对自适应抓Vitrimeric形状记忆聚合物的指尖gydF4y2Ba

1介绍gydF4y2Ba

操作对象由两个手指机器人夹持器是在机器人(最常见的任务之一gydF4y2BaBirglen单叶,2018gydF4y2Ba)。许多一直努力开发更健壮的触手不同形状和大小的操作对象,使用不同的技术,如复杂的multi-DOF机械手(gydF4y2Ba金正日et al ., 2021gydF4y2Ba),软机器人(gydF4y2BaShintake et al ., 2018gydF4y2Ba),shape-adaptive联动耦合机制(gydF4y2BaKashef et al ., 2020gydF4y2Ba)和折纸的设计(gydF4y2Ba菅直人et al ., 2020gydF4y2Ba)。如今,随着智能和stimuli-responsive材料的持续发展,优雅的解决方案已经提出了各种各样的机器人的问题,如操作、运动和驱动(gydF4y2Ba陈et al ., 2020gydF4y2Ba)。gydF4y2Ba

最有前途的一个类型的智能材料的形状记忆聚合物。他们有能力回到原来的形状在设定一个新的临时形状,使其适合应用适应和变形能力是有利的,比如在触手(gydF4y2BaLinghu et al ., 2020gydF4y2Ba;gydF4y2Ba陈和彭,2021年gydF4y2Ba)。不同类型的形状记忆聚合物存在,与单向heat-activated属性是最常见的类型,它提供了可靠的函数(gydF4y2BaScalet 2020gydF4y2Ba)。利用形状记忆聚合物在机器人应用程序可以减少系统的复杂性和集成的运动驱动机器人的结构(gydF4y2Ba陈et al ., 2020gydF4y2Ba;gydF4y2BaScalet 2020gydF4y2Ba;gydF4y2Ba夏et al ., 2021gydF4y2Ba)。gydF4y2Ba

然而,单程形状记忆需要两个外部刺激来执行其功能。首先是heat-cool所需周期移相的材料,第二是应用程序所需的外部荷载变形的材料,每个形状的需要编程(gydF4y2BaScalet 2020gydF4y2Ba)。此外,聚合物通常有可怜的热导率,这阻碍了他们在实际工业应用中使用高频率的运动是必要的(gydF4y2BaLinghu et al ., 2020gydF4y2Ba;gydF4y2BaSchonfeld et al ., 2021gydF4y2Ba)。问题在于冷却材料,需要修复一个新程序的形状。即使有一个冷却的集成系统(gydF4y2BaZhang et al ., 2019gydF4y2Ba),它仍然需要几秒钟去通过塑造过程。此外,形状记忆聚合物遭受低力的一代。这限制了他们的应用程序使用时积极和驱动元素(gydF4y2BaSchonfeld et al ., 2021gydF4y2Ba)。考虑这些限制,作者认为利用形状记忆聚合物,使整个爪不是一个适当的选择应用程序。它限制的对象的范围,可以操纵和潜在使用夹具能满足操作要求的情况下,例如,所需频率的拾起并定位任务。解决这些问题需要更多的研究,优化热(gydF4y2Ba巴特利特et al ., 2017gydF4y2Ba),材料的力学性能(gydF4y2BaZhang et al ., 2022gydF4y2Ba)。gydF4y2Ba

尽管提到的挑战与发展中叨纸牙的形状记忆聚合物,材料仍有可能生产shape-adaptive指尖附加到机器人抓手,问题是可寻址系统或应用程序级别的。这意味着形状记忆材料用作shape-adaptation元素而非驱动元素。利用形状记忆聚合物的指尖,形状过渡(提供shape-adaptive接触对象)当一个对象只需要用一个新的形状是操纵,不是每个拾起并定位的任务。排序和装配线在许多情况下,物体的形状不是经常改变,而是从批处理批处理。此外,机器人抓手可适当选择满足所需的速度和负载的操作任务。此外,爪本身可以作为外部负载所需形状的编程过程(gydF4y2Ba图1gydF4y2Ba)。研究人员还发表其他shape-adaptive指尖的设计思想,例如,利用颗粒干扰的原则(gydF4y2Ba侯et al ., 2019gydF4y2Ba;gydF4y2Ba李et al ., 2021gydF4y2Ba),磁流变弹性体,可以从一个软转移到固体状态通过应用磁场(gydF4y2Ba崔et al ., 2020gydF4y2Ba),活跃软蛀牙嵌在软物质,可以改变形状的软物质的指尖坚实的把握(gydF4y2Ba他et al ., 2020年gydF4y2Ba)。形状记忆聚合物的财产相比,被认为在许多聚合物,这些替代品更复杂的设计和制造。的干扰原理和使用软蛀牙,他们容易受到尖锐物体的伤害。gydF4y2Ba

近年来软机器人技术领域,更具体地说,不同类型的触手已经提出提供shape-adaptive扣人心弦的能力(gydF4y2BaMosadegh et al ., 2014gydF4y2Ba;gydF4y2Ba曼泰et al ., 2015gydF4y2Ba)。研究圆鼓鼓软触手来增强把握效率,shape-conformability和承载能力也是一个热门话题。为了达到这个目标,一个常见的策略是优化刚度,从软形状一致刚性承载增强。这种转变在刚度可以达到利用干扰的原则(gydF4y2Ba魏et al ., 2016gydF4y2Ba;gydF4y2BaBakarich et al ., 2022gydF4y2Ba),或多相材料(gydF4y2BaZhang et al ., 2019gydF4y2Ba;gydF4y2Ba王et al ., 2020gydF4y2Ba;gydF4y2Ba卓et al ., 2020gydF4y2Ba)。圆鼓鼓触手相比,通用/包络触手显示更高级别的形状一致,存在多个包络机制,例如,普遍干扰器gydF4y2Ba布朗et al ., 2010gydF4y2Ba),普遍的折纸工艺爪(gydF4y2Ba李et al ., 2019gydF4y2Ba),普遍手风琴小爪(gydF4y2Ba郝et al ., 2021gydF4y2Ba)和scooping-binding平行夹(gydF4y2Ba王et al ., 2021gydF4y2Ba)。Linghu et al .,犯了一个结构简单通用手爪的设计基于形状记忆高分子材料能够把握的任意形状的物体通过加热材料,然后按上面的对象而冷却下来锁(gydF4y2BaLinghu et al ., 2020gydF4y2Ba)。这个夹具适用于扣人心弦的困难对象但缺点缓慢的响应时间(分钟)的顺序造成heating-cooling周期为每个需要掌握。gydF4y2Ba

尽管如此,平行双指工业触手仍然是最常见的一种工业用触手(gydF4y2BaBirglen单叶,2018gydF4y2Ba)。他们有一个结构简单、健壮的功能,并提供简单控制。然而,它总是想提供shape-adaptive接触对象掌握hard-bodied对象,但更重要的是操纵微妙而脆弱的。因此,可以保证一个安全的理解减少当地扣人心弦的力量,这可能有助于防止损坏产品。此外,更好的包络的对象创建一个更加稳定和安全掌握在高速操作。针对这一点,需要制造shape-adaptive指尖平行触手的能力至少最常见的几何图形的形状物体拾起并定位任务,如球形、圆柱形、锥体和立方。gydF4y2Ba

shape-adaptive指尖,我们提出两种设计,精致的适应对象和硬体(gydF4y2Ba图1gydF4y2Ba)。他们连接到一个平行的爪,可以改变他们的形状根据目标对象的几何形状和保留新形状,直到新任务的定义:操纵其他批次的某些对象有不同的外表面轮廓。他们制成的固化vitrimeric网络制造的数字光处理的手段。在这个演示中,该系统是独立于人类干预的形状编程周期。SMP-SAFs可以通过嵌入的焦耳效应导电加热电线(手动加热热风枪也是可能的),和重塑接触的对象或武力并行爪(gydF4y2Ba图1gydF4y2Ba)。gydF4y2Ba

这符合第五次工业革命使生产和制造过程适应变化,结合定制系统和大规模生产,保持速度和灵活性在装配和排序。gydF4y2Ba

2材料和方法gydF4y2Ba

2.1形状适应方法gydF4y2Ba

基于对象的属性,两种不同的模型是由SMP-SAF (gydF4y2Ba图1gydF4y2Ba)。第一个,用于处理微妙的和脆弱的对象,包括两个SMP-SAFs印有弯曲永久形状。首先,他们被加热T以上gydF4y2Ba_ggydF4y2Ba,然后使用颚爪的力量压在一起,和直。冷却后T以下gydF4y2Ba_ggydF4y2Ba保留,直状态。接下来,夹持方法,让第一次接触的对象。再热指尖激活形状记忆效应,使它们回到永久形状,翅膀已经关闭,直到接触与对象的概要文件。有更多的接触点是有益的在处理微妙的东西。少接触点可以导致更大的接触力,可以留下伤痕。这个新的形状可以通过冷却固定SMP-SAFs降至室温。其他对象相似的形状可以更有效地操纵。SMP-SAFs将回到完全由加热弯曲的位置,设置一个新的形状编程。gydF4y2Ba

第二种方法在于把握硬的身体指尖在哪里印刷在连续模式下,已经适合处理对象与一个平坦的表面轮廓。在室温下,指尖很僵硬,记得打印形状作为永久的形状。适应其他几何图形,SMF-SMFs第一加热到玻璃化转变温度(TgydF4y2Ba_ggydF4y2Ba)54°C,变得灵活,然后方法的对象。SMP-SAFs适应对象的外在形式通过接触力,然后冷却到室温保持新的形状。此后,SMP-SAFs准备操作其他对象有一个类似的外表面轮廓的把握。加热指尖将他们带回永久模式。gydF4y2Ba

弯曲的指尖也可以用来适应对象和操纵它们。然而,适应的过程中弯曲的指尖包括两个形状编程步骤,首先打开,然后适应——这可以更复杂的比直的指尖所需的过程(如所示gydF4y2Ba图1gydF4y2Ba)。另一方面,直接的指尖的设计有更高的风险损害的对象自指尖必须压形状适应的对象。这些因素使我们介绍两种不同的设计,每一个都可以选择基于应用程序和被操纵的对象的类型。gydF4y2Ba

2.2 Photo-curable vitrimeric树脂gydF4y2Ba

Vitrimers是一个特殊的聚合物的子类,表现为一个动态共价网络(gydF4y2Ba温内et al ., 2019gydF4y2Ba)。拥有传统热固性材料的属性,可以再加工和重塑一个特征转变温度以上,其中动态收益债券交换以足够快的速度促进宏观回流(gydF4y2Ba德尼森et al ., 2016gydF4y2Ba)。这个特性赋予他们一些非凡的特性,比如再加工,焊接和自我修复损伤(gydF4y2BaAlabiso Schlogl, 2020gydF4y2Ba)。目前详细审查涉及主题(gydF4y2BaAlabiso Schlogl, 2020gydF4y2Ba)。gydF4y2Ba

在本研究中,应用了shape-adaptive指尖需要材料有两个主要特点。首先,形状记忆性能所需的形状适应和解决不同的临时形状以适应不同的目标对象。第二,TgydF4y2Ba_ggydF4y2Ba需要足够高于室温保持任何新的程序在正常工作条件下形状。我们选择的材料研究基于我们的最近的工作,以形状动态thiol-acrylate memory-assisted自愈网络(raybet雷竞技下载地址gydF4y2BaAlabiso et al ., 2021gydF4y2Ba)。作者引入了一系列树脂的有吸引力的组合属性,如韧性、可调TgydF4y2Ba_ggydF4y2Ba作为交联剂含量的函数,形状记忆和自愈通过酯交换(即。-哦组之间,交换反应和酯)(gydF4y2BaAlabiso et al ., 2021gydF4y2Ba)。在这里,我们选择了硫醇的树脂以14摩尔%内容交联,当我们观察到它在形状不太容易发生脆性破坏编程。三羟甲基丙烷三羟甲基氨基甲烷(3-mercaptopropionate)液(TMPMP)从Worlee购买化学GmbH(德国)。丙烯酸甲酯有机膦酸酯Miramer A99购买从Miwon特种化工(韩国)。所有其他化学物质都是购自Sigma-Aldrich(美国)和用作接收(gydF4y2Ba图2gydF4y2Ba)。从化学的角度,制定基于photoinitiated反应之间的硫醇(sh)半个三功能性的交联(TMPMP)和碳双键(- C = C -)的(甲基)丙烯酸酯单元出现在BisGMA和HPPA上(gydF4y2Ba图2gydF4y2Ba)。在最初的研究中,行为的Miramer A99作为酯交换催化剂进行了研究。此外发现,有机膦酸酯的存在的网络可能会导致一个加劲材料经热处理,因此将玻璃化转变温度升高(gydF4y2BaRossegger et al ., 2021gydF4y2Ba)。因此,我们进行一个治疗步骤(4 h在常规烤箱180°C)达到所需的TgydF4y2Ba_ggydF4y2Ba,虽然影响材料的愈合能力。因此,我们并没有在此关注自我修复能力,而是主要受益于形状记忆特性。最后,与以前的工作(gydF4y2BaAlabiso et al ., 2021gydF4y2Ba),我们使用了数字光处理技术,3 d打印树脂。为此,添加0.02 wt %苏丹II photo-absorber印刷过程被证明是有益的。作者之前报道,这个家庭的thiol-acrylate vitrimers非常适合3 d打印软设备的数字光处理,这可能会使软机械零件的制造容易和可定制的(gydF4y2BaRossegger et al ., 2021gydF4y2Ba;gydF4y2BaShaukat et al ., 2021gydF4y2Ba)。gydF4y2Ba

2.3制造gydF4y2Ba

处理了指尖由几个简单的步骤(gydF4y2Ba图3一gydF4y2Ba)。首先由光敏聚合物树脂合成化合物其次是搅拌几分钟在一个温和的温度(即。,30分钟50°C)。然后注入树脂的增值税打印机和打印。最后,部分脱离印刷床,洗和位4 h 180°C。指尖的红色来自苏丹二世,尽管有时这种颜色消失了热处理后(苏丹氧化掉了)。底层的曝光时间和下面层设置为65和18个年代,分别。这些设置确定的动力学研究树脂通过傅里叶变换红外(FTIR)分析(顶点70光谱仪(力量,美国)结合作品v7.5软件)(gydF4y2Ba图3 bgydF4y2Ba)(gydF4y2BaAlabiso et al ., 2021gydF4y2Ba)。它是一种技术,它使用红外吸收光谱分析在一个分子的化学键礼物。通过生成的分子指纹光谱,红外光谱使样本的筛选和扫描识别各种组件和不同的配置文件。确保印刷部分的附着力打印平台,四个底层被打印出来。电梯,电梯和收缩速度设置为6毫米,3毫米/秒和2 mm / s,分别。尽管在指尖内部孔洞的存在,它仍然是可行的通过模具和铸件制造。然而,使用加法制造生产指尖不仅提供了更大的设计自由,而且还解决了低光的穿透深度的挑战在photo-curable树脂的固化过程。通过使用添加剂制造技术,指尖可以捏造以分层的方式,允许更有效和彻底固化的树脂。然而,重要的是要承认升级加法制造领域仍然是一个挑战。gydF4y2Ba

形状记忆聚合物的性能直接致动器/部分取决于几何。指尖的维数增加会导致加热和冷却时间或增加相关的能源消耗。此外,更少的适应性观测较厚的指尖(至少在连续的指尖设计),和形状编程过程需要应用更大的外部负载。相反,一个更大的大小提供了更大的形状记忆的力量和强度对结构破坏。在这里,重点是利用形状记忆特性的适应性,不作为驱动元件。因此,薄被优先于厚。有一些实用的设计限制。其中一个是集成的结构洞的指尖。指尖的厚度应该足够大来容纳孔1 mm-2 mm印刷后容易通过电线。总之,SMP-SAFs的厚度为3.5毫米和1.6毫米的孔的直径和中心距3毫米是为了适应导电线通过焦耳效应取暖。 Dimensions of both SMP-SAFs are in图3 cgydF4y2Ba。这些geomaterial参数的最大负载Franka Emika可以使用双指夹没有结构性失败的指尖。gydF4y2Ba

2.4与温度有关的属性gydF4y2Ba

测量TgydF4y2Ba_ggydF4y2Ba材料的3 d打印后,矩形标本长度,宽度和厚度15毫米,4毫米和1.5毫米,印刷和受到动态力学分析(TA仪器Q800 DMA) (gydF4y2Ba图4一gydF4y2Ba)。测量进行了新鲜和热治疗标本证据T的转变gydF4y2Ba_ggydF4y2Ba治疗后。DMA测试过程中,应用振幅和频率设定在0.01%,1赫兹,分别。同样,拉伸试验进行描述的杨氏模量,3 d打印的部分(gydF4y2Ba图4 bgydF4y2Ba)。长矩形标本,30毫米,宽10毫米和2毫米厚,受到伸长1%的速度/ s使用Tinius奥尔森张力机。gydF4y2Ba

2.5机器人操作gydF4y2Ba

一个Franka Emika与7自由度机器人机械手末端执行器和两个指状平行夹是用来掌握和操作对象(gydF4y2Ba图1gydF4y2Ba)。机器人可以通过软件的编程Franka Emika机器人系统。的指尖夹可交换,我们开发了SMP-SAFs,取代典型的垫子。嵌入式SMP-SAFs电线的电阻加热是镍钛丝,可以加热SMP-SAFs T以上gydF4y2Ba_ggydF4y2Ba约6 V。gydF4y2Ba

3的结果gydF4y2Ba

3.1材料属性gydF4y2Ba

图3 bgydF4y2Ba介绍了红外光谱的分析结果可打印树脂、转化率的硫醇(2569厘米gydF4y2Ba^1gydF4y2Ba)组织紫色曲线(sh)和(甲基)丙烯酸酯碳碳(C = C -)组(1636厘米gydF4y2Ba^1gydF4y2Ba在绿色曲线()gydF4y2BaAlabiso et al ., 2021gydF4y2Ba)。这说明所需的曝光时间的树脂固化。使用转换高原从15 - 20年代初期迹象表明一个完整的治疗,我们确定的一般曝光时间18 s数字光处理的试错。gydF4y2Ba

实现所需的TgydF4y2Ba_ggydF4y2Ba、热治疗是必要的。gydF4y2Ba图4一gydF4y2Ba说明这种治疗T变化gydF4y2Ba_ggydF4y2Ba印刷部分的28°C到54°C。它还显示了材料的储能模量的变化作为温度的函数。许多聚合物表现出粘弹性性质的储能模量是材料的弹性响应的指示和损耗模量是材料的粘性行为的指示(gydF4y2BaZhang et al ., 2022gydF4y2Ba)。因此,储能模量是材料的刚度的合理近似值。看到,热处理永久改变材料的储能模量和使它更强硬。gydF4y2Ba

热处理的力学性能变化是显而易见的gydF4y2Ba图4 bgydF4y2Ba,提出了准静态拉伸试验的结果:处理材料的杨氏模量的25倍。此外,韧性大大增加了近60倍,从0.07 J /毫米gydF4y2Ba^3gydF4y2Ba4.18 J /毫米gydF4y2Ba^3gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

3.2形状记忆效率gydF4y2Ba

为了量化SMP-SAFs临时配置的形状稳定性和恢复他们的永久的形状,我们定义了一个shape-fixing效率和shape-recovery效率,分别。在定量研究中,两个白色标记连接到指尖从永久编程模式时暂时的形状和恢复到固定的形状(gydF4y2Ba图5gydF4y2Ba)。标记的位置跟踪在形状编程通过视频录制和后期处理,使用gydF4y2BaimfindcirclesgydF4y2Ba在Matlab函数(MathWorks,麻萨诸塞州,美国)。其中一个标记是在一个固定的位置,其他的相对位移计算(gydF4y2Ba图5gydF4y2Ba)。SMP-SAF是重塑和标记的位置将在接下来的6分钟内与重塑后的位置。这允许shape-fixing效率的评估。改造后,SMP-SAF是恢复永久加热模式。比较之前的位置标记后的第一个形状编程和最后形状shape-recovery编程提供了信息效率。见gydF4y2Ba图5一个gydF4y2Ba、形状固定效率(b / a)和形状采收率(c / a)的弯曲SMP-SAF分别为89.5%和97.3%,分别。的直SMP-SAF (gydF4y2Ba图5 bgydF4y2Ba)分别是50%和100%。直SMP-SAF shape-fixing低效率的有关几何。双方的指尖是固定的,需要更多的应力变形。是这样,有一种强烈的倾向于恢复永久形状,是更具挑战性的冻结的相对运动链的网络,这是修复所需形状。除了几何优化,制定材料更高的TgydF4y2Ba_ggydF4y2Ba提高修复效率,形状的链运动更好的冻在室温下。然而,这伴随着能源消费增加的缺点形状编程。此外,实现一个更同质网络更TgydF4y2Ba_ggydF4y2Ba过渡将减少不受欢迎的形状恢复的机会,使形状编程容易控制。注意,shape-fixing效率曲线SMP-SAF重要得多。如果它无意中恢复其永久的形状,这意味着的指尖变得狭窄,它可能会失败在把握对象大于开口大小。gydF4y2Ba

3.3掌握微妙的对象gydF4y2Ba

弯曲SMP-SAF旨在处理的对象,因为它适应不依赖于对指尖按对象(gydF4y2Ba图1gydF4y2Ba)。两个弧形SMP-SAFs第一加热通过嵌入式电线的电阻加热(gydF4y2Ba图6gydF4y2Ba),打开了,直按SMP-SAFs一起使用颚爪的力量(gydF4y2Ba图6 bgydF4y2Ba)。这个新的形状是固定的冷却到室温。接下来,夹持方法精致柔软的对象,例如,水果,SMP-SAFs碰它。仔细是很重要的机器人的方法和触摸的对象为了不伤他们。在这项研究中,它是由人类通过目视检查援助。然而,高分辨率的力传感器或应用掌握规划对象的位置稍后可以被集成在系统检测能力。见gydF4y2Ba图6汉英gydF4y2Ba,形状记忆然后再热激活的指尖,导致他们在水果的包络,提供最大的接触面积。结果,操纵的对象将在更安全的方式进行。gydF4y2Ba图6 fgydF4y2Ba显示了三种不同的掌握和操纵水果和葡萄酒杯(补充视频)。虽然不太适应与直SMP-SAF相比,弯曲SMP-SAF也能够被用于抓硬体,如操纵玻璃。这指尖设计不能适应对象的形状没有侧/直径大于26.5毫米(gydF4y2Ba图3一gydF4y2Ba)。虽然适应较小的对象是不可能的,这并不意味着这些对象不能陷入弯曲的指尖。它们可以变直,作为典型的指尖抓东西提到大小限制。gydF4y2Ba

3.4掌握硬体gydF4y2Ba

三个不同的几何图形,即梁、汽缸和half-cylinder,被选出的演示与直SMP-SAF把握。光束说明SMP-SAF爪配备,能够把握对象与平坦的墙壁,而汽缸证明SMP-SAFs可以适应掌握弯曲的对象。此外,SMP-SAFs可以适应更复杂的形状作为half-cylinder证明了把握。如前所述,指尖可以激活焦耳效应或热风枪。当一个或双方的对象是平的,不需要编程。在其他情况下,指尖应该首先被加热(gydF4y2Ba图7gydF4y2Ba)和适应的外表面轮廓对象按他们互相(gydF4y2Ba图7 bgydF4y2Ba)。通过使用这种方法,指尖可以采取不同的形状的对象,而不需要代之以一个新的指尖,每一次的一系列操作一个新对象。gydF4y2Ba图7 cgydF4y2Ba显示了三个形状的把握和操作,包括一个立方体,一个圆柱体和一个half-cylinder,使用直SMP-SAFs(补充视频)。不知道考虑的最大负载Franka Emika机械爪按指尖对不同对象,这指尖设计可以改变它的形式从无限的曲率半径(直接模式)到70毫米的曲率半径(一个变形的形状)。gydF4y2Ba

这种把握策略可以构成威胁的对象。直SMP-SAFs适应对象通过接触力,这可能是过于强大的对象是脆弱的或微妙的。SMP-SAFs部队应用的可能导致损坏或变形的对象。例如,gydF4y2Ba图8gydF4y2Ba显示了一个草莓是碎在指尖压它的形状。使用这种方法,这是至关重要的考虑对象的脆弱性和美味而柔软的指尖处于加热状态。gydF4y2Ba

3.5掌握稳定性分析gydF4y2Ba

拟议的指尖设计不会导致持有对象对重力。这个力是由平行的推爪。然而,这些设计和改善包裹的物品不仅分配负荷,防止局部损伤,而且稳定的时候快速操作。要证明这一点,我们生产的两个软空心圆柱体的龙皮肤20,壁厚3毫米,直径30毫米和50毫米的两个示例对象(gydF4y2Ba他et al ., 2020年gydF4y2Ba)。增加惯性,25克的重量是附加到对象。汽缸内部压力的测量由霍尼韦尔SSCDANN015PGAA5压力传感器保持抓取力等于在所有测试(6 kPa的计示压力设置为所有实验)。弯曲的形状和直的指尖已经适应了圆柱体的形状通过解释shape-adaptation过程。注意,两个硬气缸直径相同对象用于形状直指尖的编程。直的指尖,不受形状编程步骤,被选为传统的指尖标准化的摩擦系数测试。Franka机器人编程从中间,先拿起对象之间移动三坐标,第一阶段gydF4y2Ba图9gydF4y2Ba线性运动,然后执行一个重复10次,第二阶段gydF4y2Ba图9gydF4y2Ba。第二阶段运动的轨迹的斜率的机器人是0.64。的操作(阶段)进行Franka机器人的最大速度的75%。稳定性分析更侧重于第二阶段的操作,在提示对象的轨迹记录根据第三章的方法。B,而机器人的轨迹。gydF4y2Ba图9 bgydF4y2Ba显示了一个示例的第二阶段操作的小对象。见,在使用传统的指尖,夹持物体旋转,不是维护安全。在gydF4y2Ba图9 cgydF4y2Ba的末端轨迹的斜率小对象比较的三次操作使用三种不同的指尖。蓝色的颜色是常规non-shape-adaptive指尖,红色连续的弯曲shape-adaptive指尖和黄色shape-adaptive指尖。线性回归模型拟合的数据点的轨迹对象和斜坡的顶端。看到,红色和黄色条显示接近数字机器人的轨迹的斜率(0.64)。这意味着自适应的指尖,对象是更安全的控制和更好的跟随机器人的路径。gydF4y2Ba图9 cgydF4y2Ba显示了一个示例的第二阶段使用自适应的指尖大对象的操作。类似于gydF4y2Ba图9 c, EgydF4y2Ba礼物的结果提示的斜率大对象三个操作期间的三个不同的指尖。它再次看到自适应的指尖提供一个更稳定的把握比传统的指尖。gydF4y2Ba

分析数据的另一种方法是研究提示的线性轨迹在第二阶段操作的对象。如果夹持安全地维护对象,他们的技巧表现出线性运动。gydF4y2Ba图9 e, FgydF4y2Ba描述数据点的三次的小型和大型对象操作与三个不同的指尖,分别。对象被弯曲的轨迹和异性恋SMP-SAFs比使用传统的线性的指尖。数据点不太分散和拟合线性模型显示更高的平方值。然而,使用传统的操纵的指尖不太稳定,物体振动(gydF4y2Ba图9 cgydF4y2Ba),数据点更分散。另一个点,可以看到数据的相对下降对象在第一阶段的操作(gydF4y2Ba图9gydF4y2Ba)。在gydF4y2Ba图9 fgydF4y2Ba蓝色的图表,这些图表归因于操纵与传统指尖低于另外两个图。这表明小对象转移符合重力在第一阶段的操作。如果大型对象(gydF4y2Ba图9克gydF4y2Ba),这一现象发生的连续操作与传统和shape-adaptive指尖。总之,比直弯shape-adaptive指尖比shape-adaptive指尖操纵的圆柱形物体。同时,两个提到shape-adaptive指尖表现出更好的性能比传统的指尖gydF4y2Ba补充视频S1gydF4y2Ba)。应该注意,这些结果和分析只是指尖的功能比较的问题。当然,随着扣人心弦的负载Franka机器人的手,抓住可能更稳定。gydF4y2Ba

4讨论gydF4y2Ba

对机器人操作对象的多样性构成了重大挑战。在这项研究中,我们利用一个vitrimeric thiol-acrylate树脂为双指工业生产shape-adaptive指尖夹。我们介绍了两种不同的设计,提供解决方案有效地把握对象的不同形状、硬度和脆弱。指尖适应对象通过传统的外表面轮廓形状编程形状记忆材料的循环。这导致一个更好的载荷分布,降低局部损坏的风险对象。此外,有更多的分布式接触点允许增强整合过程中尤为重要,快速操作失败的掌握是一个潜在的风险。gydF4y2Ba

由于嵌入导电线的焦耳效应和并行的钳子,热刺激和指尖的每个形状编程所需的力执行而无需人工干预。然而,这种编程仍然是费时的。原因源于穷人聚合物的热导率,这可能会花费几分钟指尖降温暂时形状固定(加热的指尖嵌入式电线需要10 - 15 s同时冷却从上面TgydF4y2Ba_ggydF4y2Ba室温需要4 - 5分钟)。因此,提出技术的应用仍有限的情况下,物体的形状不改变在每个掌握,而是从批处理批处理。此外,指尖只能适应物体的外表面轮廓,因此不能完全适应非凸的形状。形状适应需要的指尖和对象之间的联系。因此,在处理热敏对象时,必须使用一个祭祀shape-programming指尖。gydF4y2Ba

扩大的应用提出了指尖,加快形状过渡过程可以考虑不同的步骤。第一个方法是开发一个复合形状记忆高分子材料的碳基填料。这可以增加材料的热导率,导致更快的形状过渡。除了热导率的增加,材料将成为导电开幕可能利用焦耳效应的自热的指尖。第二点,我们将着手解决拓扑/几何优化的指尖。具有多孔结构有利于空气的流动通过指尖和形状的加速冷却阶段过渡的过程。还可以采用拓扑优化的目的,增加自适应性,同时保留形状不变性和形状恢复效率。第三个需要考虑的方面是增加在玻璃化转变温度(TgydF4y2Ba_ggydF4y2Ba),可以加速修复材料的形状的过程。例如,考虑到指尖,在室温下操作,从上面的材料所需的时间来冷却TgydF4y2Ba_ggydF4y2Ba在TgydF4y2Ba_ggydF4y2Ba如果T短gydF4y2Ba_ggydF4y2Ba是增加了。然而,重要的是要考虑增加T的影响gydF4y2Ba_ggydF4y2Ba在指尖的机械性能。因此,它是至关重要的平衡加速shape-fixing过程所带来的好处和潜在缺陷的力学性能的变化。gydF4y2Ba

值得考虑的是,指尖可能会损坏,因为它们是在直接接触对象和许多编程周期。结果,被制成的自修复材料可以延长寿命的指尖。gydF4y2Ba

数据可用性声明gydF4y2Ba

最初的贡献提出了研究中都包含在这篇文章/gydF4y2Ba补充材料gydF4y2Ba,进一步的调查可以针对相应的作者。gydF4y2Ba

作者的贡献gydF4y2Ba

概念化:sk电讯、BV、圣3 d设计:sk电讯材料设计(选择、处理、分析):佤邦,sk电讯,呃,我们,党卫军。3 d打印:sk电讯,呃,我们。掌握性能测量和检查:sk电讯数据处理:sk电讯,佤邦,JL可视化:sk电讯,佤邦资金收购:BV, JB,党卫军监督:BV,党卫军,呃,圣原创作品草案:sk电讯,佤邦Writing-review和编辑:所有作者促成了这篇文章,批准提交的版本。gydF4y2Ba

资金gydF4y2Ba

这项工作已经收到了欧盟的资助下地平线2020研究和创新计划玛丽·斯卡洛多斯卡·居里赠款协议没有860108(智能)。此外,美国Terryn和杰欣然承认FWO(昏聩Wetenschappelijk Onderzoek)个人资助(1100416 n),分别(12 y8622n)以及JB他FWO高级博士后奖学金(12 e1123n)。内的一部分研究工作进行COMET-Module“Chemitecture”(project-no。21647048)在聚合物的能力中心里GmbH (PCCL、奥地利)的框架内的联邦COMET-program交通、创新和技术和联邦数字和经济事务部。PCCL由奥地利政府和州政府施第里尔,上下奥地利。gydF4y2Ba

确认gydF4y2Ba

第一作者要感谢聚合物提供的慷慨支持和资源能力中心里(PCCL)和褐煤里大学期间的研究,使本研究进行的一部分。gydF4y2Ba

的利益冲突gydF4y2Ba

作者佤邦,我们,呃,并受雇于PCCL党卫军。gydF4y2Ba

其余作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。gydF4y2Ba

出版商的注意gydF4y2Ba

本文表达的所有索赔仅代表作者,不一定代表的附属组织,或出版商、编辑和审稿人。任何产品,可以评估在这篇文章中,或声称,可能是由其制造商,不保证或认可的出版商。gydF4y2Ba

补充材料gydF4y2Ba

本文的补充材料在网上可以找到:gydF4y2Bahttps://www.雷竞技rebatfrontiersin.org/articles/10.3389/frobt.2023.1206579/full补充材料gydF4y2Ba

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