介绍gydF4y2Ba

近年来,软机器人已经成为候选人与pre-programmable创造新颖的机器人系统功能,同时能够承受大变形。这些系统显示是潜在有用的在不同应用领域从仿生机器人系统gydF4y2Ba1gydF4y2Ba,gydF4y2Ba2 gydF4y2Ba在非结构化环境中,适应性强的运动gydF4y2Ba1gydF4y2Ba,gydF4y2Ba3 gydF4y2Ba,把握/操纵的对象gydF4y2Ba4 gydF4y2Ba,侵入性手术器械gydF4y2Ba5克ydF4y2Ba和辅助/康复设备gydF4y2Ba6gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

这些内在软机器人已经超过传统刚性机器人的优势通过低成本、轻,高度兼容,与未知的交互时固有的安全环境和人类的身体gydF4y2Ba2 gydF4y2Ba,gydF4y2Ba6gydF4y2Ba。因此,这些软机器人可以用于康复,预防伤害,或个人健康有好处的功能的扩充gydF4y2Ba6gydF4y2Ba,gydF4y2Ba7gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

软可穿戴辅助/康复机器人一般分类基于关节他们协助以及致动器致动器利用设计他们的类型gydF4y2Ba6gydF4y2Ba。上身柔软可穿戴机器人开发积极支持手指gydF4y2Ba8gydF4y2Ba,gydF4y2Ba9gydF4y2Ba,gydF4y2Ba10gydF4y2Ba,gydF4y2Ba11gydF4y2Ba,gydF4y2Ba12gydF4y2Ba,gydF4y2Ba13gydF4y2Ba、手腕gydF4y2Ba14gydF4y2Ba、肘gydF4y2Ba15gydF4y2Ba,gydF4y2Ba16gydF4y2Ba、肩膀gydF4y2Ba17gydF4y2Ba,gydF4y2Ba18gydF4y2Ba,gydF4y2Ba19gydF4y2Ba,脖子gydF4y2Ba20.gydF4y2Ba,前臂gydF4y2Ba21gydF4y2Ba,gydF4y2Ba22gydF4y2Ba,刺gydF4y2Ba23gydF4y2Ba,gydF4y2Ba24gydF4y2Ba。下半身柔软的臀部可穿戴机器人提供了援助gydF4y2Ba25gydF4y2Ba、膝盖gydF4y2Ba26gydF4y2Ba,gydF4y2Ba27gydF4y2Ba,和脚踝gydF4y2Ba28gydF4y2Ba,gydF4y2Ba29日gydF4y2Ba,gydF4y2Ba30.gydF4y2Ba,gydF4y2Ba31日gydF4y2Ba。常见的软驱动方法包括cable-driven辅助/康复任务gydF4y2Ba11gydF4y2Ba,gydF4y2Ba14gydF4y2Ba,gydF4y2Ba25gydF4y2Ba,折纸gydF4y2Ba32gydF4y2Ba,gydF4y2Ba33gydF4y2Ba和软气动执行机构(温泉)gydF4y2Ba2 gydF4y2Ba,gydF4y2Ba6gydF4y2Ba,gydF4y2Ba34gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

水疗大致分类软致动器需要产生pre-programmable运动积极或消极的压力gydF4y2Ba2 gydF4y2Ba,gydF4y2Ba6gydF4y2Ba,gydF4y2Ba34gydF4y2Ba。气动人工肌肉gydF4y2Ba20.gydF4y2Ba,gydF4y2Ba29日gydF4y2Ba,弹性gydF4y2Ba10gydF4y2Ba,gydF4y2Ba23gydF4y2Ba,gydF4y2Ba35gydF4y2Ba和充气面料柔软的气动执行机构(FSPAs)都属于这一类gydF4y2Ba9gydF4y2Ba,gydF4y2Ba13gydF4y2Ba,gydF4y2Ba18gydF4y2Ba,gydF4y2Ba19gydF4y2Ba,gydF4y2Ba21gydF4y2Ba,gydF4y2Ba22gydF4y2Ba,gydF4y2Ba26gydF4y2Ba,gydF4y2Ba27gydF4y2Ba,gydF4y2Ba28gydF4y2Ba,gydF4y2Ba36gydF4y2Ba,gydF4y2Ba37gydF4y2Ba。温泉还可以进一步分类根据他们如何机械程序无论是在宏观还是微尺度gydF4y2Ba2 gydF4y2Ba,gydF4y2Ba6gydF4y2Ba,gydF4y2Ba34gydF4y2Ba。他们的运动路径可以被编程使用的组合多个充气室或致动器与皮亚诺肌肉和波纹管致动器gydF4y2Ba15gydF4y2Ba,gydF4y2Ba37gydF4y2Ba,gydF4y2Ba38gydF4y2Ba,gydF4y2Ba39gydF4y2Ba,gydF4y2Ba40gydF4y2Ba,gydF4y2Ba41gydF4y2Ba,gydF4y2Ba42gydF4y2Ba,gydF4y2Ba43gydF4y2Ba,gydF4y2Ba44gydF4y2Ba,gydF4y2Ba45gydF4y2Ba,gydF4y2Ba46gydF4y2Ba,gydF4y2Ba47gydF4y2Ba,gydF4y2Ba48gydF4y2Ba,gydF4y2Ba49gydF4y2Ba,gydF4y2Ba50gydF4y2Ba。外部/内部灵活的机械超材料的一种形式gydF4y2Ba51gydF4y2Ba(例如,增援部队gydF4y2Ba6gydF4y2Ba,gydF4y2Ba34gydF4y2Ba,gydF4y2Ba52gydF4y2Ba,gydF4y2Ba53gydF4y2Ba,gydF4y2Ba54gydF4y2Ba和增大的结构gydF4y2Ba55gydF4y2Ba,gydF4y2Ba56gydF4y2Ba,gydF4y2Ba57gydF4y2Ba,gydF4y2Ba58gydF4y2Ba)或折纸结构gydF4y2Ba32gydF4y2Ba,gydF4y2Ba33gydF4y2Ba,gydF4y2Ba59gydF4y2Ba,gydF4y2Ba60gydF4y2Ba,gydF4y2Ba61年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba62年gydF4y2Ba还可用于机械可编程运动。可编程运动包括gydF4y2Ba2 gydF4y2Ba,gydF4y2Ba6gydF4y2Ba,gydF4y2Ba34gydF4y2Ba,gydF4y2Ba42gydF4y2Ba,gydF4y2Ba54gydF4y2Ba,gydF4y2Ba63年gydF4y2Ba:扭gydF4y2Ba64年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba65年gydF4y2Ba、弯曲gydF4y2Ba39gydF4y2Ba,gydF4y2Ba50gydF4y2Ba,加强gydF4y2Ba26gydF4y2Ba,gydF4y2Ba28gydF4y2Ba,承包gydF4y2Ba30.gydF4y2Ba,gydF4y2Ba39gydF4y2Ba,gydF4y2Ba41gydF4y2Ba,gydF4y2Ba44gydF4y2Ba,gydF4y2Ba46gydF4y2Ba,gydF4y2Ba66年gydF4y2Ba或扩展/增长gydF4y2Ba67年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba68年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba69年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba70年gydF4y2Ba在太空中。此外,通过结合多个执行机构在模块化单元,一个连续体,multi-chambered和multi-DOF致动器可以创建gydF4y2Ba38gydF4y2Ba,gydF4y2Ba50gydF4y2Ba,gydF4y2Ba71年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba72年gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

可穿戴技术的发展产生了很大的兴趣,纺织品、面料的使用,这两个术语可以互换工作,因其通用性、可重复生产,无所不在的自然gydF4y2Ba73年gydF4y2Ba。面料也证明是一种很有前途的媒介整合功能:软计算、灵活的电子、能源采集、传感和驱动gydF4y2Ba73年gydF4y2Ba。软织物驱动显示的可能性利用织物产生运动和提供援助gydF4y2Ba74年gydF4y2Ba。这些织物执行机构的建设已经通过内在或外在的修改材料gydF4y2Ba74年gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

可穿戴辅助设备看到利用extrinsically-modified织物驱动技术的增长gydF4y2Ba9gydF4y2Ba,gydF4y2Ba13gydF4y2Ba,gydF4y2Ba16gydF4y2Ba,gydF4y2Ba28gydF4y2Ba,gydF4y2Ba36gydF4y2Ba,gydF4y2Ba37gydF4y2Ba。Extrinsically-modified织物致动器,捏造的表面附加活性材料表面的衬底织物,例如复合热塑性聚氨酯(TPU)创建FSPAs材料衬底织物gydF4y2Ba73年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba74年gydF4y2Ba。这一转变导致设计的水疗,很容易结合或隐藏在用户的衣服。随着易于加工,耐磨性,柔软,和可用性,这些致动器还提供足够的扭矩和肢体力量援助,使这项技术更可采用的日常生活gydF4y2Ba8gydF4y2Ba,gydF4y2Ba9gydF4y2Ba,gydF4y2Ba12gydF4y2Ba,gydF4y2Ba13gydF4y2Ba,gydF4y2Ba15gydF4y2Ba,gydF4y2Ba16gydF4y2Ba,gydF4y2Ba17gydF4y2Ba,gydF4y2Ba18gydF4y2Ba,gydF4y2Ba21gydF4y2Ba,gydF4y2Ba22gydF4y2Ba,gydF4y2Ba26gydF4y2Ba,gydF4y2Ba28gydF4y2Ba,gydF4y2Ba31日gydF4y2Ba,gydF4y2Ba37gydF4y2Ba,gydF4y2Ba75年gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

FSPAs进一步分类是基于使用的类型的织物。在这项工作中,我们专注于外在的两类修改FSPAs,编织和针织FSPAs图所示。gydF4y2Ba1 a, bgydF4y2Ba。因为每种类型的织物材料制造、机织物一般抗穿刺但不变形,而针织面料很容易变形,有一种天生的机械各向异性(显示变量在双向拉伸性)gydF4y2Ba73年gydF4y2Ba。最近研究机织物用于创建高度健壮的扭曲,弯曲收缩和执行机构gydF4y2Ba12gydF4y2Ba,gydF4y2Ba13gydF4y2Ba,gydF4y2Ba15gydF4y2Ba,gydF4y2Ba18gydF4y2Ba,gydF4y2Ba19gydF4y2Ba,gydF4y2Ba24gydF4y2Ba,gydF4y2Ba27gydF4y2Ba,gydF4y2Ba28gydF4y2Ba,gydF4y2Ba29日gydF4y2Ba,gydF4y2Ba30.gydF4y2Ba,gydF4y2Ba31日gydF4y2Ba,gydF4y2Ba37gydF4y2Ba,gydF4y2Ba43gydF4y2Ba,gydF4y2Ba50gydF4y2Ba,gydF4y2Ba75年gydF4y2Ba,以及针织纺织品的使用创造弯曲夹持器致动器和可穿戴机器人gydF4y2Ba8gydF4y2Ba,gydF4y2Ba9gydF4y2Ba,gydF4y2Ba76年gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

图1gydF4y2Ba
图1gydF4y2Ba

(gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba)针织弹力FSPAs的概念。(gydF4y2BabgydF4y2Ba)说明概念的编织无伸缩FSPAs。(gydF4y2BacgydF4y2Ba)说明概念的各种使用FSPAs可穿戴辅助应用程序。gydF4y2Ba

全尺寸图像gydF4y2Ba

有不同的计算和分析研究预测纤维或纱线织物性能的水平,但并不是整个组的织物结构的层次结构gydF4y2Ba73年gydF4y2Ba。直到最近,模型编织FSPAs开发预测他们的力量和运动能力gydF4y2Ba8gydF4y2Ba,gydF4y2Ba22gydF4y2Ba,gydF4y2Ba28gydF4y2Ba。我们的初步研究表明承诺利用计算模型为编织FSPAs手肘gydF4y2Ba15gydF4y2Ba并连续辅助机器人gydF4y2Ba50gydF4y2Ba。另一方面,建模的针织FSPAs仍在发展的初期阶段gydF4y2Ba8gydF4y2Ba,gydF4y2Ba9gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

在本文中,我们进一步研究各种纺织层机械项目执行机构的组合为了执行各种运动资料,以前的工作中突出显示gydF4y2Ba15gydF4y2Ba,gydF4y2Ba24gydF4y2Ba,gydF4y2Ba26gydF4y2Ba,gydF4y2Ba36gydF4y2Ba,gydF4y2Ba50gydF4y2Ba,gydF4y2Ba75年gydF4y2Ba。具体而言,两类的多材料和多层机织和针织FSPAs如无花果所示。gydF4y2Ba1gydF4y2Ba研究和制造。综合材料研究的各种编织和针织各向异性纺织品进行大变形产生的材料模型。准确预测的复杂机械响应FSPAs,我们选择创建计算有限元法(FEM)模型。计算有限元模型能够生成详细的模型,根据执行机构的变量几何参数非线性行为和捕获详细多材料的应力-应变分布和多层次的gydF4y2Ba7gydF4y2Ba,gydF4y2Ba23gydF4y2Ba,gydF4y2Ba77年gydF4y2Ba。我们开发一个全包设计工具使用计算模型,将基准设计开发一种新的标准健壮的编织或针织面料致动器基于应用程序所需的几何参数和力/力矩要求。这种全面的工具将允许不同之前FSPAs制造的可伸缩性和可定制性。gydF4y2Ba

FSPAs的设计和制造gydF4y2Ba

这项工作中使用的两个主要的面料包括,无伸缩编织热塑性聚氨酯(TPU)涂层尼龙织物(6607年,Loveland Rockywoods织物有限公司)和双向高弹针织物(24350年,达林顿的面料,西风,RI)。面料都是在显微镜下看到(OMAX A355U, OMAX显微镜,西雅图,佤邦)40×和放大倍数的数值孔径为0.65,如无花果所示。gydF4y2Ba2 g hgydF4y2Ba。的两个方向延伸包括wale (gydF4y2Ba\ (y \)gydF4y2Ba(方向)和课程gydF4y2Ba\ \ (x)gydF4y2Ba方向)。gydF4y2Ba

图2gydF4y2Ba
图2gydF4y2Ba

(gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba)机器用于制造(gydF4y2BabgydF4y2Ba)布局的面料使用激光切割机(gydF4y2BacgydF4y2Ba)制造过程的内部TPU膀胱(gydF4y2BadgydF4y2Ba)制造过程的针织弹力FRTA弯曲。(gydF4y2BaegydF4y2Ba)制造过程的针织弹力FRTA扭曲和延伸。(gydF4y2BafgydF4y2Ba对织物致动器)制造过程。(gydF4y2BaggydF4y2Ba)显微镜视图和插图的纱线在织物。(gydF4y2BahgydF4y2Ba)显微镜视图和插图的纱线针织弹力织物。gydF4y2Ba

全尺寸图像gydF4y2Ba

机织物通常创建垂直(扭曲)纱线交错水平(纬)纱线在方格图案,见图。gydF4y2Ba2 ggydF4y2Ba73年gydF4y2Ba。机织物的材料特性依赖于应变性能的纱线用于创建它们。性质的编织方法,创建一个紧密互连线系统导致一个更加稳定、刚性,难以变形织物gydF4y2Ba73年gydF4y2Ba。另一方面,针织面料的联锁回路是由单纱(即纬织)或多个纱线(即经纱织)gydF4y2Ba73年gydF4y2Ba。针织物用于这项工作,是通过使用一个经编创建的。半消光尼龙织物是由83%和17%氨纶。这基本上意味着经纱织经常有机械各向异性,因为一个拉伸比另一个方向是相对更具延展性(优惠应变方向),见图。gydF4y2Ba2 hgydF4y2Ba。因此,针织面料显示高双向拉伸性和弹性恢复,与弹性体的超弹性的性质。gydF4y2Ba

这些编织和针织面料用于创建两个类别的FSPAs:编织FSPAs突出显示在无花果。gydF4y2Ba1gydF4y2Ba,编织纤维强化纺织致动器(FRTAs)突出显示在无花果。gydF4y2Ba1 bgydF4y2Ba。无伸缩编织织物致动器生成运动结合了多种袋织物致动器,膨胀到一组大小,各阵列的形成,合同,伸直,弯曲,或拉长。相比之下,针织FRTAs是由内部针织布壳结合strain-limiting织物加固层,因此织物的整体的各向异性行为可以增强在增压。进一步,织物增援也减少了当地的压力和紧张的内部壳和最小化任何表面损伤,从磨损常见使用凯夫拉尔线程作为增援,在以前的工作gydF4y2Ba6gydF4y2Ba。最后,通过安排多个致动器在不同方向,我们也可以创建多个自由度(自由度)致动器,如无花果所示。gydF4y2Ba1gydF4y2Ba。这些不同类型的致动器生成配置文件,可以提供各种目标应用程序领域的可穿戴辅助设备在无花果。gydF4y2Ba1 cgydF4y2Ba并进一步补充表中提到的gydF4y2Ba1gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

制造的FSPAsgydF4y2Ba

制造过程中使用的机器图所示。gydF4y2Ba2gydF4y2Ba。激光切割机(教授Glowforge Glowforge、西雅图、佤邦)用于削减所有的TPU (Fastelfilm 20093 Fastel胶粘剂,克莱门特,CA),编织和针织面料所需的几何形状,如无花果所示。gydF4y2Ba2 bgydF4y2Ba。TPU表用于债券针织物和机织物增援,而涂层织物基体使其密封。然而,通过皮肤漏风的织物还注意到。因此,一个额外的密封的TPU与气动膀胱连接器(艾姆赫斯特,5463 k361 McMaster-Carr, IL),仍然是用一个脉冲封口机(751143年,Metronic、西雅图、佤邦)见图。gydF4y2Ba2摄氏度gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

有两个变化FRTAs捏造的,一个用于FRTAs执行弯曲,在无花果。gydF4y2Ba二维gydF4y2Ba,另FRTAs伸长和/或扭曲,如无花果所示。gydF4y2Ba2 egydF4y2Ba。在第一个变异针织弹力织物的制造方法,一个TPU表,编织TPU-coated增援组装和保税一次性使用热新闻(CA) FancierStudio FLHP 3802年,海沃德。TPU膀胱放置在中间的多层织物集,准备和结构折叠缝制,使用重复缝沿中心。缝部分创建strain-limiting,不能扩展的seam鼓励朝着这个特定的方向弯曲。在第二个变化的制造方法中,两套针织弹力织物和编织创建增援。额外的TPU膀胱放置两组之间的多层织物集和层高温密封的边缘或沿着边缝使用高弹弹性线程(马克西锁,美国& Efird山冬青,NC)。不同的顺时针/逆时针扭曲和延伸致动器可以由不同的角度编织增援。gydF4y2Ba

为了制造编织FSPAs, TPU-coated尼龙织物被切成所需的几何形状见图。gydF4y2Ba2 fgydF4y2Ba。TPU-coated尼龙编织已经一边pre-laminated TPU膜允许焊接。气动配件连接的图样和对齐在床上定制的计算机数控(CNC)路由器(Shapeoko 3,硬质合金,托兰斯,CA)用烙铁尖设定在230°C。数控路由器和海豹织物图样印的个人痕迹织物致动器。这个过程可以立即创建编织矫直或承包FSPAs。为了创建编织弯曲和拉伸FSPAs袋大小相同的执行机构。袋是用缝纫机缝在一起(内存工艺6500 P、Janome八王子,东京)创建的致动器阵列结构密封驱动器插槽。如果袋缝制一个在彼此之上,伸长执行机构。如果袋缝沿基地到strain-limiting不能伸展的层,创建了弯曲致动器,见图。gydF4y2Ba2 fgydF4y2Ba。最后,multi-DOF连续执行器的制造过程,在补充视频gydF4y2Ba4 gydF4y2Ba讨论了补充材料。gydF4y2Ba

材料本构模型拟合的面料和纺织品gydF4y2Ba

我们试图确定合适的材料模型参数不同的纺织品和面料我们使用的先驱提出有限元模型。在补充材料,我们进一步描述几何参数,如无花果所示。gydF4y2Ba3 fgydF4y2Ba,实验过程描述不同的无伸缩编织和针织弹力面料使用单轴或双轴万能拉力测试机,如无花果所示。gydF4y2Ba3 g hgydF4y2Ba。我们注意到的材料属性TPU-coated材料在弹性范围内,而针织弹力织物的属性被认为是一种各向异性超弹性的材料。gydF4y2Ba

图3gydF4y2Ba
图3gydF4y2Ba

几何参数(gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba)编织收缩致动器(gydF4y2BabgydF4y2Ba)编织延长致动器(gydF4y2BacgydF4y2Ba)编织弯曲致动器(gydF4y2BadgydF4y2Ba)编织multi-DOF致动器(gydF4y2BaegydF4y2Ba)FRTA致动器,(gydF4y2BafgydF4y2Ba)FRTA multi-DOF执行机构。(gydF4y2BaggydF4y2Ba)单轴拉伸试验TPU-coated编织和针织弹力织物。(gydF4y2BahgydF4y2Ba)双轴双向针织弹力织物的拉伸试验。gydF4y2Ba

全尺寸图像gydF4y2Ba

以前的有限元软机器人建模工作都集中在各向同性弹性材料gydF4y2Ba7gydF4y2Ba,gydF4y2Ba77年gydF4y2Ba。材料特性的致动器和机器人使用Arruda-Boyce被捕,范德瓦尔斯,Mooney-Rivlin和新虎克模型对于较小的压力gydF4y2Ba7gydF4y2Ba奥格登,杨紫琼,higher-polynomial模型更大的超弹性的菌株gydF4y2Ba78年gydF4y2Ba。然而,只有一个初步的例子的计算建模针织FSPAs的行为gydF4y2Ba9gydF4y2Ba。在这项工作中,我们进一步模型多层次的行为,多材料(织物制成的增援和针织布shell) FRTAs。本构模型的有限元分析中包括(Simulia,达索系统)模型各向异性模型包括广义Fung和Holzapfel-Gasser-Ogden (HGO)模型。gydF4y2Ba

TPU-coated尼龙的材料特性是在弹性范围内,杨氏模量和泊松比计算E = 498gydF4y2Ba\ (MPa \)gydF4y2Ba使用单轴拉伸试验和0.35见图。gydF4y2Ba3 ggydF4y2Ba。不能扩展的织物层用于保存致动器在致动器阵列属性E = 305gydF4y2Ba\ (MPa \)gydF4y2Ba,v = 0.35和解放军连接器使用的属性上限(E = 3600gydF4y2BaMPagydF4y2Ba,v = 0.3)。所有组件的建模使用shell显式二次四面体元素(C3D10M)。gydF4y2Ba

各向异性的材料模型双向纺织材料gydF4y2Ba

HGO连续介质的各向异性超弹性的性能评估模型gydF4y2Ba79年gydF4y2Ba。非线性回归模型(内存有限挠挠gydF4y2Ba77年gydF4y2Ba)被用来适应材料数据与HGO超弹性的应变能函数的更多细节(见补充材料)。HGO模型的应变能量方程如下所示:gydF4y2Ba

$ $ U = {C} _{10}({\酒吧{我}}_{1}3)+ \压裂{1}{D} \ cdot(\压裂{{({J} ^ {el})} ^ {2} 1} {2} ln {J} ^ {el}) + \压裂{{k} _ {1}} {2 {k} _ {2}} \ mathop{总和\}\ limits_{\α\ mathrm {= 1}} ^ {N} {e} ^ {{k} _{2}{\酒吧{e}} _{\α}^ {2}}- \ mathrm {1,} $ $gydF4y2Ba
(1)gydF4y2Ba
$ ${\酒吧{E}} _{\α}= \卡帕({\酒吧{我}}_ {1}- \ mathrm {3} + \ mathrm {(1} 3 \ kappa)({\酒吧{我}}_{\α、α}- \ mathrm {1,} $ $gydF4y2Ba
(2)gydF4y2Ba

在哪里gydF4y2Ba\ (D C {} _ {10}, {k} _ {1}, {k} _ {2}, \)gydF4y2Ba和gydF4y2Ba\ (\ kappa \)gydF4y2Ba五个与温度有关的材料参数。gydF4y2Ba\ (N \)gydF4y2Ba纤维的家庭数量(gydF4y2Ba\ (le 3 N \ \)gydF4y2Ba);gydF4y2Ba酒吧\({\{我}}_ {1}\)gydF4y2Ba是第一个Cauchy-Green张量不变量,gydF4y2Ba酒吧\({\{我}}_ {\ mathrm {4 6}} \)gydF4y2Ba的不变量代表的首选方向纤维导致应变能函数。如果gydF4y2Ba\ (\ kappa \)gydF4y2Ba(gydF4y2Bale \ kappa \ \ (0 \ le \压裂{1}{3}\)gydF4y2Ba)是接近gydF4y2Ba\ (0 \)gydF4y2Ba,这意味着纤维的方向gydF4y2Ba\θ(\ \)gydF4y2Ba(课程方向);如果gydF4y2Ba\ (\ kappa \)gydF4y2Ba接近gydF4y2Ba\ (\ mathrm {1/3} \)gydF4y2Ba,这意味着纤维分散和材料将被视为各向同性。gydF4y2Ba

材料配件工具允许用户设置泊松比、边界条件和材料参数的初始参数(gydF4y2Ba\ (D C {} _ {10}, {k} _ {1}, {k} _ {2}, \)gydF4y2Ba和gydF4y2Ba\ (\ kappa \)gydF4y2Ba)和实验equibiaxial测试数据。柯西应力(gydF4y2Ba\({\σ}_{\θ\θ}\)gydF4y2Ba,gydF4y2Ba\({\σ}_ {zz} \)gydF4y2Ba)是在和条痕方向。最小二乘适合使用两个方向的应力-应变方程:gydF4y2Ba

$ $ \气= \ mathop{总和\}\ limits_{我\ mathrm {= 1}} ^ {n}[({\σ}_{\θ\θ}-{\σ}_{\θ\θ}^{模型}{)}_{我}^{2}+{{\σ}_ {zz} -{\σ}_ {zz} ^{模型})}_{我}^ {2}\ mathrm $ $ {]}gydF4y2Ba
(3)gydF4y2Ba

材料拟合工具箱还允许使用多个optimziation算法,如Nelder-Mead,鲍威尔,CG, L-BFGS-B, COBYLA SLSQP,由SciPy优化功能gydF4y2Ba77年gydF4y2Ba。对于每次迭代,确定系数gydF4y2BaR \ ({} ^ {2} \)gydF4y2Ba卡方和均方根的减少gydF4y2Ba\ \ varepsilon \ ()gydF4y2Ba是针对材料测试数据用于下一个优化循环。equibiaxial协议gydF4y2Ba80年gydF4y2Ba,结果被认为是可以接受的gydF4y2BaR \ ({} ^ {2} \, > \ 0.8 \)gydF4y2Ba和gydF4y2Ba\ (\ varepsilon \ > \ 0.25 \)gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

使用这个方案优化后,HGO模型用于适应四个拉伸试验的数据集,两个equibiaxial和两个单轴,见图。gydF4y2Ba3 g hgydF4y2Ba。相同的弹力织物用于所有测试,一组被涂上一层TPU援助键和气密性,另一组没有涂上了一层TPU。gydF4y2Ba

裸单轴测试,参数确定为CgydF4y2Ba10gydF4y2Ba=gydF4y2Ba\ \ (1.156)gydF4y2Ba,gydF4y2Ba\ ({k} _ {1} \)gydF4y2Ba=gydF4y2Ba\ \ (0.0925)gydF4y2Ba,gydF4y2Ba\ ({k} _ {2} \)gydF4y2Ba=gydF4y2Ba\ \ (0.0)gydF4y2Ba,gydF4y2Ba\α(\ \)gydF4y2Ba=gydF4y2Ba\ \ (0.321)gydF4y2Ba和gydF4y2Ba\ (\ kappa \)gydF4y2Ba=gydF4y2Ba\ \ (0.0)gydF4y2Ba(gydF4y2BaR \ ({} ^ {2} \, = \ 0.76 \)gydF4y2Ba和gydF4y2Ba\ (0.28,= \ \ varepsilon \ \)gydF4y2Ba)。涂布单轴测试,参数确定为CgydF4y2Ba10gydF4y2Ba=gydF4y2Ba\ \ (1.0)gydF4y2Ba,gydF4y2Ba\ ({k} _ {1} \)gydF4y2Ba=gydF4y2Ba\ \ (0.163)gydF4y2Ba,gydF4y2Ba\ ({k} _ {2} \)gydF4y2Ba=gydF4y2Ba\ \ (0.0)gydF4y2Ba,gydF4y2Ba\(α\ \ = \ 1.93 \ * {10}^ {-12}\)gydF4y2Ba和gydF4y2Ba(\ kappa \ \ = \ 0.133 \)gydF4y2Ba(gydF4y2BaR \ ({} ^ {2} \, = \ 0.97 \)gydF4y2Ba和gydF4y2Ba\ (0.14,= \ \ varepsilon \ \)gydF4y2Ba)。gydF4y2Ba

裸equibiaxial测试,参数确定为CgydF4y2Ba10gydF4y2Ba=gydF4y2Ba\ \ (0.503)gydF4y2Ba,gydF4y2Ba\ ({k} _ {1} \)gydF4y2Ba=gydF4y2Ba\ \ (0.138)gydF4y2Ba,gydF4y2Ba\ ({k} _ {2} \)gydF4y2Ba=gydF4y2Ba\ \ (0.0)gydF4y2Ba,gydF4y2Ba\α(\ \)gydF4y2Ba(\ \ = \ 0.0 \)gydF4y2Ba和gydF4y2Ba\ (\ kappa \)gydF4y2Ba=gydF4y2Ba\ \ (0.0)gydF4y2Ba,合成gydF4y2BaR \ ({} ^ {2} \, = \ 0.88 \)gydF4y2Ba和gydF4y2Ba\ (0.22,= \ \ varepsilon \ \)gydF4y2Ba。涂布equibiaxial测试的参数CgydF4y2Ba10gydF4y2Ba=gydF4y2Ba\ \ (1.098)gydF4y2Ba,gydF4y2Ba\ ({k} _ {1} \)gydF4y2Ba=gydF4y2Ba\ \ (0.225)gydF4y2Ba,gydF4y2Ba\ ({k} _ {2} \)gydF4y2Ba=gydF4y2Ba\(4.05平台以及\)gydF4y2Ba,gydF4y2Ba\α(\ \)gydF4y2Ba=gydF4y2Ba\ \ (0.0)gydF4y2Ba和gydF4y2Ba\ (\ kappa \)gydF4y2Ba=gydF4y2Ba{10}\ 2.087 \倍^ {-10}\)gydF4y2Ba与合成gydF4y2BaR \ ({} ^ {2} \, = \ 0.8 \)gydF4y2Ba和gydF4y2Ba\ (0.22,= \ \ varepsilon \ \)gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

使用有限元建模基于结构的致动器(iv)gydF4y2Ba

在这个工作中,计算有限元模型创建捕获各种基于结构致动器的性能。他们的几何参数的影响,强调在无花果。gydF4y2Ba3 fgydF4y2Ba)和补充材料,研究了阻塞的力和位移的测试使用计算有限元建模工具编写的Python 2.7,为有限元分析/显式(Simulia,达索系统公司股价)。建模工具能够自动创建的过程部分,啮合,应用边界条件根据用户定义的参数。计算模型支持快速设计迭代前的实际制造原型。gydF4y2Ba

有限元分析/显式用于捕捉短期动态响应时间观察在不同类型的织物作动器。有限元分析/显式也能提供动态和准静态解阻塞力和位移的测试不同类型的驱动器。为了执行静态模拟,明确解决方案需要加速,同时仍然保持着动态平衡gydF4y2Ba81年gydF4y2Ba。保持动态平衡分析的加载速率需要1%的材料的应力波的速度gydF4y2Ba81年gydF4y2Ba。监控动态平衡,总动能(KE)和内部(IE)能源监测,以确保整个系统的IE不超过总量的5%gydF4y2Ba81年gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

房间内的气流动力学是漠视和建模为压力同样应用于执行机构的内部表面。压力是设计成光滑的斜坡一步所需的值。没有考虑重力模型由于轻量级的执行机构的性质。gydF4y2Ba

为了测量的位移致动器,被动反光标记附着在织物的致动器实验。测量弯曲角,三个标记是均匀分布在致动器的长度。用于测量位移的三轴,标记放置在远端和近端作动器的结束。动作捕捉系统(Optitrack ' 13 W, NaturalPoint Inc .)、科瓦利斯,或用于实验,每个实验重复三次。致动器的负载测量,我们表示补充的实验装置图gydF4y2Ba3 gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

为织物致动器有限元模型gydF4y2Ba

计算模型对不同编织织物无伸缩执行机构包括加强收缩,延伸,开发弯曲。图gydF4y2Ba4模拟gydF4y2Ba和补充视频gydF4y2Ba1gydF4y2Ba等高线图,显示了·冯·米塞斯应力从有限元模拟,获得与实验结果加压致动器的相应输入压力。力输出(负载)和位移(弯曲角、扩展或收缩)以0.034的小压力增量gydF4y2Ba\ (MPa \)gydF4y2Ba到一个安全的操作压力为0.206gydF4y2Ba\ (MPa \)gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

图4gydF4y2Ba
图4gydF4y2Ba

编织织物无伸缩执行机构:有限元法和实验结果(gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba)加强致动器(gydF4y2BabgydF4y2Ba)收缩致动器(gydF4y2BacgydF4y2Ba)延伸致动器,(gydF4y2BadgydF4y2Ba)弯曲致动器。(gydF4y2BaegydF4y2Ba)矫直装置:负载和压力。(gydF4y2BafgydF4y2Ba)收缩致动器:位移和压力。(gydF4y2BaggydF4y2Ba)收缩致动器:负荷和压力。(gydF4y2BahgydF4y2Ba)延伸致动器:位移和压力。(gydF4y2Ba我gydF4y2Ba)延伸致动器:负荷和压力。(gydF4y2BajgydF4y2Ba)弯曲执行机构:弯曲角和压力。(gydF4y2BakgydF4y2Ba)弯曲执行机构:负载和压力。gydF4y2Ba

全尺寸图像gydF4y2Ba

加强执行机构用于应用程序需要一个扩展运动,如协助膝盖,手腕,手肘,手指关节。有限元模型之间的比较测试和实验样机进行了致动器的gydF4y2Ba\ ({w} _ {} \)gydF4y2Ba= 65gydF4y2Ba毫米gydF4y2Ba和一个gydF4y2Ba\ ({L} _{我}\)gydF4y2Ba= 240gydF4y2Ba毫米gydF4y2Ba。块的力实验,致动器的定位在所需的弯曲角60°、90°。仿真显示了相似的性能gydF4y2Ba\({60}^{\保监会}\)gydF4y2Ba角的RMSEgydF4y2Ba\ (1.08 n \)gydF4y2Ba,gydF4y2Ba\({90}^{\保监会}\)gydF4y2Ba角的RMSEgydF4y2Ba\ (1.71 n \)gydF4y2Ba,见图。gydF4y2Ba4 egydF4y2Ba。gydF4y2Ba

合同执行机构用于应用程序需要拉或收缩。包括使用的致动器的几何参数,gydF4y2Ba\ ({n} _ {} \)gydF4y2Ba=gydF4y2Ba\ (7 \)gydF4y2Ba,gydF4y2Ba\ ({L} _{我}\)gydF4y2Ba= 200gydF4y2Ba毫米gydF4y2Ba,gydF4y2Ba\ ({w} _ {} \)gydF4y2Ba= 60gydF4y2Ba毫米gydF4y2Ba,gydF4y2Ba\ ({h} _ {} \)gydF4y2Ba= 22.86gydF4y2Ba毫米gydF4y2Ba和一个集中的空气通道宽度为5毫米。位移和阻止力测试,收缩的长度(gydF4y2Ba\ (d \)gydF4y2Ba分别测量)和拉收缩力。对于位移测试,最大位移误差gydF4y2Ba13.84 \ (\ mathrm {\ %} \)gydF4y2Ba和一个RMSE误差gydF4y2Ba\ \(2.06毫米)gydF4y2Ba注意到,见图。gydF4y2Ba4 fgydF4y2Ba。阻止力测试模块建模与终极面临顶部和底部固定在各个方向(端部固定)在外部压力下负载。模拟预测力好约0.17gydF4y2Ba\ (MPa \)gydF4y2Ba后,模拟力读数显示略高于实验结果可能由于轻微漏气的原型,因为材料被拉长,因为拉大约270部队gydF4y2Ba\ (N \)gydF4y2Ba。的RSMEgydF4y2Ba\ (21.02 n \)gydF4y2Ba误差和最大力量gydF4y2Ba11.45 \ (\ mathrm {\ %} \)gydF4y2Ba注意到,见图。gydF4y2Ba4 ggydF4y2Ba。gydF4y2Ba

延伸致动器的几何参数包括,活跃的宽度(gydF4y2Ba\ ({w} _ {} \)gydF4y2Ba62年)gydF4y2Ba毫米gydF4y2Ba和活跃的高度(gydF4y2Ba\ ({h} _ {} \)gydF4y2Ba)gydF4y2Ba\ \(31毫米)gydF4y2Ba。实验数据收集一堆五致动器(gydF4y2Ba\ ({n} _{一}\,= \ 5 \)gydF4y2Ba)。自由位移比较仿真结果见图。gydF4y2Ba4 hgydF4y2Ba。的最大位移误差gydF4y2Ba8.52 \ (\ mathrm {\ %} \)gydF4y2Ba和RMSE误差gydF4y2Ba\ \(3.46毫米)gydF4y2Ba是观察到的。为阻止力测试图。gydF4y2Ba4我gydF4y2Ba对比实验和仿真,RMSEgydF4y2Ba\ (1.49 n \)gydF4y2Ba是观察到的。包括免费的位移和力模拟显示阻塞的一个很好的预测实验结果。gydF4y2Ba

弯曲致动器,用于各种弯曲弯曲角的测试应用程序,并封锁了力量,如无花果所示。gydF4y2Ba4 dgydF4y2Ba。对于位移和封锁力量测试,执行机构gydF4y2Ba\ (n \)gydF4y2Ba=gydF4y2Ba\ (13 \)gydF4y2Ba,gydF4y2Ba\ ({w} _ {} \)gydF4y2Ba= 41gydF4y2Ba毫米gydF4y2Ba,gydF4y2Ba\ ({h} _ {} \)gydF4y2Ba=gydF4y2Ba\ \(30毫米)gydF4y2Ba被使用。结果显示在无花果。gydF4y2Ba4 jgydF4y2Ba和gydF4y2BakgydF4y2Ba。对于这个测试,垂直板是旨在限制致动器的末端进一步向内卷曲在通货膨胀期间,保持弯曲角度约为200°,为了便于监测和计算弯曲角度。它是注意到弯曲致动器原型初始弯曲角,因为每个驱动器上的配件创建一个初始刚度。然而,大约在30 - 40%的仿真有限元模型捕获了实验数据,我们看到结果密切匹配仿真和实际实验。阻止力试验,有限元模拟赶上实验数据在模拟的60 - 65%。都存在类似的负载输出的RSMEgydF4y2Ba\ (2.39 n \)gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

为针织双向弹力织物致动器有限元模型gydF4y2Ba

计算模型创建研究织物的影响强化针织弹力FRTAs运动剖面的不同。图gydF4y2Ba5 a - cgydF4y2Ba和补充视频gydF4y2Ba2 gydF4y2Ba等高线图显示了位移从有限元模拟与实验获得的图像压缩驱动器在相应的压力值。主要几何参数研究是增援部队的数量(gydF4y2Ba\ (n \)gydF4y2Ba)和织物增援角(gydF4y2Ba\α(\ \)gydF4y2Ba),见补充图。gydF4y2Ba2 gydF4y2Ba。力输出(有效载荷或转矩)和位移(弯曲角、扭转角或伸长)测量在小压力增量有限元模拟和实验。gydF4y2Ba

图5gydF4y2Ba
图5gydF4y2Ba

针织弹力织物致动器:有限元法和实验结果(gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba)弯曲致动器(gydF4y2BabgydF4y2Ba)延伸致动器,(gydF4y2BacgydF4y2Ba)扭转致动器。(gydF4y2BadgydF4y2Ba)弯曲执行机构:位移和压力。(gydF4y2BaegydF4y2Ba)弯曲执行机构:负载和压力。(gydF4y2BafgydF4y2Ba)延伸致动器:位移和压力。(gydF4y2BaggydF4y2Ba)延伸致动器:负荷和压力。(gydF4y2BahgydF4y2Ba)扭转致动器:扭角和压力。(gydF4y2Ba我gydF4y2Ba)扭转致动器:扭矩和压力。gydF4y2Ba

全尺寸图像gydF4y2Ba

弯曲角度的弯曲测试FRTAs(无花果。gydF4y2Ba5 dgydF4y2Ba和阻止部队(无花果。gydF4y2Ba5 egydF4y2Ba)。这两个测试都使用,致动器的几何参数gydF4y2Ba\ ({L} _{我}= 155 \,mm \)gydF4y2Ba,gydF4y2Bar \ ({w} _ {} = 1.5 \, mm \)gydF4y2Ba,gydF4y2Ba\ \(α={0}^{\保监会}\)gydF4y2Ba,gydF4y2Ba\ ({w} _{我}= 40 \,mm \)gydF4y2Ba,gydF4y2Ba\ ({w} _ {z} = 14 \, mm \)gydF4y2Ba,gydF4y2Bar \ ({n} _ {} = 35 \)gydF4y2Ba。我们注意到弯曲角的测试,结果是密切匹配仿真和实际实验的RMSE之间gydF4y2Ba\({10.16}^{\保监会}\)gydF4y2Ba。弯曲FRTA原型,有一个初始弯曲角因为原型初始刚度小。负载测试,实验结果遵循相同的趋势模拟,RMSE的gydF4y2Ba\ (0.4939 n \)gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

的延伸FRTAs检测位移(图。gydF4y2Ba5 fgydF4y2Ba和阻止部队(无花果。gydF4y2Ba5克gydF4y2Ba)。致动器的几何参数用于测试gydF4y2Ba\ ({L} _{我}= 155 \,mm \)gydF4y2Ba,gydF4y2Bar \ ({w} _ {} = 6.0 \, mm \)gydF4y2Ba,gydF4y2Ba\ \(α={0}^{\保监会}\)gydF4y2Ba,gydF4y2Ba\ ({w} _{我}= 46 \,mm \)gydF4y2Ba,gydF4y2Ba\ ({w} _ {z} = 0.0 \, mm \)gydF4y2Ba,gydF4y2Bar \ ({n} _ {} = 15 \)gydF4y2Ba。从位移图,图gydF4y2Ba5 fgydF4y2Ba,我们注意到有限元模型与实验数据的RMSE匹配gydF4y2Ba\ \ (1.36,mm \)gydF4y2Ba。封锁力量图,图gydF4y2Ba5克gydF4y2Ba有限元模型预测,致动器的负载的RMSE密切合作gydF4y2Ba\ (5.81 n \)gydF4y2Ba。的延伸FRTA,织物增援径向扩张转换为轴向扩展,因此提高钢筋的数量会导致减少径向扩张和延伸。gydF4y2Ba

扭曲FRTA模型实验验证了扭角和扭矩能力,如无花果所示。gydF4y2Ba5 h,我gydF4y2Ba。致动器膨胀至0.11gydF4y2Ba\ (MPa \)gydF4y2Ba增量为0.014gydF4y2Ba\ (MPa \)gydF4y2Ba,被选为一个安全的最大输入压力,以防止任何突出的径向扩张,可能导致执行器故障。致动器的几何参数gydF4y2BalgydF4y2Ba我gydF4y2Ba= 155毫米,gydF4y2BawgydF4y2BargydF4y2Ba= 5.0毫米,gydF4y2BaαgydF4y2Ba=−30°,gydF4y2BawgydF4y2Ba我gydF4y2Ba= 46毫米,gydF4y2BawgydF4y2BazgydF4y2Ba= 0.0毫米,gydF4y2BangydF4y2BargydF4y2Ba= 16。致动器的有限元模型预测扭角,RMSE 4.94°。基于以前的工作与纤维增援gydF4y2Ba82年gydF4y2Ba,扭转致动器的功能,顺时针或逆时针(|gydF4y2BaαgydF4y2Ba|),可以提高从0到30°,然后逐渐减少直到gydF4y2Baα{\ (| \ \ mathrm{| = 90}} ^{\保监会}\)gydF4y2Ba,增援部队是对称的防止致动器从扭曲和促进径向扩张。阻塞扭矩能力的有限元模型预测低扭矩值直到约50 - 60%的仿真,实验结果匹配的有效载荷仿真结果非常密切的RMSE 0.0352gydF4y2Ba\ \ (N \ cdot米)gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

案例研究可穿戴的FSPAs应用程序gydF4y2Ba

一个流行的辅助/康复申请水疗一直软机器人手套与减少患者手功能gydF4y2Ba8gydF4y2Ba,gydF4y2Ba9gydF4y2Ba,gydF4y2Ba10gydF4y2Ba。我们将演示的功能FSPAs编织和针织FRTAs相比,现有的纤维增强弹性体的致动器gydF4y2Ba10gydF4y2Ba手指弯曲,见图。gydF4y2Ba6gydF4y2Ba。根据文献,弯曲的食指的要求gydF4y2Ba10gydF4y2Ba包括至少160°弯曲角和远端提示力约为7.3gydF4y2Ba\ (N \)gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

图6gydF4y2Ba
图6gydF4y2Ba

比较软的致动器的手指援助。(gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba)(左)强调了不同的致动器戴在一个用户的手。(右)不同类型的致动器放气和膨胀。1)针织物动,(2)弹性传动装置、和(iii)织物致动器。(gydF4y2BabgydF4y2Ba)角和压力三个不同的执行机构。c)的负荷和压力三个不同的执行机构。gydF4y2Ba

全尺寸图像gydF4y2Ba

计算模型的FSPAs建模使用相同的纤维增强弹性体的致动器的几何参数gydF4y2Ba10gydF4y2Ba,以评估设计之前制造。共同执行机构的几何参数gydF4y2BaR \ ({} _ {a} = 10 \, mm \)gydF4y2Ba,gydF4y2Ba\ ({w} _ {z} = 10 \, mm \)gydF4y2Ba,gydF4y2Ba\ ({L} _{我}= 155 \,mm \)gydF4y2Ba。编织无伸缩执行机构gydF4y2Ba\ ({n} _ {a} = 19 \)gydF4y2Ba,gydF4y2Ba\ ({}_ {p} = 9 \, mm \)gydF4y2Ba和gydF4y2Baw \ ({} _ {a} = 20 \, mm \)gydF4y2Ba和gydF4y2Ba\ ({h} _{一}= 20 \,mm \)gydF4y2Ba。针织弹力致动器gydF4y2Bar \ ({n} _ {} = 35 \)gydF4y2Ba,gydF4y2Bar \ ({w} _ {} = 1.35 \, mm \)gydF4y2Ba,gydF4y2Ba\ ({}_ {p} = 1.5 \, mm \)gydF4y2Ba。实验验证有限元模型的弯曲角度和尖端力载荷,而膨胀标本0.206gydF4y2Ba\ (MPa \)gydF4y2Ba用小压力增量为0.034gydF4y2Ba\ (MPa \)gydF4y2Ba,见图。gydF4y2Ba6 b, cgydF4y2Ba。基于结构的致动器有限元模型满足运动和力的要求。远端提示fabric-actuators力量通过实验验证有限元模拟获得,导致的RMSE 0.59gydF4y2Ba\ (N \)gydF4y2Ba和0.49gydF4y2Ba\ (N \)gydF4y2Ba,分别FSPA编织和针织FRTA。实验和有限元模型数据显示相似的弯曲行为的RMSE 26.2°编织FSPA和10.16°针织FRTA见图。gydF4y2Ba6 bgydF4y2Ba。织FSPA原型显示的初始弯曲角因为刚度由于塑胶配件分配给每一个执行机构。gydF4y2Ba

从无花果。gydF4y2Ba6gydF4y2Ba和补充视频gydF4y2Ba3 gydF4y2Ba,我们比较弯曲角度和远端提示力量的三个执行机构。织FSPA立即弯曲和卷发当加压和达到最大弯曲角度,为0.069gydF4y2Ba\ (MPa \)gydF4y2Ba,这是大约1.7×比硅胶和弹力织物致动器的弯曲角度。因此,该致动器达到它的最大弯曲角度的最快。另一方面,FRTA和纤维增强执行机构稳步达到类似的最大弯曲角度为0.206gydF4y2Ba\ (MPa \)gydF4y2Ba。硅酮致动器还显示一个轻微的初始弯曲角,因为初始刚度,材料的刚度、硬度海岸gydF4y2Ba\ \ (28)gydF4y2Ba。见图。gydF4y2Ba6摄氏度gydF4y2Ba,基于结构执行机构演示约1.71×高负载gydF4y2Ba\ (0.206 mpa \)gydF4y2Ba会议任务的远端力的需求,较低的操作压力。硅酮致动器需要加压到0.275gydF4y2Ba\ (MPa \)gydF4y2Ba以满足所需的力。在体重方面,硅胶,FSPA编织和针织FRTA 37.5执行机构gydF4y2Ba\ (g \)gydF4y2Ba,82.5gydF4y2Ba\ (g \)gydF4y2Ba和9.7gydF4y2Ba\ (g \)gydF4y2Ba分别与气动配件()。无伸缩编织织物的额外重量将数组中的每个驱动器上的气动配件。因此,FRTA致动器显示最高force-to-weight比率相比其他驱动器。一个原型的辅助可穿戴手套的FRTAs提出了补充图。gydF4y2Ba2 gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

我们进一步特征这三个致动器的频率响应和效率,见补充材料。频率的测试中,我们注意到,纤维增强弹性体的致动器,编织纤维强化纺织致动器,和织物FSPA 2的频率响应gydF4y2Ba\ (Hz \)gydF4y2Ba,0.7gydF4y2Ba\ (Hz \)gydF4y2Ba和0.45gydF4y2Ba\ (Hz \)gydF4y2Ba,分别。这是补充图中突出显示。gydF4y2Ba4 gydF4y2Ba和补充视频gydF4y2Ba5克ydF4y2Ba。我们还分析了外部能量交互,基于gydF4y2Ba83年gydF4y2Ba,gydF4y2Ba84年gydF4y2Ba,这些致动器补充无花果。gydF4y2Ba5克ydF4y2Ba和gydF4y2Ba6gydF4y2Ba。从总体效率测试,弹性传动装置、编织FSPA,和针织FRTA最大效率的0.785%在0.05公斤,0.287%至0.1公斤,0.26%至0.2公斤,总结补充表gydF4y2Ba4 gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

讨论和结论gydF4y2Ba

在本文中,我们探索了各种纺织机械的组合项目执行机构执行不同的运动资料,虽然仍是轻量级的,顺从的,安全的。我们介绍了两个主要的类别的通用的基于结构软气动执行机构,编织织物无伸缩执行机构和织物增强纺织品致动器。织物致动器使用多个执行机构安排在不同的数组的交互时尚创建各种运动资料。另一方面,FRTAs执行动作的组合利用的交互编织fabric-reinforcements沿着各向异性针织机械的高弹面料的身体。两种类型的FSPAs证明可能提供重要的封锁力量和位移相比,传统的纤维增强弹性体的致动器没有引入任何机械不稳定,同时仍然被高度耐磨、轻量级的,顺从的,安全的。然而,初步频率测试表明,由于面料的柔软和薄壁材料属性,它显示了较低的最大可操作的频率相比,纤维增强弹性体的致动器。从初步的测试效率,相对厚壁纤维增强弹性体的致动器工作完成时表现出更高的效率低,但所有这三个致动器显示类似在更高的工作效率。gydF4y2Ba

改善耗时的局限性与制造业经常会出现在水疗,我们提出了快速和低成本的2 d制造方法来开发这些FSPAs使用商用面料。这些外部织物增援,创建一个meta-material框架设计与任何不同的几何参数,准确和完全一致的各向异性纺织FRTAs的身体。制造方法可以很容易地扩展,甚至可以产生更复杂的几何图形任何辅助和康复任务中获益。gydF4y2Ba

我们也全面研究和机械特征的各种面料用于生成基于大变形非线性材料本构模型HGO形式gydF4y2Ba79年gydF4y2Ba使用双向应力、应变数据代表的机械各向异性材料。我们实现了一个扩展库,通过实验验证,有限元模型FSPAs(4和3针织编织FSPAs)。这些模型可以作为设计工具的用户利用不同致动器的几何参数和材料,以预测的机械响应执行机构内部静态和动态压力,以及外部联系。这将基准开发可扩展的设计标准和可定制的FSPAs基于清晰度的性能要求和制造之前所需的负载。gydF4y2Ba

我们的目标是增加的功能分布,嵌入织物传感技术,监控执行机构的清晰度和与用户的交互和环境。未来的工作还将与用户调查致动器的设计符合人体工程学的考虑。一些关键因素将包括选择附件点身体连同各种反馈/分发负载前馈控制策略。进一步探索动态和时间响应和动态滞后,执行机构需要评估的各种增压模式。未来的工作将包括更深入和全面的测试频率和效率。对于频率测试,更多的责任周期的变化与增压排气将受到考验。的总体频率FSPAs也可以改善通过增加进口连接器的大小,提高流的执行机构。效率试验、致动器的初始体积将贡献以及在动态运动执行机构的效率。未来的模型还将允许用户评价和优化的执行机构基于效率和体积考虑连接到车载可移植性的考虑。最后,未来的研究还包括分析模型的织物的变形的非线性行为在这项工作中使用有限元模型提供一个基线分析表征所需的执行机构。gydF4y2Ba