risultato finale.NOTA: nella Figura 4 supplementare vengono illustrati i passaggi di elaborazione descritti in questa sezione. I passaggi descritti sono validi per il lancio delle quattro gambe (lo stampo si trova nel file supplementare 1 “CAD/Moulds/small_leg_schwalbe.stl”) e le due parti di base del busto (“CAD/Moulds/small_belly.stl”). Per lanciare le ventsioni (piedi del robot, che si trovano in “CAD/Moulds/actionCup.stl”) o nella parte inferiore del busto (“CAD/Moulds/small_torso_base1.stl”), eseguire le stesse fasi di processo, ad eccezione dei passaggi 3.1 e 3.3 in quanto questi stampi per la colata hanno una porta incorporata per la siringa e quindi non è necessaria alcuna piastra di vetro acrilico aggiuntiva. In totale, costruire quattro parti di base della gamba, due parti di base del busto, una parte inferiore del busto e quattro ventsioni. 4. Produzione della parte inferiore (parte inferiore) Spingere un tubo di silicone attraverso i fori forniti a questo scopo nello stampo della parte inferiore, vedere La Figura supplementare 5. Riempire lo stampo della parte di base con elastomero e distribuirlo con la piccola spatola fino agli angoli.NOTA: Il livello dell’elastomero non deve essere superiore a 5 mm e non inferiore a 4 mm e deve coprire completamente il tubo incorporato. Lo stampo per la parte inferiore delle gambe può essere trovato nel file supplementare 1 “CAD/Moulds/small_base_schwalbe.stl”. Mettere lo stampo nel forno per 15-20 minuti per la stagionatura. Per i seguenti passaggi, è necessario che la parte inferiore rimanga nello stampo per il momento unita alla parte superiore. 5. Unire la base e la parte inferiore Riempire lo stampo della parte inferiore con elastomero in modo che il livello sia di 1-1,5 mm sopra l’elastomero già indurito. Inserire una cannula farfalla nella parte di base e contrassegnare il sito di foratura in modo che possa essere trovato più facilmente in un secondo momento. Questo passaggio è necessario per consentire all’aria in espansione nel forno di fuoriersi. Posizionare la parte di base nello stampo inferiore e premere solo i lati leggermente nel bagno elastomero. Mettere l’attuatore nel forno per 10-15 min e rimuovere lo stampo in seguito.NOTA: Dovrebbe essere facile rimuovere l’attuatore dallo stampo. Se non riesce a farlo, o l’elastomero non è ancora completamente guarito (in questo caso, aumentare il tempo di stagiona di 10 più min) o la parte inferiore è bloccata nello stampo (in questo caso, dovrebbe essere tirato più forte). Ma in generale, è un brutto segno se l’attuatore non può essere rilasciato facilmente. Collegare una sorgente di pressione utilizzando il sito di foratura del passaggio 5.2 ed eseguire il test di perdita finale, vedere la Figura 6 .NOTA: Se sono presenti piccole perdite, possono essere riparate. L’applicazione di un po ‘di elastomero con una piccola spatola e 10 min in forno dovrebbe fissare la perdita. Se tutte le perdite sono fisse, l’attuatore è pronto. Nella Figura 6 supplementare vengono illustrati i passaggi di elaborazione descritti in questa sezione e la Figura 7 supplementare illustra l’intero processo descritto nelle sezioni 3-5. Per unire la parte di base e inferiore del busto, eseguire gli stessi passaggi, ad eccezione del punto 5.1, in cui non si riempie direttamente lo stampo ma la parte inferiore. 6. Unione di tutti gli arti Fissare le parti da unire con un ago a spillo su una tavola di legno in modo che possano essere tenute insieme nella fase di processo seguente. Coprire la superficie di unione con elastomer come illustrato nella Figura supplementare 8A. Assicurarsi che la superficie di unione sia pulita e libera dal grasso. In caso contrario, le parti delaminano a questo punto. Mettere l’assieme (vedere la figura supplementare 8B) per 10-15 min nel forno. 7. Montaggio delle insenature dei tubi di alimentazione Allargare ulteriormente il punto di inserimento della cannula farfalla dal passaggio 5.2 utilizzando un tasto Allen da 1 mm. Posizionare l’estremità di un tubo di silicone con un diametro esterno massimo di 3 mm sul foro e premere con il tasto Allen. Sigillare l’ingresso con un po’ di elastomero. Questo protegge anche contro lo stress meccanico. Mettere il montaggio per 10 minuti nel forno.NOTA: nella Figura 9 vengono illustrati i passaggi di elaborazione descritti in questa sezione. 8. Costruire la scatola di controllo Scaricare i corrispondenti disegni .dxf dell’alloggiamento da Supplementary Data 1 “CAD/ControlBox/” e ritagliarli su una fresa laser. Assemblare l'”Unità interfaccia utente” sul pannello anteriore in base alla Figura supplementare 10A e alla Figura supplementare 11. Costruire le sei “Unità di Valve” secondo la Figura supplementare 10B e la Figura supplementare 12. Assemblare le sei “Unità valve” e la “Unità interfaccia utente” nel pannello inferiore in base alla Figura supplementare 10C, supplementare Figura 13, e Figura supplementare 14. Assemblare i due pannelli laterali e il pannello posteriore. Infine, assemblare il pannello superiore. Configurare i due computer a scheda singola incorporati nella casella di controllo in base al file supplementare 1 e caricare la cartella completa “Codice” (comprese tutte le sottocartelle) fornita in Dati supplementari 2 su entrambe le schede. Caricare lo script “Code/arduino_p_ctr.ino” fornito nella sezione Dati supplementari 2 sui sei microcontrollori incorporati nella casella di controllo. 9. Costruire un banco di prova con sistema di misura integrato Scaricare il corrispondente disegno .dxf del supporto della fotocamera da Supplementary Data 1 “CAD/TestBench/” e ritagliarlo su una fresa laser. Scaricare i file stl corrispondenti dei morsetti da Supplementary Data 1 “CAD/TestBench” e stamparli su una stampante 3D. Assemblate il supporto della telecamera con i morsetti su un pannello poster DIN-A1 secondo la Figura supplementare 15 e montate la fotocamera e un computer a scheda singola nella posizione desiderata. Configurare l’interfaccia ethernet e le impostazioni SSH del computer a scheda singola in base alle sezioni 4-5 del file supplementare 1 e caricare la cartella completa “Codice” (Dati supplementari 2) sulla scheda. 10. Configurazione dell’intero sistema Creare una rete locale e assegnare l’indirizzo IP corretto dallo script “Code/main.py” a tutti i computer a scheda singola e al computer utilizzato per il monitoraggio oppure riscrivere lo script di conseguenza. Inserire aghi perno in entrambe le estremità del busto come mostrato nella Figura supplementare 16, in modo che il robot contatti solo il piano a piedi con i perni e i suoi piedi (aspirazione). Stampare gli indicatori visivi15 forniti nel file supplementare 2 su un foglio DIN-A4 e ritagliarli con una forbice. Fissare i marcatori al robot utilizzando aghi perno secondo la Figura supplementare 17. Collegare il robot alla casella di controllo.NOTA: Figura 1 illustra il cablaggio dell’intero sistema. 11. Esecuzione della casella di controllo Accendere l’interruttore principale della scatola di controllo e attendere che tutto sia avviato. Accedere al computer principale a scheda singola come “root” utilizzando SSH, individuare la cartella “Code” e avviare la casella di controllo con il comando “root@beaglebone: python3 main.py”. Allo stesso tempo, avviare il monitor sul personal computer con il comando “user@pc: : python2 monitor.py”.NOTA: entrambi i programmi devono essere avvio più o meno contemporaneamente. Il programma “main.py” in esecuzione sul computer a scheda singola nella casella di controllo tenta di connettersi al personal computer utilizzato per il monitoraggio. Se non è presente alcuna porta di ascolto sul personal computer (attivata dallo script “monitor.py”), il monitor non verrà avviato. Ad eccezione di “monitor.py”, tutti i programmi/script utilizzati in questo protocollo devono essere eseguiti con python3. Collegare una sorgente di pressione alla casella di controllo (max. 1.2 bar). Collegare un’origine a vuoto alla casella di controllo. 12. Calibrare il robot Posizionare il robot sul piano a piedi del banco di prova. Per pendenze ripide, fissare una corda tra la parte anteriore del robot e la parte superiore del piano a piedi al fine di mantenere il robot in posizione. Nella casella di controllo, attivare la modalità “riferimentomodello ” premendo il pulsante “mode 2”, come illustrato nella Figura 18 . Scorrere il menu visualizzato sul display LCD utilizzando i pulsanti su e giù fino a trovare la voce “clb”. Quindi, premere il pulsante Invio. Scorrere il menu successivo fino alla voce “mode_4.csv” e premere il pulsante”Invio”. Sul monitor, premere il pulsante “record” come illustrato nella Figura 19 .NOTA: premendo il pulsante “record” verrà creato automaticamente un file con estensione csv nel computer di monitoraggio nella posizione specificata in “Code/Src/GUI/save.py:save_last_sample_as_csv()”, che è la cartella “current_exp” (le misurazioni di esempio sono fornite in Dati supplementari 3). Nella casella di controllo premere il pulsante “function 1” per avviare la procedura di calibrazione. Dopo la calibrazione, premere il pulsante “record” sul monitor per interrompere la registrazione e il pulsante “function 1” sulla casella di controllo per arrestare il controller di pressione. Rinominare il file “current_exp/.csv” creato automaticamente in modo che possa essere identificato in modo univoco in un secondo momento. Eseguire lo script “Calibration/eval_clb.py” fornito nel Supplementary Data 4 e memorizzare l’output (coefficienti della forma polinomiale) nel file “Code/Src/Controller/calibration.py” come voce con la parola chiave “[robot version]” all’interno del dizionario esistente. 13. Creazione di un motivo di andatura Eseguire lo script “Code/Patterns/create_pattern.py” e memorizzare i file .csv di output nella cartella “Code/Patterns/[robot version]/”.NOTA: questo script converte il modello di andatura predefinito per l’andaturadritta 8 (vedere la Figura supplementare 20A o l’animazione supplementare 1) formulata nei riferimenti angolari in riferimenti di pressione specifici del robot. Per generare un motivo di andatura per pendenze ripide, modificare lo script scollegando la riga 222. Questo genererà un modello in base alla Figura supplementare 20B o animazione supplementare 2. L’interfaccia per i riferimenti ai pattern fornita dalla casella di controllo è costituita da file con estensione csv in cui ogni riga definisce un set point discreto per tutti gli attuatori. In questo caso, le prime otto colonne definiscono le pressioni di riferimento, le quattro colonne seguenti definiscono i riferimenti per le valvole ad azione diretta e l’ultima colonna definisce l’ora in cui questo set point deve essere mantenuto. Sincronizzare il computer a scheda singola nella casella di controllo con il personal computer, cioè caricare la cartella “Codice/Modello/ ” sulla scheda. A tale scopo, il programma “main.py” deve essere interrotto (CTRL-C). 14. Esecuzione dell’esperimento di arrampicata Eseguire i passaggi da 11 a 13 per ogni inclinazione da testare. Posizionare il robot nel punto contrassegnato sul piano a piedi. Selezionare un riferimento di ripetizione come descritto nei passaggi 12.2–12.4, ma selezionare nel primo menu la “versione robot” desiderata (invece di “clb”) e nel secondo menu il riferimento del modello in base all’inclinazione corrente (invece di “mode_4.csv”). Avviare la registrazione come descritto nel passaggio 12.5. Premere il pulsante” funzione 1″ per attivare il controller di pressione. Lasciare che il robot cammini/sali per almeno 6 cicli. Interrompere la registrazione premendo ilpulsante ” registra” sul monitor (come nel passaggio 12.7). Assicurarsi che il robot non cadrà durante l’esecuzione del passo successivo. Arrestare il controller di pressione premendo nuovamente il pulsante “funzione 1”. Questo fermerà anche l’approvvigionamento di vuoto, e di conseguenza il robot cadrà. Spostare il file .csv registrato nella cartella “ExpEvaluation/[robot version]/[pattern type]/[inclination]/”.NOTA: Ripetere ogni corsa almeno cinque volte per avere una base solida per il passaggio successivo. 15. Valutazione dell’esperimento Eseguire lo script “ExpEvaluation/eval_vS11_adj_ptrn.py” fornito in Supplementary Data 5 per indicare automaticamente tutti i dati di misurazione.NOTA: Questo script restituisce la traccia di tutti i piedi, la pressione applicata nel tempo, l’angolo di piegatura misurato di tutti gli arti nel tempo, la velocità del robot nel tempo, l’orientamento del robot nel tempo, la velocità media sull’inclinazione (cfr Figura 2A) e un’approssimazione dell’energia utilizzata sull’inclinazione (cfr Figura 2B).

Representative Results

Il protocollo presentato si traduce in tre cose: un robot da arrampicata morbida, una scatola di controllo universalmente applicabile e una strategia di controllo per il movimento dritto del robot che aumenta la sua capacità di salire e allo stesso tempo diminuisce la sua energia consumata. La casella di controllo descritta nella Sezione 8 consente una fornitura continua di qualsiasi livello di pressione desiderato su un massimo di sei canali (espandibile a otto) e inoltre su quattro canali la fornitura di vuoto (espandibile in base alle esigenze). La “User Interface Unit” consente all’utente di utilizzare facilmente la casella di controllo in fase di esecuzione e l’interfaccia al monitor consente di visualizzare e salvare direttamente i dati misurati come file csv. La modalità di riferimento del modello della casella di controllo fornisce all’utente un’interfaccia intuitiva per eseguire il ciclo di modelli predefiniti. Questo può essere il modello di andatura del robot, come in questo protocollo, o può essere utilizzato per il test di fatica dell’attuatore, o qualsiasi altra applicazione che richiede il caricamento ciclico. Nella Figura 1 sono raffigurati tutti i componenti hardware assemblati nella casella di controllo e nel sistema di misurazione e il modo in cui sono connessi. Il modello di andatura per il movimento dritto del robot è formulato in riferimenti angolari8. Per far funzionare il robot, tali riferimenti angolari devono essere convertiti in riferimenti di pressione. La strategia di controllo utilizzata in questo protocollo si basa su una precedente calibrazione angolare-pressione. Ogni metodo di calibrazione si traduce in una curva alfa-pressione diversa. Pertanto, è necessario adattare la procedura di calibrazione alle condizioni operative reali per quanto possibile. Quando si modifica l’angolo di inclinazione del piano a piedi, cambiano anche le condizioni operative. Pertanto, la curva angolo-pressione deve essere ri-calibrata per ogni inclinazione. La figura 2A mostra la velocità del robot per varie pendenze con una calibrazione invariata e una curva angolo-pressione ri calibrata. L’esperimento mostra chiaramente l’efficacia della ri-calibrazione. Il robot ri-calibrato non è solo molto più veloce, è anche in grado di salire pendenze più ripide (84o invece di 76 ) consumando menoenergia 9 come illustrato nella Figura 2B. Nella Figura 3, viene mostrata una serie di fotografie del movimento del robot per un’inclinazione di 48 gradi. La figura mostra chiaramente che le prestazioni di arrampicata con ri-calibrazione mostrata nella figura 3B è molto migliore rispetto alla calibrazione invariata mostrata nella figura 3A, poiché lo spostamento della posizione all’interno dello stesso intervallo di tempo è quasi due volte più grande. Questo robot può muoversi molto velocemente rispetto ad altri robot morbidi. Qin et al.7 riassumono le velocità in avanti di vari robot morbidi. Senza carico utile e nel piano orizzontale, il robot descritto in questo protocollo è cinque volte più veloce in relazione alla lunghezza del corpo rispetto al robot più veloce in Ref.7. Figura 1: Diagramma dei componenti hardware assemblati nella casella di controllo. In tale posizione si indica il riferimento di pressione per il canale i-esimo, u i il segnale dicontrollo della valvola proporzionale i-esima,il vettore contenente i riferimenti angolari, il vettore contenente le misure dell’angolo, ix il vettore contenente le misure di posizione e ƒ il vettore contenente i segnali di controllo per le valvole solenoidi ad azione diretta, cioè gli stati di fissazione dei piedi. α x ƒ L’interfaccia utente è l’abbreviazione di BeagleBone Black, cioè il computer a scheda singola utilizzato nella scatola di controllo, e RPi è l’abbreviazione di Raspberry Pi, cioè il computer a scheda singola utilizzato nel sistema di misurazione. Si prega di fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. Figura 2: Valutazione delle prestazioni di arrampicata. Le curve tratteggiate mostrano i valori delle curve costanti e solide per i riferimenti di pressione ri calibrati. (A) Velocità in avanti del robot per vari angoli di inclinazione. (B) Consumo energetico per vari angoli di inclinazione. Questa figura è adattata da Ref.9. Si prega di fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. Figura 3: Serie di foto del movimento del robot con un’inclinazione di 48 gradi. Il tempo trascorso tra ogni foto è 1,2 s. (A) Movimento per riferimenti di pressione costante e (B) il movimento per i riferimenti di pressione ricalibrati. Si prega di fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. Figura supplementare 1: Preparazione dell’elastomero. Si prega di fare clic qui per scaricare questa figura. Figura supplementare 2: Confronto della formazione di bolle d’aria durante l’evacuazione prima e dopo la fusione. (A) L’evacuazione dell’elastomero viene eseguita solo prima della colata. Bolle d’aria intrappolate rimangono in posizione, ma sono più nella zona dei dossi, che non influenza notevolmente la funzionalità dell’attuatore. (B) L’evacuazione viene eseguita prima e dopo la colata. Bolle d’aria intrappolate si alzano ma rimangono bloccate di nuovo sul lato superiore dei montanti e creano fori nell’attuatore che possono influenzare la funzionalità. Si prega di fare clic qui per scaricare questa figura. Figura supplementare 3: Esempi di getti curati riusciti e non riusciti. La riga superiore mostra esempi riusciti e esempi di righe inferiori non riuscite. Se il difetto non è chiaramente riconoscibile, è contrassegnato con un cerchio verde. Si prega di fare clic qui per scaricare questa figura. Figura supplementare 4: Produzione della parte di base. Si prega di fare clic qui per scaricare questa figura. Figura supplementare 5: Schema per la produzione della parte inferiore. Un tubo (che viene successivamente utilizzato come tubo di alimentazione per la coppa di aspirazione) viene bloccato nello stampo prima della fusione. Quindi, lo stampo viene riempito con elastomero liquido. Si prega di fare clic qui per scaricare questa figura. Figura supplementare 6: Unione della parte di base e inferiore. Si prega di fare clic qui per scaricare questa figura. Figura supplementare 7: Fusione di laminazione di un attuatore di piegatura morbida. L’elastomero liquido è rappresentato in rosso, elastomero guarito in rosso chiaro, e lo strato che limita la deformazione così come gli stampi in nero. (A) L’elastomero misto viene versato in due stampi separati: uno per la parte di base e uno per la parte inferiore. Così, la parte inferiore è solo a metà riempito. Uno strato di limitazione della deformazione (tubo di alimentazione) viene quindi inserito nello stampo della parte inferiore. (B) Le parti vengono curate e la parte di base viene demodatata. (C) Lo stampo della parte inferiore viene riempito verso l’alto con elastomero liquido. (D) La parte di base viene immersa in questo stampo. (E) Le due parti vengono curate insieme. (F) L’attuatore viene retrodatato. Questa cifra si basa sul puntodi riferimento 13. Si prega di fare clic qui per scaricare questa figura. Figura supplementare 8: Unione di tutti gli arti. (A) Coprendo le superfici da unire con elastomero fluido. (B) Visualizzazione di rendering dell’assembly completo. Si prega di fare clic qui per scaricare questa figura. Figura supplementare 9: Montaggio delle insenature del tubo di alimentazione. Si prega di fare clic qui per scaricare questa figura. Figura supplementare 10: Fotografie della casella di controllo. (A) Vista frontale dell’unità dell’interfaccia utente per consentire all’utente di interagire con il robot. (B) Vista di dettaglio di un’unità valvola. (C) Visualizzazione superiore dell’intera casella di controllo. Si prega di fare clic qui per scaricare questa figura. Figura supplementare 11: diagramma del circuito dell’unità dell’interfaccia utente. Si prega di fare clic qui per scaricare questa figura. Figura supplementare 12: Diagramma del circuito dell’unità valvola. Si prega di fare clic qui per scaricare questa figura. Figura supplementare 13: Diagramma di circuito semplificato dell’intera casella di controllo. Si prega di fare clic qui per scaricare questa figura. Figura supplementare 14: Diagramma dei pin usati dei computer a scheda singola incorporati nella casella di controllo. (A) Pin utilizzati della scheda necessaria per la comunicazione dell’utente. (B) Perni usati della scheda necessari per il controllo del robot. Si prega di fare clic qui per scaricare questa figura. Figura supplementare 15: Vista di rendering del piano a piedi con sistema di misurazione installato. Si prega di fare clic qui per scaricare questa figura. Figura supplementare 16: Visualizzazione dell’effetto di sollevamento. Gli aghi a perno con teste da 6 mm vengono inseriti in entrambe le estremità del busto. Questo riduce al minimo l’attrito durante la camminata e fa sì che le ventagli abbiano pieno contatto con il piano a piedi. Si prega di fare clic qui per scaricare questa figura. Figura supplementare 17: Assemblaggio dei marcatori visivi. I marcatori sono montati sul robot utilizzando aghi a spillo. Il marcatore 0 è montato sul piede anteriore sinistro, il marcatore 1 nella parte anteriore del busto, il marcatore 2 al piede destro anteriore, il marcatore 3 sul piede sinistro posteriore, il marcatore 4 nella parte posteriore del busto e il marcatore 5 sul piede destro posteriore. Per l’assemblaggio del marcatore 4, vengono utilizzati tre aghi a perno Questa figura è adattata daRif. 9. Si prega di fare clic qui per scaricare questa figura. Figura supplementare 18: Legenda dei pulsanti della casella di controllo. Si prega di fare clic qui per scaricare questa figura. Figura supplementare 19: Legenda dei pulsanti dell’interfaccia utente grafica. Si prega di fare clic qui per scaricare questa figura. Figura supplementare 20: Modelli di andatura per il movimento dritto del robot. I piedi fissi sono indicati da cerchi pieni e piedi non fissati da cerchi non riempiti. (A) Modello di andatura per angoli di inclinazione bassi e moderati (< 70o). (B) Motivo di andatura per inclinazioni elevate (> 70o). Il vuoto viene applicato ai piedi rossi e neri riempiti. I piedi neri riempiti sono fissati al suolo, mentre i piedi rossi non devono necessariamente essere. Al fine di fissare la fissazione, il piede da fissare è oscillato avanti e indietro una volta. Questa figura è adattata da Ref.9. Si prega di fare clic qui per scaricare questa figura. Figura supplementare 21: Vista di esplosione di rendering del robot da arrampicata morbida. Le coda di colomba si trovano alle gambe e le corrispondenti vie di controllo alle estremità del busto. Questo rende il processo di giunzione molto più preciso. Questa figura è adattata da Ref.9. Si prega di fare clic qui per scaricare questa figura. Figura supplementare 22: Diverse procedure di calibrazione per la determinazione della curva pressione-angolo. Ogni sottofigura mostra il corso di pressione qualitativa e le istantanee della posa del robot corrispondente. (A) Ogni attuatore viene gonfiato continuamente a partire da 0 bar fino a 1 barra, mentre tutti gli altri rimangono senza pressione. (B) Un altopiano di pressione viene applicato a un singolo attuatore per 3 s; poi, viene sgonfiato completamente per 2 s. Nel turno successivo, il livello dell’altopiano di pressione viene aumentato dell’incremento fino a quando l’altopiano raggiunge 1 barra. Questo viene fatto per ogni attuatore singolarmente. (C) Stessa procedura come nella modalità 2, ma qui, lo stesso altopiano viene applicato agli attuatori (0,3,4), rispettivamente attuatori (1,2,5), allo stesso tempo. (D) Stessa procedura della modalità 3, ma gli altipiani per gli attuatori (0,3) iniziano da 0 bar (come prima) e terminano a 1,2 bar (invece di 1 bar). Fondamentalmente, l’incremento per gli attuatori (0,3) è leggermente aumentato, mentre gli incrementi per gli altri attuatori rimangono gli stessi. Si prega di fare clic qui per scaricare questa figura. Figura supplementare 23: Curve di pressione angolare per diverse procedure di calibrazione. Si prega di fare clic qui per scaricare questa figura. Animazione supplementare 1: Animazione dell’andatura dritta del robot. Si prega di fare clic qui per scaricare questo file. Animazione supplementare 2: Animazione dell’andatura di arrampicata del robot. Si prega di fare clic qui per scaricare questo file. File supplementare 1: Istruzioni per la configurazione dei computer a scheda singola. Si prega di fare clic qui per scaricare questo file. File supplementare 2: modello di stampa per gli indicatori visivi. Si prega di fare clic qui per scaricare questo file. Dati supplementari 1: file CAD. Questa cartella compressa con zip contiene i file con estensione stl per la stampa degli stampi, i file con estensione dxf per il taglio laser dell’alloggiamento della scatola di controllo, i file stl per la stampa dei morsetti utilizzati per il sistema di misurazione e il file .dxf per il taglio laser del telaio del sistema di misurazione. Si prega di fare clic qui per scaricare questo file. Dati supplementari 2: Codice da eseguire sui computer a scheda singola. Questa cartella compressa con zip contiene i programmi e le loro fonti in esecuzione sulla scheda utilizzata per la “User Interface Unit”, la scheda utilizzata per il controllo del robot e la scheda utilizzata per l’elaborazione delle immagini. Carica la cartella completa su tutte e tre le bacheche. Si prega di fare clic qui per scaricare questo file. Dati supplementari 3: dati di misurazione esemplari. Questa cartella compressa con zip contiene due file con estensione csv generati durante la procedura di calibrazione. Si prega di fare clic qui per scaricare questo file. Dati supplementari 4: script di calibrazione. Questa cartella compressa con zip contiene lo script python e le relative origini per la valutazione dei dati di misurazione generati durante la procedura di calibrazione. Si prega di fare clic qui per scaricare questo file. Dati supplementari 5: script di valutazione. Questa cartella compressa con zip contiene due script python e le relative fonti per valutare i dati di misurazione generati durante l’esperimento di arrampicata. Inoltre, contiene tutti i dati di misurazione utilizzati per la generazione della Figura 2. Si prega di fare clic qui per scaricare questo file.

Discussion

Il protocollo presentato include molti aspetti diversi legati al robot morbido rampicante di Ref.9, tra cui la produzione, il controllo, la calibrazione e la valutazione delle prestazioni. Di seguito, i pro e i contro derivanti dal protocollo sono discussi e strutturati in base agli aspetti sopra menzionati.

Il metodo di produzione presentato è fortemente basato sulla letteratura esistente10,13. Una differenza sostanziale è la progettazione dell’attuatore. Per unire i singoli arti, le guide a coda di colomba vengono inserite nei punti appropriati, come illustrato nella <a0/ Figura 21 . Questo si traduce in una connessione molto più precisa e robusta tra gli arti rispetto al precedente design del robot8. Inoltre, i tubi di alimentazione sono incorporati nella parte inferiore degli attuatori. Questo design integrato permette alle aspiratorie di essere fornite con il vuoto e allo stesso tempo rende lo strato inferiore non più allungabile, il che aumenta significativamente le prestazioni dell’attuatore. Un’altra differenza rispetto alla procedura descritta nella letteratura è che l’elastomero misto viene evacuato solo una volta (immediatamente dopo la miscelazione). Molte fonti raccomandano di evacuare l’elastomero due volte: una volta dopo la miscelazione e una volta dopo è stato riempito nello stampo. Può succedere che l’aria rimanga intrappolata in spazi molto piccoli. Nella camera a vuoto, quest’aria si espande e nel migliore dei casi sale in superficie. Spesso, tuttavia, queste bolle d’aria rimangono bloccate sulla loro strada, creando buchi spiacevoli nella colata finita. In questo caso, è necessario prendere una decisione in base a ciò che è più importante: contorni perfetti sul lato inferiore della parte di base o il minimo rischio possibile di produrre un attuatore non funzionale (cfr Figura supplementare 2). In questo protocollo, non viene eseguita alcuna seconda evacuazione. Nella procedura presentata, l’altezza della parte inferiore può variare in quanto viene riempita manualmente e, a differenza della parte di base, non vi è alcuna possibilità di tagliarla ad un’altezza uniforme dopo la stagionatura. Per garantire che l’altezza della parte inferiore sia il più uniforme possibile, si consiglia di utilizzare una siringa quando si riempie lo stampo della parte inferiore e di misurare il volume versato. Tuttavia, a seconda di quanto tempo è trascorso dalla miscelazione, le proprietà di flusso dell’elastomero cambiano in modo significativo. Pertanto, si consiglia di utilizzare sempre elastomer appena miscelato. Unire la base e la parte inferiore dell’attuatore comporta la più grande incertezza di processo. Se il bagno di elastomero è troppo alto, il canale d’aria tra le camere sarà molto probabilmente coperto pure. Quindi, l’attuatore non è più utilizzabile. Se il bagno di elastomero è troppo basso, il labbro di tenuta non può essere coperto nella sua intera circonferenza e l’attuatore perderebbe. Pertanto, ci vuole una certa quantità di pratica per dosare correttamente il bagno di elastomero. Importante per l’unione in generale è una superficie di giunzione senza grassi. Se la superficie di giunzione è troppo contaminata, l’attuatore finito può delaminare. Pertanto, è essenziale assicurarsi che le parti siano toccate solo su superfici che non devono essere unite. Una delle principali limitazioni del metodo di produzione è il numero di pezzi da realizzare. La produzione di un singolo attuatore richiede almeno due ore in totale. Anche se è possibile lavorare con diversi stampi in parallelo, più di quattro non è raccomandabile a causa di vincoli di tempo. La vita in vaso dell’elastomero è troppo breve per poter riempire ancora più stampi. Inoltre, gli stampi stampati in 3D possono resistere solo a un numero limitato di cicli di produzione (circa 10-20) prima che diventino molto deformati o si rompano. Un’ulteriore limitazione è l’incertezza del processo già discussa. Poiché quasi tutti i passaggi del processo vengono eseguiti manualmente, ogni attuatore è un po ‘diverso. Questo può portare a due robot che sono identici nella costruzione, ma mostrano due comportamenti molto diversi.

Con la casella di controllo, viene fornito un metodo per controllare il robot. Tuttavia, per ogni sistema pneumatico, i miglioramenti di controllo dello script “Code/arduino_p_ctr.ino” devono essere determinati singolarmente. Questo non è coperto nel protocollo. Tuttavia, la “modalità di riferimento della pressione” della scatola di controllo consente una gestione giocosa del robot, in modo che l’ottimizzazione del controller possa essere effettuata senza scrivere diversi script. Un’altra limitazione della scatola di controllo è il suo costo in quanto il materiale costa circa 7000 USD in totale. La letteratura11 offre un’istruzione di costruzione per una scatola di controllo che costa solo circa 900 USD e con alcuni aggiornamenti potrebbe anche essere utilizzato per far funzionare il robot.

Fondamentale per la calibrazione dei singoli attuatori è la scelta della procedura di calibrazione. La figura supplementare 22 mostra il corso qualitativo dei riferimenti di pressione nel tempo per quattro diverse procedure e la figura supplementare 23 mostra le curve di pressione dell’angolo risultanti. Come si può vedere in quest’ultimo, ogni metodo di calibrazione si traduce in una diversa curva angolo-pressione. Ciò dimostra che la relazione tra pressione e angolo dipende fortemente dal carico che agisce sull’attuatore. Pertanto, la procedura di calibrazione deve riflettere il caso di carico reale nel miglior modo possibile. Di conseguenza, è necessario adattare la procedura di taratura alle condizioni operative reali per quanto possibile. Le migliori prestazioni di marcia si ottengono con la procedura di calibrazione 4. Tuttavia, come si può vedere nella figura 3B, le pose successive nella serie non sono completamente simmetriche, che è un indicatore per il potenziale di miglioramento nella calibrazione.

Critico per il sistema di misura è l’assemblaggio dei marcatori visivi15 nella Sezione 10. Poiché non possono essere montati direttamente nei punti desiderati (perché i tubi interferiscono), i punti misurati devono essere spostati artificialmente. Particolare attenzione deve essere presa quando si determina questo vettore di offset (in coordinate pixel della fotocamera); in caso contrario, l’intera misurazione avrà errori sistematici significativi. È inoltre necessario assicurarsi che i tag non si spostano con il tempo. In questo caso, ad esempio, a causa di una caduta del robot, il tag corrispondente deve essere rimontato nello stesso punto. In ogni caso, si dovrebbe verificare regolarmente se il sistema di misurazione produce ancora una produzione affidabile.

Il fattore limitante nell’esperimento è la fissazione dei piedi. Per poter scalare inclinazioni ancora più ripide, il meccanismo di fissazione deve essere riconsiderato. Attualmente, il robot non è in grado di spingere attivamente i piedi contro il piano di camminata, e per le alte pendenze, la forza normale causata dalla gravità è troppo piccola per portare le coppe di aspirazione abbastanza vicine al piano a piedi per garantire un’aspirazione affidabile.

Il metodo di produzione presentato può essere trasferito a qualsiasi attuatore di elastomeri fluidi e potrebbe, pertanto, essere interessante per le applicazioni future. La scatola di controllo presentata consente il controllo di qualsiasi sistema pneumatico costituito da sei singoli attuatori (espandibili fino a otto), comprese le piattaforme robotiche in quanto richiedono un feedback sensoriale rapido. Pertanto, potrebbe essere utilizzato come piattaforma universale per testare e controllare i futuri robot. Infine, il metodo di calibrazione presentato può essere, in linea di principio, per qualsiasi sistema pneumatico controllato in avanzamento. In sintesi, tutti i metodi presentati sono universali all’interno dell’ambito discusso.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Gli autori amano ringraziare Fynn Knudsen, Aravinda Bhari e Jacob Muchynski per le discussioni utili e l’ispirazione.

Materials

3D Printer Formlabs Form 2
acrylic glass plate with two holes – for casting, see Supplementary
acrylic glass back panel – see Supplementary
acrylic glass bottom panel – see Supplementary
acrylic glass front panel – see Supplementary
acrylic glass side panel – see Supplementary
acrylic glass top panel – see Supplementary
Arduino Nano Arduino A000005
Allan Key 1mm available in every workshop
BeagleBone Black beagleboard BBB01-SC-505
butterfly cannula B. Braun Melsungen AG 5039573
clamp 1 for measurement system – see Supplementary
Clamp 2 for measurement system – see Supplementary
cutter knife available in every workshop
direct acting solenoid valves Norgren EXCEL22 DM/49/MDZ83J/T4
elastomer Wacker Chemie ELASTOSIL M4601
frame measurement system part 1 – see Supplementary
frame measurement system part 2 – see Supplementary
laser cutter Trotec SP500
LED RND COMPONENTS RND 210-00013
LCD JOY-IT SBC-LCD16X2
mould bottom part leg – see Supplementary
mould bottom part torso 1 – see Supplementary
mould bottom part torso 2 – see Supplementary
mould leg 1 – see Supplementary
mould leg 2 – see Supplementary
mould torso 1 – see Supplementary
mould torso 2 – see Supplementary
oven Binder ED 115
Plastic Cup available in every supermarket
Plastic syringe available in every pharmacy
poster panel Net-xpress.de (distributor) 10620232 as walking plane
Potentiometer VISHAY P16NM103MAB15
Power Supply Pulse Dimension CPS20.241-C1
pressure sensor Honeywell SSCDANN150PG2A5
Pressure Source EINHELL 4020600
proportional valves Festo MPYE-5-1/8-LF-010-B 6x
Raspberry Pi RASPBERRY PI RASPBERRY PI 3B+
Raspberry Pi Cam RASPBERRY PI RASPBERRY PI CAMERA V2.1
resin formlabs grey resin 1l
screw clamps VELLEMAN 3935-12
silicon tube 2mm Festo PUN-H-2X0,4-NT for connecting robot to control box
silicone Tube 2.5mm Schlauch24 n/a for supply tube inlet (https://www.ebay.de/itm/281761715815)
Switches MIYAMA MS 165
ultrasonic bath RND LAB 605-00034
UV chamber formlabs Form Cure
Vacuum chamber + pump COPALTEC PURE PERFEKTION
weight scale KERN-SOHN PCB 2500-2 min. resolution 1g
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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Soft RoboticsGecko-inspiredSoft RobotPneumatic ControlActuator ManufacturingElastomer CastingVacuum ChamberMold DesignSuction CupsSilicone TubesPerformance Evaluation

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Cite This Article
Schiller, L., Seibel, A., Schlattmann, J. Manufacturing, Control, and Performance Evaluation of a Gecko-Inspired Soft Robot. J. Vis. Exp. (160), e61422, doi:10.3791/61422 (2020).
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