Dans «  Vers une pince robotique compatible intelligente équipée de doigts cellulaires conçus en 3D  », les auteurs Manpreet Kaur et Woo Soo Kim se plongent dans le monde de la combinaison de l’impression 3D et de la robotique. Leur article récemment publié se concentre sur la conception d’une structure robotique avec des structures cellulaires déformables et faciles à fabriquer.

Les robots métalliques conventionnels ou les composants de robot sont de plus en plus améliorés par des matériaux plus souples qui offrent plus de polyvalence pour les applications industrielles. Non seulement cela, beaucoup de ces nouveaux matériaux sont capables d’être transformés dans leur environnement, influencés par des environnements tels que la température ou l’humidité. Kaur et Kim nous rappellent que nombre de ces innovations ont été à l’origine inspirées par la nature, comme le mouvement du serpent et ses propriétés de frottement.

Conception et fabrication de la structure auxétique multimatériaux: A) Croquis 2D de la cellule élémentaire en nid d’abeilles rentrant avec des paramètres définis B) Démonstration schématique de l’impression 3D par extrusion de filaments multi-matériaux. C) Différents modèles de cellules unitaires auxétiques avec deux paramètres importants, α (le rapport entre la longueur des entretoises verticales h à la réinsertion des entretoises l) et θ (angle de réinsertion), défini dans le croquis (A). D) L’image CAO de la structure en nid d’abeille rentrant en 3D réalisée en joignant deux structures 2D à 90 °. Le gris monochrome indique l’utilisation d’un seul matériau qui est un matériau flexible à base de TPU. E) Une cellule unitaire auxétique à base de double matériau, où le nouveau raidisseur participant (rouge) est en matériau flexible et les raidisseurs verticaux (gris) sont en matériau rigide. F) Différents modèles de cellule unitaire auxétique à base de double matériau, où les joints (gris) sont en matériau flexible et le reste de la partie des entretoises (bleu) est imprimé avec la combinaison de matériaux flexibles et rigides à partie égale.

Lors de la création de la robotique douce, cependant, le défi est de trouver un équilibre entre la flexibilité et la rigidité structurelle et d’incorporer l’électronique, qui consiste généralement en un certain nombre de systèmes volumineux différents. Le doigt cellulaire noté dans cette recherche peut être fabriqué avec des capteurs intégrés dans le bout des doigts, permettant une force de préhension significative de 16N et la capacité de ramasser plusieurs objets – et servir d’exemple d’architectures plus complexes pour une meilleure fonctionnalité et performances en général.

«Les solides cellulaires dominés par l’étirement, tels que l’octet, l’octaédrique, etc., présentent des contraintes de rendement initiales plus élevées que les matériaux expansés à dominance de flexion, en raison de leur disposition différente des composants structurels et en font de meilleures alternatives aux applications structurelles légères. Une telle structure uniquement agencée spatialement produit un coefficient de Poisson (NPR) négatif; ceux-ci sont appelés auxétiques. Comme les autres types de métamatériaux mécaniques, le NPR pour l’auxétique est généralement une conséquence directe de la topologie, où les articulations tournent pour déplacer la structure », expliquent les chercheurs.

Caractérisation des structures auxétiques imprimées en 3D: A) Échantillons compressés de la conception avec α = 1,5 et θ = -20 °. Trois distributions de matériaux différentes dans la cellule unitaire (conceptions simple, double 1 et double 2) sont examinées. Des images ont été prises pour chaque échantillon à des souches de 0%, 20% et 40%. B) Graphique de déformation de contrainte sur trois échantillons avec différentes combinaisons de α = 1,5, 2 et θ = -20 °, -30 ° pour la conception (simple, double 1 et double 2). Les légendes sont lues comme «a» pour alpha, «t» pour thêta et S, D1, D2 pour simple, double 1 et double 2. C) Analyse élémentaire finale (FEA) Analyse de simulation de cellule unitaire auxétique compressée pour étudier les différentes distributions de tension dans le zone élastique pour les trois modèles différents. Le code couleur est maintenu constant et défini à côté de chaque image. Les courbes élastiques correspondantes issues de l’expérience et de la simulation sont comparées pour chaque cas. D) Le doigt cellulaire est conçu en utilisant la structure d’octet rigide dominée par l’étirement pour le corps principal et en utilisant la structure auxétique sélectionnée (α = 1,5 et θ = -20 °) avec des conceptions doubles 2 pour les articulations.

Les matériaux NPR sont également capables de se déformer et de présenter un «comportement de flexion compatible». Dans ce projet de recherche, Kaur et Kim ont utilisé des structures en nid d’abeille – encore une fois inspirées par la nature – pour étudier leur capacité à absorber l’énergie et à se plier. Ces structures de réintroduction sont plus facilement traduites dans le domaine 3D et ont permis aux auteurs d’expérimenter les paramètres et les propriétés cellulaires résultantes. Le but ultime était d’obtenir une déformation avec une durabilité et une efficacité énergétique adéquates.

Grâce à l’utilisation de matériaux cellulaires poreux conçus pour répondre à l’équilibre entre la douceur et la flexibilité et le besoin de fermeté également, les chercheurs ont pu déployer leurs connaissances des matériaux, de la fabrication et de la robotique – ainsi que de l’impression 3D et de l’utilisation du triple Matériel. Le doigt de préhension du robot se composait des éléments légers suivants:

  • Trois segments d’octets
  • Deux articulations auxétiques (imitant les os et les articulations humains)
  • Capteur de pression intégré à portée de main

Les matériaux suivants ont été utilisés pour l’impression 3D de conceptions simples, doubles et doubles 2: SemiFlex, PLA et PLA renforcé de fibre de carbone (CFRPLA). Le niveau de porosité a permis l’équilibre requis dans une structure légère tout en offrant la rigidité correcte pour diverses fonctions de préhension. La conception générale était également responsable du système de doigts capables de se déformer selon les besoins, en fonction des objets et de leurs formes spécifiques – tandis que les capteurs du bout des doigts surveillent l’environnement.

Propriétés mécaniques des échantillons issus des tests de compression

«Notre doigt de robot architectural est un point de départ pour un concept de design mobile. Par conséquent, il y a beaucoup de place pour d’autres recherches sur ce sujet. La conception d’autres métamatériaux mécaniques a de nombreuses possibilités, de sorte que d’autres structures en treillis peuvent être examinées pour définir une fonctionnalité de déformation mécanique supplémentaire dans le doigt du robot », ont conclu les chercheurs.

«L’optimisation de la conception des capteurs et l’ajout d’autres capteurs peuvent également être explorés pour atteindre ses performances omniprésentes. Cette conception de robot compatible avec le corps en métamatériau peut s’avérer améliorer la fonctionnalité et la durabilité des corps robotiques pour les prothèses ou les applications industrielles, développant ainsi une nouvelle génération de systèmes robotiques avec de meilleures performances et une plus grande adaptabilité dans une variété de tâches. « 

La robotique et l’impression 3D sont souvent associées de nos jours dans des projets allant des applications pour la production de meubles à la robotique douce et plus encore. Que pensez-vous de cette nouvelle? Dites-nous ce que vous pensez! Rejoignez la discussion sur ce sujet et sur d’autres sujets d’impression 3D sur 3DPrintBoard.com.

Conception de cellule unitaire auxétique basée sur différents paramètres α et θ

[Source / Images: ‘Toward a Smart Compliant Robotic Gripper Equipped with 3D-Designed Cellular Fingers’]



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