Aktuální vydání

celé číslo

03

2020

Veletrh Amper

Fórum automatizace a digitalizace

celé číslo

Využití umělých svalů v servisní robotice

číslo 1/2004

Využití umělých svalů v servisní robotice

Umělý sval, založený na kombinaci pružného poddajného materiálu a pneumatických a elektronických prvků, představuje nový trend v technice pohonů. Svou funkcí se podobá lidskému svalu. Nachází uplatnění tam, kde běžný pohon nelze použít např. pro jeho rozměry, hmotnost, malou tvarovou přizpůsobitelnost apod.

Obr. 1.

Z hlediska typu umělých svalů je v praxi nejrozšířenější pneumatický přetlakový sval, v současnosti využívaný v mnoha mobilních robotech. Dalším používaným typem umělých svalů je sval z materiálu SMA (Shape Memory Alloys, materiál s tvarovou pamětí).

Některé mobilní roboty využívají k pohybu pouze umělé svaly, jiné kombinují umělé svaly s běžnými pohony. Díky tomu, že pneumatický či jiný umělý sval lze přizpůsobit tvaru rámu robotu, lze jich použít větší počet než klasických pohonů a dosáhnout tak více stupňů volnosti celého systému. Tlak vzduchu v umělém svalu je možné plynule regulovat a tak jednoduše měnit vyvozovanou sílu.

Další výhody robotů využívajících k pohonu umělé svaly jsou:

  • možnost použít je pro vykonávání činností ve výbušném prostředí,

  • lehkost (díky malé hmotnosti svalu) a schopnost pohybovat se po měkkém terénu,

  • možnost využít jejich miniaturní verzi pro speciální úlohy,

  • možnost použít je jako obslužná zařízení ve zdravotnictví (díky malé hlučnosti).

Naproti tomu existují také vlastnosti, které využití umělých svalů v konstrukcích servisních robotů ovlivňují negativně, např.:

  • pro rotační kinematické dvojice je nutné použít dva umělé svaly,

  • při požadavku na velký zdvih je nutné použít dlouhé umělé svaly,

  • mobilní roboty s pneumatickými umělými svaly většinou musejí nést zdroj tlakového vzduchu,

  • použití umělých svalů u kolových a pásových podvozků servisních robotů je velmi omezené.

Z uvedených výhod a nevýhod použití umělých svalů vyplývá, že je vhodné aplikovat je pouze u těchto systémů:

  • dvounohé, čtyřnohé, šestinohé a osminohé kráčející roboty,

  • roboty s plazivým pohybem,

  • plavající roboty,

  • manipulační nástavby servisních robotů,

  • antropomorfní (víceprstá) chapadla používaná pro manipulační nástavby,

  • speciální konstrukce servisních robotů.

Umělé svaly u kráčejících robotů

U dvounohých kráčejících robotů (obr. 1) se využívají pneumatické přetlakové umělé svaly pro pohon dolních a horních končetin i pro pohyb trupu a hlavy. Tyto roboty mají velký počet stupňů volnosti. V trupu je umístěn zdroj tlakového vzduchu.

Obr. 2.

U čtyřnohých, šestinohých a osminohých robotů se pro pohyb každé nohy používají dva nebo čtyři umělé svaly. Pro jeden stupeň volnosti lze použít také jen jeden sval společně s válcovou pružinou, které působí proti kontrakci svalu. Sval při aktivaci přetlačuje pružinu a vyvozuje tak rotační pohyb potřebný pro zvedání nohy.

Materiály s tvarovou pamětí se většinou používají pro miniaturní kráčející roboty (obr. 2), využívané např. pro monitorování a inspekci ve vnitřním i venkovním prostředí. Svaly pro pohon nohou mají tvar válcových pružin. Je-li zdroj elektrické energie pro jejich napájení umístěn mimo robot, musí s ním být robot propojen kabelem.

Servisní roboty na VŠB–TU v Ostravě

Na katedře robototechniky Fakulty strojní VŠB-TU v Ostravě je realizován model manipulační nástavby s pěti stupni volnosti (obr. 3). Pro pohon všech pěti rotačních kinematických dvojic se budou používat přetlakové umělé svaly (Festo). Manipulační nástavba je určena pro výuku v odborných předmětech a zároveň bude sloužit jako exponát, který bude prezentován firmou Festo na veletrzích a předváděcích akcích. Proto je konstrukce řešena jednoduše a bez krytů.

Nástavba bude moci manipulovat s objekty do hmotnosti 2 kg. Na koncový člen manipulační nástavby bude upevněno dvoučelisťové chapadlo poháněné jedním umělým svalem. Nástavba bez chapadla bude obsahovat celkem šest umělých svalů (obr. 4). Upevněním manipulační nástavby na rám podvozku vznikne mobilní servisní robot pro nestrojírenské aplikace, jenž bude schopen transportovat předměty a manipulovat s nimi. Základní parametry manipulační nástavby jsou v tab. 1.

Tab. 1. Parametry manipulační nástavby servisního robotu realizované na VŠB-TU v Ostravě

Počet stupňů volnosti i 5
Nosnost m 2 kg
Použité pohony umělé (pneumatické) svaly Festo
Zdroj centrální rozvod stlačeného vzduchu
Pracovní prostředí laboratorní
Celková výška manipulátoru L6 1 700 mm
Vzdálenost koncového bodu robotu od osy rotace kloubu K1 L1 73,345 mm
Vzdálenost osy rotace kloubu K1 od osy rotace kloubu K2 L2 600 mm
Vzdálenost osy rotace kloubu K2 od osy rotace kloubu K3 L3 600 mm
Vzdálenost osy rotace K3 od roviny nosného ramena L4 102 mm
Vzdálenost osy rotace K3 od roviny sloupu L5 720 mm
Úhel natočení kloubu K1 jz1 ±180°
Úhel natočení kloubu K1 jx1 ±120°
Úhel natočení kloubu K2 jx2 ±120°
Úhel natočení kloubu K3 jx3 ±120°
Úhel natočení kloubu K3 jz3 ±120°

Rotační kinematická dvojice – kloub K1 – je zápěstí se dvěma stupni volnosti, jehož pohyb je realizován pomocí čtyř umělých svalů umístěných na druhém rameni manipulátoru (obr. 5). Svaly jsou na jednom konci pevně spojeny s kloubem K2 a na druhém konci s ozubeným řemenem. Ozubený řemen zabírá do ozubené řemenice uložené na hřídeli. Pomocí kuželového ozubeného převodu se příruba natáčí okolo podélné osy druhého ramene. K natáčení okolo druhé osy je určena druhá dvojice umělých svalů. Při zkrácení jednoho nebo druhého svalu se ozubená řemenice natáčí a zápěstí rotuje. Velikost zkrácení svalu se ovládá pneumatickými prvky umístěnými na sloupu manipulační nástavby. Změnou tlaku v umělém svalu je přímo řízen úhel natočení v jedné i druhé ose.

Podobně jako u zápěstí K1 je realizováno i natáčení v kloubu K2. K natáčení v kloubu K3 okolo svislé osy slouží dva umělé svaly umístěné v horní části rámu manipulační nástavby. Princip vykonávání pohybu je stejný jako u kloubů K1 a K2.

Obr. 3. Obr. 4. Obr. 5.

Celý rám manipulační nástavby včetně řemenic a trubek spojujících jednotlivé klouby je zhotoven z lehkých slitin.

Natáčení okolo svislé osy v kloubu K3 bude ovládáno nastavitelnými mechanickými dorazy, popř. snímači natočení. Při rotaci se bude vždy jeden sval zkracovat a druhý současně o stejnou délku prodlužovat. Natáčení okolo vodorovné osy v kloubu K3 a obou os v kloubu K2 bude ovládáno pomocí proporcionálních ventilů. Tak bude možné naprogramovat a přesně řídit velikosti natočení. K natáčení obou os v kloubu K1 se bude používat ruční ovladač. Obdobně se bude postupovat při sevření nebo rozevření chapadla. Proces uchopování objektu tak bude řídit přímo obsluha manipulační nástavby. Různé způsoby ovládání jsou použity pro výukové a prezentační účely. V další fázi vývoje, po ověření funkčnosti celého systému, bude uvažována možnost umístit tuto manipulační nástavbu na kolový či pásový podvozek.

Tento článek prezentuje poznatky získané při řešení grantového projektu J17/98:272300008, podporovaného z fondu pro rozvoj vysokých škol MŠMT.

Literatura:

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

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

[3] KÁRNÍK, L. – MARCINČIN, J. N.: Biorobotická zařízení. Márfy Slezsko, Opava, 1999, 184 s. ISBN 80-902746-0-9.

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

[5] SKAŘUPA, J. – MOSTÝN, V. Metody a prostředky návrhu průmyslových a servisních robotů. (1. vyd.). Vienala – Edícia vedeckej a odbornej literatúry, Strojnícka fakulta TU v Košiciach, 2002, 190 str. ISBN 80-88922-55-0.

[6] WALKER, R. a kol.: The Shadow Biped. Shadow Robot Comp., 1999. Dostupné na http://www.shadow.org.uk/projects/biped.shtml [cit. 28. 10. 2003].

Ing. Ladislav Kárník, CSc.,
Fakulta strojní VŠB-TU v Ostravě
(ladislav.karnik@vsb.cz)

Inzerce zpět