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