Numerical and experimental investigation of bioinspired soft robotic actuator that creates vacuum

Abstract

Robotlar sanayi devriminden sonra insanların en büyük yardımcıları olmuşlardır. Gelişen malzeme bilgisi, seri üretime artan talep ve otomasyona geçiş zorunluluğu robotların imalat süreçlerine dâhil olmasını mecbur kılmıştır. Robotlar güçlü, dayanıklı mekanizmaları ve verilen görevi hatasız olarak istenilen zamanda yapmalarından dolayı otomotiv sektöründen havacılık sektörüne kadar çeşitli yerlerde kullanılmışlardır. Robotların kullanım alanlarında çalışan insanlar için yarattığı tehlikeler ve güvenlik sorunları, günümüzde daha güvenli ve insanlar ile etkileşim içinde çalışabilecek olan yumuşak robotların ortaya çıkmasını sağlamıştır. Yumuşak robotların kullanım alanları: tıpta kullanılan yapay kaslar, otomasyon ve imalat süreçlerinde kullanılan tutucular, giyilebilir insan-robot etkileşimli uygulamalar olarak sınıflandırılabilir. Daha da önemlisi bu yenilikçi robot alanı NASA'nın Langley's Makerspace Laboratuvarlarında uzay araştırmaları ve uzayda üretimi konusunda çalışılmaktadır. Bu tez kapsamında, tasarımında doğadan esinlenilmiş yumuşak robotun vakum kabiliyeti nümerik ve deneysel olarak araştırılmıştır. Doğadan esinlenme ve doğayı kopyalama terminolojileri yumuşak robotik sistemlerin temel yapı taşı olarak düşünülebilir. Doğayı yansıtma ve insanlığın sahip olduğu sorunları çözme kabiliyetleri bakımından bu terminolojilerin kullanıldığı uygulamalar günümüzde gittikçe daha da yaygınlaşmaktadır. Doğadan esinlenilmiş yumuşak robot tasarımları ilham kaynağı olarak doğayı almalarının yanı sıra biyolojik mekanizmaların fonksiyonlarını kopyalayarak insan hayatına girmektedir. Bu tasarımlara, ahtapotların vakum kabiliyetlerinden faydalanılarak tasarlanmış vantuzlar, geckonun adeziv fibrillerinden esinlenilerek üretilmiş yapılar ve denizanasının hareket mekanizmasını yansıtan mekanizmalar örnek olarak verilebilir. Yumuşak robotların bu kabiliyetlerinin yanı sıra, malzemelerinin yumuşak, elastik, deforme olmaya elverişli olmaları ve serbestlik derecelerinin fazla olması onları konvansiyonel robotik sistemlerden ayırır. Bu çalışmanın ana amacı, hava ile tahrik edilebilen ve vakum kuvveti yaratabilecek yumuşak bir robotu tasarlamaktır. Bu tezde yöntem olarak vakum kuvvetini konvansiyonel vakum pompaları ile yapmak yerine, yumuşak robotun kubbe halini almasını sağlayarak vakum kuvveti oluşturmaktır. Yumuşak robotların hem lineer olmayan yapılarından dolayı (gerek malzeme gerekse hareketleri sonucu büyük deformasyona uğramaları), hareketlerinin tahmini ve kontrolünü sağlamak için sonlu elemanlar yöntemi kullanılmaktadır. Bu tezde yumuşak robotların tahrik yöntemlerinden biri olan hava akışının modellenmesi ve akış-katı analizinin sonuçları, sadece katı analizi yapılarak (gaz basıncının duvarlara uygulanması) elde edilen sonuçlar ile örtüştüğü için zaman ve hesaplama olarak daha pahalı bir analiz olan akış-katı analizi tercih edilmemiştir. Yumuşak robotun hava ile doldurulması sırasında şekil değişimini ve robotun hareketini üretmeden önce tahmin edebilmek üzere ABAQUS yazılımı kullanılarak lineer olmayan sonlu elemanlar analizi yapılmıştır. Tasarım sürecince ilk adım robotun tahrik edileceği hava kanal yapılarını belirlemektir. Tasarlanan yumuşak robotun iki adet hava boşluğu bulunmaktadır, bunlardan birincisi hava ile tahrik edilecek ve yumuşak robotun genişleyip kubbe şeklini almasını sağlayacak olan hava kanalıdır. İkinci hava kanalı ise kubbe şeklini alan yumuşak robotun vakum kuvvetini oluşturacağı ve yapının altında bulunan hava kanalıdır. Bu çalışmada beş adet hava kanalı geometrisi seçilmiştir bunlar: spiral, semicircular, center spiral channel, circular channel ve vertical channel. Araştırmalar ve analizler sonucu hava kanalı geometrisindeki dairesel tasarım ne kadar fazla olursa o kadar fazla vakum kuvveti elde edildiği gözlemlenmiştir. İkinci adım yumuşak robotun dış geometrisinin seçiminin yapılmasıdır. Dış geometrinin seçiminde doğada var olan yapılar göz önünde bulunarak araştırma yapılmıştır. Yapılan araştırmalar sonucunda geckonun adeziv fibrilleri ve ahtapotun kol modüllerinin yapısının tutundukları yüzeyde maksimum vakum kuvvetini oluşturduğu gözlemlenmiştir. Bunların yanı sıra ahtapotun kol modüllerinin yapısı yumuşak robotik sistem tasarımı için daha uygun olduğuna karar verilmiş ve yumuşak robotun dış geometrisi ahtapot kolunun basitleştirilmiş geometrisi olarak tasarlanmıştır. Yumuşak robotun hiper-elastik malzeme yapısı üzerinde daha çok kontrol sağlamak ve kubbe yapısını arttırmak için yumuşak robotun malzemesinden daha rijit bir malzeme olan kağıt tabakası, yumuşak robotun tahrik edilen hava kanallarının altına yerleştirilmiştir. Bu yöntem yumuşak robotun elastik malzeme yapısı sayesinde şişmesini, fakat daha rijit bir malzeme olan kağıdın eklendiği kısmın daha az deforme olmasını sağlayacaktır, böylelikle istenilen kubbe yapısı arttırılarak vakum kuvveti artacaktır. Üçüncü adım yumuşak robotun malzeme seçimini yapmaktır. Yapılan araştırmalar sonucunda yumuşak robot imalat alanında kullanılan "Smooth-on" firmasının "Ecoflex 0030" modelinin yaygın olarak kullanıldığı görülmüştür. Malzemenin hiper-elastik yapıda olması ve hava ile şişirilip dayanıklı yapısı sayesinde yüksek deformasyonları kaldırabilmesi sayesinde yumuşak robot malzemesi olarak seçilmiştir. Dördüncü adım yumuşak robotun yukarıda verilen tasarım ve sınır koşulları çerçevesinde üretimini yapmadan önce hareketinin tahminini ve oluşturacağı vakum kuvvetinin büyüklüğünü anlamak için sonlu elemanlar analizinin yapılmasıdır. Malzemenin yapısı ve geometrinin yüksek deformasyonlara maruz kalması analiz tipinin lineer olmayan analiz olmasına sebep olmuştur. Analizin en önemli sınır koşullarından biri, hava kanallarının yüzeyine basınç uygulanması sonucunda yumuşak robotun hava ile şişmesi modellenmiştir. Yapılan araştırmalar ve bu alandaki önceki çalışmalara bakıldığında akışkanlar dinamiği ile çözüm yönteminin sonuçlara etkisinin çok fazla olmayacağına karar verilmiş ve denge durumunda oluşacak vakum kuvvetinin önemi bu çalışmada daha önemli görüldüğü için hesaplamalı akışkanlar dinamiği çözüm yöntemi olarak seçilmemiştir. Beş adet seçilen hava kanalı tasarımlarında her bir model için dokuz adet analiz ile toplamda kırk beş analiz yapılmıştır. Vakum kuvvetini oluşturan iki temel parametre olarak kağıt kalınlığı ve kontak alanı seçilmiştir. Kağıt kalınlığının vakum kuvveti üzerindeki etkisini incelemek için üç farklı kalınlık belirlenmiş ve her bir model için uygulanmıştır. Diğer bir taraftan kontak alanının vakum kuvvetine etkisinin incelenmesi için üç farklı değer seçilmiş ve aynı şekilde her tasarım için uygulanmıştır. Beşinci ve son adım olarak yumuşak robotun üretimi ve deneyi anlatılmıştır. Üretim yöntemi, sıvı silikonun üç boyutlu yazıcıdan basılmış plastik kalıplara dökülüp beklenmesi ile yumuşak robot üretilmiştir. Referans geometri olarak spiral hava kanalına sahip tasarım seçilmiş ve üretilmiştir ve deneysel olarak sonlu elemanlar modelinin doğrulanması bu model ile yapılmıştır. Deneysel olarak ise sonlu elemanlar analizinde uygulanan iç hava basıncı plastik hortum yardımı ile hava kanalı içine aktarılmış ve oluşan vakum kuvveti basınç sensörleri ile takip edilmiştir. Yapılan analizler ve deneyler sonucunda, center spiral hava kanallarına sahip olan aktüatör diğer önerilen hava kanallarına göre daha fazla vakum kuvveti oluştuğu gözlemlenmiştir. Kağıt kalınlığı ve kontak alanı etkisi incelendiğinde ise kağıt kalınlığının inceliği vakum kuvvetini olumlu yönde etkilerken kontak alanının azalması vakum kuvvetini azalttığı gözlemlenmiştir. Center spiral aktüatörün vakum uygulamalarında, insan robot etkileşiminin güvenli olması istenen uygulamalarda, sağlık alanında ve seri üretim hatlarında vakum ihtiyacını karşılamak amacıyla kullanılmasının faydalı olacağı sonucuna varılmıştır.

Robots have become indispensable helpers of humankind after the industrial revolution. Conventional robotic systems are used in various applications from automotive to aerospace industries concerning their stiff and strong structures and doing the tasks on time concurrently. In recent years, due to the desire to create safer robotic systems for people and development in material and control systems, a new field that is called soft robotics has emerged. Its application areas are; artificial muscles used in medicine, soft robotic grippers in manufacturing lines, wearable robotics in human-robot interaction applications such as haptic sensing and feedback, and more importantly soft robots are investigated in to use in space exploration and assembly in Langley's Makerspace Lab at NASA. In the scope of this thesis, the design of bioinspired soft robotic actuator (BSRA) is investigated. Biomimetic and bioinspired design terminologies could be considered the main constituents of soft robotic systems, and these concepts are becoming popular in recent years due to their ability to reflect the nature and overcome the problems that humankind ever have. Moreover, bio-inspired soft robotic designs take inspiration from nature while it mimics the function of biological mechanisms, for instance, octopus' suction effect, gecko's adhesive fibrils, and jellyfish's movement mechanisms. Since abilities of soft robotic systems, bio-inspired soft robotic pneumatic actuators have recently emerged as a new subfield of robotics, their soft and highly deformable material characteristics distinguish their selves from conventional robotic systems. The goal of this study is to design, computer simulation, fabrication, and test of a soft actuator that creates vacuum and suction force when it is actuated by compressed air. The methodology used in this study is creating a vacuum effect by pressurized air channels inside of soft robot, rather than using conventional suction techniques, which requires a pump that is large in size and heavy machines that sucks the air inside of the air channel. To predict the motion of soft robot and vacuum performance, a comprehensive study of nonlinear finite element analysis (FEA) is conducted by using ABAQUS software with respect to material and geometrical nonlinearities. The first step in the design procedure is deciding the air channel geometries of a soft robot. In this study, five main air channel geometry is considered which is called the spiral, semicircular, center spiral, circular, and vertical channel. It is observed that the more curvature design of the air channel creates bigger suction force. Investigations are showed that gecko's fibrils and octopus' suction arms have the advanced capabilities on creating adhesive forces on a substrate. Therefore, it is found that octopus' arm geometry is more suitable in order to adapt the design on a soft robotic system. Moreover, octopus' arm is chosen and the outer shape of the soft robot is designed a simplified version of octopus' arm. To have the control of the hyper-elastic material of soft robot, which is possible with adding a more stiff material to a specific area on the soft robot, an inextensible layer is added to the top face of the vacuum surface. It could be said that paper has tremendously effected the bending performance and chosen as an inextensible (stiffing) layer material. The second step consists of non-linear FEA, which gives an idea of how soft robot will move and deform when it is actuated and vacuum pressure obtained. To do that numerical study conducted with the help of ABAQUS standard software. In the finite element analysis, material and geometrical nonlinearities are considered. In total 45 FEA, analysis is conducted over five different air channel geometries with respect to paper height and contact area design parameters. In each sub-analysis section for each soft robotic design, nine different FEA analysis is planned with three different levels of correlation to paper height and contact area. The third step is the manufacturing and testing of the soft robot, which includes material selection, production methods, molding techniques. In order to produce molds, a conventional 3D printer is used with the mold material of PLA. Moreover, the base material of soft robot is chosen, as Ecoflex 0030 (Smooth-On Inc.) due to it is available in the market and resistance to failure when it is actuated with air as well as flexibility. The spiral form of the actuator is chosen as a reference model and it is manufactured to validate FEA model results. The manufactured soft robot is actuated with compressed and vacuum is measured with a pressure sensor. It is concluded that actuator which has center spiral air channel geometry provided more vacuum and suction force comparing to other proposed air channel geometries. It can be finalized that the center spiral soft robotic actuator can be used in vacuum applications.