3D打印蜂窝手指提供现代机器人所需的材料平衡

发布者:匿名 2019-08-06 浏览量:2455


作为一款配备3D设计的细胞手指的智能兼容机器人手柄,作者深入研究了3D打印和机器人相结合的世界。他们最近发表的论文着重于设计具有易于制造的可变形细胞结构的机器人结构。

传统的金属机器人或机器人部件越来越多地被更软的材料所取代,这些材料为工业应用提供了更多功能。不仅如此,这些新材料中的许多都能够在温度或湿度等环境下变形。许多这些创新最初都是受自然界的启发,例如蛇的运动和摩擦特性

多材料拉胀结构的设计和制造:A)具有确定参数的凹入蜂窝单元的2D草图。B)基于长丝挤出的多材料3D打印的示意图。C)具有两个重要参数的拉胀单元的不同设计,α(垂直支柱h的长度与凹入支柱的长度之比l)和θ(凹角),在草图(A)中定义。D)通过以90°连接两个2D结构而制成的3D凹入蜂窝结构的CAD图像。单色灰色表示单一材料的使用,该材料是基于TPU的柔性材料。E)基于双材料的拉胀单元格,其中凹入支柱(红色)由柔性材料制成,垂直支柱(灰色)由刚性材料制成。F)基于双材料的拉胀单元电池的不同设计,其中接头(灰色)由柔性材料制成,而支柱的其余部分(蓝色)用柔性和刚性材料的组合打印,相同比例。

然而,在创建软机器人时,存在的挑战是在柔性和结构刚度之间找到平衡并且结合通常由各种不同的庞大系统组成的电子器件。本研究中提到的细胞手指可以通过指尖中的嵌入式传感器制作,允许16N的强大夹持力,并且能够拾取大量物体并且作为更复杂的架构的示例,以获得更好的功能和整体性能。

“以拉伸为主的多孔固体,如八角形八面体等,与弯曲主导的泡沫材料相比,显示出更高的初始屈服强度,这是由于它们的结构部件布局不同,使其成为轻质结构应用的更好替代品。一个这样独特的空间排列结构产生负泊松比(NPR)这些被称为拉胀。与其他类型的机械超材料一样,拉胀材料NPR通常是拓扑结构的直接结果,其中关节旋转以移动结构研究人员表示。

3D打印的拉胀结构的表征:A)来自设计的压缩样品,α= 1.5且θ= -20°。研究了晶胞中的三种不同材料分布(单,双1和双2设计)。在0%,20%和40%菌株下采集每个样品的图像。B)对于设计(单,双1和双2),具有α= 1.5,2和θ= -20°,-30°的不同组合的三个样品的应力 - 应变图。对于theta,图例读作“a”,对于theta读作“t”,对于单个,双1和双2分别读作S,D1,D2。C)压缩拉胀单元的有限元分析(FEA)模拟分析,研究三种不同设计的弹性区域的不同应力分布。颜色代码保持不变,并在每个图像旁边定义。对每种情况比较实验和模拟的相应弹性曲线。D)细胞手指设计使用主体的刚性拉伸主导的八位位组结构,并使用选择的拉胀结构(α= 1.5和θ= -20°),双关节设计。

NPR材料也能够变形并显示出“顺应弯曲的行为”。在这个研究项目中,再次使用蜂窝结构,灵感来自自然 - 检查它们吸收能量和弯曲的能力。这些可重入结构更容易转换为3D领域,并允许作者对参数和结果细胞属性进行实验。最终目标是实现畸形,以及合适的耐用性和能效。

随着多孔细胞材料的使用,以满足柔软性和柔韧性的平衡,以及对坚固性的需求,研究人员能够将他们对材料、制造和机器人的知识与3D打印以及三重材料的使用结合起来。机器人手指指由以下轻量部件组成:

三个八位字节

两个拉胀关节(模仿人体骨骼和关节)

指尖上集成压力传感器

以下材料用于3D打印单,双1和双2设计:SemiFlex,PLA和碳纤维增强PLA(CFRPLA)。孔隙率水平在轻质结构中获得所需的平衡,并且为各种夹持功能提供适当的刚。总体设计还负责手指系统,能够根据需要变形,与物体及其特定形状协调,而指尖传感器监测环境。

压缩试验样品的机械性能

“我们设计的机器人手指蜂窝设计理念起点。因此,本课题还有很多进一步研究的空间。其他机械超材料的设计有很多机会,因此可以研究其他晶格结构以调整机器人手指中的额外机械变形功能研究人员总结道。

“还可以研究传感器设计的优化和其他传感器的添加,以实现其无处不在的性能。这种具有超材料主体的柔性机器人设计可以提高机器人在假肢或工业应用中的功能性和耐久性,从而开发出新一代机器人系统,在各种任务中具有更好的性能和更大的适应性。”

机器人技术和3D打印技术如今经常结合在一起,应用范围从家具制造到软机器人等等。

基于不同α和θ参数的拉胀单位单元设计

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