Благодарим вас за посещение сайта Nature.com.Вы используете версию браузера с ограниченной поддержкой CSS.Чтобы получить наилучшие результаты, мы рекомендуем вам использовать более современный браузер (или отключить режим совместимости в Internet Explorer).А пока, чтобы обеспечить постоянную поддержку, мы показываем сайт без стилей и JavaScript.
Вспомогательные носимые мягкие роботизированные системы в последнее время произвели настоящий рывок в области биомедицинской робототехники, поскольку мягкие материалы обеспечивают безопасное и прозрачное взаимодействие между пользователями и устройствами.Недавним интересом к области мягких пневматических приводов (SPA) стало появление нового класса приводов, называемых тканевыми мягкими пневматическими приводами (FSPA).Эти актуаторы используют уникальные возможности различных тканых и трикотажных тканей, включая нулевую начальную жесткость, полную складываемость, высокое соотношение мощности к весу, устойчивость к проколам и высокую растяжимость.Используя методы 2D-производства, мы можем создавать приводы, которые могут расширяться, сжиматься, скручиваться, изгибаться и выполнять комбинацию этих движений в 3D-пространстве.В этой статье представлен комплексный инструмент моделирования и проектирования для различных типов FSPA с использованием моделей метода конечных элементов (МКЭ).Модели FEM разрабатываются и экспериментально проверяются, чтобы отразить сложное нелинейное поведение отдельных приводов, оптимизированных для свободного перемещения и блокировки силы, применимых для носимых вспомогательных задач. Адаптер BSP к GHT
FSPA дополнительно классифицируются в зависимости от типов тканей, из которых они изготовлены.В этой работе мы фокусируемся на двух категориях внешне модифицированных FSPA: тканых и трикотажных FSPA, показанных на рис. 1a,b.Из-за того, как изготавливается каждый тип тканевого материала, тканые материалы обычно устойчивы к проколам, но менее деформируются, тогда как трикотажные ткани легко деформируются и обладают врожденной механической анизотропией (демонстрируя переменную растяжимость в двух направлениях)73.Недавние исследования показали, что тканые ткани используются для создания высоконадежных приводов скручивания, сжатия и изгиба12,13,15,18,19,24,27,28,29,30,31,37,43,50,75, а также использование трикотажного текстиля для создания гибочных приводов для захватов и носимых роботов8,9,76.
(а) Иллюстрированная концепция трикотажных эластичных FSPA.(b) Иллюстрированная концепция тканых неэластичных FSPA.(c) Иллюстрированная концепция различных носимых вспомогательных устройств, использующих FSPA.
В этой статье мы дополнительно исследуем комбинацию различных слоев ткани для механического программирования приводов для выполнения различных профилей движения, как подчеркивалось в предыдущих работах15,24,26,36,50,75.В частности, изучаются и изготавливаются две категории многоматериальных и многослойных тканых и трикотажных FSPA, как показано на рисунке 1.Всестороннее исследование материалов различных тканых и трикотажных анизотропных тканей проводится на предмет больших деформаций для создания моделей материалов.Чтобы точно предсказать сложную механическую реакцию FSPA, мы решили создать модели вычислительного метода конечных элементов (FEM).Вычислительные модели FEM способны генерировать подробные модели на основе нелинейного поведения переменных геометрических параметров привода и фиксировать подробные распределения напряжения и деформации в многослойных и многоматериальных материалах7,23,77.Мы разрабатываем комплексный инструмент проектирования с использованием вычислительных моделей, который будет определять критерии проектирования для разработки нового прочного привода из тканого или трикотажного полотна на основе желаемых геометрических параметров и требований к силе/крутящему моменту приложения.Этот комплексный инструмент позволит масштабировать и настраивать различные FSPA до их изготовления.
В этой работе использовались две основные ткани: тканая неэластичная нейлоновая ткань с покрытием из термопластичного полиуретана (ТПУ) (6607, Rockywoods Fabric, Лавленд, Колорадо) и двунаправленная высокоэластичная трикотажная ткань (24350, Darlington Fabrics, Уэстерли, Род-Айленд).Обе ткани видны под микроскопом (OMAX A355U, OMAX Microscope, Сиэтл, Вашингтон) с коэффициентом увеличения 40× и числовой апертурой 0,65, как показано на рис. 2g, h.Два направления растяжения включают стенку (в направлении \(y\)) и курс (в направлении \(x\)).
(a) Машины, использованные для изготовления (b) Расположение тканей, вырезанных с помощью лазерного резака (c) Процедура изготовления внутренней камеры ТПУ (d) Процедура изготовления трикотажного стрейча FRTA для изгиба.(д) Процедура изготовления трикотажного изделия Stretch FRTA для скручивания и растяжения.(f) Процедура изготовления приводов из тканого материала.(g) Вид под микроскопом и иллюстрация нитей в тканом материале.(h) Вид под микроскопом и иллюстрация нитей в трикотажном эластичном полотне.
Эти тканые и трикотажные материалы используются для создания двух категорий FSPA: тканых FSPA, показанных на рисунке 1a, и текстильных приводов, армированных трикотажной тканью (FRTA), как показано на рисунке 1b.Приводы из тканого нерастягивающегося материала создают движение путем объединения нескольких приводов из ткани мешочка, которые надуваются до заданного размера в различных массивах, чтобы сжиматься, выпрямляться, изгибаться или удлиняться.Напротив, трикотажные FRTA разработаны путем объединения внутренней оболочки из трикотажного полотна с армирующими слоями из тканого материала, ограничивающего деформацию, поэтому общее анизотропное поведение ткани может быть усилено во время давления.Кроме того, армирование из тканого материала также снижает местные напряжения и деформации на внутренней оболочке и сводит к минимуму любое повреждение поверхности от истирания, которое обычно наблюдается при использовании кевларовых нитей в качестве армирования, что наблюдалось в предыдущей работе6.Наконец, расположив несколько приводов в разных ориентациях, мы также можем создать несколько приводов со степенью свободы (DOF), как показано на рис. 1. Эти различные типы приводов генерируют профили движения, которые могут служить различным целевым приложениям в области носимых устройств. вспомогательные устройства, показанные на рисунке 1c и дополнительно упомянутые в дополнительной таблице 1.
Машины, использованные в процессе изготовления, показаны на рис. 2а.Лазерный резак (Glowforge Prof, Glowforge, Сиэтл, Вашингтон) используется для резки всех ТПУ (Fastelfilm 20093, Fastel Adhesive, Клементе, Калифорния), тканых и трикотажных материалов до желаемой геометрии, как показано на рис. 2b.Листы ТПУ используются для скрепления трикотажного полотна и армирования тканого полотна, а также для покрытия основы трикотажного полотна, чтобы сделать его воздухонепроницаемым.Однако утечка воздуха через кожуру ткани все же замечена.Поэтому дополнительная воздухонепроницаемая камера из ТПУ с пневматическим разъемом (5463K361, McMaster-Carr, Элмхерст, Иллинойс) по-прежнему изготавливается с использованием импульсного герметика (751143, Metronic, Сиэтл, Вашингтон), как показано на рис. 2c.
Существует два варианта изготовления FRTA: один для FRTA, которые выполняют изгиб, на рис. 2d, и другие FRTA, которые удлиняются и/или скручиваются, как показано на рис. 2e.В первом варианте метода изготовления трикотажное эластичное полотно, один лист ТПУ и тканые усиления с покрытием ТПУ собираются и скрепляются одновременно с помощью термопресса (FLHP 3802, FancierStudio, Хейворд, Калифорния).Мочевой пузырь ТПУ помещается в середину подготовленного многослойного тканевого комплекта, конструкция складывается и сшивается накладным швом по центру.Сшитая часть создает ограничивающий напряжение нерастяжимый шов, способствующий сгибанию в определенном направлении.Во втором варианте способа изготовления создаются два комплекта трикотажного эластичного полотна и тканого усиления.Дополнительная камера из ТПУ помещается между двумя наборами многослойных тканей, а края слоев термосвариваются или сшиваются по краям с использованием высокоэластичной эластичной нити (Maxi Lock Stretch, American & Efird, Mount Holly, NC). ).Различные приводы скручивания и удлинения по часовой стрелке/против часовой стрелки могут быть разработаны путем изменения угла тканого армирования.
Для изготовления тканых FSPA нейлоновую ткань с ТПУ-покрытием разрезают на кусочки нужной геометрии, как показано на рис. 2f.Тканый нейлон с покрытием из ТПУ уже имеет боковую поверхность, предварительно ламинированную покрытием из ТПУ для обеспечения склеивания.Пневматические фитинги прикрепляются к вырезам и выравниваются на станине специализированного фрезерного станка с числовым программным управлением (CNC) (Shapeoko 3, Carbide Motion, Торранс, Калифорния) с помощью наконечника паяльника, установленного на 230 ° C.Фрезерный станок с ЧПУ отслеживает и запечатывает вырезы в ткани, чтобы запечатать отдельные приводы ткани.Эта процедура позволяет мгновенно создать выпрямляющиеся или сжимающиеся FSPA ткани.Для создания тканых изгибающихся и удлиняющихся FSPA создаются пакеты того же размера, что и приводы.Пакеты сшиваются вместе с помощью швейной машины (Memory Craft 6500 P, Janome, Hachioji, Токио) для создания структуры массива исполнительных механизмов, в которую можно вставить запечатанные исполнительные механизмы.Если мешочки сшиты друг на друга, образуются актюаторы удлинения.Если пакеты пришиты вдоль основания на ограничивающий деформацию нерастяжимый слой, создаются исполнительные механизмы изгиба, как показано на рис. 2f.Наконец, процедура изготовления приводов непрерывного действия с несколькими степенями свободы, как показано в дополнительном видео 4, обсуждается в дополнительных материалах.
Геометрические параметры для (a) тканого сжимающего привода, (b) тканого растягивающего привода, (c) тканого изгибающего привода, (d) тканого привода с несколькими степенями свободы, (e) приводов FRTA и (f) приводов FRTA с несколькими степенями свободы.(g) Испытание на одноосное растяжение тканого эластичного трикотажного полотна с покрытием из ТПУ.(h) Испытание на двунаправленное растяжение трикотажного полотна, тянущегося в двух направлениях.
Предыдущие работы по моделированию мягких роботов на основе FEM были сосредоточены на изотропных эластомерных материалах7,77.Свойства материалов этих приводов и роботов были зафиксированы с использованием моделей Арруды-Бойса, Ван-дер-Ваальса, Муни-Ривлина и Нео-Хука для меньших деформаций7, а также моделей Огдена, Йео и более высоких полиномиальных моделей для более крупных гиперупругих деформаций78.Однако существует только один предварительный пример компьютерного моделирования поведения вязаных FSPA9.В этой работе мы далее моделируем поведение многослойных, состоящих из нескольких материалов (из тканого армирования и оболочки из трикотажного полотна) FRTA.Некоторые из определяющих моделей, включенных в ABAQUS (Simulia, Dassault Systemes) для моделирования анизотропных моделей, включают обобщенные модели Фунга и Хольцапфеля-Гассер-Огдена (HGO).
Свойства материала нейлона с покрытием из ТПУ находятся в пределах диапазона упругости, а модуль Юнга и коэффициент Пуассона рассчитаны как E = 498 \(МПа\) и 0,35 с использованием испытания на одноосное растяжение, как показано на рис. 3g.Слой нерастяжимой ткани, используемый для удержания исполнительных механизмов в массиве исполнительных механизмов, имеет свойства E = 305 \(МПа\) , v = 0,35 и свойства, используемые для крышек разъемов PLA (E = 3600 МПа, v = 0,3).Все компоненты моделируются с использованием явных квадратичных тетраэдрических элементов оболочки (C3D10M).
где \({C}_{10},D,{k}_{1},{k}_{2},\) и \(\kappa \) — пять параметров материала, зависящих от температуры.\(N\) — число семейств слоев (\(N\le 3\) );\({\bar{I}}_{1}\) — первый инвариант тензора Коши-Грина, \({\bar{I}}_{\mathrm{4,6}}\) — инварианты которые представляют собой предпочтительные направления для волокон, вносящих вклад в функцию энергии деформации.Если \(\kappa \) (\(0\le \kappa \le \frac{1}{3}\) ) близко к \(0\) , это означает, что волокна направлены в направлении \(\theta \) (направление курса);если \(\kappa \) близко к \(\mathrm{1/3}\) , это означает, что волокна рассредоточены и материал будет считаться изотропным.
Инструмент подбора материала позволяет пользователю задавать коэффициент Пуассона, граничные условия и начальные параметры для параметров материала (\({C}_{10},D,{k}_{1},{k}_{2} ,\) и \(\kappa \) ) и данные экспериментальных равнобиаксиальных испытаний.Напряжение Коши (\({\sigma }_{\theta \theta }\) , \({\sigma }_{zz}\) ) находится в направлениях курса и продольного направления.Используется метод наименьших квадратов для уравнений напряжения-деформации обоих направлений:
Набор инструментов для подбора материала также позволяет использовать несколько алгоритмов оптимизации, таких как Nelder-Mead, Powell, CG, L-BFGS-B, COBYLA и SLSQP, предоставляемые функцией оптимизации SciPy77.Для каждой итерации коэффициент детерминации \({R}^{2}\) и среднеквадратичный приведенный хи-квадрат \(\varepsilon \) использовались в сравнении с данными испытаний материала для следующего цикла оптимизации.Для равнобиаксиального протокола80 результаты считались приемлемыми для \({R}^{2}\, > \,0,8\) и \(\varepsilon \, > \,0,25\) .
Для одноосного испытания без покрытия параметры были идентифицированы как C10 = \(1,156\) , \({k}_{1}\) = \(0,0925\) , \({k}_{2}\) = \ (0.0\) , \(\alpha \) = \(0.321\) и \(\kappa \) = \(0.0\) (\({R}^{2}\,=\,0.76\) и \(\varepsilon \,=\,0.28\) ).Для одноосного испытания с покрытием параметры были определены как C10 = \(1,0\) , \({k}_{1}\) = \(0,163\) , \({k}_{2}\) = \ (0,0\) , \(\alpha \,=\,1,93\times {10}^{-12}\) и \(\kappa \,=\,0,133\) (\({R}^{2 }\,=\,0.97\) и \(\varepsilon \,=\,0.14\) ).
Для эквибиаксиального испытания без покрытия параметры были идентифицированы как C10 = \(0,503\) , \({k}_{1}\) = \(0,138\) , \({k}_{2}\) = \ (0.0\) , \(\alpha \) \(\,=\,0.0\) и \(\kappa \) = \(0.0\) , с результирующим \({R}^{2}\,= \,0,88\) и \(\varepsilon \,=\,0,22\) .Для эквибиаксиального испытания с покрытием параметры были C10 = \(1,098\) , \({k}_{1}\) = \(0,225\) , \({k}_{2}\) = \(4,05 e-10\) , \(\alpha \) = \(0.0\) и \(\kappa \) = \(2.087\times {10}^{-10}\) с результирующим \({R}^ {2}\,=\,0.8\) и \(\varepsilon \,=\,0.22\) .
В этой работе создаются вычислительные модели FEM для определения производительности различных приводов на основе ткани.Влияние их геометрических параметров, выделенных на рис. 3a–f) и дополнительных материалов, изучается для испытаний на блокировку силы и смещения с использованием инструмента вычислительного моделирования FEM, написанного на Python 2.7 для ABAQUS/Explicit (Simulia, Dassault Systemes).Инструмент моделирования способен автоматизировать процесс создания детали, создания сетки и применения граничных условий на основе заданных пользователем параметров.Вычислительные модели позволяют быстро выполнять итерации проектирования до фактического изготовления прототипов.
ABAQUS/Explicit используется для определения короткого времени динамического отклика, наблюдаемого среди различных типов исполнительных механизмов.ABAQUS/Explicit также способен предоставлять как динамические, так и квазистатические решения для испытаний на блокировку силы и смещения различных типов приводов.Чтобы выполнить квазистатическое моделирование, явное решение необходимо ускорить, сохраняя при этом его динамическое равновесие81.Для поддержания динамического равновесия скорость нагрузки анализа должна составлять 1% от скорости волны напряжения материала81.Для контроля динамического равновесия контролируется общая кинетическая (KE) и внутренняя (IE) энергия всей системы, чтобы гарантировать, что KE не превышает 5% от общего IE81.
Для измерения смещения исполнительных механизмов во время экспериментов на тканевые исполнительные механизмы прикрепляют пассивные отражающие маркеры.Для измерения угла изгиба три маркера равномерно распределены по длине привода.Для измерения смещений по трем осям на дистальном и проксимальном концах приводов размещаются маркеры.Для экспериментов использовали систему захвата движения (Optitrack Prime 13 W, NaturalPoint Inc., Корваллис, Орегон), и каждый эксперимент повторяли три раза.Для измерения полезной нагрузки приводов мы обозначили экспериментальную установку на дополнительном рисунке 3.
Приводы из тканой нерастяжимой ткани: FEM и экспериментальные результаты для (a) привода, придающего жесткость, (b) сжимающего привода, (c) удлиняющегося привода и (d) изгибающего привода.(e) Выпрямляющий привод: нагрузка в зависимости от давления.(f) Сжимающий привод: смещение в зависимости от давления.(g) Сжимающий привод: нагрузка в зависимости от давления.(h) Удлиняющийся привод: смещение в зависимости от давления.(i) Удлиняющийся привод: нагрузка в зависимости от давления.(j) Гибочный привод: угол изгиба в зависимости от давления.(k) Гибочный привод: нагрузка в зависимости от давления.
Приводы жесткости используются в приложениях, требующих разгибательного движения, например, при работе с коленными, запястными, локтевыми суставами и суставами пальцев.Сравнительное испытание модели FEM и экспериментального прототипа проводится для привода с \({w}_{a}\) = 65 мм и \({L}_{i}\) = 240 мм.Для экспериментов по силовому блоку привод располагался под желаемым углом изгиба 60° и 90°.Моделирование показывает аналогичную производительность для угла \({60}^{\circ }\) со среднеквадратическим отклонением \(1,08N\) и для угла \({90}^{\circ }\) со среднеквадратическим отклонением. \(1,71N\) , как показано на рис. 4д.
Сжимающие приводы используются в приложениях, требующих вытягивания или сжатия.Геометрические параметры используемого привода включают: \({n}_{a}\) = \(7\) , \({L}_{i}\) = 200 мм, \({w}_{a }\) = 60 мм, и \({h}_{a}\) = 22,86 мм, и с централизованным воздуховодом шириной 5 мм.Для испытаний на смещение и блокирующую силу измеряли длину сокращения (\(d\)) и силу тянущего сжатия соответственно.Для теста смещения максимальная ошибка смещения составляет \(\mathrm{13,84 \% }\) и среднеквадратическая ошибка \(2,06 мм\), как показано на рис. 4f.Испытания на блокировку модулей для модулей моделируются с фиксированием верхней и нижней торцевых поверхностей во всех направлениях (запечатыванием) под нагрузкой внешнего давления.Моделирование прогнозирует силу примерно до 0,17 \(МПа\), после чего моделирование показывает немного более высокие показания силы, чем экспериментальные результаты, возможно, из-за небольшой утечки воздуха в прототипе из-за растяжения материала из-за тянущих сил около 270 \(Н\) .Замечено RSME \(21.02N\) и максимальная ошибка силы \(\mathrm{11.45 \% }\), как видно на рис. 4g.
Геометрические параметры удлиняющихся исполнительных механизмов включают активную ширину (\({w}_{a}\) ) 62 мм и активную высоту (\({h}_{a}\) ) \(31 мм\) .Экспериментальные данные собираются для стека из пяти актуаторов (\({n}_{a}\,=\,5\) ).Свободное смещение сравнивается с результатами моделирования, как показано на рис. 4h.Наблюдается максимальная ошибка смещения \(\mathrm{8,52 \% }\) и среднеквадратическая ошибка \(3,46 мм\).Для испытания блокирующей силы, показанного на рис. 4i, сравнивающего эксперимент и моделирование, наблюдается среднеквадратическое отклонение \(1,49N\).Моделирование как свободного смещения, так и заблокированной силы показывает хорошие предсказания экспериментальных результатов.
Гибочные приводы, предназначенные для различных применений сгибания, проверяются на угол изгиба и блокирующую силу, как показано на рис. 4d.Для испытаний на смещение и блокировку силы приводы с \(n\) = \(13\) , \({w}_{a}\) = 41 мм и \({h}_{a}\) = \(30 мм\).Результаты показаны на рис. 4j и k.Для этого испытания была разработана вертикальная пластина, ограничивающая дальнейшее скручивание дистального конца привода внутрь во время надувания, чтобы поддерживать углы изгиба на уровне около 200°, для облегчения контроля и расчета углов изгиба.Замечено, что прототип изгибающего привода имеет начальный угол изгиба, поскольку фитинги на каждом приводе создают начальную жесткость.Однако примерно в 30–40% моделирования модель FEM догоняет экспериментальные данные, и мы видим, что результаты тесно совпадают между моделированием и реальными экспериментами.Для испытания на блокируемую силу моделирование FEM догоняет экспериментальные данные примерно на 60–65% моделирования.Оба представляют аналогичные выходные данные полезной нагрузки с RSME \(2.39N\) .
Созданы вычислительные модели для изучения влияния армирования ткани на профиль движения различных трикотажных эластичных FRTA.На рисунках 5a-c и дополнительном видео 2 показаны графики контуров смещения, полученные в результате моделирования FEM, по сравнению с экспериментальными изображениями приводов под давлением при соответствующих значениях давления.Основными изучаемыми геометрическими параметрами являются количество армирований (\(n\)) и угол армирования ткани (\(\alpha \)), как показано на дополнительном рисунке 2. Выходная сила (полезная нагрузка или крутящий момент) и смещение (угол изгиба, угол скручивания или удлинение) измеряются при небольших приращениях давления как для моделирования, так и для экспериментов методом конечных элементов.
Приводы из трикотажной эластичной ткани: FEM и экспериментальные результаты для (a) изгибающего привода, (b) удлиняющего привода и (c) скручивающего привода.(d) Гибочный привод: смещение в зависимости от давления.(e) Гибочный привод: нагрузка в зависимости от давления.(f) Удлиняющийся привод: смещение в зависимости от давления.(g) Удлиняющийся привод: нагрузка в зависимости от давления.(h) Поворотный привод: угол поворота в зависимости от давления.(i) Поворотный привод: крутящий момент в зависимости от давления.
Изгибающие FRTA были испытаны на углы изгиба (рис. 5d и блокирующие силы (рис. 5e). Для обоих испытаний использовались геометрические параметры привода \({L}_{i}=155\,мм\) , \( {w}_{r}=1,5\,мм\) , \(\alpha {=0}^{\circ }\) , \({w}_{i}=40\,мм\) , \( {w}_{z}=14\,mm\) и \({n}_{r}=35\) Заметим, что результаты теста на угол изгиба близко совпадают между моделированием и реальными экспериментами с. Среднеквадратичное значение \({10.16}^{\circ }\) Для прототипа изгиба FRTA существовал начальный угол изгиба, поскольку прототип имел небольшую начальную жесткость. Для испытания под нагрузкой экспериментальные результаты следовали той же тенденции, что и для испытания под нагрузкой. моделирование со среднеквадратическим значением \(0,4939N\) .
Удлиняющиеся FRTA были испытаны на смещения (рис. 5f) и блокирующие силы (рис. 5g). Геометрические параметры привода, использованные для обоих испытаний, были \({L}_{i}=155\,мм\) , \({w }_{r}=6,0\,мм\) , \(\alpha {=0}^{\circ }\) , \({w}_{i}=46\,мм\) , \({w }_{z}=0,0\,мм\) и \({n}_{r}=15\) Из графика смещения, рис. 5f, мы замечаем, что модель FEM соответствует экспериментальным данным со среднеквадратичным значением. \(1,36\,мм\) . Для графика заблокированной силы, рис. 5g, модель FEM очень точно прогнозирует полезную нагрузку привода со среднеквадратичным значением \(5,81N\) . Для удлиняющегося FRTA тканевого армирования. преобразуйте радиальное расширение в осевое расширение, поэтому большее количество армирования приводит к меньшему радиальному расширению и большему удлинению.
Модели скручивания FRTA были экспериментально проверены на предмет углов скручивания и крутящего момента, как показано на рис. 5h, i.Привод был накачан до 0,11 МПа с шагом 0,014 МПа, что было выбрано в качестве безопасного максимального входного давления, чтобы предотвратить любое заметное радиальное расширение, которое могло бы привести к поломке привода.Геометрические параметры привода составляли Li = 155 мм, wr = 5,0 мм, α = −30°, wi = 46 мм, wz = 0,0 мм и nr = 16. Модель FEM хорошо прогнозирует угол закручивания привода с Среднеквадратическое отклонение 4,94°.Согласно предыдущим работам с армирующим волокном82, способность привода к скручиванию по часовой стрелке или против часовой стрелки (|α|) постепенно увеличивается от 0 до 30°, а затем снижается до \(|\alpha {\mathrm{|=90}}^ {\circ }\) , где усиление симметрично, что предотвращает скручивание привода и способствует только радиальному расширению.Что касается возможности блокировки крутящего момента, модель FEM предсказывает более низкие значения крутящего момента примерно до 50–60% моделирования, где полезная нагрузка экспериментальных результатов очень близко соответствует результатам моделирования со среднеквадратическим значением 0,0352 \(N\cdot m\). .
Вычислительные модели FSPA моделируются с использованием тех же геометрических параметров, что и эластомерный привод, армированный волокном10, для оценки конструкции перед изготовлением.Общие геометрические параметры приводов: \({R}_{a}=10\,мм\) , \({w}_{z}=10\,мм\) , \({L}_{i }=155\,мм\) .Тканые нерастяжимые приводы имеют \({n}_{a}=19\) , \({s}_{p}=9\,мм\) и \({w}_{a}=20\ ,мм\) и \({h}_{a}=20\,мм\) .Трикотажные исполнительные механизмы растяжения имеют \({n}_{r}=35\) , \({w}_{r}=1,35\,мм\) и \({s}_{p}=1,5\, мм\) .Модели FEM экспериментально проверены для углов изгиба и полезной нагрузки на кончике образца при надувании образцов до 0,206 \(МПа\) с небольшим приращением давления 0,034 \(МПа\) , как показано на рис. 6b,c.Обе модели FEM с тканевым приводом соответствуют требованиям к движению и силе.Силы на дистальном кончике тканевых приводов, полученные с помощью моделирования FEM, экспериментально подтверждены, в результате чего среднеквадратические отклонения составляют 0,59 \(N\) и 0,49 \(N\) для тканого FSPA и трикотажного FRTA соответственно.Как экспериментальные данные, так и данные модели FEM продемонстрировали одинаковое поведение при изгибе со среднеквадратическим отклонением 26,2 ° для тканого FSPA и 10,16 ° трикотажного FRTA, как показано на рис. 6b.Прототип тканого FSPA имеет начальный угол изгиба из-за жесткости, обусловленной пластиковыми фитингами, прикрепленными к каждому приводу.
На рис. 6а и дополнительном видео 3 мы сравниваем углы изгиба и силы на дистальном кончике трех приводов вместе.Тканый материал FSPA мгновенно сгибается и скручивается под давлением и достигает максимального угла изгиба, равного 0,069 \(МПа\), что примерно в 1,7 раза больше, чем углы изгиба приводов из силикона и эластичной ткани.Таким образом, этот привод быстрее всего достигает максимального угла изгиба.С другой стороны, приводы FRTA и армированные волокном приводы стабильно достигают одинаковых максимальных углов изгиба при 0,206 \(МПа\).Силиконовый привод также имеет небольшой начальный угол изгиба, поскольку начальная жесткость определяется жесткостью материала с твердостью по Шору \(28A\).Как видно на рис. 6c, приводы на тканевой основе демонстрируют полезную нагрузку примерно в 1,71 раза выше при \(0,206 МПа\), что соответствует требованиям к дистальному усилию для задачи при более низком рабочем давлении.В силиконовом приводе необходимо создать давление до 0,275 МПа, чтобы обеспечить желаемое усилие на кончике.С точки зрения веса силиконовые, тканые приводы FSPA и трикотажные приводы FRTA составляют 37,5 \(г\) , 82,5 \(г\) и 9,7 \(г\) соответственно (с пневматическими фитингами).Дополнительный вес тканого неэластичного полотна обусловлен наличием пневматических фитингов на каждом приводе в массиве.Таким образом, приводы FRTA демонстрируют самое высокое соотношение силы и веса по сравнению с другими приводами.Прототип вспомогательной носимой перчатки из FRTA представлен на дополнительном рисунке 2.
Мы также всесторонне изучили и механически охарактеризовали различные ткани, используемые для создания нелинейных моделей конститутивных материалов для больших деформаций на основе формы HGO79, используя данные двунаправленного напряжения и деформации, представляющие механическую анизотропию материала.Мы внедрили обширную библиотеку экспериментально проверенных моделей FEM для FSPA (4 тканых и 3 трикотажных FSPA).Эти модели могут использоваться в качестве инструментов проектирования, позволяющих пользователям изменять геометрические параметры и материалы привода, чтобы прогнозировать механическую реакцию приводов на внутреннее квазистатическое и динамическое давление, а также на внешний контакт.Это позволит определить критерии проектирования для разработки масштабируемых и настраиваемых FSPA на основе требований к характеристикам шарнирного сочленения и желаемой полезной нагрузки перед изготовлением.
Койл С., Маджиди К., ЛеДюк П. и Ся К. Дж. Мягкая робототехника, вдохновленная био: выбор материалов, приведение в действие и дизайн.Письма по экстремальной механике 22, 51–59, https://doi.org/10.1016/j.eml.2018.05.003 (2018).
Агарвал Г., Бесуше Н., Одергон Б. и Пайк Дж. Растягивающиеся материалы для прочных мягких приводов на пути к вспомогательным носимым устройствам.Scientific Reports 6, 34224, https://doi.org/10.1038/srep34224 (2016).
Статья ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Каппелло Л. и др. Использование текстильной механической анизотропии для тканевых пневматических приводов.Мягкая робототехника 5, 662–674, https://doi.org/10.1089/soro.2017.0076 (2018).PMID: 30024312,.
Коннолли Ф., Вагнер Д.А., Уолш С.Дж. и Бертольди К. Не требующие сшивки анизотропные текстильные композиты для быстрого проектирования и производства мягких носимых роботов.Письма по экстремальной механике 27, 52–58, https://doi.org/10.1016/j.eml.2019.01.007 (2019).
Полигеринос П., Ван З., Галлоуэй К.К., Вуд Р.Дж. и Уолш С.Дж. Мягкая роботизированная перчатка для комбинированной помощи и реабилитации в домашних условиях.Робототехника и автономные системы 73, 135–143, https://doi.org/10.1016/j.robot.2014.08.014 (2015).Носимая робототехника.
Ин Х., Канг Б.Б., Син М. и Чо К. Экзоперчатка: носимый робот для руки с системой прокладки мягких сухожилий.Журнал IEEE Robotics Automation 22, 97–105, https://doi.org/10.1109/MRA.2014.2362863 (2015).
Яп, Гонконг и др.Полностью тканевая двунаправленная мягкая роботизированная перчатка для помощи и реабилитации пациентов с нарушениями работы рук.IEEE Robotics and Automation Letters 2, 1383–1390, https://doi.org/10.1109/LRA.2017.2669366 (2017).
Талман К.М., Лам К.П., Нгуен П.Х., Шридар С. и Полигеринос П. Новый экзокостюм с мягкими локтями для увеличения подъемной способности бицепса.На Международной конференции IEEE/RSJ по интеллектуальным роботам и системам (IROS) 2018 г., 6965–6971, https://doi.org/10.1109/IROS.2018.8594403 (2018).
Ко Т.Х., Ченг Н., Яп Х.К. и Йеоу К.-Х.Конструкция мягкого роботизированного локтевого рукава с пассивным и управляемым намерением срабатыванием.Frontiers in Neuroscience 11, 597, https://doi.org/10.3389/fnins.2017.00597 (2017).
Статья PubMed PubMed Central Google Scholar
О'Нил, Коннектикут, Фиппс, Н.С., Каппелло, Л., Паганони, С. и Уолш, СиДжей. Мягкий носимый робот для плеча: проектирование, характеристика и предварительное тестирование.Международная конференция по реабилитационной робототехнике (ICORR), 2017 г., 1672–1678, https://doi.org/10.1109/ICORR.2017.8009488 (2017).
Симпсон, К.С., Окамура, А.М. и Хоукс, Э.В. Экзомускул: надувное устройство для поддержки отведения плеча.В 2017 году Международная конференция IEEE по робототехнике и автоматизации (ICRA), https://doi.org/10.1109/icra.2017.7989785 (IEEE, 2017).
Нативидад, Р.Ф., Хонг, Ю.В., Миллер-Джексон, Т.М. и Йеоу, К.-Х.Экзорукав: мягкий роботизированный экзоскелет для помощи в повседневной жизни.Биосистемы и биоробототехника, 406–409, https://doi.org/10.1007/978-3-030-01887-0_78 (Springer International Publishing, 2018).
Реалмуто Дж. и Сэнгер Т. Роботизированный ортез предплечья с использованием спиральных приводов на основе мягкой ткани.В 2019 г. прошла 2-я Международная конференция IEEE по мягкой робототехнике (RoboSoft), https://doi.org/10.1109/robosoft.2019.8722759 (IEEE, 2019).
Парк, С.-Х.и другие.Легкий и мягкий носимый рукав для реабилитации пронации и супинации предплечья.В 2019 г. прошла 2-я Международная конференция IEEE по мягкой робототехнике (RoboSoft), https://doi.org/10.1109/robosoft.2019.8722783 (IEEE, 2019).
Агарвал Г., Робертсон М.А., Сонар Х. и Пайк Дж. Проектирование и компьютерное моделирование модульной, совместимой роботизированной сборки для помощи поясничному отделу и спинному мозгу человека.Научные отчеты 7, https://doi.org/10.1038/s41598-017-14220-3 (2017).
Говин Д., Саенс Л., Атанасаки Г., Снайдер Л. и Полигеринос П. Проектирование и разработка мягкого роботизированного ортеза для спины.На конференции по проектированию медицинского оборудования 2018 г. https://doi.org/10.1115/dmd2018-6806 (ASME, 2018).
Асбек, А.Т., Шмидт, К. и Уолш, С.Дж. Мягкий экзокостюм для поддержки бедра.Робототехника и автономные системы 73, 102–110, https://doi.org/10.1016/j.robot.2014.09.025 (2015).Носимая робототехника.
Фанг Дж. и др.Новые складные пневматические приводы в стиле аккордеона для коленных вспомогательных устройств.Мягкая робототехника 0, ноль, https://doi.org/10.1089/soro.2018.0155(0).PMID: 31566506,.
Чанг, Дж., Хеймгартнер, Р., О'Нил, Коннектикут, Фиппс, Н.С. и Уолш, СиДжей Exoboot, мягкий надувной роботизированный ботинок, помогающий голеностопному суставу при ходьбе: проектирование, характеристики и предварительные испытания.В 2018 г. прошла 7-я Международная конференция IEEE по биомедицинской робототехнике и биомехатронике (Biorob), 509–516, https://doi.org/10.1109/BIOROB.2018.8487903 (2018).
Парк, Ю.-Л.и другие.Разработка и управление биологическим мягким носимым роботизированным устройством для реабилитации голеностопного сустава.Биоинспирация и биомиметика 9, 016007, https://doi.org/10.1088/1748-3182/9/1/016007 (2014).
Соверо, С. и др.Исходные данные и теория создания экзоскелета голеностопного сустава высокой удельной мощности.В Springer Proceedings in Advanced Robotics, 355–364, https://doi.org/10.1007/978-3-319-50115-4_31 (Springer International Publishing, 2017).
Ли С., Фогт Д.М., Рус Д. и Вуд Р.Дж. Искусственные мышцы, вдохновленные оригами, с приводом от жидкости.Proceedings of the National Academy of Sciences 201713450, https://doi.org/10.1073/pnas.1713450114 (2017).
Гориссен Б. и др.Эластичные надувные приводы для мягкой робототехники.Advanced Materials 29, 1604977, https://doi.org/10.1002/adma.201604977 (2017).
Яп, Гонконг, Нг, ХИ и Йео, К.-Х.Мощная мягкая печатная пневматика для мягкой робототехники.Мягкая робототехника 3, 144–158, https://doi.org/10.1089/soro.2016.0030 (2016).
Нгуен П.Х., Лопес-Арельяно Ф., Чжан В. и Полигеринос П. Проектирование, характеристика и механическое программирование текстильных приводов, армированных тканью, для мягкой роботизированной руки.На Международной конференции IEEE/RSJ по интеллектуальным роботам и системам (IROS) 2019 г., 8312–8317, https://doi.org/10.1109/IROS40897.2019.8968497 (2019).
Нишиока Ю. и др.Разработка пневматического мягкого привода со плиссированными надувными конструкциями.Advanced Robotics 31, 753–762, https://doi.org/10.1080/01691864.2017.1345323 (2017).
Ниияма Р., Рус Д. и Ким С. Pouch Motors: Мягкие приводы для печати/надувные для робототехники.В 2014 г. Международная конференция IEEE по робототехнике и автоматизации (ICRA), 6332–6337, https://doi.org/10.1109/ICRA.2014.6907793 (2014).
Келларис Н., Гопалуни Венката В., Смит Г.М., Митчелл С.К. и Кеплингер К. Приводы Пеано-Хейзела: электрогидравлические преобразователи, имитирующие мышцы, которые линейно сокращаются при активации.Научная робототехника 3, https://doi.org/10.1126/scirobotics.aar3276 (2018)
Парк Ю., Сантос Дж., Галлоуэй К.Г., Голдфилд Э.К. и Вуд Р.Дж. Мягкое носимое роботизированное устройство для активных движений коленей с использованием плоских пневматических искусственных мышц.В 2014 г. Международная конференция IEEE по робототехнике и автоматизации (ICRA), 4805–4810, https://doi.org/10.1109/ICRA.2014.6907562 (2014).
Вил, А.Дж., Се, С.К. и Андерсон, И.А. Моделирование пеано-жидкостной мышцы и влияние свойств ее материала на ее статическое и динамическое поведение.Умные материалы и конструкции 25, 065014, https://doi.org/10.1088/0964-1726/25/6/065014 (2016).
Мосаддык Б. и др.Пневматические сети для мягкой робототехники, которые быстро срабатывают.Advanced Functional Materials 24, 2163–2170, https://doi.org/10.1002/adfm.201303288 (2014).
Фелт В., Робертсон М.А. и Пайк Дж. Моделирование мягких пневматических приводов с вакуумными сильфонами и оптимальными механическими характеристиками.В 2018 году прошла Международная конференция IEEE по мягкой робототехнике (RoboSoft), https://doi.org/10.1109/robosoft.2018.8405381 (IEEE, 2018).
Шапиро Ю., Вольф А. и Габор К. Бисильфоны: Пневматический гибочный привод.Датчики и исполнительные механизмы A: Physical 167, 484–494, https://doi.org/10.1016/j.sna.2011.03.008 (2011).
Нгуен, PH и др.Мягкие полиэстеровые конечности из ткани для физической помощи в повседневных жизненных задачах.Международная конференция по робототехнике и автоматизации (ICRA) 2019 г., 8429–8435, https://doi.org/10.1109/ICRA.2019.8794294 (2019).
Рафсанджани А., Бертольди К. и Стударт А.Р. Программирование мягких роботов с использованием гибких механических метаматериалов.Научная робототехника 4, https://doi.org/10.1126/scirobotics.aav7874 (2019).
Ким, С.Ю. и др.Реконфигурируемые траектории мягкого тела с использованием однонаправленно растягивающихся композитных пластин.Nature Communications 10, https://doi.org/10.1038/s41467-019-11294-7 (2019).
Бишоп-Мозер Дж. и Кота С. Проектирование и моделирование обобщенных пневматических мягких приводов, армированных волокном.Транзакции IEEE по робототехнике 31, 536–545, https://doi.org/10.1109/TRO.2015.2409452 (2015).
Коннолли Ф., Уолш К.Дж. и Бертольди К. Автоматическое проектирование мягких приводов, армированных волокном, для согласования траектории.Proceedings of the National Academy of Sciences 114, 51–56, https://doi.org/10.1073/pnas.1615140114 (2017).
Лазарус А. и Рейс П.М. Мягкое приведение в действие структурированных цилиндров за счет ауксетического поведения.Advanced Engineering Materials 17, 815–820, https://doi.org/10.1002/adem.201400433 (2015).
Ян, Д. и др.Выпучивание эластомерных балок позволяет приводить в действие мягкие машины.Advanced Materials 27, 6323–6327, https://doi.org/10.1002/adma.201503188 (2015).
Ким, В. и др.Биоинспирированное растягивающееся оригами с двойной трансформацией.Научная робототехника 4, https://doi.org/10.1126/scirobotics.aay3493 (2019).
Мартинес Р.В., Фиш С.Р., Чен X. и Уайтсайдс Г.М. Эластомерное оригами: программируемые композиты бумаги и эластомера в качестве пневматических приводов.Advanced Functional Materials 22, 1376–1384, https://doi.org/10.1002/adfm.201102978 (2012).
Азиз С. и Спинкс Г.М. Торсионные искусственные мышцы.Матер.Гориз 7, 667–693, https://doi.org/10.1039/C9MH01441A (2020).
Статья CAS PubMed Central Google Scholar
Грир, Дж.Д., Моримото, Т.К., Окамура, А.М. и Хоукс, Пневматические искусственные мышцы серии EW (sPAM) и их применение в роботе с мягким континуумом.В материалах Международной конференции IEEE по робототехнике и автоматизации, 5503–5510, https://doi.org/10.1109/ICRA.2017.7989648 (2017).
Фиорелло И., Дотторе Э.Д., Трамасере Ф. и Маццолаи Б. Вдохновляясь вьющимися растениями: методологии и критерии — обзор.Биоинспирация и биомиметика 15, 031001, https://doi.org/10.1088/1748-3190/ab7416 (2020).
Атака А., Абрар Т., Путцу Ф., Годаба Х. и Альтофер К. Управление позой на основе модели надувного эверсионного робота с переменной жесткостью.IEEE Robotics and Automation Letters 5, 3398–3405 (2020).
Хоукс, Э.В., Блюменшайн, Л.Х., Грир, Дж.Д. и Окамура, А.М. Мягкий робот, который перемещается в окружающей среде посредством роста.Научная робототехника 2, 1–8, https://doi.org/10.1126/scirobotics.aan3028 (2017).
Лян, X. и др.Проектирование и описание нового роботизированного манипулятора на тканевой основе для будущего применения носимых роботов.Международная конференция IEEE по робототехнике и биомиметике (ROBIO) 2017 г., 367–372, https://doi.org/10.1109/ROBIO.2017.8324445 (2017).
МакМахан В., Джонс Б.А. и Уокер И.Д. Разработка и внедрение многосекционного непрерывного робота: Air-octor.Международная конференция IEEE/RSJ по интеллектуальным роботам и системам 2005 г., IROS, январь, 3345–3352, https://doi.org/10.1109/IROS.2005.1545487 (2005).
Кастано, Л.М. и Флатау, AB «Умные» тканевые датчики и технологии электронного текстиля: обзор.Умные материалы и конструкции 23, 053001, https://doi.org/10.1088/0964-1726/23/5/053001 (2014).
Чжу М., Адамс В. и Полигеринос П. Мягкое рельефное устройство для синдрома запястного канала для набора текста.На конференции по проектированию медицинского оборудования 2017 г., https://doi.org/10.1115/dmd2017-3374 (Американское общество инженеров-механиков, 2017).
Ахуджа А. и др.Биомеханическая характеристика материала стэнфордской рассеченной аорты свиньи типа b.Границы физиологии 9, 1317, https://doi.org/10.3389/fphys.2018.01317 (2018).
Статья PubMed PubMed Central Google Scholar
Теорема о работе-энергии: Принцип метода конечных элементов, гл.5, 63–81 (John Wiley & Sons, Ltd, 2017).
Полигеринос П. и др.Моделирование гибочных приводов, армированных мягким волокном.Транзакции IEEE в робототехнике 31, 778–789, https://doi.org/10.1109/TRO.2015.2428504 (2015).
Чун, Х.Д., Робертс, Дж.О., Сайед, М.Э., Аракри, С. и Стоукс, А.А. На пути к более энергоэффективным пневматическим мягким приводам с использованием порт-гамильтоновского подхода.В 2019 г. 2-я Международная конференция IEEE по мягкой робототехнике (RoboSoft), 277–282, https://doi.org/10.1109/ROBOSOFT.2019.8722709 (2019).
Немироски А. и др.Артроботы.Мягкая робототехника 4, 183–190, https://doi.org/10.1089/soro.2016.0043 (2017).PMID: 29182080.
Эта работа была частично поддержана Национальным научным фондом в рамках гранта CMMI-1800940.Авторы благодарят С. Поддара, IIB Mohd, S. Saivimal, Z. Qiao и S. Seidel за помощь в изготовлении приводов, анализе результатов и моделировании FEM.Авторы благодарят доктора Полигериноса за его вклад в начало этой работы.
Открытый доступ. Эта статья распространяется по международной лицензии Creative Commons Attribution 4.0, которая разрешает использование, совместное использование, адаптацию, распространение и воспроизведение на любом носителе и в любом формате при условии, что вы укажете соответствующую ссылку на оригинального автора(ов) и источник. предоставить ссылку на лицензию Creative Commons и указать, были ли внесены изменения.Изображения или другие материалы третьих сторон в этой статье включены в лицензию Creative Commons, если иное не указано в ссылке на материал.Если материал не включен в лицензию Creative Commons на статью и предполагаемое использование не разрешено законодательством или превышает разрешенное использование, вам необходимо будет получить разрешение непосредственно от правообладателя.Чтобы просмотреть копию этой лицензии, посетите http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.
Нгуен П.Х., Чжан В. Проектирование и компьютерное моделирование тканевых мягких пневматических приводов для носимых вспомогательных устройств.Sci Rep 10, 9638 (2020).https://doi.org/10.1038/s41598-020-65003-2
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-020-65003-2.