Grippers and Sensors for Soft Robots
Koivikko, Anastasia (2022)
Koivikko, Anastasia
Tampere University
2022
Biolääketieteen tekniikan tohtoriohjelma - Doctoral Programme in Biomedical Sciences and Engineering
Lääketieteen ja terveysteknologian tiedekunta - Faculty of Medicine and Health Technology
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Väitöspäivä
2022-01-21
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-03-2275-5
https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-03-2275-5
Tiivistelmä
Elämämme modernissa yhteiskunnassa on monin tavoin helpompaa kuin ennen, ja yksi suuri syy tälle on robottien nopea yleistyminen. Ne ovat täyttäneet tehtaat ja valmistuslinjat ja työskentelevät siellä taukoamatta tehden työstämme fyysisesti kevyempää. Jotta robotit voisivat toistaa pikkutarkkoja ja raskaita liikkeitä miljoonia kertoja, täytyy robottien sekä niiden toimielinten, antureiden, ohjausyksiköiden ja voimalähteiden olla kovia ja kestäviä. Tällaisia kovia robotteja tarvitaan tehtaissa, mutta toisaalta kovuus rajoittaa niiden turvallista ja miellyttävää käyttöä ihmisten lähellä. Pehmeiden materiaalien tutkimus on avannut uusia mahdollisuuksia robotiikan alalle luoden uuden alan: pehmorobotiikan. Kovista materiaaleista pehmeisiin siirtymällä 1) roboteista tulee turvallisempia: ne eivät vahingoita, vaikka törmäisivät ihmiseen, 2) robotit mukautuvat pinnan muotoihin ja 3) ne tuntuvat mukavammilta ihoa vasten.
Monet pehmorobottien valmistusmenetelmistä on otettu mikrofluidistiikan alalta, jossa on käytetty silikonivaluja pienien ja yksityiskohtaisten mikrofluidististen testausalustojen valmistukseen. Tämä tekniikka mahdollistaa erittäin pienien rakenteiden tarkan kopioimisen muotista lopputuotteeseen, mutta monimutkaiset rakenteet, kuten ulokkeet ja upotetut kanavat, ovat haasteellisia valmistaa, koska muotti pitää saada irrotettua pehmeän rakenteen ympäriltä. Pehmoroboteissa tällaisia monimutkaisia rakenteita kuitenkin tarvitaan liikkuvien toimielinten ja tarttujien aikaansaamiseksi, ja siksi tarvitaan valmistustapa, jolla voidaan tehdä tehokkaasti aidosti kolmiulotteisia rakenteita.
Pehmeistä materiaaleista tehdyt tarttujat mukautuvat kohteen muotoihin, mikä mahdollistaa hauraiden asioiden poimimisen vahingoittamatta niitä. Pehmeys voi kuitenkin rajoittaa sitä, kuinka suuria voimia tarttujat pystyvät käsittelemään. Tarttujan kovuus tai jäykkyys voi kasvattaa sen kykyä käsitellä suuria voimia kappaleen kuljetuksen aikana. Materiaalit ja mekanismit, joiden jäykkyyttä voi kontrolloida, voisivat mahdollistaa tällaisen säädettävän tarttumisen ja jäykkyyden.
Pehmeiden runkojen lisäksi roboteissa käytettävien antureiden tulee olla venyviä ja pehmeitä. Yksi tärkeimmistä pehmoroboteissa käytetyistä anturityypeistä on venymäanturi, jonka eri kokoonpanoilla voi mitata robotin ulkoista ja sisäistä informaatiota. Venymäantureiden valmistamiseen on ehdotettu monia erilaisia menetelmiä, kuten nestemäiset metallit ja ionijohteet. Monissa menetelmissä tarvitaan kuitenkin useita valmistusvaiheita tai niissä käytettyjä materiaaleja on vaikea käsitellä, joten ne eivät sovellu massavalmistukseen. Tämän lisäksi ehdotetut anturit ovat usein sähköisiä toisin kuin toimielimet, jotka ovat usein pneumaattisia. Siirtymällä pneumaattisiin antureihin voitaisiin robotin kokonaisrakennetta yksinkertaistaa.
Tässä väitöskirjassa tutkimme eri menetelmiä pehmorobottien tarttujien ja antureiden valmistamiseksi. Ensiksi tutkimme, voiko uhri-3D-tulostuksella valmistaa pehmeille materiaaleille valumuotteja, joissa on ulkonevia rakenteita. Näytimme, että tapa oli vaivaton ja että sillä pystyttiin valmistamaan upotettuja kanavia pehmeisiin silikonirakenteisiin. Toiseksi me kehitimme pehmotarttujia. Valmistimme kaksi erilaista 3D-tulostettua imukuppitarttujaa: pneumaattisen sekä magneettisesti ohjattavan hydraulisen tarttujan. Totesimme 3D-tulostuksen sopivaksi tavaksi valmistaa pehmotarttujia. Huomasimme myös valmistettujen tarttujien suoriutuvan haasteellisten kohteiden, kuten pienien kappaleiden, epätasaisten kuormien ja hauraiden esineiden, poimimisesta paremmin kuin kaupallisten imukuppitarttujien. Ehdotamme myös, että magnetoreologisen nesteen käytöllä tarttujan jäykkyyttä voidaan säädellä. Viimeiseksi valmistimme ja integroimme antureita pehmorobotteihin. Ehdotimme kahta erityyppistä ratkaisua venymän ja käyryyden mittaamiseen: silkkipainettuja resistiivisiä venyviä antureita sekä pneumaattisia venymäliuskoja. Esitämme, että silkkipainotekniikka on edullinen ja massavalmistukseen soveltuva valmistustapa sähköisten venymäantureiden valmistukseen, kun taas pneumaattiset venymäliuskat ovat askel lähemmäs kokonaan pneumaattisia pehmorobotteja.
Kaiken kaikkiaan tämä väitöskirja käsittelee uusia pehmorobottien tarttujien ja antureiden valmistusmenetelmiä. Tavoitteena on löytää yksinkertaisempia tapoja valmistaa älykkäämpiä pehmorobotteja.
Monet pehmorobottien valmistusmenetelmistä on otettu mikrofluidistiikan alalta, jossa on käytetty silikonivaluja pienien ja yksityiskohtaisten mikrofluidististen testausalustojen valmistukseen. Tämä tekniikka mahdollistaa erittäin pienien rakenteiden tarkan kopioimisen muotista lopputuotteeseen, mutta monimutkaiset rakenteet, kuten ulokkeet ja upotetut kanavat, ovat haasteellisia valmistaa, koska muotti pitää saada irrotettua pehmeän rakenteen ympäriltä. Pehmoroboteissa tällaisia monimutkaisia rakenteita kuitenkin tarvitaan liikkuvien toimielinten ja tarttujien aikaansaamiseksi, ja siksi tarvitaan valmistustapa, jolla voidaan tehdä tehokkaasti aidosti kolmiulotteisia rakenteita.
Pehmeistä materiaaleista tehdyt tarttujat mukautuvat kohteen muotoihin, mikä mahdollistaa hauraiden asioiden poimimisen vahingoittamatta niitä. Pehmeys voi kuitenkin rajoittaa sitä, kuinka suuria voimia tarttujat pystyvät käsittelemään. Tarttujan kovuus tai jäykkyys voi kasvattaa sen kykyä käsitellä suuria voimia kappaleen kuljetuksen aikana. Materiaalit ja mekanismit, joiden jäykkyyttä voi kontrolloida, voisivat mahdollistaa tällaisen säädettävän tarttumisen ja jäykkyyden.
Pehmeiden runkojen lisäksi roboteissa käytettävien antureiden tulee olla venyviä ja pehmeitä. Yksi tärkeimmistä pehmoroboteissa käytetyistä anturityypeistä on venymäanturi, jonka eri kokoonpanoilla voi mitata robotin ulkoista ja sisäistä informaatiota. Venymäantureiden valmistamiseen on ehdotettu monia erilaisia menetelmiä, kuten nestemäiset metallit ja ionijohteet. Monissa menetelmissä tarvitaan kuitenkin useita valmistusvaiheita tai niissä käytettyjä materiaaleja on vaikea käsitellä, joten ne eivät sovellu massavalmistukseen. Tämän lisäksi ehdotetut anturit ovat usein sähköisiä toisin kuin toimielimet, jotka ovat usein pneumaattisia. Siirtymällä pneumaattisiin antureihin voitaisiin robotin kokonaisrakennetta yksinkertaistaa.
Tässä väitöskirjassa tutkimme eri menetelmiä pehmorobottien tarttujien ja antureiden valmistamiseksi. Ensiksi tutkimme, voiko uhri-3D-tulostuksella valmistaa pehmeille materiaaleille valumuotteja, joissa on ulkonevia rakenteita. Näytimme, että tapa oli vaivaton ja että sillä pystyttiin valmistamaan upotettuja kanavia pehmeisiin silikonirakenteisiin. Toiseksi me kehitimme pehmotarttujia. Valmistimme kaksi erilaista 3D-tulostettua imukuppitarttujaa: pneumaattisen sekä magneettisesti ohjattavan hydraulisen tarttujan. Totesimme 3D-tulostuksen sopivaksi tavaksi valmistaa pehmotarttujia. Huomasimme myös valmistettujen tarttujien suoriutuvan haasteellisten kohteiden, kuten pienien kappaleiden, epätasaisten kuormien ja hauraiden esineiden, poimimisesta paremmin kuin kaupallisten imukuppitarttujien. Ehdotamme myös, että magnetoreologisen nesteen käytöllä tarttujan jäykkyyttä voidaan säädellä. Viimeiseksi valmistimme ja integroimme antureita pehmorobotteihin. Ehdotimme kahta erityyppistä ratkaisua venymän ja käyryyden mittaamiseen: silkkipainettuja resistiivisiä venyviä antureita sekä pneumaattisia venymäliuskoja. Esitämme, että silkkipainotekniikka on edullinen ja massavalmistukseen soveltuva valmistustapa sähköisten venymäantureiden valmistukseen, kun taas pneumaattiset venymäliuskat ovat askel lähemmäs kokonaan pneumaattisia pehmorobotteja.
Kaiken kaikkiaan tämä väitöskirja käsittelee uusia pehmorobottien tarttujien ja antureiden valmistusmenetelmiä. Tavoitteena on löytää yksinkertaisempia tapoja valmistaa älykkäämpiä pehmorobotteja.
Kokoelmat
- Väitöskirjat [4754]