3D Printed Proprioceptive Soft Fluidic Actuators with Graded Porosity

要約

作動と固有受容の両方をロボット本体に統合すると、単一の統合システムで作動と感知が提供されます。
この研究では、ピエゾ抵抗センシングを備えたソフトグレードの多孔質アクチュエータを製造するための 3D プリンティングに依存するこのようなアクチュエータの製造アプローチが調査され、ひずみ推定用のモデルが特定されています。
3D プリンティングによって、導電性熱可塑性エラストマーからなる段階的多孔質構造が、作動のための機械的プログラミングとピエゾ抵抗センシングの両方を実現しました。
一方、特定されたウィナー・ハマーシュタイン (WH) モデルは、センサー付きアクチュエーターの非線形ヒステリシスを補償することによってひずみを推定します。
3 つのアクチュエータ タイプ、つまり、曲げアクチュエータ、コントラクタ、および 3 自由度曲げセグメント (3DoF) が調査されました。
請負業者の多孔性により、ストロークと抵抗の変化の両方を調整できることが示されました。
さらに、WH モデルは、3 つのアクチュエータすべてについて平均して高い適合 (83%) と低い RMS 誤差 (6%) でひずみ推定を行うことができ、これは線形モデル (76.2/9.4% 適合/RMS 誤差) を大幅に上回りました。
これらの結果は、3D プリントによる傾斜多孔質構造とシステム識別の両方を使用した統合製造アプローチにより、作動と感知動作の両方を多孔性によって調整できるだけでなく、非線形ヒステリシスも補償できるセンサー付きアクチュエーターを実現できることを示しています。

要約(オリジナル)

Integration of both actuation and proprioception into the robot body would provide actuation and sensing in a single integrated system. Within this work, a manufacturing approach for such actuators is investigated that relies on 3D printing for fabricating soft-graded porous actuators with piezoresistive sensing and identified models for strain estimation. By 3D printing, a graded porous structure consisting of a conductive thermoplastic elastomer both mechanical programming for actuation and piezoresistive sensing were realized. Whereas identified Wiener-Hammerstein (WH) models estimate the strain by compensating the nonlinear hysteresis of the sensorized actuator. Three actuator types were investigated, namely: a bending actuator, a contractor, and a three DoF bending segment (3DoF). The porosity of the contractors was shown to enable the tailoring of both the stroke and resistance change. Furthermore, the WH models could provide strain estimation with on average high fits (83%) and low RMS errors (6%) for all three actuators, which outperformed linear models significantly (76.2/9.4% fit/RMS error). These results indicate that an integrated manufacturing approach with both 3D printed graded porous structures and system identification can realize sensorized actuators that can be tailored through porosity for both actuation and sensing behavior but also compensate for the nonlinear hysteresis.

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