Aktuální vydání

celé číslo

08

2021

Digitální transformace a konvergence provozních, informačních a inženýrských systémů

Výzkum, vývoj a vzdělávání v automatizaci

celé číslo

Inspirováno přírodou: adhezní chapadla Adheso

Adhezní chapadla Adheso od firmy Schunk jsou určena pro manipulaci s citlivými a křehkými předměty, jako jsou elektronické součástky, laboratorní vzorky, skleněné výrobky nebo součásti ve strojírenské výrobě či plastikářství.

První průmyslové roboty nacházely uplatnění v automobilovém průmyslu, často jako součást svařovacích buněk nebo jako obsluha v lisovnách či slévárnách. Bylo možné obdivovat jejich sílu a dosah. V současné době však mnoho robotů vykonává jemnější práce. V tomto vydání na str. 14 se lze dočíst, že v Severní Americe už v loňském roce většina robotů směřovala mimo automobilový průmysl. Perspektivními trhy jsou např. výroba elektroniky, farmaceutický průmysl, zdravotnická a laboratorní technika, potravinářství nebo výroba spotřebního zboží.

Tyto malé průmyslové roboty potřebují mnohem jemnější a obratnější chapadla než velké roboty v automobilkách. Běžné uchopovače většinou do jisté míry napodobují lidskou ruku, ale zdaleka nedosahují jejích možností. Lidská ruka je velmi dokonalá a snaha napodobit její šikovnost, obratnost a citlivost vede ke složitým a drahým mechanismům.

Konstruktéři firmy Schunk se vydali k citlivému, ale spolehlivému uchopení předmětů jinou cestou: konstrukce jejich chapadla Adheso nenapodobuje lidskou ruku, ale prsty na nohou gekona – ještěra, který dokáže bez problémů šplhat i po hladkých površích. Na jeho prstech však není žádné lepidlo, které by za sebou zanechávalo slizovou stopu, jaká zůstává např. za hlemýžděm, není na nich ani přísavka, protože vyvinout v ní podtlak by pro gekona bylo energeticky náročné a ne zcela spolehlivé, ale jemná lamelová struktura. Gekona totiž na zdi drží van der Waalsovy síly.

Stejné síly využívá i chapadlo Adheso. Van der Waalsovy síly jsou síly, které působí mezi molekulami, jež se ocitnou blízko sebe. Jsou slabší než např. chemické vazby, ale přesto dost silné, aby udržely gekona na stěně nebo předměty na funkční ploše chapadla Adheso.

V čem je použití van der Waalsových sil u chapadla robotu tak převratné? Umožňuje velmi citlivé uchopení předmětů, aniž by bylo nutné na ně působit mechanickou silou, nevyžaduje externí zdroj napájení a na povrchu předmětů nezanechává žádná rezidua.

Výhodou chapadla Adheso je také to, že je velmi variabilní a je možné je přizpůsobit na míru požadavkům dané úlohy.

 

Princip uchopení

Aktivní povrch chapadla Adheso je ze speciálního plastu, na němž je vytvořena velmi jemná struktura, podobná lamelám na noze gekona (obr. 1). Přilnavá struktura, při jejímž návrhu a optimalizaci byly použity rozsáhlé počítačové simulace, spolehlivě uchopuje nejrůznější mate­riály a předměty různých tvarů.

Při uchopování je třeba uchopovaný předmět mírně přitlačit. Tím se zvětší styčná povrchová plocha, povrch chapadla a uchopovaného předmětu se dostanou do těsného kontaktu a vzniknou mezi nimi van der Waalsovy síly. Předmět je nyní uchopen a drží na chapadle, aniž by bylo nutné vyvíjet mechanickou sílu, přivádět k chapadlu vakuum apod. Adhezní síla je zachována i v případě, že dojde k výpadku elektřiny.

Opačným postupem je možné předmět uvolnit. V tahu ale drží pevně, je třeba jím pootočit, naklopit jej, lehce přitlačit nebo po povrchu chapadla posunout. Tím se povrchy vzdálí a síly přestanou působit. Chapadlo je možné vybavit aktivním stěračem, který uchopené předměty snáze uvolní.

 

Široká škála variant

Síla uchopení závisí na materiálu a na jeho struktuře. Chapadlo je možné přizpůsobit různým požadavkům a pracovním podmínkám. Uchopování může být svislé i vodorovné a aktivní plocha chapadla může být průhledná, průsvitná nebo neprůhledná. Velká flexibilita umožňuje chapadlo použít na díly o velikosti od několika desetin milimetru do několika metrů. Konstruktéři firmy Schunk nabízejí konzultace nebo otestování chapadla v reálných podmínkách.

 

Možnosti využití

Chapadla Adheso jsou šetrná k manipulovaným předmětům, naprosto tichá a nepotřebují stlačený vzduch, vakuum ani elektřinu. Jejich instalace i uvedení do provozu jsou velmi jednoduché a rychlé. Čas potřebný k uchopení je do 100 ms. V mikromanipulaci lze docílit opakovatelnosti polohování do 0,01 mm.

Chapadlo Adheso může být použito v běžném průmyslovém prostředí, ale jeho výhody vyniknou v čistých prostorách: při jeho činnosti nehrozí kontaminace mazivem ani jinými pomocnými látkami a nezanechává na povrchu žádná rezidua. Na obr. 2 je příklad z potravinářské výroby: manipulace s balíčky sušenek.

Chapadlo Adheso najde široké uplatnění také ve výrobě elektronických součástek a desek elektroniky. Je vhodné k osazování desek plošných spojů i k uchopování hotových desek. Mechanické působení na uchopované komponenty je velmi malé, takže je lze použít i pro citlivější součástky. Na obr. 3 je využito k manipulaci s polovodičovými wafery.

Adheso je rovněž vhodné pro kolaborativní aplikace. Díky bajonetovému zámku je chapadlo možné podle potřeby velmi jednoduše vyměnit.

Lehká skleněná vlákna, malé elektronické komponenty SMD, mikromechanické komponenty, citlivé díly baterií, plastové fólie, papír, sklo, kovové nebo plastové díly od drobných po 15kg – to vše Adheso bez problémů zvládne. Několik ukázek mohou zájemci vidět na dvou videoukázkách z kanálu YouTube firmy Schunk: video https://youtu.be/pBTx_1yU5-g je z oboru laboratorní a zdravotnické techniky, video https://youtu.be/aDBFdkuUkbM z oblasti výroby elektroniky (příslušné QR kódy s odkazy jsou v obr. 4).

[Materiály firmy Schunk a tiskové zprávy Schunk z virtuální akce Hannover Messe Digital 2021.]

 

Petr Bartošík

 

Opakování z fyziky


Adheze
Adheze je přilnavost dvou látek, stejných nebo rozdílných. Adheze působí nejen proti pohybu obou látek proti sobě (tření), ale také proti jejich oddálení (odlepení). Nemusí být způsobena jen van der Waalsovými silami, jak je zde uvedeno. Může jít též o adhezi mechanickou (ostnitá semena na srsti zvířat nebo suchý zip), chemickou (mezi dvěma povrchy vzniknou chemické vazby – někdy za působení specifických podmínek, např. tepla nebo UV záření; jde o základní mechanismus působení lepidel), elektrostatickou (mezi předměty s elektrostatickým nábojem, využívá se např. při úklidu u elektrostatických utěrek a štětců pro odstranění prachu nebo v elektrostatických odlučovačích) nebo difuzní (na styku dvou látek, obvykle polymerů, se může vytvářet vazba tím, že jeden materiál difunduje do druhého).

 

Van der Waalsovy síly
Van der Waalsovy síly patří mezi síly slabé interakce. Jsou to síly, které působí mezi trvalými dipóly (popř. multipóly), indukovanými dipóly nebo dočasnými dipóly, jež vznikají pohybem elektronů v obalech atomů, které jsou velmi blízko u sebe. Van der Waalsovy síly tedy mají různou povahu a různou energii.

Ačkoliv jde o slabé síly, mají významné projevy: kromě zde zmíněné adheze, tj. přilnavosti k povrchům, jsou také jednou z příčin koheze – soudržnosti látek, dále tření a kondenzace. Určit přesnou energii těchto vazeb je poměrně obtížné a vyžaduje to využití metod kvantové fyziky. Van der Waalsovy síly klesají se sedmou mocninou vzdálenosti, jejich dosah je tedy velmi malý.

Johannes Diderik van der Waals byl nizozemský fyzik (1837–1923), nositel Nobelovy ceny. Hledal vztah mezi objemem, tlakem a teplotou reálných tekutin a prokázal existenci sil, které působí mezi molekulami a způsobují vnitřní tlak v kapalinách. Tyto síly jsou dnes známy jako síly van der Waalsovy.

 

 

Obr. 1. Struktura adhezní plochy chapadla Adheso

Obr. 2. Chapadlo Adheso v potravinářství: manipulace s balíčkem sušenek

Obr. 3. Ani manipulace s rozměrným a hladkým polovodičovým waferem není pro Adheso žádný problém

Obr. 4. Ukázky použití chapadla Adheso: nahoře https://youtu.be/pBTx_1yU5-g z oblasti laboratorní a zdravotnické techniky a dole https://youtu.be/aDBFdkuUkbM z oblasti výroby elektroniky