توصيفگر ها :
بافتهاي حلقوي پودي , محرك نرم , رباتيك نرم پنوماتيك , زاويه خمش , ناهمسانگردي , منسوجات تاشونده
چكيده فارسي :
رباتيك نرم بهعنوان يكي از حوزههاي تحولآفرين مهندسي در قرن بيست و يكم مطرح شده است كه سامانههايي انعطافپذير، سبك و برنامهپذير ارائه ميدهد و قادر به انجام وظايفي است كه رباتهاي صلب، توانايي اجراي آنها را ندارند. در مركز اين حوزه نوظهور، محركهاي نرم پنوماتيك قرار دارند كه با استفاده از فشار داخلي، تغيير شكلهاي خمشي، كششي، پيچشي و حتي حركات تركيبي با چند درجه آزادي را ايجاد ميكنند. يكي از رويكردهاي نويدبخش براي كنترل ناهمسانگردي و الگوهاي حركتي اين محركها، استفاده از منسوجات تقويتي، بهويژه پارچههاي حلقوي پودي است كه بهطور ذاتي داراي انعطافپذيري، قابليت تنظيم خصوصيات ساختاري و ويژگيهاي مكانيكي جهتدار هستند. پژوهش حاضر به بررسي تأثير ساختارهاي حلقوي پودي بر عملكرد خمشي محركهاي استوانهاي پنوماتيك پرداخته و به دنبال ارائه دستورالعملهاي طراحي برنامهريزي شده در مرز مشترك مهندسي نساجي و رباتيك نرم جهت بررسي ساختارهايي متشكل از انواع حلقه و طرح بافت و ساختارهاي تاشونده است. محرك نرم مورد استفاده از يك لوله سيليكوني تشكيل شده است كه بر روي آن يك بافت كيسهاي قرار داده شده است. براي ايجاد خمش از دو بافت با سفتي متفاوت در نيماستوانه جلويي و نيماستوانه پشتي استفاده شد. يك سر محرك مسدود شد و جريان هواي فشرده از سر ديگر به اين محرك تزريق گرديد. چهار طرح آزمايش طراحي و اجرا شد كه هركدام جنبهاي خاص از طراحي و نحوه عملكرد محرك نرم پنوماتيك را بررسي كردند. در طرح آزمايش اول، نيماستوانه پشتي محرك با پنج نوع ساختار بافت يكروسيلندر كه تركيبي از حلقههاي بافت، نبافت و نيمبافت بودند توليد گرديد؛ در حاليكه نيماستوانه جلويي از يك بافت فوقكشسان انتخاب گرديد. مقدار خمش ايجاد شده با تكنيك تصويربرداري و پردازش تصوير اندازهگيري شد. نتايج نشان داده كه زاويه خمش ايجاد شده بصورت خطي با افزايش فشار، افزايش يافت. مطابق با نتايج، بافت يكروسيلندر ساده با زاويه ° 7/63 بالاترين مقدار خمش و بافت دابل كراس تاك كمترين زاويه خمش (° 5/43) را در فشار 75/1 بار نشان داد كه به اثر حلقه بافت و نيمبافت بر سفتي و تفاوت در كرنش محيطي نسبت داده شد. در طرح آزمايش دوم، براي ايجاد محدوديت ساختاري، دو انتهاي استوانه با بافت كراس تاك ثابت شد و تنها بخش مياني نيماستوانه پشتي تغيير كرد. روند كلي مشابه آزمايش اول بود، بهطوريكه دوباره بافت يكروسيلندر ساده بيشترين خمش (67.9°) را ايجاد كرد، اما اختلاف بين ساختارها كاهش يافت. نتايج نشان داد كه سفتي بخش بالايي و پاييني نيماستوانه در شرايط يكسان تاثير چنداني بر زاويه خمش ندارد. در طرح آزمايش سوم اثر گيج ماشين بافندگي تختباف بر زاويه خمش بررسي شد. نتايج نشان داد كه ساختارهاي حلقوي توليدشده با ماشين بافندگي با گيج 5 همواره خمش بيشتري نسبت به گيج 8 داشتند. افزايش تراكم حلقه در گيج بالاتر موجب افزايش مدول و كاهش كشساني شد و در نتيجه كرنش ناشي از فشار داخلي كاهش يافت كه منجر به خمش كمتري شد. در طرح آزمايش چهارم، ساختارهاي تاشونده در بخش مياني نيماستوانه استفاده شدند. دو الگوي تاشونده زيگزاگي و مستطيلي با بافت فوقكشسان مقايسه شدند. نتايج نشان داد كه الگوي زيگزاگي زاويه خمش بيشتري نسبت به مستطيلي ايجاد كرد. اين امر به دليل انقباض بيشتردر ساختار زيگزاگي بود كه منجر به سفتي كمتر بافت و انتقال فشار داخلي به تغيير شكل خمشي ميشود.
چكيده انگليسي :
Soft robotics has emerged as one of the most transformative domains of engineering in the twenty-first century, offering flexible, lightweight, and programmable systems that can accomplish tasks beyond the capabilities of rigid robots. At the heart of this emerging field lie soft pneumatic actuators, which utilize internal pressure to produce bending, tensile, torsional, and even multi-degree-of-freedom combined deformations. A promising approach to controlling anisotropy and motion patterns in these actuators is the integration of reinforcing textiles, particularly weft-knitted fabrics, which inherently provide flexibility, tunable structural characteristics, and directional mechanical properties. This study explores the influence of weft-knitted structures on the bending performance of cylindrical pneumatic actuators and seeks to establish structured design guidelines at the intersection of textile engineering and soft robotics, with a focus on loop geometry, knitting patterns, and foldable structures. The soft actuator was constructed from a silicone tube enclosed in a knitted sleeve. To induce bending, fabrics with different stiffnesses were positioned on the front and back halves of the cylinder. One end of the actuator was sealed, and compressed air was supplied through the other end. Four experimental designs were developed, each addressing a distinct aspect of actuator performance. In Experiment 1, the backside of the actuator was fabricated using five variations of single jersey structures consisting of knit, tuck, and miss loops, while the front side was made from a highly elastic knit. The bending angle was measured using imaging and image-processing techniques. Results showed that bending increased linearly with pressure. The plain single jersey achieved the highest bending angle (63.7°), whereas the double cross tuck exhibited the lowest angle (43.5°) at 1.75 bar, due to loop interactions influencing stiffness and circumferential strain. In Experiment 2, structural constraints were introduced by fixing both ends of the cylinder with cross tuck, while only the middle backside varied. The overall trend resembled Experiment 1, with the plain single jersey again producing the highest bending (67.9°), though differences among structures diminished. This demonstrated that the stiffness of the top and bottom regions had minimal influence on bending angle under identical boundary conditions. In Experiment 3, the effect of knitting machine gauge was investigated. Actuators fabricated at gauge 5 consistently exhibited greater bending than those at gauge 8, as the denser loops at higher gauge increased modulus and reduced elasticity, thereby limiting strain under internal pressure and reducing bending deformation. In Experiment 4, foldable structures were integrated into the middle section of the cylinder. Two folding geometries—zigzag and rectangular—constructed from highly elastic knit were compared. The zigzag structure produced greater bending, attributed to its higher lateral contraction, which reduced fabric stiffness and enhanced the transfer of internal pressure into bending deformation.