ES2850128T3 - Ensamblaje magnético de robots blandos con componentes duros - Google Patents

Abstract

Un dispositivo robótico reconfigurable capaz de ensamblarse y desmontarse, que comprende: un primer cuerpo (250) flexible que tiene un primer componente (255) de conexión magnética; un segundo componente (200) duro que tiene un segundo componente (240) de conexión magnética, los componentes (255, 240) de conexión magnética primero y segundo capaces de un contacto compatible entre sí para formar un sello entre el cuerpo (250) flexible y el componente (200) duro; caracterizado porque comprende una vejiga (280) inflable dispuesta, al menos en parte, entre el primer componente (250) flexible y el segundo componente (200) duro, en el que al presurizar la vejiga (280) se expande y desacopla el cuerpo (250) flexible y el componente (200) duro.

Description

DESCRIPCIÓN

Ensamblaje magnético de robots blandos con componentes duros

Antecedentes

Esta tecnología se relaciona con actuadores flexibles reconfigurables con componentes duros. En particular, esta invención se relaciona con la combinación de manipuladores robóticos blandos con componentes modulares duros.

Un ejemplo de un "robot" es un manipulador multipropósito, programable, controlado automáticamente. Un robot puede realizar su función en una ubicación fija o en movimiento. La robótica es un campo de enorme (y creciente) importancia, desde el ensamblaje hasta la cirugía.

La mayoría de los sistemas robóticos son "duros", es decir, compuestos por estructuras metálicas con juntas con base en cojinetes convencionales. Estas estructuras a menudo se modelan a partir de extremidades de animales (aunque las estructuras que no se encuentran en la naturaleza -por ejemplo, ruedas y rodaduras-también son comunes en los robots móviles).

Los actuadores robóticos blandos se inspiran en la naturaleza. Por ejemplo, los animales sin esqueletos (tales como calamares y estrellas de mar) presentan nuevas oportunidades en estructuras robóticas, y ofrecen soluciones a problemas tal como el agarre de objetos blandos o frágiles que son difíciles de abordar con robots duros. Los mecanismos de actuación y locomoción utilizados por los calamares y otros invertebrados a menudo se basan en estructuras elastoméricas (por ejemplo, "blandas") y en elementos de actuación (por ejemplo, hidrostáticos) que son poco frecuentes en los vertebrados. Los actuadores blandos utilizan sistemas neumáticos o hidráulicos para el movimiento, proporcionan estructuras biomiméticas y no biomiméticas para actuación, agarre, detección, locomoción y otras funciones.

Durante los últimos años, los manipuladores robóticos blandos han generado un interés significativo debido a su amplia gama de aplicaciones potenciales que son un desafío para los robots "duros". Por ejemplo, los robots blandos pueden manipular objetos delicados tales como huevos porque la superficie de los robots blandos puede adaptarse a la forma de los objetos manipulados. Los robots blandos también pueden caber en lugares que son un desafío para los robots duros. Por ejemplo, un robot blando puede caber debajo de un atasco de puerta desinflándose por sí mismos. Además, los robots blandos pueden moverse en un entorno que representa un desafío para los robots duros. Por ejemplo, los robots blandos pueden maniobrar en superficies no rígidas, tales como barro, arcilla, geles o en fluidos tal como el agua.

Los robots blandos, tales como pinzas y tentáculos, pueden ejecutar movimientos muy sofisticados sin un elaborado sistema de retroalimentación de sensores. Los movimientos complejos exhibidos por robots blandos pueden iniciarse con una sola entrada neumática y pueden preprogramarse mediante la combinación de elastómeros y la geometría de las redes neumáticas presentes en estos dispositivos elastoméricos. Estos robots son económicos de fabricar mediante litografía blanda y son muy adecuados para manipular objetos frágiles (por ejemplo, huevos crudos).

La litografía blanda se puede utilizar para fabricar los robots blandos porque esta técnica permite la creación rápida de prototipos y la replicación de redes neumáticas internas. Aunque estos robots blandos (por ejemplo, pinzas, andadores y tentáculos) con planos corporales planos o simples se pueden fabricar rápidamente a partir de elastómeros de silicona mediante litografía blanda, estos robots no se pueden reconfigurar fácilmente.

Además, la expansión de la capacidad de los robots blandos para la fabricación de sistemas robóticos avanzados exige la integración de materiales compuestos (por ejemplo, termoplásticos, metales) o la implementación de redes neumáticas tridimensionales complejas que son difíciles de moldear directamente en un solo paso utilizando solo la litografía blanda. Muchas características (por ejemplo, alta rigidez, alta conductividad térmica y fuerte resistencia a la abrasión) de los materiales duros son difíciles, si no imposibles, de reproducir utilizando materiales blandos o flexibles. Se pueden utilizar métodos como el fresado con control numérico por ordenador (CNC) o el moldeo por inyección para la fabricación de módulos hechos de metal o plásticos rígidos. La impresión 3D es ventajosa para la creación de prototipos de termoplásticos duros porque permite la fabricación rápida de unidades que tienen una red interna complicada de canales tridimensionales.

Existen diversos métodos (por ejemplo, químico, mecánico, magnético) para conectar módulos hechos de materiales similares o diferentes en robots. Se pueden aplicar pegamentos químicos o adhesivos a la interfaz entre dos módulos para la unión; sin embargo, las estructuras ensambladas con adhesivos permanentes no se pueden desmontar fácilmente sin dañar las unidades originales. Los adhesivos reversibles tienen sus propias limitaciones y, a menudo, requieren calentamiento para cortar la unión. Los conectores mecánicos, tal como los pernos o las juntas articuladas en la robótica dura, son resistentes y reversibles; sin embargo, estas conexiones requieren una alineación precisa para el acoplamiento de las piezas correspondientes y, por lo tanto, requieren el uso de un sofisticado sistema de sensor, retroalimentación y control para ensamblaje y desmontaje remoto o automatizado.

El documento JP 2005/83447 se relaciona con una estructura de expansión/contracción, que comprende una pluralidad de cuerpos elásticos huecos dispuestos en serie, un miembro de sellado de conexión para conectar los cuerpos elásticos huecos entre sí y sellarlos con estanqueidad al aire, un conjunto de miembros de sellado para sellar los cuerpos elásticos huecos en sus extremos que no están sellados por el miembro de sellado de conexión, y un miembro de paso de fluido para verter fluido dentro o fuera de los interiores huecos de los cuerpos elásticos huecos.

Ricardo Franco Mendoza García et al: "A Vacuum-Based Bonding Mechanism for Modular Robotics" se relaciona con el vacío como fuerza de unión para robótica modular. Las aspiradoras son un conjunto de módulos que propagan el vacío a través de sus interfaces para generar fuerzas adhesivas para formar y mantener estructuras. Los circuitos análogos se utilizan para simular transitorios de vacío y comprender los parámetros de diseño críticos y validar estos conocimientos en experimentos. Se demuestra una estructura de 49 módulos que emplea unión al vacío. Los autores concluyen que el vacío ofrece un principio de conexión relativamente fuerte, simple, confiable y de bajo consumo.

Liyu Wang et al: "Towards soft self-reconfigurable robots" se relaciona con el concepto de "soft self-reconfigurable robots" que pueden volverse hiperflexibles durante la interacción con el entorno. El trabajo propone el uso de Adhesivos de Fusión en Caliente (HMA) de material viscoelástico: para el control físico de la conexión y desconexión entre cuerpos que no son necesariamente módulos rígidos predefinidos. Se utiliza un modelo para caracterizar la dependencia de la temperatura de la fuerza de los enlaces h Ma , que luego se valida y se utiliza en un controlador de retroalimentación para la conexión y desconexión automática. Utilizando una plataforma de robot minimalista que está equipada con dos dispositivos que manejan HMA, el rendimiento de este método se evalúa en un experimento de recoger y colocar con piezas de aluminio y madera.

El documento WO 2012/148472 A2 se relaciona con un dispositivo robótico blando que incluye un cuerpo flexible que tiene un ancho, una longitud y un grosor, en el que el grosor es de al menos 1 mm, teniendo el cuerpo flexible al menos un canal dispuesto dentro del cuerpo flexible, el canal está definido por paredes superior, inferior y laterales, en el que al menos una pared limita la tracción; y una entrada de presurización en comunicación fluida con el al menos un canal, el al menos un canal está ubicado y dispuesto de manera que la pared opuesta a la pared de limitación de tracción se expanda preferiblemente cuando el dispositivo robótico blando se presuriza a través de la entrada.

Resumen

Se describen actuadores robóticos blandos reconfigurables con componentes duros, por ejemplo, un robot duro-blando "híbrido". La invención está definida por las reivindicaciones 1 y 14. De acuerdo con un primer aspecto, la presente invención proporciona un dispositivo robótico reconfigurable capaz de ensamblarse y desmontarse, que comprende: un primer cuerpo (250) flexible que tiene un primer componente (255) de conexión magnética; un segundo componente (200) duro que tiene un segundo componente (240) de conexión magnética, los componentes (255, 240) de conexión magnética primero y segundo capaces de cumplir el contacto entre sí para formar un sello entre el cuerpo (250) flexible y el componente (200) duro; y una vejiga (280) inflable dispuesta, al menos en parte, entre el primer componente (250) flexible y el segundo componente (200) duro, en el que al presurizar la vejiga (280) se expande y desacopla el cuerpo (250) flexible y el componente (200) duro.

El dispositivo robótico reconfigurable de la presente invención usa acoplamiento magnético de cuerpos moldeados blandos a otros componentes duros (por ejemplo, marcos y conectores) para construir estructuras complejas. El acoplamiento magnético se logra incrustando imanes en los componentes que se van a acoplar de manera que los polos opuestos queden expuestos y unidos por atracción magnética. Los imanes pueden ser permanentes o electromagnéticos; sin embargo, la portabilidad se ve reforzada por el uso de imanes permanentes. La ubicación, el tamaño y la forma de los imanes se seleccionan de modo que el acoplamiento de las partes proporcione la autoalineación de los canales neumáticos internos. Por ejemplo, un primer imán se coloca alrededor de una entrada a una cámara neumática en un primer componente blando y se ubica un segundo imán de forma complementaria alrededor de una segunda entrada a una cámara neumática en el segundo componente duro. La ubicación de los imanes se selecciona de modo que la primera y la segunda entradas se alineen y formen un sello compatible cuando los imanes primero y segundo están en contacto entre sí.

Los componentes acoplados magnéticamente se pueden desacoplar de forma remota. Por ejemplo, las cámaras de desacoplamiento neumáticas están integradas en los marcos o conectores de los componentes duros para desacoplar los componentes duros de los cuerpos moldeados blandos acoplados magnéticamente. En el estado de reposo, las cámaras de desacoplamiento se desinflan y quedan al ras contra una superficie del cuerpo duro que está dispuesta entre los componentes duro y blando. Para desacoplar el cuerpo duro del cuerpo blando, la cámara de desacoplamiento se infla, provocando que se distienda y desplace el componente blando a una distancia del componente duro suficiente para superar la atracción magnética de los imanes complementarios.

El uso de acoplamientos magnéticos de autoalineación y desacoplamiento neumático permite el ensamblaje y desmontaje remoto de estructuras complejas que involucran componentes duros y blandos. El acoplamiento magnético permite una reconfiguración rápida y reversible de robots híbridos blando-duro para reparar, probar nuevos diseños y realizar nuevas tareas. Las características de actuación, ensamblaje y desmontaje remotos son relevantes para aplicaciones tal como la exploración de entornos distantes o peligrosos y la manipulación remota de productos químicos o productos peligrosos.

Breve descripción de los dibujos

La invención se describe con referencia a las siguientes figuras, que se presentan sólo con fines ilustrativos y no pretenden ser limitantes. En los dibujos:

La FIG. 1A-1B ilustran representaciones esquemáticas de dos configuraciones magnéticas diferentes de alineación o acoplamiento del ensamblaje modular, de acuerdo con una o más realizaciones. El ensamblaje de las FIGs. 1A-1B no incluye una vejiga inflable y, por lo tanto, queda fuera del alcance de las presentes reivindicaciones.

La FIG. 2A-2J ilustran el diseño de una vejiga accionada neumáticamente integrada en un conector magnético duro (conector inflable) para desmontar o desacoplar módulos, de acuerdo con una o más realizaciones.

La FIG. 3A-3H ilustran el ensamblaje y uso de módulos blandos usando imanes anulares, de acuerdo con una o más realizaciones (los cuadros discontinuos en 3A y 3E resaltan las interfaces magnéticas) incluyendo (A) un ensamblaje suspendido verticalmente de dos patas blandas, cada una incrustada con un imán anular de neodimio-hierro-boro (NdFeB) idéntico pero orientado opuestamente; (BD) accionamiento neumático de un ensamblaje de dos patas blandas en las que las capas limitadoras de tracción se ubican sobre la cara opuesta de un ensamblaje suspendido vertical (B) y horizontalmente (C), y en el que (D) capas limitadoras de tracción en el misma cara de un ensamblaje están suspendidas horizontalmente; (E) un ensamblaje suspendido verticalmente que consiste en un tentáculo blando y una pinza blanda; y (F-H): accionamiento neumático de la pinza a través del canal central del tentáculo para recoger una esfera. El ensamblaje de las FIGs. 3A-3H no incluye una vejiga inflable y, por lo tanto, queda fuera del alcance de las presentes reivindicaciones.

FIG. 4A-4L ilustran la reconfiguración y locomoción de robots blando-duro, de acuerdo con una o más realizaciones que incluyen (A, B) vistas superiores de un robot con seis patas y cinco patas respectivamente; (C, D) vistas superiores de un cuadrúpedo con diferente distribución de patas blandas alrededor del cuerpo hexagonal; (E, F) vistas superiores de un cuadrúpedo ensamblado a partir de patas de diferente tamaño o patas hechas de diferentes materiales (patas blandas con zapatos duros hechos de termoplásticos de acrilonitrilo-butadieno-estireno (ABS)) respectivamente; (G) vista lateral de un cuadrúpedo ensamblado a partir de cuatro patas blandas de forma (dedos cónicos) diferente a la del Panel D; y (H-L) Locomoción de un cuadrúpedo blando-duro atado del panel D (de izquierda a derecha) sobre una superficie plana, rígida y no resbaladiza (el tiempo (t) se indica en la parte inferior izquierda de cada figura). El ensamblaje de las FIGs. 4A-4L no incluye una vejiga inflable y, por lo tanto, queda fuera del alcance de las presentes reivindicaciones.

La FIG. 5A-5J ilustran un andador cuadrúpedo equipado con un sensor óptico flexible para inspeccionar el entorno circundante, de acuerdo con una o más realizaciones. Cada recuadro en la esquina superior derecha del Panel B a G muestra la representación esquemática del estado de actuación de los canales laterales del tentáculo blando. Cada rectángulo representa un canal lateral. (A): módulos de un topógrafo móvil. (B): un topógrafo móvil ensamblado. (C-G): el accionamiento neumático de los canales laterales del tentáculo blando permite el posicionamiento de la cámara de video en una amplia gama de ángulos en el espacio tridimensional. (H-I): el topógrafo se mueve hacia una taza blanca de Styrofoam®. (J): el accionamiento del tentáculo blando posiciona la cámara de video para ver el interior de la taza. El recuadro inferior izquierdo del Panel J muestra un mensaje oculto, "GMW Gp", dentro de la taza como se ve desde la cámara de video. El ensamblaje de las FIGs. 5A-5J no incluye una vejiga inflable y, por lo tanto, queda fuera del alcance de las presentes reivindicaciones.

La FIG. 6A-6E ilustran la transformación de un robot hexápodo en un andador cuadrúpedo usando un gatillo neumático, de acuerdo con una o más realizaciones. (A-E): vistas frontales de un robot blando-duro bajo locomoción. Los recuadros en las esquinas superior e inferior derecha de cada panel corresponden a la vista superior y al esquema del estado de accionamientos de los distintos módulos respectivamente. Los estados accionados de las patas delantera y trasera (bloques rectangulares blancos) del robot hexápodo durante la locomoción se omiten para mayor claridad. Los bloques rectangulares oscuros con rayas verticales representan los estados de accionamientos de los conectores inflables mientras que los bloques rectangulares grises adyacentes corresponden a las patas blandas en contacto con los conectores inflables. (A, B): accionamiento neumático de dos patas blandas conectadas a los conectores inflables. (C, D): Al inflar las vejigas de los conectores se cortan las conexiones magnéticas con las patas blandas. (E): separar dos patas blandas convierte un robot hexápodo en un caminante cuadrúpedo.

La FIG. 7A-7J ilustra un porteador cuadrúpedo que carga, transporta y descarga cargas utilizando accionamiento neumático, de acuerdo con una o más realizaciones. (A-J): la vista en perspectiva superior del robot. Los recuadros en la esquina superior derecha del Panel B a J muestran la representación esquemática del estado de accionamientos de diversos componentes del robot. El círculo oscuro en el centro representa el canal central mientras que cada pequeño rectángulo oscuro representa uno de los cuatro canales laterales del tentáculo blando. Los bloques rectangulares con rayas verticales representan los conectores inflables y los bloques exteriores grises representan los contenedores duros. El estado accionado de las patas delanteras y traseras (bloques rectangulares blancos) del robot durante la locomoción se omite para mayor claridad. (A, B): un porteador cuadrúpedo accionado neumáticamente se acerca y luego se detiene frente a su objetivo (esfera). (C): el tentáculo blando accionado neumáticamente coloca su ápice para conectarse con una pinza blanda usando un conector magnético. (D-G): el tentáculo-pinza ensamblado levanta y carga el objetivo en el contenedor izquierdo para su transporte. (H, I): el accionamiento de los adaptadores inflables descarga los contenedores de carga. (J): se completa la entrega de las cargas.

La FIG. 8A-8F ilustran módulos blandos incrustados con imanes anulares de NdFeB, de acuerdo con una o más realizaciones, que incluyen (A) una vista M-N en sección transversal de la interfaz magnética de una pata blanda incrustada con un imán anular de NdFeB; (B) vista superior de una pinza blanda incrustada con un imán de NdFeB en el centro; (C): un esquema de la vista en sección transversal de la interfaz magnética de la pata blanda y la pinza blanda. (D): vista lateral de un tentáculo blando modificado que tiene cuatro canales laterales. El recuadro en la esquina inferior derecha destaca cuatro esferas de acero incrustadas en la base de un tentáculo modificado. El recuadro en la esquina superior derecha muestra la vista ampliada del ápice del tentáculo blando incrustado con un imán anular de NdFeB. (E, F): esquemas en sección transversal de la base y el ápice del tentáculo blando respectivamente. El ensamblaje de las FIGs. 8A-8F no incluye una vejiga inflable y, por lo tanto, queda fuera del alcance de las presentes reivindicaciones.

La FIG. 9A-9O ilustran el diseño y ensamblaje de módulos duros, de acuerdo con una o más realizaciones. (A-C): vistas superior, ampliada y lateral de un marco hexagonal duro. (D-F): vistas superior, inferior y lateral de un conector magnético duro. (D): el contorno punteado muestra una fina membrana de Ecoflex 0030 que cubre un imán anular de NdFeB. Un canal abierto a través del centro del adaptador lateral conecta las caras superior e inferior y sirve como entrada de aire para el actuador blando con imán incrustado (no se muestra). (E, F): el contorno punteado muestra la porción de un conector magnético duro que encaja con el encastre lateral del marco hexagonal duro. (G-I): diseño y ensamblaje de un adaptador central duro para tentáculo blando. El adaptador central consiste de dos arcos idénticos, cada uno de los cuales puede albergar hasta tres imanes (G): vista superior de un adaptador central ensamblado. La línea discontinua destaca el encastre que se conecta con un tentáculo blando. (H): vista en perspectiva de los bolsillos para alojar imanes de bola de NdFeB en el adaptador central y de una tapa-anclaje para sellar el imán. (I): la vista en sección transversal del adaptador central duro (es decir, la vista lateral de un arco). (J-L): vistas superior, frontal y lateral de un contenedor duro que tiene un imán anular de NdFeB incrustado para interactuar con el adaptador lateral. (M-O): vistas perspectiva superior, superior y perspectiva inferior de un cuerpo duro ensamblado manualmente que consiste en un adaptador central, un marco hexagonal, seis conectores magnéticos y dos contenedores. El ensamblaje de las FIGs. 9A-9o no incluye una vejiga inflable y, por lo tanto, queda fuera del alcance de las presentes reivindicaciones.

La FIG. 10 ilustra un gráfico de la medida de la fuerza de arrastre mínima requerida para separar dos módulos blandos conectados por imanes anulares, de acuerdo con una o más realizaciones.

Las FIGS. 11A-11D ilustran un ensamblaje de módulos blandos para conducir electricidad a través de la interfaz magnética, de acuerdo con una o más realizaciones, en el que (A) una fuente de batería (3 x 1.5 V) alojada en el centro del colector blando está conectada a la interfaz magnética con finas tiras de papel de aluminio; (B) cada pata blanda tiene un LED incrustado sobre un extremo y un imán anular sobre el extremo opuesto. El LED está conectado al exterior de la interfaz magnética de cada pata usando tiras delgadas de papel de aluminio; (C) vista superior de una máquina blanda completamente ensamblada que encendió tres LED (rojo, naranja y verde) y (D) LED incrustados permanecieron encendidos durante el accionamiento neumático de dos patas blandas. Se suministró aire comprimido a las patas a través de una de las entradas de aire en el colector. El ensamblaje de las FIGs. 11A-11D no incluye una vejiga inflable y, por lo tanto, queda fuera del alcance de las presentes reivindicaciones.

La FIG. 12 muestra la fuerza de atracción magnética contra (A) carga de tracción y (B) cizallamiento en función de la distancia de separación entre dos imanes anulares de NdFeB. Las leyendas muestran las diversas combinaciones del par magnético utilizadas en cada medición. S, M y L representan imanes anulares de las siguientes dimensiones (O.D. x I.D.x grosor): 1/4" x 1/8" x 0.1", 3/8" x 1/8" x 0.06", y 3/8" x 1/8" x 0.1" respectivamente. Los prefijos h (duro) y s (blando) indican el material del módulo en el que se incrustó un imán anular. A la derecha de cada panel se muestra un esquema simplificado del desplazamiento relativo entre dos imanes bajo carga aplicada. "Tentáculo" representa la conexión magnética entre un tentáculo blando y un conector central duro, y contiene cuatro pares de imanes anulares (es decir, 4 x sS_hS).

La FIG. 13A-13J muestran la fabricación de una pata blanda extensible de acuerdo con una o más realizaciones. El método de ensamblaje descrito en 13A-13J ilustra la fabricación de ensamblajes que no incluyen una vejiga inflable y que, por lo tanto, quedan fuera del alcance de las presentes reivindicaciones.

La FIG. 14A-14E muestra el ensamblaje del molde superior e inferior para la fabricación de un tentáculo blando, que incluye (a) los componentes del molde superior incluyen cuatro inserciones (parte D) para crear los canales laterales, una inserción (parte E ) para crear el canal central, tres inserciones en forma de arco (parte F) que se combinaron para formar una pared cilindrica, un retenedor de anillo (parte G) utilizado para alinear la parte E en el centro del ensamblaje final y una tapa retenedora (parte H) para mantener una distancia constante entre los moldes de la parte E y los cuatro moldes de la parte D; (b) ensamblaje de molde de fondo lleno con prepolímero líquido; (c) las partes-D (x 4), -E (x 1) y -F (x 2) se insertaron en el ensamblaje de molde inferior lleno con prepolímero líquido. (d) El ensamblaje se inclinó 90° y se llenó inmediatamente con prepolímero líquido. (e) Se insertó un molde de la Parte F lleno con prepolímero líquido en los moldes combinados como se muestra en la imagen (d), y el ensamblaje se volvió inmediatamente a su posición vertical. El método de ensamblaje descrito en 14A-14E ilustra la fabricación de ensamblajes que no incluyen una vejiga inflable y que, por lo tanto, quedan fuera del alcance de las presentes reivindicaciones.

La FIG. 15A-15E ilustra un proceso para incrustar imanes en tentáculos blandos, incluyendo la fotografía y los correspondientes esquemas de sección transversal longitudinal de tentáculos, incluyendo (A) moldes de la parte I (un total de cuatro) insertados en los canales laterales de los tentáculos, y el orificio de paso alineados con las entradas de aire de los canales laterales en la base; (B) cuatro imanes anulares de NdFeB insertados en los bolsillos de la base, llenos de prepolímero líquido; (C) Agujas insertadas para alinear las entradas de aire del tentáculo, los orificios de paso de los moldes de la parte I y el centro de los imanes anulares; (D) Vista superior ampliada de un tentáculo destinado a un sensor óptico flexible; y (E) un imán anular de NdFeB insertado en la parte superior de un tentáculo destinado a acoplarse magnéticamente con una pinza blanda con imán incrustado. El método de ensamblaje descrito en 15A-15E ilustra la fabricación de ensamblajes que no incluyen una vejiga inflable y que, por lo tanto, quedan fuera del alcance de las presentes reivindicaciones.

La FIG. 16A-16D son esquemas de la red neumática de tentáculos blandos de acuerdo con diversas realizaciones. El ensamblaje de las FIGs. 16A-16D no incluye una vejiga inflable y, por lo tanto, queda fuera del alcance de las presentes reivindicaciones.

La FIG. 17 es un esquema en sección transversal de un tentáculo-pinza, visto desde el lado paralelo al eje longitudinal. El ensamblaje de la FIG. 17 no incluye una vejiga inflable y por lo tanto queda fuera del alcance de las presentes reivindicaciones.

La FIG. 18A-18H ilustra el ensamblaje del conector central para anclar el tentáculo blando que consiste en cuatro partes diferentes que incluyen (a) un cubo central con cuatro canales abiertos que conectan el centro hueco a la periferia del conector, y un rebaje rectangular en cada una de las cuatro caras de su periferia; (b) adaptador de puente con una clavija complementaria (resaltada en el recuadro de trazos rojos) que encaja con cada uno de los cuatro rebajes rectangulares sobre la periferia del conector central; (c) retenedor que alojaba un imán anular (dimensión del imán anular: 1/4"(DE) * 1/8" (DI) * 0,1"(grosor)) sobre un lado, con un tubo de polietileno insertado en su canal central; y (d) tapa que confinaba el retenedor del imán en cada uno de los cuatro canales abiertos del conector central. Los recuadros de paneles a-c muestran las diversas partes del conector central, como se ve desde diferentes ángulos. (e) Conectar cuatro adaptadores de puente a la periferia del conector central a través de juntas de clavija y rebaje. Se insertaron (f) cuatro retenedores magnéticos y (g) se confinaron dentro de los canales abiertos del conector central. (h) Un conector central completamente ensamblado. El ensamblaje de las FIGs. 18A-18H no incluye una vejiga inflable y, por lo tanto, queda fuera del alcance de las presentes reivindicaciones.

La FIG. 19A-19E son esquemas de los procedimientos para fabricar un conector inflable de acuerdo con una o más realizaciones.

Descripción detallada

Los robots blandos tienen un cuerpo moldeado flexible con canales o redes de canales incrustados. Una porción del cuerpo moldeado "blando" está compuesta de un material elásticamente extensible y una porción del cuerpo moldeado limita la tracción con respecto al material elásticamente extensible. El dispositivo robótico de cuerpo blando incluye una entrada de presurización que está configurada para recibir fluido para los canales interconectados. El cuerpo moldeado en el dispositivo robótico de cuerpo blando está configurado para expandirse preferentemente cuando los canales interconectados son presurizados por el fluido, provocando un movimiento de flexión alrededor de la porción del cuerpo moldeado que limita la tensión. Los módulos blandos se accionan típicamente presurizando la cámara hueca del cuerpo moldeado con aire, lo que tiene una contribución insignificante a la masa total de los robots y reduce la carga de masa de los robots durante la locomoción. Estos canales incrustados se pueden presurizar para proporcionar un accionamiento grande y versátil a los elastómeros blandos. Los detalles de estos actuadores robóticos blandos se divulgan en la solicitud PCT No. US 11/61720.

Aunque estos robots blandos (por ejemplo, pinzas, andadores y tentáculos) con planos corporales planos o simples se pueden fabricar rápidamente a partir de elastómeros de silicona usando litografía blanda, estos robots no son fácilmente reconfigurables. Además, expandir la capacidad de los robots blandos para la fabricación de sistemas robóticos avanzados exige la integración de materiales compuestos (por ejemplo, termoplásticos, metales) o la implementación de redes neumáticas tridimensionales complejas que son difíciles de moldear directamente en un solo paso.

Un robot reconfigurable incluye un módulo blando que está unido de forma reversible a un marco rígido (módulo duro) usando un acoplamiento magnético (también denominado "interfaz magnética"). La incrustación de imanes en los módulos duros y blandos proporciona unidades de conector simple hechas de materiales similares o diferentes; además, las conexiones magnéticas son fuertes, pero reversibles, y esta reversibilidad permite una rápida reconfiguración de los robots para llevar a cabo diferentes tareas y probar nuevos diseños. Además, las interfaces magnéticas se alinean automáticamente, lo que alivia la necesidad de un control tridimensional preciso para ensamblar dos unidades complementarias. El marco duro que proporciona resistencia mecánica o rigidez al robot híbrido duroblando, puede asegurar los módulos blandos en las orientaciones deseadas y/o puede proporcionar una base para montar otros módulos con funcionalidades adicionales tales como sensores, fuentes de energía y similares. Las patas blandas se pueden unir a conectores magnéticos duros y la atracción magnética entre las patas blandas y los módulos duros mantiene la integridad estructural del sistema ensamblado.

El ensamblaje y desmontaje modular de una estructura robótica compleja utiliza acoplamiento magnético. Los conectores magnéticos se pueden utilizar para ensamblar componentes duros y blandos en robots reconfigurables capaces de caminar, inspeccionar, manipular objetos y transportar cargas. El proceso incluye (i) fabricar módulos blandos mediante litografía blanda y fabricar los módulos duros (por ejemplo, marcos o adaptadores), por ejemplo, utilizando una impresora 3D; (ii) incrustar acopladores magnéticos en los componentes duros y blandos; y (iii) ensamblar las unidades en robots reconfigurables.

Acoplamiento o ensamblaje magnético

En una realización, los imanes anulares están incrustados cerca de la porción de entrada del cuerpo moldeado flexible de un componente blando. La entrada conecta la cámara inflable interior con una fuente de gas de presurización externa para permitir la activación del módulo. Los imanes anulares incrustados en los módulos permiten que el centro hueco de un imán anular se autoalinee con el de otro imán anular (de otro módulo) de diámetros interior y exterior proporcionados. Los imanes incrustados se utilizan para acoplar magnéticamente los componentes blandos a los componentes duros, que también contienen material de acoplamiento magnético. Cuando un imán anular está envuelto en un material blando y flexible, aprieta y deforma la pared delgada del elastómero contra otro módulo (cuando está acoplado magnéticamente a otro módulo) para formar un sello compatible alrededor de los centros huecos de los imanes en su interfaz. Por ejemplo, cuando se ubican imanes anulares de polaridad opuesta alrededor de la entrada de dos módulos blandos, el acoplamiento magnético alinea las entradas y posteriormente acopla las cámaras de los dos módulos, para permitir la presurización acoplada y el accionamiento de los dos componentes. Los canales abiertos que pasan a través de los imanes anulares alineados axialmente forman un conducto continuo para transportar fluido (por ejemplo, aire) entre los módulos y estos fluidos se pueden usar para la activación, muestreo y suministro de productos químicos. En otras realizaciones, también se pueden acoplar un componente blando y uno duro. El componente duro puede actuar simplemente como un conector físico o también puede acoplar el componente blando al fluido de otras redes con cámaras. Si el componente duro también contiene un canal, los canales de los componentes blando y duro pueden acoplarse de forma similar a la de dos componentes blandos.

La FIG. 1A ilustra el ensamblaje modular de dos módulos 110, 100' de clasificación utilizando imanes anulares, por ejemplo, imanes de NdFeB. Los módulos 110, 100' contienen un imán 120, 120' anular, respectivamente, de polos magnéticos opuestos en relación enfrentada. Los imanes están incrustados dentro del módulo blando y tienen una fina capa elastomérica que cubre el imán. La atracción magnética une los dos módulos blandos entre sí y presiona el material elastomérico de cada uno para formar un sello hermético. La autoalineación de los centros huecos de los imanes anulares forma un conducto continuo entre los canales 130, 130' neumáticos de los dos módulos. El recuadro muestra una vista en sección transversal ampliada de la interfaz de los dos módulos, que ilustra la polaridad del imán y la autoalineación de los canales neumáticos.

Los imanes anulares también se pueden utilizar en el ensamblaje modular de un módulo blando con un componente duro. En esta realización, el componente duro también incluye un imán anular. La atracción magnética une el módulo blando y el módulo duro y presiona el material elastomérico del módulo blando contra el módulo duro para formar un sello hermético. La autoalineación de los centros huecos de los imanes anulares se puede utilizar para formar un conducto continuo entre los canales neumáticos en los módulos duros y blandos. No es necesario que el imán anular del componente duro esté cubierto por elastómero, ya que el elastómero del componente blando es suficiente para formar un sello compatible. La FIG. 2d y 2E (discutidos con mayor detalle a continuación), ejemplifican un ensamblaje modular de un módulo blando y un módulo duro usando imanes anulares.

La FIG. 1B muestra una configuración magnética alternativa para conectar el módulo 140 flexible y el módulo 150 duro. El módulo duro incluye una cavidad 160 que está dimensionada para acomodar el extremo del módulo flexible. Las esferas 170 de acero (u otro material ferromagnético) incrustadas en el módulo blando son atraídas y tiradas hacia una serie de imanes 180 (de forma arbitraria) envueltos en el módulo duro circundante. El recuadro muestra una vista en sección transversal de la interfaz magnética, que ilustra el alojamiento de sellado del módulo blando en la cavidad del módulo duro y las fuerzas de atracción entre los imanes y las bolas de acero.

En algunas realizaciones, los imanes son imanes permanentes, aunque se pueden usar electroimanes si se proporciona el circuito eléctrico apropiado. En algunas realizaciones, se usaron imanes permanentes de NdFeB de tierras raras como imanes de acoplamiento porque tienen la fuerza magnética más alta por unidad de masa entre todos los imanes permanentes que están disponibles comercialmente. El uso de imanes de NdFeB maximiza la fuerza de la conexión y minimiza la masa del dispositivo ensamblado. También se contemplan electroimanes, aunque requieren un suministro de corriente eléctrica y circuitos adicionales para mantener o alterar la conectividad de un ensamblaje. El emparejamiento de imanes permanentes de otras formas con materiales débilmente ferromagnéticos (por ejemplo, acero) se puede aprovechar para unir módulos cuando se necesita un enlace estable pero no se requiere autoalineación. Además, la incrustación de múltiples objetos débilmente ferromagnéticos en un módulo neumático blando simplifica la fabricación porque no existe una interacción magnética atractiva o repulsiva entre los imanes cuando están confinados dentro de un pequeño volumen de elastómero. Las interacciones magnéticas presentes en módulos con múltiples imanes también presentan desafíos especiales para fijar estos imanes que interactúan fuertemente en materiales blandos durante el proceso de curado del polímero.

Además, aunque se describe un imán anular, se entiende que el imán puede tener una forma arbitraria. Como se detalla anteriormente, los imanes anulares se alinean automáticamente. Es deseable que el imán pueda rodear o rodear sustancialmente el canal neumático hasta el punto de permitir que el módulo complementario se asegure y alinee magnéticamente con el canal neumático. Esta propiedad se utilizó para guiar y formar redes de canales continuos y bien sellados entre módulos para el accionamiento neumático de robots blandos (por ejemplo, patas, pinzas y tentáculos). La autoalineación de los imanes anulares alivia la precisión necesaria para conectar módulos. Como resultado, un operador puede controlar y ensamblar fácilmente el robot o los componentes del robot a distancia con controles neumáticos (es decir, teleoperación).

Desmontaje remoto

En algunas realizaciones, se puede utilizar un disparador neumático integrado para el desmontaje remoto de robots blandos modulares. Esta capacidad proporciona al teleoperador flexibilidad adicional para adaptar las funciones de los robots o maquinarias ensamblados en respuesta a demandas imprevistas en tiempo real.

Se puede integrar una "vejiga" accionada neumáticamente en un conector magnético duro para desmontar módulos. La vejiga está intercalada entre los dos componentes y utiliza gas presurizado para su accionamiento. En una o más realizaciones, el módulo duro puede albergar una vejiga flexible que es capaz de expandirse independientemente del accionamiento del módulo blando. En el ensamblaje, la atracción magnética une el módulo blando y el módulo duro y presiona el material elastomérico de ambos módulos entre sí para formar un sello hermético. La vejiga flexible también se puede configurar para proporcionar un canal neumático en el módulo duro de modo que los dos módulos se puedan conectar neumáticamente. Cuando la vejiga flexible del módulo duro se expande, empuja contra el módulo blando y lo aleja del componente duro, debilitando así las fuerzas magnéticas que mantienen unidos los módulos y los desacopla.

Como se muestra en las FIGs. 2A-2J, se infló una "vejiga" intercalada entre dos componentes y, por lo tanto, aumentó la distancia entre los imanes de acoplamiento, lo que debilitó la fuerza magnética entre los módulos. Este diseño se implementó integrando una vejiga accionada neumáticamente en un conector magnético duro (por simplicidad, se llama conector inflable). Cuando el conector inflable se acciona por completo, los imanes se separan y otras fuerzas mecánicas (por ejemplo, gravedad, fricción) ejercidas sobre cada módulo superan la atracción magnética debilitada y desconectan las dos unidades contiguas.

Las FIGs. 2A-2B son fotografías que muestran vistas superior y lateral de un conector 200 inflable no accionado. La FIG. 2C muestra un esquema en sección transversal de un conector inflable no accionado. Los canales laterales 225 y central 230 están resaltados con líneas discontinuas. El conector inflable incluye una carcasa 210 rígida que retiene una vejiga 220 flexible. La vejiga flexible incluye un canal 225 lateral que se puede conectar a una fuente de gas presurizado a través de una entrada en la carcasa rígida. La vejiga 220 puede tener opcionalmente un canal 230 central que se alinea con un canal 215 central en la carcasa 210 rígida. El imán 240 se coloca alrededor del canal 230 central opcional a lo largo de una cara que es accesible al módulo blando.

La FIG. 2D es una fotografía que muestra una vista lateral de un ensamblaje suspendido verticalmente que consiste en una pata 250 blanda (módulo blando) que tiene imanes 255 incrustados y una entrada 260. La FIG. 2E muestra un esquema en sección transversal de la FIG. 2D. La fuerte atracción magnética entre los imanes 230 y 245 (mostrados por flechas en la FIG. 2E) mantiene unido el ensamblaje del robot.

Para desmontar el robot, la vejiga flexible se infla a través de la entrada 270 al canal 225, formando una cámara 280 expandida y expandiéndose hacia el módulo blando. La FIG. 2F muestra que el accionamiento neumático de la vejiga elastomérica aumenta el espacio entre la pata blanda y el conector y la FIG. 2G muestra un esquema en sección transversal de la FIG. 2F. Las FIGs. 2H-2I muestran una perspectiva superior y vistas laterales de un conector inflable totalmente accionado, que se aleja y se desconecta de la pata blanda (no se muestra). La FIG. 2J muestra un esquema en sección transversal de un conector inflable completamente accionado.

El proceso inverso -desmontaje de módulos- se puede realizar usando un disparador neumático por parte del teleoperador. La capacidad de ensamblar y desensamblar módulos robóticos o mecánicos de forma remota a través de una combinación de actuadores neumáticos y conectores magnéticos autoalineables no se ha demostrado previamente.

Los mecanismos alternativos que utilizan electroimanes permiten la separación de dos módulos unidos por fuerza magnética. Este mecanismo requeriría cableado y circuitos adicionales, y un suministro de electricidad para mantener o alterar la conectividad del ensamblaje. Los métodos anteriores para la conexión remota y reversible utilizaban ya sea energía eléctrica o un sofisticado sistema de sensores y controles.

Diseño y fabricación de patas blandas, pinzas y tentáculos

Como se muestra en las FIGs. 8A-8C, se puede insertar un imán anular de NdFeB en una sección designada de un módulo blando, y el imán se puede sellar contra una membrana delgada (~0,7 mm) de elastómero de silicona. La FIG.

8C es un esquema en sección transversal de una pinza blanda 800 de seis brazos, vista desde el lado. La pinza consistía en una capa extensible de Ecoflex® 0030 y una capa de PDMS que limita la tracción. Todos los canales 810 laterales estaban conectados en el centro de la pinza a través del canal 830 central, que estaba conectado a una entrada 820 de aire en la parte superior. Un imán 840 anular de NdFeB magnetizado axialmente se incrustó en la parte superior de la pinza. El canal central pasa por el centro del imán anular incrustado. La FIG. 8A es un esquema en sección transversal de la pinza blanda, visto desde la parte superior con la altura definida por la línea M-N. (c) La FIG. 8B es un esquema en sección transversal de la pinza blanda como se ve desde la parte inferior con la altura definida por la línea O-P.

En otra realización, se pueden incrustar cuatro bolas 850 de acero en la base agrandada de un tentáculo 855 blando, como se muestra en las Figs. 8D y 8E. El uso de acero simplifica el proceso de incrustar material magnetizable en un pequeño volumen confinado y una atracción magnética más débil entre el tentáculo y el adaptador evita daños (por ejemplo, desgarro) en el módulo blando durante su desmontaje. El tentáculo se puede diseñar con cuatro canales laterales, de modo que estos canales laterales estén igualmente distantes del centro del tentáculo y estén separados 90 grados. La incorporación de cuatro canales laterales proporciona flexibilidad para manipular componentes adicionales insertados o interconectados con el tentáculo.

Se pueden incluir otras capacidades en el módulo blando. Por ejemplo. se puede instalar una cámara de video miniaturizada en el extremo 860 apical del canal central del tentáculo blando, y el tentáculo blando combinado de la cámara se puede utilizar como sensor óptico flexible. Alternativamente, el tentáculo blando se puede reutilizar para interactuar con una pinza blanda incrustando un imán anular 870 de NdFeB en su ápice e insertando un tubo flexible a través del centro hueco del imán anular y el canal central del tentáculo (FIGs. 8D , 8F).

Se pueden usar polímeros elastoméricos o flexibles para preparar los módulos accionables blandos. Elastómeros a manera de ejemplo incluyen elastómeros de silicona; elastómeros de silicona a manera de ejemplo para la capa extensible (elástica) incluyen Ecoflex® 0030, Ecoflex® 0050, Elastosil® M4601 y Dragon Skin® 30; elastómeros de silicona a manera de ejemplo para la capa (más rígida) que limita la tracción incluyen T PDMS Sylgard® 184 y papel Composite Elastosil® M4601. Para permitir el accionamiento de patas blandas (cada pata pesa 6.5 g) bajo carga pesada (> nueve veces el peso de cada pata individual), la capa extensible para módulos blandos está hecha de un elastómero de módulo de Young relativamente alto. La goma de silicona hecha de la mezcla de Ecoflex 0050 (70%) con Dragon Skin 30 (30%) proporciona a las patas blandas tanto la rigidez contra la fuerza de compresión ejercida por el peso combinado de todos los componentes como la elasticidad para el accionamiento neumático. Para la pinza blanda, se puede utilizar elastómero (Ecoflex 0030) del módulo de Young inferior para la función de la capa extensible. Después del curado de la capa extensible, se selló el elastómero incrustado con imán contra una lámina que limita la tracción hecha de poli(dimetilsiloxano) (PDMS) (Dow Corning, Sylgard®184). Para evitar el colapso del tentáculo bajo su propio peso y proporcionar la flexibilidad y fuerza de elevación necesarias para levantar un objeto durante la manipulación de una pinza, se puede utilizar una mezcla más rígida de elastómero como Ecoflex 0050 (40%) y Dragon Skin 30 ( 60%) para fabricar el tentáculo blando. Los detalles de estos actuadores robóticos blandos se analizan en los ejemplos y en la Solicitud PCT No. US11/61720.

Ensamblaje blando-blando

En una realización, se consiguió el accionamiento de una máquina blanda ensamblada que consiste en dos módulos blandos. Como se muestra en la FIG. 3A, se conectaron dos patas blandas con imán anular incrustado y se insertó un tubo de poli(etileno) como entrada de aire a una de las patas blandas. La presurización de los canales neumáticos internos de las patas blandas con aire provocó el inflado y la flexión de todo el ensamblaje suspendido vertical u horizontalmente (como se muestra en las FIGs 3B-3D). Estos resultados demostraron que los imanes de NdFeB incrustados forjaron una conexión estable entre dos patas blandas (fuerza de arrastre ~3N) y autoalinearon las redes abiertas en los centros huecos de los anillos para formar un canal continuo bien sellado que admite el accionamiento neumático del ensamblaje.

También se logró el ensamblaje y accionamiento de módulos blandos que tienen complejas redes neumáticas tridimensionales. Se aplicó un ensamblaje modular para conectar un tentáculo blando y una pinza blanda usando imanes para ilustrar la utilidad de un conector magnético en la creación de prototipos de robots blandos que tienen canales neumáticos internos tridimensionales complicados (FIG. 3E). El accionamiento neumático a través del canal central del tentáculo permitió que el tentáculo-pinza suspendido verticalmente tomara una esfera (peso, 9.5 g) y la mantuviera en el aire (FIGs. 3F-3H). El mecanismo de accionamiento de cuatro canales laterales del tentáculo blando proporcionó a la pinza blanda grados adicionales de libertad para manipular objetos en un espacio tridimensional (véase abajo). Moldear una máquina de tentáculo-pinza blandos en un solo paso sería difícil debido a la compleja arquitectura de las redes neumáticas internas.

Diseños y fabricaciones de colectores rígidos, conectores magnéticos y contenedores magnéticos

En una o más realizaciones, el conector magnético rígido puede asegurarse en un andamio principal. El andamio puede asegurar una serie de conectores magnéticos duros, cada conector, por ejemplo, puede ensamblarse con un módulo blando. De esta manera, se puede obtener un robot híbrido duro-blando que tiene múltiples componentes blandos. Los conectores magnéticos duros individuales (y su módulo blando asociado) pueden tener capacidad de accionamiento coordinado o integrado. En una o más realizaciones, el andamio principal puede sujetar rígidamente los conectores magnéticos duros en una relación fija entre sí.

Se puede fabricar un marco 900 hexagonal duro (FIG. 9A) como andamio principal y cuerpo central de un robot modular. Este marco tenía seis encastres 910 laterales (FIG. 9B) y un centro 920 hueco; estas cavidades se diseñaron para encajar de forma ajustada y mecánica con siete conectores magnéticos duros (uno para el centro y los otros seis para los encastres laterales) de formas y dimensiones coincidentes (FIGs. 9A-9C). Se puede utilizar un marco cuadrilátero con conectores con imán incrustado sobre cada lado para ensamblar un andador cuadrúpedo. Los dos conectores magnéticos laterales adicionales montados sobre el colector hexagonal brindan más oportunidades para introducir diferentes módulos (por ejemplo, contenedor) para otras funciones (por ejemplo, almacenamiento).

Para conectar módulos duros a actuadores blandos con imán incrustado, se insertaron imanes 930 de NdFeB en los adaptadores 940 duros. Estos módulos incluían conectores magnéticos del lado duro para interactuar con la pata blanda, un conector magnético central duro para anclar el tentáculo blando, y contenedores blandos para almacenamiento y transporte de cargas. El conector magnético lateral tenía un canal 950 abierto en el centro hueco del imán anular incrustado para servir una entrada de aire para el accionamiento neumático del actuador blando (FIGs.

9D-9F). También se contempla un marco 900 hexagonal duro con conectores magnéticos laterales incorporados. Los conectores 960 magnéticos centrales para el tentáculo blando alojaban una matriz radial de imanes 970 de bola de NdFeB en el bolsillo 975 para atraer las esferas de acero incrustadas en el tentáculo y para mantener el tentáculo en su lugar (FIGs. 9G-9I). Para facilitar el transporte de objetos del tamaño de un centímetro por robots de múltiples patas, se fabricaron contenedores 980 de almacenamiento rígido con interfaces 985 magnéticas que pueden unirse y desconectarse de manera reversible de los conectores laterales (FIGs. 9J-9L). En las FIGs 9M-9O se muestra un cuerpo duro ensamblado manualmente, que comprende un marco 900 hexagonal, seis adaptadores 940 laterales, un adaptador 960 central y dos contenedores 980.

Las ventajas de algunos sistemas a manera de ejemplo ensamblados a partir de componentes duros y blandos incluyen: (i) Los robots de múltiples patas ensamblados usando patas blandas y un marco rígido con conectores magnéticos pudieron caminar sobre superficies rígidas y no resbaladizas. Las patas blandas pudieron reemplazarse para su reparación o cambiarse por patas de diferente tamaño, material o forma; (ii) la modificación de andadores cuadrúpedos con una serie de tentáculos blandos funcionalmente distintos permitió a estos robots realizar vigilancia óptica o manipular objetos de un centímetro cuando se combinaban con un módulo de pinza blanda adicional; y (iii) el disparo remoto del desprendimiento de dos módulos con una burbuja neumática integrada que permitió la reconfiguración remota y la carga y descarga de cargas del robot.

Se utilizaron materiales duros para el cuerpo central de un andador cuadrúpedo blando por dos razones: Primero, se muestra un colector duro rígido con adaptadores en forma de cuña para interactuar con actuadores blandos (por ejemplo, patas) en un ángulo inclinado fijo. Por lo tanto, la rigidez del cuerpo duro de un andador blando-duro mantuvo un ángulo mínimo de contacto entre las patas blandas y el suelo para la locomoción, y proporcionó un sustituto del accionamiento neumático continuo que sería necesario para mantener la curvatura del cuerpo central de un andador completamente blando. En segundo lugar, el centro de un colector rígido puede hacerse hueco, y el vacío reduce el peso del robot y proporciona espacio adicional para montar otros módulos (por ejemplo, sensores, fuentes de energía, tentáculos y pinzas).

Todo el cuerpo duro de un robot blando-duro se puede fabricar como un monolito. Alternativamente, los cuerpos duros de estos robots se ensamblan manualmente a partir de componentes individuales con conectores mecánicos o magnéticos. La adopción de esta estrategia alternativa de creación de prototipos del cuerpo duro acelera las pruebas de diversos diseños y permite el reemplazo rápido de componentes dañados por partes nuevas. Además, los componentes no esenciales para una tarea en particular se pueden quitar para reducir la masa de robots.

Ensamblaje blando-duro

Se utilizaron conectores magnéticos para construir, además de los robots ensamblados a partir de módulos blandos, robots blandos-duros exclusivamente híbridos que consisten en un marco hexagonal duro y seis conectores magnéticos duros y patas blandas. Los seis conectores magnéticos duros se bloquearon mecánicamente en los encastres del marco hexagonal. A continuación, las patas blandas se unieron manualmente a los conectores magnéticos duros y se utilizó la atracción magnética entre los módulos blandos y duros para mantener la integridad estructural del ensamblaje.

La reversibilidad de la conexión magnética permitió que el robot se reconfigurara rápidamente. Esta versatilidad permitió a un operador variar el número (FIGs 4A-4B) y la distribución de patas blandas alrededor del marco hexagonal (FIGs 4C-4D), intercambiar y combinar patas de diferente tamaño (FIG. 4E), material (FIG. 4F ) o forma (FIG. 4G), o reemplazar rápidamente las patas dañadas. Las patas hechas de material compuesto de silicona-papel o modificadas para tener diferentes almohadillas en la rodadura, por ejemplo, púas, demostraron todas una capacidad de locomoción.

La estabilidad de la conexión magnética permitió la locomoción de un cuadrúpedo blando-duro. Se operó un cuadrúpedo híbrido blando-duro -un robot con cuatro patas blandas y un cuerpo duro (con un peso de 63 g, excluidas las ataduras)- utilizando una fuente de aire comprimido controlada por ordenador. El accionamiento neumático secuencial de las patas (activación de 400 ms a -50-70 kPa para cada pata en cada ciclo) dirigió al robot a caminar sobre una superficie plana, rígida y no resbaladiza por una distancia de 0.3 m a una velocidad de -17 m/h (FIGs 4H 4L). La capacidad del robot ensamblado para caminar mostró que la estabilidad de estas conexiones magnéticas respaldaba las demandas estructurales asociadas con la locomoción.

Robot multifuncional construido mediante ensamblaje modular

Una ventaja importante del ensamblaje modular es la capacidad de incorporar e integrar módulos adicionales para proporcionar una nueva capacidad al robot. Por ejemplo, un robot modular blando-duro que consiste en un sensor óptico y patas blandas para caminar puede proporcionar al teleoperador una retroalimentación visual de su entorno circundante, y esta información permitirá a su controlador conducir el robot alrededor de obstáculos y monitorizar el entorno inmediato.

Para ensamblar un topógrafo móvil cuadrúpedo tal como el robot descrito anteriormente, se insertó una pequeña cámara de video en el ápice de un tentáculo blando y la base de este sensor óptico flexible se ancló a un cuerpo duro de un cuadrúpedo blando-duro usando conexiones magnéticas (FIG. 5A). El tentáculo blando tenía cuatro canales laterales, cada uno de los cuales podía accionarse individualmente (FIGs 5B-5E) o dos de los cuales simultáneamente (FIG 5F) para colocar la cámara de video insertada en una amplia gama de ángulos.

Bajo accionamiento neumático controlado por ordenador, el topógrafo ensamblado se movió hacia una ubicación objetivo -una taza de Styrofoam®. Luego, el accionamiento neumático de los canales laterales de tentáculos blandos se controló manualmente para colocar la cámara de video en un ángulo inclinado, y a través de una ventana sobre la superficie del contenedor, la cámara de video capturó la imagen de un mensaje oculto, "GMW Gp , "dentro de la taza (FIGS 5H-5J).

Modificaciones remotas de robot y máquina

Los robots reconfigurables manualmente están limitados a realizar tareas predeterminadas por la conectividad y funciones de los módulos ensamblados. La modificación remota de robots permite al operador ajustar las funciones de los robots de acuerdo con la situación en el suelo.

La estructura de un robot caminante blando-duro hexápodo se puede alterar de forma remota. Por ejemplo, un robot se puede ensamblar inicial y manualmente a partir de un cuerpo duro y seis patas blandas. El cuerpo duro puede consistir de un marco hexagonal, cuatro conectores magnéticos duros y dos conectores inflables. Estos seis conectores se pueden acoplar mecánicamente con los encastres del marco hexagonal. Dos de estas patas se pueden conectar a conectores inflables ("vejigas"), que se pueden accionar neumática e independientemente. Los canales centrales de los cuatro conectores duros y los dos conectores inflables pueden servir como entradas de aire para el accionamiento neumático de patas blandas conectadas mediante interfaz magnética.

Se ató un robot hexápodo, blando-duro, como se describe anteriormente, a una fuente de aire comprimido. Las patas blandas conectadas a los conectores inflables se accionaron neumáticamente a través del canal central en cada adaptador (FIGs 6A, 6B). El accionamiento coordinado de las seis patas dirigió al robot hexápodo a caminar sobre una superficie plana, rígida y no resbaladiza. Cuando se presuriza con aire comprimido, una vejiga inflada aumenta la distancia entre la pata y el conector, y el torque ejercido por el peso de la pata blanda finalmente supera la fuerza de atracción debilitada entre los módulos con imán incrustado (FIGs 6C, 6D). El desmontaje de patas blandas accionado neumáticamente transformó un robot hexápodo en un andador cuadrúpedo sin contacto físico entre el operador y los módulos del robot (FIG. 6E).

Robot cuadrúpedo blando-duro utilizado para cargar, transportar y descargar carga

Para demostrar la viabilidad de combinar actuadores neumáticos y conectores magnéticos para el ensamblaje y desmontaje remoto de un robot, se equipó un cuadrúpedo blando-duro con dos contenedores duros conectados a dos conectores inflables mediante acoplamiento de interfaz magnética (FIG. 7A). Este robot tenía un contenedor izquierdo con una pinza blanda incrustada con imán y un contenedor derecho reteniendo dos esferas para equilibrar el peso de la pinza. Se colocaron un tentáculo blando modificado con un imán anular en el ápice y un tubo de poli(etileno) a través del canal central en el centro del robot para la manipulación de objetos.

Se ordenó al robot blando-duro que caminara hacia su objetivo (una esfera verde) utilizando un accionamiento neumático controlado por ordenador (FIG. 7B). Inflar el canal lateral (véase el recuadro de la FIG. 7C) del tentáculo blando con aire hizo que el tentáculo blando se doblara hacia el contenedor que llevaba la pinza blanda. La fuerza magnética atractiva entre la pinza y el imán anular en el ápice del tentáculo doblado jaló las dos unidades blandas a corta distancia, y autoalineó el canal neumático central abierto del tentáculo blando con el de la pinza blanda.

Para probar la función de la tentáculo-pinza blanda ensamblada remotamente en la manipulación de objetos del tamaño de un centímetro, se usó el tentáculo para colocar la pinza sobre el objetivo (FIG. 7D), se accionó la pinza para levantar la esfera (FIG. 7E), se reposicionó la pinza con el tentáculo usando control neumático (FIG. 7F), y se soltó el objeto en un recipiente vacío (FIG. 7G). El reinicio de la activación neumática de las patas blandas permitió al andador duro-blando transportar las cargas a una ubicación diferente.

[0061] Los recipientes unidos magnéticamente se desconectaron del cuadrúpedo inflando las vejigas elastoméricas integradas. Después de activar el desmontaje de los contenedores de las interfaces magnéticas, el robot completó la entrega de sus cargas (FIGs 7H-7J).

Cuantificación de la fuerza del conector magnético.

Para cuantificar la resistencia a la tensión de la conexión magnética, se realizó una medición de la fuerza de arrastre sobre los módulos blandos ensamblados utilizando el instrumento de prueba de fuerza-tensión Instron® modelo 5566. El desmontaje de las dos patas blandas (peso, 6.6 g cada una) requiere una fuerza de tensión aproximada de 3.0 N aplicada verticalmente y a lo largo del eje longitudinal central del ensamblaje (FIG. 10) mantenidos juntos por dos imanes anulares de NdFeB idénticos (DI*OD*grosor: 1/8 "* 3/8" * 1/16") de 6.7 N de fuerza de arrastre en la interfaz. La reducción de la fuerza de arrastre (en un 55 %) es probablemente el resultado de la separación espacial (grosor combinado de la membrana de sellado ~ 1.5 a 2 mm) entre los dos imanes. Se variaron las dimensiones de imanes anulares y la elasticidad de los materiales en los que estaban incrustados, y la fuerza de atracción magnética entre estos imanes se determinó en función del desplazamiento paralelo (tensión) o perpendicular (cizallamiento) a sus ejes de magnetización (eje z ). La carga de tensión soportada por la conexión magnética entre dos módulos duros (gráficos de hM_hL y hM_hM, véase el recuadro de la FIG. 12A) decayó rápidamente al aumentar la separación (FIG. 12A). Por el contrario, la membrana, (grosor: 0.6-1.0 mm) necesaria para sellar el imán dentro de un actuador blando en una conexión blanda-dura, garantizó que los dos imanes involucrados en esta conexión nunca estarían en contacto directo y, por lo tanto, aumentó la separación inicial entre los dos imanes. Como resultado, las cargas de tensión máximas soportadas por las fuerzas de atracción magnética dentro de las conexiones blandas-duras (hM_sL y sM_hM) fueron similares a las de las conexiones duras-duras separadas por una brecha de aire de distancia similar (definida por la membrana, 0.6-1.0 mm), aproximadamente un 60 % más bajo que cuando los dos imanes incrustados en módulos duros estaban en contacto directo (0 mm) (FIG. 12A). Las gráficas de carga de tensión frente a desplazamiento (Figura 12A) en conexiones blandas-duras también tenían una forma diferente a las gráficas equivalentes de conexiones duras-duras. En una conexión blanda-dura, la fuerza inicialmente aumentó gradualmente con el desplazamiento porque la fuerza de tensión estiró el actuador blando mientras los dos módulos permanecían en contacto. Cuando la carga aplicada excedió la fuerza de atracción para mantener dos módulos juntos, la conexión se cortó y el módulo blando retrocedió a su longitud original. El aumento repentino de la brecha entre los imanes condujo a la rápida reducción de la fuerza magnética que resistía el desplazamiento del módulo duro.

Además de la carga de tensión, también se investigó la carga de cizallamiento. De manera similar a lo que se observó en los estudios de tensión, la resistencia contra la carga de cizallamiento disminuyó rápidamente al aumentar la distancia de separación (entrehierro) entre dos módulos duros (Figura 12B). Sin embargo, con una brecha de aire de 0.6 mm (o 1.0 mm), los imanes incrustados en módulos duros mostraron una resistencia al cizallamiento de 50 a 60 % menor que el mismo par magnético separado por una membrana de silicona, en lugar de aire, de grosor similar (0.6-1.0 mm) en una conexión blanda-dura (FIG. 12B). La mayor resistencia de la conexión blanda-dura contra el cizallamiento puede deberse a la fricción entre el imán incrustado en el módulo duro y la superficie del actuador blanda.

La conexión magnética admite la conducción de corriente eléctrica para encender la electrónica incrustada en un ensamblaje duro-blando

Las conexiones magnéticas de acoplamiento no se limitan a soportar el accionamiento neumático. Por ejemplo, el contacto físico en la interfaz entre dos módulos se puede aprovechar para conducir corriente eléctrica de un módulo a otro. Para probar si la interfaz magnética puede conducir electricidad entre módulos para alimentar pequeños dispositivos electrónicos, se insertaron diodos emisores de luz (LED) en la punta de varias patas blandas incrustadas con imanes, y se conectaron a un módulo que contenía una fuente de batería. La FIG. 11A muestra una fotografía y una sección transversal esquemática, respectivamente, del módulo blando que contiene una batería de iones de litio. La FIG. 11B muestra una fotografía y una sección transversal esquemática, respectivamente, del módulo blando (pata) que contiene un LED. Los LED incrustados en las patas blandas se iluminaron cuando las tiras de láminas de aluminio sobre la cara de las patas blandas entraron en contacto con la lámina metálica recíproca conectada a una fuente de alimentación de batería (4,5 V) alojada en la unidad contigua (FIGs. 11C-11D ).

Sin embargo, la presencia de una lámina de aluminio en la capa limitadora de tracción puede impedir el accionamiento neumático de las patas blandas. Para minimizar la interferencia de la lámina de metal sobre el accionamiento de los módulos blandos, una porción de la lámina de metal incrustada en la capa limitadora de tracción se reemplazó con una aleación de metal galio-indio líquida eutéctica (EGain). La sustitución de la lámina de metal por EGain redujo la cantidad de presión requerida para el accionamiento de las patas blandas y eliminó la posibilidad de un circuito eléctrico roto causado por el desgarro de la lámina de metal en la capa limitadora de tensión durante el accionamiento repetido.

Alternativamente, se puede diseñar un marco para un andador duro-blando para conducir la electricidad desde el cuerpo duro hasta las patas blandas. El suministro de corriente eléctrica puede permanecer estable para alimentar los LED cuando el cuadrúpedo está caminando.

Se demostró la utilidad de los conectores magnéticos para ensamblar robots blandos accionados neumáticamente que tienen componentes hechos de materiales similares o diferentes, y aquellos que tienen complejas redes tridimensionales internas de canales neumáticos que son difíciles de fabricar como monolito. Estos conectores magnéticos permitieron una reconfiguración rápida y reversible de robots híbridos blandos-duros para reparar, probar nuevos diseños y realizar nuevas tareas. Además, la combinación de actuadores neumáticos y conectores magnéticos autoalineables permitió a un teleoperador ensamblar y desmontar robots a pedido. La capacidad de modificar robots de forma remota mediante conectores neumáticos y magnéticos hace avanzar el diseño, control y funcionamiento de robots duros-blandos.

La invención se describe con referencia a los siguientes ejemplos, que se presentan únicamente con fines ilustrativos y no pretenden limitar la invención.

Los ejemplos 1 a 5 se relacionan con la fabricación de componentes que no incluyen una vejiga inflable y, por lo tanto, quedan fuera del alcance de las presentes reivindicaciones. Sin embargo, se conservan como información útil para fabricar otros componentes de la invención.

Ejemplo 1. Fabricación de patas blandas incrustadas con imanes anulares

Un actuador de patas blandas consistía en una capa extensible y una capa limitadora de tensión. Los moldes (parte A, B, C y D) utilizados para fabricar la capa extensible de patas blandas se muestran en la FIG. 13A. Elastómeros a manera de ejemplo incluyen elastómeros de silicona; elastómeros de silicona a manera de ejemplo para la capa extensible (elástica) incluyen Ecoflex® 0030, Ecoflex® 0050, Elastosil® M4601 y Dragon Skin® 30; elastómeros de silicona a manera de ejemplo para la capa (más rígida) que limita la tracción incluyen T PDMS Sylgard® 184 y papel Elastosil® M4601 Composite. Se ensamblaron los moldes para las partes A y B como se indica en la Figura 13B. Se insertó un tubo de polietileno (dimensión: 1.22 mm (D.E.) x 0.76 mm (D.I.)), con una aguja de calibre 21 en el interior, a través del orificio en el centro de la parte B (Figura 13C). El tubo se utilizó como una entrada de aire, conectando la red interna de canales en el componente de la pata a una fuente externa de aire comprimido, para su accionamiento neumático. Luego se llenó el molde ensamblado con prepolímero líquido (Figura 13D) y se desgasifico todo el ensamblaje durante 5 min para eliminar las burbujas de gas residuales. A continuación, se agregó la parte C del molde superior (FIG. 13E) y se retiró el exceso de prepolímero líquido con una cuchilla de afeitar. Paralelamente, se llenó el molde de la parte D con otro prepolímero líquido (Dragon Skin® 30), se retiró el exceso de prepolímero con una cuchilla de afeitar y se insertó un tubo de polietileno (con una aguja adentro) a través del orificio en centro del molde (FIG.

13F). Se curaron los prepolímeros líquidos que llenaban los moldes ensamblados (partes A, B y C) y el molde de la parte D a 65 °C durante 40 min y 10-15 min respectivamente. Una vez que se completó el curado, los elastómeros se enfriaron a temperatura ambiente. A continuación, se retiró el molde de la parte B junto con los tubos y la aguja, y se insertó un imán anular de NdFeB del tamaño apropiado en el rebaje. Se recubrió la cara de la capa extensible que albergaba el imán anular con prepolímero líquido adicional (Dragon Skin® 30), y se colocó la capa delgada de elastómero (~0,6-1,0 mm) previamente curado y permaneció adherida sobre el molde la parte D-sobre la parte superior para sellar el imán (FIG. 13G-I). Se completó el proceso de curado después de 4 horas a temperatura ambiente. Se retiró la capa extensible de los moldes y se recortó con un par de tijeras (o cuchilla de afeitar) para eliminar el exceso de polímero (FIG. 13J). Se fabricó la capa limitante de tracción de una pata blanda a partir de PDMS, con base en el siguiente procedimiento: Se mezclaron la base y el agente de curado (10: 1 p/p) del prepolímero líquido de PDMS, se desgasificaron bajo presión reducida durante 20-30 min para eliminar las burbujas de gas, y se colaron en un contenedor de vidrio para obtener un grosor de ~1-2mm. Después de curar a 65 °C durante 40-60 min, se retiró el recipiente de vidrio recubierto con PDMS del horno y se enfrió a temperatura ambiente.

Se aplicó una película fina de prepolímero líquido de PDMS como pegamento para sellar la red de canales de la capa extensible contra la capa limitante de tracción. Se curó el ensamblaje inicialmente a temperatura ambiente durante 2­ 4 horas, y luego a 65 °C durante 1 hora para acelerar el proceso de curado. Alternativamente, el pegamento se puede curar en un solo paso a temperatura ambiente durante 24 horas. Una vez que se completó el curado, se retiró el exceso de membrana de PDMs alrededor de la pata blanda con una cuchilla de afeitar.

Ejemplo 2. Procedimiento para preparar patas puntiagudas con imanes anulares

Se preparó la capa extensible de las patas puntiagudas con el mismo procedimiento que se describe en el Ejemplo 1 para la fabricación de patas blandas usando una mezcla de Ecoflex® 0050 y Dragon Skin® 30 (en la relación de 7:3 (p/p )). Se fabricó la capa limitadora de tensión que contenía picos con una impresora Objet 3D. Los picos estaban hechos de plásticos duros y rígidos, y estaban impresos directamente sobre una fina capa de caucho flexible, incorporada con una serie regular de agujeros. Se recubrió la base gomosa de la capa limitante de tracción con prepolímero líquido PDMS y se curo a temperatura ambiente durante la noche (> 12 horas). Luego se selló la capa extensible de la pata contra el PDMS utilizando el mismo método de unión descrito anteriormente.

Ejemplo 3. Fabricación de patas eléctricamente conductoras incrustadas con un LED.

Se insertó un LED en la punta de una pata blanda con imán incrustado y se encerró una fuente alimentada por batería en un colector blando con imán incrustado para probar si la interfaz magnética podía proporcionar suficiente contacto para conducir la electricidad entre dos módulos adyacentes para encender el LED. Luego se usaron tiras de papel de aluminio para conectar la fuente de energía de la batería en el centro de un colector blando a la interfaz magnética en la periferia (FIG. 11A). La FIG. 11A muestra un colector de elastómero blando (Ecoflex® 0030). El centro del colector contenía una fuente de energía de D.C. (3 baterías de Li), que estaba conectada a la periferia del colector con tiras de papel de aluminio (Al). El recuadro muestra el esquema de la sección transversal del colector a lo largo de la línea AB. El LED encerrado en la pata blanda se conectó de manera similar a la interfaz magnética utilizando tiras de papel de aluminio selladas dentro de la capa limitadora de tensión del actuador (Figura 11B). La FIG. 11B muestra la vista superior e inferior de las patas blandas eléctricamente conductoras, incrustadas con LED. El recuadro muestra el esquema de sección transversal longitudinal de la pata. Los LED incrustados en estas patas blandas se iluminaron cuando hicieron contacto físico con el colector central en la orientación correcta, en los que tres patas blandas conductoras se pusieron en contacto con el colector central y se iluminaron sus LED incorporados (Figura 11C). Además, se accionaron neumáticamente dos de las patas blandas a través del colector central; los LED integrados continuaron encendidos durante este accionamiento (Figura 11D). Este resultado muestra que el contacto eléctrico en la interfaz magnética permaneció suficientemente estable para conducir electricidad cuando los actuadores blandos acoplados magnéticamente estaban en movimiento.

Ejemplo 4. Fabricación de tentáculo blando con imanes incrustados

Los tentáculos blandos utilizados en este estudio tenían un canal central y cuatro canales laterales independientes, paralelos y equidistantes del canal en el centro.

Se mezclaron el prepolímero líquido de Ecoflex® 0050 y Dragon Skin® 30 en una relación de 4:6 (p/p) (~ 60 g en total), y se desgasificó la mezcla a presión reducida durante 3 min para eliminar las burbujas. Se llenó el ensamblaje del "molde inferior" (partes-A (* 1), -B (* 1) y -C (* 4)) con el prepolímero líquido (altamente viscoso), se desgasificó durante 2 min, y se repitió el paso de desgasificación una vez más para eliminar las burbujas residuales. Se insertaron moldes adicionales (partes-D (* 4), -E (* 1) y -F (* 2)) (FIG. 14A) en el ensamblaje inferior, como se muestra en la FIG. 14B. El molde ensamblado se inclinó entonces 90° y se llenó rápidamente con un exceso de prepolímero líquido para cubrir todos los moldes de la parte D del ensamblaje (FIG. 14C). Se insertaron agujas en cuatro lados de la parte B para alinear los orificios pasantes en las partes A, B, C y D, y se usaron para crear entradas de aire para los canales laterales. El recuadro en la esquina inferior derecha muestra una vista ampliada de los moldes. El recuadro en la esquina superior derecha muestra un ensamblaje sin la parte B, que se retiro para mayor claridad para mostrar la alineación de la moldura de las partes A, C y D con una de las agujas. Se desgasficó el ensamblaje durante 1 min y se rellenó con más prepolímero líquido. Después de repetir el paso de desgasificación y rellenado una vez más, se combinó el molde ensamblado con la parte F, ya llena con el mismo prepolímero líquido, y rápidamente se volvió a inclinar todo el ensamblaje a su posición vertical. Se insertaron las partes G y H para completar el ensamblaje de los moldes (FIG. 14D). Se agregaron las partes G y H secuencialmente para completar el ensamblaje. Los recuadros en las esquinas inferior y superior derecha muestran una vista ampliada de la parte G y H respectivamente. Se curó inicialmente el ensamblaje lleno de prepolímero durante 1 hora a temperatura ambiente, y periódicamente se rellenó con prepolímero líquido adicional para compensar las fugas de las brechas entre las partes individuales del molde. Después de curar durante 40-60 min a 65 °C, se desmontó el molde. Se mantuvo el molde de la parte E en el canal central para el siguiente paso.

Se insertaron moldes de la parte I (* 4) en los canales laterales vacíos del tentáculo (FIG. 15A). Cada uno de los moldes de la parte I tenía un orificio de paso en un extremo, y cada orificio de paso estaba alineado con la entrada de aire de un canal lateral. Después de la alineación, se llenó la base del tentáculo con prepolímero líquido para Dragon Skin® 30 e inmediatamente se colocaron cuatro imanes anulares (dimensión: 1/4 "(OD) * 1/8" (ID) * 0,1 "(grosor )) en los rebajes designados (FIG. 15B). Se insertó una aguja a través del centro hueco de cada imán anular mientras el prepolímero aún estaba en forma líquida, y se dejó reposar suavemente la punta puntiaguda de la aguja dentro del orificio de paso del molde de la parte I sin perforar la pared del canal central (FIG. 15C). Luego se curó el ensamblaje durante 4 horas a temperatura ambiente y se retiraron los moldes de la parte I y las agujas del ensamblaje.

Sensor óptico flexible

Después de sellar los imanes anulares en la base con elastómero, se ajustó una brida de plástico a 0.5-1.0 cm por debajo de la parte superior del tentáculo para estrechar temporalmente las secciones de los canales laterales. Las aberturas superiores de estos canales laterales se llenaron posteriormente con prepolímero líquido (Dragon Skin® 30). La FIG. 15D muestra una vista superior ampliada de un tentáculo destinado a un sensor óptico flexible. El recuadro inferior muestra la abertura superior de los canales laterales estrechados, cuando se llena con prepolímero líquido. Después de curar durante 30-45 min a 65 °C, se retiró la brida con un par de tijeras. Se completó la fabricación del sensor óptico flexible, reemplazando la parte E en el canal central con una cámara de video CMOS en color en miniatura (Superciruits, Inc.). La FIG. 15E muestra un imán anular de NdFeB que se insertó en la parte superior de un tentáculo destinado al acoplamiento magnético con una pinza blanda incrustada con imán. El recuadro muestra la vista ampliada superior del tentáculo incrustado con un imán anular de NdFeB.

Tentáculo-pinza

Después de sellar los imanes anulares en la base de un tentáculo blando con elastómero, se desplazó el molde de la parte E hacia abajo, a ~0.5-1.0 cm por debajo de la parte superior del tentáculo. Luego se estrechó la porción superior de los canales central y lateral apretando el tentáculo con una brida de plástico y se llenó la abertura superior con el prepolímero líquido Dragon Skin® 30. Un imán anular, con dimensiones de 1/8" (O.D.) * 3/8" (I.D.) * 0.06" (grosor), se colocó posteriormente en el ápice del tentáculo (Figura S9e) y luego se selló con prepolímero líquido Dragón Skin® 30 adicional. A continuación, el ensamblaje se curó a 65 °C durante 30-45 min con el fin de sellar el imán anular y la abertura superior de cada canal. Una vez que se completó el curado, se retiró la brida de plástico y se usó una aguja larga (D.E .: 0.90 mm) para perforar el canal central (con cuidado de no perforar los canales laterales) desde la parte superior. La aguja insertada se utilizó como plantilla temporal para guiar la inserción de un tubo de polietileno (D.I .: 1,14 mm; D.E .: 1.57 mm; longitud: 15 mm) a través del canal central. Después de la inserción del tubo de polietileno de toda la longitud y teniendo uno de sus extremos incrustado en la parte superior, se retiró la aguja, y así se completó la fabricación del tentáculo para el acoplamiento magnético con una pinza blanda.

En las FIG. 16 y FIG. 17 se muestran esquemas en sección transversal de ambos tentáculos y un tentáculo-pinza acoplado magnéticamente, respectivamente. La FIG. 16 ilustra esquemas de sección transversal longitudinal de (a) un tentáculo blando con el propósito de un sensor óptico flexible, y (b) un tentáculo blando destinado a acoplamiento magnético con una pinza blanda. Cada tentáculo fue diseñado con cuatro canales laterales y un canal central; todos los canales se diseñaron paralelos entre sí y su longitud se extendió a lo largo del eje longitudinal de los tentáculos. Los recuadros entre los Paneles (a) y (b) muestran esquemas de sección transversal perpendicular al eje central de los tentáculos. Los recuadros superior e intermedio muestran esquemas de los tentáculos, como se ve desde la parte superior. El imán incrustado en la parte superior del tentáculo como se muestra en la imagen (b) se usó para acoplar con un actuador incrustado con imán (por ejemplo, una pinza blanda). La base de ambos tentáculos compartía el mismo diseño, como se muestra en el recuadro inferior. La base de un tentáculo tenía cuatro imanes anulares de NdFeB incrustados; el centro de cada imán anular se alineó con la abertura de la entrada de aire de un canal lateral. (c) Esquema en sección transversal longitudinal de un tentáculo blando montado con una cámara de video CMOS en el canal central. (d) Esquema en sección transversal longitudinal de un tentáculo blando insertado con un tubo de polietileno. El tubo se utilizó para el accionamiento neumático de una pinza blanda acoplada magnéticamente. La FIG.

17 muestra un esquema en sección transversal de un tentáculo-pinza, visto desde el lado paralelo al eje longitudinal. Los imanes anulares incrustados en el tentáculo blando y la pinza blanda se atraían entre sí y alineaban los canales neumáticos centrales. El aire comprimido se entregó a través del tubo de polietileno, insertado en el canal central del tentáculo para accionar neumáticamente la pinza blanda.

Ejemplo 5. Diseño y fabricación de módulos estructurales rígidos.

En este estudio, se diseñaron y fabricaron cuatro elementos estructurales duros diferentes de ABS mediante impresión 3D. Estos diferentes módulos incluían 1) un marco hexagonal, 2) seis conectores magnéticos laterales, 3) dos contenedores magnéticos y 4) un conector magnético central.

1. Marco hexagonal

El marco hexagonal duro (FIG. 9A) sirvió como andamio principal y cuerpo central del robot modular. Este marco consistía en un centro hueco y seis encastres laterales (FIG. 9A); cada uno fue diseñado para conexiones ajustadas firmemente con otros conectores magnéticos duros (uno para el centro y los otros seis para los encastres laterales) de dimensiones y formas coincidentes (FIGs. 9A-9C). Cuatro de los encastres laterales se utilizaron para acoplarse con las patas blandas del andador cuadrúpedo, mientras que los dos encastres laterales restantes podrían brindar más oportunidades para introducir actuadores blandos adicionales o módulos diferentes (por ejemplo, contenedor) para nuevas funciones (por ejemplo, almacenamiento). Revisa en todo el texto

2. Conectores duros

Se diseñó un conector lateral, denominado "conector duro", como un adaptador para conectar una pata blanda al cuerpo central (marco hexagonal) de un robot híbrido blando-duro. Un lado del conector duro albergaba un anillo de NdFeB para sujetar patas blandas con imán incrustado, mientras que la cara opuesta del conector encajaba y bloqueaba mecánicamente en el encastre lateral del marco hexagonal. Un canal abierto que pasaba por el centro del imán anular incrustado conectaba estas dos caras y servía como entrada de aire para el accionamiento neumático de un actuador blando unido magnéticamente (FIGs. 9D-9F). Se diseñó la profundidad del bolsillo para incrustar un imán anular para ser -0.5-1.0 mm más corta que el grosor del imán anular para garantizar que la cara superior del imán anular siempre permanezca en contacto físico directo con la cara magnética de un actuador blando. También se curó una película delgada de Ecoflex® 0030, recubriendo el orificio de paso del conector duro. El recubrimiento minimizó la fuga de gas de la superficie porosa de los termoplásticos ABS y permitió un sistema más eficiente de transferencia de gas durante el accionamiento neumático de un actuador blando acoplado.

3. Recipientes duros

Para facilitar el transporte de objetos del tamaño de un centímetro utilizando robots híbridos, se fabricaron contenedores duros y se incrustaron con un imán anular para permitir que se ensamblen de manera reversible con los conectores duros, unidos al cuerpo (es decir, el marco hexagonal) de un robot híbrido (FIG. 9G-9I).

4. Conector central

Se diseño y fabricó un conector magnético central (FIG. 18A) para conectar un tentáculo blando al centro del marco hexagonal de un robot híbrido, y se introdujeron cuatro adaptadores de puente (FIG. 18B) en la periferia del conector central para encajar de forma ajustada con el interior del marco hexagonal duro (FIGs. 18B y 18E). Se ubicó un conjunto de cuatro imanes anulares de NdFeB -sostenidos en cuatro pequeños retenedores (FIGs. 18c y 18F)-alrededor del centro hueco del conector central para atraer un conjunto complementario de imanes anulares incrustados en los tentáculos blandos. Estos retenedores se diseñaron para ser lo suficientemente grandes como para poder taparlos y confinarlos dentro de los canales abiertos del conector central (FIGs. 18D y 18G), pero lo suficientemente pequeños para que su movimiento dentro de los canales permaneciera sin obstáculos. Se insertaron tubos de polietileno en la parte posterior de los retenedores de imán para que sirvieran como entradas de aire para el accionamiento neumático del tentáculo blando adjunto. De manera similar al diseño del conector duro, el bolsillo para alojar el imán anular se hizo ~0,5-1,0 mm menos profunda que el grosor del imán anular, y se aplicó Ecoflex® 0030 para recubrir el canal central de estos cuatro retenedores de imán.

Ejemplo 6. Fabricación de un conector inflable

Se insertó un imán anular (3/8" (O.D.) * 1/8" (I.D.) * 0.06" (grosor)) en el bolsillo designado de un conector inflable, y se adhirió cinta adhesiva de una sola cara encima del imán (FIG. 19A y 19B). La cinta adhesiva tenía dos orificios; tanto la ubicación como el diámetro de estos orificios coincidían con los del imán anular y el canal lateral del conector. Luego, se llenaron los canales internos del conector con prepolímero líquido Ecoflex® 0030 (FIG. 19C). Después de desgasificar todo el ensamblaje a presión reducida durante 3 min para eliminar las burbujas, se insertaron dos tubos de polietileno (con agujas en el interior) en los canales central y lateral (FIG. 19D). Después de curar el prepolímero durante 4 horas, se retiraron los tubos junto con las agujas y se recortó el exceso de polímero con una cuchilla de afeitar (FIG. 19E). El trozo de cinta adhesiva evitó que el polímero líquido se curara dentro de los microporos en la cara de la superficie del conector que albergaba el imán; por lo tanto, la fina membrana de elastómero sobre el imán podría inflarse fácilmente cuando se presuriza con aire comprimido. La FIG. 2F-2I muestran el accionamiento de la membrana del conector inflable cuando se conecta a una fuente de aire comprimido a través del canal lateral.

Claims (14)

REIVINDICACIONES

1. Un dispositivo robótico reconfigurable capaz de ensamblarse y desmontarse, que comprende:

un primer cuerpo (250) flexible que tiene un primer componente (255) de conexión magnética;

un segundo componente (200) duro que tiene un segundo componente (240) de conexión magnética, los componentes (255, 240) de conexión magnética primero y segundo capaces de un contacto compatible entre sí para formar un sello entre el cuerpo (250) flexible y el componente (200) duro; caracterizado porque comprende una vejiga (280) inflable dispuesta, al menos en parte, entre el primer componente (250) flexible y el segundo componente (200) duro, en el que al presurizar la vejiga (280) se expande y desacopla el cuerpo (250) flexible y el componente (200) duro.

2. El dispositivo robótico reconfigurable de la reivindicación 1, en el que:

el cuerpo (250) flexible comprende:

al menos una cámara dispuesta dentro del cuerpo flexible en comunicación de fluidos con una primera (260) entrada, en el que el cuerpo (250) flexible es capaz de actuar tras la presurización, y en el que el primer componente (255) de conexión magnética está incrustado en el cuerpo (250) flexible y se coloca alrededor de la primera entrada (260); y además en el que

el componente (200) duro comprende:

un cuerpo (210) rígido que comprende una segunda entrada (230), y en el que el

segundo componente (240) de conexión magnética está colocado alrededor de la segunda entrada (230); en el que los componentes (255, 240) de conexión magnética primero y segundo del cuerpo (250) flexible y el componente (200) duro están cumplen el contacto entre sí para formar un sello entre el cuerpo (250) flexible y el componente (200) duro y en comunicación de fluidos entre la primera entrada (260) y la segunda entrada (230), en el que el componente (200) duro comprende la vejiga (280) inflable, en el que la vejiga (280) inflable es accionable independientemente desde el cuerpo (250) flexible, en el que la vejiga (280) inflable está dispuesta, al menos en parte, entre los componentes (255, 240) de conexión magnética primero y segundo y en el que la vejiga (280) inflable es capaz de actuar al presurizar para desacoplar el cuerpo ( 250) flexible y componente (200) duro.

3. El dispositivo robótico reconfigurable de la reivindicación 2, en el que el componente de conexión magnética se selecciona del grupo de un imán y un material ferromagnético y en el que al menos uno del componente (255, 240) de conexión magnética primero y segundo es un imán.

4. El dispositivo robótico reconfigurable de la reivindicación 2 o 3, en el que el componente (200) duro está fijado a un marco (900).

5. El dispositivo robótico reconfigurable de la reivindicación 4, en el que el marco (900) asegura una pluralidad de componentes (200) duros, cada componente (200) duro está cumple el contacto con un cuerpo (250) flexible.

6. El dispositivo robótico reconfigurable de la reivindicación 4 o 5, en el que el componente (200) duro es integral con el marco (900); o en el que el componente (200) duro está bloqueado mecánicamente sobre el marco (900).

7. El dispositivo robótico reconfigurable de la reivindicación 5, en el que el marco (900) asegura la pluralidad de componentes (200) duros en una posición preseleccionada con respecto a la otra.

8. El dispositivo robótico reconfigurable de cualquiera de las reivindicaciones 2 a 7, en el que el dispositivo comprende además un sensor.

9. El dispositivo robótico reconfigurable de cualquiera de las reivindicaciones 2 a 8, en el que el dispositivo comprende además un módulo para almacenar una carga.

10. El dispositivo robótico reconfigurable de cualquiera de las reivindicaciones 2 a 9, en el que el cuerpo flexible está configurado para funcionar como una pata robótica o en el que el cuerpo flexible está configurado para funcionar como una pinza.

11. El dispositivo robótico reconfigurable de cualquiera de las reivindicaciones 2 a 10, que comprende además una conexión eléctrica entre los componentes de conexión magnética primero y segundo.

12. El dispositivo robótico reconfigurable de cualquiera de las reivindicaciones 2 a 11, en el que el cuerpo flexible es un cuerpo moldeado.

13. El dispositivo robótico reconfigurable de cualquiera de las reivindicaciones 2 a 12, en el que el componente duro es un componente impreso en 3D.

14. Un método para desmontar un dispositivo robótico reconfigurable de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13 que comprende accionar la vejiga inflable.