Měkké, stlačitelné a chytřejší než kdy jindy: Vzestup pneumatických robotů

Tabulka odkazů

Abstrakt a 1 Úvod

2 Související práce

2.1 Pneumatické ovládání

2.2 Pneumatická ramena

2.3 Ovládání měkkých robotů

3 PAUL: Design a výroba

3.1 Návrh robota

3.2 Výběr materiálu

3.3 Výroba

3.4 Výkonnostní banka

4 Sběr dat a řízení v otevřené smyčce

4.1 Nastavení hardwaru

4.2 Systém pro zachycení vidění

4.3 Generování datové sady: Modely založené na tabulkách

4.4 Řízení s otevřenou smyčkou

5 Výsledky

5.1 Konečná verze PAUL

5.2 Analýza pracovního prostoru

5.3 Výkon tabulkových modelů

5.4 Pokusy o ohýbání

5.5 Experimenty s přenášením hmotnosti

6 Závěry

Informace o financování

A. Provedené experimenty a reference

2 Související práce

2.1 Pneumatické ovládání

Existuje mnoho možností pro návrh a konstrukci pneumatických pohonů. Jak je v měkké robotice běžné, existují bio-inspirované pohony. V [21] je představen aktuátor, který kombinuje jak pneumatiku, tak šlachy k napodobení a pokouší se napodobit chování paže chobotnice. Podobný v konečném provozu, i když inspirovaný lidským prstem, lze považovat za práci [22]. Skládá se ze tří jednorozměrných chlopní, které bobtnají a napodobují tak pohyb falang.

Nejběžnějšími bio-inspirovanými pneumatickými pohony jsou však Pneumatic Artificial Muscles (PAM). Jsou založeny na dosažení extenze nebo kontrakce pneumatické komory, podobně jako u svalu. Stěny komory jsou obvykle vyrobeny z velmi tenké a pružné membrány, která umožňuje velké deformace s malým zavedeným prouděním vzduchu [23]. Ačkoli se některé aktuátory po nafouknutí podélně prodlužují [24], převládající přístup zahrnuje využití McKibbenových svalů, které se skládají z močového měchýře vloženého do pletené síťky, která omezuje pohyb močového měchýře při jeho nafukování, čímž dochází ke kontrakci celého [25]. Rameno dvou PAM segmentů je navrženo a modelováno v [26].

Další alternativou, která v posledních letech získala zvláštní význam, jsou aktuátory typu Pneunet, poprvé představené v [27]. Manipulátory, které používají tento typ akce, se skládají ze struktury typu žebrovaného nosníku a v některých případech z materiálu s různou tuhostí. Byl široce používán pro chapadla [28, 29], měkké rukavice [30] a pro modelování částí lidského těla [31].

Různí autoři navrhli evoluce této struktury. Optimalizace geometrie je provedena v [32], zatímco [33] představuje aktuátor PneuFlex, který vyvinul koncept Pneunet tím, že nosník má proměnný průřez. Na druhou stranu práce [34] a [35] ukazují, jak je možné navrhnout pneumatické segmenty založené na tomto aktuátoru s obousměrným ohybem.

Zasekávání, původně používané u měkkých chapadel [36], lze také použít k vytvoření manipulátorů ve formě nosníků [37]. Jejich funkce je opačná než u pneumatik: v přirozeném stavu jsou ohnuté a při působení podtlaku tuhnou. V [38] je představen segment potištěný TPU, na který lze aplikovat tlak nebo vakuum.

2.2 Pneumatická ramena

Kromě návrhu aktuátorů musí pneumatická měkká robotika čelit výzvě jejich integrace pro konstrukci ramen s různými stupni volnosti. Zatímco některé z předchozích prací, jako je [26], tvoří ruční zbraně, pro konstrukci manipulátorů bylo vyvinuto několik alternativ.

První možností jsou hybridní přístupy, ve kterých se kombinují tuhé i čistě měkké prvky, což umožňuje jednoduchým způsobem získat relativně stabilní mechanismus. Příklad toho lze nalézt v práci [39], ve které jsou antagonisticky ovládané dvojice PAM použity k pohybu tuhého ramene nosníku se sedmi stupni volnosti. Velmi podobný postup je použit v [40]. Aby robot nezpůsobil zranění lidem, jsou na paži přidány nafukovací rukávy.

V [41] je vyvinut pneumatický segment s pevnými základnami. Ten se skládá ze šesti trubek, které díky své geometrii umožňují při nafouknutí ve skupinách po třech rotaci sestavy v ose kolmé k základnám. Přestože není vyvinuto celé robotické rameno jako takové, ale pouze segment jednoho stupně volnosti, je integrováno do zcela měkkého robotického ramene. Stejní autoři již dříve vyvinuli robotické rameno se šesti stupni volnosti z 85 cm dlouhých segmentů, které je schopné zvednout břemena o hmotnosti až 3 kg [42].

Práce [43] na druhé straně představuje origami robotické rameno vyrobené z TPU. Ten se nafukuje a vyfukuje pneumatickým ovládáním, ale jeho poloha je řízena šlachami, které systém zpomalují a výrazně zpřesňují. Mezi 3D tištěnými roboty [44] představuje segment se třemi stupni volnosti, jehož pohybu je dosaženo nafouknutím nebo vypuštěním jedné nebo více z jeho tří pneumatických trubic. Má také kabely, které hrají roli antagonisty a zpevňují pohyby manipulátoru. Jeho pracovní princip je velmi podobný principu práce [1].

Také na základě filozofie tisknutelných a rozmístitelných robotů [45, 46] představuje rameno Honeycomb Pneumatic Network (HPN). Byl zkonstruován spojením voštinových struktur TPU, z nichž každá má uvnitř airbag. V příspěvku je prezentováno několik prototypů, z nichž jeden může po spojení čtyř segmentů dosáhnout délky 600 mm. I když je diskutováno několik jeho výhod, představuje problém, že jeho hmotnost, aniž by to bylo přeháněno, je vysoká: rameno, s ohledem na všechny trubky, váží 4,4 kg.

Robot z [47] se skládá ze dvou segmentů, každý se třemi pneumatickými trubkami. Ačkoli to teoreticky dává šest stupňů volnosti, ovladače jsou zodpovědné pouze za horní modul, který neumožňuje libovolně fixovat všechny polohy a orientace.

Manipulátor STIFF-FLOP byl představen v [48]. Ten se skládá z elastomerového válce s řadou pneumatických komor uvnitř, jejichž nafukování a vyfukování způsobuje deformaci válce a tím i pohyb robota. Existují různé iterace tohoto návrhu, jako je segment STIFF-FLOP s výztužnými výztuhami ukázaný v [31].

V této řadě je SoPrA, prezentovaný v [49], vyroben kombinací tří vláknem vyztužených silikonových segmentů, z nichž každý má tvar kónického kmene, takže konec robota je mnohem užší než základna. Přestože je tvar komolého kužele výhodný, protože, jak autoři upozorňují, horní segmenty vyžadují větší krouticí moment a drží uvnitř více trubek, výrobní proces použitý k dosažení zkosení brání snadnému přidávání nových segmentů do robota.

V [50] je 3-segmentové rameno vyrobeno ze silikonové pryže. Každý segment je dlouhý 110 mm, má průměr 45 mm a na rozdíl od tradiční konstrukce STIFF-FLOP je vybaven čtyřmi nafukovacími dutinami. To znamená zvýšení hmotnosti a obtížnosti ovládání, protože redundance je zvýšená ve srovnání s pouhými třemi stupni volnosti na segment.