斜腔软气动网络驱动器的研制
Summary
本文介绍了一种带斜腔的软气动网络驱动器的制作方法。该驱动器能够产生耦合弯曲和扭转运动, 从而拓宽了它们在软机器人中的应用。
Abstract
软气动网络驱动器已成为软机器人中最有希望的驱动装置之一, 其主要优点是弯曲变形大, 输入低。然而, 它们在二维 (2 维) 空间中单调的弯曲运动形式使它们远离广泛的应用。本文给出了斜腔软气动网络驱动器的详细制作方法, 探讨了其在三维 (3) 空间中的运动。斜腔的设计使驱动器具有可调谐的耦合弯曲和扭转能力, 使他们有可能在灵活的机械手中移动巧妙, 成为生物启发的机器人和医疗设备。制造过程是基于成型方法, 包括硅胶弹性体的准备, 室和基础零件的制造, 执行器装配, 油管连接, 检查泄漏, 和执行器维修。该制造方法保证了在模具中只进行少量修改的一系列驱动器的快速制造。试验结果表明, 该传动机构质量优良, 弯曲、扭转能力显著。该夹具的实验表明, 在适应不同直径的物体和提供足够的摩擦力方面发展的优势。
Introduction
软气动执行器 (spa) 是软的设备, 可以驱动的简单输入气压1,2。它们可以用不同的材料制造, 如硅胶弹性体3、织物4、形状记忆聚合物5和介电弹性6。研究人员从他们的依从性, 灵巧的动作, 和简单的制造方法7, 使温泉已成为最有希望的设备, 软机器人应用8,9。温泉可以实现各种复杂的运动, 如蠕动10, 旋转11, 和滚动12基于各种类型的变形, 包括扩展, 扩大, 弯曲, 扭曲13,14. 为了能够做出不同类型的运动, 温泉浴场设计在不同的结构中, 例如一个具有平行通道15的线性机构, 一个带有纤维增强16的单室, 以及重复的网络分庭17。其中, 带有重复分室网络的软气动网络执行器, 由于在较低的输入压力下能产生较大的变形, 因而得到了广泛的应用。然而, 在以前的大多数设计中, 这种类型的执行器只能产生2维空间的弯曲运动, 这极大地限制了它们的应用。
软气动网络执行器由一个由内部通道连接的线性排列的腔组组成。每立方室包含一对相对地比另一对更薄的对面墙壁, 并且在垂直于更薄的墙壁的方向产生双面通货膨胀。原来, 更薄的腔壁垂直于执行机构的长轴, 并随着长轴膨胀。这些共线通货膨胀在腔室和不可扩展的基板导致一个整体的纯弯曲的执行器。为了探索3维空间中执行器的运动, 调整腔的方向, 使较薄的侧壁不再垂直于执行器的长轴 (图 1A), 从而使每个腔室的膨胀方向从轴偏移并变为非共线。所有平行但非共线通货膨胀将执行器的运动改变为3维空间18的耦合弯曲和扭转运动。这种耦合的运动使执行器更灵活和灵巧, 使执行器一个合适的候选更实际的应用, 如灵活的机械手, 生物启发的机器人, 和医疗设备。
该协议说明了该类软气动网络驱动器的制造方法。它包括准备硅胶弹性体, 制造室和基部, 组装执行器, 连接油管, 检查泄漏, 并在必要时, 修复执行器。它还可用于制造正常的软气动网络执行器和其他软执行机构, 可以通过对成型方法的一些简单修改来制作。我们提供了详细的步骤, 以制造一个软的气动执行器与30°斜室。对于不同的应用, 不同腔角的执行机构可以根据相同的协议进行制造。此外, 执行机构可以结合起来, 形成一个多执行器系统的各种要求。
Protocol
Representative Results
Discussion
本文提出了一种用斜腔法指导软气动网络驱动器制作的方法协议。根据该协议, 一个执行器可以在3小时内独立制造。该议定书的关键步骤可归纳如下。(i) 硅胶弹性体是按比例和混合井配制而成的。(二) 将硅胶弹性体倒入模具中, 用于制造室部零件和底座。(iii) 暴露表面的气泡被刺穿, 暴露表面上的任何多余的硅胶弹性体被刮掉。(iv) 硅胶弹性体在烤箱中固化。(v) 两部分由硅胶弹性体粘合在一起。?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
这项工作得到了中国国家自然科学基金授予51622506和上海市科技委员会授予16JC1401000 的支持。
Materials
| Silicone elastomer | Wacker | ELASTOSIL M4601 A/B | Material of the actuators |
| Syringe | Shanghai Kindly Medical Instruments | 10 ml | Used to inject silicone rubber into the hole of the mold for fabricating the connection end |
| Precision scale | Shanghai Hochoice | UTP-313 | Used to weigh the silicone rubber |
| Planetary centrifugal vacuum mixer | THINKY | ARE-310 | Used to mix the silicone rubber and defoam after mixing process |
| Release agent | Smooth-on | Release 200 | Used for ease of demolding |
| Needle | Shanghai Kindly Medical Instruments | Used for Piercing the bubbles form on the surface | |
| Utility blade | M&G Chenguang Stationery | ASS91325 | Used for Scraping off excess silicone rubber along the upper surface of the mold |
| Vacuum oven | Ningbo SI Instrument | DZF-6050 | Used to reduce the cure time of the silicone rubber |
| Male stud push in fit pneumatic fitting | Zhe Jiang BLCH Pneumatic Science & Technology | PC4-01 | Used to connect the tubing and the 3D-printed actuator tubing connector |
| Tubing | SMC | TU0425 | Used for actuating the actuators |
| Vacuum pump | Zhe Jiang BLCH Pneumatic Science & Technology | Used as the air source | |
| Pressure valve | Zhe Jiang BLCH Pneumatic Science & Technology | IR1000-01BG | Used for adjusting the input air pressure |
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