Meko, stisljivo i pametnije nego ikad: Uspon pneumatskih robota

Tabela veza

Sažetak i 1 Uvod

2 Povezani radovi

2.1 Pneumatsko aktiviranje

2.2 Pneumatske ruke

2.3 Kontrola mekih robota

3 PAUL: Dizajn i proizvodnja

3.1 Dizajn robota

3.2 Izbor materijala

3.3 Proizvodnja

3.4 Banka učinka

4 Prikupljanje podataka i kontrola otvorene petlje

4.1 Podešavanje hardvera

4.2 Sistem za snimanje vida

4.3 Generisanje skupa podataka: modeli zasnovani na tabeli

4.4 Otvoreno upravljanje

5 Results

5.1 Konačna PAUL verzija

5.2 Analiza radnog prostora

5.3 Performanse modela zasnovanih na tabeli

5.4 Eksperimenti savijanja

5.5 Eksperimenti nošenja težine

6 Zaključci

Informacije o finansiranju

A. Provedeni eksperimenti i reference

2 Povezani radovi

2.1 Pneumatsko aktiviranje

Postoje brojne mogućnosti za projektovanje i izradu pneumatskih aktuatora. Kao što je uobičajeno u mekoj robotici, postoje bio-inspirirani aktuatori. U [21] je predstavljen aktuator koji kombinuje i pneumatiku i tetive da oponaša i pokušava da oponaša ponašanje ruke hobotnice. Sličan u konačnoj operaciji, iako inspiriran ljudskim prstom, može se smatrati djelom [22]. Sastoji se od tri jednodimenzionalne valvule koje bubre i na taj način oponašaju kretanje falangi.

Međutim, najčešći bio-inspirirani pneumatski aktuatori su pneumatski umjetni mišići (PAM). Oni se zasnivaju na postizanju ekstenzije ili kontrakcije pneumatske komore, slično onoj u mišićima. Zidovi komore su obično izrađeni od vrlo tanke i fleksibilne membrane, koja olakšava velike deformacije uz malo unešenog protoka zraka [23]. Iako se neki aktuatori produžavaju uzdužno nakon naduvavanja [24], preovlađujući pristup uključuje korištenje McKibben mišića, koji se sastoje od mjehura umetnutog u pletenu mrežu koja sužava kretanje mjehura dok se naduvava, proizvodeći kontrakciju cjeline [25]. Ruka od dva PAM segmenta je dizajnirana i modelirana u [26].

Druga alternativa koja je dobila poseban značaj posljednjih godina su aktuatori tipa Pneunet, prvi put predstavljeni u [27]. Manipulatori koji koriste ovu vrstu djelovanja sastoje se od strukture tipa rebraste grede i, u nekim slučajevima, od materijala različite krutosti. Široko se koristi za hvataljke [28, 29], mekane rukavice [30] i za modeliranje dijelova ljudskog tijela [31].

Različiti autori su predlagali evolucije ove strukture. Optimizacija geometrije je provedena na [32], dok [33] predstavlja PneuFlex aktuator, koji je razvio Pneunet koncept tako što je napravio gredu promjenjivog poprečnog presjeka. S druge strane, radovi [34] i [35] pokazuju kako je moguće projektirati pneumatske segmente na bazi ovog aktuatora sa dvosmjernim savijanjem.

Zaglavljivanje, prvobitno korišteno za meke hvataljke [36], može se koristiti i za izradu manipulatora u obliku greda [37]. Njihova funkcija je suprotna od one pneumatike: u svom prirodnom stanju su savijene i, kada se primijeni negativni pritisak, ukrućuju se. U [38], uveden je segment odštampan TPU-om na koji se može primijeniti pritisak ili vakuum.

2.2 Pneumatske ruke

Osim dizajna aktuatora, pneumatska meka robotika mora se suočiti s izazovom njihove integracije za konstrukciju ruku s različitim stupnjevima slobode. Dok neki od prethodnih radova, kao što je [26], čine malokalibarsko oružje, razvijeno je nekoliko alternativa za konstrukciju manipulatora.

Prva opcija su hibridni pristupi, u kojima se kombinuju i kruti i čisto mekani elementi, što omogućava da se na jednostavan način dobije relativno stabilan mehanizam. Primjer za to se može naći u radu [39], u kojem se antagonistički aktivirani PAM parovi koriste za pomicanje krutog kraka grede sa sedam stupnjeva slobode. Vrlo sličan postupak slijedi u [40]. Kako bi se spriječilo da robot nanosi štetu ljudima, na ruku se dodaju rukavi na naduvavanje.

U [41] razvijen je pneumatski segment s krutim bazama. Sastoji se od šest cijevi koje zbog svoje geometrije, kada se napumpaju u grupama od po tri, omogućavaju sklopu da se rotira oko osi okomite na baze. Iako cijela robotska ruka nije razvijena kao takva, već samo dio jednog stepena slobode, ona je integrirana u potpuno mekanu robotsku ruku. Isti autori su prethodno razvili robotsku ruku sa šest stepeni slobode od segmenata dugih 85 cm, sposobnu da podigne teret do 3 kg [42].

Rad [43], s druge strane, predstavlja origami robotsku ruku napravljenu od TPU-a. Ovo se naduvava i ispuhuje pneumatskim aktiviranjem, ali njegov položaj kontrolišu tetive koje, dok usporavaju sistem, čine ga mnogo preciznijim. Među 3D štampanim robotima, [44] predstavlja segment sa tri stepena slobode, čije se kretanje postiže naduvavanjem ili ispuhavanjem jedne ili više od tri pneumatske cevi. Također ima sajle koje igraju ulogu antagonista i ukrućuju pokrete manipulatora. Njegov princip rada je vrlo sličan onome u radu [1].

Također zasnovano na filozofiji robota koji se mogu ispisati i implementirati, [45, 46] predstavljaju ruku saćaste pneumatske mreže (HPN). Konstruisan je spajanjem TPU struktura u obliku saća, svaka sa vazdušnim jastukom unutra. U radu je predstavljeno nekoliko prototipova, od kojih jedan može dostići dužinu od 600 mm nakon spajanja četiri segmenta. Iako se govori o nekoliko njegovih prednosti, problem predstavlja što je njegova težina, bez pretjerivanja, velika: ruka, s obzirom na sve cijevi, teži 4,4 kg.

Robot iz [47] sastoji se od dva segmenta, svaki sa tri pneumatske cijevi. Iako mu to teoretski daje šest stupnjeva slobode, kontroleri su odgovorni samo za gornji modul, koji ne dozvoljava da se sve pozicije i orijentacije slobodno fiksiraju.

STIFF-FLOP manipulator je predstavljen u [48]. Sastoji se od elastomernog cilindra s nizom pneumatskih komora unutar čije napuhavanje i ispuhivanje uzrokuje deformaciju cilindra, a time i kretanje robota. Postoje različite iteracije ovog dizajna, kao što je segment STIFF-FLOP sa tetivama za ukrućenje prikazan u [31].

U ovoj liniji, SoPrA, predstavljen u [49], napravljen je kombinacijom tri silikonska segmenta ojačana vlaknima, svaki u obliku konusnog debla, tako da je kraj robota mnogo uži od osnove. Iako je oblik krnjeg konusa povoljan jer, kako ističu autori, gornji segmenti zahtijevaju više obrtnog momenta i drže više cijevi unutar sebe, proizvodni proces koji se koristi za postizanje konusa sprječava da se novi segmenti lako dodaju robotu.

U [50], 3-segmentna ruka je napravljena upotrebom silikonske gume. Svaki segment je dugačak 110 mm, ima prečnik od 45 mm i, za razliku od tradicionalne STIFF-FLOP strukture, opremljen je sa četiri šupljine na naduvavanje. Ovo implicira povećanje težine i poteškoće u kontroli, jer je redundantnost povećana u poređenju sa samo tri stepena slobode po segmentu.