CC BY
15МЯГКИЙ РОБОТ ДЛЯ ЛАЗАНИЯ ПО ТРУБАМ
ГАДЖИЕВА РАНА ФАРЕМАЗ к.
Ассистент кафедры "Компьютерная Инженерия", Азербайджанский Государственный Университет Нефти и Промышленности, Азербайджан, Баку.
КАСИМОВ ЭЛЬВИН ЭЛЬШАН о.
Магистр кафедры "Компьютерная Инженерия" Азербайджанский Государственный Университет Нефти и Промышленности, Азербайджан, Баку.
Абстракт. В этой статье демонстрируется мягкий робот с пневматическим приводом, способный перемещаться внутри трубы. Этот робот был построен с использованием изгибающихся пневматических приводов (пневматических структур, вдохновленных мышцами, приводимых в действие вакуумом, или VAMP-ы). Альпинист может перемещаться по трубе с поворотами, уклонами и разным диаметром. Робот также может удалять препятствия (более чем в 10 раз больше собственного веса) из труб, чтобы выполнить расчистку. Он сохраняет характеристики подъема и очистки во влажных условиях и под водой. Альпинист по трубам легкий и полностью мягкий и, таким образом, может быть совместным (т. е. работать с людьми), а также для безопасного взаимодействия с чувствительной средой.
Ключевые слова: локомоция, мышца, вакуум, пневматика, эластомер, коробление.
Введение. Разработка мягких пневмоприводов с приводом вакуумом и короблением эластомерных балок сделал возможным ряд новых типов движений — и устройства и машины, использующие эти новые движения — в мягком приводы, машины и роботы. Эти устройства (к которым вместе мы называем «приводы потери устойчивости») преимущество явления — коробления, которое исторически (в контексте «жестких» конструкций из металлов, бетон и другие материалы с ограниченной эластичностью) рассматривается как механизм отказа. Эти мягкие приводы представляют собой эластомерные структуры — структуры, которые являются «мягкими» в силу того факта, что они изготовлены полностью в соответствии материалы, такие как эластомерные органические полимеры, и содержат нет жестких, неподатливых компонентов, которые достигают скручивания, линейные, сдвигающие, или циклические движения. Те, кого мы описываем здесь необычны в том смысле, что они приводятся в действие приложением отрицательного перепада давления (например, вакуума), а не чем положительный перепад давления (как в устройствах на основе PneuNet, Приводы McKibben, приводов с защелкой, так далее.). (Ранние работы Джагера и его коллег на «заклинивающих» приводах также работают при отрицательном дифференциале давление, но по другому механизму.) Изгиб актуаторы достигают своих характерных движений на основе кооперативный, обратимый, потеря устойчивости структурного эквивалента «лучей», отформованных в эластомеры. Механика эти движения были подробно проанализированы Бертольди, Бойс и коллеги.
В этой статье демонстрируется применение привода потери устойчивости типа, который мы описали ранее. Этот привод демонстрирует особенно полезный вид движения — линейное движения сродни мышцам человека и животных. Мы ссылаемся на это как пневматическая конструкция с вакуумным приводом, вдохновленная мышцами, или «ВАМП». Здесь мы описываем приложение VAMP, требующее движений это было бы трудно (или более сложно) достичь с помощью PneuNets, и гораздо сложнее достичь (при
минимум добиться просто) с помощью жестких машин или роботов. У нас есть построил «трубный альпинист», способный перемещаться внутри трубки. Приводы изгиба, такие как VAMP, легко изготовить, легкие по весу, «совместные» (как этот термин используется в
ОФ "Международный научно-исследовательский центр "Endless Light in Science"
робототехника, то есть способная безопасно работать с людьми и с другие мягкие и деликатные предметы, не беспокоясь о вреде что жесткий робот или машина могли бы сделать при контакте) и недорогой. Актуаторы потери устойчивости имеют отдаленное отношение с системами мягких надувных приводов, которые мы и другие, описанные ранее. Эти приводы и роботы — на основе PneuNets, на других системы пневматически надувных каналов, встроенных в эластомерные структуры, на «воздушных мышцах» Мак-Киббена, или заклинивание при отрицательном перепаде давления-использовать энергия, обеспечиваемая PDV, работает, чтобы изменить форму машину и, таким образом, дать ей возможность захватывать, перемещать или выполнять другие функции. Системы на базе PneuNet обычно состоят из композитов для достижения структурного контроля над движениями, такими как сгибание или скручивание; составные структуры определяют механические свойства конструкций и, следовательно, их движение на инфляцию. Иногда возникают структурные проблемы с расслаиванием на интерфейсах можно устранить путем с использованием цельного изготовления или других подходящих конструкций.
Приводы изгиба, потому что они полагаются на отрицательный дифференциал давление (вакуум), а не положительный перепад давление — приносят новые преимущества и недостатки. Один главное преимущество заключается в том, что их пустое пространство сжимается на срабатывания они сжимаются, а не расширяются (т. е. для одного и того же начальный размер актуатора, объем VAMP уменьшится, тогда как надувные приводы будут увеличиваться в объеме), и таким образом, может использоваться в приложениях, которые исключают увеличение в объеме (например, как здесь, движение внутри замкнутого трубка или трубка). Кроме того, вакуумные приводы перестают срабатывать, когда камеры разрушаются и, таким образом, не могут лопнуть, как надувные приводы могут. Еще одним преимуществом является то, что эти приводы демонстрируют меньшую деформацию и, следовательно, больший срок службы, большую
ударная вязкость и лучшая окислительная стабильность, чем при положительном давлении приводы (которые часто работают при высокой нагрузке). В кроме того, ВАМПы все еще могут функционировать после небольших проколов потому что внешнее давление сжимает эластомеры и поддерживает самогерметизацию. Ограничение на изгиб приводов (когда они эксплуатируются в окружающей среде, и таким образом, при атмосферном давлении) заключается в том, что максимальное давление доступность для обеспечения работы в условиях окружающей среды ограничена атмосферному (*100 кПа = 14,5 фунтов на кв. дюйм = 1 бар), хотя это ограничение можно обойти с помощью мягкого механическое преимущество9 (т. е. за счет усиления выходной силы относительно входной силы). (Это ограничение может, конечно, стать преимуществом в другой среде: например, под водой, или в других гипербарических средах.)
Результаты и обсуждение
Экспериментальная дизайн
Мы построили простого робота с тремя степенями свободы, состоящий из VAMP посередине и кольцеобразного пневматический привод положительного давления на каждом конце VAMP (рис. 1A и дополнительный рис. S1; дополнительный Данные доступны в Интернете по адресу www.liebertpub. com/soro). VAMP состоит из тонких горизонтальных параллельных эластомерных балок. (толщиной 1,5 мм) и более толстые вертикальные балки (толщиной 4 мм), которые соединить горизонтальные балки. (Направления «горизонтальные» и «вертикальный» описывают относительные положения лучей в VAMP, когда его направление срабатывания вертикально.) Система балок и пустот герметизируется внутри тонкого эластомерного мембраны (толщиной 1 мм) и, таким образом, образует пустоты в между балками; пустые камеры соединяются в общую
источник отрицательного перепада давления. Когда мы применяем вакуум к этим пустотным камерам пригибаются горизонтальные балки, в то время как вертикальные лучи скользят мимо
ОФ "Международный научно-исследовательский центр "Endless Light in Science"
друг друга и производят линейное движение (в этом случае, как показано на рис. 1Б, в вертикальном направление).
Расширяя и сжимая три привода (два кольца и VAMP) в определенной последовательности (как показано на Рис. 1B, C) с использованием контроллера, показанного в дополнении.
Ц*
Release front
Release back Hold back Push front
Рис.1. Схема робота для лазания по трубам с ВАМП. (A) Схема устройства для подъема по трубе, состоящего из VAMP8 и два кольца, приводимых в действие давлением (одно в передней и один сзади). Трубчатый альпинист соединен с тремя пневматические каналы управления, один для VAMP и один каждый по кольцам. Каждый пневматический канал может быть подключен к давлению накачки (Pi), вакууму дефляции (Vd), или опечатаны. (B) Подъем достигается периодическим срабатыванием из шести штатов.
Накачивание компенсационного кольца удерживает (переднее или задний) конец упирается в трубку, при этом расширение и сжатие линейного привода переместите другой, спущенный конец. (C) Последовательность давления или вакуума, используемая в каждом
пневматический канал управления подъемом. Альпинизм контролируется давлением подачи и постоянными времени: tei (надувание компенсационного кольца), ted (сдувание компенсационного кольца) кольцо), tli (надувание линейного привода) и tld (сдувание линейный привод). Мы варьировали продолжительность каждого шага, чтобы определить оптимальные условия подъема.
Рисунок S2, этот робот может двигаться по трубе (используя движение отдаленно похоже на скалолаза, продвигающегося вверх по трещине по «глушение»). Рисунок 2A и дополнительные видео S1 и S2 демонстрирует подъемное движение после оптимизации параметры работы (т.е. продолжительность работы каждого последовательность на рис. 1C), как показано на дополнительном рисунке S3. Возможности труболазного робота Существующие системы лазания по трубам обычно основаны на жестких роботов или содержат твердые компоненты, хотя в некоторых экземпляры, покрытые мягкой кожей. Наш трубчатый альпинист отличается от ранее описанных тем, что он полностью мягкий и, таким образом, может лазить по трубам с очень гладкие, твердые поверхности или трубы с изменяющимся радиусом или некруглое поперечное сечение (например, внутренние воздуховоды, разветвляющиеся в более узкие протоки) за счет расширения или сжатия кольцеобразных привод положительного давления. В нынешнем дизайне робот может перемещаться между двумя горизонтальными параллельными пластинами при этом расстояние между пластинами варьируется от 60 до 64 мм, но застревает, когда расстояние меньше 57 мм и не доставать до пластин, если расстояние больше 66 мм. трубчатый альпинист также может выдерживать значительные наказание в виде удара или давления, или большого напряжения в деформация — задача, трудная для жестких роботов или роботов, которые содержат твердые компоненты. Некоторые приложения этого типа роботов могут включать проверку или очистка внутренней части труб, мониторинг различных части здания или туннеля, а также поисково-спасательные операции которые включают лазание по трубам. Рисунок 2B и дополнительный Видео S3 показывает пример очистки, где робот выталкивает папиросную бумагу из короткого куска прозрачного трубка. Робот мог нести оптическое волокно (для визуального осмотра)
или трубки для подачи или удаления жидкого чистящего средства или агент для отбора проб или для проверки паров.28 Рисунок 2C и дополнительные Видео S4 показывает демонстрацию поворота робота угол; эта демонстрация показывает, что робот может самостоятельно ориентироваться при поворотах — по крайней мере, когда есть только один выбор пути. (Другие конструкции могут сделать управляемый или самостоятельный выбор.)
5cm 0s 1s 2s 24s 3s 36s
Рисунок 2. Демонстрация робота для лазания по трубам в сухом трубы. (A) Один цикл подъема (каждая панель соответствует этапы схемы на рис. 1B). Альпинист движется в вертикальной трубы со скоростью 6 мм/с, с периодом 4 с (на цикл), а расстояние, пройденное за один цикл, составило 2,4 см. Здесь: tei = 0,4 с, ted = 0,1 с, tli = 1 с, tld = 2 с. (B) Восхождение
на трубу робот выполняет задачу очистки внутри трубы, чтобы удалите папиросную бумагу. Робот поворачивает за угол. Робот способен работать под нагрузкой (масса = 1381 г, Дополнительный рисунок S4 и дополнительное видео S5) более чем в 10 раз превышает собственный вес (масса = 98 г), но,
как и ожидалось, увеличение нагрузки приводит к снижению подъема скорость (рис. 3).
Рисунок 3. Характеристика скорости вертикального набора высоты как функция общего веса, который несет трубчатый альпинист, поставка давление и время надувания компенсационного кольца (tei). Исходный давление (P) и вакуум (V) равны 100 и -95 кПа соответственно. Еще одна серия экспериментов была проведена с давление подачи уменьшается вдвое, таким образом, P/2 составляет 50 кПа, а V/2 составляет -47 кПа. Время надувания компенсационного кольца определяет, как сильно альпинист цепляется за трубу и, таким образом, насколько вес, который он может нести. Мы видим, что оба уровня давления может нести аналогичные нагрузки, но, как и ожидалось, при более низком давлении требуют больше времени для достижения того же срабатывания и имеют
низкая скорость сети. Здесь ted = 1 с, tli = 1 с, tld = 2 с, tei разнообразны, как показано в легенде.
Рисунок 4. Демонстрация робота для лазания по трубам во влажных условиях.
(А) Подъемник по трубам движется вертикально за колонной. воды наливается сверху (начальная высота столба составляет *17 см, при массе *480 г). Столб воды оказывает давление около 1,7 кПа. Когда трубчатый альпинист движется, вода льется через альпиниста, потому что уплотнение между робот (сдутое кольцо) и трубка сломана. (Б) Робот, поднимающийся по трубе, перемещается горизонтально по трубе, которая погружается в резервуар с водой и таким образом демонстрирует подводное операция.
Трубчатый альпинист также может работать во влажных условиях, например, в трубке, которую только что осушили (дополнительное Рис. S5), через столб воды (Рис. 4А и Доп. Видео S6), или в трубке, погруженной под воду (рис. 4Б) и дополнительное видео S7), не оказывая отрицательного влияния на производительность. Если альпинист и трубка покрыты маслом, производительность альпиниста страдает от снижения скорости примерно в 3,3 раза, но с минимальной нагрузкой труболаз может все еще работают (дополнительный рис. S6 и дополнительное видео С8). Очень гладкая поверхность, например стекло или пластик, покрытая нефть - очень требовательная среда. Мы ожидаем трубу альпинист, чтобы лучше работать на покрытых маслом шероховатых поверхностях (таких как те, которые содержат ржавый металл или отложения накипи).
Выводы
Описанный здесь робот для лазания по трубам имеет семь потенциально полезные характеристики: (1) изготовлен полностью из мягкого материалов (и, таким образом, может выдерживать большие напряжения, деформации, и удар), (2) он может выдерживать изменения диаметра трубы (как толерантность будет зависеть от эластичности материал, используемый для изготовления колец, и на деталях их конструкция), (3) легкий (плотность эластомеров обычно*1 г/см3, а рабочей жидкостью является воздух), (4) она (в принцип) совместим с мягкими трубами и скользкими поверхностями, например, кровеносные сосуды, трахеи или кишечник, (5) Сила прилипания, действующая на робота, зависит от площади контакта с трубой и, таким образом, может быть увеличен путем разработки более длинные кольца, (6) он может доставлять жидкости (например, моющее средство для уборки, метан для выжигания препятствий) или нести оптические волокна для проверки, и (7) он может работать в заполненная жидкостью трубка.
Экспериментальный
Изготовление и эксплуатация робота для лазания по трубам
Робот был изготовлен в соответствии с ранее описанных методов.8,9 Вкратце, робот для лазания по трубам включает в себя три функциональных блока: ВАМП и два приводимых в действие давлением расширительные кольца. Все три этих подразделения были созданы методом литья реплик. Мы разработали пресс-формы для этих агрегатов с помощью автоматизированного проектирования (SolidWorks) и изготовления их из акрилонитрил-бутадиен-стирольного пластика с использованием 3D принтер (Stratasys Fortus 250mc). Отверждение на основе силикона эластомер (Dragon Skin 10 Medium) против плесени на комнатной температуре (5 ч) были получены две половины ВАМП. Эти две половины были выровнены и склеены вместе, нанеся неотвержденный эластомер на их поверхность перед размещением их в духовку и выдерживание при 60°С в течение 15 мин. Сходным образом, два компенсационных кольца, приводимых в действие давлением, были отверждены, а затем присоединены к VAMP (по одному на каждом конце VAMP). Три пневматические трубки (полиэтиленовая трубка Intramedic, внутренний диаметр 0,76 мм) крепились к конструкции, по одному на каждое из колец и другой для VAMP (как показано на рис. 1).
Пневматические вводы были подключены к любому дому источники вакуума или давления через управляемые клапаны с помощью платы Arduino Uno (дополнительный рисунок S2 и Дополнительная таблица S1). Три функциональных узла (кольца и VAMP) были активированы последовательно (рис. 1B, C), чтобы позволить робот забирается внутрь трубы, как показано на рисунке 2 и Дополнительное видео S1. Трубка, используемая для характеристики экспериментов по скалолазанию. представляет собой трубку из поливинилхлорида с внутренним диаметром 64 мм и длина 315 мм. Масса трубчатого альпиниста сама по себе было 98 гр.
REFERENCES
1. Suzumori K, Iikura S, Tanaka H. Development of flexible microactuator and its applications to robotic mechanisms. Proc 1991 IEEE Int Conf Robot Autom 1991;2:1622-1627.
2. Ilievski F, Mazzeo AD, Shepherd RF, Chen X, Whitesides GM. Soft robotics for chemists. Angew Chem Int Ed 2011; 50:1890-1895.
3. Mosadegh B, Polygerinos P, Keplinger C, Wennstedt S, Shepherd RF, Gupta U, et al.Pneumatic networks for soft robotics that actuate rapidly. Adv Funct Mater 2014;24: 2163-2170.
4. Rus D, Tolley MT. Design, fabrication and control of soft robots. Nature 2015;521:467-475.
5. Jaeger HM. Celebrating soft matter's 10th anniversary: toward jamming by design. Soft Matter 2015;11:12-27.
6. Brown E, Rodenberg N, Amend J, Mozeika A, Steltz E, Zakin MR, et al. Universal robotic gripper based on the jamming of granular material. Proc Natl Acad Sci U S A 2010;107:18809-18814.
7. Wei Y, Chen YH, Ren T, Chen Q, Yan CX, Yang Y, et al. A novel, variable stiffness robotic gripper based on integrated soft actuating and particle jamming. Soft Robot 2016;3:134-143.
8. Yang D, Verma MS, So J-H, Mosadegh B, Keplinger C, Lee B, et al. Buckling pneumatic linear actuators inspired by muscle. Adv Mater Technol 2016;1:1600055.
9. Yang D, Verma MS, Lossner E, Stothers D, Whitesides GM. Negative-pressure soft linear actuator with a mechanical advantage. Adv Mater Technol 2016;2:1600164.
10. Ainla A, Verma MS, Yang D, Whitesides GM. Soft, rotating pneumatic actuator. Soft Robot 2017;4:297-304.
11. Mullin T, Deschanel S, Bertoldi K, Boyce MC. Pattern transformation triggered by deformation. Phys Rev Lett 2007;99:084301.
12. Bertoldi K, Boyce MC, Deschanel S, Prange SM, Mullin T. Mechanics of deformation-triggered pattern transformations and superelastic behavior in periodic elastomeric structures. J Mech Phys Solids 2008;56:2642-2668.
13. Coulais C, Overvelde JTB, Lubbers LA, Bertoldi K, van Hecke M. Discontinuous buckling of wide beams and metabeams. Phys Rev Lett 2015;115:044301.
14. Yang D, Mosadegh B, Ainla A, Lee B, Khashai F, Suo Z, et al. Buckling of elastomeric eams enables actuation of soft machines. Adv Mater 2015;27:6323-6327.
15. Overvelde JT, Kloek T, D'Haen JJ, Bertoldi K. Amplifying the response of soft actuators by harnessing snap-through instabilities. Proc Natl Acad Sci U S A 2015;112:10863-10868.
16. Yang D, Jin L, Martinez RV, Bertoldi K, Whitesides GM, Suo Z. Phase-transforming and switchable metamaterials. Extreme Mech Lett 2016;6:1-9.
17. Liu J, Gu TY, Shan SC, Kang SH, Weaver JC, Bertoldi K.Harnessing buckling to design architected materials that exhibit effective negative swelling. Adv Mater 2016;28: 6619-6624.
18. Gordo JM, Soares CG, Faulkner D. Approximate assessment of the ultimate longitudinal strength of the hull girder. J Ship Res 1996;40:60-69.
19. Bruzek R, Biess L, Al-Nazer L. Development of rail temperature predictions to minimize risk of track buckle derailments. Proc ASME Joint Rail Conf 2013;2013:V001T001 A007.
20. Daerden F, Lefeber D. Pneumatic artificial muscles: actuators for robotics and automation. Eur J Mech Environ Eng 2002;47:11-21.
21. Steltz E, Mozeika A, Rodenberg N, Brown E, Jaeger HM. JSEL: jamming skin enabled locomotion. 2009 IEEE-RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, St. Louis, MO, 2009:5672-5677.
22. Steltz E, Mozeika A, Rembisz J, Corson N, Jaeger HM. Jamming as an enabling technology for soft robotics. Electroactive Polymer Actuators and Devices (EAPAD) 2010, 2010;7642:764225
23. Shepherd RF, Ilievski F, Choi W, Morin SA, Stokes AA, Mazzeo AD, et al. Multigait soft robot. Proc Natl Acad Sci U S A 2011;108):20400-20403.
24. Kim S, Laschi C, Trimmer B. Soft robotics: a bioinspired evolution in robotics. Trends Biotechnol 2013;31:23-30.
25. Wehner M, Tolley MT, Menguc Y, Park YL, Mozeika A, Ding Y, et al. Pneumatic energy sources for autonomous and wearable soft robotics. Soft Robot 2014;1:263-274.
26. Martinez RV, Glavan AC, Keplinger C, Oyetibo AI, Whitesides GM. Soft actuators and robots that are resistant to mechanical damage. Adv Funct Mater 2014;24:3003-3010.
27. Martinez RV, Fish CR, Chen X, Whitesides GM. Elastomeric origami: programmable paper-elastomer composites as pneumatic actuators. Adv Funct Mater 2012;22:1376-1384.
28. Martinez RV, Branch JL, Fish CR, Jin L, Shepherd RF, Nunes RM, et al. Robotic tentacles with three-dimensional mobility based on flexible elastomers. Adv Mater 2013; 25:205-212.
29. Morin SA, Shevchenko Y, Lessing J, Kwok SW, Shepherd RF, Stokes AA, et al. Using ''Click-E-Bricks'' to make 3d elastomeric structures. Adv Mater 2014;26:5991-5999.
30. Morin SA, Kwok SW, Lessing J, Ting J, Shepherd RF, Stokes AA, et al. Elastomeric tiles for the fabrication of inflatable structures. Adv Funct Mater 2014;24:5541-5549.
31. Galloway KC, Lessing JA. Soft retractors. 2015; US2015 0366547 A1. https://www.google.com.na/patents/US2015 0366547?cl=en (accessed November 15, 2017).
32. Tur JMM, Garthwaite W. Robotic devices for water main in-pipe inspection: a survey. J Field Robot 2010;27:491-508.
33. Roh SG, Choi HR. Differential-drive in-pipe robot for moving inside urban gas pipelines. IEEE Trans Robot 2005; 21:1-17.
34. Alcaide JO, Pearson L, Rentschler ME. Design, modeling and control of a SMA-actuated biomimetic robot with novel functional skin. 2017 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA), Singapore, 2017.
