Tillverkning av mjuka pneumatiska nätverk ställdon med sneda Chambers
Summary
Här presenterar vi en fabrication metod av mjuka pneumatiska nätverk ställdon med sneda kammare. Manöverdonen är kan generera kopplade böjning och vridning rörelser, som breddar deras tillämpning i mjuk robotics.
Abstract
Mjuka pneumatiska nätverk ställdon har blivit en av de mest lovande aktivering-enheterna i mjuk robotics som gynnas av sin stora böjande deformation och låg input. Men håller deras monotona böjande rörelse form i tvådimensionell (2D) rymden dem borta från breda tillämpningar. Detta papper presenterar en detaljerad fabrication metod av mjuka pneumatiska nätverk ställdon med sneda chambers, att utforska deras rörelser i tredimensionella (3D) utrymme. Utformningen av sneda kamrarna gör ställdon med avstämbara tillsammans böjning och vridning kapacitet, vilket ger dem möjlighet att flytta skickligt i flexibla manipulatorer, att bli biologiskt inspirerad robotar och medicintekniska produkter. Tillverkningsprocessen är baserad på metoden gjutning, inklusive silikon elastomer förberedelse, kammare och base delar fabrication, ställdonet, slangkopplingarna, kontroller för läckor och ställdon reparation. Metoden tillverkning garanterar snabb tillverkning av en serie av ställdon med endast ett fåtal ändringar i formarna. Testresultaten visar den höga kvaliteten på manöverdonen och deras framstående böjning och vridning av kapacitet. Experiment av griparen Visa fördelarna med utvecklingen i anpassning till objekt med olika diametrar och tillhandahålla tillräcklig friktion.
Introduction
Mjuka pneumatiska manöverdon (Spa) är mjuk enheter som kan aktiveras vid enkel inmatning av luft tryck1,2. De kan tillverkas med olika material, såsom silikon elastomerer3, tyger4, form-minne polymerer5och dielektrisk elastomerer6. Forskare har gynnats av sin natur kan efterlevnad, händiga rörelser och enkla fabrication metoder7, sådan att SPAs har blivit en av de mest lovande enheterna för mjuk robotik program8,9. SPAs kan förverkliga olika sofistikerade rörelser, såsom krypande10, rotation11, och rullande12 baserat på olika typer av deformation, inklusive förlängning, expanderande, böja och vrida13, 14. för att kunna göra olika typer av rörelser, SPAs är utformade i olika strukturer, såsom en linjär kropp med parallella kanaler15, en monolitisk kammare med fiber-förstärkningar16, och nätverk av upprepade sub chambers17. Bland dem, är spa med nätverk av upprepade sub kamrar, på mjuka pneumatiska nätverk-ställdonen, allmänt anställda eftersom de kan generera stora deformationer under en relativt låg input tryck. Dock i de flesta av de tidigare formgivningar, kan denna typ av manöverdon bara generera böjande rörelser i 2-D utrymme, vilket kraftigt begränsar deras applikationer.
En mjuk pneumatiska nätverk ställdon består av ett linjärt arrangerade grupp av kamrarna förbinds med en inre kanal. Varje kubikmeter kammare innehåller ett par motsatta väggar som är tunnare än det andra paret och producerar en dubbelsidig inflation i riktning vinkelrätt mot de tunnare väggarna. Ursprungligen, tunnare väggarna i kamrarna är vinkelrät mot den långa axeln av manöverdonet kroppen och blåsa upp tillsammans med den långa axeln. Dessa collinear uppblåstheten i kamrarna och icke-extensible basen leda till en integrerad ren böjning av manöverdonet. För att utforska ställdonets rörelse i 3D-rymden, är orienteringen av kamrarna inställd så att tunnare-sidoväggarna inte längre vinkelrätt mot den långa axeln av manöverdonet (figur 1A), vilket gör att inflationen riktning varje kammare förskjutning från axeln och bli inte collinear. Alla de parallella men inte-collinear inflations ändra förslaget till ställdonet till en kopplat böjning och vridning rörelse i 3-D utrymme18. Detta kopplat motion möjliggör manöverdonen mer flexibilitet och fingerkänsla och gör manöverdonen en lämplig kandidat för mer praktiska applikationer, såsom flexibla manipulatorer, biologiskt inspirerad robotar och medicintekniska produkter.
Detta protokoll visar metoden tillverkning av denna typ av mjuka pneumatiska nätverk ställdon med sneda kammare. Det omfattar utarbetandet av silikonelastomer, fabricera plenisalen och bas delar, Montera ställdonet, kopplar in slangen, kontrollera efter läckor och, om nödvändigt, reparera ställdonet. Det kan också användas för att fabricera normala mjuka pneumatiska nätverk ställdon och andra mjuka ställdon som kan produceras med några enkla ändringar till metoden gjutning. Vi tillhandahåller detaljerade steg för att fabricera en mjuk pneumatiskt manöverdon med 30° sneda kammare. För olika applikationer, kan ställdon med olika kammare vinklar fabriceras enligt samma protokoll. Bortsett från det, kan manöverdonen kombineras för att bilda ett flera ställdon system för olika krav.
Protocol
Representative Results
Discussion
Uppsatsen presenterar en metod-protokollet för att vägleda tillverkning av mjuka pneumatiska nätverk ställdon med sneda kammare. Efter protokollet, ett manöverdon kan fabriceras självständigt inom 3 h. De viktigaste stegen i protokollet kan sammanfattas enligt följande. a silikonelastomerer bereds i proportion och blandas väl. (ii) silikonelastomerer hälls i formen för tillverkning av den kammaren delen och den bas. (iii) bubblor på den exponerade ytan är genomborrad och eventuella överskjutande silikonelas…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöds av den nationella naturvetenskap Foundation i Kina under Grant 51622506 och vetenskap och teknik kommissionen i Shanghai kommun under Grant 16JC1401000.
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 |
References
- Rus, D., Tolley, M. T. Design, fabrication and control of soft robots. Nature. 521 (7553), 467-475 (2015).
- Ilievski, F., Mazzeo, A. D., Shepherd, R. F., Chen, X., Whitesides, G. M. Soft robotics for chemists. Angewandte Chemie International Edition. 50 (8), 1890-1895 (2011).
- Shepherd, R. F., et al. Multigait soft robot. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 108 (51), 20400-20403 (2011).
- Yap, H. K., et al. A fully fabric-based bidirectional soft robotic glove for assistance and rehabilitation of hand impaired patients. IEEE Robotics and Automation Letters. 2 (3), 1383-1390 (2017).
- Yang, Y., Chen, Y., Li, Y., Chen, M. Z. Q., Wei, Y. Bioinspired Robotic Fingers Based on Pneumatic Actuator and 3D Printing of Smart Material. Soft Robotics. 4 (2), 147-162 (2017).
- Gu, G. Y., Zhu, J., Zhu, L. M., Zhu, X. A survey on dielectric elastomer actuators for soft robots. Bioinspiration & Biomimetics. 12 (1), 011003 (2017).
- Holland, D. P., et al. The soft robotics toolkit: Strategies for overcoming obstacles to the wide dissemination of soft-robotic hardware. IEEE Robotics & Automation Magazine. 24 (1), 57-64 (2017).
- Galloway, K. C., et al. Soft Robotic Grippers for Biological Sampling on Deep Reefs. Soft Robotics. 3 (1), 23-33 (2016).
- Polygerinos, P., Wang, Z., Galloway, K. C., Wood, R. J., Walsh, C. J. Soft robotic glove for combined assistance and at-home rehabilitation. Robotics and Autonomous Systems. 73, 135-143 (2015).
- Tolley, M. T., et al. A Resilient, Untethered Soft Robot. Soft Robotics. 1 (3), 213-223 (2014).
- Ainla, A., Verma, M. S., Yang, D., Whitesides, G. M. Soft, Rotating Pneumatic Actuator. Soft Robotics. 4 (3), 297-304 (2017).
- Koizumi, Y., Shibata, M., Hirai, S. Rolling tensegrity driven by pneumatic soft actuators. 2012 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA). , (2012).
- Connolly, F., Polygerinos, P., Walsh, C. J., Bertoldi, K. Mechanical Programming of Soft Actuators by Varying Fiber Angle. Soft Robotics. 2 (1), 26-32 (2015).
- Connolly, F., Walsh, C. J., Bertoldi, K. Automatic design of fiber-reinforced soft actuators for trajectory matching. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 114 (1), 51-56 (2017).
- Martinez, R. V., et al. Robotic tentacles with three-dimensional mobility based on flexible elastomers. Advanced Materials. 25 (2), 205-212 (2013).
- Polygerinos, P., et al. Modeling of Soft Fiber-Reinforced Bending Actuators. IEEE Transactions on Robotics. 31 (3), 778-789 (2015).
- Mosadegh, B., et al. Pneumatic Networks for Soft Robotics that Actuate Rapidly. Advanced Functional Materials. 24 (15), 2163-2170 (2014).
- Wang, T., Ge, L., Gu, G. Programmable design of soft pneu-net actuators with oblique chambers can generate coupled bending and twisting motions. Sensors and Actuators A: Physical. 271, 131-138 (2018).
- Marchese, A. D., Katzschmann, R. K., Rus, D. A Recipe for Soft Fluidic Elastomer Robots. Soft Robotics. 2 (1), 7-25 (2015).
