TPU材料在人形機器人的應用

TPU（熱塑性聚氨酯）它具有優異的柔韌性、彈性和耐磨性等特性，因此被廣泛應用於人形機器人的關鍵部件，例如外殼、機械手和觸覺感測器。以下是從權威學術論文和技術報告中整理出來的詳細英文資料：1. **基於該材料的擬人化機械手的設計與開發TPU材料摘要：本文探討如何解決擬人化機械手的複雜性問題。機器人技術是當今發展最快的領域之一，人們一直致力於模仿人類的驅動和行為。擬人化機械手是模仿人類操作的一種途徑。本文詳細闡述了開發具有15個自由度和5個驅動器的擬人化機械手的構想，並討論了該機械手的機械設計、控制系統、組成和特性。該機械手具有擬人化的外觀，並能執行類似人類的功能，例如抓握和手勢表達。結果表明，該機械手採用一體式設計，無需任何組裝，並且由於其由柔性熱塑性聚氨酯製成，因此具有出色的舉重能力。（TPU）材料此外，其彈性也確保了該手在與人類互動時的安全。該手可用於人形機器人以及義肢。由於驅動器的數量有限，因此控制更簡單，手也更輕。 2. **利用四維列印方法對熱塑性聚氨酯表面進行改性以製造軟體機器人抓取器** > 功能性梯度增材製造的發展方向之一是創建用於軟體機器人抓取的四維 (4D) 列印結構，這可以透過將熔融沈積成型 (FDM) 3D 列印與軟水凝膠驅動器相結合來實現。這項工作提出了一種創建能量獨立的軟體機器人抓取器的概念方法，該抓取器由改性的熱塑性聚氨酯 (TPU) 3D 列印支架基板和基於明膠水凝膠的驅動器組成，無需複雜的機械結構即可實現可編程的吸濕變形。使用20%明膠基水凝膠賦予結構仿生軟體機器人功能，並透過響應液體環境中的溶脹過程，實現列印物件的智慧刺激響應機械功能。在氬氧混合氣體環境下，以100瓦功率和26.7帕壓力對熱塑性聚氨酯進行90秒的表面功能化處理，可改變其微觀形貌，從而提高溶脹明膠在其表面的黏附性和穩定性。所實現的4D列印生物相容性梳狀結構概念可用於水下宏觀軟體機器人抓取，實現非侵入式局部抓取、搬運小型物體，並在水中溶脹時釋放生物活性物質。因此，本產品可用作自供電仿生致動器、封裝系統或軟體機器人。 3. **不同圖案和厚度的3D列印人形機器人手臂外殼的特性研究** > 隨著人形機器人的發展，為了更好地實現人機交互，需要更柔軟的外殼。超材料中的拉脹結構是製造柔軟外殼的一種很有前景的方法。這些結構具有獨特的機械性能。 3D列印，特別是熔融沈積成型（FFF）技術，被廣泛用於製造此類結構。熱塑性聚氨酯（TPU）因其良好的彈性，常用於FFF製程。本研究旨在利用邵氏硬度95A的TPU線材，透過FFF 3D列印技術，為Alice III人形機器人開發一種柔軟的外殼。 > > 本研究使用白色TPU線材和3D列印機製造了3D列印人形機器手臂。機器人手臂分為前臂和上臂兩部分。在樣品上應用了不同的圖案（實心和凹陷）和厚度（1、2和4毫米）。列印完成後，進行了彎曲、拉伸和壓縮測試以分析其機械性能。結果證實，凹陷結構易於沿著彎曲曲線彎曲，且所需應力較小。在壓縮測試中，與實心結構相比，凹陷結構能夠承受更大的負荷。 >> 分析了三種厚度後，證實厚度為 2 毫米的凹陷結構在彎曲、拉伸和壓縮性能方面均表現出優異的特性。因此，厚度為 2 毫米的凹陷結構更適合用於製造 3D 列印的人形機器手臂。 4. **這些 3D 列印的 TPU「軟皮膚」墊賦予機器人低成本、高靈敏度的觸覺** > 伊利諾大學厄巴納-香檳分校的研究人員提出了一種低成本的方法，使機器人擁有類似人類的觸覺：3D 列印的軟皮膚墊，兼具機械壓力感測器的功能。觸覺機器人感測器通常包含非常複雜的電子元件陣列，而且價格昂貴，但我們已經證明，功能齊全且經久耐用的替代方案可以非常經濟地製造出來。此外，由於只需重新編程3D列印機，因此該技術可以輕鬆地定製到不同的機器人系統中。機器人硬體可能會產生較大的力和扭矩，因此，如果它要直接與人類互動或在人類環境中使用，則必須確保其安全性。預計柔軟的皮膚在這方面將發揮重要作用，因為它既可以用於機械安全合規性，也可以用於觸覺感測。團隊的感測器使用熱塑性聚氨酯 (TPU) 製成的墊片，這些墊片是在現成的Raise3D E2 3D列印機上列印的。柔軟的外層覆蓋著一個空心的填充部分，當外層被壓縮時，內部的氣壓也會相應改變——這使得連接到Teensy 4.0微控制器的霍尼韋爾ABP DANT 005壓力感測器能夠檢測振動、觸摸和壓力的增加。想像一下，你想在醫院環境中使用軟體機器人來輔助工作。它們需要定期消毒，或需要定期更換皮膚。無論哪種方式，成本都非常高。然而，3D列印是一種可擴展性很強的工藝，因此可以低成本地製造可互換的零件，並輕鬆地將其安裝到機器人本體或從本體上拆卸下來。 5. **TPU氣動網作為軟體機器人執行器的積層製造** > 本文研究了熱塑性聚氨酯（TPU）的積層製造（AM）技術，並將其應用於軟體機器人零件。與其他彈性增材製造材料相比，TPU在強度和應變方面展現出更優異的機械性質。本文採用選擇性雷射燒結技術，3D列印了氣動彎曲致動器（氣動網），並將其作為軟體機器人案例研究，透過實驗評估了其在內部壓力下的撓度。觀察到氣密性洩漏與致動器最小壁厚之間的關係。為了描述軟體機器人的行為，需要將超彈性材料描述納入幾何變形模型中，這些模型可以是解析模型或數值模型。本文研究了描述軟體機器人驅動器彎曲行為的不同模型。透過機械材料試驗對超彈性材料模型進行參數化，以描述積層製造的熱塑性聚氨酯。基於有限元素方法的數值模擬也進行了參數化，用於描述驅動器的變形，並與最近發表的此類驅動器的解析模型進行了比較。兩種模型的預測結果均與軟體機器人驅動器的實驗結果進行了比較。雖然解析模型的偏差較大，但數值模擬預測的彎曲角度平均偏差為9°，儘管數值模擬的計算時間明顯更長。在自動化生產環境中，軟體機器人可以促進剛性生產系統轉型為敏捷智慧製造的。