Ứng dụng gia công kĩ thuật số trong thiết kế robot thân mềm

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:5

Thêm vào BST

Báo xấu

37
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết này sẽ điểm qua một số công nghệ gia công kĩ thuật số được sử dụng để thiết kế, chế tạo, và điều khiển robot thân mềm. Những robot này được lấy cảm hứng từ cấu trúc cơ thể của các loài côn trùng (sâu đo, tuyến trùng) và bò sát (rắn). Các công nghệ gia công kĩ thuật số được nhắc đến trong bài viết bao gồm: mực dẫn điện và in mạch điện lên giấy, in 3D vật liệu đàn hồi, tích hợp gia công mạch điện vào chu trình in 3D.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Ứng dụng gia công kĩ thuật số trong thiết kế robot thân mềm

ng d t s trong thi t k robot thân m m T c Tùng Nghiên c u sau ti i h c Tokyo, Tokyo, Nh t B n TÓM T T: Robot thân m m (Soft-bodied Robot) là m ng nghiên c u m i trong ngành thi t k robot. Khác v i robot truy n th c làm b ng các v t li u c ng, robot thân m m d a vào các tính ch t m m d o, bi n d ng, ho i c a v t li thi t k u khi n ho ng c c tính d dàng thích ng v i s i Tác gi : hình d phù h p v ng xung quanh, robot thân m m TS. T c Tùng phù h p cho nh ng nhi m v i con i, khám phá, và quan tr ng. Trong h u h t các thi t i h c Tokyo, k , robot thân m c h p thành b i m t kh i v t li u Nh t B n m m liên t u này khi n cho robot thân Email:tung@akg.t.u-tokyo.ac.jp m m có th d c ch t o hàng lo t b ng các công ngh gia t s (Digital Fabrication). Bài vi t này s m qua m t T u sau s công ngh ts cs d thi t k , ch t o, ti n s t n và H th ng Thông u khi n robot thân m m. Nh c l y c m h ng i h c Tokyo. T c Tùng t p trung t c c n trùng) và bò nghiên c u các m ts , sát (r n). Các công ngh thu t s c nh n trong ch t o m n m m d o, và robot thân bài vi t bao g m: m c d n và in m n lên gi y, in 3D v t m m. Tùng nh n b ng ti n s li i, tích h p gia công m n vào chu trình in 3D. và th c s n t Vi n i h c Tokyo. Tùng t t nghi p t Ph n m m thu i T khóa: robot thân m m, m c d ts h n Tùng là thành viên c a ACM, IEEE, IEICE, IPSJ, 1. Gi i thi u SICE, và VANJ. Nghiên c u robot là m t trong nh ng ngành th m nh c a Nh t B c bi t nh ng cánh tay robot c c s d ng h t s c ph bi n trong các ngành công nghi p ch t nl m b o tính chính xác trong các thao tác, robot truy n th c ch t o t các v t li u c u này ph n nào h n ch kh ng v i s ic ng xung quanh. Xu t phát t th c t t nhánh m i c a ngành nghiên c u robot - robot thân m m - iv ng s d ng các v t li u m m d thi t k , ch t u khi iv i chúng, m t ví d n hình c ng robot thân m m có th tìm th y trong nhân v i máy Baymax (t b phim ho t hình ), m t robot c ch t o t m t bong bóng khí có th c tác v i. Tuy nhiên, trong gi i nghiên c ng v robot thân m c manh nha t khá lâu v i nh ng th nghi m uv u ch p hành m m [1] c u v robot thân m ur t phá m i. u c a Whitesides t Harvard trình bày m t robot hình sao 4 cánh [2], v i toàn b c làm t u khi n b i các khoang và ng d n khí (Pneumatic actuator). Nghiên c c nhánh robot thân m trong th i gian ng i s ph c p c a công ngh in 3D, nhi u nhóm nghiên c dàng ch t o các robot thân m m khác, góp ph y các thành qu khám phá c a vi c thi t k u khi n robot thân m m. Có nhi u nguyên nhân khi n robot thân m c s chú ý c a gi i nghiên c u robot. https://doi.org/10.15625/vap.2021.0012 84
M ts m có th k gi tin r ng vi t t p trung vào công ngh thu t s s i nhi u giá tr c. Robot thân m m d i hình d phù h pv ng. 2. M t s nghiên c u v ng d t c tính m i c a v t li u, robot thân s trong robot thân m m m m an i. 2.1 M c in d n - Instant Inkjet Circuits Do robot thân m ng là m t kh i v t li u M cd c phát tri n t lâu. Tuy nhiên, h u m m liên t c, nó d c ch t o và tùy bi n h t các m c in d uc n quá trình nung k t b ng các công c ts . v i nhi t 180°C - 250°C. Không có quá trình nung k t này thì m u in s không tr nên d c Tuy nhiên, bên c nh các l m h p d n, thì thi t k m này làm gi i h v t li u n n (substrate) robot thân m ng th thách c n ph i khi in m uc a nghiên c ng. M c dù toàn b i thi u lo i m c in d n c làm b ng v t li u m m d u ch p hành v i có th c nung k t nhi phòng (20°C) [3]. và c m bi n hi n có trên th ng l c ch y u M c này (Silver Nano- c s n xu t b i làm t v t li u c ng. Nh ng chi ti t b ph n này ch Mitsubishi Paper Mills có m t s mn ib thích h p cho ch t o robot c ng b sau: ph n này tích h p vào robot thân m m, do s không a tính ch c c a v t li u, robot M c b c nano: m c h p thành b i các h t b c thân m m ch t o ra s b gi i h n v kh u c 4 nm. khi n và ph m vi ho ng. Ngoài ra, do tính ch t liên M c có th c in b ng b t c t cc ak tc u u khi n chính xác hành vi phòng nào. c a robot thân m m là m t th thách l i v i c ng M cd n có th in lên ch t li u gi y nh s n có. ng nghiên c u robot thân m m. M my un a B n in s tr nên d n ch ít giây sau khi in c a robot thân m m n m hi nhi phòng. l ng mà robot thân m m có th s n M d n c a b n in c i thi u so sinh khi ho ng. Tính t i th m hi n t i, l c tác v i các lo i m c in d ng s n sinh b i robot thân m ng y v i robot truy n th S d ng m c b c này, nhóm nghiên c u có th nhanh robot truy n th ng thì chính xác và m nh m , còn chóng in m n, c m bi m, c m bi n ch m, robot thân m m, m c dù uy n chuy iy u ng t sóng u khi n. Tìm ki m gi i pháp cho nh ng n t . Ngoài ra, n u s d ng k t qu nghiên c u v m y u nêu trên c a robot thân m ch t o m n nhi u l p t m c b c [4], chúng ta ac ng nghiên c u robot thân có th in nhi u ng d ng ph c t n m m Nh t B n. Bài vi c p h t các LED, loa t gi y, ho c cu dùng trong các ng v nêu trên, s th o lu n và gi i thi u v ng d ng d ng truy n không dây (xem thêm Hình 1). c a các công ngh t s trong thi t k ch t o robot thân m m. Thi 2.2 In 3D v i m c in d n s ph c p c a ph n m i i dùng m t b công c cho Vi t Nam hoà mình vào dòng ch y công ngh c a m nh m ch tác các mô hình 3D m t cách nhanh th gi i, s ph bi n c a các thi t b t chóng và chính xác. Tuy nhiên, h u h t các các máy in s ng m i m i cho các ngành ch t o và u ch t p trung vào nâng cao kh o hình. nghiên c c ti p c n và hòa nh p v i trình Có m t nhu c t ra là ngoài vi c in hình 3D, li u nghiên c u s n xu t c a th gi i. Chính vì v y tác máy in 3D có th in luôn c các thành ph n ch Hình 1 M t s ng d ng c a m c d n nano b c 85
Hình 2: M t s thành ph m c i m c in d n n, c m bi u ch p hành hay u [6] - trình bày t i ICRA 2019 - không? M t s máy in 3D ti p c n v in m n xu t dùng c m bi u ch c b ng cách dùng nguyên li u là nh a PLA ch a carbon b ng m c b thi t k ch t o robot thân m m. in các thành ph n d n tr Nói m n thì b n in b ng m c d n su t c a lo i nguyên li u này khá cao nên m n s n tr khi b u n cong. L i d m in ra b gi i h n r t nhi u v ch này, nhóm tác gi t k c m bi n u n cong b ng vi c in m n tr b ng m c b c. Nhóm tác gi T m ng ti p c n khác, nghiên c u có t a PEP nh n ra r ng t m n in m c b c d n là m t (3D Printed Electronic Papercrafts) [5] v tích h p các c u trúc nhi u l i l p l i có m t h ng s thành ph n ch i thi u t i giãn n vì nhi t khác nhau. L i d u này, nhóm h i th xu t dùng k t h p m c tác gi ã in m t t m phát nhi t b ng m c b c. Khi b cd n gi i thi u ph pháp gia m c t m phát nhi t này vào ngu n, b n in s nóng in lên và t u n cong do s khác nhau v h ng s giãn n mô hình 3D v i m n bên trong. Quá trình in 3D vì nhi t c a các l p gi y in. Khi t m n n t u n cong b tóm t t bao g m: n tr c a chính t m phát nhi i. B ng c in c m Thi t k mô hình 3D bi u ch p hành u n cong ch b ng m t m u t các thành ph n ch in m c b c d n. u ch p hành (Actuation Primitive) T m phát nhi t Loa C m bi n (Sensory Primitive) C m bi n dung C m bi n tr Hi n th (Display Primitive) LED Electroluminescence Liên l c (Communication Primitive) Radio-frequency identification (RFID) Truy n không dây - Wireless Power Transfer (WPT) Dùng m c d in các l p ch trên Dùng máy in 3D d ghép các l p v t Hình 3: Robot d c in b ng m c in li u và l p ch t d n M t s thành ph m c im c in d n có th xem Hình 2 và video ng d n sau: https://vimeo.com/252080903. Phát hi c nhóm tác gi dùng vào thi t k và ch t ng gi y có th c (xem 2.3 i c m bi ch p hành thêm Hình 3). Robot d ng côn trùng này có th c b ng m c d n phát tri tr Robot thân m c làm b ng cách g n các c ng thành ph n c m bi u ch p hành c ng vào gi y nên sau khi hoàn thành nhi m v , robot có th kh i v t li u m m. S khác nhau v tính ch c hoàn toàn t phân hu u này giúp c a v t li u c ng và m m gây ra nhi u gi i h n trong b ov ng và gi m thi u yêu c u b o trì robot. vi c thi t k robot thân m m. V i m c tiêu giúp cho Ngoài ra, do robot có th in r t nhanh chóng d dàng vi c thi t k robot thân m c uy n chuy n và d b ng công ngh in m n nêu ph n 2.1, chúng ta 86
hoàn toàn có th nhanh chóng ch t o hàng lo t các ng gi y này. Xem thêm video v nghiên c u này t ng d n sau: https://www.youtube.com/watch?v=t72KasCojqE 2.4 Ch t o robot thân m m hình r n v i máy in 3D M t trong nh c phát tri n quan tr ng c a ngành t s chính là s i c a các máy in t li u. Ngoài các v t li u nh a truy n th c ABS, các dòng máy in phun 3D t li u có th in các v t li u m i. Các v t li u này có th c in k t h p v i các v t li u Hình 4: Robot thân m m hình r n v i l p b ng c n chuy n trong thi t k robot thân c mô ph ng c a da r n m m. Trong ngành robot, robot hình r n (snake-like robot) c nghiên c u t khá lâu. S uy n chuy n và kh 2.5 Ch t u khi n robot d n/tuy n ng cao v ng hoang dã c a các trùng loài r thành ngu n c m h ng cho các nhà Ngoài kh di chuy n trên c n, m t s ng nghiên c b c và ch t o các robot v t hình dây có th n ho c hình r n nh m ng d ng trong các nhi m v tuy n trùng. Ch t o robot thân m m v i kh quan tr c, và c u h . Tuy nhiên, h u h t các lo i robot chuy n trên c n l n di chuy c s m r ng hình r u là robot thân c c l p thêm ph m vi ng d ng c a robot thân m m. Nghiên c u di chuy n. Trong t nhiên, t i [8] xu t m t thi t k cho robot thân m m có th r ng l i d ng tính ch ng c a d ng h p kim nh hình d u khi n m t các v di chuy n. Các v y trên da r n robot thân m m mình dây c nh . B ng vi c thi t k c s p x p sao cho h s tv c thân robot nh (dài 50 mm) và nh (n i 20 g), nh t nhi u so v i h s ma t v phía sau nhóm tác gi ng t i s d ng robot trong các nhi m và hai bên. D m này, nhóm tác gi c a v ng vùng không gian ch t h p nghiên c u [7] xu t mà các robot thân c ng khác g c li in m u da cho robot thân m m hình r n. M u ti p c n (xem Hình 5). M t trong nh ng th thách khi m ma sát gi n thi t k robot kích c nh bi c b n thân (xem Hình 4). B ng cách k t h p v t li u có h s ma robot ph i c ng v i t n s cao thì m i có th di t cao và v t li u có h s t th p, chuy ng ch t l ng. Nhóm tác gi s nhóm tác gi thi t k và th nghi m t di chuy n d ng hi ng Snap-through Buckling c a m t t m c a robot thân m m hình r n v i các m u da khác nhau v t li t o giúp robot c ng v i t n s nh m tìm ra m u da cho t di chuy n nhanh nh t. cao. Ngoài ra, l y c m h ng t cách th c s p x p các Nghiên c u này mang l i m vi c a các loài cá, nhóm tác gi xu t cách s p áp d di chuy n c a r n vào thi t k , ch t o, x p ch ng l u ch p hành dùng h p kim nh và t c di chuy n c a robot thân hình d c ch y t ut i m m hình r n. Xem thêm video v nghiên c u này t i: a robot. Chính sóng ch y d c thân c a robot là https://www.youtube.com/watch?v=qyOHkjAOTao nhân t c. Nghiên c Hình 5: Robot thân m bò trên c t l ng. 87
các môi 1622,1623,1624,1625,1626,1627, doi: ng ch t l ng v nh t khác nhau. 10.1109/ROBOT.1991.131850. [2] R. F. Shepherd et al. Ngoài t p trung thi t k robot thân m m bi i Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A., vol. 108, no. 51, d ng c mình dây gi pp. 20400 20403, Dec. 2011, doi: nghiên c n trên 10.1073/pnas.1116564108. c n c a robot này. B i thông s u [3] Y. Kawahara, S. Hodges, B. S. Cook, C. Zhang, khi n, robot có th bò trên c - lòng ch t l ng gi n. Xem video t i: based inkjet printing to support rapid prototyping https://www.youtube.com/watch?v=Lx5Fr-2xudw Proceedings of the 2013 ACM International Joint Conference on D a trên nh ng k t qu nghiên c u này, nhóm tác gi Pervasive and Ubiquitous Computing ng t i vi c phát tri n robot thân m m có th , Sep. 2013, pp. 363 372, doi: di chuy n b ng cách nh môi 10.1145/2493432.2493486. ng khác nhau. [4] T. Ta, M. Fukumoto, K. Narumi, S. Shino, Y. 3. M t s lab nghiên c u tiêu bi u c a nh t b n double layer for flexible electronic circuit with c công ngh gia công k thu t s và insta Proceedings of the robot thân m m 2015 ACM International Joint Conference on Pervasive and Ubiquitous Computing (1) Kawahara Lab - , Sep. 2015, pp. 181 190, doi: Tokyo) 10.1145/2750858.2804276. Website: http://www.akg.t.u-tokyo.ac.jp/ [5] H. Oh, T. D. Ta, R. Suzuki, M. D. Gross, Y. nhi m: Yoshihiro Kawahara M ng nghiên c u chính: Truy n không dây, Electronic Papercrafts): An Integrated Approach i - máy, M c in d n, Gia for 3D Sculpting Paper-Based Electronic t s , Robot thân m m Proceedings of the 2018 CHI Conference on Human Factors in Computing (2) Umedachi Lab - Systems, Apr. 2018, p. 441, doi: University) 10.1145/3173574.3174015. Website: http://fiber.shinshu-u.ac.jp/umedachi- [6] lab/ Printable Actuators and Sensors for Soft-bodied nhi m: Takuya Umedachi 2019 International M ng nghiên c u chính: Robot thân m u Conference on Robotics and Automation (ICRA), khi n phân tán May 2019, pp. 3658 3664, doi: 10.1109/ICRA.2019.8793827. (3) ISI Laboratory - [7] T. D. Ta, T. Umedachi, and Y. Kawahara, Tokyo) -Anisotropy Surface for Website: http://www.isi.imi.i.u-tokyo.ac.jp/ Wriggle Locomotion of Printable Soft-bodied nhi m: Yasuo Kuniyoshi, Ryuma 2018 IEEE International Conference Niiyama , M ng nghiên c i, Lý Brisbane, Australia, May 2018, pp. 6779 6785, thuy u khi n, Robot thân m m doi: 10.1109/ICRA.2018.8463177. [8] (4) Aero/Aqua Biomimetics Lab - ngh Multigait Stringy Robot with Bi-stable Soft- Tokyo (Tokyo Institute of Technology) bodied Structures in Multiple Viscous Website: 2020 IEEE International http://www.tanakah.mech.e.titech.ac.jp/index_e. Conference on Intelligent Robots and Systems html , Oct. 2020, pp. 8765 8772. nhi m: Hiroto Tanaka M ng nghiên c u chính: Robot mô ph ng sinh h c, R Tài li u tham kh o [1] flexible microactuator and its applications to Proceedings. 1991 IEEE International Conference on Robotics and Automation, Jan. 1991, vol. 0, p. 88