一種用于水下機(jī)器人的并聯(lián)機(jī)械手的設(shè)計(jì)含6張CAD圖

一種用于水下機(jī)器人的并聯(lián)機(jī)械手的設(shè)計(jì)含6張CAD圖,一種,用于,水下,機(jī)器人,并聯(lián),機(jī)械手,設(shè)計(jì),CAD 摘要本文介紹了一種水下爪的發(fā)展，利用軟機(jī)器人技術(shù)，微妙地操縱和取樣在深礁脆弱物種?，F(xiàn)有的深海機(jī)器人操作解決方案歷來(lái)都是由石油行業(yè)驅(qū)動(dòng)的，導(dǎo)致與海底生物發(fā)生破壞性的相互作用。軟材料機(jī)器人依賴于柔順的材料，這些材料天生具有與自然環(huán)境和柔軟或脆弱的有機(jī)體相匹配的阻抗。我們演示了軟機(jī)器人末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)原則，其抓取性能的桌面表征，并通過(guò)描述在中光深度的原位測(cè)試得出結(jié)論。這是首次在深海使用軟機(jī)器人對(duì)底棲動(dòng)物進(jìn)行無(wú)損取樣。 深海和中光性珊瑚礁，以及其他一般的深海生態(tài)系統(tǒng)，都是獨(dú)特生物的熱點(diǎn)邏輯多樣性和遺傳適應(yīng)性。雖然達(dá)爾文早在 1889 年就注意到水下 128 米的珊瑚礁的存在， 但直到最近技術(shù)潛水技術(shù)的出現(xiàn)，遠(yuǎn)程操作的潛水器(rov)和潛水器才得以進(jìn)入并對(duì)珊瑚礁進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)研究。在此后的幾十年里， 中光礁生物學(xué)的研究領(lǐng)域隨著研究范圍的擴(kuò)大而顯著擴(kuò)大。2-5 Con 目前， 科學(xué)界得到的估計(jì)是， 世界上 19% 的淺層珊瑚礁最近已經(jīng)消失， 還有 35% 預(yù)計(jì)將在未來(lái) 40 年內(nèi)消失。然而，在深度超過(guò) 30 米的地方出現(xiàn)的珊瑚礁在某種程度上受到了人類和自然干擾的緩沖，是一種潛在的避難所。與其他高度多樣化的棲息地相比，這些深礁仍在大量研究中。9、10 盡管在獲取這種環(huán)境方面已經(jīng)取得了重大進(jìn)展， 但對(duì)這些生境的生物收集和分子生物學(xué)和生化分析仍然具有很高的挑戰(zhàn)性。干預(yù)幾乎總是涉及機(jī)器人操作器， 現(xiàn)有技術(shù)的工業(yè)性質(zhì)導(dǎo)致研究人員的一個(gè)主要挑戰(zhàn)， 評(píng)估精致收藏。眾所周知， 深層珊瑚礁有緩慢的生長(zhǎng)速度， 并經(jīng)歷季節(jié)性的白化事件， 11 因此， 科學(xué)家們有興趣采取步驟，盡可能小心地研究這些生態(tài)系統(tǒng)。商業(yè)上可獲得的深海操作系統(tǒng)被設(shè)計(jì)用于執(zhí)行繁重的機(jī)械工作(例如， 施工或管道維護(hù))， 不適合執(zhí)行精細(xì)的任務(wù)， 如收集脆弱的生物邏輯標(biāo)本。例如，高端系統(tǒng)加入公司復(fù)雜的力反饋，以最大限度地減少其剛性顎造成的傷害。這些手臂可以產(chǎn)生起重和夾持力高達(dá) 500 lbf，并不是最佳的微妙的標(biāo)本收集。此外，更經(jīng)濟(jì)的抓手 pers{通常缺乏力量反饋和直觀的用戶在界面。因此,許多生物學(xué)家工作修改研究 圖 1 所示。Seaeye Falcon 遠(yuǎn)程操作器 (ROV) 的概念圖， 帶有操作 urchin 的軟機(jī)械臂。彩色圖像可在 www.liebertpub.com/soro 在線獲得 設(shè)計(jì)和收集方法和工具，盡可能滿足他們的需要，并考慮將樣品送到表面，無(wú)論條件如何， 都是成功的。最近，軟機(jī)器人領(lǐng)域突然出現(xiàn)了另一種選擇原生硬材料機(jī)器人，為機(jī)器人在 9 接近活體的情況下互動(dòng)提供了一個(gè)更安全的選擇。通過(guò)使用軟材料而不是傳統(tǒng)的金屬和硬聚合物，機(jī)器人組件可以很好地模擬自然系統(tǒng)的特性。這可以讓海洋和分子生物學(xué)家在自然環(huán)境下(見(jiàn)概念圖 1)微妙地處理生物體，并在水下執(zhí)行更復(fù)雜的任務(wù)。相關(guān)工作欠驅(qū)動(dòng)， 兼容的抓手已被證明是在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中操作各種各樣的對(duì)象形狀和大小的穩(wěn)健的選擇。斯坦福大學(xué)最近的 re 研究探索了一種兼容的、不驅(qū)動(dòng)的抓手的發(fā)展， 以增強(qiáng)人類的帽子的能力，并減少專業(yè)潛水員在 100 米以下工作的壓力相關(guān)傷害。他們的抓手模仿了操作焊接設(shè)備和電動(dòng)工具的抓手，否則的話，這些都是人類的手會(huì)使用的。斯坦福大學(xué)演示的柔性水下夾持器的設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)與哈佛大學(xué)開(kāi)發(fā)的“形狀沉積制造手”類似， 使用單個(gè)肌腱驅(qū)動(dòng)每根手指， 并將每根手指的剛性聚合物指骨與彈性撓曲關(guān)節(jié)耦合在一起類似于欠驅(qū)動(dòng)的、順從的手，柔軟的機(jī)器人抓手善于適應(yīng)物體大小和形狀的變化。此外，軟機(jī)器人系統(tǒng)非常適合通過(guò)符合物體的形狀和分配抓取力來(lái)抓取和操縱精致的物體和復(fù)雜的形狀。軟系統(tǒng)還提供了更高的安全性，因?yàn)檫@些氣動(dòng)和液壓驅(qū)動(dòng)的軟材料由于其自然的順應(yīng)性和反向駕駛性， 在與人類和動(dòng)物接觸時(shí)具有內(nèi)在的安全性。Suzumori 進(jìn)行了一些最早的關(guān)于軟機(jī)器人抓手的工作，在其中他創(chuàng)造了連續(xù)式的軟執(zhí)行器，它由三個(gè)平行的，纖維增強(qiáng)彈性腔體組成，沿中心軸均勻分布。執(zhí)行器腔室的協(xié)同流體增壓可以產(chǎn)生多自由度彎曲，可以用作手指， 創(chuàng)建柔軟的機(jī)器人抓手。事實(shí)上， Lane 等人設(shè)計(jì)了一種具有連續(xù)驅(qū)動(dòng)器手指的柔性水下機(jī)械手;然而， 我們無(wú)法找到任何歷史記錄， 評(píng)估在開(kāi)放水域的 ROV 夾具。除了柔軟的抓取器， 一些柔軟的機(jī)器人連續(xù)臂也被開(kāi)發(fā)用于抓取的目的。Cianchetti 等人設(shè)計(jì)的章魚機(jī)器人(OCTOPUS robot) 和 Walker 等人設(shè)計(jì)的 OCTarm (OCTarm) 這兩種機(jī)械臂已經(jīng)在淺水中表現(xiàn)出了抓取能力，但在深度較大的地方還沒(méi)有發(fā)揮作用。我們的抓手采用的軟機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器是整體結(jié)構(gòu)(即沒(méi)有移動(dòng)部件， 如銷關(guān)節(jié)、齒輪或連桿)， 并模塊化耦合到手掌上。它們的結(jié)構(gòu)是基于哈佛大學(xué) 16、21 所開(kāi)發(fā)的 PneuNet 和纖維增強(qiáng)軟執(zhí)行器，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試， 它們?cè)谒畛^(guò) 800 米的水下已經(jīng)被證明是可靠的(關(guān)于深度測(cè)試的進(jìn)一步討論見(jiàn)附錄)。簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)、廉價(jià)的材料和模塊化的設(shè)計(jì)， 使我們能夠以最小的費(fèi)用和機(jī)械 專 業(yè) 知 識(shí) 在 現(xiàn) 場(chǎng) 快 速 修 改 或 修 復(fù) 系 統(tǒng) 。 一 款 經(jīng) 過(guò) 大 量 改 進(jìn) 的 Saab Seaeye Falcon ROV(圖 2)被用作現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)采集的平臺(tái)。這款小型研究級(jí) ROV 長(zhǎng) 1 米， 寬 0.6 米， 高 1 米，發(fā)射重量為 300 公斤(660 磅)，深度等級(jí)為 300 米。ROV 底部安裝有一個(gè) hydrolek (HLK-43000)2 5 自由度(DOF) 圖 2 所示。海眼獵鷹潛水器—— 又名深礁 rov—— 是用于所有深海軟機(jī)器人抓手實(shí)驗(yàn)的平臺(tái)?？稍?www.liebertpub.com/soro 在線獲得彩色圖片。液壓機(jī)械手有 55.3 厘米長(zhǎng)臂和 20 公斤(44 磅)的提升能力， 在空中充分達(dá)到。兩個(gè)手臂功能包括一個(gè) 180 手腕旋轉(zhuǎn)和線性推/拉活塞*2.5 厘米(1 英寸)行程。后一種功能是控制夾在手腕自由度上的金屬夾持器的打開(kāi)和關(guān)閉。手臂是通過(guò)一個(gè)開(kāi)環(huán)控制盒來(lái)操作的，操作人員用一組撥動(dòng)開(kāi)關(guān)控制每個(gè)自由度，并依靠機(jī)載高清攝像機(jī)的實(shí)時(shí)視頻來(lái)協(xié)調(diào)手臂的運(yùn)動(dòng)。液壓系統(tǒng)由一對(duì)雙作用氣缸和四個(gè)中心閉合、三通、二位電磁閥組成的系統(tǒng)控制流入和流出手指的水(見(jiàn)圖 3 示意圖)。水和油缸的活塞桿采用機(jī)械連接。使用控制箱，操作人員可以激活 ethesolenoidvalves(改進(jìn)的 Hydro-Lek HLK7020 閥組)， 將充水鋼瓶連接到軟執(zhí)行器的三個(gè)輸出的任意組合。然后選擇充油缸的行程方向，對(duì)選定的手指施加壓力或吸入。充油活塞在 1500psi 的工作壓力下由驅(qū)動(dòng)液壓臂的同一泵驅(qū)動(dòng)。與額定負(fù)載相比，指尖的背壓最小，因此氣缸的轉(zhuǎn)速由液壓回路的內(nèi)部流動(dòng)阻力決定。因此，連接的氣缸作為一個(gè)雙向的、幾乎恒定的流源，輸出流量由輸入和輸出氣缸之間的面積比決定。雙活塞方式還確保了手指工作液和臂液壓液相互隔離。充水缸的第二側(cè)連接一個(gè)暴露在海水中的柔性膀胱。手指和整個(gè)系統(tǒng)的壓力可以通過(guò)連接兩個(gè)水缸腔的回環(huán)閥來(lái)平衡環(huán)境壓力。最后，雙向安全歧管允許選擇最大和最小壓力在手指， 相對(duì)于環(huán)境壓力。鑒于 ROV 和機(jī)械臂平臺(tái)， 該項(xiàng)目的主要目標(biāo)是用柔軟的機(jī)械手取代工廠提供的金屬抓手，并展示軟系統(tǒng)在深層珊瑚操作和采樣方面的優(yōu)勢(shì)。軟爪設(shè)計(jì)的功能需求可以大致分為兩個(gè)開(kāi)發(fā)主題:集成和操作。在集成方面，軟爪硬件必須連接到現(xiàn)有的 Hydro-Lek 臂，使用 ROV 的液壓系統(tǒng)來(lái)驅(qū)動(dòng)軟執(zhí)行器，并使用 ROV 臂的線性推/拉活塞來(lái)控制切割機(jī)構(gòu)。關(guān)于操作，軟爪必須是多功能的，支持快速軟執(zhí)行器安裝，調(diào)整(例如，方向和間距)，和拆卸。此外，我們支持添加和移除紋理和其他附件(例如，連接相鄰驅(qū)動(dòng)器之間空間的網(wǎng)狀材料)的設(shè)計(jì)， 以便驅(qū)動(dòng)器的性能可以在現(xiàn)場(chǎng)修改。最后， 執(zhí)行器必須在中光深度(>300 米)下工作。 圖 3 所 示 。 用 于 驅(qū) 動(dòng) 柔 性 機(jī) 器 人 夾 持 器 的 液 壓 系 統(tǒng) 原 理 圖 。 彩 色 圖 像 可 在 www.liebertpub.com/soro 在線獲得 為了測(cè)試高靜水壓力對(duì)軟執(zhí)行器的影響，對(duì)兩個(gè)纖維增強(qiáng)軟執(zhí)行器 cally 進(jìn)行了液壓加壓， 并在*800 米深度的靜態(tài)配置下部署。拍攝視頻，以確保在下降和上升過(guò)程中抓手保持位置 和結(jié)構(gòu)的完整性。柔軟的機(jī)械手爪設(shè)計(jì)柔軟的爪的手掌設(shè)計(jì)為快速和 inx 沉思定制。棕櫚結(jié)構(gòu)由片狀材料組裝而成:水射流切割鋁和激光切割亞克力(圖 4)。四個(gè)穿壁式快速斷開(kāi)接頭配件被放置在由堆疊的亞克力層形成的凹槽中。管件的相對(duì)間距可以手動(dòng)調(diào)節(jié)。此外， 激光切割齒輪齒在亞克力運(yùn)行平行的插槽和匹配 3D 打印直齒齒輪齒集成到軟執(zhí)行機(jī)構(gòu)基地。當(dāng)齒輪齒嚙合時(shí)， 這就鎖定了內(nèi)螺紋快速斷開(kāi)接頭的位置和軟執(zhí)行器的方向。注意， 如果沒(méi)有齒輪齒， 執(zhí)行器可以被動(dòng)地繞快速斷開(kāi)連接件的軸旋轉(zhuǎn)。palm 表面還具有各種螺紋孔， 作為 palm 紋理和其他訪問(wèn) sories 錨點(diǎn)。不銹鋼對(duì)峙創(chuàng)建一個(gè)開(kāi)放的腔吐溫兩個(gè)鋁板路由液壓管道到女性快速斷開(kāi)。這些板也作為 chor 點(diǎn)的博登電纜驅(qū)動(dòng)， 四桿聯(lián)動(dòng)切割機(jī)構(gòu)。定制配件經(jīng)過(guò)加工，連接連接 Hydro-Lek 臂的推挽桿與切割器。包登電纜護(hù)套兩端的通氣螺絲已擰緊或松開(kāi)，以拉緊電纜。切割刀片用螺釘安裝在其中一個(gè)連桿上，可以用新的刀片設(shè)計(jì)進(jìn)行替換和評(píng)估。在軟爪設(shè)計(jì)的早期， 我們?yōu)檐泩?zhí)行器確定了 desirable 的性能標(biāo)準(zhǔn)，包括在大范圍內(nèi)分布力的能力，符合不規(guī)則形狀，以及改變執(zhí)行器表面紋理的能力。選擇了兩種不同的軟驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)—— 纖維增強(qiáng)和波紋管型—— 導(dǎo)致了制造和材料集成方面的創(chuàng)新。在之前的工作中， 26 我們提出了一種用于成型彈性體管狀葉片的多步軟致動(dòng)器制造方法 ders，通過(guò)在交流導(dǎo)管壁上嵌入纖維增強(qiáng)材料來(lái)編程材料對(duì)壓力流體輸入的應(yīng)變響應(yīng)。通過(guò)這種技術(shù)，可以設(shè)計(jì)軟執(zhí)行器，從單一的加壓流體源執(zhí)行各種復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)。例如，boa 型驅(qū)動(dòng)器(圖 5)具有使 elastomeric 結(jié)構(gòu)同時(shí)彎曲和扭轉(zhuǎn)形成線圈的纖維增強(qiáng)策略。靈感來(lái)自蟒蛇和有觸手的頭足類動(dòng)物,boa-type 軟致動(dòng)器可以訪問(wèn)狹小空間和可逆形狀變化從近直梁螺旋結(jié)構(gòu)(圖 6)。這個(gè)簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)路徑,這是依賴于致動(dòng)器幾何、彈性材料特性, 和纖維鋼筋位置,給出了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的獨(dú)特能力容忍不確定性樣本大小,形狀,和剛度。隨著內(nèi)部流體壓力的增加，300 毫米長(zhǎng)的窄(大約 15 毫米的半圓直徑)驅(qū)動(dòng)器纏繞在物體上，以增加接觸表面積并分散力。我們?yōu)楝F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試開(kāi)發(fā)的 boa 型驅(qū)動(dòng)器可以包裹直徑為 12 毫米的物體。圖 7 詳細(xì)說(shuō)明了 boa 型驅(qū)動(dòng)器的制造過(guò)程， 并在標(biāo)題中給出了對(duì)每個(gè)步驟的書面描述。波紋管型軟執(zhí)行器是一種常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)，通過(guò)展開(kāi)多余的材料來(lái)產(chǎn)生不對(duì)稱運(yùn)動(dòng) 圖 5 所示。光纖組件增強(qiáng) boa 型驅(qū)動(dòng)器(adapted from Polygerinos et .26) 波紋管。與彈性材料必須施加應(yīng)力才能產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的纖維增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)器相比，這種展開(kāi)方法對(duì)材料施加的應(yīng)力更少，從而可以增加驅(qū)動(dòng)器的壽命，并降低操作壓力。伸縮式致動(dòng)器也有一個(gè)好處,那就是某些幾何圖形可以支持 bidirec 一對(duì)彎曲的交替加壓流體和真空(圖 8) 。此外,纖維增援部隊(duì)可以 incorpo 額定伸縮式致動(dòng)器增加致動(dòng)器的操作壓力和輸出力,并減少驅(qū)動(dòng)時(shí)其曲率半徑。波紋管型軟執(zhí)行器的制造型軟執(zhí)行器最具挑戰(zhàn)性的方面之一是成型的內(nèi)部幾何形狀。高縱橫比的特性呈現(xiàn)任何剛性核心機(jī)械 con 緊張可能導(dǎo)致?lián)p害的核心和致動(dòng)器 demolding 期間身體。Mosadegh 等人使用了兩步法 圖 6 所示。(A) boa 型致動(dòng)器在近似網(wǎng)格尺度下的運(yùn)動(dòng)范圍的俯視圖。(B)執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)范圍的等距視圖。彩色圖像可在線上訪問(wèn) www.liebertpub.com/soro 一種模塑技術(shù)，將波紋管的一半模塑，然后與另一半粘合在一起。然而，這在執(zhí)行器的整個(gè)周長(zhǎng)上引入了一個(gè)材料薄弱的縫， 成為大多數(shù)執(zhí)行器故障的根源。Marchese 等人提出了一種方法，利用可溶巖心來(lái)定義內(nèi)部波紋管的幾何形狀;然而，這是一個(gè)耗時(shí)的過(guò)程， 需要一個(gè)新的 coreforeachnewactuatorandtime 溶解 core 。28 為了克服這些挑戰(zhàn)， 我們開(kāi)發(fā)了一種新的制造方法， 使用可重復(fù)使用的“軟芯”和真空技術(shù)快速取出芯。在制造波紋管型軟執(zhí)行器的第一步是開(kāi)始塑造軟芯， 它將定義最終執(zhí)行器的膀胱幾何形狀。圖 9A 描繪了一個(gè)硅樹(shù)脂(Wacker Chemical 的 M4601)軟芯，它是用 3d 打印的兩部分模具制成的。在這個(gè)模具步驟，兩個(gè)金屬棒也與核心共模。這些將用于支持和對(duì)齊核心在未來(lái)的模具步驟。在第二步中，通過(guò)對(duì)所有表面以及軟芯施加模具釋放來(lái)制備一個(gè)定義軟執(zhí)行器外部幾何形狀的 3d 打印模具(圖 9B) 。然后， 用于波紋管式驅(qū)動(dòng)器的聚合物(Smooth- sil 950 by Smooth On) 可以倒入模具的兩個(gè)部分(圖 9C)。要注意的是， 在這個(gè)特殊的模具設(shè)計(jì)中， 在模具底部添加了別針，以在每個(gè)波紋管的頂部形成通孔。這些功能可以作為錨點(diǎn)，為執(zhí)行機(jī)構(gòu)增加加固、橋接材料和其他功能。第四步，軟芯插入模具，棒子被輕輕地推入模具內(nèi)的對(duì)齊槽中(圖 9D)。將兩半的模具拼接在一起并夾緊(圖 9e)。一旦聚合物固化，這部分 就可以從霉菌中去除(圖 9F)。在本例中，桿延伸到執(zhí)行器的末端之外，當(dāng)執(zhí)行器拆卸時(shí)在執(zhí)行器的末端引入兩個(gè)小孔。這些可以用少量硅酮膠(如硅樹(shù)脂膠)堵塞。在未來(lái)的工作中， 我們計(jì)劃通過(guò)懸臂桿從模具的一端創(chuàng)建一個(gè)封閉的驅(qū)動(dòng)器來(lái)消除堵塞步驟。在第七步中， 我們演示了真空壓力的新應(yīng)用，以從執(zhí)行器本體中移除軟芯(圖 9G) 。在執(zhí)行器閥體的開(kāi)口端模壓凸緣，用于與管狀真空室的開(kāi)口端形成氣密密封。當(dāng)施加真空時(shí)，執(zhí)行器內(nèi)部受大氣壓力，而執(zhí)行器的外表面受真空。這就產(chǎn)生了一個(gè)壓差，膨脹并穩(wěn)定執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使操作人員能夠進(jìn)行拔出操作 圖 7 所示。概述了 boa 型驅(qū)動(dòng)器制造過(guò) 程各階段的原理圖。 (A)致動(dòng)器膀胱采用 3d 打印模具成型，內(nèi)部幾何形狀采用半圓形鋼棒成型。(B)將液態(tài)聚合物(Wacker Chemical, Inc.的 M4601)倒入夾緊的模具中， 將一半圓棒插入中心。聚合物被固化并從模具中去除。(C) Strain-limiting 材料( 即纖維增援)應(yīng)用于膀胱的外觀。(D) 纖維增強(qiáng)膀胱插入第二個(gè)模具充滿液體聚合物(龍皮膚 20 通過(guò)平滑)添加一個(gè)皮薄(* 1 毫米厚)的致動(dòng)器的身體周圍應(yīng)變限制材料的地方。然后將執(zhí)行機(jī)構(gòu)本體從模具上拆卸下來(lái)。(E) 拆卸半圓桿， 在執(zhí)行器的一端安裝聯(lián)軸器硬件。驅(qū)動(dòng)器的另一端是密封與更多的聚合物。 (F)從末端修剪多余的聚合物，致動(dòng)器完成。彩色圖像可在 www.liebertpub.com/soro 在線獲得 圖 8 所示。(A, B)真空下開(kāi)放位姿狀態(tài) 下波紋管型軟執(zhí)行器的等距圖和俯視圖。網(wǎng)格比例尺是近似的。(C, D)壓力為 124 千帕(18 psi)的波紋管型軟執(zhí)行器的等距和俯視圖。彩色圖像可通過(guò) www.liebert pub.com/soro 在線獲取 圖 9H 描述了未損壞的軟核心 re 從執(zhí)行器中移出并準(zhǔn)備好重用。在最后的組裝步驟， 法蘭是切斷和 3d 打印配件粘到開(kāi)放端。類似于 boa-type 致動(dòng)器,集成的擬合特性齒輪齒爪和集成男性快速斷開(kāi),以便于執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)施和刪除(圖 4)。爪紋理和其他配件擴(kuò)大軟致動(dòng)器的任務(wù)多功能性,我們開(kāi)發(fā)了一個(gè)簡(jiǎn)單的接頭技術(shù)可逆修改驅(qū)動(dòng)器紋理。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是可以在一小組驅(qū)動(dòng)器類型(即 boa 型纖維增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)器和波紋管型驅(qū)動(dòng)器)上添加各種各樣的功能和功能。提出的花邊技術(shù)結(jié)合不同的紋理橋接材料，然后花邊和綁定到執(zhí)行機(jī)構(gòu)的身體。我們選擇防裂尼龍作為橋接材料， 是因?yàn)樗哂腥嵝裕?激光切割特性穩(wěn)定(即不會(huì)散開(kāi)或磨損)， 而且粘合劑會(huì)粘合在表面。對(duì)于沒(méi)有任何纖維增強(qiáng)的波紋管型執(zhí)行器， 花邊具有增強(qiáng)執(zhí)行器的額外好處， 使其能夠在更高的壓力下工作(最高可達(dá) 170kpa， 而不帶花邊增強(qiáng)器的壓力為 70kpa)。除了支持紋理的模塊化替換，橋接材料還可以支持多種其他功能，包括作為工具的連接接口，在工具或橋接一個(gè)執(zhí)行器到另一個(gè)執(zhí)行器，如連接連接兩個(gè)執(zhí)行器之間的網(wǎng)，以提高抓取覆蓋率。一種有用且獨(dú)特的材料是開(kāi)放的 cell 低密度記憶泡沫—— 一種輕便且符合要求的材料 圖 9 所示。示意圖概述了軟的，波紋管型驅(qū)動(dòng)器制造過(guò)程的階段。(A)執(zhí)行器內(nèi)部幾何形狀的硅樹(shù)脂(軟芯)是在 3d 打印模具中成型的。(B) 3d 打印的模具定義驅(qū)動(dòng)器的外部幾何形狀。(C)液體聚合物填充模具的兩半。(D) 軟芯形式定位在模具中。(E)將兩個(gè)半模夾在一起， 允許聚合物固化。(F) 執(zhí)行器作為一個(gè) 整體從模具上拆下。(G)軟核在真空管的協(xié)助下被取出。(H)安裝了氣動(dòng)聯(lián)軸器的硬件。彩色圖像可在 www.liebertpub.com/soro 在線獲得 材料。在我們的觀察中， 一層半英寸(12.7 mm) 的軟泡沫(part#: 86195K33; 附著在橋接材料上不會(huì)顯著阻礙 actuator 的活動(dòng)范圍。此外，泡沫為我提供機(jī)械優(yōu)勢(shì)，如減少驅(qū)動(dòng)器的曲率半徑，因?yàn)樗P(guān)閉了一個(gè)對(duì)象，一個(gè)有用的特征，抓取狹窄的標(biāo)本。記憶泡沫也有期望可非線性應(yīng)力-應(yīng)變特性，幫助分散力和符合不規(guī)則形狀。圖 10 捕捉到了這種非線性行為，在一個(gè)材料表征系統(tǒng)(Instron 5544A)中壓縮了幾個(gè)厚度和密度的開(kāi)孔記憶泡沫。所有試樣均在*10% 壓縮應(yīng)變后出現(xiàn)應(yīng)力高原。較軟的泡沫表現(xiàn)出最長(zhǎng)的平臺(tái)期， 在那里應(yīng)力的積累被緩解直到將近 50%的壓縮。 10 11 圖 10 所示。開(kāi)孔記憶泡沫在壓縮下的 應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)。非線性行為支持荷載在 10% - 50% 范圍內(nèi)相對(duì)一致的分布。彩色圖像可在 www .liebertpub.com/soro 在線獲得 由于這些夾持器設(shè)計(jì)不依賴于傳感器來(lái)進(jìn)行力反饋，因此我們對(duì) boa 和波紋管型執(zhí)行器的接觸壓力和阻力進(jìn)行了實(shí)證研究。這對(duì)于收集生物材料和水下考古都很重要，在嘗試回收之前，了解物體周圍的壓力分布和抓取器的承載能力是很重要的。應(yīng)該注意的是，以下結(jié)果代表了本工作中提出的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的能力，旨在展示內(nèi)在的安全性，形式閉合，以及所選設(shè)計(jì)的把握強(qiáng)度。在這些指標(biāo)下，夾持器的性能可以很容易地通過(guò)改變幾何形狀和材料進(jìn)行調(diào)整。為了了解施加在靜態(tài)物體上的力和壓力的大小，進(jìn)行了幾次臺(tái)面實(shí)驗(yàn)。選擇直徑為 63.5 mm 的塑料管作為目標(biāo)對(duì)象， 因?yàn)閮煞N軟執(zhí)行器類型都可以承載超過(guò)一半的管周長(zhǎng)， 且曲率半徑適合用 Tekscan(型號(hào):5051-20) 壓力映射表包裹(圖 11) 。研究人員對(duì)幾種驅(qū)動(dòng)器的配置進(jìn)行了評(píng)估， 包括帶有或不帶有記憶泡沫材質(zhì)的 boa 和波紋管型驅(qū)動(dòng)器。圖 11 描述了 boa 型交流導(dǎo)管的實(shí)驗(yàn)設(shè)置和相應(yīng)的壓力圖。 加壓 310 kPa (45 psi), boa-type 致動(dòng)器沒(méi)有泡沫紋理與最狹窄的壓力分布?jí)毫?6 到 10 kPa, 而 boa-type 致動(dòng)器與泡沫內(nèi)表面有一個(gè)更大的接觸面積與大多數(shù)記錄接觸壓力低于 5 kPa (0.72 psi) 。波紋管型致動(dòng)器( 壓力為 69 kPa [10 psi]) 也有類似的響應(yīng)， 其中最大 mum 檢測(cè)壓力分別為 2 kPa (0.29 psi)和 7 kPa (1 psi)， 無(wú)泡沫和有泡沫。 圖 11 所示。boa 型纖維增強(qiáng)軟執(zhí)行器的壓力圖，無(wú)(a)和(B)記憶泡沫襯墊纏繞直徑 2 英寸的圓柱體， 帶有 Tekscan 壓力圖 sensor 。兩種配置均為對(duì) cylinder 施加相對(duì)較低的接觸力 (<10 kPa); 然 而 ， 記 憶 泡 沫 襯 墊(B) 改 善 壓 力 確 定 分 布 和 減 少 峰 值 力 。 彩 色 圖 像 可 在www .liebertpub.com/soro 在線獲得 采用材料特性化體系(型號(hào):5544A 單柱;該研究分析了幾種抓取器場(chǎng)景下的加載-擴(kuò)展特性， 包括加載方向(即垂直 vs 水平 tal)和物體大小。在實(shí)驗(yàn)方案中， 一個(gè)直徑為 12.7、 25.4 和 50.8 mm 的亞克力管被放置在抓手的掌心， 并且執(zhí)行器膨脹到其目標(biāo)壓力來(lái)包圍圓柱 體。 所有 波紋 管型 執(zhí)行器 的壓 力均 為 124kpa (18psi) ， boa 型執(zhí) 行器 的壓 力均 為310kpa (45psi)，只有 boa 型執(zhí)行器例外，它在 12.7 mm 直徑的管道周圍完全關(guān)閉時(shí)，壓力均為， 345kpa (50psi)。此外，對(duì)型波紋管作動(dòng)器在兩個(gè)作動(dòng)器相對(duì)的情況下的握持強(qiáng)度進(jìn)行了評(píng)估。將夾持器固定在工作臺(tái)上，并以固定速度(8 毫米/秒)將 Instron 拉到管上， 直到氣缸從執(zhí)行器的抓握中拔出。對(duì)每個(gè)測(cè)試配置進(jìn)行 5 次評(píng)估，并取平均結(jié)果。在下面繪制的結(jié)果中，實(shí)心黑線代表結(jié)果的平均值，而陰影區(qū)域代表一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差。在夾持直徑為 50.8 mm 的管時(shí)，型波紋管夾持器在垂直方向阻力最大(16.6 N)(圖 12)，而在水平方向阻力相對(duì)較小(5.6 N)(圖 13)。boa 型夾持器具有明顯的較高的垂直和 圖 12 所示。垂直載荷-伸展響應(yīng)的 boa 型夾持器，有和沒(méi)有泡沫的內(nèi)表面和波紋管型夾持器， 泡沫夾持直徑 50.8 毫米。彩色圖像可在 www.liebertpub.com/soro 在線獲得 圖 13 所示。帶泡沫和不帶泡沫的 boa 型夾持器和帶泡沫的波紋管型執(zhí)行器的水平載荷- 拉伸響應(yīng)，夾持直徑為 50.8 mm 的丙烯酸管。彩色圖像可在 www.liebertpub.com/soro 在線獲得 17 圖 14 所示。對(duì)于直徑為 12.7、25.4 和 50.8 mm 的三種不同直徑的丙烯酸管， boa 型泡沫夾持器的垂直載荷-拉伸響應(yīng)。彩色圖像可在 www.liebertpub.com/soro 在線獲得 跨越管徑范圍的水平阻力。在使用直徑為 50.8 mm 的管柱進(jìn)行垂直拉力測(cè)試時(shí)， 不使用泡沫的 boa 型夾持器的平均最大夾持力為 52.9 N， 而使用泡沫的執(zhí)行器的最大平均夾持力為 44 N(圖 12)。此外，在將管徑分別減小到 25.4 和 12.7 mm 的實(shí)驗(yàn)中，與波紋管型作動(dòng)器相比，持力仍然很高(圖 14)。在水平拉力試驗(yàn)中，無(wú)泡沫的 boa 型夾持執(zhí)行器阻力較大(峰值平均為 56.8 N)，而有泡沫的執(zhí)行器阻力約為一半(峰值平均為 26.9 N)(圖 13)。這可能是由于硅橡膠和丙烯酸管泡沫之間的摩擦系數(shù)的差異。當(dāng)泡沫 boa 型夾持器的管徑不同時(shí)，峰值平均阻力相似，12.7 mm 為 23.8 N, 25.4 mm 管徑為 22.4 N( 圖 15)。在一個(gè)小型的試點(diǎn)研究中， 我們將 Deep Reef ROV 和柔軟的機(jī)器人抓手帶到紅海北部的埃拉特灣。據(jù)我們所知，這些實(shí)地試驗(yàn)是第一次展示了深海海洋生物收集和用柔軟的機(jī)器人抓手進(jìn)行 manip 測(cè)量。圖 16 給出了評(píng)估過(guò)的兩種夾持器配置:一種是兩對(duì)相對(duì)的波紋管型執(zhí)行器(圖 16A) ， 另一種是單 boa 型執(zhí)行器(圖 16B) 。兩種夾持器配置均由單一液壓源操作， 并在執(zhí)行器和手掌上有記憶泡沫襯里。在將 ROV 降落到海底后， 我們使用風(fēng)箱式抓手打撈出了一顆紅色軟珊瑚(Dendronephthya sp.)。四個(gè)波紋管式制動(dòng)器輕輕地關(guān)閉試件周圍， 沒(méi)有損壞任何分支。這只型的鉗子被證明非常有效地纏繞著從海底垂直延伸出來(lái)的又長(zhǎng)又窄(直徑小于 12 毫米)的珊瑚鞭子。boa 型驅(qū)動(dòng)器的有效運(yùn)動(dòng)范圍很大， 再加上卷取效應(yīng)， 減少了作業(yè)人員將 ROV 和夾板定位在最佳位置的負(fù)擔(dān)。我們反復(fù)惡魔聲稱， 一旦一個(gè)標(biāo)本是在 reach, boa 型交流 tuator 可以把它在周圍關(guān)閉。這是一項(xiàng)重要的能力， 因?yàn)楹５撞⒉豢偸沁m合于，可以登陸 ROV(例如，崎嶇的地形，攪動(dòng)沉積物的風(fēng)險(xiǎn)，或纏繞的危險(xiǎn)， 如漁網(wǎng)可能在附近)。因此， 操作者必須在外部影響(即電流和 圖 15 所示。boa 型帶有泡沫的夾持器， 適 用 于 直 徑 12.7 、 25.4 和 50.8 mm 的 三 種 不 同 的 丙 烯 酸 管 。 彩 色 圖 像 可 在 www.liebertpub.com/soro 在線獲得 圖 16 所示。(A)風(fēng)箱型夾持器采集軟珊瑚(Dendronephthya sp.)， 并附上圖片顯示在船甲板上的樣本。(B) Boa-type gripper 收集 Alcyonacean 鞭珊瑚在 100 米深。通過(guò)“深礁” 號(hào)的機(jī)載攝像機(jī)可以直觀地控制手臂和抓手。彩色圖像可在 www.liebertpub.com/soro 在 線獲得 我們介紹了用于深海采集脆弱生物標(biāo)本的機(jī)器人軟爪的設(shè)計(jì)、制作和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方面的新進(jìn)展。具體來(lái)說(shuō)， 我們描述了兩種不同的軟材料執(zhí)行器設(shè)計(jì)—— boa 型纖維增強(qiáng)執(zhí)行器和波紋管型執(zhí)行器—— 它們可以通過(guò)一條液壓管路的控制輸入輕松地適應(yīng)物體周圍的環(huán)境。此外， 我們還描述了一種利用軟芯和真空輔助的 de 成型步驟快速生產(chǎn)波紋管型驅(qū)動(dòng) 器的新工藝。我們還描述了一種在軟致動(dòng)器中添加橋接材料的方法，以改變致動(dòng)器的曲率半徑、織構(gòu)和接觸力。最后， 短時(shí)間的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明， 該儀器的性能與預(yù)期一致， 可以為未來(lái)深海生物的收集提供一種改變游戲規(guī)則的方法。這項(xiàng)工作代表了創(chuàng)造觸覺(jué)控制的柔軟機(jī)器人“手臂”和“手指”的更大愿景的第一步， 這些“手臂”和“手指”的功能可以和人類的水肺潛水員一樣(或比人類的水肺潛水員功能更強(qiáng))。我們?cè)O(shè)想通過(guò) ROV 或潛水器進(jìn)行復(fù)雜的科學(xué)實(shí)驗(yàn)和收集的能力。這可能包括精細(xì)的收集， manipu ation， 或深礁生物的原位測(cè)量。我們還設(shè)想，這可以與 ap 結(jié)合 RNA 穩(wěn)定劑，如 RNAlater 的能力，以樣品 facilitate 基因表達(dá)和轉(zhuǎn)錄組分析。29,30 或者，等待穩(wěn)定 RNA 直到樣品到達(dá)表面，導(dǎo)致樣品暴露在劇烈的溫度、壓力和光線變化中。這可能會(huì)對(duì)機(jī)體造成壓力，導(dǎo)致包括應(yīng)激反應(yīng)上調(diào)的基因圖譜?，F(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行這些任務(wù)的能力為海洋生物打開(kāi)了一個(gè)巨大的潛力邏輯和分子生物群落，因?yàn)槲覀円苿?dòng) ward 與我們的理解生理和基因組深礁和深海生物 本研究由國(guó)家地理學(xué)會(huì)創(chuàng)新挑戰(zhàn)賽(批準(zhǔn)號(hào):No。美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)(NSF) 主要研究?jī)x器項(xiàng)目 gram(批準(zhǔn)號(hào):1040321)資助了中國(guó)深海 ROV 的研制。作者對(duì) Tom Blough 在水射流切割零件方面的幫助和 Kathleen O 'Donnell 在圖 1 圖形方面的幫助表示誠(chéng)摯的感謝。我們感謝奧德埃茲拉，亞薩里夫林，和船員的 R/V 山姆羅斯伯格為他們的操作支持埃拉特。作者披露聲明不存在相互競(jìng)爭(zhēng)的財(cái)務(wù)利益。 引用 1。《珊瑚礁的結(jié)構(gòu)與分布》， 第 3 版， 紐約:阿普爾頓公司， 1889 年。2. 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Wood Charles River 工程與應(yīng)用科學(xué)教授哈佛大學(xué)約翰 A. 保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院 Wyss 生物工程研究所哈佛大學(xué)牛津街 33 號(hào)，馬薩諸塞州劍橋 02138 電子郵件:rjwood@seas.harvard.edu 在研究開(kāi)始時(shí)， 還不清楚軟驅(qū)動(dòng)器(即材料、纖維增強(qiáng)材料、連接件等)在高靜水壓力下的性能。為了對(duì)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行壓力測(cè)試，組裝了一個(gè)簡(jiǎn)單的鉆機(jī)，包括兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器、兩個(gè) LED 燈和一個(gè)額定深度為 1000 米的攝像機(jī)的安裝件。固定體積的水(即恒定的流體質(zhì)量) 被泵入致動(dòng)器，使其彎曲，并鎖定出口。整個(gè)鉆井平臺(tái)下潛深度超過(guò) 800 米—— 靜水壓超 過(guò) 8000 千帕(1170 psi)。下降和上升的視頻顯示對(duì)驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)完整性或保持卷曲狀態(tài)的能力有明顯的影響(附錄圖 A1) 附錄圖 A1 。為了評(píng)估高靜壓力對(duì)軟纖維 增 強(qiáng) 致 動(dòng) 器 的 影 響 ， 一 個(gè) 測(cè) 試 平 臺(tái) 下 降 了 800 多 米 。 彩 色 圖 像 可 在 線 上 訪 問(wèn)www.liebertpub.com/soro SOFT ROBOTICS Volume 3, Number 1, 2016 Mary Ann Liebert, Inc. DOI: 10.1089/soro.2015.0019 ORIGINAL ARTICLE Soft Robotic Grippers for Biological Sampling on Deep Reefs Kevin C. Galloway,1 Kaitlyn P. Becker,2 Brennan Phillips,3 Jordan Kirby,3 Stephen Licht,3 Dan Tchernov,4 Robert J. Wood,1,2 and David F. Gruber5,6 Abstract This article presents the development of an underwater gripper that utilizes soft robotics technology to delicately manipulate and sample fragile species on the deep reef. Existing solutions for deep sea robotic manipulation have historically been driven by the oil industry, resulting in destructive interactions with undersea life. Soft material robotics relies on compliant materials that are inherently impedance matched to natural environments and to soft or fragile organisms. We demonstrate design principles for soft robot end effectors, bench-top characterization of their grasping performance, and conclude by describing in situ testing at mesophotic depths. The result is the first use of soft robotics in the deep sea for the nondestructive sampling of benthic fauna. Introduction D eep and mesophotic coral reefs, as well as other deep sea ecosystems in general, are hotspots for unique bio- logical diversity and genetic adaptions. Although the exis- tence of coral reefs down to 128 m was noted by Darwin in 1889,1 it was not until the recent advent of technical diving, remotely operated vehicles (ROVs) and submersibles that re- searchers have been able to access and examine them in situ. In the few decades since, the field of mesophotic reef biology has expanded significantly with the increased access.2–5 Con- currently, the scientific community is presented with estimates that 19% of the world’s shallow coral reefs have recently been lost, with a further 35% expected to disappear in the next 40 years.6 However, reefs occurring at depths greater than 30 m are somewhat buffered from human and natural disturbances and represent a potential refuge.7,8 These, deep reefs remain dramatically under studied compared to other highly diverse habitats.9,10 highly challenging. Intervention almost always involves a robotic manipulator, and the industrial nature of existing technology causes a major challenge for researchers valuing delicate collections. Deep reefs are known to have slow growth rates and experience seasonal bleaching events,11 so it is of interest for scientists to take steps to study these eco- systems with as great care as possible. Commercially available deep sea manipulation systems are designed to perform heavy mechanical work (i.e., con- struction or pipeline maintenance) and are not geared to perform delicate tasks, such as the collection of fragile bio- logical specimens. For example, high-end systems* incor- porate sophisticated force feedback to minimize damage from their rigid jaws. These arms can generate lifting and gripping forces up to 500 lbf and are not optimal for delicate specimen collection. Furthermore, more economical grip- pers{ typically lack force feedback and an intuitive user in- terface. Hence, many biologists work to modify research Although major advances have been made in accessing this environment, biological collection and the molecular biology and biochemical analysis of these habitats are still *Falcon ROV by Seaeye, www.seaeye.com/falcon.html {HLK-43000, www.hydro-lek.com/datasheets/hlk43000a.pdf 1Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering, Harvard University, Cambridge, Massachusetts. 2Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences, Harvard University, Cambridge, Massachusetts. 3Department of Ocean Engineering, University of Rhode Island, Narragansett, Rhode Island. 4Leon Charney School of Marine Sciences, Haifa University, Haifa, Israel. 5Department of Natural Sciences, Baruch College, City University of New York, New York, New York. 6American Museum of Natural History, Sackler Institute of Comparative Genomics, New York, New York. a Kevin C. Galloway, et al., 2016; Published by Mary Ann Liebert, Inc. This Open Access article is distributed under the terms of the Creative Commons License (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0), which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly credited. 23 24 GALLOWAY ET AL. FIG. 1. Concept figure of Seaeye Falcon remotely operated vehicle (ROV) with soft robotic manipulator handling an urchin. Color images available online at www.liebertpub.com/soro design and collection methods and tools as best possible to suit their needs