1. Bioniline käsi – ülevaade

Biooniline käsi – ülevaade

Esimene üldine mulje robotitest – see on mingi tehislik masin, mis sarnaneb inimkehaga ja tegutseb meie moodi. Me isegi ootame, et ta räägiks ja mõistaks meid. Seetõttu nimetatakse selliseid roboteid humanoidideks. Tegelikult kasutatakse tööstuses palju lihtsamaid mehaanilisi roboteid. Need täidavad tavaliselt ainult ühte või mõnda tegevust (nt toodetava eseme teisaldamine ühelt töötajalt teisele), kuid üldised tööpõhimõtted on samad.

^{Joonis 1. Bionilise käe näide}

Olukord ei tundu nii keeruline, kui see osadeks jagada ja seestpoolt vaadata – tänapäevased tehnoloogilised saavutused võimaldavad meil ise luua bionilise käe (DIY = “tee ise”):

• Bionilise käe “keha” osad saab valmistada 3D-printeriga;
• Selle sees peaks olema ruumi mehaanilistele ja elektroonilistele komponentidele;  Need “keha” osad disainitakse tavaliselt 3D-modelleerimistarkvara abil;
• Liigutused teostatakse väikeste mootoritega (“lihastega”), mis tõmbavad nööre/niite (“kõõluseid”), mis on kinnitatud käe õigetele osadele;
• Mootoreid juhib tarkvaraprogramm, mis töötab mikrokontrolleril.

^{Joonis 2. Humanoidrobot}

Arusaamise parandamiseks saavad õpilased kasutada liitreaalsust (AR), et uurida bionilise käe sisemist struktuuri. AR-mudelite abil saavad õpilased visualiseerida, kuidas mootorid, kõõlused ja andurid omavahel suhtlevad, et jäljendada inimese käe liikumisi.

• Liigutusi saab algatada inimese kehas olevate elektriliste impulssidega – need impulsid tuvastatakse ja edastatakse mikrokontrollerile.

^{Joonis 3. Bionilise käe põhiosad ja komponendid}

Järgnevad teemad aitavad meil paremini mõista, kuidas neid samme ellu viiakse, ja isegi ise järele proovida.

Modelleerimine ja disain

Alguses piirame end lihtsamate liigutustega – ainult pöörlemine kahe kõrvuti asetseva sõrmeosa vahel. Keha sees peaks olema piisavalt ruumi ilma takistusteta, et liigutada nööre, ning võimalus neid (mis tahes sisemisi osi) mugavalt paigaldada. Seetõttu eeldatakse, et “kehaosa” koosneb kahest tükist, millel on teljeaugud ja nihked erinevate “kehaosade” ühendamiseks.

Sõrmede modelleerimise algkujuks on poolitatud silindrid. Osad peavad osaliselt kattuma, et neid oleks võimalik üksteise külge kinnitada või pöörleva ühenduse loomiseks.

^{Joonis 4. Sõrme koostis}

Sõrmede sees ei ole piisavalt ruumi, et sinna mootoreid paigaldada (või võivad sellised mikromootorid olla liiga kallid), seetõttu liigutatakse sõrmeosi nööride tõmbamisega ning mootorid paigutatakse tavaliselt bionilise käe randme või käsivarre ossa.

 ^{Joonis 5. Sõrme eraldatud osad}

Seega peame esmalt valmistama kõik vajalikud bionilise käe osad. Selleks on esimene samm nende osade mudelite loomine. Seejärel kasutatakse saadud mudeleid juhendfailide genereerimiseks 3D-printerite jaoks, mis aitavad meid tootmisprotsessis.

3D printimine

Üldiselt võimaldab 3D-printimise tehnoloogia luua peaaegu igasuguse kujuga eseme. See tehnoloogia arenes välja tindiprinteritest: sulatatud plastikut (tindi asemel) pritsitakse kiht kihi haaval vastavalt juhendfailile ning see tahkub toatemperatuuril. Lisaks mainitud 3D-printimise viisile on olemas ka mitmeid teisi tehnoloogiaid, mis võimaldavad klientidel valmistada osi erinevatest materjalidest, nagu metall, betoon, kumm jne.

Näiteks spetsiaalses 3D-printimise tehnikas metallosade tootmiseks luuakse metallese liivtolmus; metall sulatatakse laseriga kuumutades tahkeks esemeks.

^{Joonis 6. 3D-printimise tehnoloogia võimaldab luua peaaegu igasuguse kujuga esemeid}

"Lihased" tõmbavad "kõõluseid"

Roboti käe liikumine on väga sarnane inimese käe liikumisele. Lihas tõmbub kokku, kui sellest läbib elektrivool¹. See tõmbab kõõluseid, mis on kinnitatud kõrvalasuvale kehaosale. See pöörleb ümber liigese, mis ühendab neid kahte kehaosa.

Roboti puhul näeb see välja sarnane – mootor tõmbab nööri. Vastupidise liikumise saavutamiseks saab kasutada kahte alternatiivi:

• vedru, mis surub kehaosa algasendisse;
• kahe nööri süsteem, mis tõmbab kehaosa mõlemas suunas.

Kõigil juhtudel toimub liikumine spetsiaalsete mootorite abil, mida nimetatakse servo-mootoriteks (või servo-ajamiteks). Need digitaalsed seadmed liiguvad ja peatuvad ainult kindlates asendites, erinevalt pidevalt pöörlevatest mootoritest.

^{Joonis 7. Mehhanism, mis liigutab bioonilise käe sõrme}

¹ Lihaste kokkutõmbumist kontrollivad väga väikesed elektrilised impulsid, mida saab mõõta spetsiaalsete anduritega. Need impulsid pärinevad ajust ja neid saab kasutada bioonilise käe juhtimiseks, mis on kinnitatud asenduseks käele, mis on kaotatud õnnetuse tagajärjel.

Liikumise programmeerimine ja juhtimine

Bioonilise käe mootorite sihtasendi määrab mikrokontroller – väike “arvuti”, mille sees on tarkvara.

Tarkvara juhib liikumist mitmel olulisel viisil:

• programm kordub peaaegu lõputult (nt kuni täidetakse eritingimus või toide lülitatakse välja);
• programm kontrollib mio-andurit (lihasandurit), et teada, millal hakata nööri tõmbama (ja millist neist);
• kui me teame ette, millist objekti soovime bioonilise käega haarata, siis saame mootorile anda juhised sihtasendi kohta;

^{Joonis 8. Biooniline käsi hoiab eset}

• Enamasti pole objekti kuju teada, siis on vaja sõrme otsa täiendavat andurit, mis võimaldab jõudu kontrollida, et mitte eset bioonilises käes purustada.

  ^{Joonis 9. Jõuandurid sõrmeotstes}