Меки, стискачки и попаметни од кога било: Подемот на пневматските роботи

Табела со врски

Апстракт и 1 Вовед

2 Сродни дела

2.1 Пневматско активирање

2.2 Пневматски краци

2.3 Контрола на меки роботи

3 PAUL: Дизајн и производство

3.1 Дизајн на роботи

3.2 Избор на материјал

3.3 Производство

3.4 Банка за успешност

4 Стекнување податоци и контрола со отворен циклус

4.1 Поставување хардвер

4.2 Систем за фаќање визија

4.3 Генерирање на збирки на податоци: модели базирани на табели

4.4 Контрола со отворен циклус

5 Резултати

5.1 Конечна верзија PAUL

5.2 Анализа на работниот простор

5.3 Перформанси на моделите базирани на табела

5.4 Експерименти на виткање

5.5 Експерименти за носење тежина

6 Заклучоци

Информации за финансирање

А. Спроведени експерименти и референци

2 Сродни дела

2.1 Пневматско активирање

Постојат бројни можности за дизајнирање и конструирање на пневматски актуатори. Како што е вообичаено во меката роботика, постојат актуатори инспирирани од био. Во [21], претставен е актуатор кој ги комбинира и пневматиците и тетивите за да имитира и се обидува да го имитира однесувањето на раката на октопод. Слично во последната операција, иако инспирирана од човечкиот прст, може да се смета за дело на [22]. Ова се состои од три еднодимензионални вентили кои отекуваат, имитирајќи го на тој начин движењето на фалангите.

Сепак, најчестите пневматски актуатори инспирирани од био се Пневматски вештачки мускули (ПАМ). Тие се засноваат на постигнување на проширување или контракција на пневматска комора, слична на онаа на мускулите. Ѕидовите на комората обично се направени од многу тенка и флексибилна мембрана, што ги олеснува големите деформации со внесен мал проток на воздух [23]. Иако некои актуатори се издолжуваат надолжно при надувување [24], распространетиот пристап вклучува користење на мускулите на McKibben, кои се состојат од мочен меур вметнат во плетена мрежа што го стеснува движењето на мочниот меур додека се надува, создавајќи контракција на целината [25]. Рака од два PAM сегменти е дизајнирана и моделирана во [26].

Друга алтернатива која доби особено значење во последниве години се актуаторите од типот Pneunet, за прв пат воведени во [27]. Манипулаторите кои го користат овој тип на дејство се состојат од структура од типот на ребрести зраци и, во некои случаи, материјал со различна вкочанетост. Широко се користи за фаќачи [28, 29], меки ракавици [30] и за моделирање на делови од човечко тело [31].

Различни автори предложија еволуции на оваа структура. Оптимизацијата на геометријата е извршена на [32], додека [33] го претставува PneuFlex актуаторот, кој го еволуирал концептот Pneunet правејќи го зракот да има променлив пресек. Од друга страна, делата на [34] и [35] покажуваат како е можно да се дизајнираат пневматски сегменти врз основа на овој актуатор со двонасочно свиткување.

Заглавувањето, првично користено за меки држачи [36] може да се користи и за создавање манипулатори во форма на греди [37]. Нивната функција е обратна од онаа на пневматиката: во нивната природна состојба тие се свиткани и, кога се применува негативен притисок, тие се вкочануваат. Во [38], воведен е TPU-отпечатен сегмент на кој може да се примени притисок или вакуум.

2.2 Пневматски краци

Покрај дизајнот на актуаторите, пневматската мека роботика треба да се соочи со предизвикот за нивна интеграција за изградба на краци со различни степени на слобода. Додека некои од претходните работи, како што е [26], формираат мало оружје, развиени се неколку алтернативи за изградба на манипулатори.

Првата опција се хибридни пристапи, во кои се комбинираат и крутите и чисто меките елементи, што овозможува да се добие релативно стабилен механизам на едноставен начин. Пример за ова може да се најде во делото [39], во кое антагонистички активираните PAM парови се користат за придвижување на цврста греда крака со седум степени на слобода. Многу слична постапка се следи во [40]. За да се спречи роботот да им наштети на луѓето, на раката се додаваат ракави на надувување.

Во [41], развиен е пневматски сегмент со крути основи. Ова се состои од шест цевки кои, поради нивната геометрија, кога се надувуваат во групи од три, овозможуваат склопот да ротира по оската нормална на основите. Иако цела роботска рака не е развиена како таква, туку само сегмент од еден степен на слобода, таа е интегрирана во целосно мека роботска рака. Истите автори претходно развија роботска рака со шест степени на слобода од сегменти долги 85 см, способни да креваат товари до 3 кг [42].

Работата на [43], од друга страна, претставува оригами роботска рака направена од TPU. Ова се надува и се издува со пневматско активирање, но неговата положба е контролирана од тетивите кои, додека го забавуваат системот, го прават многу попрецизен. Помеѓу 3D печатените роботи, [44] претставува сегмент од три степени на слобода, чие движење се постигнува со надувување или отпуштање на една или повеќе од трите нејзини пневматски цевки. Има и кабли кои играат улога на антагонист и ги зацврстуваат движењата на манипулаторот. Нејзиниот принцип на работа е многу сличен на оној на работата на [1].

Исто така, врз основа на филозофијата на роботите што можат да се печатат и распоредуваат, [45, 46] презентираме рачка од пневматска мрежа од саќе (HPN). Конструиран е со спојување на саќе структури од TPU, секоја со воздушно перниче внатре. Во трудот се претставени неколку прототипови, од кои еден може да достигне должина од 600 mm по спојување на четири сегменти заедно. Додека се зборува за неколку негови предности, тој го претставува проблемот што неговата тежина, без да се претерува, е висока: раката, со оглед на сите цевки, тежи 4,4 кг.

Роботот од [47] се состои од два сегменти, секој со три пневматски цевки. Иако ова теоретски му дава шест степени на слобода, контролорите се одговорни само за горниот модул, кој не дозволува сите позиции и ориентации да бидат слободно фиксирани.

Манипулаторот STIFF-FLOP беше воведен во [48]. Ова се состои од еластомерен цилиндар со низа пневматски комори внатре, чие надувување и дефлација предизвикува деформација на цилиндерот, а со тоа и движење на роботот. Постојат различни повторувања на овој дизајн, како што е сегментот STIFF-FLOP со вкочанети тетиви прикажани во [31].

Во оваа линија, SoPrA, претставена во [49], е направена комбинирајќи три силиконски сегменти засилени со влакна, секој обликуван како конусно стебло, така што крајот на роботот е многу потесен од основата. Иако обликот на скратениот конус е поволен бидејќи, како што истакнуваат авторите, горните сегменти бараат поголем вртежен момент и држат повеќе цевки внатре во нив, процесот на производство што се користи за да се постигне заостреност спречува лесно додавање на нови сегменти на роботот.

Во [50], 3-сегментна рака е изградена со употреба на силиконска гума. Секој сегмент е долг 110 mm, има дијаметар од 45 mm и, спротивно на традиционалната структура STIFF-FLOP, тој е опремен со четири шуплини на надувување. Ова имплицира зголемување на тежината и тешкотија на контрола, бидејќи вишокот е зголемен во споредба со само три степени на слобода по сегмент.