नरम, दबाने योग्य और पहले से कहीं अधिक स्मार्ट: न्यूमेटिक रोबोट का उदय

लिंक की तालिका

सार और 1 परिचय

2 संबंधित कार्य

2.1 वायवीय प्रचालन

2.2 वायवीय हथियार

2.3 सॉफ्ट रोबोट का नियंत्रण

3 पॉल: डिजाइन और विनिर्माण

3.1 रोबोट डिज़ाइन

3.2 सामग्री चयन

3.3 विनिर्माण

3.4 प्रदर्शन बैंक

4 डेटा अधिग्रहण और ओपन-लूप नियंत्रण

4.1 हार्डवेयर सेटअप

4.2 विज़न कैप्चर सिस्टम

4.3 डेटासेट निर्माण: तालिका-आधारित मॉडल

4.4 ओपन-लूप नियंत्रण

5 परिणाम

5.1 अंतिम पॉल संस्करण

5.2 कार्यस्थल विश्लेषण

5.3 तालिका-आधारित मॉडल का प्रदर्शन

5.4 झुकने संबंधी प्रयोग

5.5 भार उठाने संबंधी प्रयोग

6 निष्कर्ष

वित्तपोषण संबंधी जानकारी

A. किए गए प्रयोग और संदर्भ

2 संबंधित कार्य

2.1 वायवीय प्रचालन

न्यूमेटिक एक्ट्यूएटर्स के डिजाइन और निर्माण की अनेक संभावनाएं हैं। जैसा कि सॉफ्ट रोबोटिक्स में आम है, जैव-प्रेरित एक्चुएटर भी मौजूद हैं। [21] में, एक एक्ट्यूएटर प्रस्तुत किया गया है जो न्यूमेटिक्स और टेंडन दोनों को मिलाकर ऑक्टोपस आर्म के व्यवहार की नकल करने का प्रयास करता है। अंतिम संचालन में समान, हालांकि मानव उंगली से प्रेरित, [22] का काम माना जा सकता है। इसमें तीन एक-आयामी वाल्व होते हैं जो फूलकर फालंजेस की गति की नकल करते हैं।

हालाँकि, सबसे आम जैव-प्रेरित वायवीय एक्ट्यूएटर वायवीय कृत्रिम मांसपेशियां (पीएएम) हैं। वे एक मांसपेशी के समान, वायवीय कक्ष के विस्तार या संकुचन पर आधारित हैं। कक्ष की दीवारें आमतौर पर बहुत पतली और लचीली झिल्ली से बनी होती हैं, जो कम वायु प्रवाह के साथ बड़ी विकृतियों को सुविधाजनक बनाती हैं [23]। हालाँकि कुछ एक्ट्यूएटर मुद्रास्फीति पर अनुदैर्ध्य रूप से लंबे हो जाते हैं [24], प्रचलित दृष्टिकोण में मैककिबेन मांसपेशियों का उपयोग करना शामिल है, जिसमें एक मूत्राशय को एक लटके हुए जाल में डाला जाता है जो मूत्राशय की गति को बाधित करता है क्योंकि यह फुलाता है, जिससे पूरे का संकुचन होता है [25]। दो पीएएम खंडों की एक भुजा को [26] में डिज़ाइन और मॉडल किया गया है।

एक अन्य विकल्प जिसने हाल के वर्षों में विशेष महत्व प्राप्त किया है वह है न्यूनेट-प्रकार के एक्ट्यूएटर, जिन्हें पहली बार [27] में पेश किया गया था। इस प्रकार की क्रिया का उपयोग करने वाले मैनिपुलेटर्स में पंखयुक्त बीम प्रकार की संरचना होती है, तथा कुछ मामलों में, अलग-अलग कठोरता की कुछ सामग्री भी होती है। इसका व्यापक रूप से ग्रिपर [28, 29], मुलायम दस्ताने [30] और मानव शरीर के अंगों के मॉडलिंग के लिए उपयोग किया गया है [31]।

विभिन्न लेखकों ने इस संरचना के विकास का प्रस्ताव दिया है। [32] पर ज्यामिति का अनुकूलन किया गया है, जबकि [33] न्यूफ्लेक्स एक्ट्यूएटर प्रस्तुत करता है, जिसने बीम को एक परिवर्तनीय क्रॉस-सेक्शन बनाकर न्यूनेट अवधारणा को विकसित किया है। दूसरी ओर, [34] और [35] के कार्य दिखाते हैं कि द्विदिश झुकने के साथ इस एक्ट्यूएटर के आधार पर वायवीय खंडों को डिज़ाइन करना कैसे संभव है।

जैमिंग, जिसका उपयोग शुरू में सॉफ्ट ग्रिपर्स [36] के लिए किया जाता था, का उपयोग बीम के रूप में मैनिपुलेटर्स बनाने के लिए भी किया जा सकता है [37]। उनका कार्य न्यूमेटिक्स के विपरीत है: अपनी प्राकृतिक अवस्था में वे मुड़े हुए होते हैं और जब नकारात्मक दबाव डाला जाता है, तो वे कठोर हो जाते हैं। [38] में, एक टीपीयू-मुद्रित खंड जिस पर दबाव या वैक्यूम लागू किया जा सकता है, पेश किया गया है।

2.2 वायवीय हथियार

एक्चुएटर्स के डिजाइन के अलावा, वायवीय सॉफ्ट रोबोटिक्स को विभिन्न स्वतंत्रता डिग्री वाले हथियारों के निर्माण के लिए उनके एकीकरण की चुनौती का सामना करना पड़ता है। जबकि पिछले कुछ काम, जैसे कि [26], छोटे हथियार बनाते हैं, मैनिपुलेटर्स के निर्माण के लिए कई विकल्प विकसित किए गए हैं।

पहला विकल्प हाइब्रिड दृष्टिकोण है, जिसमें कठोर और पूरी तरह से नरम दोनों तत्वों को मिलाया जाता है, जिससे सरल तरीके से अपेक्षाकृत स्थिर तंत्र प्राप्त करना संभव हो जाता है। इसका एक उदाहरण कार्य [39] में पाया जा सकता है, जिसमें विरोधी रूप से सक्रिय पीएएम जोड़े का उपयोग सात डिग्री स्वतंत्रता के साथ एक कठोर बीम आर्म को स्थानांतरित करने के लिए किया जाता है। [40] में भी लगभग ऐसी ही प्रक्रिया अपनाई गई है. रोबोट द्वारा मनुष्यों को नुकसान पहुंचाने से रोकने के लिए, इसकी भुजा में हवा भरी हुई आस्तीनें जोड़ी गई हैं।

[41] में, कठोर आधारों वाला एक वायवीय खंड विकसित किया गया है। इसमें छह ट्यूब होते हैं, जो अपनी ज्यामिति के कारण, तीन के समूहों में फुलाए जाने पर, संयोजन को आधारों के लंबवत अक्ष पर घूमने की अनुमति देते हैं। यद्यपि संपूर्ण रोबोटिक भुजा को इस रूप में विकसित नहीं किया गया है, बल्कि केवल एक डिग्री स्वतंत्रता का एक खंड ही विकसित किया गया है, इसे पूरी तरह से नरम रोबोटिक भुजा में एकीकृत किया गया है। उन्हीं लेखकों ने पहले 85 सेमी लंबे खंडों से छह-डिग्री-ऑफ़-फ्रीडम रोबोटिक भुजा विकसित की थी, जो 3 किलोग्राम तक का भार उठाने में सक्षम थी [42]।

दूसरी ओर, [43] का काम टीपीयू से बना एक ओरिगेमी रोबोटिक हाथ प्रस्तुत करता है। इसे वायवीय संचालन द्वारा फुलाया और खाली किया जाता है, लेकिन इसकी स्थिति को टेंडन द्वारा नियंत्रित किया जाता है, जो प्रणाली को धीमा करते हुए इसे और अधिक सटीक बनाता है। 3डी प्रिंटेड रोबोटों में, [44] तीन-डिग्री-ऑफ़-फ़्रीडम सेगमेंट प्रस्तुत करता है, जिसका मूवमेंट इसके तीन वायवीय ट्यूबों में से एक या अधिक को फुलाकर या डिफ्लेट करके प्राप्त किया जाता है। इसमें केबल भी होते हैं जो प्रतिपक्षी की भूमिका निभाते हैं और मैनिपुलेटर की गतिविधियों को कठोर बनाते हैं। इसका कार्य सिद्धांत [1] के कार्य के समान ही है।

प्रिंट करने योग्य और तैनाती योग्य रोबोट के दर्शन के आधार पर, [45, 46] एक हनीकॉम्ब न्यूमेटिक नेटवर्क (एचपीएन) शाखा प्रस्तुत करते हैं। इसका निर्माण टीपीयू हनीकॉम्ब संरचनाओं को संयोजित करके किया गया है, जिनमें से प्रत्येक के अंदर एक एयरबैग है। इस पेपर में कई प्रोटोटाइप प्रस्तुत किए गए हैं, जिनमें से एक चार खंडों को एक साथ जोड़ने के बाद 600 मिमी की लंबाई तक पहुंच सकता है। जबकि इसके कई लाभों पर चर्चा की गई है, इसमें एक समस्या यह है कि इसका वजन, बिना बढ़ा-चढ़ाकर कहे, बहुत अधिक है: सभी ट्यूबों को मिलाकर भुजा का वजन 4.4 किलोग्राम है।

[47] के रोबोट में दो खंड होते हैं, प्रत्येक में तीन वायवीय ट्यूब होते हैं. यद्यपि सैद्धांतिक रूप से यह इसे स्वतंत्रता की छह डिग्री प्रदान करता है, नियंत्रक केवल ऊपरी मॉड्यूल के लिए जिम्मेदार होते हैं, जो सभी स्थितियों और अभिविन्यासों को स्वतंत्र रूप से तय करने की अनुमति नहीं देता है।

STIFF-FLOP मैनिपुलेटर को [48] में पेश किया गया था. इसमें एक इलास्टोमेरिक सिलेंडर होता है जिसके अंदर वायवीय कक्षों की एक श्रृंखला होती है, जिसके फुलने और सिकुड़ने से सिलेंडर में विरूपण होता है और परिणामस्वरूप रोबोट हिलता है। इस डिज़ाइन के विभिन्न पुनरावृत्तियाँ मौजूद हैं, जैसे कि [31] में प्रदर्शित कठोर टेंडन के साथ STIFF-FLOP सेगमेंट।

इस लाइन में, [49] में प्रस्तुत SoPrA, तीन फाइबर-प्रबलित सिलिकॉन खंडों को मिलाकर बनाया गया है, जिनमें से प्रत्येक को शंक्वाकार ट्रंक जैसा आकार दिया गया है, ताकि रोबोट का अंत आधार की तुलना में बहुत संकरा हो। यद्यपि छोटा शंकु आकार लाभदायक है, क्योंकि जैसा कि लेखक बताते हैं, ऊपरी खंडों को अधिक टॉर्क की आवश्यकता होती है तथा वे अपने अंदर अधिक ट्यूब रखते हैं, लेकिन शंकु आकार प्राप्त करने के लिए प्रयुक्त विनिर्माण प्रक्रिया नए खंडों को रोबोट में आसानी से जोड़ने से रोकती है।

[50] में, सिलिकॉन रबर का उपयोग करके 3-खंड भुजा बनाई गई है। प्रत्येक खंड 110 मिमी लंबा है, इसका व्यास 45 मिमी है और पारंपरिक STIFF-FLOP संरचना के विपरीत, यह चार फुलाए जाने योग्य गुहाओं से सुसज्जित है। इसका तात्पर्य है कि भार और नियंत्रण की कठिनाई में वृद्धि होगी, क्योंकि प्रति खंड केवल तीन डिग्री स्वतंत्रता की तुलना में अतिरेक में वृद्धि होगी।