Fluid-driven origami-inspired artificial muscles(流体驱动折纸启发人工肌肉)

分类: 打印机驱动使用 发布时间:2018-10-30 02:57

人工肌肉有望为无数普通机器和机器人提供安全和强大的动力。然而,人工肌肉的设计、制造和实现往往受到其材料成本、工作原理、可扩展性和单自由度收缩驱动运动的限制。在这里,我们提出了一种流体驱动的折纸启发人工肌肉的架构。这个概念只需要一个可压缩的骨架,一个灵活的皮肤,和一个流体介质。建立了一个力学模型来解释这三个部件之间的相互作用。介绍了一种利用多种材料、多尺度快速制造低成本人工肌肉的方法。人工肌肉可以编程实现多轴运动,包括收缩、弯曲和扭转。这些运动可以聚合成多个自由度的系统,这些系统能够以不同的速度产生可控的运动。我们的人工肌肉可以由负压(相对于环境)的流体驱动。这一特性使得驱动比其他大多数在正压力下工作的流体人工肌肉更安全。实验表明,这些肌肉可以收缩其初始长度的90%以上,产生∼600 kPa的应力,并产生超过2kW/kg的峰值功率密度-所有这些都等于或超过自然肌肉。这种人工肌肉结构为快速设计和低成本制造驱动系统打开了大门,这些驱动系统可用于多种规模的应用,从微型医疗设备到可穿戴的机器人外骨骼,到用于空间探索的大型可展开结构。

人工肌肉(1,2)是一类长期寻求的致动器,用于工业机器人、可穿戴设备和医疗器械(3-10)。已经提出了许多转导方法,包括热能、电场和加压流体的使用。形状记忆合金(SMA)在加热到高于其(固态)相变温度但以滞后和慢循环时间(11)为代价时,可产生大的收缩应力(>200MPa)。已经证明,低成本的聚合物纤维,例如扭曲的钓鱼线和缝纫线,可以产生高达140MPa(4.5%冲程)的显著大应力,以及高达49%(1MPa载荷)的显著拉伸冲程。与SMA类似,这种扭曲的基于纤维的肌肉是热驱动的,因此,其能量转换效率相对于天然肌肉(40%(12))低(<2%)。电活性聚合物(EAP),无论是离子(13)还是电介质(14-16),由于其相对高的效率(30%)、轻质和结构柔顺性(弹性模量<1MPa)(1,17),被广泛用于构建人工肌肉。聚合物基致动器具有紧密模拟肌肉的材料特性,并且在存在外部电场(18,19)时可以产生实质性变形。然而,通常需要极高的电压(对于介电弹性体致动器通常大于1kV)或密封封装(对于离子聚合物-金属复合材料)(13),对实际应用构成障碍。电驱动水凝胶能够在小尺度(20)下产生可逆驱动,但是与其他人工肌肉(1,21)相比,它们的响应相对较慢(从秒到小时)。相变材料(液体-气体和固体-液体转变)已经用于构建电驱动的弹性人工肌肉(22,23)。这些肌肉在高应变(高达900%)和高应力(高达29MPa)方面表现出非常有前途的性能,同时它们的能量效率与SMA相似,并且它们的致动速度相对较慢。

流体驱动执行器因其简单、大的驱动应力和变形、高能量效率和低成本(24-28)而成为应用最广泛的人工肌肉。McKibben执行器是最流行的流体人工肌肉(29,30)之一。当向各向异性外网格内的膀胱施加正的流体压力时,可以产生线性收缩和较大的力。这种人工肌肉可以是气动的,也可以是液压的。然而,高压(>100 kPa)流体是需要的,压力是由组成材料的性质和期望的力和位移决定的。与标准的McKibben执行器相比,相关的执行器,如袋马达(31)和Peano肌肉(32,33)具有简单的平面结构。这些人工肌肉在相对较低的气压(10 KPa)下能产生线性收缩和扭转运动。这些肌肉的收缩率被限制在∼36%,因为它们的膨胀膜的圆柱形几何形状。真空驱动肌肉驱动气动结构(VAMPS)是一种弹性执行器,具有与自然骨骼肌相似的可逆行为和力学性能(34)。通过负压(相对于环境)引起的弹性梁的屈曲,VAMP可以产生平面线性收缩和扭转运动。负压操作与其他受正压驱动的流控人工肌肉相比,具有更大的安全性、紧凑性和健壮性,但VAMPS所能产生的最大驱动应力(65 KPa)和收缩(45%)受到负压(真空)及其弹性结构(35)的屈曲强度的限制。

研究意义:人工肌肉是灵活的致动器,具有类似于,甚至超越自然肌肉的能力。它们已被广泛应用于许多传统的刚性电磁电机的替代品中。许多研究集中在快速设计和低成本制造的人工肌肉定制的性能。在这里,我们提出了一个架构的流体人工肌肉前所未有的性能成本比。这些人工肌肉可以被编程来产生一个单一的收缩,但也可以产生复杂的多轴致动,甚至是具有多个自由度的可控运动。此外,各种各样的材料和制造工艺可用于构建具有超越基本驱动之外的其他功能的人造肌肉。

尽管已经取得了重大进展,但高性能人工肌肉的开发仍然面临着长期的科学挑战,这些技术具有制造成本低、驱动复杂、操作简单和可扩展实现等特点。受冷气压折叠式思想(36)的启发,这里我们提出了流体驱动折纸启发的人工肌肉(泡沫)结构的设计和制造方法。这种结构允许我们编程多轴复杂运动的人工肌肉,以及不同速率的可控运动。这些人工肌肉是快速,强大,能量有效的,他们可以在多个尺度上以非常低的成本使用各种材料制造(图1A和B)。

图1.设计,制造,以及由此产生的多尺度执行器。(A)微型线性执行器采用聚醚酮(PEEK)锯齿状折纸结构作为骨架,PVC薄膜作为皮肤。。这些生物相容性材料使致动器适合于医疗和可穿戴应用。(B)使用由尼龙板组成的锯齿形骨架组装大型大功率执行器(折叠宽度=10厘米)。皮肤由热塑性聚氨酯(TPU)涂层尼龙织物制成.一个汽车车轮(直径≈75厘米,重量≈22公斤)在30秒内提升到20厘米(电影S3)。(C).原则执行机构的操作。收缩主要是由皮肤的张力驱动的。这种力是由内外流体之间的压差产生的。除液fr执行器将暂时降低内部压力。(D)制作过程。一个标准的执行器可以用三个简单的步骤快速制作:(步骤1)使用任意的骨架构造。许多技术,(第二步)皮肤准备,(第三步)液体密封.

Principle of Operation and Modeling(操作原理与建模)

我们的人工肌肉系统由三个基本组成部分组成:可压缩的实体骨骼结构、柔性的流体密闭皮肤和流体介质。在该系统中,皮肤被密封为覆盖内部部件的袋。流体介质填充骨架和皮肤之间的内部空间。在初始平衡状态下,内部流体和外部流体的压力相等。然而,随着内部流体的体积变化,实现了新的平衡。内部流体和外部流体之间的压力差引起柔性皮肤中的张力。这种张力将作用于骨骼,驱动由其结构几何结构所调节的转变(图1C和电影S1)。开发了一个简化的力学模型来描述人工肌肉的三个组成部分的相互作用(SI附录,图1)。在这个模型中,骨架上的每个结构空隙被抽象为两个连接的刚性板/梁。这种连接被建模为具有两个平行板/梁的空隙的压缩弹簧(刚度:Ks)。如果空隙具有两个铰接板/梁,那么铰链可以建模为扭转弹簧,或者建模为具有初始张开角和弯曲刚度ks的两个悬臂弹簧。皮肤被建模为两块板/梁之间的无质量的、柔性的和不可伸展的膜,图2。采用不同制造方法的各种材料制成的线性锯齿形致动器。(a)透明致动器提升透明丙烯酸板。骨架材料(SIMM):0.254毫米透明聚酯片。制造方法(FM):激光切割和手动折叠。皮肤材料(脱脂):0.102毫米透明PVC薄膜(乙烯基)。驱动流体(DF):空气。(b)软线性致动器即使在被限制在金属螺帽中时也能很好地收缩。硅橡胶(M4601)。FM:铸造。脱脂:0.24毫米TPU胶片。DF:空气。(c)真空驱动的水溶性促动器在5分钟内溶解于热水(70℃):聚乙烯醇(PVA)。FM:3D打印。脱脂:0.025毫米聚乙烯醇薄膜。DF:空气。(d)水泵驱动液压致动器在20S.SIMM:0.254毫米不锈钢(316)中拉下3.5厘米的水下物体。FM:手工成型。脱脂:0.24毫米TPU胶片。DF:水。形成圆柱形的空隙。该模型将膜片的几何结构近似为抛物面,忽略了膜片的伸长和弯曲变形。如果内压管脚低于外压管(负压差_P<0),则膜向内向空隙变形。在张力下,空隙将被驱动收缩。在本研究中,我们主要关注负压驱动的人工肌肉,因为它们的大收缩比和易于制造。膜片张力T由压差_P产生,根据拉普拉斯定律推算为T=P×R×W,其中R是膜的曲率半径,W是空隙宽度。基于该模型,可以利用虚功原理来预测空隙的收缩力相互作用。通过对一组线性锯齿形执行器的实验,验证了该模型的正确性。结果表明,该模型能较好地预测输出力和自由收缩,最大误差分别为_7%和11%(P=70kPa)。在SI附录中描述了理论建模和实验验证的细节。考虑到这种预测精度,我们的模型可以用来设计人工肌肉以达到预期的性能。

Fabrication Method and Material Choices(制造方法与材料选择)

如图1D和视频S2所示,人工肌肉的制作遵循三个基本步骤:可变形骨骼结构的构建,外皮肤的制备,然后组装和密封。骨架可以是弹簧,折纸状的折叠结构,也可以是任何有铰链或弹性孔的实体结构。要用给定的设计来构造骨架,可以使用多种不同的制造技术,如3D打印、机械加工、铸造、成形,甚至手工折叠。一旦骨骼和皮肤被准备好,骨架就被密封在皮肤上。密封过程由皮肤材料决定,可包括热压、粘合、焊接、拉链和缝纫。应该注意的是,如果使用正压力来驱动人工肌肉,那么皮肤需要固定在骨骼上的特定位置,以产生张力以使骨骼变形(SI附录,图1)。S3A-C和视频S4)。对于负压情况下,皮肤-骨骼固定步骤是不必要的,因为皮肤将被紧紧地限制在骨骼的表面。

图2。采用不同制造方法的各种材料制成的线性锯齿形致动器。(a)透明致动器提升透明丙烯酸板。骨架材料(SIMM):0.254毫米透明聚酯片。制造方法(FM):激光切割和手动折叠。皮肤材料(脱脂):0.102毫米透明PVC薄膜(乙烯基)。驱动流体(DF):空气。(b)软线性致动器即使在被限制在金属螺帽中时也能很好地收缩。硅橡胶(M4601)。FM:铸造。脱脂:0.24毫米TPU胶片。DF:空气。(c)真空驱动的水溶性促动器在5分钟内溶解于热水(70℃):聚乙烯醇(PVA)。FM:3D打印。脱脂:0.025毫米聚乙烯醇薄膜。DF:空气。(d)水泵驱动液压致动器在20S.SIMM:0.254毫米不锈钢(316)中拉下3.5厘米的水下物体。FM:手工成型。脱脂:0.24毫米TPU胶片。DF:水

使用这种制造方法,各种各样的材料可以用来构建人工肌肉,用于特定的应用、变形模式和力-位移要求(图2,电影S5,和SI附录,图7)。用于构建骨骼的材料需要有一定的刚度来支持来自皮肤张力的轴向压缩力。尽管人工肌肉在骨骼弯曲后仍然可以工作,但是收缩率和力量产生将显著降低。我们实验了两个真空驱动的肌肉,其骨骼的不同壁厚(分别为1毫米和3毫米)。在_70kPa处折弯较薄的骨骼后,阻滞力减少20%,自由收缩减少50%(SI附录,图44A、D和G)。对于离散褶皱的情况,骨架的铰链必须符合允许的结构转换。对于可重复的驱动,骨架弹性也需要使骨架回到其初始配置后,每次驱动。为了加强流体循环,避免堵塞,骨架应该有多个通道通过其结构。

一般来说,皮肤必须对皮肤内外的液体都有抵抗力。然而,为了证明这些人工肌肉在材料选择上的灵活性,基于PVA的致动器可以在5分钟内完全溶解在热水(70_C)中(图2C和电影S5)。还需要灵活性以允许在驱动过程中容易弯曲。理想的不可拉伸薄膜材料可以避免在施加压力时皮肤上的不希望的伸长和弯曲变形。这样的皮肤变形会降低系统的性能,并且使致动难以控制。在图S4 F和图I的SI附录中所示的比较中,具有0.24mm TPU基蒙皮(拉伸模量:25MPa)的线性致动器与使用具有0.34mm尼龙织物蒙皮(拉伸模量:460MPa)的致动器相比,产生的收缩力减少了_60%。必须保持足够的皮肤抗拉强度,以有效地传递由流体压力引起的张力。此外,皮肤材料必须适合于一种方便的密封方法。流体的选择取决于工作环境和性能要求。此外,流体介质必须与骨架、皮肤和密封过程中使用的材料兼容。在我们目前的研究中,我们专注于利用人工肌肉周围的可用流体。在这种情况下,内部流体和外部流体是均匀的,尽管对于人工肌肉也可以使用不同的内部流体。如SI附录S3D和电影S5所示,1公斤的重量可以通过圆柱形肌肉以水作为内部流体(流速:80mL/min)在空气中容易地举起。具有低粘度的流体对于实现快速和能量有效的驱动是理想的。空气是制造轻量级人工肌肉最容易接近的流体,周围的水可直接用于水下环境中的驱动(图2D和电影S5)。

图3。各种基本的致动运动和可编程的准自由度多自由度驱动。(a)19厘米长的线性锯齿形致动器收缩至小于2厘米的压缩结构。一维收缩率为90%。(B)使用三浦纹的2D折纸骨架(面积:11×10cm2)可以收缩成密集的条形结构(面积:9×1cm2)。2D面积收缩率接近92%。(C)使用水弹图案的3D“魔球”折纸(半径:3.5厘米)收缩为紧凑的圆柱形结构(半径:0.9厘米;高度:6.5厘米)。收缩后3D体积减少91%。(d)可以通过使用非对称梁结构作为骨架来实现弯曲运动。(E)使用闪光折纸图案作为骨架,致动器围绕其中心旋转90度以上,并且其2D表面同时收缩54%。(F)结合扭转和收缩的复杂平面外运动可以通过具有削弱选择褶皱的2D三浦折纸图案来编程。(g)在机器人手上的三个手指以不同的速率使用单一的内部空气压力控制来驱动。这个机器人手的骨骼结构是由尼龙3D打印出来的。对这三个手指,在结构空隙内设计不同的铰链强度,从而产生显著不同的弯曲刚度:ks1(红色)<ks2(绿色)<ks3(蓝色)。每个手指的弯曲刚度在一定的内部压力水平下决定其自身的弯曲角度。(H)由单通道真空驱动的机械臂夹持、举起和扭曲一瓶水。该机器人臂具有模块化结构,包括杯状夹持器和圆柱形升降机。夹持器使用聚酯魔球折纸作为骨架,而更硬的压缩弹簧(302不锈钢)作为提升器的骨架。当内压平稳下降时,抓握运动总是先开始,然后随着内压进一步降低,提升和扭转运动开始得较晚。

各种基于干扰的机构已经被成功地开发用于通用夹持器(37,38)和可调刚度机器人(39-41)。类似的粒状材料或层状结构可用于FOAM,以增强刚度调谐和对象操纵(例如,当对象被抓握时刚性化)的功能。鉴于在结构和材料方面以及负压的使用与FOAM概念的兼容性,这些是吸引人的特征。

Programmable Motions(可编程运动)

可以通过编程骨架的几何形状来实现各种运动(SI附录、图S8和电影S6)。假设皮肤内任何地方的流体压力都是恒定的,骨架的形状变化是由每个单独的结构空隙的收缩组合决定的。相同的空隙可以分布在骨架上使用不同的安排产生各种同步收缩。折线骨架可以使用对称的锯齿形几何形状产生90%线性收缩(图3A)。使用标准三浦折纸图案的骨架在施加真空时能够产生2D表面收缩(92%的收缩率)(图3B)。使用水弹折纸图案的3D骨架可以将球形结构转换为圆柱形结构(91%的收缩率)(图3C)。使用空隙的不对称布置,可以在梁形骨架上产生弯曲运动(图3D)。闪光器折纸骨架可以产生旋转(>90)和54%的收缩同时使用单一的真空供应(图3E)。除了用于相同空隙的可编程布置之外,具有不同铰链刚度的空隙也可用于实现差异收缩。这一原理可以产生非对称的平面外运动。例如,一个2D三浦折纸骨架的一些铰链被削弱,可以实现一个复杂的运动,扭转和收缩结合(图3F)。此外,如果铰链或连接刚度ks明显不同,则人工肌肉可以产生可控的伪顺序运动(电影S6)。例如,机器人手上的三个手指(图3G和SI附录,图8G)具有弯曲刚度比ks1∶ks2∶ks3_1∶2∶3,可以使用单个压力控制以不同速率驱动。在第二示例中,气动驱动的机器人臂可以首先抓握物体,然后提起并扭转被夹持的物体。这种伪轴多轴操纵是通过单一的控制压力来实现的。在这种情况下,夹持器的塑料骨架(聚酯,弹性模量_5GPa)比“臂”(图3H和SI附录,图8H)中的金属骨架(302不锈钢,弹性模量_190GPa)柔顺得多。如果响应被调谐为非线性,例如使用集成到骨架(42,43)中的一组不同的搭扣式铰链,则有可能进行整体运动。

Performance Characterization(性能表征)

通过一系列准静态实验,对人工肌肉的受力和收缩性能进行了表征。用尼龙皮制作了一组具有不同骨架折角的线性锯齿形执行器(SI附录,图1)。S1E和S2I)。用调节的∼90 kPa真空电源产生了−428 N的阻塞力。这表明,这种尼龙为基础的线性人工肌肉可以提供一个∼600 kPa的驱动应力(大约6倍于哺乳动物骨骼肌的持续应力)(1)。峰值自由收缩率为∼50%,无预拉伸(SI附录,图1)。S2I)。最大收缩率也取决于骨架材料的厚度,收缩率超过90%是可能使用较薄的锯齿状骨架,如图3A所示。从我们的实验中观察到,滞后效应与气瓶相比是可以忽略不计的(SI附录,图)。S2 D和F),当使用肌肉作为力源或控制位移时,增强可控性(SI附录,图1)。中5 C和D)。为了表征动态特性,包括功率密度、能量转换效率和带宽,我们使用一种聚酯基轻量级人工肌肉(图4A和MovieS7)进行了一组起重实验(图4A和MovieS7)。这10厘米长的线性执行器是在10分钟内制作的,材料的价格不到1美元.该执行器重2.6g,使用−80 kPa真空,可在0.2秒内举起3公斤的物体。该驱动器的开环控制带宽为∼1.1Hz(负载0.5kg;参见SI附录,图)。(S5E)。实验获得的峰值功率密度超过2kW/kg(图4C和SI附录)。S6E;不包括压力源和相关管道的重量),是哺乳动物骨骼肌峰值功率密度(0.3kW/kg)的6倍以上(1)。在我们的起重试验中,执行机构的机械-机械能量转换效率为∼23%(气动驱动1kg负荷)和59%(0.5kg负载,液压驱动)(SI附录,图)。(S6D)。然而,当微型电动真空泵被纳入该系统时,其机电能量效率为∼2%至5%(SI附录,图1)。(S6C)。我们应该注意到,用于表征的执行器并没有被优化为力、位移、带宽或能量/功率。实验结果表明,所提出的人工肌肉具有强大、快速、节能的特点。

图4.轻型执行器的动态特性研究。(A)微型直线锯齿形致动器(重量≈2.6克,体积≈32厘米3)和普通乒乓球(重量≈2.5克,体积≈33.5cm3)。执行器主要由聚酯片(骨架厚度:0.254毫米;皮厚:0.038毫米)制成。(B)它可以使用负的内部气压(−80kPa)来提升物体几个数量级的质量。(c和D)在起重试验中的动态性能。执行机构可以在0.2秒(C)内将1公斤负载提升到5.5厘米。这表明∼的平均功率密度为1.04kW/kg。在2 kg起重试验(D)中,峰值功率密度在2 kW/kg以上。

Conclusions

在这项研究中,我们展示了泡沫的概念。这些肌肉可以很容易地由多种材料制成,它们能够产生强大的、高效的、可编程的三维驱动。这种技术使我们能够在多个尺度上为非常具体的工作环境快速规划、制造和实现驱动系统,例如活性超材料(44)、微型外科设备(45、46)、可穿戴机器人外骨骼(47)、可转换的结构以及深海操作(48)和用于空间探索的大型可展开结构(49、50)。与人工肌肉相比,负压的使用为泡沫提供了一种更安全的驱动方式。这是未来可穿戴设备和人机交互应用的一个很有前途的特性.

Materials and Methods

用万能试验机(INSTRON 5544 A,INSTRON公司)获得了封堵力和自由收缩力。激光位移传感器(lk-031和lk-2001,Keyence Corporation)用于测量皮肤变形(SI附录,图)。(1、F和G)。用摄像机记录肌肉的起重运动,然后利用EA图像分析软件对肌肉的速度和高度进行分析。CH测试激光切割机被用来切割薄片骨架,而其他骨架大部分是使用不同材料(如尼龙、TPU等)的3D打印机制作的。各种薄片材料采用TPU、PVC、聚酯、TPU包覆尼龙织物等系列材料进行皮的制备.大部分皮是用脉冲热封器直接密封的(美国国际AIE-410 FL)(电力公司)对不同的皮肤材料使用适当的密封时间(SI附录,表S1)。更多细节可以在SI附录中找到。

本文译自--Fluid-driven origami-inspired artificial muscles

Shuguang Lia, Daniel M. Vogta, Daniela Rusc, and Robert J. Wooda.

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