Design, fabrication, and locomotion analysis of an untethered, miniature, legged, compressible, soft robot: CSQUAD

Geleneksel robotik hızlı ve hassas üretim uygulamaları ve sofistike kontrole sahip endüstriyel sistemler için son birkaç yüzyıldır efektif olmuştur. Robotların insanlar tarafından kullanımının yaygınlaşması ile birlikte geleneksel robotiğin dezavantajları daha çok gün yüzüne çıkmaya başlamıştır. Yumuşak ve esnek robotların çözdüğü en büyük problemlerden biri de robotların insanlarla olan güvenli etkileşimleridir. Bu robotlar ameliyatlarda veya enkaz altında arama kurtarma çalışmaları gibi faaliyetler sırasında katı ve rijit robotlara kıyasla özellikle esneklik ve uyumluluk konusunda daha yüksek performans sunmaktadır. Bu çalışmada sunulan kablosuz, minyatür, bacaklı ve sıkışabilme kabiliyetine sahip dörtayaklı robot (cSQuad), özellikle arama kurtarma çalışmalarına destek olmak fikri ile tasarlanmıştır. Bu robot, bozuk yüzeylerde daha iyi yürüme performansına sahip olması için C şeklindeki bacaklarla donatılmıştır. cSQuad, PDMS (polidimetilsiloksan) gibi çoğunlukla esnek olan malzemelerden üretilmiştir. Robot gövdesi, bacakları ve elektronik kartı esnek iken sadece sensörler, motorlar ve bazı elektronik parçalar rijit materyallerden üretilmiştir. Bu robotun temel amacı kendi orijinal kesit alanından daha dar geçitlerden geçebilmektir. Bu amaca ulaşabilmek için robotun sıkışabilir olması gerekmektedir. Robotun gövde ve C şeklindeki bacaklarına şekil hafızalı alaşımlar (ŞHA) sayesinde sıkışabilme yeteneği kazandırılmıştır. cSQuad'ın bütün tasarım ve üretim aşamaları detaylı bir şekilde açıklanmış ve deneyleri yapılmıştır. Deneyler sonucunda robotun kesit alanını en az %25 küçültebildiği doğrulanmıştır. cSQuad, kendisi gibi esnek, C bacaklı ve dörtayaklı bir robot olan SQuad robotu ̈uzerine inşa edilmiştir. cSQuad'ın tasarımına başlamadan ̈once SQuad üzerinde yapılan yürüme deneylerinden elde edilen sonuçlardan istifade edilmiştir. Bu deneyler sırasında esnek bir robot olan SQuad ile aynı tasarıma sahip fakat tamamen rijit veya kısmen rijit materyallerden ̈uretilmiş farklı robot versiyonları karşılaştırılmıştır. Bu karşılaştırmada robotun hızı, yunuslama açısı, yatış açısı, gövdenin geometrik merkezinin pozisyonu ve robotun engel aşma performansı gibi parametreler kullanılmıştır. Bu deneyler yumuşak robot olan SQuad'ın diğer robotlara kıyasla daha yavaş olsa da engel tırmanma kabiliyeti ve sarsıntısız yürüme performansı konularında daha üstün olduğunu göstermiştir. Bu sonuçlar sayesinde SQuad'ın gelişme potansiyeline sahip olduğu anlaşılmış ve cSQuad tasarlanmıştır. cSQuad'ın ŞHA materyalinden ̈uretilen yayları, robotun gövdesi ve bacakları üzerinde spesifik olarak belirlenen pozisyonlara bağlanmıştır. Bu sayede optimum sıkışma performansına ulaşmak hedeflenmiştir. Özellikle bacaklar ̈uzerinde bulunan ŞHA yaylarına elektrik akımı aktarabilmek için pogo pin isimli yaylı pinler kullanılmıştır. Bu pinler bacaklar ̈uzerine bağlanmıştır ve gövde ̈uzerine yerleştirilen kontak bilezikleri ile bacağın dönüşü esnasında sürekli temas halinde olmaları ve bacak ̈uzerine sürekli elektrik aktarımı sağlanmıştır. İlk önce bacak sıkışması ve gövde sıkışması ayrı olarak robota entegre edilmiş ve testleri yapılmıştır. Daha sonra ise bütün sistemler birleştirilerek hem gövde hem de bacak sıkışmasına sahip olan cSQuad'ın ̈uretimi ve testleri başarıyla tamamlanmıştır. Sonuç olarak kesit alanını en az %25 küçültebilen bir esnek robot ̈uretilmiş ve test edilmiştir. Bu robotun tasarımı ve ̈uretimde kullanılan yöntemler gelecekte üretilecek yeni nesil arama kurtarma robotları için bir temel olarak kullanılabilir. Ayrıca cSQuad, spesifik görevleri gerçekleştirmek için spesifik sensörlerle donatılabilme potansiyeline da sahiptir. Robotun üretim ve tasarım aşamalarında paylaşılan bilgiler ve yöntemler, esnek robot üretimi için genel bir kılavuz olarak da kullanılabilir.