Fabricación de actuadores de la red neumática suave con cámaras oblicuas

Resumen

Aquí presentamos un método de fabricación de actuadores suave red neumática con cámaras oblicuas. Los actuadores son capaces de generar doblar y torcer los movimientos, que amplía su aplicación en la robótica suave.

Resumen

Actuadores de la red neumática suave han convertido en uno de los dispositivos de actuación más prometedoras en robótica suave que se beneficia de su deformación de flexión grande y entrada. Sin embargo, su forma de movimiento flexión monótona en un espacio bidimensional (2-D) los mantiene lejos de amplias aplicaciones. Este trabajo presenta un método de fabricación detallada de actuadores suave red neumática con cámaras oblicuas, para explorar sus movimientos en el espacio tridimensional (3D). El diseño de cámaras oblicuas permite actuadores con armonioso junto doblando y torciendo las capacidades, que les da la posibilidad de mover diestramente en manipuladores flexibles, para convertirse en robots inspirados biológicamente y dispositivos médicos. El proceso de fabricación se basa en el método de moldeo, incluida la fabricación de piezas de silicona elastómero preparación, cámara y base montaje de actuador, conexiones de tubería, comprobaciones de fugas y reparación del actuador. El método de fabricación garantiza la fabricación rápida de una serie de actuadores con sólo algunas modificaciones en los moldes. Los resultados muestran la alta calidad de los actuadores y sus prominentes doblar y torcer las capacidades. Los experimentos de la pinza demostrar las ventajas del desarrollo en la adaptación a los objetos de diferentes diámetros y proveer suficiente fricción.

Introducción

Actuadores neumáticos blandos (SPAs) son dispositivos suaves que pueden ser actuados por la entrada simple de presión de aire^1,2. Pueden ser fabricados con diversos materiales, como silicona elastómeros³, telas⁴, memoria de forma polímeros⁵y elastómeros dieléctricos⁶. Los investigadores se han beneficiado de su naturaleza de cumplimiento, diestros movimientos y métodos de fabricación simple⁷, tal que los SPAs se han convertido en uno de los dispositivos más prometedores para aplicaciones de robótica suave^8,9. Balnearios pueden realizar varios movimientos sofisticados, como rastrero¹⁰, rotación¹¹y¹² basado en varios tipos de deformación, incluyendo ampliación, ampliar, flexión y torsión^13, del balanceo ¹⁴. para ser capaz de hacer diferentes tipos de movimientos, SPAs están diseñados en diferentes estructuras, como un cuerpo lineal con canales paralelos¹⁵, una cámara monolítica con refuerzos de fibra de¹⁶, y repitieron de las redes de Sub-cámaras¹⁷. Entre ellos, los SPAs con redes de cámaras sub repetidas, los actuadores de la red neumática suave, se emplean extensamente porque pueden generar grandes deformaciones bajo una presión relativamente baja de la entrada. Sin embargo, en la mayoría de los diseños anteriores, este tipo de actuadores solamente puede generar movimientos de flexión en 2-D, lo cual limita mucho sus aplicaciones.

Un actuador suave red neumática consiste en un conjunto linealmente dispuesto de cámaras conectadas por un canal interno. Cada cámara cúbico contiene un par de paredes opuestas que son más delgadas que el otro par y produce una inflación de dos caras en la dirección perpendicular a las paredes más delgadas. Originalmente, las paredes más delgadas de las cámaras son perpendiculares al eje longitudinal del cuerpo actuador e inflan junto con el eje largo. Estas inflaciones colineales en cámaras y la base no extensible conducen a una flexión pura integral del actuador. Para explorar el movimiento del actuador en espacio 3D, la orientación de las cámaras se afina para que el disolvente laterales ya no son perpendiculares al eje largo del actuador (figura 1A), que permite a la dirección de la inflación de cada cámara offset del eje y no colineales. Las inflaciones paralelo pero no colineales cambian el movimiento del actuador en una flexión y torsión movimiento en el espacio 3D¹⁸. Este movimiento acoplado permite los actuadores más flexibilidad y destreza y hace los actuadores una candidata adecuada para aplicaciones más prácticas, tales como manipuladores flexibles, biológicamente inspirados robots y dispositivos médicos.

Este protocolo muestra el método de fabricación de este tipo de actuadores suave red neumática con cámaras oblicuas. Incluye preparación del elastómero de silicón, fabricación de la cámara y piezas base, montar el actuador, la tubería de conexión, comprobación de fugas y, si es necesario, reparar el servomotor. También puede utilizarse para fabricar actuadores neumático suave normal de la red y otros actuadores suaves que pueden ser producidos con algunas simples modificaciones al método de moldeo. Proporcionamos instrucciones detalladas para fabricar un actuador neumático suave con cámaras oblicua de 30 º. Para diferentes aplicaciones, se pueden fabricar actuadores con ángulos de cámara diferentes según el mismo protocolo. Aparte de eso, los actuadores pueden combinarse para formar un sistema actuador múltiple para las varias demandas.

Protocolo

Nota: El Protocolo establece los procedimientos de fabricación de un actuador suave red neumática. Antes del procedimiento de fabricación, un conjunto de moldes y varios conectores de la tubería del accionador, que están diseñados con diseño asistido por ordenador (CAD) software debe ser impreso a 3-D de antemano. Los moldes se muestran en la figura 1B.

1. preparación de elastómero de silicona

1. Pesar 5 g de la parte en elastómero de silicona B y 45 g de la parte A [a: 9:1 (b) partes por peso] en el mismo contenedor para mezcla (figura 2A). Utilice una jeringa para asegurarse de que las proporciones de cada parte son exactas.
   Nota: La proporción de mezcla varía de elastomeros de silicona diferentes. La proporción de cada parte debe ser ajustada cuando se adopta otro elastómero de silicona.
2. El elastómero de silicona se llevan bien con la batidora centrífuga planetaria.
   Nota: El elastómero de silicona podría almacenarse a una temperatura baja para prolongar su tiempo de procesamiento.

2. cámara parte fabricación

1. Rociar al agente desmoldante para productos de elastómero de silicona uniformemente sobre las superficies del molde parte A y parte B.
2. Ensamble parte A y parte B del molde para la fabricación de una cámara. Sujete ambos extremos del molde con pinzas para evitar la fuga de elastómero de silicón.
3. Tomar 5 mL de elastómero de silicona con una jeringa e inyecte lentamente en el agujero del molde para la fabricación final de conexión (la estructura cilíndrica en un extremo del actuador para la conexión de la tubería). Luego, llene el molde entero con el elastómero de silicona (figura 2B).
   Nota: Mantenga un caudal bajo y mover hacia adelante y hacia atrás lentamente, dejar que el elastómero de silicona entre las estructuras pequeñas del molde.
4. Perforar las burbujas que se forman en la superficie con la punta de una aguja hasta que no haya más burbujas no visibles (figura 2C).
5. Raspe cualquier elastómero de silicona sobrante con una cuchilla a lo largo de la superficie superior del molde.
6. Coloque el molde en el horno a 70 ° C hasta que se cura el elastómero de silicona.
7. Utilice una jeringa para inyectar elastómero de silicona en las burbujas y los agujeros que aparecen en la superficie del actuador.
8. Raspe cualquier elastómero exceso de silicón en la superficie.
9. Coloque el molde en el horno a 70 ° C hasta que se cura el elastómero de silicona.

3. base de la parte de fabricación

1. Rocíe uniformemente el agente desmoldante para productos de elastómero de silicona en la superficie del molde parte C.
2. Vierta el elastómero de silicona en la parte C del molde.
3. Perforar las burbujas que se forman en la superficie con la punta de una aguja hasta que no hay más burbujas visibles.
4. Raspe cualquier elastómero de silicona sobrante con una cuchilla a lo largo de la superficie superior del molde.
5. Coloque el molde en el horno a 70 ° C hasta que se cura el elastómero de silicona.

4. actuador

1. Vierta uniformemente una capa de elastómero de silicón, 1 mm de espesor, sobre una cara de la pieza base.
2. Coloque la parte de la cámara en la parte de base. Use una jeringa para inyectar el elastómero de silicona en el espacio entre la cámara y la base (figura 2D).
3. Coloque el actuador en el horno a 70 ° C hasta que se cura el elastómero de silicona.

5. tubo conexión

1. Toque el conector de tubería del accionador de 3-D-impreso para aceptar que el tornillo de un semental macho push-fit ajuste neumático.
2. Utilice una aguja para perforar el extremo de la conexión del actuador a lo largo de la línea central del cilindro. Aumentar el diámetro del agujero con una varilla de acero, a unos 2 mm.
3. Atornille el conector de la tubería del accionador en el actuador (figura 2E).
4. Empuje una sección de la tubería en el perno masculino empuje forma neumática encastre.

6. verificación y reparación de fugas

1. Conectar el actuador a una fuente de aire.
2. Coloque el actuador entero en el agua y presurizar el actuador (figura 2F). Observar si se forman burbujas debido a una fuga.
3. Utilice una jeringa para inyectar el elastómero de silicona en los puntos de fuga. Coloque el actuador en el horno a 70 ° C hasta que se cura el elastómero de silicona.
4. Si es necesario, repita los pasos 6.1-6.3.

Resultados

Solo actuador:
Para verificar el método de fabricación y demostrar la función del actuador, 30°, 45° y 60° actuadores fueron fabricados y probados. Para el montaje del experimento, se empleó una bomba de aire para activar la válvula. La válvula fue conectada al actuador para controlar la presión interna. El actuador solo se fija en su extremo de conexión y colocado verticalmente. Mientras el actuador estaba siendo presurizado, se utilizaron dos cámaras digi...

Discusión

Se presenta un protocolo del método para guiar la fabricación de actuadores de la red neumática suave con cámaras oblicuas. Siguiendo el protocolo, se puede fabricar uno actuador independientemente dentro de las 3 h. Los pasos claves en el protocolo se pueden resumir como sigue. (i) el elastómero de silicona se prepara en proporción y mezcla bien. (ii) el elastómero de silicona se vierte en el molde para la fabricación de la cámara y la base. (iii) las burbujas en la superficie expuesta se perforó y cualquier e...

Materiales

Name	Company	Catalog Number	Comments
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