ייצור, בקרה והערכת ביצועים של רובוט רך בהשראת שממית

פרוטוקול זה מספק רשימה מפורטת של שלבים שיש לבצע עבור הייצור, בקרה והערכה של ביצועי הטיפוס של רובוט רך בהשראת שממית.

פרוטוקול זה מציג שיטה לייצור, בקרה והערכה של הביצועים של רובוט רך שיכול לטפס על משטחים שטוחים נטויים עם מדרונות של עד 84°. שיטת הייצור תקפה עבור מנהלי כיפוף pneunet מהיר באופן כללי, ולכן, עשוי להיות מעניין עבור חדשים לתחום ייצור actuator. השליטה ברובוט מושגת באמצעות תיבת בקרה פנאומטית שיכולה לספק לחצים שרירותיים ותוכל להיבנות רק באמצעות רכיבים שנרכשו, חותך לייזר ומגהץ הלחמה. לביצועי ההליכה של הרובוט, כיול זווית הלחץ ממלא תפקיד מכריע. לכן, מוצגת שיטה חצי-אוטומטית לכיול זווית הלחץ. ברמות גבוהות (> 70°), הרובוט כבר לא יכול לתקן את עצמו באופן אמין למטוס ההליכה. לכן, דפוס ההליכה משתנה כדי להבטיח שניתן יהיה לתקן את הרגליים במטוס ההליכה.

האינטראקציה בין בני אדם למכונות הופכת כל הזמן קרובה יותר. צפיפות הרובוטים הגוברת בחברות ובשקי בית מציבה אתגרים חדשים עבור טכנולוגיית הרובוטים. לעתים קרובות, סכנות אינן נכללות בשיטות הפרדה, אך בתחומים רבים, במיוחד במשקי בית, אין זה פתרון משביע רצון. רובוטיקה רכה מתמודדת עם בעיה זו באמצעות תכונות של חומרים ומבנים רכים כדי לפתח סוגים חדשים של מכונות להתנהג כמו אורגניזמים^{חיים 1}, ולכן רובוטים רכים הם לעתים קרובות בהשראת מודלים^{ביולוגיים 2}. רוב הרובוטים הרכים ניתן לסווג לשני סוגים שונים: רובוטים ניידים ורובוטים המיועדים מרתק ומניפולציה³. עבור רובוטים ניידים רכים, עקרונות תנועה טיפוסיים הם זחילה, הליכה, ריצה, קפיצה, טיסה, ושחייה⁴. תחום מעניין נוסף של יישום עבור רובוטים רכים הוא טיפוס – שילוב של תנועה והדבקה⁵. מכונות רכות הן חזקות מאוד ולא יכולות לפגוע בסביבתן בשל רכותן. מאפיין זה מדרג את כיתת הרובוטים הזו לטיפוס, כפי שהם יכולים בקלות לשרוד נפילה. כתוצאה מכך, הספרות מציעה מספר דוגמאות של רובוטים^{רכים המסוגלים לטפס 6,7,8}.

מטרת פרוטוקול זה היא לספק שיטה לייצור, שליטה, ולהעריך את הביצועים של רובוט רך בהשראת שממית, טיפוס⁹. העיצוב שלה מבוסס על השימוש של 10 מפעלי כיפוף רך pneunet^{מהיר עשוי} אלסטומר. עם זאת, ניתן להשתמש גם בעיצוב ו/או חומר רך אחר. הספרות מציעה מגוון רחב של עיצובים שונים של פועלים^{רכים 11} וחומרים מתאימים^12. שיטת הייצור המוצגת דומה לשיטות^{קיימות 13} אך כוללת מספר שינויים היביאו ליכולת חזרה וחוסן מוגברים, לפחות במקרה של רובוט טיפוס^{רך 9}. השיטה תקפה עבור פועלי כיפוף pneunet מהיר באופן כללי, ולכן, עשוי להיות מעניין עבור חדשים לתחום ייצור actuator.

לשליטה ברובוטים רכים פנאומטיים, הספרות מספקת פתרונות שונים. הוא נע בין לוחות בקרה בעלות נמוכה וקל לשכפול^{13 ללוחות חזקים} אך מורכבים^{יותר 14}, שלא ניתן לבנות אותם מחדש ללא כלים מיוחדים. כאן, תיאור קצר מסופק לבניית תיבת בקרה פנאומטית באמצעות חותך לייזר ומגהץ הלחמה בלבד. תיבת הבקרה מאפשרת אספקה של כל לחץ ומציעה משוב חושי בזמן אמת, דבר שחשוב במיוחד עבור יישומי רובוטיקה. עם זאת, ניתן להשתמש בו גם עבור יישומים רבים אחרים.

1. הדפסת תבניות

1. הורד את נתוני *.stl עבור תבניות מהנתונים המשלים 1 "CAD/Moulds/".
2. השתמש בתוכנה הספציפית למדפסת כדי להמיר את דגמי תלת-ממד לעבודת הדפסה.
3. הדפס את התבניות באמצעות מדפסת תלת-ממד.
4. לנקות את התבניות המודפסות על ידי הצבתם במשך 15 דקות באמבטיה אולטראסוניות.
5. מניחים את התבניות למשך 3 שעות לפחות בתא אולטרה-סגול.

2. הכנת האלסטומר

1. לאסוף את הבאים לפני תחילת שלב זה: elastomer (חלק א' וחלק ב'), מרית, פלסטיק, עובש, משקל, מזרק פלסטיק, מלחצי ברגים (או דומה), צלחת זכוכית אקריליק עם שני חורים מתאימים, סכין חותך.
2. מערבבים את חלק א' וחלק ב' של האלסטומר ביחס של 1:9 בספל. מניחים את הספל על מכונה שוקלת. תחילה, הוסף 5 גרם של חלק ב' (אדום כהה). לאחר מכן, באמצעות מרית, להוסיף 45 גרם של חלק A (לבן וצמיגי).
   הערה: ודא שהדיוק של שקילה הוא ל- 1 גרם 50 גרם מספיק למפעל אחד. הדרך הטובה ביותר לחלק חלק א' היא לקחת מרית ולתת לה להתנקז. כ 6 גרם לכל פעולת ניקוז אפשרי עם מרית בשימוש.
3. ממשיכים לערבב עד שלא יהיו יותר אזורים לבנים או אדומים בקצה הספל.
4. מניחים את הספל במשך 15 דקות בתא ואקום כדי להסיר את האוויר הלכוד באלסטומר בשל תהליך ההתעוררות.
5. ממלאים את האלסטומר המעורב במזרק פלסטיק. זה מאפשר אלסטומר להיות ממוקם הרבה יותר מדויק.
   הערה: איור משלים 1 מדגים את שלבי העיבוד המתוארים בסעיף זה.

3. ייצור החלק העליון (חלק בסיס)

1. מהדקים צלחת זכוכית אקרילית עם שני חורים מתאימים על התבנית. מכניסים את המזרק לתוך החור התחתון ולחץ את האלסטומר לתוך התבנית.
2. החל כוח על המזרק על-ידי דחיפת הבוכנה עד שהאלסתומר המעורב יוצא מהחור העליון.
3. שחררו את מלחצי הבורג ווציאו את לוח הזכוכית האקרילי לצדדים.
   הערה: חשוב למשוך אותו לצד ולא כלפי מעלה. אחרת, האלסטומר נשלף מהתבנית.
4. לנקב את בועות האוויר העולה עם כלי חד. לא לנקב עמוק מדי כמו זה ייצור בועות אוויר חדשות במקום להסיר את הקיימים. חשוב במיוחד לנקב את הבועות הגדולות כמו אלה מאוחר יותר ישפיעו באופן משמעותי על הפונקציונליות של המשרת.
   הערה: לחלופין, לפנות את העובש המלא בתא הוואקום כדי להסיר את כל האוויר עדיין לכוד. כאשר עושים זאת, עם זאת, זה יכול לקרות כי בועות האוויר העולה להיתקע על התבנית בדרכם אל פני השטח וליצור חורים בליהוק באזורים רלוונטיים מבחינה פונקציונלית. איור משלים 2 ממחיש תופעה זו.
5. מכניסים את התבנית לתנור ב-65 מעלות צלזיוס למשך 30 דקות.
6. בדוק לאחר 10 דקות אם רמת elastomer ירד באופן משמעותי. זה קורה אם התבנית אינה הדוקה לחלוטין או התעופפה מעט בשל שימוש תכוף. אם הרמה ירדה יותר מ 1 מ"מ, למלא את elastomer. לאחר מכן, המשך לרפא.
7. לאחר כ-30 דקות בסך הכל בתנור, להוציא את התבנית ולחתוך את elastomer בולט עם סכין חותך.
8. פתח את התבנית על-ידי מינוף בנפרד באמצעות מברג. היזהרו לא לפגוע משטחים הרלוונטיים לליהוק.
9. הסר את המפעל הכמעט גמור מהחלק של התבנית אליו הוא נתקע בשלב הקודם.
   הערה: ניתן לבצע בדיקה חזותית ראשונה כאן כדי לראות אם הליהוק הצליח. אם נמצאו פגמים בלתי הפיך (ראה איור משלים 3),יש לעצור כאן את תהליך הייצור. ניתן לתקן חורים קטנים יותר מאוחר יותר. כמו כן, חשוב כי שפת האיטום תבטא ככל האפשר על כל היקףה.
10. תחתוך את כל ה"בונים הבולטים" עם סכין חותך. זה לפעמים מאוד מייגע, אבל חיוני לתוצאה סופית טובה.
    הערה: איור משלים 4 מדגים את שלבי העיבוד המתוארים בסעיף זה. השלבים המתוארים תקפים לליהוק ארבע הרגליים (ניתן למצוא את העובש בקובץ משלים 1 "CAD/Moulds/small_leg_schwalbe*.stl") ושני חלקי הבסיס של פלג הגוף העליון ("CAD/Moulds/small_belly*.stl"). כדי להטיל את כוסות היניקה ," (רגליים של הרובוט ניתן למצוא "CAD / עובשות / יניקהCup *.stl") או בחלק התחתון של פלג הגוף העליון ("CAD / Moulds /small_torso_base1*.stl"), לבצע את אותם שלבים תהליך, למעט שלבים 3.1 ו 3.3 כמו תבניות אלה לליהוק יש יציאה מובנית עבור המזרק ולכן אין צורך נוסף זכוכית acrylic. בסך הכל, לבנות ארבעה חלקי בסיס של הרגל, שני חלקי בסיס של פלג הגוף העליון, חלק תחתון אחד של פלג הגוף העליון, וארבע כוסות יניקה.

4. ייצור חלק תחתון (חלק תחתון)

1. לדחוף צינור סיליקון דרך החורים המסופקים למטרה זו בתבנית של החלק התחתון, ראה דמות משלימה 5.
2. ממלאים את התבנית של חלק הבסיס באלסטומר ומפיצים אותו עם המרית הקטנה עד לפינות.
   הערה: רמת elastomer לא צריך להיות גבוה מ 5 מ"מ ולא נמוך מ 4 מ"מ חייב לכסות לחלוטין את הצינור מוטבע. את התבנית עבור החלק התחתון של הרגליים ניתן למצוא בקובץ משלים 1 "CAD / עובשות / small_base_schwalbe.stl".
3. מכניסים את התבנית לתנור ל-15-20 דקות לריפוי. בשלבים הבאים, יש צורך כי החלק התחתון נשאר בעובש לעת מכן הצטרף לחלק העליון.

5. הצטרפות לבסיס ולחלק התחתון

1. מלאו את התבנית של החלק התחתון באלסטומר כך שהרמה תסתכם ב-1-1.5 מ"מ מעל האלסתומר שכבר התקשה.
2. הכנס נולית פרפר לחלק הבסיס וסמן את אתר הניקוב כך שניתן יהיה למצוא אותו בקלות רבה יותר מאוחר יותר. שלב זה הכרחי כדי לאפשר לאוויר המתרחב בתנור לברוח.
3. מניחים את חלק הבסיס בתבנית התחתונה ולחץ רק על הצדדים מעט לתוך אמבט האלסטומר.
4. מכניסים את המשרת לתנור למשך 10-15 דקות ומסירים את התבנית לאחר מכן.
   הערה: זה צריך להיות קל להסיר את המשרת מהתבנית. אם הוא לא מצליח לעשות זאת, או elastomer עדיין לא נרפא באופן מלא (במקרה זה, להגדיל את זמן הריפוי על ידי 10 דקות יותר) או החלק התחתון תקוע בתבנית (במקרה זה, זה צריך להיות משך קשה יותר). אבל באופן כללי, זה סימן רע אם לא ניתן להשתחרר בקלות.
5. חבר מקור לחץ באמצעות אתר הניקוב מ- 5.2 ובצע את בדיקת הדליפה הסופית, ראה איור משלים 6.
   הערה: אם קיימות דליפות קטנות, ניתן לתקן ן. יישום של אלסטומר קטן עם מרית קטנה ו-10 דקות בתנור אמור לתקן את הדליפה. אם כל הדליפות תוקנו, המפתל מוכן. איור משלים 6 מדגים את שלבי העיבוד המתוארים בסעיף זה ואיור משלים 7 ממחיש את התהליך כולו המתואר בסעיפים 3-5. להצטרפות לבסיס ולחלק התחתון של פלג הגוף העליון, בצע את אותם שלבים, למעט שלב 5.1, שבו תמלא את התבנית אלא את החלק התחתון ישירות.

6. הצטרפות לכל הגפיים

1. לתקן את החלקים להיות מחובר עם מחט סיכה על לוח עץ, כך שהם יכולים להיות מוחזקים יחד בשלב התהליך הבא.
2. לכסות את משטח ההצטרפות עם elastomer כפי שמצג בדמות משלימה 8A. ודא כי משטח ההצטרפות נקי ונקיים משומן. אחרת, החלקים יהיו delaminde בשלב זה.
3. מכניסים את ההרכבה (ראה איור משלים 8B)למשך 10-15 דקות בתנור.

7. הרכבה של צינורות אספקה

1. הרחב את נקודת הכניסה של נוולה הפרפר ממדרגה 5.2 עוד יותר באמצעות מקש אלן 1 מ"מ.
2. מניחים את הקצה של צינור סיליקון בקוטר מרבי של 3 מ"מ מעל החור ולחץ עליו באמצעות מקש Allen.
3. לאטום את המקום עם קצת אלסטומר. זה גם מגן מפני מתח מכני.
4. מכניסים את ההרכבה ל-10 דקות בתנור.
   הערה: איור משלים 9 מדגים את שלבי העיבוד המתוארים בסעיף זה.

8. בניית תיבת הבקרה

1. הורד את הציורים המתאימים *.dxf של הדיור מנתונים משלימים 1 "CAD / ControlBox/" ולחתוך אותם על חותך לייזר.
2. להרכיב את "יחידת ממשק משתמש" בלוח הקדמי על פי איור משלים 10A ודמות משלימה 11.
3. לבנות את שש "יחידות שסתום" על פי דמות משלימה 10B ודמות משלימה 12.
4. להרכיב את שש "יחידות שסתום" ואת "יחידת ממשק משתמש" בלוח התחתון על פי איור משלים 10C, דמות משלימה 13, ודמות משלימה 14. להרכיב את שני לוחות צד ואת הלוח האחורי. אחרון, להרכיב את הלוח העליון.
5. קבע את תצורת שני המחשבים בעלי הלוח הבודד המוטבעים בתיבת הבקרה בהתאם לקובץ משלים 1 והעלה את התיקיה המלאה "קוד" (כולל כל תיקיות המשנה) המסופקת בנתונים משלימים 2 על שני הלוחות.
6. העלה את קובץ ה- Script "קוד/arduino_p_ctr.ino" המסופק בנתונים משלימים 2 אל ששת המיקרו-בקרים המוטבעים בתיבת הבקרה.

9. בניית ספסל בדיקה עם מערכת מדידה משובצת

1. הורד את הציור המתאים *.dxf של בעל המצלמה מנתונים משלימים 1 "CAD / TestBench/" ולחתוך אותו על חותך לייזר.
2. הורד את הקבצים המתאים *.stl של המלחציים מנתונים משלימים 1 "CAD / TestBench" ולהדפיס אותם במדפסת 3D.
3. להרכיב את מחזיק המצלמה עם המלחציים על לוח פוסטר DIN-A1 על פי דמות משלימה 15 ולהרכיב את המצלמה ומחשב לוח יחיד במיקום המיועד.
4. קביעת התצורה של ממשק ethernet ואת הגדרות SSH של המחשב לוח יחיד על פי סעיפים 4-5 של קובץ משלים 1 ולהעלות את התיקיה המלאה "קוד" (נתונים משלימים 2) על הלוח.

10. הגדרת המערכת כולה

1. צור רשת מקומית והקצה את כתובת ה- IP הנכונה מקובץ ה- Script "Code/main.py" לכל המחשבים בלוח יחיד ולמחשב המשמש לניטור - או שכתוב את קובץ ה- Script בהתאם.
2. הכנס מחטי סיכה לשני קצות פלג הגוף העליון כפי שמוצג בדמות משלימה 16, כך שהרובוט יוצר קשר רק עם מטוס ההליכה עם הסיכות וכפות רגליו (כוסות יניקה).
3. הדפס את הסמנים^{החזותיים 15} שסופקו בקובץ משלים 2 על גיליון DIN-A4 וחתוך אותם באמצעות מספריים.
4. חבר את סמנים לרובוט באמצעות מחטי סיכה על פי דמות משלימה 17.
5. חבר את הרובוט לתיא הבקרה.
   הערה: איור 1 מדגים את חיווט המערכת כולה.

11. הפעלת תיבת הבקרה

1. הפעל את המתג הראשי של תיבת הבקרה והמתן עד לאתחול הכל.
2. היכנס למחשב הראשי של לוח יחיד כ-"root" באמצעות SSH, דפדף אל התיקיה "קוד", והתחיל את תיבת הבקרה על-ידי הפקודה "root@beaglebone:~# python3 main.py". באותו זמן, הפעל את הצג במחשב האישי על ידי הפקודה "user@pc:~ python2 monitor.py".
   הערה: שתי התוכניות חייבות לפעול פחות או יותר בו-זמנית. התוכנית "main.py" הפועלת במחשב לוח יחיד בתיבת הבקרה מנסה להתחבר למחשב האישי המשמש לניטור. אם אין יציאת האזנה במחשב האישי (המופעלת על-ידי קובץ ה- script "monitor.py"), הצג לא יופעל. מלבד "monitor.py", כל התוכניות/קבצי ה- Script המשמשים בפרוטוקול זה מיועדים לפעול עם python3.
3. חבר מקור לחץ לתי תיבת הבקרה (סרגל 1.2 לכל היותר).
4. חבר מקור ואקום לתיבת הבקרה.

12. כיול הרובוט

1. שים את הרובוט על המטוס ההליכה של ספסל הבדיקה. עבור שיפועים תלולים, חבר חוט בין חזית הרובוט לבין החלק העליון של המטוס ההליכה כדי להחזיק את הרובוט במקום.
2. בתיבת הבקרה, הפעל את המצב "הפניה לתבנית" על-ידי לחיצה על "מצב 2" כפתור כפיצג באות משלימה 18.
3. גלול בתפריט המוצג ב- LCD באמצעות הלחצנים למעלה ומטה עד שתמצא את הערך "clb". לאחר מכן, לחץ על לחצן enter.
4. גלול בתפריט הבא עד לערך "mode_4.csv" ולחץ עללחצן "enter".
5. על הצג, לחץ על "רשומה" כפתור כפי המוצג באות משלימה 19.
   הערה: לחיצה על "רשומה" כפתור תיצור באופן אוטומטי קובץ *.csv במחשב פיקוח במיקום שצוין ב- "קוד/Src/GUI/save.py:save_last_sample_as_csv()", שהיא התיקיה "current_exp" (מדידות לדוגמה מסופקות בנתונים משלימים 3).
6. בתיבת הבקרה, לחץ על לחצן "פונקציה 1" כדי להתחיל את הליך הכיול.
7. לאחר הכיול, לחץ על "הקלטה" כפתור בצג כדי להפסיק את ההקלטה ואת "הפונקציה 1" כפתור בתיבת הבקרה כדי לעצור את בקר הלחץ.
8. שנה את שם הקובץ "current_exp/*.csv" שנוצר באופן אוטומטי כך שניתן יהיה לזהות אותו באופן ייחודי מאוחר יותר.
9. הפעל את קובץ ה-script "כיול/eval_clb.py" המסופק בנתונים משלימים 4 ולאחסן את הפלט (מקדם של התאמה פולינומיאלית) בקובץ "קוד/Src/בקר/כיול.py" כערך עם מילת המפתח "[גירסת רובוט]" בתוך המילון הקיים.

13. יצירת תבנית הליכה

1. הפעל את קובץ ה- Script "קוד/תבניות/create_pattern.py" ואחסן את הקבצים הפלטיים *.csv בתיקיה "קוד/תבניות/[גרסת רובוט]/".
   הערה: סקריפט זה ממיר את תבנית ההליכה המוגדרת מראש עבור הליכה^{ישרה 8} (ראה איור משלים 20A או הנפשה משלימה 1)ניסח הפניות זווית הפניות לחץ ספציפי לרובוט. כדי ליצור תבנית הליכה עבור שיפועים תלולים, שנה את התסריט על-ידי ביטול פעולה של קו 222. זה ייצור תבנית על פי דמות משלימה 20B או הנפשה משלימה 2. הממשק עבור הפניות לתבניות המסופקות על-ידי תיבת הבקרה מורכב מקבצי *.csv שבהם כל שורה מגדירה נקודת הגדרה דיסקרטית עבור כל המפעלים. בכך, שמונה העמודות הראשונות מגדירות את לחצי ההפניה, ארבע העמודות הבאות מגדירות את ההפניות לשסתומי המשחק הישיר, והעמודה האחרונה מגדירה את השעה שבה יש להחזיק נקודה מוגדרת זו.
2. סנכרן את המחשב בלוח יחיד בתיבת הבקרה עם המחשב האישי, כלומר, העלה את התיקיה "קוד/תבנית/*" ללוח. לשם כך, יש להפריע לתוכנית "main.py" (Ctrl+C).

14. ביצוע ניסוי הטיפוס

1. בצע את שלבים 11-13 כדי שכל נטייה תיבדק.
2. מקם את הרובוט בנקודה המסומנת על המטוס ההליכה.
3. בחר הפניה לתבנית כמתואר בשלבים 12.2-12.4, אך בחר בתפריט הראשון את "גרסת הרובוט" הרצויה (במקום "clb"), ובתפריט השני את ההפניה לתבנית בהתאם לנטייה הנוכחית (במקום "mode_4.csv").
4. התחל להקליט כמתואר בשלב 12.5.
5. לחץ על "פונקציה 1" כפתור כדי להפעיל את בקר הלחץ.
6. תן לרובוט ללכת / לטפס לפחות 6 מחזורים.
7. הפסק להקליט על-ידי לחיצהעללחצן " הקלטה " בצג (כמו בשלב 12.7).
8. ודא הרובוט לא ייפול בעת ביצוע השלב הבא.
9. עצור את בקר הלחץ על-ידי לחיצה נוספת על לחצן "פונקציה 1". זה גם יעצור את אספקת הוואקום, וכתוצאה מכך הרובוט ייפול.
10. העבר את הקובץ *.csv שהוקלט לתיקיה "ExpEvaluation/[גירסת רובוט]/[סוג תבנית]/[נטייה]/".
    הערה: חזור על כל הפעלה לפחות חמש פעמים כדי שיהיה בסיס מלא לשלב הבא.

15. הערכת הניסוי

1. הפעל את קובץ ה-script "ExpEvaluation/eval_vS11_adj_ptrn.py" המסופק בנתונים משלימים 5 כדי להתכוון באופן אוטומטי על כל נתוני המדידה.
   הערה: סקריפט זה פלט את המסלול של כל הרגליים, הלחץ המיושם לאורך זמן, זווית כיפוף נמדד של כל הגפיים לאורך זמן, המהירות של הרובוט לאורך זמן, הכיוון של הרובוט לאורך זמן, המהירות ממוצעת על נטייה (cf. איור 2A),וaximation של האנרגיה המשמשת על נטייה (cf. איור 2B).

הפרוטוקול המוצג ים שלושה דברים: רובוט טיפוס רך, תיבת בקרה ישימה אוניברסלית, ואסטרטגיית בקרה לתנועה ישרה של הרובוט שמגבירה את יכולתו לטפס ובאותה עת מפחיתה את האנרגיה הנצרכת שלו. תיבת הבקרה המתוארת בסעיף 8 מאפשרת אספקה רציפה של כל רמת לחץ רצויה עד שישה ערוצים (הניתנת להרחבה לשמונה) ובנוסף בארבעה ערוצים אספקת ואקום (ניתן להרחבה כנדרש). "יחידת ממשק המשתמש" מאפשרת למשתמש להפעיל בקלות את תיבת הבקרה בזמן ריצה והממשק לצג מאפשר להציג את הנתונים הנמדדים באופן ישיר ולהיות שמורים כקובץ csv. מצב ההפניה לתבנית של תיבת הבקרה מספק למשתמש ממשק אינטואיטיבי ללולאה של תבניות מוגדרות מראש. זה יכול להיות דפוס ההליכה של הרובוט, כמו בפרוטוקול זה, או שזה יכול לשמש לבדיקת עייפות מהפעלה, או כל יישום אחר הדורש טעינה מחזורית. איור 1 מתאר את כל רכיבי החומרה המורכבים בתיבת הבקרה ובמערכת המדידה וכיצד הם מחוברים.

תבנית ההליכה עבור התנועה הישרה של הרובוט מנוסחת באזכורים זוויתיים⁸. כדי להפעיל את הרובוט, יש להמיר את הפניות זוויתיות אלה לאזכורי לחץ. אסטרטגיית הבקרה המשמשת בפרוטוקול זה מבוססת על כיול לחץ זווית קודם. כל שיטה של כיול גורמת לעקומת לחץ אלפא שונה. לכן, יש צורך להתאים את הליך הכיול לתנאי ההפעלה האמיתיים ככל האפשר. בעת שינוי זווית הנטייה של מישור ההליכה, תנאי ההפעלה משתנים גם כן. לכן, יש לכייל מחדש את עקומת לחץ הזווית עבור כל נטייה. איור 2A מראה את מהירות הרובוט עבור שיפועים שונים עם כיול ללא שינוי ועקומה מכוילת מחדש של לחץ זווית. הניסוי מראה בבירור את היעילות של הכיול מחדש. הרובוט מכויל מחדש הוא לא רק הרבה יותר מהר, הוא גם מסוגל לטפס שיפועים תלולים יותר (84° במקום 76°) תוך^{צריכת פחות אנרגיה 9} כפי שמתואר איור 2B. באיור 3,סדרה של תצלומים של תנועת הרובוט מוצגת לנטייה של 48°. הנתון ממחיש בבירור כי ביצועי הטיפוס עם כיול מחדש המוצגים באיון 3B טובים בהרבה מאשר עם כיול ללא שינוי המוצג באיון 3A כאשר השינוי במיקום באותו מרווח זמן גדול כמעט פי שניים. הרובוט הזה יכול לנוע מהר מאוד בהשוואה לרובוטים רכים אחרים. קין ואח'^{7 מסכמים} את המהירות קדימה של רובוטים רכים שונים. ללא מטען ובמיששור האופקי, הרובוט המתואר בפרוטוקול זה מהיר פי חמישה ביחס לאורך הגוף מאשר הרובוט המהיר ביותר ב- Ref.⁷.

איור 1: דיאגרמה של רכיבי חומרה המורכבים בתיבת הבקרה. בכך מציין את התייחסות הלחץ עבור הערוץi-th, u i_אות הבקרה של השסתום הפרופורציונלי i-th,הווקטור המכיל את הפניות זוויתי, α הווקטור המכיל את מדידות זווית, x וקטור המכיל את מדידות המיקום, ו ơ וקטור המכיל את אותות הבקרה עבור שסתומי solenoid פעולה ישירה, כלומר, מצבי קיבעון של הרגליים. ממשק המשתמש הוא קיצור של "יחידת ממשק משתמש", BBB הוא קיצור עבור BeagleBone שחור, כלומר, המחשב לוח יחיד המשמש בתיבת הבקרה, RPi הוא קיצור של פטל Pi, כלומר, המחשב לוח יחיד המשמש במערכת המדידה. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של נתון זה.

איור 2: הערכת ביצועי הטיפוס. עקומות מקווקות מציגות את הערכים עבור עקומות קבועות ומוצקות עבור הפניות ללחץ מכוילות מחדש. (א)מהירות קדימה של הרובוט עבור זוויות נטייה שונות. (ב)צריכת אנרגיה מזוויות נטייה שונות. נתון זה מותאם מתוך אסמכת^9. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של נתון זה.

איור 3: סדרת תמונות של תנועת הרובוט בנטייה של 48°. הזמן שחלף בין כל תמונה הוא 1.2 s. (A) תנועה עבור הפניות לחץ קבוע ו -(ב)התנועה עבור הפניות לחץ כייל מחדש. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של נתון זה.

איור משלים 1: הכנת האלסטומר. אנא לחץ כאן כדי להוריד דמות זו.

איור משלים 2: השוואה של היווצרות בועת אוויר במהלך פינוי לפני ואחרי הליהוק. (א)פינוי האלסטומר מתבצע רק לפני הליהוק. בועות אוויר לכודות נשארות במקומן, אך הן נמצאות יותר באזור הבליטות, מה שלא משפיע באופן משמעותי על הפונקציונליות של המשרת. הפינוימתבצעלפני ואחרי הליהוק. בועות אוויר לכודות לעלות אבל להיתקע שוב בצד העליון של היתד וליצור חורים במפעל אשר יכול להשפיע על הפונקציונליות. אנא לחץ כאן כדי להוריד דמות זו.

איור משלים 3: דוגמאות לליהוקים מוצלחים ולא מוצלחים שנרפאו. שורה עליונה מציגה דוגמאות מוצלחות ודוגמאות לא מוצלחות לשורה התחתונה. אם הפגם אינו ניתן לזיהוי בבירור, הוא מסומן בעיגול ירוק. אנא לחץ כאן כדי להוריד דמות זו.

איור משלים 4: ייצור החלק הבסיסי. אנא לחץ כאן כדי להוריד דמות זו.

איור משלים 5: ערכה לייצור החלק התחתון. צינור (אשר משמש מאוחר יותר כמו צינור האספקה לגביע יניקה) מהודק לתוך התבנית לפני הליהוק. לאחר מכן, העובש מלא באלסטומר נוזלי. אנא לחץ כאן כדי להוריד דמות זו.

איור משלים 6: הצטרפות לחלק הבסיס והתחתון. אנא לחץ כאן כדי להוריד דמות זו.

דמות משלימה 7: יציקת למינציה של מפעל כיפוף רך. אלסטומר נוזלי מיוצג באדום, אלסטומר נרפא באדום בהיר, ואת השכבה מגבילה את המתח, כמו גם את התבניות בשחור. (א)אלסטומר מעורב מוזג לשתי תבניות נפרדות – אחת לחלק הבסיס והשנייה לחלק התחתון. בכך, החלק התחתון הוא רק חצי מלא. שכבה המגבילה את המתח (צינור אספקה) מוכנסת לאחר מכן לתבנית החלק התחתון. (ב)החלקים נרפאו וחלק הבסיס הוא demolded. (ג)העובש בחלק התחתון מלא למעלה עם אלסטומר נוזלי. חלקהבסיסטבול בתבנית זו. שניEהחלקים נרפאו יחד. (ו)המשרת הוא demolded. נתון זה מבוסס על^{אסמ' 13}. אנא לחץ כאן כדי להוריד דמות זו.

דמות משלימה 8: הצטרפות לכל הגפיים. (א)מכסה את המשטחים כדי להיות מחובר עם אלסטומר נוזל. (ב)תצוגה מעובדת של ההרכבה המלאה. אנא לחץ כאן כדי להוריד דמות זו.

איור משלים 9: הרכבת צינורות האספקה. אנא לחץ כאן כדי להוריד דמות זו.

איור משלים 10: תצלומים של תיבת הבקרה. (א)תצוגה קדמית של יחידת ממשק המשתמש המאפשרת למשתמש לקיים אינטראקציה עם הרובוט. (ב)תצוגת פירוט של יחידת שסתום. תצוגהלמעלהשל תיבת הבקרה כולה. אנא לחץ כאן כדי להוריד דמות זו.

איור משלים 11: דיאגרמת מעגל של יחידת ממשק המשתמש. אנא לחץ כאן כדי להוריד דמות זו.

איור משלים 12: דיאגרמת מעגל של יחידת השסתום. אנא לחץ כאן כדי להוריד דמות זו.

איור משלים 13: דיאגרמת מעגל פשוטה יותר של תיבת הבקרה כולה. אנא לחץ כאן כדי להוריד דמות זו.

איור משלים 14: דיאגרמה של פינים משומשים של מחשבים בעלי לוח יחיד המוטבעים בתיבת הבקרה. (א)סיכות משומשות של הלוח הדרושות לתקשורת עם המשתמש. (ב)סיכות משומשות של הלוח הדרוש לבקרת רובוטים. אנא לחץ כאן כדי להוריד דמות זו.

איור משלים 15: תצוגה מעובדת של מישור ההליכה עם מערכת מדידה מותקנת. אנא לחץ כאן כדי להוריד דמות זו.

איור משלים 16: הדמיה של אפקט ההרמה. מחטי סיכה עם ראשים 6 מ"מ מוכנסים לשני הקצוות של פלג הגוף העליון. פעולה זו ממזערת חיכוך במהלך הליכה וגורם כוסות יניקה יש מגע מלא עם מטוס ההליכה. אנא לחץ כאן כדי להוריד דמות זו.

איור משלים 17: הרכבה של סמנים חזותיים. סמנים מותקנים על הרובוט באמצעות מחטי סיכה. מרקר 0 מותקן ברגל שמאל הקדמית, סמן 1 בחזית פלג הגוף העליון, סמן 2 ברגל ימין קדמית, סמן 3 ברגל שמאל האחורית, סמן 4 בגב פלג הגוף העליון, וסמן 5 ברגל ימין האחורית. עבור ההרכבה של סמן 4, שלוש מחטי סיכה משמשים דמות זו מותאמת מ- Ref.⁹. אנא לחץ כאן כדי להוריד דמות זו.

איור משלים 18: מקרא של לחצנים של תיבת הבקרה. אנא לחץ כאן כדי להוריד דמות זו.

איור משלים 19: מקרא של לחצנים של ממשק המשתמש הגרפי. אנא לחץ כאן כדי להוריד דמות זו.

דמות משלימה 20: דפוסי הליכה לתנועה ישרה של הרובוט. רגליים קבועות מסומנות על ידי עיגולים מלאים וכפות רגליים לא קבועות על ידי עיגולים לא מלאים. (א)תבנית הליכה עבור זוויות נטייה נמוכה ומתונה (< 70°). (ב)תבנית הליכה לנטיות גבוהות (> 70°). ואקום מוחל על רגליים אדומות ושחורות מלאות. רגליים שחורות מלאות קבועות לקרקע, בעוד רגליים אדומות לא בהכרח חייבות להיות. על מנת לאבטח את קיבעון, הרגל שיש לתקן הוא התנדנד קדימה ואחורה פעם אחת. נתון זה מותאם מתוך אסמכת^9. אנא לחץ כאן כדי להוריד דמות זו.

דמות משלימה 21: מבט פיצוץ מעובד של רובוט טיפוס רך. Dovetails ממוקמים ברגליים וכבישי מפתח מתאימים בקצות פלג הגוף העליון. זה הופך את תהליך ההצטרפות להרבה יותר מדויק. נתון זה מותאם מתוך אסמכת^9. אנא לחץ כאן כדי להוריד דמות זו.

איור משלים 22: הליכי כיול שונים לקביעת עקומת זווית הלחץ. כל תת-תצורה מציגה את מסלול הלחץ איכותי ותצלומים של תנוחת הרובוט המתאימה. (A)כל מפעיל מנופח ברציפות החל מ-0 בר עד 1 בר, בעוד כל האחרים נשארים ללא לחץ. (ב)רמת לחץ מוחלת על מפעיל יחיד עבור 3 s; לאחר מכן, הוא deflated לחלוטין עבור 2 s. בסיבוב הבא, רמת רמת הלחץ גדלה על ידי ההפרש עד הרמה מגיעה 1 בר. הדבר נעשה עבור כל מפעל בנפרד. (ג)אותו הליך כמו במצב 2, אך כאן, אותה רמה מוחלת על פועלים (0,3,4), בהתאמה למפעלים (1,2,5), בו-זמנית. (D)אותו הליך כמו במצב 3, אך מישור למפעלים (0,3) מתחיל ב- 0 בר (כמו קודם) ומסתיים בבר 1.2 (במקום בר אחד). בעיקרון, ההפרש למפעלים (0,3) גדל מעט, בעוד המותם עבור המפעלים האחרים נשארים זהים. אנא לחץ כאן כדי להוריד דמות זו.

איור משלים 23: עקומות לחץ זווית עבור הליכי כיול שונים. אנא לחץ כאן כדי להוריד דמות זו.

אנימציה משלימה 1: אנימציה של ההליכה הישרה של הרובוט. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

אנימציה משלימה 2: אנימציה של הליכה טיפוס של הרובוט. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

קובץ משלים 1: הוראות להגדרת התצורה של המחשבים בלוח יחיד. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

קובץ משלים 2: הדפס תבנית עבור סמנים חזותיים. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

נתונים משלימים 1: קבצי CAD. תיקיה זו עם רוכסן מכילה את קבצי *.stl להדפסת התבניות, את קבצי *.dxf לחיתוך לייזר של תיבת הבקרה, את קבצי *.stl להדפסת המלחציים המשמשים למערכת המדידה ואת קובץ *.dxf לחיתוך לייזר במסגרת מערכת המדידה. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

נתונים משלימים 2: קוד לפעול במחשבים חד-לוחות. תיקיה זו עם רוכסן מכילה את התוכניות ואת המקורות שלהן הפועלים על הלוח המשמש עבור "יחידת ממשק המשתמש", הלוח המשמש לבקרת רובוטים, והלוח המשמש לעיבוד תמונה. העלה את התיקיה המלאה לכל שלושת הלוחות. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

נתונים משלימים 3: נתוני מדידה למופת. תיקיה זו דחוסה ב- zip מכילה שני קבצי *.csv שנוצרו במהלך הליך הכיול. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

נתונים משלימים 4: סקריפט כיול. תיקיה זו דחוסה ב- zip מכילה את קובץ ה- Script של הפיתון ואת מקורותיה להערכת נתוני המדידה שנוצרו במהלך הליך הכיול. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

נתונים משלימים 5: סקריפט הערכה. תיקיה זו דחוסה ב- zip מכילה שני סקריפטים של פיתון ומקורותיהם להערכת נתוני המדידה שנוצרו במהלך ניסוי הטיפוס. בנוסף, הוא מכיל את כל נתוני המדידה המשמשים לדור איור 2. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

הפרוטוקול המוצג כולל היבטים רבים ושונים הקשורים לרובוט הרך הטיפוסי מ-^{Ref. 9}, כולל ייצור, בקרה, כיול והערכת ביצועים. להלן, היתרונות והחסרונות הנובעים מהפרוטוקול נדונים ומומבנה על פי ההיבטים שהוזכרו לעיל.

שיטת הייצור המוצגת מבוססת במידה רבה על הספרות הקיימת^10,13. הבדל משמעותי הוא העיצוב של המשרת. כדי להצטרף לגפיים הבודדות, מדריכי dovetail מוכנסים בנקודות המתאימות, כפי שהוצג בדמות משלימה 21. התוצאה היא חיבור הרבה יותר מדויק וחזק בין הגפיים בהשוואה לעיצוב הקודם של הרובוט⁸. יתר על כן, צינורות האספקה מוטבעים בחלק התחתון של המפעלים. עיצוב משולב זה מאפשר לספק את כוסות היניקה עם ואקום ובאותה עת הופך את השכבה התחתונה לבלתי ניתנת למתיחה, מה שמגביר באופן משמעותי את ביצועי המשרת. הבדל נוסף בהליך המתואר בספרות הוא שהאלסתומר המעורב מפונה פעם אחת בלבד (מיד לאחר ערבוב). מקורות רבים ממליצים לפנות את האלסטומר פעמיים: פעם אחת לאחר ערבוב ופעם אחת לאחר מילויו בתבנית. ייתכן שאוויר נשאר לכוד בחללים קטנים מאוד. בתא הוואקום, אוויר זה מתרחב ובמקרה הטוב עולה על פני השטח. לעתים קרובות מספיק, עם זאת, בועות אוויר אלה להיתקע בדרכם, יצירת חורים לא נעימים בליהוק סיים. כאן, יש לקבל החלטה לגבי מה חשוב יותר: קווי מתאר מושלמים בצד התחתון של חלק הבסיס או סיכון קטן ככל האפשר של ייצור מפעל לא פונקציונלי (cf. איור משלים 2). בפרוטוקול זה, לא מתבצע פינוי שני. בהליך שהוצג, גובה החלק התחתון עשוי להשתנות בהתאם לתום באופן ידני, ובניגוד לחלק הבסיס, אין אפשרות לחתוך אותו לגובה אחיד לאחר הריפוי. כדי להבטיח כי הגובה של החלק התחתון הוא אחיד ככל האפשר, מומלץ להשתמש במזרק בעת מילוי התבנית של החלק התחתון כדי למדוד את עוצמת הקול שנשפך פנימה עם זאת, בהתאם לכמה זמן חלף מאז ערבוב, מאפייני הזרימה של elastomer לשנות באופן משמעותי. לכן, מומלץ תמיד להשתמש elastomer מעורב טרי. הצטרפות לבסיס והחלק התחתון של המשרת כרוכה באי-ודאות התהליך הגדול ביותר. אם אמבט האלסטומר גבוה מדי, סביר להניח שגם ערוץ האוויר בין התאים יהיה מכוסה. לאחר מכן, המשרת כבר לא שנוא. אם אמבט האלסטומר נמוך מדי, ייתכן שפת האיטום לא תסתה בכל היקףה והמשרת ידלוף. לכן, זה לוקח כמות מסוימת של תרגול כדי מינון אמבט elastomer כראוי. חשוב להצטרפות באופן כללי הוא משטח הצטרפות ללא שומן. אם משטח ההצטרפות מזוהם מדי, המאקטיביע המוגמר עלול להירר. לכן, חיוני לוודא כי החלקים נגעו רק על משטחים שאין להצטרף. מגבלה עיקרית של שיטת הייצור היא מספר החלקים שיש להתממש. הייצור של מפעל יחיד לוקח לפחות שעתיים בסך הכל. למרות שאפשר לעבוד עם מספר תבניות במקביל, יותר מארבעה אינו מומלץ בשל אילוצי זמן. חיי הסיר של האלסטומר קצרים מדי כדי להיות מסוגל למלא עוד יותר תבניות. בנוסף, התבניות המודפסות בתלת-ממד עומדות רק במספר מוגבל של מחזורי ייצור (כ- 10-20) לפני שהן הופכות מעוותות מאוד או נשברות. מגבלה נוספת היא אי הוודאות בתהליך שכבר נידונה. מאז כמעט כל שלבי התהליך מבוצעים באופן ידני, כל מפעל הוא קצת שונה. זה יכול להוביל לשני רובוטים זהים בבנייה אבל להראות שתי התנהגויות שונות מאוד.

עם תיבת הבקרה, מסופקת שיטה לשליטה ברובוט. אף על פי כן, עבור כל מערכת פנאומטית, יש לקבוע את רווחי הבקרה של התסריט "קוד/arduino_p_ctr.ino" בנפרד. תסה זה אינו מכוסה בפרוטוקול. עם זאת, "מצב התייחסות לחץ" של תיבת הבקרה מאפשר טיפול שובב של הרובוט, כך כוונון בקר יכול להיעשות מבלי לכתוב מספר סקריפטים. מגבלה נוספת של תיבת הבקרה היא עלותה כאשר החומר עולה כ-7,000 דולר בסך הכל. הספרות¹¹ מציעה הוראת בנייה עבור תיבת בקרה שעולה רק כ 900 US$ ועם כמה שדרוגים יכול לשמש גם להפעלת הרובוט.

קריטי לכיול של המפעלים הבודדים הוא הבחירה של הליך הכיול. איור משלים 22 מציג את המסלול איכותי של הפניות לחץ לאורך זמן עבור ארבעה הליכים שונים איור משלים 23 מראה את עקומות לחץ זווית וכתוצאה מכך. כפי שניתן לראות באחרון, כל שיטה של כיול גורמת עקומת זווית-לחץ שונה. זה מראה כי הקשר בין לחץ וזווית תלוי מאוד עומס פועל על מפעיל. לכן, הליך הכיול חייב לשקף את מקרה העומס האמיתי בצורה הטובה ביותר האפשרית. כתוצאה מכך, יש צורך להתאים את הליך הכיול לתנאי ההפעלה האמיתיים ככל האפשר. ביצועי ההליכה הטובים ביותר מתקבלים עם הליך כיול 4. עם זאת, כפי שניתן לראות באות 3B, התנוחות הבאות בסדרה אינן סימטריות לחלוטין, מה שמהווה אינדיקטור לפוטנציאל של שיפור כיול.

קריטי למערכת המדידה היא הרכבה של סמנים חזותיים¹⁵ בסעיף 10. מכיוון שלא ניתן להרכיב אותם ישירות בנקודות הרצויות (מכיוון שהצינורות מפריעים), יש להזיז את הנקודות הנמדדות באופן מלאכותי. יש לנקוט בזהירות מיוחדת בעת קביעת וקטור היסט זה (בנקודות ציון של פיקסלים של המצלמה); אחרת, המדידה כולה תכוונו לשגיאות שיטתיות משמעותיות. כמו כן, יש לוודא כי התגים אינם נעים עם הזמן. אם זה קורה, למשל, עקב נפילת הרובוט, יש למקם מחדש את התג המתאים בדיוק באותו מקום. בכל מקרה, יש לבדוק באופן קבוע אם מערכת המדידה עדיין מייצרת פלט אמין.

הגורם המגביל בניסוי הוא קיבעון כפות הרגליים. על מנת להיות מסוגל לטפס עוד יותר נטיות תלולות, מנגנון קיבעון יש לשקול מחדש. כיום, הרובוט אינו מסוגל לדחוף את רגליו באופן פעיל כנגד מישור ההליכה, ולנטיות גבוהות, הכוח הרגיל הנגרם על ידי כוח הכבידה קטן מדי כדי לקרב את כוסות היניקה קרוב מספיק למטוס ההליכה כדי להבטיח שאיבה אמינה.

שיטת הייצור המוצגת יכולה להיות מועברת לכל מנהג אלסטומר נוזלי, ולכן יכולה להיות מעניינת עבור יישומים עתידיים. תיבת הבקרה המוצגת מאפשרת שליטה בכל מערכת פנאומטית המורכבת משישה פועלים בודדים (הניתנים להרחבה עד שמונה), כולל פלטפורמות רובוטיות מכיוון שהם דורשים משוב חושי מהיר. לכן, זה יכול לשמש כפלטפורמה אוניברסלית לבדיקה ושליטה רובוטים עתידיים. לבסוף, שיטת הכיול המוצגת יכולה להיות, באופן עקרוני, לכל מערכת פנאומטית מבוקרת בהזנה קדימה. לסיכום, כל השיטות המוצגות הן אוניברסליות בטווח הנדון.

המחברים מצהירים כי אין להם אינטרסים כלכליים מתחרים.

המחברים אוהבים להודות ל-Fynn Knudsen, ארווינדה בהארי ויעקב מות'ינסקי על הדיונים המועילים וההשראה.