JoVE Journal > Engineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
русский

Automatically Generated
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Engineering

Производство, управление и оценка производительности мягкого робота в стиле Гекко

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

Этот протокол содержит подробный список шагов, которые должны быть выполнены для производства, управления и оценки альпинистской производительности геккон-вдохновил мягкий робот.

Abstract

Этот протокол представляет собой метод для производства, управления и оценки производительности мягкого робота, который может подниматься наклонные плоские поверхности со склонами до 84 “. Метод изготовления действителен для быстрой пневнета изгиб приводов в целом и, следовательно, может быть интересен для новичков в области производства приводов. Управление роботом достигается с помощью пневматической коробки управления, которая может обеспечить произвольное давление и может быть построена только с использованием приобретенных компонентов, лазерного резака и паялиного железа. Для ходьбы производительности робота, давление угол калибровки играет решающую роль. Поэтому представлен полуавтоматический метод калибровки угла давления. На высоких наклонах (Nogt; 70 “), робот больше не может надежно исправить себя на ходьбе плоскости. Таким образом, рисунок походки изменяется, чтобы гарантировать, что ноги могут быть закреплены на пешеходной плоскости.

Introduction

Взаимодействие между людьми и машинами становится все ближе. Растущая плотность роботов в компаниях и домашних хозяйствах создает новые проблемы для роботизированной технологии. Зачастую опасности исключаются методами разделения, однако во многих районах, особенно в домашних хозяйствах, это не является удовлетворительным решением. Мягкая робототехника решает эту проблему с помощью свойств мягких материалов и структур для разработки новых типов машин, которые ведутсебя как живые организмы 1, поэтому мягкие роботы часто вдохновлены биологическимимоделями 2. Большинство мягких роботов можно классифицировать на два различных типа: мобильные роботы и роботы, предназначенные для захвата иманипуляции 3. Для мягких мобильных роботов, типичные принципы передвижения ползают, ходьба, бег, прыжки, полеты и плавание4. Еще одно интересное поле применения для мягких роботов – восхождение – сочетание передвижения и адгезии5. Мягкие машины очень прочны и не могут повредить их окружение из-за их мягкости. Эта характеристика предохожести этого робота класса для восхождения, так как они могут легко пережить падение. Следовательно, литература предлагает несколько примеров мягких роботов, способныхподниматься 6,,7,,8.

Цель этого протокола заключается в том, чтобы обеспечить метод для производства, управления и оценки производительности геккон-вдохновил, восхождение мягкий робот9. Его конструкция основана на использовании быстрых пневматических мягких изгибаприводов 10 из еластомера. Однако можно было бы также использовать другую мягкую конструкцию привода и/или материал. Литература предлагает широкий спектр различных конструкций мягких приводов11 и подходящих материалов12. Представленный метод производства аналогичен существующим методам13, но включает в себя некоторые изменения, которые приводят к повышенной повторяемости и надежности, по крайней мере в случае мягкого альпинистскогоробота 9. Метод действителен для быстрых пневнетов, изгибавших приводы в целом, и поэтому может быть интересен новичкам в области производства приводов.

Для управления пневматическими приводом мягких роботов, литература предоставляет различные решения. Она варьируется от недорогих и простых в репликации досокуправления 13 до мощных, но болеесложных досок 14,которые не могут быть восстановлены без специальных инструментов. Здесь, краткое описание предусмотрено для создания пневматической коробки управления только с помощью лазерного резака и паялиного железа. Коробка управления обеспечивает подачу любого давления и предлагает сенсорную обратную связь в режиме реального времени, что особенно важно для робототехники приложений. Тем не менее, он также может быть использован для многих других приложений.

Protocol

1. Печать форм Загрузите данные о формах для форм из дополнительных данных 1 “CAD/Moulds/”. Используйте программное обеспечение для нарезки принтера для преобразования 3D-моделей в работу по печати. Печать форм с помощью 3D-принтера. Очистите печатные формы, поставив их на 15 минут в ультразвуковой ванне. Положите формы, по крайней мере 3 ч в УФ-камеру. 2. Подготовка еластомера Соберите следующее перед началом этого шага: еластомер (часть А и часть B), шпатель, пластиковый стаканчик, плесень, весовая шкала, пластиковый шприц, винт зажимы (или аналогичный), акриловая стеклянная пластина с двумя соответствующими отверстиями, резак нож. Смешайте часть А и часть B еластомера в соотношении 1:9 в чашке. Поместите чашку на машину для взвешивания. Во-первых, добавьте 5 г части B (темно-красный). Затем, используя шпатель, добавьте 45 г части А (белая и вязкая).ПРИМЕЧАНИЕ: Убедитесь, что точность взвешивания составляет до 1 г. 50 г достаточно для одного привода. Лучший способ для порции части А, чтобы взять шпатель и дайте ему стечь. Приблизительно 6 г на операцию слива возможно с помощью шпателя используется. Держите перемешивания, пока не более белые или красные области видны на краю чашки. Положите чашку в течение 15 минут в вакуумную камеру, чтобы удалить воздух, который находится в ловушке в еластомер из-за процесса перемешивания. Заполните смешанный еластомер в пластиковый шприц. Это позволяет еластомеру распоидаться гораздо точнее.ПРИМЕЧАНИЕ: Дополнительная цифра 1 иллюстрирует этапы обработки, описанные в этом разделе. 3. Производство верхней части (базовая часть) Зажим акриловой стеклянной пластины с двумя соответствующими отверстиями на плесень. Вставьте шприц в нижнее отверстие и нажмите еластомер в форму. Нанесите силу на шприц, нажав поршень, пока смешанный еластомер выходит из верхнего отверстия. Ослабить винт зажимы и снять акриловую стеклянную пластину боком.ПРИМЕЧАНИЕ: Важно, чтобы вытащить его в сторону, а не вверх. В противном случае, еластомер будет вытащил из формы. Проколите поднимающийся воздушный пузырь острым инструментом. Не проколоть слишком глубоко, как это создаст новые пузырьки воздуха, а не удалить существующие. Это особенно важно, чтобы пробить большие пузырьки, поскольку они будут позже значительно повлиять на функциональность привода.ПРИМЕЧАНИЕ: Дополнительно, эвакуировать заполненную плесень в вакуумной камере, чтобы удалить любой воздух по-прежнему в ловушке. При этом, однако, может случиться так, что поднимающийся пузырьки воздуха застревают на плесени на пути к поверхности и создают отверстия в литье в функционально соответствующих областях. Дополнительная цифра 2 иллюстрирует это явление. Поставь форму в духовку при температуре 65 градусов по Цельсию в течение 30 мин. Проверьте через 10 минут, если уровень еластомера значительно снизился. Это происходит, если плесень не полностью жесткой или слегка наклонился из-за частого использования. Если уровень упал более чем на 1 мм, заправь еластомер. Затем продолжайте лечить. После в общей сложности 30 минут в духовке, выньте плесень и отрезать экструдированную еластомер с резаком ножом. Откройте форму, раздвинув отвертку. Будьте осторожны, чтобы не повредить поверхности, имеющие отношение к литью. Удалите почти готовый привод из части формы, к которой он застрял на предыдущем этапе.ПРИМЕЧАНИЕ: Первая визуальная проверка может быть сделана здесь, чтобы увидеть, если литье было успешным. Если будут обнаружены непоправимые дефекты (см. Дополнительная цифра 3),производственный процесс должен быть остановлен здесь. Меньшие отверстия могут быть отремонтированы позже. Важно также, чтобы уплотнительная губа была как можно более выраженной по всей окружности. Отрежьте любые выступающие заусенцы ножом резака. Иногда это очень трудоемкий, но необходимый для хорошего конечного результата.ПРИМЕЧАНИЕ: Дополнительная цифра 4 иллюстрирует этапы обработки, описанные в этом разделе. Описанные шаги действительны для литья четырех ног (форма может быть найдена в дополнительном файле 1 “CAD/Moulds/small_leg_schwalbe’.stl”) и двух базовых частях туловища (“CAD/Moulds/small_belly’.stl”). Чтобы бросить присоски (ноги робота, которые можно найти в “CAD/Moulds/suctionCup’.stl”) или нижней части туловища (“CAD/Moulds/small_torso_base1’stl”), выполнять те же шаги процесса, за исключением шагов 3.1 и 3.3, как эти формы для литья имеют встроенный порт для шприца и, следовательно, не требуется дополнительная акриловая стеклянная пластина. В общей сложности, построить четыре базовые части ноги, две базовые части туловища, одна нижняя часть туловища, и четыре присоски. 4. Производство нижней части (нижняя часть) Нажмите силиконовую трубку через отверстия, предусмотренные для этой цели в форме нижней части, см. Заполните форму базовой части еластомером и распределим ее небольшим шпателем по углам.ПРИМЕЧАНИЕ: Уровень еластомера должен быть не выше 5 мм и не ниже 4 мм и должен полностью покрывать встроенную трубку. Форма для нижней части ног можно найти в дополнительном файле 1 “CAD/Moulds/small_base_schwalbe.stl”. Положите плесень в духовку на 15-20 мин для лечения. Для следующих шагов, необходимо, чтобы нижняя часть остается в форме на время соединены с верхней частью. 5. Присоединение к базовой и нижней части Заполните форму нижней части еластомером так, чтобы уровень был на 1-1,5 мм выше уже затвердевшего еластомера. Вставьте канюлю бабочки в базовую часть и отметьте место прокола так, чтобы его легче было найти позже. Этот шаг необходим для того, чтобы расширить воздух в духовке, чтобы избежать. Поместите базовую часть в нижнюю форму и нажмите только стороны немного в ванну еластомер. Поставь актуатор в духовку на 10-15 минут и удалите форму после этого.ПРИМЕЧАНИЕ: Это должно быть легко удалить привод из формы. Если это не удается сделать, либо еластомер еще не полностью вылечить (в этом случае, увеличить время лечения еще на 10 мин) или нижняя часть застряла в форме (в этом случае, она должна быть вытащил труднее). Но в целом, это плохой знак, если привод не может быть освобожден легко. Подключите источник давления с помощью места прокола от шага 5.2 и выполните окончательный тест на утечку, см.ПРИМЕЧАНИЕ: Если небольшие утечки присутствуют, они могут быть отремонтированы. Применение немного еластомер с небольшим шпателем и 10 минут в духовке должны исправить утечку. Если все утечки исправлены, привод готов. Дополнительная диаграмма 6 иллюстрирует этапы обработки, описанные в этом разделе, а дополнительная цифра 7 иллюстрирует весь процесс, описанный в разделах 3–5. Для присоединения к базовой и нижней части туловища выполните те же шаги, за исключением шага 5.1, где вы не заполняете форму, а нижнюю часть напрямую. 6. Присоединение всех конечностей Исправить части, которые будут соединены с булавкой иглы на деревянной доске, так что они могут быть проведены вместе в следующем шаге процесса. Обложка присоединения поверхности с еластомером, как показано на дополнительном рисунке 8A. Убедитесь, что соединять поверхность чиста и свободна от жира. В противном случае, части будут delaminate на данный момент. Положите сборку (см. Дополнительная цифра 8B) на 10-15 мин в духовку. 7. Монтаж заливов трубки питания Расширьте точку вставки канюле бабочки от шага 5.2 дальше с помощью 1 мм ключ Аллен. Поместите конец силиконовой трубки с максимальным внешним диаметром 3 мм над отверстием и нажмите его с ключом Аллена. Запечатай вход с небольшим еластомером. Это также защищает от механического стресса. Поставь сборку на 10 минут в духовку.ПРИМЕЧАНИЕ: Дополнительная цифра 9 иллюстрирует этапы обработки, описанные в этом разделе. 8. Строительство коробки управления Загрузите соответствующие чертежи жилья из дополнительных данных 1 “CAD/ControlBox/” и вырежьте их на лазерном резаке. Соберите “User Interface Unit” на передней панели в соответствии с дополнительным рисунком 10A и дополнительным рисунком 11. Построить шесть “Valve единиц” в соответствии с дополнительным рисунком 10B и дополнительный рисунок 12. Соберите шесть “Valve Units” и “User Interface Unit” на нижней панели в соответствии с дополнительным рисунком 10C, дополнительным рисунком 13 и дополнительным рисунком 14. Соберите две боковые панели и заднюю панель. Наконец, собрать верхнюю панель. Настройте два однобортных компьютера, встроенных в систему управления в соответствии с дополнительным файлом 1, и загрузите полную папку “Код” (включая все субфолдеры), представленную в дополнительных данных 2, на обе доски. Загрузите скрипт “Code/arduino_p_ctr.ino”, представленный в дополнительных данных 2, на шесть микроконтроллеров, встроенных в систему управления. 9. Строительство испытательной скамейки со встроенной системой измерений Загрузите соответствующий рисунок держателя камеры из дополнительных данных 1 “CAD/TestBench/” и вырежьте его на лазерном резаке. Загрузите соответствующие файлы зажимов из дополнительных данных 1 “CAD/TestBench” и распечатайте их на 3D-принтере. Соберите держатель камеры с зажимами на панели плаката DIN-A1 в соответствии с дополнительным рисунком 15 и смонтировать камеру и одно борту компьютера в нужном месте. Настройте интерфейс Ethernet и настройки SSH одного борта компьютера в соответствии с разделами 4-5 Дополнительного файла 1 и загрузите полную папку “Code”(Дополнительные данные 2) на доску. 10. Настройка всей системы Создайте локаляю сеть и назначьте правильный IP-адрес из скрипта “Code/main.py” всем одноко доски компьютерам и компьютеру, используемому для мониторинга, или перепишите сценарий соответствующим образом. Вставьте булавку иглы в обоих концах туловища, как показано на дополнительном рисунке 16, так что робот только контакты ходьбе плоскости с булавками и ноги (всасывания чашки). Распечатайте визуальные маркеры15, предусмотренные в дополнительном файле 2 на листе DIN-A4, и вырежьте их ножницами. Прикрепите маркеры к роботу с помощью пин-иглы в соответствии с дополнительным рисунком 17. Подключите робота к ящику управления.ПРИМЕЧАНИЕ: Рисунок 1 иллюстрирует проводку всей системы. 11. Запуск коробки управления Питание на главном выключателе коробки управления и ждать, пока все загружается. Войдите в основной одно борту компьютера в качестве “корня” с помощью SSH, просмотрите папку “Код” и запуститеокно управления по команде “root@beaglebone: ” python3 main.py”. В то же время, запустите монитор на персоном компьютере покоманде “user@pc: ” python2 monitor.py”.ПРИМЕЧАНИЕ: Обе программы должны начинаться более или менее в то же время. Программа “main.py”, запущенная на одно борту компьютера в ящике управления, пытается подключиться к персонального компьютера, используемого для мониторинга. Если на персоном компьютере нет порта прослушивания (срабатывает скриптом “monitor.py”), монитор не за запустится. За исключением “monitor.py”, все программы/скрипты, используемые в этом протоколе, предназначены для запуска с python3. Подключите источник давления к диспетчеру (максимум 1,2 бар). Подключите вакуумный источник к ящику управления. 12. Калибровка робота Поместите робота на ходячий самолет испытательной скамейки. Для крутых наклонов прикрепите веревку между передней и верхней частью пешеходного самолета, чтобы удержать робота на месте. На поле управления активируйте режим ссылкинашаблон , нажав кнопку«Режим 2»,как показано на дополнительном рисунке 18. Прокрутите меню, отображаемое на LCD, используя кнопки вверх и вниз, пока не найдете запись “clb”. Затем нажмите кнопку входа. Прокрутите следующее меню до ввода “mode_4.csv” и нажмите кнопку”Войти”. На мониторе нажмите кнопку«Запись»,как показано на дополнительном рисунке 19.ПРИМЕЧАНИЕ: Нажатие кнопки”Запись”автоматически создаст файл на компьютере мониторинга в месте, указанном в “Code/Src/GUI/save.py:save_last_sample_as_csv()”, который является папкой “current_exp” (пример измерений приведен в дополнительных данных 3). На ящике управления нажмите кнопку«Функция 1»,чтобы начать процедуру калибровки. После калибровки нажмитекнопку«Запись» на мониторе, чтобы остановить запись икнопку «функция 1»на ящике управления, чтобы остановить контроллер давления. Переименуй автоматически созданный файл “current_exp/.csv”, чтобы его можно было однозначно идентифицировать позже. Запустите скрипт “Калибровка/eval_clb.py”, представленный в дополнительных данных 4, и храните выход (коэффициенты полиномиальной подгонки) в файле “Code/Src/Controller/calibration.py” в качестве записи с ключевым словом “версия робота” в существующем словаре. 13. Создание шаблона походки Запустите скрипт “Код/Шаблоны/create_pattern.py” и храните выведаемый файл (ы) в папке “Код/шаблоны/робот-версия”/”.ПРИМЕЧАНИЕ: Этот скрипт преобразует предопределенный рисунок походки для прямойпоходки 8 (см. Дополнительная цифра 20A или Дополнительная анимация 1), сформулированный в угловых ссылках на ссылки на давление, специфичные для робота. Чтобы создать шаблон походки для крутых наклонов, измените сценарий, неприсогласовав строку 222. Это будет генерировать шаблон в соответствии с дополнительным рисунком 20B или дополнительной анимации 2. Интерфейс для ссылок на шаблоны, предоставляемый системой управления, состоит из файлов, где каждая строка определяет дискретную точку набора для всех приводов. В этом случае первые восемь столбцов определяют справочное давление, следующие четыре столбца определяют ссылки на клапаны прямого действия, а последняя колонка определяет время, в течение которое должна быть проведена эта установленная точка. Синхронизировать одно борту компьютера в поле управления с персональным компьютером, т.е. загрузить папку “Код / шаблон /” на доске. Для этого необходимо прервать программу main.py” (Ctrl-C). 14. Проведение альпинистского эксперимента Выполните шаги 11-13 для каждого наклона для тестирования. Поместите робота в отмеченную точку на пешеходном самолете. Выберите ссылку на шаблон, описанную в шагах 12.2-12.4, но выберите в первом меню желаемую «версию робота» (вместо «clb»), а во втором меню — ссылку на шаблон в соответствии с текущим наклоном (вместо «mode_4.csv»). Начало записи, описанной в шаге 12.5. Нажмитекнопку «Функция 1»,чтобы активировать контроллер давления. Пусть робот ходить / подниматься, по крайней мере 6 циклов. Прекратите запись, нажавкнопку«Запись» на мониторе (как в шаге 12.7). Убедитесь, что робот не упадет при выполнении следующего шага. Остановите контроллер давления, снова нажавкнопку «Функция 1». Это также остановит вакуумный запас, и, следовательно, робот упадет. Переместите записанный файл «.csv» в папку «ExpEvaluation/«робот-версия»/«тип шаблона»/«наклон»/».ПРИМЕЧАНИЕ: Повторите каждый запуск по крайней мере пять раз, чтобы иметь прочную основу для следующего шага. 15. Оценка эксперимента Запустите скрипт “ExpEvaluation/eval_vS11_adj_ptrn.py”, представленный в дополнительных данных 5, чтобы автоматически означать все данные измерений.ПРИМЕЧАНИЕ: Этот скрипт выводит трек всех ног, прикладное давление с течением времени, измеренный угол изгиба всех конечностей с течением времени, скорость робота с течением времени, ориентация робота с течением времени, средняя скорость над наклоном (ср. Рисунок 2A), и приближение энергии, используемой над наклоном (ср. Рисунок 2B).

Representative Results

Представленный протокол приводит к трем вещам: мягкий альпинистский робот, универсально применимая коробка управления и стратегия управления прямым движением робота, который увеличивает его способность подниматься и в то же время уменьшает потребляемую энергию. Контрольная коробка, описанная в разделе 8, обеспечивает непрерывную поставку любого желаемого уровня давления на шести каналах (расширяемых до восьми) и дополнительно на четырех каналах поставки вакуума (расширяемые по мере необходимости). “User Interface Unit” позволяет пользователю легко управлять окном управления во время выполнения, а интерфейс к монитору позволяет непосредственно просматривать и сохранить измеренные данные в качестве csv-файла. Режим отсчета шаблона коробки управления предоставляет пользователю интуитивно понятный интерфейс для цикла предопределенных шаблонов. Это может быть походка модели робота, как в этом протоколе, или он может быть использован для тестирования усталости привода, или любое другое приложение, которое требует циклической загрузки. На рисунке 1 показаны все аппаратные компоненты, собранные в ящике управления и системе измерения, и то, как они соединены. Рисунок походки для прямого движения робота сформулирован в угловых ссылках8. Для работы робота эти угловые ссылки должны быть преобразованы в ссылки на давление. Стратегия управления, используемая в этом протоколе, основана на предварительной калибровке углового давления. Каждый метод калибровки приводит к разной кривой альфа-давления. Поэтому необходимо по возможности адаптировать процедуру калибровки к реальным условиям эксплуатации. При изменении угла наклона при ходьбе плоскости меняются и условия эксплуатации. Таким образом, кривая углового давления должна быть перекалиброванной для каждого наклона. На рисунке 2A показана скорость робота для различных наклонов с неизменной калибровкой и перекалиброванной кривой углового давления. Эксперимент наглядно показывает эффективность перекалибрования. Перекалиброванный робот не только способ быстрее, он также способен подняться круче наклоны (84 “вместо 76”) при потреблении меньшеэнергии 9, как по изображено на рисунке 2B. На рисунке 3показана серия фотографий движения робота с наклоном 48 градусов. Цифра ясно иллюстрирует, что альпинистская производительность с перекалибровкой, показанной на рисунке 3B, намного лучше, чем при неизменной калибровке, показанной на рисунке 3A, поскольку сдвиг в положении в течение того же интервала времени почти в два раза больше. Этот робот может двигаться очень быстро по сравнению с другими мягкими роботами. Цинь и др.7 обобщают скорости движения различных мягких роботов. Без полезной нагрузки и в горизонтальной плоскости робот, описанный в этом протоколе, в пять раз быстрее по отношению к длине тела, чем самый быстрый робот в Ref.7. Рисунок 1: Диаграмма аппаратных компонентов, собранных в ящике управления. В этом обозначается ссылка на давление для i-йканал, u i контрольный сигнал i-thпропорционального клапана, вектор, содержащий угловые ссылки, вектор, содержащий измерения угла, х вектор, содержащий измерения положения, и вектор, содержащий контрольные сигналы для прямого действия соленоидных клапанов, т.е. состояния фиксации ног. Пользовательский интерфейс является сокращением от “User Interface Unit”, BBB является аббревиатурой для BeagleBone Black, т.е. одного бортового компьютера, используемого в системе управления, и RPi является сокращением от Raspberry Pi, т.е. одного бортового компьютера, используемого в системе измерений. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры. Рисунок 2: Оценка альпинистской деятельности. Dashed кривые показывают значения для постоянных и твердых кривых для перекалиброванных ссылок давления. (A)Передовая скорость робота для различных углов наклона. (B)Потребление энергии для различных углов наклона. Эта цифра адаптирована из Ref.9. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры. Рисунок 3: Серия фотографий движения робота при наклоне 48 “. Время, прошедшее между каждой фотографией, составляет 1,2с. (A) Движение для постоянныхссылок на давление и (B)движение для перекалиброванного давления ссылки. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры. Дополнительная цифра 1: Подготовка еластомера. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить эту цифру. Дополнительная цифра 2: Сравнение образования пузырьков воздуха во время эвакуации до и после литья. (A)Эвакуация еластомера проводится только перед кастингом. Захваченные пузырьки воздуха остаются на месте, но они больше находятся в области ударов, что не сильно влияет на функциональность привода. (B)Эвакуация проводится до и после кастинга. Захваченные пузырьки воздуха поднимаются, но застревают снова на верхней стороне стоек и создают отверстия в приводе, которые могут повлиять на функциональность. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить эту цифру. Дополнительная цифра 3: Примеры успешных и неудачных вылеченных отливок. Верхний ряд показывает успешные примеры и неудачные примеры нижнего ряда. Если дефект не является четко узнаваемым, он помечается зеленым кругом. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить эту цифру. Дополнительная цифра 4: Изготовление базовой части. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить эту цифру. Дополнительная цифра 5: Схема производства нижней части. Трубка (которая позже используется в качестве трубки питания для присоски) зажата в форму перед литьем. Затем плесень заполняется жидким еластомером. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить эту цифру. Дополнительная цифра 6: Присоединение базовой и нижней части. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить эту цифру. Дополнительная цифра 7: Литье мягкого изгиба привода. Еластомер жидкости представлен красным цветом, вылеченный еластомер в светло-красном цвете, а также ограничивающий напряжение слой, а также формы черного цвета. (A)Смешанный еластомер наливается в две отдельные формы – один для базовой части и один для нижней части. Таким образом, нижняя часть заполнена только наполовину. Напряжение ограничивающий слой (поставка трубки) затем вставляется в нижней части формы. (B)Части вылечены и базовая часть понижена. (C)Нижняя часть формы заполнена сверху жидким еластомером. (D)Базовая часть окунается в эту форму. (E)Две части излечиваются вместе. (F)Привод понижен. Эта цифра основана на Ref.13. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить эту цифру. Дополнительная цифра 8: Присоединение всех конечностей. (A)Покрытие поверхностей, которые будут соединены с жидким еластомером. (B)Отображается представление полной сборки. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить эту цифру. Дополнительная цифра 9: Монтаж заливов трубки питания. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить эту цифру. Дополнительная цифра 10: Фотографии коробки управления. (A)Переднее представление пользовательского интерфейса для того, чтобы позволить пользователю взаимодействовать с роботом. (B)Детальное представление блока Valve. (C)Верхний вид всей коробки управления. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить эту цифру. Дополнительная диаграмма 11: Схема цепи пользовательского интерфейса. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить эту цифру. Дополнительная диаграмма 12: Схема цепи блока Valve. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить эту цифру. Дополнительная диаграмма 13: Упрощенная схема схемы всей коробки управления. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить эту цифру. Дополнительная цифра 14: Диаграмма использованных контактов одно борту компьютеров, встроенных в окно управления. (A)Использованные булавки доски, необходимые для общения с пользователем. (B)Использованные булавки доски, необходимые для управления роботом. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить эту цифру. Дополнительная цифра 15: Рендерное представление о пешеходном самолете с установленной системой измерения. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить эту цифру. Дополнительная цифра 16: Визуализация подъемного эффекта. Иглы с 6-мм головками вставляются в оба конца туловища. Это сводит к минимуму трение во время ходьбы и вызывает всасывающие чашки, чтобы иметь полный контакт с ходьбой плоскости. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить эту цифру. Дополнительная цифра 17: Сборка визуальных маркеров. Маркеры устанавливаются на робота с помощью пин-иглы. Маркер 0 установлен на передней левой ноге, маркер 1 спереди туловища, маркер 2 на передней правой ноге, маркер 3 на задней левой ноге, маркер 4 на спине туловища, и маркер 5 на задней правой ноге. Для сборки маркера 4, три булавочные иглы используются Эта цифра адаптирована из Ref.9. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить эту цифру. Дополнительная цифра 18: Легенда о кнопках коробки управления. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить эту цифру. Дополнительная цифра 19: Легенда о кнопках графического пользовательского интерфейса. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить эту цифру. Дополнительная цифра 20: Шаблоны походки для прямого движения робота. Фиксированные ноги обозначены заполненными кругами и нефиксированными ногами незаполненными кругами. (A)Рисунок походки для низких и умеренных углов наклона (Lt; 70 “). (B)Рисунок походки для высоких наклонов (Nogt; 70 “). Вакуум наносится на красные и черные заполненные ножки. Черные заполненные ноги закреплены на земле, в то время как красные ноги не обязательно должны быть. Для того, чтобы обеспечить фиксацию, нога, которая будет исправлена качается взад и вперед один раз. Эта цифра адаптирована из Ref.9. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить эту цифру. Дополнительная цифра 21: Оказанный вид взрыва мягкого альпинистского робота. Голубиные хвосты расположены на ногах и соответствующих ключевых путях на концах туловища. Это делает процесс присоединения гораздо более точным. Эта цифра адаптирована из Ref.9. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить эту цифру. Дополнительная цифра 22: Различные процедуры калибровки для определения кривой угла давления. Каждая подфигурка показывает качественный курс давления и снимки соответствующей позы робота. (A) Каждый привод постоянно надувается, начиная с 0 бар до 1 бар, в то время как все остальные остаются без давления. (B)плато давления применяется к одному актуатору в течение 3 с; затем, он сдувается полностью в течение 2 с. В следующем раунде уровень плато давления увеличивается с шагом до тех пор, пока плато не достигнет 1 бара. Это делается для каждого актуатора индивидуально. C)Та же процедура, что и в режиме 2, но здесь то же плато применяется к приводам (0,3,4), соответственно актуаторам (1,2,5), в то же время. (D) Та же процедура, что и в режиме 3, но плато для приводов (0,3) начинаются в 0 бар (как и раньше) и заканчиваются в 1,2 бар (вместо 1 бар). В основном, приращение для приводов (0,3) немного увеличивается, в то время как приращения для других приводов остаются прежними. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить эту цифру. Дополнительная цифра 23: Кривые углового давления для различных процедур калибровки. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить эту цифру. Дополнительная анимация 1: Анимация прямой походки робота. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл. Дополнительная анимация 2: Анимация альпинистской походки робота. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл. Дополнительный файл 1: Инструкции по настройке одно борту компьютеров. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл. Дополнительный файл 2: Шаблон печати для визуальных маркеров. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл. Дополнительные данные 1: Файлы CAD. Эта папка с сжатой на молнии содержит файлы для печати форм, файлы для лазерной резки корпуса коробки управления, файлы для печати зажимов, используемых для системы измерения, и файл q.dxf для лазерной резки рамы измерительных систем. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл. Дополнительные данные 2: Код для запуска на одно борту компьютеров. Эта папка сжатой на молнии содержит программы и их источники, работающие на доске, используемой для “User Interface Unit”, доску, используемую для управления роботом, и доску, используемую для обработки изображений. Загрузите полную папку на все три доски. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл. Дополнительные данные 3: Примерные данные измерений. Эта папка сжатой на молнии содержит два файла, созданных во время процедуры калибровки. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл. Дополнительные данные 4: Сценарий калибровки. Эта папка сжатой на молнии содержит скрипт python и его источники для оценки данных измерений, полученных в ходе процедуры калибровки. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл. Дополнительные данные 5: Сценарий оценки. Эта папка сжатой на молнии содержит два скрипта питона и их источники для оценки данных измерений, полученных в ходе альпинистского эксперимента. Кроме того, он содержит все данные измерений, используемые для генерации рисунка 2. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.

Discussion

Представленный протокол включает в себя множество различных аспектов, связанных с восхождением мягкого робота от Ref.9,включая производство, управление, калибровку и оценку производительности. В следующем случае плюсы и минусы протокола обсуждаются и структурироваться в соответствии с упомянутыми выше аспектами.

Представленный метод изготовления сильно основан на существующей литературе10,,13. Существенным отличием является дизайн привода. Чтобы присоединиться к отдельным конечностям, голубиные направляющие вставляются в соответствующих точках, как показано на дополнительном рисунке 21. Это приводит к гораздо более точной и надежной связи между конечностями по сравнению с предыдущей конструкцией робота8. Кроме того, трубы питания встроены в нижнюю часть приводов. Эта интегрированная конструкция позволяет поставлять присоски с вакуумом и в то же время делает нижний слой более не растяжимым, что значительно повышает производительность привода. Еще одно отличие от процедуры, описанной в литературе, заключается в том, что смешанный еластомер эвакуируют только один раз (сразу после смешивания). Многие источники рекомендуют эвакуировать еластомер дважды: один раз после смешивания и один раз после того, как он был заполнен в форму. Может случиться так, что воздух остается в ловушке в очень небольших пространствах. В вакуумной камере этот воздух расширяется и в лучшем случае поднимается на поверхность. Достаточно часто, однако, эти пузырьки воздуха застревают на своем пути, создавая неприятные отверстия в готовом литье. Здесь необходимо принять решение о том, что важнее: идеальные контуры на нижней стороне базовой части или как можно меньше риска производства нефункционального привода (ср. Дополнительная цифра 2). В этом протоколе вторая эвакуация не проводится. В представленной процедуре высота нижней части может варьироваться по мере ее заполнения вручную, и, в отличие от базовой части, нет возможности разрезать ее на однородную высоту после лечения. Для того, чтобы высота нижней части была максимально однородной, рекомендуется использовать шприц при заполнении формы нижней части и измерять объем влитого. Однако, в зависимости от того, сколько времени прошло с момента смешивания, свойства потока еластомера существенно меняются. Поэтому рекомендуется всегда использовать свежевыжатый еластомер. Присоединение к базе и нижней части привода включает в себя крупнейшую неопределенность процесса. Если ванна еластомер слишком высока, воздушный канал между камерами, скорее всего, будет покрыта, а также. Тогда привод больше не может быть годен к ею. Если ванна еластомер слишком низкая, уплотнительная губа не может быть покрыта всей окружностью, и привод протекает. Таким образом, он принимает определенное количество практики дозы еластомер ванны правильно. Важно для присоединения в целом является обезжиренное присоединение поверхности. Если поверхность присоединения слишком загрязнена, готовый привод может произотвориться. Поэтому важно обеспечить, чтобы детали касались только поверхностей, которые не должны быть соединены. Основным ограничением метода производства является количество частей, которые должны быть реализованы. Производство одного привода занимает не менее двух часов в общей сложности. Хотя можно работать с несколькими формами параллельно, более четырех не рекомендуется из-за нехватки времени. Горшок жизни еastomer слишком коротка, чтобы быть в состоянии заполнить еще больше форм. Кроме того, 3D-печатные формы выдерживают лишь ограниченное количество производственных циклов (приблизительно 10–20), прежде чем они станут очень деформированными или ломаются. Еще одним ограничением является уже обсуждаемая неопределенность процесса. Поскольку почти все этапы процесса выполняются вручную, каждый привод немного отличается. Это может привести к двум роботам, которые идентичны в строительстве, но показывают два очень разных поведения.

С помощью коробки управления предоставляется метод управления роботом. Тем не менее, для каждой пневматической системы контрольные выгоды от скрипта “Code/arduino_p_ctr.ino” должны определяться индивидуально. Это не распространяется на протокол. Тем не менее, «режим отсчета давления» коробки управления позволяет игриво управлять роботом, так что настройка контроллера может быть сделана без написания нескольких скриптов. Еще одним ограничением системы управления является ее стоимость, поскольку материал стоит около 7000 долларов США в общей сложности. Литература11 предлагает инструкцию по созданию для коробки управления, которая стоит всего около 900 долларов США и с некоторыми обновлениями также может быть использован для работы робота.

Критически важным для калибровки отдельных приводов является выбор процедуры калибровки. Дополнительная цифра 22 показывает качественный ход ссылок на давление с течением времени для четырех различных процедур, а дополнительный рисунок 23 показывает результирующую кривую углового давления. Как видно из последнего, каждый метод калибровки приводит к разной кривой углового давления. Это показывает, что связь между давлением и углом сильно зависит от нагрузки, действующей на привод. Таким образом, процедура калибровки должна отражать реальный случай нагрузки как можно лучше. Следовательно, необходимо по возможности адаптировать процедуру калибровки к реальным условиям эксплуатации. Лучшая ходьба производительность получена с процедурой калибровки 4. Однако, как видно на рисунке 3B,последующие позы в серии не являются полностью симметричными, что является показателем потенциала улучшения калибровки.

Решающее значение для измерительной системы имеет сборка визуальныхмаркеров 15 в разделе 10. Поскольку они не могут быть установлены непосредственно в нужных точках (потому что трубы мешают), измеренные точки должны быть сдвинуты искусственно. При определении этого вектора смещения (в пиксельных координатах камеры) необходимо принимать особое внимание; в противном случае все измерения будут иметь значительные систематические ошибки. Необходимо также обеспечить, чтобы теги не вытесняются со временем. Если это произойдет, например, из-за падения робота, соответствующий тег должен быть перемонтирован в том же месте. В любом случае следует регулярно проверять, производит ли система измерения надежный выход.

Ограничивающим фактором в эксперименте является фиксация ног. Для того, чтобы иметь возможность подняться еще круче наклонов, механизм фиксации должны быть пересмотрены. В настоящее время робот не в состоянии активно толкать ноги о ходячий самолет, и для высоких наклонов, нормальная сила, вызванная гравитацией слишком мала, чтобы принести присоски достаточно близко к пешеходной плоскости, чтобы обеспечить надежное всасывание.

Представленный метод производства может быть передан любому жидкому актуатору еластомера и, следовательно, может быть интересен для будущих применений. Представленная коробка управления позволяет управлять любой пневматической системой, состоящей из шести отдельных приводов (расширяемых до восьми), включая роботизированные платформы, поскольку они требуют быстрой сенсорной обратной связи. Таким образом, он может быть использован в качестве универсальной платформы для тестирования и управления будущими роботами. Наконец, представленный метод калибровки может быть, в принципе, любой управляемой пневматической системой. Таким образом, все представленные методы являются универсальными в рамках обсуждаемой сферы охвата.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Авторы любят благодарить Финна Кнудсена, Аравинду Бхари и Якоба Мючински за полезные дискуссии и вдохновение.

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

  1. Majidi, C. Soft robotics: a perspective-current trends and prospects for the future. Soft Robotics. 1 (1), 5-11 (2014).
  2. Kim, S., Laschi, C., Trimmer, B. Soft robotics: a bioinspired evolution in robotics. Trends in Biotechnology. 31 (5), 287-294 (2013).
  3. Rus, D., Tolley, M. T. Design, fabrication and control of soft robots. Nature. 521 (7553), 467-475 (2015).
  4. Calisti, M., Picardi, G., Laschi, C. Fundamentals of soft robot locomotion. Journal of the Royal Society Interface. 14 (130), 0101 (2017).
  5. Chu, B., Jung, K., Han, C. S., Hong, D. A survey of climbing robots: locomotion and adhesion. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing. 11 (4), 633-647 (2010).
  6. Gu, G., Zou, J., Zhao, R., Zhao, X., Zhu, X. Soft wall-climbing robots. Science Robotics. 3 (25), 2874 (2018).
  7. Qin, L. A versatile soft crawling robot with rapid locomotion. Soft Robotics. 6 (4), 455-467 (2019).
  8. Seibel, A., Schiller, L. Systematic engineering design helps creating new soft machines. Robotics and Biomimetics. 5 (1), 5 (2018).
  9. Schiller, L., Seibel, A., Schlattmann, J. Toward a gecko-inspired, climbing soft robot. Frontiers in Neurorobotics. 13 (1), 106 (2019).
  10. Mosadegh, B., et al. Pneumatic networks for soft robotics that actuate rapidly. Advanced Functional Materials. 24 (15), 2163-2170 (2014).
  11. Elango, N., Faudzi, A. A. M. A review article: investigations on soft materials for soft robot manipulations. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 80 (5-8), 1027-1037 (2015).
  12. Natarajan, E., Razif, M. R., Faudzi, A., Palanikumar, K. Evaluation of a suitable material for soft actuator through experiments and FE simulations. International Journal of Manufacturing, Materials, and Mechanical Engineering. 10 (2), 64-76 (2020).
  13. . Soft Robotics Toolkit [software] Available from: https://softroboticstoolkit.com (2020)
  14. . PneumaticBox [software] Available from: https://www.robotics.tu-berlin.de/menue/software_and_tutorials/pneumaticbox/ (2020)
  15. Wang, J., Olson, E. Apriltag 2: efficient and robust fiducial detection. Proceedings of the IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS). , 4193-4198 (2016).

Tags

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

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
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).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image