На сегодняшний день использование робототехнических захватов в промышленном производстве ограничено грубыми дву- и трехпалыми захватами. Они применяются для выполнения относительно простых движений. Робототехнических захваты для более деликатных задач показали свою неэффективность ввиду отсутствия достаточных технических возможностей. Положительное взаимодействие микроэлектроники и микромеханики наконец дало долгожданный прорыв. Действительно, технологический прогресс в данной области постоянно возрастает. Таким образом, созданные на основе человеческой кисти робототехнические захваты с управляемыми по отдельности пальцами и сочленениями больше не являются фантастикой и, вероятно, вскоре станут доступны в промышленном секторе в регулярном режиме.

Человеческая кисть является одним из наиболее универсальных инструментов, созданных природой. Неудивительно, что исследователи стремятся применить преимущества этой возникшей в результате эволюции конструкции к новому поколению робототехнических захватов.

Германский аэрокосмический центр (DLR) в сотрудничестве с Харбинским технологическим институтом (HIT) уже разработал робототехнический захват, аналогичный человеческой кисти – с использованием миниатюрных исполнительных механизмов и высокопроизводительной технологии шинного соединения.

Конструирование робототехнического захвата и возможностями и маневренностью человеческой кисти требует как минимум четырех пальцев: три пальца позволят робототехническому захвату удерживать конические детали, а большой палец используется в качестве опоры. Четвертый палец, спроектированный как большой, имеет четыре степени подвижности. Само собой разумеется, что различные движения, ставшие возможными благодаря такому решению, должны управляться и контролироваться практичным способом. В данном контексте высокоэффективные каналы передачи данных являются необходимой функцией системы управления, в частности, при выполнении сложных задач. Поэтому, наряду с обработкой больших объемов данных, крайне важным является время. Разработанная специально для данной цели высокоскоростная шина 25 Мб/с с возможностью работы в режиме реального времени встроена в сам робототехнический захват.

Технологии шинного соединения для «нервов»

В прошлом пальцы робота двигались с помощью протянутых кабелей. Напротив, современная микротехника позволяет встроить двигатель непосредственно в палец. В этом случае в управляющий процессор передаются необходимые данные о положении и оперативная информация. Это неотъемлемая часть всей работы – и единственный способ позволить исполнительному механизму использовать свои сильные стороны в полном объеме. Каждый «сустав» пальца содержит разработанный компанией бесконтактный датчик угла наклона, а также датчик вращающего момента. Поскольку оба датчика требуют крайне высокой разрешающей способности, для передачи огромного количества необходимых данных используется шина. Быстрая обратная связь для сравнения заданного и фактического значения крайне необходима для программируемых пользователем логических матриц (FPGА). Для внешнего последовательного соединения от захвата до управляющего процессора требуется всего три шины.
Фактическая система управления, процессор обработки сигналов на подключаемой карте PCI , интегрирована в стандартный ПК. Удобный для оператора интерфейс позволяет управлять «кистью» с компьютера. Все данные датчиков можно отображать на мониторе. Отображение данных, управление и подключение захвата к компьютеру с самого начала разрабатывались с расчетом на будущее использование в промышленной среде. Помимо «нервов» и «мозга», функционирующему захвату также нужны «мышцы», чтобы обеспечить его силой.

Миниатюрные исполнительные механизмы заменяют мышечную силу.

Невероятная сложность нового робототехнического захвата имеет свою цену. Для каждого пальца требуются несколько отдельно управляемых исполнительных механизмов. В данном конкретном случае на каждый захват используется двенадцать двигателей постоянного тока с электронной коммутацией (ЕС-моторы), включая аналоговые датчики Холла. Команда инженеров сделала выбор в пользу исполнительных механизмов, разработанных компанией «FAULHABER», специализирующейся на миниатюрных двигателях, поскольку они охватывают весь спектр необходимых требований. Это недорогая, доступная на рынке продукция с набором необходимых рабочих характеристик, которая также крайне компактна. Для четырехпалого робототехнического захвата были выбраны бесщеточные серводвигатели постоянного тока с диаметром 16 мм. Их можно подключить к редукторам того же диаметра и создать один интегрированный блок. Двигатели доступны в версиях 12 В и 24 В и демонстрируют мощность 11 Вт с максимальным продолжительным вращающим моментом до 2,6 мНм. Хорошая динамическая реакция, даже при изменениях в направлении вращения, и предварительно напряженные шарикоподшипники обеспечивают точное реагирование на управляющие команды. Стандартно устанавливаемые аналоговые датчики Холла передают сигнал о точном положении в систему управления и доставляют необходимую информацию обратной связи с разрешением не менее 8 бит. Датчики Холла и двигатель образуют компактный блок длиной всего 28 мм и с наружным диаметром 16 мм – весом всего лишь 31 г. Двигатели работают на холостом ходу на скорости 29 900 об/мин. Исполнительные механизмы дополнены полностью металлическими планетарными зубчатыми редукторами. Эта стандартная продукция компании «FAULHABER» сокращает высокие скорости вращения для применения в «захвате» и одновременно усиливает вращающий момент. Доступен широкий выбор вариантов с коэффициентами от 3,7:1 до 5647:1. В данном случае используется коэффициент 159:1. Таким образом, допустимый вращающий момент увеличивается до максимального значения 450 мНм. Сам зубчатый редуктор весит всего 33 г и имеет общую длину 29,4 мм. Новый робототехнический захват HIT-DLR допускает очень тонкое и точное управление благодаря технологии компактного исполнительного механизма с обратной связью и быстрой передаче данных с помощью шины. Таким образом, микротехника и микроэлектроника идеально дополняют друг друга. «Вооруженные» стандартными компонентами и хорошей концепцией инженеры сейчас могут производить продукцию, которую несколько лет назад невозможно было вообразить даже с самыми дорогими компонентами, изготовленными по индивидуальному заказу.