مجله مهندسی مکانیک

مجله مهندسی مکانیک

طراحی، مدلسازی و ساخت دستکش توانبخشی بادی با استفاده از پرینتر سه بعدی

نوع مقاله : علمی پژوهشی

نویسندگان
1 کارشناسی ارشد، مهندسی مکاترونیک، پردیس البرز دانشگاه تهران، تهران
2 دانشیار، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشکدگان فنی دانشگاه تهران، تهران
چکیده
 امروزه با پیشرفت علم رباتیک و فضای تعامل انسان و ربات، رویکردی با عنوان ربات نرم ارائه شده است که اصول کلاسیک طراحی و کنترل ربات را با مواد نرم و انعطاف­ پذیر ترکیب کرده است. در این مقاله یک روش نوین برای طراحی و مدلسازی یک عملگر بادی[1] برای استفاده در دستکش توانبخشی بر پایه رباتیک نرم پیشنهاد شده و برای تجزیه و تحلیل ساختار آن و پاسخ­ عملگر در فشار‌‌های مختلف از مدلسازی روش اجزای محدود استفاده شده است. در این تحقیق، تمرکز بر روش چاپ سه بعدی مستقیم برای ساخت یک عملگر نرم از جنس مواد پلی اورتان ترموپلاستیک است. یکی از چالش های مهم در مدلسازی اجزای محدود، انتخاب مدل رفتاری مناسب در مواد الاستومر است که بتواند وضعیت آن را در کرنش ­های مختلف شبیه ­سازی نماید. در مواد الاستومر به دلیل غیر­خطی بودن رابطه­ بین تنش و کرنش، به جای قانون هوک از مدل­ های رفتاری هایپرالاستیک استفاده می ­شود. در این مقاله، براساس نتایج آزمایش کشش تک ­محوره ماده کالیبره شده­ و مورد ارزیابی قرار گرفته است. در شبیه ‌سازی با ترکیب پارامترهای مختلف طراحی در ساختار اولیه، عملگر از نظر قابلیت خمشی بهبود یافته و تنش و کرنش در مواد کاهش یافته است. علاوه بر این، در حالت تجربی نشان داده می­شود که مسیر حرکت عملگر در طول دامنه حرکت انگشت ­ها می ­باشد و دستکش توانبخشی می ‌تواند به انگشتان آسیب دیده کمک کند.
[1] Pneumatic
کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] P. Boyraz, G. Runge, and A. Raatz, "An overview of novel actuators for soft robotics," in Actuators, 2018, vol. 7, no. 3: MDPI, p. 48, doi: https://doi.org/10.3390/act7030048.
 
[2] D. Trivedi, C. D. Rahn, W. M. Kier, and I. D. Walker, "Soft robotics: Biological inspiration, state of the art, and future research," Applied bionics and biomechanics, vol. 5, no. 3, pp. 99-117, 2008, doi: https://doi.org/10.1080/11762320802557865.
 
[3] Y. Zhang, W. Zhang, J. Yang, and W. Pu, "Bioinspired Soft Robotic Fingers with Sequential Motion Based on Tendon-Driven Mechanisms," Soft Robotics, vol. 9, no. 3, pp. 531-541, 2022/06/01 2021, doi: 10.1089/soro.2021.0009.
 
[4] M. W. Gifari, H. Naghibi, S. Stramigioli, and M. Abayazid, "A review on recent advances in soft surgical robots for endoscopic applications," The International Journal of Medical Robotics and Computer Assisted Surgery, vol. 15, no. 5, p. e2010, 2019, doi: https://doi.org/10.1002/rcs.2010.
 
[5] A. Jemima, C. Raghavendran, and H. Chetan, "Soft robotics: a bio-inspired revolution," in 2020 IEEE Bangalore Humanitarian Technology Conference (B-HTC), 2020: IEEE, pp. 1-6, doi: https://doi.org/10.1109/B-HTC50970.2020.9297869.
 
[6]  R. J. Wood, S. Avadhanula, R. Sahai, E. Steltz, and R. S. Fearing, "Microrobot design using fiber reinforced composites," 2008, doi: https://doi.org/10.1115/1.2885509.
 
[7] C.-P. Chou and B. Hannaford, "Measurement and modeling of McKibben pneumatic artificial muscles," IEEE Transactions on robotics and automation, vol. 12, no. 1, pp. 90-102, 1996,
 
[8] P. Polygerinos, Z. Wang, K. C. Galloway, R. J. Wood, and C. J. Walsh, "Soft robotic glove for combined assistance and at-home rehabilitation," Robotics and Autonomous Systems, vol. 73, pp. 135-143, 2015/11/01/ 2015, doi: https://doi.org/10.1016/j.robot.2014.08.014.
 
[9] F. Connolly, D. A. Wagner, C. J. Walsh, and K. Bertoldi, "Sew-free anisotropic textile composites for rapid design and manufacturing of soft wearable robots," Extreme Mechanics Letters, vol. 27, pp. 52-58, 2019/02/01/ 2019, doi: https://doi.org/10.1016/j.eml.2019.01.007.
 
[10]         P. H. Nguyen and W. Zhang, "Design and Computational Modeling of Fabric Soft Pneumatic Actuators for Wearable Assistive Devices," Scientific Reports, vol. 10, no. 1, p. 9638, 2020/06/15 2020, doi:
 
[11]         H. Wang, F. J. Abu-Dakka, T. N. Le, V. Kyrki, and H. Xu, "A novel design of soft robotic hand with a human-inspired soft palm for dexterous grasping," arXiv preprint arXiv:2009.00979, 2020, doi: https://doi.org/10.1109/MRA.2021.3065870.
 
[12] T. Xu, W. Shen, X. Lin, and Y. M. Xie, "Mechanical properties of additively manufactured thermoplastic polyurethane (TPU) material affected by various processing parameters," Polymers, vol. 12, no. 12, p. 3010, 2020, doi: https://doi.org/10.3390/polym12123010.
 
[13] H. Lee, R.-i. Eom, and Y. Lee, "Evaluation of the mechanical properties of porous thermoplastic polyurethane obtained by 3D printing for protective gear," Advances in Materials Science and Engineering, vol. 2019, pp. 1-10, 2019, doi: https://doi.org/10.1155/2019/5838361.
 
[14]  B. Sandesh, H. Sriharsha, U. R. Sathish, and G. Nikhil, "Investigation of tensile properties of RTV Silicone based Isotropic Magnetorheological Elastomers," in MATEC Web of Conferences, 2018, vol. 144: EDP Sciences, p. 02015,
[15] I. Pearson and M. Pickering, "The determination of a highly elastic adhesive's material properties and their representation in finite element analysis," Finite elements in analysis and design, vol. 37, no. 3, pp. 221-232, 2001,
 
[16]  M. S. Xavier, A. J. Fleming, and Y. K. Yong, "Finite element modeling of soft fluidic actuators: Overview and recent developments," Advanced Intelligent Systems, vol. 3, no. 2, p. 2000187, 2021,
 
[17] P. H. Nguyen and W. Zhang, "Design and computational modeling of fabric soft pneumatic actuators for wearable assistive devices," Scientific reports, vol. 10, no. 1, p. 9638, 2020, doi: https://doi.org/10.1038/s41598-020-65003-2.
 
[18] C. Christianson et al., "Jellyfish-inspired soft robot driven by fluid electrode dielectric organic robotic actuators," Frontiers in Robotics and AI, vol. 6, p. 126, 2019, doi: https://doi.org/10.3389/frobt.2019.00126.
 
[19]  Z. Xie et al., "Octopus arm-inspired tapered soft actuators with suckers for improved grasping," Soft robotics, vol. 7, no. 5, pp. 639-648, 2020. doi: https://doi.org/10.1089/soro.2019.0082.
 
[20]   B. Mosadegh et al., "Pneumatic networks for soft robotics that actuate rapidly," Advanced functional materials, vol. 24, no. 15, pp. 2163-2170, 2014, doi: https://doi.org/10.3389/frobt.2019.00126.
 
[21] D. Rus and M. T. Tolley, "Design, fabrication and control of soft robots," Nature, vol. 521, no. 7553, pp. 467-475, 2015. doi: https://doi.org/10.1038/nature14543.
 
[22] W. Hu, R. Mutlu, W. Li, and G. Alici, "A structural optimisation method for a soft pneumatic actuator," robotics, vol. 7, no. 2, p. 24, 2018,
 
[23] J.-M. Dávila-Vilchis, J. C. Ávila Vilchis, and A. H. Vilchis-González, "Design methodology for soft wearable devices—The MOSAR case," Applied Sciences, vol. 9, no. 22, p. 4727, 2019, doi: https://doi.org/10.3390/app9224727.
 
[24]  H. K. Yap, J. H. Lim, F. Nasrallah, J. C. Goh, and R. C. Yeow, "A soft exoskeleton for hand assistive and rehabilitation application using pneumatic actuators with variable stiffness," in 2015 IEEE international conference on robotics and automation (ICRA), 2015: IEEE, pp. 4967-4972, doi: https://doi.org/10.1109/ICRA.2015.7139889.
 
[25]  P. Polygerinos, Z. Wang, K. C. Galloway, R. J. Wood, and C. J. Walsh, "Soft robotic glove for combined assistance and at-home rehabilitation," Robotics and Autonomous Systems, vol. 73, pp. 135-143, 2015, doi: https://doi.org/10.1016/j.robot.2014.08.014.doi: https://doi.org/10.1016/j.robot.2014.08.014.
 
[26]  P. Maeder-York et al., "Biologically inspired soft robot for thumb rehabilitation," Journal of Medical Devices, vol. 8, no. 2, p. 020933, 2014, doi: https://doi.org/10.1115/1.4027031.
 
[27] M. Troncossi, M. Mozaffari-Foumashi, and V. Parenti-Castelli, "An original classification of rehabilitation hand exoskeletons," J. Robot. Mech. Eng. Res, vol. 1, no. 4, pp. 17-29, 2016, doi: http://dx.doi.org/10.24218/jrmer.2016.18.
دوره 33، شماره 4 - شماره پیاپی 157
مهر و آبان 1403
صفحه 3-15

  • تاریخ دریافت 15 اسفند 1402
  • تاریخ بازنگری 18 اردیبهشت 1403
  • تاریخ پذیرش 16 خرداد 1403