Integrated Design and Fabrication of Pneumatic Soft Robot Actuators in a Single Casting Step
作者: Afonso Silva, Diogo Fonseca, Diogo M. Neto, Mihail Babcinschi, Pedro Neto
分类: cs.RO
发布日期: 2024-07-18
期刊: Cyborg Bionic Syst. 2024;5:0137
💡 一句话要点
提出单步铸造法，集成设计与制造气动软体机器人执行器
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 软体机器人 气动执行器 单步铸造 熔丝制造 有限元分析
📋 核心要点
- 现有软体机器人的制造流程复杂，依赖迭代设计，耗时且成本高昂，限制了其广泛应用。
- 本文提出一种单步铸造方法，通过FFF打印模具和水溶性芯，结合有限元分析优化设计，简化制造流程。
- 实验验证了该方法制造的执行器可用于蚯蚓机器人、四足机器人和机器人夹持器，证明了其有效性。
📝 摘要（中文）
受生物启发的软体机器人已展现出处理不确定性和适应非结构化环境的能力。然而，其应用受到耗时、昂贵且高度依赖人工监督的设计-制造过程的限制，这些过程通常基于资源密集型的迭代工作流程。本文提出了一种集成方法，旨在通过单步铸造完成气动软体执行器的设计和制造。使用熔丝制造（FFF）技术打印模具和可牺牲的水溶性空心芯。加热水循环加速芯材的溶解，并保证其从执行器壁中完全移除，同时通过有限元分析（FEA）确定执行器的机械可操作性。这使得能够在最小的监督下制造具有非均匀横截面的执行器，从而减少设计和制造过程中所需的迭代次数。设计、制造和集成了三种能够弯曲和线性运动的执行器，并将它们展示为三种不同的仿生软体机器人：一种受蚯蚓启发的机器人、一种四足机器人和一个机器人夹持器。我们证明了所提出方法的可用性、通用性和有效性，有助于加速软体机器人的设计和制造。这项研究代表着朝着以更低的成本提高软体机器人可及性迈出的一步。
🔬 方法详解
问题定义：现有软体机器人的制造过程通常需要多个步骤，包括模具设计、零件制造、组装等，耗时且成本高昂。此外，设计过程往往需要多次迭代，以优化执行器的性能。现有方法缺乏一种高效、低成本的集成设计与制造方案。
核心思路：本文的核心思路是通过单步铸造法，将软体执行器的设计和制造过程集成在一起。利用FFF打印技术制造模具和可牺牲的水溶性空心芯，然后将弹性材料注入模具中，待固化后溶解芯材，即可得到具有复杂内部结构的软体执行器。这种方法减少了制造步骤和迭代次数，降低了成本。
技术框架：该方法主要包含以下几个阶段： 1. 执行器设计：使用有限元分析（FEA）优化执行器的几何形状和材料参数，以满足特定的运动需求。 2. 模具和芯材制造：使用FFF打印技术制造模具和可牺牲的水溶性空心芯。 3. 单步铸造：将弹性材料注入模具中，待固化后，使用加热水循环溶解芯材。 4. 集成与测试：将制造好的执行器集成到软体机器人中，并进行性能测试。
关键创新：该方法最重要的技术创新点在于将软体执行器的设计和制造过程集成到一个单步铸造过程中。与传统方法相比，该方法无需复杂的组装过程，减少了制造步骤和迭代次数，降低了成本。此外，使用水溶性芯材可以制造具有复杂内部结构的执行器。
关键设计： * 模具设计：模具的设计需要考虑材料的收缩率、脱模角度等因素，以保证制造出的执行器具有良好的尺寸精度和表面质量。 * 芯材选择：选择易于溶解、无毒的水溶性材料作为芯材，并优化溶解工艺，以保证芯材能够完全从执行器壁中移除。 * 有限元分析：使用有限元分析软件对执行器的力学性能进行仿真，优化执行器的几何形状和材料参数。
📊 实验亮点
论文成功设计、制造并集成了三种不同的软体机器人：蚯蚓机器人、四足机器人和机器人夹持器。这些机器人能够实现弯曲和线性运动，验证了所提出方法的有效性。通过有限元分析优化设计，减少了设计迭代次数，提高了制造效率。该方法有望降低软体机器人的制造成本，提高其可及性。
🎯 应用场景
该研究成果可应用于医疗康复、柔性夹持、探索搜救等领域。单步铸造法降低了软体机器人的制造成本和复杂度，使其更容易被研究人员和工程师使用，从而加速软体机器人在各个领域的应用。未来，该方法有望推广到其他类型的软体机器人和柔性电子器件的制造中。
📄 摘要（原文）
Bio-inspired soft robots have already shown the ability to handle uncertainty and adapt to unstructured environments. However, their availability is partially restricted by time-consuming, costly and highly supervised design-fabrication processes, often based on resource intensive iterative workflows. Here, we propose an integrated approach targeting the design and fabrication of pneumatic soft actuators in a single casting step. Molds and sacrificial water-soluble hollow cores are printed using fused filament fabrication (FFF). A heated water circuit accelerates the dissolution of the core's material and guarantees its complete removal from the actuator walls, while the actuator's mechanical operability is defined through finite element analysis (FEA). This enables the fabrication of actuators with non-uniform cross sections under minimal supervision, thereby reducing the number of iterations necessary during the design and fabrication processes. Three actuators capable of bending and linear motion were designed, fabricated, integrated and demonstrated as three different bio-inspired soft robots, an earthworm-inspired robot, a four-legged robot, and a robotic gripper. We demonstrate the availability, versatility and effectiveness of the proposed methods, contributing to accelerating the design and fabrication of soft robots. This study represents a step toward increasing the accessibility of soft robots to people at a lower cost.