Aktuální vydání

celé číslo

04

2024

Průmyslové roboty a automatizace výrobních a montážních linek

celé číslo

Mikromotory pohánějí mechanickou ruku robotu

Mikromotory pohánějí mechanickou ruku robotu

Využití mechanické ruky robotu v průmyslové výrobě se v současné době nejčastěji omezuje na použití robustního chapadla se dvěma nebo třemi prsty k vykonávání relativně jednoduchých opakovaných úkonů. Skutečné mechanické ruce robotu se schopnostmi a obratností podobnými lidským se donedávna nedařilo úspěšně realizovat pro nedostatek vhodných technických prostředků. Účelné propojení moderní mikroelektroniky a mikromechaniky však otevřelo v tomto směru zcela nové možnosti a výrazně podpořilo technický pokrok. Mechanická ruka se samostatně ovladatelnými prsty a klouby proto již v současné době není žádnou fikcí a pravděpodobně bude brzy patřit k volitelnému a postupně i ke standardnímu vybavení průmyslových a zejména servisních robotů.

Lidská ruka je bezpochyby jedním z nejuniverzálnějších nástrojů v přírodě. Není proto divu, že výzkumní pracovníci velmi pečlivě studují její anatomii a snaží se využít všechny výdobytky jejího evolučního vývoje a použít je při vývoji nové generace mechanických rukou pro roboty. Velmi dobře se to podařilo např. vědcům z Německého střediska pro letectví a kosmonautiku (Deutsches Zentrum für Luftund Raumfahrt – DLR), kteří ve spolupráci s odborníky Harbinova ústavu pro techniku (Harbin Institut of Technology – HIT) společně vyvinuli mechanickou ruku pro roboty, která se již velmi podobá lidské ruce. Využili k tomu běžně dostupné miniaturní stejnosměrné motorky a výkonné mikroprocesory s velmi rychlou číslicovou komunikační sběrnicí.

Studie ukázaly, že mechanická ruka robotu se schopnostmi a obratností lidské ruky musí mít nejméně čtyři prsty. Tři prsty umožňují mechanické ruce uchopit kónické předměty a palec se používá jako podpěra. Nová mechanická ruka robotu DLR-HIT má proto jednak tři prsty, každý se čtyřmi klouby se třemi stupni volnosti, a čtvrtý, ve funkci palce, se čtyřmi stupni volnosti (obr. 1). Je zřejmé, že všestranné pohyby mechanické ruky, které toto řešení umožňuje, vyžadují přesně koordinované ovládání všech jejích kloubů. V minulosti se pohyblivé prvky mechanického chapadla robotu ovládaly lankovými systémy. Současná úroveň mikromechaniky však dovoluje zabudovat motorky přímo do jednotlivých prstů mechanické ruky. Údaje potřebné k nastavení polohy a provedení požadovaného úkonu jim dodává procesor řídicí elektroniky, která je integrální částí řídicího systému robotu. Každý kloub prstu je vybaven speciálně navrženým bezkontaktním magnetickým snímačem úhlové polohy (natočení) a tenzometrickým snímačem mechanického momentu. Pro správnou funkci řídicího systému robotu, zvláště při vykonávání složitých úkolů, je rozhodující rychle reagující zpětná vazba umožňující neustále porovnávat požadovanou polohu jednotlivých úchopných prvků s dosaženou polohou.

Obr. 1.

Obr. 1. Mechanická ruka robotu DLR-HIT se čtyřmi prsty poháněná miniaturními elektromotory Faulhaber (foto Faulhaber)

Jelikož oba snímače v každém kloubu pracují s mimořádně velkým rozlišením, je pro přenos dat použita rychlá datová sběrnice s přenosovou rychlostí 25 Mb/s schopná činnosti v reálném čase. Sběrnice, vyvinutá speciálně pro dané použití, je založena na využití programovatelných hradlových polí (FPGA); obrazně řečeno, nahrazuje nervová vlákna lidské ruky. Pro sériovou komunikaci mezi mechanickou rukou a vnější řídicí elektronikou jsou nutné jenom tři vodiče. Řídicí elektronika s výkonným digitálním signálovým procesorem (DSP) je postavena na zásuvné kartě typu PCI, kterou lze zasunout do standardního PC. Uživateli vstřícné rozhraní umožňuje snadno ovládat všechny pohyby mechanické ruky z počítače. Na monitoru PC lze také zobrazovat všechny údaje ze snímačů zabudovaných v mechanické ruce.

Vedle „nervů“ (sběrnice) a „mozku“ (procesoru) potřebuje mechanická ruka také „svaly“, které jí poskytují sílu. Roli svalů v ní plní miniaturní motorky, samostatně ovládající jednotlivé klouby prstů mechanické ruky. Konkrétně je v každé mechanické ruce použito dvanáct motorků. Zvoleny byly miniaturní motorky od švýcarské firmy Minimotor SA ze skupiny Faulhaber, které nejlépe plní všechny požadavky: jsou levné, komerčně dostupné, mimořádně malé a dokonale zapouzdřené a mají vynikající dynamické vlastnostmi. Jde o bezkartáčové stejnosměrné servomotory s elektronickou komutací a s Hallovými snímači, které lze snadno spojit s převodovkou stejného průměru v jednu kompaktní jednotku. Jsou k dispozici v provedení pro napětí 12 nebo 24 V DC a jejich výstupní výkon je 11 W s maximálním krouticím momentem až 2,6 mN·m. Dobrá dynamická odezva a předpjatá kuličková ložiska zajišťují přesnou odezvu na řídicí povely. Speciální vestavěné analogové Hallovy snímače poskytují signál o přesné poloze rotoru pro zpětnou vazbu s rozlišením nejméně osm bitů. Motorek včetně Hallových snímačů má délku 28 mm, vnější průměr 16 mm a hmotnost jenom 31 g. Protože má při chodu naprázdno 29 900 min–1, obvykle se kombinuje s malou planetovou převodovkou od firmy Faulhaber, která redukuje výstupní otáčky na vhodnou úroveň a současně zvětšuje výstupní krouticí moment pohonu. V daném případě je použita převodovka s redukčním poměrem 159 : 1, která zvětšuje výstupní moment pohonu až na 450 mN·m. Délka převodovky je 29,4 mm, vnější průměr 16 mm a hmotnost 33 g.

Novou mechanickou ruku robotu DLR-HIT lze díky použitému progresivnímu technickému řešení s kompaktními servomotorky a s rychlým přenosem dat po sběrnici ovládat skutečně velmi přesně a jemně. Při provozních zkouškách se osvědčila jako mimořádně robustní, stabilní a rychlý inteligentní úchopný nástroj, který dokáže nejenom jemně přenést plný šálek kávy nebo čaje i s podšálkem, ale také spolehlivě chytit hozený míček apod. Odborníci očekávají, že se ve velké šíři uplatní především v rychle se rozvíjející oblasti humanoidních servisních robotů.
[Micro-actuators move sensitive 4-finger hand. Faulhaber Info, Edition 1/2006, s. 6–7.]

Kab.