Actuatoare

Actuatoarele sunt „mușchii” unui gripper, transformând energia stocată în mișcare. Cele mai frecvent utilizate actuatoare pentru grippere includ motoarele electrice care învârt o roată sau un angrenaj și actuatoarele liniare care asigură mișcări liniare. Dar selecția efectivă a actuatoarelor depinde de proprietățile specifice ale fiecărui model de gripper. Există multe alte tipuri alternative de actuatoare, alimentate cu energie electrică, substanțe chimice sau aer comprimat, pentru a se potrivi diferitelor cerințe.

Motoare electrice

Motoarele electrice transformă energia electrică în energie mecanică. Acestea sunt dispozitivele de acționare utilizate în mod obișnuit atât la roboți, cât și la grippere. Motoarele pas cu pas sunt utilizate în sisteme proporționale cu costuri reduse în locul acționărilor pneumatice. Servomotoarele (motoare sincrone) sunt adesea folosite pentru aplicații solicitante în care este nevoie de reglarea sensibilă a forței și a poziției. Aceste motoare sunt adesea preferate în sistemele cu sarcini mai ușoare și în care forma predominantă de mișcare este rotațională, de exemplu, în acționarea șuruburilor, acționarea angrenajului și a cremalierelor, acționarea cablului și a scripetelor și mecanismele de acționare cu came.

Pentru a selecta motoarele electrice adecvate, trebuie să se calculeze și să se evalueze următorii factori:

• Numărul necesar de rotații ale motorului
• Momentul de încărcare
• Momentul de inerție de la masele în mișcare
• Cuplu de accelerare
• Momentul de frecare

Motorul potrivit poate fi selectat pentru a îndeplini cerințele de cuplu și viteză de mai sus. În cele din urmă, pe baza cerințelor de curent și tensiune ale motorului, poate fi selectat un controler.

Actuatoare liniare

Diverse tipuri de actuatoare liniare se deplasează înăuntru și în afară în loc să se rotească și au adesea schimbări de direcție mai rapide, în special atunci când sunt necesare forțe foarte mari, cum ar fi în cazul roboticii industriale.

Cele mai frecvent utilizate dispozitive de acţionare liniare în grippere sunt acţionările pneumatice. Acţionarea se realizează fie prin cilindri pneumatici integraţi cu carcasa gripper-ului, fie prin cilindri montaţi în exterior. Astfel de motoare primare sunt robuste și rezistente la suprasarcină. Acţionarea poate fi cilindri unidirecţional cu retur cu arc sau dublu sens. Forța de acționare F poate fi calculată ca

F = PAη (1)

în care P este presiunea efectivă (diferența de presiune pe două laturi ale cilindrului), A aria secțiunii transversale a cilindrului și η randamentul (de obicei între 0,7 și 0,9).

O altă antrenare pneumatică interesantă o constituie mușchii artificiali pneumatici, cunoscuți și sub denumirea de mușchi de aer (Air Muscles From Shadow Robot. http://www.shadowrobot.com) sau mușchi fluidici (site-ul FESTO. http://www.festo.com/). Sunt tuburi speciale care se contractă (de obicei până la 40%) atunci când aerul este forțat în interiorul lor.

Ventuza cu vid

Aspirația cu vid este una dintre cele mai vechi metode de prindere constrictoare care poate oferi o forță de menținere continuă fără aplicarea de solicitări de compresiune. A fost utilizată pe scară largă în întreaga industrie. Componentele cheie sunt în mod normal ventuze sau cupe din elastomer. Cupele pot fi fie active, fie pasive. Ventuzele active necesită de obicei vid aproximativ 70 % din atmosferă. Cea mai simplă implementare este forțarea unei ventuze flexibile pe o suprafață. Aerul este expulzat de o pompă de vid sau o duză de aspirație de vid pe măsură ce cupa de polimer flexibilă este comprimată.

În ventuzele pasive, vidul este produs prin simpla apăsare a unei ventuze disc având o margine relativ moale pe o suprafață plană. Presiunea mecanică poate fi aplicată manual sau cu mașina. Prin urmare, ventuzele nu necesită forță operațională suplimentară și pot fi aplicate și pe suprafețe ușor curbate. Aceste grippere nu sunt afectate de defectarea sursei de alimentare, deși pierderile de scurgere nu pot fi compensate.

Griperele bazate pe cupe de vid pot fi utilizate atât pentru piese mari, cât și pentru cele grele, și pentru componente foarte mici din industria semiconductoarelor și micro-ansamblărilor (Gengenbach et al. 1997).

Actuator magnetic

Similar cu aspirația cu vid, actuatoarele magnetice pot exercita o forță atractivă asupra materialelor feroase, care pot fi utilizate pentru proiectarea gripper-elor. Implementarea poate fi atât în ​​formă pasivă, cât și în formă activă.

Un simplu magnet permanent poate fi folosit pentru a achiziționa obiecte feroase. La temperaturi normale, magneții permanenți își mențin forța magnetică aproape la nesfârșit. Nu este necesară alimentarea externă; astfel, modelul poate fi extrem de simplu, cu întreținere redusă și potrivit pentru materiale plate, tije și tuburi de fier.

Actuatorul electromagnetic poate fi realizat din bobine înfăşurate pe miezuri cu permeabilitate magnetică ridicată. Forța de atracție poate fi calculată și proiectată în funcție de cerințele reale. Prin controlul curentului din bobină, forța poate fi controlată activ.

Gripper-ele magnetice au o construcție simplă și compactă, fără părți mobile. Alimentarea cu energie este simplă, cu randament ridicat. Ele pot fi aplicate cu o gamă largă de dimensiuni și forme de obiecte. Însă, există mai multe dezavantaje și limitări asociate cu prinderile magnetice. Ele pot fi folosite numai cu materiale feroase (fier, nichel, cobalt). Este necesar un timp de eliberare prelungit datorită remanenței magnetice. Acest lucru poate duce, de asemenea, la colectarea de particule fine magnetice și praf pe o perioadă prelungită. Datorită efectelor de pătrundere ale câmpului magnetic, separarea obiectelor din foi subțiri unele de altele este dificilă, iar obiectul poate deveni ușor magnetizat.

Actuatoare și motoare piezoelectrice

Actuatoarele piezoelectrice convertesc energia electrică în forță mecanică și mișcare pe baza efectului piezoelectric. Conform metodei de antrenare electrică, acestea pot fi împărțite în două categorii: actuatoare piezoelectrice antrenate-rezonant și actuatoaree piezoelectrice antrenate-nerezonant. Actuatoarele piezoelectrice antrenate-rezonant includ traductoare ultrasonice și motoare ultrasonice. Motoarele piezoelectrice sau motoarele ultrasonice sunt alternativele recente la motoarele de curent continuu. Ele funcționează pe un principiu fundamental diferit, prin care elemente piezoceramice minuscule, care vibrează în gama de frecvență ultrasonică, provocând mișcare liniară sau rotativă. Avantajele acestor motoare sunt rezoluția nanometrică, forța disponibilă pentru dimensiunea lor și forța de reținere atunci când sunt oprite (Zhao 2007). Aceste motoare sunt deja disponibile comercial; cu toate acestea, aplicațiile industriale reale în proiectarea gripper-elor sunt rareori văzute.

Actuatoarele piezoelectrice nerezonante includ diverse dispozitive de acționare cu o singură cursă, cum ar fi piezo-stive și benders (Physik Instrumente). Gama lor de frecvență de funcționare este de la cvasistatic până la aproximativ jumătate din prima frecvență de rezonanță a sistemului mecanic. Aceste actuatoare au dimensiuni foarte compacte, dar pot genera o forță relativ mare de până la câțiva kilonewtoni. Cu toate acestea, nivelurile tipice de deformare care pot fi obținute de materiale piezoelectrice sunt în intervalul de 0,1%. Această deformare apare la intensitatea câmpului în regiune de 1.000 V/mm. Pentru a crește deplasarea totală și pentru a reduce tensiunea de antrenare, aceste actuatoare sunt adesea construite în stivă de straturi foarte subțiri care sunt conectate în paralel electric. Cursa tipică a actuatoarelor piezoelectrice multistrat este de la câțiva până la câteva zeci de micrometri. Prin urmare, sunt folosite mai ales la gripper-ele mici în care este nevoie de mare precizie și curse mici.

Pe lângă dispozitivele de acționare menționate mai sus, sunt disponibile multe alte tipuri de dispozitive de acționare, dar mai puțin utilizate din cauza limitărilor lor. Acestea includ sârmă musculară, cunoscută și sub numele de aliaj cu memorie de formă, nitinol sau sârmă flexinol, care este un material care se contractă ușor (de obicei sub 5 %) atunci când electricitatea trece prin el. Ele au fost utilizate pentru unele aplicații de roboți mici (Lexcellent 2013). EAP-urile sau EPAM-urile sunt un material plastic nou care se poate contracta substanțial (până la 380% deformare de activare) prin electricitate.

Senzori

Senzorii permit efectorului final sau gripper-ului să primească informații despre mediu sau componentele interne. Acest lucru este esențial pentru ca ei să-și îndeplinească sarcinile și să acționeze în funcție de orice modificare a mediului pentru a calcula răspunsul adecvat. Există trei tipuri de detecție care sunt legate de tehnologia efectorului final sau gripper-ului:

• Detectarea proximității sau a prezenței obiectelor de manipulat
• Verificarea prinderii sau eliberării
• Detectarea poziției și orientării obiectului

Există numeroase tipuri de senzori care pot fi utilizați pentru a îndeplini cerințele de detectare menționate mai sus. Selectarea senzorului este independentă de strategia de control aleasă, de mediu și de modelul fizic al efectorului final sau al gripper-ului. Restul acestei secțiuni va oferi o scurtă introducere a celor mai frecvent utilizate clase de senzori relevanți pentru sarcina de detectare în gripper-e.

Senzori de proximitate

Senzorii de proximitate sunt senzori fără contact care furnizează un semnal din care pot fi obținute informații privind distanța instantanee până la un obiect dat. Cuplarea semnalului poate fi realizată prin mijloace inductive, capacitive, fluidice, optice sau acustice.

Senzori inductivi

Senzorii inductivi sunt denumiți și senzori de curenți turbionari (eddy). Sunt potriviți pentru obiecte conducătoare de electricitate, de obicei metale. Senzorul este format dintr-o buclă de inducție. Curentul electric generează un câmp magnetic, care se prăbușește generând un curent care scade asimptotic spre zero de la nivelul său inițial atunci când energia electrică de intrare încetează. Inductanța buclei se modifică în funcție de materialul din interiorul acesteia și, deoarece metalele sunt inductori mult mai eficienți decât alte materiale, prezența metalului crește curentul care circulă prin buclă. Această modificare poate fi detectată prin circuitele de detectare, care pot semnala unui alt dispozitiv ori de câte ori este detectat metal. Raza de detectare poate fi de până la câțiva centimetri, dar recunoașterea unor aliaje și părți din fibră de carbon prezintă probleme. Detectarea poate fi dependentă și de grosimea obiectelor foarte conductoare.

Senzori capacitivi

Senzorii capacitivi folosesc proprietatea electrică de „capacitate” pentru a efectua măsurători. Capacitatea este o proprietate care există între oricare două suprafețe conductoare într-o proximitate rezonabilă. Modificările distanței dintre suprafețe modifică capacitatea. Senzorii capacitivi folosesc această schimbare a capacității pentru a indica schimbările de poziție ale unei ținte. Sunt potrivite practic pentru toate materialele, cu câteva excepții, dar limitate la o distanță de câțiva milimetri. Senzorii capacitivi pot atinge rezoluția nanometrică, ceea ce îi face indispensabili în aplicațiile de ultraprecizie.

Senzori fotoelectrici sau optoelectronici

Senzorii fotoelectrici sau optoelectronici oferă detectarea fără contact pentru aproape orice substanță sau obiect până la o rază de 10 m. Senzorii fotoelectrici constau dintr-o sursă de lumină (de obicei un LED, diodă emițătoare de lumină, fie în spectru de lumină în infraroșu, fie în spectru vizibil) și un detector (fotodiodă). Datorită fasciculului de energie în infraroșu de mare intensitate, acești senzori au avantaje majore față de alte sisteme optoelectronice atunci când sunt utilizați în medii cu praf. Cu fasciculul lor focalizat și raza lungă de acțiune, senzorii optoelectronici sunt din ce în ce mai folosiți în aplicații în care altor tehnici de detectare le lipsesc detectarea distanței sau acuratețea.

Senzorii fotoelectrici sunt disponibili într-o varietate de moduri, incluzând proximitate în infraroșu (reflexie difuză), fascicul transmis (fascicul traversant), retroreflectiv (reflex), retroreflexiv polarizat (reflex polarizat), fibră optică și rejectare de fundal.

Senzori ultrasonici

Senzorii cu ultrasunete utilizează reflectarea undelor sonore de înaltă frecvență (peste 20 kHz) pentru a detecta piese sau distanțe până la piese. Cele două tipuri de senzori ultrasonici de bază sunt electrostatic și piezoelectric. În general, senzorii cu ultrasunete sunt cea mai bună alegere pentru ținte transparente. Ele pot detecta o folie de plastic transparentă la fel de ușor ca un palet din lemn, dar nu sunt potrivite pentru materiale plastice spumate și unele produse din fibre textile.

Senzori de contact

Această clasă de senzori răspunde la contactul fizic. Atunci când are loc un contact, senzorul va genera informații corespunzătoare care pot fi utilizate pentru a controla dispozitivul de prindere, de exemplu, motorul unui gripper. Informațiile care sunt detectate sunt de obicei forță, cuplu sau presiune. În cel mai simplu caz este suficient să aveți un senzor binar. Senzorii binari înregistrează pur și simplu praguri pentru un semnal dat, de exemplu, contactul dintre degetul gripper-ului și un obiect.

Senzori de forță-cuplu

Senzorii de forță-cuplu au fost utilizați pe scară largă în gripper-ele industriale, de exemplu, celulele de sarcină. Feedback-ul de forță reprezintă o cerință fundamentală pentru succesul oricărei sarcini care implică interacțiune fizică cu mediul înconjurător, dar atunci când încercați să îl utilizați pentru a evalua calitatea unei prinderi, informațiile de forță care provin de la un senzor de încheietură nu sunt atât de importante. Pe de altă parte, senzorii de forță ar putea fi utilizați pentru a detecta pozițiile de contact dacă sunt plasați pe fiecare deget și să folosească acele informații de contact pentru a evalua stabilitatea prinderii. Cerințele acestor sisteme de către industrii au condus tehnologia de detectare a forței-cuplu la o dezvoltare și robustețe deosebite. Senzorii de forță-cuplu sunt amplasați în mod normal între gripper și flanșa robotului. Acestea sunt elemente deformabile, pentru care există multe modele. De obicei, senzorii forță-cuplu sunt 6D: forță și cuplu. Există și senzori 12D care măsoară și accelerațiile.

Senzori tactili

Senzorii tactili sunt mai simpli pentru a fi utilizați în gripper-e. Senzorii tactili pot oferi informații despre suprafața în contact cu obiectul și le pot folosi pentru a determina stabilitatea prinderii, de exemplu, folosind o metodă de clasificare. Cele mai obișnuite forme de detecție tactilă sunt piezorezistive, capacitive și optice (indiferent dacă lumină infraroșie sau vizibilă).

Senzori pentru orientare și poziție

Viziune

Desigur, viziunea este cel mai potrivit indiciu senzorial pentru a localiza obiecte în spațiul de lucru și pentru a identifica obstacolele din împrejurimile acestuia. Poate fi folosită și pentru a detecta contacte și pentru a urmări relația dintre gripper și obiectul manipulat. Pentru sarcinile de prindere și manipulare, cele mai utile informații sunt locația și structura 3D a obiectelor și obstacolelor. Abordarea clasică și comună pentru obținerea de informații 3D ale mediului este sistemul de reconstrucție stereo. Această metodă se bazează pe disparitatea dintre două imagini ale camerei pentru a extrage informații despre profunzime și a fost abordată pe scară largă. O altă abordare este de a proiecta în mod activ un model pe scenă și de a observa deformarea acestuia pentru a obține structura 3D. Această metodă este utilizată de senzorul Kinect.

Însă, viziunea nu este utilizată pe scară largă în aplicațiile de prindere din industrie, deși a fost studiată pe larg în comunitatea științifică. Motivul este că vederea nu este 100% fiabilă din cauza incertitudinilor de mediu, erorilor de detectare, erorilor de calibrare și așa mai departe. O metodă mai simplă și mai des folosită este utilizarea triangulației laser sau a senzorilor acustici.

Senzor de alunecare

Alunecarea unui obiect între fălcile gripper-ului poate fi detectată de senzorii de alunecare special proiectați. Obiectul poate fi reținut folosind cea mai mică forță posibilă, iar la detectarea alunecării, această forță poate fi crescută automat.