ES2836002T3 - Sistemas y métodos para accionar accionadores robóticos blandos - Google Patents

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Rui Nunes
George Whitesides
Adam Stokes
Jacob Freake
Stephen Morin
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Abstract

Un dispositivo robótico sin conexiones, que comprende: un cuerpo flexible que tiene una cámara (100) de fluido, en donde el cuerpo flexible comprende un material (102) elásticamente extensible y una porción del cuerpo flexible comprende una capa (104) limitante de deformación que es limitante de deformación en relación con el material elásticamente extensible, en donde el cuerpo flexible está configurado para doblarse alrededor de la capa limitante de deformación tras recibir un fluido presurizado en la cámara (100) de fluido; una entrada de presurización en comunicación fluida con la cámara de fluido; y un dispositivo (404) de presurización sin conexiones en el dispositivo robótico en comunicación fluida con la entrada de presurización, en donde el dispositivo de presurización comprende una cámara de reacción configurada para acomodar uno o más reactivos productores de gas, está separado de la cámara (100) de fluido, y está configurado para generar el fluido presurizado y proporcionar el fluido presurizado a la cámara de fluido del cuerpo flexible.

Description

DESCRIPCIÓN
Sistemas y métodos para accionar accionadores robóticos blandos
La presente invención se relaciona con dispositivos robóticos blandos y métodos de accionamiento de dispositivos robóticos blandos.
Antecedentes
La mayoría de los robots son construidos usando los denominados planos corporales "duros"; es decir, un esqueleto rígido (usualmente metálico), accionamiento eléctrico o hidráulico, control electromecánico, detección, y retroalimentación. Estos robots son muy exitosos en las tareas para las cuales fueron diseñados (por ejemplo, fabricación pesada en entornos controlados) pero tienen graves limitaciones cuando se enfrentan a tareas más exigentes (por ejemplo, motilidad estable en entornos exigentes): bandas de oruga y ruedas funcionan menos bien que patas y cascos.
La evolución ha seleccionado un rango amplio de planos corporales para organismos móviles. Están siendo desarrollados activamente muchos enfoques de robots que se asemejan a animales con esqueletos. Una segunda clase de robots -los basados en animales sin esqueletos- son mucho menos explorados, por un número de razones: i) hay una suposición de que los organismos "similares a marinos" (calamares) no operarán sin el soporte flotante del agua; ii) los materiales y componentes necesarios para hacer estos sistemas no están disponibles; iii) los principales tipos de accionamientos usados en estos (por ejemplo, hidrostáticos) prácticamente son no usados en la robótica convencional. Estos sistemas son intrínsecamente muy diferentes en sus capacidades y usos potenciales que los sistemas de cuerpo duros. Aunque serán (al menos al principio en su desarrollo) más lentos que los sistemas de cuerpo duro, también serán más estables y podrán moverse mejor a través de espacios constreñidos (grietas, escombros), más livianos, y menos costosos.
Los robots, o accionadores robóticos, que pueden describirse como "blandos" son clasificados más fácilmente por los materiales usados en su fabricación y sus métodos de accionamiento. Ciertos tipos de accionamiento robótico blando hicieron uso de propiedades intrínsecas de ciertos materiales blandos, tales como un bobinado y desbobinado reversible de un material polimérico con base en el pH del medio circundante, una contracción electrolítica de un material polimérico, hinchamiento de gel polimérico, y control electrónico de materiales basados en dieléctricos. Otros tipos de accionamiento robótico blando hicieron uso de presurización de cámaras selladas fabricadas a partir de polímeros extensibles. Este tipo de accionamiento ha sido usado en la escala milimétrica para fabricar ciertos accionadores funcionales.
Los accionadores robóticos blandos neumáticos pueden ser fabricados usando materiales inextensibles, que se basan en arquitecturas tales como fuelles. Los accionadores de McKibben, también conocidos como músculos artificiales neumáticos (PMAs), se basan en el inflado de una vejiga constreñida dentro de una vaina tejida que es inextensible en el eje de accionamiento. La deformación resultante conduce a la expansión radial y la contracción axial; la fuerza que puede ser aplicada es proporcional a la presión aplicada. Los accionadores relacionados se denominan músculos artificiales neumáticos plisados.
Hay accionadores robóticos "blandos" tales como aleaciones con memoria de forma que han sido usados por Sugiyama et al tanto como el método de accionamiento y como el componente estructural principal en robots que pueden tanto gatear como saltar. Otro enfoque, que se puede describir como "blando" usa una combinación de elementos robóticos tradicionales (un motor eléctrico) y enlaces poliméricos blandos basados en Fabricación por Deposición de Formas (SDM). Esta técnica es una combinación de impresión 3D y fresado. Un ejemplo de un compuesto de robótica tradicional con elementos blandos ha sido usado con gran éxito en el desarrollo de mordazas robóticas que comprenden dedos blandos para mejorar la velocidad y eficiencia del empaquetado de frutos blandos en Nueva Zelanda.
El documento US 5,021,064 describe un análogo de músculo robótico accionado por fluido.
Resumen
Se describen nuevos mecanismos de accionamiento para robots blandos. Estos y otros aspectos y realizaciones de la divulgación se ilustran y describen a continuación.
Un dispositivo robótico sin conexiones de acuerdo con la presente invención está definido en la reivindicación 1. La reivindicación 9 define un método de accionamiento de un dispositivo robótico.
En un aspecto, el dispositivo de presurización sin conexiones comprende una celda electrolítica y los reactivos son seleccionados para proporcionar un producto gaseoso durante la electrólisis.
En cualquiera de las realizaciones descritas en este documento, en donde el dispositivo de presurización sin conexiones comprende un reactivo productor de gas seleccionado para proporcionar un gas en una reacción de descomposición térmica.
En cualquiera de las realizaciones descritas en este documento, el dispositivo de presurización sin conexiones comprende además un cable resistivo en contacto térmico con el reactivo productor de gas, y en donde el cable resistivo está configurado para recibir corriente eléctrica.
En cualquiera de las realizaciones descritas en este documento, el reactivo productor de gas comprende sal azida. En cualquiera de las realizaciones descritas en este documento, el dispositivo de presurización sin conexiones incluye un reactivo productor de gas seleccionado para proporcionar un gas en una reacción de descomposición oxidativa. En cualquiera de las realizaciones descritas en este documento, el dispositivo de presurización sin conexiones comprende además un oxidante en contacto con el reactivo productor de gas.
En cualquiera de las realizaciones descritas en este documento, el dispositivo de presurización sin conexiones comprende un microcompresor.
En cualquiera de las realizaciones descritas en este documento, en donde al menos una porción del cuerpo flexible está configurada para deformarse tras la presurización de la cámara de fluido y el dispositivo de presurización sin conexiones es una parte del cuerpo flexible; y
en donde la entrada de presurización comprende una entrada de gas en comunicación fluida con la cámara de reacción del dispositivo de presurización, en donde la entrada de gas está configurada para recibir fluidos combustibles; en donde el dispositivo de presurización sin conexiones comprende un encendedor alojado dentro de la cámara de reacción, capaz de iniciar la combustión de un líquido combustible; y
en donde el dispositivo de presurización sin conexiones comprende una válvula pasiva que comprende una aleta mecánica que cierra el canal de fluido en respuesta a la combustión del líquido combustible, en donde la aleta mecánica se puede colocar en una primera posición para permitir la comunicación fluida cuando el canal de fluido está en una primera presión y se puede colocar en una segunda posición para bloquear la comunicación fluida cuando el canal de fluido está a una segunda presión, en donde la segunda presión es más alta que la primera presión.
En cualquiera de las realizaciones descritas en este documento, el encendedor comprende un par de electrodos, en donde el par de electrodos está configurado para proporcionar un arco eléctrico.
En cualquiera de las realizaciones descritas en este documento, el dispositivo robótico blando sin conexiones incluye un contenedor de almacenamiento a bordo que comprende un fluido combustible.
En cualquiera de las realizaciones descritas en este documento, el fluido combustible comprende un hidrocarburo. En cualquiera de las realizaciones descritas en este documento, el dispositivo robótico blando sin conexiones incluye un oxidante que soporta la combustión.
En cualquiera de las realizaciones descritas en este documento, el oxidante se proporciona desde un contenedor de almacenamiento a bordo o una fuente externa o un reactor químico a bordo configurado para producir oxígeno. En cualquiera de las realizaciones descritas en este documento, el dispositivo robótico sin conexiones que comprende además:
una válvula de elastómero dispuesta en la entrada de presurización, en donde la válvula de elastómero comprende una aleta (1006) mecánica que está configurada para bloquear de manera reversible la comunicación fluida dentro o fuera de la cámara (100) de fluido en respuesta a la recepción de gas presurizado, en donde la aleta (1006) mecánica se puede colocar en una primera posición para permitir la comunicación fluida cuando el canal de fluido está en una primera presión y se puede colocaren una segunda posición para bloquear la comunicación fluida cuando el canal de fluido está en una segunda presión, en donde la segunda presión es más alta que la primera presión.
En cualquiera de las realizaciones descritas en este documento, la válvula de elastómero comprende además un calentador, en donde el calentador está configurado para proporcionar calor al fluido presurizable en el canal de control para aumentar una presión del fluido de presurización.
En cualquiera de las realizaciones descritas en este documento, el calentador comprende un cable resistivo que está configurado para recibir corriente eléctrica para proporcionar calor.
En cualquiera de las realizaciones descritas en este documento, la válvula elastomérica comprende una cámara flexible dispuesta entre un par de electroimanes en donde los imanes son capaces de moverse en y fuera de una posición de contacto para bloquear de manera reversible la cámara de fluido.
De acuerdo con la invención, se proporciona un método de accionamiento de un dispositivo robótico. El método incluye proporcionar cualquiera de los dispositivos robóticos descritos anteriormente, y proporcionar un fluido presurizado desde el dispositivo de presurización sin conexiones a la cámara de fluido en el cuerpo flexible para hacer que el cuerpo flexible se doble alrededor de la capa limitante de deformación.
Ciertas realizaciones describen un método de accionamiento de un dispositivo robótico. El método incluye proporcionar cualquiera de los dispositivos robóticos descritos anteriormente, proporcionar fluidos combustibles al canal de fluidos, y encender los fluidos combustibles para producir un gas que se expande rápidamente, haciendo de esa manera que el cuerpo flexible se deforme.
En cualquiera de las realizaciones descritas en este documento, los fluidos combustibles incluyen hidrocarburo líquido nebulizado y oxígeno.
En cualquiera de las realizaciones descritas en este documento, encender los fluidos combustibles comprende proporcionar un arco eléctrico a los fluidos combustibles.
En cualquiera de las realizaciones descritas en este documento, en donde el dispositivo presurizado comprende un accionador explosivo configurado para recibir un combustible
un activador de encendido configurado para activar una combustión del combustible en el accionador explosivo, proporcionando de esa manera gas explosivo al accionador explosivo.
En cualquiera de las realizaciones descritas en este documento, el accionador explosivo comprende una estructura de fuelle.
En cualquiera de las realizaciones descritas en este documento, el dispositivo robótico incluye además un tanque de combustible configurado para portar el combustible para la combustión y para proporcionar el combustible a la cámara explosiva.
En cualquiera de las realizaciones descritas en este documento, el dispositivo robótico incluye además un tanque para portar una fuente de oxígeno, en donde el tanque está configurado para descomponer la fuente de oxígeno para proporcionar oxígeno al accionador explosivo.
En cualquiera de las realizaciones descritas en este documento, el tanque comprende además un catalizador para descomponer la fuente de oxígeno en oxígeno.
En cualquiera de las realizaciones descritas en este documento, el dispositivo robótico incluye además un dispositivo de presurización para proporcionar gas presurizado al accionador neumático.
En cualquiera de las realizaciones descritas en este documento, el accionador neumático está configurado para orientar el accionador explosivo tras la recepción del gas presurizado, y el accionador explosivo está configurado para proporcionar un movimiento de salto al sistema robótico blando sin conexiones en la orientación proporcionada por el accionador neumático, tras la combustión del combustible.
Breve descripción de los dibujos
La materia objeto divulgada se describe con referencia a las siguientes figuras, que se presentan únicamente con el propósito de ilustración y no están previstas para ser limitantes.
Las figuras 1a-1c ilustran el principio de accionamiento neumático (o hidráulico) de acuerdo con ciertas realizaciones de la materia objeto divulgada.
La figura 2 muestra el doblamiento de un accionador de robot blando como una función de la presión aplicada de acuerdo con ciertas realizaciones de la materia objeto divulgada.
La figura 3 ilustra el diseño modular de robots blandos complejos de acuerdo con ciertas realizaciones de la materia objeto divulgada.
La figura 4 ilustra un sistema robótico blando con una fuente de gas presurizado, también conocida como una bomba de gas, de acuerdo con ciertas realizaciones de la materia objeto divulgada.
La figura 5 ilustra un microcompresor blando de acuerdo con ciertas realizaciones de la materia objeto divulgada. La figura 6 ilustra un electrolizador y la química usada para generar gas presurizado de acuerdo con ciertas realizaciones de la materia objeto divulgada.
La figura 7 ilustra un uso de una bomba química autoalimentada de acuerdo con ciertas realizaciones de la materia objeto divulgada.
La figura 8 ilustra el uso de descomposición/oxidación térmica para inflar un robot deslizante de acuerdo con ciertas realizaciones de la materia objeto divulgada.
La figura 9 muestra una serie de fotografías de lapso de tiempo que ilustra el accionamiento de un robot blando que usa una acción explosiva de combustión de acuerdo con ciertas realizaciones de la materia objeto divulgada.
Las figuras 10a-10c ilustran un sistema de escape pasivo de acuerdo con ciertas realizaciones de la materia objeto divulgada.
Las figuras 11a-11b ilustran un robot blando trípedo saltador de acuerdo con ciertas realizaciones de la materia objeto divulgada.
Las figuras 12a-12b ilustran un módulo de encendido por descarga capacitiva de acuerdo con ciertas realizaciones de la materia objeto divulgada.
Las figuras 13a-13e muestran micrografías ópticas de accionamiento de robot blando alimentado por combustión de acuerdo con ciertas realizaciones de la materia objeto divulgada.
Las figuras 14a-14h muestran imágenes infrarrojas (IR) del accionador de robot blando trípedo durante una combustión química de acuerdo con ciertas realizaciones de la materia objeto divulgada.
La figura 15 muestra una secuencia de tiempo de un accionador de robot blando trípedo saltador de acuerdo con ciertas realizaciones de la materia objeto divulgada.
Las figuras 16a-16j muestran una secuencia de imágenes que ilustran cómo un accionador de robot blando trípedo salta sobre una placa de vidrio elevada a 3 cm del suelo de acuerdo con ciertas realizaciones de la materia objeto divulgada.
Las figuras 17a-17c ilustran un principio operativo de una válvula incrustada de acuerdo con ciertas realizaciones de la materia objeto divulgada.
Las figuras 18a-18b ilustran una válvula electromagnética de acuerdo con ciertas realizaciones de la materia objeto divulgada.
Las figuras 19a-19g ilustran un robot blando con un sistema de accionamiento a bordo de acuerdo con ciertas realizaciones de la materia objeto divulgada.
La figura 20 ilustra un esquema de sistema de un robot blando de acuerdo con ciertas realizaciones de la materia objeto divulgada.
Las figuras 21a-21e ilustran un movimiento de salto del robot blando de acuerdo con ciertas realizaciones de la materia objeto divulgada.
Las figuras 22a-22d ilustran un movimiento de salto direccional dirigido del robot blando de acuerdo con ciertas realizaciones de la materia objeto divulgada.
Descripción detallada
Los organismos, tales como equinodermos (estrellas de mar, erizos de mar) y los cnidarios (medusas) son organismos antiguos e increíblemente exitosos, relativamente simples capaces de movimiento inaudito incluso en los sistemas robóticos más avanzados. Una de las principales razones de la brecha entre la naturaleza y los sistemas robóticos del estado de la técnica es la severa limitación en la selección de materiales disponibles para la robótica. Para cerrar esta brecha entre la naturaleza y los sistemas robóticos del estado de la técnica, los sistemas robóticos han explotado diferentes materiales. Por ejemplo, un sistema robótico blando puede usar materiales blandos, tales como elastómero blando, o materiales flexibles, tales como papeles y un nitrilo, para construir sus estructuras. Una serie de cámaras paralelas incrustadas dentro de un elastómero son usadas como una serie de componentes de repetición. Apilar y conectar estos componentes repetidos proporciona estructuras capaces de movimiento complejo. En este tipo de diseño, el movimiento complejo puede requerir solo una única fuente de presión; la distribución, configuración, y tamaño apropiados de las redes presurizadas, en combinación con una secuencia de accionamiento de elementos específicos de red, determinan el movimiento resultante.
Las figuras 1A-1C ilustran el principio de accionamiento neumático (o hidráulico) de acuerdo con ciertas realizaciones de la materia objeto divulgada. El canal 100 está incrustado en una forma 102 de caucho blando (elastomérica) que tiene una capa 104 de respaldo más rígida, incluso aún plegable. Se busca un módulo elástico alto para materiales usados para secciones de la red donde el inflado no es deseable, mientras que es usado un módulo elástico bajo para materiales de la red donde se necesita extensibilidad. Tras la presurización de los canales a través del aire (neumático) o fluido (hidráulico), la red de elastómero blando se expande (figura 1B). Específicamente, cuando se presurizan, los canales se expandirán en la región 106 que es la más extensible. Para acomodar el volumen aumentado que resulta cuando los canales se expanden similares a globos, la estructura se dobla en respuesta. La expansión del caucho blando es acomodada doblando alrededor de la capa más rígida limitante de deformación (figura 1C).
La versatilidad de robots blandos es la capacidad de construir movimientos y funciones complejos combinando modos de activación neumática. Los modos de accionamiento neumático que proporcionan capacidades útiles a los robots blandos incluyen doblar y extender. La figura 2 muestra el doblamiento de un accionador de robot blando como una función de presión aplicada de acuerdo con ciertas realizaciones de la materia objeto divulgada.
Pueden ser desarrollados modelos simples que permitan este tipo de accionamiento. Los módulos funcionales son ensamblados para proporcionar prototipos de robots blandos multifuncionales. Usando un enfoque que se centra en la construcción a partir de capacidades básicas, es posible correlacionar los modos de accionamiento y funcionalidades en términos de aplicación, estabilidad, y facilidad de control; y construir componentes que pueden ser usados de una forma modular para generar un gran número de capacidades. La figura 3 ilustra el diseño modular de robots blandos complejos de acuerdo con ciertas realizaciones de la materia objeto divulgada. Se proporcionan detalles adicionales con respecto al principio de accionamiento de canales o cámaras incrustados en cuerpos elastoméricos, o diversos sistemas robóticos blandos formados usando cuerpos elastoméricos en "Soft robotic actuators", presentado el 21 de noviembre de 2011, identificado como Número de Solicitud Internacional PCT/US11/61720, de Ilievski et al.
La presente divulgación se relaciona con proporcionar sistemas y métodos para accionar sistemas robóticos blandos. En particular, los sistemas y métodos divulgados proporcionan diversos mecanismos para proporcionar gas presurizado a sistemas robóticos blandos y para accionar sistemas robóticos blandos haciendo uso de características de los principios de generación de gas. También, los sistemas y métodos divulgados pueden proporcionar diversos mecanismos para validar el gas presurizado con propósitos de accionamiento. Los sistemas y métodos divulgados pueden ser lo suficientemente pequeños y de bajo peso para permitir sistemas robóticos blandos portátiles.
Fuentes de gas presurizado
El accionamiento neumático ha surgido como una estrategia útil en robótica blanda. La combinación de una red de microcanales (accionadores robóticos blandos) fabricados en elastómeros orgánicos, y aire a baja presión proporciona un método conveniente y simple para lograr tipos notablemente complejos de movimiento.
La figura 4 ilustra un sistema robótico blando con una fuente de gas presurizado, también conocida como una bomba de gas, de acuerdo con ciertas realizaciones de la materia objeto divulgada. La figura 4 incluye un sistema 402 robótico blando que tiene una pluralidad de accionadores de robot blando, una fuente 404 de gas presurizado, y un canal 406 de gas. En esta realización general, la fuente 404 de gas presurizado puede ser cualquier fuente que proporcione un gas presurizado, tal como un compresor de aire, o un reactor químico que produce gas. La fuente 404 de gas presurizado puede ser acoplada a un canal 406 de gas que conduce a múltiples canales unidos a la pluralidad de accionadores de robot blando. Los múltiples canales unidos a la pluralidad de accionadores de robot blando pueden incluir válvulas que controlan el flujo de gas (dirección indicada por flechas negras) desde el canal 406 de gas a los accionadores de robot blando asociados. Por ejemplo, una válvula abierta puede proporcionar el gas presurizado a un accionador de robot blando e inflar el accionador de robot blando asociado. Sin embargo, una válvula cerrada puede evitar que el gas presurizado ingrese en el accionador de robot blando, manteniendo de esa manera el estado de presión original en el accionador de robot blando.
Los avances recientes en litografía blanda y microfluidos blandos pueden ser usados para proporcionar una fuente de gas presurizado de un tamaño y compatibilidad de materiales deseados, con el objetivo final de una microbomba de 100 mm3 que esté compuesta de material elástico, y que permanezca funcional bajo gran deformación. En algunos ejemplos, la fuente de gas presurizado puede estar externa, por ejemplo, el generador de gas no es una parte del sistema robótico. La fuente de gas presurizado externa puede ser acoplada al sistema 402 robótico blando a través de una tubería de gas. Estas tuberías de gas pueden tener metros de largo sin pérdida de rendimiento. En algunas realizaciones, la fuente de gas presurizado puede estar a bordo, por ejemplo, el generador de gas es una parte del sistema robótico. El generador de gas presurizado a bordo puede incluir una bomba disponible comercialmente con base en accionamiento electromagnético o piezoeléctrico. En algunos casos, la fuente de gas a bordo puede no obstante estar conectada debido a, por ejemplo, un cordón eléctrico acoplado a la fuente de gas. En otros casos, la fuente de gas a bordo puede estar sin conexiones. En otras realizaciones, el generador de gas presurizado puede ser cilindros de aire comprimido desechables.
En una realización, el generador de gas presurizado a bordo puede incluir un microcompresor. El diseño se puede miniaturizar para ajustarse mejor a robots blandos. En algunos casos, el microcompresor puede ser una microbomba de diafragma oscilante tales como las disponibles en Takasao Electronics, por ejemplo, microbomba piezoeléctrica de serie estándar SDMP302, con el dispositivo más pequeño del orden de 3000 mm3. Estas microbombas accionadas piezoeléctricamente usan menos de un vatio de potencia para producir flujo de aire de ~1 mL/min a ~1 kPa. En algunas realizaciones, el microcompresor puede tener un volumen de 5x5x25 milímetros, y usar 1 vatio de potencia para producir flujo de bomba de ~1 mL/min con presión de ~1 kPa.
En algunas realizaciones, el microcompresor puede ser una microbomba blanda que incorpora tecnologías de diafragma oscilante existentes en un elastómero incrustado. Se pueden proporcionar microbombas blandas a una escala menor. En una o más realizaciones, puede ser fabricado un microcompresor blando que tiene un volumen de 100 mm3. La figura 5 ilustra un microcompresor blando de acuerdo con ciertas realizaciones de la materia objeto divulgada. El microcompresor 500 blando ilustrado tiene una dimensión de aproximadamente 12mmx12mmx6mm. El sistema 500 completo es ensamblado uniendo capas premodeladas de elastómeros de silicona y poliuretano. El microcompresor 500 incluye una base 502 de caucho de silicona, una capa inferior de una válvula 504 de poliuretano, una membrana 506 de válvula de poliéster, una capa superior de la válvula 508 de poliuretano, y un accionador 510. Estas capas forman colectivamente una bomba de diafragma, válvulas de membrana de entrada y salida, y microcanales de aire. El único componente rígido en el ensamblaje es el accionador alimentado eléctricamente que se usa para bombear la cámara de aire. Este diseño es adaptado de la microbomba presentada en el trabajo de Bohm et al. (Sensor and Actuators A: Physical 77(3):223-228 (1999)), que fue demostrada que produce un flujo de aire de 20 mL/min con presión de -10 kPa. Como se muestra en la figura 5, los microcanales están modelados en una base de caucho de silicona que está unida a una válvula de membrana compuesta por tres capas de poliuretano. La parte superior de la válvula está cubierta por un accionador 510 alimentado eléctricamente. El accionador 510 puede incluir un disco PZT (también conocido como un disco de zirconato titanato de plomo), un solenoide electromagnético, o un accionador de elastómero dieléctrico (DEA). El diseño actual es distinguido del trabajo de Bohm et al. por el énfasis en los materiales elásticos y la fabricación de litografía blanda, que permiten que la microbomba permanezca funcional cuando se deforma elásticamente. La última característica proporciona distintas ventajas para los accionadores a bordo en los cuales el cuerpo de robot blando puede experimentar una deformación significativa durante la operación.
En otra realización, el generador de gas presurizado a bordo puede incluir un electrolizador a bordo. La figura 6 ilustra un electrolizador y la química usada para generar gas presurizado de acuerdo con ciertas realizaciones de la materia objeto divulgada. El electrolizador a bordo puede ser alimentado usando potencia eléctrica externa, y puede usar agua para generar gas. En otras realizaciones, puede ser alimentado usando un suministro de alimentación de batería, lo cual permite la operación a bordo. El electrolizador 602 incluye un ánodo 604 y un cátodo 606. Son sumergidos parcialmente dos electrodos en solución acuosa de sales 608 iónicas contenidas en un recipiente de dos tubos interconectados. A modo de ejemplo, son contemplados otros gases y químicas de reacción. Cuando el electrolizador 602 recibe electricidad de una fuente 610 eléctrica, es generado oxígeno a partir del electrodo negativo (ánodo), mientras que es generado hidrógeno a partir del positivo (cátodo). Cada tubo puede estar conectado a los canales del robot blando para facilitar el inflado. Cada mol de agua (18 gramos) puede producir 1.5 mol de gas (~33.6 litros bajo condiciones ambientales), o aproximadamente 1800 veces la expansión en volumen. El electrolizador 602 puede generar gas (hidrógeno y oxígeno) a la tasa de ~5mL/min. Es posible el rendimiento mejorado aumentando el voltaje aplicado, el área superficial de los electrodos, la conductividad de la solución acuosa, y la combinación de los anteriores.
En otras realizaciones, el generador de gas presurizado a bordo puede incluir una bomba química autoalimentada. El microcompresor y el electrolizador de agua pueden requerir una fuente de alimentación eléctrica externa, que se proporcionaría a través de una conexión de cable electrónico al sistema robótico blando. Aunque los robots conectados se adaptarán a muchas aplicaciones importantes, un diseño sin conexiones proporcionaría mayor flexibilidad de misión. Una solución para proporcionar un sistema robótico sin conexiones es usar un pequeño motor diésel para proporcionar el gas presurizado y la potencia eléctrica. Esta solución puede ser apropiada para sistemas robóticos blandos más grandes. Para hacer que la bomba se autoalimente y de esa manera elimine la necesidad de conectar los robots, puede ser empleada una bomba blanda, autónoma y autoalimentada.
La figura 7 ilustra un uso de una bomba química autoalimentada de acuerdo con ciertas realizaciones de la materia objeto divulgada. La figura 7 incluye una bomba 702 química autoalimentada y un sistema 704 robótico blando. La bomba 702 sólo puede ser hecha con material blando. La bomba 702 genera gas presurizado por descomposición catalizada de un reactivo. El reactivo puede incluir peróxido de hidrógeno. La bomba 702 puede ser autorregulada mediante un mecanismo de retroalimentación negativa incorporado. El catalizador puede ser conectado físicamente a la tapa blanda y se permite que entre en contacto con la solución de peróxido de hidrógeno. El catalizador puede incluir compuestos de metales de transición, tales como malla recubierta de plata, polvo de dióxido de manganeso, y/o polvo de manganeso. El oxígeno es producido en la interfaz del líquido y el catalizador. Una vez que la presión inicia a acumularse dentro de la cámara, la tapa se expande de tal manera que el catalizador es desplazado de su posición de reposo y se separa físicamente de la solución de peróxido de hidrógeno. La reacción de generación de gas luego se ralentiza debido al área de contacto reducida entre el líquido y el catalizador. A medida que la presión es reducida (debido a fluctuaciones en condiciones de cámara, fugas lentas, etc.), la cámara se contrae, aumentando de esa manera el contacto de catalizador con la solución reactiva y aumentando la evolución de gas. De esta forma, la presión alcanzó un estado estable de equilibrio. En algunas realizaciones, el catalizador puede incluir una malla recubierta de plata. Cuando la acumulación de presión es lo suficientemente alta, la bomba 702 puede accionar el sistema 704 robótico blando. La bomba 702 se recarga por sí misma automáticamente, y mantiene la presión bajo un estado estable. Tal bomba 702 puede producir presión estable tan alta como 22 psi, y ser capaz de accionar la locomoción de una cinta 704 rodante neumática, como se ilustra en la figura 7.
Accionamiento explosivo
En algunas aplicaciones, algunos robots blandos pueden ser accionados con poca frecuencia. Tales robots pueden incluir, por ejemplo, un robot derribado que puede ser activado para ponerse de pie, o un planeador que puede ser inflado desde una configuración plegada a una configuración (de vuelo) extendida. Para proporcionar accionamiento a robots accionados con poca frecuencia durante un largo período de tiempo, puede ser usado un mecanismo de producción de gas explosivo. En ciertas realizaciones, es usado un mecanismo de producción de gas explosivo para proporcionar presión a las redes neumáticas. El mecanismo de producción de gas explosivo puede incluir descomposición/oxidación de un reactivo. Un reactivo de ejemplo incluye una sal de azida, tal como azida de sodio, NaN3 , y azida de cesio y similares. Por ejemplo, la oxidación de dos moles de azida de sodio sólida, NaN3 , puede producir tres moles de N2 gaseoso, lo cual da como resultado un enorme aumento en volumen. Confinando el gas N2 a las redes neumáticas, las redes neumáticas pueden ser accionadas. El reactivo también puede incluir un oxidante leve. El oxidante leve puede incluir uno o más de nitrato de potasio y dicromato de potasio a concentraciones adecuadas, por ejemplo, 0.1-20% en peso o aproximadamente 10% en peso. El mecanismo de producción de gas puede incluir usar un catalizador. El catalizador puede incluir compuestos de metales de transición. Los compuestos de metales de transición pueden incluir plata, manganeso, o dióxido de manganeso.
En ciertas realizaciones, los canales neumáticos en robots accionados con poca frecuencia pueden incluir un reactivo y un cable resistivo. Como se discutió anteriormente, el reactivo puede incluir una sal de azida, tal como azida de sodio. Cuando se proporciona al cable resistivo corriente eléctrica, el cable resistivo produce calor. Este calor aumenta la temperatura ambiente y calienta la azida de sodio, por ejemplo, a una temperatura de inicio de oxidación superior a 300 grados Celsius. La azida de sodio calentada puede ser oxidada y producir N2 gaseoso, produciendo de esa manera presión para accionar los canales neumáticos.
En ciertas realizaciones, la descomposición/oxidación térmica de la azida de sodio puede ser usada dentro de un accionador en espiral para inflar un robot deslizante. La figura 8 ilustra el uso de descomposición/oxidación térmica para inflar un robot deslizante de acuerdo con ciertas realizaciones de la materia objeto divulgada. Este robot deslizante se puede desconectar y lanzar. En ciertas realizaciones, la descomposición/oxidación térmica de la azida de sodio puede ser útil en accionadores que se extienden tras la presurización.
Accionamiento de combustión explosiva
A pesar de la ventaja de accionadores robóticos blandos, los accionadores robóticos blandos tienen una desventaja de que no se prestan en sí mismos bien a un accionamiento rápido, en parte debido a que el aire comprimido es suministrado típicamente a través de un tubo desde una fuente externa, y las pérdidas viscosas debidas al tubo pueden limitar la tasa a la cual puede ser transportado el gas presurizado.
En una o más realizaciones, es suministrada presión a los accionadores robóticos blandos mezclando de manera sencilla y rápida fluidos combustibles, y generando ráfagas de presión encendiendo estos fluidos combustibles en los accionadores robóticos blandos. En una realización, los fluidos combustibles pueden incluir hidrocarburo líquido nebulizado y oxígeno. En otra realización, los fluidos combustibles pueden incluir hidrocarburo y oxígeno. El hidrocarburo puede incluir uno de metano, butano, propano, y acetileno.
La combustión explosiva es un método altamente eficiente de generación de potencia (por ejemplo, en el cilindro de un motor diésel o de encendido por chispa); sin embargo, no ha sido explotado para generar potencia en sistemas de materiales blandos. La integración de combustión explosiva, expansión de gas a alta temperatura, y expansión de un accionador robótico blando representan un método atractivo para la activación rápida en robots blandos. La deformación de elastómeros permitirá la generación y accionamiento de potencia colocados. La integración de generación y accionamiento de potencia en un único dispositivo también reduce las pérdidas a partir de fricción, y aumenta la eficiencia energética en aplicaciones desde locomoción hasta manipulación.
Un método de accionamiento de robots blandos incluye la combustión de combustible, permitiendo de esa manera el accionamiento de robot blando sin conexiones. Por ejemplo, se pueden hacer fluir fluidos combustibles hacia un accionador de robot blando. Los fluidos de combustión pueden incluir un combustible de entrada y un agente de reducción. El combustible de entrada puede incluir materiales de hidrocarburos. El material de hidrocarburo puede incluir metano, butano, o acetileno. El agente de reducción puede incluir un oxidante, tal como oxígeno. La oxidación del combustible de entrada luego puede ser activada con un activador externo. El activador externo puede incluir un arco eléctrico, chispa, o cualquier otro activador de encendido adecuado. El resultado es una reacción explosiva que acciona rápidamente el accionador robótico blando, típicamente en menos de 0.1s. La presurización del accionador robótico blando se debe principalmente a que el calor expande el gas, en lugar de un aumento en el número de moléculas de gas. Las paredes de silicona absorben luego el calor en el gas, despresurizando el accionador robótico blando. La fabricación de litografía blanda ha demostrado ser robusta a muchas secuencias de accionamiento repetidas (al menos >20).
La figura 9 muestra una serie de fotografías de lapso de tiempo que ilustra el accionamiento de un robot blando que usa una acción explosiva de combustión de acuerdo con ciertas realizaciones de la materia objeto divulgada. En 902, un robot blando está en un estado de reposo con un combustible de entrada y un agente de reducción. El robot blando puede ser sellado neumáticamente antes del inicio de una combustión química. En 904, un activador externo enciende la mezcla del combustible de entrada y el agente de reducción para activar la combustión química. En 906, la combustión química explota el combustible de entrada y el agente de reducción. En 908, el metano generado y el oxígeno experimentan expansión, accionando de esa manera el accionador. En 910-912, una vez que se completa la combustión, el gas en el accionador se enfría, lo cual reduce el volumen de gas, desaccionando de esa manera el accionador. En algunos casos, el accionador se puede abrir neumáticamente para eliminar el gas en el accionador, desaccionando de esa manera el accionador rápidamente.
Una de las ventajas de usar combustión química es que el accionamiento del accionador de robot blando requiere mucho menos cantidad de gas por accionamiento en relación con el aire comprimido (<2% en volumen). En particular, si es usado butano como un combustible de entrada, un almacenamiento de líquidos a bordo podría proporcionar un largo período de operación sin una conexión.
En la combustión de combustibles gaseosos, típicamente los moles de reactivo exceden los moles de producto. La disminución de los moles de producto puede proporcionar un sistema de escape pasivo que permite una operación continua de un accionador. Las figuras 10a-10c ilustran un sistema de escape pasivo de acuerdo con ciertas realizaciones de la materia objeto divulgada. El sistema de escape pasivo puede incluir dos aletas ubicadas en una entrada de una cámara. El sistema de escape pasivo puede cerrar automáticamente las aletas bajo un ambiente de alta presión de la explosión y abrir las aletas a medida que el gas se enfría y la presión interior disminuye. Como se ilustra en la figura 10a, el sistema de escape pasivo puede incluir una cubierta 1002 exterior que forma una cámara en un robot blando, una vía 1004 que acopla la cámara interna del robot blando con otro canal neumático (u otra salida), y aletas 1006 que están incorporadas a la cámara interna del robot blando. Como se ilustra en la figura 10b, las aletas 1006 están configuradas para cerrarse durante la explosión para sellar de esa manera la cámara, permitiendo que el sistema se presurice. Como se ilustra en la figura 10c, una vez que el gas se enfría, los gases se contraen y la presión interna cae y las aletas 1006 están configuradas para abrirse, permitiendo que el escape (por ejemplo, CO2 ) salga del accionador.
Los accionadores explosivos pueden ser útiles para proporcionar movimientos con grandes magnitudes. Los accionadores explosivos también pueden ser útiles para proporcionar un movimiento rápido para saltar o correr robots, prótesis, o exoesqueletos. Adicionalmente, los accionadores explosivos también pueden permitir que los robots blandos usen combustión como una fuente de alimentación. La combustión de combustibles, tales como hidrocarburos, puede ser eficiente. Adicionalmente, la combustión de combustibles puede generar una gran cantidad de energía. Estas características pueden resultar útiles para operaciones de largo alcance, sin conexiones durante un período prolongado de tiempo.
En algunas realizaciones, son usadas explosiones para accionar un robot blando saltador. Las reacciones explosivas producen gas que se expanden rápidamente; la combustión explosiva es usada para demostrar un robot móvil con un movimiento rápido - salto. Las figuras 11a-11b ilustra un robot blando trípedo saltador de acuerdo con ciertas realizaciones de la materia objeto divulgada. La figura 11a ilustra un esquema, que incluye dimensiones, de un robot blando trípedo. El robot 1100 blando trípedo incluye tres patas 1102a-1102c cada una de las cuales contiene un accionador basado en explosión operable por separado. Cada pata puede incluir un sistema de válvula pasiva, como se divulga en la figura 10. Como se muestra en la vista en despiece de la figura 11a, el sistema 1104 de válvula pasiva permite que el gas de baja presión (PI) fluya fuera por las ventilaciones de escape en el accionador robótico blando. Sin embargo, el sistema 1104 de válvula pasiva bloquea el gas de alta presión (P2) para que no fluya fuera por las ventilaciones de escape. Las dimensiones de ejemplo para el robot blando trípedo también se muestran en la figura 11a. En algunas realizaciones, el sistema 1104 de válvula pasiva puede ser idéntico al sistema de válvula pasiva ilustrado en la figura 10. En otras realizaciones, el sistema 1104 de válvula pasiva puede incluir una configuración diferente de una aleta, como se ilustra en la figura 11a. El sistema 1104 de válvula pasiva de la figura 11a es un sistema de válvula basado en única aleta. La única aleta puede abrirse a una baja presión para proporcionar un paso neumático, pero la única aleta puede cerrarse tras un flujo neumático de alta presión.
En algunas realizaciones, las patas 1102a-1102c pueden ser accionadas usando explosión activada por chispa eléctrica, por ejemplo, una explosión de una mezcla de metano-oxígeno. Puede ser usada una chispa eléctrica para encendido debido a que es rápida, incorporada fácilmente en robots blandos, y controlada de manera flexible en la temporización. La figura 11b ilustra un robot blando trípode con entradas eléctricas para encendido por chispa para accionar explosivamente los accionadores robóticos blandos. Las entradas eléctricas pueden incluir un cable 1106 de tierra común proporcionado a cada uno de los canales de accionador robótico blando, y un cable 1108 de metal que puede proporcionar alto voltaje. En algunas realizaciones, el cable 1108 de tierra común se puede enhebrar a través de todos los tres accionadores robóticos blandos del trípode. El robot blando trípode también puede recibir una tubería que está configurada para alimentar un combustible de entrada y un agente de reducción en los accionadores robóticos blandos. En algunos casos, esta tubería puede ser envainada sobre el cable 1108 de metal que proporciona alto voltaje. En otras palabras, el cable 1108 de metal se puede conducir coaxialmente a través de los tubos de suministro de gas.
En algunas realizaciones, pueden ser usados controladores de flujo másico para regular la introducción del combustible de entrada y los agentes de reducción en los accionadores. En una realización de ejemplo, cada pata puede recibir metano a una tasa de 4 ml/min y oxígeno a una tasa de 8 ml/min; sin embargo, las tasas de flujo exactas dependerán del tamaño del robot blando y de la composición del combustible y agentes de reducción. Cuando todas las patas del trípode son accionadas simultáneamente, el robot blando puede saltar más de 30 veces su altura en menos de 0.2 s. La temporización diferencial de accionamiento explosivo en los accionadores robóticos blandos independientes provoca locomoción dirigida.
En algunas realizaciones, el combustible de entrada para la combustión explosiva es preferiblemente metano, cualquier combustible que proporcione oxidación exotérmica, o cualquier combinación de los mismos. Por ejemplo, el metano puede ser un combustible de entrada atractivo debido a que su oxidación exotérmica proporciona suficiente energía (891 kJ/mol) para accionar un accionador robótico blando a través de la expansión de gas accionada térmicamente.
En algunas realizaciones, el combustible de entrada para la combustión explosiva es preferiblemente un combustible que limita los residuos después de la combustión. Por ejemplo, una mezcla estequiométrica de gas (1mol de CH4:2 moles de O2) puede ser un combustible de entrada atractivo debido a que la explosión de una mezcla estequiométrica de gas es una reacción sin hollín. La combustión limpia puede eliminar en gran medida la deposición de carbono dentro de los accionadores robóticos blandos, y permitir múltiples accionamientos sin contaminación ni obstrucciones. La explosión puede ser rápida y el calor generado puede ser disipado rápidamente. Con suficiente tiempo entre accionamientos, el accionador robótico blando puede permanecer a una temperatura segura y puede ser seguro tocar durante el accionamiento.
En algunas realizaciones, los accionadores robóticos blandos pueden disipar rápidamente la alta temperatura generada en la combustión (-1300 °C) y de arcos eléctricos (>3000 °C.) Los robots elastoméricos, fabricados usando litografía blanda, son robustos a las fuerzas de tracción causadas por el accionamiento explosivo.
En algunas realizaciones, puede ser fabricado un accionador robótico blando que usa combustión explosiva como medio de accionamiento usando litografía blanda. En algunos casos, un elastómero para el accionador robótico blando puede ser un caucho de silicona rígido. El caucho de silicona rígido puede incluir Dragon Skin 10 o DS-10 de Smoothon, Inc. El caucho de silicona rígido puede tener un módulo de Young mayor que las opciones previas para el accionamiento neumático, incluyendo Ecoflex 00-30 de Smooth-on, Inc. El caucho de silicona rígido puede permitir que los accionadores robóticos blandos soporten grandes fuerzas generadas dentro de canales durante la explosión. Por ejemplo, la combustión explosiva generaría una presión instantánea de 150 PSI (lbs/pulgada cuadrada) inmediatamente después de la explosión en un contenedor sólido. Aunque la presión instantánea en los accionadores robóticos blandos sería menor que 150 PSI debido a que los accionadores blandos se pueden deformar, no obstante, la presión instantánea en los accionadores robóticos blandos puede ser bastante alta. El caucho de silicona rígido puede soportar tal presión instantánea alta. Un módulo de Young alto también puede permitir que los accionadores robóticos blandos liberen rápidamente energía elástica almacenada para propulsión.
En algunas realizaciones, el activador externo para la reacción de combustión se puede proporcionar usando módulos de encendido por descarga capacitiva, por ejemplo, los que están disponibles comercialmente tales como de Arduino o fácilmente adaptables desde unidades de control de radio. En una realización de ejemplo, los módulos de encendido por descarga capacitiva fueron adoptados de un módulo de una industria de aeronáutica de Radiocontrol (RC) aficionado. Las figuras 12a-12b ilustran un módulo de encendido por descarga capacitiva de acuerdo con ciertas realizaciones de la materia objeto divulgada. La figura 12a muestra una fotografía del módulo de encendido por descarga capacitiva y la figura 12b muestra un diagrama esquemático del módulo de encendido por descarga capacitiva. El módulo de descarga capacitiva puede incluir una bobina 1202 de salida, un módulo 1204 de encendido por descarga de condensador (CDI), un optoaislador 1206, y un microcontrolador 1208. El módulo de descarga capacitiva puede ser controlado usando un sistema informático. El módulo de descarga capacitiva puede ser usado para generar arcos eléctricos usando altos voltajes (~6.6 kV a una separación de electrodos de 2mm).
Los accionadores robóticos blandos fabricados en caucho de silicona DS-10 soportaron múltiples (>30) accionamientos explosivos sin fallas. Las figuras 13a-13e muestran micrografías ópticas secuenciadas en tiempo de accionamiento de robot blando accionado por combustión de acuerdo con ciertas realizaciones de la materia objeto divulgada. La figura 13a muestra una pata de un accionador de robot blando trípedo que experimenta una combustión explosiva a lo largo del tiempo. A 0.0 ms, un arco eléctrico activa una combustión explosiva de metano con una llama visible que persiste durante 10.3 milisegundos. A 7.1 milisegundos, una válvula blanda evita la propagación de la llama y la onda de presión durante la explosión. Después de aproximadamente 50 milisegundos, la energía elástica almacenada estira el accionador robótico blando.
La figura 13b muestra una vista lateral del accionador de robot blando trípedo antes de una combustión química y la figura 13c muestra una vista lateral del accionador de robot blando trípedo después de una combustión química. La figura 13d muestra una vista lateral del accionador de robot blando trípedo durante una combustión química. El frente de llama puede propagarse hasta el extremo de los accionadores robóticos blandos, y como se muestra en la figura 13e, la energía elástica almacenada es liberada como un movimiento hacia abajo. La línea discontinua muestra el ángulo de deflexión de los pies del robot, en reposo, mientras que la línea solida muestra el ángulo de deflexión del robot bajo accionamiento explosivo. La barra de escala es 2 cm.
Los accionadores robóticos blandos más rígidos y la generación de potencia explosiva dan como resultado amplitudes de accionamiento reducidas, como se evidencia en la figura 13b-13e. El activador de arco y las explosiones resultantes se produjeron en menos de 5.0 milisegundos. Mientras que la llama persistió durante < 5.0 milisegundos, los accionadores robóticos blandos radiaron energía térmica durante ~10 milisegundos, como se evidencia en las imágenes infrarrojas (IR). Las figuras 14a-14h muestran imágenes IR del accionador de robot blando trípedo durante una combustión química de acuerdo con ciertas realizaciones de la materia objeto divulgada. En particular, las figuras 14a-14d muestran imágenes IR del accionador de robot blando trípedo en las cuales son encendidas simultáneamente todas las tres patas en el accionador de robot blando trípedo. Todas las tres patas tienen una firma IR por debajo de 510°C durante 6.3 milisegundos; después de 9.4 milisegundos, la temperatura del robot está por debajo de 340°C. Por otro lado, las figuras 14e-14h muestran imágenes infrarrojas del accionador de robot blando trípedo en el cual las patas son accionadas secuencialmente con retraso de 15 ms entre accionamientos. En este caso, solo una de las patas tiene una temperatura mayor que 340 °C a la vez.
La figura 15 muestra una secuencia de tiempo de un accionador de robot blando trípedo saltador de acuerdo con ciertas realizaciones de la materia objeto divulgada. En este caso, fueron accionadas simultáneamente las patas en el accionador de robot blando trípedo. El encendido de todos los tres canales comienza a 6.5 milisegundos. El robot salta desde el suelo a 8.3 milisegundos y excede 30 cm de altura después de 125.5 milisegundos (la regla es 30 cm de altura). Nótese que el accionador robótico blando trípedo saltó más de 30 veces su altura de cuerpo en menos de 0.2s.
En algunas realizaciones, las patas de un accionador robótico blando pueden ser accionadas en una secuencia predeterminada para proporcionar un movimiento complejo. Las figuras 16a-16j ilustran un movimiento complejo de un accionador robótico blando de acuerdo con ciertas realizaciones de la materia objeto divulgada. En este ejemplo, las patas en el accionador robótico blando son accionadas en una secuencia predeterminada para saltar sobre una placa de vidrio. Por ejemplo, la pata trasera del accionador robótico blando es accionada 5 milisegundos antes del accionamiento simultáneo de las dos patas delanteras de los accionadores robóticos blandos. Esto hace que el robot proporcione un movimiento de salto hacia adelante y hace que el robot salte sobre una placa de vidrio, elevada 3 cm por encima del suelo.
Las figuras 16a-16d muestran una secuencia de imágenes que ilustran cómo un accionador de robot blando trípedo salta sobre una placa de vidrio elevada a 3 cm del suelo de acuerdo con ciertas realizaciones de la materia objeto divulgada. En las figuras 16a-16b, un accionamiento de la pata trasera, seguida de un accionamiento de las dos patas delanteras del accionador robótico blando trípedo, produjo que el robot saltara sobre la placa de vidrio. El retraso entre el accionamiento de pata trasera y el accionamiento de pata delantera fue 5 milisegundos. En la figura 16c-16d, el accionamiento secuencial adicional de la pata trasera y las dos patas delanteras del accionador robótico blando produjo que el robot saltara a lo largo de la placa de vidrio elevada. Las figuras 16e-16j muestran una vista lateral que ilustra cómo el accionador de robot blando trípedo salta sobre una placa de vidrio elevada a 3 cm del suelo. En la figura 16f, 5 milisegundos después del accionamiento de la pata trasera del accionador robótico blando, son accionadas dos patas delanteras de los accionadores robóticos blandos. En las figuras 16g-16i, el accionador robótico blando salta hacia adelante y, en la figura 16j, el accionador robótico blando cae sobre la placa de vidrio elevada. Las líneas blancas discontinuas indican la extensión de la placa de vidrio y las barras de escala son 4 cm.
Válvulas incrustadas
El control de flujo neumático puede ser logrado con válvulas de escala milimétrica. La litografía blanda multicapa puede usarse para incrustar una lámina de elastómero con válvulas accionadas neumática o térmicamente. Las figuras 17a-17c ilustran un principio operativo de una válvula incrustada de acuerdo con ciertas realizaciones de la materia objeto divulgada. El sistema de válvula incrustada puede incluir un canal 1702 de gas, un canal 1704 de control, un calentador 1706, y un enfriador 1708. El calentador 1706 y el enfriador 1708 están configurados para calentar o enfriar el fluido en el canal 1704 de control. El calentador 1706 puede incluir una resistencia. La resistencia puede ser formada usando níquel cromo. La resistencia generaría calor a medida que la corriente es pasada a través de la resistencia. En algunas realizaciones, el calentador 1706 y el enfriador 1708 pueden ser formados usando una única unidad. La única unidad puede incluir un enfriador Peltier que usa el efecto termoeléctrico. Cuando la corriente es pasada a través del enfriador Peltier, el enfriador 1708 podría ser enfriado en un lado, mientras que el otro lado del enfriador se calentaría.
Como se ilustra en la figura 17a, cuando el fluido en el canal 1704 de control está frío, entonces el canal 1702 de gas está libre para pasar gas presurizado. Como se ilustra en la figura 17b, cuando el calentador 1706 calienta el fluido en el canal 1704 de control, el canal 1704 de control se expande, bloqueando de esa manera el canal 1702 de gas. Esto bloquea el flujo neumático a través del canal 1702 de gas. Como se ilustra en la figura 17c, cuando el enfriador 1708 es encendido para enfriar el fluido en el canal 1704 de control, el canal de control se contrae, abriendo de esa manera el bloqueo en el canal 1702 de gas. Por lo tanto, el canal 1702 de gas es libre para pasar gas presurizado. En resumen, la expansión presurizada en un canal de control induce deformación elástica en los canales vecinos; el canal vecino se cierra completamente cuando se aplica >40 kPa al canal de control.
En algunas realizaciones, las válvulas blandas y bombas pueden ser activadas mediante electroimanes incrustados blandos. Las figuras 18a-18b ilustran una válvula electromagnética de acuerdo con ciertas realizaciones de la materia objeto divulgada. La válvula electromagnética puede incluir dos electroimanes 1802 posicionados a través de una cámara 1804 neumática. En algunos casos, los electroimanes 1802 pueden estar incrustados en el elastómero 1806. Los electroimanes 1802 pueden incluir solenoides o inductores. Los inductores pueden incluir un conductor enrollado en espiral, tales como espirales planas de microcanales eGaIn de líquido conductor. Los electroimanes 1802 también pueden incluir un núcleo de electroimán. El núcleo de electroimán puede ser formado usando fluido magnetorreológico (fluido MR) o micropartículas de aleación de níquel-hierro.
Cuando los electroimanes 1802 inducen el campo magnético, los electroimanes 1802 pueden estirar o comprimir el elastómero en sándwich entre los dos electroimanes, dependiendo de si los electroimanes 1802 se atraen o repelen entre sí. La deformación elástica controlaría entonces la apertura y cierre de la cámara 1804 neumática.
En algunas realizaciones, los electroimanes 1802 pueden operar como una bomba neumática. La figura 18a ilustra cómo una repulsión magnética de los electroimanes 1802 puede inhalar aire a través de una válvula 1808 blanda de entrada hacia la cámara 1804 neumática. En la figura 18a, los electroimanes 1802 son activados para exhibir la misma polaridad. Por lo tanto, los electroimanes 1802 se repelen el uno del otro. La repulsión magnética de los electroimanes 1802 genera un vacío (es decir, una cámara neumática) en el elastómero, que subsecuentemente es llenado con el aire recibido a través de la válvula 1808 blanda de entrada. Una vez que es inhalado el aire, la válvula 1808 blanda de entrada bloquea el aire para que no se escape. El aire inhalado se puede proporcionar a otras partes del accionador robótico blando.
La figura 18b ilustra cómo una atracción magnética de los electroimanes 1802 puede bombear el aire inhalado a través de una válvula 1810 blanda de salida. En la figura 18b, los electroimanes 1802 son activados para exhibir la polaridad opuesta. Por lo tanto, los electroimanes 1802 son atraídos uno con otro. La atracción magnética de los electroimanes 1802 puede comprimir la cámara 1804 neumática, expulsando de esa manera el aire inhalado a través de la válvula 1810 de salida. Una vez que el aire inhalado es comprimido, la válvula 1810 blanda de salida puede bloquear el gas exhalado para que no retorne a la cámara 1804 neumática. Los electroimanes incrustados blandos pueden ser controlados con aproximadamente un vatio de potencia.
En una o más realizaciones, pueden ser combinados aspectos de la presente divulgación para proporcionar un robot blando capaz de movimientos complejos. Las figuras 19a-19g ilustran un robot blando sin conexiones con un sistema de accionamiento a bordo de acuerdo con ciertas realizaciones de la materia objeto divulgada. El robot blando divulgado puede proporcionar movimientos de salto direccionales usando una combinación de accionadores neumáticos y explosivos. Este robot puede incluir una pluralidad de accionadores neumáticos y un accionador explosivo central. En este caso de ejemplo, el robot tenía aproximadamente 8 cm en altura con un radio de 15 cm. El accionador neumático puede ser una parte de un cuerpo robótico que también incluye un sistema 1904 de control, como se muestra en la figura 19a. El accionador explosivo puede incluir un pistón 1906 con base en una geometría de fuelle que se extiende cuando se presuriza. Este pistón 1906 puede ser accionado usando combustión explosiva. Cuando se acciona, este pistón 1906 puede expandirse rápidamente para impartir un impulso en el cuerpo robótico y hacer que salte.
El pistón 1906 puede ser formado asegurando, tal como pegando, dos piezas de elastómero moldeado. Una de las dos piezas para formar el pistón 1906 se muestra en la figura 19b. La figura 19c muestra el pistón 1906 en su estado relajado y la figura 19d muestra el pistón 1906 en su estado accionado. Como se ilustra en la figura 19d, cuando se acciona el pistón 1906, el pistón 1906 puede estirarse linealmente.
En algunas realizaciones, la combustión de combustible puede producirse dentro del accionador explosivo. En este caso, el accionador explosivo puede recibir combustible, oxígeno y activador de encendido para alojar la combustión de combustible. En otras realizaciones, la combustión de combustible puede producirse en una cámara de combustión separada. En este caso, el gas explosivo se puede proporcionar al canal neumático de accionador explosivo, tal como una tubería.
Este pistón 1906 puede ser unido al cuerpo robótico como se ilustra en la figura 19e. Cuando se acciona el pistón 906, el pistón 906 puede presionar contra el suelo, proporcionando de esa manera un movimiento de salto del cuerpo robótico. Dependiendo de cuál de la pluralidad de accionadores neumáticos se accione, el pistón 1906 puede apuntar en diferentes direcciones, como se ilustra en la figura 19f. Si es accionado el pistón 1906 mientras está orientado hacia una dirección particular, el dispositivo robótico puede saltar a lo largo de esa dirección particular. Por lo tanto, la dirección de salto del accionador robótico blando puede ser controlada preconfigurando los accionadores neumáticos.
En algunas realizaciones, el robot blando puede incluir un sistema 1904 de control a bordo, formando de esa manera un robot blando sin conexiones. La figura 19g muestra un sistema 1904 de control a bordo para el robot blando de acuerdo con ciertas realizaciones de la materia objeto divulgada. El sistema 1904 de control puede incluir un sistema de accionamiento a bordo que incluye un tanque de combustible, un tanque que porta una fuente de oxígeno (por ejemplo, peróxido de hidrógeno), válvulas, un microcompresor, un activador de encendido que puede iniciar la combustión del combustible en el tanque de combustible, y un panel de control que controla la operación del sistema de accionamiento a bordo.
La figura 20 ilustra un esquema de sistema de un robot blando de acuerdo con ciertas realizaciones de la materia objeto divulgada. Como se muestra en la figura 19, el robot blando puede incluir un cuerpo robótico que incluye una pluralidad de accionadores 1902 neumáticos, un accionador 1906 explosivo, y un sistema 1904 de control que incluye un microcompresor para proporcionar gas presurizado a los accionadores neumáticos, un tanque de combustible que comprende combustible para combustión, un activador de encendido para iniciar la combustión de combustible, un tanque para la fuente de oxígeno (por ejemplo, peróxido de hidrógeno) y el catalizador (por ejemplo, manganeso) para proporcionar oxígeno para combustión de combustible, un panel de control y la batería del panel de control. El microcompresor puede accionar uno o más de los accionadores neumáticos para orientar el movimiento de salto. El panel de control puede controlar el sistema de accionamiento a bordo para controlar el movimiento del robot blando.
El tanque de combustible puede incluir uno o más de etano, butano, metano, gasolina, o cualquier otro material de hidrocarburo adecuado para combustión. La estequiometría de combustión de combustible puede favorecer un entorno oxidativo con mayor concentración de oxígeno que el aire en condiciones estándar de temperatura y presión (STP). Para proporcionar un entorno de oxígeno enriquecido, el sistema 1904 de control puede descomponer la fuente de oxígeno, tal como peróxido de hidrógeno (H2O2 , 10%), para proporcionar oxígeno para la combustión. La descomposición de la fuente de oxígeno se puede ayudar usando un catalizador, tal como manganeso.
El tanque de combustible y el generador de chispas pueden proporcionar gas explosivo para accionar el pistón 1906. Por ejemplo, la energía obtenida por la combustión de butano es 28 MJ/L o 49 MJ/kg, en comparación, la densidad de energía de aire comprimido a 300 bar es 0.2 MJ/L o 0.5 MJ/kg. Por lo tanto, el sistema de accionamiento a bordo puede proporcionar accionamiento potente del pistón 1906.
Las válvulas en el sistema 1904 de control pueden incluir válvulas solenoides. Las válvulas solenoides pueden ser usadas para dispensar el butano y oxígeno en una cámara de reacción o en el accionador explosivo. Para dispensar 5 ml de butano, la válvula se puede abrir durante 5 milisegundos; para dispensar 30 ml de gas de oxígeno, la válvula se puede abrir durante 10 segundos.
En algunas realizaciones, el robot blando puede ser pesado debido al sistema 1904 de control a bordo. Por ejemplo, el peso del robot blando ilustrado en la figura 19 es 460g. Para accionar tales robots pesados, el sistema 1904 de control puede usar un volumen mayor de combustible para accionar el accionador explosivo. Por ejemplo, el sistema 1904 de control puede usar 20ml de butano por combustión. Por lo tanto, el accionador explosivo, así como el accionador neumático deben diseñarse para soportar una gran deformación física y un aumento de presión repentino durante el evento de combustión. Para abordar este problema, el accionador explosivo y/o el accionador neumático pueden ser fabricados usando un caucho de silicona duro que puede soportar aproximadamente 300 MJ/cm3 de presión. El caucho de silicona duro puede incluir poliuretano, caucho Vulcanizado a Temperatura Ambiente (RTV), y/o caucho Vulcanizado a Temperatura Ambiente de dos componentes, tales como M4600, M4601 de Wacker Chemical.
El panel de control puede activar el microcompresor y válvulas solenoides para inflar los accionadores neumáticos, estableciendo la pose para el salto. Luego puede ser activado otro par de válvulas para dispensar butano y oxígeno en el accionador explosivo donde una chispa enciende la mezcla de butano y oxígeno para provocar el movimiento de salto del robot. Este movimiento de salto puede ser completamente sin conexiones y autónomo. La nueva estructura robótica y los nuevos materiales permiten que el robot blando reciba gas presurizado que tiene presión de aproximadamente 20 psi, que es aproximadamente 5 veces más alta que la presión más alta que puede ser manejada por los robots blandos existentes. Por consiguiente, el robot blando divulgado puede abordar cargas más grandes (por ejemplo, cargas más pesadas).
Las figuras 21a-21e ilustran un movimiento de salto del robot blando de acuerdo con ciertas realizaciones de la materia objeto divulgada. El robot puede alcanzar aproximadamente 0.6 metros de altura y aproximadamente un metro de desplazamiento. El salto puede ser completado en 0.7 segundos. La línea discontinua en la figura 21a es un rastro del centro de masa del robot durante su salto. Las figuras 21b-21e son instantáneas a lo largo de la trayectoria del salto en los momentos indicados.
En el experimento ilustrado en las figuras 21a-21e, el accionador explosivo fue accionado con aproximadamente 5 ml (es decir, aproximadamente 12 mg) de butano y aproximadamente 30 ml (es decir, aproximadamente 43 mg) de gas de oxígeno. La emisión de energía de esta cantidad de metano (12 mg) es aproximadamente 300 J y la ganancia de energía potencial resultante de mover un objeto de 460 g (el peso del robot blando es 460 g) a una altura de 0.6 metros es ~3 J. Por lo tanto, la eficiencia de este salto es aproximadamente 1%.
Las figuras 22a-22d ilustran un movimiento de salto direccional dirigido del robot blando de acuerdo con ciertas realizaciones de la materia objeto divulgada. El robot blando está configurado para saltar sobre un objeto de 0.5 m de altura. La línea discontinua en la figura 22a es un rastro del centro de masa del robot durante su salto. La figura 22b-22d son instantáneas a lo largo de la trayectoria del salto en los tiempos indicados.
En algunas realizaciones, el robot blando y los componentes acoplados al robot blando pueden ser controlados usando software que se ejecuta en un dispositivo computacional. El software necesario para implementar el proceso de control incluye un lenguaje procedimental de alto nivel o uno orientado a objetos tales como MATLAB®, C, C++, C#, Java, o Perl. El software también puede ser implementado en lenguaje de ensamblaje si se desea. En ciertas realizaciones, el software es almacenado en un medio o dispositivo de almacenamiento tal como memoria de solo lectura (ROM), memoria de solo lectura programable (PROM), memoria de solo lectura programable y borrable eléctricamente (EEPROM), memoria flash, o un disco magnético que es legible por una unidad de procesamiento de propósito general o especial para realizar los procesos descritos en este documento. Los procesadores pueden incluir cualquier microprocesador (único o múltiples núcleos), sistema en chip (SoC), microcontrolador, procesador de señal digital (DSP), unidad de procesamiento de gráfico (GPU), o cualquier otro circuito integrado capaz de procesar instrucciones tal como un microprocesador x86.

Claims (14)

REIVINDICACIONES
1. Un dispositivo robótico sin conexiones, que comprende:
un cuerpo flexible que tiene una cámara (100) de fluido, en donde el cuerpo flexible comprende un material (102) elásticamente extensible y una porción del cuerpo flexible comprende una capa (104) limitante de deformación que es limitante de deformación en relación con el material elásticamente extensible, en donde el cuerpo flexible está configurado para doblarse alrededor de la capa limitante de deformación tras recibir un fluido presurizado en la cámara (100) de fluido;
una entrada de presurización en comunicación fluida con la cámara de fluido; y un dispositivo (404) de presurización sin conexiones en el dispositivo robótico en comunicación fluida con la entrada de presurización, en donde el dispositivo de presurización comprende una cámara de reacción configurada para acomodar uno o más reactivos productores de gas, está separado de la cámara (100) de fluido, y está configurado para generar el fluido presurizado y proporcionar el fluido presurizado a la cámara de fluido del cuerpo flexible.
2. El dispositivo robótico de la reivindicación 1, en donde el dispositivo (404) de presurización sin conexiones comprende una celda electrolítica y los reactivos son seleccionados para proporcionar un producto gaseoso durante la electrólisis.
3. El dispositivo robótico de la reivindicación 1, en donde el dispositivo (404) de presurización sin conexiones comprende un reactivo productor de gas seleccionado para proporcionar un gas en una reacción de descomposición térmica; opcionalmente
en donde el dispositivo (404) de presurización sin conexiones comprende además un cable resistivo en contacto térmico con el reactivo productor de gas, y en donde el cable resistivo está configurado para recibir corriente eléctrica; o
en donde el reactivo productor de gas comprende sal azida; o
en donde el dispositivo (404) de presurización sin conexiones incluye un reactivo productor de gas seleccionado para proporcionar un gas en una reacción de descomposición oxidativa; opcionalmente
en donde el dispositivo (404) de presurización sin conexiones comprende además un oxidante en contacto con el reactivo productor de gas.
4. El dispositivo robótico de cualquier reivindicación precedente, en donde el dispositivo (404) de presurización sin conexiones comprende un microcompresor (500).
5. El dispositivo robótico de la reivindicación 1, en donde al menos una porción del cuerpo flexible está configurada para deformarse tras la presurización de la cámara (100) de fluido y el dispositivo (404) de presurización sin conexiones es una parte del cuerpo flexible; y
en donde la entrada de presurización comprende una entrada de gas en comunicación fluida con la cámara de reacción del dispositivo (404) de presurización, en donde la entrada de gas está configurada para recibir fluidos combustibles; en donde el dispositivo (404) de presurización sin conexiones comprende un encendedor alojado dentro de la cámara de reacción, capaz de iniciar la combustión de un líquido combustible; y
en donde el dispositivo (404) de presurización sin conexiones comprende una válvula (1104) pasiva que comprende una aleta (1006) mecánica que cierra un canal de fluido en respuesta a la combustión del líquido combustible, en donde la aleta (1006) mecánica se puede colocar en una primera posición para permitir la comunicación fluida cuando el canal de fluido está a una primera presión y se puede colocar en una segunda posición para bloquear la comunicación fluida cuando el canal de fluido está a una segunda presión, en donde la segunda presión es más alta que la primera presión.
6. El dispositivo robótico blando de la reivindicación 5, en donde el encendedor comprende un par de electrodos, en donde el par de electrodos está configurado para proporcionar un arco eléctrico; o
que comprende además un contenedor de almacenamiento a bordo que comprende un fluido combustible; opcionalmente
en donde el fluido combustible comprende un hidrocarburo; o
que comprende además un oxidante que soporta la combustión; opcionalmente
en donde el oxidante se proporciona desde un contenedor de almacenamiento a bordo o una fuente externa o un reactor químico a bordo configurado para producir oxígeno.
7. El dispositivo robótico de la reivindicación 1, que además comprende:
una válvula de elastómero dispuesta en la entrada de presurización, en donde la válvula de elastómero comprende una aleta (1006) mecánica que está configurada para bloquear de manera reversible la comunicación fluida dentro o fuera de la cámara (100) de fluido en respuesta a la recepción de gas presurizado, en donde la aleta (1006) mecánica se puede colocar en una primera posición para permitir la comunicación fluida cuando un canal de fluido está en una primera presión y se puede colocaren una segunda posición para bloquear la comunicación fluida cuando el canal de fluido está en una segunda presión, en donde la segunda presión es más alta que la primera presión.
8. El dispositivo robótico blando de la reivindicación 1, que comprende
una válvula de elastómero dispuesta en la entrada de presurización configurada para controlar la comunicación fluida entre la cámara (100) de fluido y una fuente de fluido con base en un fluido presurizable en un canal de control acoplado a la válvula de elastómero; opcionalmente
en donde la válvula de elastómero comprende además un calentador (1706) configurado para proporcionar calor al fluido presurizable en el canal de control para aumentar una presión del fluido presurizable; opcionalmente en donde el calentador (1706) comprende un cable resistivo que está configurado para recibir corriente eléctrica para proporcionar calor; y opcionalmente
en donde la válvula de elastómero comprende una cámara flexible dispuesta entre un par de electroimanes (1802) en donde los imanes son capaces de moverse en y fuera de una posición de contacto para bloquear de manera reversible la cámara de fluido.
9. Un método de accionamiento de un dispositivo robótico, que comprende:
proporcionar un dispositivo robótico de una cualquiera de las reivindicaciones 1-6; y
proporcionar el fluido presurizado desde el dispositivo (404) de presurización sin conexiones a la cámara de fluido en el cuerpo flexible para hacer que el cuerpo flexible se doble alrededor de la capa limitante de deformación.
10. El método de accionar el dispositivo robótico de la reivindicación 9, en donde el dispositivo robótico comprende un dispositivo robótico de una cualquiera de las reivindicaciones 5-6, y el método comprende además: proporcionar fluidos combustibles al canal de fluidos; y
encender los fluidos combustibles para producir un gas que se expande rápidamente, haciendo de esa manera que el cuerpo flexible se deforme.
11. El método de la reivindicación 10, en donde los fluidos combustibles incluyen hidrocarburo líquido nebulizado y oxígeno; o
en donde encender los fluidos combustibles comprende proporcionar un arco eléctrico a los fluidos combustibles.
12. El dispositivo robótico blando de la reivindicación 1,
en donde el dispositivo de presurización comprende un accionador explosivo configurado para recibir un combustible; y
un activador de encendido configurado para activar una combustión del combustible en el accionador explosivo, proporcionando de esa manera gas explosivo al accionador explosivo.
13. El dispositivo robótico blando de la reivindicación 12, en donde el accionador explosivo comprende una estructura de fuelle; o
que comprende además un tanque de combustible para proporcionar el combustible al accionador explosivo; o que comprende además un accionador neumático configurado para recibir el fluido presurizado desde el dispositivo de presurización; o
en donde el accionador neumático está configurado para orientar el accionador explosivo tras la recepción del gas presurizado, y en donde el accionador explosivo está configurado para proporcionar un movimiento de salto al sistema robótico blando en la orientación proporcionada por el accionador neumático, tras la combustión del combustible; o que comprende además un tanque para portar una fuente de oxígeno, en donde el tanque está configurado para proporcionar oxígeno al accionador explosivo; opcionalmente
en donde el tanque comprende además un catalizador para descomponer la fuente de oxígeno en oxígeno.
14. El dispositivo robótico blando de la reivindicación 13, en donde el dispositivo de presurización comprende un microcompresor (500).
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