obr1m

Priemyselné roboty tvoria neoddeliteľnú súčasť automatizovaných pracovísk v priemysle a oblasti ich aplikácie sa neustále rozširujú. Priemyselné roboty sú navrhované pre univerzálne použitie, ale ich prispôsobenie požiadavkám technológie si vyžaduje okrem iného aj návrh špecifických koncových efektorov.

 

Práve rôzne druhy efektorov prispôsobené podľa požiadaviek technológie umožňujú také rozsiahle použitie.

 

Medzi hlavné aplikácie robotickej techniky patrí uchopenie a manipulácia s predmetmi. Tradičné riešenie chápadla formou rôznych riešení prstových chápadiel má viaceré nedostatky a preto sa objavujú rôzne netradičné riešenia.

 

Plnohodnotnou a dnes už v mnohých oblastiach nenahraditeľnou súčas­ťou automatizácie výrobných procesov sa stali cez relatívne krátke obdo­bie priemyselné roboty a manipulátory. Priamu interakciu priemyselných robotov a manipulátorov s manipulovanými objektmi realizujú pracovné hlavice (efektory), ako funkčne samostatné výstupné jednotky ich otvorených kinematických štruktúr. Hlavice priemyselných robotov, aj napriek pokročilému a cieľovo koncipovanému vývoju, predstavujú trvalo nedo­statkové prostriedky pri realizácii robotických technologických pracovísk a ich používatelia sú potom väčšinou odkázaní na vlastné sily pri ich ná­vrhu a realizácii. Tradičné prístupy v navrhovaní manipulačných chápa­diel sú založené na uchopovacej jednotke s viacerými prstami, ale tento prístup zlyháva v náročnejších aplikáciách, ktoré kladú väčšie požiadavky na hardvérové a softvérové riešenie (veľké množstvo kĺbov, ich pohonov a snímačov; a ak sú objekty krehké, hrozí riziko ich poškodenia a pod.). Preto sa neustále hľadajú také technické riešenia, ktoré by najlepšie vyho­vovali technologickým požiadavkám.

FAKTORY VPLYVU NA EFEKTOR

So zreteľom na bezprostrednú interakciu s objektom a systémovým oko­lím sú efektory najvariabilnejším prvkom robotickej techniky. Dlho sle­dovaným problémom je ich konštrukčné riešenie plne zodpovedajúce požiadavkám aplikačných oblastí a technickým možnostiam komponen­tov, ktoré sú zatiaľ k dispozícií. Tento poznatok, vo vzťahu k potenciá­lu požiadaviek praxe na možnosti aplikácie efektorov, otvára priestor pre hľadanie metodických a technických nástrojov podporujúcich odborne špecializovanú inžiniersku prípravu pre modernizáciu vývoja a využitia efektorov.

Z analýzy účelu efektora vyplývajúceho z manipulačnej úlohy vyplýva rie­šenie najmä z titulu tvarovej a rozmerovej charakteristiky objektu mani­pulácie, jeho správania, prevádzkového stavu povrchu, charakteru a pa­rametrov kontaktných plôch a príslušných fyzikálnych vlastností objektu manipulácie.

Z analýzy účelu efektora vyplý­vajúceho z technologickej úlo­hy vyplýva riešenie najmä z titulu mechanickej, fyzikálnej a topolo­gickej podstaty objektu spracova­nia, hmotnosti, presnosti a sta­bility polohy, spôsobu a kontroly zoraďovania a frekvencie výmeny objektu spracovania.

Z analýzy charakteru aplikačného prostredia (objekty interaktívneho okolia, priama spolupráca, interak­cie) vyplýva riešenie, najmä z titu­lu pracovného priestoru (poloha, tvar, rozmery, vstup), dislokácie technologickej osi (poloha, vstup, funkcia), interaktívneho vzťahu, systémov upínania (funkcia, blokovanie, uchopenie a zovretie/uvoľnenie predmetu manipulácie), charakteru realizovaného technologického pro­cesu (technologické nástroje, parametre procesu).

Z analýzy podmienok aplikácie vyplýva riešenie efektora najmä z titulu nosnosti, presnosti a stability uchopenia, času uchopenia a uvoľnenia, možnej hmotnosti, senzorového vybavenia (stupeň inteligencie), zoraďo­vania a prestaviteľnosti, univerzálnosti a adaptabilnosti efektora.

obr2

Z analýzy konštrukcie robota vyplýva riešenie efektora najmä z titulu je­ho technických parametrov (nosnosť, presnosť polohovania, kinematic­ké a dynamické vlastnosti…), konštrukčných parametrov (príruba pre me­chanické pripojenie, mechanický interfejs), pripájacieho mechanizmu, programového ošetrenia vzájomných väzieb.

Z analýzy vplyvov daných zvoleným výrobcom a podmienok používateľa vyplýva riešenie najmä z dôvodu technologických možností jeho výroby, garantovania stanovených servisných a údržbárskych činností, úrovne je­ho obsluhy a údržby, udržiavania prevádzkovej schopnosti.

Funkcia a vlastnosti efektora v celkovej koncepcii robotických systémov majú významné postavenie. Sú limitujúcim, ale aj obohacujúcim fakto­rom funkčných schopností nielen robotov, ale aj interaktívneho okolia. Efektory pracujú ako „interfejsy“ s funkčnými väzbami na objekty ma­nipulácie, resp. objekty technologického spracovania, technologické priestory výrobných zariadení, mechanizmy a pracovné priestory perifér­nych a doplnkových zariadení.

Efektory pre manipuláciu sa nazývajú uchopovacie hlavice, alebo chá­padlá. Môžeme ich definovať ako podsystém priemyselného robota, ktorý udržuje obmedzený počet geometricky špecifikovaných výrobkov po ur­čitý čas, zaisťuje polohu a orientáciu výrobku k nástrojom a ďalším ucho­povacím systémom. V praxi používané chápadlá sa skladajú z akčných členov, (napríklad čeľustí, magnetických plôch a pod.) a zo samotného tela efektora. Tvary a typy akčných členov sa odlišujú podľa charakteru uchopovacej operácie. V dnešnej dobe je snaha o čo najväčšiu univerzál­nosť týchto členov, aby bolo možné s jedným typom a tvarom akčného člena vykonávať čo najväčšie množstvo uchopovacích operácií.

Telo chápadla sa veľmi odlišuje podľa použitého princípu uchopenia ob­jektu manipulácie, môže obsahovať napríklad elektromotory, hydrau­lické či pneumatické valce, zariadenia na výrobu vákua, elektromagnety a ďalšie zariadenia. V tele efektora sa nachádzajú aj diery a závity na pri­pojenie chápadla k priemyselnému robotu.

Rozdelenie uchopovacích hlavíc podľa metódy uchopenia je Tabuľke 1.

tab1

KONTAKTNÉ CHÁPADLÁ

Do skupiny kontaktných chápadiel v praxi najčastejšie patria prstové chá­padlá. Vo väčšine prípadov sú zložené z dvoch až štyroch prstov, ktoré sa spravidla pohybujú synchrónne. Princíp týchto chápadiel je založený na Newtonovej mechanike a využívaní trecích síl vznikajúcich medzi objek­tom manipulácie a čeľusťami, ktoré sú vďaka pohonnému systému a ki­nematickému mechanizmu v tele chápadla pritláčané potrebnou silou.

PASÍVNE CHÁPADLÁ

Mechanizmy chápadiel, ktoré nie sú vybavené programovo ovládanými akčnými členmi sú klasifikované ako pasívne. Podľa úrovne obmedze­nia pohybu uchopovaných objektov sa členia na otvorené a zatvorené. Otvorené pasívne chápadlá používajú ako akčný člen rôzne háky, lopat­ky a pod. Zatvorené chápadlá používajú pohyblivé akčné členy, ktorých pohyb je riadený napríklad pomocou pružín. Pasívne chápadlá sú v pra­xi menej využívané.

AKTÍVNE CHÁPADLÁ

Na rozdiel od pasívnych mechanických chápadiel obsahujú aktívne hla­vice minimálne jeden pohyblivý koncový akčný prvok poháňaný progra­movo ovládaným výkonovým členom. Mechanické prstové chápadlá sa zvyčajne skladajú z prstov, čeľustí a zo samotného tela efektora. Tvary a rozmery čeľustí sa môžu líšiť podľa charakteru uchopovacej operácie. Styk medzi objektom manipulácie a čeľusťou môžeme rozdeliť na:

• Styk silový, kde sa o bezpečné uchopenie výrobku starajú iba trecie sily, vznikajúce vďaka prítlačným silám vyvolanými riadiacim systémom.

• Styk tvarový, kde sa v čeľustiach vytvorí do istej miery negatívny tvar uchopovanej súčiastky, ktorá do nich ako keby zapadla a dôjde k usta­veniu jej polohy vzhľadom k čeľustiam efektora.

• Kombináciu tvarového a silového styku.

obr3

INGRESÍVNE CHÁPADLÁ

Chápadlá ingresivného typu sa používajú na objekty, ktoré majú vlákni­tú štruktúru ako napríklad textílie, uhlíkové alebo sklenené vlákna a po­dobné materiály. Princíp je taký, že akčný člen chápadla preniká povr­chom objektu manipulácie do určitej hĺbky. Ingresívne chápadlá sa ďalej delia na vnikajúce a nevnikajúce. Pojem vnikajúce zahŕňa všetky princí­py, pri ktorých akčný člen tvaru sponky alebo ihly môže preniknúť ma­teriálom objektu manipulácie. Do skupiny nevnikajúcich chápadiel pat­ria také, ktoré nepreniknú do materiálu, ale sa ho iba dotýkajú a ako keby škriabali. Na obr. 4 je schematicky znázornené možné vyhotovenie in­gresívného chápadla, použitého na uchopovanie a separáciu vrstiev látky.

obr4

PRIŤAHUJÚCE CHÁPADLÁ

Pojem priťahujúce chápadlo zahŕňa všetky efektory, ktoré na uchopenie súčiastky používajú účinky nejakého silového poľa. Toto pole môže byť spôsobené pohybom vzduchu (vákuové sanie), magnetizmom alebo po­hybom elektrostatického náboja. Ako už názov napovedá, priťahujúce chápadlá disponujú konštantnou uchopovacou silou bez pôsobenia tla­kových síl, čím nedochádza k poškodeniu povrchu kvôli dotyku čeľustí alebo iných elementov. Jedným z najstarších spôsobov uchopenia v tejto kategórii je vákuové sanie, ktoré sa v priemysle často používa. Na obr. 5 sú schematicky znázornené riešenia priťahujúcich vákuových chápadiel na báze membrány a piestového sacieho systému.

obr5

PRIĽNAVÉ CHÁPADLÁ

Chápadlá, ktorých povrch musí mať priamy kontakt s povrchom objektu manipulácie, aby mohlo dôjsť k uchopeniu, sa nazývajú priľnavé. To zahŕ­ňa napríklad princípy ako je chemická adhézia, či termoadhézia.

obr6

UNIVERZÁLNE CHÁPADLÁ

Uchopenie a manipulácia s predmetmi sú hlavnými úlohami pri mani­pulácii pomocou priemyselných robotov. Manipulácia s objektmi s kom­plikovaným tvarom však stále ostáva problematická. Väčšina súčasných prístupov je založených na použití viackĺbových prstov alebo dokonca inšpirovaných bionikou a pokúšajúcich sa o kópiu ľudskej ruky (obr. 7), ale tento prístup kladie vysoké požiadavky na technické riešenie. Rieše­nie komplikuje veľký počet riadených osí, problematické riešenie poho­nu a jeho riadenia najmä, ak je riešenie vyvolané potrebou manipulovať s krehkými alebo stlačiteľnými objektmi. Z tejto perspektívy je zaujíma­vý prístup návrhu univerzálneho chápadla. Jednotlivé prsty sú nahradené objemom granulovaného materiálu, ktorý pri použití vákua prúdi oko­lo manipulovaného objektu a svojím tvarom sa prispôsobuje tvaru mani­pulovaného objektu. Táto metóda otvára nové možnosti pre navrhovanie jednoduchých, ale tvarovo vysoko adaptívnych systémov, ktoré nevyža­dujú senzorickú spätnú väzbu a ich rýchlosť uchopenia je porovnateľná s klasickými riešeniami manipulačných chápadiel.

obr7

LITERATÚRA

[1] Vagaš, M.; Baláž, V.; Semjon, J.; Sukop, M.: Návrh metodiky hodnotenia automatizovaných a robotických systémov. In: Transfer inovácií 23/2012, str. 41 – 43. Dostupné na internete: http://www. sjf.tuke.sk/transferinovacii/pages/archiv/transfer/23-2012/pdf/041- 043.pdf

[2] Jurišica, L.; Hubinský, P.; Kardoš, J.: Robotika, STU Bratislava 2005, Dostupné na internete: http://www.avir.sk/download/skripta.pdf

[3] Flekal, L.: Koncové efektory v průmyslové robotice. Brno 2009. Dostupne na internete: http://www.vutbr.cz/www_base/zav_prace_ soubor_verejne.php?file_id=15585

[4] Skařupa, J.: Průmyslové roboty a manipulátory: Učební text. Ostrava: VŠB-TU Ostrava, 2007. 260 s. ISBN 978-80-248-1522-0

[5] Kováč, J.: Efektorové jednotky montážnych a demontážnych robotov, Transfer inovácií, 2008 s. 27 – 31 Dostupne na internete: http://www.sjf.tuke.sk/transferinovacii/pages/archiv/ transfer/12-2008/pdf/27-31.pdf

 

TEXT/FOTO KAMIL ŐHLSCHLÄGER, JAROSLAV ŠEMINSKÝ, STROJNÍCKA FAKULTA, TECHNICKÁ UNIVERZITA V KOŠICIACH