การประยุกต์ใช้วัสดุ TPU ในหุ่นยนต์ฮิวแมนนอยด์

TPU (เทอร์โมพลาสติกโพลียูรีเทน)มีคุณสมบัติโดดเด่น เช่น ความยืดหยุ่น ความยืดหยุ่นสูง และความทนทานต่อการสึกหรอ ทำให้มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในส่วนประกอบสำคัญของหุ่นยนต์ฮิวแมนนอยด์ เช่น ฝาครอบภายนอก มือหุ่นยนต์ และเซ็นเซอร์สัมผัส ด้านล่างนี้คือเอกสารภาษาอังกฤษโดยละเอียดที่รวบรวมจากเอกสารวิชาการและรายงานทางเทคนิคที่เชื่อถือได้: 1. **การออกแบบและพัฒนามือหุ่นยนต์แบบมนุษย์โดยใช้วัสดุ TPU** > **บทคัดย่อ**: บทความที่นำเสนอนี้มุ่งแก้ปัญหาความซับซ้อนของมือหุ่นยนต์แบบมนุษย์ ปัจจุบันหุ่นยนต์เป็นสาขาที่ก้าวหน้าที่สุด และมีความตั้งใจที่จะเลียนแบบการเคลื่อนไหวและพฤติกรรมของมนุษย์มาโดยตลอด มือแบบมนุษย์เป็นหนึ่งในวิธีการเลียนแบบการทำงานแบบมนุษย์ ในบทความนี้ ได้มีการอธิบายแนวคิดในการพัฒนามือแบบมนุษย์ที่มีองศาอิสระ 15 องศาและตัวกระตุ้น 5 ตัว รวมถึงการออกแบบเชิงกล ระบบควบคุม องค์ประกอบ และลักษณะเฉพาะของมือหุ่นยนต์ มือมีรูปลักษณ์แบบมนุษย์และสามารถแสดงฟังก์ชันการทำงานแบบมนุษย์ได้ เช่น การจับและการแสดงท่าทางมือ ผลการวิจัยแสดงให้เห็นว่ามือได้รับการออกแบบเป็นชิ้นเดียว ไม่จำเป็นต้องประกอบใดๆ และแสดงให้เห็นถึงความสามารถในการยกน้ำหนักที่ยอดเยี่ยม เนื่องจากทำจากเทอร์โมพลาสติกโพลียูรีเทนที่มีความยืดหยุ่นวัสดุ (TPU)และความยืดหยุ่นยังช่วยให้มือมีความปลอดภัยสำหรับการปฏิสัมพันธ์กับมนุษย์อีกด้วย มือนี้อาจนำไปใช้กับหุ่นยนต์ฮิวแมนนอยด์และมือเทียมได้ จำนวนแอคชูเอเตอร์ที่จำกัดทำให้การควบคุมง่ายขึ้นและมือมีน้ำหนักเบาลง 2. **การดัดแปลงพื้นผิวเทอร์โมพลาสติกโพลียูรีเทนเพื่อสร้างกริปเปอร์หุ่นยนต์แบบนิ่มโดยใช้วิธีการพิมพ์สี่มิติ** > หนึ่งในแนวทางสำหรับการพัฒนาการผลิตแบบเติมแต่งเชิงฟังก์ชันแบบไล่ระดับ คือการสร้างโครงสร้างพิมพ์สี่มิติ (4D) สำหรับการจับยึดหุ่นยนต์แบบนิ่ม ซึ่งทำได้โดยการผสมผสานการพิมพ์สามมิติแบบหลอมรวมแบบจำลองการสะสมตัวกับแอคชูเอเตอร์ไฮโดรเจลแบบนิ่ม งานวิจัยนี้เสนอแนวคิดในการสร้างกริปเปอร์หุ่นยนต์แบบนิ่มที่ใช้พลังงานอิสระ ซึ่งประกอบด้วยวัสดุรองรับที่พิมพ์สามมิติแบบดัดแปลงที่ทำจากเทอร์โมพลาสติกโพลียูรีเทน (TPU) และแอคชูเอเตอร์ที่ทำจากเจลลาตินไฮโดรเจล ช่วยให้สามารถตั้งโปรแกรมการเปลี่ยนรูปด้วยความชื้นได้โดยไม่ต้องใช้โครงสร้างเชิงกลที่ซับซ้อน >> การใช้ไฮโดรเจลที่มีส่วนประกอบของเจลาติน 20% ช่วยให้โครงสร้างมีฟังก์ชันเลียนแบบชีวภาพแบบหุ่นยนต์อ่อน และมีหน้าที่รับผิดชอบในการตอบสนองทางกลอย่างชาญฉลาดของวัตถุที่พิมพ์ โดยตอบสนองต่อกระบวนการบวมในสภาพแวดล้อมที่เป็นของเหลว การทำให้พื้นผิวของเทอร์โมพลาสติกโพลียูรีเทนมีฟังก์ชันเฉพาะที่ในสภาพแวดล้อมอาร์กอน-ออกซิเจนเป็นเวลา 90 วินาที ด้วยกำลัง 100 วัตต์ และความดัน 26.7 pa เอื้อต่อการเปลี่ยนแปลงของไมโครรีลีฟ ซึ่งช่วยเพิ่มการยึดเกาะและความเสถียรของเจลาตินที่บวมบนพื้นผิว >> แนวคิดในการสร้างโครงสร้างหวีที่เข้ากันได้ทางชีวภาพจากการพิมพ์ 4 มิติสำหรับการจับยึดแบบหุ่นยนต์อ่อนใต้น้ำในระดับมหภาค สามารถให้การจับยึดเฉพาะจุดแบบไม่รุกราน ขนส่งวัตถุขนาดเล็ก และปลดปล่อยสารออกฤทธิ์ทางชีวภาพเมื่อบวมในน้ำ ดังนั้น ผลิตภัณฑ์ที่ได้จึงสามารถใช้เป็นตัวกระตุ้นเลียนแบบชีวภาพที่ขับเคลื่อนด้วยตัวเอง ระบบห่อหุ้ม หรือหุ่นยนต์อ่อนได้ 3. **การศึกษาคุณลักษณะของชิ้นส่วนภายนอกสำหรับแขนหุ่นยนต์ฮิวแมนนอยด์ที่พิมพ์ 3 มิติ ซึ่งมีลวดลายและความหนาหลากหลาย** > ด้วยการพัฒนาหุ่นยนต์ฮิวแมนนอยด์ จำเป็นต้องมีชิ้นส่วนภายนอกที่อ่อนนุ่มเพื่อให้มีปฏิสัมพันธ์ระหว่างมนุษย์และหุ่นยนต์ได้ดียิ่งขึ้น โครงสร้างออเซติกในวัสดุเมตาเป็นวิธีที่มีแนวโน้มในการสร้างชิ้นส่วนภายนอกที่อ่อนนุ่ม โครงสร้างเหล่านี้มีคุณสมบัติเชิงกลที่เป็นเอกลักษณ์ การพิมพ์ 3 มิติ โดยเฉพาะอย่างยิ่งการผลิตฟิลาเมนต์แบบหลอมรวม (Fused filament fabrication: FFF) ถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในการสร้างโครงสร้างดังกล่าว เทอร์โมพลาสติกโพลียูรีเทน (TPU) เป็นที่นิยมใช้ใน FFF เนื่องจากมีความยืดหยุ่นที่ดี การศึกษานี้มีวัตถุประสงค์เพื่อพัฒนาฝาครอบภายนอกที่อ่อนนุ่มสำหรับหุ่นยนต์ฮิวแมนนอยด์ Alice III โดยใช้การพิมพ์ 3 มิติแบบ FFF ด้วยฟิลาเมนต์ Shore 95A TPU > > การศึกษานี้ใช้ฟิลาเมนต์ TPU สีขาวร่วมกับเครื่องพิมพ์ 3 มิติในการผลิตแขนหุ่นยนต์ฮิวแมนนอยด์ 3DP แขนหุ่นยนต์ถูกแบ่งออกเป็นส่วนปลายแขนและส่วนบน มีการใช้ลวดลายต่างๆ (แบบทึบและแบบ re-entrant) และความหนา (1, 2 และ 4 มม.) กับตัวอย่าง หลังจากการพิมพ์ ได้ดำเนินการทดสอบการดัด แรงดึง และแรงอัดเพื่อวิเคราะห์คุณสมบัติเชิงกล ผลการทดสอบยืนยันว่าโครงสร้าง re-entrant สามารถดัดโค้งงอได้ง่ายและต้องการแรงกดน้อยลง ในการทดสอบแรงอัด โครงสร้าง re-entrant สามารถรับน้ำหนักได้ดีกว่าโครงสร้างแบบทึบ > > หลังจากวิเคราะห์ความหนาทั้งสามแบบแล้ว ยืนยันว่าโครงสร้าง re-entrant ที่มีความหนา 2 มม. มีคุณสมบัติที่ยอดเยี่ยมในแง่ของการดัด แรงดึง และแรงอัด ดังนั้น รูปแบบ re-entrant ที่มีความหนา 2 มม. จึงเหมาะสมกว่าสำหรับการผลิตแขนหุ่นยนต์ฮิวแมนนอยด์ที่พิมพ์ 3 มิติ 4. **แผ่นรอง TPU “Soft Skin” ที่พิมพ์ 3 มิติเหล่านี้มอบสัมผัสที่ไวต่อการสัมผัสสูงและมีต้นทุนต่ำให้กับหุ่นยนต์** > นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยอิลลินอยส์ เออร์บานา – แชมเปญ ได้คิดค้นวิธีการต้นทุนต่ำในการมอบสัมผัสแบบมนุษย์ให้กับหุ่นยนต์ นั่นคือแผ่นรองผิวหนังนุ่มที่พิมพ์ 3 มิติ ซึ่งทำหน้าที่เป็นเซ็นเซอร์วัดแรงกดเชิงกลอีกด้วย > > เซ็นเซอร์สัมผัสหุ่นยนต์มักประกอบด้วยชุดอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ซับซ้อนมากและมีราคาค่อนข้างแพง แต่เราได้แสดงให้เห็นแล้วว่าสามารถผลิตทางเลือกที่ใช้งานได้จริงและทนทานได้ในราคาถูกมาก ยิ่งไปกว่านั้น เนื่องจากเป็นเพียงเรื่องของการเขียนโปรแกรมเครื่องพิมพ์ 3 มิติใหม่ เทคนิคเดียวกันนี้จึงสามารถปรับแต่งให้เข้ากับระบบหุ่นยนต์ต่างๆ ได้อย่างง่ายดาย ฮาร์ดแวร์หุ่นยนต์อาจต้องใช้แรงและแรงบิดสูง ดังนั้นจึงจำเป็นต้องสร้างความปลอดภัยให้เพียงพอหากต้องสัมผัสกับมนุษย์โดยตรงหรือใช้งานในสภาพแวดล้อมของมนุษย์ คาดว่าผิวหนังที่อ่อนนุ่มจะมีบทบาทสำคัญในเรื่องนี้ เนื่องจากสามารถใช้ได้ทั้งในด้านการปฏิบัติตามมาตรฐานความปลอดภัยเชิงกลและการรับรู้สัมผัส > > เซ็นเซอร์ของทีมวิจัยนี้ผลิตจากแผ่นพิมพ์จากเทอร์โมพลาสติกยูรีเทน (TPU) บนเครื่องพิมพ์ 3 มิติ Raise3D E2 ที่มีวางจำหน่ายทั่วไป ชั้นนอกที่อ่อนนุ่มคลุมส่วนเติมที่เป็นโพรง และเมื่อชั้นนอกถูกอัด แรงดันอากาศภายในจะเปลี่ยนแปลงตามไปด้วย ทำให้เซ็นเซอร์วัดแรงดัน Honeywell ABP DANT 005 ที่เชื่อมต่อกับไมโครคอนโทรลเลอร์ Teensy 4.0 สามารถตรวจจับการสั่นสะเทือน การสัมผัส และแรงกดที่เพิ่มขึ้นได้ ลองนึกภาพว่าคุณต้องการใช้หุ่นยนต์ที่มีผิวหนังอ่อนนุ่มเพื่อช่วยเหลือในโรงพยาบาล หุ่นยนต์เหล่านี้จำเป็นต้องได้รับการฆ่าเชื้อเป็นประจำ หรือผิวหนังจะต้องได้รับการเปลี่ยนใหม่เป็นประจำ ไม่ว่าจะด้วยวิธีใดก็ตาม ย่อมมีค่าใช้จ่ายสูง อย่างไรก็ตาม การพิมพ์ 3 มิติเป็นกระบวนการที่ปรับขนาดได้มาก จึงสามารถผลิตชิ้นส่วนที่สามารถเปลี่ยนแทนกันได้ในราคาประหยัดและติดและถอดออกจากตัวหุ่นยนต์ได้อย่างง่ายดาย 5. **การผลิตแบบเติมแต่งของ TPU Pneu – ตาข่ายสำหรับใช้เป็นแอคชูเอเตอร์หุ่นยนต์แบบอ่อน** > ในบทความนี้ การผลิตแบบเติมแต่ง (AM) ของเทอร์โมพลาสติกโพลียูรีเทน (TPU) ได้รับการศึกษาในบริบทของการประยุกต์ใช้เป็นส่วนประกอบหุ่นยนต์แบบอ่อน เมื่อเปรียบเทียบกับวัสดุ AM แบบยืดหยุ่นอื่นๆ TPU แสดงให้เห็นถึงคุณสมบัติเชิงกลที่เหนือกว่าในด้านความแข็งแรงและความเครียด การพิมพ์ 3 มิติของตัวกระตุ้นการดัดแบบนิวเมติกส์ (pneu-nets) โดยใช้เทคนิคการเผาผนึกด้วยเลเซอร์แบบเลือกสรร เป็นกรณีศึกษาของหุ่นยนต์แบบนิ่ม และนำมาประเมินผลการทดลองเกี่ยวกับการโก่งตัวเหนือแรงดันภายใน การรั่วไหลเนื่องจากความหนาแน่นของอากาศจะถูกสังเกตโดยพิจารณาจากความหนาของผนังขั้นต่ำของตัวกระตุ้น > > เพื่ออธิบายพฤติกรรมของหุ่นยนต์แบบนิ่ม จำเป็นต้องรวมคำอธิบายวัสดุไฮเปอร์อิลาสติกไว้ในแบบจำลองการเสียรูปทางเรขาคณิต ซึ่งอาจเป็นแบบจำลองเชิงวิเคราะห์หรือเชิงตัวเลข บทความนี้ศึกษาแบบจำลองต่างๆ เพื่ออธิบายพฤติกรรมการดัดของตัวกระตุ้นหุ่นยนต์แบบนิ่ม การทดสอบวัสดุเชิงกลถูกนำมาใช้เพื่อกำหนดพารามิเตอร์ให้กับแบบจำลองวัสดุไฮเปอร์อิลาสติกเพื่ออธิบายเทอร์โมพลาสติกโพลียูรีเทนที่ผลิตขึ้นโดยการเติมแต่ง > > การจำลองเชิงตัวเลขโดยอาศัยวิธีไฟไนต์เอลิเมนต์ถูกกำหนดค่าพารามิเตอร์เพื่ออธิบายการเสียรูปของตัวกระตุ้น และเปรียบเทียบกับแบบจำลองเชิงวิเคราะห์ที่เผยแพร่ล่าสุดสำหรับตัวกระตุ้นดังกล่าว การคาดการณ์ของแบบจำลองทั้งสองจะถูกนำมาเปรียบเทียบกับผลการทดลองของตัวกระตุ้นหุ่นยนต์แบบนิ่ม แม้ว่าแบบจำลองเชิงวิเคราะห์จะสามารถหาค่าเบี่ยงเบนที่มากขึ้นได้ แต่การจำลองเชิงตัวเลขสามารถทำนายมุมโค้งงอได้ด้วยความเบี่ยงเบนเฉลี่ย 9° แม้ว่าการจำลองเชิงตัวเลขจะใช้เวลานานกว่าในการคำนวณอย่างมากก็ตาม ในสภาพแวดล้อมการผลิตแบบอัตโนมัติ หุ่นยนต์แบบอ่อนสามารถเสริมการเปลี่ยนแปลงระบบการผลิตแบบคงที่ไปสู่การผลิตแบบคล่องตัวและชาญฉลาดได้