Design of a highly-extensible pneumatic actuator for soft robotic applications

Abstract

Farklı ortamlara uyum sağlayabilme özellikleri nedeniyle yumuşak sürem robotların kullanımı gittikçe yaygınlaşmaktadır. Ancak, bu avantajlarına rağmen geliştirilen yumuşak sürem robotların büyük bir çoğunluğu yüksek miktarda uzama ya da büyüme kabiliyetine sahip değildir. Bu çalışmada, yumuşak robotlarda kullanılabilecek uzayabilen pnömatik bir eyleyici tasarımı sunulmuştur. Tasarlanan eyleyicinin özgün yönü, eyleyici hızının basınçtan bağımsız olarak, harici motorlar tarafından kontrol edilmesidir. Öncelikle eyleyici kuvveti, hız ve katılığı hesaplamak için modeller sunulmuştur. Eyleyici prototipi üretilmiş, üretilen prototip üzerinde performans testleri yapılmış ve sonuçlar model ile karşılaştırılmıştır. Daha sonra tasarlanan eyleyici kullanılarak biri düzlemsel yüzey, diğeri ise serbest uzayda hareket edebilen iki yumuşak robot geliştirilmiştir. Son olarak, robotlar mekanik özelliklerini belirlemek amacıyla belirli testlere tabi tutulmuştur. Aynı zamanda robotlar serbest uzayda, engeller arasında ve kapalı alanlarda çeşitli hareket testlerine tabi tutulmuştur. Sonuçlar tasarlanan eyleyicinin uçtan uzayan yumuşak sürem bir robotta kullanılabileceğini göstermiştir. Eyleyici hızının basınçtan bağımsız olarak kontrol edilebildiği doğrulanmıştır.

Soft continuum robots have been an expanding research topic due to their inherent compliance and flexibility. However, most of the conventional continuum robots still lack the ability to significantly change size and length. In this study, a novel highly-extensible pneumatic actuator is developed that can help overcome the limited extension capabilities of soft continuum robots. The main advantage of the actuator is that extension is directly controlled by an external motor, independent from pressure. First, models are given to calculate actuator force, speed and stiffness. A prototype of the actuator is manufactured, and experiments are performed to validate the model. Second, a soft robot is designed using the proposed actuator that can achieve controlled extension and active steering of the tip. Two prototypes are developed; one that can move on a plane and one that can move in 3D space. Finally, the robots are tested to explore their mechanical characteristics and navigation capabilities in free space, through obstacles and in enclosed environments. The results indicate that multiple actuators can be used to successfully navigate a tip-extending soft continuum robot. Speed test results show that controlling actuator speed independent from pressure is possible with the proposed actuator.