Actuadores neumáticos blandos: fabricación, caracterización y un robot que avanza
Este proyecto recorre el camino completo de un actuador blando, de la silicona líquida a un robot que se desplaza. Se documentó un proceso de fabricación, se midió la curva de deformación contra presión de diez actuadores y se construyó un robot de tres actuadores cuya secuencia de avance se encontró probando combinaciones de forma automática con una cámara. El hallazgo más útil es una limitación: los actuadores dejan de funcionar después de 40 o 50 ciclos.
Contexto
El actuador es una cámara de silicona con una cara inextensible. Al presurizarla, la cara libre se estira y la otra no, de modo que la pieza se arquea. Aquí la capa inextensible es una lámina de papel bond impregnada en la misma silicona.
Fabricación
El material es Ecoflex 00-30. La base del actuador se vacía en un molde impreso en 3D, se desgasifica al vacío y se cura en horno.
Moldes impresos para la base del actuador
Vaciado, desgasificación, curado y desmolde de la base del actuador
Después se sumerge la lámina de papel en silicona, se cierra la cámara con ella, se inserta la manguera y se cura de nuevo. El documento describe los defectos encontrados y su causa: papel mal impregnado, fugas en los vértices y un resalto cuando la manguera no entra bien.
Caracterización
Cada actuador se infló mientras un sensor registraba la presión y una cámara seguía un marcador en su punto más alto.
Montaje con sensor de presión, cámara y procesamiento en MATLAB
Deformación del actuador al aumentar la presión
La deformación máxima de los diez actuadores estuvo entre 541 % y 571 %. La silicona admite cerca de 900 % según el fabricante, pero el actuador falla antes, por encima de 340 mbar, en los vértices donde la lámina se une a la base. El límite lo impone la unión y no el material.
Como la manufactura es manual, cada actuador se comporta distinto y debe caracterizarse de forma individual.
Un robot de tres actuadores
Tres actuadores se unieron en un cuerpo en forma de T.
Unión de tres actuadores y curado del robot
El sistema neumático tiene bombas, un tanque, tres electroválvulas y un Arduino con relés.
Bombas, electroválvulas, relés y Arduino del sistema de accionamiento
Para encontrar cómo activar los actuadores se probaron las seis permutaciones posibles con varios tiempos entre válvulas. En cada prueba una cámara midió el avance tras 30 ciclos mediante marcadores sobre el robot.
Secuencia de movimiento vista por la cámara durante la búsqueda de la secuencia
Resultados
- La mejor secuencia fue 1-2-3, con 0,5 s entre válvulas intermedias y 0,6 s entre el cierre y el inicio del ciclo. En esa secuencia siempre hay al menos dos actuadores parcialmente inflados.
- El avance por prueba estuvo entre 3 y 7 cm, y la misma secuencia no dio siempre el mismo valor.
- En un minuto, el robot avanzó 4,3 cm sobre vidrio, 7,2 cm sobre madera y 7,6 cm sobre papel.
- El control manual no produce un avance continuo, porque la sincronía requerida es demasiado fina.
Lo que falta
La vida útil es el problema principal. Después de 40 a 50 ciclos la lámina de papel se deforma de manera permanente, deja de pandear y el actuador pierde su movimiento. Tres de los cinco robots fabricados se dañaron durante las pruebas, y ese deterioro explica parte de la variación en el avance. La búsqueda de la secuencia se hizo fuera de línea y no hay realimentación durante la marcha.
Relación con Robiolab
Junto con el diseño del robot peristáltico, este es uno de los dos trabajos con los que el laboratorio empezó a fabricar robots blandos, y fue presentado en un congreso de ingeniería mecánica en 2015. Estableció el uso de Ecoflex, de moldes impresos y de la caracterización individual de cada actuador, prácticas que se repiten en los proyectos posteriores. La idea de dejar que el robot encuentre su propia marcha por ensayo, medida con una cámara, reaparece en el control por aprendizaje del robot peristáltico.