Gecko에서 영감을 받은 소프트 로봇의 제조, 제어 및 성능 평가

이 프로토콜은 도마뱀에서 영감을 받은 소프트 로봇의 등반 성능의 제조, 제어 및 평가를 위해 수행할 단계의 자세한 목록을 제공합니다.

이 프로토콜은 최대 84°의 경사면으로 경사평평한 표면을 등반할 수 있는 소프트 로봇의 성능을 제조, 제어 및 평가하는 방법을 제시합니다. 제조 방법은 일반적으로 빠른 공압 구부리기 액추에이터에 유효하며, 따라서 액추에이터 제조 분야의 신규 이민자에게 흥미로울 수 있습니다. 로봇의 제어는 임의의 압력을 제공 할 수있는 공압 제어 상자를 통해 달성되며 구입 한 구성 요소, 레이저 커터 및 납땜 철을 사용하여만 제작 할 수 있습니다. 로봇의 보행 성능을 위해 압력 각도 교정이 중요한 역할을 합니다. 따라서 압력 각도 보정을 위한 반자동 방법이 제시된다. 높은 경사(> 70°)에서 로봇은 더 이상 보행 비행기에 안정적으로 고정할 수 없습니다. 따라서 보행기 패턴이 수정되어 보행 평면에 발을 고정할 수 있도록 합니다.

인간과 기계 간의 상호 작용은 끊임없이 가까워지고 있습니다. 기업과 가정에서 로봇 밀도가 증가함에 따라 로봇 기술에 새로운 도전이 되고 있습니다. 종종 위험은 분리 방법에 의해 배제되지만, 많은 지역, 특히 가정에서 이것은 만족스러운 해결책이 아닙니다. 소프트 로봇공학은 소프트 소재와 구조물의 특성을 사용하여 살아있는 유기체^1처럼행동하는 새로운 유형의 기계를 개발함으로써 이²문제를 해결합니다. 대부분의 소프트 로봇은 그립과 조작을 위해 설계된 모바일 로봇과 로봇의 두 가지 유형으로 분류 할 수^{있습니다 3.} 소프트 모바일 로봇의 경우 일반적인 운동 원리는 크롤링, 걷기, 달리기, 점프, 비행 및 수영^4입니다. 소프트 로봇에 대한 응용 프로그램의 또 다른 흥미로운 필드는 등반입니다 – 운동과^접착5의조합. 소프트 머신은 매우 견고하며 부드러움으로 인해 주변 환경을 손상시킬 수 없습니다. 이 특성은 쉽게 가을을 살아남을 수 있기 때문에 등반을위한이 로봇 클래스를 predestines합니다. 따라서, 문학은^{,6,7,78등반}할 수있는 소프트 로봇의 몇 가지 예를 제공합니다.

이 프로토콜의 목표는 도마뱀에서 영감을 받은 소프트 로봇^9의성능을 제조, 제어 및 평가하는 방법을 제공하는 것입니다. 그것의 디자인은 빠른 pneunet 소프트 벤딩 액추에이터^{10엘라스토머로} 만든 의 사용을 기반으로합니다. 그러나 다른 소프트 액추에이터 디자인 및/또는 재료도 사용할 수 있습니다. 문학은 소프트 액추에이터^(11)와 적합한 재료^(12)의다양한 디자인의 넓은 범위를 제공합니다. 제시된 제조 방법은 기존^{방법(13)과} 유사하지만, 적어도 소프트 클라이밍 로봇^9의경우 반복성 및 견고성을 증가시키는 일부 수정을 포함한다. 이 방법은 일반적으로 빠른 pneunet 굽힘 액추에이터에 유효하며, 따라서 액추에이터 제조 분야의 신규 이민자에게 흥미로울 수 있습니다.

공압 작동 소프트 로봇을 제어하기 위해 문헌은 다양한 솔루션을 제공합니다. 그것은 저비용 및 복제하기 쉬운 제어 보드^(13)에서 강력한 하지만 더 복잡한 보드^14에이르기까지 다양하며, 이는 특별한 도구없이 는 재건 할 수 없습니다. 여기서는 레이저 커터와 납땜 철만을 사용하여 공압 제어 상자를 구축하기 위한 간략한 설명이 제공됩니다. 제어 박스는 압력을 공급할 수 있으며 로봇 응용 분야에서 특히 중요한 실시간 감각 피드백을 제공합니다. 그러나 다른 많은 응용 프로그램에도 사용할 수 있습니다.

1. 금형 인쇄

1. 보충 데이터 1 "CAD/Moulds/"에서 금형에 대한 *.stl 데이터를 다운로드합니다.
2. 프린터별 슬라이싱 소프트웨어를 사용하여 3D 모델을 인쇄 작업으로 변환합니다.
3. 3D 프린터를 사용하여 금형을 인쇄합니다.
4. 인쇄 된 금형을 초음파 욕조에 15 분 동안 넣어 청소하십시오.
5. UV 챔버에 3 시간 이상 금형을 넣습니다.

2. 엘라스토머 준비

1. 이 단계를 시작하기 전에 다음을 수집 : 탄성술기 (부품 A 및 부품 B), 주걱, 플라스틱 컵, 금형, 무게 규모, 플라스틱 주사기, 나사 클램프 (또는 이와 유사한), 두 개의 해당 구멍, 커터 나이프아크릴 유리 플레이트.
2. 잔에 1:9 비율로 탄성골의 파트 A와 파트 B를 혼합합니다. 컵을 계량 기계에 놓습니다. 먼저 파트 B(진한 빨간색)의 5g을 추가합니다. 그런 다음 주걱을 사용하여 A부(흰색 및 점성)의 45g을 추가합니다.
   참고: 계량의 정확도가 1g. 50g까지 하나의 액추에이터에 충분하도록 보장합니다. 파트 A를 분배하는 가장 좋은 방법은 주걱을 가져 가서 배수시키는 것입니다. 주걱을 사용하여 배수 작업 당 약 6g이 가능합니다.
3. 컵 가장자리에 더 이상 흰색 또는 빨간색 영역이 보이지 않도록 저어주세요.
4. 교반 과정으로 인해 중합체에 갇힌 공기를 제거하기 위해 진공 챔버에 15 분 동안 컵을 넣습니다.
5. 혼합 된 엘라스토머를 플라스틱 주사기로 채웁니다. 이를 통해 엘라스토머를 훨씬 더 정확하게 배치할 수 있습니다.
   참고: 보충 도 1은 이 섹션에 설명된 처리 단계를 보여 줍니다.

3. 상부의 제조 (기본 부분)

1. 아크릴 유리 플레이트를 두 개의 해당 구멍이 금형에 고정합니다. 주사기를 하부 구멍에 삽입하고 고이스토머를 금형에 누릅니다.
2. 혼합 된 엘라스토머가 상부 구멍에서 나올 때까지 플런저를 밀어 주사기에 힘을 가하십시오.
3. 나사 클램프를 풀고 아크릴 유리 판을 옆으로 당깁니다.
   참고: 위쪽이 아닌 측면으로 당겨내는 것이 중요합니다. 그렇지 않으면, 엘라스토머는 금형에서 뽑아집니다.
4. 날카로운 도구로 떠오르는 기포를 뚫습니다. 이것은 기존의 기포를 제거하는 대신 새로운 기포를 만들 것이기 때문에 너무 깊이 구멍을 뚫지 마십시오. 나중에 액추에이터의 기능에 크게 영향을 미치기 때문에 더 큰 거품을 관통하는 것이 특히 중요합니다.
   참고: 선택적으로 진공 챔버의 채워진 금형을 대피하여 여전히 갇힌 공기를 제거합니다. 그러나 이렇게 하면 상승하는 기포가 표면으로 가는 길에 금형에 붙어 기능적으로 관련된 영역에서 주조에 구멍을 뚫을 수 있습니다. 보조 도 2는 이 현상을 보여줍니다.
5. 30 분 동안 65 °C에서 오븐에 금형을 넣습니다.
6. 엘라스토머의 레벨이 크게 떨어졌는지 10분 후에 확인하십시오. 이 문제는 금형이 완전히 단단하지 않거나 자주 사용하기 때문에 약간 구부러진 경우 발생합니다. 레벨이 1mm 이상 떨어지면 탄성탄을 다시 채웁니다. 그런 다음 계속 경화하십시오.
7. 오븐에서 총 30 분 후, 금형을 꺼내 커터 칼로 압출 된 엘라스토머를 잘라냅니다.
8. 드라이버로 분리하여 금형을 엽니다. 주조와 관련된 표면을 손상시키지 않도록 주의하십시오.
9. 이전 단계에서 붙어 있던 금형의 부분에서 거의 완성된 액추에이터를 제거합니다.
   참고: 캐스팅이 성공했는지 확인하기 위해 첫 번째 시각적 검사를 여기에서 확인할 수 있습니다. 돌이킬 수 없는 결함이 발견되면(보충 도 3참조), 제조 공정은 여기에서 중지되어야 합니다. 더 작은 구멍은 나중에 수리할 수 있습니다. 또한 밀봉 입술은 전체 둘레에 걸쳐 가능한 한 발음하는 것이 중요합니다.
10. 커터 칼로 튀어나온 버를 잘라냅니다. 이것은 때로는 매우 힘들지만 좋은 최종 결과에 필수적입니다.
    참고: 보충 도 4는 이 섹션에 설명된 처리 단계를 보여 줍니다. 설명된 단계는 네 개의 다리를 캐스팅하는 데 유효합니다 (금형은 보충 파일 1 "CAD / 금형 / small_leg_schwalbe *.stl"에서 찾을 수 있으며 몸통의 두 가지 기본 부분 ("CAD / 금형 / small_belly*stl"). 흡입 컵 (로봇의 발, "CAD / 금형 / 흡입컵 *.stl"에서 찾을 수 있음) 또는 몸통의 바닥 부분 ("CAD / 금형 / small_torso_base1 *.stl")을 캐스팅하려면 3.1 및 3.3 단계를 제외하고 동일한 공정 단계를 수행하므로 주조를위한 이러한 금형이 추가 로 내장되어 있으므로 추가 로 의고가 필요합니다. 총 다리의 4개의 베이스 부분, 몸통의 2개의 베이스 부분, 몸통의 바닥 부분 1개, 흡입 컵 4개를 구축하십시오.

4. 하부 (하부 부분) 제조

1. 하단 부분의 금형에서 이 목적을 위해 제공된 구멍을 통해 실리콘 튜브를 밀어 내고, 보충도 도 5를참조하십시오.
2. 베이스 부품의 금형을 엘라스토머로 채우고 작은 주걱으로 모서리까지 분배합니다.
   참고: 탄성수기의 수준은 5mm 이하여야 하며 4mm 이하여야 하며 임베디드 튜브를 완전히 커버해야 합니다. 다리의 하단 부분에 대한 금형은 보충 파일 1 "CAD / 금형 / small_base_schwalbe.stl"에서 찾을 수 있습니다.
3. 경화에 대한 15-20 분 동안 오븐에 금형을 넣어. 다음 단계의 경우 맨 위 부품과 결합되는 동안 아래쪽 부분이 금형에 남아 있는 것이 필요합니다.

5. 베이스 및 하단 부품에 가입

1. 레벨이 이미 강화된 엘라스토머 보다 1-1.5mm 높이로 유지되도록 하단 부품의 금형을 엘라스토머로 채웁니다.
2. 나비 캐뉼라를 기본 부품에 삽입하고 펑크 부위를 표시하여 나중에 더 쉽게 찾을 수 있습니다. 이 단계는 오븐에서 팽창 하는 공기 가 탈출 할 수 있도록 하는 데 필요한.
3. 베이스 부분을 바닥 금형에 넣고 측면만 약간 눌러 엘라스토머 욕조에 넣습니다.
4. 액추에이터를 오븐에 넣고 10-15분 동안 오븐에 넣고 나중에 금형을 제거합니다.
   참고: 금형에서 액추에이터를 쉽게 제거할 수 있어야 합니다. 그렇게 하지 못하면, 중합체는 아직 완전히 경화되지 않았거나(이 경우 경화 시간을 10분 이상 증가시키거나 바닥 부분이 금형에 붙어 있습니다(이 경우 더 열심히 당겨야 합니다). 그러나 일반적으로 액추에이터를 쉽게 풀어 놓을 수 없다면 나쁜 징조입니다.
5. 5.2 단계에서 천자 부위를 사용하여 압력 소스를 연결하고 최종 누설 테스트를 수행, 보충 도 6을참조하십시오.
   참고: 작은 누출이 있는 경우 수리할 수 있습니다. 작은 주걱과 오븐에 10 분 작은 엘라스토머의 응용 프로그램은 누출을 해결해야합니다. 모든 누출이 고정되면 액추에이터가 준비됩니다. 보충 도 6은 이 섹션에 설명된 처리 단계를 보여 주며, 보충도도 7은 섹션 3-5에 설명된 전체 프로세스를 보여 줍니다. 몸통의 베이스 및 하단 부분에 합류하려면 금형을 직접 채우지 않고 아래쪽 부분을 채우지 않는 5.1 단계를 제외하고 동일한 단계를 수행합니다.

6. 모든 사지의 합류

1. 나무 판에 핀 바늘과 결합할 부품을 수정하여 다음 공정 단계에서 함께 보관할 수 있도록 합니다.
2. 보충 도 8A에표시된 대로 접합 면을 단골체로 덮습니다. 결합 표면이 깨끗하고 지방이 없는지 확인하십시오. 그렇지 않으면 이 시점에서 부품이 파기됩니다.
3. 오븐에 10-15 분 동안 어셈블리 (보충 도 8B참조)를 넣습니다.

7. 공급 튜브 입구 장착

1. 1mm 알렌 키를 사용하여 나비 캐뉼라의 삽입 점을 5.2 단계에서 더 넓히세요.
2. 실리콘 튜브의 끝을 최대 외부 직경 3mm의 구멍 위에 놓고 알렌 키로 누릅니다.
3. 작은 엘라스토머로 입구를 밀봉합니다. 이것은 또한 기계적 스트레스로부터 보호합니다.
4. 오븐에 10 분 동안 어셈블리를 넣습니다.
   참고: 보충 도 9은 이 섹션에 설명된 처리 단계를 보여 줍니다.

8. 컨트롤 박스 구축

1. 보충 데이터 1 "CAD / 컨트롤 박스 /"에서 하우징의 해당 * dxf 도면을 다운로드하고 레이저 커터에 잘라.
2. 보조 도 10A 및 보충 도(11)에 따라 전면 패널에 "사용자 인터페이스 유닛"을 조립한다.
3. 보조 도 10B 및 보충 도 12에따라 6 개의 "밸브 유닛"을 구축 하십시오.
4. 보조 도 10C, 보충 도(13) 및 보충도(14)에따라 하단 패널에 6개의 "밸브 유닛"과 "사용자 인터페이스 유닛"을 조립한다. 두 측면 패널과 후면 패널을 어셈블합니다. 마지막으로 상단 패널을 조립합니다.
5. 보충 파일 1에 따라 제어 상자에 내장 된 두 개의 단일 보드 컴퓨터를 구성하고 두 보드에 보충 데이터 2에 제공되는 전체 폴더 "코드"(모든 하위 폴더 포함)를 업로드합니다.
6. 추가 데이터 2에 제공된 스크립트 "코드/arduino_p_ctr.ino"를 컨트롤 박스에 내장된 6개의 마이크로 컨트롤러에 업로드합니다.

9. 임베디드 측정 시스템으로 테스트 벤치 구축

1. 보조 데이터 1 "CAD/TestBench/"에서 카메라 홀더의 해당 *dxf 도면을 다운로드하여 레이저 커터로 잘라냅니다.
2. 보충 데이터 1 "CAD/TestBench"에서 클램프의 해당 *stl 파일을 다운로드하고 3D 프린터에 인쇄합니다.
3. 보충 도 15에 따라 DIN-A1 포스터 패널에 클램프로 카메라 홀더를 조립하고 의도된 위치에 카메라와 단일 보드 컴퓨터를 장착합니다.
4. 보충 파일 1의 섹션 4-5에 따라 단일 보드 컴퓨터의 이더넷 인터페이스 및 SSH 설정을 구성하고 보드에 전체 폴더 "코드"(보충데이터 2)를업로드합니다.

10. 전체 시스템 설정

1. 로컬 네트워크를 만들고 스크립트 "Code/main.py"에서 올바른 IP 주소를 모니터링에 사용되는 모든 단일 보드 컴퓨터및 컴퓨터에 할당하거나 그에 따라 스크립트를 다시 작성합니다.
2. 보조 도 16에표시된 대로 몸통의 양쪽 끝에 핀 바늘을 삽입하여 로봇이 핀과 발(흡입 컵)으로 워킹 플레인에만 접촉하도록 합니다.
3. DIN-A4 시트에 보충 파일 2에 제공된 시각적 마커^15를 인쇄하고 가위를 사용하여 잘라냅니다.
4. 보충 도(17)에따라 핀 바늘을 사용하여 로봇에 마커를 부착한다.
5. 로봇을 컨트롤 박스에 연결합니다.
   참고: 그림 1은 전체 시스템의 배선을 보여 줍니다.

11. 컨트롤 박스 실행

1. 컨트롤 박스의 메인 스위치에 전원을 공급하고 모든 것이 부팅될 때까지 기다립니다.
2. SSH를 사용하여 기본 단일 보드 컴퓨터에 로그인하고 폴더 "코드"를 탐색하고"root@beaglebone:~# python3 main.py"라는명령으로 컨트롤 박스를 시작합니다. 동시에 명령"user@pc:~ python2 monitor.py"에의해 개인용 컴퓨터에서 모니터를 시작합니다.
   참고: 두 프로그램 모두 동시에 시작해야 합니다. 컨트롤 박스의 단일 보드 컴퓨터에서 실행되는 프로그램 "main.py"는 모니터링에 사용되는 개인용 컴퓨터에 연결하려고 시도합니다. 개인용 컴퓨터에 "monitor.py"스크립트에 의해 트리거된 청취 포트가 없는 경우 모니터가 시작되지 않습니다. "monitor.py"을 제외하고 이 프로토콜에 사용되는 모든 프로그램/스크립트는 python3로 실행됩니다.
3. 압력 소스를 제어 상자(최대 1.2 bar)에 연결합니다.
4. 진공 소스를 제어 상자에 연결합니다.

12. 로봇 교정

1. 테스트 벤치의 보행 비행기에 로봇을 놓습니다. 가파른 경사면의 경우 로봇의 앞면과 보행비행기 상단 사이에 끈을 부착하여 로봇을 제자리에 고정시하십시오.
2. 컨트롤 박스에서 보조도(18)에표시된 대로"모드 2"버튼을 눌러"패턴 참조"모드를 활성화합니다.
3. "clb"항목을 찾을 때까지 위아래 버튼을 사용하여 LCD에 표시된 메뉴를 스크롤합니다. 그런 다음 enter 버튼을 누를 수 있습니다.
4. 다음 메뉴를 스크롤하여 "mode_4.csv" 항목으로 스크롤하고"enter" 버튼을 누를 수 있습니다.
5. 모니터에서 보충도 19에표시된 대로"레코드"버튼을 누릅니다.
   참고 :"기록"버튼을 누르면 자동으로 "코드 / Src / GUI / save.py:save_last_sample_as_csv()"에 지정된 위치에서 모니터링 컴퓨터에 *.csv 파일을 만들 것입니다,이 폴더 "current_exp"입니다 (예시 측정은 보충 데이터 3에서제공됩니다).
6. 컨트롤 박스에서"기능 1"버튼을 눌러 교정 절차를 시작합니다.
7. 보정 후 모니터의"녹음"버튼을 눌러 레코딩을 중지하고 제어 박스의"기능 1"버튼을 눌러 압력 컨트롤러를 중지합니다.
8. 나중에 고유하게 식별할 수 있도록 자동으로 생성된 "current_exp/*.csv" 파일의 이름을 바꿉니다.
9. 보충 데이터 4에 제공된 스크립트 "교정/eval_clb.py"를 실행하고 기존 사전 내에서 "코드/Src/컨트롤러/calibration.py"라는 키워드가 있는 항목으로 출력(다항제 적합계)을 저장합니다.

13. 걸음걸이 패턴 만들기

1. "코드/패턴/create_pattern.py"라는 스크립트를 실행하고 출력된 *.csv 파일을 폴더 "코드/패턴/[로봇 버전]/"에 저장합니다.
   참고: 이 스크립트는 각도 참조로 공식화된 직선 걸음걸이^8(보충 도 20A 또는 보충 애니메이션 1참조)에 대해 미리 정의된 보행 패턴을 로봇 별 압력 참조로 변환합니다. 가파른 경사에 대한 걸음걸이 패턴을 생성하려면 line 222를 주석 해제하여 스크립트를 수정합니다. 이렇게 하면 보조 도 20B 또는 보충 애니메이션 2에따라 패턴이 생성됩니다. 컨트롤 박스에서 제공하는 패턴 참조인터페이스는 각 행이 모든 액추에이터에 대한 개별 집합점을 정의하는 *.csv 파일로 구성됩니다. 따라서 처음 8개의 컬럼은 기준 압력을 정의하고, 다음 네 개의 열은 직접 작동 밸브에 대한 참조를 정의하고, 마지막 열은 이 세트점을 보유해야 하는 시간을 정의합니다.
2. 컨트롤 박스의 단일 보드 컴퓨터를 개인용 컴퓨터(예: "코드/패턴/*")를 보드에 업로드합니다. 이를 위해 프로그램 "main.py"이 중단되어야 합니다(Ctrl+C).

14. 등반 실험 수행

1. 테스트할 각 성향에 대해 11-13단계를 수행합니다.
2. 로봇을 보행비행기의 표시된 지점에 놓습니다.
3. 12.2-12.4 단계에 설명된 대로 패턴 참조를 선택하지만 첫 번째 메뉴에서 원하는 "로봇 버전"("clb"대신)을 선택하고 두 번째 메뉴에서는 "mode_4.csv 대신"의 현재 성향에 따라 패턴 참조를 선택합니다.
4. 12.5 단계에서 설명된 대로 레코딩을 시작합니다.
5. 압력 컨트롤러를 활성화하려면"기능 1"버튼을 누를 수 있습니다.
6. 로봇이 적어도 6 사이클 동안 걷다 / 등반하자.
7. 모니터의"레코드"버튼을 눌러 녹화를 중지합니다(예: 12.7단계).
8. 다음 단계를 실행할 때 로봇이 떨어지지 않도록 하십시오.
9. "기능1"버튼을 다시 눌러 압력 컨트롤러를 중지합니다. 이것은 또한 진공 공급을 중지하고, 결과적으로 로봇이 떨어질 것이다.
10. 기록된 *.csv 파일을 폴더 "Exp평가/[로봇 버전]/[패턴 유형]/[성향]/"로 이동합니다.
    참고: 다음 단계에 대한 솔리드 베이스를 갖기 위해 각 실행을 5회 이상 반복합니다.

15. 실험 평가

1. 보충 데이터 5에 제공된 스크립트 "Exp평가/eval_vS11_adj_ptrn.py"를 실행하여 모든 측정 데이터를 자동으로 의미합니다.
   참고: 이 스크립트는 모든 발의 트랙, 시간이 지남에 따라 적용된 압력, 시간이 지남에 따라 모든 사지의 측정된 굽힘 각도, 시간이 지남에 따라 로봇의 속도, 시간이 지남에 따라 로봇의 방향, 경사를 통해 평균 속도(cf. 그림 2A),및 오버 경사(그림 2B)를통해 사용되는 에너지의 근사치를 출력합니다.

제시된 프로토콜은 소프트 클라이밍 로봇, 보편적으로 적용 가능한 제어 상자, 등반 능력을 증가시키고 동시에 소비에너지를 감소시키는 로봇의 직선 모션을 위한 제어 전략의 세 가지 를 초래합니다. 섹션 8에 설명된 제어 박스는 최대 6개 채널(8채널까지 확장 가능)에 대한 원하는 압력 레벨을 지속적으로 공급할 수 있으며, 4개 채널에서 진공 공급(필요에 따라 확장 가능)을 추가로 공급할 수 있습니다. "사용자 인터페이스 유닛"을 사용하면 런타임에 제어 상자를 쉽게 작동할 수 있으며 모니터인터페이스를 통해 측정된 데이터를 csv 파일로 직접 보고 저장할 수 있습니다. 컨트롤 박스의 패턴 참조 모드는 미리 정의된 패턴을 루프하는 직관적인 인터페이스를 사용자에게 제공합니다. 이는 이 프로토콜과 같이 로봇의 걸음걸이 패턴일 수도 있고, 액추에이터 피로 테스트또는 순환 적재가 필요한 다른 응용 분야에 사용될 수 있다. 그림 1은 제어 상자와 측정 시스템에 조립된 모든 하드웨어 구성 요소와 연결 방법을 묘사합니다.

로봇의 직선 모션을 위한 걸음걸이 패턴은 각 참조^8로공식화됩니다. 로봇을 작동하려면 각 성 참조를 압력 참조로 변환해야 합니다. 이 프로토콜에 사용되는 제어 전략은 이전 각도 압력 교정을 기반으로 합니다. 각 교정 방법은 다른 알파 압력 곡선을 초래합니다. 따라서 가능한 한 실제 작동 조건에 교정 절차를 조정해야 합니다. 보행기의 경사각을 변경할 때 작동 조건도 변경됩니다. 따라서 각 경사도에 대해 각도 압력 곡선을 다시 보정해야 합니다. 도 2A는 변경되지 않은 교정 및 재보정 된 각도 압력 곡선을 가진 다양한 경사에 대한 로봇의 속도를 보여줍니다. 이 실험은 재보정의 효과를 명확하게 보여줍니다. 보정된 로봇은 더 빠를 뿐만 아니라 그림 2B에묘사된 에너지^9를 적게 소비하면서 가파른 경사(76°대신 84°)를 오를 수도 있습니다. 도 3에서로봇의 동작 사진 시리즈가 48°의 경사를 위해 표시됩니다. 도 3B에 도시된 재보정을 한 등반 성능이 도 3A에 표시된 변경되지 않은 교정보다 훨씬 우수하다는 것을 명확하게 보여 주는 그림은 동일한 시간 간격 내의 위치 의 변화가 거의 두 배나 크다. 이 로봇은 다른 소프트 로봇에 비해 매우 빠르게 움직일 수 있습니다. 진 외⁷ 은 다양한 소프트 로봇의 전방 속도를 요약합니다. 페이로드없이 수평 평면에, 이 프로토콜에 설명 된 로봇은 Ref.^7에서가장 빠른 로봇보다 신체 길이와 관련하여 5 배 빠릅니다.

그림 1: 컨트롤 박스에 조립된 하드웨어 구성 요소다이어그램입니다. 그 안에 i-th채널에 대한 압력 기준을 나타내며, u_i-th 비례 밸브의 제어 신호, 각도 i 참조를 포함하는 벡터, 각도 측정을 포함하는 벡터, ƒ x 위치 측정을 포함하는 벡터, x 위치 측정을 포함하는 벡터, 및 직접 작용하는 솔레노이드 밸브, 즉, 직작용 솔레노이드 밸브, 즉, 직작용 솔레노이드 밸브에 대한 제어 신호를 포함하는 벡터를 나타낸다. α UI는 "사용자 인터페이스 유닛"에 대한 짧은, BBB는 비글 본 블랙에 대한 약어입니다, 즉, 제어 상자에 사용되는 단일 보드 컴퓨터, RPi는 라즈베리 파이에 대한 짧은, 즉, 측정 시스템에 사용되는 단일 보드 컴퓨터. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 2: 등반 성능 평가. 대시 곡선은 보정된 압력 참조를 위해 상수 곡선과 솔리드 커브의 값을 표시합니다. (A)다양한 경사 각도를 위한 로봇의 전방 속도. (B)다양한 경사 각도에 대한 에너지 소비. 이 그림은 Ref.^9에서적용됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 3: 48°의 경사로 로봇의 움직임 사진 시리즈. 각 사진 사이의 경과 시간은 1.2s.(A)일정한 압력 참조를 위한 동작및(B)재보정 된 압력 참조를 위한 모션입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

보충 도 1: 엘라스토머의 준비. 이 그림을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.

보충 도 2: 주조 전후의 피난 중 기포 형성비교. (A)발수 전에만 엘라스토머의 피난이 수행됩니다. 갇힌 기포는 제자리에 남아 있지만, 액추에이터의 기능에 큰 영향을 미치지 않는 범프 영역에 더 많이 있습니다. (B)발주 전후에 피난이 수행됩니다. 갇힌 기포가 상승하지만 스트럿의 상단에 다시 붙어 기능에 영향을 미칠 수있는 액추에이터에 구멍을 만들 수 있습니다. 이 그림을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.

보충 그림 3: 성공적이고 실패한 경화 주물의 예입니다. 상위 행은 성공적인 예제와 열 이내의 예제를 보여 주어 있습니다. 결함을 명확하게 인식할 수 없는 경우 녹색 원으로 표시됩니다. 이 그림을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.

보충 도 4: 기본 부품의 제조. 이 그림을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.

보충 도 5: 하단 부분을 제조하는 방식입니다. 튜브(나중에 흡입 컵의 공급 튜브로 사용되는)는 주조 전에 금형에 고정됩니다. 그런 다음 금형은 액체 엘라스토머로 채워져 있습니다. 이 그림을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.

보충 도 6: 기본 및 하단 부분의 결합. 이 그림을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.

보조 도 7: 부드러운 굽힘 액추에이터의 라미네이션 주조. 액체 탄성중합체는 빨간색으로, 경화 된 탄성중합체와 변형 제한 층뿐만 아니라 검은 색의 금형으로 표현됩니다. (A)혼합 엘라스토머는 두 개의 별도 금형에 부어 - 베이스 부분에 대한 하나, 하단 부분에 대한 하나. 따라서 하단 부분은 절반만 채워져 있습니다. 변형 제한 층(공급 튜브)이 아래쪽 부품 금형에 삽입됩니다. (B)부품이 경화되고 베이스 부분이 절제됩니다. (C)하단 부품 몰드가 액체 엘라스토머로 상부로 채워져 있습니다. (D)기본 부품이 금형에 담근다. (E)두 부품이 함께 경화됩니다. (F)액추에이터가 demolded. 이 수치는 Ref.^13을기반으로 합니다. 이 그림을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.

보충 그림 8: 모든 사지의 합류. (A)유체 엘라스토머와 결합할 표면을 덮는다. (B)전체 어셈블리의 렌더링된 뷰입니다. 이 그림을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.

보조 도 9: 공급 튜브 입구 를 장착합니다. 이 그림을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.

보충 도 10: 컨트롤 박스의 사진. (A)사용자가 로봇과 상호 작용할 수 있도록 하는 사용자 인터페이스 유닛의 전면 보기입니다. (B)밸브 유닛의 상세 보기. (C)전체 컨트롤 박스의 상단 보기. 이 그림을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.

보충 도 11: 사용자 인터페이스 단위의 회로 다이어그램입니다. 이 그림을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.

보충 도 12: 밸브 유닛의 회로 다이어그램. 이 그림을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.

보충 도 13: 전체 컨트롤 박스의 단순화된 회로 다이어그램. 이 그림을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.

보충 도 14: 컨트롤 박스에 내장된 단일 보드 컴퓨터의 사용 핀 다이어그램입니다. (A)사용자 통신에 필요한 보드의 사용 핀. (B)로봇 제어에 필요한 보드의 사용 핀. 이 그림을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.

보조 도 15: 설치된 측정 시스템을 갖춘 보행평면의 렌더링된 보기입니다. 이 그림을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.

보충 도 16: 리프팅 효과의 시각화. 6mm 헤드가 있는 핀 바늘이 몸통의 양쪽 끝에 삽입됩니다. 이것은 걷는 동안 마찰을 최소화하고 흡입 컵이 보행 비행기와 완전히 접촉하게 합니다. 이 그림을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.

보조 도 17: 시각적 마커의 어셈블리. 마커는 핀 바늘을 사용하여 로봇에 장착됩니다. 마커 0은 앞왼쪽 발에 장착되고, 몸통 앞면의 마커 1, 앞면 오른발에 마커 2, 후방 왼발에 마커 3, 몸통 뒤쪽의 마커 4, 후방 오른발마커 5. 마커 4의 조립을 위해, 3개의 핀 바늘이 사용되며 이 그림은 Ref.^9로부터적응된다. 이 그림을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.

보충 그림 18: 컨트롤 박스의 버튼의 전설. 이 그림을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.

보충 그림 19: 그래픽 사용자 인터페이스의 단추의 전설. 이 그림을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.

보조 도 20: 로봇의 직선 움직임을 위한 걸음걸이 패턴. 고정 된 발은 채워지지 않은 원과 채워지지 않은 원으로 고정되지 않은 발로 표시됩니다. (A)낮고 중간 경사 각도(< 70°)를 위한 걸음걸이 패턴. (B)높은 성향 (> 70 °)에 대한 걸음 걸이 패턴. 진공은 빨간색과 검은색으로 채워진 발에 적용됩니다. 검은 색 으로 채워진 발은 땅에 고정되어 있지만 빨간 발이 반드시 그렇게 할 필요는 없습니다. 고정을 확보하기 위해 고정할 발이 앞뒤로 스윙됩니다. 이 그림은 Ref.^9에서적용됩니다. 이 그림을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.

보조 도 21: 부드러운 등반 로봇의 폭발 뷰렌더링. Dovetails는 몸통 끝에 다리와 해당 키웨이에 있습니다. 이렇게 하면 조인 프로세스가 훨씬 더 정확해집니다. 이 그림은 Ref.^9에서적용됩니다. 이 그림을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.

보조 도 22: 압력 각도 곡선의 측정을 위한 다른 교정 절차. 각 하위 그림은 해당 로봇 포즈의 질적 압력 코스와 스냅샷을 보여줍니다. (A)각 액추에이터는 0bar에서 1bar까지 지속적으로 팽창되고 다른 모든 액추에이터는 압력을 가하지 않습니다. (B)압력 고원은 3s에 대한 단일 액추에이터에 적용됩니다. 그런 다음 2 s로 완전히 수축됩니다. 다음 라운드에서는 고원이 1bar에 도달할 때까지 압력 고원의 수준이 증분에 의해 증가합니다. 각 액추에이터에 대해 개별적으로 수행됩니다. (C)모드 2와 동일한 절차이지만, 여기서, 동일한 고원은 액추에이터(0,3,4), 각각 액추에이터(1,2,5)에 동시에 적용된다. (D)모드 3과 동일한 절차이지만 액추에이터(0,3)의 고원은 0bar(이전과 같이)에서 시작하여 1.2bar(1bar 대신)로 끝납니다. 기본적으로 액추에이터(0,3)의 증분은 약간 증가하고 다른 액추에이터의 증분은 동일하게 유지됩니다. 이 그림을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.

보조 도 23: 다양한 교정 절차에 대한 각도 압력 곡선. 이 그림을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.

보충 애니메이션 1 : 로봇의 직선 걸음걸이의 애니메이션. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.

보충 애니메이션 2 : 로봇의 등반 보행의 애니메이션. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.

보충 파일 1: 단일 보드 컴퓨터를 구성하기위한 지침입니다. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.

보충 파일 2: 시각적 마커에 대 한 인쇄 템플릿. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.

보조 데이터 1: CAD 파일. 이 지퍼 압축 폴더에는 금형 인쇄용 *.stl 파일, 제어 상자의 하우징을 절단하는 레이저용 *.dxf 파일, 측정 시스템에 사용되는 클램프를 인쇄하기 위한 *.stl-files, 측정 시스템의 프레임을 절단하는 레이저용 *.dxf 파일이 포함되어 있습니다. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.

추가 데이터 2: 단일 보드 컴퓨터에서 실행되는 코드입니다. 이 지퍼 압축 폴더에는 "사용자 인터페이스 단위"에 사용되는 보드, 로봇 제어에 사용되는 보드 및 이미지 처리에 사용되는 보드에서 실행되는 프로그램 및 소스가 포함되어 있습니다. 전체 폴더를 세 보드 모두에 업로드합니다. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.

보충 데이터 3: 모범적인 측정 데이터. 이 압축 폴더에는 교정 절차 중에 생성된 두 개의 *.csv 파일이 포함되어 있습니다. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.

보조 데이터 4: 교정 스크립트. 이 지퍼 압축 폴더에는 캘리브레이션 절차 중에 생성된 측정 데이터를 평가하기 위한 파이썬 스크립트와 소스가 포함되어 있습니다. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.

추가 데이터 5: 평가 스크립트. 이 지퍼 압축 폴더에는 등반 실험 중에 생성된 측정 데이터를 평가하기 위한 두 개의 파이썬 스크립트와 소스가 포함되어 있습니다. 또한 도 2의생성에 사용되는 모든 측정 데이터가 포함되어 있습니다. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.

제시된 프로토콜에는 제조, 제어, 교정 및 성능 평가를 포함하여 Ref.^9의등반 소프트 로봇과 관련된 다양한 측면이 포함됩니다. 다음에서, 프로토콜에서 유래된 장단점은 위에서 언급한 양상에 따라 논의되고 구조화된다.

제시된 제조 방법은 기존^{문헌(10)및13을}강하게 기초한다. 액추에이터의 디자인은 실질적인 차이입니다. 개별 사지에 가입하려면 보조 도 21에나와 있는 것처럼 도브테일 가이드가 적절한 지점에 삽입됩니다. 이로 인해 로봇^8의이전 설계에 비해 사지 간의 훨씬 더 정확하고 견고한 연결이 발생합니다. 또한, 공급 튜브는 액추에이터의 하단 부분에 내장되어 있습니다. 이 통합 설계를 통해 진공 패드를 공급할 수 있으며 동시에 바닥 층이 더 이상 신축성이 없게 되어 액추에이터의 성능이 크게 향상됩니다. 문헌에 기재된 절차의 또 다른 차이점은 혼합 된 엘라스토머가 한 번만 대피한다는 것입니다 (혼합 직후). 많은 소스는 두 번 탄성탄을 대피하는 것이 좋습니다 : 혼합 후 한 번, 그리고 금형에 채워진 후 한 번. 공기가 매우 작은 공간에 갇혀 남아 있을 수 있습니다. 진공 챔버에서 이 공기는 팽창하고 최상의 경우 표면으로 상승합니다. 그러나 종종 이러한 기포는 미완성 된 주조에 불쾌한 구멍을 만들어 방해받습니다. 여기서, 더 중요한 것에 관해서는 결정이 내려져야 합니다: 베이스 부분의 하단에 완벽한 윤곽 또는 비기능액액을 생산하는 가능한 한 적은 위험 (cf. 보충 도 2). 이 프로토콜에서는 두 번째 대피가 수행되지 않습니다. 제시된 절차에서, 바닥 부분의 높이는 수동으로 채워질 때 다를 수 있으며, 베이스 파트와 달리 경화 후 균일한 높이로 절단할 가능성은 없다. 바닥 부품의 높이가 가능한 한 균일하도록 하부 부품의 금형을 채울 때 주사기를 사용하고 부어진 부피를 측정하는 것이 좋습니다. 그러나 혼합 이후 경과한 시간에 따라 엘라스토머의 유량 특성이 크게 변경됩니다. 따라서, 항상 갓 혼합 된 엘라스토머를 사용하는 것이 좋습니다. 액추에이터의 베이스와 하단 부분에 합류하면 가장 큰 공정 불확실성이 수반됩니다. 중합체 목욕이 너무 높으면 챔버 사이의 공기 채널도 대부분 덮여있을 것입니다. 그런 다음 액추에이터가 더 이상 사용할 수 없습니다. 탄성식 목욕이 너무 낮으면 밀봉 입술이 전체 둘레로 덮여 있지 않을 수 있으며 액추에이터가 누출될 수 있습니다. 따라서, 그것은 제대로 엘라스토머 목욕을 투여하는 연습의 일정 금액을 걸립니다. 일반적으로 결합하는 데 중요한 것은 무지방 결합 표면입니다. 결합 표면이 너무 오염되면 완성된 액추에이터가 파기될 수 있습니다. 따라서 부품이 결합되지 않은 표면에만 닿지 않도록 하는 것이 필수적입니다. 제조 방법의 주요 한계는 실현될 조각의 수입니다. 단일 액추에이터의 생산은 총 2시간 이상 걸립니다. 여러 금형을 병렬로 작업할 수 있지만 시간 제약으로 인해 4개 이상의 금형을 사용할 수 없습니다. 엘라스토머의 냄비 수명은 너무 짧아서 더 많은 금형을 채울 수 없습니다. 또한 3D 프린팅 금형은 매우 변형되거나 파손되기 전에 제한된 수의 생산 주기(약 10-20)만 견딜 수 있습니다. 또 다른 제한은 이미 논의된 프로세스 불확실성입니다. 거의 모든 프로세스 단계가 수동으로 수행되므로 각 액추에이터는 약간 다릅니다. 이로 인해 건설에서 동일하지만 두 개의 매우 다른 동작을 보이는 두 대의 로봇이 발생할 수 있습니다.

컨트롤 박스를 사용하면 로봇을 제어하는 방법이 제공됩니다. 그럼에도 불구하고 각 공압 시스템에 대해 스크립트 "Code/arduino_p_ctr.ino"의 제어 이득을 개별적으로 결정해야 합니다. 프로토콜에는 다루지 않습니다. 그러나 컨트롤 박스의 "압력 참조 모드"는 로봇을 장난스럽게 처리할 수 있으므로 컨트롤러 튜닝은 여러 스크립트를 작성하지 않고도 만들 수 있습니다. 제어 상자의 또 다른 제한은 재료가 총 7000 US $의 비용으로 비용입니다. 문헌^11은 약 900 US$의 비용이 드는 제어 상자에 대한 건물 지침을 제공하며 일부 업그레이드를 통해 로봇을 작동하는 데 사용할 수도 있습니다.

개별 액추에이터의 교정에 매우 중요합니다. 보조 도(22)는 4가지 절차및 보충도(23)에 대한 시간이 지남에 따라 압력 참조의 질적 과정을 나타내며, 보충도(23)는 결과 각도 압력 곡선을 나타낸다. 후자에서 볼 수 있듯이, 교정의 각 방법은 다른 각도 압력 곡선을 초래한다. 이는 압력과 각도 간의 관계가 액추에이터에서 작용하는 부하에 크게 의존한다는 것을 보여줍니다. 따라서 교정 절차는 가능한 한 실제 부하 케이스를 최대한 반영해야 합니다. 따라서 교정 절차를 가능한 한 실제 작동 조건에 맞게 조정해야 합니다. 최고의 보행 성능은 교정 절차 4로 얻을 수 있습니다. 그러나 그림 3B에서볼 수 있듯이 시리즈의 후속 포즈는 완전히 대칭적이지 않으며 교정이 개선될 가능성에 대한 지표입니다.

측정 시스템에 중요한 것은 섹션 10에서 시각적 마커^15의 어셈블리입니다. 튜브가 간섭하기 때문에 원하는 지점에 직접 장착할 수 없으므로 측정된 점을 인위적으로 이동해야 합니다. 이 오프셋 벡터(카메라의 픽셀 좌표)를 결정할 때는 특별한 주의를 기울여야 합니다. 그렇지 않으면 전체 측정에는 상당한 체계적인 오류가 있습니다. 또한 태그가 시간 으로 대체되지 않도록 해야 합니다. 예를 들어 로봇의 몰락으로 인해 해당 태그를 동일한 장소에서 다시 마운트해야 합니다. 어쨌든 측정 시스템이 여전히 신뢰할 수 있는 출력을 생성하는지 정기적으로 확인해야 합니다.

실험의 제한 요소는 발고정입니다. 더 가파른 성향을 높이기 위해서는 고정 메커니즘을 재고해야 합니다. 현재 로봇은 보행평면에 발을 적극적으로 밀어낼 수 없으며, 높은 경사면에서 중력에 의한 정상힘이 너무 작아서 흡인컵을 보행평면에 충분히 가깝게 가져와 서 안심할 수 있는 흡입을 보장한다.

제시된 제조 방법은 유체성 탄성중합체 액추에이터로 이전할 수 있으므로 향후 응용 분야에서 흥미로울 수 있습니다. 제시된 컨트롤 박스는 빠른 감각 피드백이 필요하기 때문에 로봇 플랫폼을 포함하여 6개의 개별 액추에이터(최대 8개까지 확장 가능)로 구성된 공압 시스템을 제어할 수 있습니다. 따라서 미래의 로봇을 테스트하고 제어하기 위한 범용 플랫폼으로 사용될 수 있습니다. 마지막으로, 제시된 교정 방법은 원칙적으로 모든 피드 포워드 제어 공압 시스템에 있을 수 있습니다. 요약하면 제시된 모든 메서드는 설명된 범위 내에서 보편적입니다.

저자는 경쟁적인 재정적 이익이 없다고 선언합니다.

저자들은 핀 크누드센, 아라빈다 바라, 제이콥 무틴스키에게 유용한 토론과 영감을 준 것에 대해 감사를 표합니다.