Aktuální vydání

celé číslo

02

2021

Systémy pro řízení vodárenských sítí a ČOV

Hladinoměry

celé číslo

Antropomorfní chapadla pro nestrojírenské aplikace

číslo 11/2003

Antropomorfní chapadla pro nestrojírenské aplikace

Antropomorfní (víceprstá) chapadla jsou určena pro uchopování předmětů obecného tvaru. Svým vzhledem připomínají lidskou ruku. Podobně jako lidská ruka mohou díky pohyblivosti prstů manipulovat s objektem při jednom uchopení. Nacházejí uplatnění zejména v nestrojírenských oblastech, včetně netradičních aplikací, jako je manipulace s předměty pod vodou nebo v kosmickém prostoru. Používají se u různých typů mobilních robotů s manipulační nástavbou, dvounohých kráčejících robotů či jako náhrady amputovaných horních končetin. V praxi se využívají různé druhy konstrukcí a počet prstů závisí vždy na konkrétní aplikaci. Při větším počtu stupňů volnosti se soustava pohonů umísťuje mimo konstrukci chapadla.

Obr. 1.

1. Konstrukce antropomorfních chapadel

Z hlediska historického vývoje byly první konstrukce antropomorfních chapadel využívány jako protetická zařízení (protézy), tj. jako náhrady amputované části horní končetiny. Později našly uplatnění také v technické praxi pro uchopování předmětů obecného tvaru. Snahou je vyrobit takový funkční model, který by se svou pohyblivostí, obratností, uchopovacími schopnostmi a rozměry přibližoval ruce člověka. V technické praxi není vždy nezbytně nutné využívat pro uchopování a manipulaci s předměty všech pět prstů. Postupně tak vzniklo mnoho různých konstrukcí antropomorfních chapadel. Jejich základní rozdělení je znázorněno na obr. 1. Všechny konstrukce antropomorfních chapadel využívají k pohybu jednotlivých prstů různé druhy pohonů. Proto je lze podle druhu použitého pohonu rozdělit na antropomorfní chapadla:

  • s elektropohony,
  • s pneumatickými pohony,
  • s umělými svaly – pneumatickými (přetlakové nebo podtlakové), hydraulickými, polymerickými nebo s TiNi pružinami.

Na katedře robototechniky VŠB-TU v Ostravě, Fakultě strojní, bylo vyvinuto a vyrobeno čtyřprsté antropomorfní chapadlo, které je určeno pro výukové účely, ale také k provádění různých zkoušek funkčnosti a měření jednotlivých parametrů v rámci laboratorních cvičení, včetně výuky odborných předmětů. Upevněním chapadla na koncový člen manipulační nástavby lze vykonávat různé druhy manipulačních úloh v nestrojírenských oblastech.

Obr. 2. Obr. 3. Obr. 8.

Pohyb prstů a palce zabezpečují dvojčinné přímočaré pneumatické motory. Každý prst je tvořen třemi články vzájemně spojenými pomocí čepů a táhel. Palec je tvořen pouze jedním článkem. První článek každého prstu a palec jsou spojeny s rámem (dlaní) pomocí kloubu s jedním stupněm volnosti. Každý prst má svůj vlastní pohon. Z kinematického hlediska jde o tři prsty s jedním palcem v opozici. Schéma modelu jednoho prstu je znázorněno na obr. 2.

Spojení článků pomocí táhel umožňuje prsty při uchopování předmětu sevřít. Při maximálním sevření prstů se jejich konečky dotýkají dlaně chapadla. Každý prst má dvě táhla. Jedno táhlo spojuje rám (dlaň) chapadla s druhým článkem prstu a druhé táhlo spojuje první a třetí článek. Obě táhla jsou otočně uložena na čepech. Pístnice pneumatického motoru je spojena s prvním článkem prstu. Táhla zároveň umožňují při sevření prstů přenášet sílu potřebnou pro uchopení objektu manipulace. Navržené a vyrobené antropomorfní chapadlo má celkem čtyři stupně volnosti. Hmotnost chapadla je 1,5 kg. Chapadlo může manipulovat s předměty do hmotnosti 1,5 kg a je řízeno pomocí PC. Schéma modelu chapadla vytvořeného v systému Pro/Engineer (PTC) je znázorněno na obr. 3.

Obr. 4.

2. Dimenzování pneumatických pohonů antropomorfního chapadla

Při výpočtu antropomorfního chapadla je hlavní pozornost soustřeďována na návrh pohonů – dvojčinných pneumatických motorů. Při výpočtu se vychází z požadované nosnosti chapadla a z dynamických silových poměrů. Vzhledem k malým působícím silám v jednotlivých článcích chapadla nebyly kontrolovány spojovací čepy a díly jednotlivých článků.

Při návrhu pohonu palce se vycházelo z výkresu sestavy. Rozměry byly navrhovány tak, aby pokud možno odpovídaly rozměrům průměrné ruky dospělého člověka. Při výpočtu byla východiskem kritická poloha palce, jak je znázorněno na obr. 4. Nejméně příznivá situace nastává, když:

  • celou hmotnost objektu manipulace drží pouze palec,
  • objekt manipulace má maximální hmotnost.

Při návrhu pohonů prstů se vychází z nejméně příznivé situace, jež je znázorněna na obr 5. Ta nastává, když:

  • celou hmotnost objektu manipulace drží pouze prsty,
  • jde o bodový dotyk objektu manipulace s konečky posledních článků prstů,
  • objekt manipulace má maximální hmotnost.
Obr. 5.

3. Popis činnosti chapadla v technické praxi

Na základě poznatků získaných z analýzy činnosti lidské ruky při uchopování předmětů obecných tvarů lze popsat některé možnosti a konfigurace uchopování vyrobeným antropomorfním chapadlem. Chapadlo lze upevnit na koncový člen průmyslového robotu či manipulační nástavby mobilního robotu. Při činnosti v praxi bude pohyb prstů chapadla řízen (otevírání a zavírání jednotlivých prstů) pomocí PC, ve kterém je nainstalována speciální karta. Vyrobený funkční model antropomorfního chapadla je na obr. 6.

Způsoby uchopování vyrobeným antropomorfním chapadlem:

  • Uchopení sevřením. Při tomto uchopení jde o držení hmotnostně a rozměrově menších předmětů tvaru tyče ( 6 až 70 mm), popř. hranolu, pouze prsty chapadla. Tento způsob uchopování těles a manipulace s nimi je nejčastější. Uchopování předmětů do průměru 30 mm je ekvivalentní držení použitím ukazováčku, prostředníčku a prsteníčku lidské ruky.

  • Uchopení koule. Uchopení koule (předmětů sférického tvaru) je alternativou uchopení sevřením pro předměty menších průměrů. Při tomto způsobu uchopování se využívá vnitřní povrch prstů a část dlaně. Prsty se automaticky přizpůsobí sférickému povrchu uchopovaného tělesa. Příklad tohoto uchopení (přičemž se předmět nedotýká dlaně) je znázorněn na obr. 7.

  • Uchopení špičkami prstů. Tento způsob uchopování je používán pro manipulaci s tenkými (plochými) předměty, popř. tenkými tyčovými předměty. Jde o analogii uchopování špičkami ukazováčku, prostředníčku a palce lidské ruky. Uchopování špičkami prstů se používá hlavně pro vkládání a vybírání tenkých plochých předmětů, když jsou přístupné jejich koncové části.

  • Uchopení tužky. Těleso je drženo podobně jako při držení tužky lidskou rukou. Při držení tužky chapadlem koneček ukazováku (prst v opozici proti palci) a palce působí na tužku podobně jako prsty ruky člověka. Koneček ukazováčku nepodepírá tužku zdola, ale drží ji shora a čtvrtý dotyk na bočním povrchu proximálního článku ruky je nahrazen dotykem prsteníku chapadla.

  • Psaní na klávesnici. Tento typ úlohy lze vykonávat způsobem podobným jako při působení ruky člověka na klávesnici. Palec, prostředník a prsteník chapadla jsou zavřené, ukazovák je natažen a vykonává úlohu.

4. Pohony s umělými svaly, elektropohony

Inovací navrženého chapadla může být využití jiného typu pohonu. Znamená to, že dvojčinné pneumatické motory budou nahrazeny umělými svaly. V tomto případě budou umělé svaly představovat pružiny z materiálu s tvarovou pamětí (drát SMA – Shape Memory Alloys). Konkrétně jde o materiál TiNi.

Obr. 6. Obr. 7. Obr. 9.

Z konstrukčního hlediska zůstane chapadlo nezměněno, pouze se zamění pneumatický motor za umělý sval. K tomu, aby byla záměna uskutečnitelná, je nutné pouze upravit úchytná místa, ve kterých bude umělý sval na obou koncích upevněn. Schéma alternativního řešení antropomorfního chapadla, namodelovaného v systému Pro/Engineer, využívajícího umělý sval jako pohon je znázorněno na obr. 8. Další připravovaná konstrukce čtyřprstého antropomorfního chapadla využívá k pohonu prstů a palce elektropohony. Jde o stejnosměrné elektromotory umístěné v dlani chapadla a v prvním článku prstu. Pohony instalované v dlani chapadla umožňují řídit pohyb v kloubu připojení prstu k dlani. Pohon umístěný v článku prstu řídí pohyb v kloubu mezi prvním a druhým článkem prstu. Jde o modulární konstrukci chapadla. Odpojením jednoho nebo dvou prstů od dlaně vznikne tříprsté nebo dvouprsté chapadlo. Každý prst chapadla má dva stupně volnosti. U čtyřprsté varianty bude mít chapadlo osm stupňů volnosti. Navrhované chapadlo je určeno pro manipulaci s drobnými předměty v domácím a kancelářském prostředí. Maximální hmotnost objektu manipulace je do jednoho kilogramu. Schéma navrhovaného chapadla je znázorněno na obr. 9.

5. Závěr

Cílem článku bylo ukázat široké možnosti využití antropomorfních chapadel používaných u manipulačních nástaveb mobilních robotů. Pozornost byla věnována konkrétně vyrobenému modelu čtyřprstého chapadla a jeho inovovaným návrhům. Z důvodu omezeného rozsahu článku není problematika řešena podrobně. Tento článek prezentuje poznatky získané při řešení grantového projektu J17/98:272300008, podporovaného z fondu pro rozvoj vysokých škol MŠMT.

[1] KÁRNÍK, L.: Obslužná robotická zařízení ve zdravotnictví využívající antropomorfní chapadla. Jemná mechanika a optika, roč. 46, č. 10, Přerov, 2001, s. 335–337. ISSN 0447-6441.

[2] KÁRNÍK, L.: Robotizace v nestrojírenských oborech. VŠB-TU, Ostrava, 2000, 66 s. ISBN 80-7078-739-2.

[3] KÁRNÍK, L. – KNOFLÍČEK, R. – MARCINČIN, J. N.: Mobilní roboty. MÁRFY SLEZSKO, Opava, 2000, 210 s. ISBN 80-902746-2-5.

[4] KÁRNÍK, L. – MARCINČIN, J. N.: Biorobotická zařízení. MÁRFY SLEZSKO, Opava, 1999, 184 s. ISBN 80-902746-0-9.

[5] MARCINČIN, J. N.: Biomechanizmy. Košice, Strojnícka fakulta TU Košice, 1993, 50 s. ISBN 80-7099-218-2.

[6] SKAŘUPA, J. – MOSTÝN, V.: Metody a prostředky návrhu průmyslových a servisních robotů. 1. vydání, Košice, Vienala – Edícia vedeckej a odbornej literatúry – Strojnícka fakulta TU Košice, 2002, 190 s. ISBN 80-88922-55-0.

Ing. Ladislav Kárník, CSc.,
Fakulta strojní VŠB-TU v Ostravě
(ladislav.karnik@vsb.cz)
Lektoroval: prof. Ing. Jaroslav Talácko, CSc.,
ústav výrobních strojů a mechanismů FS ČVUT v Praze

Inzerce zpět