Summary
Denne protokollen gir en detaljert liste over trinn som skal utføres for produksjon, kontroll og evaluering av klatreytelsen til en gekko-inspirert myk robot.
Abstract
Denne protokollen presenterer en metode for produksjon, kontroll og evaluering av ytelsen til en myk robot som kan klatre skråflater med bakker på opptil 84°. Produksjonsmetoden er gyldig for de raske pneunet bøying aktuatorer generelt og kan derfor være interessant for nykommere til feltet aktuator produksjon. Kontrollen av roboten oppnås ved hjelp av en pneumatisk kontrollboks som kan gi vilkårlig trykk og kan bygges ved bare å bruke kjøpte komponenter, en laserkutter og et loddejern. For robotens gangytelse spiller trykkvinkelkalibreringen en avgjørende rolle. Derfor presenteres en halvautomatisk metode for trykkvinkelkalibrering. Ved høye hellinger (> 70°) kan roboten ikke lenger på en pålitelig måte fikse seg selv til gangplanet. Derfor er gangmønsteret modifisert for å sikre at føttene kan festes på gangplanet.
Introduction
Samspillet mellom mennesker og maskiner blir stadig nærmere. Den økende robottettheten i bedrifter og husholdninger byr på nye utfordringer for robotteknologien. Ofte er farer utelukket ved separasjonsmetoder, men på mange områder, spesielt i husholdninger, er dette ikke en tilfredsstillende løsning. Myk robotikk håndterer dette problemet ved å bruke egenskapene til myke materialer og strukturer for å utvikle nye typer maskiner som oppfører seg som levendeorganismer 1, og derfor er myke roboter ofte inspirert av biologiske modeller2. De fleste myke roboter kan klassifiseres i to forskjellige typer: mobile roboter og roboter designet for gripende ogmanipulasjon 3. For myke mobile roboter kryper typiske bevegelsesprinsipper, går, løper, hopper, flyr og svømmer4. Et annet interessant bruksområde for myke roboter er klatring – en kombinasjon av bevegelse og vedheft5. Myke maskiner er svært robuste og kan ikke skade omgivelsene på grunn av mykhet. Denne karakteristiske predestines denne robotklassen for klatring, da de lett kan overleve et fall. Følgelig tilbyr litteraturen flere eksempler på myke roboter som er i stand til åklatre 6,7,8.
Målet med denne protokollen er å gi en metode for å produsere, kontrollere og evaluere ytelsen til en gekko-inspirert, klatring myk robot9. Dens design er basert på bruk av rask pneunet myk bøying aktuatorer10 laget av elastomer. Imidlertid kan en annen myk aktuator design og / eller materiale også brukes. Litteraturen tilbyr et bredt spekter av forskjellige design av myke aktuatorer11 og egnede materialer12. Den presenterte produksjonsmetoden ligner på eksisterendemetoder 13, men inkluderer noen modifikasjoner som resulterer i økt repeterbarhet og robusthet, i hvert fall når det gjelder den myke klatreroboten9. Metoden er gyldig for rask pneunet bøying aktuatorer generelt og kan derfor være interessant for nykommere til feltet aktuator produksjon.
For å kontrollere pneumatiske aktiverte myke roboter, gir litteraturen forskjellige løsninger. Den spenner fra rimelige og enkle å replikere styrene13 til kraftige, men mer kompleksetavler 14, som ikke kan gjenoppbygges uten spesialverktøy. Her er en kort beskrivelse gitt for å bygge en pneumatisk kontrollboks ved bare å bruke en laserkutter og et loddejern. Kontrollboksen tillater tilførsel av trykk og gir sensorisk tilbakemelding i sanntid, noe som er spesielt viktig for robotikkapplikasjoner. Den kan imidlertid også brukes til mange andre applikasjoner.
Protocol
1. Utskrift av former
- Last ned *.stl-dataene for former fra tilleggsdataene 1 "CAD/Moulds/".
- Bruk den skriverspesifikke kutteprogramvaren til å konvertere 3D-modellene til en utskriftsjobb.
- Skriv ut formene ved hjelp av en 3D-skriver.
- Rengjør de trykte formene ved å sette dem i 15 min i et ultralydbad.
- Sett formene i minst 3 timer i et UV-kammer.
2. Klargjøre elastomeren
- Samle følgende før du starter dette trinnet: elastomer (del A og del B), slikkepott, plastkopp, mugg, vektskala, plastsprøyte, skrueklemmer (eller lignende), akrylglassplate med to tilsvarende hull, kniv.
- Bland del A og del B av elastomeren i et 1:9-forhold i en kopp. Plasser koppen på en veiemaskin. Legg først til 5 g del B (mørk rød). Deretter, ved hjelp av en slikkepott, legg til 45 g del A (hvit og viskøs).
MERK: Kontroller at veieøya er til 1 g. 50 g er nok for én aktuator. Den beste måten for porsjonering del A er å ta en slikkepott og la den renne. Omtrent 6 g per dreneringsdrift er mulig med slikkepotten som brukes. - Fortsett å røre til ikke flere hvite eller røde områder er synlige på kanten av koppen.
- Sett koppen i 15 min i et vakuumkammer for å fjerne luften som er fanget i elastomeren på grunn av omrøringsprosessen.
- Fyll den blandede elastomeren i en plastsprøyte. Dette gjør at elastomeret kan plasseres mye mer presist.
MERK: Tilleggsfigur 1 illustrerer behandlingstrinnene som er beskrevet i denne delen.
3. Produksjon av øvre del (basisdel)
- Klem en akrylglassplate med to tilsvarende hull på formen. Sett sprøyten inn i det nedre hullet og trykk elastomeren inn i formen.
- Påfør kraft på sprøyten ved å skyve stempelet til den blandede elastomeren kommer ut av det øvre hullet.
- Løsne skrueklemmene og trekk av akrylglassplaten sidelengs.
MERK: Det er viktig å trekke den av til siden og ikke oppover. Ellers vil elastomeren bli trukket ut av formen. - Punkter de stigende luftboblene med et skarpt verktøy. Ikke punkter for dypt da dette vil skape nye luftbobler i stedet for å fjerne de eksisterende. Det er spesielt viktig å pierce de større boblene, da disse senere vil påvirke funksjonaliteten til aktuatoren betydelig.
MERK: Du kan eventuelt evakuere den fylte formen i vakuumkammeret for å fjerne luft som fortsatt er fanget. Når du gjør det, kan det imidlertid hende at de stigende luftboblene sitter fast på formen på vei til overflaten og skaper hull i støpingen på funksjonelt relevante områder. Supplerende figur 2 illustrerer dette fenomenet. - Sett formen i ovnen ved 65 °C i 30 min.
- Sjekk etter 10 min hvis nivået på elastomeren har falt betydelig. Dette skjer hvis formen ikke er helt stram eller har bøyd litt på grunn av hyppig bruk. Hvis nivået har falt mer enn 1 mm, fyll på elastomeren. Deretter fortsetter du å kurere.
- Etter totalt 30 min i ovnen, ta ut formen og kutt av den ekstruderte elastomeren med en kniv.
- Åpne formen ved å ta fra hverandre med en skrutrekker. Vær forsiktig så du ikke skader overflater som er relevante for støping.
- Fjern den nesten ferdige aktuatoren fra den delen av formen som den hadde sittende fast i forrige trinn.
MERK: En første visuell kontroll kan gjøres her for å se om castingen var vellykket. Hvis uopprettelige feil blir funnet (se Tilleggstall 3),skal produksjonsprosessen stoppes her. Mindre hull kan repareres senere. Det er også viktig at tetningsleppen er så uttalt som mulig over hele omkretsen. - Klipp av utstående grader med en kniv. Dette er noen ganger veldig arbeidskrevende, men avgjørende for et godt endelig resultat.
MERK: Supplerende figur 4 illustrerer behandlingstrinnene som er beskrevet i denne delen. De beskrevne trinnene er gyldige for støping av de fire beina (formen finnes i supplerende fil 1 "CAD / Moulds / small_leg_schwalbe * .stl") og de to basisdelene av torsoen ("CAD / Moulds / small_belly * .stl"). For å kaste sugekoppene (føttene til roboten, som finnes i "CAD/Moulds/suctionCup*.stl") eller den nederste delen av overkroppen ("CAD/Moulds/small_torso_base1*.stl"), utfør de samme prosesstrinnene, med unntak av trinn 3.1 og 3.3, da disse formene for støping har en innebygd port for sprøyten og derfor er det ikke nødvendig med ekstra akrylglassplate. Totalt bygge fire basisdeler av benet, to basisdeler av torso, en nederste del av torso, og fire sugekopper.
4. Produksjon av nedre del (nederste del)
- Skyv et silikonrør gjennom hullene som er gitt for dette formålet i formen på den nederste delen, se Supplerende figur 5.
- Fyll formen på basisdelen med elastomer og fordel den med den lille slikkepotten opp til hjørnene.
MERK: Nivået på elastomeren skal ikke være høyere enn 5 mm og ikke lavere enn 4 mm og må dekke det innebygde røret helt. Formen for den nederste delen av beina finnes i supplerende fil 1 "CAD / Moulds / small_base_schwalbe.stl". - Sett formen i ovnen i 15-20 min for herding. For følgende trinn er det nødvendig at den nederste delen forblir i formen for tiden som blir slått sammen med den øverste delen.
5. Bli med i sokkelen og den nederste delen
- Fyll formen på den nederste delen med elastomer slik at nivået er 1-1,5 mm over den allerede herdede elastomeren.
- Sett inn en sommerfugl kanyle i basisdelen og merk punkteringsstedet slik at den kan bli funnet lettere senere. Dette trinnet er nødvendig for å la den ekspanderende luften i ovnen unnslippe.
- Plasser bunndelen i bunnformen og trykk bare sidene litt inn i elastomerbadet.
- Sett aktuatoren i ovnen i 10–15 min og fjern formen etterpå.
MERK: Det skal være lett å fjerne aktuatoren fra formen. Hvis det ikke gjør det, er enten elastomer ennå ikke fullstendig herdet (i dette tilfellet øker herdingstiden med 10 mer min) eller den nederste delen sitter fast i formen (i dette tilfellet bør den trekkes hardere). Men generelt er det et dårlig tegn hvis aktuatoren ikke kan frigjøres lett. - Koble til en trykkkilde ved hjelp av punkteringsstedet fra trinn 5.2 og utfør den endelige lekkasjetesten, se Tilleggsfigur 6.
MERK: Hvis det finnes små lekkasjer, kan de repareres. Påføring av en liten elastomer med en liten slikkepott og 10 min i ovnen skal fikse lekkasjen. Hvis alle lekkasjer er fikset, er aktuatoren klar. Supplerende figur 6 illustrerer behandlingstrinnene som er beskrevet i dette avsnittet, og supplerende figur 7 illustrerer hele prosessen som er beskrevet i avsnitt 3–5. For å bli med i basen og den nederste delen av torsoen, utfør de samme trinnene, med unntak av trinn 5.1, hvor du ikke fyller formen, men den nederste delen direkte.
6. Sammenføyning av alle lemmer
- Fest delene som skal kobles sammen med en nål på et trebrett, slik at de kan holdes sammen i følgende prosesstrinn.
- Dekk sammenføyningsflaten med elastomer som vist i tilleggsfigur 8A. Pass på at sammenføyningsoverflaten er ren og fri for fett. Ellers vil delene delaminate på dette punktet.
- Sett monteringen (se Tilleggs figur 8B) i 10–15 min i ovnen.
7. Montering av tilførselsrørinntak
- Utvid innsettingspunktet for sommerfuglkantelen fra trinn 5.2 ytterligere ved hjelp av en 1 mm unbrakonøkkel.
- Plasser enden av et silikonrør med en maksimal ytre diameter på 3 mm over hullet og trykk den inn med unbrakonøkkelen.
- Forsegle innløpet med en liten elastomer. Dette beskytter også mot mekanisk stress.
- Sett monteringen i 10 min i ovnen.
MERK: Supplerende figur 9 illustrerer behandlingstrinnene som er beskrevet i denne delen.
8. Bygge kontrollboksen
- Last ned tilsvarende *.dxf tegninger av huset fra supplerende data 1 "CAD / ControlBox / " og kutte dem ut på en laser kutter.
- Monter "Brukergrensesnittenheten" på frontpanelet i henhold til tilleggsfigur 10A og tilleggsfigur 11.
- Bygg de seks "ventilenhetene" i henhold til tilleggsfigur 10B og supplerende figur 12.
- Monter de seks "ventilenhetene" og "Brukergrensesnittenheten" på bunnpanelet i henhold til tilleggsfigur 10C, supplerende figur 13 og tilleggsfigur 14. Monter de to sidepanelene og bakpanelet. Til slutt monterer du topppanelet.
- Konfigurer de to enkeltkortsdatamaskinene som er innebygd i kontrollboksen i henhold til tilleggsfil 1, og last opp hele mappen "Kode" (inkludert alle undermapper) som er angitt i tilleggsdataene 2 på begge tavlene.
- Last opp skriptet "Kode/arduino_p_ctr.ino" som er angitt i tilleggsdata 2, til de seks mikrokontrollerne som er innebygd i kontrollboksen.
9. Bygge en testbenk med innebygd målesystem
- Last ned den tilsvarende *.dxf-tegningen av kameraholderen fra tilleggsdata 1 "CAD / TestBench / " og kutt den ut på en laserkutter.
- Last ned de tilsvarende *.stl-filene til klemmene fra tilleggsdata 1 "CAD/TestBench" og skriv dem ut på en 3D-skriver.
- Monter kameraholderen med klemmene på et DIN-A1-plakatpanel i henhold til tilleggsfigur 15 og monter kameraet og en enkeltkorts datamaskin på det tiltenkte stedet.
- Konfigurer Ethernet-grensesnittet og SSH-innstillingene på enkortsdatamaskinen i henhold til avsnitt 4–5 i tilleggsfil 1, og last opp hele mappen "Kode" (Tilleggsdata 2) på tavlen.
10. Sette opp hele systemet
- Opprett et lokalt nettverk og tilordne riktig IP-adresse fra skriptet "Code/main.py" til alle enkeltkortdatamaskiner og datamaskinen som brukes til overvåking – eller omskrive skriptet tilsvarende.
- Sett pinnåler inn i begge ender av overkroppen som vist i supplerende figur 16, slik at roboten bare kontakter gangplanet med pinnene og føttene (sugekopper).
- Skriv ut de visuelle markørene15 som er angitt i tilleggsfil 2 på et DIN-A4-ark og klipp dem ut med en saks.
- Fest markørene til roboten ved hjelp av nåler i henhold til supplerende figur 17.
- Koble roboten til kontrollboksen.
MERK: Figur 1 illustrerer ledningene til hele systemet.
11. Kjører kontrollboksen
- Slå på hovedbryteren på kontrollboksen og vent til alt er startet.
- Logg inn på hoveddatamaskinen med én kort som "root" ved hjelp av SSH, bla til mappen "Kode", og start kontrollboksen ved kommandoen "root@beaglebone:~# python3 main.py". Samtidig starter du skjermen på den personlige datamaskinen ved kommandoen "user@pc:~ python2 monitor.py".
MERK: Begge programmene må starte mer eller mindre samtidig. Programmet "main.py" kjører på en-bord-datamaskinen i kontrollboksen prøver å koble til den personlige datamaskinen som brukes til overvåking. Hvis det ikke er noen lytteport på den personlige datamaskinen (utløst av skriptet "monitor.py"), starter ikke skjermen. Bortsett fra "monitor.py", er alle programmer / skript som brukes i denne protokollen ment å kjøre med python3. - Koble en trykkkilde til kontrollboksen (maks. 1,2 bar).
- Koble en vakuumkilde til kontrollboksen.
12. Kalibrere roboten
- Plasser roboten på testbenkens gangplan. For bratte skråninger, fest en streng mellom robotens front og toppen av gangplanet for å holde roboten på plass.
- På kontrollboksen aktiverer du modusen "mønsterreferanse" ved å trykke på tasten "modus 2" som vist i tilleggsfigur 18.
- Bla gjennom menyen som vises på LCD-skjermen ved hjelp av opp og ned-knappene til du finner oppføringen "clb". Deretter trykker du på enter-knappen.
- Bla gjennom neste meny opp til oppføringen "mode_4.csv" og trykk på "enter" -knappen.
- Trykk på tasten "record " påskjermen, som vist i tilleggsfigur 19.
MERK: Ved å trykke på"post"-knappen opprettes automatisk en *.csv-fil på overvåkingsdatamaskinen på stedet som er angitt i "Code/Src/GUI/save.py:save_last_sample_as_csv()", som er mappen "current_exp" (eksempelmålinger er gitt i tilleggsdata 3). - Trykk på tasten " function 1 " påkontrollboksenfor å starte kalibreringsprosedyren.
- Etter kalibreringen trykker du på tasten "record" på skjermen for å stoppe opptaket og tasten "funksjon 1" på kontrollboksen for å stoppe trykkregulatoren.
- Gi nytt navn til den automatisk opprettede "current_exp/*.csv"-filen, slik at den kan identifiseres unikt senere.
- Kjør skriptet "Kalibrering/eval_clb.py" som er angitt i tilleggsdataene 4, og lagre utdataene (koeffisientene til polynomtilpassingen) i filen "Code/Src/Controller/calibration.py" som en oppføring med nøkkelordet "[robotversjon]" i den eksisterende ordlisten.
13. Opprette et gangmønster
- Kjør skriptet "Kode/mønstre/create_pattern.py" og lagre den utdatate *.csv-filen(e) i mappen "Kode/mønstre/[robotversjon]/".
MERK: Dette skriptet konverterer det forhåndsdefinerte gangmønsteret for rettgangart 8 (se Supplerende figur 20A eller supplerende animasjon 1) formulert i vinkelreferanser til robotspesifikke trykkreferanser. Hvis du vil generere et gangmønster for bratte skråninger, endrer du skriptet ved å uncommenting linje 222. Dette vil generere et mønster i henhold til supplerende figur 20B eller supplerende animasjon 2. Grensesnittet for mønsterreferanser fra kontrollboksen består av *.csv-filer der hver rad definerer et diskret settpunkt for alle aktuatorer. Deri definerer de første åtte kolonnene referansetrykket, de neste fire kolonnene definerer referansene for de direktevirkende ventilene, og den siste kolonnen definerer tidspunktet dette angitte punktet skal holdes. - Synkroniser enkeltkortdatamaskinen i kontrollboksen med den personlige datamaskinen, det vil si laste opp mappen "Kode / mønster / *" på tavlen. For dette formålet må programmet "main.py" avbrytes (Ctrl + C).
14. Utføre klatreeksperimentet
- Utfør trinn 11–13 for hver helling som skal testes.
- Plasser roboten på det markerte punktet på turplanet.
- Velg en mønsterreferanse som beskrevet i trinn 12.2–12.4, men velg i den første menyen den ønskede "robotversjonen" (i stedet for "clb"), og i den andre menyen referansen til mønsteret i henhold til gjeldende helling (i stedet for "mode_4.csv").
- Start opptaket som beskrevet i trinn 12.5.
- Trykk på tasten "funksjon 1" for å aktivere trykkregulatoren.
- La roboten gå/klatre i minst 6 sykluser.
- Stopp opptaket ved å trykke på"record"-knappen på skjermen (som i trinn 12.7).
- Kontroller at roboten ikke faller når du utfører neste trinn.
- Stopp trykkregulatoren ved å trykke på knappen" funksjon 1" igjen. Dette vil også stoppe vakuumforsyningen, og dermed vil roboten falle.
- Flytt den innspilte *.csv-filen til mappen "ExpEvaluation/[robot version]/[pattern type]/[helling]/".
MERK: Gjenta hvert løp minst fem ganger for å ha en solid base for neste trinn.
15. Evaluering av eksperimentet
- Kjør skriptet "ExpEvaluation/eval_vS11_adj_ptrn.py" som er angitt i tilleggsdata 5, for å automatisk bety over alle måledata.
MERK: Dette skriptet sender ut sporet av alle føtter, det påførte trykket over tid, den målte bøyevinkelen til alle lemmer over tid, robotens hastighet over tid, robotens orientering over tid, gjennomsnittlig hastighet over helling (jf. figur 2A), og en tilnærming av energien som brukes over helling (jf. figur 2B).
Representative Results
Den presenterte protokollen resulterer i tre ting: en myk klatrerobot, en universelt anvendelig kontrollboks og en kontrollstrategi for robotens rette bevegelse som øker evnen til å klatre og samtidig reduserer den forbrukte energien. Kontrollboksen som er beskrevet i avsnitt 8, muliggjør kontinuerlig tilførsel av ønsket trykknivå på opptil seks kanaler (kan utvides til åtte) og i tillegg på fire kanaler tilførsel av vakuum (utvidbar etter behov). "Brukergrensesnittenheten" gjør det mulig for brukeren å enkelt betjene kontrollboksen under kjøring, og grensesnittet til skjermen gjør at de målte dataene kan vises og lagres direkte som en csv-fil. Mønsterreferansemodusen i kontrollboksen gir brukeren et intuitivt grensesnitt for å sløyfe forhåndsdefinerte mønstre. Dette kan være robotens gangmønster, som i denne protokollen, eller det kan brukes til aktuatortretthetstesting, eller et annet program som krever syklisk lasting. Figur 1 viser alle maskinvarekomponenter som er montert i kontrollboksen og målesystemet og hvordan de er tilkoblet.
Gangmønsteret for robotens rette bevegelse er formulert i kantete referanser8. For å betjene roboten må disse vinkelreferansene konverteres til trykkreferanser. Kontrollstrategien som brukes i denne protokollen, er basert på en tidligere vinkeltrykkkalibrering. Hver kalibreringsmetode resulterer i en annen alfatrykkkurve. Derfor er det nødvendig å tilpasse kalibreringsprosedyren til de virkelige driftsforholdene så langt som mulig. Når du endrer hellingsvinkelen på gangplanet, endres også driftsforholdene. Derfor må vinkeltrykkkurven kalibreres på nytt for hver helling. Figur 2A viser robotens hastighet for ulike hellinger med uendret kalibrering og en rekalibrert vinkeltrykkkurve. Eksperimentet viser tydelig effektiviteten av rekalibreringen. Den rekalibrerte roboten er ikke bare langt raskere, den kan også klatre brattere hellinger (84° i stedet for 76°) mens den bruker mindreenergi 9 som avbildet i figur 2B. I figur 3vises en rekke fotografier av robotens bevegelse for en helling på 48°. Figuren illustrerer tydelig at klatreytelsen med rekalibrering vist i figur 3B er mye bedre enn med uendret kalibrering vist i figur 3A, da skiftet i posisjon innenfor samme tidsintervall er nesten dobbelt så stort. Denne roboten kan bevege seg veldig fort i forhold til andre myke roboter. Qin et al.7 oppsummerer de fremre hastighetene til ulike myke roboter. Uten nyttelast og i horisontalplanet er roboten som er beskrevet i denne protokollen fem ganger raskere i forhold til kroppslengden enn den raskeste roboten i Ref.7.
Figur 1: Diagram over maskinvarekomponenter montert i kontrollboksen. Deri 
betegner trykkreferansen for i-th-kanalen, ui kontrollsignalet til i -th proporsjonal ventil, vektoren som inneholder ivinkelreferansene, α vektoren som inneholder vinkelmålingene, x vektoren som inneholder posisjonsmålingene,og 
ƒ vektoren som inneholder kontrollsignalene for de direktevirkende magnetventilene, det vil si fikseringsstasjonene på føttene. α x UI er en forkortelse for "User Interface Unit", BBB er en forkortelse for BeagleBone Black, det vil si enkortsdatamaskinen som brukes i kontrollboksen, og RPi er en forkortelse for Raspberry Pi, det vil si enkortsdatamaskinen som brukes i målesystemet. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 2: Evaluering av klatreytelsen. Stiplede kurver viser verdiene for konstante og faste kurver for rekalibrerte trykkreferanser. (A)Forover hastigheten på roboten for ulike hellingsvinkler. (B)Energiforbruk for ulike hellingsvinkler. Dette tallet er tilpasset fra Ref.9. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 3: Serie bilder av robotens bevegelse ved en helling på 48°. Tiden mellom hvert bilde er 1,2 s. (A) Bevegelse for konstante trykkreferanser og (B) bevegelsen for rekalibrerte trykkreferanser. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Supplerende figur 1: Tilberedning av elastomer. Vennligst klikk her for å laste ned dette tallet.
Tilleggstall 2: Sammenligning av luftbobledannelse under evakuering før og etter støping. (A)Evakuering av elastomer utføres bare før støping. Fanget luftbobler holder seg på plass, men de er mer i området av humper, noe som ikke i stor grad påvirker aktuatorens funksjonalitet. (B) Evakuering utføres før og etter støping. Fanget luftbobler stige, men bli sittende fast igjen på oversiden av struts og lage hull i aktuatoren som kan påvirke funksjonaliteten. Vennligst klikk her for å laste ned dette tallet.
Supplerende figur 3: Eksempler på vellykkede og mislykkede kurerte støpegods. Øvre rad viser vellykkede eksempler og mislykkede eksempler på nedre rad. Hvis feilen ikke er tydelig gjenkjennelig, er den merket med en grønn sirkel. Vennligst klikk her for å laste ned dette tallet.
Tilleggstall 4: Produksjon av basisdelen. Vennligst klikk her for å laste ned dette tallet.
Tilleggstall 5: Ordning for produksjon av den nederste delen. Et rør (som senere brukes som forsyningsrør for sugekoppen) klemmes inn i formen før støping. Deretter er formen fylt med flytende elastomer. Vennligst klikk her for å laste ned dette tallet.
Tilleggstall 6: Sammenføyning av base- og bunndel. Vennligst klikk her for å laste ned dette tallet.
Supplerende figur 7: Laminering av en myk bøyeaktuator. Flytende elastomer er representert i rød, herdet elastomer i lys rød, og det belastningsbegrensende laget samt formene i svart. (A) Blandet elastomer helles i to separate former - en for basisdelen og en for den nederste delen. Dermed er den nederste delen bare halvfylt. Et belastningsbegrensende lag (forsyningsrør) settes deretter inn i den nederste delen mold. (B) Delene er herdet og grunndelen er nedmye. (C) Den nederste delen mold er fylt til toppen med flytende elastomer. (D)Den grunnleggende delen er dyppet i denne formen. (E) De to delene er herdet sammen. Aktuatorener nedsenk. Dette tallet er basert på Ref.13. Vennligst klikk her for å laste ned dette tallet.
Supplerende figur 8: Sammenføyning av alle lemmer. (A)Dekker overflatene som skal kobles sammen med flytende elastomer. (B) Gjengitt visning av hele samlingen. Vennligst klikk her for å laste ned dette tallet.
Tilleggsfigur 9: Montering av tilførselsrørinntakene. Vennligst klikk her for å laste ned dette tallet.
Tilleggsfigur 10: Fotografier av kontrollboksen. (A)Forsidevisning av brukergrensesnittenheten for å gjøre det mulig for brukeren å samhandle med roboten. (B) Detaljvisning av en ventilenhet. (C) Øverste visning av hele kontrollboksen. Vennligst klikk her for å laste ned dette tallet.
Tilleggsfigur 11: Kretsdiagram for brukergrensesnittenheten. Vennligst klikk her for å laste ned dette tallet.
Tilleggsfigur 12: Ventilenhetens koblingsskjema. Vennligst klikk her for å laste ned dette tallet.
Tilleggsfigur 13: Forenklet kretsdiagram for hele kontrollboksen. Vennligst klikk her for å laste ned dette tallet.
Supplerende figur 14: Diagram over brukte pinner på enkeltkortdatamaskinene som er innebygd i kontrollboksen. (A) Brukte pinner på brettet som trengs for brukerkommunikasjon. (B) Brukte pinner på brettet som trengs for robotkontroll. Vennligst klikk her for å laste ned dette tallet.
Tilleggsfigur 15: Gjengitt visning av gangplanet med installert målesystem. Vennligst klikk her for å laste ned dette tallet.
Supplerende figur 16: Visualisering av løfteeffekten. Pin nåler med 6 mm hoder er satt inn i begge ender av torso. Dette minimerer friksjon under gange og fører til at sugekoppene har full kontakt med gangplanet. Vennligst klikk her for å laste ned dette tallet.
Tilleggsfigur 17: Montering av de visuelle markørene. Markørene monteres på roboten ved hjelp av nåler. Markør 0 monteres på venstre venstre fot, markør 1 foran i overkroppen, markør 2 foran høyre fot, markør 3 på bakre venstre fot, markør 4 på torsoens rygg og markør 5 på bakre høyre fot. For montering av markør 4 brukes tre pinner Dette tallet er tilpasset fra Ref.9. Vennligst klikk her for å laste ned dette tallet.
Tilleggsfigur 18: Forklaring av knapper i kontrollboksen. Vennligst klikk her for å laste ned dette tallet.
Supplerende figur 19: Forklaring av knapper i det grafiske brukergrensesnittet. Vennligst klikk her for å laste ned dette tallet.
Tilleggsfigur 20: Gangmønster for rett bevegelse av roboten. Faste føtter indikeres av fylte sirkler og uløste føtter av ufylte sirkler. (A)Gangmønster for lave og moderate hellingsvinkler (< 70°). (B) Gangmønster for høye hellinger (> 70°). Vakuum påføres røde og svarte fylte føtter. Svarte fylte føtter er festet til bakken, mens røde føtter ikke nødvendigvis trenger å være. For å sikre fikseringen svinger foten som skal festes frem og tilbake en gang. Dette tallet er tilpasset fra Ref.9. Vennligst klikk her for å laste ned dette tallet.
Supplerende figur 21: Gjengitt eksplosjonsvisning av den myke klatreroboten. Dovetails er plassert på beina og tilsvarende keyways i torso endene. Dette gjør sammenføyningsprosessen mye mer presis. Dette tallet er tilpasset fra Ref.9. Vennligst klikk her for å laste ned dette tallet.
Tilleggsfigur 22: Ulike kalibreringsprosedyrer for bestemmelse av trykkvinkelkurven. Hver underfigur viser kvalitativt trykkkurs og øyeblikksbilder av den tilsvarende robotposituren. (A)Hver aktuator blåses kontinuerlig opp fra 0 bar opp til 1 bar, mens alle andre forblir trykkløse. (B)Et trykkplatå påføres en enkelt aktuator i 3 s; deretter er det deflatert helt for 2 s. I neste runde økes nivået på trykkplatået med økningen til platået når 1 bar. Dette gjøres for hver aktuator individuelt. (C) Samme prosedyre som i modus 2, men her påføres det samme platået på aktuatorer (henholdsvis 0,3,4), aktuatorer (1,2,5), samtidig. (D) Samme prosedyre som i modus 3, men platåer for aktuatorer (0,3) starter på 0 bar (som før) og slutter på 1,2 bar (i stedet for 1 bar). I utgangspunktet økes økningen for aktuatorer (0,3) noe, mens intervallene for de andre aktuatorene forblir de samme. Vennligst klikk her for å laste ned dette tallet.
Tilleggsfigur 23: Vinkeltrykkskurver for ulike kalibreringsprosedyrer. Vennligst klikk her for å laste ned dette tallet.
Supplerende animasjon 1: Animasjon av robotens rette gangart. Vennligst klikk her for å laste ned denne filen.
Supplerende animasjon 2: Animasjon av robotens klatregang. Vennligst klikk her for å laste ned denne filen.
Tilleggsfil 1: Instruksjoner for konfigurering av datamaskiner med én bord. Vennligst klikk her for å laste ned denne filen.
Tilleggsfil 2: Skriv ut mal for visuelle markører. Vennligst klikk her for å laste ned denne filen.
Tilleggsdata 1: CAD-filer. Denne zip-komprimerte mappen inneholder *.stl-filer for utskrift av formene, *.dxf-filer for laserskjæring av huset på kontrollboksen, *.stl-filene for utskrift av klemmene som brukes til målesystemet, og *.dxf-filen for laserskjæring av rammen til målesystemet. Vennligst klikk her for å laste ned denne filen.
Tilleggsdata 2: Kode som skal kjøres på datamaskiner med én bord. Denne zip-komprimerte mappen inneholder programmene og kildene deres som kjører på tavlen som brukes til "User Interface Unit", brettet som brukes til robotkontroll, og brettet som brukes til bildebehandling. Last opp hele mappen til alle tre tavlene. Vennligst klikk her for å laste ned denne filen.
Tilleggsdata 3: Eksemplariske måledata. Denne zip-komprimerte mappen inneholder to *.csv-filer som genereres under kalibreringsprosedyren. Vennligst klikk her for å laste ned denne filen.
Tilleggsdata 4: Kalibreringsskript. Denne zip-komprimerte mappen inneholder python-skriptet og dets kilder for evaluering av måledataene som genereres under kalibreringsprosedyren. Vennligst klikk her for å laste ned denne filen.
Tilleggsdata 5: Evalueringsskript. Denne zip-komprimerte mappen inneholder to python-skript og deres kilder for evaluering av måledataene som genereres under klatreeksperimentet. I tillegg inneholder den alle måledataene som brukes til generering av figur 2. Vennligst klikk her for å laste ned denne filen.
Discussion
Den presenterte protokollen inneholder mange forskjellige aspekter knyttet til klatreroboten fra Ref.9, inkludert produksjon, kontroll, kalibrering og ytelsesevaluering. I det følgende diskuteres og struktureres fordeler og ulemper som følge av protokollen i henhold til aspektene nevnt ovenfor.
Den presenterte produksjonsmetoden er sterkt basert på eksisterende litteratur10,13. En betydelig forskjell er utformingen av aktuatoren. For å bli med i de enkelte lemmer, dovetail guider er satt inn på passende punkter, som vist i supplerende figur 21. Dette resulterer i en mye mer presis og robust forbindelse mellom lemmer i forhold til den forrige utformingen av roboten8. Videre er forsyningsrørene innebygd i den nederste delen av aktuatorene. Denne integrerte designen gjør at sugekoppene kan leveres med vakuum og samtidig gjør det nederste laget ikke lenger strekkbart, noe som øker ytelsen til aktuatoren betydelig. En annen forskjell i prosedyren beskrevet i litteraturen er at den blandede elastomeren evakueres bare én gang (umiddelbart etter blanding). Mange kilder anbefaler å evakuere elastomer to ganger: en gang etter blanding og en gang etter at den er fylt inn i formen. Det kan hende at luften forblir fanget i svært små rom. I vakuumkammeret ekspanderer denne luften og stiger i beste fall til overflaten. Ofte nok blir imidlertid disse luftboblene sittende fast på vei, og skaper ubehagelige hull i den ferdige støpingen. Her må det tas en beslutning om hva som er viktigere: perfekte konturer på undersiden av basisdelen eller så liten risiko som mulig for å produsere en ikke-funksjonell aktuator (jf. Supplerende figur 2). I denne protokollen utføres ingen andre evakueringer. I prosedyren som presenteres, kan høyden på den nederste delen variere etter hvert som den fylles manuelt, og i motsetning til for basisdelen, er det ingen mulighet for å kutte den til en jevn høyde etter herding. For å sikre at høyden på den nederste delen er så jevn som mulig, anbefales det å bruke en sprøyte når du fyller formen på den nederste delen og for å måle volumet som helles inn. Men avhengig av hvor mye tid som har gått siden blanding, endres flytegenskapene til elastomeren betydelig. Derfor anbefales det å alltid bruke nyblandet elastomer. Å bli med i basen og den nederste delen av aktuatoren innebærer den største prosessusikkerheten. Hvis elastomerbadet er for høyt, vil luftkanalen mellom kamrene mest sannsynlig også bli dekket. Da er aktuatoren ikke lenger brukbar. Hvis elastomerbadet er for lavt, kan det hende at tetningsleppen ikke dekkes i hele omkretsen, og aktuatoren vil lekke. Derfor tar det en viss mengde praksis for å dosere elastomerbadet riktig. Viktig for å bli med generelt er en fettfri sammenføyningsoverflate. Hvis sammenføyningsoverflaten er for forurenset, kan den ferdige aktuatoren delaminate. Derfor er det viktig å sikre at delene bare berøres på overflater som ikke skal kobles sammen. En stor begrensning av produksjonsmetoden er antall stykker som skal realiseres. Produksjonen av en enkelt aktuator tar minst to timer totalt. Selv om det er mulig å arbeide med flere former parallelt, er mer enn fire ikke anbefalt på grunn av tidsbegrensninger. Potten levetiden til elastomer er for kort til å kunne fylle enda flere former. I tillegg tåler de 3D-trykte formene bare et begrenset antall produksjonssykluser (ca. 10–20) før de blir svært deformert eller bryter. En ytterligere begrensning er prosessusikkerheten som allerede er diskutert. Siden nesten alle prosesstrinn utføres manuelt, er hver aktuator litt annerledes. Dette kan føre til to roboter som er identiske i konstruksjonen, men viser to svært forskjellige atferd.
Med kontrollboksen er det gitt en metode for å kontrollere roboten. Likevel, for hvert pneumatiske system, må kontrollgevinsten av skriptet "Code/arduino_p_ctr.ino" bestemmes individuelt. Dette er ikke dekket i protokollen. Imidlertid tillater "trykkreferansemodus" av kontrollboksen en leken håndtering av roboten, slik at kontrollerjustering kan gjøres uten å skrive flere skript. En annen begrensning av kontrollboksen er kostnaden som materialet koster ca 7000 US $ totalt. Litteraturen11 tilbyr en bygningsinstruksjon for en kontrollboks som koster bare ca 900 US $ og med noen oppgraderinger kan også brukes til å betjene roboten.
Kritisk for kalibreringen av de enkelte aktuatorene er valget av kalibreringsprosedyren. Supplerende figur 22 viser det kvalitative løpet av trykkreferansene over tid for fire forskjellige prosedyrer, og supplerende figur 23 viser de resulterende vinkeltrykkskurvene. Som det frem ser i sistnevnte, resulterer hver kalibreringsmetode i en annen vinkeltrykkskurve. Dette viser at forholdet mellom trykk og vinkel er svært avhengig av belastningen som virker på aktuatoren. Kalibreringsprosedyren må derfor gjenspeile den virkelige lasten så godt som mulig. Derfor er det nødvendig å tilpasse kalibreringsprosedyren til de virkelige driftsforholdene så langt som mulig. Den beste gangytelsen oppnås med kalibreringsprosedyre 4. Men som det kan ses i figur 3B,er de påfølgende positurer i serien ikke helt symmetriske, noe som er en indikator på forbedringspotensialet i kalibrering.
Kritisk til målesystemet er monteringen av de visuelle markørene15 i avsnitt 10. Siden de ikke kan monteres direkte på de ønskede punktene (fordi rørene forstyrrer), må de målte punktene skiftes kunstig. Spesiell forsiktighet må tas når du bestemmer denne offset vektoren (i pikselkoordinater av kameraet); Ellers vil hele målingen ha betydelige systematiske feil. Det må også sikres at kodene ikke fortrenger med tiden. Hvis dette skjer, for eksempel på grunn av en undergang av roboten, må den tilsvarende koden monteres på nøyaktig samme sted. I alle fall bør det kontrolleres regelmessig om målesystemet fortsatt produserer pålitelig utgang.
Den begrensende faktoren i forsøket er fiksering av føttene. For å kunne klatre enda brattere hellinger, må fikseringsmekanismen revurderes. For tiden er roboten ikke i stand til aktivt å presse føttene mot gangplanet, og for høye hellinger er den normale kraften forårsaket av tyngdekraften for liten til å bringe sugekoppene nær nok til gangplanet for å sikre pålitelig suging.
Den presenterte produksjonsmetoden kan overføres til enhver fluidisk elastomeraktuator og kan derfor være interessant for fremtidige applikasjoner. Den presenterte kontrollboksen muliggjør kontroll av ethvert pneumatisk system bestående av seks individuelle aktuatorer (kan utvides opptil åtte), inkludert robotplattformer som de krever rask sensorisk tilbakemelding. Derfor kan den brukes som en universell plattform for testing og kontroll av fremtidige roboter. Til slutt kan den presenterte kalibreringsmetoden i prinsippet være til ethvert mate-forward kontrollert pneumatisk system. Oppsummert er alle presenterte metoder universelle innenfor det diskuterte omfanget.
Disclosures
Forfatterne erklærer at de ikke har noen konkurrerende økonomiske interesser.
Acknowledgments
Forfatterne liker å takke Fynn Knudsen, Aravinda Bhari og Jacob Muchynski for nyttige diskusjoner og inspirasjon.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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 |
References
- Majidi, C. Soft robotics: a perspective-current trends and prospects for the future. Soft Robotics. 1 (1), 5-11 (2014).
- Kim, S., Laschi, C., Trimmer, B. Soft robotics: a bioinspired evolution in robotics. Trends in Biotechnology. 31 (5), 287-294 (2013).
- Rus, D., Tolley, M. T. Design, fabrication and control of soft robots. Nature. 521 (7553), 467-475 (2015).
- Calisti, M., Picardi, G., Laschi, C.
- 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).
- Gu, G., Zou, J., Zhao, R., Zhao, X., Zhu, X.
- Qin, L. A versatile soft crawling robot with rapid locomotion. Soft Robotics. 6 (4), 455-467 (2019).
- Seibel, A., Schiller, L. Systematic engineering design helps creating new soft machines. Robotics and Biomimetics. 5 (1), 5 (2018).
- Schiller, L., Seibel, A., Schlattmann, J. Toward a gecko-inspired, climbing soft robot. Frontiers in Neurorobotics. 13 (1), 106 (2019).
- Mosadegh, B., et al. Pneumatic networks for soft robotics that actuate rapidly. Advanced Functional Materials. 24 (15), 2163-2170 (2014).
- 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).
- 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).
- Soft Robotics Toolkit [software]. , Available from: https://softroboticstoolkit.com (2020).
- PneumaticBox [software]. , Available from: https://www.robotics.tu-berlin.de/menue/software_and_tutorials/pneumaticbox/ (2020).
- Wang, J., Olson, E. Apriltag 2: efficient and robust fiducial detection. Proceedings of the IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS). , Daejeon, South Korea. 4193-4198 (2016).
