机器人机构分析与综合课件：Q-0621软体机器人

1、哈 佛 大 学 化 学 家 乔 治 怀 特 赛 德 斯 团 队 认 为 由 于 软 体 生 物 如 鱿 鱼海 星 和 蠕 虫 等 被 忽 视 太 久 了 研究人员为此设计出了“软 体 机 器 人” 模 具,借助空气前行 制造软体机器人使用的是怀特赛德斯团队发 明的软光刻技术，由 于 机 器 人 是 模 塑 成 型 的 制造起来并不昂贵 缺陷：它依赖于外部电源,借助微流体技术作用于通道 从注入空气到产生运动 怀特赛德斯团队的设计概念 得 到 来 提 升， 考虑到通道的结构和空气泵这 意味着它的弯曲可以成为软体机器人的一个特性,机器人有两层聚合物 一层延伸甚广，一层坚不可摧。 当空气注入四肢后具有

2、弹性的腔体会像气球一样扩张，但腔体材料却不舒展且四肢蜷缩 当弯曲时借助肢体与周围摩擦力作用产生的横向推力 整个身体可以不断向前推进在肢体驱动下机器人可以爬行,阶段性成果 截至目前软体机器人的两个主要步态 波浪起伏和蹒跚爬行 抓手版机器人 步行机器人,变色软体机器人外壳由两种微型管道组成，一种管道用于吸入空气转变为机器人行走或爬行的动力，相当于气动装置； 另一种管道则充满荧光材料，使机器人拥有伪装和展示的能力。（方法：改变微流体网络的颜色和模式）,Materials and Methods Soft robots and the various color layers were fabrica

3、ted from silicone rubbers and polyethylene tubing 硅(氧)橡胶、聚乙烯管 Ecoflex (0010, 0030, and 0050) were purchased from Smooth- On, Inc. 共聚酯 Polydimethylsiloxane (PDMS) was purchased from Dow Corning Corp. (Sylgard 184). 聚二甲硅氧烷 Polyethylene tubing by Becton Dickinson and Company, for creating both pneumati

4、c inlets and microfluidic inlets/outlets was purchased from VWR.聚乙烯管 Opaque watercolor gouache paints were purchased from Savoir-Faire.,Masters3D printeracrylonitrile butadiene styrene (ABS树脂) 通道：浇注prepolymer半固化，flat membrane 密封，模塑 PNsEcoflex 颜色层的？ color layers 颜色层厚1.5 mm模塑Ecoflex (0010 or 0030)seal

5、ed against a thin (0.25 mm) Ecoflex filmmicrochannels 微通道：最小380微米 inlet/outletspolyethylene tubing bonded涂liquid Ecoflex固化curing the assembly at 70 C for 20 minutes,using tethers the pressurized gases, heated/cooled liquids, and control systems necessary to run the robots were kept off-board. reduce

6、s the size and weight 致动器，用 soft lithography 软光刻技术简单的气动阵列管道完成复杂的抓取、移动功能 气动驱动：(compressed air at 7 to 28 kPa or 14 psig) 移动：用Labview控制的solenoid valve电磁阀 颜色层：pump solutions 用 syringe 10ml注射器2.25 mL/min manually with syringes or automatically with syringe pumps,弯曲变形的影响因素： 1）通道的几何形状 2）材料特性 3）通道和自由表面的接近程

7、度,a)距下表面近 下表面材料硬 b)有限元仿真分析 c)实体建模比较,加压，驱动网络变形，产生复杂形状 材料，和管道的设计决定加压后的响应 用多种材料组合，复合结构。如：We used two silicone elastomers (polydimethylsiloxane (PDMS, Dow Corning Sylgard 184) and Ecoflex 00-30,嵌入式气动网络(PneuNets) 一系列平行的膛 连接这些通道（经验 P, PDMS, and F, polyester fabric,elements (“fingers”) individual chambers,

8、Combination of multiple elements in a single structure forms networks capable of complex movement,Fig. S1. (A ) Top view of the quadruped, with dimensions in millimeters. The length of the robot is 135.7 mm, the width 58.5 mm. ( B ) The side view of PN 3, showing the thickness of the Ecoflex layer (

9、Layer 1) to be 5.3 mm, the pneu-net channel thickness to be 0.5 mm, the channel connecting the PNs to be 1.0 mm thick, and the Sylgard 184 (Layer 2 ) strain limiting layer to be 1.0 mm.,1112 Soft Robotics for Chemists,S1. Design of PneuNets气动管道网络设计,This paper focuses on the design of networks of pne

10、umatic channels embedded in PDMS a single channela series of cross-channels,S2. 3D Molding We fabricated channels in flexible silicone elastomers using established techniques from soft lithography 软光刻技术 For fabrication of the PneuNets we selected two silicone elastomers (polydimethylsiloxane (PDMS,

11、Dow Corning Sylgard 184) and Ecoflex 00-30 (a siloxane produced by Smooth-On; http:/www.smooth-),S4. Preparation of Ecoflex （ http:/www.smooth- ） S5. Preparation of PDMS （ Dow Corning ） S6. Bonding Ecoflex and PDMS S7. Inlets（ compressed air (1-4 psi) 1psi=6 894.75729 帕斯卡） S10. Cost （ $10 (100 g $0.

12、10/g for silicone-based materials ）,综述软体机器人结构类型、驱动方式、物理建模技术和加工制造方法等问题。 其结构模仿生物的静水骨骼结构和肌肉性静水骨骼结构 采用形状记忆合金、气动、电活性聚合物等物理驱动方式或将化学能转化为机械能 的化学驱动方式。 软体机器人建模困难，主要采用试验分析或使用超冗余度机器人建模方法近似研究。 制造中的问题包括柔性本体制造、柔性致动器制造以及可伸展电路的制造，采用形状沉积、激光压印、智能微结构等新型制造工艺。 软体机器人是一种全新的机器人，对它的研究刚刚起步，涉及材料科学、化学、微机电、液压、控制等多学科，从材料、设计、加工、传感

13、到控制、使用均存在着一系列问题需要继续研究。,软体机器人一般采用新型材料，例如硅橡胶，SMA、电活性聚合物(Electroactive polymer, EAP)等，其加工制造工艺受到限制。所以结构设计必须考虑到机器人的变形能力、机动能力以及可制造能力 结构大体可分为静水骨骼结构、肌肉性静水骨骼结构及其他结构类型 驱动方式：致动器是软体机器人设计中的瓶颈问题 分为两类：物理驱动与化学驱动。 物理致动器包括：SMA、气动致动器、EAP等 建模技术：难点主要因为： 结构非线性和材料非线性； 软体机器人理论上有无限自由度； 软体机器人物理模型的建立需要机、电、液、化学等多学科同步分析。 许多研究者采用试验的方法对其模仿对象进行生物力学分析和建模，也有学者通过理论分析的方法建模。EAP 是目前比较适合制作柔性致动器的材料 制造方法：软体机器人的制造包括机器人本体制造、柔性驱动器制造以及可伸展电子电路的制造，其装配采用浇铸、层压、胶粘等方法。文献49 综述了目前可用于软体机器人的制造工艺。 1）软体机器人本体制造主要基于快速成型技术 2）软体机器人致动器主要采用的材料是SMA 与EAP 3）可伸展电子电路结构主要有两种，一种是波纹状结构，另一 种形式是类 似剪刀撑的开环网状结构,Q1 驱动：压缩空气泵？Labview控制的valve阀（