Manipulatory w robotyce

Robot musi coś robić, tak? Czynność wykonywana przez robota może polegać np. na niewinnym podnoszeniu piłki. Wiele robotów wyposażono w różne manipulatory, takie jak np. szpon widoczny na rysunku 10.1. Manipulatory mogą być najbardziej skomplikowanymi modułami wchodzącymi w skład robotów, ponieważ muszą składać się z silników i ruchomych elementów.

RYSUNEK 10.1. Chwytak firmy Makeblock składa się z czterech palców ułożonych na planie kwadratu

Manipulatory mogą mieć różną formę, a niektóre z nich czasami trudno nawet określić mianem manipulatorów. Czy na przykład mazak można określić mianem manipulatora? Moim zdaniem tak! Jednakże wiele osób mogłoby przytoczyć przeciwne argumenty. Tak czy inaczej, w rozdziale tym postanowiłem opisać jak najwięcej manipulatorów, które mogą być używane w robotyce.

Po przedstawieniu różnych konstrukcji manipulatorów opiszą kilka komercyjnych chwytaków — chwytaków, które mają formę gotowych modułów. Na koniec, jak zapewne się domyślasz, zbudujesz samodzielnie kilka projektów: manipulator wykonany z zestawu LEGO Technic, drewniane szczypce i praktyczny chwytak składający się z pompy generującej podciśnienie i ziaren kawy.

Rodzaje manipulatorów

Wspominałem już o tym, że trudno jest zdefiniować, co można określić mianem manipulatora. W tym rozdziale postanowi????em opisać jak najwięcej różnych manipulatorów.

Uniwersalny chwytak

W tym fascynującym chwytaku skorzystano ze zjawiska zwanego zakleszczeniem. Po odessaniu powietrza z balonu wypełnionego zmielonymi ziarnami kawy te zmielone ziarna połączą się ze sobą, tworząc twardą strukturę mogącą utrzymać jakiś przedmiot do momentu wpompowania powietrza z powrotem do balonu.

RYSUNEK 10.2. Okazuje się, że ze zmielonych ziaren kawy można zbudować doskonały chwytak!

Szufla

Wydaje mi się, że mianem manipulatora można określić szuflę zamontowaną np. z przodu spychacza widocznego na rysunku 10.3. Szufla nie jest tak elegancka jak szpony lub szczypce, ale spróbuj wykopać coś za pomocą szczypców!

RYSUNEK 10.3. Szufle doskonale nadają się do przenoszenia dużej liczby małych obiektów

Szufla wydaje się prostym rozwiązaniem, ale jej konstrukcja może być dość skomplikowana. Szufla jest poruszana za pomocą mechanicznego ramienia, które nie tylko wykonuje ruchy szuflą, ale także ustawia ją pod właściwym kątem — dzięki temu szufla może coś wykopać, a także np. podnieść znajdujący się na niej urobek do góry.

Macka

Mechaniczne macki wykonywane na poziomie hobbystycznym charakteryzują się dość prostą konstrukcją, ale nie powinno Cię to zniechęcać do eksperymentowania z nimi. Na rysunku 10.4 przedstawiono przykład mechanicznej macki zbudowanej z zestawu zaprojektowanego przez Erin „RobotGrrl” Kennedy. Zestaw ten znajdziesz w jej sklepie internetowym: http://robobrrd.com/store/product/tentacle-mechanism-kit-electronics/.

Macka składa się z czterech serwomotorów sterujących zespołem dysków wiszących na linach. Dodatkowo została ona wyposażona w diody LED, które mogą zostać zaprogramowane tak, aby zmieniały kolor podczas pracy serwomotorów. Cała konstrukcja jest sterowana za pomocą mikrokontrolera Arduino Pro Mini.

RYSUNEK 10.4. Mechaniczne macki nie są tak fascynujące jak macki zwierząt, ale warto jest poeksperymentować z zestawem zaprojektowanym przez RobotGrrl

Pneumatyka

Okazuje się, że poczciwa automatyka może przydać się również do zasilania robotów. W niektóre roboty wbudowano sprężarki. Sprężone powietrze jest używane do poruszania tłoków i innych komponentów — dzięki temu możliwe jest zbudowanie robota bez klasycznych silników i przewodów.

Pneumatykę zastosowano również w ramieniu uArm firmy uFactory (zobacz rysunek 10.5). Pneumatyka wytwarza podciśnienie umożliwiające chwytanie przedmiotów.

RYSUNEK 10.5. Mechaniczne ramię uArm przysysa się do różnych przedmiotów, umożliwiając ich podnoszenie

Szczypce

Szczypce i szpony to dwa różne manipulatory. W tej sekcji zakładamy, że szpony są manipulatorem, który ściska podnoszony przedmiot za pomocą dwóch ruchomych elementów (mechaniczne szczypce działają tak jak szczypce kraba chwytającego różne przedmioty). Szpony przypominają bardziej ludzką rękę.

Bardzo łatwo jest wyposażyć robota w szczypce, o czym przekonasz się, budując nie jedną parę, a dwie pary szczypców. Na rysunku 10.6 przedstawiono szczypce zbudowane z komponentów LEGO.

RYSUNEK 10.6. Czym są szczypce? Szponami, które mogą Cię uszczypnąć

Dłoń humanoidalna

W praktyce humanoidalne dłonie są bardzo rzadko spotykane w robotyce, ponieważ są one bardzo trudne do wykonania, a stosując prostsze mechanizmy, można osiągnąć podobne efekty. Jednakże warto mieć na uwadze to, że projektując mechaniczne dłonie, można pominąć ograniczenia ludzkich kończyn (np. to, że palce dłoni człowieka zginają się tylko w jednym kierunku).

Budowa manipulatorów przypominających ludzkie dłonie jest wyzwaniem często podejmowanym przez robotyków. Udało się stworzyć mechaniczne dłonie, które charakteryzują się podobnymi możliwościami co ludzkie, szczególnie gdy porówna się ich możliwości z możliwościami standardowych mechanicznych szponów. Na rysunku 10.7 przedstawiono mechaniczną dłoń stworzoną z komponentów wydrukowanych za pomocą drukarki 3D.

RYSUNEK 10.7. Humanoidalność — złoty standard ????wiata robotyki

Elektromagnes

Każdy pracownik składnicy złomu wie, że elektromagnesy doskonale nadają się do podnoszenia ciężkich metalowych przedmiotów. Mniejszy elektromagnes (zobacz rysunek 10.8) może zostać użyty w charakterze elementu konstrukcyjnego Twojego robota. Elektromagnes umożliwia podnoszenie jedynie metalowych elementów, ale ograniczenie to można obejść na wiele różnych sposobów — np. plastikowe przedmioty po przyczepieniu do nich magnesów mogą być podnoszone za pomocą elektromagnesów.

RYSUNEK 10.8. Elektromagnesy doskonale nadają się do podnoszenia metalowych elementów

Fascynujący świat robotów. Przewodnik dla konstruktorów, Autor: John Baichtal. wyd. Helion