การประยุกต์ใช้วัสดุ TPU ในหุ่นยนต์ฮิวมานอยด์

TPU (เทอร์โมพลาสติกโพลียูรีเทน)มีคุณสมบัติที่โดดเด่น เช่น ความยืดหยุ่น ความยืดหยุ่นต่อแรงกด และความทนทานต่อการสึกหรอ ทำให้มีการใช้งานอย่างแพร่หลายในส่วนประกอบสำคัญของหุ่นยนต์ฮิวมานอยด์ เช่น ฝาครอบภายนอก มือหุ่นยนต์ และเซ็นเซอร์สัมผัส ด้านล่างนี้คือเอกสารภาษาอังกฤษโดยละเอียดที่คัดสรรมาจากเอกสารทางวิชาการและรายงานทางเทคนิคที่น่าเชื่อถือ: 1. **การออกแบบและพัฒนามือหุ่นยนต์รูปร่างมนุษย์โดยใช้**วัสดุ TPU**บทคัดย่อ**: บทความนี้นำเสนอแนวทางในการแก้ปัญหาความซับซ้อนของหุ่นยนต์มือที่มีลักษณะคล้ายมนุษย์ ปัจจุบันวิทยาการหุ่นยนต์เป็นสาขาที่มีความก้าวหน้ามากที่สุด และมีความต้องการที่จะเลียนแบบการเคลื่อนไหวและพฤติกรรมของมนุษย์มาโดยตลอด มือที่มีลักษณะคล้ายมนุษย์เป็นหนึ่งในแนวทางที่จะเลียนแบบการทำงานของมนุษย์ ในบทความนี้ได้อธิบายถึงแนวคิดในการพัฒนาหุ่นยนต์มือที่มีลักษณะคล้ายมนุษย์ที่มีองศาอิสระ 15 องศาและตัวขับเคลื่อน 5 ตัว รวมถึงการออกแบบทางกล ระบบควบคุม ส่วนประกอบ และคุณสมบัติเฉพาะของหุ่นยนต์มือ มือดังกล่าวมีรูปลักษณ์คล้ายมนุษย์และสามารถทำงานได้เหมือนมนุษย์ เช่น การจับและการแสดงท่าทางมือ ผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่ามือได้รับการออกแบบเป็นชิ้นเดียวและไม่จำเป็นต้องประกอบ และมีประสิทธิภาพในการยกน้ำหนักที่ดีเยี่ยม เนื่องจากทำจากโพลียูรีเทนเทอร์โมพลาสติกที่มีความยืดหยุ่นวัสดุ (TPU)และความยืดหยุ่นของมันยังช่วยให้มือมีความปลอดภัยในการโต้ตอบกับมนุษย์ได้อีกด้วย มือนี้สามารถใช้ในหุ่นยนต์ฮิวมานอยด์รวมถึงมือเทียมได้ จำนวนแอคทูเอเตอร์ที่จำกัดทำให้การควบคุมง่ายขึ้นและมือมีน้ำหนักเบาขึ้น 2. **การดัดแปลงพื้นผิวเทอร์โมพลาสติกโพลียูรีเทนเพื่อสร้างตัวจับยึดหุ่นยนต์แบบอ่อนโดยใช้วิธีการพิมพ์สี่มิติ** > หนึ่งในแนวทางสำหรับการพัฒนาการผลิตแบบเติมแต่งที่มีการไล่ระดับฟังก์ชันคือการสร้างโครงสร้างที่พิมพ์สี่มิติ (4D) สำหรับการจับยึดหุ่นยนต์แบบอ่อน ซึ่งทำได้โดยการรวมการพิมพ์ 3 มิติแบบ Fused Deposition Modeling เข้ากับแอคทูเอเตอร์ไฮโดรเจลแบบอ่อน งานนี้เสนอแนวคิดในการสร้างตัวจับยึดหุ่นยนต์แบบอ่อนที่ไม่ขึ้นกับพลังงาน ซึ่งประกอบด้วยพื้นผิวตัวยึดที่พิมพ์ 3 มิติที่ดัดแปลงแล้วซึ่งทำจากเทอร์โมพลาสติกโพลียูรีเทน (TPU) และแอคทูเอเตอร์ที่ใช้เจลาตินไฮโดรเจล ทำให้สามารถเปลี่ยนรูปตามความชื้นได้ตามโปรแกรมโดยไม่ต้องใช้โครงสร้างทางกลที่ซับซ้อน > > การใช้ไฮโดรเจลที่มีเจลาติน 20% ทำให้โครงสร้างมีฟังก์ชันการทำงานเลียนแบบชีวภาพแบบหุ่นยนต์อ่อนนุ่ม และรับผิดชอบต่อฟังก์ชันการทำงานเชิงกลที่ตอบสนองต่อสิ่งเร้าอย่างชาญฉลาดของวัตถุที่พิมพ์โดยการตอบสนองต่อกระบวนการบวมตัวในสภาพแวดล้อมที่เป็นของเหลว การปรับสภาพพื้นผิวของเทอร์โมพลาสติกโพลียูรีเทนในสภาพแวดล้อมอาร์กอน-ออกซิเจนเป็นเวลา 90 วินาที ที่กำลังไฟ 100 วัตต์ และความดัน 26.7 ปาสคาล ช่วยให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในโครงสร้างจุลภาค จึงช่วยปรับปรุงการยึดเกาะและความเสถียรของเจลาตินที่บวมตัวบนพื้นผิว > > แนวคิดที่เกิดขึ้นจริงในการสร้างโครงสร้างหวีที่เข้ากันได้ทางชีวภาพที่พิมพ์ด้วยเครื่องพิมพ์ 4 มิติสำหรับการจับยึดแบบหุ่นยนต์อ่อนนุ่มใต้น้ำขนาดใหญ่ สามารถให้การจับยึดเฉพาะที่แบบไม่รุกราน ขนส่งวัตถุขนาดเล็ก และปล่อยสารออกฤทธิ์ทางชีวภาพเมื่อบวมตัวในน้ำ ผลิตภัณฑ์ที่ได้จึงสามารถใช้เป็นแอคทูเอเตอร์เลียนแบบชีวภาพที่ขับเคลื่อนด้วยตนเอง ระบบห่อหุ้ม หรือหุ่นยนต์อ่อนนุ่มได้ 3. **การศึกษาลักษณะเฉพาะของชิ้นส่วนภายนอกสำหรับแขนหุ่นยนต์ฮิวมานอยด์ที่พิมพ์ด้วยเครื่องพิมพ์ 3 มิติ ด้วยลวดลายและความหนาที่หลากหลาย** > ด้วยการพัฒนาหุ่นยนต์ฮิวมานอยด์ ทำให้จำเป็นต้องมีชิ้นส่วนภายนอกที่อ่อนนุ่มกว่า เพื่อการปฏิสัมพันธ์ที่ดีขึ้นระหว่างมนุษย์กับหุ่นยนต์ โครงสร้างแบบอ็อกเซติกในวัสดุเมตาเป็นแนวทางที่มีศักยภาพในการสร้างชิ้นส่วนภายนอกที่อ่อนนุ่ม โครงสร้างเหล่านี้มีคุณสมบัติทางกลที่เป็นเอกลักษณ์ การพิมพ์ 3 มิติ โดยเฉพาะอย่างยิ่งการผลิตแบบหลอมเส้นใย (FFF) ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการสร้างโครงสร้างดังกล่าว เทอร์โมพลาสติกโพลียูรีเทน (TPU) มักใช้ใน FFF เนื่องจากมีความยืดหยุ่นที่ดี การศึกษาครั้งนี้มีจุดมุ่งหมายเพื่อพัฒนาฝาครอบภายนอกที่อ่อนนุ่มสำหรับหุ่นยนต์ฮิวมานอยด์ Alice III โดยใช้การพิมพ์ 3 มิติแบบ FFF ด้วยเส้นใย TPU Shore 95A > > การศึกษาครั้งนี้ใช้เส้นใย TPU สีขาวกับเครื่องพิมพ์ 3 มิติเพื่อผลิตแขนหุ่นยนต์ฮิวมานอยด์แบบ 3 มิติ แขนหุ่นยนต์ถูกแบ่งออกเป็นส่วนปลายแขนและส่วนต้นแขน มีการใช้ลวดลายที่แตกต่างกัน (แบบทึบและแบบเว้า) และความหนา (1, 2 และ 4 มม.) กับชิ้นงานตัวอย่าง หลังจากพิมพ์แล้ว ได้ทำการทดสอบการดัด การดึง และการบีบอัด เพื่อวิเคราะห์คุณสมบัติทางกล ผลลัพธ์ยืนยันว่าโครงสร้างแบบเว้าเข้าสามารถดัดงอได้ง่ายตามเส้นโค้งการดัดงอและต้องการแรงกดน้อยกว่า ในการทดสอบการบีบอัด โครงสร้างแบบเว้าเข้าสามารถรับน้ำหนักได้ดีกว่าโครงสร้างแบบทึบ > > หลังจากวิเคราะห์ความหนาทั้งสามแบบแล้ว พบว่าโครงสร้างแบบเว้าเข้าที่มีความหนา 2 มม. มีคุณสมบัติที่ดีเยี่ยมในด้านการดัด การดึง และการบีบอัด ดังนั้น รูปแบบเว้าเข้าที่มีความหนา 2 มม. จึงเหมาะสมกว่าสำหรับการผลิตแขนหุ่นยนต์ฮิวมานอยด์ที่พิมพ์ด้วยเครื่องพิมพ์ 3 มิติ 4. **แผ่น “ผิวนุ่ม” TPU ที่พิมพ์ด้วยเครื่องพิมพ์ 3 มิติเหล่านี้ ช่วยให้หุ่นยนต์มีสัมผัสที่ไวต่อความรู้สึกสูงในราคาประหยัด** > นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยอิลลินอยส์ เออร์บานา-แชมเปญ ได้คิดค้นวิธีการราคาประหยัดในการให้หุ่นยนต์มีสัมผัสเหมือนมนุษย์ นั่นคือ แผ่นผิวนุ่มที่พิมพ์ด้วยเครื่องพิมพ์ 3 มิติ ซึ่งทำหน้าที่เป็นเซ็นเซอร์วัดแรงดันเชิงกลด้วย เซ็นเซอร์หุ่นยนต์สัมผัสโดยทั่วไปมักประกอบด้วยวงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่ซับซ้อนมากและมีราคาค่อนข้างสูง แต่เราได้แสดงให้เห็นแล้วว่าสามารถสร้างทางเลือกที่ใช้งานได้จริงและทนทานได้ในราคาถูกมาก ยิ่งไปกว่านั้น เนื่องจากเป็นการตั้งโปรแกรมเครื่องพิมพ์ 3 มิติใหม่เท่านั้น เทคนิคเดียวกันนี้จึงสามารถปรับแต่งให้เข้ากับระบบหุ่นยนต์ต่างๆ ได้อย่างง่ายดาย ฮาร์ดแวร์หุ่นยนต์อาจเกี่ยวข้องกับแรงและแรงบิดขนาดใหญ่ ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีความปลอดภัยสูงหากจะนำไปใช้งานโดยตรงกับมนุษย์หรือใช้ในสภาพแวดล้อมของมนุษย์ คาดว่าผิวสัมผัสที่อ่อนนุ่มจะมีบทบาทสำคัญในเรื่องนี้ เนื่องจากสามารถใช้ได้ทั้งเพื่อความปลอดภัยทางกลและสำหรับการรับรู้สัมผัส เซ็นเซอร์ของทีมทำขึ้นโดยใช้แผ่นรองที่พิมพ์จากเทอร์โมพลาสติกยูรีเทน (TPU) บนเครื่องพิมพ์ 3 มิติ Raise3D E2 ที่หาซื้อได้ทั่วไป ชั้นนอกที่อ่อนนุ่มหุ้มส่วนเติมเต็มที่เป็นโพรง และเมื่อชั้นนอกถูกบีบอัด ความดันอากาศภายในจะเปลี่ยนแปลงไปตามนั้น ทำให้เซ็นเซอร์วัดความดัน Honeywell ABP DANT 005 ที่เชื่อมต่อกับไมโครคอนโทรลเลอร์ Teensy 4.0 สามารถตรวจจับการสั่นสะเทือน การสัมผัส และความดันที่เพิ่มขึ้นได้ ลองนึกภาพว่าคุณต้องการใช้หุ่นยนต์ที่มีผิวหนังอ่อนนุ่มเพื่อช่วยเหลือในโรงพยาบาล พวกมันจะต้องได้รับการฆ่าเชื้อเป็นประจำ หรือผิวหนังจะต้องได้รับการเปลี่ยนเป็นประจำ ไม่ว่าจะด้วยวิธีใดก็มีค่าใช้จ่ายสูงมาก อย่างไรก็ตาม การพิมพ์ 3 มิติเป็นกระบวนการที่ปรับขนาดได้สูง ดังนั้นชิ้นส่วนที่เปลี่ยนทดแทนกันได้จึงสามารถผลิตได้ในราคาไม่แพงและถอดเข้าออกจากตัวหุ่นยนต์ได้ง่าย 5. **การผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุของตาข่ายลม TPU ในฐานะแอคทูเอเตอร์หุ่นยนต์อ่อนนุ่ม** > ในบทความนี้ การผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุ (AM) ของเทอร์โมพลาสติกโพลียูรีเทน (TPU) ได้รับการตรวจสอบในบริบทของการประยุกต์ใช้เป็นส่วนประกอบหุ่นยนต์อ่อนนุ่ม เมื่อเปรียบเทียบกับวัสดุ AM ยืดหยุ่นอื่นๆ TPU แสดงให้เห็นถึงคุณสมบัติทางกลที่เหนือกว่าในด้านความแข็งแรงและความเครียด โดยใช้เทคนิคการเผาผนึกด้วยเลเซอร์แบบเลือกเฉพาะ (selective laser sintering) ตัวกระตุ้นการดัดงอแบบใช้ลม (pneu nets) ถูกพิมพ์แบบ 3 มิติเพื่อใช้เป็นกรณีศึกษาของหุ่นยนต์อ่อนนุ่ม และประเมินผลเชิงทดลองเกี่ยวกับการโก่งตัวเมื่อเทียบกับแรงดันภายใน พบว่าการรั่วไหลเนื่องจากความแน่นของอากาศเป็นฟังก์ชันของความหนาผนังขั้นต่ำของตัวกระตุ้น > > เพื่ออธิบายพฤติกรรมของหุ่นยนต์อ่อนนุ่ม จำเป็นต้องรวมคำอธิบายวัสดุไฮเปอร์อิลาสติกเข้าไว้ในแบบจำลองการเปลี่ยนรูปทางเรขาคณิต ซึ่งอาจเป็นแบบวิเคราะห์หรือแบบตัวเลขก็ได้ บทความนี้ศึกษาแบบจำลองต่างๆ เพื่ออธิบายพฤติกรรมการดัดงอของตัวกระตุ้นหุ่นยนต์อ่อนนุ่ม มีการใช้การทดสอบวัสดุเชิงกลเพื่อกำหนดพารามิเตอร์ของแบบจำลองวัสดุไฮเปอร์อิลาสติกเพื่ออธิบายโพลียูรีเทนเทอร์โมพลาสติกที่ผลิตด้วยวิธีการเพิ่มเนื้อวัสดุ > > การจำลองเชิงตัวเลขโดยใช้วิธีไฟไนต์เอเลเมนต์ได้รับการกำหนดพารามิเตอร์เพื่ออธิบายการเปลี่ยนรูปของตัวกระตุ้นและเปรียบเทียบกับแบบจำลองเชิงวิเคราะห์ที่ตีพิมพ์เมื่อเร็วๆ นี้สำหรับตัวกระตุ้นดังกล่าว ผลการทำนายของแบบจำลองทั้งสองถูกนำมาเปรียบเทียบกับผลการทดลองของตัวกระตุ้นหุ่นยนต์อ่อนนุ่ม แม้ว่าแบบจำลองเชิงวิเคราะห์จะให้ค่าเบี่ยงเบนที่มากกว่า แต่การจำลองเชิงตัวเลขสามารถทำนายมุมการดัดงอได้โดยมีค่าเบี่ยงเบนเฉลี่ย 9° แม้ว่าการจำลองเชิงตัวเลขจะใช้เวลานานกว่ามากในการคำนวณ ในสภาพแวดล้อมการผลิตแบบอัตโนมัติ หุ่นยนต์อ่อนนุ่มสามารถช่วยเสริมการเปลี่ยนแปลงระบบการผลิตแบบแข็งไปสู่การผลิตที่คล่องตัวและชาญฉลาดได้