Robotics and Biology Laboratory

Increasing the Stifness of a Pneumatic Actuator with Granular and Layer Jamming

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Personen

Vincent Wall
Raphael Deimel
Oliver Brock

Vincent Wall, April 2014

Motivation

Die Flexibilität und Nachgiebigkeit von Soft Robotic Actuators wie dem PneuFlex von Raphael Deimel bieten mehrere Vorteile gegenüber herkömmlichen, starren Mechanismen. Sie sind von Natur aus sicher und leicht, widerstandsfähig gegen Stöße und Kollisionen, haben ein hohes Maß an Nachgiebigkeit, ohne dass eine explizite Steuerung erforderlich ist, und können schnell und kostengünstig entwickelt und gebaut werden.

Es gibt jedoch Situationen, in denen Weichheit und Nachgiebigkeit zum Nachteil werden. Die Nachgiebigkeit des PneuFlex-Aktuators (oder jedes anderen weichen Aktuators) begrenzt die Kraft, die er auf die Umgebung ausüben kann, zum Beispiel beim Heben eines schweren Objekts oder beim Drücken eines Schalters.

Um diese Einschränkung zu überwinden, schlagen wir weiche Aktoren vor, die ihre Steifigkeit durch Verklemmen verändern können.

Beschreibung der Arbeit

Durch die Erhöhung der Dichte von körnigen Materialien wie Sand oder gemahlenem Kaffee kann ihr physikalischer Zustand von flexibel zu fest verändert werden. Dieser Vorgang wird als Granulatverklemmung bezeichnet. In ähnlicher Weise können Lagen flacher Blätter, die zunächst übereinander gleiten, durch Druck auf die Lagen fixiert werden, wodurch die Blätter effektiv zusammengeklemmt werden. Daher wurde diese Methode als Lagenverklemmung bezeichnet.

Diese beiden Mechanismen wurden genutzt, um das Design des PneuFlex-Aktuators zu erweitern, indem eine Klemmkammer auf der Rückseite hinzugefügt wurde. Dadurch entsteht ein Sandwich-Layout, das den normalen Betrieb des Fingers ermöglicht, während das Verklemmungsmaterial flexibel ist, sich aber an Ort und Stelle versteift, wenn die Verklemmung aktiviert wird.

Fünf Prototypen wurden gebaut und mit Hilfe eines visuellen Tracking-Systems bewertet, um die Krümmung und damit die Steifigkeit der Aktoren unter Belastung zu ermitteln. Zusätzlich wurde ein weiteres Experiment durchgeführt, bei dem der letzte Prototyp in einer Aufgabe eingesetzt wurde, die dem realen Szenario des Knopfdrückens nachempfunden war. Dabei wurde die Zunahme der ausübbaren Kraft durch Verklemmen gemessen. 

Ergebnisse

Von den fünf untersuchten Prototypen hat die zweite Iteration des Prototyps für die Schichtverklemmung (L2) die größte Steifigkeitserhöhung gezeigt. Wenn die Klemmkammer aktiviert ist, verringert sich die Anfälligkeit des Aktuators für Kräfte an der Fingerspitze um den Faktor acht.

Obwohl die Leistungssteigerung im zweiten Experiment nicht so groß war, konnte der verklemmte Aktuator immer noch mehr als das Doppelte der Kraft aufbringen, die ein gerader Finger bei einer Druckbewegung ausüben kann.