1. Bioninė ranka – apžvalga

Bioninė ranka – apžvalga

Pirmasis bendras įspūdis apie robotus – tai kažkokia dirbtinė mašina, panaši į žmogaus kūną ir veikianti panašiai kaip mes. Mes netgi tikimės, kad jie su mumis kalbės ir mus supras. Todėl tokie robotai vadinami humanoidais. Iš tikrųjų pramonėje naudojama daug paprastesnių mechaninių robotų. Jie dažniausiai atlieka tik vieną ar kelis veiksmus (pvz., perkelia gaminamą daiktą nuo vieno darbuotojo kitam), tačiau bendrieji veikimo principai yra tie patys.

^{1 pav. Bioninės rankos pavyzdys}

Situacija neatrodo tokia sudėtinga, jei ją suskaidysime į dalis ir pažvelgsime iš vidaus – naujausi technologiniai pasiekimai leidžia mums patiems sukurti bioninę ranką (DIY = „pasidaryk pats“):

• Bioninės rankos „kūno“ dalys gali būti pagamintos naudojant 3D spausdintuvą;
• Viduje turi būti vietos mechaniniams ir elektroniniams komponentams;  Šios „kūno“ dalys paprastai kuriamos naudojant 3D modeliavimo programinę įrangą;
• Judesius atlieka maži varikliai („raumenys“), traukiantys virveles/stygas („sausgysles“), pritvirtintas prie atitinkamų pagamintos rankos dalių;
• Varikliai valdomi programine įranga, veikiančia mikrovaldiklyje.

^{2 pav. Humanoidas robotas}

Norint geriau suprasti, mokiniai gali naudoti papildytąją realybę (AR), kad ištirtų bioninės rankos vidinę sandarą. Naudodamiesi AR modeliais, mokiniai gali vizualizuoti, kaip varikliai, sausgyslės ir jutikliai sąveikauja, kad atkartotų žmogaus rankos judesius.

• Judesius galima inicijuoti elektriniais impulsais, esančiais žmogaus kūne – šie impulsai aptinkami ir perduodami mikrovaldikliui.

^{3 pav. Pagrindinės bioninės rankos dalys ir komponentai}

Šios temos padės mums geriau suprasti, kaip šie žingsniai įgyvendinami, ir netgi pabandyti juos atlikti patiems.

Modeliavimas ir projektavimas

Iš pradžių apsiribosime paprastesniais judesiais – tik sukimasis tarp dviejų gretimų piršto dalių. Kūno viduje turėtų būti pakankamai vietos be kliūčių judančioms virvelėms, taip pat galimybė patogiai jas įmontuoti (bet kokias vidines dalis). Todėl „kūno dalis“ tikimasi sudaryta iš dviejų dalių, turinčių ašies skylutes ir erdvės poslinkius, kad būtų galima sujungti skirtingas „kūno dalis“.

Pradinė forma pirštų modeliavimui yra perpus perpjauti cilindrai. Dalys turi iš dalies persidengti, kad būtų galima jas pritvirtinti viena prie kitos arba sukurti sukamąjį sujungimą.

^{4 pav. Piršto sudėtis}

Pirštų viduje nėra pakankamai vietos varikliams įmontuoti (arba tokie mikrovarikliai gali būti per brangūs), todėl piršto dalys judinamos traukiant virveles, o varikliai dažniausiai įmontuojami bioninės rankos riešo arba rankos dalyje.

^{5 pav. Atskirai sudėtos piršto dalys}

Taigi, iš pradžių reikia pagaminti visas reikalingas bioninės rankos dalis. Tam pirmas žingsnis yra sukurti šių dalių modelius. Po to gauti modeliai naudojami instrukcijų failų generavimui 3D spausdintuvams, kurie padeda gamybos procese.

3D spausdinimas

Apskritai, 3D spausdinimo technologija leidžia mums sukurti beveik bet kokios formos objektą. Technologija išsivystė iš rašalinio spausdinimo: išlydytas plastikas (vietoj rašalo) pagal instrukcijų failą purškiamas sluoksnis po sluoksnio ir kambario temperatūroje sustingsta. Be minėto 3D spausdinimo būdo, egzistuoja ir keletas kitų technologijų, leidžiančių gaminti detales iš įvairių medžiagų, tokių kaip metalas, betonas, guma ir kt.

Pavyzdžiui, specialioje 3D spausdinimo technikoje, skirtoje metalinėms detalėms gaminti, metalinis objektas formuojamas smėlio dulkėse; metalas išlydomas į kietą objektą, jį kaitinant lazeriu.

^{6 pav. 3D spausdinimo technologija leidžia sukurti beveik bet kokios formos objektą}

„Raumenys“ traukiantys „sausgysles“

Roboto rankos judėjimas yra labai panašus į žmogaus rankos judėjimą. Raumenys susitraukia, kai per juos praeina elektros srovė¹. Jie traukia sausgysles, pritvirtintas prie gretimo kūno dalies. Ta kūno dalis sukasi aplink sąnarį, jungiantį šias dvi kūno dalis.

Roboto atveju tai atrodo panašiai – variklis traukia virvelę. Norint atlikti atvirkštinį judesį, galima naudoti dvi alternatyvas:

• spyruoklę, kuri grąžina kūno dalį į pradinę padėtį;
• dviejų virvelių sistemą, traukiančią kūno dalį abiem kryptimis.

Bet kuriuo atveju judesys realizuojamas specialiais varikliais, vadinamais servo-varikliais (arba servo-pavaromis). Šie skaitmeniniai įrenginiai juda ir sustoja tik tam tikrose pozicijose, - kitaip nei nuolat besisukantys varikliai.

^{7 pav. Mechanizmas, judinantis bioninės rankos pirštą}

¹ Raumenų susitraukimus kontroliuoja labai mažos elektrinės impulso bangos, kurias galima išmatuoti specialiais jutikliais. Šie impulsai sklinda iš smegenų ir gali būti panaudoti bioninei rankai valdyti, kuri pritvirtinama kaip prarastos rankos pakaitalas po nelaimingo atsitikimo.

Programavimas ir judesio valdymas

Bioninės rankos variklių tikslinė padėtis nustatoma mikrovaldikliu – mažu „kompiuteriu“ su viduje esančia programine įranga.

Yra keletas svarbių dalykų, kaip programinė įranga valdo judėjimą:

• programa kartojama beveik be galo (pvz., kol įvyksta speciali sąlyga arba išjungiamas maitinimas);
• programa tikrina mio-sensorą (raumenų jutiklį), kad žinotų, kada pradėti traukti siūlą (ir kurį);
• jei iš anksto žinome, kokį objektą norime paimti bionine ranka, tuomet galime nurodyti varikliui tikslinę padėtį;

^{8 pav. Bioninė ranka laiko objektą}

• Dažniausiai objekto forma nėra žinoma, tuomet reikia kito jutiklio piršto gale, kad būtų galima patikrinti jėgą ir nesuspausti objekto bioninėje rankoje.

 ^{9 pav. Jėgos jutikliai įrengti pirštų galuose}